JP6471664B2 - 回転子 - Google Patents

Description

この発明は、換気扇、空調機の室外機など色々な電機機器の回転動力源に用いられる誘導電動機の回転子に関する。

誘導電動機のひとつにかご型誘導電動機がある。このかご型誘導電動機の回転子は、軸方向に配列された複数の回転子バーと、軸方向の端部で回転子バーと電気的に接続されたエンドリングとで構成されている。一般に、かご型誘導電動機の回転子は、導電体で構成された回転子バーが収納されるスロットを備えた電磁鋼板が軸方向に積層された回転子鉄心を備えている。このようなかご型誘導電動機においては、回転時のトルク脈動の低減、電磁騒音の低減および固定子が作る高調波磁束により発生する回転子銅損（高調波二次側銅損）の低減を目的として、回転子バーは軸方向にスキューされている。すなわち、回転子鉄心は、スロットが軸方向に斜めになるように電磁鋼板が積層されている。

高調波二次側銅損を低減するために、高周波成分の磁束が多く発生する回転子の径方向端部のスロットのスキュー角度をスロット全体のスキュー角度より大きくすることが開示されていた（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。すなわち、始動時など回転子から見て固定子が発生する磁束の周波数が高い場合には、回転子表面付近の回転子バーに多くの磁束が鎖交するため、この部分のスキュー角度を大きくすることで高調波領域での二次電流を抑制することができるとしていた。

特開平１０−１１７４６７号公報（２−３頁、図６） 特開２００９−２７８７８３号公報（４−５頁、図２）

しかしながら、スキュー角度が大きくなれば隣接する回転子バーの間に横流と呼ばれる誘導電流による横流損失が大きくなり、低速回転域でのトルクが減少することが知られている。横流損失の原因となる横流は、回転子バーと回転子鉄心と間の接触抵抗値により変化するため、ばらつきが大きい。そのため、従来のように回転子の径方向端部のスキュー角度を大きくすると、横流損失のばらつきも大きくなり、この横流損失のばらつきが低速回転域のトルクばらつきの原因となり、誘導電動機のトルク特性のばらつきが大きくなるという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、スキューされた回転子バーを備えた回転子において、低速回転域でのトルクばらつきを低減することを目的とする。

この発明に係る回転子においては、スロットを備えた複数の電磁鋼板が軸方向に積層された回転子鉄心と、回転子鉄心のスロット内に収納された回転子バーと、軸方向の端部で前記回転子バーと電気的に接続されたエンドリングとを有する回転子であって、複数の電磁鋼板は、各電磁鋼板の各スロットが軸方向に所定角度ずつずれるようにスキューされて積層されており、スロットは、複数の電磁鋼板において共通の形状を有する主スロット部と複数の電磁鋼板において異なる形状を有する副スロット部とを備えており、副スロット部は、主スロット部より径方向の外側であり、主スロット部のスキュー角に対して副スロット部のスキュー角が小さく、回転子バーは、主スロット部および副スロット部の中に収納されているものである。

この発明は、主スロット部のスキュー角に対して、副スロット部のスキュー角を小さくしているので、回転子の外径側での横流を低減することができる。このため、横流損失のばらつきを低減することが可能となり、低速回転域でのトルクばらつきを低減することができる。

この発明の実施の形態１を示す回転子の模式図である。 この発明の実施の形態１を示す回転子の模式図である。 この発明の実施の形態１におけるスロットの模式図である。 この発明の実施の形態１における回転子の模式図である。 この発明の実施の形態１における電磁界解析の結果を示す特性図である。 この発明の実施の形態２を示すスロットの模式図である。 この発明の実施の形態２における回転子の模式図である。 この発明の実施の形態３を示す回転子の模式図である。 この発明の実施の形態３におけるスロットの模式図である。 この発明の実施の形態３における回転子の模式図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係る回転子の模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る回転子１は、複数のスロット２を備えた円柱状の回転子鉄心３と、スロット２の中に収納された回転子バー４と、軸方向端部で回転子バー４に電気的に接続されたエンドリング５とで構成されている。回転子鉄心３の軸中心には、シャフト６が貫通されている。複数のスロット２は、周方向に配列されている。図１においては、回転子バー４とエンドリング５とは間隔を開けて示している。本実施の形態においては、回転子バー４は、アルミダイカストなどにより溶融金属をスロット２に流し込んで冷却固化することで作製されている。本実施の形態において、スロット２は、これ以降回転子バー４の金属が収納される前の空間として説明する。

回転子鉄心２は、円盤状の電磁鋼板が積層されて構成されており、各電磁鋼板にはスロット２となる孔が形成されている。複数の電磁鋼板は、各スロットが軸方向に所定角度ずつずれるように積層されている。

図２は、本実施の形態における回転子１を軸方向から見た模式図である。図２において、スロット２ａは、回転子１における軸方向の上方の端部の電磁鋼板に形成された１つのスロットであり、スロット２ｂは、下方の端部の電磁鋼板に形成された１つのスロットである。スロット２ａとスロット２ｂとは、積層された電磁鋼板のスロットで軸方向につながっている。なお、図２において、スロット２ａ、スロット２ｂ以外のスロットは図示していない。図２に示したように、一方の端部の電磁鋼板から他方の端部の電磁鋼板の間の電磁鋼板は、スロット２ａからにスロット２ｂまでスロットで連続的につながるように各電磁鋼板は所定角度ずつずらして積層されている。

スロット２ａは、２つの部分に分かれている。つまり、スロット２ａは、径方向の内側で複数の電磁鋼板において共通の形状を有する主スロット部２２ａと径方向の外側で複数の電磁鋼板において異なる形状を有する副スロット部２３ａとで構成されている。同様に、スロット２ｂは、方向の内側で複数の電磁鋼板において共通の形状を有する主スロット部２２ｂと径方向の外側で複数の電磁鋼板において異なる形状を有する副スロット部２３ｂとで構成されている。本実施の形態において、副スロット部は、電磁鋼板の径方向に開口を設けたものである。スロット２ａの副スロット部２３ａは、主スロット部２２ａの中心よりも周方向で右側にずれており、スロット２ｂの副スロット部２３ｂは、主スロット部２２ｂの中心よりも周方向で左側にずれている。ここで、スロットの中心と回転子鉄心の中心とを結ぶ直線をスロットの基準線と定義する。スロット２ａの主スロット部２２ａの基準線２４ａとスロット２ｂの主スロット部２２ｂの基準線２４ｂとがなす角を主スロットのスキュー角αとし、スロット２ａの副スロット部２３ａの基準線２５ａとスロット２ｂの副スロット部２３ｂの基準線２５ｂとがなす角を副スロット部のスキュー角βとする。本実施の形態においては、α＞βに設定されている。

図３は、本実施の形態におけるスロットの形状を示した模式図である。図３において、図３（ａ）は図１に示すＡ断面の電磁鋼板に形成されたスロットであり、図３（ｂ）は図１に示すＢ断面の電磁鋼板に形成されたスロットであり、図３（ｃ）は図１に示すＣ断面の電磁鋼板に形成されたスロットである。図３に示したように、図３（ａ）のスロットでは副スロット部２２ｂが主スロット部２２ａの中心よりも周方向で左側にずれており、図３（ｃ）のスロットでは副スロット部２３ｂが主スロット部２２ｂの中心よりも周方向で右側にずれており、図３（ｂ）のスロットでは副スロット部が主スロット部の中心と一致している。断面Ａから断面Ｂを経由して断面Ｃに到るまでに積層された電磁鋼板では、図３（ａ）に示したスロット形状から図３（ｂ）に示したスロット形状を経由して図３（ｃ）に示したスロット形状まで連続的にスロット形状が変化していくようにスロットが形成されている。つまり、副スロット部は、積層された電磁鋼板の積層方向において徐々に位置が変化して構成されている。

図４は、本実施の形態における回転子のスロットを横から示した模式図である。図４に示したように、回転子１の各電磁鋼板の軸方向に貫通して形成された副スロット部２３は、軸方向に連続的に斜めになるように構成されている。同様に、回転子１の各電磁鋼板の軸方向に貫通して形成された主スロット部２２も軸方向に連続的に斜めになるように構成されている。さらに、主スロット部２２のスキューされた幅Ｘ（主スロット部の軸方向のずれ幅）と副スロット部２３のスキューされた幅（副スロット部の軸方向のずれ幅）とを比較すると、Ｘ＞Ｙとなっている。

次に、本実施の形態におけるスロット形状の作用効果について説明する。

図５は、比較のために複数の電磁鋼板に形成されたスロット形状が同じで軸方向に一定のスキュー角でスキューされた回転子のおける電磁界解析の結果を示す特性図である。図５において、縦軸はスキュー角が一定の回転子を用いた誘導電動機におけるトルクである。電磁界解析に用いた誘導電動機は、６極で固定子スロット数が３６、回転子スロット数が４４で、回転子の直径がφ９．９４ｃｍ、軸方向の長さが８．５ｃｍ、径方向の表面に開口部を備えた形状のものである。また、回転子は固定子スロットピッチでスキューされている。このような誘導電動機において、横流が発生した場合のトルク特性を計算した。

図５（ａ）は、横流がない場合のトルク特性である。図５（ｂ）は、ある一定電流の横流がスロットの径方向内部（スロットの底部）に流れたときのトルク特性であり、図５（ｃ）は、同じ一定電流の横流がスロットの径方向外部（スロットの開口部）に流れたときのトルク特性である。

図５からわかるように、このように構成された回転子においては、スロットの内径側（底部）に横流が発生したとしてもトルク低下はわずかであり、スロットの外径側（先端部）に横流が発生した場合は大きなトルク低下を招くことがわかった。これは、固定子が作るスロット高調波のように高い周波数の高調波磁束が回転子表面付近で横流を誘導することが原因であることを示している。すなわち、固定子が作る高調波磁束は回転子スロット底近くまでは到達せず回転子表面付近に鎖交すること、および固定子が作る高調波磁束により発生する横流損がトルク低下の主な原因であることを示している。

したがって回転子スロット表面付近のスキュー角が大きいと、隣り合う回転子バー間に発生する誘起電圧が大きくなるため、横流電流が流れ、横流損によるトルク低下が顕著となるということがわかった。横流は、回転子バーと回転子鉄心との間の接触抵抗値によりその値が変化する。回転子鉄心は、電磁鋼板が積層されて構成されているが、その電磁鋼板は、打ち抜きなどの工程よってスロットが形成されており、スキューするために層毎にずらして積層されている。また、スロットに収納される回転子バーは、アルミダイカストなどにより溶融金属をスロットに流し込んで冷却固化することで作製されている。さらに、空隙面での精度を確保するため、回転子表面を切削する工程を含む場合が多く、回転子表面における導体と鉄心間の接触抵抗がばらついてしまうことは避けられない。

スロットの外径側（先端部）のスキュー角が大きいと横流による大きなトルク低下を招くが、製品毎に横流がばらつくことにより、そのトルク低下も大きくなり、結果として製品ごとにトルク特性が変化することになる。これは、製品の性能として低速回転域のトルク特性を補償する必要がある誘導電動機に対しては、高調波損失がたとえ大きくなったとしても製品ごとの横流によるトルクばらつきが大きくなることを回避する必要がある。

本実施の形態のように、回転子のスロットを、複数の電磁鋼板において共通の形状を有する主スロット部と複数の電磁鋼板において異なる形状を有する副スロット部とで構成し、副スロット部を、主スロット部より径方向の外側とし、トルク低下の大きい副スロット部のスキュー角を主スロット部のスキュー角に対して小さくしているので、スロットの外径側（副スロット部）での横流を低減することができる。その結果、横流損失のばらつきを低減することが可能となり、低速回転域でのトルクばらつきを低減することができる。

実施の形態２．
実施の形態１において、副スロット部は積層された電磁鋼板の積層方向において徐々に位置が変化して構成されていた。この場合、積層される電磁鋼板は個々にスロット形状が異なるものとなる。本実施の形態においては、１つの形状のスロットを用いて回転子を構成するものである。

図６は、実施の形態２における回転子１を軸方向から見た模式図である。図６において、スロット２ａは、回転子１における軸方向の上方の端部の電磁鋼板に形成された１つのスロットであり、スロット２ｂは、下方の端部の電磁鋼板に形成された１つのスロットである。スロット２ａとスロット２ｂとは、積層された電磁鋼板のスロットで軸方向につながっている。なお、図６において、スロット２ａ、スロット２ｂ以外のスロットは図示していない。図６に示したように、一方の端部の電磁鋼板から他方の端部の電磁鋼板の間の電磁鋼板は、スロット２ａからにスロット２ｂまでスロットで連続的につながるように各電磁鋼板は所定角度ずつずらして積層されている。

スロット２ａは、２つの部分に分かれている。つまり、スロット２ａは、径方向の内側で複数の電磁鋼板において共通の形状を有する主スロット部２２ａと径方向の外側で複数の電磁鋼板において異なる形状を有する副スロット部２３ａとで構成されている。同様に、スロット２ｂは、方向の内側で複数の電磁鋼板において共通の形状を有する主スロット部２２ｂと径方向の外側で複数の電磁鋼板において異なる形状を有する副スロット部２３ｂとで構成されている。

本実施の形態において、副スロット部は、電磁鋼板の径方向の一方にずれて径方向外側へスロット面積が拡大した形状である。本実施の形態におけるスロットは、スロット全体としては全閉型スロットである。

スロット２ａの副スロット部２３ａは、主スロット部２２ａの中心よりもスロット面積が拡大した領域が周方向で右側にずれており、スロット２ｂの副スロット部２３ｂは、主スロット部２２ｂの中心よりもスロット面積が拡大した領域が周方向で左側にずれている。ここで、スロット２ａとスロット２ｂは、スロット基準線に対して反転対象となる形状である。

本実施の形態における回転子は、電磁鋼板の積層方向に２つの領域に分かれており、一方の領域では、スロット２ａを備えた電磁鋼板が周方向にずれて積層されており、他方の領域では、スロット２ｂを備えた電磁鋼板が周方向にずれて積層されている。

スロット２ａの主スロット部２２ａの基準線２４ａとスロット２ｂの主スロット部２２ｂの基準線２４ｂとがなす角を主スロットのスキュー角αとし、スロット２ａの副スロット部２３ａの基準線２５ａとスロット２ｂの副スロット部２３ｂの基準線２５ｂとがなす角を副スロット部のスキュー角βとする。本実施の形態においては、α＞βに設定されている。

図７は、本実施の形態における回転子のスロットを横から示した模式図である。図７に示すように、本実施の形態の回転子は、スロット２ａを備えた電磁鋼板が周方向にずれて積層された領域３１と、スロット２ｂを備えた電磁鋼板が周方向にずれて積層された領域３２とで構成されている。このような構成の回転子を２段スキューされた回転子と呼ぶ場合がある。
回転子１の領域３１に形成された副スロット部２３ａは、軸方向に連続的に斜めになるように構成されている。同様に領域３２に形成された副スロット部２３ｂも、軸方向に連続的に斜めになるように構成されている。さらに、主スロット部２２のスキューされた幅Ｘ（主スロット部の軸方向のずれ幅）と副スロット部２３のスキューされた幅（副スロット部の軸方向のずれ幅）とを比較すると、Ｘ＞Ｙとなっている。

このように構成された回転子は、実施の形態１と同様に、スロットの外径側（副スロット部）での横流を低減することができる。その結果、横流損失のばらつきを低減することが可能となり、低速回転域でのトルクばらつきを低減することができる。

また、本実施の形態においては、２段スキューされた回転子を用いているので、スロット形状が２種類の形状でよく、実施の形態１のように積層される電磁鋼板を個々にスロット形状が異なるものとする必要がない。さらに、本実施の形態においては、２種類の形状をスロット基準線に対して反転対称となる形状としているので、１つの形状のスロットを備えた電磁鋼板を表裏反転することにより２種類の形状のスロットを備えた電磁鋼板として用いることができるので、１種類の電磁鋼板で回転子を作製することができる。

なお、本実施の形態において、スロットとして全閉型スロットを例に挙げて説明したが、実施の形態１で示した開口型スロットでもよい。

実施の形態３．
図８は、実施の形態３における回転子１を軸方向から見た模式図である。図８において、スロット２ａは、回転子１における軸方向の上方の端部の電磁鋼板に形成された１つのスロットであり、スロット２ｂは、下方の端部の電磁鋼板に形成された１つのスロットであり、スロット２ｃは、中央の電磁鋼板に形成された１つのスロットである。スロット２ａ、スロット２ｃおよびスロット２ｂとは、積層された電磁鋼板のスロットで軸方向につながっている。なお、図８において、スロット２ａ、スロット２ｂ、スロット２ｃ以外のスロットは図示していない。

スロット２ａの主スロット部２２ａの基準線２４ａとスロット２ｂの主スロット部２２ｂの基準線２４ｂとがなす角を主スロットのスキュー角αとし、スロット２ａの副スロット部２３ａの基準線２５ａとスロット２ｂの副スロット部２３ｂの基準線２５ｂとがなす角を副スロット部のスキュー角βとする。本実施の形態においては、α＞βに設定されている。

図９は、本実施の形態におけるスロット形状を示した模式図である。本実施の形態のおけるスロットは、いわゆる二重かご型スロットと呼ばれるもので、図８のスロット２ａに示したように、径方向の内側で複数の電磁鋼板において共通の形状を有する主スロット部２２ａと径方向の外側で複数の電磁鋼板において異なる形状を有する副スロット部２３ａと、主スロット部２２ａと副スロット部２３ａとを接続するスロット連結部２６ａとで構成されている。スロット連結部２６ａは、主スロット部２２ａおよび副スロット部２３ｂよりも周方向の幅が狭くなっている。同様に、スロット２ｂ、２ｃは、それぞれ径方向の内側で複数の電磁鋼板において共通の形状を有する主スロット部２２ｂ、２２ｃと径方向の外側で複数の電磁鋼板において異なる形状を有する副スロット部２３ｂ、２３ｃと、主スロット部２２ｂ、２２ｃと副スロット部２３ｂ、２３ｃとを接続するスロット連結部２６ｂ、２６ｃとで構成されている。

図９に示すように、スロット２ａの副スロット部２３ａは、主スロット部２２ａの中心よりもスロット面積が拡大した領域が周方向で右側にずれており、スロット２ｂの副スロット部２３ｂは、主スロット部２２ｂの中心よりもスロット面積が拡大した領域が周方向で左側にずれている。ここで、スロット２ａとスロット２ｂは、スロット基準線に対して反転対称となる形状である。さらに、スロット２ｃの副スロット部２３ｃは、主スロット部２２ａの中心に対して左右対称にスロット面積が拡大した領域が形成されている。

図１０は、本実施の形態における回転子のスロットを横から示した模式図である。図１０に示すように、本実施の形態の回転子は、スロット２ａを備えた電磁鋼板が周方向にずれて積層された領域３１と、スロット２ｂを備えた電磁鋼板が周方向にずれて積層された領域３２と、スロット２ｃを備えた電磁鋼板が周方向にずれて積層された領域３３とで構成されている。

回転子１の領域３１に形成された副スロット部２３ａは、軸方向に連続的に斜めになるように構成されている。また、領域３２に形成された副スロット部２３ｂも、軸方向に連続的に斜めになるように構成されている。さらに、領域３３に形成された副スロット部２３ｃも、軸方向に連続的に斜めになるように構成されている。このように構成された観点しにおいては、主スロット部２２のスキューされた幅Ｘと副スロット部２３のスキューされた幅とを比較すると、Ｘ＞Ｙとなっている。

このように構成された回転子は、実施の形態１と同様に、スロットの外径側（副スロット部）での横流を低減することができる。その結果、横流損失のばらつきを低減することが可能となり、低速回転域でのトルクばらつきを低減することができる。

一般に、二重かご型スロットは、誘導電動機の始動特性を向上させることが目的で構成されるため、始動時の比較的高い回転子周波数に対応する外径側スロットのスキューを大きくして、始動時のトルク脈動を軽減することが考えられていた。しかしながら、この場合、低速回転域の横流が大きくなり低速回転域のトルクが減少することが予想される。本実施の形態のように、二重かご型スロットにおいて、外径側の副スロット部のスキュー角を主スロット部のスキュー角より小さくすることにより、低速回転域でのトルク減少を抑制することができ、低速回転域でのトルクばらつきを低減することができる。

１ 回転子、 ２ スロット、 ３ 回転子鉄心、 ４ 回転子バー
５ エンドリング、 ６ シャフト
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 主スロット部
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ 副スロット部
２４ａ、２４ｂ、２５ａ、１５ｂ 基準線
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ スロット連結部
３１、３２、３３ 領域

Claims (6)

1. スロットを備えた複数の電磁鋼板が軸方向に積層された回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の前記スロット内に収納された回転子バーと、
   前記軸方向の端部で前記回転子バーと電気的に接続されたエンドリングと
   を有する回転子であって、
   前記複数の電磁鋼板は、各電磁鋼板の各スロットが前記軸方向に所定角度ずつずれるようにスキューされて積層されており、
   前記スロットは、前記複数の電磁鋼板において共通の形状を有する主スロット部と前記複数の電磁鋼板において異なる形状を有する副スロット部とを備えており、
   前記副スロット部は、前記主スロット部より径方向の外側であり、
   前記主スロット部のスキュー角に対して前記副スロット部のスキュー角が小さく、
   前記回転子バーは、前記主スロット部および前記副スロット部の中に収納されている
   回転子。
2. 前記副スロット部は、前記回転子バーが径方向に露出する開口部を備えた
   請求項１記載の回転子。
3. 前記副スロット部は、２種類の形状を有し、
   前記回転子鉄心は、一方の種類の形状を有する副スロット部を備えた前記電磁鋼板の積層された領域と、他方の種類の形状を有する副スロット部を備えた前記電磁鋼板の積層された領域とで構成される
   請求項１または２に記載の回転子。
4. 前記２種類の形状は、反転対称の形状である
   請求項３に記載の回転子。
5. 前記副スロット部は、複数種類の形状を有し、
   前記回転子鉄心は、それぞれの種類の形状を有する副スロット部を備えた前記電磁鋼板が積層された領域が積層されて構成される
   請求項１または２に記載の回転子。
6. 前記スロットは、内径側の主スロット部、外径側の副スロット部および前記主スロット部と前記副スロット部とを接続するスロット連結部を備えている
   請求項１から５のいずれか１項に記載の回転子。

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