JP2014212599A - 誘導同期電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導同期電動機の回転部において、磁束の流れを規制して良好な電動機特性を得るとともに、マグネットの磁極面積を拡大して、起動時のトルク不足を解消する。【解決手段】誘導同期電動機の回転部で、ロータコア２２はシャフト２１に固定され、複数のスロット２３はロータコアの外周部に設けられる。二次導体２４はスロットに充填され、複数のマグネット挿入スペース２５はスロットの径方向内側に設けられる。複数のマグネット２６はマグネット挿入スペースに埋め込まれる。非磁性部２７はマグネット周方向両端部に形成される。非磁性部と対向するスロットとの径方向の距離を、非磁性部の周方向両端部とマグネット挿入スペースの周方向両端部との距離以下とすることで磁束の流れを規制し、良好な電動機特性が得られ、起動時のトルク不足も解消する。【選択図】図２

Description

本発明は、ポンプや送風機等、その他の一般産業用に使用される誘導同期電動機に関するものである。

誘導同期電動機は、始動時には回転子の始動用かご形導体により誘導電動機として作動し、回転子が同期速度付近に達すると永久磁石がつくる回転子磁極によって同期速度に引き込まれて同期速度に入る。誘導同期電動機は、定速度運転性および高効率性等優れた性能を有しているため、ポンプや送風機等の一般産業用その他に広く使用されている。特に電動機の回転子構造についてはさまざまな改良が施されてきた。

従来の誘導同期電動機の回転子は一般的に、特開２００１−３３９８８４号公報に開示されている。以下、図面を参照しながら従来の誘導同期電動機を説明する。

従来の誘導同期電動機の回転子は回転子鉄心と、磁束短絡防止用のスロットと、籠型二次導体を有する。磁束短絡防止用のスロットは、回転子鉄心の外周に設けられる。籠型二次導体は、スロットに配置される。永久磁石は、籠型二次導体の内側に２枚の永久磁石を略くの字状に配置した状態で回転子を中心に対向して略菱形に配置される。各永久磁石は、永久磁石挿入スペースの一端から他端に渡って、埋め込まれる。永久磁石の異極間の磁束短絡を防止するために、フラックスバリアが永久磁石挿入スペースの周方向端部に設けられる。

ここで回転子から取り出せる永久磁石の磁束量は、永久磁石の磁極面積にほぼ比例する。
特開２００１−３３９８８４号公報

しかしながら、上記従来の構成では、トルク量を改善するために、すなわち、電動機として必要な永久磁石の磁束量を確保するために、永久磁石を軸方向に延長して永久磁石の磁極面積を拡大する必要があった。このことは必然的に回転子鉄心の積厚を増やすことが必要となり、電磁鋼板の使用量が増大してコストが高くなるという課題があった。また、回転子鉄心の積厚を大きくしたとしても、積み厚の高さに比例して、トルク量が増大するわけではなく、所望の高トルクが得られないという課題があった。

さらに、上記従来の構成では、フラックスバリアと対向するスロットとの径方向の距離が長いため、磁束がフラックスバリアの径方向外部に漏れる課題があった。そのため、永久磁石挿入穴とフラックスバリアとの間を十分に磁気飽和させることができず、良好な電動機特性が得られないという課題がある。

上記の課題を解決するために本発明の誘導同期電動機は、静止部と、上下に延びる中心軸を中心として、静止部に対して回転可能に支持される回転部と、回転部を静止部に対して中心軸に中心に回転可能に支持する軸受部と、を有し、静止部は、中心軸を中心と同軸に配置される電機子と、電機子を内部に収容するフレームと、を有し、回転部は、中心軸に沿って延びるシャフトと、シャフトに固定されたロータコアと、ロータコアの外周部に設けられた複数のスロットと、スロットに充填された二次導体と、スロットの径方向内側に設けられた複数個のマグネット挿入スペースと、マグネット挿入スペースに埋め込まれたマグネットと、マグネット挿入スペースの周方向両端部に形成された磁束短絡防止用の非磁性部と、を有し、回転部は２極のロータであり、非磁性部と対向するスロットとの径方向の距離が、非磁性部の周方向両端部とマグネット挿入スペースの周方向両端部との周方向の距離以下のものである。

本発明の例示的な第１発明によれば、非磁性部と、当該非磁性部と対向する前記スロットとの径方向の距離は、非磁性部の周方向両端部とマグネット挿入スペースの周方向両端部との周方向の距離以下にすることで、マグネットの磁極面積を拡大するとともに、マグネット挿入スペースとフラックスバリアとの間を磁気飽和させ、永久磁石間による異極の磁束短絡を防止することができる。

図１は、第１実施形態に係る誘導同期電動機の縦断面図である。 図２は、第１実施形態に係る回転部の断面図である。 図３は、第２実施形態に係る回転部の断面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について説明する。なお、本願では、誘導同期電動機の中心軸と平行な方向を「軸方向」、誘導同期電動機の中心軸に直交する方向を「径方向」、誘導同期電動機の中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。また、本願では、軸方向を上下方向とし、回転部に対して軸受側を上として、各部の形状や位置関係を説明する。ただし、この上下方向の定義により、本発明に係る誘導同期電動機の製造時および使用時の向きを限定する意図はない。

また、本願において「平行な方向」とは、略平行な方向も含む。また、本願において「直交する方向」とは、略直交する方向も含む。

＜１．第１実施形態＞
図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る誘導同期電動機（以下、電動機という）の縦断面図である。図１に示すように誘導同期電動機は、静止部１と回転部２と軸受部３とを有する。図２は、中心軸Ｊ１に直交する平面での断面図である。

静止部１は、電機子１１とフレーム１２を有する。電機子１１は、フレーム１２の内部に収容されている。また、電機子１１は、中心軸と略同軸に配置される。電機子１１は、ステータコアと巻線を有する（図示せず）。ステータコアは、電磁鋼板が軸方向に積層された積層鋼板からなる。巻線はステータコアに巻装され、回転部２に磁界を与える。本実施形態において、ステータコアにはスキューがかけられている。

回転部２は、上下に延びる中心軸J1を中心として、回転可能に支持されている。回転部２は、シャフト２１、ロータコア２２、複数のスロット２３、二次導体２４、複数のマグネット挿入スペース２５、複数のマグネット２６、および、複数の非磁性部２７を有する。シャフト２１は、中心軸J1に沿って配置される。シャフト２１の材料には、例えば、ステンレス等の金属が用いられる。シャフト２１は、軸受部３を構成する一対の軸受３１、３２を介して静止部１の一部であるフレーム１２に回転可能に支持される。

シャフト２１には、ロータコア２２が固定される。シャフト２１は、径方向外側に突出する突部２１１を有する。突部２１１は、ロータコア２２の中央に設けられたキー溝２９の内側に挿入される。ロータコア２２は、電磁鋼板を所定の形状に打ち抜いた磁性鋼板を複数枚積層して形成される。ロータコア２２は、複数枚の磁性鋼板が互いにかしめられることにより、一体に積層されている。かしめた箇所には後述するかしめ部２８が形成される。なお、本実施形態ではかしめにより固定したが、これに限らず、例えば溶接にて一体化してもよい。この場合、溶接した箇所がかしめ部に相当する。

スロット２３は、ロータコア２２の外周部に複数設けられると共に軸方向に渡って籠型に形成される孔である。スロット２３は、平面視において、径方向外側へ向かうにつれて周方向幅が拡幅する略凧形形状である。周方向に対向するスロット２３の周方向の端面は互いに略平行である。このため、隣り合うスロット２３の間の磁路を確保できるとともに、籠型二次導体に磁界を発生させ、誘導電流がスロット２３の間を流れる際の抵抗値を小さくすることができる。さらに、スロット２３を略凧形形状とすることによって、スロット２３を回転部２の周方向に数多く配置することができ、籠型二次導体の断面積も大きく確保することができるという利点がある。また、スロット２３の径方向内端部は、角が面取りされた面取り形状となっている。

二次導体２４は、スロット２３に充填される。具体的には二次導体２４は、スロット２３にアルミダイキャストが射出成形により充填されている。各二次導体２４の上部と下部はそれぞれ環状部２４１により連結されている。

マグネット挿入スペース２５は、スロット２３の径方向内側に設けられる孔である。本実施形態において、マグネット挿入スペース２５は４箇所に配置される。各マグネット挿入スペース２５は、平面視において略長方形の孔である。各マグネット挿入スペース２５は、平面視において略ひし形状に配置される。各マグネット挿入スペース２５の周方向両端部には、短手方向に幅が拡大する拡幅部２５１が設けられる。

複数のマグネット２６は、各マグネット挿入スペース２５に埋め込まれる。本実施形態においては、各マグネット２６は、各マグネット挿入スペース２５にそれぞれ挿入される。すなわち、本実施形態において、マグネット２６は４枚である。各マグネット挿入スペース２５は略ひし形状に配置されるため、平面視において、マグネット２６はシャフトを中心に対向して略菱形に配置される。マグネット２６は、希土類磁石製である。マグネット２６は、略板状である。各マグネット２６は平面方向に単極着磁される。

４枚のマグネット２６により、２極のロータ磁極が形成されている。すなわち、図示上側の２枚のマグネット２６１、２６２は、それぞれ径方向外側に向かう面（図示上側の面）にＮ極が形成され、径方向内側に向かう面（図示下側の面）にＳ極が形成される。これにより、図示上側の２枚のマグネット２６１、２６２によりＮ極が形成される。また、図示下側のマグネット２６３、２６４は、それぞれ径方向外側に向かう面（図示下側の面）にＳ極が形成され、径方向内側に向かう面（図示上側の面）にＮ極が形成される。これにより、図示下側の２枚のマグネット２６３、２６４によりＳ極が形成される。

また、複数のマグネット２６は、マグネット挿入スペース２５の軸方向一端から他端にわたって埋め込まれている。

非磁性部２７は、ロータコア２２に複数形成される孔である。非磁性部２７は、フラックスバリアとして機能する。非磁性部２７は、マグネット挿入スペース２５の周方向両端部に対向して形成される。これにより、非磁性部２７は、マグネット２６の磁束の短絡を防止する。

非磁性部２７は、第１の非磁性部２７１と第２の非磁性部２７２とを有する。第１の非磁性部２７１は、磁極と磁極の間に配置される。すなわち、本実施形態においては、第１の非磁性部２７１は、マグネット２６１およびマグネット２６３の図示左側、および、マグネット２６２およびマグネット２６４の図示右側に配置される。第１の非磁性部２７１は、平面視において略円弧状である。第１の非磁性部２７１の周方向の端部２７３は、マグネット挿入スペース２５の周方向の端部と対向する。第１の非磁性部２７１の端部２７３と、マグネット挿入スペース２５の周方向の端部とは互いに略平行に配置される。第１の非磁性部２７１の径方向外側の端面は、平面視において略円弧形状である。第１の非磁性部２７１と、スロット２３とは径方向に対向する。

ここで、第１の非磁性部２７１と、第１の非磁性部２７１と対向するスロット２３との径方向距離Ｌ１は、第１の非磁性部２７１の周方向両端部と、マグネット挿入スペース２５の周方向両端部との距離Ｌ２以下となるように構成されている。

このように、第１の非磁性部２７１とスリット２３との間の径方向距離Ｌ１を、第１の非磁性部２７１の周方向両端部とマグネット挿入スペース２５の周方向両端部との間の周方向距離Ｌ２と同一又は小さくすることによって、磁束の流れを規制し、良好な電動機特性が得られるようにする。さらに、マグネットの磁極面積を拡大させることも可能になり、誘導同期電動機のトルク不足も解消する。

第２の非磁性部２７２は、磁極を形成する一対のマグネット２６の間に形成される。すなわち、本実施形態においては、マグネット２６１とマグネット２６２との間、および、マグネット２６３とマグネット２６４との間に配置される。１極の磁極を形成する１対のマグネット２６の隣り合う周方向端部がなす角度は９０度以下とし、かつ、第１の非磁性部２７１の周方向両端部と、第２の非磁性部２７２の周方向両端部は、互いに平行に配置される。このため、第１の非磁性部２７１と対向するスリット２３との間の径方向距離を小さくできるとともに、さらに第２の非磁性部２７２と対向するスリット２３との間の径方向距離を小さくできる。したがって、同じ極方向に向くマグネット２６の磁束密度を高めるとともに、異なる極への磁気漏洩を防ぐことができるので、効率的に磁気特性を改善することができる。

第２の非磁性部２７２は、平面視において略三角形状である。本実施形態においては、第２の非磁性部２７２は平面視において頂角が径方向内側を向き、等辺部２７４と底辺部２７５を有する二等辺三角形状である。等辺部２７４は、マグネット２６の径方向の幅よりも大きい。このため、第２の非磁性部２７２は、マグネット２６の磁束の短絡をより防止できる。また、第２の非磁性部２７２の周方向の端部、すなわち等辺部２７４は、マグネット挿入スペース２５の周方向の端部と対向する。第２の非磁性部２７２の端部、すなわち等辺部２７４と、マグネット挿入スペース２５の周方向の端部とは互いに略平行に配置される。

本実施形態において、非磁性部２７は、マグネット挿入スペース２５の周方向両端部の円周領域よりも内側の径方向位置に位置する。ただし、非磁性部２７は、マグネット挿入スペース２５の周方向両端部の円周領域と同一の径方向位置に位置していてもよい。このように構成することで、スロット２３にアルミダイキャストを射出成型する際の金型を配置しやすくすることができる。

かしめ部２８は、ロータコア２２に複数に配置される。かしめ部２８は、平面視において略長方形形状である。本実施形態においては、かしめ部２８１は、各マグネット挿入スペース２５の径方向外側に配置される。より詳細には、各マグネット挿入スペース２５の周方向の略中央位置の径方向外側に配置される。このため、ロータコア２２を積層する際において、ロータコア２２の剛性を高めることができる。

かしめ部２８２、２８３は、第１の非磁性部２７１の径方向内側に配置される。かしめ部２８２の長手方向は、第１の非磁性部２７１の延伸方向と略一致する。仮に、かしめ部２８２、２８３を各マグネット挿入スペース２５の径方向外側に配置した場合、ロータコア２２の径方向内部が十分に固定されず、ロータコア２２の剛性が小さくなり、ロータコア２２の固有振動数も小さくなる。よって、電動機１の励磁振動数とロータコア２２の固有振動数が共振して、モータの振動が大きくなるという課題がある。本実施形態では、かしめ部２８２、２８３を周方向に均等に配置することで、高回転のモータを駆動する際に、ロータコア２２の剛性を高め、ロータコア２２の固有振動数を上げることができ、共振することを防止する。

また、かしめ部２８２の長手方向と、第１の非磁性部２７１の内周面とは、略平行である。かしめ部２８３の長手方向は、第２の非磁性部２７２の底辺２７２１と略平行である。

＜２．他の実施形態＞
以上、本発明の例示的な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。図３は、本発明の他の実施例に係る回転子の構成を示す平面図である。

本実施形態にかかる回転部は、図３に示すように、第１の非磁性部２７１を有していなくてもよい。このように構成されたとしても、同じ極方向に向くマグネット２６の磁束密度を高めるとともに、異なる極への磁気漏洩を防ぐごとができるので、効率的に磁気特性を改善することができる。

その他、電動機の細部の構成については、本願の各図に示された構成と相違していてもよい。

また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

１ 静止部
２ 回転部
３ 軸受部
１１ 電機子
１２ フレーム
２１ シャフト
２２ ロータコア
２３ スロット
２４ 二次導体
２５ マグネット挿入スペース
２６、２６１、２６２、２６３、２６４ マグネット
２７ 非磁性部
２７１ 第１の非磁性部
２７２ 第２の非磁性部
２７３ 周方向の端部
２８、２８１、２８２、２８３ かしめ部

Claims (10)

1. 静止部と、
   上下に延びる中心軸を中心として、静止部に対して回転可能に支持される回転部と、
   前記回転部を前記静止部に対して中心軸に中心に回転可能に支持する軸受部と、
   を有し、
   前記静止部は、
   前記中心軸を中心と同軸に配置される電機子と、
   前記電機子を内部に収容するフレームと、
   を有し、
   前記回転部は、
   前記中心軸に沿って延びるシャフトと、
   前記シャフトに固定されたロータコアと、
   前記ロータコアの外周部に設けられた複数のスロットと、
   前記スロットに充填された二次導体と、
   前記スロットの径方向内側に設けられた複数のマグネット挿入スペースと、
   前記マグネット挿入スペースに埋め込まれた複数のマグネットと、
   前記マグネット挿入スペースの周方向両端部に形成された磁束短絡防止用の非磁性部と、
   を有し、
   前記回転部は２極のロータであり、
   前記非磁性部と対向する前記スロットとの径方向の距離が、前記非磁性部の周方向両端部と前記マグネット挿入スペースの周方向両端部との距離以下である誘導同期電動機。
2. 請求項１に記載の誘導同期電動機であって、
   １極の磁極を形成する１対のマグネットの隣り合う周方向端部がなす角度は９０度以下であり、
   前記非磁性部は第１の非磁性部と、第２の非磁性部とを有し、
   前記第１の非磁性部の周方向両端部と、前記第２の非磁性部の周方向両端部は、互いに平行に配置される誘導同期電動機。
3. 請求項１に記載の誘導同期電動機であって、
   前記非磁性部の周方向両端部と、前記マグネット挿入スペースの周方向両端部が、互いに平行に配置される誘導同期電動機。
4. 請求項１に記載の誘導同期電動機であって、
   前記非磁性部の少なくとも１つの径方向外側の端面は、円弧形状である誘導同期電動機。
5. 請求項３に記載の誘導同期電動機であって、
   前記第２の非磁性部は等辺部と底辺部を有する略二等辺三角形状であり、
   前記等辺部の長さは、前記マグネットの径方向幅よりも大きい誘導同期電動機。
6. 請求項１に記載の誘導同期電動機であって、
   前記非磁性部の径方向外側端部は、マグネット挿入スペースの周方向両端部の円周領域の同一もしくは内側に位置する誘導同期電動機。
7. 請求項１に記載の誘導同期電動機であって、
   前記回転部は、前記マグネット挿入スペースの径方向外側に、かしめ部を有する誘導同期電動機。
8. 請求項２に記載の誘導同期電動機であって、
   前記回転部は、前記第２の非磁性部の径方向内側に配置されるかしめ部を有する誘導同期電動機。
9. 請求項１に記載の誘導同期電動機であって、
   前記シャフトは、径方向外側に突出する突部を有する誘導同期電動機。
10. 請求項１に記載の誘導同期電動機であって、
    前記スロットは、平面視において、径方向外側へ向かうにつれて周方向幅が拡幅する略凧形形状である誘導同期電動機。

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