JP6372970B2

JP6372970B2 - 電動機

Info

Publication number: JP6372970B2
Application number: JP2013031978A
Authority: JP
Inventors: 山本　雄司; 雄司山本
Original assignee: Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Current assignee: Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: JP2014165935A

Description

本発明の実施形態は、電動機に関する。

可変速運転が必要な電動機例えば誘導電動機においては、使い易さ、経済性から、インバータ装置が使われるようになってきている。また、誘導電動機の騒音の低減などの目的からインバータ装置のキャリア周波数を高く設定するようになってきている。このため、インバータ装置の出力電圧の不平衡成分にコモンモード電圧が含まれ、それが駆動される誘導電動機の固定子コイルに印加されることにより、誘導電動機の回転子に静電誘導に基づいて電圧（軸電圧）が発生する。そして、この軸電圧が増大すると、回転子の回転軸を支持している軸受に電流（軸電流）が流れ、電食と呼ばれる腐食を発生させて、軸受の耐久性を悪化させるので、電食の発生を防止する対策が必要である。

そこで、従来では、固定子と回転子との間を静電シールドして浮遊静電容量をなくすか或いは分散させて、軸電圧の発生を抑制するようにしているが、構成が複雑になる問題がある。また、このようなことに対処するために、固定子のスロットにおけるスロット開口部側に、通常の楔よりも厚み寸法が大なる絶縁物（介装体）を挿入配置し、スロット内に収容された固定子コイルのスロット開口部側の端部と回転子との間の距離を所定寸法以上となるようにすることで、前記浮遊静電容量を抑制する提案もなされているが、絶縁物が多量に必要となり、コストが高くなるという課題がある。

特開２０１２−２４４８７２号公報

そこで、簡単な構成で、しかも絶縁物の使用量を少なくできてコストの上昇を抑えながら、軸電圧の発生を抑制することができる電動機を提供する。

本実施形態の電動機は、機体と、この機体に固定され、固定子鉄心のスロット内にスロット絶縁紙を介して固定子コイルが巻装されて構成された固定子と、この固定子と所定のエアギャップを存して配置され、前記機体に回転軸が軸受を介して回転可能に支持された回転子とを具備し、固定子コイルがインバータ装置により駆動制御される構成である。そして、前記スロットにあって固定子鉄心における回転子側の端面から当該スロットの内部側に所定寸法入った部位に一対の保持溝を互いに対向する状態で設けるとともに、それら保持溝に電気絶縁材製の薄平板状の楔を挿入保持させたことにより前記固定子コイルが前記回転子側へ移動することを規制して前記固定子コイルと前記回転子との距離が所定値以上となるようにした。また、前記スロットは、半閉型のスロットであり、前記回転子側に開口部を有しており、前記保持溝は、前記スロットの前記開口部より当該スロットの内部側に所定寸法入った部位であり且つ前記開口部より幅の広い部位に設けられており、前記固定子コイルは、複数のコイル線により構成される。

第１の実施形態によるスロット部分の拡大断面図固定子および回転子を概略的に示す図電動機の駆動回路を概略的に示すブロック図参考形態による図１相当図

（第１の実施形態）
以下、誘導電動機に適用した第１の実施形態について図１から図３を参照して説明する。図２に示すように、誘導電動機Ｍの固定子１は、固定子鉄心２に複数相例えば三相の固定子コイルたるＵ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５が巻装されて構成されている。固定子鉄心２は、例えば電磁鋼板をプレスなどにより円環状に打ち抜いて形成された複数枚の鉄心材が積層された円筒状をなしており、その内周側に、Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５が挿入されるスロット６が複数個例えば３６個形成されている。各Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５は、導体例えば銅線に絶縁被覆を施したエナメル線などのコイル線７（図１参照）を巻回することにより構成されている。この実施形態では、固定子鉄心２には、径方向外周側から内周側に向かってＵ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５が順に装着されている。

各Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５は、複数個例えば４個（４極）の単位コイル３ａ、４ａ、５ａから構成されている。各４個の単位コイル３ａ、４ａ、５ａは、それぞれ直列に接続されており、各直列回路の一方の端子は、各相の電源端子に接続され、また、各直列回路の他方の端子は、中性点に接続されている。つまり、固定子鉄心２には、各相の電源端子間にスター結線された固定子コイル（Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５）が巻装されている。

かご型の回転子８は、回転子鉄心９と、この回転子鉄心９の内周側に設けられている回転軸１０とを備えている。回転子鉄心９は、電磁鋼板からなる複数枚の円環状の鉄心材を積層して一体的に結着することで形成されていて、円筒状をなしている。回転子８は、固定子１の界磁空間に、その外周面と固定子２の内周面との間に所定のエアギャップを存して配置され、固定子１に対して回転可能になっている。回転軸１０は、回転子鉄心９を鉄心材の積層方向に貫いており、回転子鉄心９に固定されている。回転子鉄心９の外周部には、周方向に沿って多数の導体９ａが埋設されており、これらは、図示しないエンドリングにより短絡接続されている。

図３に示すように、誘導電動機Ｍの機体１１は、円筒状のフレーム１２と、その両端の開口部に装着された軸受ブラケット１３、１４とから構成されている。そして、前記固定子１は、フレーム１２の内周面に嵌合固定され、回転子８の回転軸１０は、軸受ブラケット１３、１４に図示しない軸受たる玉軸受を介して支持されている。なお、回転子８の回転軸１０における軸受ブラケット１３側たる反負荷側の端部には、冷却ファン（図示せず）が取り付けられている。

ここで、固定子鉄心２に設けられている各相の固定子コイル（Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５）の巻装工程につき、図１を参照して簡単に説明する。
図１に示すように、固定子鉄心２のスロット６には、その内壁にスロット絶縁紙１５が貼り付けられることにより、スロット６に巻装される各相の固定子コイル（Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５）と固定子鉄心２（スロット６の内壁）との間を絶縁するためのスロット絶縁が施されている。

固定子鉄心２のスロット６は、半閉型のスロットで、回転子８側に開口部６ａを有している。スロット絶縁されたスロット６には、まず、Ｕ相コイル３が開口部６ａを介して挿入巻装される。即ち、Ｕ相コイル３は、スロット６内にスロット絶縁紙１５を介して巻装される。ここで、Ｕ相コイル３を構成するコイル線７は、導体たる銅線の径（サイズ）が例えば０．７５φに設定されて、１つのスロット６当たり５２本収納されている。スロット絶縁紙１５の両端部は、スロット６内の開口部６ａ側において二重になるように重ねられている。

そして、スロット６において、固定子鉄心２における回転子８側の端面から当該スロット６の内部側に（径方向に）所定寸法Ｌ１、例えば３．５ｍｍ入った部位に一対の保持溝１６が対向する状態で設けられていて、この保持溝１６に電気絶縁材製の薄板状の楔１７が軸方向から挿入されて保持されている。楔１７を保持溝１６に挿入保持させることにより、スロット６内のコイル線７が開口部６ａ側へ移動することを規制している。この場合、保持溝１６の幅寸法は例えば０．５ｍｍに設定されている。また、楔１７は、例えばポリエステルフィルムとＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）不織布との張り合わせ品で薄板状に構成されていて、厚み寸法は、保持溝１６に挿入し得るように例えば０．５ｍｍよりやや小に設定されている。なお、楔１７は、電気絶縁材製であれば、ガラスマット積層成形品で構成してもよい。以上の構成の結果、固定子１の固定子鉄心２の内周面と回転子８の回転子鉄心９の外周面との間のエアギャップＧの寸法を例えば０．３ｍｍとした場合、固定子１のスロット６内に収納されたＵ相コイル３の開口部６ａ側の端部端面と回転子８の回転子鉄心９の内周面との間の浮遊静電容量用の距離Ｌ２は、例えば４．０ｍｍ以上に設定されている。

Ｕ相コイル３が巻装されると、Ｕ相コイル３との電気角が１２０°ずれるようにしてＵ相コイル３が巻装されたのとは別のスロット６にＶ相コイル４が巻装され、続いて、Ｖ相コイル４との電気角が１２０°ずれるように位置してＶ相コイル４が巻装されたのとは別のスロット６にＷ相コイル５が巻装される。この場合、Ｖ相コイル４が巻装されたスロット６及びＷ相コイル５が巻装されたスロット６にも、楔１７が配置されている。

次に、誘導電動機Ｍの駆動回路の構成につき、図３を参照して簡単に説明する。図１に示すスロット断面構造を有する一実施形態の誘導電動機Ｍは、三相４極で、定格出力１．５ｋＷ、電圧−周波数（４００／４００／４４０Ｖ−５０／６０／６０Ｈｚ）の使用可能な仕様である。インバータ装置１８は、整流回路及び平滑回路からなる直流電源回路、半導体スイッチング素子たるＩＧＢＴを三相ブリッジ接続してなるインバータ回路及び制御手段たる制御回路から構成されている。

インバータ装置１８において、直流電源回路は、交流電源端子が４００Ｖ、６０Ｈｚの交流電源１９に接続されて、直流駆動電源及び直流制御電源を作成し、直流駆動電源電圧をインバータ回路の直流入力端子に与え、直流制御電源電圧を制御回路に与えるようになっている。インバータ回路は、ＰＷＭ制御により三相の交流電源を作成して、三相の出力端子から出力リアクトル２０を介して固定子１の固定子コイルの各相の電源端子に与えるようになっている。そして、制御回路は、所定の条件に基づいて、インバータ回路をＰＷＭ制御するようになっている。

本実施形態では、図１に示すように、スロット６にあって固定子鉄心２における回転子８側の端面から当該スロット６の内部側に所定寸法Ｌ１入った部位に一対の保持溝１６を設け、この保持溝１６に電気絶縁材製の楔１７を挿入配置して、固定子１のスロット６内に収納されたＵ相コイル３（Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５）の開口部６ａ側の端部端面と回転子８の回転子鉄心９の内周面との間の浮遊静電容量用の距離Ｌ２を４．０ｍｍ以上に設定して、これらの間の浮遊静電容量を低減したので、軸電圧の低減を図ることができる。これにより、軸受（玉軸受）における電食の発生を防止でき、軸受の寿命を大幅に延長することができる。しかも、固定子１のスロット６内に保持溝１６を設けるとともに、その保持溝１６に楔１７を挿入配置するだけの簡単な構成で実現することができる。さらに、楔１７の位置を保持溝１６の位置で保持できるので、従来の介装体の厚みでコイル線７の位置を規制する場合とは違い、絶縁物の使用量を少なくでき、コストの上昇も抑えることができる。

また、上記実施形態においては、１つのスロット６に収納されるＵ相コイル３（Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５）のコイル線７における銅線の径（サイズ）は、誘導電動機Ｍの温度上昇の規格を満足する中の最も細いサイズに設定されているので、スロット６を含む固定子鉄心２の寸法を変更しなくとも、スロット６内に楔１７を配置するスペースを確保することができる。

（参考形態）
図４に参考形態を示す。この参考形態では、固定子鉄心２において、スロット２２の開口部２２ａ側の形状が上記実施形態とは異なっている。具体的には、スロット２２の開口部２２ａからスロット２２の内部までの距離を大きく確保するため、スロットチップ部２３の径方向寸法Ｌ３を、図１の場合よりも大きく設定している。この場合、スロットチップ部２３とは、スロット２２の周方向の幅に対して開口部２２ａの周方向の幅を狭めるために周方向に突出した部分のことである。スロットチップ部２３の径方向寸法Ｌ３は、この場合４ｍｍ以上に設定している。スロット２２の内部には、開口部２２ａ側に位置させて楔２４が挿入配置されている。なお、スロット絶縁紙１５は、両端部は二重に重ねられてはおらず、開口部２２ａ側が開放され、軸方向から見てＵ字状をなしている。楔２４は、スロット絶縁紙１５の開放部分を開口部２２ａ側から塞ぐように配置されている。

以上の構成の結果、固定子１の固定子鉄心２の内周面と回転子８の回転子鉄心９の外周面との間のエアギャップＧの寸法を例えば０．３ｍｍとした場合、固定子１のスロット２２内に収納されたＵ相コイル３（Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５）の開口部２２ａ側の端部端面と回転子８の回転子鉄心９の内周面との間の浮遊静電容量用の距離Ｌ４は、例えば４．３ｍｍ以上に設定されている。

この参考形態においても、上記実施形態と同様な作用効果を得ることができる。すなわち、スロット２２内に収納されたＵ相コイル３（Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５）の開口部２２ａ側の端部端面と回転子８の回転子鉄心９の内周面との浮遊静電容量用の距離Ｌ４を４．０ｍｍ以上確保できるので、これらの間の浮遊静電容量を低減でき、軸電圧の低減を図ることができる。これにより、軸受（玉軸受）における電食の発生を防止でき、軸受の寿命を大幅に延長することができる。しかも、スロットチップ部２３の径方向寸法を所定寸法以上に設定するという簡単な構成で実現することができる。さらに、楔２４としては通常の厚さのものでよく、従来の介装体の厚みでコイル線７の位置を規制する場合とは違い、絶縁物の使用量を少なくでき、コストの上昇も抑えることができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、４極の誘導電動機について述べたが、極数はこれに限定されるものではない。
上記実施形態では、固定子コイルは、スター結線されているが、デルタ結線されていてもよい。
上記実施形態では、インバータ装置により駆動される三相の誘導電動機に適用した例を示したが、電動機はこれに限定されない。例えば、インナーロータ型或いはアウターロータ型の永久磁石同期電動機に適用することができる。

以上のように本実施形態の電動機によれば、スロットにあって固定子鉄心における回転子側の端面から当該スロットの内部側に所定寸法入った部位に保持溝を設け、この保持溝に電気絶縁材製の楔を挿入保持させた。この構成により、スロット内に収納された固定子コイルのスロット開口部側の端部端面と回転子との間の浮遊静電容量用の距離を所定寸法以上に設定し、これらの間の浮遊静電容量を低減できるので、軸電圧の低減を図ることができる。これにより、軸受における電食の発生を防止でき、軸受の寿命を大幅に延長することができる。しかも、固定子のスロット内に保持溝を設けるとともに、その保持溝に楔を挿入配置するだけの簡単な構成で実現することができる。さらに、楔の位置を保持溝の位置で保持できるので、従来の介装体の厚みで固定子コイルの位置を規制する場合とは違い、絶縁物の使用量を少なくでき、コストの上昇も抑えることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は固定子、２は固定子鉄心、３はＵ相コイル（固定子コイル）、４はＶ相コイル（固定子コイル）、５はＷ相コイル（固定子コイル）、３ａ、４ａ及び５ａは単位コイル、６はスロット、６ａは開口部（スロット開口部）、７はコイル線、８は回転子、９は回転子鉄心、１０は回転軸、１１は機体、１５はスロット絶縁紙、１６は保持溝、１７は楔、１８はインバータ装置、２２はスロット、２２ａは開口部（スロット開口部）、２３はスロットチップ部、２４は楔を示す。

Claims

機体と、
この機体に固定され、固定子鉄心のスロット内にスロット絶縁紙を介して固定子コイルが巻装されて構成された固定子と、
この固定子と所定のエアギャップを存して配置され、前記機体に回転軸が軸受を介して回転可能に支持された回転子とを具備し、
前記固定子コイルがインバータ装置により駆動制御される構成の電動機において、
前記スロットにあって前記固定子鉄心における前記回転子側の端面から当該スロットの内部側に所定寸法入った部位に一対の保持溝を互いに対向する状態で設けるとともに、それら保持溝に電気絶縁材製の薄平板状の楔を挿入保持させたことにより前記固定子コイルが前記回転子側へ移動することを規制して前記固定子コイルと前記回転子との距離が所定値以上となるようにしたものであり、
前記スロットは、半閉型のスロットであり、前記回転子側に開口部を有しており、
前記保持溝は、前記スロットの前記開口部より当該スロットの内部側に所定寸法入った部位であり且つ前記開口部より幅の広い部位に設けられており、
前記固定子コイルは、複数のコイル線により構成されることを特徴とする電動機。
前記固定子鉄心にあって前記回転子側の端面から前記保持溝までの寸法が３．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の電動機。