JP2004248361A - 回転電機及びかご形誘導電動機駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】商用周波数のままの交流電源３１をかご形誘導電動機に直接供給し、低始動電流、高始動トルク特性と、低常時の高効率、高力率特性を実現すること。
【解決手段】回転子２０の外周近くにある回転子導体上側部分２５１の断面形状を台形とし、これより中心近くにある回転子導体下側部分２５２の断面形状を、長方形とし、真鍮製導体の場合は上側部分２５１の高さｈ１＝２７［ｍｍ］以上、銅製の場合には、ｈ１＝７［ｍｍ］以上とした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子にかご形導体を備えた回転電機及びかご形誘導電動機の駆動システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、かご形誘導電動機の回転子導体を、軸と直角の面で断面したとき、回転子外周近くに位置する上側部分に比べ下側部分の幅をステップ状に広げた構造とする従来技術（１）を開示している。また、非特許文献１には、上記従来技術（１）と同じ回転子導体の断面形状のほか、回転子導体の断面を、その高さ全体に亘って回転子外周に向って直線的に狭くし、台形形状とする従来技術（２）が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２３１６３０号公報（要約そのほか全体）
【非特許文献１】
「変圧器・誘導機・交流整流子機」電気学会１９８３年１１月２１日６版発行、第３１１〜３１５頁（第３．６３図、第３．６４図、第３．６７図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術（１）の回転子導体の断面形状は、回転子外周に近い回転子導体の上側部分の幅が狭く、その下側部分の幅がステップ状に広がり、逆さＴ字形を形成している。このため、回転電機の始動時には高抵抗となり、回転電機の始動特性が改善される。反面、回転子導体の幅がステップ状に広がり、回転電機の二次抵抗が急激に減少するため、回転電機のトルクが低下する。また、遠心力による回転子導体の飛び出しを、回転機鉄心のステップ状の段差のみによって押さえている。このため、段差部分に遠心力が集中し、摩擦によって回転子導体が破損する場合がある。さらに、回転子導体の幅が急変するため、回転子導体に引き抜き材を用いる場合、回転子導体の加工に高度な技術が必要となる。
【０００５】
一方、前記従来技術（２）の回転電機は、回転子導体の断面形状をその全高に亘って、回転子外周近くになるにつれ細くした台形形状であるため、回転電機の始動時には高抵抗となり、回転電機の始動特性が改善される。しかし、回転子導体が台形形状であることで、その高さと底部の幅は、強度上の制約で決まり、設計の自由度が少なく、回転電機の始動特性と定常特性のバランスが取れない場合がある。
【０００６】
本発明の目的は、低始動電流、高始動トルクの始動特性をもつとともに、始動特性と定常特性のバランスの取れた回転電機を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、商用周波数のままの交流を誘導電動機に直接供給し、低始動電流、高始動トルク特性と、高効率、高力率特性を実現するかご形誘導電動機駆動システムを提供することである。
【０００８】
本発明のその他の目的及び特徴は、以下の実施形態の説明で明らかにする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明はその一面において、回転子導体のうち、回転子の外周近くに位置する回転子導体上側部分の断面形状を、回転子の外周に向って連続的に細くし、この回転子導体上側部分と連なり回転子導体上側部分よりも回転子の中心近くに位置する回転子導体下側部分の断面形状を、回転子導体上側部分の底部と幅がほぼ等しい長方形としたことを特徴とする。
【００１０】
ここで、回転子導体上側部分の断面形状は、回転子外周に近くなるにつれて直線的に細くなる台形とすることが望ましい。
【００１１】
本発明は他の一面において、前記回転子導体を真鍮製とし、その上側部分の高さを２７［ｍｍ］以上としたことを特徴とする。
【００１２】
本発明は他の一面において、前記回転子導体を銅製とし、その上側部分の高さを７［ｍｍ］以上としたことを特徴とする。
【００１３】
本発明は更に他の一面において、前記回転子導体上側部分を真鍮製とし、回転子導体下側部分を銅製としたことを特徴とする。
【００１４】
これらにより、始動電流を抑制し、始動トルクを確保しつつ、効率や力率等、要求される定常特性を満たすことが容易な回転電機を実現している。
【００１５】
本発明は更に他の一面において、回転子導体のうち、回転子の外周近くに位置する回転子導体上側部分の断面形状を、回転子の外周に向って連続的に細くし、これらの回転子導体上側部分と連なり回転子導体上側部分よりも回転子の中心近くに位置する回転子導体下側部分の断面形状を、回転子導体上側部分の底部と幅がほぼ等しい長方形とするとともに、商用３相交流電源の電圧を、商用周波数のまま固定子巻線に印加する開閉器を備えたことを特徴とする。
【００１６】
これにより、商用周波数の３相交流を直接供給する３相誘導電動機の始動電流を抑えつつ、十分な始動トルクを発生させるとともに、効率及び力率等の優れた定常特性を発揮するかご形誘導電動機駆動システムを提供する。
【００１７】
本発明のその他の目的及び特徴は以下の実施例の説明で明らかにする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施例によるかご形誘導電動機の上半分を軸方向に断面した断面図及び誘導電動機駆動システム構成図である。かご形誘導電動機の固定子１０は、固定子鉄心１１と、この固定子鉄心１１の内周近くに間隔を置いて穿設された多数の固定子スロット１２と、これらのスロット１２に埋め込まれた固定子巻線１３を備えている。固定子鉄心１１は、軸方向の積層体であり、その両端を鉄心押え部材１４で固定している。
【００２０】
一方、回転子２０は、シャフト２１に回転子鉄心２２を積層して嵌め込み、やはり、その両端を鉄心押え部材２３で固定している。この回転子鉄心２２には、その外周近くに間隔を置いて多数のスロット２４を放射状に穿設し、これらのスロット２４に埋め込まれた回転子導体２５を備えている。２６は短絡環である。
【００２１】
本発明では、回転子スロット２４と、これに納める回転子導体２５の形状に改良を加えている。この実施例では、Ａ−Ａ断面拡大図に示すように、回転子導体２５の断面形状を、回転子の外周に向って直線的に細くした台形状の上側部分と、この上側部分と連なり、上側部分の底部と幅がほぼ等しい長方形の下側部分とで構成している。詳細は後述する。
【００２２】
また、電源装置としては、商用３相交流電源３１から受電盤３２で受電した３相交流を、商用周波数のまま（可変周波数インバータを介することなく）、３相誘導電動機の固定子巻線１３に供給するための開閉器３３を備えている。
【００２３】
図２は、本発明の一実施例による回転子２０を軸と直角の方向に断面した要部拡大図である。回転子鉄心２２の周方向に、所定の間隔をもって複数の回転子スロット２４が設けられ、これらのスロット２４に収納された回転子導体２５を有する。１０［ＭＷ］クラスのかご形誘導電動機の場合、回転子導体２５は、一例として全高ｈ０が、ｈ０＝６０［ｍｍ］で、上端の幅Ｗ１と基底部の幅Ｗ２の比Ｗ１／Ｗ２＝１／３．２５である。ここで、回転子２０の外周近くに位置する高さ寸法ｈ１の回転子導体上側部分２５１の断面形状を、回転子の外周に向って直線的に細くした台形形状としている。一方、回転子導体上側部分２５１に連なり、回転子導体上側部分２５１よりも回転子２０の中心近くに位置する高さ寸法ｈ２の回転子導体下側部分２５２の断面形状を、上側部分２５１の底部とほぼ幅Ｗ２が等しい長方形としている。
【００２４】
この第１の実施例では、回転子２０の外周近くに位置する回転子導体上側部分２５１の断面形状を、回転子２０の外周に向って直線状に細くし、従って台形形状としている。しかし、必ずしも、直線状とする必要はなく、緩やかな曲線状とすることもできる。
【００２５】
かご形誘導電動機は、定常時には回転子導体２５全体に電流が流れるが、始動時には表皮効果の影響で回転子導体２５の外周近傍だけに電流が流れる。このため、この実施例による回転子導体上側部分２５１のように、回転子２０の外周近くの幅Ｗ１を細くすることで、始動時の二次漏れリアクタンスが大きくなり始動電流を低減させることができる。また、回転子外周近くの幅Ｗ１を細くすることで、始動時の二次抵抗が大きくなり始動トルクを増大させることができる。さらに、回転子中心近くの幅Ｗ２を回転子外周近くの幅Ｗ１よりも広くすることによって、始動後は、二次漏れリアクタンスと二次抵抗の増加が抑えられ、定常時の特性を向上できる。
【００２６】
図３は、本発明の第１の実施例による誘導電動機のすべり対トルク特性を従来技術（１）と対比して示すグラフである。従来技術（１）のような構造では、始動トルクＴｓｔや最大トルクＴｍａｘは十分であるが、回転子導体の幅がステップ状に急増し、二次抵抗が急激に減少する。このため、図に示すように、中間速度、つまりすべりｓ＝０．５付近で電動機トルクＴｃが減少する。これに対して、本実施例による回転子導体２５の構造とすると、回転子導体２５の幅がＷ１からＷ２に緩やかに増加するため、中間速度付近でのトルク減少のないトルク特性Ｔｍを得ることができる。
【００２７】
また、従来技術（１）のような構造では、遠心力による回転子導体の飛び出しを、逆Ｔ字状の段差部のみによって抑制している。このため、段差部に遠心力が集中し、摩擦によって回転子導体が破損する場合がある。これに対して、本実施例による回転子導体２５では、図２の上側部分の高さｈ１に亘る傾斜部全体で、遠心力による回転子導体２５の飛び出しを支えている。したがって、従来技術（１）の構造よりも、遠心力の集中を緩和でき、摩擦による回転子導体２５の破損を防止することができる。
【００２８】
さらに、回転子導体２５に引き抜き材を用いる場合、従来技術（１）の構造では、回転子導体の幅がステップ状に急変するため、回転子導体の加工に高度な技術が必要となる。一方、本実施例による回転子導体２５は、回転子導体２５の幅がＷ１からＷ２に変化する部分で、急激な形状変化がないため、回転子導体２５の引き抜き加工が容易になる。
【００２９】
一方、回転子導体の全高に亘って傾斜させ台形形状とした従来技術（２）は、回転子導体が台形形状であることで、回転子導体の高さｈ０と上下端の幅Ｗ１、Ｗ２が限定されてしまう。このため、設計に自由度がなく、始動特性と定常特性のバランスを適切に取れない場合がある。これに対して、本実施例による回転子導体２５は、回転子導体上側部分２５１の高さｈ１と、下側部分２５２の高さｈ２を自由に選択できる。したがって、設計に自由度があり、始動特性と定常特性のバランスを適切に取り易くなる。
【００３０】
さて、本発明による回転子導体２５を持つ回転電機は、図１に示す開閉器３３によって、商用３相交流電源３１を、商用周波数のまま直入れして使用する大型のかご形誘導電動機において特に効果が発揮される。大型のかご形誘導電動機における定格運転時の効率は、一般にコンバータ・インバータの効率と同程度かそれ以上であると考えられる。このため、商用３相交流電源を直入れして使用する本実施例によるかご形誘導電動機駆動システムは、一定速度の用途では、定格運転時の効率が最も高い電動機システムであると言える。
【００３１】
また、回転電機の電源設備の容量を小さくし、そのイニシャルコストを低減したいという要望は根強い。したがって、コンバータ・インバータを必要とせず、低始動電流、高始動トルクの始動特性と、高効率・高力率の定常特性を兼ね備えた本発明による回転電機の存在意義は大きい。
【００３２】
図４は、本発明の一実施例によるかご形誘導電動機の始動特性と定常特性を示すグラフである。前述した１０［ＭＷ］クラスの大容量のかご形誘導電動機の全高ｈ０＝６０［ｍｍ］の回転子導体２５を例に採っている。この回転子導体２５に真鍮を用い、回転子導体上側部分２５１の高さｈ１を変えた場合の、始動電流Ｉｓｔ、始動トルクＴｓｔ、定常時の力率Ｐｆ、及び定常時の効率Ｅｆｆを示している。この特性に基き、本発明の一実施例では、回転子導体上側部分２５１の高さｈ１＝２７［ｍｍ］以上とした。高さｈ１を２７［ｍｍ］以上とすることで、高さｈ１が０［ｍｍ］すなわち全高に亘って長方形の回転子導体構造の場合（図の左端）以上の始動トルクＴｓｔを確保しつつ、始動電流Ｉｓｔを８割未満に減らせることが分る。なお、高さｈ１が２７［ｍｍ］以下では、始動電流Ｉｓｔを減少させることができても、始動トルクＴｓｔも減少してしまう。
【００３３】
また、図から明らかなように、回転子導体２５の上側部分２５１の高さｈ１の上限は、低常時の力率０．９７５を確保するために、ｈ１＝４６［ｍｍ］以下とすることが望ましい。これは、回転子導体２５の下側部分２５２の高さｈ２＝十数［ｍｍ］以上を確保し、低常時の効率を確保することにもつながる。
【００３４】
図５は、本発明の他の実施例によるかご形誘導電動機の始動特性と定常特性を示すグラフである。やはり、１０［ＭＷ］クラスのかご形誘導電動機の全高ｈ０＝６０［ｍｍ］の回転子導体２５において、回転子導体２５に銅を用いている。図４と同様に、回転子導体上側部分２５１の高さｈ１を変えた場合の、始動電流Ｉｓｔ、始動トルクＴｓｔ、定常時の力率Ｐｆ、及び定常時の効率Ｅｆｆを示している。この特性に基き、この実施例においては、回転子導体上側部分２５１の高さｈ１を、ｈ１＝７［ｍｍ］以上とした。高さｈ１を７［ｍｍ］以上とすることで、高さｈ１が０［ｍｍ］の長方形の回転子導体構造の場合（図の左端）以上の始動トルクＴｓｔを確保しつつ、始動電流Ｉｓｔを９割未満に減らせることが分る。なお、高さｈ１が７［ｍｍ］以下では、始動電流Ｉｓｔを更に減少させることができても、始動トルクＴｓｔも減少してしまう。
【００３５】
また、図から明らかなように、回転子導体２５の上側部分２５１の高さｈ１の上限は、低常時の力率０．９７５を確保するために、４４［ｍｍ］以下とすることが望ましい。これは、回転子導体２５の下側部分２５２の高さを、十数［ｍｍ］以上確保し、低常時の効率を確保することにもつながる。
【００３６】
図６は、本発明の更に他の実施例によるかご形誘導電動機の始動特性と定常特性を示すグラフである。これは、１００［ｋＷ］クラスのかご形誘導電動機の全高ｈ０＝３０［ｍｍ］の回転子導体２５において、回転子導体２５に銅を用いた場合である。図４、図５と同様に、回転子導体上側部分２５１の高さｈ１を変えた場合の、始動電流Ｉｓｔ、始動トルクＴｓｔ、定常時の力率Ｐｆ、及び定常時の効率Ｅｆｆを示している。この特性に基き、この実施例においては、回転子導体上側部分２５１の高さｈ１を、ｈ１＝７［ｍｍ］以上としている。高さｈ１を７［ｍｍ］以上とすることで、高さｈ１が０［ｍｍ］の長方形の回転子導体構造の場合（図の左端）以上の始動トルクＴｓｔを確保しつつ、始動電流Ｉｓｔを９割未満に減少できることが分る。なお、高さｈ１が７［ｍｍ］以下では、始動電流Ｉｓｔを減少させることができても、始動トルクＴｓｔも減少してしまう。
【００３７】
また、図から明らかなように、回転子導体２５の上側部分２５１の高さｈ１の上限は、このクラスの誘導電動機の低常時の力率０．９９を確保するために、高さｈ１＝１７．５［ｍｍ］以下とすることが望ましい。その分だけ、回転子導体下側部分２５２の高さｈ２を十二分に確保し、低常時の高い効率を得ることにもつながる。
【００３８】
図７は、本発明の他の実施例による回転子２０を軸と直角の方向に断面した要部拡大図である。回転子鉄心２２の周方向に、所定の間隔をもって複数の回転子スロット２４が設けられ、これらのスロット２４に収納された回転子導体２５を有する。
【００３９】
この実施例では、回転子導体２５は、回転子２０の外周近くに位置する真鍮製の回転子導体上側部分２５１１と、これらの回転子導体上側部分２５１１の底部と連なり回転子の中心近くに位置する銅製の回転子導体下側部分２５２１を備えている。そして、回転子導体上側部分２５１１の断面形状を、回転子２０の外周に向って連続的に細くし、回転子導体下側部分２５２１の断面形状を、回転子導体上側部分２５１１の底部と幅がほぼ等しい長方形としている。
【００４０】
このように、回転子スロット２４及び回転子導体２５の形状は、図２で説明した実施例と同様であり、寸法は、図２及び図４で説明したものと同一である。
【００４１】
前述したように、かご形誘導電動機は、定常時には回転子導体２５全体に電流が流れるが、始動時には表皮効果の影響で回転子導体２５の外周近傍だけに電流が流れる。このため、この実施例による固有抵抗率の高い真鍮製の回転子導体上側部分２５１１によって、図２の実施例と同様に、始動時の二次抵抗が大きくなり始動トルクを増大させることができる。また、回転子中心近くの回転子導体下側部分に固有抵抗率の低い銅を用いたことによって、定常時には、下側回転子導体２５２１の損失を抑え、図２の実施例より高い効率を達成することができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、低始動電流、高始動トルクの始動特性をもつとともに、始動特性と定常特性のバランスの取れた回転電機を提供することができる。
【００４３】
また、商用周波数のままの交流を誘導電動機に直接供給し、低始動電流、高始動トルク特性と、高効率、高力率特性を実現するかご形誘導電動機駆動システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による誘導電動機の要部断面図と駆動システム構成図。
【図２】本発明の一実施例による回転子の要部断面図。
【図３】本発明の一実施例による誘導電動機のすべり／トルク特性図。
【図４】本発明の一実施例による誘導電動機の始動特性と定常特性図。
【図５】本発明の他の実施例による誘導電動機の始動特性と定常特性図。
【図６】本発明の更に他の実施例による誘導電動機の始動特性と定常特性図。
【図７】本発明の他の実施例による回転子の要部断面図。
【符号の説明】
１０…固定子、１３…固定子巻線、２０…回転子、２１…シャフト、２２…回転子鉄心、２４…回転子スロット、２５…回転子導体、２５１…回転子導体上側部分、２５２…回転子導体下側部分、２５１１…真鍮製の回転子導体上側部分、２５２１…銅製の回転子導体下側部分、３１…商用３相交流電源、３３…開閉器。

Claims (18)

1. 回転子鉄心と、この回転子鉄心の円周方向に所定の間隔をもって放射状に設けられた複数の回転子スロットと、これらの回転子スロットにそれぞれ収納された複数の回転子導体を備えた回転電機において、回転子導体のうち、回転子の外周近くに位置する回転子導体上側部分の断面形状を、回転子の外周に向って連続的に細くし、これらの回転子導体上側部分と連なり回転子導体上側部分よりも回転子の中心近くに位置する回転子導体下側部分の断面形状を、前記回転子導体上側部分の底部と幅がほぼ等しい長方形としたことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、前記回転子導体上側部分を、回転子の外周に向って直線的に細くし、その断面形状を台形としたことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１において、前記回転子導体に真鍮を用い、かつ前記回転子導体上側部分の高さを２７［ｍｍ］以上としたことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１において、前記回転子導体に真鍮を用い、前記回転子導体上側部分の高さを２７〜４６［ｍｍ］としたことを特徴とする回転電機。
5. 請求項１において、前記回転子導体に銅を用い、かつ前記回転子導体上側部分の高さを７［ｍｍ］以上としたことを特徴とする回転電機。
6. 請求項１において、前記回転子導体に銅を用い、かつ前記回転子導体の全長を６０［ｍｍ］以上、前記回転子導体上側部分の高さを７〜４４［ｍｍ］としたことを特徴とする回転電機。
7. 請求項１において、前記回転子導体に銅を用い、かつ前記回転子導体の全長を３０［ｍｍ］以上、かつ前記回転子導体上側部分の高さを７〜１７．５［ｍｍ］としたことを特徴とする回転電機。
8. 回転子鉄心と、この回転子鉄心の円周方向に所定の間隔をもって放射状に設けられた複数の回転子スロットと、これらの回転子スロットにそれぞれ収納された複数の回転子導体を備えた回転電機において、前記回転子導体は、回転子の外周近くに位置する真鍮製の回転子導体上側部分と、これらの回転子導体上側部分の底部と連なり回転子導体上側部分よりも回転子の中心近くに位置する銅製の回転子導体下側部分を備え、前記回転子導体上側部分の断面形状を、回転子外周に向って連続的に細くし、前記回転子導体下側部分の断面形状を、前記回転子導体上側部分の底部と幅がほぼ等しい長方形としたことを特徴とする回転電機。
9. 請求項８において、前記回転子導体上側部分を、回転子の外周に向って直線的に細くし、その断面形状を台形としたことを特徴とする回転電機。
10. 請求項８において、真鍮製の前記回転子導体上側部分の高さを２７［ｍｍ］以上としたことを特徴とする回転電機。
11. 請求項８において、真鍮製の前記回転子導体上側部分の高さを２７〜４６［ｍｍ］としたことを特徴とする回転電機。
12. 固定子鉄心と、この回転子鉄心の内周付近に所定の間隔をもって放射状に設けられた複数の固定子スロットと、これらの固定子スロットに収納された固定子巻線を備えた固定子と、回転子鉄心と、この回転子鉄心の円周方向に所定の間隔をもって放射状に設けられた複数の回転子スロットと、これらの回転子スロットに収納された回転子導体を備えたかご形誘導電動機と、このかご形誘導電動機に３相交流を給電する電源装置とを備えたかご形誘導電動機駆動システムにおいて、前記回転子導体のうち、回転子の外周近くに位置する回転子導体上側部分の断面形状を、回転子の外周に向って連続的に細くし、これらの回転子導体上側部分と連なり回転子導体上側部分よりも回転子の中心近くに位置する回転子導体下側部分の断面形状を、前記回転子導体上側部分の底部と幅がほぼ等しい長方形とするとともに、商用３相交流電源の電圧を、商用周波数のまま前記固定子巻線に印加する開閉器を備えたことを特徴とするかご形誘導電動機駆動システム。
13. 請求項１２において、前記回転子導体上側部分を、回転子の外周に向って直線的に細くし、その断面形状を台形としたことを特徴とするかご形誘導電動機駆動システム。
14. 請求項１２において、前記回転子導体に真鍮を用い、かつ前記回転子導体上側部分の高さを２７［ｍｍ］以上としたことを特徴とするかご形誘導電動機駆動システム。
15. 請求項１２において、前記回転子導体に銅を用い、かつ前記回転子導体上側部分の高さを７［ｍｍ］以上としたことを特徴とするかご形誘導電動機駆動システム。
16. 請求項１２において、前記回転子導体上側部分を真鍮製とし、前記回転子導体下側部分を銅製としたことを特徴とするかご形誘導電動機駆動システム。
17. 請求項１２において、真鍮製の前記回転子導体上側部分を、回転子の外周に向って直線的に細くし、その断面形状を台形としたことを特徴とするかご形誘導電動機駆動システム。
18. 請求項１２において、真鍮製の前記回転子導体上側部分の高さを２７［ｍｍ］以上としたことを特徴とするかご形誘導電動機駆動システム。

Images