JP2017127106A - かご型ロータ及びかご型誘導モータ - Google Patents

Abstract

【課題】高い耐久性と高いモータ効率とを両立させるかご型ロータ及びかご型誘導モータを提供すること。
【解決手段】かご型誘導モータ１において、外周側のモータステータ４により発生する磁束を受けて回転可能に、転がり軸受３により軸支されるかご型ロータ５は、転がり軸受３の外径φｏｏよりも小さな外径φｒｏのロータ外周面５１ａを有し、ロータ外周面５１ａにおける回転方向の複数箇所にそれぞれスロット５１０が開口しているロータコア５１と、各スロット５１０内に収容されており、それぞれ各スロット５１０の開口５１０ａからロータ外周面５１ａに露出した状態でロータコア５１と一体に回転する複数の導体バー５２とを、備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、かご型ロータ及びかご型誘導モータに関する。

従来、かご型誘導モータにおいてかご型ロータは、外周側のモータステータにより発生する磁束を受けて回転可能に、転がり軸受により軸支される。

こうしたかご型ロータとして特許文献１には、ロータ外周面における回転方向の複数箇所にそれぞれスロットが開口しているロータコアを備えたものが、開示されている。この特許文献１に開示のかご型ロータでは、複数の導体バーがそれぞれ対応するスロット内に嵌合されることで、ロータコアと一体に回転可能となっている。

特開２０１３−５１７６６号公報

さて、特許文献１に開示のかご型ロータでは、転がり軸受の外径よりも大きな外径のロータ外周面を、ロータコアが有している。そのため、特許文献１に開示のかご型ロータの如く各スロット内では、導体バーを開口よりも内周側に収容してロータ外周面には露出しない状態とすることで、それら各スロット内の導体バーに作用する遠心力を低減して、耐久性を高めることが可能となる。しかし、各スロット内の導体バーがロータ外周面に露出しないかご型ロータでは、外周側のモータステータから作用する磁束の一部が、それら各スロット内の導体バーとロータ外周面との間をロータコアにて通過することで損失を生む、所謂漏れ磁束となる。その結果、モータ効率を高めることが困難となってしまう。

本発明は、以上説明した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高い耐久性と高いモータ効率とを両立させるかご型ロータ及びかご型誘導モータを、提供することにある。

以下、課題を達成するための発明の技術的手段について、説明する。尚、発明の技術的手段を開示する特許請求の範囲及び本欄に記載された括弧内の符号は、後に詳述する実施形態に記載された具体的手段との対応関係を示すものであり、発明の技術的範囲を限定するものではない。

上述の課題を解決するために開示された第一発明は、
かご型誘導モータ（１）において、外周側のモータステータ（４）により発生する磁束を受けて回転可能に、転がり軸受（３）により軸支されるかご型ロータ（５）であって、
転がり軸受の外径（φｏｏ）よりも小さな外径（φｒｏ）のロータ外周面（５１ａ）を有し、ロータ外周面における回転方向の複数箇所にそれぞれスロット（５１０）が開口しているロータコア（５１）と、
各スロット内に収容されており、それぞれ各スロットの開口（５１０ａ）からロータ外周面に露出した状態でロータコアと一体に回転する複数の導体バー（５２）とを、備える。

また、上述の課題を解決するために開示された第二発明は、
磁束を発生するモータステータ（４）と、
外周側のモータステータにより発生する磁束を受けて回転するかご型ロータ（５）と、
かご型ロータを回転可能に軸支する転がり軸受（３）とを、含んで構成されるかご型誘導モータ（１）であって、
かご型ロータは、
転がり軸受の外径（φｏｏ）よりも小さな外径（φｒｏ）のロータ外周面（５１ａ）を有し、ロータ外周面における回転方向の複数箇所にそれぞれスロット（５１０）が開口しているロータコア（５１）と、
各スロット内に収容されており、それぞれ各スロットの開口（５１０ａ）からロータ外周面に露出した状態でロータコアと一体に回転する複数の導体バー（５２）とを、備える。

このように第一及び第二発明のかご型ロータでは、転がり軸受の外径よりも小さな外径のロータ外周面を、ロータコアが有している。故に、ロータコアにおいて各スロット内の導体バーに作用する遠心力自体を、低減することができる。しかも第一及び第二発明のかご型ロータでは、各スロットの開口から導体バーがロータ外周面に露出した状態となる。故に、外周側のモータステータから作用する磁束を、ロータコアでは各スロット内の導体バーよりも内周側に通過させて、漏れ磁束となるのを抑制することができる。したがって、第一発明及び第二発明によれば、遠心力の低減により耐久性を高めるのと両立させて、漏れ磁束の抑制によりモータ効率を高めることが可能となる。

一実施形態によるかご型誘導モータを示す断面図である。 図１のII−II線断面図に相当する断面模式図である。 図２の一部を拡大して示す断面模式図である。 一実施形態によるかご型ロータのうち導体バー及びエンドリングを形成する金属の特性を説明するための特性表である。 一実施形態によるかご型ロータのうち導体バー及びエンドリングを形成する金属の一例の元素組成を示す特性表である。 一実施形態によるかご型ロータのうち導体バー及びエンドリングを示す斜視図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態によるかご型誘導モータ１は、車両等に搭載されて、所期の回転トルクを出力する。かご型誘導モータ１は、ハウジング２、転がり軸受３、モータステータ４、かご型ロータ５を含んで構成されている。尚、以下では、かご型ロータ５の周方向に沿う回転方向を、単に回転方向という。

ハウジング２は、金属により中空円筒状に形成されている。ハウジング２は、かご型誘導モータ１の搭載先に固定される。転がり軸受３は、ハウジング２内の軸方向両端部にそれぞれ配置されている。各転がり軸受３は、複数の転動体３０を内輪３１及び外輪３２の間に一列介装してなる、所謂単列ラジアルベアリングである。各転がり軸受３は、本実施形態では特に、相互に実質同一構成の玉軸受となっている。

ここで転動体３０は、金属により球状に形成され、内輪３１及び外輪３２のそれぞれに転がり接触可能に設けられている。内輪３１は、金属により円環状に形成され、かご型ロータ５と一体回転可能に設けられている。外輪３２は、金属により円環状に形成され、ハウジング２内に固定されている。外輪３２は、内輪３１のうち最外周部の外径よりも大きな内径を、最内周部に有している。

図１，２に示すようにモータステータ４は、ステータコア４０及びステータコイル４１を備えている。ステータコア４０は、金属により全体として円筒状に形成されている。ここで、本実施形態のステータコア４０は、絶縁被膜処理を施された珪素鋼板等の電磁鋼板を略円環状に加工して軸方向に積層することで、形成されている。ステータコア４０は、ハウジング２内に固定されている。ステータコア４０のうち回転方向において等間隔となる複数箇所（例えば本実施形態では、６箇所）には、内周側へ突出するステータティース４００が設けられている。各ステータティース４００には、ステータコイル４１が巻装されている。ここで本実施形態では、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相のうちいずれかの相巻線を構成するように、導電性の金属配線が各ステータティース４００に分配巻されることで、ステータコイル４１を形成している。

図１に示すようにかご型ロータ５は、ハウジング２内のうちモータステータ４の内周側に、同軸上に配置されている。かご型ロータ５は、外周側のモータステータ４により発生する磁束を受けて回転可能となるように、転がり軸受３により軸支されている。具体的にかご型ロータ５は、ロータシャフト５０、ロータコア５１、導体バー５２及びエンドリング５３を備えている。ロータシャフト５０は、金属により細長円柱状に形成され、転がり軸受３の内輪３１に対して一体回転可能に外嵌されている。

図１，２に示すようにロータコア５１は、金属により全体として円筒状に形成されている。ここで、本実施形態のロータコア５１は、絶縁被膜処理を施された珪素鋼板等の電磁鋼板を略円環状に加工して軸方向に積層することで、形成されている。ロータコア５１は、同コア５１に一体回転可能に圧入されているロータシャフト５０を介すことで、転がり軸受３と同軸上に連繋している。図１に示すようにロータコア５１は、転がり軸受３の外輪３２のうち最外周部の外径φｏｏよりも小さな外径φｒｏを、最外周部のロータ外周面５１ａに有している。

図２に示すようにロータコア５１のうち回転方向において等間隔となる複数箇所（例えば本実施形態では、１２箇所）には、ロータ外周面５１ａから内周側へ凹むように、スロット５１０が設けられている。これにより各スロット５１０は、ロータコア５１のロータ外周面５１ａに開口している。各スロット５１０は、ロータコア５１の軸方向に沿ってストレートに延伸している。各スロット５１０は、図３に示す如きメインスロット部５１１及びサブスロット部５１２を、それぞれロータコア５１の軸方向全域に有している。

ここでメインスロット部５１１は、内周側ほど幅の縮小する略台形孔状に、形成されている。これにより、回転方向に隣り合うメインスロット部５１１同士は、径方向の任意箇所にて実質一定距離を保って相互に離間している。メインスロット部５１１において最内周部は、回転方向の中心部を通る径方向軸線Ｌに対して、垂直に設けられている。これにより、モータステータ４からの磁束の通過阻害が抑制されている。

このようなメインスロット部５１１の外周側に連続するサブスロット部５１２は、外周側ほど幅の縮小する略台形孔状に、形成されている。図３に示す縦断面においてサブスロット部５１２の断面積は、メインスロット部５１１の断面積よりも小さい。これにより、上述の如く相互間の離間距離が実質一定のメインスロット部５１１では、後に詳述の如き導体バー５２によって埋められる断面積が、可及的に大きく確保されている。尚、図３では、各部５１１，５１２の境界が二点鎖線により仮想的に示されている。また、各部５１１，５１２の幅とは、メインスロット部５１１のうち回転方向の中心部を通る径方向軸線Ｌに対して垂直方向の内法寸法を、意味する。

図１，２に示すように導体バー５２は、ロータ外周面５１ａの複数箇所に開口するスロット５１０のそれぞれに一つずつ対応するように、複数設けられている。これにより導体バー５２の数は、モータステータ４におけるステータティース４００の数よりも多くなっている。

各導体バー５２は、金属により細長柱状に形成され、ロータコア５１の軸方向に沿ってストレートに延伸している。ロータコア５１において各導体バー５２は、図３に示す如くそれぞれ対応するスロット５１０の各部５１１，５１２を実質完全に埋めることで、当該対応スロット５１０内に収容されている。これにより各導体バー５２は、図１〜３に示すように、それぞれ対応スロット５１０の開口５１０ａからロータ外周面５１ａに露出した状態で、ロータコア５１と一体に回転可能となっている。ここで、本実施形態における各導体バー５２のうち開口５１０ａからの露出面は、ロータ外周面５１ａに倣った円弧面状に形成されている。また、本実施形態の各導体バー５２は、対応スロット５１０のうち外周側ほど縮幅したサブスロット部５１２を埋める形状により、外周側への飛び出しを抑制されている。

ロータコア５１において各導体バー５２は、対応スロット５１０内にダイカストされている。そのために各導体バー５２は、ダイカスト性に優れた軽量且つ導電性の金属として、Ａｌ元素を含む金属により、形成されている。ここで、本実施形態の各導体バー５２は、Ａｌ元素を含む金属の中でも特に、Ｓｉ含有率が６〜１２％のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金により、形成されている。こうしたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金には、図４に例示するように、純Ａｌよりも高く且つ一般的なダイカスト用Ａｌ合金（以下、一般ダイカスト用Ａｌ合金という）に近い引張強度と、一般ダイカスト用Ａｌ合金よりも高く且つ純Ａｌに近い電気伝導度（即ち、導電率）とが、与えられている。尚、図４は、図５に元素組成を例示したＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金の引張強度及び電気伝導度を、Ａｌ元素の純度が９９．００％以上の純Ａｌと、ＪＩＳ Ｈ ５３０２：２００６にＡＤＣ１２として規定された一般ダイカスト用Ａｌ合金と比較して、示している。また、図４に示す電気伝導度の単位［％ＩＡＣＳ］は、国際的に採択された焼鈍標準軟銅の導電率を１００として規定された単位である。

図１，６に示すようにエンドリング５３は、かご型ロータ５において両側の軸方向端部を形成するように、一対設けられている。各エンドリング５３は、金属により円環状に形成され、全てのスロット５１０外に配置されている。各エンドリング５３は、ロータコア５１のうちそれぞれ対応する側の軸方向端部に、同軸上に結合されている。これにより、一方のエンドリング５３が各導体バー５２の軸方向一端部に共通に電気接続され、且つ他方のエンドリング５３が各導体バー５２の軸方向他端部に共通に電気接続された状態で、それらリング５３がロータコア５１と一体回転可能となっている。

各エンドリング５３は、全ての導体バー５２に対して一体にダイカストされている。そのために各エンドリング５３は、各導体バー５２と同一の金属により、形成されている。即ち各エンドリング５３は、Ａｌ元素を含む金属の中でも特に、図４，５に例示の如きＳｉ含有率が６〜１２％のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金により、形成されている。

ここまで説明した構成のかご型誘導モータ１では、モータステータ４においてステータコイル４１が外部回路（図示しない）により通電される。その結果、ステータコイル４１が励磁することで発生する磁束は、モータステータ４の各ステータティース４００からかご型ロータ５のロータコア５１へと作用する。このとき、通電が外部回路によって三相交流に制御されることで、回転方向に回転する合成磁界が形成されて、誘導電流が各導体バー５２及び各エンドリング５３を流れる。これにより、回転方向の回転トルクがかご型ロータ５に発生して、当該回転トルクがロータシャフト５０から出力されることになる。ここで、回転トルクの発生により回転するかご型ロータ５の回転速度（即ち、単位時間当たりの回転数）は、周速で５０ｍ／ｓ以上の比較的高い速度に制御される。故に、かご型ロータ５が高速回転する本実施形態では特に、各スロット５１０内の導体バー５２に関して、作用する遠心力の低減や引張強度の増大が重要となっている。

（作用効果）
以上説明した本実施形態の作用効果を、以下に説明する。

このように本実施形態のかご型ロータ５では、転がり軸受３の外径φｏｏよりも小さな外径φｒｏのロータ外周面５１ａを、ロータコア５１が有している。故に、ロータコア５１において各スロット５１０内の導体バー５２に作用する遠心力自体を、低減することができる。しかも本実施形態のかご型ロータ５では、各スロット５１０の開口５１０ａから導体バー５２がロータ外周面５１ａに露出した状態となる。故に、外周側のモータステータ４から作用する磁束を、ロータコア５１では各スロット５１０内の導体バー５２よりも内周側に通過させて、漏れ磁束となるのを抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、遠心力の低減により耐久性を高めるのと両立させて、漏れ磁束の抑制によりモータ効率を高めることが可能となる。

さらに本実施形態によると、モータステータ４における回転方向の複数箇所にそれぞれ設けられてステータコイル４１の巻装されるステータティース４００の数よりも、導体バー５２の数が多いことで、誘導電流を増大させて回転トルクも増大させることができる。故に、そうした回転トルクの増大は、モータ効率を高める上で特に有効となる。

またさらに本実施形態によると、各スロット５１０外の一対のエンドリング５３は、それぞれ各スロット５１０内の導体バー５２と電気接続された状態で、ロータコア５１と一体に回転する。ここで各エンドリング５３は、各導体バー５２と同一の金属により、それら各導体バー５２と一体にダイカストされている。故に各エンドリング５３は、各導体バー５２に対して正確に位置決めされ得る。これによれば、各導体バー５２に対する各エンドリング５３の位置ずれに起因してかご型ロータ５の回転がアンバランスとなるのを、抑制することができる。故に、そうしたアンバランス下では生じ易い振動が低減されて、かご型ロータ５に許容される最大回転速度（即ち、単位時間当たりの最大回転数）が可及的に増大し得ることから、モータ効率を高めることが可能となる。

加えて本実施形態によると、各導体バー５２及び各エンドリング５３は、Ａｌ元素を含む金属により、一体にダイカストされて軽量となるため、それら要素に作用する遠心力自体を低減させることができる。故に、そうした遠心力の低減は、耐久性を高める上で特に有効となる。

さらに加えて本実施形態によると、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金である金属により、一体にダイカストされている各導体バー５２及び各エンドリング５３では、Ｓｉ含有率が６〜１２％となることで、引張強度と電気伝導度とが可及的に増大し得る。故に、そうした引張強度の増大によれば、耐久性を高める上で特に有効な耐遠心力性を与え、また電気伝導度の増大によれば、モータ効率を高める上で特に有効な低損失性を与えることが可能となる。ここで特に、ロータ外周面５１ａへの露出によりロータコア５１においては最大の遠心力を最外周部に受けることとなる各導体バー５２の耐遠心力性であっても、引張強度の増大により確実に与えられ得るのである。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、当該実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。

変形例１では、導体バー５２の数を、ステータティース４００の数に対して等しく又は少なく設定してもよい。変形例２では、転がり軸受３として、複列ラジアルベアリングを採用してもよい。

変形例３では、各導体バー５２及び各エンドリング５３を形成する金属として、Ｓｉ含有率が６〜１２％のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金以外の金属を、採用してもよい。具体的に変形例３では、ダイカスト可能な金属であれば、上述した純Ａｌ又は一般ダイカスト用Ａｌ合金の他、純Ｃｕ又はＣｕ合金等を採用してもよい。

変形例４では、少なくとも一方のエンドリング５３を、各導体バー５２とは別体に形成し、それら各導体バー５２に後接合してもよい。ここで変形例４の場合には、各導体バー５２を、対応スロット５１０内にダイカストによって収容させてもよいし、対応スロット５１０内に嵌合によって収容させてもよい。また、変形例４の場合には、各導体バー５２を、少なくとも一方のエンドリング５３と同一の金属により形成してもよいし、少なくとも一方のエンドリング５３とは異なる金属により形成してもよい。

変形例５では、スロット５１０の孔形状として、上述した実施形態の孔形状以外を採用してもよい。具体的に変形例５では、サブスロット部５１２のない孔形状を採用する場合として、ロータ外周面５１ａに開口した形態へとメインスロット部５１１を変形させることで、当該メインスロット部５１１のみの孔形状を採用してもよい。あるいは変形例５では、メインスロット部５１１のない孔形状を採用する場合として、ロータ外周面５１ａに開口したサブスロット部５１２のみの孔形状を採用してもよい。さらに、これらいずれの場合も、また上述した実施形態の場合も変形例５では、スロット部５１１，５１２の少なくとも一方の孔形状として、略長方形孔状や略円筒孔状等を採用してもよい。

１ かご型誘導モータ、３ 転がり軸受、４ モータステータ、５ かご型ロータ、３０ 転動体、３１ 内輪、３２ 外輪、４０ ステータコア、４１ ステータコイル、５０ ロータシャフト、５１ ロータコア、５１ａ ロータ外周面、５２ 導体バー、５３ エンドリング、４００ ステータティース、５１０ スロット、５１０ａ 開口、５１１ メインスロット部、５１２ サブスロット部、Ｌ 径方向軸線、φｏｏ，φｒｏ 外径

Claims (6)

1. かご型誘導モータ（１）において、外周側のモータステータ（４）により発生する磁束を受けて回転可能に、転がり軸受（３）により軸支されるかご型ロータ（５）であって、
   前記転がり軸受の外径（φｏｏ）よりも小さな外径（φｒｏ）のロータ外周面（５１ａ）を有し、前記ロータ外周面における回転方向の複数箇所にそれぞれスロット（５１０）が開口しているロータコア（５１）と、
   各前記スロット内に収容されており、それぞれ各前記スロットの開口（５１０ａ）から前記ロータ外周面に露出した状態で前記ロータコアと一体に回転する複数の導体バー（５２）とを、備えるかご型ロータ。
2. 前記導体バーの数は、前記モータステータにおける前記回転方向の複数箇所にそれぞれ設けられてステータコイル（４１）の巻装されるステータティース（４００）の数よりも多い請求項１に記載のかご型ロータ。
3. 各前記スロット外に配置されており、それぞれ各前記導体バーと電気接続された状態で前記ロータコアと一体に回転する一対のエンドリング（５３）を、さらに備え、
   各前記エンドリングは、各前記導体バーと同一の金属により前記導体バーと一体にダイカストされている請求項１又は２に記載のかご型ロータ。
4. 各前記導体バー及び各前記エンドリングは、Ａｌ元素を含む金属により、一体にダイカストされている請求項３に記載のかご型ロータ。
5. 各前記導体バー及び各前記エンドリングは、Ｓｉ含有率が６〜１２％のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金により、一体にダイカストされている請求項４に記載のかご型ロータ。
6. 磁束を発生するモータステータ（４）と、
   外周側の前記モータステータにより発生する磁束を受けて回転するかご型ロータ（５）と、
   前記かご型ロータを回転可能に軸支する転がり軸受（３）とを、含んで構成されるかご型誘導モータ（１）であって、
   前記かご型ロータは、
   前記転がり軸受の外径（φｏｏ）よりも小さな外径（φｒｏ）のロータ外周面（５１ａ）を有し、前記ロータ外周面における回転方向の複数箇所にそれぞれスロット（５１０）が開口しているロータコア（５１）と、
   各前記スロット内に収容されており、それぞれ各前記スロットの開口（５１０ａ）から前記ロータ外周面に露出した状態で前記ロータコアと一体に回転する複数の導体バー（５２）とを、備えるかご型誘導モータ。

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