JP2023026866A - 誘導電動機および鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率かつ高速回転に対応した誘導電動機および鉄道車両を提供する。【解決手段】本発明の誘導電動機１は、シャフト８と、シャフト８とともに回転する回転子３と、回転子３とエアギャップを介して対向配置された固定子２と、を備え、回転子３は、シャフト８を回転可能に保持さする回転子鉄心７と、回転子鉄心７に設けられた複数のスロット６と、スロット６内に設けられた導体棒１３と、導体棒１３の軸方向両端に固定され、複数の導体棒１３を短絡させる一対の短絡環１４と、一対の短絡環１４を外側から固定する円環部材１２と、を有し、導体棒１３および短絡環１４は、アルミニウムまたは銅のダイカストで形成され、円環部材１２は、２０℃における引張強さが２６０Ｎ／ｍｍ２以上であり、導電率が７０ＩＡＣＳ％以上であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、誘導電動機を高効率化する技術に関する。

誘導電動機の回転子は、回転子鉄心のスロット内に収納された導体棒を、回転子の軸方向端面に配置された短絡環によって短絡した構成を有する。この回転子の製造方法には、導体棒と短絡環（エンドリング）とをそれぞれ別の部材として用意し、溶接する方法と、導体棒と短絡環とをアルミニウム材又は銅材を用いたダイカスト法により製造する方法とがある。前者はダイカスト法が適用できない大容量・大型の誘導電動機に用いられる製造方法である。一方、後者は低容量・小型の誘導電動機に用いられる製造方法であり、低コストな製造方法である。このダイカストによって製造された回転子は、鋳込みの状態によって、導体棒および短絡環内に巣が発生する場合があり、また鍛造品のように熱処理をしないため、導体棒および短絡環の強度を十分に確保できない恐れがある。また、特に鉄道車両等に用いられるモータでは、低速から高速に可変速運転させるため、回転子を高速回転に耐え得る構造とする必要がある。

この課題を解決するために、導体棒と短絡環とを補強する補強リングを短絡環に取り付けた構造が従来知られている。例えば、特許文献１には、アルミダイカストによって一体的に成形された一対のエンドリング２８２と複数の導体バー２８１が記載され、導体バー２８１がその両端で一対のエンドリング２８２によって短絡されている構成が開示されている。また、エンドリング２８２の外周部のそれぞれに圧入される一対の補強リング２６０Ａ，２６０Ｂが開示されており、補強リング２６０Ａ，２６０Ｂの材料は、エンドリング２８２の変形を抑えるために、アルミニウムや銅、炭素鋼等に比べて強度の高い高強度ステンレス鋼やチタン合金等が採用されることが記載されている。

特開２０１３－２４０２３４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の構成では、補強リングに強度が高いステンレス鋼やチタン合金等の材料を用いているため、短絡環に取り付けるために短絡環の外径側を小さくする必要があり、このため回転子の導体棒および短絡環で構成された２次抵抗値が大きくなるために効率が低下する課題があった。

本発明の目的は、上記事情に鑑み、高効率かつ高速回転に対応した誘導電動機および鉄道車両を提供することにある。

上述した課題を解決する本発明の一態様は、シャフトと、シャフトとともに回転する回転子と、回転子とエアギャップを介して対向配置された固定子と、を備え、回転子は、シャフトを回転可能に保持さする回転子鉄心と、回転子鉄心に設けられた複数のスロットと、スロット内に設けられた導体棒と、導体棒の軸方向両端に固定され、複数の導体棒を短絡させる一対の短絡環と、一対の短絡環を外側から固定する円環部材と、を有し、導体棒および短絡環は、アルミニウムまたは銅のダイカストで形成され、円環部材は、引張強さが２６０Ｎ／ｍｍ^２以上であり、導電率が７０ＩＡＣＳ％以上であることを特徴とする誘導電動機である。

また、本発明は、上述した本発明の誘導電動機を備える鉄道車両である。

本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。

本発明によれば、高効率かつ高速回転に対応した誘導電動機および鉄道車両を提供することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１の誘導電動機の回転軸方向半断面図 実施例１の回転子の半断面図 実施例２の誘導電動機の回転軸方向断面図 実施例３の誘導電動機の回転軸方向半断面図 本発明の誘導電動機を搭載した鉄道車両のブロック構成図

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。図１は実施例１の誘導電動機の回転軸方向断面図であり、図２は実施例１の回転子および固定子の半断面図である。図１に示すように、本発明の誘導電動機１の一実施例は、シャフト８と、シャフト８とともに回転する回転子３と、回転子３とエアギャップを介して対向配置された固定子２とを備える。固定子２は、固定子鉄心４と、この固定子鉄心４に巻回された多相の固定子巻線５と、固定子鉄心４をその内周面で保持するハウジング１１を有する。回転子３は、回転子鉄心７、エンドプレート１５、およびベアリング１０を有し、ベアリング１０は回転可能に保持されている。ベアリング１０は、エンドブラケット９によって支持されており、エンドブラケット９は、ハウジング１１に固定されている。また、回転子鉄心４はエンドプレート１５によって軸方向両端部で軸方向に抑えられている。

図２に示すように、回転子３の回転子鉄心７には、導体からなる導体棒１３を挿入するための複数のスロット６が設けられている。また、図１に示すように、導体棒１３は、回転子の両軸端部（回転軸の軸方向端部）で短絡環１４と接続されている。円環部材１２は、短絡環１４の外周側に配置し、短絡環１４が遠心力によって膨らむ応力を抑えている。円環部材１２は、短絡環１４の一部を削った箇所に配置されている。

図２に示すように、固定子２は、固定子鉄心４と固定子巻線５から構成されている。固定子巻線５は固定子鉄心４に巻回されている。

固定子鉄心４は、円筒状の固定子ヨーク部２１と、固定子ヨーク部２１の内周表面から径方向内側に突出し、固定子ヨーク部２１の内周面に沿って軸方向に延びた複数の固定子ティース部２２を備えている。固定子ティース２２は固定子ヨーク部２１の内周面に沿って周方向に等間隔で配置されている。

回転子３は、複数枚の電磁鋼板が積層されている回転子鉄心７と、回転子鉄心７に複数設けられたスロット６に導体棒１３が挿入されている。

回転子鉄心７は、円筒状の回転子ヨーク部３０（又は回転子コア）と、回転子ヨーク部３０の外周表面から径方向外側に突出し、回転子ヨーク部３０の外周面に沿って軸方向に延びた複数の回転子ティース部３１を備えている。回転子ティース３１は回転子ヨーク部３０の外周面に沿って周方向に等間隔で配置されている。また、回転子ティース３１間には、導体棒１３を収めるための複数の回転子スロット６が周方向に等間隔で配置されている。

また、回転子鉄心７には、シャフト８を通す孔が打ち抜かれる構造となっており、シャフト８を通す孔が打ち抜かれた電磁鋼板を積層し、貫通するシャフト８を通す孔の中にシャフト８が挿入されて回転子３を構成する。回転子３は、時計方向、反時計方向に回転し、電動機として運転するものとする。

本実施例の誘導電動機１は、導体棒１３と短絡環１４とをダイカストで一体成形品として構成し、短絡環１４の外周に、円環部材１２を配置している。導体棒１３と短絡環１４は、アルミニウムまたは銅を用いることが好ましい。円環部材１２は、誘導電動機１の動作時に、導体棒１３と短絡環１４が外周側に膨らむことを防止する役割を果たすために、アルミニウムまたは銅よりも引張り強さが大きい材料を用いる。具体的には、２０℃の引張強さが２６０Ｎ／ｍｍ^２以上の材料を用いる。

また、円環部材１２は、上述した２次抵抗値の低減のため、従来導体棒１３および短絡環１４の補強部材として用いられていたＳＵＳやチタン合金よりも導電率が高い材料とする。具体的には、導電率が７０ＩＡＣＳ（％）以上の材料を用いる。

さらに、導体棒１３および短絡環１４のダイカストと円環部材１２とを組み合わせる場合、誘導電動機１の動作時の発熱による両者の接続部分にかかる応力を緩和するために、両者の熱膨張係数ができるだけ近い方が好ましい。したがって、両者を同じ種類の合金で構成することが好ましい。

以上のことを踏まえると、円環部材１２は、Ｃｕ－Ｃｒ系合金およびＡｇ含有Ｃｕ系合金を用いることが好ましい。Ｃｕ－Ｃｒ系合金は、ＣｕおよびＣｒを主成分とする合金であり、Ａｇ含有Ｃｕ系合金は、Ｃｕを主成分とする合金に添加物としてＡｇを添加した合金である。これらの材料の２０℃の引張強さは５００Ｎ／ｍｍ^２以下であり、導電率は８０ＩＡＣＳ（％）以下となる。

上記実施例の構成によれば、短絡環１４が銅やアルミニウムで構成されることから、短絡環１４にかかる遠心力を抑制できる。また、円環部材１２を短絡環１４に取り付ける際に、円環部材１４の外径側を削る必要があるため、短絡環１４を小さくする必要があるが、円環部材１２の導電率が７０ＩＡＣＳ（％）以上の部材とすることで、円環部材１２にも短絡環１４を介して２次電流が流れる構成となることから、２次抵抗を低減することができる。これにより、２次銅損を低減でき誘導電動機１の運転を高効率化することができる。

次に、本発明の第二の実施例について、図３を用いて説明する。図３実施例２の誘導電動機の回転軸方向断面図であり、回転子のスロット部６の拡大図である。ここで、ハウジング、固定子及びシャフトの図示は省略している。本実施例が実施例１と異なるのは、回転子のスロット部６の上部にスリット部１６とスリット部１６によって形成された空間を有する点にある。

導体棒１３および短絡環１４をアルミニウムまたは銅のダイカストで形成した回転子では、鋳込み時に回転子外径側からアルミ又は銅が漏れないように回転子スロット部６の図示した上部を電磁鋼鈑とした全閉スロットとなるのが一般的である。しかしながら、この全閉スロットでは、回転子のスリット部１６が電磁鋼鈑であるために漏れ磁束が発生し回転子導体棒１３に漏れ磁束が鎖交することで渦電流損が発生する。この損失を低減するために、回転子のスリット部１６を加工することで、この漏れ磁束を低減し、回転子導体棒１３に鎖交する漏れ磁束を低減することができ渦電流損を低減することができ、誘導電動機１を高効率に運転することできる。

スリット部１６を形成するために、回転子鉄心を機械加工で切削するが、この際に導体棒１３には、機械加工（切削）による加工痕である凹部（回転軸の外径側から内径側に窪んだ形状を有する。）が形成される。導体棒１３に凹部が形成されることで、導体棒１３の表面積が増大し、放熱性を向上させることができる。

その他の構成については実施例１と同様であるので、説明を省略する。

図４は実施例３の誘導電動機の回転軸方向半断面図である。実施例３の誘導電動機が実施例１の誘導電動機と異なる点は、円環部材１２の最外周の径Ｒｏが、回転子鉄心７の外径Ｒｒｏよりも小さい点である。このような構成とすることで、円環部材１２の最外周の径Ｒｏが回転子コアの外径Ｒｒｏよりも小さいため、固定子２からの漏れ磁束が円環部材１２に鎖交する漏れ磁束の量が低減できるため、円環部材１２に発生する渦電流が低減できることで誘導電動機１を高効率に運転することできる。

その他の構成については実施例１と同様であるので、説明を省略する。

図５は本発明の誘導電動機を搭載した鉄道車両のブロック構成図である。
図５に示すように、鉄道車両２００は、台車２０１に誘導電動機１、増速ギア２０２および車輪２０３を備え、誘導電動機１が増速ギア２０２を介して車輪２０３を駆動する。また、誘導電動機１は図中では２台だが、１台又は２台以上となる複数台、搭載し駆動することも可能である。

なお、以上の実施例では、誘導電動機を鉄道車両の車輪の駆動に用いるものとして説明したが、電動建機用の駆動装置及び他あらゆる駆動装置においても使用できるものである。

本発明の誘導電動機をインバータで駆動する電動車両や鉄道車両に適用すれば、誘導電動機の損失を低減できるため、高効率な誘導電動機を提供することができる。

以上、説明した通り、本発明によれば、高効率かつ高速回転に対応した誘導電動機および鉄道車両を提供できることが示された。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…誘導電動機、２…固定子、３…回転子、４…固定子鉄心、５…固定子巻線、６…回転子スロット、７…回転子鉄心、８…シャフト、９…エンドブラケット、１０…ベアリング、１１…ハウジング、１２…円環部材、１３…回転子導体棒、１４…短絡環、１５…押え板、１６…回転子のスリット部、２１…固定子ヨーク部、２２…固定子ティース、３０…回転子ヨーク部、３１…回転子ティース部、２００…鉄道車両、２０１…台車、２０２…増速ギア、２０３…車輪。

Claims (6)

1. シャフトと、前記シャフトとともに回転する回転子と、前記回転子とエアギャップを介して対向配置された固定子と、を備え、
   前記回転子は、前記シャフトを回転可能に保持さする回転子鉄心と、前記回転子鉄心に設けられた複数のスロットと、前記スロット内に設けられた導体棒と、前記導体棒の軸方向両端に固定され、前記複数の導体棒を短絡させる一対の短絡環と、前記一対の短絡環を外側から固定する円環部材と、を有し、
   前記導体棒および前記短絡環は、アルミニウムまたは銅のダイカストで形成され、
   前記円環部材は、引張強さが２６０Ｎ／ｍｍ^２以上であり、導電率が７０ＩＡＣＳ％以上であることを特徴とする誘導電動機。
2. 前記円環部材は、Ｃｕ－Ｃｒ系合金およびＡｇ含有Ｃｕ系合金であることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機。
3. 前記回転子の前記スロットの前記エアギャップ側に、前記エアギャップ側から前記回転軸の方向に向かってスリットが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機。
4. 前記導体棒の前記スリット側の端部に凹部を有することを特徴とする請求項３に記載の誘導電動機。
5. 前記円環部材の最外周の径Ｒｏが回転子コアの外径Ｒｒｏよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機。
6. 台車と、前記台車に設けられた誘導電動機、増速ギアおよび車輪を備え、前記誘導電動機が前記増速ギアを介して前記車輪を駆動する鉄道車両において、
   前記誘導電動機は、請求項１から５のいずれか１項に記載の誘導電動機であることを特徴とする鉄道車両。

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