JP5059314B2 - 単相誘導電動機 - Google Patents
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Description
本発明は、単相誘導電動機に関し、特に、電動機の起動性能を向上させて、誘導ケージロータの回転速度を可変し得る単相誘導電動機に関する。
一般に、電動機は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置であり、使用電源により直流電動機と交流電動機とに区分される。そのうち、交流電動機には、誘導電動機、同期電動機、及び整流子電動機などがある。
また、前述の誘導電動機は、ステータと誘導ケージロータ間の空隙に永久磁石ロータが自由回転可能に設置された構造を有し、ステータの回転磁界により永久磁石ロータが同期速度で回転することにより、該永久磁石ロータの永久磁石から発生する強い磁束により誘導ケージロータが回転する原理により動作する。
図８は、従来の単相誘導電動機１０を示す正面図であり、図９は、従来の単相誘導電動機１０の永久磁石ロータ１４及び誘導ケージロータ１３を示す斜視図であり、図１０は、従来の単相誘導電動機１０の永久磁石ロータ１４及び誘導ケージロータ１３を示す縦断面図である。
図示されたように、従来の単相誘導電動機１０は、ケーシング１０ａの内部に固定設置されたステータ１１と、該ステータ１１の収容溝内側に回転自在に設置された誘導ケージロータ１３と、それらステータ１１と誘導ケージロータ１３間に自由回転（free rotation）可能に設置された永久磁石ロータ１４と、誘導ケージロータ１３の中心に固定された軸１５とから構成される。
また、ステータ１１の内側には、該ステータ１１がＮ極又はＳ極の極性を有するようにステータコイル１６が巻かれる巻線部１７が形成されている。
また、誘導ケージロータ１３の中心には、軸１５が固定される軸孔１３ａが形成され、 誘導ケージロータ１３の周縁部には、円周方向に沿って複数の導体孔１３ｂが等間隔で形成され、それら導体孔１３ｂに、それら導体バー１３ｃが挿入され、導体バー１３ｃの両端部にはエンドリング１３ｄがそれぞれ設けられている。
また、永久磁石ロータ１４は、中央に軸１５が回転自在に結合されるフレーム１４ａと、該フレーム１４ａの端縁部に円周方向に沿って結合されてステータ１１の回転磁界により自由回転して誘導ケージロータ１３を回転させる永久磁石１４ｂとから構成される。かつ、フレーム１４ａの中央部には、ベアリング１５ａが備えられている。
以下、このように構成された従来の誘導電動機の動作を説明する。
まず、ステータコイル１６に電圧が印加されると、それらステータコイル１６から回転磁界が発生し、該回転磁界により、ステータ１１は、楕円形の回転磁界を発生させる。
その後、ステータ１１の楕円形の回転磁界は、永久磁石ロータ１４に伝達されることにより、永久磁石ロータ１４が 同期速度で自由回転し、該永久磁石ロータ１４から発生する強い磁束の回転磁界により誘導ケージロータ１３が回転する。
しかしながら、このような従来の誘導電動機１０は、起動時の消費電力が決められているので、該決められた消費電力範囲内で起動すべきであるが、初期起動時にはより大きい磁気力が必要であるため、起動性能が低下し、誘導ケージロータ１３の速度を可変することが難しいという不都合な点があった。
本発明は、前述したような問題点を解決するために提案されたものであり、本発明の目的は、永久磁石ロータの起動に必要な運転電圧を低減しても起動性能を向上させ、誘導ケージロータの回転速度を可変し得る単相誘導電動機を提供することにある。
本発明の他の目的は、永久磁石の大きさを小さくすることにより、コストを節減し得る単相誘導電動機を提供することにある。
前述の目的を達成するために本発明に係る単相誘導電動機は、ステータコイルを備えたステータと、ステータの収容溝の内側に回転自在に挿入され、中心に回転軸が固定されると共に、周縁部に円周方向に沿って複数の第１導体バーが均等に配置され、外周面に収容部が段差を有して形成され、該収容部に円周方向に沿って複数の第２導体バーがそれぞれ配置された誘導ケージロータと、ステータと誘導ケージロータ間に自由回転可能に設置された永久磁石ロータとを含むことを特徴とする。
また、各第１導体バーは、誘導ケージロータの周縁部に円周方向に沿って形成された各第１ホールに挿入され、各第２導体バーは、収容部に形成された各第２ホールに挿入されることを特徴とする。
収容部は、誘導ケージロータの外周面の一方側に半径方向に延設され、収容部と対応する位置には、永久磁石ロータの永久磁石が位置することを特徴とする。
また、収容部及び永久磁石は、軸方向の同一線上に位置することを特徴とする。
また、軸方向の第２導体バーの長さをＤLとし、永久磁石の長さをＭLとするとき、ＤL≦ＭL／２の式が成立されることを特徴とする。
また、第１導体バー及び第２導体バーは、それらバーの両端に形成されたエンドリングにより固定されることを特徴とする。
また、ステータと永久磁石間には第１エアギャップが形成され、永久磁石と誘導ケージロータ間には第２エアギャップが形成されることを特徴とする。
本発明に係る単相誘導電動機は、永久磁石が誘導ケージロータの全体を囲まずに該誘導ケージロータの一部のみを囲むように位置しているため、誘導ケージロータは、永久磁石の回転磁界だけでなくステータの回転磁界により起動し得る。従って、起動トルクが大幅に減少するため、起動性能が向上し、誘導ケージロータの回転速度を可変させて、永久磁石の大きさを小さくすることができる。よって、製造原価を大幅に低減することができる。
以下、図面を参照して本発明に係る単相誘導電動機の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る単相誘導電動機１００を示す正面図であり、図２は、図１の斜視図であり、図３は、図２のII−II線断面図であり、図４は、図１の第１導体バー１２１及び第２導体バー１２４が軸１２７に対して平行に位置した状態を示す縦断面図である。
図示されたように、本発明に係る単相誘導電動機１００は、ケーシング１１０ａの内部に固定設置されるステータ１１０と、該ステータ１１０の収容溝１１３の内側に回転自在に挿入され、中心に回転軸１２７が固定され、周縁部に円周方向に沿って複数の第１導体バー１２１が均等に配置され、外周面の一部に収容部１２３が大きい外径で段差を有して形成され、それら収容部１２３に円周方向に沿って複数の第２導体バー１２４が配置された誘導ケージロータ１２０と、ステータ１１０と誘導ケージロータ１２０の収容部１２３のない部分の間に自由回転可能に設置された永久磁石ロータ１３０とから構成される。
また、ステータ１１０の内側には、該ステータ１１０がＮ極又はＳ極の極性を有するようにステータコイル１１１が巻かれる巻線部１１６が形成される。
各第１導体バー１２１は、誘導ケージロータ１２０の周縁部に円周方向に沿って形成された各第１ホール１２５にそれぞれ挿入され、各第２導体バー１２４は、収容部１２３に形成された各第２ホール１２６に挿入される。ここで、第１導体バー１２１及び第２導体バー１２４は、、アルミニウム又は銅を使用してダイキャスト（Die Casting）により形成される。
かつ、各第１導体バー１２１及び第２導体バー１２４の一方の端部には、アルミニウムのエンドリング１２１ａが取り付けられる。また、各第１導体バー１２１の他方の端部、及び各第２導体バー１２４の他方の端部にもそれぞれエンドリングが取り付けられる。
また、収容部１２３は、誘導ケージロータ１２０の外周面の一部分に半径方向に延設され、ステータ１１０の内側の収容部１２３のない部分には後述する永久磁石ロータ１３０の永久磁石１３３が位置する。
すなわち、永久磁石ロータ１３０は、その中央に軸１２７が回転可能に結合されるフレーム１３１と、該フレーム１３１の端縁部に円周方向に沿って結合され、ステータ１１０の磁界により自由回転して誘導ケージロータ１２０を回転させる筒状の複数の永久磁石１３３とからなる。
収容部１２３及び永久磁石１３３は軸１２７に対して同心円上に位置する。よって、永久磁石１３３は誘導ケージロータ１２０の全体を囲まずに該誘導ケージロータ１２０の一部（収容部１２３のない部分）のみを囲む。
かつ、第２導体バー１２４の軸方向長さをＤLとし、永久磁石の軸方向長さをＭLとすると、ＤLとＭLの関係は、ＤL≦ＭL／２である。
また、ステータ１１０と収容部１２３及び永久磁石１３３間には第１エアギャップ１４１が形成され、永久磁石１３３と誘導ケージロータ１２０間には第２エアギャップ１４２が形成される。
さらに、フレーム１３１の中央部にはベアリング１２７ａを設けることで、軸１２７を円滑に回転させる。
ここで、図１〜図４を参照して、本発明に係る単相誘導電動機１００の第１実施形態の動作を説明する。
ステータコイル１１１に電圧が印加されると、該ステータコイル１１１が回転磁界を発生させ、該回転磁界により、ステータ１１０は楕円形の回転磁界を発生させる。
該発生した楕円形の回転磁界は、永久磁石ロータ１３０の永久磁石１３３に伝達されて永久磁石ロータ１３０が 同期速度で自由回転され、該永久磁石ロータ１３０の永久磁石１３３が自由回転して強い磁束の回転磁界を発生させ、該回転磁界により誘導ケージロータ１２０が回転することで、高効率、低騷音の運転が可能になる。
ここで、誘導ケージロータ１２０の外周面に収容部１２３が段差を有して形成され、該収容部１２３の円周方向に沿って複数の第２導体バー１２４が均等に配置されるため、つまり、永久磁石１３３が誘導ケージロータ１２０の全体を囲まずに誘導ケージロータ１２０の一部のみを囲んで構成されることにより、誘導ケージロータ１２０の回転力がステータ１１０から発生する回転磁界により直接誘導されて誘導ケージロータ１２０の起動性能が向上する。
次に、図５〜図７を参照して、本発明に係る単相誘導電動機の他の実施形態として第１導体バー及び第２導体バーの位置について説明する。
図５は、本発明に係る単相誘導電動機の第２実施形態として、第１導体バー２２１は軸に対して水平に位置し、第２導体バー２２４は軸に対して傾斜して位置した状態を示す縦断面図である。
図５に示すように、本発明に係る単相誘導電動機の第２実施形態として、各第１導体バー２２１は、誘導ケージロータ２２０の周縁部に円周方向に沿って軸２２７と水平に形成された各第１ホール２２５に挿入され、各第２導体バー２２４は、軸２２７に対して傾斜して形成された各第２ホール２２６に挿入され、各第１導体バー２２１及び第２導体バー２２４の端部にはエンドリング２２１ａが形成され、その他は、前述の第１実施形態と同様に構成される。
また、図６は、本発明に係る単相誘導電動機の第３実施形態として、第１導体バー３２１は軸に対して傾斜して位置し、第２導体バー３２４は軸に対して平行に位置した状態を示す縦断面図である。
図６に示す第３実施形態として、各第１導体バー３２１は、誘導ケージロータ３２０の周縁部に円周方向に沿って形成された各第１ホール３２５にそれぞれ挿入され、各第２導体バー３２４は、収容部３２３に形成された各第２ホール３２６にそれぞれ挿入される。
ここで、各第２導体バー３２１及び第２導体バー３２４は、ダイキャストにより形成され、各第１導体バー３２１及び第２導体バー３２４の端部には、エンドリング３２１ａが形成されることで、各第１導体バー３２１及び第２導体バー３２４がそれぞれ固定される。
図７は、本発明に係る単相誘導電動機の第４実施形態として、第１導体バー及び第２導体バーが全て軸に対して傾斜して位置した状態を示す縦断面図である。
図７に示すように、各第１導体バー４２１は、誘導ケージロータ４２０の周縁部に円周方向に沿って形成された各第１ホール４２５に挿入され、各第２導体バー４２４は、収容部４２３に形成された各第２ホール４２６に挿入される。それら第１導体バー４２１及び第２導体バー４２４は、ダイキャストにより形成され、それら第１導体バー４２１及び第２導体バー４２４の端部はエンドリング４２１ａにより係止される。
前述した本発明に係る単相誘導電動機の第２〜第４実施形態の動作は第１の実施形態と同じであるのでその説明を省略する。これらの実施形態において、第１導体バー及び第２導体バーの位置による起動性能、効率、及び騷音を測定した結果、第１導体バー及び第２導体バーが軸に対して平行に位置した場合は、起動性能及び効率は向上するが、騷音が大きくなり、第１導体バー及び第２導体バーが軸に対して傾斜して位置した場合は、騷音は減少するが、起動性能及び効率が低下することが分かった。
１１０ ステータ
１１１ ステータコイル
１１３ 収容溝
１１６ 巻線部
１２０ 誘導ケージロータ
１２１ 第１導体バー
１２１ａ エンドリング
１２３ 収容部
１２４ 第２導体バー
１２５ 第１ホール
１２６ 第２ホール
１２７ 軸
１２７ａ ベアリング
１３０ 永久磁石ロータ
１３１ フレーム
１３３ 永久磁石
ＭL 永久磁石の長さ
ＤL 第２導体バーの長さ
１４１ 第１エアギャップ
１４２ 第２エアギャップ
１１１ ステータコイル
１１３ 収容溝
１１６ 巻線部
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１２１ 第１導体バー
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１２４ 第２導体バー
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１２６ 第２ホール
１２７ 軸
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１３０ 永久磁石ロータ
１３１ フレーム
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ＭL 永久磁石の長さ
ＤL 第２導体バーの長さ
１４１ 第１エアギャップ
１４２ 第２エアギャップ
Claims (6)
- ケーシングの内部に固定設置されるステータと、
該ステータの収容溝の内側に回転自在に挿入され、中心に回転軸が固定される誘導ケージロータであって、前記誘導ケージロータの周縁部に円周方向に沿って複数の第１導体バーが均等に配置され、前記誘導ケージロータの外周面の一部に収容部が半径方向に段差を有して外側に突出して形成され、該収容部に円周方向に沿って複数の第２導体バーがそれぞれ配置された誘導ケージロータと、
前記ステータと前記誘導ケージロータ間に自由回転可能に設置された永久磁石ロータと、を含み、
前記永久磁石ロータは、前記誘導ケージロータの外側のうち前記収容部がない部分に、前記誘導ケージロータの一部を囲むように配置される永久磁石を備えることを特徴とする単相誘導電動機。 - 前記各第１導体バーが、前記誘導ケージロータの周縁部円周方向に沿って形成された各第１ホールに挿入され、前記各第２導体バーが、前記収容部に形成された各第２ホールに挿入されたことを特徴とする請求項１に記載の単相誘導電動機。
- 前記収容部及び永久磁石は、軸方向の同一線上に位置することを特徴とする請求項１に記載の単相誘導電動機。
- 前記軸方向の前記第２導体バーの長さをＤLとし、前記永久磁石の長さをＭLとすると、
ＤL≦ＭL／２の式が成立されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の単相誘導電動機。 - 前記第１導体バー及び第２導体バーが、前記収容部の両端及び前記誘導ケージロータの両端に形成されたエンドリングにより固定されることを特徴とする請求項２に記載の単相誘導電動機。
- 前記ステータと永久磁石間には第１エアギャップが形成され、前記永久磁石と誘導ケージロータ間には第２エアギャップが形成されることを特徴とする請求項１に記載の単相誘導電動機。
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