JPWO2010047173A1 - かご形誘導電動機及びかご形誘導電動機駆動システム - Google Patents

Abstract

かご形誘導電動機は、固定子鉄心（１１）と、この固定子鉄心（１１）の円周方向に設けられた複数の固定子スロット（１２）と、固定子スロット（１２）に収納された複数の固定子巻線（１３）と、回転子鉄心（２１）と、この回転子鉄心（２１）の円周方向に設けられた複数の回転子スロット（２２）と、回転子スロット（２２）に収納された複数の回転子導体（２３）とを備えたかご形誘導電動機において、固定子巻線（１３）及び回転子導体（２３）は銅を主成分とする導電性材料で構成され、かつ、複数の回転子スロット（２２）の総面積に対する複数の固定子スロット（１２）の総面積の面積比が、２．３以上８．０以下であることにより、始動時のトルク特性の向上と定常時の高効率化とを両立させる。

Description

本発明は、固定子と回転子のスロット面積比を改良したかご形誘導電動機、及びかご形誘導電動機を駆動するためのかご形誘導電動機駆動システムに関する。

従来、かご形誘導電動機の小型化、高効率化を図るために様々な構造改良がなされてきた。例えば、二重給電型のかご形誘導電動機において、固定子スロットと回転子スロットの面積比を、固定子巻線と回転子巻線の電流比と等しくすることにより、固定子巻線と回転子巻線の電流密度を等しくして小型化及び高効率化を図る技術が開示されている（特許文献１参照）。この技術によれば、固定子巻線と回転子巻線の電流密度を同じにすることにより、両巻線の温度上昇を比較的等しくすることができるので、発生トルクの減少を回避することができるため、結果的に、かご形誘導電動機の小型化、高効率化を図ることが可能となる。また、小型コンデンサ型誘導電動機において、固定子のスロット面積を、径が固定子の外径となる円の面積に対して０．４５〜０．６５とすることにより、同一特性に対して鉄心使用量を２５％低減し、かつ導線使用量を１８％低減し、さらに、同一寸法の場合は出力特性を１４５％増加させることができる技術が開示されている（特許文献２参照）。

特開２００７−１６６７９６号公報 特開昭６０−３９３５２号公報

しかしながら、前記特許文献１の技術は二重給電形かご形誘導電動機に関する技術であるが、一般のかご形誘導電動機では、二次電流の大きさは運転状態に応じて誘導電流として大きく変化することから、運転状態によって固定子巻線と回転子巻線の電流比が変化するため、固定子巻線と回転子巻線の電流比だけでは固定子スロットと回転子スロットの面積比を一意に決め難い。一方、前記特許文献２の技術は、固定子のスロット面積に関する技術であるが、固定子のスロット面積の調整だけでは、誘導電動機における始動特性の改善（始動トルクの向上）と定常特性の改善（高効率化）とを両立させることは難しい。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、固定スロットと回転子スロットの面積比を適正に設定することにより、始動時のトルク特性の向上と定常時の高効率化とを両立させることができるかご形誘導電動機、及びかご形誘導電動機を駆動するためのかご形誘導電動機駆動システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明のかご形誘導電動機は、固定子鉄心と、この固定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固定子スロットと、これらの固定子スロットにそれぞれ収納された複数の固定子巻線と、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それぞれ収納された複数の回転子導体とを備えたかご形誘導電動機において、固定子巻線及び回転子導体は銅を主成分とする導電性材料で構成され、かつ、複数の回転子スロットの総面積に対する複数の固定子スロットの総面積の面積比が、２．３以上８．０以下（好ましくは、２．７以上８．０以下）である構成を採っている。

この構成によれば、本発明はその一面において、かご型誘導電動機の始動特性及び定常特性を同時に改善するために、固定子巻線及び回転子導体に銅または銅合金の導電性材料を使用し、かつ、回転子スロットの総面積に対する固定子スロットの総面積の面積比を２．３以上８．０以下（好ましくは、２．７以上８．０以下）としている。

本発明のかご形誘導電動機によれば、少なくとも回転子導体に銅または銅合金の導電性材料を使用し、回転子スロットの総面積に対する固定子スロットの総面積の面積比を２．３以上８．０以下（好ましくは、２．７以上８．０以下）の範囲で適切に選択することにより、始動特性(始動トルク)の向上と定常特性の改善(高効率化)とを両立させることができる。

本発明による各実施形態に係るかご形誘導電動機の部分断面図である。 導体材料として銅を用いた回転子導体の定常時に対する起動時の電気抵抗の比を示す図である。 本発明による第１実施形態に係るかご形誘導電動機の効率特性図である。 本発明による第１実施形態に係るかご形誘導電動機の始動トルク特性図である。 本発明による第３実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子スロット及び回転子導体の部分断面図である。 本発明による第５実施形態に係るかご形誘導電動機の２極機の効率特性図である。 本発明による第５実施形態に係るかご形誘導電動機の２極機の始動トルク特性図である。 本発明による第６実施形態に係るかご形誘導電動機の４極機の効率特性図である。 本発明による第６実施形態に係るかご形誘導電動機の４極機の始動トルク特性図である。 本発明による第７実施形態に係るかご形誘導電動機の６極機の効率特性図である。 本発明による第７実施形態に係るかご形誘導電動機の６極機の始動トルク特性図である。

本発明によるかご形誘導電動機は、電気抵抗率の低い銅などの導電性材料を固定子巻線及び回転子導体に用いて高効率化を図り、かつ、始動時に所定の電気抵抗となるようにして所望の始動トルクを確保し、始動特性（始動トルク）と定常特性（効率）の向上とを両立させている。そのために、回転子スロットの総面積に対する固定スロットの総面積の比率（面積比）が所定の範囲になるようにしている。
以下、本発明による各実施形態に係るかご形誘導電動機について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明による各実施形態に係るかご形誘導電動機の部分断面図である。
図１に示すように、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の内周近くで円周方向に等間隔を置いて設置された多数の固定子スロット１２と、これらの固定子スロット１２に埋め込まれた固定子巻線１３とを備えている。なお、１個の固定子スロット１２の面積はＳ１、固定子スロット１２のスロット数はＮ１である。

一方、回転子２０は、回転子鉄心２１と、この回転子鉄心２１の外周近くで円周方向に等間隔を置いて設置された多数の回転子スロット２２と、これらの回転子スロット２２に埋め込まれた回転子導体２３とを備えている。なお、１個の回転子スロット２２の面積はＳ２、回転子スロット２２のスロット数はＮ２である。

本発明による各実施形態では、固定子巻線１３及び回転子導体２３はそれぞれ銅製の導電性材料であり、回転子スロット２２の総面積（Ｓ２×Ｎ２）に対する固定子スロット１２の総面積（Ｓ１×Ｎ１）の比率（つまり、（Ｓ１×Ｎ１）／（Ｓ２×Ｎ２））を面積比としたとき、その面積比が２．７以上８．０以下となる構成となっている。

かご形誘導電動機の効率を向上させるためには、回転子導体２３の電気抵抗を小さくして、回転子導体２３で発生する損失を小さくしたいが、かご形誘導電動機の起動時においては回転子導体２３の電気抵抗は始動トルクに比例するため（つまり、回転子導体２３の電気抵抗を小さくして損失を小さくすると始動トルクが低下するため）、単に電気抵抗率の小さい導電性材料に変更しただけでは（たとえば、導電性材料をアルミニウムから銅に変更しただけでは）、始動特性（始動トルク）が悪化してしまう。すなわち、かご形誘導電動機において、回転子導体２３の電気抵抗を小さくして効率を向上させようとすると始動トルクが低下してしまう。

このような高効率化と始動トルクの向上とはトレードオフの関係にあるので、これらの特性の双方を改善するために、可変周波数インバータを電源としたかご形誘導電動機において、回転子導体２３の断面形状を工夫することで、電流分布の偏りである表皮効果を利用して、始動時のみインバータの周波数を高くして回転子導体２３の電気抵抗を大きくし、始動特性（始動トルク）の向上を図る技術が知られている（例えば、特開２００４−２４８３６１号公報参照）。しかし、表皮効果を利用して、始動時のみ回転子導体２３の電気抵抗を大きくして始動特性（始動トルク）の改善を図ることはできるが、回転子導体２３の断面積が小さい場合は表皮効果の影響が小さくなり、必然的に始動トルクの改善幅も小さくなってしまう。また、かご形誘導電動機の駆動電流の周波数が低いときは（例えば、商用電源でかご形誘導電動機を駆動しているときは）、表皮効果の影響が小さくなり、始動トルクの改善幅も小さくなってしまう。

図２は、導体材料として銅を用いた回転子導体２３の定常時（定格回転時）に対する起動時の電気抵抗の比を示す図であり、横軸に回転子導体２３の高さ（ｃｍ）、縦軸に回転子導体２３の電気抵抗の比（p.u：per unit）を表わしている。なお、定常時における銅の回転子導体２３の電気抵抗を１p.uとしている。

図２において、実線で示す特性（ａ）は、定常時（定格回転時）に対する起動時の銅の回転子導体２３の電気抵抗の比であり、破線で示す特性（ｂ）は、定常時の銅の回転子導体２３の電気抵抗に対する定常時のアルミニウムの回転子導体２３の電気抵抗の比である。図２から分かるように、回転子２０の径方向における回転子導体２３の高さ（以下、単に、回転子導体２３の高さという）が１９ｍｍ以下では、アルミニウムの回転子導体２３の電気抵抗の比より銅の回転子導体２３の電気抵抗の比の方が小さいが、回転子導体２３の高さが１９ｍｍを超えると、アルミニウムの回転子導体２３の電気抵抗の比より銅の回転子導体２３の電気抵抗の比の方が大きくなってしまう。

言い換えると、図１に示す回転子導体２３を、たとえばアルミニウムから銅に変更した場合は、回転子導体２３の高さが１９ｍｍ以下では、起動時の電気抵抗が、アルミニウムを用いた定常時の電気抵抗よりも小さくなるため、前記特開２００４−２４８３６１号公報の技術のように、かご形誘導電動機の起動時において、表皮効果を利用して始動特性（始動トルク）の改善を図ることは困難であることが分かった。

そこで、本発明による各実施形態では、回転子導体２３の高さが１９ｍｍ以下であっても、始動特性（始動トルク）の改善と定常特性（効率）の改善とを両立させることができるかご形誘導電動機を実現している。すなわち、本発明による各実施形態のかご形誘導電動機では、回転子導体２３の表皮効果に頼って始動特性を改善しようとするのではなく、回転子導体２３の断面積を小さくし、始動トルクに比例する回転子導体２３の電気抵抗を大きくすることによって始動特性の改善を図った。それにより、回転子導体２３の高さが１９ｍｍ以下となり、表皮効果が小さくなる場合であっても、始動特性の改善を図ることが可能となる。

ところが、単に、回転子導体２３の高さを１９ｍｍ以下にして、その回転子導体２３の断面積を小さくして電気抵抗を大きくすると、定常時においても回転子導体２３の電気抵抗が大きくなり、回転子導体２３で発生する損失が増加して定常時（定格回転時）の効率が低下してしまう。そこで、回転子導体２３の断面積を小さくした分、回転子２０の外径、及び固定子１０の内径を小さくすることで、固定子１０の面積を大きくし、固定子スロット１２及び固定子巻線１３の断面積を大きくすることによって、固定子巻線１３の電気抵抗が小さくなり、その結果、固定子巻線１３に発生する損失が低減されて、効率を向上させることができる。

《第１実施形態》
図３は、本発明による第１実施形態に係るかご形誘導電動機のＩＥ３規格に対する効率の特性図であり、横軸に回転子スロット２２の総面積に対する固定子スロット１２の総面積の面積比（p.u）を表わし、縦軸にＩＥ３規格に対する効率（％）を表わしている。
ＩＥ３規格とは、国際標準規格ＩＥＣ６００３４−３０で定義された回転電機（モータ）の効率規格であり、ＩＥ３規格レベルとして回転電機の出力容量ごとに効率レベルが規定されている。したがって、図３に示す特性図では、縦軸におけるＩＥ３規格に対する効率が０．０％以上である場合が、ＩＥ３規格レベル以上の効率である。なお、ここでは回転子導体２３の高さは１９ｍｍ以下としている。

図３から分かるように、回転子スロット２２の総面積に対する固定子スロット１２の総面積の面積比が２．３以上８．０以下の範囲において、かご形誘導電動機の効率はＩＥＣ６００３４−３０のＩＥ３規格の効率レベル（ＩＥ３規格レベル）以上であるため、面積比が２．３以上８．０以下の範囲にある場合において、高効率なかご形誘導電動機を実現することができる。なお、図３における各プロットは、多数のかご形誘導電動機の試作機の測定によって求めた効率実測値のＩＥ３規格に対する効率である。

すなわち、一つの技術的レベルとして、ＩＥ３規格の効率レベル（ＩＥ３規格レベル）以上の効率を実現できるかご形誘導電動機は、高効率なかご形誘導電動機として評価することができるので、回転子スロット２２の総面積に対する固定子スロット１２の総面積の面積比が２．３以上８．０以下の範囲にあるかご形誘導電動機を製作することによって、高効率なかご形誘導電動機を実現することが可能となる。

図４は、本発明による第１実施形態に係るかご形誘導電動機のＪＩＳ Ｃ４２１０規格に対する始動トルクの特性図である。この特性図では、横軸に回転子スロット２２の総面積に対する固定子スロット１２の総面積の面積比（p.u）を表わし、縦軸にＪＩＳ Ｃ４２１０規格に対する始動トルク（％）を表わしている。ＪＩＳ Ｃ４２１０は、低圧三相かご型誘導電動機の電気特性を示す国際標準規格であり、その規格の中に定格出力ごとの始動トルクのレベルが規定されている。なお、図４の各プロットは、図３でＩＥ３規格レベルの効率を上回っているかご型誘導電動機の試作機の特性のみを記載している。

図４に示すように、回転子スロット２２の総面積に対する固定子スロット１２の総面積の面積比が２．７以上の場合において、ＪＩＳ Ｃ４２１０規格における始動トルクの規格レベル以上であり、良好な始動トルクを確保したかご型誘導電動機を実現することができる。なお、図４の各プロットは、図３で用いたかご型誘導電動機の試作機を測定して求めた実測値である。

一つの技術的レベルとして、ＪＩＳ Ｃ４２１０に定める規格以上の始動トルクを実現できるかご形誘導電動機は、始動特性（始動トルク）の良好なかご形誘導電動機として評価することができるので、回転子スロット２２の総面積に対する固定子スロット１２の総面積の面積比が２．７以上にあるかご形誘導電動機を製作することによって、始動特性（始動トルク）の良好なかご形誘導電動機を実現することができる。

すなわち、図３の面積比に対する効率の特性図及び図４の面積比に対する始動トルクの特性図により、回転子スロット２２の総面積に対する固定子スロット１２の総面積の面積比を２．７以上８．０以下とすることで、始動特性(始動トルクの確保)と定常特性(高効率化)とを両立させたかご形誘導電動機を実現することができる。言い換えると、電気標準規格であるＩＥＣ６００３４−３０のＩＥ３規格及びＪＩＳ Ｃ４２１０規格を満足するかご形誘導電動機は、商品化の技術的レベルをクリアしたかご形誘導電動機であるので、回転子スロット２２の総面積に対する固定子スロット１２の総面積の面積比が２．７以上８．０以下の範囲にあるかご形誘導電動機を実現することにより、始動特性(始動トルクの確保)と定常特性(高効率化)とを両立させたかご形誘導電動機を提供することができる。

《第２実施形態》
前述の第１実施形態においては可変周波数インバータを電源としたかご形誘導電動機を想定したが、第２実施形態においては、可変周波数インバータを介することなく、商用周波数のままの交流電力をかご形誘導電動機に直接供給する、かご形誘導電動機駆動システムについて説明する。

第２実施形態における電源装置としては、商用三相交流電源から受電盤で受電した三相交流を、商用電源のまま（つまり、可変周波数インバータを介することなく）、三相かご形誘導電動機の固定子巻線１３に供給するための開閉器を備えている。すなわち、第２実施形態におけるかご形誘導電動機は、面積比を２．７以上８．０以下とすることで定格トルク以上の始動トルクを確保することができるため、可変周波数インバータを介することなく、商用周波数の電源（つまり、商用電源）で起動することが可能である。さらに、可変周波数インバータを介することがないため、可変周波数インバータの損失がなくなり、結果的に、かご形誘導電動機駆動システムの効率を向上させることができる。

《第３実施形態》
図５は、本発明による第３実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子スロット及び回転子導体２３１〜２３４の部分断面図である。第３実施形態では、前述の第１実施形態及び第２実施形態の構成において、回転子導体２３１〜２３４の断面構造を、それぞれ、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）に示すように構成した。

図５（ａ）に示す第１例では、回転子鉄心２１１に設けた回転子スロット２２１の外周側に開口している部分がない全閉構造であって、回転子スロット２２１の外周側及び内周側ともに半円構造としてある。回転子スロット２２１は、例えば、銅をダイカストすることによって形成する。このように、回転子スロット２２１を全閉構造とすることで、開口部がないために溶かした銅が回転子スロット２２１の外周側へ流れ出すことがなくなるので、かご形誘導電動機の製造がしやすくなる。また、回転子スロット２２１の外周側及び内周側ともに半円構造としているため、回転子スロット２２１に応力の集中が少なくなって頑丈な構造となる。

図５（ｂ）に示す第２例では、回転子鉄心２１２に設けた回転子スロット２２２の外周側が一部開口し、開口部（半閉部分）を除いた回転子スロット２２２内に回転子導体２３２を形成した半閉構造である。半閉部分は空気層となっているが、透磁率が空気とほぼ同等な材料（例えば、発泡ウレタン）としてもよい。このように、回転子スロット２２２の外周側の一部を開口して半閉構造とすることで、半閉部分の透磁率を小さくすることができるので、円周方向に漏れる磁束を減らすことができる。その結果、円周方向の漏れ磁束による無効電流成分が減少して力率が改善されるので、結果的に、固定子巻線１３（図１参照）の電流を低減することができるため、効率の向上化を図ることができる。

図５（ｃ）は、回転子鉄心２１３に設けた回転子スロット２２３の外周側が一部開口している半閉構造で、半閉部分を含めた回転子スロット２２３内に、導体（銅など）を用いて回転子導体２３３を形成している。回転子鉄心２１３の外周側に治具を当てダイカストすることで製造することができるため、半閉部分の銅をダイカスト後に削り取ることが不要となり、電機子巻線の製造が容易になる。

図５（ｄ）は、回転子鉄心２１４に設けた回転子スロット２２４の形状を矩形とし、回転子スロット２２４に回転子導体２３４を打ち込み挿入して、回転子２０（図１参照）を製作している。図５（ｄ）では回転子スロット２２４を矩形としているが、台形など他の形状としてもよい。回転子導体２３４は、その両端で短絡環により接合されているが、接合には、ロウ付け、溶接、または摩擦撹拌接合などの方法を採ることができる。

なお、図５に示す各例において、Ｈは回転子導体２３１〜２３４の高さであり、すべて１９ｍｍ以下とする。なお、第１実施形態及び第２実施形態においても、回転子導体２３の高さを図５におけるＨとしている。

《第４実施形態》
前記した第１実施形態から第３実施形態においては、回転子導体２３（図１参照）には銅の導電材料を用いているが、銅の代わりに銅合金を用いたり、電気抵抗率が銅とほぼ同等な他の導電材料を用いたりしてもよい。たとえばアルミニウムと銅の合金を用いることで、融点が銅よりも低く押さえられ、ダイカストの回転子導体２３を製造することが容易となる。また、回転子導体２３の電気抵抗率が銅よりも大きい場合は、始動特性(始動トルク確保)と定常特性(高効率化)とを両立させたかご形誘導電動機を提供できる面積比は、第１実施形態から第３実施形態における２．７以上８．０以下よりも小さい方へシフトする。

また、電気抵抗率は温度によっても変化し、銅の電気抵抗率は、電気工学ハンドブックによると、２０℃では１．７２４１μΩ・ｃｍであり、任意の温度Ｔの電気抵抗率は、１．７２４１（１＋０．００３９３（Ｔ−２０））で計算できる。したがって、液化窒素中などの極低温の−１９６℃では、銅の電気抵抗率は０．３７μΩ・ｃｍであり、電気学会の電気規格調査会標準規格であるＪＥＣ−２１３７−２０００規格で最も高い最高許容温度の２５０℃では、銅の電気抵抗率は３．２８μΩ・ｃｍ程度となる。

《第５実施形態》
図６は、本発明による第５実施形態に係るかご形誘導電動機のＩＥ３規格に対する２極機の効率特性図であり、横軸に２極機の回転子スロット２２に対する固定子スロット１２の外形比（p.u）を表わし、縦軸にＩＥ３規格に対する効率（％）を表わしている。
なお、回転子導体２３の高さは１９ｍｍ以下としている。前述の第１実施形態から第４実施形態において、回転子鉄心２１の外径に対する固定子鉄心１１の外径を外径比としたとき、図６に示すように、その外径比を１．８６以上１．９６以下とすると、かご形誘導電動機の効率はＩＥ３規格レベルを満足していて、高効率なかご形誘導電動機を実現することができる。なお、図６の各プロットは、多数のかご形誘導電動機の試作機を製作して測定により求めた実測値である。

図７は、本発明による第５実施形態に係るかご形誘導電動機のＪＩＳ Ｃ４２１０規格に対する２極機の始動トルクの特性図であり、横軸に２極機の回転子スロット２２に対する固定子スロット１２の外形比（p.u）を表わし、縦軸にＪＩＳ Ｃ４２１０規格に対する始動トルク（％）を表わしている。
図７に示すように、外径比が１．８７以上のとき、ＪＩＳ Ｃ４２１０における始動トルクの規格を満足していて、所望の始動トルクを確保したかご型誘導電動機を実現することができる。なお、このときの外形比は、図６に示すように１．９６以下とする。

すなわち、図６の２極機の外形比に対する効率の特性図、及び図７の２極機の外形比に対するに対する始動トルクの特性図により、２極機の回転子スロット２２に対する固定子スロット１２の外形比を１．８７以上（図７参照）１．９６以下（図６参照）とすることで、始動特性(始動トルクの確保)と定常特性(高効率化)とを高度に両立させたかご形誘導電動機を実現することができる。

《第６実施形態》
図８は、本発明による第６実施形態に係るかご形誘導電動機のＩＥ３規格に対する４極機の効率特性図であり、横軸に４極機の回転子スロット２２に対する固定子スロット１２の外形比（p.u）を表わし、縦軸にＩＥ３規格に対する効率（％）を表わしている。
なお、回転子導体２３の高さは１９ｍｍ以下としている。前記した第１実施形態から第４実施形態において、回転子鉄心２１の外径に対する固定子鉄心１１の外径を外径比としたとき、外径比を１．６９以上（図８参照）１．７８以下（図８参照）とすると、かご形誘導電動機の効率はＩＥ３規格レベルを満足し、高効率なかご形誘導電動機を実現することができる。なお、図８は、複数のかご形誘導電動機の試作機を製作して測定により求めた実測値である。

図９は、本発明による第６実施形態に係るかご形誘導電動機のＪＩＳ Ｃ４２１０規格に対する４極機の始動トルクの特性図であり、横軸に４極機の回転子スロット２２に対する固定子スロット１２の外形比（p.u）を表わし、縦軸にＪＩＳ Ｃ４２１０規格に対する始動トルク（％）を表わしている。
図９に示すように、外径比が１．７２以上のとき、ＪＩＳ Ｃ４２１０規格の始動トルクを満足し、所望の始動トルクを確保した誘導電動機を実現することができる。なお、図９は、多数のかご形誘導電動機を製作して測定により求めた実測値である。なお、このとき、外形比は１．７８以下であった（図８参照）。

すなわち、図８の４極機の外形比に対する効率の特性図、及び図９の４極機の外形比に対するに対する始動トルクの特性図により、４極機の回転子スロット２２に対する固定子スロット１２の外形比を１．７２以上（図９参照）１．７８以下（図８参照）とすることで、始動特性(始動トルクの確保)と定常特性(高効率化)とを高度に両立させたかご形誘導電動機を実現することができる。

《第７実施形態》
図１０は、本発明による第７実施形態に係るかご形誘導電動機のＩＥ３規格に対する６極機の効率特性図であり、横軸に６極機の回転子スロット２２に対する固定子スロット１２の外形比（p.u）を表わし、縦軸にＩＥ３規格に対する効率（％）を表わしている。
なお、回転子導体２３の高さは１９ｍｍ以下としている。第１実施形態から第４実施形態において、回転子鉄心２１の外径に対する固定子鉄心１１の外径を外径比としたとき、外径比を１．５２以上１．６８以下とすると、ＩＥ３規格レベルの効率を満足し、高効率なかご形誘導電動機を実現することができる。なお、図１０のプロットは、多数のかご形誘導電動機を製作して測定により求めた実測値である。

図１１は、本発明による第７実施形態に係るかご形誘導電動機のＪＩＳ Ｃ４２１０規格に対する６極機の始動トルクの特性図であり、横軸に６極機の回転子スロット２２に対する固定子スロット１２の外形比（p.u）を表わし、縦軸にＪＩＳ Ｃ４２１０規格に対する始動トルク（％）を表わしている。
図１１に示すように、外径比が１．５３以上で、ＪＩＳ Ｃ４２１０規格の始動トルクを満足し、良好な始動トルクを確保した誘導電動機を実現することができる。

すなわち、図１０の６極機の外形比に対する効率の特性図、及び図１１の６極機の外形比に対するに対する始動トルクの特性図により、６極機の回転子スロット２２に対する固定子スロット１２の外径比を１．５３以上１．６８以下とすることで、始動特性(始動トルクの確保)と定常特性(高効率化)とを高度に両立させたかご形誘導電動機を実現することができる。

《第８実施形態》
本実施形態は、前記した第１実施形態から第７実施形態における固定子巻線１３の導体材料をアルミニウムで構成したものである。電気工学ハンドブックによると、アルミニウムの電気抵抗率は銅の電気抵抗率の１．６４倍であることから、固定子スロット１２の総面積を第１実施形態から第７実施形態の１．６４倍して、回転子スロット２２の総面積に対する固定子スロット１２の総面積の面積比を４．４以上１３．１以下とすることで、始動特性(始動トルクの確保)と定常特性(高効率化)とを高度に両立させたかご形誘導電動機を実現することができる。

《第９実施形態》
前記した第８実施形態においては固定子巻線１３にアルミニウムを用いているが、アルミニウム合金を用いてもよく、電気抵抗率がアルミニウムと同等な導体を用いてもよい。たとえばアルミニウムと銅の合金を用いることで、電気抵抗率はアルミニウムよりも小さくなり、第８実施形態よりも更に高効率なかご形誘導電動機を実現することができる。固定子巻線１３の電気抵抗率がアルミニウムよりも小さい場合は、始動特性(始動トルクの確保)と定常特性(高効率化)とを両立させたかご形誘導電動機を実現できる面積比は、第８実施形態における４．４以上１３．１以下よりも更に小さくなる。

また、電気抵抗率は温度によっても変化し、電気工学ハンドブックによると、アルミニウムの電気抵抗率は、２０℃では２．８２６５μΩ・ｃｍであり、任意の温度Ｔの電気抵抗率は、２．８２６５（１＋０．００４０（Ｔ−２０））で計算できる。したがって、液化窒素中などの極低温の−１９６℃では電気抵抗率は０．５７μΩ・ｃｍであり、電気学会の電気規格調査会標準規格であるＪＥＣ−２１３７−２０００規格で最も高い最高許容温度の２５０℃では、電気抵抗率は５．４３μΩ・ｃｍ程度となる。

《第１０実施形態》
本実施形態は、前記した第１実施形態から第７実施形態における回転子導体２３をアルミニウムで構成したものである。電気工学ハンドブックによると、アルミニウムの電気抵抗率は銅の電気抵抗率の１．６４倍であることから、回転子スロット２２の面積を第１実施形態から第７実施形態の１．６４倍し、回転子スロット２２の総面積に対する固定子スロット１２の総面積の面積比を１．６以上４．９以下とすることで、始動特性(始動トルクの確保)と定常特性(高効率化)とを高度に両立させたかご形誘導電動機を実現することができる。

《第１１実施形態》
前記した第１０実施形態では、回転子導体２３の材質にアルミニウムを用いているが、アルミニウム合金でもよく、また、電気抵抗率がアルミニウムと同等な他の導体でもよい。たとえばアルミニウムと銅の合金を用いることで、電気抵抗率はアルミニウムよりも小さくなり、第１０実施形態のかご型誘導電動機よりも高効率化を図ることができる。回転子導体２３の電気抵抗率がアルミニウムよりも小さい場合は、始動特性(始動トルクの確保)と定常特性(高効率化)とを両立させたかご形誘導電動機を実現できる面積比は、第１０実施形態における面積比１．６以上４．９以下よりも更に大きい側にシフトする。

また、電気抵抗率は温度によっても変化し、電気工学ハンドブックによると、アルミニウムの電気抵抗率は、２０℃では２．８２６５μΩ・ｃｍであり、任意の温度Ｔの電気抵抗率は、２．８２６５（１＋０．００４０（Ｔ−２０））で計算できる。したがって、液化窒素中などの極低温の−１９６℃では電気抵抗率は０．５７μΩ・ｃｍであり、電気学会の電気規格調査会標準規格であるＪＥＣ−２１３７−２０００規格で最も高い最高許容温度の２５０℃では、電気抵抗率は５．４３μΩ・ｃｍ程度となる。

《第１２実施形態》
本実施形態は、前記した第１実施形態から第７実施形態における固定子巻線１３及び回転子導体２３をアルミニウムで構成している。電気工学ハンドブックによると、アルミニウムの電気抵抗率は銅の電気抵抗率の１．６４倍であるが、固定子スロット１２及び回転子スロット２２の面積を、共に、第１実施形態から第７実施形態の１．６４倍しても、面積比は変化しないため、第１実施形態から第７実施形態のように、面積比を２．７以上８．０以下とすることで、始動特性(始動トルクの確保)と定常特性(高効率化)とを高度に両立させたかご形誘導電動機を実現することができる。

《第１３実施形態》
前記した第１２実施形態においては固定子巻線１３及び回転子導体２３にアルミニウムを用いているが、アルミニウム合金でもよく、電気抵抗率がアルミニウムと実質的に同等な他の導体でもよい。たとえばアルミニウムと銅の合金を用いることで、電気抵抗率はアルミニウムよりも小さくなり、第１２実施形態のかご形誘導電動機よりも更に高効率化を図ることができる。固定子巻線１３の電気抵抗率がアルミニウムよりも小さい場合は、始動特性(始動トルクの確保)と定常特性(高効率化)とを両立させたかご形誘導電動機を実現できる面積比は、第１２実施形態における面積比２．７以上８．０以下よりも更に小さい側にシフトする。また、回転子導体２３の電気抵抗率がアルミニウムよりも小さい場合は、始動特性(始動トルクの確保)と定常特性(高効率化)とを両立させたかご形誘導電動機を実現できる面積比は、第１２実施形態における面積比２．７以上８．０以下よりも更に大きい側にシフトする。

また、電気抵抗率は温度によっても変化し、電気工学ハンドブックによると、アルミニウムの電気抵抗率は、２０℃では２．８２６５μΩ・ｃｍであり、任意の温度Ｔの電気抵抗率は、２．８２６５（１＋０．００４０（Ｔ−２０））で計算できる。したがって、液化窒素中などの極低温の−１９６℃では電気抵抗率は０．５７μΩ・ｃｍであり、電気学会の電気規格調査会標準規格であるＪＥＣ−２１３７−２０００規格で最も高い最高許容温度の２５０℃では、電気抵抗率は５．４３μΩ・ｃｍ程度となる。

《第１４実施形態》
本実施形態では、前記した第１実施形態から第１３実施形態で述べたかご形誘導電動機の変形である自己始動形永久磁石電動機（ＭＳモータとも言う）について説明する。
自己始動形永久磁石電動機の構造については周知の技術であるので特に図示しないが、図１を参照すると、回転子２０が、回転子鉄心２１と、この回転子鉄心２１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２２と、これらの回転子スロット２２にそれぞれ収納されていて始動時にトルクを発生させる回転子導体２３と、更に、回転子スロット２２の内周側に設置されていて、定常時にトルクを発生させる永久磁石とを備えて構成されている。なお、固定子１０側の構成は図１に示す構成と同じでよい。

このような構成の自己始動形永久磁石電動機であっても、前記した第１実施形態から第１３実施形態と同じ作用効果を奏するので、始動特性(始動トルクの確保)と定常特性(高効率化)とを両立させることができる自己始動形永久磁石電動機を実現することが可能である。

《まとめ》
以上述べたように、本発明による各実施形態におけるかご形誘導電動機は、ＪＥＣ（Japanese Electrotechnical Committee：電気学会・電気規格調査会標準規格）による電動機巻線の許容温度規格、ＩＥＣ（International Electrotechnical Commission：国際電気標準会議）による電動機の効率規格、及びＪＩＳ（International Organization of Standardization：国際標準規格）による電動機のトルク規格などの各種規格に準拠して、それらの規格をクリアする効率及びトルク特性を実現できるように、回転子スロットの総面積と固定スロットの総面積との面積比を決定して、かご形誘導電動機の高効率化と始動トルクの向上とを両立させている。具体的には、固定子巻線及び回転子導体に銅を用いたとき、前記面積比を２．３以上８．０以下（好ましくは、２．７以上８．０以下）としたときに、かご形誘導電動機の始動特性(始動トルク)の向上と定常特性の改善(高効率化)とを両立させることができる。このように、国際規格などで決められた許容温度、効率、及びトルクを基準値として、その基準値を上回った効率及び始動トルクを実現させることによって、高効率化と始動トルクの向上を図ったかご形誘導電動機を提供することが可能となる。

１０ 固定子
１１ 固定子鉄心
１２ 固定子スロット
１３ 固定子巻線
２０ 回転子
２１、２１１、２１２、２１３、２１４ 回転子鉄心
２２、２２１、２２２、２２３、２２４ 回転子スロット
２３、２３１、２３２、２３３、２３４ 回転子導体

Claims (11)

1. 固定子鉄心と、この固定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固定子スロットと、これらの固定子スロットにそれぞれ収納された複数の固定子巻線と、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それぞれ収納された複数の回転子導体とを備えたかご形誘導電動機において、
   前記固定子巻線及び前記回転子導体は銅を主成分とする導電性材料で構成され、かつ、前記複数の回転子スロットの総面積に対する前記複数の固定子スロットの総面積の面積比は、２．３以上８．０以下であることを特徴とするかご形誘導電動機。
2. 固定子鉄心と、この固定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固定子スロットと、これらの固定子スロットにそれぞれ収納された複数の固定子巻線と、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それぞれ収納された複数の回転子導体とを備えたかご形誘導電動機において、
   前記固定子巻線及び前記回転子導体は銅を主成分とする導電性材料で構成され、かつ、前記複数の回転子スロットの総面積に対する前記複数の固定子スロットの総面積の面積比は、２．７以上８．０以下であることを特徴とするかご形誘導電動機。
3. 前記固定子巻線及び前記回転子導体は、電気抵抗率が０．３７μΩ・ｃｍ以上３．２８μΩ・ｃｍ以下の導電性材料が用いられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のかご形誘導電動機。
4. 磁極の極数が２であるとき、前記回転子鉄心の外径に対する前記固定子鉄心の外径の径比は、１．８７以上１．９６以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のかご形誘導電動機。
5. 磁極の極数が４であるとき、前記回転子鉄心の外径に対する前記固定子鉄心の外径の径比は、１．７２以上１．７８以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のかご形誘導電動機。
6. 磁極の極数が６であるとき、前記回転子鉄心の外径に対する前記固定子鉄心の外径の径比は、１．５３以上１．６８以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のかご形誘導電動機。
7. 固定子鉄心と、この固定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固定子スロットと、これらの固定子スロットにそれぞれ収納された複数の固定子巻線と、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それぞれ収納された複数の回転子導体とを備えたかご形誘導電動機において、
   前記固定子巻線はアルミニウムを主成分とする導電性材料で構成され、前記回転子導体は銅を主成分とする導電性材料で構成され、かつ、前記複数の回転子スロットの総面積に対する前記複数の固定子スロットの総面積の面積比は、４．４以上１３．１以下であることを特徴とするかご形誘導電動機。
8. 前記固定子巻線は、電気抵抗率が０．５７μΩ・ｃｍ以上５．４３μΩ・ｃｍ以下の導電性材料が用いられ、
   前記回転子導体は、電気抵抗率が０．３７μΩ・ｃｍ以上３．２８μΩ・ｃｍ以下の導電性材料が用いられている
   ことを特徴とする請求の範囲第７項に記載のかご形誘導電動機。
9. 前記回転子導体の円周方向の高さは１９ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第８項に記載のかご形誘導電動機。
10. 回転子が、前記回転子鉄心と、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前記回転子スロットと、これらの回転子スロットにそれぞれ収納され、始動時にトルクを発生させる前記回転子導体と、定常時にトルクを発生させる永久磁石とで構成され、
    固定子が、前記固定子鉄心と、この固定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前記固定子スロットと、これらの固定子スロットにそれぞれ収納された前記固定子巻線とで構成された自己始動型電動機であることを特徴とする請求の範囲第９項に記載のかご形誘導電動機。
11. 請求の範囲第１項に記載のかご形誘導電動機と、そのかご形誘導電動機に三相交流電力を給電する三相交流電源とを備えたかご形誘導電動機駆動システムにおいて、
    前記三相交流電源は商用電源であって、その商用電源から直接に前記固定子巻線へ電力を供給または遮断するための開閉器を備えていることを特徴とするかご形誘導電動機駆動システム。
    

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