JP2013013250A - ３相誘導電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】３相誘導電動機の設計自由度を広げると共に、振れ回り電磁力を低減させることができる３相誘導電動機を提供する。
【解決手段】ステータ１０に設けられ、一次側コイルが巻かれる複数のステータスロット１１と、ロータ２０に設けられ、ステータスロット１１と対向する複数のロータスロット２１とを備え、ステータスロット１１には１２０°毎に同相となるように一次側コイルが配線された３相誘導電動機であって、ロータスロット２１の数が、奇数を３倍した数で構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、３相交流で駆動されるかご形または巻線形の誘導電動機に関し、特に、電動機の振動・騒音の原因となる振れ回り電磁力を低く抑えることができる３相誘導電動機に関する。

３相誘導電動機で用いられるステータ（固定子ともいう）の内周面には、複数のステータスロットが形成されている。このステータスロットには、一次側コイルがＵ、Ｖ、Ｗ相に分けて巻線される。そして、この一次側コイルにそれぞれの３相の電流を流すことで、ステータに回転磁界が発生する。

一方、ロータ（回転子ともいう）の外周面にも、ステータスロットと隙間を空けて対向するように複数のロータスロットが形成されている。このロータスロット内には、銅またはアルミニウム製のロータバー（導体棒ともいう）が配設される。そして、このロータバーが回転磁界からロータの周方向への力を受け、ロータが回転する。

このような３相誘導電動機の振動、騒音の原因は、モータ軸やモータケースの偏芯によるところが大きい。また、他の要因としては、上述したステータスロットの数とロータスロットの数との組み合わせによって生じる振れ回り電磁力がある。

この振れ回り電磁力は、ロータとステータとの電気的、磁気的な平衡が崩れることにより生じる。

一般的な誘導電動機では、これらロータおよびステータのスロットの数の組み合わせは、上下左右方向の磁気的バランスを保つために、偶数同士になるように選定されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−２７６７１８号公報

しかしながら、ロータスロットおよびステータスロットの数を偶数同士の組み合わせに限定してしまうと、誘導電動機の構造上の設計条件が限定されてしまう。すなわち、使用目的に合わせた最適な形状や大きさの誘導電動機を製作することが困難になる場合がある。

また、組み合わせ条件を変えることによって、偶数同士の組み合わせ以外であっても振れ回り電磁力をより低減することができる場合も考えられる。

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、誘導電動機のスロット数の設計自由度を広げると共に、振れ回り電磁力を低減させることができる誘導電動機を提供することにある。

上述課題を解決するため、本発明は、ステータに設けられ、一次側コイルが巻かれる複
数のステータスロットと、ロータに設けられ、前記ステータスロットと対向する複数のロータスロットとを備え、前記ステータスロットには１２０°毎に同相となるように前記一次側コイルが配線された３相誘導電動機であって、前記ロータスロットの数が、奇数を３倍した数で構成されていること特徴とする。

また、前記ロータスロットの数が、前記ステータスロットの数に極数を足した数よりも大きな数で構成されていてもよい。

さらに、前記ロータスロットの数が、前記ステータスロットの数に極数の整数倍を加減した数以外の数で構成されていてもよい。

また、前記ステータスロットの数が５４であり、前記ロータスロットの数が、６３から７２の範囲内で構成されていることが好ましい。

本発明に係る３相誘導電動機によれば、前記ロータスロットの数が、奇数を３倍した数で構成されているので、ステータの回転磁界の磁気的な周期とロータスロットの数の構造上の周期との最小公倍数が１２０°毎に発生することになり、最低でも１２０°毎にステータとロータのティースが対向するようになる。そのため、ロータスロットの数が奇数の場合であっても、Ｘ方向およびＹ方向における誘導電動機の磁気的な平衡が確保される。その結果、モータ軸やモータケースに偏芯等がない場合はもちろんのこと、偏芯等がある場合であっても、振れ回り電磁力を小さく抑え、振動・騒音が少ない３相誘導電動機を提供することができる。

また、ステータスロットの数とロータスロットの数が偶数同士の組み合わせ以外であっても振れ回り電磁力を小さく抑えることができるので、誘導電動機の構造を決定する上での設計自由度を高めることができる。その結果、使用目的や状況に合わせて、最適な形状や大きさの多種類の３相誘導電動機を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る３相誘導電動機の本体部の断面図である。 モータ軸またはモータケースに偏芯がない場合のロータスロットの数と振れ回り電磁力との関係を示すグラフである。 モータ軸またはモータケースに偏芯がある場合のロータスロットの数と振れ回り電磁力との関係を示すグラフである。 モータ軸に偏芯がない場合のロータスロットの数と始動時のトルクリップルとの関係を示すグラフである。 モータ軸またはモータケースに偏芯がない場合のロータスロットの数と定格時のトルクリップルとの関係を示すグラフである。 モータ軸またはモータケースに偏芯がある場合のロータスロットの数と始動時の振れ回り電磁力との関係を示すグラフである。 モータ軸またはモータケースに偏芯がある場合のロータスロットの数と定格時の振れ回り電磁力との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態に係る３相誘導電動機について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る３相誘導電動機１の本体部の断面図である。なお、図１では、ステータ１０の外側を覆うように設けられるモータケースを省略して示してある。

３相誘導電動機１は、円筒状に形成されたステータ１０と、このステータ１０の中空内部に配置された円柱状のロータ２０とを備えている。このロータ２０は、一般的な誘導電動機の原理に基づいて、ステータ１０が作る回転磁界によって、回転中心Ｏを中心に回転するものである。

ステータ１０には、円筒状の鉄心の内周面に沿って、合計５４個のステータスロット１１が設けられている。このステータスロット１１内には、Ｕ、Ｖ、Ｗ相に分けて配電される一次側コイル（図示せず）が納められている。なお、ステータスロット１１の個数は本実施の形態における一例であり、５４個に限定するものではない。

また、ロータ２０についても同様に、円柱状の鉄心の外周面に沿って、ステータスロット１１の数よりも多い５７個のロータスロット２１が形成されている。このロータスロット２１は、ロータ２０がステータ１０の中空内部に組み付けられた状態で、ステータスロット１１と隙間を空けて対向するように配置されている。また、このロータスロット２１内には、例えば、かご形誘導電動機であればロータバー（図示せず）が組み込まれ、巻線形誘導電動機であれば巻線コイル（図示せず）が組み込まれる。なお、このロータスロット２１の個数は本実施の形態における一例であり、５７個以外であっても適宜変更して使用することができる。

なお、このロータ２０の軸方向の端部には、ロータ２０を回転自在に支持する軸受け（図示せず）が設けられている。また、ロータ２０の端部には、３相誘導電動機１の回転動力を伝達するためのモータ軸２２が設けられている。

ステータ１０は、図１に示すように、三相交流の交番するタイミングのずれと同じ電気角の１２０°（機械角）毎に区画されている。そして、ステータ１０側の一次側コイルの配線は、この３つの区画のそれぞれに、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３相が１組として組み込まれるように巻線されている。

この１２０°毎に区画したうちの１つの範囲について図１を用いて詳細に説明すると、スロット数５１、５２、５３、５４、１、２、３、４、５、６の１０個のスロットにＵ相を構成するように短節巻で一次側コイルが巻かれている。同様に、Ｖ相は、スロット数３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２の１０個のスロットで構成され、Ｗ相は、スロット数９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８の１０個のスロットで構成されている。

このように構成したステータ１０のＵ、Ｖ、Ｗ相は、隣極接続或いは隔極接続によって３相交流電源に接続されている。そして、それぞれの相に３相交流を流すことによって、ステータ１０に１２０°毎に同じ磁界が発生するとともに、回転磁界が作られる。これにより、３相誘導電動機１は６極（６ポール）モータとして機能する。

なお、上述したステータスロット１１の形状およびロータスロット２１の形状は、図１に示すように、普通かご形誘導電動機で一般的に用いられる形状で示しているが、他の形状であってもかまわない。

図２は、ロータスロット２１の数と振れ回り電磁力との関係を示したグラフである。より詳細には、ステータスロットの数が５４個のときに、ロータスロットの数を３７個から７１個までの奇数の個数で変更したときの振れ回り電磁力をシュミレーションで求めた値を示している。なお、図２は、モータ軸またはモータケースに偏芯がない場合の値である。また、図２のグラフにおいて、ロータスロットの数が偶数の場合の振れ回り電磁力の値は表示していない。

ここで、振れ回り電磁力とは、ロータが振れ回りを起こす原因となる電磁力の変化をいい、次式で定義する。
Ｆ_ｘｙ＝√（ｘ^２＋ｙ^２）
Ｆ_ｘｙ ： 振れ回り電磁力［Ｎ］
ｘ ： モータ軸がｘ方向へ脈動する電磁力［Ｎ］
ｙ ： モータ軸がｙ方向へ脈動する電磁力［Ｎ］
これらのｘ、ｙの電磁力は、ステータスロット１１とロータスロット２１との対向する位置関係（より詳細には、ステータティース（２つのステータスロットに挟まれた突条部分）とロータティース（２つのロータスロットに挟まれた部分）との対向する位置関係）によって生じるものである。

各ロータスロット２１の数における振れ回り電磁力をシュミレーションしてみると、スロットの数が奇数であって、かつ、奇数×電源の相数倍（本実施の形態では、３相交流電源であるので、３倍となる）のときに、振れ回り電磁力が発生していないことが判明した。より詳細には、図２のグラフにおいて、○を付けて表示したスロットの数（３９、４５、５１、５７、６３、６９）の場合には、振れ回り電磁力が０［Ｎ］となる。

これは、（１）電源が３相であり、ステータ１０の回転磁界が１２０°毎に同じ磁界となるように構成されたステータ構造の場合であって、かつ、（２）ステータスロットの数が５４個で、ロータスロットの数が３（相数）の奇数倍の場合には、最低でも１２０°毎にステータとロータのティースが互いに向き合うようになるためである。

これは、（ａ）上記（１）の回転磁界の磁気的な周期と、（ｂ）上記（２）のステータスロットの数（５４個）とロータスロットの数の構造上の周期と、の最小公倍数が１２０°毎に発生するためである。このような上記（ａ）（ｂ）の関係では、水平方向であるＸ方向と、このＸ方向と直交するＹ方向とで、磁気的な平衡状態になるために、振れ回り電磁力が発生しない。

一方、ロータスロットの数が奇数の相数倍でないとき（図２において、３７、４１、４３、４７、４９、５３、５５、５９、６１、６５、６７、７１の個数のとき）には、少なくとも振れ回り電磁力が発生することが判明した。これらの数の場合は、ステータとロータのティースが１２０°毎に互いに向き合わないため、Ｘ、Ｙ方向で磁気的な平衡状態が生じないためである。特に、４７、５９個の場合には、大きな振れ回り電磁力が発生してしまい、ロータスロット数として選定するのは好ましくない。

図３は、図２と同じように、ロータスロットの数と振れ回り電磁力との関係を示したグラフであるが、この図３では、モータ軸またはモータケースに偏芯がある場合の振れ回り電磁力の値を示しており、その他のシュミレーション条件は、偏芯なしの状態と同じである。なお、図３においては、図２と異なり、ロータスロットの数が奇数の場合（図３で実線で示す）の他、偶数の場合（図３で点線で示す）の振れ回り電磁力も表示してある。

ここで、上述した偏芯ありとは、モータ軸を軸方向と直交する方向へ０．１ｍｍずらした状態をいう。

偏芯した状態では、ロータスロット２１の数が上述した相数倍であっても、モータ軸の偏芯の分だけ磁気的な平衡状態が乱されるために、振れ回り電磁力が発生してしまう。しかしながら、ロータスロット２１が奇数の相数倍の個数の場合、振れ回り電磁力の値は他のスロットの数（奇数の相数倍以外の他の奇数の個数、および全ての偶数の個数）の値よりも小さくなることが判明した。

ここで、図３に示すように、偶数のロータスロット数のうち、振れ回り電磁力が最も大きい値（偶数のＭａｘ値）となるのは、４６個のときである。一方、奇数の相数倍のロータスロット数のうち、振れ回り電磁力が最も大きい値（奇数のＭａｘ値）となるのは、５１個のときである。この二つの振れ回り電磁力を比較すると、ロータスロット数が５１のときの方が、４６のときよりも約６０％の振れ回り電磁力を低減することができる（図３の符号３４で示す）。すなわち、偶数同士の任意の組み合わせでロータスロットの数を選定したときよりも、奇数の相数倍で任意に選定するときの方が、振れ回り電磁力のＭａｘ値を約６０％低減することができることになる。このことから、ロータスロット２１の数を決定する場合に、必ずしも任意の偶数同士の組み合わせを選定するよりも、奇数の相数倍で選定したときの方が振れ回り電磁力を低く抑えることができることが分かる。

次に、３相誘導電動機１のロータスロット２１の数と始動トルク４０または定格トルク５０との関係について説明する。
図４は、３相誘導電動機１のモータ軸またはモータケースに偏芯がない場合のロータスロット２１の数と始動トルク４０およびその始動時のトルクリップル（モータの回転に際して生じる始動トルクの変動幅）との関係を示すグラフである。なお、図４の中で、円で示したものは、そのスロットの数における始動トルク４０のトルクリップルの大きさをシュミレーションで計算したものである。この図中の円の径が大きくなるほど、トルクリップルが大きくなることを示している。

図４に示すように、始動トルク４０は、ロータスロット２１の数が３０から７８までの区間において、スロットの数が増える毎にトルク値が高くなる。また、７８以上の領域であっても、同様にトルク値は高くなると推定される。これは、一般的な誘導電動機でロータスロット２１の数が多いほど始動トルク４０が大きくなることと一致している。

また、トルクリップル４２は、図４で示すように、スロットの数が４８のとき（符号４２ａで示す）と６０のとき（符号４２ｂで示す）に、大きなトルクリップルが発生する。その他の領域では、大きなトルクリップルは発生していない。ゆえに、３相誘導電動機１では、この４８と６０のスロットの数を除いて構成することが好ましい。

すなわち、３相誘導電動機１の始動トルク４０を検討する上で、（ａ）始動トルク４０を大きく確保するためには、ロータスロットの数が多い方がよいこと、（ｂ）始動トルク４０のトルクリップル４２を低減させるためには、ロータスロット２１の数が、４８と６０以外を使用すること、が好ましい。

これらのことから、３相誘導電動機１を始動トルク４０から見た観点では、ロータスロットの数が６０よりも大きい値であれば、始動トルク４０を大きく確保でき、かつ、始動時のトルクリップル４２を低く抑えることができることが分かる。

これらの事象は、言い換えれば、ロータスロット２１の数を決定する際には、ステータスロット１１の数に極数（本実施例では、６）を足した６０よりも大きな数で構成することで、大きな始動トルク４０を得ることができるとともに、始動時のトルクリップル４２を小さくすることができると言うことができる。
また、ロータスロット２１の数を決定する際には、ステータスロット１１の数に極数を加減した数以外の数（具体的には、４８、６０以外の数）で構成することで、少なくとも始動時のトルクリップル４２を小さくすることができると言うことができる。

一方、図５は、モータ軸またはモータケースに偏芯がない場合のロータスロットの数と定格トルク５０およびその定格時のトルクリップル（モータの回転に際して生じる定格ト
ルクの変動幅）との関係を示すグラフである。なお、図５の中で、円で示したものは、図４と同様に、そのスロットの数における定格トルク５０のトルクリップルの大きさをシュミレーションで計算したものである。この図中の円の径が大きくなるほど、トルクリップルが大きくなることを示している。

図５に示すように、定格トルク５０は、ロータスロットの数が３６から７８の区間において、スロットの数が３６から６６まで増加するに従い大きくなり、スロットの数が６６〜７０の範囲で最大値５１となる。そして、定格トルク５０は、スロットの数が７０から増加するに従い小さくなる。

また、トルクリップル５２は、図５で示すように、スロットの数が４８のとき（符号５２ａで示す）と５４のとき（符号５２ｂで示す）と６０のとき（符号５２ｃで示す）に、大きなトルクリップルが発生する。その他の領域では、大きなトルクリップル５２は発生していない。ゆえに、３相誘導電動機１では、この４８、５４、６０のスロットの数を除いて構成することが好ましい。

すなわち、３相誘導電動機１の定格トルク５０を検討すると、（ａ）定格トルクを大きく確保するためには、ロータスロットの数が６０〜７２（図５で符号５４で示す範囲）の範囲が好ましく、さらに６６〜７０の範囲で定格トルクの最大値となること、（ｂ）定格トルク５０のトルクリップルを低減させるためには、スロットの数４８と５４と６０は使用しないこと、が好ましい。

これらのことから、３相誘導電動機１を定格トルク５０の観点から見たとき、スロットの数が６０〜７２であれば、定格トルク５０を大きく確保でき、かつ、トルクリップルを低く抑えることができることが分かる。

さらには、図４および図５を総合的に見て、始動トルク４０および定格トルク５０の両方から３相誘導電動機１の最適値を検討すると、上述した好ましいスロットの数のうち、６３〜７２の範囲（図５の符号５４の範囲）が最もよいことが分かる。

次に、モータ軸またはモータケースに偏芯がある場合における、３相誘導電動機１のロータスロット２１の数と振れ回り電磁力との関係について説明する。
図６は、モータ軸またはモータケースに偏芯がある場合のロータスロット２１の数と始動時の振れ回り電磁力との関係を示すグラフである。また、図７は、モータ軸またはモータケースに偏芯がある場合のロータスロットの数と定格時の振れ回り電磁力との関係を示すグラフである。なお、偏芯とは、上述と同様に、モータ軸を軸方向と直交する方向へ０．１ｍｍずらした状態をいうものとする。

図６に示すように、偏芯がある場合の始動時の振れ回り電磁力は、各ロータスロットの数において発生している。しかしながら、奇数の相数倍（３倍）のスロットの数のときは、他のスロットの数と比較して、振れ回り電磁力（図６中、黒塗りの棒グラフで表示する。また、符号６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ，６０ｅで示す）が低くなることが分かる。

また、図７に示すように、偏芯がある場合の定格時の振れ回り電磁力についても、各ロータスロットの数において発生している。しかしながら、奇数の相数倍（３倍）のスロットの数のときは、他のスロットの数と比較して、振れ回り電磁力（図７中、黒塗りの棒グラフで表示する。また、符号７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ，７０ｅで示す）が低くなることが分かる。

これらのデータ（特に、図４、図６）から、ステータスロット１１の数が５４のとき、始動トルク４０の観点から最適なロータスロット２１の数を検討する。
すなわち、（１）図４のデータから、ロータスロット２１の数が６０よりも大きい値であること、（２）図７のデータから、ロータスロット２１の数が奇数の３倍であること、の２条件を満たすスロット数がよい。具体的には、６３、６９の個数になる。

また、図５、図７のデータから、ステータスロット１１の数が５４のとき、定格トルク５０の観点から最適なロータスロット２１の数を検討する。
すなわち、（１）図５のデータから、ロータスロット２１の数が、６０〜７２の範囲内であること、（２）図７のデータから、ロータスロット２１の数が奇数の３倍であること、の２条件を満たすスロット数がよい。具体的には、６３、６９の個数になる。

さらに、始動トルク４０と定格トルク５０とを総合した観点から最適なロータスロット２１の数を検討すると、どちらのトルク４０、５０でも最適な値となる、６３、６９のスロット数が最もよいことが分かる。

本発明の実施の形態に係る３相誘導電動機１によれば、ロータスロット２１の数が、奇数を３倍した数で構成されているので、ステータ１０の回転磁界の磁気的な周期とロータスロット２１の数の構造上の周期との最小公倍数が１２０°毎に発生することになり、最低でも１２０°毎にステータとロータのティースが対向するようになる。そのため、ロータスロット２１の数が奇数の場合であっても、Ｘ方向およびＹ方向における３相誘導電動機１の磁気的な平衡が確保される。その結果、モータ軸やモータケースに偏芯等が生じたとしても、振れ回り電磁力を小さく抑え、振動・騒音が少ない３相誘導電動機を提供することができる。

また、ステータスロット１１の数とロータスロット２１の数が偶数同士の組み合わせ以外であっても振れ回り電磁力を小さく抑えることができるので、３相誘導電動機１の構造を決定する上での設計自由度を高めることができる。その結果、使用目的や状況に合わせて、最適な形状や大きさの多種類の３相誘導電動機１を提供することができる。

特に、モータ軸またはモータケースに偏芯がある場合であってステータスロットの数が５４の場合、偶数同士の任意の組み合わせで構成した３相誘導電動機のＭａｘの振れ回り電磁力よりも、奇数の３倍の数と組み合わせて構成した３相誘導電動機のＭａｘの振れ回り電磁力の方が小さい値となる。そのため、偶数同士の組み合わせよりも、振れ回り電磁力を小さくすることができる。

また、ステータスロットの数が５４であり、ロータスロット２１の数がステータスロット１１の数に極数（６Ｐ）である６を足した数（具体的には、６０）よりも大きな数で構成することで、大きな始動トルク４０を得ることができるとともに、始動時のトルクリップル４２を小さく抑えることができる。そのため、特に始動トルク４０を重視した３相誘導電動機１を製作するのに好ましい。

さらに、ステータスロットの数が５４であり、ロータスロット２１の数がステータスロット１１の数に極数である６の整数倍を加減した数以外の数（具体的には、４８、６０以外の数）で構成することで、始動時のトルクリップル４２を小さく抑えることができる。そのため、特に始動トルク４０を重視した３相誘導電動機１を製作するのに好ましい。

また、ステータスロット１１の数が５４であり、ロータスロット２１の数が、６３から７２の範囲（具体的には、６３または６９）で構成することで、大きな始動トルク４０を得つつ、始動時のトルクリップル４２を小さく抑えることができるとともに、大きな定格
トルク５０を確保しつつ、定格時のトルクリップル５２を小さく抑えることができる。そのため、始動トルク４０および定格トルク５０の両方を重視した３相誘導電動機１を製作するのに好ましい。

以上、本発明の実施の形態に係る３相誘導電動機について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。
例えば、本実施の形態では、ステータスロット１１の数を５４にしているが、他の個数であっても構わない。すなわち、スロットの数は、ステータ１０が１２０°毎に同相となるように一次側コイルが配線できる個数であれば、例えば、３６、４８、６０などの個数であっても構わない。

１ ３相誘導電動機
１０ ステータ
１１ ステータのスロット
２０ ロータ
２１ ロータのスロット
２２ モータ軸
３４ 振れ回り電磁力のＭａｘ値の差
４０ 始動トルク
４２ トルクリップル
４２ａ、４２ｂ トルクリップルが大きい領域
５０ 定格トルク
５１ 定格トルクの最大値
５２ トルクリップル
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ トルクリップルが大きい領域
５４ 定格トルクの最適値（始動トルクおよび定格トルクの両方から見た最適値）
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ，６０ｅ 始動時の振れ回り電磁力が低い値
７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ，７０ｅ 定格時の振れ回り電磁力が低い値
Ｏ 回転中心

Claims (4)

1. ステータに設けられ、一次側コイルが巻かれる複数のステータスロットと、
   ロータに設けられ、前記ステータスロットと対向する複数のロータスロットと
   を備え、前記ステータスロットには１２０°毎に同相となるように前記一次側コイルが配線された３相誘導電動機であって、
   前記ロータスロットの数が、奇数を３倍した数で構成されていること特徴とする３相誘導電動機。
2. 前記ロータスロットの数が、前記ステータスロットの数に極数を足した数よりも大きい数で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の３相交流電動機。
3. 前記ロータスロットの数が、前記ステータスロットの数に極数の整数倍を加減した数以外の数で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３相交流電動機。
4. 前記ステータスロットの数が５４であり、前記ロータスロットの数が、６３から７２の範囲内で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の３相交流電動機。

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