(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の外周面に設けられた複数の導体バーと、
前記回転子鉄心の上面及び下面にて各導体バーの端部を短絡するように設けられたエンドリングと、
前記回転子鉄心の上面から下面にかけて貫通し、前記回転子鉄心の上面及び下面における開口が軸中心まわりの同心円上に並んでいる複数の冷却用の貫通孔と
を備えた誘導電動機の回転子において、
前記貫通孔は、前記回転子鉄心の軸方向に対して傾斜するように設けられており、
しかも、該貫通孔はＮ個形成され、上面に設けられた開口を第１上面開口、第２上面開口、……、第Ｎ上面開口とし、下面に設けられた開口を第１下面開口、第２下面開口、……、第Ｎ下面開口とし、第ｋ上面開口と第ｋ下面開口とを結んだ線が軸方向と一致する場合、各貫通孔は第ｋ上面開口と第（ｋ＋１）下面開口とを貫通して形成され（但し、第Ｎ上面開口は第１下面開口に貫通されている）、
さらに、
前記貫通孔の上面開口及び下面開口は軸中心まわりの同心円上に二列にわたって並んでおり、大円側における隣合う開口同士の間に小円側における開口が位置するように配置されていることを特徴とする誘導電動機の回転子。
【請求項２】
前記回転子鉄心は、同心円上に穴が列設された円盤状の電磁鋼板をずらしながら積層したものである請求項１に記載の誘導電動機の回転子。
【請求項３】
請求項１〜２のいずれかに記載の回転子を備えた誘導電動機。
【請求項４】
高速鉄道車両駆動用である請求項３記載の誘導電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導電動機の回転子及びこれを備えた誘導電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より新幹線車両駆動用の電動機としては直流電動機が採用されていたが、近年、速度の向上に伴って駆動用電動機が大容量になる一方で、台車の限られたスペースに装着する必要上小型軽量化が重要な要素になってきたため、小型軽量で大容量（大出力）を達成できる誘導電動機が採用されるに至っている。
【０００３】
誘導電動機は、図４に示すように、中空円筒状の固定子５１と、この固定子５１の中空内部に非接触状態で回転可能に配置された回転子５２とを備え、固定子５１に回転磁界を発生させることにより回転子５２を回転させるものである。
この誘導電動機は、小型化且つ高電力密度のため発熱量が大きいことから、この発熱により誘導電動機が高温化するのを防ぐために、回転子鉄心５３には冷却風を通すための貫通孔５４が同心円上に２列にわたって設けられている。そして、ブロアによって冷却風を送り込むことにより、冷却風がこの貫通孔５４を通過して回転子５２が強制冷却される。なお、この貫通孔５４は誘導電動機全体を軽量化する役割も果たしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、貫通孔５４を設けた場合には回転子鉄心５３の半径方向の厚みが一様でなくなり、固定子５１と回転子５２とのギャップ間の磁束の分布が変動する。図５は、固定子５１の内面のうち所定の軸方向区間Ｓにおける磁束密度平均値（磁束密度の基本波成分の波高値の平均値のこと、以下同じ）の推移を示したものであり、グラフ横軸は回転子５２の固定子５１に対する回転角度、グラフ縦軸は軸方向区間Ｓにおけるギャップ間の磁束密度平均値を表している。
【０００５】
この図から明らかなように、回転子５２が回転するのに伴い、軸方向区間Ｓにおける磁束密度平均値はほぼ正弦カーブ状に推移する。すなわち、ギャップ間の磁束密度Ｂは回転方向に高調波を含んだ正弦波状に分布しているが、基本波成分だけを式で表すと、Ｂ＝Ａｓｉｎθ（Ａ：磁束密度の基本波成分の波高値）となり、このＡの平均値が正弦カーブ状に推移する。
【０００６】
この正弦カーブの周期は磁極に対する貫通孔５４の配置に依存するが、ここでは同心円上に１２個の貫通孔５４が設けられているため、その周期は３６０°／１２個＝３０°となっている。このように回転子５２の回転に伴って軸方向区間Ｓにおける磁束密度平均値が正弦カーブ状に推移すると、トルク脈動、振動、騒音の発生原因になるおそれがある。
【０００７】
本発明は上記問題点を解決することを課題とするものであり、貫通孔を備えているにもかかわらず、その貫通孔に起因したトルク脈動等が発生しない誘導電動機の回転子を提供することを目的とする。また、この回転子を備えた誘導電動機を提供することを別の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
かかる課題を解決するため、本発明は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の外周面にて設けられた複数の導体バーと、前記回転子鉄心の上面及び下面にて各導体バーの端部を短絡するように設けられたエンドリングと、前記回転子鉄心の上面から下面にかけて貫通し、前記回転子鉄心の上面及び下面における開口が軸中心まわりの同心円上に並んでいる複数の冷却用の貫通孔とを備えた誘導電動機の回転子において、
前記貫通孔は、前記回転子鉄心の軸方向に対して傾斜するように設けられており、
しかも、該貫通孔はＮ個形成され、上面に設けられた開口を第１上面開口、第２上面開口、……、第Ｎ上面開口とし、下面に設けられた開口を第１下面開口、第２下面開口、……、第Ｎ下面開口とし、第ｋ上面開口と第ｋ下面開口とを結んだ線が軸方向と一致する場合、各貫通孔は第ｋ上面開口と第（ｋ＋１）下面開口とを貫通して形成され（但し、第Ｎ上面開口は第１下面開口に貫通されている）、
さらに、
前記貫通孔の上面開口及び下面開口は軸中心まわりの同心円上に二列にわたって並んでおり、大円側における隣合う開口同士の間に小円側における開口が位置するように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の誘導電動機の回転子は、中空円筒状の固定子の中空内部に非接触状態で回転可能に配置され、固定子に回転磁界を発生させることによって導体バーに誘導電流が流れ、アラゴの円板の原理により回転するものである。また、複数の貫通孔は、発熱により誘導電動機が高温になるのを防ぐと共に回転子を軽量化するために設けられている。ここで、貫通孔は回転子鉄心の軸方向に沿って平行に設けられているのではなく、回転子鉄心の軸方向に対して傾斜するように設けられている（つまりスキューが施されている）。このため、固定子の内面のうち所定の軸方向区間における磁束密度平均値は、回転子が回転するのに伴って大きく変化することはなく、貫通孔が設けられていない場合に近づく。
【００１０】
なお、前述したとおり、磁束密度平均値とは磁束密度の基本波成分の波高値の平均値のことをいうが、このように基本波成分に着目する理由は、基本波成分がトルクつまり出力を生み出す重要な要素だからである。
このように本発明によれば、貫通孔が存在しているにもかかわらず、固定子と回転子との間つまりギャップ間の磁束分布が大きく変動することがないため、磁束分布の変動に起因するトルク脈動、振動、騒音が発生しないという効果が得られる。
【００１１】
本発明では、貫通孔はＮ個形成され、上面に設けられた開口を第１上面開口、第２上面開口、……、第Ｎ上面開口とし、下面に設けられた開口を第１下面開口、第２下面開口、……、第Ｎ下面開口とし、第ｋ上面開口と第ｋ下面開口とを結んだ線が軸方向と一致する場合、各貫通孔は第ｋ上面開口と第（ｋ＋１）下面開口とを貫通して形成されている（但し、第Ｎ上面開口は第１下面開口に貫通されている）。すなわち、貫通孔は１ピッチ分だけスキューされている。このため、固定子の内面のうち所定の軸方向区間における磁束密度平均値は、正弦カーブの１周期分を平均した値となり、回転子が回転したとしてもほとんど変化しない。したがって、上記効果がより有効に得られる。
【００１２】
また、本発明では、貫通孔の上面開口及び下面開口は軸中心まわりの二重円上に２列にわたって並んでおり、大円側における隣合う開口同士の間に小円側における開口が位置するように配置されている。この場合、貫通孔による冷却化・軽量化が顕著になる。
【００１３】
更に、本発明において、回転子鉄心は、同心円上に穴が列設された円盤状の電磁鋼板をずらしながら積層したものであることが好ましい。通常、回転子鉄心は同心円上に穴が列設された円盤状の電磁鋼板（例えばケイ素鋼板）を用いてその穴が軸方向に沿って揃うように積層したものであるが、ここではこれと同様の電磁鋼板をずらしながら積層することにより、貫通孔が軸方向に対して傾斜した回転子鉄心が得られるため、従来と同様の製造方法を踏襲できる。
【００１４】
以上詳述した本発明の回転子を備えた誘導電動機は、各種用途に用いることができるが、とりわけ小型軽量化しかもハイパワーが要求される用途、例えば高速鉄道車両の駆動用等に適している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は誘導電動機の説明図、図２は誘導電動機の回転子の概略斜視図である。誘導電動機１０は、図１に示すように固定子１１と回転子２１とで構成されている。
【００１６】
固定子１１は、円筒中空状であってその内面に複数のスロット１２を有する固定子鉄心１３と、このスロット１２に巻かれた三相巻線１４（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）とを備え、三相巻線１４に三相交流を通じることにより回転磁界が発生する。回転子２１は、固定子鉄心１３の中空内部に非接触状態で回転可能に配置されるものであり、ケイ素鋼板が積層された回転子鉄心２２と、この回転子鉄心２２の外周にて軸方向に沿って線状に設けられた複数の導体バー２３と、回転子鉄心２２の上面２２ａ及び下面２２ｂにて各導体バー２３の端部を短絡するエンドリング２４と、回転子鉄心２２の中心軸に当たる回転軸２５とを備えている。
【００１７】
また、回転子２１は、回転子鉄心２２とカゴ型巻線２６（導体バー２３とエンドリング２４からなる）とを組み合わせたものであり、回転子鉄心２２の外周にて軸方向に沿って設けられた複数のスロット２７にカゴ型巻線２６の導体バー２３を配置したものである。
【００１８】
このうち回転子鉄心２２は、図２に示すように、回転軸２５を挿通するための挿通孔２８が設けられ、更に、冷却風を通すための貫通孔２９、３０が多数設けられている。貫通孔２９は、回転子鉄心２２の上面２２ａにおける開口（上面開口）２９ａから下面２２ｂにおける開口（下面開口）２９ｂにかけて貫通し、回転子鉄心２２の軸方向に対して傾斜するようにスキューが施されている。また、貫通孔３０も、上面開口３０ａから下面開口３０ｂにかけて貫通し、回転子鉄心２２の軸方向に対して傾斜するようにスキューが施されている。
【００１９】
そして、回転子鉄心２２の上面２２ａにおける複数の上面開口２９ａ、３０ａは軸中心まわりの同心円上に二列に列設されており、複数の下面開口２９ｂ、３０ｂも軸中心まわりの同心円上に二列に列設されている。
ここで、貫通孔２９について更に詳細に説明する。本実施形態では貫通孔２９はＮ個（ここではＮ＝１２）設けられているが、これらを便宜上、第１貫通孔２９−１、第２貫通孔２９−２、……、第Ｎ貫通孔２９−Ｎと称することとする。また、本実施形態では、回転子鉄心２２の上面２２ａには第１上面開口２９ａ−１、第２上面開口２９ａ−２、……、第Ｎ上面開口２９ａ−Ｎが同心円上に設けられ、下面２２ｂには第１下面開口２９ｂ−１、第２下面開口２９ｂ−２、……、第Ｎ下面開口２９ｂ−Ｎが同心円上に設けられ、第ｋ上面開口２９ａ−ｋと第ｋ下面開口２９ｂ−ｋとを結んだ線が軸方向と一致つまり軸方向と平行になっている。そして、Ｎ個の貫通孔２９は、それぞれ第ｋ上面開口２９ａ−ｋと第（ｋ＋１）下面開口２９ｂ−（ｋ＋１）とを貫通して形成されている（但し、第Ｎ上面開口２９ａ−Ｎは第１下面開口２９ｂ−１に貫通されている）。
【００２０】
つまり、従来では図４に示したように貫通孔５４は第ｋ上面開口と第ｋ下面開口とを貫通して軸方向に沿って平行に形成されていたのに対して、本実施形態の貫通孔２９は下面開口を１ピッチずらして第ｋ上面開口２９ａ−ｋと第（ｋ＋１）下面開口２９ｂ−（ｋ＋１）とを貫通して軸方向に対して傾斜するように形成されている。このように１ピッチずらして貫通孔を設けることを１ピッチスキューと称する。貫通孔３０についても同様に１ピッチスキューが施されている。
【００２１】
回転子鉄心２２の上面２２ａにおいて、上面開口２９ａは大径の同心円上に列設され、上面開口３０ａは小径の同心円上に列設されているが、隣合う上面開口２９ａ、２９ａ同士の間に上面開口３０ａが位置するように配置されている。また、下面２２ｂにおいても同様に、下面開口２９ｂは大径の同心円上に列設され、下面開口３０ｂは小径の同心円上に列設されているが、隣合う下面開口２９ｂ、２９ｂ同士の間に下面開口３０ｂが位置するように配置されている。
【００２２】
次に、この誘導電動機１０の動作について説明する。この誘導電動機１０では、固定子１１の三相巻線１４に三相交流を通じることにより発生する回転磁界によって、回転子２１の導体バー２３に誘導電流が流れ、アラゴの円板の原理により回転軸２５を中心として回転子２１が回転する。このように回転している誘導電動機１０は、小型化且つ高電力密度のため発熱量が大きいことから、この発熱により誘導電動機１０が高温化するのを防ぐために、ブロアによって回転子２１の貫通孔２９，３０へ冷却風が送り込まれて強制冷却される。
【００２３】
この誘導電動機１０では、貫通孔２９，３０は回転子鉄心２２の軸方向に対して傾斜するように設けられ、特に本実施形態では１ピッチスキューが施されているため、固定子１１の内面のうち所定の軸方向区間Ｓ（図２参照）における磁束密度平均値は、回転子２１が回転するのに伴ってほとんど変化することはなく、貫通孔２９，３０が設けられていない場合とほぼ同等である。
【００２４】
具体的には、図３の実線で示すように、軸方向区間Ｓにおける磁束密度平均値は回転子２１の回転角度にかかわらずほぼ一定であり、従来例（スキューなし、図３の一点鎖線参照）が正弦カーブ状であるのと対照的である。
以上詳述したように、本実施形態の誘導電動機１０によれば、貫通孔２９，３０が存在しているにもかかわらず、軸方向区間Ｓにおける固定子１１と回転子２１との間つまりギャップ間の磁束分布はほとんど変化しないないため、磁束分布の変動に起因するトルク脈動、振動、騒音が発生しないという効果が得られる。
【００２５】
また、貫通孔２９の上面開口２９ａと貫通孔３０の上面開口３０ａとは軸中心まわりの同心円上に二列にわたって設けられ、貫通孔２９の下面開口２９ｂと貫通孔３０の下面開口３０ｂとは軸中心まわりの同心円上に二列にわたって設けられているため、貫通孔２９、３０による冷却化・軽量化が顕著になる。
【００２６】
更に、本実施形態では上面開口２９ａと上面開口３０ａとは千鳥状に列設されているため、両上面開口２９ａ、３０ａを半径方向に直線上に設けた場合に比べて、磁束分布の変動幅がより小さくなる。
更にまた、回転子鉄心２２は、同心円上に穴が二列にわたって設けられた円盤状のケイ素鋼板をずらしながら積層することにより作製できるため、従来と同様の製造方法を踏襲できる。
【００２７】
そしてまた、本実施形態の誘導電動機１０は、各種用途に用いることができるが、とりわけ小型軽量化しかもハイパワーが要求される用途、例えば高速鉄道車両の駆動等に適している。
尚、本発明の実施の形態は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
【００２８】
例えば、上記実施形態の貫通孔２９、３０は１ピッチスキューを施したが、特に１ピッチスキューに限らず、１／２ピッチスキューであってもよいし、２ピッチスキューであってもよい。１／２ピッチスキューの場合、軸方向区間Ｓにおける磁束密度平均値は図３の点線で示すように推移するが、スキューなしに比べれば変動幅は小さくなるため磁束分布の変動に起因するトルク脈動等を防止することはできるものの、１ピッチスキュー（図３にて実線）の方が優れている。
【００２９】
また、回転子２１の外周に設けたスロット２７をスキューさせたり、固定子１１の内面に設けたスロット１２をスキューさせたりしてもよい。
なお、上記実施形態では詳しく述べなかったが、回転子２１には貫通孔２９、３０のほかにスロット２７が設けられているため、このスロット２７の影響により軸方向区間Ｓにおける磁束密度平均値が若干変動する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の誘導電動機の説明図である。
【図２】本実施形態の回転子の概略斜視図である。
【図３】本実施形態の誘導電動機に関し、所定の軸方向区間における磁束密度平均値の推移を表すグラフである。
【図４】従来の回転子の概略斜視図である。
【図５】従来の誘導電動機に関し、所定の軸方向区間における磁束密度平均値の推移を表すグラフである。
【符号の説明】
１０・・・誘導電動機、１１・・・固定子、１２・・・スロット、１３・・・固定子鉄心、１４・・・三相巻線、２１・・・回転子、２２・・・回転子鉄心、２３・・・導体バー、２４・・・エンドリング、２５・・・回転軸、２６・・・カゴ型巻線、２７・・・スロット、２８・・・挿通孔、２９・・・貫通孔、２９ａ・・・上面開口、２９ｂ・・・下面開口、３０・・・貫通孔、３０ａ・・・上面開口、３０ｂ・・・下面開口。
【図１】
0003624130.tif 000002
【図２】
0003624130.tif 000003
【図３】
0003624130.tif 000004
【図４】
0003624130.tif 000005
【図５】
0003624130.tif 000006