(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周部に複数の巻線スロットを有する固定子と、前記固定子の内周部に配置され、かつ外周部に複数の半閉巻線スロットを有する回転子とを備え、前記回転子の巻線スロットの数が、前記固定子巻線スロットの数より多く形成されている回転電機において、
前記回転子の隣接巻線スロット間の鉄心歯部外周部から巻線スロット側に突出し、巻線スロットを半閉状に形成する突出部材の径方向厚みを、前記固定子と回転子間のギャップ長より大きく形成するとともに、前記鉄心歯部外周部における周方向幅を、前記固定子巻線スロットの開口幅よりも大きく形成するようにし、かつ、半径方向に延びる前記鉄心歯部の幅を根元部から先端部へ行くにつれて大きくしたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記固定子における毎相毎極当りの固定子巻線スロット数が２．５以下である請求項１記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転電機に係わり、特に回転子が半閉状の巻線スロットを有し、かつその巻線スロットの数が、固定子の巻線スロット数より多く備えている回転電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来一般に採用されているこの種の回転電機，例えば三相誘導電動機は、図３および図４に示されているように、固定子巻線４を有する固定子１と、この固定子の内側に配置され、かつ外周部に回転子巻線１２を有する回転子９とを備えている。回転子９は、固定子１の内周側にギャップ８を介して配置され、かつシャフト１５を介して回動自在に軸支されている。
【０００３】
固定子１は、巻線スロット３を有する固定子鉄心２、およびこの開放巻線スロット内に収納された固定子巻線４を備えている。なお、開放巻線スロット３のスロット開口部５には、固定子巻線４が脱落することを防ぐため支持材６が挿入されている。一方、回転子９は、半閉巻線スロット１１を有する回転子鉄心１０、およびこの半閉巻線スロット内に収納された回転子巻線（バー）１２を備えている。
【０００４】
前記固定子１の鉄心２は、軸方向に複数のパケット２ａ、２ｂ、２ｃにわけられ、このパケット間に電動機周方向に所定の間隔をおいて複数のダクトピース１６（１６ａ、１６ｂ）が介在されて鉄心間に冷却風が流通するように通風ダクト１７（１７ａ、１７ｂ）が形成されている。また回転子９も同様に、回転子鉄心１０を軸方向に複数のパケット１０ａ、１０ｂ、１０ｃにわけ、このパケット間にダクトピース１６（１６ｃ、１６ｄ）が介在されて鉄心間に冷却風が流通するように通風ダクト１７（１７ｃ、１７ｄ）が形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように誘導電動機（誘導電動機に限らず回転電機）は、充分な冷却が行われるように構成されており、定格以上の過負荷運転や過速度運転がなされた場合であっても、熱的にも機械的にもそれらに耐えうるように構成されているのが普通である。例えば、電気学会電気規格調査会標準規格・誘導機ＪＥＣ−３７では、一定の超過トルク耐力や過速度耐力を保証することが規格化されている。また、通常は規格以上の安全率を有するように設計されるため、耐用年数の間であればほとんど故障は生じないのが普通である。
【０００６】
しかしながら、これらの通常起こりうる過負荷運転や過速度運転以外に、例えば落雷や地震等のごくまれな事故により、安全率をはるかに越える過負荷運転や過速度運転となってしまった場合には、電動機の破壊からその周辺の設備に悪影響を及ぼし大事故にいたる恐れがある。
【０００７】
この事故にいたる故障の１つとして、回転子鉄心歯部（隣接巻線スロット間）の根元からの折損が挙げられる。すなわち、図３に示されているように、このような場合には、固定子鉄心２から回転子鉄心１０へと流れる正規の磁束に加えて、固定子巻線４の端部による多くの漏れ磁束が回転子鉄心１０ａおよび１０ｃの端部に入射することによって、電動機の軸方向中央部の回転子鉄心１０ｂよりも磁束密度が高くなり、損失増加に起因した温度上昇による熱疲労や電磁力による応力集中が、規定条件を大きく越える運転条件となり、比較的弱体なこの回転子鉄心歯部根元部の折損に至ってしまう恐れがあるということである。
【０００８】
この回転子鉄心歯部の折損が回転電機の運転中に生じた場合、折れた回転子鉄心歯部は、遠心力によって固定子の開放巻線スロットの開口部５にその一部が侵入し、固定子巻線の破損による巻線短絡あるいはギャップ間でその歯部部材が固渋状態となり回転子の回転あるいは慣性回転力により回転子および固定子が破壊され、大事故に至る恐れがあるということである。
【０００９】
なお、この種の漏れ磁束による温度上昇防止の対策としては、例えば特開昭５８−６０６０号公報にも開示されているように、エンドリング（鉄心端部材）の表面に溝を設け、固定子巻線の端部からの漏れ磁束が回転子鉄心に影響を及ぼさないようにしたものなどがあるが、規定条件を越える過負荷運転や過速度運転がされる場合までは考慮されておらず、前述したような事故を充分防ぐものとはいえない。
【００１０】
本発明はこれに鑑みなされたもので、その目的とするところは、このような大事故が生ずることを充分防止することが可能なこの種の回転電機を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、内周部に複数の巻線スロットを有する固定子と、該固定子の内周部に配置され、かつ外周部に複数の半閉巻線スロットを有する回転子とを備え、前記回転子の巻線スロットの数が、前記固定子巻線スロットの数より多く形成されている回転電機において、前記回転子の隣接巻線スロットの間に形成される鉄心歯部の外周部から前記巻線スロット側に突出し、巻線スロットを半閉状に形成する突出部材の径方向厚みを、前記固定子と回転子間のギャップ長よりも大きく形成するとともに、前記鉄心歯部外周部における周方向幅を、前記固定子巻線スロットの開口幅よりも大きく形成するようにし所期の目的を達成するようにしたものである。また、この場合、前記固定子における毎相毎極当りの固定子巻線スロット数を２．５以下としたものである。
【００１２】
すなわちこのように形成された回転電機であると、半閉巻線スロットを形成する突出部材の径方向厚みが、固定子と回転子間のギャップ長よりも大きく形成されていること、また、鉄心歯部外周部における周方向幅が、固定子側の開放巻線スロットの開口幅よりも大きく形成されていることから、万一、回転子鉄心歯部が折損した場合においても、折れた回転子鉄心歯部が、遠心力によって固定子の巻線スロット開口部に侵入することはなく、また、ギャップ間でその部材が固渋状態となることもなく、回転子および固定子の破壊を充分防止することができる、すなわち大事故に至るのを未然に防ぐことができるのである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１にはその回転電機の要部が断面で示されている。１が固定子であり、２が固定子鉄心、３が固定子巻線スロット、４が固定子巻線、９が回転子、１０が回転子鉄心、１１が回転子巻線スロット、１２が回転子巻線である。
【００１４】
固定子１は、固定子鉄心２に設けられた開放スロット形状をなす固定子巻線スロット３内に、絶縁が施された固定子巻線４が収納され、そして固定子巻線スロット３の開口部５には、固定子巻線の脱落を防止する支持材６が設けられている。回転子９は、回転子鉄心１０に設けられた半閉状のスロット，すなわち鉄心歯部外周部から巻線スロット側に突出して突出部材が設けられて形成された半閉状の回転子巻線スロット１１内に、回転子巻線１２が収納され形成されている。なお、この場合、回転子巻線スロット数が固定子巻線スロット数よりも多い構成となっている。
【００１５】
ここで、本発明による回転電機は、回転子の隣接巻線スロットの間に形成される鉄心歯部の突出部材の厚み，すなわち回転子９の外径表面から回転子巻線１２位置（巻線外周面）までの回転子巻線スロット開口部１３を構成する回転子鉄心歯部１４ａの径方向高さ（厚み）Ｈｂが、ギャップ８の長さｇよりも大きく形成されている。また、さらに次のようにも形成されている。すなわち、回転子９における回転子巻線スロット１１の最大幅位置で、かつ回転子９の最外径側位置における回転子鉄心歯部１４の幅Ｗ２が、固定子巻線スロット３における開口部５の幅Ｗ１よりも大きくなるように設定されている。
【００１６】
回転電機の巻線における絶縁に破損が生じた場合、最悪のケースでは短絡電流による回転電機自体の焼損や駆動電源の故障などにつながることもある。したがって、万一、前述したような回転子鉄心歯部の折損が生じた場合にも、折損した鉄心歯部が巻線に影響を与えないようにすることは重要といえる。
【００１７】
ところで、回転子巻線スロット数が固定子巻線スロット数よりも多い構成となる回転電機の場合、回転電機の周方向に対する固定子および回転子のスロットピッチは、必然的に固定子の方が長くなる。一方、１スロットピッチ当りの鉄心歯部の周方向にわたる幅とスロットの幅（巻線の幅）の比は、固定子と回転子の間でほぼ等しくなるように設定される。これは、損失集中や力率低下を避けるために、固定子および回転子における電気装荷と磁気装荷の割合が極端にアンバランスを生じないようにするためである。この結果、回転子巻線スロット数が固定子巻線スロット数よりも多い場合は、回転子鉄心歯部の周方向にわたる幅が固定子巻線スロットの幅よりも細くなる。すなわち、図４を用いていえばＷ１＞Ｗ２の関係になり、回転子鉄心歯部根元１４ｂに折損が生じ、かつ回転子鉄心歯部先端１４ａの強度が不十分な場合は、回転子鉄心歯部先端１４ａが固定子１に触れることで飛散し、回転子鉄心歯部１４は固定子巻線スロット開口部５に飛び込んで支持材６や固定子巻線４を破壊する可能性がある。このとき、回転子鉄心歯部先端１４ａにおける径方向高さＨｂがギャップ８の長さｇよりも短い場合は、折損した回転子鉄心歯部１４の遠心力による飛び出し方向の自由度に加え、回転方向の自由度も増すことから、回転子鉄心歯部先端１４ａが固定子巻線スロット開口部５に接触し、飛散する確率が高くなるといえる。
【００１８】
これに対し、前述したように、回転子９における回転子巻線スロット１１の最大幅位置でかつ回転子９の最外径側位置における回転子９の鉄心歯部１４の幅Ｗ２が、固定子巻線スロット３における開口部５の幅Ｗ１よりも大きくなるように設定することで、回転子鉄心歯部根元１４ｂに折損が生じ、回転子鉄心歯部先端１４ａが飛散した場合でも、回転子鉄心歯部１４が直接固定子巻線スロット開口部に飛び込むことを避けることができる。
【００１９】
さらに、回転子鉄心歯部先端１４ａにおける径方向高さＨｂをギャップ８の長さｇよりも大きく設定することで、折損した回転子鉄心歯部１４の遠心力による飛び出し方向の自由度および回転方向の自由度を抑制できる。また、回転子鉄心歯部先端１４ａの強度が増すために、回転子鉄心歯部先端１４ａが固定子巻線スロット開口部５に接触したとしても、折損して飛散する確率を低くすることが可能となる。
【００２０】
なお、回転子鉄心歯部先端１４ａが折損を生じた場合においても、回転子鉄心歯部先端１４ａにおける径方向高さＨｂがギャップ８の長さｇよりも大きいことにより、ギャップ８内に折損片が侵入する可能性を低減することができる。よって、折損を生じた回転子鉄心歯部１４が、固定子巻線４や支持材６に損傷を与えることを避けることが可能となる。
【００２１】
ところで、固定子に多相交流巻線が施される場合は、電源周波数の基本波周波数を１次とし三相巻線を例とすれば、６ｍ±１次（ここで、６ｍ＋１の場合、ｍ＝０、１、２、…であり、６ｍ−１の場合、ｍ＝１、２、…である）として表される空間高調波磁束が発生する。これらの空間高調波磁束は図３に示す漏れ磁束中にも含まれており、回転子側では高周波成分として観測される。このため、回転子鉄心端部１０ａ、１０ｃでは高調波電磁力による繰り返し応力の影響も無視できない。
【００２２】
図２に示す分布巻係数は空間高調波磁束の量を表す１つの指標であり、この値が大きいほど空間高調波磁束が多くなることを意味する。この図２において、前述した空間高調波次数の最低次となる第５次の分布巻係数は、毎相毎極当りの固定子巻線スロット数が２．５以下になると急激に上昇することが示されている。したがって、毎相毎極当りの固定子巻線スロット数が２．５以下で、かつ規定条件を越える過負荷運転や過速度運転がなされた場合には、前述した回転子鉄心歯部の折損に対し、十分な注意が必要といえる。しかしながら、本発明によれば、このような場合においても十分適用が可能であり、固定子巻線を保護することができる。
【００２３】
さらに、図３における固定子鉄心２から回転子鉄心１０へギャップ８を介して流れる磁束中に含まれる高調波成分に対しては、回転子鉄心歯部先端１４ａにおける径方向高さＨｂをギャップ８の長さｇよりも大きく設定したことで、回転子鉄心歯部先端１４ａで表皮効果による高調波磁束の減衰が生じるため、回転子巻線１２まで到達しにくくなる。すなわち、回転子巻線１２に生じる高調波損失が低減し、回転子９の温度上昇を抑制できるため、熱疲労による回転子鉄心歯部の折損を防止する効果もある。
【００２４】
以上のような回転電機の構成とすることにより、万が一に回転子鉄心歯部が折損した場合においても、折損した歯部が固定子における支持材や固定子巻線に到達しないようにすることで、損害を最小限に抑えることのできる回転電機とすることができる。
【００２５】
以上説明してきたようにこのように形成された回転電機であると、半閉巻線スロットを形成する突出部材の径方向厚みが、ギャップ長よりも大きく形成され、かつ鉄心歯部の周方向幅が、固定子側の開放巻線スロットの開口幅よりも大きく形成されているので、回転子鉄心歯部が折損した場合においても、折れた回転子鉄心歯部が、遠心力によって固定子の巻線スロット開口部に侵入することはなく、また、ギャップ間でその部材が固渋状態となることもないので、回転子および固定子の破壊を充分防止することができ、かつ大事故に至るのを未然に防ぐことができ、また損害を最小限に抑えることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、大事故が生ずることを充分防止することが可能なこの種の回転電機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る回転電機の径方向断面における要部を示した概略図である。
【図２】回転電機の固定子における毎相毎極当りのスロット数に対する分布巻係数の推移図である。
【図３】従来の三相誘導電動機を示す縦断側面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【符号の説明】
１…固定子、２…固定子鉄心、３…固定子巻線スロット、４…固定子巻線、５…固定子巻線スロット開口部、６…支持材、７…固定子鉄心歯部、８…ギャップ、９…回転子、１０…回転子鉄心、１１…回転子巻線スロット、１２…回転子巻線、１３…回転子巻線スロット開口部、１４…回転子鉄心歯部、１４ａ…突出部材、１５…シャフト、１６…ダクトピース、１７…通風ダクト、１８…エンドリング。
【図１】
0003563651.tif 000002
【図２】
0003563651.tif 000003
【図３】
0003563651.tif 000004
【図４】
0003563651.tif 000005