(57)【要約】【課題】  トルク変換効率が高く、小型及び軽量な誘導モータを提供する。【解決手段】  回転軸（１０１）を支持するホイール状のロータ（１０６）と、該ロータの正面及び背面の各々と所定の間隔を設けて相対向するように配置される２つのステータ（１０２、１０４）と、を備える誘導モータ（１００）において、前記ロータは、内側リング（１０８）と、前記内側リングと同心円状に配される外側リング（１１０）と、前記ステータで生じる磁束によって誘導電流が生成される複数の導体棒（１１２）であって、前記内側リングと前記外側リングとの間において各リングの対向側面間を接続するように配される複数の導体棒（１１２）と、を少なくとも備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を支持するホイール状のロータと、
該ロータの正面及び背面の各々と所定の間隔を設けて相対向するように配置される２つのステータと、を備える誘導モータであって、
前記ロータは、
内側リングと、
前記内側リングと同心円状に配される外側リングと、
前記ステータで生じる磁束によって誘導電流が生成される複数の導体棒であって、前記内側リングと前記外側リングとの間において各リングの対向側面間を接続するように配される複数の導体棒と、を少なくとも備える、
誘導モータ。
【請求項２】
前記２つのステータのうち、一方のステータは複数のコイルで構成され、他方のステータは複数のコイルまたはヨークで構成される、
請求項１に記載の誘導モータ。
【請求項３】
前記２つのステータの各々は同数のコイルを備え、各ステータのコイルは前記ロータに対して対称となる位置からオフセットするように配置される、
請求項１または２に記載の誘導モータ。
【請求項４】
前記導体棒は、前記対向側面の一方を構成する前記内側リングの外側面から前記対向側面の他方を構成する前記外側リングの内側面まで、前記外側リングの半径方向に対してオフセットするように延在する、
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の誘導モータ。
【請求項５】
前記導体棒は板状体であって、
該板状体の厚み方向を構成する面は、前記回転軸の延在方向に対して垂直となる面と平行である、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の誘導モータ。
【請求項６】
導体棒は、板状体であって、
該板状体の表面及び裏面は、前記回転軸の延在方向に対して垂直となる面に対して傾斜している、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の誘導モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータに関するものであり、特に、ロータに生じる誘導電流と回転磁束との相互作用により生じる回転トルクを用いた誘導モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導モータは、従来から広く普及している交流モータの一つであり、電源から供給される電力により回転磁場を生じさせるステータと、該ステータの内側に配置されたロータとで構成されている。該ロータは、ステータで生ずる回転磁界とロータ内に誘導される誘導電流との相互作用によって生じる回転トルクによって回転する。
【０００３】
誘導モータのロータは、例えば、金属導体で構成されるロータコアと、該ロータコアの回転軸方向に設けられたバー状の導体棒と、該導体棒の両端を短絡するエンドリングとで構成されるロータが公知である（特許文献１）。
【０００４】
このようなロータを備える従来の誘導モータでは、その構造上、ステータから発生する回転磁束の大部分が導体棒の延在方向に対して傾斜するように交差するため、導体棒に交差する磁束には、ロータ内で生じた誘導電流と作用して回転トルクを生じさせる磁束成分のほか、回転トルクに寄与しない磁束成分も含まれることとなり、このような無効な磁束成分の存在がトルク変換効率を低下させる要因となっていた。
【０００５】
また、特許文献１のような従来構造の誘導モータでは、回転軸方向に延在するロータと、該ロータを取り囲むように複数のステータを設ける必要があることから、誘導モータの本体が大型化・重量化し易く、小型機器での使用には不向きであった。
【０００６】
以上のように、上述のような構成の誘導モータでは、その構造上、トルク変換効率を向上させることが困難であり、さらに、モータ本体が大型化または重量化し易いといった問題を抱えていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−０８９３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような背景から、誘導モータにおいて、トルク変換効率が高く、小型で軽量な誘導モータが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一の態様は、回転軸を支持するホイール状のロータと、該ロータの正面及び背面の各々と所定の間隔を設けて相対向するように配置される２つのステータと、を備える誘導モータである。前記ロータは、内側リングと、前記内側リングと同心円状に配される外側リングと、前記ステータで生じる磁束によって誘導電流が生成される複数の導体棒であって、前記内側リングと前記外側リングとの間において各リングの対向側面間を接続するように配される複数の導体棒と、を少なくとも備える。
本発明の他の態様によると、前記２つのステータのうち、一方のステータは複数のコイルで構成され、他方のステータは複数のコイルまたはヨークで構成される。
本発明の他の態様によると、前記２つのステータの各々は同数のコイルを備え、各ステータのコイルは前記ロータに対して対称となる位置からオフセットするように配置される。
本発明の他の態様によると、前記導体棒は、前記対向側面の一方を構成する前記内側リングの外側面から前記対向側面の他方を構成する前記外側リングの内側面まで、前記外側リングの半径方向に対してオフセットするように延在する。
本発明の他の態様によると、前記導体棒は板状体であって、該板状体の厚み方向を構成する面は、前記回転軸の延在方向に対して垂直となる面と平行である
本発明の他の態様によると、導体棒は、板状体であって、該板状体の表面及び裏面は、前記回転軸の延在方向に対して垂直となる面に対して傾斜している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る誘導モータの全体構成を示す図である。
【図２】従来技術及び本実施形態に係る誘導モータの断面構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態の変形例に係る誘導モータのロータの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の変形例に係る誘導モータの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る誘導モータ１００の全体構成を示すものであり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の示す誘導モータ１００を、第１ステータ１０２、第２ステータ１０４、ロータ１０６の３つの構成部材に分解した状態を示すものであり、図１（ｃ）は、第２ステータ１０４の構成を示すものである。なお、図１（ａ）では、誘導モータ１００の回転軸１０１であって、ロータ１０６に支持される回転軸１０１を破線で示すが、図１（ａ）以外においては、本発明の誘導モータ１００の構成が容易に理解できるように、該回転軸１０１の図示を省略している。
【００１２】
本発明の実施形態に係る誘導モータ１００は、第１ステータ１０２、第２ステータ１０４、ホイール状のロータ１０６を備えている。回転軸１０１を支持するロータ１０６は、当該回転軸１０１の延在方向において、第１ステータ１０２と第２ステータ１０４とにより該ロータ１０６と所定の間隔をあけて挟まれるような位置関係で配される。
【００１３】
すなわち、本発明の実施形態に係る誘導モータ１００では、ロータ１０６の正面（図１（ｂ）に示す側の面）側には、当該正面と間隙を設けて第１ステータ１０２が配置されて、該第１ステータ１０２のコイル１１５、１１７が配置される側の面が該ロータの正面と相対向するように配置されると共に、ロータ１０６の背面（第２ステータ１０４側の面）側には、当該背面と間隙を設けて第２ステータ１０４が配置されて、当該第２ステータ１０４のコイル１２０、１２２が配置される側の面がロータ１０６の当該背面と相対向するように配置されている。
【００１４】
また、本発明の実施形態に係る誘導モータ１００では、第１ステータ１０２と第２ステータ１０４とは同一形状及び同数のコイルを備えた同一構成のステータであり、各ステータの代表構成として、第１ステータ１０２の構成が図１（ｃ）に示されている。
【００１５】
第２ステータ１０４は、一方の磁極を生成する４つの略扇形状のコイルを備える第１コイル１２０と、他方の磁極を生成する４つの略扇形状のコイルを備える第２コイル１２２と、第１コイル１２０及び第２コイル１２２を支持・固定するエンドプレート１２４とを有している。第１コイル１２０及び第２コイル１２２を構成する各コイルは、ステータコアと該ステータコアに巻き回された巻線とから構成されており、各巻線が電源に接続されて回転磁界を発生させる。
【００１６】
各ステータのコイルは、後述する図２（ｂ）に示されるように、回転軸１０１を中心として、ロータ１０６の回転方向に交互に磁極が存在するように配置されている。また、２つのステータ間で対向するコイルは、例えばステータ１０２のＳ極のコイルにはステータ１０４のＮ極のコイルが対向するように、ロータ１０６を介して互いに対向しあうコイルの磁極が異なるように、各ステータのコイルが配置されている。そして、第１ステータ１０２及び第２ステータ１０４において生成された回転磁束は、ロータ１０６を構成する複数の導体棒１１２の各々と作用して、複数の導体棒の各々に誘導電流を生じさせると共に、該ロータ１０６に回転トルクを生じさせる。
【００１７】
ここで、本発明の実施形態に係る誘導モータ１００で使用されるロータ１０６は、特に、ホイール形状のロータあって、回転軸１０１を支持・固定する内側リング１０８と、前記内側リング１０８よりも半径が大きいリング状部材であって内側リング１０８と同心円状に配置される外側リング１１０と、内側リング１０８と外側リング１１０との対向側面の間、すなわち、内側リング１０８の外側面１０８ａと外側リング１１０の内側面１１０ａとの間に配される複数の導体棒１１２と、から構成されている。なお、図１（ｂ）に示す実施形態では、ロータ１０６の導体棒は、内側リング１０８の外側面１０８ａから外側リング１１０の半径方向に沿って放射状に延在して外側リング１１０の内側面１１０ａに至る例えば１６個の導体棒１１２で構成されている。
【００１８】
また、ロータ１０６に設けられた各導体棒１１２の形状は、例えば、棒状体のほか、板状体でもよく、さらに、ロータ１０６は、その全ての導体棒の形状が同一となる構成または複数の形状が混在（例えば、棒状体と板状体とを交互に配置）するような構成を備えていてもよい。
【００１９】
次に、図２を用いて、本実施形態に係る誘導モータ１００の作用・効果について、従来技術の誘導モータ２００と比較して説明する。
【００２０】
図２（ａ）は、従来技術の誘導モータ２００であって、誘導モータ２００の回転軸方向の断面の一部を示すものである。従来技術の誘導モータ２００は、円柱状のかご型ロータ２１６の周囲を、複数のコイル２２１、２２２、２２３・・・を有する複数のステータにより取り囲まれる周知の構成を備えている。また、図２（ｂ）は、本実施形態に係る誘導モータ１００の構成を示すものであり、回転軸１０１と平行となる円周方向に沿った一断面を示すものである。
【００２１】
従来技術の誘導モータ２００では、ステータのコイル２２１、２２２、２２３から生じる磁束（図示矢印）は、ロータ２１６と交差し、該ロータ２１６で生成された誘導電流と作用してロータ２１６の回転トルクが生じる。コイル２２１、２２２、２２３で生じる磁束（図示矢印）は、図２（ａ）に示すように、その大部分の磁束がロータ２１６を横切って相隣接するコイルに到達する磁束で構成され、ロータ２１６導体棒の延在方向に対して斜め方向に交差する磁束が含まれる。このため、ロータ２１６との交差磁束のうち、ロータ２１６内で生成された誘導電流と作用して回転トルクに寄与する磁束成分は、当該斜めに交差する磁束の一方向成分（例えば、導体棒の延在方向に対して垂直な成分）のみとなり、他の磁束成分は回転トルクとして機能しない無効な磁束成分となる。このため、従来技術の誘導モータ２００では、トルク変換効率を十分に高めることが構造上困難であった。
【００２２】
一方、本発明の実施形態に係る誘導モータ１００では、図２（ｂ）に示すように、ロータ１０６を挟んで２つのステータ１０２、１０４が配置される構成を有していることから、各ステータのコイルで生じる磁束は、ロータ２１６を構成する導体棒１１２に対して略垂直に入射することとなり、各コイルで生成される磁束の大部分をロータ１０６の回転トルクの生成に寄与させることが可能となる。
【００２３】
また、本発明の実施形態に係る誘導モータ１００では、ステータ内の１つコイルで生成された磁束は、該一つのコイルと相対向するステータ内のコイルのみに集中するように構成されている。これにより、本実施形態の誘導モータ１００では、高密度の磁束をロータ１０６に作用させた状態を保持することが可能となり、これにより、図２（ａ）で示されているような、従来の誘導モータ２００における一つのコイルから生じる磁束が隣接する２つのコイルへと発散して磁束密度が低下するという問題が解消されることとなる。
【００２４】
上述のような構成により、本発明の実施形態に係る誘導モータ１００は、ロータ１０６の回転トルク変換効率の低下につながる無効磁束成分を低減しつつ、有効磁束成分の割合を高め、さらに、ロータ１０６に作用する磁束密度を高密度化することができる。この結果、本実施形態の誘導モータ１００は、従来技術の誘導モータに比べて、回転磁束のトルクへの変換効率を大幅に向上することができ、また、入力電力に対する機械出力比を大幅に高めることができる。
【００２５】
また、本実施形態の誘導モータ１００では、ステータ１０２、１０４及びロータ１０６が平面状で構成されると共に、両者を回転軸方向に積層する態様で組み立てられるため、モータのサイズを大幅に小型化することができ、さらに、誘導モータの重量も大幅に低減することが可能となる。この結果、本実施形態の誘導モータ１００は、従来サイズの誘導モータが設置できなかった小型機器にも搭載することができ、適用範囲が大型機器に限られていた従来の誘導モータに比べると、その応用範囲を大幅に拡大することが可能となる。
【００２６】
なお、本実施形態に係る誘導モータ１００では、ロータ１０６を構成する内側リング１０８、外側リング１１０及び導体棒１１２の全てを、例えばアルミニウムなどの１種の金属で一体形成して構成したが、このような構成に限らず、互いに異なる金属または合金で構成した複数の部材を組み上げて構成することもできる。
【００２７】
また、本実施形態に係る誘導モータ１００のロータ１０６は、図１（ｂ）に示すように、１６個の導体棒で構成されているが、導体棒の個数は、所望のトルク変換効率が得られるように選択することができ、例えば２個以上とすることができる。
【００２８】
また、本実施形態に係る誘導モータ１００のロータ１０６を構成する導体棒１１２は、図１（ｂ）に示されるように、扇形状の板状体とし、全ての板状体の正面側の面（図１（ｂ）に示す面）を、回転軸１０１が延在する方向に対して垂直となる面と平行となるように配置したが、このような形態に限らず、例えばロータ１０６に設けられた複数の板状体の導体棒のうち、一部の板状体について該正面を回転軸１０１の延在方向に対して垂直となる面から傾斜するように配置することもできる。
【００２９】
このような構成とすれば、傾斜した該板状体の回転によるモータ内部への送風効果が高まり、誘導モータ１００の外部からロータ１０６の内部に冷却風を送り込むことができ、この結果、ロータ１０６の内部で生じた渦電流損などによる温度上昇を未然に防止することができる。
【００３０】
また、導体棒１１２を軸方向に薄板化した構成、すなわち、導体棒１１２を構成する板状体の長手方向を外側リング１１０の半径方向に沿うように構成すると共に該板状体の短手方向が回転軸１０１の延在方向と同一方向となるように配置し、さらに、板状体の側面（板状体の厚み部分を構成する面）を回転軸１０１の延在方向に対して垂直となる面と平行となるように当該板状体を配置した構成とすることもできる。
【００３１】
このような態様で導体棒１１２を配置することにより、該板状体の短手方向において渦電流が生成され難くなるため、導体棒１１２で生じる渦電流損を大幅に低減することができ、また、該導体棒１１２の長手方向を沿う回転トルクに寄与する誘導電流成分の割合を高めることが可能となる。
【００３２】
［第１の変形例］
図３は、本実施形態における誘導モータの第１の変形例に係る誘導モータのロータ３０６の構成を示すものである。上述の誘導モータ１００のロータ１０６では、図１（ｂ）に示されるように、導体棒１１２の延在方向を外側リング１１０の半径方向に沿う構成としたが、本変形例では、導体棒３１２の延在方向（図３に示す破線Ｌの延在方向）が、外側リング３１０の半径方向からオフセット（例えば、ロータ３０６の回転方向にオフセット）するように配されている。
【００３３】
本変形例では、例えば、導体棒３１２と内側リング３０８及び外側リング３１０との接続部であって、円弧形状の２つの該接続部において、各々の中間点を結ぶことで形成される破線Ｌと、当該破線Ｌと内側リング３０８との交点に接する接線Ｔとがなす角θが９０°未満となるように、当該導体棒３１２をオフセットさせることができる。
【００３４】
このような構成とすることにより、第１の変形例に係る誘導モータのロータ３０６に設けられる導体棒３１２が、ステータのコイルによって生成される回転磁場から受ける誘導トルクを緩やかに変化させることができるので、この結果、誘導モータの力率を改善することができ、更に、該誘導モータの始動時において非常に小さい始動電流でロータを始動させることができる。これにより、始動時の電源系統における電圧変動を抑止することができると共に、トルクの変動や不安化を未然に防止することができる。
【００３５】
なお、本変形例に係るロータ３０６は、例えば、次のような方法で製造することができる。薄い金属板に、内側リング、外側リング、導体棒となる各々の形状を打ち抜いて形成し、このような金属板を各リングの同心円を中心として一定の角度でずらしながら積層することにより、図３のような各リングの半径方向からオフセットした導体棒３１２を備えるホイール状のロータ３０６を得ることができる。
【００３６】
［第２の変形例］
図４（ａ）は、本実施形態における誘導モータの第２の変形例に係る誘導モータ４００の構成を示すものであり、回転方向の一断面を示すものである。なお、図４（ａ）に示す誘導モータ４００では、図１に示す誘導モータ１００と同じ構成要素については、図１に示す符号と同じ符号を用いて示すものとし、上述した図１についての説明を援用する。
【００３７】
本変形例に係る誘導モータ４００は、誘導モータ１００において、コイルを備えたステータ１０４に代えて、ステータヨーク４０４を適用した構成を備えている。ステータヨーク４０４は、複数の凸部４０５を備えており、当該凸部４０５が第１ステータ１０２のコイル位置と相対向するように、当該ステータヨーク４０４が配置されている。なお、ステータヨーク４０４は、例えば、珪素鉄やステンレス鋼などで構成することができる。
【００３８】
このような構成とすることにより、ステータヨーク４０４の当該凸部４０５に、コイルで生じる磁束を集中させることができるので、ロータ１０６の有効磁束成分の割合を高めつつ、且つ、ロータ１０６に作用する磁束密度を高密度の状態で維持することができるため、トルク変換効率を大幅に向上することができる。
【００３９】
また、本変形例の誘導モータ４００では、コイルを備えたステータ１０４に代えて、ステータヨーク４０４を使用するため、ステータ１０４に接続される電源回路が不要となり、誘導モータ４００を駆動するための制御装置及び電源装置を大幅に簡略化することができる。この結果、誘導モータ４００を備える電気機器を更に小型化及び軽量化することができる。
【００４０】
［第３の変形例］
図４（ｂ）は、本実施形態における誘導モータの第３の変形例に係る誘導モータ４１０の構成を示すものであり、当該誘導モータ４１０の回転軸と平行な一断面を示している。なお、図４（ｂ）に示す誘導モータ４１０において、図１に示す本実施形態に係る誘導モータ１００と同じ構成要素については、図１に示す符号と同じ符号を用いて示すものとし、上述した図１についての説明を援用する。
【００４１】
本変形例に係る誘導モータ４１０では、ステータ１０２に設けられたコイルの位置と、ステータ４１４に設けられたコイルの位置とが、ロータ１０６に対して対称となる位置からずれるように配置されている。具体的には、第２ステータ４１４の第１磁極（例えば、Ｓ極）を構成するコイルは、ロータ１０６を介して対向する第１ステータ１０２の第２磁極（例えば、Ｎ極）を構成するコイルと一部重畳するように対向しているが、当該一部以外の部分は対向せずまた重畳もしていない。このように各ステータのコイル位置を互い違いに配置することにより、ロータ１０６に交差する磁束をより連続的に移動するように構成することができるため、ロータ１０６を滑らかに駆動することができる。
【００４２】
なお、ステータ１０２とステータ４１４とがロータ１０６に対して対称となる位置からオフセットする量は、例えば、各ステータ１０２、４１４の各コイル位置が相対向して完全に重畳する位置から、一方のステータの隣接する２つのコイル間の中間位置に、他方のステータの一つのコイルの中間位置が配置されるような範囲内で調整することができる。
【００４３】
以上、説明したように、本発明の誘導モータは、回転軸１０１を支持するホイール状のロータ（１０６）と、該ロータの正面及び背面の各々と所定の間隔を設けて相対向するように配置される２つのステータ１０２、１０４と、を備える誘導モータ１００であって、前記ロータは、内側リング１０８と、前記内側リングと同心円状に配される外側リング１１０と、前記ステータによる磁束によって誘導電流が生成される複数の導体棒１１２であって、前記内側リングと前記外側リングとの間において各リングの対向側面間を接続するように配される複数の導体棒１１２と、を少なくとも備える。本発明の誘導モータによれば、回転トルク変換効率の低下の要因となる無効磁束成分を低減しつつ有効磁束成分の割合を高めることができ、また、ロータ１０６に作用する磁束密度の高密度に維持でき、且つ、誘導モータの小型化・軽量化を実現することができるため、従来技術の誘導モータに比して、磁束のトルクへの変換効率を大幅に向上した小型軽量モータを実現することができる。
【００４４】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において改変して用いることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１００、４００、４１０・・・誘導モータ、１０１・・・回転軸、１０２、１０４、４１４・・・ステータ、１０６、３０６・・・ロータ、１０８、３０８・・・内側リング、１１０、３１０・・・外側リング、１１２、３１２・・・導体棒、１１５、１１７、１２０、１２２、２２１、２２２、２２３・・・コイル、１２４・・・エンドプレート、４０４・・・ヨーク、４０５・・・凸部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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