(57)【要約】【課題】  塊状鋼材で加工形成した円柱形状のソリッドコアに回転軸を設けた誘導機用ソリッドコアロータを、複数のティースを有する円筒形状のステータの内側に回転自在に配設して回転駆動するときに、ソリッドコアの表面付近において空間高調波成分の磁束により生じて実用的なトルクに変換されない渦電流の流れを抑制し、エネルギー効率の改善及びロータの高温化防止を図る。【解決手段】  ソリッドコアの円周面の表層部分に生じる空間高調波起因の渦電流の流れが回転軸方向において細かく分断するように、コア円周面の表層部分に渦電流の流れを妨げる横溝を配置形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
塊状鋼材から加工形成された円柱形状のソリッドコアを有し、複数のティースを有する筒形状のステータの内側に回転可能に配置される誘導機用ソリッドコアロータであって、回転駆動される際に前記ソリッドコアの円周面の表層部分に生じる空間高調波起因の渦電流の流れが回転軸方向において細かく分断されるように、前記円周面に渦電流の流れを妨げる凹部が配置形成されていることを特徴とする誘導機用ソリッドコアロータ。
【請求項２】
前記凹部は、前記回転軸方向と交差する方向に延びる溝であることを特徴とする請求項１記載の誘導機用ソリッドコアロータ。
【請求項３】
前記溝は、前記回転軸方向に間隔をおいて配置される無端溝であることを特徴とする請求項２記載の誘導機用ソリッドコアロータ。
【請求項４】
前記溝は、ネジ溝のように形成される螺旋溝であることを特徴とする請求項２記載の誘導機用ソリッドコアロータ。
【請求項５】
前記溝は、前記回転軸方向に対する交差角度の異なるものが交差するように組み合わされて網目状を成していることを特徴とする請求項２記載の誘導機用ソリッドコアロータ。
【請求項６】
前記凹部は、前記円周面に点在する多数の有底小孔であることを特徴とする請求項１記載の誘導機用ソリッドコアロータ。
【請求項７】
塊状鋼材から加工形成された円柱形状のソリッドコアを有し、複数のティースを有する円筒形状のステータの内側に回転可能に配置される誘導機用ソリッドコアロータであって、前記ソリッドコアの円周面を覆うように前記回転軸方向と交差する方向に鋼製ワイヤが巻き付けられていることを特徴とする誘導機用ソリッドコアロータ。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載の誘導機用ソリッドコアロータと、前記誘導機用ソリッドコアロータが回転自在に配置されているステータを有してなる誘導機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導機用ソリッドコアロータ及びそれを用いた誘導機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、誘導機用のロータとして、電磁鋼板（絶縁被膜でコーティングした薄板鋼板）を積層して円柱状とし、その軸方向に銅又はアルミ合金等の二次導体バーを貫通させたものが用いられている。これは、電磁鋼板の積層により高抵抗値の鋼材における磁束変化起因の渦電流をできるだけ小さくして渦損の発生を抑えながら、低抵抗値の導体バーの挿入によりトルク変換する二次電流（渦電流の一部）を効率よく発生させるものである。但し、積層構造の採用により機械的強度が低くなるため、大きな遠心力が生じる高速回転領域の使用には不向きであり、構造複雑で製作コストも高くなるという問題がある。
【０００３】
上記問題に対し、塊状鋼材から形成されて円柱状のコアに回転軸を一体的に備えてなるソリッドコアロータは、強度的に優れおり、高速回転による遠心力に耐えることができ、構造簡単で製作コストが安く済むメリットがある。ソリッドコアロータを採用した場合、磁束がロータコア内部（半径方向）に進入しないで、ロータコア表面に沿って円周方向に進行することで発生する渦電流のベクトルがトルク変換を低効率化する方向に向くことがあるが、ロータコア表面に軸方向に延びる深めの縦溝を多数設けて、磁束をコア内部に進入させるようにしておくことで、トルク変換効率を改善する提案がなされている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−７７１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のような誘導機において、実用的なトルク発生に寄与する磁束の周波数はスリップ周波数（数Ｈｚ）であるが、これ以外に、ロータが回転する際にステータ側の巻線を施したティースエッジが回転方向で接近及び離脱を繰り返すことにより高周波数（高速回転時は数ＫＨｚに及ぶ）の空間高調波磁束が生じており、両者を合成した磁束が供給されている。磁性体でかつ導体である鋼材への磁束の進入深さは磁束周波数の二乗に反比例するため、スリップ周波数成分（低周波成分）については、ロータコア内部に進入することができて実用的なトルクに変換される二次電流を発生させるが、空間高調波成分（高周波成分）については、ロータコア内部に進入できずに、円周面の表面付近（表層部分）に集中して、実用的なトルク発生には寄与せずに熱に変換される渦電流を発生する。これがエネルギー効率を低下させると共にロータが過熱する問題を生じていた。  
【０００６】
本発明は、塊状鋼材で加工形成した円柱形状のソリッドコアに回転軸を設けた誘導機用ソリッドコアロータを、複数のティースを有する円筒形状のステータの内側に回転可能に配設して回転駆動するときに、ソリッドコアの表面付近において空間高調波成分の磁束により生じて実用的なトルクに変換されない渦電流の流れを抑制し、エネルギー効率の改善及びロータの高温化防止を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、塊状鋼材から加工形成された円柱形状のソリッドコアを有し、複数のティースを有する筒形状のステータの内側に回転可能に配置される誘導機用ソリッドコアロータであって、回転駆動される際に前記ソリッドコアの円周面の表層部分に生じる空間高調波起因の渦電流の流れが回転軸方向において細かく分断されるように、前記円周面に渦電流の流れを妨げる凹部が配置形成されていることを特徴とする誘導機用ソリッドコアロータを提供する。
【０００８】
請求項２の発明は、前記凹部は、前記回転軸方向と交差する方向に延びる溝であることを特徴とする請求項１記載の誘導機用ソリッドコアロータを提供する。
【０００９】
請求項３の発明は、前記溝は、前記回転軸方向に間隔をおいて配置される無端溝であることを特徴とする請求項２記載の誘導機用ソリッドコアロータを提供する。
【００１０】
請求項４の発明は、前記溝は、ネジ溝のように形成される螺旋溝であることを特徴とする請求項２記載の誘導機用ソリッドコアロータを提供する。
【００１１】
請求項５の発明は、前記溝は、前記回転軸方向に対する交差角度の異なるものが交差するように組み合わされて網目状を成していることを特徴とする請求項２記載の誘導機用ソリッドコアロータを提供する。
【００１２】
請求項６の発明は、前記円周面に点在する多数の有底小孔であることを特徴とする請求項１記載の誘導機用ソリッドコアロータを提供する。
【００１３】
請求項７の発明は、塊状鋼材から加工形成された円柱形状のソリッドコアを有し、複数のティースを有する円筒形状のステータの内側に回転可能に配置される誘導機用ソリッドコアロータであって、前記ソリッドコアの円周面を覆うように前記回転軸方向と交差する方向に鋼製ワイヤが巻き付けられていることを特徴とする誘導機用ソリッドコアロータを提供する。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項１乃至７の何れかに記載の誘導機用ソリッドコアロータと、前記誘導機用ソリッドコアロータが回転自在に配置されているステータを有してなる誘導機を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、以下の優れた効果を奏する。ステータ側のティースエッジの影響による空間高調波磁束に起因して発生し、実用的なトルクに変換されない渦電流は、ソリッドコア円周面の表層部分（表面付近）に集中的に発生するところ、コア円周面に凹部を配置形成して、表層部分を流れる実用的トルクに変換されない渦電流を回転軸方向において細かく分断することにより、円周面全体として渦電流の通路が長くなり（電気抵抗が大きくなり）、渦損が低減され、結果として、誘導機のエネルギー変換効率を向上させることができる。なお、実用的なトルクに変換される二次電流（渦電流）を惹起させる磁束は、ソリッドコア内部に進入していくため、表層部分に形成される凹部による影響を受けることはなく、発生トルクが減少することはない。
【００１６】
請求項２の発明によれば、請求項１記載の発明が奏する効果に加えて、以下の優れた効果を奏する。凹部を回転軸方向と交差する方向に延びる溝とするので、回転軸方向における渦電流の流れが確実に分断されることになり、エネルギー変換効率を一層高めることができる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、請求項２記載の発明が奏する効果に加えて、以下の優れた効果を奏する。溝を回転軸方向に間隔をおいて配置される無端溝とするので、回転軸方向と直交するように形成する場合、ソリッドコアを回転させて、その円周面に切削工具を当てるだけで簡単に形成することができ、誘導機運転時における騒音及び風損を抑えることができる。
【００１８】
請求項４の発明によれば、請求項２記載の発明が奏する効果に加えて、以下の優れた効果を奏する。螺旋溝は、ソリッドコア表面の回転軸方向の同じ位置に連続して形成されることがないため、回転駆動時の溝に対する応力負荷が分散させられて、結果として、ソリッドコアの耐久性が高められることになる。
【００１９】
請求項５の発明によれば、請求項２記載の発明が奏する効果に加えて、以下の優れた効果を奏する。回転軸方向に対して交差角度の異なる溝を組み合わせて網目状を成すことにより、渦電流の流れがより確実に分断されることになり、エネルギー変換効率をより一層高めることができる。
【００２０】
請求項６の発明によれば、請求項１記載の発明が奏する効果に加えて、以下の優れた効果を奏する。凹部となる有底小孔は相互に分離した状態で形成されており、ソリッドコア表面の特定箇所に集中するものではなく、モーター運転時の応力負荷が分散させられて、結果として、ソリッドコアの耐久強度が高められることになる。  
【００２１】
請求項７の発明によれば、以下の優れた効果を奏する。ステータ側のティースエッジの影響による空間高調波磁束に起因して発生し、実用的なトルクに変換されない渦電流は、ソリッドコア円周面の表層部分（表面付近）に集中的に発生するところ、コア円周面に回転軸方向と交差する方向に鋼製ワイヤを巻き付けておけば、上記の実用的トルクに変換されない渦電流は鋼製ワイヤに発生する。そして、渦電流の流れは鋼製ワイヤによって回転軸方向において細かく分断されることになるため、全体として渦電流の通路が長くなり（電気抵抗が大きくなり）、渦損が低減され、結果として、誘導機のエネルギー変換効率を向上させることができる。なお、実用的なトルクに変換される二次電流（渦電流）を惹起させる磁束は、ソリッドコア内部に進入していくため、表層部分に形成される凹部による影響を受けることはなく、発生トルクが減少することはない。
【００２２】
請求項８の発明に係る誘導機によれば、請求項１乃至７の誘導機用ソリッドコアロータが奏する効果と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る誘導機用ソリッドコアロータの一例を示す斜視図。
【図２】図１のソリッドコアロータの軸方向断面を部分的に示す図に、ソリッドコアの表面付近における渦電流の流れを示している
【図３】本発明に係る誘導機用ソリッドコアロータの他の一例を示す斜視図。
【図４】図２のソリッドコアロータの軸方向断面を部分的に示す図に、ソリッドコアに巻き付けた鋼製ワイヤに発生する渦電流の流れを示している。
【図５】本発明に係る誘導機用ソリッドコアロータの更に別の例を示す斜視図であり、ソリッドコア表面に凹部として（ａ）横溝を断続的に形成したもの、（ｂ）横溝を螺旋状に形成したもの、（ｃ）多数の有底小孔を形成したものを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る誘導機用ソリッドコアロータの一例を示す。図１のソリッドコアロータ１は、円柱形状のソリッドコア１１と、その両端にソリッドコア１１と同軸心で一体形成される回転軸１２，１２を有し、塊状鋼材を旋盤（工作機械）で加工形成してなる。ソリッドコア１１は、回転磁界を生じる円筒形状のステータ（不図示）の内側に配置されて、ステータを保持するケースに設けられる軸受部材で回転軸１２，１２を介して回転可能に支持されて、誘導機を構成する。ステータには、円筒形状で各々巻線を施した複数のティースが等間隔で設けられており、ソリッドコア１１はティースと所定のギャップを有する状態で相互に対向することになる。
【００２５】
ソリッドコア１１の円周面は、図1に示すように、周方向（回転軸方向と直交する方向）に延びる無端で一定深さの横溝２１が回転軸方向に間隔をおいて多数形成されており、特にステータ側ティースと対向する円周面に対して略全面に亘るように設けられている。横溝２１は、ソリッドコアロータ１を旋盤加工した際に、旋盤から取り外さずにそのまま円周面に溝加工用の切削工具を当接させてソリッドコアロータ１回転させることにより簡単に形成可能であり、切削工具の当接位置を回転軸方向に順次変更することで多数の溝が形成される。横溝２１の深さは、０．３〜数ミリメートル程度に浅く形成されており、具体的には誘導機の仕様に応じて適宜設定される。なお、横溝２１は、回転方向に沿って延びているため、これが誘導機の運転時における風損や騒音を生じさせることはない。
【００２６】
ソリッドコア１１の円周面には、上述の横溝２１のほか、図１に示すように、フライス盤（工作機械）で半径方向に掘り込まれ、かつ、回転軸方向の全長に亘って形成加工されるスリット状の縦溝２２が周方向に等間隔をおいて配置される。縦溝２２は、横溝２１より深く、例えばソリッドコア１１の半径の３０〜５０％程度の深さに設定されている。回転軸１２，１２もソリッドコア２と共に塊状鋼材から形成される円柱形状軸であり、ソリッドコア１１との連結部には、応力負荷の集中を避けるための大きなＲを備えている。
【００２７】
上述したように、ソリッドコアロータ１をステータの内部に配置して誘導機を構成し、ステータの巻線に交流電流を流すことにより、ステータから発生する回転磁束と、それによりソリッドコア１１に発生する二次電流（渦電流）が鎖交して、ソリッドコアロータ１に回転トルクが発生する。実用的なトルクに変換される回転磁束の周波数はスリップ周波数（数Ｈｚ）であるが、ソリッドコアロータ１が回転する際には各ティースに対し回転方向に接近・離脱を繰り返すことで、その回数に応じて高周波数（高速時は数ＫＨｚに及ぶ）で、実用的トルクの発生に寄与しない空間高調波磁束も発生しており、実際には、これらをスリップ周波数の回転磁束に合成された磁束が供給されている。
【００２８】
磁性体かつ導体である鋼材に対する磁束の進入深さは、磁束周波数の二乗に反比例するため、上記供給磁束のうち、数Ｈｚのスリップ周波数成分は、ソリッドコア１１の内部に進入し、空間高調波成分は、コア内部に進入できずにソリッドコア１１の円周面の表面付近（表層部分）に集中して、熱に変換される渦電流を発生する。ここで、スリップ周波数成分の磁束については、半径方向に掘り込まれた縦溝２２があることにより、ソリッドコア１１の半径方向に深く進入して、渦電流のベクトルがトルク変換を低効率化する方向に流れることを確実に防止される。
【００２９】
一方、コア表面付近に集中する空間高調波成分の磁束については、これに起因してソリッドコア１１の表層部分に生じる渦電流が、ステータが供給する磁束の進行方向（ソリッドコア１１の半径方向）及びソリッドコア２の回転方向（円周方向）と直交する方向、すなわちコア表面付近を回転軸方向に流れようとする。これに対して、横溝２１は円周方向に延びているために、渦電流は、図２において矢印線で示されるように、横溝２１を境として確実に細かく分断されるようになり、細かく分断されたコア表面付近の渦電流は全体として通路が長く、すなわち渦電流に対する電気抵抗が大きくなり、結果として渦損が低減されるものである。なお、横溝２１は、回転軸方向に対して直交する方向に延びるものに限らず、斜めに交差するものとしても良い。
【００３０】
図３は、本発明に係る誘導機用ソリッドコアロータの他の一例を示す。図３のソリッドコアロータ３は、塊状鋼材を旋盤（工作機械）で加工して、円柱形状のソリッドコア３１とその両端に同軸心の回転軸３２，３２を一体形成し、ソリッドコア３１の円周面に対し一本の鋼製ワイヤ（ピアノ線）４１を軸方向に少しずつずらしながら、全体を隙間なく覆うように一重に巻き付けたものであり、両端部はソリッドコアに対して外れないように固定されている。ピアノ線は、直径０．５ミリメートル程度に設定されているが、誘導機の仕様に応じてこれより太いものや細いものを使用することもある。なお、ソリッドコア３１の円周面には、図１のソリッドコアロータ１と同様に、半径方向に掘り込まれ、かつ、回転軸方向の全長に亘って形成加工される一定深さのスリット状の縦溝４２が周方向に等間隔で配置され、ソリッドコア３１と回転軸３２，３２の連結部には応力集中を回避する大きなＲが備えられている。
【００３１】
上記のソリッドコアロータ３を、上述したソリッドコアロータ１と同様に、ステータの内部に配置して誘導機を構成し、ステータの巻線に交流電流を流すことにより、ステータから発生する回転磁束と、それによりソリッドコア３１に発生する二次電流（渦電流）が鎖交して、ソリッドコアロータ１に回転トルクが発生する。ステータから供給される磁束のうち数Ｈｚのスリップ周波数成分は、ソリッドコ３１の内部に進入し、空間高調波成分は、コア内部に進入できずにソリッドコア３１の円周面に巻き付けられた鋼製ワイヤ４１に集中し、当該ワイヤにおいて熱に変換される渦電流を発生する。スリップ周波数成分の磁束は、縦溝４２があることにより、ソリッドコア３１の半径方向に深く進入して、トルク変換が低効率化することを確実に防止する。
【００３２】
ソリッドコアロータ３を覆う鋼製ワイヤ４１に生じる渦電流は、図１のソリッドコアロータ１のコア表面付近に生じた渦電流と同様に、ロータ回転軸方向に流れようとするが、鋼製ワイヤ４１は円周方向（回転軸と略直交する方向）に巻き付けられているため、図４において矢印線で示されるように、渦電流は鋼製ワイヤにより回転軸方向において細かく分断される。これにより、全体として渦電流の通路が長くなって（電気抵抗が大きくなって）、渦損が低減され、結果として、誘導機のエネルギー変換効率が向上する。なお、実用的トルクに変換される二次電流（渦電流）を惹起させる磁束は、ソリッドコア内部に進入していくため、ソリッドコアの表面に巻き付けられた鋼製ワイヤの影響を受けることはなく、発生トルクが減少することはない。ところで、図４に示した鋼製ワイヤ４１は丸断面であるが、これに限らず、角断面、長丸断面、その他の断面形状のものを用いてもよい。更に電気絶縁被膜を形成した鋼製ワイヤを用いることで、渦電流の分断（渦損の低減）が一層効果的に行われる。また、鋼製ワイヤを巻き付けたソリッドコアの表面をエポキシ樹脂等の電気絶縁性樹脂で塗布コーティングしても効果的である。
【００３３】
図５は、本発明に係る誘導機用ソリッドコアロータの更に別の例を示したものであり、（ａ）〜（ｃ）のソリッドコアロータ５，６，７は、何れも上述のソリッドロアコータ１と同様に塊状鋼材を旋盤（工作機械）で加工して、円柱形状のソリッドコアとその両端に同軸心の回転軸を一体形成したものであり、巻線を施した複数のティースを有する円筒形状のステータの内側に回転可能に配置されることで誘導機を構成する。そして、これらのソリッドコアの円周面には、ソリッドコア１１と同様に、ロータ回転駆動時に表層部分に生じる空間高調波起因の渦電流を、回転軸方向において細かく分断するための凹部が形成されている。
【００３４】
図５（ａ）のソリッドコアロータ５は、周方向（回転軸方向と直交する方向）に延びる一定の深さの横溝が回転軸方向に間隔をおいて多数形成されているが、各横溝は、周方向において一繋がりの無端溝ではなく断続的に形成されている。溝が無い部分は、当然ながら溝を有する部分よりも強度を高く、そのような部分が配置形成されていることにより、結果として、ソリッドコアの耐久性が高められることになる。なお、溝が途切れていてもその切目を回転軸方向で連続しないように千鳥状配置しておくことで、渦電流を分断する機能が大きく低下することはない。なお、各横溝は、回転軸方向に対して直交する方向に延びるものに限らず、斜めに交差するものとしても良い。
【００３５】
図５（ｂ）のソリッドコアロータ６は、ネジ溝のように形成される螺旋状に形成される複数本の横溝を平行に設けてなる。螺旋溝は、ソリッドコアロータ１の横溝２１のようにソリッドコア表面の回転軸方向の同じ位置で連続するものではなく、ロータ回転駆動時における溝への応力負荷が分散され、結果として、ソリッドコアの耐久性が高められることになる。しかも、上記の断続的に設けられる横溝と異なり、回転軸方向における溝間隔が広い部分を生じることはなく、渦電流の分断が一様に行われる。なお、螺旋溝は、複数本に限らず、一本としても良い。
【００３６】
図５（ｃ）のソリッドコアロータ７は、ゴルフボールの表面に形成されるような球面状の有底小孔をソリッドコアの円周方向及び回転軸方向に千鳥状に配置形成してなる。螺旋溝は、ソリッドコア表面の回転軸方向の同じ位置に重なって形成されるものではないため、回転駆動時の溝に対する応力負荷が分散させられて、結果として、ソリッドコアの耐久性が高められることになる。なお、有底小孔が存在しない部分が、回転軸方向で連続しないように円周方向に相互にずらして配置することで、渦電流を確実に分断している。
【００３７】
ソリッドコアの表面において渦電流を分断する凹部の例として、上述したもののほか、  図の記載はないが、回転軸方向に対する交差角度が異なる溝を相互に交差するように組み合わせて網目形状を成すようにしても良い。渦電流の流れがより確実に分断される。ソリッドコアロータ１，３において、縦溝２２，４２を設けているが、設けないこととしても良く、また、ソリッドコアロータ５，６，７において、ソリッドコアロータ１，３のような縦溝を設けることとしても良い。
【００３８】
本発明に係る誘導機用ソリッドコアロータ及びそれを用いた誘導機については、上述した内容に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲において、種々変更することが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１，３，５，６，７  ソリッドコアロータ
２１  横溝
２２  縦溝
４１  鋼線ワイヤ
４２  縦溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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