(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のティースと各ティース間に形成された複数のスロットを有する固定子と、
前記ティースの各々に集中して巻回された固定子巻線と、
複数のスロットと該スロット内を通るかご型の２次導体を有し前記固定子から発生した磁束により回転する回転子とを備え、
前記固定子のスロットは前記ティースの先端部のみ所定角度スキューされて形成されるとともに、
前記回転子のスロットは前記固定子のスロットと傾斜方向が異なるようにスキューされ、
前記固定子のスキュー角と前記回転子のスキュー角の合計は前記固定子のスロットピッチ角にほぼ等しく、前記回転子のスキュー角は、前記固定子の巻線部分における先端幅の成す角βと前記固定子におけるスロット開口幅が成す角γの合計に等しいことを特徴とする単相誘導電動機。
【請求項２】
前記固定子のティースの先端部における幅が付け根部における幅より狭く形成されていることを特徴とする請求項１記載の単相誘導電動機。
【請求項３】
前記固定子のスロットのスキューは軸方向の中央付近で折れ曲がるＶ形状であり、前記回転子のスロットのスキューは軸方向の中央付近で前記固定子のスキューとは異なる方向に折れ曲がるＶ形状であることを特徴とする請求項１記載の単相誘導電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、単相誘導電動機に関し、詳しくは、高調波トルクを抑制する固定子及び回転子のスキュー形状に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単相誘導電動機は、主巻線、補助巻線の位相差、起磁力差等があり、固定子と回転子との空隙中に大きな高調波磁場を形成する。これに加えて、スロットパーミアンスの脈動による高調波磁場等があり、上記空隙中の高調波磁場が大きくなって高調波トルクが多く含まれてトルク特性に大きな影響を与えている。かかる高調波を低減するために、固定子または回転子のスロットを軸方向に対してある角度ひねってスキューを形成することが知られている。一般に、スキューは、巻線を装着する固定子に形成することが困難なことが多く、巻線のないかご型回転子のみに形成されている。
【０００３】
また、コイルエンドを短くして銅量を減らし、巻線の成形を簡単にするために、特開平１１−２８５２１２号公報に記載されているように、固定子の各ティースに一つの巻線を集中して巻回する、いわゆる集中巻き固定子が採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回転子にスキューが形成されていても、スキュー角が適当な値でなければ、トルク特性が悪化したり、回転子のスロット高調波を充分に改善できなかったりするという問題点があった。
【０００５】
また、集中巻き固定子の場合、分布巻固定子と比較して大きい高調波磁場が固定子と回転子との空隙中に発生することになる。この高調波磁場は、回転子および固定子に電磁加振力として作用し、振動、騒音等の悪影響を及ぼすという問題点があった。特に、換気扇等の家電製品に用いる誘導電動機にあっては、振動、騒音は大きな問題であった。
【０００６】
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、回転子スキュー及び固定子のスキューを適切な形状にすることにより、高調波による電磁加振力を軽減する単相誘導電動機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る単相誘導電動機は、複数のティースと各ティース間に形成された複数のスロットを有する固定子と、前記ティースの各々に集中して巻回された固定子巻線と、
複数のスロットと該スロット内を通るかご型の２次導体を有し前記固定子から発生した磁束により回転する回転子とを備え、前記固定子のスロットは前記ティースの先端部のみ所定角度スキューされて形成されるとともに、前記回転子のスロットは前記固定子のスロットと傾斜方向が異なるようにスキューされ、前記固定子のスキュー角と前記回転子のスキュー角の合計は前記固定子のスロットピッチ角にほぼ等しく、前記回転子のスキュー角は、前記固定子の巻線部分における先端幅の成す角βと前記固定子におけるスロット開口幅が成す角γの合計に等しくなるように形成したものである。
【０００８】
また、前記固定子のティースの先端部における幅が付け根部における幅より狭くなるように形成したものである。
【０００９】
また、前記固定子のスロットのスキューを軸方向の中央付近で折れ曲がるＶ形状とし、前記回転子のスロットのスキューを軸方向の中央付近で前記固定子のスキューとは異なる方向に折れ曲がるＶ形状としたものである。
【００１０】
補正により削除。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態を図１乃至図５によって説明する。図１は、単相誘導電動機の固定子の正面図、図２は単相誘導電動機の固定子及び回転子の正面図、図３は固定子の分解斜視図、図４は回転子の分解斜視図、図５は回転子の固定子対向面の部分展開図である。
【００１２】
図１、図２に示すように、単相誘導電動機は、固定子１と回転子２０とから成り、固定子１は、複数枚の珪素鋼板を積層して形成された固定子コア３と、この固定子コア３のスロット１１内に納められた主巻線６ａ及び補助巻線６ｂとで構成されている。固定子コア３は、筒状に形成された外径部７と、外径部７の内周側から軸中心に向かって延出した８個のティース９とで形成されている。すなわち、隣り合うティース９とティース９との間に、８個の固定子スロット１１が形成され、固定子スロット１１内に、輪状に巻回された４個の主巻線６ａおよび４個の補助巻線６ｂが交互に納められ、いわゆる集中巻き固定子を形成している。
【００１３】
回転子２０は、かご型で、複数枚の珪素鋼板を積層して形成されて外周部に１４個の回転子スロット２２が配列された回転子コア２４と、回転子スロット２２内を通る導電部２６ａと回転子コア２４の両端面に配設されるエンドリング２６ｂからなる２次導体２６とで構成され、回転子コア２４の中央部にはシャフトが取り付けられる孔３０が設けられている。
【００１４】
図３に示すように、固定子１には、スキュー角θｓ〔度〕から成る固定子スキュー３ａがスロットピッチα〔度〕で形成されている。ここで、スキュー角θｓは、固定子１の上面における中心点Ｏと固定子スロット１１の開口部の上端Ｓとを結ぶ線分と、固定子１の上面における中心点Ｏと固定子スロット１１の開口部の下端を固定子１の上面へ投影した点Ｓ’とを結ぶ線分のなす角度であり、スロットピッチαは、固定子１の中心点Ｏから見た角度である。
【００１５】
また、固定子スキュー３ａは、ティース９の先端部のみに形成されている。すなわち、積層された珪素鋼板の１枚１枚は、ティース９の巻線を巻く部分は同一形状で固定子スロット１１の開口部付近で形状が異なるものであり、ティース９の巻線を巻く部分が斜めにならないように真っ直ぐ積み重ねることにより、固定子スロット１１の開口部が円周方向に少しずつずれ、全体としてティース９の先端部のみ所定角度スキューされることになるのである。
【００１６】
回転子２０の表面には、図４に示すように、固定子スキュー３ａと傾斜方向が異なってクロス状に交じり合うようにスキュー角θｒ〔度〕から成る回転子スキュー２２ａが形成されている。このスキュー角θｒは、回転子２０の上面における中心点Ｏ’と回転子スロット２２の開口部の上端Ｒとを結ぶ線分と、回転子２０の上面における中心点Ｏ’と回転子スロット２２の開口部の下端を回転子２０の上面へ投影した点Ｒ’とを結ぶ線分のなす角度である。
【００１７】
次に、固定子１と回転子２０の両方にスキューを形成した理由について説明する。高調波トルクは、固定子スロット１１の高調波や起磁力高調波およびこれらにより２次導体２６に発生する渦電流が固定子１と回転子２０との空隙中に作る磁場の相互作用によって発生している。このため、固定子スロット１１の高調波による高調波トルクを抑制するには、固定子スロットピッチα付近で回転子２０にスキュー２２ａを形成するとよい。特に、集中巻き固定子の場合、分布巻固定子と比較して空間高調波次数が小さい高調波磁場が大きくなるため、スキュー角を大きくとる必要がある。
【００１８】
しかしながら、回転子スキュー２２ａのみで、固定子スロットピッチα付近までスキュー２２ａを形成するのが困難なことが多く、形成できても、図５に示すように回転子スキュー２２ａの角度が大きくなり、回転子２０のスロット開口幅Ｌが等価的にＬａの如く狭くなって、漏れ磁束が増加するという問題や、等価的に２次導体が長くなって、２次抵抗が増加して損失が増大するという問題、また、２次導体であるアルミニウムをダイカストしにくいという問題等がある。特に、例えば換気扇等に用いる直径６０ｍｍ程度の小型の単層誘導電動機においては、回転子２０のスロット開口幅Ｌが狭いため、スキュー角を大きくすると、スロット開口部に面する積層鋼板の端部が接触してしまう恐れが大きく、形成できるスキュー角には限界がある。
【００１９】
そこで、固定子１にもスキューを形成し、回転子スキュー２２ａの角度を小さくできるようにしたのである。また、固定子スキューの傾斜方向が回転子スキューと同じでは、必要なスキュー角を得るために回転子スキュー角を大きくしなければならない場合があるため、固定子スキューと回転子スキューの傾斜方向は異なるように形成した。
【００２０】
一方、固定子１にスキューを形成する場合、一般には同一形状の積層鋼板を積層時にスキュー角だけ少しずつ回して積んでスキューを形成するため、巻線を巻く部分も斜めになってしまい、巻線長が長くなって銅損が増加したり、高密度巻線が難しくなったりする問題がある。そのため、上述のように固定子スキュー３ａをティース９の先端部のみに形成することによって、巻線長を短くして銅損を減らすとともに、高密度に巻線できるようにしたのである。
【００２２】
ティース９の先端部のみにスキュー３ａを形成する場合、固定子スキュー角θｓの範囲は下式となる。下式において、βは固定子の巻線部分における先端幅の成す角〔度〕、γは固定子におけるスロット開口幅が成す角〔度〕であり、それぞれ、固定子１の中心点Ｏから見た角度である。
【００２２】
０＜θｓ≦α−β−γ・・・・・（１）
【００２３】
固定子１のスロットピッチ角αのスキュー角を固定子スキュー角及び回転子スキュー角の合計で形成すると、回転子スキュー角θｒと固定子のスロットピッチ角αとの間に下式が成立する。
【００２４】
θｒ＜α・・・・・（２）
【００２５】
すなわち、固定子スキュー角θｓが僅かであれば、回転子スキュー角θｒが非常に大きくなるが、最大でも固定子スロットピッチ角αまでしかスキューが得られないことを意味している。
【００２６】
また、固定子スキュー角を最大値、すなわち、θｓ＝α−β−γにすると、回転子スキュー角は最小となる。すなわち、回転子スキュー角及び固定子スキュー角の合計が固定子スロットピッチαとすれば、下式となる。
【００２７】
β＋γ≦θｒ・・・・・（３）
【００２８】
上記（２）式及び（３）式より下式を得る。
β＋γ≦θｒ＜α・・・・・（４）
【００２９】
このように、固定子１にも回転子スキュー２２ａと傾斜が異なり交じり合うように固定子スキュー３ａを形成することにより、小さい回転子スキュー角θｒで全体として最適なスキュー角が得られる。このため、高調波トルクの発生を軽減すると共に、回転子２０のスロット開口幅を大きくし等価的な２次導体の長さを短くして２次抵抗を小さくすることができ、損失を少なくすることができる。しかも、２次導体２６であるアルミニウムをダイカストし易くなり、アルミニウムの量も減らすことができる。また、回転子スキュー角θｒ及び固定子スキュー角θｓの合計を固定子スロットピッチα付近とすることにより、固定子スロット１１の高調波による高調波トルクを効果的に抑制し、振動、騒音をより低減することができる。
【００３０】
次に、単相誘導電動機の電磁加振力理論の観点から、スキュー角度と振動騒音あるいはトルク特性の関係について説明する。まず、固定子スロット数をＮｓ、極対数をｐとすると、固定子スロット１１の高調波による空隙磁束密度高調波はＮｓＫｓ±ｐ次の空間高調波となる（Ｋｓは任意の整数）。また、固定子起磁力高調波は４ｐＫｐ±ｐ次の空間高調波となる（Ｋｐは任意の整数）。したがって、回転子スロット数をＮｒとすると、空隙における電磁力波の空間高調波次数は下式となる。
【００３１】
Ａ±２ｐ，Ａ・・・・（５）
ここで、Ａ＝ＮｓＫｓ＋ＮｒＫｒ＋４ｐＫｐ（Ｋｒは任意の整数）
【００３２】
この時の時間高調波次数は、すべりをｓとすれば、下式となる。
【００３３】
Ｂ±２，Ｂ・・・・（６）
ここで、Ｂ＝ＮｒＫｒ（１−ｓ）／ｐ
【００３４】
高調波トルクは、回転子２０の起磁力高調波を考慮し、該起磁力高調波は、固定子スロット１１の高調波および固定子起磁力高調波と等しい次数であるため、上記（５）式を書き換える下式となる。
【００３５】
Ａ＋Ｃ±２ｐ，Ａ＋Ｃ・・・・（７）
ここで、Ｃ＝Ｋｓ’Ｎｓ＋４Ｋｐ’ｐ（Ｋｓ’、Ｋｐ’は任意の整数）
【００３６】
上記（６）式及び（７）式ともにゼロとする各Ｋｓ，Ｋｐ，Ｋｓ’，Ｋｐ’の値が存在すれば高調波トルクが発生していることになる。
【００３７】
上記（７）式において、Ｋｓ’、Ｋｐ’は回転子２０の起磁力高調波に関する任意の整数であり、この起磁力高調波が発生するには、固定子スロット１１の高調波および起磁力高調波による渦電流が回転子２０の２次導体２６に発生する必要がある。固定子スロット１１の高調波は、空間高調波次数がＮｓ±ｐ次（Ｋｓ＝１の最も大きい高調波）で、固定子スロットピッチ付近でスキューを形成すれば、大きく軽減できるのである。
【００３８】
実施の形態２．
図６は実施の形態２における固定子のティースを示す正面図である。上記実施の形態１においては、固定子１のティース９をまっすぐにした場合について記載したが、図５に示すようにティース９の巻線部９ｂの先端９ａを細く、ティース９の根元９ｃを太くした台形状に形成しても良い。このように形成すれば、固定子スロット１１の大きさを変えることなく固定子スキュー３ａの角θｓを大きくとることができるので、その分、回転子スキュー角θｒを小さくすることができる。
【００３９】
また、集中巻き固定子の場合、固定子１のスロット漏れ磁束の影響で固定子１のティース９の巻線部９ｂでは、根元９ｃの磁気飽和が最も大きく先端９ａが小さいため、根元９ｃを太くしておくことにより磁気飽和による悪影響を軽減できる。
【００４０】
なお、この実施の形態においても、回転子スキュー角θｒ及び固定子スキュー角θｓの合計を固定子スロットピッチα付近とすることにより、固定子スロット１１の高調波による高調波トルクを効果的に抑制し、振動、騒音をより低減することができる。
【００４１】
実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３における回転子２０の斜視図である。図に示すように回転子スキュー２２ａを軸方向の中央で折れ曲がるＶ形状に形成し、固定子スキュー３ａ（図示せず）も、回転子スキュー２２ａと傾斜が異なり交わるように、すなわち軸方向の中央で回転子スキュー２２ａとは異なる方向に折れ曲がるＶ形状に形成しても良い。このように形成すれば、スキュー２２ａによる軸方向のスラスト力を低減できる。
【００４２】
回転子２０のみにＶ形状のスキューを形成した場合には、回転子２０の厚さの半分で必要なスキュー角を得なければならないため、スキューの軸方向の角度が非常に急激になってしまい実現が難しいが、固定子１側にもスキューを形成することにより、回転子スキュー２２ａの軸方向の角度を緩やかにしながら軸方向のスラスト力を低減でき、しかも、高調波による電磁加振力をも軽減できる。
【００４３】
また、この実施の形態においても、回転子スキュー角θｒ及び固定子スキュー角θｓの合計を固定子スロットピッチα付近とすることにより、固定子スロット１１の高調波による高調波トルクを効果的に抑制し、振動、騒音をより低減することができる。
【００４４】
【発明の効果】
この発明によれば、高調波による電磁加振力を軽減し、振動、騒音を低減できるとともに、回転子の２次抵抗による損失を少なくすることができ、更に回転子の２次導体をダイカストし易くなる。
【００４５】
また、高調波による電磁加振力を軽減し、振動、騒音を低減できるとともに、固定子のティースにおける巻線部分の磁気飽和を軽減できる。
【００４６】
また、高調波による電磁加振力を軽減し、振動、騒音を低減できるとともに、軸方向のスラスト力を低減できる。
【００４７】
さらに、高調波による電磁加振力を効果的に軽減し、振動、騒音をより低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１における単相誘導電動機の固定子の正面図である。
【図２】  実施の形態１における単相誘導電動機の固定子及び回転子の正面図である。
【図３】  実施の形態１における単相誘導電動機の固定子の分解斜視図である。
【図４】  実施の形態１における単相誘導電動機の回転子の分解斜視図である。
【図５】  実施の形態１における単相誘導電動機の回転子の固定子対向面の部分展開図である。
【図６】  実施の形態２における単相誘導電動機の固定子のティースを示す正面図である。
【図７】  実施の形態３における単相誘導電動機の回転子の分解斜視図である。
【符号の説明】
１  固定子、３ａ  固定子スキュー、９  ティース、１１  固定子スロット、２０  回転子、２２  回転子スロット、２２ａ  回転子スキュー、２２ｖ  Ｖスキュー、２６  ２次導体。
【図１】
0004595249.tif 000002
【図２】
0004595249.tif 000003
【図３】
0004595249.tif 000004
【図４】
0004595249.tif 000005
【図５】
0004595249.tif 000006
【図６】
0004595249.tif 000007
【図７】
0004595249.tif 000008