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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022015845
(43)【公開日】2022-01-21
(54)【発明の名称】回転子および回転電機
(51)【国際特許分類】
H02K 17/16 20060101AFI20220114BHJP
H02K 1/32 20060101ALI20220114BHJP
H02K 1/26 20060101ALI20220114BHJP
【ＦＩ】
H02K17/16 Z
H02K1/32 B
H02K1/26 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020118962
(22)【出願日】2020-07-10
(71)【出願人】
【識別番号】501137636
【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001092
【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】栗田 聡
(72)【発明者】
【氏名】坪井 雄一
(72)【発明者】
【氏名】笹井 拓真
(72)【発明者】
【氏名】米谷 晴之
【テーマコード（参考）】
5H013
5H601
【Ｆターム（参考）】
5H013LL07
5H013NN05
5H601AA01
5H601CC01
5H601CC19
5H601DD01
5H601DD09
5H601DD11
5H601DD29
5H601EE25
5H601GA02
5H601GB05
5H601GB12
5H601GB33
5H601GE12
(57)【要約】 （修正有）
【課題】回転子スロットの底部に軸方向の通風路を設けた場合でも応力上昇を緩和する。
【解決手段】かご形誘導回転電機のかご形回転子は、ロータシャフトと、複数の回転子スロット７０が形成された回転子鉄心１２と、複数の二次導体１５を有する。回転子スロット７０の径方向内側に回転子鉄心内軸方向流路７０ｆが形成されている。回転子スロット７０は、保持部内側面７２と、２つのスロット側面７１と、回転子鉄心内軸方向流路７０ｆを形成するスロット底部曲面７４を有する。スロット側面７１とスロット底部曲面７４は、径方向に対する傾きが連続的で、スロット側面７１からスロット底部曲面７４の周方向の中央までの径方向に対する傾きは単調に増加し、スロット側面７１とスロット底部曲面７４を結ぶスロット接続面７５の径方向に対する傾きは、二次導体側面１５ａと二次導体底面１５ｃを結ぶ二次導体接続面１５ｂの径方向に対する傾きよりも小さい。
【選択図】図３
【解決手段】かご形誘導回転電機のかご形回転子は、ロータシャフトと、複数の回転子スロット７０が形成された回転子鉄心１２と、複数の二次導体１５を有する。回転子スロット７０の径方向内側に回転子鉄心内軸方向流路７０ｆが形成されている。回転子スロット７０は、保持部内側面７２と、２つのスロット側面７１と、回転子鉄心内軸方向流路７０ｆを形成するスロット底部曲面７４を有する。スロット側面７１とスロット底部曲面７４は、径方向に対する傾きが連続的で、スロット側面７１からスロット底部曲面７４の周方向の中央までの径方向に対する傾きは単調に増加し、スロット側面７１とスロット底部曲面７４を結ぶスロット接続面７５の径方向に対する傾きは、二次導体側面１５ａと二次導体底面１５ｃを結ぶ二次導体接続面１５ｂの径方向に対する傾きよりも小さい。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
かご形誘導回転電機に用いるかご形回転子であって、
軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、
前記ロータシャフトに取り付けられて、径方向外側に周方向に互いに間隔をあけて配されて前記軸方向に貫通する複数の回転子スロットが形成された円柱状の回転子鉄心と、
前記複数の回転子スロット内を貫通し前記回転子鉄心の前記軸方向の両外側において互いに結合する複数の二次導体と、
を有し、
前記複数の回転子スロットのそれぞれには、前記複数の二次導体のそれぞれが占有する空間の径方向の内側に冷却用ガスの前記軸方向の流路である回転子鉄心内軸方向流路が形成されており、
前記複数の回転子スロットのそれぞれは、
前記複数の二次導体のそれぞれを保持する保持部の径方向の内側の面である保持部内側面と、
前記複数の二次導体のそれぞれを収納し周方向に互いに対向し径方向に拡がった平面状の２つのスロット側面と、
前記２つのスロット側面の径方向の内側にあり、前記回転子鉄心内軸方向流路を形成するスロット底部曲面と、
を有し、
前記２つのスロット側面と前記スロット底部曲面とは、径方向に対する傾きが連続的に変化し、前記２つのスロット側面から前記スロット底部曲面の周方向の中央までの径方向に対する傾きは、単調に増加し、
前記スロット底部曲面における前記軸方向に垂直な断面の曲率半径が、前記二次導体の底面における前記軸方向に垂直な断面の曲率半径よりも小さい、
ことを特徴とするかご形回転子。
軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、
前記ロータシャフトに取り付けられて、径方向外側に周方向に互いに間隔をあけて配されて前記軸方向に貫通する複数の回転子スロットが形成された円柱状の回転子鉄心と、
前記複数の回転子スロット内を貫通し前記回転子鉄心の前記軸方向の両外側において互いに結合する複数の二次導体と、
を有し、
前記複数の回転子スロットのそれぞれには、前記複数の二次導体のそれぞれが占有する空間の径方向の内側に冷却用ガスの前記軸方向の流路である回転子鉄心内軸方向流路が形成されており、
前記複数の回転子スロットのそれぞれは、
前記複数の二次導体のそれぞれを保持する保持部の径方向の内側の面である保持部内側面と、
前記複数の二次導体のそれぞれを収納し周方向に互いに対向し径方向に拡がった平面状の２つのスロット側面と、
前記２つのスロット側面の径方向の内側にあり、前記回転子鉄心内軸方向流路を形成するスロット底部曲面と、
を有し、
前記２つのスロット側面と前記スロット底部曲面とは、径方向に対する傾きが連続的に変化し、前記２つのスロット側面から前記スロット底部曲面の周方向の中央までの径方向に対する傾きは、単調に増加し、
前記スロット底部曲面における前記軸方向に垂直な断面の曲率半径が、前記二次導体の底面における前記軸方向に垂直な断面の曲率半径よりも小さい、
ことを特徴とするかご形回転子。
【請求項2】
前記２つのスロット側面のそれぞれと前記スロット底部曲面との境界となる仮想直線Ｌ１と、前記回転子スロットの周方向の中央の仮想直線Ｌ２とを含む仮想平面Ｐ１の径方向に対する傾きは、所定の角度以下である、
ことを特徴とする請求項１に記載のかご形回転子。
ことを特徴とする請求項１に記載のかご形回転子。
【請求項3】
前記所定の角度は、遠心力により当該回転子スロットの底部に付加される周方向への引張応力についての前記所定の角度以下としたことで得られる減少分が、前記回転子スロットに前記回転子鉄心内軸方向流路を形成したことにより前記スロット底部曲面が径方向に前記ロータシャフトに近接したことによる前記回転子鉄心と前記ロータシャフトとの間のタガ締め応力の増加分を、相殺可能な角度であることを特徴とする請求項２に記載のかご形回転子。
【請求項4】
前記複数の回転子スロットのそれぞれは、前記回転子鉄心の径方向外側表面に部分的に開口する開口部を有し、
前記保持部は、前記開口部を挟んだ周方向の両側に形成され、
前記複数の二次導体のそれぞれには、前記軸方向に互いに間隔をおいて複数の二次導体通風孔が形成されている、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のかご形回転子。
前記保持部は、前記開口部を挟んだ周方向の両側に形成され、
前記複数の二次導体のそれぞれには、前記軸方向に互いに間隔をおいて複数の二次導体通風孔が形成されている、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のかご形回転子。
【請求項5】
軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトに取り付けられて、径方向外側に周方向に互いに間隔をあけて配されて前記軸方向に貫通する複数の回転子スロットが形成された円柱状の回転子鉄心と、前記複数の回転子スロット内を貫通し前記回転子鉄心の前記軸方向の両外側において互いに結合する複数の二次導体と、を有するかご形回転子と、
前記ロータシャフトの前記軸方向の両側を回転可能に支持する２つの軸受と、
前記かご形回転子の径方向外側に配された固定子と、
前記固定子を囲むように配された筒状のフレームと、
前記フレームの両端に取り付けられ前記２つの軸受をそれぞれ静止支持する２つの軸受ブラケットと、
を備えるかご形誘導回転電機であって、
前記複数の回転子スロットのそれぞれには、前記複数の二次導体のそれぞれが占有する空間の径方向の内側に冷却用ガスの前記軸方向の流路である回転子鉄心内軸方向流路が形成されており、
前記複数の回転子スロットのそれぞれは、
前記複数の二次導体のそれぞれを収納する保持部の径方向の内側の面である保持部内側面と、
前記複数の二次導体のそれぞれを収納し周方向に互いに対向し径方向に拡がった平面状の２つのスロット側面と、
前記２つのスロット側面の径方向の内側にあり、前記回転子鉄心内軸方向流路を形成するスロット底部曲面と、
を有し、
前記２つのスロット側面と前記スロット底部曲面とは、径方向に対する傾きが連続的に接続され、前記２つのスロット側面から前記スロット底部曲面の周方向の中央までの径方向に対する傾きは、単調に増加し、
前記２つのスロット側面と前記スロット底部曲面とを結ぶ接続面の径方向に対する傾きは、前記二次導体の側面と底面とを結ぶ接続面の径方向に対する傾きよりも小さい、
ことを特徴とするかご形誘導回転電機。
前記ロータシャフトの前記軸方向の両側を回転可能に支持する２つの軸受と、
前記かご形回転子の径方向外側に配された固定子と、
前記固定子を囲むように配された筒状のフレームと、
前記フレームの両端に取り付けられ前記２つの軸受をそれぞれ静止支持する２つの軸受ブラケットと、
を備えるかご形誘導回転電機であって、
前記複数の回転子スロットのそれぞれには、前記複数の二次導体のそれぞれが占有する空間の径方向の内側に冷却用ガスの前記軸方向の流路である回転子鉄心内軸方向流路が形成されており、
前記複数の回転子スロットのそれぞれは、
前記複数の二次導体のそれぞれを収納する保持部の径方向の内側の面である保持部内側面と、
前記複数の二次導体のそれぞれを収納し周方向に互いに対向し径方向に拡がった平面状の２つのスロット側面と、
前記２つのスロット側面の径方向の内側にあり、前記回転子鉄心内軸方向流路を形成するスロット底部曲面と、
を有し、
前記２つのスロット側面と前記スロット底部曲面とは、径方向に対する傾きが連続的に接続され、前記２つのスロット側面から前記スロット底部曲面の周方向の中央までの径方向に対する傾きは、単調に増加し、
前記２つのスロット側面と前記スロット底部曲面とを結ぶ接続面の径方向に対する傾きは、前記二次導体の側面と底面とを結ぶ接続面の径方向に対する傾きよりも小さい、
ことを特徴とするかご形誘導回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、二次導体を有する回転子、およびこれを用いた回転電機に関する。
【背景技術】
【0002】
かご形誘導回転電機あるいは巻線型回転電機、あるいは同期回転電機においては、回転子鉄心の径方向の表面近傍に、周方向に互いに間隔をあけて配置されて軸方向に貫通する複数の回転子スロットが形成される。それぞれの回転子スロットを、たとえば導体バーや回転子巻線などの二次導体が貫通する。
【0003】
回転子スロットの底部、すなわち、径方向内側の部分に、二次導体の径方向内側の空間を設けて、軸方向の通風路を形成する場合がある（引用文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１７－１８４５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
回転子スロットの底部に軸方向の通風路を設けた場合、スロットが通常より深くなるので、スロット底部は、より径方向に中心側に近くなる。通常、回転子鉄心の応力は、径方向内側が高く、径方向外側になるほど低下する。このため、スロット底部が、より中心側に近づくことにより、応力的には、より厳しい側となる。
【0006】
そこで、本発明は、回転子スロットの底部に軸方向の通風路を設けた場合でも、応力の上昇を緩和することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上述の目的を達成するため、本発明に係るかご形回転子は、かご形誘導回転電機に用いるかご形回転子であって、軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトに取り付けられて、径方向外側に周方向に互いに間隔をあけて配されて前記軸方向に貫通する複数の回転子スロットが形成された円柱状の回転子鉄心と、前記複数の回転子スロット内を貫通し前記回転子鉄心の前記軸方向の両外側において互いに結合する複数の二次導体と、を有し、前記複数の回転子スロットのそれぞれには、前記複数の二次導体のそれぞれが占有する空間の径方向の内側に冷却用ガスの前記軸方向の流路である回転子鉄心内軸方向流路が形成されており、前記複数の回転子スロットのそれぞれは、前記複数の二次導体のそれぞれを保持する保持部の径方向の内側の面である保持部内側面と、前記複数の二次導体のそれぞれを収納し周方向に互いに対向し径方向に拡がった平面状の２つのスロット側面と、前記２つのスロット側面の径方向の内側にあり、前記回転子鉄心内軸方向流路を形成するスロット底部曲面と、を有し、前記２つのスロット側面と前記スロット底部曲面とは、径方向に対する傾きが連続的に変化し、前記２つのスロット側面から前記スロット底部曲面の周方向の中央までの径方向に対する傾きは、単調に増加し、前記スロット底部曲面における前記軸方向に垂直な断面の曲率半径が、前記二次導体の底面における前記軸方向に垂直な断面の曲率半径よりも小さい、ことを特徴とする。
【0008】
また、本発明に係るかご形誘導回転電機は、軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトに取り付けられて、径方向外側に周方向に互いに間隔をあけて配されて前記軸方向に貫通する複数の回転子スロットが形成された円柱状の回転子鉄心と、前記複数の回転子スロット内を貫通し前記回転子鉄心の前記軸方向の両外側において互いに結合する複数の二次導体と、を有するかご形回転子と、前記ロータシャフトの前記軸方向の両側を回転可能に支持する２つの軸受と、前記かご形回転子の径方向外側に配された固定子と、前記固定子を囲むように配された筒状のフレームと、前記フレームの両端に取り付けられ前記２つの軸受をそれぞれ静止支持する２つの軸受ブラケットと、を備えるかご形誘導回転電機であって、前記複数の回転子スロットのそれぞれには、前記複数の二次導体のそれぞれが占有する空間の径方向の内側に冷却用ガスの前記軸方向の流路である回転子鉄心内軸方向流路が形成されており、前記複数の回転子スロットのそれぞれは、前記複数の二次導体のそれぞれを収納する保持部の径方向の内側の面である保持部内側面と、前記複数の二次導体のそれぞれを収納し周方向に互いに対向し径方向に拡がった平面状の２つのスロット側面と、前記２つのスロット側面の径方向の内側にあり、前記回転子鉄心内軸方向流路を形成するスロット底部曲面と、を有し、前記２つのスロット側面と前記スロット底部曲面とは、径方向に対する傾きが連続的に接続され、前記２つのスロット側面から前記スロット底部曲面の周方向の中央までの径方向に対する傾きは、単調に増加し、前記２つのスロット側面と前記スロット底部曲面とを結ぶ接続面の径方向に対する傾きは、前記二次導体の側面と底面とを結ぶ接続面の径方向に対する傾きよりも小さい、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、回転子スロットの底部に軸方向の通風路を設けた場合でも、応力の上昇を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】実施形態に係るかご形誘導回転電機の構成を示す立断面図である。
【図2】実施形態に係るかご形回転子の構成を示す部分横断面図である。
【図3】実施形態に係るかご形回転子の回転子スロットと二次導体との関係を示す回転子鉄心の部分横断面図である。
【図4】実施形態に係るかご形回転子の回転子スロットと二次導体との関係を示すそれぞれの表面の径方向に対する傾きの、径方向距離に対する変化を示すグラフである。
【図5】実施形態に係るかご形回転子の二次導体を示す斜視図である。
【図6】実施形態に係るかご形回転子の回転子鉄心の部分横断面図である。
【図7】かご形回転子の回転子鉄心のロータシャフトへの嵌め合いに起因する応力分布の例を示すグラフである。
【図8】実施形態に係るかご形回転子の作用を説明する横断面図である。
【図9】実施形態に係るかご形回転子の作用を説明するための比較例を示す横断面図である。
【図10】実施形態に係るかご形回転子の応力集中の緩和効果を模式的に説明する比較図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して、本発明に係るかご形誘導回転電機、それに用いるかご形回転子について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【0012】
図１は、実施形態に係るかご形誘導回転電機の構成を示す立断面図である。
かご形誘導回転電機１００は、かご形回転子１０、固定子２０、２つの軸受３１、２つの軸受ブラケット３２、フレーム４０、および冷却器５０を有する。
かご形誘導回転電機１００は、かご形回転子１０、固定子２０、２つの軸受３１、２つの軸受ブラケット３２、フレーム４０、および冷却器５０を有する。
【0013】
かご形回転子１０は、ロータシャフト１１、回転子鉄心１２、複数の二次導体１５、および短絡環１６を有する。ロータシャフト１１は、軸方向の両端付近を軸受３１により回転可能に支持されている。
【0014】
回転子鉄心１２は、ロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられている。回転子鉄心１２は、通常、複数の円板状の電磁鋼板が積層された積層構造を有する。それぞれの電磁鋼板は、中央にロータシャフト１１の貫通孔である中央開口１２ａ（図６）が形成されている。回転子鉄心１２は、通常、焼嵌めによってロータシャフト１１に取り付けられる。
【0015】
回転子鉄心１２には、周方向に互いに間隔をもって配され、軸方向に貫通する複数の回転子スロット７０が形成されている。
【0016】
それぞれの回転子スロット７０には、二次導体１５が収納されており、それぞれの二次導体１５は、両端が、回転子鉄心１２の軸方向の両側の端部から突出している。本実施形態では、二次導体１５として、導体バーの場合を例にとって示している。回転子鉄心１２のそれぞれの端部から突出した複数の二次導体１５である導体バーは、短絡環１６によって機械的および電気的に接続されている。
【0017】
固定子２０は、固定子鉄心２１および複数の固定子巻線２２を有する。
固定子鉄心２１は、円筒形であり、回転子鉄心１２の径方向の外側に、空隙１９を介して配されている。
固定子鉄心２１は、円筒形であり、回転子鉄心１２の径方向の外側に、空隙１９を介して配されている。
【0018】
固定子鉄心２１の径方向内側表面には、軸方向に貫通する複数の固定子スロット（図示せず）が形成されている。複数の固定子巻線２２は、固定子スロット内を貫通し、固定子鉄心２１の軸方向の両側端部に突出している。
【0019】
固定子鉄心２１は、複数の電磁鋼板が積層された複数の積層構造を有する。互いに軸方向に隣接する積層構造の間には、それぞれ固定子ダクト２１ａが形成されている。それぞれの固定子ダクト２１ａは、冷却用気体が、空隙１９から流入し、固定子鉄心２１の径方向外側の固定子出口側空間６１ａに流出する径方向外側に向けての流路を形成する。
【0020】
フレーム４０は、軸方向に延びた筒状であり、固定子２０を囲むように、固定子２０の径方向の外側に配されている。フレーム４０の軸方向の両端部には、それぞれ軸受ブラケット３２が取り付けられている。それぞれの軸受ブラケット３２は、それぞれの軸受３１を静止支持している。
【0021】
フレーム４０の上方には、冷却器５０が設けられている。
冷却器５０は、冷却管を有する冷却部５１、冷却部５１を収納する冷却器カバー５２を有する。
冷却器５０は、冷却管を有する冷却部５１、冷却部５１を収納する冷却器カバー５２を有する。
【0022】
冷却器カバー５２内の空間と、フレーム４０内の空間とは、冷却器入口開口５３および２つの冷却器出口開口５４により連通している。この結果、冷却器カバー５２とフレーム４０は互いに相まって、冷却用気体が循環する閉空間６１を形成している。
【0023】
閉空間６１は、フレーム４０内の固定子出口側空間６１ａ、冷却器カバー５２内の冷却器出口側空間６１ｂ、およびフレーム４０内の回転子等入口空間６１ｃを有する。
【0024】
【0025】
複数の回転子スロット７０は、周方向に互いに間隔をおいて配されている。それぞれの回転子スロット７０には、二次導体１５が収納されている。回転子スロット７０の底部付近すなわち径方向の最も内側の部分に囲まれた部分は二次導体１５に占有されていない部分であり、回転子鉄心１２内で、冷却用気体の軸方向の流路となる回転子鉄心内軸方向流路７０ｆを形成する。
【0026】
また、回転子スロット７０の径方向外側は、開口部７３を介して回転子鉄心１２の径方向の表面に連通している。
【0027】
図３は、実施形態に係るかご形回転子の回転子スロットと二次導体との関係を示す回転子鉄心の部分横断面図である。
回転子スロット７０は、２つのスロット側面７１、２つの保持部内側面７２、スロット底部曲面７４、およびスロット接続面７５を有する。
回転子スロット７０は、２つのスロット側面７１、２つの保持部内側面７２、スロット底部曲面７４、およびスロット接続面７５を有する。
【0028】
２つの保持部内側面７２は、開口部７３を挟んで形成され、二次導体１５に印加される遠心力による二次導体１５の径方向外側への突出を防止するために二次導体１５を保持する保持部１２ｂの径方向の内側面である。
【0029】
２つのスロット側面７１は、二次導体１５を挟んで周方向に互いに対向し、径方向および軸方向に拡がった平面である。
【0030】
スロット底部曲面７４は、２つのスロット側面７１の径方向の内側にあり、回転子鉄心内軸方向流路７０ｆを形成する。
【0031】
また、それぞれのスロット側面７１と、スロット底部曲面７４とは、スロット接続面７５で接続されている。なお、スロット底部曲面７４とスロット接続面７５とは、互いに区分されておらず、一つのスロット底部曲面７４とみなされる場合であってもよい。その場合は、以下について、スロット接続面７５をスロット底部曲面７４と読み替えるものとする。
【0032】
スロット側面とスロット接続面７５、およびスロット接続面７５とスロット底部曲面とは、それぞれ径方向に対する傾きが連続的に接続されている。
【0033】
いま、スロット底部曲面７４の周方向の中央の仮想線Ｌ１を通る回転子スロット７０の中央を通る仮想平面Ｓを想定する。図３の場合は、仮想平面Ｓは、鉛直方向に延びた平面であり、径方向に延びた平面となっている。まず、スロット側面７１は、仮想平面Ｓに平行なので、径方向に対する傾きはゼロである。次にスロット接続面７５は、仮想線Ｌ１の方向に向けて、水平な方向に傾いてくる。すなわち、傾きΘが正となり、増加しながらスロット底部曲面７４に接続される。スロット底部曲面７４では、最終的にその中央の仮想線Ｌ１の位置において水平になるまで順次傾きを増していく。すなわち、最終的に、仮想線Ｌ１で径方向に対する傾きが９０度になるまで増加する。
【0034】
以上のように、スロット側面７１からスロット底部曲面７４の周方向の中央までの径方向に対する傾きは、単調に増加している。
【0035】
二次導体１５は、断面がほぼ矩形で、径方向内側、すなわち底部が曲面状である。すなわち、平面状の２つの二次導体側面１５ａ、曲面状の二次導体底面１５ｃ、２つの曲面状の二次導体接続面１５ｂ、および平面上の二次導体頂面１５ｄを有する。
【0036】
二次導体１５は、２つのスロット側面７１、２つの保持部内側面７２、および２つのスロット接続面７５で制限される空間内に収納されている。
【0037】
図４は、実施形態に係るかご形回転子の回転子スロットと二次導体との関係を示すそれぞれの表面の径方向に対する傾きの、径方向距離に対する変化を示すグラフである。
横軸は、径方向の距離である。具体的には、一方のスロット側面７１の径方向位置を起点（径方向距離ゼロ）として、仮想平面Ｓ（径方向中心）に至るまでの距離である。
縦軸は、それぞれの径方向距離Ｘにおける平面Ｐの仮想平面Ｓに対する傾き、すなわち、Θ径方向距離Ｘにおいて接する平面Ｐの仮想平面Ｓに対する傾きΘである。実線で示す曲線Ｇ１は回転子スロット７０についての傾き、破線で示す曲線Ｇ２は二次導体１５についての傾きを示す。
横軸は、径方向の距離である。具体的には、一方のスロット側面７１の径方向位置を起点（径方向距離ゼロ）として、仮想平面Ｓ（径方向中心）に至るまでの距離である。
縦軸は、それぞれの径方向距離Ｘにおける平面Ｐの仮想平面Ｓに対する傾き、すなわち、Θ径方向距離Ｘにおいて接する平面Ｐの仮想平面Ｓに対する傾きΘである。実線で示す曲線Ｇ１は回転子スロット７０についての傾き、破線で示す曲線Ｇ２は二次導体１５についての傾きを示す。
【0038】
図４に示すように、接続部の領域においては、スロット側面７１とスロット底部曲面７４とを結ぶスロット接続面７５の径方向に対する傾きは、二次導体１５の二次導体側面１５ａと二次導体底面１５ｃとを結ぶ二次導体接続面１５ｂの径方向に対する傾きよりも小さい。すなわち、径方向距離Ｘにおける回転子スロット７０の仮想平面Ｓに対する傾きは、径方向距離Ｘにおける二次導体１５の仮想平面Ｓに対する傾きよりも大きい。
【0039】
別の表現をすれば、スロット側面７１とスロット底部曲面７４とを結ぶスロット接続面７５の曲率半径は、二次導体１５の二次導体側面１５ａと二次導体底面１５ｃとを結ぶ二次導体接続面１５ｂの曲率半径よりも大きい。
【0040】
図５は、実施形態に係るかご形回転子１０の二次導体１５を示す斜視図である。二次導体１５には、軸方向に互いに間隔をおいて、複数の二次導体通風孔１５ｈが形成されている。それぞれの二次導体通風孔１５ｈは、二次導体１５を、径方向内側から径方向外側に向けて流通可能に形成されている。
【0041】
図６は、実施形態に係るかご形回転子１０の回転子鉄心１２の部分横断面図である。
いま、図６に示すように、ロータシャフト１１の回転軸芯１１ｒから、回転子鉄心１２の中央開口１２ａまでの長さをＲ１、回転子スロット７０の底部すなわちスロット底部曲面７４までの長さをＲ２、二次導体１５の底部までの長さをＲ２０、回転子鉄心１２の表面までの長さすなわち回転子鉄心１２の半径をＲ３とする。
いま、図６に示すように、ロータシャフト１１の回転軸芯１１ｒから、回転子鉄心１２の中央開口１２ａまでの長さをＲ１、回転子スロット７０の底部すなわちスロット底部曲面７４までの長さをＲ２、二次導体１５の底部までの長さをＲ２０、回転子鉄心１２の表面までの長さすなわち回転子鉄心１２の半径をＲ３とする。
【0042】
図７は、かご形回転子１０の回転子鉄心１２のロータシャフト１１への嵌め合いに起因する応力分布の例を示すグラフである。
前述のように、回転子鉄心１２はロータシャフト１１に焼嵌めにより取り付けられている。したがって、回転子鉄心１２には、周方向に引張応力が付加されている。この周方向の引張応力は、径方向の外側になるに従って、回転子鉄心１２の周長が増加するため、これにほぼ反比例するように低減する。
前述のように、回転子鉄心１２はロータシャフト１１に焼嵌めにより取り付けられている。したがって、回転子鉄心１２には、周方向に引張応力が付加されている。この周方向の引張応力は、径方向の外側になるに従って、回転子鉄心１２の周長が増加するため、これにほぼ反比例するように低減する。
【0043】
ロータシャフト１１の回転軸芯１１ｒからの距離がＲ１、すなわち、回転子鉄心１２の中央開口１２ａ付近で、周方向応力がσｈ１であり、半径がＲ３すなわち回転子鉄心１２の表面近傍で、周方向応力がσｈ３となるとする。
【0044】
半径がＲ１とＲ３の間にある回転子スロット７０の底部については、回転子鉄心内軸方向流路７０ｆを形成せずに二次導体１５の収納部分のみであるような回転子スロットの場合は、その底部までの半径がＲ２０である。一方、本実施形態における回転子スロット７０では、そのスロット底部曲面７４までの半径は回転子鉄心内軸方向流路７０ｆの高さ分小さなＲ２となる。すなわち、それぞれの場合の周方向応力は、σｈ２０およびσｈ２となり、回転子スロット７０での周方向応力は、回転子鉄心内軸方向流路７０ｆを設けない場合に比べて大きくなる。
【0045】
図８は、実施形態に係るかご形回転子の作用を説明する横断面図である。また、図９は、実施形態に係るかご形回転子の作用を説明するための比較例を示す横断面図である。
図８では、本実施形態に係るかご形回転子１０の回転子スロット７０を示している。一方、図９では、比較例である回転子スロット７０ａを示している。比較例による回転子スロット７０ａは、本実施形態での回転子スロット７０に比べて、底部の形状が異なっている。なお、説明の便宜上、対応する箇所は同じ名称、符号を用い、形状が異なる箇所には、同じ名称でかつ異なる符号を付すものとする。
図８では、本実施形態に係るかご形回転子１０の回転子スロット７０を示している。一方、図９では、比較例である回転子スロット７０ａを示している。比較例による回転子スロット７０ａは、本実施形態での回転子スロット７０に比べて、底部の形状が異なっている。なお、説明の便宜上、対応する箇所は同じ名称、符号を用い、形状が異なる箇所には、同じ名称でかつ異なる符号を付すものとする。
【0046】
比較例による回転子スロット７０ａのスロット底部曲面７４ａとスロット接続面７５ａの形状が、本実施形態による回転子スロット７０のスロット底部曲面７４とスロット接続面７５の形状と異なっている。具体的には、回転子スロット７０ａの底部のスロット接続面７５ａを介して互いに隣接するスロット底部曲面７４ａとスロット側面７１とがなす傾き角度Θ１’は、本実施形態での回転子スロット７０の底部のスロット接続面７５を介して互いに隣接するスロット底部曲面７４とスロット側面７１とがなす傾き角度Θ１に比べて大きい点が異なる。
【0047】
このような違いがもたらす作用について以下に説明する。
【0048】
まず、基本的に、本実施形態での回転子スロット７０の場合に沿って説明する。
かご形回転子１０の回転状態においては、二次導体１５は回転子鉄心１２の保持部１２ｂの保持部内側面７２に密着し、開口部７３を挟んだ保持部１２ｂにそれぞれ、遠心力による荷重Ｆが付加される。
かご形回転子１０の回転状態においては、二次導体１５は回転子鉄心１２の保持部１２ｂの保持部内側面７２に密着し、開口部７３を挟んだ保持部１２ｂにそれぞれ、遠心力による荷重Ｆが付加される。
【0049】
保持部１２ｂに付加された荷重Ｆにより、回転子鉄心１２には、径方向外側に向く引張荷重が分布する。この引張荷重を、回転子スロット７０の縁に沿ってみてみると、まず、スロット側面７１に沿って、径方向内側になるにつれて、半径にほぼ逆比例するように、引張荷重ｆ１からそれよりも大きな引張荷重ｆ２へと増加してゆく。
【0050】
スロット接続面７５を介してスロット側面７１に隣接するスロット底部曲面７４においても、さらに大きな引張荷重ｆ３となる。引張荷重ｆ３は、引張荷重ｆ２などとは、傾き角度Θ１だけ方向が傾いているので、これを、径方向と周方向の引張荷重に分解すると、それぞれ、径方向引張荷重ｆ３ｒおよび周方向引張荷重ｆ３ｈとなる。
【0051】
以上の内容を、比較例による回転子スロット７０ａについてみてみると、引張荷重ｆ２までは、本実施例による回転子スロット７０の場合と同様である。回転子スロット７０ａの場合、スロット接続面７５を介してスロット側面７１に隣接するスロット底部曲面７４ａにおいても、さらに大きな引張荷重ｆ３ａとなる。引張荷重ｆ３ａは、引張荷重ｆ２などとは、傾き角度Θ１’だけ方向が傾いているので、これを、径方向と周方向の引張荷重に分解すると、それぞれ、径方向引張荷重ｆ３ａｒおよび周方向引張荷重ｆ３ａｈとなる。
【0052】
ここで、本実施形態による回転子スロット７０の場合のスロット底部曲面７４ａにおける周方向引張荷重ｆ３ａｈは、比較例による回転子スロット７０ａの場合のスロット底部曲面７４ａにおける周方向引張荷重ｆ３ａｈに比べて、明らかに小さい。
すなわち、本実施形態による回転子スロット７０の効果が示されている。
すなわち、本実施形態による回転子スロット７０の効果が示されている。
【0053】
【0054】
発明者らは、このような、直線部分を含まない曲面状の底部曲面について、径方向にこの部分を短縮したような形状の場合に比べて、回転子スロット７０の底部の引張応力の低減効果があることを解析によって確認している。
【0055】
図７を引用して説明したように、回転子鉄心１２を焼嵌めによりロータシャフト１１に取り付けたことに起因する周方向の引張応力は、回転子スロットに回転子鉄心内軸方向流路７０ｆを設けない場合に比べて大きくなる。
【0056】
【0057】
したがって、回転子スロットに回転子鉄心内軸方向流路７０ｆを設けた場合であっても、焼嵌めに起因する周方向の引張応力がそのために増大する分を、遠心力に起因する回転子スロットの底部にかかる周方向の引張応力を減少させることにより、両者を合計した周方向の引張応力の増加を抑制することができる。
【0058】
図１０は、実施形態に係るかご形回転子の応力集中の緩和効果を模式的に説明する比較図である。（ａ）は、従来の一般的な形態における回転子スロットの形状を示す。（ｂ）は、従来の一般的な形態で応力を緩和する場合の回転子スロットの形状を示す。（ｃ）は、本実施形態による回転子スロット７０の場合を示す。
【0059】
図１０（ａ）に示す従来の一般的な形態における回転子スロットの形状では、回転子スロットの底部Ａａと二次導体の底部Ａｃは、ほぼ平面状である。この結果、回転子スロットの底部と側部の接続部分であるＡｂ部について回転軸に垂直方向の断面（以下同様）の曲率半径ＲＡｂは、二次導体の曲率半径ＲＡｄと実質同程度に形成されている。このような形態では、回転子スロットにおいてＡｂ部で、最大の応力集中が生ずる。
【0060】
ここで、応力集中の改善のために、図１０（ｂ）に示すように、底部を平面から曲面にして、回転軸に垂直方向の断面における回転子スロットの底部Ｂｂの曲率半径ｒＢｂと二次導体の底部Ｂｄの曲率半径ｒＢｄをほぼ同程度とする。この結果、側部との接続部分はより曲面状となり、回転子スロットのＢｂ部の曲率半径ＲＢｂおよび二次導体のＢｄ部の曲率半径ＲＢｄが大きくなることにより、応力集中を緩和することができる。
【0061】
一方、図１０（ｃ）に示す本実施形態による回転子スロット７０の場合は、回転軸に垂直方向の断面における回転子スロット７０の底部Ｃａの曲率半径ＲＣａを、二次導体１５の底部Ｃｃの曲率半径ＲＣｃより小さくしている。すなわち、曲率半径ＲＣａ＜曲率半径ＲＣｃとする。この結果、二次導体のＣｄ部の曲率半径ＲＣｄは上述のＢｄ部の曲率半径ＲＢｄと同程度である一方、回転子スロット７０のＣｂ部の曲率半径ＲＣｂは、前述の図１０（ｂ）におけるＢｂ部の曲率半径ＲＢｂより大きくなっている。すなわち、曲率半径ＲＣｂ＞曲率半径ＲＣｄの条件が成立している。この結果、従来方式とは異なり、最大の応力集中が生ずる部分は、底部と側部との接続部ではなく、底部の中央部であるが、底部の中央部は、底部と側部との接続部に比べて、大きな曲率半径をとることができる。この結果、本実施形態における回転子スロット７０は、従来に比べて応力集中を十分に緩和することができる。
【0062】
なお、付帯的な効果として、二次導体のＣｄ部の曲率半径ＲＣｄを確保することにより二次導体１５の断面積を大きくできかご形回転子１０の温度低減効果が得られる。また、二次導体のＣｄ部の曲率半径ＲＣｄを確保することにより冷却用気体との接触面積を増加させかご形回転子１０の温度低減効果が得られる。
【0063】
以上のように、本実施形態によれば、回転子スロットの底部に軸方向の通風路を設けた場合でも、応力の上昇を緩和することができる。
【0064】
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【0065】
１０…かご形回転子、１１…ロータシャフト、１１ｒ…回転軸芯、１２…回転子鉄心、１２ａ…中心開口、１２ｂ…保持部、１３…回転子ティース、１５…二次導体、１５ａ…二次導体側面、１５ｂ…二次導体接続面、１５ｃ…二次導体底面、１５ｄ…二次導体頂面、１５ｈ…二次導体通風孔、１６…短絡環、１９…空隙、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２１ａ…固定子ダクト、２２…固定子巻線、３１…軸受、３２…軸受ブラケット、４０…フレーム、５０…冷却器、５１…冷却部、５２…冷却器カバー、５３…冷却器入口開口、５４…冷却器出口開口、６１…閉空間、６１ａ…固定子出口側空間、６１ｂ…冷却器出口側空間、６１ｃ…回転子等入口空間、７０、７０ａ…回転子スロット、７０ｆ…回転子鉄心内軸方向流路、７１…スロット側面、７２…保持部内側面、７３…開口部、７４、７４ａ…スロット底部曲面、７５、７５ａ…スロット接続面、１００…かご形誘導回転電機
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】