-
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Induktionsmotoren und insbesondere einen Induktionsmotor und ein Herstellungsverfahren für dessen Rotor.
-
Es wird die Priorität der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2014-034950 , eingereicht am 26. Februar 2014, beansprucht, deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
-
Im Allgemeinen wird der Motorwirkungsgrad von Induktionsmotoren verbessert, wenn der Widerstand auf der Seite eines sekundären Leiters, zu der ein induzierter Strom fließt, kleiner ist. Um den Widerstand auf der Seite des sekundären Leiters zu verringern, ist z. B. aus
JP 2012-258721-A das Herstellen eines Aluminium- und Kupferdrahtes mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als Aluminium, der in einen Schlitz eines Rotors eines Kurzschlussläufer-Induktionsmotors gemischt ist, bekannt.
-
JP 2011-188703-A ist ein Beispiel des Standes der Technik.
-
Falls ein Rotor so hergestellt wird, dass Aluminium gegossen wird, nachdem ein guter Leiter, der aus Kupfer oder Silber hergestellt ist, in einen Schlitz des Rotors eingesetzt worden ist, der als ein widerstandsverringerndes Material dient, kann das Aluminium aufgrund der unzureichenden Fließfähigkeit des geschmolzenen Aluminiums nicht ausreichend in die Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche eines Elements aus einem guten Leiter fließen, kann an einer Grenzfläche zwischen dem Aluminium und dem Element aus einem guten Leiter eine Lücke erzeugt werden oder kann ein Oxidfilm gebildet werden. Weil die Lücke oder der Oxidfilm in der verbundenen Grenzfläche als ein elektrischer Widerstand wirkt, wenn ein elektrischer Strom durch den Leiter innerhalb des Schlitzes geschickt wird, kann der Widerstand auf der Seite des sekundären Leiters nicht so klein werden, wie es erwartet wird.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Technik zum Verringern des Widerstands eines sekundären Leiters des Induktionsmotors zu schaffen, um den Wirkungsgrad des Induktionsmotors zu erhöhen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Induktionsmotor nach Anspruch 1, einen Induktionsmotor nach Anspruch 2, einen Induktionsmotor nach Anspruch 5, einen Induktionsmotor nach Anspruch 6 und ein Verfahren zum Herstellen eines Motors eines Induktionsmotors nach Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen Induktionsmotor. Der Induktionsmotor besitzt einen Rotor. Der Rotor wird durch das Einsetzen eines stabförmigen Elements aus einem guten Leiter mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als Aluminium in einen Schlitz, der in einem Kern ausgebildet ist, das Bilden des Umfangs des Elements aus einem guten Leiter und des Stirnrings durch Aluminiumguss und dann das Verbinden des Stirnrings und des Elements aus einem guten Leiter durch Reibrührverbinden miteinander gebildet.
-
Gemäß diesem Aspekt können die Oxidschicht und die Lücke der Grenzfläche zwischen dem Aluminium und dem Element aus einem guten Leiter entfernt werden, wobei es möglich ist, den spezifischen elektrischen Widerstand der Grenzfläche drastisch klein zu machen und dadurch den Wirkungsgrad des Induktionsmotors zu verbessern.
-
Außerdem sind beliebige Kombinationen der obigen konstituierenden Elemente und jener, die durch das Ersetzen der konstituierenden Elemente oder Ausdrücke der Erfindung untereinander zwischen den Vorrichtungen, Verfahren, Systemen oder dergleichen erhalten werden, ebenfalls als die Aspekte der Erfindung wirksam.
-
Gemäß der Erfindung kann der Wirkungsgrad des Induktionsmotors durch das Verringern des Widerstands des sekundären Leiters des Induktionsmotors verbessert werden.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die Zeichnungen Bezug nimmt, es zeigen:
-
1 eine Querschnittsansicht, wenn ein Kurzschlussläufer-Induktionsmotor in einer vertikalen Ebene, die eine Mittelachse enthält, aufgeschnitten ist;
-
2 eine vergrößerte Ansicht einer Grenzfläche zwischen einem Element aus einem guten Leiter und geschmolzenem Aluminium;
-
3 eine perspektivische Ansicht eines Rotors eines Induktionsmotors, der mit einer Ausführungsform in Beziehung steht;
-
4A bis 4C Ansichten, die einige Prozesse zum Herstellen des Rotors veranschaulichen;
-
5A und 5B Ansichten, die einige der Prozesse zum Herstellen des Rotors veranschaulichen;
-
6A und 6B Ansichten, die einige der Prozesse zum Herstellen des Rotors veranschaulichen;
-
7A und 7B Querschnittsansichten einer Grenzfläche zwischen Aluminium und Kupfer, das ein Element aus einem guten Leiter ist; und
-
8 eine Ansicht, die die Messergebnisse der Widerstandswerte der Grenzflächen von Proben, die dem Rotor ähneln, veranschaulicht.
-
1 ist eine Querschnittsansicht, wenn ein Kurzschlussläufer-Induktionsmotor 10 in einer vertikalen Ebene, die eine Mittelachse enthält, aufgeschnitten ist.
-
Ein Stator 34 ist durch das Stapeln einer großen Anzahl blattähnlicher elektromagnetischer Stahlplatten (z. B. mit einer Dicke von 0,5 mm) ausgebildet, die in die gleiche Form gestanzt sind. Der Stator 34 ist an einen inneren Umfang eines Rahmens 30 angepasst, z. B. durch Schrumpfpassung. In mehrere Schlitze, die in dem Stator 34 ausgebildet sind, sind Spulen 38 aus Kupferdraht gewickelt.
-
Ein Rotor 36 ist durch das Stapeln einer großen Anzahl blattähnlicher elektromagnetischer Stahlplatten ausgebildet, die in die gleiche Kreisform gestanzt sind. Der Rotor 36 besitzt ein kreisförmiges Loch zum Einsetzen einer Drehwelle 12, das in seiner Mitte ausgebildet ist, wobei mehrere Schlitze 62 mit der gleichen Form, die sich in einer radialen Richtung erstrecken, in gleichen Intervallen auf einer Seite des äußeren Umfangs des Rotors ausgebildet sind. Die Drehwelle 12 ist durch Übermaßpassung in dem kreisförmigen Loch des Rotors 36 befestigt.
-
Der Rahmen 30 ist z. B. aus Aluminiumdruckguss hergestellt, aus Gusseisen hergestellt oder aus einer Stahlplatte hergestellt, trägt das Gewicht des Rotors und des Stators und spielt eine Rolle beim Ableiten der in dem Rotor, dem Stator oder dergleichen erzeugten Wärme zum Äußeren des Elektromotors. Um die Wärmeableitungsleistung zu verbessern, ist eine große Anzahl von Strahlungsrippen 40, die sich in einer Richtung parallel zu der Drehwelle erstrecken, am äußeren Umfang des Rahmens 30 installiert.
-
Die Drehwelle 12 ist durch die Flansche 14 und 15 auf beiden Seiten, die sich von dem Rahmen 30 zu einer Seite eines Innendurchmessers erstrecken, über die Lager 16 bzw. 17 drehbar gestützt. Die Flansche 14 und 15 können mit dem Rahmen 30 einteilig ausgebildet sein oder können von dem Rahmen 30 getrennt ausgebildet und an dem Rahmen 30 befestigt sein.
-
Ein Gebläse 18 ist auf einer Seite eines hinteren Endes der Drehwelle 12 angeordnet. Eine Gebläseabdeckung 32 ist weiter außerhalb des Gebläses 18 angeordnet.
-
Im Allgemeinen wird der Motorwirkungsgrad von Induktionsmotoren verbessert, wenn der Widerstand auf einer Seite eines sekundären Leiters, zu dem ein induzierter Strom fließt, kleiner ist. Dann wird am häufigsten ein Verfahren zum Gießen von Aluminium mit hoher elektrischer Leitfähigkeit in die in dem Rotor 36 ausgebildeten Schlitze 62 durch Druckgießen verwendet. In diesem Fall sind Stirnringe (Kurzschlussringe) 37 mit einer Struktur, bei der die Ringe mit den Stableitern 66 innerhalb der Schlitze einteilig sind, an beiden Stirnflächen des Rotors 36 ausgebildet.
-
Um den Wirkungsgrad der Induktionsmotoren weiter zu verbessern, wird ein Verfahren zum Gießen von Aluminium in die Schlitze in einem Zustand, in dem die Elemente, die aus guten Leitern hergestellt sind, die aus Kupfer, Silber oder dergleichen mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als Aluminium hergestellt sind, in die Schlitze eingesetzt sind, vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren fließt jedoch das Aluminium aufgrund der unzureichenden Fließfähigkeit geschmolzenen Aluminiums nicht ausreichend in die Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche eines Elements aus einem guten Leiter oder zieht sich das Aluminium thermisch zusammen, wenn es erstarrt, wie in 2 veranschaulicht ist. Deshalb kann zwischen dem Aluminium und dem Element aus einem guten Leiter eine Lücke erzeugt werden. Weil die Lücke in der verbundenen Grenzfläche als ein elektrischer Widerstand wirkt, wenn ein elektrischer Strom durch den Leiter innerhalb eines Schlitzes geschickt wird, kann der Widerstand auf der Seite des sekundären Leiters nicht so klein werden, wie es erwartet wird, selbst wenn ein Element aus einem guten Leiter, das aus Kupfer, Silber oder dergleichen hergestellt ist, in den Schlitz eingesetzt ist.
-
Folglich ist in dieser Ausführungsform der Widerstand auf der Seite des sekundären Leiters durch das Entwickeln der Struktur des Rotors und eines Verfahrens zum Herstellen des Rotors verringert.
-
3 ist eine perspektivische Ansicht des Rotors 36 des mit der Ausführungsform in Beziehung stehenden Motors 10. Der Rotor 36 ist hauptsächlich mit einem Kern (einem Eisenkern) 60, den beiden Stirnringen 37a und 37b und den mehreren Stableitern 66 ausgerüstet.
-
Der Kern 60 ist ein zylindrisches Element, das ein Element aus einer magnetischen Substanz ist. Der Kern 60 ist mit den mehreren Schlitzen 62 versehen. Außerdem ist eine (in 3 nicht veranschaulichte) Drehwelle in einem kreisförmigen Loch 72 des Kerns 60 durch Übermaßpassung befestigt.
-
Die mehreren Stableiter 66 sind den mehreren Schlitzen 62 entsprechend ausgebildet, um durch die Schlitze hindurchzugehen. Wie im Folgenden ausführlich beschrieben wird, besitzen die Stableiter 66 ein stabförmiges Element aus einem guten Leiter, das aus Kupfer, Silber oder dergleichen mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als Aluminium hergestellt ist, wobei eine Aluminiumschicht durch Aluminiumguss um das Element aus einem guten Leiter ausgebildet ist. Die Anzahl der Stableiter 66 ist nicht besonders eingeschränkt und wird gemäß den Typen oder Anwendungen der Motoren entworfen.
-
Die Stirnringe 37a und 37b sind parallel zu beiden Enden des Kerns 60 vorgesehen und sind mit den mehreren Aluminiumschichten der Stableiter 66 durch Aluminiumguss einteilig ausgebildet, wie im Folgenden beschrieben wird. Der Stirnring 37a verbindet die einseitigen Enden der mehreren Stableiter 66 elektrisch, während der Stirnring 37b die anderen Enden der mehreren Stableiter 66 elektrisch verbindet.
-
Anschließend wird ein Verfahren zum Herstellen des Rotors 36 beschrieben.
-
Die 4A bis 4C, die 5A und 5B und die 6A und 6B sind Ansichten, die die Prozesse zum Herstellen des Rotors 36 veranschaulichen.
-
Ein Prozess zum Herstellen des Kerns 60 ist in 4A veranschaulicht. Der Kern wird durch das Stapeln mehrerer Kernplatten 68, die die gleiche Form besitzen, gebildet. Die Kernplatten 68 werden z. B. durch Pressformen einer elektromagnetischen Stahlplatte in eine Ringform hergestellt. Die Löcher 69 werden in jede Kernplatte 68 gebohrt, wobei die Löcher 69 aufeinander ausgerichtet werden, um die Schlitze 62 des Kerns 60 zu bilden.
-
Anschließend wird, wie in 4B veranschaulicht ist, ein stabförmiges Element 70 aus einem guten Leiter, das einen Abschnitt des Stableiters 66 bildet, durch jeden Schlitz 62 des Kerns 60 eingesetzt. Wie in 4C veranschaulicht ist, wird der Schlitz 62 des Kerns 60 mit einer Überschusslücke bezüglich des Elements 70 aus einem guten Leiter gebildet. In einem folgenden Aluminiumgussprozess wird Aluminium in diese Lücke gegossen. Das heißt, der Kern 60 funktioniert außerdem als ein Abschnitt einer Gussform bei dem Aluminiumgussprozess.
-
5A veranschaulicht die Struktur des Rotors 36, bevor der Aluminiumgussprozess ausgeführt wird. Wie in 5B veranschaulicht ist, ist diese Struktur in einer Gussform 80 zum Bilden der Stirnringe 37 und der Aluminiumschichten um die Elemente 70 aus einem guten Leiter untergebracht, wobei das geschmolzene Aluminium in die Gussform 80 gegossen wird. Eine Innenwand der Gussform ist in 5B veranschaulicht. Um die Fließfähigkeit des geschmolzenen Aluminiums zu verbessern, kann ein Additiv (z. B. Silicium oder Zink) hinzugefügt werden. Außerdem ist das Zink bevorzugter, falls die Leitfähigkeit berücksichtigt wird.
-
6A veranschaulicht den Rotor 36 unmittelbar nach dem Aluminiumgussprozess. In diesem Zustand kann in der Grenzfläche eine Lücke oder ein Oxidfilm, die bzw. der die elektrische Leitfähigkeit einer (schraffierten) Grenzfläche zwischen dem Element 70 aus einem guten Leiter und dem Stirnring 37a verringert, vorhanden sein. Folglich wird in dieser Ausführungsform eine Verbindungsverarbeitung an dem Stirnring 37 und dem Element 70 aus einem guten Leiter ausgeführt, so dass ein Zustand, in dem die Oxidschicht und die Lücke entfernt sind, nach dem Aluminiumgussprozess erreicht ist.
-
6B ist eine Ansicht, die die Verbindungsverarbeitung veranschaulicht. In dieser Ausführungsform wird das Reibrührverbinden verwendet. Beim Reibrührverbinden wird ein Werkzeug 90, das an seiner Spitze einen Vorsprung (eine Sonde) 92 besitzt, gedreht, während das Werkzeug 90 gegen das Element 70 aus einem guten Leiter und den Stirnring 37 geschoben wird. Aufgrund der Reibungswärme wird ein Material weich gemacht und verbunden (plastisch fluidisiert), wodurch das andere Metall mit ihm verbunden wird. Das Werkzeug 90 kann eine Seite des Elements 70 aus einem guten Leiter überstreichen und kann dann eine Seite des Elements 70 aus einem guten Leiter, die der einen Seite gegenüberliegt, überstreichen, wie es durch die gestrichelten Linien in 6B veranschaulicht ist. Andernfalls kann das Werkzeug entlang einer rechteckigen Form eines Querschnitts des Elements 70 aus einem guten Leiter bewegt werden.
-
Das Obige ist das Verfahren zum Herstellen des Rotors 36. Anschließend werden die Vorteile des Rotors 36 beschrieben.
-
Um die Vorteile des Rotors 36 zu verifizieren, wurden Proben, die einem Verbindungsabschnitt zwischen dem Ring 37 und dem Element 70 aus einem guten Leiter ähneln, hergestellt, wobei deren Eigenschaften gemessen wurden.
-
Die 7A und 7B sind Querschnittsansichten der Grenzfläche des Aluminiums und des Kupfers, das ein Element aus einem guten Leiter ist. 7A ist eine Querschnittsphotographie und 7B ist eine Abbildung der Verteilung von Aluminium, Kupfer bzw. Sauerstoff. Wie in 7B veranschaulicht ist, sind in einem Aspekt, in dem Aluminium und Kupfer miteinander gemischt sind, Aluminium und Kupfer in der Grenzfläche miteinander verbunden. Außerdem ist ein Aspekt, in dem Sauerstoff in einer konzentrierten Weise auf der Grenzfläche verteilt ist, nicht zu sehen, wie in 7B veranschaulicht ist. Dies bedeutet, dass die Oxidfilmschicht oder die Lücke der Grenzfläche entfernt ist.
-
8 ist eine Ansicht, die die Messergebnisse der Widerstandswerte der Grenzflächen der Proben veranschaulicht. 8 veranschaulicht die jeweiligen Widerstandswerte der Aluminium-Einzelkörper (A1050), der Kupfer-Einzelkörper (C110) und der (hybriden) Proben, die durch das Reibrühren und das Verbinden dieser Einzelkörper erhalten werden. Es ist ersichtlich, dass die Widerstandswerte der reibgerührten und verbundenen Proben niedriger als die Widerstandswerte der Aluminium-Einzelkörper sind. Soweit wie die Erfinder wissen, wird, wenn Aluminium und Kupfer im Stand der Technik miteinander verbunden werden, der Widerstandswert einer Verbindungsfläche (der Grenzfläche) dazwischen größer als die Widerstandswerte der Aluminium-Einzelkörper, wobei es bahnbrechend ist, dass ein derartiger niedriger Widerstand erhalten wird.
-
Wie oben beschrieben worden ist, können in dem Rotor 36, der mit der Ausführungsform in Beziehung steht, die Oxidschicht und die Lücke der Grenzfläche zwischen dem Aluminium und dem Element aus einem guten Leiter entfernt werden, wobei es möglich ist, den spezifischen elektrischen Widerstand der Grenzfläche drastisch klein zu machen. Dementsprechend kann der Wirkungsgrad des Induktionsmotors verbessert werden.
-
Unter Verwendung von Kupfer für den Stableiter 66 nimmt das Gewicht des Rotors 36 im Vergleich zu dem Fall zu, in dem der Stableiter 66 durch Aluminiumguss hergestellt wird. In vielen Anwendungen des Induktionsmotors wird jedoch der Rotor 36 nicht häufig beschleunigt und verzögert, wobei eine Abnahme des Wirkungsgrades kein Problem aufwirft. Es kann gesagt werden, dass die sich aus einer Zunahme der Trägheit ergebenden Vorteile stattdessen größer sind.
-
Oben ist die Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden. Es ist für die Fachleute auf dem Gebiet selbstverständlich, dass die Ausführungsform lediglich veranschaulichend ist und dass verschiedene Modifikationsbeispiele durch die Kombination der jeweiligen konstituierenden Elemente möglich sind und dass sich derartige Modifikationsbeispiele außerdem innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befinden.
-
Obwohl ein Beispiel, in dem Aluminium als das Basismaterial verwendet wird und Kupfer als das Element aus einem guten Leiter verwendet wird, beschrieben worden ist, ist die oben beschriebene Ausführungsform nicht auf diese Kombination eingeschränkt. Die Erfindung kann außerdem auf beliebige Kombinationen angewendet werden, falls Elemente aus einem guten Leiter mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als das Basismaterial verwendet werden. Es kann z. B. Kupfer als das Basismaterial verwendet werden, während Silber als das Element aus einem guten Leiter verwendet werden kann.
-
Die Stirnringe 37 können durch Aluminiumguss in einem Zustand gebildet werden, in dem die Elemente 70 aus einem guten Leiter durch die Stirnringe 37 hindurchgegangen sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2014-034950 [0002]
- JP 2012-258721 A [0003]
- JP 2011-188703 A [0004]
