JP2005333743A - かご型ロータとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速回転が可能で、安価で生産性に優れ、鋳造欠陥が少なく信頼性の高いかご型ロータを得る。
【解決手段】 本発明のかご型ロータは、外周に複数のスロット５を有するロータコア２に、ロータバーおよびその両端の環状のエンドリングからなる導体部を高圧ダイキャスト法によりかご状に一体成形したもので、エンドリングの少なくとも一部をセラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材としダイキャスト材をマトリックスとした金属−セラミックス複合材料にて形成したものである。
また、エンドリング部の引張強度を１５０℃で２０ｋｇ／ｍｍ^２以上で，かつロータバー部の導電率が５６％ＩＡＣＳ以上としたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工作機械用高速モータに使用されるインダクションモータ用かご型ロータに関する。

従来から、工作機械の主軸用モータや送り用モータなどに一般的に使用されているかご型ロータの構造は、図９のようになっている。ロータ１は、ロータコア２および導体部３を回転軸４に一体に組み付けて構成される。ロータコア２は渦電流による損失を防止するために、図７に示すように薄い円板状の電磁鋼板よりなるコア２ａを多数積層したものであり、かつ、予め外周部にスロット５が形成されたものである。導体部３は積層したコア２ａを締め付けた状態でスロット５内に溶けた導体材料をダイキャスト法などにより鋳込んで一体に成形される。ダイキャストにより成形された導体部３は、図８に示すようにかご状に配設されたロータバー６と、その両端の環状のエンドリング７とで構成される。
このようなロータ導体部３の導体材料としては一般的に純アルミニウムが使用されている。モータのトルクを大きくし損失を抑えるためには導電率が大きいこと、高速回転に対しては軽いこと、さらに、製造性が容易であること、耐食性が良いことなどが選定の理由である。モータの回転数は現状毎分１万回転以下である。純アルミニウムの特性は導電率６０％ＩＡＣＳ以上、室温での引張り強さは７ｋｇｆ／ｍｍ^２である。
最近、工作機械分野では、生産性向上の要求に伴い主軸用モータなどの高速化が必要になってきた。要求されている最高回転数は、毎分４万回転である。しかも導体材料は１５０℃近くまで上昇するため、１５０℃での強度が求められる。従来の純アルミニウムでは、１５０℃での引張り強さが４ｋｇｆ／ｍｍ^２と強度不足なので、高速回転時の遠心力により破損する。また市販品である高い強度を持つＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系のアルミニウム基合金やＡＤＣ系の合金では、導電率が４０％ＩＡＣＳ以下と著しく低くなるためモータ損失が大きくなるうえに、これらの材料は１５０℃では強度が急減し、疲労限が課題となる。
これらの課題にたいして、１５０℃での強度と導電率のどちらも高いアルミニウム鋳物合金として、特許文献１では、１５０℃での引張り強さが１０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、導電率が５０〜５５％ＩＡＣＳのＡｌ−Ｚｒ−Ｓｉ系の合金が開示されている。
特開２００３−１５５５３２号公報

しかしながら、Ａｌ−Ｚｒ−Ｓｉ系合金の導電率はアルミニウムに比べて低いだけでなく、今後更なる高速化が求められた場合には強度的にも不十分となる。また、この合金系は鋳造温度がアルミニウムに対して１００℃以上も高いために作業性にも課題があった。モータの発熱を抑えるにはスロット部に挿入した材料の導電率を出来るだけ高くすればよいし、高速回転化に対応するためにはエンドリング部の高強度化を図ればよいと言える。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、かご型ロータのスロット内を導電率の高い金属材料で形成し、エンドリング部を金属ーセラミックス複合材料で形成することにより、高速回転が可能で、安価で生産性に優れ、鋳造欠陥が少なく信頼性の高いかご型ロータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、外周に複数のスロットを有するロータコアに、ロータバーおよびその両端の環状のエンドリングからなる導体部を高圧ダイキャスト法によりかご状に一体成形したかご型ロータにおいて、前記エンドリングの少なくとも一部をセラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材としダイキャスト材をマトリックスとした金属−セラミックス複合材料にて形成したものである。
請求項２に記載の発明は、前記エンドリング部の引張強度を１５０℃で２０ｋｇ／ｍｍ^２以上で、かつ前記ロータバー部の導電率が５６％ＩＡＣＳ以上としたものである。
請求項３に記載の発明は、前記エンドリングの内側に各ロータバーがかご状に繋がるようにリング状の導体部をダイキャスト材で形成したものである。
請求項４に記載の発明は、前記エンドリング部の表面がダイキャスト材で覆われたものである。
請求項５に記載の発明は、前記ダイキャスト材を、アルミニウムまたはアルミニウム合金にしたものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１から５記載のかご型ロータの製造方法において、金型内のエンドリング形成部に、セラミックス粉末またはセラミックス繊維で予め形成したプリフォームを設置し、高圧ダイキャスト法によりアルミニウムまたはアルミニウム合金を鋳造し、ロータバーおよび複合材料からなるエンドリングを作製するものである。
請求項７に記載の発明は、湯口側のプリフォームにスロットと対応する位置に貫通穴を形成するものである。

請求項１に記載の発明によると、かご型ロータのエンドリングを金属−セラミックス複合材料で形成することで、導電率が高く耐熱強度に優れたロータを製造することができ、高速モータへ適用することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、エンドリング部を耐熱強度の高い金属−セラミックス複合材料で形成し、ロータバー部を導電率の高い材料で形成することで、発熱が極めて少なく耐熱強度に特に優れた高速回転用ロータを構成できる。
また、請求項３に記載の発明によると、かご状の導体部を導電率の高い材料で形成し、その周辺を耐熱強度に優れた金属−セラミックス複合材料で覆うことによりエンドリングが形成できるので、モータ損失をより少なくし，しかも耐熱強度に優れたロータを製造することができる。
また、請求項４、５に記載の発明によると、ロータ表面が柔らかいダイキャスト材で覆われているので、ロータの表面加工が容易であり、最終仕上げ加工時の形状を正確に出すことができる。
また、請求項６に記載の発明によると、ロータの導体部を鋳込んでかご状に一体成形する際に同時に金属−セラミックス複合材料を形成することができ、安価で生産性に優れた製造をすることができる。
また、請求項７に記載の発明によると、ダイキャスト材の溶湯を冷却が最も速いスロット内を通し、スロット内で溶湯が凝固する前に湯口と反対側のエンドリング部に層流状態で供給することができ、鋳造不良のないロータを製造することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例を示す側断面図であり、縦型ダイキャストマシンにロータ部セットした状態を示している。図において、７ａ、７ｂはエンドリング形成部、８、９は分割金型、１０ａ、１０ｂはプリフォーム、１１は貫通穴、１２は治具、１３ａ、１３ｂは金型、１４は湯口、１５はピストン、１６は溶湯、１７は加圧ピンである。
ロータコア２を縦型ダイキャストマシンの分割金型８、９間に収納し、エンドリング形成部７ａ、７ｂにリング状のプリフォーム１０ａ、１０ｂを設置する。なおプリフォーム１０ａにはスロット５と連通する部分に、スロット５と同径の貫通穴１１が形成されている。ロータコア２およびプリフォーム１０ａ、１０ｂの中心に治具１２を挿通させた状態で固定し、エンドリング形成部７ａ、７ｂにはそれぞれ金型１３ａ、１３ｂを設け、金型１３ａにはエンドリング形成部７ａに連通する湯口１４を設けている。また、ロータコア２の下方に設けたピストン１５によって、片方の金型１３ａに設けた湯口１４より鋳造材の溶湯１６を鋳込むようにしている。湯口１４を通過した溶湯１６は、エンドリング形成部７ａに設置されたプリフォーム１０ａにマトリックス金属として充填されながら、一部の溶湯１６はプリフォーム１０ａに形成された貫通穴１１を通過してスロット５に浸入し、スロット５を経由して反対側のプリフォーム１０ｂを含むエンドリング形成部７ｂに充填される。溶湯１６が完全に充填された後、湯口に圧力が掛けられた直後に、ひけ巣発生を防止するために分割金型８上部に設けられた加圧ピン１７が作動する構成である。
次に、実際に本ダイキャストマシンを使用して、エンドリングを金属−セラミックス複合材料で形成したかご型ロータを製造した。ダイキャストマシンには８００トンのスクイズダイキャストマシンを使用し、溶湯温度は７００℃、鋳込み速度は５０ｍｍ／ｓ、プランジャーの圧力は７０ＭＰａとした。また、ダイキャスト材にはアルミニウムを用い、ロータは電磁鋼板を積層したもの、ロータコア２の直径は９０ｍｍ、積厚は６０ｍｍとした。プリフォームは、平均粒径が１５μｍの炭化ケイ素粒子により形成されており、体積率が１０vol％，２０vol％，３０vol％と異なる体積率となるように成形したものを用いた。湯口１４はロータコア２の円周状に六ヶ所等間隔で、加圧ピン１７はロータコア２の円周状に八ヶ所等間隔で配置し、以上の条件でダイキャストを行った。図２にダイキャストを行った鋳ばなしのかご型ロータの断面を示す。図において、１９はアルミニウム基複合材料、２０はアルミニウムである。
続いて、指定形状に加工したロータを実際のモータに組み込んで回転試験を行った。表１に試験を行ったロータの導体部の特性値と許容回転数を示す。比較として、導体部を従来のＡｌ−Ｚｒ−Ｓｉ系合金およびＡＣ４Ｃ材で製造したロータの試験結果も併せて示す。比較のロータは、適正な強度を得るための熱処理（従来例１は３８０℃で１０時間、従来例２はＴ６処理）を行った。なおエンドリング部の引張強度は、製造したかご型ロータから幾つか引張試験片（ＪＩＳ１４Ａ号）を作製し、１５０℃で測定した。また導電率は、シグマテストを用いて測定した。

本実施例１〜３はエンドリング部の引張強度およびロータバー部の導電率が本発明例の範囲を満たしており、従来例と比較して一定時間でエンドリングが変形しない許容回転数は極めて高く、いずれも４５０００ｍｉｎ^−１以上であった。また，モータの温度上昇は従来例に比べて６０〜８０％に抑えられた。
このように、エンドリング７を耐熱強度に優れたアルミニウム基複合材料で形成し、ロータバー６を導電率の高いアルミニウムで形成しているため、発熱が少なく高速回転時の遠心力に耐えうるかご型ロータを提供することができる。

図３は、本発明の第２の実施例を示す側断面図であり、縦型ダイキャストマシンにロータ部セットした状態を示している。図において、１８ａ、１８ｂはリング状の溝である。ロータコア２を縦型ダイキャストマシンの分割金型８、９間に収納し、エンドリング形成部７ａ、７ｂにリング状のプリフォーム１０ａ、１０ｂを設置する。なお、プリフォーム１０ａにはスロット５と連通する部分に、スロット５と同径の貫通穴１１が形成されている。またプリフォーム１０ａおよび１０ｂのスロット５と連通する部分に、各スロット５が繋がるようにリング状の溝１８ａおよび１８ｂが形成されている。ロータコア２およびプリフォーム１０ａ、１０ｂの中心に治具１２を挿通させた状態で固定し、エンドリング形成部７ａ、７ｂにはそれぞれ金型１３ａ、１３ｂを設け、金型１３ａにはエンドリング形成部７ａに連通する湯口１４を設けている。また、ロータコア２の下方に設けたピストン１５によって、片方の金型１３ａに設けた湯口１４より鋳造材の溶湯１６を鋳込むようにしている。湯口１４を通過した溶湯１６は、エンドリング形成部７ａに設置されたプリフォーム１０ａにマトリックス金属として充填されながら、一部の溶湯１６はプリフォーム１０ａに形成された貫通穴１１を通過してスロット５に浸入し、スロット５を経由して反対側のプリフォーム１０ｂを含むエンドリング形成部７ｂに充填される。溶湯１６が完全に充填された後、湯口に圧力が掛けられた直後に、ひけ巣発生を防止するために分割金型８上部に設けられた加圧ピン１７が作動する構成である。
次に、実際に本ダイキャストマシンを使用して、導電率が要求されるかご型の導体部を鋳造材で、強度が要求されるエンドリングを金属−セラミックス複合材料で形成したかご型ロータを製造した。ダイキャストマシンには８００トンのスクイズダイキャストマシンを使用し、溶湯温度は７００℃、鋳込み速度は５０ｍｍ／ｓ、プランジャーの圧力は７０ＭＰａとした。またダイキャスト材にはアルミニウム合金（Al-0.2wt％Fe、導電率５５％）を用い、ロータは電磁鋼板を積層したもの、ロータコア２の直径は９０ｍｍ、積厚は６０ｍｍとした。プリフォームは、平均粒径が１５μｍの炭化ケイ素粒子により形成されており、体積率が２０vol％となるように成形したものを用いた。湯口１４はロータコア２の円周状に六ヶ所等間隔で、加圧ピン１７はロータコア２の円周状に八ヶ所等間隔で配置し、以上の条件でダイキャストを行った。図４にダイキャストを行った鋳ばなしのかご型ロータの部分断面を示す。１９はアルミニウム基複合材料、２１はリング状導体部である。
続いて、指定形状に加工したロータを実際のモータに組み込んで３万９千回転での回転試験を行い、試験後の温度上昇を測定した。なお比較として、導体部を従来のＡＣ４Ｃ−Ｔ６材で製造したロータも同様の試験を行った。その結果、ＡＣ４Ｃ材のロータは試験後に１５０℃に温度上昇していたのに対して、本発明のロータは１００℃と温度上昇は低く、発熱を抑えることができた。
このようにかご型の導体部３を導電率の高いアルミニウム合金で形成し、その周辺のエンドリング７を耐熱強度に優れたアルミニウム基複合材料で形成しているため、導電率低下によるモータ損失をより少なくし、しかも高速回転時の遠心力に耐えうるかご型ロータを提供することができる。

図５は、本発明の第３の実施例を示す側断面図であり、縦型ダイキャストマシンにロータ部セットした状態を示している。実施例１とほぼ同様の構成で、金型内にセットしたプリフォーム１０ａ、１０ｂが分割金型９および金型１３ａ、１３ｂとの間に１ｍｍほどの隙間が開くようにプリフォームを作製・設置し、実施例１と同条件でダイキャストを行った。図６に、ダイキャストを行った鋳ばなしのかご型ロータの部分断面を示す。図において、１９はアルミニウム基複合材料、２０はアルミニウムである。ダイキャスト後のロータのエンドリング形成部７ａ、７ｂは、アルミニウム基複合材料１９の表面をダイキャスト材であるアルミニウム２０が覆った形状となっている。その後指定の形状に仕上げるために機械加工でロータ表面を１ｍｍほど削り込んだが、アルミニウム基複合材料より柔らかいアルミニウムを削るため、容易に切削でき、最終仕上げ加工により正確な形状を出すことができた。図７にその完成したロータコアの概観を、図８にかご型状の導体部をそれぞれ示す。また、本ロータをモータに組み込んで回転試験を行ったが、許容回転数は４５０００ｍｉｎ^−１以上であった。
このようにエンドリングの表面を柔らかいアルミニウムで覆っているため、一般的な工具で容易に機械加工でき、正確な形状にロータを仕上げ加工することができる。

なお本実施の形態では、ダイキャストマシンとしてスクイズダイキャストマシンを採用したが、特に本実施例の装置に限定されるものではない。ただし、鋳造欠陥をなるべく少なくするためには、鋳込み速度の遅いスクイズダイキャストマシンが望ましい。
なお本実施の形態では、ダイキャスト材としてアルミニウムやアルミニウム合金を、プリフォーム材として炭化ケイ素粒子を採用したが、特に本実施例の材料に限定されるものではない。例えば、ダイキャスト材としては銅合金を用いても良く、プリフォーム材としては、炭素やシリカ繊維、炭化ケイ素やホウ酸アルミニウムウィスカ、アルミナや窒化ケイ素粒子などを用いても良い。
なお本実施の形態では、プリフォームの体積率が１０〜３０vol％となるように成形したが、特に前記体積率に限定されるものではない。ただし、体積率が５vol％未満であるとプリフォームの強度が弱くなったり、要求される導体材料の強度が得られないため問題が発生する場合がある。また体積率が３０vol％を越えると、マトリックス金属の浸透が悪くなり、鋳巣発生の原因になるなど好ましくない場合がある。よってプリフォームの体積率は５％〜３０％の範囲が望ましい。

金属―セラミックス複合材料でエンドリング部を形成することによって耐熱強度に優れたモータを製造することができるので、高温環境で使用するモータにも適用できる。

本発明の第１実施例を示す縦型ダイキャストマシンへのロータ部セット構造の側断面図である。 本発明の第１実施例を示す鋳ばなし状態のロータの断面図である。 本発明の第２実施例を示す縦型ダイキャストマシンへのロータ部セット構造の側断面図である。 本発明の第２実施例を示す鋳ばなし状態のロータの部分断面図である。 本発明の第３実施例を示す縦型ダイキャストマシンへのロータ部セット構造の側断面図である。 本発明の第３実施例を示す鋳ばなし状態のロータの部分断面図である。 本発明の第３実施例を示すロータコアの斜視図である。 本発明の第３実施例を示すかご型状の導体部の斜視図である。 従来のかご型誘導電動機のロータ構造を示す斜視図である。

符号の説明

１ ロータ
２ ロータコア
２ａ コア（積層）
３ 導体部
４ 回転軸
５ スロット
６ ロータバー
７ エンドリング
７ａ、７ｂ エンドリング形成部
８、９ 分割金型
１０ａ、１０ｂ プリフォーム
１１ 貫通穴
１２ 治具
１３ａ、１３ｂ 金型
１４ 湯口
１５ ピストン
１６ 溶湯
１７ 加圧ピン
１８ａ、１８ｂ リング状の溝
１９ アルミニウム基複合材料
２０ アルミニウム
２１ リング状導体部

Claims (7)

1. 外周に複数のスロットを有するロータコアに、ロータバーおよびその両端の環状のエンドリングからなる導体部を高圧ダイキャスト法によりかご状に一体成形したかご型ロータにおいて、
   前記エンドリングの少なくとも一部をセラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材としダイキャスト材をマトリックスとした金属−セラミックス複合材料にて形成したことを特徴とするかご型ロータ。
2. 前記エンドリング部の引張強度が１５０℃で２０ｋｇ／ｍｍ^２以上で，かつ前記ロータバー部の導電率が５６％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする請求項１記載のかご型ロータ。
3. 前記エンドリングの内側に各ロータバーがかご状に繋がるようにリング状の導体部を前記ダイキャスト材で形成したことを特徴とする請求項１または２記載のかご型ロータ。
4. 前記エンドリング部の表面が前記ダイキャスト材で覆われていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のかご型ロータ。
5. 前記ダイキャスト材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のかご型ロータ。
6. 請求項１から５記載のかご型ロータの製造方法において、
   金型内のエンドリング形成部に、セラミックス粉末またはセラミックス繊維で予め形成したプリフォームを設置し、高圧ダイキャスト法によりアルミニウムまたはアルミニウム合金を鋳造し、ロータバーおよび複合材料からなるエンドリングを作製することを特徴とするかご型ロータの製造方法。
7. 前記プリフォームのうち湯口側のものは、スロットと対応する位置に貫通穴を形成したことを特徴とする請求項６記載のかご型ロータの製造方法。

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