JP2014195374A - 回転電機およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層構造の回転子鉄心のスロット内に導体をダイキャスト成形するかご型回転子を備えた回転電機で、ダイキャスト成形後に鉄心の切削加工や切断加工を不要とする回転電機を提供する。
【解決手段】薄鋼板積層の鉄心１に導体挿入部１１ｂと開口部１１ａとよりなるスロット１１が設けられ、該導体挿入部１１ｂ内には導体２がダイキャスト成形されたかご型回転子１００を備え、前記回転子１００の前記薄鋼板のすべての形状寸法が打ち抜きのみによって形成されているものである回転電機。
【選択図】図３

Description

この発明は回転電機に関するもので、特に積層された鉄心のスロット内に導体をダイキャスト成形して構成されたかご型回転子を備えた回転電機およびその製造方法に係るものである。

誘導電動機などの回転電機に適用されるかご型回転子は、従来からよく知られているように複数のスロットを有し、薄鋼板を積層して構成された回転子の鉄心に、アルミあるいはアルミ合金などの導電材をダイキャスト成形することで、導体とエンドリングとを形成している。
導体は鉄心の外周面まで充填されており、ダイキャスト成形のばらつきによって鉄心の外周面からはみ出すおそれがあり、固定子との干渉やエアギャップ不良による騒音発生、重量のアンバランスによる振動発生などの問題を防止するため、通常、ダイキャスト成形後に鉄心の外周面の切削を行って外周形状調整、バランス調整を行っている。

また、前記外周面の切削を行わない例として、原形スロットの外周部が橋絡部によって閉塞した形態の原形鉄心を形成する。この原形鉄心にアルミニウムのダイキャスト成形により原形スロット内に導体を設け、その後導体が設けられた原形鉄心の橋絡部分を、橋絡部の周方向幅寸法より大きい幅寸法で切断除去する。これにて切削加工を行うことなく回転子鉄心の開放形スロット内に導体を有する回転体が完成する技術が示されている（例えば、特許文献１）。

特開平０７−２８８９５８号公報

一般に導体に流れる電流は、表皮効果によって回転子の外周面付近に多く流れる。そのため隣接するスロット内の導体との電位差が回転子の外周面付近で高くなる。この傾向は起動時や低速運転時において特に大きい。前述した従来例のような回転子の場合、ダイキャスト成形後に鉄心の外周切削を行っているので、導体と鉄心とはスロットの切削部分で接触している場合には導通の可能性があり、鉄心の外周面の近傍で横断電流が流れる。この横断電流はトルク発生には全く寄与せず熱として消費されるため効率低下を招き、また前記切削加工は余分なコストがかかるという問題点がある。

一方、特許文献１に示される技術では、橋絡部分を切断除去するのに上型、下型を具備する打ち抜き装置を用いているが、回転子の軸長が長く、積層鋼板の材質、板厚によっては、橋絡部分を除去するための切断荷重が過大となり加工が困難となる。またスロットがスキューされている場合、切断経路が蛇行するので切断が非常に困難であり、品質が不安定となる。また加工時のねじり反力発生防止の専用具の設置、さらにはスロット数に合わせた切削刃を複数個用いる必要があるため高コストとなるという問題点があり、現実的な技術ではない。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、積層鉄心を構成する薄鋼板はすべての形状寸法が打ち抜きのみによって形成されているものである。すなわちすべての打ち抜き面において、その薄鋼板の厚さ方向全面にわたり打ち抜きによる破断面を備えているものである。このような回転電機の回転子は、その製造過程において、鉄心に対して切削加工が全く施す必要のない、かつ鉄心外周面近傍での横断電流による横流損を低減した回転電機およびその製造方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、回転電機であって、薄鋼板を積層して形成された鉄心に導体挿入部と開口部とよりなるスロットが設けられ、前記導体挿入部内に導体がダイキャスト成形されたかご型回転子を備え、積層して形成された鉄心の薄鋼板は、すべての形状寸法が打ち抜きのみによって形成されているものである。
第２の発明は、第１の発明に係る回転電機の製造方法であって、薄鋼板の打ち抜き工程において、スロットの開口部にはプッシュバック方式によって押し戻された橋絡部が設けられ、鉄心の導体挿入部内に、導体がダイキャスト成形された後、橋絡部が鉄心の径方向に引き抜かれて除去されるものである。

第１の発明に係る回転電機は上記のような構成を採用しているので、導体がスロットの導体挿入部に設けられているので、横断電流が流れやすい回転子の外周面付近での横流損が低減し、回転電機の効率を向上させる。またすべての形状寸法が打ち抜きのみによって形成されているので、高精度でかつばらつきの少ない回転電機が得られまた、従来の如く、外周面切削に起因する積層鉄心間の短絡や切り粉の残存による短絡も防止でき、さらには外周切削という余分な加工を必要とせず、工程数が少なくコスト低減が可能な回転電機を提供できる。

第２の発明に係る回転電機の製造方法は、前記のような製造法を採用しているので、第１の発明と同様の効果がある。

実施の形態１によるかご型回転子を示す斜視図である。 実施の形態１によるかご型回転子の断面と部分側面を示す図である。 実施の形態１によるかご型回転子の正面の断面図である。 実施の形態１による閉スロット鉄心を示す正面図である。 実施の形態１による導体を導体挿入部に挿入した状態を示す拡大図である。 実施の形態１による橋絡部を除去した状態を示す断面図である。 実施の形態１による薄鋼板打ち抜き部の状態を示す拡大図である。 実施の形態１による開口部を示す拡大断面図である。 実施の形態２による閉スロット鉄心を示す正面図である。 実施の形態２による開口部を示す拡大断面図である。 実施の形態３による閉スロット鉄心を示す図である。 実施の形態３による開口部を示す拡大断面図である。 実施の形態４による開口部を示す拡大断面図である。 実施の形態４による橋絡部の除去中を説明する図である。 実施の形態４による橋絡部の除去後を説明する図である。 実施の形態４による開口部を示す拡大断面図である。 回転子の電流分布と横断電流の比較例を示す図である。

実施の形態１．
以下、この発明における実施の形態１について、図を基にして説明する。
図１〜図３は、実施の形態１による回転電機のかご型回転子１００（以降、回転子１００と称呼する）の回転軸挿入前の状態を表しており、図１は斜視図、図２は断面と部分側面を示す図であり、図３は正面断面図である。この回転子１００は鉄心１、導体２およびエンドリング２ａとから構成される。
鉄心１は、例えば０．３５ｍｍ厚の珪素鋼板を複数枚積層して構成され、図３のように鉄心１の外周面１ａで開口される開口部１１ａを有するスロット１１が複数設けられ、回転軸を挿入する内周面１ｂを有す。なお鉄心１は鋼板を徐々に回転させながら積層し、図２のように軸方向に所定の角度を設けたスキューＳを有する。
導体２は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金などの導電材がダイカスト成形によって形成され、鉄心１のスロット１１の導体挿入部１１ｂに挿入されており、それらと鉄心１の両端面で連結するエンドリング２ａが設けられている。
上記構成の回転子１００の製造手順を以下に述べる。製造は、打ち抜き工程、ダイカスト工程、除去工程の順に行う。
まず、打ち抜き工程によって前段階の状態である図４に示す閉スロット鉄心１ｃを形成する。次に閉スロット鉄心１ｃは前述のスキューＳを有するように積層される。この閉スロット鉄心１ｃのスロット１１は、外周面１ａ側に設けられた橋絡部１ｄによって一時的に閉じられている。この橋絡部１ｄは閉スロット鉄心１ｃの打ち抜き工程にて一旦切り離され、既存の技術であるプッシュバック方式によって閉スロット鉄心１ｃに押し戻されることで構成される。このとき、橋絡部１ｄは打ち抜きによる材料の塑性伸びを圧入代として圧入され、圧入力と摩擦力によって保持されている。また図５に示すように橋絡部１ｄは、中央付近に穴１ｆが設けられているとともに外周面１ａと導体挿入部の頂部１１ｃをつなぐ境界部１ｅに設けてある。

上記のように構成された閉スロット鉄心１ｃに既存の技術であるダイカスト成形を行い、導体２を構成する（ダイカスト工程）。このとき導体２は融解アルミニウムをスロット１１の導体挿入部の頂部１１ｃより内周面１ｂ側の導体挿入部１１ｂ内に充填されるとともに、エンドリング２ａは積層された閉スロット鉄心１ｃの軸方向端面と図示しない成形金型に囲まれた領域に融解アルミニウムが充填され、導体２と連結するように構成される。このときスロット１１は橋絡部１ｄによって閉じられているため、融解アルミニウムは閉スロット鉄心１ｃの外周面１ａ側に漏れ出すことはない。また、図５に示すエンドリング２ａの外径を示す線Ｂは橋絡部１ｄに設けた穴１ｆより内周側となるように構成し、融解アルミニウムが穴１ｆに流れ込まないようにする。このような状態でアルミニウムを硬化し導体２およびエンドリング２ａを形成する。
最後に、導体２が設けられた閉スロット鉄心１ｃの橋絡部１ｄを除去することによってスロット１１の開口部１１ａが形成される。このとき、橋絡部１ｄに設けられた穴１ｆに、例えば鉄線などの紐状の道具を通し、橋絡部１ｄを図５に示す径方向Ａに引くことで、閉スロット鉄心１ｃの橋絡部１ｄを引抜き除去し、最終状態である鉄心１を構成する。こうして構成された回転子１００は図３、図６に示すようにスロット１１の外周面１ａ側に導体２が存在しない開口部１１ａを有する。このような実施の形態１の構造を採用することによって、比較例の鉄心外周面まで導体が充填された図１７（ａ）に示す電流分布に起因する図１７（ｂ）に示すような鉄心１の外周面１ａの近傍に横断電流Ｉの流れが抑制される。

ここでこの発明の優れた特徴の１つである鉄心１を構成する薄鋼板が打ち抜かれた面のすべてに、その薄鋼板の板厚方向全面にわたり破断面を備えていることを説明する。
プレス方向をｐとした場合の打ち抜き後の薄鋼板である珪素鋼板２０の板厚方向断面を図７に示す。図７（ａ）は図示省略した打ち抜き専用工具の上型と下型とのクリアランスが適切に選定された場合の例を示す。図７（ｂ）はクリアランスが適切でない場合の例を示す。図７（ａ）に示すように珪素鋼板２０の厚さｔの全面にわたって打ち抜き面が形成されている。このような面を破断面Ｈと称呼する。このような厚さｔの全面にわたって破断面Ｈが形成されていると後述するカエリＣが形成されず、かつ高寸法精度の鉄心１が得られ、鉄心１の切削加工は不要となる。一方図７（ｂ）に示すように厚さｔ方向のごく一部分に前記破断面Ｈが形成され、この破断面Ｈの打ち抜き方向の下方には剪断面Ｄが形成され、かつカエリＣで示すカエリ部が形成される。
このカエリＣを有する珪素鋼板２０をそのままとして積層すると回転電機の磁気諸特性に悪影響を及ぼすので何らかの方法によって除去される。この発明は磁気的に安定した高寸法精度の回転子１００を備えた回転電機を安価なコストで提供するものであり、鉄心１を構成する珪素鋼板２０が所定の形状の寸法を打ち抜かれたすべての面の、厚さ方向の全面にわたり破断面Ｈを備えているものである。

従って、図４〜図６に基づいて前述した製造方法による導体の成形方法および上記鉄心１のすべての打ち抜き面が破断面Ｈを有することから、回転子１００の製造工程において比較例技術で示されるような鉄心１への切削加工は全く必要とされないものである。

このような実施の形態１によれば、以下のような効果が得られる。
回転子１００はスロット１１の外周面１ａ側に導体２が存在しない開口部１１ａを有するので外周面１ａ付近の鉄心と導体間の導通が抑制され、横断電流損を低減でき、回転子１００の効率を向上することができる。
また橋絡部１ｄの打ち抜きはプッシュバック方式により一旦切り離し後に打ち抜き薄鋼板に押し戻し、橋絡部１ｄを径方向に引抜き除去できるようにしたことで、回転子１００にスキューＳがある場合や回転子１００の軸長が長い場合にも、容易に上記形状の回転子１００が実現可能となる。
さらに回転子１００の外周切削を行う必要がないため、装置初期コストや工具摩耗などのランニングコストを抑えることができ、特に鉄心１の打ち抜き面は高精度となるので、ばらつきが少なく、品質が安定する。
そして橋絡部１ｄは前記境界部１ｅに設けられるとともに中央付近に穴１ｆを有し、この穴１ｆを用いて橋絡部１ｄを除去するようにしたことで、使用する材料の量を抑えることができる。

なお上記説明では開口部１１ａの幅を一定としたが、図８（ａ）に示すように、導体挿入部の頂部１１ｃにおける開口部寸法Ｗ１＜外周面１ａにおける開口部寸法Ｗ２としてもよい。
また図８（ｂ）に示すように、外周面１ａにおける開口部寸法をＷ３＞開口部寸法Ｗ１とし、このＷ３を導体挿入部の頂部１１ｃの開口部寸法Ｗ１を境界部１ｅのほぼ中間付近に至る長さｈまでとし、これ以降を外周面１ａに対して逆台形状の突出部を設けた開口部１１ａとし、ここに突出部１ｄ−１を有する橋絡部１ｄとしてもよい。

実施の形態２．
実施の形態２の橋絡部１ｄを図９に示す。
この実施の形態２による閉スロット鉄心１ｃは実施の形態１と同様にプッシュバック方式によって打ち抜き後に押し戻された橋絡部１ｄを有する。この橋絡部１ｄは外周面１ａより外側に突き出した逆台形の突出部１ｄ−１状を有し、突出部１ｄ−１の角は鋭角となるように構成される。
このような構成の閉スロット鉄心１ｃは、実施の形態１と同様にスロット１１にダイカスト成形によって導体２にエンドリング２ａが設けられる。
こうして得られた鉄心１及び導体２から、橋絡部１ｄを引抜き除去する。このとき、突出部１ｄ−１の斜面を支持し、径方向に引くことで閉スロット鉄心１ｃの橋絡部１ｄを引抜き除去し、最終状態である鉄心１となり、回転子１００を構成する。
このような実施の形態２によれば、実施の形態１と同様な効果に加え、橋絡部１ｄを支持しやすく、安定して引きぬき除去ができる。

この実施の形態２では、開口部１１ａの幅を一定としたが、図１０に示すような形状、すなわち前述した実施の形態１の図８（ａ）、（ｂ）と同様の開口部１１ａとしても、同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図１１は、実施の形態３の閉スロット鉄心１ｃを示す。
この実施の形態３による橋絡部１ｄは実施の形態２と同様の形状を有し、さらに橋絡部１ｄの中央部に所定の深さを有するスリットＳＴが設けられている。
この橋絡部１ｄの除去は、実施の形態２と同様に橋絡部１ｄの突出部１ｄ−１を支持するが、このとき橋絡部１ｄを図１１中Ｃ方向に加圧し弾性変形させて除去する。
このような実施の形態３によれば、実施の形態１と同様な効果に加え、橋絡部１ｄの中央部にスリットＳＴを設け、橋絡部１ｄを除去するとき、図１１中Ｃ方向に加圧し弾性変形させて除去するようにしたことで、例えば大型の回転子など橋絡部１ｄと鉄心１との摩擦が大きい場合に、摩擦を低減させることができ、実施の形態１、２よりも安定して引抜き除去ができる。

この実施の形態３では、開口部１１ａの幅を一定としたが、図１２に示すような形状、すなわち実施の形態１の図８（ａ）、（ｂ）と同様の開口部１１ａとしても同様の効果が得られる。

実施の形態４．
図１３は、実施の形態４の橋絡部１ｄの形状を示す断面図である。
この実施の形態４によると実施の形態２と同様に橋絡部１ｄは鉄心１の外周面１ａより外側に突き出した突出部１ｄ−１を有するが、橋絡部１ｄのスロット側幅寸法Ｗ１１が外周面１ａの幅寸法Ｗ１２より大きい形状を採用している点が異なる。
この実施の形態４では実施の形態２と同様に、橋絡部１ｄの除去は突出部１ｄ−１を支持し、径方向に引き抜くが、このとき鉄心１は図１４においてＦ方向に弾性変形し、鉄心１と導体２がＥ部において接合が剥がれる。橋絡部１ｄのＷ１１とＷ１２との寸法差を微小と設定しているので、鉄心１の変形が弾性変形となり、橋絡部１ｄの除去後は図１５のように鉄心１は元の位置に戻る。
このような実施の形態４によれば、橋絡部１ｄのスロット側幅寸法Ｗ１１を外周面側幅寸法Ｗ１４より微小に大としているので、引抜き工程でＥ部で鉄心１と導体２の接合が剥がれるようになり、鉄心１と導体２間の導通がさらに抑制され、回転子１００の効率をさらに向上することができる。

実施の形態４では開口部１１ａの幅を一定としたが、例えば図１６に示すような開口部１１ａに凹部１１ａ−１を設けた形状としてもよい。

尚、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 鉄心、１ａ 外周面、１ｂ 内周面、１ｃ 閉スロット鉄心、１ｄ 橋絡部、
１ｄ−１ 突出部、１ｅ 境界部、１ｆ 穴、２ 導体、１１ スロット、
１１ａ 開口部、１１ｂ 導体挿入部、１１ｃ 導体挿入部の頂部、２０ 薄鋼板、
Ｈ 破断面、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 開口部寸法、１００ かご型回転子、ＳＴ スリット。

Claims (8)

1. 回転電機であって、薄鋼板を積層して形成された鉄心に導体挿入部と開口部とよりなるスロットが設けられ、前記導体挿入部内に導体がダイキャスト成形されたかご型回転子を備え、
   前記積層して形成された前記鉄心の前記薄鋼板は、すべての形状寸法が打ち抜きのみによって形成されているものであることを特徴とする回転電機。
2. 前記薄鋼板の厚さ方向全面にわたり、前記打ち抜き時に形成された破断面を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記スロットは前記鉄心の軸長手方向にスキューされていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記スロットの前記開口部は、前記導体挿入部の頂部から前記鉄心の外周面につながるように設けられており、前記導体挿入部の頂部における前記開口部の寸法が、前記鉄心の外周面における前記開口部の寸法より小さいことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
5. 請求項１に記載の回転電機の製造方法であって、前記薄鋼板の打ち抜き工程において、前記スロットの前記開口部にはプッシュバック方式によって押し戻された橋絡部が設けられ、
   前記鉄心の前記導体挿入部内に、前記導体がダイキャスト成形された後、前記橋絡部が前記鉄心の径方向に引き抜かれて除去されることを特徴とする回転電機の製造方法。
6. 前記橋絡部は、該橋絡部に設けられた穴を用いて引き抜かれることを特徴とする請求項５に記載の回転電機の製造方法。
7. 前記橋絡部は、前記鉄心の外周面より突出して形成された逆台形状の突出部を有し、該突出部を支持して引き抜かれることを特徴とする請求項５に記載の回転電機の製造方法。
8. 前記橋絡部は、前記突出部の中央部に所定の深さを有するスリットが設けられていることを特徴とする請求項７に記載の回転電機の製造方法。

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