JP2015133784A - 誘導モータ - Google Patents

Abstract

【課題】高効率、高信頼性、低振動及び低騒音を達成できる誘導モータを提供する。【解決手段】この誘導モータはロータコアと複数のロータ導体30とを具備する。ロータコアはシャフト孔と複数のスロットとを備えている。複数のスロットはシャフト孔及び側面のそれぞれから離間しており、シャフト孔を囲むように配置されている。ロータ導体30はスロットの中に配置されている。ロータ導体は芯材としての多孔質部分を含んでいる第1部材31とこれよりも電気抵抗が高い第2部材32とを含む。第2部材32は第1部材31の多孔質部分に含浸しており且つスロットの内側面に接している。ロータ導体30の第1部分30Aにおける第2部材32の体積割合は、第1部分30Aよりもロータコア10のシャフト孔側に位置しているロータ導体30の第2部分30Bにおける第2部材32の体積割合よりも高い。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は誘導モータに関する。

一般に、誘導モータは、電磁鋼板から打ち抜かれて成形されたコアの積層体からなる筒状のロータコアと、ロータコアのそれぞれの底面に対向する２つのエンドリングと、ロータコアの一方の底面から他方の底面へと貫通して２つのエンドリングを電気的に接続する複数のロータ導体とから構成されている。ロータコアは、一般に、誘導モータの回転軸となるシャフトが挿入されるシャフト孔を備える。ロータ導体は、一般に、シャフト孔から離間し且つシャフト孔を囲むように設けられた複数のスロットのそれぞれの中に配置される。２つのエンドリングとロータ導体とは、例えばアルミニウム製であり、低圧鋳造法又はダイキャストなどの方法により一体成形されている。

近年、誘導モータの効率向上のため、アルミニウムよりも電気抵抗が低い銅がロータ導体としての材料として使用されるようになっている。しかしながら、銅の融点は、純銅で１０８３℃であり、例えば純アルミニウムでは６６０℃であるアルミニウムの融点よりも高いため、アルミニウム用の製造設備では製造できない。また、鉄系材料からなる金型を用いて銅系材料を低圧鋳造やダイキャストで用いて成形しようとすると、金型の消耗が激しくなる。すなわち、銅をロータ導体として使用すると、製造設備や金型費を含めた製造コストが急増するという課題があった。

銅の高い融点を原因とした問題を解決するために、一体成形によらずエンドリングとロータ導体とを接合する方法も開発されている。しかしながら、一体成形によらない方法では、ロータコアのスロットとロータ導体との間のクリアランスをなくすには限界がある。ロータコアのスロットとロータ導体との間にクリアランスが存在すると、モータの高速回転において、振動や騒音が発生するという問題がある。また、銅の標準電極電位は２５℃で＋０．３４Ｖであり、アルミニウムの標準電極電位は２５℃で−１．６６Ｖであり、両者の標準電極電位の差が大きい。そのため、ロータコアのスロットとロータ導体との間にクリアランスが存在し、吸湿等の影響でこのクリアランスに水分が存在すると、ガルバニック腐食が進行し、アルミニウム部材の腐食による損傷が懸念される。そのため、ロータコアのスロットとロータ導体との間にはクリアランスがないことが望ましい。

アルミニウム材料と銅材料とを一体成形により接合するためのろう材として、低融点のスズを用いる技術も開発されている。しかしながら、アルミニウム材と銅材との間に錫が存在すると、錫の電気伝導率は純錫で１５％ＩＡＣＳであり低いため、銅材料とアルミニウム材料との接合界面の電気抵抗が増加し、モータ効率が低下するという問題があった。

特開２０１２−１９１７８９号公報 特開２００２−３３５６５９号公報

（社）日本銅センター、銅モータロータ分解結果、２０１２年１０月

本発明が解決しようとする課題は、高効率、高信頼性、低製造コスト、低振動及び低騒音を達成できる誘導モータを提供することにある。

実施形態によると、誘導モータが提供される。この誘導モータは、ロータコアと、複数のロータ導体とを具備する。ロータコアは、第１の底面と、第２の底面と、第１の底面及び第２の底面の間に位置する側面とを有する筒型形状を有する。ロータコアは、シャフト孔と、複数のスロットとを備えている。シャフト孔は、第１の底面から第２の底面まで貫通している。複数のスロットは、シャフト孔及びロータ導体側面のそれぞれから離間しており、シャフト孔を囲むように配置されている。複数のスロットは、それぞれ、第１の底面から第２の底面まで貫通しており、内側面を有している。複数のロータ導体は、それぞれ、複数のスロットのそれぞれの中に配置されている。ロータ導体は、芯材としての第１の部材と、第２の部材とを含む。第１の部材は、少なくとも表面に多孔質部分を含んでいる。第２の部材は、第１の部材の多孔質部分に含浸している。第２の部材は、ロータコアのスロットの内側面に接している。第２の部材の融点は、第１の部材の融点よりも低い。第２の部材の電気抵抗は、第１の部材の電気抵抗よりも高い。ロータ導体は、第２の部材の一部分を含む第１の部分と、第２の部材の他の部分を含む第２の部分とを含む。ロータ導体の第２部分は、第１の部分よりもロータコアのシャフト孔側に位置している。第１の部分における第２の部材の体積割合は、第２の部分における第２の部材の体積割合よりも高い。

図１は、実施形態に係る一例の誘導モータの概略斜視図である。 図２は、図１に示す誘導モータが具備するロータコアの概略斜視図である。 図３は、図１に示す誘導モータの一平面における概略断面図である。 図４は、図１に示す誘導モータの他の平面における概略断面図である。 図５は、実施形態に係る誘導モータが具備することができる複数の例のロータ導体の概略断面図である。 図６は、図５に示すそれぞれの例のロータ導体の第１の部材の概略断面図である。 図７は、実施形態に係る誘導モータが具備することができる他の複数の例のロータ導体の概略断面図である。 図８は、図７に示すそれぞれの例のロータ導体の第１の部材の概略断面図である。 図９は、実施例１の誘導モータが具備するロータ導体の第１の部材及び第２の部材の存在状態を示した図である。 図１０は、実施例２の誘導モータが具備するロータ導体の第１の部材及び第２の部材の存在状態を示した図である。 図１１は、実施例３の誘導モータが具備するロータ導体の第１の部材及び第２の部材の存在状態を示した図である。 図１２は、実施例４の誘導モータが具備するロータ導体の第１の部材及び第２の部材の存在状態を示した図である。

以下に、実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施の形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術とを参酌して、適宜設計変更することができる。

（実施形態）
実施形態によると、誘導モータが提供される。この誘導モータは、ロータコアと、複数のロータ導体とを具備する。ロータコアは、第１の底面と、第２の底面と、第１の底面及び第２の底面の間に位置する側面とを有する筒型形状を有する。ロータコアは、シャフト孔と、複数のスロットとを備えている。シャフト孔は、第１の底面から第２の底面まで貫通している。複数のスロットは、シャフト孔及び側面のそれぞれから離間しており、シャフト孔を囲むように配置されている。複数のスロットは、それぞれ、第１の底面から第２の底面まで貫通しており、内側面を有している。複数のロータ導体は、それぞれ、複数のスロットのそれぞれの中に配置されている。ロータ導体は、芯材としての第１の部材と、第２の部材とを含む。第１の部材は、少なくとも表面に多孔質部分を含んでいる。第２の部材は、第１の部材の多孔質部分に含浸している。第２の部材は、ロータコアのスロットの内側面に接している。第２の部材の融点は、第１の部材の融点よりも低い。第２の部材の電気抵抗は、第１の部材の電気抵抗よりも高い。ロータ導体は、第２の部材の一部分を含む第１の部分と、第２の部材の他の部分を含む第２の部分とを含む。ロータ導体の第２部分は、第１の部分よりもロータコアのシャフト孔側に位置している。第１の部分における第２の部材の体積割合は、第２の部分における第２の部材の体積割合よりも高い。

実施形態に係る誘導モータが具備するロータ導体は、第２の部材がロータコアのスロットの内側面に接している。また、第１の部材の多孔質部分及びそれに含浸した第２の部材は、アンカー効果を発揮することができ、そのおかげで、製造過程及び使用過程における熱応力による第１の部材と第２の部材との間の剥離を防ぐことができる。これらの結果、実施形態に係る誘導モータは、ロータコアとロータ導体との間のクリアランスが生じるのを防ぐことができる。

更に、実施形態に係る誘導モータが具備するロータ導体は、芯材としての第１の部材が第２の部材よりも電気抵抗が低い。また、ロータ導体は、第１の部分における第２の部材の体積割合が、第１の部分よりもロータコアのシャフト孔側に位置する第２の部分における第２の部材の体積割合よりも高い。そのため、ロータ導体は、誘導モータの回転軸から離れた第１の部分の電気抵抗が誘導モータの回転軸に近い第２の部分の電気抵抗よりも高い。このようなロータ導体を具備する実施形態に係る誘導モータは、始動時トルクを高めることができる。

このように、実施形態に係る誘導モータは、ロータ導体とロータコアとの間のクリアランスの発生を抑制でき、優れた効率を示すことができる。よって、実施形態に係る誘導モータは、高効率、高信頼性、低振動及び低騒音を達成することができる。

加えて、実施形態に係る誘導モータは、第２部材の融点が第１部材の融点より低いため、ロータ導体を製造する設備、例えば金型の寿命を延伸することができる。そのため、実施形態に係る誘導モータは、低製造コストを実現することができる。

次に、実施形態に係る誘導モータをより詳細に説明する。

ロータコアとしては、例えば、電磁鋼を含むものを用いることができる。ロータコアは、電磁鋼板の積層体でもよいし、又は電磁鋼帯でもよい。電磁鋼板は、無方向性電磁鋼板でもよいし、又は方向性電磁鋼板でもよい。電磁鋼帯は、無方向性電磁鋼帯でもよいし、又は方向性電磁鋼帯でもよい。無方向性の電磁鋼では鋼材の全ての方向にほぼ均一な磁気特性が得られるため、電磁鋼は無方向性であることが好ましい。

実施形態に係る誘導モータは、ロータコアの第１の底面と第２の底面とにそれぞれ対向した２つのエンドリングを更に具備することができる。２つのエンドリングは、複数のロータ導体を介して電気的に接続され得る。２つのエンドリングは、ロータ導体の第２の部材と一体成形されていることが好ましい。このようなロータ導体及び２つのエンドリングは、例えば、鋳造などにより容易に一体成形することができる。

ロータ導体の芯材としての第１の部材は、例えば、バルク部分と、このバルク部分の表面に形成された多孔質部分とを含むことができる。ここで、バルク部分とは、鋳造材料、又は、塑性加工をした展伸材料であり、不可避な空孔欠陥以外ほぼ１００％の中実な部分である。

第１の部材のバルク部分としては、展伸材、又は鋳造材を用いることができる。

多孔質部分の材料は、バルク部分と同質又は異質材料から選定しても良いが、少なくとも第２の部材より融点が高く、電気伝導率が第２部材と同等以上のものが望ましい。

多孔質部分の空間率と比例する表面積は、特に制限すべきでないが、少なくとも平面の場合と比較して２倍以上、空間率として３０〜７０ｖｏｌ%であることが望ましい。空間率がこの範囲内にあると、第２の部材の含浸がより容易であると共に、多孔質部分の強度を十分に確保することできる。多孔質部分の厚さおよび平均孔径は、特に制限すべきでないが、第１の部材と第２の部材の界面強度と電気伝導率のバランス及び第２部材の多孔質部分への含浸の難易度によって適宜に選定する。一般に、多孔質部分は、厚さが数十μｍ〜数ｍｍであることが望ましく、平均孔径が数十μｍ〜数ｍｍであることが望ましい。

或いは、ロータ導体の第１の部材は、全体が多孔質であってもよい。例えば、このような第１の部材は、多孔質粉末焼結体であり得る。

ロータ導体の第１の部材に含まれる材料としては、例えば、銅、電気伝導率が８０％ＩＡＣＳ以上の銅合金及びセラミックス粒子分散強化銅を挙げることができる。具体例としては、Ｃ１０２０無酸素銅材、Ｃ１１００タフピッチ銅材、アルミナ粒子が分散したＣ１０２０無酸素銅材が挙げられる。Ｃ１０２０無酸素銅材は、電気伝導率が約１００％ＩＡＣＳであり、融点が１０８３℃である。Ｃ１１００タフピッチ銅材は、電気伝導率は約９７％ＩＡＣＳであり、融点が１０８３℃である。０．５重量％のアルミナ粒子が分散した強化Ｃ１０２０無酸素銅材に０．５重量％のアルミナ粒子が分散した強化銅は、電気伝導率が約９７％ＩＡＣＳであり、融点が１０８３℃である。Ｃ１０２０無酸素銅材にアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）粒子が分散した強化銅は、Ｃ１０２０無酸素銅材に比べて、室温強度及び高温強度に優れる。

ロータ導体の第１の部材のバルク部分は、上記材料を２種類以上含むこともできる。上記材料を２種類以上含むバルク部分は、例えば、クラッド材であってもよい。クラッド材とは、上記材料を２種類以上貼り合わせたものである。

なお、本願明細書において、電気伝導率（単位：％ＩＡＣＳ）は、国際標準軟銅線の電気伝導率を１００％ＩＡＣＳとした際の、各材料の相対電気伝導率である。国際標準軟銅線の電気伝導率は、２０℃の温度で、１．７２μΩ・ｃｍである。

ロータ導体の第２の部材に含まれる材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金及びセラミックス粒子分散強化アルミニウムを挙げることができる。具体例としては、Ａ１０５０アルミニウム材、Ａ１０８０アルミニウム材、Ａ１１００アルミニウム材などの純アルミニウム材及びＡ６０６１アルミニウム材、Ａ４０３２アルミニウム材などのアルミニウム合金材を用いることができる。Ａ１０５０アルミニウム材は、電気伝導率が約６０％ＩＡＣＳであり、融点が６５７℃である。Ａ１０８０アルミニウム材は、電気伝導率が約６１％ＩＡＣＳであり、融点が６５７℃である。Ａ１１００アルミニウム材は、電気伝導率が約５９％ＩＡＣＳであり、融点が６５７℃である。Ａ６０６１アルニミウム材は、電気伝導率が約４７％ＩＡＣＳであり、融点が６５２℃であり、Ａ４０３２アルミニウム材は、電気伝導率が約４０％ＩＡＣＳであり、融点が５７１℃である。この中で、Ａ４０３２アルミニウム合金材は、融点が低く、溶湯流動性が高いため、ダイキャスト鋳造に特に適している。

先に説明したように、ロータ導体のうち第１の部分における第２の部材の体積割合は、ロータ導体のうち第１の部分よりもシャフト孔側に位置する第２の部分における第２の部材の体積割合よりも高い。第１及び第２の部分における第２の部材の体積割合の差が大きいほど、始動時トルクが大きくなる。更に、ロータ導体がロータコアのシャフト孔側からロータコアの側面側に向かって増加する第２の部材の体積割合の傾斜を有していると、始動時トルクを更に大きくすることができる。例えば、ロータ導体が、先に説明した全体が多孔質である第１の部材を含み、この第１の部材がその一端から他端に向けて減少する空隙率の傾斜を有しているものを用いると、第２の部材の体積割合がこのように傾斜したロータ導体を得ることができる。

なお、一般に、アルミニウムの低圧鋳造、ダイキャスト法、溶湯鋳造などは、大気中でアルミニウムを溶融し、金型のキャビティ内に高速で溶湯を充填し、加圧して、鋳造を行っている。これらの鋳造では、キャビティ内に流入したアルミニウム溶湯表面に酸化被膜が形成し、この酸化被膜は製品内部に一部残存することがある。そのため、金型方案は、一般に、エアー抜き部、押し湯部などに酸化被膜を排出できるように設計されている。しかしながら、キャビティ内に銅材料のような挿入部材が存在すると、流入したアルミニウム溶湯が挿入部材の表面に接触すると同時に凝固が進行し、アルミニウム溶湯の表面の酸化被膜が界面に滞留してしまう。滞留した酸化被膜は、アルミニウムと銅との拡散反応を障止する。ここで、アルミニウムの熱膨張係数は、純アルミニウムで２３×１０^-6／℃であり、純銅１６．６×１０^-6／℃である銅の熱膨張係数との差が大きい。そのため、アルミニウムと銅との拡散が十分に進行していないアルミニウムと銅との接合界面では、製造過程及び使用過程において熱応力により剥離が生じやすい。その結果、上記クリアランスが生じて、振動、騒音及びガルバニック腐食の問題が懸念される。

実施形態に係る誘導モータは、銅を含み得る芯材としての第１の部材と、アルミニウムを含み得る第２の部材とを含むロータ導体を具備している。しかしながら、実施形態に係る誘導モータは、先に説明したように、第１の部材の多孔質部分及びそれに含浸した第２の部材が、アンカー効果を発揮することができ、そのおかげで、製造過程及び使用過程における熱応力による第１の部材と第２の部材との間の剥離を防ぐことができる。そのおかげで、実施形態に係る誘導モータは、ロータ導体とロータコアとの間のクリアランスの発生を抑えることができ、ひいてはクリアランスを原因とする振動、騒音及びガルバニック腐食を抑えることができる。

誘導モータが具備するロータ導体の各部分における第１の部材及び第２の部材の存在は、以下の手順で確認することができる。

まず、各部分における断面の顕微鏡写真を撮る。撮った顕微鏡写真を画像解析することにより、その視野における第２の部材が占める面積率を算出することができる。この面積率を体積率に変換することで、ロータ導体の各部分における第２の部材の体積割合を求めることができる。

誘導モータが具備するロータ導体が含む第１の部材の電気抵抗と、ロータ導体及びエンドリングが含む第２の部材の電気抵抗とは、以下の手順で測定することができる。

まず、ロータ導体の第１の部材及び第２の部材からそれぞれ棒状の試験片を採取する。試験片の両端に電流端子を接続して、一定の電流を流した際の電圧降下量を電流端子間に接続した電圧端子にて計測する。これらの結果をオームの法則に適用することで、ロータ導体の第１の部材及び第２の部材の電気抵抗を算出することができる。このような方法は、四端子法と呼ばれる。

ロータ導体の第１の部材は、例えば以下の手順で製造することができる。

＜全体が多孔質である第１の部材の製造方法の例＞
全体が多孔質であるロータ導体の第１の部材は、例えば以下に説明するように、粉末冶金法によって製造することができる。

まず、先に説明した第１の部材の材料を含む複数の平均粒径を持った金属粉末を準備する。準備した金属粉末を平均粒径の小さい（又は大きい）順に金型に入れ、圧縮成形を行った後、金属粉末の溶融温度以下の温度（例えば：溶融温度Ｔ_m×０．８）で真空または不活性ガス雰囲気下で加熱して焼結することにより、多孔質体であるロータ導体の第１の部材を得ることができる。なお、圧縮成型時、成形体の形状を維持するため、金属粉末にバインダ、例えばＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を添加しても良い。

ここで、製造しようとする第１の部材の形状に合わせて金型を選択することにより、様々な形状のロータ導体の第１の部材を製造することができる。また、図６に示すように、所定形状の金型のキャビティ内にロータ導体のシャフト孔側からロータコアの側面側に向かって複数の金属粉末を平均粒径の小さい方から大きい方へ順に充填し、圧縮成形を行った後、焼結することによって、ロータ導体のロータコアのシャフト孔側からロータコアの側面側に向かって平均粉末粒径の小さい方から大きい方へ順に変化させた多孔質焼結体、すなわち、空間率が小さい方から大きい方へ順に傾斜した多孔質焼結体を得ることができる。

＜バルク部分とその表面に形成された多孔質部分とを含む第１の部材の製造方法の例＞
バルク部分とその表面に形成された多孔質部分とを含む第１の部材は、例えば以下の手順で製造することができる。

まず、先に説明した第１の部材の材料を含むバルク部品を準備する。このバルク部品が、ロータ導体の第１の部材のバルク部分となる。

次いで、このバルク部品の一部の表面に、第１の部材の材料を含む多孔質層を設ける。この多孔質層が、ロータ導体の第１の部材の多孔質部分となる。

多孔質層は、例えば、第１の部材の材料の粉末をバルク部品の表面に配置し、かくして得られた部品を例えば真空又は不活性ガス雰囲気中で加熱して焼結させることによって設けることができる。

第１の部材の材料の粉末は、例えば、バインダと混合させて得られた塗料をバルク部品の表面に塗布する又は吹付けることによって、バルク部品の表面に配置することができる。第１の部材の材料の粉末とバインダとを交互に吹付けることもできる。焼結は、バインダを硬化させた後に行っても良い。

或いは、多孔質層は、バルク部品の少なくとも一部の表面に、三次元プリンターにより、第１の部材の材料の粉末とバインダとをインクジェット方式で印刷し、レーザービームなどにより直接焼結させることによって設けることもできる。

或いは、多孔質層は、バルク部品の少なくとも一部の表面に、第１の部材の材料の粉末を熱間又は冷間で高速溶射し、かくして得られた部品を焼結させることによって設けることもできる。

なお、第１部材の表面積を増やす方法は、バルク部品をブラスト加工、ローレット、ダブテイル加工などが挙げられる。しかしながら、このような加工は、表面積２倍以上を得ることが難しく、経済的な観点から見て非現実的である。

次に、図面を参照しながら、実施形態に係る誘導モータの具体例を詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る一例の誘導モータの概略斜視図である。図２は、図１に示す誘導モータが具備するロータコアの概略斜視図である。図３は、図１に示す誘導モータの、図１に示したＡ−Ａ’方向に平行であり且つＢ−Ｂ’方向に垂直な一平面における概略断面図である。図４は、図１に示す誘導モータの、図１に示したＡ−Ａ’方向及びＢ−Ｂ’方向に平行な一平面における概略断面図である。図５（ｂ）は、図３のＶ部の拡大図である。図６（ｂ）は、図５（ｂ）に示すロータ導体の第１部材の断面図である。

図１、図３及び図４に示す誘導モータ１００は、筒型形状を有するロータコア１０と、２つのエンドリング２０と、複数のロータ導体３０とを具備している。

筒型形状を有するロータコア１０は、斜視図を図２に示したように、第１の底面１１と、第２の底面１２と、第１の底面１１と第２の底面１２との間に位置する側面１３とを有している。

ロータコア１０は、図２、図３及び図４に示すように、第１の底面１１から第２の底面１２まで貫通したシャフト孔１４を備えている。シャフト孔１４は、誘導モータ１００が回転するための回転軸となるシャフト（図示しない）が挿入されるように構成されている。

ロータコア１０は、図２及び図３に示すように、それぞれ第１の底面１１から第２の底面１２まで貫通した、複数のスロット１５を更に備えている。複数のスロット１５のそれぞれは、図２及び図３に示すように、ロータコア１０の側面１３及びシャフト孔１４のそれぞれから離間している。そして、複数のスロット１５は、図２及び図３に示すように、シャフト孔１４を中心とした環状に並んでいる。それにより、複数のスロット１５は、シャフト孔１４を囲んで配置されている。なお、図２では、ロータコア１０のスロット１５の一部の図示を省略している。そのため、図２と図３とでは、ロータコア１０のスロット１５の数が異なることに留意されたい。

図４に示すように、このようなロータコア１０の第１の底面１１に、１つのエンドリング２０が対向している。また、ロータコア１０の第２の底面１２に、もう１つのエンドリング２０が対向している。

エンドリング２０のそれぞれは、図１及び図４に示すように、ロータコア１０に対向していない面に、放熱用の３つのフィン２１を備えている。

図４に示すように、２つのエンドリング２０は、複数のロータ導体３０により、互いに電気的に接続されている。

複数のロータ導体３０は、それぞれ、ロータコア１０の複数のスロット１５のそれぞれの中に配置されている。

複数のロータ導体３０は、図３、図４、及び図５（ｂ）に示すように、第１の部材３１と第２の部材３２とを含んでいる。第２の部材３２は、第１の部材３１よりも電気抵抗が高い。

図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示すように、第１の部材３１は、複数の粒子３１ａが凝集して形成されている。そのため、第１の部材３１は、全体が多孔質となっている。また、複数の粒子３１ａは、図６（ｂ）の上方に示す１つの端部３３から下方に示すもう１つの端部３４にかけてより密に凝集している。そのため、第１の部材３１は、一方の端部３３から下方に示す端部３４にかけて減少する、空隙率の勾配を有している。

図３、図４及び図５（ｂ）に示すように、第２の部材３２は、全体が多孔質体である第１の部材３１の空隙に含浸されている。また、第２の部材３２は、図４に示すように、ロータコア１０のスロット１５を充填しており、スロット１５の内側面１５ａに接している。

図５（ｂ）に示すように、ロータ導体３０の第１の部材３１の空隙率が大きい方の端部３３は、方位Ｄを向いている。また、第１の部材３１の空隙率が小さい方の端部３４は、方位Ｄ’を向いている。図５（ｂ）において、方位Ｄは、図１、図３及び図４に示すロータコア１０の側面１３に向いた方位である。一方、方位Ｄ’は、図１、図３及び図４に示すロータコア１０のシャフト孔１４に向いた方位である。

図５（ｂ）に示すように第２の部材３２は第１の部材３１に含浸しているので、ロータ導体３０は、第１の部材３１の一方の端部３３を境とした、第２の部材３２の一部分を含む第１の部分３０Ａと、第２の部材３２の他の部分を含む第２の部分３０Ｂとを含んでいる。ここで、図５（ｂ）に示すように、ロータ導体３０の第２の部分３０Ｂは、第１の部分３０Ａよりも方位Ｄ’側、つまりロータコア１０のシャフト孔１４側に位置している。図５（ｂ）からも視覚的に明らかなように、ロータ導体３０の第１の部分３０Ａにおける第２の部材３２の体積割合は、第２の部分３０Ｂにおける第２の部材３２の体積割合より高い。

また、図５（ｂ）に示すように、ロータ導体３０の第１の部材３１は、Ｄ−Ｄ’方向において、ロータコア１０の側面１３側からロータコア１０のシャフト孔１４側にかけて減少する空隙率の傾斜を有している。そのため、ロータ導体３０は、ロータコア１０の側面１３側からロータコア１０のシャフト孔１４側にかけて減少する、第２の部材３２の体積割合の傾斜を有している。

図１、図３及び図４に示す誘導モータ１００は、ロータ導体３０の第２の部材３２と２つのエンドリング２０とが一体成形されている。

図５（ａ）及び図５（ｃ）は、ロータ導体３０の他の例の断面図を示している。図６（ａ）及び図６（ｃ）は、図５（ａ）及び図５（ｃ）に示すロータ導体３０のそれぞれが含む第１の部材３１の断面図を示している。図５（ａ）及び図５（ｃ）に示す例のロータ導体３０は、第１の部材３１の１つの端部３３の形態を除き、図５（ｂ）に示した例のロータ導体３０と同様である。図５に示したように、図５（ａ）に示した例のロータ導体３０は、第１の部材３１の占める体積割合が図５（ｂ）の例よりも小さい。また、図５に示したように、図５（ｃ）に示した例のロータ導体３０は、第１の部材３１の占める体積割合が図５（ｂ）の例よりも大きい。

図７（ｂ）は、ロータ導体３０の更に他の例の断面図を示している。図８（ｂ）は、図７（ｂ）に示すロータ導体３０が含む第１の部材３１の断面図を示している。

図７（ｂ）に示すロータ導体３０は、第１の部材３１が、バルク部分３５と、その表面に形成された多孔質部分３６とから構成されている点で、図５（ｂ）に示した例のロータ導体３０と大きく異なる。

図７（ｂ）及び図８（ｂ）に示す第１の部材３１はその表面のみが多孔質部分３６であるため、図７（ｂ）に示すように、第２の部材３２の一部は、第１の部材３１の多孔質部分３６のみに含浸されている。図８（ｂ）に示すロータ導体３０は、バルク部分３５と第２の部材３２との界面を含むバルク部分３５の１つの端部３３’を境として、第２の部材３２の一部分を含む第１の部分３０Ａと、第２の部材３２の他の部分を含む第２の部分３０Ｂとを含んでいる。ここで、図７（ｂ）に示すように、ロータ導体３０の第２の部分３０Ｂは、第１の部分３０Ａよりも方位Ｄ’側、つまりロータコア１０のシャフト孔１４側に位置している。また、第２の部分３０Ｂは、方位Ｄ’を向いた、バルク部分３５と第２の部材３２との界面を含むバルク部分３５の１つの端部３４’を含む。図７（ｂ）からも視覚的に明らかなように、ロータ導体３０の第１の部分３０Ａにおける第２の部材３２の体積割合は、第２の部分３０Ｂにおける第２の部材３２の体積割合より高い。

図７（ａ）及び図７（ｃ）は、ロータ導体３０の更に他の例の断面図を示している。図８（ａ）及び図８（ｃ）は、図７（ａ）及び図７（ｃ）に示すロータ導体３０のそれぞれが含む第１の部材３１の断面図を示している。図７（ａ）及び図７（ｃ）に示す例のロータ導体３０は、第１の部材３１のバルク部分３５の１つの端部３３’の形態を除き、図７（ｂ）に示した例のロータ導体３０と同様である。図７に示したように、図７（ａ）に示した例のロータ導体３０は、第１の部材３１の占める体積割合が図７（ｂ）の例よりも小さい。また、図５に示したように、図７（ｃ）に示した例のロータ導体３０は、第１の部材３１の占める体積割合が図７（ｂ）の例よりも大きい。

実施形態に係る誘導モータは、ロータ導体の第２の部材がロータ導体の第１の部材の多孔質部分に含浸しており且つロータコアのスロットの内側面に接している。また、ロータ導体の第１の部分における第２の部材の体積割合が、第１の部分よりもロータコアのシャフト孔側に位置するロータ導体の第２の部分における第２の部材の体積割合よりも高い。これらのおかげで、実施形態に係る誘導モータは、ロータ導体とロータコアとの間のクリアランスの発生を抑制でき、優れた効率を示すことができる。加えて、実施形態に係る誘導モータは、第２の部材の融点が第１の部材の融点よりも低い。これらのおかげで、実施形態に係る誘導モータは、高効率、高信頼性、低製造コスト、低振動及び低騒音を達成することができる。

（実施例）
以下、実施例についてさらに詳細に説明する。以下の実施例及び比較例では、モータ規格を２００Ｖ、４極、出力２ｋＷとした誘導モータをそれぞれ製造した。

（実施例１）
実施例１では、以下の手順により、図１〜図４に示す誘導モータ１００と同様の構造を有する誘導モータを製造した。

まず、図２に示すロータコア１０を準備した。

次に、図８（ｃ）に示す第１の部材３１を作製した。バルク部品３５としては、電気伝導率が１００％ＩＡＣＳであり、融点が１０８３℃であるＣ１０２０無酸素銅材を用いた。

このバルク部品３５の表面に、樹脂系バインダであるＰＶＡを塗布した。次いで、平均粒径が７５μｍの純Ｃｕ粉末をバルク部品３５の表面に付着させた。次いで、Ｃｕ粉末付着層を有するバルク部品３５を、水素雰囲気中で９５０℃で１時間にわたり焼結させた。かくして、バルク部分３５とバルク部分３５の表面に形成された多孔質部分３６とを含んだ第１の部材３１が得られた。第１の部材３１は３２個製造した。

次に、第２の部材３２及びエンドリング２０の材料として、Ａ１０５０アルミニウム材を溶融して、７００℃で溶融状態にあるアルミニウムを準備した。

次に、上記のようにして得られた第１の部材３１をロータコア１０のスロット１５のそれぞれに挿入した。この際、第１の部材３１を、スロット１５のうちロータコア１０のシャフト孔１４側に偏らせた。

第１の部材３１が挿入されたロータコア１０を金型に移した。この金型は、図１及び図４に示すエンドリング２０の形状に対応するキャビティを有していた。このような金型において、先に準備した溶融状態のアルミニウムをプランジャー圧力７０ＭＰａで低圧鋳造して、第１の部材３１の多孔質部分３６に含浸し且つロータコア１０のスロット１５の内側面１５ａに接する第２の部材３２を得た。

かくして、図７（ｃ）に示す構造のロータ導体３０を具備する実施例１の誘導モータ１００を作製した。

（実施例２）
実施例２では、図８（ｂ）に示す第１の部材３１を作製したこと以外は実施例１と同様にして、誘導モータ１００を作製した。実施例２の誘導モータ１００は、図７（ｂ）に示す構造のロータ導体３０を具備していた。

（実施例３）
実施例３では、図６（ｃ）に示す第１の部材３１を作製したこと及び低圧鋳造におけるプランジャー圧力を７０ＭＰａにしたこと以外は実施例１と同様にして、誘導モータ１００を作製した。

第１の部材３１は、以下の手順で作製した。

まず、所定形状の分割金型と、平均粒径がそれぞれ１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ及び１００μｍである４種類の純Ｃｕ粉末とを準備した。純Ｃｕ粉末は、それぞれ、ＰＶＡを３重量％含有していた。このキャビティ内に、一端から他端に向かって平均粒径の傾斜が形成するように、４種類の純Ｃｕ粉末を順に充填した。この際、各々の平均粒径の金属粉末の充填高さが等しくなるように粉末の充填量を調整した。充填後、２ＭＰａの圧力で圧縮成形を行い、図６（ｃ）に示す第１の部材３１の形状に成形した。

かくして得られた成形体を、水素雰囲気中で９５０℃で１時間にわたり焼結した。かくして、図６（ｃ）に示す多孔質である第１の部材３１が得られた。

実施例３の誘導モータ１００は、図５（ｃ）に示す構造のロータ導体３０を具備していた。

（実施例４）
実施例４では、図６（ｂ）に示す第１の部材３１を作製したこと以外は実施例１と同様にして、誘導モータ１００を作製した。実施例４の誘導モータ１００は、図７（ｃ）に示す構造のロータ導体３０を具備していた。

（実施例５）
実施例５では、バルク部品３５として、電気伝導率が９７％ＩＡＣＳであり、融点が１０８３℃である０．５重量％のＡｌ₂Ｏ₃粒子が分散したＣ１０２０無酸素銅材を用いたこと以外は実施例１と同様にして、誘導モータ１００を作製した。実施例５の誘導モータ１００は、図７（ｃ）に示す構造のロータ導体３０を具備していた。

（実施例６）
実施例６では、第２の部材３２の材料として、電気伝導率が４０％ＩＡＣＳであり、融点が５７１℃であるＡ４０３２アルミニウム合金材を用いたこと以外は実施例１と同様にして、誘導モータ１００を製造した。実施例６の誘導モータ１００は、図７（ｃ）に示す構造のロータ導体３０を具備していた。

（比較例１）
比較例１では、第１の部材３１を用いずに、ロータ導体及びエンドリングをＡ１０５０アルミニウム材を用いたダイキャスト一体化鋳造によって形成した以外は実施例１と同様にして、誘導モータを製造した。

（比較例２）
比較例２では、第２の部材３２を用いずに、ロータ導体及びエンドリングをＣ１０２０無酸素銅材を用いたダイキャスト一体化鋳造によって形成し、誘導モータを製造した。

（比較例３）
比較例３では、低圧鋳造を行わずに、Ａ１０５０アルミニウム材製のエンドリングと、Ｃ１０２０無酸素銅材の第１部材とを融点１９８℃のＳｎ−９重量％Ｚｎはんだを用いて接合し、誘導モータを製造した。

［評価］
（第１の部材及び第２の部材の体積割合）
実施例１〜６のそれぞれの誘導モータ１００が具備するロータ導体３０における第１の部材３１及び第２の部材３２の体積割合を、先に説明した方法により測定した。

実施例１〜６のそれぞれの誘導モータ１００が具備するロータ導体３０の全体における第１の部材３１及び第２の部材３２の体積割合を表１に示す。また、実施例１の誘導モータ１００が具備するロータ導体３０の図７（ｃ）に示したＤ−Ｄ’方向における第１の部材３１及び第２の部材３２の体積割合の変化を、図９に示す。同様に、実施例２〜４のロータ導体３０の第１の部材３１及び第２の部材３２の体積割合の変化を、それぞれ、図１０〜図１２に示す。実施例５及び実施例６のロータ導体３０における第１の部材３１及び第２の部材３２の体積割合の変化は、実施例１と同様であった。

図９及び図１０に示すように、実施例１、２、５及び６の誘導モータ１００は、ロータ導体３０の第１の部分３０Ａにおける第２の部材３２の体積割合が、第１の部材３１の端部３１’を境として第１の部分３０Ａよりもロータコア１０のシャフト孔１４側に位置する第２の部分３０Ｂにおけるそれよりも高かった。同様に、図１１及び図１２から、実施例３及び４の誘導モータ１００は、ロータ導体３０の第１の部分３０Ａにおける第２の部材３２の体積割合が、第１の部材３１の端部３１を境として第１の部分３０Ａよりもロータコア１０のシャフト孔１４側に位置する第２の部分３０Ｂにおけるそれよりも高いことが分かる。

また、図１０及び図１１に示すように、実施例３及び４の誘導モータ１００は、第１の部材３１の端部３３から端部３４にかけて減少する第２部分の体積割合の傾斜を有していることが分かる。

（一次銅損、始動時トルク、耐食性及び騒音）
実施例１〜６のそれぞれの誘導モータ１００、及び比較例１〜３の誘導モータの一次銅損、始動時トルク、耐食性及び騒音を、ＪＩＳ Ｃ４２１０「一般用低圧三相かご型誘導電動機」に従って評価した。その結果を以下の表１及び表２に示す。

表１及び表２では、各実施例及び比較例の誘導モータ１００の一次銅損、始動時トルク、耐食性及び騒音を、比較例１の誘導モータのそれらを１００とした相対値を示している。

［結果］
表１及び表２に示したように、実施例１〜６の誘導モータ１００は、一次銅損が、比較例２のＣ１０２０無酸素銅のダイキャスト一体化鋳造の誘導モータに比べて僅かに増加したものの、比較例１のＡ１０５０アルミニウムのダイキャスト一体化鋳造の誘導モータに比べて遥かに低くかった。また、実施例１〜６の誘導モータでは、始動時のトルクを高く確保することができた。特に、実施例２〜４及び実施例６の誘導モータ１００は、実施例１及び実施例５の誘導モータ１００に比べて、一次銅損が高かったが、始動時トルクを高くすることができた。すなわち、実施例１〜６の誘導モータは、低い一次銅損と始動時の高いトルクとを両立することができた。その結果、実施例１〜６の誘導モータ１００は、比較例１の誘導モータに比べて高いモータ効率を示すことができた。

加えて、実施例１〜６の誘導モータ１００は、耐食性試験において隙間腐食を示さなかった。更に、実施例１〜６の誘導モータ１００は、アルミニウム材のダイキャスト一体化鋳造により得られたエンドリング及びロータ導体を具備する比較例１と同様の騒音試験の結果を示した。すなわち、実施例１〜６の誘導モータ１００は、高信頼性、低振動及び低騒音を達成することができた。

また、実施例５では、先に説明したように、バルク部品３５として電気伝導率が９７％ＩＡＣＳである０．５重量％のＡｌ₂Ｏ₃粒子が分散したＣ１０２０無酸素銅材を用いた。このように、実施例５ではバルク部品３５としてＣ１０２０無酸素銅材以外の銅材を用いたが、表１に示したように、実施例５の誘導モータ１００は、実施例１〜４と同様に、比較例１の誘導モータに比べて高いモータ効率を示すことができた。

なお、実施例５で用いた０．５重量％のＡｌ₂Ｏ₃粒子が分散したＣ１０２０無酸素銅材は、アルミナ粒子を分散させていないＣ１０２０無酸素銅材よりも室温及び高温強度が高いものである。そのため、実施例５の誘導モータ１００は、優れた信頼性を達成することができる。

実施例６では、先に説明したように、第２の部材３２の材料として電気伝導率が４０％ＩＡＣＳであるＡ４０３２アルミニウム合金材を用いた。このように、実施例６では第２の部材３２の材料としてＡ１０５０アルミニウム材以外のアルミニウム合金材を用いたが、表１に示したように、実施例６の誘導モータ１００は、実施例１〜４の誘導モータ１００と同様に、比較例１の誘導モータに比べて高いモータ効率を示すことができた。

なお、Ａ４０３２アルミニウム合金材は、ケイ素を含むアルミニウム合金材であり、溶湯流動性が高く、ダイキャスト鋳造性が良好なものである。よって、実施例６の誘導モータ１００は、低温鋳造により、より容易に製造することができる。

更に、実施例１〜６では、低圧鋳造における金型の損傷を防ぐことができた。具体的には、実施例１〜６では、金型寿命は２万〜４万ショットであった。

一方、比較例２の誘導モータは、実施例１〜６の誘導モータ１００に比べて、始動時トルクが低かった。そのため、比較例２の誘導モータは、実施例１〜６の誘導モータ１００に比べてモータ効率に劣っていた。更に、比較例２では、高融点のＣ１０２０無酸素銅材をダイキャスト一体化鋳造したため、金型にダメージが加わり、金型寿命が５０００ショットであった。

また、比較例３の誘導モータでは、耐食性試験において、第１の部材とエンドリングとの間に腐食が発生した。そのため、比較例３の誘導モータは、実施例１〜６に比べて、信頼性が低く、騒音が大きかった。

すなわち、以上に説明した少なくとも一つの実施形態および実施例によれば、誘導モータが提供される。この誘導モータは、ロータ導体の第２の部材がロータ導体の第１の部材の多孔質部分に含浸しており且つロータコアのスロットの内側面に接している。また、ロータ導体の第１の部分における第２の部材の体積割合が、第１の部分よりもロータコアのシャフト孔側に位置するロータ導体の第２の部分における第２の部材の体積割合よりも高い。これらのおかげで、この誘導モータは、ロータ導体とロータコアとの間のクリアランスの発生を抑制でき、優れた効率を示すことができる。よって、この誘導モータは、高効率、高信頼性、低振動及び低騒音を達成することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１００…誘導モータ、１０…ロータコア、１１…第１の底面、１２…第２の底面、１３…側面、１４…シャフト孔、１５…スロット、１５ａ…スロットの内側面、２０…エンドリング、２１…フィン、３０…ロータ導体、３０Ａ…ロータ導体の第１の部分、３０Ｂ…ロータ導体の第２の部分、３１…ロータ導体の第１の部材、３１ａ…粒子、３２…ロータ導体の第２の部材、３３…第１の部材の１つの端部、３３’…第２の部材との界面を含んだバルク部分の１つの端部、３４…第１の部材の１つの端部、３４’…第２の部材との界面を含んだバルク部分の１つの端部、３５…第１の部材のバルク部分、３６…第１の部材の多孔質部分。

Claims (7)

1. 第１の底面と第２の底面と前記第１の底面及び前記第２の底面の間に位置する側面とを有する筒型形状を有し、前記第１の底面から前記第２の底面まで貫通したシャフト孔と、前記シャフト孔及び前記側面のそれぞれから離間し且つ前記シャフト孔を囲むように配置された複数のスロットとを備え、前記複数のスロットが、それぞれ、前記第１の底面から前記第２の底面まで貫通しており且つ内側面を有しているロータコアと、
   前記複数のスロットのそれぞれの中にそれぞれ配置された複数のロータ導体と、
   を具備し、
   前記ロータ導体は、少なくとも表面に多孔質部分を含んだ芯材としての第１の部材と、前記第１の部材の前記多孔質部分に含浸し且つ前記スロットの前記内側面に接している第２の部材とを含み、
   第２の部材の融点は第１の部材の融点より低く、且つ、第２の部材の電気抵抗は第１の部材の電気抵抗より高く、
   前記ロータ導体は、前記第２の部材の一部分を含む第１の部分と、前記第１の部分よりも前記ロータコアの前記シャフト孔側に位置し、前記第２の部材の他の部分を含む第２の部分とを含み、
   前記第１の部分における前記第２の部材の体積割合は、前記第２の部分における前記第２の部材の体積割合よりも高いことを特徴とする誘導モータ。
2. 前記ロータコアの前記第１の底面と前記第２の底面とにそれぞれ対向した２つのエンドリングを更に具備し、
   前記２つのエンドリングは、前記複数のロータ導体を介して電気的に接続されており、
   前記ロータ導体の前記第２の部材は、前記２つのエンドリングと一体成形されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導モータ。
3. 前記第２の部材は、アルミニウム、アルミニウム合金及びセラミックス粒子分散強化アルミニウムからなる群より選択される少なくとも１種の材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の誘導モータ。
4. 前記第１の部材は、銅、電気伝導率が８０％ＩＡＣＳ以上の銅合金及びセラミックス粒子分散強化銅からなる群より選択される少なくとも１種の材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の誘導モータ。
5. 前記ロータ導体は、前記ロータコアの前記シャフト孔側から前記ロータコアの前記側面側に向かって減少する、前記第２の部材の体積割合の傾斜を有していることを特徴とする請求項２に記載の誘導モータ。
6. 前記第１の部材は多孔質粉末焼結体であることを特徴とする請求項５に記載の誘導モータ。
7. 前記第１の部材はバルク部分を含み、前記多孔質部分は前記バルク部分の表面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の誘導モータ。

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