JP2881328B2

JP2881328B2 - かご形回転子

Info

Publication number: JP2881328B2
Application number: JP6348190A
Authority: JP
Inventors: 高士尾藤; 洋矢野; 政勝白根
Original assignee: Aichi Elec Co
Current assignee: Aichi Elec Co
Priority date: 1990-03-14
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 1999-04-12
Anticipated expiration: 2014-04-12
Also published as: JPH03265449A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は誘導電動機のかご形回転子に関し、特にアル
ミニウムダイキャストによって形成される二次導体と回
転子鉄心との電気的絶縁を良好且つ均一にし、音、振動
及び電気特性を改善した回転子に関する。

〔従来技術〕

一般に誘導電動機のかご形回転子は、外周部近傍に円
周に沿って複数のスロットと、中心にシャフト孔とを有
する円形薄鉄板を打ち抜き、これを所定枚数積層して回
転子鉄心を形成し、次にこの鉄心にアルミニウム又はア
ルミニウム合金等の良導体をダイキャストして、各スロ
ット内を充填するバーと、各バーを軸方向両端で短絡す
るエンドリングよりなるかご形二次導体を形成するよう
に製作されている。

上記二次導体のバーはスロット内壁を形成する鉄心の
打ち抜き面と直接接触しているため、積層鉄板間が短絡
されることによる渦電流損の増大、及び二次導体内を流
れる電流が鉄心へ漏洩することによる漂遊負荷損の増大
が生じ、電動機の加速領域のトルクが減少してしまうと
いった問題が存在する。この問題を軽減するために、一
般に二次導体と鉄心間には電気的絶縁を形成するための
処理が施される。その一般的な例として、特開昭60−93
51号公報に開示されるように、積層形成された鉄心に対
してダイキャスト前に電気絶縁性のコーティングを施し
ておくものがある。このコーティングとしては、鉄心を
炉中で500〜600℃程度に加熱して水蒸気処理を施して四
酸化三鉄（Fe₃O₄）の皮膜を形成したもの、あるいは鉄
心をリン酸塩溶液に浸漬してリン酸塩皮膜を形成したも
の等が存在する。

またダイキャスト後に電気的絶縁を形成するものとし
ては、特開昭56−38250号公報に開示される回転子があ
る。これは回転子を炉中で30〜500℃程度に加熱した後
冷却することにより、鉄とアルミニウムの線膨張係数の
相違を利用して鉄心と二次導体間に隙間を形成したもの
である。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に、誘導電動機のかご形回転子のスロット形状を
半閉スロットとすることにより、電源の偶数調波成分の
電磁音を低減できることは周知であり、例えば昭和56年
電気学会全国大会講演論文集第925頁（論文番号746）に
示されている。

ところが上記半閉スロットとすることにより、固定子
スロットリップル分に起因する電磁音が増大してしま
う。この電磁音を生じる電磁力波の周波数ｆは、但し P :極対数 Ns:固定子スロット数 S :すべり fo:電源周波数 k :1,2,3… で表され、この周波数成分ｆの音が問題となってくる。
この理由は、第４図に示すような半閉スロット１のエア
ギャップ側表面にはスロットの開口部２が存在して、強
磁性体である鉄と反磁性体であるアルミニウムが混在す
るため磁気抵抗の変化が激しく、一方固定子スロットリ
ップル分に起因する磁束は回転子のエアギャップ側の表
面近くに存在するため、この磁気抵抗の影響を受け易
く、そのため一般に半閉スロットの形状は磁束分布への
影響を生じ易い構成となっている。特に開口部２の境界
部分６において、二次導体のバー３と鉄心４との絶縁が
回転子全周にわたって良好に形成されていないと、回転
子が１回転する間にバー３と鉄心４との絶縁状態が不均
一に変化することになり、この結果固定子スロットリッ
プル分に起因する磁束の分布が空間的に不均一となっ
て、電磁音が増大してしまう。またこの電磁音はレベル
の変動を伴うため、非常に耳障りな騒音となる。

この対策として、回転子外径を切削することによって
バーと鉄心の接触抵抗を小さくし、回転子表面に渦電流
が流れ易く形成して固定子スロットに起因する磁束のリ
ップル分を回転子表面で打ち消すように製作すればよい
が、この場合は回転子の表面における渦電流損や漂遊負
荷損が増大するため電動機効率の低下が著しいものとな
ってしまう。従って一般的に最も望ましい解決手段は、
前述した二次導体と鉄心間の電気的絶縁を形成する処理
によって、バーと鉄心との絶縁状態を良好に形成し、各
スロットの相互で均一な絶縁状態を形成することであ
る。

ところが従来の絶縁処理の場合、ダイキャスト前の鉄
心にコーティングを施すものにおいては、ダイキャスト
時の熱や高温高圧の溶湯の衝撃力によって鉄心スロット
部の絶縁皮膜が部分的に破壊されて、スロット部の電気
的絶縁強度が低下してしまう問題がある。またこの現象
はダイキャスト型の湯口近傍のスロット、あるいは比較
的大きな打ち抜きバリの存在するスロットにおいて特に
顕著であり、この部分ではアルミニウムの鉄心への融着
が生じているため、電気的絶縁強度は各スロット相互で
不均一に形成されることになる。

また電気的絶縁の形成に際してダイキャスト後の回転
子に熱処理を施すものにおいては、前述したアルミニウ
ムの鉄心への融着部分を膨張、収縮作用によって完全に
引き離すことは十分に行われず、往々にして電気的絶縁
の改善不足となり、この場合もやはり電気的絶縁強度が
部分的に低下すると共に、この絶縁強度が各スロット相
互で不均一に形成されてしまう。これら絶縁強度の不均
一によって、回転子の円周方向に並ぶバーの絶縁状態
が、回転子が１回転する間に不均一に変化することにな
り、この結果、電動機の固定子スロットに起因する磁束
のリップル分の分布が空間的に不均一となって変動を伴
う電磁騒音を発する原因となる。また固定子磁束の分布
も空間的に不均一となり、固定子と回転子間のマグネッ
トプルが不均一に作用するため、やはり変動を伴う電磁
騒音を生じ易い。

また近年の回転子鉄心は、鉄心自体に設けたカシメク
ランプ部によって自動積層して内外径の積層精度を向上
させ、内外径を切削加工しないものが多用されている
が、シャフトに組み付ける前に熱処理を施す必要のある
例えば冷凍機用電動機の如きビルト・イン・タイプの電
動機の回転子においては、この鉄心に絶縁のための熱処
理が施されると軸方向に変形を生じて内径の軸方向真直
度が悪くなるため、シャフト挿入時にいわゆるカジリを
生じて挿入不良となったり、シャフト挿入後もシャフト
に対する回転子外径のフレが増大して固定子と回転子間
のエアギャップが均一とならないため、このフレに起因
する変動騒音の増大等の問題が生じていた。

また一般に、鉄心の打ち抜き公差等の関係によりダイ
キャスト型と鉄心間には部分的な隙間が生じるため、ダ
イキャスト時にこの隙間に湯が漏れることにより、第５
図に示すような湯バリ５が生じ易い。この湯バリ５は電
動機の運転中に剥がれ易いため、冷凍機用電動機の如き
冷媒中への異物の放出が制限されているものにおいては
品質上の問題が生じる。また湯バリ５の存在によって、
固定子と回転子間のエアギャップを均一化するためのゲ
ージが挿入できなかったり、特性面においては漂遊負荷
損が増加したりする問題がある。従って上記内外径を切
削加工しない回転子の場合は品質低下が著しく、またこ
の湯バリを取り除くためには新たな工程が付加されて工
数増加を来すものであった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、複数の半閉スロットを有する薄鉄板を積層
して形成された回転子鉄心にアルミニウムをダイキャス
トしてバー及びエンドリングよりなるかご形二次導体を
形成した後、この一体化された鉄心と二次導体の全体を
アルカリ溶液に浸漬してかご形回転子を形成するもので
ある。

アルカリ溶液としては水酸化ナトリウム（NaOH）、水
酸化カリウム（KOH）等の水溶液を任意に選定して使用
し、また浸漬時間は、アルカリによるバーの腐食が若干
進行する程度で且つ鉄心部分の腐食がほとんど生じない
範囲とし、アルカリ溶液の濃度及び温度と関連して適宜
設定する。上記浸漬時間は、長く設定すれば品質的に安
定したものが得られるが、生産性の面では短時間処理が
好ましく、両者の兼ね合いにより通常数十分程度に設定
すれば問題ない。

〔作用〕

かご形回転子をアルカリ溶液に浸漬すると、回転子の
かご形二次導体を構成するアルミニウムがアルカリによ
って腐食される。この作用は、例えば該アルカリが水酸
化ナトリウムとすれば、下式に示される反応により進行
し、反応の結果アルミニウムが腐食されてアルミン酸塩
と水素を生成する。

一方、回転子鉄心を構成する鉄も類似の反応によって
腐食されるが、この反応のためには高温と高濃度のアル
カリを必要とするため、室温では反応速度が遅くなる。
これに対し、（２）式に示すようなアルミニウムの反応
はアルミニウムのイオン化傾向が大きく、室温でも急速
に進行するため、通常の室温中における短時間の処理に
よって、回転子はその内外径及びスロット内壁等にはほ
とんど寸法変化を生じることなく、二次導体のみが腐食
されることになる。

二次導体のバーの部分においては、鉄心の外径部又は
内径部より積層間に浸透したアルカリ溶液によってバー
の外周部表面から腐食が生じる。また鉄心の外径部のス
ロット開口部においては、バーと鉄心の境界部分からア
ルカリ溶液が浸透して行くため、このスロット開口部の
境界部分が顕著に腐食され、同時に外径部の湯バリも腐
食されて消失する。この腐食は化学反応であるため、す
べてのバーにおいて均一且つ確実に進行し、この結果、
アルミニウムが鉄心と強固に融着した部分は勿論、各バ
ー外周部と鉄心スロット間には確実に微小隙間が形成さ
れ、バーの一本一本と鉄心間の電気的絶縁強度はその水
準が向上されると共に、各スロット相互で均一なものと
なる。

〔実施例〕

第１図は、半閉スロットの回転子を用いた誘導電動機
の騒音を1/3オクターブバンドで周波数分析した結果の
一例を示すものであり、（ａ）はダイキャスト後にアル
カリ溶液への浸漬処理を施した本発明による回転子を使
用した場合、（ｂ）はダイキャスト後に加熱処理を施し
た従来の回転子を使用した場合をそれぞれ示している。
尚、ダイキャスト前の鉄心にコーティングを施した回転
子の場合も第１図（ｂ）に示す騒音特性と略同等の傾向
を示し、従って第１図（ｂ）は概ね従来の回転子に共通
する騒音特性を表している。また固定子は（ａ），
（ｂ）共同一のものを使用し、出力が76W、極対数が
１、スロット数は20であり、周波数50Hzの電源によって
2892rpm（すべり＝3.6％）にて運転した。

第１図（ｂ）に示されるように、従来の回転子を使用
すると、500Hz及び1000Hzの周波数域で変動音を生じて
いることがわかる。この場合、500Hzの音は、電源の偶
数調波成分の加振源とシャフト系の固有振動数が共振し
て生じているものであり、また1000Hzの音は、固定子ス
ロットリップル分に起因する磁束による電磁音である。
即ち、固定子スロットリップル分に起因する電磁力波の
周波数ｆを前述の（１）式を用いて計算するとｆ＝916H
z,1012Hzとなり、1000Hz成分の音となる。

上記従来の回転子に対し、第１図（ａ）に示される本
発明による回転子を使用した場合は、500Hz及び1000Hz
の周波数域における変動音が大幅に削減されていること
がわかる。これは、各バー外周部の腐食に伴ってアルミ
ニウムの鉄心への融着部分も腐食されることにより、回
転子の円周方向に並ぶバーの絶縁状態が均一に形成さ
れ、一方、第３図に示すように、スロット開口部２にお
けるバー３と鉄心４の境界部分６が大きく腐食されるこ
とにより、スロット開口部の絶縁レベルが向上してスロ
ット相互で均一化され、回転子が１回転する間に該絶縁
状態の変動が均一となり、このため電源の偶数調波成分
の電磁力波及び固定子スロットリップル分に起因する磁
束と基本波磁束の合成による電磁力波それぞれの空間的
分布が均一となって、固定子と回転子間のマグネットプ
ルの対角成分が相殺されて均一に働き、これらの結果変
動を伴う電磁騒音を生じ難い構成となっているためであ
る。

また第１図（ａ）と（ｂ）の詳細データを比較したと
き、本発明による回転子を使用した場合は、従来のもの
に比べて騒音の平均レベル自体も低下しており、その値
は500Hzで5dB、1000Hzで10dB程度の低減が達成された。

第１図の騒音特性の測定対象とした誘導電動機の回転
数−トルク特性を第２図に示す。図中実線T1は本発明に
よる回転子を使用した場合、破線T2は従来製法による回
転子を使用した場合をそれぞれ示している。この図より
明らかなように、本発明による回転子を使用した場合は
トルクの増加現象が顕著に現れ、特に加速領域における
トルクが大幅に増加して、曲線T1とT2によって囲まれる
領域の面積に比例した量の加速エネルギーが新たに得ら
れる。これは、本発明による処理によって回転子のバー
の一本一本における絶縁が確実になされる結果、絶縁強
度が部分的に低下することなく、全体的な絶縁レベルが
向上しているためである。

上記絶縁レベルの向上は、電動機特性としても顕著に
現れ、例えば第１図及び第２図に説明した電動機におけ
る特性は下表のようになり、入力及び電流の低減がなさ
れて電動機効率がアップしている。

また本発明の別の実施例として、積層形成された鉄心
に対して、あるいは積層前の薄鉄板に対して四酸化三鉄
等の従来製法によるコーティングを形成しておき、この
鉄心にアルミニウムをダイキャストしてかご形回転子を
形成し、次に、このかご形回転子全体をアルカリ溶液に
浸漬して処理してもよい。この場合は、ダイキャストに
よって絶縁皮膜が部分的に破壊された箇所に融着したア
ルミニウムがアルカリによって腐食されて、バーと鉄心
間の電気的絶縁強度の水準向上及び各スロット相互での
絶縁強度の均一化がなされる。特にこの場合は、ダイキ
ャストによって絶縁強度が劣化した部分の修復を目的と
するものであるため、アルカリによる処理時間は短縮さ
れる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、バーと鉄心間の電気的絶縁状態が部
分的に低下することなく各スロット相互で均一に形成で
きるため、電磁力波の空間的分布が均一となって、固定
子と回転子間のマグネットプルの対角成分が相殺されて
均一に作用するため、特に半閉スロットを有するかご形
回転子において従来問題とされた固定子スロットリップ
ル分に起因する変動騒音が大幅に低減でき、同時に電源
の偶数調波成分の電磁音に関しても変動幅が削減され、
これらの結果電動機の騒音が大幅に低減されるものであ
る。また加速領域におけるトルクが増加することによ
り、加速時間の短縮や耐久性及び品質の向上が達成され
る。同時に電動機効率においても優れたものが製造可能
である。

さらに熱処理を伴わないため鉄心部分に変形が生じる
ことがなく、内外径を切削加工しない回転子におけるシ
ャフトの挿入不良や外径のフレの問題が解消され、同時
にこのフレに起因する変動騒音の発生も防止できるもの
である。また半閉スロットから漏れた湯によって生じる
湯バリが取り除かれるため、回転子の品質向上に大きく
寄与する。

一方、製造面においては、加熱処理等の従来方法と比
較して処理に要する時間が大幅に短縮されて、生産性が
向上する特長を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は誘導電動機の騒音を周波数分析した一例を示
し、（ａ）は本発明による回転子を使用した場合の騒音
特性図、（ｂ）は従来の回転子を使用した場合の騒音特
性図、第２図は誘導電動機の回転数−トルク特性を示す
特性図、第３図乃至第５図は回転子のスロット部分を示
し、第３図は本発明の一例を示す要部断面図、第４図及
び第５図は従来例を示す要部断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−81955（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−138851（ＪＰ，Ａ) 特開平１−131571（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−258674（ＪＰ，Ａ) 特開平３−243152（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02K 17/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の半閉スロットを有する薄鉄板を積層
して鉄心を形成し、この鉄心にアルミニウムをダイキャ
ストしてかご形二次導体を形成し、一体化された前記鉄
心と二次導体をアルカリ溶液に浸漬することにより形成
したかご形回転子。