JP5019451B2 - 回転子 - Google Patents

Description

本発明は、バー及び短絡環を具備した回転子に関する。

一般に、ポンプやファンの駆動源には、かご形誘導電動機が使用されている。このかご形誘導電動機の回転子に設けられている多数のバーと短絡環は、低コストで生産性に優れるアルミダイキャストで成形されている。

又、かご形誘導電動機の回転効率を高めるために、バー及び短絡環をアルミニウムよりも導電性に優れる銅を用いた銅ダイキャストで成形することが考えられている。しかしながら、銅を溶かすためには、非常に高い温度、例えば１０００度以上に加熱する必要があり生産性が悪い。又、銅の鋳込み時に、回転子を構成する回転子鉄心がこの高い熱で歪んでしまうため実用的でない。そのため、かごのバーのみを、銅或いは銅合金で構成する方法が考えられている。

例えば、回転子鉄心の外周側に形成したスロットに、回転子鉄心よりも軸方向が長い銅材からなる棒材（バー）を挿入し、前記スロットにアルミニウム系金属を注湯して棒材を包むと共に、回転子鉄心の両端に短絡環を成形する構成の回転子が考えられている。又、このような構成の回転子は、アルミニウムの鋳込み時に、棒材が所定位置からずれないように、回転子鉄心の両端部から突出した棒材の突出部は折曲げられている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１６３１０７号公報

上記構成の回転子は、短絡環により銅材からなるバーの短絡回路を構成しているため、固定子側からの磁界の作用により、この短絡回路に大きな誘導電流が流れる。しかしながら、導電率に優れるバーから導電率が低い短絡環へ大きな電流が流れる際に、バーと短絡環との接触抵抗により、この接触部分で発熱が生じ、損失が大きくなる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、バーと短絡環との接触部分での発熱を極力防止し、損失を軽減することができる回転子を提供することである。

本発明の回転子は、回転子鉄心と、この回転子鉄心の外周部に周方向に所定の間隔を存して設けられた複数のスロットと、前記回転子鉄心のスロットに挿入された銅或いは銅合金からなるバーと、前記回転子鉄心の軸方向両端部にアルミダイキャスト成形により設けられ、前記バーを接続する短絡環と、前記バーの両端部に設けられ、前記短絡環内に位置する拡大部とを具備し、前記拡大部は、前記スロットの幅よりも大きく、且つ、孔部を有して構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、回転子は、バーが銅或いは銅合金で構成され、短絡環がアルミダイキャストで成形されている。そして、バーの両端部に、スロットの幅よりも大きい拡大部が設けられているので、バーの回転子鉄心の軸方向への移動が規制され、鋳込み時にバーが所定位置からずれてしまうことを防止することができる。更に、アルミニウムが拡大部の孔部に浸入するので、このアルミニウムが固化すると、バーと短絡環とが強固に結合できる。

そして、拡大部は、スロットの幅よりも大きく、且つ、孔部を有した構成であるので、拡大部を具備したバーと短絡環との接触面積を大きくすることができ、バーと短絡環との接触部分での発熱を極力防止し、損失を軽減することができる。

以下、本発明を、全閉形かご形誘導電動機の回転子に適用した第１の実施形態を、図１乃至図５を参照して説明する。
図２に本実施形態に係る全閉形かご形誘導電動機１の固定子２と、この固定子２の内周側に隙間を介して位置する回転子３の概略構成を示す。

固定子２は、固定子鉄心４に、複数のコイル５が着装されて構成されている。固定子鉄心４は、多数枚の円環状の鋼板が積層されて円筒形状をなし、図示しないリベット等で積層方向が一体に結着されている。又、固定子鉄心４の内周面には、コイル５を収納させるためのスロット６が複数個所、例えば１２箇所に形成されている。

回転子３は、図３に示すように、円環状の多数の珪素鋼板を積層してなる回転子鉄心７と、回転子鉄心７の内周部に設けられた回転軸８を有しており、回転子鉄心７の軸方向両端部７ａ，７ａ（図１参照）に、円環状をなしたアルミニウム製の短絡環９，９が設けられている。この短絡環９の軸方向外側の面には、図３に示すように軸方向外側へ突出するアルミニウム製の複数の冷却フィン１０が一体に形成されている。
前記回転子鉄心７には、図２に示すように、中央部に回転軸８が挿通される軸孔部１１が形成され、外周部に円形のスロット１２が周方向に所定の間隔、例えば一定の間隔を存して複数形成されている。

これらのスロット１２内には、図１及び図２に示すように、円柱状のバー１３が夫々挿入されている。バー１３は、低抵抗率の材料たる銅或いは、例えば黄銅、ＣｕＳｉ合金のような銅合金からなっている。バー１３の直径は、スロット１２に隙間なく挿入される寸法であり、バー１３の軸方向の長さは、バー１３の両端部１３ａ，１３ａが短絡環９の内部に位置する寸法である。

前記短絡環９内に位置するバー１３の両端部１３ａ，１３ａには、図１及び図４に示すように、拡大部をなすメッシュ状リング１４が取付けられている。リング１４は、メッシュ状をなすものであるから、多数の孔部１４ａを有したもので、低抵抗率の材料の銅或いは、例えば黄銅、ＣｕＳｉ合金のような銅合金からなっており、より好ましくは、上記のような低抵抗率で且つバー１３の材料よりも硬い材料からなっている。例えば、バー１３は銅の材料で、メッシュ状リング１４は黄銅の材料で構成される。

メッシュ状リング１４の外周側の直径は、スロット１２の幅（ここでは直径）よりも大きい寸法であり、メッシュ状リング１４の軸方向の長さは、バー１３がスロット１２に挿入されたときに、バー１３が回転子鉄心７の端部から突出する長さと略同じ寸法であり、これにより、メッシュ状リング１４が取付けられたバー１３と短絡環９との接触面積は、メッシュ状リング１４を具備しないバー１３よりも大きくなる。

ここで、バー１３よりも硬い材料からなるメッシュ状リング１４は、かしめによりバー１３に取付けられる構成である。これにより、メッシュ状リング１４の一部がバー１３に食込み、以ってメッシュ状リング１４はバー１３と強固に結合される。

さて、回転子３の短絡環９及び冷却フィン１０は、アルミダイキャストにより一体に成形されている。図５には、アルミダイキャストに用いる金型１５が示されている。金型１５は、金型１５内に回転子鉄心７を収納する空間を有し、回転子鉄心７の軸方向側に型開きするプレート１６，１６を備えた構成である。このプレート１６，１６には、回転子鉄心７に短絡環９及び冷却フィン１０を成形するキャビティ１７，１７が形成されている。又、各プレート１６，１６には、図示しない溶融されたアルミニウムを、外部からキャビティ１７，１７に送るための湯口１８，１８が形成されている。

次に、回転子３の組立て手順について説明する。
まず、各バー１３の一方の端部１３ａにメッシュ状リング１４を夫々取付けて、これらのバー１３を、スロット１２にバー１３の他方の端部１３ａ側から挿入させる。そして、回転子鉄心７の端部７ａから突出したバー１３の他方の端部１３ａにメッシュ状リング１４を取付ける。

次に、バー１３が取付けられた回転子鉄心７を前記金型１５の所定の位置に載置し、溶融されたアルミニウムをキャビティ１７，１７へ供給してアルミダイキャストを行う。すると、回転子鉄心７の両端部７ａ，７ａに短絡環９，９及び複数の冷却フィン１０が成形される。又、鋳込み（アルミダイキャスト）時に、供給されたアルミニウムは、メッシュ状リング１４の孔部１４ａに浸入し、このアルミニウムが固化すると、メッシュ状リング１４は、短絡環９と強固に結合される。
上記アルミダイキャスト後、金型１５の型開きが行われて、短絡環９が形成された回転子鉄心７の取外しが行われる。回転子鉄心７を取外した後、回転子鉄心７に回転軸８を挿入して固定する。

上記構成よれば、回転子３は、バー１３が銅或いは銅合金で構成され、短絡環９がアルミダイキャストで成形されているので、バー１３及び短絡環９を銅ダイキャストで成形するよりも低温で成形することができて生産性に優れ、且つ、アルミニウム製のバーを用いた回転子よりも導電率に優れ、効率を良くすることができる。
又、バー１３の両端部１３ａ，１３ａに、スロット１２の幅よりも大きいメッシュ状リング１４が設けられているので、バー１３の回転子鉄心７の軸方向への移動が規制され、アルミダイキャスト時にバー１３が所定位置からずれてしまうことを防止することができる。

更に、短絡環９のアルミダイキャスト時に供給されたアルミニウムがメッシュ状リング１４の孔部１４ａに浸入するので、このアルミニウムが固化すると、バー１３と短絡環９とが強固に結合する。
そして、メッシュ状リング１４は、スロット１２の幅よりも大きく、且つ、多数の孔部１４ａを有した構成であるので、メッシュ状リング１４を取付けたバー１３と短絡環９との接触面積を、メッシュ状リング１４を具備しないバー１３よりも大きくすることができ、損失抵抗を少なくし得て、バー１３と短絡環９との接触部分での発熱を極力防止し、損失を軽減することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図６及び図７を参照して説明する。尚、上記第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
第２の実施形態では、回転子１９の拡大部の形状が、上記第１の実施形態と異なる。即ち、第２の実施形態の拡大部は、第１の実施形態のメッシュ状リング１４の代わりに、バー１３の両端部１３ａ，１３ａを扁平にして形成されている。

バー１３の両端部１３ａ，１３ａには、図６及び図７に示すように、回転子鉄心７の周方向に延びる扁平部１３ｂ，１３ｂが形成されている。扁平部１３ｂは、周方向の長さがスロット１２からはみ出す大きさ（スロット１２の幅より大きい）であり、又、各扁平部１３ｂには、複数例えば２個（３個以上でも良い）の孔部２０が、バー１３の軸方向に沿って形成されている。これにより、扁平部１３ｂが形成されたバー１３と短絡環９との接触面積は、扁平部１３ｂが形成されていないバー１３よりも大きくなる。

次に、回転子１９の組立て手順について説明する。
まず、各バー１３の一方の端部１３ａを、孔部２０を形成する突起を有するかしめ器（図示せず）により潰して、扁平部１３ｂ及び孔部２０を同時に形成させる。次に、これらのバー１３を、スロット１２にバー１３の他方の端部１３ａ側から挿入させる。そして、回転子鉄心７の端部７ａから突出したバー１３の他方の端部１３ａに前述同様にして扁平部１３ｂ及び孔部２０を形成させる。
次に、バー１３が取付けられた回転子鉄心７を前記金型１５内の所定位置に載置し、第１の実施形態と同様にアルミダイキャストを行い、この回転子鉄心７に回転軸８を取付ける。

上記構成よれば、バー１３の両端部１３ａ，１３ａに、スロット１２の幅よりも大きい扁平部１３ｂ、１３ｂが形成されているので、バー１３の回転子鉄心７の軸方向への移動が規制され、アルミダイキャスト時にバー１３が所定位置からずれてしまうことを防止することができる。
更に、短絡環９のアルミダイキャスト時に供給されたアルミニウムがバー１３の複数の孔部２０に浸入するので、このアルミニウムが固化すると、バー１３と短絡環９とが強固に結合される。

そして、扁平部１３ｂは、スロット１２の幅よりも大きく、且つ、複数の孔部２０を有した構成であるので、バー１３と短絡環９との接触面積を、扁平部１３ｂが形成されていないバー１３よりも大きくすることができ、損失抵抗を少なくし得て、バー１３と短絡環９との接触部分での発熱を極力防止し、損失を軽減することができる。

次に、本発明の第３の実施形態を図８乃至図１０を参照して説明する。尚、上記第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図８乃至図１０に示す第３の実施形態の回転子２１は、二重かご形に適用したものである。

図８に二重かご形の回転子２１を示す。回転子２１を構成する回転子鉄心２２の外周部には、図９に示すように、第１の実施形態と同様のバー１３を挿入するスロット１２が形成されており、このスロット１２の外周側には、スロット１２に対応して三角形のスロット２３が形成されている。尚、スロット２３は、三角形の頂点の１つが回転子鉄心２２の最外周側に位置するように形成されている。又、スロット１２とスロット２３とは、細い空隙部２４を介して連通されている。そして、図９及び図１０に示すように、スロット１２には、第１の実施形態で示したメッシュ状リング１４が取付けられたバー１３が挿入されており、スロット２３にはアルミニウム製のバー２５が設けられる構成である。

次に、回転子２１の組立て手順について説明する。
まず、スロット１２及びスロット２３が形成された回転子鉄心２２に、バー１３を取付け、この回転子鉄心２２を前記金型１５内の所定位置に載置し、アルミダイキャストを行う。すると、回転子鉄心２２の両端部２２ａ，２２ａに短絡環９，９及び複数の冷却フィン１０が成形されるとともに、スロット２３内に溶融されたアルミニウムが浸入し、このアルミニウムが固化するとバー２５が形成される。アルミダイキャスト後に、この回転子鉄心２２に回転軸８を取付けて、回転子２１が形成される。尚、アルミダイキャスト時において、空隙部２４は細く形成されているため、溶融されたアルミニウムは、空隙部２４及びスロット１２に浸入し難い構成である。

上記の二重かご形の回転子２１を用いた誘導電動機では、電流は、始動時には主としてバー２５に流れ、定格回転数の運転時には主としてバー１３に流れる構成である。
上記回転子２１の構成によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
又、スロット２３の断面の形状を三角形にしたので、磁束の立上がりを滑らかにすることができる。更に、スロット１２とスロット２３間に空隙部２４を形成させたので、スロット１２とスロット２３間に流れる磁束の漏れを低減することができ、効率良く回転子２１を回転させることができる。

次に、本発明の第４の実施形態を図１１を参照して説明する。尚、上記第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図１１に示す第４の実施形態の回転子３１は、回転子鉄心７内に磁極形成用の永久磁石３２が配設されて、自己始動行えるようにした永久磁石同期電動機の回転子に適用したものである。具体的には、回転子３１を構成する回転子鉄心７の外周部には、同図に示すように、第１の実施形態と同様のメッシュ状リング１４（図示せず）が取付けられたバー１３が挿入されている。そして、この回転子鉄心７の内周部（バー１３よりも内周側）には、複数個、例えば４個の永久磁石３２が周方向に沿って等間隔に埋込まれている。
上記の自己始動行う永久磁石同期電動機の回転子３１においても、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

尚、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されず、次のような変形、拡張が可能である。
第１乃至第４の本実施形態のスロットの形状は、一例にすぎず、適宜形状や大きさを変更しても良い。又、かご形誘導電動機の回転子は全閉形に適用して説明したが、開放形にしても良い。

第１乃至第４の実施形態のバー１３の端部の表面或いはメッシュ状リングの表面にアルミニウムのめっきを施し、バー１３或いはメッシュ状リングと、供給されたアルミニウムとの密着性を向上させても良い。更に、バー１３全体をアルミニウムでめっきして、アルミダイキャスト時にスロット１２内に浸入してきたアルミニウムとバー１３との密着性を向上させても良い。

第１の実施形態の回転子は、回転子鉄心に回転軸を取付けた後、アルミダイキャストを行って短絡環を形成させても良い。
第３の実施形態の回転子を、二重かご形回転子に適用して説明したが、三重以上のかご形回転子にも適用できる。
その他、上記した構成部品の数、寸法及び材料等について、適宜変更することができる。

本発明の第１の実施形態の回転子を示す図４中のＡ−Ａ線に沿う断面図 回転電機の全体構成を概略的に示す断面図 回転子の一部断面斜視図 短絡環部分を軸心と直交する方向に断面して示す図 金型の断面図 本発明の第２の実施形態の回転子を示す図４相当図 図６中のＢ−Ｂ線に沿う断面図 本発明の第３の実施形態の回転子を示す図３相当図 図８中のＣ−Ｃ線に沿う断面図 図９中のＤ−Ｄ線に沿う断面図 本発明の第４の実施形態の回転子を示す図３相当図

符号の説明

図面中、３，１９，２１及び３１は回転子、７及び２２は回転子鉄心、７ａは端部、９は短絡環、１２はスロット、１３はバー、１３ａは端部、１３ｂは扁平部（拡大部）、１４ａ及び２０は孔部、１４はメッシュ状リング（拡大部）、３２は永久磁石を示す。

Claims (4)

1. 回転子鉄心と、
   この回転子鉄心の外周部に周方向に所定の間隔を存して設けられた複数のスロットと、
   前記回転子鉄心のスロットに挿入された銅或いは銅合金からなるバーと、
   前記回転子鉄心の軸方向両端部にアルミダイキャスト成形により設けられ、前記バーを接続する短絡環と、
   前記バーの両端部に設けられ、前記短絡環内に位置する拡大部とを具備し、
   前記拡大部は、前記スロットの幅よりも大きく、且つ、孔部を有して構成されていることを特徴とする回転子。
2. 拡大部は、メッシュ状リングであること特徴とする請求項１記載の回転子。
3. 拡大部は、バーの端部を扁平にして形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転子。
4. 回転子鉄心内に磁極形成用の永久磁石が配設されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回転子。

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