JP5155423B2

JP5155423B2 - かご形回転子及びその製造方法

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Publication number: JP5155423B2
Application number: JP2011083060A
Authority: JP
Inventors: 尚志前田; 正幹福田; 貴史梶屋
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2031-04-04
Also published as: US9071112B2; DE102012006248A1; CN102738988A; US20120248901A1; CN102738988B; JP2012222863A

Description

本発明は、例えば誘導電動機に用いられるかご形回転子及びその製造方法に関する。

例えば特許文献２には、誘導電動機に用いられる回転子を製造する方法が開示される。この製造方法では、回転子のコアの外周面に沿って環状に広がる１対の導体エンドリングが金属溶射によって形成される。金属溶射では、溶融した例えば銅といった導体が高速でコアの外周面に吹き付けられる。その後、吹き付けられた導体は瞬時に冷却される。こうしてコアの外周面に導体の皮膜が形成されていく。この皮膜によってコアには導体エンドリングが形成される。

特開２０１１−１０４９８号公報特許第４５６０７５５号公報

榊和彦、「コールドスプレーの概要ならびにその軽金属皮膜」、軽金属、社団法人軽金属学会、２００６年７月、第５６巻第７号、ｐ．３７６−ｐ．３８５伊藤義康、須山章子、布施俊明、「コールドスプレーで作製されたアルミニウム皮膜の機械的特性」、材料、社団法人日本材料学会、２００７年６月、第５６巻第６号、ｐ．５５０−ｐ．５５５

従来の金属溶射によれば、導体を溶融させた後に導体がすぐに冷却されなければならない。この導体を冷却する際の管理が難しい。その結果、冷却する際の管理によっては導体の結晶粒の肥大化すなわち焼きなまりが生じる可能性がある。こうした結晶粒の肥大化は、形成された導体を劣化させてしまう。従って、導体エンドリングには十分な強度を確保することができない。こうした回転子は製品としての信頼性に欠ける。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、導体に十分な強度を確保することができるかご形回転子及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、
コアと、
前記コアに形成されて前記コアの回転中心軸線に沿って延びる複数のスロット孔と、
前記スロット孔内に配置される導体バーと、
前記コアの回転中心軸線の方向に規定される前記コアの両端に配置されて、前記導体バーで相互に接続される１対の導体エンドリングと、を備え、
前記スロット孔は、前記コアの外周面に臨んでおり、前記導体バーは、前記コアの外周方向から前記スロット孔内に固相状態の導体粒子を吹き付けて形成される被膜材から構成され、かつ、前記１対の導体エンドリングの少なくともいずれか１つは、固相状態の導体粒子を吹き付けて形成される被膜材から構成されるかご形回転子が提供される。

また、本発明に係るかご形回転子では、前記導体エンドリングは、前記コアの外周方向から前記コアの回転中心軸線に向かって吹き付けられる前記導体粒子の被膜材、又は、前記コアの端面方向から吹き付けられる前記導体粒子の被膜材から形成される。

本発明に係るかご形回転子では、前記スロット孔は、前記コアの回転中心軸線回りに回転しながら螺旋状に延びる。

また、本発明によれば、
コアに形成されて前記コアの回転中心軸線に沿って延びる複数のスロット孔内に、導体バーを配置する工程と、
前記回転中心軸線の方向に規定される前記コアの両端に、前記導体バーで相互に接続される１対の導体エンドリングを配置する工程と、を備え、
前記スロット孔は、前記コアの外周面に臨んでおり、前記導体バーは固相状態の導体粒子を前記コアの外周方向から前記回転中心軸線に向かって前記スロット孔内に吹き付けることによって形成されること、及び前記１対の導体エンドリングの少なくともいずれか１つは、固相状態の導体粒子を吹き付けて被膜を形成することによって形成されるかご形回転子の製造方法が提供される。

また、本発明に係るかご形回転子の製造方法では、前記導体エンドリングの形成にあたって前記導体粒子は、前記コアの外周方向から前記コアの回転中心軸線に向かって、又は、前記コアの端面方向から吹き付けられる。

また、本発明に係るかご形回転子の製造方法では前記スロット孔は、前記コアの回転中心軸線回りに回転しながら螺旋状に延びる。

本発明に係るかご形回転子及びその製造方法によれば、導体に十分な強度を確保することができるかご形回転子を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るかご形回転子の回転中心軸線に沿った断面図である。本発明の第１実施形態に係るかご形回転子の回転中心軸線に直交する断面図である。本発明の第１実施形態に係るかご形回転子の製造工程を概略的に示す断面図である。本発明の第２実施形態に係るかご形回転子の回転中心軸線に沿った断面図である。本発明の第２実施形態に係るかご形回転子の製造工程を概略的に示す断面図である。本発明の第３実施形態に係るかご形回転子の回転中心軸線に沿った断面図である。本発明の第３実施形態に係るかご形回転子の製造工程を概略的に示す断面図である。本発明の第４実施形態に係るかご形回転子の回転中心軸線に沿った断面図である。本発明の第４実施形態に係るかご形回転子の回転中心軸線に直交する断面図である。本発明の第４実施形態に係るかご形回転子の製造工程を概略的に示す断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るかご形回転子１０の回転中心軸線に沿った断面図であり、図２は、本発明の第１実施形態に係るかご形回転子１０の回転中心軸線に直交する断面図である。このかご形回転子１０は例えば円柱状の回転軸１１に装着される。かご形回転子１０は、円筒形状のコア１２と、回転軸１１すなわちコア１２の回転中心軸線１３の方向に規定されるコア１２の両端に配置されてコア１２を挟み込む１対の環状の導体エンドリング１４ａ、１４ｂと、回転中心軸線１３に平行にコア１２を貫通する複数の導体バー１５と、を備える。

かご形回転子１０は、周知の通り、誘導電動機の回転子として用いられる。誘導電動機にかご形回転子１０が組み込まれると、回転中心軸線１３周りでかご形回転子１０の周囲に回転磁界を生成する固定子が配置される。例えば多相誘導電動機では、交流電力を受けて生成された回転磁界の誘導作用によってかご形回転子１０の導体に誘導電流が生じる。この電流と回転磁界の磁束とによってかご形回転子１０に回転力が生じる。なお、ここでは固定子の図示は省略する。

コア１２は、薄板の電磁鋼板から打ち抜かれた環状の薄板を回転中心軸線１３の方向に複数積層した積層体から形成される。コア１２の中心には、回転中心軸線１３に沿って延びる貫通孔１６が形成される。貫通孔１６は回転軸１１を受け入れる。回転中心軸線１３周りに規定されるコア１２の外周面の近傍にはコア１２の内部で回転中心軸線１３周りに等間隔に複数のスロット孔１７が形成される。スロット孔１７は回転中心軸線１３に平行に延びる。スロット孔１７は回転中心軸線１３の方向にコア１２を貫通する。スロット孔１７内に前述の導体バー１５が配置される。導体バー１５は１対の導体エンドリング１４ａ、１４ｂを相互に接続する。

導体エンドリング１４ａ、１４ｂの中心には、回転中心軸線１３に沿って延びる貫通孔１８が形成される。貫通孔１８は回転軸１１を受け入れる。また、下側の導体エンドリング１４ｂには、回転中心軸線１３周りに規定される導体エンドリング１４ｂの外周面の近傍に回転中心軸線１３周りに等間隔に貫通孔１９が形成される。貫通孔１９は、スロット孔１７に対応した位置に形成されて回転中心軸線１３の方向に導体エンドリング１４ｂを貫通する。貫通孔１９は導体バー１５の下端を受け入れる。

各導体バー１５の上端はコア１２の上端面と面一に配置されることが好ましい。ただし、本発明の実施形態では特にこれに限定されるものではない。各導体バー１５の上端は上側の導体エンドリング１４ａに接合される。その一方で、各導体バー１５の下端は下側の導体エンドリング１４ｂの下端面と面一に配置されるのが好ましい。ただし、本発明の実施形態では特にこれに限定されるものではない。各導体バー１５の下端は導体エンドリング１４ｂに接合される。導体バー１５の断面形状はスロット孔１７の断面形状にほぼ一致する。こうした導体エンドリング１４ａ、１４ｂ及び導体バー１５は、例えば銅や銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金といった導電材料から形成される。形成方法の詳細は後述される。

次に、かご形回転子１０の製造方法を説明する。まず、コア１２の組立体が用意される。コア１２すなわち電磁鋼板の積層体の形成にあたって例えば円柱状の治具２０が用いられる。導体エンドリング１４ｂはコア１２の下端に配置される。続いて、コア１２のスロット孔１７には導体バー１５が配置される。導体バー１５の下端は導体エンドリング１４ｂの貫通孔１９内に配置される。この実施形態では、例えば機械加工によって予め所定の形状に形成された導体エンドリング１４ｂと導体バー１５とが用いられる。導体エンドリング１４ｂ及び導体バー１５には例えば銅といった導電材料が用いられる。

その後、上側の導体エンドリング１４ａがコールドスプレー法によって形成される。コールドスプレー法の実施にあたって、図３に示されるように、ラバルノズル２１が用いられる。ラバルノズル２１は、その先端の出口に向かうにつれて広がる流路が形成される。流路には先端に向かって超音速流のガス２２が導入される。ガス２２の流速は例えば３００〜１２００ｍ／ｓに設定される。他方で、ガス２２の流れ中には導体粒子２３が投入される。ガス２２は導体粒子２３の融点又は軟化温度よりも低い温度に設定される。導体粒子２３には例えば銅といった導電材料が用いられる。導体粒子２３の粒径は例えば１〜５０μｍに設定される。ガス２２の温度は例えば常温〜５００℃程度に設定される。

この実施形態では、ラバルノズル２１は回転中心軸線１３に沿って配置される。ラバルノズル２１の先端はコア１２の上端面に向き合わせられる。ラバルノズル２１の先端から超音速流の導体粒子２３が吹き出す。吹き出した導体粒子２３はコア１２や導体バー１５に吹き付けられる。ガス２２の温度は導体粒子２３の融点よりも低い温度に設定されることから、導体粒子２３は固相状態でコア１２や導体バー１５に衝突する。こうしてコア１２の上端面や導体バー１５の上端面には導体の被膜が形成されていく。回転中心軸線１３回りにラバルノズル２１が回転移動することによって、又は、回転中心軸線１３回りにコア１２が回転することによって、コア１２の上端面に所定の厚さの被膜材すなわち導体エンドリング１４ａが形成される。

こうしたコールドスプレー法によれば、導体粒子２３がコア１２及び導体バー１５と衝突することによってコア１２及び導体バー１５上に被膜の積層体が形成される。その結果、導体エンドリング１４ａの形成と同時に導体エンドリング１４ａはコア１２と導体バー１５とに接合される。その後、下側の導体エンドリング１４ｂと導体バー１５との隙間に向かってコールドスプレー法によって導体粒子２３が吹き付けられる。その結果、導体エンドリング１４ｂの貫通孔１９の内周面と導体バー１５の外周面との間に導体粒子２３の被膜が形成される。こうして下側の導体エンドリング１４ｂと導体バー１５とが相互に接合される。その後、コア１２から治具２０が取り外される。なお、治具２０の表面には例えば被膜が付着しにくい加工が施される。

以上のように、本発明に係る製造方法によれば、導体粒子２３は、その融点よりも低い温度のガス２２に投入されることから、固相状態でコア１２や導体バー１５に吹き付けられる。その結果、形成された被膜では導体の結晶粒の肥大化を著しく抑制することができる。加えて、導体の緻密な被膜の積層体を形成することができる。その結果、導体エンドリング１４ａはコア１２や導体バー１５に確実に接合される。しかも、導体は溶融しないことから、導体が溶融した場合に熱収縮によって異種部材間に形成される隙間の形成を抑制することができる。その結果、導体の劣化を抑制することができる。従って、導体の強度を十分に確保することができる。かご形回転子１０の製品としての信頼性を向上させることができる。しかも、コールドスプレー法の実施にあたって比較的に小規模な設備が確立されれば足りる。低コスト化が実現される。

その一方で、従来の金属溶射やダイキャスト、ろう付けでは導体を溶融させる。その結果、溶融による結晶粒の肥大化によって導体の強度を低下させる。また、例えばダイキャストによる製造方法では導体中に鋳造巣が生成されてしまう。鋳造巣は導体の強度をさらに低下させる。また、例えばろう付けには高度の技術を要するため、ろう付けの不十分な接合によって接合部への応力集中が生じて導体の強度を低下させる。こうした導体の強度の低下は製品の信頼性を低下させる。また、例えば金属溶射についてはコールドスプレー法と比較すると密度が５％低くなって部分的な剛性が低下するため、製品の信頼性を低下させる（非特許文献２）。また、ダイキャストやろう付けには比較的に大規模な設備が必要とされることから、コストが嵩んでしまう。さらに、特許文献２のめっきによる導体の形成は、数ｍｍ以上の膜を形成するために非常に時間がかかるため、非効率である。

図４は、本発明の第２実施形態に係るかご形回転子１０ａの回転中心軸線１３に沿った断面図である。前述のかご形回転子１０と均等な構成には同一の参照符号が付される。かご形回転子１０ａは前述と同様に回転軸１１に装着される。このかご形回転子１０ａでは、上側の導体エンドリング１４ａに加えて導体バー１５も前述のコールドスプレー法によって形成される。その結果、導体エンドリング１４ａと導体バー１５とは一体的に形成される。下側の導体エンドリング１４ｂには前述と同様に貫通孔１９が形成される。すなわち、導体エンドリング１４ｂには予め所定の形状に機械加工された加工品が用いられる。導体バー１５の下端は貫通孔１９内に配置される。

このかご形回転子１０ａの製造にあたって、前述と同様に、治具２０に装着されたコア１２の組立体に導体エンドリング１４ｂが取り付けられる。その後、図５に示されるように、コア１２の各スロット孔１７内にラバルノズル２１が挿入される。このとき、導体エンドリング１４ｂの下端面は例えば治具（図示せず）によって塞がれればよい。各スロット孔１７内にコールドスプレー法により導体粒子２３が吹き付けられていく。回転中心軸線１３に沿ったラバルノズル２１の移動によって、スロット孔１７内には被膜の積層体が形成されていく。こうして各スロット内１７内に被膜材すなわち導体バー１５が形成される。

その後、ラバルノズル２１は回転中心軸線１３に沿って配置される。前述と同様に、コールドスプレー法によってコア１２の上端面に被膜材すなわち導体エンドリング１４ａが形成される。こうしたかご形回転子１０ａの製造方法によれば、前述と同様の作用効果を実現することができる。その他、上述のかご形回転子１０ａでは、下側の導体エンドリング１４ｂで貫通孔１９の形成が省略されてもよい。こうした貫通孔１９の形成の省略によって、スロット孔１７内への導体粒子２３の吹き付け時に治具で導体エンドリング１４ｂの貫通孔１９を塞ぐ必要はない。

図６は、本発明の第３実施形態に係るかご形回転子１０ｂの回転中心軸線１３に沿った断面図である。前述のかご形回転子１０、１０ａと均等な構成には同一の参照符号が付される。かご形回転子１０ｂは前述と同様に回転軸１１に装着される。このかご形回転子１０ｂでは、上側の導体エンドリング１４ａ及び導体バー１５に加えて、下側の導体エンドリング１４ｂも前述のコールドスプレー法によって形成される。その結果、導体エンドリング１４ａ、１４ｂと導体バー１５とが一体的に形成される。その他、予め所定の形状に機械加工された加工品が用いられないことから、下側の導体エンドリング１４ｂには貫通孔１９は形成されない。

このかご形回転子１０ｂの製造にあたって、例えば図７に示されるように、ラバルノズル２１は外周に向けられる。かご形回転子１０ｂは回転中心軸線１３回りに回転させられ、コア１２及び回転中心軸線１３に向かって導体粒子２３が吹き付けられる。その結果、コア１２の下端に被膜材すなわち導体エンドリング１４ｂが形成される。その後、前述と同様に、各スロット孔１７内に導体バー１５が形成される。コア１２の上端では、導体エンドリング１４ｂと同様の方法で導体エンドリング１４ａが形成される。その後、コア１２から治具２０が取り外される。こうしたかご形回転子１０ｂの製造方法は前述と同様の作用効果を実現することができる。

図８は、本発明の第４実施形態に係るかご形回転子１０ｃの回転中心軸線１３に沿った断面図であり、図９は、本発明の第４実施形態に係るかご形回転子１０ｃの回転中心軸線１３に直交する断面図である。前述のかご形回転子１０、１０ａ、１０ｂと均等な構成には同一の参照符号が付される。かご形回転子１０ｃは前述と同様に回転軸１１に装着される。このかご形回転子１０ｃでは、スロット孔１７の外端がコア１２の外周面に臨む。その結果、導体バー１５はコア１２の外周面で外側に露出する。かご形回転子１０ｃでは、導体エンドリング１４ａ、１４ｂ及び導体バー１５がコールドスプレー法によって形成される。導体エンドリング１４ａ、１４ｂと導体バー１５とが一体的に形成される。

このかご形回転子１０ｃの製造にあたって、前述と同様に、ラバルノズル２１は外周に向けられ、回転中心軸線１３回りに回転させられる。コア１２及び回転中心軸線１３に向かって導体粒子２３が吹き付けられる。その結果、コア１２の上端及び下端に導体エンドリング１４ａ、１４ｂがそれぞれ形成される。その後、図１０に示されるように、ラバルノズル２１は、各スロット孔１７に沿って回転中心軸線１３に平行にコア１２の外周面に沿って移動する。その結果、各スロット孔１７内に被膜材すなわち導体バー１５が形成される。その後、コア１２から治具２０が取り外される。こうしたかご形回転子１０ｃの製造方法は前述と同様の作用効果を実現することができる。

以上のようなかご形回転子１０〜１０ｃでは、コア１２にはいわゆるスキューが施されてもよい。すなわち、コア１２では、スロット孔１７は、回転中心軸線１３回りに回転しながら螺旋状に延びる。言い替えれば、スロット孔１７は、回転中心軸線１３に沿ってコア１２の上端から下端に向かうにつれて回転中心軸線１３回りの角度位置を徐々に変化させる。本発明に係る製造方法によれば、こうしたスロット孔１７内にラバルノズル２１が挿入され得るので、スロット孔１７内に確実に導体バー１５を形成することが可能である。

１０〜１０ｃかご形回転子
１２コア
１３回転中心軸線
１４ａ、１４ｂ導体エンドリング（被膜材）
１５導体バー（被膜材）
１７スロット孔
２３導体粒子

Claims

コアと、
前記コアに形成されて前記コアの回転中心軸線に沿って延びる複数のスロット孔と、
前記スロット孔内に配置される導体バーと、
前記コアの回転中心軸線の方向に規定される前記コアの両端に配置されて、前記導体バーで相互に接続される１対の導体エンドリングと、を備え、
前記スロット孔は、前記コアの外周面に臨んでおり、前記導体バーは、前記コアの外周方向から前記スロット孔内に固相状態の導体粒子を吹き付けて形成される被膜材から構成され、かつ、前記１対の導体エンドリングの少なくともいずれか１つは、固相状態の導体粒子を吹き付けて形成される被膜材から構成されることを特徴とするかご形回転子。
前記導体エンドリングは、前記コアの外周方向から前記コア及び前記回転中心軸線に向かって吹き付けられる前記導体粒子の被膜材から形成されることを特徴とする請求項１に記載のかご形回転子。
前記導体エンドリングは、前記コアの端面方向から吹き付けられる前記導体粒子の被膜材から形成されることを特徴とする請求項１に記載のかご形回転子。
前記スロット孔は、前記回転中心軸線回りに回転しながら螺旋状に延びることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のかご形回転子。
コアに形成されて前記コアの回転中心軸線に沿って延びる複数のスロット孔内に、導体バーを配置する工程と、
前記回転中心軸線の方向に規定される前記コアの両端に、前記導体バーで相互に接続される１対の導体エンドリングを配置する工程と、を備え、
前記スロット孔は、前記コアの外周面に臨んでおり、前記導体バーは固相状態の導体粒子を前記コアの外周方向から前記回転中心軸線に向かって前記スロット孔内に吹き付けることによって形成されること、及び
前記１対の導体エンドリングの少なくともいずれか１つは、固相状態の導体粒子を吹き付けて被膜を形成することによって形成されることを特徴とするかご形回転子の製造方法。
前記導体エンドリングの形成にあたって前記導体粒子は、前記コアの外周方向から前記コア及び前記回転中心軸線に向かって吹き付けられることを特徴とする請求項５に記載のかご形回転子の製造方法。
前記導体エンドリングの形成にあたって前記導体粒子は、前記コアの端面方向から吹き付けられることを特徴とする請求項５に記載のかご形回転子の製造方法。
前記スロット孔は、前記回転中心軸線回りに回転しながら螺旋状に延びることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のかご形回転子の製造方法。