JP5745703B1 - かご形回転子 - Google Patents
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Abstract
誘導電動機に用いられるかご形回転子3において、円筒状に積層されるコア7と、コア7の径方向位置内に形成されるスロット6と、スロット6内に形成される導体バー4と、コア7の軸方向両端面に配置されて導体バー4と接続される導体エンドリング31a,31bと、コア7の内周部にシャフト10またはスリーブを嵌め込んだ状態で、導体エンドリング31a,31bの外周方向もしくは端面方向から固相状態の導体粒子43が吹き付けられて形成され、導体エンドリング31a,31b、ならびにシャフト10またはスリーブと一体化した環状被膜材21a,21bと、を備える。
Description
本発明は、かご形回転子に関する。
誘導電動機に用いられるかご形回転子の二次導体形成には、コスト、および製造方法の容易性からアルミダイカストを使用することが多く、工作機械用の誘導電動機でも数多く適用されている。しかしながら、近年では、資源枯渇による省エネルギー化の要望や、機械加工タクトの削減・難切削材加工への対応など、工作機械用の誘導電動機に対する高効率・高速回転化のニーズが非常に高くなっている。
これらのニーズに対応するためには、回転子の二次導体の導電率向上と、回転子の高速回転によって発生する遠心力に耐えうる二次導体の強度の向上を両立させる必要がある。これらのニーズへの対応として、例えば、二次導体の合金アルミ化、銅の適用、導体エンドリングへの補強部材の追加がある。
しかしながら、合金アルミ化の場合、高速運転への強度確保はできるが、合金アルミの導電率が低いため誘導電動機の効率が低下する。一方、銅の適用の場合では、導電率向上による効率改善はできるが、製造方法にろう付けを使用するため、強度信頼性の確保が難しい。他方、導体エンドリングへの補強部材の追加は、補強部材が別途の構成部品となることや、高い比強度を持つ難加工金属(ステンレス合金、チタン等)を用いた場合の高コスト化が問題となりやすい。
例えば特許文献1から3には、導体バーの強度信頼性の向上、導体エンドリングの形成、または導体エンドリングの補強を目的とする導体被膜材の形成に、固相状態の金属材料粉末を吹き付ける、いわゆる「コールドスプレー法」を用いた誘導電動機が開示されている。
コールドスプレー法による導体エンドリング補強では、導体エンドリング表面に高強度の環状被膜材を形成することで、高速回転時における遠心力に起因したロータ外周方向への変形を抑制する補強効果を得ることが可能であるが、環状被膜材をコアの表皮面と一体成型した場合、固相状態の金属粉末が高速でコアに衝突するため、コアに過大な応力が生じて鉄心特性が低下し、誘導電動機の効率が悪化するおそれがある。
また、コールドスプレー法による導体エンドリングと導体バーの接続、および導体エンドリング外周面のみの環状被膜材形成では、モータ駆動時における導体バー材料(アルミ、または銅等)と鉄心との線膨張係数の違いに起因した軸方向への膨張が抑制できない。そのため、温度上昇時に導体バーのみで導体エンドリングを支持する形となる。このような状態では、モータの加減速運転時において、導体バーと導体エンドリングの継ぎ目に大きな繰り返し応力が付加されるため、当該部位の疲労破壊が懸念される。
また、コールドスプレー法による導体バー、導体エンドリングおよび環状の被膜材を形成する工程では、コアの内周部への被膜材付着防止を目的に、被膜の付着しにくい加工を施した芯金等をコアの内周部へ挿入する必要がある。そのため、芯金等の製造コストや、芯金等の挿入・取り外し、および芯金等に付着した被膜材除去などのメンテナンスに工数がかかるといった課題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コアへの被膜材の付着やコストの増加を抑えつつ、二次導体の導電率向上および強度向上の両立を図ることができるかご形回転子を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、誘導電動機に用いられるかご形回転子において、円筒状に積層されるコアと、コアの径方向位置内に形成されるスロットと、スロット内に形成される導体バーと、コアの軸方向両端面に配置されて導体バーと接続される導体エンドリングと、コアの内周部にシャフトまたはスリーブを嵌め込んだ状態で、導体エンドリングの外周方向もしくは端面方向から固相状態の導体粒子が吹き付けられて形成され、導体エンドリング、ならびにシャフトまたはスリーブと一体化した環状被膜材と、を備えることを特徴とする。
本発明にかかるかご形回転子は、コアへの被膜材の付着やコストの増加を抑えつつ、二次導体の導電率向上および強度向上の両立を図ることができるという効果を奏する。
以下に、本発明にかかるかご形回転子の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかるかご形回転子3の回転中心軸線1に沿った断面図である。図2は、図1に示すA−A線に沿って見たかご形回転子3断面図である。かご形回転子3は、例えば円柱状の芯金2に装着される。かご形回転子3は円筒形状のコア7と、その両端に配置されてコア7を挟み込む一対の円環状の導体エンドリング31a,31bと、コア7を貫通するスロット6に充填される導体バー4で構成される。
図1は、本発明の実施の形態1にかかるかご形回転子3の回転中心軸線1に沿った断面図である。図2は、図1に示すA−A線に沿って見たかご形回転子3断面図である。かご形回転子3は、例えば円柱状の芯金2に装着される。かご形回転子3は円筒形状のコア7と、その両端に配置されてコア7を挟み込む一対の円環状の導体エンドリング31a,31bと、コア7を貫通するスロット6に充填される導体バー4で構成される。
コア7は、薄鋼板である電磁鋼板から打抜かれた環状の薄板を回転中心軸線1の方向に必要枚数積層した積層体から形成される。コア7の中心には、回転中心軸線1に沿って貫通されたコア貫通穴5が形成される。コア貫通穴5には芯金2が挿入される。コア7の外周面の近傍には、回転中心軸線1を中心として周方向に等間隔となる位置に複数のスロット6が形成される。スロット6は、回転中心軸線1を中心に規定の角度だけスキューをかけ平行に位置される。スロット6は、回転中心軸線1に沿った方向にコア7を貫通する。スロット6内には、導体バー4が形成される。
導体バー4の末端部には1対の導体エンドリング31a,31bが配置される。導体バー4、および一対の導体エンドリング31a,31bはアルミニウム、アルミ合金、銅、銅合金といった導体材料を用いてダイカストによって形成される。導体エンドリング31a,31bの中心には、回転中心軸線1を中心としてエンドリング貫通穴8が形成される。
図3は、かご形回転子3の製造工程を概略的に示す断面図である。当該製造工程の実施に当たっては、かご形回転子3に対し、コア貫通穴5、およびエンドリング貫通穴8にシャフト10を圧入、焼きバメ等で結合した状態で実施される。
コア7の両端面には、コールドスプレー法によって環状被膜材21a,21bが形成される。コールドスプレー法の実施にあたって、図3に示すラバルノズル41が用いられる。ラバルノズル41は、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42が導入される。ガス42の流速は例えば500〜700m/sに設定される。
流路を流れるガス42の中に導体粒子43が投入される。ガス42は、導体粒子43の融点または軟化温度よりも低い温度に設定される。導体粒子43には例えば銅、銅合金といった導体エンドリング31a,31bより比抵抗が小さい導電材料、もしくは、例えばJIS(Japanese Industrial Standards)のA1000番台系で規定されるアルミニウム(純アルミニウム)よりも剛性の高い鉄、鉄合金などの高剛性材料が用いられる。導体粒子43の粒径は例えば5〜50μmに設定される。ガス42の温度は例えば常温〜500℃程度に設定される。
ラバルノズル41は、回転中心軸線1に沿って導体粒子43を吹き出すように配置される。ラバルノズル41の先端は、コア7の上端面に向き合わせられる。ラバルノズル41の先端は、コア端面と垂直となる位置から水平となる位置まで姿勢を変えて導体粒子43を吹き出す。ラバルノズル41の先端から超音速流の導体粒子43が吹き出される。
吹き出された導体粒子43は、導体エンドリング31aおよびシャフト10に吹き付けられる。ガス42の温度は導体粒子43の融点よりも低い温度に設定されることから、導体粒子43は固相状態で導体エンドリング31a,31bに衝突する。
回転中心軸線1回りにラバルノズル41が回転移動、もしくは回転中心軸線1回りにかご形回転子3が回転することによって、導体エンドリング31aおよびシャフト10の表面に環状被膜材21aが形成される。また、回転中心軸線1に対し垂直方向にかご形回転子3を180°回転させ、導体エンドリング31b側に導体粒子43を吹き付けることで、導体エンドリング31bおよびシャフト10の表面に環状被膜材21bが形成される。環状被膜材21a,21bの厚みについて特に指定はないが、十分な被膜材強度と部材間接合を維持するため、概ね数mm〜数十mmの間に設定される。
環状被膜材21a,21bは、導体エンドリング31a,31bおよびシャフト10と相互に接合される。当該接合により、高速回転時の遠心力による導体エンドリング31a,31bの変形が抑制される。
以上のように、本発明にかかる製造方法によれば、導体粒子43は、その融点よりも低い温度のガス42に投入されることから、固相状態で導体エンドリング31a,31b、およびシャフト10に吹き付けられる。これにより、環状被膜材21a,21bを形成する導体の結晶粒の肥大化を抑制することができる。また、被膜の積層体の緻密化を図ることができる。また、導体エンドリング31a,31bおよびシャフト10が環状被膜材21a,21bによって確実に接合される。また、環状被膜材21a,21bを形成する過程において導体が溶融しないため、導体が溶融した場合に生ずる熱収縮もなく、異種部材間に形成される隙間を抑制することができる。また、シャフト10がコア貫通穴5に予め結合されているので、コア7の内周面に導体粒子43が付着するのを抑えることができる。これにより、導体粒子43を除去する工程や、導体粒子43の付着を抑えるために設けた芯金をコア貫通穴5に対して着脱する工程を省略して、製造コストの抑制を図ることができる。
このように、コールドスプレー法による環状被膜材21a,21bの形成では、溶接やろう付けでの接合で生ずる熱ひずみや組成の脆性化が抑制できる。また、ろう付け等で発生する冷却時間を省略して、工数を短縮することができる。
図4は、実施の形態1の変形例1にかかるかご形回転子3の製造工程を概略的に示す断面図である。変形例1では、かご形回転子3に対し、コア貫通穴5、およびエンドリング貫通穴8にスピンドル等との接続に使用するスリーブ11を圧入、焼きバメ等で結合した例を示す。導体粒子43の吹き付けにおいては、上述した例と同様の工程で行う。本変形例1においても、環状被膜材21a,21b、導体エンドリング31a,31bおよびスリーブ11をより確実に接合し、信頼性の向上を図ることができる。
図5は、実施の形態1の変形例2にかかるかご形回転子3の製造工程を概略的に示す断面図である。変形例2では、一対の補強部材12a,12bを導体エンドリング31a,31bの内周側(エンドリング貫通穴8の内側)に配した状態で導体粒子43の吹き付けが行われる。補強部材12a,12bには、コア貫通穴5と同一径の補強部材貫通穴13が形成されている。補強部材12a,12bは、補強部材貫通穴13と、コア貫通穴5とが連通するように配置される。
補強部材12a,12bは漏れ磁束による誘導電動機の出力低下を抑えるため、非磁性体であることが望ましい。また、導体エンドリング31a,31bの内周側への補強部材12a,12bの配置については、導体エンドリング31a,31bの内周側との焼きバメか、アルミニウムまたは銅ダイカスト時に鋳包む形で配置することが望ましい。なお、本変形例2における補強部材12a,12bの形状は一例であり、当該形状に限定されるものではない。
回転中心軸線1回りにラバルノズル41が回転移動、もしくは回転中心軸線1回りにかご形回転子3が回転することによって、導体エンドリング31a,31bおよび補強部材12a,12bの表面に環状被膜材21a,21bが形成される。
環状被膜材21a,21bは、導体エンドリング31a,31bおよび補強部材12a,12bと相互に接合される。その後、補強部材貫通穴13を用いて補強部材12a,12bがシャフト、スリーブ等に結合されることで、導体エンドリング31a,31bの高速回転時の遠心力に対する変形が抑制される。また、導体エンドリング31a,31bのうち回転中心軸線1に沿った方向側の端面は、環状被膜材21a,21bから露出させることで、導体粒子43を吹き付ける領域を、導体エンドリング31a,31bの外周側に限定することができる。すなわち、導体粒子43が吹き付けられる領域をコア7のコア貫通穴5から離間させることができる。したがって、コア貫通穴5の内周面に導体粒子が付着することを抑えることができる。これにより、導体粒子43を除去する工程や、導体粒子43の付着を抑えるために設けた芯金をコア貫通穴5に対して着脱する工程を省略して、製造コストの抑制を図ることができる。
図6は、実施の形態1の変形例3にかかるかご形回転子3の製造工程を概略的に示す断面図である。本変形例3では、上記変形例2と同様に、一対の補強部材12a,12bを導体エンドリング31a,31bの内周側に配した状態で導体粒子43の吹き付けが行われる。補強部材12a,12bには、コア貫通穴5と同一径の補強部材貫通穴13が形成されている。補強部材12a,12bは、補強部材貫通穴13と、コア貫通穴5とが連通するように配置される。また、本変形例3では、コア貫通穴5および補強部材貫通穴13にシャフト10を嵌め込んだ状態で、導体粒子43の吹き付けが行われる。
環状被膜材21a,21bを形成した時点で、導体エンドリング31a,31b、補強部材12a,12bおよびシャフト10が相互に接合されることで、導体エンドリング31a,31bの高速回転時の遠心力に対する変形が抑制される。
また、シャフト10がコア貫通穴5に嵌め込まれているので、コア貫通穴5の周辺に導体粒子43を吹き付けても、コア貫通穴5の内周面に導体粒子43は付着しない。そのため、導体粒子43をコア貫通穴5の周辺にまで吹き付けて、補強部材12a,12bのうち回転中心軸線1に沿った方向側の端面を覆うように環状被膜材21a,21bを形成することができる。これにより、環状被膜材21a,21bによる補強効果をより確実に発揮させることが可能となる。
図7は、実施の形態1の変形例4にかかるかご形回転子3の製造工程を概略的に示す断面図である。本変形例4では、上記変形例3で示したシャフトに代えて、スリーブ11をコア貫通穴5にはめ込んだ状態で導体粒子43が吹き付けられる。上記変形例3と同様に、環状被膜材21a,21bを形成した時点で、導体エンドリング31a,31b、補強部材12a,12bおよびスリーブ11が相互に接合されることで、導体エンドリング31a,31bの高速回転時の遠心力に対する変形が抑制される。
また、スリーブ11がコア貫通穴5に嵌め込まれているので、コア貫通穴5の周辺に導体粒子43を吹き付けても、コア貫通穴5の内周面に導体粒子43は付着しない。そのため、導体粒子43をコア貫通穴5の周辺にまで吹き付けて、補強部材12a,12bのうち回転中心軸線1に沿った方向側の端面を覆うように環状被膜材21a,21bを形成することができる。これにより、環状被膜材21a,21bによる補強効果をより確実に発揮させることが可能となる。
実施の形態2.
図8は、本発明の実施の形態2にかかるかご形回転子3の製造工程を概略的に示す断面図である。なお、上記実施の形態と同様の構成については、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。本実施の形態では、コア7を貫通するスロット6に、アルミニウムおよび銅等で鋳造、押出された導体バー14、または切削加工にて製作した導体バー14を配している。導体バー14は、コア7の端面よりも突出している。また、導体バー14の端部を表出させるように放射状に穴を配した一対の円環状の導体エンドリング32a,32bが設けられる。
図8は、本発明の実施の形態2にかかるかご形回転子3の製造工程を概略的に示す断面図である。なお、上記実施の形態と同様の構成については、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。本実施の形態では、コア7を貫通するスロット6に、アルミニウムおよび銅等で鋳造、押出された導体バー14、または切削加工にて製作した導体バー14を配している。導体バー14は、コア7の端面よりも突出している。また、導体バー14の端部を表出させるように放射状に穴を配した一対の円環状の導体エンドリング32a,32bが設けられる。
本実施の形態では、導体バー14、導体エンドリング32a,32bおよびシャフト10を環状被膜材22a,22bを用いて相互に接合することで、導体エンドリング32a,32bの高速回転時の遠心力に対する変形が抑制される。なお、本実施の形態では、導体バー14が導体エンドリング32a,32bに対し凸となる構造を取っているが、導体バー14がいずれかの面に表出しうる構造を取っていればよい。
図9は、実施の形態2の変形例1にかかるかご形回転子3の製造工程を概略的に示す断面図である。変形例1では、シャフト10に代えてスリーブ11をはめ込んだ状態で導体粒子43が吹き付けられて、環状被膜材22a,22bが形成される。
図10は、実施の形態2の変形例2にかかるかご形回転子3の製造工程を概略的に示す断面図である。変形例2では、導体エンドリング32a,32bの内側に補強部材12a,12bがはめ込まれた状態で導体粒子43が吹き付けられて、環状被膜材22a,22bが形成される。変形例2では、導体粒子43の吹き付けられる領域が導体エンドリング32a,32bの外周側とされ、補強部材12a,12bのうち回転中心軸線1に沿った端面が露出する。
図11は、実施の形態2の変形例3にかかるかご形回転子3の製造工程を概略的に示す断面図である。変形例3では、変形例2の構成に加えて、コア7のコア貫通穴5にシャフト10が嵌め込まれた状態で導体粒子43が吹き付けられて、環状被膜材22a,22bが形成される。
図12は、実施の形態2の変形例4にかかるかご形回転子3の製造工程を概略的に示す断面図である。変形例4では、変形例3で示すシャフト10に代えてスリーブ11がコア7のコア貫通穴5に嵌め込まれた状態で導体粒子43が吹き付けられて、環状被膜材22a,22bが形成される。
本実施の形態2の変形例1〜4では、上記実施の形態1の変形例1〜4と同様に、コア貫通穴5の内周面への導体粒子43の付着を抑えて製造コストの抑制を図ることができる。また、環状被膜材22a,22bによって、導体エンドリング32a,32b、導体バー14、シャフト10、スリーブ11、補強部材12a,12b同士の接合をより強固にすることができる。これにより、導体エンドリング32a,32bの変形を抑えることができる。
なお、上記実施の形態1,2において、環状被膜材21a,21b,22a,22bの形成に使用する導体粒子43に、比抵抗の小さな材料(例えば導体エンドリングよりも比抵抗の小さな材料)を接合することで、導体エンドリング31a,31b,32a,32b全体の電気抵抗を低減することが可能となり、誘導電動機の効率が向上できる。
また、導体粒子43の材料としては、純銅、クロム銅、コルソン合金、ベリリウム銅、アルミナ分散強化銅等の銅や銅合金が使用されることで、導体エンドリング31a,31b,32a,32b全体の電気抵抗を低減することが可能となり、誘導電動機の効率が向上できる。
また、環状被膜材21a,21b,22a,22bの形成に使用する導体粒子43に、例えばJIS(Japanese Industrial Standards)のA1000番台系で規定されるアルミニウム(純アルミニウム)よりも剛性の高い高剛性材料を接合することにより、導体エンドリング31a,31b,32a,32bの高速回転時の遠心力に起因した変形を抑制することが可能となり、誘導電動機の高速回転化が可能となる。
また、導体粒子43の材料としては、鉄やステンレス、クロムモリブデン鋼等の鉄合金が使用されることで、導体エンドリング31a,31b,32a,32bの高速回転時の遠心力に起因した変形を抑制することが可能となり、誘導電動機の高速回転化が可能となる。
導体粒子43(環状被膜材21a,21b,22a,22b)がシャフト10、スリーブ11等に直接接合する例であれば、導体粒子43は非磁性の鉄合金であることが望ましい。補強部材12a,12bに非磁性の材料を用いた場合には、コア7への磁路が遮断されるので、磁性体の鉄や鉄合金を使用することも可能となる。
以上のように、本発明にかかるかご形回転子は、回転電機に用いられるかご形回転子に有用である。
1 回転中心軸線、2 芯金、3 かご形回転子、4,14 導体バー、5 コア貫通穴、6 スロット、7 コア、8 エンドリング貫通穴、10 シャフト、11 スリーブ、12a,12b 補強部材、13 補強部材貫通穴、21a,21b,22a,22b 環状被膜材、31a,31b,32a,32b 導体エンドリング、41 ラバルノズル、42 ガス、43 導体粒子。
Claims (6)
- 誘導電動機に用いられるかご形回転子において、
コア貫通穴が形成される円筒状に積層されたコアと、
前記コアの径方向位置内に形成されるスロットと、
前記スロット内に形成される導体バーと、
前記コアの軸方向両端面に配置されて前記導体バーと接続される導体エンドリングと、
前記導体エンドリングの内周部に嵌め込まれるとともに前記コア貫通穴と同径で形成されて前記コア貫通穴と連通する補強部材貫通穴が形成された補強部材と、
前記コア貫通穴および前記補強部材貫通穴に嵌め込まれるシャフトまたはスリーブと、
前記導体エンドリングの内周部に補強部材を嵌め込んだ状態かつ前記コア貫通穴および前記補強部材貫通穴に前記シャフトまたは前記スリーブを嵌め込んだ状態で、前記導体エンドリングの外周方向もしくは端面方向から固相状態の導体粒子が吹き付けられて形成され、前記導体エンドリングおよび前記補強部材と一体化した環状被膜材と、を備え、
前記補強部材は、前記導体エンドリングのうち内周部を覆う部分と、前記導体エンドリングのうち前記コアの軸方向に沿った端面を覆う部分とを有することを特徴とするかご形回転子。 - 前記導体粒子によって、前記導体エンドリングと前記導体バーとが接続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。
- 前記導体粒子が、前記導体エンドリングより比抵抗が小さい材料からなることを特徴とする請求項1または2に記載のかご形回転子。
- 前記導体粒子が、銅または銅合金からなることを特徴とする請求項3に記載のかご形回転子。
- 前記導体粒子が、鉄または鉄合金からなることを特徴とする請求項1または2に記載のかご形回転子。
- 前記導体粒子が、アルミニウムよりも剛性が高い高剛性材料からなる、請求項1または2に記載のかご形回転子。
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