JP6566905B2 - かご形誘導電動機の回転子の製造方法及びかご形誘導電動機の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転子鉄心とロータバーとを剥離させて絶縁したかご形誘導電動機の回転子の製造方法及びかご形誘導電動機の製造方法に関する。

かご形誘導電動機の回転子は、回転子鉄心とかご形をした二次導体とを備える。回転子鉄心は、円形の外周に複数の溝を有する電磁鋼板製の回転子鉄心板を複数枚積層して円柱状にされている。二次導体は、ダイカストのような鋳造法により回転子鉄心の溝にアルミニウムを充填して形成された棒状のロータバーと、回転子鉄心の底面及び上面に形成された円環状の短絡環を備えている。

かご形誘導電動機では、省資源化及び高効率化の要求の高まりによって、損失を減らすことが課題となっている。かご形誘導電動機の損失には、鉄損、一次銅損、二次銅損及び機械損があり、高性能の材料を用いたり、鉄心形状及びコイルの最適化設計を行ったりすることにより損失を減らす努力がなされている。これらの損失以外にも、回転子に不要な電流が流れることで発生する横流損がある。

横流損とは、回転子鉄心の溝に形成されているロータバーと回転子鉄心との間の絶縁が不十分なときに、ロータバーの途中から回転子鉄心を経由して隣の溝に形成されているロータバーへと流れる本来流れるべきではない電流である横流れ電流による損失である。

特許文献１に開示されるように、ダイカスト後の回転子をねじることにより、回転子鉄心とロータバーとを剥離させることで、回転子鉄心とロータバーとを絶縁させ横流損を低減する方法がある。

特許第５８４３９８０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される方法は、回転子鉄心板間に隙間が生じて回転子の軸方向に圧縮荷重が加わると変形してしまう可能性がある。したがって、回転子鉄心板間の隙間をなくすためにねじりを戻す工程が必要であり、工数が増加してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ねじりを戻す工程を省いても、電磁鋼板間の隙間が生じにくく、かつ、回転子鉄心とロータバーとを剥離させて絶縁できるかご形誘導電動機の回転子の製造方法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、円形の外周に間隔を空けて複数の溝が形成された電磁鋼板製の回転子鉄心板を複数枚積層して、スキューを有する円筒状の回転子鉄心を形成する工程と、回転子鉄心の溝の中に棒状のロータバーを鋳造する工程を有する。本発明は、回転子鉄心を、スキューの方向が逆で、スキュー量の大きさが元のスキューと等しくなるまで、ロータバーの全長を保ったままねじる工程とを有する。

本発明によれば、ねじりを戻す工程を省いても、電磁鋼板間の隙間が生じにくく、かつ、回転子鉄心とロータバーとを剥離させて絶縁できるかご形誘導電動機の回転子の製造方法を得られるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法で製造した回転子を備えるかご形誘導電動機の分解斜視図 実施の形態１に係るかご形誘導電動機の回転子が備える回転子鉄心の斜視図 実施の形態１に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心に二次導体を形成したかご形回転子の斜視図 実施の形態１に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法のねじり工程を説明するねじり前とねじり後の回転子および把持治具の側面図 本発明の実施の形態２に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法のねじり工程を説明するねじり前とねじり後の回転子および把持治具の側面図 本発明の実施の形態３に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法のねじり工程を説明するねじり前とねじり後の回転子および把持治具の側面図 本発明の実施の形態４に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法のねじり工程を説明するねじり前とねじり後の回転子および把持治具の側面図 本発明の実施の形態５に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法のねじり工程を説明するねじり前とねじり後の回転子および把持治具の側面図

以下に、本発明の実施の形態に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法及びかご形誘導電動機の製造方法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に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法で製造した回転子を備えるかご形誘導電動機の分解斜視図である。図２は、実施の形態１に係るかご形誘導電動機の回転子が備える回転子鉄心の斜視図である。かご形誘導電動機は、回転子１、回転子１と空隙を介して外周に配置される固定子２、回転子１に発生した回転トルクを負荷へ伝える回転軸３、回転軸３を回転自在に支持する２個の軸受４、及び固定子２と軸受４を介して回転子１を支持するとともに電動機全体を覆って外部への装着部位を有する外郭５を備える。図２に示すように、回転子１は、電磁鋼板から成る回転子鉄心板６を複数枚積層した回転子鉄心７と、回転子鉄心７にアルミニウムをダイカストなどの鋳造にて形成した二次導体８を有する。回転子鉄心板６は、円形の外周に間隔を空けて複数の溝９が設けられている。回転子１は、溝９に鋳込まれた二次導体８の一部であるロータバー１０と、回転子鉄心７の両端面に設けられた、複数のロータバー１０間を電気的に接続する円環状の二次導体８の一部の短絡環１１とを有する。

回転子鉄心７は、周方向の回転トルクの脈動を低減する目的で、回転子鉄心板６の溝９の位置を１枚ごとに同一方向に一定量ずらしながら積層されており、スキューが形成されている。回転子鉄心７の軸方向の２点間の回転子鉄心板６の周方向のずれ量をスキュー量と呼び、角度又は溝９のピッチ換算で表現する。すなわち、スキュー量は、機械角３０度又は２．５溝ピッチのように表現される。図２においては、下端の回転子鉄心板６の溝９と上端の回転子鉄心板６の溝９との周方向のずれ量θｓが、回転子鉄心７全体のスキュー量である。

図１に示すように、固定子２は、溝１２を有し電磁鋼板で形成された固定子鉄心板１３を複数枚積層した固定子鉄心１４と、固定子鉄心１４との間に絶縁部材１５を介して、溝１２に巻き線１６が収納される。

かご形誘導電動機は、固定子２の複数の巻き線１６にそれぞれ位相のずれた交流電圧を印加すると、固定子鉄心１４の内周から回転子１に向けて、磁界の方向が周方向に移動する回転磁界が発生する。すると、回転子１が回転磁界の移動速度よりも低い回転速度で回転している場合には、ロータバー１０に誘導起電力が発生し、両端の短絡環１１と他のロータバー１０とを経由して循環する電流が流れ、循環する電流が流れる際には、循環する電流が作る磁界と固定子２が作る磁界との相互作用により回転トルクが発生する。溝９がスキューにより回転軸に対して平行でなく傾いているために、周方向の力の他に軸方向の力も発生する。スキューによって発生する軸方向の力は、回転軸方向の加振力となって振動騒音の原因となる。

電磁鋼板の表面には、絶縁被膜が形成されているが、回転子鉄心板６の溝９は、打ち抜きにより形成されるため、断面部が絶縁されておらず、鋳造により形成されたロータバー１０と回転子鉄心７とは密着して電気的に導通する。すると、ロータバー１０に発生した誘導起電力によりロータバー１０の両端の短絡環１１を経由して流れる横流れ電流１７が発生する。横流れ電流１７は、回転トルクとならずに熱損失になって、かご形誘導電動機の効率を悪化させる。横流れ電流１７は、回転子１の軸方向の中央寄りほど大きく、両端でゼロとなる。

図３は、実施の形態１に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心に二次導体を形成したかご形回転子の斜視図であって、ねじり工程を説明するための図である。図４は、実施の形態１に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法のねじり工程を説明するねじり前とねじり後の回転子および把持治具の側面図である。元の状態では、回転子鉄心７全体でのスキュー量はθ１である。横流れ電流１７の対策に、実施の形態１では、図４に示すように、第一チャック１８と第二チャック１９とで、回転子１の両端を把持し、第一チャック１８及び第二チャック１９の一方を固定して、他方をロータバー１０の全長を一定に保つように軸方向にも移動させながら回転して、回転子１を最初のスキューの傾斜と逆の傾斜の方向へねじり、最終的には最初と同じスキュー量までねじる。すなわち、スキュー量が０となるまでは第一チャック１８と第二チャック１９との間隔を広げ、スキューの方向が元と逆になってからは第一チャック１８と第二チャック１９との間隔を狭めて、最終的には第一チャック１８と第二チャック１９との間隔を元と同じ間隔にする。図３及び図４に示す例では、図中のＡ点を固定し、逆方向にスキュー量がθ１となる位置にＢ点が移動するまで回転子鉄心７をねじる。図３及び図４には、ねじる前後で回転子１のＡ点及びＢ点がどのように移動したかを分かりやすくするために、●印を記した。

回転子１の最初のスキューの傾斜と逆の傾斜の方向へねじってロータバー１０を塑性変形させることにより、回転子鉄心７と密着していた箇所が剥がれ、アルミニウムで形成されたロータバー１０の表面は、酸素との化学親和性により空気中の酸素と結合して絶縁性を有する酸化アルミニウム被膜が生成される。さらに、回転子鉄心７とロータバー１０との間にも隙間が形成されるため、より確実に絶縁されるとともに、最終的には最初と同じスキュー量までねじることにより、ねじりを戻す工程を行わなくても回転子鉄心板６間の隙間はねじる前と同様で微小にすることができ、軸方向の圧縮加重による変形をなくすことができる。特に、スキュー量が小さい場合でも、ロータバー１０の塑性変形を大きくできるため、回転子鉄心７とロータバー１０との隙間を大きくでき、確実に絶縁できる。

なお、上記の説明においては、第一チャック１８及び第二チャック１９の一方を固定して、他方をロータバー１０の全長を一定の長さに保つように軸方向にも移動させながら回転して、回転子１を最初のスキューの傾斜と逆の傾斜の方向へねじるとしたが、軸方向の移動及び回転は、両チャック間の相対的な位置関係の変遷が上記の例と同じであるならば、第一チャック１８及び第二チャック１９で分担して行っても良い。

実施の形態１によれば、回転子鉄心７をねじって回転子鉄心７とロータバー１０とを剥離させて絶縁した後、ねじりを戻す工程を省いても、電磁鋼板間の隙間が生じにくい。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法のねじり工程を説明するねじり前とねじり後の回転子および把持治具の側面図である。実施の形態２に係るかご形誘導電動機の回転子１は、実施の形態１と同様に、回転子鉄心板６の溝９の位置を１枚１枚周方向の同一方向へ一定の間隔でずらしながら積層した回転子鉄心７に、鋳造によって成形した二次導体を有する。以下の実施の形態２の説明においては、回転子１の回転子鉄心７の底面から第一チャック１８で把持している箇所の上端であるＣ点までの区間をａ、回転子鉄心７の上面から第二チャック１９で把持している箇所の下端であるＤ点までの区間をｂ、第一チャック１８と第二チャック１９の間の区間、すなわちＣ点とＤ点との間の区間をｃとする。実施の形態２においては、回転子鉄心板６は、下端の回転子鉄心板６のＡ点と、上端の回転子鉄心板６のＢ点との間のスキュー量がθＢとなるように積層されている。なお、Ｃ点とＤ点との間のｃの区間のスキュー量はθ２となっている。

実施の形態２では、ａの区間の長さとｂの区間の長さとの和がｃの区間の長さに等しくなるように回転子１を把持し、例えば第一チャック１８は固定して、第二チャック１９をロータバー１０の全長を一定に保つように軸方向にも移動させながら回転して、回転子１の第一チャック１８と第二チャック１９とで挟まれた部分、すなわちｃの区間を最初のスキューの傾斜と逆の傾斜の方向へねじり、最終的には最初のＣ点からＤ点との間のｃの区間のスキュー量がθ２となるように、すなわち、下端の回転子鉄心板６を基準としたＤ点の回転方向のずれ量θＡが、元のスキュー量θＢの１／４となるように回転子鉄心７をねじる。換言すると、ｃの区間のスキューが、元と逆の方向でスキュー量が元と同じになるように回転子鉄心７をねじる。図５には、ねじる前後で回転子１のＣ点及びＤ点がどのように移動したかを分かりやすくするために、●印を記した。

これにより、ねじる前とスキューの方向が同じであるａの区間及びｂの区間で発生する回転軸方向の加振力と、ねじる前とスキューの方向が逆であるｃの区間で発生する回転軸方向の加振力とで、大きさを等しく方向を逆にできる。したがって、ａの区間及びｂの区間で発生する回転軸方向の加振力とｃの区間で発生する回転軸方向の加振力とが、互いに打ち消し合って回転子１全体のスキューにより発生する軸方向加振力を低減することができる。

なお、ａの区間及びｂの区間はねじられないため、ａの区間及びｂの区間ではロータバー１０と回転子鉄心７とは絶縁されないが、前述したように、横流れ電流１７は回転子１の軸方向の中央寄りほど大きく、両端ではゼロとなるため、ａの区間及びｂの区間での横流損は小さく、ねじりによる効率改善の効果は多い。

横流損の分布から考えると、ａの区間の長さとｂの区間の長さを同じとした方が効率改善は大きくできる。

また、ａの区間の長さとｂの区間の長さとの和とｃの区間の長さとは全く同一とする必要はなく、軸方向加振力低減の程度と横流損低減の程度の兼ね合いで、電動機が使われる機器の要求ごとに決めればよい。また、回転するチャック及び軸方向に移動するチャックは、チャック間の相対的な位置関係の軌跡が同じなら、どちらで行ってもよいし、第一チャック１８及び第二チャック１９の両方が回転及び軸方向の移動を行ってもよい。

実施の形態２によれば、スキューの方向が元と同じ部分で発生する回転軸方向の加振力と、スキューの方向が元と逆の部分で発生する回転軸方向の加振力とが相殺されるため、軸方向の振動を低減することができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法のねじり工程を説明するねじり前とねじり後の回転子および把持治具の側面図である。実施の形態３では、第一ねじり工程において、第一チャック１８と第二チャック１９とで、回転子１の両端を把持し、例えば第一チャック１８は固定して、第二チャック１９をロータバー１０の全長を一定に保つように軸方向にも移動させながら回転して、回転子鉄心７の下端のＡ点と上端のＢ点との間を、元のスキューとはスキュー量が同じで方向が逆になるようにねじる。なお、第一ねじり工程は、実施の形態１に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法のねじり工程と同様である。

次に、第二ねじり工程において、回転子鉄心７の上面と第一チャック１８の上端であるＥ点までのｄの区間の長さが、回転子鉄心７の全長の半分となるように第一チャック１８の把持位置を持ち変えた後、第二チャック１９を第一ねじり工程と逆の方向に第一ねじり工程の回転量の半分だけねじる。図６に示すように、ｄの区間及びｅの区間のスキュー量は第一ねじり工程の前後でともにθ３である。したがって、第二ねじり工程では、ｄの区間のみを、スキュー量がθ３でスキュー方向が最初のスキューと同じになるようにねじり戻す。図６には、ねじる前後で回転子１のＡ点、Ｂ点及びＥ点がどのように移動したかを分かりやすくするために、●印を記した。

上記のように、回転子鉄心７の全長をスキューが逆の傾斜になるまでねじった後、全長の半分をねじり戻すことで、溝９が回転子鉄心７の軸方向の中央部で折り返したようなスキューとすることができる。

これにより、実施の形態２と違ってロータバー１０を回転子鉄心７から全長に渡って引きはがすことができるとともに、スキューが逆の傾斜になるまでねじった図中のｅの区間の長さとねじり戻したｄの区間の長さとが等しくなるため、スキューにより発生する軸方向加振力をｄの区間とｅの区間とで相殺することができ、横流損を低減し、かつ、軸方向加振力の小さい回転子１及び回転子１を組み込んだかご形誘導電動機を得ることができる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法のねじり工程を説明するねじり前とねじり後の回転子および把持治具の側面図である。実施の形態４では、ねじり工程前の回転子鉄心７のスキューを、回転子鉄心７の両端付近では最終的に形成するスキューと同じ方向につけて積層し、中間部では最終的に形成するスキューと逆方向にして積層している。そして、最終的に形成するスキューと同じ方向にスキューをつけて積層した部分を第一チャック１８及び第二チャック１９で把持し、Ｆ点とＧ点との間の中間部をスキュー量が元と同じθ４でスキューの方向が逆になるまでねじる。図７には、ねじる前後で回転子１のＦ点及びＧ点がどのように移動したかを分かりやすくするために、●印を記した。

なお、回転子鉄心７の両端部はねじられないため、回転子鉄心７の両端部はロータバー１０と絶縁されないが、前述したように、横流れ電流１７は回転子１の軸方向の中央寄りほど大きく、両端ではゼロとなるため、回転子鉄心７の両端部での横流損は小さく、ねじりによる効率改善の効果は多い。

上記のようにチャックで把持する部分を最終のスキューと同じようにスキューをつけておくと、チャックで把持する部分の面積を大きくとれるため、ねじりに対する剛性の高い回転子でも強い力で把持してねじることができ、チャックと回転子が滑らず安定して加工することができる。

実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５に係るかご形誘導電動機の回転子の製造方法のねじり工程を説明するねじり前とねじり後の回転子および把持治具の側面図である。実施の形態５では、ねじり工程前の回転子鉄心７のスキューを、回転子鉄心７の両端付近ではずらさずにスキューの無い積層にし、中間部では最終的に形成するスキューと逆方向にして積層している。そして、スキューの無い部分を第一チャック１８及び第二チャック１９で把持して、Ｈ点とＩ点との間のチャックで把持していない区間を、スキュー量が元と同じθ５でスキューの方向が逆になるまでねじる。図８には、ねじる前後で回転子１のＨ点及びＩ点がどのように移動したかを分かりやすくするために、●印を記した。

上記のようにチャックで把持する部分の回転子鉄心はスキューの無い積層にしておくと、スキューが無い部分での周方向の電磁加振力をスキューで低減する効果は無くなるが、スキューの無い部分をチャックしてねじる製造方法とすることで、チャックで把持する部分の面積を大きくとれるため、ねじりに対する剛性の高い回転子でも強い力で把持してねじることができ、チャックと回転子が滑らず安定して加工することができる。

なお、回転子鉄心７の両端部はねじられないため、回転子鉄心７の両端部はロータバー１０と絶縁されないが、前述したように、横流れ電流１７は回転子１の軸方向の中央寄りほど大きく、両端ではゼロとなるため、回転子鉄心７の両端部での横流損は小さく、ねじりによる効率改善の効果は多い。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 回転子、２ 固定子、３ 回転軸、４ 軸受、５ 外郭、６ 回転子鉄心板、７ 回転子鉄心、８ 二次導体、９，１２ 溝、１０ ロータバー、１１ 短絡環、１３ 固定子鉄心板、１４ 固定子鉄心、１５ 絶縁部材、１６ 巻き線、１７ 横流れ電流、１８ 第一チャック、１９ 第二チャック。

Claims (5)

1. 円形の外周に間隔を空けて複数の溝が形成された電磁鋼板製の回転子鉄心板を複数枚積層して、スキューを有する円筒状の回転子鉄心を形成する工程と、
   前記回転子鉄心の溝の中に棒状のロータバーを鋳造する工程と、
   前記回転子鉄心の外周を、前記回転子鉄心の軸方向に離間した第一チャック及び第二チャックにて把持する工程と、
   前記第一チャック及び前記第二チャックの少なくとも一方を回転して、前記第一チャックの下端と前記第二チャックの上端との間の区間を、スキューの方向が逆で、スキュー量の大きさが元のスキューと等しくなるまで、前記第一チャックの下端と前記第二チャックの上端との間の区間の前記ロータバーの全長を保ったままねじる工程とを有し、
   前記回転子鉄心の底面側を前記第一チャックで把持し、
   前記回転子鉄心の上面側を前記第二チャックで把持し、
   前記回転子鉄心の底面から前記第一チャックで把持している箇所の上端までの区間の長さと、前記回転子鉄心の上面から第二チャックで把持している箇所の下端までの区間の長さとの和を、前記第一チャックの上端と前記第二チャックの上端との区間の長さに等しくすることを特徴とするかご形誘導電動機の回転子の製造方法。
2. 円形の外周に間隔を空けて複数の溝が形成された電磁鋼板製の回転子鉄心板を複数枚積層して、スキューを有する円筒状の回転子鉄心を形成する工程と、
   前記回転子鉄心の溝の中に棒状のロータバーを鋳造する工程と、
   前記回転子鉄心の外周の両端を、前記回転子鉄心の軸方向に離間した第一チャック及び第二チャックにて把持し、スキューの方向が逆で、スキュー量の大きさが元のスキューと等しくなるまで、前記ロータバーの全長を保ったままねじる第一ねじり工程と、
   前記第二チャックの把持位置はそのままで、前記第二チャック側の前記回転子鉄心の上面と前記第一チャック及び前記第二チャックのどちらとも異なる第三チャック又は前記第一チャックまでの区間の軸方向の長さが、前記回転子鉄心の全長の半分となるように前記第一チャック又は前記第三チャックで把持し、前記第二チャックと前記第一チャック又は前記第三チャックとの少なくとも一方を回転して、前記第二チャックから前記第一チャック又は前記第三チャックの間の区間を、スキューの方向が元の方向と同じになるように前記第一ねじり工程の半分の量だけ、前記ロータバーの全長を保ったままねじる第二ねじり工程とを有することを特徴とするかご形誘導電動機の回転子の製造方法。
3. 円形の外周に間隔を空けて複数の溝が形成された電磁鋼板製の回転子鉄心板を複数枚積層して、両端部と中央部とで逆方向のスキューを有する円筒状の回転子鉄心を形成する工程と、
   前記回転子鉄心の溝の中に棒状のロータバーを鋳造する工程と、
   前記回転子鉄心の両端部の外周をチャックで把持して、前記中央部のスキューが前記両端部のスキューと同じ方向かつ元のスキューと同じスキュー量となるまで、前記ロータバーの全長を保ったままねじる工程とを有することを特徴とするかご形誘導電動機の回転子の製造方法。
4. 円形の外周に間隔を空けて複数の溝が形成された電磁鋼板製の回転子鉄心板を複数枚積層して、両端部にはスキューが無く中央部にはスキューを有する円筒状の回転子鉄心を形成する工程と、
   前記回転子鉄心の溝の中に棒状のロータバーを鋳造する工程と、
   前記回転子鉄心の前記両端部の外周をチャックで把持して、前記中央部のスキューが、元と逆の方向で、スキュー量の大きさが元のスキューと等しくなるまで、前記ロータバーの全長を保ったままねじる工程とを有することを特徴とするかご形誘導電動機の回転子の製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のかご形誘導電動機の回転子の製造方法で製造された回転子の周囲に固定子を設ける工程を備えることを特徴とするかご形誘導電動機の製造方法。

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