JP6624671B2 - かご形回転子 - Google Patents

Description

本発明は、複数の凹部を備えた少なくとも１つの回転子積層鉄心と、複数のロータバーがその両端部範囲において前記回転子積層鉄心を越える突出部を備えるように前記回転子積層鉄心の複数の前記凹部内へ設けられている、導電性の複数の前記ロータバーから成る少なくとも１つのかごとを有するとともに、前記ロータバーの前記端部範囲が突出し、短絡環の外周部の範囲に配置された複数の凹部を有する、端面側で前記回転子積層鉄心へ設けられる複数の前記短絡環から成る、非同期機のためのかご形回転子に関するものである。

非同期機のためのかご形回転子の基本的な構造は、従来技術から一般に知られている。かごの製造についても様々な手法が知られている。いくつかのケースにおいては、かご全体が一体的に鋳造される。その変形形態において、半製品から複数のロータバーが製造され、回転子積層鉄心の凹部内へ挿入される複数の実施例が存在する。つづいて、複数の短絡環が鋳込まれる。これに対して、別のバリエーションでは、対応して成形された複数の薄板から短絡環を製造するようにしている。これら薄板は、良好な導電性を有するとともに、確実にロータバーと結合される必要がある。このことは、多くの場合、例えば特許文献１から分かるようにはんだ付けプロセスによってなされる。

さらに、特許文献２から複数のかご形回転子が見て取れ、これらかご形回転子においては、複数の短絡環が互いに交互に配置された銅板及び鋼板で構成されている。これにより、短絡環の機械的な安定性が改善されるとともに、挿入された鋼板が高い回転数においても短絡環の広がりを制限する。これら鋼板は、銅板及び導体バーにはんだ付けされる。

特許文献３には、かご形回転子の短絡環をバイメタル薄板、特に鋼−銅薄板で製造することが提案されている。そして、このように製造されたバイメタル−短絡環はその鋼側を回転子積層鉄心へ向けて配置されており、その結果、つづいて短絡環を回転子積層鉄心に溶接することが可能である。

独国特許出願公開第３４２１５３７号明細書 独国特許発明第１９５４２９６２号明細書 独国特許発明第６９７３４８３９号明細書

本発明の基礎をなす課題は、非同期機のための改良されたかご形回転子を提供することにある。ここで、この改良は、短絡環の構造及びそのロータバーとの結合に関するものである。

本発明は、請求項１の特徴によって示されている。他の従属請求項は、本発明の有利な形態に関するものである。

本発明は、少なくとも１つの回転子積層鉄心と、導電性の複数のロータバー及び複数の短絡環から成る少なくとも１つのかごとを有する、非同期機のためのかご形回転子を含むものである。回転子積層鉄心は、複数の凹部を備えている。ここで、これら凹部は、径方向外方へ開放された溝として形成されることが可能である。ロータバーは、当該ロータバーがその両端部範囲において回転子積層鉄心を越える突出部を備えるように回転子積層鉄心の複数の凹部内へ設けられている。回転子積層鉄心の端面側には、当該短絡環の外周部の範囲に配置された複数の凹部を有する短絡環が設けられており、これら凹部内にはロータバーの端部範囲が突出している。このとき、これら凹部は、貫通開口部として形成されることができ、これら貫通開口部は、径方向外方へ開放されているか、又は閉鎖されている。本発明によれば、短絡環がそれぞれ少なくとも２つの金属複合ディスクで構成されており、該金属複合ディスクがその側で少なくとも第１の金属ディスクと該第１の金属ディスクに平面的に結合された材料の異なる第２の金属ディスクとで構成されている。ここで、少なくとも部分的に、第１の金属ディスクが互いに対向するよう、隣接する金属複合ディスクが配置されている。ロータバーは、凹部の範囲において第１の金属ディスクと素材結合式に結合され、好ましくは溶接されている。

ここで、本発明は、かごの短絡環がそれぞれ複数の金属複合ディスクで構成されているという考察に基づくものである。このとき、これら金属複合ディスクは、少なくとも、平面的に、かつ、導電的に互いに結合された２つの材料の異なる金属ディスクで構成されている。金属ディスクの材料は、その密度、導電性、強度特性及びコストに関して異なっている。これにより、金属複合ディスクは、単一金属ディスクとは異なり、より多くの自由度と、導電率、重量、強度及びコストに関して短絡環との最適化を提供するものである。ここで、互いに組み合わされる材料の選択及び個々の金属ディスクの厚さ比は重要な役割を果たす。金属複合ディスクは、端部範囲における複数のロータバーに電気的に良好に伝導されるように結合される必要がある。この結合は、信頼性を有する必要があるとともに、迅速に回転する部材の動作時に生じ得るような力の作用の下でも、機械の寿命全体にわたって機能しないことがあってはならない。したがって、ロータバーと金属複合ディスクの間の結合は、素材結合式に、例えばはんだ付け又は好ましくは溶接によってなされる。異なる金属材料の素材結合式の結合は困難であるため、ロータバーと短絡環の間の結合技術は、実質的に、ロータバーの材料と最も良好に結合され得る材料の金属複合ディスクの金属ディスクのみがロータバーと結合されるように選択される。本発明の範囲においては、この金属ディスクは、「第１の金属ディスク」として示されている。一方、これに対して材料の異なる金属ディスクは「第２の金属ディスク」として示されている。導体バーから金属複合ディスクへの電流の移動は、素材結合式の結合部を介してまずは第１の金属ディスクへなされる。そして、金属ディスクの上下に重ねられた平面的な接着により、金属複合ディスクの内部における最小の電気抵抗での電流移動が可能となる。本発明によれば、短絡環の金属複合ディスクは、少なくとも部分的に、隣接する金属複合ディスクの第１の金属ディスクが互いに対向するように配置されている。これにより、隣接する金属複合ディスクの同材料の第１の金属ディスクが直接隣接して配置されている。このことは、２つの金属ディスクから成る金属複合ディスクにおいて、隣接する複数の金属複合ディスクがそのディスク配置に関してミラー反転して互いに向けて配向されていることで達成される。これに代えて、多層金属複合ディスクによる解決も可能である。

短絡環のこのような構成の特別な利点は、隣接する２つの金属複合ディスクが１つのみの結合プロセス、例えば１つのみの溶接工程によってロータバーと結合され得ることにある。これにより、ロータバーとの短絡環の結合にかかる手間及びコストをほぼ半分にすることが可能である。また、隣接する２つの金属複合ディスクの間の確実な結合を付加コストなしに製造することが可能である。これにより、短絡環の導電率が改善されるとともに、その機械的な安定性も向上する。

本発明の好ましい形態においては、ロータバーが、少なくとも部分的に、第１の金属ディスクの材料に良好に溶接可能な材料によって構成されることができる。溶接することにより、特に信頼性を有する結合部を形成することが可能である。適当な結合手法は、例えばレーザ溶接又は電子ビーム溶接である。互いに溶接される両材料は、好ましくは互いに略同一の溶融温度あるいは溶融範囲及び類似の熱伝導特性を有している。溶融温度あるいは溶融範囲の差は、好ましくは最大で２０Ｋである。

本発明の特に好ましい形態においては、ロータバーが、少なくとも部分的に、その基礎材料が第１の金属ディスクの基礎材料と同一である材料で構成されることが可能である。したがって、互いに溶接される両材料は、同一の基礎材料の異なる合金であり得る。同一の基礎材料であることで、多くの場合両合金は良好に溶接可能である。適当な合金要素により、特に材料の導電性及び強度が目的に合わせて影響され得る。したがって、例えば導体バーは好ましくは特に高い強度を有する合金で製造されることができ、一方、短絡環の第１の金属ディスクには特に大きな導電性を有する合金が用いられる。

本発明の有利な実施形態においては、金属複合ディスクの異なる材料から成る金属ディスクを、メッキすることによって互いに平面的に結合することが可能である。メッキは、帯状又は薄板状に存在する異なる金属材料を平面的に互いに結合するのに特に適した手法である。このために特に適当な方法は、レーザロールメッキである。メッキ法により、好都合な半製品が材料複合構造、例えばバイメタルストリップにより製造され得る。例えば打抜き又はレーザ切断である適当な分離手法により、本発明による短絡環の構成に必要な金属複合ディスクがこのような半製品から作り出され得る。

本発明の有利な実施形態においては、第１の金属ディスクがその外周部において少なくとも１つの面取り部を備えることができる。好ましくは、この面取り部は、径方向において少なくとも凹部まで延在している。このような面取り部により、導体バーとの結合に好都合な第１の金属ディスクの幾何形状が得られる。この面取り部によって、周設された一種の溝が形成され、この溝を通して第１の金属ディスクと導体バーの間の結合箇所にアクセス可能である。このはんだ付けプロセスの場合には、はんだ付け材料が溝内へ導入され、したがって結合箇所へもたらされ得る。溶接結合の場合には、溝を通して例えば火炎又はレーザビーム若しくは電子ビームによって溶接箇所へのエネルギー供給が実現され得る。

本発明の好ましい実施形態では、第１の金属ディスクすなわち導体バーに素材結合式に結合された金属ディスクをアルミニウム又はアルミニウム合金で構成することが可能である。これに対応して、導体バーが少なくとも部分的にアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていれば有利である。アルミニウム及びアルミニウム合金は、そのわずかな密度及びその比較的良好な導電性により、導体バー及びかご形回転子の短絡環にとって好ましい材料である。本発明のこの有利な実施形態において短絡環の導電率を改善するために、金属複合ディスクの第２の金属ディスクを好ましくは銅又は銅合金で構成することが可能である。これにより、導電率及び重量に基づき好都合な妥協が得られる。ここで、本発明の特に有利な実施形態においては、第１の金属ディスクの厚さｓ_１が金属複合ディスクの厚さｓの少なくとも６０％であり得る。このとき、第１の金属ディスクは、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。アルミニウムは、他の金属材料に比して非常にわずかな密度及び体積に基づき有利な価格において優れている。金属複合ディスクが少なくとも６０％までアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていれば、これら金属複合ディスクは、小さな重量及びわずかなコストにおいて優れている。

本発明の代替的な有利な実施形態においては、第１の金属ディスクすなわち導体バーに素材結合式に結合された金属ディスクを銅又は銅合金で構成することが可能である。これに対応して、導体バーが少なくとも部分的に銅又は銅合金で構成されていれば有利である。銅及び銅合金は、その高い導電性により、導体バー及びかご形回転子の短絡環にとって好ましい材料である。本発明のこの有利な実施形態において短絡環の重量及びコストを低減するために、金属複合ディスクの第２の金属ディスクを好ましくはアルミニウム又はアルミニウム合金で構成することが可能である。これにより、導電率、重量及びコストに基づき好都合な妥協が得られる。

本発明は、以下の実施例に基づき、及び概略的な図面に基づき詳細に説明される。

本発明によるかご形回転子の断面図である。 ロータバーと短絡環の間の結合部の範囲での図１の拡大部分を示す図である。 ロータバーと短絡環の間の結合部の範囲での本発明によるかご形回転子の別の実施形態の拡大部分を示す図である。

全ての図において、互いに対応する部材には同一の符号が付されている。

図１には、本発明によるかご形回転子１の断面が示されている。このかご形回転子１は、軸線Ａと、中心に配置され不図示のシャフトを収容するための孔４とを有する実質的に円筒状の形状を備えている。かご形回転子１は、公知の形態で個々の薄板で構成された回転子積層鉄心１１を備えている。この回転子積層鉄心１１は複数の凹部１２を備えており、これら凹部のうち２つが断面において視認可能である。さらにかご形回転子１は、そのうち２つが断面において視認可能である複数の導電性のロータバー２及び２つの短絡環３を備えている。複数のロータバー２及び複数の短絡環３は共に実質的にかごを形成している。ロータバー２は、これらロータバーがそれぞれその両端部範囲２１において回転子積層鉄心１１を越える突出部を備えるように回転子積層鉄心１１の凹部１２内へ設けられている。通常、ロータバー２は、かご形回転子１の軸線Ａに対して平行に配向されておらず、軸線Ａに対して所定のねじれ角だけ斜めに配置されている。しかしながら、図１の概略的な図においては見やすさの理由からこの特徴は省略されている。ロータバー２は、図示の実施例においては強固な単一金属のバーとして構成されている。しかしながら、バイメタルバー及び／又は中空バーを用いることも可能である。短絡環３は、回転子積層鉄心１１の端面側に設けられている。短絡環３は、その外周部の範囲に複数の凹部３１を備えている。凹部３１の数及び位置は、これら凹部が回転子積層鉄心１１の凹部１２と一直線となり得るように選択されている。ロータバー２の端部範囲２１が短絡環３の凹部３１内へ突出する。

本発明によれば、短絡環３は、それぞれ４つの金属複合ディスク３２で構成されており、これら金属複合ディスクは、その側でそれぞれ第１の金属ディスク３３とこれに平面的に結合された材料の異なる第２の金属ディスク３４とで構成されている。ここで、それぞれ２つの隣接する金属複合ディスク３２は、材料が同一の第１の金属ディスク３３又は第２の金属ディスク３４が互いに対向するように配置されている。両短絡環３のそれぞれについて回転子積層鉄心の端面側から金属複合ディスク３２を数えると、それぞれ第２及び第４の金属複合ディスク３２が第１及び第３の金属複合ディスク３２に対してミラー反転されて配向されている。したがって、第１と第２の金属複合ディスク３２の間及び第３と第４の金属複合ディスク３２の間にはそれぞれ材料が同一の第１の金属ディスク３３が互いに対向している。同様に、第２及び第３の金属複合ディスク３２の間にはそれぞれ材料が同一の第２の金属ディスク３４が互いに対向されている。図１の概略的な図示においては、見やすさの理由から、隣接する複数の金属複合ディスク３２はそれぞれわずかに間隔をあけて示されている。実際には、通常、金属複合ディスク３２は互いに間隔をあけずに配置されている。また、回転子積層鉄心１１とこの回転子積層鉄心１１に直接隣接して配置された両金属複合ディスク３２との間に間隔が設けられることも可能である。第１の金属ディスク３３は、その外周部において、短絡環３の凹部３１まで径方向へ延在する、周回する面取り部３５を備えている。

図１、図２及び図３においてロータバー２あるいは第１の金属ディスク３３である要素の同一の斜線によって、ロータバー２及び第１の金属ディスク３３が好ましくは同一又は互いに類似の材料から成ることが示されている。特に好ましくは、ロータバー２及び第１の金属ディスク３３は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。図１に示されているように、この場合、第１の金属ディスク３３の厚さｓ_１は金属複合ディスク３２の全体厚さｓの少なくとも６０％である。代替的な実施形態においては、ロータバー２及び第１の金属ディスク３３を銅又は銅合金で構成することも可能である。

ロータバー２は、凹部３１の範囲において第１の金属ディスク３３と素材結合式に結合され、好ましくは溶接されている。このことは、図２に関連して詳細に説明される。

図２には、ロータバー２と短絡環の第１の金属ディスク３３の間の結合部の範囲における図１の拡大部分が示されている。第１の金属ディスク３３とここでは簡略化して示されているロータバー２の端部範囲２１の間には、それぞれ１つの素材結合式の結合部３６が凹部３１の範囲において存在している。はんだ結合の場合には、結合部３６ははんだ材料であってよく、このはんだ材料は、はんだ付け隙間を埋めるものである。溶接結合の場合には、結合部３６は、互いに結合された相手方部材の溶融された材料によって、又は溶加材によって形成され得る。第２の金属ディスク３４とロータバー２の間には、素材結合式の結合部は存在せず、このことは図２においてそれぞれこれら部材間の隙間によって示される。

図３には、ロータバー２と短絡環３の間の結合部の範囲における本発明によるかご形回転子１の別の実施形態の拡大された部分が示されている。この実施形態においては、短絡環３が、それぞれ第１の金属ディスク３３及び第２の金属ディスク３４から成る互いにミラー反転して配置された２つの金属複合ディスク３２と、これら金属複合ディスクの間に配置されつつ２つの第１の金属ディスク３３及びこれら第１の金属ディスクの間に配置された第２の金属ディスク３４から成る金属複合ディスク３２１とで構成されている。金属複合ディスク３２及び３２１の第１の金属ディスク３３とここでは簡略化して示されたロータバー２の端部範囲２１との間では、それぞれ１つの素材結合式の結合部３６が凹部３１の範囲に存在する。２つより多くの金属ディスク３３，３４から成る金属複合ディスク３２１の製造は、純粋なバイメタルディスクの製造よりも手間がかかるものの、このような多層の金属複合ディスク３２１の使用によって、短絡環３のための取付の手間が大幅に低減される。図３による実施形態を、２つの第１の金属ディスク３３及びこれら第１の金属ディスクの間に配置された第２の金属ディスク３４から成る１つより多くの金属複合ディスク３２１が用いられるように変更することも可能である。

１ かご形回転子
１１ 回転子積層鉄心
１２ 凹部
２ ロータバー
２１ 端部範囲
３ 短絡環
３１ 凹部
３２ 金属複合ディスク
３２１ 金属複合ディスク
３３ 第１の金属ディスク
３４ 第２の金属ディスク
３５ 面取り部
３６ 結合部
４ 孔
Ａ 軸線
ｓ 金属複合ディスクの厚さ
ｓ_１ 第１の金属ディスクの厚さ

Claims (6)

1. 複数の凹部（１２）を備えた少なくとも１つの回転子積層鉄心（１１）と、複数のロータバー（２）がその両端部範囲（２１）において前記回転子積層鉄心（１１）を越える突出部を備えるように前記回転子積層鉄心（１１）の複数の前記凹部（１２）内へ設けられている、導電性の複数の前記ロータバー（２）から成る少なくとも１つのかごとを有するとともに、前記ロータバー（２）の前記端部範囲（２１）が突出し、短絡環の外周部の範囲に配置された複数の凹部（３１）を有する、端面側で前記回転子積層鉄心（１１）へ設けられる複数の前記短絡環（３）から成り、前記短絡環（３）はメッキされた複数の金属ディスクが積層された複合ディスクとし、前記ロータバー（２）は前記凹部（３１）の範囲で、前記短絡環（３）と素材結合式に結合されている非同期機のためのかご形回転子（１）であって、
   前記短絡環（３）がそれぞれ少なくとも２つの金属複合ディスク（３２，３２１）で構成されており、該金属複合ディスクが少なくとも第１の金属ディスク（３３）と該第１の金属ディスクに互いに平面的に結合された材料の異なる第２の金属ディスク（３４）とで構成されていること、少なくとも部分的に、前記第１の金属ディスク（３３）が互いに対向するよう、隣接する前記金属複合ディスク（３２，３２１）が配置されていること、及び前記ロータバー（２）が前記凹部（３１）の範囲で、素材結合式に結合されていることは、前記第１の金属ディスク（３３）とのみであるかご形回転子において、前記第１の金属ディスク（３３）はアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていることを特徴とするかご形回転子（１）。
2. 前記ロータバー（２）が、少なくとも部分的に、前記第１の金属ディスク（３３）の材料に良好に溶接可能な材料によって構成されていることを特徴とする請求項１記載のかご形回転子（１）。
3. 前記ロータバー（２）が、少なくとも部分的に、その基礎材料が前記第１の金属ディスク（３３）の基礎材料と同一である材料で構成されていることを特徴とする請求項２記載のかご形回転子（１）。
4. 前記第１及び第２の金属ディスク（３３，３４）がメッキすることによって互いに平面的に結合されてい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（１）。
5. 前記第１の金属ディスク（３３）がその外周部において少なくとも１つの面取り部（３５）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のかご形回転子（１）。
6. 前記第１の金属ディスク（３３）の厚さｓ _１ が前記金属複合ディスク（３２）の厚さｓの少なくとも６０％であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のかご形回転子（１）。

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