JPH07500479A - 非同期交流電動機の回転子製造方法、同法により製造された回転子および非同期電動機の回転子製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 非同期交流電動機の回転子の末端リングに回転子バーをろう付けする方法 技術分野 本発明は、かご形非同期電動機に関する。

更に具体的に言えば、本発明は、かご形非同期電動機の回転子を形成するために 末端リングに回転子バーをろう付けする方法の改良、及びこの方法によって形成 された回転子ケージに関する。

背景としての従来技術の問題 かご形回転子は、積層鉄心内に固定された円周方向に相隔たっている回転子バー を末端リングに電気的及び機械的に接続して構成されている。

所望の機械的及び電気的な特性に応じて、回転子バーは種々の銅合金で形成され 、相異なる温度で熱処理される。

回転子バー及び末端リングが熱処理される温度は「時効（エージング）温度」と 呼ばれている。かご形回転子に対するある回転子バー及び末端リングは、クロム 銅合金で形成されており、このクロム銅合金は、回転子バー及び末端リングの所 望の機械的及び電気的な特性を確立するために、９００℃前後の温度に熱処理さ れていた。この他の回転子バー及び末端リングは、銅、銅合金又はその他の材料 で形成されており、機械的及び電気的な特性を確立するために加工硬化されてい る。場合によっては、加工硬化及び熱処理の組み合わせが用いられている。いず れにせよ、回転子バー及び末端リングをある温度を超えて加熱すると、その特性 が変化する。このような特性が（その特性が得られるようにした方法が加熱、加 工硬化又はその他の何であれ）有害に変化する温度を本明細書では「過大時効温 度」と呼ぶ。

ろう付けは、回転子バーを回転子の末端リングに結合することができるようにす る１つの方法である。ろう付けはアメリカ溶接協会によって次のように定義され ている。

「８４０°Ｆ（４５０℃）よりも上で且つベース金属よりも低い所で液相を有す る充填材金属の存在の下に、それを加熱することにより、材料の癒着を生ずる一 群の溶接過程。充填材金属は、毛管作用により継ぎ目（ジヨイント）のぴったり と嵌め合わせられた密着面の間に分布する。」 ろう付けの充填材金属が、ろう付けに必要な温度を決定する。

回転子バーを末端リングにろう付けするために普通用いられるろう付けの充填材 金属の融点は、１１５０’Ｆから１５００°Ｆの範囲内である。ろう付けの際、 末端リング及びろう付けしようとする回転子バーの部分をろう付は充填材の融点 までもって来ることが必要であるが、この温度は、回転子バー及び末端リングの 時効温度よりもかなり高い。このため、ろう付けにより、回転子バー及び末端リ ングはその時効温度を超える温度にさらされる。そのため、過大時効になる。回 転子バー又は末端リングがこのような温度にさらされると、その機械的な性質は 、この温度、及び回転子バー又は末端リングがこの高い温度にさらされた時間に 比例して劣化する。更に問題を複雑にするものとして、回転子の鉄心、回転子バ ー及び末端リングが大きなヒート・シンクとして作用する。このため、ろう付け の際に継ぎ目に加えられたエネルギは、回転子バー及び末端リングが室温にある ときにろう付けを試みた場合に加えられるのと殆んど同時に急速に運び去られる 。

米国特許番号第４２４９０９８号には、回転子バーが末端リングにはんだ付けさ れるときに、回転子バーは軽い焼鈍によって強度が低下し、積層鉄心の下部の積 重ね（スタック）、及びそれらの間にある絶縁層は異常に高い温度にさらされる ことが述べられている。この米国特許には、末端リングをはんだの融点まで加熱 し、はんだを溶融させて、回転子バーの端面と、隣接している末端リングの表面 部分との間のすき間を埋めさせるはんだ付は作業が記載されている。

発明の要約 回転子バーを末端リングにろう付けするためには、回転子バー及び末端リングの 部分がその時効温度よりも高い温度にさらされる時間を最小限に抑えることが望 ましい。ろう付けされた継ぎ目の強度を最大にするために、回転子バーと末端リ ングとがろう付けされた後に、回転子バーと末端リングとの間に予測可能なすき 間を設けることも望ましい。本発明は、この両方の目的を達成することを対象と する。

従って、本発明の主な目的は、回転子バーを末端リングにろう付けする方法とし て、回転子バー及び末端リングを著しく弱めることなく、予測可能なように丈夫 なろう付は継ぎ目を作成する新規で改良された方法を提供することである。

本発明の他の目的は、強度を改善した回転子ケージを提供することである。

本発明を実施する際、回転子の部品を室温でろう付は治具内で組み立てて、回転 子アセンブリ（集成体）を形成する。即ち、回転子バーは回転子鉄心のスロット 内に位置決めされており、末端リングは回転子バーの端と向かい合って配置され ており、回転子バーの端と末端リングとの間にろう付はシムが配置されている。

ろう付は治具は、ろう付けの際に回転子アセンブリの各部分を所定位置に保持し ている。ろう付は治具は、回転子バーの熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有 している。

「ろう付はアセンブリ」という用語は、本明細書では、ろう付は治具及び回転子 アセンブリの組み合わせを言うのに用いている。

ろう付けの前に、ろう付はアセンブリをろう付は予備温度まで予熱する。ろう付 は予備温度は、回転子アセンブリ全体の温度がろう付けの際に回転子バー及び末 端リングの時効温度よりも高く上昇しないように、この時効温度よりも十分低く すべきである。ろう付はアセンブリがろう付は予備温度まで予熱された後、回転 子バーとろう付はアセンブリとの熱膨張の差によって、ろう付は継ぎ目に所定の 大きさの圧力が加えられ、継ぎ目がろう付けされて冷却した後、厚さ０１００２ 〜０．００６インチのろう付は充填材が回転子バーを末端リングに結合するよう にする。

ろう付はアセンブリが予熱された後、そのろう付はアセンブリがろう付は予備温 度にある間に、ろう付は充填材を溶融させて、回転子バー、ろう付は充填材及び 末端リングの間に結合部を作成するのに十分な温度で、炎ろう付は過程によって 、ろう付は継ぎ目をろう付けする。ろう付は温度は回転子バーの時効温度よりも 高いけれども、ろう付けの際に熱が加えられるのは、３０秒程度の非常に短い時 間の間であり、その結果、非常に局所的であるため、回転子バーの機械的及び電 気的な特性は目立って犠牲になることがない。その熱は、ろう付はアセンブリの 一層低温の部分へと急速に散逸される。

この方法に従ってろう付けされた回転子ケージは、所定の厚さを有しているろう 付は充填材によって回転子バーが末端リングに結合されて構成されている継ぎ目 を有している。

図面の簡単な説明 第１図は予めろう付けされた回転子アセンブリの概略横断面図であって、回転子 バーと末端リングとの間のろう付はシムの配置を示す図である。

第２図は第１図の円で囲んだ部分の拡大した概略部分図であって、回転子バーと 末端リングとの間のろう付はシムの配置を示す図である。

第３図はろう付は冶具内に設けられている予めろう付けされた回転子アセンブリ の概略横断面図である。

第４図はろう付はシム及び回転子バーの相対的な寸法を示す概略図である。

第５図は第４図の構成を上から見た図である。

第６図はろう付は作業の種々の段階におけるろう付は治具及び回転子アセンブリ を示す概略図である。

発明の詳細な説明 本発明のろう付は方法は、３つの主な工程を含んでいる。

即ち、ろう付は充填材の配置、ろう付はアセンブリの予熱、及び炎ろう付は等に よるろう付けである。

ろう付けされた継ぎ目（ジヨイント）の強度が、ろう付は作業が行われた後にろ う付は充填材を含んでいる回転子バーと末端リングとの間の距離（「すき間」） 、充填材料、並びに末端リング及び回転子バーの組成に関係することが知られて いる。例えば、回転子バー及び末端リングが、当業者に知られたＣＤＡ１８２０ ０と同様なりロム銅合金で形成されており、ろう付は充填材がＢＡｇ　１である 場合、すき間の厚さが約０．００２インチ〜約０．００６インチの範囲であると きに、ろう付けされた継ぎ目は最適の強度を有する。

第１図は、かご形回転子の回転子アセンブリ１０の横断面を図式的に示しており 、ろう付は充填材の配置を示している。本発明の一実施例では、９００°Ｆで熱 処理されたクロム銅合金の回転子バー１２が積層鉄心１４内に配設されている。

ろう付は充填材１６の０．０１０インチのシムが、第２図に示すように、各々の 回転子バーの端（又は端面）１８と末端リング２０との間に配置されている。組 み立ての際、回転子バーの端及び末端リングの底部には、３Ａ型ろう付は融剤又 は当業者に知られたその他の適当なろう付は融剤が塗られるが、この融剤は、回 転子バー及び末端リングの表面を綺麗にするのを助けると共に、これから説明す る予備ろう付は工程（又は予熱工程）の間に酸化が積み重なるのを防止する助け になる。

ろう付はシムは更に第４図及び第５図に示されている。

ろう付はシム１６は回転子バー１２の端面１８よりも幅が広い。幅の広いろう付 け１６の余分のろう付は充填材が、ろう付けされた継ぎ目の隅肉を作成する。

素早いろう付は過程を容易にするために、ろう付はアセンブリの予熱工程が必要 である。回転子鉄心１４、回転子バー１２、末端リング２０及びろう付は治具２ ２が、大きなヒート・シンクとして作用する。回転子アセンブリを予熱する前に 、回転子バーを末端リングにろう付けしたとすると、ろう付は過程で加えられた 熱又はエネルギは、加えるのと殆んど同時に、継ぎ目から運び去られる。

クロム銅のバー及び末端リングの特性の劣化を最小限に抑えるためには、素早い ろう付は過程が必要である。クロム銅のバー及び末端リングは過大時効の影響を 受け易い。

本発明の一例で、回転子バーに用いられているクロム銅合金は、９００°Ｆで熱 処理された。この温度を超えると、時効温度よりも高い温度、及びこの温度にさ らされた時間に比例して、機械的な特性が劣化する。

予熱する前、融剤を塗った回転子鉄心アセンブリ（鉄心、バー、末端リング及び ろう付はシム）が、第３図に示すように、ろう付は治具２２内に装入されて、［ ろう付はアセンブリ」２３を形成している。

好ましい実施例では、ろう付は治具２２は、回転子の継ぎ目をろう付けする便宜 のために、基部上で回転可能なスピンドル２６を有している基板２４を含んでい る。柱２８がスピンドル２６の中心から突出しており、下側揺台３０をスピンド ルの上に中心合わせするように作用する。

下側揺台３０は、その中心に柱３２を有している基板３１を含んでいる。基板３ １の中心及び中心柱３２は、中心合わせ柱２８に嵌まるように構成されている中 空の開口３４と、ボルト４６を受け入れるように構成されているねじ孔４４とを 有している。４つの支持バー３６が基板に固定されており、互いに約９０°の角 度を成して半径方向外向きに伸びている。スタッド３８が支持バー３６から概し て垂直に上向きに伸びており、基板の中心から半径方向外側に配置されており、 末端リング２０を支持している。支持バー３６から概して垂直に上向きに伸びて いる位置決め柱４２が、基板の中心から軸方向に配置されており、末端リング２ ０をろう付は治具の上で中心合わせしている。このため、位置決め柱４２の頭部 ４３は、末端リング２０の内側半径２１に突合わせになるか、又は内側半径２１ に隣接するように位置決めされている。

上側揺台５０は、その中心に中心柱５２を有している基板５１を含んでいる。基 板５１の中心部及び中心柱５２が、ボルト４６の頭よりも大きくなるように構成 されている中空間口５４と、ボルト４６を受け入れて位置決めすると共にボルト ４６が回転することができるように構成されている、ねじなしの一層小さい開口 ５５とを画成している。４つの支持バー５６が基板５１に固定されており、互い に約９０°の角度を成して半径方向外向きに伸びている。スタッド５８が支持バ ー５６から概して垂直に下向きに伸びていると共に、基板の中心から半径方向外 側に配置されており、ろう付はアセンブリ３０が加熱されるときに、末端リング ２０に圧力を加える。位置決め柱６２が支持バー５６から概して垂直に下向きに 伸びており、基板の中心からは、ろう付は治具上で末端リング２０を中心合わせ するように位置決めされている。位置決め柱６２の頭部６３が、末端リング２０ の内側半径２１に接するか、又は内側半径２１にに隣接するように位置決めされ ている。

スタッド３８及び５８は、当業者に知られた、市場で入手し得るニッケルをベー スとした合金であるインコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）で作成されていることが好ま しい。これは、継ぎ目をろう付けするときにスタッドが受ける熱のような高い熱 が反復的に加えられる状態で非常に安定である。

ろう付は治具２２は、本質的には上側揺台及び下側揺台の２つの別々の部分をボ ルト４６で結合して構成されている。こうして結合されたアセンブリはスピンド ルに載つかっており、回転することができ、それによって各々の回転子バー／末 端リングの継ぎ目のろう付けをやり易くしている。ろう付は治具は、鋼、又は回 転子バーよりも熱膨張率が一層小さいその他のある材料で作成されていることが 好ましい。このため、ろう付はアセンブリが予熱サイクルで加熱されるときに、 ろう付は治具２２は、銅のバーと鋼のろう付は治具との間の異なる熱膨張率を利 用することにより、受動的に圧縮力を加える。鉄心アセンブリがろう付は治具内 で予熱されるとき、銅は鋼よりも一層膨張し、治具に圧接する。ろう付は治具は 、予熱温度で所望の予備荷重を設定するように設計されており、ろう付けの際に ０．０１０インチのろう付はシムが溶融した後に、回転子バーが約０．００２イ ンチ〜約０．００６インチのすき間距離まで沈み込むことを保証するのに十分な 圧縮荷重を加える。

ろう付は温度は予熱温度よりも高いが、熱が非常に局所的に限られているので、 ろう付は温度が予熱温度よりも高いことによっては継ぎ目に荷重は加わらない。

予熱温度でろう付けされる継ぎ目に最適量の予備荷重又は破砕力を加えるために 、ボルト４６の寸法は、下記の式に従って定められる。

破砕力＝（回転子バーの銅の伸び） −（ろう付は治具の伸び） 破砕力＝［（銅のバーの長さＸ銅のα）＋２×　（長さ） −（ボルトの長さ×ボルトのα） −（揺台（１）の長さ×α） −（揺台（２）の長さ×揺台（２）のα］×ΔＴＥ この式における記号αは熱膨張係数であり、ΔＴ　ｅ　ｍ　ｐ　＋よ室温から予 熱温度までの温度変化である。

第６図は、予熱及びろう付は過程の間の末端１ノングの熱的な成長によって、ど のように末端リング及び回転子ツク−にある程度の回転が生ずるかを示す概略図 である。継ぎ目が形成されるときに、末端リングは拡大状態８こある。１ノング が冷却するときに継ぎ目にはかなりの動き力（あるので、ＢＡｇ　１のような共 晶に近いろう付は充填材を用０ることかできる。非共晶充填材（大きな２相領域 又１よスラツシュ範囲を有する充填材）を用０る場合１こ；よ、冷却中の１ノン グの動きの大きさにより、継ぎ目に高温裂は自力（生ずる。

本発明の一例では、回転子）く−は、長さが約１０．９インチであり、ヒール幅 が約０．９インチである。第６Ａ図に示す低温アセンブリは、回転子ノ＜−１２ の上１こ末端１ノングを中心合わせするために、末端リング２０の外ＩＱ舌片７ ２を用いている。末端リングの内側舌片７１と回転子ノ（−１２のヒール７３と の間には約０．０６０インチの初期すき間がある。ろう付は過程には、ろう付は 充填材が流動して正しく濡らすように、両方の部分がろう付は温度にあることが 必要であるが、回転子バーの先端と末端リングの小さな一部とだけがろう付は温 度にあればよい。第６Ｂ図はろう付は中のリングを示す。末端リング２０は、継 ぎ目がろう付けされるときに、末端リング２０の内側舌片７１と回転子バー１２ のヒール７３との間に約０．０１０１０インチル、０３０インチの範囲内の小さ なすき間を有するような寸法にされている。小さなすき間によって、ろう付は充 填材はバー１２のヒール７３と末端リング２０の内側舌片７１との間を芯のよう に上がっていくことができる。これによって、ろう付は表面が多少多くなり、疲 労を抑制する助けになる隅肉が形成される。リングの内側舌片の寸法は、次の式 によって決定される。

Ｄｉａ　（内側） ＝Ｄｉａ（鉄心）・　（（１＋鉄心のα・予熱ΔＴ）／（１＋銅のα・ろう付は 平均ΔＴ）） この式において、αは熱膨張係数であり、「予熱ΔＴ」は室温と予熱温度との差 であり、「ろう付は平均ΔＴ」は、室温とろう付は中の末端リングの平均温度と の差である。

回転子アセンブリ１０が冷却するにつれて、末端リング２０及び鉄心１４はもと の寸法に戻ろうとする。末端リング２０は、それが結合されている回転子バー１ ２によって拘束されているので、もとの形状に復帰することができない。こうし て、末端リング２０はバーの拘束によって内向きに曲がり、バーは、末端荷重及 び末端モーメントを有する片持ちばりのように撓む。第６Ｃ図は、冷却後の末端 リング２０及び回転子バー１２の形状を誇張して示す。

この過程が早く済み、ろう付は充填材の融点が低ければ低いほど、ろう付は後の クロム銅の回転子バーの強度は一層高くなる。本発明の好ましい一実施例では、 ろう付はシムはＢＡｇｌ充填材で作成されている。ＢＡｇ　１ろう付は充填材は 共晶に近く　（融点及び液化点は等しい）、他のろう付は充填材料に比べて液化 温度が比較的低い。ＢＡｇ　１充填材の融点は１１５０°Ｆである。ＢＡｇ　１ 充填材の組成は、約４５％の銀、２４％のカドミウム及び約３１％の銅で構成さ れている。同様な性質を有するこの他のろう付は充填材も用いることができる。

本発明の一実施例では、回転子バーは、長さが約１０インチ〜１１インチてあり 、ＣＤＡ１８２００と同様なりロム銅合金で形成されている。内側舌片７１と外 側舌片７２との間の末端リングの空間は約１インチである。末端リングは、その 中心では約０．５２インチの厚さであり、内側舌片７１及び外側舌片７２の所で は約０．７２インチの厚さである。鉄心は鋼製であって、高さが７．４インチで あり、直径が１０．９インチである。末端リングは回転子バーと同しクロム銅合 金で形成されている。ろう付はアセンブリ３０を約６００°Ｆ〜約７００°Ｆ１ 好ましくは約６５０°Ｆに予熱する。回転子鉄心を予熱する温度は、回転子ベー ス及び末端リングの時効温度、並びに回転子鉄心アセンブリ及びろう付は治具の 熱容量の関数である。回転子アセンブリ及びろう付は治具は、大きなヒート・シ ンクとして作用する。部分を予熱しないと、継ぎ目に加えられた熱又はエネルギ は殆んど直ちに運び去られる。異なる寸法を有しているか、及び／又は異なる材 料で作成されている回転子鉄心アセンブリ、並びに種々の寸法を有しているろう 付は治具では、ろう付はアセンブリを予熱する最適温度は、経験的に決定するこ とができる。

一旦ろう付はアセンブリを所望の温度まで予熱したら、手持ちトーチ等によって 、ろう付は充填材を溶融するのに十分な熱を加えることによって、（回転子バー の端、ろう付はシム及び末端リングによって形成されている）継ぎ目をろう付け することができる。予熱過程の後、手持ちトーチを用いて各々の継ぎ目をろう付 けするのに、約３０秒かかる。

最初の継ぎ目がろう付けされた後、この最初の継ぎ目の近くにある回転子バーの 端及び末端リングのその近辺は、約３０秒の間、ろう付は充填材の融点近くにと どまる。最初にろう付けされた継ぎ目から遠く隔たっている次々の継ぎ目がろう 付けされるとき、最初の位置にあったバー及び末端リングの温度はクロム銅の時 効温度よりも低くなり、それ以上の性質の劣化は起こらない。上に述べた例で回 転子アセンブリ全体がろう付けされた後、鉄心、回転子バー及び末端リングの温 度は６５０°Ｆの予熱温度から約８００°Ｆまで徐々に上昇する。この温度は、 ９０００Ｆの時効温度よりも低いので、回転子バーのクロム銅合金に何ら悪影響 を及ぼさない。

ＦＩＧ、　３ Ｑ　、Ｑ フロントページの続き （７２）発明者　ギアマライズ、アンソニイ・ウィリアムアメリカ合衆国、１６ ５０５、ペンシルバニア州、エリ−、リンカーン・アベニュー、５２７番 （７２）発明者　メイアー、ジェームス・アレンアメリカ合衆国、１６５０２、 ペンシルバニア州、エリ−、ウォルナット・ストリート、７１６番 （７２）発明者　コブリネッッ、ジェームスアメリカ合衆国、１６５０２、ペン シルバニア州、エリ−、ウェスト・テンス・ストリート、８２６番 （７２）発明者　ルーザー、シャウン・ポール、ジュニアアメリカ合衆国、０５ ８５１、ベルモント州、ライドンビレ、パーク・アベニュー、２６番

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．非同期電動機の回転子の末端リングに複数の回転子バーをろう付けする方法 であって、 （１）複数の回転子バーを回転子鉄心のスロットに位置決めし、 （２）各々の末端リングを回転子バーの端面と向かい合って位置決めし、 （３）各々の回転子バーの各々の端面と該端面に向かい合った末端リングとの間 にろう付けシムを位置決めして、ろう付け後の継ぎ目の厚さよりも大きい厚さを 有しているろう付け前の継ぎ目を画定することにより、回転子アセンブリを形成 する工程と、 前記回転子バーよりも熱膨張係数が小さいろう付け治具内に前記回転子アセンブ リを位置決めすることによりろう付けアセンブリを形成する工程と、 （１）ろう付け中に、前記回転子アセンブリ全体の温度が前記回転子バー及び末 端リングの時効温度よりも高く上昇しないように前記回転子バー及び末端リング の時効温度よりも十分低いと共に、 （２）前記回転子バー及びろう付け治具の熱膨張の差によりろう付け継ぎ目に所 定量の圧力が加わって、前記継ぎ目がろう付けされて冷却した後に、所定の厚さ を有しているろう付け充填材が前記回転子バーの端面を前記末端リングに結合す るように十分に高い 所定の温度にまで、前記ろう付けアセンブリを予熱する工程と、 各々のろう付け前の継ぎ目をろう付けして、前記回転子バーの端面を前記末端リ ングに結合する工程とを備えた、非同期電動機の回転子の末端リングに複数の回 転子バーをろう付けする方法。 ２．前記末端リングは、内側舌片と、外側舌片とを画成しており、前記回転子バ ーは、前記回転子アセンブリが加熱されたときに前記内側舌片が前記回転子バー を前記回転子アセンブリの中心から外向きに強制的に押し出すことがないように 、最初は前記内側舌片から所定の距離の所で前記末端リング内に配置されている 請求項１に記載の方法。 ３．請求項１に記載の方法により作成された製品。 ４．請求項２に記載の方法により作成された製品。 ５．回転子バーを末端リングにろう付けしてろう付け継ぎ目を形成する過程の間 に、かご形回転子アセンブリに所定の圧力を維持する装置であって、前記回転子 アセンブリは、末端リング上のろう付けシムの上に位置決めされている端を有し ていると共に回転子鉄心内に設けられている回転子バーを含んでおり、 前記回転子アセンブリを当該装置内に位置決めする位置決め手段と、 前記回転子バーの端、ろう付けシム及び末端リングがろう付けされて継ぎ目を形 成するときに、その結果としてろう付けされた継ぎ目が所定の厚さを有するよう に、前記回転子アセンブリの末端リング、回転子バー及びろう付けシムに所定量 の圧力を加える圧力手段とを備えたかご形回転子アセンブリに所定の圧力を維持 する装置。 ６．前記圧力手段は、前記回転子アセンブリが当該装置内で温度が上昇した環境 内に配置されたときに、前記圧力手段の伸びが前記回転子バーよりも小さくて、 ろう付けシムに所定量の圧力が加えられて、ろう付け充填材が所定の厚さを有す るようなろう付け継ぎ目を作成するように、前記回転子バーの熱膨張係数よりも 小さい熱膨張係数を有している請求項６に記載の装置。