JPH1094229A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 かご形巻線に銅を用いても、簡単かつ確実に
かご形巻線の形成が可能で、これにより充分に二次抵抗
損失が抑えられ、高トルクで高効率の電動機を容易に得
ることができるようにした回転電機の回転子を提供する
こと。 【解決手段】 回転子鉄板５ｂの積層体からなる回転子
鉄心５ａの、かご形巻線収納用のスロット孔５ｃ内に、
予め、このスロット孔５ｃよりも細い導体バー７ａを挿
入し、一方のエンドリング７ｂをろー付け部Ｓにより取
付けた後、所定の鋳型Ｄの鋳型部分Ｄ１に装着し、鋳造
炉Ｔの空間部Ｇの雰囲気圧力を上げ、この鋳造炉Ｔから
溶湯管路Ｐと溶湯通路Ｄ２を介して、溶湯Ｍを鋳型Ｄの
鋳型部分Ｄ１に導入するという低圧鋳造法を用い、この
とき、更にこの鋳型部分Ｄ１から導体バー７ａとスロッ
ト孔５ｃの隙間にも溶湯Ｍが満たされた状態で、鋳型部
分Ｄ１により他方のエンドリング７ｃが形成されるよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導型回転電機の
回転子に係り、特に比較的小容量の汎用かご形誘導電動
機の回転子に関する。

【０００２】

【従来の技術】比較的小容量の汎用誘導電動機として
は、従来からかご形誘導電動機が広く使用されている。
ところで、当初、このような汎用小型誘導電動機の回転
子としては、電磁鋼板を積層して形成した回転子鉄心の
スロット(かご形巻線収納用の溝、又は孔)に、所定の断
面形状の銅製の導体バーを１本づつ挿入し、これら複数
本の導体バーの両端部にエンドリングをロー付け溶接し
てかご型巻線を形成させたものが、主として用いられて
いた。

【０００３】しかしながら、このような回転子では、か
ご形巻線の製作に手間が掛るのでコストアップになり易
い上、電磁鋼板の積層体からなる回転子鉄心のスロット
に、後からかご形巻線用の導体バーを挿入しなければな
らないので、そのスロットの大きさよりかなり小さい断
面積の導体バーでないと挿入することができず、従っ
て、所望の充分に低い抵抗値のかご形巻線が得られず、
電動機としての電気特性が低下してしまうという不具合
があった。

【０００４】一方、このような隘路の打開策として、か
ご形巻線の鋳造化が考えられるが、この場合には、銅の
融点がかなり高い点が新たな隘路となってしまう。すな
わち、銅の融点は約１１００℃で、融点が約６６０℃の
アルミニウムよりもかなり高温なので、これによるダイ
キャスト鋳造では成形金型が高価につき、しかも耐久性
に乏しいと云う不具合があり、且つその保守点検が煩雑
になるという不具合も生じてしまうのである。

【０００５】そこで、汎用小型誘導電動機としては、従
来から、導体バー及びエンドリングからなるかご形巻線
をアルミニウム材のダイカスト鋳造で形成した、いわゆ
るキャストロータが広く使用されている。

【０００６】図７は、このようなキャストロータを用い
た従来技術によるかご形誘導電動機の一例を示したもの
で、この図において、１はハウジングで、鋳鉄など鉄系
材料やアルミニウムなどの軽金属材料の鋳造によりほぼ
筒状に形成され、電動機の外被を構成している。１ａは
放熱フィンで、軸方向に沿って並んだ複数の条片とし
て、ハウジング１の外周に放射状に配列され、ハウジン
グ１と一体的に形成されている。２Ａ、２Ｂはエンドブ
ラケットで、ハウジング１の両側の開口部にそれぞれイ
ンロー嵌合して取付けられている。

【０００７】３は固定子で、ケイ素鋼板などの電磁鋼板
を複数枚積層して形成された固定子鉄心３ａと、この固
定子鉄心３ａの内周部に複数形成されているスロットに
巻回された固定子コイル３ｂとで構成され、ハウジング
１内に挿入した上で、その内周部に嵌合し、固定されて
いる。

【０００８】５は回転子で、中心に軸孔を有する円板形
状に打ち抜かれたケイ素鋼板を複数枚積層して形成され
た回転子鉄心と、その両端面に配置されたエンドリング
部７及び図示されていない導体部からなるかご形巻線と
で構成されている。

【０００９】そして、このエンドリング部７と、導体部
からなるかご形巻線がアルミニウムのダイキャスト鋳造
により形成され、さらに、このエンドリング７に内部冷
却用の内ファン８が一体的に形成されている。

【００１０】回転軸６は回転子５に取付けられ、これを
保持した状態で、軸受４Ａ、４Ｂにより、エンドブラケ
ット２Ａ、２Ｂに対して回転自在に保持されている。そ
して、この回転軸６の一方の端部(図では右端部)はエン
ドブラケット２Ｂを挿通して外部に突出し、出力軸をな
しており、その他端部(図では左端部)で、エンドブラケ
ット２Ａを挿通して外部に突出した部分には、外部冷却
用の外ファン９が装着されている。

【００１１】１０はエンドカバーで、外ファン９を覆う
ものであり、一方が開放された皿状の短い円筒形に形成
され、その底面に相当する一方の端面には外気を取り込
むための開孔１０ａが設けられ、その開放端は、このエ
ンドカバー１０がエンドブラケット２Ａに組み付けられ
たとき、エンドブラケット２Ａ及びハウジング１の外径
部との間に径方向の隙間部１０ｂが形成されるように形
成されている。

【００１２】この誘導電動機は、予め固定子３をハウジ
ング１の内周壁に嵌合して固定しておき、その後、この
固定子３内に回転軸６を有する回転子５を挿入し、かつ
回転軸６にエンドブラケット２Ａ、２Ｂ内の軸受４Ａ、
４Ｂが嵌合するよう、エンドブラケット４Ａ、４Ｂをハ
ウジング１の両端にそれぞれインロー嵌合させ、これら
を複数本のボルト(図示せず)により取付けることにより
組立られている。

【００１３】そして、回転子５により外ファン９が回転
すると、エンドカバー１０の開孔１０ａから、矢印イで
示すように外気が吸い込まれ、吸い込まれた空気は、隙
間部１０ｂからエンドカバー１０の他端側の外部に吹き
出され、エンドブラケット２Ａ、ハウジング１の放熱フ
ィン１ａ、エンドブラケット２Ｂの表面を通風すること
により、冷却作用が得られるようになっている。

【００１４】一方、電動機の内部では、回転子５が回転
すると、それに伴い内ファン８が回転して内部の空気に
流れを発生させ、発生した空気流が回転子５、エンドリ
ング７、固定子コイル３Ｂ及び固定子鉄心３Ａを冷却し
ながら通過した後、ハウジング１に比べ、比較的温度上
昇の低いエンドブラケット２Ａ、２Ｂの内側を通過する
ことにより冷却されるようにしている。

【００１５】なお、この種の技術として、関連する公知
例としては、特開昭６１−２５１４４０号公報等が挙げ
られる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、かご
形巻線に適用した際での、アルミニウムの導電材料とし
ての適格性について、充分な配慮がされているとは言え
ず、かご形誘導電動機の高性能化を促進する点で問題が
あった。

【００１７】すなわち、かご形誘導電動機の高性能化の
一方途として、かご形巻線の低抵抗化があるが、アルミ
ニウムの導電率(約３．４μΩｃｍ、７５℃)は、銅の導
電率(約２．１μΩｃｍ、７５℃)よりもかなり低く、従
って、二次抵抗(かご形巻線の抵抗)の低減が充分に図れ
ず、この結果、従来技術では、充分な高性能化が得られ
ないのである。

【００１８】また、二次抵抗損失が大きくなると、回転
子の温度上昇が著しくなるという問題が生じる上、この
回転子の温度上昇が二次抵抗値の増加をもたらし、更に
二次抵抗損失を増加させることになり、この結果、従来
技術では、電動機の滑りが増加して更なる性能の低下を
きたしてしまう。

【００１９】一方、上記したように、回転子鉄心のスロ
ットに予め成形した銅製の導体バーを挿入し、挿入した
導体バーと、エンドリングとをロー付け溶接してかご形
巻線を形成するようにした従来技術では、これも上記し
たように、かご形巻線の製作上、手間が著しくかかり過
ぎ、しかも回転子鉄心が薄電磁鋼板を積層して形成され
るので、かご形巻線の導体バーを挿入しようとすると、
そのスロットよりかなり小さい径のものでないと挿入す
ることができず、従って、所望の径より遙かに小さい形
状の導体バーとなってしまうので、電動機としての電気
特性が低下する不具合があった。

【００２０】しかして、要求される電気特性を得るの必
要な太さの導体バーを用いた場合には、今度は、挿入を
容易にするため、スロットの寸法を導体バーの寸法より
大きくしなければならないが、この場合には、回転子鉄
心の体積が少なくなるので磁束密度が増加し、この結
果、励磁電流が増え、電動機としての電気特性が低下す
るという問題があった。そして、この場合、導体バーに
スキューを付けようとすると、さらにかご形巻線用のス
ロットを大きくする必要があり、一層、不具合が増して
しまう。

【００２１】また、誘導電動機を始動する場合には、一
般に大きな電流が導体バーに流れるが、このため、導体
バーには大きな電磁力が掛かり、この結果、導体バーに
大きな加振力、いわゆる電磁振動力が働いてしまう。こ
のとき導体バーとスロットの間に隙間があると、導体バ
ーがスロット内で動き、長時間の繰り返しにより導体バ
ーとエンドリングの接合部が破壊されるという問題があ
った。

【００２２】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて
なされたもので、その目的は、かご形巻線に銅を用いて
も、簡単かつ確実にかご形巻線の形成が可能で、これに
より充分に二次抵抗損失が抑えられ、高トルクで高効率
の電動機を容易に得ることができるようにした回転電機
の回転子を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記目的は、全閉形のス
ロットを有する回転子鉄心に、スロット内導体とエンド
リングからなるかご形巻線を備えた回転電機の回転子に
おいて、上記スロット内導体が、上記スロット内に予め
挿入した導体バーと、上記スロット内で上記導体バーと
の間の空隙部分に後から溶融状態で充填した導電性材料
とで形成ようにして達成される。

【００２４】この結果、本発明では、導体バーを回転子
鉄心のかご形巻線用スロット内に軸方向に沿って挿通
し、該導体バーの任意の一方の端部にエンドリングを嵌
め合わせせた上で、例えば銀ローを用いた鑞付けなどの
固着手段により接合させた後、導体バーの他端側に所定
の形状の金型を装着し、導体バーと同じ材料で低圧鋳造
することより、導体バーの他端部にエンドリングが鋳込
み形成され、かご形巻線が得られるようにる。

【００２５】従って、本発明によれば、導体バーとスロ
ットの間に空隙が有っても、そこには後から導電性材料
が充填されるので、スロットよりも細い導体バーを用い
ることができる。この結果、導体バーの挿入が容易にな
る上、エンドリングと導体バーの溶接作業が一方のエン
ドリングだけで済むので、製作が極めて容易となる。

【００２６】さらに、他端のエンドリングを鋳込み形成
する際、導体バーと積層鉄心のスロットとの隙間には鋳
込み材が充填されるため、両者間の隙間は完全に塞が
り、この結果、導体バーが電磁振動力を受けても、該導
体バーがスロット内で振動することは無くなるので、従
来技術のように、長時間にわたって、始動が繰り返され
たとしても、導体バーとエンドリングとの接続部が破壊
される虞れはなくなる。

【００２７】また、本発明では、低圧鋳造工法で鋳込む
ので、導体バーと鋳込み材を銅にすることができ、この
結果、以下の利点が得られる。すなわち、まず、銅の方
が、アルミニウムより約４０％ほど固有抵抗が低いの
で、二次抵抗も４０％、少なくすることができ、それだ
け温度上昇を抑えることができる。

【００２８】また、このように、二次抵抗損失が４０
％、少なくできる結果、電動機の効率を確実に向上させ
ることができ、例えば、出力３.７ｋＷの４極汎用誘導
電動機での計算値において、最大出力を１０％、最大ト
ルクは２％、それぞれ向上できるので、滑りを確実に低
減することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明による誘導電動機の
回転子について、図示の実施形態により詳細に説明す
る。図１は、本発明の一実施形態による回転子５を用い
た誘導電動機の一例で、図において、７ａは導体バー、
７ｂ、７ｃはエンドリングであり、その他、この回転子
５の構成以外は、図７で説明した従来の誘導電動機と同
じである。従って、以下、この回転子５について主とし
て説明する。

【００３０】まず、この回転子５の回転子鉄心５ａは、
電磁鋼板から図２に示す形状に打ち抜いた回転子鉄板５
ｂを所定枚数、積層して形成されている。次に、この回
転子鉄板５ｂには、図示のように、その外周部の近傍
に、周方向に並んで配置されたかご形巻線収納用のスロ
ット(孔)５ｃが所定個数、形成してあるり、この回転子
鉄板５ｂを所定枚数、図３に示すように積層して回転子
鉄心５ａを形成する。

【００３１】そして、この図１の本発明の実施形態によ
る回転子５が、従来技術と異なる点は、図４に示すよう
に、回転子鉄心５ａに施されるかご形巻線のうち、スロ
ット５ｃ内に挿通される部分を銅の導体バー７ａと、こ
の導体バー７ａとスロット５ａとの間に存在する空隙内
に溶融した状態で鋳込み充填した銅で形成されている点
にある。

【００３２】このため、まず回転子鉄心５ａのスロット
５ｃ内に、所定の太さの導体バー７ａを軸方向に沿って
それぞれ挿通し、これら導体バー７ａの一方の端部に、
予め所定の形状で、所定の位置に複数の孔が設けられて
いるエンドリング７ｂを嵌合させた上で、ろう付け部Ｓ
で示すように、両者をろう付け接合して一体化する。

【００３３】次に、所定の鋳型を用い、銅の溶湯(溶解
している銅)による低圧鋳造を行い、これにより、導体
バー７ａとスロット５ａとの間に存在する空隙内に溶融
された銅が充填され、この状態で、この充填された部分
の銅と一体に、導体バー７ａの他方の端部に銅のエンド
リング７ｃが鋳造されるようにしたものである。

【００３４】次に、この実施形態での、低圧鋳造による
銅の鋳込みと、エンドリング７ｃを成形する方法につい
て、図５により詳細に説明する。図５において、Ｄは鋳
型、Ｔは鋳造炉であり、Ｍは鋳造炉内の銅の溶湯を、そ
してＧは鋳造炉内の溶湯の上部に残されている空間を表
わしている。

【００３５】図６は、鋳型Ｄを示したもので、図の(a)
は上面からみた図で、(b)は側面からみた断面図であ
り、この鋳型Ｄは、図示のように、エンドリングの形状
に合わせて作られたリング状の鋳型部分Ｄ１と溶湯通路
Ｄ２が形成してある金属性のもの(金型)で、図５に示す
ように、鋳造炉Ｔの上に設置されて使用される。

【００３６】そして、このとき、溶湯通路Ｄ２の下側に
は溶湯管路Ｐが取り付けてあり、この溶湯管路Ｐの下端
は、図５に示すように、鋳造炉Ｔの上に設置されたと
き、鋳造炉Ｔ内の溶湯Ｍ内に入り込むようになってい
る。

【００３７】鋳造炉Ｔは、密閉した容器として作られ、
図示してない加熱手段を備え、内部に溶解した銅の溶湯
Ｍを蓄える働きをすると共に、これも図示してない気体
加圧手段を備え、空間Ｇ内の圧力が必要に応じて高めら
れるように構成されている。

【００３８】そこで、まず、図５に示すように、導体バ
ー７ａを積層回転子鉄心５ａのスロット孔５ｃに軸方向
に沿って挿通させ、導体バー７ａにろう付け部Ｓで一方
のエンドリング７ｂが取り付けられた状態の回転子半完
成品を用意し、エンドリング７ｂが上側になるようにし
て、この回転子半完成品の下端を鋳型Ｄの鋳型部分Ｄ１
内に装着する。

【００３９】そして、この後、上述のごとく、この半完
成品を装着した鋳型Ｄを鋳造炉Ｔ上に設置し、次いで、
上記した加圧手段により、鋳造炉Ｔ内を加圧してやり、
これにより、溶湯Ｍが溶湯管路Ｐを通って上方に押し上
げられ、鋳型Ｄの鋳型部分Ｄ１内に流れ込み、さらに導
体バー７ａと、回転子鉄心５ａのスロット５ｃとの間の
空隙部に流れ込んで行くようにするのである。

【００４０】このとき、溶湯Ｍに掛かる圧力は、押し上
げられて行く溶湯Ｍの重量によるものだけとなって、ダ
イカスト工法の場合に比してかなり低い圧力で済み、こ
れが低圧鋳造法という名称の所以となっているものであ
る。

【００４１】この結果、溶湯Ｍは、溶湯通路Ｄ２から鋳
型部分Ｄ１内に移動し、鋳造完了後この鋳型部分Ｄ１内
でエンドリング７ｃを形成することになる。そして、ま
た、溶湯Ｍは、鋳型部分Ｄ１から、さらに導体バー７ａ
の方へも移動し、導体バー７ａとスロット５ｃの間の隙
間にも充填されて行くことになる。

【００４２】従って、この実施形態によれば、エンドリ
ングの取付け作業が一方だけ、すなわち、上側のエンド
リング７ｂについてだけで済むので、製作が極めて容易
となる。

【００４３】また、上述のように、導体バー７ａと、回
転子鉄心５ａのスロット孔５ｂの間に隙間があっても、
この隙間は、後で銅で塞がれてしまうので、導体バー７
ａが大きな電磁振動力を受けたときでも、スロット孔５
ｂ内で振動することが無くなり、このため、始動繰り返
しが長い期間にわたっても、導体バー７ａとエンドリン
グ７ｂ、７ｃの接続部が破壊される虞れがなく、高い信
頼性を容易に得ることができる。

【００４４】さらに、回転子鉄心５ａのスロット孔５ｂ
の間に隙間があっても、後でこの隙間は銅で塞がれるの
で、残った導体バーの太さは、元の導体バー７ａの太さ
とは特に関係無く、スロット孔５ｃの断面積一杯まで太
さにされたものとなるので、かご形巻線のスロット内の
部分での電気抵抗を低く抑えることができ、二次抵抗の
減少による性能向上を充分に得ることができる。

【００４５】また、このように、最初、スロット孔５ｂ
の中に挿入するときの導体バー７ａの太さをスロット孔
５ｂの太さよりも細くできるので、導体バー７ａの収納
作業が極めて簡単になり、この結果、導体バー７ａの材
質として銅を用いることができる。

【００４６】そこで、次に、上記実施形態において、上
述の如く、導体バー７ａと、エンドリング７ｂ、７ｃか
らなるかご形巻線を銅で形成したことによる効果につい
て説明する。まず、銅は、固有抵抗が約２．１μΩｃｍ
(７５℃)でるのに対して、アルミニウムの固有抵抗は、
同じく７５℃で３．４μΩｃｍである。

【００４７】従って、銅のかご形巻線の方が、アルミニ
ウムのものより約４０％ほど固有抵抗を小さくすること
ができ、それだけ温度上昇が少なくなる。

【００４８】この結果、例えば４極で出力が３．７ｋＷ
の汎用誘導電動機において、銅のかご形巻線を有する回
転子を用いた電動機では、アルミニウムのかご形巻線を
有する従来の電動機に比して、計算上、二次抵抗が約４
０％小さくなるので、二次抵抗損失も４０％小さくな
り、従って、電動機の効率を確実に１％向上させること
ができる。

【００４９】この効率向上１％という数値は、単純に考
えると少ないようであるが、アルミニウムをダイカスト
成形した誘導電動機においては顕著な効果といえ、且つ
上述の如く二次抵抗を４０％小さくできることから、同
じく計算によると、最大出力で１０％、最大トルクで２
％の向上が得られ、この結果、滑りを確実に低減するこ
とができる。

【００５０】従って、この実施形態による回転子によれ
ば、信頼性が高く、二次抵抗損失が少なく、且つ高トル
クで高効率の誘導電動機を容易に提供することができ
る。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、以下の効果を得ること
ができる。

【００５２】エンドリングの接合作業が、１回不要にな
るので、製作が容易になる。導体バーとスロットとの隙
間に鋳込み材が充填されるため、導体バーに電磁振動力
が加わっても動かないので、導体バーとエンドリングの
接合部が破壊される虞れがなく、従って、高い信頼性が
保てる。

【００５３】かご形巻線を銅で作るのが容易になるの
で、アルミニウムより約４０％ほど固有抵抗を小さくで
き、二次抵抗損失の減少により温度上昇が抑えられ、滑
りを確実に低減することができ、この結果、誘導電動機
の信頼性及び性能を確実に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による回転電機の回転子の一実施形態が
適用された誘導電動機の一例を示す一部破断による側面
図である。

【図２】本発明の一実施形態で使用している回転子鉄板
の平面図である。

【図３】本発明の一実施形態における積層された回転子
鉄心の側面図である。

【図４】本発明の一実施形態による回転子の側面図であ
る。

【図５】本発明の一実施形態で採用されている回転子の
低温鋳造の一例を示す説明図である。

【図６】本発明の一実施形態で低温鋳造に使用されてい
る鋳型の説明図である。

【図７】従来技術による誘導電動機を示す一部破断によ
る側面図である。

【符号の説明】

１ ハウジング １ａ 放熱フィン ２Ａ、２Ｂ エンドブラケット ３ 固定子 ３ａ 固定子鉄心 ３ｂ 固定子コイル ４Ａ、４Ｂ 軸受 ５ 回転子 ５ａ 回転子鉄心 ５ｂ 回転子鉄板 ５ｃ スロット(かご形巻線収納用の孔) ６ 回転軸 ７ａ 導体バー ７ｂ、７ｃ エンドリング ８ 内ファン ９ 外ファン １０ エンドカバー Ｄ 鋳型(金型) Ｄ１ 鋳型部分 Ｄ２ 溶湯通路 Ｇ 空間部 Ｍ 溶湯(溶解した銅) Ｐ 溶湯管路 Ｓ ろう付け部 Ｔ 鋳造炉

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 富久 裕光 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者 大原 光一郎 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者 水谷 完治 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者 斉藤 嘉治 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所内 (72)発明者 遠藤 幸郎 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者 浅野 洋一郎 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 全閉形のスロットを有する回転子鉄心
   に、スロット内導体とエンドリングからなるかご形巻線
   を備えた回転電機の回転子において、 上記スロット内導体が、上記スロット内に予め挿入した
   導体バーと、上記スロット内で上記導体バーとの間の空
   隙部分に後から溶融状態で充填した導電性材料とで形成
   されていることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 【請求項２】 請求項１の発明において、 上記導電材料が上記導体バーと同じ材質で、且つ低圧鋳
   造により充填されていることを特徴とする回転電機の回
   転子。
3. 【請求項３】 請求項２の発明において、 上記エンドリングが、上記導電性材料の充填時、該導電
   性材料の低圧鋳造により形成されていることを特徴とす
   る回転電機の回転子。