WO2015129421A1 - 回転子およびこの回転子の製造方法 - Google Patents

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stir welding
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conductors
rotor
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教良 金田
翔太 西濱
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日本発條株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a rotor and a method for manufacturing the rotor.
  • an induction motor including a stator that forms a rotating magnetic field and a rotor that is provided inside the stator and rotates by forming the rotating magnetic field is known.
  • Induction motors are broadly classified into single-phase induction motors and three-phase induction motors depending on the type of AC power input. Of these, three-phase induction motors are widely used as general-purpose motors.
  • the three-phase induction motor has a rotor in which thick copper wires (bars) are arranged in a cage shape.
  • the rotor includes an iron core, a plurality of copper wires, and an end ring.
  • the rotor is manufactured by inserting a plurality of copper wires into an iron core in which a plurality of steel plates are laminated, and fixing both ends of the copper wires with end rings (see, for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 1 a copper wire and an end ring are fixed by friction stir welding.
  • the friction stir welding it is possible to perform the bonding at a low cost as compared with a bonding method such as brazing.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a rotor capable of maintaining strength even when joining is performed using friction stir welding, and a method for manufacturing the rotor. To do.
  • a rotor according to the present invention is joined to a plurality of rod-shaped conductors and one end of the plurality of conductors by friction stir welding, and at least of the surfaces,
  • the surface opposite to the side from which the plurality of conductors extends is joined to the first end ring that is agitated by the friction stir welding and the other end of the plurality of conductors by the friction stir welding,
  • the surface opposite to the side from which the plurality of conductors extend is provided between the second end ring that is stirred by the friction stir welding and the first and second end ring.
  • an iron core having a cylindrical shape and having a plurality of insertion holes through which the plurality of conductors can be inserted along a central axis direction.
  • the rotor according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the first and second end ring rings are agitated by the friction stir welding.
  • the method for manufacturing a rotor according to the present invention includes a plurality of rod-shaped conductors, a cylindrical iron core in which a plurality of insertion holes through which the plurality of conductors can be inserted are formed, and the plurality of conductors.
  • a method of manufacturing a rotor including first and second end-entanglement rings respectively joined to both ends, wherein a cylindrical iron core is formed in a state in which ends of the plurality of conductors are accommodated in a base material.
  • the friction stir welding step may include inserting an end portion of the conductor into an insertion hole formed in the base material made of the same material as the conductor. Then, the conductor and the base material are joined by the friction stir welding.
  • the friction stir welding step may be performed after the end of the conductor is fitted into the recess formed in the base material made of a material different from the conductor. The conductor and the base material are joined by the friction stir welding.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the rotor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the rotor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically illustrating the method for manufacturing the rotor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view schematically illustrating the method for manufacturing the rotor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically illustrating the method for manufacturing the rotor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically illustrating the method for manufacturing the rotor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view schematically illustrating the method for manufacturing the rotor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically illustrating the method for manufacturing the rotor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of the rotor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a method for manufacturing the rotor according to the first modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of the rotor according to the first modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view illustrating a configuration of a main part of the rotor according to the second modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a method for manufacturing the rotor according to the second modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of the rotor according to the third modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view schematically illustrating the method for manufacturing the rotor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view schematically illustrating the method for manufacturing the rotor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view schematically illustrating the method for manufacturing the rotor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of the rotor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the rotor 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the rotor according to the first embodiment.
  • a rotor 1 shown in FIGS. 1 and 2 is used in an induction motor, is provided inside a stator, and rotates according to a rotating magnetic field of the stator.
  • the rotor 1 is a cage rotor in which thick copper wires (bars) are arranged in a cage shape.
  • the rotor 1 includes a plurality of bars (conductors) 10, end rings (end-entangled rings) 11 and 12, and an iron core 13.
  • the bar 10 is formed using, for example, copper or a copper alloy, and has a prismatic shape (bar shape).
  • a plurality of bars 10 are provided according to the configuration of the rotor 1. In this specification, it is assumed that 16 bars 10 are used. However, the number is not limited to this number, and the number according to the design is provided. Further, in addition to a prismatic shape, any columnar shape such as a column shape can be applied.
  • the end rings 11 and 12 are formed using copper or a copper alloy and have a hollow cylindrical shape.
  • the end rings 11 (first end ring) are respectively joined to one end of the plurality of bars 10 by friction stir welding (stirring region R1 in FIG. 2).
  • the end rings 12 (second end tangles) are respectively joined to the other ends of the plurality of bars 10 by friction stir welding.
  • the iron core 13 is formed by laminating a plurality of electromagnetic steel plates 13a, for example.
  • the electromagnetic steel sheet 13a is formed using steel (for example, iron added with silicon) having high conversion efficiency between electric energy and magnetic energy, and has a hollow disk shape.
  • a plurality of through-holes penetrating in the plate thickness direction and capable of being inserted through the bars 10 are formed in the electromagnetic steel sheet 13 a according to the number of the bars 10.
  • the iron core 13 is formed in a cylindrical shape by laminating a plurality of electromagnetic steel plates 13a with the end surfaces aligned, and has an insertion hole 131 through which the bar 10 is inserted by communicating a plurality of through holes.
  • the iron core 13 is not limited to one in which the outer edge of the cross section orthogonal to the central axis forms a circle, but may be an ellipse or a polygon.
  • the rotor 1 is manufactured by inserting a plurality of bars 10 into insertion holes 131 of an iron core 13 formed by laminating a plurality of electromagnetic steel plates 13a and fixing both ends of the bars 10 by end rings 11 and 12, respectively. The Further, the shaft of the induction motor is inserted into the hollow space of the rotor 1.
  • FIGS. 3 to 6 are perspective views schematically illustrating the method for manufacturing the rotor according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view schematically illustrating the method for manufacturing the rotor according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically illustrating the method for manufacturing the rotor according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of the rotor according to the first embodiment.
  • FIGS. 8 and 9 are partial cross-sectional views in which a plane passing through the central axis N0 (longitudinal direction of the bar 10) of the rotor 1 and parallel to the central axis is a cut surface.
  • the base material 120 is used to form the end ring 12, is formed using copper or a copper alloy, and has a hollow cylindrical shape.
  • the base material 120 has an outer diameter larger than the outer diameter of the end ring 12 and an inner diameter smaller than the inner diameter of the end ring 12.
  • a plurality of electromagnetic steel plates 13a are sequentially inserted into the plurality of bars 10 extending from the base material 120 (see FIG. 4).
  • the base material 110 is for forming the end ring 11, is formed using copper or a copper alloy, and has a hollow cylindrical shape.
  • the base material 110 has an outer diameter larger than the outer diameter of the end ring 11 and an inner diameter smaller than the inner diameter of the end ring 11.
  • the joining member 200 includes a shoulder 202 having a probe 201 coaxially at the tip.
  • the probe 201 and the shoulder 202 are cylindrical, and the outer diameter of the probe 201 is smaller than the outer diameter of the shoulder 202.
  • the shoulder 202 can rotate about its own central axis N1 (arrow Y1). When the shoulder 202 rotates, the probe 201 attached to the shoulder 202 also rotates in conjunction with it.
  • the base material 110 and the bar 10 are softened by frictional heat generated by pressing the shoulder 202 against the surface of the base material 110 (the surface opposite to the side where the bar 10 extends) while rotating the shoulder 202. Further, the periphery of the joint is plastically flowed and mixed by the rotational force of the shoulder 202, and then solidified, whereby a part of the base material 110 and the end of the bar 10 are integrated.
  • the metal structure after joining becomes finer, so that high joining strength can be obtained.
  • the friction stir welding can join materials such as copper at a low temperature below the melting point, and the residual stress and deformation after bonding are smaller than the residual stress and deformation when melt-welded.
  • each bar 10 and the base material 110 are joined by rotating around the central axis N2 of the base material 110 (revolution: arrow Y2 in FIG. 6) while rotating the shoulder 202.
  • the agitation region R ⁇ b> 1 joined by friction agitation due to the movement of the shoulder 202 has an annular shape on the surface of the base material 110.
  • the length (width) of the stirring region R1 in the radial direction is substantially equal to the outer diameter of the shoulder 202.
  • the width of the stirring region R1 can be adjusted by adjusting the outer diameter of the shoulder 202.
  • the stirring region R1 has an arc shape at the boundary with the base material 110.
  • the friction stir welding only the heat due to friction is transferred to the peripheral area of the friction stir area (stirring area R1).
  • heat-affected regions H11 and H12 in which only frictional heat is transmitted without stirring are generated in the peripheral region of the stirring region R1 (see FIG. 8).
  • the heat affected areas H11 and H12 are each formed in an annular shape along the moving direction of the shoulder 202.
  • the heat affected areas H11 and H12 are generated, the mechanical strength of these areas is lowered by heat, and there is a possibility that the rotor 1 is damaged.
  • a part of the base material 110 is cut to remove the heat-affected regions H11 and H12 from the base material 110.
  • t 1 the distance between the cutting position C1, C2 for cutting the base material 110 at the outer peripheral side and inner peripheral side and the shortest distance between the heat affected zone H11, H12 and t 2, t 1 ⁇ t 2 holds.
  • the diameter (width) between the outer peripheral side and the inner peripheral side of the iron core 13 is t 3
  • the diameter of the bar 10 is t 4
  • the width of the stirring region R 1 on the surface of the base material 110 When the diameter) of the shoulder 202 and t 5, the diameter t 3 of the iron core 13 is at a distance t 1 less between the cut surface (t 3 ⁇ t 1), the width t 5 of diameter t 4 is stirred region R1 of the bar 10 Less than (t 4 ⁇ t 5 ).
  • the stirring region R1 includes the iron core 13 in the direction of the central axis N2 (the central axis of the iron core 13) (t 3 ⁇ t 5 ).
  • the end ring 11 shown in FIG. 9 can be formed by cutting the base material 110 at the cutting positions C1 and C2 that satisfy the above-described relationship (forming step). Since the end ring 11 does not have the heat affected areas H11 and H12, the mechanical strength as the end ring is prevented from being reduced by heat, and the strength as the end ring 11 is maintained.
  • the end ring 12 can be formed by cutting the base material 120 in the same manner as in the manufacturing process of the end ring 11 described above.
  • the distance t between the cutting positions C1 and C2 at which the base material 110 is cut on the outer peripheral side and the inner peripheral side with t 1 ⁇ 0.7t 5 as a guide. 1 may be set to determine the cutting position.
  • FIG. 1 In the cutting process of the base material 110 (and the base material 120), if the end ring 11 (end ring 12) that satisfies t 1 ⁇ t 2 and does not have the heat affected regions H11 and H12 can be formed, FIG. In the cross-section shown in FIG. If the base material 110 and the bar 10 are agitated and joined and the end ring 11 after cutting does not include the heat-affected regions H11 and H12, the base material 110 may be cut out at any location (the position of the cut surface). The position which cut
  • the end ring heat-affected regions H11 and H12 generated when the base material 110 and the bar 10 are joined by friction stir welding is removed. Since the end rings 11 and 12) are formed, the strength can be maintained even when the friction stir welding is used.
  • the friction stir welding may be performed using the bonding member 200 in which the protruding length of the probe 201 from the shoulder 202 is smaller than the thickness of the base material 110.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a method of manufacturing the rotor according to the first modification of the first embodiment, and passes through the central axis (longitudinal direction of the bar 10) of the rotor 1 and the central axis. It is a fragmentary sectional view which makes a parallel plane a cut surface.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of the rotor according to the first modification of the first embodiment. The first modification will be described on the assumption that the end ring 11a is composed only of a region where friction stir welding is performed.
  • the radial distance of the stirring region relative to the base material can be increased.
  • the width t 6 of the stirring region R2 at the surface of the base material 110 is formed the width t 5 is greater than stirring region R2 described above.
  • the stirring region R2 covers all the contact surfaces with the iron core 13. Therefore, the shortest distance t 7 between the heat affected zone H21,22 caused by agitation region R2 becomes sufficiently larger than the distance t 1 between the cutting position C1, C2, and the end ring 11a after cutting, stirring region R2 It will be formed only from. For this reason, the strength of the end ring 11a can be more reliably maintained.
  • FIG. 12 is a perspective view illustrating a configuration of a main part of the rotor according to the second modification of the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a method for manufacturing the rotor according to the second modification of the first embodiment.
  • a trace of the probe 201 may remain at the end point of the stirring process (stop position of the shoulder 202). If the trace of the probe 201 remains, there is a possibility that the uniformity of mixing due to plastic flow is lowered and the bonding strength is lowered.
  • the base material 130 according to the second modification example is provided in an annular part 131 having an annular shape and a part of a side surface of the annular part 131, and the diameter of the annular part 131 from the side surface. And an extending part 132 extending in the direction.
  • a through hole 131 a for inserting the bar 10 is formed in the annular portion 131.
  • the extending portion 132 protrudes so that the length in the radial direction and the width direction (direction orthogonal to the radial direction on the surface) is equal to or larger than the diameter of the shoulder 202.
  • the shoulder 202 When joining the base material 130 and the bar 10, as shown in FIG. 13, the shoulder 202 is moved so as to reach the extending portion 132 after making a round in the circumferential direction of the annular portion 131.
  • a locus L indicates a locus drawn by the central axis of the probe 201 as the shoulder 202 moves.
  • the stirring region R3 is formed.
  • the trace of the probe 201 at the end point of the stirring process (stop position of the shoulder 202) is a position deviated from the annular portion 131, so that the trace of the probe 201 does not remain on the end ring after molding.
  • the trace of the probe 201 does not remain on the end ring after molding, the remaining trace of the probe 201 reduces the uniformity of mixing due to plastic flow and causes a decrease in bonding strength. Therefore, even when the friction stir welding is used, the strength can be more reliably maintained.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of the rotor according to the third modification of the first embodiment.
  • diameter t 4 bar 10 is described as less than the diameter of the shoulder 202 (i.e. the width t 5 of the stirring area R1 on the surface of the base material 110)
  • diameter t 8 bar 10a is greater than the diameter of the shoulder 202 (width t 5).
  • a bar 10a having a diameter (diameter t 8 ) larger than the diameter (width t 5 ) of the shoulder 202 and an insertion hole through which the bar 10a can be inserted.
  • the iron core 14 is formed by laminating a plurality of electromagnetic steel plates 14a.
  • the shoulder 202 If the diameter t 8 bar 10a is greater than the diameter of the shoulder 202 (width t 5), as shown in FIG. 14, the shoulder 202, as well as around the surface of the base 110, stirred moves radially region R4 is formed.
  • the diameter of the bar 10a t 8 (> t 5) , the outer peripheral side and the distance between the cutting position C3, C4 of the inner circumferential side to cut the base material 110 respectively t 9, the heat affected zone H31,
  • t 10 the shortest distance between H32, t 9 ⁇ t 10 holds.
  • the diameter t 11 of the iron core 14 is less than the distance t 9 between the cut surfaces (t 11 ⁇ t 9 ).
  • FIG. 17 are cross-sectional views schematically illustrating the method for manufacturing the rotor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of the rotor according to the second embodiment of the present invention.
  • 15 to 18 are cross-sectional views taken along a plane that passes through the central axis (longitudinal direction of the bar 10) of the rotor 1 and is parallel to the central axis.
  • the rotor according to the second embodiment is made of a material softer than copper, such as aluminum, iron, titanium, and magnesium, and an alloy containing any one of these metals as a main component.
  • An end ring is formed using the base material 150.
  • the base material 150 has a flat plate shape, and a plurality of concave portions 151 are provided on one surface.
  • the plurality of recesses 151 are provided according to the number of bars 10 and the joining positions.
  • the tip of the bar 10 is fitted into the recess 151. Thereby, the bar 10 is positioned with respect to the base material 150.
  • the base material 150 and the bar 10 are stirred and joined by friction stir welding (see FIG. 17).
  • the protruding length of the probe 201 from the shoulder 202 is adjusted so that the thickness from the bottom of the recess 151 to the upper surface of the base material 150 is d.
  • both are joined by friction-stirring only the front-end
  • the friction stir welding After the friction stir welding, it performs disconnection processing of the base material 150 to determine the distance t 12 and the cutting position C5, C6 between the cut surface in accordance with the heat affected zone H41, H42 caused by the formation of stirring region R5. Thereby, dissimilar materials can be joined by friction stirring, and the end ring 15 which does not have the heat affected areas H41 and H42 can be formed.
  • the heat affected areas (heat affected areas H41 and H42) generated when the base material 150 formed using different materials and the bar 10 are joined by friction stir welding are removed. Since the end ring 15 is formed, the strength can be maintained even when different materials are joined by friction stir welding.
  • the end rings at both ends may be formed from the base material 150, or one end ring is formed from the base material 150 and the other end ring is set as the base material 110 (or It may be formed from the base material 130).
  • the agitator may be formed by moving the shoulder in the radial direction.
  • the upper surface of the end ring after molding and a part of the side surface include a frictionally stirred region (stirring region), but the base material and the bar are stirred. It is only necessary that the end ring after joining and cutting does not include the heat affected zone.
  • the boundary of the stirring region has an average curvature radius smaller than the average curvature radius of the curve formed by the substantially semicircular boundary as shown in FIG. 8 in the cross section of the end ring, at least the surface of the end ring
  • the upper surface (the surface on the side opposite to the side to be joined with the bar) may be formed by plastic working by friction stir welding.
  • the cutting position is determined symmetrically with respect to the center of the friction-stirred region (stirring region), but the base material and the bar are stir-joined and after cutting If the end ring does not include the heat-affected region, the center between the cutting positions may be shifted from the center of the stirring region.
  • Embodiments 1 and 2 described above are merely examples for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to these. Further, the present invention can form various inventions by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the respective embodiments and modifications. It is obvious from the above description that the present invention can be variously modified according to specifications and the like, and that various other embodiments are possible within the scope of the present invention.
  • the rotor and the method for manufacturing the rotor according to the present invention are useful for maintaining the strength even when the friction stir welding is used.

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Abstract

　本発明にかかる回転子は、棒状をなす複数の導体と、摩擦撹拌接合により複数の導体の一端と接合され、表面のうち、少なくとも複数の導体が延出する側と反対側の表面が、該摩擦撹拌接合により撹拌されてなる第１の端絡環（１１）と、摩擦撹拌接合により複数の導体の他端と接合され、表面のうち、少なくとも複数の導体が延出する側と反対側の表面が、該摩擦撹拌接合により撹拌されてなる第２の端絡環（１２）と、第１および第２の端絡環の間に設けられ、筒状をなす鉄心（１３）であって、中心軸方向に沿って複数の導体をそれぞれ挿通可能な複数の挿通孔が形成された鉄心（１３）と、を備えた。

Description

回転子およびこの回転子の製造方法
　本発明は、回転子およびこの回転子の製造方法に関するものである。
　従来、回転磁界を形成する固定子と、該固定子の内部に設けられ、回転磁界の形成により回転する回転子とを備えた誘導電動機が知られている。誘導電動機は、入力される交流電源の種類によって、単相誘導電動機と三相誘導電動機とに大別される。このうち三相誘導電動機は、汎用モータとして広く用いられている。
　三相誘導電動機は、太い銅線（バー）がかご形に配置された回転子を有する。回転子は、鉄心と、複数の銅線と、エンドリングとを備えている。回転子は、複数の鋼板が積層されてなる鉄心に複数の銅線を挿通し、該銅線の両端をエンドリングによって固定することにより作製される（例えば、特許文献１を参照）。
　特許文献１では、銅線とエンドリングとを摩擦撹拌接合によって固定している。摩擦撹拌接合を用いることにより、ろう付けなどの接合方法と比して低コストで接合を行うことができる。
特許第３７３０５３１号公報
　しかしながら、特許文献１のように摩擦撹拌接合によって銅線とエンドリングとを接合した場合、摩擦撹拌された領域の周辺領域には摩擦による熱のみが伝達される。このため、伝達された熱によって周辺領域の機械的な強度が低下し、回転子の破損などを引き起こすおそれがあった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、摩擦撹拌接合を用いて接合を行った場合でも強度を維持することができる回転子およびこの回転子の製造方法を提供す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、本発明にかかる回転子は、棒状をなす複数の導体と、摩擦撹拌接合により前記複数の導体の一端と接合され、表面のうち、少なくとも前記複数の導体が延出する側と反対側の表面が、該摩擦撹拌接合により撹拌されてなる第１の端絡環と、摩擦撹拌接合により前記複数の導体の他端と接合され、表面のうち、少なくとも前記複数の導体が延出する側と反対側の表面が、該摩擦撹拌接合により撹拌されてなる第２の端絡環と、前記第１および第２の端絡環の間に設けられ、筒状をなす鉄心であって、中心軸方向に沿って前記複数の導体をそれぞれ挿通可能な複数の挿通孔が形成された鉄心と、を備えたことを特徴とする。
　また、本発明にかかる回転子は、上記の発明において、前記第１および第２の端絡環は、前記摩擦撹拌接合により撹拌されてなることを特徴とする。
　また、本発明にかかる回転子の製造方法は、棒状をなす複数の導体と、該複数の導体をそれぞれ挿通可能な複数の挿通孔が形成された筒状をなす鉄心と、前記複数の導体の両端とそれぞれ接合する第１および第２の端絡環とを備えた回転子の製造方法であって、母材に前記複数の導体の端部を収容した状態で、筒状をなす鉄心を該鉄心の中心軸方向で含むように前記母材と前記複数の導体とを摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合ステップと、前記摩擦撹拌接合ステップ後の母材の表面であって、少なくとも前記複数の導体が延出する側と反対側の表面が、前記摩擦撹拌接合により撹拌されてなる表面となるように該母材を切断して前記端絡環を成形する成形ステップと、を含むことを特徴とする。
　また、本発明にかかる回転子の製造方法は、上記の発明において、前記摩擦撹拌接合ステップは、前記導体と同一の材料からなる前記母材に形成された挿通孔に該導体の端部を挿通後、前記摩擦撹拌接合により前記導体と前記母材とを接合することを特徴とする。
　また、本発明にかかる回転子の製造方法は、上記の発明において、前記摩擦撹拌接合ステップは、前記導体と異なる材料からなる前記母材に形成された凹部に該導体の端部を嵌合後、前記摩擦撹拌接合により前記導体と前記母材とを接合することを特徴とする。
　本発明によれば、摩擦撹拌接合を用いて接合を行った場合でも強度を維持することができるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態１にかかる回転子の構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態１にかかる回転子の構成を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１にかかる回転子の製造方法を模式的に説明する斜視図である。 図４は、本発明の実施の形態１にかかる回転子の製造方法を模式的に説明する斜視図である。 図５は、本発明の実施の形態１にかかる回転子の製造方法を模式的に説明する斜視図である。 図６は、本発明の実施の形態１にかかる回転子の製造方法を模式的に説明する斜視図である。 図７は、本発明の実施の形態１にかかる回転子の製造方法を模式的に説明する平面図である。 図８は、本発明の実施の形態１にかかる回転子の製造方法を模式的に説明する断面図である。 図９は、本発明の実施の形態１にかかる回転子の要部の構成を示す断面図である。 図１０は、本発明の実施の形態１の変形例１にかかる回転子の製造方法を説明する図である。 図１１は、本発明の実施の形態１の変形例１にかかる回転子の要部の構成を示す断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態１の変形例２にかかる回転子の要部の構成を示す斜視図である。 図１３は、本発明の実施の形態１の変形例２にかかる回転子の製造方法を説明する図である。 図１４は、本発明の実施の形態１の変形例３にかかる回転子の要部の構成を示す断面図である。 図１５は、本発明の実施の形態２にかかる回転子の製造方法を模式的に説明する断面図である。 図１６は、本発明の実施の形態２にかかる回転子の製造方法を模式的に説明する断面図である。 図１７は、本発明の実施の形態２にかかる回転子の製造方法を模式的に説明する断面図である。 図１８は、本発明の実施の形態２にかかる回転子の要部の構成を示す断面図である。
　以下、本発明を実施するための形態を図面とともに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに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にかかる回転子１の構成を示す斜視図である。図２は、本実施の形態１にかかる回転子の構成を示す断面図である。図１，２に示す回転子１は、誘導電動機に用いられ、固定子の内部に設けられて該固定子の回転磁界に応じて回転するものである。
　回転子１は、太い銅線（バー）がかご形に配置されたかご形回転子である。回転子１は、複数のバー（導体）１０と、エンドリング（端絡環）１１，１２と、鉄心１３と、を備えている。
　バー１０は、例えば銅または銅合金を用いて形成され、角柱状（棒状）をなしている。バー１０は、回転子１の構成に応じて複数設けられる。なお、本明細書では、１６本のバー１０を用いるものとして説明するが、この数に限らず、設計に応じた数だけ設けられる。また、角柱状をなすもののほか、円柱状など棒状をなすものであれば適用可能である。
　エンドリング１１，１２は、銅または銅合金を用いて形成され、中空円柱状をなしている。エンドリング１１（第１の端絡環）は、摩擦撹拌接合により複数のバー１０の一端とそれぞれ接合している（図２の撹拌領域Ｒ１）。エンドリング１２（第２の端絡環）は、摩擦撹拌接合により複数のバー１０の他端とそれぞれ接合している。
　鉄心１３は、例えば複数の電磁鋼板１３ａが積層されてなる。電磁鋼板１３ａは、電気エネルギーと磁気エネルギーの変換効率が高い鋼（例えば鉄にケイ素を添加したもの）を用いて形成され、中空円盤状をなしている。また、電磁鋼板１３ａには、板厚方向に貫通し、バー１０を挿通可能な貫通孔が、バー１０の数に応じて複数形成されている。鉄心１３は、複数の電磁鋼板１３ａが端面を揃えて積層されることにより、円筒状をなすとともに、複数の貫通孔が連通することによりバー１０を挿通する挿通孔１３１を形成している。なお、鉄心１３は、中心軸と直交する断面の外縁が円をなすものに限らず、楕円や多角形をなすものであってもよい。
　回転子１は、複数の電磁鋼板１３ａが積層されてなる鉄心１３の挿通孔１３１に複数のバー１０が挿通され、該バー１０の両端がエンドリング１１，１２によってそれぞれ固定されることで作製される。また、回転子１の中空空間には、誘導電動機のシャフトが挿通する。
　つぎに、回転子１の製造方法について図３～図９を参照して説明する。図３～６は、本実施の形態１にかかる回転子の製造方法を模式的に説明する斜視図である。図７は、本実施の形態１にかかる回転子の製造方法を模式的に説明する平面図である。図８は、本実施の形態１にかかる回転子の製造方法を模式的に説明する断面図である。図９は、本実施の形態１にかかる回転子の要部の構成を示す断面図である。なお、図８，９は、回転子１の中心軸Ｎ０（バー１０の長手方向）を通過し、かつこの中心軸と平行な平面を切断面とする部分断面図である。
　まず、母材１２０に形成された貫通孔１２０ａにバー１０の一端部を収容する（図３参照）。母材１２０は、エンドリング１２を形成するためのものであって、銅または銅合金を用いて形成され、中空円柱状をなしている。母材１２０は、外径がエンドリング１２の外径より大きく、内径がエンドリング１２の内径より小さい。上述した処理により、母材１２０から複数のバー１０が延出した状態となる。
　つぎに、母材１２０から延出している複数のバー１０に複数の電磁鋼板１３ａを順次差し込む（図４参照）。
　その後、母材１１０に形成された貫通孔１１０ａに、鉄心１３（電磁鋼板１３ａ）から延出したバー１０の他端部を差し込む（図５参照）。母材１１０は、エンドリング１１を形成するためのものであって、銅または銅合金を用いて形成され、中空円柱状をなしている。母材１１０は、外径がエンドリング１１の外径より大きく、内径がエンドリング１１の内径より小さい。バー１０に母材１１０を差し込んだ際、バー１０の端面は、母材１１０の端面と同一平面上にあるか、若干貫通孔１１０ａの開口端より内部側に位置した状態となっている。
　続いて、母材１１０とバー１０とを摩擦撹拌接合により接合する（図６参照：摩擦撹拌接合ステップ）。摩擦撹拌接合では、接合部材２００を用いて接合処理を行う。接合部材２００は、先端にプローブ２０１を同軸上に有するショルダ２０２を備える。プローブ２０１およびショルダ２０２は、円筒状をなし、プローブ２０１の外径はショルダ２０２の外径より小さい。ショルダ２０２は、自身の中心軸Ｎ１のまわりに自転可能である（矢印Ｙ１）。ショルダ２０２が自転すると、ショルダ２０２に取り付けられているプローブ２０１も連動して回転する。
　摩擦撹拌接合では、ショルダ２０２を自転させながら母材１１０の表面（バー１０が延出する側と反対側の表面）に押し当てることで発生した摩擦熱により母材１１０およびバー１０が軟化して、さらにショルダ２０２の回転力によって接合部周辺が塑性流動して練り混ざり、その後固化することで母材１１０の一部とバー１０の端部とが一体化する。摩擦撹拌接合を用いることにより、接合後の金属組織が微細化するため、高い接合強度を得ることができる。また、摩擦撹拌接合は、銅などの材料を融点以下の低温で接合することができるとともに、接合後の残留応力や変形が、溶融溶接した場合の残留応力や変形と比して小さい。
　摩擦撹拌接合では、ショルダ２０２を自転させながら、母材１１０の中心軸Ｎ２のまわりで回転（公転：図６の矢印Ｙ２）させることによって、各バー１０と母材１１０とを接合する。図７に示すように、ショルダ２０２の移動により、摩擦撹拌により接合された撹拌領域Ｒ１は、母材１１０の表面において円環状をなしている。なお、この撹拌領域Ｒ１の径方向（母材１１０の径方向）の長さ（幅）は、ショルダ２０２の外径と略等しい。換言すれば、ショルダ２０２の外径を調整することにより、撹拌領域Ｒ１の幅を調整することができる。また、撹拌領域Ｒ１は、図８に示す断面図のように、母材１１０との境界が弧状をなしている。
　ここで、摩擦撹拌接合において、摩擦撹拌された領域（撹拌領域Ｒ１）の周辺領域は摩擦による熱のみが伝達される。例えば、撹拌領域Ｒ１の周辺領域には、撹拌されずに摩擦熱のみが伝達した熱影響領域Ｈ１１，Ｈ１２が生じる（図８参照）。熱影響領域Ｈ１１，Ｈ１２は、ショルダ２０２の移動方向に沿って、それぞれ円環状に形成される。熱影響領域Ｈ１１，Ｈ１２が発生すると、この領域の機械的な強度が熱により低下し、回転子１の破損などを引き起こすおそれがある。そのため、本実施の形態１では、母材１１０の一部を切断して、母材１１０から熱影響領域Ｈ１１，Ｈ１２を除去する処理を施す。
　母材１１０の径方向において、外周側および内周側で母材１１０を切断する切断位置Ｃ１，Ｃ２間の距離をｔ１、熱影響領域Ｈ１１，Ｈ１２間の最短距離をｔ２とすると、ｔ１≦ｔ２が成り立つ。また、本実施の形態１では、鉄心１３の外周側と内周側との間の径（幅）をｔ３、バー１０の径をｔ４、母材１１０の表面における撹拌領域Ｒ１の幅（ショルダ２０２の径）をｔ５とすると、鉄心１３の径ｔ３が切断面間の距離ｔ１以下であり（ｔ３≦ｔ１）、バー１０の径ｔ４が撹拌領域Ｒ１の幅ｔ５より小さい（ｔ４＜ｔ５）。換言すれば、撹拌領域Ｒ１は、中心軸Ｎ２（鉄心１３の中心軸）方向で鉄心１３を含んでいる（ｔ３＜ｔ５）。
　上述した関係を満たす切断位置Ｃ１，Ｃ２で母材１１０を切断することにより、図９に示すエンドリング１１を成形することができる（成形ステップ）。エンドリング１１は、熱影響領域Ｈ１１，Ｈ１２を有しないため、熱によりエンドリングとしての機械的な強度が低下することを抑制し、エンドリング１１としての強度を維持したものとなっている。
　また、エンドリング１２についても、上述したエンドリング１１の製造工程と同様にして、母材１２０を切断することにより形成することができる。
　なお、母材１１０（および母材１２０）の切り出し処理において、例えば、ｔ１≦０．７ｔ５を目安として外周側および内周側で母材１１０を切断する切断位置Ｃ１，Ｃ２間の距離ｔ１を設定して切断位置を決定するものであってもよい。
　また、母材１１０（および母材１２０）の切り出し処理では、ｔ１≦ｔ２を満たし、熱影響領域Ｈ１１，Ｈ１２を有しないエンドリング１１（エンドリング１２）を形成することができれば、図８に示す断面においてバー１０の中心軸に対して左右対称に切り出さなくてもよい。母材１１０とバー１０とが撹拌接合し、かつ切断後のエンドリング１１が熱影響領域Ｈ１１，Ｈ１２を含まなければ母材１１０の切り出し位置（切断面の位置）はいかなる場所であってもよく、鉄心１３の側面の一部を切断する位置であってもよい。
　上述した実施の形態１によれば、回転子１において、母材１１０とバー１０とを摩擦撹拌接合で接合した際に生じた熱影響領域（熱影響領域Ｈ１１，Ｈ１２）を除去したエンドリング（エンドリング１１，１２）を形成するようにしたので、摩擦撹拌接合を用いて接合を行った場合でも強度を維持することができる。
　なお、上述した実施の形態１では、バー１０において、貫通孔１１０ａに挿通された部分すべてが摩擦撹拌接合されるものとして説明したが、貫通孔１１０ａに挿通されている一部が摩擦撹拌接合されるものであってもよい。換言すれば、プローブ２０１のショルダ２０２からの突出長さが、母材１１０の厚さよりも小さい接合部材２００を用いて摩擦撹拌接合を行ってもよい。
（実施の形態１の変形例１）
　図１０は、本実施の形態１の変形例１にかかる回転子の製造方法を説明する図であって、回転子１の中心軸（バー１０の長手方向）を通過し、かつこの中心軸と平行な平面を切断面とする部分断面図である。図１１は、本実施の形態１の変形例１にかかる回転子の要部の構成を示す断面図である。本変形例１は、エンドリング１１ａが、摩擦撹拌接合された領域のみからなるものとして説明する。
　ショルダ２０２の径を調整することにより、母材に対する撹拌領域の径方向の距離を大きくすることができる。図１０に示す断面図では、母材１１０の表面における撹拌領域Ｒ２の幅ｔ６が上述した幅ｔ５より大きい撹拌領域Ｒ２が形成されている。撹拌領域Ｒ２は、鉄心１３との接触面をすべて覆っている。このため、撹拌領域Ｒ２により生じた熱影響領域Ｈ２１，２２間の最短距離ｔ７は、切断位置Ｃ１，Ｃ２間の距離ｔ１より十分大きくなり、かつ切断後のエンドリング１１ａが、撹拌領域Ｒ２のみから形成されるものとなる。このため、エンドリング１１ａの強度を一段と確実に維持することができる。
（実施の形態１の変形例２）
　図１２は、本実施の形態１の変形例２にかかる回転子の要部の構成を示す斜視図である。図１３は、本実施の形態１の変形例２にかかる回転子の製造方法を説明する図である。摩擦撹拌接合では、撹拌処理の終点（ショルダ２０２の停止位置）においてプローブ２０１の跡が残ることがある。プローブ２０１の跡が残ると、塑性流動による混合の均一性が低下して接合強度の低下を引き起こすおそれがある。
　本変形例２にかかる母材１３０は、図１２に示すように、円環状をなす円環部１３１と、円環部１３１の側面の一部に設けられ、該側面から円環部１３１の径方向に延出する延出部１３２と、を有する。円環部１３１には、バー１０を挿通するための貫通孔１３１ａが形成されている。延出部１３２は、径方向および幅方向（表面において径方向と直交する方向）の長さがショルダ２０２の径以上となるように突出している。
　母材１３０とバー１０とを接合する際には、図１３に示すように、円環部１３１の周方向に一周した後、延出部１３２に到達するようにショルダ２０２を移動させる。軌跡Ｌは、ショルダ２０２の移動によりプローブ２０１の中心軸が描く軌跡を示している。軌跡Ｌを描くようにショルダ２０２が移動することにより、撹拌領域Ｒ３が形成される。これにより、撹拌処理の終点（ショルダ２０２の停止位置）におけるプローブ２０１の跡が円環部１３１から外れた位置となるため、成形後のエンドリングにプローブ２０１の跡が残ることはない。
　本変形例２では、成形後のエンドリングにプローブ２０１の跡が残らないようにしたので、プローブ２０１の跡の残存により塑性流動による混合の均一性が低下して接合強度の低下を引き起こすことはなく、摩擦撹拌接合を用いて接合を行った場合でも一層確実に強度を維持することが可能となる。
（実施の形態１の変形例３）
　図１４は、本実施の形態１の変形例３にかかる回転子の要部の構成を示す断面図である。上述した実施の形態１では、バー１０の径ｔ４がショルダ２０２の径（すなわち母材１１０の表面における撹拌領域Ｒ１の幅ｔ５）よりも小さいものとして説明したが、本変形例３では、バー１０ａの径ｔ８がショルダ２０２の径（幅ｔ５）よりも大きい。
　本変形例３にかかる回転子は、バー１０および鉄心１３に代えて、径（径ｔ８）がショルダ２０２の径（幅ｔ５）よりも大きいバー１０ａと、バー１０ａを挿通可能な挿通孔１４１が形成された円筒状の鉄心１４とを備える。鉄心１４は、複数の電磁鋼板１４ａが積層されてなる。
　バー１０ａの径ｔ８がショルダ２０２の径（幅ｔ５）よりも大きい場合、図１４に示すように、ショルダ２０２は、母材１１０の表面を周回するとともに、径方向に移動して撹拌領域Ｒ４を形成する。母材１１０の径方向において、バー１０ａの径をｔ８（＞ｔ５）、外周側および内周側で母材１１０をそれぞれ切断する切断位置Ｃ３，Ｃ４間の距離をｔ９、熱影響領域Ｈ３１，Ｈ３２間の最短距離をｔ１０とすると、ｔ９≦ｔ１０が成り立つ。また、本変形例３では、鉄心１４の外周側と内周側との間の径をｔ１１とすると、鉄心１４の径ｔ１１が切断面間の距離ｔ９以下である（ｔ１１≦ｔ９）。
　本変形例３によれば、バー１０ａの径ｔ８がショルダ２０２の径（幅ｔ５）よりも大きい場合であっても、熱影響領域（熱影響領域Ｈ３１，Ｈ３２）を除去したエンドリングを形成することができる。
（実施の形態２）
　つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。図１５～１７は、本発明の実施の形態２にかかる回転子の製造方法を模式的に説明する断面図である。図１８は、本発明の実施の形態２にかかる回転子の要部の構成を示す断面図である。なお、図１５～１８は、回転子１の中心軸（バー１０の長手方向）を通過し、かつこの中心軸と平行な平面を切断面とする断面図である。また、図１等で上述した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
　本実施の形態２にかかる回転子は、バー１０とは異なり、銅と比して軟らかい材料、例えばアルミニウム、鉄、チタンおよびマグネシウム、ならびにこれらの金属のうちのいずれかを主成分とする合金からなる母材１５０を用いてエンドリングを成形する。
　母材１５０は、平板状をなし、一方の表面には、複数の凹部１５１が設けられている。複数の凹部１５１は、バー１０の数および接合位置に応じて設けられる。
　母材１５０とバー１０とを接合する際には、図１５，１６に示すように、凹部１５１にバー１０の先端を嵌め合わせる。これにより、母材１５０に対してバー１０が位置決めされた状態となる。
　その後、摩擦撹拌接合により母材１５０とバー１０とを撹拌接合する（図１７参照）。このとき、プローブ２０１のショルダ２０２からの突出長さは、凹部１５１の底部から母材１５０の上面までの厚さがｄとなるように調整されている。このため、本実施の形態２では、摩擦撹拌により母材１５０を塑性流動により混合するとともに、バー１０については、先端部のみを摩擦撹拌することによって、両者を接合する。
　摩擦撹拌接合後、撹拌領域Ｒ５の形成により生じた熱影響領域Ｈ４１，Ｈ４２に応じて切断面間の距離ｔ１２および切断位置Ｃ５，Ｃ６を決定して母材１５０の切断処理を行う。これにより、異種材料同士を摩擦撹拌により接合し、かつ熱影響領域Ｈ４１，Ｈ４２を有しないエンドリング１５を成形することができる。
　上述した実施の形態２によれば、異なる材料を用いて形成される母材１５０とバー１０とを摩擦撹拌接合で接合した際に生じた熱影響領域（熱影響領域Ｈ４１，Ｈ４２）を除去したエンドリング１５を形成するようにしたので、異なる材料同士を摩擦撹拌接合により接合した場合でも強度を維持することができる。
　なお、上述した実施の形態２では、両端のエンドリングを母材１５０から形成するようにしてもよいし、一方のエンドリングを母材１５０から成形し、他方のエンドリングを母材１１０（または母材１３０）から成形するようにしてもよい。また、実施の形態１の変形例３のように、バー１０の径がショルダ２０２の径（幅）よりも大きい場合は、ショルダを径方向に移動させて撹拌領域を形成すればよい。上述した実施の形態１（変形例を含む）および実施の形態２の組み合わせは、使用する回転子の仕様により適宜選択することができる。
　上述した実施の形態１，２では、成形後のエンドリングの上面、および側面の一部が摩擦撹拌された領域（撹拌領域）を含んでいるものとして説明したが、母材とバーとが撹拌接合し、かつ切断後のエンドリングが熱影響領域を含まなければよい。例えば、撹拌領域の境界が、エンドリングの断面において、図８に示すような略半円状の境界のなす曲線の平均曲率半径より小さい平均曲率半径を有する場合、エンドリングの表面のうち、少なくとも上面（バーと接合する側と反対側の表面）が、摩擦撹拌接合により塑性加工されてなるものであればよい。
　上述した実施の形態１，２では、摩擦撹拌された領域（撹拌領域）の中心を基準として対称に切断位置を決定するものとして説明したが、母材とバーとが撹拌接合し、かつ切断後のエンドリングが熱影響領域を含まなければ、切断位置間の中心が、撹拌領域の中心からずれた位置であってもよい。
　また、上述した実施の形態１，２は、本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明は、各実施の形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明を形成できる。本発明は、仕様等に応じて種々変形することが可能であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは、上記記載から自明である。
　以上のように、本発明にかかる回転子およびこの回転子の製造方法は、摩擦撹拌接合を用いて接合を行った場合でも強度を維持するのに有用である。
　１　回転子
　１０，１０ａ　バー
　１１，１１ａ，１２，１５　エンドリング
　１３，１４　鉄心
　１３ａ，１４ａ　電磁鋼板
　１１０，１２０，１３０，１５０　母材
　１１０ａ，１２０ａ，１３１ａ　貫通孔
　１５１　凹部

Claims (5)

  1. 　棒状をなす複数の導体と、
    　摩擦撹拌接合により前記複数の導体の一端と接合され、表面のうち、少なくとも前記複数の導体が延出する側と反対側の表面が、該摩擦撹拌接合により撹拌されてなる第１の端絡環と、
    　摩擦撹拌接合により前記複数の導体の他端と接合され、表面のうち、少なくとも前記複数の導体が延出する側と反対側の表面が、該摩擦撹拌接合により撹拌されてなる第２の端絡環と、
    　前記第１および第２の端絡環の間に設けられ、筒状をなす鉄心であって、中心軸方向に沿って前記複数の導体をそれぞれ挿通可能な複数の挿通孔が形成された鉄心と、
    　を備えたことを特徴とする回転子。
  2. 　前記第１および第２の端絡環は、前記摩擦撹拌接合により撹拌されてなることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
  3. 　棒状をなす複数の導体と、該複数の導体をそれぞれ挿通可能な複数の挿通孔が形成された筒状をなす鉄心と、前記複数の導体の両端とそれぞれ接合する第１および第２の端絡環とを備えた回転子の製造方法であって、
    　母材に前記複数の導体の端部を収容した状態で、筒状をなす鉄心を該鉄心の中心軸方向で含むように前記母材と前記複数の導体とを摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合ステップと、
    　前記摩擦撹拌接合ステップ後の母材の表面であって、少なくとも前記複数の導体が延出する側と反対側の表面が、前記摩擦撹拌接合により撹拌されてなる表面となるように該母材を切断して前記端絡環を成形する成形ステップと、
    　を含むことを特徴とする回転子の製造方法。
  4. 　前記摩擦撹拌接合ステップは、前記導体と同一の材料からなる前記母材に形成された挿通孔に該導体の端部を挿通後、前記摩擦撹拌接合により前記導体と前記母材とを接合することを特徴とする請求項３に記載の回転子の製造方法。
  5. 　前記摩擦撹拌接合ステップは、前記導体と異なる材料からなる前記母材に形成された凹部に該導体の端部を嵌合後、前記摩擦撹拌接合により前記導体と前記母材とを接合することを特徴とする請求項３に記載の回転子の製造方法。
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