JP4157379B2 - 回転電機 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機に係り、特に、誘導機に用いるに好適な回転子を有する回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の比較的小容量の誘導電動機の回転子は、例えば、特開昭６１−２５１４４０号公報に記載されているように、回転子鉄心と、導体バーと、エンドリングによって構成されている。ケイ素鋼板を複数枚積層して形成された回転子鉄心の穴には複数本の導体バーが配置され、導体バーの両端には、エンドリングが固定されている。導体バー及びエンドリングの材料としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いている。導体バー及びエンドリングは、ダイカスト鋳造にて一体成形されるため、量産性が良いものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１−２５１４４０号公報
【発明の開示】
しかしながら、従来のダイカスト鋳造では、高圧鋳造のため、導体バー及びエンドリング部に鋳巣欠陥が発生するという問題があった。回転子の導体バーやエンドリングに電流が流れることにより磁束との相互作用によって電動機回転トルクが発生するが、導体バーやエンドリングの一部に鋳巣があると、電流の流れの妨げによるトルクの低減，鋳巣部における異常過熱などにより、回転電機の特性をこれまで以上に向上させることが困難であった。また、鋳巣部があると、回転子の回転時のアンバランスの原因になり、アンバランス修正工程が必然となる。
【０００４】
ダイカスト鋳造時に鋳巣が生じないようにするために、真空中でダイカスト鋳造を行うことや、鋳込みゲート形状の工夫や、ダイカスト金型の予熱や、さらにはダイカスト時に空気を巻き込まないような金型表面形状の工夫などの種々の改良がなされているが、有効な解決方法がないのが現状である。
【０００５】
本発明の目的は、鋳巣不良のない回転子を備えた回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、固定子と、この固定子に対向して配置された回転子とを有し、この回転子は、鉄心と、この鉄心の軸方向に形成された複数孔にそれぞれ挿通される複数の導体バーと、これらの導体バーの両端に設けられたエンドリングとを有してなる回転電機において、上記導体バー及び上記エンドリングは、アルミニウム系の材料を用いたものであり、上記エンドリングは、上記導体バーが挿入される複数の孔を有しており、上記導体バーの端部は、上記エンドリングの端部の面と同一平面上となるように上記複数の孔に挿入されており、上記導体バーの端部と上記エンドリングの端部の接合面を軸方向から摩擦攪拌接合によって電気的及び機械的に接合したものである。
かかる構成により、鋳巣不良のない回転子を備えた回転電機を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図１〜図６を用いて、本発明の第１の実施形態による回転電機である誘導電動機の構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による誘導電動機の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による誘導電動機の全体構成を示す上半分断面の正面図である。
【０００８】
ハウジング１は、鋳鉄など鉄系材料を鋳造することにより、ほぼ筒状に形成さされ、電動機の外被を構成している。放熱フィン１ａは、ハウジング１の外周に、軸方向に沿った長さをなして、放射状に一体的に形成されている。エンドブラケット２Ａ，２Ｂは、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。固定子３は、固定子鉄心３ａと、固定子コイル３ｂとから構成されている。固定子３は、ハウジング１の内周部に嵌合し、かつ固定されている。固定子鉄心３ａは、ケイ素鋼板を複数枚積層して形成されている。固定子コイル３ｂは、固定子鉄心３ａの内周部に複数形成されたスロット部に巻回されている。
【０００９】
回転子５は、積層鉄心５ａと、導体バー７ａと、エンドリング７ｂ，７ｃとによって構成されている。回転子５の詳細構成については、図２を用いて後述する。回転子５は、回転軸６の外周部において、固定子２と対向位置に取付けられている。
【００１０】
回転軸６の両側は、エンドブラケット２Ａ，２Ｂに対して、それぞれ、軸受４Ａ，４Ｂを介して、回転自在に保持されている。また、回転軸６の一端部（図においては右側）は、エンドブラケット２Ｂを挿通して外部に突出し、出力軸となっている。回転軸６の他端部（図において左側）には、エンドブラケット２Ａを挿通して、外部冷却扇（外ファン）９が装着されている。
【００１１】
エンドカバー１０は、外ファン９を覆っている。また、エンドカバー１０の一側面には、外気を取り込むための開口１０ａが形成されている。また、エンドカバー１０の開口１０ａと反対側の他端は、開放された円筒型に形成され、エンドカバー１０をエンドブラケット２Ａに組付けたとき、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を形成する。
【００１２】
電動機は、回転軸６が駆動されると、外ファン９が回転し、エンドカバー１０の開口１０ａから矢印Ａの如く外気が吸い込まれ、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。
【００１３】
次に、図２を用いて、本実施形態による誘導電動機の回転子の構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成を示す断面図である。
【００１４】
回転子５は、積層鉄心５ａと、導体バー７ａと、エンドリング７ｂ，７ｃとによって構成されている。積層鉄心５ａは、薄板の電磁鋼板を所定枚数積層して形成されている。積層鉄心５ａには、かご形巻線用の複数孔７ｄが、軸方向に沿って形成されている。複数の孔７ｄには、それぞれ、複数の導体バー７ａが挿通される。複数の導体バー７ａの両端には、エンドリング７ｂ，７ｃが固定されている。導体バー７ａと、エンドリング７ｂ，７ｃによって、かご形巻線部が構成されている。導体バー７ａと、エンドリング７ｂ，７ｃの材質としては、アルミニウムを用いている。
【００１５】
次に、図３〜図６を用いて、本実施形態による誘導電動機の回転子の製造方法について説明する。
最初に、図３を用いて、本実施形態による誘導電動機の回転子の全体的な製造工程について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の製造工程を説明する分解斜視図である。
【００１６】
積層鉄心５ａには、かご形巻線用の複数孔７ｄが、軸方向に沿って形成されている。複数の孔７ｄには、それぞれ、複数の導体バー７ａが挿通される。導体バー７ａは、アルミ製の棒状に成形された部材である。複数の導体バー７ａの一方の端部には、エンドリング７ｃが固定される。エンドリング７ｃは、アルミ製の円盤状に成形された部材である。また、図示は省略しているが、導体バー７ａの他方の端部には、エンドリング７ｂが固定される。
【００１７】
ここで、本実施形態においては、特に、回転子５のかご形巻線の導体バー７ａの両端にエンドリング７ｂ，７ｃを、摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding）によって接合一体に形成したことに特徴がある。
次に図４〜図６を用いて、本実施形態による誘導電動機の回転子における導体バーとエンドリングの摩擦攪拌接合方法について説明する。
【００１８】
図４は、本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合方法を示す斜視図であり、図５は、本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図であり、図６は、本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合後の平面図である。なお、図１〜図３を同一符号は、同一部分を示している。
【００１９】
図４に示すように、積層された回転子鉄心５ａの端部には、エンドリング７ｃが位置している。エンドリング７ｃに設けられた複数の孔７ｅには、それぞれ、導体バー７ａが挿入されている。導体バー７ａの端部は、エンドリング７ｃの端部の平面とほぼ同一平面となっている。エンドリング７ｃと導体バー７ａとの接合は、摩擦攪拌接合ツール１１を、接合部に押しつけることによって行われる。
【００２０】
接合ツール１１の先端部は、アルミニウムからなる導体バー材やエンドリング材より実質的に硬い材質からなる棒状の回転ツールである。接合ツール１１の材料としては、例えば、合金工具鋼（熱間金型用）を用いる。接合ツール１１は、導体バー７ａとエンドリング７ｃの接合部に押しつけ、ツール１１を回転させながら、導体バー７ａの円周に反って移動される。接合部に接合ツール１１を押しつけることによって摩擦熱が発生する。この摩擦熱によって、導体バー７ａ及びエンドリング７ｃは塑性流動して、攪拌・接合して、両者を一体化する。
【００２１】
ここで、図５を用いて、回転子の接合状態について説明する。導体バー７ａの直径Ｒ１は、例えば、２０ｍｍである。エンドリング７ｃの厚さＨ１は、例えば２０ｍｍである。接合ツール１１の先端部の直径Ｒ２は、例えば、５ｍｍである。
【００２２】
接合ツール１１の先端部は、導体バー７ａとエンドリング７ｃの接合部に押しつけ力Ｆによって押しつけられる。このときの押しつけ力Ｆは、１０トン程度である。接合ツール１１は、例えば、１０００ｒ／ｍｉｎで回転している。導体バー７ａとエンドリング７ｃの接合部に、回転する接合ツール１１を押しつけることによって摩擦熱が発生し、摩擦熱によって、導体バー７ａ及びエンドリング７ｃは塑性流動して、攪拌・接合され、接合部７ｆが形成される。接合ツール１１は、回転させながら、導体バー７ａの円周に沿って移動される。そのときの移動速度は、例えば、７００ｍｍ／ｍｉｎとしている。接合ツール１１の回転数や移動速度は、被接合材料の種類，厚さ等によって異なるものであり、回転数は、例えば、５００〜２０００ｒ／ｍｉｎの範囲程度とし、移動速度は、例えば、２００〜１２００ｍｍ／ｍｉｎの範囲程度とする。
【００２３】
図６は、接合部の接合後の状態を示している。接合部７ｆには、回転ツール１１の押下げ力と摩擦熱によって、凹状の跡が形成される。
【００２４】
摩擦攪拌接合方法を用いることにより、接合部の温度はアルミニウムの融点（６６０℃）以下で固相接合される。したがって接合部のひずみが少なく気泡、割れなどの欠陥がないものである。一方、接合部の強度は、ＭＩＧ溶接と同等かそれ以上であり、スパッタやヒュームの発生がないものである。また、熟練が不要であって、接合装置が比較的安価である。導体バー及びエンドリングは、従来のようなアルミダイカスト鋳造によるものでないため、鋳巣などの構造欠陥のないものである。したがって、回転電機の特性を向上することができる。また、鋳巣部がないため、回転子の回転時のアンバランスも生じなくなり、アンバランス修正工程も不要となる。
【００２５】
また、アルミダイカスト製法では、アルミニウムを約７００℃で溶解するエネルギーコストが高く、また、燃焼による環境問題も発生するが、本実施形態では、摩擦攪拌接合を用いることにより、エネルギーコストを低減でき、また、環境問題も発生しないものである。
【００２６】
なお、製造工程としては、エンドリング７ｂ，７ｃにおいて、どちらか一方のエンドリング７ｂと導体バー７ａを予め摩擦攪拌接合により接合一体化しておき、ついで、この一体部位を、回転子鉄心５ａのかご形巻線用の孔７ｄに挿通し、他端にもう一方のエンドリング７ｃを、同様に、導体バー７ａと摩擦攪拌接合により接合一体化してもよいものである。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態によれば、鋳巣の発生がなく、接合部は歪みがないので良好な回転子を得ることができる。
【００２８】
次に、図７及び図８を用いて、本発明の第２の実施形態による回転電機である誘導電動機の構成について説明する。本実施形態による誘導電動機の全体構成は、図１に示したものと同様である。本実施形態による誘導電動機の回転子の構成は、図２に示したものと同様である。本実施形態では、図１〜図６に示した実施形態と同様に、摩擦攪拌接合を用いるものであるが、その接合方法が異なるものである。
図７は、本発明の第２の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図であり、図８は、本発明の第２の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合後の平面図である。なお、図１〜図６を同一符号は、同一部分を示している。
【００２９】
図７に示すように、本実施形態に用いる接合ツール１１’の先端部の直径Ｒ２’は、導体バー７ａの直径Ｒ１よりも大きいものである。接合ツール１１’の先端部は、導体バー７ａとエンドリング７ｃの接合部に押しつけ力Ｆ’によって押しつけられる。押しつけ力Ｆ’は、接合面積に比例するため、接合ツール１１’の先端の直径を２５ｍｍとすると、約２５０トン必要である。接合ツール１１’は、例えば、１０００ｒ／ｍｉｎで回転している。導体バー７ａとエンドリング７ｃの接合部に、回転する接合ツール１１を押しつけることによって摩擦熱が発生し、摩擦熱によって、導体バー７ａ及びエンドリング７ｃは塑性流動して、攪拌・接合され、接合部７ｆ’が形成される。接合ツール１１は、回転させながら、エンドリング７ｃの円周方向に移動される。
【００３０】
図８は、接合部の接合後の状態を示している。接合部７ｆ’には、回転ツール１１’の押下げ力と摩擦熱によって、凹状の跡が形成される。
【００３１】
摩擦攪拌接合方法を用いることにより、接合部の温度はアルミニウムの融点（６６０℃）以下で固相接合されるので、鋳巣などの構造欠陥のないものである。鋳巣欠陥が発生しないため、回転子の導体バーやエンドリングに流れる電流の流れが妨げられトルクが発生しなくなることもなく、また、鋳巣部で異常加熱して不具合が発生することもないものである。また、鋳巣部がないため、回転子の回転時のアンバランスも生じなくなり、アンバランス修正工程も不要となる。
以上説明したように、本実施形態によれば、鋳巣の発生がなく、接合部は歪みがないので良好な回転子を得ることができる。
【００３２】
次に、図９を用いて、本発明の第３の実施形態による回転電機である誘導電動機の構成について説明する。本実施形態による誘導電動機の全体構成は、図１に示したものと同様である。本実施形態による誘導電動機の回転子の構成は、図２に示したものと同様である。本実施形態では、図１〜図６に示した実施形態と同様に、摩擦攪拌接合を用いるものであるが、導体バーとエンドリングの構成が異なるものである。
【００３３】
図９は、本発明の第３の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図である。なお、図１〜図６を同一符号は、同一部分を示している。
【００３４】
図５若しくは図７に示した例では、導体バー７ａは、エンドリング７ｃを貫通する構成のものであった。それに対して、本実施形態では、導体バー７ａ’とエンドリング７ｃ’とにインロー部７ｇを設け、インロー嵌合で装着している。接合ツール１１”の先端部は、インロー部７ｇに押しつけられるとともに、回転しており、発生する摩擦熱によって、導体バー７ａ’及びエンドリング７ｃ’は塑性流動して、攪拌・接合される。接合ツール１１”は、回転させながら、インロー部７ｇに沿って、エンドリング７ｃの外周方向に移動される。
【００３５】
摩擦攪拌接合方法を用いることにより、接合部の温度はアルミニウムの融点（６６０℃）以下で固相接合されるので、鋳巣などの構造欠陥のないものである。鋳巣欠陥が発生しないため、回転子の導体バーやエンドリングに流れる電流の流れが妨げられトルクが発生しなくなることもなく、また、鋳巣部で異常加熱して不具合が発生することもないものである。また、鋳巣部がないため、回転子の回転時のアンバランスも生じなくなり、アンバランス修正工程も不要となる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態によれば、鋳巣の発生がなく、接合部は歪みがないので良好な回転子を得ることができる。
【００３７】
次に、図１０を用いて、本発明の第４の実施形態による回転電機である誘導電動機の構成について説明する。本実施形態による誘導電動機の全体構成は、図１に示したものと同様である。本実施形態による誘導電動機の回転子の構成は、図２に示したものと同様である。本実施形態では、図１〜図６に示した実施形態と同様に、摩擦攪拌接合を用いるものであるが、導体バーの形状が異なるものである。
図１０は、本発明の第４の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図である。なお、図１〜図６を同一符号は、同一部分を示している。
【００３８】
図６に示した導体バー７ａの断面形状は、円形であるのに対して、本実施形態においては、図１０に示すように、導体バー７ａ”の断面形状は、涙滴形をしている。エンドリング７ｃ”には、導体バー７ａ”が貫通する孔７ｅ”が形成されている。なお、図示は省略しているが、積層鉄心５ａ”にも、導体バー７ａ”の形状に即した孔が形成されており、この孔に、導体バー７ａ”が挿入される。
【００３９】
回転する接合ツールの先端部は、導体バー７ａ”とエンドリング７ｃ”の接合部に押しつけられる。回転する接合ツールを押しつけることによって摩擦熱が発生し、摩擦熱によって、導体バー７ａ”及びエンドリング７ｃ”は塑性流動して、攪拌・接合される。接合ツールは、回転させながら、導体バー７ａ”とエンドリング７ｃ”の接合部に沿って移動される。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態によれば、鋳巣の発生がなく、接合部は歪みがないので良好な回転子を得ることができる。
【００４１】
次に、図１１を用いて、本発明の第５の実施形態による回転電機である誘導電動機の構成について説明する。本実施形態による誘導電動機の全体構成は、図１に示したものと同様である。本実施形態による誘導電動機の回転子は、スキュー付回転子である。
図１１は、本発明の第５の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成を示す斜視図である。なお、図１〜図６を同一符号は、同一部分を示している。
【００４２】
本実施形態では、図１〜図６において説明したようにして回転子５を形成する。さらに、この回転子５に対して、回転方向のねじり力を加えて導体バーにスキューを付加することにより、スキュー付回転子５’を得ることができる。図１１において、スキュー付回転子５’は、積層鉄心５ａと、エンドリング７ｂ，７ｃと、複数の導体バー７ａによって構成されている。
【００４３】
なお、スキュー付回転子５’を形成する方法としては、電磁鋼板を積層する際、予めスキューが付くように鉄心を積層し、導体バーも予め同様にスキューが付いた断面形状に形成しておき、かご形巻線用の孔に軸方向に挿通して、同様に導体バーとエンドリングを摩擦攪拌接合により接合一体化してもよいものである。
以上説明したように、本実施形態によれば、鋳巣の発生がなく、接合部は歪みがないので良好な回転子を得ることができる。
【００４４】
また、スキュー付回転子は、スキューがつかないものに比べて始動時の騒音やトルク脈動を抑制することができ、電動機の性能を向上することができる。
【００４５】
次に、図１２及び図１３を用いて、本発明の第６の実施形態による回転電機である誘導電動機の構成について説明する。本実施形態による誘導電動機の全体構成は、図１に示したものと同様である。
最初に、図１２を用いて、本実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成について説明する。
図１２は、本発明の第６の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成を示す断面図である。なお、図１〜図６を同一符号は、同一部分を示している。
回転子５Ａは、積層鉄心５ａと、導体バー７Ａと、エンドリング７Ｂ，７Ｃとによって構成されている。積層鉄心５ａは、薄板の電磁鋼板を所定枚数積層して形成されている。積層鉄心５ａには、かご形巻線用の複数孔７ｄが、軸方向に沿って形成されている。複数の孔７ｄには、それぞれ、複数の導体バー７Ａが挿通される。複数の導体バー７Ａの両端には、エンドリング７Ｂ，７Ｃが固定されている。導体バー７Ａと、エンドリング７Ｂ，７Ｃによって、かご形巻線部が構成されている。導体バー７Ａの材料としては、アルミニウムを用いている。しかしながら、エンドリング７Ｂ，７Ｃの材料としては、上述の各実施形態とは異なり、アルミニウム合金を用いている。
【００４６】
ここで、図１３を用いて、アルミニウム合金の引張り強度と温度の関係について説明する。
図１３は、アルミニウム合金の引張り強度の説明図である。図１３の横軸は、温度Ｔ（℃）を示し、縦軸は、引張り強度Ｓ（％）を示している。
【００４７】
実線Ａは、純度９９．７％のアルミニウムの引張り強度の温度依存性を示している。実線Ｂは、アルミニウム合金の引張り強度の温度依存性を示している。図１３においては、２０℃におけるアルミニウム合金の引張り強度を、１００％として、他の温度やアルミニウムの引張り強度を相対値で示している。
【００４８】
ここでいうアルミニウム合金は、ＡＤＣ１２と称されるアルミニウム合金ダイカストであり、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系であり、Ｓｉが１０．５〜１２％のものである。引張強さは、室温でおよそ３００ＭＮ／ｍ２で、純アルミニウムに対して約２倍の強度を有する。また、その温度特性は、１５０（℃）において、引張強さは、２５％程度しか低下せず、高温に対して強い性質を有する。すなわち、図示するように、アルミニウム合金は、アルミニウムに比べて、引張強さが大きく、かつ，高温における強度低下が少ないものである。
【００４９】
誘導電動機は、固定子で発生した磁束と電磁誘導により回転子に電流が流れる。磁束と電流によって回転子に回転力が生じるが、回転子に電流が流れることで、ジュール熱が生じ、回転子の温度が上昇する。通常の使用状態では回転子の温度は、およそ１５０（℃）であることが一般である。
【００５０】
近年、誘導電動機は、小型化が進むとともに、回転数を上げて使用されることが多くなってきている。例えば、研削盤においては、主軸回転数をあげて刃物の周速を上げることにより、加工精度が向上する。この分野で用いられる電動機回転子の周速は、従来最高が１５０ｍ／分であったものが、２００ｍ／分を要望されている。
【００５１】
従来の誘導電動機では、回転子を構成している電磁鋼板、導体バー及びエンドリングを高張力のものにしているが、導体バー等は、アルミニウム非鉄金属で形成されている。したがって、材料の持つ引張強さは、高張力電磁鋼板の方が大きく、許容できる最高回転数は、エンドリングを含む導体バー材の機械的強さで決定つけられている。
【００５２】
高速回転する回転子の強度を計算すると、積層鉄心の内径部における内周応力とエンドリングの内周応力が高いことがわかる。回転子構成部材の引張強さは、積層鉄心よりもエンドリング材の方が小さいため、エンドリングの内周応力によって、回転子の強度が決まることになる。
【００５３】
そこで、本実施形態では、エンドリングに、引張強さが大きくかつ高温における強度低下が少ないアルミニウム合金を用いている。そして、純アルミニウムから成る導体バー７Ａと、アルミニウム合金から成るエンドリング７Ｂ，７Ｃとの異種金属同士を、前述した摩擦攪拌接合により一体接合して、回転子を構成している。
【００５４】
なお、アルミニウム合金の固有抵抗は、７．３μΩｃｍであるのに対して、純アルミミュームの固有抵抗は、３．４μΩｃｍである。すなわち、アルミニウム合金の固有抵抗は、アルミニウムの固有抵抗の２倍も大きいものである。したがって、導体バーにアルミニウム合金を使用すると、回転子のジュール熱が２倍に増え、回転子温度も上昇する。また、回転子の滑りも２倍となり、性能が低下することが考えられる。そこで、本実施形態では、導体バー７Ａの材料としては、純アルミニウムを使用している。
【００５５】
一方、エンドリングにアルミニウム合金を使用すると、ジュール熱が増加するが、図１２に示すように、エンドリング７Ｂ，７Ｃの内径を小さくして、エンドリング７Ｂ，７Ｃの断面積を、図２に示したエンドリング７ｂ，７ｃに比べて大きくすることにより、図１２に示したエンドリングと、図２に示したエンドリングの抵抗値を等しくしているので、ジュール熱の発生は、図２に示したものと同程度である。導体バーは、抵抗値だけではなく、その形状と寸法によっても電動機性能が支配されるので抵抗値が同等であるだけでは性能に互換性のある電動機は提供できないが、エンドリングが電動機性能に及ぼす因子は、その抵抗値のみであるからである。
【００５６】
なお、アルミニウム合金としては、ＡＤＣ１２以外に、例えば、ヒドロナリウムを用いることができる。ヒドロナリウムは、Ａｌ−Ｍｇ系合金であり、Ｍｇが７〜９％のものである。ヒドロナリウムの引張り強さは、１８ｋｇ／ｍｍ２であり、純アルミニウムの引張り強さ（９〜１７ｋｇ／ｍｍ２）よりも大きいものである。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態によれば、鋳巣の発生がなく、接合部は歪みがないので良好な回転子を得ることができる。
【００５８】
また、強度を大きくして、高速回転可能な回転子を得ることができる。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、鋳巣不良のない回転子を備えた回転電機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】 本発明の第１の実施形態による誘導電動機の全体構成を示す上半分断面の正面図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成を示す断面図である。
【図３】 本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の製造工程を説明する分解斜視図である。
【図４】 本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合方法を示す斜視図である。
【図５】 本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図である。
【図６】 本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合後の平面図である。
【図７】 本発明の第２の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図である。
【図８】 本発明の第２の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合後の平面図である。
【図９】 本発明の第３の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図である。
【図１０】 本発明の第４の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図である。
【図１１】 本発明の第５の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成を示す斜視図である。
【図１２】 本発明の第６の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成を示す断面図である。
【図１３】 アルミニウム合金の引張り強度の説明図である。
【０００１】
本発明は、回転電機に係り、特に、誘導機に用いるに好適な回転子を有する回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の比較的小容量の誘導電動機の回転子は、例えば、特開昭６１−２５１４４０号公報に記載されているように、回転子鉄心と、導体バーと、エンドリングによって構成されている。ケイ素鋼板を複数枚積層して形成された回転子鉄心の穴には複数本の導体バーが配置され、導体バーの両端には、エンドリングが固定されている。導体バー及びエンドリングの材料としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いている。導体バー及びエンドリングは、ダイカスト鋳造にて一体成形されるため、量産性が良いものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１−２５１４４０号公報
【発明の開示】
しかしながら、従来のダイカスト鋳造では、高圧鋳造のため、導体バー及びエンドリング部に鋳巣欠陥が発生するという問題があった。回転子の導体バーやエンドリングに電流が流れることにより磁束との相互作用によって電動機回転トルクが発生するが、導体バーやエンドリングの一部に鋳巣があると、電流の流れの妨げによるトルクの低減，鋳巣部における異常過熱などにより、回転電機の特性をこれまで以上に向上させることが困難であった。また、鋳巣部があると、回転子の回転時のアンバランスの原因になり、アンバランス修正工程が必然となる。
【０００４】
ダイカスト鋳造時に鋳巣が生じないようにするために、真空中でダイカスト鋳造を行うことや、鋳込みゲート形状の工夫や、ダイカスト金型の予熱や、さらにはダイカスト時に空気を巻き込まないような金型表面形状の工夫などの種々の改良がなされているが、有効な解決方法がないのが現状である。
【０００５】
本発明の目的は、鋳巣不良のない回転子を備えた回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、固定子と、この固定子に対向して配置された回転子とを有し、この回転子は、鉄心と、この鉄心の軸方向に形成された複数孔にそれぞれ挿通される複数の導体バーと、これらの導体バーの両端に設けられたエンドリングとを有してなる回転電機において、上記導体バー及び上記エンドリングは、アルミニウム系の材料を用いたものであり、上記エンドリングは、上記導体バーが挿入される複数の孔を有しており、上記導体バーの端部は、上記エンドリングの端部の面と同一平面上となるように上記複数の孔に挿入されており、上記導体バーの端部と上記エンドリングの端部の接合面を軸方向から摩擦攪拌接合によって電気的及び機械的に接合したものである。
かかる構成により、鋳巣不良のない回転子を備えた回転電機を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図１〜図６を用いて、本発明の第１の実施形態による回転電機である誘導電動機の構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による誘導電動機の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による誘導電動機の全体構成を示す上半分断面の正面図である。
【０００８】
ハウジング１は、鋳鉄など鉄系材料を鋳造することにより、ほぼ筒状に形成さされ、電動機の外被を構成している。放熱フィン１ａは、ハウジング１の外周に、軸方向に沿った長さをなして、放射状に一体的に形成されている。エンドブラケット２Ａ，２Ｂは、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。固定子３は、固定子鉄心３ａと、固定子コイル３ｂとから構成されている。固定子３は、ハウジング１の内周部に嵌合し、かつ固定されている。固定子鉄心３ａは、ケイ素鋼板を複数枚積層して形成されている。固定子コイル３ｂは、固定子鉄心３ａの内周部に複数形成されたスロット部に巻回されている。
【０００９】
回転子５は、積層鉄心５ａと、導体バー７ａと、エンドリング７ｂ，７ｃとによって構成されている。回転子５の詳細構成については、図２を用いて後述する。回転子５は、回転軸６の外周部において、固定子２と対向位置に取付けられている。
【００１０】
回転軸６の両側は、エンドブラケット２Ａ，２Ｂに対して、それぞれ、軸受４Ａ，４Ｂを介して、回転自在に保持されている。また、回転軸６の一端部（図においては右側）は、エンドブラケット２Ｂを挿通して外部に突出し、出力軸となっている。回転軸６の他端部（図において左側）には、エンドブラケット２Ａを挿通して、外部冷却扇（外ファン）９が装着されている。
【００１１】
エンドカバー１０は、外ファン９を覆っている。また、エンドカバー１０の一側面には、外気を取り込むための開口１０ａが形成されている。また、エンドカバー１０の開口１０ａと反対側の他端は、開放された円筒型に形成され、エンドカバー１０をエンドブラケット２Ａに組付けたとき、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を形成する。
【００１２】
電動機は、回転軸６が駆動されると、外ファン９が回転し、エンドカバー１０の開口１０ａから矢印Ａの如く外気が吸い込まれ、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。
【００１３】
次に、図２を用いて、本実施形態による誘導電動機の回転子の構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成を示す断面図である。
【００１４】
回転子５は、積層鉄心５ａと、導体バー７ａと、エンドリング７ｂ，７ｃとによって構成されている。積層鉄心５ａは、薄板の電磁鋼板を所定枚数積層して形成されている。積層鉄心５ａには、かご形巻線用の複数孔７ｄが、軸方向に沿って形成されている。複数の孔７ｄには、それぞれ、複数の導体バー７ａが挿通される。複数の導体バー７ａの両端には、エンドリング７ｂ，７ｃが固定されている。導体バー７ａと、エンドリング７ｂ，７ｃによって、かご形巻線部が構成されている。導体バー７ａと、エンドリング７ｂ，７ｃの材質としては、アルミニウムを用いている。
【００１５】
次に、図３〜図６を用いて、本実施形態による誘導電動機の回転子の製造方法について説明する。
最初に、図３を用いて、本実施形態による誘導電動機の回転子の全体的な製造工程について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の製造工程を説明する分解斜視図である。
【００１６】
積層鉄心５ａには、かご形巻線用の複数孔７ｄが、軸方向に沿って形成されている。複数の孔７ｄには、それぞれ、複数の導体バー７ａが挿通される。導体バー７ａは、アルミ製の棒状に成形された部材である。複数の導体バー７ａの一方の端部には、エンドリング７ｃが固定される。エンドリング７ｃは、アルミ製の円盤状に成形された部材である。また、図示は省略しているが、導体バー７ａの他方の端部には、エンドリング７ｂが固定される。
【００１７】
ここで、本実施形態においては、特に、回転子５のかご形巻線の導体バー７ａの両端にエンドリング７ｂ，７ｃを、摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding）によって接合一体に形成したことに特徴がある。
次に図４〜図６を用いて、本実施形態による誘導電動機の回転子における導体バーとエンドリングの摩擦攪拌接合方法について説明する。
【００１８】
図４は、本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合方法を示す斜視図であり、図５は、本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図であり、図６は、本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合後の平面図である。なお、図１〜図３を同一符号は、同一部分を示している。
【００１９】
図４に示すように、積層された回転子鉄心５ａの端部には、エンドリング７ｃが位置している。エンドリング７ｃに設けられた複数の孔７ｅには、それぞれ、導体バー７ａが挿入されている。導体バー７ａの端部は、エンドリング７ｃの端部の平面とほぼ同一平面となっている。エンドリング７ｃと導体バー７ａとの接合は、摩擦攪拌接合ツール１１を、接合部に押しつけることによって行われる。
【００２０】
接合ツール１１の先端部は、アルミニウムからなる導体バー材やエンドリング材より実質的に硬い材質からなる棒状の回転ツールである。接合ツール１１の材料としては、例えば、合金工具鋼（熱間金型用）を用いる。接合ツール１１は、導体バー７ａとエンドリング７ｃの接合部に押しつけ、ツール１１を回転させながら、導体バー７ａの円周に反って移動される。接合部に接合ツール１１を押しつけることによって摩擦熱が発生する。この摩擦熱によって、導体バー７ａ及びエンドリング７ｃは塑性流動して、攪拌・接合して、両者を一体化する。
【００２１】
ここで、図５を用いて、回転子の接合状態について説明する。導体バー７ａの直径Ｒ１は、例えば、２０ｍｍである。エンドリング７ｃの厚さＨ１は、例えば２０ｍｍである。接合ツール１１の先端部の直径Ｒ２は、例えば、５ｍｍである。
【００２２】
接合ツール１１の先端部は、導体バー７ａとエンドリング７ｃの接合部に押しつけ力Ｆによって押しつけられる。このときの押しつけ力Ｆは、１０トン程度である。接合ツール１１は、例えば、１０００ｒ／ｍｉｎで回転している。導体バー７ａとエンドリング７ｃの接合部に、回転する接合ツール１１を押しつけることによって摩擦熱が発生し、摩擦熱によって、導体バー７ａ及びエンドリング７ｃは塑性流動して、攪拌・接合され、接合部７ｆが形成される。接合ツール１１は、回転させながら、導体バー７ａの円周に沿って移動される。そのときの移動速度は、例えば、７００ｍｍ／ｍｉｎとしている。接合ツール１１の回転数や移動速度は、被接合材料の種類，厚さ等によって異なるものであり、回転数は、例えば、５００〜２０００ｒ／ｍｉｎの範囲程度とし、移動速度は、例えば、２００〜１２００ｍｍ／ｍｉｎの範囲程度とする。
【００２３】
図６は、接合部の接合後の状態を示している。接合部７ｆには、回転ツール１１の押下げ力と摩擦熱によって、凹状の跡が形成される。
【００２４】
摩擦攪拌接合方法を用いることにより、接合部の温度はアルミニウムの融点（６６０℃）以下で固相接合される。したがって接合部のひずみが少なく気泡、割れなどの欠陥がないものである。一方、接合部の強度は、ＭＩＧ溶接と同等かそれ以上であり、スパッタやヒュームの発生がないものである。また、熟練が不要であって、接合装置が比較的安価である。導体バー及びエンドリングは、従来のようなアルミダイカスト鋳造によるものでないため、鋳巣などの構造欠陥のないものである。したがって、回転電機の特性を向上することができる。また、鋳巣部がないため、回転子の回転時のアンバランスも生じなくなり、アンバランス修正工程も不要となる。
【００２５】
また、アルミダイカスト製法では、アルミニウムを約７００℃で溶解するエネルギーコストが高く、また、燃焼による環境問題も発生するが、本実施形態では、摩擦攪拌接合を用いることにより、エネルギーコストを低減でき、また、環境問題も発生しないものである。
【００２６】
なお、製造工程としては、エンドリング７ｂ，７ｃにおいて、どちらか一方のエンドリング７ｂと導体バー７ａを予め摩擦攪拌接合により接合一体化しておき、ついで、この一体部位を、回転子鉄心５ａのかご形巻線用の孔７ｄに挿通し、他端にもう一方のエンドリング７ｃを、同様に、導体バー７ａと摩擦攪拌接合により接合一体化してもよいものである。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態によれば、鋳巣の発生がなく、接合部は歪みがないので良好な回転子を得ることができる。
【００２８】
次に、図７及び図８を用いて、本発明の第２の実施形態による回転電機である誘導電動機の構成について説明する。本実施形態による誘導電動機の全体構成は、図１に示したものと同様である。本実施形態による誘導電動機の回転子の構成は、図２に示したものと同様である。本実施形態では、図１〜図６に示した実施形態と同様に、摩擦攪拌接合を用いるものであるが、その接合方法が異なるものである。
図７は、本発明の第２の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図であり、図８は、本発明の第２の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合後の平面図である。なお、図１〜図６を同一符号は、同一部分を示している。
【００２９】
図７に示すように、本実施形態に用いる接合ツール１１’の先端部の直径Ｒ２’は、導体バー７ａの直径Ｒ１よりも大きいものである。接合ツール１１’の先端部は、導体バー７ａとエンドリング７ｃの接合部に押しつけ力Ｆ’によって押しつけられる。押しつけ力Ｆ’は、接合面積に比例するため、接合ツール１１’の先端の直径を２５ｍｍとすると、約２５０トン必要である。接合ツール１１’は、例えば、１０００ｒ／ｍｉｎで回転している。導体バー７ａとエンドリング７ｃの接合部に、回転する接合ツール１１を押しつけることによって摩擦熱が発生し、摩擦熱によって、導体バー７ａ及びエンドリング７ｃは塑性流動して、攪拌・接合され、接合部７ｆ’が形成される。接合ツール１１は、回転させながら、エンドリング７ｃの円周方向に移動される。
【００３０】
図８は、接合部の接合後の状態を示している。接合部７ｆ’には、回転ツール１１’の押下げ力と摩擦熱によって、凹状の跡が形成される。
【００３１】
摩擦攪拌接合方法を用いることにより、接合部の温度はアルミニウムの融点（６６０℃）以下で固相接合されるので、鋳巣などの構造欠陥のないものである。鋳巣欠陥が発生しないため、回転子の導体バーやエンドリングに流れる電流の流れが妨げられトルクが発生しなくなることもなく、また、鋳巣部で異常加熱して不具合が発生することもないものである。また、鋳巣部がないため、回転子の回転時のアンバランスも生じなくなり、アンバランス修正工程も不要となる。
以上説明したように、本実施形態によれば、鋳巣の発生がなく、接合部は歪みがないので良好な回転子を得ることができる。
【００３２】
次に、図９を用いて、本発明の第３の実施形態による回転電機である誘導電動機の構成について説明する。本実施形態による誘導電動機の全体構成は、図１に示したものと同様である。本実施形態による誘導電動機の回転子の構成は、図２に示したものと同様である。本実施形態では、図１〜図６に示した実施形態と同様に、摩擦攪拌接合を用いるものであるが、導体バーとエンドリングの構成が異なるものである。
【００３３】
図９は、本発明の第３の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図である。なお、図１〜図６を同一符号は、同一部分を示している。
【００３４】
図５若しくは図７に示した例では、導体バー７ａは、エンドリング７ｃを貫通する構成のものであった。それに対して、本実施形態では、導体バー７ａ’とエンドリング７ｃ’とにインロー部７ｇを設け、インロー嵌合で装着している。接合ツール１１”の先端部は、インロー部７ｇに押しつけられるとともに、回転しており、発生する摩擦熱によって、導体バー７ａ’及びエンドリング７ｃ’は塑性流動して、攪拌・接合される。接合ツール１１”は、回転させながら、インロー部７ｇに沿って、エンドリング７ｃの外周方向に移動される。
【００３５】
摩擦攪拌接合方法を用いることにより、接合部の温度はアルミニウムの融点（６６０℃）以下で固相接合されるので、鋳巣などの構造欠陥のないものである。鋳巣欠陥が発生しないため、回転子の導体バーやエンドリングに流れる電流の流れが妨げられトルクが発生しなくなることもなく、また、鋳巣部で異常加熱して不具合が発生することもないものである。また、鋳巣部がないため、回転子の回転時のアンバランスも生じなくなり、アンバランス修正工程も不要となる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態によれば、鋳巣の発生がなく、接合部は歪みがないので良好な回転子を得ることができる。
【００３７】
次に、図１０を用いて、本発明の第４の実施形態による回転電機である誘導電動機の構成について説明する。本実施形態による誘導電動機の全体構成は、図１に示したものと同様である。本実施形態による誘導電動機の回転子の構成は、図２に示したものと同様である。本実施形態では、図１〜図６に示した実施形態と同様に、摩擦攪拌接合を用いるものであるが、導体バーの形状が異なるものである。
図１０は、本発明の第４の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図である。なお、図１〜図６を同一符号は、同一部分を示している。
【００３８】
図６に示した導体バー７ａの断面形状は、円形であるのに対して、本実施形態においては、図１０に示すように、導体バー７ａ”の断面形状は、涙滴形をしている。エンドリング７ｃ”には、導体バー７ａ”が貫通する孔７ｅ”が形成されている。なお、図示は省略しているが、積層鉄心５ａ”にも、導体バー７ａ”の形状に即した孔が形成されており、この孔に、導体バー７ａ”が挿入される。
【００３９】
回転する接合ツールの先端部は、導体バー７ａ”とエンドリング７ｃ”の接合部に押しつけられる。回転する接合ツールを押しつけることによって摩擦熱が発生し、摩擦熱によって、導体バー７ａ”及びエンドリング７ｃ”は塑性流動して、攪拌・接合される。接合ツールは、回転させながら、導体バー７ａ”とエンドリング７ｃ”の接合部に沿って移動される。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態によれば、鋳巣の発生がなく、接合部は歪みがないので良好な回転子を得ることができる。
【００４１】
次に、図１１を用いて、本発明の第５の実施形態による回転電機である誘導電動機の構成について説明する。本実施形態による誘導電動機の全体構成は、図１に示したものと同様である。本実施形態による誘導電動機の回転子は、スキュー付回転子である。
図１１は、本発明の第５の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成を示す斜視図である。なお、図１〜図６を同一符号は、同一部分を示している。
【００４２】
本実施形態では、図１〜図６において説明したようにして回転子５を形成する。さらに、この回転子５に対して、回転方向のねじり力を加えて導体バーにスキューを付加することにより、スキュー付回転子５’を得ることができる。図１１において、スキュー付回転子５’は、積層鉄心５ａと、エンドリング７ｂ，７ｃと、複数の導体バー７ａによって構成されている。
【００４３】
なお、スキュー付回転子５’を形成する方法としては、電磁鋼板を積層する際、予めスキューが付くように鉄心を積層し、導体バーも予め同様にスキューが付いた断面形状に形成しておき、かご形巻線用の孔に軸方向に挿通して、同様に導体バーとエンドリングを摩擦攪拌接合により接合一体化してもよいものである。
以上説明したように、本実施形態によれば、鋳巣の発生がなく、接合部は歪みがないので良好な回転子を得ることができる。
【００４４】
また、スキュー付回転子は、スキューがつかないものに比べて始動時の騒音やトルク脈動を抑制することができ、電動機の性能を向上することができる。
【００４５】
次に、図１２及び図１３を用いて、本発明の第６の実施形態による回転電機である誘導電動機の構成について説明する。本実施形態による誘導電動機の全体構成は、図１に示したものと同様である。
最初に、図１２を用いて、本実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成について説明する。
図１２は、本発明の第６の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成を示す断面図である。なお、図１〜図６を同一符号は、同一部分を示している。
回転子５Ａは、積層鉄心５ａと、導体バー７Ａと、エンドリング７Ｂ，７Ｃとによって構成されている。積層鉄心５ａは、薄板の電磁鋼板を所定枚数積層して形成されている。積層鉄心５ａには、かご形巻線用の複数孔７ｄが、軸方向に沿って形成されている。複数の孔７ｄには、それぞれ、複数の導体バー７Ａが挿通される。複数の導体バー７Ａの両端には、エンドリング７Ｂ，７Ｃが固定されている。導体バー７Ａと、エンドリング７Ｂ，７Ｃによって、かご形巻線部が構成されている。導体バー７Ａの材料としては、アルミニウムを用いている。しかしながら、エンドリング７Ｂ，７Ｃの材料としては、上述の各実施形態とは異なり、アルミニウム合金を用いている。
【００４６】
ここで、図１３を用いて、アルミニウム合金の引張り強度と温度の関係について説明する。
図１３は、アルミニウム合金の引張り強度の説明図である。図１３の横軸は、温度Ｔ（℃）を示し、縦軸は、引張り強度Ｓ（％）を示している。
【００４７】
実線Ａは、純度９９．７％のアルミニウムの引張り強度の温度依存性を示している。実線Ｂは、アルミニウム合金の引張り強度の温度依存性を示している。図１３においては、２０℃におけるアルミニウム合金の引張り強度を、１００％として、他の温度やアルミニウムの引張り強度を相対値で示している。
【００４８】
ここでいうアルミニウム合金は、ＡＤＣ１２と称されるアルミニウム合金ダイカストであり、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系であり、Ｓｉが１０．５〜１２％のものである。引張強さは、室温でおよそ３００ＭＮ／ｍ２で、純アルミニウムに対して約２倍の強度を有する。また、その温度特性は、１５０（℃）において、引張強さは、２５％程度しか低下せず、高温に対して強い性質を有する。すなわち、図示するように、アルミニウム合金は、アルミニウムに比べて、引張強さが大きく、かつ，高温における強度低下が少ないものである。
【００４９】
誘導電動機は、固定子で発生した磁束と電磁誘導により回転子に電流が流れる。磁束と電流によって回転子に回転力が生じるが、回転子に電流が流れることで、ジュール熱が生じ、回転子の温度が上昇する。通常の使用状態では回転子の温度は、およそ１５０（℃）であることが一般である。
【００５０】
近年、誘導電動機は、小型化が進むとともに、回転数を上げて使用されることが多くなってきている。例えば、研削盤においては、主軸回転数をあげて刃物の周速を上げることにより、加工精度が向上する。この分野で用いられる電動機回転子の周速は、従来最高が１５０ｍ／分であったものが、２００ｍ／分を要望されている。
【００５１】
従来の誘導電動機では、回転子を構成している電磁鋼板、導体バー及びエンドリングを高張力のものにしているが、導体バー等は、アルミニウム非鉄金属で形成されている。したがって、材料の持つ引張強さは、高張力電磁鋼板の方が大きく、許容できる最高回転数は、エンドリングを含む導体バー材の機械的強さで決定つけられている。
【００５２】
高速回転する回転子の強度を計算すると、積層鉄心の内径部における内周応力とエンドリングの内周応力が高いことがわかる。回転子構成部材の引張強さは、積層鉄心よりもエンドリング材の方が小さいため、エンドリングの内周応力によって、回転子の強度が決まることになる。
【００５３】
そこで、本実施形態では、エンドリングに、引張強さが大きくかつ高温における強度低下が少ないアルミニウム合金を用いている。そして、純アルミニウムから成る導体バー７Ａと、アルミニウム合金から成るエンドリング７Ｂ，７Ｃとの異種金属同士を、前述した摩擦攪拌接合により一体接合して、回転子を構成している。
【００５４】
なお、アルミニウム合金の固有抵抗は、７．３μΩｃｍであるのに対して、純アルミミュームの固有抵抗は、３．４μΩｃｍである。すなわち、アルミニウム合金の固有抵抗は、アルミニウムの固有抵抗の２倍も大きいものである。したがって、導体バーにアルミニウム合金を使用すると、回転子のジュール熱が２倍に増え、回転子温度も上昇する。また、回転子の滑りも２倍となり、性能が低下することが考えられる。そこで、本実施形態では、導体バー７Ａの材料としては、純アルミニウムを使用している。
【００５５】
一方、エンドリングにアルミニウム合金を使用すると、ジュール熱が増加するが、図１２に示すように、エンドリング７Ｂ，７Ｃの内径を小さくして、エンドリング７Ｂ，７Ｃの断面積を、図２に示したエンドリング７ｂ，７ｃに比べて大きくすることにより、図１２に示したエンドリングと、図２に示したエンドリングの抵抗値を等しくしているので、ジュール熱の発生は、図２に示したものと同程度である。導体バーは、抵抗値だけではなく、その形状と寸法によっても電動機性能が支配されるので抵抗値が同等であるだけでは性能に互換性のある電動機は提供できないが、エンドリングが電動機性能に及ぼす因子は、その抵抗値のみであるからである。
【００５６】
なお、アルミニウム合金としては、ＡＤＣ１２以外に、例えば、ヒドロナリウムを用いることができる。ヒドロナリウムは、Ａｌ−Ｍｇ系合金であり、Ｍｇが７〜９％のものである。ヒドロナリウムの引張り強さは、１８ｋｇ／ｍｍ２であり、純アルミニウムの引張り強さ（９〜１７ｋｇ／ｍｍ２）よりも大きいものである。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態によれば、鋳巣の発生がなく、接合部は歪みがないので良好な回転子を得ることができる。
【００５８】
また、強度を大きくして、高速回転可能な回転子を得ることができる。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、鋳巣不良のない回転子を備えた回転電機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】 本発明の第１の実施形態による誘導電動機の全体構成を示す上半分断面の正面図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成を示す断面図である。
【図３】 本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の製造工程を説明する分解斜視図である。
【図４】 本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合方法を示す斜視図である。
【図５】 本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図である。
【図６】 本発明の第１の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合後の平面図である。
【図７】 本発明の第２の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図である。
【図８】 本発明の第２の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合後の平面図である。
【図９】 本発明の第３の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図である。
【図１０】 本発明の第４の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の接合時の断面図である。
【図１１】 本発明の第５の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成を示す斜視図である。
【図１２】 本発明の第６の実施形態による誘導電動機に用いられる回転子の構成を示す断面図である。
【図１３】 アルミニウム合金の引張り強度の説明図である。
Claims (6)
- 固定子と、この固定子に対向して配置された回転子とを有し、
この回転子は、鉄心と、この鉄心の軸方向に形成された複数孔にそれぞれ挿通される複数の導体バーと、これらの導体バーの両端に設けられたエンドリングとを有してなる回転電機において、
上記導体バー及び上記エンドリングは、アルミニウム系の材料を用いたものであり、
上記エンドリングは、上記導体バーが挿入される複数の孔を有しており、
上記導体バーの端部は、上記エンドリングの端部の面と同一平面上となるように上記複数の孔に挿入されており、
上記導体バーの端部と上記エンドリングの端部の接合面を軸方向から摩擦攪拌接合によって電気的及び機械的に接合したことを特徴とする回転電機。 - 請求項１記載の回転電機において、
上記導体バーは上記エンドリングを貫通して配置され、その接合面を摩擦攪拌接合によって電気的及び機械的に接合したことを特徴とする回転電機。 - 請求項２記載の回転電機において、
接合による軌跡が上記導体バーの端面円周に沿って複数描かれるようにしたことを特徴とする回転電機。 - 請求項２記載の回転電機において、
接合による軌跡が上記エンドリングの周方向に沿って描かれるようにしたことを特徴とする回転電機。 - 請求項１記載の回転電機において、
上記導体バーの断面形状は涙滴形とし、上記エンドリングの周面と上記導体バーの一面を摩擦攪拌接合により接合したことを特徴とする回転電機。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載の回転電機において、
上記導体バーを形成するアルミニウム系の材料として、純アルミニウムを用い、
上記エンドリングを形成するアルミニウム系の材料として、アルミニウム合金を用いたことを特徴とする回転電機。
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