JP2013169038A - 補強構造が形成されたかご形導体を備える回転子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子、特に導体エンドリングの形状の如何にかかわらず回転子を補強できる回転子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明によれば、回転軸１６を受容する貫通孔が形成される円筒状の鉄心コア１２と、回転軸１６の受容方向に沿って延在していて鉄心コア１２の外周１２ａに所定間隔に配置される複数の導体バー２０、及びこれら複数の導体バー２０の両端２０ａに形成される一対の環状の導体エンドリング２２からなるかご形導体１４と、を備える回転子１０であって、導体エンドリング２２の外表面２２ａ，２２ｂ，２２ｃの少なくとも一部において、固相状態の導体粒子を吹き付けて形成される導体補強層２８が形成される、回転子１０が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば誘導電動機に使用されるかご形導体を備える回転子及びその製造方法に関する。

近年、回転電動機の高速化に対するニーズが高まっている。電動機を高速回転させると回転子の部品に作用する遠心力が増大するため、導体エンドリングが変形し、場合によっては破断に至る可能性がある。そこで、例えば導体エンドリングに補強部材を取付ける対策が講じられている（特許文献１〜４参照）。しかしながら、そのような補強部材は、回転子の形状、特に導体エンドリングの形状に応じて特別に形成される必要がある。そのため、管理されるべき部品の種類が増えて結果としてコスト増大につながる。また、回転子の形状が複雑であれば、補強部材の加工コストもそれに応じて増大する。さらに、回転子の鉄心コアをスキューさせるべき場合において、補強部材の寸法及び形状に係る制約により、スキュー量が制限されることもある。

特開平３−２６１３５４号公報 特開平１０−１２７０２２号公報 特許第２８３８８９６号明細書 特許第２９１１３１５号明細書

榊和彦、「コールドスプレーの概要ならびにその軽金属皮膜」、軽金属、社団法人軽金属学会、２００６年７月、第５６巻第７号、３７６頁〜３８５頁

本発明は、回転子、特に導体エンドリングの形状の如何にかかわらず回転子を補強できる回転子及びその製造方法を提供する。

本願に係る１番目の発明によれば、回転軸を受容する貫通孔が形成される円筒状の鉄心コアと、前記回転軸の受容方向に沿って延在していて該鉄心コアの外周に所定間隔に配置される複数の導体バー、及びこれら複数の導体バーの両端に形成される一対の環状の導体エンドリングからなるかご形導体と、を備える回転子であって、前記導体エンドリングの外表面の少なくとも一部において、固相状態の導体粒子を吹き付けて形成される導体補強層が形成される、回転子が提供される。

本願に係る２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記導体補強層が、前記鉄心コアの外表面の少なくとも一部にさらに形成される、回転子が提供される。

本願に係る３番目の発明によれば、１番目又は２番目の発明において、前記導体補強層を形成する導体粒子が非磁性材料からなる粒子である、回転子が提供される。

本願に係る４番目の発明によれば、３番目の発明において、前記非磁性材料がステンレス鋼、チタン又はチタン合金である、回転子が提供される。

本願に係る５番目の発明によれば、回転軸を受容する貫通孔が形成される円筒状の鉄心コアと、前記回転軸の受容方向に沿って延在していて該鉄心コアの外周に所定間隔に配置される複数の導体バー、及びこれら複数の導体バーの両端に形成される一対の環状の導体エンドリングからなるかご形導体と、を備える回転子を製造する製造方法であって、前記導体エンドリングの外表面の少なくとも一部に固相状態の導体粒子を吹き付けて導体補強層を形成することを含む、製造方法が提供される。

本願に係る６番目の発明によれば、５番目の発明において、前記鉄心コアの外表面の少なくとも一部に固相状態の導体粒子を吹き付けて導体補強層をさらに形成することを含む、製造方法が提供される。

前述した１番目の発明によれば、導体補強層が固相状態の導体粒子を吹き付けることによって形成される。したがって、被補強部材、例えば導体エンドリングがどのような形状であっても補強構造体が容易に形成される。また、導体補強層を導体エンドリングに直接形成できるので、固定ネジなどの追加の固定手段が不要になる。

前述した２番目の発明によれば、導体補強層が鉄心コアに対しても形成される。したがって、回転子の構造的強度がより一層増大し、電動機のさらなる高速化に対応できるようになる。

前述した３番目の発明によれば、導体補強層が非磁性材料から形成されるので、磁束漏れなどを効果的に防止できる。

前述した４番目の発明によれば、比強度が十分に高い材料を使用するので、強固な導体補強層が形成される。

前述した５番目の発明によれば、固相状態の導体粒子を吹き付けることによって、導体補強層を形成する。したがって、被補強部材がどのような形状であっても補強構造層を容易に形成できる。さらに、導体補強層を導体エンドリングに直接形成できるので、ねじ留めなどの追加の作業を省略できる。

前述した６番目の発明によれば、固相状態の導体粒子を吹き付けることによって、鉄心コアに対しても導体補強層を形成する。したがって、追加の補強部材を別途用意することなく回転子の構造的強度をより一層増大させられる。

本発明の１番目の実施形態に係る回転子を概略的に示す断面図である。 導体補強層を形成する工程を説明する図である。 本発明の２番目の実施形態に係る回転子を概略的に示す断面図である。 本発明の３番目の実施形態に係る回転子を概略的に示す断面図である。 本発明の４番目の実施形態に係る回転子を概略的に示す断面図である。 本発明の５番目の実施形態に係る回転子を概略的に示す断面図である。 本発明の６番目の実施形態に係る回転子を概略的に示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。図示される実施形態において、各構成要素は、図面の視認性を考慮して又は説明の便宜上、実用的な縮尺通りに示されていない場合があることに留意されたい。図１は、本発明の１番目の実施形態に係る回転子１０を概略的に示す断面図である。回転子１０は、概ね円筒状の鉄心コア１２と、かご形導体１４と、を備えている。鉄心コア１２には、回転軸線Ｘを有する回転軸１６を受容する貫通孔１８が形成されている。かご形導体１４は、回転軸１６の受容方向に沿って延在していて鉄心コア１２の外周に所定間隔に配置される複数の導体バー２０、及びこれら複数の導体バー２０の両方の端部２０ａ，２０ａに形成される一対の環状の導体エンドリング２２を備えている。

回転子１０は、図示されない固定子と協働して誘導電動機を形成しうる。固定子は多相のコイルを備えている。それらコイルに例えば三相交流の電流が流されると、固定子１０は回転磁界を生成する。それに対し、かご形導体１４の導体バー２０には渦電流が発生し、回転磁界と渦電流との相互作用によって回転子１０の回転駆動力が得られる。

鉄心コア１２は、例えばケイ素鋼板を打ち抜いて形成される複数の板材を回転軸線Ｘの方向に積層して形成される。鉄心コア１２には、回転軸線Ｘの方向に沿って延在する複数のスロット２４が、鉄心コア１２の円周方向に所定間隔を空けて形成されている。

導体バー２０は鉄心コア１２のスロット２４内に配置される。導体バー２０の両方の端部２０ａ，２０ａは、導体エンドリング２２に形成された貫通孔２６に受容される。導体バー２０の両方の端面は、導体エンドリング２２の端面２２ｂと同一平面上に在るように形成されるのが好ましい。導体バー２０及び導体エンドリング２２は、例えば銅、銅合金、アルミニウム及びアルミニウム合金などの導電性材料から形成される。

本実施形態において、図１に示されるように、導体エンドリング２２の外周面２２ａには、導体補強層２８が形成される。導体補強層２８は、より詳細に後述するように固相状態の導体粒子を吹き付けることによって形成される。導体粒子は、導体補強層２８を介して磁束漏れが発生しないように非磁性材料であることが好ましい。導体補強層２８を形成するための非磁性材料として、例えばステンレス鋼、チタン又はチタン合金が挙げられる。

このように、導体エンドリング２２の外周面２２ａに導体補強層２８を形成することによって、導体エンドリング２２の構造的強度が増大する。このことは、回転子１０の回転速度を増大させる場合に特に効果的である。導体補強層２８を形成せずに導体エンドリング２２の外周面２２ａが露出した状態で、回転子を高速度で回転させると、遠心力によって導体エンドリング２２が変形し、場合によっては破損するおそれがある。しかし、本実施形態における回転子１０においては、前述したようにステンレス鋼、チタン又はチタン合金などの比強度の高い材料によって導体補強層２８が形成される。したがって、回転子１０を高速度で回転させても十分な強度を維持するので、導体エンドリング２２の破損を防止し、電動機の耐用寿命を延ばすことができる。また、導体補強層２８は導体エンドリング２２に直接形されるので、固定ねじなどの追加の固定手段が不要である。

次に、図２を参照して回転子１０の製造方法について説明する。図２は、導体補強層２８を形成する工程を説明する図である。なお、導体補強層２８の形成工程以外は公知の方法を適用できるので、詳細な説明は省略される。

図２はコールドスプレー装置３０の一部を示している。本実施形態において、コールドスプレー装置３０は、コールドスプレー法によって固相状態の導体粒子を吹き付けるために使用される。コールドスプレー法は、粒子状の物質を常温の高圧ガス又は加熱された高圧ガスの流れの中に投入し、粒子状の物質を固相状態のまま対象部材に衝突させて被膜を形成する方法である。このようなコールドスプレー法によれば、熱変性を生じさせることなく強度の高い金属被膜を形成できる。比較可能な成膜方法として金属溶射法が知られている。金属溶射法においては、金属がいったん溶融されるので、速やかに冷却する必要がある。しかしながら、冷却温度の管理が適切になされないと、結晶構造の肥大化などを生じ、結果として金属層の強度が低下する。これに対し、コールドスプレー法であれば、前述したように導体材料の熱変性が生じないため、より効果的な補強作用が得られる。

図示されるように、コールドスプレー装置３０は、ハウジング３２の内部空間３４に導体粒子３６を供給する導体粒子供給管３８と、高圧、例えば数ＭＰａの作動ガスを供給する作動ガス供給管４０と、作動ガスを超音速まで加速するラバルノズル４２と、を備えている。導体粒子３６としては、例えば約１μｍ〜５０μｍの粒径を有するステンレス鋼、チタン又はチタン合金などの導電性材料を使用する。作動ガスは、例えば窒素ガス、ヘリウムガス又は空気などである。作動ガスは、コールドスプレー装置３０に付与されるヒータ（図示せず）によって加熱されてもよい。この場合、ノズル入口３４ａにおける作動ガスの温度はコールドスプレー装置３０の仕様に応じて、例えば摂氏約１０００度までの範囲に設定される。作動ガスの温度が高いほどガス速度、ひいては導体粒子３６の吹き付け速度が増大する。そのため、一般的には作動ガスの温度が高いほど、導体粒子３６の付着効率が増大する。したがって、作動ガスの温度は、導体粒子３６の融点を超えない範囲内で可及的に高く設定されるのが好ましい。

ラバルノズル４２はその流路面積が小さく形成されるスロート４２ａを有するとともに、出口４２ｂに向かって流路面積が漸次拡大されるように形成される。このようなラバルノズル４２によって、導体粒子３６は約３００ｍ／ｓから約１０００ｍ／ｓの範囲の速度まで加速される。導体粒子３６は、ラバルノズル４２の出口４２ｂから吹き出されて、対象部材、本実施形態においては導体エンドリング２２の外周面２２ａに衝突して固相状態のまま付着する。このようにして無数の導体粒子３６が導体エンドリング２２の外周面２２ａに付着することにより、導体補強層２８が形成される。導体補強層２８の形成に際しては、所望の範囲のみに導体粒子３６が付着するように治具を使用する。このようにして形成される導体補強層２８は、特に限定されないものの、十分な構造的強度を対象部材に付与するように概ね数ｍｍ〜数十ｍｍの範囲の肉厚を有する。

導体補強層２８は、後工程にて例えば切削加工により所望の形状に整形される。例えば、図１に示されるように、導体補強層２８の外周面は、鉄心コア１２の外周面１２ａと同一平面上に在るように形成される。このように導体粒子を固相状態のまま吹き付けるコールドスプレー法によれば、被補強部材、例えば導体エンドリング２２又は鉄心コア１２がどのような形状を有していても導体補強層を容易に形成できる。また、導体補強層は被補強部材に直接形成されうるので、ねじ留めなどの追加の作業を省略できる。

続いて、本発明の別の実施形態について説明する。以下の説明において、第１の実施形態に係る構成要素に関連して前述した内容と重複する説明は適宜省略する。また、前述した第１の実施形態の構成要素と同一又は対応する構成要素には同一の参照符号が付与される。

図３は、本発明の２番目の実施形態に係る回転子５０を概略的に示す断面図である。本実施形態に係る回転子５０においては、導体補強層５２が導体エンドリング２２の外周面２２ａに加えて、導体エンドリング２２の端面２２ｂにさらに形成される。本実施形態においても、前述したように治具を使用して所要の範囲に導体補強層５２を形成してもよい。コールドスプレー装置３０又は回転子５０の姿勢を変えて複数の方向から導体粒子３６を吹き付けるようにしてもよい。本実施形態によれば、導体エンドリング２２の形状の如何にかかわらず、導体エンドリング２２の外周面２２ａ及び端面２２ｂの両方を補強できる。

図４は、本発明の３番目の実施形態に係る回転子６０を概略的に示す断面図である。本実施形態に係る回転子６０においては、導体補強層６２が導体エンドリング２２の外周面２２ａ及び端面２２ｂに加えて、導体エンドリング２２の内周面２２ｃにさらに形成される。本実施形態においても、前述したように治具を使用して所要の範囲に導体補強層５２を形成してもよい。コールドスプレー装置３０又は回転子６０の姿勢を変えて複数の方向から導体粒子３６を吹き付けるようにしてもよい。本実施形態によれば、導体エンドリング２２の形状の如何にかかわらず、導体エンドリング２２の外周面２２ａ、端面２２ｂ及び内周面２２ｃのすべてを補強できる。

図５は、本発明の４番目の実施形態に係る回転子７０を概略的に示す断面図である。本実施形態に係る回転子７０においては、導体エンドリング２２の内周面２２ｃと回転軸１６の外周面との間の隙間に環状のバランスリング７２が配置されている。バランスリング７２は、例えば導体エンドリング２２を鋳造で製造する場合に発生する鋳巣など、製造上の欠陥によって生じる回転子の不具合を低減するために配置される。そして、本実施形態においては、導体補強層７４が、導体エンドリング２２の端面２２ｂ及びバランスリング７２の端面に形成されている。本実施形態においても、前述したように治具を使用して所要の範囲に導体補強層７４を形成してもよい。コールドスプレー装置３０又は回転子７０の姿勢を変えて複数の方向から導体粒子３６を吹き付けるようにしてもよい。本実施形態によれば、導体エンドリング２２及びバランスリング７２の形状の如何にかかわらず、導体エンドリング２２及びバランスリング７２の両方を補強できる。

図６は、本発明の５番目の実施形態に係る回転子８０を概略的に示す断面図である。本実施形態に係る回転子８０においても、前述した４番目の実施形態と同様に、バランスリング７２が、導体エンドリング２２の内周面２２ｃと回転軸１６の外周面との間の隙間に配置されている。本実施形態においては、導体補強層８２が、導体エンドリング２２の端面２２ｂ及びバランスリング７２の端面に加えて、導体エンドリング２２の外周面２２ａにさらに形成されている。本実施形態においても、前述したように治具を使用して所要の範囲に導体補強層８２を形成してもよい。コールドスプレー装置３０又は回転子８０の姿勢を変えて複数の方向から導体粒子３６を吹き付けるようにしてもよい。本実施形態によれば、導体エンドリング２２及びバランスリング７２の形状の如何にかかわらず、導体エンドリング２２及びバランスリング７２の両方を補強できる。

図７は、本発明の６番目の実施形態に係る回転子９０を概略的に示す断面図である。本実施形態に係る回転子９０においては、導体補強層９２が、導体エンドリング２２の外周面２２ａ、端面２２ｂ及び内周面２２ｃに加えて、鉄心コア１２の外周面１２ａに形成されている。本実施形態においても、前述したように治具を使用して所要の範囲に導体補強層９２を形成してもよい。コールドスプレー装置３０又は回転子９０の姿勢を変えて複数の方向から導体粒子３６を吹き付けるようにしてもよい。本実施形態によれば、導体エンドリング２２及びバランスリング７２の形状の如何にかかわらず、導体エンドリング２２及び鉄心コア１２の両方を補強できる。本実施形態によれば、鉄心コア１２を形成する材料それ自体を変更することなく、電動機の高速回転に対応できる回転子９０が提供される。

導体バー及び導体エンドリングの構成は図面を参照して前述した態様に限定されない。例えば、導体バー及び導体エンドリングの少なくとも一方が、前述したコールドスプレー法を利用して形成されてもよい。この場合、導体バー及び導体エンドリングは、例えば銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金などの金属粒子を固相状態のまま吹き付けることによって形成される。

図示された実施形態においては、各スロット２４は回転軸線Ｘに対して平行に延在しているものの、本発明はこのような態様に限定されない。例えば、積層形成される鉄心コアがスキューされる場合、すなわち鉄心コアの両端部において互いに円周方向反対向きに捻られるように形成される場合、各スロットは螺旋経路を形成する。このような実施形態においては、導体バーはスロットの経路に沿って螺旋状に形成される。両端においてスキューされる実施形態においては、導体エンドリングの形状もより一層複雑化する。しかしながら、コールドスプレー法によって導体補強層を形成する本発明によれば、回転子の構造的強度を適切に向上させられる。

なお、６番目の実施形態として、導体補強層９２を鉄心コア１２の外周面１２ａにさらに形成する例を説明したが、鉄心コア１２の外周面１２ａに導体補強層を追加形成すること自体は他の実施形態と任意に組合せ可能である。

１０ 回転子
１２ 鉄心コア
１４ かご形導体
１６ 回転軸
１８ 貫通孔
２０ 導体バー
２２ 導体エンドリング
２８ 導体補強層
３０ コールドスプレー装置
５０ 回転子
５２ 導体補強層
６０ 回転子
６２ 導体補強層
７０ 回転子
７２ バランスリング
７４ 導体補強層
８０ 回転子
８２ 導体補強層
９０ 回転子
９２ 導体補強層
Ｘ 回転軸線

回転子１０は、図示されない固定子と協働して誘導電動機を形成しうる。固定子は多相のコイルを備えている。それらコイルに例えば三相交流の電流が流されると、固定子は回転磁界を生成する。それに対し、かご形導体１４の導体バー２０には電流が発生し、回転磁界と電流との相互作用によって回転子１０の回転駆動力が得られる。

図７は、本発明の６番目の実施形態に係る回転子９０を概略的に示す断面図である。本実施形態に係る回転子９０においては、導体補強層９２が、導体エンドリング２２の外周面２２ａ、端面２２ｂ及び内周面２２ｃに加えて、鉄心コア１２の外周面１２ａに形成されている。本実施形態においても、前述したように治具を使用して所要の範囲に導体補強層９２を形成してもよい。コールドスプレー装置３０又は回転子９０の姿勢を変えて複数の方向から導体粒子３６を吹き付けるようにしてもよい。本実施形態によれば、導体エンドリング２２及び鉄心コア１２の形状の如何にかかわらず、導体エンドリング２２及び鉄心コア１２の両方を補強できる。本実施形態によれば、鉄心コア１２を形成する材料それ自体を変更することなく、電動機の高速回転に対応できる回転子９０が提供される。

Claims (6)

1. 回転軸を受容する貫通孔が形成される円筒状の鉄心コアと、
   前記回転軸の受容方向に沿って延在していて該鉄心コアの外周に所定間隔に配置される複数の導体バー、及びこれら複数の導体バーの両端に形成される一対の環状の導体エンドリングからなるかご形導体と、
   を備える回転子であって、
   前記導体エンドリングの外表面の少なくとも一部において、固相状態の導体粒子を吹き付けて形成される導体補強層が形成される、回転子。
2. 前記導体補強層が、前記鉄心コアの外表面の少なくとも一部にさらに形成される、請求項１に記載の回転子。
3. 前記導体補強層を形成する導体粒子が非磁性材料からなる粒子である、請求項１又は２に記載の回転子。
4. 前記非磁性材料がステンレス鋼、チタン又はチタン合金である、請求項３に記載の回転子。
5. 回転軸を受容する貫通孔が形成される円筒状の鉄心コアと、
   前記回転軸の受容方向に沿って延在していて該鉄心コアの外周に所定間隔に配置される複数の導体バー、及びこれら複数の導体バーの両端に形成される一対の環状の導体エンドリングからなるかご形導体と、を備える回転子を製造する製造方法であって、
   前記導体エンドリングの外表面の少なくとも一部に固相状態の導体粒子を吹き付けて導体補強層を形成することを含む、製造方法。
6. 前記鉄心コアの外表面の少なくとも一部に固相状態の導体粒子を吹き付けて導体補強層をさらに形成することを含む、請求項５に記載の製造方法。

Images