(57)【要約】【課題】異種金属部材の接合時に接合界面の電気抵抗を低減する。【解決手段】電気伝導率が互いに異なる異種の金属からなる第１部材と第２部材とを接合した複合材を作成する方法を提供する。第１部材５０を長尺に形成するとともに、第１部材の外径よりも小さい内径の穴を有する第２部材６０を形成し、第１部材５０を第２部材６０の穴の中に圧入する。この結果、第１部材５０および第２部材６０の表面に形成されていた酸化膜５２、６２が削りとられ、第１部材５０と第２部材６０の接合界面に酸化膜や空隙が存在しなくなるので、接合界面の電気抵抗を低減することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気伝導率が互いに異なる異種の金属からなる第１部材と第２部材とを接合した複合材を作成する方法であって、
第１部材を長尺に形成するとともに、第１部材の外径よりも小さい内径の穴を有する第２部材を形成し、
前記第２部材の穴の中に前記第１部材を圧入することを特徴とする方法。
【請求項２】
電気伝導率が互いに異なる異種の金属からなる第１部材と第２部材とを接合した複合材を作成する方法であって、
第１部材を長尺に形成するとともに、第１部材の外径よりも大きい内径の穴を有する第２部材を形成し、
前記第２部材の穴の中に前記第１部材を挿入した状態で、前記第２部材の内側に向かう圧力を作用させて第１および第２部材を接合することを特徴とする方法。
【請求項３】
前記第２部材がアルミニウムであり、前記第１部材はアルミニウムよりも高い電気伝導率を有しており、
請求項１または２に記載の方法で作成された複合材をロータのスロット内に挿入した状態で、溶融アルミニウムをスロット内に鋳込むことを含む、誘導電動機の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法で製造された誘導電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気伝導率の異なる異種金属部材間の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムのみを通電部材として用いる場合よりも電気抵抗を下げるために、電気伝導率がアルミニウムよりも高い銅などの異種金属材をアルミニウム材と組み合わせて使用することがある。例えば特許文献１には、かご形誘導電動機のロータのスロット内に、アルミニウムと、より電気伝導率の高い銅線とを混在させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特願２０１２−２５８７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気抵抗を低減するために異種金属部材間を接合した複合材を作成する場合、接合界面に酸化膜や空隙が存在するために界面の電気抵抗が増大してしまい、複合材の電気抵抗が期待通りに低減しないことがある。
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、異種金属部材の接合時に接合界面の電気抵抗を低減する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、電気伝導率が互いに異なる異種の金属からなる第１部材と第２部材とを接合した複合材を作成する方法であって、第１部材を長尺に形成するとともに、第１部材の外径よりも小さい内径の穴を有する第２部材を形成し、第２部材の穴の中に第１部材を圧入することを含む。
【０００７】
この態様によると、第１部材および第２部材の表面に形成されていた酸化膜が圧入時に削りとられ、第１部材と第２部材の接合界面に酸化膜や空隙がほとんど存在しなくなるので、接合界面の電気抵抗を低減することができる。
【０００８】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、異種金属部材の接合時に接合界面の電気抵抗を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】銅製の棒材とアルミニウム製の環状部材を示す図である。
【図２】表面の酸化膜を削りとるようにして異種金属部材間を接合する方法を示す図である。
【図３】表面の酸化膜を変形により押し出すようにして異種金属部材間を接合する方法を示す図である。
【図４】銅材の表面にアルミニウムを蒸着する様子を示す図である。
【図５】銅製の板材とアルミニウム製の板材とを接合する様子を示す図である。
【図６】中心軸を含む鉛直面でかご形誘導電動機を切断したときの断面図である。
【図７】図２で説明した方法を用いてかご形誘導電動機のロータを製造する方法を示す模式図である。
【図８】図５で説明した方法を用いてかご形誘導電動機のロータを製造する方法を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
例えば、アルミニウムのみを通電部材として用いる場合よりも電気抵抗を下げるために、電気伝導率がアルミニウムよりも高い銅や銀などの異種金属材をアルミニウム材と組み合わせて使用することがある。このように異種の金属同士を電気的に接合する際の課題について以下で説明する。
【００１２】
図１は、銅製の棒材（第１部材）５０とアルミニウム製の環状部材（第２部材）６０とを接合した複合材を作成する場合を示す。図１中に拡大図で示すように、棒材５０および環状部材６０の表面にはそれぞれ酸化膜５２、６２が通常は形成されている。特に、アルミニウムは表面に酸化膜を形成しやすく、電気伝導率の優れた金属とは電気的に結合しにくい性質がある。また、酸化膜５２、６２の表面は滑らかではなく凹凸を有しているのが普通である。
【００１３】
例えば単に環状部材６０の穴の中に棒材５０を挿入しただけでは、棒材５０と環状部材６０との接合界面に酸化膜が存在する上、凹凸に起因する空隙が接合界面に残った状態になる。接合界面における酸化膜や空隙は、棒材と環状部材の間に電流を流したときに電気抵抗として作用するので、複合材の電気抵抗が想定通りに下がらないか、場合によってはアルミニウム材単体よりも複合材の方が電気抵抗が高くなる場合さえある。
【００１４】
そこで、本発明は、異種金属部材の接合界面における酸化膜や空隙を取り除いて、複合材の電気抵抗を低減する方法を提供する。
【００１５】
図２は、表面の酸化膜を削りとるようにして異種金属部材間を接合する方法を示す。図２（ａ）は、アルミニウム製の環状部材６０の中に、銅製の棒材５０を圧入する様子を示している。図示するように、棒材５０の外径が環状部材６０の内径よりもわずかに大きくなるように両者を選択する。棒材５０に圧力を加えることにより、棒材５０を環状部材６０の穴の中に圧入すると、図２（ｂ）に示すように、棒材５０および環状部材６０の表面の酸化膜５２、６２が押圧部で削りとられて削りカスとして環状部材６０の端面や穴の中に押し出され、棒材５０と環状部材６０の接合界面に酸化膜や空隙がほとんど無い状態になる。この結果、接合界面の電気抵抗がゼロに近くなり、圧入により得られた複合材の電気抵抗をアルミニウム単体の場合よりも小さくすることができる。
【００１６】
図３は、表面の酸化膜を変形により押し出すようにして異種金属部材間を接合する方法を示す。図３（ａ）は、アルミニウム製の環状部材６０の中に、銅製の棒材５０を挿入する様子を示している。図示するように、棒材５０の外径が環状部材６０の内径よりも小さくなるように両者を選択する。棒材５０を環状部材６０の穴の中に挿入した後、クランプなどを使用して環状部材６０の外側から圧力を加えると、図２（ｂ）に示すように、棒材５０および環状部材６０の表面の酸化膜５２、６２が圧力により変形し、環状部材６０の端面や穴の中に押し出され、棒材５０と環状部材６０の接合界面に酸化膜や空隙がほとんど無い状態になる。この結果、接合界面の電気抵抗がゼロに近くなり、クランプにより得られた複合材の電気抵抗をアルミニウム単体の場合よりも小さくすることができる。
【００１７】
なお、機械的にクランプする代わりに、焼き嵌めや冷やし嵌めを利用してもよい。すなわち、環状部材６０を昇温するか棒材５０を冷却した状態で環状部材６０の穴の中に棒材５０を挿入し、その後両者を常温に戻す。これにより、接合界面の酸化膜が圧力により変形して環状部材の穴から押し出され、両者の接合界面に酸化膜や空隙がほとんど無い状態にすることができる。
【００１８】
図４は、周知の方法を用いて銅材の表面にアルミニウムを蒸着する様子を示す。この蒸着過程は、銅材の表面の酸化膜の形成やアルミニウムの酸化を防止するため、真空環境内で実施される。このようにして得られた銅とアルミニウムの複合材は、接合界面に酸化膜や空隙がほとんど存在しないため、接合界面の電気抵抗がゼロに近くなり、アルミニウム単体の場合よりも複合材の電気抵抗を小さくすることができる。
【００１９】
図５は、銅製の板材７０とアルミニウム製の板材８０とを接合して複合材を作成する様子を示す。周知の爆着、溶接、ロウ付け、ハンダ付けにより両者を接合すると、銅製の板材７０とアルミニウム製の板材８０の接合界面に合金層が介在する。この合金層は、爆着、溶接の場合には銅およびアルミニウムの合金であり、ロウ付け、ハンダ付けの場合はロウ、ハンダである。合金層は、複合材に電気を流した場合に電気抵抗にはなるが、空隙や酸化膜よりは電気抵抗が低い。したがって、酸化膜や空隙が存在する場合よりも複合材の電気抵抗を小さくすることができる。
【００２０】
以下、上述した異種金属部材間の接合方法をかご形誘導電動機の製造に応用した応用例について説明する。
【００２１】
図６は、中心軸を含む鉛直面でかご形誘導電動機１０を切断したときの断面図である。
【００２２】
ステータ３４は、同一形状に型抜きされた多数の薄板状（例えば、厚さ０．５ｍｍ）の電磁鋼板を積層して形成される。ステータ３４は、フレーム３０の内周に、例えば焼き嵌めによって嵌合される。ステータ３４に形成された複数のスロットには銅線のコイル３８が巻回されている。
【００２３】
ロータ３６も、同一の円形状に型抜きされた多数の薄板状の電磁鋼板を積層して形成される。ロータ３６には、中央に回転軸１２を挿通するための円形穴が形成されるとともに、その外周側には、径方向に延びる複数の同一形状のスロット３６ａが等間隔に形成されている。ロータ３６の円形穴は、回転軸１２に締まり嵌めによって固定される。
【００２４】
フレーム３０は、例えばアルミダイキャスト製、鋳鉄製または鋼板製であり、ロータおよびステータの重量を支持するとともに、ロータおよびステータ等で発生する熱を電動機外部に放熱する役割を有する。放熱性能を高めるために、回転軸と平行な方向に延びる多数の放熱フィン４０がフレーム３０の外周に設置される。
【００２５】
回転軸１２は、フレーム３０から内径側に延び出す両側のフランジ１４、１５にそれぞれ軸受１６、１７を介して回転自在に支持されている。フランジ１４、１５は、フレーム３０と一体形成されてもよいし、別々に形成された後でフレーム３０に固定されてもよい。
【００２６】
回転軸１２の後端側には、ファン１８が配置される。ファン１８のさらに外側にはファンカバー３２が配置される。
【００２７】
一般に、誘導電動機は、誘導電流が流れる二次導体側の抵抗が低いほどモータ効率が向上する。そこで、ロータ３６に形成されたスロット３６ａ内に、電気伝導率が高いアルミニウムをダイキャスト鋳造により鋳込む方法が最も良く使用されている。この場合、ロータ３６の両端面には、スロット内の導体と一体構造となる短絡環３７が形成される。
【００２８】
誘導電動機の効率をさらに高めるために、アルミニウムよりもさらに電気伝導率の高い銅や銀などの金属材（抵抗低減材）をスロット内に挿入した状態で、アルミニウムを鋳込む方法が提案されている。しかし、この方法では、溶融アルミニウムの粘性不足により抵抗低減材の表面の凹凸に十分アルミニウムが流れ込まなかったり、アルミニウムが凝固する際に熱収縮したりするために、アルミニウムと抵抗低減材との間に空隙が発生してしまう。また、抵抗低減材が高温空気中に曝されることにより表面に酸化膜が形成されてしまう。そのため、単に銅や銀などの抵抗低減材をスロット内に挿入してアルミニウムを鋳込むようにすると、抵抗低減材とスロット内のアルミニウムとの接合界面に酸化膜や空隙が存在することで、接合界面の電気抵抗が大きくなり、結果として二次導体側の抵抗が期待通りには小さくならなくなる可能性がある。
【００２９】
図７は、図２で説明した方法を用いてかご形誘導電動機のロータを製造する方法を示す模式図である。まず、銅製の棒材５０の直径がアルミニウム製の環状部材６０の内径よりもわずかに大きく、かつ環状部材６０がスロット３６ａ内に収まるように両者を選択する。棒材５０に圧力を加えて、棒材５０の両端をそれぞれ環状部材６０に圧入する。これにより、図２（ｂ）に示したように、棒材５０および環状部材６０の表面の酸化膜５２、６２が押圧面で削りとられて削りカスとして環状部材６０の端面や穴の中に押し出されるとともに、棒材５０と環状部材６０の接合界面に酸化膜や空隙がほとんど無い状態になる。こうして得られた複合材を、図７（ｂ）に示すようにスロット３６ａ内に挿入した後、スロット内に溶融アルミニウムを鋳込む（図７（ｃ）、（ｄ）参照）。溶融アルミニウムとアルミニウム製の環状部材６０との接触面は、環状部材６０の表面が溶けることにより鋳込まれたアルミニウムと一体化し、界面の電気抵抗がほぼ無い状態になる。この結果、スロット３６ａ内で、電流は、鋳込まれたアルミニウムを流れる経路と、環状部材６０→棒材５０→環状部材６０という経路とに分かれる。後者の経路は、環状部材と棒材の間の接合界面の電気抵抗がわずかであれば、電気伝導率の高い銅製の棒材のために、鋳込まれたアルミニウムよりも電気抵抗が小さくなる。よって、二次導体側の電気抵抗が低減し、結果として誘導電動機の効率が改善される。
【００３０】
なお、アルミニウム製の環状部材６０を、図７のように銅製の棒材５０の両端部にのみ圧入するようにしてもよいし、スロット３６ａの軸方向長さに略等しい長さの一つの環状部材に棒材を圧入するようにしてもよい。
【００３１】
図８は、図５で説明した方法を用いてかご形誘導電動機のロータを製造する方法を示す模式図である。図７（ａ）に示すように、銅製の板材７０とアルミニウム製の板材８０がスロット３６ａ内に収まるように両者を選択する。図５で述べたように、接合界面に酸化膜や空隙が無いように板材７０、８０を接合した複合材を初めに作成する。この複合材を、図８（ｂ）に示すようにスロット３６ａ内に挿入した状態で、スロット内に溶融アルミニウムを鋳込む（図８（ｃ）、（ｄ）参照）。溶融アルミニウムとアルミニウム製の板材８０との接触面は、板材８０の表面が溶けることにより鋳込まれたアルミニウムと一体化し、界面の電気抵抗がほぼ無い状態になる。この結果、スロット３６ａ内で、電流は、鋳込まれたアルミニウムを流れる経路と、複合材を流れる経路とに分かれる。後者の経路は、板材７０、８０の間の接合界面の電気抵抗がわずかであれば、電気伝導率の高い銅製の板材のために、鋳込まれたアルミニウムよりも電気抵抗が小さくなる。よって、二次導体側の電気抵抗が低減し、結果として誘導電動機の効率が改善される。
【００３２】
なお、アルミニウム製の板材８０は、図８のようにスロット３６ａの軸方向長さに略等しい長さであってもよいし、銅製の板材７０の両端部にのみ接合される２枚の短い板材であってもよい。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態によれば、異種金属部材間の接合時に、界面抵抗を増加させる要因である酸化膜や空隙を取り除くことで、接合後の複合材の電気抵抗を小さくすることができる。また、複合材をスロット内に挿入した状態で溶融アルミニウムを鋳込むことで、二次導体の電気抵抗を低減して誘導電動機の効率を向上させることができる。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態について説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００３５】
実施の形態では、アルミニウムと銅との接合について主に説明したが、電気伝導率の異なる任意の金属材同士の接合に本発明を適用することができる。また、金属材の形状は上述した棒材、環状部材、板材に限られず、任意の形状であってよい。
【符号の説明】
【００３６】
１０  かご形誘導電動機、  ３６  ロータ、  ３６ａ  スロット、  ５０  銅製棒材（第１部材）、  ５２  酸化膜、  ６０  アルミニウム製環状部材（第２部材）、  ６２  酸化膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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