(57)【要約】【課題】誘導電動機の二次導体の抵抗を低減して誘導電動機の効率を改善する技術を提供する。【解決手段】コア６０に形成されるスロット６２内に、アルミニウムよりも電気伝導率の高いバー状の良導体部材７０を挿入し、良導体部材７０の周囲およびエンドリング３７をアルミニウム鋳造で形成する。エンドリング３７および良導体部材７０は、摩擦撹拌接合によって接合される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアに形成されるスロット内にアルミニウムよりも電気伝導率の高いバー状の良導体部材を挿入し、前記良導体部材の周囲およびエンドリングをアルミニウム鋳造で形成した後に、前記エンドリングおよび前記良導体部材を、摩擦撹拌接合によって接合せしめてなるロータを備えることを特徴とする誘導電動機。
【請求項２】
コアに形成されるスロット内にアルミニウムよりも電気伝導率の高い良導体部材を挿入し、前記良導体部材の周囲およびエンドリングをアルミニウム鋳造で形成した後に、前記エンドリングおよび前記良導体部材を、酸化物層および空隙を除した状態となるよう接合処理を施してなるロータを備えることを特徴とする誘導電動機。
【請求項３】
前記エンドリングと前記良導体部材は、摩擦撹拌接合によって接合されることを特徴とする請求項２に記載の誘導電動機。
【請求項４】
前記エンドリングおよび前記良導体部材は、その界面において、前記エンドリングを形成するアルミニウムと前記良導体部材を形成する金属が、互いに入り交じった態様で接合されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の誘導電動機。
【請求項５】
コアに形成されるスロット内にアルミニウムよりも電気伝導率の高い良導体部材を挿入し、前記良導体部材の周囲およびエンドリングをアルミニウム鋳造で形成した後に、前記エンドリングおよび前記良導体部材を、その界面において、前記エンドリングを形成するアルミニウムと前記良導体部材を形成する金属が、互いに入り交じった態様となるように接合処理を施してなるロータを備えることを特徴とする誘導電動機。
【請求項６】
コアに形成されるスロット内にアルミニウムよりも電気伝導率の高い良導体部材を挿入し、前記良導体部材の周囲およびエンドリングをアルミニウム鋳造で形成した後に、前記エンドリングおよび前記良導体部材を、その界面の電気抵抗率が、アルミニウム単体の電気抵抗率よりも低くなるように接合処理を施してなるロータを備えることを特徴とする誘導電動機。
【請求項７】
前記良導体部材は、銅または銀を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の誘導電動機。
【請求項８】
誘導電動機のロータの製造方法であって、
コアに形成されるスロット内にアルミニウムよりも電気伝導率の高いバー状の良導体部材を挿入するステップと、
前記良導体部材の周囲およびエンドリングをアルミニウム鋳造で形成するステップと、
前記エンドリングおよび前記良導体部材を、摩擦撹拌接合によって接合せしめるステップと、
を備えることを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
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小さいほどモータ効率が向上する。二次導体側の抵抗を下げるために、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、アルミニウムよりも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
【特許文献２】特願２０１１−１８８７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
銅や銀などの良導体を抵抗低減材としてロータのスロット内に挿入した後でアルミニウムを鋳込むようにしてロータを製造すると、溶融アルミニウムの流動性不足により、良導体部材の表面の凹凸に十分アルミニウムが流れ込むことができず、アルミニウムと良導体部材との界面に空隙が発生したり、酸化膜が形成さえることがある。接合界面における空隙や酸化膜は、スロット内の導体に電流を流したときに電気抵抗として作用するので、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。
【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、誘導電動機の二次導体の抵抗を低減して誘導電動機の効率を改善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、誘導電動機に関する。誘導電動機は、ロータを有する。ロータは、コアに形成されるスロット内にアルミニウムよりも電気伝導率の高いバー状の良導体部材を挿入し、良導体部材の周囲およびエンドリングをアルミニウム鋳造で形成した後に、エンドリングおよび良導体部材を、摩擦撹拌接合によって接合せしめてなる。
【０００７】
この態様によると、アルミニウムと良導体部材の界面の酸化物層および空隙を除去することができ、界面の電気抵抗率を飛躍的に小さくすることにより、誘導電動機の効率を改善できる。
【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、誘導電動機の二次導体の抵抗を低減して誘導電動機の効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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２】良導体部材と溶融アルミニウムの界面の拡大図である。
【図３】実施の形態に係る誘導電動機のロータの斜視図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、ロータの製造工程の一部を示す図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、ロータの製造工程の一部を示す図である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、ロータの製造工程の一部を示す図である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、アルミニウムと良導体部材である銅の界面の断面図である。
【図８】ロータを模したサンプルの界面の抵抗値の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１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。
【００１２】
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が巻装されている。
【００１３】
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６２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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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小さ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６２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、スロット内のバー導体６６と一体構造となるエンドリング（短絡環）３７が形成される。
【００１８】
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良導体からなる部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、図２に示すように、溶融アルミニウムの流動性不足により良導体部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、アルミニウムと良導体部材との間に空隙が発生してしまうことがある。接合界面における空隙は、スロット内の導体に電流を流したときに電気抵抗として作用するので、銅や銀などの良導体部材をスロット内に挿入しても、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。
【００１９】
そこで、本実施形態では、ロータの構造および製造方法を工夫することにより、二次導体側の抵抗を低減させることとした。
【００２０】
図３は、実施の形態に係る誘導電動機１０のロータ３６の斜視図である。ロータ３６は、主として、コア（鉄心）６０、２つのエンドリング３７ａ、３７ｂ、複数のバー導体６６を備える。
【００２１】
コア６０は、磁性体部材の円筒部材である。コア６０には複数のスロット６２が設けられている。またコア６０の円形穴７２には、回転軸（図３に不図示）が締まり嵌めによって固定される。
【００２２】
複数のバー導体６６は、複数のスロット６２と対応して、それらを貫通するように形成される。後に詳述するが、バー導体６６は、アルミニウムよりも電気伝導率の高い銅や銀などの棒状の良導体部材と、その周囲にアルミニウム鋳造により形成されるアルミニウム層と、を有する。バー導体６６の本数は特に限定されるものではなく、モータの種類や用途に応じて設計される。
【００２３】
エンドリング３７ａ、３７ｂはコア６０の両端部に並行に設けられ、複数の後述のようにアルミニウム鋳造により、バー導体６６のアルミニウム層と一体に形成される。エンドリング３７ａは、複数のバー導体６６の一端を電気的に接続し、エンドリング３７ｂは、複数のバー導体６６の他端を電気的に接続する。
【００２４】
続いて、ロータ３６の製造方法を説明する。
図４（ａ）〜（ｃ）、図５（ａ）、（ｂ）および図６（ａ）、（ｂ）は、ロータ３６の製造工程を示す図である。
【００２５】
図４（ａ）には、コア６０の製造工程が示される。コア６０は、同一形状を有するコアプレート６８を複数枚、積層して形成される。たとえばコアプレート６８は、電磁鋼板をリング状にプレス形成することにより製造される。各コアプレート６８には、孔６９が開けられており、この孔６９が積層されてコア６０のスロット６２となる。
【００２６】
続いて図４（ｂ）に示すように、コア６０の各スロット６２には、バー導体６６の一部を形成するバー状の良導体部材７０が挿通される。図４（ｃ）に示すように、コア６０のスロット６２は、良導体部材７０に対して余剰の間隙をもって形成される。後段のアルミニウム鋳造工程では、この間隙に、アルミニウムが流し込まれる。すなわちコア６０は、アルミニウム鋳造工程における型枠の一部としても機能する。
【００２７】
図５（ａ）は、アルミニウム鋳造工程を行う前のロータ３６の構造体を示す。図５（ｂ）に示すように、この構造体は、エンドリング３７および良導体部材７０の周囲のアルミニウム層を形成するための型枠８０に収容され、型枠８０内に溶融アルミニウムが鋳込まれる。図５（ｂ）には型枠の内壁が示される。溶融アルミニウムの流動性を高めるために、添加剤（例えばケイ素または亜鉛）を加えてもよい。なお導電率を考慮すると、亜鉛の方が好ましい。
【００２８】
図６（ａ）は、アルミニウム鋳造工程の直後のロータ３６を示す。この状態では、良導体部材７０とエンドリング３７ａの界面（ハッチングを付す）には、界面の電気伝導率を低下させる空隙や酸化膜が存在しうる。そこで本実施の形態では、アルミニウム鋳造工程の後に、エンドリング３７および良導体部材７０に対して、酸化物層および空隙を除した状態となるように接合処理を施す。
【００２９】
図６（ｂ）は、接合処理を示す図である。本実施の形態では、摩擦撹拌接合を利用する。摩擦撹拌接合では、先端には突起（プローブ）９２を有するツール９０を良導体部材７０およびエンドリング３７に押しつけながら、ツール９０を回転させる。摩擦熱により材料が軟化し、攪拌（塑性流動化）することによって異なる金属が接合される。ツール９０は、図６（ｂ）に破線で示すように、良導体部材７０の一辺を走査した後、それと反対側に位置する良導体部材７０の一辺を走査してもよい。あるいは、良導体部材７０の断面の矩形に沿って移動させてもよい。
【００３０】
以上がロータ３６の製造方法である。続いてロータ３６の利点を説明する。
ロータ３６の利点を検証するために、エンドリング３７と良導体部材７０の接合部分を模擬したサンプルを製造し、その特性を測定した。
図７（ａ）、（ｂ）は、アルミニウムと良導体部材である銅の界面の断面図である。図７（ａ）は断面写真であり、図７（ｂ）は、アルミニウム、銅、酸素それぞれの分布図である。図７（ｂ）に示すように、界面においてアルミニウムと銅は、互いに入り交じった態様で接合されている。また図７（ｂ）に示すように、界面に酸素が集中分布している様相がみられない。このことは、界面の酸化膜層や空隙が除されていることを意味している。
【００３１】
図８は、サンプルの界面の抵抗値の測定結果を示す図である。図８には、アルミニウム単体（Ａ１０５０）、銅単体（Ｃ１１０）、それらを摩擦撹拌接合したサンプル（ｈｙｂｒｉｄ）それぞれの抵抗値が示される。摩擦撹拌接合したサンプルの抵抗値は、アルミニウム単体の抵抗値よりも低くなっていることがわかる。本発明者らの知る限り、従来のアルミニウムと銅を接合する際に、その接合面（界面）の抵抗値は、アルミニウム単体の抵抗値より大きくなるのが一般的であり、このような低抵抗が得られたことは画期的である。
【００３２】
以上のように実施の形態に係るロータ３６では、アルミニウムと良導体部材の界面の酸化物層および空隙を除去することができ、界面の電気抵抗率を飛躍的に小さくすることが可能となる。これにより、誘導電動機の効率を改善できる。
【００３３】
バー導体６６に銅を利用したことにより、バー導体６６をアルミニウム鋳造で製造した場合よりも、ロータ３６の重量は増加する。しかしながら誘導電動機の多くの用途において、ロータ３６は頻繁に加減速されるものではなく、効率の低下は問題とならない。むしろ慣性が大きくなることによる利点の方が大きいとも言える。
【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】
母材としてアルミニウム、良導体部材として銅を使用する例について説明したが、上述の実施形態はこの組み合わせに限られず、母材よりも電気伝導率の高い良導体部材を使用するのであれば、任意の組み合わせに適用することができる。例えば、母材として銅、良導体部材として銀を使用してもよい。
【００３６】
エンドリング３７は、良導体部材７０がエンドリング３７を貫通した状態でアルミニウム鋳造により形成されてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０…誘導電動機、１２…回転軸、１４…フランジ、１６…軸受、１８…ファン、３０…フレーム、３２…ファンカバー、３４…ステータ、３６…ロータ、３６ａ…スロット、３７…エンドリング、３８…コイル、４０…放熱フィン、６０…コア、６２…スロット、６４…エンドリング、６６…バー導体、６８…コアプレート、７０…良導体部材、７２…円形穴、８０…型枠。
【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８】
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【図７】
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