かご形誘導電動機の回転子の製造方法
【課題】 大きさを変えることなく従来よりも高効率のかご形誘導電動機を製造できるようにする。
【解決手段】 ロータコアを構成する電磁鋼板の積厚方向が上下方向になるようにロータコアをキャビティ（Ｃ１、Ｃ２）内に収める。０．０５［ｍ／ｓｅｃ］以上０．２［ｍ／ｓｅｃ］以下の低速層流充填速度で液相の純アルミニウムを、キャビティ（Ｃ１、Ｃ２）の下方からキャビティ（Ｃ１、Ｃ２）内に供給する。キャビティ（Ｃ１、Ｃ２）内に収められているロータコア２００に接触しているときのアルミニウムの温度を、６３０［℃］以上６６０［℃］以下にする。
【解決手段】 ロータコアを構成する電磁鋼板の積厚方向が上下方向になるようにロータコアをキャビティ（Ｃ１、Ｃ２）内に収める。０．０５［ｍ／ｓｅｃ］以上０．２［ｍ／ｓｅｃ］以下の低速層流充填速度で液相の純アルミニウムを、キャビティ（Ｃ１、Ｃ２）の下方からキャビティ（Ｃ１、Ｃ２）内に供給する。キャビティ（Ｃ１、Ｃ２）内に収められているロータコア２００に接触しているときのアルミニウムの温度を、６３０［℃］以上６６０［℃］以下にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、かご形誘導電動機の回転子の製造方法に関し、特に、かご形誘導電動機の回転子を製造するために用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、かご形誘導電動機の回転子は、量産に適した所謂アルミダイカストで作製されるのが一般的である（特許文献１を参照）。このような回転子（ロータ）は、次のようにして作製される。まず、ロータコアを構成する複数の鋼板の積厚方向が水平方向を向くように、金型内（キャビティ内）にロータコアを配置する。金型の内部には、アルミニウムの流路が形成される。流路の一端側にはキャビティが位置し、他端側にはプランジャーピストンが位置する。この流路の所定の領域に、アルミニウムの溶湯が注がれる。このアルミニウムの溶湯に対してプランジャーピストンを押し付ける。そうすると、前記ロータコアのスロットに対し、アルミニウムの溶湯が、水平方向に高速で注入される。これにより、導体バーとエンドリング（短絡環）とが鉄心と一体に加圧鋳造される。このように溶湯を水平方向に注入する方式を横型の鋳造方式と称する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２８５８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、アルミダイカストでは、横型で溶湯を注入することに加えて、スロット内における溶湯速度が高速である。プランジャーピストンの移動速度は１．５［ｍ／ｓｅｃ］程度である。したがって、スロットの内部に空気が巻き込まれてしまう。これにより、空気による多数の空洞部が、導体バーの内部とエンドリング（短絡環）の内部に生じる。このため、回転子の二次抵抗が上昇してしまい、かご形誘導電動機の効率を向上させることができないという問題点があった。
また、かご型誘導電動機の効率を向上させる方法として、電動機のトルクを上げることにより、銅損を低減させることが考えられる。しかしながら、このようにすると、電動機の大きさが大きくなるという問題点があった。
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、大きさを変えることなく従来よりも高効率のかご形誘導電動機を製造できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のかご形誘導電動機の回転子の製造方法は、ロータコアの面方向の形状と同一の形状に加工された複数の鋼板を積層することにより、周方向に略等間隔で形成された複数のスロットを有するロータコアを形成するロータコア形成工程と、前記ロータコアを構成する複数の鋼板の積厚方向を上下方向にした状態で、前記スロットの下から上に向けて、固相と液相とが混合された固液共存状態の純アルミニウムを供給して、ロータのかご部の領域を充填する半凝固鋳造工程、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ロータコアのスロットの下から上に向けて、固相と液相とが混合された固液共存状態の純アルミニウムを層流状態で供給して、ロータのかご部の領域を充填する。したがって、ロータのかご部に生じる空洞部を従来よりも低減することができる。これにより、回転子の二次導体の電気抵抗を低下させることができる。よって、大きさを変えることなく従来よりも高効率のかご形誘導電動機を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】図１Ａは、電動機の概略構成の一例を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、電動機のモータ部の外観構成の一例を示す図である。
【図２】図２は、回転子のコア（ロータコア）の一例を示す図である。
【図３】図３は、固定子のコア（ステータコア）の一例を示す図である。
【図４】図４は、電動機の回転子の製造方法の一例を説明するフローチャートである。
【図５】図５は、ロータコアの縦断面の一例を示す図である。
【図６】図６は、成形装置の縦断面の一例を示す図である。
【図７】図７は、本実施例と比較例におけるアルミニウムの充填条件を示す図である。
【図８】図８は、本実施例と比較例の電動機の効率を示す図である。
【図９】図９は、実施例１と比較例の電動機の効率を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例１と比較例の電動機のトルク特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
図１Ａは、三相かご形誘導電動機の概略構成の一例を示す図である。尚、以下の説明では、「三相かご形誘導電動機」を必要に応じて「電動機」と略称する。また、説明の都合上、各図では、必要な部分のみを簡略化及び省略化して示している。
【０００９】
図１Ａにおいて、電動機１００は、モータ部１０１と、ブレーキ部１０２と、ギアヘッド部１０３とを有する。
モータ部１０１は、電動機としての回転動作を行う部分である。ブレーキ部１０２とギアヘッド部１０３は、モータ部１０１の回転の制動等を行う部分である。尚、電動機は、モータ部１０１を有していれば、必ずしも、ブレーキ部１０２とギアヘッド部１０３とを有していなくてもよい。
【００１０】
図１Ｂは、電動機のモータ部１０１の外観構成の一例を示す図である。具体的に図１は、電動機を、その回転軸に直角な方向から見た図である。
図１において、本実施形態の電動機１００のモータ部１０１は、回転子（ロータ）１１０と、固定子（ステータ）１２０と、回転軸（モータシャフト）１３０と、通しボルト１４０と、を有する。
【００１１】
図２は、回転子１１０のコアの一例を示す図である。
図２において、回転子１１０のコア２００は、２８個のスロット２０１〜２２８と、回転軸挿入孔２２９と、を有する。スロット２０１〜２２８は、クローズドスロットである。スロット２０１〜２２８は、回転子１１０のコア２００の外周部において、回転子１１０のコア２００の周方向に略等間隔で配置される。回転軸挿入孔２２９は、回転子１１０のコア２００の中央部に配置される。回転軸挿入孔２２９には、回転軸１３０が挿入される。
【００１２】
回転子１１０のコア２００は、回転子１１０のコア２００の面方向（図２の紙面に平行な方向）の形状と同一の形状になるように打ち抜かれた複数の電磁鋼板を、その厚み方向に積み重ねることにより構成される。ここで、各電磁鋼板には、絶縁処理が施されている。尚、本実施形態では、外径が４０［ｍｍ］以上１５０［ｍｍ］以下であり、且つ、スロットの数が１２以上４４以下の回転子１１０を想定している。また、以下の説明では、「回転子１１０のコア２００」を必要に応じて「ロータコア２００」と称する。
【００１３】
図３は、固定子１２０のコアの一例を示す図である。
図３において、固定子１２０のコア３００は、３６個のスロット３０１〜３３６と、４個のボルト通し孔３３７〜３４０と、４個の電流バランス調整孔３４１〜３４４と、を有する。
【００１４】
スロット３０１〜３３６は、オープンスロットである。スロット３０１〜３３６は、固定子１２０のコア３００の内周部において、固定子１２０のコア３００の周方向に略等間隔で配置される。
ボルト通し孔３３７〜３４０は、固定子１２０のコア３００の外周部において、固定子１２０のコア３００の周方向に略等間隔で配置される。
【００１５】
電流バランス調整孔３４１〜３４４は、固定子１２０のコア３００の外周部の位置であって、周方向で相互に隣接する２つのボルト通し孔（例えば、ボルト通し孔３３７、３３８）から略等距離の位置に配置される。前述したように、ボルト通し孔３３７〜３４０は、固定子１２０のコア３００の外周部において、固定子１２０のコア３００の周方向に略等間隔で配置される。よって、電流バランス調整孔３４１〜３４４も、固定子１２０のコア３００の外周部において、固定子１２０のコア３００の周方向に略等間隔で配置される。
固定子１２０のスロット３０１〜３３６には、コイルが配置される。また、以下の説明では、「固定子１２０のコア３００」を必要に応じて「ステータコア３００」と称する。
【００１６】
ステータコア３００は、ステータコア３００の面方向（図３の紙面に平行な方向）の形状と同一の形状になるように打ち抜かれた複数の電磁鋼板を、その厚み方向に積み重ねることにより構成される。ステータコア３００の中心部に形成されている中空部に回転子１１０が配置される。回転子１１０の軸心と固定子１２０の軸心は、共に回転軸１３０の軸心と略同一になる。
【００１７】
ボルト通し孔３３７〜３４０には、通しボルト１４０が挿入される。通しボルト１４０は、ギアヘッド部１０３を、モータ部１０１に取り付けるためのものである。本実施形態の電動機１００では、電動機１００の美観を損なわないように、通しボルト１４０が、電動機１００のケースの外部に露出しないようにしている。そのため、通しボルト１４０をステータコア３００に通すようにしている。このようにすると、通しボルト１４０の数と位置によっては、ボルト通し孔の存在によって、ステータコア３００における「各相のコイルからの磁束の分布」が均一でなくなる。そうすると、各相のコイルを流れる電流が同じでなくなる（アンバランスになる）。そこで、本実施形態では、ステータコア３００における「各相のコイルから発生する磁束の分布」がそれぞれ可及的に均一となるように、電流バランス調整孔３４１〜３４４を形成する。
【００１８】
具体的に、ステータコア３００の軸心上の一点（中央）と、ボルト通し孔３３７〜３４０及び電流バランス調整孔３４１〜３４４の中心とを相互に結ぶ直線のうち、周方向で相互に隣接する２つの直線のなす角度がそれぞれ略同じになる位置に、電流バランス調整孔３４１〜３４４を形成する。図３に示す例では、周方向で相互に隣接する２つのボルト通し孔（例えば、ボルト通し孔３３７、３３８）から、それらの間にある「ステータコア３００の外周面の平面状の領域（例えば、平面状の領域３５２）」の周方向における中央の部分までの距離は、略等距離になる。このように、ステータコア３００の外周部の位置であって、ステータコア３００の外周面の平面状の領域３５１〜３５４の周方向における中央に対応する位置に、電流バランス調整孔３４１〜３４４が１つずつ形成される。本実施形態では、以上のような位置にボルト通し孔３３７〜３４０と、電流バランス調整孔３４１〜３４４とを形成する。したがって、ステータコア３００の軸心上の一点（中央）と、ボルト通し孔３３７〜３４０及び電流バランス調整孔３４１〜３４４の中心とを相互に結ぶ直線のうち、周方向で相互に連接する２つの直線のなす角度は、４５［°］（＝３６０÷８）となる。
【００１９】
図４は、電動機１００の回転子１１０の製造方法の一例を説明するフローチャートである。
まず、ステップＳ１において、ロータコア形成処理が行われる。ロータコア形成処理は、ロータコア２００を形成する処理である。図５は、ロータコア２００の縦断面の一例を示す図である。具体的に図５は、図２のＩ−Ｉ方向から見た断面図である。ロータコア形成処理は公知の方法で実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
【００２０】
次に、ステップＳ２において、半凝固鋳造処理が行われる。以下に、本実施形態における半凝固鋳造処理について説明する。
図６は、成形装置の縦断面の一例を示す図である。成形装置は、例えば、株式会社木村工業製のＲＥＣ鋳造装置により実現できる。この成形装置の金型として、二次導体となる回転子１１０のかご部の形状に合うキャビティを形成する金型が用いられる。この成形装置（ＲＥＣ鋳造装置）の詳細については、例えば、特許第３９２１５１３号公報及び特許第４５２３４８３号公報に記載されている。本明細書では、特許第３９２１５１３号公報及び特許第４５２３４８３号公報に記載されている内容を取り入れて、成形装置を説明することができる。よって、ここでは、その詳細な説明を省略する。また、図６では、成形装置のうち、本実施形態の説明で必要な部分のみを簡略化及び省略化して示している。
【００２１】
図６において、成形装置は、上型ユニット６１と、下型ユニット６２と、押出加圧ロッド６３と、を含んでいる。
上型ユニット６１と、下型ユニット６２とが合わさったときに形成されるキャビティＣ１、Ｃ２の中に、ロータコア２００が収められる。具体的に説明すると、ロータコア２００を構成する電磁鋼板の積厚方向を上下方向（図６のＹ１方向及びＹ２方向）にした状態で、２つのロータコア２００がキャビティＣ１、Ｃ２の中に個別に収められる。このように図６に示す成形装置は、２つの回転子１１０を一度に製造することができる。
【００２２】
また、キャビティＣ１、Ｃ２側が一端側となり、押出加圧ロッド６３側が他端側となる流路が、上型ユニット６１及び下型ユニット６２の内部に形成される。この流路の押出加圧ロッド６３側の所定の領域に、純度が９９．００［％］（好ましくは９９．６［％］）以上の液相のアルミニウム（所謂純アルミニウム）が供給される。
【００２３】
キャビティＣ１、Ｃ２内にロータコア２００が収められた状態になり、且つ、流路の押出加圧ロッド６３側の所定の領域に液相の純アルミニウムが供給された状態になった後、上型ユニット６１と下型ユニット６２とが下方（図６のＹ１方向）に一体となって移動する。このとき、押出加圧ロッド６３は移動しない。そうすると、押出加圧ロッド６３は、上型ユニット６１及び下型ユニット６２に対して相対的に上方向（図２のＹ２方向）に移動する。これにより、流路の押出加圧ロッド６３側の所定の領域に供給された液相の純アルミニウムが、キャビティＣ１、Ｃ２の下方から、キャビティＣ１、Ｃ２の方向に移動する（図６の符号６３の上に示されている２つの矢印線を参照）。
【００２４】
本実施形態では、キャビティＣ１、Ｃ２に進入するときの液相の純アルミニウムの速度である充填速度が、０．０５［ｍ／ｓｅｃ］以上０．２［ｍ／ｓｅｃ］以下の速度となるように、上型ユニット６１及び下型ユニット６２の下方への移動速度が設定される。充填速度を０．０５［ｍ／ｓｅｃ］以上０．２［ｍ／ｓｅｃ］以下の範囲にする理由は次の通りである。充填速度が０．０５［ｍ／ｓｅｃ］を下回ると、温度の低下によりアルミニウムが凝固してしまい、アルミニウムの充填ができなくなる虞がある。一方、充填速度が０．２［ｍ／ｓｅｃ］を上回ると、アルミニウムの移動によって乱流が発生し、アルミニウムへの空気の巻き込みが多くなる（すなわち充填密度が下がる）虞がある。このような範囲で規定される充填速度は、従来のアルミダイカストにおけるプランジャーピストン（押出加圧ロッド６３）の移動速度よりも１ケタ程度遅い。
【００２５】
以上のように、液相の純アルミニウムを低速度でキャビティＣ１、Ｃ２に進入させることで、液相の純アルミニウムの流れを可及的に層流に近づけることができる。以下の説明では、「キャビティＣ１、Ｃ２に進入するときの液相の純アルミニウムの速度である充填速度」を必要に応じて「低速層流充填速度」と称する。
【００２６】
また、本実施形態では、充填時（ロータコア２００に接触しているとき）のアルミニウムの温度を、６３０［℃］以上６６０［℃］以下、好ましくは、６３０［℃］以上６５０［℃］以下にする。アルミニウムにおいては、６３０［℃］以上６５０［℃］以下の温度範囲は、固相と液相とが混合した固液共存（半凝固）状態（所謂シャーベット状）として良好な状態となる温度範囲だからである。ただし、アルミニウムの融点・凝固点は、６６１［℃］であるので、この融点・凝固点よりも低い温度（６６０［℃］）を前記温度範囲の上限値としてもよい。すなわち、キャビティＣ１、Ｃ２内において固液共存状態でアルミニウムを充填するようにしていればよい。尚、このような温度範囲を実現するためには、例えば、前述した、キャビティＣ１、Ｃ２に供給する液相の純アルミニウムの温度と、低速層流充填速度との少なくとも何れか一方を調整すればよい。
【００２７】
以上のように、本実施形態では、アルミダイカストにより液相のアルミニウムを充填する場合よりも、ゆっくりと且つ強い力で固液共存状態の純アルミニウムを、ロータコア２００のスロット２０１〜２２８の下方から上方に向けて移動させる（図５のスロット２０８、２２２の下部に示している上向きの矢印線を参照）。そうすると、スロット２０１〜２２８内を含む「回転子１１０のかご部」の領域が充填される。尚、キャビティＣ１、Ｃ２内においては、回転軸挿入孔２２９の領域は、純アルミニウムが充填されないように、塞がれている。
【００２８】
以上のようにして、固液共存状態のアルミニウムのキャビティＣ１、Ｃ２内への供給が終了すると、型締めが行われる。そして、上型ユニット６１及び下型ユニット６２を型締めした状態で、押出加圧ロッド６３を上方（図６のＹ２方向）に移動させる。本実施形態では、固液共存状態のアルミニウムがキャビティＣ１、Ｃ２内に充填されたと見なせる所定の条件を満たしたときに、上型ユニット６１及び下型ユニット６２を型締めした状態で、押出加圧ロッド６３を上方に移動させる。例えば、上型ユニット６１及び下型ユニット６２が所定の最下端の位置まで移動したときに前記所定の条件を満たすとすることができる。
【００２９】
このように、押出加圧ロッド６３を上方（図６のＹ２方向）に移動させることにより、キャビティＣ１、Ｃ２内の圧力を現在値よりも上げる。これにより、固定子１１０の上部の領域のうち、充填が不完全となっている領域の充填を確実に行って、アルミニウムを固めることができる。本実施形態では、面圧（例えば、押出加圧ロッド６３の「液相のアルミニウムと接触している面」における面圧）が３００［ＭＰａ］以下となるように、キャビティＣ１、Ｃ２内の圧力を上げる。面圧が３００［ＭＰａ］を超えると、上型ユニット６１及び下型ユニット６２が開いてしまうことにより、上型ユニット６１及び下型ユニット６２の間から純アルミニウムが漏れてしまう虞があるからである。一方、面圧の下限値は、固定子１１０の大きさ・形状等により適宜決定されるものである。ただし、面圧の下限値は、押出加圧ロッド６３を上方に移動させることができる値である必要がある。例えば、面圧の下限値を２００［ＭＰａ］にすることができる。面圧を２００［ＭＰａ］にすれば、固定子１１０の上部の領域のうち、充填が不完全となっている領域の充填を可及的に確実に行うことができるからである。
【００３０】
ここで、上型ユニット６１及び下型ユニット６２の型締め力が、３００［ＭＰａ］に調整されており、且つ、押出加圧ロッド６３の押出面の形状が、直径８０［ｍｍ］の円であるとする。このような構成の成形装置において、３００［ＭＰａ］の面圧にすることは、１５０［ｔｏｎ］の加圧推力で押出加圧ロッド６３を下方から上方の方向に移動させることと等価になる。このように、加圧推力を調整することにより、面圧を調整することができる。上型ユニット６１及び下型ユニット６２の型締め力が、３００［ＭＰａ］に調整されており、且つ、押出加圧ロッド６３の押出面の形状が、直径８０［ｍｍ］の円である場合、例えば、加圧推力を、１００［ｔｏｎ］以上１５０［ｔｏｎ］以下の範囲で調整することができる。
【００３１】
本実施形態では、以上のように、所謂縦型（下から上に向けて充填材を充填し、高い圧力をかけて充填材を固める方式）の鋳造を行うに際し、次の（１）及び（２）のようにした。
（１）従来のアルミダイカストよりも充填速度と充填温度を低くする。
（２）半凝固状態のアルミニウムを用いる。
これにより、充填中にアルミニウムに混ざる空気の量を従来よりも低減させた導体バーを、その両端に配置されるエンドリングと一体で形成することができる。
【００３２】
以上のようにして半凝固鋳造処理が終了すると、図４のステップＳ３において、モータシャフト圧入処理が行われる。モータシャフト圧入処理は、ステップＳ２の半凝固処理で形成された回転子１１０に回転軸１３０を取り付ける処理である。モータシャフト圧入処理は公知の技術で実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
次に、ステップＳ４において、ランナー部切削処理が行われる。ランナー部切削処理は、ステップＳ２の半凝固処理で注入されたアルミニウムの端部を切断して、アルミニウムの供給側と回転子１１０側とを切り離す処理である。ランナー部切削処理も公知の技術で実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
最後に、ステップＳ５において、ベアリング圧入処理が行われる。ベアリング圧入処理は、回転子１１０に対してベアリングを取り付ける処理である。ベアリング圧入処理も公知の技術で実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
【００３３】
前述したように、ステータコア３００を構成する電磁鋼板には、電流バランス調整孔３４１〜３４４が形成される。このような電磁鋼板を用意すれば、固定子１２０の製造方法自体は公知の技術で実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
【００３４】
（実施例）
次に、本発明の実施例を説明する。
以下の仕様の電動機を作製した。
定格：２００［Ｖ］、５０［Ｈｚ］、０．７５［ｋＷ］
固定子の外径（直径）：１３５［ｍｍ］
固定子の積厚（高さ）：６５［ｍｍ］
固定子のスロットの数：３６
固定子の巻線の巻数：３９［回］
固定子の巻線の線径（直径）：０．６５［ｍｍ］
回転子の外径（直径）：８１．５［ｍｍ］
回転子の積厚（高さ）：６５［ｍｍ］
回転子の極数：４
回転子のスロットの数：２８
【００３５】
以上の仕様（本実施例と同一の仕様）において、回転子の導体バー及びエンドリングをアルミダイカストで形成したものを比較例として作製した。また、回転子の導体バー及びエンドリングを前述した本実施形態の手法で形成したものを実施例１〜３として作製した。
図７は、本実施例と比較例におけるアルミニウムの充填条件を示す図である。ここで、充填に際し、実施例でも比較例でも同一の純アルミニウムを使用した。
実施例１〜３は、ステップＳ２の半凝固鋳造処理における低速層流充填速度が異なる。実施例１では、低速層流充填速度を０．０６［ｍ／ｓｅｃ］とし、実施例２では、低速層流充填速度を０．０７［ｍ／ｓｅｃ］とし、実施例３では、低速層流充填速度を０．１５［ｍ／ｓｅｃ］とした。実施例１〜３におけるその他の製造条件は同じである。一方、比較例では、プランジャーピストンの移動速度を１．５［ｍ／ｓｅｃ］とした。
【００３６】
また、本実施例における加圧推力は、半凝固状態の純アルミニウムが充填された状態のキャビティＣ１、Ｃ２内の圧力を上げるときにキャビティＣ１、Ｃ２内にかかる圧力である。一方、比較例における加圧推力は、１．５［ｍ／ｓｅｃ］の速度でプランジャーピストンを移動させているときにキャビティ内にかかる圧力である。
また、充填時のアルミニウムの温度は、何れも、ロータコア２００に接触しているときのアルミニウムの温度である。
【００３７】
図８は、実施例１と比較例の電動機の効率を示す図である。
図８に示すように、ステップＳ２の半凝固鋳造処理を行って回転子を作製すると、アルミダイカストで回転子を作製した場合よりも、電動機の効率を約１．５［％］も向上させることができることが分かる。すなわち、回転子の仕様と、回転子を作製するために使用する材料とが同じであるのにも関わらず、比較例よりの実施例１の方が、電動機の効率を約１．５［％］も向上させることができることが分かる。
【００３８】
図９は、実施例１〜３と比較例の電動機の効率を示す図である。ここでは、実施例１〜３の電動機と比較例の電動機を、それぞれ６個ずつ作製した。そして、それぞれの電動機の効率を測定した。
図９に示すように、ステップＳ２の半凝固鋳造処理を行って回転子を作製すると、アルミダイカストで回転子を作製した場合よりも、電動機の効率のバラつきを抑制できることが分かる。
【００３９】
図１０は、実施例１と比較例の電動機のトルク特性を示す図である。
図１０に示すように、実施例１の電動機のトルク特性１００１と、比較例の電動機のトルク特性１００２は、概ね同じである。したがって、電動機の大きさを大きくしなくても、高効率の電動機を作製できることが分かる。よって、電動機の顧客から見れば、既存の電動機を本実施形態の電動機に置き換えることにより、電動機で駆動する装置側の設計を大きく変更しなくても、高効率の電動機を得ることができる。例えば、電動機をギア付きのものとする場合、ギアヘッド部の大きさが変わると、当該電動機で駆動する装置の設計を大きく見直さなくてはならない。これに対し、本実施形態の電動機では、このような設計の見直しの負担を軽減させることができる。
【００４０】
実施例１〜３の電動機と比較例の電動機のかご部における結晶粒度を光学顕微鏡で調べた。その結果、実施例１〜３の電動機のかご部における結晶粒度は３０［μｍ］以下であった。これに対し、比較例の電動機のかご部における結晶粒度は６０［μｍ］以下であった。また、実施例１〜３の電動機と比較例の電動機のかご部における平均ガス含有量を、真空溶融抽出法で調べた。その結果、実施例１の電動機のかご部における平均ガス含有量は１［cc/100ｇ・Al］以下であった。これに対し、比較例の電動機のかご部における平均ガス含有量は１０［cc/100ｇ・Al］〜２０［cc/100ｇ・Al］であった。また、比較例の電動機のかご部では肉眼で見える空洞部の存在が確認された。一方、実施例１〜３の電動機のかご部では肉眼で見える空洞部の存在は確認されなかった。このように、実施例１〜３の電動機のかご部は、比較例の電動機のかご部に比べ、空洞部が少なく均質であることが分かった。
【００４１】
以上のように本実施形態では、ロータコア２００を構成する電磁鋼板の積厚方向が上下方向になるようにロータコア２００をキャビティＣ１、Ｃ２内に収める。０．０５［ｍ／ｓｅｃ］以上０．２［ｍ／ｓｅｃ］以下の低速層流充填速度で液相の純アルミニウムを、キャビティＣ１、Ｃ２の下方からキャビティＣ１、Ｃ２内に供給する。キャビティＣ１、Ｃ２内に収められているロータコア２００に接触しているときのアルミニウムの温度を、６３０［℃］以上６６０［℃］以下、好ましくは６３０［℃］以上６５０［℃］以下にする。したがって、固液共存状態（半凝固状態）の純アルミニウムを、ロータコア２００のスロット２０１〜２２８の下から上に向けて移動させて、回転子１１０のかご部（導体バー及びエンドリング）の領域を充填することができる。よって、回転子１１０のかご部に生じる空洞部を、従来のアルミダイカストにより作製される回転子１１０に比べて大幅に低減させることができる。これにより、ロータコア２００の径方向の大きさを変えることなく、回転子１１０の二次導体の電気抵抗を低下させることができると共に、回転子１１０の品質のバラつきを抑制することができる。また、従来のアルミダイカストのものとトルク特性を略同じにすることができる。よって、本実施形態の電動機１００では、従来のアルミダイカストで作製した電動機におけるギアヘッド部と同じギアヘッド部を使用することができる。
【００４２】
また、本実施形態では、固液共存状態のアルミニウムがキャビティＣ１、Ｃ２内に充填されたと見なせる所定の条件が満足したときに、面圧が３００［ＭＰａ］以下となるように、キャビティＣ１、Ｃ２内の圧力を上げる。よって、固定子１１０の上部の領域の充填を確実に行うことができる。
【００４３】
尚、本実施形態では、三相かご形誘導電動機を例に挙げて説明したが、単相かご形誘導電動機であってもよい。また、かご形誘導電動機であれば、どのようなものであってもよく、例えばサーボモータであってもよい。この他、本実施形態では、ギア（減速機）と電動機とが一体で形成される減速機一体型電動機を例に挙げて説明したが、電動機単体であってもよいということは勿論である。
【００４４】
また、本実施形態では、回転子１１０のスロットの数が２４であり、固定子１２０のスロットの数が３６である場合を例に挙げて説明したが、スロットの数は、これらに限定されるものではない。また、電動機の容量は特に限定されるものではない。例えば、０．７５［ｋＷ］〜２．２［ｋＷ］の容量の電動機に本実施形態の構成を採用することができる。勿論、これらよりも大きい容量又は小さい容量の電動機に本実施形態の構成を採用してもよい。
【００４５】
尚、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、各種のモータ駆動を行う電気機器に利用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１００ 電動機
１１０ 回転子
１２０ 固定子
１３０ 回転軸
１４０ 通しボルト
２００ 回転子のコア（ロータコア）
２０１〜２２８ スロット
２２９ 回転軸挿入孔
３００ 固定子のコア（ステータコア）
３０１〜３３６ スロット
３３７〜３４０ ボルト通し孔
３４１〜３４４ 電流バランス調節孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、かご形誘導電動機の回転子の製造方法に関し、特に、かご形誘導電動機の回転子を製造するために用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、かご形誘導電動機の回転子は、量産に適した所謂アルミダイカストで作製されるのが一般的である（特許文献１を参照）。このような回転子（ロータ）は、次のようにして作製される。まず、ロータコアを構成する複数の鋼板の積厚方向が水平方向を向くように、金型内（キャビティ内）にロータコアを配置する。金型の内部には、アルミニウムの流路が形成される。流路の一端側にはキャビティが位置し、他端側にはプランジャーピストンが位置する。この流路の所定の領域に、アルミニウムの溶湯が注がれる。このアルミニウムの溶湯に対してプランジャーピストンを押し付ける。そうすると、前記ロータコアのスロットに対し、アルミニウムの溶湯が、水平方向に高速で注入される。これにより、導体バーとエンドリング（短絡環）とが鉄心と一体に加圧鋳造される。このように溶湯を水平方向に注入する方式を横型の鋳造方式と称する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２８５８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、アルミダイカストでは、横型で溶湯を注入することに加えて、スロット内における溶湯速度が高速である。プランジャーピストンの移動速度は１．５［ｍ／ｓｅｃ］程度である。したがって、スロットの内部に空気が巻き込まれてしまう。これにより、空気による多数の空洞部が、導体バーの内部とエンドリング（短絡環）の内部に生じる。このため、回転子の二次抵抗が上昇してしまい、かご形誘導電動機の効率を向上させることができないという問題点があった。
また、かご型誘導電動機の効率を向上させる方法として、電動機のトルクを上げることにより、銅損を低減させることが考えられる。しかしながら、このようにすると、電動機の大きさが大きくなるという問題点があった。
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、大きさを変えることなく従来よりも高効率のかご形誘導電動機を製造できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のかご形誘導電動機の回転子の製造方法は、ロータコアの面方向の形状と同一の形状に加工された複数の鋼板を積層することにより、周方向に略等間隔で形成された複数のスロットを有するロータコアを形成するロータコア形成工程と、前記ロータコアを構成する複数の鋼板の積厚方向を上下方向にした状態で、前記スロットの下から上に向けて、固相と液相とが混合された固液共存状態の純アルミニウムを供給して、ロータのかご部の領域を充填する半凝固鋳造工程、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ロータコアのスロットの下から上に向けて、固相と液相とが混合された固液共存状態の純アルミニウムを層流状態で供給して、ロータのかご部の領域を充填する。したがって、ロータのかご部に生じる空洞部を従来よりも低減することができる。これにより、回転子の二次導体の電気抵抗を低下させることができる。よって、大きさを変えることなく従来よりも高効率のかご形誘導電動機を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】図１Ａは、電動機の概略構成の一例を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、電動機のモータ部の外観構成の一例を示す図である。
【図２】図２は、回転子のコア（ロータコア）の一例を示す図である。
【図３】図３は、固定子のコア（ステータコア）の一例を示す図である。
【図４】図４は、電動機の回転子の製造方法の一例を説明するフローチャートである。
【図５】図５は、ロータコアの縦断面の一例を示す図である。
【図６】図６は、成形装置の縦断面の一例を示す図である。
【図７】図７は、本実施例と比較例におけるアルミニウムの充填条件を示す図である。
【図８】図８は、本実施例と比較例の電動機の効率を示す図である。
【図９】図９は、実施例１と比較例の電動機の効率を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例１と比較例の電動機のトルク特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
図１Ａは、三相かご形誘導電動機の概略構成の一例を示す図である。尚、以下の説明では、「三相かご形誘導電動機」を必要に応じて「電動機」と略称する。また、説明の都合上、各図では、必要な部分のみを簡略化及び省略化して示している。
【０００９】
図１Ａにおいて、電動機１００は、モータ部１０１と、ブレーキ部１０２と、ギアヘッド部１０３とを有する。
モータ部１０１は、電動機としての回転動作を行う部分である。ブレーキ部１０２とギアヘッド部１０３は、モータ部１０１の回転の制動等を行う部分である。尚、電動機は、モータ部１０１を有していれば、必ずしも、ブレーキ部１０２とギアヘッド部１０３とを有していなくてもよい。
【００１０】
図１Ｂは、電動機のモータ部１０１の外観構成の一例を示す図である。具体的に図１は、電動機を、その回転軸に直角な方向から見た図である。
図１において、本実施形態の電動機１００のモータ部１０１は、回転子（ロータ）１１０と、固定子（ステータ）１２０と、回転軸（モータシャフト）１３０と、通しボルト１４０と、を有する。
【００１１】
図２は、回転子１１０のコアの一例を示す図である。
図２において、回転子１１０のコア２００は、２８個のスロット２０１〜２２８と、回転軸挿入孔２２９と、を有する。スロット２０１〜２２８は、クローズドスロットである。スロット２０１〜２２８は、回転子１１０のコア２００の外周部において、回転子１１０のコア２００の周方向に略等間隔で配置される。回転軸挿入孔２２９は、回転子１１０のコア２００の中央部に配置される。回転軸挿入孔２２９には、回転軸１３０が挿入される。
【００１２】
回転子１１０のコア２００は、回転子１１０のコア２００の面方向（図２の紙面に平行な方向）の形状と同一の形状になるように打ち抜かれた複数の電磁鋼板を、その厚み方向に積み重ねることにより構成される。ここで、各電磁鋼板には、絶縁処理が施されている。尚、本実施形態では、外径が４０［ｍｍ］以上１５０［ｍｍ］以下であり、且つ、スロットの数が１２以上４４以下の回転子１１０を想定している。また、以下の説明では、「回転子１１０のコア２００」を必要に応じて「ロータコア２００」と称する。
【００１３】
図３は、固定子１２０のコアの一例を示す図である。
図３において、固定子１２０のコア３００は、３６個のスロット３０１〜３３６と、４個のボルト通し孔３３７〜３４０と、４個の電流バランス調整孔３４１〜３４４と、を有する。
【００１４】
スロット３０１〜３３６は、オープンスロットである。スロット３０１〜３３６は、固定子１２０のコア３００の内周部において、固定子１２０のコア３００の周方向に略等間隔で配置される。
ボルト通し孔３３７〜３４０は、固定子１２０のコア３００の外周部において、固定子１２０のコア３００の周方向に略等間隔で配置される。
【００１５】
電流バランス調整孔３４１〜３４４は、固定子１２０のコア３００の外周部の位置であって、周方向で相互に隣接する２つのボルト通し孔（例えば、ボルト通し孔３３７、３３８）から略等距離の位置に配置される。前述したように、ボルト通し孔３３７〜３４０は、固定子１２０のコア３００の外周部において、固定子１２０のコア３００の周方向に略等間隔で配置される。よって、電流バランス調整孔３４１〜３４４も、固定子１２０のコア３００の外周部において、固定子１２０のコア３００の周方向に略等間隔で配置される。
固定子１２０のスロット３０１〜３３６には、コイルが配置される。また、以下の説明では、「固定子１２０のコア３００」を必要に応じて「ステータコア３００」と称する。
【００１６】
ステータコア３００は、ステータコア３００の面方向（図３の紙面に平行な方向）の形状と同一の形状になるように打ち抜かれた複数の電磁鋼板を、その厚み方向に積み重ねることにより構成される。ステータコア３００の中心部に形成されている中空部に回転子１１０が配置される。回転子１１０の軸心と固定子１２０の軸心は、共に回転軸１３０の軸心と略同一になる。
【００１７】
ボルト通し孔３３７〜３４０には、通しボルト１４０が挿入される。通しボルト１４０は、ギアヘッド部１０３を、モータ部１０１に取り付けるためのものである。本実施形態の電動機１００では、電動機１００の美観を損なわないように、通しボルト１４０が、電動機１００のケースの外部に露出しないようにしている。そのため、通しボルト１４０をステータコア３００に通すようにしている。このようにすると、通しボルト１４０の数と位置によっては、ボルト通し孔の存在によって、ステータコア３００における「各相のコイルからの磁束の分布」が均一でなくなる。そうすると、各相のコイルを流れる電流が同じでなくなる（アンバランスになる）。そこで、本実施形態では、ステータコア３００における「各相のコイルから発生する磁束の分布」がそれぞれ可及的に均一となるように、電流バランス調整孔３４１〜３４４を形成する。
【００１８】
具体的に、ステータコア３００の軸心上の一点（中央）と、ボルト通し孔３３７〜３４０及び電流バランス調整孔３４１〜３４４の中心とを相互に結ぶ直線のうち、周方向で相互に隣接する２つの直線のなす角度がそれぞれ略同じになる位置に、電流バランス調整孔３４１〜３４４を形成する。図３に示す例では、周方向で相互に隣接する２つのボルト通し孔（例えば、ボルト通し孔３３７、３３８）から、それらの間にある「ステータコア３００の外周面の平面状の領域（例えば、平面状の領域３５２）」の周方向における中央の部分までの距離は、略等距離になる。このように、ステータコア３００の外周部の位置であって、ステータコア３００の外周面の平面状の領域３５１〜３５４の周方向における中央に対応する位置に、電流バランス調整孔３４１〜３４４が１つずつ形成される。本実施形態では、以上のような位置にボルト通し孔３３７〜３４０と、電流バランス調整孔３４１〜３４４とを形成する。したがって、ステータコア３００の軸心上の一点（中央）と、ボルト通し孔３３７〜３４０及び電流バランス調整孔３４１〜３４４の中心とを相互に結ぶ直線のうち、周方向で相互に連接する２つの直線のなす角度は、４５［°］（＝３６０÷８）となる。
【００１９】
図４は、電動機１００の回転子１１０の製造方法の一例を説明するフローチャートである。
まず、ステップＳ１において、ロータコア形成処理が行われる。ロータコア形成処理は、ロータコア２００を形成する処理である。図５は、ロータコア２００の縦断面の一例を示す図である。具体的に図５は、図２のＩ−Ｉ方向から見た断面図である。ロータコア形成処理は公知の方法で実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
【００２０】
次に、ステップＳ２において、半凝固鋳造処理が行われる。以下に、本実施形態における半凝固鋳造処理について説明する。
図６は、成形装置の縦断面の一例を示す図である。成形装置は、例えば、株式会社木村工業製のＲＥＣ鋳造装置により実現できる。この成形装置の金型として、二次導体となる回転子１１０のかご部の形状に合うキャビティを形成する金型が用いられる。この成形装置（ＲＥＣ鋳造装置）の詳細については、例えば、特許第３９２１５１３号公報及び特許第４５２３４８３号公報に記載されている。本明細書では、特許第３９２１５１３号公報及び特許第４５２３４８３号公報に記載されている内容を取り入れて、成形装置を説明することができる。よって、ここでは、その詳細な説明を省略する。また、図６では、成形装置のうち、本実施形態の説明で必要な部分のみを簡略化及び省略化して示している。
【００２１】
図６において、成形装置は、上型ユニット６１と、下型ユニット６２と、押出加圧ロッド６３と、を含んでいる。
上型ユニット６１と、下型ユニット６２とが合わさったときに形成されるキャビティＣ１、Ｃ２の中に、ロータコア２００が収められる。具体的に説明すると、ロータコア２００を構成する電磁鋼板の積厚方向を上下方向（図６のＹ１方向及びＹ２方向）にした状態で、２つのロータコア２００がキャビティＣ１、Ｃ２の中に個別に収められる。このように図６に示す成形装置は、２つの回転子１１０を一度に製造することができる。
【００２２】
また、キャビティＣ１、Ｃ２側が一端側となり、押出加圧ロッド６３側が他端側となる流路が、上型ユニット６１及び下型ユニット６２の内部に形成される。この流路の押出加圧ロッド６３側の所定の領域に、純度が９９．００［％］（好ましくは９９．６［％］）以上の液相のアルミニウム（所謂純アルミニウム）が供給される。
【００２３】
キャビティＣ１、Ｃ２内にロータコア２００が収められた状態になり、且つ、流路の押出加圧ロッド６３側の所定の領域に液相の純アルミニウムが供給された状態になった後、上型ユニット６１と下型ユニット６２とが下方（図６のＹ１方向）に一体となって移動する。このとき、押出加圧ロッド６３は移動しない。そうすると、押出加圧ロッド６３は、上型ユニット６１及び下型ユニット６２に対して相対的に上方向（図２のＹ２方向）に移動する。これにより、流路の押出加圧ロッド６３側の所定の領域に供給された液相の純アルミニウムが、キャビティＣ１、Ｃ２の下方から、キャビティＣ１、Ｃ２の方向に移動する（図６の符号６３の上に示されている２つの矢印線を参照）。
【００２４】
本実施形態では、キャビティＣ１、Ｃ２に進入するときの液相の純アルミニウムの速度である充填速度が、０．０５［ｍ／ｓｅｃ］以上０．２［ｍ／ｓｅｃ］以下の速度となるように、上型ユニット６１及び下型ユニット６２の下方への移動速度が設定される。充填速度を０．０５［ｍ／ｓｅｃ］以上０．２［ｍ／ｓｅｃ］以下の範囲にする理由は次の通りである。充填速度が０．０５［ｍ／ｓｅｃ］を下回ると、温度の低下によりアルミニウムが凝固してしまい、アルミニウムの充填ができなくなる虞がある。一方、充填速度が０．２［ｍ／ｓｅｃ］を上回ると、アルミニウムの移動によって乱流が発生し、アルミニウムへの空気の巻き込みが多くなる（すなわち充填密度が下がる）虞がある。このような範囲で規定される充填速度は、従来のアルミダイカストにおけるプランジャーピストン（押出加圧ロッド６３）の移動速度よりも１ケタ程度遅い。
【００２５】
以上のように、液相の純アルミニウムを低速度でキャビティＣ１、Ｃ２に進入させることで、液相の純アルミニウムの流れを可及的に層流に近づけることができる。以下の説明では、「キャビティＣ１、Ｃ２に進入するときの液相の純アルミニウムの速度である充填速度」を必要に応じて「低速層流充填速度」と称する。
【００２６】
また、本実施形態では、充填時（ロータコア２００に接触しているとき）のアルミニウムの温度を、６３０［℃］以上６６０［℃］以下、好ましくは、６３０［℃］以上６５０［℃］以下にする。アルミニウムにおいては、６３０［℃］以上６５０［℃］以下の温度範囲は、固相と液相とが混合した固液共存（半凝固）状態（所謂シャーベット状）として良好な状態となる温度範囲だからである。ただし、アルミニウムの融点・凝固点は、６６１［℃］であるので、この融点・凝固点よりも低い温度（６６０［℃］）を前記温度範囲の上限値としてもよい。すなわち、キャビティＣ１、Ｃ２内において固液共存状態でアルミニウムを充填するようにしていればよい。尚、このような温度範囲を実現するためには、例えば、前述した、キャビティＣ１、Ｃ２に供給する液相の純アルミニウムの温度と、低速層流充填速度との少なくとも何れか一方を調整すればよい。
【００２７】
以上のように、本実施形態では、アルミダイカストにより液相のアルミニウムを充填する場合よりも、ゆっくりと且つ強い力で固液共存状態の純アルミニウムを、ロータコア２００のスロット２０１〜２２８の下方から上方に向けて移動させる（図５のスロット２０８、２２２の下部に示している上向きの矢印線を参照）。そうすると、スロット２０１〜２２８内を含む「回転子１１０のかご部」の領域が充填される。尚、キャビティＣ１、Ｃ２内においては、回転軸挿入孔２２９の領域は、純アルミニウムが充填されないように、塞がれている。
【００２８】
以上のようにして、固液共存状態のアルミニウムのキャビティＣ１、Ｃ２内への供給が終了すると、型締めが行われる。そして、上型ユニット６１及び下型ユニット６２を型締めした状態で、押出加圧ロッド６３を上方（図６のＹ２方向）に移動させる。本実施形態では、固液共存状態のアルミニウムがキャビティＣ１、Ｃ２内に充填されたと見なせる所定の条件を満たしたときに、上型ユニット６１及び下型ユニット６２を型締めした状態で、押出加圧ロッド６３を上方に移動させる。例えば、上型ユニット６１及び下型ユニット６２が所定の最下端の位置まで移動したときに前記所定の条件を満たすとすることができる。
【００２９】
このように、押出加圧ロッド６３を上方（図６のＹ２方向）に移動させることにより、キャビティＣ１、Ｃ２内の圧力を現在値よりも上げる。これにより、固定子１１０の上部の領域のうち、充填が不完全となっている領域の充填を確実に行って、アルミニウムを固めることができる。本実施形態では、面圧（例えば、押出加圧ロッド６３の「液相のアルミニウムと接触している面」における面圧）が３００［ＭＰａ］以下となるように、キャビティＣ１、Ｃ２内の圧力を上げる。面圧が３００［ＭＰａ］を超えると、上型ユニット６１及び下型ユニット６２が開いてしまうことにより、上型ユニット６１及び下型ユニット６２の間から純アルミニウムが漏れてしまう虞があるからである。一方、面圧の下限値は、固定子１１０の大きさ・形状等により適宜決定されるものである。ただし、面圧の下限値は、押出加圧ロッド６３を上方に移動させることができる値である必要がある。例えば、面圧の下限値を２００［ＭＰａ］にすることができる。面圧を２００［ＭＰａ］にすれば、固定子１１０の上部の領域のうち、充填が不完全となっている領域の充填を可及的に確実に行うことができるからである。
【００３０】
ここで、上型ユニット６１及び下型ユニット６２の型締め力が、３００［ＭＰａ］に調整されており、且つ、押出加圧ロッド６３の押出面の形状が、直径８０［ｍｍ］の円であるとする。このような構成の成形装置において、３００［ＭＰａ］の面圧にすることは、１５０［ｔｏｎ］の加圧推力で押出加圧ロッド６３を下方から上方の方向に移動させることと等価になる。このように、加圧推力を調整することにより、面圧を調整することができる。上型ユニット６１及び下型ユニット６２の型締め力が、３００［ＭＰａ］に調整されており、且つ、押出加圧ロッド６３の押出面の形状が、直径８０［ｍｍ］の円である場合、例えば、加圧推力を、１００［ｔｏｎ］以上１５０［ｔｏｎ］以下の範囲で調整することができる。
【００３１】
本実施形態では、以上のように、所謂縦型（下から上に向けて充填材を充填し、高い圧力をかけて充填材を固める方式）の鋳造を行うに際し、次の（１）及び（２）のようにした。
（１）従来のアルミダイカストよりも充填速度と充填温度を低くする。
（２）半凝固状態のアルミニウムを用いる。
これにより、充填中にアルミニウムに混ざる空気の量を従来よりも低減させた導体バーを、その両端に配置されるエンドリングと一体で形成することができる。
【００３２】
以上のようにして半凝固鋳造処理が終了すると、図４のステップＳ３において、モータシャフト圧入処理が行われる。モータシャフト圧入処理は、ステップＳ２の半凝固処理で形成された回転子１１０に回転軸１３０を取り付ける処理である。モータシャフト圧入処理は公知の技術で実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
次に、ステップＳ４において、ランナー部切削処理が行われる。ランナー部切削処理は、ステップＳ２の半凝固処理で注入されたアルミニウムの端部を切断して、アルミニウムの供給側と回転子１１０側とを切り離す処理である。ランナー部切削処理も公知の技術で実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
最後に、ステップＳ５において、ベアリング圧入処理が行われる。ベアリング圧入処理は、回転子１１０に対してベアリングを取り付ける処理である。ベアリング圧入処理も公知の技術で実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
【００３３】
前述したように、ステータコア３００を構成する電磁鋼板には、電流バランス調整孔３４１〜３４４が形成される。このような電磁鋼板を用意すれば、固定子１２０の製造方法自体は公知の技術で実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
【００３４】
（実施例）
次に、本発明の実施例を説明する。
以下の仕様の電動機を作製した。
定格：２００［Ｖ］、５０［Ｈｚ］、０．７５［ｋＷ］
固定子の外径（直径）：１３５［ｍｍ］
固定子の積厚（高さ）：６５［ｍｍ］
固定子のスロットの数：３６
固定子の巻線の巻数：３９［回］
固定子の巻線の線径（直径）：０．６５［ｍｍ］
回転子の外径（直径）：８１．５［ｍｍ］
回転子の積厚（高さ）：６５［ｍｍ］
回転子の極数：４
回転子のスロットの数：２８
【００３５】
以上の仕様（本実施例と同一の仕様）において、回転子の導体バー及びエンドリングをアルミダイカストで形成したものを比較例として作製した。また、回転子の導体バー及びエンドリングを前述した本実施形態の手法で形成したものを実施例１〜３として作製した。
図７は、本実施例と比較例におけるアルミニウムの充填条件を示す図である。ここで、充填に際し、実施例でも比較例でも同一の純アルミニウムを使用した。
実施例１〜３は、ステップＳ２の半凝固鋳造処理における低速層流充填速度が異なる。実施例１では、低速層流充填速度を０．０６［ｍ／ｓｅｃ］とし、実施例２では、低速層流充填速度を０．０７［ｍ／ｓｅｃ］とし、実施例３では、低速層流充填速度を０．１５［ｍ／ｓｅｃ］とした。実施例１〜３におけるその他の製造条件は同じである。一方、比較例では、プランジャーピストンの移動速度を１．５［ｍ／ｓｅｃ］とした。
【００３６】
また、本実施例における加圧推力は、半凝固状態の純アルミニウムが充填された状態のキャビティＣ１、Ｃ２内の圧力を上げるときにキャビティＣ１、Ｃ２内にかかる圧力である。一方、比較例における加圧推力は、１．５［ｍ／ｓｅｃ］の速度でプランジャーピストンを移動させているときにキャビティ内にかかる圧力である。
また、充填時のアルミニウムの温度は、何れも、ロータコア２００に接触しているときのアルミニウムの温度である。
【００３７】
図８は、実施例１と比較例の電動機の効率を示す図である。
図８に示すように、ステップＳ２の半凝固鋳造処理を行って回転子を作製すると、アルミダイカストで回転子を作製した場合よりも、電動機の効率を約１．５［％］も向上させることができることが分かる。すなわち、回転子の仕様と、回転子を作製するために使用する材料とが同じであるのにも関わらず、比較例よりの実施例１の方が、電動機の効率を約１．５［％］も向上させることができることが分かる。
【００３８】
図９は、実施例１〜３と比較例の電動機の効率を示す図である。ここでは、実施例１〜３の電動機と比較例の電動機を、それぞれ６個ずつ作製した。そして、それぞれの電動機の効率を測定した。
図９に示すように、ステップＳ２の半凝固鋳造処理を行って回転子を作製すると、アルミダイカストで回転子を作製した場合よりも、電動機の効率のバラつきを抑制できることが分かる。
【００３９】
図１０は、実施例１と比較例の電動機のトルク特性を示す図である。
図１０に示すように、実施例１の電動機のトルク特性１００１と、比較例の電動機のトルク特性１００２は、概ね同じである。したがって、電動機の大きさを大きくしなくても、高効率の電動機を作製できることが分かる。よって、電動機の顧客から見れば、既存の電動機を本実施形態の電動機に置き換えることにより、電動機で駆動する装置側の設計を大きく変更しなくても、高効率の電動機を得ることができる。例えば、電動機をギア付きのものとする場合、ギアヘッド部の大きさが変わると、当該電動機で駆動する装置の設計を大きく見直さなくてはならない。これに対し、本実施形態の電動機では、このような設計の見直しの負担を軽減させることができる。
【００４０】
実施例１〜３の電動機と比較例の電動機のかご部における結晶粒度を光学顕微鏡で調べた。その結果、実施例１〜３の電動機のかご部における結晶粒度は３０［μｍ］以下であった。これに対し、比較例の電動機のかご部における結晶粒度は６０［μｍ］以下であった。また、実施例１〜３の電動機と比較例の電動機のかご部における平均ガス含有量を、真空溶融抽出法で調べた。その結果、実施例１の電動機のかご部における平均ガス含有量は１［cc/100ｇ・Al］以下であった。これに対し、比較例の電動機のかご部における平均ガス含有量は１０［cc/100ｇ・Al］〜２０［cc/100ｇ・Al］であった。また、比較例の電動機のかご部では肉眼で見える空洞部の存在が確認された。一方、実施例１〜３の電動機のかご部では肉眼で見える空洞部の存在は確認されなかった。このように、実施例１〜３の電動機のかご部は、比較例の電動機のかご部に比べ、空洞部が少なく均質であることが分かった。
【００４１】
以上のように本実施形態では、ロータコア２００を構成する電磁鋼板の積厚方向が上下方向になるようにロータコア２００をキャビティＣ１、Ｃ２内に収める。０．０５［ｍ／ｓｅｃ］以上０．２［ｍ／ｓｅｃ］以下の低速層流充填速度で液相の純アルミニウムを、キャビティＣ１、Ｃ２の下方からキャビティＣ１、Ｃ２内に供給する。キャビティＣ１、Ｃ２内に収められているロータコア２００に接触しているときのアルミニウムの温度を、６３０［℃］以上６６０［℃］以下、好ましくは６３０［℃］以上６５０［℃］以下にする。したがって、固液共存状態（半凝固状態）の純アルミニウムを、ロータコア２００のスロット２０１〜２２８の下から上に向けて移動させて、回転子１１０のかご部（導体バー及びエンドリング）の領域を充填することができる。よって、回転子１１０のかご部に生じる空洞部を、従来のアルミダイカストにより作製される回転子１１０に比べて大幅に低減させることができる。これにより、ロータコア２００の径方向の大きさを変えることなく、回転子１１０の二次導体の電気抵抗を低下させることができると共に、回転子１１０の品質のバラつきを抑制することができる。また、従来のアルミダイカストのものとトルク特性を略同じにすることができる。よって、本実施形態の電動機１００では、従来のアルミダイカストで作製した電動機におけるギアヘッド部と同じギアヘッド部を使用することができる。
【００４２】
また、本実施形態では、固液共存状態のアルミニウムがキャビティＣ１、Ｃ２内に充填されたと見なせる所定の条件が満足したときに、面圧が３００［ＭＰａ］以下となるように、キャビティＣ１、Ｃ２内の圧力を上げる。よって、固定子１１０の上部の領域の充填を確実に行うことができる。
【００４３】
尚、本実施形態では、三相かご形誘導電動機を例に挙げて説明したが、単相かご形誘導電動機であってもよい。また、かご形誘導電動機であれば、どのようなものであってもよく、例えばサーボモータであってもよい。この他、本実施形態では、ギア（減速機）と電動機とが一体で形成される減速機一体型電動機を例に挙げて説明したが、電動機単体であってもよいということは勿論である。
【００４４】
また、本実施形態では、回転子１１０のスロットの数が２４であり、固定子１２０のスロットの数が３６である場合を例に挙げて説明したが、スロットの数は、これらに限定されるものではない。また、電動機の容量は特に限定されるものではない。例えば、０．７５［ｋＷ］〜２．２［ｋＷ］の容量の電動機に本実施形態の構成を採用することができる。勿論、これらよりも大きい容量又は小さい容量の電動機に本実施形態の構成を採用してもよい。
【００４５】
尚、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、各種のモータ駆動を行う電気機器に利用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１００ 電動機
１１０ 回転子
１２０ 固定子
１３０ 回転軸
１４０ 通しボルト
２００ 回転子のコア（ロータコア）
２０１〜２２８ スロット
２２９ 回転軸挿入孔
３００ 固定子のコア（ステータコア）
３０１〜３３６ スロット
３３７〜３４０ ボルト通し孔
３４１〜３４４ 電流バランス調節孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータコアの面方向の形状と同一の形状に加工された複数の鋼板を積層することにより、周方向に略等間隔で形成された複数のスロットを有するロータコアを形成するロータコア形成工程と、
前記ロータコアを構成する複数の鋼板の積厚方向を上下方向にした状態で、前記スロットの下から上に向けて、固相と液相とが混合された固液共存状態の純アルミニウムを供給して、ロータのかご部の領域を充填する半凝固鋳造工程、を有することを特徴とするかご形誘導電動機の回転子の製造方法。
【請求項２】
前記半凝固鋳造工程は、充填時の純アルミニウムの温度を６３０［℃］以上６６０［℃］以下にすることによって、固相と液相とが混合された固液共存状態の純アルミニウムを、前記スロットの下から上に向けて供給することを特徴とする請求項１に記載のかご形誘導電動機の回転子の製造方法。
【請求項３】
前記半凝固鋳造工程は、鋼板の積厚方向を上下方向にした状態で前記ロータコアが内部に収まっているキャビティ内に、当該キャビティの下方から液相の純アルミニウムを供給し、
前記ロータコアに接触しているときの前記純アルミニウムの温度は、６３０［℃］以上６６０［℃］以下であり、
前記キャビティに進入するときの前記液相の純アルミニウムの速度である低速層流充填速度は、０．０５［ｍ／ｓｅｃ］以上０．２［ｍ／ｓｅｃ］以下の速度であることを特徴とする請求項２に記載のかご形誘導電動機の回転子の製造方法。
【請求項４】
前記半凝固鋳造工程は、前記固液共存状態の純アルミニウムの、前記キャビティ内への供給が終了すると、当該キャビティ内を加圧することを特徴とする請求項３に記載のかご形誘導電動機の回転子の製造方法。
【請求項１】
ロータコアの面方向の形状と同一の形状に加工された複数の鋼板を積層することにより、周方向に略等間隔で形成された複数のスロットを有するロータコアを形成するロータコア形成工程と、
前記ロータコアを構成する複数の鋼板の積厚方向を上下方向にした状態で、前記スロットの下から上に向けて、固相と液相とが混合された固液共存状態の純アルミニウムを供給して、ロータのかご部の領域を充填する半凝固鋳造工程、を有することを特徴とするかご形誘導電動機の回転子の製造方法。
【請求項２】
前記半凝固鋳造工程は、充填時の純アルミニウムの温度を６３０［℃］以上６６０［℃］以下にすることによって、固相と液相とが混合された固液共存状態の純アルミニウムを、前記スロットの下から上に向けて供給することを特徴とする請求項１に記載のかご形誘導電動機の回転子の製造方法。
【請求項３】
前記半凝固鋳造工程は、鋼板の積厚方向を上下方向にした状態で前記ロータコアが内部に収まっているキャビティ内に、当該キャビティの下方から液相の純アルミニウムを供給し、
前記ロータコアに接触しているときの前記純アルミニウムの温度は、６３０［℃］以上６６０［℃］以下であり、
前記キャビティに進入するときの前記液相の純アルミニウムの速度である低速層流充填速度は、０．０５［ｍ／ｓｅｃ］以上０．２［ｍ／ｓｅｃ］以下の速度であることを特徴とする請求項２に記載のかご形誘導電動機の回転子の製造方法。
【請求項４】
前記半凝固鋳造工程は、前記固液共存状態の純アルミニウムの、前記キャビティ内への供給が終了すると、当該キャビティ内を加圧することを特徴とする請求項３に記載のかご形誘導電動機の回転子の製造方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１１０２１０（Ｐ２０１２−１１０２１０Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８６７７８（Ｐ２０１１−１８６７７８）
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（５９１２１８３０７）株式会社ニッセイ (17)
【出願人】（５９４０６１８０５）株式会社木村工業 (8)
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【出願人】（５１０２８４２００）伊藤忠マシンテクノス株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（５９１２１８３０７）株式会社ニッセイ (17)
【出願人】（５９４０６１８０５）株式会社木村工業 (8)
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【出願人】（５１０２８４２００）伊藤忠マシンテクノス株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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