JP4028089B2

JP4028089B2 - かご形回転子鉄心の製造方法

Info

Publication number: JP4028089B2
Application number: JP17164098A
Authority: JP
Inventors: 俊郎相賀; 英俊神嵜; 誠平林
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2018-06-18
Also published as: JP2000014105A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、かご形回転子鉄心の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に誘導電動機のかご形回転子は、回転子鉄心１の溝にアルミニウムをダイキャストにより鋳込んで二次導体２と回転子鉄心１両端に短絡環３を形成すると共に、回転子鉄心１の軸孔６に回転軸を嵌合させて形成される（図６参照）。前記回転子鉄心１の二次導体２の一例に、図２に示すような頭部が三角形で凸形状のものがある。この二次導体２の総断面積（導体２総数を加算したもの）と短絡環３（ドーナツ形状）の断面積（鉄心１端面に接する面積）の比が１：２．８〜１：３．５と大きい為に、鋳造された溶融金属（アルミニウム）の凝固速度は前記断面積比の逆数以上の冷却速度となっている。すると、短絡環３との境界となる二次導体２の境界部５では、既に凝固完了状態の二次導体２より遅れて短絡環３側の凝固が開始される。その時、境界部５では引張の残留応力（約１．８〜２．０Ｋｇ／ｍｍ² ）が加わった状態（図７（ａ）参照）で二次導体２が形成されることとなる。
【０００３】
一方、二次導体２の断面積は電動機の電気特性から決定されるもので、前記境界部５での二次導体２と短絡環３の放射方向の長さ比は約１：２（図６参照）である。この二次導体２が短絡環３より放射方向長さが５０％短い状態の境界部５に、電動機が運転されると運転時に発生する熱応力と遠心力の合計応力が加わる（図７（ｂ）参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように境界部５には、引張残留応力と熱応力及び遠心力の合計応力が繰返し応力として加わる。すると、図７（ｂ）で示す短絡環３の内周側根元Ｘ（境界部５の内周側）ではこれらの応力により亀裂の発生する恐れがあり、二次導体２と短絡環３が分離する現象（二次導体２が切れる）が発生し電動機特性を低下させる要因となる。この為に、鋳造時の残留応力を電動機運転時の負荷応力以下に抑える必要性が出てくる。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて成されたもので、鋳造時の残留応力を現象又は内在した状態でも二次導体の切れる現象が発生しない、かご形回転子鉄心の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明におけるかご形回転子鉄心の製造方法は、請求項１では、円周方向に複数個の溝を有する電気鉄板を規定枚数積層して回転子鉄心を形成し、この回転子鉄心を予熱された金型内に挿入し該回転子鉄心を予熱して溶融金属との温度比を１．７５〜１．８とした状態で溶融金属を溝に鋳込んで二次導体と短絡環を形成し、回転子鉄心及び短絡環温度が２００℃以下となるまで冷却保持した後に金型内から形成されたかご形回転子鉄心を取出すかご形回転子鉄心の製造方法である。金型外しの鉄心温度と二次導体温度が約２００℃以下となるまで冷却保持することで、境界部18にかかる応力を緩和することができる。
【０００９】
請求項２では、前記電気鉄板を第１電気鉄板と第２電気鉄板で形成し、第１電気鉄板の溝と同数配置で且つ断面積が約１．５倍の溝を有する第２電気鉄板を規定枚数積層された第１電気鉄板の両端に規定枚数積層した回転子鉄心を予熱された金型内に挿入し、溶融金属を前記２種類の溝に鋳込んで第１，２導体と短絡環を形成するかご形回転子鉄心の製造方法である。この製法により段差部及び境界部の残留応力を除去する。
【００１０】
請求項３では、形成されたかご形回転子鉄心を、再度、昇温速度２０〜３０℃／Ｈｒで熱処理温度を２００〜３００℃で３〜６時間保持して炉冷する製造方法である。この歪取焼鈍により更に段差部及び境界部の残留応力を除去し得る。
【００１１】
請求項４では、前記第１電気鉄板と第２電気鉄板を積層して回転子鉄心を形成後に、第１電気鉄板と第２電気鉄板との円弧段差部に半径３〜１０ｍｍの円弧を第２電気鉄板の溝側から加工して形成し、溶融金属を前記２種類の溝に鋳込んで形成する製造方法である。この製法で第１導体と第２導体との段差部に円弧段差部を形成させ、円弧段差部に集中する応力を分散緩和させる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。図１は、かご形回転子鉄心の短絡環周辺の要部を示す断面図で、図２は図１のＩＩ方向断面図である。図３，４は回転子鉄心の電気抜板を夫々示す正面図である。
【００１３】
図において、回転子鉄心は２種類の電気鉄板である第１電気鉄板（以下、第１鉄板）11, 第２電気鉄板（以下、第２鉄板）11ａで形成され、第１鉄板11を複数枚積層して規定厚ｌ1 とし、この第１鉄板11積層両端に第２鉄板11ａを複数枚積層して規定厚ｌ2 として、回転子鉄心は規定厚Ｌとなる。この第２鉄板11ａの規定厚ｌ2 は、回転子鉄心の規定厚Ｌの５〜１０％（電動機特性を考慮して）に設定してある。前記第１鉄板11は、溝16形状が図３に示すように頭部16ａが三角形で凸形状のものを円周方向に所定個数穿孔されている。次に第２鉄板11ａは、第１鉄板11の溝16と同数穿孔され同溝16より断面積が約１．５倍大きい略茄子形状の溝17を図４に示すように穿孔されている。溝17の頭部17ａは半径５〜１０ｍｍの円弧Ｒ1 状に形成され、前記溝16の頭部16ａとは略外径である。
【００１４】
この回転子鉄心を図示しない金型内に挿入して約４００℃まで予熱し、約７００〜７２０℃の溶融純アルミニウムを夫々の溝16，17にダイキャストにより鋳込み、金型外しの鉄心温度と二次導体温度が約２００℃以下となるまで冷却保持する。この鋳込みにより溝16で第１導体である二次導体12を、溝17で第２導体である二次導体12ａを夫々形成すると共に、二次導体12ａに連通して回転子鉄心両端に短絡環13を有する図１に示すような、かご形回転子鉄心15を形成する。この時、かご形回転子鉄心15端面での二次導体12ａの放射方向長さ（溝17高さ）と短絡環13の放射方向長さ（以下境界部18長さという）比は０．７５〜１．０（図１では略１．０で表示）に形成されている。尚、二次導体12と二次導体12ａとの段差部12ｃ及び境界部18の残留応力を除去する歪取焼鈍として、再度かご形回転子鉄心15を昇温温度約２０〜３０℃／Ｈｒ，熱処理温度約２００〜３５５℃で３〜６時間保持し炉冷してもよい。
【００１５】
このように形成された境界部の作用効果を述べる。
境界部18長さ比を０．７５〜１．０にしたことにより二次導体12ａと短絡環13での段差がなくなる若しくは小さくなり、しかも二次導体12ａの断面積は茄子形状で二次導体12の多角形に比べ角がないので角部への応力集中問題がない上に断面積は約１．５倍大きくなっており、短絡環13の内径側での二次導体12ａ強度が増加する。即ち、図９で示す１００℃における修正グッドマン線図での破線で示す応力計算値が、従来のａ点から境界部18長さ比が０．７５の場合はｂ点へ、境界部18長さ比が１．０の場合はｃ点へと夫々移動して低下する。この結果、境界部18での残留応力が低下する。尚、図９でＡは疲労試験のＳ−Ｎ曲線の１．０＊１０における疲労限度を示し、Ｂは１００℃での引張強度である。また、図８は１００℃における応力−歪み線図である。
【００１６】
又、溝17の頭部17ａは半径５〜１０ｍｍの円弧Ｒ1 状になっているので、形成された二次導体12ａの頭部も円弧状になっている。この為、従来の頭部は三角形であつたので頂点に応力が集中し、この頂点で亀裂の発生する恐れがあったが、本実施例は三角形から円弧状になることで応力が分散されて頭部頂点での強度が高くなり亀裂発生の恐れがなくなった。更に、金型外しの鉄心温度と二次導体温度が約２００℃以下となるまで冷却保持することで、境界部18にかかる応力を緩和することができる。しかも、二次導体12ａと二次導体12の段差部12ｃは回転子鉄心内にあるので、回転による短絡環13の遠心力を鉄心によって保護される。
【００１７】
これらの相乗効果で、電動機が運転された時に従来の境界部５で発生していた応力が緩和され、境界部５の内径側の段差部Ｘや外径側頭部で亀裂発生の恐れがあったが、本実施例の境界部18ではなくなった。そして、段差部12ｃ及び境界部18の残留応力を除去する歪取焼鈍を実施すると、この効果は更に向上する。
【００１８】
（第２実施例）
第２実施例を図５を参照して説明する。第１実施例と異なるのは、二次導体12ａと二次導体12の段差部12ｃを円弧段差部24に形成したことである。これは、積層された電気抜板11両端に電気抜板11ａを複数枚積層した後に、図１に示す段差部12ｃを溝17から研磨加工により半径３〜１０ｍｍの円弧Ｒ2 を設け、二次導体12ａと二次導体12間の段差部12ｃに円弧段差部24を形成する。これは、電動機運転による発生する短絡環13及び二次導体12ａ，二次導体12の熱応力によって軸方向には伸縮作用が働き、この伸縮作用と短絡環13の遠心力が段差部12ｃに一点集中するのを円弧段差部24で分散支持することで緩和される。この結果、二次導体12ａと二次導体12間の段差部12ｃでの切断発生の可能性を更になくすることができる。
【００１９】
（第３実施例）
第３実施例を図10を参照して説明する。第１実施例と異なるのは、回転子鉄心の溝へ鋳込む溶融した純アルミニウムに、成分構成がＡｌ−１０％Ｔｉ−Ｂの合金を、溶解重量に対して０．２〜１．０重量％まで０．２％ピッチで添加し、形成される二次導体の電気伝導率を５７ＩＡＣＳ％以上を狙うと共に二次導体強度の向上にある。電気伝導率及び強度調査は二次導体12ａと略同形状の試料を製作して比較試験した。その結果を図10に示した。
【００２０】
電気伝導率は添加した０．２〜１．０重量％の全試料が５７ＩＡＣＳ％以上となり目的を達成した。又、Ａｌ−１０％Ｔｉ−Ｂ合金の添加で結晶組織を微細化することができて引張り強度は若干バラツキはあるものの８〜１３％向上し、伸びは略同等のものが形成されている。この結果から、Ａｌ−１０％Ｔｉ−Ｂ合金を添加した材料を強度が向上した二次導体材料として使用可能で、段差部12ｃ及び境界部18の耐残留応力を改善できる。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、回転子鉄心端面での二次導体と短絡環の境界部が強度補強され、この境界部での亀裂発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すかご形回転子鉄心の要部断面図、
【図２】図１のＩＩ方向断面図、
【図３】溝形状を示す第１電気鉄板の平面図、
【図４】溝形状を示す第２電気鉄板の平面図、
【図５】第２実施例を示す図１相当図、
【図６】従来のかご形回転子鉄心の断面図、
【図７】二次導体と短絡環にかかる応力の説明図、
【図８】応力−歪み線図、
【図９】修正グッドマン線図、
【図１０】アルミ材料にＡｌ−10％Ｔｉ−Ｂ添加による強度比較図。
【符号の説明】
11…第１電気鉄板（第１鉄板）、 11ａ…第２電気鉄板（第２鉄板）、
12…第１導体（二次導体）、 12ａ…第２導体（二次導体）、
12ｃ…段差部、 13…短絡環、
15…かご形回転子鉄心、 16，17…溝、
16ａ，17ａ…頭部、５，18…境界部、
24…円弧段差部、Ｒ1 ，Ｒ2 …円弧。

Claims

円周方向に複数個の溝を有する電気鉄板を規定枚数積層して回転子鉄心を形成し、この回転子鉄心を予熱された金型内に挿入し該回転子鉄心を予熱して溶融金属との温度比を１．７５〜１．８とした状態で溶融金属を溝に鋳込んで二次導体と短絡環を形成し、回転子鉄心及び短絡環温度が２００℃以下となるまで冷却保持した後に金型内から形成されたかご形回転子鉄心を取出すことを特徴とするかご形回転子鉄心の製造方法。
前記電気鉄板を第１電気鉄板と第２電気鉄板で形成し、第１電気鉄板の溝と同数配置で且つ断面積が約１．５倍の溝を有する第２電気鉄板を規定枚数積層された第１電気鉄板の両端に規定枚数積層した回転子鉄心を予熱された金型内に挿入し、溶融金属を前記２種類の溝に鋳込んで第１，２導体と短絡環を形成する請求項１記載のかご形回転子鉄心の製造方法。
形成されたかご形回転子鉄心を、再度、昇温速度２０〜３０℃／Ｈｒとし熱処理温度２００〜３００℃で３〜６時間保持して炉冷する請求項１または２記載のかご形回転子鉄心の製造方法。
前記第１電気鉄板と第２電気鉄板を積層して回転子鉄心を形成後に、第１電気鉄板と第２電気鉄板との境界段差部に半径３〜１０ｍｍの円弧を第２電気鉄板の溝側から加工して形成し、溶融金属を前記２種類の溝に鋳込んで形成する請求項１乃至３のいずれか記載のかご形回転子鉄心の製造方法。
前記溶融金属を純アルミニウムとし、この純アルミニウムに成分構成がＡｌ− 10 ％Ｔｉ−Ｂの合金を溶解重量に対して０．２〜１．０重量％まで０．２％ピッチで添加し製造する請求項１乃至４のいずれか記載のかご形回転子鉄心の製造方法。