JPH0677797B2

JPH0677797B2 - 回転子の鋳造方法

Info

Publication number: JPH0677797B2
Application number: JP6676985A
Authority: JP
Inventors: 正治田宮; 俊郎相賀; 博文田中
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-03-30
Filing date: 1985-03-30
Publication date: 1994-10-05
Anticipated expiration: 2009-10-05
Also published as: JPS61226161A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の技術分野］本発明は誘導電動機等の回転電機における回転子の鋳造
方法に関するものである。

［背景技術とその問題点］所定の形状に打抜かれた非常に薄い珪素鋼板を積層し、
締付けた後、アルミニウムなどの溶融金属を鉄心の打抜
き孔によって形成された空間に注入し、導体、エンドリ
ング及び冷却フィンを一体成形するダイカスト法、ある
いは低圧鋳造法が誘導電動機用の回転子製造方法として
広く用いられている。

一方、大容量の誘導電動機に用いられる回転子は冷却効
率を大きくするため、上記鋼板を複数枚積層して形成し
た複数の鉄心ブロックを所定間隔で並設し、これら各鉄
心ブロック間に導体のみ接続し、鉄心が積層されない空
間部を設けてこの空間部を通風ダクトとした通風ダクト
付き鋳造回転子も製造されている。

この通風ダクトの形成法としては、従来、導体金属の溶
湯を鋳込んでから通風間隙用の穴をドリル等の工具を用
いて穿孔する方法、低融点金属を用い、通風ダクトの幅
で、且つ、鉄心板のスロットと同様のスロットを有する
ダクトスペーサを予め形成し、鉄心ブロック間に積層す
る。そして、導体金属を鋳込だ後にロータを低融点金属
の融点まで加熱して溶融させ、必要に応じてロータを回
転させつつ除去する方法がある。

しかし、これらの方法はいずれも多く工数を要するばか
りでなく、例えばドリルで穿孔する方法においては穿孔
する際にロータ・バー（導体）を損傷する危険があり、
また、低融点の金属で形成したダクトスペーサは導体金
属を鋳込む際、導体金属中に溶け込んだり、また、ダク
トスペーサ除去は加熱して溶かすことにより行うため高
温作業となり、作業環境が悪くなったり、また、除去の
効率化のためロータを回転させる時も、導体の変形を防
ぐべく回転速度は低速とならざるを得ず、スペーサの除
去に長時間を要する等の問題があって有利な方法とは言
えなかった。

近年、この方法に代るものとして通風ダクト成形用のス
ペーサとして水溶性砂中子形成材により形成した水溶性
砂中子を用いる方法が提案された。

これはアルミサンドまたはジルコンサンドを骨材とし、
これに炭酸カリウム，炭酸バリウム，水ガラス、水を所
定量添加後、混練し、所定の形状に造型した後、乾燥硬
化させたものである。

この水溶性砂中子形成材は成形性に優れ、しかも、鉄心
と交互に積層して、一体性を持たせるための締め付けが
可能で、しかも、低圧鋳造法やダイカスト法等の加圧鋳
造法における溶湯圧力に耐える強度を有しており、更に
溶融金属注入成形後、水で処理することでこの水溶性中
子は簡単に崩壊して除去できるため、非常に優れた方法
として工業的に利用されるようになった。

この方法における回転子製造方法を説明する。

まずはじめに水溶性砂中子による通風用ダクト成形用の
スペーサを複数個形成し、これを複数個のスロット回転
子用シャフトが挿入される中心孔が打ち抜かれた鉄心と
共に所定の寸法まで交互に積層する。そして、これをエ
ンドリング，冷却フィンを形成する金型内に固定し、油
圧等により、締付けたのち、この金型内にアルミニウム
などの溶融金属を加圧注入する。金型内には鉄心スロッ
トと通風用ダクト成形用のスペーサに形成された導体形
成用の孔によって連続した空間が形成されており、ここ
に前記溶融金属が注入されることになる。しかし、この
空間は非常に小さく、この空間に注入された前記溶融金
属は注入される途中で凝固してしまい、いわゆる未形成
不良を生ずることがある。特に、大容量の誘導電動機で
は積層寸法が大きいのでこの問題が生じ易い。

このため、積層された鉄心は鋳造前に所定の温度まで予
熱し、鉄心スロットと通風用ダクト成形用のスペーサに
より形成された連続空間と溶融金属との間の熱伝達量を
小さく保ち、溶融金属の注入途中での凝固を防止する必
要がある。そして、この場合スロット断面積が小さく、
積層寸法が大きい機種ほど、予熱温度を高くする必要が
ある。

一般的には200〜400℃までの予熱が施されている。

ところで、この予熱には一般に電気抵抗発熱，ガスや石
油などの燃焼熱が用いられているが、この方法では加熱
効率が40％以下と非常に小さく、所定温度までの予熱に
長時間を必要とし、サイクルタイムの点で問題があっ
た。

また、通風ダクト付き回転子においては鉄心と水溶性砂
中子を一体に積層した状態で予熱するため、鉄心と水溶
性砂中子が同一の温度となってしまう。

このことは後に溶融金属を注入した時に大きな問題を引
き起す。

すなわち、溶融金属が鉄心スロット内及びスペーサの導
体形成用の孔に注入されると、溶融金属はそれぞれの界
面での熱伝導により熱を奪われながら凝固が進行する。
鉄心スロットと溶融金属間あるいはスペーサの導体形成
用の孔と溶融金属間での熱移動は非定常熱伝導の問題で
あり、界面での溶融金属温度の時間的変化は非定常微分
方程式を解くことにより次式で求めることが出来る。

ここで、は溶融金属の温度、T₁は溶融金属の初期温度
（ｔ＝０）、 σは｛（λ_２ｃ_２γ_２）／（λ_１ｃ_１γ_１）｝でλ_１，
λ_２は溶融金属及び鋳型の熱伝導度、c₁，c₂は溶融金属
及び鋳型の比熱、γ_１，γ_１は溶融金属及び鋳型の密度
である。

そして、鉄心の熱伝導度が20〜30W/mdegであるのに対し
スペーサの熱伝導度は1W/mdeg以下と非常に小さい。上
記（１）式より鉄心に囲まれた溶融金属とスペーサによ
って囲まれた溶融金属の温度の時間変化を求めると熱伝
導度の違いにより鉄心に囲まれた溶融金属の方が温度低
下が大きく、速く凝固が進行する。

溶融金属は温度低下に伴って体積が収縮するが、この体
積収縮分は最終凝固位置に引け巣として内在することに
なり、スペーサの導体内に引け巣欠陥が発生する。

これは鋳造回転子の強度低下あるいは導体の有効断面積
の減少となり、導体の有効断面積の減少による誘導電動
機の電気的特性を悪化させる。そのため、工業的にも有
効な鋳造方法とは言え難かった。

［発明の目的］本発明は上記の事情に鑑みて成されたものであり、その
目的とするところは水溶性砂中子をスペーサとして用い
る鋳造方法において、容易に引け巣欠陥の発生を抑制す
ることの出来、しかも、生産性、経済性の高い回転子の
鋳造方法を提供することにある。

［発明の概要］すなわち、上記目的を達成するため本発明は、積層鉄心
と通風ダクト形成用の水溶性砂中子を交互に積層してな
る積層体を金型に取付け、溶融金属を注入することによ
り形成する回転子の鋳造方法において、前記積層体を励
磁周波数500Hz乃至3kHzで誘導加熱して予熱し、その後
に溶融金属を注入することを特徴とするものであるの
で、鉄心の予熱に際して誘導加熱を用い、鉄心のみを優
先的に加熱し、鉄心と水溶性砂中子（スペーサ）に予熱
温度差を与え、溶融金属を注入した後の両者での凝固時
間差を小さくすることにより、水溶性砂中子（スペー
サ）の導体形成部に引け巣欠陥が発生しないようにする
ものである。

［発明の実施例］以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説
明する。

まず初めに、第２図（ｂ）に示すように珪素鋼板等から
所定の外径で且つ、中心に内孔１及び外周近傍に所定の
間隔で複数のスロット２を打抜いて得た円板状の鉄心３
を位置決め用の治具８を用いてその外径、スロット２お
よび内孔１が正確に位置合わせされるようにして複数枚
積層する。所定枚数積層した後、前記スロット２に対応
して形成した導体形成用の複数の孔４及び中心の内孔５
を有する前記水溶性砂中子形成材を用いて予め形成した
第２図（ａ）に示すリング状の通風ダクト形成用のスペ
ーサ６を鉄心３のスロット２と通風ダクト形成用のスペ
ーサ６の導体形成用の孔４が連通するようにして積層す
る。

この作業を繰返して得られた第２図（ｃ）の如き所定枚
数の鉄心３よりなる鉄心ブロック７とスペーサ６からな
る積層体を位置決め用治具８と共に第１図に示す誘導加
熱装置９にて予熱する。

誘導加熱装置９は誘導加熱コイルで形成してあり、この
誘導加熱コイル内に前記積層体を配する。ここで誘導加
熱とは交番磁界中に導体を配置すると、この導体内に電
磁誘導作用により誘導電流が流れ、ジュール熱（I²R;但
し、Ｉは電流,Rは抵抗を示す）を発生することを利用し
た加熱法であり、これにより、導体内を所定の温度に加
熱するものである。鉄心３とスペーサ６を交互に積層し
た積層体を交番磁界で磁化すると（３）式で表わされる
単位体積当りの渦電流損Weが発生する。

We＝（１ 16ρ）π^２ ^２Bm^２ｄ^２ …（３）但し、ρは導体の固有抵抗，πは円周率，は励磁周波
数,Bmは磁束密度（Bm＝μｏ・μｓ・H;μｏは一定，μ
ｓは比透磁率,Hは磁界）、ｄは被加熱物の外径である。

鉄心３の比透磁率μｓが10³〜10⁴であるのに対し、スペ
ーサ６は非磁性体のため比透磁率μｓは「１」と非常に
小さい。

一方、固有抵抗ρは鉄心に比べ大きいため、結局スペー
サ６の渦電流損は無視出来るほど小さくなる。このた
め、鉄心３とスペーサ６とを交互に積層した積層体を交
番磁界で磁化することにより、鉄心３のみに渦電流損が
発生し、鉄心３のみが加熱されることになる。上記
（３）式で表わされるように、材質が決まれば渦電流損
は交番磁界の周波数の２乗に比例する。そしてこの周波
数が小さい場合、渦電流損が小さくなり、発熱量が小さ
くなる。このため、鉄心３が所定の温度になるまでに時
間がかかり、この間にスペーサ６も鉄心３からの熱移動
により予熱されて、鉄心３とスペーサ６に温度差がつき
にくくなる。従って、これを防ぐため周波数を大きくす
ることが望ましい。

一方、交番磁界中の誘電性被加熱材内に生じる誘導電流
の分布はその表面において最も大きく、中心部へ行くに
つれて小さくなる。これは表皮効果と呼ばれる現象であ
る。

電流の浸透深さδは（４）式で表わされる。これよりわ
かるように、周波数が大きいほど小さくなり、表皮効果
は著しくなる。

このため、周波数が大きくなり過ぎると表面と内部での
温度差が大きくなり好ましくない。

従って、誘導加熱により積層体中の鉄心３を予熱する場
合の適正な周波数範囲が存在する。

本願の発明者らは詳細な実験に基づいて適正な範囲の周
波数を決定した。

第３図はその実験結果の一例を示すもので、第３図
（ａ）は従来の方法であるガス燃焼熱で予熱した場合の
鉄心３とスペーサ６おける温度変化曲線A,A′と誘導加
熱で予熱した場合の鉄心とスペーサ１おける温度変化曲
線B,B′、C,C′を示すものである。

A,B,Cは鉄心３の、そして、Ａ′,B′,C′はスペーサ６
の温度変化を示しており、B,B′のケースは励磁周波数
＝500Hzで、また、C,C′のケースは励磁周波数＝60
Hzで誘導加熱した場合を示している。

図からわかるようにA,A′で示す従来方法では鉄心３と
スペーサ６はほぼ同じ割合で予熱されるのに対し、誘導
加熱の場合は鉄心３が優先的に加熱されている。ところ
が、周波数が60Hz低周波加熱の場合、予熱初期では鉄心
の温度上昇率が大きいが、１時間程度経過後からスペー
サ６の温度が鉄心温度に近付き、最終的にはほぼ同一温
度となる。

これは上記したように、鉄心３からの熱伝導によりスペ
ーサ６が加熱されるためである。溶融金属注入後、鉄心
３側とスペーサ６側での溶融金属の凝固時間をほぼ同程
度にし、引け巣を防止するためには鉄心３とスペーサ６
の予熱温度差を200deg以上とする必要があるが、これを
実現するには周波数を500Hz以上にする必要があること
がかわった。

一方、第３図（ｂ）は励磁周波数＝6kHz,3kHz,1kHzで
誘導加熱した場合の温度変化を示している。図中、D,E,
Fは鉄心外周表面部の、また、D,励磁周波数＝500Hz
で、また、C,C′のケースは励磁周波数＝60Hzで誘導
加熱した場合を示している。

一方、第３図（ｂ）は励磁周波数＝6kHz,3kHz,1kHzで
誘導加熱した場合の温度変化を示している。図中、D,E,
Fは鉄心外周表面部の、また、D,D′、E,E′、F,F′、は
鉄心内部の温度変化を示しており、これらのうちD,D′
は励磁周波数＝6kHzで、また、F,F′は、励磁周波数
＝3kHzで、また、F,F′は励磁周波数＝1kHzで誘導
加熱した場合の例を示している。

この場合、励磁周波数が大きくなるにつれて表面と内
部での温度差が大きくなっている。これは表皮効果によ
るものであるが、励磁周波数が3kHzを超えると温度差
が大きくなり過ぎ、実際の鋳造において溶融金属が通過
する鉄心３のスロット２部での温度の不均一が起り、均
一な凝固な行われなくなり、好ましくない。このため、
周波数は3kHz以下でなければならない。予熱終了後、積
層した鉄心３にエンドリング及び冷却フィンを形成する
ための金型を取付け、油圧等の機械力で締付けた後、溶
融金属を注入する。

この結果、鉄心３側とスペーサ６側で凝固がほぼ同一速
度で進行するため、引け巣の全く無い鋳造回転子を得る
ことが出来るようになる。また、従来の予熱方法では予
熱所要時間が３〜４時間かかったのに対し、本発明の予
熱法によれば、30分以内での予熱が可能になり、鋳造サ
イクルの短縮ならびに熱源費の大幅削減が可能になり、
経済性及び生産性の面からも非常に優れたものとなる。

第４図は本発明にかかる一実施例であるが、積層した鉄
心３とスペーサ６の積層体を金型10,10′間に固定し、
鋳造機11にセットした後、誘導加熱コイル９で誘導加熱
し、予熱後に溶融金属12を注入して鋳込む方法である。
この方法によれば、予熱後から鋳造開始までを連続して
行うことができ、予熱と鋳込みを別々に行う場合のよう
に予熱後の積層体の鋳造機への取付け作業の際に避けら
れない積層体の温度低下を防止できる他、積層体の鋳造
機取付け作業の際に生ずる高温作業がなくなり、作業環
境も大幅に改善される。

［発明の効果］以上、詳述したように本発明によれば、鉄心側とスペー
サ側で凝固がほぼ同一速度で進行するため、引け巣の全
く無い鋳造回転子を得ることが出来るようになる他、予
熱時間が大幅に短縮でき、従って、鋳造サイクルの短縮
ならびに熱源費の大幅削減が可能になるほど、経済性及
び生産性，信頼性の高い回転子の鋳造方法を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を説明するための図、第２図は
通風ダクト形成用スペーサの斜視図及び鋳造成形体の断
面図、第３図は本発明および従来方法のスペーサ温度変
化曲線を示す図、第４図は本発明による鋳造方法を適用
した鋳造機の概略的な構成を示す図である。１…鉄心のスロット、2,5…孔、３…鉄心、４…通風ダ
クト形成用のスペーサ導体形成用孔、６…通風ダクト形
成用のスペーサ、８…位置決め用の治具、９…誘導加熱
コイル、10,10′…金型、11…鋳造機、12…溶融金属。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭57−199456（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−42170（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−10228（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】積層鉄心と通風ダクト形成用の水溶性砂中
子を交互に積層してなる積層体を金型に取付け、溶融金
属を注入することにより形成する回転子の鋳造方法にお
いて、前記積層体を誘導加熱により予熱し、その後に溶
融金属を注入することを特徴とする回転子の鋳造方法。
【請求項２】誘導加熱はその励磁周波数を500Hz乃至3kH
zとすることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
回転子の鋳造方法。