(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の電磁鋼板を回転軸方向に積層して構成されたロータコアを備えた回転電機用ロータであって、
前記回転軸方向の熱膨張係数が前記電磁鋼板とは逆符号である永久磁石と、
前記ロータコアを支持する回転部材と、を備え、
前記ロータコアの径方向の一方側を径第一方向側、前記径方向の他方側を径第二方向側として、前記回転部材は、前記ロータコアの前記径第一方向側の周面である第一周面を前記径方向に支持し、
前記ロータコアの前記回転軸方向の両端部と前記回転部材とが溶接により接合され、
前記永久磁石は、前記ロータコアの径方向厚さにおける径方向中間位置よりも前記径第二方向側において前記ロータコアの周方向に分散して複数個配置され、
前記永久磁石のそれぞれが、前記回転軸方向に沿って配置されていると共に前記ロータコアに接合され、
前記ロータコアは、複数枚の前記電磁鋼板を互いに溶接するための溶接部を、前記第一周面に有し、
前記溶接部は、前記第一周面における前記溶接部以外の一般部の周面である基準周面に対して前記径第二方向側に窪むと共に前記回転軸方向に沿って連続して延びる第一凹溝部と、前記基準周面に対して前記径第二方向側に窪むと共に前記第一凹溝部と平行状に連続して延びる第二凹溝部と、前記第一凹溝部と前記第二凹溝部との前記周方向の間に挟まれて前記径第一方向側に突出すると共に前記回転軸方向に沿って連続して延びる突状部と、を備え、
前記突状部における前記径第一方向側の頂部が、前記基準周面よりも前記径第二方向側に位置するように、前記突状部が形成されている回転電機用ロータ。
【請求項２】
前記ロータコアの前記回転軸方向の両端部において、前記ロータコアと前記回転部材とが当接する円周状の部分が溶接により接合されている請求項１に記載の回転電機用ロータ。
【請求項３】
前記永久磁石のそれぞれは、前記回転軸方向に沿って連続的に配置されている請求項１又は２に記載の回転電機用ロータ。
【請求項４】
複数枚の電磁鋼板を回転軸方向に積層して構成されたロータコアを備えた回転電機用ロータであって、
前記回転軸方向の熱膨張係数が前記電磁鋼板とは逆符号である永久磁石と、
前記ロータコアを支持する回転部材と、を備え、
前記ロータコアの径方向の一方側を径第一方向側、前記径方向の他方側を径第二方向側として、前記回転部材は、前記ロータコアの前記径第一方向側の周面である第一周面を前記径方向に支持し、
前記ロータコアの前記回転軸方向の両端部が前記回転軸方向に前記回転部材と相対移動しないように、前記ロータコアが支持され、
前記永久磁石は、前記ロータコアの径方向厚さにおける径方向中間位置よりも前記径第二方向側において前記ロータコアの周方向に分散して複数個配置され、
前記永久磁石のそれぞれが、前記回転軸方向に沿って連続的に配置されていると共に前記ロータコアに接合され、
前記ロータコアは、複数枚の前記電磁鋼板を互いに溶接するための溶接部を、前記第一周面に有し、
前記溶接部は、前記第一周面における前記溶接部以外の一般部の周面である基準周面に対して前記径第二方向側に窪むと共に前記回転軸方向に沿って連続して延びる第一凹溝部と、前記基準周面に対して前記径第二方向側に窪むと共に前記第一凹溝部と平行状に連続して延びる第二凹溝部と、前記第一凹溝部と前記第二凹溝部との前記周方向の間に挟まれて前記径第一方向側に突出すると共に前記回転軸方向に沿って連続して延びる突状部と、を備え、
前記突状部における前記径第一方向側の頂部が、前記基準周面よりも前記径第二方向側に位置するように、前記突状部が形成されている回転電機用ロータ。
【請求項５】
前記第一周面の回転軸に直交する断面における前記溶接部の形状は、前記第一凹溝部と前記突状部と前記第二凹溝部とを連続的につなぐ曲線状とされている請求項１から４の何れか一項に記載の回転電機用ロータ。
【請求項６】
複数枚の前記電磁鋼板が溶融後、凝固して互いに溶接された溶融凝固部は、前記突状部の前記頂部を中心として形成されている請求項５に記載の回転電機用ロータ。
【請求項７】
前記永久磁石は、単一の磁石又は複数の磁石によって１つの磁極を形成し、
前記溶接部は、径方向に見て、前記磁極の周方向幅における周方向中央部と重複する位置に形成されている請求項１から６の何れか一項に記載の回転電機用ロータ。
【請求項８】
前記永久磁石は、ネオジム磁石である請求項１から７の何れか一項に記載の回転電機用ロータ。
【請求項９】
インナーロータ型の回転電機に備えられ、前記径第一方向側は径方向内側であり、前記径第二方向側は、径方向外側である請求項１から８の何れか一項に記載の回転電機用ロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数枚の電磁鋼板を回転軸方向に積層して構成されたロータコアを備えた回転電機用ロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機のロータを構成するロータコアは、多くの場合、鉄損を軽減するために、複数の薄い鋼板を回転軸に沿った方向に積層した積層コアの形態で形成されている。積層された鋼板は種々の方法により固定されるが、その１つとして、回転軸方向に隣接する鋼板を溶接によって固定する方法がある。特開２０１１−２５９６８９号公報（特許文献１）には、そのように、溶接によって鋼板を固定して形成されるロータコアが例示されている（第８６〜８８段落、図１６〜図１８等）。このロータコアは、インナーロータ型回転電機のロータを構成するものであり、回転軸（シャフト）と嵌合する貫通穴を有する円環状の複数の鋼板が回転軸方向に積層されて形成されている。貫通穴を区画するロータコアの内周面には、回転軸方向の一端側から多端側に、回転軸方向に沿って一直線状に延びる湾曲溝が形成されている。この湾曲溝は、回転軸に直交する断面において径方向外側に窪む円弧状に形成されている。この湾曲溝は、回転軸方向に隣接する鋼板同士を溶接するための溶接対象箇所となる。この溶接対象箇所は、溶接後も回転軸と貫通穴とが接触する面よりも径方向に窪んだ場所に位置するため、溶接後のロータコアと回転軸との嵌合を阻害することがない。
【０００３】
ところで、永久磁石型回転電機では、ロータコアに永久磁石が取り付けられている。多くの場合、永久磁石は、回転軸方向に沿って連続的に配置されていると共にロータコアに接合されている。永久磁石には、鋼板と同じ傾向で熱により膨張収縮するもの（熱膨張係数の符号が同じもの）と、鋼板とは異なる傾向で膨張収縮するもの（熱膨張係数が逆のもの）とがある。鋼板と永久磁石とで熱膨張の特性が異なると、熱衝撃（温度変化）によって回転軸方向に引張応力が発生し、ロータコアが変形挙動を示す場合がある。一般的に、鋼板は正の膨張係数を有するので、ロータの回転軸方向に永久磁石が負の膨張係数を有する場合、溶接された箇所を引き剥がす方向の応力が掛かる可能性がある。溶接を引き剥す方向に応力がかかった結果、溶接された箇所に割れなどが生じると、機械的な強度が低下する可能性があり、好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２５９６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記背景に鑑みて、積層された鋼板を溶接により固定したロータコアに永久磁石が接合された回転電機用ロータにおいて、熱衝撃による溶接部位への応力を低減して高い信頼性を確保する技術の提供が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記に鑑みた、複数枚の電磁鋼板を回転軸方向に積層して構成されたロータコアを備えた回転電機用ロータは、１つの態様として、
前記回転軸方向の熱膨張係数が前記電磁鋼板とは逆符号である永久磁石と、
前記ロータコアを支持する回転部材と、を備え、
前記ロータコアの径方向の一方側を径第一方向側、前記径方向の他方側を径第二方向側として、前記回転部材は、前記ロータコアの前記径第一方向側の周面である第一周面を前記径方向に支持し、
前記ロータコアの前記回転軸方向の両端部が前記回転軸方向に前記回転部材と相対移動しないように、ロータコアが支持され、
前記永久磁石は、前記ロータコアの径方向厚さにおける径方向中間位置よりも前記径第二方向側において前記ロータコアの周方向に分散して複数個配置され、
前記永久磁石のそれぞれが、前記回転軸方向に沿って配置されていると共に前記ロータコアに接合され、
前記ロータコアは、複数枚の前記電磁鋼板を互いに溶接するための溶接部を、前記第一周面に有し、
前記溶接部は、前記第一周面における前記溶接部以外の一般部の周面である基準周面に対して前記径第二方向側に窪むと共に前記回転軸方向に沿って連続して延びる第一凹溝部と、前記基準周面に対して前記径第二方向側に窪むと共に前記第一凹溝部と平行状に連続して延びる第二凹溝部と、前記第一凹溝部と前記第二凹溝部との前記周方向の間に挟まれて前記径第一方向側に突出すると共に前記回転軸方向に沿って連続して延びる突状部と、を備え、
前記突状部における前記径第一方向側の頂部が、前記基準周面よりも前記径第二方向側に位置するように、前記突状部が形成されていると好適である。
【０００７】
例えば、特許文献１において溶接部に対応する湾曲溝は、基準周面から比較的大きく径第二方向側へ窪んでいる。しかし、本構成では、そのような湾曲溝に比べて径第一方向側に、溶接部の突状部の頂部が位置している。つまり、ロータコアの径方向厚さが同じであったとすれば、本構成では突状部の頂部が径第一方向側に突出している分だけ、溶接対象箇所と永久磁石との距離は、特許文献１に比べて長くなる。溶接対象箇所は、電磁鋼板が溶融し、凝固した箇所（溶融凝固部）となるが、この溶融凝固部と永久磁石との距離が長いほど、熱衝撃発生時に溶融凝固部に掛かる応力が軽減される。電磁鋼板と永久磁石との熱膨張係数が逆符号である場合、熱衝撃によって溶融凝固部には引張応力が掛かるが、溶融凝固部と永久磁石との距離が長ければ、引張応力が軽減される。即ち、この構成によれば、積層された鋼板を溶接により固定したロータコアに永久磁石が接合された回転電機用ロータにおいて、熱衝撃による溶接部位への応力を低減して高い信頼性を確保することが可能となる。
【０００８】
また、この構成によれば、溶接対象となる突状部の周方向の両側に第一凹溝部と第二凹溝部とが設けられるので、溶接部が変形し易くなっている。そのため、溶接に伴う歪みが溶接部以外に影響を及ぼしにくく、溶接に伴ってロータコアに生じる歪みも軽減される。歪みの軽減によって、ロータコアの真円度が向上する。尚、第一凹溝部及び第二凹溝部の径方向の深さ及び周方向の幅は、ロータコアを通る磁路を妨げて磁気特性を妨げない範囲で、大きく設定されるほど歪みの軽減効果が高くなる。また、突状部の周方向の幅も、磁気特性を妨げない範囲で、大きく設定されるほど溶接の幅が大きくなり、溶接深さを低減することができる。
【０００９】
本発明のさらなる特徴と利点は、図面を参照して説明する本発明の実施形態についての以下の記載から明確となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ロータの回転軸方向断面図
【図２】ロータコアの回転軸方向断面図
【図３】ロータの回転軸方向視の平面図
【図４】ロータコアの溶接部近傍の拡大図
【図５】比較例のロータコアの溶接部近傍の拡大図
【図６】ロータの応力シミュレーションモデルの回転軸方向部分断面図
【図７】高温時の応力シミュレーションモデルの回転軸方向部分断面図
【図８】低温時の応力シミュレーションモデルの回転軸方向部分断面図
【図９】引張応力による空隙とその開き角を模式的に示す説明図
【図１０】比較例のロータにおける空隙とその開き角を模式的に示す説明図
【図１１】ロータコアの第一溶融凝固部近傍の拡大図
【図１２】ロータコアにおける永久磁石及び溶接部の配置の他の例を示す拡大図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、インナーロータ型の回転電機に備えられるロータ１（回転電機用ロータ）を例として説明する。図１は、ロータ１の回転軸方向Ｌにおける断面図である。ロータ１は、ロータコア２、永久磁石４、回転軸Ｘとしての不図示のシャフトに対してロータコア２を連結するハブ５（回転部材）を備えて構成されている。図２は、ロータコア２にハブ５が取り付けられていない状態のロータコア２の回転軸方向Ｌにおける断面図である。詳細は後述するが、ロータコア２は、複数の円環状の電磁鋼板３を積層して形成されており、ロータコア２に対してハブ５を取り付ける前に、溶接によって電磁鋼板３が互いに接合される。図２における符号“Ｗ１”は、溶接によって溶融し凝固した溶融凝固部を模式的に示している。図３は、ロータコア２の回転軸方向Ｌに沿った方向から見た平面図である。
【００１２】
本実施形態では、ロータコア２を形成する電磁鋼板３を溶接によって互いに接合した後、ハブ５をロータコア２に取り付け、ハブ５とロータコア２とを溶接によって接合する。図１における符号“Ｗ２”も、溶接によって溶融し凝固した溶融凝固部を模式的に示している。上述したように、まず、ロータコア２の鋼板同士を溶接し、次にロータコア２とハブ５とを溶接する。従って、図２に示した溶融凝固部と、図１に示した溶融凝固部とを区別する場合、図２の溶融凝固部を第一溶融凝固部Ｗ１、図１に示した溶融凝固部を第二溶融凝固部Ｗ２と称する。図２は、後述する溶接部１０を通る断面、つまり第一溶融凝固部Ｗ１を通る断面を示したものである。図１は、ロータコア２にハブ５を取り付けた後の、溶接部１０を通らない断面、つまり第一溶融凝固部Ｗ１を通らない断面を示したものである。本実施形態のロータ１（又はロータコア２）は、溶接部１０の構造に特徴を有する。図４は、その溶接部１０の近傍の拡大図である。
【００１３】
以下、本実施形態に係るロータ１について詳細に説明する。以下の説明では、特に断らない限り、「回転軸方向Ｌ」、「径方向Ｒ」、「周方向Ｃ」は、ロータコア２の軸心（すなわち回転軸Ｘ）を基準とする。また、ロータコア２の径方向Ｒの一方側を径第一方向Ｒ１側、径方向Ｒの他方側を径第二方向Ｒ２側とする。図１に示すように、インナーロータ型の回転電機のロータ１を例示する本実施形態では、「径第一方向Ｒ１」は、径方向Ｒの内側（軸心側）へ向かう方向を表し、「径第二方向Ｒ２」は、径方向Ｒの外側（不図示のステータ側）へ向かう方向を表す。即ち、「径第一方向Ｒ１側」は「径方向内側」であり、「径第二方向Ｒ２側」は、「径方向外側」である。また、各部材についての寸法、配置方向、配置位置等に関しては、誤差（製造上許容され得る程度の誤差）による差異を有する状態も含む。
【００１４】
図１に示すように、ロータ１は、ロータコア２、永久磁石４、ハブ５（回転部材）を備えて構成されている。回転電機のロータを構成するロータコアは、多くの場合、鉄損を軽減するために、複数の薄い鋼板を回転軸に沿った方向に積層した積層コアの形態で形成されている。本実施形態においても、図１及び図２に示すように、ロータコア２は、複数枚の電磁鋼板３を回転軸方向Ｌに積層して構成されている。ロータコア２は、ハブ５を介して、回転軸Ｘとしての不図示のシャフトに固定される。図１に示すように、ハブ５は、ロータコア２の径第一方向Ｒ１側の周面である第一周面ＣＰ１を径方向Ｒに支持する部材である。また、ロータコア２は、ロータコア２の回転軸方向Ｌの両端部が回転軸方向Ｌにハブ５と相対移動しないように、支持される。本実施形態では、上述したように、ハブ５とロータコア２とは、溶接によって接合され、ロータコア２は、ハブ５と相対移動しないように支持される。ハブ５と不図示のシャフトとは、焼き嵌め、キー結合、スプライン結合等によって連結される。
【００１５】
永久磁石４は、径方向Ｒが磁化方向、回転軸方向Ｌが非磁化方向となるように、ロータコア２に配置される磁性体材料により構成されている。そして、この磁性体材料の非磁化方向の熱膨張係数は電磁鋼板３とは逆符号である。本実施形態において、この磁性体材料はネオジムを中核とするものである。永久磁石４はネオジム磁石であり、その非磁化方向の熱膨張係数は負の値である。一方、電磁鋼板３の熱膨張係数は、方向に関係なく正の値である。従って、永久磁石４は、非磁化方向の熱膨張係数が電磁鋼板３とは逆符号の磁石である。
【００１６】
永久磁石４は、図３に示すように、ロータコア２の径方向厚さＲＷにおける径方向中間位置Ｒ３よりも径第二方向Ｒ２側においてロータコア２の周方向Ｃに分散して複数個配置されている。ロータコア２には、回転軸方向Ｌに貫通する磁石挿入孔が形成されており、当該磁石挿入孔にロータコア２とほぼ同じ回転軸方向長さを有する永久磁石４が挿入されてロータコア２に固定されている。即ち、永久磁石４のそれぞれは、回転軸方向Ｌに沿って連続的に配置されていると共にロータコア２に接合されている。尚、永久磁石４は、ロータコア２の表面に接合されていてもよい。即ち、ロータ１は、埋め込み磁石型のロータに限らず、表面磁石型のロータであってもよい。
【００１７】
ところで、上述したように、ロータコア２は、複数枚の円環状の電磁鋼板３を回転軸方向Ｌに積層して構成されている。また、本実施形態では、回転軸方向Ｌにおけるロータコア２の両端部に、いわゆるエンドプレートと称されるような固定部材が設けられていない。また、複数枚の電磁鋼板３を固定するために、回転軸方向Ｌにおいて隣接する鋼板同士が溶接によって接合される。このため、ロータコア２には、溶接対象箇所となる溶接部１０が形成されている。本実施形態では、図３及び図４に示すように、ロータコア２の第一周面ＣＰ１に、複数枚の電磁鋼板３を互いに溶接するための溶接部１０が形成されている。
【００１８】
この溶接部１０に電子ビームやレーザービーム等のエネルギービームＢを照射して電磁鋼板３を溶融させ、その後凝固させることで、回転軸方向Ｌにおいて隣接する電磁鋼板３が溶接される。図２に示すように、回転軸方向Ｌに沿って溶接部１０にエネルギービームＢを照射することで、複数枚の電磁鋼板３が１つのロータコア２として接合される。第一溶融凝固部Ｗ１は、回転軸方向Ｌに沿って照射されるエネルギービームＢによって、複数の電磁鋼板３が溶融し凝固した部分を示している。尚、後述するように、例えば、回転軸方向Ｌの両端部近傍の電磁鋼板３には、このエネルギービームＢが照射されなくてもよい。従って、第一溶融凝固部Ｗ１は、回転軸方向Ｌの全域に亘って形成されている必要はない。
【００１９】
詳細は後述するが、溶接部１０の全ての部位は、第一周面ＣＰ１における溶接部１０以外の一般部２０の周面である基準周面ＣＲに対して径第二方向Ｒ２側に形成されている。基準周面ＣＲは、換言すれば、回転軸Ｘを中心とする断面が真円の仮想的な円柱の内壁又は外壁であり、理想的な周面である。一般部２０は、この仮想的な円柱の内壁又は外壁である理想的な周面に一致するように形成されている。ハブ５のロータコア２と当接する面も、この理想的な周面に一致するように形成されている。溶接部１０の全ての部位が、基準周面ＣＲに対して径第二方向Ｒ２側に形成されていることにより、第一溶融凝固部Ｗ１も、基準周面ＣＲに対して径第二方向Ｒ２側に形成される。ハブ５は、基準周面ＣＲに当接するように配置されるが、この際、第一溶融凝固部Ｗ１が、ハブ５とロータコア２との当接を妨げることはない。
【００２０】
ハブ５は、一般部２０に当接して、ロータコア２に固定される。図１及び図３に示すように、回転軸方向Ｌの両端部において、ハブ５と一般部２０とが当接する円周状の部分に、エネルギービームＢが照射され、ハブ５とロータコア２とが溶接される。ハブ５と一般部２０とが当接する部分には、第二溶融凝固部Ｗ２が形成される。回転軸方向Ｌの両端部近傍の電磁鋼板３には、このように第二溶融凝固部Ｗ２が形成され、この第二溶融凝固部Ｗ２は、複数枚の電磁鋼板３に亘って形成される。従って、回転軸方向Ｌに沿って照射されるエネルギービームＢによって、回転軸方向Ｌの両端部近傍の電磁鋼板３が溶接されなくてもよい。
【００２１】
回転軸方向Ｌに沿って、ロータコア２の一方の端部から他方の端部へとエネルギービームＢを照射する際、両端部では電磁鋼板３が少なくなるから、エネルギーが余剰となる。その結果、溶融した電磁鋼板３が沸点を超えてしまうと、凝固した後に、ロータコア２の内部に空隙が形成される可能性がある。このような空隙は、ロータコア２の磁気性能の低下につながる。溶接の際に、照射対象位置に応じてエネルギービームＢの照射力を制御しようとすると、溶接の工程が煩雑となる可能性がある。しかし、第二溶融凝固部Ｗ２によって、回転軸方向Ｌの両端部に存在する鋼板同士を接合するようにすれば、そのようなエネルギービームＢの制御も不要となる。
【００２２】
以下、溶接部１０の構成について説明する。図４に示すように、溶接部１０は、第一凹溝部１１と、第二凹溝部１２と、突状部１３とを有して構成されている。第一凹溝部１１は、基準周面ＣＲに対して径第二方向Ｒ２側に窪むと共に回転軸方向Ｌに沿って連続して延びるように形成されている。第二凹溝部１２は、基準周面ＣＲに対して径第二方向Ｒ２側に窪むと共に第一凹溝部１１と平行状に連続して延びるように形成されている。突状部１３は、周方向Ｃにおいて第一凹溝部１１と第二凹溝部１２との間に挟まれて径第一方向Ｒ１側に突出すると共に回転軸方向Ｌに沿って連続して延びるように形成されている。換言すれば、一対の凹溝部である第一凹溝部１１及び第二凹溝部１２は、突状部１３の周方向Ｃの両側においてそれぞれ径第二方向Ｒ２側に引退して回転軸方向Ｌに沿って連続して延びるように形成されている。
【００２３】
尚、突状部１３は、突状部１３における径第一方向Ｒ１側の端部である頂部１４が、基準周面ＣＲよりも径第二方向Ｒ２側に位置するように形成されている。溶接部１０の全ての部位の内、最も径第一方向Ｒ１側に位置する部位は頂部１４である。従って、溶接部１０の全ての部位は、基準周面ＣＲに対して径第二方向Ｒ２側に形成されている。また、エネルギービームＢは、頂部１４を標的として照射される。従って、第一溶融凝固部Ｗ１は頂部１４を中心として形成される。上述したように、頂部１４の周方向Ｃの両側、つまり突状部１３の周方向Ｃの両側には、径第二方向Ｒ２側へ窪んだ溝（第一凹溝部１１及び第二凹溝部１２）が形成されている。従って、溶融した電磁鋼板３は、これらの溝の方向へ流れていくことはあっても、頂部１４の当初位置よりも径第一方向Ｒ１側へ隆起してくる可能性は極めて低い。従って、第一溶融凝固部Ｗ１は、基準周面ＣＲよりも径第一方向Ｒ１側へ成長することなく、ロータコア２とハブ５との接合を妨げないように形成される。
【００２４】
ところで、本実施形態においては、図４に示すように、第一周面ＣＰ１の回転軸Ｘに直交する断面における溶接部１０の形状は、第一凹溝部１１と突状部１３と第二凹溝部１２とを連続的につなぐ曲線状である。溶接される突状部１３の周方向Ｃにおける両側に第一凹溝部１１と第二凹溝部１２とが設けられることで、溶接部１０が変形し易くなっている。そのため、溶接に伴う歪みが溶接部１０以外に影響を及ぼしにくく、溶接に伴ってロータコア２に生じる歪みが軽減される。
【００２５】
例えば、図５は、比較例のロータコア２の溶接部１０Ｂ近傍の拡大図である。この比較例の溶接部１０Ｂは、１つの凹溝部によって構成されている。発明者らによる実験やシミュレーションによれば、比較例の溶接部１０ＢにエネルギービームＢを照射して溶接した場合には、本実施形態の溶接部１０を溶接する場合と比べてロータコア２に生じる歪みが大きくなる。ロータコア２の歪みには、図３に示す内径φ１及び外径φ２の寸法の変化がある。実験やシミュレーションの結果、本実施形態のロータコア２では、そのような寸法の変化が比較例のロータコア２に比べて軽減されることが確かめられている。
【００２６】
また、本実施形態の溶接部１０の形状によって、第一溶融凝固部Ｗ１に掛かる応力、具体的には、電磁鋼板３の積層方向（回転軸方向Ｌ）への引張応力も抑制される。以下、この応力の軽減効果について、さらに図６から図１１も参照して説明する。図６から図８は、図５におけるVI−VI断面を模式的に示している。図６は、常温でのロータ１の応力シミュレーションモデルの回転軸方向Ｌにおける部分断面図である。図７は、高温時におけるロータ１の変形を考慮した応力シミュレーションモデルの回転軸方向Ｌにおける部分断面図である。図８は、低温時におけるロータ１の変形を考慮した応力シミュレーションモデルの回転軸方向Ｌにおける部分断面図である。尚、このシミュレーションモデルでは、電磁鋼板３の厚みを実際の１０〜２０倍としている。また、変形量も実際の１００倍程度に誇張されて模式化されている。
【００２７】
図６は、概ね常温（例えば２０〜２５［℃］程度）の際の部分断面図である。この環境温度では、電磁鋼板３及び永久磁石４の双方共、熱膨張及び熱収縮を生じていない。図７は、高温時（例えば１５０〜２００［℃］程度）の際の部分断面図である。この環境温度では、正の熱膨張係数を有する電磁鋼板３は膨張し、負の熱膨張係数を有する永久磁石４は収縮している。径第一方向Ｒ１側、つまり第一周面ＣＰ１には、回転軸方向Ｌに隣接する電磁鋼板３を引き剥がす方向の引張応力が発生し得るが、回転軸方向Ｌにおけるロータコア２の両端部は、第二溶融凝固部Ｗ２により、ハブ５に対して固定されている。このため、第１周面ＣＰ１には応力が発生しにくい。
【００２８】
図８は、低温時（例えば、−３０〜−４０［℃］程度）の際の部分断面図である。この環境温度では、正の熱膨張係数を有する電磁鋼板３は収縮し、負の熱膨張係数を有する永久磁石４は膨張している。永久磁石４よりも径第二方向Ｒ２側、つまり第二周面ＣＰ２の側には、回転軸方向Ｌに隣接する電磁鋼板３を引き剥がす方向の引張応力が発生する。また、永久磁石４よりも径第一方向Ｒ１側、つまり第一周面ＣＰ１でも、回転軸方向Ｌに膨張する永久磁石４が、電磁鋼板３を径第二方向Ｒ２側から引き剥がそうとする。つまり、高温時と異なり、ハブ５によって固定されていない側から電磁鋼板３に回転軸方向Ｌに沿った引張応力が印加されることになる。図８には、このような引張応力によって、回転軸方向Ｌに隣接する電磁鋼板３の間に生じる空隙Ｖを模式的に示している。
【００２９】
図９は、本実施形態のロータ１における引張応力による空隙Ｖ（Ｖ１）とその開き角θ１を模式的に示す説明図である。図１０は、比較例のロータ１における引張応力による空隙Ｖ（Ｖ２）とその開き角θ２とを模式的に示す説明図である。図１１は、ロータコア２の第一溶融凝固部Ｗ１近傍の拡大図である。図５と図１１とを比較すれば明らかなように、本実施形態の溶接部１０は、突状部１３を有することにより、永久磁石４と第一溶融凝固部Ｗ１との径方向Ｒにおける距離ＣＬ（ＣＬ１）が、比較例の永久磁石４と第一溶融凝固部Ｗ１との径方向Ｒにおける距離ＣＬ（ＣＬ２）に比べて長い。その結果、本実施形態の第一溶融凝固部Ｗ１に掛かる引張応力の方が、比較例の第一溶融凝固部Ｗ１に掛かる引張応力よりも小さくなる。
【００３０】
図９及び図１０は、本実施形態の第一溶融凝固部Ｗ１に掛かる引張応力の方が小さくなることを、空隙Ｖの形状から考察するための模式図である。永久磁石４と第一溶融凝固部Ｗ１との距離ＣＬの長さの違いは、図９及び図１０に示すように、引張応力によって生じる空隙Ｖの径方向Ｒにおける長さの違いともなる。つまり、空隙Ｖを広げる方向に働く力は、図９及び図１０に示す空隙Ｖの開き角（θ１，θ２）の大きさと相関性がある。具体的には、開き角（θ１，θ２）が大きくなるに従って（９０度に近いほど）、回転軸方向Ｌに沿った力、つまり引張応力が大きくなる。図に示すように、比較例における空隙Ｖ２の開き角θ２に比べて、本実施形態における空隙Ｖ１の開き角θ１の方が小さい。従って、本実施形態の方が比較例に比べて、引張応力が小さくなる。発明者らによる実験やシミュレーションによれば、比較例に比べて本実施形態では、引張応力が約５３％低減されることが確認された。
【００３１】
例えば、比較例における溶接部１０Ｂに対応する特許文献１の湾曲溝は、基準周面ＣＲから比較的大きく径第二方向Ｒ２側へ窪んでおり、溶接された箇所と永久磁石４との径方向Ｒにおける距離が近くなる。しかし、本実施形態では、そのような湾曲溝に比べて径第一方向Ｒ１側に、溶接部１０の突状部１３の頂部１４が位置している。つまり、ロータコア２の径方向厚さＲＷが同じであったとすれば、永久磁石４と溶接箇所（頂部１４）との距離は特許文献１の構造に比べて、本実施形態の構造の方が長くなる。溶接箇所は、電磁鋼板３が溶融し、凝固した箇所（第一溶融凝固部Ｗ１）となるが、この第一溶融凝固部Ｗ１と永久磁石４との距離ＣＬが長いほど、熱衝撃発生時に第一溶融凝固部Ｗ１に掛かる引張応力が軽減される。即ち、本実施形態の構成によれば、熱衝撃による溶接部位への応力を低減して高い信頼性を確保することが可能なロータ１を得ることができる。
【００３２】
また、本実施形態によれば、溶接される突状部１３の周方向Ｃの両側に第一凹溝部１１と第二凹溝部１２とが設けられるので、溶接に伴ってロータコア２に生じる歪みも上述したように軽減され、ロータコア２の真円度が向上する。尚、第一凹溝部１１及び第二凹溝部１２の径方向Ｒの深さ及び周方向Ｃの幅は、ロータコア２を通る磁路を妨げて磁気特性を妨げない範囲で、大きく設定されるほど歪みの軽減効果が高くなる。また、突状部１３の周方向Ｃの幅も、磁気特性を妨げない範囲で、大きく設定されるほど溶接の幅を大きくすることができ、溶接深さを低減することができる。
【００３３】
〔その他の実施形態〕
以下、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
【００３４】
（１）上記においては、図３に示すように、径第二方向Ｒ２側寄りにおいて周方向Ｃに分散して永久磁石４が複数個配置される形態を例示した。つまり、単一の永久磁石４が１つの磁極を形成し、当該単一の永久磁石４（磁極Ｍ）の周方向幅ＣＷにおける周方向中央部と重複する位置に、溶接部１０が形成されている例を示した。しかし、永久磁石４は、複数の永久磁石４によって１つの磁極Ｍを形成するように配置されていてもよい。例えば、図１２に例示するように、１つの磁極Ｍが２つの永久磁石４をＶ字型に並べて形成されるように、永久磁石４が配置されていてもよい。この場合には、１つの磁極Ｍを形成する２つの永久磁石４の間と重複する位置に溶接部１０が形成される。即ち、１つの磁極Ｍを構成する永久磁石４の数に拘わらず、溶接部１０は、径方向Ｒに見て、１つの磁極Ｍの周方向幅ＣＷにおける周方向中央部と重複する位置に形成されていればよい。尚、図１２では、径第二方向Ｒ２に向かうに従って互いの間隔が広くなるようなＶ字状に２つの永久磁石４が配置される形態を例示しているが、複数の永久磁石４の配置形態は、この形態に限定されるものではない。
【００３５】
（２）上記においては、ロータ１がインナーロータ型の回転電機に用いられるロータである場合を例示したが、当然ながらロータ１は、アウターロータ型の回転電機に用いられるロータであってもよい。インナーロータ型について説明した上記においては、径第一方向Ｒ１側が径方向内側であり、径第二方向Ｒ２側が径方向外側であった。アウターロータ型の回転電機においては、径第一方向Ｒ１側が径方向外側となり、径第二方向Ｒ２側が径方向内側となる。
【００３６】
（３）上記においては、永久磁石４がネオジム磁石である場合を例示した。しかし、永久磁石４は、非磁化方向における熱膨張係数が、電磁鋼板３と逆符号となる材料であれば、ネオジム磁石でなくてもよい。
【００３７】
（４）上記においては、第一周面ＣＰ１の回転軸Ｘに直交する断面における溶接部１０の形状が、第一凹溝部１１と突状部１３と第二凹溝部１２とを連続的につなぐ曲線状である形態を例示した。しかし、溶接部１０の形状は、この形態に限らず、角を有するような非曲線状であってもよい。
【００３８】
（５）上記においては、例えば図３に示したように、一部の永久磁石４のみに対して溶接部１０が設けられている形態を例示した。つまり、永久磁石４が周方向Ｃにおいて１６個配置されるのに対して、溶接部１０が８箇所に形成されている形態を例示した。しかし、このような形態に限定されることなく、各永久磁石４に対して１箇所ずつ溶接部１０が配置されてもよい。また、当然ながら、永久磁石４が１６個に対して、４箇所に溶接部が配置されてもよい。この関係は、磁極Ｍと溶接部１０との関係でも同様である。図１２に例示した形態では、各磁極Ｍに対応して１箇所ずつ溶接部１０が配置される形態を例示している。しかし、磁極Ｍの数よりも少なく溶接部１０が配置されていてもよい。
【００３９】
（６）上記においては、回転軸方向Ｌにおけるロータコア２の両端部に、いわゆるエンドプレートと称されるような固定部材が設けられていない構造を例示した。つまり、上記においては、ロータコア２とハブ５とが、溶接によって固定される形態を例示した。しかし、エンドプレートなどのような固定部材を用いて、カシメやボルトによって、ハブ５などの回転部材に対してロータコア２が相対的に固定される形態であってもよい。この形態では、エンドプレートなどの固定部材を用いて、ロータコア２は、ハブ５と相対移動しないように支持される。
【００４０】
〔本発明の実施形態の概要〕
以下、上記において説明した、本発明の実施形態における回転電機用ロータ（１）の概要について簡単に説明する。
【００４１】
複数枚の電磁鋼板（３）を回転軸方向（Ｌ）に積層して構成されたロータコア（２）を備えた回転電機用ロータ（１）は、１つの態様として、
前記回転軸方向（Ｌ）の熱膨張係数が前記電磁鋼板（３）とは逆符号である永久磁石（４）と、
前記ロータコア（２）を支持する回転部材（５）と、を備え、
前記ロータコア（２）の径方向（Ｒ）の一方側を径第一方向（Ｒ１）側、前記径方向（Ｒ）の他方側を径第二方向（Ｒ２）側として、前記回転部材（５）は、前記ロータコア（２）の前記径第一方向（Ｒ１）側の周面である第一周面（ＣＰ１）を前記径方向（Ｒ）に支持し、
前記ロータコア（２）の前記回転軸方向（Ｌ）の両端部が前記回転軸方向（Ｌ）に前記回転部材（５）と相対移動しないように、前記ロータコア（２）が支持され、
前記永久磁石（４）は、前記ロータコア（２）の径方向厚さ（ＲＷ）における径方向中間位置（Ｒ３）よりも前記径第二方向（Ｒ２）側において前記ロータコア（２）の周方向（Ｃ）に分散して複数個配置され、
前記永久磁石（４）のそれぞれが、前記回転軸方向（Ｌ）に沿って配置されていると共に前記ロータコア（２）に接合され、
前記ロータコア（２）は、複数枚の前記電磁鋼板（３）を互いに溶接するための溶接部（１０）を、前記第一周面（ＣＰ１）に有し、
前記溶接部（１０）は、前記第一周面（ＣＰ１）における前記溶接部（１０）以外の一般部（２０）の周面である基準周面（ＣＲ）に対して前記径第二方向（Ｒ２）側に窪むと共に前記回転軸方向（Ｌ）に沿って連続して延びる第一凹溝部（１１）と、前記基準周面（ＣＲ）に対して前記径第二方向（Ｒ２）側に窪むと共に前記第一凹溝部（１１）と平行状に連続して延びる第二凹溝部（１２）と、前記第一凹溝部（１１）と前記第二凹溝部（１２）との前記周方向（Ｃ）の間に挟まれて前記径第一方向（Ｒ１）側に突出すると共に前記回転軸方向（Ｌ）に沿って連続して延びる突状部（１３）と、を備え、
前記突状部（１３）における前記径第一方向（Ｒ１）側の頂部（１４）が、前記基準周面（ＣＲ）よりも前記径第二方向（Ｒ２）側に位置するように、前記突状部（１３）が形成されていると好適である。
【００４２】
例えば、特許文献１において溶接部（１０）に対応する湾曲溝は、基準周面（ＣＲ）から比較的大きく径第二方向（Ｒ２）側へ窪んでいる。しかし、本構成では、そのような湾曲溝に比べて径第一方向（Ｒ１）側に、溶接部（１０）の突状部（１３）の頂部（１４）が位置している。つまり、ロータコア（２）の径方向厚さ（ＲＷ）が同じであったとすれば、本構成では突状部（１３）の頂部（１４）が径第一方向（Ｒ１）側に突出している分だけ、溶接対象箇所と永久磁石（４）との距離（ＣＬ）は、特許文献１に比べて長くなる。溶接対象箇所は、電磁鋼板（３）が溶融し、凝固した箇所（溶融凝固部（Ｗ１））となるが、この溶融凝固部（Ｗ１）と永久磁石（４）との距離が長いほど、熱衝撃発生時に溶融凝固部（Ｗ１）に掛かる応力が軽減される。電磁鋼板（３）と永久磁石（４）との熱膨張係数が逆符号である場合、熱衝撃によって溶融凝固部（Ｗ１）には引張応力が掛かるが、溶融凝固部（Ｗ１）と永久磁石（４）との距離が長ければ、引張応力が軽減される。即ち、この構成によれば、積層された鋼板（３）を溶接により固定したロータコア（２）に永久磁石（４）が接合された回転電機用ロータ（１）において、熱衝撃による溶接部位への応力を低減して高い信頼性を確保することが可能となる。
【００４３】
また、この構成によれば、溶接対象となる突状部（１３）の周方向（Ｃ）の両側に第一凹溝部（１１）と第二凹溝部（１２）とが設けられるので、溶接部（１０）が変形し易くなっている。そのため、溶接に伴う歪みが溶接部（１０）以外に影響を及ぼしにくく、溶接に伴ってロータコア（２）に生じる歪みも軽減される。歪みの軽減によって、ロータコア（２）の真円度が向上する。尚、第一凹溝部（１１）及び第二凹溝部（１２）の径方向（Ｒ）の深さ及び周方向（Ｃ）の幅は、ロータコア（２）を通る磁路を妨げて磁気特性を妨げない範囲で、大きく設定されるほど歪みの軽減効果が高くなる。また、突状部（１３）の周方向（Ｃ）の幅も、磁気特性を妨げない範囲で、大きく設定されるほど溶接の幅が大きくなり、溶接深さを低減することができる。
【００４４】
ここで、前記第一周面（ＣＰ１）の回転軸（Ｘ）に直交する断面における前記溶接部（１０）の形状は、前記第一凹溝部（１１）と前記突状部（１３）と前記第二凹溝部（１２）とを連続的につなぐ曲線状であると好適である。上述したように、溶接される突状部（１３）の周方向（Ｃ）の両側に第一凹溝部（１１）と第二凹溝部（１２）とが設けられるので、溶接部（１０）が変形し易くなっている。そのため、溶接に伴う歪みが溶接部（１０）以外に影響を及ぼしにくく、溶接に伴ってロータコア（２）に生じる歪みが軽減される。さらに、溶接部（１０）の形状が、このように３つの部位を連続的につなぐ曲線状に形成されることで、溶接部（１０）が滑らかに構成される。この形状によって、溶接部（１０）に作用する応力を分散させることができるので、ロータコア（２）は、適切な磁気特性を有することができる。
【００４５】
上述したように、溶接部（１０）には、溶接対象箇所となる突状部（１３）の他、その周方向（Ｃ）の両側に第一凹溝部（１１）と第二凹溝部（１２）とが設けられる。そして、第一凹溝部（１１）及び第二凹溝部（１２）は、ロータコア（２）における磁路を妨げることなく設けられることが好ましい。即ち、１つの態様として、前記永久磁石（４）が、単一の磁石又は複数の磁石によって１つの磁極（Ｍ）を形成している場合、前記溶接部（１０）は、径方向（Ｒ）に見て、前記磁極（Ｍ）の周方向幅（ＣＷ）における周方向中央部と重複する位置に形成されていると好適である。ここで、重複するとは、溶接部（１０）の少なくとも一部が重複している状態をいう。
【００４６】
回転軸方向（Ｌ）、即ち非磁化方向における熱膨張係数が、電磁鋼板（３）と逆符号である永久磁石（４）として、ネオジム磁石がある。従って、１つの態様として、前記永久磁石（４）は、ネオジム磁石であると好適である。熱衝撃による溶接部位への応力を低減すると共に高い信頼性を確保して、強い磁力を有する永久磁石型の回転電機用ロータを提供することができる。
【００４７】
回転電機用ロータ（１）は、多くの民生用の回転電機の形式であるインナーロータ型の回転電機のロータとして用いられると好適である。熱衝撃による溶接部位への応力を低減すると共に高い信頼性を確保して、強い磁力を有する永久磁石型のロータを備えた信頼性の高い回転電機を得ることができる。回転電機用ロータ（１）がインナーロータ型の回転電機に備えられる場合、前記径第一方向（Ｒ１）側は径方向内側であり、前記径第二方向（Ｒ２）側は、径方向外側である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、複数枚の電磁鋼板を回転軸方向に積層して構成されたロータコアを備えた回転電機用ロータに利用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１        ：ロータ（回転電機用ロータ）
２        ：ロータコア
３        ：電磁鋼板
４        ：永久磁石
５        ：ハブ（回転部材）
１０      ：溶接部
１１      ：第一凹溝部
１２      ：第二凹溝部
１３      ：突状部
１４      ：頂部
２０      ：一般部
Ｃ        ：周方向
ＣＰ１    ：第一周面
ＣＲ      ：基準周面
ＣＷ      ：磁極の周方向幅
Ｌ        ：回転軸方向
Ｍ        ：磁極
Ｒ        ：径方向
Ｒ１      ：径第一方向
Ｒ２      ：径第二方向
Ｒ３      ：径方向中間位置
ＲＷ      ：径方向厚さ
【図１】
0006451402.tif 000002
【図２】
0006451402.tif 000003
【図３】
0006451402.tif 000004
【図４】
0006451402.tif 000005
【図５】
0006451402.tif 000006
【図６】
0006451402.tif 000007
【図７】
0006451402.tif 000008
【図８】
0006451402.tif 000009
【図９】
0006451402.tif 000010
【図１０】
0006451402.tif 000011
【図１１】
0006451402.tif 000012
【図１２】
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