(57)【要約】【課題】発電機のロータを構成する一対の回転軸およびロータ本体を高精度かつ高強度に溶接する。【解決手段】発電機のロータ１５は、一対のシャフト２２と、パイプ状のロータ本体２７と、シャフト２２およびロータ本体２７間に挟まれる一対の円板状のプレート２５と、ロータ本体２７の内部に収納される永久磁石２８とを備える。プレート２５の外周部にシャフト２２の内端部およびロータ本体２７の外端部をそれぞれ段部Ａ，Ｂを介して嵌合させ、シャフト２２とロータ本体２７とをプレート２５の外周面を裏当金として溶接する。これにより、プレート２５を介してシャフト２２およびロータ本体２７を軸線上に精度良く位置決めし、ロータ１５の組立精度を高めることができ、しかも溶接の熱で永久磁石２８が溶けて合金化するのを防止し、溶接の強度を確保することができる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に対向する内端部が環状に形成された第１、第２シャフト（２２，２４）と、パイプ状のロータ本体（２７）と、第１、第２シャフト（２２，２４）の内端部とロータ本体（２７）の両外端部間に挟まれる円板状の第１、第２プレート（２５，２６）と、第１、第２シャフト（２２，２４）、ロータ本体（２７）および第１、第２プレート（２５，２６）と異なる材質で構成されてロータ本体（２７）の内部に収納される被収納部材（２８）とを備えた回転電機のロータであって、
第１プレート（２５）に第１シャフト（２２）の内端部およびロータ本体（２７）の一方の外端部をそれぞれ段部（Ａ，Ｂ）を介して嵌合させ、第１シャフト（２２）とロータ本体（２７）とを第１プレート（２５）の外周面を裏当金として溶接するとともに、第２プレート（２６）に第２シャフト（２４）の内端部およびロータ本体（２７）の他方の外端部をそれぞれ段部（Ａ，Ｂ）を介して嵌合させ、第２シャフト（２４）とロータ本体（２７）とを第２プレート（２６）の外周面を裏当金として溶接したことを特徴とする回転電機のロータ。
【請求項２】
第１、第２シャフト（２２，２４）の内部を中ぐりし、その開口を第１、第２プレート（２５，２６）で閉塞して中空部（２２ｄ，２４ｄ）を形成したことを特徴とする、請求項１に記載の回転電機のロータ。
【請求項３】
被収納部材は永久磁石（２８）であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の回転電機のロータ。
【請求項４】
前記回転電機はガスタービンエンジンにより駆動される発電機（Ｇ）であることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の回転電機のロータ。
【請求項５】
相互に対向する内端部が環状に形成された第１、第２シャフト（２２，２４）と、パイプ状のロータ本体（２７）と、第１、第２シャフト（２２，２４）の内端部とロータ本体（２７）の両外端部間に挟まれる円板状の第１、第２プレート（２５，２６）と、第１、第２シャフト（２２，２４）、ロータ本体（２７）および第１、第２プレート（２５，２６）と異なる材質で構成されてロータ本体（２７）の内部に収納される被収納部材（２８）とを備えた回転電機のロータの製造方法であって、
第１プレート（２５）に第１シャフト（２２）の内端部およびロータ本体（２７）の一方の外端部を嵌合させる工程と、
第２プレート（２６）に第２シャフト（２４）の内端部およびロータ本体（２７）の他方の外端部を嵌合させる工程と、
第１シャフト（２２）とロータ本体（２７）との間に形成された間隙（α）を第１プレート（２５）の外周面を裏当金として溶接する工程と、
第２シャフト（２４）とロータ本体（２７）との間に形成された間隙（α）を第２プレート（２６）の外周面を裏当金として溶接する工程と、
を含むことを特徴とする回転電機のロータの製造方法。
【請求項６】
被収納部材は永久磁石（２８）であることを特徴とする、請求項５に記載の回転電機のロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の部材を溶接により組み立てた回転電機のロータと、その回転電機のロータの製造方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
定置型のガスタービンエンジンによって駆動される発電機のロータを、前後の回転軸の間に固定された磁石ホルダの外周部に複数の永久磁石を支持して構成したものが、下記特許文献１により公知である。
【０００３】
また一対の外殻構成体と仕切壁とを溶接して圧力容器を製造する際に、一対の外殻構成体の接続部の内側に位置する仕切壁の外周部を溶接の裏当金として利用するものが、下記特許文献２により公知である。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３０３０６８９号公報
【特許文献２】
特開平１１−１９０４９５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発電機のロータのシャフトを中ぐりして軽量化を図るために、そのロータを、内部に永久磁石を収納するロータ本体と、ロータ本体の両端に溶接される一対のシャフトとに分割して構成することが考えられる。この場合、ロータ本体および一対のシャフトを溶接する際の位置決めを精密に行わないと、ロータ本体の軸線およびシャフトの軸線がずれてしまい、ロータの回転時に振動が発生する可能性がある。また前記溶接を行うときにロータ本体の内部に収納された永久磁石が溶接の熱で溶融すると、ロータ本体およびシャフトと、それらと異材質の永久磁石とが混合して合金化してしまい、溶接部の強度が低下する可能性がある。
【０００６】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、回転電機のロータを構成する一対の回転軸およびロータ本体を高精度かつ高強度に溶接することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、相互に対向する内端部が環状に形成された第１、第２シャフトと、パイプ状のロータ本体と、第１、第２シャフトの内端部とロータ本体の両外端部間に挟まれる円板状の第１、第２プレートと、第１、第２シャフト、ロータ本体および第１、第２プレートと異なる材質で構成されてロータ本体の内部に収納される被収納部材とを備えた回転電機のロータであって、第１プレートに第１シャフトの内端部およびロータ本体の一方の外端部をそれぞれ段部を介して嵌合させ、第１シャフトとロータ本体とを第１プレートの外周面を裏当金として溶接するとともに、第２プレートに第２シャフトの内端部およびロータ本体の他方の外端部をそれぞれ段部を介して嵌合させ、第２シャフトとロータ本体とを第２プレートの外周面を裏当金として溶接したことを特徴とする回転電機のロータが提案される。
【０００８】
上記構成によれば、第１、第２プレートに第１、第２シャフトの内端部およびロータ本体の両外端部をそれぞれ段部を介して嵌合させるので、第１、第２プレートを介して第１、第２シャフトおよびロータ本体を軸線上に精度良く位置決めし、ロータの組立精度を高めることができる。また第１、第２シャフトとロータ本体とを第１、第２プレートの外周面を裏当金として溶接するので、溶接の熱で被収納部材が溶けて第１、第２シャフト、ロータ本体および第１、第２プレートと合金化するのを防止し、溶接の強度を確保することができる。
【０００９】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、第１、第２シャフトの内部を中ぐりし、その開口を第１、第２プレートで閉塞して中空部を形成したことを特徴とする回転電機のロータが提案される。
【００１０】
上記構成によれば、第１、第２シャフトの内部を中ぐりして第１、第２プレートとの間に中空部を形成したので、ロータを軽量化して高速回転を可能にすることができる。
【００１１】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、被収納部材は永久磁石であることを特徴とする回転電機のロータが提案される。
【００１２】
上記構成によれば、被収納部材が永久磁石であるので、溶接時に永久磁石が溶融して第１、第２シャフト、第１、第２プレートおよびロータ本体と合金化するのを防止することができる。
【００１３】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記回転電機はガスタービンエンジンにより駆動される発電機であることを特徴とする回転電機のロータが提案される。
【００１４】
上記構成によれば、発電機のロータの軸線の精度が高まるので、発電機をガスタービンエンジンで駆動してロータを高速回転させても振動の発生を抑制することができる。
【００１５】
また請求項５に記載された発明によれば、相互に対向する内端部が環状に形成された第１、第２シャフトと、パイプ状のロータ本体と、第１、第２シャフトの内端部とロータ本体の両外端部間に挟まれる円板状の第１、第２プレートと、第１、第２シャフト、ロータ本体および第１、第２プレートと異なる材質で構成されてロータ本体の内部に収納される被収納部材とを備えた回転電機のロータの製造方法であって、第１プレートに第１シャフトの内端部およびロータ本体の一方の外端部を嵌合させる工程と、第２プレートに第２シャフトの内端部およびロータ本体の他方の外端部を嵌合させる工程と、第１シャフトとロータ本体との間に形成された間隙を第１プレートの外周面を裏当金として溶接する工程と、第２シャフトとロータ本体との間に形成された間隙を第２プレートの外周面を裏当金として溶接する工程とを含むことを特徴とする回転電機のロータの製造方法が提案される。
【００１６】
上記構成によれば、第１、第２プレートに第１、第２シャフトの内端部およびロータ本体の両外端部を嵌合させ、第１、第２シャフトとロータ本体との間に形成された間隙を第１、第２プレートの外周面を裏当金として溶接するので、溶接の熱で被収納部材が溶けて第１、第２シャフト、ロータ本体および第１、第２プレートと合金化するのを防止して溶接の強度を確保することができる。更に、第１、第２シャフトおよびロータ本体の溶接時の歪みを前記間隙により吸収できるため、溶接時に発生していた歪みを溶接後の加工で取り除くために予め付けていた余分の肉厚を第１、第２プレートやロータ本体からなくし、加工工数を減らすことができる。
【００１７】
また請求項６に記載された発明によれば、請求項５の構成に加えて、被収納部材は永久磁石であることを特徴とする回転電機のロータの製造方法が提案される。
【００１８】
上記構成によれば、被収納部材が永久磁石であるので、溶接時に永久磁石が溶融して第１、第２シャフト、第１、第２プレートおよびロータ本体と合金化するのを防止することができる。
【００１９】
尚、実施例の永久磁石２８は本発明の被収納部材に対応し、実施例の発電機Ｇは本発明の回転電機に対応する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００２１】
図１〜図４は本発明の一実施例を示すもので、図１は発電機の縦断面図、図２は発電機のロータの縦断面図、図３は図２の３部拡大図、図４は溶接工程前の前記図３に対応する図である。
【００２２】
図１に示すように、ガスタービンエンジンによって駆動される発電機Ｇは、一端が開口したケーシング１１と、ケーシング１１の開口を閉塞してボルト１２…で固定されるエンドカバー１３とを備えており、ケーシング１１の内部にステータ１４およびロータ１５が収納される。
【００２３】
ケーシング１１の内周面にボルト１６…で固定されたステータ１４は、多数の鋼板を積層したステータコア１７と、ステータコア１７の周囲にボビン１８を介して巻回したコイル１９とを備えており、コイル１９にはハーネス２０を介して給電される。
【００２４】
図２を併せて参照すると明らかなように、ステータ１４の内部に配置されたロータ１５は、軸線Ｌ方向外側の小径部２２ａがエンドカバー１３にローラベアリング２１を介して支持された第１シャフト２２と、軸線Ｌ方向外側の小径部２４ａがケーシング１１にボールベアリング２３を介して支持された第２シャフト２４と、第１シャフト２２の軸線Ｌ方向内側に形成された環状の大径部２２ｂに結合された円板状の第１プレート２５と、第２シャフト２４の軸線Ｌ方向内側に形成された環状の大径部２４ｂに結合された円板状の第２プレート２６と、第１プレート２５および第２プレート２６に軸線Ｌ方向両外端部を結合されたパイプ状のロータ本体２７と、ロータ本体２７の内面に固定された複数の永久磁石２８…とを備える。
【００２５】
第１、第２シャフト２２，２４の大径部２２ｂ，２４ｂの内側は中ぐりされており、その開口を第１、第２プレート２５，２６で閉塞することにより、第１、第２シャフト２２，２４に中空部２２ｄ，２４ｄが形成される。第１、第２シャフト２２，２４に中空部２２ｄ，２４ｄを形成したことで、ロータ１５を軽量化して高速回転を可能にすることができる。
【００２６】
第１シャフト２２は大径部２２ｂの中心から軸線Ｌ方向に突出するパイプ状の支持部２２ｃを備えており、その外周面に第１プレート２５の開口２５ａ、永久磁石２８…の内周面および第２プレート２６の開口２６ａが支持される。従って、永久磁石２８…はロータ本体２７、第１プレート２５、第２プレート２６および第１シャフト２２の支持部２２ｃによって区画された空間に収納される。ロータ本体２７の外周面は、コイル１９の径方向内側を囲むパイプ状のコイルカバー２９の内周面に僅かなエアギャップを介して対向する。
【００２７】
図４から明らかなように、第１プレート２５の軸線Ｌ方向外側面に形成した環状の段部Ａに第１シャフト２２の大径部２２ｂの内周が嵌合して位置決めされ、またロータ本体２７の一方の軸線Ｌ方向外端部に形成した環状の段部Ｂに第１プレート２５の軸線Ｌ方向内側面が嵌合して位置決めされる。前記二つ段部Ａ，Ｂの位置決め作用により、第１シャフト２２およびロータ本体２７が軸線Ｌ上に精密に位置決めされる。また第１プレート２５の外周部の厚さｔをプラス公差に設定し、ロータ本体２７の段部Ｂの深さｄをマイナス公差に設定することにより、第１シャフト２２の端面およびロータ本体２７の端面間に数十μｍの間隙αが形成されており、この間隙αの底部は第１プレート２５の外周面に臨んでいる。
【００２８】
しかして、図３に示すように、前記間隙αをレーザー溶接することで、第１シャフト２２、ロータ本体２７および第１プレート２５を一体化する。このとき、間隙αの底部を塞ぐ第１プレート２５の外周面が裏当金として機能することで溶接ビード３０が永久磁石２８…に達するのを防止することができる。これにより、例えばインコネルよりなる第１シャフト２２、ロータ本体２７および第１プレート２５に対して、異種材料の永久磁石２８…が合金化して溶接強度が低下するのを防止することができる。
【００２９】
以上、第１シャフト２２、ロータ本体２７および第１プレート２５の溶接について説明したが、第２シャフト２４、ロータ本体２７および第２プレート２６の溶接についても、その構造および作用は実質的に同じである。
【００３０】
以上のように、第１シャフト２２およびロータ本体２７を第１プレート２５に段部Ａ，Ｂを介して嵌合させ、かつ第２シャフト２４およびロータ本体２７を第２プレート２６に段部Ａ，Ｂを介して嵌合させるので、第１シャフト２２、ロータ本体２７および第２シャフト２４を軸線Ｌ上に精密に位置決めし、ロータ１５の回転時のバランスを高めることができる。これにより、高回転のガスタービンエンジンＥで駆動される発電機Ｇのロータ１５の回転時の振動の発生を効果的に防止することができる。また溶接部に予め間隙αを形成しておくことにより、第１、第２シャフト２２，２４およびロータ本体２７の溶接時の歪みを前記間隙αにより吸収できる。従来は溶接時に発生していた歪みを溶接後の加工で取り除くために第１、第２プレート２５，２６やロータ本体２７に余分の肉厚を予め付けていたが、本実施例では前記間隙αによって余分の肉厚を予め付ける必要がなくなり、その分だけ加工工数を減らすことができる。
【００３１】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００３２】
例えば、実施例では発電機Ｇのロータ１５を例示したが、本発明は電動機のロータに対しても適用することができる。
【００３３】
また実施例では発電機Ｇをガスタービンエンジンで駆動しているが、他の任意の駆動源で発電機Ｇを駆動することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、  第１、第２プレートに第１、第２シャフトの内端部およびロータ本体の両外端部をそれぞれ段部を介して嵌合させるので、第１、第２プレートを介して第１、第２シャフトおよびロータ本体を軸線上に精度良く位置決めし、ロータの組立精度を高めることができる。また第１、第２シャフトとロータ本体とを第１、第２プレートの外周面を裏当金として溶接するので、溶接の熱で被収納部材が溶けて第１、第２シャフト、ロータ本体および第１、第２プレートと合金化するのを防止し、溶接の強度を確保することができる。
【００３５】
また請求項２に記載された発明によれば、第１、第２シャフトの内部を中ぐりして第１、第２プレートとの間に中空部を形成したので、ロータを軽量化して高速回転を可能にすることができる。
【００３６】
また請求項３に記載された発明によれば、被収納部材が永久磁石であるので、溶接時に永久磁石が溶融して第１、第２シャフト、第１、第２プレートおよびロータ本体と合金化するのを防止することができる。
【００３７】
また請求項４に記載された発明によれば、発電機のロータの軸線の精度が高まるので、発電機をガスタービンエンジンで駆動してロータを高速回転させても振動の発生を抑制することができる。
【００３８】
また請求項５に記載された発明によれば、第１、第２プレートに第１、第２シャフトの内端部およびロータ本体の両外端部を嵌合させ、第１、第２シャフトとロータ本体との間に形成された間隙を第１、第２プレートの外周面を裏当金として溶接するので、溶接の熱で被収納部材が溶けて第１、第２シャフト、ロータ本体および第１、第２プレートと合金化するのを防止して溶接の強度を確保することができる。更に、第１、第２シャフトおよびロータ本体の溶接時の歪みを前記間隙により吸収できるため、溶接時に発生していた歪みを溶接後の加工で取り除くために予め付けていた余分の肉厚を第１、第２プレートやロータ本体からなくし、加工工数を減らすことができる。
【００３９】
また請求項６に記載された発明によれば、被収納部材が永久磁石であるので、溶接時に永久磁石が溶融して第１、第２シャフト、第１、第２プレートおよびロータ本体と合金化するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発電機の縦断面図
【図２】発電機のロータの縦断面図
【図３】図２の３部拡大図
【図４】溶接工程前の前記図３に対応する図
【符号の説明】
２２        第１シャフト
２２ｄ      中空部
２４        第２シャフト
２４ｄ      中空部
２５        第１プレート
２６        第２プレート
２７        ロータ本体
２８        永久磁石（被収納部材）
Ａ          段部
Ｂ          段部
Ｇ          発電機（回転電機）
α          間隙
【図１】
2005027440.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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