JPH07118886B2 - ロータ鉄心とロータバーの接合方法 - Google Patents

ロータ鉄心とロータバーの接合方法

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JPH07118886B2
JPH07118886B2 JP4160495A JP16049592A JPH07118886B2 JP H07118886 B2 JPH07118886 B2 JP H07118886B2 JP 4160495 A JP4160495 A JP 4160495A JP 16049592 A JP16049592 A JP 16049592A JP H07118886 B2 JPH07118886 B2 JP H07118886B2
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rotor bar
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豪 柳田
建四郎 小山田
耕作 吉野
康二 北見
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アドバンス・コージェネレーションシステム技術研究組合
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一体形ロータを用いた
誘導電動機や誘導発電機(以下両者を「誘導機」と総称
する)において、ロータ鉄心とロータバーとを良好に接
合し得るように工夫した接合方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】低速回転(8000rpm 以下)用の通常
の誘導機の回転子を図10に示す。同図に示すように従
来の回転子では、ロータ鉄心(鉄鋼製)1とエンドリン
グ(タフピッチ銅製)2とは別体となっており、ロータ
鉄心1には複数本のロータバー3(タフピッチ銅製)が
貫通して設けられている。ロータバー3は、その端部が
エンドリング2に嵌合しつつ銀ろう付等により接合され
ている。この場合、銀ろう付等によりロータバー3とエ
ンドリング2を容易・確実に接合することができるよう
に、両者を同一材質(タフピッチ銅)としている。なお
エンドリング2及びロータバー3の材料としてタフピッ
チ銅以外の物質を採用した場合でも、接合が容易・確実
に行えるように、両者の材質を同一のものとしている。
【0003】図10に示す構成となっている回転子を有
する誘導機では、、ロータバー3のうち、ロータ鉄心1
の端面の近傍部分及びエンドリング2の近傍部分に、回
転による遠心力等に基づく曲げ応力が集中して繰り返し
作用する。このためロータバー3のうち上述した応力集
中部に金属疲労による疲労亀裂4が発生し、ついにはロ
ータバー3の折損に到るおそれがある。
【0004】仮に、図10に示す回転子構造を高速回転
用の誘導機に採用したとすると、回転数が10000rp
m 以上になると前述した亀裂4が生じる危険性は増々高
まり、30000rpm 以上になるとロータバー3はもと
よりエンドリング2さえも破損してしまう。結局、図1
0に示す回転子は、高速回転用の回転子としては使用で
きない。
【0005】そこで高速回転用の誘導機では、高速回転
に伴う大きな遠心力に耐えるために、図11に示すよう
な一体形ロータを採用している。一体形ロータでは、ロ
ータ鉄心5と、ロータ鉄心5の両端面に位置してエンド
リングとして機能するエンドリング部6とが一体化して
形成されている。またエンドリング部6が一体となって
いるロータ鉄心5、つまり一体形ロータで最大径となっ
ている中央部7には、ロータバー8が貫通して設けられ
ている。そしてロータ鉄心5の両端面、即ちエンドリン
グ部6と、ロータバー8の端部とが接合されている。な
お、ロータバー8の設置本数は、誘導機の性能に応じて
決められる。
【0006】一体形ロータでは、大きな遠心力に耐える
ためロータ鉄心5(以下ロータ鉄心5にはエンドリング
部6を含むものとする)の材料としてニッケル・クロム
・モリブデン・バナジウム鋼(Ni−Cr−Mo−V
鋼)でなる特殊合金鋼を用いる。この特殊合金鋼は、炭
素鋼(S45C)やクロム・モリブデン鋼(SCM43
5)等の通常の鉄鋼よりも更に強度が高い。
【0007】また一体形ロータは、高速回転時に空気と
の摩擦により高温になり、回転数が30000rpm以
上では300℃程度にまで温度が上昇する。このためロ
ータバー8の材料として、高温でも強度が高く且つ導電
性に優れた銅・クロム・ジルコニウム合金(Cu−Cr
−Zr合金)でなる特殊銅合金を用いる。なお低速回転
用の誘導機のロータバーに用いられていたタフピッチ銅
では強度不足であり、一体形ロータのロータバー8とし
て用いることはできない。
【0008】従来ではロータ鉄心5とロータバー8とを
接合するのに、銀ろう付やアーク溶接等の接合方法を採
用していた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところで一体形ロータ
のロータ鉄心5とロータバー8とを接合するのに、従来
では、銀ろう付やアーク溶接等を採用していたので次の
ような問題があった。 (1)ロータ鉄心5に用いるNi−Cr−Mo−V鋼
なる特殊合金鋼は、それ自体の接合性(ろう付性)がも
ともと悪く、しかも異種金属であるロータバー(Cu−
Cr−Zr8に接合するためさらに接合性が悪く
なり、接合作業が難しく作業性が悪い。 (2)ロータ鉄心5に用いる特殊合金鋼は、強度は高い
が靱性は劣る。このため、ろう付やアーク溶接等により
局所加熱すると、熱歪によりロータ鉄心5が割れるおそ
れがある。 (3)ろう付やアーク溶接をすると、ロータ鉄心(Ni
−Cr−Mo−V鋼)5やロータバー(Cu−Cr−Z
r合金)8は、800℃以上の高温にさらされるため、
ロータ鉄心5やロータバー8の強度が低下し、使用に耐
え得なくなるおそれがある。
【0010】本発明は、上記従来技術に鑑み、特殊合金
鋼製のロータ鉄心と特殊銅合金製のロータバーとが接合
される一体形ロータを製作するに際し、接合作業性が良
く、確実強固な接合ができ、しかもロータの強度保持も
できる、ロータ鉄心とロータバーとの接合方法を提供す
るものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明は、両端部にエンドリング部を一体に備えたニッケル
・クロム・モリブデン・バナジウム鋼でなるロータ鉄心
、銅・クロム・ジルコニウム合金でなるロータバーを
貫通してなる一体形ロータの、前記ロータバーの端部と
前記ロータ鉄心とを接合する方法において、前記ロータ
鉄心と前記ロータバーとの間で、且つ、両者を接合する
端部区間に、両者の接合性を向上させる金・シリコン合
金でなるインサート金属を挿入し、前記ロータ鉄心全体
を加熱し、前記ロータバーをその両端側から中央側に押
圧してロータバーの端部とロータ鉄心とを圧接接合する
ことを特徴とする。
【0012】
【作用】本発明の接合方法では、加熱した状態で加圧す
るため、一体形ロータのロータ鉄心とロータバーとが強
固に接合する。またロータ鉄心全体を加熱するため、ロ
ータ鉄心の割れは無くなり品質が向上する。
【0013】
【実施例】図1には本発明の一実施例に係るロータ鉄心
とロータバーの接合方法を実施する装置の概略構成を示
してある。図1において一体形ロータ10では、ロータ
鉄心15はNi−Cr−Mo−V鋼製であり、ロータバ
ー18はCu−Cr−Zr合金製であり、ロータ鉄心1
5の両端面はエンドリングとして機能するエンドリング
部16となっている。
【0014】一体形ロータ10は、真空炉20内で支柱
21に支えられた状態で設置される。真空炉20には、
ロータ鉄心15全体を加熱する電気ヒータ22が備えら
れ、更に油圧アクチュエータ23の駆動により進退する
加圧コーン24が備えられている。加圧コーン24は、
油圧アクチュエータ23の駆動により前進し、ロータバ
ー18をその両端側から中央側に押してロータバー18
の端部をロータ鉄心15に圧接するものである。
【0015】次に接合するための手順を説明する。 (1)まずロータ鉄心15とロータバー18の間で且つ
両者を接合する端部区間(両端面から中央側に向い所定
の区間)に、インサート金属として金・シリコン合金
(Au−3.15%Si)を挿入する。 (2)一体形ロータ10を、図1に示すように設置す
る。 (3)真空引きして真空炉20内を真空(1.3×10
-2Pa以下)にする。
【0016】(4)電気ヒータ22に通電をして加熱を
開始する。そうすると図2に示すようにロータ鉄心15
全体の温度が徐々に上昇していく。本実施例では温度が
430℃になったら、この温度(430℃)で一定とな
るよう、電気ヒータ22に通す電流を制御して温度保持
する。
【0017】(5)温度保持状態を継続するとともに、
油圧アクチュエータ23を駆動して一対の加圧コーン2
4を前進(両端側から中央側に進行)させ、1本目のロ
ータバー18をその両端側から中央側に所定時間(例え
ば10分間)押圧する。そうするとロータ鉄心15とロ
ータバー18が互いに圧接(面圧314MPa )して接合
する。
【0018】(6)一本目のロータバー18の接合が終
了したら加圧コーン24を後退させた後に、同様にして
2本目のロータバー18を接合する。以降同様に順次ロ
ータバー18を接合していく。もちろんこの間は、温度
保持(430℃)を続ける。
【0019】(7)すべてのロータバー18の接合が完
了したら、電気ヒータ22への通電を停止する。そうす
ると図2に示すように、ロータ鉄心15の温度は自然冷
却により徐々に低下していく。
【0020】上述した実施例の接合方法によれば、次に
述べるような利点があり、良好で強固な接合が実行でき
る。
【0021】(1)真空引きしているので、加熱状態
(430℃)を保持していても、ロータ鉄心15とイン
サート金属間の隙間及びインサート金属とロータバー1
8間の隙間からの吸蔵ガスの放出が容易に行なわれる。
【0022】(2)ロータ鉄心15全体を加熱するた
め、局部加熱は生じることなく、靱性の劣るロータ鉄心
15に割れは生じない。
【0023】(3)加熱しつつ加圧したため、ろう付性
の悪いロータ鉄心15であってもロータバー18と良好
に接合する。
【0024】(4)一定温度を保持した状態で多数本の
ロータバー18の接合をしたため、各ロータバー18の
接合状態が均一となり、全体の接合品位が高くなる。
【0025】(5)インサート金属を用いたため、ロー
タ鉄心15とロータバー18との接合性が良くなる。
【0026】(6)430℃で温度保持したため、ロー
タ鉄心15やロータバー18が熱により強度低下するこ
となく、更にインサート金属である金・シリコン合金
(Au−3.15%Si)は最良の接合性を発揮する。
【0027】上記実施例において保持温度を430℃と
した理由は、次の条件をすべて考慮して決定したもので
ある。 (i)誘導機は運転すると温度が300℃程度となる。 (ii)Ni−Cr−Mo−V鋼(ロータ鉄心)は、図3
に示すように、650℃以上になると強度低下(軟化)
する。 (iii)Cu−Cr−Zr合金(ロータバー)は、図3に
示すように、550℃より高くなると強度低下(軟化)
が大きくなる。なお、Cu−Cr−Zr合金は460℃
以上になると強度低下が始まるが、460〜550℃の
間では、強度低下は、高速回転用誘導機に使用しても問
題は無い程度に小さい。 (iv) インサート金属である金・シリコン合金(Au−
3.15%Si)は430℃で最良の接合性を発揮す
る。なお、Au−3.15%Siの融点は450℃程度
であり、450℃を越えるとロータ鉄心とロータバーと
の間から流出して良好な接合ができないおそれがある。
【0028】結局(i)(ii) (iii)からわかるよう
に、300〜550℃の範囲の温度であればロータ鉄心
15及びロータバー18の強度は低下せず、この温度範
囲内で使用するインサート金属としてAu−3.15%
Siを採用したので、保持温度を430℃としたのであ
る。 また、高速回転用誘導機は運転時において例外的に
温度が300℃を越えることがあるが350℃を越える
ことはなく、Cu−Cr−Zr合金は460℃以下であ
ればまったく強度低下しないので、保持温度範囲を35
0〜460℃とすればよい。
【0029】かくて、上述した実施例の接合方法により
ロータ鉄心15とロータバー18とを接合して形成した
一体形ロータによれば、以下の性能が得られることが確
認できた。 (イ)ロータバー18の接合部は、熱膨張・収縮による
力に十分耐えることができる。 (ロ)高速回転による遠心力や空気摩擦による高温にも
十分耐えることができる。 (ハ)ロータバー18には設計通りの電流が流れ、所期
の電動機及び発電機の性能が得られる。
【0030】次に本発明の他の実施例について述べる。
図1に示す例では、ロータバー18を一本づつ順次接合
していったが、加圧コーンを多数備えておき、すべての
ロータバーを一度に接合するようにしてもよい。また図
1に示す例では真空中で接合したが、還元ガス雰囲気中
や不活性ガス雰囲気中で接合するようにしてもよい。
【0031】更に図1に示す例ではロータバー18は単
なる棒体であり端部には何ら工夫はしていなかったが、
図4に示すようにロータバー18の両端部にセンター穴
18a及び十字スリット18bを形成するようにしても
よい。センター穴18a及び十字スリット18bを形成
すると、より良好な接合ができることが判明した。この
ことを次に説明する。
【0032】1本のロータバー18を加圧接合し、次の
ロータバー18の接合のため加圧コーン24を引離す
際、圧縮されていたロータバー18がスプリングバック
(圧縮戻り)により多少伸びるため、スプリングバック
の量が多い場合は接合が破れるおそれがある。このスプ
リングバックを少なくするため、ロータバー18の端部
形状について、センター穴18aの径と深さ、スリット
18bの有無、スリット18bの深さ等の各種条件につ
いて接合強度の実験を行ったところ、図4に示すような
端部形状とすれば、最も高い接合強度が得られることが
判明した。
【0033】図5(a)(b)(c)は接合強度実験の
ため端部形状を変えたロータバー18を示す。これら各
ロータバー18の直径は10mmであり、図5(a)のロ
ータバー18は穴径φが4mmで深さLが13mmのセンタ
ー穴18aを有し、図5(b)のロータバー18は穴径
φが3mmで深さLが13mmのセンター穴18aを有し、
図5(c)のロータバー18は穴径φが3mmで深さLが
11mmのセンター穴18a及び十字スリット18bを有
している。
【0034】図5(a)(b)(c)に示す各ロータバ
ー18を用いて接合し、接合強度を検査したところ、こ
れらの中では図5(c)に示すロータバー18の接合強
度が最も高かった。もちろん図5(a)(b)に示すよ
うにセンター穴18aのみを形成したり、スリットのみ
を形成しただけでも、端部に何ら工夫を施さずセンター
穴もスリットも形成されていないロータバーに比べ、接
合強度が高かった。もっとも、センター穴やスリットを
形成していないロータバーを用いたものでも、高温環境
下で高速運転してもこれに十分耐え得る接合強度が得ら
れた。なお、接合強度の検出は、図5中に矢印で示すよ
うに、接合部の反対側から押し出し荷重をかけ、接合部
が破断したときの荷重から求めている。ちなみに図5
(c)に示すようにセンター穴18a及び十字スリット
18bを形成して接合したものでは、1.7×104
以上のきわめて大きな押し出し荷重をかけることによ
り、接合部の破断が生じた。
【0035】更に、ロータバーにセンター穴やスリット
を形成しておけば、接合の際の押圧力が均等に作用し良
好な接合ができることも判明した。このように押圧力が
均等に作用するという効果と、前述したスプリングバッ
クの低減という効果が相俟ち、より確実・強固な接合が
できるのである。
【0036】また図6に示すように、ロータ鉄心に形成
するテーパ状穴部15aの角度θについて実験・研究し
たところ、角度θを40°〜80°の範囲内の値にする
と良好で強度な接合ができ、特に角度θを60°にする
と最も良好な接合強度が得られることが判明した。この
ことを、加圧コーン24により加圧接合した場合のロー
タバー18の端部における変形状況と接合領域Aを示し
た図7(a)(b)(c)を参照して説明する。
【0037】図7(a)に示すように角度θを40°に
すると軸方向の圧縮力が強過ぎるため、真空状態で加熱
加圧接合した後、加圧コーン24を引き抜いた際に、ロ
ータバー18がスプリングバック(圧縮戻り)により矢
印SBで示す方向に伸びる。このスプリングバックに起
因する伸びにより、接合をずらせるような剪断力が生じ
接合強度を低下させてしまう。また角度θを40°とす
ると、テーパ状穴部15aに作用する面圧力Fは次式
(1)で示すように小さく、テーパ状穴部15aでの接
合が不十分である。しかも接合領域Aは狭く、スプリン
グバックもあるため接合強度は低い。 F=P sin(θ/2)=P sin(45°/2)=0.34P ・・・・(1) 但しPは加圧コーン24による軸方向加圧力である。結
局、角度θが40°以下であると良好な接合ができない
ことが判明した。
【0038】図7(b)に示すように角度θを80°に
するとテーパ状穴部15aでの面圧力Fは0.64Pと大
きくなり、加圧コーン24を引き抜いた際にテーパ面か
ら垂直な方向にスプリングバックSBが生じ、これによ
り接合強度を低下させてしまう。また角度θを80°と
すると、角度が大き過ぎるため、ロータバー18がテー
パ部で大きく曲げられ、テーパ部と水平部との交点で強
変形部Bが生じてしまう。つまり強変形部Bが応力集中
部となり金属疲労が生起する危険性が出てくる。結局、
角度θが80°以上であると良好な接合ができないこと
が判明した。
【0039】図7(c)に示すように角度θを60°に
すると,軸方向のスプリングバック及びテーパ面からの
スプリングバックが比較的少なく、また強変形も比較的
少ない。しかも接合領域Aは、図7(a)(b)のもの
に比べ最も大きくなっている。かくて、角度θを60°
にすれば最も強固な接合ができることが判明した。
【0040】次に接合部の接合状態を検査する検査装置
を、図8を参照して説明する。同図に示すように、セン
ター穴18a及び十字スリット18bを有するロータバ
ー18は、その端部がインサート金属(金・シリコン合
金)25を介してロータ鉄心15に接合されている。そ
してインサート金属25の存在する部分が接合部26と
なっており、ロータバー18は、接合部26の存在する
区間でロータ鉄心15に接合しており、他の区間(両端
部を除いた中央区間)ではロータ鉄心15から離れて絶
縁されている。
【0041】上記接合部26の接合状態を検査するた
め、接合部検査装置50を用いる。この装置50の電極
ホルダー51は、太さが0.2mmのタングステン針でな
る4本の探針電極52a,52b,52c,52dを備
えている。このうち長針の探針電極52c,52dは電
極ホルダー51に固定されているが、短針の探針電極5
2a,52bはバネ53a,53bで下方(図示状態
で)に付勢されつつ支持されて電極ホルダー51に対し
上下移動できるようになっている。
【0042】上記電極ホルダー51を、上方から下方
(図示状態で)に移動させていくと、まず探針電極52
c,52dがセンター穴18aの底面に接触する前に探
針電極52a,52bがエンドリング部16に接触す
る。この状態から更に電極ホルダー51を下方に移動さ
せていくと、探針電極52a,52bはバネ53a,5
3bのバネ力に抗して電極ホルダー51に対し相対的に
上方にスライドし、その後に探針電極52c,52dが
センター穴18aの底面に接触し、図8に示す状態とな
る。
【0043】一方、スイッチ54,蓄電池(1.4V)
55,電流計56及びシャント抵抗57で構成した回路
は、探針電極52a,52dに接続されている。またペ
ンレコーダ58の電圧検出端子V1,V2はそれぞれ探
針電極52c,52bに接続され、電流検出端子I1,
I2はそれぞれシャント抵抗57の端部に接続されてい
る。
【0044】図8に示すように探針電極52a,52b
をエンドリング部16に接触させ、且つ、探針電極52
c,52dをセンター穴18aの底面に接触させた状態
にして、接合部検査装置50のペンレコーダ58や電流
計56を用いて、電圧,電流を測り、接合部26の電気
抵抗を求める。抵抗値が小さければ検査した接合部26
の電気的接合状態が良好であると判定できる。電気的接
合が良好であれば機械的接合も良好であると予測でき
る。
【0045】なお各ロータバー18は接合部26を除き
ロータ鉄心15から絶縁されているため、検査している
ロータバー18に隣接するロータバー18に電流がバイ
パスして流れても、隣接部分の影響は小さく、検査して
いるロータバー18の接合部26の検査は正確にでき
る。
【0046】図9はロータバーを24本備えた一体形ロ
ータの各接合部の実測抵抗値を示すものである。横軸の
(1)〜(24)は24本の各ロータを示しており、○
印はロータバーの一端側の接合部の抵抗値を示し、□印
はロータバーの他端側の接合部の抵抗値を示している。
この値からも、各接合部の電気抵抗は1μΩ程度であ
り、極めて良好な接合が行なわれていることが確認でき
た。
【0047】図8に示す接合部検査装置50によれば、
個人技量に依存することなく接合部の良否判定が正確・
容易に実行できる。また本装置50は安価な計器を組み
合せて構成できる。
【0048】
【発明の効果】本発明のロータ鉄心とロータバーの接合
方法は、銅・クロム・ジルコニウム合金製のロータバー
の端部に必要に応じてセンター穴やスリットをあらかじ
め形成し、ニッケル・クロム・モリブデン・バナジウム
鋼製のロータ鉄心とロータバーの間に、金・シリコン合
金製のインサート金属を挿入し、ロータ鉄心全体を加熱
し、ロータ鉄心とロータバーを互いに圧接接合するよう
にしたので、接合作業性を向上させ使用材料の強度低下
を防ぎ、しかも接合を強固にすることができる。この結
果、ニッケル・クロム・モリブデン・バナジウム鋼製で
エンドリング部を一体に備えたロータ鉄心を有する一体
形ロータの製作が容易となり、高速回転用の誘導機の耐
久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いる加圧接合装置を示す構成図。
【図2】ロータ鉄心の温度と加圧時期の関係を示すグラ
フ。
【図3】一体形ロータの素材の強度と温度との関係を示
すグラフ。
【図4】ロータバー端部の形状を示す構成図。
【図5】ロータバーの先端形状を示す構成図。
【図6】ロータ鉄心のテーパ状穴部を示す構成図。
【図7】ロータバーとロータ鉄心との接合状態を示す構
成図。
【図8】接合部検査装置を示す構成図。
【図9】接合部の抵抗値を示す特性図。
【図10】低速回転用誘導機のロータを示す構成図。
【図11】一体形ロータを示す構成図。
【符号の説明】
10 一体形ロータ 15 ロータ鉄心 15a テーパ状穴部 16 エンドリング部 18 ロータバー 18a センター穴 18b 十字スリット 20 真空炉 21 支柱 22 電気ヒータ 23 油圧アクチュエータ 24 加圧コーン 25 インサート金属 26 接合部 50 接合検査装置 51 電極ホルダー 52a,52b,52c,52d 探針電極 53a,53b バネ 54 スイッチ 55 蓄電池 56 電流計 57 シャント抵抗 58 ペンレコーダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北見 康二 東京都品川区大崎二丁目1番17号 株式会 社 明電舍内 (56)参考文献 実開 昭58−105749(JP,U) 特公 昭36−17759(JP,B1)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 両端部にエンドリング部を一体に備えた
    ニッケル・クロム・モリブデン・バナジウム鋼でなる
    ータ鉄心に、銅・クロム・ジルコニウム合金でなるロー
    タバーを貫通してなる一体形ロータの、前記ロータバー
    の端部と前記ロータ鉄心とを接合する方法において、 前記ロータ鉄心と前記ロータバーとの間で、且つ、両者
    を接合する端部区間に、両者の接合性を向上させる金・
    シリコン合金でなるインサート金属を挿入し、前記ロー
    タ鉄心全体を加熱し、 前記ロータバーをその両端側から中央側に押圧してロー
    タバーの端部とロータ鉄心とを圧接接合することを特徴
    とするロータ鉄心とロータバーの接合方法。
  2. 【請求項2】 前記ロータ鉄心全体を密閉容器内に納
    め、真空引きしつつロータ鉄心全体を加熱することを特
    徴とする請求項1のロータ鉄心とロータバーの接合方
    法。
  3. 【請求項3】 前記ロータ鉄心全体を密閉容器内に納
    め、この密閉容器内に還元ガスまたは不活性ガスを充満
    した状態で、ロータ鉄心全体を加熱することを特徴とす
    る請求項1のロータ鉄心とロータバーの接合方法。
  4. 【請求項4】 前記ロータバーには、その両端部にセン
    ター穴とスリットの少なくとも一方があらかじめ形成さ
    れると共に、前記ロータバーを貫通させるために前記ロ
    ータ鉄心に形成した貫通穴の端部は、テーパ状穴部に形
    成されていることを特徴とする請求項1のロータ鉄心と
    ロータバーの接合方法。
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