JP2006187063A - ロータ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高温の環境下においてもコアとシャフトとの間に必要十分な締め代を確保して、両者間のトルク伝達力の向上を図ったロータ構造を提供する。
【解決手段】ロータ１の構成要素であるコア２とシャフト４の間にカラー５を介在させて、シャフト４とカラー５及びカラー５とコア２を所定の締め代のもとでの圧入締結構造とする。コア２の両側面にはシャフト４に対して直接圧入したエンドプレート３を配置する。コア２およびエンドプレート３をケイ素鋼板製、シャフト４を鋼棒製のものとした場合に、カラー５を少なくともコア２やシャフト４よりも線膨張率の大きなマグネシウム合金等の非鉄金属材料で形成する。これにより、高温環境下で各要素が熱膨張した場合でも、シャフト４に対するカラー５の縮径方向の締め代を確保する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機の回転子もしくは電気子として機能することになるロータの構造に関し、特にロータを構成するコアとシャフトとの締結構造に関するものである。

電動機のロータを構成することになるコアとシャフトとの締結固定構造として、例えば特許文献１〜３に記載のように、コアとシャフトとの間に中間部材として例えばコアよりも延性に優れた材料でできたスリーブもしくはカラーを介在させて、それら三者を実質的に圧入締結構造としたものが知られている。そして、この構造によれば、従来から広く行われたいたいわゆる焼きばめ締結のように加熱炉等の大がかりな設備を必要とせず、コスト的に有利となるとされている。
実開昭５５−１３３０４１号公報（第３図） 特開平８−９５７５号公報（図１） 特開２００３−３３３７８０号公報（図３）

ロータの基本機能として高回転域および高温下での運転（トルク伝達）が可能でなければならないことは言うまでもなく、特に高温の環境下においてもロータとシャフトが相対回転しないように両者の間に十分な締め代を確保しておく必要がある。

その一方、上記のような圧入締結構造を前提として締め代を大きくすると、ロータとして致命的なシャフトの曲がりやコアの割れを招くおそれがあり、圧入締結部での締め代を大きくするのにも自ずと限界がある。そのため、特に高温の環境下ではコアやシャフトの熱膨張の影響で締め代が小さくなって緩み易くなる傾向にあることから、コアとシャフト間でのトルク伝達力の向上が望めず、電動機の性能向上の上でなおも改善の余地を残している。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、上記のような圧入締結構造を前提とした上で、たとえ高温の環境下においてもコアとシャフトとの間に必要十分な締め代を確保して、両者間のトルク伝達力の向上を図ったロータの構造を提供しようとするものである。

請求項１に記載の発明は、コアとそのコアに挿通されるシャフトとの間に少なくともコアよりも線膨張率の大きなカラーを介在させて、シャフトとカラー及びカラーとコアを圧入締結したロータ構造であることを特徴とする。

この場合、請求項２に記載のように、上記コアの両側部に位置するエンドプレートをシャフトに圧入締結することが望ましい。

さらに、請求項３に記載のように、上記カラーはコアだけでなくシャフトよりも線膨張率が大きいものであることが望ましく、例えばコアの材質としては、マグネシウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金、亜鉛合金等の非鉄金属材料のいずれかとし、線膨張率の大きさのみに着目した場合にはマグネシウム合金が最も望ましい。

したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、ロータを高温の環境下で使用した場合に、コア、シャフトおよびカラーはいずれも熱膨張してその外径が大きくなる傾向にあるものの、特にカラーは少なくともコアに比べて線膨張率が大きいためにその線膨張による拡径度合いが顕著となる。そして、カラーの外周面がコアに拘束されているために熱膨張に伴うカラーの拡径力は逆に縮径方向にも作用し、結果として熱膨張した状態にあってもカラーはコアおよびシャフトに対して所定の締め代のもとでの圧入締結状態を維持することができる。これにより、高温環境下でのコアとシャフトとの間での伝達トルクを可及的に大きく確保することが可能となる。

ここで、コアに比べて線膨張率の大きなカラーの拡径力を逆にシャフトに対する縮径力として積極的に作用させる上では、先にも述べたようにコアの両側部に位置するエンドプレートをシャフトに圧入締結してあることが望ましい。何故ならば、熱膨張したカラーの外周面をコアで拘束するだけでなく、その長手方向の両端面をもエンドプレートにて拘束すると、熱膨張に伴う長手方向の変位分がより積極的にコアおよびシャフトに対する圧締保持力として有効に作用するようになるからである。

請求項１に記載の発明によれば、コアとそのコアに挿通されるシャフトとの間に少なくともコアよりも線膨張率の大きなカラーを介在させて、シャフトとカラー及びカラーとコアを圧入締結した構造であることから、高温環境下での使用においても必要十分な締め代を確保して、より大きなトルク伝達力を確保することができ、電動機の性能向上に大きく寄与できる効果がある。

図１は本発明に係るロータのより具体的な第１の実施の形態を示す図であり、（Ａ）は平面説明図、（Ｂ）は垂直断面説明図である。

図１に示すように、ロータ１は、円筒状のコア２と、コア２の両側に配置される円形のエンドプレート３と、それらのコア２およびエンドプレート３に挿通されるシャフト４と、コア２とシャフト４との間に介装される中間部材としての筒状のカラー５とから構成してある。

コア２は、例えば磁性体である円形のケイ素鋼板６の中央部にシャフト挿入穴７を形成した上で、それらのケイ素鋼板６を多数枚積層してかしめ加工等により一体化したものであり、そのシャフト挿入穴６には例えば鋼棒製のシャフト４をカラー５を介して圧入締結をもって堅固に固定してある。カラー５はコア２やシャフト４よりも線膨張率が大きな非鉄金属材料、例えばマグネシウム合金や、アルミニウム、アルミニウム合金、亜鉛合金等のいずれかをもって形成してあり、同心状のコア２、シャフト４およびカラー５の三者をそれぞれに圧入締結をもって堅固に締結結合してある。なお、カラー５の材質の線膨張率だけに着目した場合にはマグネシウム合金が最も望ましい。

また、エンドプレート３はコア２と同様の円形のケイ素鋼板の中央部に予めシャフト挿入穴８を形成したものであり、コア２の両側面にそれらのエンドプレート３を密着配置するべく、シャフト４に対してエンドプレート３を圧入固定してある。

このようなロータ１を組み立てるには、図２に示すように、シャフト４に対して所定の締め代のもとで予めカラー５を圧入しておき、そのカラー５と一体となったシャフト４をコア２のシャフト挿入穴７に対して所定の締め代のもとで圧入し、最後にコア２と一体となったシャフト４に対してコア２の両側からエンドプレート３を所定の締め代ももとで圧入して固定する。もしくは、図３に示すように、コア２のシャフト挿入穴７に対して所定の締め代のもとで予めカラー５を圧入しておき、そのコア２と一体となったカラー５に対してシャフト４を所定の締め代のもとで圧入し、最後にコア２と一体となったシャフト４に対してコア２の両側からエンドプレート３を所定の締め代のもとで圧入して固定する。

このようなロータ１の構造によれば、コア２とシャフト４との間にそれらよりも線膨張率の大きなカラー５が介在しているために、高温環境下で使用した場合にも熱膨張に伴う締め代の緩みによるコア２とシャフト４との間の滑り、すなわちコア２とシャフト４との相対回転が発生することがなく、両者間のトルク伝達力もしくはトルク伝達性能が向上し、電動機の性能向上に大きく寄与することができる。

より詳しくは、図４に示すように、ロータ１を所定の電動機の機能部品として組み込んで高温環境下で使用した場合には、ロータ１の構成要素であるコア２、シャフト４、エンドプレート３およびカラー５は共に熱膨張で拡径するものの、特にカラー５はコア２やシャフト４に比べてその線膨張率が大きいためにそれらよりも内外径の拡径の度合いが顕著となる。そして、熱膨張が顕著なカラー５の外径側での拡径はそれよりも熱膨張が小さなコア２の内径によって拘束されているので、その径方向での膨張分の変位は符号Ｆで示すように逆に縮径側に向かう傾向になる。同時に、カラー５は径方向だけでなく長手方向にも膨張しようとするものの、カラー５の両端面に密着しているエンドプレート３によってその長手方向での膨張分の変位も拘束されているので、特にカラー５の長手方向の変位分の逃げ場がなくなり、最終的にはカラー５は符号Ｆで示すように一段と縮径側に変位してより一層シャフト４を圧締するようになる。

これらのことは、ロータ１の各構成要素が熱膨張したとしても特にコア２とシャフト４およびカラー５の三者間の締め代が逆に増加することにほかならず、したがって、熱膨張に伴う締め代の緩みによるコア２とシャフト４との間の滑り、すなわちコア２とシャフト４の相対回転が発生することがなく、両者間のトルク伝達力を一段と大きく確保することが可能となる。

図５は本発明に係るロータ１の第２の実施の形態を示し、図１と共通する部分には同一符号を付してある。

この第２の実施の形態では、コア２側のシャフト挿入穴１７の内周面に予め雌スプライン歯１７ａを等ピッチで形成して、そのシャフト挿入穴１７そのものを予め雌スプライン状のものとして形成する一方、カラー１５の外周面に雌スプライン歯１７ａに対応する雄スプライン歯１５ａを予め形成して、そのカラー１５そのものを予め雄スプライン状のものとして形成し、両者のはめ合いを所定の締め代のもとでいわゆるスプライン嵌合方式としたものである。

この第２の実施の形態によれば、スプライン嵌合の特性としてコア２とカラー１５との間の接触面積の増加とともに両者間のいわゆる回り止め効果が発揮されることから、高温環境下にあるかないかにかかわらず、熱膨張に伴う締め代の緩みによるコア２とシャフト４との間の滑り、すなわちコア２とシャフト４の相対回転が発生することが全くなくなり、両者間のトルク伝達力もしくはトルク伝達性能が飛躍的に向上するようになる。

本発明に係るロータ構造の第１の実施の形態を示す図で、（Ａ）はその平面説明図、（Ｂ）は垂直断面説明図。 図１に示したロータ構造の組立手順を示す分解説明図。 図１に示したロータ構造の組立手順の別の例を示す分解説明図。 図１に示したロータ構造を高温環境下で使用した場合の各要素の熱的影響に関する説明図。 本発明に係るロータ構造の第２の実施の形態を示す図で、（Ａ）はその平面説明図、（Ｂ）は垂直断面説明図。

符号の説明

１…ロータ
２…コア
３…エンドプレート
４…シャフト
５…カラー
７，８…シャフト挿入穴
１５…カラー
１５ａ…雄スプライン歯
１７…シャフト挿入穴
１７ａ…雌スプライン歯

Claims (5)

1. コアとそのコアに挿通されるシャフトとの間に少なくともコアよりも線膨張率の大きなカラーを介在させて、シャフトとカラー及びカラーとコアを圧入締結したことを特徴とするロータ構造。
2. 上記コアの両側部に位置するエンドプレートをシャフトに圧入締結したことを特徴とする請求項１に記載のロータ構造。
3. 上記カラーはコアおよびシャフトよりも線膨張率が大きいものであることを特徴とする請求項１または２に記載のロータ構造。
4. 上記コアとカラーとのはめ合いをスプライン嵌合として圧入締結したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のロータ構造。
5. 上記カラーはマグネシウム合金製のものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のロータ構造。

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