JP2015100227A - 回転電機ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機ロータにおいて、ロータコアの軸方向の寸法ばらつきに関係なく所定の締付力でロータコアをロータシャフトに固定することである。
【解決手段】回転電機ロータ１０は、積層された磁性体薄板で構成されロータシャフト３０の外形を通す中心穴を有するロータコア２０と、一方端側にロータコア２０の軸方向一方端面と当接する受止部３２を有し、他方端側に外径ネジ構造４４を有するロータシャフト３０と、ロータシャフト３０の外径ネジ構造４４と噛みあうナット部５０と、ロータコア２０の他方端とナット部５０の一方端との間に配置されるワッシャ７０と、を備え、ナット部５０をロータシャフト３０の外径ネジ構造４４に締結してロータコア２０をロータシャフト３０に固定した状態において、ロータシャフト３０における、ワッシャ７０とロータコア２０の接触面の位置が外径ネジ構造４４よりも軸方向一方端側に位置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機ロータに係り、特に、積層された磁性体薄板で構成されるロータコアがロータシャフトに固定される回転電機ロータに関する。

回転電機ロータについて、特許文献１には、電磁鋼板を積層したロータコアにロータシャフトを圧入して固定する方法は、電気鋼板に変形を与えることを指摘している。ここでは、圧入でなく隙間嵌めとし、（１）接着する、（２）ブッシュを隙間に圧入する、（３）シャフトにネジを切りナットで押圧する等の方法が開示されている。

特許文献２には、鋼板に抜き穴を設けたロータ抜き板を積層して、ネジ部を有するつば付き芯金とナットとで固定することが述べられている。

特許文献３には、積層された電磁鋼板の両側にエンドプレートを配置したロータコアについて、ネジ構造を用いない固定方法が述べられている。ここでは、ロータシャフトに第２プレート側を押し付ける段差を設け、第１エンドプレートの内周側に突起を設け、その突起を受け入れる溝をロータシャフトに設ける。そして、第１エンドプレートを第１エンドプレート側に押すことで積層された電磁鋼板を圧縮し、第１エンドプレートの突起をロータシャフトの溝に嵌め込み、積層された電磁鋼板のスプリングバックによって両側のエンドプレートで挟まれた電磁鋼板をロータシャフトに固定している。

特開２００２−０９５１９７号公報 特開２００１−０４５７２４号公報 特開２０１３−１０６４０６号公報

ロータシャフトにネジ構造を設け、ロータシャフトにロータコアをナットで固定する方法において、従来は、ロータシャフトに設けられるネジ構造の端部をロータコアの端部と一致させている。これにより、ロータコアの内径穴はロータシャフトの外形に嵌め込まれたときに、ネジ構造とは重なることがないので、嵌め込みが安定する。ところで、ロータコアに軸方向の寸法ばらつきがあると、ネジ構造の端部とロータコアの端部との間に隙間ができ、その隙間にはネジ構造がないので、ナットによる締め付けが足りず、ロータコアを軸方向に確実に固定することができない。特に、磁性体薄板の積層構造でロータコアが構成されていると、積層隙間によるロータコアの軸方向の寸法ばらつきが大きく、所定の締付力でロータコアをロータシャフトに締め付け固定することが難しくなる。

本発明の目的は、ロータコアの軸方向の寸法ばらつきに関係なく所定の締付力でロータコアをロータシャフトに固定することができる回転電機ロータを提供することである。

本発明に係る回転電機ロータは、積層された磁性体薄板で構成されロータシャフトの外形を通す中心穴を有するロータコアと、一方端側にロータコアの軸方向一方端面と当接する受止部を有し、他方端側に外径ネジ構造を有するロータシャフトと、ロータシャフトの外径ネジ構造と噛みあうナット部と、ロータコアの他方端とナット部の一方端との間に配置されるワッシャと、を備える回転電機ロータにおいて、ナット部をロータシャフトの外径ネジ構造に締結してロータコアをロータシャフトに固定した状態において、ロータシャフトにおける、ワッシャとロータコアの接触面の位置が外径ネジ構造よりも軸方向一方端側に位置することを特徴とする。

本発明に係る回転電機ロータにおいて、ナット部は、軸方向に沿って他方端側に延びるカシメ用薄肉部を有することが好ましい。

本発明に係る回転電機ロータにおいて、ワッシャの厚さは、ロータコアの軸方向の寸法ばらつきに基づいて設定されることが好ましい。

本発明に係る回転電機ロータにおいて、受止部は、ロータシャフトの一方端側に設けられる段差部であることが好ましい。

本発明に係る回転電機ロータは、ロータシャフトの一方端部の受止部にロータコアを当接させ、ロータシャフトの他方端部の外径ネジ構造に噛みあうナット部を用い、ワッシャを介してロータコアをロータシャフトに固定する。その状態において、ロータシャフトにおける、ワッシャとロータコアの接触面の位置が外径ネジ構造よりも軸方向一方端側に位置する。例えば、ロータコアの軸方向の寸法が短い方にばらついて、ロータシャフトの外径ネジ構造の範囲におけるナットの締結では所定の締付力が得られない場合でも、ワッシャがナットの代わりにロータコアを押えるため、所定の締付力を得ることができる。このように、ロータコアに軸方向の寸法ばらつきがあっても、外径ネジ構造の範囲外においてワッシャがロータコアを押さえることができる。したがって、ロータコアの軸方向の寸法ばらつきに関係なく所定の締付力でロータコアをロータシャフトに固定することができる。

本発明に係る回転電機ロータにおいて、ナット部は、カシメ用薄肉部を用いて、ロータシャフトの外径ネジ構造にカシメて固定されるので、緩むことなく所定の締付力の下でロータコアをロータシャフトに固定することができる。

本発明に係る回転電機ロータにおいて、ワッシャの厚さは、ロータコアの軸方向の寸法ばらつきに基づいて設定される。これにより、ロータコアの軸方向の寸法ばらつきをワッシャで吸収できる。したがって、ロータコアの軸方向の寸法ばらつきに関係なく所定の締付力でロータコアをロータシャフトに固定することができる。

本発明に係る回転電機ロータにおいて、受止部は、ロータシャフトの一方端側に設けられる段差部であるので、簡単な構造で、ロータコアの軸方向の寸法ばらつきに関係なく所定の締付力でロータコアをロータシャフトに固定することができる。

本発明に係る実施の形態における回転電機ロータの構成図である。 図１の部分拡大図である。 本発明に係る実施の形態における回転電機ロータに用いられるナット部を示す図で、（ａ）は、断面図を示し、（ｂ）は、上面図を示し、（ｃ）は、カシメ用薄肉部のカシメ処理前を示し、（ｄ）はカシメ用薄肉部のカシメ処理後を示す。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下に述べる寸法、形状、材質等は、説明のための例示であって、回転電機ロータの仕様等により、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機ロータ１０の構造を示す図である。以下では、回転電機ロータ１０を特に断らない限り、ロータ１０と呼ぶ。図２は、図１の部分拡大図である。

ロータ１０が用いられる回転電機は、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型回転電機である。回転電機は、図１に示されるロータ１０と、ロータ１０の外周側に所定の隙間を隔てて配置されて巻線コイルが巻回される円環状のステータとで構成される。図１ではステータの図示を省略した。なお、図１に、ロータ１０の軸方向と、その一方端側と他方端側を示した。

ロータ１０は、ロータコア２０と、ロータコア２０が嵌め込まれるロータシャフト３０と、ロータシャフト３０に設けられた外径ネジ構造４４に噛みあうナット部５０を含み、ロータコア２０に軸方向の寸法ばらつきがあっても所定の締付力でロータコア２０をロータシャフト３０に固定することができる構造を有する。

ロータコア２０は、所定枚数の磁性体薄板を積層した積層体２２と、積層体２２に埋め込んで配置される複数の磁石２４を含んで構成される。

磁性体薄板を積層した積層体２２は、ロータシャフト３０の外形を通す中心穴と、複数の磁石２４が挿入される複数の磁石孔を有する。磁性体薄板としては、電磁鋼板を用いることができる。積層方向は、ロータ１０の軸方向に沿った方向である。積層体２２において、中心穴、磁石孔は、軸方向に平行な方向に延びて貫通する。

ロータコア２０は、磁性体薄板を積層した積層体２２で構成されるので、その軸方向の寸法は、積層体２２の軸方向の寸法となる。磁性体薄板の積層は、所定の形状に打ち抜かれた所定枚数の磁性体薄板をカシメ等で一体化して行われるので、隣接する磁性体薄板の間に僅かな積層隙間を有する。各磁性体薄板の板厚のばらつき、積層時における積層隙間のばらつき等によって、積層体２２およびロータコア２０には、軸方向の寸法ばらつきが生じる。この軸方向の寸法ばらつきをどのように吸収してロータコア２０をロータシャフト３０に固定するかについては後述する。

磁石２４は、ロータコア２０の外周側に所定の配置で複数配置され、ロータ１０の各磁極を形成する永久磁石である。磁石２４は、図示されていない回転電機のステータに巻回される巻線コイルに所定の通電を行うことで発生する回転磁界と協働してトルクを発生し、これによってロータ１０が回転する。かかる磁石２４としては、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石が用いられる。これ以外にフェライト磁石等を用いてもよい。

ロータシャフト３０は、一方端側にロータコア２０の軸方向一方端面と当接する受止部３２を有し、他方端側に外径ネジ構造４４を有し、他方端側から受止部３２に向かってロータコア２０が嵌め込まれる軸である。ロータシャフト３０は、ロータ１０が回転電機に用いられるときには、軸方向の両端が軸受によって回転自在に支持され、図示されていないステータと協働して回転する。このように、回転電機においては、ロータシャフト３０がトルクを出力する出力軸となる。かかるロータシャフト３０は、鋼材を所定の形状に加工したものを用いることができる。

受止部３２は、ロータシャフト３０の一方端側に設けられる段差部である。段差の他方端側の面は、軸方向に垂直な面である。段差の大きさは、ロータコア２０の一方端面が当接してナット部５０によって所定の締結力で締結されたときに、締結力を十分に受け止められる受止面積を確保できる程度に設定される。

外径ネジ構造４４は、ロータシャフト３０の他方端側から一方端側に延びて設けられるオネジである。外径ネジ構造４４のオネジの外径は、ロータコア２０の中心穴の直径よりもやや小さめに設定される。この寸法差が、ロータコア２０の中心穴にロータシャフト３０を通すときの隙間量になる。図１，２に、外径ネジ構造の他方端側の位置３３と一方端側の位置３４を示した。位置３３と位置３４の間が、外径ネジ構造４４が設けられる範囲である。

外径ネジ構造４４の一方端側の位置３３は、軸方向の寸法が標準的な値のロータコア２０をロータシャフト３０に組付けてロータコア２０の軸方向一方端面を受止部３２に当接させたときのロータコア２０の他方端面の位置２８となるように設定される。すなわち、ロータコア２０が標準的な寸法のときは、外径ネジ構造４４とロータコア２０とが重なり合わないようにされる。これは、外径ネジ構造４４のオネジの外径がロータコア２０の中心穴の直径よりも小さいので、外径ネジ構造４４とロータコア２０とが重なり合うと、ロータシャフト３０とロータコア２０との間に径方向隙間が生じ嵌め込みが安定しないので、これを避けるためである。

ナット部５０は、ロータシャフト３０の外径ネジ構造４４と噛みあう内径ネジ５４を有する。ナット部５０は、ロータシャフト３０にロータコア２０を嵌め込み、ロータコア２０の一方側端面をロータシャフト３０の受止部３２に当接させて押し付けて締結し、ロータシャフト３０にロータコア２０を固定する。

上記のように、ロータコア２０の軸方向の寸法ばらつきを考えない標準的な軸方向の寸法に合わせて、ロータシャフト３０の外径ネジ構造４４が設けられる。そこで、ロータコア２０の軸方向の寸法がばらつくと、外径ネジ構造４４の一方端側の位置３３とロータコア２０の他方端面の位置２８に食い違いが出る。ロータコア２０の軸方向の寸法が標準的な値よりも短い場合には、ロータコア２０の他方端面と外径ネジ構造４４の端部との間に隙間が生じる。外径ネジ構造４４とナット部５０を用いる締結は、外径ネジ構造４４の範囲でしか行えないので、ロータコア２０をロータシャフト３０に固定するのに十分な締結力が得られない。そこで、ロータコア２０の軸方向の寸法ばらつきがあっても、十分な締結力が得られるように、ワッシャ７０が用いられる。

ワッシャ７０は、ロータコア２０の積層体２２の積層ばらつき量や締結時のつぶれ量等によるロータコア２０の軸方向の寸法ばらつきの大きさに基づいて設定される厚さｔと、ナット部５０のフランジ部５６の外径より大きな外径と、ロータシャフト３０の外径よりやや大きな内径を有するリング状の部材である。ワッシャ７０は、ロータコア２０の他方端とナット部５０の一方端との間に、ロータシャフト３０の外形に沿って嵌め込まれて配置される。ワッシャ７０の厚さｔは、ロータコア２０における軸方向の寸法ばらつきの大きさについて予め想定された値よりも大きめに設定される。かかるワッシャ７０としては、適当な材料を所定の形状に成形したものを用いることができる。材料としては、金属材料を用いることができる。場合によっては、適当な強度と耐熱性を有するプラスチック材料を用いることができる。

ナット部５０は、ワッシャ７０を介して、ロータシャフト３０に嵌め込まれたロータコア２０を一方端側に押し付けて固定する。

押し付けは、以下のようにして行われる。すなわち、ロータシャフト３０の他方端側からロータコア２０を嵌め込み、次いでワッシャ７０をロータシャフト３０の他方端側から挿入し、ナット部５０の内径ネジ５４を外径ネジ構造４４に噛み合わせて軸周りに回す。これによって、ナット部５０の一方端側の面をワッシャ７０の他方端側の面に当接させ、ワッシャ７０の一方端側の面をロータコア２０の他方端側の面に当接させる。そして、ナット部５０をさらに軸周りに回して、ロータコア２０をロータシャフト３０の受止部３２に当接させながら押し付け、締付力が所定の大きさとなったところで止める。図１，２は、そのようにナット部５０をロータシャフト３０の外径ネジ構造４４に締結してロータコア２０がロータシャフト３０に固定された状態を示している。その状態においては、ロータシャフト３０の軸方向に沿ったワッシャ７０とロータコア２０の接触面の位置２８が、外径ネジ構造４４の一方端側の位置３４よりも軸方向一方端側に位置している。

押し付け処理によってナット部５０の位置が決まると、その位置でナット部５０がロータシャフト３０に対して固定される。固定は、ナット部５０のカシメ用薄肉部をロータシャフト３０の外径ネジ構造４４にカシメることで行われる。なお、図１，２では、カシメ処理後のカシメ用薄肉部５９が示されている。

図３は、ナット部５０の詳細図である。（ａ）から（ｃ）はカシメ処理を行う前を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は（ａ）のＢ部の拡大図である。（ｄ）は、カシメ処理後のＢ部の拡大図である。ナット部５０は、内径側に内径ネジ５４を有し、外径が六角形であるネジ軸部５２と、ネジ軸部５２の六角形の包絡形状となる円形のフランジ部５６と、ネジ軸部５２から軸方向に沿って他方端側に延びるカシメ用薄肉部５８を有する。かかるナット部５０は、適当な強度を有する金属材料を加工したものを用いることができる。金属材料としては、鋼材等を用いることができる。

カシメ用薄肉部５８は、カシメ処理によって変形可能で、かつ、所定のカシメ強度を有するカシメができる薄さを有する張出部である。カシメ強度としては、カシメ処理後にナット部５０を緩み方向に所定のトルクを与えて破断しないことが必要である。この条件を満たすように、ナット部５０の材質の強度に基づき、カシメ用薄肉部５８の肉厚と軸方向長さと、周方向に沿ったカシメ幅、カシメ箇所数等が設定される。

カシメ用薄肉部５８の寸法、カシメ長さとカシメ個数等は、ロータシャフト３０の外径ネジ構造４４のネジ形状、必要なカシメ強度等によって異なる。一例を挙げると、カシメ用薄肉部５８の肉厚を約１ｍｍから約２ｍｍ、軸方向長さを約２ｍｍから約５ｍｍとすることができる。カシメ箇所数は、図３（ｂ）の例では周方向に２か所である。周方向に沿ったカシメ幅は、約２ｍｍから約５ｍｍとすることができる。

図１から図３の構成によれば、ロータシャフト３０の外径ネジ構造４４にナット部５０を噛み合わせ、ワッシャ７０を介して、ロータコア２０を受止部３２側に当接させて押し付け、締結して固定する。ワッシャ７０の厚さｔはロータコア２０の軸方向の寸法ばらつきに基づいて設定されるので、ロータコア２０の軸方向の寸法が標準的な値よりも短い方にばらついても、所定の締付力でロータコア２０をロータシャフト３０に固定することができる。

また、ロータコア２０と外径ネジ構造４４とが重ならないので、ロータコア２０とロータシャフト３０の間で径方向の隙間が生じない。そこで、例えば、焼き嵌め構造を取ることで、ロータコア２０とロータシャフト３０の間の固定力をさらに向上させることが可能になる。

また、ナット部５０とロータコア２０の間にワッシャ７０を配置することで、締結時にナット部５０からロータコア２０に及ぼされる押付応力をワッシャ７０によって緩和することができる。

厚さｔの異なるワッシャ７０を複数準備し、ロータコア２０の軸方向の寸法ばらつきの大きさに応じて、適当な厚さｔのワッシャ７０を選択することで、ロータコア２０の軸方向の寸法ばらつきの広い範囲に渡って、ネジ締め法によって、ロータシャフト３０にロータコア２０を所定の締付力で固定することができる。

上記では、ロータコア２０の一方端面が当接する受止部３２として、ロータシャフト３０の段差部を説明したが、上記で説明した外径ネジ構造部とナット部によるネジ締め構造をロータシャフト３０の一方端側に設けて、そのナット部の他方端の面にロータコア２０の一方端面を当接させてもよい。

１０ （回転電機）ロータ、２０ ロータコア、２２ 積層体、２４ 磁石、２８ （ロータコアの他方側端面の）位置、３０ ロータシャフト、３２ 受止部、３３ （外径ネジ構造の他方端側の）位置、３４ （外径ネジ構造の一方端側の）位置、４４ 外径ネジ構造、５０ ナット部、５２ ネジ軸部、５４ 内径ネジ、５６ フランジ部、５８，５９ カシメ用薄肉部、７０ ワッシャ。

Claims (4)

1. 積層された磁性体薄板で構成されロータシャフトの外形を通す中心穴を有するロータコアと、
   一方端側にロータコアの軸方向一方端面と当接する受止部を有し、他方端側に外径ネジ構造を有するロータシャフトと、
   ロータシャフトの外径ネジ構造と噛みあうナット部と、
   ロータコアの他方端とナット部の一方端との間に配置されるワッシャと、
   を備える回転電機ロータにおいて、
   ナット部をロータシャフトの外径ネジ構造に締結してロータコアをロータシャフトに固定した状態において、ロータシャフトにおける、ワッシャとロータコアの接触面の位置が外径ネジ構造よりも軸方向一方端側に位置することを特徴とする回転電機ロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機ロータにおいて、
   ナット部は、
   軸方向に沿って他方端側に延びるカシメ用薄肉部を有することを特徴とする回転電機ロータ。
3. 請求項１に記載の回転電機ロータにおいて、
   ワッシャの厚さは、
   ロータコアの軸方向の寸法ばらつきに基づいて設定されることを特徴とする回転電機ロータ。
4. 請求項１に記載の回転電機ロータにおいて、
   受止部は、ロータシャフトの一方端側に設けられる段差部であることを特徴とする回転電機ロータ。

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