JP5541080B2

JP5541080B2 - レゾルバロータ固定構造

Info

Publication number: JP5541080B2
Application number: JP2010238229A
Authority: JP
Inventors: 勝秀北川; 吉田　　誠
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2030-10-25
Also published as: JP2012093101A

Description

本発明は、複数の鋼板を積層してなる積層鋼板を含み、外周面に回転角度検出用の検出面を有するレゾルバロータと、レゾルバロータが嵌合固定されるシャフトと、を備えるレゾルバロータ固定構造に関する。

回転電機は、ロータと、ロータに対向するステータとを備える。また、ロータは、回転可能なロータシャフトに固定されるロータコアを備え、ステータで発生する回転磁界の影響を受けて回転する。回転電機は、例えばハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両に搭載され、車輪を駆動するための電動モータや発電機として使用される。

また、このような回転電機のロータの回転角度を検出するためにレゾルバを設けることが考えられている。例えば、従来からレゾルバとして、ロータシャフトに固定されたレゾルバロータと、レゾルバロータの周囲に対向するように回転電機のケースに固定され、レゾルバロータの回転角度に応じた出力信号を出力するレゾルバステータとを備える構造が考えられている。

レゾルバロータは、複数の鋼板を積層してなる積層鋼板を含むもので、外周面に回転角度検出用の検出面を有する。検出面は、たとえば積層鋼板の外周面の周方向等間隔複数個所に径方向外側に突出する突部を設けることにより構成されている。レゾルバロータは、ロータシャフトの外周面に圧入により嵌合されている。また、レゾルバロータの軸方向片側から円環状の金属製の圧入リングの内周面全体をロータシャフトの外周面に圧入により嵌合し、圧入リングによりレゾルバロータを軸方向片側に押し付けている。そしてロータシャフトの外周面に設けられた、軸方向に向いた段差面に、圧入リングによりレゾルバロータを軸方向に押し付けている。これにより、レゾルバロータは、段差面と圧入リングとの間で軸方向に挟持され、ロータシャフトに固定される。

また、特許文献１には、レゾルバロータの固定構造であって、レゾルバロータの径方向外側に複数の突極部を有する外側検出面を設けるとともに、レゾルバロータとロータシャフトである回転軸との間に、圧入部分と非圧入部分とを軸方向に並んで設けることが記載されている。このために回転軸に直径が大きくなった大径部と直径が小さくなった小径部とを設けて、大径部により圧入部分を構成し、小径部により非圧入部分を構成している。

また、特許文献２には、レゾルバロータの固定構造であって、レゾルバロータの径方向外側に複数の突極部を有する外側検出面を設けるとともに、レゾルバロータの中央部の軸固定孔に、回転軸に圧接する複数の圧入突部を設けることが記載されている。また、圧入突部は、周方向に隣り合う突極部同士の間の谷部に相当する角度位置に配置されている。

特開２０１０−２５７００号公報特開２０１０−４８７７５号公報

上記のように圧入リングを用いてレゾルバロータをロータシャフトに固定する構造の場合、レゾルバロータとは別部材の圧入リングを使用する必要があるため、部品点数が増大し、コストや組み付け工数が増大する要因となっている。また、積層鋼板を含むレゾルバロータを圧入によりロータシャフトに嵌合するので、回転角度検出用部品であるレゾルバロータが変形し、レゾルバロータの回転角度検出用の検出面である外周面に不均一な変形が発生することで、ロータの回転角度の検出に角度誤差を生じる要因となっている。これに対して、レゾルバロータの圧入による変形を抑えるために、ロータシャフトに対する嵌め合いを緩くすることも考えられるが、この場合には、レゾルバロータに必要とされるロータシャフトに対する十分な固定力が得られない可能性がある。このように十分な固定力が得られないと、ロータの回転角度の検出精度の向上を図れない可能性がある。このため、圧入リングを省略でき、部品点数と組み付け工数の削減とを図れる構造で、ロータの回転角度の検出精度の向上を図れる構造の実現が望まれている。

これに対して、特許文献１，２に記載された構造の場合、圧入リングを省略しているが、ロータシャフトにレゾルバロータの圧入のための大径部を設けており、レゾルバロータを構成する４枚以上の多くの鋼板を大径部に圧入により嵌合している。このため、レゾルバロータの外周面に設ける回転角度検出のための検出面の形状精度が悪化しやすくなり、ロータの回転角度の検出精度の向上の面から改良の余地がある。

本発明は、レゾルバロータ固定構造において、圧入リングを省略するとともに、レゾルバロータの回転角度の検出精度の向上を有効に図ることを目的とする。

本発明に係るレゾルバロータ固定構造は、複数の鋼板を積層してなる積層鋼板を含み、外周面に回転角度検出用の検出面を有するレゾルバロータと、レゾルバロータが嵌合固定されるシャフトと、を備えるレゾルバロータ固定構造であって、レゾルバロータは、積層鋼板の軸方向一端に設けられた１枚の端部鋼板の内周面、または積層鋼板の軸方向両端に設けられた２枚の端部鋼板の内周面に設けられた圧入用爪部と、端部鋼板の内周面で圧入用爪部の周方向両側に径方向に凹むように設けられた溝部とを有し、積層鋼板は、軸方向一端の１枚の端部鋼板または軸方向両端の２枚の端部鋼板により形成される圧入用爪部付端部鋼板と、積層鋼板の軸方向中間部に設けられ、圧入用爪部がない圧入用爪部なし鋼板とを含み、レゾルバは、圧入用爪部付端部鋼板に設けられた圧入用爪部のみによって、シャフトの外周面に圧入により固定されており、圧入用爪部なし鋼板の内周面は、シャフトの外周面であって、圧入用爪部付鋼板が嵌合される部分と同一円筒面上の外周面に隙間嵌合されていることを特徴とするレゾルバロータ固定構造である。

本発明に係るレゾルバロータ固定構造によれば、圧入リングを省略できるとともに、レゾルバロータの回転角度の検出精度の向上を有効に図れる。

本発明に係る実施の形態のレゾルバロータ固定構造を備える回転電機を示す概略断面図である。本発明に係る実施の形態のレゾルバロータ固定構造を示す、図１のＡ−Ａ断面図である。図２のＢ−Ｂ断面図である。図３のＣ部拡大図である。図２からレゾルバロータを取り出して示す斜視図である。図５の部分拡大図である。図６の片側端部鋼板とロータシャフトとの嵌合部の周方向一部を示す図である。本発明から外れる比較例において、レゾルバロータの各鋼板のすべてをロータシャフトに圧入により嵌合した場合の、嵌合部の締め代とレゾルバロータの抜け荷重及び変形量との関係を示す図である。本発明に係る実施の形態において、ロータシャフトにレゾルバロータを嵌合した場合の、嵌合部の締め代とレゾルバロータの抜け荷重及び変形量との関係を示す図である。

以下において、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。図１から図７は、本発明に係る実施の形態の１例を示している。本実施の形態のレゾルバロータ固定構造を備える回転電機は、例えば、ハイブリッド車両のモータジェネレータとして使用する。モータジェネレータは、モータや発電機としての機能を有する。

図１に示すように、回転電機１０は、ケース１２と、ケース１２の内側に回転可能に支持されたロータシャフト１４と、ロータシャフト１４に固定された回転電機ロータ１６と、回転電機ロータ１６に径方向外側に対向するようにケース１２に固定された回転電機ステータ１８と、レゾルバ２０とを備えている。回転電機ステータ１８は、ステータコア２２に設けた複数のティースに３相のステータコイル２４を巻装することにより構成されている。回転電機ロータ１６は、ロータシャフト１４に固定されたロータコア２６と、ロータコア２６の周方向複数個所に設けられた図示しない永久磁石とを備えている。３相のステータコイル２４に、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電流を供給することにより、回転電機ステータ１８に回転磁界が生成され、回転電機ロータ１６が回転磁界の影響を受けて回転する。なお、回転電機ロータ及び回転電機ステータの構造は、このような構成に限定するものではなく、従来から知られている種々の構造を採用できる。

一方、レゾルバ２０は、ロータシャフト１４の径方向外側に嵌合固定されるレゾルバロータ２８と、レゾルバロータ２８の径方向外側に対向するように、ケース１２の内側に固定されたレゾルバステータ３０とを備えている。レゾルバステータ３０は、複数枚の磁性鋼板を積層してなり、複数のティースを有するレゾルバステータコア３２と、樹脂等の絶縁材を介してティースに巻回されたレゾルバステータコイル３４とを備えている。レゾルバステータコイル３４は、例えば、励磁電圧が印加される１相の励磁コイルと、励磁コイルの励磁に基づいてレゾルバロータ２８の回転角度に応じた位相の異なる出力信号を出力する２相の出力コイルとにより構成され、それぞれのコイルがティースに巻回されている。

レゾルバステータコイル３４は、外部に設けられる図示しない制御装置に接続され、制御装置は、励磁コイルを励磁させるとともに、出力コイルから得られる出力信号に基づいてレゾルバロータ２８の回転角度を検出する。レゾルバロータ２８は、回転電機ロータ１６と同期して回転するので、レゾルバロータ２８の回転角度を検出することで、回転電機ロータ１６の回転角度の検出が可能となる。

一方、レゾルバロータ固定構造は、図２から図４に示すように、レゾルバロータ２８と、ロータシャフト１４とにより構成されている。レゾルバロータ２８は、複数枚の、一部を除いて同形状の鋼板を積層してなる積層鋼板を含み、中央部にロータシャフト１４に嵌合するための中心孔３６を形成している。また、レゾルバロータ２８の外周面は、直径方向反対側２個所位置に設けた山部３８と、山部３８と９０度位相が異なる周方向２個所位置に設けた平面部４０とを有する非円形形状としている。このようなレゾルバロータ２８の外周面は、レゾルバステータ３０（図１）に対向し、回転角度検出用の外側検出面４２を構成する。すなわち、レゾルバロータ２８は、外周面に外側検出面４２を有する。

なお、レゾルバロータ２８の外周面形状は図示の例に限定するものではなく、例えば円筒面の周方向複数個所に径方向に突出する突部を形成して凹凸形状とする等、種々の形状を採用できる。

図４から図６に示すように、レゾルバロータ２８は、積層鋼板の軸方向両端に設けられた２枚の端部鋼板である片側端部鋼板４４及び他側端部鋼板４６と、２枚の端部鋼板４４，４６に挟持された、端部鋼板４４，４６以外のすべての複数の鋼板である中間部鋼板４８とを有する。各端部鋼板４４，４６及び中間部鋼板４８のそれぞれは、中心部に中心孔３６を構成するための孔部５０が設けられている。孔部５０の周方向一部で各鋼板を積層した場合に互いに整合する位置に径方向内側に突出するキー用突部５２（図２、図５）が設けられている。キー用突部５２は、各鋼板を積層した状態で互いに積層され、軸方向に長いキー５４（図２、図３、図５）を構成する。図３に示すように、ロータシャフト１４にレゾルバロータ２８を嵌合する場合に、キー５４が、ロータシャフト１４の外周面の周方向一部に形成したキー溝５６に配置されることで、ロータシャフト１４に対するレゾルバロータ２８の周方向の位置決めが行われる。

また、図２に示すように、レゾルバロータ２８の軸方向一端に設けた１枚の片側端部鋼板４４の内周面である、孔部５０の内周面の周方向複数個所（図示の例の場合は４個所）に爪部５８が設けられている。各爪部５８は、キー用突部５２の周方向中央位置と孔部中心Ｏとを通る仮想平面Ｐに関して対称な複数個所に設けられている。図５から図７に示すように、各爪部５８は、断面略矩形でその先端縁が周方向両側の孔部本体６０の内周縁よりも径方向内側に少し突出している。各爪部５８の先端縁を、孔部中心Ｏをその中心とする円弧形とすることもできる。図２に示すように、各爪部５８は、ロータシャフト１４の外周面に、爪幅Ｗ（図７）に対応する部分で圧接される。複数の爪部５８を、孔部５０の内周面の周方向等間隔位置に設けることもできる。

また、片側端部鋼板４４の孔部５０の内周面において、各爪部５８の周方向両側に径方向に凹むように複数の溝部６２が設けられている。図６、図７に示すように、各爪部５８の先端縁は、片側端部鋼板４４の孔部本体６０の内周縁よりも径方向内側に突出させ、各爪部５８の内接円の直径である圧入内径Ｄ１（図７）は、ロータシャフト１４のレゾルバロータ２８が嵌合される部分の外径ｄａ（図７）よりも小さくしている（Ｄ１＜ｄａ）。また、片側端部鋼板４４の孔部本体６０の内径である挿入内径Ｄ２（図７）は、ロータシャフト１４のレゾルバロータ２８が嵌合される部分の外径ｄａよりも大きくしている（Ｄ２＞ｄａ）。そして圧入内径Ｄ１は、挿入内径Ｄ２よりも小さくしている（Ｄ１＜Ｄ２）。

また、図３に示すように、ロータシャフト１４の外周面の軸方向一部に外径が他の部分よりも大きくなった大径部６４が設けられており、大径部６４の軸方向片側に、他の部分との連続部である段差面６６が設けられている。レゾルバロータ２８は、ロータシャフト１４の大径部６４よりも軸方向片側に外れた部分に嵌合され、段差面６６にレゾルバロータ２８の軸方向他側面（図３の右側面）の径方向内側部分が軸方向に突き当てられている。

そして、図４に示すように、片側端部鋼板４４は、各爪部５８でのみロータシャフト１４に圧入により嵌合されている。すなわち、爪部５８の先端が、径方向に対し傾斜した状態で、ロータシャフト１４の外周面に圧接されている。片側端部鋼板４４の孔部本体６０（図７）は、ロータシャフト１４の外周面に隙間嵌めで嵌合されている。また、レゾルバロータ２８の軸方向中間部に設けられた各中間部鋼板４８の内周面は、キー用突部及びその両側部分を除いて、ロータシャフト１４の外周面に全周にわたって隙間嵌合されている。この結果、レゾルバロータ２８は、片側端部鋼板４４に設けられた爪部５８のみで、ロータシャフト１４の外周面に圧入により嵌合固定されている。なお、図示の例では、片側端部鋼板４４に設ける爪部５８の数を４としているが、爪部５８の数はこれに限定するものではなく、ロータシャフト１４に対するレゾルバロータ２８の保持力に応じて種々に変更可能である。

なお、上記のように爪部５８の先端をロータシャフト１４の外周面に圧接することに伴い、レゾルバロータ２８の回転角度検出用の外周面である外側検出面４２にわずかとはいえども変形が発生する。このため、レゾルバロータ２８の内周部分に径方向に変形が発生した場合の、外周面の形状変化の感度が低い周方向の複数個所に爪部５８が設けられることが、外側検出面４２の形状精度悪化を抑制する面から好ましい。例えば、レゾルバロータ２８の外周面には山部３８と平面部４０とが交互に形成されているが、外周面の周方向に対する径方向位置の変化が小さい周方向複数個所に爪部５８が設けられることが好ましい。

このようなレゾルバロータ固定構造によれば、上記の従来構造と異なり、圧入リングを省略できるとともに、レゾルバロータ２８の回転角度の検出精度の向上を有効に図れる。すなわち、レゾルバロータ２８は、片側端部鋼板４４の周方向複数個所に設けた爪部５８のみでロータシャフト１４の外周面に圧入により固定するので、外側検出面４２に発生する不均一な変形を１枚の片側端部鋼板４４部分のみとすることができ、回転角度検出の精度向上を図れる。また、従来構造のように積層鋼板以外の部材である、圧入リングを設ける必要がなくなり、部品点数の削減を図れ、コストを低減できる。また、レゾルバロータ２８の圧入による変形方向及び変形量を爪部５８や、溝部６２の形状等により規制しやすくなる。例えば、爪部５８を最適形状に工夫することで、爪部５８の変形で圧入力を吸収して、外側検出面４２に不均一な変形が生じるのを有効に抑えることができる。また、爪部５８の形状を工夫する等により、爪部５８の変形に対する回転角度検出誤差発生の感度や、締め代誤差発生の感度が低くなり、レゾルバロータ２８とロータシャフト１４との嵌め合い寸法に対するロバスト性が向上し、部品の保持力確保も容易になる。また、爪部５８両側に径方向に凹んだ溝部６２が設けられているので、爪部５８の形状を最適形状に設定することが容易になる。

図８から図９は、本発明から外れる比較例と本実施の形態とのレゾルバロータ固定構造を用いて、締め代の変化による影響をシミュレーションし、比較した結果を示している。なお、以下の説明では、図１から図７に示した要素と同等の要素には同一符号を付して説明する。図８は、本発明から外れる比較例において、レゾルバロータの各鋼板のすべてをロータシャフト１４に圧入により嵌合した場合の、嵌合部の締め代とレゾルバロータの抜け荷重及び変形量との関係を示す図である。図９は、本実施の形態において、ロータシャフト１４にレゾルバロータ２８を嵌合した場合の、嵌合部の締め代とレゾルバロータ２８の抜け荷重及び変形量との関係を示す図である。

まず図８を用いて比較例のシミュレーション結果を説明する。比較例は、図１から図７に示した本実施の形態と同様の構成において、レゾルバロータの各鋼板は、中心部に設けられた孔部内周面を爪部を設けない、キー用突部５２を除いて単なる円筒面とするとともに、各鋼板のすべてをロータシャフト１４に圧入により嵌合固定している。このような比較例において、ロータシャフト１４に対する締め代を変化させた場合の、締め代とレゾルバロータの変形量、及び締め代とロータシャフト１４に対する抜け荷重の関係を、シミュレーションにより求めた。「変形量」は、設計上、レゾルバの検出精度の確保の面等から予め設定される「変形量許容上限」以下に設定することが要求される。また、「抜け荷重」は、必要なレゾルバロータの固定力を確保するために、設計上、予め設定される「抜け荷重許容上限」以上に設定することが要求される。

図８は、比較例のシミュレーション結果を示している。図８から明らかなように、変形量と締め代との関係を表す直線αと、抜け荷重と締め代との関係を表す直線βとは、いずれも傾きが正であり、締め代が大きくなるほど変形量も抜け荷重も大きくなっている。また、「変形量許容上限」に対応する締め代Ｔ１は、「抜け荷重許容下限」に対応する締め代Ｔ２よりも小さくなっている（Ｔ１＜Ｔ２）。

上記のように、レゾルバロータ２８の変形量抑制の点からは締め代をＴ１以下にすることが要求され、レゾルバロータ２８の抜け荷重確保の点からは、締め代をＴ２以上にすることが要求されるが、比較例の場合には、変形量抑制と抜け荷重確保との両立を図れる締め代が成立しなくなってしまう。例えば、ロータシャフト１４に対するレゾルバロータの保持力を確保するために締め代である圧入代をＴ２以上に大きくすると、外側検出面４２の変形が「変形量許容上限」を超えて大きくなるため、レゾルバの検出精度を十分に確保することが困難になる。

次に、図９を用いて本実施の形態のシミュレーション結果を説明する。本実施の形態では、上記で説明したように、片側端部鋼板４４の爪部５８のみで、レゾルバロータ２８をロータシャフト１４に圧入により嵌合固定している。このような本実施の形態において、上記の比較例の場合と同様に、締め代とレゾルバロータ２８の変形量、及び締め代とロータシャフト１４に対する抜け荷重の関係を、シミュレーションにより求めた。

図９は、本実施の形態のシミュレーション結果を示している。図９の場合も、変形量と締め代との関係を表す直線αと、抜け荷重と締め代との関係を表す直線βとは、いずれも傾きが正であり、締め代が大きくなるほど変形量も抜け荷重も大きくなっている。また、「変形量許容上限」に対応する締め代Ｔ１ａは、「抜け荷重許容下限」に対応する締め代Ｔ２ａよりも大きくなっている（Ｔ１ａ＞Ｔ２ａ）。

上記のように、変形量抑制の点からは締め代をＴ１ａ以下にすることが要求され、抜け荷重確保の点からは、締め代をＴ２ａ以上にすることが要求されるが、締め代ＴをＴ２ａ以上Ｔ１ａ以下の範囲である、締め代管理幅内に設定することにより、これらの要求をいずれも満たすことができる。図９では、締め代管理幅を矢印及び斜線範囲で表している。このため、変形量抑制と抜け荷重確保との両立を図れる締め代を設定できる。この結果、本実施の形態によれば、例えば片側端部鋼板４４に設ける爪部５８の形状を工夫し、片側端部鋼板４４の爪部５８のみでレゾルバロータ２８をロータシャフト１４に、圧入により固定することで、レゾルバロータ２８の保持力と、回転角度検出性能との確保が可能になることを確認できた。

なお、本実施の形態では、レゾルバロータ２８の軸方向両端に設けた２の端部鋼板４４，４６のうち、片側端部鋼板４４の爪部５８のみで、ロータシャフト１４にレゾルバロータ２８を、圧入により固定する場合を説明した。ただし、本発明はこれに限定するものではなく、例えばレゾルバロータ２８の軸方向両端に設けた２の端部鋼板４４，４６のそれぞれの中心部に設けた孔部内周面の周方向複数個所に爪部５８を設け、各端部鋼板４４，４６に設けた爪部５８のみで、ロータシャフト１４の外周面にレゾルバロータ２８を、圧入により固定することもできる。この場合には、両側の２の端部鋼板４４，４６で中間部鋼板４８を軸方向に挟持する。また、この場合には、いずれかの端部鋼板をロータシャフト１４の段差面６６に軸方向に押し付けることなく、ロータシャフト１４にレゾルバロータ２８を固定できるため、段差面６６を省略することもできる。

１０回転電機、１２ケース、１４ロータシャフト、１６回転電機ロータ、１８回転電機ステータ、２０レゾルバ、２２ステータコア、２４ステータコイル、２６ロータコア、２８レゾルバロータ、３０レゾルバステータ、３２レゾルバステータコア、３４レゾルバステータコイル、３６中心孔、３８山部、４０平面部、４２外側検出面、４４片側端部鋼板、４６他側端部鋼板、４８中間部鋼板、５０孔部、５２キー用突部、５４キー、５６キー溝、５８爪部、６０孔部本体、６２溝部、６４大径部、６６段差面。

Claims

複数の鋼板を積層してなる積層鋼板を含み、外周面に回転角度検出用の検出面を有するレゾルバロータと、
レゾルバロータが嵌合固定されるシャフトと、を備えるレゾルバロータ固定構造であって、
レゾルバロータは、
積層鋼板の軸方向一端に設けられた１枚の端部鋼板の内周面、または積層鋼板の軸方向両端に設けられた２枚の端部鋼板の内周面に設けられた圧入用爪部と、
端部鋼板の内周面で圧入用爪部の周方向両側に径方向に凹むように設けられた溝部とを有し、
積層鋼板は、軸方向一端の１枚の端部鋼板または軸方向両端の２枚の端部鋼板により形成される圧入用爪部付端部鋼板と、積層鋼板の軸方向中間部に設けられ、圧入用爪部がない圧入用爪部なし鋼板とを含み、レゾルバは、圧入用爪部付端部鋼板に設けられた圧入用爪部のみによって、シャフトの外周面に圧入により固定されており、
圧入用爪部なし鋼板の内周面は、シャフトの外周面であって、圧入用爪部付鋼板が嵌合される部分と同一円筒面上の外周面に隙間嵌合されていることを特徴とするレゾルバロータ固定構造。