JP6139473B2 - 回転電機のロータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のロータに関する。

例えば、特許文献１には、回転軸と、回転軸に固定されて回転軸と一体的に回転する保持部材（回転子保持部材）と、保持部材の外周面に外嵌される回転子コアとを備える回転電機が開示されている。

保持部材は、回転子コアを保持する筒状部と、円盤状の外径側が筒状部と接続され、円盤状の内径側が回転軸に固定される円盤部とを有するカップ状に形成されている。

特開２０１０−２５２５０２号公報

ところで、特許文献１に開示された保持部材の外周面に対して円環状のロータコアを圧入して組み付ける場合、筒状部の軸方向に沿った一側で円盤部と接続される部分では、保持部材の剛性が高くなり、保持部材への圧入時にロータコアに発生する応力が大きくなる。このため、ロータコアの応力が大きい部分では、ロータコアの強度が低下してしまうおそれがある。

換言すると、保持部材への圧入時に発生するロータコアの応力は、筒状部の軸方向に沿った一側で高くなり軸方向に沿った他側で低くなることにより、ロータコアの軸方向で応力にバラツキが発生し不均一となるおそれがある。従って、ロータコアに発生する応力が高い筒状部の一側では、所定の強度を確保することができるようにロータコアを設定（設計）する必要がある。この結果、ロータコアの設計上の自由度が低下するおそれがある。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、ロータコアの設計上の自由度を向上させることが可能な回転電機のロータを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、回転軸と、前記回転軸と別体で形成されて前記回転軸に固定されると共に、ロータコアを外周に保持する保持部材と、を有する回転電機のロータにおいて、前記保持部材は、前記回転軸に嵌め合わされる嵌合部と、筒状に形成されて前記ロータコアが外嵌される筒状部と、前記筒状部の軸方向の一方側端部に接続されて前記筒状部と前記嵌合部とを連結する円盤状の円盤部と、を備え、前記筒状部の外周面における軸方向の一方側の外径は、前記筒状部の外周面における軸方向の他方側の外径よりも小さく設定され、前記筒状部の外周面における軸方向の一方側は、前記筒状部の軸方向に所定距離にわたって延在し、軸方向の他方側の大径部の外径よりも小さく形成された小径部を有し、前記筒状部と前記円盤部とが接続される角部には、前記筒状部の内周面が膨出して形成される増肉部が形成され、前記小径部は、前記角部を有する前記筒状部の軸方向に沿った一端から、軸方向に沿った前記増肉部の端面を超えた前記筒状部の軸方向の他方側まで延在することを特徴とする。

本発明によれば、筒状部の外周面における軸方向の一方側の外径は、軸方向の他方側の外径よりも小さく設定され、筒状部の軸方向の一方側の外径とロータコアの内周面とが軸方向と直交する径方向で非接触状態となっている。なお、圧入面であるロータコアの内径は、ロータコアの軸方向で一定に形成されている。そこで、例えば、保持部材の筒状部の外周面に対しロータコアを圧入して組み付ける際、筒状部の軸方向の一方側の外径とロータコアの内周面とが非接触状態にあるため、ロータコアへ圧入応力が伝達されることを回避することができる。

従って、本発明では、ロータコアの軸方向において、円盤部の設けられている一方側でのロータコアに発生する圧入応力を抑制し、ロータコアの軸方向における応力分布を略均一とすることができる。この結果、本発明では、ロータコアの設計上の自由度を向上させることができる。

本発明によれば、筒状部において、軸方向の他方側の大径部がロータコアの保持面として機能すると共に、軸方向の一方側の小径部とロータコアの内周面との間に「逃げ」として機能するクリアランスを設けることができる。従って、本発明では、ロータコアの軸方向において、クリアランスを介して小径部側でのロータコアに発生する圧入応力を抑制し、ロータコアの軸方向における応力分布を略均一とすることができる。この結果、本発明では、ロータコアの設計上の自由度を向上させることができる。

また、本発明によれば、回転軸の一方側に対して、例えば、切削加工を施すことにより、筒状部の軸方向にわたって所定距離延在する小径部を容易に製造することができる。

本発明によれば、増肉部を設けることにより、ロータコアを外嵌する保持部材の筒状部における剛性・強度を向上させることができる。これにより、ロータコアの回転時における保持部材の半径外方向への変形及び振動を抑制することができる。

また、本発明によれば、増肉部を形成することによって保持部材の剛性・強度が高くなった場合であっても、小径部が軸方向に沿って増肉部の端面を超えた筒状部の軸方向の他方側まで延在することで、小径部が軸方向に沿って増肉部の端面を超えない場合と比較して、ロータコアに発生する圧入応力をより一層効果的に抑制することができる。

さらにまた、本発明は、回転軸と、前記回転軸と別体で形成されて前記回転軸に固定されると共に、ロータコアを外周に保持する保持部材と、を有する回転電機のロータにおいて、前記保持部材は、前記回転軸に嵌め合わされる嵌合部と、筒状に形成されて前記ロータコアが外嵌される筒状部と、前記筒状部の軸方向の一方側端部に接続されて前記筒状部と前記嵌合部とを連結する円盤状の円盤部と、を備え、前記筒状部の外周面における軸方向の一方側の外径は、前記筒状部の外周面における軸方向の他方側の外径よりも小さく設定され、前記筒状部の外周面における軸方向の一方側は、前記筒状部の軸方向に所定距離にわたって延在し、軸方向の他方側の大径部の外径よりも小さく形成された小径部を有し、前記大径部と前記小径部との境界には、環状段差部が形成されることを特徴とする。

本発明によれば、環状段差部を形成することで、大径部と小径部とを有する回転軸を容易に製造し、製造コストを低減することができる。

本発明では、ロータコアの設計上の自由度を向上させることが可能な回転電機のロータを得ることができる。

本発明の実施形態に係るロータが組み込まれた電動モータの軸方向に沿った縦断面図である。 図１の矢印Ｘ方向からみたロータの矢視図である。 電動モータを構成するロータ及び保持部材の拡大縦断面図である。 筒状部の小径部とロータコアとの間のクリアランスを示す斜視断面図である。 軸方向に沿ったロータコアの一方側で発生する圧入応力と、軸方向に沿った小径部の長さ寸法との関係を示す特性図である。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るロータが組み込まれた電動モータの軸方向に沿った縦断面図、図２は、図１の矢印Ｘ方向からみたロータの矢視図である。なお、本実施形態において、「軸方向」とは、シャフト１２の中心線Ａ方向、又は、中心線Ａに沿った方向をいう。また、「一方側」、及び、「他方側」は、図３に示す方向をいう。

回転電機は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車等の回転駆動源として用いられる電動モータ１０である。この電動モータ１０は、例えば、３相ブラシレスＤＣモータからなる。

図１に示されるように、電動モータ１０は、図示しないベアリングを介して回転可能に保持され、回転軸として機能するシャフト１２と、複数の電機子によって構成されるステータ１４と、ステータ１４に対向して配置されるロータ１６と、シャフト１２に固定されてロータ１６を外周に保持する保持部材１８とを備えて構成されている。なお、図１では、ステータ１４を外径側から保持するケーシング等の図示を省略している。また、図２では、図１のステータ１４の図示を省略している。

なお、図１において、シャフト１２は、中心線Ａ方向に沿って貫通する貫通孔１２ａを有する中空シャフトを例示しているが、これに限定されるものではなく、中実シャフトであってもよい。

ステータ１４は、鉄芯１４ａと、鉄芯１４ａに巻回されるコイル１４ｂとによって構成され、シャフト１２の中心線Ａを中心として周方向に略等間隔離間して配置されている。なお、コイル１４ｂは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相コイルによって構成されている。

図３は、電動モータを構成するロータ及び保持部材の拡大縦断面図、図４は、筒状部の小径部とロータコアとの間のクリアランスを示す斜視断面図である。

図３に示されるように、保持部材１８は、シャフト１２に嵌め合わされて前記シャフト１２の外周面に固定される嵌合部２０と、筒状に形成されてロータコア２２が外周面に外嵌される筒状部２４と、筒状部２４の軸方向の一方側端部２４ａに接続されて筒状部２４と嵌合部２０とを連結する円盤状の円盤部２６とを備える。

嵌合部２０は、シャフト１２の中心線Ａに沿って延在しシャフト１２の外周面を囲繞する略円筒状に形成されている。この嵌合部２０は、シャフト１２の外周面に嵌め合わされると共に、固定部材２１を介して固定される。

筒状部２４は、嵌合部２０よりも大径な略円筒状からなり、その外周面にロータコア２２が外嵌される。軸方向に沿った筒状部２４の外周面の一方側には、小径部２８が形成される。軸方向に沿った筒状部２４の外周面の他方側には、小径部２８よりも外径が大きく設定された大径部３０が形成される。筒状部２４の外周面における軸方向の一方側に位置する小径部２８の外径は、軸方向の他方側に位置する大径部３０の外径よりも小さく設定されている。

小径部２８は、軸方向の他方側の大径部３０の外径よりも小さく形成され、筒状部２４の軸方向に沿った一方側端部２４ａから軸方向に所定距離にわたって延在している。筒状部２４の小径部２８と大径部３０との境界には、シャフト１２の外周面を１周する環状段差部３２が形成されている。

図４に示されるように、小径部２８の外周面とロータコア２２の内周面との間には、シャフト１２（筒状部２４の軸線）の中心線Ａと略平行に延在し、且つ、径方向で所定間隔ΔＳだけ離間するクリアランス３４が形成されている。筒状部２４とロータコア２２との間にクリアランス３４が形成されることにより、小径部２８は、ロータコア２２の内周面と非接触状態に設定されている。

換言すると、ロータコア２２の内周面と対向する小径部２８は、クリアランス３４を介してロータコア２２の内周面と接触しない「逃げ」として機能するものである。この「逃げ」を設けることによって、例えば、保持部材１８に対するロータコア２２の圧入時に、保持部材１８側からロータコア２２側への圧入応力の伝達が回避される。このため、ロータコア２２の軸方向における一方側（小径部２８側）で発生する圧入応力が、ロータコア２２の軸方向の他方側（大径部３０側）と比較して高くなることを抑制することができる。

筒状部２４と円盤部２６とが接続される角部３５には、筒状部２４の内周面が膨出して形成された増肉部３６が形成されている。軸方向に沿った小径部２８の長さは、筒状部２４の軸方向に沿った一端２４ａから、軸方向に沿った増肉部３６の端面３６ａを超えた筒状部２４の軸方向の他方側の部位３７まで延在する寸法Ｔに設定されている。なお、図４に示される小径部２８の長さ寸法Ｔの中、実質的に逃げとして機能するのは、長さ寸法Ｔ１の範囲である。

増肉部３６は、筒状部２４と円盤部２６との間を懸架する傾斜部３８を有する。この傾斜部３８は、筒状部２４側から円盤部２６側に向かうにつれて増肉部３６の断面幅寸法が徐々に小さくなるように形成されている。

保持部材１８は、シャフト１２と別体で形成されている。また、本実施形態では、嵌合部２０、筒状部２４、及び、円盤部２６を一体成形した保持部材１８を例示しているが、これに限定されるものではなく、それぞれを別体で構成し、例えば、ねじ等の締結部材で一体的に結合するようにしてもよい。

図３に戻って、ロータ１６は、例えば、リング状の磁性薄板を複数積層して形成されたロータコア２２と、シャフト１２の軸を中心として略等間隔で周方向に沿って配置された複数の永久磁石４０とを有する（図２参照）。複数の永久磁石４０は、その隣接する永久磁石４０の極性が互いに異なるように設定されている。また、保持部材１８の筒状部２４に圧入されるロータコア２２の内周面の内径は、ロータコア２２の軸方向に沿って一定となるように設定されている。

本実施形態に係るロータ１６が組み込まれた電動モータ１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

図５は、軸方向に沿ったロータコアの一方側で発生する圧入応力と、軸方向に沿った小径部の長さ寸法との関係を示す特性図である。なお、図５に示す特性図において、小径部２８の長さ寸法の始点は、筒状部２４の一方側端部２４ａではなく、実質的に「逃げ」として機能するロータコア２２の一方側の端面を０としている。

図５から諒解されるように、筒状部２４の小径部２８とロータコア２２の内周面との間に形成される径方向のクリアランス３４が「逃げ」として機能することで、ロータコア２２に付与される圧入応力を寸法Ｔ１までの間で低減させることができる。この結果、本実施形態では、ロータコア２２の疲労破壊を抑制して、ロータコア２２の設計自由度を向上させることができる。

本実施形態では、筒状部２４の外周面における軸方向の一方側に位置する小径部２８の外径が、軸方向の他方側に位置する大径部３０の外径よりも小さく設定され、小径部２８の外径とロータコア２２の内周面とが、クリアランス３４を介して軸方向と直交する径方向で非接触状態となっている。

そこで、保持部材１８の筒状部２４の外周面に対しロータコア２２を圧入して組み付ける場合、筒状部２４の小径部２８の外径とロータコア２２の内周面とが非接触状態にあるため、ロータコア２２へ圧入応力が伝達されることを回避することができる。

また、本実施形態では、保持部材１８にロータコア２２を組み付けて電動モータ１０の完成後、電動モータ１０を作動させてロータコア２２と保持部材１８とが一体的に回転する際、筒状部２４の小径部２８に発生する遠心応力（遠心力）は、筒状部２４の小径部２８の外径とロータコア２２の内周面とが、クリアランス３４によって非接触状態にあるため、ロータコア２２へ遠心応力が伝達されることを回避することができる。

従って、本実施形態では、ロータコア２２の軸方向において、円盤部２６の設けられている一方側でのロータコア２２に発生する応力（圧入応力及び遠心応力）を抑制し、ロータコア２２の軸方向における応力分布を略均一とすることができる。この結果、本実施形態では、ロータコア２２の設計上の自由度を向上させることができる。例えば、不均一な応力分布のピークポイントに対応してロータコア２２の強度設定等を行うことが不要となり、設定上の自由度が増大するからである。

加えて、本実施形態では、ロータコア２２の設計自由度を向上させることで、ロータコア２２に発生する応力（圧入応力及び遠心応力）が増大することに起因するロータコア２２の剛性・強度の低下を抑制することができる。

換言すると、本実施形態では、保持部材１８にロータコア２２を組み付けて電動モータ１０が完成した後、ロータコア２２と保持部材１８とが一体的に回転する際、ロータコア２２に付与される圧入応力に加えて、遠心応力（遠心力）が発生する。従って、ロータコア２２の強度を維持するためには、圧入応力と遠心応力の両者を合算した応力を考慮しなければならないが、本実施形態では、圧力応力を低減（軸方向で均一化）できる分、圧入応力と遠心応力の両者を合算した応力についても低減することができる利点がある。

さらに、本実施形態では、シャフト１２の一方側に対して、例えば、切削加工を施すことにより、筒状部２４の軸方向にわたって所定距離延在する小径部２８を容易に製造することができる。

さらにまた、本実施形態では、増肉部３６を設けることにより、ロータコア２２を外嵌する保持部材１８の筒状部２４における剛性・強度を向上させることができる。これにより、ロータコア２２の回転時における保持部材１８の半径外方向への変形及び振動を抑制することができる。

さらにまた、本実施形態では、増肉部３６を形成することによって保持部材１８の角部３５及び角部３５の近傍部位における剛性・強度が高くなった場合であっても、小径部２８が軸方向に沿って増肉部３６の端面３６ａを超えた筒状部２４の軸方向の他方側まで延在することで、小径部２８が軸方向に沿って増肉部３６の端面３６ａを超えない場合と比較して、ロータコア２２に発生する圧入応力をより一層効果的に抑制することができる。

さらにまた、本実施形態では、環状段差部３２を形成することで、大径部３０と小径部２８とを有するシャフト１２を容易に製造し、製造コストを低減することができる。

１０ 電動モータ（回転電機）
１２ シャフト（回転軸）
１６ ロータ
１８ 保持部材
２０ 嵌合部
２２ ロータコア
２４ 筒状部
２４ａ 一方側端部
２６ 円盤部
２８ 小径部
３０ 大径部
３２ 環状段差部
３４ クリアランス
３５ 角部
３６ 増肉部
３６ａ （増肉部の）端面
Ｔ、Ｔ１ 軸方向に沿った小径部の長さ寸法

Claims (2)

1. 回転軸と、
   前記回転軸と別体で形成されて前記回転軸に固定されると共に、ロータコアを外周に保持する保持部材と、
   を有する回転電機のロータにおいて、
   前記保持部材は、
   前記回転軸に嵌め合わされる嵌合部と、
   筒状に形成されて前記ロータコアが外嵌される筒状部と、
   前記筒状部の軸方向の一方側端部に接続されて前記筒状部と前記嵌合部とを連結する円盤状の円盤部と、
   を備え、
   前記筒状部の外周面における軸方向の一方側の外径は、前記筒状部の外周面における軸方向の他方側の外径よりも小さく設定され、
   前記筒状部の外周面における軸方向の一方側は、前記筒状部の軸方向に所定距離にわたって延在し、軸方向の他方側の大径部の外径よりも小さく形成された小径部を有し、
   前記筒状部と前記円盤部とが接続される角部には、前記筒状部の内周面が膨出して形成される増肉部が形成され、
   前記小径部は、前記角部を有する前記筒状部の軸方向に沿った一端から、軸方向に沿った前記増肉部の端面を超えた前記筒状部の軸方向の他方側まで延在することを特徴とする回転電機のロータ。
2. 回転軸と、
   前記回転軸と別体で形成されて前記回転軸に固定されると共に、ロータコアを外周に保持する保持部材と、
   を有する回転電機のロータにおいて、
   前記保持部材は、
   前記回転軸に嵌め合わされる嵌合部と、
   筒状に形成されて前記ロータコアが外嵌される筒状部と、
   前記筒状部の軸方向の一方側端部に接続されて前記筒状部と前記嵌合部とを連結する円盤状の円盤部と、
   を備え、
   前記筒状部の外周面における軸方向の一方側の外径は、前記筒状部の外周面における軸方向の他方側の外径よりも小さく設定され、
   前記筒状部の外周面における軸方向の一方側は、前記筒状部の軸方向に所定距離にわたって延在し、軸方向の他方側の大径部の外径よりも小さく形成された小径部を有し、
   前記大径部と前記小径部との境界には、環状段差部が形成されることを特徴とする回転電機のロータ。

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