JP7063637B2 - 回転電機のロータ - Google Patents

Description

本明細書は、ロータコアと、当該ロータコア内に埋め込まれる磁石と、ロータコアの軸孔に挿通されて固定される回転軸と、を備えた回転電機のロータを開示する。

回転電機のロータでは、永久磁石が埋め込まれたロータコアの中心に回転軸が挿通されて固定されている。回転軸は、ロータコアとともに回転するために、ロータコアに強固に固定されることが求められる。そのため、従来から、回転軸の固定について、種々の技術が提案されている。

例えば、特許文献１にはナットを用いて、回転軸をロータコアに締結する技術が開示されている。すなわち、特許文献１では、回転軸に、ロータコアの軸方向一端面を支える大径部と、ナットが螺合される雌ネジと、を形成している。そして、回転軸に、ロータコアとナットを挿し込んだ後、ナットを、締めて、ロータコアをナットと大径部とで挟み込む。これにより、ロータコアの軸方向端面と、回転軸の大径部およびナットと、の間には、摩擦力が発生する。この摩擦力により、ロータコアと回転軸との間で回転力が伝達される。

特開２０１５－２７１１９号公報

しかしながら、こうしたナットを用いた締結の場合、ナットを適切なトルクで締め付けるための専用の設備が必要であり、製造コストの増加を招いていた。また、ロータコアの軸方向端面に生じる摩擦力で回転力を伝達するためには、ナットの締め付けトルクを大きくする必要があり、ナットの大型化や、ロータコアへの負荷増加などの問題も招いていた。

そこで、本明細書では、部品を小型化でき、また、製造コストを低減できる回転電機のロータを開示する。

本明細書で開示する回転電機のロータは、回転電機のロータであって、中心に延びる軸孔と、複数の磁極用孔と、を有するロータコアと、前記磁極用孔に挿入された永久磁石と、前記軸孔に挿通されて、複数の嵌合部を介して前記軸孔に固定された回転軸と、を備え、前記嵌合部では、前記回転軸の外周面および前記軸孔の内周面の一方に設けられるとともに径方向に陥没する嵌合溝と、前記回転軸の外周面および前記軸孔の内周面の他方に設けられるとともに径方向に突出した嵌合突起と、が互いに嵌り合っており、周方向に近接する二つの磁極用孔間には、微小間隙部であるブリッジ部が存在し、前記嵌合部は、周方向に近接する二つの磁極用孔間の微小間隙部であるブリッジ部と周方向に重複しない位置に配されており、複数の前記嵌合部は、前記嵌合突起の周方向寸法が前記嵌合溝の周方向寸法より大きい周側嵌合部と、前記周側嵌合部と異なる嵌合部であって、前記嵌合突起の径方向寸法が前記嵌合溝の径方向寸法より大きい径側嵌合部と、を有する、ことを特徴とする。

かかる構成とすることで、嵌合部を介してロータコアと回転軸との間で回転力を伝達できるため、ナットが不要となる。結果として、部品を小型化でき、また、製造コストを低減できる。また、嵌合部が、強度的に弱いブリッジ部と周方向に重複しない位置に配されているため、ロータコアの破損を効果的に防止できる。

かかる構成とすることで、周側嵌合部で回転が伝達され、径側嵌合部で回転軸の芯出しができる。

この場合、前記周側嵌合部と、前記径側嵌合部と、は、周方向に交互に並んでいてもよい。

かかる構成とすることで、周方向の応力と径方向の応力とが、周方向に交互に発生するため、ロータコアにかかる負荷を均等に分散できる。

また、前記回転軸の外周面は、前記嵌合突起および嵌合溝として機能する歯および歯溝が周方向に連続して並ぶインボリュートスプライン形状であり、前記軸孔の内周面には、前記嵌合溝および嵌合突起として機能する歯溝および歯が、前記ブリッジ部と周方向に重複しない範囲に位置するように、間欠的に並んでいてもよい。

回転軸の全周に、嵌合突起および嵌合溝を設けることで、１種類の回転軸を、ブリッジ部の位置や個数が異なる複数種類のロータコアに適用することができる。

また、前記嵌合部は、磁極境界位置と周方向に重複する位置に配されていてもよい。

通常、磁極境界位置には、ブリッジ部は無いため、かかる構成とすることで、嵌合部とブリッジ部との重複を確実に防止できる。

本明細書で開示するロータによれば、嵌合部を介してロータコアと回転軸との間で回転力を伝達できるため、ナットが不要となる。結果として、部品を小型化でき、また、製造コストを低減できる。また、嵌合部が、強度的に弱いブリッジ部と周方向に重複しない位置に配されているため、ロータコアの破損を効果的に防止できる。

ロータの縦断面図である。 図１におけるＡ－Ａ断面図である。 ロータコアの軸孔周辺の図である。 回転軸の断面図である。 周側嵌合部を説明する図である。 径側嵌合部を説明する図である。 他の回転軸の一例を示す図である。

以下、回転電機のロータ１０の構成について図面を参照して説明する。図１は、回転電機のロータ１０の概略縦断面図である。また、図２は、図１におけるＡ－Ａ断面図である。また、図３は、ロータコア１２の軸孔２６周辺の図であり、図４は、回転軸１６の断面図である。このロータ１０は、回転電機、例えば、駆動源の一つとして電動車両に搭載される三相同期型回転電機等に用いられる。ロータ１０は、ロータコア１２と当該ロータコア１２に埋め込まれる永久磁石１４と、ロータ１０に固着される回転軸１６と、を備えている。

ロータコア１２は、その中央に軸孔２６が形成された略環状体である。ロータコア１２は、複数の電磁鋼板（例えばケイ素鋼板等）を軸方向に積層してなる。複数の電磁鋼板は、例えば、カシメにより、互いに連結される。このカシメ結合を可能にするために、各電磁鋼板には、一面において突出し、他面において突出するカシメ部２８が形成されている。図示例では、このカシメ部２８は、隣接する二つの磁極の間、すなわち、ｑ軸Ｌｑ上に設けられている。

ロータコア１２の外周寄り位置には、複数の磁極用孔２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂが、周方向に間隔を開けて並んでいる。各磁極用孔は、磁極を構成するのに利用される孔であり、軸方向に貫通している。この磁極用孔は、磁石が挿入される磁石孔２２ａ，２２ｂと、磁束の漏れを抑制する磁束漏れ防止孔２４ａ，２４ｂと、を含む。磁石孔２２ａ，２２ｂには、１以上の永久磁石１４が挿入され、磁極が構成される。

本例のロータ１０は、図２に示す通り、８つの磁極を有している。ただし、この磁極数は、一例であり、偶数であるならば、磁極数は、適宜、変更されてもよい。本例において、一つの磁極は、複数の永久磁石１４で構成されており、一つの磁極に属する永久磁石１４は、略逆三角形状に配されている。すなわち、磁石孔２２ａ，２２ｂは、外側に広がるように略Ｖ字状に配された一対の第一磁石孔２２ａと、外周端近傍において一対の第一磁石孔２２ａの間に配された第二磁石孔２２ｂと、を有しており、各磁石孔２２ａ，２２ｂに１以上の永久磁石１４が挿入されている。

第二磁石孔２２ｂの周方向両側には、二つの第二磁束漏れ防止孔２４ｂが形成されている。また、第一磁石孔２２ａの径方向内側端部と、隣接する第一磁石孔２２ａの径方向内側端部の間には、第一磁束漏れ防止孔２４ａが設けられている。第一磁束漏れ防止孔２４ａと、第一磁石孔２２ａとは、周方向に近接して隣接しており、両者の間には、微小間隙であるブリッジ部２５が形成されている。このブリッジ部２５は、磁気的特性を重視すれば、ロータコア１２の強度を維持できる範囲で、極力小さいことが望ましい。なお、本例では、このブリッジ部２５を、ロータコア１２の一部で構成しているが、当該ブリッジ部２５となる箇所に貫通孔を形成するとともに、当該貫通孔にロータコア１２とは別の部品を挿入することでブリッジ部２５を構成してもよい。この場合、ブリッジ部２５として挿入される部品の材質は、特に限定されないが、非磁性体であることが望ましい。

ロータコア１２の中央には、軸方向に貫通する軸孔２６が形成されている。この軸孔２６は、回転軸１６が挿通される孔である。この軸孔２６の内周面には、後述する回転軸１６の外歯３６と噛み合うコア内歯３０が形成されている（図３、図４参照）。このコア内歯３０と回転軸１６の外歯３６とが互いに嵌り合うことで、回転軸１６がロータコア１２に固定されるが、これについては、後述する。

回転軸１６は、ロータコア１２の軸孔２６に圧入される軸部材であり、その両端は、軸受を介してモータケース（いずれも図示せず）などにより軸支される。この回転軸１６の途中には、軸孔２６よりも大径の大径部３８が形成されている。ロータコア１２の軸方向一端面は、この大径部３８に押し当てられる。また、ロータコア１２を挟んで、この大径部３８の反対側には、圧入リング１８が取り付けられている。圧入リング１８は、回転軸１６に圧入されて固定される部品である。この圧入リング１８と大径部３８とで、ロータコア１２が挟み込まれることで、ロータコア１２の軸方向への移動が防止される。

回転軸１６のうち、軸孔２６内に位置する部分は、インボリュートスプライン形状となっている。すなわち、回転軸１６の当該箇所の外周には、径方向外側に突出する嵌合突起３２（歯）と、径方向内側に陥没する嵌合溝３４（歯溝）と、が周方向に連続して並ぶ外歯３６が形成されている（図４参照）。この外歯３６が、ロータコア１２のコア内歯３０と噛み合って嵌合することで、回転軸１６がロータコア１２に固定される。すなわち、回転軸１６の嵌合突起３２が、ロータコア１２の嵌合溝３４に、また、回転軸１６の嵌合溝３４が、ロータコア１２の嵌合突起３２に、それぞれ、嵌合することで、回転軸１６がロータコア１２に固定される。

そして、このように、嵌合突起３２と嵌合溝３４が嵌合することで、これら嵌合突起３２および嵌合溝３４を介して、ロータコア１２と回転軸１６との間で回転力が伝達される。換言すれば、本例によれば、ロータコア１２と大径部３８との摩擦力が小さくても、ロータコア１２と回転軸１６との間で回転力が伝達される。そのため、本例によれば、ロータコア１２を軸方向に強く締め付けるナットが不要となり、ナットを締め付けるための設備が不要となる。結果として、ロータ１０を製造する際のコストを低減できる。なお、本例では、ナットに替えて圧入リング１８を設けているが、圧入リング１８は、ナットに比べて取り付け工程が簡易であり、また、取り付けるための設備も比較的、安価に構成できる。

ところで、この嵌合突起３２と嵌合溝３４が嵌合する嵌合部２０ｃ，２０ｒ（以下嵌合部２０ｃと嵌合部２０ｒを区別しないときは、単に「嵌合部２０」という）が、ブリッジ部２５の近くに存在すると、当該ブリッジ部２５周辺に残留応力が発生しやすい。そして、かかる残留応力は、ブリッジ部２５の劣化や損傷を招くことがある。

そこで、本例では、嵌合突起３２と嵌合溝３４とが嵌り合う嵌合部２０を、ブリッジ部２５と周方向に重複しない位置に配している。これについて、具体的に説明する。図４に示す通り、また、上述したとおり、回転軸１６の外周面は、インボリュートスプライン形状であり、嵌合突起３２（歯）と嵌合溝３４（歯溝）が、全周に渡って連続している。一方、ロータコア１２の軸孔２６の内周面には、図３に示す通り、嵌合突起３２および嵌合溝３４が、間欠的に形成されている。より具体的には、軸孔２６の内周面には、二つの嵌合突起３２の間に一つの嵌合溝３４が存在する突起と溝のセットが、周方向に間隔を開けて、８つ（すなわち磁極と同数）形成されている。一方、この突起と溝のセットが形成されていない箇所において、軸孔２６の内径は、回転軸１６の外径よりも大きくなっており、当該箇所において、軸孔２６と回転軸１６との嵌合は生じていない。したがって、この突起と溝のセットが存在する箇所が、回転軸１６の嵌合突起／溝３２，３４と、軸孔２６の嵌合溝／突起３４，３２と、が嵌合する嵌合部２０となる。

この嵌合部２０は、図２に示す通り、ブリッジ部２５と周方向に重複しない位置に設けられている。より具体的に説明すると、嵌合部２０は、周方向に隣接する二つの磁極の間を通るｑ軸上に設けられている。本例では、全てのｑ軸上に嵌合部２０を設けているため、嵌合部２０の数は、磁極の数と同じになる。ただし、嵌合部２０は、ブリッジ部２５と周方向にズレているのであれば、その個数は、特に限定されない。ただし、嵌合に起因する応力の影響を均等化するためには、嵌合部２０は、周方向に均等に配置されることが望ましい。また、嵌合部２０の数は、磁極数の約数であることが望ましい。さらに、後述するように、嵌合部２０として、周方向に嵌合する周側嵌合部２０ｃと、径方向に嵌合する径側嵌合部２０ｒと、設ける場合、周側嵌合部２０ｃと径方向に嵌合する径側嵌合部２０ｒとは、同数であり、嵌合部２０全体の個数は、偶数であることが望ましい。

いずれにしても、嵌合部２０を、ブリッジ部２５と周方向にズレた位置に設けることで、嵌合部２０と、ブリッジ部２５との距離が大きくなる。そのため、嵌合に起因して生じる応力が、機械的強度が低下しているブリッジ部２５に作用しにくくなる。その結果、ブリッジ部２５に残留応力が生じにくく、ロータコア１２の強度を高く維持できる。

ところで、本例では、嵌合部２０として、主に周方向に嵌り合う周側嵌合部２０ｃと、主に径方向に嵌り合う径側嵌合部２０ｒと、を設けている。図２において、破線の楕円で囲った箇所は、周側嵌合部２０ｃであり、破線の矩形で囲った箇所が径側嵌合部２０ｒである。この周側嵌合部２０ｃおよび径側嵌合部２０ｒの構成について図５、図６を参照して説明する。

図５は、周側嵌合部２０ｃを説明する図である。図５においてハッチング範囲は、回転軸１６を示している。図５の例では、回転軸１６に、径方向外側に突出した嵌合突起３２が、軸孔２６に、径方向外側に陥没した嵌合溝３４が形成されている。この嵌合突起３２の径方向寸法は、嵌合溝３４の径方向寸法と同じか、僅かに小さくなっている。一方、嵌合突起３２の周方向寸法は、嵌合溝３４の周方向寸法に比べて、僅かに大きくなっている。その結果、嵌合突起３２と嵌合溝３４は、周方向に密着しており、嵌合突起３２と嵌合溝３４との間で、周方向の動き、すなわち、回転が伝わるようになっている。このように嵌合突起３２の周方向寸法が、嵌合溝３４の周方向寸法より大きい周側嵌合部２０ｃを設けることで、回転トルクが確実に伝達される。

図６は、径側嵌合部２０ｒを説明する図である。図６においても、ハッチング箇所が回転軸１６を示しており、回転軸１６に、嵌合突起３２が、軸孔２６に、嵌合溝３４が形成されている。径側嵌合部２０ｒでは、嵌合突起３２の周方向寸法は、嵌合溝３４の周方向寸法と同じか、僅かに小さくなっている。一方、嵌合突起３２の径方向寸法は、嵌合溝３４の径方向寸法よりも、僅かに大きくなっている。その結果、嵌合突起３２と嵌合溝３４は、周方向に密着することになる。かかる径側嵌合部２０ｒを、周方向に２以上、より望ましくは３以上設けることで、容易に回転軸１６の芯出しができる。

本例では、図２に示す通り、周側嵌合部２０ｃ（破線楕円部）と径側嵌合部２０ｒ（破線矩形部）を、周方向に交互に配している。このように、２種類の嵌合部２０を、交互に配することで、ロータコア１２のかかる応力を均等に分散でき、ロータコア１２にかかる負荷を軽減できる。

なお、これまで説明した構成は、一例であり、回転軸１６の外周および軸孔２６の内周の一方に形成された嵌合突起３２が他方に形成された嵌合溝３４に嵌合する嵌合部２０が、ブリッジ部２５と周方向に重複しない位置に設けられているのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、本例では、回転軸１６の外歯３６を、嵌合突起３２と嵌合溝３４が連続して並ぶ歯車状（インボリュートスプライン状）としている。しかし、回転軸１６の外歯３６も、ロータコア１２のコア内歯３０と同様に、また、図７に示すように、嵌合突起３２および／または嵌合溝３４が、間欠的に並ぶ形状としてもよい。また、回転軸１６の外歯３６を、嵌合突起３２および／または嵌合溝３４が間欠的に並ぶ形状にするとともに、ロータコア１２のコア内歯３０を、嵌合突起３２および嵌合溝３４が連続的に並ぶ歯車状としてもよい。ただし、本例のように、回転軸１６を歯車状とし、コア内歯３０を突起／溝が間欠的に並ぶ形状としたほうが、１種類の回転軸１６を、ブリッジ部２５の位置や個数が異なる複数種類のロータコア１２に適用することができる。

また、これまでの説明では、第一磁石孔２２ａと、第一磁束漏れ防止孔２４ａとの間に、ブリッジ部２５が形成されるロータコア１２を例に挙げた。しかし、ロータコア１２は、周方向に近接して隣接する磁極用孔（磁石孔２２および磁束漏れ防止孔２４）の間に微小間隙であるブリッジ部２５が形成されるのであれば、他の形態であってもよい。例えば、ロータコア１２は、磁束漏れ防止孔を有さず、略Ｖ字状に配された二つの磁石孔を有する形態でもよい。この場合、一つの磁石孔の径方向内側端部と、隣接する磁石孔２２ａ，２２ｂの径方向内側端部と、の間の微小間隙がブリッジ部となる。また、これまでの説明では、嵌合突起および嵌合溝を、いずれも、略台形としているが、これらの形状は、適宜、変更されてもよい。

１０ ロータ、１２ ロータコア、１４ 永久磁石、１６ 回転軸、１８ 圧入リング、２０ 嵌合部、２２ 磁石孔、２４ 磁束漏れ防止孔、２５ ブリッジ部、２６ 軸孔、２８ カシメ部、３０ コア内歯、３２ 嵌合突起、３４ 嵌合溝、３６ 外歯、３８ 大径部。

Claims (1)

1. 回転電機のロータであって、
   中心に延びる軸孔と、複数の磁極用孔と、を有するロータコアと、
   前記磁極用孔に挿入された永久磁石と、
   前記軸孔に挿通されて、複数の嵌合部を介して前記軸孔に固定された回転軸と、
   を備え、
   前記嵌合部では、前記回転軸の外周面および前記軸孔の内周面の一方に設けられるとともに径方向に陥没する嵌合溝と、前記回転軸の外周面および前記軸孔の内周面の他方に設けられるとともに径方向に突出した嵌合突起と、が互いに嵌り合っており、
   周方向に近接する二つの磁極用孔間には、微小間隙部であるブリッジ部が存在し、
   前記嵌合部は、前記ブリッジ部と周方向に重複しない位置に配されており、
   複数の前記嵌合部は、
   前記嵌合突起の周方向寸法が前記嵌合溝の周方向寸法より大きい周側嵌合部と、
   前記周側嵌合部と異なる嵌合部であって、前記嵌合突起の径方向寸法が前記嵌合溝の径方向寸法より大きい径側嵌合部と、を有する、
   ことを特徴とする回転電機のロータ。

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