CN102754311B - 转子和使用该转子的旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的转子包括：在外周面轴向上的一处以上设置有键槽的旋转轴；和具有向内周侧突出设置且与键槽嵌合的键的转子铁芯，在转子铁芯，在键的周向两侧形成向径向外侧扩展的凹部，在凹部的底部，形成用于缓和键的周向两侧的应力的平面部，平面部是在与键的突出方向正交的方向上以规定长度延伸的直线部，在直线部的与键相反一侧的端部，连接设置延伸至转子铁芯的内周的连接侧面，将连接键的侧面和直线部的键一侧的端部的第一角部做成圆弧面，将连接直线部的与键相反一侧的端部和连接侧面的第二角部做成圆弧面，确定各部分的尺寸、形状，使得第一角部和第二角部的应力大致相等。

Description

转子和使用该转子的旋转电机

技术领域

本发明涉及将旋转电机的转子与旋转轴体连接的连接结构。

背景技术

在用于车辆驱动的旋转电机中，与通常的旋转电机相比，要求高速旋转，转子的强度特别是转子铁芯与旋转轴体的连接部分的强度是重要的。一直以来，使用松嵌合的键作为构成转子的转子铁芯与旋转轴体的连接结构，但是存在应力易于集中在键上的问题。

于是，专利文献1的转子中，通过使键凹部成为将在键侧面具有第一曲率半径的圆弧部和具有比第一曲率半径大的第二曲率半径的圆弧部连接而成的形状，降低应力集中。

但是，旋转电机的性能提高的需求很高，要求超越专利文献1的应力降低效果的应对方法。于是，专利文献2中公开的旋转电机中，在键的基端部设置的切口部的轮廓形状包括：从键基端部延伸的第一圆角部；从第一圆角部与键的侧端部垂直地延伸的直线部；从直线部延伸的第二圆角部；和从第二圆角部延伸至芯板的贯通孔的内缘的过渡部。

专利文献1：日本特开2008-312321号公报

专利文献2：日本特开2009-201258号公报

发明内容

发明要解决的问题

但是，专利文献2的旋转电机中，使应力分散到直线部，应力不会集中于第一圆角部和第二圆角部，但是键整体的应力最佳化仍然有改善的余地。

解决问题的方法

根据本发明的第一方面，转子包括：在外周面轴向上的一处以上设置有键槽的旋转轴；和具有向内周侧突出设置且与键槽嵌合的键的转子铁芯，在转子铁芯，在键的周向两侧形成向径向外侧扩展的凹部，在凹部的底部，形成用于缓和键的周向两侧的应力的平面部，平面部是在与键的突出方向正交的方向上以规定长度延伸的直线部，在直线部的与键相反一侧的端部，连接设置延伸至转子铁芯的内周的连接侧面，将连接键的侧面和直线部的键一侧的端部的第一角部做成圆弧面，将连接直线部的与键相反一侧的端部和连接侧面的第二角部做成圆弧面，确定各部分的尺寸、形状，使得第一角部和第二角部的应力大致相等。

根据本发明的第二方面，转子包括：在外周面轴向上的一处以上设置有键槽的旋转轴；和具有向内周侧突出设置且与键槽嵌合的键的转子铁芯，在转子铁芯，在键的周向两侧形成向径向外侧扩展的凹部，在凹部的底部，形成用于缓和键的周向两侧的应力的平面部，平面部是在与键的突出方向正交的方向上以规定长度延伸的直线部，在直线部的与键相反一侧的端部，连接设置延伸至转子铁芯的内周的连接侧面，将连接键的侧面和直线部的键一侧的端部的第一角部做成圆弧面，将连接直线部的与键相反一侧的端部和连接侧面的第二角部做成圆弧面，确定键的侧面与直线部所成的角度、直线部与连接侧面所成的角度，使得第一角部和第二角部的应力大致相等。

根据本发明的第三方面，优选在第二方面的转子中，确定直线部的延伸长度，使得第一角部和第二角部的应力大致相等。

根据本发明的第四方面，转子包括：在外周面轴向上的一处以上设置有键槽的旋转轴；和具有向内周侧突出设置且与键槽嵌合的键的转子铁芯，在转子铁芯，在键的周向两侧形成向径向外侧扩展的凹部，在凹部的底部，形成用于缓和键的周向两侧的应力的平面部，平面部是在与键的突出方向正交的方向上以规定长度延伸的直线部，在直线部的与键相反一侧的端部，连接设置延伸至转子铁芯的内周的连接侧面，将连接键的侧面和直线部的键一侧的端部的第一角部做成圆弧面，将连接直线部的与键相反一侧的端部和连接侧面的第二角部做成圆弧面，确定平面部的延伸长度、键的侧面与直线所成的角度、直线部与连接侧面所成的角度、第一角部的曲率半径和第二角部的曲率半径，使得第一角部和第二角部的应力大致相等。

根据本发明的第五方面，转子包括：在外周面轴向上的一处以上设置有键槽的旋转轴；和具有向内周侧突出设置且与键槽嵌合的键的转子铁芯，在转子铁芯，在键的周向两侧形成向径向外侧扩展的凹部，在凹部的底部形成向内周凹陷的圆弧面。

根据本发明的第六方面，优选在第五方面的转子中，确定圆弧面的半径，使得在随着转子的旋转，离心力作用于转子铁芯时，由于离心力而在键附近产生的应力为预先规定的阈值以下。

根据本发明的第七方面，优选在第六方面的转子中，圆弧面的半径是转子铁芯的内周半径的1/10以上。

根据本发明的第八方面，优选在第五方面的转子中，在圆弧面的与键相反一侧的端部，连接设置延伸至转子铁芯的内周的连接侧面，将连接键的键侧面和圆弧面的键一侧的端部的第一角部做成圆弧面，将连接圆弧面的与键相反一侧的端部和连接侧面的第二角部做成圆弧面。

根据本发明的第九方面，优选在第八方面的转子中，分别确定圆弧面的半径、第一角部的圆弧面的曲率半径和第二角部的圆弧面的曲率半径，使得在随着转子的旋转，离心力作用于转子铁芯时，由于离心力而在键附近产生的应力为预先规定的阈值以下。

根据本发明的第十方面，优选在第一方面的转子中，键的侧面与底部所成的角度大于等于85度且小于90度。

根据本发明的第十一方面，优选在第一方面的转子中，键的侧面与底部所成的角度大于90度。

根据本发明的第十二方面，旋转电机包括：本发明的第一方面所述的转子；和在转子的外周侧隔开空隙设置的定子。

发明效果

根据本发明，能够以简单的结构降低对旋转轴传递旋转转矩的转子的键的应力集中，并且能够实现键整体的应力最佳化。

附图说明

图1是表示搭载有具有本发明的转子的第一实施方式的旋转电机的混合动力型电力汽车的概要结构的图。

图2是表示图1的电力变换装置的电路图。

图3是表示图1的旋转电机的截面图。

图4是表示图3的定子和转子的截面图。

图5是表示转子铁芯的键与轴的键槽的卡合部分的比较例的截面图。

图6是用于说明切口产生的应力集中的截面图。

图7是用于说明改善后的切口产生的应力集中的截面图。

图8是用于说明进一步改善后的切口产生的应力集中的截面图。

图9是表示本发明的转子的第一实施方式中的键的截面图。

图10是表示图9的键的应力分布的图。

图11是表示图5的键的应力分布的图。

图12是表示图9的键中，基于平面部的长度W的第一和第二角部的应力变化的特性的曲线图。

图13是表示图9的键中，基于平面部的长度W的第一和第二角部的应力变化的特性的曲线图。

图14是表示图9的键中，基于平面部的长度W的第一和第二角部的应力变化的特性的曲线图。

图15是表示图9的键中，基于平面部的长度W的第一和第二角部的应力变化的特性的曲线图。

图16是表示图9的键中，基于第一角部的角度θ1的第一和第二角部的应力变化的特性的曲线图。

图17是表示图9的键中，基于第一角部的角度θ1的第一和第二角部的应力变化的特性的曲线图。

图18是表示图9的键中，基于第一角部的角度θ1的第一和第二角部的应力变化的特性的曲线图。

图19是表示图9的键中，基于第一角部的角度θ1的第一和第二角部的应力变化的特性的曲线图。

图20是表示图9的键中，基于第二角部的角度θ2的第一和第二角部的应力变化的特性的曲线图。

图21是表示图9的键中，基于第二角部的角度θ2的第一和第二角部的应力变化的特性的曲线图。

图22是表示本发明的转子的第二实施方式中的键的截面图。

图23是表示图22的键中连结第一、第二角部的圆弧的半径与应力的关系的曲线图。

具体实施方式

[第一实施方式]

说明本发明的旋转电机的第一实施方式。

[旋转电机整体]

第一实施方式的旋转电机，如以下所说明的那样，能够实现高速旋转化，因此，适合用作例如电力汽车的行驶用电机。本发明的旋转电机也能够应用于仅利用旋转电机行驶的纯粹的电力汽车和被发动机和旋转电机双者驱动的混合动力汽车。以下以混合动力汽车为例进行说明。

如图1所示，作为混合动力汽车的车辆100搭载有发动机120、第一、第二旋转电机200、202和高电压的电池180。

电池180包括锂离子电池或镍氢电池等二次电池，输出250伏特至600伏特或该值以上的高电压的直流电力。电池180在需要旋转电机200、202的驱动力的情况下对旋转电机200、202供给直流电力，在再生行驶时从旋转电机200、202向其供给直流电力。电池180与旋转电机200、202之间的直流电力的交接，通过电力变换装置600进行。

此外，虽然未图示，但在车辆搭载有供给低电压电力（例如14伏特类电力）的电池，对以下说明的控制电路供给直流电力。

发动机120和旋转电机200、202的转矩经由变速器130和差动齿轮160传递至前轮110。变速器130由变速器控制装置134控制，发动机120由发动机控制装置124控制，电池180由电池控制装置184控制。

总控制装置170经由通信线路174与变速器控制装置134、发动机控制装置124、电池控制装置184和电力变换装置600连接。

总控制装置170进行发动机120和旋转电机200、202的输出转矩的管理、发动机120的输出转矩与旋转电机200、202的输出转矩的总转矩、转矩分配比的运算处理，基于该运算处理结果进行向变速器控制装置134、发动机控制装置124和电力变换装置600的控制指令的发送。因此，从变速器控制装置134、发动机控制装置124、电力变换装置600和电池控制装置184，表示各自的状态的信息经由通信线路174输入总控制装置170。这些控制装置是比总控制装置170下位（下级）的控制装置。总控制装置170基于它们的信息运算各控制装置的控制指令。运算出的控制指令经由通信线路174被发送至各个控制装置。

电池控制装置184将电池180的放电状况、构成电池180的各单元电池的状态经由通信线路174输出至总控制装置170。总控制装置170基于来自电池控制装置184的信息控制电力变换装置600，在判断需要进行电池180的充电时，对电力变换装置600发出发电运转的指示。

电力变换装置600基于来自总控制装置170的转矩指令，控制旋转电机200、202以产生基于指令的转矩输出或发电电力。为此，在电力变换装置600中为了使旋转电机200、202运转而设置有构成逆变器的功率半导体。电力变换装置600基于来自总控制装置170的指令控制功率半导体的开关动作。通过这样的功率半导体的开关动作，使旋转电机200、202作为电动机或者发电机运转。

在使旋转电机200、202作为电动机运转时，来自高电压的电池180的直流电力供给至电力变换装置600的逆变器的直流端子。电力变换装置600通过控制功率半导体的开关动作，将供给的直流电力变换为三相交流电力而向旋转电机200、202供给。

另一方面，在使旋转电机200、202作为发电机运转的情况下，旋转电机200、202的转子利用从外部施加的转矩被旋转驱动，在旋转电机200、202的定子绕组中产生三相交流电力。产生的三相交流电力由电力变换装置600变换为直流电力，通过对高电压的电池180供给该直流电力来进行充电。

[电力变换装置]

如图2所示，电力变换装置600中设置有：用于旋转电机200的第一逆变器装置；和用于旋转电机202的第二逆变器装置。第一逆变器装置具有功率模块610、控制功率模块610的各功率半导体21的开关动作的第一驱动电路652、检测旋转电机200的电流的电流传感器660。驱动电路652设置在驱动电路基板650。

第二逆变器装置具有功率模块620、控制功率模块620中的各功率半导体21的开关动作的第二驱动电路656、检测旋转电机202的电流的电流传感器662。驱动电路656设置在驱动电路基板654。

电流传感器660、662、驱动电路652、656与设置于控制电路基板646的控制电路648连接，而且，通信线路174经由发送接收电路644与控制电路648连接。发送接收电路644在第一、第二逆变器装置中共用。发送接收电路644用于使电力变换装置600与外部的控制装置之间电连接，经由图1的通信线路174与其他装置进行信息的发送接收。

控制电路648构成各逆变器装置610、620的控制部，由运算用于使功率半导体元件21动作（打开/关闭）的控制信号（控制值）的微型计算机构成。对控制电路648输入来自上位（上级）控制装置170的转矩指令信号（转矩指令值）、电流传感器660、662的传感器输出、搭载于旋转电机200、202的旋转传感器（旋转变压器（resolver）224。参照图3）的传感器输出。控制电路648基于这些输入信号计算控制值，对驱动电路652、656输出用于控制开关定时的控制信号。

在驱动电路652、656中，产生向各相的各上下臂的栅极供给的驱动信号的集成电路分别设置有6个，将6个集成电路作为1个块。驱动电路652、656产生的驱动信号被分别输出至对应的功率模块610、620的各功率半导体元件21的栅极。

在功率模块610、620中的直流侧的端子并联地电连接电容器模块630，电容器模块630构成用于抑制由功率半导体元件21的开关动作产生的直流电压的变动的平滑电路。电容器模块630在第一、第二逆变器装置中共用。

功率模块610、620分别将从电池180供给的直流电力变换为三相交流电力，将该电力向对应的旋转电机200、202的电枢绕组即定子绕组供给。此外，功率模块610、620将在旋转电机200、202的定子绕组感应的交流电力变换为直流，向高电压电池180供给。功率模块610、620如图2中所记载的那样具有三相桥电路，与三相对应的串联电路分别并联地电连接在电池180的正极侧与负极侧之间。各串联电路具有构成上臂的功率半导体21和构成下臂的功率半导体21，这些功率半导体21串联连接。

功率模块610和功率模块620大致相同地构成，此处以功率模块610为代表进行说明。

功率模块610使用IGBT（绝缘栅型双极晶体管）21作为开关用功率半导体元件。IGBT21具有集电极、发射极和栅极这三个电极。在IGBT21的集电极与发射极之间电连接有二极管38。二极管38具有阴极和阳极这两个电极，以从IGBT21的发射极向集电极的方向为正向的方式，阴极与IGBT21的集电极电连接，阳极与IGBT21的发射极电连接。

各相的臂由IGBT21的发射极和IGBT21的集电极串联地电连接而构成。

另外，图2中，各相的各上下臂的IGBT只图示了一个，但由于进行控制的电流容量大，因此实际上多个IGBT并联地电连接而构成。以下，为了使说明简单，以1个功率半导体进行说明。

图2所示的例子中，各相的各上下臂分别由3个IGBT构成。各相的各上臂的IGBT21的集电极与电池180的正极侧电连接，各相的各下臂的IGBT21的源极与电池180的负极侧电连接。各相的各臂的中点（上臂侧IGBT的发射极与下臂侧的IGBT的集电极的连接部分），与对应的旋转电机200、202的对应相的电枢绕组（定子绕组）电连接。

此外，也可以使用MOSFET（金属氧化物半导体型场效应晶体管）作为开关用功率半导体元件。MOSFET具有漏极、源极和栅极这三个电极。在为MOSFET的情况下，在源极与漏极之间具有以从漏极向源极的方向为正向的寄生二极管，因此不需要设置图2的二极管38。

旋转电机200、202大致相同地构成，因此，以下以旋转电机200为代表进行说明。

[定子和转子]

如图3所示，旋转电机200具有：壳体212；和保持在壳体212的内部的定子230，定子230具有定子铁芯232和定子绕组238。在定子铁芯232的内侧，转子250隔着空隙222能够旋转地被保持。转子250具有转子铁芯252、永磁体254和和非磁性体的盖板226，转子铁芯252被固定在圆柱状的轴（旋转轴体）218上。

壳体212具有设置有轴承216的一对端部托架214，轴218被这些轴承216能够旋转地保持。在轴218设置有检测转子250的极的位置、旋转速度的旋转变压器224，旋转变压器224的输出被导入图2所示的控制电路648。

参照图2进行说明，控制电路648基于旋转变压器224的输出控制驱动电路652，驱动电路652使功率模块610进行开关动作，将从电池180供给的直流电力变换为三相交流电力。控制电路648同样通过驱动电路656使功率模块620也进行开关动作，将从电池180供给的直流电力变换为三相交流电力。该三相交流电力被供给至定子绕组238，在定子230产生旋转磁场。基于旋转变压器224的检测值控制三相交流电流的频率，同样基于旋转变压器224的检测值控制三相交流电流相对于转子250的相位。而且，对定子绕组238供给三相交流电力。

图4是图3的A-A截面图。图4中，省略了壳体212和定子绕组238的记载。图4中，在定子铁芯232的内周侧，跨整周地均等地配置有多个槽24和齿236。在槽24内设置有槽绝缘部件（省略图示），安装有构成定子绕组238的u相～w相的多个相的绕组。本实施例中，定子绕组238的卷绕方法使用分布绕组。

另外，图4中没有对所有的槽和齿标注符号，作为代表仅对一部分的齿和槽标注符号。

分布绕组是以使相绕组收纳在跨多个槽24隔开间距的2个槽中的方式，将相绕组卷绕在定子铁芯232上的卷绕方式。本实施例中，作为卷绕方式使用分布绕组，因此形成的磁通分布接近正弦波状，易于获得磁阻转矩。因此，能够活用弱磁场控制、磁阻转矩，不仅能够对于低旋转速度，还能够对于达到高旋转速度的较广的转速范围进行控制，适于获得电力汽车等的电机特性。

在转子铁芯252中贯穿设置有矩形的孔253，在孔253中嵌入永磁体254a、254b（以下作为代表记载有254）且用粘合剂等固定。孔253的圆周方向的宽度设定为比永磁体254的圆周方向的宽度更大，在永磁体254的两侧形成磁空隙258。磁空隙258可以填入粘合剂，也可以利用成型树脂与永磁体254一体固定。永磁体254起到转子250的磁场磁极的作用。

永磁体254的磁化方向朝向径向，磁化方向的朝向按每个磁场磁极反转。即，如果永磁体254a的定子侧面为N极，轴侧的面为S极，则相邻的永磁体254b的定子侧面为S极，轴侧的面为N极。而且，这些永磁体254a、254b在圆周方向上交替地配置。本实施方式中，各永磁体254以等间隔配置有8个，转子250为8极。

在转子铁芯252的内周面以规定间隔突出设置有键255。另一方面，在轴218的外周面凹陷设置有键槽261。键255通过松嵌合与键槽261嵌合，转矩从转子250传递至轴218。

永磁体254可以在磁化后嵌入转子铁芯252，也可以在磁化前插入转子铁芯252之后施加强磁场而进行磁化。磁化后的永磁体254是强磁体，如果在将永磁体254固定于转子250之前使磁体磁化，则固定永磁体254时在与转子铁芯252之间产生强吸引力，该吸引力会妨碍操作。此外担心会由于强吸引力导致铁粉等垃圾附着在永磁体254上。因此，将永磁体254插入转子铁芯252之后进行磁化的方式，更能够提高旋转电机的生产性。

作为永磁体254能够使用钕类、钐类的烧结磁体、铁氧体磁体、钕类的粘结磁体等。永磁体254的剩余磁通密度为大致0.4～1.3T左右。

另外，以上的说明中使旋转电机200、202这二者适用第一实施方式，但也可以仅使一方的旋转电机200或202适用第一实施方式，而另一方使用其他结构。

图5是表示本实施方式的转子铁芯的比较例的图，是转子铁芯252的键255与轴218的键槽261的嵌合部，即转子250与轴218的连接部的放大图。

如图5所示，在轴218的外周面设置有在轴向上延伸的键槽261（凹部）。在转子铁芯252的内周252I，以与键槽261嵌合的方式形成有向内径方向突出的截面大致为长方体形状的键255（凸部）。通过使转子铁芯252的键255的侧面与轴218的键槽261侧面接触，转子250的转矩被向轴218传递。在凸部255的周向两侧形成有向转子铁芯252的径向外侧扩展的凹部256。

在转子250旋转时，转子铁芯252由于离心力的影响而要向径向外侧扩展，因此在转子铁芯252产生周向的拉伸应力σ1。该拉伸应力σ1分布在除了键255的凸部的转子铁芯252整体。由于对于该拉伸应力，键255的两侧的凹部256被视为切口形状，因此应力集中在凹部256的最深部256T。

为了缓和凹部256的应力集中，一般能够考虑两种方法。第一种是使凹部256的曲率圆的大小增加，第二种是使凹部256的切口角度增加。

[应力集中概论]

图6～图8是用于理解本实施方式的应力集中缓和的概念的图，用简单的模型对应力集中进行说明。

首先，列举应力集中较大的例子，如图6所示，在平板500形成有顶角θ0（大致60度）的锐利的等腰三角形的切口（凹部）520的模型中，应力集中极大。此处，张力F1作用于平板500时，在平板500中产生应力σ1，应力集中在切口520的最深处的锐利的角部521。

另一方面，如图7所示，在图6的切口520的角部521设置有圆弧部522的模型中，拉伸应力集中在圆弧部522，但通过增大圆弧部522的半径，能够缓和应力集中。但是，由于凹部500的前端是圆弧，拉伸应力会集中在圆弧502的最深处的一点522T。

进一步，如图8所示，扩大切口520的角度θ0，并且，在切口520的最深部形成与张力F1平行的平面523，在平面523的两端与切口520的左右侧面520L、520R的连接部（第一、第二角部）523L、523R形成有圆弧的模型中，大幅地缓和了应力集中。即，由于平面523与拉伸应力σ1平行，因此在平面523不会发生应力集中。

虽然在第一、第二角部523L、523R会产生应力集中，但是拉伸应力σ1被分散到两个角部523L、523R，而且角度θ0也较大，因此与图7的模型相比能够缓和应力集中。

[第一实施方式中的切口形状]

本实施方式的转子的键附近的应力缓和是基于联系图5～图8进行说明的观点而得到的。即，使在键255的两侧设置的凹部256以如下方式形成。

图9是表示凹部256的图。凹部256是在键255的两侧形成的应力缓和凹部。凹部256包括：键255的侧面257；在凹部256的底部形成的平面状的直线部（以下为了方便称为平面部）400（设其长度为W）；从转子铁芯252的内周252I向平面部400延伸的连接侧面401；连结键侧面257和平面部400的圆弧状（设半径为R1）的第一角部key1；连结平面部400和连接侧面401的圆弧状（设半径为R2）的第二角部key2；和连结连接侧面401和内周252I的圆弧状（设半径为R3）的角部key3。

另外，第一实施方式的转子中，平面部400在与键255的中心线255C正交的方向上延伸长度W。另外，θ1也能够定义为键255的突出方向与平面部400的交叉角度。如后所述，θ1的角度能够对应图8的模型。例如，优选为85度以上，低于120度。

另外，转子250的外径越小，应力缓和凹部256的θ1的角度越小。此外，其上限依赖于转子250的外径、平面部400的必要长度W和θ2，上述120度是转子250的外径为100mm～200mm时的值。

凹部256利用平面部400阻止底部的应力集中，并且将应力分散至第一角部key1、第二角部key2，而且，通过使第一角部key1、第二角部key2为圆弧状，缓和第一角部key1、第二角部key2的应力集中。另外，在角部key3不产生应力集中。

进一步，设键侧面257与平面部400所成的角度为θ1，设连接侧面401向第二角部key2的切线401T与平面部400所成的角度为θ2时，通过使θ1=90度，θ2=150度等足够大的角度，缓和第一角部key1、第二角部key2的应力集中。

此时，由于θ1比θ2小，因此周向的拉伸应力σ1与凹部256的切线401T不平行，使具有较大角度的θ2的第二角部key2位于径向外侧。从而，能够增加θ1的角度，因此第一角部key1的应力与使周向的拉伸应力σ1与凹部256平行时相比能够得到降低。

如作为应力分布图的图10所示，在图9所示的第一实施方式的凹部256中，使θ1=93度，R1=1mm，W=2mm，θ2=150度，R2=3mm时，在第一角部key1和第二角部key2产生大致相等的最大应力σmax10。另一方面，如图11所示，在图5所示的比较例的凹部256的最深部256T产生最大应力σmax11，σmax10=0.7×σmax11。

即，第一实施方式的转子250的凹部256与比较例的转子的凹部相比，最大应力降低至70%左右。此外，观察图10、图11的应力分布可知，图11的应力分布与图10的应力分布相比分散在较广的范围，应力集中缓和的效果是明显的。

特别是，如图10所示使第一角部key1、第二角部key2的应力相等，在直线部400也使应力分散，与专利文献2的旋转电机的键相比，能够实现键整体的应力最佳化。

[平面部的效果]

图12～图15是表示在高速旋转条件下，使平面部400的长度W从0mm起增大时的第一角部key1、第二角部key2的应力变化的曲线图。在各个情况下均设图5和图11所示的键基部的应力为100%，用百分比表示W变化时的第一角部key1、第二角部key2的应力变化。

图12是使转子250的各部分的尺寸为：外径OD=100mm、第一角部key1的半径R1=1mm、第二角部key2的半径R2=1mm、θ1=84度、θ2=150度时的曲线图。

图13是使转子250的各部分的尺寸为：外径OD=100mm、第一角部key1的半径R1=1mm、第二角部key2的半径R2=3mm、θ1=90度、θ2=150度时的曲线图。

图14是使转子250的各部分的尺寸为：外径OD=200mm、第一角部key1的半径R1=1mm、第二角部key2的半径R2=1mm、θ1=85度、θ2=150度时的曲线图。

图15是使转子250的各部分的尺寸为：外径OD=200mm、第一角部key1的半径R1=1mm、第二角部key2的半径R2=3mm、θ1=90度、θ2=150度时的曲线图。

在各个图中均表示出下述倾向：W为规定值之前第二角部key2的应力比第一角部key1的应力小，W为基准规定长度时二者一致，W超过基准规定长度时第二角部key2的应力比第一角部key1的应力大。通过规定转子250的各部分的尺寸，能够使第一角部key1的应力与第二角部key2的应力相等。

[θ1的效果]

图16～图19是表示在高速旋转条件下，使平面部400的长度W为2mm、使θ2为150度时，使θ1变化时的第一角部key1、第二角部key2的应力变化的曲线图。在各个情况下均设图5和图11所示的键基部的应力为100%，用百分比表示使θ1变化时的第一角部key1、第二角部key2的应力变化。

图16是使转子250的各部分的尺寸为：外径OD=100mm、第一角部key1的半径R1=1mm、第二角部key2的半径R2=1mm时的曲线图。表示使θ1从80度起增大时的例子。

图17是使转子250的各部分的尺寸为：外径OD=100mm、第一角部key1的半径R1＝1mm、第二角部key2的半径R2=3mm时的曲线图。表示使θ1从85度起增大时的例子。

图18是使转子250的各部分的尺寸为：外径OD=200mm、第一角部key1的半径R1=1mm、第二角部key2的半径R2=1mm时的曲线图。表示使θ1从85度起增大时的例子。

图19是使转子250的各部分的尺寸为：外径OD=200mm、第一角部key1的半径R1=1mm、第二角部key2的半径R2=3mm时的曲线图。表示使θ1从85度起增大时的例子。

在转子250的外径OD=100mm的图16和图17中，表示出下述倾向：θ1为规定基准角度之前第二角部key2的应力比第一角部key1的应力小，θ1为规定基准角度时二者一致，θ1超过规定基准角度时第二角部key2的应力比第一角部key1的应力大。通过规定转子250的各部分的尺寸，能够使第一角部key1的应力与第二角部key2的应力相等。

在转子250的外径OD=200mm的图18和图19中，表示出下述倾向：θ1为规定基准角度之前第二角部key2的应力比第一角部key1的应力大，θ1为规定基准角度时二者一致，θ1超过规定基准角度时第二角部key2的应力比第一角部key1的应力小。通过规定转子250的各部分的尺寸，能够使第一角部key1的应力与第二角部key2的应力相等。

[θ2的效果]

图20和图21是表示在高速旋转条件下，设平面部400的长度W为2mm，使θ2变化时的第一角部key1、第二角部key2的应力变化的曲线图。在各个情况下均设图5和图11表示的键基部的应力为100%，用百分比表示使θ2变化时的第一角部key1、第二角部key2的应力变化。

图20是使转子250的各部分的尺寸为：外径OD=100mm、第一角部key1的半径R1=1mm、第二角部key2的半径R2=1mm、θ1=85度时的曲线图。表示使θ2从120度增大时的例子。

图21是使转子250的各部分的尺寸为：外径OD=200mm、第一角部key1的半径R1=1mm、第二角部key2的半径R2=1mm、θ1=87.5度时的曲线图。表示使θ2从120度增大时的例子。

图20和图21中，表示出下述倾向：θ2为规定基准角度之前第二角部key2的应力比第一角部key1的应力大，θ2为规定基准角度时二者一致，θ2超过规定基准角度时第二角部key2的应力比第一角部key1的应力小。通过规定转子250的各部分的尺寸，能够使第一角部key1的应力与第二角部key2的应力相等。

可知θ2引起的应力的变动比θ1引起的应力变动小。

图9中，使连接侧面401为大致直线状，但也可以使连接侧面401为各种曲线状。在使连接侧面401为曲线状的情况下，如果将角度θ2定义为连接侧面401的向圆弧R2的连接点处的圆弧R2的切线401T与平面部400的延伸方向所成的角度，则能够与以上的说明大致相同地处理角度θ2。

以上的说明中，键255形成为大致长方体状，但能够采用键255与键槽261能够可靠地卡合的任意形状例如倒梯形等。在该情况下，如果将角度θ1定义为键侧面257的向圆弧R1的连接点处的圆弧R1的切线257T与平面部400所成的角度，则能够与以上的说明大致相同地处理角度θ1。

此外，也能够以键255的中心线255C为基准定义角度θ1。换言之，也能够将角度θ1定义为键255的突出方向与平面部400的延伸方向所成的角度。这样定义的话，就能够不限于键255的形状地规定θ1。

[R2的效果]

虽然没有表示数据，但可知圆弧R2的半径不会对第一角部key1的应力集中造成影响。

如上所述，在连接侧面401与平面部400的连接部key2和连接侧面401与转子铁芯252的内周面252I的连接部key3，设置有用于缓和应力集中的圆弧R2、R3。通过使用上述的形状，在键255附近产生的应力能够在圆弧R1、R2、平面部400分散，因此能够减少应力集中。

另外，说明了拉伸应力σ1由离心力产生的情况，但是也可能由从转子250向轴218传递驱动转矩时的剪切力产生。

如上所述，第一实施方式的转子250包括：在外周面轴向上的一处以上设置有键槽261的旋转轴218；和具有向内周侧突出设置且与键槽261嵌合的键255的转子铁芯252。而且，在转子铁芯252的键附近，形成有向转子铁芯252的径向外侧扩展的凹部256，在凹部256至少形成有用于缓和键的周向两侧的应力的平面部400。

此外，第一实施方式的转子250中，平面部400是在与键255的突出方向正交的方向上延伸规定长度W的直线部，在直线部400的与键相反一侧的端部，连接设置有延伸至转子铁芯252的内周252I的连接侧面401。将连接键255的键侧面257和平面部400的键一侧的端部的第一角部key1做成圆弧面R1，将连接直线部400的与键相反一侧的端部和连接侧面401的第二角部key2做成圆弧面R2。

此外，在第一实施方式的转子250中，图12～图16的转子250的尺寸、形状的条件中，如下所述决定平面部400的长度W。以伴随转子250的旋转，离心力作用于转子铁芯252时，由该离心力在键255附近产生的应力为预先规定的阈值以下的方式，确定平面部400的长度。而且，在第一实施方式的旋转电机中，以使第一角部key1与第二角部key2的应力相等的方式确定转子250的尺寸、形状的各个条件。

另外，第一实施方式中，也在考虑第一角部key1的圆弧面的曲率半径R1和第二角部key2的圆弧面的曲率半径R2的基础上确定平面部400的长度。

根据第一实施方式的旋转电机能够实现以下的作用效果。

（1）通过在转子250的键255的附近设置包括平面部400的凹部256，能够以简单的结构降低键255附近的应力。结果，转子铁芯无需使用高价的高张力钢板，就能够实现电机的高速旋转化。

（2）在平面部的键端一侧和键相反端一侧设置有圆弧面R1、R2，因此能够分散在凹部产生的应力。

（3）以使第一角部key1与第二角部key2的应力大致相等的方式规定转子250的尺寸、形状，因此键整体的应力缓和最佳化。

例如，以使第一角部key1与第二角部key2的应力大致相等的方式，确定键侧面257与直线部400所成的角度θ1、直线部400与连接侧面401所成的角度θ2。

或者，以使第一角部key1和第二角部key2的应力大致相等的方式，确定平面部的延伸长度W、键的侧面与直线部所成的角度θ1、直线部与连接侧面所成的角度θ2、第一角部的曲率半径R1和第二角部的曲率半径R2。

（4）如果以使平面部的键端一侧和键相反端一侧的应力大致相同的方式设定平面部的长度，则能够使转子铁芯252在强度上最佳化。

（5）θ1小于90度时，切口凹部256较小，对磁场的影响较小，因此对转矩等性能造成的影响较小。

（6）θ1大于90度时，键的加工较为容易，脱模模具也不易磨耗。

键255需要与键槽261以充分的面积卡合，但由于凹部256的形成不会对键侧面257的长度造成影响，因此不需要变更键槽261的规格，轴218能够原样使用与比较例相同的规格。

凹部256的截面积大于比较例的转子（图5），向径向外侧的深度有一定程度的增加，但凹部256主要向转子铁芯252的周向扩展，因此凹部256不会对转子铁芯252的强度造成不良影响。

在角部key3设置有圆弧R3，因此也能够缓和角部key3的应力集中。

通过将凹部256配置在磁通易于变得稀疏的部位，例如磁极之间等，能够减小对于磁通的扩散造成的影响。从而，只要适当地设定配置，就不会由于凹部256导致旋转电机的性能降低。

[第二实施方式]

接着参照图22、图23说明本发明的转子和旋转电机的第二实施方式。第二实施方式使用向内周凹陷的圆弧面410代替第一实施方式中的平面部400。另外，图中对于与第一实施方式相同或者相当的部分标注相同的符号，并省略说明。

如图22所示，凹部256包括：键255的键侧面257；在凹部256的底部形成的较大半径R4的圆弧所形成的圆弧面410；从转子铁芯252的内周252I向圆弧面410延伸的连接侧面401；连结键侧面257和平面部400的圆弧状（设半径为R1）的第一角部key1；连结平面部400和连接侧面401的圆弧状（设半径为R2）的第二角部key2；连结连接侧面401和内周252I的圆弧状（设半径为R3）的角部key3。

像这样，使用大半径R4的圆弧面410代替平面部400时，能够将圆弧面410视为与张力F1平行，忽略圆弧面410的应力集中。

如果将第二实施方式中的角度θ1定义为键侧面257的向圆弧R1的连接点处的圆弧R1的切线257T与圆弧面410的向圆弧R1的连接点处的圆弧R1的切线300所成的角度，则能够与第一实施方式大致相同地处理角度θ1。

另一方面，代替角度θ2，定义连接侧面401的向圆弧R2的连接点处的圆弧R2的切线401T与键侧面257的向圆弧R1的连接点处的圆弧R1的切线257T所成的角度θ3。

如图23所示，外径OD=200mm、内径ID=128.1mm的转子250中，设WR=2mm、θ1=87.5度、θ3=60度，使半径R4逐渐增加时，第一角部key1的应力在R4为约20mm时逐渐减小。另一方面，第二角部key2的应力虽然急剧增加，但是很快增加并在大约30mm时稳定为大致一定值。

从图23能够理解，为了将圆弧面410的应力集中缓和至能够忽略的程度，应使半径R4为转子铁芯252的内周半径（ID/2）的1/10以上。

此外，圆弧面410的长度能够由圆弧面410和圆弧R2的连接点与键侧面257的距离WR代表。

另外，如果确定了角度θ1、距离WR和半径R4的曲率半径，则半径R4的中心能够自动定位。

此外，也能够与第一实施方式同样地，以键255的中心线255C为基准定义θ1、θ3。此外，键255和凹部256与现有形状相同地通过冲压脱模而形成，因此不存在成本提高等问题。

如上所述，第二实施方式的转子250包括：在外周面轴向上的一处以上设置有键槽261的旋转轴218；和具有向内周侧突出设置且与键槽261嵌合的键255的转子铁芯252。而且，在转子铁芯252的键附近，形成有向转子铁芯252的径向外侧扩展的凹部256，为了缓和键的周向两侧的应力，在凹部256至少形成较大半径的向轴侧凹陷的圆弧面410。

第二实施方式的转子250中，如下所述地确定底部的圆弧面410的曲率半径。以伴随转子250的旋转，离心力作用于转子铁芯252时，由该离心力在键255的附近产生的应力为预先规定的阈值以下的方式，确定曲率半径R4。圆弧面410的半径R4例如是转子铁芯252的内周半径ID的1/10以上的半径。另外，第二实施方式中，也在考虑第一角部key1的圆弧面的曲率半径R1和第二角部key2的圆弧面的曲率半径R2的基础上确定圆弧面410的半径R4的长度。

通过如上所述地构成，第二实施方式的转子也能够实现与第一实施方式同样的作用效果。此外，第一实施方式和第二实施方式与图5的形状相比，凹部的角度增加，因此在冲压成型时，能够使模具寿命变长。

以上，以用于车辆驱动的电机为例进行了说明，但本发明不限于用于车辆驱动的电机，还能够应用于各种电机。而且，不限于电机，能够用于发电机等各种旋转电机。此外，只要不影响本发明的特征，本发明不限于上述实施方式。

另外，本发明不排除转子铁芯使用现有例中使用的高价的高张力钢板的内容。即，如果使用这样的高张力钢则能够提供强度高的转子铁芯，能够提供转速更高的旋转电机。

以上说明了各种实施方式和变形例，但是本发明不限于这些内容。在本发明的技术思想的范围内考虑的其它方式也包括在本发明的范围内。

以下的优先权基础申请的公开内容作为引用文件组入本发明。

日本专利申请2010年第031182号（2010年2月16日申请）

Claims (2)

1.一种转子，其特征在于，包括：

在外周面轴向上的一处以上设置有键槽的旋转轴；和

具有向内周侧突出设置且与所述键槽嵌合的键的转子铁芯，

在所述转子铁芯，在所述键的周向两侧形成向径向外侧扩展的凹部，

在所述凹部的底部，形成用于缓和所述键的周向两侧的应力的平面部，

所述平面部是在与所述键的突出方向正交的方向上以规定长度延伸的直线部，在所述直线部的与键相反一侧的端部，连接设置延伸至所述转子铁芯的内周的连接侧面，

将连接所述键的侧面和所述直线部的键一侧的端部的第一角部做成圆弧面，

将连接所述直线部的与键相反一侧的端部和所述连接侧面的第二角部做成圆弧面，

确定所述平面部的延伸长度、所述键的侧面与所述直线部所成的角度、所述直线部与所述连接侧面所成的角度、所述第一角部的曲率半径和所述第二角部的曲率半径，使得作为应力集中部分的所述第一角部和作为应力集中部分的第二角部的应力大致相等，

使得所述第二角部与所述第一角部相比位于径向外侧。

2.一种旋转电机，其特征在于，包括：

权利要求1所述的转子；和

在所述转子的外周侧隔开空隙设置的定子。