CN110875651B - 转子 - Google Patents

Abstract

转子的轴具备筒状的芯构件和树脂构件。在芯构件的外周面形成有由第一孔部构成的凹凸形状部。树脂构件与第一孔部紧贴地固定并覆盖芯构件的外周面。在树脂构件的周围安装有转子芯。

Description

转子

技术领域

本发明涉及在转子具有的轴的外周部利用树脂的转子。

背景技术

在电动机的转子(旋转件)中，通常由作为高强度构件的金属等形成轴，但是也已知有在轴与转子芯的连结中利用树脂的结构。

日本特开2000-125523存在将成为轴的芯部的棒状金属与转子芯一起设置于模具并通过注入树脂而形成转子的记载。在树脂的外周面带有凹凸，与转子芯的内周面的对应形状相互啮合而结合。

日本特开2000-166194记载有将轴向转子芯的轴孔插入，向两者的间隙注入树脂来制造转子的方法。

发明内容

在轴由金属形成的情况下，由于高重量化而转子的旋转效率下降。另一方面，在轴由树脂形成的情况下，虽然能够实现轻量化，但是强度不足。特别是在高输出的电动机中，对轴要求的强度也增大。

在上述日本特开2000-125523、日本特开2000-166194中，通过注入树脂来进行轴与转子芯的结合。然而，这些技术不是以轴的轻量化为目标，只不过是提高轴与转子芯的结合的精度或稳定性并实现转子的振动抑制等。另外，关于构成轴的金属与树脂的紧贴强度的确保，没有任何提及。

在通过树脂来形成轴的外周部的情况下，由于轴的轻量化而能够期待旋转特性的提高。然而，当传递的转矩增大时，树脂与轴内周部的界面处的紧贴强度不足，可能会招致转子的不良情况。

在本发明中，提供在轴的外周部利用树脂的情况下，提高树脂与轴内周部的紧贴强度的转子。

本发明的一形态是具备以下的结构的轴和转子芯的转子。所述轴具备芯构件和树脂构件。所述芯构件是形成为筒状的高强度的构件，在所述芯构件的外周面设有凹凸形状部。所述树脂构件紧贴地固定于所述凹凸形状部并覆盖所述外周面。所述转子芯安装在所述树脂构件的周围。

在本发明的一形态中，所述凹凸形状部可以通过塑性加工或化学处理来设置。所述塑性加工可以是(i)喷砂处理、(ii)半冲裁加工、(iii)压印(coining)中的一个处理。并且，所述化学处理可以是蚀刻处理。

在本发明的一形态中，所述凹凸形状部可以通过从所述外周面向中空内部贯通的第一孔部来设置。

在本发明的一形态中，可以在所述树脂构件设有与所述芯构件的所述第一孔部连通的第二孔部。通过第一孔部及第二孔部而形成有从所述芯构件的中空内部通到所述树脂构件的外周面的冷却油的流路。

在本发明的一形态中，所述凹凸形状部可以设置在所述外周面，并通过未向中空内部贯通的凹部来设置。

在本发明的一形态中，可以在所述树脂构件的内部添加多个玻璃纤维。另外，可以在所述树脂构件的内部添加多个金属。

在本发明的形态的转子中，能够同时实现转子中的轴的轻量化和高强度性，能够使使用了该转子的电动机高输出化及高转矩化。

附图说明

前述及后述的本发明的特征及优点通过下面的具体实施方式的说明并参照附图而明确，其中，相同的标号表示相同的部件。

图1是本发明的第一实施方式的转子具有的轴的芯构件的立体图。

图2是由树脂构件覆盖所述芯构件的轴的立体图。

图3是所述轴的包含中心轴的端面图。

图4是图3的IV-IV面处的所述轴的端面图。

图5是图3的V-V面处的所述轴的端面图。

图6是所述轴与所述转子具有的转子芯结合后的所述转子的包含中心轴的端面图。

图7是本发明的第二实施方式的转子具有的轴的包含中心轴的端面图。

图8是图7的VIII-VIII面处的所述轴的端面图。

图9是图7的IX-IX面处的所述轴的端面图。

图10是本发明的第三实施方式的转子包含的含有玻璃纤维的树脂构件的示意图。

图11是所述转子包含的含有金属填料(filler)的树脂构件的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施方式的转子。在说明中，为了便于理解而示出具体的形态，但是它们是例示实施方式的形态，除此之外也可以采用各种实施方式。

参照图1～图6，说明第一实施方式的转子。图1是第一实施方式的转子中的轴的芯构件10的立体图。芯构件10形成为圆筒形状，在轴向上的中央部附近设有在壁面上形成凹凸形状部的多个第一孔部12。其附近是如后述那样供转子芯嵌合的部位，需要芯构件10与在其周围设置的树脂构件的紧贴强度。第一孔部12是从芯构件10的外周面14向内周面16连续的贯通孔，由此，芯构件10的周围与芯构件10的中空内部18连通。各个第一孔部12在图示的例子中具有大致正方形形状的开口形状，其开口面积远小于芯构件10的外周面14的面积。第一孔部12在芯构件10的外周面14遍及整周而规则地设置。但是，在图1中，为了附图的简化，里侧的内周面16的第一孔部12省略图示。即，第一孔部12不是集中于特定部分而是在外周面14上以成为大致均等的面密度的方式设置。需要说明的是，在图1的例子中，在芯构件10的两端附近未设置第一孔部12，但是也可以在该附近设置第一孔部12而实现芯构件10的轻量化。

芯构件10是进行轴的强度确保的构件，由具有比树脂高的强度的强度构件形成。作为强度构件的例子，可以列举以高强度钢(HTSS：High Tensile Strength Steel)为首的钢铁、铝合金等各种金属。另外，作为芯构件10，也可以使用碳纤维强化塑料(CFRP：CarbonFiber Reinforced Plastic)等非金属制的强度构件。芯构件10可以通过各种制造方法进行制造。例如，在使用金属作为强度构件的情况下，可列举(i)对形成为圆筒形状的金属构件设置第一孔部12而制造芯构件10的形态、(ii)在对金属板进行冲裁而设置了第一孔部12之后通过修圆并进行焊接而形成芯构件10的形态、(iii)使熔融的金属向铸模流入而形成芯构件10的形态等。

图2是实施方式的轴20的概略性的立体图。轴20由芯构件10和将其周围覆盖的树脂构件22形成。轴20通过将芯构件10安设于模并注入树脂使其固化的模制成形而形成。

树脂构件22基本上形成为与芯构件10同心的圆筒形状，但是根据轴向而圆筒的半径不同。具体而言，从附图的上端侧朝向下端侧，形成有轴承滑动部24、转子芯嵌合部26、紧固部28、轴承滑动部30。两端的轴承滑动部24、30是用于通过轴承将轴20的两端支承为能够旋转的部位，与其他的部位相比直径短，即壁厚形成得薄。转子芯嵌合部26是设置由电磁钢板等形成的转子芯的部位，设定为比轴承滑动部24、30长的直径。紧固部28是用于防止转子芯向轴向下侧移动的成为限动件的部位，直径设定得最长。

作为构成树脂构件22的树脂，例如可使用热固化性树脂。转子由于旋转时的感应电流的流动而发热，因此通过使用耐热性高的热固化性树脂，能提高转子的耐热性。作为热固化性树脂，可以使用酚醛树脂、环氧树脂、密胺树脂等各种树脂。

需要说明的是，树脂构件22也可以设为图示以外的形状。例如可以在轴承滑动部24与转子芯嵌合部26的交界附近形成用于计测轴的旋转的旋转变压器转子的安装结构。在转子芯嵌合部26，为了防止与转子芯的周向上的滑动而可以设置键槽等。关于此，在后文参照图5进行说明。另外，在转子芯嵌合部26，如下文说明那样，也可以设置与芯构件10的第一孔部12连通的贯通孔。在树脂成形中，即使是复杂的形状或细微的形状也能够一次形成，能够抑制制造成本。

接下来，参照图3～图5，详细叙述轴20的结构。图3是将图2所示的轴20利用通过筒的轴中心的面剖切的端面图。图4和图5分别是图3的IV-IV面和V-V面处的轴20的端面图。

如图3所示，树脂构件22不仅覆盖芯构件10的外周面14，而且也覆盖芯构件10的轴向上的两端侧和芯构件10的内周面16。图3图示出芯构件10的多个第一孔部12中的代表性的八个(标注了符号12a～12h)。其中，对于与轴承滑动部24接近的第一孔部12a、12e和位于紧固部28的第一孔部12d、12h，在内部填充有树脂。并且，芯构件10的外周面14一侧与内周面16一侧连在一起(也参照图4)。由此，除了在第一孔部12中树脂构件22与芯构件10紧贴地固定之外，在第一孔部12以外的部分，树脂构件22与芯构件10的紧贴度也提高。在此，紧贴地固定是指树脂构件22中的至少一部分形成为与芯构件10的凹凸形状部对应的形状，并紧密地接触而粘结。粘结可以通过机械结合(基于锚定效果的结合)、基于物理的相互作用的结合(基于范德华(van der Waals)力的结合)、基于化学的相互作用的结合(化学的结合)等中的任一结合进行。此外，进入第一孔部12a、12e、12d、12h的树脂在物理上对树脂构件22与芯构件10在周向上的移动进行限制，因此在树脂构件22与芯构件10之间能够进行大的转矩传递。

另一方面，在转子芯嵌合部26中，在第一孔部12b、12c、12f、12g未填充树脂，且在其内侧及外侧，在树脂构件22设置与它们连通的第二孔部32a、32b、32c、32d(有时将其总称为第二孔部32)。即，在轴20中，通过上述的第二孔部，形成从中空内部18至树脂构件22的外周侧贯通的贯通孔。该贯通孔可以如后述那样作为冷却油的流路使用。

需要说明的是，在图3所示的例子中，将在转子芯嵌合部26附近设置的四个第一孔部12b、12c、12f、12g全部形成作为贯通孔，但是其一部分可以与第一孔部12a、12d、12e、12h同样地填充树脂。由此，能够提高转子芯嵌合部26附近的树脂构件22与芯构件10的紧贴度。特别是转子芯嵌合部26附近是从转子芯接受大的转矩的部分，要求能耐受转矩的紧贴强度。向多个第一孔部12中的何种程度的第一孔部填充树脂只要考虑冷却油的流路的必要性和树脂构件22与芯构件10的紧贴度来决定即可。

在图5的端面图中，在树脂构件22的外周面形成有键槽34a、34b。该键槽34a、34b在图2中省略图示，但是在转子芯嵌合部26附近，沿轴向延伸。键槽34a、34b是与在轴20的外周固定的转子芯的对应凸部分嵌合而限制绕周向的移动的结构。由此，在转子芯与树脂构件22之间能够传递大的转矩。需要说明的是，在图5的例子中，轴20和树脂构件22由键槽34a、34b限制周向上的移动，但也可以取代于此而采用其他的结构。作为一例，可列举如下的形态，即，将树脂构件22的外周面的截面形状形成为六边形、八边形等多边形，将转子芯的内周面的截面形状形成为与该多边形嵌合的形状，由此将周向上的移动在物理上进行限制。

图6示出在轴20嵌合有转子芯42的转子40。转子芯42是通过将冲裁为圆环状的电磁钢板重叠多片而形成的圆筒状的构件。转子芯42嵌合于轴20，其下表面42a紧贴于紧固部28的上表面。

转子芯42例如在通过加热而使轴孔扩大的状态下，与轴20嵌合。通过所谓“热压配合”或“温热配合”而嵌合。加热在树脂构件22的耐久温度的范围内进行。这种情况下，在转子芯42的低温化之后，将轴20与转子芯42牢固地固定。另外，通过将轴20向转子芯42压入来形成转子40。压入以轴20的树脂构件22不破损的程度的力进行。例如，在树脂构件22由热固化性树脂形成的情况下，可考虑至压入为止树脂构件22未完全固化，留有些许的变形的余地，在压入后通过加热而取得完全固化的形态。另外，可以在轴20与转子芯42之间预先设置些许的间隙而使嵌合容易。在这种情况下，例如，可考虑通过将转子芯42从上方强力地压缩而将两者固定的形态，或者向两者的间隙注入粘结剂而将两者固定的形态等。

在向转子芯42插入了轴20之后，根据需要，在转子芯42的上表面42b进行转子芯42的固定。该固定例如通过在转子芯42的上表面42b处向树脂构件22安装金属制或树脂制的固定用构件，并利用该固定用构件按压上表面42b来进行。为了进行该固定，可以在树脂构件22形成用于安装固定用构件的形状。例如，在使用作为固定用构件的端板的情况下，可列举在树脂构件22预先形成有用于将端板向树脂构件22嵌入的槽的形态。另外，也可考虑在树脂构件22形成用于安装在固定用构件的固定中使用的螺栓的结构的形态。在固定用构件的固定需要大的力的情况下，可以将固定用构件紧固于芯构件10。

然后，向转子芯42插入磁铁。并且，转子40设置在定子的内侧，由此形成电动机。

在此，关于电动机中的转子40的动作，简单地进行说明。在转子40中，转子芯42的磁极通过与定子的磁极相互作用磁力而以轴20的中心轴为旋转轴沿周向旋转。此时，从转子芯42向轴20的树脂构件22进行转矩传递。转子芯42与树脂构件22的键槽34a、34b嵌合，因此能够进行转矩传递。另外，从树脂构件22向芯构件10进行转矩传递。构成树脂构件22的树脂填充于芯构件10的第一孔部12，由此能够从树脂构件22向芯构件10进行转矩传递。需要说明的是，在再生的过程中，转矩传递路径与动力运转的过程相反，存在旋转方向成为相反方向的差异，但是转子40的动作基本上同样。

在轴20的前端侧，传递的转矩通过齿轮等向外部取出。用于此的齿轮可以安装于树脂构件22，也可以安装于芯构件10。在安装于芯构件10的情况下，轴向上的转矩传递大多数由作为强度构件的芯构件10负担，因此能够进行大的转矩传递。

在旋转的过程中，在转子芯42流动有涡电流而发热，温度上升。该冷却利用冷却油。冷却油从轴20的中空内部18流动并通过壁面的贯通孔而到达轴20的外周面。该贯通孔是芯构件10的第一孔部12与树脂构件22的第二孔部32连通而形成的孔。在转子芯42形成有将该冷却油向转子芯42的内部引导并从外周侧放出的冷却油的流路。冷却油通过作用于转子40的离心力而一边在上述的冷却油的流路中流动一边进行转子40的冷却。

在该转子40中，轴20利用树脂构件22而形成，因此与仅通过金属等的强化构件形成的情况相比，具有实现轻量化，滚动阻力减少，旋转效率提高的优点。轴20的轻量化的程度可以进行各种设定，例如，可以使重量减少三成、四成或五成左右。树脂构件22通常与金属等相比强度低，但是芯构件10弥补强度，由此轴20在整体上能够进行大的转矩传递。因此，也能够将转子40利用于例如电动车辆的驱动用电动机等。

另外，在轴20中，如图2所示，轴承滑动部24、30的表面由树脂形成。因此，能够期待与轴承之间进行顺畅的旋转，能够防止转矩的损失。另外，如果利用轴承滑动部24、30中的树脂的自润滑性，则不使用轴承也能够对轴20进行支承。在这种情况下，通过适当地有效利用润滑油，能够实现顺滑性的提高和加热的抑制。此外，在高速旋转等对于轴需要硬度的情况下，在轴承滑动部24、30可以使作为强度构件的芯构件10露出。

在转子40中，通过使用树脂构件22，也能够容易地进行转子芯42内的绝缘性确保。转子芯42如上所述以对电磁钢板进行冲裁的方式形成，因此在其端部有时会形成毛刺。然而，如图6所示，转子芯42的内周面42c与厚壁的树脂构件22接触，即使在由于毛刺而树脂构件22的表面损伤的情况下也不会与芯构件10接触。因此，在转子芯42的电磁钢板的层之间不会产生短路，能避免转子芯42的电磁特性因铁损等而下降。

在以上的说明中，芯构件10形成为圆筒形状。然而，也可以将芯构件10形成为圆筒形状以外的筒形状。例如，可列举截面形状为椭圆等的非圆的曲线的筒、截面形状由多边形形成的多边形筒等。另外，作为在芯构件10的外周面14设置的凹凸形状部的例子，示出了第一孔部12。该第一孔部12是外周面具有局部性地从圆脱离的凹凸的凹凸形状部。作为这样的凹凸形状部，除了第一孔部12之外，还可列举设有突起的形态、设有第二实施方式中说明的凹陷的形态。然而，凹凸形状部并不局限于这样的局部性的形状，只要是外周面的至少一部分的截面形状具有从平滑的圆脱离的形状即可。例如，椭圆筒、多边形筒的外周面具有在大范围上从圆脱离的凹凸，形成凹凸形状部。

另外，在以上的说明中，在轴20中，如图3～5所示，芯构件10的内周面16也由树脂构件22覆盖。然而，通常，树脂与金属等相比导热率低，因此在由树脂构件22覆盖的芯构件10中，冷却效率下降。因此，也可考虑芯构件10的内周面16的一部分或全部未由树脂构件22覆盖的形态。在这种情况下，芯构件10与树脂构件22的紧贴强度下降，因此在能够进行所需的转矩传递的范围内减少树脂构件22的包覆面积即可。同样，也可考虑芯构件10的轴向上的两端的一部分或全部未由树脂构件22覆盖的形态。

接下来，参照图7～图9，说明第二实施方式的转子。图7是与图3对应的端面图。另外，图8和图9分别是图7的VIII-VIII面和IX-IX面的端面图，对应于图4和图5。在以下的说明中，以与第一实施方式的差异点为中心进行说明。

图7～图9所示的第二实施方式的轴50由芯构件52和树脂构件62形成。芯构件52为圆筒形状的构件，在其外周面54形成有形成凹凸形状部的多个凹部60a～60h(有时将它们一并称为凹部60)。凹部60未贯通至内周面56，芯构件52的中空内部58处于仅轴向上的两端开口的状态。

芯构件52的外周面54进行基于喷丸(shot blast)的喷砂处理。即，对外周面54通过使小粒的金属颗粒群以高速碰撞而施加压缩应力，缓和外周面54的拉伸应力，减少残留应力，由此提高疲劳强度。由此，如图7示意性所示，在外周面54形成非常多的小的凹凸，成为表面粗糙的形状。该粗糙的形状是通过喷砂处理进行塑性加工而成的凹凸形状部的一个形态。

在芯构件52的周围一体成形有树脂构件62。树脂构件62除了覆盖芯构件52的外周面54之外，也覆盖芯构件52的两端和内周面56。树脂构件62在凹部60处形成为进入其内部的凸形状。另外，树脂构件62形成为也追随外周面54中的由喷砂处理产生的凹凸的形状，树脂构件62与外周面54紧贴。树脂构件62的外周形状与第一实施方式相同。如图9所示，在树脂构件62的外周面形成有与转子芯嵌合的键槽64a、64b。

在第二实施方式中，与第一实施方式不同，在芯构件52未形成孔部，在外周面54形成有凹部60。因此，树脂构件62与芯构件52的内周面56侧仅通过轴向上的端部进行连结。由于这一点，与芯构件52的紧贴度相对减小。然而，通过进入凹部60的树脂，芯构件52与树脂构件62的周向上的移动在物理上受到限制，能够进行大的转矩传递。

另外，树脂构件62在芯构件52的外周面54处与喷砂处理产生的凹凸紧贴。在该凹凸形状中，与平坦的形状相比，接触面积变宽，因此树脂构件62与芯构件52的紧贴度特别提高。另外，芯构件52与树脂构件62通过由该喷砂处理产生的凹凸而周向上的移动也被限制。因此，在第二实施方式中，也与第一实施方式同样，能够传递大的旋转转矩。

需要说明的是，在仅通过凹部60就能够确保所需的紧贴强度的情况下，可以不进行基于喷砂处理的凹凸的形成。另一方面，在仅通过喷砂处理产生的凹凸就能够确保所需的紧贴强度的情况下，可以不形成凹部60。基于喷砂处理的凹凸的形成也可以适用于第一实施方式。另外，可以使第一实施方式与第二实施方式融合而设置第一孔部12和凹部60这两方。

在以上的说明中，作为喷砂处理的例子，列举了喷丸。喷砂处理是使投射材料以高速与加工面碰撞而进行表面改质的处理，作为投射材料，通常使用固体金属、研磨材料等。也已知有通过喷砂器这样的作业箱进行的喷砂(sand blast)、使研磨剂混合于水的湿式喷砂。另外，可以通过利用高速的水流中的气泡作为投射材料的空化喷丸的方法，对表面进行改质。通过进行喷砂处理而产生外周面的疲劳强度的提高和基于粗面化的凹凸的形成及表面积的增大。

参照图10及图11，说明第三实施方式的转子。第三实施方式是能够向第一实施方式的树脂构件22及第二实施方式的树脂构件62追加性地导入的实施形态。

图10是示意性地表示树脂构件70的一部分的图。在树脂构件70的内部添加有多个玻璃纤维72作为填料。玻璃纤维通常与树脂相比强度高，特别是具备纤维方向上的高的抗拉强度。因此，在施加了附图的箭头74所示的方向上的载荷的情况下，能够抑制树脂构件70的变形及破坏。由此，与未添加玻璃纤维72的情况相比，能够进行高转矩的传递。

玻璃纤维72通常有沿着树脂的流动而使方向一致的倾向。因此，在形成树脂构件70时，只要沿着想要强化的方向、例如周向或轴向注入熔融的树脂即可。另外，在想要强化的方向存在多个的情况下，只要以玻璃纤维72朝向随机的方向的方式搅拌了熔融的树脂之后注入即可。玻璃纤维72是强化纤维的一例，可以取代玻璃纤维72或者与玻璃纤维72一起添加碳纤维等其他的强化纤维作为填料。含有量根据所需强度来决定即可。

图11是示意性地表示树脂构件80的一部分的图。在树脂构件80的内部添加有形成为长形状的金属82作为高散热性的填料。金属的导热性高，因此与仅为树脂的情况相比，树脂构件80的导热率升高。特别是通过将金属82设为长形状，与添加了相同体积或重量的金属块的情况相比，表面积变宽，热量的传导性升高。另外，在长度方向上的导热性特别提高。由此，抑制转子芯(磁铁)的高温化等，能够防止转子的性能下降。

与图10中说明的形态同样，长形状的金属82存在使方向与熔融的树脂的流动方向一致的倾向，优选使树脂沿着想要提高导热性的方向，例如与外周面垂直的方向流入。但是，在树脂的流入的控制困难的情况下，可以朝向随机的方向。另外，可以取代长形状的金属82而使用微小的金属块作为填料，由此具有等方向性。

需要说明的是，填料通常有不表露在混入的树脂的表面而留在内部的倾向。因此可知，无论在图10所示的树脂构件70中，还是在图11所示的树脂构件80中，对于轴承部分处的摩擦都几乎没有影响。另外，可知图11所示的树脂构件80使转子芯的电磁钢板间短路的可能性也小。

Claims (7)

1.一种转子，其特征在于，包括：

轴，具备芯构件和树脂构件，该芯构件是形成为具有中空内部的筒状的高强度的构件，在所述芯构件的外周面设有凹凸形状部，该树脂构件紧贴地固定于所述凹凸形状部并覆盖所述外周面；及

转子芯，安装在所述树脂构件的周围，

所述凹凸形状部通过从所述外周面向中空内部贯通的多个第一孔部来设置，

所述树脂构件还以保持所述中空内部的方式覆盖所述芯构件的内周面，

在所述树脂构件设有与所述芯构件的多个所述第一孔部中的一部分连通的第二孔部，

通过上述的第一孔部及第二孔部而设置有从所述芯构件的中空内部通到所述树脂构件的外周面的冷却油的流路。

2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，

所述凹凸形状部通过塑性加工或化学处理来设置。

3.根据权利要求2所述的转子，其特征在于，

所述塑性加工通过冲裁来实施。

4.根据权利要求2所述的转子，其特征在于，

所述化学处理是蚀刻处理。

5.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，

在所述外周面设有所述凹凸形状部，

所述凹凸形状部通过未向中空内部贯通的凹部来设置。

6.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，

在所述树脂构件中添加有多个玻璃纤维。

7.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，

在所述树脂构件中添加有多个金属。

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