JP2006238553A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】 形状が異なる複数種類の磁性鋼鈑が積層された異形コアの簡易な固定構造を備えた、回転電機の回転子を提供する。
【解決手段】 コア５０は、形状がそれぞれ異なる２種類の異形電磁鋼板５２，５３を積層して構成される。コア固定用部材であるボルト６０およびナット６２は、異形電磁鋼板５２，５３全体にわたって穿設された貫通穴５５に配設される。コア固定用部材によって固定されたコア５０は、加熱成形される樹脂により形成された樹脂成形部８０によってシャフト２０と一体的に固定される。この結果、シャフト２０の複雑な形状への加工・成形やプレート等の設置を要することなく異形コアの固定構造を実現できるので、回転子の製造コスト低減を図ることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は回転電機に関し、より特定的には、回転電機の回転子構造に関する。

モータ（回転電機）の効率向上および小型軽量化のために、形状の異なる複数種類の磁性鋼板を積層してロータ（回転子）を構成する技術が知られている。たとえば、特開２００１−６１２４５号公報（特許文献１）には、形状が異なる複数種類の層（磁性鋼板）をモータ軸方向に積層した、いわゆる「異形コア構造」の回転子において、永久磁石・モーク構造体とボスとを樹脂モールドにより固定した上で、ボスとシャフトを固定用治具により一体化する構造が開示されている。
特開２００１−６１２４５号公報

しかしながら、上記異形コア構造の回転子では、全種類の層（磁性鋼板）による発生トルクをシャフトへ伝達するためには、シャフトが全種類の層（磁性鋼板）と接合するように、シャフト形状の複雑化等の対応が必要となる。たとえば、上記特許文献１に開示された回転子では、樹脂による一体成形化のために、シャフトに代わって磁性鋼板と接合するボスを新たに設け、かつ、このボスとシャフトとを一体化するための固定構造を設ける必要がある。このような要因から、異形コアの固定構造のためにコストアップを招いてしまう。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、形状が異なる複数種類の磁性鋼鈑が積層された異形コアの簡易な固定構造を備えた、回転電機の回転子を提供することである。

この発明による回転電機の回転子は、シャフトと、コアと、コア固定部材と、樹脂成形部を備える。シャフトと、回転子の回転軸の回りを回転可能に構成される。コアは、シャフトの周りに積層された、形状が異なる複数種類の磁性鋼鈑を含み、複数種類の磁性鋼板の一部は、シャフトに対する固定構造を有する。コア固定部材は、コアを構成する磁性鋼鈑全体にわたって回転軸方向に穿設された貫通穴に挿入されて、磁性鋼鈑全体を固定するように構成される。樹脂成形部は、コアおよびシャフトを一体的に固定するように設けられる。

上記回転電機の回転子によれば、複数種類の磁性鋼板が積層されたコアをコア固定部材によって固定するとともに、樹脂によってシャフトと一体成形することにより、シャフトと直接接合されていない磁性鋼板による発生トルクについても、固定部材およびシャフトと直接接合された磁性鋼板を介して、シャフトへ伝達することができる。この結果、シャフトの複雑な形状への加工・成形やプレート等の設置を要することなく異形コアの固定構造が実現することにより、回転子の製造コスト低減を図ることができる。

好ましくは、本発明による回転電機の回転子は、固定部材をさらに備える。固定部材は、コアの上面および下面の一方に設けられ、対応面におけるコアの外形に沿った形状を有し、かつ、シャフトに嵌め込まれて磁性鋼鈑を固定する。なお、樹脂成形部は、固定用部材の外側に設けられる。

上記回転電機の回転子によれば、磁性鋼板の積層方向に沿ったコアの上面または下面に設けた固定部材を追加することにより、回転軸方向に沿ったコアの固定力を効果的に高めることができる。

さらに好ましくは、本発明による回転電機の回転子では、コア固定部材は管状部材で構成され、かつ、コアの上面および下面での管状部材の開口部に対応する部位において、樹脂成形部は非形成とされる。

上記回転電機の回転子によれば、コア固定部材として用いられた管状部材によって形成された中空部によって、コア内部の熱量を放出できる。この結果、コア内部に挿入された永久磁石等の発熱を外部に放出して、コアの温度上昇を抑制できる。

さらに好ましくは、本発明による回転電機の回転子では、コアには、コアを構成する磁性鋼鈑全体にわたって回転軸方向に穿設された永久磁石挿入用の磁石穴が設けられ、貫通穴は、永久磁石の断面積よりも広く設けられた磁石穴の一部を用いて形成される。

上記回転電機の回転子によれば、本来の磁石用穴の一部を用いてコア固定部材を配設するので、新たな貫通穴を設けることによりコアの磁気特性が悪化することがない。特に、管状部材によってコア固定部材を構成する場合には、発熱体となる永久磁石と上記管状部材とが密接して配置されるので、コアの温度上昇抑制効果が高められる。

特に、このような構成では、樹脂成形部は、磁石穴の空隙部ならびに、コアの上面および下面のうちの空隙部に対応する部位に少なくとも充填される第１の樹脂材料と、その他の部位に充填される第２の樹脂材料とを加熱成形することによって形成される。さらに、第１の樹脂材料の加熱成形後の強度は、第２の樹脂材料の加熱成形後の強度よりも高い。

上記回転電機の回転子によれば、磁石穴の空隙部ならびに、コア上面および下面のうちの空隙部に対応する部位に充填された樹脂による固定力を局部的に高めることができる。この結果、高強度の樹脂材料（熱可塑性または熱硬化性）を使用することによるコスト上昇を抑制した上で、コアに作用する磁力によって、積層された磁性鋼板が開く方向（磁性鋼板同士が分離する方向）に発生する変形力に対する固定力を高めることができる。

この発明による回転電機の回転子によれば、簡易な固定構造によって形状が異なる複数種類の磁性鋼鈑が積層された異形コアをシャフトに取り付けることができるので、製造コストの低減を図ることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１には、この発明の実施の形態１による回転子の構造を説明するための断面図が示される。

図１を参照して、本発明の実施の形態に係る回転子１００は、モータの回転軸１０の回りを回転可能なシャフト２０と、シャフト２０の周りに積層された異形電磁鋼板５２，５３を含むコア５０と、コア５０を構成する異形電磁鋼板５２，５３の全体を固定するための「コア固定部材」であるボルト６０およびナット６２と、コア５０およびシャフト２０を一体的に固定するための樹脂成形部８０とを備える。

コア５０には、回転軸１０の方向に沿った貫通穴５５および５８が設けられる。貫通穴５５は、異形電磁鋼板５２および５３の全体を貫通するように設けられる。一方、貫通穴５８は、コア５０の軽量化のために、異形電磁鋼板５２に設けられる。

異形電磁鋼板５２，５３は本発明における「複数種類の磁性鋼板」に対応する。各異形電磁鋼板５２および各異形電磁鋼板５３は、それぞれ同一形状を有し、かつ積層される。なお、以下では、積層前での単体の各電磁鋼板については、磁性鋼板５２，５３とも称することとする。

次に、図２および図３を用いて、磁性鋼板５２，５３の形状を説明する。図２および図３には、積層方向から見た各磁性鋼板の平面図が示される。

図２を参照して、各磁性鋼鈑５２は、シャフト２０と接する内周面と、外周面とを有する。内周面には、シャフト２０のキー溝と嵌合するキー１９０が設けられる。さらに、磁性鋼鈑５２には、打抜き穴１６０および１８０が設けられる。各電磁鋼鈑５２は、シートまたはコイル部材からの打抜き加工により、図２に示す形状に加工される。

図３を参照して、各磁性鋼鈑５３の内周面の内径は磁性鋼板５２よりも大きく、かつ、内周面には、シャフト２０と接合するためのキー溝が設けられていない。すなわち、各磁性鋼板５３は、積層時にはシャフト２０と直接接合しない構造となっている。一方、各磁性鋼鈑５３の外周面の外径は磁性鋼板５２と同一である。さらに、磁性鋼板５２と同様の位置に、永久磁石挿入用の打抜き穴１６０が設けられる。各電磁鋼鈑５３についても、シートまたはコイル部材からの打抜き加工によって、図３に示す形状に加工される。

図４には、磁性鋼板５２，５３が積層された状態のコア５０を回転軸１０の方向（図１におけるＩＶ方向）から見た平面図が示される。

図４を参照して、磁性鋼板５２のキー１９０は、シャフト２０の側面１９５に設けられたキー溝１９２と嵌合される。これにより、異形電磁鋼板５２は、シャフト２０と接合されて固定される。さらに、図２に示された打抜き穴１８０の集合体として、異形電磁鋼板５２全体を貫通する貫通穴５８が形成される。打抜き穴５８は、コア５０の軽量化のために設けられる。

さらに、各磁性鋼板５２，５３に設けられた永久磁石挿入用の打抜き穴１６０の集合体として、永久磁石挿入用の貫通穴５５が形成される。すなわち、貫通穴５５は、本発明における「磁石穴」にも対応する。

図５を参照して、永久磁石挿入用の貫通穴５５は、永久磁石７０が挿入される部分と、空隙部１６１および１６２とを有する。図５に斜線で示された部位は、永久磁石７０の断面に相当する。すなわち、貫通穴５５は、永久磁石７０の断面積よりも広く設けられる。

空隙部１６２には、図１に示したボルト６０（固定用部材）の配設スペースとして用いられる。このように、本来の磁石用穴の一部を用いてコア固定部材を配設することにより、新たな貫通穴を設けることによるコア５０の磁気特性悪化を防止できる。

再び図１を参照して、コア固定部材として用いられるボルト６０およびナット６２は、貫通穴５５の一部（図５の空隙部１６２に相当）を用いて配設されて、異形電磁鋼板５２，５３の全体を固定する。なお、コア固定部材としては、ボルトおよびナットの組の他、固定用のピン材やパイプ材等についても用いることができる。

本発明の実施の形態に係る回転子１００は、図６に示したフローチャートに従って、以下の工程を経て製造される。まず、シャフト２０周囲に各磁性鋼板５２，５３が積層されてコア５０が形成され、図４に示した状態で仮固定される（工程Ｐ１００）。

次に、仮固定されたコア５０を構成する異形電磁鋼板５２，５３は、コア固定部材（図１でのボルト６０およびナット６２）によって固定される（工程Ｐ１１０）。また、貫通穴５５には、永久磁石７０が挿入される。

シャフト２０および固定された状態のコア５０を一体成形金型に格納して、樹脂材料の注入および加熱成形による一体成形化が行なわれる。これにより、図１に示した樹脂成形部８０が形成される（工程Ｐ１２０）。なお、樹脂材料としては、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれをも使用可能である。

再び図１を参照して、樹脂成形部８０は、磁性鋼鈑５２，５３の積層方向（すなわち、回転軸１０の方向）に沿った、コア５０の上面および下面とシャフト２０の側面（外周部分）とを覆うように形成される。また、貫通穴５５の隙間および貫通穴５８にも樹脂が侵入する。特に、シャフト２０の側面のコア上面側および下面側にそれぞれ設けられた溝部分３０および３５に樹脂が浸入するように樹脂成形部８０を設けることにより、コア５０およびシャフト２０の固定力（回転軸１０方向）が高められる。

回転子１００では、コア固定部材（ボルト６０およびナット６２）によって、シャフト２０と直接接合されていない異形電磁鋼板５３による発生トルクについても、異形電磁鋼板５２を介してシャフト２０へ伝達することができる。

また、コア固定部材（ボルト６０およびナット６２）と貫通穴５５との空隙部には樹脂が介在するので、コア５０の熱歪やコア５０とコア固定部材との間のすべりによる固定力低下を防止することも可能である。

以上のように、本発明の実施の形態に従う回転子１００では、コア固定部材によって固定されたコア５０（異形電磁鋼板５２，５３）を、樹脂によってシャフト２０と一体成形することにより、異形コアの固定構造を実現する。この結果、シャフト２０の複雑な形状への加工・成形やプレート等の設置が不要であるので、回転子の製造コスト低減を図ることができる。

なお、コア５０に作用する磁力によって、積層された磁性鋼板５２，５３が開く方向（積層された磁性鋼板同士が分離する方向）に発生する変形力に対しては、コア固定部材（ボルト６０およびナット６２）、貫通穴５８およびその上面および下面の樹脂、ならびに、貫通穴（磁石穴）５５の空隙部１６２およびその上面および下面の樹脂により、変形を抑制する固定力を得ることができる。なお、この固定力を増加させるためには、上記貫通穴５５および５８ならびにその上面側および下面側に注入される樹脂材料を、他の部位に用いる樹脂材料と比較して加熱成形時の強度（引張り強度、曲げ強度等）が高いものとすることが好ましい。たとえば、このような高強度の樹脂材料としては、炭素繊維を混入したタイプのものを適用することができる。

あるいは、シャフト２０に対するコア５０の固定力を高める必要がある場合には、図７に示される回転子１１０のように、コア５０の上面および下面の一方に対して固定部材９０をさらに設ける構造としてもよい。

固定部材９０は、シャフト２０に嵌め込まれるフランジ状のプレートとして設けられ、当接するコア面の外形に沿った形状を有する。固定部材９０については、シャフト２０に対する圧入嵌め込むにより固定する構造としてもよいし、固定部材９０の周端をシャフト２０およびコア５０と一体化するように塑性変形（かしめ加工）することによって固定する構造としてもよい。

図７に示した回転子構造では、図１に示した回転子構造に対して製造コスト低減効果は劣るものの、最小限の固定部材の追加により、効果的に固定力を高めることが可能となる。

あるいは、図１および図７に示した回転子構造において、コア固定部材を中空の管材（パイプ材）とすることによって、コア５０の冷却効果を高めることも可能である。

図８を参照して、図１に示したボルト６０およびナット６２に代えて、管状部材６５が
コア固定部材として貫通穴５５の一部（図５の空隙部１６２に相当）に配設される。

さらに、管状部材６５によってコア５０を貫通する中空部６６が確保されるように、すなわち、コア５０の上面および下面における管状部材６５の開口部に樹脂成形部８０が非形成とされるように、樹脂による一体成形工程（図６における工程Ｐ１２０）を行なう。

これにより、コア固定部材によってコア５０内部の発熱を放熱することが可能となる。特に、図５に示したように、コア固定部材である管状部材６５を永久磁石７０と接するように配設することにより、回転子動作時に発熱量の大きい永久磁石７０の発熱を効果的に放熱することが可能となる。

なお、本実施の形態で説明したように、永久磁石挿入用の磁石穴の一部を用いてコア固定部材を配設する構造が好ましい。しかしながら、異形コアの簡易な固定構造を実現する点に焦点を当てると、コア固定部材の配設位置は、異形コアを構成する異形電磁鋼板全体を貫通する貫通穴に配設される限り、特に限定されるものではない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えら
れるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態による回転子の断面図である。 異形電磁鋼板の形状を説明する第１の図（平面図）である。 異形電磁鋼板の形状を説明する第２の図（平面図）である。 異形電磁鋼板が積層された状態のコアを回転軸方向から見た平面図である。 永久磁石挿入用の貫通穴の形状を説明する図である。 この発明の実施の形態による回転子の製造工程を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態の変形例による回転子の断面図である。 コア固定用部材の他の例を説明する図である。

符号の説明

１０ 回転軸、２０ シャフト、３０，３５ 溝部分（シャフト側面）、５０ コア、５５ 貫通穴（磁石穴）、５８ 貫通穴（肉抜き）、６０ ボルト（コア固定部材）、６２ ナット（コア固定部材）、６５ 管状部材（コア固定部材）、６６ 中空部、７０ 永久磁石、８０ 樹脂成形部、９０ 固定部材、１００，１００♯ 回転子、１６０，１８０ 打抜き穴（各磁性鋼板）、１６１ 空隙部、１６２ 空隙部、１９０ キー（磁性鋼板）、１９５ シャフト側面、１９２ キー溝（シャフト）、Ｐ１１０〜Ｐ１２０ 工程。

Claims (5)

1. 回転電機の回転子であって、
   前記回転子の回転軸の回りを回転可能なシャフトと、
   前記シャフトの周りに積層された、形状が異なる複数種類の磁性鋼鈑を含むコアと、
   前記コアを構成する前記磁性鋼鈑全体にわたって前記回転軸方向に穿設された貫通穴に挿入された、前記磁性鋼鈑全体を固定するためのコア固定部材とを備え、
   前記複数種類の磁性鋼板の一部は、前記シャフトに対する固定構造を有し、
   前記回転子は、前記コアおよび前記シャフトを一体的に固定するように設けられる樹脂成形部をさらに備える、回転電機の回転子。
2. 前記磁性鋼板の積層方向に沿った前記コアの上面および下面の一方に設けられ、対応面における前記コアの外形に沿った形状を有し、かつ、前記シャフトに嵌め込まれて前記磁性鋼鈑を前記シャフトに固定する固定部材をさらに備え、
   前記樹脂成形部は、前記対応面において前記固定用部材よりも外側に設けられる、請求項１記載の回転電機の回転子。
3. 前記コア固定部材は管状部材で構成され、
   前記コアの上面および下面での前記管状部材の開口部に対応する部位において、前記樹脂成形部は非形成とされる、請求項１または２記載の回転電機の回転子。
4. 前記コアには、前記コアを構成する前記磁性鋼鈑全体にわたって前記回転軸方向に穿設された永久磁石挿入用の磁石穴が設けられ、
   前記貫通穴は、前記永久磁石の断面積よりも広く設けられた前記磁石穴の一部を用いて形成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
5. 前記樹脂成形部は、前記磁石穴の空隙部ならびに、前記前記コアの上面および下面のうちの前記空隙部に対応する部位に少なくとも充填される第１の樹脂材料と、その他の部位に充填される第２の樹脂材料とを加熱成形することによって形成され、
   前記第１の樹脂材料の加熱成形後の強度は、前記第２の樹脂材料の加熱成形後の強度よりも高い、請求項４記載の回転電機の回転子。

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