JP2010110100A - ロータシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】インナシャフトとアウタシャフトとの締結強度を効果的に向上させることができ、優れた耐回転トルク性を有するロータシャフトを提供すること。
【解決手段】回転電機のロータに用いるロータシャフト３は、筒形状を有するインナシャフト４と、インナシャフト４の外周に配設されるアウタシャフト５とに分割して構成されている。アウタシャフト５は、インナシャフト４を挿嵌固定させる挿嵌穴５０を有する内筒部５１と、内筒部５１の外周側に配設され、磁気回路を形成するための磁性体５４を取り付ける磁性体取付外筒部５３とを有する。アウタシャフト５の内筒部５１は、ロータシャフト３に回転荷重が入力される側の軸方向端部のみが、インナシャフト４に対してＴＩＧ溶接によって接合されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機のロータに用いるロータシャフトに関する。

例えば、ハイブリッド車、電気自動車等に搭載されるモータ、ジェネレータ、モータジェネレータ等の回転電機においては、界磁巻線を設けたステータの内周側に、磁性体を設けたロータを回転可能に配設している。そして、ロータは、ロータシャフトと、このロータシャフトに取り付ける磁性体とを用いて構成している。

また、図４に示すごとく、ロータシャフト９３の製造を容易にするために、ロータシャフト９３を、インナシャフト９４と、このインナシャフト９４の外周に配設するアウタシャフト９５とに分割して構成している。そして、インナシャフト９４の外周にアウタシャフト９５を締結するために、アウタシャフト９５の内筒部９５１にインナシャフト９４を焼き嵌めしている（特許文献１参照）。

この焼き嵌めを行うに際しては、アウタシャフト９５における内筒部９５１の内径を、インナシャフト９４の外径よりも小さくしておき、アウタシャフト９５を加熱して膨張させた後、アウタシャフト９５の内筒部９５１内にインナシャフト９４を挿入する。これにより、アウタシャフト９５が冷却されて収縮したときには、アウタシャフト９５における内筒部９５１の内径とインナシャフト９４の外径との寸法差が焼嵌代となって、これらが締結される。

特開２００７−１６６８６３号公報

しかしながら、上記のごとく、インナシャフト９４とアウタシャフト９５とを焼き嵌めによって締結させた場合には、ロータシャフト９３に対して回転方向に大きなトルクが掛かると、両者の間の締結が緩んでしまうことがあった。特に、ロータシャフト９３において回転荷重が入力される側（図４において、インナシャフト９４がアウタシャフト９５の内筒部９５１から飛び出している側）において、この問題が顕著に現れていた。
このように、インナシャフト９４とアウタシャフト９５とは、大きな回転トルクに耐え得るだけの締結強度を十分に有しているとは言えなかった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、インナシャフトとアウタシャフトとの締結強度を効果的に向上させることができ、優れた耐回転トルク性を有するロータシャフトを提供しようとするものである。

本発明は、回転電機のロータに用いるロータシャフトにおいて、
該ロータシャフトは、筒形状を有するインナシャフトと、該インナシャフトの外周に配設されるアウタシャフトとに分割して構成されており、
該アウタシャフトは、上記インナシャフトを挿嵌固定させる挿嵌穴を有する内筒部と、該内筒部の外周側に配設され、磁気回路を形成するための磁性体を取り付ける磁性体取付外筒部とを有し、
上記アウタシャフトの上記内筒部は、上記ロータシャフトに回転荷重が入力される側の軸方向端部のみが、上記インナシャフトに対してＴＩＧ溶接又はＥＢＷによって接合されていることを特徴とするロータシャフトにある（請求項１）。

本発明のロータシャフトにおいて、上記アウタシャフトの上記内筒部は、上記ロータシャフトに回転荷重が入力される側の軸方向端部のみが、上記インナシャフトに対してＴＩＧ溶接又はＥＢＷによって接合されている。これにより、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの締結強度を効果的に向上させることができ、優れた耐回転トルク性を得ることができる。

すなわち、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとは、例えば、上記インナシャフトの外周面と上記アウタシャフトにおける上記内筒部の上記挿嵌穴の内周面とを接触させて、互いの押圧力等によって締結固定されている。このような接触による固定だけでは、上記ロータシャフトに対して回転方向に大きなトルクが掛かると、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの間の締結に緩みが生じるおそれがある。特に、上記ロータシャフトに回転荷重が入力される側では、この問題が顕著に現れる。これは、回転によって生じるねじれやスラスト方向（軸方向）への荷重が、回転荷重が入力される側から伝達されるためである。

そこで、本発明では、上記アウタシャフトの上記内筒部において、回転トルクの影響を受け易い回転荷重の入力側にある軸方向端部についてのみ、ＴＩＧ溶接又はＥＢＷを行うことによって上記インナシャフトに接合してある。そのため、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの締結強度を向上させることができる。特に、回転荷重の入力側における締結強度を効果的に向上させることができるため、回転によって生じるねじれやスラスト方向（軸方向）への荷重に十分耐え得ることができる優れた耐回転トルク性を得ることができる。

また、このように、上記アウタシャフトの上記内筒部における回転荷重の入力側の軸方向端部のみを溶接することによって、上記のような優れた締結強度を得ることができるので、回転荷重の入力側とは反対側の軸方向端部は、上記インナシャフトに対して溶接する必要がない。これにより、製造上の不要な工数アップを抑制しつつ、上記の強度上のメリットを得ることができる。

以上のことから、本発明によれば、インナシャフトとアウタシャフトとの締結強度を効果的に向上させることができ、優れた耐回転トルク性を有するロータシャフトを提供することができる。

本発明において、上記ロータシャフトは、例えば、ハイブリッド車、電気自動車等に搭載されるモータ、ジェネレータ、モータジェネレータ等に採用することができる。
また、上記ロータシャフトには、例えば、加速の際に内燃機関（エンジン）からの入力が上記ロータシャフトを伝わり、該ロータシャフトを回転させようとして該ロータシャフトに接合されている電磁鋼板の慣性質量が働くことによって回転荷重が入力される。よって、上記ロータシャフトに回転荷重が入力される側とは、上述したような回転荷重が入力される側のことをいう。

また、本発明における溶接方法として、ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接を用いた場合には、スパッタの発生が少なく、他部位への異物付着がないことや安価であること等の利点がある。
また、ＥＢＷ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｗｅｌｄｉｎｇ：電子ビーム溶接）を用いた場合には、均一な処理を行うことができることや溶接時における他部位への熱の影響による歪みが少ないこと等の利点がある。

また、上記アウタシャフトの上記内筒部は、上記軸方向端部が上記インナシャフトの全周において又は周方向に等間隔で複数箇所において、ＴＩＧ溶接又はＥＢＷによって接合されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの締結強度を効果的に向上させるという効果を十分に得ることができる。

また、上記インナシャフトは、上記アウタシャフトにおける上記内筒部の上記挿嵌穴内に焼き嵌めされていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとを容易に締結することができる。そして、上述したＴＩＧ溶接又はＥＢＷによる接合効果と相俟って、両者の締結強度をより一層向上させることができる。

また、焼き嵌めは、例えば以下のようにして行うことができる。まず、上記アウタシャフトにおける上記内筒部の上記挿嵌穴の内径を上記インナシャフトの外径よりも小さく形成しておく。そして、上記内筒部を加熱して膨張させた後、該内筒部の上記挿嵌穴内に上記インナシャフトを挿入する。その後、上記内筒部を冷却して収縮させることにより、上記インナシャフトを上記アウタシャフトにおける上記内筒部の上記挿嵌穴において締結する。
なお、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとは、上述の焼き嵌め以外の手法を用いて締結することもできる。

本発明の実施例にかかるロータシャフトについて、図を用いて説明する。
本例のロータシャフト３は、図１〜図３に示すごとく、回転電機１のロータ２に用いるものであり、筒形状を有するインナシャフト４と、インナシャフト４の外周に配設されるアウタシャフト５とに分割して構成されている。アウタシャフト５は、インナシャフト４を挿嵌固定させる挿嵌穴５０を有する内筒部５１と、内筒部５１の外周側に配設され、磁気回路を形成するための磁性体５４を取り付ける磁性体取付外筒部５３とを有する。
そして、アウタシャフト５の内筒部５１は、ロータシャフト３に回転荷重が入力される側の軸方向端部のみが、インナシャフト４に対してＴＩＧ溶接によって接合されている。
以下、これを詳説する。

本例の回転電機１は、ハイブリッド車、電気自動車等に搭載されるものであり、主に発電用として作用するジェネレータである。なお、回転電機１は、主に駆動用として作用するモータであってもよいし、発電用及び駆動用の両方として作用するモータジェネレータであってもよい。

図１に示すごとく、インナシャフト４は、断面が円筒形状を呈しており、ロータ２及びステータ６を収容するハウジング１１に固定した主軸１２の外周に、インナシャフト４の軸方向両端部における内周面に設けたベアリング１３を介して回転可能に配設されている。また、インナシャフト４は、その軸方向両端部における外周面に設けたベアリング１４を介してハウジング１１に回転可能に配設されている。

同図に示すごとく、アウタシャフト５における磁性体取付外筒部５３は、断面が円筒形状を呈しており、内筒部５１の外周から径方向外方に向けて形成され、内筒部５１との間を連結するフランジ部５２の外周側に設けられている。また、磁性体取付外筒部５３の外周面には、回転電機１における磁気回路を形成するための磁性体５４が取り付けられている。

同図に示すごとく、インナシャフト４とアウタシャフト５とを締結してなると共に、磁性体５４を取り付けてなるロータ２は、ハウジング１１に固定したステータ６の内周側に配置される。
また、回転電機１においては、ステータ６に配設した界磁巻線６１と、ロータ２に配設した磁性体５４とによって、ロータ２を回転させる磁気回路又は発電を行う磁気回路が形成される。

本例では、インナシャフト４は、炭素量が０．０４〜２．１ｗｔ％である鋼としての機械構造用炭素鋼からなる。また、アウタシャフト５は、炭素量が２．１〜６．７ｗｔ％である鋳物（鋳鉄）からなる。そして、インナシャフト４は、筒状材料に切削加工等を行って形成されており、アウタシャフト５は、鋳物に切削加工等を行って形成されている。

また、図２に示すごとく、インナシャフト４とアウタシャフト５とは、互いに焼き嵌めされている。すなわち、インナシャフト４をアウタシャフト５における内筒部５１の挿嵌穴５０に挿嵌する前においては、内筒部５１の挿嵌穴５０の内径は、インナシャフト４の外径よりも小さくしてある。そして、内筒部５１を加熱して膨張させた後、この内筒部５１の挿嵌穴５０内にインナシャフト４を挿入する。その後、内筒部５１を冷却して収縮させることにより、インナシャフト４をアウタシャフト５における内筒部５１の挿嵌穴５０において締結する。

つまり、同図に示すごとく、加熱膨張させた内筒部５１を冷却することにより、内筒部５１は元の内径に戻ろうとする。ところが、内側にインナシャフト４を挿通してあるため、内筒部５１においてインナシャフト４を締め付ける力が作用する。一方、インナシャフト４においてそれに反発する力が作用する。この力は、内筒部５１の挿嵌穴５０の内径とインナシャフト４の外径との差である焼嵌代によるものである。これにより、インナシャフト４とアウタシャフト５とは、インナシャフト４の外周面４０２とアウタシャフト５における内筒部５１の挿嵌穴５０の内周面５０１とを接触させて、互いの押圧力により締結固定される。

そして、図２、図３に示すごとく、アウタシャフト５の内筒部５１において、ロータシャフト３に回転荷重が入力される側の軸方向端部である入力側端部５１１は、インナシャフト４の外周面４０２に対して、溶接部ｗにおいてＴＩＧ溶接によって接合されている。
本例では、図３に示すごとく、内筒部５１の入力側端部５１１の先端が、インナシャフト４の外周面４０２に対して、周方向に等間隔で複数箇所（３点）の溶接部ｗにおいて、ＴＩＧ溶接によって接合されている。
なお、内筒部５１の入力側端部５１１は、ＴＩＧ溶接に代えてＥＢＷによって接合することもできる。また、インナシャフト４の外周面４０２の全周において溶接してもよい。

次に、本例のロータシャフト３における作用効果について説明する。
本例のロータシャフト３において、アウタシャフト５の内筒部５１は、ロータシャフト３に回転荷重が入力される側の軸方向端部である入力側端部５１１のみが、インナシャフト４に対してＴＩＧ溶接によって接合されている。これにより、インナシャフト４とアウタシャフト５との締結強度を効果的に向上させることができ、優れた耐回転トルク性を得ることができる。

すなわち、本例では、アウタシャフト５の内筒部５１において、回転トルクの影響を受け易い回転荷重の入力側の軸方向端部である入力側端部５１１についてのみ、ＴＩＧ溶接を行うことによってインナシャフト４に接合してある。そのため、インナシャフト４とアウタシャフト５との締結強度を向上させることができる。特に、回転荷重の入力側における締結強度を効果的に向上させることができるため、回転によって生じるねじれやスラスト方向（軸方向）への荷重に十分耐え得ることができる優れた耐回転トルク性を得ることができる。

また、このように、アウタシャフト５の内筒部５１における回転荷重の入力側の軸方向端部である入力側端部５１１のみを溶接することによって、上記のような優れた締結強度を得ることができるので、回転荷重の入力側とは反対側の軸方向端部は、インナシャフト４に対して溶接する必要がない。これにより、製造上の不要な工数アップを抑制しつつ、上記の強度上のメリットを得ることができる。

また、本例では、インナシャフト４とアウタシャフト５の内筒部５１との溶接方法として、ＴＩＧ溶接を用いている。そのため、スパッタの発生が少なく、他部位への異物付着がないことや安価であること等の効果を得ることができる。
なお、ＴＩＧ溶接に代えて、ＥＢＷを用いた場合には、均一な処理を行うことができることや溶接時における他部位への熱の影響による歪みが少ないこと等の効果を得ることができる。

このように、本例のロータシャフト３は、インナシャフト４とアウタシャフト５との締結強度を効果的に向上させることができ、優れた耐回転トルク性を有するものとなる。

実施例における、ロータシャフトを用いたロータを回転電機に配設した状態を示す説明図。 実施例における、インナシャフトとアウタシャフトとを締結してなるロータシャフトを示す説明図。 図２のＡ−Ａ線矢視断面説明図。 従来例における、インナシャフトとアウタシャフトとを締結してなるロータシャフトを示す説明図。

符号の説明

３ ロータシャフト
４ インナシャフト
５ アウタシャフト
５０ 挿嵌穴
５１ 内筒部
５３ 磁性体取付外筒部
５４ 磁性体

Claims (3)

1. 回転電機のロータに用いるロータシャフトにおいて、
   該ロータシャフトは、筒形状を有するインナシャフトと、該インナシャフトの外周に配設されるアウタシャフトとに分割して構成されており、
   該アウタシャフトは、上記インナシャフトを挿嵌固定させる挿嵌穴を有する内筒部と、該内筒部の外周側に配設され、磁気回路を形成するための磁性体を取り付ける磁性体取付外筒部とを有し、
   上記アウタシャフトの上記内筒部は、上記ロータシャフトに回転荷重が入力される側の軸方向端部のみが、上記インナシャフトに対してＴＩＧ溶接又はＥＢＷによって接合されていることを特徴とするロータシャフト。
2. 請求項１において、上記アウタシャフトの上記内筒部は、上記軸方向端部が上記インナシャフトの全周において又は周方向に等間隔で複数箇所において、ＴＩＧ溶接又はＥＢＷによって接合されていることを特徴とするロータシャフト。
3. 請求項１又は２において、上記インナシャフトは、上記アウタシャフトにおける上記内筒部の上記挿嵌穴内に焼き嵌めされていることを特徴とするロータシャフト。

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