JP2014017955A

JP2014017955A - 回転電機

Info

Publication number: JP2014017955A
Application number: JP2012153156A
Authority: JP
Inventors: Shozo Kawasaki; 省三川崎; Junnosuke Nakatsugawa; 潤之介中津川; Kenji Nakayama; 賢治中山; Hiroyuki Kanazawa; 宏至金澤; Yasuhisa Hamada; 泰久濱田
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2014-01-30
Anticipated expiration: 2032-07-09
Also published as: CN103545973B; DE102013210454A1; CN103545973A; JP5727973B2; US20140009041A1

Abstract

【課題】回転子軸のがたつきによる異音を抑制して静粛性を高め、固定ねじを省略、或いは固定ねじを小さくして外形形状を小型化した回転電機を提供する。
【解決手段】回転子軸２２の両端に位置する両ベアリング２９，３２の内輪２９Ａ，３２Ａを回転子軸２２に固定すると共に、両ベアリング２９，３２の外輪２９Ｂ，３２Ｂを回転子１５の軸方向に移動可能にベアリング保持部２８，３１に配置し、回転子軸２２を一方向に付勢すると共に、筺体を構成するハウジング１３とフランジ１４を相互に近づける付勢力を与える予圧付与部材３４をベアリング２９，３２の一方に取り付けた。
【選択図】図２

Description

本発明は回転電機に係り、特に回転子軸の両端をベアリングで支持した回転電機に関するものである。

電動機や発電機等の回転電機は多くの産業分野で使用されているが、社会的な傾向として省エネルギー、省資源の要請に応えた回転電機を提供することが求められている。このために、省エネルギー、省資源の要請に応えるための多くの改良技術が提案されているが、省エネルギー、省資源技術の一つとして回転電機の小型化、或いは軽量化に関する技術も大きな技術的な主題である。

例えば、自動車等の車載用の回転電機は、出力性能は勿論のこと、静粛性、及び搭載性に優れた小型の回転電機が求められている。

具体的には、自動車の操舵を行なう電動パワーステアリング装置用の回転電機は一般的には車室内、或いはエンジンルームの車室内近傍配置されるラック軸に配置されている。

このため、搭載箇所は自ずと限定されるようになり、回転電機が動作する時に騒音が発生すると、車室内にいる乗員に不快感を与える恐れがある。

近年では自動車の部品が発生する作動音が自動車の評価基準の一つとして注目されている。したがって、自動車の快適性の追求や環境規制の面から使用される部品の作動音についても対策することが要請されている。

このため、電動パワーステアリング装置の電動機の騒音を抑制することを目的とした種々の技術が提案されている。

例えば、特開２００９−２０１２５５号公報（特許文献１）に記載の技術では、回転子軸の軸方向の“がたつき”による異音の発生を抑制するために次のような対策を行なっている。

すなわち、回転子軸の両端をベアリングで回転可能に支持した回転電機において、一端側のベアリングの内輪に回転子軸を圧入固定し、他端側のベアリングに対しては外輪をハウジングに圧入固定し、一端側のベアリングの外輪を予圧ばねによって弾発的に付勢することで、一端側のべリングと共に回転子軸を移動させ、これに合わせて他端側のベアリングの内輪内で回転子軸を移動させて一方向に押し付けることで、回転子軸の軸方向における動きを規制して“がたつき”による異音の発生を抑制するものである。

特開２００９−２０１２５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機においては以下に述べる理由によって小型の要求に対して満足できる構成ではなかった。

特許文献１に記載の回転電機は、ケースに支持された内輪及び外輪を有するケース側ベアリングと、フランジに支持された内輪及び外輪を有するフランジ側ベアリングによって回転子軸を支持すると共に、ケース側ベアリングの内輪に回転子軸が圧入固定されると共に、外輪がケースに軸方向に変位可能に保持されている。

一方、フランジ側ベアリングの内輪に回転子軸が軸方向に変位可能に挿入されると共に、外輪がフランジに圧入固定されている。

そして、予圧付与部材としてのウエーブワッシャがフランジ側のベアリングの外側（回転子軸のベアリング配置位置を基準にして回転子とは反対側）に配置され、このウエーブワッシャがフランジ側ベアリングの内輪を回転子側に押している。このため、ウエーブワッシャの弾発力は回転子軸を介してケース側ベアリングの内輪に伝えられ、更に外輪が移動するものである。

これによって、回転子軸はケース側ベアリングの方に押しつけられて異音が発生するのを抑制できるものである。

しかしながら、予圧付与部材としてのウエーブワッシャがフランジ側のベアリングの外側（回転子軸のベアリング配置位置を基準にして回転子とは反対側）に配置されるため、回転子軸をケース側に押し付けた状態においてウエーブワッシャの弾発力は反力としてケースとフランジを離反させる方向に力が加わるようになる。

このため、ケースとフランジを強固に固定しておくことが必要となって、ケースとフランジは固定ねじを使用して固定する必要があった。そして、ケースとフランジを固定ねじで固定していたため、この固定部の分だけ回転電機の外形形状が大きくなって小型化が図れないという課題があった。

一方、限られた搭載範囲内に収まるように回転電機の外形形状を決めると、固定ねじによる固定部を確保しなければならないので、実質的な回転力を決定する固定子と回転子の寸法を大きくできなくなって高出力化を阻害する課題があった。

本発明の目的は、静粛性に優れ、且つ小型の回転電機を提供することにある。

本発明の特徴は、回転子軸を一方向に付勢すると共に、筺体を構成するハウジングとフランジを相互に近づける付勢力を与える予圧付与部材をベアリングの一方に取り付けた、ところにある。

本発明によれば、予圧付与部材によって回転子軸を一方に押し付けることによって、回転子軸の軸方向の“がたつき”による異音の発生を抑制することができるようになる。

また、ハウジングとフランジを相互に近づける保持力が得られることで、ハウジングとフランジを一体に保持する作用を強めることができる。このため、ハウジングとフランジを固定していた固定ねじを省略、或いは小型化できるので、この固定部の分だけ回転電機の外形形状を小さくできて小型化が図れるようになる。

本発明が適用される回転電機の外観図である。本発明の一実施例になる回転電機の軸方向の縦断面図である。図２に示す回転子の外観斜視図である。図２に示すベアリングの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

図１は一例としての電動パワーステアリング装置に用いられる回転電機組立体１０を示しており、この回転電機組立体１０は回転電機１１とこの回転電機を駆動制御するインバータ制御部１２とより構成されている。

インバータ制御部１２は筺体内部にインバータ回路を構成する電力用半導体素子、この電力用半導体素子を駆動する駆動回路、この駆動回路を制御する制御回路等が内蔵されている。

回転電機１１とインバータ制御部１２とは専用の固定ボルトで強固に固定され、両者が固定された回転電機組立体１０はパワーステアリング装置（図示せず）に通しボルト等で一体化されるものである。

次に、回転電機組立体１０からインバータ制御部１２を取り外した状態の回転電機１１の詳細な構成を図２に基づき説明する。

図２は回転電機１１の軸方向の縦断面を示した断面図である。回転電機１１は大きく分けて、筺体部を構成するハウジング１３とフランジ１４、電動機部を構成する回転子１５と固定子１６とから構成されている。

ハウジング１３は一端に開口部１７を有した有底円筒状（いわゆるカップ状）に形成されており、この開口部１７を塞ぐようにフランジ１４がハウジング１３に固定されている。

ハウジング１３の内周側に固定子１６が固定されている。固定子１６を構成する分割された固定コア１８が円形形状を保持した状態で、圧入或いは焼嵌めによって固定されている。この分割された固定コア１８は分割面を溶接、或いは溶接しないで円形に形成されている。

固定コア１８にはボビン１９が取り付けられ、その外周部にコイル２０が巻回されている。コイル２０の口出し線はバスバー２１に接続されている。尚、コイル２０は２連続巻き、或いは４連続巻きした後に口出し線を出すようにするか、または、各固定コア１８に巻かれた状態でバスバー２１に接続されている。ハウジング１３とボビン１９の間は隙間を設けても良いし、嵌合するようにしても良い。

バスバー２１はハウジング１３の内周壁面に接近した位置に配置されており、後述するベアリング保持部３１が内周に位置できるようになっている。もちろん、バスバー２１とハウジング１３とは空気による絶縁がとれるように接触しない配置位置とされている。

固定コア１８の内周側には回転子１５が回転可能に配置されている。回転子１５は、回転子軸２２、回転基体２３、磁石２４、磁石カバー２５から構成されている。

図３に示すように、磁石２４は磁石カバー２５により覆われており、これによって磁石２４の飛散の防止がなされている。磁石カバー２５の端面は図３に示すように折り曲げ部２５Ａが形成されており、磁石２４が径方向、及び軸方向に向けて飛散しないようにしている。

尚、バスバー２１の端部はフランジ１４を貫通するバスバー２６によって入力端子２７に接続されている。バスバー２１は各相のコイルと接続されるように配線され、出力端子２７により入力されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電力が入力されている。

以上は回転電機１１の基本的な構成であるのでこれ以上の説明は省略する。次に、本発明の技術的な特徴について説明する。

ハウジング１３の底部１３Ａの中央部にはハウジング側ベアリング保持部２８が形成されており、このハウジング側ベアリング保持部２８は底部１３Ａより内側（軸方向で回転子側）に突出している。

この突出している構成とすることによって回転電機１１の軸方向長さを短くできるようになる。つまり、ハウジング側ベアリング保持部２８を回転子１５の端面側に近づけることによって、回転子１５の端面に存在する空間を、ハウジング側ベアリング保持部２８を位置させる空間として利用するものである。

ハウジング側ベアリング保持部２８の内部にはハウジング側ベアリングベアリング２９が収納され、このハウジング側ベアリング２９は内輪２９Ａと外輪２９Ｂを備えている。
図４にあるように、ハウジング側ベアリング２９は内輪２９Ａと外輪２９Ｂを備え、内輪２９Ａと外輪２９Ｂの間にボールよりなる転動体２９Ｃより構成されている。したがって、内輪２９Ａと外輪２９Ｂは転動体２９Ｃを介して相対的に円滑に回転することができる。尚、このハウジング側ベアリング２９と後述するフランジ１４側に配置されるフランジ側ベアリングとは同様の構成となっている。

ハウジング側ベアリング２９はハウジング側ベアリング保持部２８に収納されるが、ハウジング側ベアリング保持部２８には小径部２８Ａと大径部２８Ｂが形成されており、小径部２８Ａによってハウジング側ベアリング２９の外輪２９Ａの回転子１５側への移動を規制している。また大径部２８Ｂによって外輪２９Ａの径方向の移動を規制している。

ハウジング側ベアリング２９を基準にして、ハウジング側ベアリング保持部２８の小径部２８Ａの反対側の大径部２８Ｂには止め輪３０が係合され、この止め輪３０と小径部２８Ａとの間にハウジング側ベアリング２９が配置される。この止め輪３０と小径部２８Ａとの間の長さは図４に示すハウジング側ベアリング２９の幅ＢＬより若干大きく設定されており、ハウジング側ベアリング２９が移動できるようになっている。

そして、回転子軸２２のハウジング側軸２２Ａはハウジング側ベアリング２９の内輪２９Ａに圧入固定されており、ハウジング側軸２２Ａとハウジング側ベアリング２９の内輪２９Ａは強固に連結されている。

一方、ハウジング側ベアリング２９の外輪２９Ｂはハウジング側ベアリング保持部２８の大径部２８Ｂに対して隙間を有して対向配置されおり、結果的にハウジング側ベアリング２９は回転子軸２２の軸方向の動きに追従してハウジング側ベアリング保持部２８を軸方向に移動できるようになる。ただし、この動きは小径部２８Ａによって規制されているので、この小径部２８Ａが回転軸２２の軸方向の“がたつき”を抑え、回転電動機１１が回転している状態で取り得る位置となる。この理由については後述する。

次に、フランジ側の軸受構成について説明する。フランジ１４の中央部にはフランジ側ベアリング保持部３１が形成されており、このフランジ側ベアリング保持部３１はフランジ面部１４Ａより内側（軸方向で回転子側）に突出している。

この突出している構成とすることによって回転電機１１の軸方向長さを短くできるようになる。つまり、フランジ側ベアリング保持部３１を回転子１５の端面側に近づけることによって、回転子１５の端面に存在する空間を、フランジ側ベアリング保持部３１を位置させる空間として利用するものである。この構成はハウジング側ベアリング保持部２８と同様であり、これと相俟って回転電機１１の軸方向長さをより短くできる効果が期待できる。

また、このフランジ側ベアリング保持部３１が予圧付部材を収納する予圧付与部としての機能を有している。これについては後述する。

フランジ側ベアリング保持部３１の内部にはフランジ側ベアリング３２が収納され、このフランジ側ベアリング３２は内輪３２Ａと外輪３２Ｂを備えている。

また、フランジ側ベアリング３２は内輪３２Ａと外輪３２Ｂを備え、内輪３２Ａと外輪３２Ｂの間にボールよりなる転動体３２Ｃより構成されている。したがって、内輪３２Ａと外輪３２Ｂは転動体３１Ｃを介して相対的に円滑に回転することができる。

フランジ側ベアリング３２はフランジ側ベアリング保持部３１に収納されるが、フランジ側ベアリング保持部３１には小径部３１Ａと大径部３１Ｂが形成されており、小径部３１Ａによってフランジ側ベアリング３２の外輪３２Ａの回転子１５側への移動を規制している。尚この移動の規制は後述する予圧付与部材を介して規制されるものである。更に、大径部３１Ｂによって外輪３２Ａの径方向の移動を規制している。

フランジ側ベアリング３２を基準にして回転子１５側のフランジ側ベアリング保持部３１の小径部３１Ａ側には予圧付与部３３が形成されている。つまり、小径部３１Ａとフランジ側ベアリング３２の間には予圧付与部３３である収納空間が形成されている。

そして、予圧付与部３３を除いた大径部３１Ａの軸方向の長さはフランジ側ベアリング３２の幅より大きく設定されており、フランジ側ベアリング３２が移動できるようになっている。

回転子軸２２のフランジ側軸２２Ｂはフランジ側ベアリング３２の内輪３２Ａに圧入固定されており、フランジ側軸２２Ｂとフランジ側ベアリング３２の内輪３２Ａは強固に連結されている。

一方、フランジ側ベアリング３２の外輪３２Ｂはフランジ側ベアリング保持部３１の大径部３１Ｂに対して隙間を有して対向配置されおり、結果的にフランジ側ベアリング３２は回転子軸２２の軸方向の動きに追従してフランジ側ベアリング保持部３１を軸方向に移動できるようになる。

そして、上述した予圧付与部３３内には予圧付与部材であるウエーブワッシャ３４が配置されている。このウエーブワッシャ３４は小径部３１Ａを起点に回転子１５側とは反対側に弾発力を発生するようになっている。

これによって、フランジ側ベアリング３２は図中右側に押され、ハウジング側ベアリング２９の外輪２９Ｂがハウジング側ベアリング保持部２８の小径部２８Ａで規制される位置まで移動する。つまり、回転子軸２２はフランジ側ベアリング３２の内輪３２Ａ及びハウジング側ベアリング２９の内輪２９Ａと固定されているため、一体的に移動するようになるからである。

この時、ウエーブワッシャ３４は反力としてフランジ側ベアリング保持部３１の小径部３１Ａを回転子１５側（図中左側）に付勢し、結果としてフランジ１４全体をハウジング１３の底部１３Ａ側に向けて押し付ける作用を行なうようになる。

尚、予圧付勢部材としてウエーブワッシャ３４を使用すると弾発方向の厚さが薄いので回転電機１の軸方向長さを短くできる効果がある。この他にウエーブワッシャ３４の代わりにスプリングワッシャ等を用いても同様の効果が期待できる。

また、本実施例においてはフランジ１４側にウエーブワッシャ３４（予圧付与部材）を備えた軸受を形成しているので組立性が優れているものである。つまり、フランジ１４のフランジ側ベアリング保持部３１にウエーブワッシャ３４、フランジ側ベアリング３２を組み込んだ後に回転子軸２２に圧入すれば良いため組み立てが簡単となるものである。

ハウジング１３の開口部１７は回転子１５や固定子１６が存在する部分に近接して延びており、この部分でフランジ１４が固定されている。

そして、望ましくはフランジ１４とハウジング１３の固定方法は基本的には焼嵌め、圧入、接着剤等の固定用の部品を用いない方法によって固定されている。ただ、設計的に固定部品を必要とする場合であっても以下に述べるように、予圧付与部材３４によるフランジ１４の保持機能によって固定部品の大きさを低減できるので、結果的に回転電機の小型化に貢献できるものである。

次に、回転電機１１が組み上がった状態においての本実施例の作用、効果について説明する。

図２に示す状態において、ハウジング１３とフランジ１４が固定されているので、ウエーブワッシャ３４はフランジ側ベアリング保持部３１の小径部３１Ａを起点としてフランジ側ベアリング３２を回転子１５から遠ざかる方向（図中右側）に弾発力を与える。

フランジ側ベアリング３２の外輪３２Ｂがフランジ側ベアリング保持部３１の大径部３１Ｂに対して移動できるため、内輪３２Ａ及びこれに固定された回転子軸２２のフランジ側軸２２Ｂも追従して移動するようになる。

回転子軸２２が図中右側に移動すると、回転子軸２２のハウジング側軸２２Ａ及びこれに固定されたハウジング側ベアリング２９の内輪２９Ａが右側に移動する。また、ハウジング側ベアリング２９の外輪２９Ｂがハウジング側ベアリング保持部２８の大径部２８Ｂに対して移動できるため、ハウジング側ベアリング２９全体が右側に移動する。

ハウジング側ベアリング２９、回転子軸２２、フランジ側ベアリング３２が右側に移動し、ハウジング側ベアリング２９の外輪２９Ｂがハウジング側ベアリング保持部３８の小径部２８Ａに当接して移動位置が規制されると、その位置で回転子１５は回転を維持することになる。

これによって、回転子１５の回転子軸２２の軸方向の“がたつき”による異音の発生を抑制することができるようになる。

一方、ハウジング側ベアリング２９の外輪２９Ｂがハウジング側ベアリング保持部３８の小径部２８Ａに当接して移動位置が規制され状態において、ウエーブワッシャ３４はフランジ側ベアリング保持部３１の小径部３１Ａとフランジ軸２２Ｂに固定されたフランジ側ベアリング３２の内輪３２Ａの間に位置する。このため、ウエーブワッシャ３４はフランジ側ベアリング３２を起点とする反力をフランジ側ベアリング保持部３１の小径部３１Ａへ付勢する。

これによって、フランジ１４は図中左側への力を与えられることで、ハウジング１３とフランジ１４を一体に保持する作用を強めることができる。

このため、ハウジング１３とフランジ１４の間の固定を軽度な焼嵌めや圧入による比較的弱い固定力によって固定することができ、結果として固定部品を使用しない、或いは使用しても形状寸法が小さい固定用部品で足りるようになる。

したがって、ハウジングとフランジを固定していた固定ねじを省略、或いは小型化できるので、この固定部の分だけ回転電機の外形形状を小さくできて小型化が図れるようになる。また固定ねじの他にＣリング等の固定リングをハウジングとフランジの間に介装することで両者を固定することができる。この場合もＣリングの形状を小型化することができる。

また、外形形状を一定とすると、固定部品が省略、或いは小型化できるので、この分固定子の外径を大きくすることが可能となる。固定子の外径を大きくすることで出力性能の向上が期待できる。

更に、固定子の外径を大きくすることで同じ出力性能を得る場合、磁気回路の軸方向長さを小さくすることができ、磁石等の重量を減らすことができるので、軽量化及び製造コストの面でも有利となる。

尚、上述した実施例においてはフランジ１４側に予圧付与部材３４を設けるようにしたが、フランジ１４側の軸受構造をハウジング１３側に設けるようにしても良い。

この場合は、図２にあるハウジング側ベアリング２９とハウジング側ベアリング保持部２８の小径部２８Ａの間に予圧付与部材であるウエーブワッシャ３４を介装し、止め輪３０をフランジ側ベアリング保持部３１の大径部３１Ｂに係合すれば良い。

１０…回転電機組立体、１１…回転電機、１２…インバータ制御装置、１３…ハウジング、１４…フランジ、１５…回転子、１６…固定子、１７…開口部、２２…回転子軸、２２Ａ…ハウジング側軸、２２Ｂ…フランジ側軸、２８…ハウジング側ベアリング保持部、２８Ａ…小径部、２８Ｂ…大径部、２９…ハウジング側ベアリング、２９Ａ…内輪、２９Ｂ…外輪、３０…止め輪、３１…ハウジング側ベアリング保持部、３１Ａ…小径部、３１Ｂ…大径部、３２…ハウジング側ベアリング、３２Ａ…内輪、３２Ｂ…外輪、３３…予圧付与部、３４…予圧付与部材としてのウエーブワッシャ。

Claims

ハウジングとフランジよりなる筺体に収納された固定子と回転子を備え、前記ハウジングに設けたハウジング側ベアリング保持部に収納されたハウジング側ベアリングと前記フランジ側ベアリング保持部に収納されたフランジ側ベアリングによって前記回転子の回転子軸の両端を回転可能に支持した回転電機において、
前記回転子軸を一方向に向けて付勢すると共に、前記ハウジングと前記フランジを相互に近づける付勢力を与える予圧付与部材を前記両ベアリングの一方に取り付けたことを特徴とする回転電機。
ハウジングとフランジよりなる筺体に収納された固定子と回転子を備え、前記ハウジングに設けたハウジング側ベアリング保持部に収納されたハウジング側ベアリングと前記フランジ側ベアリング保持部に収納されたフランジ側ベアリングによって前記回転子の回転子軸の両端を回転可能に支持した回転電機において、
前記回転子軸の両端に位置する前記両ベアリングの内輪を前記回転子軸に固定すると共に、前記両ベアリングの外輪を前記回転子の軸方向に移動可能に前記両ベアリング保持部に配置し、前記回転子軸を一方向に向けて付勢すると共に、前記ハウジングと前記フランジを相互に近づける付勢力を与える予圧付与部材を前記両ベアリングの一方に取り付けたことを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
前記ハウジングは一端に開口部を有した有底円筒状であり、前記ハウジングの底部中央付近に前記ハウジング側ベアリング保持部を形成し、前記フランジは前記開口部に固定されたフランジ面部を有すると共に、その中央付近に前記フランジ側ベアリング保持部を形成し、前記両ベアリング保持部の一方に前記予圧付与部材を配置したことを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
前記ハウジングは一端に開口部を有した有底円筒状であり、前記ハウジングの底部中央付近に前記ハウジング側ベアリング保持部を形成し、前記フランジは前記開口部に固定されたフランジ面部を有すると共に、その中央付近に前記フランジ側ベアリング保持部を形成し、前記両ベアリング保持部は前記回転子側に突出して形成されていると共に、前記両ベアリング保持部の一方の前記突出部に前記予圧付与部材を配置したことを特徴とする回転電機。
請求項３或いは請求項４に記載の回転電機において、
前記両ベアリング保持部は前記回転子側の外径を小さくした小径部とこの小径部より径が大きい大径部を備え、前記両ベアリング保持部の前記小径部と前記大径部の部分に前記両ベアリングが配置され、前記両ベアリング保持部の一方のベアリング保持部の小径部が前記一方のベアリング保持部に配置された一方のベアリングの移動規制位置となり、他方のベアリング保持部の小径部と前記他方のベアリング保持部に配置された他方のベアリングの間に前記一方のベアリングを前記一方のベアリング保持部の小径部に向けて付勢する前記予圧付勢部材を配置したことを特徴とする回転電機。
請求項３或いは請求項４に記載の回転電機において、
前記フランジは前記ハウジングの前記開口部に固定部品を用いない固定方法で固定されていることを特徴とする回転電機。
請求項６に記載の回転電機において、
前記フランジは前記ハウジングの前記開口部に焼嵌めによって固定されていることを特徴とする回転電機。