JP2014045569A

JP2014045569A - 回転電機のロータシャフト

Info

Publication number: JP2014045569A
Application number: JP2012186352A
Authority: JP
Inventors: Shingo Yukibuki; 晋吾雪吹
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2014-03-13

Abstract

【課題】インナーシャフトとアウターシャフトとの締結力が回転軸線方向に不均一化するのを抑制してロータシャフトの耐トルク容量を向上させる。
【解決手段】薄肉部５２の外周面における連結部４６の内周側に位置する部分５２ａに、内筒部４２の内周面へ向けて径方向外側に盛り上がる肉盛り部５６が設けられている。この肉盛り部５６によって、焼き嵌めの締め代については、薄肉部５２における連結部４６の内周側に位置する部分５２ａでの締め代が、厚肉部５４における連結部４６の内周側に位置する部分５４ａでの締め代よりも大きくなり、この部分５２ａで部分的に大きくなる。これによって、焼き嵌め後に、薄肉部５２における連結部４６の内周側に位置する部分５２ａと内筒部４２との面圧を増加させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、インナーシャフトがアウターシャフトに形成された嵌合穴に締まり嵌めで嵌合する回転電機のロータシャフトに関する。

下記特許文献１〜３の回転電機のロータシャフトでは、インナーシャフトをアウターシャフトの嵌合穴に焼き嵌めで嵌め合わせて締結する分割構造とすることで、ロータシャフトの構造が大型化、複雑化しても製造を容易としている。

特開２０１０−１１０１００号公報特開２００７−１６６８６２号公報特開２０１１−５５６０１号公報

特許文献１〜３のように、焼き嵌め等の締まり嵌めによりインナーシャフトをアウターシャフトの嵌合穴に嵌め合わせて締結する場合は、アウターシャフトがインナーシャフトを径方向内側へ押圧する力が作用するとともに、その反力としてインナーシャフトがアウターシャフトを径方向外側へ押圧する力が作用する。その場合に、インナーシャフトに径方向の剛性の異なる部分が存在すると、インナーシャフトでは、径方向の剛性の低い部分でアウターシャフトからの押圧による径方向内側への変形量が大きくなりやすい。そのため、インナーシャフトとアウターシャフトとの面圧は、径方向内側への変形量が大きくなりやすい径方向の剛性の低い部分で部分的に低下しやすくなる。インナーシャフトとアウターシャフトとの面圧が部分的に低下すると、インナーシャフトとアウターシャフトとの締結力が回転軸線方向に不均一化し、その結果、ロータシャフトの耐トルク容量が低下する。

本発明に係る回転電機のロータシャフトは、インナーシャフトとアウターシャフトとの締結力が回転軸線方向に不均一化するのを抑制して耐トルク容量を向上させることを目的とする。

本発明に係る回転電機のロータシャフトは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る回転電機のロータシャフトは、インナーシャフトがアウターシャフトに形成された嵌合穴に締まり嵌めで嵌合する回転電機のロータシャフトであって、アウターシャフトは、嵌合穴が形成された内筒部と、内筒部の外周側に配設され、ロータが取り付けられるロータ取付部と、内筒部とロータ取付部を連結する連結部と、を含み、インナーシャフトは、薄肉部と、薄肉部よりも径方向の剛性が高い高剛性部と、を含み、薄肉部及び高剛性部がいずれも連結部の内周側に位置する部分を有し、薄肉部外周面における連結部の内周側に位置する部分、及び内筒部内周面における連結部の内周側で且つ薄肉部の外周側に位置する部分の少なくとも一方に、肉盛り部が設けられていることを要旨とする。

本発明によれば、薄肉部における連結部の内周側に位置する部分（径方向の剛性が低い部分）と内筒部との面圧を増加させることができ、インナーシャフトとアウターシャフトの内筒部との面圧が径方向の剛性が低い部分で部分的に低下するのを抑制することができる。その結果、インナーシャフトとアウターシャフトとの締結力が回転軸線方向に不均一化するのを抑制することができ、ロータシャフトの耐トルク容量を向上させることができる。

ロータ回転軸線と直交する方向から見たステータ及びロータの概略構成を示す断面図である。本発明の実施形態に係るロータシャフトのロータ回転軸線と直交する方向から見た概略構成を示す断面図である。本発明の実施形態に係るロータシャフトのロータ回転軸線と直交する方向から見た概略構成を示す分解断面図である。焼き嵌め前後におけるアウターシャフトの内周面及びインナーシャフトの外周面の径方向変位量を計算した結果を示す図である。本発明の実施形態に係るロータシャフトのロータ回転軸線と直交する方向から見た他の概略構成を示す分解断面図である。本発明の実施形態に係るロータシャフトのロータ回転軸線と直交する方向から見た他の概略構成を示す分解断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１〜３は本発明の実施形態に係るロータシャフトを備える回転電機の概略構成を示す図である。図１はロータ回転軸線（以下単に回転軸線とする）１６ａと直交する方向から見たステータ１２及びロータ１４の断面図を示し、図２は回転軸線１６ａと直交する方向から見たロータシャフト１６の断面図を示し、図３は回転軸線１６ａと直交する方向から見たロータシャフト１６の分解断面図を示す。本実施形態に係る回転電機は、回転が固定されたステータ１２と、ステータ１２に対し相対回転可能なロータ１４と、ロータ１４とともに回転するロータシャフト１６とを備え、回転軸線１６ａと直交する径方向においてステータ１２とロータ１４が所定の微小空隙を空けて対向配置され、ロータ１４がステータ１２の内周側に配置されている。

ロータ１４は、ロータコア３１と、ロータコア３１に配設された永久磁石３２と、を含む。ステータ１２は、ステータコア２１と、ステータコア２１に配設された複数相（例えば３相）のコイル２２と、を含む。複数相（３相）のコイル２２に交流電流を流すことで、周方向に回転する回転磁界がステータ１２に形成される。そして、ステータ１２に発生した回転磁界とロータ１４の永久磁石３２で発生した界磁束との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）により、ロータ１４にトルク（磁石トルク）を作用させてロータ１４を回転駆動することができる。このように、回転電機を、コイル２２への供給電力を利用してロータ１４に動力を発生させる電動機として機能させることができる。一方、回転電機を、ロータ１４の動力を利用してコイル２２に電力を発生させる発電機として機能させることもできる。また、ロータ１４は、永久磁石３２が設けられた構成に限られるものではなく、例えばコイルが設けられた構成や、磁気抵抗の変化によりリラクタンストルクを利用する構成であってもよい。

ロータ１４が取り付けられるロータシャフト１６は、分割されたインナーシャフト５０とアウターシャフト４０を締結して構成され、インナーシャフト５０がアウターシャフト４０に形成された嵌合穴４１に締まり嵌めで嵌合する。

アウターシャフト４０は、嵌合穴４１が形成された筒形状の内筒部４２と、ロータ１４が取り付けられるロータ取付部４４と、内筒部４２とロータ取付部４４を連結する連結部４６と、を含む。筒形状のロータ取付部４４は、内筒部４２の外周側に、内筒部４２と径方向に間隔をおいて配設されている。リング形状の連結部４６は、その内周端部が内筒部４２に連結され、その外周端部がロータ取付部４４に連結されている。連結部４６の回転軸線方向長さは、内筒部４２の回転軸線方向長さ、及びロータ取付部４４の回転軸線方向長さよりも短い。連結部４６の回転軸線方向長さを増やすことで、ロータ１４の支持剛性を向上させることが可能となる。

筒形状のインナーシャフト５０は、薄肉部５２と、薄肉部５２よりも径方向の剛性が高い高剛性部としての厚肉部５４と、を含む。薄肉部５２の中心には大径穴５３が形成され、厚肉部５４の中心には小径穴５５が形成され、薄肉部５２の内径は厚肉部５４の内径よりも大きい。薄肉部５２と厚肉部５４とで外径は等しく、薄肉部５２及び厚肉部５４がアウターシャフト４０の嵌合穴４１に締まり嵌めで嵌合する。薄肉部５２は、連結部４６の内周側に位置し連結部４６と径方向に対向する部分５２ａを有し、厚肉部５４は、連結部４６の内周側に位置し連結部４６と径方向に対向する部分５４ａを有する。厚肉部５４（小径穴５５）の回転軸線方向長さを減らし、薄肉部５２（大径穴５３）の回転軸線方向長さを増やすことで、インナーシャフト５０を軽量化してロータシャフト１６の軽量化を図ることが可能となる。特許文献１，２と同様に、インナーシャフト５０の小径穴５５及び大径穴５３には、ハウジングに固定された主軸が挿通され、インナーシャフト５０の大径穴５３には、インナーシャフト５０をこの主軸に回転可能に支持するためのベアリングが配設される。

インナーシャフト５０は、アウターシャフト４０の嵌合穴４１に焼き嵌めにより嵌合する。焼き嵌め前においては、インナーシャフト５０（薄肉部５２及び厚肉部５４）の外径は、アウターシャフト４０（内筒部４２）の嵌合穴４１の内径よりも大きく設計される。焼き嵌め時には、アウターシャフト４０を加熱して熱膨張させ、熱膨張した内筒部４２の嵌合穴４１にインナーシャフト５０（薄肉部５２及び厚肉部５４）を挿入する。その後、アウターシャフト４０を冷却して内筒部４２を収縮させると、アウターシャフト４０の内筒部４２がインナーシャフト５０の薄肉部５２及び厚肉部５４を径方向内側へ締め付ける力が作用し、その反力として薄肉部５２及び厚肉部５４が内筒部４２を径方向外側へ押圧する力が作用する。これによって、インナーシャフト５０とアウターシャフト４０が互いの押圧力によって締結固定される。

本実施形態では、図３に示すように、薄肉部５２の外周面における連結部４６の内周側に位置する部分５２ａに、内筒部４２の内周面へ向けて径方向外側に盛り上がる肉盛り部５６が設けられている。この肉盛り部５６によって、締まり嵌め（焼き嵌め）の締め代、つまり焼き嵌め前における薄肉部５２及び厚肉部５４の外径と嵌合穴４１の内径との差については、薄肉部５２における連結部４６の内周側に位置する部分５２ａでの締め代が、厚肉部５４における連結部４６の内周側に位置する部分５４ａでの締め代よりも大きくなり、この部分５２ａで部分的に大きくなる。

焼き嵌め等の締まり嵌めによりインナーシャフト５０をアウターシャフト４０の嵌合穴４１に嵌め合わせて締結する場合は、前述のように、内筒部４２が薄肉部５２及び厚肉部５４を径方向内側へ押圧する力が作用するとともに、その反力として薄肉部５２及び厚肉部５４が内筒部４２を径方向外側へ押圧する力が作用する。アウターシャフト４０の内筒部４２において、連結部４６の内周側に位置し連結部４６と連結される部分４２ａは、他の部分（連結部４６の内周側に位置しない部分）４２ｂよりも径方向の剛性が高く、インナーシャフト５０において、薄肉部５２は、厚肉部５４よりも径方向の剛性が低い。この径方向の剛性の違いによって、焼き嵌め後においては、薄肉部５２（連結部４６の内周側に位置する部分５２ａ）は、厚肉部５４（連結部４６の内周側に位置する部分５４ａ）と比較して、内筒部４２（連結部４６の内周側に位置する部分４２ａ）からの押圧による径方向内側への変形量が大きくなりやすい。ここで、焼き嵌め前後におけるアウターシャフト４０（内筒部４２）の内周面及びインナーシャフト５０（薄肉部５２及び厚肉部５４）の外周面の径方向変位量（径方向外側が正、径方向内側が負）をＣＡＥで計算した結果を図４に示す。図４の計算結果に示すように、インナーシャフト５０の外周面の径方向変位量は、径方向の剛性が低い薄肉部５２における連結部４６の内周側に位置する部分５２ａで大きくなって不均一化している。そのため、インナーシャフト５０とアウターシャフト４０の内筒部４２との面圧は、径方向内側への変形量が大きい薄肉部５２（連結部４６の内周側に位置する部分５２ａ）で部分的に低下しやすくなる。面圧が部分的に低下すると、インナーシャフト５０とアウターシャフト４０との締結力が回転軸線方向に不均一化し、その結果、ロータシャフト１６の耐トルク容量が低下する。

これに対して本実施形態では、締まり嵌め（焼き嵌め）の締め代は、薄肉部５２における連結部４６の内周側に位置する部分５２ａで肉盛り部５６によって部分的に大きくなる。この肉盛り部５６による締め代の増加によって、焼き嵌め後に、薄肉部５２における連結部４６の内周側に位置する部分（径方向の剛性が低い部分）５２ａと内筒部４２との面圧を増加させることができ、径方向の剛性が低い部分５２ａが径方向内側へ変形することによる面圧の低下を補償することができる。そのため、薄肉部５２（大径穴５３）の回転軸線方向長さを増やしても、インナーシャフト５０とアウターシャフト４０の内筒部４２との面圧が径方向の剛性が低い部分５２ａで部分的に低下するのを抑制することができる。したがって、インナーシャフト５０を軽量化しても、インナーシャフト５０とアウターシャフト４０との締結力が回転軸線方向に不均一化するのを抑制することができる。その結果、ロータシャフト１６の軽量化を図りつつ、ロータシャフト１６の耐トルク容量を向上させることができる。

図４の計算結果に示すように、薄肉部５２における連結部４６の内周側に位置する部分５２ａでの径方向変位量は、回転軸線方向において中央部が両端部よりも大きくなる。そこで、本実施形態では、例えば図５に示すように、肉盛り部５６における内筒部４２の内周面（径方向外側）への盛り上がり量について、回転軸線方向において中央部を両端部よりも大きくすることもできる。図５に示す例では、肉盛り部５６の盛り上がり量が、回転軸線方向において両端部から中央部へ向かうにつれて徐々に増加している。図５に示す構成例によれば、焼き嵌め後に、薄肉部５２における連結部４６の内周側に位置する部分５２ａと内筒部４２との面圧を回転軸線方向に均一化することができ、インナーシャフト５０とアウターシャフト４０の締結力を回転軸線方向に均一化することができる。

本実施形態では、例えば図６に示すように、内筒部４２の内周面における連結部４６の内周側で且つ薄肉部５２の外周側に位置する部分４２ｃに、薄肉部５２の外周面へ向けて径方向内側に盛り上がる肉盛り部６６を設けることも可能である。この肉盛り部６６によっても、締まり嵌め（焼き嵌め）の締め代については、図３に示す構成例と同様に、薄肉部５２における連結部４６の内周側に位置する部分５２ａでの締め代が、厚肉部５４における連結部４６の内周側に位置する部分５４ａでの締め代よりも大きくなり、この部分５２ａで部分的に大きくなる。この肉盛り部６６による締め代の増加によっても、焼き嵌め後に、薄肉部５２における連結部４６の内周側に位置する部分（径方向の剛性が低い部分）５２ａと内筒部４２との面圧を増加させることができ、径方向の剛性が低い部分５２ａが径方向内側へ変形することによる面圧の低下を補償することができる。したがって、インナーシャフト５０とアウターシャフト４０との締結力が回転軸線方向に不均一化するのを抑制することができる。さらに、本実施形態では、肉盛り部５６，６６の両方を設けることも可能である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１２ステータ、１４ロータ、１６ロータシャフト、２１ステータコア、２２コイル、３１ロータコア、３２永久磁石、４０アウターシャフト、４１嵌合穴、４２内筒部、４４ロータ取付部、４６連結部、５０インナーシャフト、５２薄肉部、５３大径穴、５４厚肉部、５５小径穴、５６，６６肉盛り部。

Claims

インナーシャフトがアウターシャフトに形成された嵌合穴に締まり嵌めで嵌合する回転電機のロータシャフトであって、
アウターシャフトは、嵌合穴が形成された内筒部と、内筒部の外周側に配設され、ロータが取り付けられるロータ取付部と、内筒部とロータ取付部を連結する連結部と、を含み、
インナーシャフトは、薄肉部と、薄肉部よりも径方向の剛性が高い高剛性部と、を含み、薄肉部及び高剛性部がいずれも連結部の内周側に位置する部分を有し、
薄肉部外周面における連結部の内周側に位置する部分、及び内筒部内周面における連結部の内周側で且つ薄肉部の外周側に位置する部分の少なくとも一方に、肉盛り部が設けられている、回転電機のロータシャフト。