JP2014093866A

JP2014093866A - モータ用ロータ

Info

Publication number: JP2014093866A
Application number: JP2012243020A
Authority: JP
Inventors: Shingo Hoshijima; 慎吾星島; Masahide Kimura; 真秀木村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2014-05-19
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: JP6069695B2

Abstract

【課題】モータ用のロータにおいて、ロータコアからシャフトへ伝達される捩り振動を低減する。
【解決手段】ロータコア１０と、ロータコア１０の軸中心部を貫通しロータコア１０に直接または間接的に固定される出力軸としてのシャフト２０とを備えるモータ用のロータにおいて、ロータコア１０の外周とシャフト２０の軸中心の間に、出力側端部から反出力方向へ延び、かつロータコア１０と同軸状に配置される円環状の空隙４０を設ける。
【選択図】図５

Description

本発明は、モータに用いられるロータの構造に関する。

モータに用いられるロータとして、特許文献１には、永久磁石が周方向に並んで配置された複数のロータコアと、複数のロータコアの軸中心部を貫通して固定されたシャフトとからなるものが開示されている。

特開２０００−３０８２８６号公報

特許文献１に開示されているロータのように、ロータコアにシャフトを固定する構成では、ロータが回転したときに、ロータの軸方向中心を節として、ロータコアの軸方向両端がそれぞれシャフト軸周りに逆位相で回転する振動（以下、ロータの捻じれ振動と称する）が発生する。そして、このロータの捻じれ振動がシャフトの出力軸先端へ伝達することで、モータ又はそれを用いた装置全体の振動、騒音が増大する。

そこで、本発明では振動、騒音を抑制し得る構造のロータを提供することを目的とする。

本発明の電動モータ用ロータは、ロータコアと、ロータコアの軸中心部を貫通しロータコアに直接または間接的に固定される出力軸としてのシャフトを備える。さらに、ロータコアの外周とシャフトの軸中心の間に、出力側端部から反出力方向へ延び、かつロータコアと同軸状に配置される円環状の空隙を有する。

本発明によれば、ロータコアの外周とシャフトの軸中心の間に空隙を設けることで、ロータコアからシャフトへ伝達する振動を低減し、その結果、モータ又はそれを用いた装置全体の振動、騒音を低減することができる。

図１（Ａ）は第１実施形態のロータの断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）を出力側から見た図である。図２（Ａ）は分割型シャフトの場合のロータの断面図、図２（Ｂ）はシャフトを分割した状態を示す図である。図３は、捩り一次固有値に起因する捩り振動が生じているロータを模式的に示した図である。図４は、捩り一次固有値に起因する捩り振動の振幅を示す図である。図５は、空隙の反出力側端部を示す図である。図６（Ａ）は、第２ロータ部の振動を示す図、図６（Ｂ）は第１ロータ部の振動を示す図である。図７は、図６（Ａ）、図６（Ｂ）のモデルを簡略化した等価モデルである。図８は、第１実施形態の振動低減効果を示す図である。図９は、第２実施形態のロータの断面図である。図１０は、第２実施形態の振動低減効果を示す図である。図１１（Ａ）は第３実施形態のロータの断面図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）を出力側から見た図である。図１２は、第４実施形態のロータの断面図である。図１３は、図１２のロータの分解図である。図１４（Ａ）は第４実施形態の他の例を示す断面図、図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）を出力方向から見た図である。図１５（Ａ１）は、キー部材の例を示す断面図、図１５（Ａ２）は図１５（Ａ１）を出力方向から見た図、図１５（Ｂ１）はキー部材の他の例を示す断面図、図１５（Ｂ２）は図１５（Ｂ１）を出力方向から見た図、図１５（Ｃ１）はキー部材のさらに他の例を示す断面図、図１５（Ｃ２）は図１５（Ｃ１）を出力方向から見た図である。図１６（Ａ）は、第４実施形態のエンドプレートのキー溝を示す図、図１６（Ｂ）は第４実施形態のシャフトのキー溝を示す図である。図１７（Ａ）は第４実施形態のさらに他の例のシャフトとロータコアを示す図、図１７（Ｂ）は図１７（Ａ）のシャフトの分解図である。図１８は、第５実施形態のロータの断面図である。図１９は、第５実施形態の他の例を示すロータの断面図である。図２０は、第５実施形態のさらに他の例を示すロータの断面図である。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１（Ａ）は第１実施形態にかかるロータ１００の断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）を後述する出力側から見た図である。以下の説明において、シャフト２０の軸中心部に沿う方向を軸方向、図１（Ａ）の図面右側を出力側、図１（Ｂ）の図面左側を反出力側と称する。

電動モータ用のロータ１００は、筒状のロータコア１０と、ロータコア１０の軸中心部を貫通してロータコア１０に固定されたシャフト２０とを含んで構成される。

シャフト２０の出力側端部は、減速機等の機器に接続される。シャフト２０のロータコア１０への固定には、一般的なロータと同様に、圧入や焼き嵌め等の締り嵌めや、スプライン・セレーションや、キー構造等が用いられる。

ロータコア１０の外周付近には、複数の永久磁石１２が周方向に一定間隔で配置されている。また、ロータコア１０の軸方向両端には、永久磁石１２の飛び出し防止、あるいはアンバランス修正用のエンドプレート３０が配置される。エンドプレート３０のロータコア１０への固定には、一般的なロータと同様にカシメやボルト締結等が用いられる。

なお、エンドプレート３０の代わりに、永久磁石１２を樹脂モールドによりロータコア１０に固定しても構わない。また、本実施形態の構造は、かご型導体構造のような誘導モータ用ロータにも適用し得る。

シャフト２０の外周と軸中心の間には、ロータコア１０と同軸状に配置され出力側端部が開口している円環状の空隙４０が形成されている。すなわち、ロータコア１０の内周面は軸方向の全域にわたって全面がシャフト２０の外周面と接触している。

ここで、空隙４０の形成方法について説明する。

空隙４０は、一体成型したシャフト２０に対して放電加工や機械加工を施すことで形成する。また、シャフト２０を鋳造や鍛造により成形する際に、同時に形成してもよい。

なお、シャフト２０は一体成型されたものに限られず、複数の部材を組み合わせてシャフト２０を構成するようにしても構わない。例えば、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、出力側に中空部分を有する反出力側部材２０Ｂと、その中空部分の内径よりも小径の出力側部材２０Ｃとの組み合わせでシャフト２０を構成する。反出力側部材２０Ｂと出力側部材２０Ｃの結合には、圧入、焼き嵌め、摩擦圧接等を適用できる。

ところで、シャフトがロータコアを貫通する一般的なロータにおいては、ロータの捩り一次固有値に起因する捩り振動が発生し、この捩り振動がシャフトの出力側先端まで伝達して、モータやそれを用いた装置全体の振動や騒音が増大するという問題がある。

ここで、捩り一次固有値に起因する捩り振動について、図３、図４を参照して説明する。

図３は捩り一次固有値に起因する捩り振動が生じているロータを模式的に示した図であり、図４は当該振動における振幅の大きさを示すグラフである。

捩り一次固有値とは、図３に示すように、ロータ軸方向の中心付近を節としてロータ両端がそれぞれシャフト軸まわりに逆位相で回転振動する振動モードのことをいう。つまり、図４に示すように、ロータ端部に近づくほど振幅が大きくなる。

したがって、一般的なロータのように軸方向の全域にわたってロータコア内周面とシャフト外周面が接触する構造では、ロータコア出力側のもっとも振幅の大きい捩り振動がシャフトに伝達される。その結果、シャフトの出力側先端の捩り振動が大きくなり、上述したように振動、騒音が増大することになる。

これに対し本実施形態では、空隙４０を設けた領域では、シャフト２０の空隙より内側の部分（以下、出力軸部分２０Ａという）にロータコア１０から捩り振動が伝達されることがない。すなわち、空隙４０を設けることによって、出力軸部分２０Ａの捩り振動を弱めることができる。その結果、モータの振動、騒音を低減することができる。

次に、空隙４０の反出力側端部の軸方向位置について説明する。

図５は、図１（Ａ）と同様のロータ１００の断面図である。図中の一点鎖線Ａは、空隙４０の反出力側端部の軸方向位置を示している。以下の説明において、ロータ１００の空隙４０の反出力側端部より出力側部分を第１ロータ部、同じく反出力側部分を第２ロータ部とする。

図６（Ａ）は、ロータ１００を空隙４０の反出力側端部で分割した場合の第２ロータ部１００Ｂを、図６（Ｂ）は同じく第１ロータ部１００Ａを示している。このように空隙４０の反出力側端部を境界として分割した場合、第１ロータ部１００Ａと第２ロータ部１００Ｂのそれぞれが、境界を固定した場合の捩り共振周波数と同じ共振周波数をもつ。

図７は、上記のように境界を固定した場合のロータ１００の構成を簡略化した等価モデルである。

このようなモデルにおいて、第１ロータ部１００Ａと第２ロータ部１００Ｂの捩り振動固有値ｆ１、ｆ２はそれぞれ式（１）、式（２）から求めることができる。

ここで、Ｊは捩り慣性モーメント、Ｉｐは断面二次モーメント、Ｌは節点からの長さ、Ｇは横弾性係数である。

したがって、式（１）、式（２）より第１ロータ部１００Ａと第２ロータ部１００Ｂの捩り振動固有値が等しくなる位置に境界を設定することで、境界が振動変位のない節点となり、シャフト２０の出力軸部分２０Ａへの捩り振動の伝達を抑制できる。

図８は、境界位置を変化させた場合の振動低減効果を説明するための図である。図の縦軸はシャフト２０の出力軸側の周方向変位[ｄＢ]、横軸は空隙４０の反出力側端部の軸方向位置である。また、図８中の「最適境界位置」は、第１ロータ部１００Ａと第２ロータ部１００Ｂの捩り振動固有値が等しくなる位置である。

本実施形態のように、空隙４０の反出力側端部を第１ロータ部１００Ａと第２ロータ部１００Ｂの捩り振動固有値が等しくなる位置（最適境界位置）となるように設定すると、図８に示すようにシャフト２０の出力軸側の捩り振動は極小となる。また、空隙４０を設けない場合に比べて、捩り振動を大幅に低減できる。

また、ロータコア１０の内周面とシャフト２０の外周面は、軸方向の全域かつ周方向の全面で互いに接触しているので、空隙４０を設けることによるロータコア１０からシャフト２０への伝達トルクの低下を抑制できる。

本実施形態によれば、次の効果が得られる。

ロータコア１０の外周とシャフト２０の軸中心の間に、出力側端部から反出力方向へ延び、かつロータコア１０と同軸状に配置される円環状の空隙４０を備える。これにより、ロータコア１０からシャフト２０への伝達トルクの低減を抑制しつつ、ロータコア１０からシャフト２０への捩り振動の伝達を抑制することができる。

空隙４０の反出力側端部を上記最適境界位置に設定するので、シャフト２０の出力側の捩り振動を大幅に低減できる。

（第２実施形態）
第２実施形態は、空隙４０の形成方法が第１実施形態と異なる。そこで、空隙４０について説明する。

図９は第２実施形態にかかるロータ１００の断面図である。

ロータコア１０は、電磁鋼板を積層したものであり、接着コア、焼結コア等の一体化構造、または、ボルトやリベットによる締結もしくは樹脂モールドによる一体化構造となっている。

シャフト２０は、ロータコア１０の内周径より外径が小さい小径部を有し、ロータコア１０に固定すると小径部の外周面とロータ内周面とで空隙４０が形成される。すなわち、空隙４０の反出力方向側端部より反出力方向側のロータコア１０の内周面は、全面がシャフト２０の外周面と接触する。

このように形成される空隙４０の反出力側端部の軸方向位置は、第１実施形態で説明した最適境界位置を基準とする所定範囲内に設定する。具体的には、最適境界位置からロータコア１０の出力側端部までの距離をＬとしたときに、最適境界位置を基準としてロータ軸方向に±０．７Ｌの範囲内に設定する。

図１０は、図８と同様に境界位置を変化させた場合の、シャフト２０の出力軸側の周方向変位を示す図である。

図１０に示すように、空隙４０の反出力方向端部位置が、最適境界位置を基準として軸方向に±０．７Ｌの範囲内であれば、空隙４０を設けない場合に比べてシャフト２０の捩り振動を低減する効果が得られる。

以上のように、シャフト２０に小径部を設けることによって空隙４０を形成しても、第１実施形態と同様にロータコア１０からシャフト２０へ伝達する捩り振動を低減する効果が得られる。

また、空隙４０の反出力方向端部位置を、最適境界位置を基準としてロータ軸方向に±０．７Ｌの範囲内に設定することで、シャフト２０の出力側の捩り振動を、空隙４０を設けない場合に比べて低減することができる。

（第３実施形態）
図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）は、第３実施形態にかかるロータ１００の断面図であり、図１１（Ａ）は後述する軸部品５０が嵌合した状態、図１１（Ｂ）は軸部品５０が分離した状態を示している。

本実施形態は、シャフト２０の構造が第１実施形態と異なる。

シャフト２０は、ロータコア１０の内周面と軸方向の全域にわたって周方向の全面で接触する外周面を有する。また、出力側には中空部分５２が設けられており、この中空部分５２に減速機等の接続先の軸部品５０が接続される。シャフト２０と軸部品５０は、中空部分５２の反出力側端部よりさらに反出力側に設けた凹部と、軸部品５０の反出力側端部に設けた凸部がスプライン結合により接続される。ここで、中空部分５２の反出力側端部は、第１実施形態の空隙４０の反出力側端部と同様に設定する。なお、シャフト２０と軸部品５０の接続は、キー構造等といった他の接続方法を用いてもよい。

軸部品５０の反出力側端部付近は、反出力側端部から順に、スプライン部分、スプライン部分と同じ径の小径部分、スプライン部分よりも径の大きい大径部分、となっている。
このため、シャフト２０と軸部品５０は、スプライン等の接続部以外の部分では接触しない。

小径部分の軸方向長さは、モータ回転時にスプラインのガタ等によって接続部以外の部分が接触しない程度に設定する。また、軸部品５０の上記大径部分は中空部分５２の内径よりも小さくする。

これにより、シャフト２０と軸部品５０を接続すると、軸部品５０の小径部分及び大径部分の外周面と、中空部分５２の内周面との間に空隙４０が形成される。

このように形成した空隙４０でも、ロータコア１０からシャフト２０へ伝達する捩り振動を低減できる。

（第４実施形態）
図１２は、第４実施形態にかかるロータ１００の断面図である。図１３は図１２のロータ１００を分解した状態を示す図である。

第１実施形態と異なるのは、シャフト２０がトルク伝達部材６０を介してロータコア１０に固定される点である。

トルク伝達部材６０は、ロータコア１０の内周面と軸方向全域にわたって全面で接触する外周面を有する筒状部材である。また、トルク伝達部材６０の出力側の内周面には、シャフト２０の外径よりも径の大きな大径部分が設けられており、シャフト２０を固定すると、この大径部分とシャフト２０の外径の間に空隙４０が形成される。

トルク伝達部材６０の大径部分の反出力側端部、つまり空隙４０の反出力側端部の位置は、第１実施形態と同様に設定する。

また、空隙４０の径方向長さは、磁気回路、及びロータコア１０とトルク伝達部材６０の締結に影響が無い範囲で設定する。

上記のように、トルク伝達部材６０を介してシャフト２０をロータコア１０に固定し、トルク伝達部材６０とシャフト２０との間に空隙４０を設けても、第１実施形態と同様に、ロータコア１０からシャフト２０に伝達される捩り振動を低減できる。

なお、トルク伝達部材６０とシャフト２０の結合は、圧入、焼き嵌め等の締り嵌めや、スプライン・セレーション、キー構造等を用いてトルク伝達剛性を確保する。ロータコア１０とトルク伝達部材６０の結合は、一般的なモータのロータ構造と同様に、締り嵌めやスプライン・セレーション、キー構造等を用いる。

次に、本実施形態の他の例について説明する。

図１４（Ａ）は、トルク伝達部材６０にキー部材６２であり、出力側のエンドプレート３０がキー構造で固定される場合のロータ１００の断面図、図１４（Ｂ）は同じく軸方向から見た図である。図１５（Ａ１）は図１４のキー部材６２を拡大した断面図、図１５（Ａ２）は図１５（Ａ１）を軸方向から見た図である。

図１６（Ａ）はロータコア１０のキー溝、図１６（Ｂ）はシャフト２０のキー溝を示す図である。ロータコア１０のキー溝は、隙間嵌めでキー部材６２と結合されるように形成されている。キー部材６２は、図１６（Ｂ）に示すようにシャフト２０の軸方向全域にわたるキー溝に対して、軸方向位置を位置決めして圧入される。出力側のエンドプレート３０は、隙間嵌め等でシャフト２０から分離させてある。エンドプレート３０の固定は、エンドプレート３０に設けた切り欠き６４とキー部材６２に設けた爪部６６の係合によりなされる。

キー部材６２は、図１５（Ａ１）、図１５（Ａ２）に示した形状に限られず、種々の形状をとり得る。図１５（Ｂ１）及び図１５（Ｂ２）、図１５（Ｃ１）及び図１５（Ｃ２）は、それぞれキー部材６２の他の例を示す断面図と、軸方向から見た図である。

なお、図１７（Ｂ）に示すように、キー部材６２を圧入することでキー部材６２の位置決めがなされるようにキー溝の軸方向位置、形状を設定し、図１７（Ａ）に示すようにシャフト２０にキー部材６２を圧入した状態でロータコア１０に挿入してもよい。

上記のような構成によって空隙４０を形成した場合も、第１実施形態と同様にロータコア１０からシャフト２０へ伝達する捩り振動を低減することができる。
（第５実施形態）
第５実施形態では、複数のロータコア１０を備える。

図１８は、出力軸側の第１ロータコア１０Ｃと、反出力側の第２ロータコア１０Ｄの２つのロータコアを備える場合の断面図である。

ロータコア１０は、軸方向に分割された第１ロータコア１０Ｃと第２ロータコア１０Ｄからなり、第１ロータコア１０Ｃと第２ロータコア１０Ｄは、スキュー構造となっている。また、空隙４０は第１実施形態と同様に設定する。

これにより、空隙４０を設けることによるロータコア１０からシャフト２０への捩り振動の伝達抑制に加え、さらに、スキュー構造によるトルクリップルまたはコギングトルクの低減といった効果も得られる。

なお、分割数は２つに限られず、例えば図１９に示すように第１−第４のロータコア１０Ｅ−１０Ｈの４つのロータコアからなる４分割であっても構わない。

また、単一のロータコア１０であって、図２０に示すように、軸方向に対して傾斜した複数の導電体が周方向に並ぶ「かご型ロータ」を用いたスキュー構造であっても構わない。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１０ロータコア
１２永久磁石
２０シャフト
３０エンドプレート
４０空隙
５０軸部品
５２中空部分
６０トルク伝達部材
６２キー部材
１００ロータ

Claims

ロータコアと、
前記ロータコアの軸中心部を貫通し前記ロータコアに直接または間接的に固定される出力軸としてのシャフトと、
前記ロータコアの外周と前記シャフトの軸中心の間に、出力側端部から反出力方向へ延び、かつ前記ロータコアと同軸状に配置される円環状の空隙を有するモータ用ロータ。
請求項１に記載のモータ用ロータにおいて、
前記空隙は前記シャフトの外周から軸中心部の間に配置され、
前記ロータコアの内周面は軸方向の全域にわたって全面が前記シャフトの外周面と接触しているモータ用ロータ。
請求項１に記載のモータ用ロータにおいて、
前記空隙は前記シャフト外周部に設けた段差部と当該段差部に対向する前記ロータコア内周面とで形成され、
前記空隙の反出力方向側端部より反出力方向側の前記ロータコアの内周面は、全面が前記シャフトの外周面と接触しているモータ用ロータ。
請求項１に記載のモータ用ロータにおいて、
前記空隙の反出力側端部は、前記空隙の反出力側端部を境界として前記ロータコアの前記境界より出力側の部分を第１ロータ部、同じく反出力側の部分を第２ロータ部とし、前記境界を固定したと仮定した場合に前記第１ロータ部と前記第２ロータ部のそれぞれの捩り振動固有値が同じになる位置であるモータ用ロータ。
請求項１に記載のモータ用ロータにおいて、
前記空隙の反出力側端部は、前記空隙の反出力側端部を境界として前記ロータコアの前記境界より出力側の部分を第１ロータ部、同じく反出力側の部分を第２ロータ部とし、前記境界を固定したと仮定した場合に前記第１ロータ部と前記第２ロータ部のそれぞれの捩り振動固有値が同じになる位置を基準とし、前記基準から前記ロータコアの出力側端部までの軸方向長さをＬとしたときに、前記境界からロータ軸方向に±０．７Ｌの範囲内にあるモータ用ロータ。
請求項４または５に記載のモータ用ロータにおいて、
捩り慣性モーメントをＪ_ｎ、断面二次モーメントをＩ_ｐｎ、各ロータ部の軸方向長さをＬ_ｎ、横弾性係数をＧとしたときに、
前記第１ロータ部の捩り振動固有値ｆ_１は式（１）、前記第２ロータ部の捩り振動固有値ｆ_２は式（２）で表されるモータ用ロータ。
請求項１に記載の電動モータ用ロータにおいて、
前記ロータコアの内周面は軸方向の全域にわたって全面が前記シャフトの外周面と接触し、
前記シャフトは、出力側端部が開口し反出力側端部が前記境界である穴部と、前記穴部の反出力側端部から反出力方向に設けられ、出力先の軸状部材と嵌合する穴状の嵌合部と、を備え、
前記嵌合部と前記軸状部材が嵌合した状態では、前記嵌合部以外の部分が接触しない電モータ用ロータ。
請求項１に記載のモータ用ロータにおいて、
前記シャフトは、トルク伝達部材を介して前記ロータコアに固定されるモータ用ロータ。
請求項１から８のいずれかに記載のモータ用ロータにおいて、
前記ロータコアがスキュー構造を有しているモータ用ロータ。
請求項１から９のいずれかに記載のモータ用ロータにおいて、
前記ロータコアは複数のロータコアで構成されているモータ用ロータ。