JP2014096902A - 中空ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】構造が単純で構造的な信頼性が高い中空ロータを提供する。
【解決手段】磁石ロータ３は、回転軸線Ａｘ方向の両端部を規定する一対のエンドプレート５と、一対のエンドプレート５を平行かつ間隔Ａに保持する支柱６と、中空状に一体化され、かつ支柱６にて拘束された積層鋼板７と、を備える。積層鋼板７の内周面７ａには、半径方向内側に開口し、かつ回転軸線Ａｘ方向に延びるとともに、積層鋼板７の支柱６に対する相対回転を阻止するように支柱６と嵌り合う溝部１７が形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機に適用される中空ロータに関する。

回転電機に適用される中空ロータとして、積層鋼板にて構成されたロータヨークを有し、そのロータヨークの両側を一対のフレームにて挟み込んだ状態で、ロータヨークを軸方向に貫通するボルト孔にボルトを挿入しつつ、そのボルトを一対のフレームに締結したものが知られている（特許文献１）。また、他の中空ロータとして、円板状の一対のフランジと円筒部材とを組み立てることにより構成されたかご状の骨組み構造に対して、複数に分割された積層鋼板を嵌め込みつつ固定するものが知られている（特許文献２）。

特開平９−３２２４９９号公報 特開２００８−２８９２２７号公報

特許文献１の中空ロータは、ロータヨークの両側を挟む一対のフレームに締結されるボルトの締結力によって生じる部材間の摩擦力に頼って機能上必要な中空ロータの形状を保持している。一般に、積層鋼板は複数の鋼板の表面に絶縁材が塗布された状態で積層されている。すなわち、積層鋼板の鋼板間には絶縁層が介在する。温度変化が顕著な環境で積層鋼板が使用されると絶縁層が劣化する場合がある。絶縁層が劣化すると鋼板間の距離が減少してボルトの締結力が低下する。特許文献１の中空ロータの構造の場合、形状の保持がボルト締結力に依存する。そのため、ボルトの締結力の低下によって構造的な信頼性が低下する。また、特許文献２の中空ロータは構造が複雑である。また、骨組み構造に複数の積層鋼板を正確に取り付けるため、各積層鋼板に対して高い加工精度が要求される。

そこで、本発明は、構造が単純で構造的な信頼性が高い中空ロータを提供することを目的とする。

本発明の中空ロータは、回転軸線の回りに回転可能な状態で回転電機に適用される中空ロータであって、前記回転軸線方向の両端部を規定する一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートを平行かつ所定の間隔に保持する支柱と、中空状の複数の鋼板が前記回転軸線方向に積層されることにより中空状に一体化され、かつ前記支柱にて拘束された積層鋼板と、を備え、前記積層鋼板の内周面には、半径方向内側に開口し、かつ前記回転軸線方向に延びるとともに、前記支柱と嵌り合う溝部が形成されているものである（請求項１）。

この中空ロータによれば、一対のエンドプレートと、これらを平行かつ所定の間隔に保持する支柱によって骨組みが形成される。その骨組みを形成する支柱と、中空状に一体化された積層鋼板の溝部とが嵌り合うことにより、積層鋼板の支柱に対する相対回転が阻止される。つまり、積層鋼板が回転方向に関して支柱にて拘束される。この中空ロータは積層鋼板の形状の保持及び回転方向の拘束をボルトの締結に頼らずに実現できる。したがって、ボルトの締結力の低下によって構造的な信頼性が低下するおそれがない。また、中空状に一体化された積層鋼板が用いられているため、複数に分割された積層鋼板を骨組みに組み付ける場合に比べて構造が単純である。

本発明の中空ロータの一態様においては、前記一対のエンドプレートのいずれか一方と前記積層鋼板との間に介在し、前記積層鋼板の前記支柱に対する前記回転軸線方向の相対移動を阻止する拘束部材を更に備えてもよい（請求項２）。拘束部材によって積層鋼板の回転軸線方向の支柱に対する相対移動を阻止することができる。

この態様においては、前記拘束部材と前記積層鋼板との間に介在するミドルプレートを更に備えてもよい（請求項３）。この場合には、拘束部材と積層鋼板とが直接接触せずに拘束部材と積層鋼板との間にミドルプレートが介在する。そのため、拘束部材が積層鋼板に接触して積層鋼板を傷つけることを防止できる。

本発明の中空ロータの一態様において、前記溝部は、開口部よりも内部側が広くなるように構成されており、前記支柱は、その断面が、前記溝部の開口幅よりも狭い幅狭部と、前記溝部の開口幅よりも大きくかつ前記溝部の内部側に収まる大きさの幅広部とを有するように構成されてもよい（請求項４）。この態様によれば、支柱の最大幅が溝部の開口幅よりも大きいので、支柱が溝部に嵌り合った際には積層鋼板が支柱に対して半径方向に相対移動することを阻止できる。したがって、構造的な信頼性が更に高まる。

この態様において、前記溝部は、円筒面状の内周面を有し、前記支柱は、前記溝部に嵌り合うことが可能な直径を有する丸棒に対して、前記直径よりも小さい幅を有する二面幅部が前記幅狭部として形成されたものでもよい（請求項５）。この場合には、支柱の二面幅部を溝部の開口部に向けて差し込んでから支柱を回転させることによって支柱を溝部に嵌め合わせることができる。つまり、開口部よりも内部側が広い溝部に支柱を嵌め合わせる場合であっても、支柱を回転軸線方向に移動させずに半径方向の支柱の移動と支柱の回転とによって支柱を溝部に嵌め合わせることができる。これにより、組み立ての自由度が向上する。

本発明の中空ロータの一態様において、前記溝部を避けるようにして前記積層鋼板の前記内周面に取り付けられた永久磁石と、前記積層鋼板の前記内周面に形成され、前記溝部に沿って延びかつ半径方向内側に向かって突出し、前記永久磁石の端部が突き当てられる突出部と、を更に備えてもよい（請求項６）。この態様によれば、永久磁石の端部が突出部に突き当てられることにより、溝部を確実に避けながら正確な位置決めが可能となる。

この態様において、前記積層鋼板の前記内周面と前記突出部との境界には、前記回転軸線方向に延びかつ半径方向外側に向かって窪む逃げ溝部が形成されてもよい（請求項７）。この場合には、逃げ溝部によって永久磁石の端部と積層鋼板の内周面との間に空間が形成される。その空間によって、永久磁石の端部から出る磁束が通る通路が確保される。これにより、永久磁石の端部における減磁を抑制できる。

以上説明したように、本発明の中空ロータによれば、一対のエンドプレートと、これらを平行かつ所定の間隔に保持する支柱によって骨組みが形成され、その骨組みを形成する支柱と、中空状に一体化された積層鋼板の溝部とが嵌り合うことにより、積層鋼板の支柱に対する相対回転が阻止される。そのため、積層鋼板の形状の保持及び回転方向の拘束をボルトの締結に頼らずに実現できる。したがって、ボルトの締結力の低下によって構造的な信頼性が低下するおそれがない。また、複数に分割された積層鋼板を組み付ける場合に比べて構造が単純である。

本発明の一形態に係る中空ロータが適用された複合モータを模式的に示した図。 中空ロータとしての磁石ロータの斜視図。 図２の矢印III方向から見た状態を示した磁石ロータの平面図。 図３のIV-IV線に関する断面図。 図４のV-V線に関する拡大断面図。 支柱の全体図。 図６のVII-VII線に関する断面図。 磁石ロータに含まれる積層鋼板の平面図。 図８のIX-IX線に関する断面図。 図８のX部の部分拡大図。 磁石ロータの構造上の利点を説明する説明図。 本発明の他の形態を示した図。 図１２の形態とは異なる他の形態を示した図。

図１に示したように、回転電機としての複合モータ１は自動車等の車両の駆動装置に組み込まれて使用される。複合モータ１は回転軸線Ａｘの回りを互いに相対回転可能で同軸に配置された巻線ロータ２及び磁石ロータ３を有している。複合モータ１は駆動装置に設けられた図示しないエンジンと自動変速機との間に搭載される。複合モータ１は巻線ロータ２と一体回転する入力軸４に入力されたエンジンのトルクを増幅して自動変速機に伝達する機能を有する。

図２〜図５に示したように、中空ロータとしての磁石ロータ３は概略的に円筒状に形成されており、回転軸線Ａｘ方向の両端部を規定する一対のエンドプレート５と、これらのエンドプレート５を平行かつ所定の間隔Ａに保持し、周方向に所定の間隔で並べられた８本の支柱６と、これらの支柱６にて拘束されている積層鋼板７と、積層鋼板７の内周面７ａに取り付けられた複数の永久磁石８とを備えている。

各エンドプレート５は非磁性体の材料で構成されている。各エンドプレート５は各支柱６を固定するために必要な半径方向の幅Ｂを有している。各エンドプレート５には支柱６が一本ずつ挿入される８つの取付孔１０が形成されている。各支柱６は非磁性体の材料で構成されている。

図４及び図６に示すように、各支柱６には間隔を空けて配置された一対のフランジ１１が形成されている。各支柱６が一対のエンドプレート５の取付孔１０に挿入された場合、一対のフランジ１１はエンドプレート５の挿入孔１０の周囲に形成された取付座１２に突き当たる（図４参照）。そのため、一対のエンドプレート５の間隔Ａは一定に維持される。一対のフランジ１１のそれぞれの先端側には雄ねじ部１３が形成されている。フランジ１１が取付座１２に突き当たる位置まで支柱６がエンドプレート５の挿入孔１０に挿入されると雄ねじ部１３がエンドプレート５の外部に露出する。外部に露出した雄ねじ部１３にはナット１５がねじ込まれる。これにより、一対のエンドプレート５と各支柱６とが固定され、一対のエンドプレート５と８本の支柱６とによってかご状の骨組みが形成される。一対のエンドプレート５間に配置された積層鋼板７は板厚方向の幅Ｃ（図４及び図９参照）が一対のエンドプレート５の間隔Ａよりもある程度小さく設定されている。したがって、ナット１５が十分にねじ込まれても一対のエンドプレート５の間隔Ａは変化しないので、一対のエンドプレート５間に配置された積層鋼板７が押し潰されることはない。

図８〜図１０に示すように、積層鋼板７は外周が円形でかつ中空状の複数の鋼板ｐが回転軸線Ａｘ方向に積層されることにより中空状に一体化されている。積層鋼板７は、各鋼板ｐの表面に絶縁体が塗布された状態で積層されている。したがって、鋼板ｐ間に絶縁層が形成される。積層鋼板７の内周面７ａには１６個の溝部１７が形成されている。１６個の溝部１７のうち一つおきに選ばれた８個の溝部１７が８本の支柱６と嵌り合う。

各溝部１７は半径方向内側に開口し、かつ回転軸線Ａｘ方向に延びている。各溝部１７は円筒面状の内周面１７ａを有している（図１０参照）。各溝部１７は開口部よりも内部側が広くなるように構成されている。すなわち、各溝部１７の内周面１７ａの直径φは開口幅Ｄよりも大きい。一方、図６及び図７に示したように、各支柱６は溝部１７の直径φに嵌り合う直径Φの丸棒に対して、その直径Φよりも小さい幅ｗの二面幅部１９が形成されることによって構成されている。したがって、支柱６を溝部１７に嵌め合わせる際には、図５の想像線で示したように、支柱６の二面幅部１９を溝部１７の開口部に向けて差し込んでから支柱６を図５の実線の状態まで回転させることによって支柱６を溝部１７に嵌め合わせることができる。つまり、支柱６を、図５の紙面と直交する回転軸線Ａｘ方向に移動させなくても半径方向の支柱６の移動と支柱６の回転とによって支柱６を溝部１７に嵌め合わせることができる。支柱６の二面幅部１９が本発明に係る幅狭部に、残りの円柱部分が本発明に係る幅広部にそれぞれ相当する。

各溝部１７と各支柱６との間には８箇所の嵌め合いが存在する。８箇所の嵌め合いを同一条件で厳格に設定すると、部品間の加工精度のばらつきによって組み立てが困難になる場合がある。本形態では周方向に存在する８箇所の嵌め合いのうち、適宜選ばれた対角の２箇所の嵌め合いをある程度厳格な条件に設定し、かつ残りの箇所の嵌め合いの条件を緩和している。少なくとも２箇所の嵌め合いがある程度厳格であれば、積層鋼板７と一対のエンドプレート５との間の同軸性を十分に確保できる。

図２〜図４に示したように、回転軸線Ａｘ方向の積層鋼板７の拘束は一方のエンドプレート５と積層鋼板７との間に介在する拘束部材としての８個のピン２０にて行われる。各ピン２０は一方のエンドプレート５の周方向に設けられた８個の孔２１（図４参照）に対して圧入される。これにより、積層鋼板７が他方のエンドプレート５に押し付けられた状態に保持されるので、回転軸線Ａｘ方向の支柱６に対する積層鋼板７の相対移動を阻止できる。拘束部材としてはピン２０の代わりにリベットを使用することもできる。各ピン２０が積層鋼板７と接触して積層鋼板７を傷つけることを防止するため、図２及び図４に示したように各ピン２０と積層鋼板７との間にはミドルプレート２５が介在している。ミドルプレート２５は非磁性体材料で構成されている。

複数の永久磁石８は、図２及び図４に示したように積層鋼板７の溝部１７を避けるようにして接着にて取り付けられている。詳細には、図５に示したように各永久磁石８は、内周面７ａに形成された突出部２６に端部８ａが突き当てられた状態で内周面７ａに接着にて取り付けられている。図１０にも示したが、突出部２６は一つの溝部１７に対して２つずつ設けられている。各突出部２６は溝部１７に沿って延びており、かつ半径方向内側に向かって突出している。各永久磁石８の端部８ａが突出部２６に突き当てられることにより、溝部１７を確実に避けながら正確な位置決めが可能となる。

図５及び図１０に示したように、積層鋼板７の各突出部２６と内周面７ａとの境界には半径方向外側に向かって窪む逃げ溝部２７が形成されている。各逃げ溝部２７は図５及び図１０の紙面と直交する方向（回転軸線Ａｘ方向）に延びている。図５に示したように、逃げ溝部２７によって永久磁石８の端部８ａと積層鋼板７の内周面７ａとの間に空間が形成される。この空間によって永久磁石８の端部８ａから出る磁束が通る通路が確保される。これにより、永久磁石８の端部８ａにおける減磁を抑制できる。

磁石ロータ３は積層鋼板７に形成された溝部１７が半径方向内側に向かって開口しているため、半径方向外側に向かって開口する比較例と比べて次のような構造上の利点がある。複数の永久磁石８は一定の間隔を確保して配置することが技術的に不可欠である。そのため、図１１の（ｂ）に示す比較例の場合、永久磁石８′よりも半径方向外側にエンドプレート５′を配置せざるを得ないから、永久磁石８′間のスペースＳｐ１がデッドスペースとなる。図１１の（ａ）に示した磁石ロータ３と同等の機械的強度を確保するため、比較例の支柱６′及びその取付座１２′の大きさを磁石ロータ３のものよりも小さくすることはできない。したがって、取付座１２′が形成されるエンドプレート５′の外径Ｄ′は、磁石ロータ３のエンドプレート５の外径Ｄに比べて大きくなる。しかも、比較例のエンドプレート５′に合わせて積層鋼板７′を設計した場合、積層鋼板７′の半径方向の厚さＷは、積層鋼板７の厚さＷ′に比べて大きくなる。

これに対して、図１１の（ａ）に示すように、磁石ロータ３は永久磁石８間のスペースＳｐ１の一部にまで支柱６及びエンドプレート５が半径方向内側にオフセットされている。つまり、支柱６及びエンドプレート５のレイアウトに関し、永久磁石８間のスペースＳｐ１の一部が有効に利用される。したがって、エンドプレート５の外径の拡大を抑制できるとともに、積層鋼板７の厚さＷの増加を抑制できる。

以上説明した磁石ロータ３によれば、一対のエンドプレート５と、これらを平行かつ間隔Ａに保持する支柱６によって骨組みが形成され、その骨組みを形成する支柱６と、中空状に一体化された積層鋼板７の溝部１７とが嵌り合うことにより、積層鋼板７の支柱６に対する相対回転が阻止される。そのため、積層鋼板７の形状の保持及び回転方向の拘束をボルトの締結に頼らずに実現できる。したがって、磁石ロータ３はボルトの締結力の低下によって構造的な信頼性が低下するおそれがない。また、磁石ロータ３は、分割された複数の積層鋼板を骨組みに組み付ける場合に比べて構造が単純である。

本発明は上記形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。複数の永久磁石が積層鋼板の内周面に取り付けられた磁石ロータは中空ロータの一例にすぎない。したがって、本発明の中空ロータを、永久磁石を持たない形態で実施することもできる。本発明の中空ロータの適用対象は複合モータに限らない。そのため、各種電動機、発電機、モータ・ジェネレータ等の回転電機に本発明の中空ロータを適用することができる。

積層鋼板に形成する溝部の形状及びその溝部に嵌り合う支柱の断面形状は上記形態のものに限らない。したがって、溝部の形状や支柱の断面形状について種々の形状を採用することができる。例えば、図１２に示すように、積層鋼板１００の内周面１００ａに形成された矩形状の溝部１０１と、その溝部１０１に対応した矩形状の断面を有する支柱１０２とが嵌り合う形態で本発明を実施することができる。これにより、支柱１０２に対する積層鋼板１００の相対回転を阻止できる。

また、図１３に示すように、積層鋼板１０３の内周面１０３ａに形成され、開口部よりも内部側が広くなるような台形状の溝部１０４と、その溝部１０４に対応した台形状の断面を有する支柱１０５とが嵌り合う形態で本発明を実施することができる。溝部１０４は開口部よりも内部側が広い。したがって、溝部１０４と支柱１０５とが嵌り合ったときには、上記形態の磁石ロータ３の場合と同様に、積層鋼板１０３が支柱１０５に対して半径方向に相対移動することを阻止できる。図１３の形態において、支柱１０５のうち、短辺を含む部位が本発明に係る幅狭部に、長辺を含む部位が本発明に係る幅広部にそれぞれ相当する。

１ 複合モータ（回転電機）
３ 磁石ロータ（中空ロータ）
５ エンドプレート
６、１０２、１０５ 支柱
７、１００、１０３ 積層鋼板
７ａ、１００ａ、１０３ａ 内周面
８ 永久磁石
８ａ 端部
１７、１０１、１０４ 溝部
１９ 二面幅部（幅狭部）
２０ ピン（拘束部材）
２５ ミドルプレート
２６ 突出部
２７ 逃げ溝部
Ａｘ 回転軸線
ｐ 鋼板

Claims (7)

1. 回転軸線の回りに回転可能な状態で回転電機に適用される中空ロータであって、
   前記回転軸線方向の両端部を規定する一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートを平行かつ所定の間隔に保持する支柱と、中空状の複数の鋼板が前記回転軸線方向に積層されることにより中空状に一体化され、かつ前記支柱にて拘束された積層鋼板と、を備え、
   前記積層鋼板の内周面には、半径方向内側に開口し、かつ前記回転軸線方向に延びるとともに、前記支柱と嵌り合う溝部が形成されていることを特徴とする中空ロータ。
2. 前記一対のエンドプレートのいずれか一方と前記積層鋼板との間に介在し、前記積層鋼板の前記支柱に対する前記回転軸線方向の相対移動を阻止する拘束部材を更に備える請求項１に記載の中空ロータ。
3. 前記拘束部材と前記積層鋼板との間に介在するミドルプレートを更に備える請求項２に記載の中空ロータ。
4. 前記溝部は、開口部よりも内部側が広くなるように構成されており、
   前記支柱は、その断面が、前記溝部の開口幅よりも狭い幅狭部と、前記溝部の開口幅よりも大きくかつ前記溝部の内部側に収まる大きさの幅広部とを有するように構成されている請求項１又は２に記載の中空ロータ。
5. 前記溝部は、円筒面状の内周面を有し、
   前記支柱は、前記溝部に嵌り合う直径を有する丸棒に対して、前記直径よりも小さい幅を有する二面幅部が前記幅狭部として形成されたものである請求項４に記載の中空ロータ。
6. 前記溝部を避けるようにして前記積層鋼板の前記内周面に取り付けられた永久磁石と、前記積層鋼板の前記内周面に形成され、前記溝部に沿って延びかつ半径方向内側に向かって突出し、前記永久磁石の端部が突き当てられる突出部と、を更に備える請求項１〜５のいずれか一項に記載の中空ロータ。
7. 前記積層鋼板の前記内周面と前記突出部との境界には、前記回転軸線方向に延びかつ半径方向外側に向かって窪む逃げ溝部が形成されている請求項６に記載の中空ロータ。

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