JP2014147228A - 回転電機の回転子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁鋼板を積層して構成される中空ロータコア部における電磁鋼板の締結用の通し孔にズレがあっても締結部材と孔を密着させることができる回転電機の回転子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】中空ロータコア部２０は、電磁鋼板を積層して構成され、円筒状をなし、かつ、内周面および外周面がギャップ面となり、有底管状ピン用の第１の孔２１を有する。第１の回転支持部材３０は、有底管状ピン用の第２の孔３１を有する。第２の回転支持部材４０は、有底管状ピン用の第３の孔４１を有する。有底管状ピン７０は、第１の孔２１、第２の孔３１、第３の孔４１に挿入され、フランジ部７２が、第１の回転支持部材３０の第２の孔３１から突出する一端に形成され、拡管部７３が、第１の孔２１、第２の孔３１、第３の孔４１に密着するように液圧により塑性変形されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、円筒状の中空ロータコア部を有する回転電機の回転子およびその製造方法に関するものである。

回転電機において、シャフトに固定されるロータコア部を異なる形状の２種類の電磁鋼板を積層して構成する場合の締結方法の一例としてフランジ付管状部材等を用いて固定している（例えば、特許文献１）。具体的には、一端に予めフランジ部が形成された管状部材がコアの貫通孔に挿入され、管状部材の内側にコアの貫通孔の径よりも直径が大きい球状の部材を通過させることにより拡管させるとともに、管状部材の他方の端部をコア外形に沿ってかしめ加工している。一方、中空ロータにおいては中空ロータコア部の内側の部材と外側の部材について同軸度を確保しなければならず、軸心の精度向上を図る必要がある。例えば、内側に巻線ロータ、外側に巻線ステータを持つ中空タイプの回転子の固定方法として、中空ロータコア部に孔を設けて、ボルト・ナットで締結し、軸方向の締付力で円筒度を確保していた。

特開２００５−１０２４６０号公報

ところで、電磁鋼板を積層して中空ロータコア部を構成する場合においては、中空ロータコア部が第１の回転支持部材と第２の回転支持部材との間において固定される。ボルト・ナットで締結すると、電磁鋼板の加工精度により、ボルトを通し孔に挿入できない。つまり、電磁鋼板におけるボルトの通し孔の位置にズレがあった場合に対応できない。

本発明の目的は、電磁鋼板を積層して構成される中空ロータコア部における電磁鋼板の締結用の通し孔にズレがあっても締結部材と孔を密着させることができる回転電機の回転子およびその製造方法を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、電磁鋼板を積層して構成され、円筒状をなし、かつ、内周面および外周面がギャップ面となり、有底管状ピン用の第１の孔を有する中空ロータコア部と、有底管状ピン用の第２の孔を有する第１の回転支持部材と、有底管状ピン用の第３の孔を有し、前記第１の回転支持部材とで前記中空ロータコア部を挟む第２の回転支持部材と、前記第１の孔、第２の孔、第３の孔に挿入され、前記第２の孔から突出する一端にフランジ部が形成されるとともに、前記第１の孔、第２の孔、第３の孔に密着するように液圧により塑性変形された拡管部を有する有底管状ピンと、を備えたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、中空ロータコア部は、電磁鋼板を積層して構成され、円筒状をなし、かつ、内周面および外周面がギャップ面となり、有底管状ピン用の第１の孔を有する。第１の回転支持部材と第２の回転支持部材とで中空ロータコア部が挟まれ、有底管状ピンが、中空ロータコア部の第１の孔、第１の回転支持部材の第２の孔、第２の回転支持部材の第３の孔に挿入される。有底管状ピンのフランジ部が第２の孔から突出する一端に形成されている。有底管状ピンの拡管部は、第１の孔、第２の孔、第３の孔に密着するように液圧により塑性変形されているので、電磁鋼板の締結用の通し孔としての第１の孔にズレがあっても締結部材としての有底管状ピンと第１の孔を密着させることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の回転電機の回転子において、前記有底管状ピンは、前記第３の孔から突出する一端には拡径部が形成されていると、拡径部により容易に抜けを防止することができる。

請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の回転電機の回転子において、前記中空ロータコア部において周方向に前記有底管状ピン用の第１の孔と永久磁石埋込孔とが交互に形成されている場合に適用するとよい。

請求項４に記載の発明では、電磁鋼板を積層して構成され、円筒状をなし、かつ、内周面および外周面がギャップ面となり、有底管状ピン用の第１の孔を有する中空ロータコア部と、有底管状ピン用の第２の孔を有する第１の回転支持部材と、有底管状ピン用の第３の孔を有し、前記第１の回転支持部材とで前記中空ロータコア部を挟む第２の回転支持部材と、を備えた回転電機の回転子の製造方法において、一端にフランジ部が形成された有底管状ピンを前記第１の回転支持部材の第２の孔、前記中空ロータコア部の第１の孔、前記第２の回転支持部材の第３の孔に挿入する第１工程と、前記有底管状ピンを液圧プレスによって塑性変形により拡管して前記第１の孔、第２の孔、第３の孔に密着させる第２工程と、を含むことを要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、第１工程において、一端にフランジ部が形成された有底管状ピンが第１の回転支持部材の第２の孔、中空ロータコア部の第１の孔、第２の回転支持部材の第３の孔に挿入される。第２工程において、有底管状ピンが液圧プレスによって塑性変形により拡管されて第１の孔、第２の孔、第３の孔に密着される。その結果、請求項１に記載の回転電機の回転子を製造することができる。

請求項５に記載のように、請求項４に記載の回転電機の回転子の製造方法において、前記第１工程において、前記第３の孔から前記有底管状ピンが突出するように挿入され、前記第２工程において、前記有底管状ピンにおける前記第３の孔から突出した部位を拡径すると、有底管状ピンにおける拡径した部位が抜け止めになる。

本発明によれば、電磁鋼板を積層して構成される中空ロータコア部における電磁鋼板の締結用の通し孔にズレがあっても締結部材と孔を密着させることができる。

実施形態における磁石ロータの斜視図。 磁石ロータの分解斜視図。 （ａ）は回転電機の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 回転電機の一部拡大縦断面図。 回転電機の一部拡大正面図。 （ａ）は製造工程を説明するための磁石ロータおよび巻線ロータの縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 製造工程を説明するための磁石ロータおよび巻線ロータの一部拡大縦断面図。 製造工程を説明するための断面図。 （ａ）製造工程を説明するための回転電機の有底管状ピン配置部の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図。 （ａ）製造工程を説明するための回転電機の有底管状ピン配置部の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図。 （ａ）は比較のための回転電機の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 比較のための磁石ロータの分解斜視図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図３に示すように、回転電機１は、回転子としての磁石ロータ１０と、巻線ステータ１００と、巻線ロータ１１０を備える。磁石ロータ１０は、円筒状をなし、その外側に円筒状の巻線ステータ１００がギャップ（磁気的空隙）を介して配置されている。また、磁石ロータ１０の内側に円筒状の巻線ロータ１１０がギャップ（磁気的空隙）を介して配置されている。磁石ロータ１０と巻線ステータ１００と巻線ロータ１１０とは同軸上に配置されている。磁石ロータ１０は車両の出力軸（または入力軸）につながり、巻線ロータ１１０は入力軸（または出力軸）につながる。

巻線ステータ１００のコア部１０１には複数のスロット１０２が周方向に並べて形成され、各スロット１０２は円筒形コア部１０１の内周面に開口している。スロット１０２にはコイル１０３が挿入されている。巻線ロータ１１０のコア部１１１には複数のスロット１１２が周方向に並べて形成され、各スロット１１２は円筒形コア部１１１の外周面に開口している。スロット１１２にはコイル１１３が挿入されている。

図１，２に示すように、磁石ロータ１０は、中空ロータコア部（磁石ロータコア部）２０と、第１の回転支持部材３０と、第２の回転支持部材４０と、第１の端板５０と、第２の端板６０と、複数本（具体的には８本）の有底管状ピン７０とを備える。中空ロータコア部２０は、電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、円筒状をなしている。中空ロータコア部２０は、内周面および外周面がギャップ面となる。中空ロータコア部２０は、有底管状ピン用の８つの第１の孔２１および８つの永久磁石埋込孔２２を有する。第１の孔２１および永久磁石埋込孔２２は軸方向に延びている（貫通している）。また、８つの第１の孔２１は周方向において等角度に形成されている。中空ロータコア部２０において周方向に有底管状ピン用の第１の孔２１と永久磁石埋込孔２２とが交互に形成されている。また、断面長方形状の永久磁石埋込孔２２には断面長方形状の永久磁石２５が嵌入され、永久磁石埋込型回転子を構成する。

第１の回転支持部材３０は、お椀形状をなし、中心には軸部３０ａを有する。お椀形状の第１の回転支持部材３０での開口部において円周部３０ｂは有底管状ピン用の８つの第２の孔３１を有する。第２の回転支持部材４０は、お椀形状をなし、中心部は貫通孔４０ａを有する。お椀形状の第２の回転支持部材４０での開口部において円周部４０ｂは、有底管状ピン用の８つの第３の孔４１を有する。第１の回転支持部材３０と第２の回転支持部材４０とで中空ロータコア部２０を挟んでいる。

第１の端板５０は、円板状をなし、有底管状ピン用の８つの通し孔５１を有する。第１の端板５０は、第１の回転支持部材３０と中空ロータコア部２０との間に配置されている。第２の端板６０は、円板状をなし、有底管状ピン用の８つの通し孔６１を有する。第２の端板６０は、第２の回転支持部材４０と中空ロータコア部２０との間に配置されている。

有底管状ピン７０は、ステンレス鋼よりなる（例えばＳＵＳ３０４）。図２，４に示すように、有底管状ピン７０の本体部７１は、第１の回転支持部材３０の第２の孔３１、第１の端板５０の通し孔５１、中空ロータコア部２０の第１の孔２１、第２の端板６０の通し孔６１、第２の回転支持部材４０の第３の孔４１に挿入されている。有底管状ピン７０は、フランジ部７２、拡管部７３、拡径部７４を有する。本体部７１の一端は開口し、本体部７１よりも拡径なフランジ部７２が形成され、フランジ部７２は第１の回転支持部材３０の第２の孔３１から突出する一端に形成されている。本体部７１の他端は閉塞されており、有底管状ピン７０は袋状をなしている。

拡管部７３は、中空ロータコア部２０の第１の孔２１、第１の回転支持部材３０の第２の孔３１、第２の回転支持部材４０の第３の孔４１に密着するように液圧により塑性変形されている。この状態において有底管状ピン７０を用いて中空ロータコア部２０、第１の回転支持部材３０および第２の回転支持部材４０が連結されている。本体部７１の他端には本体部７１よりも拡径された拡径部７４が形成され、拡径部７４は、第２の回転支持部材４０の第３の孔４１から突出する端部において形成され、中空フランジ状となっている。これにより、軸方向に締結されている。

図５に示すように、中空ロータコア部２０における有底管状ピン７０が通る第１の孔２１と中空ロータコア部２０の内周面および外周面との間の部位（ブリッジ部）のそれぞれの幅（ブリッジ幅）ｄ１，Ｄ１は、後記するボルト・ナットで締結する構造（図１１，１２）に比べ小さくなっている。

次に、このように構成した回転電機の回転子（磁石ロータ１０）の作用について説明する。
製造工程において、巻線ロータ１１０、および、組付け前の磁石ロータ１０（構成部品）を用意し、図６，７に示すように、巻線ロータ１１０を磁石ロータ１０に通す。このとき、治具（金型）により磁石ロータ１０の第１の回転支持部材３０と第２の回転支持部材４０の位置を決めておく。この状態において、一端にフランジ部７２が形成された有底管状ピン７０を、第１の回転支持部材３０の第２の孔３１、第１の端板５０の通し孔５１、中空ロータコア部２０の第１の孔２１、第２の端板６０の通し孔６１、第２の回転支持部材４０の第３の孔４１に挿入する。つまり、フランジ付の有底管状ピン７０を用意し、有底管状ピン７０の一端は、フランジ形状となっており、第１の回転支持部材３０の第２の孔３１の開口部周りに面あたりする。また、図７に示すピン挿入状態（液圧プレス前）においては、有底管状ピン７０の本体部７１の外周面と各孔３１，５１，２１，６１，４１との間には隙間Ｇが存在する。さらに、有底管状ピン７０は第２の回転支持部材４０の第３の孔４１から軸方向に突出するように挿入される。

その後、図８に示すように液圧プレスを行う。つまり、有底管状ピン７０におけるフランジ部７２を形成した側から有底管状ピン７０の内側に水や油等の液圧を印加して有底管状ピン７０を液圧プレスによって有底管状ピン７０の内径側から塑性変形により拡管する。これにより、有底管状ピン７０の外周面と、第１の回転支持部材３０の第２の孔３１、中空ロータコア部２０の第１の孔２１、第２の回転支持部材４０の第３の孔４１が密着する。

より詳しくは、有底管状ピン７０を挿入した状態において、図８に示すように、金型９０，９１を用いて軸方向において磁石ロータ１０（有底管状ピン７０）を挟んだ状態から、有底管状ピン７０の内部への液圧の印加により、有底管状ピン７０の拡管が可能となる。この時、８本全ての有底管状ピン７０に対して同時に拡管するとよい。

液圧プレスについて図９，１０を用いて言及する。図９に示すように、電磁鋼板８０，８１，８２が積層され、それぞれ孔８０ａ，８１ａ，８２ａを有する。このとき、孔８０ａ，８１ａ，８２ａの位置がズレていたとする。この場合には各電磁鋼板の孔のうち有底管状ピン７０と接している箇所と接していない箇所が存在する。液圧プレスにより図１０に示すように、有底管状ピン７０が拡管して孔８０ａ，８１ａ，８２ａと密着する。

このように、電磁鋼板８０，８１，８２を積層して構成される中空ロータコア部２０における各電磁鋼板の締結用の通し孔（８０ａ，８１ａ，８２ａ）にズレがあっても全ての電磁鋼板の孔に対して締結部材としての有底管状ピン７０を密着させることができる。

この拡管により、有底管状ピン７０を用いて中空ロータコア部２０、第１の回転支持部材３０および第２の回転支持部材４０が連結される。この状態において、中空ロータコア部２０の両側の回転支持部材３０，４０と中空ロータコア部２０の内外径の同軸を確保することができる。即ち、巻線ロータ１１０から見た場合の中空ロータコア部２０の軸を同軸にすることができ、また、巻線ステータ１００（図３参照）から見た場合の中空ロータコア部２０の軸を同軸にすることが可能となる。

拡管と同時に、第２の回転支持部材４０側の有底管状ピン７０の端部が成形され、中空フランジ形状に変形させて拡径部７４（図４参照）を形成する。つまり、有底管状ピン７０の他端は、拡管時に、第２の回転支持部材４０の第３の孔４１から突出した部位をプレス型形状にて、即ち、金型９０の当接部９０ａ（図８参照）に押し当てて径方向に膨らませる処理にて中空フランジ形状に成形する。このように、同じ工程で有底管状ピン７０の端部を押さえ込ませて抜け止め用の拡径部７４を形成する。

その結果、図１に示す磁石ロータ１０の組付けが完了する。その後、巻線ロータ１１０および磁石ロータ１０に対し巻線ステータ１００を組み付ける。
このようにして、液圧プレスによる有底管状ピン７０の拡管により、中空ロータコア部２０と有底管状ピン７０を締まり嵌め状態にすることができ、中空ロータコア部２０の円筒度を確保することができる。また、回転トルクも全ての有底管状ピン７０で受けることができる。

図１１，１２は、比較のための図であり、ボルト・ナットを用いて電磁鋼板を締結した場合の構造を示す。中空ロータコア部２００にはボルトの通し孔２０１が形成され、通し孔２０１にボルト２５０を通して両側からナット２５１，２５２を用いて締結する。この場合においては、回転強度を確保するために、ブリッジ幅（図５のｄ１値、Ｄ１値）を大きく維持する必要があった。

つまり、ロータ組付けの位置決めをする場合、全ボルトをリーマボルトのようにしてしまうと、コア部の加工精度により、ボルトをコア部のボルト通し孔に挿入できなくなる。このため、対角線上の２本のボルトのみリーマボルトにして位置決めをする方法を採用する。この構造は、締結部品だけでも点数が多いため、組付け工数・コストもかかる構造となる。また、ナットの座面を確保するため、コア部の内外径差を大きくするか、ナットのネジサイズを小さくする必要がある。さらに、ボルトの通し孔とコア部の内周面および外周面との間の部位（ブリッジ部）のそれぞれの幅（ブリッジ幅）は、モータの磁気特性を上げるために、小さくするほうが望ましいが、前述の座面確保の観点から、広くなってしまう。

これに対し本実施形態においては、比較例でのボルト２５０、ナット２５１，２５２の３部品構成が１部品となる。よって、コスト低減が可能となる。また、本実施形態でのピンのフランジ部７２および拡径部７４の径は、必要最小限の設定が可能で、比較例でのナット２５１，２５２の座面径よりも小さくできる。そのため、中空ロータコア部２０の幅、即ち、図５での内外径の差ΔＷも小さくすることができる。これにより、中空ロータコア部２０を径方向に小型化できる。また、有底管状ピン７０の拡管により締まり嵌めとすることでガタを無くすことができ、正確に位置決めできる。

さらに、電磁鋼板を積層して構成される中空ロータコア部２０に対し拡管により残留応力がはいり、そのため、磁気抵抗を増加することができ、結果、ブリッジ幅を小さくしたことと同じ効果を発揮させることができる。換言すると、モータの磁気特性を上げるために拡管構造とすることで電磁鋼板に残留応力を持たせることにより磁気抵抗を増加してモータ特性を確保できる。

例えば、電磁鋼板に残留応力が無くブリッジ幅（図５のｄ１値、Ｄ１値）が２ｍｍである場合と比較する。本実施形態のように電磁鋼板に残留応力を与えることにより、実質的なブリッジ幅（短絡磁束が通る経路幅）を０．５ｍｍにすることができる。このように、電磁鋼板の拡管に伴う締まり嵌めによる残留応力により特性劣化を活かして電磁鋼板として機能をさせない領域にして実測のブリッジ幅が２ｍｍでも１．５ｍｍの残留応力幅とすることによりモータとしての性能上では０．５ｍｍにすぎない。よって、製造では作り込めない寸法を実現でき、これにより、短絡磁束が通りにくくできる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）回転電機の回転子としての磁石ロータ１０の構成として、有底管状ピン７０が、中空ロータコア部２０の第１の孔２１、第１の回転支持部材３０の第２の孔３１、第２の回転支持部材４０の第３の孔４１に挿入される。有底管状ピン７０には、フランジ部７２が第２の孔３１から突出する一端に形成されているとともに、拡管部７３が第１の孔２１、第２の孔３１、第３の孔４１に密着するように液圧により塑性変形されている。これにより、電磁鋼板を積層して構成される中空ロータコア部２０における電磁鋼板の通し孔としての第１の孔２１にズレがあっても締結部材しての有底管状ピン７０と第１の孔２１を密着させることができる。また、ボルト・ナットで締結しておらず、中空ロータコア部２０を径方向に小型化できる。

（２）有底管状ピン７０を拡管させることにより中空ロータコア部２０（電磁鋼板の積層体）に残留応力がはいる。これにより、磁気回路における実質的なブリッジ幅（短絡磁束が通る経路幅）を小さくすることができ、短絡磁束の通りにくい構造とすることができる。

（３）有底管状ピン７０は、第２の回転支持部材４０の第３の孔４１から突出する一端には拡径部７４が形成されているので、拡径部７４により容易に抜けを防止することができる。

（４）回転電機の回転子（磁石ロータ）の製造方法として、第１工程と第２工程とを含む。第１工程においては、一端にフランジ部７２が形成された有底管状ピン７０を第１の回転支持部材３０の第２の孔３１、中空ロータコア部２０の第１の孔２１、第２の回転支持部材４０の第３の孔４１に挿入する。第２工程においては、有底管状ピン７０を液圧プレスによって塑性変形により拡管して第１の孔２１、第２の孔３１、第３の孔４１に密着させる。これにより、上記（１）の回転電機の磁石ロータ１０を製造することができる。

（５）第１工程において、第３の孔４１から有底管状ピン７０が突出するように挿入し、第２工程において、有底管状ピン７０における第３の孔４１から突出した部位を拡径するようにした。よって、有底管状ピン７０における拡径した部位（拡径部７４）が抜け止めになる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・有底管状ピン７０は、第２の回転支持部材４０の第３の孔４１の少なくとも一部と密着するように拡管されていればよい。

・磁石ロータ１０の内側にはロータ（１１０）を設けたが、ステータでもよい。
・中空ロータコア部（電磁鋼板）における拡管により残留応力がはいる領域は任意である。

１０…磁石ロータ、２０…中空ロータコア部、２１…第１の孔、２２…永久磁石埋込孔、３０…第１の回転支持部材、３１…第２の孔、４０…第２の回転支持部材、４１…第３の孔、７０…有底管状ピン、７２…フランジ部、７３…拡管部、７４…拡径部。

Claims (5)

1. 電磁鋼板を積層して構成され、円筒状をなし、かつ、内周面および外周面がギャップ面となり、有底管状ピン用の第１の孔を有する中空ロータコア部と、
   有底管状ピン用の第２の孔を有する第１の回転支持部材と、
   有底管状ピン用の第３の孔を有し、前記第１の回転支持部材とで前記中空ロータコア部を挟む第２の回転支持部材と、
   前記第１の孔、第２の孔、第３の孔に挿入され、前記第２の孔から突出する一端にフランジ部が形成されるとともに、前記第１の孔、第２の孔、第３の孔に密着するように液圧により塑性変形された拡管部を有する有底管状ピンと、
   を備えたことを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記有底管状ピンは、前記第３の孔から突出する一端には拡径部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記中空ロータコア部において周方向に前記有底管状ピン用の第１の孔と永久磁石埋込孔とが交互に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の回転子。
4. 電磁鋼板を積層して構成され、円筒状をなし、かつ、内周面および外周面がギャップ面となり、有底管状ピン用の第１の孔を有する中空ロータコア部と、
   有底管状ピン用の第２の孔を有する第１の回転支持部材と、
   有底管状ピン用の第３の孔を有し、前記第１の回転支持部材とで前記中空ロータコア部を挟む第２の回転支持部材と、
   を備えた回転電機の回転子の製造方法において、
   一端にフランジ部が形成された有底管状ピンを前記第１の回転支持部材の第２の孔、前記中空ロータコア部の第１の孔、前記第２の回転支持部材の第３の孔に挿入する第１工程と、
   前記有底管状ピンを液圧プレスによって塑性変形により拡管して前記第１の孔、第２の孔、第３の孔に密着させる第２工程と、
   を含むことを特徴とする回転電機の回転子の製造方法。
5. 前記第１工程において、前記第３の孔から前記有底管状ピンが突出するように挿入され、
   前記第２工程において、前記有底管状ピンにおける前記第３の孔から突出した部位を拡径することを特徴とする請求項４に記載の回転電機の回転子の製造方法。