JP2014158355A - 回転電機および回転電機の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小径の軸受を使用することができる回転電機および回転電機の製造方法を提供する。
【解決手段】ハウジングに固定されたステータの内方においてハウジングに対し軸受４０によりロータが支持されている。ロータコア３１を貫通するとともに軸受４０により回転可能に支持されたシャフト３２は、ロータコア側シャフト３３と、一方側に軸受４０に挿入される軸受支持部３４ａを有する出力側シャフト３４とを含み、軸受４０に軸受支持部３４ａを挿入した状態で出力側シャフト３４の一方側先端とロータコア側シャフト３３とが連結されている。出力側シャフト３４の最大外径をφ１とし、第１の軸受４０の内径に対応する軸受支持部３４ａの軸受支持面である、軸受４０に接する面Ｓｏの外径をφ２とし、ロータコア側シャフト３３における出力側シャフト３４との連結部での外径をφ３としたときの関係として、φ２＜φ１かつφ２＜φ３を満たしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機および回転電機の製造方法に関するものである。

回転電機においてロータのシャフトを３箇所以上で支持する構成が知られている（例えば、特許文献１）。これにより支持位置同士の間隔を短くして許容回転速度を向上させることが可能となる。

特開平６−３１１６８６号公報

ところで、ロータのシャフトに対し軸受をシャフト両端側に加えて中央部にも配置して支持間隔の短縮化に伴い高速化に対応しようする場合、ロータコアおよびステータを軸方向に２分割する必要があり、そのため軸方向の長さ（全長）が長くなってしまう。また、高速回転可能な技術として軸受の数を増やしてシャフトの軸方向における支持間隔を短くして高速対応可能としているが、出力側の都合でシャフトの出力径を太くしたい場合には径の大きな軸受を用いる必要があり、こうすると高速回転に不向きなものとなってしまう。即ち、高速回転に対応すべく軸受の数を増やすとシャフトの全長が長くなってしまうので、全長が長くなることなく高速対応することが望まれており、そのために軸受の小径化を図りたい。

本発明の目的は、小径の軸受を使用することができる回転電機および回転電機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、ハウジングに固定されたステータの内方において前記ハウジングに対し軸受によりロータが支持された回転電機であって、ロータは、ロータコアと、前記ロータコアを貫通するとともに軸受により回転可能に支持されたシャフトを備えており、前記シャフトは、ロータコア側シャフトと、一方側に軸受に挿入される軸受支持部を有する出力側シャフトとを含み、軸受に前記軸受支持部を挿入した状態で前記出力側シャフトの一方側先端とロータコア側シャフトとが連結されており、出力側シャフトの最大外径をφ１とし、前記軸受支持部の軸受支持面の外径をφ２とし、ロータコア側シャフトにおける前記出力側シャフトとの連結部での外径をφ３としたときの関係として、φ２＜φ１かつφ２＜φ３を満たしていることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、ロータは、ロータコアと、ロータコアを貫通するとともに軸受により回転可能に支持されたシャフトを備えており、シャフトは、ロータコア側シャフトと、一方側に軸受に挿入される軸受支持部を有する出力側シャフトとを含み、軸受に軸受支持部を挿入した状態で出力側シャフトの一方側先端とロータコア側シャフトとが連結されており、出力側シャフトの最大外径をφ１とし、軸受支持部の軸受支持面の外径をφ２とし、ロータコア側シャフトにおける出力側シャフトとの連結部での外径をφ３としたときの関係として、φ２＜φ１かつφ２＜φ３を満たしているので、小径の軸受を使用することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の回転電機において、前記ロータコア側シャフトが中空構造をなすことを要旨とする。
請求項２に記載の発明によれば、駄肉を削減できる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の回転電機において、前記ロータコア側シャフトと前記出力側シャフトとは、摩擦圧接にて連結されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、同軸にしやすいとともに高強度化を図ることができる。
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の回転電機において、前記ロータコア側シャフトは、外周部にロータコアを固定するための鍔をロータコアに対し前記出力側シャフト側に設けたことを要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、ロータコアを組み付ける前に摩擦圧接することが可能となる。
請求項５に記載の発明では、請求項３に記載の回転電機において、前記出力側シャフトにおける一方側先端がφ２より小径になるような段差を有し、当該段差の先端面において前記ロータコア側シャフトと摩擦圧接してなることを要旨とする。

請求項５に記載の発明によれば、軸受側に盛り肉が広がらず余肉が軸受の邪魔にならなくすることができる。
請求項６に記載の発明では、ロータが、ロータコアと、前記ロータコアを貫通するとともに軸受により回転可能に支持されたシャフトを備え、前記シャフトは、ロータコア側シャフトと、一方側に軸受に挿入される軸受支持部を有する出力側シャフトとを含み、軸受に前記軸受支持部を挿入した状態で前記出力側シャフトの一方側先端とロータコア側シャフトとが連結されており、出力側シャフトの最大外径をφ１とし、前記軸受支持部の軸受支持面の外径をφ２とし、ロータコア側シャフトにおける前記出力側シャフトとの連結部での外径をφ３としたときの関係として、φ２＜φ１かつφ２＜φ３を満たしている回転電機の製造方法であって、軸受に出力側シャフトを差し込んだ状態でロータコア側シャフトおよび出力側シャフトのうちの少なくとも一方を回転させながらロータコア側シャフトと出力側シャフトとを押し付けて出力側シャフトとロータコア側シャフトとを摩擦圧接する摩擦圧接工程と、摩擦圧接したロータコア側シャフトにロータコアを組み付けるロータコア組付工程と、を有することを要旨とする。

請求項６に記載の発明によれば、摩擦圧接工程において、軸受に出力側シャフトを差し込んだ状態でロータコア側シャフトおよび出力側シャフトのうちの少なくとも一方を回転させながらロータコア側シャフトと出力側シャフトとが押し付けられて出力側シャフトとロータコア側シャフトとが摩擦圧接される。そして、ロータコア組付工程において、摩擦圧接したロータコア側シャフトにロータコアが組み付けられる。よって、ロータコアを組み付ける前にシャフトを一体化するので、摩擦圧接を容易に行うことができる。

本発明によれば、小径の軸受を使用することができる。

実施形態におけるモータを模式的に示す側断面図。 モータのシャフト部分を示す側断面図。 図２のＡ部におけるシャフトの接合部を模式的に示す側断面図。 シャフトの製造工程を説明するための模式側断面図。 シャフトの製造工程を説明するための模式側断面図。 別例のシャフトの接合部を模式的に示す側断面図。 比較のためのモータを模式的に示す側断面図。 比較のためのモータのシャフト部分を示す側断面図。

以下、本発明を回転電機としてのモータ（回転電動機）に具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
なお、本実施形態のモータは、シャフトの回転駆動力を減速機を介して駆動輪に伝達するために車両に搭載される走行モータであり、この走行モータは大きなトルクを出す必要がある。

図１に示すように、回転電機としてのモータ１０は、ステータ２０と、ロータ３０と、軸受４０，５０と、ハウジング６０を備えている。ハウジング６０に固定されたステータ２０の内方においてハウジング６０に対し軸受４０，５０によりロータ３０が支持されている。

モータ１０のハウジング６０は、円筒状の本体部６１と、本体部６１の一端開口部６１ａを閉塞する円板状のフロントプレート６２と、本体部６１の他端開口部６１ｂを閉塞する円板状のリヤプレート６３とから形成されている。本体部６１、フロントプレート６２、およびリヤプレート６３は金属材料（例えばアルミニウム）により形成されている。

ロータ３０は、ロータコア３１と、ロータコア３１を貫通するとともに軸受４０，５０により回転可能に支持されたシャフト３２を備える。本体部６１内にはシャフト３２が収容されている。シャフト３２の出力端側（一端側）は、第１の軸受４０を介してフロントプレート６２に突設された円筒状の第１の軸支部６２ａに回転可能に支持されている。また、シャフト３２の反出力端側（他端側）は、第２の軸受５０を介してリヤプレート６３に突設された円筒状の第２の軸支部６３ａに回転可能に支持されている。シャフト３２の出力端は、フロントプレート６２を貫通してハウジング６０外へ突出している。シャフト３２の出力端には、変速機（図示略）が取り付けられる。

ハウジング６０の本体部６１の内周面にはステータ２０が固定されている。ステータ２０は、本体部６１の他端開口部６１ｂを介して本体部６１内に挿入されるとともに、焼き嵌めによって本体部６１の内周面に固定されている。ステータ２０は、本体部６１の内周面に固定された環状のステータコア２１のティース（図示せず）にコイル２２が捲回されて構成されている。ステータコア２１は、磁性体（電磁鋼板）であるコア板を複数枚積層することで構成されている。ステータ２０の内側にはシャフト３２と一体回転するロータ３０が配設されている。ロータ３０のロータコア３１がシャフト３２に止着され、ロータコア３１には複数の永久磁石（図示略）が埋設されている。ロータコア３１は、磁性体（電磁鋼板）であるコア板を複数枚積層することで構成されている。ロータコア３１は、固定部材３７と鍔（フランジ部）３３ｃとの間で挟み込まれており、シャフト３２の軸方向への移動が規制されている。

シャフト３２の外周面とフロントプレート６２との間には環状のオイルシール７０が配設されている。オイルシール７０は、第１の軸受４０よりもシャフト３２の出力端側に位置している。そして、このオイルシール７０により、シャフト３２の外周面とフロントプレート６２との間を介した外部からハウジング６０内への異物の侵入が防止されている。

フロントプレート６２は、ねじ止め等により、ハウジング６０の本体部６１に取り付けられている。また、リヤプレート６３は、ねじ止め等により、ハウジング６０の本体部６１に取り付けられている。

シャフト３２は、ロータコア側シャフト３３と出力側シャフト３４とに分割されている。出力側シャフト３４は、一方側に第１の軸受４０に挿入される軸受支持部３４ａを有している。即ち、シャフト３２は、ロータコア側シャフト３３と、一方側に軸受４０に挿入される軸受支持部３４ａを有する出力側シャフト３４とを含んでいる。シャフト３２は、軸受４０に軸受支持部３４ａを挿入した状態で出力側シャフト３４の一方側先端とロータコア側シャフト３３とが連結されている。

図２に示すように、出力側シャフト３４の最大外径をφ１とし、第１の軸受４０の内径に対応する軸受支持部３４ａの軸受支持面である、軸受４０に接する面Ｓｏの外径をφ２とし、ロータコア側シャフト３３における出力側シャフト３４との連結部での外径をφ３としたときの関係として、φ２＜φ１かつφ２＜φ３を満たしている。具体的には、例えば、出力側シャフト３４の外径φ１が４０ｍｍ、面Ｓｏの外径φ２が３０ｍｍ、ロータコア側シャフト３３における出力側シャフト３４との連結部での外径φ３が５０ｍｍ程度である。なお出力側シャフト３４の外径φ１と第１の軸受４０の外径とはφ１のほうが小さく設定されている。

また、ロータコア側シャフト３３が中空構造をなしており、ロータコア側シャフト３３には軸方向に延びる空洞３３ａが形成されている。また、出力側シャフト３４が中空構造をなしており、出力側シャフト３４には軸方向に延びる空洞３４ｃが形成されている。ロータコア側シャフト３３と出力側シャフト３４とは、図３に示すように、摩擦圧接にて連結されている。

図３に示すように、ロータコア側シャフト３３と出力側シャフト３４との連結部において、ロータコア側シャフト３３における先端の内周側の角部に段差３３ｂが形成されている。この段差３３ｂに対応するように、出力側シャフト３４における一方側先端の外周側の角部に段差３４ｂが形成されている。つまり、出力側シャフト３４における第１の軸受４０に接する面Ｓｏに段差３４ｂを有している。言い換えると、一方側先端がφ２より小径になるような段差３４ｂを有していると言える。段差３４ｂの先端面においてロータコア側シャフト３３（段差３３ｂの形成部）と摩擦圧接している。また、段差３３ｂにおける軸方向に延びる面と段差３４ｂにおける軸方向に延びる面とは離間しており、この隙間に摩擦圧接の際の出力側シャフト３４の先端面のうちの出力側シャフト３４の盛り肉が広がっている。ロータコア側シャフト３３における摩擦圧接の際の盛り肉はロータコア側シャフト３３の先端面のうちの内周側に広がっている。

図２に示すように、ロータコア側シャフト３３の外周面にロータコア３１が配置されるが、ロータコア側シャフト３３は、外周部にロータコア３１を固定するための鍔（フランジ部）３３ｃがロータコア３１に対し出力側シャフト３４側に設けられている。そして、鍔３３ｃにフロント側エンドプレート３５を介してロータコア３１が当接してロータコア３１の軸方向の移動を規制している。つまり、鍔３３ｃがロータコア３１のストッパとなっており、ロータコア３１は右側からシャフト３３に挿入され、リヤ側エンドプレート３６を挟んで固定部材３７（図１参照）が配置される。なお固定部材３７は第２の軸支部６３ａおよび軸受５０の外輪とは回転に支障の無いように離間し、シャフト３２と一体回転する。

出力側シャフト３４の反軸受側の端部はギヤ部（歯車部）となっている。シャフト３４が大径となっており、これにより、大きな径のギヤ部を有する。この場合、径の大きな別部品のギヤを嵌め込む場合に比べ部品点数を少なくすることができる。

次に、本実施形態の作用について説明する。
組み立ての際において、ロータコア側シャフト３３と出力側シャフト３４とを摩擦圧接にて連結する。具体的には、第１の軸受４０に出力側シャフト３４を差し込む。この状態でロータコア側シャフト３３を図４のように持ってくる。そして、例えば出力側シャフト３４が停止した状態で、ロータコア側シャフト３３を高速回転させるとともに、高速回転させたロータコア側シャフト３３を出力側シャフト３４に押し付ける。このとき、図５に示すように、ロータコア側シャフト３３と出力側シャフト３４の先端面同士が接触して摩擦圧接される。

このようにしてロータコア側シャフト３３と出力側シャフト３４とを摩擦圧接にて連結した後に、フロント側エンドプレート３５とロータコア３１とリヤ側エンドプレート３６と固定部材３７を順にロータコア側シャフト３３に挿入する。そして、鍔３３ｃと固定部材３７との間において、両エンドプレート３５，３６間にロータコア３１が挟持される。このようにして、摩擦圧接したシャフト３２におけるロータコア側シャフト３３にロータコア３１が組み付けられる。よって、ロータコア３１を組み付ける前にシャフトを一体化するので、摩擦圧接を容易に行うことができる。引き続き、第２の軸受５０をロータコア側シャフト３３に装着する。

そして、ハウジング６０の本体部６１の内周面にステータ２０が固定されているものを用意する。このハウジング６０の本体部６１の内部にシャフト３２を配置する。また、フロントプレート６２を、ねじ止め等により、ハウジング６０の本体部６１に取り付けるとともに、リヤプレート６３をねじ止め等により、ハウジング６０の本体部６１に取り付ける。

このようにしてモータ１０が組み立てられる。
図７，８は比較例である。図７，８の比較例において、シャフト１００は一体部品であり、軸受１１０は一方向（図中の左側）から挿入する。そのため、シャフト１００の先端部外径φ１０（例えば４０ｍｍ）よりも大きな内径φ１１をもつ軸受１１０を用いることになる（選定することになる）。

これに対し図１，２に示す本実施形態においては、シャフト３２は、ロータコア側シャフト３３と、出力側シャフト３４からなり、両者が第１の軸受４０を挟んで摩擦圧接されている。これにより、図７，８に示した一体構造型シャフト１００を用いる場合に比べ、第１の軸受４０はその内径を小さくでき、内側の駄肉ＭＬも低減されている。つまり、駄肉ＭＬについて中空シャフトであるロータコア側シャフト３３での中空部の径を大きくすることができ、これにより軽量化が図られる。

このように、シャフト３２を分割して第１の軸受４０を挟み込んで摩擦圧接で一体化することにより、第１の軸受４０の前後のシャフト外径φ１，φ３よりも内径（内輪径）の小さい第１の軸受４０を使用することができる。

また、図７，８の比較例において、軸受１１０はシャフト１００に後から挿入される。そのため、シャフト１００の径によって内径（内輪径）を設定するが、シャフト１００の先端部の形状が太い場合、内径（内輪径）も大きく設定せざるを得なくなり、軸受１１０の周速が大きくなるため高速運転に不利となる。

これに対し図１，２に示す本実施形態においては、径の太いシャフト３２を有しつつ、高速回転を求められるモータ１０の軸受選定を容易にすることができる。また、シャフト３２を分割された素材から形成することで、シャフト３２の中心部の駄肉ＭＬを軽減し軽量化および材料費低減を図ることができる。また、図１，２の本実施形態では、鍔３３ｃをロータコア３１に対し出力側シャフト３４側に設けたので、ロータコア３１を組み付ける前にシャフト３２を一体化でき、摩擦圧接を容易に行うことができる。

このようにして、モータの軸受選定が容易となるとともにシャフト中心部の駄肉ＭＬを削減して軽量化・材料費低減が図られる。
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）回転電機としてのモータ１０の構成として、シャフト３２は、ロータコア側シャフト３３と第１の軸受４０に挿入される出力側シャフト３４とに分割されている。ここで、出力側シャフト３４の最大外径をφ１とし、第１の軸受４０の内径に対応する軸受支持部３４ａの軸受支持面である、軸受４０に接する面Ｓｏの外径をφ２とし、ロータコア側シャフト３３における出力側シャフト３４との連結部での外径をφ３としたときの関係として、φ２＜φ１かつφ２＜φ３を満たしている。よって、出力軸が大径化しても小さな軸受を用いて高速化可能であり、小径の軸受を使用することができる。

（２）ロータコア側シャフト３３が中空構造をなす。このとき、駄肉を削減できる。つまり、出力側シャフト３４を第１の軸受４０に差し込む構成とすることにより、中空型のロータコア側シャフト３３における空洞３３ａの径を大きくできる（ロータコア側シャフト３３の駄肉ＭＬを削減できる）。

（３）ロータコア側シャフト３３と出力側シャフト３４とは、摩擦圧接にて連結されている。よって、芯出しが容易であり（回転の芯が容易に合い）、同軸にしやすいとともに高強度化を図ることができる。

（４）ロータコア側シャフト３３は、外周部にロータコア３１を固定するための鍔３３ｃをロータコア３１に対し出力側シャフト３４側に設けたので、ロータコア３１を組み付ける前に摩擦圧接することが可能となる。

（５）出力側シャフト３４における一方側先端がφ２より小径になるような段差３４ｂを有し、当該段差３４ｂの先端面においてロータコア側シャフト３３と摩擦圧接してなる。よって、第１の軸受４０側に盛り肉が広がらず、余肉が第１の軸受４０の邪魔にならなくすることができる。

（６）回転電機としてのモータ１０の製造方法として、摩擦圧接工程と、ロータコア組付工程とを有する。摩擦圧接工程においては、第１の軸受４０に出力側シャフト３４を差し込んだ状態でロータコア側シャフト３３を回転させながらロータコア側シャフト３３を出力側シャフト３４に押し付けて出力側シャフト３４とロータコア側シャフト３３とを摩擦圧接する。広義には、軸受４０に出力側シャフト３４を差し込んだ状態でロータコア側シャフト３３および出力側シャフト３４のうちの少なくとも一方を回転させながらロータコア側シャフト３３と出力側シャフト３４とを押し付けて出力側シャフト３４とロータコア側シャフト３３とを摩擦圧接する。ロータコア組付工程においては、摩擦圧接したロータコア側シャフト３３にロータコア３１を組み付ける。よって、ロータコア３１を組み付ける前にシャフトを一体化するので、摩擦圧接を容易に行うことができる。

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。
・分割数が２以上であってよく、具体的には、図１の右側の軸受５０についても分割してもよい。つまり、シャフトの両端とも出力側とし、両方の端部も分割式シャフトとしてもよい。

・ロータコア側シャフト３３と出力側シャフト３４とは摩擦圧接にて結合（連結、一体化）したが、これに限らない。例えば、圧入、接着、溶接等でもよい。他にも、キー溝で回り止めしてもよい。

・シャフトの先端にギヤを一体的に形成したが、これに代わりシャフトの先端に別体のギヤや他部品を組み付けてもよい。
・シャフトにおける摩擦圧接する端部においてロータコア側シャフト３３の段差３３ｂと出力側シャフト３４の段差３４ｂの関係を逆にしてもよい。つまり、ロータコア側シャフト３３における先端の外周側の角部に段差を設けるとともに出力側シャフト３４における先端の内周側の角部に段差を設けてもよい。

・ロータコア側シャフト３３に段差３３ｂを設けるとともに出力側シャフト３４に段差３４ｂを設けたが、これに代わり、図６に示すようにロータコア側シャフト３３には段差３３ｂを設けるが出力側シャフト３４には段差を設けない構成としてもよい。

・ロータコア３１に永久磁石を埋設した永久磁石付の回転電機に限らず、リラクタンス回転電機、誘導機など他の形式の回転電機でもよい。

１０…モータ、２０…ステータ、３０…ロータ、３１…ロータコア、３２…シャフト、３３…ロータコア側シャフト、３３ｃ…鍔、３４…出力側シャフト、３４ａ…軸受支持部、３４ｂ…段差、４０…第１の軸受、６０…ハウジング、Ｓｏ…面、φ１…外径、φ２…外径、φ３…外径。

Claims (6)

1. ハウジングに固定されたステータの内方において前記ハウジングに対し軸受によりロータが支持された回転電機であって、
   ロータは、ロータコアと、前記ロータコアを貫通するとともに軸受により回転可能に支持されたシャフトを備えており、
   前記シャフトは、ロータコア側シャフトと、一方側に軸受に挿入される軸受支持部を有する出力側シャフトとを含み、軸受に前記軸受支持部を挿入した状態で前記出力側シャフトの一方側先端とロータコア側シャフトとが連結されており、
   出力側シャフトの最大外径をφ１とし、前記軸受支持部の軸受支持面の外径をφ２とし、ロータコア側シャフトにおける前記出力側シャフトとの連結部での外径をφ３としたときの関係として、φ２＜φ１かつφ２＜φ３を満たしていることを特徴とする回転電機。
2. 前記ロータコア側シャフトが中空構造をなすことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ロータコア側シャフトと前記出力側シャフトとは、摩擦圧接にて連結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。
4. 前記ロータコア側シャフトは、外周部にロータコアを固定するための鍔をロータコアに対し前記出力側シャフト側に設けたことを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. 前記出力側シャフトにおける一方側先端がφ２より小径になるような段差を有し、当該段差の先端面において前記ロータコア側シャフトと摩擦圧接してなることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
6. ロータが、ロータコアと、前記ロータコアを貫通するとともに軸受により回転可能に支持されたシャフトを備え、前記シャフトは、ロータコア側シャフトと、一方側に軸受に挿入される軸受支持部を有する出力側シャフトとを含み、軸受に前記軸受支持部を挿入した状態で前記出力側シャフトの一方側先端とロータコア側シャフトとが連結されており、出力側シャフトの最大外径をφ１とし、前記軸受支持部の軸受支持面の外径をφ２とし、ロータコア側シャフトにおける前記出力側シャフトとの連結部での外径をφ３としたときの関係として、φ２＜φ１かつφ２＜φ３を満たしている回転電機の製造方法であって、
   軸受に出力側シャフトを差し込んだ状態でロータコア側シャフトおよび出力側シャフトのうちの少なくとも一方を回転させながらロータコア側シャフトと出力側シャフトとを押し付けて出力側シャフトとロータコア側シャフトとを摩擦圧接する摩擦圧接工程と、
   摩擦圧接したロータコア側シャフトにロータコアを組み付けるロータコア組付工程と、
   を有することを特徴とする回転電機の製造方法。