JP2014236592A

JP2014236592A - 回転電機用ロータおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2014236592A
Application number: JP2013116795A
Authority: JP
Inventors: 伸二松川; Shinji Matsukawa
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2014-12-15

Abstract

【課題】ロータコアと回転軸との接触部の位相をずらすことにより、回転軸のセレーションの座屈を抑制し、ロータコアを回転軸に確実に保持できる回転電機用ロータおよびその製造方法を提供する。【解決手段】回転軸７は、４つのロータコア２固定用のキー溝８を所定角度位相をずらして形成されている。軸方向に４つの段に分割されたロータコア２の各段コアは、キー９をキー溝８の位置に合わせて周方向に位置をずらして永久磁石３を段積みする構造とされ、ロータコア２に段スキューを設ける。また、ロータコア２の内周面と回転軸７の外周面とは隙間を設け、各段コアの４つの突起部１０は、回転軸７の外周面と一部分で接触し、回転軸７の各段コアの接触部は周方向にずれて配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、電動モータなどの永久磁石式回転電機用ロータおよびその製造方法に関するものである。

従来、電動パワーステアリング装置や車両用駆動装置の駆動源として用いられる電動モータなどの永久磁石式回転電機の出力トルクに生じる脈動を抑制するために、例えば、ロータにおける永久磁石の磁極境界を軸方向から傾斜させるスキューが設けられている。ところが、永久磁石としてセグメント磁石を用いた場合、着磁によってスキューを設けることができないので、例えば、ロータにおける永久磁石を軸方向に複数の段に分割し各段の間で周方向の位置をずらすことによりスキューを設けることにより、すなわち、段スキュー（段積み）によりコギングトルクやトルクリップルを低減させた回転電機用ロータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１８０４９１号公報

通常、電動モータのロータは、電磁鋼板を打ち抜いて積層して形成されたロータコアに、例えば外周面にセレーションが設けられたシャフト（回転軸）を圧入して形成される。しかしながら、ロータコアを回転軸に挿入する場合、回転軸のセレーションは硬度の高いロータコア内周部と接触し圧入荷重により圧入開始端側が座屈を起しやすくなる。このため、特に回転軸の圧入先端部においてロータコアの保持力が低下する可能性がある。また、電動モータの高出力化に対してモータサイズが大型化し、ロータコアが軸方向に長くなると、荷重が高くなり圧入しにくくなったり、回転軸は圧入距離が長くなるため、回転軸のセレーションがより座屈しやすくなる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ロータコアと回転軸との接触部の位相をずらすことにより、回転軸のセレーションの座屈を抑制し、ロータコアを回転軸に確実に保持できる回転電機用ロータおよびその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、回転電機用ロータにおいて、外周面にセレーションが設けられた回転軸と、複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸方向に形成された複数のスロットに永久磁石が収容され、前記回転軸に一体的に固定されたロータコアと、を備え、前記回転軸は、外周面の周方向に所定の角度を有して複数の凹部が軸方向に形成され、前記ロータコアは、軸方向に複数の段に分割され、前記凹部の位相に合わせて各段の間で周方向の位置を均等にずらすことにより、前記永久磁石に段スキューが設けられていることを要旨とする。

上記構成によれば、ロータコアを軸方向に複数の段に分割し、回転軸に複数のロータコア固定用の凹部を形成し、凹部の位置に合わせて互いに隣接する各段の間で周方向の位置を均等にずらして分割されたロータコアに収容された永久磁石を段積み構造とするようにしたので、回転軸のセレーションの座屈を抑制し、ロータコアを回転軸に確実に保持できる。これにより、ロータコア内の永久磁石に段スキューを設けることができるので、回転電機におけるコギングトルクおよびトルクリップルを抑制することができる。その結果、回転電機の出力トルクに含まれる脈動を低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転電機用ロータにおいて、前記ロータコアは、内周面の一部分に径方向内側に突出した複数の突起部が形成され、前記回転軸の外周面に接触することを要旨とする。上記構成によれば、回転電機用ロータの回転軸とロータコアとは周方向の一部分で接触し、段スキューを設けることにより分割されたロータコアと回転軸との接触部の位置がずれるため、回転軸の外周面のセレーションが座屈しにくくなる。これにより、分割されたロータコアの圧入時に座屈したセレーションと残りの他段の分割されたロータコアの突起部が接触することがないので、ロータコアを回転軸に確実に保持することができる。

請求項３に記載の発明は、回転電機用ロータの製造方法において、外周面にセレーションが設けられた回転軸と、複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸方向に形成された複数のスロットに永久磁石が収容され、前記回転軸に一体的に固定されたロータコアと、を備え、前記回転軸は、外周面の周方向に所定角度位相を均等にずらして第１、第２、第３、および第４の凹部が軸方向に形成され、前記ロータコアは、軸方向に第1、第２、第３、および第４の段に分割され、前記各段には内周面の径方向内側に突出してそれぞれ位相の異なる前記凹部に嵌め込まれる凸部と、内周面の一部分に径方向内側に突出して前記回転軸を支持する複数の突起部と、が形成され、前記ロータコアの前記各段を前記回転軸に前記第１、第２、第３、および第４の段の順に圧入嵌合することにより、前記永久磁石に段スキューが設けられることを要旨とする。

上記構成によれば、互いに隣接する４つに分割されたロータコアを、回転軸の外周面に形成された４つの凹部の位相に合わせ均等に配置をずらして、順に回転軸に軸方向に圧入することにより、永久磁石に段スキューを設けることができる。これにより、ロータコアを回転軸の凹部を位相基準にして所定の位相となるように回転軸に組み付けることができる。また、ロータコアが複数の突起部により回転軸に確実に保持されるので、ロータコアの同軸度を確保することができる。

本発明によれば、ロータコアと回転軸との接触部の位相をずらすことにより、回転軸のセレーションの座屈を抑制し、ロータコアを回転軸に確実に保持できる回転電機用ロータおよびその製造方法を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る回転電機用ロータの軸線方向に沿った縦断面図。図１におけるＡ−Ａ方向から見た回転電機用ロータの軸線方向と直交する断面図。（ａ）は、回転軸の斜視図、（ｂ）は、回転軸の凹部を示す断面図。ロータコア各段と回転軸の凹部との関係を示す図。回転軸におけるロータコア各段との接触部を示す概略図。（ａ）は、第２の実施形態に係る回転電機用ロータの断面図、（ｂ）は、第３の実施形態に係る回転電機用ロータの断面図。

次に、本発明の実施形態の回転電機に用いられるロータとして、ＩＰＭモータのロータについて図に基づいて説明する。なお、以下の説明において、軸線方向、および径方向とは、回転電機用ロータ１（ロータコア２）の軸方向および半径方向を指す。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転電機用ロータ１の軸線方向に沿った縦断面図、図２は、図１におけるＡ−Ａ方向から見た回転電機用ロータ１の径方向の断面図である。回転電機は、例えば、車両に搭載され、ステアリング操作を補助する電動パワーステアリング装置や駆動力を発生させる電動式４輪駆動装置などの駆動源用の電動モータとして用いられる。図１および図２に示すように、回転電機用ロータ１は、回転電機の回転軸（シャフト）７と一体回転可能に固定される円柱状のロータコア２と永久磁石３とを備えて構成されている。回転軸７は、円柱状に形成されており、両端が図示しないモータハウジングに設けられた軸受１１を介して回転可能に支持されている。ロータコア２には、複数（本実施形態では、１２個）の永久磁石３がそれぞれ埋設されて固定されている。すなわち、本実施形態の回転電機用ロータ１は、いわゆる埋込磁石型のロータとして構成されている。このように構成された回転電機は、図示しないステータの各コイルに駆動電力が供給されることにより形成される回転磁界と、永久磁石３の磁束との間に生じる磁気的な吸引力および反発力により回転電機用ロータ１が回転する構成となっている。

ロータコア２は、軟磁性材料（例えば、鉄や電磁鋼板など）からなる強磁性体の薄板円盤状のロータプレート４が複数枚軸線方向に積層され、回転軸７が挿入される挿入孔６を有する円柱状に形成されている。ロータコア２には、例えば略台形板状の永久磁石３がそれぞれ内部に配置される複数（本実施形態では、１２個）のスロット５が形成されている。なお、本実施形態のスロット５は、それぞれ永久磁石３の断面形状と略同一の断面形状を有する孔（空洞）状に形成されている。永久磁石３は、ロータコア２の外周縁の近傍に３０度間隔で軸線方向に貫通形成されたスロット５にそれぞれ収容され、ロータコア２に固着保持されている。

ここで、永久磁石３は、周方向において等間隔に一方の極性（例えば、Ｎ極）の永久磁石３が、他方の極性（例えば、Ｓ極）の永久磁石３に隣り合うように磁化（着磁）されている。永久磁石３は、それぞれの板厚方向と略沿う方向に磁化されており、ロータコア２の外周縁は永久磁石３の磁束が通過する磁路となっている。なお、本実施形態の永久磁石３には、焼結磁石（例えば、ネオジムなど）からなるセグメント磁石が用いられており、永久磁石３は、スロット５内に配置固定された後に着磁されるようになっていてもよいし、先に着磁したものをスロット５内に配置固定してもよい。

本実施形態において、ロータコア２は、軸線方向に各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの４つの段に分割され、各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの間で周方向の位置をずらして４段積みすることにより所定の角度を有した段スキューが形成されている。なお、回転軸７の外周面にはセレーションが形成され、ロータコア２の内周面と結合されている。ロータコア２は、回転軸７に図１に矢印で示す方向に圧入され、各段コア２ａの一端（図１中、左側）がフランジ部１２に当接し固定されている。

また、図２に示すように、各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの内周面には、径方向外側に突出した回転軸７へ所定の位相で固定するための基準となる１つのキー（凸部）９と、一部分が回転軸７の外周面に接触するように複数（本実施形態では、４ヶ所）の突起部１０とがそれぞれ周方向に配置され、軸線方向に平行に形成されている。各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、キー９および突起部１０の配置が同一形状に形成されており、周方向に所定の角度だけ位置をずらすことによりロータコア２を形成している。すなわち、各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ内の永久磁石３は、軸線方向に対して斜めに並ぶように配置されている。

次に、図３（ａ）は、回転軸７の斜視図、図３（ｂ）は、回転軸７のキー溝（凹部）８を示す断面図である。回転軸７は、金属材料（例えば、鉄など）からなり円柱状に形成されている。図３（ａ）および（ｂ）に示すように、外周面には複数の歯が軸線方向に延びるとともに周方向に配列されたセレーション１４が設けられ、径方向内側に凹んだ、例えば、４つのキー溝８が周方向に所定の角度を有して軸線方向に平行に形成されている。これらのキー溝８にはロータコア２に形成されたキー９（図２参照）が嵌め込まれ、ロータコア２と回転軸７とが固定されている。

次に、回転電機用ロータ１の製造方法について図４（ａ）〜（ｄ）、および図５を参照して説明する。図２に示すように、永久磁石３は、ロータコア２の軸線方向に直線状に形成されている。ここで、ロータコア２は、例えば、表面に絶縁処理が施された珪素鋼板などを用いた電磁鋼板を円盤状に打ち抜いて所定の形状に形成された複数枚の薄板状の積層鋼板からなるロータプレート４が回転電機用ロータ１の軸線方向に積層固定された積層体である。

具体的には、ロータコア２は、軸線方向に４つの段（各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）に分割されており、例えば、各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを形成する各ロータプレート４の向きを回転させて軸線方向に積層し、１２個のスロット５を形成する（積層工程）。そして、この各スロット５に永久磁石３を挿入固定後にスロット５の隙間に樹脂が充填され（成形工程）、ロータコア２（各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）が成形された後、スロット５内に配置された永久磁石３が着磁されるようになっている（着磁工程）。着磁された各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、所定の角度だけ位相（周方向位置）をずらしてキー溝８とキー９との位置を合わせて回転軸７に１段目（各段）コア２ａから順に圧入され、段スキューが形成される（圧入工程）。

次に、図４（ａ）〜（ｄ）は、各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと回転軸７のキー溝８との関係を示す図である。図４（ａ）に示すように、1段目コア２ａは、キー９が回転軸７のキー溝８ａの位置に嵌め込まれて回転軸７に固定される。同様に、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、２段目コア２ｂは、キー９がキー溝８ｂに嵌め込まれ、３段目コア２ｃは、キー９がキー溝８ｃに嵌め込まれ、４段目コア２ｄは、キー９がキー溝８ｄに嵌め込まれて、それぞれ回転軸７に固定される。すなわち、回転軸７の外周面に所定の角度だけ周方向に位相が均等にずれた複数のキー溝８を設け、４段に分割した各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄをずれたキー溝８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄにそれぞれ嵌め込んでいくことにより、永久磁石３の段スキューが構成される。ここで、隣り合うキー溝８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの間隔は一方向に等角度に設定されている。

本実施形態では、軸線方向に同磁極（Ｎ極またはＳ極）の１組を構成する４つの永久磁石３の並ぶ方向に沿った直線（図示せず）をロータコア２の側面上に想定した場合に、直線の一端（図１参照、１段目コア２ａの左端面側）と他端（図１参照、４段目コア２ｄの右端面側）とが回転軸７に対してなす角度（回転軸中心に向う直線間の角度）をスキュー角度に設定して４段積みスキューが設けられている。すなわち、軸線方向に同一組を構成する各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの永久磁石３は、隣接する各段コア間でスキュー角度／４だけ周方向に互いにずれている。

ここで、永久磁石３の磁束（密度）分布の軸線方向の積分値が正弦波状に近くなるようにスキュー角度を設けるのが望ましい。また、ロータコア２の形状を変化させることで磁束密度のピーク値をもつ角度を変化させることができる。これにより、周方向の磁束密度分布を任意の形状で変化させることが可能で、上記の段スキューを設けることにより磁束密度分布の軸線方向の積分値を正弦波状に近づけることができる。

また、図４（ａ）に示すように、１段目コア２ａの内周面の一部分に形成された４つの突起部１０は。それぞれ回転軸７の外周面のセレーションに接触して固定されるようになっている。同様に、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、２〜４段目（各段）コア２ｂ，２ｃ，２ｄに形成された各突起部１０も回転軸７の外周面のセレーションに接触し固定されている。ここで、４つの突起部１０は、９０°の等角度の間隔で配置されている。

図５は、回転軸７における各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとの接触部１３を示す概略図である。図５に示すように、回転軸７の各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが配置される外周面７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄにおいて、各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと接触する接触部１３はそれぞれ周方向に所定の角度だけずれて配置される。このため、例えば、各段コア２ａ，２ｂ，２ｃの圧入時にセレーションが座屈した場合であっても、残りの各段コア２ｂ，２ｃ，２ｄは、回転軸７に対して座屈していない周方向に異なる位置で接触して固定されるので、回転軸７とロータコア２との間の保持力の低下を防止し、回転軸７を確実に保持することができる。

次に、上記のように構成された本発明の実施形態に係る回転電機用ロータ１の作用および効果について説明する。

本実施形態の構成によれば、ロータコア２は、軸方向に複数（本実施形態では、４つ）の段（各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）に分割され、内周面に径方向内側に突出する１つのキー９を備える。回転軸７の外周面には、複数（本実施形態では、４つ）のロータコア２固定用のキー溝８が所定の角度を有して位相を均等にずらして形成されている。キー溝８の位相に合わせて軸方向に互いに隣接する各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの間で周方向の位置をずらしてロータコア２に収容された永久磁石３を段積み構造とするようにしたので、ロータコア２に４段積みスキューを設けることができる。また、各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの内周面と回転軸７の外周面とは隙間を設け、各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの突起部１０と、回転軸７の外周面とが一部分で接触するようにしたので、各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの突起部１０と接触する回転軸７の接触部１３は周方向に所定の角度だけずれて配置される。

これにより、ロータコア２内の永久磁石３に段スキューを設けることができるので、回転電機におけるコギングトルク、およびトルクリップルを抑制することができる。その結果、回転電機の出力トルクに含まれる脈動を低減することが可能になる。また、段スキューを設けることによりロータコア２と回転軸７との接触部１３の位置がずれるため、回転軸７の外周部のセレーションが座屈しにくくなり、座屈した場合であっても、圧入時に座屈したセレーションと残りの他の各段コアの突起部１０が接触することがないので、回転軸７とロータコア２との間の保持力の低下を防止し、ロータコア２を回転軸７に確実に保持することができる。

さらに、上記実施形態の製造方法によれば、回転軸７の外周面に形成された４つのキー溝８（８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ）の位相をずらして、互いに隣接する分割された各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを回転軸７に対して軸方向に１段目コア２ａから４段目コア２ｄまで順に圧入嵌合することにより、ロータコア２内の永久磁石３に４段積みスキューを設けて回転電機用ロータ１を形成することができる。

これにより、ロータコア２を回転軸７のキー溝８を位相基準にして所定の位相となるように回転軸７に容易に組み付けることが可能になる。また、ロータコア２が各段コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄにそれぞれ設けられた４つの突起部１０により回転軸７に確実に保持されるので、ロータコア２の同軸度を確保することができる。

以上のように、本発明の実施形態によれば、ロータコアと回転軸との接触部の位相をずらすことにより、回転軸のセレーションの座屈を抑制し、ロータコアを回転軸に確実に保持できる回転電機用ロータおよびその製造方法を提供することができる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

上記実施形態では、ロータコア２を軸方向に４つに分割した４段積みスキューを形成した場合について説明したが、これに限らず、ロータコア２はいずれの段数（例えば、２段、３段）に分割されていてもよい。

上記実施形態では、回転軸７の外周面にセレーション加工を施す場合を示したが、これに限らず、例えば、ローレット（ナーリング）加工を施してもよい。

上記実施形態では、回転軸７の外周面に４つのキー溝８を所定の角度を有して設けるようにしたが、これに限らず、他のキー溝８の個数、および配置角度を適用してもよい。また、ロータコア２の内周面の突起部１０の個数、および配置角度も他の設定であってもよい。

図６（ａ）および（ｂ）は、第２および第３の実施形態に係る回転電機用ロータ１の断面図である。図６（ａ）は、４段目コア２ｄと回転軸７のキー溝８（８ａ〜８ｄ）との関係を示しており、回転軸７の外周面にはキー溝８を第１の実施形態と同様に配置し、各段コア（２ａ〜２ｄ）の内周面には所定の角度を有してキー９と、５つの突起部１０とが設けられている。また、図６（ｂ）は、同じく４段目コア２ｄと回転軸７のキー溝８（８ａ〜８ｄ）との関係を示しており、第１および第２の実施形態に対して回転軸７の外周面のキー溝８間の間隔が大きく設定され、各段コア（２ａ〜２ｄ）の内周面にキー９と、３つの突起部１０とが所定の角度を有して配置されている。ここで、隣り合うキー溝８（８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ）の間隔は一方向に等角度に設定されている。なお、突起部１０は、キー溝８との位置が重なることを避けて回転軸７の外周面に確実に接触するように配置するのが望ましい。

上記実施形態では、直線状スキューを設ける例を説明したが、これに限らず、スキュー形状は曲線状に設けられたものであってもよい。また、ロータコア２（ロータプレート４）の平面形状も、あらかじめ磁極の中央部が径方向外側に突出した形状を有していてもよい。この場合、スキューが形成されて、軸線方向積分の磁束密度分布をより正弦波状に近づけることができる。

上記実施形態では、本発明を電動パワーステアリング装置や電動式駆動装置の駆動源に用いられる電動モータなどの回転電機に具体化したが、これに限らず、他の装置の駆動源として用いてもよく、また、発電機として用いてもよい。

１：回転電機用ロータ、２：ロータコア、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ：各段コア（第１〜第４段）、３：永久磁石、４：ロータプレート、５：スロット、６：挿入孔、７：回転軸、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ：コア取り付け部、８：キー溝（凹部）、
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ：キー溝（第１〜第４凹部）、９：キー（凸部）、１０：突起部、１１：軸受、１２：フランジ部、１３：コア接触部、１４：セレーション

Claims

外周面にセレーションが設けられた回転軸と、
複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸方向に形成された複数のスロットに永久磁石が収容され、前記回転軸に一体的に固定されたロータコアと、を備え、
前記回転軸は、外周面の周方向に所定の角度を有して複数の凹部が軸方向に形成され、
前記ロータコアは、軸方向に複数の段に分割され、前記凹部の位相に合わせて各段の間で周方向の位置を均等にずらすことにより、前記永久磁石に段スキューが設けられていることを特徴とする回転電機用ロータ。
請求項１に記載の回転電機用ロータにおいて、
前記ロータコアは、内周面の一部分に径方向内側に突出した複数の突起部が形成され、前記回転軸の外周面に接触することを特徴とする回転電機用ロータ。
外周面にセレーションが設けられた回転軸と、
複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸方向に形成された複数のスロットに永久磁石が収容され、前記回転軸に一体的に固定されたロータコアと、を備え、
前記回転軸は、外周面の周方向に所定角度位相を均等にずらして第１、第２、第３、および第４の凹部が軸方向に形成され、
前記ロータコアは、軸方向に第1、第２、第３、および第４の段に分割され、前記各段には内周面の径方向内側に突出してそれぞれ位相の異なる前記凹部に嵌め込まれる凸部と、内周面の一部分に径方向内側に突出して前記回転軸を支持する複数の突起部と、が形成され、
前記回転軸に前記ロータコアの前記各段を前記第１、第２、第３、および第４の段の順に圧入嵌合することにより、前記永久磁石に段スキューが設けられることを特徴とする回転電機用ロータの製造方法。