JP2015082862A - 回転電機のロータコアとシャフトの締結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアとシャフトの締結構造においてシャフトを基準としたロータコアの外径フレ及び端面フレを防ぐ。【解決手段】本発明に係る略リング状の薄板鋼板（２）を複数枚積層して回転電機のロータコア（１）を形成し、このロータコアの中央に形成される嵌入孔にシャフト（３）を圧入して組み付ける回転電機のロータコアとシャフトの締結構造は、前記薄板鋼板の内周面から径方向内側に突出する第１及び第２の凸部（２１，２２）を周方向にそれぞれ複数設け、前記薄板鋼板を積層して前記ロータコアを形成した際に、前記第１の凸部が軸方向に連続して配置され、かつ前記第１及び第２の凸部により形成される凹部（２３）と前記第２の凸部とが軸方向に交互に配置されるように、前記第１及び第２の凸部が前記薄板鋼板において位置合わせされており、このような薄板鋼板を積層して前記ロータコアを形成したことを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機のロータコアとシャフトの締結構造に関する。

回転電機のロータコアとシャフトの従来の締結構造として、本願出願人と同一人による特許文献１が挙げられる。同文献には、薄板鋼板の貫通孔に形成した小径部と大径部が軸方向に交互に配置されるように上記薄板鋼板を積層してロータコアを形成し、このロータコアにシャフトを圧入して組み付ける締結構造が開示されている。

特許第４６０２７８４号公報

シャフトをロータコアに圧入するために、シャフトとロータコアの芯出しを機械設備に設ける必要がある。ロータコアとシャフトの従来の締結構造においては、使用する機械設備の精度、構造にもよるが、シャフトが焼き付きながら傾いてロータコアに圧入されたり、シャフトとロータコアの芯がオフセットした状態でシャフトが圧入される場合がある。その結果、シャフトに対してロータコアが傾いてしまい、シャフト圧入後のロータコアの外径フレ、端面フレが比較的大きくなるという問題点があった。

本発明は、かかる不都合を解消し、ロータコアとシャフトの締結構造においてシャフトを基準としたロータコアの外径フレ及び端面フレを防ぐことを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る略リング状の薄板鋼板を複数枚積層して回転電機のロータコアを形成し、このロータコアの中央に形成される嵌入孔にシャフトを圧入して組み付ける回転電機のロータコアとシャフトの締結構造は、前記薄板鋼板の内周面から径方向内側に突出する第１及び第２の凸部を周方向にそれぞれ複数設け、前記薄板鋼板を積層して前記ロータコアを形成した際に、前記第１の凸部が軸方向に連続して配置され、かつ前記第１及び第２の凸部により形成される凹部と前記第２の凸部とが軸方向に交互に配置されるように、前記第１及び第２の凸部が前記薄板鋼板において位置合わせされており、このような薄板鋼板を積層して前記ロータコアを形成したことを特徴とする。

本発明によれば、シャフトを基準としたロータコアの外径フレ及び端面フレを防ぐことができる。

ロータコアの斜視図である。 薄板鋼板の平面図である。 ロータコアの平面図である。 （ａ）図３のＡ−Ａ線断面図である。（ｂ）図３のＡ−Ａ線断面図の拡大図である。 ロータコアにシャフトを圧入して組み付ける様子を示す説明図である。 別の実施形態を示す説明図である。 さらに別の実施形態を示す説明図である。

［第１の実施形態］
図１に、モータなどの回転電機に用いられる略円筒形状のロータコア１を示している。ロータコア１の中央には嵌入孔１ａが形成されている。ロータコア１は、図２に示すような、貫通孔２ａを形成した略リング状の薄板鋼板２を複数枚積層して形成されている。薄板鋼板２は、鉄板等の板材をプレス成形により打ち抜いて成形したものである。

薄板鋼板２の内周面には、径方向内側に突出する第１の凸部２１が軸方向に関して９０度回転対称となるように４個設けられている。これら４個の第１の凸部２１を互いに区別するために、それらに対して時計回りに符号２１−１〜２１−４を付している。

そして、第１の凸部２１−１と第１の凸部２１−２との間には、径方向内側に突出する第２の凸部２２が周方向に沿って３個設けられている。これら３個の第２の凸部２２を互いに区別するために、それらに対して時計回りに符号２２−１〜２２−３を付している。

第１の凸部２１−２と第１の凸部２１−３との間にも同様に、第２の凸部２２が周方向に沿って３個設けられている。これら３個の第２の凸部２２を互いに区別するために、それらに対して時計回りに符号２２−４〜２２−６を付している。

さらに、第１の凸部２１−３と第１の凸部２１−４との間には、第２の凸部２２が周方向に沿って２個設けられている。これら２個の第２の凸部２２を互いに区別するために、それらに対して時計回りに符号２２−７及び２２−８を付している。

第１の凸部２１−４と第１の凸部２１−１との間にも同様に、第２の凸部２２が周方向に沿って２個設けられている。これら２個の第２の凸部２２を互いに区別するために、それらに対して時計回りに符号２２−９及び２２−１０を付している。

このように、第２の凸部２２は合計１０個設けられている。そして、４個の第１の凸部２１と１０個の第２の凸部２２とにより、１４個の凹部２３が形成されている。これら１４個の凹部２３を互いに区別するために、それらに対し、第１の凸部２１−１の時計回りの方向に隣接している凹部２３から始めて時計回りに符号２３−１〜２３−１４を付している。

そして、複数枚の薄板鋼板２を１８０度回転積層してロータコア１を形成し、このロータコア１の中央に形成された嵌入孔１ａにシャフト３を圧入して組み付けた様子を図３及び図４に示している。なお、図３においてはシャフト３の図示を省略している。

ロータコア１の軸方向一端から数えて、奇数枚目の薄板鋼板２の凹部２３−２と偶数枚目の薄板鋼板２の第２の凸部２２−７とが軸方向視で重なり、奇数枚目の薄板鋼板２の凹部２３−３と偶数枚目の薄板鋼板２の第２の凸部２２−８とが軸方向視で重なっている。

奇数枚目の薄板鋼板２の凹部２３−６と偶数枚目の薄板鋼板２の第２の凸部２２−９とが軸方向視で重なり、奇数枚目の薄板鋼板２の凹部２３−７と偶数枚目の薄板鋼板２の第２の凸部２２−１０とが軸方向視で重なっている。

奇数枚目の薄板鋼板２の凹部２３−９の少なくとも一部と偶数枚目の薄板鋼板２の第２の凸部２２−１とが軸方向視で重なり、奇数枚目の薄板鋼板２の凹部２３−１０と偶数枚目の薄板鋼板２の第２の凸部２２−２とが軸方向視で重なり、奇数枚目の薄板鋼板２の凹部２３−１１の少なくとも一部と偶数枚目の薄板鋼板２の第２の凸部２２−３とが軸方向視で重なっている。

奇数枚目の薄板鋼板２の凹部２３−１２の少なくとも一部と偶数枚目の薄板鋼板２の第２の凸部２２−４とが軸方向視で重なり、奇数枚目の薄板鋼板２の凹部２３−１３と偶数枚目の薄板鋼板２の第２の凸部２２−５とが軸方向視で重なり、奇数枚目の薄板鋼板２の凹部２３−１４の少なくとも一部と偶数枚目の薄板鋼板２の第２の凸部２２−６とが軸方向視で重なっている。

つまり、ロータコア１において、第２の凸部２２と凹部２３とは軸方向に交互に配置され、かつ第１の凸部２１は軸方向に連続して配置されている。このような位置関係となるように、４個の第１の凸部２１と、１０個の第２の凸部２２と、それらにより形成される１４個の凹部２３とは薄板鋼板２において位置合わせがなされている。

１０個の第２の凸部２２は、シャフト３の外径と、シメシロが発生する寸法となっている。つまり、第２の凸部２２はシャフト３の外径に引っ掛かる寸法である。そのため、シャフト３は、軸方向及び回転方向においてロータコア１と固定される。凹部２３はシャフト３の外径を逃げる寸法となっている。４個の第１の凸部２１は、シャフト３との隙間バメまたは中間バメにより、クリアランスか比較的軽いシメシロが発生する寸法となっている。

図５のように、ロータコア１の嵌入孔１ａに圧入方向Ｙ１に沿ってシャフト３を圧入すると、第２の凸部２２にシャフト３が接触する。シャフト３は凹部２３には接触しない。上述したように、この第２の凸部２２は、凹部２３と軸方向に交互に配置されているため、シャフト３と接触した第２の凸部２２は、圧入方向Ｙ１すなわち軸方向に自由に撓むことができる。他方、第１の凸部２１は軸方向に連続して配置されているため、圧入時にシャフト３が傾かないようシャフト３をガイドすることができる。

このように、シャフト３の圧入時において、軸方向に連続して配置された第１の凸部２１に沿ってシャフト３が嵌入孔１ａに挿入されるとともに、凹部２３と軸方向に交互に配置された第２の凸部２２にシャフト３が接触する。シャフト３の圧入による応力は、シャフト３が接触した第２の凸部２２が圧入方向に撓むことで吸収されるため、低減することができる。また、この撓みにより、シャフト３とロータコア１の嵌入孔１ａとにおける焼き付きを防止することができる。そのため、本実施形態によれば、ロータコア１へのシャフト３圧入後のシャフト３を基準としたロータコア１の傾き及び芯ズレを抑制し、シャフト３を基準としたロータコア１の外径フレ及び端面フレを防止することができる。結果として、ロータの精度が向上し、コギングトルク、ダイナミックバランスといった回転電機の性能が向上する。

シャフト３とロータコア１との接触部に焼き付きが生じず、しかも、ロータコア１の内径全周が撓み（弾性変形）の作用でシャフト３に接触するため、接触面には常に圧力がかかり（スプリングバック）、より強固にシャフトへの拘束ができて、シャフト３とロータコア１の軸ズレを抑えることができる。

圧入時に発生する応力は、第２の凸部２２の撓みにより軸芯方向に逃げるため、部品に変形が生じず、かつ圧入圧力も低減することができる。その結果、部品の高精度化を図ることができるとともに、後加工も不要とのため安価な部品を提供できる。

第２の凸部２２と凹部２３とが軸方向に交互に配置されるため、ロータコア１の内周には周方向に比較的長い溝が形成されることがない。その結果、切削加工等で生じる加工クズ等（切粉）が、ロータコア１の内部に入り込むことを抑えることができる。回転電機の製造時に切粉が入り込み、その後、切粉が出てくるとロータとステータとの間に入り込んでしまうと、ロックや異音の不具合が生じうるため、その点でも本実施形態は有利である。

薄板鋼板２において、第１の凸部２１の径方向外側にカシメ用孔２４を設けてもよい。そして、このカシメ用孔２４を用いて、積層された薄板鋼板２をカシメにより締結することができる。これにより、軸方向に連続して配置された第１の凸部２１の変形を抑制することができ、第１の凸部２１によるシャフト３のガイド効果がさらに高まる。なお、図４及び図５においては、カシメ用孔２４の図示を省略している。

［第２の実施形態］
図６に示しているように、ローレット加工又はスプライン加工などによりシャフト３に凹凸部３ａを設けてもよい。この場合、１０個の第２の凸部２２は、凹凸部３ａとシメシロが発生する寸法であり、凹部２３はシャフト３の外径及び凹凸部３ａを逃げる寸法である。このような凹凸部３ａを設けたシャフト３をロータコア１に圧入する際、比較的低圧で圧入することができ、回転方向の固定力をより強固なものとして回転保持トルクを確保することができる。

［第３の実施形態］
図７に示しているように、シャフト３に、ロータコアの嵌入孔よりも大径のショルダー部３ｂを設けてもよい。そして、ロータコアをショルダー部３ｂに突き当てるように、シャフト３にロータコアを圧入することができる。例えば、ハイブリッド型ステッピングモータの場合には、ショルダー部３ｂをマグネットで形成したシャフト３に、第１のロータコア１１を圧入方向Ｙ２に沿ってショルダー部３ｂに突き当てるように圧入し、第２のロータコア１２を圧入方向Ｙ３に沿ってショルダー部３ｂに突き当てるように圧入することができる。なお、第１のロータコア１１及び第２のロータコア１２は、上記ロータコア１と同様の構造である。このようにすることで、第１のロータコア１１の第２の凸部２２が圧入方向Ｙ２とは逆方向に撓むため、第１のロータコア１１の反圧入方向への抜け強度が、例えば圧入圧の約３倍にまで増加する。同様に、第２のロータコア１２の反圧入方向への抜け強度も増加する。なお、ロータコア１１及び１２のいずれか一方のみの場合であっても、同様の効果が得られる。

［その他の実施形態］
薄板鋼板２の積層については、回転積層にしなくても、金型上で形状の異なる内径の鉄板を交互に打抜き積層してもよい。この場合、第１の凸部２１は、９０度回転対称でなくてもよい。

第１の凸部２１が４個かつ第２の凸部２２が１０個の例を示した。しかし、ロータコア１において、第２の凸部２２と凹部２３とが軸方向に交互に配置され、かつ第１の凸部２１が軸方向に連続して配置されるようになっていれば、これに限られない。抜け強度、回転強度、嵌入孔１ａ及び貫通孔２ａの内径などに応じて、薄板鋼板２における第１の凸部２１の個数及び第２の凸部２２の個数を適宜定めることができる。

薄板鋼板２を１８０°回転積層する場合を示したが、４個の第１の凸部２１を９０°回転対称に設けているため、９０°回転積層してもよい。また、３個の第１の凸部２１を１２０°回転対称に設け、１２０°回転積層してもよい。いずれにしても、第２の凸部２２と凹部２３とが軸方向に交互に配置されていればよい。また、第１の凸部２１がシャフト３のガイドとしての剛性が十分であれば、積層後に第１の凸部２１が軸方向に連続していなくてもよい。

ロータコア１の剛性上問題がなければ、カシメ用孔２４の個数及び位置を変更することができる。

第１の凸部２１の先端部を、シャフト３の外径の形状に合わせて円弧形状にしてもよい。第２の凸部２２の先端部についても同様である。このようにすることで、ゲージ等で寸法管理しやすく真円度管理もしやすくなる。

上記において、回転電機のロータコアとシャフトの締結構造の特定の実施形態について具体的に説明した。しかし、本発明は、このような実施形態に限定されず、当業者にとって明らかな変更、修正は、全て本発明の技術的範囲に含まれる。

１ ロータコア
１ａ 嵌入孔
１１，１２ ロータコア

２ 薄板鋼板
２ａ 貫通孔
２１，２１−１〜２１−４ 第１の凸部
２２，２２−１〜２２−１０ 第２の凸部
２３，２３−１〜２３−１４ 凹部
２４ カシメ用孔

３ シャフト
３ａ 凹凸部
３ｂ ショルダー部

Claims (6)

1. 略リング状の薄板鋼板を複数枚積層して回転電機のロータコアを形成し、このロータコアの中央に形成される嵌入孔にシャフトを圧入して組み付ける回転電機のロータコアとシャフトの締結構造において、
   前記薄板鋼板の内周面から径方向内側に突出する第１及び第２の凸部を周方向にそれぞれ複数設け、前記薄板鋼板を積層して前記ロータコアを形成した際に、前記第１の凸部が軸方向に連続して配置され、かつ前記第１及び第２の凸部により形成される凹部と前記第２の凸部とが軸方向に交互に配置されるように、前記第１及び第２の凸部が前記薄板鋼板において位置合わせされており、このような薄板鋼板を積層して前記ロータコアを形成したことを特徴とする回転電機のロータコアとシャフトの締結構造。
2. 前記第１の凸部が前記シャフトの外径と中間バメ又は隙間バメとなる寸法であり、前記第２の凸部が前記シャフトの外径とシメシロが発生する寸法であり、前記凹部が前記シャフトの外径を逃げる寸法であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータコアとシャフトの締結構造。
3. 前記第１の凸部の径方向外側にカシメ用孔を設け、積層された前記薄板鋼板が該カシメ用孔を用いたカシメにより締結されて前記ロータコアが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機のロータコアとシャフトの締結構造。
4. 前記第１の凸部及び前記第２の凸部の先端部が前記シャフトの形状に合わせた円弧形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機のロータコアとシャフトの締結構造。
5. 前記シャフトの外周面に凹凸部を形成し、前記第２の凸部が該凹凸部とシメシロが発生する寸法であり、前記凹部が該凹凸部を逃げる寸法であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機のロータコアとシャフトの締結構造。
6. 前記ロータコアの嵌入孔よりも大径のショルダー部を前記シャフトに形成し、前記ロータコアと該ショルダー部とが当接するようにしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転電機のロータコアとシャフトの締結構造。

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