JP2015104176A - 回転電機ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】キー部とキー溝の組み合わせによってシャフトに位置決め固定される回転電機ロータにおいて、キー部とキー溝との接触面積を確保しながら、キー部の根元に生じ得る応力集中を緩和することである。
【解決手段】回転電機ロータ１０は、キー溝８を外周側に有するシャフト６が挿入される中心穴１８と、中心穴１８の内径よりもさらに内径側に突き出し、キー溝８に嵌合するキー部２０と、を有するロータコア１４を備え、キー部２０は、ロータコア１４の径方向に沿った切欠２２によって細幅の複数部分２４，２６に分岐している。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機ロータに係り、特に、シャフトに設けられたキー溝に嵌合するキー部によってシャフトに固定される回転電機ロータに関する。

回転電機の回転軸であるシャフトにロータを位置決めして固定するために、シャフトにキー溝を設け、ロータ内周側にロータ内径よりも突き出すキー部を設けて、キー部をキー溝に嵌合することが行われる。

特許文献１には、シャフトのキー溝にロータのキー部を嵌合させると、シャフトとロータが一体的に回転するときの遠心力によりキー部の根元に応力集中が発生するので、その緩和のために、ロータの内径側において、キー部の両外側に応力緩和溝等を設けることが記載されている。特許文献２には、特許文献１の方法では、応力緩和溝を設ける分だけロータにおける磁路が狭くなり必要な磁路を確保しようとするとロータが大型化すると指摘し、そこで、キー部の両側側面にキー部の根元を細くする凹部を設けることが述べられている。

特開２００８−１８７８０４号公報 特開２０１２−１００３６４号公報

従来技術のように応力緩和溝や凹部等を設けることで、キー部の根元における応力集中を緩和できるが、キー部の剛性が高いと、応力集中の緩和が不十分となることがある。また、特許文献２の方法では、キー部とキー溝との接触面積が十分確保されないことが生じる。

本発明の目的は、キー部とキー溝との接触面積を確保しながら、キー部の根元に生じ得る応力集中を緩和することができる回転電機ロータを提供することである。

本発明に係る回転電機ロータは、キー溝を外周側に有するシャフトが挿入される中心穴と、中心穴の内径よりもさらに内径側に突き出し、キー溝に嵌合するキー部と、を有するロータコアを備え、キー部は、ロータコアの径方向に沿った切欠によって細幅の複数部分に分岐していることを特徴とする。

上記構成によれば、キー部は細幅の複数部分に分岐しているので、キー部全体の剛性が低下する。切欠は剛性低下のためであるので、切欠の幅は小さくてもよい。これによって、キー部とキー溝との接触面積を確保しながら、キー部の根元に生じ得る応力集中を緩和することができる。

本発明に係る実施の形態の回転電機ロータの構成を示す図である。（ａ）は、シャフトが嵌合された状態を示す図で、（ｂ）は回転電機ロータのキー部付近の拡大図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下に述べる寸法、形状、材質等は、説明のための例示であって、回転電機ロータの仕様等により、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機ロータ１０の構成を示す図である。以下では、回転電機ロータ１０を特に断らない限り、ロータ１０と呼ぶ。図１（ａ）は断面図である。（ａ）には、ロータ１０の構成要素ではないがロータ１０に挿入されて嵌合されるシャフト６およびシャフト６に設けられるキー溝８を図示した。（ｂ）は、ロータ１０に設けられるキー部２０付近の拡大図である。

ロータ１０が用いられる回転電機は、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型回転電機である。回転電機は、図１に示されるロータ１０と、ロータ１０の外周側に所定の隙間を隔てて配置されて巻線コイルが巻回される円環状のステータとで構成される。図１ではステータの図示を省略した。

ロータ１０に挿入され嵌合されるシャフト６は、少なくともロータに嵌合される部分の断面がキー溝８の部分を除いて円形の軸である。図１では、その外径をＤ_Sとして示した。キー溝８は、シャフト６の外周側の１箇所または複数箇所に、シャフト６の一端側から軸方向に沿って延伸して設けられる平溝である。一端側は、ロータ１０にシャフト６が挿入されるときの挿入側である。図１の例では、シャフト６の外周の２箇所にキー溝８が設けられる。キー溝８は、ロータコア１４に設けられるキー部２０と嵌合することで、ロータ１０をシャフト６に固定し、シャフト６とロータ１０とを一体化する。

かかるシャフト６は、必要とする強度を有する金属材料を用い、キー溝８を含む所定の形状に加工したものを用いることができる。金属材料としては鋼材等を用いることができる。

ロータ１０が回転電機に用いられるときには、ロータ１０と一体化されたシャフト６の軸方向の両端が軸受によって回転自在に支持され、図示されていないステータと協働してロータ１０と共にシャフト６が回転する。このように、回転電機においては、シャフト６がトルクを出力する出力軸となる。

ロータ１０は、磁極を形成する複数の磁石１２と、複数の磁石１２が埋め込まれる円環状のロータコア１４とで構成される。

磁石１２は、ロータコア１４の外周側に所定の配置で複数配置され、ロータコア１４の各磁極を形成する永久磁石である。図１の例では、所定の傾斜角度を有してＶ字形に配置される２つの磁石１２で１つの磁極が形成される。ロータコア１４の中心点Ｏから、隣接する磁極の間を通る軸がｑ軸１６であり、１つの磁極を形成する２つの磁石１２の間を通る軸がｄ軸である。図１には、１６個の磁石１２で８つの磁極が形成され、８つのｑ軸１６が示されている。図１の構成とは別に、１つの磁石１２で１つの磁極を形成するものとしてもよい。その場合には、ロータコア１４の中心点Ｏから、隣接する磁石１２の間を通る軸がｑ軸１６となる。

磁石１２は、図示されていない回転電機のステータに巻回される巻線コイルに所定の通電を行うことで発生する回転磁界と協働してトルクを発生し、これによってロータ１０が回転する。かかる磁石１２としては、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石が用いられる。これ以外にフェライト磁石等を用いてもよい。

ロータコア１４は、所定枚数の磁性体薄板を積層した積層体で、シャフト６の外形を通す中心穴１８と、複数の磁石１２が埋め込まれる複数の磁石孔と、シャフト６のキー溝８に対応するキー部２０を有する。中心穴１８の内径Ｄ_Iは、シャフト６の外径Ｄ_Sに対して所定の挿入隙間を有する大きさに設定される。所定の挿入隙間は、ロータコア１４の軸方向の長さ、シャフト６の外径Ｄ_S、挿入が行われる温度等で異なるが、一例を挙げると、約１０μｍから約０．５ｍｍ程度とすることができる。これは例示であって、これ以外の数値であってもよい。

キー部２０は、中心穴１８の内径Ｄ_Iよりもさらに内径側に突き出し、シャフト６のキー溝８の平溝形状に嵌合する形状を有し、ロータコア１４の軸方向に沿って所定の長さで延伸する凸部である。所定の長さは、ロータコア１４の軸方向の長さと同じとすることができる。場合によっては、ロータコアの軸方向の長さより短くしてもよい。その場合には、ロータコア１４にシャフト６が挿入されるときの挿入側から所定の長さとする。これに対応して、シャフト６のキー溝８の長さも設定される。

キー部２０は、シャフト６に設けられるキー溝８の数に対応して設けられる。図１の例では、２個設けられる。キー部２０が設けられる位置は、ロータコア１４のｑ軸１６上の位置でロータコア１４の内径側である。ｄ軸付近を避けてｑ軸上に設けることで、磁極における磁路がキー部２０によって狭くなることを避けることができる。

図１（ｂ）にキー部２０の周辺の詳細を示した。キー部２０において、中心穴１８の内径Ｄ_Iから突き出る突出量２８は、シャフト６のキー溝８の溝深さと、ロータコア１４の外径Ｄ_Iとシャフト６の外径Ｄ_Sとの間の所定の挿入隙間と、嵌合が行われる温度等を考慮して設定される。すなわち、キー溝８にキー部２０を合わせて、ロータコア１４の中心穴１８にシャフト６が挿入されるとき、圧入嵌合となるように、突出量２８が設定される。一例を挙げると、嵌合温度を室温として、キー溝８にキー部２０を合わせたとき、キー部２０側がキー溝８側に対し、約１０〜５０μｍ程度、径方向の寸法で大き目となるように突出量２８が設定される。これは例示であって、これ以外の数値であってもよい。

キー部２０において、ロータコア１４の周方向に沿った幅Ｗ_Kは、シャフト６の周方向に沿ったキー溝８の幅寸法よりもやや大きめに設定される。やや大きめとは、製造誤差を考慮して、２箇所に設けられるキー部２０がそれぞれ対応するシャフト６の２箇所のキー溝８に問題なく合わせることができる程度の大きさである。

ロータコア１４において、キー部２０の根元部の両側に設けられる凹部３０，３２は、ロータコア１４の内径が拡大された部分で、キー部２０が対応するキー溝８に圧入されたときにキー部２０の根元部に生じ得る応力集中を緩和するために設けられる。ロータコア１４の外径Ｄ_Iに対して凹部３０，３２の径方向に沿った窪み量３４と、ロータコア１４の周方向に沿った凹部３０，３２の幅Ｗ_Rは、キー部２０の剛性と、圧入嵌合における嵌合圧の大きさに応じて設定される。

例えば、キー部２０の突出量２８が大きいほど、幅Ｗ_Kが大きいほど、キー部２０の剛性が高くなるので、凹部３０，３２の窪み量３４と幅Ｗ_Rを大きい値に設定することが好ましい。

キー部２０に設けられる切欠２２は、幅Ｗ_Kのキー部２０の先端部を細幅の２つの部分２４，２６に分岐することで、キー部２０の全体としての剛性を低下させるために設けられる。切欠２２は、キー部２０の先端側から根元側に向かって、ロータコア１４の径方向に沿って設けられる。図１の例では、切欠２２は１つ設けられるので、切欠２２はキー部２０の幅Ｗ_Kの中心の位置に設けられる。

切欠２２は、ロータコア１４の径方向に沿った長さが長いほど、キー部２０の全体としての剛性が低下する。切欠２２の長さの限度は、キー部２０の周方向両側の根元部の手前までとすることがよい。これ以上深くすると、切欠２２で細幅となった２つの部分２４，２６の根元部が、元々のキー部２０の両側の根元部よりもロータコア１４の外径側となり、応力集中の発生し得る領域がかえって広がる恐れがある。このように、切欠２２の長さの設定によって、キー部２０の大きさに関わらず、応力集中の抑制を所望の範囲とすることができる。

切欠２２の幅は、分岐した２つの部分２４，２６が、シャフト６のロータコア１４に対する圧入によって接触しない程度の大きさを有すればよく、幅の大小によってキー部２０の剛性はあまり変化しない。切欠２２を１つでなく、複数設けるものとしてもよい。なお、切欠２２とは別に、キー部２０の先端部に適当な丸みをつけて、応力集中が生じやすい角部をなくすことが好ましい。

このように、キー部２０に切欠２２を設けて、キー部２０の先端部を細幅の複数の部分２４，２６に分岐することで、キー部２０の全体としての剛性を低下させることができ、キー部２０の根元部における応力を分散させて均一化でき、応力集中を緩和できる。切欠２２を最適化することで、凹部３０，３２そのものを省略することも可能になる。また、切欠２２の幅は分岐のための最小寸法とできるので、キー部２０とキー溝８との間の接触面積は切欠２２の有無によってほとんど変化しない。

また、キー部２０の剛性を低下させることで、キー部２０の根元に発生し得る応力集中を抑制できるので、回転電機の耐久信頼性が向上し、回転電機の最高回転数を増加でき、回転電機の小型化が可能となる。また、応力集中を抑制できるので、凹部３０，３２の窪み量３４と幅Ｗ_Rを小さい値に設定することが可能となり、このことからもロータ１０の小型化、回転電機の小型化が可能となる。これにより、ロータコア１４の内周側の磁気特性を安定化できる。また、応力集中を抑制するので、ロータ１０としての剛性のバランスが向上する。

なお、最初から細幅に設定して剛性を低下させたキー部２０を複数設ける場合は、１つのキー部２０を複数の細幅に分岐する本発明の実施の形態に比べて、以下の点で問題が生じ得る。すなわち、キー部２０の数が多い分だけ、シャフト６に設けられるキー溝８の数が増加し、コストと手間がかかる。また、キー溝８とキー部２０の数が増加するため、位置決め箇所が多くなり、位置決め誤差を抑制するために加工精度を上げる必要が生じる。また、仮に、複数のキー溝８とキー部２０の一部のみが接触して嵌合されていて、一部のキー溝８とキー部２０が接触不良または嵌合不良になると、シャフト６とロータ１０との間に働く周方向の力を受けきれずに、キー部２０が損傷または破壊する可能性が生じる。１つのキー部２０を複数の細幅に分岐する本発明の実施の形態は、このような問題が生じにくい点で優れている。

６ シャフト、８ キー溝、１０ （回転電機）ロータ、１２ 磁石、１４ ロータコア、１６ ｑ軸、１８ 中心穴、２０ キー部、２２ 切欠、２４，２６ （細幅の）部分、２８ 突出量、３０，３２ 凹部、３４ 窪み量。

Claims (1)

1. キー溝を外周側に有するシャフトが挿入される中心穴と、
   中心穴の内径よりもさらに内径側に突き出し、キー溝に嵌合するキー部と、
   を有するロータコアを備え、
   キー部は、ロータコアの径方向に沿った切欠によって細幅の複数部分に分岐していることを特徴とする回転電機ロータ。

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