JP2015201989A - 回転電機ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機ロータにおいて、ロータコアの軸方向に対し傾斜する方向のスキュー溝にシャフト部材の凸部を係合して、ロータコアにシャフト部材を組み付ける場合の作業性を向上し、かつ、耐久性を高くすることである。
【解決手段】ロータ１０は、シャフト部材２０の外径側に固定されるロータコア５０を含む。ロータコア５０は、複数の電磁鋼板が周方向にずれて積層されることにより形成され、内周面に軸方向に対し傾斜したスキュー溝５５を有する積層体５２を含む。シャフト部材２０は、外周面に軸方向に対し傾斜して設けられ、スキュー溝５５に挿入される係合凸部３６を有する外側筒状体３０と、外側筒状体の内周側に挿入される内側シャフト本体４０とを含む。係合凸部３６は、外側筒状体の内周側に内側シャフト本体４０を挿入することにより外側筒状体の一部が外径側に押し出されるように変形して形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、シャフト部材と、シャフト部材に固定されるロータコアとを備える回転電機ロータに関し、特にロータコアが軸方向に対し傾斜したスキュー溝を有する場合の構造に関する。

従来から電動モータまたは発電機として用いられる回転電機を形成するロータとして、シャフト部材の外径側にロータコアが固定され形成される場合がある。特許文献１には、シャフト部材の外周面に設けられたキー溝と、ロータコアの内周面に設けられたキー凸部とを係合させて、シャフト部材にロータコアを嵌合固定することにより形成される回転電機ロータが記載されている。

特許文献２には、内周面に軸方向に対し傾斜したキー凸部を有する鋼板積層体を含むロータコアと、ロータコアの内側に嵌合固定されるシャフト部材とを含む回転電機ロータが記載されている。シャフト部材の外周面には、軸方向に沿うキー溝が形成され、キー溝の内側面にキー凸部の長さ方向の周方向一端または他端が当接している。

特開２０１２−２１７２８３号公報 特開２０１２−２３８０１号公報

特許文献２に記載された構成の場合、シャフト部材のキー溝と、ロータコアのキー凸部とが、キー凸部の長さ方向両端の周方向一端または他端でのみ接触する。これによって、キー溝とキー凸部との一部に過度に応力が集中するので、ロータの耐久性向上の面から改良の余地がある。一方、別の構造として、シャフト部材のキー凸部と、ロータコアのスキュー溝とをいずれも軸方向に対し傾斜させて係合させる構成の場合、ロータコアに対するシャフト部材の軸方向の組み付け方向に対しスキュー溝及びキー凸部の方向が異なる。これによって、シャフト部材にロータコアを組み付ける場合の作業性が悪化する。特許文献１，２のいずれにもこのような課題を解決する手段は開示されていない。

本発明の目的は、ロータコアの軸方向に対し傾斜するスキュー溝にシャフト部材の凸部を係合して、ロータコアにシャフト部材を組み付ける場合の作業性を向上でき、かつ、耐久性を高く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、シャフト部材と、前記シャフト部材の外径側に固定されるロータコアと、を備える回転電機ロータであって、前記ロータコアは、キー溝を有する複数の鋼板が周方向にずれて積層されることにより形成され、内周面に前記キー溝を含んで軸方向に対し傾斜したスキュー溝を有する積層体を含み、前記シャフト部材は、外周面に軸方向に対し傾斜して設けられ、前記スキュー溝に挿入される係合凸部を有する外側筒状体と、前記外側筒状体の内周側に挿入される内側シャフト本体とを含み、前記係合凸部は、前記外側筒状体の内周側に前記内側シャフト本体を挿入することにより前記外側筒状体の一部が外径側に押し出されるように変形して形成される。

本発明に係る回転電機ロータによれば、ロータコアの軸方向に対し傾斜する方向のスキュー溝にシャフト部材の係合凸部を係合して、ロータコアにシャフト部材を組み付ける場合の作業性を向上でき、かつ、耐久性を高くできる。

本発明の実施形態の回転電機ロータの斜視図である。 本発明の実施形態の回転電機ロータにおいて、組み付けの直前状態（ａ）と、組み付け後の状態（ｂ）とを断面で示す図である。 図１からロータコアを取り出して軸方向に見た図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 図２（ａ）から外側筒状体を取り出して示す斜視図である。 外側筒状体において、図２（ｂ）のＢ−Ｂ断面の拡大対応図である。 図２（ａ）から内側シャフト本体を取り出して示す斜視図である。 内側シャフト本体において、図２（ｂ）のＢ−Ｂ断面の拡大対応図である。 本発明の実施形態の別例の回転電機ロータにおいて、組み付けの直前状態（ａ）と、組み付け後の状態（ｂ）とを断面で示す図である。 図９（ｂ）から外側筒状体を取り出して示す斜視図である。 外側筒状体において、図９（ｂ）のＣ−Ｃ断面の拡大対応図である。 図１１のＤ矢視図である。

以下において、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。この説明において、具体的な形状、材料、及び個数は、本発明の理解を容易にするための例示であって、仕様に応じて適宜変更することができる。以下では、すべての図面において同様の要素には同一の符号を付して説明する。

図１は、実施形態の回転電機ロータ１０の斜視図である。図２は、実施形態の回転電機ロータ１０において、組み付けの直前状態（ａ）と、組み付け後の状態（ｂ）とを断面で示している。以下では、回転電機ロータ１０は単にロータ１０という。ロータ１０は、シャフト部材２０と、シャフト部材２０の外径側に嵌合固定されるロータコア５０とを含む。ロータ１０は、図示しないステータと組み合わせて回転電機の一種である、かご型誘導モータを形成する。なお、シャフト部材２０は図１における上下方向の端部が図示しないケース軸受により回転可能に支持される。

図３は、図１からロータコア５０を取り出して軸方向に見た図である。図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。ロータコア５０は、複数の電磁鋼板５１を積層してなる積層体５２と、複数の導体バー５６及び２つの環状連結部５７とを含む。電磁鋼板５１の厚さ方向両側面には絶縁皮膜が設けられる。電磁鋼板５１は、中心孔５１Ａを有する円板であって、中心軸Ｏを中心として同一円周上に等間隔で形成された図示しない複数の貫通孔を有する円板により形成される。電磁鋼板５１の中心孔５１Ａ側の内周面の直径方向に対向する２個所位置には、キー溝５３が形成される。キー溝５３は、電磁鋼板５１の中心軸Ｏに対し平行であっても、中心軸Ｏに対し傾斜していてもよい。複数の電磁鋼板５１は互いに同一形状を有する。

積層体５２は、複数の電磁鋼板５１が周方向に徐々にずれて積層されることにより形成される。積層体５２の中心孔５４は、複数の電磁鋼板５１の中心孔５１Ａにより構成され軸方向に伸びて形成される。積層体５２の中心孔５４側の内周面は、直径方向に対向する２個所位置に形成され、軸方向に対し全体的に傾斜しながら全体として軸方向に伸びた２つのスキュー溝５５を有する。各スキュー溝５５は、複数の電磁鋼板５１のキー溝５３が軸方向に少しずつ周方向にずれて連結されることにより形成される。この状態で、複数の電磁鋼板５１に形成された貫通孔が中心軸Ｏに対し全体的に傾斜するように連結されることによって、図示しない複数の傾斜孔が形成される。

複数の導体バー５６は、金属、例えばアルミニウム合金の鋳造によって複数の傾斜孔内に直線状に形成される。各導体バー５６は、中心軸Ｏに対し傾斜する。２つの環状連結部５７は、積層体５２の軸方向両端よりも外側に、金属、例えばアルミニウム合金により円環状に形成され、複数の導体バー５６の両端部に連結される。２つの環状連結部５７と複数の導体バー５６とは、例えば金型内に積層体５２の少なくとも一部を配置した状態で、導体バー５６及び環状連結部５７を形成すべき部分に溶融金属を流し込み固化させる鋳造により同時に形成される。

図２に戻って、シャフト部材２０は、外側筒状体３０と、外側筒状体３０の内側に挿入され結合される内側シャフト本体４０とを含む。図５は、図２（ａ）から外側筒状体３０を取り出して示す斜視図であり、図６は、外側筒状体３０において、図２（ｂ）のＢ−Ｂ断面の拡大対応図である。

外側筒状体３０は、筒状挿入部３１と、筒状挿入部３１の軸方向一端部（図２、図５の下端部）に筒状挿入部３１の中心軸Ｏを中心とするように連結された円環状のフランジ３２とを含む。図２、図６に示すように、筒状挿入部３１は、外周面の中心軸Ｏに対して対称な２個所に、軸方向に対して傾斜して設けられ、ロータコア５０のスキュー溝５５に挿入される２つの係合凸部３６を有する。

図５に示すように、筒状挿入部３１の外周面は、自由状態で円筒面状に形成される。筒状挿入部３１の外径Ｄ１は、自由状態でロータコア５０の内径ｄ１（図２（ａ））よりも小さい（Ｄ１＜ｄ１）。図２に示すように、筒状挿入部３１は、内周面に形成されるテーパ面３３と、内周面のフランジ３２側の端部に設けられる円筒面３４とを含む。テーパ面３３は、フランジ側端部（図５の下端部）に向かって直径が小さくなるように中心軸Ｏに対し傾斜する。

テーパ面３３の直径方向に対向する２個所位置には、第２キー溝３５が形成される。第２キー溝３５は、筒状挿入部３１の中心軸Ｏに対し、ロータコア５０のスキュー溝５５と同じ角度で傾斜している。後述するように、第２キー溝３５に後述の内側シャフト本体４０のキー凸部４１が係合されることによって、筒状挿入部３１の外周面において、第２キー溝３５と周方向に同じ位置が凸状に変形し、その変形した部分によって２つの係合凸部３６（図２（ｂ））が形成される。

さらに、図５に戻って、筒状挿入部３１の軸方向他端面（図５の上端面）の周方向に離れた複数（図５では２個所）の位置には、軸方向に突出する位置決め凸部３７が形成される。各位置決め凸部３７の内周面にも、筒状挿入部３１の第２キー溝３５が延長して形成され、位置決め凸部３７の一端面（図５の上端面）に達する。位置決め凸部３７は、後述の内側シャフト本体４０に形成される位置決め孔４２に挿入されて、外側筒状体３０及び内側シャフト本体４０の相対回転を阻止する。位置決め凸部３７は、第２キー溝３５とは筒状挿入部３１の周方向にずれた位置に形成されてもよい。

図７は、図２（ａ）から内側シャフト本体４０を取り出して示す斜視図であり、図８は、内側シャフト本体４０において、図２（ｂ）のＢ−Ｂ断面の拡大対応図である。内側シャフト本体４０は、第２筒状挿入部４３と、第２筒状挿入部４３の軸方向一端部（図７の上端部）に第２筒状挿入部４３の中心軸Ｏを中心として連結された円環状のフランジ４４とを含む。

図２に示すように、第２筒状挿入部４３は円筒状の内周面を有する。図７に示すように、第２筒状挿入部４３は、外周面に形成されるテーパ面４５と、外周面のフランジ４４と反対側の端部に設けられ、外径側に突出する抜け止めフランジ４６とを含む。テーパ面４５は、フランジ４４に向かって直径が大きくなるように中心軸Ｏに対し傾斜する。テーパ面４５において、中心軸Ｏに対して対称な２個所位置には、キー凸部４１が形成される。キー凸部４１は、第２筒状挿入部４３の中心軸Ｏに対して、図５、図６に示す筒状挿入部３１の第２キー溝３５と同じ角度で傾斜している。抜け止めフランジ４６の外径Ｄ２（図７）は、自由状態で外側筒状体３０のテーパ面３３の小径側端部（図２の下端部）の内径ｄ２（図２（ａ））よりも大きい（Ｄ２＞ｄ２）。

図２に戻って、フランジ４４の内側面（図２の下側面）において、第２筒状挿入部４３との連結部近傍の周方向に離れた２個所位置には、筒状挿入部３１の位置決め凸部３７を進入可能な位置決め孔４２が形成される。位置決め孔４２は、位置決め凸部３７と周方向に係合して、外側筒状体３０及び内側シャフト本体４０の相対回転を阻止する。なお、位置決め孔４２及び位置決め凸部３７はそれぞれ２つずつを形成するものに限定せず、それぞれ１つまたは３つ以上が形成されてもよい。

外側筒状体３０及び内側シャフト本体４０は、鋼等の金属により形成される。図２に示すようにシャフト部材２０は、外側筒状体３０及び内側シャフト本体４０において、それぞれのフランジ３２，４４がロータコア５０の軸方向両側に配置されるように、嵌合され結合されて形成される。

具体的には、ロータ１０を形成する場合、図２（ａ）に示すように、ロータコア５０の内周面に外側筒状体３０の筒状挿入部３１が挿入される。この場合、外側筒状体３０の２つの第２キー溝３５と、ロータコア５０の２つのスキュー溝５５との周方向位置を一致させる。

この状態で、筒状挿入部３１の内側に内側シャフト本体４０の第２筒状挿入部４３が、抜け止めフランジ４６を先にして、テーパ面３３の大径側端部（図２の上端部）の開口から、小径側端部（図２の下端部）に向けて挿入される。この場合、第２筒状挿入部４３の２つのキー凸部４１と、外側筒状体３０の２つの第２キー溝３５との周方向位置を一致させる。

筒状挿入部３１に第２筒状挿入部４３が挿入されるのにしたがって、抜け止めフランジ４６がテーパ面３３の小径側端部を外径側に弾性変形させて、図２（ｂ）に示すように抜け止めフランジ４６が外側筒状体３０の円筒面３４の内側に進入する。これによって、筒状挿入部３１が内径側に少し復元して、テーパ面３３の小径側端部の内径ｄ２が抜け止めフランジ４６の外径Ｄ２よりも小さくなるので、外側筒状体３０に対し内側シャフト本体４０が抜け出ることが阻止される。

さらにこの状態で、第２筒状挿入部４３が筒状挿入部３１の内周側に挿入され嵌合されて、筒状挿入部３１の一部が外径側に押されて変形することによって、筒状挿入部３１の外周面に２つの係合凸部３６が形成される。各係合凸部３６は、筒状挿入部３１の軸方向に対し傾斜する。

より具体的には、第２キー溝３５に内側シャフト本体４０のキー凸部４１が挿入され、キー凸部４１の先端が第２キー溝３５の底面に強く押し付けられる。これによって、筒状挿入部３１の一部であって、第２キー溝３５と周方向位置が一致して径方向厚さの小さい部分が凸状に変形し、その変形した部分によって軸方向に対し傾斜する２つの係合凸部３６が形成される。各係合凸部３６は、ロータコア５０のスキュー溝５５に係合するので、ロータコア５０に対するシャフト部材２０の回転が阻止される。この場合、キー凸部４１と第２キー溝３５との周方向の係合によって、内側シャフト本体４０及び外側筒状体３０の相対回転が阻止される。

上記のロータ１０は、図示しないステータと径方向に対向するように組み合わせされて、かご型誘導モータを形成する。ステータは、例えば３相ステータコイルを有し、３相交流電流がステータコイルに流れることで回転磁界を生成する。この回転磁界がロータ１０に作用することでロータ１０が回転する。この場合、ロータ１０に設けられた隣り合う２本の導体バー５６と、導体バー５６を連結する２つの環状連結部５７とに誘導電流が流れる。各導体バー５６は、中心軸Ｏに対し傾斜しているのでロータ回転時のリップルの発生抑制を図れる。

また、ロータコア５０に外側筒状体３０を組み付けた後に、内側シャフト本体４０により外側筒状体３０を外径側に変形させて中心軸Ｏに対して傾斜する係合凸部３６が形成され、ロータコア５０の内周面のスキュー溝５５に係合凸部３６が係合する。このため、スキュー溝５５に係合凸部３６を係合して、ロータコア５０にシャフト部材２０を組み付ける場合の作業性を向上できる。

また、係合凸部３６とスキュー溝５５とが広い面積で接触するので、係合凸部３６とスキュー溝５５とに過度に応力が集中することを防止できる。これによって、ロータ１０の耐久性を高くできる。上記の特許文献２に記載された構成では、ロータコアのキー凸部とシャフト部材のキー溝との接触面積が小さく、キー凸部の一部に過度に応力が集中する場合がある。この場合、ロータコアを形成する積層体に軸方向に押圧することによって複数のかしめ部を形成し、複数の鋼板の位置ずれを阻止する構成の場合に、かしめ部に加わる負荷が大きくなることにより、かしめ部の結合強度が低下する可能性がある。また、キー凸部に生じる応力が過度に高くなることを防止するためにロータの最高回転数を低く抑える必要が生じる場合がある。本例の構成によればこのような不都合を防止できる。

図９は、実施形態の別例のロータ１０において、組み付けの直前状態（ａ）と、組み付け後の状態（ｂ）とを断面で示している。図１０は、図９（ｂ）から外側筒状体３０Ａを取り出して示す斜視図であり、図１１は、外側筒状体３０Ａにおいて、図９（ｂ）のＣ−Ｃ断面の拡大対応図である。図１２は、図１１のＤ矢視図である。

本例の場合、シャフト部材２０Ａは、外側筒状体３０Ａと内側シャフト本体４０Ａとを結合することにより形成される。図１０から図１２に示すように、外側筒状体３０Ａは、自由状態で上記の図５に示した外側筒状体３０において、筒状挿入部３１の周方向に離れた２個所位置に、軸方向に対し傾斜した方向に延びる略Ｕ字形状の切欠４７が形成される。各切欠４７は、ロータコア５０のスキュー溝５５と係合する係合凸部３６Ａ（図９（ｂ））の形成位置に対応して形成される。切欠４７は、中心軸Ｏに対し傾斜した略平行な２つの直線部４７ａと、２つの直線部４７ａを連結する第２直線部４７ｂとにより形成され、筒状挿入部３１を径方向に貫通する。図９（ａ）に示すように、第２直線部４７ｂは、筒状挿入部３１の内周面において、テーパ面３３の小径側端部よりも円筒面３４側に外れた部分に形成される。各切欠４７の内側部分の径方向内側に第２キー溝３５の底面が形成されるように、各切欠４７の内側部分は切欠４７の周方向両側部分よりも径方向厚さが小さくなっている。

内側シャフト本体４０Ａは、図７に示した内側シャフト本体４０において、第２筒状挿入部４３の外周面にテーパ面４５の代わりに円筒面４８が形成され、軸方向一端部（図９の下端部）の外周面に抜け止めフランジ４６が形成される。円筒面４８において、互いに中心軸Ｏに対して対称となる２個所位置には、図７の内側シャフト本体４０と同様に、中心軸Ｏに対し傾斜したキー凸部４１が形成される。

なお、内側シャフト本体４０Ａのフランジ４４側端部の内周縁部には軸方向に突出する円筒部４９が形成され、円筒部４９の内周面に雌スプライン部４９ａが形成される。雌スプライン部４９ａは、図示しない回転軸の端部に形成される雄スプライン部と係合する。これによって、シャフト部材２０Ａに回転軸を相対回転を不能として同軸に結合することが可能となる。円筒部４９の内周面に雌スプライン部を形成せず、円筒部４９の外周面に雄スプライン部を形成してもよい。この場合、回転軸の雌スプライン部と雄スプライン部とを係合させることが可能となる。

本例のロータでは、次のようにシャフト部材２０Ａがロータコア５０に結合される。まず、図９（ａ）に示すように、ロータコア５０の内周面に外側筒状体３０Ａの筒状挿入部３１が挿入される。この場合、外側筒状体３０Ａの２つの第２キー溝３５と、ロータコア５０の２つのスキュー溝５５との周方向位置を一致させる。この状態で、筒状挿入部３１の内側に、内側シャフト本体４０Ａの第２筒状挿入部４３が挿入される。この場合、第２筒状挿入部４３の２つのキー凸部４１と、外側筒状体３０Ａの２つの第２キー溝３５との周方向位置を一致させる。

筒状挿入部３１に第２筒状挿入部４３が挿入されるのにしたがって、抜け止めフランジ４６がテーパ面３３の小径側端部（図９の下端部）を外径側に弾性変形させる。これに続いて、図２（ｂ）のように抜け止めフランジ４６が外側筒状体３０Ａの円筒面３４の内側に進入することで筒状挿入部３１が内径側に少し復元して、テーパ面３３の小径側端部の内径が抜け止めフランジ４６の外径よりも小さくなる。

この状態で、第２キー溝３５に内側シャフト本体４０Ａのキー凸部４１が挿入され、キー凸部４１の先端が第２キー溝３５の底面に強く押し付けられることにより、切欠４７の内側部分が外径側に弾性的に変形する。これによって、切欠４７の内側部分が、筒状挿入部３１の円筒状の外周面よりも外側に変形することにより係合凸部３６Ａが形成され、係合凸部３６Ａがロータコア５０のスキュー溝５５に挿入される。これによって、ロータコア５０に対するシャフト部材２０Ａの回転が阻止される。

上記構成によっても、ロータコア５０にシャフト部材２０Ａを組み付ける場合の作業性を向上でき、かつ、耐久性を高くできる。その他の構成及び作用は、図１から図８の構成と同様である。

なお、上記の各例の構成では、外側筒状体３０，３０Ａに形成される係合凸部３６，３６Ａが２つである場合を説明したが、係合凸部３６，３６Ａは１つ、または３つ以上の任意の個数としてもよい。また、内側シャフト本体４０，４０Ａ及び外側筒状体３０，３０Ａの相対回転を阻止するために、内側シャフト本体４０，４０Ａの位置決め孔４２に外側筒状体３０，３０Ａの位置決め凸部３７が挿入される第１構成と、外側筒状体３０，３０Ａの第２キー溝３５に内側シャフト本体４０，４０Ａのキー凸部４１が係合される第２構成とを採用している。一方、第１構成及び第２構成の一方のみの構成を採用して、外側筒状体及び内側シャフト本体の相対回転を阻止する構成を採用してもよい。また、第１構成及び第２構成のいずれも採用せず、外側筒状体の内側に内側シャフト本体を嵌合し結合することにより外側筒状体の内周面と内側シャフト本体の外周面との間に生じる摩擦力により、２つのシャフトの相対回転を阻止する構成を採用してもよい。

上記ではかご型誘導モータを形成するロータの場合を説明したが、周方向複数個所にスリットを有する複数の電磁鋼板を周方向に徐々にずれて積層することにより積層体を形成し、この積層体を含む誘導モータ用のロータに、本発明を適用してもよい。

１０ 回転電機ロータ、２０，２０Ａ シャフト部材、３０，３０Ａ 外側筒状体、３１ 筒状挿入部、３２ フランジ、３３ テーパ面、３４ 円筒面、３５ 第２キー溝、３６，３６Ａ 係合凸部、３７ 位置決め凸部、４０，４０Ａ 内側シャフト本体、４１ キー凸部、４２ 位置決め孔、４３ 第２筒状挿入部、４４ フランジ、４５ テーパ面、４６ 抜け止めフランジ、４７ 切欠、４７ａ 直線部、４７ｂ 第２直線部、４８ 円筒面、４９ 円筒部、４９ａ 雌スプライン部、５０ ロータコア、５１ 電磁鋼板、５１Ａ 中心孔、５２ 積層体、５３ キー溝、５４ 中心孔、５５ スキュー溝、５６ 導体バー、５７ 環状連結部。

Claims (1)

1. シャフト部材と、
   前記シャフト部材の外径側に固定されるロータコアと、を備える回転電機ロータであって、
   前記ロータコアは、キー溝を有する複数の鋼板が周方向にずれて積層されることにより形成され、内周面に前記キー溝を含んで軸方向に対し傾斜したスキュー溝を有する積層体を含み、
   前記シャフト部材は、
   外周面に軸方向に対し傾斜して設けられ、前記スキュー溝に挿入される係合凸部を有する外側筒状体と、
   前記外側筒状体の内周側に挿入される内側シャフト本体とを含み、
   前記係合凸部は、前記外側筒状体の内周側に前記内側シャフト本体を挿入することにより前記外側筒状体の一部が外径側に押し出されるように変形して形成される、回転電機ロータ。

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