JP2016005372A

JP2016005372A - 回転電機の回転子

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Publication number: JP2016005372A
Application number: JP2014124725A
Authority: JP
Inventors: 純一中園; Junichi Nakazono
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2016-01-12
Anticipated expiration: 2034-06-17
Also published as: JP6264203B2

Abstract

【課題】シャフトと回転子コアを嵌合して組み付ける際のシャフト挿入荷重を低減することができ、回転子コアに圧縮応力を与えることなく、十分な固定力を得られるようにした回転電機の回転子を提供する。【解決手段】本発明の回転子１は、シャフト１０と、軸方向に積層された複数の鋼板２１からなり、シャフト１０の外周面に嵌合される嵌合孔２２、及び軸方向に貫通し周方向に配列された複数のスロット２３を有する回転子コア２０と、回転子コア２０の軸方向両側に配置された一対のエンドリング３１、及びスロット２３を介して一対のエンドリング３１を連結する複数の連結バー３２を有し、鋳造により一体に形成された鋳造導体３０とを備える。鋳造導体３０は、回転子コア２０とシャフト１０の間に形成された隙間に、鋳造時の溶湯の一部が充填されることにより形成された充填部３３を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば車両などに搭載されて電動機や発電機として用いられる回転電機の回転子に関する。

従来、車両などに搭載されて使用される回転電機の１種として、導体の両端を総て短絡したかご形構造の回転子を利用した電動機（モータ）が知られている。そして、特許文献１には、シャフトと、軸方向に積層された複数の鋼板からなり、シャフトの外周面に嵌合される嵌合孔、及び軸方向に貫通し周方向に配列された複数のスロットを有する回転子コアと、回転子コアの軸方向両側に配置された一対のエンドリング、及びスロットを介して一対のエンドリングを連結する複数の連結バーを有し、鋳造により一体に形成された鋳造導体と、を備えた回転子が開示されている。

この回転子のシャフトと回転子コアは、通常、圧入や焼きばめ、キー嵌合などの手法により組み付けられる。なお、圧入を採用する場合には、シャフトの外周面にローレット加工を施しておくことにより、圧入荷重を低減化することができる。

特開２００４−２０８３６２号公報

ところで、上記の回転子において、シャフトと回転子コアを圧入や焼きばめにより組み付ける場合には、組み付け後の固定力を安定化させるために、所定の締め代をもって嵌合される。そのため、回転子コアに圧縮応力が掛かることによって、電磁気特性の悪化を招いているという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、シャフトと回転子コアを嵌合して組み付ける際のシャフト挿入荷重を低減することができ、回転子コアに圧縮応力を与えることなく、十分な固定力を得られるようにした回転電機の回転子を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明は、
シャフト（１０）と、
軸方向に積層された複数の鋼板（２１）からなり、前記シャフトの外周面に嵌合される嵌合孔（２２）、及び軸方向に貫通し周方向に配列された複数のスロット（２３）を有する回転子コア（２０）と、
前記回転子コアの軸方向両側に配置された一対のエンドリング（３１）、及び前記スロットを介して一対の前記エンドリングを連結する複数の連結バー（３２）を有し、鋳造により一体に形成された鋳造導体（３０）と、を備えた回転電機の回転子において、
前記鋳造導体は、前記回転子コアと前記シャフトの間に形成された隙間に、鋳造時の溶湯の一部が充填されることにより形成された充填部（３３）を有することを特徴とする。

本発明の回転電機の回転子によれば、鋳造導体は、回転子コアとシャフトの間に形成された隙間に、鋳造時の溶湯の一部が充填されることにより形成された充填部を有する。そのため、鋳造導体を鋳造により形成する際に、回転子コアとシャフトを固定する充填部を同時に形成することができるので、鋳造工程前においてシャフトと回転子コアを嵌合して組み付ける際のシャフト挿入荷重を低減もしくは０にすることができる。これにより、回転子コアに圧縮応力を与えることなく、十分な固定力を発揮できる構造となるため、電磁気特性の悪化を防止することができる。また、回転子コアとシャフトの間に形成された隙間に、鋳造導体の一部である充填部が充填されているので、回転子コアとシャフトとの熱伝導性が改善し、回転子の放熱性を向上させることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載された各部材や部位の後の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的な部材や部位との対応関係を示すものであり、特許請求の範囲に記載された各請求項の構成に何ら影響を及ぼすものではない。

実施形態１に係る回転電機の回転子の軸方向に沿う断面図であり、図２のＩ−Ｉ線矢視断面図である。図１のII−II線矢視断面図である。図１のIII −III 線矢視断面図である。実施形態２に係る回転電機の回転子の軸方向に沿う断面図であり、図５のIV−IV線矢視断面図である。図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。図４のVI−VI線矢視断面図である。実施形態３に係る回転電機の回転子の軸方向に沿う断面図であり、図８のVII −VII 線矢視断面図である。図７のVIII−VIII線矢視断面図である。図７のIX−IX線矢視断面図である。実施形態４に係る回転電機の回転子の軸方向に沿う断面図であり、図１１のＸ−Ｘ線矢視断面図である。図１０のXI−XI線矢視断面図である。図１０のXII −XII 線矢視断面図である。

以下、本発明に係る回転電機の回転子の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。

〔実施形態１〕
実施形態１に係る回転電機の回転子１について図１〜図３を参照して説明する。実施形態１の回転子１は、例えば車両用のかご形三相電動機として使用される回転電機（図示せず）に搭載されるかご形回転子である。この回転子１は、図１に示すように、シャフト１０と、複数の鋼板２１を軸方向に積層してなりシャフト１０の外周面に嵌合固定された回転子コア２０と、一対のエンドリング３１と複数の連結バー３２と充填部３３とを有し、鋳造（アルミダイカスト）により一体に形成された鋳造導体３０と、を備えている。

シャフト１０は、鉄系金属により中実円柱状に形成されており、軸方向両端部を除く中央部は一定の径に形成されている。シャフト１０の外周面の回転子コア２０が嵌着される部位には、ローレット加工が施されることにより凹凸状の係合部１１が設けられている。即ち、シャフト１０の外周面には、軸方向に延びる複数の凸条部１１ａと凹溝１１ｂが周方向に交互に形成された係合部１１が設けられている。

回転子コア２０は、打ち抜き加工で所定のリング形状に形成された複数の鋼板２１を軸方向に積層して形成されている。この回転子コア２０の中央部には、軸方向に貫通しシャフト１０の外周面に嵌合される嵌合孔２２を有する。嵌合孔２２の直径は、シャフト１０のローレット加工部（係合部１１）の直径よりも所定寸法大きくされている。これにより、回転子コア２０とシャフト１０の凸条部１１ａとの間には、所定寸法の隙間が形成されている。

回転子コア２０の外周側端部には、軸方向に貫通し周方向に円環状に配列された複数（本実施形態では４０個）のスロット２３が設けられている。また、回転子コア２０の軸方向の３箇所には、図１及び図２に示すように、スロット２３から径方向内方に延び回転子コア２０の内周面（嵌合孔２２）に開口する溶湯導入通路２４が設けられている。この溶湯導入通路２４は、回転子コア２０の軸方向の３箇所において、周方向に９０°間隔で４本ずつ設けられている。即ち、溶湯導入通路２４は、４０個のうちの４個のスロット２３に設けられている。この溶湯導入通路２４は、積層された複数の鋼板２１のうち、溶湯導入通路２４を設けるべき所に位置する１〜３枚程度の鋼板２１に対して、打ち抜き加工時で嵌合孔２２やスロット２３を形成する際に同時に形成されている。

鋳造導体３０は、回転子コア２０の軸方向両側に配置された一対のリング状のエンドリング３１と、スロット２３を介して一対のエンドリング３１を軸方向に連結する複数（本実施形態では４０本）の連結バー３２と、回転子コア２０とシャフト１０の間の隙間に、鋳造時のアルミ溶湯の一部が充填されることにより形成された充填部３３とを有する。なお、本実施形態では、電気抵抗が小さい純アルミニウムの溶湯が採用されている。

この鋳造導体３０は、下記のようにセット工程及び鋳造工程を行うことにより、シャフト１０及び回転子コア２０と一体に形成されている。先ず、セット工程では、鋳造導体３０を形成する鋳型（図示せず）のキャビティ内の所定位置に、シャフト１０の外周面に回転子コア２０を嵌合して組み付けた状態でセットする。その後、鋳型の型締めをして、次の鋳造工程を開始する。

鋳造工程では、鋳型の軸方向一方側にあるエンドリング３１を形成するキャビティにアルミ溶湯を所定圧力で注入する。注入されたアルミ溶湯は、エンドリング３１のキャビティから各スロット２３内に流入して軸方向に流動し、鋳型の軸方向他方側にあるエンドリング３１を形成するキャビティ内に流入して充満した状態となる。

このとき、溶湯導入通路２４が設けられている４個のスロット２３に流入したアルミ溶湯は、溶湯導入通路２４を通って径方向内方に流動し、回転子コア２０とシャフト１０の間に形成された隙間に流入して充満した状態となる。これにより、回転子コア２０とシャフト１０との間の隙間に流入して充填されたアルミ溶湯により充填部３３が形成される。その後、所定時間経過してアルミ溶湯が凝固した後、鋳型の型開きをして鋳物（製品）を取り出し、シャフト１０と回転子コア２０と鋳造導体３０が一体となった実施形態１の回転子１が得られる。

以上のように構成された実施形態１の回転子１によれば、鋳造導体３０は、回転子コア２０とシャフト１０の間に形成された隙間に、鋳造時の溶湯の一部が充填されることにより形成された充填部３３を有する。そのため、鋳造導体３０を鋳造により形成する際に、回転子コア２０とシャフト１０を固定する充填部３３を同時に形成することができるので、鋳造工程前においてシャフト１０と回転子コア２０を嵌合して組み付ける際のシャフト挿入荷重を低減もしくは０にすることができる。これにより、回転子コア２０に圧縮応力を与えることなく、十分な固定力を発揮できる構造となるため、電磁気特性の悪化を防止することができる。また、回転子コア２０とシャフト１０の間に形成された隙間に、鋳造導体３０の一部である充填部３３が充填されているので、回転子コア２０とシャフト１０との熱伝導性が改善し、回転子１の放熱性を向上させることができる。

また、実施形態１では、シャフト１０の外周面にローレット加工を施すことにより形成された係合部１１が設けられているので、シャフト１０と回転子コア２０の回転方向の相対変位をより確実に規制することができる。これにより、シャフト１０と回転子コア２０を嵌合して組み付ける際のシャフト挿入荷重をより有利に低減することが可能となる。

さらに、シャフト１０に設けられた係合部１１は、周方向に交互に配置された複数の凸条部１１ａ及び凹溝１１ｂにより構成されているので、シャフト１０と回転子コア２０の回転方向の固定力をより強固にすることができる。

また、実施形態１では、回転子コア２０は、スロット２３から径方向内方に延び回転子コア２０の内周面（嵌合孔２２）に開口する溶湯導入通路２４を有する。これにより、溶湯導入通路２４を最小限の大きさに形成することができることから、回転子コア２０の鉄の量を最大限保つことができるので、電磁気特性の悪化を防止することができる。

また、実施形態１では、鋳造導体３０の材質は、電気抵抗が小さい純アルミニウムであるため、回転子１の良好な性能を確保することができる。

〔実施形態２〕
実施形態２に係る回転電機の回転子２について図４〜図６を参照して説明する。実施形態１の回転子１では、シャフト１０にのみ係合部１１が設けられていたのに対して、実施形態２の回転子２は、シャフト１０と回転子コア２０の両方にギア・スプラインタイプの係合部１１、２５が設けられている点で異なる。よって、実施形態１と共通する部材や構成についての詳しい説明は省略し、以下、異なる点及び重要な点を説明する。なお、実施形態１と共通する部材については同じ符号を用いる。

実施形態２のシャフト１０は、鉄系金属により中実円柱状に形成されており、軸方向両端部を除く中央部は一定の径に形成されている。シャフト１０の外周面の回転子コア２０が嵌着される部位には、軸方向に延びる複数の凸条部１１ａと凹溝１１ｂが周方向に交互に形成されてなるギア・スプラインタイプの係合部１１が設けられている。

一方、シャフト１０の外周面に嵌着された回転子コア２０の内周面には、シャフト１０の外周面に設けられた係合部１１と対応するギア・スプラインタイプの係合部２５が設けられている。即ち、回転子コア２０に設けられた係合部２５は、軸方向に延びる複数の凸条部２５ａと凹溝２５ｂが周方向に交互に形成されてなるものである。そして、回転子コア２０の凸条部２５ａがシャフト１０の凹溝１１ｂと所定距離を隔てて対向するとともに、回転子コア２０の凹溝２５ｂがシャフト１０の凸条部１１ａと所定距離を隔てて対向した状態にされている。これにより、回転子コア２０の係合部２５とシャフト１０の係合部１１との間には、所定の隙間が形成されている。

そして、実施形態２の鋳造導体３０も、回転子コア２０の係合部２５とシャフト１０の係合部１１との間に形成された隙間に、鋳造時のアルミ溶湯の一部が溶湯導入通路２４（図４及び図５参照）を介して充填されることにより形成された充填部３３を有することは実施形態１と同様である。

以上のように構成された実施形態２の回転子２によれば、鋳造導体３０は、回転子コア２０とシャフト１０の間に形成された隙間に、鋳造時のアルミ溶湯の一部が充填されることにより形成された充填部３３を有する。そのため、シャフト１０と回転子コア２０を嵌合して組み付ける際のシャフト挿入荷重を低減もしくは０にすることができる等、実施形態１と同様の作用及び効果を奏する。

特に、実施形態２では、シャフト１０と回転子コア２０の両方にギア・スプラインタイプの係合部１１、２５が設けられているので、実施形態１の場合と比べて、シャフト１０と回転子コア２０の回転方向の固定力をより強固にすることができる。

〔実施形態３〕
実施形態３に係る回転電機の回転子３について図７〜図９を参照して説明する。実施形態３の回転子３は、実施形態２と同様に、シャフト１０と回転子コア２０の両方に係合部１１，２５が設けられている点で、実施形態１と異なる。よって、実施形態１，２と共通する部材や構成についての詳しい説明は省略し、以下、異なる点及び重要な点を説明する。なお、実施形態１と共通する部材については同じ符号を用いる。

実施形態３のシャフト１０は、鉄系金属により中実円柱状に形成されており、軸方向両端部を除く中央部は一定の径に形成されている。そして、シャフト１０の外周面の回転子コア２０が嵌着される部位には、実施形態１と同様に、ローレット加工が施されることにより形成された凹凸状の係合部１１が設けられている。即ち、シャフト１０の外周面には、実施形態１と同様に、軸方向に延びる複数の凸条部１１ａと凹溝１１ｂが周方向に交互に形成された係合部１１が設けられている。

一方、シャフト１０の外周面に嵌着された回転子コア２０の内周面には、実施形態２と同様のギア・スプラインタイプの係合部２５が設けられている。即ち、回転子コア２０の内周面には、軸方向に延びる複数の凸条部２５ａと凹溝２５ｂが周方向に交互に形成された係合部２５が設けられている。これにより、実施形態３の場合にも、回転子コア２０の内周面の係合部２５とシャフト１０の外周面の係合部１１との間に、所定の隙間が形成されている。

そして、実施形態３の鋳造導体３０も、回転子コア２０の係合部２５とシャフト１０の係合部１１との間に形成された隙間に、鋳造時の溶湯の一部が溶湯導入通路２４（図７及び図８参照）を介して充填されることにより形成された充填部３３を有することは実施形態１，２と同様である。

以上のように構成された実施形態３の回転子３によれば、鋳造導体３０は、回転子コア２０とシャフト１０の間に形成された隙間に、鋳造時のアルミ溶湯の一部が充填されることにより形成された充填部３３を有する。そのため、シャフト１０と回転子コア２０を嵌合して組み付ける際のシャフト挿入荷重を低減もしくは０にすることができる等、実施形態１，２と同様の作用及び効果を奏する。

また、実施形態３の場合にも、シャフト１０と回転子コア２０の両方に係合部１１、２５が設けられているので、実施形態１の場合と比べて、シャフト１０と回転子コア２０の回転方向の固定力をより強固にすることができる。

〔実施形態４〕
実施形態４に係る回転電機の回転子４について図１０〜図１２を参照して説明する。実施形態１の回転子１では、シャフト１０にのみ係合部１１が設けられていたのに対して、実施形態４の回転子４は、回転子コア２０にのみ係合部２５が設けられている点で実施形態１と異なる。よって、実施形態１と共通する部材や構成についての詳しい説明は省略し、以下、異なる点及び重要な点を説明する。なお、実施形態１と共通する部材については同じ符号を用いる。

実施形態４のシャフト１０は、鉄系金属により中実円柱状に形成されており、軸方向両端部を除く中央部は一定の径に形成されている点で実施形態１と同じであるが、シャフト１０の外周面の回転子コア２０が嵌着される部位に、凹凸状の係合部１１が設けられていない点で実施形態１と異なる。

一方、シャフト１０の外周面に嵌着された回転子コア２０の内周面には、実施形態２，３と同様のギア・スプラインタイプの係合部２５が設けられている。即ち、回転子コア２０の内周面には、軸方向に延びる複数の凸条部２５ａと凹溝２５ｂが周方向に交互に形成された係合部２５が設けられている。これにより、実施形態４の場合にも、回転子コア２０の内周面の係合部２５とシャフト１０の外周面との間に、所定の隙間が形成されている。

そして、実施形態４の鋳造導体３０も、回転子コア２０の係合部２５とシャフト１０の外周面との間に形成された隙間に、鋳造時のアルミ溶湯の一部が溶湯導入通路２４（図１０及び図１１参照）を介して充填されることにより形成された充填部３３を有することは実施形態１〜３と同様である。

以上のように構成された実施形態４の回転子４によれば、鋳造導体３０は、回転子コア２０とシャフト１０の間に形成された隙間に、鋳造時のアルミ溶湯の一部が充填されることにより形成された充填部３３を有する。そのため、シャフト１０と回転子コア２０を嵌合して組み付ける際のシャフト挿入荷重を低減もしくは０にすることができる等、実施形態１〜３と同様の作用及び効果を奏する。

〔他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。

例えば、上記の実施形態では、鋳造導体３０の材質として、純アルミニウムが採用されていたが、純アルミニウムに代えて、純銅、或いはそれらを主成分とする合金を採用してもよい。なお、より良好な性能を確保するためには、電気抵抗が小さい純アルミニウムや純銅を採用するのが好ましい。

また、上記の実施形態では、本発明に係る回転電機の回転子を車両用モータの回転子に適用した例を説明したが、車両に搭載されて電動機や発電機として使用される回転電機の回転子、あるいは両者を選択的に使用し得る回転電機の回転子にも、本発明を適用することができる。

１〜４…回転子、１０…シャフト、１１…係合部、１１ａ…凸条部、１１ｂ…凹溝、２０…回転子コア、２１…鋼板、２２…嵌合孔、２３…スロット、２４…溶湯導入通路、２５…係合部、２５ａ…凸条部、２５ｂ…凹溝、３０…鋳造導体、３１…エンドリング、３２…連結バー、３３…充填部。

Claims

シャフト（１０）と、
軸方向に積層された複数の鋼板（２１）からなり、前記シャフトの外周面に嵌合される嵌合孔（２２）、及び軸方向に貫通し周方向に配列された複数のスロット（２３）を有する回転子コア（２０）と、
前記回転子コアの軸方向両側に配置された一対のエンドリング（３１）、及び前記スロットを介して一対の前記エンドリングを連結する複数の連結バー（３２）を有し、鋳造により一体に形成された鋳造導体（３０）と、を備えた回転電機の回転子において、
前記鋳造導体は、前記回転子コアと前記シャフトの間に形成された隙間に、鋳造時の溶湯の一部が充填されることにより形成された充填部（３３）を有することを特徴とする回転電機の回転子。
前記シャフト及び前記回転子コアの少なくとも一方に、前記シャフトと前記回転子コアの回転方向の相対変位を規制する係合部（１１，２５）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
前記係合部は、周方向に交互に配置された軸方向に延びる複数の凸条部（１１ａ，２５ａ）及び凹溝（１１ｂ，２５ｂ）により構成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転電機の回転子。
前記回転子コアは、前記スロットから径方向内方に延び前記回転子コアの内周面に開口する溶湯導入通路（２４）を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の回転電機の回転子。
前記鋳造導体の材質は、アルミニウム、銅、或いはそれらを主成分とする合金であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の回転電機の回転子。