JP2017153295A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の周囲を樹脂モールドすることなく、軸受の電食を効果的に抑制できる回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機は、ロータと、軸受１９を介してハウジングに回転自在に取り付けられた回転軸と、前記ロータの外周囲に配置されたステータと、を備える。前記回転軸は、前記ロータが固着される略円筒形の第一軸３０であって、ロータ径方向内側に突出する第一突出部３８を有する第一軸３０と、前記軸受１９により軸支される第二軸３２であって、ロータ径方向外側に突出する第二突出部４０を有する第二軸３２と、前記第二軸３２の外周面に形成された雄ネジ４２に螺合される締結ナット３６と、少なくとも前記第一突出部３８と第二突出部４０との間に介在する絶縁体３４と、を備え、前記締結ナット３６と前記第二突出部４０とで、前記第一突出部３８と前記絶縁体３４とを挟持することで、前記第一軸３０と第二軸３２とが連結されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータと、前記ロータとともに回転し、軸受を介してハウジングに回転自在に取り付けられた回転軸と、前記ロータの外周囲に配置されたステータと、を備えた回転電機に関する。

周知の通り、回転電機は、ステータとロータとを有しており、ロータは、その中心に回転軸が装着されている。回転軸は、軸受を介してハウジングに回転自在に取り付けられており、ロータとともに回転する。従来の回転電機では、回転軸を軸支する軸受の電食が生じるという問題があった。これについて図８を参照して説明する。図８は、従来の回転電機１０の概略構成を示す図である。

回転電機１０では、その内部において磁気的なアンバランスが生じると、回転軸１６の周囲に磁束が発生する。そして、この磁束に起因して、回転軸１６の両端には、電圧（以下「軸電圧」と呼ぶ）が誘導される。軸電圧は、回転軸１６およびハウジング１８を介して回転中の軸受１９の内外輪１９ａ，１９ｃに印加される。軸受１９の内外輪１９ａ，１９ｃは、潤滑油膜で絶縁されているが、一定以上の電圧（数Ｖ程度）が印加されると、絶縁破壊する。軸受１９の内外輪１９ａ，１９ｃの絶縁が破壊されると、図８において二点鎖線で示す通り、「回転軸１６−軸受１９−ハウジング１８−回転軸１６」の循環経路で誘導電流が流れる。このとき、ジュール損は、絶縁破壊部、すなわち、軸受１９に集中するため、軸受１９の電食が進行するという問題があった。

特許文献１〜３には、こうした軸受の電食を抑制するために、回転軸の途中、または、回転軸の端部に絶縁部材を設け、当該絶縁部材と回転軸とを、樹脂モールドすることで一体化する構成が開示されている。かかる構成によれば、回転軸と軸受とを結ぶ経路途中に絶縁部材が介在することになるため、軸受の電食を抑制できる。

特開２０１０−１５８１４１号公報 特開２０１２−０１９５８０号公報 特開２０１３−２３３０３５号公報

しかしながら、特許文献１〜３の技術では、大きいトルクに耐えられないという問題があった。すなわち、電動車両用の回転電機等は、ロータ回転時に、非常に大きいトルクが回転軸に加わる。特許文献１〜３の技術では、回転軸が大きなトルクを受けると、絶縁部材と、樹脂モールドまたは回転軸と、の界面で滑りが発生したり、樹脂モールドそのものが破損したりする。

そこで、本発明では、回転軸の周囲を樹脂モールドすることなく、軸受の電食を効果的に抑制できる回転電機を提供することを目的とする。

本発明の回転電機は、ロータと、前記ロータとともに回転し、軸受を介してハウジングに回転自在に取り付けられた回転軸と、前記ロータの外周囲に配置されたステータと、を備えた回転電機であって、前記回転軸は、前記ロータが固着される略円筒形の第一軸であって、ロータ径方向内側に突出する第一突出部を有する第一軸と、前記軸受により軸支される第二軸であって、ロータ径方向外側に突出する第二突出部を有する第二軸と、前記第二軸の外周面に形成された雄ネジに螺合されるナットと、少なくとも前記第一突出部と第二突出部との間に介在する絶縁体と、を備え、前記ナットと前記第二突出部とで、前記第一突出部と前記絶縁体とを挟持することで、前記第一軸と第二軸とが連結されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、第一軸と第二軸とが絶縁体を介してナットにより螺合締結されており、回転軸が軸方向に絶縁されている。その結果、回転軸の周囲を樹脂モールドすることなく、軸受の電食を効果的に抑制できる。

本発明の実施形態である回転電機の構成を示す縦断面図である。 図１のＡ部拡大図である。 第一軸の概略斜視図である。 第二軸の概略斜視図である。 他の回転電機の第一軸の概略斜視図である。 他の回転電機の構成を示す図である。 他の回転電機の要部拡大図である。 従来の回転電機の構成を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である回転電機１０の縦断面図である。また、図２は、図１のＡ部拡大図である。また、以下の説明において、「軸方向」、「周方向」、「径方向」とは、ロータの軸方向、周方向、径方向の意味である。

回転電機１０は、ロータ１２と、ステータ１４と、回転軸１６と、ハウジング１８と、に大別される。ロータ１２は、ロータコア２０および当該ロータコア２０に埋め込まれた永久磁石２２を備えている。ロータコア２０は、電磁鋼板を積層してなる円筒形部材である。このロータコア２０の中心には、回転軸１６が挿通され、固着されている。

回転軸１６の両端は、軸受１９を介してハウジング１８に取り付けられており、回転軸１６およびロータ１２は、ハウジング１８に対して回転自在となっている。本実施形態における回転軸１６は、中空の筒部材である。回転軸１６の内部は、冷媒が流れる軸心流路として機能する。ロータコア２０には、この軸心流路に連通する冷媒流路（図示せず）が形成されている。この回転軸１６は、第一軸３０と、第二軸３２とを絶縁体３４で絶縁した状態で、当該第一軸３０および第二軸３２を締結ナット３６で連結することで構成されるが、これについては後に詳説する。

ステータ１４は、ステータコア２４と、ステータコイル２６と、を有している。ステータコア２４は、環状のヨークと、当該ヨークの内周面から突出する複数のティースと、を有している。ステータコイル２６は、複数のティースに巻回されている。このステータコイル２６に通電することで、回転磁界が発生する。

軸受１９は、外輪１９ａと内輪１９ｃとの間に複数の転動体１９ｂ（球体）を配して構成されており、外輪１９ａと転動体１９ｂの間、および、内輪１９ｃと転動体１９ｂの間には、潤滑油膜が介在している。この潤滑油膜は、転動体１９ｂの動きを滑らかにする潤滑剤として機能するとともに、外輪１９ａと内輪１９ｃとを絶縁する絶縁部材としても機能する。潤滑油膜が介在することで、回転軸１６とハウジング１８とが電気的に絶縁される。ハウジング１８は、回転軸１６、ロータ１２、ステータ１４を覆う部材で、導電性の金属、例えば、メッキ鋼板等からなる。

以上のような構成の回転電機１０は、ステータコイル２６に通電することで、ロータ１２が回転したり、動力を付与してロータ１２を回転させるとステータコイル２６に電流が流れて発電したりする。このとき、回転電機１０の内部において、磁気的なアンバランスが生じると、回転軸１６の周囲に磁束が発生することが知られている。この回転軸１６の周囲に流れる磁束が発生すると、回転軸１６の両端には、電圧（以下「軸電圧」と呼ぶ）が誘導される。軸電圧は、回転軸１６およびハウジング１８を介して回転中の軸受１９の内外輪１９ａ，１９ｃに印加される。軸受１９の内外輪１９ａ，１９ｃは、潤滑油膜で絶縁されているが、一定以上の電圧（数Ｖ程度）が印加されると、絶縁破壊する。軸受１９の内外輪１９ａ，１９ｃの絶縁が破壊されると、図８において二点鎖線で示す通り、「回転軸１６−軸受１９−ハウジング１８−回転軸１６」の循環経路で誘導電流が流れる。このとき、ジュール損は、絶縁破壊部、すなわち、軸受１９に集中するため、軸受１９の電食が進行するという問題があった。

そこで、本実施形態では、軸受１９の電食を抑制するために、回転軸１６を軸方向に絶縁する構成としている。これについて、図２〜図４を参照して説明する。図２は、図１のＡ部拡大図である。また、図３は、第一軸３０の概略斜視図であり、図４は、第二軸３２の概略斜視図である。

本実施形態の回転軸１６は、ロータ１２に固着される第一軸３０と、第一軸３０の一端に連結される第二軸３２と、に大別される。第一軸３０は、その内部が空洞の略円筒形で、ロータ１２が固着される固着部４６と、軸受１９により軸支される支持部４８と、に大別される。支持部４８は、固着部４６の他端に連なっており、固着部４６より小径となっている。したがって、支持部４８と固着部４６との間には、段差が形成されている。

固着部４６の外径は、ロータコア２０の内径とほぼ同じとなっており、固着部４６の外周囲には、ロータコア２０が固着されている。固着部４６の一端（支持部４８と反対側の端部）には、径方向内側に延びる第一突出部３８が形成されている。別の見方をすれば、第一軸３０の他端面は、その中央に貫通孔４４が形成された壁で覆われおり、この壁が、第一突出部３８として機能する。第一軸３０の他端面に形成された貫通孔４４は、図３に示すように、丸孔４４ａの周囲に角型のキー溝４４ｂが等間隔に三つ並んだ歯車のような形状となっている。

第二軸３２は、第一軸３０よりも小径の略円筒形部材である。この第二軸３２の外径φｃは、貫通孔４４を構成する丸孔４４ａの直径φａよりも小さい。第二軸３２の一端には、外周面から径方向外側に延びる第二突出部４０が設けられている。この第二突出部４０は、貫通孔４４を構成するキー溝４４ｂに対応する形状であり、周方向に等間隔に三つ並んでいる。第二突出部４０の外径φｄは、貫通孔４４を構成する丸孔４４ａの直径φａよりも大きく、貫通孔４４を構成するキー溝４４ｂの内径φｂよりも小さい。第二軸３２の外周面の一部には、雄ネジ４２（図４では図示せず）が形成されている。この雄ネジ４２には、後述する締結ナット３６が螺合される。

貫通孔４４を構成する丸孔４４ａの内周縁には、絶縁体３４が装着される。絶縁体３４は、平面視略環状の部材で、その材料は、絶縁性を備えたものであれば特に限定されない。また、絶縁体３４は、第一突出部３８への装着を容易にするために、適宜変形できる程度の弾性を有することが望ましい。

絶縁体３４は、図２に示すように、断面略コ状で、第一突出部３８の軸方向外面に接触する外側部３４ａと、第一突出部３８の軸方向内面に接触する内側部３４ｂと、外側部３４ａおよび内側部３４ｂを連結するべく軸方向に延びる軸方向部３４ｃと、を備えている。締結ナット３６は、第二軸３２の外周囲に螺合され、第一軸３０と第二軸３２とを締結するナットである。この締結ナット３６は、鋼等の金属からなる。第一軸３０と第二軸３２とを連結した際、内側部３４ｂは、第一突出部３８と第二突出部４０との間に介在し、外側部３４ａは、第一突出部３８と締結ナット３６との間に介在する。

第一軸３０と第二軸３２とを締結する際には、まず、第一軸３０のキー溝４４ｂと第二軸３２の第二突出部４０との位相を合わせた状態で、第二軸３２を貫通孔４４に挿入する。その後、第二軸３２を軸回りに回転させ、第一軸３０のキー溝４４ｂと第二軸３２の第二突出部４０との位相をずらす。これにより、第二突出部４０と第一突出部３８とが軸方向に正対した状態となる。

続いて、第一軸３０の丸孔４４ａの周縁に、絶縁体３４を装着する。これにより、第一突出部３８の軸方向両側に、外側部３４ａおよび内側部３４ｂが配置される。続いて、第一軸３０に締結ナット３６を螺合し、絶縁体３４および第一突出部３８を、第二突出部４０と締結ナット３６の間に挟み込む。この状態で、締結ナット３６を締めつけることで、外側部３４ａと第一突出部３８および内側部３４ｂと第二突出部４０との界面に垂直抗力が発生する。そして、この垂直効力により、第一突出部３８、絶縁体３４、第二突出部４０において、相互の滑り（動き）が規制され、第一軸３０と第二軸３２が絶縁体３４を介した状態で強固に連結される。

ここで、第一軸３０と第二軸３２とが連結された際、第一軸３０と第二軸３２との間、および、第一軸３０と締結ナット３６との間には、絶縁性材料からなる絶縁体３４が介在することになる。そのため、回転軸１６が、軸方向において絶縁されることになる。結果として、「回転軸１６−軸受１９−ハウジング１８−軸受１９−回転軸１６」という環状流路が途中で絶縁されることになり、軸受１９の電食が効果的に抑制される。

また、本実施形態では、締結ナット３６を締めつけることで、絶縁体３４と第一軸３０との界面、および、絶縁体３４と第二軸３２との界面に働く垂直抗力を向上させ、第一軸３０または第二軸３２と、絶縁体３４と、の界面の摩擦力が向上する。その結果、回転軸１６に大きなトルクがかかっても、第一軸３０に対する絶縁体３４の滑りや、絶縁体３４に対する第二軸３２の滑り等を効果的に防止できる。そのため、本実施形態の技術は、回転軸１６に大きなトルクがかかりやすい大出力の回転電機１０にも適用できる。

なお、ここまで説明した構成は、一例であり、適宜変更されてもよい。例えば、絶縁体３４、第一軸３０、第二軸３２間の摩擦係数を増加させるために、絶縁体３４や第一突出部３８、第二突出部４０の表面に、摩擦係数増加のための表面加工（例えばローレット加工等）を施してもよい。

また、本実施形態では、第二軸３２の第二突出部４０を、第一軸３０の貫通孔４４に挿入可能にするために、第一軸３０の貫通孔４４を、略歯車形状としているが、他の形状としてもよい。例えば、図５に示すように、第一軸３０の貫通孔４４を円形にするとともに、当該第一軸３０を縦に二分割可能な構成としてもよい。すなわち、第一軸３０を、断面略半円形の二つの軸片３０ａを組み合わせて構成してもよい。この場合、第二軸３２の第二突出部４０は、第二軸３２の外周囲から径方向外側に張り出すとともに、貫通孔４４より大径の円形とする。第一軸３０と第二軸と３２とを連結する際には、二つ軸片３０ａで第二軸３２を挟み込んだ後、貫通孔４４の周縁に絶縁体３４を装着し、さらに、第二軸３２に螺合した締結ナット３６を締めつける。

また、他の形態として、図６に示すように、第一軸３０を、外径が一定の寸胴状にするとともに、第一軸３０の一端（第一突出部３８の形成される側とは反対側端部）を完全開口させてもよい。この場合、第二軸３２は、第一軸３０の一端側の開口から貫通孔４４に向かって挿入すればよい。このとき、第一軸３０の貫通孔４４は円形に、第二軸３２の第二突出部４０は、貫通孔４４よりも大径の円形にできる。

また、これまでの説明では、第一軸３０と第二軸３２とを締結する締結ナット３６を金属製としたが、締結ナット３６は、十分な強度が得られるなら、絶縁性を有した樹脂で形成されてもよい。樹脂製の締結ナット３６を用いた場合、締結ナット３６と第一突出部３８とを絶縁する外側部３４ａは、不要となる。したがって、この場合、絶縁体３４は、図７に示すように、第一突出部３８の軸方向内面に接触する内側部３４ｂと、内面部から軸方向に延びる軸方向部３４ｃと、を備えた略Ｌ字状の断面を有すればよい。かかる構成とすることで、絶縁体３４の形状を単純化することができ、絶縁体３４の第一軸３０への装着を容易化できる。

１０ 回転電機、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ 回転軸、１８ ハウジング、１９ 軸受、２０ ロータコア、２２ 永久磁石、２４ ステータコア、２６ ステータコイル、３０ 第一軸、３２ 第二軸、３４ 絶縁体、３６ 締結ナット、３８ 第一突出部、４０ 第二突出部、４２ 雄ネジ、４４ 貫通孔、４６ 固着部、４８ 支持部。

Claims (1)

1. ロータと、
   前記ロータとともに回転し、軸受を介してハウジングに回転自在に取り付けられた回転軸と、
   前記ロータの外周囲に配置されたステータと、
   を備えた回転電機であって、
   前記回転軸は、
   前記ロータが固着される略円筒形の第一軸であって、ロータ径方向内側に突出する第一突出部を有する第一軸と、
   前記軸受により軸支される第二軸であって、ロータ径方向外側に突出する第二突出部を有する第二軸と、
   前記第二軸の外周面に形成された雄ネジに螺合されるナットと、
   少なくとも前記第一突出部と第二突出部との間に介在する絶縁体と、
   を備え、前記ナットと前記第二突出部とで、前記第一突出部と前記絶縁体とを挟持することで、前記第一軸と第二軸とが連結されている、
   ことを特徴とする回転電機。

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