JP2018137923A - 回転電機のロータ、及び回転電機のロータ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易な設計をもってロータ及び回転軸部材間の確実なトルク伝達を実現する。
【解決手段】回転軸２１に設けられ、回転軸２１が有する係合部２２に係合される円環状のロータコア１７を有する回転電機１１のロータ１５である。ロータコア１７は、周方向に沿って複数設けられる磁石収容孔２３と、磁石収容孔２３を回転軸２１の係合部２２に連通させるように径方向に沿って複数設けられるキー連通孔２７とを有する。磁石収容孔２３には永久磁石２５が収容されている。磁石収容孔２３及び永久磁石２５の隙間、キー連通孔２７、並びに、ロータコア１７の内径部１７ａ及び回転軸２１の係合部２２の隙間には、これらを埋めるように樹脂体キー３１が一体に設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機のロータ、及び回転電機のロータ製造方法に関する。

最近時、駆動源としての内燃機関に加えて又は代えて、回転電機を搭載した車両が普及している。ハイブリッド自動車（Hybrid Electric Vehicle）や電気自動車（Electric Vehicle）と呼ばれる車両がそれである。

本願出願人は、ステータと、ステータの内径側に回転自在に設けられるロータとを備える回転電機の発明を開示している（例えば特許文献１参照）。
特許文献１に係る回転電機のロータは、ロータコアと、回転軸に固定されると共にロータコアを保持する保持部材とを備える。保持部材は、外周部にロータコアが固定される筒状部と、筒状部と回転軸とを連結する連結部と、ロータコアに発生するトルクを伝達するトルク伝達部と、を備える。これら筒状部、連結部、及びトルク伝達部を備える保持部材は、樹脂によって一体に形成される。

詳しく述べると、特許文献１に係る回転電機のロータでは、ロータコアは、円周方向に沿って形成された複数の磁石収容部を有する。磁石収容部には、永久磁石が収容される。前記トルク伝達部は、永久磁石と磁石収容部との空隙に充填された樹脂が、前記筒状部と一体に形成されることで構成されている。

特許文献１に係る回転電機のロータによれば、ロータコアを保持部材に対して圧入することなく、ロータコア及び回転軸間のトルク伝達を実現することができる。

特開２０１６−２０１８７０号公報

特許文献１に係る回転電機のロータでは、ロータコアを回転軸に保持部材を介して固定している。この保持部材は、筒状部、連結部、及びトルク伝達部を兼ねる多機能の樹脂部品である。このため、相反しがちな各部の機能要件を全て実現するための設計（成形型の設計を含む）が煩雑であるという課題があった。

本発明は、前記の実情に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な設計をもってロータ及び回転軸部材間の確実なトルク伝達を実現可能な回転電機のロータ、及び回転電機のロータ製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、回転軸部材に設けられ、前記回転軸部材が有する係合部に係合される円環状のロータコアを有する回転電機のロータであって、前記ロータコアは、周方向に沿って複数設けられる磁石収容孔と、当該磁石収容孔を前記回転軸部材の係合部に連通させるように径方向に沿って複数設けられるキー連通孔とを有し、前記磁石収容孔には永久磁石が収容されており、前記磁石収容孔及び前記永久磁石の隙間、前記キー連通孔、並びに、前記ロータコア及び前記回転軸部材の係合部の隙間には、これらを埋めるように樹脂体キーが設けられていることを最も主要な特徴とする。

請求項１に係る発明では、磁石収容孔及び永久磁石の隙間、キー連通孔、並びに、ロータコア及び回転軸部材の係合部の隙間には、これらを埋めるように樹脂体キーが設けられているため、比較的簡易な設計をもってロータ及び回転軸部材間の確実なトルク伝達を実現することができる。

本発明によれば、比較的簡易な設計をもってロータ及び回転軸部材間の確実なトルク伝達を実現することができる。

本発明の実施形態に係る回転電機の正面図である。 本発明の実施形態に係るロータが有するロータコアの回転軸への取り付け状態を表す正面図である。 ロータコアの回転軸への取り付け状態を、各種機能部材の横断面を分解して表す斜視図である。 ロータコアの回転軸への取り付け状態を表す斜視図である。 ロータコアの回転軸への取り付け状態を表す分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る回転電機のロータ製造方法の手順を表す工程図である。 本発明の実施形態の変形例に係るロータコアの回転軸への取り付け状態を表す斜視図である。 本発明の実施形態の変形例に係るロータコアの回転軸への取り付け状態を表す分解斜視図である。

〔本発明の実施形態に係る回転電機１１の概要〕
はじめに、本発明の実施形態に係る回転電機１１の概要について、図面を参照して説明する。
なお、以下に示す図面において、同一の部材又は対応する部材間には同一の参照符号を付するものとする。また、部材のサイズ及び形状は、説明の便宜のため、変形または誇張して模式的に表す場合がある。
さらに、以下の説明において、「軸方向」とはロータ１５の回転軸２１（図１参照）に沿う方向、「周方向」とはロータ１５（図１参照）の外周面に沿う方向、「径方向」とはロータ１５の半径方向を、それぞれ意味するものとする。

図１は、本発明の実施形態に係る回転電機１１の正面図である。
本発明の実施形態に係る回転電機１１は、図１に示すように、円環状のステータコア１３を有するステータ１４と、ステータ１４の内径側に回転自在に設けられるロータ１５とを備えて構成されている。ステータコア１３は、鋼板を軸方向に積層させて構成される。回転電機１１は、例えば、車両に搭載されて電動機や発電機として用いられる。
ステータコア１３は、図１に示すように、それぞれにコイル１３ｂが巻き回される複数のティース１３ａを周方向に沿って配列して構成されている。

〔本発明の実施形態に係る回転電機１１のロータ１５〕
次に、本発明の実施形態に係る回転電機１１のロータ１５について、図２〜図５を参照して説明する。
図２は、回転電機１１のロータ１５が有するロータコア１７の回転軸２１への取り付け状態を表す正面図である。図３は、ロータコア１７の回転軸２１への取り付け状態を、各種機能部材の横断面を分解して表す斜視図である。図４は、ロータコア１７の回転軸２１への取り付け状態を表す斜視図である。図５は、ロータコア１７の回転軸２１への取り付け状態を表す分解斜視図である。

回転電機１１のロータ１５は、図１に示すように、円環状のロータコア１７を有する。ロータコア１７は、図１及び図２に示すように、それぞれが共通の構成部材を備える複数の単位コア１９を周方向に沿って配列して構成されている。ここで、単位コア１９とは、それぞれが共通の構成部材を備える構成要素を説明する際の便宜上、用いる用語である。実際には、ロータコア１７は単位コア１９毎に分割されることなく、周方向に一体に構成されている。ロータコア１７は、回転軸２１を囲うように設けられる。ロータコア１７の内径部１７ａは、回転軸２１が有する係合部２２に係合される。これについて、詳しくは後記する。なお、ロータコア１７は、薄板状の鋼板を軸方向に積層させて構成されている（図３の符号１７参照）。

複数の単位コア１９の各々は、図２〜図５に示すように、磁石収容孔２３と、キー連通孔２７と、収容凹部２９と、をそれぞれ有する。

磁石収容孔２３は、図２及び図３に示すように、単位コア１９を正面から視てロータコア１７の外径部１７ｂに向かって鈍角な略Ｖ字形状に形成されている。単位コア１９の周方向中央を基準としたとき、磁石収容孔２３における一方の室は他方の室と線対称に形成されている。磁石収容孔２３は、図４及び図５に示すように、軸方向に沿って延在するように設けられている。磁石収容孔２３には、図４及び図５に示すように、略四角棒状の永久磁石２５が、単位コア１９の軸方向に沿って、都合４本収容されている。
磁石収容孔２３の内壁と、永久磁石２５の外壁との間には、図２〜図５に示すように、適宜設定される所定形状の隙間が設けられている。後記の樹脂注入工程（図６のステップＳ１３参照）において、この隙間に樹脂体キー３１となる樹脂が注入される。磁石収容孔２３に充填された樹脂体キー３１の磁石固定部３１ｃの働きにより、永久磁石２５を所定の位置に固定することができる。

キー連通孔２７は、図２〜図５に示すように、磁石収容孔２３を回転軸２１の係合部２２に連通させるように径方向に沿って設けられている。キー連通孔２７は、図２〜図５に示すように、単位コア１９における周方向中央に位置するように設けられている。キー連通孔２７は、図４及び図５に示すように、軸方向に沿って延在するように設けられている。キー連通孔２７は、後記の樹脂注入工程（図６のステップＳ１３参照）において、樹脂体キー３１となる樹脂を、磁石収容孔２３と回転軸２１の係合部２２（収容凹部２９）との間で流通させる機能を有する。

収容凹部２９は、図２〜図５に示すように、単位コア１９のうち、キー連通孔３１に連通すると共に回転軸２１の係合部２２に対向する部分に設けられている。収容凹部２９は、図４及び図５に示すように、軸方向に沿って延在するように設けられている。収容凹部２９は、回転軸２１の係合部２２と協働して、樹脂体キー３１の一部をなす基端部３１ａを収容することにより、ロータ１５及び回転軸２１間の確実なトルク伝達を実現する機能を有する。

収容凹部２９の周方向寸法Ｌ１は、図２に示すように、キー連通孔２７の周方向寸法Ｌ２と比べて大きく設定されている。これにより、収容凹部２９に収容された樹脂体キー３１の基端部３１ａと、キー連通孔２７に充填された樹脂体キー３１の連通部３１ｂとが協働し、ロータ１５及び回転軸２１の境界面（ロータコア１７の内径部１７ａ）で生じるせん断力をしっかりと受け止めることができる。

〔本発明の実施形態に係る回転電機１１のロータ製造方法〕
次に、本発明の実施形態に係る回転電機１１のロータ製造方法について、主として図６を参照して説明する。
図６は、本発明の実施形態に係る回転電機１１のロータ製造方法の手順を表す工程図である。

図６に示すステップＳ１１のロータコア組立工程において、周方向に沿って設けられる磁石収容孔２３と、磁石収容孔２３を回転軸２１の係合部２２に連通させるように径方向に沿って設けられるキー連通孔２７とをそれぞれ複数有するロータコア１７を、磁石収容孔２３に永久磁石２５を収容することで組み立てる。

ステップＳ１２において、単位コア１９の周方向中央と、回転軸２１の係合部２２の周方向中央とがほぼ重なるように位置決めした状態で、ステップＳ１１で組み立てたロータコア１７の内径部１７ａに対し、回転軸２１を圧入嵌合する。

ステップＳ１３の樹脂注入工程において、例えば図４に示すように、磁石収容孔２３及び永久磁石２５の隙間、キー連通孔２７、並びに、ロータコア１７の内径部１７ａ及び回転軸２１の係合部２２の隙間に、電気絶縁性を有する樹脂を加圧注入する。
樹脂の素材としては、特に限定されないが、例えば、熱硬化性を有する樹脂を好適に採用することができる。樹脂の注入量は、磁石収容孔２３及び永久磁石２５の隙間、キー連通孔２７、並びに、ロータコア１７の内径部１７ａ及び回転軸２１の係合部２２の隙間をもれなく埋め得ることを考慮して、適宜の値に設定すればよい。
樹脂の注入ポイントは、特に限定されないが、基端部３１ａ、連通部３１ｂ、及び磁石固定部３１ｃからなる樹脂体キー３１の中央付近が好ましい。前記各機能部への樹脂の流れを均一化することができるからである。

ステップＳ１４の熱硬化処理工程において、ステップＳ１３の樹脂注入工程後のロータコア１７を、恒温槽（不図示）において所定の温度下で所定の時間置くことにより、ステップＳ１３で注入した樹脂を硬化させる。これにより、基端部３１ａ、連通部３１ｂ、及び磁石固定部３１ｃからなる樹脂体キー３１が一体に形成されたロータ１５の完成品を得ることができる。

〔本発明の実施形態に係る回転電機１１のロータ１５、回転電機１１のロータ製造方法の作用効果〕
次に、本発明の実施形態に係る回転電機１１のロータ１５、回転電機１１のロータ製造方法の作用効果について説明する。
第１の観点に基づく発明は、回転軸（回転軸部材）２１に設けられ、回転軸２１が有する係合部２２に係合される円環状のロータコア１７を有する回転電機１１のロータ１５である。ロータコア１７は、周方向に沿って複数設けられる磁石収容孔２３と、磁石収容孔２３を回転軸２１の係合部２２に連通させるように径方向に沿って複数設けられるキー連通孔２７とを有する。磁石収容孔２３には永久磁石２５が収容されている。磁石収容孔２３及び永久磁石２５の隙間、キー連通孔２７、並びに、ロータコア１７の内径部１７ａ及び回転軸２１の係合部２２の隙間には、これらを埋めるように樹脂体キー３１が一体に設けられている。
なお、「回転軸部材」とは、回転軸２１それ自体の他、回転軸２１と同期して動作する物体（例えば、特許文献１の保持部材等）をも、回転軸２１と同等に扱う趣旨である。

第１の観点に基づく回転電機１１のロータ１５の発明によれば、比較的簡易な設計をもって、ロータ１５及び回転軸２１間の確実なトルク伝達を実現することができる。

第２の観点に基づく発明は、第１の観点に基づく回転電機１１のロータ１５であって、ロータコア１７の内径部１７ａは、回転軸２１に対して加圧状態で接している。

第２の観点に基づく回転電機１１のロータ１５の発明によれば、ロータコア１７及び回転軸２１間の境界面（ロータコア１７の内径部１７ａ）において、圧入による嵌合力、及び樹脂体キー３１による耐せん断力が相乗的に作用するため、第１の観点に基づく発明と比べて、ロータ１５及び回転軸２１間の確実なトルク伝達をより高い水準で実現することができる。
また、樹脂体キー３１による耐せん断力の作用を考慮して、圧入による嵌合力を弱める（圧入締め代の低減する）調整を可能とする効果を期待することができる。

第３の観点に基づく発明は、第１又は第２の観点に基づく回転電機１１のロータ１５であって、ロータコア１７の内径部１７ａは、回転軸２１を囲むように設けられている。

第３の観点に基づく発明によれば、コンパクト、かつ高効率のＩＰＭ（Interior Permanent Magnet Motor）式の回転電機１１を得ることができる。

第４の観点に基づく発明は、第３の観点に基づく回転電機１１のロータ１５であって、ロータコア１７は、複数の単位コア１９を周方向に沿って配列して構成される。磁石収容孔２３及びキー連通孔２７は、複数の単位コア１９のそれぞれに設けられる。キー連通孔２７は、単位コア１９における周方向中央に設けられている。

第４の観点に基づく発明によれば、基端部３１ａ、連通部３１ｂ、及び磁石固定部３１ｃからなる樹脂体キー３１が、単位コア１９における周方向中央を基準として略線対称に形成されるため、ステップＳ１３の樹脂注入工程における樹脂の流れが均一化する結果として、ロータ１５製品の歩留まり向上（不良率の低減）を期待することができる。

第５の観点に基づく発明は、第４の観点に基づく回転電機１１のロータ１５であって、複数の単位コア１９のうち、キー連通孔２７に連通すると共に回転軸２１の係合部２２に対向する部分には、樹脂体キー３１の一部をなす基端部３１ａが収容される収容凹部２９が設けられている。収容凹部２９の周方向寸法Ｌ１は、図２に示すように、キー連通孔２７の周方向寸法Ｌ２と比べて大きく設定されている。

第５の観点に基づく発明によれば、収容凹部２９に収容された樹脂体キー３１の基端部３１ａと、キー連通孔２７に充填された樹脂体キー３１の連通部３１ｂとが協働し、ロータ１５及び回転軸２１の境界面（ロータコア１７の内径部１７ａ）で生じるせん断力をしっかりと受け止めることができる。

第６の観点に基づく発明は、回転軸（回転軸部材）２１を囲うように設けられ、回転軸２１が有する係合部２２に係合される円環状のロータコア１７を有する回転電機１１のロータ１５を製造するための回転電機１１のロータ製造方法である。周方向に沿って設けられる磁石収容孔２３と、磁石収容孔２３を回転軸２１の係合部２２に連通させるように径方向に沿って設けられるキー連通孔２７とをそれぞれ複数有するロータコア１７を、磁石収容孔２３に永久磁石２５を収容することで組み立てる工程と、ロータコア１７の内径部１７ａに回転軸２１を圧入（嵌合）する工程と、磁石収容孔２３及び永久磁石２５の隙間、キー連通孔２７、並びに、ロータコア１７の内径部１７ａ及び回転軸２１の係合部２２の隙間に、これらを埋めるように樹脂を注入することで樹脂体キー３１を一体形成する工程と、を有する。

第６の観点に基づく回転電機１１のロータ製造方法の発明によれば、磁石収容孔２３及び永久磁石２５の隙間、キー連通孔２７、並びに、ロータコア１７の内径部１７ａ及び回転軸２１の係合部２２の隙間に、これらを埋めるように樹脂を注入することで樹脂体キー３１を一体形成することにより、永久磁石２５を所定の位置に固定する機能と、ロータ１５及び回転軸２１間の確実なトルク伝達を得る機能とを、簡易な手順をもって適確に実現することができる。

〔その他の実施形態〕
以上説明した複数の実施形態は、本発明の具現化の例を示したものである。したがって、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならない。本発明はその要旨またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形態で実施することができるからである。

例えば、本発明の実施形態に係る発明の説明において、磁石収容孔２３に、都合４本の永久磁石２５を設ける例（図４及び図５参照）をあげて説明したが、本発明はこの例に限定されない。永久磁石２５の数量、形状、向き等は、回転電機１１の要求仕様に応じて適宜の改変を行ってもよい。
例えば図７及び図８に示す本発明の実施形態の変形例に係る発明のように、磁石収容孔２３にひとつの永久磁石２５を設け、この磁石収容孔２３とは独立した一対の磁石収容孔３３を、磁石収容孔２３の両脇にそれぞれ設け（つまり、独立した磁石収容孔が３つある）、これら一対の磁石収容孔３３のそれぞれにひとつの永久磁石２５を設け、都合３本の永久磁石２５を設ける構成を採用しても構わない。

また、本発明の実施形態に係る発明の説明において、ロータコア１７の内径部１７ａを、回転軸２１を囲むように設ける形態を例示して説明したが、本発明はこの例に限定されない。ロータコア１７の外径部が回転軸２１の内径部に接する形態の回転電機に、本発明を適用しても構わない。

１１ 回転電機
１５ ロータ
１７ ロータコア
１７ａ ロータコアの内径部
１９ 複数の単位コア
２１ 回転軸（回転軸部材）
２２ 回転軸の係合部
２３ 磁石収容孔
２５ 永久磁石
２７ キー連通孔
２９ 収容凹部
３１ 樹脂体キー
３１ａ 樹脂体キーの基端部
３１ｂ 樹脂体キーの連通部
３１ｃ 樹脂体キーの磁石固定部

Claims (6)

1. 回転軸部材に設けられ、前記回転軸部材が有する係合部に係合される円環状のロータコアを有する回転電機のロータであって、
   前記ロータコアは、周方向に沿って複数設けられる磁石収容孔と、当該磁石収容孔を前記回転軸部材の係合部に連通させるように径方向に沿って複数設けられるキー連通孔とを有し、
   前記磁石収容孔には永久磁石が収容されており、
   前記磁石収容孔及び前記永久磁石の隙間、前記キー連通孔、並びに、前記ロータコア及び前記回転軸部材の係合部の隙間には、これらを埋めるように樹脂体キーが設けられている
   ことを特徴とする回転電機のロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータであって、
   前記ロータコアは、前記回転軸部材に対して加圧状態で接している
   ことを特徴とする回転電機のロータ。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機のロータであって、
   前記ロータコアの内径部は、前記回転軸部材を囲むように設けられている
   ことを特徴とする回転電機のロータ。
4. 請求項３に記載の回転電機のロータであって、
   前記ロータコアは、複数の単位コアを周方向に沿って配列して構成され、
   前記磁石収容孔及び前記キー連通孔は、複数の前記単位コアのそれぞれに設けられ、
   前記キー連通孔は、前記単位コアにおける周方向中央に設けられている
   ことを特徴とする回転電機のロータ。
5. 請求項４に記載の回転電機のロータであって、
   複数の前記単位コアのうち、前記キー連通孔に連通すると共に前記回転軸部材の係合部に対向する部分には、前記樹脂体キーの一部が収容される収容凹部が設けられており、
   前記収容凹部の周方向寸法は、前記キー連通孔の周方向寸法と比べて大きく設定されている
   ことを特徴とする回転電機のロータ。
6. 回転軸部材を囲うように設けられ、前記回転軸部材が有する係合部に係合される円環状のロータコアを有するロータを製造するための回転電機のロータ製造方法であって、
   周方向に沿って設けられる磁石収容孔と、当該磁石収容孔を前記回転軸部材の係合部に連通させるように径方向に沿って設けられるキー連通孔とをそれぞれ複数有する前記ロータコアを、前記磁石収容孔に永久磁石を収容することで組み立てる工程と、
   前記ロータコアの内径部に前記回転軸部材を圧入する工程と、
   前記磁石収容孔及び前記永久磁石の隙間、前記キー連通孔、並びに、前記ロータコアの内径部及び前記回転軸部材の係合部の隙間に、これらを埋めるように樹脂を注入することで樹脂体キーを一体形成する工程と、
   を有することを特徴とする回転電機のロータ製造方法。

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