JP2019106797A - ロータ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアのシャフト孔に中空のシャフトを嵌合させる場合において、シャフトの変形を抑制するロータ製造方法を確立する。【解決手段】このロータ製造方法では、中空のシャフト１０の内部に挿入したウレタン製のマンドレル１８をダイス２０とパッド２４とで軸方向に圧縮する。そして、シャフト１０をロータコア２６のシャフト孔２８に嵌合する。その後、マンドレル１８の圧縮を解除または低減して、マンドレル１８をシャフト１０から取り出す。【選択図】図４

Description

本発明はロータ製造方法に関し、特にロータコアとシャフトとの嵌合工程に関する。

回転電機のロータは、通常、ロータコアのシャフト孔にシャフトを挿入し、固定することにより形成されている。

下記特許文献１には、中空のシャフトの内部に、外周に凹凸形状をもつマンドレルを挿入し、シャフトを塑性変形させる方法が記載されている。この塑性変形によって、シャフトの外周部はロータコアのシャフト孔の内部に押し付けられて固定される。

下記特許文献２には、ロータのシャフトとして、内周にスプライン嵌合溝が形成された中空のシャフトを用いることが記載されている。

下記特許文献３には、径方向に変形しやすい中空円筒部材を枠体穴部に挿入する方法について記載されている。ここでは、円筒部材の内側に設けられた挿入軸部に流体を供給して膨張させ、円筒部材の変形を強制した上で、穴部に挿入し、その後に膨張を解除して挿入軸部を取り除いている。挿入にあたっては、枠体穴部と円筒部材との間に、若干の隙間があり、隙間嵌めされることが想定されている。

特開２００５−２９５７４５号公報 特開２００８−２５３００４号公報 特開平０５−０３８１０１号公報

ロータコアのシャフト孔と中空のシャフトとを嵌合してロータを形成する過程で、シャフトにはシャフト孔からの力が作用する場合がある。シャフト孔の内径がシャフトの外径よりも小さく締まり嵌めが行われる際には、シャフトを変形させる大きな力が作用する。また、シャフト孔の内径がシャフトの外径よりも大きくても、例えば、シャフト孔の寸法精度が低い場合、あるいは、嵌合時の動作の精度が低い場合には、シャフトを変形させる大きな力が作用しうる。

本発明の目的は、ロータコアのシャフト孔に、中空のシャフトを嵌合させる場合において、シャフトの変形を抑制することにある。

本発明の一態様におけるロータ製造方法は、中空のシャフトの内部に挿入した弾性部材を軸方向に圧縮した状態で、当該シャフトをロータコアのシャフト孔に嵌合する嵌合工程と、嵌合後に、前記弾性部材の圧縮を解除または低減して、当該弾性部材を前記シャフトから取り出す取出工程と、を含む。

ロータは、回転電機においてステータの内側に設置され、回転を行う部品である。ロータには、回転軸となるシャフトと、シャフトの周囲に設けられるロータコアが含まれる。シャフトは、長細形状の部品であり、その内部は中空に形成されている。中空部分は、一端から他端に通じる貫通孔であってもよいが、一端にのみ開口を備えた深い穴であって他端には開口が設けられていないものであってもよい。中空のシャフトの形状としては、円筒（壁面断面が円形状）、楕円筒（壁面断面が楕円形状）、多角形筒（壁面断面が多角形形状）などを例示することができる。

嵌合工程は、ロータコアのシャフト孔とシャフトとを嵌合する工程である。この嵌合工程では、シャフトの内部に弾性部材が挿入され、軸方向に圧縮される。弾性部材は、一般的な材料と比較して、圧縮力を加えた場合に比較的変形がしやすく、かつ圧縮力に対して線形的な変形（弾性変形）を示す範囲が比較的広い部材である。弾性部材は、圧縮力が加えられた場合に、圧縮方向に変形するとともに、圧縮方向とは垂直な方向に膨張する。このため、弾性材料を軸方向に圧縮した場合、弾性材料が径方向に膨張してシャフトの内側を押圧することで、シャフトの内側の圧力が高められ、この内圧がシャフトに加わる外力に対抗するため、シャフトに嵌合時の大きな力が加えられても、シャフトの変形が抑制される。弾性部材をどの程度押す必要があるかは、シャフトの変形をどの程度抑制する必要があるかによって決定すればよい。

弾性部材の組成は特に限定されない。弾性部材の例としては、ウレタン、ゴムなどの樹脂が挙げられる。弾性部材の形状も必ずしも限定されない。ただし、適当な圧縮が行われて、径方向に膨張した際に、シャフトを押圧してシャフトの内圧を十分に高められる形状とする必要がある。一例としては、シャフトが軸方向に一定の内径をもつ筒形状である場合、弾性部材をこの内径よりも若干小さな外径をもつ柱形状とする態様が挙げられる。

取出工程は、シャフトとシャフト孔との嵌合が行われた後に、弾性部材を取り出す工程である。弾性部材は、弾性域で変形している場合には、圧縮を低減した場合には変形の度合いが減少し、圧縮を解除した場合には元の形状へと戻る。このため、弾性部材はシャフトから速やかに取り出される。また、弾性域を超えて圧縮した場合でも、超えた度合いが小さければ、弾性部材の形状はある程度回復する。よって、嵌合工程においては、少なくとも取出工程での取り出しが可能となる範囲で弾性部材を圧縮することになる。

また、取出工程では、弾性部材の圧縮を低減または解除することで、シャフトの内圧が低下し、シャフトがシャフト孔に押されて若干縮径する。縮径の度合いは小さいため、縮径が瞬時に行われてもシャフトが歪んだ変形を起す可能性は小さいと考えられる。しかし、シャフトを徐々に拡径することでシャフトの歪みを低下させられる場合には、その必要性に応じて、弾性部材の圧縮の低減または解除は、ある程度の時間をかけて行うようにしてもよい。

本発明の一態様では、前記嵌合工程では、前記シャフトと前記シャフト孔とは締まり嵌めによる嵌合が行われる。

締まり嵌めとは、軸を孔に嵌め合わせる場合において、孔の内径よりも軸の外径の方が大きいときに行われる嵌合をいう。特段の外力を付与せず、室温程度に保たれた通常の状態では、シャフト孔の内径よりも、シャフトの外形の方が大きいため、締まり嵌めによる嵌め合いが行われる。締まり嵌めは、例えば、圧入、焼き嵌め、温間嵌め、冷やし嵌めなどによって行うことができる。

本発明の一態様では、前記嵌合工程は、前記シャフトの内部に挿入した前記弾性部材を軸方向に圧縮する工程と、前記弾性部材が圧縮された状態で、前記シャフトを前記ロータコアの前記シャフト孔に圧入する工程と、を含む。

本発明の一態様においては、前記嵌合工程は、前記ロータコアを加熱して前記シャフト孔を拡径する工程と、前記弾性部材を軸方向に圧縮した状態で、前記シャフトを拡径された前記シャフト孔に設置する工程と、前記ロータコアを冷却して前記シャフト孔を縮径させることにより、前記シャフトを前記シャフト孔に嵌合する工程と、を含む。

加熱によりシャフト孔を拡径する嵌合は、一般に焼き嵌めと呼ばれる。また、加熱の度合いが高く温度が摂氏１５０度以上あるいは摂氏２００度以上となる場合を焼き嵌めといい、温度が摂氏１５０度未満あるいは摂氏２００度未満程度で行われる場合を温間嵌めと呼ぶ場合もある。弾性部材の挿入と圧縮は、シャフトをシャフト孔に設置する前に行われてもよいし、シャフトをシャフト孔に設置した後に行われてもよい。焼き嵌めでは、ロータコアからシャフトに熱が伝わり、弾性部材を加熱するため、耐熱性のある弾性部材を用いる必要がある。また、例えばシャフトの内周面あるいは弾性部材の外周面や内部に冷却液の流路を設けるなどして、シャフトあるいは弾性部材の冷却を行い、弾性部材の高温化を抑制するようにしてもよい。

本発明の一態様においては、前記シャフトは、軸方向の一端から他端に通じる貫通孔を備えた中空形状であり、前記嵌合工程は、前記シャフトの一端からダイスを挿入する工程と、前記シャフトの他端から前記弾性部材を挿入する工程と、前記シャフトの他端から前記弾性部材を前記ダイスに向けて押圧することで、前記弾性部材を圧縮する工程と、を含む。

本発明の一態様においては、前記シャフトの内周面には、スプライン歯が形成されている。

本発明の一態様によれば、ロータコアのシャフト孔に中空のシャフトを嵌合する際に、シャフトの変形を抑制することが可能となる。

この変形抑制では、弾性部材を用いて行われることから簡易に実現することが期待でき、また、弾性部材の圧縮を細かに制御することで簡易に生産精度を向上させることが期待できる。

また、例えば、シャフトの内面にスプライン歯が形成されている場合でも、スプライン歯が歪んで対応する部品との組み付けが困難になる状況を防止することができる。

本実施形態の圧入によるロータ製造工程の準備段階を示す図である。 本実施形態のロータ製造工程において、シャフトにダイスとマンドレルを挿入した状態を示す図である。 本実施形態のロータ製造工程において、パッドでマンドレルを押圧した状態を示す図である。 本実施形態のロータ製造工程において、ロータコアをシャフトに位置合わせした状態を示す図である。 本実施形態のロータ製造工程において、シャフトにロータコアを圧入した状態を示す図である。 本実施形態のロータ製造工程において、マンドレルの圧縮を解除した状態を示す図である。 本実施形態のロータ製造工程において、シャフトからマンドレルとダイスを除去した状態を示す図である。 本実施形態の焼き嵌めによるロータ製造工程を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示すが、これらは実施形態の例であり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。

図１〜７は、本実施の形態にかかるロータの製造方法を時系列で示す一連の概略図である。各図では、原則として同一の構成には同じ符号を付しているが、図面の簡略化のために符号を省略している場合がある。

図１は、ロータのシャフト１０と、製造過程で用いられるマンドレル１８と、製造装置の一部であるダイス２０についての断面図である。シャフト１０は、ロータにおける回転軸となる部品であり、円筒形状の金属部材によって形成されている。シャフト１０の外周面１２は、軸方向（矢印２２の方向であり、シャフト１０が長く伸びている方向をいう。）の各位置において同じ径をもつ円柱形状に形成されている。ただし、シャフト１０の外周面１２には、軸方向に見て、中間位置よりもやや下側に、ロータコアの位置決めや固定などに用いられる円環状のリング部材１６が取り付けられている。

シャフト１０の内周面１４は、軸方向の各位置において同じ径をもつ円柱形状部分１４ａと、軸方向に伸びる歯状の溝列が延びるスプライン歯１４ｂとからなる。スプライン歯１４ｂの突起部分は、円柱形状部分１４ａよりも内側に突出するように形成されている。このスプライン歯１４ｂには、シャフト１０内に挿入される軸部材が噛み合わせられて、回転動力の伝達が行われる。

マンドレル１８は、樹脂製の弾性部材であるウレタンによって形成された円柱状の部材である。マンドレル１８は、シャフト１０の内部にスムーズに挿入可能となる形状に形成されている。すなわち、マンドレル１８の外径は、シャフト１０の内周面１４における円柱形状部分１４ａの内径よりも小さく、さらに、スプライン歯１４ｂの突起部分の内径よりもわずかに小さい。

ダイス２０は、金属製の円柱形状部材であり、シャフト１０の内部にスムーズに挿入可能な外径で形成されている。ダイス２０は、その下端側が図示を省略した製造装置の台座に取り付けられている。

図１に示した段階では、シャフト１０は、製造装置によってダイス２０の真上に保持されている。また、マンドレル１８は、製造装置によってシャフト１０の真上に保持されている。

図２は、図１に続く工程を示す図である。ここでは、製造装置によって、シャフト１０の下端側にダイス２０が挿入されている。ダイス２０は、リング部材１６の下端付近となる軸方向位置に、その上端が到達するように配置されている。また、シャフト１０の上端側からはマンドレル１８が挿入されている。マンドレル１８の下端はダイス２０の上端に接触しており、マンドレル１８の外周面はシャフト１０の内周面１４と若干の隙間を開けた状態に保たれている。マンドレル１８の真上には、マンドレル１８の押圧に用いられる円筒形状のパッド２４が製造装置によって保持されている。

図３は、図２に続く工程を示す図である。図３では、製造装置がパッド２４を下向きに移動して、マンドレル１８を押圧している状態を示している。マンドレル１８は、パッド２４によって上端側からダイス２０の側に押圧されるとともに、下端側からダイス２０の反力を受けてパッド２４の側に押圧されている。こうして、マンドレル１８は、軸方向に圧縮されている。マンドレル１８は、弾力性のあるウレタンによって作られているため、軸方向に長さが縮む一方で、シャフト１０の内周面１４側に向けて拡径する変形をおこしている。変形は軸方向の圧縮力を強めるにしたがって大きくなる。すなわち、マンドレル１８は、まず、シャフト１０の内周面１４のスプライン歯１４ｂの突起部分と接触し、その後には、円柱形状部分１４ａにも接触する。さらに圧縮力を高めた場合、マンドレル１８はシャフト１０の内周面１４と接触するため拡径は止まるが、内周面１４を押圧する力を強めることになる。図３では、マンドレル１８がシャフト１０の内周面１４に接触し、かつ、押圧している状態を示している。この状態では、シャフト１０は、マンドレル１８からの押圧を受けて、わずかに弾性変形して拡径するが、その変位は小さい。そして、弾性変形の反力がマンドレル１８からの押圧力とバランスした状態にある。

図４は、図３に続く工程を示す図である。図４では、製造装置がロータコア２６をシャフト１０の上方に保持した状態を示している。シャフト１０は、図３の状態、すなわち、マンドレル１８を圧縮した状態に維持されている。ロータコア２６は、所定の形状に打ち抜き加工した電磁鋼板を多数重ね合わせて形成した円筒形状の部品である。ロータコア２６の中心部には、シャフト１０を挿入するための円筒形状のシャフト孔２８が設けられている。このシャフト孔２８の内径は、シャフト１０と締まり嵌めによって嵌合されるように、シャフト１０の外径よりも若干小さく作られている。

製造装置は、シャフト孔２８がシャフト１０と同軸となるように、ロータコア２６を保持している。そして、シャフト１０が、マンドレル１８が挿入された側からシャフト孔２８に挿入されるように、両者を相対的に近づけていく。シャフト１０の先端にはテーパが設けられており、テーパ部がシャフト孔２８内に入り込んで、挿入が開始される。挿入は、シャフト１０の外径がシャフト孔２８の内径よりも大きいことから、圧入によって行われる。圧入は、締まり嵌めを行うための一手法であり、シャフト１０に力を加えてシャフト孔２８に押し込み、挿入を行うことをいう。

図５は、図４に続く工程を示す図である。図５では、シャフト１０をロータコア２６に圧入した結果、ロータコア２６がリング部材１６に接触する位置まで挿入された状態を示している。

挿入の過程では、ロータコア２６のシャフト孔２８は、シャフト１０から拡径方向の力を受けて、若干の弾性変形を起す。また、シャフト１０の外周面１２は、シャフト孔２８から縮径方向の力を受けて、若干の弾性変形を起す。さらに、シャフト１０とシャフト孔２８の接触面には、抗力に比例した摩擦力が作用する。シャフト１０の挿入にあたっては、こうした弾性変形や摩擦力に打ち勝ってシャフト１０を挿入する必要があり、そのための力を加える圧入が行われる。

圧入においては、シャフト１０に大きな力が作用すると、シャフト１０の断面形状が円形から扁平形状等に歪む弾性変形する場合がある。また、大きな力が加わった場合には、弾性変形領域を超えて、塑性変形する場合がある。しかし、本実施形態におけるシャフト１０では、内部に挿入されたマンドレル１８が図４に示した圧縮状態に維持されており、内周面１４が押圧され、内圧が高められている。このため、マンドレル１８を用いない場合に比べて、シャフト１０の変形は抑制される。そして、マンドレル１８を用いない場合に比べて、強い力で圧入することも可能となる。図５では、マンドレル１８によってシャフト１０の内圧を高めた結果として、シャフト１０は、塑性変形を起さず、かつ、ほぼ円形の断面形状を維持した状態で、シャフト孔２８に挿入されている。

図６は、図５に続く工程を示す図である。ここでは、製造装置がパッド２４を上方に移動させており、マンドレル１８の圧縮が解除されている。マンドレル１８は、ウレタンの弾性域で圧縮されていたため、圧縮が解除されたことで、図２に示した当初の形状に戻っている。すなわち、軸方向に伸長し、径方向にはシャフト１０の内径よりも縮んだ形状となる。

マンドレル１８の形状が戻る過程では、シャフト１０の内圧が下がる。このため、シャフト１０がシャフト孔２８を押圧していた力が低下し、シャフト孔２８は若干縮径するとともに、シャフト１０も若干縮径することになる。そこで、製造装置では、パッド２４を比較的時間をかけて移動させることで、マンドレル１８の圧縮を徐々に解除し、シャフト１０に瞬時に大きな変形を起さないようにしている。このため、シャフト１０は、塑性変形を起してはおらず、また、ほぼ円形状の断面形状を維持している。

また、シャフト１０の内周に形成されているスプライン歯１４ｂも、その形状に歪みが生じていない。一般に、スプライン歯１４ｂは、圧入の工程でロータコア２６が通り過ぎる軸方向位置、あるいは、圧入の最終段階でロータコア２６と重複する軸方向位置にある場合には、ロータコア２６からの力を受けて歪みやすい傾向にある。特に、スプライン歯１４ｂは、他の軸と噛み合うよう高い精度を必要とするため、シャフト１０の若干の歪みの影響を受けて精度が維持できなくなる場合がある。しかし、本実施形では、マンドレル１８によってシャフト１０を保護したことで、スプライン歯１４ｂを高精度で形成することができている。

図７は、図６に続く工程を示す図である。ここでは、製造装置が、シャフト１０からマンドレル１８とダイス２０を除去している。こうして、シャフト１０とロータコア２６とが嵌合したロータ３０が形成される。ロータ３０に対しては、必要に応じて磁石の挿入が行われる。そして、ロータ３０をステータと組み合わせることで、回転電機が形成される。回転電機は、電動車両の動力源など、様々な用途に利用することができる。回転電機を実装するにあたっては、外周面に歯が設けられた他の軸をシャフト１０に挿入し、スプライン歯１４ｂと噛みあわせて利用することができる。

このように、マンドレル１８を用いた場合には、シャフト１０に内圧が付与されるため、圧入を行ってもシャフト１０の変形が抑制される。特に、シャフト１０の内周面１４に設けられたスプライン歯１４ｂは、十分な精度で形状を維持する必要があり、マンドレル１８による保護が有効となる。また、マンドレル１８を用いた場合には、マンドレルを用いない場合に比べて、大きな荷重をかけて圧入が可能となる。なお、本実施形態に類似した方法として液封成形があるが、液封成形では液体のシーリングが必要であり、また、塑性変形を行う。これに対し、本実施形態では、マンドレル１８を利用するため、工程を簡素化することが可能である。

続いて、図８を参照して、焼き嵌めによる嵌合について説明する。図８は、焼き嵌めの一工程を示す図である。ここでは、図１〜７と同一または対応する構成には、同じ符号を付しており、適宜説明を簡略化する。

図８の状態は図５の状態と似ているが、図５ではロータコア２６が室温に保たれてシャフト１０が圧入されているのに対し、図８ではロータコア２６ａは摂氏約２００度にまで加熱されている。そして、ロータコア２６ａは熱膨張をしており、シャフト孔２８ａの内径も大きくなっている。このため、シャフト１０は、抵抗を受けることなく、シャフト孔２８ａの内部に設置されている。

シャフト１０の内側には、図５の場合と同様に、マンドレル１８が挿入され、ダイス２０とパッド２４によって圧縮されている。マンドレル１８は、ロータコア２６ａから伝わる熱によって加熱されることになるため、耐熱性能がある素材によって形成されている。

焼き嵌めでは、図８の状態の後、ロータコア２６ａが冷却され、シャフト孔２８ａも縮径していく。この結果として、図５に示した状態と同様の状態に至る。この過程では、シャフト孔２８ａによってシャフト１０も縮径する変形を受ける。特に、シャフト１０は、ロータコア２６ａからの熱によって高温化し、柔らかくなっているため、変形を受けやすい状態にある。しかし、シャフト１０は、マンドレル１８によって内圧を高められていることから、マンドレル１８が無い場合に比べて変形を受けにくい。また、断面が真円から歪む度合いも小さい。ロータコア２６ａが室温程度に戻った段階で、マンドレル１８は除去される。この過程は、図６及び図７を用いて説明したものと同様である。

ここでは、焼き嵌めについて説明したが、冷やし嵌めでも同様に嵌合を行うことができる。冷やし嵌めでは、ロータコア２６ａが加熱される代わりに、シャフト１０が冷却され縮径される。もちろん、ロータコア２６ａの加熱と、シャフト１０の冷却の両方を行うようにしてもよい

以上の説明においては、マンドレル１８の形状は、円筒形状であるとした。他方、シャフト１０の内周面１４は、円柱形状部分１４ａと、スプライン歯１４ｂがあり、スプライン歯１４ｂの突起部分は円柱形状部分１４ａよりも内側に突出していた。このため、マンドレル１８を軸方向に圧縮した場合には、スプライン歯１４ｂの突起部分を強く押圧するのに対し、スプライン歯１４ｂの凹み部分の押圧は行われない。また、円柱形状部分１４ａは、スプライン歯１４ｂの突起部分よりも小さな力で押圧が行われることになる。スプライン歯１４ｂは最も変形を防ぎたい部分であるため、スプライン歯１４ｂの突起部分を強く押圧することは有効である。

また、マンドレル１８の形状を、シャフト１０の内周面１４に応じて形成することも有効である。具体的には、スプライン歯１４ｂの部分では、歯の凹凸に合わせて、凹凸の形状とすることが考えられる。あるいは、スプライン歯１４ｂよりも挿入口に近い側では、円柱形状部分１４ａの径に応じた大きな外径をもつ形状とすることも考えられる。こうすることで、シャフト１０の内周面１４を比較的均等に押圧することが可能となる。

１０ シャフト、１２ 外周面、１４ 内周面、１４ａ 円柱形状部分、１４ｂ スプライン歯、１６ リング部材、１８ マンドレル、２０ ダイス、２２ 矢印、２４ パッド、２６，２６ａ ロータコア、２８，２８ａ シャフト孔、３０ ロータ。

Claims (6)

1. 中空のシャフトの内部に挿入した弾性部材を軸方向に圧縮した状態で、当該シャフトをロータコアのシャフト孔に嵌合する嵌合工程と、
   嵌合後に、前記弾性部材の圧縮を解除または低減して、当該弾性部材を前記シャフトから取り出す取出工程と、
   を含むことを特徴とするロータ製造方法。
2. 請求項１に記載のロータ製造方法において、
   前記嵌合工程では、前記シャフトと前記シャフト孔とは締まり嵌めによる嵌合が行われることを特徴とするロータ製造方法。
3. 請求項２に記載のロータ製造方法において、
   前記嵌合工程は、
   前記シャフトの内部に挿入した前記弾性部材を軸方向に圧縮する工程と、
   前記弾性部材が圧縮された状態で、前記シャフトを前記ロータコアの前記シャフト孔に圧入する工程と、
   を含むことを特徴とするロータ製造方法。
4. 請求項２に記載のロータ製造方法において、
   前記嵌合工程は、
   前記ロータコアを加熱して前記シャフト孔を拡径する工程と、
   前記弾性部材を軸方向に圧縮した状態で、前記シャフトを拡径された前記シャフト孔に設置する工程と、
   前記ロータコアを冷却して前記シャフト孔を縮径させることにより、前記シャフトを前記シャフト孔に嵌合する工程と、
   を含むことを特徴とするロータ製造方法。
5. 請求項１に記載のロータ製造方法において、
   前記シャフトは、軸方向の一端から他端に通じる貫通孔を備えた中空形状であり、
   前記嵌合工程は、
   前記シャフトの一端からダイスを挿入する工程と、
   前記シャフトの他端から前記弾性部材を挿入する工程と、
   前記シャフトの他端から前記弾性部材を前記ダイスに向けて押圧することで、前記弾性部材を圧縮する工程と、
   を含むことを特徴とするロータ製造方法。
6. 請求項１に記載のロータ製造方法において、
   前記シャフトの内周面には、スプライン歯が形成されていることを特徴とするロータ製造方法。