JP2019213451A - 結合されたロータ軸 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータ軸をロータコアに接続する際のロータの内径における機械的応力が最小限とされた電気モータ用のロータを提供する。【解決手段】ロータ軸１４は、ロータコア１２の中央開口２６内に配置されている。中央開口は、ロータ軸よりも大きくサイズ決めされており、これにより、ロータコアとロータ軸との間に周囲間隙３２が存在する一方、軸は、突出部３０によってロータコアの中央開口に配置されている。周囲間隙には樹脂が充填されている。【選択図】図２

Description

背景
本発明は、概して電気モータ、特に電気モータにおけるロータ軸のアセンブリに関する。

技術分野において理解されるように、ステータとロータとの間の電気モータにおける磁束は、トルクを発生し、このトルクはロータ軸に伝達される。これによって発生されたトルクは、電気モータに接続されていてもよい様々なタイプの装置を回転させるための出力トルクとして使用される。ロータは、一般的に、中央開口を有するロータコアを用いて製造されており、中央開口はロータコアを貫通して延びている。ロータ軸は、中央開口を通って延びており、ロータコアに、回転方向で固定されている。電気モータによって発生されたトルクは、ロータコアからロータ軸へ伝達されるので、ロータコアとロータ軸との間の回転方向の固定は、電気モータの一体性にとって決定的である。

ロータ軸をロータコアに接続するための１つの慣用的な方法は、ロータコアを貫通して延びる中央開口の熱膨張を生じさせるためにロータコアを加熱することを含む。次いで、ロータ軸が、ロータコアにおける中央開口に押し通されてもよい。ロータコアの熱冷却および結果として生じる中央開口の収縮により、ロータコアとロータ軸との間に確実な接続が形成される。加熱することなく中央開口に軸を押し通すことも可能であるが、この方法の１つの懸念は、ロータコアに軸を押し込むために必要とされる圧力により軸が曲がる可能性があるということである。軸の変形は、軸が、軸の長さと比較して比較的小さな直径を有してもよい、より安価なモータにとって特定の問題である可能性がある。加えて、加熱工程は、幾つかのモータにおいては複数の目的を果たすことがあるが（例えば、インダクタンスモータにおいては、加熱工程は、ロータコア内へインダクタンスバーを溶融させることも含む）、リラクタンスモータのような他のモータにおいては、加熱工程は、他の目的を果たすことはなく、付加的な製造工程である。また、これらの方法の結果、ロータの内径に応力が誘発され、このことは、ロータの電磁的性能にとって理想的ではない。

したがって、ロータ軸をロータコアに接続する改良された方法が望ましい。

概要
電気モータ用のロータが説明される。ロータは、ロータコアと、別個のロータ軸とを有する。ロータコアには中央開口が設けられている。ロータコアとロータ軸との間に周囲間隙が配置されるように、中央開口のサイズはロータ軸より大きい。ロータ軸は、ロータコアと一体的であってもよい特徴によって中央開口内に配置される。ロータコアとロータ軸とを互いに固定するために、樹脂が周囲間隙を充填している。本発明は、書面における説明または添付の図面において以下で説明されるあらゆるその他の態様およびそれらのあらゆる組み合わせを含んでもよい。

複数の図面の簡単な説明
発明は、図面に関連した以下の説明を読むことによって、より深く理解されてもよい。

電気モータ用のロータの斜視図である。 ロータの１つの実施の形態の平面図である。 ロータの１つの実施の形態の平面図である。 ロータの１つの実施の形態の平面図である。 ロータの１つの実施の形態の平面図である。 型におけるロータを示す側面図である。

詳細な説明
ここで、図面、特に図１を参照すると、ロータコア１２およびロータ軸１４を備える電気モータのロータ１０が示されている。ロータ１０は様々なタイプの公知のモータにおいて使用されてもよいが、ロータ１０が使用されてもよい電気モータの１つの好ましいタイプは、永久磁石リラクタンスモータである。すなわち、説明されるロータ１０において、ロータコア１２は、ロータコア１２を貫通して延びる長手方向開口１６を有し、これらの長手方向開口１６は、低磁気抵抗の磁束ガイド１８またはリブを形成している。永久磁石２０は、長手方向開口１６内に固定されてもよい。好ましくは、ロータコア１２は、ロータコア１２を形成するために互いに上下に積層された複数の薄いラミネーション２２から形成されている。ラミネーション２２は、好ましくは、所望の形状を形成するように打ち抜かれている。ラミネーション２２の材料は、好ましくは、ケイ素鋼などの鋼である。全てのラミネーション２２は互いに同じ形状を有してもよいが、ロータコア１２の横断面が全体を通じて変化するように、幾つかのラミネーション２２が、不一致の形状を有してもよい。各ラミネーション２２が、隣接するラミネーション２２に、積層する間に、例えば磁束ガイド１８に沿ってラミネーション２２を機械的にインターロックするまたは接合２４することによって固定されることも好ましい。

図２を参照すると、ロータコア１２の中央開口２６に位置決めされたロータ軸１４が示されている。好ましくは、軸１４は、完全にロータコア１２を貫通して延びており、軸１４の長さはコア１２の各端部を超えて延びている。さらに以下で説明するように、軸１４は、樹脂２８によってコア１２に固定されている。すなわち、従来の方法とは異なり、モータは、ロータコア１２と軸１４との間でトルクを伝達するために、ロータコア１２と軸１４との間のプレスばめを利用しない。したがって、中央開口２６を熱により拡張させるためにコア１２を加熱することなく、軸１４は、最小限の力で、コア１２の中央開口２６へ滑り込まされてもよい。しかしながら、幾つかの実施の形態では、軸１４を中央開口２６へ押し込むためにある程度の大きさの力がさらに必要とされることがあるが、いずれにせよこのような力は、コア１２と軸１４とを回転方向で固定するためには不十分であるということが理解される。また、その他の実施の形態が、コア１２と軸１４とを回転方向で固定するために付加的なインターロッキング部分若しくは構造（例えば、図４）を有してもよいことが理解される。さらに、“樹脂”という用語は、コア１２と軸１４との間の空間を硬化させかつ充填する、ロータコア１２およびロータ軸１４とは別個の、最初は柔軟な材料を意味すると理解される。樹脂２８の例は、エポキシおよび熱プラスチックを含む。好ましくは、樹脂２８は、非金属であり、非透磁性である。本明細書において用いられる場合、溶接は、樹脂の１つのタイプであるとは考えられない。

図２に示したように、ロータ１０には、中央開口２６内へ延びる少なくとも３つの突出部３０が設けられている。突出部３０は、軸１４を中央開口２６内で中心合わせ（センタリング）するために、軸１４に接触するかまたは軸１４と０．００１’’（インチ）以内の距離にある。好ましくは、突出部３０は、軸１４の周囲の２０％未満と接触する。突出部３０は、主として軸１４を中央開口２６内に配置することを目的としているので、突出部３０と軸１４との間には、モータによって発生されるトルクに対抗するためには不十分な干渉が存在する。すなわち、突出部３０および軸１４は、これらの間の境界面によって、回転方向で固定されていない。好ましくは、突出部３０は、突出部３０をロータコア１２と一体にすることによってロータコア１２に固定されている。すなわち、コア１２が複数のラミネーション２２から形成されている場合、突出部３０は、ラミネーション２２が打ち抜かれるときに形成される、打ち抜き形状であってもよい。すなわち、突出部３０を提供するために付加的な製造工程は必要ない。

突出部３０の間では、軸１４とコア１２との間に周囲間隙３２が設けられている。すなわち、突出部３０以外のところでは、中央開口２６は軸１４より大きく、これにより、軸１４の周囲の大部分においてはロータコア１２とロータ軸１４との間に接触が生じない。好ましくは、周囲間隙３２は、軸１４の各側において少なくとも０．００４’’の隙間を提供する。以下でさらに説明するように、周囲間隙３２には樹脂２８が充填されている。すなわち、この実施の形態において、樹脂２８は、ロータコア１２とロータ軸１４との間で伝達されるトルクに耐えるための、コア１２と軸１４との間の一次的な固定手段である。

図２に示したように、中央開口２６は凹所３４を有してもよい。凹所３４は、軸１４とコア１２との間により大きな間隙を形成している。突出部３０と同様に、中央開口２６における凹所３４，３６は、ラミネーション２２の製作時にラミネーション２２に打ち抜かれることが好ましい。凹所３４，３６は、軸１４の長さに沿って樹脂２８が流れるための通路を提供するために役立つことがある。次いで、樹脂２８は、少なくとも部分的に、より大きな幅の凹所３４，３６から、より小さな幅の周囲間隙３２に進入してもよい。好ましくは、凹所３４，３６の幅は、周囲間隙３２の幅の少なくとも２倍である。周囲間隙３２が、凹所３４，３６よりも、軸１４の周囲に少なくとも３倍長く延びていることも好ましい。図２に示したように、各凹所３４は、２つの突出部３０の間の中央に配置されていてもよく、周囲間隙３２は、凹所３４と突出部３０との間に延びている。すなわち、この実施の形態では、より小さな幅の周囲間隙３２が、各突出部３０のそれぞれの両側において各突出部３０に隣接しており、凹所３４は、突出部３０から離れて配置されている。代替的に、図３に示したように、凹所３６は、突出部３０のそれぞれの両側において突出部３０に隣接していてもよい。すなわち、この実施の形態では、より小さな幅の周囲間隙３２が、各凹所３６の間に延びていてもよい。図３における凹所３６は、図２のように樹脂２８の流れのための通路として機能してもよい。加えて、図３の凹所３６は、突出部３０のための応力緩和を提供してもよい。応力は透磁性を低減させる可能性があるので、図３は、結果として、改善された透磁性を生じることがある。

図４に示したように、軸１４とコア１２との間の接続の一体性を保証するために、ロータコア１２とロータ軸１４との間に機械的なインターロックを提供することが望ましいこともある。図示したように、ロータコア１２には、中央開口２６内へ延びるキー３８が設けられていてもよい。軸１４にも対応する凹所４０が設けられていてもよく、これにより、コア１２のキー３８が軸１４の溝４０にはまり込む。突出部３０、凹所３４，３６、中央開口２６および長手方向開口１６と同様に、キー３８は、コアラミネーション２２の製作時にコアラミネーション２２に打ち抜かれて形成された一体的部分であることが好ましい。しかしながら、軸１４および中央開口２６における対応する平坦部または軸１４および中央開口２６の両方における溝などの、その他の非円形部分を、別個のキーと共に、使用することも可能である。この構造の利点は、せん断荷重により樹脂２８が破損しないことを保証するために、軸１４およびコア１２が、キー３８および溝４０を用いて回転方向で固定されてもよいということである。さらに、この構造において、横方向間隙４２が、好ましくは、キー３８の各側および溝４０の側部に配置されている。すなわち、周囲間隙３２に加え、横方向間隙４２に樹脂２８が充填されてもよい。横方向間隙４２における樹脂２８は、キー３８および溝４０を介したトルク伝達により、モータの使用中、高い荷重を受けるが、横方向間隙４２における樹脂２８における荷重は、せん断荷重ではなく、圧縮荷重である。すなわち、樹脂２８は、樹脂２８のより高い圧縮限界により、破損を生じにくい。

ロータコア１２が、積層されたラミネーション２２から形成されている場合、スタックの中でラミネーション２２の形状を変化させることが可能であってもよい。すなわち、ラミネーション２２が、軸１４の長さに沿って積層されており、各ラミネーション２２が、ロータ中央開口２６に対応するラミネーション中央開口２６を有する場合、中央開口２６の形状は、ロータコア１２の長さに沿って変化していてもよい。例えば、図５に示したように、１つの望ましい変化態様は、突出部３０を有しないラミネーション中央開口２６を備える幾つかのラミネーション２２を提供することであってもよく、これにより、周囲間隙３２は、ラミネーション２２と軸１４との接触なしに軸１４の全周に延びている。図５のラミネーション２２は、図２、図３または図４のようなスタックにおける他のラミネーション２２と組み合わせることができる。上述のように、スタックにおける隣接するラミネーション２２は、例えばディンプリング（凹み加工）２４によって、互いに結合することが好ましい。すなわち、スタックにおける全てのラミネーション２２が、軸１４を配置するための突出部３０またはトルクを伝達するためのキー３８を有する必要はない。ステータコア１２において図５のようなラミネーション２２を有する１つの利点は、ステータコアラミネーション２２と軸１４との間に金属接触が存在しないことである。すなわち、コア１２から軸１４への磁束漏れを最小限にすることができる。ロータの内径における機械的応力が最小限にされることもある。これは、電磁的性能にとって望ましい。なぜならば、応力は、透磁性を減じるからである。加えて、軸１４における溝４０は、望まれるならば、コア１２の全長にわたって延びている必要はない。突出部３０およびキー３８を備えないラミネーション２２が提供される場合、突出部３０およびキー３８を備えないラミネーション２２は、ラミネーション２２の大部分であり、突出部３０およびキー３８を備えるラミネーション２２が少数であることが望ましいことがある。これは、磁束漏れを最小限にする。突出部３０およびキー３８を備えないラミネーション２２がコア１２の中央付近により集中して設けられ、突出部３０またはキー３８を備えるラミネーション２２がコア１２の端部付近により集中して設けられることが望ましいことがある。

図６を参照すると、ロータアセンブリを型４４に配置し、樹脂２８を型４４内へ射出することによって、樹脂２８が周囲間隙３２に提供されてもよい。その結果、樹脂２８は、上述のように周囲間隙３２を充填する。望まれるならば、型４４は、ロータコア１２全体を包囲してもよく、樹脂２８が、ロータコア１２におけるあらゆる開放空間を完全に充填するように樹脂２８をロータコア１２全体へ射出する。すなわち、樹脂２８は、樹脂２８が周囲間隙３２内へ射出されると同時にロータ１０における他の構成部材を固定するために使用されてもよい。例えば、永久磁石２０が長手方向開口１６に配置されている場合、樹脂２８は、樹脂２８が永久磁石２０の周囲の長手方向開口１６を充填すると同時に軸１４の周囲の周囲間隙３２を充填してもよい。すなわち、軸１４をロータコア１２に押し込む従来の別個の製造工程を排除することができ、コア１２と軸１４との接続を、永久磁石２０を固定することと組み合わせ、１つの工程にすることができる。好ましくは、樹脂２８は、エポキシなどの熱硬化性樹脂である。熱プラスチックに対する熱硬化性樹脂の１つの利点は、このような樹脂は、熱プラスチックより低い温度で適用することができるということである。永久磁石２０の磁性は、高温によって変化させられる可能性があるとしても、熱硬化性樹脂の使用により、樹脂成形プロセスの間に磁石２０の磁性に影響を及ぼすことがないので、永久磁石２０を樹脂成形プロセスの前に磁化させてもよい。樹脂材料の硬化は、製造設備における適用後に完全に行うことができるまたは部分的に硬化させることができ、最終的な硬化は、モータの初期運転の間に生じる。

発明の好ましい実施の形態が説明されているが、発明はそれに限定されず、本明細書における発明から逸脱することなく、変更が行われてもよいことが理解されるべきである。本明細書に説明された各実施の形態は、ある特徴のみに言及していることがあり、他の実施の形態に関して説明された全ての特徴に具体的に言及していないことがあるが、本明細書に説明された特徴は、特定の特徴に言及がなされていないとしても、別段の定めがない限り、互換的であることが認識されるべきである。上述の利点は、必ずしも発明の唯一の利点ではなく、必ずしも、全ての説明された利点が発明の全ての実施の形態によって達成されることが予想されているわけではないことも理解されるべきである。発明の範囲は、添付の請求項によって規定されており、請求項の意味に含まれる全ての装置および方法が、文字どおりにまたは均等物によって、そこに包含されることが意図されている。

Claims (20)

1. 電気モータ用のロータであって、
   中央開口を有するロータコアと、
   前記中央開口内に配置された軸と、
   前記ロータコアから前記中央開口内へ延びる少なくとも３つの突出部であって、該少なくとも３つの突出部は前記ロータコアに固定されており、前記少なくとも３つの突出部は、前記軸に回転方向で固定されることなく、前記軸に接触しているかまたは前記軸と０．００１’’以内にある、少なくとも３つの突出部と、
   前記ロータコアと前記軸との間および前記少なくとも３つの突出部のそれぞれの間に配置された周囲間隙を形成する前記中央開口の部分と、
   前記周囲間隙内に配置された樹脂と、を備える、電気モータ用のロータ。
2. 前記周囲間隙は、前記ロータコアと前記軸との間に第１の幅および第２の幅を有し、前記第２の幅は、前記第１の幅の少なくとも２倍であり、前記第１の幅は、前記第２の幅の周囲長さの少なくとも３倍だけ前記軸の周囲に周方向に延びている、請求項１記載のロータ。
3. 前記第２の幅の部分は、前記少なくとも３つの突出部のそれぞれの両側に配置されており、前記第１の幅は、前記第２の幅の部分のそれぞれの間に延びている、請求項２記載のロータ。
4. 前記第１の幅の部分は、前記少なくとも３つの突出部のそれぞれの両側に配置されており、前記第２の幅は、前記少なくとも３つの突出部のそれぞれの間の中央に配置されている、請求項２記載のロータ。
5. 前記ロータコアは、第１の非円形部分を有し、前記軸は、第２の非円形部分を有し、前記第１の非円形部分および前記第２の非円形部分は、前記ロータコアおよび前記軸を回転方向で固定するために互いにインターロックされており、前記第１の非円形部分と前記第２の非円形部分との間または別個のキーと前記第１の非円形部分および前記第２の非円形部分との間に横方向間隙が配置されており、樹脂が前記横方向間隙内に配置されている、請求項１記載のロータ。
6. 前記ロータコアは、複数のラミネーションを含み、該ラミネーションは、前記軸の長さに沿って積層されており、各ラミネーションは、前記ロータコアの前記中央開口に対応するラミネーション中央開口を有する、請求項１記載のロータ。
7. 前記ラミネーションのうちの第１のグループの前記ラミネーション中央開口は、前記少なくとも３つの突出部を有し、前記ラミネーションのうちの第２のグループの前記ラミネーション中央開口は、前記少なくとも３つの突出部を有することなく前記軸の周囲に完全に延びるラミネーション周囲間隙を有する、請求項６記載のロータ。
8. 前記第１のグループは、前記ラミネーションのうちの半分未満を含み、前記第２のグループは、前記ラミネーションのうちの半分超を含む、請求項７記載のロータ。
9. 前記樹脂は、熱硬化性樹脂である、請求項１記載のロータ。
10. 前記少なくとも３つの突出部は、前記軸の周囲の２０％未満にわたって前記軸と接触する、請求項１記載のロータ。
11. 前記ロータコアは、第１の非円形部分を有し、前記軸は、第２の非円形部分を有し、前記第１の非円形部分および前記第２の非円形部分は、前記ロータコアおよび前記軸を回転方向で固定するために互いにインターロックされており、前記第１の非円形部分と前記第２の非円形部分との間または別個のキーと前記第１の非円形部分および前記第２の非円形部分との間に横方向間隙が配置されており、樹脂が前記横方向間隙内に配置されており、前記ロータコアは、複数のラミネーションを含み、該ラミネーションは、前記軸の長さに沿って積層されており、各ラミネーションは、前記ロータコアの前記中央開口に対応するラミネーション中央開口を有する、請求項１記載のロータ。
12. 前記周囲間隙は、前記ロータコアと前記軸との間の第１の幅および第２の幅を有し、前記第２の幅は、前記第１の幅の少なくとも２倍であり、前記第１の幅は、前記第２の幅の周囲長さの少なくとも３倍だけ前記軸の周囲に周方向に延びている、請求項１１記載のロータ。
13. 前記少なくとも３つの突出部は、前記軸の周囲の２０％未満にわたって前記軸と接触し、前記樹脂は、熱硬化性樹脂である、請求項１２記載のロータ。
14. 前記ラミネーションのうちの第１のグループの前記ラミネーション中央開口は、前記少なくとも３つの突出部を有し、前記ラミネーションのうちの第２のグループの前記ラミネーション中央開口は、前記少なくとも３つの突出部を有することなく前記軸の周囲に完全に延びるラミネーション周囲間隙を有し、前記第１のグループは、前記ラミネーションのうちの半分未満を含み、前記第２のグループは、前記ラミネーションのうちの半分超を含む、請求項１３記載のロータ。
15. 前記ロータコアは、前記中央開口から離れて配置された第２の開口を有し、該第２の開口のそれぞれには永久磁石が配置されており、前記各第２の開口における前記ロータコアと前記永久磁石との間の空間を前記樹脂が充填しており、前記ロータコアは、複数のラミネーションを含み、該ラミネーションは、前記軸の長さに沿って積層されており、各ラミネーションは、前記ロータコアの前記中央開口に対応するラミネーション中央開口を有し、前記樹脂は、熱硬化性樹脂である、請求項１記載のロータ。
16. 電気モータ用のロータを製造する方法であって、
    ロータアセンブリを型に配置し、前記ロータアセンブリは、
    中央開口を有するロータコアと、
    前記中央開口内に配置された軸と、
    前記ロータコアから前記中央開口内へ延びる少なくとも３つの突出部であって、該少なくとも３つの突出部は前記ロータコアに固定されており、前記少なくとも３つの突出部は、前記軸に回転方向で固定されることなく前記軸に接触している、少なくとも３つの突出部と、
    前記ロータコアと前記軸との間および前記少なくとも３つの突出部のそれぞれの間に配置された周囲間隙を形成する前記中央開口の部分と、を備え、
    樹脂を前記型内へ射出し、前記樹脂は、前記周囲間隙を充填する、
    電気モータ用のロータを製造する方法。
17. 前記型は、前記ロータコアを完全に包囲し、前記樹脂は、前記ロータコアにおけるあらゆる開放空間を完全に充填する、請求項１６記載の方法。
18. 前記ロータコアは、前記中央開口から離れて配置された第２の開口を有し、前記ロータアセンブリは、前記第２の開口に配置されかつ該第２の開口を部分的にのみ充填する付加的な構成部材を含み、前記樹脂は、前記ロータコアと、前記付加的な構成部材との間の、前記第２の開口における空間を充填する、請求項１７記載の方法。
19. 前記付加的な構成部材は、永久磁石である、請求項１８記載の方法。
20. 前記樹脂は、熱硬化性樹脂である、請求項１９記載の方法。