JP2020005442A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向の寸法短縮が可能な回転電機の回転子を提供する。【解決手段】実施形態によれば、電動機の固定子は、支持シャフト１２と、支持シャフトに同軸的に取り付けられた回転子鉄心１４と、回転子鉄心の軸方向両側に配置された一対のエンドプレート２０Ａ、２０Ｂと、を備えている。支持シャフトは、第１ねじ部２４を有し、回転子鉄心の内孔に挿入されている。少なくとも一方のエンドプレートは、第２ねじ部４８を有し金属材料で形成された環状の内周板４２ａと、内周板よりも硬度の低い金属材料で形成され内周板の外周側に同軸的に配置された環状の外周板４２ｂと、内周板と外周板とを摩擦攪拌接合した接合部４４と、を有している。少なくとも一方のエンドプレートは、第２ねじ部を第１ねじ部に螺合した状態で支持シャフトに取付けられ、外周板は、回転子鉄心の軸方向の一端面に当接し、内周板および接合部は、回転子鉄心の一端面に隙間を介して対向している。【選択図】図３

Description

この発明の実施形態は、回転電機の回転子に関する。

一般に、回転電機は、略円筒状の固定子鉄心および固定子鉄心に巻回された回転子巻線を有する固定子と、固定子鉄心の径方向中央に配置され、この固定子鉄心に対して回転自在に設けられた回転子と、を備えている。固定子は、回転自在に支持された支持シャフトと、支持シャフトに同軸的に取付けられた回転子鉄心と、回転子鉄心の軸方向両端を挟持する一対のエンドプレートと、を有している。エンドプレートは、回転子鉄心内に内蔵された永久磁石の飛び出し防止と、回転子鉄心の保持、固定を行うとともに、回転時のアンバランス量を修正するための後加工部材としての役割を有している。回転子鉄心およびエンドプレートは、支持シャフトに固定されている必要がある。これらの固定方法として、カシメ部品を用いて固定する方法、あるいは、ナットを用いて固定する方法が知られている。

特許第５８８０１３６号公報 特開２０１５−１００２２７号公報

回転電機において、回転子は固定子とともにハウジング内部に配置されている。近年、省スペース化を図るため、ハウジングの内壁や固定子の周辺部品が、固定子の至近にまで接近している構造となっていることが多い。例えば、固定子がハイブリッド自動車等のトランスミッションに接続される場合、駆動ユニット全体の小型化の為、回転子の軸方向の寸法短縮が求められる。
前述した従来の回転子の固定構造では、回転子鉄心およびエンドプレートの軸方向外側に、カシメ部品や、ナット及びワッシャ等の固定部品を取り付けるスペースを設ける必要がある。そのため、回転子の軸方向の寸法が増大し、小型化が困難となる。
そこで、本発明の実施形態の課題は、軸方向の寸法短縮が可能な回転電機の回転子を提供することにある。

実施形態によれば、回転電機の固定子は、回動自在な支持シャフトと、複数の磁性体板を積層して円筒状に形成され、前記支持シャフトに同軸的に取り付けられた回転子鉄心と、前記支持シャフトに取付けられ前記回転子鉄心の軸方向両側に配置された一対のエンドプレートと、を備えている。前記支持シャフトは、外周面に形成された第１ねじ部を有し、前記回転子鉄心の内孔に挿入されている。少なくとも一方のエンドプレートは、第２ねじ部を有し金属材料で形成された環状の内周板と、前記内周板よりも硬度の低い金属材料で形成され前記内周板の外周側に同軸的に配置された環状の外周板と、前記内周板と前記外周板との間に位置し前記内周板と前記外周板とを摩擦攪拌接合した接合部と、を有している。前記少なくとも一方のエンドプレートは、前記第２ねじ部を前記第１ねじ部に螺合した状態で前記支持シャフトに取付けられ、前記外周板は、前記回転子鉄心の軸方向の一端面に当接し、前記内周板および接合部は、前記回転子鉄心の一端面に隙間を介して対向している。

図１は、実施形態に係る回転電機の回転子を示す斜視図。 図２は、前記回転子の分解斜視図。 図３は、前記回転子の縦断面図。 図４は、前記回転子の第１エンドプレートを示す図。 図５は、前記回転子の第２エンドプレートを示す図。 図６は、図５の線Ｃ−Ｃに沿った第２エンドプレートの断面図。

以下に、図面を参照しながら、この発明の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略あるいは簡略化する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。
図１に示すように、回転電機の回転子１０は、中心軸線Ｃの回りで回転自在な円柱形状の支持シャフト（ロータシャフト）１２と、支持シャフト１２の軸方向ほぼ中央部に同軸的に取り付けられた円筒形状の回転子鉄心（ロータコア）１４と、回転子鉄心１４内に埋め込まれた複数の永久磁石と、支持シャフト１２に取付けられ回転子鉄心１４の軸方向両側に配置された一対の環状のエンドプレート（第１エンドプレート２０Ａおよび第２エンドプレート２０Ｂ）と、を備えている。回転子鉄心１４は、第１および第２エンドプレート２０Ａ、２０Ｂにより、軸方向の両側から挟持され、所定位置に保持されている。
なお、以下の説明では、中心軸線Ｃの延在方向を軸方向、中心軸線Ｃ回りに回転する方向を周方向、軸方向および周方向に直交する方向を径方向と称する。

図２は、前記回転子の分解斜視図、図３は、前記回転子の縦断面図である。
図示のように、支持シャフト１２は、例えば、炭素鋼により、段付きの円柱形状に形成されている。支持シャフト１２は、環状のフランジ２２および第１ねじ部２４を一体に有している。フランジ２２は、支持シャフト１２の軸方向一端の近傍に、支持シャフト１２と同軸的に設けられている。第１ねじ部２４は、フランジ２２から軸方向に離間して位置し、支持シャフト１２の外周面に形成されている。
支持シャフト１２の外周面に少なくとも１つ、ここでは、一対のキー溝２６（一方のみ図示する）が形成されている。各キー溝２６は、フランジ２２と第１ねじ部２４との間を、支持シャフト１２の軸方向に沿って延在している。一対のキー溝２６は、支持シャフト１２の円周方向に約１８０度間隔を置いて配置されている。

回転子鉄心１４は、磁性板材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板２７を多数枚、同芯状に積層して円筒形状に構成されている。多数枚の電磁鋼板２７は、例えば、複数個所をカシメ加工することにより、互いに連結され一体化されている。回転子鉄心１４は、中心軸線Ｃと同軸的に形成された内孔（挿通孔）２８を有している。内孔２８は、回転子鉄心１４の全長に亘って延在している。また、回転子鉄心１４は、内孔２８内に突出する一対のコアキー３０を有している。コアキー３０は、それぞれ回転子鉄心の軸方向に沿って、かつ、回転子鉄心の全長に亘って延在している。本実施形態において、一対のコアキー３０は、円周方向に約１８０度離間して配置され、それぞれ支持シャフト１２のキー溝２６に係合可能に形成されている。

回転子鉄心１４には、回転子鉄心を軸方向に貫通する複数の磁石埋め込み孔３２が形成されている。複数の磁石埋め込み孔３２は、回転子鉄心１４の外周面の近傍に設けられている。各磁石埋め込み孔３２内に、矩形板状の永久磁石Ｍが装填および配置され、例えば、接着剤等により回転子鉄心１４に固定されている。各永久磁石Ｎは、回転子鉄心１４の全長に亘って延在している。また、複数の永久磁石Ｍは、回転子鉄心１４の周方向に所定の間隔を置いて配列されている。

上記のように構成された回転子鉄心１４は、内孔２８内に支持シャフト１２を挿入および嵌合することにより、支持シャフト１２に同軸的に取り付けられている。一対のコアキー３０は、支持シャフト１２のキー溝２６にそれぞれ係合し、支持シャフト１２に対する回転子鉄心１４の回転を規制している。なお、回転子鉄心１４に支持シャフト１２を挿入する場合、焼嵌めや圧入などで回転子鉄心１４と支持シャフト１２とを一体化させてもよい。

図４は、第１エンドプレートの正面（ａ）、側面（ｂ）、裏面（ｃ）をそれぞれ示す図である。
図示のように、第１エンドプレート２０Ａは、回転子鉄心１４の外径とほぼ等しい外径、および支持シャフト１２の外径とほぼ等しい内径を有する環状板に形成されている。第１エンドプレート２０Ａは、中心軸線Ｃと同軸的に貫通形成された内孔（挿通孔）３４Ａを有している。第１エンドプレート２０Ａは、内孔３４Ａ内に突出する一対のキー３６Ａを有している。一対のキー３６Ａは、円周方向に約１８０度離間して配置され、それぞれ支持シャフト１２のキー溝２６に係合可能に形成されている。

また、第１エンドプレート２０Ａは、回転子鉄心１４の軸方向一端側の端面に当接可能な第１面３８ａ、および第１面３８ａと反対側に位置し、支持シャフト１２のフランジ２２に当接可能な第２面３８ｂとを有している。第１面３８ａに、環状の逃し溝４０を設けてもよい。回転子鉄心１４の端面にカシメ加工部が形成されている場合でも、このカシメ加工部を逃し溝４０内に逃すことにより、第１面３８ａと回転子鉄心１４の端面とを密着させることができる。本実施形態において、逃し溝４０は、内孔３４Ａと同軸な環状に形成され、内孔３４Ａの外周側に位置し、かつ、磁石埋め込み孔３２よりも内周側に位置するように設けられている。なお、第１エンドプレート２０Ａは、例えばアルミニウムのような、アンバランス量修正時に容易に後加工を施せる材料で形成されていることが望ましい。

上記のように構成された第１エンドプレート２０Ａは、図２および図３に示すように、
内孔３４Ａ内に支持シャフト１２を挿入および嵌合することにより、支持シャフト１２に同軸的に取り付けられている。一対のキー３６Ａは、支持シャフト１２のキー溝２６にそれぞれ係合し、支持シャフト１２に対する第１エンドプレート２０Ａの回転を規制している。第１エンドプレート２０Ａは、第２面３８ｂがフランジ２２に当接することにより、支持シャフト１２の軸方向に位置決めされる。第１エンドプレート２０Ａの第１面３８ａは、回転子鉄心１４の端面に当接し、回転子鉄心１４を位置決めしている。第１エンドプレート２０Ａは、回転子鉄心１４の磁石埋め込み孔３２を覆っている。
前述したように、回転子鉄心１４の端面にカシメ加工部が存在している場合でも、第１面３８ａは、逃し溝４０を設けることにより、回転子鉄心１４の端面に密着することが可能となる。

図５は、第２エンドプレートの正面（ａ）、側面（ｂ）、裏面（ｃ）をそれぞれ示す図である。図６は、図５の線Ｃ−Ｃに沿った第２エンドプレートの断面図である。
図示のように、第２エンドプレート２０Ｂは、回転子鉄心１４の外径とほぼ等しい外径、および支持シャフト１２の外径とほぼ等しい内径を有する環状板に形成されている。第２エンドプレート２０Ｂは、中心軸線Ｃと同軸的に貫通形成された内孔（挿通孔）３４Ｂを有している。内孔３４Ｂを規定している内周面にねじが切られ、第２ねじ部４８を構成している。
第２エンドプレート２０Ｂは、内孔３４Ｂを含む環状の内周板４２ａと、内周板４２ａの外周側に同軸的に配置され内周板４２ａの外周に接合された環状の外周板４２ｂと、を組み合わせて構成されている。内周板４２ａの外周と外周板４２ｂの内周とは、例えば、摩擦攪拌接合により互いに接合され、環状の接合部４４を形成している。なお、接合部４４の形状は、円環状に限定されることなく、楕円形、多角形等、他の形状としてもよい。

第２エンドプレート２０Ｂは、回転子鉄心１４の軸方向他端側の端面に当接可能な第１面５０ａ、および第１面５０ａと反対側に位置する第２面５０ｂとを有している。内周板４２ａは、回転子鉄心１４と反対の方向、すなわち、第２面５０ｂ側に突出した環状の凸部４６を一体に備えている。凸部４６は、内孔３４Ｂと同軸的に形成され、内孔３４Ｂの周囲に位置している。また、凸部４６は、ナットを模した六角形の外周輪郭を有している。これにより、凸部４６は、ナットランナー等の締付け工具を係合可能な六角ナット部を形成している。
第２エンドプレート２０Ｂの第１面５０ａの中心部に環状の凹部５２が設けられている。凹部５２は、内周板４２ａおよび接合部４４を含む領域に設けられている。これにより、第１面５０ａは、外周板４２ｂの第１面からなる環状の当接面を形成している。当接面は、回転子鉄心１４の他端面の外周部に当接するように形成され、更に、磁石埋め込み孔３２の少なくとも一部を覆う位置に配置されている。
凹部５２は、内周板４２ａおよび接合部４４が回転子鉄心１４の端面に接触しないようにするために設けられている。更に、凹部５２は、回転子鉄心１４の他端面に位置するカシメ加工部を逃す逃し溝を兼ねている。但し、逃し溝は、凹部５２とは別に設けられてもよい。

内周板４２ａと外周板４２ｂとは、互いに異なる材料で形成されている。内周板４２ａは、締結作業に耐えられるような比較的硬い金属材料、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼等で形成されている。外周板４２ｂは、アンバランス修正の後加工、接触面の仕上げのための後加工が容易な金属材料、すなわち、内周板４２ａよりも硬度の低い金属材料、例えば、アルミニウム等で形成されている。なお、アンバランス修正は、外周板４２ｂの回転子鉄心１４と対向していない面の一部を削除加工することにより行うことができる。

上記のように構成された第２エンドプレート２０Ｂは、図２および図３に示すように、第１面５０ａが回転子鉄心１４の端面に対向した状態で、内孔３４Ｂ内に支持シャフト１２を挿入し、更に、第２ねじ部４８を第１ねじ部２４に螺合させることにより、支持シャフト１２に同軸的に取付けられている。外周板４２ｂの当接面（第１面５０ａ）が回転子鉄心１４の端面に当接するまで第２エンドプレート２０Ｂをねじ込むことにより、回転子鉄心１４を第１エンドプレート２０Ａと第２エンドプレート２０Ｂにより挟持し、所定位置に保持している。また、第２エンドプレート２０Ｂの当接面により磁石埋め込み孔３２を覆い、永久磁石Ｍの抜けを防止している。
回転子鉄心１４の端面にカシメ加工部が存在している場合でも、第１面５０ａに設けられた凹部５２にカシメ加工部を逃し、外周板４２ｂの当接面を回転子鉄心１４の端面に密着させることが可能となる。第２ねじ部４８を第１ねじ部２４にねじ込む際、内周板４２ａの環状凸部（六角ナット部）４６および締付け工具を用いてねじ込むことが可能であり、第２エンドプレート２０Ｂを容易に、かつ、強固に、支持シャフト１２に取付け、回転子鉄心１４に押し上げることができる。

ナット部締結時、第１面５０ａ、すなわち、外周板４２ｂの当接面が回転子鉄心１４の端面に接触して摺動する。本実施形態では、回転子鉄心の接触面を保護する目的で、当接面を有する外周板４２ｂを回転子鉄心１４の端面に比較して硬度が低いアルミニウム等で形成している。これにより、外周板４２ｂが回転子鉄心１４の端面上を摺動した場合でも、回転子鉄心１４の端面を傷付けることがない。当接面の角部に面取り部やＲ部を設け、各表面の粗さはＲａ３．２〜０．８程度に仕上げることが望ましい。
内周板４２ａは、締結作業に耐えられるような高剛性で硬い材料、例えば、炭素鋼やステンレス鋼、で形成されている反面、凹部５２を設けることにより、内周板４２ａと回転子鉄心１４との接触を避け、回転子鉄心の損傷を防止している。すなわち、内周板４２ａおよび接合部４４は、隙間を介して回転子鉄心１４の端面に対向している。

以上のように構成された実施形態に係る回転子によれば、第２エンドプレートは、第２ねじ部を有する内周板４２ａと当接面を有する外周板４２ｂとを一体に有し、第２ねじ部４８を支持シャフト１２の第１ねじ部２４と螺合させることにより軸力を発生させ、回転子鉄心１４を保持することができる。このため、エンドプレート以外の固定用部品、例えば、ワッシャ、ナット等を使用する必要がなく、省スペース化、かつ、軸方向の寸法短縮を図ることができる。同時に、支持シャフト１２と回転子鉄心１４との組立作業を簡素化することが可能となる。

なお、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
例えば、第２エンドプレートの形成材料は、実施形態に限定されることなく、他の材料の組み合わせを種々選択可能である。内周板と外周板との接合は、摩擦攪拌接合に限定されるものではなく、溶接等の他の接合方法を適用してもよい。実施形態に係る回転子は、永久磁石型の回転電機に限らず、誘導回転電機にも適用可能である。

１０…回転子、１２…支持シャフト、１４…回転子鉄心、２０Ａ…第１エンドプレート、
２０Ｂ…第２エンドプレート、２２…フランジ、４２ａ…内周板、４２ｂ…外周板、
４４…接合部、４６…凸部、５２…凹部、Ｍ…永久磁石

Claims (3)

1. 回動自在な支持シャフトと、複数の磁性体板を積層して円筒状に形成され、前記支持シャフトに同軸的に取り付けられた回転子鉄心と、前記支持シャフトに取付けられ前記回転子鉄心の軸方向両側に配置された一対のエンドプレートと、を備える回転電機の回転子であって、
   前記支持シャフトは、外周面に形成された第１ねじ部を有し、前記回転子鉄心の内孔に挿入され、
   少なくとも一方のエンドプレートは、第２ねじ部を有し金属材料で形成された環状の内周板と、前記内周板よりも硬度の低い金属材料で形成され前記内周板の外周側に同軸的に配置された環状の外周板と、前記内周板と前記外周板との間に位置し前記内周板と前記外周板とを摩擦攪拌接合した接合部と、を有し、
   前記少なくとも一方のエンドプレートは、前記第２ねじ部を前記第１ねじ部に螺合した状態で前記支持シャフトに取付けられ、前記外周板は、前記回転子鉄心の軸方向の一端面に当接し、前記内周板および接合部は、前記回転子鉄心の一端面に隙間を介して対向している、回転子。
2. 前記内周板は、前記回転子鉄心の一端面と反対の方向に突出し前記第２ねじ部の周囲に位置するナット形状の凸部を一体に有している請求項１に記載の回転子。
3. 前記外周板の前記回転子鉄心と対向していない面の一部が、削除加工されている請求項１に記載の回転子。

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