JP2022003847A - シャフトの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強い遠心力が加えられるシャフト支持部の剛性を局所的に高めることができる中空のシャフトの製造方法を提供する。【解決手段】モータに組み込まれるロータコアを貫通する中空のシャフトの製造方法。シャフトは、シャフトの軸方向の中間部に位置しており、ロータコアを保持するシャフト本体部と、シャフトの軸方向の両端部に位置しており、軸受によって支持されるシャフト支持部１１ｓと、を備えている。製造方法は、シャフト支持部を遠心鋳造によって形成する遠心鋳造工程と、遠心鋳造されたシャフト支持部を型内に配置し、シャフト本体部をシャフト支持部と一体に鋳造する鋳包み工程と、を備えている。【選択図】図４

Description

本明細書が開示する技術は、シャフトの製造方法に関する。特に、モータに組み込まれるロータの回転軸であって、ロータコアを貫通する中空のシャフトの製造方法に関する。

モータに組み込まれるロータコアは、磁性材料で構成されている。ロータコアの中心部には、シャフトが貫通する。特許文献１に開示されるシャフトの製造方法では、シャフトを形成する鋳造工程において、ロータコアを鋳造型内に配置した後、シャフトを形成する金属を溶解した溶湯を鋳造型に注入することで、ロータコアとシャフトとを一体に鋳造する。

特開平１１−１９６５４５号公報

ロータの回転軸であるシャフトは、ロータコアを貫通しており、その軸方向の中間部において、ロータコアを保持する。そして、ロータが回転可能となるために、シャフトの軸方向の両端部は、軸受けによって支持される。ロータコアは、通電時に発熱する。ロータコアを冷却するための冷却水を通水させるために、またはシャフトの軽量化のために、シャフトが中空とされることがある。中空のシャフトは、剛性が低下する。このため、特にロータが高速で回転する場合には、軸受けによって支持されている両端のシャフト支持部には、ロータコアを保持するシャフト本体部に比して強い力が加えられる。そのため、軸受けによって支持されるシャフト支持部には、高い剛性が要求される。本明細書では、強い遠心力が加えられるシャフト支持部の剛性を局所的に高めることができる中空のシャフトの製造方法を提供する。

本明細書は、モータに組み込まれるロータコアを貫通する中空のシャフトの製造方法を開示する。前記シャフトは、前記シャフトの前記軸方向の中間部に位置しており、前記ロータコアを保持するシャフト本体部と、前記シャフトの前記軸方向の両端部に位置しており、軸受によって支持されるシャフト支持部と、を備えている。前記製造方法は、前記シャフト支持部を遠心鋳造によって形成する遠心鋳造工程と、遠心鋳造された前記シャフト支持部を型内に配置し、前記シャフト本体部を前記シャフト支持部と一体に鋳造する鋳包み工程と、を備えている。

上述した製造方法では、遠心鋳造工程において、シャフト支持部を形成する金属を溶解した溶湯を型内に注入した後、型を回転させる。型内に流し込まれた溶湯は、回転の遠心力により、型の内周面に押し付けられる。遠心力は、比重に比例する。このため、溶湯に含まれている金属には、大きな遠心力が加えられる。それに対して、溶湯に含まれている気泡、不純物等に対しては、その比重が金属よりも小さいことから、金属よりも小さな遠心力が加えられる。その結果、遠心鋳造工程において、比重の大きな金属が型の外壁側（すなわち、シャフト支持部の外周部）に均一に配置され、気泡および不純物等は、型の中心側（すなわち、シャフト支持部の内側）に配置される。その結果、遠心鋳造で形成されたシャフト支持部の剛性が向上する。次いで、上述した製造方法では、鋳包み工程で、遠心鋳造されたシャフト支持部を鋳包みの型内に配置し、シャフト本体部を形成する金属を溶解した溶湯を、鋳包みの型内に流し込む。これにより、シャフト本体部をシャフト支持部と一体に鋳造する。ロータコアを保持するシャフト本体部を鋳包み工程で形成することで、シャフト本体部の形状の自由度が向上する。その結果、シャフト本体部をシャフト支持部よりも薄肉で形成して軽量化を図りやすくなる。その結果、ロータコアを冷却する冷却水を循環させる流路をシャフト本体部の内部に配置しやすくなる。このように、本明細書が開示する製造方法は、シャフト支持部の剛性を局所的に高めることができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の製造方法で製造されるシャフトを備えているロータの斜視図を示す。 実施例の製造方法で製造されるシャフトを備えているロータが組み込まれるモータの断面図を示す。 遠心鋳造工程における断面図を示す。 鋳包み工程における断面図を示す。

図面を参照して実施例のシャフトの製造方法（以下、単に製造方法と称することがある）について説明する。まず、図１を参照して、実施例の製造方法で製造されるシャフト１０ｓについて説明する。図１は、シャフト１０ｓによって構成されるロータ１０の斜視図を示している。なお、以下では、理解を助けるために、図中に示す座標におけるＺ軸方向正側を単に「上」と表現することがあり、その反対方向のＺ軸方向負側を単に「下」と表現することがある。

ロータ１０は、モータ２（図２参照）に組み込まれる。ロータ１０は、シャフト１０ｓを軸として回転する。ロータ１０は、シャフト１０ｓと、ロータコア１０ｃとを備えている。シャフト１０ｓは、上下方向に延びる円筒形状を有している。シャフト１０ｓは、アルミで構成されている。シャフト１０ｓは、ロータコア１０ｃの中央部を上下方向に貫通している。シャフト１０ｓは、軸１１ａ方向の中央部に位置しているシャフト本体部１１ｂと、軸１１ａ方向の両端部に位置しているシャフト支持部１１ｓとを備えている。図１に示されるように、シャフト本体部１１ｂは、ロータコア１０ｃと対向している。別言すれば、シャフト本体部１１ｂは、ロータコア１０ｃを保持している。シャフト支持部１１ｓは、シャフト本体部１１ｂの上下端から上下方向に延びている。シャフト支持部１１ｓは、ロータコア１０ｃから上下方向に突出している。

ロータコア１０ｃは、上下方向に延びている円筒形状を有している。ロータコア１０ｃの径方向中央部には、上下方向に延びている貫通孔が形成されている。ロータコア１０ｃの貫通孔をシャフト１０ｓが貫通している。図示は省略したが、ロータコア１０ｃは、磁性材料で構成されているコアと、導体で構成されているコイルとを備えている。

図２を参照して、ロータ１０が組み込まれるモータ２について説明する。モータ２は、ロータ１０と、モータ本体４と、ステータ６と、軸受８と、を備えている。モータ２には、ロータ１０の径方向（すなわち、Ｘ軸方向）の外側に、ステータ６が配置されている。ロータ１０のロータコア１０ｃの外周面とステータ６とは、径方向に対向している。モータ２は、いわゆるラジアルギャップ型のモータである。

ステータ６は、モータ本体４の軸１１ａ方向の中央部に配置されている。モータ本体４の軸１１ａ方向の両端部には、軸受８が配置されている。軸受８は、シャフト１０ｓのシャフト支持部１１ｓと対向している。図示は省略したが、ステータ６には、コイルが配策されている。ステータ６のコイルに電流が流れると、ロータコア１０ｃとステータ６の間に磁力が発生し、ロータ１０がシャフト１０ｓの軸１１ａを中心に回転する。

軸受８は、内側固定部８ｉと、玉部８ｂと、外側固定部８оと、を備えている。内側固定部８ｉは、シャフト１０ｓのシャフト支持部１１ｓの外周面に固定されている。外側固定部８оは、モータ本体４の内周面に固定されている。内側固定部８ｉと外側固定部８оとの間には、玉部８ｂが配置されている。シャフト支持部１１ｓは、軸受８によって支持されている。玉部８ｂは、内側固定部８ｉと外側固定部８оとの間で回転する。これにより、シャフト１０ｓは、モータ本体４に対して回転する。図１を参照して説明したように、シャフト１０ｓのシャフト本体部１１ｂには、ロータコア１０ｃが固定されている。シャフト１０ｓが回転すると、ロータ１０も回転する。すなわち、軸受８は、玉部８ｂによって、ロータ１０をモータ本体４に回転可能に支持する。

シャフト１０ｓの詳細形状について説明する。図２に示されるように、シャフト１０ｓは、内部に流路１１ｆを備えている。すなわち、シャフト１０ｓは中空である。先に述べたように、シャフト１０ｓのシャフト本体部１１ｂには、ロータコア１０ｃが固定されている。シャフト本体部１１ｂの外周面は、ロータコア１０ｃの内周面と当接している。ここで、先に述べたように、ロータコア１０ｃは、磁性材料で構成されているコアと、導体で構成されているコイルとを備えている。ロータコア１０ｃのコイルに電流が流れると、コイルの抵抗により、ロータコア１０ｃは発熱する。

発熱したロータコア１０ｃを冷却するために、シャフト１０ｓは、流路１１ｆを備えている。流路１１ｆは、ロータコア１０ｃを冷却する冷却水が流れる空間である。シャフト１０ｓには、下方から流入管１２が挿入されている。図２の矢印に示されるように、流入管１２の下方から冷却水が流入する。流入管１２を通過した冷却水は、シャフト１０ｓの流路１１ｆを循環する。シャフト１０ｓのシャフト本体部１１ｂの外周面は、ロータコア１０ｃの内周面と当接している。ロータコア１０ｃが発生させた熱は、シャフト本体部１１ｂを介して流路１１ｆを循環する冷却水に伝達される。これにより、ロータコア１０ｃが冷却される。

また、先に述べたように、シャフト１０ｓの軸１１ａ方向の両端部に位置しているシャフト支持部１１ｓの外周面には、内側固定部８ｉが固定されている。ロータ１０がシャフト１０ｓを軸に回転する際、玉部８ｂは、内側固定部８ｉの周りを回転する。その際、内側固定部８ｉには、玉部８ｂの回転により向心力が加えられる。向心力は、内側固定部８ｉの外周面に軸１１ａに向かって（すなわち、内側固定部８ｉを軸１１ａ側に押すように）加えられる。ここで、向心力の大きさは、回転速度の２乗に比例する。そのため、特に高速で玉部８ｂが回転する場合には、大きな向心力が内側固定部８ｉに加えられる。

玉部８ｂの回転により生じた向心力は、内側固定部８ｉを介して、シャフト支持部１１ｓの外周面に伝わる。先に述べたように、シャフト１０ｓの内部には、流路１１ｆが設けられているため、シャフト１０ｓは中空である。中空のシャフト１０ｓのシャフト支持部１１ｓが玉部８ｂの回転により生じた向心力で変形すると、シャフト支持部１１ｓの中心の位置が軸１１ａに対してずれてしまい、ロータ１０が回転しにくくなる。以下、図３および図４を参照して、実施例のシャフト１０ｓの製造方法について説明する。

図３を参照して、シャフト支持部１１ｓを形成する遠心鋳造工程について説明する。図３では、上側に遠心鋳造工程における遠心鋳造型１４ｓの断面図を示し、下側にその平面図を示している。遠心鋳造工程では、まず、遠心鋳造型１４ｓの内部にアルミの溶湯１６ｓを注入する。その後、図３の平面図の矢印に示されるように、遠心鋳造型１４ｓを、軸１１ａを中心に回転する。これにより、溶湯１６ｓに、遠心力Ｃｆが加えられる。遠心力Ｃｆは、遠心鋳造型１４ｓの中心（すなわち、軸１１ａ）側から遠心鋳造型１４ｓの外壁側に向かって溶湯１６ｓに加えられる。遠心力Ｃｆの大きさは、回転する溶湯１６ｓの比重に比例する。このため、溶湯１６ｓに含まれる比重の大きい成分（すなわち、アルミ）は、遠心鋳造型１４ｓの内周面に押し付けられる。その結果、溶湯１６ｓに含まれる比重の小さい成分（すなわち、異物等）は、径方向中央側（すなわち、軸１１ａ側）に移動する。これにより、シャフト支持部１１ｓ（図２参照）の外周部に、純度の高いアルミが均一に配置される。その結果、遠心鋳造されたシャフト支持部１１ｓの特に外周面の剛性が向上する。

さらに、図３の断面図に示されるように溶湯１６ｓの内部には、気泡１８が発生することがある。遠心鋳造工程で溶湯１６ｓを回転させることにより、比重の小さい気泡１８は、軸１１ａ側に移動して遠心鋳造型１４ｓ内に開放される。これにより、遠心鋳造によって形成されたシャフト支持部１１ｓの内部には、巣が形成されない。その結果、遠心鋳造されたシャフト支持部１１ｓの剛性が向上する。

図４を参照して、鋳包み工程について説明する。なお、図４の上下方向の向きは、図２と反転していることに留意されたい。鋳包み工程では、まず、遠心鋳造されたシャフト支持部１１ｓを、鋳包み型１４ｂ内に配置する。次いで、アルミの溶湯１６ｂを、上方から鋳包み型１４ｂ内に注入する。先に述べたように、シャフト支持部１１ｓもアルミで構成されている。シャフト支持部１１ｓと同じ材料の溶湯１６ｓを鋳包み型１４ｂに注入することで、シャフト支持部１１ｓとシャフト本体部１１ｂの接合がより強固になる。鋳包み工程では、上述した遠心鋳造工程とは異なり、鋳包み型１４ｂは回転しない。鋳包み工程でシャフト本体部を形成することで、シャフト本体部１１ｂの形状の自由度を向上させることができる。シャフト本体部１１ｂには、軸受８による向心力は加わらない。このため、シャフト本体部１１ｂには、シャフト支持部１１ｓほどの剛性は求められない。その結果、図４に示されるように、シャフト支持部１１ｓに比して、シャフト本体部１１ｂの板厚をより薄くすることができる。これにより、ロータコア１０ｃ（図２参照）の熱を、冷却水に伝達しやすい。また、図示は省略したが、シャフト本体部１１ｂを鋳包み工程で形成することで、シャフト本体部１１ｂに対してロータコア１０ｃの位置を規制するリブをシャフト本体部１１ｂに形成してもよい。

上述したように、実施例の製造方法では、ロータ１０の回転時に向心力が加えられるシャフト支持部１１ｓを遠心鋳造工程で形成し、ロータコア１０ｃを冷却するシャフト本体部１１ｂを鋳包み工程で形成している。これにより、シャフト支持部１１ｓの剛性を局所的に向上しつつ、シャフト本体部１１ｂの形状自由度を確保し、ロータコア１０ｃの冷却効率を向上させ、さらに軽量化も図ることができる。

上述した実施例の留意点を以下に述べる。上述したシャフト１０ｓは、シャフト本体部１１ｂとシャフト支持部１１ｓを同じアルミで構成していたが、これに限定されず、例えば、剛性が要求されるシャフト支持部１１ｓはステンレスで構成し、熱伝導率が求められるシャフト本体部１１ｂはアルミで構成してもよい。さらに、シャフト１０ｓの内部には、冷却水を循環させず、単なる空洞としてもよい。また、シャフト本体部１１ｂの外周面には、シャフト本体部１１ｂ内の流路１１ｆから冷却水（または油）をロータコア１０ｃに直接注ぐための孔が設けられてもよい。さらに、上述したシャフト１０ｓは、軸１１ａ方向において、軸受８によって支持される範囲のみを遠心鋳造で形成したが、これに限定されず、軸１１ａ方向の全範囲に延びるシャフト支持部を遠心鋳造で形成し、その外側に、鋳包み工程でシャフト本体部を形成してもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ ：モータ
４ ：モータ本体
６ ：ステータ
８ ：軸受
１０ ：ロータ
１０ｃ ：ロータコア
１０ｓ ：シャフト
１１ａ ：軸
１１ｂ ：シャフト本体部
１１ｆ ：流路
１１ｓ ：シャフト支持部
１４ｂ ：鋳包み型型
１４ｓ ：遠心鋳造型

Claims (1)

1. モータに組み込まれるロータコアを貫通する、中空のシャフトの製造方法であって、
   前記シャフトは、
   前記シャフトの前記軸方向の中間部に位置しており、前記ロータコアを保持するシャフト本体部と、
   前記シャフトの前記軸方向の両端部に位置しており、軸受によって支持されるシャフト支持部と、を備え、
   前記製造方法は、
   前記シャフト支持部を遠心鋳造によって形成する遠心鋳造工程と、
   遠心鋳造された前記シャフト支持部を型内に配置し、前記シャフト本体部を前記シャフト支持部と一体に鋳造する鋳包み工程と、を備える、
   製造方法。

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