JP2022049683A - 電動機用の特に駆動力のために改良された回転子及び関連する電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転中のクランクシャフトと鋼板との間の一体的な接続を保証する機械的な結合部を提供する。【解決手段】電動機用の回転子は、クランクシャフト８と１以上の鋼板１２とを備える。クランクシャフトは、クランクシャフトの回転軸が延長軸Ｘ－Ｘに沿って一致するように延び、鋼板には、磁石を収容するためのスロットと、クランクシャフトの外壁部に干渉結合部によって固定される中央座部２０とが設けられ、鋼板は、関連するクランクシャフトに向かって突出するように鋼板に設けられた第１歯部３６と、クランクシャフトの外壁部に設けられた第１径方向座部４０とによって、中央座部においてクランクシャフトに結合される。第１径方向座部は、回転軸に向かって収束する一対の斜辺部４４によって側方に区切られた等脚台形の断面を有し、第１歯部は、第１径方向座部の斜辺部に対する結合に適した一対の曲線状の側壁部４８を有するＶ字型の断面を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、電動機用の特に駆動力のために改良された回転子及び関連する電動機に関する。

自動車分野では、特に電気駆動モータにおいて、強磁性体の鋼板の積層体が固定されたクランクシャフトを備える回転子が知られている。前記鋼板は、電動機の固定子に配置された磁石と相互に作用して、典型的には駆動力として使用するためのトルクをクランクシャフトに発生させる。

クランクシャフトと鋼板との間の機械的な結合部は、電動機にとって極めて重要な構成
要素である。

実際、駆動分野において、電動機のクランクシャフトは、２０，０００ｒｐｍ程度の非常に高い回転速度に到達することがあり、しばしば大きなトルクを伝達する。

そのような回転速度及びトルク（すなわち、伝達力）は、全ての部品、特にクランクシャフトと鋼板との間の機械的な結合部に負担をかけることが明らかである。

高性能の電動機においては、クランクシャフトと鋼板の積層体との間の角度のずれを避けなければならない。そのような電動機の性能、特にトルクに関する性能は、回転子の前部又は前壁部から後部に向かって一定の斜めの（skewing）角度が設けられるように、つまり、鋼板に角度のずれ(stagger)が設けられるように設計された電動機の場合、急速に低下するだろう。

従って、組立ラインで再現可能なクランクシャフトと鋼板との間の機械的な結合部であって、電動機のあらゆる使用条件（大きく変化し得るトルク、角速度、及び温度）においても、回転中のクランクシャフトと鋼板との間の一体的な接続（すなわち、相互に角度のずれがないこと）を保証する機械的な結合部を提供する必要がある。

この目的のために、鋼板の積層体とクランクシャフトの中央座部との間の強制結合部、すなわち、干渉（圧入）結合部が知られている。この強制結合部は、クランクシャフトの回転速度が高すぎない場合にのみ、関連する角度のずれが無いことを保証できる。

しかしながら、回転速度が増加すると及び／又はトルクが関連して高くなると、クランクシャフトと鋼板の積層体との間の圧入結合部を使用することでは、クランクシャフトと鋼板の積層体との間における大きな（且つダメージを与える）角度のずれの発生を防ぐことができない可能性がある。

更に、電動機の運転は、駆動用途で極めて頻繁に発生するトルク反転の場合において、特に困難である。前記トルク反転において、クランクシャフトと鋼板の積層体との間の継続的な接触を維持する必要があるが、極小の角度の動きでは、対応する速度センサ（レゾルバ）の読み取りが不正確になり得るため、電動機の運転が最適でなくなる。

この理由に対する解決策としては、鋼板の積層体と電動機の回転子との間に形状結合部が設けられている先行技術がある。しかしながら、既知の形状結合部は、特に、高速度及び高トルクに加えて、電動機の過熱による熱応力が加わった場合に、必ずしも十分な性能を確保できない。

このように、当技術分野においては、先行技術を参照して、引用した欠点及び制限を解決することが求められている。

この要件は、請求項１に記載の電動機用の改良された回転子及び請求項１７に記載の関連する電動機によって満たされる。

本発明の他の実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明の更なる特徴及び利点は、以下の、好ましい非限定的な実施形態の詳細な説明から、より明らかになるだろう。
本発明の一実施形態に係る電動機の回転子の分解斜視図である。 図１の回転子のクランクシャフトに固定される鋼板の平面図である。 図１の回転子の組立状態を示す斜視図である。 図１の鋼板とクランクシャフトとの間の結合部を示す横断面図である。 本発明の一実施形態に係るクランクシャフトに結合する鋼板の歯部の形状の拡大詳細図である。 本発明の一実施形態に係るクランクシャフトに結合する鋼板の歯部の形状の拡大詳細図である。

以下で説明される実施形態に共通する要素又は要素の一部は、同じ数値の符号で示される。

上述の図を参照すると、参照符号「４」は、特に自動車分野向けの電動機の回転子を全体的に指す。

回転子は、既知の方法により固定子（図示せず）に対して少なくとも部分的に同軸に配置されている。

電動機は、様々な分野で使用され得るため、本発明の自動車分野への適用は優先的であるが、排他的ではないことに留意すべきである。

回転子４は、クランクシャフト８及び１以上の鋼板１２を備える。クランクシャフト８は、クランクシャフト８の回転軸が延長軸Ｘ－Ｘに沿って一致するように延びている。鋼板１２には、磁石を収容するためのスロット１６と、干渉結合部によってクランクシャフト８の外壁部２４に固定される中央座部２０とが設けられている。

例えば、干渉結合部は、クランクシャフト８の外壁部２４と、回転子４の回転軸に対して径方向に対向する位置に配置された中央座部２０との間における一対の角部２８の相互的な接触を意味する。

好ましくは、回転子４は、複数の鋼板１２を備える。複数の鋼板１２は、好ましくは同じ厚さを有し、軸方向に整列され、すなわち、延長軸Ｘ－Ｘに沿って配置されている。

好ましくは、複数の鋼板１２は、互いに同一である。複数の鋼板１２は、同一の幾何学的形状及び回転軸に対する配置角度を有している同一の数のスロット１６を有する。このようにして、磁石は、互いに隣接する複数の鋼板１２の対応するスロット１６に収容され得る。

各鋼板１２は、形状結合装置３２によって、中央座部２０においてクランクシャフト８に結合されている。

有利には、形状結合装置３２は、関連するクランクシャフト８に向かって突出するように鋼板１２に形成された第１歯部３６と、第１歯部３６を少なくとも部分的に径方向に収容するようにクランクシャフト８の外壁部２４に形成された第１径方向座部４０とを備える。

好ましくは、第１径方向座部４０は、延長軸Ｘ－Ｘに沿って並んで配置された複数の鋼板１２の第１歯部３６を挟むように、クランクシャフト８の外壁部２４に連続的に延びている。

有利には、第１径方向座部４０は、前記回転軸に垂直な断面に関して等脚台形の断面を有する。前記等脚台形は、回転軸に向かって収束する一対の斜辺部４４によって周方向に区切られている（但し、必ずしも準線が軸に一致している必要はない）。

好ましくは、第１径方向座部４０は、クランクシャフト８の外径を縮小させた一対の平坦部４６によって、関連する鋼板１２との直接的な接触を避けるように径方向の高さが区切られている。

同様に、第１歯部３６は、第１径方向座部４０の一対の斜辺部４４に対して当接する結合に適した一対の曲線状の側壁部４８を有する「Ｖ」字型の断面を備える。

好ましくは、第１径方向座部４０の一対の斜辺部４４は、平坦状であり、第１歯部３６の一対の曲線状の側壁部４８は、弧状である。

好ましくは、第１歯部の一対の弧状の壁部は、１０ｍｍ以上の曲率半径を有する。

一実施形態によれば、第１歯部３６のＶ字型の断面は、第１歯部３６の片持ちの径方向端部において、回転軸側に径方向面取部５２を有する。前記片持ちの径方向端部は、第１径方向座部４０の底部５６の径方向隙間部と共に回転する。

可能な実施形態によれば、第１歯部３６は、鋼板１２と一対の曲線状の側壁部４８との間の各接触区域において、関連するクランクシャフト８とは反対側に延びる径方向凹部６０を有する。

径方向凹部６０は、クランクシャフト８の外壁部２４に設けられた一対の平坦部４６に対する追加の径方向隙間部を構成する。

可能な実施形態によれば、第１歯部３６は、中央凹部６４を備える。中央凹部６４は、各第１歯部３６を、中央凹部６４に関して対称的に配置された一対のフィン部６８に分割する。

好ましくは、中央凹部６４は、回転軸に垂直な断面に関して楕円状の断面を有する。楕円の長軸ａは、接線方向、すなわち、回転軸を通る径方向に垂直に配置され、楕円の短軸ｂは、前記径方向に沿って配置される。

好ましくは、楕円の長軸ａと短軸ｂとの比は、２以上である。

好ましくは、中央凹部６４は、関連する第１径方向座部４０に向かって開放又は貫通している。これにより、トルクの伝達時に、前記中央凹部によって分割された一対のフィン部６８の制御された撓みが増加する。

好ましくは、第１歯部３６と第１径方向座部４０との間の結合部は、干渉タイプである。

前記干渉結合部は、特に、第１歯部３６の曲線状の側壁部４８と第１径方向座部４０の斜辺部４４との間の接触で生じる。

好ましくは、形状結合装置３２は、関連するクランクシャフト８に向かって突出して鋼板１２に形成された第２歯部７２と、第２歯部７２を少なくとも部分的に径方向に収容するようにクランクシャフト８の外壁部２４に形成された第２径方向座部７６とを備える。

有利には、第２歯部７２及び第２径方向座部７６は、クランクシャフト８の回転軸に関して、第１歯部３６及び第１径方向座部４０とは径方向の反対側に配置されている。

好ましくは、第２歯部７２は、第１歯部３６と同じ形状及びサイズを有し、第２径方向座部７６は、第１径方向座部４０と同じ形状を有する。

好ましくは、各歯部３６，７２と、関連する径方向座部４０，７６との間の形状結合部は、干渉タイプであり、第２歯部７２と第２径方向座部７６との間の形状結合部は、第１歯部３６と第１径方向座部４０との間に提供される干渉よりも少ない干渉又は無干渉を提供する。

一実施形態によれば、鋼板１２は、第１歯部３６及び第２歯部７２を通る組立対称軸Ｓ－Ｓと、鋼板１２の磁気対称軸Ｗ－Ｗとの間に、角度のずれを有する。前記角度のずれにより、互いに同一であるがクランクシャフト８に対して１８０度回転して取り付けられた複数の鋼板１２の間で、全体的に二重のずれ又は傾斜（skew）ＳＫを得ることができる。

前記構成において、中央凹部６４の長軸ａは、回転軸を通過する径方向における鋼板１２の組立対称軸Ｓ－Ｓと磁気対称軸Ｗ－Ｗとの間の、９０度に対して前記角度のずれを増減させた角度に等しい角度を特定する。

ここで、本発明による改良された回転子の結合方法及び関連する動作について説明する。

特に、クランクシャフト８と鋼板の中央座部２０との間の直径上の干渉は、過大ではない。そのため、回転子４は、
クランクシャフト８のみを冷却し、
鋼板１２の積層体のみを加熱し、
室温で直接圧入することによって組み立てることができる。

クランクシャフト８を冷却することで、径方向座部４０，７６の形状がより多くの隙間又は遊びを可能にし、より精密な歯部３６，７２を実現することに注目される。

動作に関して言えば、高速（例えば、２０，０００ｒｐｍ）では、クランクシャフト８の直径は、鋼板１２に対して「切り離される」。従って、クランクシャフト８と鋼板１２の積層体との間の相互回転を防止する唯一の接点は、歯部３６，７２である。

従って、トルクは、低速回転時において、クランクシャフト８の直径について干渉して伝達され、中高速回転時において、それぞれ１以上の歯部と対応する径方向座部とを介して伝達される。

歯部のＶ字型の形状は、クランクシャフト８の高速回転から低速回転に戻る際の自動調芯を可能にする。

トルク伝達の際に第１歯部３６及び／又は第２歯部７２にかかる応力は、幾何学的な平面／球面の接触によって低く抑えられている。平面は、クランクシャフト８の径方向座部４０，７６を区切る斜辺部４４によって与えられる。球面は、鋼板１２の各歯部３６，７２の曲線状の側壁部４８の半径によって与えられる。

有利な条件として、そのような曲線状の側壁部４８は、半径Ｒ≧１０ｍｍを示すことが望ましい。

このようにして、接触は正確にするが、機械的応力は過度にならないようにする。

歯部３６，７２の中央凹部６４は、前記歯部により弾力性を与えるように形成されている。歯部３６，７２の中央凹部６４の形状は、クランクシャフト８の回転時の遠心力に対して好ましい挙動を示すような楕円状である。

楕円の半軸の比は、ａ／ｂ≧２であることが望ましい。

記載されている内容から理解できるように、本発明は先行技術の欠点を克服している。

特に、前記回転子は、高速且つ高トルクで回転方向が頻繁に逆転するような過酷な使用条件下でさえも、鋼板の積層体とクランクシャフトとの間の相対的な角度のずれを回避することを可能にさせる。

具体的には、低速回転時には、クランクシャフトの外壁部と鋼板の積層体の中央座部との間の摩擦によってトルク伝達が行われ、高速回転時には、それぞれ径方向座部に噛み合った歯部の働きによってトルク伝達が行われる。

歯部の特殊な形状は、一方では高速回転時に相対的な角度のずれを回避し、他方では回転速度の低下時に自動調芯を可能にする。

更に、歯部の形状と径方向座部の壁部の形状とにより、部品の長寿命化のために、比接触圧を許容範囲の数値内に抑える幾何学的接触を得ることができる。

直径方向に対向する２つの同一の歯部の使用することで、前記クランクシャフト上で１８０°回転させて固定された鋼板の積層体間の所望の傾斜を迅速且つ経済的に得ることができる。

当業者であれば、付随的な且つ特定のニーズを満たすために、上述の解決策に多数の修正及び変形を加えることができ、これらの修正及び変形は全て、以下の請求項で定義される本発明の範囲に含まれる。

Claims (17)

1. クランクシャフト（８）及び１以上の鋼板（１２）を備え、
   前記クランクシャフト（８）は、前記クランクシャフト（８）の回転軸が延長軸（Ｘ－Ｘ）に沿って一致するように延び、
   前記鋼板（１２）には、磁石を収容するためのスロット（１６）と、干渉結合部によってクランクシャフト（８）の外壁部（２４）に固定される中央座部（２０）とが設けられ、
   前記鋼板（１２）は、形状結合装置（３２）によって、前記中央座部（２０）において前記クランクシャフト（８）に結合され、
   前記形状結合装置（３２）は、前記クランクシャフト（８）に向かって突出するように前記鋼板（１２）に形成された第１歯部（３６）と、前記第１歯部（３６）を少なくとも部分的に径方向に収容するように前記クランクシャフト（８）の前記外壁部（２４）に形成された第１径方向座部（４０）とを備え、
   前記第１径方向座部（４０）は、前記回転軸に垂直な断面に関して等脚台形の断面を有し、前記等脚台形は、前記回転軸に向かって収束する一対の斜辺部（４４）によって周方向に区切られ、
   前記第１歯部（３６）は、前記第１径方向座部（４０）の前記斜辺部（４４）に対して当接する結合に適した一対の曲線状の側壁部（４８）を有するＶ字型の断面を備える、電動機用の回転子（４）。
2. 前記第１径方向座部の斜辺部は、平坦状であり、前記第１歯部の一対の曲線状の側壁部は、弧状である、請求項１に記載の電動機用の回転子（４）。
3. 前記第１歯部の一対の弧状の壁部は、１０ｍｍ以上の曲率半径を有する、請求項２に記載の電動機用の回転子（４）。
4. 前記第１径方向座部（４０）は、前記クランクシャフト（８）の外径を縮小させた一対の平坦部（４６）によって、関連する前記鋼板（１２）との直接的な接触を避けるように径方向の高さが区切られている、請求項１～３のいずれか１つに記載の電動機用の回転子（４）。
5. 前記第１歯部（３６）のＶ字型の断面は、前記第１歯部（３６）の片持ちの径方向端部において、回転軸側に径方向面取部（５２）を有し、前記片持ちの径方向端部は、前記第１歯部（３６）の底部（５６）の径方向隙間部と共に回転する、請求項１～４のいずれか１つに記載の電動機用の回転子（４）。
6. 前記第１歯部（３６）は、前記鋼板と一対の前記曲線状の側壁部（４８）との間の各接触区域において、関連可能な前記クランクシャフト（８）とは反対側に延びる径方向凹部（６０）を有する、請求項１～４のいずれか１つに記載の電動機用の回転子（４）。
7. 前記第１歯部（３６）は、中央凹部（６４）を備え、
   前記中央凹部（６４）は、前記第１歯部（３６）を、前記中央凹部（６４）に関して対称的に配置された一対のフィン部（６８）に分割する、請求項１～５のいずれか１つに記載の電動機用の回転子（４）。
8. 前記中央凹部（６４）は、前記回転軸に垂直な断面に関して楕円状の断面を有し、
   楕円の長軸（ａ）は、前記回転軸を通る径方向に垂直に配置され、楕円の短軸（ｂ）は、前記径方向に沿って配置される、請求項７に記載の電動機用の回転子（４）。
9. 楕円の前記長軸（ａ）と前記短軸（ｂ）との比は、２以上である、請求項８に記載の電動機用の回転子（４）。
10. 前記中央凹部（６４）は、関連する第１径方向座部（４０）に向かって開放又は貫通している、請求項７～９のいずれか１つに記載の電動機用の回転子（４）。
11. 前記第１歯部（３６）と前記第１径方向座部（４０）との間の結合部は、干渉タイプである、請求項１～１０のいずれか１つに記載の電動機用の回転子（４）。
12. 前記形状結合装置（３２）は、関連可能な前記クランクシャフト（８）に向かって突出して前記鋼板（１２）に形成された第２歯部（７２）と、前記第２歯部（７２）を少なくとも部分的に径方向に収容するように前記クランクシャフト（８）の外壁部（２４）に形成された第２径方向座部（７６）とを備え、
    前記第２歯部（７２）及び前記第２径方向座部（７６）は、前記回転軸に関して、前記第１歯部（３６）及び前記第１径方向座部（４０）とは径方向の反対側に配置される、請求項１～１１のいずれか１つに記載の電動機用の回転子（４）。
13. 前記第２歯部（７２）は、前記第１歯部（３６）と同じ形状及びサイズを有し、前記第２径方向座部（７６）は、前記第１径方向座部（４０）と同じ形状を有する、請求項１２に記載の電動機用の回転子（４）。
14. 各歯部（３６，７２）と径方向座部（４０，７６）との間の形状結合部は、干渉タイプであり、前記第２歯部（７２）と前記第２径方向座部（７６）との間の前記形状結合部は、前記第１歯部（３６）と前記第１径方向座部（４０）との間に提供されるものよりも少ない隙間又は干渉を提供する、請求項１２又は１３に記載の電動機用の回転子（４）。
15. 前記鋼板（１２）は、前記第１歯部（３６）及び前記第２歯部（７２）を通る組立対称軸（Ｓ－Ｓ）と、前記鋼板（１２）の磁気対称軸（Ｗ－Ｗ）との間に、角度のずれを有する、請求項１２～１４のいずれか１つに記載の電動機用の回転子（４）。
16. 前記中央凹部（６４）の長軸（ａ）は、前記回転軸を通過する径方向における前記鋼板（１２）の組立対称軸（Ｓ－Ｓ）と磁気対称軸（Ｗ－Ｗ）との間の、９０度に対して前記角度のずれを増減させた角度に等しい角度を特定する、請求項８又は９との組み合わせによる請求項１５に記載の電動機用の回転子（４）。
17. 請求項１～１６のいずれか１つに記載の回転子（４）と、前記回転子（４）と同軸上に配置された固定子とを備える、電動機。

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