JP4102749B2 - リラクタンスモータの回転子 - Google Patents

Description

本発明は、リラクタンスモータの回転子、特にリング状の積層回転子と円柱軸との固定構造の改良に関する。

電動機において、回転子と軸は別部品になっていることが多く、そのような場合、組立の際に何らかの方法で回転子を軸に固定しなければならない。その方法にはいくつかあるが、そのうち接着によって回転子を軸に固定する方法について、図５を用いて説明する。図５は、従来における接着によって電動機の回転子を軸に固定する方法の一例を示す図である。図５において、１は回転子、６は軸、７は接着剤である。接着によって回転子１を軸６に固定する際には、回転子１の内周と軸６の外周との間に通常、一定の隙間を設ける。これは、回転子１の内周と軸６の外周いずれにも加工による寸法誤差が存在するため、回転子１が軸６に嵌まるためには必ず必要であるばかりでなく、接着剤７が所望の接着力を発生するためには、使用する接着剤によって決まる一定の層厚がなければならないからである。したがって、回転子１の内周と軸６の外周との間には、ある一定の隙間が設けられており、回転子１を軸６に固定する際には、この隙間に接着剤７が充填される。

回転子を軸に固定する他の方法には、圧入がある。圧入の際には、回転子の内周と軸の外周との寸法は、締まり勝手になっている。すなわち、回転子の内周寸法に対して軸の外周寸法は数μｍから数十μｍ程大きくなっており、人間の力では回転子を軸に嵌める事ができないため、油圧プレス等の機器を用いて軸方向に力を加えることによって回転子を軸に嵌めて、回転子と軸との間に発生する摩擦力によって固定する。

以上のように、通常、電動機の回転子を軸に固定する方法には、大きく分けて回転子と軸との間に隙間を設けてそこに接着剤を充填して接着力で固定する方法と、回転子と軸とを圧入により摩擦力で固定する方法の二通りの方法がある。

回転子を接着剤によって軸に固定する場合、前述したとおり回転子の内周と軸の外周との間には隙間を設ける。この隙間によって、回転子に回転方向のアンバランスが発生してしまう。すなわち、回転子を軸に接着する場合、回転子と軸との隙間が回転方向でどの場所でも一定になるように接着することは非常に難しい。したがって、ほとんどの場合、回転子は軸に対して中心が一致せずに、いずれかの方向に偏った状態で接着されてしまう。回転子と軸の隙間の寸法を決定する際には、接着剤が所望の接着力を得るために必要な隙間に加えて、積層回転子の素片は通常プレスによる打ち抜きで製造されるため、打ち抜きにおける刃の経年変化分、さらに、回転子を打ち抜いたときに軸方向に積み上げる積層誤差分も考慮に入れる必要があり、これらを全て加えると、回転子と軸の隙間は無視できない寸法となってしまう。そのために、回転子が偏って軸に接着されてしまった場合、回転子のアンバランス量が非常に大きくなってしまう。回転子のアンバランス量が大きくなると、通常は回転部のいずれかの場所を切削したり、逆に重量を取り付けたりしてアンバランス量を修正するが、アンバランス量があまりに大きい値となると修正することも非常に困難になる。

一方、圧入で固定する場合は、前述したとおり回転子の内周と軸の外周は締まり勝手になっており、回転子を軸に挿入していく際には、回転子の内周の各部分にかかる圧力はいずれの場所でもほぼ等しくなって、回転子が軸に固定される。したがって、回転子の中心と軸の中心はほとんど一致した状態で固定され、軸の中心に対する回転子の中心のずれは極めて小さくなる。このため、圧入では接着の場合と比べると、アンバランス量が非常に小さくなる。しかし、その内部に磁極形成用の複数のスリットが存在するようなリラクタンスモータの回転子においては、その他の問題が発生する。そのことについて、図５の一部分を拡大した図６を用いて説明する。圧入では回転子の内周を変形させながら軸に挿入していくわけだが、そのため、回転子の内周には非常に大きな力がかかっている。スリットが存在するリラクタンスモータの回転子のような場合は、もともと遠心力に弱い構造をしているので、このような大きな力が回転子の内周にかかった場合、その影響を強く受ける。

特に、図６のＰ６で示される部分は、回転子１の内周とスリット３の距離が非常に近いので、圧入による力を受けた場合、Ｐ６で示される部分はＦ６の方向に力を受ける。しかし、Ｐ６の部分は力を受ける部分の厚みが薄いため、ここで受けた力は他の部分にもかかる。そのために２Ｄで示される両側のつなぎがＦ７で示される方向に力を受けて、さらに、回転子が回転して遠心力を受けると、つなぎ２Ｄにかかる応力は非常に大きくなり、材料の許容応力を超える応力を受けてつなぎ２Ｄが破断してしまう。

このことを防止するためには、Ｐ６で示される部分の太さを太くするか、またはつなぎ２Ｄを太くして強化するかのいずれかを行わなければならない。しかし、Ｐ６で示される部分を太くするためには、回転子１の外径を大きくするか、他の磁路やスリット３を細くするかのいずれかを行わなければならない。しかし、ほとんどの場合、回転子１の外径は回転子１の外にある固定子との寸法の取り合いが最適になっており、回転子１の外径を増やすことは発生するトルク及び出力の低下につながる。また、回転子１内の他の磁路やスリット３の太さを細くすることもトルク及び出力の低下につながってしまう。一方、つなぎを太くして強化する方法は、つなぎを太くするということは磁束の漏れを大きくすることにほかならないので、こちらもトルク及び出力の低下につながる。以上のことより、圧入で回転子を軸に固定する場合、いずれかの部分を太くすることによって強化しなければならないので、このため電動機の特性が低下してしまう。

以上のことから、本発明の目的は、回転子を軸に固定する場合、接着を用いると回転子の内周と軸の外周との間の隙間が大きくなって、それに起因する回転子のアンバランスが大きくなってしまい、圧入を用いるとアンバランスは小さくなるものの、圧入による応力を受けて回転子が破断してしまうという課題を解決することにある。

前記課題を解決するために、本発明におけるリラクタンスモータの回転子は、リング状回転子の内周には、リング状回転子に挿入される円柱軸の外周に当接する複数の突起を有し、前記突起は、回転子内の磁極方向に対応して配置され、回転子を円柱軸に圧入するときに、破断しない長さよりも大きな幅であり、かつ回転子を円柱軸に固定する摩擦力を発生するのに必要な長さより小さな幅を有し、前記突起の部分と円柱軸とは圧入によって、突起の部分の円柱軸に対する回転子の位置ずれを小さくするために固定され、円柱軸がリング状回転子の突起に圧入された状態で、突起を除く他の回転子円周部と円柱軸との隙間に接着剤を充填して回転子を円柱軸に接着剤によって固定したことを特徴とする。

本発明を用いることにより、内部に複数のスリットを配置することによって複数の磁路を形成しているリラクタンスモータの回転子においても、突起部分で回転子を円柱軸に圧入することにより、回転子と円柱軸の位置ずれを低減して回転子のアンバランスを小さくすることができ、さらに、突起を磁極方向に配置しているために、圧入による応力が磁極方向の磁路に加えられて、それによって圧入していない場合に集中していた応力を分散させることができ、結果的につなぎを細くできて、電動機の発生トルク及び出力を上昇させることができる。

図１に本発明におけるリラクタンスモータの回転子の断面図を示す。図中、１は回転子、２は磁路、３はスリット、４は本発明の特徴である突起である。回転子１内には図示のとおり、複数のスリット３が配置されており、スリット３によって磁路２が形成され、磁極中心５が作られている。図１中、磁極付近を拡大した図を図２に示す。図２に示すとおり、各突起４は各磁極中心５の半径方向延長線上に配置する。突起４の幅Ｗは数ｍｍ程度、高さＨは数十μｍ〜数μｍ程度である。なお、図１及び図２中、突起４の大きさは実際は回転子１に比べるとかなり小さいが、形状を分かりやすくするために突起４の部分だけ大きく記している。

以上のような位置に突起４を配置した回転子１は、図３に示すように、その内周は円柱軸６の外周に対して一定の隙間ができるよう、従来に比し寸法的に大きくなっている。したがって、回転子１を円柱軸６に固定すると、図３のように突起４が無い部分の回転子１と円柱軸６との間の隙間に接着剤７が充填される形になる。圧入される突起４は幅が狭く、回転子１を円柱軸６に固定できるほどの摩擦力は発生しておらず、突起４の部分の圧入は円柱軸６に対する回転子１の位置ずれを小さくすることが主な目的であって、回転子１を円柱軸６に固定するのは主に接着剤７による接着力である。

ところで、突起４において幅Ｗは数ｍｍ程度と前述したが、この幅を大きくすればするほど圧入によって回転子１が受ける力が大きくなり、そのために回転子１が受ける力が増えるので、できるだけ小さいほうが良い。ただし、あまりにも小さくすると圧入時に突起４が破断してしまうので、幅Ｗは数ｍｍ程度が適当である。一方、高さＨは各部の寸法の精度で決定することができる。

図４のように回転子１を円柱軸６に圧入する場合、回転子１の素片一枚一枚の突起４がどの程度のシメ代で圧入されるかは、各部の寸法精度で決まる。具体的には、回転子１の突起４の内周寸法の誤差、回転子１を軸方向に積層していく際の積層誤差、円柱軸６の外周の加工における寸法誤差の３つが主に考えられる。ただし、ここで回転子１の内周寸法の誤差には回転子１を打ち抜きで製作する際のプレス刃の経年変化による磨耗分も含まれる。このうち、回転子１の積層誤差については、圧入の際に円柱軸に倣うものとして、この誤差は考えなくて良いとする。したがって、回転子１を円柱軸６に圧入する際に関係する誤差は、回転子１の突起４の内周寸法の誤差、円柱軸６の外周寸法の誤差の二つになる。この二つの誤差を加えた値を圧入の際のシメ代の最小値とする。なお、圧入の際のシメ代とは円柱軸６の外周と突起４の内周の差である。このシメ代に回転子１を円柱軸６に接着する際に所望の接着力を得るために必要となる隙間の寸法を加えた値が、突起４の高さＨとなる。突起４の高さＨは以上の計算に基づいて決定することができる。

次に、突起４の部分で圧入することによって回転子１の各部にかかる応力と変位について以下に述べる。圧入を全く行わずに、例えば接着のみで回転子１を円柱軸６に固定する場合、回転子１にかかる力は回転子１が回転した場合にかかる遠心力のみである。図２において、磁極中心にある磁路を２Ａ、その隣の磁路を２Ｂとし、磁路２Ａにかかる遠心力をＦ１、磁路２Ｂにかかる遠心力をＦ２とすると、磁路２ＡではＦ１という遠心力を内周付近の太い部分で支えることができるが、磁路２ＢではＦ２いう遠心力に対してつなぎ２Ｃで支えなければならなくなる。実際には、つなぎ２ＣにはＦ２という遠心力によってＦ３という力がかかり、そのためにＰ２とＰ３で示される部分で特に応力が集中する。また、遠心力によって回転子１の各部分が変位するが、磁路２Ａと磁路２Ｂの変位を比較した場合、磁路２Ｂの方が変位が大きくなる。したがって、この両者の変位の差によってＰ１で示される部分にひずみが生じて応力が集中する。このように発生する応力集中を回避するために、つなぎ２ＣやＰ１部分のつなぎを太くしなければならなくなるが、一方でつなぎを太くするとつなぎを通過する磁束、すなわち磁束の漏れが大きくなってトルク及び出力が低下してしまう。したがって、実際に回転子１の形状を設計する場合には、各部に発生する応力集中を材料の許容応力以内で、各部分のつなぎをできるだけ細くすることになる。

一方、突起４の部分でのみ圧入を行うと、圧入による力Ｆ４を受けて磁路２Ａには遠心力Ｆ１のほかにＦ５という力もかかる。このことによって、圧入を行わない場合と比べて各部にかかる力に変化が起こる。つなぎ２Ｃでは磁路２Ａが外側に引っ張られることによって、Ｐ４とＰ５で示される部分に力がかかり、これまでＰ２とＰ３に集中していた力がつなぎ２Ｃ全体に分散する。これによって、つなぎ２Ｃの太さを細くする事ができる。また、磁路２Ａの変位が大きくなるため、磁路２Ｂの変位との差が小さくなり、Ｐ１で示される部分に発生するひずみが解消されて応力集中も解消される。したがって、Ｐ１部分のつなぎの太さも細くする事ができる。

本発明における回転子の構造の一例を示す図である。 図１において、突起の位置及び応力と変位を説明するための図である。 本発明における回転子と円柱軸とを接着した構造の一例を示す図である。 回転子を円柱軸に圧入することを示す図の一例である。 従来における回転子と円柱軸とを接着した構造の一例を示す図である。 従来における圧入による応力を説明するための図である。

符号の説明

１ 回転子、２ 磁路、３ スリット、４ 突起、５ 磁極中心、６ 円柱軸、７ 接着剤。

Claims (1)

1. 内部に複数のスリットを配置することによって複数の磁路を形成しているリラクタンスモータのリング状回転子において、
   リング状回転子の内周には、リング状回転子に挿入される円柱軸の外周に当接する複数の突起を有し、
   前記突起は、回転子内の磁極方向に対応して配置され、回転子を円柱軸に圧入するときに、破断しない長さよりも大きな幅であり、かつ回転子を円柱軸に固定する摩擦力を発生するのに必要な長さより小さな幅を有し、
   前記突起の部分と円柱軸とは圧入によって、突起の部分の円柱軸に対する回転子の位置ずれを小さくするために固定され、
   円柱軸がリング状回転子の突起に圧入された状態で、突起を除く他の回転子円周部と円柱軸との隙間に接着剤を充填して回転子を円柱軸に接着剤によって固定したことを特徴とするリラクタンスモータの回転子。

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