JP5162536B2

JP5162536B2 - ロータコアおよび回転電機

Info

Publication number: JP5162536B2
Application number: JP2009181441A
Authority: JP
Inventors: 大池田; 定博濱畑; 濱野　　宏
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2029-08-04
Also published as: JP2011036068A

Description

本発明は、回転電機のロータコアに発生する応力集中を緩和する技術に関する。

回転電機の回転子を出力軸へ固定する方法として、キーやスプライン等の凹凸形状を利用する方法が知られている。このような凹凸形状は応力集中の原因となるので、応力緩和対策が必要となる。

特許文献１の回転子では、出力軸の外周にキー溝を形成するとともに、ロータコア内表面にキーを設け、キーをキー溝に嵌合してトルクの伝達を行っている。キーの両側には、ロータコア内表面から凹んだ応力緩和溝が設けられている。これによって、ロータコア回転時にキーに生じる曲げモーメントによる応力集中を緩和して、鉄損を抑制している。

特開２００８−１８７８０４号公報

しかしながら、特許文献１記載の回転子では、回転子に発生したトルクを回転軸に伝達する際、キーの両側に位置する応力緩和溝の根本部分の逃げＲ形状を大きくする必要があり、Ｒ形状を大きくするためには、回転軸の表面から遠く離れた位置に上記応力緩和溝を形成する必要がある。すると回転子が軸にトルクを伝達しながら高速回転した場合、逃げＲ形状に応力が集中するという問題が生じた。

（１）請求項１の発明は、環状体に形成されたロータコアにおいて、前記環状体の内周面から突設され、回転軸の外周面に設けられたキー溝と嵌合するキーと、前記キーの基端部に隣接して、前記環状体の前記内周面から外径方向に凹んで形成された応力緩和溝と、前記応力緩和溝に連続して、前記キーから周方向に離間する方向に所定長さ延在し、前記環状体の前記内周面から外径方向に凹んで形成された応力緩和段差凹部とを備え、前記応力緩和段差凹部の深さは、前記応力緩和溝の深さの１／２であることを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載のロータコアにおいて、前記応力緩和溝および前記応力緩和段差凹部は、前記キーの周方向両側にそれぞれ設けられていること特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載のロータコアにおいて、前記応力緩和溝は略Ｕ字状の溝であることを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、環状体に形成されたロータコアにおいて、前記環状体の内周面から突設され、回転軸の外周面に設けられたキー溝と嵌合するキーと、前記キーの基端部に連続して、前記キーから周方向に離間する方向に所定長さ延在し、前記環状体の前記内周面から外径方向に第１の深さで前記内周面から凹んで形成された第１の応力緩和段差凹部と、前記第１の応力緩和段差凹部に連続して、前記キーから周方向に離間する方向に所定長さ延在し、前記第1の深さよりも浅い第２の深さで前記内周面から凹んで形成された第２の応力緩和段差凹部とを備え、前記第２の応力緩和段差凹部の第２の深さは、前記第1の応力緩和段差凹部の第１の深さの１／２であることを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項４に記載のロータコアにおいて、前記第１および第２の応力緩和段差凹部は、前記キーの周方向両側にそれぞれ設けられていること特徴とする。
（６）請求項６の発明による回転電機は、請求項1乃至５のいずれか１項に記載のロータコアを含むロータと、前記ロータコアの前記キーが嵌合するキー溝が外周面に形成された回転軸と、前記ロータコアの外周に設けられたステータとを備えることを特徴とする。

本発明によるロータコアと回転電機によれば、キー基端近傍領域における応力集中を緩和することができる。

本発明に係るロータコアの実施の形態を含む回転電機を示す縦断面図。図1のＡ−Ａ線上に沿った断面図。図２におけるキー（Ｂ部）を示す拡大断面図。図３の詳細を示す拡大断面図。図３のキーについて、切欠き深さｈ、切欠き長さＬおよび応力緩和溝深さＨを定義する模式図。図５に示す切欠き深さｈを横軸にとり、縦軸に切り欠き部に生じる応力をとったグラフ。図５に示す切欠き深さｈを一定にした状態で、切欠き長さＬを横軸にとり、縦軸に切欠き部に生じる応力をとったグラフ。ロータコアのスキューの状況を示す斜視図。切欠き部の形状に関する変形例を示す断面図。

−第１の実施の形態−
以下、本発明によるロータコアの実施の形態を添付図面に従って詳細に説明する。
図1に示すように、回転電機１０は、回転子１００と、固定子１０１と、回転子１００にキー結合された出力軸１０４とを有する。

固定子１０１は、軸方向に複数の鋼板を積層した環状の固定子鉄心（ステータコア）１０５と、ステータコア１０５に巻回された固定子巻線（コイル）１０６とで構成される。ステータコア１０５の内周面と所定の間隙をあけて回転子１００が回転可能に設けられている。

回転子１００は、軸方向に複数の環状鋼板を積層して形成されたロータコア１０２を有する。ロータコア１０２を貫通して出力軸（シャフト）１０４が設けられ、ロータコア１０２は出力軸１０４とキー結合される。図２に示すように、ロータコア１０２の外周縁には、永久磁石２０１を収容するための複数の磁石挿入孔２００が周方向に所定ピッチで形成されている。ロータコア１０２の周方向に沿って磁極が交互に現れるように、磁石挿入孔２００に永久磁石２０１が配列される。

上述した永久磁石２０１の磁極配列によって、固定子１０１のコイル１０６によって発生された回転磁界と磁気的な吸引・反発力が発生し、連続的な磁石トルクが発生する。また、永久磁石２０１間の鉄部が補助磁極の役割を果たし、固定子１０１側の回転磁界による極と吸引力のみが発生し、同時にリラクタンストルクが発生する。すなわち、永久磁石２０１をロータコア１０２に埋め込んだ形式の回転子１００では、永久磁石トルクとリラクタンストルクの両者によって回転駆動力を得ている。

図３〜図５には、ロータコア１０２とシャフト１０４のキー結合構造部の詳細を示している。シャフト１０４は円柱状に形成され、その外周面にはキー溝３００が軸方向に延在して形成されている。ロータコア１０２は円環状に形成されており、キー３０２はロータコア１０２の内周面３０１から円環中心方向に突出し、かつ内周面３０１上で軸方向に延在して形成されている。なお、キー３０２は、ロータコア１０２を構成する複数枚の鋼板のそれぞれに設けられている。

キー３０２の両側には、応力緩和溝３０３、３０４および応力緩和段差凹部４０８、４０９が設けられている。これら応力緩和溝３０３、３０４および応力緩和段差凹部４０８、４０９は、ロータコア１０２の内周面３０１から外径方向に凹んでいる。

応力緩和溝３０３、３０４は、キー３０２の基端部に設けられ、ロータコア１０２の内周面３０１から外径方向に凹む、深さＨ（図５参照。「応力緩和溝深さ」という。）の略Ｕ字状の溝である。応力緩和段差凹部４０８、４０９は、各応力緩和溝３０３、３０４に連続して周方向に所定長さ延在して形成され、応力緩和溝３０３、３０４よりも浅い深さｈ（図５参照。「切欠き深さ」という。）の切欠き状凹部である。

応力緩和段差凹部４０８、４０９は、内周面３０１と同心円状の段差底面４０８Ｓ、４０９Ｓを有する。応力緩和段差凹部４０８の段差底面４０８Ｓは、キー側の端部では応力緩和溝３０３と連続し、キーと反対側の端部では、隅部４０８Ｃによって段差端面３０５に連続し、段差端面３０５はロータコア１０２の内周面３０１と連続する。なお、図５においては、応力緩和段差凹部４０８に連続する内周面を３０１ａとして表している。

応力緩和段差凹部４０９の段差底面４０９Ｓは、キー側の端部では応力緩和溝３０４と連続し、キーと反対側の端部では、隅部４０９Ｃによって段差端面３０６に連続し、段差端面３０６はロータコア１０２の内周面３０１と連続する。なお、図５においては、応力緩和段差凹部４０９に連続する内周面を３０１ｂとして表している。

応力緩和段差凹部４０８の段差端面３０５と、応力緩和段差凹部４０９の段差端面３０６との間の距離Ｌを「切欠き長さ」という。

図4に示すように、キー溝３００は、シャフト１０４の外周面４０１上で軸方向に所定長さ凹設される。キー溝３００は、外周面４０１から径方向内側に向かう側面４０２、４０４と、側面４０２、４０４を径方向内側の最奥部で連結する底面４０３とより構成されている。

図５に示すように、キー３０２の表面は、最も径方向内側に位置する内端面３０２と、それに連続する側面４０５、４０７により構成されている。側面４０５、４０７はそれぞれ応力緩和溝３０３、３０４と連続する。

以上のように構成した第１の実施の形態によるロータコアの作用効果について説明する。
ロータコア１０２が回転すると、キー３０２の側面４０５とキー溝３００の側面４０２、もしくはキー３０２の側面４０７とキー溝３００の側面４０４、どちらか一方が接触する。これにより、ロータコア１０２に生じる回転トルクがシャフト１０４に伝達され、シャフト１０４が回転する。

例えば、ロータコア１０２に時計回りの回転トルクが生じた場合、キー３０２の側面４０５はキー溝３００の側面４０２から圧縮力を受ける。このとき、ロータコア１０２には、キー３０２から離れる方向に周方向引張力が発生する。具体的には、応力緩和段差凹部４０８が内周面３０１から凹設する角度範囲の領域Ｒ８１と、応力緩和段差凹部４０８の段差端面３０５に連なる内周面３０１ａの所定角度範囲の領域Ｒ８２に、キー３０２から離れる方向に周方向引張力が発生する。

一方、ロータコア１０２に反時計回りの回転トルクが生じた場合、キー３０２の側面４０７はキー溝３００の側面４０４から圧縮力を受ける。このとき、ロータコア１０２には、キー３０２から離れる方向に周方向引張力が発生する。具体的には、応力緩和段差凹部４０９が凹設する角度範囲の領域Ｒ９１と、応力緩和段差凹部４００の端面３０６に連なる内周面３０１ｂの所定角度範囲の領域Ｒ９２に、キー３０２から離れる方向に周方向引張力が発生する。

上記の周方向の引張力が主原因となって、応力緩和溝３０３、３０４において応力が集中する。しかし、第１の実施の形態によるロータコアによれば以下のような作用により応力緩和溝３０３，３０４で発生する応力を緩和することができる。

段差端面３０５、３０６の近傍周辺が変形することにより、応力緩和段差凹部４０８、４０９が凹設されているロータコア１０２の所定領域Ｒ８１，Ｒ９１の引張応力は低減され、応力緩和溝３０３，３０４の応力集中を低減することができる。また、段差端面３０５、３０６により、応力緩和段差凹部４０８，４０９は内周面３０１ａ、３０１ｂから外径方向に凹む形状に変化する。これにより、応力緩和溝３０３、３０４に集中していた応力を分散させることができる。応力緩和段差凹部４０８，４０９の応力分散効果によって、応力緩和溝３０３、３０４の最奥部に施す逃げＲ形状を小さくすることができる。

図５および図６を参照して、第１の実施形態で説明したロータコアのさらに詳細な検討を行う。
図５において、応力緩和溝深さＨ、切欠き深さｈ、切欠き長さＬを改めて定義する。
応力緩和溝深さＨ：内周面３０１ａ、３０１ｂから、径方向外側に向かって、応力緩和溝３０３、３０４の最奥部までの距離。
切欠き深さｈ：内周面３０１ａ、３０１ｂから、径方向外側に向かって、応力緩和段差凹部４０８、４０９までの距離。
切欠き長さＬ：段差端面３０５と内周面３０１ａの交点と、段差端面３０６と内周面３０１ｂの交点との距離。

図６は、切欠き深さｈを横軸にとり、縦軸に応力緩和溝３０３、３０４周辺に生じる応力の最大値σ１（曲線Ｌ１）、および隅部４０８Ｃ、４０９Ｃ周辺に生じる応力の最大値σ２（曲線Ｌ２）をとったグラフである。図６から明らかのように、切欠き深さｈが増加すると、最大応力σ２の増加にともなって最大応力σ１は減少し、切欠き深さｈが応力緩和溝深さＨの１／２のときにσ１＝σ２となる。

すなわち、ｈ＝Ｈ／２のときに、応力緩和溝３０３、３０４周辺の応力が隅部４０８Ｃ、４０９Ｃ周辺に分散して両者が均等となり、負荷バランスが良好である。しかし、ｈがＨ／２を越えて大きくなっていくと、σ２＞σ１となって、逆に隅部４０８Ｃ、４０９Ｃ周辺に応力が集中する。

以上より、ｈをＨ／２以下とすることで、応力緩和溝３０３、３０４周辺の応力を隅部４０８Ｃ、４０９Ｃ周辺に分散させることができる。

図７に示すように、切欠き深さｈを一定にした状態で、切欠き長さＬを変化させたとき、最大応力σ１の変化を見ると、最大応力σ１は変化しない。すなわち、切欠き長さＬは自由に設定できる。

図８を参照してロータコア１０２を構成する鋼板の製作方法を説明する。
図８に示すように、ロータコア１０２にはスキューが与えられ、ロータコア１０２を形成する鋼板は、磁石挿入孔２００の位置に対して、キー３０２の位置は順次変化するので、鋼板は複数種類を打ち抜き成形する必要がある。しかし、外形および磁石挿入孔２００を成形した鋼板を予め作成し、その後、キー３０２およびその周辺部分（キー３０２、応力緩和溝３０３、３０４、応力緩和段差凹部４０８，４０９）のみの打ち抜き加工を行うことで、容易かつ安価にロータコア１０２を製造し得る。

−第２の実施の形態−
第２の実施の形態の回転子のロータコアは、応力緩和溝３０３、３０４に代えて、応力緩和段差凹部４０８，４０９よりも深い、応力緩和段差凹部５０８、５０９を形成したものである。

図９に示すように、ロータコア１０２の内周面３０１におけるキー３０２の基端部に隣接した部分には、ロータコア１０２の径方向外側に向けて凹む応力緩和段差凹部５０８、５０９が形成されている。そして、応力緩和段差凹部５０８、５０９のキー３０２から離間した端部に、図１〜図８に関連して説明した応力緩和段差凹部４０８，４０９が形成されている。

応力緩和段差凹部５０８は、キー３０２の基端部に連続する隅部（Ｒ形状）８０１ａと、隅部８０１ａに連続した段差底面８０１と、段差底面８０１に連続する隅部（Ｒ形状）８０１ｂと、さらに、隅部８０１ｂと応力緩和段差凹部４０８の段差底面４０８Ｓを連結する段差端面８０３とによって形成される。

応力緩和段差凹部５０９は、キー３０２の基端部に連続する隅部（Ｒ形状）８０２ａと、隅部８０２ａに連続した段差底面８０２と、段差底面８０２に連続する隅部（Ｒ形状）８０２ｂと、さらに、隅部８０２ｂと応力緩和段差凹部４０９の段差底面４０９Ｓを連結する段差端面８０４とによって形成される。

このような応力緩和段差凹部５０８、５０９は、それ自体、キー３０２の基端部の応力集中を緩和するが、応力緩和段差凹部５０８、５０９における、隅部８０１ａ、８０１ｂ、８０２ａ、８０２ｂに応力集中が発生する傾向にある。これら隅部８０１ａ、８０１ｂ、８０２ａ、８０２ｂにおける応力集中は、応力緩和段差凹部４０８，４０９によって分散、緩和される。これによって、隅部８０１ａ、８０１ｂ、８０２ａ、８０２ｂの曲率半径を小さくすることができる。

以上では、キーの周方向両側に応力緩和溝と応力緩和段差凹部、あるいは２種類の応力緩和段差凹部を設けたロータコアについて説明したが、その他の任意の形状の２つの応力緩和部を設けたロータコアに本発明を適用してもよい。さらに、以上の実施の形態は、回転電機のロータコアについて説明したが、本発明を、回転駆動力を伝達する任意の連結構造に適用し得ることはいうまでもない。

１００回転子１０１固定子
１０２ロータコア３００キー溝
３０１，３０１ａ，３０１ｂ内周面３０２キー
３０３，３０４応力緩和溝３０５、３０６段差端面
４０８、４０９、５０８、５０９応力緩和段差凹部
４０８Ｃ、４０９Ｃ隅部４０８Ｓ、４０９Ｓ凹部底面

Claims

環状体に形成されたロータコアにおいて、
前記環状体の内周面から突設され、回転軸の外周面に設けられたキー溝と嵌合するキーと、
前記キーの基端部に隣接して、前記環状体の前記内周面から外径方向に凹んで形成された応力緩和溝と、
前記応力緩和溝に連続して、前記キーから周方向に離間する方向に所定長さ延在し、前記環状体の前記内周面から外径方向に凹んで形成された応力緩和段差凹部とを備え、
前記応力緩和段差凹部の深さは、前記応力緩和溝の深さの１／２であることを特徴とするロータコア。
請求項１に記載のロータコアにおいて、
前記応力緩和溝および前記応力緩和段差凹部は、前記キーの周方向両側にそれぞれ設けられていることを特徴とするロータコア。
請求項１または２に記載のロータコアにおいて、
前記応力緩和溝は略Ｕ字状の溝であることを特徴とするロータコア。
環状体に形成されたロータコアにおいて、
前記環状体の内周面から突設され、回転軸の外周面に設けられたキー溝と嵌合するキーと、
前記キーの基端部に連続して、前記キーから周方向に離間する方向に所定長さ延在し、前記環状体の前記内周面から外径方向に第1の深さで前記内周面から凹んで形成された第１の応力緩和段差凹部と、
前記第１の応力緩和段差凹部に連続して、前記キーから周方向に離間する方向に所定長さ延在し、前記第1の深さよりも浅い第２の深さで前記内周面から凹んで形成された第２の応力緩和段差凹部とを備え、
前記第２の応力緩和段差凹部の第２の深さは、前記第1の応力緩和段差凹部の第１の深さの１／２であることを特徴とするロータコア。
請求項４に記載のロータコアにおいて、
前記第１および第２の応力緩和段差凹部は、前記キーの周方向両側にそれぞれ設けられていることを特徴とするロータコア。
請求項1乃至５のいずれか１項に記載のロータコアを含むロータと、
前記ロータコアの前記キーが嵌合するキー溝が外周面に形成された回転軸と、
前記ロータコアの外周に設けられたステータとを備えたことを特徴とする回転電機。