JP5271176B2 - ロータシャフト - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のロータに用いるロータシャフトに関する。

例えば、ハイブリッド車、電気自動車等に用いるモータ、ジェネレータ、モータジェネレータ等の回転電機は、界磁巻線を設けたステータの内周側に、磁気回路を形成するための鉄心を設けたロータを回転可能に配設してなる。そして、ロータは、ロータシャフトと、該ロータシャフトの外周側に配設され、内部に磁石を設けた鉄心とにより構成されている（特許文献１参照）。

上記回転電機は、トルク・回転数等の制御を行うために、ステータとロータ（鉄心内の磁石）との相対位置関係を適切に保つことが必要となる。そのため、レゾルバ等の角度センサ（回転位置検出手段）を用いて、ロータの回転位置（回転角度）を検出している。そして、このようなレゾルバ等の角度センサは、搭載性の観点からロータにおけるロータシャフトに取り付けられることが多い（特許文献１参照）。

特開２００９−５００５５号公報

しかしながら、上記回転電機のロータは、駆動時においてロータシャフトに大きなトルクが付与されると、該ロータシャフトに回転方向へのねじれが生じる場合がある。特に、近年、回転電機の高出力化の要求によって回転電機自体が大型となり、これに伴ってロータを構成するロータシャフトも大型化する傾向にある。また、ロータシャフトは、一体品として構成されており、さらに搭載性の観点から複雑な形状となることが多い。そのため、ロータシャフトに生じる回転方向へのねじれが大きくなることがある。

このように、ロータシャフトに回転方向への大きなねじれが生じた場合、ロータシャフトに取り付けられるレゾルバ等の角度センサと、ロータシャフトの外周側に配設される鉄心内の磁石との位置関係にずれが生じる。そのため、ロータの回転位置を正しく検出することができず、所望のトルク・回転数等に制御することができなくなるという問題があった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、ロータの回転位置を常に精度良く検出することができるロータシャフトを提供しようとするものである。

本発明は、回転電機のロータに用いるロータシャフトにおいて、
該ロータシャフトは、インナシャフトと、該インナシャフトの外周側に配設されたアウタシャフトとを有し、
該アウタシャフトは、上記インナシャフトを挿嵌させるための筒状の筒状部と、該筒状部の外周側に配設され、磁気回路を形成すると共に内部に磁石を設けた鉄心を取り付けるための鉄心取付部とを有し、
上記インナシャフトと上記アウタシャフトとは、上記インナシャフトを上記アウタシャフトの上記筒状部内に挿嵌させ、両者の接触面における摩擦力によって互いに締結されており、
上記接触面のうち、上記インナシャフトが駆動トルクを受ける部位に近い側の一部には、駆動時において上記ロータシャフトに所定以上の駆動トルクが付与された際に、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとが上記ロータシャフトの回転方向に相対移動し、両者の間にすべりが生じるすべり領域が形成されており、
上記アウタシャフトにおける上記すべり領域が形成された軸方向位置に、上記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段が設けられていることを特徴とするロータシャフトにある（請求項１）。

本発明のロータシャフトは、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの２部品に分割して構成されており、両者は、その接触面における摩擦力によって互いに締結されている。そして、上記接触面のうち、上記インナシャフトが駆動トルクを受ける部位に近い側の一部には、駆動時において上記ロータシャフトに所定以上の駆動トルクが付与された際に、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの間で相対的なすべりが生じるすべり領域が形成されている。

そのため、通常時においては、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとが上記接触面における摩擦力によって十分に締結された状態となっており、上記インナシャフトに対して付与された駆動トルクは、上記接触面を介して上記アウタシャフトに確実に伝達することができる。すなわち、駆動トルクを上記ロータシャフトに対して十分かつ確実に伝達することができる。

一方、上記ロータシャフトに所定以上の大きな駆動トルクが付与された場合には、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとが上記接触面の一部である上記すべり領域において相対的なすべりを生じる。これにより、駆動トルクによって上記インナシャフトに多少のねじれが生じても、上記すべり領域における相対的なすべりによって上記アウタシャフトの回転方向へのねじれを抑制することができる。
このとき、上記インナシャフトに付与された駆動トルクは、上記接触面における上記すべり領域以外の領域において、上記アウタシャフトに伝達することができる。

そして、本発明では、上記ロータシャフトは、上記アウタシャフトにおける上記すべり領域が形成された軸方向位置に、上記回転位置検出手段が設けられている。すなわち、該回転位置検出手段は、上記すべり領域に対応する位置に設けられ、上記鉄心と同じ部品（アウタシャフト）に取り付けられている。そのため、上記アウタシャフトの回転方向へのねじれを抑制するという上記の効果によって、上記回転位置検出手段がねじれの影響をより一層受けないようにすることができると共に、上記鉄心内の上記磁石と上記回転位置検出手段との位置関係にずれが生じないようにすることができる。

このように、本発明のロータシャフトは、上記構成とすることによって上記アウタシャフトの回転方向へのねじれを抑制することができ、これによって上記ロータシャフト（アウタシャフト）に取り付けられた上記鉄心内の上記磁石と上記回転位置検出手段との位置関係にずれが生じないようにすることができる。それ故、上記回転位置検出手段によって上記ロータの回転位置を常に精度良く検出することができる。そして、所望のトルク・回転数等に制御することができる。

また、上記ロータシャフトは、上述のごとく、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの２部品に分割して構成されている。そのため、上記ロータシャフトが大型で複雑な形状である場合には、該ロータシャフトを一体品として製造する場合に比べて、その製造を容易にすることができるという効果も得られる。

以上のように、本発明によれば、ロータの回転位置を常に精度良く検出することができるロータシャフトを提供することができる。

実施例における、回転電機の構造を示す説明図。 実施例における、ロータシャフトの構造を示す説明図。 比較例における、ロータシャフトの構造を示す説明図。

本発明において、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとは、上述のごとく、上記接触面における摩擦力によって互いに締結されている。両者は、圧入、焼嵌め等の方法によって締結することができる。

また、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの上記接触面における締結力は、上記インナシャフト及び上記アウタシャフトの弾性係数、ポアソン比、摩擦係数等を考慮し、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの間の締め代（締結前の上記インナシャフトの外径と上記アウタシャフトの上記筒状部の内径との寸法差）を調整して、上記接触面の接触面圧を調整することによって設定することができる。

また、上記接触面における上記すべり領域及び該すべり領域以外の領域の締結力は、上記ロータシャフトに所定以上の大きな駆動トルクが付与された際に、上記接触面の一部（すべり領域）において、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの相対的なすべりが生じるように調整すればよい。すなわち、上記接触面において、上記すべり領域の締結力を上記すべり領域以外の領域の締結力よりも小さくすればよい。
この場合、例えば、上記接触面における上記すべり領域と該すべり領域以外の領域とに対応するそれぞれの部位において、上記アウタシャフト及び上記インナシャフトの肉厚を調整したり、両者の締め代を調整したりすることによって、締結力の大小関係を設定することができる。

また、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとは、所定以上の駆動トルクが付与された際に相対的なすべりが生じるように構成されている。ここで、上記所定の駆動トルクは、上記ロータシャフトに対してどれくらいの大きさの駆動トルクが付与されるとねじれが生じるか等を考慮し、任意に設定すればよい。そして、それに合わせて、上記接触面における締結力を調整すればよい。

また、上記回転位置検出手段としては、レゾルバ等を用いることができる。
例えば、レゾルバを用いた場合には、レゾルバロータとレゾルバステータとの間のギャップ変動によってトランス効率が変化することを利用して、上記ロータの回転位置を検出することができる。

また、上記接触面における上記すべり領域の静摩擦力は、上記すべり領域以外の領域の静摩擦力よりも小さいことが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記ロータシャフトに所定以上の大きな駆動トルクが付与された際に、上記接触面の一部（すべり領域）において、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの相対的なすべりが確実に生じるようにすることができる。
なお、上記静摩擦力は、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとがすべり始める直前において、両者の上記接触面に生じる力である。

また、上記接触面における上記すべり領域以外の領域の上記静摩擦力と上記アウタシャフトの上記筒状部の内周半径との積である静摩擦モーメントは、駆動時において上記ロータシャフトに付与される最大駆動トルクよりも大きいことが好ましい（請求項３）。
この場合には、例え上記インナシャフトと上記アウタシャフトとが上記接触面の上記すべり領域において相対的なすべりを生じた場合であっても、上記インナシャフトに付与された駆動トルクは、上記接触面における上記すべり領域以外の領域を介して上記アウタシャフトに確実に伝達することができる。

本発明の実施例にかかるロータシャフトについて、図を用いて説明する。
本例のロータシャフト３は、図１、図２に示すごとく、回転電機１のロータ２に用いるものであり、インナシャフト４と、インナシャフト４の外周側に配設されたアウタシャフト５とを有する。アウタシャフト５は、インナシャフト４を挿嵌させるための筒状の筒状部５１と、筒状部５１の外周側に配設され、磁気回路を形成すると共に内部に磁石５５を設けた鉄心５４を取り付けるための鉄心取付部５３とを有する。

同図に示すごとく、インナシャフト４とアウタシャフト５とは、インナシャフト４をアウタシャフト５の筒状部５１内に挿嵌させ、両者の接触面６１における摩擦力によって互いに締結されている。そして、接触面６１のうち、インナシャフト４が駆動トルクＴを受ける部位に近い側の一部には、駆動時においてロータシャフト３に所定以上の駆動トルクＴが付与された際に、インナシャフト４とアウタシャフト５とがロータシャフト３の回転方向に相対移動し、両者の間にすべりが生じるすべり領域６１１が形成されている。
また、アウタシャフト５におけるすべり領域６１１が形成された軸方向位置に、ロータ２の回転位置を検出するレゾルバ（回転位置検出手段）５９が設けられている。
以下、これを詳説する。

図１、図２に示すごとく、回転電機１は、例えば、ハイブリッド車、電気自動車等に用いられるモータ、ジェネレータ又はモータジェネレータである。
回転電機１のロータ２は、ロータシャフト３に鉄心５４を取り付けて構成されており、ステータコア７１に界磁巻線７２を配設してなるステータ７の内周側に回転可能に配設されている。ステータ７は、ハウジング１１に固定されている。

同図に示すごとく、ロータシャフト３は、円筒状のインナシャフト４と、インナシャフト４の外周側に配設されるアウタシャフト５とに分割して構成されている。
インナシャフト４は、その一方の端部に動力伝達部４１を有し、インナシャフト４の内周側から動力伝達部４１を介して、エンジン又は車軸からの駆動トルクＴの入力及びモータにおいて発生した駆動トルクＴの出力を行うことができるよう構成されている。

アウタシャフト５は、挿嵌穴５０を有する円筒状の筒状部５１と、筒状部５１の外周側に配設された鉄心取付部５３と、筒状部５１と鉄心取付部５３とを連結する連結部５２とを一体的に形成して構成されている。
筒状部５１の挿嵌穴５０には、インナシャフト４が挿嵌固定されている。また、筒状部５１には、ロータ２の回転位置を検出するためのレゾルバ（回転位置検出手段）５９が取り付けられている。レゾルバ５９は、アウタシャフト５における後述するすべり領域６１１が形成された軸方向位置に取り付けられている。
また、鉄心取付部５３には、鉄心５４が取り付けられている。鉄心５４は、薄板状の珪素鋼板を積層して構成されている。また、鉄心５４の内部には、周方向に所定の間隔を有して複数の磁石５５が配設されている。

同図に示すごとく、インナシャフト４とアウタシャフト５とは、インナシャフト４をアウタシャフト５の筒状部５１の挿嵌穴５０に挿嵌させ、両者の接触面６１における摩擦力によって互いに締結されている。本例では、両者を焼嵌めによって締結している。
具体的には、アウタシャフト５における筒状部５１の挿嵌穴５０の内径をインナシャフト４におけるアウタシャフト５に対して締結する部分の外径よりも小さく設定しておく。そして、アウタシャフト５の筒状部５１を加熱して膨張させ、筒状部５１の挿嵌穴５０内にインナシャフト４を挿嵌させる。その後、筒状部５１を冷却して収縮させることにより、インナシャフト４とアウタシャフト５とを締結する。

なお、インナシャフト４とアウタシャフト５との接触面６１における締結力は、インナシャフト４及びアウタシャフト５の弾性係数、ポアソン比、摩擦係数等を考慮し、インナシャフト４とアウタシャフト５との間の締め代（締結前のインナシャフト４の外径とアウタシャフト５の筒状部５１の内径との寸法差）を調整して、接触面６１の接触面圧を調整することによって設定することができる。

そして、本例のロータシャフト３において、インナシャフト４とアウタシャフト５との接触面６１のうち、インナシャフト４が駆動トルクＴを受ける部位に近い側の一部には、駆動時においてロータシャフト３に所定の駆動トルク（以下、設定駆動トルクＴｓという）以上の駆動トルクＴが付与された際に、インナシャフト４とアウタシャフト５とがロータシャフト３の回転方向に相対移動し、両者の間にすべりが生じるすべり領域６１１が形成されている。

本例では、接触面６１におけるすべり領域６１１及びすべり領域以外の領域（以下、非すべり領域６１２という）の締結力を、ロータシャフト３に設定駆動トルクＴｓ以上の大きな駆動トルクＴが付与された際に、接触面６１の一部（すべり領域６１１）において、インナシャフト４とアウタシャフト５との相対的なすべりが生じるように調整した。すなわち、接触面６１において、すべり領域６１１の締結力を非すべり領域６１２の締結力よりも小さく設定した。
また、締結力の設定は、接触面６１におけるすべり領域６１１と非すべり領域６１２とに対応するそれぞれの部位において、インナシャフト４及びアウタシャフト５の肉厚を調整したり、両者の締め代を調整したりすることによって行った。

また、インナシャフト４とアウタシャフト５とは、設定駆動トルクＴｓ以上の駆動トルクＴが付与された際に相対的なすべりが生じるように構成されている。ここで、設定駆動トルクＴｓは、ロータシャフト３に対してどれくらいの大きさの駆動トルクＴが付与されるとねじれが生じるか等を考慮し、任意に設定することができる。本例では、それに合わせて、接触面６１における締結力を調整した。

また、接触面６１におけるすべり領域６１１の静摩擦力Ｆ１は、すべり領域６１１以外の領域（非すべり領域６１２）の静摩擦力Ｆ２よりも小さく設定されている（Ｆ１＜Ｆ２）。
また、接触面６１におけるすべり領域６１１以外の領域（非すべり領域６１２）の静摩擦力Ｆ２とアウタシャフト５の筒状部５１の内周半径ｒとの積である静摩擦モーメントＭは、駆動時においてロータシャフト３に付与される最大駆動トルクＴｍよりも大きく設定されている（Ｍ＞Ｔｍ）。
なお、静摩擦力Ｆ１、Ｆ２は、インナシャフト４とアウタシャフト５とがすべり始める直前において、両者の接触面６１に生じる力である。

次に、本例の回転電機１におけるロータシャフト３の動作及びその作用効果について説明する。
回転電機１におけるロータシャフト３は、インナシャフト４の動力伝達部４１において、エンジン又は車軸からの駆動トルクＴが付与（入力）される。ここで、本例のロータシャフト３は、インナシャフト４とアウタシャフト５との２部品に分割して構成されており、両者は、その接触面６１における摩擦力によって互いに締結されている。そして、接触面６１のうち、インナシャフト４が駆動トルクＴを受ける部位に近い側の一部には、駆動時においてロータシャフト３に所定以上（設定駆動トルクＴｓ以上）の駆動トルクＴが付与された際に、インナシャフト４とアウタシャフト５との間で相対的なすべりが生じるすべり領域６１１が形成されている。

そのため、通常時においては、インナシャフト４とアウタシャフト５とが接触面６１における摩擦力によって十分に締結された状態となっており、インナシャフト４に対して付与された駆動トルクＴは、接触面６１を介してアウタシャフト５に確実に伝達することができる。すなわち、駆動トルクＴをロータシャフト３に対して十分かつ確実に伝達することができる。

一方、ロータシャフト３に設定駆動トルクＴｓ以上の大きな駆動トルクＴが付与された場合には、インナシャフト４とアウタシャフト５とが接触面６１の一部であるすべり領域６１１において相対的なすべりを生じる。これにより、駆動トルクＴによってインナシャフト４に多少のねじれが生じても、すべり領域６１１における相対的なすべりによってアウタシャフト５の回転方向へのねじれを抑制することができる。
このとき、インナシャフト４に付与された駆動トルクＴは、接触面６１におけるすべり領域６１１以外の領域である非すべり領域６１２において、アウタシャフト５に伝達することができる。

その後、ロータシャフト３に対する駆動トルクＴが設定駆動トルクＴｓを下回ると、インナシャフト４とアウタシャフト５とのすべり領域６１１における相対的なすべりは小さくなる。そして、両者は、最終的に接触面６１における摩擦力によって締結された状態に戻る。

そして、本例では、ロータシャフト３は、アウタシャフト５におけるすべり領域６１１が形成された軸方向位置に、レゾルバ５９が設けられている。すなわち、レゾルバ５９は、すべり領域６１１に対応する位置に設けられ、鉄心５４と同じ部品（アウタシャフト５）に取り付けられている。そのため、アウタシャフト５の回転方向へのねじれを抑制するという上記の効果によって、レゾルバ５９がねじれの影響をより一層受けないようにすることができると共に、鉄心５４内の磁石５５とレゾルバ５９との位置関係にずれが生じないようにすることができる。

以上のように、本例のロータシャフト３は、上記構成とすることによってアウタシャフト５の回転方向へのねじれを抑制することができ、これによってロータシャフト３（アウタシャフト５）に取り付けられた鉄心５４内の磁石５５とレゾルバ５９との位置関係にずれが生じないようにすることができる。それ故、レゾルバ５９によってロータ２の回転位置を常に精度良く検出することができる。そして、所望のトルク・回転数等に制御することができる。

また、ロータシャフト３は、上述のごとく、インナシャフト４とアウタシャフト５との２部品に分割して構成されている。そのため、ロータシャフト３が大型で複雑な形状である場合には、ロータシャフト３を一体品として製造する場合に比べて、その製造を容易にすることができるという効果も得られる。

また、本例では、接触面６１におけるすべり領域６１１の静摩擦力Ｆ１は、非すべり領域６１２の静摩擦力Ｆ２よりも小さく設定されている（Ｆ１＜Ｆ２）。そのため、ロータシャフト３に設定駆動トルクＴｓ以上の大きな駆動トルクＴが付与された際に、接触面６１の一部（すべり領域６１１）において、インナシャフト４とアウタシャフト５との相対的なすべりが確実に生じるようにすることができる。

また、接触面６１１における非すべり領域６１２の静摩擦力Ｆ２とアウタシャフト５の筒状部５１の内周半径ｒとの積である静摩擦モーメントＭは、駆動時においてロータシャフト３に付与される最大駆動トルクＴｍよりも大きく設定されている（Ｍ＞Ｔｍ）。そのため、例えインナシャフト４とアウタシャフト５とが接触面６１のすべり領域６１１において相対的なすべりを生じた場合であっても、インナシャフト４に付与された駆動トルクＴは、接触面６１における非すべり領域６１２を介してアウタシャフト５に確実に伝達することができる。

このように、本例によれば、ロータ２の回転位置を常に精度良く検出することができるロータシャフト３を提供することができる。

（比較例）
本例は、図３に示すごとく、一体品として構成された従来のロータシャフト３の例である。
本例のロータシャフト３は、同図に示すごとく、実施例のようにインナシャフト４とアウタシャフト５との２部品に分割して構成されているのではなく、これらを合わせた１つの部品として、すなわち一体品として構成されている。
その他は、実施例と同様の構成である。

本例の場合には、駆動時においてロータシャフト３の内周側から動力伝達部４１を介して大きな駆動トルクＴが付与されると、ロータシャフト３が一体品として構成されているため、ロータシャフト３全体に回転方向へのねじれが生じる。そのため、ロータシャフト３における互いに異なる軸方向位置に設けられたレゾルバ５９と鉄心５４内の磁石５５との間に、回転方向の位置関係のずれが生じる。これにより、ロータ２の回転位置を正しく検出することができず、所望のトルク・回転数等に制御することが困難となるおそれがある。

これに対して、本発明（実施例）のロータシャフト３は、上記のような問題が解消され、ロータ２の回転位置を常に精度良く検出することができる。
すなわち、本発明のロータシャフト３は、インナシャフト４とアウタシャフト５との２部品に分割して構成され、両者の接触面６１の一部にすべり領域６１１が形成されている。そのため、大きな駆動トルクＴが付与されてインナシャフト４に多少のねじれが生じても、すべり領域６１１における相対的なすべりによってアウタシャフト５のねじれを抑制することができる。そして、このねじれを抑制することができるアウタシャフト５に鉄心５４内の磁石５５とレゾルバ５９とが取り付けられているため、両者の位置関係にずれが生じることがなく、ロータ２の回転位置を常に精度良く検出することができる。

２ ロータ
３ ロータシャフト
４ インナシャフト
５ アウタシャフト
５１ 筒状部
５３ 鉄心取付部
５４ 鉄心
５５ 磁石
５９ レゾルバ（回転位置検出手段）
６１ 接触面
６１１ すべり領域
Ｔ 駆動トルク

Claims (3)

1. 回転電機のロータに用いるロータシャフトにおいて、
   該ロータシャフトは、インナシャフトと、該インナシャフトの外周側に配設されたアウタシャフトとを有し、
   該アウタシャフトは、上記インナシャフトを挿嵌させるための筒状の筒状部と、該筒状部の外周側に配設され、磁気回路を形成すると共に内部に磁石を設けた鉄心を取り付けるための鉄心取付部とを有し、
   上記インナシャフトと上記アウタシャフトとは、上記インナシャフトを上記アウタシャフトの上記筒状部内に挿嵌させ、両者の接触面における摩擦力によって互いに締結されており、
   上記接触面のうち、上記インナシャフトが駆動トルクを受ける部位に近い側の一部には、駆動時において上記ロータシャフトに所定の駆動トルクが付与された際に、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとが上記ロータシャフトの回転方向に相対移動し、両者の間にすべりが生じるすべり領域が形成されており、
   上記アウタシャフトにおける上記すべり領域が形成された軸方向位置に、上記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段が設けられていることを特徴とするロータシャフト。
2. 請求項１において、上記接触面における上記すべり領域の静摩擦力は、上記すべり領域以外の領域の静摩擦力よりも小さいことを特徴とするロータシャフト。
3. 請求項１又は２において、上記接触面における上記すべり領域以外の領域の上記静摩擦力と上記アウタシャフトの上記筒状部の内周半径との積である静摩擦モーメントは、駆動時において上記ロータシャフトに付与される最大駆動トルクよりも大きいことを特徴とするロータシャフト。

Images