JP5521633B2 - モータのコア締結構造 - Google Patents

Description

本発明は、モータのコア締結構造に関し、特に、モータを構成するコア部材に対して締結部材を締結するためのモータのコア締結構造に関する。

従来、固定子と回転子とを備えたモータが広く用いられている。固定子（以下、ステータともいう）は、略円筒状をなすステータコアを有する。ステータコアの内周面には、径方向内側に向かって突出する複数のティース部が周方向に等間隔に形成されている。各ティース部には、コイルがそれぞれ巻装されている。これらのコイルに通電することにより、ステータ内に回転磁界が形成される。

一方、回転子（以下、ロータともいう）は、ステータ内に配置される。ロータは、円柱状をなすロータコアと、ロータコアの回転中心位置に貫通して固定されたロータシャフトとから構成される。ロータコアの両端面からそれぞれ延伸するロータシャフトの両端部は、モータケース等に固定された軸受部材により回転可能に支持されている。また、永久磁石型モータにおいては、ロータコアの外周面上または外周近傍の内部に複数の永久磁石が周方向に等間隔に配置されている。これによりロータは、ステータ内に形成される上記回転磁界の作用によって回転駆動されることになる。

一般に、ロータコアは複数の電磁鋼板を積層して一体をなすように連結固定して構成される。そして、このように構成されたロータコアは、ロータシャフトに対してカシメや焼嵌め等の方法によって締結される。例えば特開２００７−１８１２７０号公報（特許文献１）には、電磁鋼板を積層して構成されるロータコアをロータシャフトにカシメにより締結する技術が記載されている。

また、ステータコアについても同様に、略円環状に形成された電磁鋼板を複数積層して一体に連結固定されることができる。この場合に、略円筒状をなすステータの外周面に、円筒形状のモータケースが焼嵌めや圧入等の方法によって取り付けられることがある。さらに、例えば特開２００９−３３８８４（特許文献２）に記載されるように、ステータコアは、複数の分割ステータコアを円環状に配置した状態でその外側に円筒状のモータケースを焼嵌めにより嵌合させることによって構成されることができる。この場合、分割ステータコアは、積層された電磁鋼板によって形成されてもよいし、あるいは、圧粉磁心により形成されてもよい。

特開２００７−１８１２７０号公報 特開２００９−３３８８４号公報

上記のように電磁鋼板からなる円筒状のロータコアに対してロータシャフトを焼嵌めにより締結する場合、加熱による電磁鋼板の膨張でロータコアの中心穴を拡径させ、この状態で前記中心穴にロータシャフトを挿入または圧入する。そしてこれを冷却すると、ロータコアの中心穴が縮径して穴内周面がロータシャフトの外周面に圧接される。これにより、ロータコアとロータシャフトとが一体に締結される。

しかし、上記のようにしてロータコアにロータシャフトを締結する際、ロータシャフトがロータコアを構成する電磁鋼板よりも硬質である場合に、縮径した上記中心穴の内周面が周方向に関して均一な圧接力をシャフトに対して及ぼさないために上記中心穴の円周縁部に径方向への歪みが生じることがある。このような歪みはロータコアの外形状を変形させる原因となり、その結果、モータにおいてロータが回転駆動されるときに振動や騒音を生じさせることとなる。

このような問題はステータについても同様である。すなわち、略円筒状をなすステータコアの外周にモータケースを焼嵌めする際、モータケースがステータコア構成材料である電磁鋼板等よりも硬質であるために、焼嵌め後のモータケースの収縮によりステータコアが外側から不均一に締め付けられることによって、ステータコアに変形が生じることがある。このような変形が生じると、ステータコアの内周にある複数のティース部の先端面が同一円周上からずれることになる。その結果、ロータ外周面とのティース部先端面との間の隙間が円周方向において不均一となり、やはりモータ駆動時の振動や騒音の原因となる。

本発明の目的は、焼嵌め等によってコア部材に対して締結部材が締結される際にコア部材の外径または内径の輪郭形状が変形するのを抑制することができるモータのコア締結構造を提供することにある。

本発明に係るモータのコア締結構造は、モータを構成するコア部材に対して焼嵌めによって直に締結部材を締結するためのモータのコア締結構造であって、前記締結部材は、前記コア部材が圧接される圧接部に設けられコア部材構成材料よりも低硬度である低硬度部と、前記低硬度部を介して前記コア部材に対向するように設けられ前記コア部材構成材料よりも高硬度である高硬度部とを備え、前記コア部材の前記締結部材に対する圧接部に凹凸が形成されているものである。

本発明に係るモータのコア締結構造において、前記コア部材はモータの回転子を構成するロータコアであり、前記締結部材はロータコアの回転中心位置に締結されるロータシャフトであってもよい。

また、本発明に係るモータのコア締結構造において、前記コア部材はモータの固定子を構成する筒状のステータコアであり、前記締結部材は前記ステータコアの外周に締結される外筒部材であってもよい。この場合、ステータコアは、円環状に連ねて配置された複数の分割ステータコアで構成されてもよい。

さらに、本発明に係るモータのコア締結構造において、前記締結部材の低硬度部は、前記高硬度部を構成する部材の表面に付着させた金属又は樹脂の薄層からなってもよい。

本発明に係るモータのコア締結構造では、締結部材が、コア部材が圧接される圧接部に設けられコア部材構成材料よりも低硬度である低硬度部と、コア部材とは反対側で低硬度部と接してコア部材構成材料よりも高硬度である高硬度部とを備え、コア部材の締結部材に対する圧接部に凹凸が形成されている。これにより、例えば焼嵌めによってコア部材に対して締結部材を焼嵌めによって直に締結する際にコア部材が締結部材に圧接されると、この圧接によってコア部材と比べて低硬度である締結部材の低硬度部にコア部材が食い込むためにコア部材に歪みや変形を生じさせることがない。その結果、締結後のコア部材の寸法精度を向上させることができ、モータの振動や騒音を抑制することができる。
また、コア部材に形成された凹凸が上記のように低硬度部に食い込むことによって低硬度部の材料が前記凹凸の凹部内に入り込んだ状態で締結される。これにより、モータが回転駆動されるときにコア部材および締結部材間のトルク保持力を増すことができる。

本発明の一実施の形態であるコア締結構造を適用したモータの横断面図である。 ロータコア、およびロータコアの中心穴内に締結されるロータシャフトを示す分解斜視図である。 コアとシャフトが締結されてなるロータを軸方向から見た状態を示す図である。 ロータコアに形成された凸部がロータシャフトの低硬質部に食い込んで締結されている様子を示す拡大断面図である。 ステータコア、およびステータコアの外周に締結されるモータケースを示す分解斜視図である。 ステータコアを構成する分割ステータコアとモータケースの一部を示す拡大図である。 略円環状に形成された電磁鋼板を積層して構成されるステータコアとその外周に締結されるモータケースとを示す横断面図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の一実施の形態（以下、実施形態という）であるモータのコア締結構造を適用したモータ１０の横断面図であり、図２はロータ１４の分解斜視図である。以下においてモータ１０では、ロータ１４の回転中心軸Ｘに沿った方向を軸方向といい、回転中心軸Ｘを中心とする放射方向を径方向といい、回転中心軸Ｘを中心とする円に沿う方向を周方向という。

モータ１０は、固定子であるステータ１２と回転子であるロータ１４とを備える。ステータ１２は、略円筒状をなすステータコア（コア部材）１６と、ステータコアの外周に焼嵌め等の方法により外嵌された円筒状のモータケース（締結部材）１８とを有する。ステータコア１６は、円環状に連ねて配置された複数の分割ステータコア２０からなり、各分割ステータコア２０はモータケース１８によって径方向内方へと押圧されることで締結されている。

ステータコア１６の内周面には、径方向内側に向かって突出する複数のティース部２２が周方向に等間隔に形成されている。本実施形態では、１８個のティース部２２が設けられている例を示すが、この個数に限定されるものではない。分割ステータコア２０には１つのティース部２２がそれぞれ設けられている。すなわち、本実施形態では、ステータコア１６が１８個の分割ステータコア２０で構成されているが、これについても限定されるものではない。

分割ステータコア２０は、上記ティース部２２と、ティース部２２の径方向基端側において周方向に略円弧状に延伸して両端部がそれぞれ突出したヨーク部２４とを含んで形成されている。分割ステータコア２０は、たとえば圧粉磁心から好適に形成されることができる。ただし、分割ステータコア２０は、珪素鋼板等の複数の電磁鋼板が軸方向に積層されて一体に連結固定されてものからなってもよい。

分割ステータコア２０のティース部２２の外周には、絶縁被覆された線状または帯状の導電部材（たとえばエナメル線等）が巻回されてなるコイル２６が外装されている。コイル２６は、隣接するティース部２２間に形成されるスロット２８内に位置するスロット内コイル部と、ステータコア１６の軸方向両端面からそれぞれ外側に露出しているコイルエンド部とを有している。本実施形態におけるモータ１０が三相交流モータである場合、２つ置きごとのコイル２６がそれぞれ電気的に直列に接続されており、これにより各々６つのコイルを含むＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相コイルが構成されることになる。そして、各相コイルに三相交流電圧を印加して通電することにより、ステータコア１６内に回転磁界が形成されるようになっている。

一方、ロータ１４は、ステータ１２内にステータコア１６と同心上に配置される。図２も併せて参照すると、ロータ１４は、円柱状をなすロータコア（コア部材）３０と、ロータコア３０の回転中心位置に貫通して固定されたロータシャフト（締結部材）３２とから構成される。ロータコア３０の両端面からそれぞれ延伸するロータシャフト３２の両端部３２ａ，３２ｂは、モータケースやモータ収容室の壁部等に固定された軸受部材（図示せず）により回転可能にそれぞれ支持される。また、モータ１０が永久磁石型モータである場合、ロータコア３０の外周面上または外周近傍の内部に複数の永久磁石が周方向に等間隔に配置されている。これによりロータ１４は、ステータ１２内に形成される上記回転磁界の作用によって回転駆動されることになる。

図２に示すように、ロータコア３０は複数の電磁鋼板３４を軸方向に積層して、カシメ、接着、溶接等のいずれか1つ又は組合せの方法によって一体をなすように連結固定して構成される。ロータコア３０は、円柱状または円筒状をなし、その中心位置には軸方向に貫通する中心穴３６が形成されている。中心穴３６の内周面には、凹凸が形成されている。例えば、上記凹凸の凸部の高さは約２０μｍ程度である。この程度の微小な凹凸は、たとえば、中心穴３６の内周面をヤスリがけして粗面化する等によって形成することができる。また、より大きな凹凸であれば、電磁鋼板３４のパンチ加工時に中心穴３６の周縁部に型成形されてもよい。なお、上記凹凸の凸部の突出高さあるいは凹部の凹み深さは、後述するロータシャフト３２の低硬度部３８の厚みに応じて適宜に設定され得るものである。

ロータコア３０の中心穴３６にロータシャフト３２が貫通して締結されることによってロータ１４が組み立てられる。ロータコア３０にロータシャフト３２を組み付ける手法として、焼嵌めまたは締まり嵌めが好適に用いられる。電磁鋼板３４からなる円筒状のロータコア３０に対してロータシャフト３２を焼嵌めにより締結する場合、加熱による電磁鋼板３４の膨張でロータコア３０の中心穴３６を拡径させる。それから、ロータコア３０の中心穴３６にロータシャフト３２を矢印Ａ方向へ挿入または圧入する。その後、ロータコア３０を強制的または自然に冷却すると、ロータコア３０の中心穴３６が縮径して穴内周面がロータシャフト３２の外周面に圧接される。これにより、ロータコア３０とロータシャフト３２とが一体に締結される。

図２に示すように、ロータシャフト３２においてロータコア３０が締結される部分（圧接部）３３の外周面には、低硬度層（低硬度部）３８が設けられている。低硬度層３８は、ロータコア３０の構成材料である電磁鋼板３４よりも低硬度となるように材料や形成方法が設定される。例えば、低硬度層３８は、ロータシャフト３２の所定部分３３に金属めっき（錫めっき、アルミめっき等）を施すことにより形成されることができる。あるいは、スパッタリング、蒸着等の他の付着方法で金属材料からなる低硬度層３８を形成してもよい。また、低硬度層３８の厚さは、例えば約１０〜２０μｍ程度とすることができる。一方、ロータシャフト３２は、電磁鋼板３４よりも高硬度である丸棒状鋼材（高硬度部）３９により構成されており、ロータコア３０の中心穴３６の内周面が圧接される側とは反対側で上記低硬度層３８に接して設けられている。

なお、上記では低硬度層３８をロータシャフト３２の外周面に金属材料を付着させて形成するものと説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ＡＢＳ，ＰＰＳ，ＰＢＴ，エポキシ系樹脂等の樹脂材料を塗布や成型によって付着させて形成してもよい。このような樹脂材料によってもコア構成材料よりも低硬度である低硬度層を容易に被覆形成することができる。また、上記では低硬度層３８をロータコア３０との圧接部分に形成するものとして説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ロータシャフト３２の外表面全体に設けてもよい。このようにすることで、ロータシャフト３２の両端部に金属めっき等が付着しないようにマスクする必要がなくなる。

図３は、互いに締結されたロータコア３０とロータシャフト３２が締結されてなるロータ１４を軸方向から見た状態を示す図であり、図４は、ロータコア３０の中心穴３６の内周面に形成された凹凸の凸部３７ａがロータシャフト３２の低硬度層３８に食い込んで締結されている様子を示す拡大断面図である。ここで図３においては、中心穴３６の内周面に形成された小さい凹凸がよく分かるようにするため、上記凹凸の凸部３７ａおよび凹部３７ｂを略矩形状に大きく図示してある。また、ロータシャフト３２の外周面に形成された低硬度層３８も理解を容易にするためにその厚みを大きくして図示しており、低硬度層３８とロータシャフト３２を構成する丸棒状鋼材３９の表面との境界が点線で示されている。

図３および４を参照すると、上記のように焼嵌めによってロータコア３０にロータシャフト３２を締結するとき、ロータシャフト３２の中心穴３６が冷却により縮径することによってその内周面がロータシャフト３２の低硬度層３８に対して圧接される。このとき、中心穴３６の内周面に形成された凹凸の凸部３７ａが低硬度層３８に食い込み、この食い込みによって押し退けられた低硬度層３８の金属材料が塑性流動して上記凹凸の凹部３７ｂ内に入り込む。そして、上記凸部３７ａがロータシャフト３２を構成する丸棒状鋼材３９の表面にまでほぼ又は完全に到達すると、丸棒状鋼材３９は電磁鋼板３４よりも高硬度であるため、それ以上の食い込みが生じない。よって、電磁鋼板からなるロータコア３０は、ロータシャフト３２を構成する高硬度の丸棒状鋼材３９の表面に対して堅固に締結されることになる。

上記のように本実施形態によれば、ロータコア３０の中心穴３６の内周面に形成した凹凸３７ａ，３７ｂがロータシャフト３２に設けた低硬度層３８に食い込むことによるアンカー効果によって、ロータコア３０に対してロータシャフト３２がしっかりと締結され、モータ駆動時にロータ１４に作用する回転トルクに対する保持力を増大させることができる。

また、焼嵌め締結時におけるロータコア３０の収縮変形をロータシャフト３２の低硬度層３８で吸収できることで、中心穴３６の内周面がロータシャフト３２に及ぼす圧接力が周方向に関して不均一になった場合でもロータコア３０の外形状まで変形させてしまうほどの歪みが生じることがない。これにより、シャフト締結後のロータコア３０の外形寸法精度を向上させることができ、モータ１０の回転駆動時の振動や騒音を抑制することができる。

次に、図５および６を参照して、本実施形態のステータ１２を構成するステータコア１６とモータケース１８との組み付けについて説明する。図５は、ステータコア１６と、ステータコア１６の外周に締結されるモータケース１８を示す分解斜視図である。図６は、ステータコア１６を構成する分割ステータコア２０とモータケース１８の一部を示す拡大図である。

上述したように、ステータコア１６は、円環状に連ねて配置された複数の分割ステータコア２０と、これらの分割ステータコア２０の外周に締結されて各分割ステータコア２０を径方向内側へ押圧することにより締結するモータケース１８とから構成されている。

例えば金属製の円筒部材からなるモータケース１８は、ステータコア１６の外周に焼嵌めまたは圧入によって締結されることができる。モータケース１８が焼嵌めによって締結される場合、加熱による膨張で拡径したモータケース１８が、円環状に配列された分割ステータコア２０に対して矢印Ｂ方向に外嵌されてステータコア１６に周りに外装される。そして、これを冷却するとモータケース１８が縮径して、モータケース１８の内周面１９が各分割ステータコア２０のヨーク部２４の円弧状外周面を径方向内方へ向けて圧接される。

モータケース１８には、その内周面上に低硬度層（低硬度部）４０が形成されている。この低硬度層４０は、上述したロータシャフト３２の低硬度層３８と同様の材料および方法によって形成されることができる。低硬度層４０は、分割ステータコア２０の構成材料である電磁鋼板または圧粉磁心により低硬度である。一方、モータケース１８を構成する金属板４２は、分割ステータコア２０の構成材料よりも高硬度であり、分割ステータコア２０が圧接される低硬度層４０の表面に対して径方向の反対側で低硬度層４０に接して設けられている。

分割ステータコア２０のヨーク部２４の円弧状の外周面２５には、凹凸２５ａ，２５ｂが形成されている。ここで、図６においては、モータケース１８の内周面に形成された小さい凹凸２５ａ，２５ｂがよく分かるようにするため、凸部２５ａおよび凹部２５ｂを略矩形状に大きく図示してある。また、モータケース１８に形成された低硬度層４０も理解を容易にするためにその厚みを大きくして図示しており、低硬度層４０とモータケース１８を構成する金属板４２との境界が点線で示されている。

上記のようにモータケース１８の内周面１９に低硬度層４０が形成され、ステータ１２を構成する各分割ステータコア２０の外周面２５に凹凸２５ａ，２５ｂが形成されていることで、焼嵌めによってモータケース１８がステータコア１６に締結されるとき、モータケース１８が冷却により縮径することによってその内周面１９が分割ステータコア２０の外周面２５に対して圧接される。このとき、分割ステータコア２０の外周面２５に凸部２５ａがモータケース１８の低硬度層４０に食い込み、この食い込みによって押し退けられた低硬度層４０の金属材料が塑性流動して上記凹部２５ｂｂ内に入り込む。そして、上記凸部３７ａがモータケース１８を構成する金属板４２の表面にまでほぼ又は完全に到達すると、金属板４２は分割ステータコア２０の構成材料よりも高硬度であるため、それ以上の食い込みが生じない。よって、各分割ステータコア２０すなわちステータコア１６は、モータケース１８を構成する金属板４２よって又は金属板４２に対して堅固に締結されることになる。上記低硬度層４０に対して上記凸部２５ａが食い込む様子は、図４においてロータコア３０がモータケース１８の低硬度層４０に、ロータシャフト３２が凹凸を設けた分割ステータコア２０にそれぞれ相当するものとして見ればほぼ同様である。

これにより、上述したロータ１４の場合と同様に、分割ステータコア２０の外周面２５に形成した凹凸２５ａ，２５ｂがモータケース１８の内周面に設けた低硬度層４０に食い込むことによるアンカー効果によって、モータケース１８に対してステータコア１６がしっかりと締結され、モータ駆動時にステータコア１６に加わる回転トルクの反作用力に対する保持力を増大させることができる。

また、焼嵌め締結時におけるモータケース１８の収縮変形を低硬度層４０である程度吸収できることで、モータケース１８の内周面１９がステータコア１６に及ぼす圧接力が周方向に関して不均一になった場合でもステータコア１６の内周形状、すなわち各ティース部２２の径方向先端面２２ａに接して回転中心軸Ｘを中心に描かれる円形を歪ませてしまうことがない。これにより、モータケース締結後のステータコア１６の内径寸法精度を向上させることができ、モータ１０の回転駆動時の振動や騒音を抑制することができる。

なお、本発明に係るモータのコア締結構造は、上記実施形態のものに限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変更がなされてもよい。

例えば、上記実施形態では、ロータコア３０とロータシャフト３２の締結面、およびステータコア１６とモータケース１８の締結面の両方に、低硬度層３８，４０および凹凸３７ａ，３７ｂ，２５ａ，２５ｂを設けたが、いずれか一方の締結面にだけ低硬度層および凹凸を設けるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ステータコア１６が複数の分割ステータコア２０によって構成されるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、図７に示すように円環状のヨーク部とこのヨーク部から径方向内側へ突出する複数のティース部が形成された電磁鋼板を複数積層して一体に連結固定することによってステータコア１６ａを構成してもよい。

１０ モータ、１２ ステータ、１４ ロータ、１６，１６ａ ステータコア、１８ モータケース、１９ 内周面、２０ 分割ステータコア、２２ ティース部、２２ａ 径方向先端面、２４ ヨーク部、２５ 外周面、２５ａ，２５ｂ，３７ａ，３７ｂ 凹凸、２６ コイル、２８ スロット、３０ ロータコア、３２ ロータシャフト、３２ａ，３２ｂ 両端部、３３ 圧接部分、３４ 電磁鋼板、３６ 中心穴、３８，４０ 低硬度層、３９ 丸棒状鋼材、４２ 金属板、Ｘ 回転中心軸。

Claims (5)

1. モータを構成するコア部材に対して締結部材を焼嵌めによって直に締結するためのモータのコア締結構造であって、
   前記締結部材は、前記コア部材が圧接される圧接部に設けられコア部材構成材料よりも低硬度である低硬度部と、前記コア部材とは反対側で前記低硬度部に接して前記コア部材構成材料よりも高硬度である高硬度部とを備え、前記コア部材の前記締結部材に対する圧接部に凹凸が形成されている、
   モータのコア締結構造。
2. 請求項１に記載のモータのコア締結構造において、
   前記コア部材はモータの回転子を構成するロータコアであり、前記締結部材はロータコアの回転中心位置に締結されるロータシャフトであることを特徴とするモータのコア締結構造。
3. 請求項１に記載のモータのコア締結構造において、
   前記コア部材はモータの固定子を構成する筒状のステータコアであり、前記締結部材は前記ステータコアの外周に締結される外筒部材であることを特徴とするモータのコア締結構造。
4. 請求項３に記載のモータのコア締結構造において、
   前記ステータコアは円環状に連ねて配置された複数の分割ステータコアからなることを特徴とするモータのコア締結構造。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のモータのコア締結構造において、
   前記締結部材の低硬度部は、前記高硬度部を構成する部材の表面に付着させた金属又は樹脂の薄層からなることを特徴とするモータのコア締結構造。

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