JP6148209B2 - 回転電機用ロータ - Google Patents

Description

本発明は、ロータシャフトと該ロータシャフトの外周に設けられるロータコアとを有する回転電機用ロータに関する。

例えば、ハイブリッド自動車、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においては、界磁巻線を設けたステータの内周側に、ロータコアを設けたロータが回転可能に配置されている。そして、ロータコアに内包された永久磁石がロータコアの端部から飛び出すことを防止する等のために、エンドプレートがロータコアの端部に配設されている。さらに、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの非磁性体からなるエンドプレートを用いることにより、ロータコアからエンドプレートへの磁束漏れによる損失を抑えている（特許文献１）。
特許文献１の構成では、エンドプレートはカシメ部材によってロータコアと共締めされることにより、軸方向に位置決めされてロータシャフトに固定されている。

特開２０１３−５９１９３号公報

しかしながら、アルミニウム合金やマグネシウム合金などは、高応力に曝されるとクリープ現象によって経時的に変形する。これにより、ロータコアを強固に固定するために強い力でエンドプレートとロータコアとを共締めすると、アルミニウム合金やマグネシウム合金などからなるエンドプレートはクリープ現象により変形することとなる。その結果、ロータシャフトに対するエンドプレート及びロータコアの軸方向の固定力は低下してしまう。

一方、エンドプレートとロータコアとをそれぞれ個別にロータシャフトに圧入して固定すれば、ロータシャフトに対するロータコアの軸方向の固定力は安定する。しかしながら、通常、ロータシャフトは鉄などからなり、エンドプレートとは異種材料からなることから、両者には線膨張係数に大きな差がある。そのため、エンドプレートをロータシャフトに圧入すると、温度変化により圧入の締め代が減少して、エンドプレートとロータシャフトとの間に緩みが生じる。その結果、ロータシャフトに対するエンドプレートの固定力が低下し、エンドプレートに軸方向のガタが生じるおそれがある。
また、エンドプレートをロータシャフトに圧入することにより所望の固定力を得るには、エンドプレートやロータシャフト等の圧入に関与する部品に高い成形精度が必要となるため、コスト高となる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、ロータシャフトに対するエンドプレートの軸方向の固定力を確保することができる回転電機用ロータを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、ロータシャフトと、
該ロータシャフトの外周に設けられる環状のロータコアと、
上記ロータシャフトの外周において上記ロータコアの軸方向の少なくとも一方に配置される環状のエンドプレートと、
を備え、
上記ロータシャフトには、上記ロータコアを軸方向に挟持して固定する一対のコア保持部が、上記ロータコアの軸方向の両側にそれぞれ設けてあり、
上記エンドプレートは、径方向及び軸方向に対して傾斜した冷媒受け面を有し、
上記ロータシャフトは、該ロータシャフトの回転に伴って作用する遠心力によって冷却媒体を噴出する冷媒噴出口を、上記エンドプレートの上記冷媒受け面に向かって開口させてなり、
上記エンドプレートの上記冷媒受け面が、上記冷却媒体から力を受けたときに上記エンドプレートが軸方向に移動する側に、上記エンドプレートに対向する支承部が設けてあることを特徴とする回転電機用ロータにある。

上記回転電機用ロータにおいて、ロータシャフトは、冷媒噴出口を、エンドプレートの冷媒受け面に向かって開口させてなる。それゆえ、回転電機用ロータが回転しているとき、冷却媒体は、遠心力によって冷媒噴出口から噴出し、径方向外側へ向い、冷媒受け面に衝突することとなる。これにより、冷媒受け面が冷却媒体から力を受ける。そして、冷媒受け面は、径方向及び軸方向に対して傾斜している。それゆえ、冷媒受け面が冷却媒体から受ける力は、径方向外側へ向かう力と、軸方向の一方へ向かう力とが、少なくとも合成された力と考えることができる。

冷媒受け面に、軸方向の一方へ向かう力が加わることにより、ロータシャフトに対してエンドプレートが、軸方向の一方に移動することとなる。この移動方向に、エンドプレートに対向する支承部が設けてある。それゆえ、エンドプレートは支承部に当接し、押し付けられる。また、エンドプレートが支承部に当接した状態においても、エンドプレートは軸方向の一方に移動しようとする。その結果、エンドプレートは、支承部に押し付けられた状態で軸方向に安定して固定されることとなる。すなわち、ロータシャフトに対するエンドプレートの軸方向の固定力が確保される。

また、上述のように、エンドプレートは、支承部に押し付けられた状態で軸方向に固定されるため、温度変化による膨張収縮が生じても、ロータシャフトとエンドプレートとの軸方向の固定力が低下することを防ぐことができる。つまり、ロータシャフトの外径とエンドプレートの内径との寸法が多少変動しても、軸方向の固定力が変動することを防ぐことができる。したがって、ロータシャフトに対するエンドプレートの軸方向の固定力を確保することができる。

また、上述のようにエンドプレートは支承部に軸方向に押し付けられて固定されるため、ロータシャフトの外径寸法やエンドプレートの内径寸法に多少の誤差があっても、ロータシャフトに対するエンドプレートの軸方向の固定力が低下することを防ぐことができる。したがって、ロータシャフトの外径寸法やエンドプレートの内径寸法の精度を特に高くする必要がなく、製造コストの低減を図ることができる。

以上のごとく、本発明によれば、ロータシャフトに対するエンドプレートの軸方向の固定力を確保することができる回転電機用ロータを提供することができる。

実施例１における、回転電機用ロータの断面図。 実施例１における、エンドプレート周辺の回転電機用ロータの拡大断面図。 図１のIII−III線矢視断面図。 図１のIV−IV線矢視断面図。 実施例１における、ロータシャフトの斜視図。 実施例１における、回転電機用ロータの回転時に、エンドプレートが冷却媒体から受ける力の説明図。 実施例２における、エンドプレート周辺の回転電機用ロータの拡大断面図。

上記エンドプレートは、ロータコアにおける軸方向の一端にのみ配置されていてもよいし、両端に配置されていてもよい。後者の場合、両方のエンドプレートに対応して、ロータシャフトに冷媒噴出口を設けて、ロータコアの軸方向の両側に同様の機構を構成することもできる。

なお、本明細書において、特に示さない限り、「軸方向」とは、回転電機用ロータの回転軸の延在方向をいい、「径方向」とは、回転電機用ロータの回転軸と直交する直線の方向をいう。また、「周方向」とは、回転電機用ロータの回転軸の回転方向に沿う方向をいう。

また、エンドプレートが支承部に当接した状態においては、実際には、エンドプレートが軸方向に移動することはなく、軸方向に移動しようとする力が作用するのみである。かかる場合にも、本明細書においては、適宜、「移動する」という表現を用いることもあるが、これは適宜、「移動しようとする力が作用する」を意味するものとして、解釈されたい。

また、上記冷媒受け面は、径方向外側に向かうほど、軸方向における上記ロータコア側に向かうように傾斜しており、上記ロータシャフトは、上記エンドプレートにおける上記ロータコアと反対側の面に対向する鍔部を有し、該鍔部が上記支承部であることが好ましい。この場合には、冷媒受け面が冷却媒体から力を受けたとき、エンドプレートは鍔部に当接するように構成されることとなる。それゆえ、この場合にも、エンドプレートを軸方向に安定して固定することができる。

また、上記冷媒受け面は、径方向外側に向かうほど、軸方向における上記ロータコアの反対側に向かうように傾斜しており、上記ロータコアが上記支承部であってもよい。この場合にも、ロータシャフトに対するエンドプレートの軸方向の固定力を確保することができる。また、この場合には、回転電機用ロータの回転に伴い、エンドプレートがロータコアを積層方向に押圧する力を作用させることができる。

また、上記冷媒受け面は、周方向の全周にわたって形成されていることが好ましい。この場合には、遠心力によって冷媒噴出口から噴出した冷却媒体が、安定して冷媒受け面に衝突することとなる。それゆえ、この場合には、エンドプレートを軸方向に、より安定して固定することができる。

（実施例１）
上記回転電機用ロータの実施例につき、図１〜図６を用いて説明する。
本例の回転電機用ロータ１は、図１に示すごとく、ロータシャフト２と、ロータシャフト２の外周に設けられる環状のロータコア３と、ロータシャフト２の外周においてロータコア３の軸方向Ｘの少なくとも一方に配置される環状のエンドプレート４と、を備えている。

ロータシャフト２には、ロータコア３を軸方向Ｘに挟持して固定する一対のコア保持部５１、５２が、ロータコア３の軸方向Ｘの両側にそれぞれ設けてある。
エンドプレート４は、径方向及び軸方向Ｘに対して傾斜した冷媒受け面４３を有する。
図２に示すごとく、ロータシャフト２は、ロータシャフト２の回転に伴って作用する遠心力によって冷却媒体Ｃを噴出する冷媒噴出口２５を、エンドプレート４の冷媒受け面４３に向かって開口させてなる。
図１に示すごとく、エンドプレート４の冷媒受け面４３が、冷却媒体Ｃから力を受けたときにエンドプレート４が軸方向Ｘに移動する側に、エンドプレート４に対向する支承部１１が設けてある。

本例において、冷媒受け面４３は、径方向外側に向かうほど、軸方向Ｘにおけるロータコア３側に向かうように傾斜しており、ロータシャフト２は、エンドプレート４におけるロータコア３と反対側の面に対向する鍔部２４を有し、鍔部２４が支承部１１となっている。

回転電機用ロータ１は、周方向Ｙの一方に主として回転するよう構成されており、この方向を、図３、図４に示すごとく、ロータ回転方向Ｙ１とする。
そして、回転電機用ロータ１は、図示しないステータの内周側に回転可能に配置され、回転電機を構成する。この回転電機は、例えば、ハイブリッド自動車、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として用いることができる。

図１に示すごとく、ロータシャフト２は、インナシャフト２２と、インナシャフト２２の外周側に配設されたアウタシャフト２３とを有する。アウタシャフト２３は、インナシャフト２２を挿嵌させるための筒状の筒状部２３１と、筒状部２３１の外周側に配設され、ロータコア３を取り付けるためのコア取付部２３２とを有する。筒状部２３１とコア取付部２３２とは連結部２３３によって連結されている。

インナシャフト２２は、筒状に形成されており、内側に冷却媒体を流通させる冷媒流路２６を備えている。また、インナシャフト２２には、径方向に開口した冷媒吐出口２２１が形成されており、冷媒流路２６から冷媒吐出口２２１を介して冷却媒体が吐出されるよう構成されている。冷媒吐出口２２１は、径方向から見てコア取付部２３２と重なる位置に形成されている。また、コア取付部２３２は、その内周面側において、径方向から見て冷媒吐出口２２１と重なる位置を含む領域に、冷却媒体を一旦保持する冷媒保持部２３６を有する。すなわち、冷媒保持部２３６は、冷媒吐出口２２１から吐出された冷却媒体を受けて、保持する。本例においては、冷媒保持部２３６は、周方向Ｙの全域にわたって形成されている。そして、冷媒噴出口２５は、その内周側の開口端を、冷媒保持部２３６に開口し、外周側の開口端をエンドプレート４の冷媒受け面４３に向って開口している。なお、冷却媒体としては、例えば、絶縁性油等の冷却油を用いることができる。

コア取付部２３２には、ロータコア３が嵌合されており、その軸方向Ｘの両端に設けられた一対のコア保持部５１、５２によって、軸方向Ｘに保持されている。また、エンドプレート４も、コア取付部２３２の外周に嵌合されて、軸方向Ｘの一端からロータコア３に対向配置されている。

一対のコア保持部５１、５２のうち、一方のコア保持部５１は、ロータシャフト２と一体的に形成されている。すなわち、コア保持部５１は、ロータシャフト２におけるコア取付部２３２から径方向外側へ突出している。コア保持部５１は、コア取付部２３２における軸方向Ｘの一端側において、周方向Ｙの全周にわたって形成されている。他方のコア保持部５２は、ロータシャフト２とは別体の環状部材を、ロータシャフト２の外周面に嵌合して形成してある。すなわち、コア保持部５２は、コア保持部５１とは軸方向Ｘの反対側の端部において、コア取付部２３２に、焼き嵌め等によって嵌合固定してある。そして、一対のコア保持部５１、５２の間に、コア取付部２３２の外周に配置されたロータコア３が軸方向Ｘに挟持されている。

以下において、適宜、ロータコア３に対してコア保持部５１が配置された側の軸方向Ｘの一端側（図１における左側）を第１端部側Ｘ１といい、これと反対側（図１における右側）を第２端部側Ｘ２という。
なお、ロータシャフト２（インナシャフト２２及びアウタシャフト２３）とコア保持部５２とは、互いに同種の金属からなることが好ましく、例えば鉄からなる。一方、エンドプレート４は、ロータコア３からの磁束漏れを防ぐために、アルミニウム、マグネシウム等の非磁性金属からなる。

コア取付部２３２における第１端部側Ｘ１の端部には、鍔部２４が形成されている。鍔部２４は、ロータシャフト２の外周から径方向外側へ向かって突出して形成されている。

図２に示すごとく、エンドプレート４は、鍔部２４に対向する中心側円環部４ａと、それよりも径方向外側においてロータコア３に対向する外周側円環部４ｃと、中心側円環部４ａと外周側円環部４ｃとを繋ぐように形成され、径方向及び軸方向Ｘに対して傾斜した中間円環部４ｂとからなる。中間円環部４ｂは、径方向外側に向かうほど、第２端部側Ｘ２に向かうように傾斜している。そして、中間円環部４ｂに、冷媒受け面４３が形成されている。図３に示すごとく、エンドプレート４には、周方向Ｙの全周にわたって冷媒受け面４３が形成されている。

また、図３、図５に示すごとく、ロータシャフト２には、周方向Ｙの２箇所に、冷媒噴出口２５が形成されている。周方向Ｙの２箇所に形成された冷媒噴出口２５は、互いに周方向Ｙに１８０°ずれた位置に配置されている。

図１、図４に示すごとく、ロータコア３は、複数の永久磁石３２を備えている。永久磁石３２は、ロータコア３における外周面に近い位置において、軸方向Ｘに貫くようにロータコア３内に保持されている。ロータコア３は、複数の環状の電磁鋼板３３を軸方向Ｘに積層してなる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
回転電機用ロータ１においては、以下のように、冷却媒体が流れると共に、エンドプレート４に力を及ぼす。
すなわち、回転電機用ロータ１が回転駆動すると、冷媒流路２６から冷媒吐出口２２１（図１、図３参照）を介して冷却媒体Ｃが、遠心力によって径方向外側へ向かって吐出される。これにより、冷却媒体Ｃは、冷媒保持部２３６に到達して、保持される。冷媒保持部２３６に保持された冷却媒体Ｃは、さらに、遠心力によって冷媒噴出口２５から噴出し、径方向外側へ向い、冷媒受け面４３に衝突することとなる。これにより、冷媒受け面４３が冷却媒体Ｃから力を受ける。そして、冷媒受け面４３は、径方向及び軸方向Ｘに対して傾斜している。それゆえ、図６に示すごとく、冷媒受け面４３が冷却媒体Ｃから受ける力Ｆは、径方向外側へ向かう力Ｆｙと、軸方向Ｘの一方へ向かう力Ｆｘとが、少なくとも合成された力と考えることができる。

冷媒受け面４３に、力Ｆｘが加わることにより、ロータシャフト２に対してエンドプレート４が、第１端部側Ｘ１に移動することとなる。この移動方向に、エンドプレート４に対向する支承部１１が設けてある。それゆえ、エンドプレート４は支承部１１に当接し、押し付けられる。また、エンドプレート４が支承部１１に当接した状態においても、エンドプレート４は第１端部側Ｘ１に移動しようとする。その結果、エンドプレート４は、支承部１１に押し付けられた状態で軸方向Ｘに安定して固定されることとなる。すなわち、ロータシャフト２に対するエンドプレート４の軸方向Ｘの固定力が確保される。

また、上述のように、エンドプレート４は、支承部１１に押し付けられた状態で軸方向Ｘに固定されるため、温度変化による膨張収縮が生じても、ロータシャフト２とエンドプレート４との軸方向Ｘの固定力が低下することを防ぐことができる。つまり、ロータシャフト２の外径とエンドプレート４の内径との寸法が多少変動しても、軸方向Ｘの固定力が変動することを防ぐことができる。したがって、ロータシャフト２に対するエンドプレート４の軸方向Ｘの固定力を確保することができる。

また、上述のようにエンドプレート４は支承部１１に軸方向Ｘに押し付けられて固定されるため、ロータシャフト２の外径寸法やエンドプレート４の内径寸法に多少の誤差があっても、ロータシャフト２に対するエンドプレート４の軸方向Ｘの固定力が低下することを防ぐことができる。したがって、ロータシャフト２の外径寸法やエンドプレート４の内径寸法の精度を特に高くする必要がなく、製造コストの低減を図ることができる。

また、冷媒受け面４３は、径方向外側に向かうほど、軸方向Ｘにおけるロータコア３側に向かうように傾斜しており、ロータシャフト２は、エンドプレート４におけるロータコア３と反対側の面に対向する鍔部２４を有し、鍔部２４が支承部１１となっている。これにより、冷媒受け面４３が冷却媒体Ｃから力を受けたとき、エンドプレート４は鍔部２４に当接するように構成されることとなる。それゆえ、エンドプレート４を軸方向Ｘに安定して固定することができる。

また、冷媒受け面４３は、周方向Ｙの全周にわたって形成されている。これにより、遠心力によって冷媒噴出口２５から噴出した冷却媒体Ｃが、安定して冷媒受け面４３に衝突することとなる。それゆえ、エンドプレート４を軸方向Ｘに、より安定して固定することができる。

以上のごとく、本例によれば、ロータシャフトに対するエンドプレートの軸方向の固定力を確保することができる回転電機用ロータを提供することができる。

（実施例２）
本例は、図７に示すごとく、冷媒受け面４３が、径方向外側に向かうほど、軸方向Ｘにおけるロータコア３の反対側に向かうように傾斜している例である。
また、エンドプレート４は、鍔部２４に対向する中心側円環部４ｄと、その外周端から径方向外側に向かうと共に第１端部側Ｘ１に向かうように延設された傾斜円環部４ｅとからなる。そして、傾斜円環部４ｅの表面のうち、軸方向Ｘにおける第１端部側Ｘ１を向く面が冷媒受け面４３である。
中心側円環部４ｄは、鍔部２４とロータコア３との間に介在し、ロータコア３に当接している。
また、冷媒噴出口２５は、鍔部２４に形成されており、その外周側の開口端がエンドプレート４の冷媒受け面４３に向って開口している。

本例においては、ロータコア３が支承部１１となる。すなわち、回転電機用ロータ１が回転したとき、冷媒噴出口２５から噴出する冷却媒体Ｃが冷媒受け面４３に衝突する力により、エンドプレート４は、ロータコア３に押し付けられることとなる。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合にも、実施例１と同様に、ロータシャフト２に対するエンドプレート４の軸方向Ｘの固定力を確保することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

上記実施例においては、エンドプレート４を、ロータコア３における軸方向Ｘの一端にのみ配置した例を示したが、エンドプレートをロータコアの両端に配置した構成としてもよい。
また、上記実施例においては、冷媒受け面４３及び冷媒噴出口２５を周方向Ｙの２箇所に設けた例を示したが、冷媒受け面及び冷媒噴出口の個数は特に限定されるものではなく、１個でもよいし、３個以上でもよい。ただし、冷媒受け面及び冷媒噴出口は、周方向の複数箇所に設けてあることが好ましく、複数の冷媒受け面及び冷媒噴出口は周方向において等間隔に設けてあることが好ましい。

また、エンドプレートは、冷媒受け面を形成することができる構造であれば、特にその形状が限定されるものではない。なお、冷媒噴出口に対する冷媒受け面の位置、軸方向、径方向、周方向に対する冷媒受け面の角度等は、冷媒噴出口から噴出する冷却媒体から効果的に力を受けることができるように、適宜設計することができる。

また、ロータシャフトとして、上記実施例においては、インナシャフトとアウタシャフトとを互いに嵌合させて構成したものを示したが、これに限られることはなく、例えば、インナシャフトとアウタシャフトとが一体的に形成されたものであってもよい。あるいは、上記実施例に示したインナシャフトのような筒状のシャフトのみでロータシャフトを構成し、このロータシャフトに直接ロータコアが取り付けられた構成とすることもできる。

また、上記実施例においては、ロータシャフトとエンドプレートとの間に、ロータシャフトに対してエンドプレートを周方向に固定する回り止め部を形成してもよい。例えば、回り止め部は、ロータシャフトの外周面に、軸方向から見て凹状となるシャフト凹部を形成し、エンドプレートの内周面に、軸方向から見て凸状となるプレート凸部を形成し、これらを嵌合させることにより形成してもよい。

１ 回転電機用ロータ
１１ 支持部
２ ロータシャフト
２５ 冷媒噴出口
３ ロータコア
４ エンドプレート
４３ 冷媒受け面
５１、５２ コア保持部
Ｘ 軸方向

Claims (4)

1. ロータシャフトと、
   該ロータシャフトの外周に設けられる環状のロータコアと、
   上記ロータシャフトの外周において上記ロータコアの軸方向の少なくとも一方に配置される環状のエンドプレートと、
   を備え、
   上記ロータシャフトには、上記ロータコアを軸方向に挟持して固定する一対のコア保持部が、上記ロータコアの軸方向の両側にそれぞれ設けてあり、
   上記エンドプレートは、径方向及び軸方向に対して傾斜した冷媒受け面を有し、
   上記ロータシャフトは、該ロータシャフトの回転に伴って作用する遠心力によって冷却媒体を噴出する冷媒噴出口を、上記エンドプレートの上記冷媒受け面に向かって開口させてなり、
   上記エンドプレートの上記冷媒受け面が、上記冷却媒体から力を受けたときに上記エンドプレートが軸方向に移動する側に、上記エンドプレートに対向する支承部が設けてあることを特徴とする回転電機用ロータ。
2. 上記冷媒受け面は、径方向外側に向かうほど、軸方向における上記ロータコア側に向かうように傾斜しており、上記ロータシャフトは、上記エンドプレートにおける上記ロータコアと反対側の面に対向する鍔部を有し、該鍔部が上記支承部であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機用ロータ。
3. 上記冷媒受け面は、径方向外側に向かうほど、軸方向における上記ロータコアの反対側に向かうように傾斜しており、上記ロータコアが上記支承部であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機用ロータ。
4. 上記冷媒受け面は、周方向の全周にわたって形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機用ロータ。

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