JP6308308B2 - 回転電機のロータ構造 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のロータ構造に関し、詳しくは、中空形状のロータコアの中空部にシャフトを嵌め込んで固定する回転電機のロータ構造に関する。

従来、この種の構造として、ロータコアとシャフトの凹凸係合が知られている。また、この凹凸部に発生する応力を低減するため、凹凸部に樹脂を注入する技術が知られている（特許文献１）。

特開２００７−４９７８７号公報

しかしながら、凹凸部に何度も力が加えられると、樹脂が変形して凹凸部に隙間が生じるおそれがある。凹凸部に隙間が生じると、凹凸部にガタツキによる衝撃が発生することになり、ロータの耐久性が低くなるおそれがある。

本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、凹凸部に発生する衝撃を緩和することができる回転電機のロータ構造を提供することである。

本発明の一態様に係る回転電機のロータ構造は、ロータコアの一方の端部に当接する第１リテーナと、第１リテーナのロータコアと当接する面と反対側の面に当接し、第１リテーナ及びロータコアをシャフトへ固定する第２リテーナと、を備え、ロータに形成される複数の摺動面のうち、第１リテーナと第２リテーナとの間に形成される第１摺動面の静止摩擦係数がもっとも小さい。

図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るロータの分解図である。図１（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係るロータの構成図である。 図２は、図１（ｂ）に示すＡ−Ａ線断面図である。 図３は、図１（ｂ）に示すＢ−Ｂ線断面図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係る潤滑処理を説明する図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係る潤滑処理を説明する図である。 図６は、本発明の第３実施形態に係る潤滑処理を説明する図である。 図７は、本発明のその他の実施形態に係る潤滑処理を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

［第１実施形態］
図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、本発明の第１実施形態に係るロータ１０の構成を説明する。以下の説明において、図１（ａ）及び（ｂ）における図面左方向を軸方向先端側、図面右方向を軸方向基端側とする。

図１（ａ）に示すロータ１０は、円筒状に形成されたステータ（図示せず）の内周側に所定の微小間隔だけ離れて配置されるインナー型のロータであり、例えば回転電機（車両に搭載されるモータやジェネレータ）に用いられる。ロータ１０は、中空形状のロータコア２０と、ロータコア２０の中空部に挿入されるシャフト３０と、永久磁石６０と、３つのリテーナ４０、４１、４２から構成される。

ロータコア２０は、シャフト３０の軸方向に並んで配置された複数（第１実施形態では２つ）の中空円筒形状のコアブロック２０ａ及びコアブロック２０ｂから構成される。コアブロック２０ａ及びコアブロック２０ｂには複数の磁石穴５０が形成され、この磁石穴５０に永久磁石６０が挿入される。また、コアブロック２０ａ及びコアブロック２０ｂは、複数枚の電磁鋼鈑が積層されて形成される。

ロータコア２０の軸方向先端側にはリテーナ４１が、ロータコア２０の軸方向基端側にはリテーナ４２がそれぞれ当接される。さらに、リテーナ４１の軸方向先端側、すなわちリテーナ４１のロータコア２０と当接する面と反対側の面にリテーナ４０が当接される。

リテーナ４１及びリテーナ４２は、磁力による電磁鋼鈑の広がりや永久磁石６０の飛び出しを抑制するものである。

リテーナ４０は、ロータコア２０及びリテーナ４１をシャフト３０へ固定するものであり、ロータコア２０に対するシャフト３０の軸方向のずれやシャフト３０がロータコア２０から抜けてしまうのを防止するための抜け止めである。リテーナ４０は、輪状の部材を用いてシャフト３０に対して圧入や焼嵌めなどで締まり嵌めをしてもよく、ねじ加工されたシャフトにナットとして締め付けて締結してもよい。

シャフト３０は、フランジ３０ａを備えている。フランジ３０ａは、シャフト３０の端部に位置し、シャフト３０と比較して直径が大きく形成された部分である。また、フランジ３０ａは、リテーナ４２のロータコア２０と当接する面と反対側の面に当接し、ロータコア２０の軸方向基端側への移動を防止する。

次に、図２を参照して、ロータコア２０とシャフト３０の嵌め合いについて説明する。図２に示すように、ロータコア２０の内周面には凸部７０が形成され、シャフト３０の外周面には凹部７１が形成される。ロータコア２０とシャフト３０は、凸部７０及び凹部７１で嵌め合わされて係合している。なお、ロータコア２０に凹部が形成され、シャフト３０に凸部が形成されていてもよい。
第１実施形態では、ロータコア２０とシャフト３０の嵌め合いは、隙間嵌めとして説明するが、本発明は軽圧入などの中間嵌めにも適用することができる。

次に、ロータコア２０の回転力がシャフト３０へ伝達する経路について説明する。
ロータコア２０の回転力は、ロータコア２０に当接するリテーナ４１に伝達し、次にリテーナ４１に当接するリテーナ４０に伝達し、次にリテーナ４０に締結されるシャフト３０へと伝達する。この伝達力は、静止摩擦力であり、静止摩擦係数と垂直抗力の積として求められる。ロータコア２０の回転力が、いわゆる最大静止摩擦力を超えたとき、ロータコア２０とシャフト３０は相対的な滑りを発生させる。

一般的に最大静止摩擦力は動摩擦力よりも大きく、最大静止摩擦力と動摩擦力の差となる力の分だけロータコア２０がシャフト３０と比較して相対的に加速することとなる。そして、ロータコア２０とシャフト３０が凹凸部の側面で衝突し、凹凸部の側面には瞬間的に大きな衝撃が発生する。

凹凸部の側面に発生する衝撃を緩和するためには、ロータコア２０とシャフト３０が衝突した瞬間からロータコア２０の速度を減じながら停止するまでの時間を長くするか、衝突直前のロータコア２０とシャフト３０との相対運動エネルギーを低減させればよい。

第１実施形態では、衝突直前のロータコア２０とシャフト３０との相対運動エネルギーを低減させるため、図３に示すように、リテーナ４０とリテーナ４１との間に形成される摺動面８０と、リテーナ４１とコアブロック２０ａとの間に形成される摺動面８１と、コアブロック２０ｂとリテーナ４２との間に形成される摺動面８２と、リテーナ４２とシャフト３０のフランジ３０ａとの間に形成される摺動面８３に潤滑処理を施す。

次に、潤滑処理の一例を図４を参照して説明する。第１実施形態に係る潤滑処理は、図３に示す各摺動面８０〜８３に潤滑剤９０〜９３を塗布することである。このとき、第１実施形態では、摺動面８０の最大静止摩擦力が、他の３つの摺動面８１、８２、８３の最大静止摩擦力と比較してもっとも小さくなるように、すなわち摺動面８０の静止摩擦係数がもっとも小さくなるように各摺動面８０〜８３に潤滑剤９０〜９３を塗布する。なお、潤滑剤として、例えばフッ素系樹脂を用いることができる。

第１実施形態のロータ構造は、各摺動面８０〜８３に潤滑処理を施すことにより、各摺動面８０〜８３の静止摩擦力を下げることができ、動摩擦力との差を小さくすることができる。潤滑処理を施さなかった場合と比較すると、第１実施形態のロータ構造は、小さな回転力でロータコア２０とシャフト３０に相対的な滑りを発生させることができる。これにより、滑り発生時の力が小さくなる分だけ加速度も小さくなり、凸部７０が凹部７１に衝突する直前の相対速度も小さくなる。これにより、第１実施形態のロータ構造は、ロータコア２０とシャフト３０との相対運動エネルギーを低減することができ、凹凸部の側面に発生する衝撃を緩和することができる。
また、第１実施形態のロータ構造は、摺動面８０の最大静止摩擦力が、他の３つの摺動面８１、８２、８３の最大静止摩擦力と比較してもっとも小さくなるように各摺動面８０〜８３に潤滑処理を施す。これにより、第１実施形態のロータ構造は、ロータコア２０とシャフト３０との相対運動エネルギーを一層低減することができ、凹凸部の側面に発生する衝撃を緩和することができる。

なお、潤滑処理の他に摺動面８０の最大静止摩擦力がもっとも小さくなるようにするための方策として、ロータ１０を構成する各部位の材料を適宜選択して実現してもよく、各部位の表面形状を物理的に平滑化して実現してもよい。

［第２実施形態］
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態が第１実施形態と異なるのは、潤滑処理を施す摺動面を少なくしたことである。

第２実施形態では、図５に示すように、リテーナ４１とコアブロック２０ａを接着剤で固定し、同様にコアブロック２０ｂとリテーナ４２を接着剤で固定する。これにより、リテーナ４１及びリテーナ４２に形成される摺動面は、図３に示す摺動面８０及び摺動面８３に限定される。換言すれば、潤滑処理を施す摺動面は、第１実施形態の４面から２面に減少する。

第２実施形態のロータ構造は、潤滑処理を施す摺動面を減らすことにより、コストを低減できる。また、第２実施形態のロータ構造は、潤滑処理を施す摺動面が２面になるので、潤滑処理を施すことによって形成される膜厚を容易に管理することができる。すなわち、第２実施形態のロータ構造は、摺動面８０及び摺動面８３の潤滑剤の膜厚を容易に平滑化でき、リテーナ４０及びリテーナ４１の面圧が均一になることにより摺動に必要な回転力を小さく安定化できる。

また、第２実施形態において、摺動面８０の最大静止摩擦力と摺動面８３の最大静止摩擦力が同じになるように、すなわち摺動面８０の静止摩擦係数と摺動面８３の静止摩擦係数が同じになるように潤滑処理を施してもよい。これにより、第２実施形態に係るロータコア２０は、より円滑に滑ることができる。

［第３実施形態］
次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態が第２実施形態と異なるのは、潤滑処理を施す摺動面をさらに少なくしたことである。

第３実施形態では、図６に示すように、リテーナ４０とリテーナ４１との摺動面８０にのみ潤滑処理を施す。
ロータコア２０が回転し始めると、潤滑処理を施したロータコア２０の端部（以下、処理端部という）は静止摩擦力が低いため速やかに滑り始める。一方、潤滑処理を施していないロータコア２０の他方の端部（以下、未処理端部という）は、ロータコア２０の回転力が静止摩擦力を上回るまでシャフト３０に固定される。ロータコア２０は薄い電磁鋼鈑を積層して構成されているため、回転方向にねじれが生じやすく、処理端部はシャフト３０との凹凸部の隙間を詰めるまで緩やかに回転する。ロータコア２０の回転力が未処理端部の静止摩擦力を上回ったとき、既に処理端部の凸部７０は凹部７１に着座しているため、凹凸部の側面への衝撃は緩和される。また、第３実施形態のロータ構造では、潤滑処理を施す摺動面が１面になるので、コストを低減できる。

また、潤滑処理を施すことによって形成される潤滑剤の膜厚に関して、各摺動面で膜厚を異ならしてもよい。例えば、図３に示す摺動面８２は広い面積で接触しており、フランジ３０ａからの荷重を受けるため摺動面の中心部分が最も面圧が高くなる。これに対して、摺動面８３は、フランジ３０ａからの荷重により摺動面の端が最も面圧が高くなるため、摺動面８２よりも摺動面８３の方が摩耗の進行が早くなる。そこで、摺動面８３に対してはより硬い潤滑剤を用いたり、膜を厚くしたりすることにより摩耗の進行を抑えることができる。このように各摺動面に適切な潤滑処理を設定することで、高寿命・高耐久なロータ１０を実現できる。

なお、ロータコア２０とシャフト３０の嵌め合いに中間嵌めを用いた場合は、ロータコア２０とシャフト３０との間に摺動面が形成される。この場合、図７に示すように、ロータコア２０とシャフト３０との摺動面に潤滑剤９４を塗布してもよい。これにより、ロータコア２０とシャフト３０との摺動面の静止摩擦力を低減できる。また、ロータコア２０とシャフト３０の嵌め合いに隙間嵌めを用いた場合においても、ロータコア２０とシャフト３０との隙間に潤滑処理を施してもよい。

なお、上述した潤滑処理は例えば、黒鉛やフッ素樹脂等を表面にコーティングしてなる固体潤滑処理を用いることができる。これにより、潤滑剤の循環機構が不要となるためロータ１０及び回転電機の構造を簡単にすることができる。また、固体潤滑処理を用いると、潤滑剤の劣化による交換や補充の必要がないためロータ１０の保守に係るコストを低減できる。

上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

１０ ロータ
２０ ロータコア
３０ シャフト
４０、４１、４２ リテーナ
８０、８１、８２、８３ 摺動面

Claims (8)

1. 中空形状のロータコアの内周面と、前記ロータコアの中空部に挿入されるシャフトの外周面とが凹凸により係合してロータを形成する回転電機のロータ構造において、
   前記ロータコアの一方の端部に当接する第１リテーナと、
   前記第１リテーナの前記ロータコアと当接する面と反対側の面に当接し、前記第１リテーナ及び前記ロータコアを前記シャフトへ固定する第２リテーナと、を備え、
   前記ロータに形成される複数の摺動面のうち、前記第１リテーナと前記第２リテーナとの間に形成される第１摺動面の静止摩擦係数がもっとも小さいことを特徴とする回転電機のロータ構造。
2. 前記第１摺動面は、前記ロータに形成される複数の摺動面のうち静止摩擦係数がもっとも小さくなるように潤滑処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータ構造。
3. 前記ロータコアの他方の端部に設けられる第３リテーナをさらに備え、
   前記シャフトに設けられるフランジと前記第３リテーナとの間に形成される第２摺動面に潤滑処理を施すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機のロータ構造。
4. 前記第１摺動面の静止摩擦係数と前記第２摺動面の静止摩擦係数とが同じであることを特徴とする請求項３に記載の回転電機のロータ構造。
5. 前記第１リテーナと前記ロータコアとの間に形成される第３摺動面と、前記第３リテーナと前記ロータコアとの間に形成される第４摺動面に潤滑処理を施すことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の回転電機のロータ構造。
6. 前記第４摺動面に前記潤滑処理を施すことによって形成される膜厚の厚さは、前記第２摺動面に前記潤滑処理を施すことによって形成される膜厚の厚さより薄いことを特徴とする請求項５に記載の回転電機のロータ構造。
7. 前記ロータコアと前記シャフトとの間に形成される第５摺動面に潤滑処理を施すことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機のロータ構造。
8. 前記潤滑処理は、固体潤滑処理であることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の回転電機のロータ構造。

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