JP6419111B2 - ロータ、回転電機及びロータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロータ、回転電機及びロータの製造方法に関する。

従来から、ステータ及びロータを備えた回転電機が知られている。回転電機のロータには永久磁石が保持されている。ステータに設けられたコイルに通電して磁界を発生させることにより、ロータに回転力が生じる。

特許文献１には、複数枚の板状体を順次積層して一体化した積層部の両面に端板部を配置する構造において、端板部の内周側の位置に位置決め用突起部を形成し、積層部には位置決め用突起部と係合する係合部を形成し、端板部の位置決め用突起部を積層部の係合部に係合させて仮固定する技術が記載されている。

特開２００９−２０１３０６号公報

ロータの外周面に永久磁石を保持させた場合には、永久磁石が遠心力によりロータから外れるおそれがある。そこで、ロータの内部に設けた収容孔内に永久磁石を収容する手法がある。収容孔からの永久磁石の飛び出しを防止するため、収容孔の開口を塞ぐ端面板が用いられる。しかし、端面板をロータに固定する構造が複雑である場合、部品点数や工数が増えること、ロータの重量が増加して回転効率が低下すること、固定構造が磁気回路に影響して駆動力が低下すること、等の問題がある。

そこで本発明は、回転効率を向上することが可能なロータ、回転電機及びロータの製造方法を提供する。

第１発明のロータ（例えば、実施形態のロータ２２）は、端面（例えば、実施形態の端面６１ａ，６１ｂ）にて開口するとともに軸方向に沿った収容孔（例えば、実施形態の収容孔６２）が形成されたヨーク（例えば、実施形態のヨーク６１）と、前記ヨークの中心に同軸状に固定されたシャフト（例えば、実施形態のシャフト２４）と、前記ヨークの前記収容孔内に収容された永久磁石（例えば、実施形態の永久磁石６３）と、前記収容孔内に前記永久磁石を留め、前記ヨークの前記端面に接合された端面板（例えば、実施形態の端面板７０，７１，７２）と、を備え、前記端面板は、前記軸方向内側の端面（例えば、実施形態の軸方向内側の端面７０ａ）の外径が前記軸方向外側の端面（例えば、実施形態の軸方向外側の端面７０ｂ）よりも径方向に小さくなる外周部と、前記ヨークの前記端面との間で、前記ヨークの前記端面側に片寄って形成された溶接部（例えば、実施形態の溶接部７５）により、前記ヨークの前記端面に接合されることを特徴とする。

第２発明のロータは、前記ヨークの中心に軸方向に沿って挿入孔（例えば、実施形態の挿入孔６４）が形成され、前記シャフトが前記挿入孔に対して締まり嵌めにより固定されていることを特徴とする。

第３発明の回転電機（例えば、実施形態のモータ２３）は、前記ロータを備えることを特徴とする。

第４発明のロータの製造方法は、斜面（例えば、実施形態の斜面７３）を外周部に有する端面板を準備する工程と、端面にて開口するとともに軸方向に沿った収容孔が形成されたヨークを準備する工程と、前記端面板の前記斜面を前記ヨークの前記端面に対向させ、前記斜面において前記端面板を溶接により前記ヨークの前記端面に接合し、前記収容孔内に永久磁石を留める工程と、前記端面板が接合された前記ヨークをシャフトに対して同軸状に固定する工程と、を備えることを特徴とする。

第５発明のロータの製造方法は、前記ヨークを前記シャフトに対して同軸状に固定する工程において、前記ヨークの中心に形成された貫通孔に前記シャフトを圧入することを特徴とする。

第６発明のロータの製造方法は、前記溶接がレーザ溶接であることを特徴とする。

第１発明によれば、端面板をヨークに接合する溶接部がヨークの端面側に片寄って形成されているので、端面板をヨークに接合する構造が小型で軽量であり、空気抵抗（風損）が抑制される。これにより、ロータの回転効率を向上することができる。また、端面板の厚さ方向全体に溶接部が形成される場合と比べて、端面板に生じる応力を低減することができ、端面板とヨークとが異種材料であってもクラックを抑制することができる。

第２発明によれば、ヨークがシャフトに締まり嵌めにより結合されているので、ヨークをシャフトに固定する構造が小型で軽量であり、ロータの回転効率を向上することができる。

第３発明によれば、前記ロータを備えるので、ロータの回転効率に優れる回転電機を提供することができる。

第４発明によれば、ヨークの端面に接するように端面板の外周部に斜面を設けて溶接するので、ヨークの端面側に片寄った溶接部を形成しやすい。これにより、端面板をヨークに接合する構造を小型かつ軽量にし、また、空気抵抗（風損）を抑制して、ロータの回転効率を向上することができる。また、端面板の外周部がロータの端面に垂直である場合と比べて、溶接後に端面板に生じる応力を低減することができ、端面板とヨークとが異種材料であってもクラックを抑制することができる。

第５発明によれば、ヨークがシャフトに圧入により固定されているので、ヨークをシャフトに固定する構造が小型で軽量であり、ロータの回転効率を向上することができる。

第６発明によれば、高いエネルギー密度で溶接箇所を加熱することができるので、歪みの発生を抑制し、溶接部を小さくすることができる。

ロータの概略構成断面図である。 実施形態に係るロータの説明図であって、端面板の溶接部における（Ａ）溶接前、及び（Ｂ）溶接後の拡大断面図である。 対比例に係るロータの説明図であって、端面板の溶接部における（Ａ）溶接前、及び（Ｂ）溶接後の拡大断面図である。 実施形態に係るロータの説明図であって、端面板の外周部における（Ａ）及び（Ｂ）拡大断面図である。 モータの概略構成断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明では、シャフトの軸方向を単に「軸方向」といい、シャフト回りの周方向を単に「周方向」といい、軸方向に直交する方向を「径方向」という。

図１は、ロータの概略構成断面図である。図１に示すようにロータ２２は、モータにおいて回転可能に支持可能なシャフト２４と、シャフト２４の周囲に固定されたヨーク６１と、を備えている。

シャフト２４は、ステンレスや鉄等により形成された中空の円筒状の部材であり、鍛造や鋳造、機械加工等により形成される。シャフト２４の内部は空洞となっており、モータ内部冷却用の冷媒が通る冷媒流路２９となっている。シャフト２４の外周面には、冷媒流路２９と連通する吐出孔（不図示）が形成されている。冷媒流路２９を通った冷媒は、ロータ２２が回転することにより発生する遠心力によって、吐出孔から吐出される。

また、ヨーク６１が固定される箇所に対して、シャフト２４の軸方向一端部２４ａ側の外周面には、拡径部２８が形成されている。シャフト２４の軸方向他端部２４ｂ側を向く拡径部２８の段差面２８ａは、軸方向に直交するように形成されている。ヨーク６１は、中心にシャフト２４が挿入される挿入孔６４を有する。挿入孔６４はヨーク６１を軸方向に貫通し、挿入孔６４の内径は、シャフト２４のヨーク６１が固定される部分の外径より小さい。

ヨーク６１の挿入孔６４にシャフト２４を軸方向他端部２４ｂ側から圧入することにより、ヨーク６１とシャフト２４とが締まり嵌めにより同軸状に固定されている。段差面２８ａがヨーク６１の軸方向一方側（詳しくは後述する第１端面板７１）に当接することにより、シャフト２４の軸方向においてヨーク６１を位置決めすることができる。

ヨーク６１は、軸方向に沿って複数枚積層された磁性板材６０から構成されている。ヨーク６１は、軸方向一方側には第１端面６１ａを有し、軸方向他方側には第２端面６１ｂを有する。磁性板材６０としては、例えば、珪素鋼板等の電磁鋼板が挙げられる。磁性板材６０の積層体における層間を電気的に絶縁するため、磁性板材６０の表面に絶縁皮膜が設けられていてもよい。

ヨーク６１の内部には、永久磁石を収容する収容孔（図示せず）が形成されている。収容孔は、ヨーク６１を軸方向に沿って貫通し、第１端面６１ａ及び第２端面６１ｂにて開口している。収容孔内の永久磁石は、その両端がヨーク６１の端面６１ａ，６１ｂと面一となるように配置されている。永久磁石の材質としては、例えばネオジム磁石等の希土類磁石が挙げられる。

ヨーク６１の各端面６１ａ，６１ｂ（軸方向外側の端部）には、永久磁石を収容孔内に留めるための第１端面板７１及び第２端面板７２が配置されている。第１端面板７１は、ヨーク６１の第１端面６１ａに対向して配置されている。また、第２端面板７２は、ヨーク６１の第２端面６１ｂに対向して配置されている。

各端面板７１，７２の中心部（径方向内側の端部）には、シャフト２４が挿入可能な挿入孔７１ａ，７２ａが形成されている。挿入孔７１ａ，７２ａの内径は、シャフト２４が挿入孔７１ａ，７２ａに圧入される程度でもよく、挿入孔７１ａ，７２ａとシャフト２４との間に隙間が生じる程度でもよい。シャフト２４は、ヨーク６１の挿入孔６４に圧入される際、同時に端面板７１，７２の挿入孔７１ａ，７２ａに圧入されてもよい。

なお、本実施形態では第１端面板７１と第２端面板７２とは、略同一に形成されているので、以下、第１端面板７１及び第２端面板７２に共通する説明では、両者をまとめて端面板７０と称する。

端面板７０は、ヨーク６１との溶接が可能な金属材料により、例えば円板状、多角形状等の回転対称形状に形成されている。端面板７０の外径は、例えばヨーク６１の外径と同程度であるが、端面板７０の外周部が収容孔よりも径方向外側に位置する等、端面板７０が収容孔の開口を覆って永久磁石を収容孔に留めることができればよい。

端面板７０を構成する金属材料としては、例えばＳＵＳ、アルミニウム、銅等の非磁性体が挙げられる。端面板７０が非磁性であると、軸方向において永久磁石が存在しない端面板７０を通る磁束が減少し、ヨーク６１内の永久磁石に磁束を集中させやすいので好ましい。端面板７０とヨーク６１とが同種の金属から構成されると、溶接強度が高く、熱膨張係数の差を小さくすることができる。

本実施形態において端面板７０の外周部（径方向外側の端部）は、溶接によりヨーク６１に接合されている。これにより、シャフト２４から離れた箇所において端面板７０をヨーク６１に一体化することができるので、ヨーク６１をシャフト２４に固定する前に、ヨーク６１に端面板７０が接合され、永久磁石が端面板７０により留められた状態とすることができる。特に、第２端面板７２がヨーク６１に接合されているので、シャフト２４に圧入される固定部材（例えばカラー）を第２端面板７２の軸方向外側に設ける必要がなく、部品点数を削減することができる。
また、圧入のみにより端面板７０をシャフト２４に固定する場合との比較では、溶接により端面板７０をヨーク６１に固定すると、端面板７０とシャフト２４との接触面積を確保する必要がなく、端面板７０の肉厚を低減して軽量化が可能である。端面板７０の軽量化により、ロータ２２の重量及び慣性モーメントを減少させ、ロータ２２の回転効率を向上することができる。

シャフト２４をヨーク６１の挿入孔６４に圧入する方法としては、シャフト２４の外周面及び挿入孔６４の内周面の公差を調整して締め代を設け、強い圧力を均等に加える等してシャフト２４及び挿入孔６４の表面を弾性変形させる方法が挙げられる。また、シャフト２４が冷却により熱収縮した状態で挿入孔６４に挿入する方法もある。挿入時の摩擦を低減するため、潤滑油を用いることもできる。

端面板７０がヨーク６１に溶接された状態でヨーク６１の挿入孔６４にシャフト２４を圧入する際、端面板７０の内径がシャフト２４の外径より大きい（間に隙間が生じる）場合には、端面板７０の内径をヨーク６１の内径に合わせる必要がないため、生産性の観点から好ましい。

次に、端面板７０の外周部とヨーク６１の端面とが近接する箇所の形状について、図１のＡ部に相当する箇所の拡大図である図２〜図４を参照して説明する。なお、図１では軸方向が図の左右方向、径方向が図の上下方向であるが、図２〜図４の各図では軸方向が図の上下方向、径方向が図の左右方向である。また、図２〜図４において、図の上側は軸方向外側、図の下側は軸方向内側、図の右側は径方向外側、図の左側は径方向内側である。

端面板７０においては、ヨーク６１に対向する側が軸方向内側であり、シャフト２４（図１参照）に対向する側が径方向内側である。図２では、図１の端面板７１，７２の符号を区別せずに端面板７０とするのと同様に、図１のヨーク６１の端面６１ａ，６１ｂの符号を区別せずに端面６１ｃとする。

図２に、本実施形態のロータにおける端面板７０とヨーク６１との溶接部位の一例を示す。図２（Ａ）に示すように、溶接前においては、端面板７０の外周部に斜面７３を形成し、この斜面７３がヨーク６１の端面６１ｃに対向するように端面板７０をヨーク６１と対向させる。斜面７３の傾斜方向は、端面板７０の軸方向内側の端面７０ａの外径が、端面板７０の軸方向外側の端面７０ｂよりも径方向に小さくなる方向である。

この場合、斜面７３とヨーク６１の端面６１ｃとの間で溶接される範囲の断面形状７４の幅（径方向の幅）が、ヨーク６１の端面６１ｃから離れるほど（軸方向外側ほど）狭くなる。このため、軸方向内側の溶接幅を広く確保して、端面板７０とヨーク６１との接合に寄与させることができ、さらに軸方向外側の溶接幅を狭くして、全体の溶接量を小さくすることができる。このため、溶接により端面板７０に生じる歪みが抑制され、溶接後の端面板７０に残留する応力が小さくなり、クラックが発生しにくくなる。

そして、斜面７３において端面板７０をヨーク６１の端面６１ｃに溶接すると、図２（Ｂ）に示すように、端面板７０とヨーク６１との間に形成されて端面６１ｃに接する溶接部７５が、ヨーク６１の端面６１ｃ側に片寄って形成されやすい。溶接部７５が軸方向内側に片寄ることにより、溶接部７５が端面板７０の軸方向外側及び径方向外側に突出しにくくなり、ロータ２２が回転するときの空気抵抗による損失（風損）を低減することができる。

溶接部７５は、端面板７０の軸方向外側に突出し得るものの、端面板７０の軸方向外側の端面７０ｂと面一であるか、または、端面板７０の軸方向外側の端面７０ｂよりも軸方向内側に収まることが好ましい。
溶接部７５は、端面板７０の径方向外側に突出し得るものの、端面板７０の径方向外側の端部７０ｃと面一であるか、または、端面板７０の径方向外側の端部７０ｃよりも径方向内側に収まってもよい。
なお、ここで溶接後の端面板７０を溶接部７５と対比する場合には、溶接前の端面板７０の一部が溶融等により溶接部７５の少なくとも一部に移行したか否かにかかわらず、溶接後の端面板７０は、溶接部７５を含まない部分をいう。

図３に、対比例として、端面板７０の外周部が軸方向に直交する垂直面７６である場合を例示する。図３（Ａ）に示すように、垂直面７６をヨーク６１の端面６１ｃに溶接する場合には、垂直面７６とヨーク６１の端面６１ｃとの間で溶接される範囲の断面形状７７は、略矩形状（長方形又は正方形）となる。この場合、軸方向内側の溶接幅を広くすれば、軸方向外側の溶接幅も広くなるので、全体の溶接量が大きくなる。このため、溶接により端面板７０に生じる歪みが大きくなる結果、溶接後の端面板７０に残留する応力も大きくなり、クラックが発生しやすくなる。

そして、垂直面７６において端面板７０をヨーク６１の端面６１ｃに溶接すると、図３（Ｂ）に示すように、端面板７０とヨーク６１との間に形成される溶接部７８が端面板７０の厚さ全体に形成され、溶接部７８が軸方向外側又は径方向外側に突出しやすくなる。このため、ロータ２２が回転するときの風損が相対的に大きくなりやすい。また、溶接の熱の影響が大きいと、ヨーク６１を構成する磁性板材６０が歪みにより、反ったり剥離したりするおそれがある。

本実施形態において、端面板７０の外周部とヨーク６１の端面６１ｃとの間を溶接する際には、溶接部位に溶加材（フィラーメタル）を使用してもよく、圧接等により溶加材を使用しない溶接も可能である。溶接対象物である端面板７０及びヨーク６１の溶融部及び熱影響部を縮小し、溶接対象物の歪みを抑制する観点からは、溶接棒等の溶加材を溶接部位に付加することが好ましい。

溶接方法としては、例えば溶接対象物の一部を溶融させる融接、溶接対象物の溶融を抑制した鑞接などが挙げられる。局所的にエネルギーを集中させて溶接部が小さい接合が可能であることから、レーザ溶接、電子ビーム溶接等が好ましい。

溶接棒を用いたレーザ溶接の場合は、図２（Ａ）に示すように、端面板７０の外周部に斜面７３を設けることにより、斜面７３に沿って溶接棒及びレーザビームを奥まで挿入しやすい利点がある。斜面７３の傾斜角度は特に限定されないが、軸方向に対して４５°程度、例えば３０〜６０°程度が挙げられる。軸方向における斜面７３の形成範囲は、端面板７０の厚さの全部又は一部でよいが、例えば端面板７０の厚さの５０％〜１００％程度の範囲に斜面７３が形成されてもよい。斜面７３が単一の傾斜角度を有する平面又は円錐面でもよい。また、斜面７３が、連続的に傾斜角度が変化する曲面、又は段階的に２以上の傾斜角度を有する斜面を含んでもよい。

また、周方向における溶接範囲としては、端面板７０の外周部を全周にわたりヨーク６１の端面に溶接することも可能である。溶接対象物の歪みを抑制する観点からは、溶接部位を周方向の一部にすることが好ましい。例えば、溶接部位に４５°の面取りを施して斜面７３を形成することもできる。永久磁石６３の熱減磁（加熱による磁力の低下）を抑制する観点からは、永久磁石６３から離れた箇所を溶接し、永久磁石６３に近接する箇所に溶接の熱を加えないようにすることが好ましい。

図４に、端面板７０がヨーク６１に対して溶接されていない部位（非溶接部位）の断面構造の例を示す。上述したように、ヨーク６１の内部には永久磁石６３が配置されている。永久磁石６３を収容する収容孔６２が、ヨーク６１の周方向に沿って所定の位置（例えば等間隔）に複数配置されている場合、周方向において永久磁石６３が配置された箇所の近傍は非溶接部位とし、周方向において永久磁石６３が配置された箇所の中間に溶接部位を設けることができる。

非溶接部位における端面板７０の外周部の形状は特に限定されず、溶接部位における端面板７０の外周部と同一形状でも異なる形状でもよい。例えば、図４（Ａ）には、非溶接部位において端面板７０の外周部に斜面７３が形成されている例を示す。また、図４（Ｂ）には、非溶接部位において端面板７０の外周部に垂直面７６が形成されている例を示す。

次に、実施形態のモータユニット１０について説明する。
図５は、モータユニットの概略構成断面図である。図５に示すように、モータユニット１０は、モータ室３６内にモータ２３を収容するモータハウジング１１と、ミッション室３７内にシャフト２４からの動力伝達部（不図示）を収容するミッションハウジング１２と、センサ室３８内に回転センサ２５を収容するセンサハウジング１３と、を備えている。図示例のモータ２３は、インナーロータ型のＩＰＭモータ（埋込磁石同期モータ）である。このモータ２３は、上記実施形態のロータ２２と、このロータ２２の径方向外側に所定間隔を空けて配置された筒状のステータ２１と、を備えている。

ステータ２１は、磁性板材４４が軸方向に積層された構成のステータコア４２と、ステータコア４２に巻回されたコイル４３と、を備えている。ステータコア４２を構成する磁性板材４４としては、例えば、珪素鋼板等の電磁鋼板が挙げられる。ステータコア４２は、円環状のヨーク部と、周方向に沿った所定の間隔で径方向の内側に突出し、コイル４３が巻回されるティース部と、を備えている。

ステータ２１の周囲には、モータ２３を冷却するためのウォータジャケット３４が設けられている。また、ウォータジャケット３４よりも外周側には、モータハウジング１１の壁部３１、ミッションハウジング１２の壁部３２、及びセンサハウジング１３の壁部３３に互いに連通するブリーザ通路３５が形成されている。モータユニット１０内の高圧・高温の空気は、ブリーザ通路３５を経てブリーザ配管３９から排出可能である。

シャフト２４の一端部はミッション室３７内に配置され、シャフト２４の他端部はセンサ室３８内に配置されている。ミッションハウジング１２は、共用ハウジング１２Ａとギアハウジング１２Ｂとにより構成されている。共用ハウジング１２Ａは、モータ室３６とミッション室３７との仕切り壁４１を含む。仕切り壁４１の径方向中央部に形成された貫通孔４０には、シャフト２４を回転自在に支持するベアリング２６が挿入されている。同様に、モータ室３６とセンサ室３８との境界部には、シャフト２４を回転自在に支持するベアリング２７が設けられている。

本実施形態のモータ（回転電機）は、例えば車両の駆動用モータに利用することができる。また、当該回転電機は、車両駆動及び回生発電に利用することができる。駆動用モータは、減速機構等を介して動力伝達部を車軸等の駆動軸に連結して使用される。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。

例えば、上記実施形態においては、第１端面板７１及び第２端面板７２の両方がヨーク６１に溶接されているが、第２端面板７２のみがヨーク６１に溶接されていてもよい。このとき、第１端面板７１は、シャフト２４への圧入により固定されてもよい。また、第１端面板７１が拡径部２８とヨーク６１との間の挟み込みにより固定されてもよい。
ヨーク６１に第２端面板７２を溶接により固定する時期は、ヨーク６１の挿入孔６４にシャフト２４を固定した後とすることも可能である。

上記実施形態においては、端面板７１，７２の径方向内側をシャフト２４に対する挿入孔７１ａ，７２ａとしたが、端面板７１，７２の径方向内側の内周部を、端面板７１，７２の径方向外側の外周部と同様に、溶接によりヨーク６１の端面に接合してもよい。
例えば端面板の内周部及び外周部にそれぞれ斜面を設けて、端面板の各斜面をヨークの端面に対向させ、これらの斜面において端面板を溶接によりヨークの端面に接合することができる。また、ヨークの端面側に片寄って形成された溶接部を端面板の内周部及び外周部にそれぞれ形成することで、端面板がヨークの端面に接合されたロータを構成することができる。この場合、端面板の内周部及び外周部の斜面又は溶接部は、端面板の軸方向で同じ側に向けて形成される。また、端面板の内周部側の溶接部がシャフトの外周面と干渉しないように、端面板の内径をシャフトの外径より十分大きくすることが好ましい。

２１…ステータ、２２…ロータ、２３…モータ（回転電機）、２４…シャフト、６１…ヨーク、６１ａ，６１ｂ…端面、６２…収容孔、６３…永久磁石、６４…挿入孔、７０…端面板、７１…第１端面板、７２…第２端面板、７３…斜面、７５，７８…溶接部。

Claims (6)

1. 端面にて開口するとともに軸方向に沿った収容孔が形成されたヨークと、
   前記ヨークの中心に同軸状に固定されたシャフトと、
   前記ヨークの前記収容孔内に収容された永久磁石と、
   前記収容孔内に前記永久磁石を留め、前記ヨークの前記端面に接合された端面板と、
   を備え、
   前記端面板は、前記軸方向内側の端面の外径が前記軸方向外側の端面よりも径方向に小さくなる外周部と、前記ヨークの前記端面との間で、前記ヨークの前記端面側に片寄って形成された溶接部により、前記ヨークの前記端面に接合されることを特徴とするロータ。
2. 前記ヨークの中心に前記軸方向に沿って挿入孔が形成され、前記シャフトが前記挿入孔に対して締まり嵌めにより固定されていることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 請求項１又は２に記載のロータを備えることを特徴とする回転電機。
4. 斜面を外周部に有する端面板を準備する工程と、
   端面にて開口するとともに軸方向に沿った収容孔が形成されたヨークを準備する工程と、
   前記端面板の前記斜面を前記ヨークの前記端面に対向させ、前記斜面において前記端面板を溶接により前記ヨークの前記端面に接合し、前記収容孔内に永久磁石を留める工程と、
   前記端面板が接合された前記ヨークをシャフトに対して同軸状に固定する工程と、
   を備えることを特徴とするロータの製造方法。
5. 前記ヨークを前記シャフトに対して同軸状に固定する工程において、前記ヨークの中心に形成された貫通孔に前記シャフトを圧入することを特徴とする請求項４に記載のロータの製造方法。
6. 前記溶接がレーザ溶接であることを特徴とする請求項４又は５に記載のロータの製造方法。

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