JP6696447B2 - 回転電機のロータ - Google Patents

Description

本明細書は、ロータコアと、当該ロータコアに挿通されたロータシャフトと、を備えた回転電機のロータを開示する。

回転電機のロータの回転は、ロータシャフトを介して外部に伝達される。したがって、ロータの回転を、滑りなく、正確に伝達できるように、ロータコアは、ロータシャフトに、強固に固定される必要がある。こうしたロータコアのロータシャフトへの固定には、従来、焼き嵌めによる軸嵌め合いの力が利用されていた。すなわち、ロータコアの内径を、ロータシャフトの外径より締め代分、小径に設計しておく。そして、当該ロータコアを、加熱することで、その内径を膨張させたうえで、ロータシャフトに嵌め込む。その後、ロータコアを冷却すると、ロータコアの内径が収縮して、ロータシャフトを径方向に締め付ける。従来は、この締め付けの力（嵌め合いの力）で、ロータコアをロータシャフトに固着させていた。

ここで、十分な固定力を得るためには、締め代を大きく取る必要がある。しかし、締め代を大きくした場合、十分な固定力が得られる一方で、ロータコアがシャフトから過大な反力を受けることになり、当該ロータコアの座屈を招くおそれがある。

特許文献１には、ロータコアをロータシャフトに焼き嵌め固定する技術が開示されている。特許文献１では、ロータシャフトのロータコアと接触する部分のうち、軸方向中央の強度を、軸方向一端の強度よりも高くしている。かかる構成とすることで、軸方向端部においてロータコアが受ける反力と、軸方向中央においてロータコアが受ける反力の差を小さくでき、結果として、ロータコアの変形の発生が抑制される。

特開２０１４−０３６４７１号公報

しかし、特許文献１では、ロータシャフトの中央部のみを焼き入れ処理することで、当該中央部の強度を高くしている。こうした焼き入れの有無のみで、ロータシャフトの部分的な強度差を大きくすることは難しく、特許文献１の技術では、座屈を十分に抑制することは難しかった。また、特許文献１の技術では、ロータコアの組み付けに先だって、ロータシャフトを部分的に焼き入れる必要があり、製造工程が煩雑であった。

そこで、そこで、本明細書では、座屈を防止しつつ適切に保持されるように、ロータコアをロータシャフトに簡易に組み付けることができる回転電機のロータを開示する。

本明細書で開示するロータは、軸方向に貫通する軸孔が形成された略環状のロータコアと、前記ロータコアの前記軸孔に挿通され、前記ロータコアより軸方向長さが大きいロータシャフトと、を備え、前記軸孔の内周面には、径方向内側に突出するとともに、軸方向に延びるキー突起が１以上設けられており、前記ロータシャフトの外周面には、前記キー突起が嵌るキー溝であって、軸方向長さが前記ロータシャフトの軸方向長さより短い、非貫通のキー溝が１以上設けられており、前記ロータシャフトのうち、前記キー溝を挟んで軸方向一端側の外径よりも、軸方向他端側の外径のほうが、小さく、前記キー溝部分の外径は、当該キー溝の軸方向一端から軸方向他端にかけて一定であり、前記キー溝の深さは、軸方向他端側の深さが、軸方向一端側の深さより小さい、ことを特徴とする。

キー突起を非貫通のキー溝に嵌めることで、回転方向および軸方向の固定力が得られるため、軸嵌め合いの締め代を小さくでき、ロータコアの座屈を低減できる。また、キー溝を挟んで、軸方向一端側の外径よりも、他端側の外径のほうを小さくすることで、加熱膨張したロータコアに、ロータシャフトを一端側から挿入する作業が容易となる。結果として、座屈を防止しつつ適切に保持されるように、ロータコアをロータシャフトに簡易に組み付けることができる。

無負荷状態における前記ロータコアの軸方向長さは、前記キー溝の軸方向長さよりも大きくしてもよい。

かかる構成とすることで、ロータコアをロータシャフトに組み付けた際に、キー突起の軸方向へのガタツキが防止される。

また、前記キー溝の深さは、前記キー溝部分の外径が軸方向において一定となるように、前記軸方向一端側から前記軸方向他端側に近づくにつれて浅くなっていてもよい。

かかる構成とすることで、キー溝部分の外径が一定となるため、キー嵌合力を、軸方向で一定にすることができる。

また、前記ロータシャフトのうち、前記キー溝よりも軸方向他端側の外径は、加熱前のロータのキー突起部分の内径に、焼き嵌めのための加熱で生じる前記ロータの内径膨張量を加算した値以下であってもよい。

かかる構成とすることで、加熱時におけるロータのキー突起部分の内径が、軸方向他端側の外径よりも大きくなるため、ロータシャフトをロータコアに、容易に挿入できる。

本明細書で開示するロータによれば、座屈を防止しつつ適切に保持されるように、ロータコアをロータシャフトに簡易に組み付けることができる。

ロータの横断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 ロータ１０の分解断面図である。 締め代と固定力との関係を示すグラフである。 ロータコアの軸方向長さと軸方向圧縮力との関係を示すグラフである。 加熱した際のロータコアの膨張方向を示す図である。 従来のロータの横断面図である。 従来のロータの縦断面図である。

以下、図面を参照してロータ１０の構成について説明する。図１は、ロータ１０の横断面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。さらに、図３は、ロータ１０の分解断面図である。なお、図３では、ロータシャフト１４の寸法的特徴を誇張した図となっており、図１、図２とは、寸法比が異なっている。

ロータ１０は、永久磁石式回転電機に用いられるもので、回転中心Ｏを中心として回転するロータコア１２と、当該ロータコア１２に固着されたロータシャフト１４と、を備えている。ロータコア１２は、電磁鋼板（例えばケイ素鋼板）を積層した積層鋼板、または、絶縁被膜で覆われた磁性体の粉末を成形した圧粉磁心からなる。このロータコア１２の中心には、ロータシャフト１４が挿入される軸孔１６が形成されている。また、ロータコア１２には、周方向に間隔を開けて、軸方向に貫通する磁石孔２０が複数形成されている。

各磁石孔２０には、ロータ１０の磁極を構成する永久磁石１８が挿入され、固着されている。永久磁石１８は、外側に開いた略Ｖ字状に配された二つの永久磁石１８で一つの磁極を構成する。図１の例では、１６個の永久磁石１８で、四つの磁極（四つのＳ磁極とＮ磁極）が構成されている。

なお、磁石孔２０の長手方向長さは、永久磁石１８の長手方向長さより大きく、永久磁石１８の長手方向端部と、ロータコア１２との間には、若干の空隙２１が形成されている。通常、この空隙２１には、ロータコア１２を樹脂モールドするための樹脂が充填されている。

軸孔１６の内周面からは、径方向内側に突出するキー突起２２が複数設けられている。キー突起２２は、ロータコア１２をロータシャフト１４に固着するために、後述するキー溝２４に嵌め込まれる。キー突起２２は、断面略矩形であり、ロータコア１２の一端から他端まで軸方向に直線状に延びている。このキー突起２２の個数やサイズ、位置は、要求される固着力に応じて、適宜、変更されてよい。図示例では、キー突起２２は、９０度ずつ間隔を開けて、４つ設けられている。

ロータシャフト１４は、ロータコア１２の内側に固着される軸部材である。このロータシャフト１４は、クロムや炭素等を含んだ鋼材から成り、中空の円筒形（パイプ状）に形成されている。なお、ロータシャフト１４の軸方向長さは、ロータコア１２の軸方向長さよりも大きく、ロータシャフト１４の両端は、ロータコア１２の軸方向両端面から外側に突出している。

ロータシャフト１４の外周面のうちキー突起２２に対応する位置には、当該キー突起２２が嵌め込まれるキー溝２４が形成されている。図示例では、キー突起２２が四つ設けられているため、キー溝２４も四つ設けられている。このキー溝２４は、その軸方向長さが、ロータシャフト１４の軸方向長さよりも短い非貫通のキー溝である。

このようにキー溝２４を非貫通形状とする理由について、従来技術と比較して説明する。図７は、従来のロータ１０の分解図である。従来のロータ１０では、ロータコア１２をロータシャフト１４に焼き嵌めした際の軸嵌め合いの力で、ロータコア１２をロータシャフト１４に固定していた。すなわち、従来のロータ１０において、ロータコア１２の内径（軸孔１６の径）は、非加熱状態において、ロータシャフト１４の外径よりも締め代α分だけ、小さく設計されていた。ロータコア１２を、ロータシャフト１４に組み付ける際には、まず、ロータコア１２を加熱し、その内径を拡張させる。この状態で、ロータコア１２の軸孔１６にロータシャフト１４を挿入する。そして、ロータシャフト１４の挿入後、ロータコア１２を冷却することで、ロータコア１２の内径が収縮し、ロータコア１２が、ロータシャフト１４を径方向に締め付ける。従来のロータ１０では、この径方向の締め付け力により、ロータコア１２をロータシャフト１４に固定していた。

このロータコア１２の固定力は、締め代が大きいほど、大きくなる。図４は、締め代と固定力との関係を示すグラフで、横軸が締め代を、縦軸がロータコア１２の固定力を示している。図４に示す通り、締め代が大きいほど、ロータコア１２の固定力も増加する。

ここで、締め代が増加し、ロータコア１２の固定力が増加した場合、その分、ロータコア１２がロータシャフト１４から受ける反力も増加する。そして、この反力が、ロータコア１２の座屈限界を超えた場合、ロータコア１２は、図８に示すように、座屈して変形する。従来のロータ１０では、図４に示すように、所望の固定力Ｆαを得るための締め代αが、ロータコア１２の座屈が生じる締め代βを越えてしまうことが多かった。

そこで、本明細書で開示するロータ１０では、締め代を座屈が生じない値γにするとともに、不足する固定力をキー係合による固定力で補っている。すなわち、本明細書で開示するロータ１０では、図４に示すように、締め代を、座屈が生じる締め代βよりも小さい締め代γとしている。また、締め代γで得られる固定力Ｆγと、所望の固定力Ｆαとの差分は、キー係合による固定力Ｆｋで補っている。

すなわち、ロータコア１２のキー突起２２をロータシャフト１４のキー溝２４に嵌合させた場合、キー突起２２の周方向端面とキー溝２４の周方向の端面が係合し合うことで、周方向の固定力が得られる。さらに、既述した通り、本明細書において、キー溝２４は、軸方向に非貫通の溝となっている。この場合、キー溝２４の軸方向端面とキー突起２２の軸方向端面とが係合し合うことになり、軸方向の固定力も得られる。つまり、キー突起２２およびキー溝２４を設け、さらに、キー溝２４を非貫通形状とすることで、周方向および軸方向の固定力を得ることができ、締め代を小さくできる。結果として、ロータコア１２の座屈を防ぎつつ、ロータコア１２をロータシャフト１４に強固に固定できる。

ただし、キー溝２４を非貫通形状とした場合、当然ながら、ロータシャフト１４の軸方向端部には、キー溝２４（径方向内側への凹み）がないため、キー突起２２（径方向内側への突起）を有する軸孔１６にロータシャフト１４を挿し込むのが困難になる。そこで、本明細書で開示するロータ１０では、ロータコア１２の軸孔１６へのロータシャフト１４の挿し込みを容易にするために、ロータシャフト１４のうち、キー溝２４を挟んで、軸方向一端側の外径Ｄ１よりも、軸方向他端側の外径Ｄ２のほうを小さくしている。これについて、図３を参照して説明する。

図３に示す通り、ロータシャフト１４のうち、キー溝２４を挟んで軸方向一端側の外径をＤ１、軸方向他端側の外径をＤ２、キー溝２４の軸方向一端側の深さをｄ１、軸方向他端側の深さをｄ２とする。また、回転中心Ｏからキー溝２４までの距離の２倍（以下「キー溝２４部分の外径」という）をＤ３、回転中心Ｏからキー突起２２までの距離（以下「キー突起２２部分の内径」という）をＤ４とする。

本明細書で開示するロータ１０では、ロータシャフト１４の他端側外径Ｄ２を、軸方向一端側外径Ｄ１よりも小さくしている。一方で、キー溝２４部分の外径Ｄ３は、キー溝２４の軸方向一端から軸方向他端にかけて、一定となっている。その結果、キー溝２４の深さは、軸方向他端側の深さｄ２が、軸方向一端側の深さｄ１よりも小さくなっている。

こうした外径Ｄ２、溝深さｄ２の値は、ロータコア１２のキー突起２２部分の内径の熱膨張量ｔによって定まる。すなわち、ロータコア１２の加熱前の段階において、キー突起２２部分の内径Ｄ４は、式１の通りとなる。なお、ηは、キー突起２２とキー溝２４との径方向の嵌め合い公差である。
Ｄ４＝Ｄ３＋２×η 式１

このキー突起２２部分の内径Ｄ４は、焼き嵌めするためにロータコア１２を加熱すると、内径膨張量ｔだけ大きい値Ｄ５となる。式２は、膨張後の内径Ｄ５を表している。また、内径膨張量ｔは、式３で表される。なお、式３におけるＫは、ロータコア１２の線膨張係数を、Ｔｃは、ロータコア１２の加熱温度を、Ｔｓは、ロータシャフト１４の温度を示している。
Ｄ５＝Ｄ４＋ｔ＝Ｄ３＋２×η＋ｔ 式２
ｔ＝Ｄ４×Ｋ×（Ｔｃ−Ｔｓ） 式３

ロータコア１２を、ロータシャフト１４に挿し込むためには、ロータシャフト１４の他端側外径Ｄ２が、加熱した際の内径Ｄ５以下でなければならない。すなわち、Ｄ２≦Ｄ５でなければならない。ここで、他端側の外径Ｄ２は、キー溝２４部分の外径Ｄ３に、他端側のキー溝深さｄ２の２倍を加算した値、すなわち、Ｄ２＝Ｄ３＋２×ｄ２である。したがって、Ｄ２≦Ｄ５は、式４のように表すことができ、他端側のキー溝深さｄ２は、式５のようになる。
Ｄ３＋２×ｄ２＜Ｄ３＋２×η＋ｔ 式４
ｄ２＜（２×η＋ｔ）／２ 式５

また、キー溝２４部分の外径Ｄ３は、一端側の外径Ｄ１から一端側のキー溝深さｄ１の２倍を減算した値、すなわち、Ｄ３＝Ｄ１−２×ｄ１である。したがって、他端側の外径Ｄ２は、式６で表される。
Ｄ２＝Ｄ３＋２×ｄ２
Ｄ２＝Ｄ１−２（ｄ１−ｄ２） 式６

なお、軸方向一端側のキー溝２４の深さｄ１は、キー溝２４とキー突起２２の必要嵌合力で決まる。また、キー溝２４・キー突起２２の本数は、キー溝２４・キー突起２２、１本当たりの固定力と、ロータ１０全体で必要とされる固定力との関係によって定まる。

いずれにしても、キー溝２４の軸方向他端側の深さｄ２を式５に示す通り、ロータコア１２の熱膨張量ｔに応じて設定し、さらに、ロータシャフト１４の軸方向他端側の外径Ｄ２を、式６に示すように、軸方向一端側の外径Ｄ１よりも小さくすればよい。かかる構成とすることで、ロータシャフト１４を、加熱したロータコア１２の軸孔１６に容易に挿し込むことができ、ロータコア１２の焼き嵌め工程を、簡易化できる。

なお、ロータシャフト１４のうち、周方向位置が、キー溝２４とずれた箇所では、当該箇所における外径Ｄｓ（図１参照）が、軸方向一端側から他端側にかけて、Ｄ１からＤ２に徐々に変化するテーパ形状となっている。軸孔１６の内径をＤｃ（図１参照）とした場合、軸嵌め合いの締め代は、最大でＤ１−Ｄｃ、最小でＤ２−Ｄｃとなる。本明細書で開示するロータ１０では、この軸嵌め合いの締め代の最大値Ｄ１−Ｄｃを、座屈発生させる締め代β以下にしている。

なお、本明細書で開示するロータ１０では、ロータコア１２の軸方向のガタツキを防止するために、組み付け前（無荷重時）のロータコア１２の軸方向長さＬｃを、キー溝２４の軸方向長さＬｓよりも大きくしている（Ｌｃ＞Ｌｓ）。そして、組み付けの際には、ロータコア１２に、軸方向圧縮の力を付与して、軸方向長さＬｃを小さくして、キー突起２２をキー溝２４に嵌め込んでいる。

図５は、ロータコア１２に付与される軸方向圧縮力と、ロータコア１２の軸方向長さＬｃとの関係を示す値である。図５に示すように、ロータコア１２の軸方向長さＬｃは、無荷重時には、キー溝２４の軸方向長さＬｓよりも大きいが、軸方向圧縮の力の増加に伴い、徐々に減少する。そして、軸方向圧縮の力が、所定の値Ｆａ以上となれば、ロータコア１２の軸方向長さＬｃは、キー溝２４の軸方向長さＬｓ以下となることが分かる。

また、キー突起２２の周方向位置は、特に、限定されないが、周方向範囲が磁石孔２０と重複しない位置に設けることが望ましい。これは、当該位置において、軸孔１６の拡張が生じやすいためである。これについて図６を参照して説明する。

すなわち、既述した通り、また、図６に示す通り、磁石孔２０は、永久磁石１８よりも、長めに形成されており、永久磁石１８の長手方向端部とロータコア１２との間には、空隙２１が形成されている。この空隙２１には、永久磁石１８を樹脂モールドするための樹脂が充填される。焼き嵌めのために、ロータコア１２を加熱した場合、ロータコア１２は、その全周において、径方向外側に広がろうとする。また、同時に、空隙に充填された樹脂も、熱張により外側に広がろうとする。結果として、磁石孔２０周辺では、径方向外側に広がる力と、径方向内側に広がる力が同時にかかり、周方向範囲が磁石孔２０と重複する範囲では、軸孔１６の拡張量が小さくなる。これは、別の見方をすれば、周方向範囲が、磁石孔２０と重複しない範囲は、重複する範囲に比べて、軸孔１６の熱膨張量が大きくなる。かかる熱膨張量が大きい範囲にキー突起２２を設けることで、加熱した際の当該キー突起２２部分の内径Ｄ５を大きくしやすく、ひいては、ロータコア１２のロータシャフト１４への挿入を簡易化できる。

以上の説明から明らかな通り、本明細書で開示するロータ１０では、ロータコア１２にキー突起２２を、ロータシャフト１４に非貫通のキー溝２４を設けている。かかる構成とすることで、軸嵌め合いの締め代を、ロータコア１２の座屈が発生する締め代βより小さくしても、十分な固定力が得られる。また、本明細書で開示するロータ１０では、ロータシャフト１４のうち、キー溝２４よりも他端側の外径Ｄ２を、キー溝２４よりも一端側の外径Ｄ１よりも小さくしている。そのため、焼き嵌めに際して、ロータコア１２へのロータシャフトの挿入作業が容易になる。

なお、これまで説明した構成は、一例であり、ロータシャフト１４に、非貫通のキー溝２４を設け、当該キー溝２４より他端側の外径Ｄ２を、一端側の外径Ｄ１より小さくするのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、キー突起２２、キー溝２４の個数や形状は、適宜変更されてもよく、例えば、キー突起２２、キー溝２４を断面略台形としてもよい。

１０ ロータ、１２ ロータコア、１４ ロータシャフト、１６ 軸孔、１８ 永久磁石、２０ 磁石孔、２１ 空隙、２２ キー突起、２４ キー溝。

Claims (1)

1. 軸方向に貫通する軸孔が形成された略環状のロータコアと、
   前記ロータコアの前記軸孔に挿通され、前記ロータコアより軸方向長さが大きいロータシャフトと、
   を備え、
   前記軸孔の内周面には、径方向内側に突出するとともに、軸方向に延びるキー突起が１以上設けられており、
   前記ロータシャフトの外周面には、前記キー突起が嵌るキー溝であって、軸方向長さが前記ロータシャフトの軸方向長さより短い、非貫通のキー溝が１以上設けられており、
   前記ロータシャフトのうち、前記キー溝を挟んで軸方向一端側の外径よりも、軸方向他端側の外径のほうが、小さく、
   前記キー溝部分の外径は、当該キー溝の軸方向一端から軸方向他端にかけて一定であり、
   前記キー溝の深さは、軸方向他端側の深さが、軸方向一端側の深さより小さい、
   ことを特徴とする回転電機のロータ。

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