JP6696455B2

JP6696455B2 - 回転電機ロータ

Info

Publication number: JP6696455B2
Application number: JP2017025848A
Authority: JP
Inventors: 金重　慶一; 慶一金重
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2017-02-15
Publication date: 2020-05-20
Anticipated expiration: 2037-02-15
Also published as: JP2018133906A

Description

本開示は、回転電機ロータに係り、特に、磁性体薄板の積層体であるロータコアとロータシャフトとが溶接によって固定された回転電機ロータに関する。

磁性体薄板の積層体をロータコアとして用いる回転電機ロータにおいて、積層体とロータシャフトとを固定することが必要である。固定方法としては、圧入固定法、キー溝とキーの組合せ、ロータシャフトにカシメられた２つのエンドプレートで積層体を挟み込む方法等の他に、積層体とロータシャフトとを溶接で固定化する方法がある。

特許文献１には、電磁鋼板の積層体であるロータコアに磁石孔よりも内径側に、ロータシャフトとブリッジを介して設けられる溶接用貫通穴を設け、そこから電子ビームを照射して、ロータシャフトとロータコアの電磁鋼板とを溶接する方法が開示されている。

また、特許文献２には、ロータシャフトに連結部によって接続された円筒形のコアパックの中に内径側で相互に固定された磁性体薄板の積層体を収容する構成が述べられている。ここでは、コアパックの円筒形の部分に軸方向に沿って延びる貫通長穴を設け、そこからレーザ点溶接法で、コアパックの貫通長穴の穴側壁とロータコアの電磁鋼板の外周端とを点溶接する方法が開示されている。

特許第５１２６４１４号明細書特開２００２−１３６０６７号公報

溶接法を用いると、例えば、積層体とロータシャフトとの間をスキマ嵌めで挿入することが可能になる。しかし、磁性体薄板に溶接用のための貫通穴を設けると、貫通穴の形状等でロータコアにおける磁束の流れが変わり、回転電機の出力が低下する恐れがある。また、複数の磁性体薄板の内で、ロータシャフトに溶接されたものと溶接されないものとがあると、その境界で応力集中が生じる恐れがあり、ロータの組立信頼性が低下する恐れがある。そこで、溶接法を用いながら、ロータコアにおける磁束の流れを変えずに、組立信頼性の高い回転電機ロータが要望される。

本開示に係る回転電機ロータは、中心穴を有する複数の磁性体薄板で構成されるロータコアと、軸方向に延びる中空貫通穴を有する環状軸であって、環状の中空貫通穴側と外周面との間に軸方向に延びる少なくとも１つの長穴スリットを有し、ロータコアの中心穴に挿入された状態で配置されたロータシャフトと、ロータシャフトの長穴スリットの穴の外周側内壁面とロータコアの磁性体薄板の中心穴側内壁面とが対向する箇所において、磁性体薄板の積層体の軸方向に沿った全長に渡って延び、溶接によって生じた状態の溶接痕を含む接合部と、を備える。

上記構成によれば、ロータシャフトの環状の中空貫通穴側と外周面との間に長穴スリットを有し、この長穴スリットの穴の外周側内壁面とロータコアの磁性体薄板の中心穴側内壁面とが対向する箇所に、溶接によって生じた状態の溶接痕を含む接合部を有する。すなわち、磁性体薄板側には溶接用の穴等が設けられず、ロータコアにおける磁束の流れが変わらない。また、接合部は、磁性体薄板の積層体の軸方向に沿った全長に渡って延びるので、ロータコアとロータシャフトとが確実に固定され、ロータの組立信頼性が向上する。

上記構成の回転電機ロータによれば、溶接法を用いながら、ロータコアにおける磁束の流れを変えずに、組立信頼性を高くできる。

実施の形態に係る回転電機ロータの斜視図である。図１において、ロータの中心軸を通り軸方向に平行な面で切断したときの断面図である。図３（ａ）は、図２の正面図であり、（ｂ）は上面図である。回転電機ロータの製造方法の手順において、組立前のロータコアを示す斜視図である。回転電機ロータの製造方法の手順において、組立前のロータシャフトを示す斜視図である。図４のロータコアに図６のロータシャフトを挿入する手順を示す図である。図６に引き続き、ロータシャフトの中空穴に溶接治具を挿入して溶接を行う手順を示す図である。図６の状態において、ロータシャフトと磁性体薄板との間の状態を示す図である。図７の溶接処理の後の状態において、ロータシャフトと磁性体薄板との間の状態を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下に述べる寸法、形状、材質、ロータの磁極数、ロータシャフトに設けられる長穴スリットの数等は、説明のための例示であって、回転電機ロータの仕様等により、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機ロータ１０の構成を示す斜視図である。以下では、回転電機ロータ１０を特に断らない限り、ロータ１０と呼ぶ。ロータ１０が用いられる回転電機は、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型回転電機である。回転電機は、図１に示されるロータ１０と、ロータ１０の外周側に所定の隙間を隔てて配置されて巻線コイルが巻回される円環状のステータとで構成される。図１ではステータの図示を省略した。

ロータ１０は、ロータコア１２とロータシャフト２０とを備える。図１に、軸方向と径方向と周方向とを示す。軸方向は、ロータ１０の中心軸ＣＬに沿った方向である。径方向は、軸方向に垂直な面内で中心軸ＣＬを通る放射状の方向である。周方向は、中心軸ＣＬを中心として円周方向に沿った方向である。

ロータコア１２は、ロータシャフト２０を通す中心穴１４（図４参照）を有する複数の磁性体薄板１６を積層して構成される。積層高さは、ロータコア１２の軸方向に沿った寸法Ｌ_Cである。磁性体薄板１６には、外周側の周方向に沿って、永久磁石１８が挿入される複数の磁石孔が設けられる。かかる磁性体薄板１６としては、電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板１６は、ロータシャフト２０を通す中心穴１４と、複数の磁石孔とを含んで、磁性体の薄板シートを打ち抜き加工等で所定の形状に成形したものが用いられる。

永久磁石１８は、磁石孔の位置が同じになるように複数の磁性体薄板１６が積層されたときに、軸方向に貫通した状態となる各磁石孔にそれぞれ配置されてロータ１０の磁極を形成する。図１の例では、８つの永久磁石１８が周方向に沿ってロータコア１２の外周側に配置される。図１に示すように、周方向に沿って隣接する永久磁石１８の外周側を向く磁極の極性は互いに逆方向とされる。これによって、図１の例では、８つの永久磁石１８によって８つの磁極が形成される。磁極数＝８は、説明のための例示であって、回転電機やロータ１０の仕様に応じて変更が可能である。また、１つの磁極を構成する永久磁石１８の数＝１としたが、これも説明のための例示であって、回転電機やロータ１０の仕様に応じて変更が可能である。例えば、互いに略Ｖ字形に配置された２つの永久磁石で１つの磁極を構成してもよい。

かかる永久磁石１８としては、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石が用いられる。これ以外にフェライト磁石等を用いてもよい。

ロータシャフト２０は、軸方向に延びる中空貫通穴２２を有する環状軸であって、環状の中空貫通穴２２側と外周面との間に軸方向に延びる４つの長穴スリット２４（なお、図８参照）とを有する。ロータコア１２の中心穴１４に挿入された状態で配置されたロータシャフト２０は、ロータ１０が回転電機に用いられるときに、図示しないステータと協働してロータコア１２と共に回転し、トルクを出力する出力軸となる。長穴スリット２４の数＝４は説明のための例示であって、少なくとも１つあればよい。例えば、２つでも３つでもよく、強度的に余裕があれば５以上であってもよい。

ロータシャフト２０の外径ｄ₀は、ロータコア１２の中心穴１４の内径Ｄ₀（図４参照）よりやや大きく設定される。すなわち、ロータシャフト２０は、ロータコア１２の中心穴１４に、すきま嵌めで挿入できる。（Ｄ₀−ｄ₀）の一例を挙げると、０．０５ｍｍ〜０．１０ｍｍ程度である。これは説明のための例示であって、ロータ１０の組立仕様等によって適宜変更が可能である。

ロータシャフト２０の軸方向に沿った全長Ｌ_Sは、ロータコア１２の軸方向に沿った寸法Ｌ_Cよりも大きいが、長穴スリット２４の軸方向に沿った全長Ｌ_Hは、Ｌ_Sより短く、Ｌ_Cより長く設定される。すなわち、Ｌ_C＜Ｌ_H＜Ｌ_Sである。この寸法関係については、図２、図３においてさらに説明する。

かかるロータシャフト２０は適当な強度を有する金属材料を用い、中空貫通穴２２、４つの長穴スリット２４を含み、所定の形状に加工したものを用いることができる。金属材料としては、鋼材を用いることができる。

図２は、図１において、ロータ１０の中心軸ＣＬを通り、軸方向に平行な面で切断した状態の断面を示す斜視図である。ここで、切断方向は、４つの長穴スリット２４の３つが含まれるようにした。図２には、軸方向に平行に半分に切断されたロータシャフト２０の中空貫通穴２２の内部構造が示される。ここで、中空貫通穴２２の外周側縁部に示される接合部４０は、ロータコア１２とロータシャフト２０とが溶接によって接合された部分で、溶接によって生じた溶接痕の状態で示される。

図３は、図３は、図２の斜視図を六面図の図法で示す図で、（ａ）が正面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断して示す上面図である。接合部４０は、ロータシャフト２０の長穴スリット２４の穴の外周側内壁面３０と、ロータコア１２の磁性体薄板１６の中心穴側内壁面３２とが対向する箇所において、ロータコア１２とロータシャフト２０とが溶接によって接合された部分である。溶接方法としては、レーザ溶接法を用いることができる。接合部４０は、各長穴スリット２４について、磁性体薄板１６の積層体の軸方向に沿った全長であるＬ_Cに渡って連続的に途切れなく設けられる。これにより、積層された各磁性体薄板１６の全てが、ロータシャフト２０と接合された状態となり、ロータコア１２とロータシャフト２０とが確実に固定され、ロータ１０の組立信頼性が向上する。

ロータ１０において、ロータコア１２にロータシャフト２０を挿入するとき、長穴スリット２４の軸方向に沿った両端部がいずれもロータコア１２の軸方向の両端部から見えるように、ロータシャフト２０を配置する。図３（ａ）において、ロータコア１２の軸方向の両端部から突き出る長穴スリット２４の寸法をΔＬａ，ΔＬｂと示すと、（ΔＬａ＋ΔＬｂ）＝（Ｌ_H−Ｌ_C）であるが、ΔＬａ＝ΔＬｂ＝｛（Ｌ_H−Ｌ_C）／２｝を目標に、ロータシャフト２０を配置する。少なくとも、ΔＬａ＞０、ΔＬｂ＞０として、接合部４０の溶接痕がロータ１０の外側から視認できるようにする。図３（ａ）に、ロータ１０の外側から見える視認用溶接痕４２を示す。これによって、ロータコア１２とロータシャフト２０との間の溶接品質を目視によって視認できるので、ロータコア１２とロータシャフト２０とが確実に固定されたか否かを容易に確認できる。

このように、長穴スリット２４の軸方向に沿った全長Ｌ_Hをロータコア１２の軸方向に沿った寸法Ｌ_Cより長く設定するのは、視認用溶接痕４２をロータ１０の外部から目視するためである。ロータコア１２とロータシャフト２０との間の組立精度にもよるが、ΔＬａとΔＬｂを数ｍｍ程度として、（Ｌ_H−Ｌ_C）は、１０ｍｍ程度とすることがよい。これは一例であって、ロータ１０の寸法等によって適宜変更が可能である。

かかる構成のロータ１０の製造方法の手順を図４から図９を用いて、さらに詳細に説明する。まず、ロータコア１２と、ロータシャフト２０を準備する。

図４は、準備されたロータコア１２を示す斜視図である。ロータコア１２は、ロータシャフト２０を通す内径Ｄ₀の中心穴１４を有する複数の磁性体薄板１６を積層して構成される。積層は、複数の磁石孔が軸方向に貫通して永久磁石１８が配置できるように位置合わせされて行われる。積層が崩れないように、各磁性体薄板１６の間は、カシメ等によって固定される。複数の磁性体薄板１６が積層された状態のロータコア１２の軸方向に沿った寸法はＬ_Cである。複数の磁性体薄板１６が積層されると、各磁石孔にそれぞれ永久磁石１８が配置される。配置の際に、周方向に沿って隣接する永久磁石１８の外周側を向く磁極の極性は互いに逆方向とされる。磁石孔に永久磁石１８が配置されると、適当な磁石固定材を用いて、永久磁石１８と複数の磁性体薄板１６の積層体との間が固定される。このようにして、ロータコア１２が準備される。

図５は、準備されたロータシャフト２０を示す斜視図である。ロータシャフト２０は、所定の形状に成形された環状軸体が用いられる。所定の形状としては、ロータコア１２の中心穴１４の内径Ｄ₀に対し、すきま嵌めとなるように設定された外径ｄ₀、ロータコア１２の軸方向に沿った寸法Ｌ_Cよりも長い軸方向に沿った長さＬ_Sがある。また、中空貫通穴２２の内径は、レーザ溶接の溶接治具５２（図７参照）が挿入できる大きさとされる。また、長穴スリット２４の軸方向に沿った長さＬ_Hは、Ｌ_Cよりも約１０ｍｍ程度長く設定される。

次に、図４のロータコア１２の中心穴１４に、図６のロータシャフト２０を挿入する。図６は、ロータシャフト２０がロータコア１２に挿入された半完成ロータ９を示す図である。半完成ロータ９は、ロータコア１２とロータシャフト２０とが溶接される前の状態であることが、図１の溶接後のロータ１０と相違する。ロータシャフト２０をロータコア１２に挿入する際に、長穴スリット２４が、ロータコア１２の軸方向の両端部側からそれぞれ目視できるようにする。

次に、レーザ溶接機５０と、溶接治具５２を用意する。溶接治具５２は、細い軸状の治具で、先端から溶接用のレーザビームを放射する。次に、図７に示すように、図６の半完成ロータ９の状態を適当な治具で固定したまま、ロータシャフト２０の中空貫通穴２２に溶接治具５２を挿入する。そして、中空貫通穴２２の内側から、長穴スリット２４に沿って、ロータコア１２の各磁性体薄板１６に向かって溶接用レーザビームを放射する。

図８、図９に、１枚の磁性体薄板１６の上面図を用いて、レーザビームによる溶接前後の状態を示す。図８、図９は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った断面の上面図に相当するが、すきま嵌めを示すために、磁性体薄板１６の中心穴１４の内径Ｄ₀と、ロータシャフト２０の外径ｄ₀の寸法差を誇張してある。

図８は、レーザビームによる溶接前の状態を示す図で、磁性体薄板１６の中心穴１４に、ロータシャフト２０がすきま嵌めで配置されている。図９は、レーザビームによる溶接後の状態を示す図で、レーザビームによる溶接によって生じた状態の溶接痕を有する接合部４０が示される。接合部４０は、ロータシャフト２０の長穴スリット２４の穴の外周側内壁面３０と磁性体薄板１６の中心穴側内壁面３２とが対向する箇所にあり、４つの長穴スリット２４のそれぞれの穴の外周側内壁面３０に対応し、８つの接合部４０が示される。各接合部４０は、図２、図３で述べたように、磁性体薄板１６の積層体の軸方向に沿った全長に渡って延びる。

上記構成では、ロータシャフト２０の環状の中空貫通穴２２側と外周面との間に長穴スリット２４を有する。そして、この長穴スリット２４の穴の外周側内壁面３０とロータコア１２の磁性体薄板１６の中心穴側内壁面３２とが対向する箇所に、溶接によって生じた状態の溶接痕を含む接合部４０を有する。すなわち、磁性体薄板１６側には溶接用の穴等が設けられず、ロータコア１２における磁束の流れが変わらない。また、接合部４０は、磁性体薄板１６の積層体の軸方向に沿った全長に渡るので、ロータコア１２とロータシャフト２０とが確実に固定され、ロータ１０の組立信頼性が向上する。

本実施の形態に係る回転電機ロータ１０は、ロータシャフト２０を通す中心穴１４を有する複数の磁性体薄板１６で構成されるロータコア１２を備える。また、軸方向に延びる中空貫通穴２２を有する環状軸であって、環状の中空貫通穴側と外周面との間に軸方向に延びる少なくとも１つの長穴スリット２４を有し、ロータコア１２の中心穴１４に挿入された状態で配置されたロータシャフト２０を備える。さらに、ロータシャフト２０の長穴スリット２４の穴の外周側内壁面３０とロータコア１２の磁性体薄板１６の中心穴側内壁面３２とが対向する箇所において、溶接によって生じた状態の溶接痕を有する接合部４０を備える。接合部４０は、磁性体薄板１６の積層体の軸方向に沿った全長に渡って延びる。

上記構成の回転電機ロータ１０によれば、溶接法を用いながら、ロータコア１２における磁束の流れを変えずに、組立信頼性を高くできる。

９半完成ロータ、１０（回転電機）ロータ、１２ロータコア、１４中心穴、１６磁性体薄板、１８永久磁石、２０ロータシャフト、２２中空貫通穴、２４長穴スリット、３０外周側内壁面、３２中心穴側内壁面、４０接合部、４２視認用溶接痕、５０レーザ溶接機、５２溶接治具。

Claims

中心穴を有する複数の磁性体薄板で構成されるロータコアと、
軸方向に延びる中空貫通穴を有する環状軸であって、環状の前記中空貫通穴側と外周面との間に前記軸方向に延びる少なくとも１つの長穴スリットを有し、前記ロータコアの前記中心穴に挿入された状態で配置されたロータシャフトと、
前記ロータシャフトの前記長穴スリットの穴の外周側内壁面と前記ロータコアの前記磁性体薄板の中心穴側内壁面とが対向する箇所において、前記磁性体薄板の積層体の前記軸方向に沿った全長に渡って延び、溶接によって生じた状態の溶接痕を有する接合部と、
を備える、回転電機ロータ。