JP6753359B2 - モータのロータ構造 - Google Patents

Description

本発明は、モータのロータ構造に関する。

モータのロータとして、複数枚の積層鋼板（電磁鋼板）を積層したロータコアの内部に永久磁石を配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、ロータは、ロータコアの両端部に非磁性体の端板（エンドプレート）を配置し、ロータコアと両端部の端板をリベットなどの締結部材によって固定した構造である。

特開２０１０−２３９８１３号公報

ロータは、ロータコアを構成する積層鋼板の枚数が増加するほど回転軸線の方向に長くなる。このため、ロータコアの両端部に端板を固定する場合、ロータコアが長くなればそれに応じた長さのリベットなどの締結部材を用意する必要がある。その結果、例えば大型のモータではリベットなどによる締結を適用できない可能性があり、ロータの構造については改善の余地が残されている。

この発明は、ロータのサイズに応じた締結部材を用意しなくてもロータコアと端板とを締結可能としたロータの構造を提供することにある。

上記課題を解決するモータのロータ構造は、複数枚の積層鋼板が積層されたロータコアと、前記ロータコアの内部に配置された永久磁石と、前記ロータコアの両端部のそれぞれに締結固定される端板とを有するモータのロータ構造であって、各積層鋼板には、第１直径の第１孔と前記第１直径よりも大きい第２直径の第２孔とが周方向に交互に、かつ等間隔で穿設されており、前記端板には、締結部材を挿通させる挿通孔が穿設されており、前記端板は、前記端板に隣り合う積層鋼板を含む複数枚の積層鋼板の前記第１孔と前記挿通孔とに挿通された前記締結部材で締結されることによって前記ロータコアの端部に固定されており、前記ロータコアを、前記端板に隣り合う積層鋼板を含む複数枚の積層鋼板が積層された第１積層部分と、前記第１積層部分に挟まれる第２積層部分と、に区別したとき、前記第２積層部分のうち、前記第１積層部分に隣り合う積層鋼板を含む複数枚の積層鋼板は、前記第１積層部分においてロータの長さ方向に連なる前記第１孔に対して前記第２孔が連なるように転積されていることを要旨とする。

このロータ構造によれば、第１積層部分の第１孔に対して第２積層部分の第２孔が連なるように転積させることで、第１積層部分において端板を締結することができ、端板をロータコアに対して固定することができる。したがって、ロータのサイズに応じた締結部材を用意しなくてもロータコアと端板とを締結することができる。

上記モータのロータ構造において、前記端板は、前記端板と前記第１積層部分の積層鋼板とが前記締結部材の座面で挟持されることによって前記ロータコアの端部に固定してもよい。このロータ構造によれば、ロータコアに対して端板を強固に固定することができる。

上記モータのロータ構造において、前記締結部材は、リベットとしてもよい。このロータ構造によれば、締結工程を簡単にすることができる。
上記モータのロータ構造において、前記モータの極数に対する前記第１孔及び前記第２孔の合計孔数は、Ｐを極数、ｎを正の整数、ｍを正の奇数としたときに以下の式（１），（２）を用いて算出される値Ａをもとに設定され、Ｐ÷ｎ＝Ｂ・・・（１）、Ｂ×ｍ＝Ａ・・・（２）、式（２）において値Ａを算出する場合の値Ｂは式（１）で算出される値のうち正の偶数であり、式（２）で算出された値Ａのうち４以上の正の偶数に相当する数を前記合計孔数としてもよい。このロータ構造によれば、極数に対する第１孔と第２孔の合計孔数を適切に設定することができる。

本発明によれば、ロータのサイズに応じた締結部材を用意しなくてもロータコアと端板とを締結できる。

モータの模式図。 ロータの分解斜視図。 ロータの締結部分を示す断面図。

以下、モータのロータ構造を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、モータ１０は、磁石埋込式モータであって、ロータ（回転子）１１と、ステータ（固定子）１２とを備える。ロータ１１及びステータ１２は何れも円筒状である。ロータ１１は、ステータ１２の内周に配置されている。ロータ１１の外周面とステータ１２の内周面は、ギャップを介して対向している。図１では、ロータ１１及びロータ１１を回転可能に支持するシャフト１３を実線で示し、ステータ１２を二点鎖線で模式的に図示している。ステータ１２は複数のスロットとそのスロット間にコイルが捲回されるティースを備えているが、図１においてスロット、ティース及びコイルは図示を省略している。この実施形態のモータ１０は、極数が「６」である。

ロータ１１は、ほぼ円板状の積層鋼板（電磁鋼板）１４を複数枚（例えば数十枚）積層した円筒状のロータコア１５を備える。ロータコア１５を構成する複数枚の積層鋼板１４は全て同一形状である。ロータコア１５の中心には、シャフト１３が貫挿されている。この実施形態において、シャフト１３とロータコア１５は焼嵌めによって固定されている。そして、ロータ１１は、ロータコア１５の外周面がステータ１２のティースと所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにシャフト１３を介して回転可能に支持されている。

ロータコア１５には、フラックスバリア１６，１７を配する状態で永久磁石１８，１９が径方向に複数層埋め込まれている。詳しくは、ロータコア１５には、永久磁石挿入孔２０，２１が形成されている。そして、ロータコア１５は、永久磁石挿入孔２０に埋め込まれた永久磁石１８を挟んでフラックスバリア１６が配置されているとともに、永久磁石挿入孔２１に埋め込まれた永久磁石１９を挟んでフラックスバリア１７が配置されている。ロータコア１５を構成する積層鋼板１４は、打ち抜き加工によって形成されている。そして、打ち抜き加工の際には、フラックスバリア１６，１７及び永久磁石挿入孔２０，２１を構成し得る孔が打ち抜かれる。フラックスバリア１６，１７及び永久磁石挿入孔２０，２１は、複数枚の積層鋼板１４を積層してロータコア１５を構成した場合にロータコア１５の長さ方向に延びている。ロータコア１５の長さ方向は、シャフト１３の軸線方向に一致する。

図１及び図２に示すように、この実施形態の積層鋼板１４には、シャフト１３が貫挿される軸孔２２の周囲に、直径の異なる複数の孔が穿設されている。直径の異なる孔には、第１直径の第１孔としての小径孔２３と、第１直径よりも大きい第２直径の第２孔としての大径孔２４と、がある。小径孔２３は、軸孔２２の中心Ｐを基準として１２０度毎に周方向にずれた位置にある。この実施形態において小径孔２３は、３つである。また、大径孔２４は、隣り合う小径孔２３の間に位置しており、軸孔２２の中心Ｐを基準として１２０度毎に周方向にずれた位置にある。この実施形態において大径孔２４は、３つである。つまり、この実施形態の積層鋼板１４には、軸孔２２の周囲に６つの孔が形成されており、小径孔２３と大径孔２４とが周方向に交互に配置されている。そして、交互に位置する小径孔２３と大径孔２４は、軸孔２２の中心Ｐを基準として６０度毎に位置しており、積層鋼板１４の周方向に等間隔で位置している。なお、軸孔２２の中心Ｐから小径孔２３の中心までの距離ａ、及び軸孔２２の中心Ｐから大径孔２４の中心までの距離ａは同一である。このため、小径孔２３及び大径孔２４とからなる６つの孔の中心は、軸孔２２の中心Ｐを円心とし、距離ａを半径とする円の円周上、すなわち同一の円周上に位置している。

図２に示すように、ロータコア１５は複数枚の積層鋼板１４を積層して構成されており、ロータコア１５の両端部には非磁性体（例えばアルミニウム）の端板２５，２６が固定される。ロータコア１５の両端部に位置する積層鋼板１４を積層鋼板１４ａ，１４ｂとすると、端板２５は積層鋼板１４ａに隣り合うように固定されるとともに、端板２６は積層鋼板１４ｂに隣り合うように固定される。ロータコア１５と端板２５，２６は、締結部材によって締結固定される。この実施形態の締結部材は、図２に示したリベット２８である。この実施形態においてリベット２８は、端板２５の締結固定に３つ用いられるとともに、端板２６の締結固定に３つ用いられる。なお、リベット２８は母材の片側から締結可能なブラインドリベットであり、図２では締結前のブラインドリベットを図示しているが、ブラインドリベットの構成要素としてフランジ２８ａとリベット本体２８ｂを示している。

端板２５，２６は、積層鋼板１４とほぼ同一の輪郭形状であるほぼ円板状の板である。端板２５，２６は、同一形状である。また、端板２５，２６は、ロータ１１の回転バランスを取る際に切削加工などを行い得るように積層鋼板１４に比して厚い板である。また、端板２５，２６には、シャフト１３が貫挿される軸孔３０と、リベット２８を挿通させる挿通孔３１，３２が穿設されている。この実施形態において挿通孔３１，３２は、積層鋼板１４と端板２５，２６とを重ね合わせたときに積層鋼板１４の小径孔２３と一致する位置に穿設されている。つまり、挿通孔３１，３２は、軸孔３０の中心を基準として１２０度毎に周方向にずれた位置にある。

以下、この実施形態のロータ構造、特にロータコア１５と端板２５，２６との取付構造を中心に説明する。なお、ロータ１１には、複数枚の積層鋼板１４が積層されたロータコア１５と、ロータコア１５の内部に配置された永久磁石１８，１９と、ロータコア１５の両端部のそれぞれに締結固定される端板２５，２６と、を含む。

この実施形態のロータ１１のようにロータコア１５を複数枚の積層鋼板１４を積層して構成する場合、積層鋼板１４は例えばカシメ加工によって固定される。また、ロータコア１５は、積層鋼板１４の厚みなどのばらつきによって傾きが生じ得ないように、積層鋼板１４を１枚又は複数枚積層する毎に積層する積層鋼板１４を所定角度回転させて厚みのばらつきをなくすように転積加工を行い、形成している。

そして、この実施形態のロータ１１は、前述のようにロータコア１５を形成する際に積層鋼板１４の転積加工が行われることを利用し、ロータコア１５と端板２５，２６との取付構造に工夫を施している。

この実施形態のロータ１１の構造では、リベット本体２８ｂが挿通される部分にある積層鋼板１４に対し、リベット本体２８ｂが挿通されない部分にある積層鋼板１４が所定角度、転積されている。なお、以下では、ロータ１１の構造を具体的に説明するが、その説明を容易にするため、図２に示すロータ１１の分解斜視図において、リベット本体２８ｂが挿通される部分を第１積層部分Ｓ１とし、リベット本体２８ｂが挿通されない部分を第２積層部分Ｓ２として説明を行う。なお、第１積層部分Ｓ１に積層される複数枚の積層鋼板１４は、小径孔２３同士、及び大径孔２４同士がそれぞれロータコア１５の長さ方向に連なるように固定されている。

ロータ１１には、ロータコア１５の両端部に端板２５，２６がそれぞれ固定されるため、図２に示すように第１積層部分Ｓ１は２つ存在する。そして、第２積層部分Ｓ２は、端板２５，２６がそれぞれ固定される２つの第１積層部分Ｓ１に挟まれている。また、端板２５が固定される第１積層部分Ｓ１は、ロータコア１５の第１端部にあり、かつ端板２５に隣り合う積層鋼板１４ａを含む複数枚の積層鋼板１４が積層された部分である。一方、端板２６が固定される第１積層部分Ｓ１は、ロータコア１５の第１端部と反対に位置する第２端部にあり、かつ端板２６に隣り合う積層鋼板１４ｂを含む複数枚の積層鋼板１４が積層された部分である。なお、第１積層部分Ｓ１における積層鋼板１４の積層枚数は、リベット本体２８ｂの長さに応じた枚数である。

第２積層部分Ｓ２のうち、端板２５が固定される第１積層部分Ｓ１に隣り合う積層鋼板１４ｃを含む複数枚の積層鋼板１４は、第１積層部分Ｓ１においてロータコア１５の長さ方向に連なる小径孔２３に対して大径孔２４が連なるように転積されている。同様に、第２積層部分Ｓ２のうち、端板２６が固定される第１積層部分Ｓ１に隣り合う積層鋼板１４ｄを含む所定の複数枚の積層鋼板１４は、第１積層部分Ｓ１においてロータコア１５の長さ方向に連なる小径孔２３に対して大径孔２４が連なるように転積されている。つまり、第２積層部分Ｓ２の少なくとも一部分、すなわち第１積層部分Ｓ１に隣接する部分は、第１積層部分Ｓ１の小径孔２３に対して大径孔２４が長さ方向に重なる角度（例えば、６０度、１８０度）、転積されている。

図３は、端板２５とロータコア１５とをリベット２８によって締結固定した状態を示す断面図である。なお、図３は、端板２５における１か所の締結部分を示すものであるが、他の２か所の締結部分も同じある。前述したように、第１積層部分Ｓ１に対して第２積層部分Ｓ２の少なくとも一部を転積させると、第１積層部分Ｓ１と第２積層部分Ｓ２との境界部分においてリベット２８の挿通箇所の孔径が異なることになる。具体的に言えば、孔径は、小径孔２３の直径から大径孔２４の直径に変化する。このため、必要な枚数の積層鋼板１４を積層したロータコア１５の状態において、端板２５をロータコア１５の第１端部にある積層鋼板１４ａに重ね、リベット２８を端板２５の挿通孔３１及び積層鋼板１４の小径孔２３に挿通させた後に締結固定させることが可能である。つまり、ブラインドリベットの締結作業において、リベット本体２８ｂの先端にはリベット本体２８ｂよりも大径の締結部２８ｃが新たに形成されるが、この締結部２８ｃは第２積層部分Ｓ２の大径孔２４に挿通されることになる。したがって、端板２５と第１積層部分Ｓ１の積層鋼板１４とは、フランジ２８ａの座面Ｚ１と締結部２８ｃの座面Ｚ２とによって挟持される。その結果、ロータコア１５に端板２５が締結固定される。前述した端板２５とロータコア１５の締結は、端板２６とロータコア１５の締結においても同じである。

なお、第２積層部分Ｓ２は、第１積層部分Ｓ１における積層鋼板１４の積層枚数に比して積層枚数が多く、この積層枚数はモータ１０において必要なロータ１１の大きさによって決まる。つまり、第２積層部分Ｓ２は、第１積層部分Ｓ１に比してロータコア１５の長さ方向において長い。このため、第２積層部分Ｓ２については、図３に示すように第１積層部分Ｓ１とロータコア１５の長さ方向において重なる一部分において小径孔２３と大径孔２４とが重なり合っていればよく、複数の部分において複数回の転積が行われていてもよい。つまり、この実施形態のロータ１１の構造では、締結固定後の締結部２８ｃが挿通されない部分において、第２積層部分Ｓ２がどのような角度で転積されているかは問わない。

以下、この実施形態のロータ構造の作用を説明する。
ロータコア１５を構成する積層鋼板１４は、小径孔２３と大径孔２４とを備えている。そして、ロータコア１５の積層鋼板１４は、リベット本体２８ｂが挿通される部分である小径孔２３とリベット本体２８ｂが挿通されない部分である大径孔２４と、がロータコア１５の長さ方向に連なるように転積されている。このため、ロータコア１５において端板２５，２６を固定するためにリベット２８を挿通させる部分の長さを短くできる。つまり、ロータコア１５の全長に亘る長さのリベット２８を用意しなくても、端板２５，２６をロータコア１５に締結固定することが可能である。

次に、モータ１０の極数と積層鋼板１４に穿設される小径孔２３及び大径孔２４の合計孔数との関係を説明する。
モータ１０の極数に対する小径孔２３及び大径孔２４の合計孔数は、Ｐを極数、ｎを正の整数、ｍを正の奇数としたときに以下の式（１），（２）を用いて算出される値Ａをもとに設定される。

Ｐ÷ｎ＝Ｂ・・・（１）
Ｂ×ｍ＝Ａ・・・（２）
ここで、式（２）において値Ａを算出する場合の値Ｂは式（１）で算出される値のうち正の偶数とする。そして、合計孔数は、式（２）で算出された値Ａのうち４以上の正の偶数に相当する数とする。

極数と合計孔数を具体的に例示する。
実施形態で説明した極数「６」のモータ１０の場合、式（１）により、値Ｂ＝６，２となる。そして、式（２）により、値Ｂ＝６としたとき、値Ａ＝６，１８，３０，４２・・・となる。また、式（２）により、値Ｂ＝２としたとき、値Ａ＝６，１０，１４，１８・・・となる。したがって、極数「６」のモータ１０の場合、合計孔数は６，１０，１４，１８・・・の中から設定することができる。

積層鋼板１４に穿設する孔（小径孔２３と大径孔２４）は、回転時のバランスを考慮すると、小径孔２３と大径孔２４とが交互に、かつ等間隔であることが好ましい。このため、合計孔数は、式（２）で算出される値Ａのうち、４以上の正の偶数に相当する数とすることが好ましい。

また、極数「４」のモータ１０の合計孔数は、前述した式（１），（２）によって算出される値Ａ＝４，６，１０，１２・・・の中から設定することができる。また、極数「１８」のモータ１０の合計孔数は、前述した式（１），（２）によって算出される値Ａ＝６，１０，１４，１８，２２・・・の中から設定することができる。式（１），（２）をもとに合計孔数を設定することで、極数に対する合計孔数が適切に設定される。なお、モータ１０の極中心と孔位置（小径孔２３と大径孔２４の位置）は一致していなくてもよい。

したがって、この実施形態では、以下の効果を得ることができる。
（１）第１積層部分Ｓ１の小径孔２３に対して第２積層部分Ｓ２の大径孔２４が連なるように転積させることで、第１積層部分Ｓ１において端板２５，２６を締結することができる。その結果、端板２５，２６をロータコア１５に固定することができる。したがって、ロータ１１のサイズ（長さ）に応じた長さのリベット２８を用意しなくてもロータコア１５と端板２５，２６とを締結することができる。

（２）つまり、第１積層部分Ｓ１の長さは、ロータ１１の長さに比して短い。このため、ロータ１１の全長に亘る長さのリベット２８を用意しなくても、ロータコア１５の端部に端板２５，２６を固定することができる。その結果、大型のロータ１１を備えるモータ１０であっても、適用可能なロータ構造を提供することができる。

（３）また、この実施形態のロータ構造は、ロータ１１の長さに応じたリベット２８を用意しなくてもよいことから、ロータコア１５と端板２５，２６との固定に用いるリベット２８をロータ１１のサイズに拘わらず共通化することも可能である。その結果、モータ１０の製造コストの削減、製造工程の簡略化を実現できる。

（４）また、この実施形態のロータ構造は、ロータコア１５に対して片側ずつ端板２５，２６を固定する作業を行うことができるので、作業性に優れている。
（５）小径孔２３と大径孔２４を、交互に、かつ等間隔で配置しているので、小径孔２３及び大径孔２４を要因とする積層鋼板１４のアンバランスは発生しない。このため、ロータ１１の回転バランスを調整する作業量が増加することもない。

（６）端板２５，２６と第１積層部分Ｓ１の積層鋼板１４との締結にリベット２８を用いることで、締結工程を簡単にすることができる。
（７）端板２５，２６と第１積層部分Ｓ１の積層鋼板１４とがリベット２８の座面Ｚ１，Ｚ２で挟持されるので、ロータコア１５に対して端板２５，２６を強固に固定することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 端板２５，２６をロータコア１５に締結する締結部材は、ボルトとナットとしてもよい。つまり、実施形態で説明したように、端板２５と第１積層部分Ｓ１、及び端板２６と第１積層部分Ｓ１を締結部材の座面によって挟持すればよい。ボルトとナットを用いる場合は、端板２５と第１積層部分Ｓ１、及び端板２６と第１積層部分Ｓ１をそれぞれ固定した後、これらの第１積層部分Ｓ１を第２積層部分Ｓ２に固定すればよい。

○ ロータコア１５を構成する各積層鋼板１４は、カシメ加工に限らず、溶接加工又は接着加工によって固定してもよい。
○ シャフト１３とロータコア１５はキーによって固定してもよい。なお、キーによって固定する場合は、キーとキー溝の位置を考慮して転積を行う。

○ 実施形態で説明したように、モータ１０の極数に対する孔数（小径孔２３と大径孔２４の合計数）は任意に変更可能である。また、実施形態で説明したモータ１０の極数は例示であり、その極数は任意に変更可能である。そして、極数を変更した場合は、実施形態で説明した孔数で積層鋼板１４に小径孔２３と大径孔２４を穿設すればよい。

○ 小径孔２３の直径、及び大径孔２４の直径は、使用する締結部材の形状によって任意に変更可能である。例えばリベット２８を用いる場合、小径孔２３の直径はリベット本体２８ｂを挿通可能であって、かつ座面Ｚ１，Ｚ２よりも小さい径であり、大径孔２４の直径は締結部２８ｃよりも大きい径である。

１０…モータ、１４，１４ａ〜１４ｄ…積層鋼板、１１…ロータ、１５…ロータコア、１８，１９…永久磁石、２５，２６…端板、２３…小径孔、２４…大径孔、２８…リベット、３１，３２…挿通孔、Ｓ１…第１積層部分、Ｓ２…第２積層部分、Ｚ１，Ｚ２…座面。

Claims (4)

1. 複数枚の積層鋼板が積層されたロータコアと、前記ロータコアの内部に配置された永久磁石と、前記ロータコアの両端部のそれぞれに締結固定される端板とを有するモータのロータ構造であって、
   各積層鋼板には、第１直径の第１孔と前記第１直径よりも大きい第２直径の第２孔とが周方向に交互に、かつ等間隔で穿設されており、
   前記端板には、締結部材を挿通させる挿通孔が穿設されており、
   前記端板は、前記端板に隣り合う積層鋼板を含む複数枚の積層鋼板の前記第１孔と前記挿通孔とに挿通された前記締結部材で締結されることによって前記ロータコアの端部に固定されており、
   前記ロータコアを、前記端板に隣り合う積層鋼板を含む複数枚の積層鋼板が積層された第１積層部分と、前記第１積層部分に挟まれる第２積層部分と、に区別したとき、前記第２積層部分のうち、前記第１積層部分に隣り合う積層鋼板を含む複数枚の積層鋼板は、前記第１積層部分においてロータの長さ方向に連なる前記第１孔に対して前記第２孔が連なるように転積されていることを特徴とするモータのロータ構造。
2. 前記端板は、前記端板と前記第１積層部分の積層鋼板とが前記締結部材の座面で挟持されることによって前記ロータコアの端部に固定されている請求項１に記載のモータのロータ構造。
3. 前記締結部材は、リベットである請求項１又は請求項２に記載のモータのロータ構造。
4. 前記モータの極数に対する前記第１孔及び前記第２孔の合計孔数は、Ｐを極数、ｎを正の整数、ｍを正の奇数としたときに以下の式（１），（２）を用いて算出される値Ａをもとに設定され、
   Ｐ÷ｎ＝Ｂ・・・（１）
   Ｂ×ｍ＝Ａ・・・（２）
   式（２）において値Ａを算出する場合の値Ｂは式（１）で算出される値のうち正の偶数であり、式（２）で算出された値Ａのうち４以上の正の偶数に相当する数を前記合計孔数としている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のモータのロータ構造。