JP6816693B2 - ロータ及びロータ製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のロータ及びロータ製造方法に関する。

回転電機の製造においては、シャフト孔が設けられた電磁鋼板を積層してロータコアを形成するとともに、シャフト孔にシャフトを挿入し、両者を固定することでロータを形成する場合がある。シャフトとロータコアとは、トルクの伝達に耐えるように強固に連結される必要がある。

下記特許文献１には、シャフトが備える筒体の先端にかしめ部を設け、かしめ部を軸方向の先端側から押圧して、径方向外側に向かって変形させることで、シャフトとロータコアとをかしめ固定する旨の記載がある。

下記特許文献２には、ロータコアを加熱して熱膨張した状態で、ロータコアのシャフト孔に常温のシャフトを挿入することで、焼き嵌めを行う記載がある。

特開２０１５−７６９１４号公報 特開２０１３−１５３５５９号公報

上記特許文献１の技術では、かしめ部の先端を変形してかしめ固定を行う。このため、シャフトを、回転軸としてのシャフト本体とその周囲に配置される筒体を備えた複雑な構造に形成する必要がある。

上記特許文献２の技術では、高温にすることで、電磁鋼板の表面の絶縁皮膜に剥がれや酸化が発生し、絶縁性が悪化して鉄損を生じるおそれがある。

本発明の目的は、簡潔な構造をもつシャフトを塑性変形させることによりロータコアを固定したロータを提供することにある。

実施形態の一態様にかかるロータは、シャフト孔を備える鋼板を積層して形成されたロータコアと、中空の金属部材によって形成され、各鋼板の前記シャフト孔を貫通して配置されたシャフトと、を備え、前記シャフトの壁面には、当該壁面が周方向に部分的に切断され、切断部位を挟んで軸方向に並ぶ二つの壁面領域のうち前記ロータコアから遠い側に配置される壁面領域が径方向に塑性変形されることで、前記切断部位を開口する突出部が形成され、前記ロータコアにおける軸方向の少なくとも一方の端面は、前記突出部における前記切断部位に圧着して固定されている。

ロータは、回転電機で用いられる部品である。回転電機では、ロータの周囲にステータが配置される。そして、ロータは、ステータと電磁気学的作用を及ぼしあいながら回転軸回りに回転する。シャフトは、ロータにおいて実際の回転軸となる部材である。シャフトは、中空の金属部材によって形成される。中空とは、壁面の内部に金属が満たされていない筒状の形状をいう。円筒形状（断面が真円または真円とみなされる形状）とした場合には、回転対称性が向上する。しかし、重心が回転軸上に位置する形状であれば十分な回転安定性を確保することが可能であり、楕円筒形状（断面が楕円である形状）、多角形筒形状（断面が多角形である形状）など様々な形状をとることが可能である。

ロータコアは、鋼板を積層して形成される。ロータコアの積層された端には、エンドプレートなどと呼ばれるプレート状の別部材が設けられてもよいし、設けられなくてもよい。各層の鋼板は、典型的には、一枚の鋼板を所定の形状に打ち抜いて形成される。しかし、所定の形状からなる複数の鋼板を組み合わせて形成することも可能である。複数の鋼板を組み合わせる場合には、一つの鋼板を少なくとも一つの突出部で固定することで安定性が増すと考えられる。ただし、各鋼板が十分な強度で組み合わされている場合には、全ての鋼板に突出部を設ける必要はない。各層の鋼板には、シャフト孔が設けられており、積層されたロータコアには各層を貫くシャフト孔が形成される。シャフトは、このシャフト孔に挿入される。シャフト孔は、一般的には、シャフトの外形と同じ形状に作られるが、例えば、回転軸方向に溝を設けるなど、シャフトの外形と異なる形状に作られてもよい。シャフト孔の大きさも様々に設定可能である。例えば、シャフト孔をシャフトより大きく形成した場合にはシャフトは抵抗なくスムーズに挿入することができるようになる。例えば、シャフト孔をシャフトとほぼ同サイズに形成した場合には、シャフトは圧入などによって挿入されることになる。

突出部は、ロータコアの少なくとも一方の端面を固定するために設けられる。突出部は、シャフトの壁面を部分的に周方向に切断し、かつ、切断部位を挟んで軸方向に並ぶ二つの壁面領域のうちロータコアから遠い側に配置される壁面領域を径方向に（シャフトの外側に向かって）塑性変形させることで形成される。ロータコアに近い側の壁面領域は、変形及び破壊がなされる必要はないが、突出部による固定の障害とならない限りにおいて、変形あるいは破壊がなされてもよい。壁面の切断は、周方向に直線的に行うことができる。すなわち、軸方向には一定の位置で周方向にのみ切断がなされてもよい。しかし、軸方向にも変化するような形状で切断を行ってもよい。切断部位のうち突出部側に位置する切断部位は、突出に対応して変形するため、対となる切断部位との間に開口を生じさせる。そして、突出部側の切断部位は突出部の開口端をなすことになる。ロータコアの端面は、この切断部位によって圧着して固定される。圧着して固定されるとは、単に接しているのではなく、両者間に圧力がかかって固定されている状態をいう。圧着される部位は、切断部位の一部でもよいし、切断部位の全体であってもよい。切断部位の形状と、端面の圧着箇所との形状が一致または類似している場合には、その部分全体での圧着が可能となる。圧着箇所の面積が大きいほど、圧着箇所にかかる圧力が分散されることになる。一方の端面を固定する突出部は一つであってもよいが、２個以上、３個以上、あるいは５個以上設けてもよい。突出部の数が増える場合、ロータコアの固定における安定度が増大する。ただし、突出部の数を増やした場合には、製造工程が増大することになる。そこで、一方の端面を固定する突出部は、例えば、５個以下あるいは３個以下としてもよい。なお、このような突出部による固定は、ステータを塑性変形させてロータコアを圧着固定させる観点から、かしめ固定であるとみなすことができる。

一態様においては、ロータは、前記突出部における前記切断部位は前記端面の圧着箇所に略平行に形成されている。

端面、そして端面における圧着箇所は、典型的には回転軸にほぼ直交する形状に形成される。この場合には、切断部位も回転軸にほぼ直交させることで、両者は略平行となって面的に接触することが可能となる。切断部位を回転軸にほぼ直交させる方法としては、壁面の切断形状を、周方向のみならず、軸方向にも変化する形状とすることが考えられる。具体的には、切断される中央部分が突出部側から見て凸になる形状とすることで、突出部における切断部位を回転軸にほぼ直交させることが可能となる場合がある。このような形状の例としては、円弧あるいは放物線のような滑らかな曲線形状や、Ｖ字型のような直線を組み合わせた形状を挙げることができる。

端面の圧着箇所が回転軸に直交しない場合には、切断部位をこの圧着箇所と略平行に形成することで、両者を面的に接触させることが可能となる。圧着箇所が回転軸に直交しない例としては、鋼板よりも端側にエンドプレートを設ける場合において、凹凸のあるエンドプレートを用いる状況が考えられる。あるいは、エンドプレートを設けない場合において、接触箇所の一枚または複数枚の鋼板の形状が打ち抜き加工されることで、積層体が立体的に形成された状況が考えられる。切断部位の方向や大きさは、例えば、加工方法によって調整可能である。また、加工に用いる工具の形状や、工具を作用させる位置、方向、速さ、強さなどによって制御可能できる場合がある。

なお、略平行とは、両者が平行または平行に近い範囲であるために、結果的に面的な接触が可能になる範囲をいう。その具体的角度は、条件によるが、例えば、両者のなす角度が３度未満、５度未満、１０度未満、あるいは２０度未満程程度ある場合が想定される。

一態様においては、ロータは、前記ロータコアの両方の前記端面が、それぞれの付近に形成された前記突出部における前記切断部位によって固定されている。両端面を突出部によって固定する場合には、互いの端面に設けられた突出部の数、形状、位置などは、同じであってもよいし異なっていてもよい。

一態様においては、ロータ製造方法は、シャフト孔を備える鋼板を積層して形成されたロータコアと、中空の金属部材によって形成され各鋼板の前記シャフト孔を貫通して配置されたシャフトと、を備えたロータの製造方法であって、前記シャフトの壁面を周方向に部分的に切断するとともに、切断部位を挟んで軸方向に並ぶ二つの壁面領域のうち前記ロータコアから遠い側に配置される壁面領域を径方向に突出する形状に塑性変形することで、前記切断部位を開口する突出部を前記シャフトの壁面に形成する形成工程と、前記ロータコアにおける軸方向の一方の端面を、前記突出部における前記切断部位に圧着して固定させる固定工程と、を含む。

一態様においては、ロータ製造方法は、前記ロータコアの他方の端面が軸方向位置を固定された状態で、前記一方の端面を前記他方の端面の側に押圧する押圧工程を含み、前記形成工程では、押圧された状態で前記一方の端面の付近に前記突出部を形成し、前記固定工程では、前記形成工程の後に押圧を解除することで、当該突出部における前記切断部位によって前記一方の端面を固定させる。

一態様においては、ロータ製造方法は、前記他方の端面が固定される付近において、前記シャフトの壁面を周方向に部分的に切断するとともに、切断部位を挟んで軸方向に並ぶ二つの壁面領域のうち前記ロータコアから遠い側に配置される壁面領域を径方向に突出する形状に塑性変形することで、前記切断部位を開口する第２突出部を前記シャフトの壁面に形成する第２形成工程を含み、前記押圧工程では、前記第２突出部における前記切断部位の付近で、前記他方の端面が軸方向位置を固定され、これにより、前記固定工程で押圧を解除した後には、前記一方の端面が前記突出部によって圧着して固定され、前記他方の端面が前記第２突出部によって圧着して固定される。

押圧工程においては、第２突出部の切断部位によって、前記他方の端面を軸方向に固定することができる。この場合には、最終的な固定位置となる切断部位そのものによって位置決めされる利点がある。ただし、第２突出部は、押圧工程での押圧に耐えるだけの強度で作られる必要がある。また、例えば、製造用に用意した補助部材によって、第２突出部の切断部位付近に、前記他方の端面を軸方向に固定してもよい。この場合には、第２突出部は押圧工程では押圧を受けない一方で、第２突出部の切断部位よりも若干ずれた位置に位置決めがなされることになる。そこで、第２突出部の切断部位と補助部材の両方を用いて、押圧の負荷を分散しながら固定するようにしてもよい。

一態様においては、ロータ製造方法は、前記シャフトの壁面には工具挿入孔が設けられており、前記形成工程においては、前記シャフトの外側から前記工具挿入孔を通じて前記シャフトの内側に挿入した工具を、前記工具挿入孔に対面する付近の内壁面に突き立てて加工を行うことで、前記突出部が形成される。

突出部は、この工具の突き立てのみで形成することが可能である。しかし、例えば、形成する突出部に対応した切断部の一部あるいは全部を、あらかじめ外壁面側から形成しておく加工を行ってもよい。この場合には、後工程に必要となる力を比較的小さなものとすることが可能となる。このため、工具挿入孔を設けることなく、中空の内部から、または、外壁面側から突出部を形成できる余地が生じる。また、例えば、切断部分を挟んで軸方向に並ぶ二つの壁面領域のうち、ロータコアから近い側に配置される部位に穴あけ加工等を行っておくことで、外壁面側からの加工を容易に実施できる場合がある。

シャフトでロータを固定する場合において、中空状のシャフトを塑性変形させることでロータコアを固定することが可能となる。

実施形態にかかるシャフトとロータコアの固定工程の流れを示す図である。 実施形態にかかるシャフトとロータコアの固定工程の流れを示す図である。 実施形態にかかるシャフトとロータコアの固定工程の流れを示す図である。 実施形態にかかるシャフトとロータコアの固定工程の流れを示す図である。 実施形態にかかるシャフトとロータコアの固定工程の流れを示す図である。 ロータコアの押圧工程を示す図である。 ロータコアの押圧工程を示す図である。 工具の形状を示す図である。 工具の形状を示す図である。 工具の形状を示す図である。 工具によって突出部を形成する工程を示す側断面図である。 工具によって突出部を形成する工程を示す側断面図である。 工具によって突出部を形成する工程を示す側断面図である。 工具によって突出部を形成する工程を示す水平断面図である。 工具によって突出部を形成する工程を示す水平断面図である。 シャフトの斜視図である。 シャフトの部分的正面図である。 シャフトの部分的正面図である。 突出部の変形例を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示すが、これらは実施形態の例であり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。

図１Ａ〜図１Ｅは、実施形態にかかるロータの製造工程の流れを概略的に説明する側面図である。図１Ａは、シャフト１０を示している。シャフト１０は、ロータの回転軸となる金属製の部材である。シャフト１０は、回転軸方向に長く伸びた円筒形状に形成されている。すなわち、シャフト１０は、比較的薄い円筒の壁面によって形成されており、内部は中空となっている。このシャフト１０は、例えば、汎用的な金属パイプ部材（電縫管、ＵＯ曲パイプなど）を押し出して所定のサイズに加工することで形成することができる。

図１Ａの下部には、説明の便宜のため、斜視図的な配置で（ｚ，ｒ，θ）の円筒座標系を示している。ｚ座標は、円筒座標の軸方向を示しており、シャフト１０の回転軸の方向に対応している。回転軸方向については、以下において、単に軸方向と呼ぶ場合がある。ｒ座標は回転軸から垂直に伸びる座標であり、回転軸から離れる方向を径方向と呼ぶ。θ座標は、回転軸回りの方向を示しており、周方向、あるいは回転方向と呼ぶことがある。なお、ロータを製造する上では、座標軸の方向に厳密に従う必要はなく、若干のずれが許される。

図１Ｂでは、シャフト１０の壁面には、径方向（壁面から外側に向かう方向）に突出した形状をもつ下側突出部１２が形成されている。下側突出部１２は、軸方向マイナス側（図面の下側）の位置に、周方向に沿って複数個に設けられている。下側突出部１２は、後で詳しく説明するように、壁面の一部を周方向に切断して形成されている。下側突出部１２の軸方向プラス側（図面の上側）の切断面１４は、壁面の切断部位が突出して形成された部位であり、径方向にほぼ平行な形状に作られている。

図１Ｃは、シャフト１０をロータコア１６ａに挿入する直前の工程を示している。ロータコア１６ａは、電磁鋼板を多数積層して形成された部材である。軸方向プラス側に位置する上側端面１８と、マイナス側に位置する下側端面２０は、径方向にほぼ平行（軸方向にほぼ垂直）に形成されている。各電磁鋼板の中心部にはシャフト１０が挿入される孔が設けられており、この電磁鋼板が積層されたロータコア１６ａの中心にはシャフト孔２２が形成されている。シャフト孔２２は、シャフト１０がスムーズに挿入できる大きさであってもよいし、シャフト１０を圧入しなければならない大きさであってもよい。前者の場合は、シャフト１０を挿入しただけでは、シャフト１０とロータコア１６ａは固定されない。後者の場合は、シャフト１０を圧入した段階で、シャフト１０とロータコア１６ａの位置関係がある程度固定される。ただし、一般には、単に圧入しただけでは、シャフト１０とロータコア１６ａとに必要とされる固定強度は得られない。

図１Ｄは、シャフト１０が、ロータコア１６ａのシャフト孔２２に挿入された様子を示している。シャフト１０は、軸方向プラス側からロータコア１６ａのシャフト孔２２に挿入される。そして、シャフト１０は、ロータコア１６ａの下側端面２０が下側突出部１２の切断面１４と面的に接触する位置まで挿入される。

図１Ｅは、ロータコア１６がシャフト１０によって固定された様子を示す図である。ロータコア１６は、軸方向プラス側から受ける押圧力によって圧縮されている。そして、シャフト１０の壁面には、軸方向プラス側に、複数の上側突出部２６が形成されている。この上側突出部２６は、下側突出部１２と同様に、壁面の一部を切断して形成されたものである。上側突出部２６の切断面２８は、上側突出部２６の軸方向マイナス側に位置しており、径方向とほぼ平行に形成されている。ロータコア１６の上側端面１８は、この切断面２８によって面的に圧着されている。これにより、ロータコア１６を軸方向に弾性変形した圧縮状態、つまり、軸力を持った状態で固定したロータ２４が形成されている。ロータコア１６を押圧する工程と、上側突出部２６を形成する工程については、後ほど詳述する。

ロータコア１６には、図示を省略しているが、規則的に配置された磁石挿入孔が設けられており、適当なタイミング（シャフト１０と結合される前でも後でもよい）で永久磁石が挿入される。これによって、ロータコア１６には、周方向に周期的に並んだ磁極が形成される。この磁極がロータコア１６の周囲に配置されるステータの磁極から磁力を受けることで、ロータ２４は回転軸回りに回転する。その際、ロータコア１６には、高速回転に伴う遠心力や、シャフト１０とのトルク伝達に伴う力などが作用する。しかし、ロータコア１６は、十分な軸力を持った状態でシャフト１０に固定されており、ロータコア１６とシャフト１０の空転が抑制される。

ここで、図２Ａ、図２Ｂを参照して、押圧の工程について説明する。図２Ａと図２Ｂは、ロータコア１６ａを押圧することで、軸方向に圧縮されたロータコア１６を形成する工程を示す図である。図２Ａは、図１Ｄの状態に対応した図であり、ロータコア１６ａのシャフト孔２２にシャフト１０が貫通して挿入された状態となっている。そして、ロータコア１６ａは、その下側端面２０が下型ブロック３０に載せられている。また、シャフト１０は、シャフト台３２に載せられている。下型ブロック３０とシャフト台３２の高さは、ロータコア１６ａの下側端面２０がシャフト１０の下側突出部１２の切断面１４にほぼ接するように調整されている。下型ブロック３０の上には、エンドブロック３４が載せられている。エンドブロック３４は、ロータコア１６ａの周囲を囲むように配置されている。エンドブロック３４の高さは、ロータコア１６ａを押圧して圧縮したい高さに調整されている。

図２Ｂは、ロータコア１６が押圧された状態を示している。エンドブロック３４の上側には、上型ブロック３６が置かれている。ロータコア１６は、上型ブロックによって、軸方向プラス側からマイナス側に押圧されることで、エンドブロック３４の高さに圧縮されている。ただし、図面では、説明のため、その圧縮の度合いを強調して示している。後で詳しく説明するように、シャフト１０には、このように押圧した状態で、上側突出部２６が形成される。そして、その後に、上型ブロック３６、エンドブロック３４、下型ブロック３０及びシャフト台３２が取り外される。これにより、図１Ｅに示したように、ロータコア１６は、下側突出部１２と上側突出部２６によって圧着して固定される。

ロータコア１６には必要な軸力が与えられる必要があり、その軸力を勘案して、上側突出部２６を形成する位置が決定される。そして、エンドブロック３４の高さは、上側突出部２６を形成する過程で、ロータコア１６が障害とならない（干渉しない、あるいは干渉しても支障がない範囲をいう）位置に設定される。例えば、上側突出部２６を形成する過程で、切断面２８の最終的な位置よりも低い位置にある壁面が突出してくる場合には、この壁面の動きの障害とならないように、ロータコア１６の上側端面１８を押し下げることになる。ただし、押圧を効率的に行う観点からは、エンドブロック３４の高さは、ロータコア１６が障害とならない最も高い位置に設定するのがよい。こうして、ロータコア１６を最終状態よりも若干強く圧縮した状態で、上側突出部２６が所定の位置に形成される。そして、その後に押圧を解くことにより、ロータコア１６は、若干膨張し、上側突出部２６の切断面２８に圧着して固定されることになる。

ロータコア１６の下側端面２０が下型ブロック３０にのみ接していて、下側突出部１２の切断面１４には接していない場合には、下型ブロック３０及びシャフト台３２を除去する段階で、ロータコア１６は、若干膨張して、下側突出部１２の切断面１４に圧着して固定される。なお、下側突出部１２が十分な強度を有している場合には、ロータコア１６の下側端面２０を下型ブロック３０に接触させず、下側突出部１２の切断面１４にのみ接するようにして、押圧固定を行うことも可能である。しかし、シャフト１０やロータコア１６を安定させた上で加工する観点からは、下型ブロック３０を利用することが合理的であると言える。

次に、図３〜図５を参照して、上側突出部２６及び下側突出部１２（以下、これらを合わせて単に突出部と呼ぶ場合がある）の形成工程について説明する。

図３Ａ〜図３Ｃは、突出部を形成するための工具４０の形状を説明する図である。図３Ａは上面図、図３Ｂ正面図、図３Ｃは側面図である。これらの図では、上側突出部２６を形成することを想定して、工具４０の上下方向を定めている。

工具４０は、高速度鋼、超硬合金など、シャフト１０に比べて十分に硬く耐久性のある合金で作られている。図３Ａ及び図３Ｃに示すように、工具４０は、細長い棒状部４２の先に、横幅と高さが急激に小さくなったテーパ部４４が設けられて、先端４６に至っている。図３Ｂに示すように、工具４０は、棒状部４２においては、その上面と側面は、円弧の断面を有した円柱形状である。また、棒状部４２の下面５０は、平面形状である。ただし、テーパ部４４付近における下面５２は、下に凸である緩やかなアーチ状の断面をもつ円柱様の形状となっている。先端４６では、上面及び側面はテーパ部４４が鈍角形状で収束しているが、下面５２は先端４６の面に直交した形で作られている。

図４Ａ〜図４Ｃは、工具４０を用いて、シャフト１０の壁面６０に上側突出部２６を形成する過程を時系列で示した側断面図である。図４Ａは、壁面６０にほぼ垂直にセットされた工具４０が、壁面６０にほぼ垂直な方向から壁面６０の内壁面６２に突き立てられた直後の様子を示している。工具４０の先端４６が若干、内壁面６２にめり込んでいる。このとき、先端４６の下面５２では、その下側には工具４０の部材が存在しないため、強い剪断応力を壁面６０に作用させる。この結果、壁面６０では、先端４６における下面５２に対応した位置６２ａ付近が切断され、切断面２８ａが形成され始めている。同時に、この切断部位より上側では、先端４６及びテーパ部４４によって外側に向かって押し出されることで、外壁面６４側に上側突出部２６ａが形成され始めている。

図４Ｂでは、工具４０がさらに壁面６０に押し込まれており、工具４０の先端４６は既に壁面６０を突き抜けている。この段階では、テーパ部４４における緩やかなアーチを描いた下面５２が、壁面６０と接触する部位において、壁面６０に次々と新たな剪断応力を与えている。そして、下面５２の形状に従って、切断の位置６２ｂを高めながら、壁面６０を切断している。他方、既に切断されていた部分は、テーパ部４４に押されて、塑性変形をしながら突出量を増やしている。こうして上側突出部２６ｂ及び切断面２８ｂが成長を続けている。

図４Ｃは、工具４０が、ほぼ最終位置まで達した状態を示している。ここでは、テーパ部４４に対応した形状をもつ突出部２６ｃが形成されている。テーパ部４４の下面５２のアーチに対応して、切断される位置６２ｃはさらに高くなっている。また、以前に切断された部位は、壁面６０から遠ざかる過程では、周囲の壁面６０からの引張応力を受けるため、切断された位置よりも上側に向かいながら突出を続けている。この結果、切断面２８ｃは、壁面６０に対してほぼ垂直な形状に形成されている。これによって、壁面６０に対してほぼ垂直な形状をなすロータコア１６の上側端面１８を、切断面２８ｃのほぼ全体で圧着することが可能となる。

なお、板状の金属を半抜加工して、開口を備える突出部を形成する技術としては、通風孔などに用いられるルーバーパンチなどが知られている。しかし、本実施形態は、ロータのシャフトを対象とするものであり、用途が全く異なる他、精度や強度の要求も大きく異なるものである。

図５Ａと図５Ｂは、図２ＢのＡＡ断面で切ったシャフト１０の断面図であり、工具４０を使って上側突出部２６を形成する過程を示している。ただし、ロータコア１６は図示を省略している。

図５Ａの段階では、壁面６０には、その外壁面６４に、既に上側突出部２６ｘ、２６ｙが形成されている。上側突出部２６ｘは突出した切断面２８ｘとその背後にできた開口６８ｘを備えており、上側突出部２６ｙは切断面２８ｙと開口６８ｙを備えている。上側突出部２６ｘ、２６ｙは、周方向に見て約１２０度離れた位置に形成されており、これらとほぼ正三角形をなす位置に新たな上側突出部２６ｚが作られようとしている。

各上側突出部２６ｘ、２６ｙ、２６ｚに対向する位置（周方向にみて１８０度離れた位置）には、壁面６０を内壁面６２から外壁面６４に貫く上側工具挿入孔７０ｘ、７０ｙ、７０ｚが設けられている。そして、図５Ａの段階では、工具４０が、外壁面６４側から上側工具挿入孔７０ｚに挿入され、内壁面６２の対向する位置に向かって突き立てられようとしている。図５Ｂの段階では、工具４０を突き立てた部分に上側突出部２６ｚが形成されている。上側突出部２６ｚは、突出した切断面２８ｚと、その背後に作られた開口６８ｚを備えている。開口６８ｚからは、工具４０の先端部分が見えている。

以上の説明では、工具４０を用いて上側突出部２６を形成する工程について説明を行ったが、下側突出部１２も同様にして形成することが可能である。

続いて、図６〜図８を参照して、上側突出部２６及び下側突出部１２が形成されたシャフト１０について説明する。図６は、シャフト１０の斜視図であり、図７と図８はシャフト１０の部分的な正面図である。

図６に示すように、シャフト１０は円筒形状の壁面６０によって形成されている。その外壁面６４には、軸方向プラス側（図面の上側）に上側突出部２６ｘ、２６ｙが形成されている。上側突出部２６ｚは壁面６０に隠れており図示されていない。上側突出部２６ｘ、２６ｙの間には、上側工具挿入孔７０ｚが設けられている。また、外壁面６４の軸方向マイナス側（図面の下側）には、下側突出部１２ｘ、１２ｙが形成されている。下側突出部１２ｘ、１２ｙには、切断部位が突出して形成された切断面１４ｘ、１４ｙがそれぞれ形成されている。そして、切断面１４ｘ、１４ｙよりも内側には、それぞれ開口７２ｘ，７２ｙが形成されている。さらに、下側突出部１２ｘ、１２ｙの間には、下側工具挿入孔７４ｚが設けられている。図１Ｅでは、上側突出部２６と下側突出部１２を簡易に示したが、実際には、このように複数の上側突出部２６ｘ、２６ｙ、２６ｚと下側突出部１２ｘ、１２ｙ、１２ｚによって、ロータコア１６が圧着して固定される。

図７は、シャフト１０における切断部位の位置関係を示した図である。図７では、ロータコア１６の上側端面１８に上側突出部を設ける場合を想定している。そして、シャフト１０の外表面６４を含む壁面を、θ方向（周方向）に沿って部分的に切断する切断部位９０が図示されている。切断部位９０を挟んでは、ｚ方向（軸方向）に並ぶ二つの壁面領域９２、９４が存在する。塑性変形によって、径方向に塑性変形されるのは、ロータコア１６から遠い側に配置される壁面領域９２である。この壁面領域９２が塑性変形されることで、切断部位９０を開口する上側突出部が形成され、切断部位９０によって、ロータコア１６の上側端面１８が圧着固定されることになる。ただし、図示した壁面領域９２の範囲は、概念的なものであり、実際に塑性変形される範囲とは必ずしも一致しない。また、図７におけるロータコア１６の上側端面１８と切断部位９０の位置は一例にすぎず、次に説明するように、製造上の観点から様々な態様が取られることになる。

図８は、図６に示したシャフト１０における上側突出部２６ｘ、２６ｙと上側工具挿入孔７０ｚ付近を示した正面図である。補助線７６は、図２Ｂに示した押圧工程におけるロータコア１６の上側端面１８の位置を示している。押圧工程では、ロータコア１６の上側端面１８は、上側突出部２６ｘ、２６ｙの切断面２８ｘ、２８ｙが形成される位置よりも若干低い位置まで圧縮されることになる。これは、図４Ａ〜図４Ｃに示したように、上側突出部２６ｘ、２６ｙが突出する過程では、切断面２８ｘ、２８ｙは若干上側に移動して形成されるためである。そして、上側工具挿入孔７０ｚは、ロータコア１６の上側端面１８に邪魔されることなく工具４０を挿入できる位置に設ける必要がある。工具４０は、図３Ｂに示したように、その下面５０は平坦に形成されており、この平坦部分がロータコア１６の上側端面１８よりも上側に配置されれば、両者の干渉を防ぐことが可能となる。工具４０がロータコア１６と干渉する余地を減らすために、工具４０の棒状部４２の下面５０をテーパ部４４の下面５２と同じ高さにすることも有効である。

上側工具挿入孔７０ｚを上側突出部２６ｘ、２６ｙ（これらは軸方向にみて上側突出部２６ｚと同じ位置にある）の位置と同じ高さにした場合には、図４Ａ〜図４Ｃに示したように、工具４０を壁面６０に垂直な状態で垂直に突き立てることが可能となる。この場合には、一般に、加工精度を高めることが容易化される。しかし、上側工具挿入孔７０ｚを上側突出部２６ｘ、２６ｙよりも若干高い位置に設けることも可能である。この場合、工具４０は、若干斜め上から挿入されることになるが、必要とする加工を実施できる余地がある。また、斜め上から挿入する場合であっても、工具４０を壁面６０に垂直に突き立てるように加工方法を工夫してもよい。具体例としては、工具４０の先端側を曲がった形状に形成しておき、斜めから挿入した後に垂直方向に突き立てるよう加工ロボットを操作する態様を挙げることができる。

また、ロータコア１６の上側端面１８に凹みをつけることで、上側工具挿入孔７０ｚの位置を上側突出部２６ｘ、２６ｙと同じ高さ、または比較的近い高さに設定するようにしてもよい。例えば、上側端面１８から数えて１枚または複数枚の電磁鋼板に、孔を設けることで上側端面１８に凹みを形成することが可能となる。また、上側端面１８をエンドプレートで構成するよう場合には、上側工具挿入孔７０ｚ付近においてエンドプレートを凹んだ形状にする例を挙げることができる。

続いて、図９を参照して、突出部の別の例について説明する。図９は、シャフト１０を図５Ａ及び図５Ｂと同じ平面で切った断面図である。この例では、シャフト１０には、図５Ｂの例に比べて周方向に占める角度が大きな上側突出部８０ｘ、８０ｙ、８０ｚが形成されている。具体的には、図５Ｂの上側突出部２６ｘが周方向の角度で約１０度から１５度程度であったのに対し、図９の上側突出部８０ｘは３０度から４０度程度になっている。この結果として、図９の例では、上側突出部８０ｘ、８０ｙ、８０ｚの突出した切断面８２ｘ、８２ｙ、８２ｚの面積と、開口８４ｘ、８４ｙ、８４ｚの面積も大きくなっている。ただし、シャフト１０の直径に対する突出の程度は、図５Ｂの上側突出部２６ｘも図９の上側突出部８０ｘも７〜９％程度であり同程度である。

ロータコア１６を圧着する場合には、圧着している部分の面積が広くなるほど、ロータコア１６に同じ軸力を与えるための圧力が分散する。この結果、シャフト１０に作用する最大応力が小さくなり、シャフト１０に要求される強度を小さくすることができる。あるいはシャフト１０の強度が同じである場合に、圧着している部分の面積を広くするほど、ロータコア１６に大きな軸力を与えることが可能となる。その一方で、周方向に大きな角度を占める突出部を形成するためには、大きな工具挿入孔を設ける必要があり、シャフト１０の強度を下げることにつながる。また、圧着している部分の面積を増やすために、突出部の数を増やす場合にも、工具挿入孔の数が増えて、シャフト１０の強度が下がることになる。

図５Ａ、図５Ｂや図９に示した例では、突出部は周方向にみて正三角形を描くように３個設けた。また、各突出部に対応する工具挿入孔を、突出部に対向する位置（周方向に１８０度ずれた位置）に設けた。各突出部は、Ｎが３以上の（ある程度の誤差を許した）正Ｎ角形を形作ることでロータコアを周方向にバランスよく固定することが可能となる。そして、Ｎが奇数である正Ｎ角形を形作ることで、対向する位置にそれぞれの工具挿入孔を設けることが可能となる。また、工具挿入孔を突出部に対向する位置に配置することで、工具を突き立てる際に左右のバランスが取れることになる。

ただし、突出部は、必要な強度を確保できるのであれば、正多角形以外の位置に設けることが可能である。また、工具挿入孔の位置は、突出部に対向する位置からずれていても、十分な加工品質で突出部を設けられる余地がある。この観点からすれば、突出部毎に工具挿入孔を設ける必要はなく、一つの工具挿入孔を複数の突出部の形成に利用してもよい。また、上に示した例では、工具挿入孔は円形であるとしたが、円形以外の形状をとることも可能である。さらには、工具挿入孔を設けずに、シャフトの上端または下端から工具を挿入した上で、突出部を形成するようにしてもよい。

突出部を何個設けるか、周方向にどの程度の幅を持たせるか、径方向にどの程度突き出すか、軸方向への広がりをどの程度の長さにするかなどは、ロータコア１６を圧着するために必要となる力を確保できるように決定すればよい。設計にあたっては、シャフトの材質、壁面の厚さなども考慮することになる。

以上の説明においては、ロータコアの両側の端面が、シャフトに形成された突出部によって固定されるものとした。両方の端面を突出部によって固定する場合には、別部材を必要としない。また、シャフトの製造に複雑な加工（例えば、鍛造、熱処理、機械加工などを経てシャフトを形成する）を必要とせず、汎用的なパイプ状部材から容易に製造することが可能となる。このため、製造コストを下げる効果が期待できる。さらに、多品種製造や設計変更のためにロータコアの厚みを変更する場合にも、図２Ａ、図２Ｂに示したエンドブロックの高さを変更して突出部の形成位置を変更するだけで速やかに対応することが可能となる。また、突出部による固定時に、必要な軸力をロータコアに与えことが可能であり、別途軸力を与えるための部材（例えば、エンドプレートを設けて、ボルト及びナットを利用して軸力を与える場合がある）を設ける必要がなくなる。

ただし、例えば、ロータコアの両端面を突出部によって固定した上で、さらに、従来法を利用して、ロータコアをシャフトに固定する加工を行ってもよい。また、ロータコアの一方の端面のみを突出部によって固定し、他方の端面を従来法で固定するようにしてもよい。この場合、突出部は、シャフトをロータコアに挿入するにあたって予め設けられる側（上の説明における下側突出部）であってもよいし、ロータコアを押圧して上で設けられる側（上の説明における上側突出部）であってもよい。従来法としては、例えば、別部材のリングを利用して、圧入、かしめ、溶接などによって固定する態様が挙げられる。また、別部材を用いずに、ロータとシャフトを溶接する態様も考えられる。

１０ シャフト、１２ 下側突出部、１４ 切断面、１６ ロータコア、１８ 上側端面、２０ 下側端面、２２ シャフト孔、２４ ロータ、２６ 上側突出部、２８ 切断面、３０ 下型ブロック、３２ シャフト台、３４ エンドブロック、３６ 上型ブロック、４０ 工具、４２ 棒状部、４４ テーパ部、４６ 先端、５０ 下面、５２ 下面、６０ 壁面、６２ 内壁面、６４ 外壁面、６８ 開口、７０ 上側工具挿入孔、７２ 開口、７４ 下側工具挿入孔、７６ 補助線、８０ 上側突出部、８２ 切断面、８４ 開口。

Claims (7)

1. シャフト孔を備える鋼板を積層して形成されたロータコアと、
   中空の金属部材によって形成され、各鋼板の前記シャフト孔を貫通して配置されたシャフトと、
   を備え、
   前記シャフトの壁面には、当該壁面が周方向に部分的に切断され、切断部位を挟んで軸方向に並ぶ二つの壁面領域のうち前記ロータコアから遠い側に配置される壁面領域が径方向に塑性変形されることで、前記切断部位を開口する突出部が形成され、
   前記ロータコアにおける軸方向の少なくとも一方の端面は、前記突出部における前記切断部位に圧着して固定されている、ことを特徴とするロータ。
2. 請求項１に記載のロータにおいて、
   前記突出部における前記切断部位は前記端面の圧着箇所に略平行に形成されている、ことを特徴とするロータ。
3. 請求項１に記載のロータにおいて、
   前記ロータコアの両方の前記端面が、それぞれの付近に形成された前記突出部における前記切断部位によって固定されている、ことを特徴とするロータ。
4. シャフト孔を備える鋼板を積層して形成されたロータコアと、中空の金属部材によって形成され各鋼板の前記シャフト孔を貫通して配置されたシャフトと、を備えたロータの製造方法であって、
   前記シャフトの壁面を周方向に部分的に切断するとともに、切断部位を挟んで軸方向に並ぶ二つの壁面領域のうち前記ロータコアから遠い側に配置される壁面領域を径方向に突出する形状に塑性変形することで、前記切断部位を開口する突出部を前記シャフトの壁面に形成する形成工程と、
   前記ロータコアにおける軸方向の一方の端面を、前記突出部における前記切断部位に圧着して固定させる固定工程と、
   を含む、ことを特徴とするロータ製造方法。
5. 請求項４に記載のロータ製造方法において、
   前記ロータコアの他方の端面が軸方向位置を固定された状態で、前記一方の端面を前記他方の端面の側に押圧する押圧工程を含み、
   前記形成工程では、押圧された状態で前記一方の端面の付近に前記突出部を形成し、
   前記固定工程では、前記形成工程の後に押圧を解除することで、当該突出部における前記切断部位によって前記一方の端面を固定させる、ことを特徴とするロータ製造方法。
6. 請求項５に記載のロータ製造方法において、
   前記他方の端面が固定される付近において、前記シャフトの壁面を周方向に部分的に切断するとともに、切断部位を挟んで軸方向に並ぶ二つの壁面領域のうち前記ロータコアから遠い側に配置される壁面領域を径方向に突出する形状に塑性変形することで、前記切断部位を開口する第２突出部を前記シャフトの壁面に形成する第２形成工程を含み、
   前記押圧工程では、前記第２突出部における前記切断部位の付近で、前記他方の端面が軸方向位置を固定され、
   これにより、前記固定工程で押圧を解除した後には、前記一方の端面が前記突出部によって圧着して固定され、前記他方の端面が前記第２突出部によって圧着して固定される、ことを特徴とするロータ製造方法。
7. 請求項４に記載のロータ製造方法において、
   前記シャフトの壁面には工具挿入孔が設けられており、
   前記形成工程においては、前記シャフトの外側から前記工具挿入孔を通じて前記シャフトの内側に挿入した工具を、前記工具挿入孔に対面する付近の内壁面に突き立てて加工を行うことで、前記突出部が形成される、ことを特徴とするロータ製造方法。