JP6943147B2 - 回転電機のロータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のロータに関し、特に、ロータコアをシャフトに固定する構造に関する。

電気エネルギーを回転の運動エネルギーに変換する電動機、回転の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機、さらに、発電機および電動機の両者の機能を有する発電電動機が知られている。これらの回転電機は、ロータに設けられた永久磁石と、ステータに設けられたコイルとの間の電磁気的な相互作用によって動作する。

ロータは、シャフトと、その外周を囲むロータコアを備えている。一般に、ロータコアは、シャフトに貫かれた複数枚の鋼板を積層することで形成されている。ロータコアをシャフトに固定する構造として、シャフトの外周面に形成されたツバと、シャフトに螺合するナットとの間にロータコアを挟むものがある。この構造では、シャフトに貫かれたエンドプレートがロータコアの端面に配置され、ナットによってエンドプレートがロータコアに押し付けられる。ナットとロータコアとの間にエンドプレートが介在することで、ナットから与えられる軸方向の力が、各鋼板の板面における広い範囲に伝えられる。

特許文献１〜４には、複数枚の鋼板を積層することで形成されたロータコアの端面に、エンドプレートが設けられたロータが記載されている。

特開平１１−６９６７４号公報 特開平２０１２−６０７６７号公報 特開２００１−１７８０３９号公報 特開２０１５−２７１１９号公報

エンドプレートは、回転電機のトルクの発生に直接寄与しない部材であるため、極力薄く形成することが望まれている。しかし、シャフトに螺合するナットおよびエンドプレートを用いてロータコアを固定する構造では、エンドプレートの厚みが十分でない場合、ナットの締め付けによってエンドプレートが変形してしまう可能性がある。

本発明は、回転電機のロータに用いられるエンドプレートの機械的強度を高めることを目的とする。

本発明は、シャフトと、前記シャフトに貫かれたロータコアであって、軸方向に積層された複数枚の板状部材によって形成されたロータコアと、前記シャフトに貫かれたエンドプレートであって、前記ロータコアにおける両側の端面のうち少なくとも一方側の端面に設けられたエンドプレートと、前記エンドプレートに接触し、前記エンドプレートを軸方向に押圧する押圧部と、を備え、前記エンドプレートは、前記シャフトに貫かれた円筒部と、前記円筒部の一端から径方向外側に広がって前記押圧部に接触するフランジと、前記円筒部の他端に形成された末広がり部であって、前記円筒部の他端から前記ロータコアに向かうにつれて径が大きくなり、径方向外側に向けて円環状に広がって、平坦な領域が前記ロータコアの端面に接触する末広がり部と、を含み、前記末広がり部のうち前記ロータコアに向かうにつれて径が大きくなる領域は、前記円筒部よりも径方向外側に至った先で前記ロータコアの端面に接触することを特徴とする。

本発明によれば、回転電機のロータに用いられるエンドプレートの機械的強度が高まる。

第１実施形態に係るロータの断面を示す図である。 第２実施形態に係るロータの断面を示す図である。 第３実施形態に係るロータの断面を示す図である。

各図面を参照して、本発明の実施形態に係るロータについて説明する。以下の説明における「上」および「下」の用語は、図面における上下を示し、ロータが回転電機に組み込まれるときの姿勢を限定するものではない。

図１には、第１実施形態に係るロータ１０の断面が示されている。ロータ１０は、シャフト１２、ロータコア１４、エンドプレート１６、ナット１８を備えている。ロータコア１４は円筒形状を有し、シャフト１２に貫かれている。ロータコア１４は、シャフト１２の外周面に形成されたツバ２０の上側に、複数枚の鋼板を積層することで形成されている。最上層の鋼板の上面には、円環形状を有しシャフト１２に貫かれたエンドプレート１６が接触している。

シャフト１２の上部の外周面にはネジ溝が形成されている。シャフト１２の上側からナット１８が螺合し、ナット１８がエンドプレート１６を最上層の鋼板に押し付ける。エンドプレート１６の一方の面、すなわち、ロータコア１４と接触する面は平坦である。ナット１８の締め付けによって複数枚の鋼板がエンドプレート１６とツバ２０との間に挟まれ、複数枚の鋼板が形成するロータコア１４がシャフト１２に固定される。

エンドプレート１６は、ナット接触領域２２および外側領域２４から構成されている。ナット接触領域２２は、ナット１８およびロータコア１４の両者に接触する領域であり、外側領域２４よりも厚い。外側領域２４は、ナット接触領域２２に対して径方向外側にある領域であり、ナット接触領域２２よりも薄い。外側領域２４は、ロータコア１４に接触するがナット１８には接触しない。ナット接触領域２２では、ナット１８と接触する面よりも径方向外側の領域が、径方向外側ほど薄くなるテーパ形状を有しており、ナット接触領域２２は、ナット１８が接触する範囲よりも広い範囲に及んでいる。ナット接触領域２２および外側領域２４は、同一の材料で一体的に形成されている。

ナット１８が締め付けられると、ナット１８はナット接触領域２２を下方向に押圧する。ナット接触領域２２は、ナット１８から与えられた力によってロータコア１４を下方向に押圧すると共に、外側領域２４に下方向の力を与える。外側領域２４は、ナット接触領域２２から与えられた力によってロータコア１４を下方向に押圧する。

本実施形態に係るロータ１０では、ナット接触領域２２の厚み（ナット接触領域２２におけるナット１８が接触する面と、ナット接触領域２２におけるロータコア１４が接触する面との間の距離）が、外側領域２４の厚みよりも大きい。したがって、エンドプレート１６の厚みを外側領域２４の厚みに揃えた場合に比べて、ナット１８の締め付けに対するエンドプレート１６の機械的強度が高くなる。また、ナット１８の締め付けによるエンドプレート１６の撓みが抑制されるため、シャフト近傍の領域から局所的にロータコア１４に力が加えられることが回避され、各鋼板の反りが回避される。

さらに、外側領域２４をナット接触領域２２よりも薄くすることで、エンドプレート１６の厚みをナット接触領域２２の厚みに揃えた場合に比べて、エンドプレート１６の体積が小さくなり、エンドプレート１６が軽量化される。

図２には、第２実施形態に係るロータ２５の断面が示されている。この実施形態は、第１実施形態に対し、エンドプレートの構造を変更したものである。図１に示された構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付して、その説明を簡略化する。

エンドプレート２６は、円筒部２８、円筒部２８の下端から径方向外側にエンドプレート２６の外周まで広がる円環部３８、円筒部２８の上端から径方向外側に円環状に広がるフランジ３０、および、フランジ３０の外周端から円環部３８の上面に至る外側円筒部３２から構成されている。エンドプレート２６は、１種類の材料によって一体的に形成されている。

円環部３８のうち外側円筒部３２よりも外側の領域は、ナット１８に接触せずロータコア１４側の面が平坦な外側領域３６をなす。円環部３８のうち外側領域３６よりも内側の領域、円筒部２８、フランジ３０、および外側円筒部３２は、ナット１８およびロータコア１４の両者に接触するナット接触領域３４を構成する。

円環部３８、円筒部２８およびフランジ３０は、シャフト１２に貫かれている。シャフト１２の上側からナット１８が螺合し、ナット１８が下方に移動することでナット１８の下面がフランジ３０に接触する。

ナット１８が締め付けられると、ナット１８はフランジ３０を下方向に押圧する。ナット１８からフランジ３０に与えられた力は円筒部２８および外側円筒部３２によって円環部３８に伝えられ、円環部３８はロータコア１４を下方向に押圧する。

本実施形態に係るロータ２５では、ナット接触領域３４におけるナット１８が接触する面と、ナット接触領域３４におけるロータコア１４が接触する面との間の距離が、外側領域３６の厚みよりも大きい。すなわち、ナット接触領域３４の厚みが外側領域３６の厚みよりも大きい。さらに、フランジ３０と円環部３８との間には円筒部２８および外側円筒部３２が介在する。一般に、円筒部２８および外側円筒部３２のような筒状の部材は、軸方向の機械的強度が高い。したがって、外側領域３６の厚みと同一の厚みを有する円環状の板をエンドプレートとして用いた場合に比べて、ナット１８の締め付けに対するエンドプレート２６の機械的強度が高くなる。

また、本実施形態に係るロータ２５では、フランジ３０と円環部３８との間に円筒部２８のみならず外側円筒部３２が介在する。したがって、広い範囲で円環部３８が押圧され、ナット１８の締め付けによるエンドプレート２６の撓みが抑制される。そのため、シャフト近傍の領域から局所的にロータコア１４に力が加えられることが回避され、各鋼板の反りが回避される。

さらに、この構造では、円環部３８、円筒部２８、フランジ３０および外側円筒部３２によって囲まれた隙間領域には、エンドプレート２６の材料が存在しない。そのため、隙間領域にエンドプレート２６の材料が充填された構造に比べて、エンドプレート２６の体積が小さくなり、エンドプレート２６が軽量化される。

図３には本発明の第３実施形態に係るロータ４０の断面が示されている。この実施形態は、第２実施形態に係るロータ２５のエンドプレート２６から外側円筒部３２を取り除き、円筒部２８と円環部３８との接続部分の構造を変更したものに相当する。図１および図２に示されている構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付して、その説明を簡略化する。

エンドプレート４２は、円筒部４４、円筒部４４の上端から径方向外側に円環状に広がるフランジ４６、および円筒部４４の下端に繋がった末広がり部４８から構成されている。末広がり部４８は、下方に向かうにつれて径が大きくなるホーン形状を有し、径方向外側に円板状に広がってエンドプレート４２の外周に至る。エンドプレート４２は１種類の材料で一体的に形成されている。

末広がり部４８のうち、ロータコア１４に接触する領域とロータコア１４に接触しない領域との境界よりも外側の領域は、ナット１８に接触せずロータコア１４側の面が平坦な外側領域５２をなす。末広がり部４８のうち外側領域５２の内側の領域と、円筒部４４およびフランジ４６は、ナット１８およびロータコア１４の両者に接触するナット接触領域５０を構成する。

末広がり部４８の断面は、径方向内側から外側に向かって、内側斜め下方向に凸の曲線を描いた後、径方向外側に伸びてエンドプレート４２の外周に至る。末広がり部４８の上端からは円筒部４４が上方向に伸び、円筒部４４の上端からフランジ４６が径方向外側に広がっている。

末広がり部４８、円筒部４４、およびフランジ４６はシャフト１２に貫かれている。シャフト１２の上側からナット１８が螺合し、ナット１８が下方に移動することでナット１８の下面がフランジ４６に接触する。

ナット１８が締め付けられると、ナット１８はフランジ４６を下方向に押圧する。ナット１８からフランジ４６に与えられた力は円筒部４４によって末広がり部４８に伝えられる。末広がり部４８はロータコア１４を下方向に押圧する。

本実施形態に係るロータ４０では、ナット接触領域５０におけるナット１８が接触する面と、ナット接触領域５０におけるロータコア１４が接触する面との間の距離、すなわち、ナット接触領域５０の厚みが外側領域５２の厚みよりも大きい。さらに、フランジ４６とロータコア１４との間には円筒部４４および末広がり部４８が介在する。一般に、円筒部４４のような筒状の部材は、軸方向の機械的強度が高い。これによって、外側領域５２の厚みと同一の厚みを有する円環状の板をエンドプレートとして用いた場合に比べて、ナット１８の締め付けに対するエンドプレート４２の機械的強度が高くなる。

また、末広がり部４８の断面は、径方向内側から外側に向かって、内側斜め下方向に凸の曲線を描く。そのため、末広がり部４８には、この曲線に沿った力の成分が生じ、円筒部４４の下端から外側領域５２に至る区間に軸方向の力が局所的に働くことが回避される。末広がり部４８の構造によって、円筒部４４から外側領域５２に至る領域の機械的強度が高まり、ナット１８の締め付けに対するエンドプレート４２の機械的強度が高くなる。

さらに、この構造では、フランジ４６と末広がり部４８との間にある隙間領域には、エンドプレート４２の材料が存在しない。そのため、隙間領域にエンドプレート４２の材料が充填された構造に比べて、エンドプレート４２の体積が小さくなり、エンドプレート４２が軽量化される。

上記では、エンドプレートを軸方向に押圧する押圧部としてナットを用いた実施形態について説明した。各実施形態においてナット１８はシャフト１２に螺合し、エンドプレート（１６，２６，４２）をロータコア１４に押し付ける。エンドプレートに接触し、エンドプレートを軸方向に押圧する押圧部としてはナットの他、様々なものがある。例えば、押圧部にはシャフトの変形によって形成されるものがある。この場合、シャフトを径方向外側に変形させることで変形部が形成され、この変形部がエンドプレートと接触し、エンドプレートを軸方向に押圧する。エンドプレートは、押圧部およびロータコアの両者に接触する押圧部接触領域と、押圧部接触領域の径方向外側における板状の領域であって、ロータコアに接触する外側領域とを有するものとなる。ナット１８を用いた各実施形態においては、ナット接触領域（２２，３４，５０）が押圧部接触領域に対応する。

また、上記では、シャフト１２の外周面にツバ２０が形成されており、ナット１８の締め付けによってツバ２０とエンドプレート（１６，２６，４２）との間にロータコア１４が挟まれる構造について説明した。本発明に係るロータは、ロータコアの両端がエンドプレートに挟まれた構造としてもよい。この場合、シャフトにはツバが形成されず、ロータコアの両端側にネジ溝が形成される。ロータコアの両側にエンドプレートが設けられ、各エンドプレートがナットによってロータコアに押し付けられる。このように、エンドプレートは、ロータコアにおける両側の端面のうち少なくとも一方側の端面に設けられていればよい。

また、上記では、ロータコア１４として複数枚の鋼板が積層されたものについて説明した。ロータコア１４を構成する板状部材としての鋼板は、磁性材料で形成されたその他の板状部材に置き換えられてもよい。

１０，２５，４０ ロータ、１２ シャフト、１４ ロータコア、１６，２６，４２ エンドプレート、１８ ナット、２０ ツバ、２２，３４，５０ ナット接触領域、２４，３６，５２ 外側領域、２８，４４ 円筒部、３０，４６ フランジ、３２ 外側円筒部、３８ 円環部、４８ 末広がり部。

Claims (1)

1. シャフトと、
   前記シャフトに貫かれたロータコアであって、軸方向に積層された複数枚の板状部材によって形成されたロータコアと、
   前記シャフトに貫かれたエンドプレートであって、前記ロータコアにおける両側の端面のうち少なくとも一方側の端面に設けられたエンドプレートと、
   前記エンドプレートに接触し、前記エンドプレートを軸方向に押圧する押圧部と、を備え、
   前記エンドプレートは、
   前記シャフトに貫かれた円筒部と、
   前記円筒部の一端から径方向外側に広がって前記押圧部に接触するフランジと、
   前記円筒部の他端に形成された末広がり部であって、前記円筒部の他端から前記ロータコアに向かうにつれて径が大きくなり、径方向外側に向けて円環状に広がって、平坦な領域が前記ロータコアの端面に接触する末広がり部と、を含み、
   前記末広がり部のうち前記ロータコアに向かうにつれて径が大きくなる領域は、前記円筒部よりも径方向外側に至った先で前記ロータコアの端面に接触することを特徴とする回転電機のロータ。

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