JP7152714B2 - 回転電機およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関し、特にベアリングホルダを備えた回転電機およびその製造方法に関するものである。

回転電機の回転子の回転軸を支持するために複数のベアリングが用いられ、それらのベアリングの１つを保持するために、ベアリングホルダがケーシングに収容される。

一般的に、このベアリングホルダがケーシング内で径方向および軸方向に移動してベアリングに負荷をかけることがないように、ベアリングホルダ自体がケーシングに圧入され、固定される。あるいは、圧入リングと、ケーシング内に形成された円環状の段部とで、ベアリングホルダが回転軸方向に挟持（保持）される。
ここで、ベアリングホルダと圧入リングとの間で線膨張係数が異なる場合、回転電機の温度変化によって挟持が緩みやすい。

そこで特許文献１においては、この緩みによりベアリングホルダが径方向に揺動するのを防止するために、圧入リングの凸部とベアリングホルダの凹部とを嵌合させる構造が開示されている。

特開２０１６－７７０６９号公報

しかし上記のような凹凸嵌合構造では、圧入リング及びベアリングホルダの形状および加工が複雑になり製造コストが上がってしまう。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、ケーシングに対してより簡素な構造でベアリングホルダを固定できる回転電機およびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る回転電機は、回転子と、筒状のケーシングと、ベアリングと、ベアリングホルダと、圧入リングとを具備する。
上記回転子は、一軸まわりに回転する回転軸を有する。
上記筒状のケーシングは、底部と、上記底部と対向する開口部との間に設けられ上記開口部と対向する第１の支持面を含む段部と、上記底部と上記段部との間に設けられ上記回転子を収容するモータ室とを有する。
上記ベアリングは、上記回転軸を回転可能に支持する。
上記ベアリングホルダは、上記第１の支持面に当接する第１の面と、上記第１の面とは反対側の第２の面と、上記第２の面に設けられ上記一軸方向に突出する複数の突起部と、上記ベアリングを保持する保持部とを有する。
上記圧入リングは、上記ケーシングに圧入される外周面と、上記第２の面に当接し上記複数の突起部が食い込む第２の支持面とを有する。

上記の回転電機では、上記複数の突起部は、上記第２の面の周縁部に等角度間隔で設けられてもよい。

上記の回転電機では、上記ベアリングホルダは、上記圧入リングより硬くてもよい。

上記の回転電機では、上記圧入リングの第２の支持面は、平面であってもよい。

上記の回転電機では、上記突起部は、半球状、三角柱状または直方体状に形成されてもよい。

上記の回転電機では、上記突起部が半球状の場合、その半球の半径は0.03mm以上0.3mm以下であり、上記突起部が三角柱状または直方体状の場合、上記突起部の高さは0.15mm以上1.5mm以下であってもよい。

また、上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る回転電機の製造方法は、ケーシングの内周面に形成された段部に、回転子の回転軸を支持するベアリングを保持するベアリングホルダの周縁部を載置し、
上記ベアリングホルダの周縁部を上記段部に向けて押し付ける圧入リングを上記ケーシングに圧入し、
上記ベアリングホルダの周縁部に形成された突起部を上記圧入リングに食い込ませる。

以上述べたように、本発明によれば、ケーシングに対してより簡素な構造でベアリングホルダを固定することができる。

本発明の一実施形態に係る電子機器としての回転電機の構成例を示す分解斜視図である。 上記回転電機の要部の断面図である。 本発明の一実施形態に係るベアリングホルダを示す斜視図である。 上記ベアリングホルダにおける軸方向突起部を示す斜視図である。 上記ベアリングホルダの固定構造を説明する上記回転電機の要部の断面部である。 上記軸方向突起部の他の実施形態を示す斜視図である。 上記軸方向突起部のさらに他の実施形態を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

＜電子機器の構成＞
図１は本発明の一実施形態に係る電子機器としての回転電機１００の構成例を示す分解斜視図であり、図２は回転電機１００の要部の断面図である。

回転電機１００は、ケーシング１０と、部品実装体２０と、モータ３０と、バスバーユニット４０と、ベアリングホルダ５０と、圧入リング６０と、を有する。

［ケーシング］
ケーシング１０は、開口部１１と、開口部１１に対向する底部１２とを有する概略円筒形状（筒状）に形成される。ケーシング１０は形状およびコストを考慮すると、アルミダイカスト、アルミニウム等の金属材料から構成され、図２に示すように、モータ３０やバスバーユニット４０等を収容する。

底部１２と開口部１１との間には、開口部１１から挿入されるベアリングホルダ５０をＺ軸（駆動軸３２１）方向に落下しないようにするための段状の段部１５が形成されている（図２参照）。

この段部１５は、開口部１１と対向する第１の支持面１５Ｓを有する。第１の支持面１５Ｓは、後述するように、ベアリングホルダ５０の周縁部を支持する。
ケーシング１０は、底部１２と段部１５との間に設けられ、後述するロータ（回転子）３２を収容するモータ室１０Ｍ（図２参照）を有する。

［部品実装体］
部品実装体２０は、図２に示すように、モータ３０、バスバーユニット４０及びベアリングホルダ５０よりも上方においてケーシング１０の上端部に保持される。部品実装体２０は、部品実装基板２１と、ヒートシンク２３とを有する。

本実施形態の部品実装基板２１は、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ：Electronic Power Steering）のＥＣＵ（Electronic Control Unit）を構成する各種電子機器（図示略）を含む回路基板である。当該電子機器としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ等を含む。部品実装基板２１は、複数のネジ部（図示せず）を介してヒートシンク（蓋部）２３に固定される。

ヒートシンク２３は、シールリングＳ（図２参照）を介してケーシング１０の開口部１１に組み付けられることで、ケーシング１０の内部を密閉する蓋部を構成する。図１に示すように、ヒートシンク２３の上面には、部品実装基板２１と図示しない電源ユニットとの間を電気的に接続する外部接続端子２３ａが設けられている。ヒートシンク２３の周縁部には、ネジ挿通孔を有する複数のブラケット２３ｂが設けられており、これらのブラケット２３ｂを介してヒートシンク２３の開口部１１の周縁部に設けられた複数の固定ブラケット１４にネジ固定される。

［モータ］
モータ３０は、図２に示すようにケーシング１０内のモータ室１０Ｍに収容され、ステータ（固定子）３１と、ロータ（回転子）３２とを有する。

ステータ３１は、ケーシング１０の内側に円環状に配置された複数のティース（ステータコア）と、複数のティースにそれぞれ巻回されたコイル（ステータコイル）を含む。ティースは、磁性材からなり、例えば複数の磁性鋼板の積層体で構成される。ステータ３１は、ケーシング１０の内周に嵌合されることによりケーシング１０に固定される。コイルは、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の三相電磁コイルを形成するように、それらの両端部（図示せず）がバスバーユニット４０に電気的に接続される。

ロータ３２は、一軸（Ｚ軸）まわりに回転する駆動軸（回転軸）３２１と、駆動軸３２１に取り付けられるロータコア３２２とを有する。駆動軸３２１は、ケーシング１０の軸心に沿って配置され、ロータコア３２２の中央に形成された貫通孔に圧入される。駆動軸３２１は、ベアリングＢ１（第１のベアリング）及びベアリングＢ２（第２のベアリング）を介してケーシング１０に回転自在に支持される。ロータコア３２２は、周方向に配列された複数の磁極を有する。ロータ３２は、ステータ３１の内側に配置され、ステータ３１との電磁作用により駆動軸３２１をその軸まわりに回転させる。

駆動軸３２１の一端（図１及び図２において下端）は、ケーシング１０の底部１２を貫通し、その先端部にギヤ部３２３を有する。ギヤ部３２３は、ステアリングシャフトに連絡する相手側ギヤ（図示略）に噛み合い、駆動軸３２１の回転を上記ステアリングシャフトに伝達する。

一方のベアリングＢ１（第１のベアリング）は、ケーシング１０の底部１２に取り付けられ、駆動軸３２１の一端側を回転可能に支持する。他方のベアリングＢ２（第２のベアリング）は、駆動軸３２１の他端側を回転可能に支持する。
ベアリングＢ２は、ロータコア３２２とヒートシンク２３との間に配置され、ベアリングホルダ５０を介してケーシング１０に固定される。ベアリングホルダ５０に関しては後に詳述する。

［バスバーユニット］
バスバーユニット４０は、導電材からなる複数のバスバー４１と、これらバスバー４１を内包する電気絶縁性のバスバーホルダ４２とを有する（図２参照）。バスバーホルダ４２は、円環状の成形体で構成され、複数のバスバー４１は、バスバーホルダ４２の外周面から径外方へ突出する複数の接続端子４１ａと、バスバーホルダ４２の天面から一軸方向に延び、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のそれぞれに対応した複数の電源端子４１ｂとを有する（図１参照）。

バスバーユニット４０は、ケーシング１０の内部に配置され、駆動軸３２１と同心的に、ステータコイルに接続される。複数の接続端子４１ａは、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のステータコイル３１２の一端にそれぞれ電気的に接続され、複数の電源端子４１ｂは、ヒートシンク２３に固定された部品実装基板２１上のコネクタ部品２２と電気的に接続される（図２参照）。

［圧入リング］
圧入リング６０は、図１に示されているような円環状のものである。圧入リング６０は、段部１５とでベアリングホルダ５０をＺ軸方向に挟持するように、ケーシング１０に開口部１１から圧入される。圧入リング６０は、開口部１１の内周面１１０に圧入される外周面６０Ａと、ベアリングホルダ５０の周縁部に当接する第２の支持面６０Ｂとを有する（図５参照）。第２の支持面６０Ｂは、平面である。

圧入リング６０は、ケーシング１０と同一の材料（アルミダイカスト、アルミニウム等）または、ケーシング１０と同程度の線膨張係数を有する材料（例えば黄銅やマグネシウム合金）から成る。これにより、回転電機１００の温度変化による、圧入リング６０のケーシング１０への圧入固定緩みを防止することができる。

［ベアリングホルダ］
図３は、ベアリングホルダ５０を示す斜視図である。図４および図５は、圧入リング６０によるベアリングホルダ５０の固定構造を説明する回転電機１００の要部の斜視図および断面図である。

ベアリングホルダ５０は、ベアリングＢ２をケーシング１０内に位置決め保持するためのものであり、金属板のプレス成形体で構成される。本実施形態においてベアリングホルダ５０は、金属板を立体形状に深絞り加工及び折り曲げ加工することで作製される。

ベアリングホルダ５０が金属材料で構成されることにより、ベアリングホルダ５０を介してベアリングＢ２で生じる摩擦熱を効率よくケーシング１０へ逃がすことができ、ベアリングＢ２の放熱性が向上する。

図３に示されているように、ベアリングホルダ５０は、概略円盤形状を有し、その中心部には駆動軸３２１が貫通する軸穴５０１が設けられている。
この軸穴５０１を包囲するように、第２のベアリングＢ２を圧入保持するためのベアリング保持部５０２が設けられている。

ベアリング保持部５０２は、ベアリングＢ２のアウタレースとの嵌合あるいは嵌着作用によってベアリングＢ２を一体的に保持する。この際、ベアリング保持部５０２の開口下端部をカシメることで、ベアリングＢ２との一体的結合が得られるようにしてもよい。

ベアリングホルダ５０は、複数の電源端子４１ｂを通すための複数の端子用穴５０３をさらに備え、必要に応じて複数の位置決め用穴５０４を備えてもよい。位置決め用穴５０４は肉抜き用の穴であってもよい。

さらにベアリングホルダ５０は、ケーシング１０の段部１５（第１の支持面１５Ｓ）に当接する第１の面５１Ｂとその反対側の第２の面５１Ｔとを有する周縁部５１を有する（図５参照）。周縁部５１は、その外周端部から径方向に突出するように形成された複数の径方向突起部５０５を備える。これらの径方向突起部５０５は、ケーシング１０の内周面に接触あるいは近接することで、ケーシング１０に対するベアリングホルダ５０の位置決め精度を高めるためのものである。

径方向突起部５０５は、これに限定されないが、直方体状に周方向に８個等間隔で（換言すると、４５°の等角度で）配置される。径方向突起部５０５は、少なくとも径方向に対向するように２個配置されればよい。

ベアリングホルダ５０は、周縁部５１の外周端部からＺ軸方向に突出するように形成された複数の軸方向突起部５０６をさらに備える。これらの軸方向突起部５０６は、第２の面５１Ｔに設けられ、圧入リング６０に食い込むことで、ベアリングホルダ５０が径方向に揺動することを抑制する。

軸方向突起部５０６は、これに限定されないが、ベアリングホルダ５０の周方向に８個等間隔で（換言すると、４５°の等角度で）配置される。ここで、径方向突起部５０５は、各軸方向突起部５０６の周方向における中間に配置されている。
軸方向突起部５０６は、少なくとも径方向に対向するように２個配置されればよい。

軸方向突起部５０６は、圧入リング６０へ食い込む時（食い込みに関しては後述する）に反力を受ける。この反力によるベアリングホルダ５０の変形を防止するために、軸方向突起部５０６は、ケーシング１０の段部１５に載置されるベアリングホルダ５０の外周縁部上に配置される。

本実施形態において軸方向突起部５０６は、半球状あるいは部分半球状に形成される。軸方向突起部５０６は、例えばベアリングホルダ５０の外周端部を第１の面５１Ｂ側からポンチで目打ちすることで形成される。軸方向突起部５０６の先端形状は曲面状に限られず、平面状でもよいし、錐体状であってもよい。

圧入リング６０への食い込みを効果的に実現するためには、軸方向突起部５０６の半球（先端Ｒ）の半径は0.03mm以上0.3mm以下であるのが望ましい。
これらの範囲の最小値未満であると、軸方向突起部５０６が低すぎて食い込みが実現されにくい。
あるいは、これらの範囲の最大値を超えると、軸方向突起部５０６が高すぎて安定した食い込みが実現されにくい。

ベアリングホルダ５０を構成する金属板は、圧入リング６０の構成材料よりも硬質の材料であれば特に限定されないが、形状およびコストを考慮すると例えば鋼板が好ましい。必要な強度が確保されつつ、軸方向突起部５０６を形成し得る程度の厚みで構成される。

ベアリングホルダ５０は、磁性材料で構成されてもよいし、非磁性材料で構成されてもよい。ベアリングホルダ５０が磁性材料で構成されることにより、ステータ３１やロータ３２から発生する電磁場の影響から部品実装基板２１上の電子部品を保護するというシールド効果が得られる。このような材料として、例えばＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板）が挙げられるが、勿論これに限られない。

［ベアリングホルダの固定方法］
従来、ベアリングホルダを直接的にケーシングに圧入固定しようとしても、上記のようなプレス加工ではベアリングホルダの外径公差が大きいため、圧入が困難であった。
直接的に圧入できたとしても、鉄（ベアリングホルダ）とアルミダイカスト（ケーシング１０）との間の線膨張係数における差異により、圧入リングによるベアリングホルダの保持力が低下して、ベアリングホルダが径方向や軸方向に移動するという課題もあった。

これらの困難や課題を回避するために、本実施形態では、ケーシング１０と線膨張係数が等しい材料から成る圧入リング６０の圧入により、ベアリングホルダ５０がケーシング１０の段部１５とで挟持される。
この圧入リング６０の圧入する（段部１５と圧入リング６０との間で挟み込む）力により、ベアリングホルダ５０が、軸方向および径方向に移動しないように保持される。

ここで、ベアリングホルダ５０はプレス加工されているので、実際にはある程度の表面粗さを有している。そのため、この圧入リング６０の挟み込み面も実際は点接触となり、径方向の挟持力は、所望の挟持力より小さくなり、ベアリングホルダ５０がケーシング１０内で径方向に移動あるいは揺動してしまうことがあった。

これに対し本実施形態では、図４に示されているように、回転電機１００のアセンブリ時に、圧入リング６０をベアリングホルダ５０の複数の軸方向突起部５０６に食い込ませて、この径方向の揺動を防止する。
本実施形態のベアリングホルダの固定方法として、圧入リング６０は、段部１５とで複数の軸方向突起部５０６に食い込むまで圧入される。

すなわち本実施形態の回転電機１００の製造方法は、ケーシング１０の内周面に形成された段部１５（第１の支持面１５Ｓ）に、ベアリングホルダ５０の周縁部５１を載置するステップと、ベアリングホルダ５０の周縁部５１を段部１５に向けて押し付ける圧入リング６０をケーシング１０に圧入するステップと、ベアリングホルダ５０の周縁部５１に形成された軸方向突起部５０６を圧入リング６０（第２の支持面６０Ｂ）に食い込ませて、圧入リングを塑性変形させるステップとを有する。

図５に示すように、圧入リング６０がケーシング１０の内周面１１０に圧入されると、ベアリングホルダ５０の下面（第１の面５１Ｂ）は、段部１５の第１の支持面１５Ｓに当接する（圧接される）。このとき、圧入リング６０の下面（第２の支持面６０Ｂ）は、ベアリングホルダ５０の上面（第２の面５１Ｔ）に設けられた一軸方向に突出した複数の突起部５０６に食い込まれることで、塑性変形した状態になる。結果、圧入リング６０の第２の支持面６０Ｂには、突起部５０６の食い込みによる圧痕６０Ｂｃが形成される（図５参照）。圧入リング６０の第２の支持面６０Ｂとベアリングホルダ５０の第２の面５１Ｔとは互いに接触していてもよいし、僅かな隙間をあけて対向していてもよい。

ここで、圧入リング６０がベアリングホルダ５０に押圧されたときに、圧入リング６０に対して複数の軸方向突起部５０６が食い込むことができるように、圧入リング６０と複数の突起部との間の硬度差を設定する必要がある。換言すると、複数の突起部は、圧入リング６０より硬い。

複数の軸方向突起部５０６が圧入リング６０に食い込むことによって、ケーシング１０に対するベアリングホルダ４０の径方向の揺動が規制される。食い込みによる物理的な固定なので、ベアリングホルダ５０と圧入リング６０との間の線膨張係数が異なっても挟持力が低下しにくい。また、挟持力が低下したとしても、圧入リング６０に形成された圧痕６０Ｂｃと軸方向突起部５０６との間の係合作用によって、ベアリングホルダ５０の径方向の移動を規制することができる。

上述したようにベアリングホルダ５０に複数の軸方向突起部５０６を設けて、回転電機１００のアセンブリ時に圧入リング６０に食い込ませることにより、（簡素な構造で）ベアリングホルダ５０を径方向に固定することができる。

これにより製造性が向上し、製造コストを削減することが可能になった。また、ベアリングＢ１およびＢ２の寿命が向上し、ベアリングホルダ５０の径方向（ベアリングＢ２）の揺動による騒音を抑制できるとともに、ベアリングＢ２の負荷を低減してその耐久性を向上させることができる。

本実施形態のベアリングホルダの固定方法は、ベアリングホルダ５０と圧入リング６０との間の線膨張係数が異なっても挟持力が低下しにくいので、広い温度適用範囲が必要な車載用に適している。

＜他の実施形態＞
ベアリングホルダ５０の軸方向突起部５０６の形状は、上述のように半球状あるいは部分半球状に限られない。
例えば、図６に示されているように軸方向突起部５０６は三角柱状に形成されてもよい。この場合、例えば径方向突起部５０５上に形成された、径方向に直交する方向に略平行な２直線状の切り込みの中央部を突起状に折り曲げ加工して（切り起こして）、軸方向突起部５０６Ｂが形成されてもよい。

あるいは、図６に示されているように軸方向突起部５０６は直方体状に形成されてもよい。この場合、例えば径方向突起部５０５の一部を約90°突起状に折り曲げ加工して、軸方向突起部５０６Ｃが形成されてもよい。

軸方向突起部５０６Ｂ，５０６Ｃの高さは特に限定されないが、0.15mm以上1.5mm以下であるのが望ましい。

＜変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

また以上の実施形態では、電子機器として、車両の電動パワーステアリング装置に用いられる回転電機１００を例に挙げて説明したが、他の用途の回転電機（モータ）にも適用可能である。さらに、本発明に係る電子機器は、モータだけでなく、発電機等の他の回転電機にも適用可能であり、加えて、回転電機以外の他の電子機器にも適用可能である。

１０…ケーシング
１５…段部
３０…モータ
３２…ロータ（回転子）
４０…バスバーユニット
５０…ベアリングホルダ
６０…圧入リング
５０６…軸方向突起部
１００…回転電機
Ｂ１，Ｂ２…ベアリング

Claims (8)

1. 一軸まわりに回転する回転軸を有する回転子と、
   底部と、前記底部と対向する開口部との間に設けられ前記開口部と対向する第１の支持面を含む段部と、前記底部と前記段部との間に設けられ前記回転子を収容するモータ室とを有する筒状のケーシングと、
   前記回転軸を回転可能に支持するベアリングと、
   前記第１の支持面に当接する第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面と、前記第２の面に設けられ前記一軸方向に突出する複数の突起部と、前記ベアリングを保持する保持部とを有するベアリングホルダと、
   前記ケーシングに圧入される外周面と、前記第２の面に当接し前記複数の突起部が食い込む第２の支持面とを有する圧入リングと
   を具備する回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記複数の突起部は、前記第２の面の周縁部に等角度間隔で設けられる
   回転電機
3. 請求項１または２に記載の回転電機であって、
   前記ベアリングホルダは、前記圧入リングより硬い
   回転電機。
4. 請求項１または３に記載の回転電機であって、
   前記圧入リングの第２の支持面は、平面である
   回転電機。
5. 請求項１～４のいずれか１つに記載の回転電機であって、
   前記突起部は、半球状、三角柱状または直方体状に形成される
   回転電機。
6. 請求項５に記載の回転電機であって、
   前記突起部は半球状であり、その半球の半径は0.03mm以上0.3mm以下である
   回転電機。
7. 請求項６に記載の回転電機であって、
   前記突起部は三角柱状または直方体状であり、前記突起部の高さは0.15mm以上1.5mm以下である
   回転電機。
8. ケーシングの内周面に形成された段部に、回転子の回転軸を支持するベアリングを保持するベアリングホルダの周縁部を載置し、
   前記ベアリングホルダの周縁部を前記段部に向けて押し付ける圧入リングを前記ケーシングに圧入し、
   前記ベアリングホルダの周縁部に形成された突起部を前記圧入リングに食い込ませる
   回転電機の製造方法。

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