WO2019123952A1 - ロータおよびモータ - Google Patents

Abstract

ロータは、インナーロータ型のモータに用いられるロータであって、上下方向に延びる中心軸を中心とするシャフトと、シャフトに固定されたロータコアと、ロータコアに支持されるロータマグネットと、を備える。ロータコアには、シャフトが圧入される中央孔が設けられる。中央孔の内周面には、周方向に沿って並び径方向内側に突出し先端面でシャフトと接触する複数の嵌合凸部が設けられる。シャフトの外周面には、軸方向に沿って延び、径方向において先端面と対向する溝部が設けられる。

Description

ロータおよびモータ

本発明は、ロータおよびモータに関する。

モータにおいて、互いに固定されたシャフトおよびロータコアを有するロータが知られている。シャフトとロータコアとの締結構造としては、キー嵌合により固定される構造および圧入により固定される構造等が知られている。例えば、特許文献１には、シャフトとロータコアとをキー嵌合させる構造が開示されている。

特開２０１１－２５９６８９号公報

キー嵌合による固定構造を採用する場合、シャフトとロータコアとの嵌合部において、周方向に隙間が設けられる。このため、高速回転中に振動が生じる虞がある。また、ロータコアにシャフトを圧入する固定構造を採用する場合、シャフトとロータコアとの空転対策が求められる。　

本発明の一態様は、本発明の一態様は、ロータコアとシャフトとの空転を抑制できるロータを提供することを目的の一つとする。

本発明の一態様のロータは、インナーロータ型のモータに用いられるロータであって、上下方向に延びる中心軸を中心とするシャフトと、前記シャフトに固定されたロータコアと、前記ロータコアに支持されるロータマグネットと、を備える。前記ロータコアには、前記シャフトが圧入される中央孔が設けられる。前記中央孔の内周面には、周方向に沿って並び径方向内側に突出し先端面で前記シャフトと接触する複数の嵌合凸部が設けられる。前記シャフトの外周面には、軸方向に沿って延び、径方向において前記先端面と対向する溝部が設けられる。

本発明の一態様によれば、ロータコアとシャフトとの空転を抑制できるロータを提供できる。

図１は、一実施形態のモータの中心軸に沿う断面模式図である。 図２は、一実施形態のロータコアの平面図である。 図３は、一実施形態のロータの部分断面図である。 図４は、図３の領域ＩＶの拡大図である。 図５は、変形例のロータコアの平面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るロータおよびモータについて説明する。なお、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせる場合がある。　

各図には、適宜Ｚ軸を示す。各図のＺ軸方向は、図１に示す中心軸Ｊの軸方向と平行な方向とする。また、以下の説明においては、Ｚ軸方向の正の側（＋Ｚ側）を「上側」と呼び、Ｚ軸方向の負の側（－Ｚ側）を「下側」と呼ぶ。なお、上側および下側とは、単に説明のために用いられる方向であって、実際の位置関係や方向を限定しない。また、特に断りのない限り、中心軸Ｊに平行な方向（Ｚ軸方向）を単に「軸方向」又は「上下方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする周方向、すなわち、中心軸Ｊの軸周りを単に「周方向」と呼ぶ。さらに、以下の説明において、「平面視」とは、軸方向から見た状態を意味する。　

＜モータ＞

　図１は、一実施形態のモータ１の中心軸Ｊに沿う断面模式図である。モータ１は、ロータ３と、ステータ１０と、ハウジング２と、ベアリングホルダ５と、上側ベアリング６Ａと、下側ベアリング６Ｂと、を有する。本実施形態のモータ１は、ステータ１０の径方向内側にロータ３が配置されたインナーロータ型のモータである。　

ハウジング２は、上側に開口する筒状である。ハウジング２は、ロータ３、ステータ１０およびベアリングホルダ５を収容する。ハウジング２は、筒状部２ａと底部２ｂとを有する。筒状部２ａは、ステータ１０を径方向外側から囲む。底部２ｂは、筒状部２ａの下端に位置する。底部２ｂの平面視中央には、下側ベアリング６Ｂを保持する下側ベアリング保持部２ｃが設けられる。　

ベアリングホルダ５は、ステータ１０の上側に位置する。ベアリングホルダ５は、ハウジング２の内周面に保持される。ベアリングホルダ５は、上側ベアリング保持部５ａにおいて、上側ベアリング６Ａを保持する。　

ステータ１０は、中心軸Ｊ周りに環状に配置される。ステータ１０は、ロータ３の径方向外側に位置する。ステータ１０は、ロータ３と隙間を介して径方向に対向する。ステータ１０は、ハウジング２の内周面に固定される。ステータ１０は、環状のステータコア１１と、ステータコア１１に上下方向から装着された一対のインシュレータ１４と、インシュレータ１４を介してステータコア１１に装着されたコイル１３と、を有する。　

＜ロータ＞

　ロータ３は、インナーロータ型のモータ１に用いられる。ロータ３は、上下方向に延びる中心軸Ｊ周りに回転する。ロータ３は、シャフト９０と、複数のロータコア３０と、複数のロータマグネット３ｂと、を有する。シャフト９０は、上下方向（軸方向）に延びる中心軸Ｊを中心として上下方向に延びる。シャフト９０は、中心軸Ｊと直交する断面形状が円形である。シャフト９０は、上側ベアリング６Ａと下側ベアリング６Ｂとによって、中心軸Ｊの軸周りに回転可能に支持される。　

ロータコア３０は、シャフト９０の外周面９０ａに固定される。本実施形態のロータ３には、軸方向に沿って並ぶ２つのロータコア（第１のロータコア３０Ａおよび第２のロータコア３０Ｂ）が設けられる。第１のロータコア３０Ａと第２のロータコア３０Ｂとは、同形状である。本明細書において、第１のロータコア３０Ａと第２のロータコア３０Ｂとを区別しない場合、これらを単にロータコア３０と呼ぶ。　

第１のロータコア３０Ａおよび第２のロータコア３０Ｂの外周面には、それぞれロータマグネット３ｂが固定される。すなわち、ロータマグネット３ｂは、ロータコア３０に支持される。　

第１のロータコア３０Ａと第２のロータコア３０Ｂとは、ロータマグネット３ｂの磁極を周方向にずらした状態でシャフト９０に固定される。すなわち、第１のロータコア３０Ａと第２のロータコア３０Ｂとは、所定のスキュー角で互いに回転方向にずらして配置される。これにより、モータ１のコギングトルクを低減できる。　なお、本実施形態において、ロータ３は、２つのロータコア３０を有する場合を例示したが、スキュー角を付与されて配置された３以上のロータコアを有していてもよい。　

ロータコア３０は、複数の電磁鋼板３９を軸方向に沿って積層して構成されている。複数の電磁鋼板３９は、同形状である。したがって、軸方向から見たロータコア３０の形状は、それぞれの電磁鋼板３９の軸方向から見た形状と一致する。　

図２は、一実施形態のロータコア３０の平面図である。　ロータコア３０は、軸方向に沿って一様な断面で延びる。ロータコア３０は、軸方向から見て、外形形状が略多角形である。本実施形態において、ロータコア３０は、軸方向から見て八角形である。すなわち、本実施形態のロータコア３０は、八角形柱である。　

ロータコア３０は、径方向外側を向く８つの保持面３０ａを有する。８つの保持面３０ａは、ロータコア３０の外周面を構成する。保持面３０ａは、周方向に沿って並ぶ。保持面３０ａは、径方向と直交する面である。保持面３０ａには、接着剤などを介してそれぞれロータマグネット３ｂが固定される。また、ロータマグネット３ｂは、筒状のロータカバーによって固定されていてもよい。したがって、本実施形態のロータ３には、８つのロータマグネット３ｂが設けられる。８つのロータマグネット３ｂは、周方向に沿って磁極の向きを交互にして配置される。　なお、ロータコア３０の保持面３０ａの数および、ロータ３に設けられるロータマグネット３ｂの数は一例であり、本実施形態に限定されない。　

ロータコア３０には、複数の貫通孔３５が設けられる。本実施形態において、ロータコア３０には、８つの貫通孔３５が設けられる。貫通孔３５は、軸方向に貫通する。また、複数の貫通孔３５は、周方向に沿って等間隔に並ぶ。貫通孔３５の内部は、空洞である。　

ロータコア３０には、平面視中央に位置する中央孔３１が設けられる。中央孔３１は、軸方向に貫通する。中央孔３１は、中心軸Ｊを中心とする略円形である。中央孔３１には、シャフト９０が圧入される。　

中央孔３１の内周面には、複数の嵌合凸部３２が設けられる。本実施形態において、中央孔３１の内周面には、８つの嵌合凸部３２が設けられる。嵌合凸部３２の数は、ロータマグネット３ｂの数および貫通孔３５の数と、一致する。また、１つの嵌合凸部３２の径方向外側には、１つのロータマグネット３ｂが設けられる。　なお、本明細書において、「中央孔の内周面」とは、ロータコアにおいて中央孔を構成する面を意味する。　

複数の嵌合凸部３２は、周方向に沿って等間隔に並ぶ。嵌合凸部３２は、径方向内側に突出する。嵌合凸部３２は、径方向内側を向く先端面３２ａを有する。先端面３２ａは、中心軸Ｊを中心とする円弧形状で、軸方向に沿って一様に延びる。嵌合凸部３２は、先端面３２ａにおいてシャフト９０と接触する。　

本実施形態において、１つの嵌合凸部３２の径方向外側には１つの貫通孔３５が設けられる。これにより、中央孔３１にシャフト９０を圧入する際に、ロータコア３０が弾性変形しやすくなる。これによって、嵌合凸部３２の径方向外側への変位が容易となる。結果的に、ロータコア３０に対するシャフト９０の圧入する際に発生する応力が軽減し、組み立て工程を容易とすることができる。加えて、嵌合凸部３２と貫通孔３５との間で、ロータコア３０の弾性変形が促されることで、嵌合凸部３２の先端面３２ａにおける接触する際に発生する圧力が安定化する。これにより、中央孔３１におけるシャフト９０の保持を安定させることができる。　

本実施形態によれば、貫通孔３５の内部は、空洞である。したがって、貫通孔３５の内部に樹脂材料などが充填される場合と比較して、貫通孔３５の径方向内側に位置する嵌合凸部３２を変形させやすくすることができる。なお、貫通孔３５の内部がロータコア３０を構成する材料より弾性変形しやすい樹脂材料などで満たされていてもよい。このような場合、ロータコア３０を構成する材料と、貫通孔３５に充填された材料との弾性率の差に起因して、嵌合凸部３２が径方向外側に変形しやすくなる。　

図３は、ロータ３の部分断面図である。また、図４は、図３の領域ＩＶの拡大図である。　図３に示すように、シャフト９０の外周面９０ａには、複数（本実施形態において４つ）の溝部９１が設けられる。複数の溝部９１は、周方向に沿って等間隔に配置される。溝部９１は、軸方向に沿って直線状に延びる。溝部９１は、径方向において嵌合凸部３２の先端面３２ａと対向する。　

８つの嵌合凸部３２は、４つの第１の嵌合凸部３２Ａと４つの第２の嵌合凸部３２Ｂとを含む。第１の嵌合凸部３２Ａは、先端面３２ａにおいて溝部９１と対向する。一方で、第２の嵌合凸部３２Ｂは、先端面３２ａにおいて溝部９１と対向しない。すなわち、第２の嵌合凸部３２Ｂは、先端面３２ａの全域においてシャフト９０の外周面９０ａに接触する。シャフト９０の圧入前の状態において、第１の嵌合凸部３２Ａと第２の嵌合凸部３２Ｂとは、同形状である。すなわち、シャフト９０の圧入前の状態において、第１の嵌合凸部３２Ａと第２の嵌合凸部３２Ｂとは、突出高さおよび周方向に沿う幅寸法が同一である。　

図４に示すように、溝部９１は、径方向内側に向かうに従い、周方向の幅が狭くなるＶ字状である。溝部９１は、一対の側面９１ｂと、底面９１ａと、を有する。一対の側面９１ｂは、底面９１ａから径方向外側に延びる。一対の側面９１ｂは、径方向外側に向かうに従い互いに離間する方向に延びる。底面９１ａは、径方向外側を向く。底面９１ａは、一対の側面９１ｂの下端部同士を滑らかに繋ぐ。　なお、溝部９１の断面形状は、本実施形態に限定されない。例えば溝部９１の断面形状は、矩形状であっても、円弧形状であってもよい。　

溝部９１は、例えば、Ｖ字状の先端部を有する工具を、シャフト９０の外周面９０ａに押し当てて軸方向に移動させることで成形することができる。これにより、工具押し当てられたシャフト９０の外周面９０ａが塑性変形して、Ｖ字状の溝部９１が成形される。また、このような工程を経て溝部９１を成形する場合、溝部９１の周方向両側に塑性変形による凸部が成形される。このため、溝部９１の成形後に、シャフト９０の外周面を研磨して、溝部９１の周方向両側の凸部を除去することが好ましい。　なお、上述の溝部９１の成形方法は、一例である。溝部９１は、切削加工などの他の成形方法によって成形されていてもよい。　

溝部９１と対向する第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａは、シャフト９０との接触により変形して溝部９１内に侵入する変形凸部３２ｂと、変形凸部３２ｂの周方向両側に位置する一対の接触部３２ｃを有する。第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａは、接触部３２ｃにおいてシャフト９０の外周面９０ａと接触する。　

中央孔３１にシャフト９０が圧入されると、嵌合凸部３２は径方向外側に向かって弾性変形する。第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａは、溝部９１と対向する領域において、シャフト９０の外周面９０ａから応力を受けていない。このため、第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａにおいて、溝部９１と対向する領域は、他の領域と比較して弾性変形の割合が小さくなる。これにより、第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａには、変形凸部３２ｂが設けられる。　

なお、図４は、変形凸部３２ｂを強調する目的で、溝部９１の深さ寸法に対し変形凸部３２ｂの径方向の寸法（高さ寸法）の比率を実際より大きくして図示したものである。本実施形態において、溝部９１の深さ寸法は、例えばシャフト９０の直径の１０％以下である。これに対し、変形凸部の高さ寸法は、例えば、１μｍ以上３０μｍ以下である。　

第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａであって、シャフト９０の外周面９０ａと接触する領域（接触部３２ｃ）には、面圧が生じる。一方で、第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａであって、溝部９１と対向する領域（変形凸部３２ｂ）には、面圧が生じない。上述したように、溝部９１は、軸方向に沿って延びる。本実施形態によれば、先端面３２ａには、面圧が極端に変化する境界部が軸方向に沿って直線状に設けられる。先端面３２ａに面圧が極端に変化する境界部が設けられることで、境界部においてシャフト９０が変形して、第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａがシャフト９０の外周面９０ａに対して滑ることを抑制でき、ロータコア３０とシャフトと９０との空転が抑制される。　

また、本実施形態によれば、第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａが、溝部９１内に侵入する変形凸部３２ｂを有する。変形凸部３２ｂは、根元部において溝部９１の側面９１ｂに接触する。変形凸部３２ｂは、第１の嵌合凸部３２Ａがシャフト９０の外周面９０ａに対し周方向に相対的に移動しようとする際に、アンカーとして機能する。このため、第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａがシャフト９０の外周面９０ａに対して滑ることを抑制でき、ロータコア３０とシャフトと９０との空転が抑制される。　

本実施形態によれば、変形凸部３２ｂの先端と溝部９１の底面９１ａとの間には、隙間が設けられる。このため、第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａを径方向内側に十分に変形させて、変形凸部３２ｂを設けることができる。　

本実施形態によれば、ロータコア３０は、中央孔３１の内周面に設けられた嵌合凸部３２の先端面３２ａにおいて、シャフト９０の外周面９０ａと接触する。このため、中央孔３１の内周面全体がシャフト９０の外周面９０ａに接触する場合と比較して、接触面の面圧が高くなる。結果的に、溝部９１と対向する第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａの一部が、変形凸部３２ｂとして溝部９１の内部に侵入しやすくなり、ロータコア３０とシャフト９０との空転を効果的に抑制できる。　

本実施形態において、変形凸部３２ｂの周方向両側に位置する一対の接触部３２ｃの周方向長さｄ２、ｄ２は、互いに等しいことが好ましい。これにより、シャフト９０の回転方向に関わらず、シャフト９０に対してロータコア３０が空転することを効果的に抑制できる。　また、変形凸部３２ｂの周方向長さｄ１は、一対の接触部３２ｃの周方向長さｄ２、ｄ２の総和より短いことが好ましい。一対の接触部３２ｃの周方向長さｄ２、ｄ２の総和を長くすると、シャフト９０に対するロータコア３０の位置決め精
度が高まる。すなわち、本実施形態によれば、シャフト９０に対してロータコア３０が空転することを抑制しつつ、ロータコア３０の位置決め精度を高めることができる。　また、変形凸部３２ｂの周方向長さｄ１を、一対の接触部３２ｃの周方向長さｄ２、ｄ２の総和より長くしてもよい。この場合には、変形凸部３２ｂによる空転抑制効果を高めることができる。　

図３に示すように、第１の嵌合凸部３２Ａと第２の嵌合凸部３２Ｂとは、周方向に沿って交互に並ぶ。上述したように、第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａは、溝部９１と対向する領域で径方向内側に変形して変形凸部３２ｂを構成する。これに伴い、第１の嵌合凸部３２Ａの先端面３２ａは、シャフト９０の外周面９０ａと接触する円弧形状に歪みが生じる。このため、全ての嵌合凸部３２の先端面３２ａが溝部９１と対向する場合には、シャフト９０とロータコア３０との同軸度の低下を招く虞がある。　しかしながら、本実施形態によれば、嵌合凸部３２が、先端面３２ａにおいて溝部９１と対向する第１の嵌合凸部３２Ａと溝部９１と対向しない第２の嵌合凸部３２Ｂとを含む。このため、第１の嵌合凸部３２Ａにおいて、ロータコア３０とシャフト９０との空転を抑制するととともに、第２の嵌合凸部３２Ｂにおいて、ロータコア３０とシャフト９０との同軸度を確保することができる。　

本実施形態によれば、複数の第１の嵌合凸部３２Ａは、周方向に等間隔に配置される。このため、ロータコア３０の対称性を保つことができ、ロータコア３０とシャフト９０との同軸度のばらつきを効果的に抑制できる。さらに、本実施形態によれば、第１の嵌合凸部３２Ａと第２の嵌合凸部３２Ｂとは、周方向に交互に配置される。このため、ロータコア３０とシャフト９０との同軸度のばらつきを抑制する効果を高めることができる。　

なお、本実施形態では、シャフト９０の外周面９０ａに４つの溝部９１が設けられ、１つの溝部９１が１つの嵌合凸部３２に対向する場合を例示した。しかしながら、溝部９１と嵌合凸部３２との関係は本実施形態に限定されない。例えば、複数の溝部９１が、１つの嵌合凸部３２と径方向に対向していてもよい。また、溝部９１は、シャフト９０の外周面９０ａに少なくとも１つ設けられていればよい。すなわち、複数の嵌合凸部３２は、溝部９１と対向する第１の嵌合凸部３２Ａを少なくとも１つ含んでいればよい。　

（変形例）

　図５は、上述の実施形態のモータ１に採用可能な変形例のロータコア１３０の平面図である。図５において、ロータコア１３０の外周面１３０ａに固定されるロータマグネット１０３ｂを二点鎖線で図示する。　なお、上述の実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。　

変形例のロータコア１３０は、軸方向に沿って一様な断面で延びる。ロータコア１３０は、軸方向から見て中心軸Ｊを中心とする円形である。すなわち、本実施形態において、ロータコア１３０は、円柱状である。ロータコア１３０は、径方向外側を向く外周面１３０ａを有する。外周面１３０ａには、接着剤などを介してロータマグネット１０３ｂが固定される。なお、ロータマグネット１０３ｂは、筒状のロータカバーによって固定されていてもよい。　

本変形例のロータマグネット１０３ｂは、環状である。また、ロータマグネット１０３ｂは、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に複数並んで着磁されている。すなわち、ロータマグネット１０３ｂは、周方向に沿って磁極が並ぶ環状である。ロータマグネット１０３ｂのＮ極およびＳ極の磁極は、それぞれ螺旋状に着磁されていてもよい。このように着磁することで、モータのコギングトルクを低減できる。　

以上に、本発明の様々な実施形態およびその変形例を説明したが、それぞれの実施形態およびその変形例における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。　

上述の様々な実施形態およびその変形例のロータおよびロータを備えたモータは、電動パワーステアリング装置に搭載される。また、これらのロータおよびモータは、電動パワーステアリング装置に限られず、いかなる装置に搭載されていてもよい。

１…モータ、３…ロータ、３ｂ，１０３ｂ…ロータマグネット、１０…ステータ、３０，１３０…ロータコア、３１…中央孔、３２…嵌合凸部、３２Ａ…第１の嵌合凸部、３２Ｂ…第２の嵌合凸部、３２ａ…先端面、３２ｂ…変形凸部、３５…貫通孔、９０…シャフト、９０ａ…外周面、９１…溝部、９１ａ…底面、Ｊ…中心軸

Claims (11)

1. インナーロータ型のモータに用いられるロータであって、
   
   　上下方向に延びる中心軸を中心とするシャフトと、
   
   　前記シャフトに固定されたロータコアと、
   
   　前記ロータコアに支持されるロータマグネットと、を備え、
   
   　前記ロータコアには、前記シャフトが圧入される中央孔が設けられ、
   
   　前記中央孔の内周面には、周方向に沿って並び径方向内側に突出し先端面で前記シャフトと接触する複数の嵌合凸部が設けられ、
   
   　前記シャフトの外周面には、軸方向に沿って延び、径方向において前記先端面と対向する溝部が設けられる、ロータ。
2. 前記溝部と対向する前記先端面は、前記シャフトとの接触により変形して前記溝部内に侵入する変形凸部を有する、請求項１に記載のロータ。
3. 前記溝部の底面と前記変形凸部の先端との間には、隙間が設けられる、請求項２に記載のロータ。
4. 複数の前記嵌合凸部は、
   
   　　前記先端面において前記溝部と対向する第１の嵌合凸部と、
   
   　　前記先端面の全域において前記シャフトの外周面に接触する第２の嵌合凸部と、を含み、
   
   　複数の前記第１の嵌合凸部は、周方向に等間隔に配置される、
   
   請求項１～３の何れか一項に記載のロータ。
5. 前記第１の嵌合凸部と前記第２の嵌合凸部とは、周方向に交互に配置される、請求項４に記載のロータ。
6. 前記ロータコアには、
   
   　軸方向に貫通し周方向に沿って並ぶ複数の貫通孔が設けられ、
   
   　それぞれの前記貫通孔は、１つの前記嵌合凸部の径方向外側に位置する、
   
   請求項１～５の何れか一項に記載のロータ。
7. 前記貫通孔の内部が空洞である、請求項６に記載のロータ。
8. 複数の前記ロータマグネットを備え、
   
   　前記ロータマグネットの数と、前記嵌合凸部の数と、が一致する、
   
   請求項１～７の何れか一項に記載のロータ。
9. 前記ロータマグネットが、周方向に沿って磁極が並ぶ環状である、請求項１～７の何れか一項に記載のロータ。
10. 前記ロータマグネットは、前記ロータコアの外周面に固定される、請求項１～９の何れか一項に記載のロータ。
11. 請求項１～１０の何れか一項に記載されたロータと、
    
    　前記ロータの径方向外側に位置するステータと、を有する、モータ。

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