JP5707863B2

JP5707863B2 - 電動機のロータ構造

Info

Publication number: JP5707863B2
Application number: JP2010243107A
Authority: JP
Inventors: 好晴内藤; 永田　耕治; 耕治永田
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: US20130293057A1; JP2012100364A; EP2634893A1; WO2012056921A1; CN103181063A; EP2634893B1; US9225211B2; CN103181063B; EP2634893A4

Description

本発明は、電動機のロータとシャフトを締め代を以て締結する電動機のロータ構造に関する。詳しくは、ロータとシャフトとの位置決め構造を有し、応力を効果的に逃がし、締結力を高めるものである。

従来技術として、図６に示されるように、ロータ１の内壁にロータ中心に向けて延びるキー部材（凸部）２を形成し、シャフト３の外壁にはシャフト中心に向けて延びるキー溝（凹部）４を形成し、これらキー部材２とキー溝４を嵌合した位置決め構造が知られている（特許文献１の図２参照）。

上記の改良技術として、図７に示すように、キー部材２の両側に応力緩和溝５，６を設けた構造（特許文献２の図４参照）や、図８に示すようにキー部材２の両側に凹部７，８を設けた構造でシャフト３とロータ１との位置決めを行っている構造がある（特許文献３の図６参照）。

上記の位置決め構造は、例えば、ＰＭモータの場合、モータを駆動制御する際にロータコア内の磁石位置とシャフトに接続される回転センサの位置を決めるために必要となる。

特開２００４−３２９４３号特開２００８−１８７８０４号特開２００８−３１２３２１号

電動機において、ロータコアからシャフトヘのトルクは、ロータコアとシャフトの締め代にて伝達する。即ち、図９に示すように、嵌め合わせによってロータコア（ロータ）１からシャフト３へトルクを伝達するために、シャフト３とロータコア１には締め代を設けて固定しており、ロータコア１や位置決めキー（キー部材）２には応力が発生する。この時、構造上、応力は、図中一点鎖線で示すように、ロータコア角部１ａに集中して発生する。

この応力集中を緩和するため、図１０に示すように、ロータコア角部１ａに凹部（以下、曲部という）Ｒを付けると、曲部Ｒをつけることによってロータコア内周面とシャフト外周面との締結面積が減少してしまい、トルク伝達力が低下するという問題が生じる。
即ち、曲部Ｒは、位置決めキー２の両側におけるロータ内壁に形成され、径方向外側（図中上側）に向かって湾曲した半円弧状凹部であるため、曲部Ｒの底面周方向長さＬが長くなるほど、ロータコア１とシャフト３との締結面積が減少するのである。

また、大きなトルク発生させるためには締め代を大きくする必要があるが、締め代を大きくすると曲部Ｒの応力が上がるので、この応力をさらに緩和するために曲部Ｒの半径を拡大していく必要がある。そのため、曲部Ｒの底面周方向長さＬが長くなり、締結面積の減少量が一層増大することになる。

ここで、ＰＭモータの場合、図１１に示すように、回転子の永久磁石９で磁極を作ると共に、回転子の周方向に磁気抵抗が小さく磁束が通り易い磁気的凸部（ｄ軸と称する）と、磁気抵抗が大きく磁束が通り難い磁気的凹部（ｑ軸と称する）を交互に形成し、固定子（図示せず）と回転子との間の磁束は磁気的凸部（ｄ軸）で高く磁気的凹部（ｑ軸）で低くなり、この磁束密度の変化によってリラクタンストルクが発生する。

従来技術では応力集中を緩和するために曲部Ｒを設けると、曲部Ｒによってロータ内周面の径方向外周側の磁気的凸部（ｄ軸）にくぼみができてしまい、磁気的凸部（ｄ軸）における磁路の断面積を確保しようとするとロータ径を大きくしなければならず、ＰＭモータを小型化できないという問題が生じる。
図中、Ａは、曲部Ｒが磁気的凸部（ｄ軸）の磁路に突出しているために、磁路の断面積を確保するとロータ径を大きくなることを示すものである。

上記課題を解決する本発明の請求項１に係る回転機のロータ構造は、シャフトの外周にロータを締結すると共に前記ロータの内壁に位置決めキーを形成する一方、前記シャフトの外壁には前記位置決めキーに嵌合するキー溝を形成した回転機のロータ構造において、前記位置決めキーのロータ径方向を中心とした対称位置であって、軸方向に延びる両側側面に凹部を形成したこと及び前記凹部は前記シャフトの外周よりも軸中心側にのみに位置する半円弧状であることを特徴とする。

本発明では、位置決めキーの両側側面に凹部を形成したので、従来の位置決めキーに比べて、ロータコア角部の応力を緩和しながら、シャフトの締め代部全面でトルク伝達を行うことができるので確実なトルク伝達を実現でき、しかも磁気的凸部（ｄ軸）の磁路を確保する構造となるためモータを小型化出来る。

また、締め代を大きくして曲部Ｒの半径を拡大した場合でも、シャフトの外周面とロータの内周面との締結面積は減少せずに大きなトルク伝達が可能で、且つ磁気的凸部（ｄ軸）の磁路も減少しないのでロータ径が大きくならずにモータを小型化出来る。

本発明の第１の実施例に係る回転機のロータ構造を示す正面図である。曲部Ｒ（曲率半径小）の拡大図である。曲部Ｒ（曲率半径大）の拡大図である。本発明の第２の実施例に係る回転機のロータ構造（要部）を示す正面図である。従来技術の曲部Ｒの拡大図である。従来技術に係る回転機のロータ構造（その１）を示す正面図である。従来技術に係る回転機のロータ構造（その２）を示す正面図である。従来技術に係る回転機のロータ構造（その３）を示す正面図である。ロータコア角部への応力集中を示す説明図である。ロータコア角部に曲部Ｒを付けたことを示す説明図である。曲部Ｒによってロータ内周面の径方向外周側の磁気的凸部（ｄ軸）にくぼみができることを示す説明図である。

以下に、本発明を実施するための形態を実施例と共に詳細に説明する。

本発明の第１の実施例に係る回転機のロータ構造を図１に示す。
同図に示すように、シャフト２０の外周にはロータコア（ロータ）１０が嵌合し、ロータコア１０には４箇所に永久磁石３０が埋設されている。
ロータコア１０の内壁には、ロータ中心に向かい軸方向に沿った位置決めキー１１が形成され、この位置決めキー１１に嵌合するキー溝２１がシャフト２０の外壁に形成されている。

位置決めキー１１は、ロータ内周面から径方向内周側に突出した矩形断面状の凸部である。また、キー溝２１は、この位置決めキー１１に嵌合するように、シャフト２０の外壁においてシャフト中心に向かい軸方向に沿って形成された矩形断面状の凹部である。
本実施例の位置決め構造として、ロータ内周面の径方向外周側の磁気的凸部（ｑ軸）にくぼみを持たずに、位置決めキー１１の両側側面に凹部(以下、曲部という) Ｒをそれぞれ対称的に形成した。

即ち、曲部Ｒは、位置決めキー１１の一方側側面から他方側側面に向かって深くなるように湾曲する半円弧状のものであり、シャフト２０の外壁よりも外側（図中上側）には広がらない形状である。つまり、曲部Ｒの湾曲した半円弧部分は位置決めキー１１を中心に向い合せになり、その直線部分はキー溝２１に面するように配置されている。
曲部Ｒの拡大図を図２、図３に示す。図３に示す曲部Ｒは、図２に示す曲部Ｒに比較し、その曲率半径が大きい。図３は、締め代が大きい時、ロータコア角部の応力が上がった状態でも応力集中を緩和するために、図２に比べて曲部Ｒの半径を拡大した例である。

本実施例では、ロータコア１０の位置決めキー１１の両側側面に曲部Ｒを設けたため、ロータコア角部の応力集中を緩和すると共にシャフト２０の外壁全面（シャフト２０のキー溝外周面Ｂを除く）に締め代を与えてトルク伝達が出来る。
また、曲部Ｒのロータ内周面の径方向外周側の磁気的凸部（ｄ軸）にくぼみがないので、従来技術の位置決めキー形状（図１１参照）よりも磁気的凸部（ｄ軸）における磁路の断面積を減少させずにモータを小形化出来る。
ＰＭモータの場合さらに、締め代を大きくした時に、応力集中を緩和するために曲部Ｒの半径を拡大した場合でも、シャフトの外周面とロータの内周面との締結面積は減少せず、且つ磁気的凸部（ｄ軸）における磁路の断面積も減少せずに済む構造であるので、曲部Ｒを拡大しても大きなトルク伝達が可能でモータを小型化出来る。

特に、曲部Ｒは、ロータ内周面の径方向外周側にくぼみがないので、従来技術に比べてロータ径を小さくすることができる。図１中、Ａは曲部Ｒがロータ内周面の径方向外周側にくぼみがないので、従来技術におけるロータ径（図中破線で示す）に比較して、小径化することができることを示す。
このように説明した通り、本実施例では、ロータコア１０の位置決めキー１１の両側側面に曲部Ｒを設けたため、従来の位置決めキーに比べて、ロータコア角部の応力を緩和しながら、シャフトの締め代部全面でトルク伝達を行うことができるので確実なトルク伝達を実現でき、しかも磁気的凸部（ｄ軸）の磁路を確保する構造となるためモータを小型化出来る。

また、締め代を大きくして曲部Ｒの半径を拡大した場合でも、シャフトの外周面とロータの内周面との締結面積は減少せずに大きなトルク伝達が可能で、且つ磁気的凸部（ｄ軸）の磁路も減少しないのでロータ径が大きくならずにモータを小型化出来る利点がある。

参考例

本発明の参考例に係る回転機のロータ構造を図４に示す。本参考例は、実施例１の曲部Ｒを図中上方へ移動する形状としたものである。
即ち、高い伝達トルクが必要な場合、図３に示す形状のように曲部Ｒの曲率を大きくすることで、図２の曲部Ｒよりも応力緩和の効果が高く、締め代を大きくすることが可能となり高いトルク伝達が可能となるが、キー溝の深さが深くなり製作工数が増えてしまう。

そこで、本参考例では、曲部Ｒの曲率を大きくしつつ且つキー溝深さを深くしないようにするため、曲部Ｒを図３に比べて図中上方に移動する形状とするものである。
具体的には、曲部Ｒは、位置決めキー１１の一方側側面から他方側側面に向かって深くなるように湾曲する円弧状のものであり、そして、シャフト２０の外壁よりも外側（図中上側）にも渡って湾曲する円弧状となっている。更に、曲部Ｒは、シャフト２０のキー溝２１の上端部を押し広げるように湾曲する円弧状となっている。つまり、曲部Ｒは、ロータコア角部において、つまり、キー溝２１の上端部と位置決めキー１１の根本部との境界部分において円弧状に配置される構造である。そのため、本参考例の曲部Ｒは、実施例１に比較し、磁気的凸部（ｄ軸）、つまり、ロータ内壁面の半方向外側にくぼみＫを有すると共に、ロータ内壁面に沿ってキー溝２１を拡大するキー溝拡大幅Ｓを有する。

上述した通り、本参考例の曲部Ｒは、磁気的凸部（ｄ軸）にくぼみＫを有すると共にキー溝拡大幅Ｓを有するが、図５の従来技術（図７及び図８参照）と対比すると、曲部Ｒの底面周方向長さＬに比べてキー溝拡大幅Ｓが短いため、締結面積の減少を最小限に抑えることができ、また、磁路のくぼみ（曲部Ｒの半径方向の高さ）Ｋを最小限に抑えることができる。更には、曲部Ｒは図３に比べて図中上方に移動する形状であるから、図３に比べてキー溝深さを浅くできるので生産性が良く、曲部Ｒの曲率を大きくできるので、締め代を大きくすることでより一層高いトルク伝達が可能となる。

本発明は、ロータとシャフトとの位置決め構造を有し、応力を効果的に逃がし、締結力を高める電動機のロータ構造として広く産業上利用可能なものである。

１０ロータ
１１位置決めキー
Ｒ凹部（曲部）
２０シャフト
２１キー溝
３０永久磁石

Claims

シャフトの外周にロータを締結すると共に前記ロータの内壁に位置決めキーを形成する一方、前記シャフトの外周には前記位置決めキーに嵌合するキー溝を形成した回転機のロータ構造において、前記位置決めキーのロータ径方向を中心とした対称位置であって、軸方向に延びる両側側面に凹部を形成したこと及び前記凹部は前記シャフトの外周よりも軸中心側にのみに位置する半円弧状であることを特徴とする回転機のロータ構造。