JP7548046B2

JP7548046B2 - 回転電機ロータ

Info

Publication number: JP7548046B2
Application number: JP2021023133A
Authority: JP
Inventors: 浩一大野; 広明小寺; 慶一金重
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-02-17
Filing date: 2021-02-17
Publication date: 2024-09-10
Anticipated expiration: 2041-02-17
Also published as: CN114944714A; US11750052B2; DE102022100394A1; US20220263363A1; JP2022125516A

Description

本発明は、回転電機ロータに関する。

回転電機においては、ロータの高速回転に起因する遠心力により、嵌合固定されたロータシャフトとロータコアが互いに離れるという現象が生じ得る。このような問題を解決するため、単にロータシャフトの外径よりもロータコアの内径を小さくするだけでは、ロータコアが破損しやすくなる。特許文献１には、このような問題を解決するために、ロータシャフトの外周面を断面多角形状にする技術が開示されている。

特開２０１４－６４４０９号公報

特許文献１において開示された技術のように、ロータシャフトの外周面を断面多角形状にすると、外周面の角部において応力が集中することにより、ロータコアの劣化等の一因となり得る。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、高速回転時においてもロータシャフトとロータコアとの拘束を保ちつつ、ロータコアへの応力負担を軽減可能な回転電機ロータを提供することを目的とする。

本発明にかかる回転電機ロータは、回転軸方向に延在するロータシャフトと、前記ロータシャフトの外周に嵌合固定され、積層鋼板から構成されるロータコアとを備え、前記ロータコアの内径は、前記ロータシャフトの外径より小さく、前記積層鋼板の内縁部は、外縁部よりも薄く形成されており、前記ロータシャフトの外周面に当接するとともに、前記ロータシャフトの外周面に沿って前記回転軸方向に湾曲している。

本発明により、高速回転時においてもロータシャフトとロータコアとの拘束を保ちつつ、ロータコアへの応力負担を軽減可能な回転電機ロータを提供することができる。

本発明にかかる実施形態１における回転電機ロータを用いた回転電機の垂直断面図である。本発明にかかる実施形態１における回転電機ロータの静止時におけるロータシャフト及びロータコアの締結部の垂直断面図である。本発明にかかる実施形態１における回転電機ロータの高速回転時におけるロータシャフト及びロータコアの締結部の垂直断面図である。本発明にかかる実施形態１における回転電機ロータのロータシャフト及びロータコアの締結部の水平断面図である。本発明にかかる実施形態１における回転電機ロータのロータコアに設けた貫通孔の例を示す図である。本発明にかかる実施形態２における回転電機ロータのロータシャフト及びロータコアの締結部の水平断面図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。なお、図面は簡略的なものであるから、この図面の記載を根拠として実施の形態の技術的範囲を狭く解釈してはならない。また、同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む。）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

以下、説明の明確化のため、ｘｙｚ３次元直交座標系を用いて説明を行う。ｚ方向はロータの厚さ方向であり、積層鋼板の積層方向となる。ｘｙ平面は、ロータ及び積層鋼板の主面に平行な平面である。また、＋ｚ方向が上方向であるとして説明を行うが、回転電機が配置される向きに応じて変化するものである。

＜実施形態１＞
本実施形態に係る回転電機ロータ１０について、図１、図２及び図３を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る回転電機ロータ１０を用いた回転電機１の垂直断面図である。図２は、本実施形態に係る回転電機ロータ１０の静止時におけるロータシャフト１１及びロータコア１２の締結部の垂直断面図である。また、図３は本実施形態に係る回転電機ロータ１０の高速回転時におけるロータシャフト１１及びロータコア１２の締結部の垂直断面図である。さらに、図４は本実施形態に係る回転電機ロータ１０のロータシャフト１１及びロータコア１２の締結部の水平断面図である。

図１に示す回転電機１は、本実施形態に係る回転電機ロータ１０及びステータ２０により構成される。回転電機ロータ１０は、ロータシャフト１１、ロータコア１２を備える。ロータコア１２には磁石１３を含む。さらに、ステータ２０は、ステータコア２１及びコイル２２を備える。ロータコア１２は、積層鋼板１４により構成される。

図１に示すように、ロータシャフト１１は、＋ｚ方向に延設されたパイプ状部材であって、回転電機ロータ１０の回転軸方向に延在する。ロータシャフト１１は、ロータコア１２に設けられた軸孔１５に挿入されている。ロータシャフト１１は、例えば低炭素鋼や鉄基合金などの金属を用いることができる。ロータシャフト１１の内部に冷媒路１６を設けてもよい。このとき、冷媒路１６に冷媒を流すことにより、回転電機ロータ１０を冷却することができる。

図１に示すように、ロータコア１２は、ロータシャフト１１の外周に嵌合固定され、積層鋼板１４から構成される。ロータコア１２は、円環状に打ち抜き加工された積層鋼板１４を上方向（＋ｚ方向）に積層することによって形成される。ロータコア１２を構成する複数の積層鋼板１４は、接着や溶接などにより一体的に連結されている。ロータコア１２内で生じる渦電流によるエネルギー損失をできるだけ低減すべく、ロータコア１２を構成する各積層鋼板１４は、両側の表面に形成された絶縁皮膜によって互いに電気的に絶縁されていてもよい。

図１に示すように、積層鋼板１４の外縁部において円周方向に延設された磁石孔１７に、磁石１３が挿入され、磁石固定材１８により封止される。コイル２２に電流が流れることにより回転磁界が発生し、この回転磁界とロータコア１２との間に働く電磁的作用により回転電機ロータ１０が回転する。

ここで、ロータコア１２が高速回転すると、遠心力によってロータシャフト１１とロータコア１２の締結部に隙間が生じやすくなるという問題がある。隙間が生じることにより、ロータコア１２の高速回転時、ロータシャフト１１とロータコア１２との回転位相ずれや分解が発生する可能性が生じる。この問題を解決するために、ロータシャフト１１の外径よりもロータコア１２の内径を小さくする方法がある。しかし、このような構造にすることにより、ロータコア１２が破損しやすくなるという新たな問題が生じる。

このような問題を解決するために、図２及び図３に示すように本実施形態におけるロータコア１２を構成する積層鋼板１４の内縁部は、外縁部よりも薄く形成されている。ここで、ロータコア１２の内径は、ロータシャフト１１の外径より小さい。そのため、積層鋼板１４の軸孔１５にロータシャフト１１を嵌入する際、積層鋼板１４の内縁部は、ロータシャフト１１の外周面に当接しつつ、ロータシャフト１２の外周面に沿って回転軸方向に湾曲する。その結果、図２に示すように、ロータコア静止時において、積層鋼板１４の内縁部は、バネ状に弾性変形しつつロータシャフト１１の外周面に接触している。

ここで、本実施形態におけるロータシャフト１１の外周面とロータコア１２の内周面は、八角形状である。断面八角形状とは、角がＲ加工されたものや、角が面取り加工された形状を含んでもよい。なお、ロータシャフト１１の外周面とロータコア１２の内周面は、八角形状に限らず、他の多角形状であってもよい。本実施形態におけるロータシャフト１１及びロータコア１２のように。八角形状を採用することによって、ナットによる締固めが不要となる。

図３に示すように、ロータコア１２が高速回転している場合に、ロータコア１２の回転数、すなわち遠心力の大きさに合せて、積層鋼板１４の湾曲部、すなわちバネ状に弾性変形している内縁部が伸縮する。そのため、高速回転時にロータコア１２は、ロータシャフト１１に密着し、互いに拘束し続けることができる。その結果、ロータコア１２の高速回転時におけるロータシャフト１１とロータコア１２との回転位相ずれや分解を抑制できる。また、薄く形成された積層鋼板１４の内縁部が、弾性変形しつつロータコア１２に密着することによって、ロータシャフトとロータコアとの拘束が保持されるため、ロータコアへの応力負担を軽減できる。

図４に示すように、本実施形態におけるロータシャフト１１の外周面とロータコア１２の内周面は、八角形状となっている。なお、八角形状に限らず、他の多角形状であってもよい。本実施形態におけるロータシャフト１１及びロータコア１２のように、断面多角形状であることによって、ナットによる締固めが不要となる。

さらに、図４に示すようにロータコア１２は、内周面に凹凸が形成されている。ロータコア１２の角部が、凹凸の凹部となっている。八角形状であるロータコア１２の角部において応力が集中することにより、ロータコアの劣化等の一因となり得るが、角部を凹部とすることによって、ロータコア１２の高速回転時に角部に応力が集中することを抑制することができる。したがって、ロータコア１２の内周面に凹凸を形成することにより、積層鋼板１４の局所変形を避けることができ、積層鋼板１４の変形による割れを防ぐことができる。そのため、ロータシャフト１１及びロータコア１２が破損しにくい構造となる。

また、図４に示すように、ロータコア１２の凸部に回転電機ロータ１０回転軸方向に延在する貫通孔１９を備える。ここで、ロータコア１２すなわち積層鋼板１４の内縁部に形成された凸部が、図２、図３に示すように湾曲し、バネ状に弾性変形している。貫通孔１９をロータコア１２に設けることにより、高速回転時の応力による鉄損の増加を抑制することができる。また、積層鋼板１４の厚みがある場合、積層鋼板１４の剛性が高いことから、ロータコア１２にロータシャフト１１を挿入する際に割れが生じやすい。そのため、貫通孔１９を設けることにより、積層鋼板１４の内縁部を湾曲させやすくなり、ロータシャフト１１を挿入する際の割れを抑制できる。

図５は、ロータコア１２内に貫通孔１９を設けた例を示す図である。図５に示すように、貫通孔１９の形状は、丸形や多角形など、様々な形状を用いることができる。

したがって、ロータコア１２の高速回転による遠心力によってロータシャフト１１とロータコア１２の締結部に生じる隙間を抑制できる。

本実施形態における回転電機ロータ１０によれば、高速回転時においてもロータシャフト１１とロータコア１２の拘束を保ちつつ、ロータコア１２にかかる応力負担を軽減することができる。

＜実施形態２＞
本実施形態に係る回転電機ロータ１０について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る回転電機ロータ１０のロータシャフト１１及びロータコア１２の締結部の水平断面図である。

図６に示すように、実施形態１の場合と同様にロータシャフト１１の外周面とロータコア１２の内周面は、八角形状となっている。なお、八角形状に限らず、他の多角形状であってもよい。なお、図６では、図４に示すロータコア１２の内周面に形成された凹凸は省略されている。

実施形態１と異なる点は、ロータシャフト１１の周縁部には、回転電機ロータ１０の回転軸方向に延設された複数の貫通孔が周方向に配列されており、貫通孔に金属製の棒状部材１１aが挿入されている点である。棒状部材１１ａは、タングステン等、ロータシャフト１１を構成する鉄より比重が大きい金属であることが好ましい。また、棒状部材１１ａはワイヤー等の線状部材を含む。また、ロータシャフトの周縁部に肉厚差を設け、遠心力による変形量をロータコアよりもロータシャフトを大きくすることによって、ロータシャフト１１とロータコア１２の締結部に生じる隙間を抑制できる。

図６に示すように、ロータシャフト１１に棒状部材１１ａを挿入させることによって、ロータシャフト１１の高速回転時における遠心力によって、ロータシャフト１１の外径が大きくなる。そのため、ロータシャフト１１とロータコア１２の締結部に生じる隙間を抑制できる。

本実施形態における回転電機ロータによれば、高速回転時においてもロータシャフトとロータコアの拘束を保ちつつ、ロータコアへの応力負担を軽減することができる。

以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１回転電機
１０回転電機ロータ
１１ロータシャフト
１１ａ棒状部材
１２ロータコア
１３磁石
１４積層鋼板
１５軸孔
１６冷媒路
１７磁石孔
１８磁石固定材
１９貫通孔
２０ステータ
２１ステータコア
２２コイル

Claims

回転軸方向に延在するロータシャフトと、
前記ロータシャフトの外周に嵌合固定され、積層鋼板から構成されるロータコアと、
を備え、
前記ロータコアの内径は、前記ロータシャフトの外径より小さく、
前記積層鋼板の内縁部は、外縁部よりも薄く形成されており、前記ロータシャフトの外周面に当接するとともに、前記ロータシャフトの外周面に沿って前記回転軸方向に湾曲しており、
前記ロータシャフトの周縁部には、前記回転軸方向に延設された複数の貫通孔が周方向に配列されており、
前記貫通孔に、前記ロータシャフトを構成する金属よりも比重の大きい金属から構成された棒状部材が挿入された、
回転電機ロータ。
前記ロータコアは、内周面に凹凸が形成されている、
請求項１に記載の回転電機ロータ。
前記ロータコアは、前記凹凸の凸部に、前記回転軸方向に延在する貫通孔を備えた、
請求項２に記載の回転電機ロータ。
前記ロータシャフトの外周面と前記ロータコアの内周面とは、断面多角形状である、
請求項１～３のいずれか１項に記載の回転電機ロータ。