JP2012016112A - 車両用回転電機のエンドプレート - Google Patents

Abstract

【課題】 高強度で組付性に優れた分割エンドプレートを提供すること。
【解決手段】 複数の分割エンドプレート６が周方向２３に組合わされて構成されるエンドプレート７（車両用回転電機のエンドプレート）であって、分割エンドプレート６は、周方向の一方に回転軸３方向に突出する凸部３３を有する第一接合面３１と、他方に回転軸３方向に窪んだ凹部３７を有する第二接合面３２と、を備え、第一接合面３１は、隣接する分割エンドプレート６の第二接合面３２と回転軸３方向に重複し接合して分割エンドプレート６の回転軸３方向の相対移動を拘束し、凸部３３は、隣接する分割エンドプレート６の凹部３７と嵌合して分割エンドプレート６の周方向２３相対移動を拘束すること、を特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッドカー等のパワートレインに使用される車両用回転電機のエンドプレートに関する。

従来技術として、車両用回転電機の回転子に使用される分割コアプレートの遠心力に対する強度を向上する為、扇型に分割され、周方向に配置された分割コアプレートをスタッド形状により結合して構成されるコアプレートがある。通しピンによるかしめ固定だけでなく、分割コアプレートの一方の周方向端面に凸スタッド形状を成型し、他方の周方向端面に凸スタッド形状に対応した凹形状を成型し互いに嵌合させ、一枚のコアプレートを構成する。さらに、コアプレートを回転軸方向に複数枚積み重ね、一体化することにより積層コアを構成する。両側をエンドプレートで挟み、回転軸方向に通しピンを配置してピンの端部をかしめ各コアプレートを固定し、シャフト及び永久磁石を組込み、回転電機の回転子を構成する（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２-２６２４９６号公報

しかしながら、スタッド嵌合部は、回転軸に垂直な平面方向の自由度のみ拘束し回転軸方向を拘束しない為、スタッド嵌合による分割をエンドプレートに適用する場合、非分割エンドプレートに比べ、回転軸方向の拘束箇所が増加し組付性が悪化する問題がある。また、スタッド嵌合は局所的な構造なので遠心力により応力が増大し、高回転速度で破損する虞があり、上限回転速度を低く制限しなければならないという問題がある。さらに、スタッド嵌合部は回転軸に垂直な平面上で二次元的に分割プレートの相対位置を拘束する為、取付時に相対位置を調整できる自由度が低くなり、スタッド嵌合部の加工の高精度化が必要となる問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みて成されたものであり、組付性に優れ、上限回転速度を高く設定でき、加工精度を緩和できるエンドプレートを提供することを目的とする。

本発明の第一の課題解決手段は、複数の分割エンドプレートが周方向に組合されて構成される車両用回転電機のエンドプレートであって、前記分割エンドプレートは周方向の一方に第一接合面及び他方に第二接合面を備え、前記第一接合面は、隣接する前記分割エンドプレートの前記第二接合面と前記回転軸方向に重複し接合して前記分割エンドプレートの前記回転軸方向の相対移動を拘束すると共に、前記分割エンドプレートの周方向相対移動を拘束することである。

第二の課題解決手段は、前記第一接合面には、回転軸方向に延出する凸部を有し、前記第二接合面には、前記回転軸方向に窪んで前記凸部と対応する凹部を有し、前記凸部は、隣接する前記分割エンドプレートの前記凹部と嵌合することである。

第三の課題解決手段は、前記分割エンドプレートは扇形であり、前記凸部は、前記分割エンドプレート径方向に延在し、前記凹部は、前記分割エンドプレート径方向に延在することである。

第四の課題解決手段は、前記分割エンドプレートは扇形であり、前記凸部は、前記分割エンドプレートの内径弧側から外径弧側まで延在し、前記凹部は、前記内径弧側から前記外径弧側まで延在することである。

第五の課題解決手段は、前記第一接合面に形成された第一貫通孔と、前記第二接合面に形成され、前記第一接合面と前記第二接合面とが重複して前記第一貫通孔と連通する第二貫通孔と、を備え、通しピンが前記第一貫通孔及び前記第二貫通孔を貫通することである。

第六の課題解決手段は、前記通しピンは、車両用回転電機を構成するコアプレートを挿通して、前記分割エンドプレートと前記コアプレートとを固定することである。

第七の課題解決手段は、前記分割エンドプレートは、前記第一接合面よりも周方向の一方に位置する第一フック部と、前記第二接合面よりも周方向の他方に位置する第二フック部と、を備え、前記第一フック部と前記第二フック部とが係合することにより、前記回転軸方向において、前記分割エンドプレートが隣接する前記分割エンドプレートから離間する方向に移動することを規制することである。

分割エンドプレートに振動や衝撃等による軸方向の外力が作用しても、互いに回転軸方向に重複して保持しあう為、従来技術よりも回転軸方向の固定箇所を減らすことができ、組付性が向上する。

また、凸凹状の嵌合部は、半径方向に延長可能な構造である為、遠心力による応力を緩和し、上限回転速度を向上することができる。また、凸凹状の嵌合部は、互いに半径方向に拘束していない為、半径方向に位置調整可能な構造とすることができ、加工精度を緩和できる。

また、応力の増大を招きやすい局所的なスタッド嵌合ではなく、凸凹状の嵌合部を半径方向に延長している為、遠心力による応力が緩和され強度が向上し、従来技術よりも高い回転速度で回転子を回転させることができる。さらに、分割エンドプレートを嵌合部に沿って半径方向に移動して調整できる為、スタッド嵌合に比べて嵌合部分の加工精度を緩和できる。

また、通しピンが重複部を回転軸方向に共締めする為、端部のめくれを防止できる。

また、通しピンが分割エンドプレートとコアプレートを共締めすることにより、構成部品を削減できる。

また、分割エンドプレート同士をフック構造によって係合する為、回転軸方向及び周方向の機械的強度が向上する。また、組付時に分割エンドプレートを仮組みすることにより、組付性も向上できる。

第一実施形態に係る回転子の断面図である。 第一実施形態に係るエンドプレートの正面図である。 第一実施形態に係るエンドプレートを分割した状態を示す斜視図である。 第二実施形態に係るエンドプレートを分割した状態を示す半径方向視説明図である。 第三実施形態に係るエンドプレートを分割した状態を示す半径方向視説明図である。

以下、本発明のエンドプレートを備えた車両用回転電機について説明する。

図１は、第一実施形態に係る回転子１の断面図である。けい素鋼板等で成型されたコアプレート２を回転軸３方向に複数枚積層し、コアプレート２の回転軸３方向に穿たれた磁石孔４に永久磁石５を挿入する。ステンレス等の非磁性体で成型された分割エンドプレート６を周方向に配置してエンドプレート７（車両用回転電機のエンドプレート）を構成し、積層されたコアプレート２の両端を２枚のエンドプレート７で挟み、永久磁石５を回転軸３方向に拘束する。分割エンドプレート６の第一貫通孔８と第二貫通孔９、及び積層されたコアプレート２の貫通孔１１に通しピン１２を通して、通しピン１２の頭部１３と反対側の先端１４をかしめて共締めし、エンドプレート７、積層されたコアプレート２及び永久磁石５を一体化することにより、コア部１５を形成する。コア部１５の内径１６にシャフト１７を挿入して、焼きばめ、キー又はスプライン等の手段でシャフト１７とコア部１５が一体で回転するよう拘束し、回転子１を構成する。回転子１は軸受１８で回転自在に図示しないハウジングに支持される。回転子１の外側には図示しない固定子が配置され、ハウジングに固定される。固定子は複数の図示しないコイルから構成され、図示しない外部の制御回路と電気的に接続される。

図２は、第一実施形態に係るエンドプレート７の正面図である。エンドプレート７は扇形に４つに分割された分割エンドプレート６のそれぞれの第一周方向端部２１を、隣接する分割エンドプレート６の第二周方向端部２２に当接させ、分割エンドプレート６を周方向２３に配置して円盤形状に構成したものである。

図３は、第一実施形態に係るエンドプレート７を分割した状態を示す斜視図である。分割エンドプレート６の第一周方向端部２１に第一接合面３１が設置され、第二周方向端部２２に第二接合面３２が設置される。第一接合面３１には回転軸３方向に延出した凸部３３が内径弧３４側から外径弧３５側まで半径方向３６（分割エンドプレート６径方向）に形成され、第二接合面３２には回転軸３方向に窪んでおり、凸部３３と対応した凹部３７が内径弧３４から外径弧３５まで半径方向３６（分割エンドプレート６径方向）に形成される。第一接合面３１は隣接する分割エンドプレート６の第二接合面３２と重複して接合し、分割エンドプレート６の回転軸３方向の相対移動を規制する。第一接合面３１の凸部３３は隣接する分割エンドプレート６の第二接合面３２の凹部３７と嵌合し、分割エンドプレート６の周方向２３の相対移動を規制する。また、第一接合面３１に第一貫通孔８が穿たれ、第二接合面３２には第二貫通孔９が穿たれる。第一接合面３１と第二接合面３２とが重複して、第一貫通孔８と第二貫通孔９が連通する。

制御回路で発生した励磁電流は、固定子に流れることにより回転磁界を生成し、回転磁界が回転子１の永久磁石５に作用する。回転子１は、回転磁界の周波数に同期して回転し、回転電機は、電動機として作動する。一方、回転電機が発電機として作動する場合は、永久磁石５を搭載した回転子１が外部動力により回転し、磁束変化に伴う電磁誘導により固定子に起電力が発生する。

回転子１の回転により、回転速度の二乗に比例した遠心力が分割エンドプレート６に作用し、分割エンドプレート６の第一周方向端部２１と第二周方向端部２２とは隣接する分割エンドプレート６により周方向２３に引張られる。第一周方向端部２１に作用する周方向２３の引張力は、凸部３３と隣接する分割エンドプレート６の凹部３７との嵌合により保持され、第二周方向端部２２に作用する周方向２３の引張力は、凹部３７と隣接する分割エンドプレート６の凸部３３との嵌合により保持される。

エンドプレート７を分割することにより、非分割エンドプレート加工時より、普及率のより高い、小さなトン数のプレス機で加工することができ、生産変動に対応しやすくなる。また、被加工物の素材から円盤形状であるエンドプレート７を一体のまま打ち抜くのではなく、より小さい扇側形状の分割エンドプレート６を打ち抜く為、素材の歩留まりが向上する。さらに、加工対象が分割され小さくなる為、加工に伴う変形が低減し加工精度が向上する。

また、分割エンドプレート６に振動や衝撃等による回転軸３方向の外力が作用しても、互いに回転軸３方向に重複して保持しあう為、従来技術よりも回転軸３方向の通しピン１２による固定箇所を減らすことができ、部品費と加工費を低減できる。固定箇所の低減に伴う回転子１の軽量化により、回転子１の回転慣性を低減できる為、回転子１の動特性が向上し、車両の加速性能及び運動エネルギーの回生効率を向上することができる。また、貫通孔１１及びかしめを伴う通しピン１２等の回転アンバランス要因を低減できる為、ダイナミックバランス特性が向上する。そのため、回転子１の回転に伴う振動及び騒音を低減でき快適性が向上するだけでなく、回転アンバランスに伴う軸受１８の負荷も減少し、軸受１８を小型化又は長寿命化することができる。通しピン１２による表面の突出部が減り、空気の撹拌による風損が低減され、効率が向上する。また、通しピン１２が重複部を回転軸３方向に共締めする為、端部のめくれを防止できる。

さらに、通しピン１２用の貫通孔１１の数が減りコアプレート２の断面積が増加する為、磁束が低下せず性能が向上する。また、コアプレート２と比較して電気抵抗が小さく、ヒステリシス定数の大きい材質で製造される通しピン１２の本数が減る為、渦電流損やヒステリシス損等の鉄損を低減でき、効率が向上する。

また、回転子１の回転に伴う遠心力により、各分割エンドプレート６の第一周方向端部２１及び第二周方向端部２２に周方向２３の引張力が作用し、従来技術によるスタッド嵌合では局所的な構造の為断面積が小さく、応力集中を招きやすい。しかしながら、第一実施形態では、凸部３３及び凹部３７の嵌合部を半径方向３６に延長している為断面積が増加し、遠心力による応力が分散され回転速度に対する強度が向上する。そのため、従来技術よりも高い回転速度で回転子１を回転させることができ、トルクを増大させずに、回転速度のみを上げることにより動力を増大させることができる。

さらに、分割エンドプレート６の嵌合部は、相対位置を半径方向３６に拘束しておらず、半径方向３６に相対位置を調整できる為、スタッド嵌合に比べて組付けガタを増加させることなく嵌合部の加工精度を緩和できる。

第一実施形態では、エンドプレート７はステンレスで成型されているが、ステンレス以外の材質で成型してもよく、例えば、アルミ又は樹脂等であってもよい。また、エンドプレート７は扇型に分割されているが、扇型以外の形状に分割してもよい。第一周方向端部２１と第二周方向端部２２が当接してできる半径方向３６の線も直線でなくてもよく、例えば、曲線や波状の形状でも良い。第一接合面３１と第二接合面３２はエンドプレート７の回転平面に対して平行であるが、傾きを持っていてもよい。凸部３３及び凹部３７は半径方向３６に延在しているが、周方向２３の荷重を保持できる形状であれば実施形態に示す形状でなくともよく、例えば、ピン嵌合を複数配置した形状でも良い。通しピン１２の位置もエンドプレート７の重複する端部でなくともよい。重複部の接合は通しピン１２による接合に限定せず、例えば、溶接、かしめ又は接着剤等であってもよい。

また、第一実施形態では、分割エンドプレートは永久磁石同期機の回転子に適用されているが、固定子のエンドプレートに適用してもよく、整流子付直流機やＳＲモーター等の積層構造を持つ回転子のエンドプレートに適用してもよい。また、エンドプレートだけでなくコアプレートの分割構造に適用してもよく、かご型誘導機の短絡環に適用してもよい。

図４は、第二実施形態に係るエンドプレートを分割した状態を示す半径方向視説明図である。エンドプレート以外の構成は第一実施形態と同一であり、同一の部品、構成については同一の符号を用いて説明する。分割エンドプレート４１の第一周方向端部４２に第一接合面４３が設置され、第二周方向端部４４に第二接合面４５が設置される。第一接合面４３には回転軸３方向に延出した第一フック部４６が形成され、第二接合面４５には回転軸３方向に延出し、第一フック部４６と対応した第二フック部４７が形成される。第一フック部４６は隣接する分割エンドプレート４１の第二フック部４７と係合し回転軸３方向と周方向２３の相対移動を規制する。

回転子１の回転により遠心力が分割エンドプレート４１に作用し、分割エンドプレート４１の第一周方向端部４２と第二周方向端部４４とは、隣接する分割エンドプレート４１により周方向２３に引張られる。第一周方向端部４２に作用する周方向２３の引張力は、第一フック部４６と隣接する分割エンドプレート４１の第二フック部４７との係合により保持され、第二周方向端部４４に作用する周方向２３の引張力は、第二フック部４７と隣接する分割エンドプレート４１の第一フック部４６との係合により保持される。また、回転に伴う振動、衝撃に伴う外力等による回転軸３方向の力は、第一フック部４６と第二フック部４７の係合により保持される。

第二実施形態では第一実施形態の効果に加え、分割エンドプレート４１の第一フック部４６と隣接する分割エンドプレート４１の第二フック部４７が係合することにより、回転軸３方向及び周方向２３の機械的強度がより向上する。また、組付時に分割エンドプレート４１を仮組みすることにより、組付性も向上できる。

図５は、第三実施形態に係るエンドプレートを分割した状態を示す半径方向視説明図である。エンドプレート以外の構成は第一実施形態と同一であり、同一の部品、構成については同一の符号を用いて説明する。

分割エンドプレート５１の第一周方向端部５２に第一接合面５３が設置され、第二周方向端部５４に第二接合面５５が設置される。第一接合面５３及び第二接合面５４にはそれぞれ第一貫通孔５６及び第二貫通孔５７が形成されている。第一接合面５３は隣接する分割エンドプレート５１の第二接合面５４と係合し回転軸３方向のうち一方の相対移動を規制する。また、図示はしないが第一貫通孔５６及び第二貫通孔５７に通しピンを挿通することにより、回転軸３方向のうち他方の相対移動及び周方向２３の相対移動を規制する。

第三実施形態では第一実施形態と比較して、凸部３３及び凹部３７（図３を参照）が省略されている。よって、第三実施形態の分割エンドプレート５１同士の接合は第一実施形態と比較して劣るものではあるが、分割エンドプレート５１の形状を簡素なものとすることができる。

第一及び第三実施形態では、分割エンドプレート６（５１）同士の接合は通しピン１２により行なわれていたが、これに代えてダボカシメによる嵌合も考えられる。分割エンドプレート６（５１）の第一接合面３１（５３）及び第二接合面３２（５５）がある部分は、他の部分と比較して回転軸３方向の長さが短い。従って、回転軸３方向の長さが短い第一接合面３１（５３）及び第二接合面３２（５５）に対してダボカシメにより分割エンドプレート６（５１）同士を接合することも可能である。この場合、分割エンドプレート６（５１）とコアプレートとの接合には、接着剤等を用いると良い。

１ 回転子
２ コアプレート
３ 回転軸
６、４１、５１ 分割エンドプレート
７ エンドプレート（車両用回転電機のエンドプレート）
８、５６ 第一貫通孔
９、５７ 第二貫通孔
１２ 通しピン
２３ 周方向
３１、４３、５３ 第一接合面
３２、４５、５５ 第二接合面
３３ 凸部
３７ 凹部
４６ 第一フック部
４７ 第二フック部

Claims (7)

1. 複数の分割エンドプレートが周方向に組合されて構成される車両用回転電機のエンドプレートであって、
   前記分割エンドプレートは周方向の一方に第一接合面及び他方に第二接合面を備え、
   前記第一接合面は、隣接する前記分割エンドプレートの前記第二接合面と前記回転軸方向に重複し接合して前記分割エンドプレートの前記回転軸方向の相対移動を拘束すると共に、前記分割エンドプレートの周方向相対移動を拘束する車両用回転電機のエンドプレート。
2. 前記第一接合面には、回転軸方向に延出する凸部を有し、
   前記第二接合面には、前記回転軸方向に窪んで前記凸部と対応する凹部を有し、
   前記凸部は、隣接する前記分割エンドプレートの前記凹部と嵌合する請求項１に記載の車両用回転電機のエンドプレート。
3. 前記分割エンドプレートは扇形であり、
   前記凸部は、前記分割エンドプレート径方向に延在し、
   前記凹部は、前記分割エンドプレート径方向に延在する請求項１又は２に記載の車両用回転電機のエンドプレート。
4. 前記分割エンドプレートは扇形であり、
   前記凸部は、前記分割エンドプレートの内径弧側から外径弧側まで延在し、
   前記凹部は、前記内径弧側から前記外径弧側まで延在する請求項１又は２に記載の車両用回転電機のエンドプレート。
5. 前記第一接合面に形成された第一貫通孔と、
   前記第二接合面に形成され、前記第一接合面と前記第二接合面とが重複して前記第一貫通孔と連通する第二貫通孔と、を備え、
   通しピンが前記第一貫通孔及び前記第二貫通孔を貫通する請求項１〜４の何れかに記載の車両用回転電機のエンドプレート。
6. 前記通しピンは、車両用回転電機を構成するコアプレートを挿通して、前記分割エンドプレートと前記コアプレートとを固定する請求項５に記載の車両用回転電機のエンドプレート。
7. 前記分割エンドプレートは、前記第一接合面よりも周方向の一方に位置する第一フック部と、前記第二接合面よりも周方向の他方に位置する第二フック部と、を備え、
   前記第一フック部と前記第二フック部とが係合することにより、前記回転軸方向において、前記分割エンドプレートが隣接する前記分割エンドプレートから離間する方向に移動することを規制する請求項１〜４の何れかに記載の車両用回転電機のエンドプレート。

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