WO2012118157A1 - 回転電機のロータ構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

　回転電機のロータ構造は、ロータシャフトのいずれか一方のエンドプレートの軸方向外側の外周部に周方向にカシメ溝を形成する。そして、リング状をなし、ロータシャフトのカシメ溝を覆ってロータシャフトに嵌合され、軸方向外側部分が外周側からカシメられてロータシャフトのカシメ溝に嵌合され且つカシメ溝の軸方向外側の壁面に係合するカシメリテーナの軸方向内側端により、一方のエンドプレートを軸方向に位置決めする。即ち、一方のエンドプレートに当接して軸方向に位置決めするカシメリテーナの軸方向外側部分を外周側からカシメてロータシャフトのカシメ溝に嵌合させ且つカシメ溝の軸方向外側の壁面に係合させる構成を備える。

Description

回転電機のロータ構造およびその製造方法

　この発明は、電動機等の回転電機の回転子もしくは電機子として機能するロータ構造およびその製造方法に関し、特にコアとシャフトとの締結に好適な回転電機のロータ構造およびその製造方法に関するものである。

　ＪＰ－２００６－１８７０６３－Ａは、回転電機のロータを構成する多数の電磁鋼板を積層したコアとシャフトとの締結構造として、コアの両側面に配置されるエンドプレートをシャフトに対して直接圧入することにより固定するものを開示している。

　これは、ロータの構成要素であるコアとシャフトの間にカラーを介在させて、シャフトとカラー及びカラーとコアを所定の締め代のもとでの圧入締結構造とする。コアの両側面にはシャフトに対して直接圧入したエンドプレートを配置する。コアおよびエンドプレートをケイ素鋼板製、シャフトを鋼棒製のものとした場合に、カラーを少なくともコアやシャフトよりも線膨張率の大きなマグネシウム合金等の非鉄金属材料で形成する。これにより、高温環境下で各要素が熱膨張した場合でも、シャフトに対するカラーの縮径方向の締め代を確保するようにしている。

　しかしながら、上記従来例では、コアの両側面に配置されるエンドプレートをシャフトに対して直接圧入して固定するものである。このため、シャフトの外径が大きい場合には、圧入する際のエンドプレートの内径寸法とシャフト外径寸法のバラツキや圧入する条件のバラツキにより、圧入力（エンドプレートが留まっている力）にバラツキが生じやすく、場合によっては抜けるという課題があった。

　本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、コアとシャフトとの締結に好適な回転電機のロータ構造およびその製造方法を提供することである。

　本発明のある態様の回転電機のロータ構造によれば、ロータシャフト外周に円盤状の複数の磁性鋼板を積層したコアとコアの軸方向両側に配置した円盤状のエンドプレートと、を支持して備える。

　そして、本発明では、ロータシャフトには、いずれか一方のエンドプレートの軸方向外側の外周部に周方向にカシメ溝を形成する。そして、リング状をなし、ロータシャフトのカシメ溝を覆ってロータシャフトに嵌合され、軸方向外側部分が外周側からカシメられてロータシャフトのカシメ溝に嵌合され且つカシメ溝の軸方向外側の壁面に係合するカシメリテーナの軸方向内側端により、一方のエンドプレートを軸方向に位置決めするようにした。

　本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示す回転電機のロータ構造の概略構成図である。 図２は、同じく回転電機のロータ構造の製造工程を示す説明図である。 図３は、図２に続く回転電機のロータ構造の製造工程を示す説明図である。 図４は、図３に続く回転電機のロータ構造の製造工程を示す説明図である。 図５は、図４に続く回転電機のロータ構造の製造工程を示す説明図である。 図６は、図５に続く回転電機のロータ構造の製造工程を示す説明図である。 図７は、図６に続く回転電機のロータ構造の製造工程を示す説明図である。 図８は、使用するカシメリテーナの部分断面図である。 図９は、カシメリテーナの一例を示す斜視図である。 図１０は、カシメリテーナの他の例を示す斜視図である。 図１１は、カシメリテーナのカシメ後の形状（Ａ）、（Ｂ）を示す説明図である。 図１２は、本発明の第２実施形態を示す回転電機のロータ構造の概略構成図である。 図１３は、カシメリテーナの断面図である。 図１４は、圧縮状態におけるカシメリテーナの断面図である。 図１５は、カシメリテーナが弾性変形された一態様を示す回転電機のロータ構造の概略構成図である。

　（第１実施形態）
　図１は本発明を適用した回転電機のロータ構造の一実施形態を示す断面図である。図１において、回転電機のロータ構造は、円筒状のコア１、コア１の両側に配置した円盤状のエンドプレート２，３、それらのコア１およびエンドプレート２，３を挿通して支持するロータシャフト４、コア１およびエンドプレート２，３をロータシャフト４上に位置決めして固定するカシメリテーナ５、を備える。

　ロータシャフト４は円筒形状であり、円筒部分の内周部には内周方向に延びるフランジ４１を備え、フランジ４１を介して図示しない駆動軸に締結され、駆動軸と共に回転可能に形成される。ロータシャフト４の外径は、コア１の内径にほぼ一致するように形成されている。また、ロータシャフト４のコア１を支持する領域の軸方向の一方側の外周部には全周にわたって、他方のエンドプレート３を支持する突起部４２が形成されている。また、ロータシャフト４のコア１を支持する領域の軸方向他方側の外周部には全周にわたって、カシメリテーナ５が係合するカシメ溝４３が形成されている。なお、カシメ溝４３は全周に設けることなく、周方向に部分的に設けてもよい。また、図示例では、ロータシャフト４の外周部は、カシメ溝４３が配置された部分より（コア１支持領域から離れた）軸方向外側で小径となっている。

　突起部４２は、小径部４４と大径部４５とよりなる段付き形状に形成されている。小径部４４は、コア１を支持する領域に隣接してロータシャフト４の外周部から半径方向外周に突出し、大径部４５は、小径部４４に連なる（コア１支持領域から離れる）軸方向外側においてロータシャフト４の外周部から半径方向外周に突出するように形成されている。

　コア１は、例えば磁性体である円形の磁性鋼板の中央部にシャフト挿入穴１１を形成し、それらの磁性鋼板を多数枚積層して、例えば、かしめ加工等により、一体化したものである。

　他方の円盤状をなすエンドプレート３の内径部は、突起部４２の小径部４４と嵌合する小径穴３４と突起部４２の大径部４５に臨む大径穴３５とよりなる段付き穴３２に形成されている。そして、図２にも示すように、他方のエンドプレート３は、段付き穴３２の小径穴３４がロータシャフト４の段付き突起４２の小径部４４に嵌合し、小径穴３４と大径穴３５との間の段付き部が段付き突起の大径部４５と小径部４４との間の段付き部に軸方向から接触することにより、ロータシャフト４の突起部４２に支持される。

　そして、図３にも示すように、他方のエンドプレート３には、円盤形状の積層鋼板からなるコア１が、ロータシャフト４の外周部に嵌合して、軸方向から積層される。

　一方の円盤状をなすエンドプレート２の内径部は、コア１と接触する側に配置された小径穴２１とコア１側とは反対の側に配置された大径穴２２とよりなる段付き穴に形成されている。そして、図４にも示すように、一方のエンドプレート２は、段付き穴の小径穴２１をロータシャフト４の外周部に嵌合させて、コア１の軸方向他方側から積層配置されて、ロータシャフト４に支持される。

　カシメリテーナ５は、図８に示すように、リング状のフランジ部５２とリング状のスリーブ部５３とよりなる断面がＬ字型に形成される円盤形状をなすリング状部分５１と、スリーブ部５３より軸方向に突出してカシメ変形されるカシメ片５４と、で形成されている。そして、スリーブ部５３およびカシメ片５４がロータシャフト４外周に嵌合するよう形成され、スリーブ部５３がロータシャフト４に嵌合することによりロータシャフト４に対して半径方向に位置決めされる。

　カシメリテーナ５のリング状部分５１は、断面がフランジ部５２とスリーブ部５３とでＬ字形に形成されていることにより、形状剛性、即ち、軸直角平面に対する曲げ剛性がスリーブ部５３により、円形形状剛性がフランジ部５２により、夫々確保された形状となっている。

　そして、図５に示すように、カシメリテーナ５は、カシメ溝４３側からロータシャフト４に嵌合され、図６に示すように、フランジ部５２を一方のエンドプレート２の小径穴２１と大径穴２２との間の段付き部に接触させる。そして、カシメリテーナ５側から軸方向に押圧して、ロータシャフト４の突起部４２との間に配置されるエンドプレート３・コア１・エンドプレート２に一定の予圧（プリロード）を加えた状態とする。

　その後に、図７に示すように、カシメリテーナ５のカシメ片５４を外周からのカシメ加工により半径方向内方のカシメ溝４３内に折曲げることにより、カシメ溝４３に嵌り込み、ロータシャフト４に対して軸方向に位置決めされる。そして、カシメリテーナ５は、そのカシメ片５４の折曲げ端がカシメ溝４３の底部の壁面に当接して軸方向外側への移動が阻止されて突っ張るため、両エンドプレート２，３およびコア１に加えた予圧を維持した状態でロータシャフト４に位置決めして固定することができる。

　上記したカシメ加工の際に、カシメリテーナ５のスリーブ部５３先端のカシメ片５４はカシメ溝４３に嵌り込む際に、折り曲げ端が縮径されて周長が小さくなることに伴い、周長が余分となる。このため、スリーブ部５３先端のカシメ片５４は、図８に示すように、周方向に一定間隔で端部から軸方向に延びるスリット５５が設けられており、このスリット５５により前記した余分になってしまう周長を吸収し、半径方向内方への折り曲げ端が確実にカシメ溝４３の底に届くようにしている。前記したスリット５５は、図９に示すように、細い幅を備える、例えば、８箇所において、円周方向に等間隔で配置するものであってもよく、また、図１０に示すように、大きい幅を備える、例えば、４箇所において、円周方向に等間隔で配置するものであってもよい。なお、図９および図１０は、スリット５５の幅および数量の一例を示すものであり、必要に応じてその幅および数量を変更して設定することが望ましい。

　また、コア１は電磁鋼板を、例えば、数百枚、軸方向に積層した構造となっているため、積層された状態での軸方向寸法が、積層されたコア１毎に変化する。この積層寸法の誤差に伴いカシメリテーナ５の軸方向位置が変化する。従って、コア１の平均的な積層寸法に対して、図６に示すように、カシメリテーナ５のカシメ片５４がカシメ溝４３を跨ぐようにカシメ片５４の軸方向寸法を設定する。このように設定すると、カシメ片５４を外周からカシメ加工した際には、図１１（Ｂ）に示すように、カシメ片５４がカシメ溝４３の軸方向外側の壁面に係合され且つカシメ片５４の先端がカシメ溝４３の端部よりはみ出した状態となる。

　そして、コア１の軸方向寸法がプラス気味になったときは、カシメ溝４３に臨むカシメリテーナ５のカシメ片５４の位置が軸方向外側に移動し、カシメ溝４３を跨いで更に軸方向外側に位置することとなる。この場合には、カシメ加工後においては、カシメ片５４がカシメ溝４３の軸方向外側の壁面に係合され且つカシメ片５４の先端が図１１（Ｂ）よりも更にカシメ溝４３の端部よりはみ出した状態となる。

　また、コア１の軸方向寸法がマイナス気味になったときは、カシメ溝４３に臨むカシメリテーナ５のカシメ片５４の位置が軸方向内側に移動し、カシメ片５４の先端がカシメ溝４３の領域端に位置することとなる。この場合には、カシメ加工後においては、カシメ片５４の先端が、カシメ溝４３の軸方向外側の端部よりはみ出した状態とならずに、図１１（Ａ）に示すように、カシメ溝４３の軸方向外側の壁面に係合された状態となる。

　このようにして、コア１の積層寸法の誤差をカシメリテーナ５のカシメ片５４の折り曲げ状態を変化させることで吸収することができ、コア１の軸方向寸法誤差に関わらず組立後（かしめ後）に一定の与圧を与えることができる。

　本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

　（ア）ロータシャフト４には、いずれか一方のエンドプレート２の軸方向外側の外周部に周方向にカシメ溝４３を形成する。そして、リング状をなし、ロータシャフト４のカシメ溝４３を覆ってロータシャフト４に嵌合され、軸方向外側部分が外周側からカシメられてロータシャフト４のカシメ溝４３に嵌合され且つカシメ溝４３の軸方向外側の壁面に係合するカシメリテーナ５の軸方向内側端により、一方のエンドプレート２を軸方向に位置決めするようにした。即ち、一方のエンドプレート２に当接して軸方向に位置決めするカシメリテーナ５の軸方向外側部分を外周側からカシメてロータシャフト４のカシメ溝４３に嵌合させ且つカシメ溝４３の軸方向外側の壁面に係合させる構成を備える。このため、カシメリテーナ５がカシメ溝４３の軸方向外側の壁面に係合してコア１が軸方向に抜けることなく位置決めできると共に、その反作用により一方のエンドプレート２を軸方向に押込むよう作用し、コア１に所定の予圧を与えた状態でロータシャフト４に固定することができる。

　（イ）カシメリテーナ５は、外周側からカシメられてロータシャフト４のカシメ溝４３に嵌合される軸方向外側部分に、周方向所定角度間隔をおいて軸方向外端部分から軸方向内側に延びるスリット５５を備える。即ち、カシメリテーナ５のスリーブ部５３先端のカシメ片５４はカシメ溝４３に嵌り込む際に、折り曲げ端が縮径されて周長が小さくなることに伴い、周長が余分となる。しかし、カシメリテーナ５のスリーブ部５３先端のカシメ片５４は周方向に一定間隔で端部から軸方向に延びるスリット５５をそなえるため、前記した余分になってしまう周長をスリット５５で吸収し、半径方向内方への折り曲げ端が確実にカシメ溝４３の底に届くようにすることができる。

　（ウ）カシメリテーナ５は、軸方向内側端に接触する一方のエンドプレート２の軸方向位置に応じて、外周側からカシメられてロータシャフト４のカシメ溝４３に嵌合され且つカシメ溝４３の軸方向外側の壁面に係合する軸方向位置が変化される。即ち、コア１は電磁鋼板を、例えば、数百枚軸方向に積層した構造となっているため、積層された状態での軸方向寸法が、積層されたコア１毎に変化する。そして、この積層寸法の誤差に伴いカシメリテーナ５の軸方向位置が変化する。しかし、コア１の積層寸法の変化をカシメリテーナ５のカシメ片５４の折り曲げ状態を変化させることで吸収することができ、コア１の軸方向寸法誤差に関わらず組立後（かしめ後）に一定の与圧を与えることができる。

　（エ）カシメリテーナ５は、軸方向内側端に半径方向に延びるリング状のフランジ部５２を備え、リング状フランジ部５２により一方のエンドプレート２に接触する。即ち、カシメリテーナ５のリング状部分５１は、断面がフランジ部５２とスリーブ部５３とでＬ字形に形成されていることにより、形状剛性、即ち、軸直角平面に対する曲げ剛性がスリーブ部５３により、円形形状剛性がフランジ部５２により、夫々確保された形状とすることができる。

　（第２実施形態）
　図１２～図１５は本発明を適用した回転電機のロータ構造の第２実施形態を示し、図１２は回転電機のロータ構造の断面図、図１３はカシメリテーナの断面図である。本実施形態においては、カシメリテーナのリング状部分のフランジ部を軸方向に作用するばね構造とした構成を第１実施形態に追加したものである。なお、第１実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。

　本実施形態におけるカシメリテーナ５は、図１３に示すように、テーパ状のフランジ部５６とリング状のスリーブ部５３とよりなるリング状部分５１と、スリーブ部５３より軸方向に突出してカシメ変形されるカシメ片５４と、で形成されている。このカシメリテーナ５は、高弾性材、例えば、高張力鋼板（High Tensile Strength Steel Sheets、通称「ハイテン材」という）で形成されている。その他の構成は、第１実施形態と同様に構成している。

　そして、カシメリテーナ５は、軸方向に圧縮力を加えることにより、テーパ状のフランジ部５６が、そのテーパ角度が大きくなる方向に弾性変形可能としている。即ち、図１３に示す軸方向の圧縮力を加えない状態での寸法Ｃが、軸方向の圧縮力を加えて行くと、圧縮力に対応してフランジ部５６のテーパ角度を大きくなり、最終的に図１４に示すように、フランジ部５６を直角方向に起立した寸法Ｄまで弾性変形可能である。

　そして、スリーブ部５３およびカシメ片５４がロータシャフト４外周に嵌合するよう形成され、スリーブ部５３がロータシャフト４に嵌合することによりロータシャフト４に対して半径方向に位置決めする。

　即ち、カシメリテーナ５は、カシメ溝４３側からロータシャフト４に嵌合され、図１２に示すように、フランジ部５６の先端を一方のエンドプレート２の側面に接触させる。そして、カシメリテーナ５側からカシメリテーナ５のスリーブ部５３およびカシメ片５４を軸方向に押圧して、ロータシャフト４の突起部４２との間に配置されるエンドプレート３・コア１・エンドプレート２に一定の予圧（プリロード）を加えた状態とする。このとき、カシメリテーナ５のフランジ部５６は、上記一定の予圧（プリロード）により、そのテーパ角度を大きくなるよう弾性変形される。

　その後に、カシメリテーナ５のカシメ片５４を外周からのカシメ加工により半径方向内方のカシメ溝４３内に折曲げることにより、カシメ溝４３に嵌り込み、ロータシャフト４に対して軸方向に位置決めする。そして、カシメリテーナ５は、そのカシメ片５４の折曲げ端がカシメ溝４３の底部の壁面に当接して軸方向外側への移動が阻止されて突っ張るため、両エンドプレート２，３およびコア１に加えた予圧を維持した状態でロータシャフト４に位置決めして固定することができる。

　この状態において、一方のエンドプレート２の軸方向位置に応じて、カシメリテーナ５のフランジ部５６の弾性変形量が変化される。即ち、コア１は電磁鋼板を、例えば、数百枚軸方向に積層した構造となっているため、積層された状態での軸方向寸法が、積層されたコア１毎に変化する。図１５は一方のエンドプレート２の位置が、上記積層寸法の誤差に伴いカシメリテーナ５側に変化された状態を示している。しかし、本実施形態では、この積層寸法の誤差に伴いカシメリテーナ５のフランジ部５６の弾性変形量が変化する。このように、コア１の積層寸法の変化をカシメリテーナ５のフランジ部５６の弾性変形量を変化させることで吸収することができ、コア１の軸方向寸法誤差に関わらず組立後（かしめ後）に一定の与圧を与えることができる。

　本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（イ）、（エ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。

　（オ）カシメリテーナ５は、軸方向内側端に半径方向に延びるリング状のフランジ部５６を備え、前記フランジ部５６は、その先端がエンドプレート２に接触するようテーパ状に傾斜させて形成され、軸方向内側端に接触する一方のエンドプレート２の軸方向位置に応じて、テーパ状の傾斜角度が変化される。即ち、コア１は電磁鋼板を、例えば、数百枚軸方向に積層した構造となっているため、積層された状態での軸方向寸法が、積層されたコア１毎に変化する。しかし、この積層寸法の誤差に伴いカシメリテーナ５のフランジ部５６の弾性変形量が変化する。このように、コア１の積層寸法の変化をカシメリテーナ５のフランジ部５６の弾性変形量を変化させることで吸収することができ、コア１の軸方向寸法誤差に関わらず組立後（かしめ後）に一定の与圧を与えることができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一例を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　本願は２０１１年３月２日に日本国特許庁に出願された特願２０１１－４５２８７および２０１２年２月２９日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－４３７７４に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (7)

1. 　ロータシャフト外周に円盤状の複数の磁性鋼板を積層したコアとコアの軸方向両側に配置した円盤状のエンドプレートとを支持して備える回転電機のロータ構造であって、
   　前記ロータシャフトは、いずれか一方のエンドプレートの軸方向外側の外周部に周方向に形成したカシメ溝を備え、
   　前記一方のエンドプレートは、リング状をなし、ロータシャフトのカシメ溝を覆ってロータシャフトに嵌合され、軸方向外側部分が外周側からカシメられてロータシャフトのカシメ溝に嵌合され且つカシメ溝の軸方向外側の壁面に係合する、カシメリテーナの軸方向内側端により軸方向に位置決めされる、
   回転電機のロータ構造。
2. 　請求項１に記載の回転電機のロータ構造において、
   　前記カシメリテーナは、外周側からカシメられてロータシャフトのカシメ溝に嵌合される軸方向外側部分に、周方向所定角度間隔をおいて軸方向外端部分から軸方向内側に延びるスリットを備える、
   回転電機のロータ構造。
3. 　請求項１または請求項２に記載の回転電機のロータ構造において、
   　前記カシメリテーナは、軸方向内側端に接触する一方のエンドプレートの軸方向位置に応じて、外周側からカシメられてロータシャフトのカシメ溝に嵌合し且つカシメ溝の軸方向外側の壁面に係合する軸方向位置が変化される、
   回転電機のロータ構造。
4. 　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機のロータ構造において、
   　前記カシメリテーナは、軸方向内側端に半径方向に延びるリング状のフランジ部を備え、リング状フランジ部により一方のエンドプレートに接触する、
   回転電機のロータ構造。
5. 　請求項１または請求項２に記載の回転電機のロータ構造において、
   　前記カシメリテーナは、軸方向内側端に半径方向に延びるリング状のフランジ部を備え、
   　前記フランジ部は、その先端が一方のエンドプレートに接触するようテーパ状に傾斜させて形成され、軸方向内側端に接触する一方のエンドプレートの軸方向位置に応じて、テーパ状の傾斜角度が変化される、
   回転電機のロータ構造。
6. 　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機のロータ構造において、
   　前記カシメ溝は、前記ロータシャフトの外周部の全周にわたって形成される、
   回転電機のロータ構造。
7. 　ロータシャフト外周に円盤状の複数の磁性鋼板を積層して形成されたコアとコアの軸方向両側に配置された円盤状のエンドプレートとを支持して備える回転電機のロータ構造の製造方法であって、
   　前記ロータシャフトは、いずれか一方のエンドプレートの軸方向外側の外周部に周方向に形成したカシメ溝を備え、
   　リング状のカシメリテーナを、ロータシャフトのカシメ溝を覆ってロータシャフトに嵌合させ、カシメリテーナの軸方向内側端を前記一方のエンドプレートに予圧を加えて当接させ、
   　次いで、カシメリテーナの軸方向外側部分を外周側からカシメてロータシャフトのカシメ溝に嵌合させ且つカシメ溝の軸方向外側の壁面に係合させることにより、前記一方のエンドプレートを軸方向に位置決めする、
   回転電機のロータ構造の製造方法。

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