特許 6033090 焼嵌め締結応力演算装置及びその方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6033090

(24)【登録日】2016年11月4日

(45)【発行日】2016年11月30日

(54)【発明の名称】焼嵌め締結応力演算装置及びその方法

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/22 20060101AFI20161121BHJP

   H02K 11/20 20160101ALI20161121BHJP

【ＦＩ】

   H02K1/22 A

   H02K11/20

【請求項の数】5

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2013-552(P2013-552)

(22)【出願日】2013年1月7日

(65)【公開番号】特開2014-132810(P2014-132810A)

(43)【公開日】2014年7月17日

【審査請求日】2015年3月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】新日鐵住金株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100113918

【弁理士】

【氏名又は名称】亀松 宏

(74)【代理人】

【識別番号】100122965

【弁理士】

【氏名又は名称】水谷 好男

(74)【代理人】

【識別番号】100160716

【弁理士】

【氏名又は名称】遠藤 力

(72)【発明者】

【氏名】吉田 裕一

(72)【発明者】

【氏名】新井 聡

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 浩明

(72)【発明者】

【氏名】山岸 義忠

(72)【発明者】

【氏名】柳田 英治

(72)【発明者】

【氏名】佐野 新也

【審査官】 安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２９５８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０４９３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２５４６２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ １／００−１／３４

Ｈ０２Ｋ １１／００−１１／４０

Ｈ０２Ｋ １５／００−１５／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転子軸と回転子コア用鋼板との焼嵌め締結応力を演算する焼嵌め締結応力演算装置であって、
回転子軸の形状データ、回転子コア用鋼板の形状データ、回転子コア用鋼板の貫通孔の端面に貫通方向に平行に形成され且つ平滑な面を有する平滑部の形状データ、及び、前記平滑部の一端から回転子コア用鋼板の外周に向かって傾斜する傾斜面を有する傾斜部の形状データを取得する入力部と、
前記回転子軸の形状データ、前記回転子コア用鋼板の形状データ、前記平滑部の形状データ、及び、前記傾斜部の形状データを記憶する記憶部と、
前記回転子軸の形状データ、前記回転子コア用鋼板の形状データ、前記平滑部の形状データ、及び、前記傾斜部の形状データに基づいて、回転子軸と回転子コア用鋼板の端面とが焼嵌めされた場合に形成される接触部における応力分布を、有限要素解析法によって求める解析部と、
前記接触部の応力分布に基づいて、回転子コア用鋼板と回転子軸との焼嵌め締結応力を演算により求める演算部と、
前記焼嵌め締結応力を出力する出力部と、
を有することを特徴とする焼嵌め締結応力演算装置。

【請求項2】

前記解析部は、前記回転子コア用鋼板が前記回転子軸に焼嵌めされたときの前記貫通孔の端面の変位分布を演算し、
前記演算部は、前記貫通孔の端面の変位分布に基づいて、焼嵌め端面座屈量を演算し、
前記出力部は、前記焼嵌め端面座屈量を出力する請求項１に記載の焼嵌め締結応力演算装置。

【請求項3】

前記傾斜部は円錐台状の形状を有し、前記傾斜部の上面の半径と、前記傾斜部の下面の半径との差は、前記回転子コア用鋼板の板厚に基づいて決定される請求項１又は２に記載の焼嵌め締結応力演算装置。

【請求項4】

前記回転子コア用鋼板は、それぞれの貫通孔が合致するように３つ以上積層されている請求項１〜３の何れか一項に記載の焼嵌め締結応力演算装置。

【請求項5】

回転子軸と回転子コア用鋼板との焼嵌め締結応力を演算する焼嵌め締結応力演算装置を使用して、
回転子軸の形状データ、回転子コア用鋼板の形状データ、回転子コア用鋼板の貫通孔の端面に貫通方向に平行に形成され且つ平滑な面を有する平滑部の形状データ、及び、前記平滑部の一端から回転子コア用鋼板の外周に向かって傾斜する傾斜面を有する傾斜部の形状データを取得し、
前記回転子軸の形状データ、前記回転子コア用鋼板の形状データ、前記平滑部の形状データ、及び、前記傾斜部の形状データを記憶し、
前記回転子軸の形状データ、前記回転子コア用鋼板の形状データ、前記平滑部の形状データ、及び、前記傾斜部の形状データに基づいて、回転子軸と回転子コア用鋼板の端面とが焼嵌めされた場合に形成される接触部における応力分布を、有限要素解析法によって求め、
前記接触部の応力分布に基づいて、回転子コア用鋼板と回転子軸との焼嵌め締結応力を演算により求め、
前記焼嵌め締結応力を出力する、
ことを特徴とする焼嵌め締結応力演算方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電磁鋼板で形成される回転子コアに回転子軸を焼嵌めにより締結するときの焼嵌め締結応力を演算する焼嵌め締結応力演算装置及びその方法に関する。

【背景技術】

【0002】

図１は、従来の電動機の固定子及び回転子の一例を示す斜視図である。電動機１００１は、ケース１０１０の内部に複数のケース固定ボルト１０１１で固定された固定子１０２０と、固定子１０２０に囲まれた空間に配置された回転子１０３０とを有する。固定子１０２０には、複数の巻線コイル１０２１が巻回される。回転子１０３０は、回転子コア１０３１と、回転子コア１０３１の中央部に形成される貫通孔に締結される回転子軸１０３２とを有する。回転子コア１０３１には、複数の永久磁石１０３３が埋設されている。回転子コア１０３１は、貫通孔が打抜かれた電磁鋼板（不図示）を複数枚積層して形成される（例えば、引用文献１〜４参照）。

【0003】

回転子１０３０は、回転子コア１０３１と、回転子軸１０３２とを締結して形成される。回転子コア１０３１と、回転子軸１０３２との締結方法として、ボルトなどの締結部材を使用して締結する方法、回転子軸を回転子コアの貫通孔に圧入して締結する方法、回転子コアの貫通孔に回転子コアを焼嵌めして締結する方法等がある。

【0004】

図２は、打抜き加工を説明する模式図である。打抜き加工装置８０は、打抜きポンチ８１と打抜きダイ８２とを有する。打抜きダイ８２に載置された被加工板材９０は、打抜きポンチ８１が矢印Ａの方向に移動することにより被加工板材９０の表面から裏面に打抜き加工される。図２において、幅Ｃは、打抜き加工装置８０が被加工板材９０を打抜くときの打抜きポンチ８１と打抜きダイ８２との間の距離であり、クリアランスと称される。従来、電磁鋼板を打抜くときのクリアランスは、鋼板の厚さＴの７〜１１％としている。

【0005】

図３は、貫通孔が打抜かれた電磁鋼板の貫通孔の一例を示す図である。電磁鋼板９１の中央部に打抜き加工により形成された貫通孔９２の端面９５には、打抜き方向に順にダレ面９６、せん断面９７、破断面９８及びバリ９９が形成される。

【0006】

ダレ面９６は、被加工板材９０が打抜きポンチ８１により全体的に押し込まれることにより形成される傾斜面である。貫通孔９２の端面９５面積に対するダレ面９６の面積の比率は、１０％以下である。

【0007】

せん断面９７は、打抜きポンチ８１と打抜きダイ８２との間の間隙に被加工板材９０が引き込まれ局所的に引き伸ばされて形成される。せん断面９７は、打抜き方向に平行な平滑面である。クリアランスが鋼板の厚さＴの７〜１１％の場合、貫通孔９２の端面９５面積に対するせん断面９７の面積の比率は、３０％以下である。

【0008】

破断面９８は、打抜きポンチ８１と打抜きダイ８２との間の間隙に引き込まれた被加工板材９０が破断して形成される。破断面９８は、打抜き方向に対して貫通孔が広がるように傾斜する凹凸面である。クリアランスが鋼板の厚さＴの７〜１１％の場合、貫通孔９２の端面９５面積に対する破断面９８の面積の比率は、６０％以上である。

【0009】

バリ９９は、被加工板材９０の裏面に形成され、突起形状を有する。バリ９９の高さは、５〜１０％である。

【0010】

打抜き加工された貫通孔９２の端面がダレ面９６、破断面９８又はバリ９９などの不均一面を有することに起因して、回転電機の鉄損が増加することが知られている。このため、従来は鉄損を低減するために、打抜き加工された貫通孔９２は、打抜き加工後にシェービング加工することにより、不均一面を除去していた（例えば、引用文献５参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開２０１１−１４７３１０号公報

【特許文献2】特開２００８−１７８２５３号公報

【特許文献3】特開昭５９−２５５５４号公報

【特許文献4】特開２００１−３００６４７号公報

【特許文献5】特開２０１１−２１７５６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

しかしながら、回転電機の製造工程を最適化するために、鉄損の増加が許容される範囲内でシェービング加工を省略することが検討されている。

【0013】

図４は、打抜き加工後に貫通孔をシェービング加工することなしに形成された電磁鋼板１１３４を複数枚積層することにより形成される回転子コア１１３１と、回転子軸１１３２とを焼嵌めすることにより形成された回転子１１３０の概略断面図である。

【0014】

図４の矢印Ｂで示されるように、シェービング加工を省略された電磁鋼板１１３４で形成される回転子１１３０では、回転子コア１１３１と、回転子軸１１３２との接触部において、回転子コア１１３１の貫通孔の端面が座屈する座屈現象が現れることが明らかになった。

【0015】

回転子コア１１３１の貫通孔の端面が回転子軸１１３２に対して座屈しているので、回転子コア１１３１と回転子軸１１３２との間の締結応力が減少するおそれがある。さらに、回転子コア１１３１の貫通孔の端面が座屈することにより、回転子コア１１３１の座屈した部分が疲労破壊するおそれがあり信頼性が低下する。このため、回転子１１３０の設計段階において、回転子コア１１３１と回転子軸１１３２との間の締結応力、及び回転子コア１１３１の貫通孔の端面の座屈量を迅速且つ正確に評価する必要がある。

【0016】

そこで、本発明は、回転子コアと回転子軸との間の締結応力、及び回転子コアの貫通孔の端面の座屈量を迅速且つ正確に評価することが可能な焼嵌め締結応力演算装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0017】

上記課題を解決するために、本発明に係る焼嵌め締結応力演算装置は、回転子軸と回転子コア用鋼板との焼嵌め締結応力を演算する焼嵌め締結応力演算装置であって、回転子軸の形状データ、回転子コア用鋼板の形状データ、回転子コア用鋼板の貫通孔の端面に貫通方向に平行に形成され且つ平滑な面を有する平滑部の形状データ、及び、平滑部の一端から回転子コア用鋼板の外周に向かって傾斜する傾斜面を有する傾斜部の形状データを取得する入力部と、回転子軸の形状データ、回転子コア用鋼板の形状データ、平滑部の形状データ、及び、傾斜部の形状データを記憶する記憶部と、回転子軸の形状データ、回転子コア用鋼板の形状データ、平滑部の形状データ、及び、傾斜部の形状データに基づいて、回転子軸と回転子コア用鋼板の端面とが焼嵌めされた場合に形成される接触部における応力分布を、有限要素解析法によって求める解析部と、接触部の応力分布に基づいて、回転子コア用鋼板と回転子軸との焼嵌め締結応力を演算により求める演算部と、焼嵌め締結応力を出力する出力部と、を有する。

【0018】

さらに、本発明に係る焼嵌め締結応力演算装置は、解析部は、回転子コア用鋼板が回転子軸に焼嵌めされたときの貫通孔の端面の変位分布を演算し、演算部は、演算された貫通孔の端面の変位分布に基づいて、焼嵌め端面座屈量を演算し、出力部は、演算された焼嵌め端面座屈量を出力することが好ましい。

【0019】

さらに、傾斜部は円錐台状の形状を有し、傾斜部の上面の半径と、傾斜部の下面の半径との差は、回転子コア用鋼板の板厚に基づいて決定されることが好ましい。

【0020】

さらに、回転子コア用鋼板は、それぞれの貫通孔が合致するように３つ以上積層されていることが好ましい。

【0021】

さらに、本発明に係る焼嵌め締結応力演算方法は、回転子軸と回転子コア用鋼板との焼嵌め締結応力を演算する焼嵌め締結応力演算装置を使用して、回転子軸の形状データ、回転子コア用鋼板の形状データ、回転子コア用鋼板の貫通孔の端面に貫通方向に平行に形成され且つ平滑な面を有する平滑部の形状データ、及び、平滑部の一端から回転子コア用鋼板の外周に向かって傾斜する傾斜面を有する傾斜部の形状データを取得し、回転子軸の形状データ、回転子コア用鋼板の形状データ、平滑部の形状データ、及び、傾斜部の形状データを記憶し、回転子軸の形状データ、回転子コア用鋼板の形状データ、平滑部の形状データ、及び、傾斜部の形状データに基づいて、回転子軸と回転子コア用鋼板の端面とが焼嵌めされた場合に形成される接触部における応力分布を、有限要素解析法によって求め接触部の応力分布に基づいて、回転子コア用鋼板と回転子軸との焼嵌め締結応力を演算により求め、焼嵌め締結応力を出力する。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、回転子コア用鋼板の貫通孔の端面に貫通方向に平行に形成され且つ平滑な面を有する平滑部の形状データ、及び、前記平滑部の一端から回転子コア用鋼板の外周に向かって傾斜する傾斜面を有する傾斜部の形状データを取得する。これにより、回転子コアと回転子軸とを焼嵌めしたときの焼嵌め締結応力、及び回転子コアの貫通孔の端面の座屈量を迅速且つ正確に評価することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】従来の電動機の固定子及び回転子の一例を示す斜視図である。

【図2】打抜き加工を説明する模式図である。

【図3】貫通孔が打抜かれた電磁鋼板の貫通孔の一例を示す図である。

【図4】従来の回転子の概略断面図である。

【図5】本実施形態による焼嵌め締結応力演算システムの機能ブロック図である。

【図6】入力される形状データの一例を示す図である。

【図7】本実施形態による焼嵌め締結応力演算方法を示すフロー図である。

【図8】応力分布表示の一例を示す図である。

【図9】変位分布表示の一例を示す図である。

【図10】入力される形状データの他の例を示す図である。

【図11】応力分布表示の他の例を示す図である。

【図12】変位分布表示の他の例を示す図である。

【図13】入力される形状データの他の例を示す図である。

【図14】応力分布表示の他の例を示す図である。

【図15】変位分布表示の他の例を示す図である。

【図16】平滑部の面積の比率と焼嵌め締結応力との関係を示す図である。

【図17】回転子コア用鋼板の変位を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。まず、演算に用される焼嵌め締結応力演算システムについて説明する。

【0025】

図５は、焼嵌め締結応力演算システムの機能ブロック図である。焼嵌め締結応力演算システム１００は、焼嵌め締結応力演算装置１０１と、入力装置１１０と、表示装置１２０とを有する。

【0026】

焼嵌め締結応力演算装置１０１は、演算部１０２と、記憶部１０３とを有する有限要素解析（Finite Element Analysis：ＦＥＡ）装置である。

【0027】

演算部１０２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit: 中央処理ユニット）、ＤＳＰ（digital signal processor）等を有し、ＣＰＵ、ＤＳＰ等は、以下に説明する演算部１０２の各部の機能を果たす。記憶部１０３には、演算部１０２の各部の機能を果たすために使用されるコンピュータプログラム、その実行の際に使用されるデータ、演算部１０２により生成される解析データ等が格納される。記憶部１０３は、演算部１０２の各部の機能を果たすために使用されるコンピュータプログラムを記憶するための不揮発性記憶装置、データを一次的に記憶するための揮発性メモリを含んでいてよい。なお、他の実施例では、有限要素解析処理を行うための、ＬＳＩ（large scale integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programming Gate Array）等の論理回路を備えていてもよい。以下に説明される有限要素解析処理の一部又は全部をハードウェア処理によって実行してもよい。

【0028】

演算部１０２は、入力データ処理部１０４と、プリ解析部１０５と、解析演算部１０６と、ポスト解析部１０７と、出力データ処理部１０８とを有する。記憶部１０３は、モデルデータ記憶部１３１と、プリ解析データ記憶部１３２と、ポスト解析データ記憶部１３３と、出力データ記憶部１３４とを有する。

【0029】

入力データ処理部１０４は、入力装置１１０から入力される形状データ、材料物性データ、境界条件データ及びメッシュサイズデータをモデルデータ記憶部１３１に記憶するために必要な処理を実行する。形状データは、図示しないＣＡＤ（computer aided design）装置等で生成された回転子コア用鋼板及び回転子軸の幾何形状に対応するデータである。材料物性データは、回転子コア用鋼板及び回転子軸のヤング率、ポアソン比及び摩擦系数等の材料物性に対応するデータである。境界条件データは、回転子コア用鋼板及び回転子軸の拘束条件及び荷重条件等の境界条件に対応するデータである。メッシュサイズデータは、回転子コア用鋼板及び回転子軸をそれぞれ複数の要素に分割して有限要素解析をするときの要素の大きさに対応するデータである。

【0030】

プリ解析部１０５は、メッシュ生成部１５１と、解析条件設定部１５２とを有する。

【0031】

メッシュ生成部１５１は、モデルデータ記憶部１３１に記憶される形状データ及びメッシュサイズデータに基づいて、回転子コア用鋼板及び回転子軸の形状を分割することによりメッシュデータを自動的に生成する。メッシュ生成部１５１により生成されたメッシュデータは、プリ解析データ記憶部１３２に出力され、記憶される。

【0032】

解析条件設定部１５２は、境界条件データ及び材料物性データを、メッシュ生成部１５１により生成されたメッシュに関連付ける。解析条件設定部１５２によりメッシュに関連付けられた境界条件データ及び材料物性データは、プリ解析データ記憶部１３２に出力され、記憶される。

【0033】

解析演算部１０６は、有限要素解析ソフトウェアであり、有限要素法により応力解析処理を実行する。解析演算部１０６は、ＡＢＡＱＵＳであるが、ＭＡＲＣ（登録商標）又はＮＡＳＴＲＡＮ等の他の汎用の有限要素解析ソフトウェアを使用してもよい。解析演算部１０６は、プリ解析データ記憶部１３２に記憶されるメッシュデータ、境界条件データ及び材料物性データに基づいて、回転子コア用鋼板及び回転子軸の応力分布及び変位分布の解析結果にそれぞれ対応する応力分布データ及び変位分布データを演算する。解析演算部１０６で演算された応力分布データ及び変位分布データは、ポスト解析データ記憶部１３３に出力され、解析データとして記憶される。

【0034】

ポスト解析部１０７は、表示データ生成部１７１と、焼嵌め締結応力演算部１７２と、端面座屈量演算部１７３とを有する。

【0035】

表示データ生成部１７１は、ポスト解析データ記憶部１３３に記憶される解析データを処理して、回転子コア用鋼板及び回転子軸の応力分布及び変位分布の解析結果を視覚的に容易に把握可能なデータに変換する処理を実行する。表示データ生成部１７１は、応力分布データを処理して、回転子コア用鋼板及び回転子軸の応力分布を表示するための応力分布表示データを生成する。表示データ生成部１７１は、変位分布データを処理して、回転子コア用鋼板及び回転子軸の変位分布を表示するための変位分布表示データを生成する。

【0036】

焼嵌め締結応力演算部１７２は、解析データに含まれる回転子コア用鋼板及び回転子軸の応力分布に対応する応力分布データを処理して、焼嵌め締結応力に対応する焼嵌め締結応力データを生成する処理を実行する。焼嵌め締結応力演算部１７２は、回転子軸が回転子コア用鋼板に焼嵌めされたときに貫通孔の端面の平滑部と傾斜部のうち少なくとも平滑部の一部と回転子軸とが接触して形成される接触部の応力に対応する接触部応力データを回転子コアの半径方向応力分布データから抽出する。焼嵌め締結応力演算部１７２は、接触部応力データの平均値を演算することにより焼嵌め締結応力データを生成する。

【0037】

端面座屈量演算部１７３は、解析データに含まれる回転子コア用鋼板の変位分布に対応する変位分布データを処理して、貫通孔の端面の座屈量に対応する焼嵌め端面座屈量データを生成する処理を実行する。端面座屈量演算部１７３は、回転子コア用鋼板の貫通孔の端面の変位に対応する焼嵌め端面変位データを変位分布データから抽出する。そして、端面座屈量演算部１７３は、抽出された焼嵌め端面変位データから、貫通孔の上端部の中で変位が最も大きいデータを抽出することにより、焼嵌め端面座屈量データを生成する。また、端面座屈量演算部１７３は、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の座屈量だけでなく、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の板面の所望の場所の座屈量に対応する座屈量データを生成処理も実行する。座屈量データを回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の板面から外周方向に向かって複数生成しプロットすることにより、貫通孔からの距離と座屈量との関係を示すグラフが生成される。

【0038】

ポスト解析部１０７で生成された分布表示データ、変位分布表示データ、焼嵌め締結応力データ及び焼嵌め端面座屈量データはそれぞれ、出力データ記憶部１３４に出力され、記憶される。

【0039】

出力データ処理部１０８は、出力データ記憶部１３４に記憶される分布表示データ、変位分布表示データ、焼嵌め締結応力データ及び焼嵌め端面座屈量データをそれぞれ、表示装置１２０に表示するために必要な出力データを出力する処理を実行する。

【0040】

入力装置１１０は、キーボード等のユーザインタフェイス部と、ユーザインタフェイス部を制御するユーザインタフェイス制御部とを有し、ユーザインタフェイス部を介してユーザが入力した情報を、入力データ処理部１０４が処理可能な電気信号に変換する。

【0041】

表示装置１２０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display、液晶ディスプレイ）を有し、出力データ処理部１０８から出力されるデータをユーザが視覚的に認識可能な画像として表示する。

【0042】

次に、演算に使用した形状データ、境界条件及びメッシュサイズ等の演算条件について説明する。

【0043】

図６（ａ）は、１枚の回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２の形状データを示す平面図である。回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２は、ソリッドモデルとして形成され、計算負荷軽減のために１／４対称モデルとなっている。回転子コア用鋼板３１には、半径８５ｍｍの円形状の板面を有し、板面の中央部に半径２５ｍｍの貫通孔が形成される。また、回転子コア用鋼板３１には、重量軽減のための空隙３３が設けられる。回転子コア用鋼板３１の板厚は、０．３５ｍｍである。回転子軸３２は、半径２５ｍｍの円形状の断面を有する中空円柱であり、中空円柱の半径は１５ｍｍであり、軸の長さは無限大にモデル化されている。

【0044】

図６（ｂ）は、１枚の回転子コア用鋼板３１の形状データを示す部分断面図である。本実施形態では、回転子コア用鋼板３１の貫通孔の端面３５は、貫通方向に平行に形成され且つ平滑な面を有する平滑部３７と、平滑部３７の一端から板面の外周に外側に向けて傾斜する傾斜面を有する傾斜部３８とを有するものとして形状データを取得する。平滑部３７及び傾斜部３８の厚さはそれぞれ、０．１７５ｍｍである。

【0045】

図６（ｃ）は、１枚の回転子コア用鋼板３１の形状データを示す部分斜視図である。平滑部３７は、貫通方向に平行に形成される側面を有する円柱状の形状を有する。傾斜部３８は、平滑部３７の一端から外周に向けて傾斜する側面を有する円錐台状の形状を有する。

【0046】

本明細書では、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面３５に対する平滑部３７の面積の比率は、回転子コア用鋼板３１の板厚に対する平滑部の厚さの比率として規定される。ここでは、貫通孔の端面３５の厚さは０．３５ｍｍであり、平滑部の厚さは０．１７５ｍｍであるので、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面３５に対する平滑部３７の面積の比率は、貫通孔の端面３５の面積の５０％と規定される。

【0047】

回転子コア用鋼板３１の傾斜部３８の上面の半径と、下面の半径の差である傾斜面半径方向長さは、０．０３５ｍｍである。傾斜面半径方向長さは、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、ＳＥＭ）で撮影された回転子コア用鋼板３１の端面３５の観察写真から測定される。しかしながら、傾斜面半径方向長さは、回転子コア用鋼板３１の板厚の１０％として規定してもよい。上述のように磁鋼板を打抜くときのクリアランスは、鋼板の厚さＴの７〜１１％とすることが一般的であり、傾斜面半径方向長さは、打抜き加工のクリアランス長とほぼ同一長になるためである。

【0048】

表１は、入力装置１１０から入力される材料物性データに対応する材料物性を示す表である。回転子コア用鋼板３１のヤング率は１６８ＧＰａであり、ポアソン比は０．３である。回転子軸３２のヤング率は２００ＧＰａであり、ポアソン比は０．３である。回転子コア用鋼板３１と回転子軸３２との間の接触部における摩擦係数は、０．１である。焼嵌め温度及び熱膨張率は、焼嵌め代が直径基準で１２０μｍ、半径基準で６０μｍになるように設定される。

【0049】

【表1】

【0050】

図６（ｄ）は、回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２の境界条件を示す平面図である。図６（ｄ）において、Ｘ方向は、回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２の１／４対称モデルの右側切断面に平行であり且つ回転子軸３２の軸方向と直交する方向として規定される。Ｙ方向は、回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２の１／４対称モデルの左側切断面に平行であり且つ回転子軸３２の軸方向と直交する方向として規定される。Ｚ方向は、回転子軸３２の軸方向と平行な方向として規定される。

【0051】

回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２の１／４対称モデルの右側切断面の境界条件はＹ方向拘束であり、左側切断面の境界条件はＸ方向拘束である。回転子コア用鋼板３１の円弧面及び回転子軸３２の中空部の端面の境界条件は、Ｚ方向拘束である。

【0052】

メッシュサイズは、要素当たり、板面に平行な第１方向を０．３ｍｍとし、板面に平行であり且つ第１方向に直交する第２方向を０．３ｍｍとし、回転子軸３２の軸方向に平行な第３方向を０．０８７５ｍｍとする。図６（ｂ）に示すように、平滑部３７及び傾斜部３８はそれぞれ、２層の要素により形成される。

【0053】

次に、焼嵌め締結応力演算装置１０１を用いて実行される演算処理フローについて説明する。

【0054】

図７は、焼嵌め締結応力演算装置１０１を使用する焼嵌め締結応力演算方法を示すフロー図である。図７に示すフローは、焼嵌め締結応力演算装置１０１の記憶部１０３に記憶されるコンピュータプログラムにより、焼嵌め締結応力演算装置１０１の演算部１０２が実行する。

【0055】

まず、ステップＳ１０１において、入力データ処理部１０４は、入力装置１１０から入力される形状データ、材料物性データ、境界条件データ及びメッシュサイズデータを読み取って、モデルデータ記憶部１３１に記憶する。入力装置１１０から入力される形状データは、回転子軸の形状データ、及び回転子コア用鋼板の形状データを含む。入力装置１１０から入力される形状データは、回転子コア用鋼板の貫通孔の端面３５に貫通方向に平行に形成され且つ平滑な面を有する平滑部３７の形状データ、及び、前記平滑部の一端から回転子コア用鋼板の外周に向かって傾斜する傾斜面を有する傾斜部３８の形状データを更に含む。

【0056】

次いで、ステップＳ１０２において、メッシュ生成部１５１は、回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２のメッシュデータを生成する。

【0057】

次いで、ステップＳ１０３において、解析条件設定部１５２は、回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２のメッシュデータに、モデルデータ記憶部１３１に記憶される境界条件データ及び材料物性データを関連付ける。

【0058】

次いで、ステップＳ１０４において、解析演算部１０６は、応力解析処理を実行して、回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２の応力分布データ及び変位分布データを生成する。応力分布データは、回転子軸３２が回転子コア用鋼板３１に焼嵌めされたときに貫通孔の端面３５の平滑部３７と傾斜部３８のうち少なくとも平滑部３７の一部と前記回転子軸３２とが接触して形成される接触部の応力分布に対応するデータを含む。変位分布データは、回転子コア用鋼板３１が回転子軸３２に焼嵌めされたときの貫通孔の端面３５の変位分布に対応するデータを含む。

【0059】

次いで、ステップＳ１０５において、表示データ生成部１７１は、回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２の応力分布データ及び変位分布データにそれぞれ対応する応力分布表示データ及び変位分布表示データを生成する。図８は、ステップＳ１０５において生成される回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２の応力分布データに対応する応力分布表示５１を示す図である。図９は、ステップＳ１０５において生成される回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２の変位分布データに対応する変位分布表示５２を示す図である。図９において、変形倍率は５倍になっている。

【0060】

次いで、ステップＳ１０６において、焼嵌め締結応力演算部１７２は、焼嵌め締結応力データを演算する。焼嵌め締結応力演算部１７２で演算される焼嵌め締結応力は、５４．１ＭＰａである。

【0061】

次いで、ステップＳ１０７において、端面座屈量演算部１７３は、焼嵌め端面座屈量データを生成する。端面座屈量演算部１７３で演算される焼嵌め端面座屈量は、０．２５ｍｍである。

【0062】

そして、ステップＳ１０８において、出力データ処理部１０８は、表示するために必要な出力データを表示装置１２０に出力する。

【0063】

以上、焼嵌め締結応力演算装置１０１を使用して、１枚の回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２の形状データから焼嵌め締結応力及び焼嵌め端面座屈量を演算する第１実施形態について説明した。第１実施形態では、回転子コア用鋼板３１の貫通孔の端面３５が平滑部３７と傾斜部３８とを有するとして応力解析処理を実行することにより、回転子コア用鋼板３１の端面３５が座屈する現象を再現することが可能になった。

【0064】

回転子コア用鋼板３１の貫通孔の端面３５が平滑部３７のみを有する場合、座屈現象は再現できない。回転子コア用鋼板３１の貫通孔の端面３５が平滑部３７のみを有する場合、焼嵌め締結応力の重心は端面３５の中心にあり、焼嵌め締結応力は回転子軸３２の側面に対して鉛直方向の成分のみを有するためである。これに対し、回転子コア用鋼板３１の貫通孔の端面３５が平滑部３７と傾斜部３８とを有する場合、焼嵌め締結応力の重心が端面３５の中心から平滑部３７の方向に移動する。さらに、回転子コア用鋼板３１の貫通孔の端面３５が外周方向に傾斜する傾斜面を有する傾斜部３８を有することにより、焼嵌め締結応力は、回転子軸３２の側面に対して鉛直方向の成分に加えて、回転子軸３２の軸方向の成分を有することになる。座屈現象は、焼嵌め締結応力の回転子軸３２の軸方向の成分により生じるモーメントに起因して生じると考えられている。なお、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面に対する平滑部の面積の比率が１００％である場合は、第１実施形態と同一の入力データを使用して応力解析処理を実行したところ、座屈現象は再現できなかった。

【0065】

本実施形態では、回転子コア用鋼板３１の貫通孔の端面３５を、貫通方向に平行であり且つ平滑な面を有する平滑部３７と、平滑部３７の一端から板面の外周に向けて傾斜する傾斜面を有する傾斜部３８とを有するものとして形状データを取得する。平滑部３７は図３に示すせん断面９７に相当し、傾斜部３８は破断面９８に相当する。しかしながら、ダレ面９６及びバリ９９に対応する形状は、実施形態の端面３５では省略されている。回転子コア用鋼板３１の貫通孔の端面９５に対するダレ面９６及びバリ９９の面積の比率は、せん断面９７及び破断面９８の比率よりも低いため、解析演算部１０６の演算の精度に与える影響が小さいためである。

【0066】

また、傾斜部３８は、凹凸面を有する破断面９８を凹凸を有さない傾斜部として形成している。これにより、ダレ面９６及びバリ９９に相当対応する形状が端面３５で省略されていることと併せて、解析演算部１０６の解析精度を維持しつつ、解析演算部１０６の応力解析処理の負荷を軽減できる。

【0067】

次に、図１０〜１２を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態では、入力装置１１０から入力される形状データが１枚の回転子コア用鋼板３１及び回転子軸３２ではなく、第１〜第３回転子コア用鋼板３１ａ〜３１ｃ及び回転子軸３２であることが、第１実施形態と相違する。

【0068】

図１０（ａ）は、第１回転子コア用鋼板３１ａ及び回転子軸３２の形状データを示す平面図である。第１回転子コア用鋼板３１ａは、他の回転子コア用鋼板３１ｂ及び３１ｃと結合するかしめ部３４ａ〜３４ｅが形成されることが図６（ａ）に示す回転子コア用鋼板３１と相違する。解析条件設定部１５２は、かしめ部３４ａ〜３４ｅにおいて、第１〜第３回転子コア用鋼板３１ａ〜３１ｃが互いに固定されているものとして、対応するメッシュデータと関連付ける。

【0069】

図１０（ｂ）は、第１〜第３回転子コア用鋼板３１ａ〜３１ｃの形状データを示す部分断面図である。第１〜第３回転子コア用鋼板３１ａ〜３１ｃの貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃはそれぞれ、第１実施形態と同様に平滑部３７ａ〜３７ｃと傾斜部３８ａ〜３８ｃとにより形成される。第１回転子コア用鋼板３１ａは、貫通孔の端面３５ａに平滑部３７ａ及び傾斜部３８ａを有し、第２回転子コア用鋼板３１ｂは、貫通孔の端面３５ｂに平滑部３７ｂ及び傾斜部３８ｂを有する。第３回転子コア用鋼板３１ｃは、貫通孔の端面３５ｃに平滑部３７ｃ及び傾斜部３５ｃを有する。第１回転子コア用鋼板３１ａの下側板面は、第２回転子コア用鋼板３１ｂの上側板面と接触して配置される。第２回転子コア用鋼板３１ｂの下側板面は、第３回転子コア用鋼板３１ｃの上側板面と接触して配置される。接触する板面間の摩擦係数は、０．１である。

【0070】

図１１は、ステップＳ１０５において生成される第１〜第３回転子コア用鋼板３１ａ〜３１ｃ及び回転子軸３２の応力分布データに対応する応力分布表示５３を示す図である。ステップＳ１０６において焼嵌め締結応力演算部１７２で演算される焼嵌め締結応力は、９１．２ＭＰａである。

【0071】

図１２は、ステップＳ１０５において生成される第１〜第３回転子コア用鋼板３１ａ〜３１ｃ及び回転子軸３２の変位分布データに対応する変位分布表示５４を示す図である。図１２において、Ｚ方向の変形倍率は５倍である。ステップＳ１０７において端面座屈量演算部１７３で演算される焼嵌め端面座屈量は、０．１４ｍｍである。

【0072】

表２は、焼嵌め締結応力及び焼嵌め端面座屈量の実測値と、第１及び第２実施形態で演算された焼嵌め締結応力及び焼嵌め端面座屈量の演算との比較を示す表である。

【0073】

【表2】

【0074】

ここで、実測値の測定に使用された回転子コアは、第１及び第２実施形態で使用された回転子コア用鋼板と同一の形状を有する電磁鋼板が１６７枚積層されて形成されている。すなわち、実測用の回転子コア用鋼板は、半径８５ｍｍの円形状の板面を有し、板面の中央部に半径２５ｍｍの貫通孔が形成される。回転子コア用鋼板の板厚は、０．３５ｍｍである。さらに、実測用の回転子コア用鋼板にも同様に、重量軽減のための空隙が形成されている。

【0075】

実測値の測定に使用された回転子軸は、半径２５ｍｍ、高さ５０ｍｍの円形状の断面を有する中空円柱であり、中空部の半径１５ｍｍである。回転子コアと回転子軸とは、焼嵌め代１２０μｍで焼嵌めされている。

【0076】

焼嵌め締結応力の実測値は、回転子コアを固定した状態で、回転子軸にねじりトルクを作用させることにより測定した。焼嵌め締結応力は、回転子コアと回転子軸との間にすべりが生じたときのねじりトルクから、以下の式（１）及び（２）から算定されている。
Ｆ＝μ×π×ｄ１×Ｈ×Ｐ （１）
Ｔ＝Ｆ×ｄ１／２ （２）
ここで、Ｆはねじりトルクで生じる回転子内周部円周方向の力であり、ｄ１は回転子軸の口径であり、Ｈは回転子コアの高さであり、Ｐは焼嵌め締結応力であり、μは回転子軸外周と回転子コア内周の接触面の摩擦係数であり、Ｔはねじりトルクである。座屈量の実測値は、マイクロメータにより測定した。

【0077】

表２に示すように、第１実施形態により演算される焼嵌め締結応力及び焼嵌め端面座屈量と実測値との間には差異がある。この差異は、第１実施形態では１枚の回転子コア用鋼板３５を対象としているため、回転子コア用鋼板の間の摩擦力が考慮されていないことに起因するものであると考えられる。一方、第２実施形態により演算される焼嵌め締結応力及び焼嵌め端面座屈量は、実測値と概ね一致している。したがって、第２実施形態のように、少なくとも３枚の回転子コア用鋼板の形状データを使用することにより、焼嵌め締結応力及び焼嵌め端面座屈量をより適確に算定することが可能になる。

【0078】

次に、図１３〜１７を参照して、焼嵌め締結応力演算装置１０１を使用する第３実施形態について説明する。第３実施形態では、入力装置１１０から入力される形状データは、第２実施形態と同様に、３枚の回転子コア用鋼板と回転子軸とを使用する。しかしながら、使用される形状モデルが３次元モデルではなく、２次元軸対称モデルであることが、第２実施形態と相違する。

【0079】

図１３（ａ）は、モデル化される第４回転子コア用鋼板３１ｄ及び回転子軸３２の平面図である。第３実施形態では、図１３（ａ）のＤ−Ｄ´断面で２次元軸対称モデルとしてモデル化される。

【0080】

図１３（ｂ）は、２次元軸対称モデルとしてモデル化される第４〜第６回転子コア用鋼板３１ｄ〜３１ｆ及び回転子軸３２の断面図である。第４〜第６回転子コア用鋼板３１ｄ〜３１ｆの貫通孔の端面３５ｄ〜３５ｆはそれぞれ、第１実施形態と同様に平滑部３７ｄ〜３７ｆと傾斜部３８ｄ〜３８ｆとにより形成される。図１３（ｂ）において、Ｘ方向は第４〜第６回転子コア用鋼板３１ｄ〜３１ｆの半径方向に平行な方向であり、Ｙ方向は回転子軸３２の軸方向に平行な方向である。回転子軸３２の境界条件はＹ方向拘束であり、第４〜第６回転子コア用鋼板３１ｄ〜３１ｆの外周の境界条件はＹ方向拘束である。かしめ部３４ｇでは、第４〜第６回転子コア用鋼板３１ｄ〜３１ｆが互いに固定されている。

【0081】

図１３（ｃ）は、モデル化された第４〜第６回転子コア用鋼板３１ｄ〜３１ｆの部分断面図である。貫通孔の端面３５ｄ〜３５ｆの厚さはそれぞれ０．３５ｍｍであり、平滑部３７ｄ〜３７ｆの厚さはそれぞれ、０．２４５ｍｍであり、傾斜部３８ｄ〜３８ｆの厚さはそれぞれ、０．１０５ｍｍである。したがって、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面３５ｄ〜３５ｆに対する平滑部３７ｄ〜３７ｆの面積の比率は、７０％になる。第４〜第６回転子コア用鋼板３１ｄ〜３１ｃの傾斜面半径方向長さはそれぞれ、０．０３５ｍｍである。

【0082】

メッシュサイズは、要素当たり、板面に平行な第１方向を０．０３５ｍｍとし、回転子軸３２の軸方向に平行な第２方向を０．０３５ｍｍとする。

【0083】

図１４は、第４〜第６回転子コア用鋼板３１ｄ〜３１ｆ及び回転子軸３２の応力分布データに対応する応力分布表示５５を示す図である。第４〜第６回転子コア用鋼板３１ｄ〜３１ｆの平滑部の下半分から傾斜部の上端部、及び回転子軸３２の対向する部分の比較的大きな応力が分布している。

【0084】

図１５は、第４〜第６回転子コア用鋼板３１ｄ〜３１ｆ及び回転子軸３２の変位分布データに対応する変位分布表示５６を示す図である。

【0085】

図１６は、図７に示すフローに従って演算された、貫通孔の端面３５ｄ〜３５ｆの面積に対する平滑部３７ｄ〜３７ｆの面積の比率と焼嵌め締結応力との関係を示す図である。焼嵌め締結応力は、第４〜第６回転子コア用鋼板３１ｄ〜３１ｆと回転子軸３２とがそれぞれ接触する接触部における平均応力から演算される。接触部では、平滑部３７ｄ〜３７ｆと傾斜部３８ｄ〜３８ｆのうち少なくとも平滑部３７ｄ〜３７ｆの一部が回転子軸３２と接触している。焼嵌め締結応力は、貫通孔の端面３５ｄ〜３５ｆの面積に対する平滑部３７ｄ〜３７ｆの比率が４０％のとき８０ＭＰａであるが、貫通孔の端面３５ｄ〜３５ｆの面積に対する平滑部３７ｄ〜３７ｆの比率が５０％で、９２ＭＰａになる。そして、貫通孔の端面３５ｄ〜３５ｆの面積に対する平滑部３７ｄ〜３７ｆの比率が６０％を超えるとほぼ９５ＭＰａで一定となる。

【0086】

図１７（ａ）は、貫通孔近傍の第４回転子コア用鋼板３１ｄの上面の変位を示す図である。図１７（ｂ）は、平滑部３７ｄ〜３７ｆの面積の比率と第４回転子コア用鋼板３１ｄの上面の変位との関係を示す図である。平滑部３７ｄ〜３７ｆの面積の比率が４０％のとき、回転子コア用鋼板３１ｄの上面の変位は０．１８２ｍｍであり、５０％のとき回転子コア用鋼板３１ｄの上面の変位は０．１０ｍｍである。平滑部３７ｄ〜３７ｆの面積の比率が６０％のとき回転子コア用鋼板３１ｄの上面の変位は０．０３ｍｍであり、平滑部３７ｄ〜３７ｆの面積の比率が７０％〜９０％のとき、第４回転子コア用鋼板３１ｄの上面の変位はほぼ０である。

【0087】

第３実施形態では、２次元軸対称モデルを形状モデルとして使用するので、３次元モデルを形状モデルとして使用する場合と比較して、焼嵌め締結応力演算装置１０１の演算負荷を小さくすることができる。このため、少ない演算負荷で、貫通孔の端面３５ｄ〜３５ｆの面積に対する平滑部３７ｄ〜３７ｆの比率を変化させることができる。

【0088】

以上、図５〜１７を参照して、第１〜第３実施形態について説明してきたが、以下、他の実施形態について説明する。

【0089】

第１〜第３実施形態では、焼嵌め締結応力演算部１７２は、接触部応力データの平均値を演算することにより焼嵌め締結応力データを生成するが、接触部応力データの最大値又は最小値を抽出することにより生成してもよい。また、端面座屈量演算部１７３は、焼嵌め端面変位データの最大値を抽出することにより焼嵌め端面座屈量データを生成するが、焼嵌め端面変位データの平均値を演算することにより生成してもよい。

【0090】

端面座屈量演算部１７３では、焼嵌め締結応力データは、接触部応力データの平均値を演算することにより生成されるが、接触部応力データの最大値又は最小値を抽出することにより生成されてもよい。

【0091】

以上、本発明の実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。

【符号の説明】

【0092】

１００ 焼嵌め締結応力演算システム
１０１ 焼嵌め締結応力演算装置
１０２ 演算部
１０３ 記憶部
１０５ プリ解析部
１０６ 解析演算部
１０７ ポスト解析部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図10】

【図13】

【図16】

【図17】

【図8】

【図9】

【図11】

【図12】

【図14】

【図15】