(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記ヨークを前記シャフトに対して同軸状に固定する工程において、前記ヨークの中心に形成された貫通孔に前記シャフトを圧入することを特徴とする請求項4に記載のロータの製造方法。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ロータの外周面に永久磁石を保持させた場合には、永久磁石が遠心力によりロータから外れるおそれがある。そこで、ロータの内部に設けた収容孔内に永久磁石を収容する手法がある。収容孔からの永久磁石の飛び出しを防止するため、収容孔の開口を塞ぐ端面板が用いられる。しかし、端面板をロータに固定する構造が複雑である場合、部品点数や工数が増えること、ロータの重量が増加して回転効率が低下すること、固定構造が磁気回路に影響して駆動力が低下すること、等の問題がある。
【0006】
そこで本発明は、回転効率を向上することが可能なロータ、回転電機及びロータの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
第1発明のロータ(例えば、実施形態のロータ22)は、端面(例えば、実施形態の端面61a,61b)にて開口するとともに軸方向に沿った収容孔(例えば、実施形態の収容孔62)が形成されたヨーク(例えば、実施形態のヨーク61)と、前記ヨークの中心に同軸状に固定されたシャフト(例えば、実施形態のシャフト24)と、前記ヨークの前記収容孔内に収容された永久磁石(例えば、実施形態の永久磁石63)と、前記収容孔内に前記永久磁石を留め
、前記ヨークの前記端面に接合された端面板(例えば、実施形態の端面板70,71,72)と、を備え
、前記端面板は、前記軸方向内側の端面(例えば、実施形態の軸方向内側の端面70a)の外径が前記軸方向外側の端面(例えば、実施形態の軸方向外側の端面70b)よりも径方向に小さくなる外周部と、前記ヨークの前記端面との間で、前記ヨークの前記端面側に片寄って形成された溶接部(例えば、実施形態の溶接部75)により、前記ヨークの前記端面に接合されることを特徴とする。
【0008】
第2発明のロータは、前記ヨークの中心に軸方向に沿って挿入孔(例えば、実施形態の挿入孔64)が形成され、前記シャフトが前記挿入孔に対して締まり嵌めにより固定されていることを特徴とする。
【0009】
第3発明の回転電機(例えば、実施形態のモータ23)は、前記ロータを備えることを特徴とする。
【0010】
第4発明のロータの製造方法は、斜面(例えば、実施形態の斜面73)を外周部に有する端面板を準備する工程と、端面にて開口するとともに軸方向に沿った収容孔が形成されたヨークを準備する工程と、前記端面板の前記斜面を前記ヨークの前記端面に対向させ、前記斜面において前記端面板を溶接により前記ヨークの前記端面に接合し、前記収容孔内に永久磁石を留める工程と、前記端面板が接合された前記ヨークをシャフトに対して同軸状に固定する工程と、を備えることを特徴とする。
【0011】
第5発明のロータの製造方法は、前記ヨークを前記シャフトに対して同軸状に固定する工程において、前記ヨークの中心に形成された貫通孔に前記シャフトを圧入することを特徴とする。
【0012】
第6発明のロータの製造方法は、前記溶接がレーザ溶接であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
第1発明によれば、端面板をヨークに接合する溶接部がヨークの端面側に片寄って形成されているので、端面板をヨークに接合する構造が小型で軽量であり、空気抵抗(風損)が抑制される。これにより、ロータの回転効率を向上することができる。また、端面板の厚さ方向全体に溶接部が形成される場合と比べて、端面板に生じる応力を低減することができ、端面板とヨークとが異種材料であってもクラックを抑制することができる。
【0014】
第2発明によれば、ヨークがシャフトに締まり嵌めにより結合されているので、ヨークをシャフトに固定する構造が小型で軽量であり、ロータの回転効率を向上することができる。
【0015】
第3発明によれば、前記ロータを備えるので、ロータの回転効率に優れる回転電機を提供することができる。
【0016】
第4発明によれば、ヨークの端面に接するように端面板の外周部に斜面を設けて溶接するので、ヨークの端面側に片寄った溶接部を形成しやすい。これにより、端面板をヨークに接合する構造を小型かつ軽量にし、また、空気抵抗(風損)を抑制して、ロータの回転効率を向上することができる。また、端面板の外周部がロータの端面に垂直である場合と比べて、溶接後に端面板に生じる応力を低減することができ、端面板とヨークとが異種材料であってもクラックを抑制することができる。
【0017】
第5発明によれば、ヨークがシャフトに圧入により固定されているので、ヨークをシャフトに固定する構造が小型で軽量であり、ロータの回転効率を向上することができる。
【0018】
第6発明によれば、高いエネルギー密度で溶接箇所を加熱することができるので、歪みの発生を抑制し、溶接部を小さくすることができる。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明では、シャフトの軸方向を単に「軸方向」といい、シャフト回りの周方向を単に「周方向」といい、軸方向に直交する方向を「径方向」という。
【0021】
図1は、ロータの概略構成断面図である。
図1に示すようにロータ22は、モータにおいて回転可能に支持可能なシャフト24と、シャフト24の周囲に固定されたヨーク61と、を備えている。
【0022】
シャフト24は、ステンレスや鉄等により形成された中空の円筒状の部材であり、鍛造や鋳造、機械加工等により形成される。シャフト24の内部は空洞となっており、モータ内部冷却用の冷媒が通る冷媒流路29となっている。シャフト24の外周面には、冷媒流路29と連通する吐出孔(不図示)が形成されている。冷媒流路29を通った冷媒は、ロータ22が回転することにより発生する遠心力によって、吐出孔から吐出される。
【0023】
また、ヨーク61が固定される箇所に対して、シャフト24の軸方向一端部24a側の外周面には、拡径部28が形成されている。シャフト24の軸方向他端部24b側を向く拡径部28の段差面28aは、軸方向に直交するように形成されている。ヨーク61は、中心にシャフト24が挿入される挿入孔64を有する。挿入孔64はヨーク61を軸方向に貫通し、挿入孔64の内径は、シャフト24のヨーク61が固定される部分の外径より小さい。
【0024】
ヨーク61の挿入孔64にシャフト24を軸方向他端部24b側から圧入することにより、ヨーク61とシャフト24とが締まり嵌めにより同軸状に固定されている。段差面28aがヨーク61の軸方向一方側(詳しくは後述する第1端面板71)に当接することにより、シャフト24の軸方向においてヨーク61を位置決めすることができる。
【0025】
ヨーク61は、軸方向に沿って複数枚積層された磁性板材60から構成されている。ヨーク61は、軸方向一方側には第1端面61aを有し、軸方向他方側には第2端面61bを有する。磁性板材60としては、例えば、珪素鋼板等の電磁鋼板が挙げられる。磁性板材60の積層体における層間を電気的に絶縁するため、磁性板材60の表面に絶縁皮膜が設けられていてもよい。
【0026】
ヨーク61の内部には、永久磁石を収容する収容孔(図示せず)が形成されている。収容孔は、ヨーク61を軸方向に沿って貫通し、第1端面61a及び第2端面61bにて開口している。収容孔内の永久磁石は、その両端がヨーク61の端面61a,61bと面一となるように配置されている。永久磁石の材質としては、例えばネオジム磁石等の希土類磁石が挙げられる。
【0027】
ヨーク61の各端面61a,61b(軸方向外側の端部)には、永久磁石を収容孔内に留めるための第1端面板71及び第2端面板72が配置されている。第1端面板71は、ヨーク61の第1端面61aに対向して配置されている。また、第2端面板72は、ヨーク61の第2端面61bに対向して配置されている。
【0028】
各端面板71,72の中心部(径方向内側の端部)には、シャフト24が挿入可能な挿入孔71a,72aが形成されている。挿入孔71a,72aの内径は、シャフト24が挿入孔71a,72aに圧入される程度でもよく、挿入孔71a,72aとシャフト24との間に隙間が生じる程度でもよい。シャフト24は、ヨーク61の挿入孔64に圧入される際、同時に端面板71,72の挿入孔71a,72aに圧入されてもよい。
【0029】
なお、本実施形態では第1端面板71と第2端面板72とは、略同一に形成されているので、以下、第1端面板71及び第2端面板72に共通する説明では、両者をまとめて端面板70と称する。
【0030】
端面板70は、ヨーク61との溶接が可能な金属材料により、例えば円板状、多角形状等の回転対称形状に形成されている。端面板70の外径は、例えばヨーク61の外径と同程度であるが、端面板70の外周部が収容孔よりも径方向外側に位置する等、端面板70が収容孔の開口を覆って永久磁石を収容孔に留めることができればよい。
【0031】
端面板70を構成する金属材料としては、例えばSUS、アルミニウム、銅等の非磁性体が挙げられる。端面板70が非磁性であると、軸方向において永久磁石が存在しない端面板70を通る磁束が減少し、ヨーク61内の永久磁石に磁束を集中させやすいので好ましい。端面板70とヨーク61とが同種の金属から構成されると、溶接強度が高く、熱膨張係数の差を小さくすることができる。
【0032】
本実施形態において端面板70の外周部(径方向外側の端部)は、溶接によりヨーク61に接合されている。これにより、シャフト24から離れた箇所において端面板70をヨーク61に一体化することができるので、ヨーク61をシャフト24に固定する前に、ヨーク61に端面板70が接合され、永久磁石が端面板70により留められた状態とすることができる。特に、第2端面板72がヨーク61に接合されているので、シャフト24に圧入される固定部材(例えばカラー)を第2端面板72の軸方向外側に設ける必要がなく、部品点数を削減することができる。
また、圧入のみにより端面板70をシャフト24に固定する場合との比較では、溶接により端面板70をヨーク61に固定すると、端面板70とシャフト24との接触面積を確保する必要がなく、端面板70の肉厚を低減して軽量化が可能である。端面板70の軽量化により、ロータ22の重量及び慣性モーメントを減少させ、ロータ22の回転効率を向上することができる。
【0033】
シャフト24をヨーク61の挿入孔64に圧入する方法としては、シャフト24の外周面及び挿入孔64の内周面の公差を調整して締め代を設け、強い圧力を均等に加える等してシャフト24及び挿入孔64の表面を弾性変形させる方法が挙げられる。また、シャフト24が冷却により熱収縮した状態で挿入孔64に挿入する方法もある。挿入時の摩擦を低減するため、潤滑油を用いることもできる。
【0034】
端面板70がヨーク61に溶接された状態でヨーク61の挿入孔64にシャフト24を圧入する際、端面板70の内径がシャフト24の外径より大きい(間に隙間が生じる)場合には、端面板70の内径をヨーク61の内径に合わせる必要がないため、生産性の観点から好ましい。
【0035】
次に、端面板70の外周部とヨーク61の端面とが近接する箇所の形状について、
図1のA部に相当する箇所の拡大図である
図2〜
図4を参照して説明する。なお、
図1では軸方向が図の左右方向、径方向が図の上下方向であるが、
図2〜
図4の各図では軸方向が図の上下方向、径方向が図の左右方向である。また、
図2〜
図4において、図の上側は軸方向外側、図の下側は軸方向内側、図の右側は径方向外側、図の左側は径方向内側である。
【0036】
端面板70においては、ヨーク61に対向する側が軸方向内側であり、シャフト24(
図1参照)に対向する側が径方向内側である。
図2では、
図1の端面板71,72の符号を区別せずに端面板70とするのと同様に、
図1のヨーク61の端面61a,61bの符号を区別せずに端面61cとする。
【0037】
図2に、本実施形態のロータにおける端面板70とヨーク61との溶接部位の一例を示す。
図2(A)に示すように、溶接前においては、端面板70の外周部に斜面73を形成し、この斜面73がヨーク61の端面61cに対向するように端面板70をヨーク61と対向させる。斜面73の傾斜方向は、端面板70の軸方向内側の端面70aの外径が、端面板70の軸方向外側の端面70bよりも径方向に小さくなる方向である。
【0038】
この場合、斜面73とヨーク61の端面61cとの間で溶接される範囲の断面形状74の幅(径方向の幅)が、ヨーク61の端面61cから離れるほど(軸方向外側ほど)狭くなる。このため、軸方向内側の溶接幅を広く確保して、端面板70とヨーク61との接合に寄与させることができ、さらに軸方向外側の溶接幅を狭くして、全体の溶接量を小さくすることができる。このため、溶接により端面板70に生じる歪みが抑制され、溶接後の端面板70に残留する応力が小さくなり、クラックが発生しにくくなる。
【0039】
そして、斜面73において端面板70をヨーク61の端面61cに溶接すると、
図2(B)に示すように、端面板70とヨーク61との間に形成されて端面61cに接する溶接部75が、ヨーク61の端面61c側に片寄って形成されやすい。溶接部75が軸方向内側に片寄ることにより、溶接部75が端面板70の軸方向外側及び径方向外側に突出しにくくなり、ロータ22が回転するときの空気抵抗による損失(風損)を低減することができる。
【0040】
溶接部75は、端面板70の軸方向外側に突出し得るものの、端面板70の軸方向外側の端面70bと面一であるか、または、端面板70の軸方向外側の端面70bよりも軸方向内側に収まることが好ましい。
溶接部75は、端面板70の径方向外側に突出し得るものの、端面板70の径方向外側の端部70cと面一であるか、または、端面板70の径方向外側の端部70cよりも径方向内側に収まってもよい。
なお、ここで溶接後の端面板70を溶接部75と対比する場合には、溶接前の端面板70の一部が溶融等により溶接部75の少なくとも一部に移行したか否かにかかわらず、溶接後の端面板70は、溶接部75を含まない部分をいう。
【0041】
図3に、対比例として、端面板70の外周部が軸方向に直交する垂直面76である場合を例示する。
図3(A)に示すように、垂直面76をヨーク61の端面61cに溶接する場合には、垂直面76とヨーク61の端面61cとの間で溶接される範囲の断面形状77は、略矩形状(長方形又は正方形)となる。この場合、軸方向内側の溶接幅を広くすれば、軸方向外側の溶接幅も広くなるので、全体の溶接量が大きくなる。このため、溶接により端面板70に生じる歪みが大きくなる結果、溶接後の端面板70に残留する応力も大きくなり、クラックが発生しやすくなる。
【0042】
そして、垂直面76において端面板70をヨーク61の端面61cに溶接すると、
図3(B)に示すように、端面板70とヨーク61との間に形成される溶接部78が端面板70の厚さ全体に形成され、溶接部78が軸方向外側又は径方向外側に突出しやすくなる。このため、ロータ22が回転するときの風損が相対的に大きくなりやすい。また、溶接の熱の影響が大きいと、ヨーク61を構成する磁性板材60が歪みにより、反ったり剥離したりするおそれがある。
【0043】
本実施形態において、端面板70の外周部とヨーク61の端面61cとの間を溶接する際には、溶接部位に溶加材(フィラーメタル)を使用してもよく、圧接等により溶加材を使用しない溶接も可能である。溶接対象物である端面板70及びヨーク61の溶融部及び熱影響部を縮小し、溶接対象物の歪みを抑制する観点からは、溶接棒等の溶加材を溶接部位に付加することが好ましい。
【0044】
溶接方法としては、例えば溶接対象物の一部を溶融させる融接、溶接対象物の溶融を抑制した鑞接などが挙げられる。局所的にエネルギーを集中させて溶接部が小さい接合が可能であることから、レーザ溶接、電子ビーム溶接等が好ましい。
【0045】
溶接棒を用いたレーザ溶接の場合は、
図2(A)に示すように、端面板70の外周部に斜面73を設けることにより、斜面73に沿って溶接棒及びレーザビームを奥まで挿入しやすい利点がある。斜面73の傾斜角度は特に限定されないが、軸方向に対して45°程度、例えば30〜60°程度が挙げられる。軸方向における斜面73の形成範囲は、端面板70の厚さの全部又は一部でよいが、例えば端面板70の厚さの50%〜100%程度の範囲に斜面73が形成されてもよい。斜面73が単一の傾斜角度を有する平面又は円錐面でもよい。また、斜面73が、連続的に傾斜角度が変化する曲面、又は段階的に2以上の傾斜角度を有する斜面を含んでもよい。
【0046】
また、周方向における溶接範囲としては、端面板70の外周部を全周にわたりヨーク61の端面に溶接することも可能である。溶接対象物の歪みを抑制する観点からは、溶接部位を周方向の一部にすることが好ましい。例えば、溶接部位に45°の面取りを施して斜面73を形成することもできる。永久磁石63の熱減磁(加熱による磁力の低下)を抑制する観点からは、永久磁石63から離れた箇所を溶接し、永久磁石63に近接する箇所に溶接の熱を加えないようにすることが好ましい。
【0047】
図4に、端面板70がヨーク61に対して溶接されていない部位(非溶接部位)の断面構造の例を示す。上述したように、ヨーク61の内部には永久磁石63が配置されている。永久磁石63を収容する収容孔62が、ヨーク61の周方向に沿って所定の位置(例えば等間隔)に複数配置されている場合、周方向において永久磁石63が配置された箇所の近傍は非溶接部位とし、周方向において永久磁石63が配置された箇所の中間に溶接部位を設けることができる。
【0048】
非溶接部位における端面板70の外周部の形状は特に限定されず、溶接部位における端面板70の外周部と同一形状でも異なる形状でもよい。例えば、
図4(A)には、非溶接部位において端面板70の外周部に斜面73が形成されている例を示す。また、
図4(B)には、非溶接部位において端面板70の外周部に垂直面76が形成されている例を示す。
【0049】
次に、実施形態のモータユニット10について説明する。
図5は、モータユニットの概略構成断面図である。
図5に示すように、モータユニット10は、モータ室36内にモータ23を収容するモータハウジング11と、ミッション室37内にシャフト24からの動力伝達部(不図示)を収容するミッションハウジング12と、センサ室38内に回転センサ25を収容するセンサハウジング13と、を備えている。図示例のモータ23は、インナーロータ型のIPMモータ(埋込磁石同期モータ)である。このモータ23は、上記実施形態のロータ22と、このロータ22の径方向外側に所定間隔を空けて配置された筒状のステータ21と、を備えている。
【0050】
ステータ21は、磁性板材44が軸方向に積層された構成のステータコア42と、ステータコア42に巻回されたコイル43と、を備えている。ステータコア42を構成する磁性板材44としては、例えば、珪素鋼板等の電磁鋼板が挙げられる。ステータコア42は、円環状のヨーク部と、周方向に沿った所定の間隔で径方向の内側に突出し、コイル43が巻回されるティース部と、を備えている。
【0051】
ステータ21の周囲には、モータ23を冷却するためのウォータジャケット34が設けられている。また、ウォータジャケット34よりも外周側には、モータハウジング11の壁部31、ミッションハウジング12の壁部32、及びセンサハウジング13の壁部33に互いに連通するブリーザ通路35が形成されている。モータユニット10内の高圧・高温の空気は、ブリーザ通路35を経てブリーザ配管39から排出可能である。
【0052】
シャフト24の一端部はミッション室37内に配置され、シャフト24の他端部はセンサ室38内に配置されている。ミッションハウジング12は、共用ハウジング12Aとギアハウジング12Bとにより構成されている。共用ハウジング12Aは、モータ室36とミッション室37との仕切り壁41を含む。仕切り壁41の径方向中央部に形成された貫通孔40には、シャフト24を回転自在に支持するベアリング26が挿入されている。同様に、モータ室36とセンサ室38との境界部には、シャフト24を回転自在に支持するベアリング27が設けられている。
【0053】
本実施形態のモータ(回転電機)は、例えば車両の駆動用モータに利用することができる。また、当該回転電機は、車両駆動及び回生発電に利用することができる。駆動用モータは、減速機構等を介して動力伝達部を車軸等の駆動軸に連結して使用される。
【0054】
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
【0055】
例えば、上記実施形態においては、第1端面板71及び第2端面板72の両方がヨーク61に溶接されているが、第2端面板72のみがヨーク61に溶接されていてもよい。このとき、第1端面板71は、シャフト24への圧入により固定されてもよい。また、第1端面板71が拡径部28とヨーク61との間の挟み込みにより固定されてもよい。
ヨーク61に第2端面板72を溶接により固定する時期は、ヨーク61の挿入孔64にシャフト24を固定した後とすることも可能である。
【0056】
上記実施形態においては、端面板71,72の径方向内側をシャフト24に対する挿入孔71a,72aとしたが、端面板71,72の径方向内側の内周部を、端面板71,72の径方向外側の外周部と同様に、溶接によりヨーク61の端面に接合してもよい。
例えば端面板の内周部及び外周部にそれぞれ斜面を設けて、端面板の各斜面をヨークの端面に対向させ、これらの斜面において端面板を溶接によりヨークの端面に接合することができる。また、ヨークの端面側に片寄って形成された溶接部を端面板の内周部及び外周部にそれぞれ形成することで、端面板がヨークの端面に接合されたロータを構成することができる。この場合、端面板の内周部及び外周部の斜面又は溶接部は、端面板の軸方向で同じ側に向けて形成される。また、端面板の内周部側の溶接部がシャフトの外周面と干渉しないように、端面板の内径をシャフトの外径より十分大きくすることが好ましい。