(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機のロータに用いるロータシャフトにおいて、
該ロータシャフトは、インナシャフトと、該インナシャフトの外周側に配設されたアウタシャフトとを有し、
該アウタシャフトは、上記インナシャフトを挿嵌させるための筒状の筒状部と、該筒状部の外周側に配設され、磁気回路を形成する鉄心を取り付けるための鉄心取付部とを有し、
上記インナシャフトと上記アウタシャフトとは、上記インナシャフトを上記アウタシャフトの上記筒状部内に挿嵌させ、両者の接触面における摩擦力によって互いに締結されており、
上記接触面における静摩擦力と上記筒状部の内周半径との積である静摩擦モーメントは、駆動時において上記ロータシャフトに付与される最大駆動トルクよりも大きく、かつ、上記ロータシャフトにおける最も破壊強度の弱い最弱部が破壊する際に該最弱部に掛かる破壊強度トルクよりも小さく、
上記接触面における動摩擦力と上記筒状部の内周半径との積である動摩擦モーメントは、上記最大駆動トルクよりも大きいことを特徴とするロータシャフト。
【請求項２】
請求項１において、上記アウタシャフトに、上記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段が設けられていることを特徴とするロータシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機のロータに用いるロータシャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ハイブリッド車、電気自動車等に用いるモータ、ジェネレータ、モータジェネレータ等の回転電機においては、界磁巻線を設けたステータの内周側に、磁気回路を形成するための鉄心を有するロータを回転可能に配設している。そして、ロータは、ロータシャフトに鉄心を取り付けて構成されている（特許文献１参照）。
【０００３】
上記回転電機は、ハイブリッド車等に用いる場合には、大きな出力が求められる。そのため、回転電機自体が大型となり、これに伴って回転電機のロータを構成するロータシャフトも大型となる。また、ロータシャフトは、搭載性の観点からも複雑な形状となることが多い。
【０００４】
このような大型で複雑な形状のロータシャフトには、駆動時において大きなトルクが付与される。そして、例えば、雪道等の摩擦係数の小さい凍結路を走行してタイヤが空転した後、摩擦係数の大きい乾燥路でタイヤがグリップする等の急な回転数の変動や、車の衝突等によって、ロータシャフトに過大なトルクが付与された場合には、ロータシャフトの回転方向に大きなねじれが生じ、これが原因となって割れ、破損等が発生することがある。
【０００５】
また、上述したような大型で複雑な形状のロータシャフトは、製造を容易とするために、インナシャフトとその外周側に配設するアウタシャフトとに分割し、これらをＥＢＷ（電子ビーム溶接）等によって接合して構成することがある。
しかしながら、このような構成のロータシャフトであっても、過大なトルクが付与された場合には、ロータシャフトにおける回転方向のねじれによって溶接部分に割れ、破損等が発生することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−５００５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、過大なトルクが付与されても、割れ、破損等の発生を防ぐことができるロータシャフトを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、回転電機のロータに用いるロータシャフトにおいて、
該ロータシャフトは、インナシャフトと、該インナシャフトの外周側に配設されたアウタシャフトとを有し、
該アウタシャフトは、上記インナシャフトを挿嵌させるための筒状の筒状部と、該筒状部の外周側に配設され、磁気回路を形成する鉄心を取り付けるための鉄心取付部とを有し、
上記インナシャフトと上記アウタシャフトとは、上記インナシャフトを上記アウタシャフトの上記筒状部内に挿嵌させ、両者の接触面における摩擦力によって互いに締結されており、
上記接触面における静摩擦力と上記筒状部の内周半径との積である静摩擦モーメントは、駆動時において上記ロータシャフトに付与される最大駆動トルクよりも大きく、かつ、上記ロータシャフトにおける最も破壊強度の弱い最弱部が破壊する際に該最弱部に掛かる破壊強度トルクよりも小さく、
上記接触面における動摩擦力と上記筒状部の内周半径との積である動摩擦モーメントは、上記最大駆動トルクよりも大きいことを特徴とするロータシャフトにある（請求項１）。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のロータシャフトは、回転電機のロータに用いられるものであり、上記インナシャフトと、該インナシャフトの外周側に配設された上記アウタシャフトとの２部品に分割して構成されている。また、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとは、上記インナシャフトを上記アウタシャフトの上記筒状部内に挿嵌させ、両者の接触面における摩擦力によって互いに締結されている。
【００１０】
そして、上記構成のロータシャフトにおいて、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの上記接触面における上記静摩擦モーメントは、上記最大駆動トルクよりも大きくなるように設定されている。そのため、通常時において、上記ロータシャフトには、上記静摩擦モーメントよりも大きなトルクが掛かることはない。これにより、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとは、上記接触面における摩擦力によって締結された状態を保つことができ、上記インナシャフトに対して付与されたトルクは、上記アウタシャフトにすべて伝達される。
【００１１】
また、上記構成のロータシャフトにおいて、上記静摩擦モーメントは、上記破壊強度トルクよりも小さくなるように設定されている。そのため、上記ロータシャフトに対して上記最大駆動トルクを超える過大なトルクが付与され、上記ロータシャフトに上記静摩擦モーメントを超えるトルクが掛かると、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの間にすべりが生じ、両者が上記ロータシャフトの回転方向に相対移動する。そして、上記ロータシャフトに掛かるトルクを、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの間のすべりによって低減することができる。
【００１２】
これにより、上記ロータシャフトに対して、上記静摩擦モーメントを超える大きなトルクが掛からないようにすることができる。すなわち、上記ロータシャフトに対して、割れ、破損等の発生にまで至るような上記破壊強度トルクが掛からないようにすることができる。その結果、過大なトルクが付与されても、上記ロータシャフトの割れ、破損等の発生を防ぐことができる。
【００１３】
また、上記ロータシャフトは、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの２部品に分割して構成されている。そのため、上記ロータシャフトが大型で複雑な形状である場合には、該ロータシャフトを一体品として製造する場合に比べて、その製造を容易にすることができる。また、一体品の場合に問題となるトルクによる上記ロータシャフトのねじれを防ぐこともできる。
【００１４】
このように、本発明によれば、過大なトルクが付与されても、割れ、破損等の発生を防ぐことができるロータシャフトを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例における、回転電機を示す説明図。
【図２】実施例における、ロータシャフトを示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明において、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとは、上記接触面における摩擦力によって互いに締結されている。両者は、圧入、焼嵌め等の方法によって締結することができる。
また、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの上記接触面における締結力は、上記インナシャフト及び上記アウタシャフトの弾性係数、ポアソン比、摩擦係数等を考慮し、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの間の締め代（締結前の上記インナシャフトの外径と上記アウタシャフトの上記筒状部の内径との寸法差）を調整して、上記接触面の接触面圧を調整することによって設計することができる。
【００１７】
また、上記接触面における静摩擦力は、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとがすべり始める直前において、両者の上記接触面に生じる力である。
また、上記ロータシャフトにおける上記破壊強度トルクは、上記ロータシャフト（インナシャフト及びアウタシャフト）の材料強度（材質により決まる）、シャフトの径等から手計算、実験、ＣＡＥ等によって求める。また、上記ロータシャフトに穴、切り欠き等がある場合には、それらによる応力集中を考慮して求める。
【００１８】
また、上記接触面における動摩擦力と上記筒状部の内周半径との積である動摩擦モーメントは、上記最大駆動トルクよりも大きい。
すなわち、上述のごとく、上記ロータシャフトに対して過大なトルクが付与された場合、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの間にすべりが生じる。このとき、上記接触面には、上記動摩擦モーメントが生じている。そして、上記ロータシャフトに対するトルクが上記動摩擦モーメントを下回ると、上記両者のすべりは小さくなり、最終的に上記接触面における摩擦力によって上記両者が締結された状態に戻る。
【００１９】
したがって、上記動摩擦モーメントが上記最大駆動トルクよりも大きく設定されていることにより、上記ロータシャフトに対するトルクが上記最大駆動トルクよりも小さくなったときには、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとが上記接触面における摩擦力によって締結された状態となるようにすることができる。それ故、上記最大駆動トルクを超える過大なトルクが上記ロータシャフトに掛かり、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの間にすべりが生じた後でも、上記ロータシャフトに掛かるトルクが上記最大駆動トルク以下の通常の状態に戻ったときには、確実に、上記インナシャフトに対して付与されたトルクを外側の上記アウタシャフトにすべて伝達することができる。
なお、上記接触面における動摩擦力とは、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの間にすべりが生じている状態において、両者の上記接触面に生じる力である。
【００２０】
また、上記アウタシャフトに、上記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段が設けられていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記鉄心に配設される磁石と上記回転位置検出手段とが同じ部材（アウタシャフト）に取り付けられることになる。そのため、上記ロータシャフトに対して過大なトルクが付与され、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの間にすべりが生じた場合であっても、上記磁石と上記回転位置検出手段との位置関係を常に同じ位相で保持することができる。また、過大なトルクが付与されたとき、上記インナシャフトと上記アウタシャフトとの間にすべりが生じることから、上記アウタシャフトがねじれることを防ぐことができる。そのため、上記磁石と上記回転位置検出手段との相対位置にずれが生じることを防ぐことができる。これらにより、上記鉄心に配設される磁石の位置、つまり上記ロータの回転位置を上記回転位置検出手段によって常に精度良く検出することができる。
【実施例】
【００２１】
本発明の実施例にかかるロータシャフトについて、図を用いて説明する。
本例のロータシャフト３は、図１、図２に示すごとく、回転電機１のロータ２に用いるものであり、インナシャフト４と、インナシャフト４の外周側に配設されたアウタシャフト５とを有する。アウタシャフト５は、インナシャフト４を挿嵌させるための筒状の筒状部５１と、筒状部５１の外周側に配設され、磁気回路を形成する鉄心５４を取り付けるための鉄心取付部５３とを有する。
【００２２】
そして、インナシャフト４とアウタシャフト５とは、インナシャフト４をアウタシャフト５の筒状部５１内に挿嵌させ、両者の接触面６１における摩擦力によって互いに締結されており、接触面６１における静摩擦力（Ｆｓ）と筒状部５１の内周半径（ｒ）の積である静摩擦モーメント（Ｆｓ・ｒ）は、駆動時においてロータシャフト３に付与される最大駆動トルク（Ｔｍ）よりも大きく、かつ、ロータシャフト３における最も破壊強度の弱い最弱部３９が破壊する際に最弱部３９に掛かる破壊強度トルク（Ｔｂ）よりも小さい。
以下、これを詳説する。
【００２３】
図１、図２に示すごとく、回転電機１は、例えば、ハイブリッド車、電気自動車等に用いられるモータ、ジェネレータ又はモータジェネレータである。
回転電機１のロータ２は、ロータシャフト３に鉄心５４を取り付けて構成されており、ステータコア７１に界磁巻線７２を配設してなるステータ７の内周側に回転可能に配設されている。ステータ７は、ハウジング１１に固定されている。
【００２４】
同図に示すごとく、ロータシャフト３は、円筒状のインナシャフト４と、インナシャフト４の外周側に配設されるアウタシャフト５とに分割して構成されている。
インナシャフト４は、その一方の端部に動力伝達部４１を有し、この動力伝達部４１を介して、エンジン又は車軸からのトルクＴの入力及びモータにおいて発生したトルクＴの出力を行うことができるよう構成されている。
【００２５】
アウタシャフト５は、挿嵌穴５０を有する円筒状の筒状部５１と、筒状部５１の外周側に配設された鉄心取付部５３と、筒状部５１と鉄心取付部５３とを連結する連結部５２とを一体的に形成して構成されている。
筒状部５１の挿嵌穴５０には、インナシャフト４が挿嵌固定されている。また、筒状部５１には、ロータ２の回転位置を検出するためのレゾルバ（回転位置検出器）５９が取り付けられている。また、鉄心取付部５３には、鉄心５４が取り付けられている。鉄心５４は、薄板状の珪素鋼板を積層して構成されている。また、鉄心５４の内部には、磁石５５が配設されている。
【００２６】
同図に示すごとく、インナシャフト４とアウタシャフト５とは、インナシャフト４をアウタシャフト５の筒状部５１の挿嵌穴５０に挿嵌させ、両者の接触面６１における摩擦力によって互いに締結されている。本例では、両者を焼嵌めによって締結している。
具体的には、アウタシャフト５における筒状部５１の挿嵌穴５０の内径をインナシャフト４におけるアウタシャフト５に対して締結する部分の外径よりも小さく設定しておく。そして、アウタシャフト５の筒状部５１を加熱して膨張させ、筒状部５１の挿嵌穴５０内にインナシャフト４を挿嵌させる。その後、筒状部５１を冷却して収縮させることにより、インナシャフト３とアウタシャフト４とを締結する。
【００２７】
なお、インナシャフト４とアウタシャフト５との接触面６１における締結力は、インナシャフト４及びアウタシャフト５の弾性係数、ポアソン比、摩擦係数、インナシャフト４とアウタシャフト５との間の締め代（締結前のインナシャフト４の外径とアウタシャフト５の筒状部５１の内径との寸法差）、接触面６１の接触面圧等によって調整することができる。
【００２８】
そして、本例のロータシャフト３において、インナシャフト４とアウタシャフト５との接触面６１における静摩擦力Ｆｓ（ここでの静摩擦力Ｆｓは最大静摩擦力を示す）とアウタシャフト５の筒状部５１の内周半径ｒの積である静摩擦モーメントＦｓ・ｒは、駆動時においてロータシャフト３に付与される最大駆動トルクＴｍよりも大きく設定されている（Ｆｓ・ｒ＞Ｔｍ）。
ここで、静摩擦力Ｆｓは、インナシャフト４とアウタシャフト５との間にすべり始める直前において、両者の接触面６１に生じる力である。
【００２９】
また、静摩擦モーメントＦｓ・ｒは、ロータシャフト３における最も破壊強度の弱い最弱部３９が破壊する際に最弱部３９にかかる破壊強度トルクＴｂよりも小さくなるように設定されている（Ｆｓ・ｒ＜Ｔｂ）
なお、ロータシャフト３の最弱部３９は、インナシャフト４におけるトルクＴが入力及び出力される側において外径が絞られて小さくなっている部分である。この最弱部３９は、材料強度、シャフトの径等から手計算、実験、ＣＡＥ等によって求めた。また、インナシャフト４に穴、切り欠き等がある場合には、それらによる応力集中を考慮して求めた。
【００３０】
また、さらに、本例のロータシャフト３において、インナシャフト４とアウタシャフト５との接触面６１における動摩擦力Ｆｄとアウタシャフト５の筒状部５１の内周半径ｒの積である動摩擦モーメントＦｄ・ｒは、最大駆動トルクＴｍよりも大きく設定されている（Ｆｄ・ｒ＞Ｔｍ）。
ここで、動摩擦力Ｆｄは、インナシャフト４とアウタシャフト５との間にすべりが生じている状態において、両者の接触面６１に生じる力である。
【００３１】
次に、本例のロータシャフト３の動作及びその作用効果について説明する。
回転電機１におけるロータシャフト３は、インナシャフト４の動力伝達部４１において、エンジン又は車軸からのトルクＴが付与（入力）される。通常時に付与されるトルクＴは、最大駆動トルクＴｍよりも小さい。
【００３２】
ここで、本例のロータシャフト３は、インナシャフト４とアウタシャフト５との接触面６１における静摩擦モーメントＦｓ・ｒが最大駆動トルクＴｍよりも大きくなるように設定されている。そのため、通常時においては、ロータシャフト３には、静摩擦モーメントＦｓ・ｒよりも大きなトルクＴが掛かることはない。そして、インナシャフト４とアウタシャフト５とは、接触面６１における摩擦力によって締結された状態を保っている。これにより、インナシャフト４に対して付与されたトルクＴは、アウタシャフト５にすべて伝達される。
【００３３】
また、急な回転数の変動や車の衝突等（上述の背景技術参照）によって、ロータシャフト３に最大駆動トルクＴｍを超える過大なトルクＴが付与された場合には、そのトルクＴが静摩擦モーメントＦｓ・ｒを上回るものであれば、ロータシャフト３に掛かるトルクＴが静摩擦モーメントＦｓ・ｒを超えた瞬間に、インナシャフト４とアウタシャフト５との間にすべりが生じ、両者がロータシャフト３の回転方向に相対移動する。このとき、両者の接触面６１には、動摩擦モーメントＦｄ・ｒが生じる。動摩擦モーメントＦｄ・ｒは静摩擦モーメントＦｓ・ｒよりも小さいことから、ロータシャフト３に掛かるトルクＴは、インナシャフト４とアウタシャフト５との間のすべりによって低減される。
【００３４】
ここで、本例のロータシャフト３は、静摩擦モーメントＦｓ・ｒが破壊強度トルクＴｂよりも小さくなるように設定されている。そのため、ロータシャフト３に対して、静摩擦モーメントＦｓ・ｒを超える大きなトルクＴが掛からない。すなわち、ロータシャフト３に対して、割れ、破損等の発生にまで至るような破壊強度トルクＴｂが掛からない。これにより、過大なトルクＴが付与されても、ロータシャフト３の割れ、破損等の発生を防ぐことができる。
【００３５】
その後、ロータシャフト３に対するトルクＴが動摩擦モーメントＦｄ・ｒを下回ると、インナシャフト４とアウタシャフト５との間のすべりは小さくなる。そして、両者は、最終的に接触面６１における摩擦力によって締結された状態に戻る。
ここで、本例のロータシャフト３は、動摩擦モーメントＦｄ・ｒが最大駆動トルクＴｍよりも大きく設定されている。そのため、ロータシャフト３に付与されるトルクＴが動摩擦モーメントＦｄ・ｒよりも小さくなり、さらに最大駆動トルクＴｍよりも小さくなって通常の状態に戻ったときには、インナシャフト４とアウタシャフト５とが接触面６１における摩擦力によって締結された状態となっている。
【００３６】
それ故、最大駆動トルクＴｍを超える過大なトルクＴがロータシャフト３に掛かり、インナシャフト４とアウタシャフト５との間にすべりが生じた後でも、ロータシャフト３に掛かるトルクＴが最大駆動トルクＴｍ以下の通常の状態に戻ったときには、確実に、インナシャフト４に対して付与されたトルクＴを外側のアウタシャフト５にすべて伝達することができる。
【００３７】
また、ロータシャフト３は、インナシャフト４とアウタシャフト５との２部品に分割して構成されている。そのため、ロータシャフト３が大型で複雑な形状である場合には、ロータシャフト３を一体品として製造する場合に比べて、その製造を容易にすることができる。また、一体品の場合に問題となるトルクＴによるロータシャフト３のねじれを防ぐこともできる。
【００３８】
また、ロータ２の回転位置を検出するレゾルバ５９は、鉄心５４を取り付けるアウタシャフト５に設けられている。すなわち、鉄心５４に配設される磁石５５とレゾルバ５９とが同じ部材（アウタシャフト５）に取り付けられている。そのため、ロータシャフト３に対して過大なトルクＴが付与され、インナシャフト４とアウタシャフト５との間にすべりが生じた場合であっても、磁石５５とレゾルバ５９との位置関係を常に同じ位相で保持することができる。また、過大なトルクＴが付与されたとき、インナシャフト４とアウタシャフト５との間にすべりが生じることから、アウタシャフト５がねじれることを防ぐことができる。そのため、磁石５５とレゾルバ５９との相対位置にずれが生じることを防ぐことができる。これらにより、鉄心５４に配設される磁石５５の位置、つまりロータ２の回転位置をレゾルバ５９によって常に精度良く検出することができる。
【００３９】
このように、本例によれば、過大なトルクＴが付与されても、割れ、破損等の発生を防ぐことができるロータシャフト３を提供することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  回転電機
２  ロータ
３  ロータシャフト
３９  最弱部
４  インナシャフト
５  アウタシャフト
５１  筒状部
５３  鉄心取付部
５４  鉄心
６１  接触面
【図１】
0005467808.tif 000002
【図２】
0005467808.tif 000003