(57)【要約】【課題】回転電機ロータにおいて、鋼板にプレス加工によって軸方向に反りが生じている場合に、積層体の外周縁部における残留応力の発生を低コストで抑制する。【解決手段】ロータ１０は、回転軸３０と、プレス加工によって軸方向に反りが生じた複数の鋼板１４を積層することにより形成され回転軸の外径側に嵌合される積層体１２と、積層体の軸方向両側に挟むように配置され積層体の外径よりも小さい外径を有する２つのエンドプレート５０とを含む。積層体の鋼板のすべてで反り方向を同一とするか、または積層体を軸方向において２分割して各分割部分に含まれるすべての鋼板の反り方向を同一とすると共に、一方の分割部分における鋼板の外周側は他方の分割部分における鋼板の外周側と離れるように各分割部分における鋼板の反り方向を互いに反対の方向とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
プレス加工によって軸方向に反りが生じた複数の鋼板を積層することにより形成され、前記回転軸の外径側に嵌合される積層体と、
前記積層体の軸方向両側に挟むように配置され、前記積層体の外径よりも小さい外径を有する２つのエンドプレートとを備え、
前記積層体の前記鋼板のすべてで反り方向を同一とするか、または前記積層体を軸方向において２分割して各分割部分に含まれるすべての鋼板の反り方向を同一とすると共に、一方の分割部分における鋼板の外周側は他方の分割部分における鋼板の外周側と離れるように各分割部分における鋼板の反り方向を互いに反対の方向とする、回転電機ロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸と、複数の鋼板により形成される積層体とを備える回転電機ロータに関し、特に鋼板にプレス加工によって軸方向に反りが生じている場合に積層体の外周部における残留応力の発生を抑制することに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、回転電機ロータにおいては、高速回転化を可能とするために、ロータコアが十分な強度を有する必要がある。ロータコアが鋼板の積層体（積層鋼板）で形成される場合、鋼板の磁石孔周辺のブリッジの強度が問題になる。そこで、積層体を形成する鋼板にプレス加工を行って、鋼板の磁石孔の周辺部に形成されるブリッジで加工硬化させる場合がある。
【０００３】
特許文献１には、回転電機ロータの積層体を形成する鋼板において、Ｖ字形状に配置されて隣り合う２つの磁石孔の間に位置する中央ブリッジに加工硬化部を形成することが記載されている。加工硬化部は、鋼板にプレス加工を行うことによって形成される。
【０００４】
特許文献２には、鋼板に加工硬化部が形成されるロータの製造方法であって、プレス加工によって鋼板に段差部を含む加工硬化部を形成した後、段差部の平坦化処理を行う方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３９９６３号公報
【特許文献２】特許第４４０７１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された構成のようにプレス加工によって鋼板の中央ブリッジに加工硬化部を形成すると、鋼板の径方向中間部が山形となるように反りが生じる可能性がある。そして反りが生じた鋼板をそのまま積層して積層体を形成し、積層体の軸方向両側からエンドプレートで挟み込むと、鋼板の外周縁部が大きく変形するように圧縮されて外周縁部に残留応力が発生する可能性がある。このような残留応力の発生は、積層体の高強度化及び外周縁部の磁気抵抗の低減を図る面から好ましくない。特許文献２では段差部の平坦化処理を行っているので鋼板の反りを小さくできる可能性はあるが、処理工程が増えるので製造コストが増大する要因となる。
【０００７】
本発明の目的は、鋼板にプレス加工によって軸方向に反りが生じている場合に、積層体の外周縁部における残留応力の発生を低コストで抑制できる回転電機ロータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る回転電機ロータは、回転軸と、プレス加工によって軸方向に反りが生じた複数の鋼板を積層することにより形成され、前記回転軸の外径側に嵌合される積層体と、前記積層体の軸方向両側に挟むように配置され、前記積層体の外径よりも小さい外径を有する２つのエンドプレートとを備え、前記積層体の前記鋼板のすべてで反り方向を同一とするか、または前記積層体を軸方向において２分割して各分割部分に含まれるすべての鋼板の反り方向を同一とすると共に、一方の分割部分における鋼板の外周側は他方の分割部分における鋼板の外周側と離れるように各分割部分における鋼板の反り方向を互いに反対の方向とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る回転電機ロータによれば、鋼板にプレス加工によって軸方向に反りが生じている場合に、積層体の外周縁部における残留応力の発生を低コストで抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施形態の回転電機ロータにおいて、鋼板の反りを誇張して回転中心軸を含む平面で切断した半部断面図である。
【図２】本発明に係る実施形態の回転電機ロータにおいて、周方向一部を軸方向一方向に見た図である。
【図３】図２のＡ１−Ａ２断面（ａ）と、図２のＢ１−Ｂ２断面（ｂ）とを示す図である。
【図４】本発明に係る実施形態の回転電機ロータを形成する鋼板において、反りを誇張して積層体への組み付け前の状態を示す半部断面図である。
【図５】本発明に係る実施形態の別例の回転電機ロータを示している図１に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に図面を用いて本発明に係る実施形態につき、詳細に説明する。以下で説明する形状、数量などは説明のための例示であって、回転電機ロータの仕様により変更が可能である。以下では、同様の構成には同一の符号を付して説明する。なお、回転電機ロータは、使用時に外径側に配置されるステータと組み合わせて回転電機を構成する。回転電機は、モータまたは発電機、またはモータ及び発電機の両方の機能を有するモータジェネレータとして用いられる。
【００１２】
図１は、実施形態の回転電機ロータ１０において、鋼板１４の反りを誇張して回転中心軸Ｏを含む平面で切断した半部断面図である。図２は、回転電機ロータ１０において、周方向一部を軸方向一方向に見た図である。図３は、図２のＡ１−Ａ２断面（ａ）と、図２のＢ１−Ｂ２断面（ｂ）とを示す図である。
【００１３】
回転電機ロータ１０は、回転軸３０と、積層体１２と、複数の永久磁石４０と、２つのエンドプレート５０とを含んでいる。以下、回転電機ロータ１０は、単にロータ１０という。ロータ１０の使用時では、回転軸３０は図示しない回転電機ケースの内側に配置されて、回転軸３０の両端部が回転電機ケースに回転可能に支持される。
【００１４】
積層体１２は、複数の磁性材料である円板状の鋼板１４を積層することにより形成される。積層体１２の周方向複数位置には磁石孔１５が軸方向に形成される。複数の磁石孔１５は、積層体１２の周方向複数位置において、図２に示すように隣り合う２つの磁石孔１５によりＶ字形を形成するように配置される。
【００１５】
複数の永久磁石４０は、磁石孔１５に挿入されて配置される。各磁石孔１５に永久磁石４０が配置された状態で、磁石孔１５の両端部に空隙が形成され、各空隙に樹脂１７が注入されて固化されることで永久磁石４０が磁石孔１５に固定される。
【００１６】
Ｖ字形に配置される２つの永久磁石４０を１組として、各組で永久磁石４０の径方向外側が同じ磁極となっている。また、隣り合う組で永久磁石４０の径方向についての磁気特性が異なっている。これによって、積層体１２の外周面にはＮ極とＳ極とが周方向に交互に配置される。
【００１７】
各鋼板１４において、Ｖ字形に配置された一対の孔要素１５ａが、所定間隔をおいて形成される。複数の鋼板１４の孔要素１５ａが連続することで、磁石孔１５が形成される。各鋼板１４において、Ｖ字形に隣り合う一対の孔要素１５ａの間には径方向に伸びる中央ブリッジ１８が形成される。すなわち、Ｖ字状に配置される一対の孔要素１５ａの下側端は連続しておらず、中央ブリッジ１８を残して周方向に対向している。言い替えれば、中央ブリッジ１８によって、Ｖ字状の孔要素１５ａによって区切られた鋼板１４における内径側部分と外径側部分が接続されている。各鋼板１４の外周縁部において、各孔要素１５ａの径方向外側端と鋼板１４の外周面との間には周方向に伸びる外周側ブリッジ１９が形成される。すなわち、外周側ブリッジ１９によって、鋼板１４における、Ｖ字状の孔要素１５ａによって区切られた領域が接続されている。
【００１８】
中央ブリッジ１８のうち、各孔要素１５ａの端部に近い周方向両端部（縁部）には径方向に伸びる中央加工硬化部２０が形成される。外周側ブリッジ１９のうち、内周側（縁部）には周方向に伸びる外側加工硬化部２１が形成される。各加工硬化部２０，２１は、鋼板１４の一方面（図２の表側）に凹部２０ａ、２１ａを形成するプレス加工を行うことにより形成される。各加工硬化部２０，２１によって、ロータ１０が高速回転する場合に各鋼板１４における永久磁石４０の周辺部に大きい遠心力が加わる場合でも、ロータ１０の耐久性及び強度を確保できる。これによって、ロータ１０の高速回転化が可能となる。一方、中央ブリッジ１８に凹部２０ａが形成されることによって、各鋼板１４の一方面の径方向中間部が多く窪む。このため、各鋼板１４において、積層体１２への組み付け前の自由状態で後述する図４に示すように反りが生じている。すなわち、各鋼板１４において、中央ブリッジ１８の凹部２０ａと反対側である軸方向他方側（図２の裏側）の径方向中間部が山形となるように軸方向に反りが生じている。以下、各鋼板１４の軸方向他方面（図１、図４の下側面）を凸面１４ａといい、軸方向一方面（図１、図４の上側面）を凹面１４ｂという。
【００１９】
図４は、ロータ１０を形成する鋼板１４において、反りを誇張して積層体１２への組み付け前の状態を示す半部断面図である。図４に示すように鋼板１４の径方向中間部の中央ブリッジ１８に凹部２０ａが形成される。これによって、鋼板１４の凸面１４ａにおいて、中央ブリッジ１８の径方向中央位置Ｐ１では、凸面１４ａの径方向最内端Ｐ２からの軸方向の突出長さＴ１が最大となる。そして中央ブリッジ１８の径方向中央位置Ｐ１よりも外径側（図４の右側）に向かうほど鋼板１４が反りかえるように凸面１４ａの径方向最内端Ｐ２からの軸方向の突出長さが徐々に小さくなる。
【００２０】
そして、図１に戻って、積層体１２は、回転軸３０の外径側に嵌合される。また、積層体１２を形成するすべての鋼板１４において、反りをプレス加工によって矯正しない状態で凹面１４ｂが軸方向に同じ方向（図１の上方）に向くように配置される。これによって、積層体１２を形成するすべての鋼板１４において、凹面１４ｂが互いに向き合わないように配置される。また、積層体１２の軸方向複数位置において隣り合う鋼板１４のすべての対向部Ｃ１，Ｃ２・・・Ｃ８では凸面１４ａと凹面１４ｂとが対向するように重ねられる。すなわち、すべての鋼板１４の反りが合致するように積層して積層体１２が形成される。
【００２１】
また、各エンドプレート５０は、非磁性の金属板により円板状に形成される。図２ではエンドプレート５０を二点鎖線で示している。各エンドプレート５０の外径ｄ１は、後述するように積層体１２をエンドプレート５０で挟んでロータ１０が形成された状態で、各鋼板１４の外径Ｄ２よりも小さい（ｄ１＜Ｄ２）。好ましくは、各エンドプレート５０の外径ｄ１は、ロータ１０が形成された状態で、各鋼板１４における外周側ブリッジ１９の径方向最内端を通過し（ほぼ沿った）回転中心軸Ｏを中心とする円２２の直径Ｄ３よりも小さくする（ｄ１＜Ｄ３）。さらに好ましくは、各エンドプレート５０の外径ｄ１は、ロータ１０が形成された状態で、中央ブリッジ１８の径方向中央位置Ｐ１を通過し回転中心軸Ｏを中心とする円２３の直径Ｄ４よりも小さくする（ｄ１＜Ｄ４）。
【００２２】
そして、２つのエンドプレート５０で積層体１２を軸方向両側から挟むように、回転軸３０の外径側に積層体１２及び各エンドプレート５０を嵌合固定することによりロータ１０が形成される。２つのエンドプレート５０で積層体１２の内径側が軸方向両側から圧縮されることにより、図１に示すように各鋼板１４の内径側でエンドプレート５０により挟まれる部分がエンドプレート５０と略平行になるように変形する。この結果、各鋼板１４は外周端が最も軸方向他方（図１の上方）に突出するように軸方向に反りが生じる状態で積層される。この状態で各鋼板１４のすべてで反り方向が同一となり、隣り合う鋼板１４で反り形状が合致する。各エンドプレート５０は回転軸３０に締り嵌めで固定され、積層体１２は回転軸３０の外径側に隙間嵌めで配置されてもよい。
【００２３】
上記のロータ１０によれば、すべての鋼板１４の対向部Ｃ１，Ｃ２・・・Ｃ８において凹面１４ｂが対向しないので、各鋼板１４の外周縁部で反りによって軸方向に突出する部分が互いに向き合わない。このため、各鋼板１４の外周縁部の軸方向に突出する部分が押し付け合うことがない。また、各鋼板１４の外周縁部が、エンドプレート５０によって軸方向に大きく変形されるように圧縮されることがない。このため、鋼板１４にプレス加工によって軸方向に反りが生じている場合に、外周縁部の反りが過度に矯正されることがないので積層体１２の外周縁部における残留応力の発生を抑制できる。したがって、本例のようにロータ１０が永久磁石４０を含み、ロータ１０の回転時に永久磁石４０から遠心力に基づく大きい力が各鋼板１４の外周縁部に加わる可能性がある場合でも、各鋼板１４の強度及び耐久性の向上を図れる。また、残留応力によって積層体１２の外周縁部の磁気抵抗が増大することを抑制できる。また、各鋼板１４に反りを矯正するための平坦化処理を行う必要がないので、製造コストの低減を図れる。
【００２４】
また、各エンドプレート５０の外径ｄ１を、各鋼板１４における外周側ブリッジ１９の径方向最内端を通過し回転中心軸Ｏを中心とする円の直径Ｄ３よりも小さくする構成によれば、積層体１２の外周縁部における残留応力の発生をより抑制できる。
【００２５】
また、各エンドプレート５０の外径ｄ１を、中央ブリッジ１８の径方向中央位置Ｐ１を通過し回転中心軸Ｏを中心とする円２３の直径Ｄ４よりも小さくする構成によれば、鋼板１４の外周側の反りかえる部分がエンドプレート５０で圧縮されない。このため、この反りかえる部分が大きく変形するのを防止でき、積層体１２の外周縁部における残留応力の発生をより抑制できる。
【００２６】
なお、上記では中央ブリッジ１８の周方向両端部に凹部２０ａ（図３（ｂ））が形成されるようにプレス加工を行っているが、中央ブリッジ１８の周方向全体に中央ブリッジ１８よりも径方向両側に外れた部分よりも窪むように凹部が形成されてもよい。また、上記では外周側ブリッジ１９に外側加工硬化部２１が形成されているが、外側加工硬化部が形成されない構成としてもよい。
【００２７】
図５は、実施形態の別例のロータ１０を示している図１に対応する図である。本例のロータでは、積層体１２は、軸方向一方側半部（図５の上半部）である第１分割部分２４と、軸方向他方側半部（図５の下半部）である第２分割部分２６とに軸方向に２分割されている。第１分割部分２４は、複数の第１鋼板２５を積層することにより形成される。第２分割部分２６は、複数の第２鋼板２７を積層することにより形成される。図５ではＥ１で示す範囲に第１分割部分２４が形成される。また、Ｅ２で示す範囲に第２分割部分２６が形成される。そして、各分割部分２４，２６におけるすべての鋼板２５，２７の反り方向を同一とする。すなわち、第１分割部分２４におけるすべての第１鋼板２５の反り方向は、反りの山形に突出する凸面２５ａが軸方向他方（図５の下方）に向く方向とする。これによって、すべての第１鋼板２５の凹面２５ｂは、軸方向一方（図５の上方）に向く。
【００２８】
また、第２分割部分２６におけるすべての第２鋼板２７の反り方向は、反りの山形に突出する凸面２７ａが軸方向一方（図５の上方）に向く方向とする。これによって、すべての第２鋼板２５の凹面２７ｂは、軸方向他方（図５の下方）に向く。そして、２つの分割部分２４，２６の一方の分割部分である第１分割部分２４における第１鋼板２５の外周側は、他方の分割部分である第２分割部分２６における第２鋼板２７の外周側と離れるように各分割部分２４，２６における鋼板２５，２７の反り方向を互いに反対の方向としている。
【００２９】
このため、積層体１２の軸方向中央部で隣り合う第１鋼板２５及び第２鋼板２７では、凸面２５ａ、２７ａが接触する。したがって、積層体１２を形成するすべての鋼板２５，２７において、凹面２５ｂ、２７ｂが互いに向き合わないように配置される。なお、図５では磁石孔１５を形成する複数の孔要素１５ａのうち、軸方向中央部で隣り合う孔要素１５ａが大きく離れるように示しているが、実際には隣り合う孔要素１５ａは連続するか、または微小隙間を介して連続することで磁石孔１５を形成する。
【００３０】
上記の構成の場合も、反りが発生している複数の鋼板２５，２７の外周縁部の突出する部分が互いに向き合わない。また、各鋼板２５，２７の外周縁部がエンドプレート５０で軸方向に大きく変形されるように圧縮されることがない。このため、積層体１２の外周縁部における残留応力の発生を低コストで抑制できる。その他の構成及び作用は、図１から図４の構成と同様である。
【００３１】
なお、図５の構成において、第１分割部分２４を構成する第１鋼板２５の個数と第２分割部分２６を構成する第２鋼板２７の個数とは同数としても、異なる数としてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１０  回転電機ロータ（ロータ）、１２  積層体、１４  鋼板、１４ａ  凸面、１４ｂ  凹面、１５  磁石孔、１５ａ  孔要素、１７  樹脂、１８  中央ブリッジ、１９  外周側ブリッジ、２０  中央加工硬化部、２０ａ  凹部、２１  外側加工硬化部、２１ａ  凹部、２２，２３  円、２４  第１分割部分、２５  第１鋼板、２５ａ  凸面、２５ｂ  凹面、２６  第２分割部分、２７  第２鋼板、２７ａ  凸面、２７ｂ  凹面、３０  回転軸、４０  永久磁石、５０  エンドプレート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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