(57)【要約】【課題】ロータの高速回転に基づく応力集中による破壊が凸状キーの基端部に生じ難い回転電機を提供する。【解決手段】互いに積層された複数のコアプレート１と、コアプレート１の貫通孔１Ｈに挿通された回転軸とからなるロータを備え、回転軸にはキー溝が、各コアプレート１の貫通孔にはキー溝に係入される凸状キー３が設けられ、凸状キー３の基端部には、径方向外向きに退避した切り欠き部４を設け、切り欠き部４の輪郭形状が、基端部から延びた第１アール部Ｒ１、第１アール部Ｒ１から凸状キー３の側縁部３Ｅに対して垂直に延びた直線部Ｓ１、直線部Ｓ１から延びた第２アール部Ｒ２、及び、第２アール部Ｒ２から貫通孔１Ｈの内縁部まで延びた遷移部を含む回転電機。【選択図】図３
2009201258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに積層された複数のコアプレートと、前記コアプレートの貫通孔に挿通された回転軸とを有するロータを備え、
前記回転軸には軸心に沿って延びたキー溝が備えられており、
前記各コアプレートの前記貫通孔には、前記キー溝に係入されるべく径方向内向きに突出した矩形の凸状キーが、互いに平行な一対の側縁部を備えるように設けられており、
前記凸状キーの基端部には径方向外向きに退避した切り欠き部を設け、
前記切り欠き部の輪郭形状が、前記基端部から延びた第１アール部と、前記第１アール部の先端部から前記側縁部に対して垂直に延びた直線部と、前記直線部の先端部から延びた第２アール部と、前記第２アール部の先端部から前記貫通孔の内縁部まで延びた遷移部とを含む回転電機。
【請求項２】
前記遷移部は、前記第２アール部の前記先端部から前記貫通孔の前記内縁部に向かって延びる第２直線部を含むことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記直線部の長さは前記凸状キーの周方向長さの半分以下に設定されている請求項１または２に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに積層された複数のコアプレートと、コアプレートの貫通孔に挿通された回転軸とを有するロータを備え、回転軸には軸心に沿って延びたキー溝が備えられており、各コアプレートの貫通孔には、キー溝に係入されるべく径方向内向きに突出した矩形の凸状キーが、互いに平行な一対の側縁部を備えるように設けられており、凸状キーの基端部には、径方向外向きに退避した切り欠き部が形成されている回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の回転電機に関連する先行技術文献情報として下記に示す特許文献１がある。この特許文献１に記された回転電機は、凸状キーによって確実に回り止めが実現できる。また、凸状キーの基端部には、回転軸の外周面から径方向外向きに退避した切り欠き部（肉盗み部）が形成されている。このため、コアプレートに対する回転軸の圧入時に、回転軸側のキー溝の縁部が凸状キーの基端部に押し付けられることで、圧入作業が困難になるといった問題や、凸状キーの基端部に大きな曲げ応力や剪断応力などの応力集中が生じ、ロータの高速回転時に個々のコアプレートに働く回転トルクや遠心力によって凸状キーの基端部に損傷が生じるという問題が解消されている。切り欠き部の輪郭形状は、基端部から延びたアール部と、このアール部の先端部から側縁部に対して３０°前後の傾斜角で回転軸の外周面まで延びた遷移部とを含むものとなっている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２０２２４２号公報（段落番号００２３、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記された回転電機では、凸状キーの基端部に径方向外向きに退避した切り欠き部（肉盗み部）が形成されているので、回転軸側のキー溝の縁部が凸状キーの基端部に当接する虞がないにも拘らず、高速回転条件下での基端部における大きな応力集中を示す構造解析結果が得られた。これは切り欠き部の最外周部の非常に狭い領域に応力が集中することを示す解析結果であった。また、所定期間にわたるロータの高速回転運転の後で凸状キーの基端部に応力集中による破壊の痕跡が観察される場合があった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上に例示した従来技術による回転電機の持つ欠点に鑑み、ロータの高速回転に基づく応力集中による破壊が凸状キーの基端部に生じ難い回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による回転電機の第１の特徴構成は、
互いに積層された複数のコアプレートと、前記コアプレートの貫通孔に挿通された回転軸とからなるロータを備え、
前記回転軸には軸心に沿って延びたキー溝が備えられており、
前記各コアプレートの前記貫通孔には、前記キー溝に係入されるべく径方向内向きに突出した矩形の凸状キーが、互いに平行な一対の側縁部を備えるように設けられており、
前記凸状キーの基端部には径方向外向きに退避した切り欠き部を設け、
前記切り欠き部の輪郭形状が、前記基端部から延びた第１アール部と、前記第１アール部の先端部から前記側縁部に対して垂直に延びた直線部と、前記直線部の先端部から延びた第２アール部と、前記第２アール部の先端部から前記貫通孔の内縁部まで延びた遷移部とを含む点にある。
【０００７】
本発明の第１の特徴構成による回転電機では、切り欠き部（肉盗み部と同義）に、基端部から延びた第１アール部と、第１アール部の先端部から側縁部に対して垂直に延びた直線部と、直線部の先端部から延びた第２アール部と、第２アール部の先端部から貫通孔の内縁部まで延びた遷移部とを含む輪郭形状を与えたことによって、凸状キーの基端部或いは切り欠き部でのコアプレート破損の虞が効果的に抑制されたと推測される。これは、高速回転条件下で実施された基端部付近を中心とした構造解析において、本発明によるコアプレートで応力集中に改善が見られた事実によって裏付けられる。より具体的には、本発明によるコアプレートの構造解析の結果は、切り欠き部で発生する最も大きなテンソル応力の領域が、従来形状の切り欠き部の場合に比して、切り欠き部に設けた直線部に沿って分散されていることを明確に示すものであった。
【０００８】
すなわち、上述した従来技術による構成でも、矩形の凸状キーの基端部からはアール部が延びているが、このアール部の先端部から延びた遷移部は凸状キーの側縁部に対して３０°前後の傾斜角で延びている。したがって、回転軸のキー溝部から凸状キーの側縁部に加えられた遠心力による周方向の応力が、凸状キーをコアプレートの内周面に対して折り曲げる向きの力として働いた際に、アール部に著しい応力集中が生じるものと思われる。
【０００９】
これに対して、本発明の第１の特徴構成による回転電機では、切り欠き部のうちで、回転軸のキー溝部からの応力を直接受ける凸状キーの側縁部に最も近接する箇所が、基端部から延びた第１アール部と、第１アール部から側縁部に対して垂直に延びた直線部とで構成されている。したがって、前述の周方向の応力が、凸状キーをコアプレートの内周面に対して折り曲げる向きの力として働いても、応力が直線部に沿って効果的に分散され、従来技術で見られたアール部への著しい応力集中が明白に改善されたとの類推が可能である。第１アール部と第２アール部とはプレスを用いた打ち抜きによる切り欠き部の形成を容易にすることにも貢献している。
【００１０】
本発明の他の特徴構成は、前記遷移部は、前記第２アール部の前記先端部から前記貫通孔の前記内縁部に向かって延びる第２直線部を含む点にある。
【００１１】
本構成であれば、直線部の先端部を回転軸の外周面と接続する輪郭部にも、応力の集中し易い鋭角なコーナー状の箇所がなくなるので、同箇所でのコアプレート破損の虞も抑制される。
【００１２】
本発明の他の特徴構成は、前記直線部の長さは前記凸状キーの周方向長さの半分以下に設定されている点にある。
【００１３】
すなわち、本構成のように直線部の長さが切り欠き部の長さの半分以下に設定されていれば、直線部と遷移部とを接続する第２アール部の曲率が自然に比較的大きくなるので、同箇所でのコアプレート破損の虞も抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本発明のロータ１００（回転電機の一例）は、複数枚の平らなコアプレート１を積層して得られるロータコア１０と、ロータコア１０の挿通孔１１に挿通されたシャフト２０（回転軸の一例）と、ロータコア１０をシャフト２０に固定するエンドプレート３０とを組み付けることによって得られる。
【００１５】
各コアプレート１は、ケイ素鋼板などの磁性体からプレス機を用いた打ち抜き加工によって得られ、中央部にはシャフト２０のための貫通孔１Ｈが形成されている。エンドプレート３０も、コアプレート１と同様に、中央部シャフト２０のための貫通孔を形成した円板状のケイ素鋼板からなる。
【００１６】
シャフト２０は、円筒状のシャフト本体２０ａと、シャフト本体２０ａの基端部に配置されたフランジ部２０ｂとを備え、ロータコア１０はシャフト本体２０ａに外嵌され、フランジ部２０ｂの片面に押し付けられた状態で、エンドプレート３０によって固定されている。エンドプレート３０は、シャフト本体２０ａの先端部に変形可能に設けられた延長部２０Ｎのカシメ加工などによって固定されている。互いに隣接するコアプレート１どうしの間には接着手段は設けられていないが、エンドプレート３０のシャフト２０に対する固定に基づいて互いに軸心方向に押し付けられた密着状態となる。
【００１７】
（回り止め手段）
コアプレート１とシャフト本体２０ａとの間には両部材の相対回転を規制する回り止め手段が設けられている。回り止め手段は、シャフト本体２０ａの周面にシャフト２０の軸心Ｘと平行に形成された一本のキー溝２０Ｄと、個々のコアプレート１の貫通孔１Ｈの内縁部から、キー溝２０Ｄに係入されるべく径方向内向きに突出した一つの矩形の凸状キー３とからなる。
【００１８】
キー溝２０Ｄは、互いに平行に延びた一対の側壁面２０Ｓを含む概して矩形の断面形状を呈している。矩形の凸状キー３も、これに対応するように、互いに平行に延びた一対の側縁部３Ｅを備える。凸状キー３の幅Ｆはキー溝２０Ｄの幅Ａよりも数μｍから数十μｍ程度小さく作られている。
図から理解されるように、一対の側縁部３Ｅの間に凸状キー３の変形を容易化するためのスリットを設けるなどの形態は、凸状キー３の機械的強度を確保するために採用されていない。
【００１９】
（切り欠き部の形状）
図２に示すように、前述したコアプレート１の打ち抜き加工に際して、凸状キー３の一対の基端部の付近には、シャフト２０の外周面から径方向外向きに退避した切り欠き部４が形成されている。コアプレート１の貫通孔１Ｈは、その大半の箇所においてシャフト２０の外周面２０Ｒに接しているが、切り欠き部４の付近は例外的に外周面２０Ｒから明確に離間している。
切り欠き部４は、コアプレート１の基端部の輪郭線を外周面２０Ｒから離間させることで、コアプレート１の基端部の付近がシャフト２０のキー溝２０Ｄの縁部に押し付けられて損傷を受ける可能性を排除する役割を果たしている。
【００２０】
図３に示すように、切り欠き部４の輪郭形状は、基端部から延びた第１アール部Ｒ１、第１アール部Ｒ１の先端部から側縁部３Ｅに対して垂直に延びた第１直線部Ｓ１（直線部の一例）、第１直線部Ｓ１の先端部から延びた第２アール部Ｒ２、及び、第２アール部Ｒ２の先端部からシャフト２０の外周面２０Ｒまで延びた遷移部Ｔを含む。遷移部Ｔは、第２アール部Ｒ２の先端部からシャフト２０の外周面に向かって延びる第２直線部Ｓ２と、第２直線部Ｓ２の先端部をシャフト２０の外周面と接続する第３アール部Ｒ３とを含む。
【００２１】
第１アール部Ｒ１は、切り欠き部４の輪郭線よりも径方向内側に中心Ｃ１を有する円弧からなる。同様に、第２アール部Ｒ２も、切り欠き部４の輪郭線よりも径方向内側に中心Ｃ２を有する円弧からなる。他方、第３アール部Ｒ３は、切り欠き部４の輪郭線よりも径方向外側、すなわちコアプレート１の内部に中心Ｃ３を有する円弧からなる。
第１アール部Ｒ１の半径（ｒ１）、第２アール部Ｒ２の半径（ｒ２）、第３アール部Ｒ３の半径（ｒ３）の間にはｒ１＜ｒ２＜ｒ３の関係が持たされている。また、第１直線部Ｓ１の長さ（Ｂ）はコアプレート１の凸状キー３の周方向の長さ（Ａ）の約半分に設定されている。
尚、エンドプレート３０にも、コアプレート１の凸状キー３と同形状の凸状キー、及び、切り欠き部４と同形状の切り欠き部が形成されている。
【００２２】
（組み立て工程）
多数のコアプレート１からなるロータコア１０をシャフト２０と組み立てる際には、先ず、全てのコアプレート１を凸状キー３どうしが互いに略直線状に揃った積層状態にする。この操作は、貫通孔１Ｈの円弧状部位と凸状キー３とに同時に係合可能な専用の冶具（不図示）を用いて実施される。同冶具の凸状キー３と係合する箇所は、シャフト２０のキー溝２０Ｄの幅と同等で且つ個々の凸状キー３の幅よりも僅かに幅の広い直線状の溝状となっている。したがって、この冶具を用いて凸状キー３を直線状に揃えつつ積層された複数のコアプレート１は、厳密に言えば凸状キー３どうしの位置が少しずつ周方向にランダムにばらついた状態の積層体となる。そこで、次に、図１に示すように複数のコアプレート１からなる積層体にロータコア１０のシャフト本体２０ａに挿通する際には、複数の凸状キー３が形成する概して四角柱状の部位が全体としてキー溝２０Ｄの側壁面２０Ｓに対して圧入される形となる。この後、複数のコアプレート１からなる積層体をシャフト２０のフランジ部２０ｂに押し付けた状態で、エンドプレート３０をシャフト本体２０ａに固定すれば組み立てが完了する。
【００２３】
（構造解析結果）
図４は、従来技術による通常の切り欠き部５４を備えたコアプレート５１と本発明による切り欠き部４を備えたコアプレート１について、同一の高速回転条件下で実施された基端部付近を中心とした構造解析の結果を示す。図４（ａ）は本発明によるコアプレート１の切り欠き部４における構造解析の結果を示し、図４（ｂ）は従来技術によるコアプレート５１の切り欠き部５４における構造解析の結果を示す。
【００２４】
図４（ｂ）に示すように、従来技術によるコアプレート５１の切り欠き部５４では、アール部Ｒとアール部Ｒの先端からシャフト２０の外周面に向かって斜めに延びる直線部Ｓとの境界Ｑ付近の局部に、応力値が２．５×１０８〜３．１×１０８（Ｎ／ｍ２）と大きく、輪郭に沿って短い、応力集中傾向の強い最大応力領域Ｋ２が観察される。
【００２５】
他方、図４（ａ）に示すように、本発明によるコアプレート１の切り欠き部４では、応力値が２．０×１０８〜２．３×１０８（Ｎ／ｍ２）と比較的小さく、且つ、第１直線部Ｓ１に沿って長く浅く広がった緩慢な最大応力領域Ｋ１が観察されるのみであった。
【００２６】
本発明による切り欠き部４での最大応力領域Ｋ１の長さは、従来技術による切り欠き部５４での最大応力領域Ｋ２の約三倍に相当することからも、本発明による切り欠き部４では、応力集中傾向が改善されていることが分かる。
また、応力値が２．０×１０８（Ｎ／ｍ２）を越える領域に着目すると、本発明による切り欠き部４では、同領域が従来技術による切り欠き部５４の場合の領域の約半分の深さまでしか達しないことが分かり、この点からも、本発明による切り欠き部４では、応力集中傾向が改善されていることが分かる。
【００２７】
以上のように、構造解析の結果は、本発明による切り欠き部で発生する最大応力領域Ｋ１は、従来技術による切り欠き部に比して、切り欠き部に設けた第１直線部Ｓ１に沿って長く分散されており、応力集中に明白な改善が見られたことを裏付ける内容となっていた。したがって、回転電機の高速回転運転に際して、発生する遠心力よる凸状キーの基端部或いは切り欠き部でのコアプレート破損の虞が効果的に抑制されたものと推測される。
【００２８】
すなわち、上述した従来技術による構成でも、矩形の凸状キーの基端部からはアール部Ｒが延びているが、このアール部Ｒの先端部から延びた遷移部は凸状キーの側縁部に対して３０°前後の傾斜角で延びた直線Ｓとなっている。したがって、回転軸のキー溝部から凸状キーの側縁部に加えられた遠心力による周方向の応力が、凸状キーをコアプレートの内周面に対して折り曲げる向きの力として働いた際に、アール部Ｒに著しい応力集中が生じるものと思われる。
【００２９】
これに対して、本発明による回転電機では、切り欠き部のうちで、回転軸のキー溝部からの応力を直接受ける凸状キーの側縁部に最も近接する箇所が、基端部から延びた第１アール部と、第１アール部から側縁部に対して垂直に延びた直線部とで構成されている。したがって、前述の周方向の応力が、凸状キーをコアプレートの内周面に対して折り曲げる向きの力として働いても、応力が直線部に沿って効果的に分散され、従来技術で見られたアール部への著しい応力集中が明白に改善されたとの類推が可能である。
【００３０】
本発明による回転電機の典型的な適用例の一つとしては、永久磁石を備えたステータと組み合わせることによって得られるモータがある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による回転電機の要部を示す分解斜視図
【図２】図１の回転電機に用いられるコアプレートの概略平面図
【図３】図２のコアプレートに設けられた切り欠き部付近の拡大平面図
【図４】高速回転条件下での構造解析の結果を示す略図
【符号の説明】
【００３２】
１  コアプレート
１Ｈ  貫通孔
３  凸状キー（回り止め手段）
３Ｅ  側縁部
４  切り欠き部
１０  ロータコア
２０  シャフト（回転軸）
２０ａ  シャフト本体
２０ｂ  フランジ部
２０Ｄ  キー溝（回り止め手段）
２０Ｎ  延長部
２０Ｒ  外周面
２０Ｓ  側壁面
３０  エンドプレート
１００  ロータ（回転電機）
Ｒ１  第１アール部
Ｒ２  第２アール部
Ｒ３  第３アール部
Ｓ１  第１直線部
Ｓ２  第２直線部
Ｔ  遷移部
【図１】
2009201258.tif 000003
【図２】
2009201258.tif 000004
【図３】
2009201258.tif 000005
【図４】
2009201258.tif 000006