WO2012157384A1 - 圧入固定構造 - Google Patents

Abstract

圧入固定構造において、積層鋼板よりなるロータヨーク（１２）の圧入面（１２ａ）をロータシャフト（１３）の被圧入面（１３ａ）に圧入するとき、略圧入方向に延びる第１凸部（１５）および第１凹部（１６）を交互に形成したロータヨーク（１２）の圧入面（１２ａ）の前記第１凸部（１５）と、圧入方向と交差する方向に延びる第２凸部（１７）および第２凹部（１８）を交互に形成したロータシャフト（１３）の被圧入面（１３ａ）の前記第２凸部（１７）とが接触しながら塑性変形を伴って嵌合する。圧入を完了した状態で、ロータシャフト（１３）の第２凸部（１７）の塑性変形量はロータヨーク（１２）の第１凸部（１５）の塑性変形量よりも大きいので、ロータヨーク（１２）の残留応力を減少させて磁気特性の低下を最小限に抑えながら、両者を噛み合わせることで圧入面どうしの摩擦力に加えて塑性噛み合いによる剪断力も付与されるため、相対移動不能に強固に固定することができる。

Description

圧入固定構造

　本発明は、磁路を構成する積層鋼板を他部材に圧入により固定する圧入固定構造に関する。

　積層鋼板よりなる固定子コアの外周部に沿って複数の締付け応力緩衝穴を設け、この固定子コアの外周面を環状の胴シェルの内周面に圧入あるいは焼き嵌めにより固定するものが、下記特許文献１により公知である。

　また積層鋼板よりなるステータの外周面に複数の凹部を形成するとともに、このステータが圧入されるモータケースの内周面に前記凹部に嵌合する突部を形成し、ステータの凹部の底面とモータケースの突部の頂面とを接触させ、あるいはステータの凹部以外の部分とモータケースの突部以外の部分とを接触させて圧入固定するものが、下記特許文献２により公知である。

日本特開２００６－１１５５８１号公報 日本特開２００８－０６７５７１号公報

　ところで、上記特許文献１に記載されたものは、固定子コアの外周面が略全面に亙って胴シェルの内周面に圧入あるいは焼き嵌めにより固定されるので、応力緩衝穴を形成しただけでは固定子コアの残留応力を充分に軽減することが難しいという問題があった。しかも固定子コアの外周面および胴シェルの内周面は共に円形断面であるため、圧入あるいは焼き嵌めの締め代を充分に確保しないと固定子コアおよび胴シェルが相対回転してしまう可能性があった。

　また上記特許文献２に記載されたものは、ステータの外周面の一部だけがモータケースの内周面に圧入されるが、そのステータの圧入面は圧入方向の全長に亙っているので、圧入面の面積が依然として大きいままとなり、圧入後のステータの残留応力を充分に軽減することが難しいという問題があった。

　本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、積層鋼板を他部材に圧入により固定する際に、積層鋼板に加わる応力を最小限に抑えて磁気特性の低下を防止しながら確実に固定することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明によれば、磁路を構成する積層鋼板を他部材に圧入により固定する圧入固定構造であって、前記積層鋼板の圧入面に略圧入方向に延びる第１凸部および第１凹部を交互に形成するとともに、前記他部材の被圧入面に前記圧入方向と交差する方向に延びる第２凸部および第２凹部を交互に形成し、前記第１凸部および前記第２凸部を接触させて圧入を完了した状態で、前記第２凸部の塑性変形量は前記第１凸部の塑性変形量よりも大きいことを第１の特徴とする圧入固定構造が提案される。

　また本発明によれば、前記第１の特徴に加えて、前記積層鋼板の硬度は前記他部材の硬度よりも高いことを第２の特徴とする圧入固定構造が提案される。

　また本発明によれば、前記第１または第２の特徴に加えて、前記第２凸部のピッチは前記積層鋼板の単板の板厚よりも大きいことを第３の特徴とする圧入固定構造が提案される。

　また本発明によれば、前記第１～第３の何れか１つの特徴に加えて、前記第１凸部の高さは前記積層鋼板の単板の板厚よりも小さいことを第４の特徴とする圧入固定構造が提案される。

　尚、実施の形態のロータヨーク１２は本発明の積層鋼板に対応し、実施の形態のロータシャフト１３は本発明の他部材に対応する。

　本発明の第１の特徴によれば、積層鋼板の圧入面を他部材の被圧入面に圧入するとき、略圧入方向に延びる第１凸部および第１凹部を交互に形成した積層鋼板の圧入面の前記第１凸部と、圧入方向と交差する方向に延びる第２凸部および第２凹部を交互に形成した他部材の被圧入面の前記第２凸部とが接触しながら塑性変形を伴って嵌合する。圧入を完了した状態で、積層鋼板はその第１凸部が他部材の第２凸部に接触する部分だけが圧入荷重を受け、しかも他部材の第２凸部の塑性変形量は積層鋼板の第１凸部の塑性変形量よりも大きいので、積層鋼板の残留応力を減少させて磁気特性の低下を最小限に抑えながら、第１凸部により第２凸部をなぎ倒して両者を噛み合わせることで、圧入面どうしの摩擦力に加えて塑性噛み合いによる剪断力も付与されるため、相対移動不能に強固に固定することができる。

　また本発明の第２の特徴によれば、積層鋼板の硬度は他部材の硬度よりも高いので、圧入時に他部材の第２凸部を積極的に変形させて積層鋼板の第１凸部の変形を最小限に抑えることができる。

　また本発明の第３の特徴によれば、第２凸部のピッチは積層鋼板の単板の板厚よりも大きいので、積層鋼板の単板のうち、第２凸部の先端と接触する単板と接触しない単板とが発生するが、第２凸部の先端と接触しない単板は他部材からの圧入荷重を直接受けないため、単板の磁気特性の低下を最小限に抑えることができる。

　また本発明の第４の特徴によれば、積層鋼板の第１凸部の高さは積層鋼板の単板の板厚よりも小さいので、圧入荷重で第１凸部が変形してしまうのを防止することができる。

図１は電動モータのロータの分解斜視図である。（第１の実施の形態） 図２は図１の２部拡大断面図である。（第１の実施の形態） 図３は図１の３部拡大断面図である。（第１の実施の形態） 図４は圧入時の作用説明図である。（第１の実施の形態） 図５は第２凸部のピッチとロータヨークの単板の板厚との関係を示す図である。（第１の実施の形態） 図６は圧入荷重と圧入ストロークとの関係を示すグラフである。（第１の実施の形態） 図７は捩じり角とトルクとの関係を示すグラフである。（第１の実施の形態） 図８は圧入ストロークと残留応力との関係を示すグラフである。（第１の実施の形態） 図９はステータおよびステータホルダの斜視図である。（第２の実施の形態）

１２　　　　ロータヨーク（積層鋼板）
１２ａ　　　ロータヨーク（積層鋼板）の圧入面
１３　　　　ロータシャフト（他部材）
１３ａ　　　ロータシャフト（他部材）の被圧入面
１５　　　　第１凸部
１６　　　　第１凹部
１７　　　　第２凸部
１８　　　　第２凹部

　以下、図１～図８に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

　図１に示すように、電動モータのロータ１１は、軸線Ｌを中心とする円環状のロータヨーク１２の内周に形成された圧入面１２ａを、軸線Ｌを中心とする有底円筒状のロータシャフト１３の外周に形成された被圧入面１３ａに圧入して構成される。ロータヨーク１２は、多数枚の同一形状の電磁鋼板よりなる単板を積層した積層鋼板で構成され、ロータシャフト１３はロータヨーク１２の硬度よりも低くなるような金属材料で構成される。よって、ロータヨーク１２の硬度はロータシャフト１３の硬度よりも高くなる。電磁鋼板の単板の板厚は、例えば０．３ｍｍである。ロータヨーク１２の外周部に沿って多数の貫通孔１２ｂ…が軸線方向に貫通しており、それらの貫通孔１２ｂ…に磁極を構成する永久磁石１４…が支持される。ロータシャフト１３の一側面にはロータヨーク１２の圧入完了位置を規制するフランジ１３ｂが一体に形成されるとともに、ロータシャフト１３の中心には図示せぬモータ軸が貫通する軸孔１３ｃが形成される。

　図２に拡大して示すように、ロータヨーク１２の内周に形成された圧入面１２ａは、ロータ１１の軸線Ｌと略平行に延びる多数の第１凸部１５…および多数の第１凹部１６…が円周方向に交互に配置されたスプライン状の外観を有している。但し、第１凸部１５および第２凹部１６の円周方向の幅Ｗ１は例えば５ｍｍであるのに対し、第１凹部１６の底部から第１凸部１５の頂部までの径方向の高さＨ１は例えば７５μｍであり、前記幅Ｗ１に対する前記高さＨ１の比は極めて小さいものである。かかる第１凸部１５…および第１凹部１６…は、プレス打ち抜きまたはワイヤカットにより加工可能である。

　図３に拡大して示すように、ロータシャフト１３の外周に形成された被圧入面１３ａには、軸線Ｌと交差する方向、すなわち略円周方向に延びる多数の第２凸部１７…および第２凹部１８…が軸線Ｌ方向に交互に配置される。第２凸部１７…および第２凹部１８…の断面形状は例えば正弦波状である。第２凸部１７…あるいは第２凹部１８…は、配列ピッチＰが例えば０．８６ｍｍであり、高さ（深さ）Ｈ２が例えば０．７５ｍｍであり、頂角θが例えば６０°である。第２凸部１７の幅Ｗ２および第２凹部１８の幅Ｗ２は同一で前記ピッチＰの半分の０．４３ｍｍである。かかる第２凸部１７…あるいは第２凹部１８…は、転造または切削により加工可能である。

　図４には、ロータヨーク１２の圧入面１２ａおよびロータシャフト１３の被圧入面１３ａの径方向の寸法関係が示される。ロータシャフト１３の第２凹部１８…の底部の半径をＲ１とし、ロータシャフト１３の一般面１９（第２凸部１７…および第２凹部１８…が形成されていない面）の半径をＲ２とし、ロータヨーク１２の第１凸部１５…の先端部の半径をＲ３とし、ロータシャフト１３の第２凸部１７…の先端部の半径をＲ４とし、ロータヨーク１２の第１凹部１６…の底部の半径をＲ５とすると、
　　　　　　　　　　　　　Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４＜Ｒ５
の関係が成立する。よって、ロータシャフト１３の被圧入面１３ａにロータヨーク１２の圧入面１２ａを圧入するとき、半径Ｒ３のロータヨーク１２の第１凸部１５…の先端部と、半径をＲ４のロータシャフト１３の第２凸部１７…の先端部とがオーバーラップする部分で塑性変形が発生して圧入が行われる。

　ロータヨーク１２およびロータシャフト１３は上述のように構成されているため、ロータシャフト１３の被圧入面１３ａにロータヨーク１２の圧入面１２ａを軸線Ｌ方向に圧入するとき、図４（Ａ）に示すように、ロータヨーク１２の圧入面１２ａの第１凸部１５…の先端部がロータシャフト１３の被圧入面１３ａの第２凸部１７…の先端部に係合する。このとき、ロータヨーク１２の硬度はロータシャフト１３の硬度よりも高く、しかもロータヨーク１２の第１凸部１５…は圧入方向と平行に延びていて倒れ剛性が高いのに対し、ロータシャフト１３の第２凸部１７…は圧入方向と直交する方向に延びていて倒れ剛性が低いので、図４（Ｂ）に示すように、ロータヨーク１２の第１凸部１５…は殆ど塑性変形せずに、ロータシャフト１３の第２凸部１７…が大きく塑性変形してなぎ倒されることで圧入が完了する。

　その結果、ロータヨーク１２のスプライン状の圧入面１２ａの形状に倣ってロータシャフト１３の被圧入面１３ａがスプライン状に塑性変形し、両者が相互に噛み合って回転方向に大きな抵抗力を発揮するように結合される。また、なぎ倒されたロータシャフト１３の第２凸部１７…が「返し」として機能することで、ロータシャフト１３の被圧入面１３ａからのロータヨーク１２の圧入面１２ａの抜けが防止される。

　ロータシャフト１３の被圧入面１３ａにロータヨーク１２の圧入面１２ａを圧入するとき、ロータヨーク１２の第１凸部１５の高さＨ１（７５μｍ）はロータヨーク１２の単板の板厚（０．３ｍｍ）よりも小さいので、圧入荷重で第１凸部１５が変形してしまうのを防止することができる。

　また図５（Ａ）に示すように、第２凸部１７のピッチＰ（０．８６ｍｍ）はロータヨーク１２の単板の板厚Ｔ（０．３ｍｍ）よりも大きいため、圧入されたロータヨーク１２の単板のうち、第２凸部１７の先端と接触する単板と接触しない単板とが発生する。第２凸部１７の先端と接触しない単板は、ロータシャフト１３からの圧入荷重を直接受けないため、単板の磁気特性の低下を最小限に抑えることができる。図５（Ｂ）に示すように、仮に第２凸部１７のピッチＰがロータヨーク１２の単板の板厚Ｔ以下であると、圧入されたロータヨーク１２の単板の全てが第２凸部１７の先端と接触して圧入荷重を直接受けるため、磁気特性が大きく低下することになる。

　尚、図５（Ａ）および図５（Ｂ）において、第２凸部１７の先端と接触する単板はハッチングを細かくして色濃く表示してある。また第２凸部１７の先端と接触する単板と接触しない単板とは互いにカシメまたは接着等によって連結しているため、第２凸部１７の先端と接触していない単板が位置ずれを起こすことはない。

　図６は、ロータヨーク１２の圧入面１２ａをロータシャフト１３の被圧入面１３ａに圧入するときの圧入荷重を示すもので、細い実線は圧入面１２ａおよび被圧入面１３ａが共に平坦な比較例であり、太い実線は実施の形態である。同図から、実施の形態の方が比較例に比べて圧入荷重が約４０％減少しており、圧入作業が容易化されることが分かる。

　図７は、圧入されたロータヨーク１２およびロータシャフト１３を相対回転させたときに発生するトルクを示すもので、このトルクが大きいほど両者が強固に結合されていることになる。細い実線で示す比較例は、トルクを増加させると両者は直ぐに滑って相対回転し始めるが、太い実線で示す実施の形態は、トルクを増加させても両者は強い抵抗力を発揮して直ぐには相対回転せず、最大トルクに達してから相対回転が発生する。よって、実施の形態によれば、ロータヨーク１２およびロータシャフト１３が相対回転を始めるスリップトルクを増加させることができる。

　図８は、圧入ストロークに対するロータヨーク１２の残留応力を示すもので、細い実線で示す比較例に対し、太い実線で示す実施の形態は残留応力が約６０％減少していることが分かる。よって本実施の形態による圧入構造を採用すれば、残留応力によるロータヨーク１２の磁気特性の低下（鉄損の増加）を最小限に抑えて電動モータの性能を最大限に発揮させることができる。

　尚、図６、図７および図８において、比較例および実施の形態の圧入締代は同一の値である。

　以上のように、本実施の形態によれば、ロータシャフト１３の被圧入面１３ａにロータヨーク１２の圧入面１２ａを圧入するときに、ロータヨーク１２の第１凸部１５…の先端部およびロータシャフト１３の第２凸部１７…の先端部だけを接触させることで、圧入荷重を低下させることができるだけでなく、圧入時における接触面積を小さくして積層鋼板よりなるロータヨーク１２の残留応力を減少させ、磁気特性の低下を最小限に抑えることができる。しかも硬度の低いロータシャフト１３の被圧入面１３ａは、硬度の高いロータヨーク１２の圧入面１２ａの形状に倣ってスプライン状に塑性変形するので、両者を相対回転不能に強固に結合することができる。

　以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

　例えば、本発明は電動モータのロータだけでなく、図９に示す第２の実施の形態のように、電動モータのステータ２０の外周面２０ａをステータホルダ２１の内周面２１ａに圧入する場合にも適用することができる。

　また電動モータはステータの内周側にロータを配置したインナロータ型のものに限定されず、ステータの外周側にロータを配置したアウタロータ型のものも適用可能であり、電動モータ以外にジェネレータに対しても適用することができる。

Claims (4)

1. 　磁路を構成する積層鋼板（１２）を他部材（１３）に圧入により固定する圧入固定構造であって、
   　前記積層鋼板（１２）の圧入面（１２ａ）に略圧入方向に延びる第１凸部（１５）および第１凹部（１６）を交互に形成するとともに、前記他部材（１３）の被圧入面（１３ａ）に前記圧入方向と交差する方向に延びる第２凸部（１７）および第２凹部（１８）を交互に形成し、前記第１凸部（１５）および前記第２凸部（１７）を接触させて圧入を完了した状態で、前記第２凸部（１７）の塑性変形量は前記第１凸部（１５）の塑性変形量よりも大きいことを特徴とする圧入固定構造。
2. 　前記積層鋼板（１２）の硬度は前記他部材（１３）の硬度よりも高いことを特徴とする、請求項１に記載の圧入固定構造。
3. 　前記第２凸部（１７）のピッチは前記積層鋼板（１２）の単板の板厚よりも大きいことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の圧入固定構造。
4. 　前記第１凸部（１５）の高さは前記積層鋼板（１２）の単板の板厚よりも小さいことを特徴とする、請求項１～請求項３の何れか１項に記載の圧入固定構造。

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