JP5969525B2 - 端絡環を備える回転子、および電動機 - Google Patents

Description

本発明は、端絡環を備える回転子、および電動機に関する。

回転子コアに配置された複数の導体を短絡する端絡環を備える回転子において、回転子を回転駆動したときの端絡環の変形を防止するための補強部材を、該端絡環の外周部に取り付けることが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１３−０９０４４７号公報

上述のような回転子においては、シャフト、端絡環、および補強部材は、一般的に異なる材料から作製されるので、これら部材間の熱膨張係数の差に起因して、回転子の稼働時にシャフトが変形してしまう場合がある。特許文献１によれば、補強部材を複数の部材に分割することによって、このようなシャフトの変形を防止している。しかしながら、この構成によれば、回転子を構成する部品数が増えるとともに、製造時の作業工程が増えることから、製造コストが増大するといった課題がある。

また、端絡環は、電動機を高速回転させた場合に変形し易いことから、従来、高速回転用の電動機においてのみ、補強部材を端絡環に一体的に組み込んでいた。したがって、高速回転用の電動機と、低速回転用の電動機との間で部品の共通化を図ることが困難となっていた。

本発明の一態様において、電動機の回転子は、シャフトと、シャフトの径方向外側に固定され、軸方向一端の第１端面および軸方向他端の第２端面を有する回転子コアと、回転子コアに配置された複数の導体であって、各々が第１端面から第２端面まで延在する複数の導体と第１端面および第２端面にそれぞれ隣接して配置され、複数の導体を互いに短絡する一対の端絡環とを備える。シャフトは、回転軸線を中心とする外周部を有し、端絡環は、シャフトの外周部に対して同心に配置される外周部を有する。

回転子は、シャフトの外周部に嵌め込まれる内環状部、および、該内環状部に接続され、端絡環の外周部に嵌め込まれる外環状部を有する補強部材をさらに備えてもよい。内環状部は、シャフトの外周部と、端絡環の外周部とは反対側の該端絡環の内周部との間に画定された空間に収容されてもよい。

内環状部は、シャフトの外周部と当接する第１の内周面を有してもよい。外環状部は、端絡環の外周部と当接する第２の内周面を有してもよい。第１の内周面と第２の内周面とは、同心であってもよい。補強部材は、内環状部から外環状部まで径方向に延びる環状の接続部をさらに有してもよい。端絡環は、内環状部と、外環状部と、接続部とによって画定された空間に収容されてもよい。

内環状部は、周方向に配置された複数の錘を含んでもよい。複数の錘の各々は、内環状部に形成されたタップ穴に挿入されてもよい。補強部材は、アルミニウムよりも高い剛性を有する非磁性金属から作製されてもよい。補強部材は、シャフトに焼き嵌めまたは螺子止めによって固定されてもよい。本発明の他の態様において、電動機は、上述の回転子を備える。

本発明の一実施形態に係る電動機の断面図である。 図１に示す回転子の断面図である。 本発明の他の実施形態に係る回転子の断面図である。 図３に示す補強部材の断面図である。 図４に示す補強部材を図４中の矢印Ｖから見た外観図である。 図３中の領域ＶＩの拡大図を示す。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。まず、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る電動機１０について説明する。なお、以下の説明における軸方向とは、図１に示す電動機１０のシャフト３２の回転軸線Ｏに沿う方向とし、径方向とは軸線Ｏを中心とする円の半径方向を示し、周方向とは軸線Ｏを中心とする円の円周方向とする。また、軸方向前方は、図１の紙面左方を示すものとする。

電動機１０は、内部空間１２を画定するハウジング１４と、ハウジング１４の内部空間１２に固定される固定子１６と、固定子１６の径方向内側に回転可能に設置された回転子３０とを備える。固定子１６は、固定子コア１８と、固定子コア１８に巻回されたコイル２０とを有する。回転子３０は、内部空間１２において軸方向に延びるシャフト３２と、シャフト３２の径方向外側に固設される回転子コア３４と、回転子コア３４に配置された複数の導体３６と、複数の導体３６を互いに短絡する、一対の第１の端絡環３８および第２の端絡環３９とを備える。

次に、図２を参照して、本実施形態に係る回転子３０の構成について、より詳細に説明する。シャフト３２は、第１の外周部４０と、第１の外周部４０の軸方向前方に隣接する第２の外周部４２と、第１の外周部４０の軸方向後方に隣接する第３の外周部４４とを有する。

第１の外周部４０は、軸方向へ延びる円筒面から構成され、この第１の外周部４０の径方向外側に、回転子コア３４が固設されている。第２の外周部４２は、直径Ｄ１を有する、軸方向へ延在する円筒面から構成されている。同様に、第３の外周部４４も、第２の外周部４２と同じ直径Ｄ１を有する、軸方向へ延在する円筒面から構成されている。

回転子コア３４は、軸方向に積層された複数の磁性鋼板から作製され、軸方向前方の端面５０と、軸方向後方の端面５２とを有する。また、回転子コア３４は、中心孔４６と、中心孔４６の径方向外側に形成された複数の貫通孔４８とを有する。これら貫通孔４８は、周方向に略等間隔で整列するように配置されている。貫通孔４８に形成される導体３６と、第１の端絡環３８および第２の端絡環３９とは、アルミダイキャストにより一体鋳造される。導体３６の各々は、回転子コア３４の軸方向前方の端面５０から軸方向後方の端面５２まで軸方向へ延在する。

第１の端絡環３８は、回転子コア３４の端面５０の上に配置された、周方向へ延びる環状の部材であって、例えばアルミニウムのような導電材料から作製される。第１の端絡環３８は、複数の導体３６の軸方向前方の端部を互いに短絡する。第１の端絡環３８は、外周部５４と、外周部５４とは反対側の内周部５６とを含む。外周部５４は、直径Ｄ２を有する円筒面から構成されている一方、内周部５６は、円錐面から構成されている。

シャフト３２の第２の外周部４２と、第１の端絡環３８の内周部５６との間には、空間５８が画定されている。より具体的には、この空間５８は、シャフト３２の第２の外周部４２と、第１の端絡環３８の内周部５６と、回転子コア３４の端面５０とによって画定された、円環状の空間である。

本実施形態においては、シャフト３２の第２の外周部４２と、第１の端絡環３８の外周部５４とは、軸線Ｏを中心として同心となっている。このように、シャフト３２の第２の外周部４２と、第１の端絡環３８の外周部５４とを同心とすることは、例えば、図２に示すように回転子３０を組み立てた後に、第１の端絡環３８の外周部５４を切削加工することによって、実現することができる。

第２の端絡環３９は、第１の端絡環３８と同様の構成を備える。具体的には、第２の端絡環３９は、回転子コア３４の端面５２の上に配置され、複数の導体３６の軸方向後方の端部を互いに短絡する。第２の端絡環３９は、外周部６０と、外周部６０とは反対側の内周部６２とを含む。外周部６０は、第１の端絡環３８の外周部５４と同じ直径Ｄ２を有する円筒面から構成されている一方、内周部５６は、円錐面から構成されている。

シャフト３２の第３の外周部４４と、第２の端絡環３９の内周部６２との間には、空間６４が画定されている。具体的には、この空間６４は、シャフト３２の第３の外周部４４、第２の端絡環３９の内周部６２、および回転子コア３４の端面５２によって画定された、円環状の空間である。ここで、シャフト３２の第３の外周部４４と、第２の端絡環３９の外周部６０とは、軸線Ｏを中心として同心となっている。

次に、図３を参照して、本発明の他の実施形態に係る回転子７０について説明する。なお、上述の回転子３０と同様の要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。回転子７０は、上述の回転子３０と同様に、図１に示す固定子１６の径方向内側に回転可能に設置されて、電動機を構成する。

回転子７０は、シャフト３２、回転子コア３４、複数の導体３６、第１の端絡環３８および第２の端絡環３９と、一対の第１の補強部材７２および第２の補強部材７４とを備える。第１の補強部材７２は、回転子コア３４の軸方向前方の端面５０に配置されるように、シャフト３２に嵌め込まれている。一方、第２の補強部材７４は、回転子コア３４の軸方向後方の端面５２に配置されるように、シャフト３２に嵌め込まれている。

次に、図４および図５を参照して、第１の補強部材７２の構成について説明する。第１の補強部材７２は、軸方向前方の端面８８と軸方向後方の端面９０を有する、一体形状の円環部材である。第１の補強部材７２は、例えばニッケルまたはチタンのような、アルミニウムまたは銅よりも高い剛性を有する非磁性金属から作製される。第１の補強部材７２は、内環状部７６、外環状部７８、および内環状部７６と外環状部７８の間で延在する環状の接続部８０を有する。

内環状部７６は、内周面８２、該内周面８２の反対側の外周面８４、および軸方向後方の端面９２を含む。内環状部７６の軸方向後方の端面９２は、上述の端面９０よりもやや軸方向前方に位置している。内環状部７６には、端面８８から端面９２まで貫通する複数のタップ穴８６が形成されている。

これらタップ穴８６は、周方向に略等間隔で配置されている。これらタップ穴８６の各々には、錘９４が挿入されている。本実施形態においては、内環状部７６には、計１６個のタップ穴８６が形成され、その各々に錘９４が挿入されている。これら錘９４は、回転子７０を回転駆動したときに、回転子７０の回転バランスを調整する機能を果たす。

外環状部７８は、内環状部７６の径方向外側に離隔して配置された、円筒状部材である。具体的には、外環状部７８は、内周面９６と、該内周面９６とは反対側の外周面９８とを含む。接続部８０は、内環状部７６から外環状部７８まで径方向に延びている。より具体的には、接続部８０は、軸方向後方側の端面１００を含み、内環状部７６および外環状部７８の軸方向前方の端部を互いに接続している。

内環状部７６の外周面８４と、外環状部７８の内周面９６と、接続部８０の端面１００とによって、円環状の空間１０２が画定されている。本実施形態においては、内環状部７６の内周面８２と、外環状部７８の内周面９６とは、軸線Ｏを中心として同心となっている。

第２の補強部材７４も、上述の第１の補強部材７２と同じ構成を有する。すなわち、第２の補強部材７４は、一体形状の円環部材であって、内環状部７６、外環状部７８、および接続部８０を有する。そして、内環状部７６にはタップ穴８６が形成されており、これらタップ穴８６の各々には、錘９４が挿入されている。

第２の補強部材７４は、内環状部７６の外周面８４と、外環状部７８の内周面９６と、接続部８０の端面１００とによって画定された円環状の空間１０２を含む。また、第２の補強部材７４においても、内環状部７６の内周面８２と、外環状部７８の内周面９６とは同心となっている。

次に、図３〜図６を参照して、第１の補強部材７２および第２の補強部材７４の取付構造について詳細に説明する。図６に示すように、第１の補強部材７２は、シャフト３２に軸方向前方側から嵌め込まれて、例えば螺子止めまたは焼き嵌めによって、回転子コア３４の軸方向前方の端面５０の上に固定される。このとき、第１の補強部材７２の内環状部７６は、シャフト３２の第２の外周部４２の径方向外側に嵌め込まれ、内環状部７６の内周面８２は、第２の外周部４２に対して当接する。

また、第１の補強部材７２の外環状部７８は、第１の端絡環３８の外周部５４の径方向外側に嵌め込まれる。このとき、外環状部７８の内周面９６は、第１の端絡環３８の外周部５４に対して当接する。この状態においては、第１の補強部材７２の内環状部７６は、空間５８に収容され、且つ、第１の端絡環３８は、空間１０２に収容される。

なお、第２の補強部材７４も、第１の補強部材７２と同様にして、例えば螺子止めまたは焼き嵌めによって、回転子コア３４の軸方向後方に固定される。具体的には、図３に示すように、第２の補強部材７４の内環状部７６は、シャフト３２の第３の外周部４４の径方向外側に嵌め込まれ、内環状部７６の内周面８２は、第３の外周部４４に当接する。

また、第２の補強部材７４の外環状部７８は、第２の端絡環３９の外周部６０の径方向外側に嵌め込まれる。このとき、外環状部７８の内周面９６は、第２の端絡環３９の外周部６０に対して当接する。この状態において、第２の補強部材７４の内環状部７６は、空間５８に収容され、且つ、第２の端絡環３９は、空間１０２に収容される。

図２に示す回転子３０は、低速回転用の電動機として用いることができる。何故ならば、回転子３０を低速で回転駆動しているときには、端絡環３８、３９が変形し難いので、図３に示す回転子７０のように補強部材７２、７４を取り付ける必要性はないからである。

一方、図３に示す回転子７０は、高速回転用の電動機に用いることができる。上述したように、回転子７０を高速で回転駆動しているときには、端絡環３８、３９が遠心力の影響で変形し易くなるので、補強部材７２、７４を取り付ける必要性がある。

ここで、本実施形態によれば、低速回転用として好適な回転子３０に、螺子止め等によって補強部材７２、７４を取り付けるだけで、高速回転用として好適な回転子７０を構成することができる。したがって、低速回転用の回転子３０と、高速回転用の回転子７０との間で、殆どの部品の共通化を図ることができる。これにより、製造コストを抑えつつ、要求される用途（回転数）に応じて、回転子を効率良く製造することができる。

また、図３に示す回転子７０においては、補強部材７２、７４の内環状部７６がシャフト３２に固定される一方で、接続部８０を介して内環状部７６に一体に接続される外環状部７８によって、端絡環３８、３９を径方向外側から抑え込むことができる。これにより、回転子７０の高速化同時において、端絡環３８、３９の径方向外側への変形を効果的に防止することができる。

また、回転子７０においては、シャフト３２の第２の外周部４２と、第１の端絡環３８の外周部５４とが同心となっており、且つ、第１の補強部材７２の内環状部７６の内周面８２と、第１の補強部材７２の外環状部７８の内周面９６とが同心となっている。同様に、シャフト３２の第３の外周部４４と、第２の端絡環３９の外周部６０とが同心となっており、且つ、第２の補強部材７４の内環状部７６の内周面８２と、第２の補強部材７４の外環状部７８の内周面９６とが同心となっている。

この構成によれば、回転子７０を図１に示す電動機に組み込んで稼働させ、回転子７０が高温となったときに、シャフト３２、補強部材７２、７４、および端絡環３８、３９の熱膨張の度合いを均一化することができるので、シャフト３２が変形してしまうのを防止することができる。

また、回転子７０においては、補強部材７２、７４の内環状部７６は、空間５８に収容され、且つ、端絡環３８、３９は、空間１０２に収容されている。この構成によれば、補強部材７２、７４を回転子コア３４に取り付けたときに補強部材７２、７４と回転子コア３４との間に生じるデッドスペースを低減することができるので、回転子７０をよりコンパクトに構成することができる。

なお、上述の実施形態においては、シャフト３２の第２の外周部４２および第３の外周部４４、ならびに、端絡環３８、３９の外周部５４、６０が、それぞれ円筒面から構成されている場合について述べた。しかしながら、これに限らず、これら外周部は、例えば周方向に複数配置された突部の先端によって画定されてもよい。同様に、内環状部７６の内周面８２、および外環状部７８の内周面９６も、円筒面に限らず、例えば周方向に複数配置された突部の先端によって画定されてもよい。

以上、発明の実施形態を通じて本発明を説明したが、上述の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、本発明の実施形態の中で説明されている特徴を組み合わせた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得る。しかしながら、これら特徴の組み合わせの全てが、発明の解決手段に必須であるとは限らない。さらに、上述の実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることも当業者に明らかである。

１０ 電動機
３０，７０ 回転子
３２ シャフト
３４ 回転子コア
３６ 導体
３８，３９ 端絡環
７２，７４ 補強部材

Claims (8)

1. 電動機の回転子であって、
   前記回転子の回転軸線に沿って延びるシャフトであって、第１の外周部、および、該第１の外周部と前記回転軸線の第１方向に隣接し、前記回転軸線を中心とする第２の外周部を有する、シャフトと、
   前記第１の外周部の径方向外側に固定され、前記第１方向の第１端面、および該第１の端面とは反対側の第２端面を有する回転子コアと、
   前記回転子コアに配置された複数の導体であって、各々が前記第１端面から前記第２端面まで延在する、複数の導体と、
   前記第１端面に隣接して配置され、前記複数の導体を互いに短絡する端絡環と、
   前記端絡環の内周部から離隔するように前記第２の外周部の径方向外側に嵌め込まれる内環状部、および、該内環状部に接続され、前記端絡環の外周部に嵌め込まれる外環状部を有する補強部材と、を備え、
   前記内環状部は、前記第２の外周部と当接する第１の内周面を有し、
   前記外環状部は、前記端絡環の外周部と当接する第２の内周面を有し、
   前記第２の外周部と、前記端絡環の外周部と、前記第１の内周面と、前記第２の内周面とは、前記回転軸線を中心として互いに同心である、回転子。
2. 前記内環状部は、前記シャフトの外周部と、前記端絡環の前記内周部との間に画定された空間に収容される、請求項１に記載の回転子。
3. 前記補強部材は、前記内環状部から前記外環状部まで径方向に延びる環状の接続部をさらに有し、
   前記端絡環は、前記内環状部と、前記外環状部と、前記接続部とによって画定された空間に収容される、請求項１または２に記載の回転子。
4. 前記内環状部は、周方向に配置された複数の錘を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転子。
5. 前記複数の錘の各々は、前記内環状部に形成されたタップ穴に挿入される、請求項４に記載の回転子。
6. 前記補強部材は、アルミニウムよりも高い剛性を有する非磁性材料から作製される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転子。
7. 前記補強部材は、前記シャフトに固定される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転子を備える電動機。

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