CN101523708B

CN101523708B - 旋转电机

Info

Publication number: CN101523708B
Application number: CN2007800380507A
Authority: CN
Inventors: 井上正哉; 新川宽治; 守田正夫; 米谷晴之; 吉泽敏行; 栌山盛幸; 伊藤惠一; 森刚; 秋田裕之; 宫本佳典; 西村慎二
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-10-10
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: EP2073361A1; WO2008044347A1; JPWO2008044347A1; US20100096941A1; EP2073361A4; JP4755256B2; EP2073361B1; CN101523708A; US7843107B2

Abstract

本发明获得提高永久磁铁的保持可靠性、抑制无负荷、无励磁的感应电压、能够避免由定子狭缝感应的高频磁场导致的磁铁的热退磁的旋转电机。在根据本发明的旋转电机中，第一及第二永久磁铁(31、33)，与第一及第二爪状磁极部(20、24)的前端侧的内周面对向，经由第一及第二磁铁基座(30、32)保持在第一及第二磁轭部(19、23)上。并且，第一及第二永久磁铁(31、33)被与励磁线圈(14)产生的磁场(34)的方向反向地磁化取向。

Description

旋转电机

技术领域

本发明涉及车辆用交流发电机等旋转电机，特别是，涉及搭载永久磁铁的朗德耳型(Lundell type)的转子结构。

背景技术

采用朗德耳型转子的车辆用交流发电机，在汽车中已经使用了几十年。并且，由于近年来的环境问题，车载的电气安装件的负荷急剧增加，要求朗德耳型转子的发电量进一步增加。

当在现有技术的设计范围内应对这一要求时，发电机会大型化。发电机的大型化增大了发电机的重量及配置空间，是不理想的。另外，众所周知，发电机的大型化导致转子惯性的增加，发动机的速度变动和发电机的惯性矩相互作用，会产生导致皮带振动或滑动等新的课题。

从而，要求保持发电机主体的尺寸现状不变，使发电机的容量增大。

过去，为了解决这种课题，采用在朗德耳型转子的对向的爪状磁极之间配置永久磁铁的方法(例如，参照专利文献1、2)。

进而，作为磁铁的安装方法，已知有将U字形的磁铁嵌入到爪状磁极的爪尖内、保持在爪状磁极上的方法(例如，参照专利文献3)，或者，在卷绕到转子铁心的凸台部上的圆筒状的励磁线圈的外周部上配置环状磁铁，利用爪状磁极保持磁铁的方法(例如，参照专利文献4)。

这样，在现有技术的车辆用交流发电机中，提出了各种保持永久磁铁的方法的方案，但是，为了实际应用这些永久磁铁的保持方法，必须(1)提高永久磁铁的保持的可靠性，(2)抑制无负荷、无励磁的感应电压，(3)避免由于定子狭槽感应的高频磁场引起的磁铁的热退磁。

下面，对各种因素进行说明。

(1)关于永久磁铁的保持强度

在利用经由皮带和带轮传递的发电机的旋转力驱动的车辆用交流发电机中，最大以接近18,000～20,000rpm的高速旋转。因此，即使每一极配置几g左右的小磁铁，也会在磁铁上施加超过几十Kgf的极大的离心力。

对此，在现有技术的磁铁保持方法中，利用爪状电极本身保持施加到磁铁上的离心力。在这种磁铁保持方法中，有必要以极高的精度精加工磁铁及爪部两者的接合面，使两者处于面接触状态。即，当两者点接触时，局部应力集中到磁铁上，磁铁会破损。并且，由于提高磁铁的加工精度在批量产品中是困难的，所以，也可以代之以采取利用SUS板或树脂模等确保磁铁的外形精度等措施，但是，会增大成本。

另外，关于卷绕励磁线圈的问题，磁极铁心是将在轴向方向上分成的两个部分组合起来的，但是，其组合精度也必须要求很高。为了确保这些部件的精度，在现实当中，在转子的批量制造时的成本显著上升。

进而，即使这样对于静态的形状精度下工夫，在车辆用交流发电机中，磁铁的保持依然困难。

即，由于车辆用交流发电机配置在发动机室内，处于摄氏一百几十度的高温环境下，由于热膨胀/收缩，发生几十微米的位移。

另外，即使在不将磁铁保持在爪状磁极上的状态下，也会施加大的离心力，爪前端部向外周侧膨胀50～100μm左右。并且，伴随着发动机旋转速度的增减，爪状磁极发生像振翅一样的位移。由于爪状磁极具有悬臂梁式的结构，所以，其位移在前端部大，在爪的根部侧小，相邻的爪状磁极彼此的距离也发生变化。

从而，当想要即使在这种爪状磁极存在着由于热及离心力引起的动态位移的情况下也用均等的面保持磁铁时，需要对磁铁保持结构采取很多措施。

另外，磁铁本身或保护磁铁的罩，由于因爪状磁极的位移而产生滑动磨损，所以，有必要长期地确保强度可靠性。

因此，目前的现状是，为了反抗作用到磁铁上的离心力而将磁铁保持在爪状磁极上，需要进一步下很多工夫，希望将磁铁保持在爪状磁极之外。因此，为了避免在磁铁保持中的磁铁与爪状磁极的相对位移造成的影响，提出了将在径向方向上磁化的磁铁在朗德耳型磁极铁心的轴端部配置到磁轭外周侧的现有技术中的改进型的磁铁保持结构的方案(例如，参照专利文献5)。

(2)关于在无负荷、无励磁时的感应电压

但是，在上述现有技术中的改进型的磁铁保持结构中，存在着无负荷、无励磁时的感应电压的问题。

在这种现有技术的改进型的磁铁保持结构中，由于磁铁配置在转子的表面附近，所以，磁铁的主磁通或者漏磁通不在转子内闭合，具有与定子直接互连的成分。

对于漏磁通的电平，例如，设计成在500rpm左右的发动机怠速运转区域产生相当于1～2V左右的磁通。但是，由于汽车用发动机具有1∶10左右的可变速范围，所以，例如，当发动机的最高转速变成怠速运转的10倍时，1～2V的磁铁的感应电压超过车辆的系统电压，会对其它车载设备产生不良的影响。为了抑制这种情况，有必要将励磁的电源制成两个极性，在高速时，使励磁电流反向流动，减弱磁通，变成所谓的反向励磁。当电流的流动方向从一个方向变成两个方向时，不是用简单的断路器控制，而是变成组装H型电桥而成的双向电路，存在着元件数目增加、制品成本上升的问题。另外，这种反向励磁与通常的励磁不同，有必要与发动机转速的提高相对应地迅速上升，但是，由于励磁需要能够利用几安培左右的小的电流进行控制的几百匝的阻抗高的线圈，所以，目前的现状是，难以瞬时流过反向励磁电流。当为了避免这种问题而减少励磁的匝数时，控制电源的电流值本身增加，控制元件的容量增加，存在着制品成本上升的新的课题。

(3)关于由利用定子狭槽感应的高频磁场引起的磁铁的退磁

由于狭槽高次谐波磁通具有定子狭槽数×转速/秒的频率成分，所以，该狭槽高次谐波磁通是2～3KHz的高频磁场。在这种状态下，在使磁铁保持在爪状磁极之间、或者通过嵌入爪状磁极的前端保持U字形磁铁的情况下，从定子侧观察时，磁铁或者磁铁保持配件的一部分在转子的表面露出。并且，该露出的磁铁或者磁铁保持配件会被由狭槽高次谐波产生的高频磁场感应加热。即使当一部分被感应加热局部地变成高温时，热量也会传递到整个磁铁上，存在着磁铁发生热退磁的课题。

同样，在现有技术的改进型的磁铁保持结构中，从定子侧观察时，磁铁或者磁铁保持配件的一部分会在转子的表面露出，存在着磁铁的热退磁的问题。

专利文献1：特开昭61-85045号公报

专利文献2：美国专利第4959577号说明书

专利文献3：美国专利第5543676号说明书

专利文献4：特开2002-136004号公报

专利文献5：特开2004-153994号公报

发明内容

这样，为了将永久磁铁保持在朗德耳型磁极铁心上，有必要提高永久磁铁的保持的可靠性，抑制无负荷、无励磁的感应电压，避免由定子狭槽感应的高频磁场引起的磁铁的热退磁。

但是，由于上述现有技术的磁铁保持结构，不能对所述三个课题进行充分应对，所以，不能供实际使用。

本发明是为了解决上述课题而作出的，其目的是获得具有下面所述的特征的旋转电机。

(1)磁铁的保持容易，特别是，对于离心力发生大的变化的爪前端的位移或爪之间的相对的位移对磁铁的保持没有直接的影响。

(2)在温度范围宽的车载发电机中，相对于轴及转子的热膨胀的爪之间的轴向方向的位移，对磁铁的保持没有直接的影响。

(3)即使相当多地增加磁铁的量，也不易产生无负荷、无励磁感应电压。

(4)难以因定子狭槽高次谐波磁通的进入而引起感应加热。

(5)由追加磁铁及磁铁保持材料引起的惯性矩的增加小，不容易产生惯性矩。

根据本发明的旋转电机包括转子和定子，所述转子具有磁极铁心和励磁线圈，所述磁极铁心具有：凸台部、从该凸台部的轴向方向的两端边缘部向径向方向外方延伸设置的一对磁轭部、以及分别从该一对磁轭部的每一个上交互地在轴向方向上延伸设置且啮合地沿周向方向排列配置的多个爪状磁极部，并且，所述磁极铁心固定到插入贯通上述凸台部的轴心位置的轴上，所述励磁线圈被容纳在被上述凸台部、上述一对磁轭部以及上述多个爪状磁极部包围的空间内；所述定子隔着规定的空气隙围绕上述转子配置。并且，永久磁铁与上述多个爪状磁极部的各个前端侧的内周面对向，被保持在上述一对磁轭部侧。进而，上述永久磁铁的每一个被与上述励磁线圈产生的磁场的方向反向地磁化取向。

根据本发明，永久磁铁保持在磁轭部侧。因此，由离心力或热膨胀引起的爪状磁极的位移不会影响永久磁铁，所以，在抑制爪状磁极部的位移引起的永久磁铁的发生破裂或碎片的同时，永久磁铁的保持变得容易。另外，由于永久磁铁位于爪状磁极部的内径侧，所以，伴随着永久磁铁的配置产生的惯性矩的增加变小。进而，作用到永久磁铁上的离心力也变小，永久磁铁的保持变得容易。

另外，由于永久磁铁与爪状磁极部的前端侧的内周面对向地配置，所以，永久磁铁位于爪状磁极部的内径侧，不会由定子狭槽的高次谐波引起直接感应加热，可以预先防止热退磁。

进而，由于永久磁铁被与励磁线圈产生的磁场的方向反向地磁化取向，所以，以在转子内部闭合的方式形成由永久磁铁产生的磁场回路，抑制无负荷、无励磁的感应电压的发生。

附图说明

图1是示意地表示根据本发明的实施形式1的车辆用交流发电机的剖视图。

图2表示应用于根据本发明的实施形式1的车辆用交流发电机的转子的透视图。

图3是用于说明根据本发明的实施形式1的车辆用交流发电机中的磁通流的示意图。

图4是用于说明根据本发明的实施形式1的车辆用交流发电机中的磁通流的示意图。

图5是表示根据本发明的实施形式1的车辆用交流发电机中的励磁安匝(励磁AT)与定子互连磁通量的关系的图示。

图6是表示相对于根据本发明的实施形式1的车辆用交流发电机中的转速的发电量的图示。

图7是用于说明根据本发明的实施形式2的车辆用交流发电机中的永久磁铁的磁化方向的示意图。

图8是表示根据本发明的实施形式2的车辆用交流发电机中的永久磁铁的磁化方向的倾斜角度θm与定子互连磁通Φ的关系的图示。

图9是表示根据本发明的实施形式2的车辆用交流发电机中的永久磁铁的磁化方向的倾斜角度θm与无负荷、无励磁的反电动势的关系的图示。

图10是用于说明根据本发明的实施形式2的车辆用交流发电机中的永久磁铁的磁化方向的示意图。

图11表示根据本发明的实施形式2的实施形态的车辆用交流发电机中的永久磁铁的磁化方向的倾斜角度θm与定子互连磁通Φ的关系的图示。

图12是表示根据本发明的实施形式2的实施形态的车辆用交流发电机中的永久磁铁的磁化方向的倾斜角度θm与无负荷、无励磁的反电动势的关系的图示。

图13是表示应用于根据本发明的实施形式3的车辆用交流发电机的转子的端面图。

图14是表示应用于根据本发明的实施形式4的车辆用交流发电机的转子的端面图。

图15是表示应用于根据本发明的实施形式5的车辆用交流发电机的转子的主要部分的透视图。

图16是表示根据本发明的实施形式5的车辆用交流发电机中的无负荷、无励磁的感应电压与(S1/S2)的关系的图示。

具体实施方式

实施形式1.

图1是示意地表示根据本发明的实施形式1的车辆用交流发电机的剖视图，图2是表示应用于根据本发明的实施形式1的车辆用交流发电机的转子的透视图，图3及图4是分别用于说明根据本发明的实施形式1的车辆用交流发电机中的磁通流的示意图。

在图1和图2中，车辆用交流发电机1包括：由分别呈大致杯形的铝制的前托架2和后托架3构成的壳体4；经由轴承5将轴16支承在壳体4上、可自由旋转地配置在壳体4内的转子13；固定到向壳体4的前侧伸出的轴16的端部上的带轮6；固定到转子13的轴向方向的两个端面上的风扇7；相对于转子13具有一定的空隙、围绕转子13的外周固定到壳体4上的定子10；固定在轴16的后侧、向转子13供应电流的一对集电环8；以在各个集电环8上滑动的方式配置在壳体4内的一对电刷9。另外，虽然图中没有示出，但在壳体4内配置有将定子10产生的交流整流成直流的整流器、调整由定子10产生的交流电压的大小的电压调整器等。

定子10包括：圆筒状的定子铁心11；以及定子线圈12，所述定子线圈12卷绕到定子铁心11上，伴随着转子13的旋转，通过来自于后面描述的励磁线圈14的磁通的变化产生交流电流。

转子13包括：励磁电流流过而产生磁通的励磁线圈14；以覆盖励磁线圈14的方式设置的、借助该磁通形成磁极的磁极铁心15；以及贯穿安装在磁极铁心15的轴心位置处的轴16。

磁极铁心15被分成例如分别由利用S10C等低碳钢通过冷锻制造法制成的第一及第二磁极铁心体17、21构成。

第一磁极铁心体17的外周面呈圆筒状，包括：在轴心位置穿透设置有轴插入贯通孔的第一凸台部18；从第一凸台部18的一端边缘部向径向方向外侧延伸设置的厚壁环状的第一磁轭部19；从第一磁轭部19的外周部向轴向方向的另一端侧延伸设置的第一爪状磁极部20。第一爪状磁极部20，其最外径的面的形状呈大致的梯形形状，形成周向方向的宽度向前端侧逐渐变窄、并且径向方向的厚度向前端侧逐渐变薄的前端细的形状，在第一磁轭部19的外周部沿着周向方向以相等角度的节距例如排列配置有8个所述第一爪状磁极部20。

第二磁极铁心体21的外周面呈圆筒状，包括：在轴心位置穿透设置有轴插入贯通孔的第二凸台部22；从第二凸台部22的另一端边缘部向径向方向外侧延伸设置的厚壁环状的第二磁轭部23；从第二磁轭部23的外周部向轴向方向的一端侧延伸设置的第二爪状磁极部24。第二爪状磁极部24，其最外径的面的形状呈大致梯形形状，形成周向方向的宽度向前端侧逐渐变窄、并且径向方向的厚度向前端侧逐渐变薄的前端细的形状，在第二磁轭部23的外周部沿周向方向以相等角度的节距例如排列配置8个所述第二爪状磁极部24。

这样构成的第一及第二磁极铁心体17、21，使第一及第二爪状磁极部20、24交互地啮合，并且，使第一凸台部18的另一端面与第二凸台部22的一个端面对接，固定在贯通安装到轴插入贯通孔中的轴16上。并且，卷绕到绕线管(图中未示出)上的励磁线圈14被安装到由第一及第二凸台部18、22、第一及第二磁轭部19、23及第一和第二爪状磁极部20、24包围的空间内。这里，第一及第二凸台部18、22和第一及第二磁轭部19、23分别相当于磁极铁心15的凸台部及一对磁轭部。另外，第一及第二爪状磁极部20、24的前端部关于轴向方向与第二及第一磁轭部23、19重叠。

第一磁铁基座30由磁性材料、例如S10C等低碳钢通过冷锻制造方法制造。该第一磁铁基座30由粘结剂等固定到与各个第二爪状磁极部24的前端侧内周面对向的第一磁轭部19的外周面上，并磁性地连接。并且，第一磁铁基座30的上表面与第二爪状磁极部24的内周面大致平行地形成。进而，第一永久磁铁31被成形为截面为平行四边形，利用粘结剂等与各个第二爪状磁极部24的前端侧内周面对向地固定到第一磁铁基座30的上表面上，并磁性地连接。这时，各个第一永久磁铁31以位于将第二爪状磁极部24从径向方向上方向第一磁轭部19上投影所获得的投影区域内的方式配置，各个第一永久磁铁31的上表面以规定的间隔与第二爪状磁极部24的内周面大致平行。

作为和第一磁铁基座30相同的第二磁铁基座32，以上表面与第一爪状磁极部20的内周面大致平行的方式，利用粘结剂等固定到与各个第一爪状磁极部20的前端侧内周面对向的第二磁轭部23的外周面上，并磁性地连接。进而，作为和第一永久磁铁31相同的第二永久磁铁33与各个第一爪状磁极部20的前端侧内周面对向地由粘结剂等固定到第二磁铁基座32上，并磁性地连接。这时，各个第二永久磁铁33以位于将第一爪状磁极部20从径向方向上方向第二磁轭部23上投影所获得的投影区域内的方式配置，各个第二永久磁铁33的上表面以规定的间隙与第一爪状磁极部20的内周面大致平行。

另外，第一及第二永久磁铁31、33被以磁化方向35与在流过励磁线圈14的励磁电流与转子13的轴心正交的平面中产生的磁场34的方向相反的方式磁化取向。即，如图1所示，在向励磁线圈14通电、在箭头方向上产生磁场34的情况下，第一及第二永久磁铁31、33被与磁场34反向地磁化取向。这里，第一及第二永久磁铁31、33的磁化方向35与径向方向相一致，该磁化方向35的延长线朝向对向的第一及第二爪状磁极部20、24的前端侧的内周面。另外，在设计成流过励磁线圈14的励磁电流产生的磁场34的方向反转的情况下，第一及第二永久磁铁31、33也被反向磁化取向。

下面，对于这样构成的车辆用交流发电机1的动作进行说明。

首先，从电池(图中未示出)经由电刷9及集电环8向转子13的励磁线圈14供应电流，产生磁通。借助该磁通，第一磁极铁心体17的第一爪状磁极部20被磁化成N极，第二磁极铁心体21的第二爪状磁极部24被磁化成S极。

另一方面，发动机的转矩经由皮带(图中未示出)及带轮6被传递给轴16，转子13被旋转。因此，将旋转磁场施加给定子10的定子线圈12，在定子线圈12上产生电动势。该交流电动势被整流器整流成直流电流，蓄电池被充电，或者向蓄电池供应负电荷。

其次，参照图3及图4对磁通的动作进行说明。

首先，当向励磁线圈14通电时，产生磁通34a。该磁通34a从第一爪状磁极部20通过空气隙40进入定子铁心11的齿部。然后，磁通34a 从定子铁心11的齿部通过铁心背部沿周向方向移动，从与相邻的第二爪状磁极部24对向的齿部通过空气隙40进入该第二爪状磁极部24。其次，进入第二爪状磁极部24的磁通34a，通过第二磁轭部23、第二凸台部22、第一凸台部18、第一磁轭部19，到达第一爪状磁极部20。这里，在现有技术的朗德耳型转子中，由于第一及第二磁极铁心体被临界设计，所以，由于由励磁线圈产生的磁场而磁饱和，由转子产生的磁通会减少。

在本实施形式1中，第一及第二永久磁铁31、33被以和励磁线圈14产生的磁场34的方向相反的方式磁化取向。因此，第一及第二永久磁铁31、33产生的磁场的方向与励磁线圈14产生的磁场34反向。为了使由该第一及第二永久磁铁31、33产生的磁通36与定子铁心11互连，有必要使具有大的磁阻的空气隙40往复。另外，第一及第二永久磁铁31、33配置在第二及第一爪状磁极部24、20的内径侧，按照以更短的磁路长度围绕第一及第二爪状磁极部20、24的内周面侧的方式配置。因此，磁通36的大部分不会绕过定子铁心11，形成在转子内部闭合的磁路。

即，由第一永久磁铁31产生的磁通36，从第一磁铁基座30通过第一磁轭部19、第一凸台部18、第二凸台部22、第二磁轭部23及第二爪状磁极部24，返回到第一永久磁铁31。另外，由第二永久磁铁33产生的磁通36经由空隙进入第一爪状磁极部20，通过第一磁轭部19、第一凸台部18、第二凸台部22、第二磁轭部23及第二磁铁基座32，返回到第二永久磁铁33。

因此，第一及第二永久磁铁31、33产生的磁通36与励磁线圈14产生的磁通34a反向，可以大幅度降低构成第一及第二磁极铁心体17、21的磁性体的磁通密度，可以消除磁饱和。

其次，利用这样构成的车辆用交流发电机1，测定相对于励磁安匝(励磁AT)的定子互连磁通量及相对于转速的发电量，其结果示于图5及图6。另外，为了进行比较，制造省略了第一及第二永久磁铁31、33的现有技术的装置，测定相对于励磁安匝(励磁AT)的定子互连磁通量及相对于转速的发电量(直流电流A)。其结果示于图5及图6。另外，在图5中，实线表示本发明的制品，虚线表示现有技术装置。

从图5可以看出，在励磁AT小的区域，车辆用交流发电机1与现有技术的装置的差别小，当超过磁饱和开始的区域时，车辆用交流发电机1与现有技术的装置的差别变大。即，可以看出，虽然配置第一及第二永久磁铁31、33，但消除了磁饱和，使得与定子10互连的磁通量增大。

同样地，从图6可以看出，在车辆用交流发电机1中，相对于现有技术的装置而言，特别是在低速旋转区域，获得大的发电量。

即，在现有技术的装置中，由于磁饱和的缘故，在转子的磁路中消耗掉励磁的磁通势中的3成以上，磁通量的增大变得困难。另一方面，本实施形式1中，如上所述，由于消除了磁饱和，所以，推断与定子10互连的磁通增加、发电量增加。特别是，确认能够大幅地增大在磁饱和显著的低速怠速区域中的发电量。

另外，在本实施形式1中，由于第一及第二永久磁铁31、33，与第一及第二爪状磁极部20、24的内周面对向地配置，所以，第一及第二永久磁铁31、33相对于转子13的外表面位于径向方向的内方。因此，定子狭槽高次谐波滞留在第一及第二爪状磁极20、24的表面部，不会起直接感应加热第一及第二永久磁铁31、33的作用。结果，预先防止第一及第二永久磁铁31、33被加热而热退磁。

另外，由于第一及第二永久磁铁31、33位于从径向方向上方将第二及第一爪状磁极部24、20的前端部投影到第一及第二磁轭部19、23上获得的投影区域内，所以，第一及第二永久磁铁31、33不在定子10侧露出，可靠地防止由定子狭槽高次谐波引起的感应加热。

另外，由于第一及第二永久磁铁31、33以与第一及第二爪状磁极部20、24的内周面对向的方式配置，所以，第一及第二永久磁铁31、33的磁路变成在转子内部闭合的磁路，没有与定子10互连的磁通成分。因此，抑制无负荷、无励磁的第一及第二永久磁铁31、33的感应电压的产生。结果，可以增加第一及第二永久磁铁31、33的磁铁量。

另外，第一及第二永久磁铁31、33安装在第一及第二磁轭部19、23上。因此，由于第一及第二永久磁铁31、33位于第一及第二爪状磁极部20、24的内径侧，所以，施加到第一及第二永久磁铁31、33上的离心力小，可以简化第一及第二永久磁铁31、33的保持结构。另外，第一及第二永久磁铁31、33不受相对于离心力而言位移大的第一及第二爪状磁极部20、24的影响，所以，第一及第二永久磁铁31、33的保持变得容易。进而，由于即使应用在温度范围宽的车载发电机中，第一及第二永久磁铁31、33也不受由转子的热膨胀引起的爪状磁极部之间的轴向方向的位移的影响，所以，第一及第二永久磁铁31、33的保持变得容易。因此，可以提高第一及第二永久磁铁31、33的保持的可靠性。

另外，由于第一及第二永久磁铁31、33位于第一及第二爪状磁极部20、24的内径侧，所以，可以减小由于配置第一及第二永久磁铁31、33而引起的惯性矩的增加，可以抑制惯性矩变大。

另外，由于第一及第二永久磁铁31、33的上表面(径向方向的外周面)形成与第二及第一爪状磁极部24、20的内周面的倾斜角同等的倾斜角，所以，通过将第一及第二永久磁铁31、33靠近第二及第一爪状磁极部24、20的前端侧的内周面对向地配置，可以将第一及第二永久磁铁31、33藏入第二及第一爪状磁极部24、20的前端侧的径向方向的下方。借此，可以谋求转子13乃至车辆用交流发电机的轴向方向的小型化。

进而，第一及第二永久磁铁31、33的下表面(径向方向的内周面)也形成与第二及第一爪状磁极部24、20的内周面的倾斜角同等的倾斜角。即，第一及第二永久磁铁31、33形成具有与第二及第一爪状磁极部24、20的内周面的倾斜角同等的倾斜角的上表面和下表面的平行四边形截面。因此，组装第一及第二磁极铁心体17、21之后，能够将第一及第二永久磁铁31、33从轴向方向两侧插入第一及第二磁轭部19、23，提高组装性能。

另外，由于第一及第二永久磁铁31、33形成平行四边形截面，所以，可以减少在利用大块的磁铁材料通过切削加工等制作第一及第二永久磁铁31、33时的加工工序数。

实施形式2.

在上述实施形式1中，使第一及第二永久磁铁31、33的磁化方向35与径向方向相一致，但是，在本实施形式2中，使第一及第二永久磁铁 31、33的磁化方向35相对于径向方向向励磁线圈14侧倾斜。

另外，其它结构与上述实施形式1一样。

在图7中，第一永久磁铁31成形为平行四边形的截面，利用粘结剂等与第二爪状磁极部24的前端侧内周面对向地固定到第一磁铁基座30的上表面上，并磁性地连接。并且，第一永久磁铁31的上表面与第二爪状磁极部24的内周面隔开规定的间隔大致平行。另外，第一永久磁铁31的磁化方向35，在包含转子13的轴心(轴16的轴心)的平面上，相对于径向方向(与转子13的轴心正交的平面)向励磁线圈14侧倾斜角度θm。另外，尽管图中未示出，第二永久磁铁33的磁化方向35也相对于径向方向向励磁线圈14侧倾斜角度θm。

首先，为了说明第一及第二永久磁铁31、33的磁化方向35在包含转子13的轴心在内的平面上，相对于与转子13的轴心正交的方向(径向方向)向励磁线圈14侧倾斜角度θm所产生的效果，对磁化方向35与径向方向相一致的情况下存在的问题进行说明。

如图3所示，励磁线圈14产生的磁通34a从第一爪状磁极部20经由空气隙40进入定子铁心11，再次经由空气隙40进入第二爪状磁极部24。这时，磁通34a容易从第一爪状磁极部20的根部进入定子铁心11，越靠近前端侧，磁通34a的成分变得越少，在前端部，磁通34a的成分几乎消失。同样地，磁通34a容易从定子铁心11进入第二爪状磁极部24的根部，越靠近前端侧，磁通34a的成分变得越少，在前端部，磁通34a的成分几乎消失。

在这种状态下，若磁化方向35与径向方向相一致，则第一永久磁铁31产生的磁通36，在第二爪状磁极部24中从根部流向前端侧，从该前端部进入第一永久磁铁31。另外，第二永久磁铁33产生的磁通36从第二永久磁铁33进入第一爪状磁极部20的前端部。因此，在第一及第二爪状磁极部20、24的磁路截面面积小的前端侧流动的磁通36不被励磁线圈14产生的磁通34a抵消。结果，第一及第二爪状磁极部20、24的前端部的磁路会磁饱和，从第一及第二永久磁铁31、33施加到转子13上的磁通量会减少。即，第一及第二永久磁铁31、33的利用率会降低。

另外，由于这种磁饱和，从第二爪状磁极部24的根部朝向前端部的磁阻变大，磁通36不能在转子内部闭合，产生向定子10互连地向周向方向的漏磁通。这种漏磁通的产生导致由无负荷、无励磁引起的反电动势。并且，若为了最大限度地获得磁铁的效果而增加磁铁量，则该反电动势进一步增大，依据不同的情况，有时会超过12V。在这种情况下，需要使励磁电流的方向反转的反向励磁回路。

这里，通过将第一及第二永久磁铁31、33的磁化方向35相对于径向方向向励磁线圈14侧倾斜角度θm，由第一永久磁铁31产生的磁通36在到达第二爪状磁极部24的前端部之前，通过空间37进入第一永久磁铁31。另外，由第二永久磁铁33产生的磁通36通过第二永久磁铁33与第一爪状磁极部20的交叉部的励磁线圈14侧的空间，从第一爪状磁极部20的前端部的根部侧进入第一爪状磁极部20。因此，第一及第二爪状磁极部20、24的前端部的磁路不会磁饱和，磁通36不与定子10互连，可以在转子内部闭合旋转。

借此，由于和磁通36通过第一及第二爪状磁极部20、24的前端部的情况(磁化方向35与径向方向相一致的情况)相比，可以避免在第一及第二爪状磁极部20、24的前端部的磁饱和，所以，可以提高磁铁的磁通利用率，还可以抑制反电动势的发生。

这里，以第一及第二永久磁铁31、33的磁化方向35相对于径向方向的角度θm作为参数，测定在额定通电励磁的情况下的定子互连磁通Φ的结果示于图8。另外，将磁化方向35与径向方向相一致的情况(θm＝0)下的磁通Φ作为1，进行归一化。其中，第一及第二爪状磁极部20、24的内周面与转子13的轴心形成的角度θp为22度。

另外，将角度θm作为参数，测定在无负荷、无励磁(不进行励磁通电)的情况下的反电动势的结果示于图9。另外，将磁化方向35与径向方向相一致的情况(θm＝0)下的反电动势作为1进行归一化。

从图8可以看出，随着角度θm从0度变大，磁通Φ变大，随着角度θm变得比θp大，磁通Φ变小。即，在角度θm为θp时，即，磁化方向35与第一及第二爪状磁极部20、24的内周面正交时，磁通Φ变得最大。

另外，从图9可以看出，随着角度θm从0度变大，反电动势变小。并且，可以看出，当角度θm为θp时，与角度θm为0度时相比，可以将无负荷、无励磁的反电动势降低近两成。

因此，在第一及第二永久磁铁31、33的上表面和第一及第二磁铁基座30、32的上表面与第一及第二爪状磁极部20、24的内周面大致平行地形成的情况下，如果将角度θm设定在0度以上、42度以下的话，则可以获得与配置了将磁化方向35作为径向方向的磁铁的情况同等以上的磁通Φ。

进而，如果考虑到缩小无负荷、无励磁的反电动势的话，优选地，将角度θm设定在θp以上、42度以下。

下面，对于第一及第二磁铁基座30、32的上表面与转子13的轴心方向形成的角度θ₂与角度θp不同的情况进行说明。另外，图7表示角度θ₂与角度θp相一致的情况，图10表示角度θ₂为0度的情况。

在图7中，由于角度θ₂与角度θp相一致，所以，与第二爪状磁极部24的内周面正交地进入第一永久磁铁31的磁通照样直线前进，与第一磁铁基座30的上表面正交地进入第一磁铁基座30。

另一方面，在图10中，磁通与第二爪状磁极部24的内周面正交地进入第一永久磁铁31。然后，进入第一永久磁铁31的磁通，逐渐改变其倾斜度，直到磁通方向和垂直于第一磁铁基座30的上表面的方向相一致为止，与第一磁铁基座30的上表面正交地进入第一磁铁基座30。

这里，为了使永久磁铁产生的磁通最大，有必要以最短的路径连接夹持永久磁铁的爪状磁极部的前端侧的内周面与磁铁基座的上表面之间，以降低磁阻。另外，由于磁通向铁构件进入的路径或者磁通从铁构件出射的路径相对于铁构件的表面成为垂直的，所以，希望使磁铁的磁化方向相对于铁构件的表面垂直。因此，希望在磁铁的上表面使磁化方向与爪状磁极部的内周面垂直，使该磁化方向逐渐变化，使得在磁铁的下表面的磁化方向与磁铁基座的上表面垂直。但是，若这样使磁化方向各向异性，则磁铁的制造成本显著增高，不是一种现实的方法。因此，通过以作为磁铁的上表面和下表面的磁化方向的角度的平均值的角度进行磁化，可以满足性能的要求，并且可以抑制制造成本。即，希望将磁铁的磁化方向的角度θm设定成(θp+θ₂)/2。

其次，在图10所示的转子结构中，以第一及第二永久磁铁31、33的磁化方向35相对于径向方向的角度θm作为参数，测定在额定通电励磁的情况下的定子互连磁通Φ的结果示于图11。另外，使磁化方向35与径向方向相一致的情况(θm＝0)下的磁通Φ为1，进行归一化。其中，第一及第二爪状磁极部20、24内周面与转子的轴心形成的角度θp为22度。

另外，以角度θm作为参数，测定无负荷、无励磁(不励磁通电)的情况下的反电动势的结果示于图12、另外，使磁化方向35与径向方向相一致的情况(θm＝0)下的反电动势为1，进行归一化。

从图11可以看出，随着角度θm从0度变大，磁通Φ变大，在角度θm为比(θp+θ₂)/2大一些的角度时，磁通Φ变成最大，随着角度θm进一步增大，磁通Φ变小。

另外，从图12可以看出，随着角度θm从0度变大，反电动势变小。并且，在角度θm约为(θp+θ₂)/2时，与角度θm为0度时相比，无负荷、无励磁的反电动势可以降低接近1成。

因此，在第一及第二永久磁铁31、33的上表面与第一及第二爪状磁极部20、24的内周面大致平行地形成、第一及第二磁铁基座30、32的上表面相对于转子13的轴心倾斜角度θ₂的情况下，如果将角度θm设定在0度以上、32度以下的话，则可以获得与配置将磁化方向35作为径向方向的磁铁的情况同等以上的磁通Φ。

进而，考虑到减小无负荷、无励磁的反电动势，则希望将角度θm设定在(θp+θ₂)/2以上、32度以下。

这里，在图10所示的转子中，由于第一及第二永久磁铁31、33的上表面形成与第二及第一爪状磁极部24、20的内周面的倾斜角同等的倾斜角度，所以，通过将第一及第二永久磁铁31、33接近第二及第一爪状磁极部24、20的前端侧的内周面对向地配置，可以使第一及第二永久磁铁31、33藏入第二及第一爪状磁极部24、20的前端侧的径向方向的下方。借此，可以谋求转子13乃至车辆用交流发电机的轴向方向的小型化。

另外，由于第一及第二永久磁铁31、33的上表面形成与第二及第一爪状磁极部24、20的内周面的倾斜角同等的倾斜角，与第一及第二永久磁铁31、33的下表面的轴心方向构成的角度为零度，所以，第一及第二永久磁铁31、33的磁化方向的长度变长，可以增大磁铁的磁通势，可以进一步提高缓和由磁铁引起的磁饱和的效果。

实施形式3.

在图13中，在位于第二磁极铁心体21的第二爪状磁极部24之间的第二磁轭部23的外周面，以将两个侧壁形成ハ字形的梯形形状，沿着轴向方向延伸设置作为配合凹部的锥形槽50。另外，第二永久磁铁33形成配合到锥形槽50内的截面为梯形的形状。并且，第二永久磁铁33从轴向方向的外方被压入、保持在锥形槽50内。

虽然图中未示出，但在位于第一磁极铁心体17的第一爪状磁极部20之间的第一磁轭部19的外周面，也沿轴向方向延伸设置有锥形槽50。另外，第一永久磁铁31形成配合到锥形槽50内的截面为梯形的形状，从轴向方向外方压入、保持在锥形槽50内。

另外，其它结构和上述实施形式1具有同样的结构。

在该实施形式3中，由于将第一及第二永久磁铁31、33从轴向方向外方压入保持在形成于第一及第二磁轭部19、23的锥形槽50内，所以，可以简单地安装磁铁，同时，不需要第一及第二磁铁基座30、32，可以减少部件的数目。

这里，优选地，使第一及第二爪状磁极部20、24的内周面与第一及第二永久磁铁31、33之间的间隙51在0.05mm以上，以便不受第一及第二磁极铁心体17、21的工作公差或热位移的影响，进而，不受第一及第二爪状磁极部20、24的振动的影响。借此，第一及第二爪状磁极部20、24的位移不直接传递给第一及第二永久磁铁31、33，可以抑制用烧结体制造的第一及第二永久磁铁31、33产生破裂。

另外，间隙51在磁路上优选不在转子13与定子10之间的空气隙40以上。因此，希望使间隙51比空气隙40窄。从而，可以忽略设置间隙51引起的磁性的影响。

根据上面的描述，从避免磁极铁心的工作公差或热位移以及爪状磁极部的振动的影响、消除磁路上的不当之处的角度出发，如果空气隙40为0.35mm的话，则希望将间隙51设定在0.05mm以上、不足0.35mm。

实施形式4.

在图14中，作为配合凹部的凹槽52沿轴向方向延伸设置在位于第二磁极铁心体21的第二爪状磁极部24之间的第二磁轭部23的外周面。另外，磁铁基座53用S10C等磁性材料制作。该磁铁基座53形成压入保持在凹槽52内的外形形状，进而，在上表面形成有将两个侧壁形成ハ字状的梯形形状的锥形槽54。第二永久磁铁33形成配合到锥形槽54内的截面为梯形的形状。并且，第二永久磁铁33被压入到锥形槽54内，保持在磁铁基座53上。该磁铁基座53被从轴向方向外方压入、保持在凹槽52内。

另外，尽管图中未示出，凹槽52形成在第一磁轭部19的上表面上，磁铁基座53从轴向方向外方压入、保持在凹槽内，进而，第一永久磁铁31被压入保持在磁铁基座53的锥形槽54内。

根据本实施形式4，由于第一及第二永久磁铁31、33被压入保持在磁铁基座53的锥形槽54内，所以，第一及第二永久磁铁31、33在保持在磁铁基座53上的状态下被处理，抑制第一及第二永久磁铁31、33发生破裂及碎片。

另外，由于在第一及第二永久磁铁31、33被保持的状态下，从轴向方向外方将磁铁基座53压入凹槽52，所以，在第一及第二永久磁铁31、33上不施加外力，可以抑制在组装时第一及第二永久磁铁31、33发生破裂及碎片。

另外，由于利用S10C等磁性材料与第一及第二磁极铁心体17、21 独立地制造磁铁基座53，所以，可以提高磁铁基座53的加工精度。因此，由于永久磁铁31、33是烧结体，所以，不能提高加工精度，但是，由于磁铁基座53的加工精度高，所以可以提高永久磁铁31、33与磁铁基座53的配合精度，抑制永久磁铁31、33发生破裂及碎片。另外，由于磁极铁心体17、21在冷锻之后被弯曲加工，所以，为了提高加工精度，需要切削等后续加工。但是，由于磁铁基座53的加工精度高，所以，可以提高磁轭部19、23和磁铁基座53的配合精度。可以省略磁极铁心体17、21的后续加工。

实施形式5.

在该实施形式5中，如图15所示，当使与第一爪状磁极部20对向的第二永久磁铁33的上表面的面积为S1，在通过第二永久磁铁33的上表面的轴向方向最内部、并且与轴16的轴心正交的平面上的第一爪状磁极部20的截面面积为S2时，以满足S1/S2≤1.3的方式制作第二永久磁铁33及第一爪状磁极部20。另外，虽然图中未示出，但当使与第二爪状磁极部24对向的第一永久磁铁31的上表面的面积为S1，在通过第一永久磁铁31的上表面的轴向方向最内部、并且与轴16的轴心正交的平面上的第二爪状磁极部24的截面面积为S2时，以满足S1/S2≤1.3的方式制作第一永久磁铁31及第二爪状磁极部24。另外，其它结构与上述实施形式1的结构一样。

下面。为了便于说明，以第一爪状磁极部20及第二永久磁铁33为例进行说明。

这里，在上述实施形式1中说明的缓和磁饱和的效果，可以通过增大由第二永久磁铁33产生的磁通量而加大。但是，当增大由第二永久磁铁33产生的磁通量时，由于第二永久磁铁33产生的磁通集中在第一爪状磁极部20的前端部，所以，第一爪状磁极部20借助由第二永久磁铁33产生的磁通容易达到磁饱和。当第一爪状磁极部20磁饱和时，从第二永久磁铁33向定子10泄漏的磁通增加。由于若这种漏磁通进入定子10，则将定子线圈12互连，所以，无负荷、无励磁的感应电压变大。

为了避免这种情况，若使第一爪状磁极部20的前端部非常粗，则在转子13的高速旋转时，产生离心力增大，第一爪状磁极部20弯曲成开口状，第一爪状磁极部20的前端部与定子10接触等问题。

这样，为了确保高速旋转时的转子13的耐离心力强度、抑制无负荷、无励磁感应电压的产生，设计第一及第二爪状磁极部20、24的形状变得重要。

其次，对于面积S1、S2与无负荷、无励磁的感应电压的关系进行说明。

通过永久磁铁与爪状磁极部之间的空隙的磁通量φgap用公式(1)表示。

另外，在通过永久磁铁的上表面的轴向方向最内部、并且通过与轴的轴心正交的平面上的爪状磁极部的截面的磁通量φclaw用公式(2)表示。另外，Bgap是空隙部分的磁通密度，Bs是爪状磁极部的饱和磁通密度。

φgap＝Bgap×S1 ...(1)

φclaw＝Bs×S2 ...(2)

这里，若由永久磁铁产生的全部磁通与爪状磁极部互连，则由φgap＝φclaw的关系获得公式(3)。

Bs＝Bgap×(S1/S2) ...(3)

由公式(3)，可以利用Bgap和(S1/S2)规定爪状磁极部是否磁饱和。

例如，当对于永久磁铁采用磁通密度高的钕、铁、硼磁铁或钐钴磁铁等烧结的稀土类磁铁时，这时的Bgap为1.1T左右。另外，为了兼备强度和磁特性，当利用S10C等碳钢作为爪状磁极部时，这时的Bs为1.8T左右。

因此，当(S1/S2)超过1.6左右时，爪状磁极部变成磁饱和状态，爪状磁极部的前端部的磁阻逐渐增加，产生大量的泄漏磁通。实际上，在到达磁饱和之前，无负荷、无励磁的感应电压逐渐增加。

因此，在本发明的结构中，以(S1/S2)作为参数测定无负荷、无励磁的感应电压的结果，示于图16。

从图16可以看出，(S1/S2)变得越大，无负荷、无励磁的感应电压变得越大。当无负荷、无励磁的感应电压超过系统电压时，会损伤车辆设备。并且，在车载电源为12V的系统的情况下，为了避免车辆设备的损伤，有必要将无负荷、无励磁的感应电压抑制在13V以下。

由图16可以看出，通过使(S1/S2)在1.3以下，可以将无负荷、无励磁的感应电压抑制在不会损伤车辆设备的范围内，使发电电流增加得最大。

这样，根据本实施形式5，由于当使与爪状磁极部对向的永久磁铁的上表面的面积为S1，通过永久磁铁的上表面的轴向方向的最内部、并且通过与轴的轴心正交的平面上的爪状磁极部的截面面积为S2时，以满足S1/S2≤1.3的方式制作永久磁铁及爪状磁极部，所以，即使将本结构的车辆用交流发电机应用于车载电源为12V的系统，也可以避免发生损伤车载设备的事故。

另外，在上述各种实施形式中，对于车辆用交流发电机进行了说明，但是，本发明并不局限于车辆用交流发电机，即使应用于车辆用电动机或车辆用发电电动机等旋转电机，也可以获得同样的效果。

另外，在上述各种实施形式中，对于第一及第二永久磁铁31、33位于从径向方向上方将第二及第一爪状磁极部24、20的前端部投影到第一及第二磁轭部19、23上所获得的投影区域内的情况进行了说明，但是，第一及第二永久磁铁31、33并不一定需要位于投影区域内。例如，如果永久磁铁的上表面位于比转子的外表面更靠径向方向内方，则也可以将永久磁铁以从该投影区域向周向方向伸出的方式配置。

Claims

1.一种旋转电机，包括：

转子，所述转子具有磁极铁心以及励磁线圈，所述磁极铁心具有：凸台部、从该凸台部的轴向方向的两端边缘部向径向方向外方延伸设置的一对磁轭部、以及分别从该一对磁轭部的每一个交互地在轴向方向上延伸设置且啮合地沿周向方向排列配置的多个爪状磁极部，并且，所述磁极铁心被固定到插入贯通上述凸台部的轴心位置的轴上；所述励磁线圈被容纳在由上述凸台部、上述一对磁轭部以及上述多个爪状磁极部包围的空间内；

定子，所述定子隔着规定的空气隙围绕上述转子配置，

其特征在于，永久磁铁与上述多个爪状磁极部的每一个的前端侧的内周面对向地保持在上述一对磁轭部侧，

上述永久磁铁的每一个被与上述励磁线圈产生的磁场的方向反向地磁化取向。

2.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，上述永久磁铁的径向方向外周面与对向的上述爪状磁极部的内周面大致平行地形成。

3.如权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，上述永久磁铁的径向方向内周面与对向的上述爪状磁极部的内周面大致平行地形成。

4.如权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，上述永久磁铁的径向方向内周面关于轴向方向形成在与上述轴的轴心平行的面上。

5.如权利要求1至权利要求4中任何一项所述的旋转电机，其特征在于，上述永久磁铁的磁化方向朝向对向的上述爪状磁极部的内周面。

6.如权利要求5所述的旋转电机，其特征在于，上述永久磁铁的磁化方向与对向的上述爪状磁极部的内周面正交。

7.如权利要求5所述的旋转电机，其特征在于，上述永久磁铁的磁化方向，在包含上述轴的轴心的截面上，相对于对向的上述爪状磁极部的内周面的垂线向上述励磁线圈侧倾斜。

8.如权利要求1至权利要求4中任何一项所述的旋转电机，其特征在于，上述永久磁铁与上述爪状磁极部的内壁面的间隙比上述空气隙窄。

9.如权利要求1至权利要求4中任何一项所述的旋转电机，其特征在于，上述永久磁铁位于从径向方向上方将上述爪状磁极部的前端部向上述磁轭部上投影所获得的投影区域内。

10.如权利要求1至权利要求4中任何一项所述的旋转电机，其特征在于，在与上述一对磁轭部的上述多个爪状磁极部对向的每一个部位处，沿轴向方向延伸设置配合凹部，上述永久磁铁被从轴向方向外方压入、保持在上述配合凹部中。

11.如权利要求1至权利要求4中任何一项所述的旋转电机，其特征在于，在与上述一对磁轭部的上述多个爪状磁极部对向的每一个部位处，沿轴向方向延伸设置配合凹部，将由磁性材料构成的磁铁基座从轴向方向外方压入、保持在上述配合凹部中，上述永久磁铁被保持在上述磁铁基座上。

12.如权利要求1至权利要求4中任何一项所述的旋转电机，其特征在于，

上述永久磁铁是烧结的稀土类磁铁，

当使与上述爪状磁极部对向的上述永久磁铁的上表面的面积为S1，使在通过上述永久磁铁的上表面的轴向方向最内部、并且在与上述轴的轴心正交的平面上的上述爪状磁极部的截面面积为S2时，以满足S1/S2≤1.3的方式制作上述永久磁铁及爪状磁极部。