JP2004129491A - 高電力密度オールタネータボビン - Google Patents

Abstract

【課題】　主として自動車に使用されるオールタネータの回転子用ボビンを改善する。
【解決手段】　回転子用ボビンを３片構造とし、熱伝達を大きくし、コイルの空間占有率を大きくし、従ってオールタネータの電力密度を大きくすることを可能にする。好ましくは、この３片アセンブリは、射出成形されたプラスチックコアと、良好な耐裂断性を有するラミネートで作られた１対の対向エンドキャップとを含む。
【選択図】　　　図２

Description

　本発明は、一般的にはオールタネータ（交流発電機）の回転子に関し、特定的にはこれら回転子内に使用されるボビンに関する。

　現在走行している自動車（ビークル）の大半は、“爪形（クロウ）磁極”回転子としても知られているルンデル形回転子を含むフロントエンドアクセサリ駆動オールタネータを使用している。回転子はオールタネータの磁場を作り、マシン内部で回転する。回転子は、電気的に絶縁されたボビンの周囲に巻かれた複数の絶縁銅線で作られているフィールドコイルを含んでいる。ボビンは鋼製ハブを取り囲み、またフィールドコイルを鋼製磁極片から絶縁している。磁極片は、フィールドコイルを挟みつけてＮ極及びＳ極を形成する。フィールドコイルが付勢され、電線に電流が流れると磁場が発生する。

　回転子が発生する磁場の強さは、オールタネータが自動車システムへ供給出来る電力の量に比例する。磁場の強さは、コイルのサイズを大きくすることによって、または巻線を流れる磁場電流を大きくすることによって増加する。しかしながら、フィールドコイル内の電流を増加させると、式Ｐ＝Ｉ²Ｒに従って、熱の形状の電力消散が電流の自乗で増加する（但し、Ｐは熱としての電力消散であり、Ｉは電流であり、そしてＲはコイルの抵抗である）。

　従って、熱くなったフィールドコイル銅巻線から可能な限り多くの熱を消散させることが重要である。熱は、比較的冷たい鋼製磁極片へ消散させることが好ましい。更に、フィールドコイルの空間量を最大にすることによって、電線の巻き付け数（巻回）を増加させることができ、より大きい磁場を、従ってより大きい出力電力を発生することができる。

　１つの型の回転子は、鋼製のコアを磁極片内に組み入れている。即ち、各磁極片は鋼製の中心ハブの半分と、単一の向かい合わせ接触領域とを含む。また、ボビンは、ナイロン６−６のようなプラスチック材料を射出成形して作ることができる。ナイロンは、磁極をボビン上に組み立てる時に、エンドキャップフラップを折り返すことができるという柔軟性を有している。不幸にも、この設計は欠陥を有している。詳述すれば、ボビンのエンドキャップ全体が柔らかいポリマー材料で作られているために柔軟であり、この材料はボビンを磁極片間に嵌合させる時に生ずる多くの接触力に耐えることができない。更に、ボビンを射出成形するには、ボビンの材料厚をかなり大きくする必要がある。厚い材料は熱の消散を抑え、またフィールドコイルのために利用できる空間を減少させる。ボビンを成形するには合理的なサイクル時間内に溶融プラスチックを充填させなければならないから、薄いボビンを形成させることができない。

　従って、オールタネータ用回転子、及びフィールドコイルのための利用可能空間を最大にし、オールタネータの電力密度を増加させるために熱の消散を増加させ、そしてフィールドコイルと磁極片との間に加わり得る接触力の量を改善するボビンに対する要望が存在している。

　本発明は、極めて薄く作ることができるボビンと、極めて耐久性のある材料で作ることができるエンドキャップとを提供する。ボビンのサイズを小さくしたので、フィールドコイルのためにより大きい空間を設けることができ、従って磁界の強さをより大きくすることができる。更に、熱い銅線から冷たい鋼製コアへの熱伝達を増加させる。また、エンドキャップが強いために、フィールドコイルと磁極片との間に加わる接触力を増加させ、フィールドコイルの空間占有率を増加させ、そして電線と磁極片との間の熱伝達を増加させることができる。

　図１に、本発明に従って作られたボビン５０を有する組み立て済みの回転子２０を示してある。一般的に言えば、回転子は回転子の中心を通過する中心軸を限定しているシャフト２２を含み、シャフト２２は回転子２０に電力を供給するためのスリップリングアセンブリ２４を含んでいる。回転子は更に、第１の（即ち、前側）磁極２６と、第２の（即ち、後側）磁極２８とを含む。これらの対向する磁極２６、２８は各々複数の指２７、２９を含んでいる。これらの指は、磁極２６、２８の周縁の周りに等間隔に離間している。指２７、２９は、磁極２６、２９の主ボディ２６ａ、２８ａから横方向に支えられ、従って軸方向に伸びている。従って、指２７、２９は、回転子２０を組み立てた時に互いに対面する。従って、回転子２０の周縁側面２５は、前側磁極２６の指２７と後側磁極２８の指２９との間を交互する。

　磁極２６、２８は、それらの間にコイルアセンブリ３０を包み込むために使用される。コイルアセンブリは、２本のリード３２を含んでいる。これらのリード３２は、後側磁極の主ボディの外面に沿うスロット内を伸びて、内部的にスリップリングアセンブリ２４に接続される。リード３２は、絶縁物３３でカバーされた電線３１を含んでいる。スリップリングアセンブリ２４及びリード３２を介してコイル３０に給電すると磁場が生成され、この磁場は回転子アセンブリ２０全体がシャフト２２を介してオールタネータ内で回転すると磁極片２６、２８を通って流れる。

　以下に、回転子２０の一部分を分解図で示す図２を参照して回転子アセンブリ２０の構造を更に詳細に説明する。フィールドコイル３０（塊りとして示してあるが、コイルに巻かれていることを理解されたい）は、新しい構造を有するボビン５０（図３）の周りに巻かれている。詳述すれば、ボビン５０は３片構造であり、熱消散を高め、且つ回転子２０の電力密度を増加させることができる構造になっている。簡単に言えば、ボビン５０は極めて薄くすることができ、そのエンドキャップは極めて耐久的な材料で作ることができる。ボビンはサイズが小さいので、フィールドコイルのための空間がより大きくなり、従って磁場の強さがより大きくなる。更に、熱い銅線から冷たい鋼製コアまでの熱伝達が増加する。また、エンドキャップを強くしたために、フィールドコイルと磁極片との間に加わる接触力を増加させることができ、フィールドコイルの空間占有率を増加させることができ、そして電線と磁極片との間の熱伝達を増加させることができる。

　ボビン５０は、第１のエンドキャップ５２及び第２のエンドキャップ５４を含む。以下に詳述するように、これらのエンドキャップ５２、５４はシリンダ（またはシリンダコア）６０の両端に取り付けられる。シリンダ６０は中空形状であり、プラスチック、好ましくはナイロン６−６のような強化プラスチックで作られる。他のポリマーに置換しても、同等に動作させることができる。シリンダ６０の両端６１、６３から複数の突起６２が突き出ている。

　エンドキャップ５２、５４は別々に形成されるから、溶融プラスチックをモールド内の遠くまで流す必要がなく、シリンダ６０は極めて薄く成形することができる。好ましくは、コアは0.5ｍｍより薄い壁厚に成形する。しかしながら、当業者ならば、壁厚をより大きくしても同じように動作することが理解されよう。それでも、フィールドコイル３０のための空間量を増加させ、且つ熱いフィールドコイル３０の電線から各磁極片２６、２８の中心鋼製ハブ（図６にその１つを図６に示し、番号４６を付してある）までの熱伝達を改善するために、シリンダコア６０は可能な限り薄く作ることが望ましい。

　更に、シリンダ６０を射出成形することによって、シリンダコア６０の外面上に複数の溝６４を形成することができる。これらの溝６４は、フィールドコイル３０を巻線する際に電線の第１層を案内するのを援助する。これは、第１層を適切に離間させるのを援助することによって次の層も適切に離間させることを可能にするので、巻線の質を改善する。これにより制限された空間内のコイルの巻線密度が最大になり、空隙が最小になる。シリンダコア６０は、成形した平坦なプラスチックのシートを丸め、両端を互いに縫合せモールドして作ることもできる。同様に、他の全ての型のプラスチック溶接も適用することができる。

　エンドキャップ５２、５４は、ポリエステルとノーメックス（登録商標）材料の組合わせからなるラミネートシート構造で作ることが好ましい。しかしながら、例えば紙ラミネートのような他の多くのラミネートも適切である。また、型抜きした、または成形したポリマーのエンドキャップも使用することができる。それでも、ラミネート構造は裂断及び刺し傷に耐える能力があることから好ましい。即ち、典型的にラミネートは、対照的な熱可塑性ポリマーよりも高い裂断強度を呈する。そのため、フィールドコイル３０をより大きい力で磁極片２６、２８間に“詰め込む”ことが可能になり、接触面積及び接触力が増加するために熱伝達を増加させることができる。更に、フィールドコイル３０を磁極片２６、２８間に挟みつける、または詰め込む時にコイル３０のサイズが減少するから、フィールドコイル３０内により多くの電線を巻くことができる。

　各エンドキャップ５２、５４は、半径方向外向きに突き出た複数のフラップ５３、５５をそれぞれ含んでおり、これらのフラップはエンドキャップ５２、５４の周りに等間隔に配置されている。フラップ５３、５５は、磁極片２６、２８の指２７、２９と一致するような数であり、サイズであり、そして構造である。エンドキャップ５２、５４の外縁上のフラップ５３、５５を除去することも、または形状及びサイズを変更することも可能であることは理解されよう。各エンドキャップ５２、５４は、各エンドキャップ５２、５４内に形成されている中心開口５６、５８（図２）の内縁の周りに、円周方向に離間した複数の開口５９を更に含んでいる。中心開口５６、５８は、中空シリンダ６０と一致するサイズである。エンドキャップ５２、５４の少なくとも一方は、前述したように、巻始めリード３２を案内するための小さいスロット３６（図３）を含んでいる。

　ボビン５０を組み立てるためには、端６１、６３から軸方向に伸びている突起６２を、エンドキャップ５２、５４内に形成されている開口５９を通して配置し、エンドキャップ５２、５４をシリンダコア６０の両端６１、６３（図２）に取り付ける。次に、突起６２を超音波、熱、その他によってステーキダウンして変形させ、図４に示すようにエンドキャップ５２、５４上にマッシュルーム形ドームを形成させる。プラスチックコア６０の突起をエンドキャップ５２、５４上にステーキする代わりに、別の接続手段を使用することもできる。例えば、接着剤を用いてエンドキャップ５２、５４をシリンダ６０の端６１、６３上に取り付けることができる。更に、エンドキャップをポリマーで作り、シリンダ６０上に超音波溶接または摩擦（スピン）溶接することもできる。シリンダコア６０及びエンドキャップ５２、５４の材料に依存して、多くのステーキング、溶接、曲げ、または接着技術を使用できることが理解されよう。最後に、スナップ、ピン、雄・雌コネクタ等のような多くの異なるファスナを使用して、エンドキャップ５２、５４をシリンダ６０へ接続することもできる。

　スロット３６の１つ内に巻始めリード３２を位置決めした後に、図３に示すように組み立てられたボビン５０上に絶縁された銅線を巻き、図４に示すようにフィールドコイル３０を作る。図３及び図４に示すように、コイル３０の巻終わりリード３２は、エンドキャップ５２のスロット内の巻始めリード３２とは反対側から引き出される。コイルをボビン５０上に完全に巻き終わった後に、エンドキャップ５２、５４をフィールドコイル３０の外径上に折り曲げる。詳述すれば、図５に示すように、複数の各フラップ５３、５５をフィールドコイル３０の外面上に折り曲げ、テープ４０の層を巻き付ける。テープ４０は、第１のエンドキャップ５２のフラップ５３を、第２のエンドキャップ５４のフラップ５５に接続する。フラップ５３、５５及びテープ４０は、フィールドコイル３０のほぐれを防ぐ。更に、エンドキャップ５２、５４をフラップ５３、５５及びテープ４０によって互いに接続することによって、フィールドコイル３０が薄いエンドキャップ側壁を破ってコイル３０を膨らませる、または垂れさせることが防がれる。組み立て中にコイルを磁極２６、２８間に挟みつける能力を改善するためには、巻かれたフィールドコイルの電線層がその形状を維持することが望ましい。当業者ならば、エンドキャップのフラップ５３、５５をテーピングするステップを排除しても差し支えないことが理解されよう。

　コイル３０の巻始め及び巻終わりリード３２の電線３１の周りを絶縁物層３３でスリーブし、リード３２が鋼製磁極片２６、２８と電気的に短絡するのを防ぐ。次いで、図６に示すように、ボビン５０及びコイル３０のアセンブリを一方の磁極（例えば、磁極２６）の中心ハブ４６上に圧入する。次に、図６に示すように、反対側の磁極２８及びそのハブ（図示してない）をアセンブリ上に圧入し、各磁極ハブ４６の面を互いに接触させる。次に、磁極２６、２８内に限定されている孔を通してシャフト２２を圧入し、図１に示すようにそれらを互いに接触させるように維持する。

　以上のように、本発明は、ボビン５０を３片構造にしたことによってシリンダコアを極めて薄くすることを可能にし、またボビンのエンドキャップを極めて薄い耐久性材料で作ることを可能にした。ボビンのサイズを縮小したことから、フィールドコイル３０のための空間が大きくなり、従って磁場の強さが大きくなる。更に、シリンダ６０を成形することによってコアの外径上に巻線案内用の溝を形成することができ、巻線の成層を容易にすることによってフィールドコイルの空間占有率を更に増加させることができる。また、強いラミネートエンドキャップは組み立て中の裂断に耐えるから、対向する磁極２６、２８によってフィールドコイル３０内のボビン５０に加えられる接触力を増加させることができ、組み立てプロセス中に銅線を互いに詰め合うことができるから磁極内のフィールドコイルの空間占有率を増加させることができる。更にまた、接触面積及び接触力が増加することによって、コイル巻線と鋼製磁極片との間の熱伝達が増加する。これらの特色の故に、磁場が、従ってオールタネータの電力密度もまた増加する。シリンダが極めて薄い（典型的には0.2乃至0.3ｍｍ程度）から、熱い銅線から冷たい鋼製コア及び磁極への熱伝達が大幅に増加する。また、溶融プラスチックを遠方まで流す必要はなく、またそれは迅速に凝固するので、ボビンの製造時間が短縮される。最後に、各磁極片内に一体に形成された内側鋼製コアを有する磁極片を利用する能力も、磁場及びオールタネータの電力密度の増加に役立っている。

　以上の本発明の種々の実施例の説明は、単なる例示に過ぎない。この説明が本発明を精密にこれらの実施例に限定するものではない。以上の教示から、種々の変更または変化を考案できよう。上述した実施例は、本発明の原理及びその実際の応用を最良に例示するために選択され、説明されたものであり、当業者ならば、種々の実施例内に、そして計画された特定の用途に適するように種々の変更を施して本発明を利用することが可能であろう。これらの変更及び変化の全ては、特許請求の範囲内にあるものと理解されたい。

本発明により製造されたボビンを有する回転子の一実施例の斜視図である。 ボビンアセンブリ及びフィールドコイルの構造を示す分解図である。 ボビンアセンブリの斜視図である。 フィールドコイルを取り付けたボビンアセンブリの斜視図である。 組み立てられたボビンアセンブリ及びフィールドコイルの斜視図である。 ボビンアセンブリ及び磁極片上に取り付けられたコイルの斜視図である。

符号の説明

２０　　回転子
２２　　シャフト
２４　　スリップリングアセンブリ
２５　　回転子の周縁側面
２６　　第１（前側）磁極
２７、２８　　指
２８　　第２（後側）磁極
３０　　コイルアセンブリ
３１　　電線（巻線）
３２　　リード
３３　　絶縁物
３６　　スロット
４０　　テープ
４６　　中心ハブ
５０　　ボビン
５２　　第１のエンドキャップ
５３、５５　　フラップ
５４　　第２のエンドキャップ
５６、５８　　中心開口
５９　　開口
６０　　シリンダ（もしくは、シリンダコア）
６１、６３　　シリンダの端
６２　　突起
６４　　溝

Claims (2)

1. 　磁束を生成するためのフィールドコイルと、上記磁束を案内するために上記フィールドコイルを挟みつけている１対の対向する磁極片とを含む回転子用のボビンであって、上記ボビンは上記フィールドコイルと上記各磁極片との間に挿入されていて上記フィールドコイルを電気的に絶縁するようになっている上記回転子用ボビンにおいて、
   　第１の端及び第２の端を有し、0.1ｍｍ乃至0.5ｍｍの範囲の厚みを有する中空シリンダと、
   　上記シリンダの上記第１の端に取り付けられている第１のエンドキャップと、
   　上記シリンダの上記第２の端に取り付けられている第２のエンドキャップと、
   を有することを特徴とするボビン。
2. 　上記シリンダは、プラスチックで作られていることを特徴とする請求項１に記載のボビン。

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