JP2005237107A - 車両用発電電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の爪状磁極の間隙の中で、永久磁石の配置を工夫することにより、発電電力あるいは発生トルクを大きくすることができる車両用発電電動機を得る。
【解決手段】固定子とこの固定子の内側に回転自在に設けられた回転子とで構成され、回転子は、外周側に形成した複数の爪状磁極を互いに噛み合わせて対向配置した一対のポールコアと、ポールコアの周方向の隣り合う爪状磁極６ｂ，７ｂの間に形成される隙間ｂに配置した複数の永久磁石９と、ポールコアの内部に装着した界磁コイルとを備えた発電電動機において、永久磁石９は、隙間ｂの回転方向の中央よりどちらかの爪状磁極側へ偏らせて配置した。
【選択図】図３

Description

この発明は、車両に搭載され、発電機または電動機として機能する車両用発電電動機に関するものである。

従来から、エンジン始動やアイドルストップ時の車載機器駆動とバッテリ充電用発電等の機能を一台の車両用発電電動機で行うことが知られている。そして、この車両用発電電動機として、爪状磁極を有するポールコアに界磁巻線が巻装された界磁回転子を使用する場合は、ポールコアの周方向に隣り合う爪状磁極間に永久磁石を装着する技術が知られている。永久磁石は、爪状磁極間の漏洩磁束と反対方向に着磁されることで、その爪状磁極間の漏洩磁束を低減し、あるいは界磁主磁束による磁気飽和を緩和し、固定子鉄心に磁束を鎖交させて発電またはトルク発生に寄与する有効磁束を増大することにより、発電機および電動機の出力向上を図るものである。
永久磁石を使用した交流発電機として、例えば、回転子のコアを励磁する界磁コイルを備え、コアに配設されたそれぞれが独立した複数個の磁石と、この複数の磁石の間を連結し磁石と共に装着された磁石保持部材とを備え、この磁石保持部材に非磁性体や樹脂等の成型品を用いた技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−４６６１号公報（第２頁、図１−図３）

車両用発電電動機では、発生トルクの向上が課題であり、特に、アイドルストップ機能を目的とする車両用発電電動機では、エンジンスタートのための発生トルク、すなわち電動機の始動トルクを大きくとることが必要である。また、車両用発電電動機では、最近の車載電装品の増加により、発電の出力を大きくすることも必要である。回転子に永久磁石を備えた発電電動機では、使用する永久磁石体積（磁石量）を増やせば、発生トルクおよび発電量は向上する。しかし、永久磁石が高価であり、また、永久磁石体積が増加すると高速回転における遠心力が増大し飛散する恐れがあるので、永久磁石の体積を増やさずに出力を向上できることが望ましい。
上記の従来技術では、複数の永久磁石が保持部材により連結保持されて爪状磁極間に装着されているので、装着の作業性が向上し確実に保持できる効果はある。しかし、永久磁石は爪状磁極間に設けた保持部材の磁石保持部内に隙間なく装着されており、永久磁石の配置を工夫する余地はなく、また、爪状磁極と永久磁石間に隙間がないために、爪状磁極と永久磁石の温度変化による熱膨張の差によって応力が発生する等の不具合が起こる場合がある。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、所定の爪状磁極の隙間の中で、永久磁石の配置を工夫することにより、使用する永久磁石体積を増やすことなく、発電電力あるいは発生トルクを大きくすることができる車両用発電電動機を得ることを目的とする。

この発明に係わる車両用発電電動機は、環状の固定子鉄心に固定子巻線を装着した固定子と、この固定子の内側に回転自在に設けられた回転子とを有し、この回転子は、それぞれの外周側に形成した複数の爪状磁極を互いに噛み合わせて対向配置した一対のポールコアと、ポールコアの周方向の隣り合う爪状磁極間に形成される隙間に配置した複数の永久磁石と、ポールコアの内部に装着した界磁コイルとを備えた車両用発電電動機であって、永久磁石は、隙間の周方向の中央よりどちらかの爪状磁極側へ偏らせて配置したものである。

この発明の車両用発電電動機によれば、回転子の爪状磁極間に配置する永久磁石を、隙間の周方向の中央よりどちらかの爪状磁極側へ偏らせて配置したので、発電電力あるいは発生トルクを大きくすることができる。

実施の形態１．
図１は実施の形態１による車両用発電電動機を示す断面図、図２はその回転子を示す斜視図である。図のように、車両用発電電動機は、内側にスロットが設けられた環状の固定子鉄心１とそのスロットに装着された固定子巻線２とを有する固定子が、ハウジング３の内壁面に固着され、その内側には回転子４がハウジング３に回転自在に支承されて構成されている。

回転子４は、樹脂製のボビンに巻回され電流を流して磁束を発生さす界磁巻線５と、この界磁巻線５を覆うように設けられ、界磁巻線５で発生した磁束によって磁極が形成される一対のポールコア６，７とを備えている。ポールコア６，７は、中心穴が穿設された円筒状の基部６ａ，７ａと、基部６ａ，７ａの外周側に周方向に所定ピッチで設けられた複数の爪状磁極６ｂ，７ｂを備えており、それぞれの爪状磁極６ｂ，７ｂは、軸方向に先細り状に突出するような台形形状に形成されている。そして、この一対のポールコア６，７は爪状磁極６ｂ，７ｂを噛み合わせるように対向させ基部６ａ，７ａの端面同士を突き合わせてシャフト８に圧入して一体化されている。また、周方向の隣り合う爪状磁極６ｂ，７ｂの隙間には、永久磁石９が、爪状磁極６ｂ，７ｂ間に漏洩する磁束を減少する向きに着磁されて装着されている。また、両ポールコア６，７の軸方向の外側端面には冷却ファン１０が固着されている。更に、シャフト８には、界磁巻線５に電流を供給する２個のスリップリング１１が設けられている。上記５〜１１で回転子４を構成する。
この回転子４を外観すれば、図２のように、回転子４の外周を一周して爪状磁極６ｂ，７ｂが交互に所定のピッチで配列されており、その爪状磁極６ｂ，７ｂの隙間に永久磁石９が装着された形状となっている。

ハウジング３内には、一対のブラシ１２がスリップリング１１に摺接するように配設され、また、このブラシ１２と電気的に接続された配線基板１３を備えている。そして、ハウジング３に貫通させて設けられた端子台１４は、配線基板１３および固定子巻線２に電気的に接続されており、外部側は直流交流双方向電力変換器（図示せず）に接続されるようになっている。
更に、シャフト８の一端にはタイミングベルト（図示せず）を懸架するプーリ１５が締結されており、他端側にはセンサ１６が設けられている。このセンサ部はハウジング３に設けられたフード１７内に収納されている。

このように構成された車両用発電電動機では、例えば発電機として使用する場合は、電流がバッテリ(図示せず）からブラシ１２およびスリップリング１１を介して界磁巻線５に供給されて磁束が発生する。この磁束により、一対のポールコア６，７の一方のポールコアの爪状磁極がＮ極に磁化され、他方のポールコアの爪状磁極がＳ極に磁化される。一方、エンジン等の外部からの回転トルクがタイミングベルト（図示せず）およびプーリ１５を介してシャフト８に伝達されて回転子４が回転する。これにより、固定子巻線２に回転磁界が与えられ、起電力が発生する。この交流の起電力が端子台１４を介し外部に引き出されるように構成されている。

このとき、界磁巻線５で発生した磁束の多くは、Ｎ極に磁化された一方のポールコア（例えば７）の爪状磁極７ｂから固定子鉄心１に入り、固定子鉄心１の内部を通ってＳ極に磁化されたポールコア６の爪状磁極６ｂからポールコアの内部に入り、再びポールコア７の爪状磁極７ｂから固定子鉄１心に入る閉回路を構成している。この時、爪状磁極６ｂ，７ｂ間を漏洩する磁束が永久磁石９により低減されるようになっているので、これにより、発電に寄与しない無効磁束が減少し、発電効率が高められる。

さて、実施の形態１の発明の特徴とするところは、永久磁石９の配置の仕方である。図３は実施の形態１による車両用発電電動機の、回転子に設けた永久磁石の配置を示す図である。図の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａから見た断面図を示す。図に示すように、爪状磁極６ｂ，７ｂの隙間に配置する永久磁石９を、隙間の周方向の中央よりどちらかの爪状磁極側に偏らせて配置したものである。つまり、永久磁石９と爪状磁極６ｂ側または７ｂ側との微少間隙が非対称になるように配置したものである。図ではＮ極の爪状磁極７ｂ側に偏在させた場合を示しているが、偏在させる側はどちらの爪状磁極側でもよく、また、常に同磁極側である必要はなく、Ｎ極側，Ｓ極側と交互に偏在させても良い。また、偏在させる側は、回転方法に対し同方向側でも反対方向側でも良い。
なお、永久磁石９の幅（周方向寸法）は、永久磁石９を保持・固定するための工作上の余裕や冷却等を考慮して爪状磁極６ｂ，７ｂの隙間より狭くする必要があり、この差が上記の微少間隙である。

以下この作用について説明する。図４は、車両用発電電動機を発電機として使用する場合の、三次元磁界解析により求めた永久磁石の爪状磁極間における位置と発電電力の関係を示す図である。縦軸は発電電力、横軸は「両側隙間の和」に対する「片側隙間」の割合を示している。「片側隙間」とは一方の爪状磁極の側面を基点にし、その側面から永久磁石９の側面までの距離のことである。図３（ａ）により説明すると、永久磁石９の幅をａ、爪状磁極６ｂと７ｂとの隙間をｂ、爪状磁極６ｂと永久磁石９の隙間をｘとすれば、爪状磁極６ｂの右側の側面を基点として、「片側隙間」はｘ、「両側隙間の和」は（ｂ−ａ）である。従って、横軸はｘ／（ｂ−ａ）を表している。永久磁石９を爪状磁極６ｂ，７ｂのちょうど中央に配置した場合、「片側隙間」ｘは「両側隙間の和」（ｂ−ａ）の１／２となるので横軸の値は０．５となる。爪状磁極６ｂ側に目一杯偏らせた場合はｘは０なので横軸の値は０である。爪状磁極７ｂ側に目一杯偏らせた場合はｘは（ｂ−ａ）と等しくなるので横軸の値は１となる。この横軸の値に対し、グラフから発電電力を読みとれば、永久磁石９の位置に対する発電電力が分かる。グラフから明らかなように、永久磁石９が爪状磁極隙６ｂ，７ｂの中央位置の場合に発電電力が一番少なく、左右いずれの爪状磁極側に寄せれば寄せるほど発電電力が増加することが分かる。なお、縦軸は理解しやすいように発電電力の変化の割合を拡大表示している。以上から、永久磁石９を両爪状磁極６ｂと７ｂの隙間の中央からずらし、偏在させて配置することの有効性がわかる。

図３では永久磁石を爪状磁極間の隙間内でいすれかの爪状磁極側に偏らせて配置した場合を示した。このような配置では永久磁石の両側と爪状磁極間に空気層が存在するので、この空気層が冷却に寄与し、運転時の永久磁石の温度上昇が低減できる。冷却の観点からすれば、永久磁石の両側に空気層が存在するのが望ましい。しかしながら、図４から分かるように、永久磁石を目一杯偏らせ、いずれかの爪状磁極に当接させた方が、発電電力が大きくなる。

図５は実施の形態１による車両用発電電動機の、回転子に設けた永久磁石の配置の他の例を示す図ある。図の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂから見た断面図を示す。永久磁石９は目一杯偏らせ爪状磁極７ｂの側面に当接させている。永久磁石９を保持する保持部部材１８は、例えばステンレス製の薄板の両端をそれぞれコの字状に折り曲げて形成し、このコの字状の翼部１８ａと平坦部１８ｂとを備えている。取付は、まず翼部１８ａに永久磁石９を接着剤で固定し、次に平坦部１８ｂに接着剤を塗布して爪状磁極の裏面に固着させる。
永久磁石９を当接させる周方向の位置は、図のようなＮ極の両側面の場合以外に、Ｓ極の両側面でも良く、また、それぞれの磁極の１側面にのみ当接させても良い。図５のように一方のポールコアの爪状磁極の両側面に当接させた場合は、保持部材１８も一方のポールコアの爪状磁極のみに取り付ければ良く、取付作業が簡単となる。
なお、前述の図３では保持部材を示さなかったが、図５の保持部材１８に準じて、平坦部１８ｂ少し長くすれば良い。
また、保持部材１８を省略し接着剤で直接爪状磁極に貼り付けて固着させても良い。

以上までは、永久磁石の両側または片側が空気層の場合であった。空気層とすれば冷却効果は期待できる。しかしながら、回転子が高速回転になると遠心力が増大し、永久磁石に対し加振力が発生する。また、稼働中に固定子鉄心と爪状磁極間に発生する磁気吸引力が時間と共に連続的に変化し、磁気吸引力が揺動力として爪状磁極に作用し、振動や騒音の原因となる場合がある。従って、冷却効果より振動抑制効果を重視した場合の永久磁石の保持方法について説明する。

図６は実施の形態１による車両用発電電動機の、回転子に設けた永久磁石の配置の別の例を示す図ある。図の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃから見た断面図を示す。図のように、永久磁石の両側と爪状磁極との間に形成される微少間隙の内の大きい方の間隙に樹脂層１９を介装している。（なお、永久磁石を爪状磁極に当接させた場合は小さい方の間隙は０である。）樹脂層１９はエポキシ樹脂等であり、この樹脂を充填したり、永久磁石に塗布して挿入したり、また樹脂シートを張り付けて装着するなどの方法で介装すれば良い。なお、図では保持部材１８と共に使用する場合を示しているが、樹脂層のみとしても良い。また、永久磁石９の周方向の配置位置は図５で説明した場合と同様であり、本図に限定するものではない。

更に、振動対策を施した保持方法を示す。図７は回転子の永久磁石の保持方法を示す図である。図の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄから見た断面図を示す。図のように、爪状磁極の少なくとも片側に、永久磁石９が回転子の径方向へ移動するのを規制する鍔部２０を設けている。永久磁石９は保持部部材２１によっても保持されている。保持部部材２１は、例えばステンレス製の薄板の片側をコの字状に折り曲げて翼部２１ａを形成する。翼部２１ａに永久磁石９を挿入し接着剤で固定し、中央の平坦部２１ｂにも接着剤を塗布して爪状磁極６ｂおよび７ｂの裏面に固着させる。これにより、稼働時に遠心力で永久磁石９が径方向に移動するのを規制できる。
なお、保持部材２１を省略し、永久磁石９は接着剤で爪状磁石の側面に固着しても良い。また、永久磁石９の周方向の配置位置は図５で説明した場合と同様であり、本図に限定するものではない。

以上のように、本実施の形態の発明によれば、回転子の爪状磁極間に形成される隙間に装着する永久磁石を、隙間の周方向の中央よりどちらかの爪状磁極側へ偏らせて配置したので、発電電動機を発電機として使用する場合は、発電時の有効磁束を増加させることができ、発電出力が向上する。

また、永久磁石の片側の面を隣り合う爪状磁極のいずれか一方の爪状磁極の側面に当接させたので、発電電動機を発電機として使用する場合は、所定の爪状磁極の隙間の中での永久磁石の配置において、発電出力を最大限に引き出すことができる。

また、一対のポールコアの内の片方のポールコアの両側に永久磁石を当接させたることにより、永久磁石を装着するポールコアが片方だけで済むので、発電電動機の組立過程に置いて、磁石装着工程が簡略になり工作の作業性が上がる。また、保持部材の数を減らせるのでコスト低減ができる。

また、永久磁石を保持部材によって爪状磁極に固着したので、永久磁石を確実に保持でき、回転子の高速運転時の遠心力による磁石の飛散を防止できる。

また、爪状磁極と永久磁石との間に形成される微少間隙の内の大きい方の間隙は空気層としたことにより、永久磁石の放熱面積が増加し、また間隙を通る空気の流れができるので、爪状磁極および永久磁石の温度上昇を抑制できる。このため、永久磁石の磁束量の温度勾配が負の場合は温度低減による出力向上も期待でき、また、永久磁石の温度上昇による不可逆減磁も防ぐことができる。更に、ポールコア全体の温度を下げることができるので、界磁巻線を巻回するボビンに使用される樹脂材料の熱害を防ぐことができる。

また、爪状磁極と永久磁石との間に形成される微少間隙の内の大きい方の間隙に樹脂層を介装したことにより、永久磁石が固定されて、加振力発生時の振動を抑制できるので、騒音を低減することができる。

更にまた、爪状磁極に永久磁石の外径側への移動を規制する鍔部を設けたので、回転子の高速回転時の遠心力による永久磁石の飛散を防止できる。

実施の形態２．
図８は実施の形態２による車両用発電電動機の、回転子に設けた永久磁石の配置を示す図ある。図の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅから見た断面図を示す。車両用発電電動機全体の構成は実施の形態１で説明した図１と、また回転子の構成は実施の形態１の図２と同等なので、それらの構成部品と動作の説明は省略する。本実施の形態は車両用発電電動機を電動機として使用する場合の例である。実施の形態１と同様に永久磁石９は隣り合う爪状磁極６ｂ、７ｂの隙間の周方向の中央より片方の爪状磁極側へ偏在させて当接させるが、本実施の形態の発明では、偏在させて当接させる周方向の位置に特徴を有している。すなわち、永久磁石を当接させる周方向の位置は、回転子の回転方向と反対側の爪状磁極の側面とするものである。保持部材２１は実施の形態１の図７で説明したものと同等である。

次に作用について説明する。図９は車両用発電電動機を電動機として使用する場合において、三次元磁界解析により求めたトルクと永久磁石の配置位置との関係を示す図である。図の縦軸はトルクである。図の横軸は、隣り合う爪状磁極の周方向の中央に永久磁石を配置した場合を０とし、爪状磁極の回転方向側の側（進み側と称す）へ偏在させるほどマイナスで表し、進み側の側面に当接させた場合を−１とし、爪状磁極の回転方向の反対側の側面（遅れ側と称す）に偏在させるほどプラスで表し、遅れ側の側面に当接させた場合を１として表示している。図から明らかなように、永久磁石９を爪状磁極の遅れ側に当接させたときトルクが一番大きくなる。そこで、本実施の形態では、図８に示すように、永久磁石９を爪状磁極６ｂ、７ｂの遅れ側に当接させて装着したものである。

永久磁石の保持方法は実施の形態１と同様に、保持部材で保持したり、接着剤で接着させたりする方法を適用する。また、爪状磁極に永久磁石の外径側への移動を規制する鍔部を設けても良い。更に、永久磁石と爪状磁極との間の微少間隙は、実施の形態１と同様に、冷却効果をねらう場合は空気層とし、振動防止に重点を置く場合は樹脂層とすればよい。

以上のように、本実施の形態の発明によれば、永久磁石を当接させる周方向の位置を、回転子の回転方向と反対側の爪状磁極の側面としたので、電動機として使用する場合の発生トルクを大きくすることができる。

回転子の磁極間に永久磁石を介装して構成する車両用発電電動機に利用して効果を上げることができる。

実施の形態１による車両用発電電動機を示す断面図である。 図１の車両用発電電動機の回転子を示す斜視図である。 実施の形態１による車両用発電電動機の、回転子に設けた永久磁石の配置を示す図である。 実施の形態１による車両用発電電動機の、回転子に設けた永久磁石の爪状磁極間における位置と発電電力との関係を示す図である。 実施の形態１による車両用発電電動機の、回転子に設けた永久磁石の配置の他の例を示す図ある。 実施の形態１による車両用発電電動機の、回転子に設けた永久磁石の配置の別の例を示す図ある。 実施の形態１による車両用発電電動機の、回転子に設けた永久磁石の保持方法を示す図である。 実施の形態２による車両用発電電動機の、回転子に設けた永久磁石の配置を示す図ある。 実施の形態２による車両用発電電動機の、トルクと永久磁石の配置位置との関係を示す図である。

符号の説明

１ 固定子鉄心 ２ 固定子巻線
４ 回転子 ５ 界磁巻線
６，７ ポールコア ６ｂ，７ｂ 爪状磁極
９ 永久磁石 １８，２１ 保持部材
１９ 樹脂層 ２０ 鍔部。

Claims (8)

1. 環状の固定子鉄心に固定子巻線を装着した固定子と、この固定子の内側に回転自在に設けられた回転子とを有し、上記回転子は、それぞれの外周側に形成した複数の爪状磁極を互いに噛み合わせて対向配置した一対のポールコアと、上記ポールコアの周方向の隣り合う上記爪状磁極間に形成される隙間に配置した複数の永久磁石と、上記ポールコアの内部に装着した界磁コイルとを備えた車両用発電電動機において、上記永久磁石は、上記隙間の周方向の中央よりどちらかの爪状磁極側へ偏らせて配置したことを特徴とする車両用発電電動機。
2. 請求項１記載の車両用発電電動機において、上記永久磁石を、偏らせた側の上記爪状磁極の側面に当接させたことを特徴とする車両用発電電動機。
3. 請求項２記載の車両用発電電動機において、上記永久磁石を当接させる周方向の位置は、上記一対のポールコアの内のいずれか一方のポールコアの上記爪状磁極の両側面であることを特徴とする車両用発電電動機。
4. 請求項２記載の車両用発電電動機において、上記永久磁石を当接させる周方向の位置は、上記回転子の回転方向と反対側の上記爪状磁極の側面であることを特徴とする車両用発電電動機。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の車両用発電電動機において、上記永久磁石は保持部材により上記爪状磁極に保持したことを特徴とする車両用発電電動機。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の車両用発電電動機において、上記爪状磁極と上記永久磁石との間に形成される微少間隙の内の大きい方の間隙は空気層であることを特徴とする車両用発電電動機。
7. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の車両用発電電動機において、上記爪状磁極と上記永久磁石との間に形成される微少間隙の内の大きい方の間隙に樹脂層を介装したことを特徴とする車両用発電電動機。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の車両用発電電動機において、上記爪状磁極に上記永久磁石の外径側への移動を規制する鍔部を設けたことを特徴とする車両用発電電動機。

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