JP2006280087A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】鍔部４１からの漏れ磁束を少なくして、性能向上を図ると共に、磁気音を低減できる回転電機を提供する。
【解決手段】ポールコア４の鍔部４１は、軸方向の中央部より両側に周方向へ突き出る突出部４２が設けられて、軸方向の中央部より両側の方が周方向の寸法が大きく形成されている。また、突出部４２の内周面は、ヨークの中心より反鍔部側にオフセットした位置に中心を有する円周形状に沿って形成されている。従って、突出部４２と電機子２との間に形成されるエアギャップは、突出部４２の周方向外側に向かって徐々に大きくなり、突出部４２を除く鍔部４１と電機子２との間に形成されるエアギャップより大きく設定されている。
これにより、界磁コイルの占積率が向上して、モータ効率が改善されると共に、突出部４２から漏洩する磁束を少なくできるので、出力向上を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、界磁コイルを有する回転電機に係わり、特にポールコアの形状に関する。

従来、界磁コイルを有する回転電機では、界磁コイルが巻線されるポールコアの幅（図８に示す鍔部１１０の幅Ａ）を決定する際に、（ａ）界磁コイルをヨークとの間に挟み込んで保持するのに必要な幅、（ｂ）磁気回路から計算される最適な幅の二点が考慮される。しかし、（ｂ）の要因によって決めると、界磁コイルを保持するのに必要なポールコア幅が得られない場合が多いため、実際には、上記（ａ）の要因によって決められることが多い。この場合、実際のポールアングルが理想のポールアングルより大きくなるため、鍔部からの漏れ磁束が増大して、性能及び整流作用が悪くなる問題があった。

そこで、特許文献１では、図８に示す様に、ポールコア１００の鍔部１１０に凹部１２０を設けて、鍔部１１０の断面積を円周方向に変化させることで、鍔部１１０からの漏れ磁束を低減する技術が提案されている。この公知技術によれば、界磁コイルを保持するのに必要なポールコア幅Ａを確保しながら、鍔部１１０に凹部１２０を形成したことにより、ポールコア１００の磁束分布が連続的に変化するため、ブラシの整流作用が改善されて、モータ回転数の増加、およびブラシ寿命の向上を図ることができるとある。
特公平２−４７１９１号公報

ところが、特許文献１に記載されたポールコア１００は、実際のポールアングルが理想のポールアングルより大きくなることに変わりはなく、その結果、磁気音が大きくなるという問題があった。また、ポールアングルが大きくなると、鍔部１１０から漏洩する磁束が増えるため、鍔部１１０に凹部１２０を形成したことによって漏れ磁束を低減できる効果はさほど大きくはなく、更なる性能向上が望まれている。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、鍔部からの漏れ磁束を少なくして、性能向上を図ると共に、磁気音を低減できる回転電機を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明の回転電機は、磁気回路を形成するヨークの内周に固定されるポールコアと、このポールコアに巻線される界磁コイルと、ポールコアの内側に回転自在に配置される電機子とを備え、ポールコアは、界磁コイルが巻き付けられるボス部と、このボス部の径方向反ヨーク側に設けられて、ヨークとの間に界磁コイルを保持すると共に、電機子との間にエアギャップを形成する鍔部とを有している。
鍔部は、軸方向の中央部より両側に周方向へ突き出る突出部が設けられて、軸方向の中央部より両側の方が周方向に大きく形成されており、且つ、突出部と電機子との間に形成されるエアギャップが、突出部を除く鍔部と電機子との間に形成されるエアギャップより大きく設定されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、鍔部の軸方向両側に周方向へ突き出る突出部を設けたことで、界磁コイルの占積率が向上して、効率が上がることにより、出力向上を図ることが可能である。また、突出部は、電機子との間に形成されるエアギャップが、突出部を除く鍔部と電機子との間に形成されるエアギャップより大きく設定されるため、突出部から漏洩する磁束を少なくできる。これにより、ポールコアから電機子に流れる有効磁束が増加することで、性能向上を実現できる。
更に、鍔部の軸方向中央部が両側より周方向の寸法が短く形成される、すなわち鍔部の周方向端部が凹凸状に形成されることで、ポールコアの磁束分布が連続的に変化するため、ブラシの整流作用が改善されて、モータ回転数の増加、およびブラシ寿命の向上を図ることが可能である。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した回転電機において、突出部と電機子との間に形成されるエアギャップは、突出部の周方向外側に向かって徐々に大きくなっていることを特徴とする。
この構成によれば、突出部と電機子との間に形成されるエアギャップが急激に変化することはなく、突出部の周方向外側に向かって徐々に大きくなっているため、ポールコアの磁束分布が緩やかに変化する。その結果、ブラシの整流作用を改善できる効果が大きくなり、更なるブラシ寿命の向上を図ることができる。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した回転電機において、ヨークの中心に対する鍔部の開き角をθ、ポールコアの数（極数）をＰとした時に、
θ×Ｐ／３６０……………………（１）
上記（１）式で求められるポールアングルが０．８〜０．９に設定されていることを特徴とする。

磁気回路から計算される最適なポールコア幅を選定すると、その時のポールアングルは、０．６５〜０．７５になる。これに対し、請求項３の発明では、ポールアングルを０．８〜０．９に設定することにより、界磁コイルの占積率が大幅に向上する。
一方、ポールコアの鍔部に設けられた突出部は、電機子との間に形成されるエアギャップが大きく設定されるため、見かけ上のポールアングルは、実際のポールアングル（０．８〜０．９）よりも小さくなる。その結果、磁気音を低減できると共に、突出部から漏洩する磁束を抑制できるので、占積率の向上に伴って、性能向上を図ることができる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの回転電機において、電機子との間にエアギャップを形成する突出部の内周面形状は、ヨークの中心より反鍔部側にオフセットした位置に中心を有する円周形状の一部であることを特徴とする。
この場合、ヨークの中心より反鍔部側にオフセットした位置に中心を定めて、同一半径上に突出部の内周面を加工できるので、突出部の加工が容易であり、突出部と電機子との間に形成されるエアギャップを緩やかに変化させることができる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１は、（ａ）ポールコアを内側から見た平面図、（ｂ）同ポールコアを軸方向から見た正面図、（ｃ）同ポールコアの鍔部に設けられる突出部を示す拡大図である。
実施例１に係る回転電機１は、図４に示す様に、電磁石によって形成される界磁と、この界磁の内側に回転自在に支持される電機子２とを備え、図示しないブラシと整流子を介して界磁コイル５と電機子コイル（図示せず）とが直列に接続される直巻モータであり、例えば、エンジンを始動するためのスタータモータに使用される。

界磁は、図４に示す様に、磁気回路を形成する円筒形状のヨーク３と、このヨーク３の内周に固定されるポールコア４と、このポールコア４に巻線される界磁コイル５とで構成される。
電機子２は、図示しない電機子軸に電機子鉄心が固定され、その電機子鉄心に電機子コイルを巻線して構成される。電機子軸の端部には、互いに絶縁された複数のセグメントが円筒状に組み立てられて整流子を構成している。
ブラシは、整流子の外周に配置され、図示しないスプリングによって整流子の外周面に押圧されている。

次に、上記のポールコア４について詳述する。
ポールコア４は、図３に示す様に、界磁コイル５が巻き付けられるボス部４０と、このボス部４０の径方向反ヨーク側に設けられる鍔部４１とを有し、ボス部４０のヨーク側端面４０ａが溶接等によりヨーク３の内周面に固定される。
鍔部４１は、ボス部４０の全周に張り出して形成され、電機子２との間にエアギャップを形成すると共に、ボス部４０の周囲に巻き付けられた界磁コイル５をヨーク３との間に挟み込んで保持している。

上記の鍔部４１は、図１（ａ）に示す様に、軸方向（図示上下方向）の中央部より両側に周方向（図示左右方向）へ突き出る突出部４２が設けられて、軸方向の中央部より両側の方が周方向の寸法が大きく形成されている。また、突出部４２の内周面は、図２に示す様に、ヨーク３の中心Ｏ１より反鍔部側（図示下側）にオフセットした位置に中心Ｏ２を有する円周形状に沿って形成されている。従って、突出部４２と電機子２との間に形成されるエアギャップは、図１（ｃ）に示す様に、突出部４２の周方向外側に向かって徐々に大きくなり、突出部４２を除く鍔部４１と電機子２との間に形成されるエアギャップより大きく設定されている。

なお、突出部４２を含む鍔部４１の幅、つまりポールコア幅Ｂ（図１（ａ）参照）は、界磁コイル５をヨーク３との間に挟み込んで保持するのに必要な寸法が確保されている。 また、ヨーク３の中心Ｏ１に対する鍔部４１の開き角をθ（図５参照）、ポールコア４の数（極数）をＰとした時に、
θ×Ｐ／３６０……………………（１）
上記（１）式で求められるポールアングルが０．８〜０．９に設定されている。つまり、図５に示す４極モータでは、ポールアングル＝７２°〜８１°に設定される。

（実施例１に示す回転電機１の作用及び効果）
上記のポールコア４を有する回転電機１では、ポールコア４の鍔部４１に周方向へ突き出る突出部４２を設けたことにより、界磁コイル５の占積率が向上する。その結果、モータ効率が改善されるため、出力向上を図ることが可能である。また、突出部４２は、電機子２との間に形成されるエアギャップが、突出部４２を除く鍔部４１と電機子２との間に形成されるエアギャップより大きく設定されるため、突出部４２からヨーク３へ、あるいは隣の突出部４２へ漏洩する磁束（図４参照）を少なくできる。これにより、ポールコア４から電機子２に流れる有効磁束が増加することで、図６に破線グラフで示す様に、出力向上を実現できる。

また、実施例１に記載したポールコア４は、ポールアングルを０．８〜０．９に設定しているが、鍔部４１に設けられた突出部４２は、電機子２との間に形成されるエアギャップが大きく設定されるため、見かけ上のポールアングルは、実際のポールアングル（０．８〜０．９）よりも小さくなる。その結果、磁気音を低減できると共に、突出部４２から漏洩する磁束を抑制できるので、占積率の向上に伴って、性能向上を図ることができる。

更に、鍔部４１の軸方向中央部が両側より周方向の寸法が短く形成される、すなわち鍔部４１の周方向端部が凹凸状に形成されることで、ポールコア４の磁束分布が連続的に変化する。特に、突出部４２と電機子２との間に形成されるエアギャップは、突出部４２の周方向外側に向かって徐々に大きくなっているので、ポールコア４の磁束分布が急激に変化することはなく、緩やかに変化する。その結果、ブラシの整流作用が改善されて、モータ回転数の増加（図６参照）、およびブラシ寿命の向上を図ることが可能である。
また、鍔部４１に設けられた突出部４２は、図２に示す様に、ヨーク３の中心Ｏ１より反鍔部側にオフセットした位置に中心Ｏ２を定めて、同一半径上に突出部４２の内周面を加工できるので、突出部４２の加工が容易である。

図７はポールコア４の鍔部４１に設けられる突出部４２を示す拡大図である。
この実施例２では、図７に示す様に、鍔部４１に設けられる突出部４２の内周面が平坦面であることを特徴とする。この場合も、突出部４２と電機子２との間に形成されるエアギャップは、突出部４２の周方向外側に向かって徐々に大きくなっているので、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、突出部４２の内周面が平坦面であるので、加工が容易である。

（ａ）ポールコアを内側から見た平面図、（ｂ）同ポールコアを軸方向から見た正面図、（ｃ）同ポールコアの鍔部に設けられた突出部を示す拡大図である（実施例１）。 ポールコアの軸方向正面図である。 ポールコアの斜視図である。 界磁磁束の流れを示す回転電機の断面図である。 ポールアングルを示す回転電機の断面図である。 従来と本発明のモータ特性図である。 鍔部に設けられた突出部を示す拡大図である（実施例２）。 （ａ）ポールコアの軸方向正面図、（ｂ）同ポールコアを内側から見た平面図である（従来技術）。

符号の説明

１ 回転電機
２ 電機子
３ ヨーク
４ ポールコア
５ 界磁コイル
４０ ポールコアのボス部
４１ ポールコアの鍔部
４２ 鍔部に設けられた突出部

Claims (4)

1. 磁気回路を形成するヨークの内周に固定されるポールコアと、
   このポールコアに巻線される界磁コイルと、
   前記ポールコアの内側に回転自在に配置される電機子とを備え、
   前記ポールコアは、前記界磁コイルが巻き付けられるボス部と、このボス部の径方向反ヨーク側に設けられて、前記ヨークとの間に前記界磁コイルを保持すると共に、前記電機子との間にエアギャップを形成する鍔部とを有する回転電機であって、
   前記鍔部は、軸方向の中央部より両側に周方向へ突き出る突出部が設けられて、軸方向の中央部より両側の方が周方向に大きく形成されており、且つ、前記突出部と前記電機子との間に形成されるエアギャップが、前記突出部を除く前記鍔部と前記電機子との間に形成されるエアギャップより大きく設定されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載した回転電機において、
   前記突出部と前記電機子との間に形成されるエアギャップは、前記突出部の周方向外側に向かって徐々に大きくなっていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載した回転電機において、
   前記ヨークの中心に対する前記鍔部の開き角をθ、前記ポールコアの数（極数）をＰとした時に、
   θ×Ｐ／３６０……………………（１）
   上記（１）式で求められるポールアングルが０．８〜０．９に設定されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの回転電機において、
   前記電機子との間にエアギャップを形成する前記突出部の内周面形状は、前記ヨークの中心より反鍔部側にオフセットした位置に中心を有する円周形状の一部であることを特徴とする回転電機。
   

Images