JP2008048501A - 車両用ブラシレス交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】発電能力を損なうことなく小型軽量化すると共に安価に製造可能な車両用ブラシレス交流発電機を提供する。
【解決手段】固定側の界磁鉄心２４に外嵌して軸方向に延設された磁性体リング２５を備えると共に、磁性体リング２５は、界磁巻線２３と軸方向に重なりを有するように延設されているので、他方の極性の回転磁極鉄心２２２との間のエアギャップ２５１の面積を確保しつつ、界磁鉄心２４の軸方向長さを短縮し且つ軽量化することができる。また、他方の極性の回転磁極鉄心２２２において界磁巻線２３と対向する内部まで磁束を潜入させることができるため、回転磁極鉄心２２２及び回転鉄心２２４の軸方向長さも短縮することができ、発電機１全体として大幅に小型軽量化を図ることが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両に搭載されるブラシレス交流発電機に関する。

従来より、コンバインやブルドーザーなどの農建機用車両の発電機、例えば交流発電機として、塵埃の厳しい環境で使われることやメンテナンスフリー化への対応のため、磨耗部品であるブラシを持たないブラシレス交流発電機が提案されている（例えば、特許文献１等参照。）。

図６は、従来例の車両用ブラシレス交流発電機１０１の全体構成を示す縦断面図であり、図７は、その要部拡大断面図である。車両用ブラシレス交流発電機１０１は、いわゆるラデル型回転発電機であって、回転子１０２は複数の回転磁極鉄心１２２１，１２２２が、電機子として機能する固定子１０３に対面しつつ回転する。界磁巻線１２３が囲包される界磁鉄心１２４は、フレーム１０７に固定され、エアギャップ１２４１，１２４２を介して回転磁極鉄心１２２２と回転鉄心１２２４との間に配設される。各回転磁極鉄心１２２１，１２２２は、周方向一定ピッチで極性交互に配置された状態でステンレスなどからなる非磁性リング１２２３によって相互に固定され、一体に回転する。

また、回転側の回転磁極鉄心と固定側の界磁鉄心との間に形成される軸方向対向ギャップをラビリンス構造にして、界磁回路の磁気抵抗を低減して発電機の体格当たりの出力向上を図る旨の技術が提案されている（例えば、特許文献２等参照。）。
特開昭６２−１８９９４０号公報（第３図） 特開２００１−２９２５５０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された車両用ブラシレス交流発電機１０１では、回転側の回転磁極鉄心１２２１の厚さＸと同等の磁気抵抗を確保するため、回転側の回転磁極鉄心１２２２と対向する固定側の界磁鉄心１２４との間のエアギャップ１２４２の対向長さＹを長く設定している。そのため、発電機全体が長くなり、重量も大きくなる。そして、回転部の重量が増加することにより、回転体の慣性モーメントが増加し、回転変動も増加し乗り心地も悪化するという問題がある。

一方、特許文献２に記載されたブラシレス交流発電機では、ラビリンス構造の採用により、従来よりも軸方向寸法の短縮が可能となる反面、回転部の鉄心、固定部の界磁鉄心共に加工が複雑になり加工工数の増加により大幅なコスト上昇となり、組み付け精度が悪いと回転部と固定部とが干渉する危険性もあるという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、発電能力を損なうことなく小型軽量化すると共に安価に製造可能な車両用ブラシレス交流発電機を提供することを目的とする。

以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。

１．周方向極性交互に一定ピッチで一体に配置されて電機子に面する複数の回転磁極鉄心と、一方の極性の前記回転磁極鉄心と一体に形成されて回転軸に嵌着される回転鉄心と、他方の極性の前記回転磁極鉄心と前記回転鉄心との間に配設される固定の界磁鉄心と、前記界磁鉄心の軸方向一方側にて回転不能に囲包される界磁巻線と、を備える車両用ブラシレス交流発電機において、
前記界磁鉄心に外嵌して軸方向に延設され、前記他方の極性の前記回転磁極鉄心との間にエアギャップを形成する磁性体リングを備えたことを特徴とするブラシレス交流発電機。

手段１によれば、界磁鉄心に外嵌して軸方向に延設された磁性体リングを備えているので、他方の極性の回転磁極鉄心との間のエアギャップの面積を確保しつつ界磁鉄心を小型軽量化することができる。よって、簡単且つ安価に製造可能な構造で、発電能力を損なうことなく発電機全体の小型軽量化を図ることが可能となる。そして、発電機の全長短縮によって車両への搭載性が向上される。また、発電機の重量低減によって車両の燃費向上及び振動低減が図られる。さらに、発電機のイナーシャ低減によって、エンジンの回転変動の抑制が図られる。

２．前記磁性体リングは、前記界磁巻線と軸方向に重なりを有するように延設されたことを特徴とする手段１に記載の車両用ブラシレス交流発電機。

手段２によれば、磁性体リングは、界磁巻線と軸方向に重なりを有するように延設されているので、他方の極性の回転磁極鉄心との間のエアギャップの面積を確保しつつ、界磁鉄心の軸方向長さを短縮し且つ軽量化することができる。また、他方の極性の回転磁極鉄心において界磁巻線と対向する内部まで磁束を潜入させることができるため、回転磁極鉄心及び回転鉄心の軸方向長さも短縮することができ、発電機全体として大幅に小型軽量化を図ることが可能となる。

３．前記界磁鉄心は、外周側に向かって軸方向長さが徐々に縮小するように前記軸方向一方側の端面がテーパ状に形成されたことを特徴とする手段１又は２に記載の車両用ブラシレス交流発電機。

手段３によれば、界磁鉄心は、外周側に向かって軸方向長さが徐々に縮小するように軸方向一方側の端面がテーパ状に形成されているので、界磁巻線を囲包するための空間及び回転鉄心との間のエアギャップの面積を確保しつつ、軸方向長さのより一層の短縮を図ることができる。

４．前記磁性体リングは、前記軸方向一方側にて端部に向かって徐々に肉薄となるテーパ部が形成されたことを特徴とする手段１乃至３のいずれかに記載の車両用ブラシレス交流発電機。

手段４によれば、磁性体リングは、軸方向一方側にて端部に向かって徐々に肉薄となるテーパ部が形成されているので、他方の極性の回転磁極鉄心と界磁鉄心との間の磁路の平滑化を図ることができる。

５．ポリＶベルトによるサーペンタイン駆動方式によって駆動されることを特徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の車両用ブラシレス交流発電機。

手段５によれば、ポリＶベルトによるサーペンタイン駆動方式によって駆動される車両用ブラシレス交流発電機においてイナーシャが低減されて発電機の回転が安定化し、これによりエンジンの回転変動の抑制を図ることができる。

以下、本発明の車両用ブラシレス交流発電機を具体化した一実施形態について図面を参照しつつ具体的に説明する。図１は、本実施形態の車両用ブラシレス交流発電機（以下、ブラシレス発電機と称する）１の全体構成を示す縦断面図である。

ブラシレス発電機１は、磁極として機能する回転子２と、電機子として機能する固定子３と、回転子２の回転軸であるシャフト２１を回転自在に支持する一対の軸受け４、５と、アルミニウムを素材として形成されたフレーム６、７と、固定子３に電気的に接続されて交流電力を直流に変換する整流器８等から構成されている。

回転子２は、周方向極性交互に一定ピッチで一体に配置されて固定子３に面する複数の回転磁極鉄心２２１，２２２と、一方の極性の回転磁極鉄心２２１と一体に形成されてシャフト２１に嵌着される回転鉄心２２４とを備えている。

回転磁極鉄心２２１は、回転鉄心２２４とその先端部に設けられた爪状磁極部とを有し、回転子２のシャフト２１に相対回転不能に嵌着されている。回転磁極鉄心２２１の磁極部には、爪状磁極部をなす回転磁極鉄心２２２が非磁性金属リング２２３を各爪状磁極部に溶接やろう付けするなどして一体化されている。

また、他方の極性の回転磁極鉄心２２２と回転鉄心２２４との間には、固定の界磁鉄心２４が配設されている。すなわち、円筒状の界磁鉄心２４が、フレーム７の内端面に嵌合、固定されている。界磁鉄心２４の内周面は、回転鉄心２２４の外周面にエアギャップ２４１を介して面している。

つばを有する巻線巻枠２３０は、界磁鉄心２４の内周部に軸方向の一方側から嵌入固定される。ここで、巻線巻枠２３０と界磁鉄心２４との各々の界磁巻線巻枠部は、図示されていないが、粉体等の絶縁物で覆われている。前記粉体等の絶縁物で覆われた部分に界磁巻線２３を巻装する。本構成とすることにより、界磁巻線２３は界磁鉄心２４に軸方向一方側にて回転不能に囲包されると共に、界磁鉄心２４を介してフレーム７に固定される。

また、界磁鉄心２４には磁性体リング２５が外嵌し、界磁巻線２３と軸方向に重なりを有するように軸方向一方側に延設されている。そして、磁性体リング２５は、他方の極性の回転磁極鉄心２２２の径内側表面との間にエアギャップ２５１を形成している。このように、界磁鉄心２４は、界磁磁束が流れる磁気回路の通路、すなわち、界磁磁路の一部を形成する。

レギュレータ９は、界磁巻線リード線２３２を経由してタ−ミナル２３３に接続され、界磁巻線２３に流す界磁電流を調整して発電量を制御する。

固定子３は、固定子巻線３１が巻装された固定子鉄心３２を有し、固定子鉄心３２の内周面はギャップ３００を介して回転子２の外周と対向している。

フレーム６、７は、固定子３の鉄心を挟んで図示しないスル−ボルトで軸方向へ一体に締結されており、フレーム６は軸受け４を通じて、フレーム７は軸受け５を通じてシャフト２１を回転自在に支承している。

フレーム６から外部に突出するシャフト２１の前端部にはプーリ１０が固着され、プーリ１０には図示しないポリＶベルトが巻きつけられて図示しないエンジンにより駆動されている。

次に、ブラシレス発電機１における磁束の流れについて説明する。界磁巻線２３に通電することにより電磁石となって磁束が発生する。磁束の流れは、回転側である回転磁極鉄心２２１から固定子鉄心３２を通って回転磁極鉄心２２２に戻り、エアギャップ２５１を介して固定側である磁性体リング２５及び界磁鉄心２４を通り、回転側の回転鉄心２２４に到達して１周する。ここで、磁性体リング２５を設けることにより、回転側の回転磁極鉄心２２２の内側（基端側）まで磁束が潜入する。

以上詳述したことから明らかなように、本実施形態によれば、固定側の界磁鉄心２４に外嵌して軸方向に延設された磁性体リング２５を備えると共に、磁性体リング２５は、界磁巻線２３と軸方向に重なりを有するように延設されているので、他方の極性の回転磁極鉄心２２２との間のエアギャップ２５１の面積を確保しつつ、界磁鉄心２４の軸方向長さを短縮し且つ軽量化することができる。また、他方の極性の回転磁極鉄心２２２において界磁巻線２３と対向する内部まで磁束を潜入させることができるため、回転磁極鉄心２２２及び回転鉄心２２４の軸方向長さも短縮することができ、発電機１全体として大幅に小型軽量化を図ることが可能となる。

ここで、図２では、図６，図７に示す従来例の車両用ブラシレス交流発電機１０１における回転磁極鉄心１２２２，界磁鉄心１２４及び回転鉄心１２２４の外形を一点鎖線で示しており、回転磁極鉄心２２２，界磁鉄心２４及び回転鉄心２２４の軸方向長さが短縮されていることがわかる。また、図３は、中心線Ｃより上側に本実施形態の車両用ブラシレス交流発電機１を、中心線Ｃより下側に従来例の車両用ブラシレス交流発電機１０１を示した図である。図３より、本実施形態の車両用ブラシレス交流発電機１全体の軸方向長さが、従来例の車両用ブラシレス交流発電機１０１よりも大幅に短縮されていることがわかる。

よって、本実施形態によれば、複雑な加工を行うことなく、界磁鉄心２４に磁性体リング２５を外嵌するだけの簡単且つ安価に製造可能な構造で、発電能力を損なうことなく発電機全体の小型軽量化を図ることが可能となる。そして、発電機の全長短縮によって車両への搭載性が向上される。また、発電機の重量低減によって車両の燃費向上及び振動低減が図られる。さらに、発電機のイナーシャ低減によって、エンジンの回転変動の抑制が図られる。

ここで、車両補機類のプーリ全てを１本のポリＶベルトで巻き付け駆動するサーペンタイン駆動方式を採用した構成では、車両用交流発電機は、補機類の中でも相対的に大きな慣性モーメント（イナーシャ）をもち、更にプーリ比も大きいため、車両用交流発電機のイナーシャが回転変動を増幅させる原因となっていることが知られている。従って、特に、サーペンタイン駆動方式を採用した車両においては、本実施形態のブラシレス発電機１によって、イナーシャの低減による発電機の回転の安定化を図り、これによりエンジン回転の安定化に大きな効果が発揮される。

次に、本発明の第二の実施形態について図４を参照しつつ説明する。尚、上記第一の実施形態と同一部材には同一の符号を付し、それらについての説明を省略する。図４は、第二の実施形態のブラシレス発電機１の要部拡大断面図である。

本実施形態は、界磁鉄心２４が、外周側に向かって軸方向長さが徐々に縮小するように、界磁巻線２３に隣接する軸方向一方側の端面２４ａがテーパ状に形成されたことを特徴とする。すなわち、界磁巻線２３における内周側の軸方向長さをＬ₁、外周側の軸方向長さをＬ₂としたとき、Ｌ₁＜Ｌ₂の関係となっている。また、第一の実施形態における界磁巻線２３の軸方向長さをＬとしたとき、Ｌ＝（Ｌ₁＋Ｌ₂）／２の関係が成立する。尚、界磁鉄心２４の外周面の表面積と内周面の表面積とが等しくなるように設定することが好ましい。

本実施形態によれば、巻線巻枠２３０を外周に向かって軸方向長さが拡大するテーパ形状として第一の実施形態と同等の界磁巻線２３を囲包するための空間を確保し且つ界磁鉄心２４内周面側で回転鉄心２２４との間のエアギャップ２４１の面積を確保しつつ、軸方向長さのより一層の短縮を図ることができる。尚、図４では、図１，２に示す第一の実施形態における回転磁極鉄心２２２，界磁鉄心２４及び回転鉄心２２４の外形が一点鎖線で示されており、各部の軸方向長さが短縮されていることがわかる。

次に、本発明の第三の実施形態について図５を参照しつつ説明する。図５は、第三の実施形態のブラシレス発電機１の要部拡大断面図である。

本実施形態は、磁性体リング２５において、回転磁極鉄心２２２内部に対向する軸方向一方側にて端部に向かって徐々に肉薄となるテーパ部２５ａが形成されたことを特徴とする。

本実施形態によれば、磁性体リング２５にテーパ部２５ａが設けられることによって、磁性体リング２５における磁気抵抗が軸方向他方側から一方側（図５において左から右）に向かって徐々に小さくなり、磁束密度が徐々に大きくなるため、他方の極性の回転磁極鉄心２２２と界磁鉄心２４との間の磁路の平滑化を図ることができる。

尚、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能であることは云うまでもない。

本発明は、車両用ブラシレス交流発電機において発電能力を損なうことなく小型軽量化すると共に安価に製造することが必要な場合に利用可能である。

本発明の一実施形態である車両用ブラシレス交流発電機の全体構成を示す断面図である。 図１の車両用ブラシレス交流発電機の要部拡大断面図である。 図１の車両用ブラシレス交流発電機を中心線の上側に、従来例の車両用ブラシレス交流発電機を下側にそれぞれ示した断面図である。 第二の実施形態の車両用ブラシレス交流発電機の要部拡大断面図である。 第三の実施形態の車両用ブラシレス交流発電機の要部拡大断面図である。 従来例の車両用ブラシレス交流発電機の全体構成を示す断面図である。 図６の車両用ブラシレス交流発電機の要部拡大断面図である。

符号の説明

１ 車両用ブラシレス交流発電機
２ 回転子
３ 固定子（電機子）
２１ シャフト（回転軸）
２３ 界磁巻線
２４ 界磁鉄心
２４ａ 端面
２５ 磁性体リング
２５ａ テーパ部
２２１ 回転磁極鉄心（一方の極性の回転磁極鉄心）
２２２ 回転磁極鉄心（他方の極性の回転磁極鉄心）
２２４ 回転鉄心

Claims (5)

1. 周方向極性交互に一定ピッチで一体に配置されて電機子に面する複数の回転磁極鉄心と、一方の極性の前記回転磁極鉄心と一体に形成されて回転軸に嵌着される回転鉄心と、他方の極性の前記回転磁極鉄心と前記回転鉄心との間に配設される固定の界磁鉄心と、前記界磁鉄心の軸方向一方側にて回転不能に囲包される界磁巻線と、を備える車両用ブラシレス交流発電機において、
   前記界磁鉄心に外嵌して軸方向に延設され、前記他方の極性の前記回転磁極鉄心との間にエアギャップを形成する磁性体リングを備えたことを特徴とするブラシレス交流発電機。
2. 前記磁性体リングは、前記界磁巻線と軸方向に重なりを有するように延設されたことを特徴とする請求項１に記載の車両用ブラシレス交流発電機。
3. 前記界磁鉄心は、外周側に向かって軸方向長さが徐々に縮小するように前記軸方向一方側の端面がテーパ状に形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用ブラシレス交流発電機。
4. 前記磁性体リングは、前記軸方向一方側にて端部に向かって徐々に肉薄となるテーパ部が形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の車両用ブラシレス交流発電機。
5. ポリＶベルトによるサーペンタイン駆動方式によって駆動されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の車両用ブラシレス交流発電機。

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