JP2008099473A - 回転電機 - Google Patents

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省吾 岡本
Hironari Ikuta
裕也 生田
Yoshihiro Harada
佳浩 原田
Naohiko Harada
尚彦 原田
Kensaku Kuroki
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Abstract

【課題】この発明は、固定子鉄心の薄板連結溶接部間の岡状の膨らみを抑えて、帯状磁性薄板間の空気の介在を低減させ、さらにはケースとの接触面積を拡大させ、固定子鉄心からケースへの熱伝導を高めて固定子を効果的に冷却できる回転電機を得る。
【解決手段】固定子鉄心11は、直方体の積層体を曲げ成形して得られる積層鉄心を突き合わせて溶接一体化して円筒状に構成される。積層体は、長方形の平面形状に形成された所定枚の帯状磁性薄板を積層して構成され、さらに、所定枚の帯状磁性薄板を溶接一体化する薄板連結溶接部23が積層体の外壁面を積層方向の一端から他端に至るように、かつ積層体の長さ方向に所定の間隔を持って少なくとも2条形成されている。そして、固定子鉄心11は、薄板連結溶接部23での軸方向長さAと、薄板連結溶接部23間での最大軸方向長さBとが、0mm≦B−A≦0.2mmを満足するように形成されている。
【選択図】図2

Description

この発明は、車両用交流発電機などの回転電機に関し、特に固定子の冷却性を向上させる構造に関するものである。
従来の車両用交流発電機では、ティースを重ねるように所定枚の帯状磁性薄板を積層して直方体の積層体を作製している。そして、レーザ溶接がこの積層体に施され、薄板連結溶接部が積層体の長さ方向を例えば4等分する位置のコアバック側の外壁面に、それぞれ積層方向の一端側から他端側に至るように形成される。ついで、溶接された積層体のティース側を内周側にむけて円弧状、扇状、あるいは円筒状に曲げて積層鉄心を作製する。そして、1つ或いは複数の積層鉄心の端面を突き合わせ、その突き合わせ部を溶接して、円筒状の固定子鉄心を作製している(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−291184号公報
固定子は、固定子鉄心の軸方向両端面の周方向の複数箇所が、軸方向の両側から、ケースを構成するアルミ製のお椀状のフロントブラケットおよびリヤブラケットの開口縁部に加圧挟持されてケースに取り付けられている。そこで、固定子鉄心の薄板連結溶接部間の岡状の膨らみが完全に平坦化されず、固定子鉄心は、空気が帯状磁性薄板間に介在した状態で、端面の周方向の一部が部分的にケースに接触した状態となる。これにより、固定子鉄心からケースへの熱伝導が大幅に低下してしまい、固定子の効果的な冷却ができなくなるという課題があった。
なお、薄板連結溶接部間における隣接する帯状磁性薄板間の隙間の発生を抑える対策としては、薄板連結溶接部の箇所を増やすこと、あるいは変形量が大きくなる軸方向両端の帯状磁性薄板の厚みを厚くすることが考えられる。しかし、薄板連結溶接部の箇所を増やすことはコストアップになる。また、鉄損を考慮すると、磁性薄板の厚みを過大に厚くすることはできない。
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、固定子鉄心の薄板連結溶接部間の岡状の膨らみを抑えて、ブラケットとの接触面積を拡大させ、磁性薄板間の空気の介在を低減させ、さらには固定子鉄心からブラケットへの熱伝導を高めて固定子を効果的に冷却できる回転電機を得ることを目的とする。
この発明による回転電機は、それぞれ椀状に成形され、開口を相対して配設された第1および第2ブラケットと、上記第1および第2ブラケットの軸心位置に回転自在に支持されたシャフトと、上記シャフトに固着されて上記第1および第2ブラケット内に回転自在に配設された回転子と、スロットが内周側に開口して周方向に配列され、軸方向両端縁部を上記第1および第2ブラケットの開口縁部に加圧挟持されて上記回転子を囲繞するように配設された円筒状の固定子鉄心および該固定子鉄心に巻装された固定子コイルを有する固定子と、を備えている。そして、上記固定子鉄心は、積層鉄心の端面同士を突き合わせて溶接一体化して円筒状に構成され、上記積層鉄心は、所定枚の磁性鋼板を積層して構成され、積層された該所定枚の磁性薄板を溶接一体化する薄板連結溶接部が該積層鉄心の外壁面を積層方向の一端から他端に至るように、かつ所定の間隔を持って少なくとも2条形成されている。さらに、上記固定子鉄心は、上記薄板連結溶接部での軸方向長さAと、上記薄板連結溶接部間での最大軸方向長さBとが、0mm≦B−A≦0.2mmを満足するように形成されている。
この発明によれば、隣り合う磁性薄板が密接しているので、磁性薄板間の空気の介在が低減され、固定子鉄心内における熱伝導性が向上される。さらには、ブラケットと固定子鉄心との接触面積が拡大し、固定子鉄心からブラケットへの熱伝導性を向上される。そこで、固定子コイルで発生される熱が効率的に固定子鉄心を介してブラケットに伝達され、ブラケットから放熱されるので、固定子の温度上昇が抑えられる。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機を示す断面図、図2はこの発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心を示す斜視図、図3はこの発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心を構成する帯状磁性薄板の打ち抜き工程を説明する図、図4はこの発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心を構成する帯状磁性薄板を示す平面図、図5はこの発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心の製造過程で得られる帯状磁性薄板の積層体をスロット側からみた斜視図、図6はこの発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心の製造過程で得られる帯状磁性薄板の積層体をコアバック側からみた斜視図、図7はこの発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心の製造方法における積層体の曲げ工程を説明する図、図8はこの発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心の製造方法におけるプレス工程前の状態を説明する図、図9はこの発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心の製造方法におけるプレス工程後の状態を説明する図、図10はこの発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機の要部を示す拡大側面図である。
図1および図2において、回転電機としての車両用交流発電機は、それぞれ略椀形状のアルミ製の第1ブラケットとしてのフロントブラケット2と第2ブラケットとしてのリヤブラケット3とからなるケース1と、このケース1に回転自在に支持されたシャフト4と、ケース1のフロント側に延出するシャフト4の端部に固着されたプーリ5と、シャフト4に固定されてケース1内に収容された回転子6と、この回転子6の軸方向の両端面に固定されたファン9と、回転子6の外周を囲繞するようにケース1の内壁面に固定された固定子10と、シャフト4のリヤ側に固定され、回転子6に電流を供給するスリップリング13と、このスリップリング13に摺動するようにケース1内に配設された一対のブラシ14と、このブラシ14を収納するブラシホルダ15と、固定子10に電気的に接続され、固定子10で生じた交流を直流に整流する整流器16と、固定子10で生じた交流電圧の大きさを調整するレギュレータ17と、を備えている。
回転子6は、電流を流して磁束を発生する界磁コイル7と、この界磁コイル7を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成されるポールコア8と、から構成されている。また、固定子10は、円筒状の固定子鉄心11と、固定子鉄心11に巻装され、回転子6の回転に伴い、界磁コイル7からの磁束の変化で交流が生じる固定子コイル12と、を備えている。
つぎに、固定子鉄心11の製造方法について図2乃至図9を参照しつつ説明する。
まず、図3に示されるように、帯状磁性薄板21が圧延鋼板20を矢印方向に移動しつつピッチpで打ち抜かれる。この帯状磁性薄板21は、図4に示されるように、長方形の平面形状を有し、ティース部21aがコアバック部21cから幅方向一側に延出して長さ方向に所定のピッチで形成されている。そして、スロット部21bが帯状磁性薄板21の幅方向一側に開口するように、ティース部21a間に形成されている。また、長さ方向の両端部のティース部21aの幅は、他のティース部21aの幅の半分となっている。この帯状磁性薄板21の長さは、固定子鉄心11の周方向長さに一致している。
ついで、打ち抜かれた帯状磁性薄板21を、ティース部21a、スロット部21bおよびコアバック部21cを重ね合わせて、固定子鉄心11の軸方向厚さの厚さに積層して、図5に示される直方体の積層体22を作製する。ついで、積層体22の長さ方向を4等分する位置で、積層体22の積層方向の一端から他端に至るように帯状磁性薄板21のコアバック部21cの外壁面を溶接し、積層された帯状磁性薄板21を一体化する。さらに、積層体22の長さ方向の両端から2番目のティース部21aに対向する位置で、積層体22の積層方向の一端から他端に至るように各帯状磁性薄板21のコアバック部21cの外壁面を溶接し、積層された帯状磁性薄板21を一体化する。これにより、図6に示されるように、積層された帯状磁性薄板21が8条の薄板連結溶接部23により一体化されて、直方体の積層体22が作製される。
ついで、積層体22が、図7に示されるように、スロット部21bの開口を内周側に向けて円筒状に曲げられ、積層鉄心24を得る。図7に矢印で示されるように、この積層鉄心24の軸方向両端面は、曲げ加工により、帯状磁性薄板21の薄板連結溶接部23間の部位が軸方向外方向に盛り上がり、岡状をなす。ついで、この積層鉄心24の両端面を突き合わせ、例えばレーザ溶接により溶接一体化し、円筒状の固定子鉄心11Aを得る。ここで、図7では、薄板連結溶接部23間の盛り上がり状態を見やすくするために、便宜的に、薄板連結溶接部23の配列ピッチが短い状態を示している。
その後、図8に示されるように、固定子鉄心11Aを円環状の平坦な加圧面25aを有する鋼材からなる一対の加圧治具25間にセットする。ついで、図9に矢印で示すように、一対の加圧治具25の加圧面25aで固定子鉄心11Aの軸方向両端面を加圧する。これにより、固定子鉄心11Aの両端面の軸方向外方向への盛り上がり部が加圧面25aで加圧され、帯状磁性薄板21の持ち上がり部が塑性変形され、図2に示されるように、両端面が平坦化された固定子鉄心11を得る。なお、図2中、鉄心連結溶接部26は積層鉄心24の突き合わせ部の溶接部位である。
このように作製された固定子鉄心11では、帯状磁性薄板21のティース部21a、スロット部21bおよびコアバック部21cが軸方向に重なってティース11a、スロット11bおよびコアバック11cを構成している。
また、例えばU字状の導体セグメントを各スロット11bに挿入し、その開放端部を結線して固定子コイル12が作製される。なお、固定子コイル12を構成する巻線アッセンブリを積層体22に組み込み、その積層体22を円筒状に曲げて積層鉄心24を得る。ついで、積層鉄心24の両端面を突き合わせ、その突き合わせ部を溶接した後、巻線アッセンブリの端部を結線して固定子コイル12を作製してもよい。
このように組み立てられた固定子10は、図1に示されるように、回転子6を囲繞するように配設され、締結ボルト18により締結されたフロントブラケット2およびリヤブラケット3の開口縁部に固定子鉄心11の軸方向両端面の外周縁部を加圧挟持されて、取り付けられる。ここで、フロントブラケット2およびリヤブラケット3の開口縁部には、円環状の突き合わせ軸端面2a,3aが、シャフト4の軸心と直交する平面と平行な平坦面に、かつシャフト4と同軸に形成されている。そこで、図10に示されるように、突き合わせ軸端面2a,3aが軸方向両側から固定子鉄心11の軸方向両端面の外周縁部を加圧挟持している。
ここで、一対の加圧治具25によるプレス工程前では、薄板連結溶接部23での固定子鉄心11の軸方向長さAと薄板連結溶接部23間の中央部での固定子鉄心11Aの軸方向長さ(最大軸方向長さ)Bとの差(B−A)は0.50mmであった。そして、一対の加圧治具25によるプレス工程後では、プレス後の帯状磁性薄板21のスプリングバックにより、固定子鉄心11における差(B−A)は0.15mmとなっていた。つまり、プレス工程により、薄板連結溶接部23間の軸方向外方向への盛り上がりを縮小できることが確認できた。
ついで、プレス工程前およびプレス工程後の固定子鉄心11A,11を用いて、固定子10の温度上昇を測定したところ、プレス工程後の固定子鉄心11を用いた場合には、プレス工程前の固定子鉄心11Aを用いた場合に比べ、固定子温度が15°(比率で約9%)改善されることが確認できた。
このように、薄板連結溶接部23間の軸方向外方向への盛り上がりを縮小することにより、隣り合う帯状磁性薄板21が互いに密接し、帯状磁性薄板21間に介在する空気層が極めて薄くなり、帯状磁性薄板21間の熱伝導性が向上される。また、平坦な突き合わせ軸端面2a,3aがフロントブラケット2およびリヤブラケット3の開口縁部に円環状に形成されているので、固定子鉄心11の軸方向両端面の外周縁部が周方向のほぼ全域で突き合わせ軸端面2a,3aに接触し、両者の接触面積が拡大される。これにより、固定子コイル12で発生する熱は、固定子鉄心11に伝達され、固定子鉄心11内を効率的に軸端側に伝達され、突き合わせ軸端面2a,3aからケース1に効率的に伝達されて、ケース1表面から放熱されるので、固定子10の温度上昇が抑制されたもの推考される。
ここで、差(B−A)の異なる固定子鉄心を作製し、固定子の温度上昇を測定した結果を図11に示す。
図11から、差(B−A)が0.20mmまでは、温度上昇が2℃以下に抑えられていることがわかる。また、差(B−A)が0.20mmを超えると、急激に温度上昇することがわかる。つまり、差(B−A)が0.20mmを超えると、帯状磁性薄板21間の隙間が大きくなり、熱伝達が悪化してしまい、固定子10の温度上昇の抑制効果が低下したものと推考される。そこで、差(B−A)が0.00mm以上、0.20mm以下となるように固定子鉄心11を作製することが望ましい。
このように、この実施の形態1によれば、薄板連結溶接部23での固定子鉄心11の軸方向長さAと薄板連結溶接部23間の中央部での固定子鉄心11の軸方向長さBとの差(B−A)を0.00mm以上、0.20mm以下としているので、固定子10の温度上昇を抑制することができる。さらに、隣り合う帯状磁性薄板21が密接しているので、水や異物などが回転電機から露出する固定子鉄心11の外周面部位から帯状磁性薄板21間に侵入することが抑えられる。これにより、水や異物などが帯状磁性薄板21間に侵入して、錆などを発生させることが防止され、本質が向上すると共に、出力性能の低下が抑えられる。
また、平坦な突き合わせ軸端面2a,3aがフロントブラケット2およびリヤブラケット3の開口縁部に円環状に形成されているので、固定子鉄心11の軸方向両端面の外周縁部が周方向の全域で突き合わせ軸端面2a,3aに接触され、両者の接触面積が拡大され、固定子10の温度上昇を一層抑制することができる。
なお、固定子鉄心11の軸方向両端面の外周縁部が、必ずしも周方向の全域でブラケットの突き合わせ軸端面に接触している必要はなく、固定子鉄心11の軸方向の少なくとも一方の端面の外周縁部が周方向の全域でブラケットの突き合わせ軸端面に接触していればよい。この場合、例えば、一方の突き合わせ軸端面を円環状の単一の平坦面で構成し、他方の突き合わせ軸端面を複数の円弧状の平坦面を所定の間隔で円環状に配列して構成すればよい。
実施の形態2.
上記実施の形態1では、薄板連結溶接部23での固定子鉄心11の軸方向長さAと薄板連結溶接部23間の中央部での固定子鉄心11の軸方向長さBとの差(B−A)を0.00mm以上、0.20mm以下としているが、この実施の形態2では、差(B−A)を0.00mm以上、(A/100)mm以下としている。
ここで、差(B−A)の異なる固定子鉄心を作製し、固定子の温度上昇を測定した結果を図12に示す。
図12から、差(B−A)がA/100mmまでは、温度上昇が2℃以下に抑えられていることがわかる。また、差(B−A)がA/100mmを超えると、急激に温度上昇することがわかる。つまり、差(B−A)がA/100mmを超えると、帯状磁性薄板21間の隙間が大きくなり、熱伝達が悪化してしまい、固定子10の温度上昇の抑制効果が低下したものと推考される。そこで、差(B−A)が0.00mm以上、A/100mm以下となるように固定子鉄心11を作製することが望ましい。
従って、この実施の形態2においても、上記実施の形態1と同様の効果が得られる。
なお、上記各実施の形態では、固定子鉄心11が単一の積層体22を曲げて作製されるものとしているが、固定子鉄心の周方向長さをn分割(n:2以上の整数)した長さの積層体を用意し、各積層体を円弧状に曲げて積層鉄心を作製し、曲げられた積層鉄心の端面を突き合わせて溶接して円筒状の固定子鉄心を作製するようにしてもよい。また、各積層体の長さは固定子鉄心の周方向長さをn等分割した長さとしてもよい。
また、上記各実施の形態では、固定子鉄心11は、直方体の積層体22を円筒状に曲げて積層鉄心24を作製し、積層鉄心24の両端面を突き合わせて溶接一体化して作製するものとしているが、固定子鉄心は、圧延鋼板からC字状の磁性薄板を打ち抜き、打ち抜かれた磁性薄板を積層してC字状の積層鉄心を作製し、C字状の積層鉄心を最終曲げ加工を施し、その積層鉄心の両端面を突き合わせて溶接一体化して作製しても良い。
また、上記各実施の形態では、薄板連結溶接部23が積層体22をその長さ方向に4等分する位置に形成されているものといしているが、薄板連結溶接部23は2条以上あればよく、薄板連結溶接部23の間隔および位置は適宜設定すればよい。
また、上記各実施の形態では、車両用交流発電機について説明しているが、この発明は、車両用交流発電機に限らず、車両用交流電動機や車両用交流発電電動機などの回転電機に適用しても、同様の効果を奏する。
この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機を示す断面図である。 この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心を示す斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心を構成する帯状磁性薄板の打ち抜き工程を説明する図である。 この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心を構成する帯状磁性薄板を示す平面図である。 この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心の製造過程で得られる帯状磁性薄板の積層体をスロット側からみた斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心の製造過程で得られる帯状磁性薄板の積層体をコアバック側からみた斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心の製造方法における積層体の曲げ工程を説明する図である。 この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心の製造方法におけるプレス工程前の状態を説明する図である。 この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機に適用される固定子鉄心の製造方法におけるプレス工程後の状態を説明する図である。 この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機の要部を示す拡大側面図である。 この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機における(B−A)と固定子の温度上昇との関係を示す図である。 この発明の実施の形態2に係る車両用交流発電機における(B−A)と固定子の温度上昇との関係を示す図である。
符号の説明
2 フロントブラケット(第1ブラケット)、2a 突き合わせ軸端面、3 リヤブラケット(第2ブラケット)、3a 突き合わせ軸端面、4 シャフト、10 固定子、11 固定子鉄心、11b スロット、12 固定子コイル、21 帯状磁性薄板、22 積層体、23 薄板連結溶接部、24 積層鉄心。

Claims (4)

  1. それぞれ椀状に成形され、開口を相対して配設された第1および第2ブラケットと、
    上記第1および第2ブラケットの軸心位置に回転自在に支持されたシャフトと、
    上記シャフトに固着されて上記第1および第2ブラケット内に回転自在に配設された回転子と、
    スロットが内周側に開口して周方向に配列され、軸方向両端縁部を上記第1および第2ブラケットの開口縁部に加圧挟持されて上記回転子を囲繞するように配設された円筒状の固定子鉄心および該固定子鉄心に巻装された固定子コイルを有する固定子と、を備え、
    上記固定子鉄心は、積層鉄心の端面同士を突き合わせて溶接一体化して円筒状に構成され、
    上記積層鉄心は、所定枚の磁性鋼板を積層して構成され、積層された該所定枚の磁性薄板を溶接一体化する薄板連結溶接部が該積層鉄心の外壁面を積層方向の一端から他端に至るように、かつ所定の間隔を持って少なくとも2条形成されており、
    上記固定子鉄心は、上記薄板連結溶接部での軸方向長さAと、上記薄板連結溶接部間での最大軸方向長さBとが、0mm≦B−A≦0.2mmを満足するように形成されていることを特徴とする回転電機。
  2. それぞれ椀状に成形され、開口を相対して配設された第1および第2ブラケットと、
    上記第1および第2ブラケットの軸心位置に回転自在に支持されたシャフトと、
    上記シャフトに固着されて上記第1および第2ブラケット内に回転自在に配設された回転子と、
    スロットが内周側に開口して周方向に配列され、軸方向両端縁部を上記第1および第2ブラケットの開口縁部に加圧挟持されて上記回転子を囲繞するように配設された円筒状の固定子鉄心および該固定子鉄心に巻装された固定子コイルを有する固定子と、を備え、
    上記固定子鉄心は、積層鉄心の端面同士を突き合わせて溶接一体化して円筒状に構成され、
    上記積層鉄心は、所定枚の磁性鋼板を積層して構成され、積層された該所定枚の磁性薄板を溶接一体化する薄板連結溶接部が該積層鉄心の外壁面を積層方向の一端から他端に至るように、かつ所定の間隔を持って少なくとも2条形成されており、
    上記固定子鉄心は、上記薄板連結溶接部での軸方向長さAと、上記薄板連結溶接部間での最大軸方向長さBとが、0mm≦B−A≦(A/100)mmを満足するように形成されていることを特徴とする回転電機。
  3. それぞれ椀状に成形され、開口を相対して配設された第1および第2ブラケットと、
    上記第1および第2ブラケットの軸心位置に回転自在に支持されたシャフトと、
    上記シャフトに固着されて上記第1および第2ブラケット内に回転自在に配設された回転子と、
    スロットが内周側に開口して周方向に配列され、軸方向両端縁部を上記第1および第2ブラケットの開口縁部に加圧挟持されて上記回転子を囲繞するように配設された円筒状の固定子鉄心および該固定子鉄心に巻装された固定子コイルを有する固定子と、を備え、
    上記固定子鉄心は、積層鉄心の端面同士を突き合わせて溶接一体化して円筒状に構成され、
    上記積層鉄心は、所定枚の磁性鋼板を積層して構成され、積層された該所定枚の磁性薄板を溶接一体化する薄板連結溶接部が該積層鉄心の外壁面を積層方向の一端から他端に至るように、かつ所定の間隔を持って少なくとも2条形成されており、
    上記固定子鉄心の軸方向一端縁部が、全周にわたって上記第1および第2ブラケットの一方の開口縁部に接触していることを特徴とする回転電機。
  4. 上記積層鉄心は、長方形の平面形状に形成された所定枚の上記磁性鋼板を積層して構成された直方体の積層体を円筒状に曲げ成形されたものであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の回転電機。
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