JP2009022132A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転負荷を受ける回転電機において、回転遠心力負荷により発生する爪状磁極部先端の遠心方向への広がりを、効果的に抑制することができるランデル型ポールコアを用いた回転子を有する回転電機を提供する。
【解決手段】バンド３０、３１を第１および第２爪状磁極部２０，２４の先端側外周面および根元側内周面を通過するよう設置することで、回転時に爪状磁極先端に作用する遠心力負荷を、バンドを介して、径方向負荷に対して高剛性の爪状磁極部根元で支えることが出来、爪状磁極部先端の遠心方向広がりを抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ランデル型ポールコアを用いた回転子を有するランデル型回転電機に関する。

ランデル型回転電機は、それぞれが複数の爪部を有するランデル型ポールコアを用いた回転子を備えており、この回転子を高速に回転させることにより発電を行っている。このように回転子を高速回転させることによりポールコアの各爪部が遠心方向に広がるという不具合が生じていた。

爪部の遠心方向への広がりを防止するための従来技術として、対向する爪間の空隙部に非磁性材料のスペーサーを挿入する方法等でランデル型ポールコアの爪部を拘束する各種の手法が知られている。他の方法としては例えば、ランデル型回転電機の回転子は、ランデル型ポールコアの外周部にワイヤーを螺旋状に巻きつけることにより爪部を外周面から拘束するため、爪部の広がりを抑制することができる（特許文献１）。また、ランデル型回転子の爪部外周に非磁性のバンドを設け、磁石の径方向外周側への飛散を防止するものがある（特許文献２）。
さらに、発電時に回転子と固定子とには磁気力が作用しているが、固定子鉄心のスロットに起因する磁束の不均一などが原因となり、この脈動成分が回転子のポールコアの爪状磁石を加振するため、それを抑制する制振部材として、隣り合う爪状磁石の一方の先端側と他方の根元側を連結する非磁性の連結部材を用いる例がある（特許文献３）。

特開平１０−１７４３９４（図２） 特開平０３−２６５４５１（図７） 特開２００５−２３７０５７（図３）

爪状磁石の広がりを防止するには、特許文献１のように爪状磁石の外周を固定することが高い効果が期待されるが、広がり抑制には爪先端部が最も有効で何重にも拘束する必要はなく、また爪状磁石の外周部に複数の爪部に渡って螺旋状の溝部を形成するには余分な加工工程が必要となり、高い精度が要求される。さらに、溝部がない場合、回転子の回転中にワイヤーのずれが懸念され、広がり抑制効果が低減する恐れがあった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、簡便な方法で、爪部の広がりを抑制することができるランデル型回転電機を提供することを目的とする。

この発明に係る回転電機は、円筒状のボス部、該ボス部の軸方向両端縁部からそれぞれ径方向外側に延設された一対の継鉄部、および該一対の継鉄部の外周部から交互に噛み合うように軸方向に延設された複数の爪状磁極を有するランデル型回転子を備え、上記爪状磁極部に噛み合うように両側に隣接された爪状磁極部の根元部側面方向から上記爪状磁極部の先端部外周面を渡るバンドを設置したものである。

この発明によれば、爪状磁極部に噛み合うように両側に隣接された爪状磁極部の根元部側面方向から上記爪状磁極部の先端部外周面を渡るようにバンドを取り付けたことにより、ポールコアの各爪状磁極部の先端部に作用する負荷を、噛み合うように隣接するポールコアの各爪状磁極部の根元で支えることができる。したがって、この回転子を回転させたときに、ポールコアの各爪状磁極部に遠心力が作用して爪状磁極部が遠心方向に広がるのを抑制できる。

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であるランデル型回転電機を模式的に示す一部断面図、図２はその斜視図、図３はこの発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される回転子の一部を示す斜視図である。

図１〜３において、回転電機１は、それぞれ略椀形状のアルミ製のフロントブラケット２とリヤブラケット３とからなり軸受６を介してシャフト１６に支持されたケース４と、シャフト１６に固定されケース４内に回転自在に配設された回転子１３と、ケース４のフロント側に延出するシャフト１６の端部に固着されたプーリ６と、回転子１３の軸方向の両端面に固定されたファン７と、回転子１３に対して一定の空隙（通常1ｍｍ以下、0.3ｍｍ程度）を有して、回転子１３の外周を囲繞してケース４に固定された固定子１０と、シャフト１６のリヤ側に固定され、回転子１３に電流を供給する一対のスリップリング８と、各スリップリング８に摺動するようにケース４内に配設された一対のブラシ９と、を備えている。なお、図示していないが、固定子１０で生じた交流を直流に整流する整流器、固定子１０で生じた交流電圧の大きさを調整する電圧調整器などの部品がケース４内に配設されている。

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１３の回転に伴い、後述する界磁コイル１４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。

回転子１３は、励磁電流が流されて磁束を発生する界磁コイル１４と、界磁コイル１４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１５と、ポールコア１５の軸心位置に貫装されたシャフト１６と、を備えている。

ポールコア１５は、それぞれ例えばＳ１０Ｃなどの低炭素鋼で冷間鍛造製法により作製された第１および第２ポールコア体１７，２１に分割構成されている。

第１ポールコア体１７は、外周面を円筒形状とし、シャフト挿通穴が軸心位置に穿設された第１ボス部１８と、第１ボス部１８の一端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第１継鉄部１９と、第１継鉄部１９の外周部から軸方向他端側に延設された第１爪状磁極部２０とを有している。第１爪状磁極部２０は、図２で示されるように、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成され、第１継鉄部１９の外周部に周方向に等角ピッチで例えば８つ配列されている。

第２ポールコア体２１は、外周面を円筒形状とし、シャフト挿通穴が軸心位置に穿設された第２ボス部２２と、第２ボス部２２の他端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第２継鉄部２３と、第２継鉄部２３の外周部から軸方向一端側に延設された第２爪状磁極部２４とを有している。第２爪状磁極部２４は、上記第１爪状磁極部２０と同様、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成され、第２継鉄部２３の外周部に周方向に等角ピッチで例えば８つ配列されている。

このように構成された第１および第２ポールコア体１７，２１は、第１および第２爪状磁極部２０，２４を交互に噛み合わせ、かつ、第１ボス部１８の他端面を第２ボス部２２の一端面に突き合わせ、シャフト挿通穴に貫装されたシャフト１６に固着されている。そして、ボビン（図示せず）に巻装された界磁コイル１４が、第１および第２ボス部１８，２２、第１および第２継鉄部１９，２３および第１および第２爪状磁極部２０，２４に囲まれた空間に装着されている。

上記の第１および第２ポールコア体１７，２１の爪状磁極部２０、２４の先端外周側には溝３２、３３が形成されており、根元内周側には溝３４、３５が形成されている。バンド３０は第１爪状磁極部２０の先端外周溝３２から第２爪状磁極部２４の根元内周溝３５に沿って設置されており、また、第２爪状磁極部２４の先端外周溝３３から第１爪状磁極部２０の根元内周溝３４に沿って設置されている。すなわち、第１爪状磁極部２０に噛み合うように両側に隣接された第２の爪状磁極部２４の根元部側面方向から上記爪状磁極部の先端部外周面を渡るバンドを設置しており、この実施の形態ではそれが順次連続的に渡るようになっている。

このバンド３０は、ポールコアの隣接する爪状磁極部間の漏洩磁束を低減し、発電効率を上昇、維持するために、非磁性体材料、例えばステンレスやアルミ、または耐熱性、高強度のＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics:繊維強化プラスチックス）のような樹脂材料によって形成することが望ましい。

中でも、ステンレスは、発電機の高速回転時の高応力負荷環境下および発電時の高温環境下でもバンド３０の材料として適用可能である。

つぎに、このように構成された回転電機１の動作について説明する。まず、電流がバッテリ（図示せず）からブラシ９およびスリップリング８を介して回転子１３の界磁コイル１４に供給され、磁束が発生する。この磁束により、第１ポールコア体１７の第１爪状磁極部２０がＮ極に着磁され、第２ポールコア体２１の第２爪状磁極部２４がＳ極に着磁される。

一方、車両用の場合、エンジンの回転トルクがベルト（図示せず）およびプーリ６を介してシャフト１６に伝達され、回転子１３が回転される。そこで、回転磁界が固定子１０の固定子コイル１２に与えられ、起電力が固定子コイル１２に発生する。この交流の起電力が、整流器で直流電流に整流され、バッテリが充電され、或いは電気負荷に供給される。

回転子１３の回転時に、爪状磁極部２０、２４先端に作用する遠心力負荷は、バンド３０を介して第１、第２爪状磁極部２０、２４根元で支えられる。第１、第２爪状磁極部２０，２４の先端と根元では、根元の方が遠心力負荷に対する径方向の剛性が高いので両隣の爪状磁極部の根元に渡るバンド３０により第１、第２爪状磁極部２０、２４先端の遠心方向への広がりは抑制される。

このように爪状磁極部２０、２４の先端外周・根元内周を交互に渡るバンドを設置することにより、爪状磁極部２０、２４の遠心方向広がりを有効に抑えることが可能となる。

なお、この実施の形態に示す回転電機ではバンド３０の設置時および運転時の位置ずれを防止するための溝３２、３３、３４、３５が存在しているが、小型回転電機で遠心力が大きくなく、バンドの厚さを固定子１０と回転子１３との空隙確保に影響しないように設定できる場合、溶接・接着等の手段でバンド３０を爪状磁極部２０、２４に固定できれば、溝３２、３３、３４、３５は省いてもよい。大型回転電機では対遠心力を考慮すると０．１ｍｍ〜数ｍｍの厚さのバンドが想定されるため、少なくとも爪状磁極部の外周表面には溝を形成することが望ましい。バンドの固定目的のみであれば、爪状磁極部の外周、内周の両方に設けることはなく、片方のみでもよい。

また、溝３２，３３，３４，３５角部には、バンド３０に作用する負荷を低減させ、長寿命化を達成するために面取りを施しＲ形状とすることが望ましい。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機であるランデル型回転電機を模式的に示す断面図、図５はこの発明の実施の形態２に係るランデル型回転電機に適用される回転子を示す斜視図、図６はこの発明の実施の形態２に係るランデル型回転電機に設置されるバンドを示す斜視図である。図４〜６において、実施の形態１の図1〜３と同一符号については説明を省略する。図において、バンド４０は第１爪状磁極部２０の先端外周溝３２を通り第２爪状磁極部２４の根元側面または内周側に溶接・接着等により設置されており、また、第２爪状磁極部２４の先端外周溝３３を通り第１爪状磁極部２０の根元側面または内周側に溶接・接着等により設置されている。図６(a)のバンドでは爪状磁極部の根元側面に、図６(b)では爪状磁極部の根元内周側に溶接や接着等で設置される。このようなバンド４０であれば一端を一方の爪状磁極部の所定の場所に固着し、２つの爪状磁極部を噛み合わせることができ、作業性が向上する。

実施の形態１においては、第１爪状磁極部２０に噛み合うように両側に隣接された第２の爪状磁極部２４の根元部側面方向から上記爪状磁極部の先端部外周面を渡るバンド３０を設置し、それが順次連続的に渡るようになっているが、この第２の実施の形態においては、両側に隣接された第２の爪状磁極部２４の根元部側面で固着されたバンド４０が第１の爪状磁極部の先端部外周面を渡るように固定される点で異なっている。

このバンド４０は、ポールコアの隣接する爪状磁極部間の漏洩磁束を低減するために、実施の形態１と同様、非磁性体材料、例えばステンレスやアルミ、または樹脂材料によって形成することが望ましい。中でも、ステンレスは、発電機の高速回転時の高応力負荷環境下および発電時の高温環境下でもバンド４０の材料として適用可能である。

また、溝３２，３３角部には、バンド４０に作用する負荷を低減させ、長寿命化を達成するためにＲ形状を施すことが望ましい。

なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されており、バンド４０の厚さが固定子回転子間の空隙確保に影響せず、爪状磁極部２０、２４の先端に溶接・接着等手段により固定することが可能ならば、溝３２、３３は省いてもよい。

このように構成されたランデル型回転電機１においても、回転子１３の回転時に、爪状磁極部２０、２４先端に作用する遠心力負荷は、バンド４０を介して爪状磁極部２０、２４根元で支えられる。爪状磁極部２０，２４の先端と根元では、根元の方が遠心力負荷に対する径方向の剛性が高いので爪状磁極部２０，２４先端の遠心方向への広がりは抑制される。

また、ランデル型回転電機１においても、爪状磁極部２０，２４根元内周面にバンドを通す作業が不要となるため、作成完了後の回転子１３にも補強作業としてバンドを設置することも容易になり、製造作業性が向上される。

本発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機であるランデル型回転電機を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係るランデル型回転電機を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るランデル型回転電機に適用される回転子爪状磁極部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機であるランデル型回転電機を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係るランデル型回転電機に適用される回転子爪状磁極部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係るランデル型回転電機に設置されるバンドを示す斜視図である。

符号の説明

１ 回転電機、 １０ 固定子、 １３ 回転子、 １４ 界磁コイル、
１５ ポールコア、 １６ シャフト、 １７ 第１ポールコア体、
１８ 第１ボス部、 １９ 第１継鉄部、 ２０ 第１爪状磁極部、
２１ 第２ポールコア体、 ２２ 第２ボス部、 ２３ 第２継鉄部、
２４ 第２爪状磁極部、 ３０、４０ バンド、 ３２ 第１爪状磁極部先端外周溝、
３３ 第２爪状磁極部先端外周溝、 ３４ 第１爪状磁極部根元内周溝、
３５ 第２爪状磁極部根元内周溝。

Claims (5)

1. 円筒状のボス部、該ボス部の軸方向両端縁部からそれぞれ径方向外側に延設された一対の継鉄部、および該一対の継鉄部の外周部から交互に噛み合うように軸方向に延設された複数の爪状磁極を有するランデル型回転子を備え、第１の爪状磁極部に噛み合うように両側に隣接された第２の爪状磁極部の根元部側面方向から上記第１の爪状磁極部の先端部外周面を渡るバンドを設置したことを特徴とする回転電機。
2. バンドは爪状磁極部先端外周面を渡り、両側に隣接された爪状磁極部根元部側面に固着されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 爪状磁極部にバンドを配置する溝が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 爪状磁極部に形成した溝の角部にはＲ形状が施されていることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. バンドは非磁性体材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機。

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