JP2010035317A - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の遠心力に対する強度確保と出力向上を両立させることができる車両用回転電機を提供すること。
【解決手段】車両用交流発電機１は、それぞれに複数の爪部２２Ａ、２３Ａが形成された一対のポールコア２２、２３と漏洩磁束を防ぐ向きに着磁されて一対のポールコア２２、２３の爪部２２Ａ、２３Ａ間に配置された複数の永久磁石２９とを有する回転子２と、回転子２と対向配置された固定子３とを備える。一対のポールコア２２、２３のそれぞれの爪部２２Ａ、２３Ａには、永久磁石２９の外径側への移動を拘束するつば部２２Ｂ、２３Ｂが外径端部から径方向に張り出す形状に形成されており、つば部２２Ｂ、２３Ｂは、先端部から根元部に向けて径方向厚さが厚くなっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、乗用車、トラック等に搭載される車両用回転電機に関する。

従来から、ランデル型回転子の磁極爪部間に、対向する磁極爪部と同極に着磁した永久磁石を配置することにより、磁極爪部間の磁束漏洩を防止し、有効磁束の増加による出力向上を図るようにした車両用交流発電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この車両用交流発電機では、回転時に発生する遠心力に対して永久磁石を径方向に保持するために磁極爪部の外周側が鍔形状に形成されている。
特開平９−１３１０３０号公報（第２−４頁、図１−６）

ところで、特許文献１に開示された車両用交流発電機では、回転方向に沿って隣接する磁極爪部の鍔部の間には永久磁石が介在していないため、これらの間における磁束漏洩を防止することができず、その分車両用交流発電機の出力が低下するという問題があった。この対策としては、鍔部の径方向厚みを薄くすることが考えられるが、鍔部を薄くすると永久磁石の遠心力に対する強度が低下して信頼性を確保できなくなってしまう。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、永久磁石の遠心力に対する強度確保と出力向上を両立させることができる車両用回転電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機は、それぞれに複数の爪部が形成された一対のポールコアと漏洩磁束を防ぐ向きに着磁されて一対のポールコアの爪部間に配置された複数の永久磁石とを有する回転子と、回転子と対向配置された固定子とを備えており、一対のポールコアのそれぞれの爪部には、永久磁石の外径側への移動を拘束するつば部が周方向に張り出す形状に形成されており、つば部は、先端部から根元部に向けて径方向厚さが厚くなっている。これにより、隣接する爪部のそれぞれに設けられたつば部の対向面積を少なくすることができるため、これらのつば部間の磁束漏洩を低減することができ、出力向上を図ることができる。また、それぞれのつば部は、先端部から根元部に向けて径方向厚さが厚くなるため、永久磁石の遠心力に耐えうる強度を確保することができる。

また、上述した永久磁石は、外径側がつば部の内周面に沿った形状を有することが望ましい。これにより、つば部に対向する永久磁石の当接面全体で遠心力を受けることができるため、過度のストレスが永久磁石の一部に加わることを抑制し、永久磁石の破損を防止することができる。

また、上述したつば部の外周面は、回転子の回転軸を中心とした一定の半径を有することが望ましい。あるいは、上述した固定子の固定子鉄心とつば部との間には、一定の隙間が形成されていることが望ましい。これにより、つば部を含む爪部と固定子との間で入出力される磁束量を増やすことができ、さらに出力向上を図ることができる。

また、上述したつば部の内周面は、先端部から根元部に向けて、回転子の回転軸を中心とした半径が次第に小さくなることが望ましい。このように、つば部の径方向厚みを先端部から根元部に向けて徐々に厚くすることにより、つば部の強度を確実に確保することができる。

また、上述したつば部と爪部は、根元部において滑らかに連結されていることが望ましい。これにより、つば部の根元部において作用する過度のストレスを減らすことができ、永久磁石の遠心力に対する強度をさらに増すことができる。

また、上述した爪部は、周方向側面に永久磁石の対向部位に一致する形状の凹部を有し、対向部位が凹部に収容された状態で永久磁石が一対のポールコアに組み付けられることが望ましい。これにより、回転時および非回転時の両方において永久磁石保持の信頼性を高めることができるとともに、永久磁石の組み付けが容易となる。

また、上述した永久磁石は、少なくとも外径側を含む面が非磁性体材料からなる包囲部材で包囲されていることが望ましい。これにより、遠心力により発生する永久磁石へのストレスを軽減することが可能となる。また、永久磁石が破損した場合に破片が飛散することを防止することができる。

また、上述した永久磁石と爪部との間が接着部材によって接着されていることが望ましい。あるいは、上述した永久磁石、包囲部材、爪部のそれぞれの間あるいは一部の間が接着部材によって接着されていることが望ましい。これにより、磁石保持の信頼性をさらに上げることができる。

以下、本発明の車両用回転電機を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、回転子２、固定子３、フロント側ハウジング４、リヤ側ハウジング５、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８、プーリ９等を含んで構成されている。

回転子２は、回転方向に沿って交互にＮＳ磁極を形成する軸方向に折り曲げられた複数の磁極爪部を有する一対のポールコア２２、２３と、これら一対のポールコア２２、２３の間に配置された永久磁石２９と、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した励磁コイル２１と、回転軸２４とを有する。また、フロント側（プーリ９側）のポールコア２２の軸方向端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すために斜流ブレードを備えて軸流式又は軸流式と遠心式を混合した冷却ファン２５が溶接（例えばプロジェクション溶接）によって取り付け固定されている。同様に、リヤ側のポールコア２３の軸方向端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すための遠心式の冷却ファン２６が溶接等によって取り付け固定されている。この構成とすることで、磁石部へ冷却風を通風することができ、永久磁石２９の温度低減が図れるため、磁気特性の悪化抑制はもとより、接着部材を用いた場合の熱劣化低減により永久磁石保持の信頼性の向上が可能である。

回転軸２４のリヤ側には励磁コイル２１の両端に電気的に接続されたスリップリング２７、２８が形成されており、ブラシ装置６内のブラシ６１、６２をスリップリング２７、２８のそれぞれに押し当てた状態で組み付けることにより、整流装置７から励磁コイル２１に対して励磁電流が流れるようになっている。

固定子３は、回転子２に対して対向配置された固定子鉄心３１に形成された複数個のスロットに、三相の固定子巻線３２が所定間隔で巻装されている。整流装置７は、固定子３の三相の固定子巻線３２に誘起される交流電圧を整流して直流出力を得るためのものであり、回転子２を挟んでプーリ９と反対側に配置され、所定の間隔で固定される正極側放熱板および負極側放熱板と、それぞれの放熱板に半田付け等によって取り付けられた複数個の整流素子とを含んで構成されている。

フロント側ハウジング４およびリヤ側ハウジング５は、上述した回転子２および固定子３を収納しており、回転子２が回転軸２４を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子２のポールコア２２、２３の外側に所定の隙間を介して配置された固定子３が固定されている。この固定子３の固定は、回転子２の回転方向に沿って等間隔に設けられた４箇所の支持部４２０にボルト３４を通して締め付けることにより行われる。

電圧調整器８は、励磁コイル２１に流す励磁電流を制御することにより車両用交流発電機１の出力電圧を調整するためのものであり、電気負荷と発電量とに応じて変化する出力電圧をほぼ一定に維持する。プーリ９は、エンジン（図示せず）の回転を車両用交流発電機１内の回転子２に伝えるためのものであり、回転軸２４の一方端（スリップリング２７等と反対側）にナット９１によって締め付け固定されている。また、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８を覆うように、これらを保護するリヤカバー９２が取り付けられている。

上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ９にエンジンからの回転が伝えられると回転子２が所定方向に回転する。このとき、励磁コイル２１に励磁電圧を印加することによりポールコア２２、２３のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線３２に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置７の出力端子からは所定の直流電流が取り出される。

次に、回転子２に備わった永久磁石２９の周辺構造について説明する。図２は、回転子２の部分的な断面図であり、ポールコア２２、２３の合わせ面近傍における回転軸２４に垂直な向きの断面形状が示されている。また、図３は図２に示すポールコア２２、２３のそれぞれの爪部に設けられたつば部の拡大図である。

図２に示すように、永久磁石２９は、漏洩磁束を防ぐ向きに着磁されて、一対のポールコア２２、２３のそれぞれの爪部２２Ａ、２３Ａ間に配置されている。例えば、励磁コイル２１に励磁電流が流れたときに一方のポールコア２２の爪部２２ＡがＮ極に、他方のポールコア２３の爪部２３ＡがＳ極にそれぞれ磁化されるものとすると、永久磁石２９は、爪部２２Ａに対向する側がＮ極に、爪部２３Ａに対向する側がＳ極になるように着磁されたものが用いられる。

また、一方のポールコア２２の爪部２２Ａには、永久磁石２９の外径側（回転軸２４を中心とした場合の外径側）への移動を拘束するつば部２２Ｂが外径端部から径方向に張り出す形状に形成されている。同様に、他方のポールコア２３の爪部２３Ａには、永久磁石２９の外径側への移動を拘束するつば部２３Ｂが外径端部から径方向に張り出す形状に形成されている。

つば部２２Ｂは、爪部２２Ａからみて先端部から根元部に向けて径方向厚さが厚くなっている。図３では、先端部の径方向厚さがＡで、根元部の径方向厚さがＢでそれぞれ示されている。このつば部２２Ｂの外周面（固定子鉄心３１に対向する面）は、回転軸２４を中心とした一定の半径を有しており、これにより、固定子鉄心３１とつば部２２Ｂとの間には一定の隙間が形成されている。また、つば部２２Ｂの内周面は、先端部から根元部に向けて、回転軸２４を中心とした半径が次第に小さくなっている。つば部２３Ｂについても同様である。永久磁石２９は、外径側がこのようなつば部２２Ｂ、２３Ｂの内周面に沿った形状を有している。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、つば部２２Ｂ、２３Ｂの先端部から根元部に向けて径方向厚さが厚くなるように、換言すれば、先端部の径方向厚みを根元部の径方向厚みよりも薄くすることにより、隣接する爪部２２Ａ、２３Ａのそれぞれに設けられたつば部２２Ｂ、２３Ｂの対向面積を少なくすることができるため、これらのつば部２２Ｂ、２３Ｂ間の磁束漏洩を低減することができ、車両用交流発電機１の出力向上を図ることができる。また、それぞれのつば部２２Ｂ、２３Ｂは、先端部から根元部に向けて径方向厚さが厚くなるため、永久磁石２９の遠心力に耐えうる強度を確保することができる。

また、永久磁石２９の外径側の形状をつば部２２Ｂ、２３Ｂの内周面に沿った形状とすることにより、つば部２２Ｂ、２３Ｂに対向する永久磁石２９の当接面全体で遠心力を受けることができるため、過度のストレスが永久磁石２９の一部に加わることを抑制し、永久磁石２９の破損を防止することができる。

また、つば部２２Ｂ、２３Ｂの外周面が一定の半径をなし、固定子鉄心３１とつば部２２Ｂ、２３Ｂとの間に一定の隙間が形成されるようになっており、これにより、つば部２２Ｂ、２３Ｂを含む爪部２２Ａ、２３Ａと固定子３との間で入出力される磁束量を増やすことができ、さらに出力向上を図ることができる。

また、つば部２２Ｂ、２３Ｂの内周面を、先端部から根元部に向けて、回転軸２４を中心とした半径が次第に小さくなるようにすることで、つば部２２Ｂ、２３Ｂの強度を確実に確保することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。図４は、つば部の変形例を示す回転子の部分的な断面図であり、図２に対応する部位の断面形状が示されている。図４に示すように、つば部２２Ｂ、２３Ｂの根元部がＲ形状（曲面形状）をなしており、つば部２２Ｂ、２３Ｂの内周面と爪部２２Ａ、２３Ａは根元部において滑らかに連結されている。これにより、つば部２２Ｂ、２３Ｂの根元部において作用する過度のストレスを減らすことができ、永久磁石２９の遠心力に対するつば部２２Ｂ、２３Ｂの強度をさらに増すことができる。

図５は、爪部の変形例を示す回転子の部分的な断面図であり、図２に対応する部位の断面形状が示されている。図５に示すように、爪部２２Ａ、２３Ａは、周方向側面に永久磁石２９の対向部位に一致する形状の凹部を有し、永久磁石２９の対向部位がこの凹部に収容された状態で永久磁石２９が一対のポールコア２２、２３に組み付けられている。これにより、回転時および非回転時の両方において永久磁石２９保持の信頼性を高めることができるとともに、永久磁石２９の組み付けが容易となる。

図６は、永久磁石の変形例を示す回転子の部分的な断面図であり、図２に対応する部位の断面形状が示されている。図６に示すように、永久磁石２９は、少なくとも外径側を含む面が非磁性体材料からなる包囲部材３０で包囲されている。これにより、遠心力により発生する永久磁石２９へのストレスを軽減することが可能となる。また、永久磁石２９が破損した場合に破片が飛散することを防止することができる。なお、飛散防止のためには、永久磁石２９の全面を包囲部材３０で包囲することが望ましい。また、図６に示す例は、図５に示す構造に対して包囲部材３０を追加したが、図２、図４のそれぞれに示す構造に対して包囲部材３０を追加するようにしてもよい。

図７は、他の変形例を示す回転子の部分的な断面図であり、図２に対応する部位の断面形状が示されている。図７に示す例では、永久磁石２９、包囲部材３０、つば部２２Ｂ、２３Ｂを含む爪部２２Ａ、２３Ａのそれぞれの間が接着部材１３１、１３２によって接着されている。接着部材１３１、１３２は、樹脂やゴムなどからなっている。なお、これらの間の全てを接着部材１３１、１３２で接着するのではなく、少なくとも一部の面を接着するようにしてもよい。また、図７に示す例は、図６に示す構造に対して接着部材１３１、１３２を追加したが、図２、図４、図５のそれぞれに示す構造に対して接着部材を追加するようにしてもよい。このとき、冷却ファン２５及び２６との組み合わせにより接着部材１３１、１３２に冷却風を通風することができ、接着部材１３１、１３２の温度低減が図れ、信頼性の向上が可能である。

また、上述した実施形態では、発電機能を有する車両用交流発電機１について説明したが、発電機と電動機の機能を有する車両用回転電機や、電動機としての機能のみを有する車両用回転電機に本発明を適用するようにしてもよい。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。 回転子２の部分的な断面図である。 図２に示すポールコアのそれぞれの爪部に設けられたつば部の拡大図である。 つば部の変形例を示す回転子の部分的な断面図である。 爪部の変形例を示す回転子の部分的な断面図である。 永久磁石の変形例を示す回転子の部分的な断面図である。 他の変形例を示す回転子の部分的な断面図である。

符号の説明

１ 車両用交流発電機
２ 回転子
３ 固定子
４ フロント側ハウジング
５ リヤ側ハウジング
６ ブラシ装置
７ 整流装置
８ 電圧調整器
９ プーリ
２１ 励磁コイル
２２、２３ ポールコア
２２Ａ、２３Ａ 爪部
２２Ｂ、２３Ｂ つば部
２４ 回転軸
２５、２６ 冷却ファン
２９ 永久磁石
３０ 包囲部材
１３１、１３２ 接着部材

Claims (10)

1. それぞれに複数の爪部が形成された一対のポールコアと漏洩磁束を防ぐ向きに着磁されて前記一対のポールコアの前記爪部間に配置された複数の永久磁石とを有する回転子と、前記回転子と対向配置された固定子とを備える車両用回転電機において、
   前記一対のポールコアのそれぞれの爪部には、前記永久磁石の外径側への移動を拘束するつば部が周方向に張り出す形状に形成されており、
   前記つば部は、先端部から根元部に向けて径方向厚さが厚くなることを特徴とする車両用回転電機。
2. 請求項１において、
   前記永久磁石は、外径側が前記つば部の内周面に沿った形状を有することを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項１または２において、
   前記つば部の外周面は、前記回転子の回転軸を中心とした一定の半径を有することを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項１または２において、
   前記固定子の固定子鉄心と前記つば部との間には、一定の隙間が形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項３または４において、
   前記つば部の内周面は、先端部から根元部に向けて、前記回転子の回転軸を中心とした半径が次第に小さくなることを特徴とする車両用回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記つば部と前記爪部は、前記根元部において滑らかに連結されていることを特徴とする車両用回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記爪部は、周方向側面に前記永久磁石の対向部位に一致する形状の凹部を有し、
   前記対向部位が前記凹部に収容された状態で前記永久磁石が前記一対のポールコアに組み付けられることを特徴とする車両用回転電機。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
   前記永久磁石は、少なくとも外径側を含む面が非磁性体材料からなる包囲部材で包囲されていることを特徴とする車両用回転電機。
9. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
   前記永久磁石と前記爪部との間が接着部材によって接着されていることを特徴とする車両用回転電機。
10. 請求項８において、
    前記永久磁石、前記包囲部材、前記爪部のそれぞれの間あるいは一部の間が接着部材によって接着されていることを特徴とする車両用回転電機。

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