JP2013162668A

JP2013162668A - 車両用回転電機の回転子

Info

Publication number: JP2013162668A
Application number: JP2012023873A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tsuchiya; 裕之土屋; Koji Kondo; 考司近藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2013-08-19
Anticipated expiration: 2032-02-07
Also published as: DE102013101088A1; JP5929272B2

Abstract

【課題】爪状磁極に設けられたつば部によって磁石の遠心方向へ移動を抑えることができるとともに磁石の割れを防止することができる車両用回転電機の回転子を提供すること。
【解決手段】車両用交流発電機１の回転子３は、それぞれに複数の爪状磁極７３１、７３２を有する一対のランデル型ポールコア７と、漏洩磁束を防ぐ向きに着磁されて一対のランデル型ポールコア７の爪状磁極７３１、７３２の間に配置された複数の磁石３０と、これら複数の磁石３０のそれぞれを保持する複数の磁石保持器３１とを有する。爪状磁極７３１、７３２は、外径側端部において周方向に突出して磁石保持器３１の一部が当接するつば部を有し、磁石３０は、長手方向に複数に分割されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用回転電機の回転子に関する。

従来から、ポールコアの爪状磁極の両側面に漏れ磁束低減用の磁石を装着するとともに、爪状磁極の外周側に設けられたつば部に磁石保持器の外周部を当接させるようにした回転電機の回転子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような回転子の構造を採用することにより、回転子を回転させた際に、磁石の遠心方向の移動を抑えることができる。

特開平１０−２０１１５０号公報（第６頁、図１１−１３）

ところで、特許文献１に開示された回転電機の回転子では、爪状磁極に設けられたつば部によって磁石保持器の外周部が拘束されているが、回転子の回転時に爪状磁極の先端側が遠心力によって外周側に広がると、この広がりに応じた応力が磁石保持器内の磁石に作用し、この応力が最大となる位置で磁石が割れるという問題があった。特に、磁石保持器の周方向に隣接する２つの爪状磁極は、先端側の向きが反対になっており、これらの向きが異なる先端側が別々に広がるため、磁石保持器に収納された磁石にはその長手方向の中央部分に応力集中が発生し、この中央部分で割れやすくなる。

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、爪状磁極に設けられたつば部によって磁石の遠心方向の移動を抑えることができるとともに磁石の割れを防止することができる車両用回転電機の回転子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の回転子は、それぞれに複数の爪状磁極を有する一対のランデル型鉄心と、漏洩磁束を防ぐ向きに着磁されて一対のランデル型鉄心の爪状磁極の間に配置された複数の磁石と、これら複数の磁石のそれぞれを保持する複数の磁石保持器とを有する回転子とを備える車両用回転電機の回転子において、爪状磁極は、外径側端部において周方向に突出して磁石保持器の一部が当接するつば部を有し、磁石は、長手方向に複数に分割されている。爪状磁極間に装着する磁石を長手方向に複数に分割しているため、回転時に磁石に隣接する爪状磁極の先端側が遠心力によって外側に広がった場合であっても、磁石の中央部分における応力集中を低減し、磁石の割れを防止することができる。

また、上述した磁石と磁石保持器は１対１に対応しており、磁石を構成する複数の磁石分割片が１つの磁石保持器によって保持されることが望ましい。複数の磁石分割片を１つの磁石保持器によって保持することにより、部品点数の低減が可能となるとともに、回転子を組み付ける際の工数低減が可能となる。

また、上述した磁石保持器は、軸方向にそれぞれが独立していることが望ましい。それぞれの磁石保持器を軸方向に沿って独立させることにより、複数の磁石保持器を連結する部材をランデル型鉄心の軸方向端面側に配置する必要がなく、この軸方向端面に冷却ファンを溶接する場合に広い面積を確保することが可能となる。

また、上述した磁石の分割面は、長手方向に対して傾斜していることが望ましい。磁石保持器に隣接する２つの爪状磁極の先端側の向きが反対になっているため、それぞれの先端側が広がったときに、磁石にはその長手方向に対して傾斜した向きに最大応力が作用するが、磁石の分割面をその長手方向に対して傾斜させることにより、最大応力と交差する向き（例えば直交する向き）に磁石を分割することが可能になり、磁石に対する応力集中を効果的に低減することができる。

また、上述した爪状磁極の間に磁石保持器を組み付ける際に未着磁の磁石が用いられることが望ましい。これにより、回転子を組み付けてランデル型鉄心や回転軸の外形部分を切削した後に磁石を着磁することが可能になり、磁石に付着した切削粉を除去する特別な工程が不要になり、回転子の製造コストを低減することができる。

また、上述した磁石保持器は、非磁性材料を用いて形成されていることが望ましい。これにより、磁性材料により形成された磁石保持器を用いた場合に比べて磁石の磁束減少を抑制することができる。

また、上述した爪状磁極の内径面に当接するとともに円環状に形成されたリング部材をさらに備え、リング部材に複数の磁石保持器のそれぞれが固定されることが望ましい。これにより、磁石保持器が軸方向にずれることを防止することができる。また、ランデル型鉄心にリング部材を取り付けた後に各磁石保持器を取り付けることにより、一対のランデル型鉄心の相対的な周方向位置が許容範囲内でずれた場合であっても、適切な位置に磁石保持器を取り付けることができ、磁石保持器の組付精度を向上させることができる。

また、上述した磁石保持器と磁石の間と、磁石保持器と爪状磁極との間に樹脂材料が充填されていることが望ましい。これにより、磁石が磁石保持器内で移動したり、磁石保持器が爪状磁極間で移動することを防止することができる。

一実施形態の車両用交流発電機の主要部断面図である。回転子の斜視図である。爪状磁極の形状を示す部分的な平面図である。爪状磁極の形状を示す部分的な側面図である。隣接する爪状磁極とその間に配置された磁石保持器および磁石との関係を示す説明図である。磁石と磁石保持器の説明図である。回転子の回転時に磁石に作用する応力分布と磁石３０の分割位置を示す図である。爪状磁極にリング部材を取り付けた状態を示す部分的な断面図である。リング部材に各磁石保持器を装着した状態を示す部分的な斜視図である。

以下、本発明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説明する。図１は、一実施形態の車両用交流発電機の主要部断面図である。本実施形態の車両用交流発電機１は、電機子として働く固定子２と、界磁として働く回転子３と、固定子２および回転子３を支持するハウジング４と、交流電力を直流電力に変換する整流器５等を含んで構成されている。

図２は、回転子３の斜視図である。なお、回転子３の軸方向端面には冷却ファンが固定されているが、図２ではこれらの冷却ファンが省略されている。

回転子３は、回転軸６と一体になって回転するものであり、一対のランデル型ポールコア（ランデル型鉄心）７と、ランデル型ポールコア７を磁化する界磁コイル８と、回転軸６の後方端部近傍に設けられて界磁コイル８の両端に接続されたスリップリング９、１０と、それぞれのランデル型ポールコア７の軸方向端面に取り付けられた冷却ファン１１、１２と、一対のランデル型ポールコア７の間に配置されてこれらの間の漏洩磁束を低減する磁石３０を保持する磁石保持器３１とを含んで構成されている。

回転軸６は、プーリ２０に連結されており、車両に搭載された走行用のエンジン（図示せず）により回転駆動される。プーリ側の一方のランデル型ポールコア７は、回転軸６に組み付けられたボス部７１１と、ボス部７１１のプーリ側端部より径方向に延びるディスク部７２１と、ディスク部７２１の外周側から軸方向に伸びる複数の爪状磁極７３１とにより構成されている。反プーリ側の他方のランデル型ポールコア７は、回転軸６に組み付けられたボス部７１２と、ボス部７１２の反プーリ側端部より径方向に延びるディスク部７２２と、ディスク部７２２の外周側から軸方向に伸びる複数の爪状磁極７３２とにより構成されている。これらのポールコア７は鍛造により成形される。複数の爪状磁極７３１と複数の爪状磁極７３２のそれぞれが互いに噛み合うとともに、ボス部７１１、７１２の外周側に界磁コイル８を配置した状態で、一対のランデル型ポールコア７が回転軸６に圧入されて組み付けられている。

爪状磁極７３１、７３２の極数は６〜８が一般的であるが、例えば本実施形態では極数が８に設定されている。レギュレータ１３から界磁コイル８にスリップリング９、１０を介して界磁電流が流れると、一方の爪状磁極７３１がＮ極に、他方の爪状磁極７３２がＳ極に磁化される。

図３は、爪状磁極７３１の形状を示す部分的な平面図である。また、図４は爪状磁極の形状を示す部分的な側面図である。これらの図に示すように、爪状磁極７３１は、外径側端部において周方向両側に突出するつば部７３１１と、隣接する爪状磁極７３２に対向する周方向側面７３１２と、組み付けたときに内周側に配置される界磁コイル８に対向する内径面７３１３とを有する。爪状磁極７３２についても同様であり、つば部７３２１、周方向側面７３２２、内径面７３２３を有する。なお、周方向側面７３１２、７３２２については鍛造成形時の表面形状を維持した状態、もしくは切削などの加工が施されている状態のどちらでもよい。

図５は、隣接する爪状磁極７３１、７３２とその間に配置された磁石保持器３１および磁石３０との関係を示す説明図である。また、図６は磁石３０と磁石保持器３１の説明図である。磁石３０は、ネオジウム磁石などの希土類磁石が用いられ、長手方向に複数個に分割されている。本実施形態では、磁石３０は２個に分割されており、長手方向に対して傾斜した分割面３０２を有する２個の磁石分割片３０１によって磁石３０が構成されている。これら２個の磁石分割片３０１をそれぞれの分割面３０２で当接させた状態で、磁石３０が磁石保持器３１に収納される。この磁石保持器３１は、ステンレスなどの非磁性材料の金属板により成形されている。図６に示した例では、磁石保持器３１は直方体形状を有し、一の面に磁石３０が挿入される開口が形成され、それ以外の５面が磁石３０を収納、保持する壁面となっている。磁石保持器３１の一方の対向面３１１（図６）は、周方向に対向する爪状磁極７３１、７３２の間において、それぞれの周方向側面７３１２、７３２２によって周方向に挟持される。また、磁石保持器３１の他方の対向面３１２（図６）の外径側の一部３１２１が爪状磁極７３１、７３２のつば部７３１１、７３２１に当接している。このように爪状磁極７３１、７３２間に磁石保持器３１が配置されている。

なお、磁石３０と磁石保持器３１は、１対１に対応している。また、各磁石保持器３１は、軸方向（回転軸６に沿った方向）にそれぞれが独立している。それぞれの磁石保持器３１を軸方向に沿って独立させることにより、複数の磁石保持器３１を連結する部材をランデル型ポールコア７の軸方向端面側に配置する必要がなく、この軸方向端面に冷却ファン１１、１２を溶接するための広い面積を確保することが可能となる。

また、磁石３０（磁石分割片３０１）は、界磁コイル８に電流を流したときにＮ極となる一方の爪状磁極、例えば爪状磁極７３１の周方向側面７３１２に対向する側面がＮ極に、界磁コイル８に電流を流したときにＳ極となる他方の爪状磁極、例えば爪状磁極７３２の周方向側面７３２２に対向する側面がＳ極になるように着磁されている。このように磁石３０を着磁することにより、爪状磁極７３１、７３２間の磁束漏洩を防止している。

磁石３０の着磁は、回転子３についての切削加工等が終了してから行われる。すなわち、爪状磁極７３１、７３２の間に磁石保持器３１を組み付ける際に未着磁の磁石３０が用いられる。回転子３としては、最終的にランデル型ポールコア７の外周面や回転軸６の外周面等を切削してそれらの面の寸法精度を確保する必要があり、これらの切削加工が終了してから磁石３０の着磁が行われる。磁石３０を着磁する前にこれらの切削加工を行っているため、この加工において生じた切削粉は磁性を帯びておらず、洗浄液を用いて容易に洗い流すことができる。なお、回転子３を組み立てた後に磁石３０を着磁する方法としては、従来から行われている手法を用いることができる。例えば、特開２００９−０５０１３１号公報で開示された着磁装置を用いて磁石３０の着磁が行われる。

ところで、上述したように磁石３０を構成する２つの磁石分割片３０１の境界である分割面３０２は、磁石３０の長手方向に対して傾斜しており、次に分割面３０２の向きについて説明する。図７は、回転子３の回転時に磁石３０に作用する応力分布と磁石３０の分割位置を示す図である。図７には磁石３０が分割されていない場合の応力分布が示されている。また、ａ、ｂ、ｃ、ｄは等応力線であり、ａで示された等応力線の内部が最も応力が高い部分であり、外側に向かってｂ、ｃ、ｄの順に応力が小さくなっている。また、矢印ｆは、最大応力が作用する箇所における応力ベクトル方向を示している。一体となった磁石３０を用いた場合には、矢印ｆが示された箇所においてこの矢印ｆと垂直な向きに磁石３０が割れやすくなる。本実施形態では、矢印ｆで示された最大応力が作用する箇所においてその応力ベクトル方向と直交する向きに分割面３０２を設定している。

磁石保持器３１に隣接する２つの爪状磁極７３１、７３２の先端側の向きが反対になっているため、それぞれの先端側が回転時の遠心力で広がったときに、磁石３０にはその長手方向に対して傾斜した向きに最大応力が作用する。本実施形態では、磁石３０の分割面３０２をその長手方向に対して傾斜させることにより、最大応力と交差（直交）する向きに磁石３０を分割している。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１の回転子３では、爪状磁極７３１、７３２間に装着する磁石３０を長手方向に２個に分割しているため、回転時に磁石３０に隣接する爪状磁極７３１、７３２の先端側が遠心力によって外側に広がった場合であっても、磁石３０の中央部分における応力集中を低減し、磁石３０の割れを防止することができる。また、分割した２個の磁石分割片３０１を１つの磁石保持器３１に収納して保持することにより、部品点数の低減が可能となるとともに、回転子３を組み付ける際の工数低減が可能となる。

また、磁石３０の分割面３０２を長手方向に対して傾斜させることにより、具体的には、回転時に非分割の磁石３０に最大応力が作用する向きに対して直交する向きに磁石３０を分割することにより、磁石３０に対する応力集中を効果的に低減することができる。また、磁石保持器３１を非磁性材料を用いて形成することにより、磁性材料により形成された磁石保持器３１を用いた場合に比べて磁石３０の磁束減少を抑制することができる。

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。例えば、上述した実施形態では、隣接する爪状磁極７３１、７３２間に各磁石保持器３１を配置したが、あらかじめ、爪状磁極７３１、７３２の内径面７３１３、７３２３に当接するように円環状のリング部材７４を組み付け、このリング部材７４に各磁石保持器３１を装着して固定するようにしてもよい。

図８は、爪状磁極７３１、７３２にリング部材７４を取り付けた状態を示す部分的な断面図である。また、図９はリング部材７４に各磁石保持器３１を装着した状態を示す部分的な斜視図である。図８に示すように、爪状磁極７３１の内径面７３１３にはリング部材７４を嵌合するための切り欠き部７３１４が設けられている。他の爪状磁極７３２についても同様であり、内径面７３２３にはリング部材７４を嵌合するための切り欠き部７３２４が設けられている。これらの切り欠き部７３１４、７３２４にリング部材７４を嵌合させた状態で一対のランデル型ポールコア７の組み付けが行われる。この時点では、磁石保持器３１はリング部材７４に装着されていない。その後、隣接する爪状磁極７３１、７３２間の空間に各磁石保持器３１が挿入される。このとき、それぞれの磁石保持器３１をリング部材７４に係止して固定する。係止の具体的な方法としては、例えば、磁石保持器３１の一の面（爪状磁極７３１、７３２間に挿入したときに内径側となる面）を折り返すことによりリング部材７４を挟み込むことができる係止部を形成し、この係止部をリング部材７４に係止して磁石保持器３１を固定する場合が考えられる。

このように、リング部材７４を用いて磁石保持器３１を固定することにより、磁石保持器３１が軸方向にずれることを防止することができる。また、ランデル型ポールコア７にリング部材７４を取り付けた後に各磁石保持器３１を取り付けることにより、一対のランデル型ポールコア７の相対的な周方向位置が許容範囲内でずれた場合であっても、適切な位置に磁石保持器３１を取り付けることができ、磁石保持器３１の組付精度を向上させることができる。

また、上述した磁石保持器３１と磁石３０の間と、磁石保持器３１と爪状磁極７３１、７３２との間の少なくとも一方（望ましくは両方）に樹脂材料を充填するようにしてもよい。樹脂材料としては、例えばエポキシ等の熱硬化性の液体材料が用いられる。これにより、磁石３０が磁石保持器３１内で移動したり、磁石保持器３１が爪状磁極７３１、７３２間で移動することを防止することができる。

また、上述した実施形態では、磁石３０が挿入される面以外の５面を壁面とする磁石保持器３１（図６）を用いたが、爪状磁極７３１、７３２の内径面７３１３、７３２３に対向する第１の面と、爪状磁極７３１の周方向側面７３１２に対向する第２の面と、爪状磁極７３２の周方向側面７３２２に対向する第３の面を含み、その他の面を省略した磁石保持器を用いるようにしてもよい。第１の面を有することにより、磁石３０全体の外形方向への移動を拘束することができるとともに、爪状磁極７３１、７３２のつば部７３１１、７３２１の端部近傍において磁石３０に過大な応力集中が生じることを防止することができる。また、第２および第３の面を有することにより、鍛造成形時の表面形状を維持している爪状磁極７３１、７３２の周方向側面７３１２、７３２２における部分的な凹凸によって磁石３０に過大な応力集中が生じることを防止することができる。

また、上述した実施形態では、磁石３０を２分割した場合について説明したが、３分割あるいはそれ以上の数に分割するようにしてもよい。また、非分割の磁石３０に最大応力が作用する箇所においてその応力ベクトル方向と直交する向きに分割面３０２を設定したが、分割面３０２の向きをこの直交する向きからずらすようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、車両用交流発電機の回転子について説明したが、その他の回転電機、例えば、電動動作を行う回転電機や発電動作と電動動作の両方を行う回転電機の回転子についても本発明を適用することができる。

上述したように、本発明によれば、爪状磁極間に装着する磁石を長手方向に複数に分割しているため、回転時に磁石に隣接する爪状磁極の先端側が遠心力によって外側に広がった場合であっても、磁石の中央部分における応力集中を低減し、磁石の割れを防止することができる。

１車両用交流発電機
２固定子
３回転子
４ハウジング
５整流器
６回転軸
７ランデル型ポールコア
８界磁コイル
１１、１２冷却ファン
３０磁石
３１磁石保持器
７４リング部材
３０１磁石分割片
３０２分割面
７３１、７３２爪状磁極
７３１１、７３２１つば部
７３１２、７３２２周方向側面
７３１３、７３２３内径面

Claims

それぞれに複数の爪状磁極を有する一対のランデル型鉄心と、漏洩磁束を防ぐ向きに着磁されて前記一対のランデル型鉄心の前記爪状磁極の間に配置された複数の磁石と、これら複数の磁石のそれぞれを保持する複数の磁石保持器とを有する回転子とを備える車両用回転電機の回転子において、
前記爪状磁極は、外径側端部において周方向に突出して前記磁石保持器の一部が当接するつば部を有し、
前記磁石は、長手方向に複数に分割されていることを特徴とする車両用回転電機の回転子。
請求項１において、
前記磁石と前記磁石保持器は１対１に対応しており、
前記磁石を構成する複数の磁石分割片が１つの前記磁石保持器によって保持されることを特徴とする車両用回転電機の回転子。
請求項２において、
前記磁石保持器は、軸方向にそれぞれが独立していることを特徴とする車両用回転電機の回転子。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記磁石の分割面は、長手方向に対して傾斜していることを特徴とする車両用回転電機の回転子。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記爪状磁極の間に前記磁石保持器を組み付ける際に未着磁の前記磁石が用いられることを特徴とする車両用回転電機の回転子。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記磁石保持器は、非磁性材料を用いて形成されていることを特徴とする車両用回転電機の回転子。
請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記爪状磁極の内径面に当接するとともに円環状に形成されたリング部材をさらに備え、
前記リング部材に前記複数の磁石保持器のそれぞれが固定されることを特徴とする車両用回転電機の回転子。
請求項１〜７のいずれかにおいて、
前記磁石保持器と前記磁石の間と、前記磁石保持器と前記爪状磁極との間に樹脂材料が充填されていることを特徴とする車両用回転電機の回転子。