JP2015061394A

JP2015061394A - 回転電機

Info

Publication number: JP2015061394A
Application number: JP2013193417A
Authority: JP
Inventors: 彰古屋; Akira Furuya
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2015-03-30
Also published as: CN104467332A

Abstract

【課題】回転電機の製造コストを抑制する。
【解決手段】テーパ軸２０に固定されるロータ３２と、ロータ３２に対して軸方向に対向するステータ３３と、を備えるジェネレータ３０であって、ロータ３２は、テーパ軸２０の周りに環状に配置される複数の永久磁石３９と、永久磁石３９が収容される開口部と、永久磁石３９の一方面３９ａに接触する位置決め片７４と、を備える第１ホルダー３５と、永久磁石３９が収容される開口部と、永久磁石３９の他方面３９ｂに接触する位置決め片７４と、を備える第２ホルダー３６と、永久磁石３９が収容される開口部を備え、第１ホルダー３５に重ねて設けられる第１フレーム３７と、永久磁石３９が収容される開口部を備え、第２ホルダー３６に重ねて設けられる第２フレーム３８と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸に固定されるロータと、ロータに対して軸方向に対向するステータと、を備える回転電機に関する。

モータやジェネレータ等の回転電機として、ステータとロータとを軸方向に対向させた所謂アキシャルギャップ型の回転電機が開発されている。このアキシャルギャップ型の回転電機を構成するロータは、円盤状のフレームとこれに固定される複数の磁石とを備えている（特許文献１参照）。

特開２０１０−１１５０１７号公報

ところで、特許文献１に記載される回転電機においては、２つのフレーム間に磁石を挟んで固定するロータ構造や、１つのフレームに磁石を組み込んで固定するロータ構造が採用されている。このように、フレームに対して直に磁石を固定するロータ構造を採用した場合には、ロータに対する磁石の位置決め精度を確保するため、フレーム形状が複雑になるだけでなくフレームに対して高い加工精度が要求されていた。このように、複雑な形状を備えるフレームの加工精度を高めることは、フレームの製造に対して切削加工等が求められることから、回転電機の製造コストを増大させる要因となっていた。

本発明の目的は、回転電機の製造コストを抑制することにある。

本発明の回転電機は、回転軸に固定されるロータと、前記ロータに対して軸方向に対向するステータと、を備える回転電機であって、前記ロータは、前記回転軸の周りに環状に配置される複数の磁石部材と、前記磁石部材が収容される開口部と、前記磁石部材の一方面に接触する位置決め片と、を備える第１ホルダーと、前記磁石部材が収容される開口部と、前記磁石部材の他方面に接触する位置決め片と、を備える第２ホルダーと、前記磁石部材が収容される開口部を備え、前記第１ホルダーに重ねて設けられる第１フレームと、前記磁石部材が収容される開口部を備え、前記第２ホルダーに重ねて設けられる第２フレームと、を有し、前記第１フレームと前記第２フレームとの間に前記第１ホルダーおよび前記第２ホルダーが挟まれ、前記第１ホルダーと前記第２ホルダーとの間に前記磁石部材が挟まれる。

本発明によれば、第１フレームと第２フレームとの間に第１ホルダーおよび第２ホルダーが挟まれ、第１ホルダーと第２ホルダーとの間に磁石部材が挟まれる。これにより、磁石部材の位置決め精度を確保しながら、回転電機の製造コストを抑制することが可能となる。

エンジンの内部構造を示す断面図である。発電ユニットの一部を拡大して示す断面図である。（ａ）はロータを軸方向から示す正面図である。（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿ってロータの断面構造を示す端面図である。（ｃ）は図３（ｂ）に示したロータを部材毎に示す分解図である。（ａ）はロータを構成するホルダーを軸方向から示す正面図である。（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線に沿ってホルダーの断面構造を示す端面図である。（ａ）はロータを構成するフレームを軸方向から示す正面図である。（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線に沿ってフレームの断面構造を示す端面図である。ロータの組立過程を示す分解斜視図である。ロータの組立過程を示す分解斜視図である。（ａ）はロータの組立過程を示す分解斜視図である。（ｂ）はロータの完成状態を示す斜視図である。（ａ）は永久磁石の着磁状態を示す平面図である。（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ線に沿って永久磁石の着磁状態を示す断面図である。（ｃ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って永久磁石の着磁状態を示す断面図である。（ｄ）は永久磁石の組付状態を示すロータの平面図である。エンジン本体に対する発電ユニットの組付過程を示す断面図である。エンジン本体に対する発電ユニットの組付過程を示す断面図である。エンジン本体に対する冷却ファン等の組付過程を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１はエンジン１０の内部構造を示す断面図である。図１に示すように、エンジン１０は、クランク軸１１が組み込まれるエンジン本体１２と、エンジン本体１２に隣接する発電ユニット１３とを備えている。エンジン本体１２が備えるクランクケース１４には、軸受１５，１６を介してクランク軸１１のジャーナル１７，１８が支持されている。また、クランク軸１１には、一方のジャーナル１７から延びる出力軸１９が設けられるとともに、他方のジャーナル１８から延びるテーパ軸２０が設けられている。なお、クランク軸１１のクランクピン２１には、図示しないコネクティングロッドが組み付けられている。

図２は発電ユニット１３の一部を拡大して示す断面図である。図１および図２に示すように、発電ユニット１３は、本発明の一実施の形態である回転電機としてのジェネレータ３０を備えている。ジェネレータ３０は、テーパ軸（回転軸）２０にアダプタ３１を介して固定される円盤状のロータ３２と、ロータ３２の一方面に対向する第１のステータ３３と、ロータ３２の他方面に対向する第２のステータ３４とを有している。ロータ３２は、後述する円盤状のホルダー３５，３６およびフレーム３７，３８と、これらに組み付けられる永久磁石（磁石部材）３９とを備えている。ステータ３３，３４は、電磁鋼鈑等によって形成されるコア４０と、コア４０に巻き付けられるコイル４１とを備えている。ロータ３２とステータ３３，３４とはテーパ軸２０の軸方向に対向しており、ロータ３２とステータ３３，３４との間には所定のエアギャップが設けられている。すなわち、図示するジェネレータ３０は、所謂アキシャルギャップ型のジェネレータとなっている。なお、以下の説明において、軸方向とはテーパ軸２０の軸方向を意味している。

図１に示すように、テーパ軸２０に固定されるアダプタ３１には冷却ファン５０が取り付けられており、冷却ファン５０の中央には係合スリーブ５１が取り付けられている。冷却ファン５０を覆うファンカバー５２には、エンジン始動時に操作されるリコイルスタータ５３が取り付けられている。リコイルスタータ５３は、リコイルロープ５４が巻き付けられるリコイルプーリ５５と、リコイルプーリ５５の回転動作に連動して係合スリーブ５１側に突出する係合片５６とを有している。作業者がリコイルロープ５４を引いてリコイルプーリ５５を回転させることにより、図１に破線で示す位置まで係合片５６を突出させることができ、係合片５６を係合スリーブ５１に噛み合わせることが可能となる。これにより、リコイルプーリ５５とクランク軸１１とを連結させることができ、クランク軸１１を手動で始動回転させることが可能となる。

続いて、ジェネレータ３０が備えるロータ３２の構造について説明する。図３（ａ）はロータ３２を軸方向から示す正面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿ってロータ３２の断面構造を示す端面図である。図３（ｃ）は図３（ｂ）に示したロータ３２を部材毎に示す分解図である。また、図４（ａ）はロータ３２を構成するホルダー３５，３６を軸方向から示す正面図である。図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線に沿ってホルダー３５，３６の断面構造を示す端面図である。さらに、図５（ａ）はロータ３２を構成するフレーム３７，３８を軸方向から示す正面図である。図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線に沿ってフレーム３７，３８の断面構造を示す端面図である。

図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、ロータ３２は、中心軸つまりテーパ軸２０の周りに環状に配置される複数の永久磁石３９を有している。ロータ３２は、永久磁石３９を挟んで保持する第１ホルダー３５および第２ホルダー３６を備えている。この第１ホルダー３５と第２ホルダー３６とは、同一形状を備えている。また、ロータ３２は、第１ホルダー３５および第２ホルダー３６を挟み込む第１フレーム３７および第２フレーム３８を備えている。この第１フレーム３７と第２フレーム３８とは、同一形状を備えている。なお、永久磁石３９を保持するホルダー３５，３６やフレーム３７，３８の材料としては、ステンレス鋼等の非磁性体を用いることが好ましい。

図４（ａ）および（ｂ）に示すように、ホルダー３５，３６は、円盤状のホルダー本体６０を有している。ホルダー本体６０は、アダプタ３１が挿入される中心穴６１を備えた基板部６２と、基板部６２の径方向外方に設けられるリング部６３と、基板部６２とリング部６３とを接続する複数のスポーク部６４とを有している。ホルダー本体６０の基板部６２には、複数の貫通穴６５〜６７が、中心穴６１を囲むように周方向に並んで形成されている。これらの貫通穴６５〜６７は、位置決めピン６８が挿入される位置決めピン穴６５、ロータ３２用の締結ボルト６９が挿入される締結ボルト穴６６、冷却ファン５０用の締結ボルト７０が挿入される締結ボルト穴６７として機能している。また、ホルダー本体６０には、環状に配置される複数の収容穴７１を備えた開口部７２が形成されている。それぞれの収容穴７１は、基板部６２、リング部６３およびスポーク部６４によって区画されている。さらに、基板部６２およびリング部６３には、複数のリベット穴７３が周方向に並んで形成されている。

また、ホルダー本体６０には、それぞれの収容穴７１の縁から延びる位置決め片７４が設けられている。位置決め片７４は、ホルダー本体６０に対してほぼ直角に折り曲げられる立ち上げ部７５と、立ち上げ部７５に対してほぼ直角に折り曲げられる押さえ部７６とを有している。なお、図示する場合には、収容穴７１のそれぞれに対して、基板部６２の縁に連なる１つの位置決め片７４と、リング部６３の縁に連なる２つの位置決め片７４とを設けているが、これに限られることはなく、位置決め片７４の個数や位置を変更しても良い。このような形状を有するホルダー３５，３６は、ステンレス鋼等の板材からなるプレス加工品となっている。すなわち、図示するホルダー３５，３６は、板材に対して打ち抜き加工や折り曲げ加工等のプレス加工を施すことで製造されている。

図５（ａ）および（ｂ）に示すように、フレーム３７，３８は、円盤状のフレーム本体８０を有している。フレーム本体８０は、アダプタ３１が挿入される中心穴８１を備えた基板部８２と、基板部８２の径方向外方に設けられるリング部８３と、基板部８２とリング部８３とを接続する複数のスポーク部８４とを有している。フレーム本体８０の基板部８２には、複数の貫通穴８５〜８７が、中心穴８１を囲むように周方向に並んで形成されている。これらの貫通穴８５〜８７は、位置決めピン６８が挿入される位置決めピン穴８５、ロータ３２用の締結ボルト６９が挿入される締結ボルト穴８６、冷却ファン５０用の締結ボルト７０が挿入される締結ボルト穴８７として機能している。また、フレーム本体８０には、環状に配置される複数の収容穴８８を備えた開口部８９が形成されている。それぞれの収容穴８８は、基板部８２、リング部８３およびスポーク部８４によって区画されている。さらに、基板部８２およびリング部８３には、複数のリベット穴９０が周方向に並んで形成されている。このような形状を有するフレーム３７，３８は、ステンレス鋼等の板材からなるプレス加工品となっている。すなわち、図示するフレーム３７，３８は、板材に対して打ち抜き加工等のプレス加工を施すことで製造されている。また、図３（ｃ）に示すように、フレーム３７，３８を構成する板材の厚みはＴ１であり、ホルダー３５，３６を構成する板材の厚みはＴ１よりも薄いＴ２である。すなわち、フレーム３７，３８を構成する板材は、ホルダー３５，３６を構成する板材よりも厚くなっている。換言すれば、フレーム３７，３８はホルダー３５，３６よりも強度を有している。

次いで、ロータ３２の組立手順について説明する。図６および図７はロータ３２の組立過程を示す分解斜視図である。図８（ａ）はロータ３２の組立過程を示す分解斜視図であり、図８（ｂ）はロータ３２の完成状態を示す斜視図である。図６に示すように、下方に位置決め片７４が突出するように第１ホルダー３５が設置され、第１ホルダー３５の収容穴７１つまり開口部７２に対して永久磁石３９が収容される。そして、第１ホルダー３５の収容穴７１の全てに永久磁石３９が収容されると、第２ホルダー３６の収容穴７１つまり開口部７２に永久磁石３９を収容するように第１ホルダー３５上に第２ホルダー３６が設置される。このとき、第２ホルダー３６の向きは、位置決め片７４が上方に突出する向きとなっている。このように、第１ホルダー３５と第２ホルダー３６との間に永久磁石３９を挟むことにより、永久磁石３９の一方面３９ａには第１ホルダー３５の位置決め片７４が接触した状態となり、永久磁石３９の他方面３９ｂには第２ホルダー３６の位置決め片７４が接触した状態となる。すなわち、第１ホルダー３５および第２ホルダー３６によって、永久磁石３９は軸方向に位置決めされた状態となる。

続いて、図７に示すように、永久磁石３９をホルダー３５，３６で挟んだホルダー組立体９１に対し、第１ホルダー３５側から第１フレーム３７が取り付けられ、第２ホルダー３６側から第２フレーム３８が取り付けられる。すなわち、第１フレーム３７の収容穴８８つまり開口部８９に対して永久磁石３９を収容するように、第１ホルダー３５には第１フレーム３７が重ねて設けられる。同様に、第２フレーム３８の収容穴８８つまり開口部８９に対して永久磁石３９を収容するように、第２ホルダー３６には第２フレーム３８が重ねて設けられる。このように、第１フレーム３７と第２フレーム３８とを設けることにより、ホルダー組立体９１は第１フレーム３７と第２フレーム３８との間に挟まれた状態となる。なお、位置決めピン穴６５，８５が重なるようにフレーム３７，３８やホルダー３５，３６の位置が調整されており、位置決めピン穴６５，８５には位置決めピン６８が挿入される。永久磁石３９、ホルダー３５，３６およびフレーム３７，３８によってロータ３２が組み立てられると、図８（ａ）に示すように、ホルダー３５，３６やフレーム３７，３８のリベット穴７３，９０に対して締結部品であるリベット９２が挿入される。そして、リベット９２の先端をかしめることにより、図８（ｂ）に示すように、永久磁石３９、ホルダー３５，３６およびフレーム３７，３８は一体に固定された状態となる。なお、ロータ３２を組み立てる際には、ホルダー３５，３６やフレーム３７，３８の収容穴７１，８８に対する永久磁石３９のガタツキを防止するため、永久磁石３９の周囲に接着剤やエポキシ樹脂等を充填しても良い。

これまで説明したように、第１ホルダー３５と第２ホルダー３６との間に永久磁石３９を挟み、第１フレーム３７と第２フレーム３８との間に第１ホルダー３５および第２ホルダー３６を挟むようにしたので、永久磁石３９の位置決め精度を確保しながら製造コストを抑制することが可能となる。すなわち、ジェネレータ３０のエアギャップを精度良く管理するためには、ロータ３２における永久磁石３９の位置決め精度を高める必要がある。このように、永久磁石３９の位置決め精度を高めるためには、第１および第２ホルダー３５，３６の加工精度を高めることが必要であるが、第１および第２フレーム３７，３８によってロータ３２の強度が確保されるため、第１および第２ホルダー３５，３６の材料として薄い板材を用いることが可能となる。このように、ロータ３２をホルダー３５，３６とフレーム３７，３８とに分けて構成することにより、第１および第２ホルダー３５，３６の材料に薄い板材を用いることが可能となっている。これにより、板金加工を用いて第１および第２ホルダー３５，３６の加工精度を高めることが可能となり、永久磁石３９の位置決め精度を確保しながら製造コストを抑制することが可能となる。さらに、第１ホルダー３５と第２ホルダー３６とを同一形状にしたり、第１フレーム３７と第２フレーム３８とを同一形状にしたりすることにより、部品種類を削減して製造コストを更に引き下げることが可能となる。

続いて、永久磁石３９の着磁状態について説明する。図９（ａ）は永久磁石３９の着磁状態を示す平面図である。図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ線に沿って永久磁石３９の着磁状態を示す断面図である。図９（ｃ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って永久磁石３９の着磁状態を示す断面図である。また、図９（ｄ）は永久磁石３９の組付状態を示すロータ３２の平面図である。

図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、永久磁石３９は、第１磁石部９３とこれに隣接する第２磁石部９４とを有している。第１磁石部９３においては、一方面３９ａがＳ極となって他方面３９ｂがＮ極となっており、第２磁石部９４においては、一方面３９ａがＮ極となって他方面３９ｂがＳ極となっている。すなわち、第１磁石部９３と第２磁石部９４とは、互いに異なる極性を有している。このように、永久磁石３９として第１磁石部９３と第２磁石部９４とを備える２極一体型の磁石を採用することにより、ロータ３２に対する永久磁石３９の組み付けが極めて簡単になる。例えば、永久磁石の一方面が全てＮ極であり、永久磁石の他方面が全てＳ極であった場合には、組み付け時に永久磁石の表裏を判定する必要があるため、ロータ３２に対する永久磁石の組み付けが極めて煩雑となる。すなわち、１極型の永久磁石を用いた場合には、表裏を見極めないとＮ極またはＳ極を周方向に連続させてしまうおそれがある。これに対し、２極一体型の永久磁石３９を用いた場合には、図９（ｄ）に示すように、表裏を見極めなくともＮ極とＳ極とを周方向に交互に設置することが可能となる。

続いて、エンジン本体１２に対する発電ユニット１３および冷却ファン５０等の組付手順について説明する。図１０および図１１はエンジン本体１２に対する発電ユニット１３の組付過程を示す断面図である。図１２はエンジン本体１２に対する冷却ファン５０等の組付過程を示す断面図である。

図１０に示すように、テーパ軸２０にはアダプタ３１が取り付けられ、テーパ軸２０の雄ねじ部９５にはワッシャ９６およびナット９７が取り付けられる。そして、ステータ３３を備えたステータケース９８が、クランクケース１４に対して取り付けられる。次いで、図１１に示すように、テーパ軸２０に固定されるアダプタ３１には、締結ボルト６９を用いてロータ３２が組み付けられる。アダプタ３１とロータ３２との間には、ロータ３２とステータ３３，３４との間のエアギャップを調整するため、所定の厚み寸法を備えるシム９９が挟み込まれる。そして、ステータ３４を備えたステータケース１００が、ロータ３２を挟み込むように、ステータケース９８に対して取り付けられる。さらに、図１２に示すように、アダプタ３１には締結ボルト７０を用いて冷却ファン５０が組み付けられおり、冷却ファン５０には締結ボルト１０１を用いて係合スリーブ５１が組み付けられる。また、ステータケース１００にはファンカバー５２が取り付けられており、ファンカバー５２にはリコイルスタータ５３が取り付けられる。

なお、図１０に示すように、ステータケース９８の中央に形成される貫通穴１０２の内径寸法Ｄ１は、アダプタ３１の外径寸法Ｄ２よりも大きく形成されている。これにより、クランク軸１１からアダプタ３１を取り外すことなく、エンジン本体１２からステータケース９８を取り外すことができるため、発電ユニット１３の整備性を高めることが可能となる。また、冷却ファン５０には図示しないイグナイタ用の磁石が設けられることから、クランク軸１１に対して冷却ファン５０を適切な位置に固定するため、冷却ファン５０とアダプタ３１とは図示しない位置決めピンを用いて位置決めされる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。前述の説明では、回転電機としてジェネレータ３０つまり発電機を例示しているが、これに限られることはない。例えば、回転電機としてのモータつまり電動機に対して本発明を適用しても良く、電動機および発電機として機能するモータジェネレータに対して本発明を適用しても良い。また、前述の説明では、永久磁石３９のみによって磁石部材を構成しているが、これに限られることはなく、永久磁石３９と他の部材（例えば磁性体）とを組み合わせて磁石部材を構成しても良い。

前述の説明では、ホルダー３５，３６およびフレーム３７，３８の材料としてステンレス鋼を用いているが、ステンレス鋼に限られることはなく、他の材料を用いてホルダー３５，３６やフレーム３７，３８を製造しても良い。さらに、ホルダー３５，３６とフレーム３７，３８とを異なる材料を用いて製造しても良い。また、前述の説明では、ロータ３２を一対のステータ３３，３４によって挟んでいるが、これに限られることはなく、１つのステータ３３に対してロータ３２を対向させても良い。また、前述の説明では、リベット９２を用いてホルダー３５，３６やフレーム３７，３８を一体に固定しているが、これに限られることはなく、ネジ部材を用いてホルダー３５，３６やフレーム３７，３８を一体に固定しても良く、溶接や接着によってホルダー３５，３６やフレーム３７，３８を一体に固定しても良い。

２０テーパ軸（回転軸）
３０ジェネレータ（回転電機）
３２ロータ
３３ステータ
３４ステータ
３５第１ホルダー
３６第２ホルダー
３７第１フレーム
３８第２フレーム
３９永久磁石（磁石部材）
３９ａ一方面
３９ｂ他方面
７２開口部
７４位置決め片
８９開口部
９３第１磁石部
９４第２磁石部

Claims

回転軸に固定されるロータと、前記ロータに対して軸方向に対向するステータと、を備える回転電機であって、
前記ロータは、
前記回転軸の周りに環状に配置される複数の磁石部材と、
前記磁石部材が収容される開口部と、前記磁石部材の一方面に接触する位置決め片と、を備える第１ホルダーと、
前記磁石部材が収容される開口部と、前記磁石部材の他方面に接触する位置決め片と、を備える第２ホルダーと、
前記磁石部材が収容される開口部を備え、前記第１ホルダーに重ねて設けられる第１フレームと、
前記磁石部材が収容される開口部を備え、前記第２ホルダーに重ねて設けられる第２フレームと、
を有し、
前記第１フレームと前記第２フレームとの間に前記第１ホルダーおよび前記第２ホルダーが挟まれ、前記第１ホルダーと前記第２ホルダーとの間に前記磁石部材が挟まれる、回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記第１フレームおよび前記第２フレームを構成する板材は、前記第１ホルダーおよび前記第２ホルダーを構成する板材よりも厚い、回転電機。
請求項１または２記載の回転電機において、
前記第１ホルダーと前記第２ホルダーとは、同一形状を有する、回転電機。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記第１フレームと前記第２フレームとは、同一形状を有する、回転電機。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記第１ホルダーおよび前記第２ホルダーは、プレス加工品である、回転電機。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記第１フレームおよび前記第２フレームは、プレス加工品である、回転電機。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記磁石部材は、第１磁石部とこれに隣接する第２磁石部とを備え、
前記第１磁石部と前記第２磁石部とは、異なる極性を有する、回転電機。