JP2021097427A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の冷却性能を向上させつつ、安価で小型化した回転電機を提供する。【解決手段】電力供給ユニット一体型回転電機では、回転子６が回転駆動すると冷却ファン８１、８２も合わせて回転し、通風する。回転子は、第１の磁極９１（フロント側）と第２の磁極９２（リア側）とが組み合わされて構成される。電力供給ユニットはブラケットにおけるシャフト４の軸方向側に固定されており、永久磁石１０は電力供給ユニットが設けられている側の磁極９２の爪状磁極部９２１の回転方向進み側に隣接して配置されている。【選択図】図２

Description

本願は、電力供給ユニットが一体化された回転電機に関するものである。

ランデル型回転子の磁極爪部間に永久磁石を配置した磁石併用型の車両用交流発電機においては、爪状磁極の合計数より極間磁石が少なく構成されている構造が知られている。
例えば、特許文献１に記載の回転電機において第１の爪状磁極と第２の爪状磁極の間に界磁磁石を備えたロータであって、界磁磁石は交互に配置されている。

特開平１１−９８７８７号公報

このような構造を電力供給ユニットが一体化された回転電機に採用した際、電力供給ユニット側と反電力供給ユニット側では、電力供給ユニット側の方が圧損が大きく電動機への吸気量が少ない。そのため、反電力供給ユニット側からの冷却風を阻害する位置に磁石を配置した際には、圧損が増加し、冷却風の流量が低下することで熱伝達率が下がる。さらに、吸気口を大きくする必要があるため、大型化し重くなる。
また、特に自動車のエンジンルームに搭載する場合、限られた空間に設置できることが求められている。径方向のスペースが僅かしか確保できない車種においては、部品が干渉する不具合を生じ、また外部機器との接続コネクタあるいは固定用のねじを取り付けるための作業空間を確保できない不具合があり、最悪の場合、サイズに余裕がなく回転電機を設置できない場合がある。このようにエンジンルーム内のレイアウトによって取り付けが制約される問題があった。また、ハイブリッド自動車（ＨＶ）などに搭載される電動機においては高い冷却性が求められ、温度上昇が大きい場合、電流密度を下げる必要が生じ、性能面において低下する。もしくは耐熱性が高い部品を使用するためコストが上がるといった問題がある。

本願は、前記の課題に鑑み、回転子の冷却性能を向上させつつ、安価で小型化した回転電機を提供することを目的としている。

本願に開示される回転電機は、外周に複数の爪状磁極部が設けられた磁極と、磁極に巻装された界磁巻線と、磁極と界磁巻線と一体に回転するシャフトとを備えた回転子と、磁極の外周に対向して配置された固定子鉄心と、固定子鉄心に巻装された固定子巻線とを備えた固定子と、磁極の隣接する爪状磁極部の間に配設されており、隣接する前記爪状磁極部の間の漏洩磁束を低減する向きに着磁された永久磁石と、磁極におけるシャフトの軸方向側の少なくとも一方に設けられており、界磁巻線と永久磁石とを冷却する冷却ファンと、固定子及び回転子を収容すると共に、シャフトを回転可能に支持するブラケットと、固定子巻線または界磁巻線に電力を供給する電力供給ユニットを備え、電力供給ユニットはブラケットにおけるシャフトの軸方向側に固定されており、永久磁石は電力供給ユニットが設けられている側の磁極の爪状磁極部の回転方向進み側に配置されたものである。

本願に開示される回転電機によれば、電力供給ユニット側における磁極の爪状磁極部の回転方向進み側に永久磁石が配置されるので、風量の多い反電力供給ユニット側からの冷却風を阻害せずに冷却することができる。また、界磁巻線の冷却性があがるため、連続出力を向上させることができる。さらに、永久磁石の冷却性能を上げることができるため安価な永久磁石を使用できる。

実施の形態１に係る回転電機の要部断面図である。 実施の形態１に係る回転電機における回転子の一例を横向き配置で示す外観図である。 実施の形態１に係る回転電機における回転子を電力供給ユニット側から見た図である。 実施の形態１に係る回転電機における回転子の一例を縦向き配置で示す外観図である。 実施の形態１に係る回転子に流れる冷却風を説明する模式図である。 実施の形態２に係る回転電機における回転子を横向き配置で示す外観図である。 実施の形態２に係る回転電機における回転子を電力供給ユニット側から見た図である。 実施の形態３に係る回転電機における回転子の要部を示す概観図である。 実施の形態４に係る回転電機における回転子の要部を示す概観図である。 実施の形態５に係る回転電機における回転子の要部を示す概観図である。 実施の形態６に係る回転電機の要部断面図である。

以下、本願に係る回転電機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。なお、各図間の図示では、対応する各構成部のサイズあるいは縮尺は、それぞれ独立している。

実施の形態１．
実施の形態１を図面に基づいて説明する。図１は本実施の形態１に係る回転電機の要部断面図である。図２は本実施の形態１にかかる回転子の一例を示す外観図である。図３は、実施の形態１に係る回転電機における回転子を電力供給ユニット側から見た図である。図４は実施の形態１に係る回転電機における回転子の一例を縦向き配置で示す外観図である。図５は実施の形態１に係る回転子に流れる冷却風を説明する模式図である。
図１において、シャフトが延在する方向、即ち上下方向を軸方向とし、回転子、固定子の径方向、即ち左右方向を径方向とし、また軸方向の上方向をリア側とし、軸方向の下方向をフロント側とする。また、電動機の軸方向、径方向、リア側、フロント側ともいう。

図１において、回転電機は電動機２００と電動機２００に電力を供給する電力供給ユニット３００で構成されている。電動機２００は、反電力供給ユニット側のブラケット（以下、フロントブラケットという。）１および電力供給ユニット側のブラケット（以下、リアブラケットという。）２からなるハウジングと、固定子鉄心３１と固定子巻線３２を有する固定子３と、シャフト４および界磁巻線５を有する回転子６とを備えている。固定子３はフロントブラケット１の一端部とリアブラケット２の一端部により支持固定し、回転子６は固定子３の内側に配置する。回転子６のシャフト４は、フロントブラケット１に設けたベアリング７１と、リアブラケット２に設けたベアリング７２により回転自在に支持し、回転子６は固定子３に対して同軸に回転できるように構成している。電力供給ユニット３００は、固定子巻線３２または界磁巻線５の少なくともどちらかに電力を供給する。

回転子６の軸方向の反電力供給ユニット側（以下、フロント側という。）には冷却ファン８１を固定し、電力供給ユニット側（以下、リア側という。）には冷却ファン８２を固定する。シャフト４の負荷側端部、即ち、フロントブラケット１のフロント側の外側にプーリー(図示しない)を装着する。プーリーは、図示していないベルトを介してエンジンの回転軸に連結し、回転エネルギーを伝達する。

回転子６は、第１の磁極９１（フロント側）と第２の磁極９２（リア側）とが組み合わされて構成され、第１の磁極および第２の磁極によって形成される内部空間に界磁巻線５が配置され、第１の磁極は回転子の回転方向に間隔を空けて配置された複数の第１の爪状磁極部９１１を有し、第２の磁極は回転子の回転方向に間隔を空けて配置された複数の第２の爪状磁極部９２１を有し、第１の爪状磁極部９１１と第２の爪状磁極部９２１の間となる磁極間部の一部に永久磁石１０が具備され、第１の磁極９１と第２の磁極９２は、第１の爪状磁極部９１１と第２の爪状磁極部９２１とが交互に噛み合うように組合される。
永久磁石１０は第２の磁極９２の第２の爪状磁極部９２１の回転方向進み側に隣接して配置されることを特徴とする。

この電力供給ユニット一体型回転電機では、回転子６が回転駆動すると冷却ファン８１、８２も合わせて回転し、図１の矢印で示すように、流路が構成されている。
フロントブラケット１は、フロント側の冷却ファン８１の径方向外側の部分に、周方向に分散して複数の開口部１２（以下、排気開口部１２と称す）を設けており、フロント側の部分に、周方向に分散して複数の開口部１１（以下、吸気開口部１１と称す）を設けている。
リアブラケット２は、リア側の冷却ファン８２の径方向外側の部分に、周方向に分散して複数の開口部２２（以下、排気開口部２２と称す）を設けており、リア側の部分に、周方向に分散して複数の開口部２１（以下、吸気開口部２１と称す）を設けている。

冷却風Ｗ１は吸気開口部１１を通過し排気開口部１２から排出される冷却風Ｗ１１と回転子６の爪部間を通過して排気開口部２２から排出される冷却風Ｗ１２がある。
冷却風Ｗ２は、電力供給ユニットを通過し、吸気開口部２１を通過し排気開口部２２から排出される冷却風Ｗ２１と回転子６の爪部間を通過して排気開口部１２から排出される冷却風Ｗ２２がある。
冷却風Ｗ１と冷却風Ｗ２では電力供給ユニット３００を通過するため冷却風Ｗ２の圧損が大きく冷却風Ｗ１の方が風量が多くなる。それに伴い回転子６を冷却する冷却風Ｗ１２と冷却風Ｗ２２では冷却風Ｗ１２の方が風量が多い。
回転子６が回転することで第１の爪状磁極部９１１が隣接する空気を押すこと（向き：Ｐ１）で冷却風Ｗ１２を生み、第２の爪状磁極部９２１が空気を押すこと（向き：Ｐ２）で冷却風Ｗ２２を生み出す。

電力供給ユニット３００は、電動機２００のリア側に配置され、電動機２００に固定されている。電力供給ユニット３００は、複数の電力用半導体素子を有し、直流電源と複数相の巻線との間で直流交流変換を行うインバータと、電力用半導体素子をオンオフ制御する制御回路とリアブラケット２からリア側に突出したシャフト４の突出部に設けられた一対のスリップリング１３に接触する一対のブラシ１４と、ブラシ１４及びスリップリング１３を介して界磁巻線５に供給する電力をオンオフする界磁巻線用の電力用半導体素子とを備えている。界磁巻線用の電力用半導体素子（スイッチング素子）は、制御回路によりオンオフ制御され、回転電機が動作することで発熱する。

本実施の形態によれば、冷却風Ｗ２２を生み出す位置に永久磁石１０が配置されており風量の多い冷却風Ｗ１２を阻害することがないため、冷却風を有効活用できることで回転子６、固定子３が効率よく冷却できる。さらに、熱源である電力供給ユニット３００を通過した冷却風Ｗ２１を回転子６に引き込まないので温度が上昇した風を冷却風として使わないことで冷却効率があがる。第１の磁極の爪状磁極部の回転方向進み側に隣接して配置された場合と同じ風量を出すためには全体の圧損を低減させる必要があり大型化する一方で、小型化かつ安価に製造することができる。さらに、電動機の冷却効率を上げることで電力供給ユニットが電動機から熱をもらいにくくなるため電力供給ユニットの冷却効率もあがり、耐熱性が高い部品を使用する必要がなく費用対性能が上がる。

実施の形態２．
図６は実施の形態２に係る回転電機における回転子を横向き配置で示す外観図である。図７は実施の形態２に係る回転電機における回転子を電力供給ユニット側から見た図である。
永久磁石１０は第２の磁極の爪状磁極部９２１の回転方向進み側に隣接して配置され、永久磁石１０が挿入されている磁極間部と永久磁石１０が挿入されていない磁極間部は回転方向に交互に配置されている。
本実施の形態によれば、冷却風の利用効率を阻害しないまま永久磁石１０を最大数配置できるため漏洩磁束を低減し、出力が向上する。また、熱源である電力供給ユニット３００を通過し熱された冷却風Ｗ２１が回転子６に入ることを最大限に阻害するため電動機の冷却効率も上がる。

実施の形態３．
図８は実施の形態３に係る回転電機における回転子の要部を示す概観図である。
永久磁石１０が挿入されていない磁極間部の軸方向には冷却ファン８１に切り欠き部Ａが設けられている。
本実施の形態によれば、ファン外径を大きくして風量を上げることで冷却性能が上がる。しかし冷却ファン８１が、永久磁石１０が挿入されていない磁極間部を塞ぐと冷却風Ｗ１２を阻害し、風量が下がる。切り欠き部Ａを設けることで冷却風Ｗ１２を阻害することがない。これにより風路の圧損が下がり、界磁巻線の冷却性能が上がり出力が向上する。冷却ファン８２に同様の切り欠き部Ａを設けることにより、冷却風Ｗ２２を阻害することがなく、同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図９は実施の形態４に係る回転電機における回転子の要部を示す概観図である。
永久磁石１０が挿入される磁極間部の径方向隙間より冷却ファン８１の外径が小さい。即ち、冷却ファン８１のファン最外径Ｄ１は、永久磁石１０の挿入部最内径Ｄ２より小さい。
本実施の形態によれば、ファン外径を小さくすることで冷却風Ｗ１２を阻害することがなく、風路圧損が下がる。さらに部品コストあるいは重量を低減できる。また、騒音を小さくできる。冷却ファン８２についても同様の構成にすることにより、冷却風Ｗ２２を阻害することがなく、同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
図１０は実施の形態５に係る回転電機における回転子の要部を示す概観図である。
第１の爪状磁極部９１１の爪の傾きが、永久磁石１０がある側（回転方向遅れ側）Ｂに比べて永久磁石が無い側（回転方向進み側）Ｃの方が大きい。即ち、電力供給ユニットが配置されていない側の爪状磁極部をなす周方向の２面に対してシャフトの軸方向と爪状磁極部の最外周側の面の法線方向からなる面との傾きは回転方向進み側の方が大きい
本実施の形態によれば第１の爪状磁極部９１１が隣接する空気を押す向きＰ１の軸方向成分が大きくなり、冷却風Ｗ１２の流れを促進する。それにより風量が増え、冷却性能が上がり、出力が向上する。

実施の形態６．
図１１は実施の形態６に係る回転電機の要部断面図である。
電力供給ユニット３００に設けられた液体冷媒用配管１５に供給される液体冷媒で冷却されている。
本実施の形態によれば電力供給ユニット３００を冷却ファンが回転することによる冷却風で冷却する必要がないため、冷却ファン８２を小さくできるか若しくはなくすことができる。それにより部品コストが減る。さらに、電動機の軸方向高さを減らすことができる。図１１の実施形態では、冷却ファン８２を設けていない。
この際、冷却風Ｗ２の風量は冷却風Ｗ１よりさらに少ない、もしくはゼロとなる。この状況において冷却風Ｗ１２を生み出す位置に永久磁石１０が配置されていると電動機には冷却風Ｗ１１しか流れないため冷却効率が下がり、性能が下がるため、永久磁石１０は第２の磁極の爪状磁極部の回転方向進み側に隣接して配置される必要がある。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ フロントブラケット，２ リアブラケット、３ 固定子、４ シャフト、５ 界磁巻線、６ 回転子、１０ 永久磁石、３１ 固定子鉄心、３２ 固定子巻線、８１，８２ 冷却ファン、９１，９２ 磁極、９１１，９２１ 爪状磁極部、３００ 電力供給ユニット

本願に開示される回転電機は、外周に複数の爪状磁極部が設けられた磁極と、磁極に巻装された界磁巻線と、磁極と界磁巻線と一体に回転するシャフトとを備えた回転子と、磁極の外周に対向して配置された固定子鉄心と、固定子鉄心に巻装された固定子巻線とを備えた固定子と、磁極の隣接する爪状磁極部の間に配設されており、隣接する前記爪状磁極部の間の漏洩磁束を低減する向きに着磁された永久磁石と、磁極におけるシャフトの軸方向側の少なくとも一方に設けられており、界磁巻線と永久磁石とを冷却する冷却ファンと、固定子及び回転子を収容すると共に、シャフトを回転可能に支持するブラケットと、固定子巻線または界磁巻線に電力を供給する電力供給ユニットを備え、電力供給ユニットはブラケットにおけるシャフトの軸方向側に固定されており、磁極は、電力供給ユニットが設けられていない側の第１の磁極と電力供給ユニットが設けられた側の第２の磁極で構成され、第１の磁極の爪状磁極部と第２の磁極の爪状磁極部とが交互にかみ合うように組み合わされており、永久磁石は電力供給ユニットが設けられている側の第２の磁極の爪状磁極部の回転方向進み側に配置されたものである。

Claims (6)

1. 外周に複数の爪状磁極部が設けられた磁極と、前記磁極に巻装された界磁巻線と、前記磁極と前記界磁巻線と一体に回転するシャフトとを備えた回転子と、
   前記磁極の外周に対向して配置された固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻装された固定子巻線とを備えた固定子と、
   前記磁極の隣接する前記爪状磁極部の間に配設されており、隣接する前記爪状磁極部の間の漏洩磁束を低減する向きに着磁された永久磁石と、
   前記磁極における前記シャフトの軸方向側の少なくとも一方に設けられており、前記界磁巻線と前記永久磁石とを冷却する冷却ファンと、
   前記固定子及び前記回転子を収容すると共に、前記シャフトを回転可能に支持するブラケットと、
   前記固定子巻線または前記界磁巻線に電力を供給する電力供給ユニットを備え、
   前記電力供給ユニットは前記ブラケットにおける前記シャフトの軸方向側に固定されており、
   前記永久磁石は前記電力供給ユニットが設けられている側の前記磁極の爪状磁極部の回転方向進み側に配置されることを特徴とする回転電機。
2. 前記永久磁石が配設されている磁極間部と前記永久磁石が配設されていない磁極間部は回転方向に交互に配置されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記冷却ファンは、前記永久磁石が配設されていない磁極間部の軸方向側に切り欠き部が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記冷却ファンの最外径は前記永久磁石が挿入されている磁極間部の隙間より小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
5. 前記電力供給ユニットが配置されていない側の爪状磁極部をなす周方向の２面に対して前記シャフトの軸方向と前記爪状磁極部の最外周側の面の法線方向からなる面との傾きは回転方向進み側の方が大きいことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記電力供給ユニットは、前記電力供給ユニットに設けられた液体冷媒用配管に供給される液体冷媒によって冷却されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機。

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