JP2021191100A

JP2021191100A - 発電電動機

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Publication number: JP2021191100A
Application number: JP2020094054A
Authority: JP
Inventors: 達也深瀬; Tatsuya Fukase; 利昭柏原; Toshiaki Kashiwabara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2021-12-13
Anticipated expiration: 2040-05-29
Also published as: JP6995163B2

Abstract

【課題】発電機と電動機の機能を併せ持った発電電動機において、回転軸の回転位置センサーとスリップリングを設け、両者の同軸度を高く、かつ、電力変換装置を含めた全体を省スペースに構成すること。【解決手段】回転軸の周りに設けられた界磁巻線を有する回転子と、前記回転子の周りに設けられた固定子巻線を有する固定子と、前記固定子巻線に接続され、前記回転子の回転を制御する電力変換装置と、前記回転軸に設けられ前記回転子の前記界磁巻線に電流を供給するスリップリングと、前記回転軸の端部に前記スリップリングに隣接して設けられた磁性体と、前記電力変換装置に前記磁性体に対向して設けられ、前記磁性体の回転による磁力変化から前記回転軸の回転位置を検出する軸回転位置検出部を有する制御回路基板と、を備えたものである。【選択図】図１

Description

本願は、発電電動機に関するものである。

近年、地球温暖化を背景とした輸送機器への燃費改善要求が高まっている。これにともない、車両電装品で消費される電力の供給、および車載バッテリーへの充電を行う界磁巻線式発電機においても、小型軽量化が急務になっている。しかしながら、近年、電装品の数とこれによる消費電力は増加傾向にあり、車両用発電機には、より発電量が大きく、効率の高い発電性能を求められている。また、さらなる効率向上に向けて、電力変換機能およびセンシング機能などを備える制御装置を一体化し、エンジンのアシスト機能およびアイドリングストップ機能などを実現する制御装置一体型の発電電動機が開発されている。

特に、発電電動機では、自動車のさらなる燃費改善に向けて、従来のオルタネータが備える発電機能に加えて、エンジンの始動およびアシストなどを行うための電動機としての機能を備える。この際、エンジンの始動およびアシストを行うのに十分な出力を得られるようにするため、発電電動機の回転子の回転位置、特に回転子と固定子の相対的な位置関係を高い精度で検出することが必要となる。このため、回転子の回転位置を精度よく検出するために、検出部と被検出部から構成される回転位置センサーが搭載される。また、発電電動機は、発電量を状況に応じて精度よく制御するために、回転子に界磁巻線を備える。回転子の軸端には、界磁巻線へ電流を供給するスリップリングが搭載されており、スリップリングのリング状の導体部にブラシが接触した状態で回転することで、回転子が回転した状態においても電力を界磁巻線に供給できる。回転位置センサーとスリップリング部材がそれぞれの役割を果たすために、回転位置センサーの被検出部とスリップリング部材が、回転子と同期して回転する必要があるため、回転軸に対する相対的な位置ずれが生じないような、空転を防止する構造が必要となる。さらに、回転位置センサーの被検出部とスリップリングは、それぞれ偏心したり、真円度が低かったりすると、回転位置の検出精度が悪化したり、ブラシとスリップリングの間にスパークが生じて、部品寿命が低下する原因となる。このような課題に対し、回転軸の回転位置検出を高い精度で実現するための構造が提案されている。

例えば、特許文献１には、回転軸の先端に回転位置センサー用の磁石部材を搭載し、回転軸と磁石部材とがはめあわされる部分に平面部を備えた電動モータ、およびこれを用いた電動パワーステアリング装置が示されている。この構成により、回転軸に対する磁石の空転を防止することができる。

また、特許文献２には、回転軸の先端にスリップリングを備える車両用交流発電機が示されている。この中で、回転軸の端部にスリップリングを圧入して固定し、回転子の中に配置された界磁巻線に電力を供給する構造が示されている。

特許第６２４６３２５号公報特許第２６２１０３９号公報

しかしながら、特許文献１に示された従来の発電電動機では、回転軸の先端部に回転位置センサーの磁石部材を搭載することが示されているのみである。また、特許文献２に記載された回転電機では、回転軸の先端にスリップリングを配置することのみが示されている。発電電動機では、発電機としての機能と、電動機としての機能の、両方の機能を備える。発電機として動作する際に、スリップリングから界磁巻線に電力を供給し、回転子を励磁しながら回転することで、発電する。一方、電動機として動作する際は、界磁巻線にスリップリングから電力を供給して回転子を励磁し、回転位置センサーで回転子の磁極の位置を検知し、固定子に磁極の位置に対応するように磁界を発生させることで回転運動が行われる。

これらの動作を両方備える発電電動機を構成するためには、回転位置センサーの被検出部とスリップリングを同一の回転軸上に設置し、ともに同期回転することが必要になる。また、回転位置センサーの被検出部と、スリップリングが偏心しないように回転軸に取り付けねばならず、回転位置センサーの被検出部とスリップリングとの高い同軸度が求められる。

さらに、特許文献１と特許文献２を組み合わせて発電電動機に用いる場合、回転位置センサーの被検出部とスリップリングの配置方法が課題となる。また、回転子の界磁巻線への電力を供給するための制御回路、および固定子の固定子巻線に接続される電力変換装置との組合せ方法および配置などが問題となる。コストアップおよび製品重量・サイズの増大による車両の燃費効率の悪化、生産性の悪化などを招かない工夫が必要となる。

本願は、上記のような従来の課題を解消するためになされたものであり、省スペースで、精度高く回転位置を検出できるとともに、界磁巻線に電力を供給するスリップリングとの同軸度を高めた発電電動機を得ることを目的とする。

本願に係わる発電電動機は、回転軸の周りに設けられた界磁巻線を有する回転子と、前記回転子の周りに設けられた固定子巻線を有する固定子と、前記固定子巻線に接続され、前記回転子の回転を制御する電力変換装置と、前記回転軸に設けられ前記回転子の前記界磁巻線に電流を供給するスリップリングと、前記回転軸の端部に前記スリップリングに隣接して設けられた磁性体と、前記電力変換装置に前記磁性体に対向して設けられ、前記磁性体の回転による磁力変化から前記回転軸の回転位置を検出する軸回転位置検出部を有する制御回路基板と、を備えたものである。

本願の発電電動機では、回転軸の端部に磁性体を設け、回転軸の回転位置検出を精度よく検出するとともに、界磁巻線に電力を供給するスリップリングを回転軸の検出を行う磁性体に隣接して設けたことにより、互いの同軸度を高めることができる。また、軸回転位置検出部を電力変換装置内の制御回路基板に設けることにより、発電電動機全体の省スペースが実現できる。

実施の形態１に係わる発電電動機を示す断面図である。実施の形態２に係わる発電電動機の回転軸の端部を示す断面図である。実施の形態２に係わる発電電動機の回転軸の軸方向の断面図である。実施の形態２に係わる発電電動機の回転軸の軸方向の断面図である。実施の形態３に係わる発電電動機の回転軸の端部を示す断面図である。実施の形態３に係わる発電電動機の回転軸の軸方向の断面図である。実施の形態３に係わる発電電動機の回転軸の軸方向の断面図である。実施の形態４に係わる発電電動機の一部を示す断面図である。

実施の形態１．
以下、本願の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は、実施の形態１による発電電動機を示す断面図である。本実施の形態１で説明する発電電動機は、車両用に使用される発電機と電動機の機能を両方とも備えるものである。発電電動機４００は、エンジン動力とつながって回転電機としての機能を有する回転電機部２００と、外部のバッテリーと接続して回転エネルギーと電力とを双方向に変換する電力変換装置３００とに分かれる。

まず、回転電機部２００についての構成を説明する。ハウジングとしてのフロントブラケット１及びハウジングとしてのリヤブラケット２と、フロントブラケット１に固定されたフロントベアリング１１と、リヤブラケット２に固定されたリヤベアリング２１と、これらのフロントベアリング１１およびリヤベアリング２１に回転自在に支持されている回転軸３と、回転軸３の周りに回転軸３と一体に設けられた界磁鉄心４１及び界磁巻線４２を有する回転子４と、フロントブラケット１及びリヤブラケット２に挟持されて回転子４の周りに設けられた固定子鉄心５１及び固定子巻線５２を有する固定子５と、が設けられている。また、回転軸３のフロント側の軸端部に固着されたプーリ６を備えている。発電電動機４００は、プーリ６に掛けられたベルト（図示せず）を介して、エンジンの回転軸（図示せず）に連結される。

なお、以下の説明において、回転軸３の軸方向の中心部からみて、フロントブラケットが設置されている側を発電電動機４００のフロント側、リヤブラケットが設置されている側を発電電動機４００のリヤ側と称する。

発電電動機４００の駆動の際の発熱により、回転子４および固定子５の温度が上昇するため、回転子４の軸方向両端面には冷却ファン７が設けられている。フロントブラケット１およびリヤブラケット２は、軽量化と生産性の観点からアルミダイカスト成形により製作されている。回転軸３のリヤ側にスリップリング部８が装着され、一対のスリップリング８１とこれらを支える樹脂部８２が設けられている。回転軸３のリヤ側の外周に位置するようにリヤブラケット２に取り付けられたブラシホルダ９１と、一対のスリップリング８１に摺接するようにブラシホルダ９１の内部にブラシ支持部９２によって支持された一対のブラシ９を備えている。後述する界磁電流は、一対のブラシ９と一対のスリップリング８１を介して界磁巻線に供給される。

発電電動機４００のリヤブラケット２の軸方向外側には、外部の直流電源としての車載バッテリー（図示せず）からの直流電力を交流電力に変換し、または固定子巻線５２からの交流電力を直流電力に変換する電力変換装置３００を備えている。電力変換装置３００は、２組の３相交流回路が構成されたパワー回路部３１０と、回転子４の界磁巻線４２に界磁電流を供給する界磁回路部３２０と、パワー回路部３１０及び界磁回路部３２０を制御する制御回路部３３０を備える。さらに、電力変換装置３００は、これらの回路を覆う、もしくは接続する構造部材（図示せず）から構成される。

発電電動機４００の固定子巻線５２は、例えば位相が３０度ずれた２組の３相の固定子巻線５２により構成されており、これらの３相の固定子巻線５２は、３相電力変換回路を２組備えたパワー回路部３１０により、それぞれ独立して制御され得るように構成されている。

Ｙ結線された３相の固定子巻線５２の各相の端子は、パワー回路部３１０における６個のパワー半導体素子により構成された電力変換回路の交流側端子に接続されている。パワー回路部３１０における電力変換回路の直流側端子は、車載バッテリーと平滑コンデンサに接続されている。界磁回路部３２０は、２個の半導体素子３２１を介して車載バッテリーに接続されている。

発電電動機４００を電動機として動作させるときは、パワー回路部３１０の電力変換回路がインバータとして動作するように、制御回路部３３０によりパワー半導体素子がスイッチング制御される。これにより、車載バッテリーからの直流電力は、電力変換回路により交流電力に変換されて固定子巻線５２に供給され、固定子巻線５２は回転磁界を発生して界磁巻線４２が発生する直流磁束と協働して、回転子４を回転させる。このとき、界磁巻線４２に流れる界磁電流は、制御回路部３３０による半導体素子３２１のスイッチング制御により必要に応じて調節される。

一方、発電電動機４００を発電機として動作させるときは、パワー回路部３１０の電力変換回路がコンバータとして動作するように、制御回路部３３０により半導体素子３２１がスイッチング制御される。これにより、回転している回転子４の界磁巻線４２による直流磁界により固定子巻線５２に発生した交流電力は、電力変換回路により直流電力に変換されて車載バッテリーに供給される。このとき、界磁巻線４２に流れる界磁電流は、制御回路部３３０による半導体素子３２１のスイッチング制御により必要に応じて調節される。

図１に示す発電電動機４００では、パワー回路部３１０の信号線接続端子は、制御回路部３３０における制御回路基板３３１に設けられている制御回路に、信号線接続部材（図示せず）を介して接続されている。また、パワー回路部３１０の各相の交流側端子は、固定子巻線５２の各相の端子に接続されている。制御回路部３３０の制御回路基板３３１に設けられた制御回路は、リード線接続部（図示せず）を介してエンジン制御装置（図示せず）からのリード線（図示せず）に接続される。

制御回路部３３０は、制御回路基板３３１と制御回路基板３３１を収納するための樹脂製のケース（図示せず）を備えている。ケースは、内部に収納された制御回路基板３３１への塩泥水の浸入を防ぐために、防水カバー（図示せず）などにより密封された防水構造を有している。界磁回路部３２０を構成する半導体素子３２１は、制御回路基板３３１と同一基板上に実装する。界磁回路部３２０を制御回路基板３３１に搭載することで、別々に回路を構成する場合に対して電力変換装置３００を省スペースにできる。

発電電動機４００では、内部に発電電流の整流機能およびインバータなどの電力変換機能を併せ持つパワー回路部３１０を備える。パワー回路部３１０を構成するパワー半導体素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）などのスイッチング可能なパワー半導体素子により構成される。

界磁巻線４２に電力を供給するブラシ９は、界磁巻線４２および固定子巻線５２と制御回路部３３０との間に配置される。また、制御回路部３３０に制御回路基板３３１が収納されており、この制御回路基板３３１に搭載された半導体素子３２１からブラシ９に対して界磁電流が供給される。

スリップリング部８には、導体金属製のスリップリング８１およびリード部（図示せず）と、回転軸３とスリップリング８１およびリード部を絶縁する絶縁性の樹脂部８２から構成されている。絶縁性の樹脂部８２がスリップリング８１の径方向以外の３面を取り囲むように配置されている。このスリップリング部８の樹脂部８２は円筒状の形状を有し、その内径側が回転軸３に嵌合するように配置される。ブラシ９がスリップリング部８のスリップリング８１に押し当てられた状態で回転軸３が回転すると、ブラシ９がスリップリング８１の表面を摺動し、スリップリング部８のリード部と接続された界磁巻線４２に電力が供給される。スリップリング部８の絶縁性の樹脂部８２が配置されていることで、電力が回転軸３に短絡するのを防止している。

回転軸３の軸回転位置を検出するための被検出部となる磁性体１０１を有するセンサー台座１０が回転軸３の端部に設けられる。センサー台座１０は、リヤ側の回転軸３の端部に配置される。また、軸回転位置検出部３３２は、センサー台座１０の磁性体１０１に対向して制御回路部３３０の制御回路基板３３１の基板上に設けられ、磁性体１０１の回転による磁力変化から回転軸３の回転位置を検出する。回転軸３の端部からセンサー台座１０、スリップリング部８の順番に回転軸３の同軸上に配置される。

実施の形態１による発電電動機４００において、センサー台座１０とスリップリング部８を同一軸上にそれぞれ設置し、ともに同期回転することが必要になる。また、センサー台座１０とスリップリング部８が偏心しないように回転軸３に取り付けねばならず、センサー台座１０とスリップリング部８との同軸度が求められる。同軸度を向上するために、同じ回転軸３上にセンサー台座１０とスリップリング部８が隣接して設けられるとともに、それぞれ締め代を有するしまりばめにより回転軸３に嵌合固定される。これにより、空転を防止するとともに、回転子４との同期回転が継続して運転可能となる。なお、しまりばめは、軸と穴との嵌合の固定強度を高めるはめあい方法であり、軸の外径寸法をそれと嵌合する穴の内径寸法より締め代分だけ大きくすることによって、穴の周りを変形させながら軸を圧入嵌合させるものである。

以上に示したように、実施の形態１に係わる発電電動機４００は、回転軸３の周りに設けられた界磁巻線４２を有する回転子４と、回転子４の周りに設けられた固定子巻線５２を有する固定子５と、固定子巻線５２に接続され、回転子４の回転を発電機側にも電動機側にも制御可能な電力変換装置３００と、回転軸３に設けられ回転子４の界磁巻線４２に電流を供給するスリップリング８１と、回転軸３の端部にスリップリング８１に隣接して設けられた磁性体１０１と、電力変換装置３００に磁性体１０１に対向して設けられ、磁性体１０１の回転による磁力変化から回転軸３の回転位置を検出する軸回転位置検出部３３２を有する制御回路基板３３１と、を備えたものである。

従って、実施の形態１に係わる発電電動機４００では、回転軸３の端部に磁性体１０１を設け、回転軸３の回転位置検出を精度よく検出するとともに、界磁巻線４２に電力を供給するスリップリング８１を回転軸３の検出を行う磁性体１０１に隣接して設けたことにより、互いの同軸度を高めることができる。また、軸回転位置検出部３３２を電力変換装置３００の制御回路基板３３１に設けることにより、発電電動機４００全体の省スペースが実現できる。

また、制御回路基板３３１には、回転軸３の回転位置を検出する軸回転位置検出部３３２と、ブラシ９およびスリップリング８１を介して回転子４の界磁巻線４２に電流を供給する半導体素子３２１と、が搭載されている。このように回転軸３の端部に、制御回路基板３３１、センサー台座１０、スリップリング部８をまとめて配置することができ、電力変換装置３００と回転電機部２００との組合せをコンパクトに実現することができる。

さらに、同軸度を向上するために、同じ回転軸３上にセンサー台座１０とスリップリング部８を隣接して設けるとともに、それぞれ締め代を有するしまりばめにより回転軸３に嵌合固定する。回転軸３の端部の磁性体１０１は、回転軸３の端部に設けられたセンサー台座１０に埋め込まれ、センサー台座１０に設けられた取付穴と回転軸の端部の外径側とはしまりばめにより嵌合されている。また、スリップリング８１は、回転軸３の周囲を覆う円筒状の樹脂部８２の外径側に埋め込まれ、樹脂部８２の内径側と回転軸３の外径側とはしまりばめにより嵌合されている。これにより、回転軸３の回転に対して、磁性体１０１およびスリップリング８１の空転を防止するとともに、回転子４との同期回転による継続運転が可能となる。

また、回転軸３の軸回転位置を検出するための被検出部は、磁性を帯びた磁性体１０１と、非磁性金属部材から構成されているセンサー台座１０とで構成されている。磁性体１０１は、センサー台座１０に埋め込まれ、対向する軸回転位置検出部３３２に対する面のみが開口し、周囲はセンサー台座１０の非磁性金属部材で覆われている。これにより、センサー台座１０の非磁性金属部材として、例えば、銅、アルミ、ステンレス鋼およびこれらを基材とする合金のような非磁性金属で構成することで、漏れ磁束および界磁巻線に入力する電流の脈動などによるノイズが、磁石の磁束に重畳すること、また、制御回路基板３３１の側に放出されることを防止できる。

また、センサー台座１０は、回転軸３に直接接するように設ける。センサー台座１０は非磁性金属部材としたので、樹脂などの絶縁部材を間に配置する場合に比べて、遥かに高い強度で固定できる。この結果、大きな回転加速度がセンサー台座１０に作用した場合でも被検出部である磁性体１０１の位置ずれを防止する効果が向上する。また、位置ずれによる回転位置の検出精度が低下することを回避できる。また、センサー台座１０は樹脂などの絶縁部材を間に介することなく、回転軸３からの熱伝導を直接に受けることができる。そのため、ブラシ９、スリップリング部８、界磁巻線４２などで発生した熱を外気に露出しているセンサー台座１０を通して効率よく放出できる。

また、スリップリング部８にスリップリング８１は一対設けられる。このうち回転軸３の先端側のスリップリング８１の埋め込んだ絶縁性の樹脂部８２の端面と、センサー台座１０の非磁性金属部材の間に隙間となるクリアランス部を有し、この隙間となるクリアランス部に回転軸３の一部が露出している。このクリアランス部により、センサー台座１０の非磁性金属部材とスリップリング８１が短絡することを防止することができる。また、センサー台座１０を回転軸３の端部に取り付けるための圧入力が絶縁性の樹脂部８２に外力としてかかるのを防止することで、絶縁性の樹脂部８２が損傷するのを防止できる。なお、センサー台座１０とスリップリング部８とのクリアランス部に絶縁性のあるスペーサーを設けてもよい。

実施の形態２．
つぎに、実施の形態２に係わる発電電動機４００について図に基づいて説明する。図２に、回転軸３の端部近傍について、回転軸３を残して軸方向に切断した断面図を示す。また、図２に示した矢視ＡＡによる断面図を図３に、矢視ＢＢによる断面図を図４に示す。

図３は、センサー台座１０の取付穴と回転軸３との嵌合部を示した断面図である。回転軸３には、センサー台座１０と嵌合する部位の一部に、径方向に直行した平面となる平面部３ａを備える。この平面部３ａに嵌合するように、センサー台座１０の取付穴の内径側に平面部１０ａが形成されている。このように平面部３ａおよび１０ａが噛み合うことにより、回転軸３と、センサー台座１０および磁性体１０１の空転を防止することができる。

また、図４は、スリップリング部８と回転軸３との嵌合部を示した断面図である。この図４において、回転軸３には、スリップリング部８の円筒状の樹脂部８２の内径側と嵌合する部位の一部に、径方向に直行した平面となる平面部３ａを備える。この平面部３ａに嵌合するように、スリップリング部８の円筒状の樹脂部８２の内径側に平面部８２ａが形成されている。このように平面部３ａおよび８２ａが噛み合うことにより、回転軸３と、スリップリング部８の空転を防止することができる。

なお、センサー台座１０の取付穴の内径側の平面部１０ａ、およびスリップリング部８の円筒状の樹脂部８２の内径側の平面部８２ａは、これらの内径側の平面部１０ａおよび８２ａを回転軸３へ圧入する時に、変形により形成させることも可能である。こうすることにより、スリップリング部８およびセンサー台座１０の内周にあらかじめ平面部を形成する必要がなく、部品の加工コストが低減できる。さらに、平面部同士が密着した状態に形成できるため、回転方向の衝撃および遠心力による空転に対する耐性が向上する。

図２において、回転軸３の端部に設けられたセンサー台座１０との嵌合部の外径寸法をＤａ、スリップリング部８との嵌合部の外径寸法をＤｂ、としたときに、Ｄａ＝Ｄｂの関係となるように回転軸３が形成されている。このように回転軸３を形成とすることで、センサー台座１０との嵌合部で設けられた平面部３ａとスリップリング部８との嵌合部で設けられた平面部３ａとを連続した同一平面となるように形成することができる。回転軸３の平面部３ａを一度の加工で形成可能であり、生産性、加工性に優れる。加工方法は、切削加工、転造加工（ブローチ加工を含む）、プレス加工、鍛造加工、砥粒加工などを用いることが可能である。

スリップリング部８が金属部材と樹脂部材から構成されており、スリップリング８１を構成する金属部材と、センサー台座１０を構成する非磁性金属部材とが同一の線膨張率を備えるようにする。動作中に回転軸３とスリップリング８１、センサー台座１０が高温となった際に、回転軸３よりもスリップリング８１もしくはセンサー台座１０の非磁性金属部材の線膨張係数が大きいため、しまりばめの締め代が減少する。このとき、各部材の膨張によって締め代がなくなるもしくは、嵌合部に隙間が生じて、”がた”ができると回転軸３の回転位置の検出精度が低下する。これを防止するために、あらかじめ締め代を大きくすると、センサー台座１０およびスリップリング部８を回転軸３に圧入する際に、これらの部材の変形が大きくなり、割れまたは裂けの原因となる。センサー台座１０とスリップリング８１の線膨張係数を同じにすることで、回転軸３との締め代を同じにすることができ、圧入時に割れまたは裂けが生じるのを回避しつつ、空転を防止できる。

実施の形態３．
つぎに、実施の形態３に係わる発電電動機４００について図に基づいて説明する。図５に、回転軸３の端部近傍について、回転軸３を残して軸方向に切断した断面図を示す。また、図５に示した矢視ＡＡによる断面図を図６に、矢視ＢＢによる断面図を図７に示す。

本実施の形態では、センサー台座１０に設けられた取付穴の内径側に嵌合する回転軸３の端部の外周部と、スリップリング８１が埋め込まれた円筒状の樹脂部８２の内径側と嵌合する回転軸３の外周部に、径方向に突出した筋状の突出部３ｂを複数設けたものである。図５の回転軸３の縦じまに示すように突出部３ｂが形成される。また、矢視ＡＡのセンサー台座１０の断面図で示すと、図６のように突出部３ｂが形成されている。また、突出部３ｂに嵌合するようにセンサー台座１０の取付穴の内径側に溝部１０ｂが形成されている。このように突出部３ｂおよび溝部１０ｂが噛み合うことにより、回転軸３と、センサー台座１０および磁性体１０１の空転を防止することができる。

図７に示すように、スリップリング部８の円筒状の樹脂部８２の内径側においても、センサー台座１０の場合と同様に、回転軸３の突出部３ｂに嵌合するようにスリップリング部８の樹脂部８２の内径側に溝部８２ｂが形成される。このような構成にすることによって、発電電動機４００に高いトルクが作用する場合、または回転子４に高い加速度が作用する場合に、突出部３ｂを複数個設けることで、空転防止作用が向上する。さらに、突出部３ｂを複数個設ける場合、突出部３ｂの一つ当たりの嵌合部分を小さくすることができる。そのため、しまりばめによる嵌合時のスリップリング部８の樹脂部８２の内径部およびセンサー台座１０の取付穴の内径部への塑性変形量を減少できる。この結果、スリップリング部８の樹脂部８２の割れ、またはセンサー台座１０の非磁性金属部材の割れなどが生じるのを防止できる。また、変形量が小さいため、スリップリング部８の樹脂部８２およびセンサー台座１０の非磁性金属部材に、弾性率およびヤング率がより大きい部材を選定できるようになり、固定強度が向上できるため、空転を防止する効果が向上する。

また、センサー台座１０の取付穴の内径側に溝部１０ｂおよび、スリップリング部８の円筒状の樹脂部８２の内径側の溝部８２ｂの形成は、突出部３ｂを有する回転軸３に嵌合入力することによって形成可能である。これにより、スリップリング部８およびセンサー台座１０の内周にあらかじめ溝部を形成する必要がなく、部品の加工コストが低減される。さらに、平面部同士が密着した状態に形成できるため、回転方向の衝撃および遠心力による空転に対する耐性が向上する。

実施の形態４．
つぎに、実施の形態４を図に基づいて説明する。図８は、実施の形態４による発電電動機４００の一部を示した断面図である。回転軸３にリヤベアリング２１の内輪部が締め代をもったしまりばめによって嵌合固定されている。回転軸３のセンサー台座１０との嵌合部の外径Ｅａ、回転軸３のスリップリング部８との嵌合部の外径をＥｂ、回転軸３のリヤベアリングとの嵌合部の外径をＥｃとした際に、Ｅａ＜Ｅｂ＜Ｅｃの順になるように回転軸３が形成されている。すなわち、回転軸３の軸端からセンサー台座１０、スリップリング部８、リヤベアリング２１の順に隣接して配置されている。その間において、スリップリング８１が埋め込まれた円筒状の樹脂部８２の内径側と嵌合する回転軸３の外径寸法Ｅｂが、センサー台座１０に設けられた取付穴の内径側に嵌合する回転軸３の端部の外径寸法Ｅａよりも大きいこと。さらに、リヤベアリング２１の内輪と嵌合する回転軸３の外径寸法Ｅｃが、スリップリング８１が埋め込まれた円筒状の樹脂部８２の内径側と嵌合する回転軸３の外径寸法Ｅｂよりも大きいこととなる。

このように構成することで、発電電動機４００を組み立てる際にリヤベアリング２１およびスリップリング部８を、回転軸３の軸端部から順に圧入することができ、組み立てが容易になる。また、より嵌合部に負荷が大きいリヤベアリング２１の嵌合部の直径が大きくなるため、嵌合部の固定力が向上する。

また、回転子４に冷却ファン７を備え、センサー台座１０の外径寸法をＦａ、スリップリング部８の外径寸法をＦｂ、リヤベアリング２１の外径寸法をＦｃとしたときに、Ｆａ＜Ｆｂ＜Ｆｃとなるように各部材が構成されている。すなわち、回転軸３には、軸端からセンサー台座１０、スリップリング部８、リヤベアリング２１の順に隣接して配置され、センサー台座１０の外径寸法Ｆａ、スリップリング部８の外径寸法Ｆｂ、リヤベアリング２１の外径寸法Ｆｃの順に寸法が増大するように構成したものである。

これにより、冷却風が冷却ファン７に向かって図８の風路Ｗａのように効率よく供給され、センサー台座１０、スリップリング部８、リヤベアリング２１の順に冷却される。これは、センサー台座１０、スリップリング部８、リヤベアリング２１の順に外径部が大きくなっていくことで、冷却風の流れる風路Ｗａの片側の壁を形成し、冷却ファン７に導くように配置されることによって風路Ｗａの圧力損失が減少することに起因したものである。この結果、センサー台座１０、スリップリング部８、リヤベアリング２１の外径部に冷却風があたり、リヤブラケット２のすき間から風路Ｗｂによって外部に熱を放出することができる。

制御回路部３３０に設置された制御回路基板３３１の上に軸回転位置検出部３３２を備えた。また、同じ制御回路基板３３１に半導体素子３２１が搭載され、制御回路部３３０により半導体素子３２１を通電制御するための信号配線が制御回路基板３３１のパターン配線で構成されている。この回路によって、界磁巻線４２へ供給される電流を制御する。
また、半導体素子３２１から供給される界磁電流は、回転軸３の端部に設けられたブラシ９からスリップリング８１によって供給される。このブラシ９への配線を軸端部にまとめたことにより、また、これらの回路が軸端部に設けられた制御回路基板３３１に搭載されていることで、電力変換装置３００を省スペースにできる。

電力変換装置３００の一部が冷却風の冷却風路の片側の壁を構成しており、センサー台座１０、スリップリング部８、リヤベアリング２１の外径部で構成される壁と組み合わされることで、冷却の風路ＷａおよびＷｂが形成される。電力変換装置３００が省スペースに構成できるようになることで、冷却風路の風路断面積を拡大できる。これにより、冷却風の風路の圧力損失を低減でき、冷却風量を増加することが可能となる。これにより、発電電動機４００を構成するために、回転軸３の端部にスリップリング部８と、回転位置センサーの被検出部となるセンサー台座１０を配置して、構成部品が増加しても冷却風量が減少することがなく、発電電動機４００の放熱性が失われない。以上の効果により、小型軽量で、高い生産性を備え、トルク出力、発電出力の効率が高い発電電動機４００を得ることが可能となる。

本願は、様々な例示的な実施の形態およ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、およ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、１１フロントベアリング、２リヤブラケット、２１リヤベアリング、３回転軸、３ａ平面部、３ｂ突出部、４回転子、４１界磁鉄心、４２界磁巻線、５固定子、５１固定子鉄心、５２固定子巻線、６プーリ、７冷却ファン、８スリップリング部、８１スリップリング、８２樹脂部、８２ａ平面部、８２ｂ溝部、９ブラシ、９１ブラシホルダ、９２ブラシ支持部、１０センサー台座、１０ａ平面部、１０ｂ溝部、１０１磁性体、２００回転電機部、３００電力変換装置、３１０パワー回路部、３２０界磁回路部、３２１半導体素子、３３０制御回路部、３３１制御回路基板、３３２軸回転位置検出部、４００発電電動機。

本願に係わる電力変換装置は、回転軸の周りに設けられた界磁巻線を有する回転子と、
前記回転子の周りに設けられた固定子巻線を有する固定子と、前記固定子巻線に接続され、前記回転子の回転を制御する電力変換装置と、前記回転軸に設けられ前記回転子の前記界磁巻線に電流を供給するスリップリングと、前記回転軸の端部に前記スリップリングに隣接して設けられた磁性体と、前記電力変換装置に前記磁性体に対向して設けられ、前記磁性体の回転による磁力変化から前記回転軸の回転位置を検出する軸回転位置検出部を有する制御回路基板と、を備え、前記磁性体は、前記回転軸の端部に設けられたセンサー台座に埋め込まれ、前記センサー台座に設けられた取付穴と前記回転軸の端部の外径側とはしまりばめにより嵌合され、前記スリップリングは、前記回転軸の周囲を覆う円筒状の樹脂部の外径側に埋め込まれ、前記樹脂部の内径側と前記回転軸の外径側とはしまりばめにより嵌合され、前記センサー台座を構成する部材と、前記スリップリングを構成する部材との線膨張係数が同じものである。

Claims

回転軸の周りに設けられた界磁巻線を有する回転子と、
前記回転子の周りに設けられた固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子巻線に接続され、前記回転子の回転を制御する電力変換装置と、
前記回転軸に設けられ前記回転子の前記界磁巻線に電流を供給するスリップリングと、
前記回転軸の端部に前記スリップリングに隣接して設けられた磁性体と、
前記電力変換装置に前記磁性体に対向して設けられ、前記磁性体の回転による磁力変化から前記回転軸の回転位置を検出する軸回転位置検出部を有する制御回路基板と、
を備えたことを特徴とする発電電動機。
前記制御回路基板には、前記回転軸の回転位置を検出する軸回転位置検出部と、前記スリップリングを介して前記回転子の前記界磁巻線に電流を供給する半導体素子と、が搭載されていることを特徴とする請求項１に記載の発電電動機。
前記スリップリングは、前記回転軸の周囲を覆う円筒状の樹脂部の外径側に埋め込まれ、前記樹脂部の内径側と前記回転軸の外径側とはしまりばめにより嵌合されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電電動機。
前記スリップリングは、前記回転軸の周囲を覆う円筒状の前記樹脂部の外径側に径方向以外の３面を取り囲むように埋め込まれていることを特徴とする請求項３に記載の発電電動機。
前記回転軸の端部の前記磁性体は、前記回転軸の端部に設けられたセンサー台座に埋め込まれ、前記センサー台座に設けられた取付穴と前記回転軸の端部の外径側とはしまりばめにより嵌合されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の発電電動機。
前記センサー台座は非磁性金属で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の発電電動機。
前記回転軸の端部に設けられた前記センサー台座と、前記センサー台座に隣接して設けられた前記スリップリングが埋め込まれた前記樹脂部との間には、隙間があることを特徴とする請求項５に記載の発電電動機。
前記センサー台座に設けられた前記取付穴の内径側と、前記取付穴と嵌合する前記回転軸の端部の外径側の一部とに平面部を有することを特徴とする請求項５に記載の発電電動機。
前記スリップリングが埋め込まれた円筒状の前記樹脂部の内径側と、前記樹脂部の内径側に嵌合する前記回転軸の外径側の一部とに平面部を有することを特徴とする請求項８に記載の発電電動機。
前記センサー台座に設けられた前記取付穴の内径側に嵌合する前記回転軸の端部の外径側の前記平面部と、前記スリップリングが埋め込まれた円筒状の前記樹脂部の内径側と嵌合する前記回転軸の外径側の平面部と、が連続した同一平面であることを特徴とする請求項９に記載の発電電動機。
前記センサー台座に設けられた前記取付穴の内径側に嵌合する前記回転軸の端部の外径寸法と、前記スリップリングが埋め込まれた円筒状の前記樹脂部の内径側と嵌合する前記回転軸の外径寸法と、が同じ寸法であることを特徴とする請求項１０に記載の発電電動機。
前記センサー台座を構成する部材と、前記スリップリングを構成する部材の線膨張率が等しいことを特徴とする請求項５に記載の発電電動機。
前記センサー台座に設けられた前記取付穴の内径側に嵌合する前記回転軸の端部の外周部と、前記スリップリングが埋め込まれた円筒状の前記樹脂部の内径側と嵌合する前記回転軸の外周部とに、前記回転軸の軸方向に沿って径方向に突出した筋状の突出部が複数設けられていることを特徴とする請求項５に記載の発電電動機。
前記スリップリングが埋め込まれた円筒状の前記樹脂部の内径側と嵌合する前記回転軸の外径寸法が、前記センサー台座に設けられた前記取付穴の内径側に嵌合する前記回転軸の端部の外径寸法よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の発電電動機。
前記回転軸には、軸端から前記センサー台座、前記スリップリングの順に隣接してベアリングを有し、前記ベアリングの内輪と嵌合する前記回転軸の外径寸法が、前記スリップリングが埋め込まれた円筒状の前記樹脂部の内径側と嵌合する前記回転軸の外径寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１４に記載の発電電動機。
前記回転軸には、軸端から前記センサー台座、前記スリップリングの順に隣接してベアリングを有し、前記センサー台座の外径寸法、前記スリップリングの外径寸法、前記ベアリングの外径寸法の順に寸法が増大するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の発電電動機。
前記制御回路基板を含む制御回路部には、前記固定子巻線に接続され、前記回転子の回転を制御する電力変換装置の制御回路が組み込まれていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電電動機。