JP2023178630A - 磁石回転子、及び、発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヨークの小型、軽量化とクラッチ機構の確実な係止を両立させることができる磁石回転子、及び、発電機を提供する。【解決手段】磁石回転子は、ヨークと、複数の永久磁石と、を備える。ヨークは、底壁の中心部に回転軸が連結されるとともに、底壁の回転軸との連結部よりも径方向外側領域に、クラッチ機構を位置決めするクラッチ係止部が設けられる。複数の永久磁石は、ヨークの周壁に固定される。クラッチ係止部は、ヨークの底壁から切り起こされた複数の切り起こし片によって構成される。発電機は、磁石回転子と、固定子とを備える。固定子は、ヨークの内側で永久磁石に対向して配置されるとともに、コイルが巻装される。【選択図】図１

Description

本発明は、磁石回転子、及び、発電機に関するものである。

車両用エンジンには回転軸に発電機が直結されたものがある。ここで用いられる発電機は、エンジンの回転軸に磁石回転子が連結され、磁石固定子の周壁に固定された永久磁石と対向するように固定子がエンジンカバー等に取り付けられている。発電機は、磁石回転子がエンジンの回転軸とともに回転すると、固定子に巻装されたコイルを通して発電電力を蓄電装置や車載の電気機器に出力する。

また、この種の発電機として、磁石回転子にワンウェイクラッチが取り付けられ、磁石回転子がワンウェイクラッチを介してエンジン始動用のモータに接続可能とされたものがある。エンジン始動用のモータは、エンジンの始動時に、ワンウェイクラッチと磁石回転子を通してエンジンの回転軸に回転力を伝達し、その回転力によってエンジンを始動する。また、エンジンが始動して回転軸の回転速度が高まると、ワンウェイクラッチによってエンジン始動用のモータと回転軸の間の動力伝達が遮断される。
この発電機では、ワンウェイクラッチのクラッチ機構が磁石回転子に位置決めされ、その状態でクラッチ機構が磁石回転子にボルト締結等によって固定されている。

この種の発電機の磁石回転子は、有底円筒状のヨークの底壁が回転軸の端部にボスを介して固定されている。そして、クラッチ機構は、ボスのフランジ部に形成されたクラッチ係止部（インロー部）によって嵌合係止され、その状態でボルト締結等によってヨークの底壁に固定されている。

しかし、この従来の磁石回転子の場合、ヨークを回転軸に固定するためのボスにフランジ部やクラッチ係止部を一体に形成する構造とされているため、ボスが大型化し、磁石回転子全体が大型・重量化する原因となり易い。

この対策として、有底円筒状のヨークの底壁に打ち出しによってクラッチ係止部を一体に形成した磁石回転子が案出されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の磁石回転子は、有底円筒状のヨークの底壁にヨークの軸方向内側に段差状に窪む円環状のクラッチ係止部が打ち出しによって形成されている。ワンウェイクラッチのクラッチ機構は、アウタレースが円環状のクラッチ係止部に嵌合状態で係止され、その状態でアウタレースがヨークの底壁にボルト締結されている。

特許第４７０５６３９号公報

しかし、特許文献１に記載の磁石回転子は、ヨークの底壁に打ち出しによってクラッチ係止部が形成されているため、クラッチ機構（アウタレース）の外周面に対するクラッチ係止部の係止代（係止深さ）を充分に確保しようとすると、ヨークの底壁の厚みをある程度以上に厚くせざるを得ない。このことは、磁石回転子の小型、軽量化の観点からは望ましくなく、さらなる改善が望まれている。

そこで本発明は、ヨークの小型、軽量化とクラッチ機構の確実な係止を両立させることができる磁石回転子を提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る磁石回転子、及び、発電機は、以下の構成を採用した。
即ち、本発明に係る磁石回転子は、底壁の中心部に回転軸が連結されるとともに、前記底壁の前記回転軸との連結部よりも径方向外側領域に、クラッチ機構を位置決めするクラッチ係止部が設けられた有底円筒状のヨークと、前記ヨークの周壁に固定された複数の永久磁石と、を備え、前記クラッチ係止部は、前記ヨークの前記底壁から切り起こされた複数の切り起こし片によって構成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る発電機は、前記磁石回転子と、前記ヨークの内側で前記永久磁石に対向して配置されるとともに、コイルが巻装された固定子と、を備えていることを特徴とする。

本発明に係る磁石回転子は、ヨークの底壁から切り起こされた複数の切り起こし片によってクラッチ係止部が構成されている。このため、クラッチ係止部をヨークの底壁から打ち出しによって形成する場合に比較して、ヨークの底壁の肉厚を厚くすることなく複数の切り起こし片によってクラッチ機構部を確実に係止することができる。
したがって、本発明に係る磁石回転子を採用した場合には、ヨークの小型、軽量化とクラッチ機構の確実な係止を両立させることができる。

実施形態の発電機の縦断面図。 実施形態の磁石回転子の斜視図。 実施形態の磁石回転子の縦断面図。 実施形態の磁石回転子の図２のＩＶ部の拡大斜視図。 実施形態の磁石回転子の図２のＩＶ部の拡大正面図。 他の実施形態１の図５に対応する拡大正面図。 他の実施形態２の図５に対応する拡大正面図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下で説明する各実施形態では、同一構成部分に共通符号を付して重複する説明を省略するものとする。

図１は、本実施形態の発電機１の縦断面図である。
発電機１は、アウタロータ型の交流発電機であって、エンジンの回転軸２に連結される磁石回転子３と、磁石回転子３の内側に配置され、エンジンケース（不図示）等に固定される固定子４と、を備えている。

磁石回転子３は、回転軸２の先端部が嵌入されるボス１０と、ボス１０に固定された有底円筒状のヨーク１１と、を備えている。ボス１０は、ヨーク１１の底壁１５の中央部に固定されている。また、ヨーク１１の周壁１７の内周面には、複数の永久磁石１２が固定されている。永久磁石１２は周方向に磁極が交互に並ぶように着磁されている。ヨーク１１の周壁１７の外周面には、磁石回転子３及び回転軸２の回転位置を検出するための図示しない突起がプレス加工によって突設されている。
また、ヨーク１１の底壁１５の外側面（軸方向外側の面）には、ワンウェイクラッチのクラッチ機構３０が取り付けられている。

図２は、磁石回転子３をヨーク１１の底壁１５の外側から見た斜視図である。また、図３は、永久磁石１２の図示を省略した磁石回転子３の縦断面図である。
ボス１０は、軸心に沿って貫通孔１３が形成されている。貫通孔１３は、回転軸２の先端部の形状に沿って先端側に向かって内径が窄まるテーパ孔とされている。ボス１０の基端部には、径方向外側に張り出す環状のフランジ部１４が設けられている。ヨーク１１の底壁１５の中央部には、ボス１０が嵌入される嵌合孔２４が形成され、ヨーク１１の底壁１５の嵌合孔２４の周縁部は、ヨーク１１の軸方向内側に向かってフランジ部１４の厚み分だけ円環状に窪んでいる。底壁１５の嵌合孔２４の周縁の窪み部２３には、フランジ部１４が軸方向外側から重ねられている。フランジ部１４は、その状態において、ヨーク１１の底壁１５の内周縁部に固定されている。これにより、ボス１０のフランジ部１４とヨーク１１の底壁１５の軸方向外側の端面は略面一となっている。
なお、ボス１０と回転軸２の先端部は、軸線回りに共回りするようにナット１６によって固定されている。

また、ヨーク１１の底壁１５のうちの、窪み部２３よりも径方向外側領域には、複数のボルト挿通孔５０とエンボス部５１が底壁１５の中心部を中心とした同心円状に形成されている。複数のボルト挿通孔５０には、後述するワンウェイクラッチのクラッチ機構３０を締結固定するためのボルト３２が挿通される。また、エンボス部５１は、突出側の先端がヨーク１１の底壁１５の内面からヨーク１１内に向かって突出している。エンボス部５１の突出部分には、ヨーク１１内に配置される図示しないカバー部材が係止される。

図１に示すように、ワンウェイクラッチのクラッチ機構３０は、円環状のアウタレース３１と、円筒部３４ａがアウタレース３１の径方向内側に配置される円環状のインナレース３４と、アウタレース３１とインナレース３４の円筒部３４ａの間に介装される転動体３３と、を備えている。転動体３３は、インナレース３４とアウタレース３１の間の一方向の回転のみを相手部材に伝達し、他方向の回転伝達を阻止するように機能する。
なお、インナレース３４とアウタレース３１の間の一方向の回転のみを相手部材に伝達するクラッチ機構３０の詳細構造についてはここで説明を省略する。クラッチ機構３０については、周知の各種の構造を採用することができる。

インナレース３４は、円筒部３４ａの軸方向の一端部（クラッチ機構３０がヨーク１１に取り付けられたときに、ヨーク１１の底壁１５から離間する側の端部）に、アウタレース３１と非接触状態で径方向外側に円形状に張り出す回転板３４ｂが延設されている。回転板３４ｂの外周面には、回転伝達用の歯面３４ｃが形成されている。回転板３４ｂの歯面３４ｃには、図示しないエンジン始動用のモータの出力歯車が噛み合い可能とされている。
なお、インナレース３４は、円筒部３４ａの内周側が軸受３５を介して回転軸２に支持さている。

クラッチ機構３０は、エンジンの始動時に、回転板３４ｂを通してエンジン始動用のモータからインナレース３４に一方向の回転トルクが伝達されると、そのトルクを、転動体３３とアウタレース３１を通してヨーク１１に伝達する。これにより、エンジン始動用のモータのトルクがエンジンの回転軸２に伝達され、エンジンが始動されることになる。また、エンジンの始動後に、回転軸２の回転速度が高まると、エンジン始動用のモータと回転軸２の間のトルク伝達がクラッチ機構３０によって遮断される。

また、発電機１の固定子４は、環状のステータコア４０を備えている。ステータコア４０は、円環状の磁性材料の板材を軸線方向に積層して構成されている。ステータコア４０の内径は、回転軸２の先端部に螺合されるナット１６と干渉しない内径とされている。ステータコア４０には、径方向外側に延びるティース４０Ａが周方向に等間隔に複数設けられている。各ティース４０Ａの外周には、インシュレータ４１を介してコイル４２が巻回されている。コイル４２は、交流と直流を変換する電力変換回路を介して図示しない蓄電装置や車載の電気機器に電気的に接続されている。

発電機１は、ヨーク１１が回転軸２とともに回転すると、ヨーク１１の周壁１７に固定された複数の永久磁石１２が固定子４側の複数のティース４０Ａの外周側を周方向に横切する。これにより、交流電力が発生し、その電力がコイル４２と電力変換回路を通して蓄電装置や車載の電気機器に出力される。

図４は、磁石回転子３の図２のＩＶ部の拡大斜視図であり、図５は、磁石回転子３の図２のＩＶ部の拡大正面図である。
ヨーク１１の底壁１５のうちの、ボス１０（回転軸２との連結部）よりも径方向外側領域には、略三角形状の切欠き部６０と、切欠き部６０の一辺の一部が切り起こされた切り起こし片６１と、が設けられている。切欠き部６０と切り起こし片６１は、ヨーク１１の底壁１５のうちの、底壁１５の中心部を中心とした同心円上に夫々複数（本実施形態の場合６つ）配置されている。複数の切り起こし片６１は、底壁１５の中心部を中心とした円周方向に等間隔に離間して配置されている。

各切欠き部６０は、一辺６０ａが底壁１５の中心を中心とした円の接線方向に延び、残余の二辺６０ｂ，６０ｃが一辺６０ａの両端部から底壁１５の中心に向かって延びる略三角形状に形成されている。切り起こし片６１は、切欠き部６０の一辺６０ａの略中央領域において、ヨーク１１の軸方向外側に向かって略直角に切り起こされている。本実施形態では、切り起こし片６１は、切り起こし前の形状が、一辺６０ａから径方向内側に向かって延びる略長方形状に形状とされている。
なお、切欠き部６０は、切り起こし前の切り起こし片６１の輪郭部よりも充分に大きく形成されている。また、切欠き部６０は、底壁１５の径方向内側に向かって径方向と直交する方向の幅が次第に狭まっている。

各切り起こし片６１は、図２に示すように、ヨーク１１の底壁１５のうちの、ボルト挿通孔５０やエンボス部５１の形成位置よりも径方向外側位置に配置されている。そして、各切り起こし片６１に対応する切欠き部６０の一部は、円周方向で隣接するエンボス部５１の間に配置されている。つまり、各切欠き部６０の一部（底壁１５の径方向内側に延びる領域）は、ボルト挿通孔５０やエンボス部５１の形成位置と同一円周上位置まで延びている。

切り起こし片６１は、正確には、切欠き部６０の一辺６０ａから径方向内側に僅かに離間した位置において軸方向に切り起こされている。つまり、切り起こし片６１は、切欠き部６０の一辺６０ａから径方向内側に延びる短尺な接続部領域６１ａと、接続部領域６１ａの先端部から軸方向外側に屈曲して延びる長尺な支持部領域６１ｂと、を備えている。複数の切り起こし片６１の支持部領域６１ｂには、クラッチ機構３０のアウタレース３１が嵌合可能とされている。具体的には、クラッチ機構３０のアウタレース３１は、その外周面が複数の切り起こし片６１の支持部領域６１ｂの径方向内側面に嵌合される。
複数の切り起こし片６１は、ヨーク１１におけるクラッチ係止部を構成している。また、各切欠き部６０は、クラッチ機構３０（アウタレース３１）の外周面よりも径方向外側となる位置まで拡がっている。

クラッチ機構３０のアウタレース３１は、複数の切り起こし片６１に嵌合された状態において、図１に示すように、ボルト３２によってヨーク１１の底壁１５に締結固定される。こうして、クラッチ機構３０のアウタレース３１がヨーク１１の底壁１５に取り付けられると、各切欠き部６０の一部がアウタレース３１よりも径方向外側領域において、ヨーク１１の内外を連通する連通口７０ａ，７０ｂとして残る。本実施形態の場合、連通口７０ａ，７０ｂは、図４，図５に示すように、各切り起こし片６１の周方向両側に形成されることになる。連通口７０は、磁石回転子３の回転時には、ヨーク１１の内側の熱をヨークの外側に逃がすことができる。

＜実施形態の効果＞
以上のように、本実施形態の磁石回転子３は、ヨーク１１の底壁１５から切り起こされた複数の切り起こし片６１によってクラッチ係止部が構成されている。このため、クラッチ係止部をヨーク１１の底壁１５から打ち出しによって形成する場合に比較して、ヨーク１１の底壁１５の肉厚を厚くすることなく複数の切り起こし片６１によってクラッチ機構３０（アウタレース３１）を確実に係止することができる。
したがって、本実施形態の磁石回転子３を採用した場合には、ヨーク１１の小型、軽量化とクラッチ機構３０の確実な係止を両立させることができる。

よって、本実施形態の磁石回転子３を採用することにより、動力エネルギーの損失低減を図ることができる。したがって、国連が主導する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「すべての人々の、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する」に貢献することが可能となる。

また、本実施形態の磁石回転子３は、各切り起こし片６１の先端部側が、切り起こし基部よりもヨーク１１の底壁１５の径方向内側領域から切り起こされているため、ヨーク１１の底壁１５の外径を大型化することなく、クラッチ機構３０を底壁１５のより径方向外側位置で切り起こし片６１によって係止することができる。したがって、本構成を採用した場合には、ヨーク１１の底壁１５の外径を拡大することなく、外径の大きいクラッチ機構３０（アウタレース３１）を確実に支持できることから、ヨーク１１の小型、軽量化により寄与することができる。

また、本実施形態の磁石回転子３は、ヨーク１１の底壁１５に形成される切欠き部６０が径方向内側に向かって周方向幅が次第に狭まる形状とされている。このため、切り起こし片６１よりも底壁１５の径方向内側領域に配置されるボルト挿通孔５０やエンボス部５１の配置スペースを圧迫することが無いうえ、底壁１５の径方向内側領域の剛性を高く維持することができる。

さらに、本実施形態の磁石回転子３は、切欠き部６０が、クラッチ機構３０（アウタレース３１）の外周面よりも径方向外側となる位置まで拡がっている。このため、クラッチ機構３０（アウタレース３１）が複数の切り起こし片６１に係止された状態において、切欠き部６０の一部がヨーク１１の内部空間を外部に連通させる連通口７０ａ，７０ｂとして機能するようになる。したがって、本構成を採用した場合には、切欠き部６０によって構成される底壁１５の連通口７０ａ，７０ｂを通してヨーク１１内の熱を外部に排出することができる。

特に、本構成の場合、切り起こし片６１が、底壁１５の連通口７０ａ，７０ｂと周方向で隣接した位置でヨーク１１とともに回転するため、ヨーク１１の回転時に切り起こし片６１がヨーク１１内の空気を積極的に変動させ、その空気とともにヨーク１１内の熱を外部に効率良く逃がすことができる。

また、本実施形態の磁石回転子３は、各切り起こし片６１が切欠き部６０の周方向の中央領域に配置されている。このため、複数の切り起こし片６１によってヨーク１１の底壁１５にクラッチ機構３０が取り付けられた状態において、切り起こし片６１の周方向両側に連通口７０ａ，７０ｂが形成されることになる。このため、回転軸２の増速回転時や減速回転時に、連通口７０ａ，７０ｂを通して効率良くヨーク１１内の熱を外部に逃がすことができる。

＜他の実施形態１＞
図６は、本実施形態の磁石回転子のヨーク１１１の図５に対応する拡大断面図である。
本実施形態のヨーク１１１は、基本的な構成は上記の実施形態とほぼ同様であるが、切欠き部６０に対する切り起こし片６１の相対位置が上記の実施形態と異なっている。上記の実施形態では、切り起こし片６１が切欠き部６０の径方向外側の辺６０ａの周方向の中央領域に配置されていたが、本実施形態では、切り起こし片６１が切欠き部６０の径方向外側の辺６０ａの周方向の片側に偏った位置に突設されている。切り起こし片６１の切り起こし方向は、上記の実施形態と同様に、切欠き部６０の径方向外側の辺６０ａに近接した位置を切り起こし基部とし、切り起こし片６１の径方向内側に延びる先端部側を軸方向に屈曲させている。

本実施形態の磁石回転子は、上記実施形態とほぼ同様の基本構成とされているため、上記の実施形態と同様の効果を得ることができる。ただし、ヨーク１１１の底壁１５に形成する切り起こし片６１が切欠き部６０の周方向の片側に偏った位置に配置されているため、ヨーク１１１の底壁１５にクラッチ機構を取り付けた状態において、切り起こし片６１の周方向の片側に大きく開口する連通口１７０を確保することができる。
したがって、本構成を採用した場合には、ヨーク１１１の回転方向を考慮して切り起こし片６１の周方向の片側に開口面積の大きい連通口１７０を確保することにより、ヨーク１１１の回転時に、ヨーク１１１内の熱を外部に効率良く逃がすことができる。

＜他の実施形態２＞
図７は、本実施形態の磁石回転子のヨーク２１１の図５に対応する拡大断面図である。
本実施形態のヨーク２１１は、他の実施形態１と同様に、切り起こし片２６１が切欠き部６０の周方向の片側に偏った位置に配置されている。ただし、本実施形態の切り起こし片２６１は、切欠き部６０の径方向に延びる一方の辺６０ｂにおいて切り起こされている。

具体的には、切り起こし片２６１の接続部領域２６１ａは、辺６０ｂの径方向外側領域から周方向に延び、支持部領域２６１ｂは、接続部領域２６１ａの先端部において、軸方向に切り起こされている。本実施形態では、切り起こされた支持部領域２６１ｂの径方向内側の側面がクラッチ機構３０（アウタレース３１）の外周面に当接する。本実施形態の場合も、複数の切り起こし片２６１にクラッチ機構３０（アウタレース３１）が取り付けられると、切り起こし片２６１の周方向の片側に大きく開口する連通口２７０が確保される。

本実施形態の磁石回転子は、他の実施形態１とほぼ同様の効果を得ることができる。ただし、本実施形態の磁石回転子は、切り起こし片２６１が切欠き部６０の径方向に延びる辺６０ｂから切り起こされているため、切り起こし片２６１のうちのヨーク１１の回転方向に対向する部分の面積を大きく確保することができる。このため、ヨーク１１１の回転時に、切り起こし片２６１によって周囲の空気をより効率良く撹拌することができる。
したがって、本構成を採用した場合には、ヨーク１１１の回転時に、ヨーク１１１内の熱をさらに効率良く外部に逃がすことができる。
さらに、本実施形態の磁石回転子は、切り起こし片２６１の接続部領域２６１ａと支持部領域２６１ｂの間の屈曲稜線が底壁１５の径方向に沿うように延びている。このため、クラッチ機構を切り起こし片２６１の充分に剛性の高い方向で受け止めることができる。

なお、本発明は上記の実施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の設計変更が可能である。
例えば、上記の各実施形態では、ヨーク１１（１１１，２１１）の底壁１５に形成される切欠き部６０が、底壁１５の中心側に向かって窄まる略三角形状に形成されているが、切欠き部６０の形状はこれに限定されない。切欠き部６０の形状は、四角形状等の三角形状以外の形状であっても良い。

１…発電機、２…回転軸、３…磁石回転子、４…固定子、１０…ボス、１１…ヨーク、１２…永久磁石、１３…貫通孔、１４…フランジ部、１５…底壁、１６…ナット、１７…周壁、２３…窪み部、２４…嵌合孔、３０…クラッチ機構、３１…アウタレース、３２…ボルト、３３…転動体、３４…インナレース、３４ａ…円筒部、３４ｂ…回転板、３４ｃ…歯面、４０…ステータコア、４０Ａ…ティース、４１…インシュレータ、４２…コイル、５０…ボルト挿通孔、５１…エンボス部、６０…切欠き部６０、６０ａ…一辺、６０ｂ，６０ｃ…残余の辺、６１…切り起こし片（クラッチ係止部）、６１ａ，２６１ａ…接続部領域、６１ｂ，２６１ｂ…支持部領域、７０ａ，７０ｂ，１７０，２７０…連通口。

Claims (7)

1. 底壁の中心部に回転軸が連結されるとともに、前記底壁の前記回転軸との連結部よりも径方向外側領域に、クラッチ機構を位置決めするクラッチ係止部が設けられた有底円筒状のヨークと、
   前記ヨークの周壁に固定された複数の永久磁石と、を備え、
   前記クラッチ係止部は、前記ヨークの前記底壁から切り起こされた複数の切り起こし片によって構成されていることを特徴とする磁石回転子。
2. 前記切り起こし片は、切り起こし基部が前記底壁の径方向外側領域に配置され、先端部側が前記切り起こし基部よりも前記底壁の径方向内側領域から切り起こされていることを特徴とする請求項１に記載の磁石回転子。
3. 前記底壁には、切り起こし前の前記切り起こし片の輪郭部よりも大きい切欠き部が設けられ、
   前記切欠き部は、前記底壁の径方向内側に向かって径方向と直交する方向の幅が次第に狭まる形状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の磁石回転子。
4. 前記切欠き部は、前記クラッチ機構の外周面よりも径方向外側となる位置まで拡がっていることを特徴とする請求項３に記載の磁石回転子。
5. 前記切り起こし片は、前記底壁の周方向に関して、前記切欠き部の中央領域に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の磁石回転子。
6. 前記切り起こし片は、前記底壁の周方向に関して、片側に偏った位置に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の磁石回転子。
7. 前記請求項１～６のいずれか１項に記載の磁石回転子と、前記ヨークの内側で前記永久磁石に対向して配置されるとともに、コイルが巻装された固定子と、を備えていることを特徴とする発電機。

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