JP3743113B2

JP3743113B2 - 回転電機

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Publication number: JP3743113B2
Application number: JP11694797A
Authority: JP
Inventors: 均入江; 博章石川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1997-05-07
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2017-05-07
Also published as: US5973435A; JPH10313559A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機に関し、特にランデル型ポールコアを有する車両用交流発電機に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両用交流発電機は、それぞれが複数の爪部を有するランデル型ポールコアを用いた回転子を備えており、この回転子を高速に回転させることにより発電を行っている。特に最近では、車両の電気負荷の増加に伴い、車両用交流発電機の高出力化が要求されており、ポールコアの各爪部間に漏洩磁束を減じる方向に着磁された永久磁石を挿入する手法が知られている。例えば、特開平８−２２３８８２号公報に開示された交流発電機のロータ・アセンブリは、溝が形成された複数の永久磁石を環状の担持部材の外周にバンドで固定して永久磁石アセンブリを形成し、これをポールコアの各爪部間に永久磁石が配置されるように挟み込むものであり、発電機の高出力化が図られている。
【０００３】
また、上述した公報に開示された交流発電機のロータ・アセンブリは、ポールコアの各爪部間に直接永久磁石が当接されているため、振動等によって破損して飛散するおそれがあり、これを改善したものとして特開平７−１２３６６４号公報に開示された交流発電機の回転子がある。この回転子は、樹脂により蛇行周回して冠状に形成された磁石保持器に１６個の永久磁石を一体モールドし、これをポールコアの各爪部間に形成されたつば部を利用して、あるいは磁石保持器の回転方向の断面を台形形状にして係止しており、永久磁石を一体モールドした磁石保持器の状態で回転子の組み付けが行われる。このように、永久磁石が樹脂によって覆われているため、永久磁石が破損しにくくなり、破損した場合であっても飛散することを防止することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、最近の高出力化に伴って交流発電機の発熱量が増加の傾向にあり、各部の温度も上昇するおそれがある。特に、交流発電機の高回転化に伴って、ポールコアの爪部表面に発生する渦電流によって爪部表面が高温になり、磁石保持器が爪部に当接している部分で熱変形が生じ、最悪の場合には、磁石が飛散するおそれがある。このため、上述した磁石保持器をすべて耐熱性樹脂材料または金属材料で形成することも考えられるが、一般的に耐熱性樹脂材料はフィラー、ガラス等を含有させることで耐熱性を向上させているが、反面、材料が高価で、かつ含有物の影響で型寿命が低下する。一方、金属材料は磁極間の磁束漏洩を防止するため、ステンレス等の高価な非磁性材料で形成する必要があり、これらを多用することは製造コストの増大につながることになり好ましくない。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は低コストでしかも耐熱性を向上させることができる磁石保持器を有する回転電機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転電機の回転子に備わった磁石保持器は、永久磁石を収納する収納部を有し、各収納部とポールコアの爪部との間に収納部より耐熱温度が高い耐熱性部材を介在させている。したがって、発電機の高出力化に伴ってポールコアの温度が上昇した場合であっても、磁石保持器の各収納部とポールコアの爪部との間に収納部より耐熱温度が高い耐熱性部材を介在させているため、磁石保持器の耐熱性を向上させることができる。さらに、部分的に耐熱性部材を使用することで、コストを最小限に抑えることができる。
【０００７】
特に、上述したポールコアは、高回転時に外周面に発生する渦電流等によって、外周面の温度が高くなるおそれがある。したがって、ポールコアの外周面につば部を形成し、このつば部によって磁石保持器の収納部の遠心方向を押さえる場合に、各収納部とこのつば部との間に上述した耐熱性部材を介在させることで、ポールコアの爪部外周面からの熱を耐熱性部材で受け、熱変形等を防止することができる。
【０００８】
また、上述した各収納部は、遠心方向の外周部に形成された永久磁石挿入用の開口部を有しており、上述した耐熱性部材でこの開口部に蓋をすることにより、永久磁石の収納を行っている。したがって、蓋として耐熱性部材を使用することによりポールコアのつば部に接触する部分の耐熱性を向上させるとともに、この蓋によって収納部を密閉することができ、振動等によって永久磁石が割れたり欠けたりした場合に飛散することを防止できる。
【０００９】
また、上述した耐熱性部材を複数の分割片で構成することにより、耐熱性部材を磁性体材料で構成した場合においても、爪部間に生じる漏れ磁束を低減することができ、さらに低コスト材料の選定範囲が広がる。
また、上述したように各収納部とポールコアの爪部との間に収納部より耐熱温度が高い耐熱性部材を介在させる場合の他に、収納部の少なくとも２つを連結する連結部を有する場合において、収納部を連結部より耐熱温度が高い耐熱性部材で構成してもよく、この場合には、収納部自体が上述した耐熱性部材の働きをするため、ポールコアの当接する部分、特にポールコアの爪部外周面につば部を有する場合にはこのつば部に当接する部分の耐熱性を向上させつつ、組み付け工数が低減できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明を適用した回転電機の一種である車両用交流発電機（以後、「オルタネータ」と称する）は、回転子であるロータの各爪部間に永久磁石が挿入されており、この永久磁石を保持する磁石保持器に爪部から伝わる熱に対する耐熱性を持たせる構造を低コストで実現したことに特徴がある。以下、本発明を適用した一の実施形態のオルタネータについて、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１１】
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明を適用した一実施形態のオルタネータの部分的な構成を示す断面図であり、ランデル型のロータとこれに組み合わされるステータを抜き出して示したものである。同図に示すロータ１は、同期発電機であるオルタネータの回転子であって、絶縁処理された銅線をボビン１０に円筒状かつ同心状に巻き回したフィールドコイル１２と、それぞれが中心のコア部１４、１６に連続する外周部において回転軸方向に折れ曲がった６極の爪部１８、２０を有する一対のポールコア２２、２４と、隣接する爪部１８、２０間に挿入される１２個の収納部２６を後述する連結部２８によって回転方向に連結した環状の磁石保持器３２と、各収納部２６に挿入される１２個の永久磁石３４と、回転軸となるシャフト３６とを含んで構成されている。永久磁石３４としては、例えばフェライト磁石、ネオジ磁石、希土類磁石等が用いられる。
【００１２】
また、図１において、ロータ１の外周側に配置されたステータ２は、オルタネータの固定子であって、絶縁処理された３相のステータコイル９０がステータコア９２に巻き回されている。
図２は、図１に示した磁石保持器３２の外観斜視図であり、ロータ１に組み付けを行う前の状態が示されている。図２に示すように、磁石保持器３２は、永久磁石３４を保持する１２個の収納部２６と、隣接する収納部２６の側面同士を部分的に連結する変形可能な連結部２８と、各収納部２６の遠心方向の外周面に取り付けられた耐熱性部材としての耐熱板３０とを有している。それぞれの収納部２６は、直方体形状を有する永久磁石３４を挿入するための開口面を有する箱形形状（カップ形状）を有しており、ロータ１に組み付けて回転したときにこの開口面が内周側となるように配置されている。
【００１３】
また、各連結部２８は、隣接する収納部２６同士を互いに連結することにより、磁石保持器３２の全体を一つの部品として扱うためのものであり、収納部２６とともに樹脂材料を用いて一体成形されている。また、耐熱板３０は、磁石保持器３２をロータ１に組み付けたときに、各収納部２６と各爪部１８、２０との間に介在させることにより、各爪部１８、２０の遠心方向の外周面に形成されたつば部（後述する）に部分的に当接し、これらのつば部が各収納部２６に直接接触することを防いでいる。
【００１４】
図３は、図１に示したロータ１のシャフト３６と垂直方向の拡大断面を示す図である。また、図５は一方のポールコアの爪部と磁石保持器３２の位置関係を示す斜視図である。これらの図に示すように、一方のポールコア２２の各爪部１８にはその遠心方向外側の外周面に沿った位置につば部４０が、他方のポールコア２４の各爪部２０にはつば部４２がそれぞれ形成されている。これらのつば部４０、４２を設けることにより、回転時の磁石保持器３２の遠心方向の移動を拘束することができるとともに、ステータコア９２に対向する爪部１８、２０の面積を増大させることによるオルタネータの出力向上を図ることができる。
【００１５】
また、磁石保持器３２の各収納部２６の遠心方向の外周面には凹部が形成されており、この凹部に耐熱板３０が圧入されて取り付けられている。なお、この耐熱板３０は、収納部２６の遠心方向の外周面に取り付け固定されていればよいため、その他の固定方法、例えば収納部２６の遠心方向の外周面に接着剤を用いて耐熱板３０を取り付けたり、収納部２６に耐熱板３０をインサート成形して取り付けたりするようにしてもよい。また、図４に示すように、耐熱板３０がつば部４０、４２と永久磁石３４に直接当接した形態でもよい。
【００１６】
また、永久磁石３４は、ポールコア２２、２４の各爪部１８、２０間の漏洩磁束を少なくする方向に着磁されており、この方向を維持するように磁石保持器３２のそれぞれの収納部２６に挿入されている。また、各爪部１８、２０間の漏洩磁束を少なくするために、磁石保持器３２を構成する各収納部２６、連結部２８および耐熱板３０は、非磁性体材料によって形成されている。例えば、収納部２６と連結部２８には４６ナイロンやＰＰＳ等の比較的耐熱温度が低く、可とう性、柔軟性のある樹脂材料が用いられ、耐熱板３０には非磁性金属であるステンレスやアルミニウム等が用いられており、磁石保持器３２を通って漏洩磁束が増加しないようになっている。
【００１７】
図６は、各収納部２６を連結部２８により連結して帯状に配置した帯状体を平面状に展開した状態を示す図であり、磁石保持器３２を型成形等によって製造した直後の状態が示されている。同図に示すように、磁石保持器３２は、まず１２個の収納部２６を帯状に配置して、それらの間を連結部２８によって連結した形状に成形される。帯状に配置された各収納部２６と連結部２８は、永久磁石３４の挿入部となる開口面と耐熱板３０の圧入口となる凹部が同一方向を向いているため、二方向型を用いて容易に製造することができる。
【００１８】
上述したように磁石保持器３２の各収納部２６を帯状に配置した状態で製造した後、各収納部２６に永久磁石３４と耐熱板３０をそれぞれ所定位置に圧入し、その後各収納部２６の永久磁石３４挿入用の開口面が内周側になるように湾曲させ、全体を環状に変形する。図２等に示すように、各収納部２６の間を連結している連結部２８は、変形しやすい平板状に形成されており、帯状の両端に位置する収納部２６を持って磁石保持器３２の全体を環状に丸め、両端の連結部２８同士を機械的に接合することにより、図２に示した環状の磁石保持器３２が一つの部品として形成される。
【００１９】
上述した両端の連結部２８同士の接合は、図６に示すように、一方端の連結部２８に凸部４４を形成するとともに、他方端の連結部２８に凹部４６を形成しておいて、この凹部４６に凸部４４を圧入することにより行っている。但し、機械的な接合の方法についてはこれに限らず、例えば熱溶着による方法や接着剤を用いる方法等、連結部２８同士を機械的に連結可能な種々の方法を用いることができる。
【００２０】
このように、本実施形態のオルタネータのロータ１に含まれる磁石保持器３２は、永久磁石３４を収納する各収納部２６の遠心方向の外周面に耐熱板３０が取り付けられており、各収納部２６の遠心方向の拘束をこの耐熱板３０を介して行っている。一般に、ロータ１の回転数を上げてオルタネータの高出力化を図った場合には、ポールコア２２、２４の爪部１８、２０の外周面に発生する渦電流が増加してこの外周面の温度が上昇し、これに伴って外周面に近いつば部４０、４２の温度も高くなる。ところが、上述した耐熱性部材としての耐熱板３０は、つば部４０、４２と部分的に接触しているだけであり、耐熱板３０に伝わる熱はそれほど多くないため、耐熱板３０の温度はつば部４０、４２の温度と比べると低くなる。したがって、収納部２６およびこれと一体成形された連結部２８は、材料の耐熱温度をその分低く抑えることができ、柔軟性に富んだ安い材料を用いることができる。
【００２１】
特に、連結部２８を柔軟性に富んだ材料で形成した場合には、ポールコア２２、２４の加工精度や組み付け精度に起因して各収納部２６が回転方向に加圧されて連結部２８に応力が集中しても、この連結部２８が適度に変形するため、上述した応力集中による破損等を防止することができる。
また、本実施形態のオルタネータのロータ１に含まれる磁石保持器３２は、１２個の収納部２６を帯状に展開し、それらの間を平板状の連結部２８で連結した状態で製造され、永久磁石３４や耐熱板３０の挿入後にこれを環状に変形した状態で組み付けに用いられる。したがって、製造には安価な二方向型を用いることができ、製造工程の簡略化およびこれに伴ってコスト低減が可能となる。
【００２２】
図７は、本実施形態の磁石保持器の変形例を示す図である。同図に示す磁石保持器５０は、１２個の収納部５２と、これらをロータ１の回転方向に連結する連結部５４と、各収納部５２の遠心方向の外周面に取り付けられた非磁性の金属材料で形成された耐熱板５６とを有しており、各収納部５２に永久磁石（図示せず）と耐熱板５６とが一体モールド成形されている。
【００２３】
このように、磁石保持器５０を一体モールド成形によって製造した場合には、耐熱板５６をモールド型の精度に応じて正確に位置決めすることができ、ポールコア２２、２４のつば部４０、４２との当接状態を確実に確保することができる。また、各収納部５２に収納された永久磁石は完全に密閉された状態となるため、振動等によって永久磁石が割れたり欠けたりした場合であっても、永久磁石の破片が飛散することがなく、ステータコイル９０等の他の部品を傷つけることを防止することができる。
【００２４】
図８は、本実施形態の磁石保持器の他の変形例を示す図である。同図に示す磁石保持器６０は、遠心方向の外周面に永久磁石挿入用の開口部を有する１２個の収納部６２と、これらをロータ１の回転方向に連結する連結部６４と、各収納部６２の遠心方向の外周面に取り付けられた非磁性の金属材料で形成された耐熱板６６とを有している。耐熱板６６が収納部６２の開口部の蓋の役目をしており、永久磁石を各収納部６２に収納した後に、耐熱板６６によってこの開口部に蓋をすることにより、各収納部６２に収納された永久磁石は完全に密閉された状態となるため、振動等によって永久磁石が割れたり欠けたりした場合であっても、永久磁石の破片が飛散することがなく、ステータコイル９０等の他の部品を傷つけることを防止することができる。
【００２５】
〔第２の実施形態〕
上述した各種の磁石保持器は、各収納部とこれらを回転方向に連結する各連結部とを柔軟性のある樹脂材料によって一体成形したが、収納部と連結部を別体で形成するようにしてもよい。
図９は、第２の実施形態の磁石保持器の部分的な構造を示す図である。同図に示す磁石保持器７０は、永久磁石を収納する耐熱性部材としての１２個の収納部７２と、各収納部７２が所定位置に取り付けられる帯状の連結部７４とを有している。収納部７２は、ステンレスやアルミニウム等の非磁性金属の板材を箱状に折り曲げることにより形成されており、その開口面側の端部には連結部７４に取り付け固定するための凸部７６が形成されている。また、連結部７４は、４６ナイロンやＰＰＳ等の可とう性、柔軟性のある樹脂材料で形成されており、その一部に各収納部７２に設けられた凸部７６を圧入するための穴７８が設けられている。
【００２６】
磁石保持器７０を組み立てるには、まず、収納部７２を形成した後その開口部から永久磁石を挿入し、この状態で各収納部７２の凸部７６を連結部７４の対応する穴７８に圧入する。その後、全体がポールコアの各爪部に合わせて円環状になるように変形され装着される。このようにすれば、永久磁石の全面を覆うことが可能となり、欠けなどが発生しても、外へ飛び出すことなく安全性も確保される。さらに、収納部７２の凸部７６と連結部７４の穴７８との締め代を隙間ばめに設定すれば、組み付け時の爪部の応力を各収納部７２の移動により吸収することが可能となる。
【００２７】
このように、別体として形成された各収納部７２に永久磁石を収納した状態で連結部７４に取り付けることにより、永久磁石の周りを完全に覆うことができるため、永久磁石の割れ等が生じても破片が飛散することがない。また、別体として形成された各収納部７２を耐熱性部材で形成しているため、ポールコアの爪部表面およびつば部の温度が上がった場合であっても各収納部７２に対する悪影響はない。また、連結部７４は、柔軟性のある樹脂材料で形成されているため、ポールコアの加工精度や組み付け精度が悪い場合に加わる連結部への応力集中を緩和することができる。
【００２８】
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で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した第１の実施形態では、耐熱性部材として金属材料で形成した耐熱板３０等を用いたが、これを高耐熱性の樹脂材料で形成するようにしてもよい。一般に、樹脂材料は金属材料に比べて熱伝達率が悪いため、つば部４０、４２から磁石保持器３２の収納部２６等に伝わる熱を遮断することができ、収納部２６等の温度上昇を抑えるのに適している。また、耐熱板３０等を金属材料あるいは樹脂材料で形成する場合に、つば部４０、４２から伝わる熱をできるだけ遮断するために、耐熱板３０等の表面に凹凸を設けるようにしてもよい。
【００２９】
また、上述した第２の実施形態では、金属板を折り曲げることにより各収納部７２を形成したが、金属板をプレス加工あるいは押し出し成形によって形成したり、高耐熱性の樹脂材料を用いて形成してもよい。特に、樹脂材料を用いる場合には、収納部７２の全体を高耐熱性の材料で形成するのではなく、ポールコアの爪部に形成されたつば部に当接される部分だけを高耐熱性の材料で、それ以外を耐熱性がそれほど高くない材料で形成するようにしてもよい。また、図１０に示すように、収納部の全体を耐熱性がそれほど良好でない安価な樹脂材料で構成し、遠心方向の外周面に耐熱板８０を配置してもよい。この耐熱板８０を取り付ける方法は、上述した第１の実施形態の各種の磁石保持器と同様に、外周面に凹部を形成しておいて圧入したり、耐熱板８０あるいは耐熱板８０と永久磁石の両方を一体的にモールド成形したり、接着剤を用いて貼り付けたりする場合が考えられる。
【００３０】
また、上述した第１の実施形態では、耐熱板３０として金属板を用いる場合には、ポールコア２２、２４の隣り合った各爪部１８、２０間の漏洩磁束を少なくするために、この金属板をステンレス等の非磁性金属で形成したが、図１１に示すように、耐熱板３０を爪部１８、２０の各つば部４０、４２に沿うように２つ（あるいはそれ以上の数でもよい）の分割片３０Ａ、３０Ｂに分割することにより、各爪部１８、２０間の磁束の漏洩を防止するようにしてもよい。このように、構造を工夫して磁束の漏洩を防止した場合には、耐熱板３０Ａ、３０Ｂとして磁性材料である安価な鉄板等を用いることができ、部品コストを下げることができる。
【００３１】
また、上述した各実施形態では、永久磁石を収納する収納部２６等を箱状に形成したが、各収納部によって永久磁石を保持することが重要であって、カゴ状あるいはクリップ状などの形態とすることができる。
また、ロータ１に含まれるすべての収納部２６等を連結することなく、４個の収納部を連結した連結体を製造し、これを３体連結して各実施形態と同様の１２個の収納部を持つ一連の環状保持器を組み立ててもよい。さらに、磁石保持器の成形にあたっては、爪部間隙間の数よりはるかに多数の収納部を連結してなる帯状体を所要の数の収納部ごとに切断して、その後環状の磁石保持器を組み立ててもよい。
【００３２】
また、上述した各実施形態では、ランデルコア型回転電機の一例として車両に搭載されるオルタネータを考えたが、車両搭載以外の目的で使用される発電機あるいはランデルコア型の回転子を有する電動機に本発明を適用することができる。また、上述したランデルコア型といった場合には、ポールコアの各爪部が先端に行くにしたがって幅が細くなる場合の他、同一幅の爪部を有する場合も含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態のオルタネータの部分的な構成を示す断面図である。
【図２】図１に示した磁石保持器の外観斜視図である。
【図３】図１に示したロータのシャフトと垂直方向の拡大断面を示す図である。
【図４】第１の実施形態の変形例におけるロータのシャフトと垂直方向の拡大断面を示す図である。
【図５】ポールコアの爪部に形成されたつば部と磁石保持器との位置関係を示す図である。
【図６】磁石保持器の収納部と連結部を帯状に配置した状態を示す図である。
【図７】第１の実施形態の磁石保持器の変形例を示す図である。
【図８】第１の実施形態の磁石保持器の他の変形例を示す図である。
【図９】第２の実施形態の磁石保持器の部分的な構造を示す図である。
【図１０】第２の実施形態の磁石保持器の変形例を示す図である。
【図１１】収納部の外周面に取り付けられた耐熱板を分割した磁石保持器を示す図である。
【符号の説明】
１ロータ
２ステータ
１８、２０爪部
２２、２４ポールコア
２６収納部
２８連結部
３０耐熱板
３２磁石保持器
３４永久磁石

Claims

複数の爪部が形成されたポールコアと、前記爪部間に配置された複数の永久磁石と、前記永久磁石を保持する磁石保持器から構成される回転子を有する回転電機において、
前記磁石保持器は、前記複数の永久磁石を収納する複数の収納部を有し、さらに前記爪部と前記永久磁石との間に、前記爪部と接触して前記収納部より耐熱温度が高い耐熱性部材を介在させたことを特徴とする回転電機。
請求項１において、
前記爪部には前記回転子の外周面に沿った位置につば部が形成されており、前記耐熱性部材を前記つば部に当接させたことを特徴とする回転電機。
請求項１または２において、
前記耐熱性部材と前記永久磁石との間に、前記収納部の一部を介在させたことを特徴とする回転電機。
請求項１において、
前記収納部は遠心方向の外周部に前記永久磁石挿入用の開口部を有しており、前記耐熱性部材によって前記開口部に蓋をすることを特徴とする回転電機。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記耐熱性部材を複数の分割片で形成し、前記収納部に隣接される２つの前記爪部のそれぞれに異なる前記分割片を当接させることを特徴とする回転電機。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記磁石保持器は前記複数の収納部の少なくとも２つを連結する連結部を備えることを特徴とする回転電機。
複数の爪部が形成されたポールコアと、前記爪部間に配置された複数の永久磁石と、前記永久磁石を保持する磁石保持器から構成される回転子を有する回転電機において、
前記磁石保持器は、前記複数の永久磁石を収納する複数の収納部と、前記収納部の少なくとも２つを連結する連結部を有し、前記収納部が前記連結部より耐熱温度が高い耐熱性部材で構成されたことを特徴とする回転電機。
請求項７において、
前記爪部には前記回転子の外周面に沿った位置につば部が形成されており、前記耐熱性部材を前記つば部に当接させることを特徴とする回転電機。
請求項６〜８のいずれかにおいて、
前記磁石保持器は、前記連結部を介して複数の前記収納部を連結した帯状体であり、前記帯状体を湾曲させて組み付けられることを特徴とする回転電機。