JP3752770B2

JP3752770B2 - ランデルコア型回転電機

Info

Publication number: JP3752770B2
Application number: JP06801997A
Authority: JP
Inventors: 真谷口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2017-03-21
Also published as: DE69803891D1; US6011343A; EP0866542A2; JPH10271780A; EP0866542A3; EP0866542B1; DE69803891T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ランデルコア型の回転子を有するランデルコア型回転電機に関する。
【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ポールコアを、互いの爪部を対向させて交互に配置してなるランデルコア型の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、この要求を満たすものとして、コアの各爪部間に、漏洩磁束を減少させ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。
【０００３】
例えば、特開平７−１２３６６４号公報に開示された回転電機の回転子は、樹脂により蛇行周回して冠状に形成された保持器に１６個の永久磁石を挟み込んで、これをコアの各爪部間に形成されたつば部を利用して、あるいは保持器の回転方向の断面を台形形状にして係止している。また、特開平７−２９８５８５号公報に開示された車両用交流発電機の回転子は、爪部間に永久磁石を挿入するとともに、各爪部および永久磁石と界磁コイルとの間に通風用空間が形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に永久磁石は、その特性から高温の雰囲気下で使用すると、本来有している磁気特性を充分に発揮できない減磁状態に陥るため、爪部間の漏洩磁束を充分に打ち消すことができなくなり、車両用交流発電機の出力が低下する。
【０００５】
したがって、永久磁石を冷却する必要があるが、そのための従来技術として上述した特開平７−２９８５８５号公報に開示された車両用交流発電機の回転子が知られている。この回転子は、通風用空間を間に介在させて界磁コイルと永久磁石を分離することにより、界磁コイルの熱のこもりを防止するものであるが、この通風口に積極的に冷却風が流れるわけではないため、永久磁石に対して充分な冷却効果が得られないおそれがある。
【０００６】
また、永久磁石を冷却する他の従来技術として特開平５−２０７７１６号公報に開示された車両用交流発電機の回転子が知られている。永久磁石を挟み込む非磁性体リングと永久磁石との間に隙間を形成し、この隙間を通して遠心方向に冷却風を流すことにより永久磁石の冷却を行う。永久磁石を充分に冷却しようとするとこの隙間を大きくしなければならないが、隙間が大きいと磁気回路の磁気抵抗が大きくなるとともに永久磁石が小さくなるため漏洩磁束を減少させるという所期の効果が期待できなくなる。また、出力向上を達成できるように上述した隙間を設定すると、永久磁石を充分に冷却することができなくなる。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は簡単な構造で永久磁石を充分に冷却することができるランデルコア型回転電機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課外を解決するために、本発明のランデルコア型回転電機の回転子は、コアの各爪部間の補助磁石を爪部の裏側に爪部の最内径よりも突出するように配置しており、この突出部分が冷却風を発生させる斜流ファンおよび冷却フィンとして機能するため、補助磁石の冷却を効率よく行うことができ、しかも補助磁石を内径側に突出させるだけであるため簡単な構造で実現することができる。
【０００９】
また、回転子の内径側に界磁巻線を有する場合には、各爪部の裏側であってこの界磁巻線との間に形成された空間に上述した補助磁石の内径側を突出させるだけで、この空間にこもっている空気を入れ替えることができ、補助磁石の効率的な冷却が可能となる。
【００１０】
また、ランデルコア型コアの場合には、爪部の根本部の各支持部間に窪みを形成することが可能であるため、この窪みに冷却風の開口部を形成することにより、冷却風の出入り口を確保することができ、冷却風を効率よく流すことにより補助磁石の冷却性を高めることができる。さらに、この開口部を形成する際に、コアの各支持部の幅を狭くしたり、補助磁石を短くあるいは部分的に端部を傾斜させることにより、開口面積を拡大して冷却風の排出抵抗を低減することができ、補助磁石の冷却性をさらに高めることが可能となる。
【００１１】
【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補助磁石としての永久磁石が挿入されており、この永久磁石をロータの内径側に突出させ、この突出部分を斜流ファンおよび冷却フィンとして用いることにより、永久磁石の冷却を行うことに特徴がある。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。
【００１２】
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る。このロータ１は、絶縁処理された銅線を巻枠であるボビン１０に円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線としてのフィールドコイル１２を有する。さらに、ロータ１は、一対のポールコア２２、２４により構成されるコアを有する。このコアは、ボス部１４、１６と、爪部１８、２０と、ボス部１４、１６と爪部１８、２０とを連結する支持部２８、３０とを有している。ボス部１４、１６は、回転軸としてのシャフト３４に圧入固定されており、爪部１８、２０は支持部２８、３０の外周部の先端において回転軸方向に折れ曲がって配置されている。そして、各ポールコア２２、２４には、それぞれ６個の爪部１８、２０が設けられ、各爪部１８、２０を対向させ、しかも各爪部１８、２０が回転方向に関して交互に配置されるようにポールコア２２、２４が組み合わされてコアが形成されている。さらに、ロータ１は、漏洩磁束経路としての隣接する爪部１８、２０間に挿入されて固定された１２個の補助磁石としての永久磁石（磁石部材）２６を備えている。
【００１３】
永久磁石２６は、隣接する爪部１８および爪部２０の最も支持部２８、３０寄りの根本部の径方向の最内径よりもさらに内側に向けて突出するように配置されており、この突出部分がロータ１を回転させたときに斜流ファンおよび冷却フィンとして機能するようになっている。なお、永久磁石２６としては、例えばフェライト磁石、樹脂磁石、希土類磁石等が用いられる。
【００１４】
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。
【００１５】
図２は、ロータ１の外観斜視図である。また、図３は図２に示すポールコア２２、２４の支持部２８、３０と永久磁石２６とを回転軸方向に切断した断面図である。図２に示すように、ポールコア２２、２４の隣接する爪部１８、２０間に永久磁石２６が挿入された状態において、一方のポールコア２４の隣接する支持部３０の間に、他方のポールコア２２の爪部１８の裏側（内径側）に通じる開口部が形成されており、この開口部を通して冷却風が吸入あるいは排出されるようになっている。同様に、他方のポールコア２２の隣接する支持部２８間にも、一方のポールコア２４に爪部２０の裏側に通じる開口部が形成されており、この開口部を通じて冷却風が吸入あるいは排出されるようになっている。
【００１６】
ロータ１を所定方向に回転させると、各爪部１８、２０から内径側に突出した永久磁石２６の回転方向前方に存在する空気が圧縮されるが、各永久磁石２６は各爪部１８、２０の形状に沿って配置されているため回転軸に対して傾斜した側面を有しており、永久磁石２６の回転方向前方の傾斜した側面に沿った空気の流れが発生する。したがって、図２および図３の矢印ａで示すように、永久磁石２６の回転方向前方の側面に沿って空気が流れ、ポールコア２２、２４の各支持部２８あるいは３０近傍に形成された開口部から排出される。このようにしてポールコア２２、２４の各爪部１８、２０とフィールドコイル１２との間に形成された空間内の空気が排出されると、この空間の気圧が下がるため、上述した排出側の開口部とは反対側に形成された各支持部３０あるいは２８近傍の開口部から新たな空気が吸入される。
【００１７】
このように、ポールコア２２、２４の各爪部１８、２０とフィールドコイル１２との間に形成された空間に永久磁石２６が突出したロータ１を回転させることにより、この永久磁石２６の突出部分が斜流ファンとして機能するとともに冷却フィンとして機能するため、この永久磁石２６の回転方向前方の側面に沿って発生した冷却風によって永久磁石２６を効果的に冷却することができる。したがって、永久磁石２６が減磁状態に陥ることを避けることができ、オルタネータの出力低下を防止することができる。
【００１８】
また、各爪部１８、２０間に挿入された永久磁石２６を斜流ファンとして用いることにより、各爪部１８、２０の根本部分の支持部２８、３０近傍に形成された開口部を冷却風の吸入口および排出口として用いることができるため、冷却風を効率よく出し入れすることができる。特に、ランデルコア型のポールコア２２、２４の場合には、各爪部１８の根本部である支持部２８間あるいは各爪部２０の根本部である支持部３０間に窪みを形成することが可能であるため、この窪みに冷却風の吸排気用の開口部を形成することにより、冷却風の出入り口を確保することができ、冷却風を効率よく流すことができる。
【００１９】
また、ロータ１が高速に回転する場合には、オルタネータの出力が大きくなってステータコイル９０に発生するジュール熱も膨大なものとなるため、このジュール熱が伝わるステータコア９２が高温になる。しかも、高回転時には、ステータコア９２に作用する高周波交番磁界によって大きな鉄損（渦電流損）も発生するため、ステータコア９２の表面温度をさらに上昇させることになる。したがって、ステータコア９２の表面から所定のエアギャップを通してポールコア２２、２４の各爪部１８、２０およびそれらの間に挿入された永久磁石２６の温度上昇を引き起こすことになる。ところが、本実施形態のロータ１においては、ロータ１の回転数が増すにしたがって永久磁石２６の突出部分が斜流ファンとして機能する場合の冷却効果も増大するため、温度上昇が著しい高速回転時であっても永久磁石２６を効率よく冷却することができる。
【００２０】
また、上述した永久磁石２６は、ロータ１の内径側に各爪部１８、２０の最内径よりもさらに突出するような形状に形成されているだけであり、その形状は単純であるため、製造が容易であり、永久磁石２６の冷却のために生じる部品コスト、製造コストの増大を最小限に抑えることができる。
【００２１】
ところで、上述した実施形態のロータ１は、永久磁石２６を内径側に突出させることにより、この突出部分を斜流ファンおよび冷却フィンとして用いて永久磁石２６を冷却するようにしたが、各部の形状を若干変更することにより永久磁石２６の表面に沿って流れる冷却風の通風抵抗を低減して、冷却能力性をさらに高めることができる。
【００２２】
図４は、冷却風の通風抵抗を低減したロータの外観斜視図である。また、図５は図４に示すポールコア２２Ａ、２４Ａの支持部２８Ａ、３０Ａと永久磁石２６とを回転軸方向に切断した断面図である。
【００２３】
これらの図に示すロータ１Ａは、各ポールコア２２Ａ、２４Ａの各支持部２８Ａ、３０Ａの幅が部分的に狭くなっており、この幅が狭くなった分だけ冷却風の排出抵抗を減らすことができ、永久磁石２６の冷却性能を向上させることができる。具体的には、図５に示すように、各支持部２８Ａ，３０Ａの永久磁石２６から隔たった辺の幅Ｗ２よりも永久磁石２６に接近した辺の幅Ｗ１の方が狭くなるように、しかも永久磁石２６に沿って流れる冷却風が排出される側の開口部が広がるように、各支持部２８Ａ、３０Ａの断面形状が設定されており、永久磁石２６に沿って流れた冷却風が各支持部２８Ａ、３０Ａに遮られることなく排出されるようになっている。
【００２４】
このように、支持部２８Ａ等の断面の幅を爪部１８等の根本部の幅よりも狭くすることにより、永久磁石２６に沿って流れる冷却風の排出抵抗を減らすことができ、永久磁石２６の冷却性をさらに高めることができる。特に、ポールコア２２Ａ、２４Ａを鍛造で作る場合には、型の形状を若干変更するだけでよいため、設計変更に要する手間が大幅に増大することもない。
【００２５】
なお、上述した各支持部２８Ａ等は一方の辺の幅Ｗ１を短くしてその横断面を台形形状に形成したが、台形形状に限定されるものではなく、永久磁石２６が接する側の各支持部２８等を部分的に丸めたり、面取りしてもよく、実質的に冷却風の排出側の開口面積が拡大して、排出抵抗が低減できればよい。
【００２６】
また、図４に示したロータ１Ａでは、ポールコア２２Ａ、２４Ａの各支持部２８Ａ、３０Ａの幅を狭くして永久磁石２６に沿った冷却風の排出抵抗を低減したが、反対に永久磁石２６の幅を部分的に狭くして冷却風の排出抵抗を低減するようにしてもよい。
【００２７】
図６は、冷却風の通風抵抗を低減した他の例を示す図であり、図３に対応する断面形状が示されている。図６に示す永久磁石２６Ａは、冷却風が排出される側の端部の幅が狭くなるように、各支持部２８、３０に接する側の端部を面取りした形状を有している。このように、永久磁石２６の端部の幅を狭くして冷却風の排出抵抗を低減することも可能であり、永久磁石２６の冷却性を高めることもできる。また、このような形状を有する永久磁石２６Ａは、型形状を変更するだけで製造することができる。
【００２８】
図７は、図６に示した永久磁石の形状をさらに変形した例を示す図である。図６に示した永久磁石２６Ａはその端部を部分的に面取りした形状を有しているが、製造の容易さを考慮すると、永久磁石は直方体形状を有していることが好ましい。図７に示した永久磁石２６Ｂは、冷却風の排出側の長さを短くすることにより、冷却風の排出抵抗を低減したものである。言い換えれば、爪部の下流の永久磁石２６Ｂを爪先端側に偏らせ、爪部の上流の永久磁石２６Ｂを爪根本側に偏らせて配置している。このように、永久磁石２６Ｂの長さをこの永久磁石２６Ｂが接する各爪部１８、２０の側辺の長さより短くすることにより、排出側の開口部を拡大して冷却風の排出抵抗を低減することができ、しかも永久磁石２６Ｂの形状が直方体となるため製造が容易となる。
【００２９】
ところで、上述した各種のロータは、ポールコアの各爪部間に永久磁石を直接挿入する場合を説明したが、永久磁石を磁石保持器に収納した状態で補助磁石を構成し、これを各爪部間に装着するようにしてもよい。かかる構成では、磁石部材を含む補助磁石の一部が爪部裏側に向けて突出配置される。なお、補助磁石の一部のみを突出させる構成とすることで通風路断面積を大きく確保することができるとともに、送風に適した形状とすることができる。また、補助磁石から径方向内側へ突出する部分を放熱に適した形状とすることも可能となる。
【００３０】
図８は、本発明を適用した磁石保持器の外観斜視図である。同図に示す磁石保持器４０は、ポールコアの各爪部間に挿入される１２個の永久磁石２６のそれぞれを保持する１２個の収納部４２と、隣接する収納部４２の側面同士を部分的に連結する連結部４４を有している。それぞれの収納部４２は、直方体形状を有する永久磁石２６を挿入するための開口部を有する箱形形状（カップ形状）を有しており、ロータに組み付けて回転したときにこの開口面が内径側となるように配置されている。
【００３１】
また、各収納部４２は、ロータを回転させたときに回転方向前方となる側の側面が内周側に突出した形状を有している。この各収納部４２の突出部分４６は、フィン状に形成されている。この突出部分４６は、図１等に示した永久磁石２６等の内径側に突出した部分に対応しており、ロータの回転時に斜流ファンのブレードとして機能するとともに、放熱用のフィンとして機能する。
【００３２】
したがって、図３の矢印ａで示すような冷却風の流れが生じ、磁石保持器４０に収納された永久磁石２６を効率よく冷却することができる。特に、各収納部４２をステンレス等の非磁性体金属材料で形成した場合には熱伝達率が大きいため、各収納部４２の内周側の突出部分が冷却フィンとしても機能し、永久磁石２６の冷却性をさらに高めることができる。また、磁石保持器４０を用いた場合には、必ずしも永久磁石２６の全体をポールコアの各爪部より内周側に突出させる必要はなく、各収納部４２の側面のみを突出させるだけでよいため、永久磁石２６をポールコアの爪部間の漏洩磁束を減少させたり、ステータ２に鎖交する有効磁束を増加させたりするために必要な最小限の体積で形成することができ、材料コストを低減することができる。
【００３３】
この実施形態のように、ステータ２に鎖交する磁束をロータ１のコアを励磁して供給するフィールドコイル１２と、ステータ２に鎖交する有効磁束を増加させる補助磁石とを有するオルタネータにおいて、上述した補助磁石は磁石部材としての永久磁石２６を含むとともに、この永久磁石２６に接して設けられた冷却媒体としての冷却空気の通路に向けてフィン状に突出して配置された放熱部材としての磁石保持器４０の突出部分４６とを有するという技術的手段を採用することで、磁石部材の熱、あるいは磁石部材へ伝わろうとする熱を効果的に放熱することができる。さらに、放熱部材をランデルコア型のロータ１の爪部の内側に向けて突出させることで、ロータ１としての外側に部材を突出させてその取り扱いを困難にするといった不具合を招くことがない。なお、放熱部材としては金属、樹脂などを用いることができるが、熱伝達に優れた材料を選定することが望ましい。また、放熱部材としては、ロータ１の磁気的な特性に影響を与えないためには非磁性の材料、あるいは磁性材料であっても磁気的特性に影響しない程度の薄さのものが選定されることが望ましい。また、放熱部材としては、この実施形態のように送風機能を持たせるべく、ロータ１の回転方向に対して傾斜していることが望ましい。また、放熱部材としては、その形状が放熱性に優れた形状であることが望ましく、例えばその表面あるいは縁に凹凸を設けたり、ルーバー状に形成してもよい。
【００３４】
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、上述した実施形態では永久磁石２６等に斜流ファンの機能を持たせたため、他の冷却ファンと組み合わせなくても永久磁石２６等に沿った冷却風を発生させることができるが、他の冷却ファンと組み合わせて冷却風の風量をさらに増すようにしてもよい。
【００３５】
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、当然ながら回転子にスリップリングを有しないブラシレスタイプのオルタネータに適用することができるとともに、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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る。
【図２】図１に示したロータの外観斜視図である。
【図３】図２に示すコアの支持部と永久磁石を回転軸方向に切断した断面図である。
【図４】冷却風の通風抵抗を低減したロータの外観斜視図である。
【図５】図４に示すコアの支持部と永久磁石を回転軸方向に切断した断面図である。
【図６】冷却風の通風抵抗を低減した他の例を示す図である。
【図７】図６に示した永久磁石の形状をさらに変形した例を示す図である。
【図８】本発明を適用した磁石保持器の外観斜視図である。
【符号の説明】
１ロータ
１２フィールドコイル
１４、１６ボス部
１８、２０爪部
２２、２４ポールコア
２６永久磁石
２８、３０支持部

Claims

複数の爪部を対向させて交互に配置してなるコアと、前記爪部間に配置された複数の補助磁石とを含む回転子を有するランデルコア型回転電機において、
前記補助磁石は、前記爪部の裏側であって前記回転子の内径側に形成された空間に前記爪部裏側の最内径よりも突出するような形状に形成されているとともに、前記回転子の回転軸に対して回転方向に傾斜して配置されると共に、
前記爪部の裏側であって前記回転子の内径側には界磁巻線が備わっており、
前記爪部と前記界磁巻線の間に形成された空間に前記補助磁石を突出させて配置し、かつ前記補助磁石の回転軸方向の端部に冷却風の出入り口となる開口部を形成し、
この開口部は、前記爪部に連続する前記コアの支持部の幅を前記爪部の根本部よりも細くすることにより形成することを特徴とするランデルコア型回転電機。
複数の爪部を対向させて交互に配置してなるコアと、前記爪部間に配置された複数の補助磁石とを含む回転子を有するランデルコア型回転電機において、
前記補助磁石は、前記爪部の裏側であって前記回転子の内径側に形成された空間に前記爪部裏側の最内径よりも突出するような形状に形成されているとともに、前記回転子の回転軸に対して回転方向に傾斜して配置されると共に、
前記爪部の裏側であって前記回転子の内径側には界磁巻線が備わっており、
前記爪部と前記界磁巻線の間に形成された空間に前記補助磁石を突出させて配置し、かつ前記補助磁石の回転軸方向の端部に冷却風の出入り口となる開口部を形成し、
この開口部は、前記補助磁石の回転軸方向の長さを前記補助磁石が接する前記爪部の側辺の長さよりも短くすることにより、前記補助磁石の回転方向後方の端部に形成することを特徴とするランデルコア型回転電機。
複数の爪部を対向させて交互に配置してなるコアと、前記爪部間に配置された複数の補助磁石とを含む回転子を有するランデルコア型回転電機において、
前記補助磁石は、前記爪部の裏側であって前記回転子の内径側に形成された空間に前記爪部裏側の最内径よりも突出するような形状に形成されているとともに、前記回転子の回転軸に対して回転方向に傾斜して配置されると共に、
前記爪部の裏側であって前記回転子の内径側には界磁巻線が備わっており、
前記爪部と前記界磁巻線の間に形成された空間に前記補助磁石を突出させて配置し、かつ前記補助磁石の回転軸方向の端部に冷却風の出入り口となる開口部を形成し、
この開口部は、前記爪部に連続する前記コアの支持部に接近する前記補助磁石の端部を面取りして部分的に傾斜させることにより、前記補助磁石の回転方向後方の端部に形成することを特徴とするランデルコア型回転電機。