JP3795830B2 - AC generator for vehicles - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用交流発電機に係り、特に自動車用発電装置に用いるに好適な液冷式の車両用交流発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用交流発電機では、爪形磁極に溝を設けるものとして、以下の５つのものが知られている。第１に、米国特許第３５７１６３７号明細書に記載されているように、塊状鉄心で構成された爪形磁極の爪表面に渦電流を防止するために溝を設けることが知られている。第２には、実開昭６２−９８４４３号公報に記載されているように、溝の形状に特徴を持たせることが知られている。第３には、特開昭５９−８９５３８号公報に記載のように、Ｖ字形の溝を設けることが知られている。第４には、特許第３０４９７１５号公報に記載されているように、爪形磁極表面に溝を様々な方向に配置したものが知られている。第５には、特開平９−２４７９１５公報に記載されているように、同一ベベル幅に溝を配置したものが知られている。これらの例では、爪形磁極表面全体に溝を設けることにより、渦電流の低減を図るものである。
【０００３】
また、従来の交流発電機の別の構造としては、第６には、米国特許第３，２７１，６０６号明細書に記載されているように、回転子の回転後ろ側のエアギャップを回転前側よりも広げたものが知られている。第７には、特開平９−２１５２８８号公報に記載されているように、ベベル寸法の比率に特徴を持たせたものが知られている。これらの例では、爪形磁極の回転後ろ側に相当する部分の縁部において、回転前側の爪時極縁部の傾斜幅よりも大きくすることにより、磁気音低減を目的としている。
【０００４】
さらに、第８には、特開平３-７４１６３号公報に記載されているように、爪形磁極の軸方向端部で固定子巻線と対向する部分の外径を小さくしたものが知られている。この例では、爪形磁極端部の外径を下げて、風切り音の低減し、ファン音を低減するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
実際に爪形磁極表面で発生する渦電流は、爪形磁極表面全体で均一に発生するものではなく、発電時に発電電流による電機子反作用によって、爪表面の磁束密度に分布が発生する。
【０００６】
本発明における交流発電機は、小型高出力なものとするため、爪形磁極間にネオジム永久磁石のように残留磁束の高いものを配置した構成とする場合、次のような問題が生じてくる。すなわち、爪形磁極間にネオジム永久磁石のように残留磁束の高いものを配置した場合、爪表面全体の磁束密度が３割〜４割上昇し、爪形磁極表面で発生する渦電流の大きさは磁束密度の二乗に比例して増加するため、従来例と比較すれば約１．７倍〜２倍に増加する。
【０００７】
また、本発明の液冷式車両用交流発電機では、冷却効率を高めるため、液冷式を採用している。液冷式交流発電機では、回転子の全周をハウジングによって覆われており、回転子の冷却が従来例のような空冷に比べて非常に悪いために極間に配置したネオジム永久磁石の温度が耐熱温度を超えないように発熱量を下げる必要がある。従来のように極間に磁石が無く、空冷式の場合では回転子全体に均一の溝を設けた程度で良く、磁石の減磁等について考慮する必要が全く無かった。現在市販されているネオジム永久磁石においては、耐熱温度が２４０℃程度であるため回転子の発熱を低減することが非常に重要である。ネオジウム永久磁石では、温度が上昇すると、磁力が低減する熱減磁の問題が生るという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を防止した交流発電機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、先端部分に複数個のスキュー角を有する爪部を形成した１対の対向配置された爪形磁極と、この爪形磁極を磁化させる界磁巻線と、上記爪形磁極間に配置された補助励磁用のネオジム永久磁石と、上記爪形磁極の両端部に厚みをもって設けられた磁石固定部とから構成される回転子と、上記回転子と所定の間隔を隔てて配置され、上記爪形磁極の磁化により交流電圧を発生させる固定子巻線とを有する固定子と、上記固定子の外周部に冷却水が循環する水路とを有する車両用交流発電機において、上記爪形磁極の表面に、上記回転子の回転方向と平行に形成された複数の溝と、上記爪形磁極の表面であって、上記爪形磁極の回転方向に対して後ろ側に形成され、上記固定子の内周面と上記爪形磁極の表面の間のギャップ長を広くする面取り部と、上記爪形磁極の表面であって、上記爪形磁極の回転方向に対して前側に形成され、上記固定子の内周面と上記爪形磁極の表面の間のギャップ長を広くするベベル加工部とを備え、上記面取り部の幅Ｗ１０は、上記ベベル加工部の幅Ｗ２０よりも広いようにしたものである。かかる構成により、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を防止するために、爪形磁極表面で発生する渦電流損失を低減し得るものとなる。
【００１１】
（２）上記（１）において、好ましくは、上記面取り部は、上記爪形磁極の回転方向に対して後ろ側を所定の角度で削り取った形状のベベル加工部である。
【００１２】
（３）上記（１）において、好ましくは、上記面取り部は、上記爪形磁極の回転方向に対して後ろ側を段付き形状とした段付き加工部である。
【００１３】
（４）上記（１）において、好ましくは、上記爪形磁極の表面に設けられる溝は、上記面取り部の表面にも形成されているとともに、上記面取り部に形成された溝深さは、上記面取り部以外の爪形磁極に形成された溝深さよりも浅くしたものである。
【００１４】
（５）上記（１）において、好ましくは、上記面取り部は、上記爪形磁極のスキュー角と平行に形成したものである。
【００１７】
（６）上記（１）において、好ましくは、上記爪形磁極の軸方向両端外周面に設けられ、固定子巻線と対向する部分の外径が上記固定子と対面する部分よりも小さくなるような段付き部を備えるようにしたものである。
【００１８】
（７）上記（１）において、好ましくは、上記爪形磁極は、爪形磁極間に配置される上記ネオジム永久磁石の飛び出しを防止するための磁石固定部を備え、この磁石固定部の幅Ｌ１は１．０〜２．５ｍｍの範囲であり、かつ厚みＨ１は１．０〜２．５ｍｍであり、磁石の着磁方向長さがＬ３は１０ｍｍ以下であるとともに、上記ネオジム磁石と上記爪形磁極は直接接するように配置したものである。
【００１９】
（８）上記（１）において、好ましくは、上記固定子を軸方向に延長する磁性体リングを備え、上記磁性体リングの外周面は固定子コアの外周面とほぼ同じとしたものである。
【００２０】
（９）上記（１）において、好ましくは、上記爪形磁極のプーリ側端面に設けられた着磁用の位置合わせ用穴を備えるようにしたものである。
【００２１】
（１０）上記（１）において、好ましくは、上記回転子を密閉構造となるように全周を覆うハウジングを備えるようにしたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１９を用いて、本発明の第１の実施形態による交流発電機の構成について説明する。本実施形態による車両用交流発電機は、冷却手段を完全液冷構造としたものである。
最初に、図１を用いて、本実施形態による交流発電機の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による交流発電機の全体構成を示す断面図である。
【００２５】
エンジンの動力を受けるプーリ２は、シャフト１０１に固定されている。シャフト１０１は、２個のベアリング１０３Ａ，１０３Ｂで支持されている。２個のベアリングの内、プーリ側ベアリング１０３Ａは、フロントブラケット１０４Ｆに配置され、もう一方のベアリング１０３Ｂは、ハウジング１１５で支持されている。その２つのベアリング１０３Ａ，１０３Ｂの中心部には、回転子１００が配置され、プーリ２の回転に同期して回転するように、シャフト１０１に固定されている。
回転子１００には、爪形磁極１０８が設けられている。爪形磁極１０８の内周側には、界磁巻線１０７が配置されている。また、回転子１００の爪形磁極１０８の間には、高出力化を可能とする補助励磁用のネオジム永久磁石１１７が、永久磁石ホルダー１１８を介して設けられている。界磁巻線１０７には、回転子１００に設けられたスリップリング１１０にブラシ１１１が摺動可能に取り付けられており、直流電流を通電できるように構成されている。永久磁石１１７の極性は、界磁巻線１０７を励磁したときに作る磁極と同極が向かい合うように、後述する着磁治具によって着磁される。その着磁治具の位置合わせ用の凸部と合うように、回転子１００のプーリ側端面に、位置合わせ用穴１３０が設けられている。
【００２６】
固定子１０２には、固定子コア１０５に三相の固定子巻線１０６が巻かれている。固定子コア１０５の外周部には、水路１１４を設けたハウジング１１５が配置されている。また、反プーリ側の水路１１９および１２０は、ハウジング１１５に水路となる溝を設けたものに、リアプレート１１２で蓋をすることで、密閉水路を構成している。冷却水路としては、ハウジング１１５とリアプレート１１２により成り立っており、ＩＣレギュレータ１１３とダイオードの配置されるダイオードフィン１０９と固定子１０２の外周面を、均一に流れるように構成している。以上のように、水冷式とすることにより、交流発電機１は、完全密閉構造となっているため、ハウジング１１５内部で発生する磁気音や風音は、外部には漏れ難い構造となっている。
【００２７】
反プーリ側のリアブラケット１０４Ｒの内部には、発電電圧を調整するための、ＩＣレギュレータ１１３と、整流素子が挿入されたダイオードマイナスフィン１０９Ｂと、ダイオードプラスフィン１０９Ａが配置されている。ダイオードマイナスフィン１０９Ｂは、リアプレート１１２の上に配置され、その上にダイオードプラスフィン１０９Ａが配置されている。なお、整流素子としては、ダイオードに限らず、ＭＯＳ−ＦＥＴのブリッジを用いても同様の性能が得られるものである。ハウジング１１５の反プーリ側には、整流素子を冷却するための水路１１９が設けられており、その水路１１９はリアプレート１１２によって水路が閉じられた構成となっている。そして、整流素子は、このリアプレート１１２に固定されている。
【００２８】
リアブラケット１０４Ｒは、整流素子の配置されたダイオードマイナスフィン１０９Ｂ及びダイオードプラスフィン１０９Ａ及びＩＣレギュレータ１１３を覆うように、ハウジング１１５に固定されている。
【００２９】
固定子１０２においては、固定子巻線１０６の外周側には、固定子コア１０５から延長した磁性体リング１５０が配置され、その他のハウジング１１５の隙間及び固定子コア１０５内の巻線間にも良熱伝導体１１６が充填されている。この良熱伝導体１１６は、固定子巻線で発生した損失による発熱を水路１１４に伝えやすくするものであり、例えば、不飽和ポリエステル樹脂等が用いられている。図示しないが、先に説明した全ての水路は、エンジン冷却水を分岐して循環する構成である。
【００３０】
次に、動作について説明する。まず、界磁巻線１０７がブラシ１１１とスリップリング１１０を介して直流励磁された状態で、プーリ２がエンジン動力によって回転すると、プーリ２に取り付けられた回転子１００の爪形磁極１０８が回転し、固定子巻線１０６に３相の電圧が発生する。この３相電圧は、ダイオードマイナスフィン１０９Ｂ及びダイオードプラスフィン１０９Ａに配置した整流素子ブリッジによって全波整流することで、直流電圧に変換することができる。
【００３１】
ハウジング１１５に配置した水路１１４は、固定子コア１０５の外周に配置されており、発電時に発生する固定子コア１０５の鉄損や固定子巻線１０６で発生する銅損による温度上昇を抑えるように、熱の伝達手段として用いられている。水路１１４は、整流素子の冷却用水路１１９と直列に接続されている。このように、回転子１００の全体を覆うようにフロントブラケット１０４Ｆとハウジング１１５とリアブラケット１０４Ｒで構成され、磁気音の遮音等にも効果がある。
【００３２】
次に、図２〜図５を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の形状について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の構成を示す側面図である。図３は、回転子１を軸方向から見た図を示したものである。図３は、図１の要部拡大断面図である。また、図４及び図５は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の寸法に関する説明側面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３３】
図２及び図３に示すように、手前の爪形磁極１０８をＮ極側、反対側をＳ極磁極として説明する。本実施形態の爪形磁極１０８の形状は、Ｎ極側爪形磁極１０８ＮとＳ極側爪形磁極１０８Ｓの極間に、永久磁石１１７の飛び出しを防止するために、爪形磁極１０８の両縁部には磁石固定部１１９が左右に設けられている。なお、段付き部１２４の形状については、図６を用いて後述する。位置合わせ穴１３０は、図示するように、３箇所設けられている。
【００３４】
図３に示した磁石固定部１１９の厚みＨ１は、厚くすればするだけ機械的な強度は増すが、配置できる永久磁石１１７の厚みが薄くなるのと、磁石上部での極間で漏れる磁路面積が増加することから、１．０ｍｍ〜２．５ｍｍ程度が妥当であり、回転時に永久磁石１１７が飛び出さないようにしている。本実施形態では、この磁石固定部１１９の径方向厚みＨ１として、今回１．５ｍｍを採用した。
【００３５】
また、図３に示した磁石固定部１１９の幅Ｌ１は、機械的強度と、極間での漏れ磁束の関係から、幅Ｌ１を大きく取ると、隣接する磁石固定部１１９の間の極間幅Ｌ２が狭くなり、磁束が漏れやすくなる。極間の漏れ磁束を減らすために概ね、距離Ｌ２を回転子１００と固定子１０２のギャップ長の１０倍程度を確保する必要がある。そのため、永久磁石１１７の磁化方向長さＬ３を８ｍｍとした場合、極間幅Ｌ２は、主ギャップ０．５ｍｍの１０倍で５ｍｍを確保するためには幅Ｌ１は１．５ｍｍが妥当な値となる。
【００３６】
磁石固定部１１９の固定幅Ｌ１としては、１．０ｍｍ〜２．５ｍｍ程度が望ましいものである。図４は、横軸に磁石固定部高さＨ１、縦軸に有効磁束Ф１を示している。図４に示すように、磁石固定部高さＨ１が１．０〜２．５ｍｍ程度では漏れ磁束は少なく、有効磁束の減少は少ないことが分かる。また、図５は、磁石固定部幅Ｌ１を横軸に取った場合の漏れ磁束Φ２の大きさを示したものである。磁石固定部幅Ｌ１が１．０〜２．５ｍｍ程度までは、漏れ磁束は比較的少なくすることができる。
【００３７】
次に、図６を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の段付き部１２４の形状について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の段付き部の構成を示す正面断面である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３８】
図６に示すように、爪形磁極１０８の外周端部には、段付き部１２４が設けられている。固定子コア１０５と対向する爪形磁極１０８の部分は、凸部形状とされ、その両端部に、段付き部１２４が設けられている。固定子コア１０５の幅Ｗ１に対して、爪形磁極１０８の中央の凸部の幅Ｗ２は、Ｗ１に等しいか、僅かに大きい程度である。爪形磁極１０８の両端部に、幅Ｗ３，Ｗ４の段付き部１２４が設けられ、Ｗ３＝Ｗ４である。
【００３９】
段付き部１２４は、固定子巻線のエンドの部分に発電電流が流れた場合、磁束が回転子に鎖交し難いようにするために設けられている。すなわち、発電電流による磁束が通り難くすることにより、漏れインダクタンスが低減でき、発電電流を向上することができる。また、コイルエンドからの漏れ磁束の影響を受け難くできることから、損失を低減することもできる。
【００４０】
また、後述するように、回転子表面，すなわち、爪形磁極１０８の表面に設ける溝に対しても、この両端部の段付き部１２４には溝を設けないため、溝形成のためのバイト送りをする上で、作業性を向上することができる。
【００４１】
段付き部１２４の高さＨ３は、後述する回転子表面に設ける溝深さよりも大きくする。なお、大きくし過ぎた場合には回転子の磁気回路の有効断面積が低下する。そこで、溝の切削溝深さを０．５ｍｍとしたとき、段付き部１２４の高さＨ３最大でも１．０ｍｍ程度である。また、別の効果としては、コイル部を充填している良熱伝導体１１６の熱膨張に対しても影響を受けないものである。
【００４２】
次に、図７及び図８を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる永久磁石を固定する永久磁石ホルダーの形状について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる永久磁石を固定する永久磁石ホルダーの説明図であり、回転子の軸方向（Ｘ方向）に対する磁気的中心位置の断面図である。図８は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる永久磁石ホルダーの斜視図である。図７及び図８において、矢印Ｘ方向が回転子の軸方向であり、矢印Ｙ方向が回転子の円周方向である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００４３】
図７に示すように、爪形磁極１０８Ｎと爪形磁極１０８Ｓの間には、永久磁石１１７が配置される。Ｎ極側の爪形磁極を１０８Ｎ、Ｓ極側の爪形磁極を１０８Ｓとし、その内側に永久磁石１１７の飛び出しを防止するための磁石固定部１１９を設けている。永久磁石ホルダー１１８の内部に永久磁石１１７を挿入し、爪形磁極１０８の間に配置している。永久磁石ホルダー１１８は、非磁性体の薄いステンレス材で作成してある。
【００４４】
図８に示すように、磁石ホルダー１１８は、永久磁石１１７の落下防止用の２つの爪１１８ａと、爪形磁極１０８に固定するための２つの爪１１８ｂから構成されている。
【００４５】
次に、図９〜図１１を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の表面形状及びその効果について説明する。
図９（Ａ）は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極を上部から見た平面模式図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のａ−ａ’断面図である。図９（Ａ）において、矢印Ｒ方向が回転子の回転方向である。図１０は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極を上部から見た他の例の図９（Ａ）のａ−ａ’断面図である。図１１は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる磁束密度の説明図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００４６】
図９（Ａ）に示すように、矢印Ｒ方向に爪形磁極が回転する場合、図に長円で示した部分ＵＰφにおいて、図１１に実線Ｇ１で示すように、発電電流による電流で主磁束が増加する。この現象は、電機子反作用と呼ばれるもので、発電機の場合には、回転方向に対して後ろ側の磁束密度が上昇するものである。逆の反対側（回転方向に対して前側）では、主磁束は弱められ、減磁となる。よって、発電中では、爪形磁極表面の磁束密度に分布が発生している。
【００４７】
磁束密度は、図の楕円で示した部分が上昇することから、回転中はスロットリプルによる磁束密度の変動値が大きくなる。渦電流損失は磁束密度変動の二乗に比例して増加するため、磁束密度の変動値を下げることにより、損失低減を図ることができる。この部分の磁束密度を均一化するためには、固定子の内周面と、回転子の外周面の間のギャップ長を広げることで可能になる。そこで、具体的には、図９（Ｂ）に示すように、爪形磁極１０８の回転方向の後ろ側に、面取り部であるベベル加工部１０８Ｂ１を設けている。ベベル加工部の詳細については、図１２を用いて後述する。ベベル加工部１０８Ｂ１は、その幅が一定である。すなわち、図９（Ａ）において、ベベル加工部１０８Ｂ１の幅Ｗ５＝Ｗ６である。ベベル加工部１０８Ｂ１の角度は、爪形磁極のスキュー角と等しくすることにより、騒音を低減することができる。また、爪形磁極１０８の回転方向の前側にも、ベベル加工部１０８Ｂ２を設けている。
【００４８】
ベベル加工部１０８Ｂ１を設けることにより、図１１に破線Ｇ２で示すように、爪形磁極１０８の回転方向の後ろ側の磁束密度を低減することができる。これによって、損失低減を図ることができる。
【００４９】
なお、固定子の内周面と、回転子の外周面の間のギャップ長を広げるには、図１０に示すように、爪形磁極１０８の回転方向の後ろ側に、面取り部である段付き加工部１０８Ｓ１を設けてもよいものである。段付き加工部の詳細については、図１２を用いて後述する。また、爪形磁極１０８の回転方向の前側には、ベベル加工部１０８Ｂ２を設けている。
【００５０】
次に、図１２〜図１７を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の表面形状の具体例について説明する。
最初に、図１２を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の全体構成について説明する。また、図１３〜図１５を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の表面に形成される溝部と面取り部の構成について説明する。
図１２は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる回転子の外観斜視図である。図１３は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される溝部の拡大断面図である。図１４は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部であるベベル加工部の拡大断面図である。図１５は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部である段付き加工部の拡大断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００５１】
図１２に示すように、隣接する爪形磁極１０８Ｓと爪形磁極１０８Ｎの間には、永久磁石ホルダー１１８の内部に永久磁石１１７が挿入されたものが配置されている。この場合、磁石ホルダー１１８ｂの部分は、爪形磁極１０８の切り欠き部に固定される。爪形磁極１０８の表面には、回転子の回転方向を矢印Ｒ方向とした場合、回転方向の後ろ側になる部分に、大きくベベル加工部１０８Ｂ１を設けてある。また、回転方向の前側には、若干のベベル加工部１０８Ｂ２を設けている。さらに、爪形磁極１０８の表面には、溝１０８Ｇが形成されている。溝１０８Ｇは、回転子の回転方向Ｒと平行に、複数本形成されている。
【００５２】
回転方向の後ろ側に設けたベベル加工部（増磁側ベベル）１０８Ｂ１の幅Ｗ１０は、発電機の相数と関係し、例えば３相の場合には、爪形磁極幅Ｗｐｓの１／６〜１／３程度が最適である。１／６〜１／３の範囲を持つのは、回転数によって変わるためで、平均的に見れば１／６に近い値である。本例では、磁石固定部の強度から、幅Ｗ１０を５ｍｍとしている。また、ベベル加工部（減磁側ベベル）１０８Ｂ２の幅Ｗ２０は、２．５ｍｍ程度である。
【００５３】
次に、図１３を用いて、爪形磁極１０８の表面に配置する溝１０８Ｇの形状について説明する。溝の深さｈは、回転子の回転周波数と回転子の導電率から計算される磁場の浸透深さと大きく関係する。実機の最高回転数での磁場浸透深さを計算すると、深さは０．６５ｍｍ必要であることが分かった。しかし、深溝は切削が難しいため、量産に適した構造としてはネジ切り機や旋盤を用いて、０．５ｍｍ程度の加工が好ましいものである。また、使用する切削バイトの刃先角度αは、６０〜７０度となり、溝の形状はノコギリ歯状の形状となる。凹凸部の凸部の幅ｔ１と凹部の幅ｔ２は、切削時の溝ピッチｐや加工時の切削バイトの刃先の摩耗等により変動するが、バイト先端刃先角度を６０度とすれば、溝ピッチ１．２ｍｍで、深さ０．５ｍｍ、溝底の幅ｔ２を０．０５ｍｍとした場合、溝上部の幅ｔ１は０．５７ｍｍ程度となる。また、切削バイトの刃先角度αを７０度とした場合には、ｔ１は０．４７ｍｍである。ネジ切り機を用いてバイトにより溝１０８Ｇを加工する際、爪形磁極１０８の両端部の段付き部１２４には溝を設けないため、溝形成のためのバイト送りをする上で、作業性を向上することができる。
【００５４】
なお、溝の他の加工手段として、レーザーを用いた場合には溝深さを深く、そして、溝幅を狭く加工できるため渦電流の低減効果は更に大きくなる。本例では、固定子の鉄損を低減するために、比較的薄い０．３５ｔのＳＰＣＣ材を用いた。
【００５５】
次に、爪形磁極表面の面取り部（ベベル加工部１０８Ｂ１，ベベル加工部１０８Ｂ２）について説明する。今回採用した面取り部は、爪表面の磁束密度の変動の全体レベルを低減するためのものであるため、増磁側（回転方向の後ろ側）に施すことが有効である。磁界解析による解析結果からも縁部から特に５ｍｍ程度の間に磁束密度が集中することが分かった。本例の爪形磁極幅Ｗｐｓは２８ｍｍであるため、面取り部の幅Ｗ１０を爪形磁極幅Ｗｐｓとの比で表せば約１８％である。
【００５６】
減磁側（回転方向の前側）のベベル加工部１０８Ｂ２においては、バリ取りのアールを付ける程度で良いため、減磁側ベベル幅Ｗ２０は、１〜２ｍｍ程度あればよい。この程度とすることにより、回転方向の中央部付近に於ける磁束密度を等しくすることができる。
【００５７】
また、図１４に示す回転子の回転後ろ側増磁部のベベル加工部１０８Ｂ１は、増磁側に相当する部分のベベル幅ｗ１０を一定角度で設けている。ベベル加工部１０８Ｂ１の角度βは、磁界計算を用いて、出力電流も考慮した計算により２０度程度が適切であることが分かった。この角度であれば、出力電流の低下を少なくすることができる。この場合、磁石固定部厚みＨ１は２．５ｍｍ程度必要になる。
【００５８】
また、図１５に示す回転子の回転後ろ側増磁部の段付き加工部１０８Ｓ１の高さＨ２は、磁界計算を用いて、出力電流も考慮した計算により、１．０ｍｍ程度が適切であることが分かった。この高さであれば、出力電流の低下を少なくすることができる。この場合、磁石固定部厚みＨ１は２．５ｍｍ程度必要になる。
【００５９】
また、図１２に示すように、回転子のプーリ側コア側面には３個の位置合わせ用の穴１３０が配置されている。この位置合わせ用の穴１３０はプーリ側に設けることで、着磁治具に容易に組み込むことができる。
【００６０】
次に、図１６及び図１７を用いて、本実施形態による交流発電機における渦電流損失について説明する。
図１６及び図１７は、本発明の第１の実施形態による交流発電機における渦電流損失の説明図である。
【００６１】
図１６は、爪形磁極の表面の増磁側に面取り部を設けて、ほかの爪形磁極の表面部分に溝を設けた場合（実線Ｊ２）と、爪形磁極表面に均一の溝を設けた場合（実線Ｊ１）の渦電流の損失比較を示している。図１６の横軸は、溝の深さを示しており、縦軸は渦電流損失の大きさを示している。
【００６２】
図１６に示したように、増磁側に面取り部を施し、さらに、溝を設けた場合の方が同じ溝深さで比較すると、渦電流損失を低減することが可能である。言い換えると、渦電流損失をある一定値にする場合には、溝の深さを浅くすることができるため、製造する上で作業行程が低減できる。
【００６３】
図１７は、横軸を溝のピッチｐ、縦軸を渦電流損失とした場合、爪形磁極の表面の増磁側に面取り部を設けて、ほかの爪形磁極の表面部分に溝を設けた場合（実線Ｋ２）と、爪形磁極表面に均一の溝を設けた場合（実線Ｋ１）の渦電流の損失比較を示している。同じ渦電流損失にする場合には、増磁側に面取り部を設けた場合の方が溝ピッチを広くすることができる。よって、爪形磁極表面に配置する溝数が減少するため、加工工程にかかる時間を短縮することが可能になり、コスト低減が可能になる。
【００６４】
次に、図１８及び図１９を用いて、本実施形態による交流発電機の回転子に用いる永久磁石の着磁方法について説明する。
図１８は、本発明の第１の実施形態による交流発電機の回転子に用いる永久磁石の着磁治具の外観斜視図である。図１９は、本発明の第１の実施形態による交流発電機の回転子に用いる永久磁石の着磁治具に用いる着磁磁極の平面図である。
【００６５】
図１８に示した外部着磁治具１４０は、図１２に示した回転子に配置される永久磁石１１７を着磁するための治具である。従来は、すでに着磁された永久磁石を回転子の爪形磁極の内側に取り付けていたのに対して、本実施形態では、未着磁のネオジウム磁石を爪形磁極の内側に取り付けた後、外部着磁治具１４０により着磁することにより、生産性を向上するようにしている。
【００６６】
外部着磁治具１４０は、回転子の爪形磁極と重なるＳ極用着磁用磁極１３２，Ｎ極用着磁治具１３３と、その外周側に着磁コイルを（図示せず）一体的に成形するための熱伝導に優れた樹脂１３４により略円筒状に構成されている。その外周部には、図示しないハウジングがあり、そのハウジングの内部には着磁用のコイルを冷却するための水路が形成されている。着磁磁極１３２，１３３は、渦電流損失が小さくなるように積層鋼板で構成している。
【００６７】
回転子は、図１２に示した状態で、図１８に示した着磁治具１４０の内部に挿入される。シャフト穴１３５に回転子のシャフトが挿入され、外部着磁治具１４０の位置合わせ用の凸部１３１と回転子に設けた位置合わせ穴１３０によって位置決めされる。このとき、回転子と着磁治具の磁極との隙間は０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度である。図示しないが、Ｓ極用の着磁磁極に巻かれる着磁用コイルとＮ極用着磁磁極に巻かれる着磁コイルは直列に接続されており、全ての磁極に同じ起磁力が発生するようにしてある。
【００６８】
次に、図１９を用いて、着磁磁極１３２，１３３に関して説明する。着磁治具内に配置する着磁磁極１３２，１３３の形状は、回転子の爪形磁極とほぼ同型であるが、着磁磁極の表面積の方が大きく構成されている。着磁治具のＳ極用着磁磁極１３２とＮ極用着磁磁極１３３の極間ｗｓは、狭くすると着磁時に磁束が回転子に入らず、着磁磁極間を短絡するため最適な幅が存在する。本例では、着磁磁極の間隙ｗｓは、製作上着磁コイルの太さ以上が必要であると共に、先に述べた着磁時の回転子との隙間の２０倍以上を確保するために２．５ｍｍとした。また、着磁磁極の磁気的中心位置の磁極幅Ｗｐ２と回転子の爪形磁極の磁気的中心位置の幅Ｗｐｓ２は、Ｗｐ２＞Ｗｐｓ２で２つの条件が成り立つようにしている。着磁治具１４０の着磁コイルに掛ける電圧は、概ね３ｋＶ〜４ｋＶで、コンデンサに充電した後に短時間で電流を流して着磁する。
【００６９】
以上説明したように、本実施形態では、液冷式で爪形磁極間にネオジム永久磁石を配置し、ハウジング構造がほぼ密閉となるような車両用交流発電機において、従来の溝加工に加えて、増磁側の磁束密度を低減することで大幅な渦電流損失の低減が可能となる。すなわち、局部的に磁束密度が高くなる爪形磁極部分に面取り部を設けることにより、ギャップ長を広げて磁束密度の集中を低減し、その他の場所は溝を設けるようにして渦電流損の発生を抑えることができる。磁束が集中する部分は、３相の場合には回転子１極分の最大幅に対して約１／３程度（スロットピッチ程度）である。従来例では、回転子に一定の深さで溝を付けていたが、磁束密度が集中する回転子の回転後ろ側に相当する部分の渦電流損失による発熱に関しては何ら改善されたものは無いが、本実施形態では、爪形磁極の磁束密度が高くなる回転子の爪縁部で回転時に後方となる部分の磁束密度を低減するために、固定子磁極の１スロットピッチ程度の幅でギャップを広げることで渦電流損失による発熱を抑えることができる。
【００７０】
また、加工時の工数低減と出力の向上を図るために、回転子の軸方向両端部の外径部に段付き部を設け、回転子と固定子コアの重なり合う面よりも小さくすることで、切削バイトがこの部分を加工しないようにできるため、切削面積を低減できる。また、溝加工時において、段付き部を設けたことで、切削バイトにかかる負荷変動を小さくすることができ、バイトの長寿命化が可能となる効果がある。また、段付き部を設けることにより、固定子巻線のエンド部分に電流が流れた場合の磁束が、回転子に鎖交し難いようにしたことにより、固定子巻線のインダクタンス低減を図るようにしている。
【００７１】
さらに、回転子の最終組み立て段階で、着磁治具により着磁することで後加工等の問題が無くなり、切り粉等の付着が発生しないため、回転子の信頼性が向上する。
【００７２】
本実施形態によれば、爪形磁極表面で発生する渦電流損失を低減し、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を防止することができる。
【００７３】
次に、図２０及び図２１を用いて、本発明の第２の実施形態による交流発電機の構成について説明する。
図２０は、本発明の第２の実施形態による交流発電機の要部の構成を示す断面図である。図２１は、図２０の要部拡大図である。
【００７４】
図２０に示した本実施形態による交流発電機の要部は、図６に示した構成に対応するものである。図６に示した構成では、固定子１０２の内周側と回転子１００の外周側の間のギャップは一定であった。それに対して、図２０に示した実施形態では、爪形磁極１０８Ｔの外周側（固定子の内周側に対向する面）は、回転子の回転軸の方向に見たとき、中央部が凸の円弧状となっている。すなわち、固定子１０２の内周側と回転子１００の外周側，すなわち、爪形磁極１０８Ｔの表面の間のギャップは、中央部のギャップをｇ１として、両端側のギャップをそれぞれｇ２，ｇ３とすると、ｇ２＝ｇ３であり、また、ｇ１＜ｇ２，ｇ３としている。
また、図２１に示すように、爪形磁極１０８Ｔの表面には、回転子の回転方向と平行な溝１０８Ｍが複数本形成されている。溝の深さは、中央部の溝の深さをＤ１とし、両端部の溝の深さをそれぞれＤ２，Ｄ３とすると、Ｄ２＝Ｄ３であり、Ｄ１＞Ｄ２，Ｄ３としている。
【００７５】
このように、回転軸方向の両端部のギャップｇ２，ｇ３を中央部のギャップｇ１に比べて大きくすることにより、回転子の軸方向の両端部における冷却効率を向上することができる。また、中央部の溝深さＤ１を両端部の溝深さＤ２，Ｄ３よりも深くすることで、中央部における発熱を抑えることができる。結果として、永久磁石の熱減磁を低減することができる。
【００７６】
本実施形態によれば、爪形磁極表面で発生する渦電流損失を低減し、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を、さらに、低減することができる。
【００７７】
次に、図２２を用いて、本発明の第３の実施形態による交流発電機の構成について説明する。
図２２は、本発明の第３の実施形態による交流発電機の全体構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００７８】
本実施形態による交流発電機１Ａは、図１に示した液冷式車両用交流発電機と同様に、液冷式であるが、回転子１００に反プーリ側の端面に、内扇ファン１２５を配置している。また、内扇ファン１２５により機内の空気が循環できるように、フロントブラケット１０４Ｆに通風口１２３を設け、また、ハウジング１１５の底面に通風口１２１、リアブラケット１０４Ｒに通風口１２２を設けている。他の構成については、図１と同様である。
【００７９】
このように、内扇ファン１２５を設けた場合には、機内温度が１０〜２０℃程度下がるが、先に説明した増磁側ベベルと他の表面に溝を設けて渦電流対策を行うことで、爪形磁極間に配置した永久磁石の温度低減が可能となる。他の効果としては、増磁側にベベルを設けることで磁気加振力の低減効果もある。また、溝加工作業においてもベベル幅を大きくとり増磁側のベベルから切削することで、切削バイトの負荷変動を小さくすることができるためにバイトの寿命を延ばすことができる。また、渦電流損失を低減することから、発電効率も向上する。
【００８０】
本実施形態によれば、爪形磁極表面で発生する渦電流損失を低減し、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を、さらに、低減することができる。
【００８１】
次に、図２３を用いて、本発明の第４の実施形態による交流発電機の構成について説明する。
図２３は、本発明の第４の実施形態による交流発電機の全体構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００８２】
本実施形態による交流発電機の基本的な構成は、図１に示した液冷式車両用交流発電機と同様である。本実施形態では、固定子コア１１５の軸方向延長上に、磁性体リング１５０を配置している。磁性体リング１５０の外周面は、固定子コア１１５の外周面と同一平面を形成するように、配置されている。
【００８３】
磁性体リング１５０は、コイルエンドからの漏れ磁束がハウジング１１５に鎖交して渦電流損失を発生しするものを防ぐものである。コイルエンド部の磁束は、今回新たに配置した磁性体リングによって集磁させることができ、漏れ磁束を有効磁束として利用することができる。また、固定子巻線１０６の発熱を効率良くハウジング１１５に伝えることが可能になる。配置する磁性体リング１５０は、好ましくは薄いリングを軸方向に積み重ねたものが適当である。この理由は、渦電流の低下が可能となるためである。
【００８４】
本実施形態によれば、爪形磁極表面で発生する渦電流損失を低減し、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を、さらに、低減することができる。
【００８５】
次に、図２４〜図２６を用いて、本発明の第５の実施形態による交流発電機について説明する。本実施形態の交流発電機の全体構成は、図１に示したものと同様である。
【００８６】
以下、図２４を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の全体構成について説明する。また、図２５及び図２６を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の表面に形成される溝部と面取り部の構成について説明する。
図２４は、本発明の第５の実施形態による交流発電機に用いる回転子の外観斜視図である。図２５は、本発明の第５の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部であるベベル加工部の拡大断面図である。図２６は、本発明の第５の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部である段付き加工部の拡大断面図である。なお、図１，図１２，図１４，図１５と同一符号は、同一部分を示している。
【００８７】
本実施形態では、図２５，図２６に点線で示す位置まで、溝１０８Ｇ’を形成している。すなわち、増磁側面取り部（図２５のベベル加工部１０８Ｂ１，図２６の段付き加工部１０８Ｓ１）にも、溝１０８Ｇ’を設けている。
【００８８】
図２５，図２６に示すように、増磁側ベベル部（面取り部）にも溝１０８Ｇ’を配置することで、更なる渦電流の低減効果を得ることができる。また、爪形磁極間に配置した永久磁石の温度上昇を低減できるため、永久磁石の動作温度が低くなることで更なる出力電流向上の効果がある。また、従来の回転子に対して温度を低くすることができることから、回転数を向上させることも可能となり小形化も可能になる。また、回転子の材質を磁性粉を絶縁物で固めた圧粉鉄心等を用いれば更なる渦電流の低減効果が期待できる。
【００８９】
本では、図２５に示す場合、Ｈ１＝２．０ｍｍ、β＝５度、Ｗｐｓ＝２８．０ｍｍ、Ｗ１０＝５ｍｍ、Ｗ２０＝２ｍｍとしている。また、図２６に示す爪形磁極の場合には、Ｈ１＝１．５ｍｍ、Ｈ２＝０．３ｍｍで、他の寸法は図２５と同様である。
【００９０】
本実施形態によれば、爪形磁極表面で発生する渦電流損失を低減し、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を、さらに、低減することができる。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による交流発電機の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の構成を示す側面図である。
【図３】回転子１を軸方向から見た図を示したものであり、図１の要部拡大断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の寸法に関する説明用の側面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の寸法に関する説明用の側面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の段付き部の構成を示す正面断面である。
【図７】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる永久磁石を固定する永久磁石ホルダーの説明図であり、回転子の軸方向（Ｘ方向）に対する磁気的中心位置の断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる永久磁石ホルダーの斜視図である。
【図９】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極を上部から見た平面模式図と、ａ−ａ’断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極を上部から見た他の例の図９（Ａ）のａ−ａ’断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる磁束密度の説明図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる回転子の外観斜視図である。
【図１３】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される溝部の拡大断面図である。
【図１４】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部であるベベル加工部の拡大断面図である。
【図１５】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部である段付き加工部の拡大断面図である。
【図１６】本発明の第１の実施形態による交流発電機における渦電流損失の説明図である。
【図１７】本発明の第１の実施形態による交流発電機における渦電流損失の説明図である。
【図１８】本発明の第１の実施形態による交流発電機の回転子に用いる永久磁石の着磁治具の外観斜視図である。
【図１９】本発明の第１の実施形態による交流発電機の回転子に用いる永久磁石の着磁治具に用いる着磁磁極の平面図である。
【図２０】本発明の第２の実施形態による交流発電機の要部の構成を示す断面図である。
【図２１】図２０の要部拡大図である。
【図２２】本発明の第３の実施形態による交流発電機の全体構成を示す断面図である。
【図２３】本発明の第４の実施形態による交流発電機の全体構成を示す断面図である。
【図２４】本発明の第５の実施形態による交流発電機に用いる回転子の外観斜視図である。
【図２５】本発明の第５の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部であるベベル加工部の拡大断面図である。
【図２６】本発明の第５の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部である段付き加工部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１…液冷式車両用交流発電機
１００…回転子
１０１…シャフト
１０２…固定子
２…プーリ
１０４Ｆ…フロントブラケット
１０４Ｒ…リアブラケット
１０５…固定子コア
１０６…固定子巻線
１０７…界磁巻線
１０８…爪形磁極
１０８Ｂ１，１０８Ｂ２…ベベル加工部
１０８Ｓ１…段付き部
１０８Ｇ…溝
１０９Ａ…ダイオードプラスフィン
１０９Ｂ…ダイオードマイナスフィン
１１０…スリップリング
１１１…ブラシ
１１２…リアプレート
１１３…ＩＣレギュレータ
１１４…水路
１１５…ハウジング
１１６…良熱伝導体
１１７…永久磁石
１１８…永久磁石ホルダー
１１９…磁石固定部
１２０…水路
１２１〜１２３…通風口
１２４…段付き部
１２５…内扇ファン
１３０…位置合わせ穴
１３１…回転子位置合わせ用凸部
１３２…Ｓ極用着磁磁極
１３３…Ｎ極用着磁磁極
１３４…樹脂
１３５…シャフト穴
１４０…着磁治具
１５０…磁性体リング[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vehicle AC power generation. In machine In particular, liquid-cooled vehicle AC power generation suitable for use in automotive power generators In machine Related.
[0002]
[Prior art]
In the conventional vehicle alternator, the following five types are known as providing a groove in the claw-shaped magnetic pole. First, as described in U.S. Pat. No. 3,571,637, it is known to provide a groove to prevent eddy currents on the surface of a claw-shaped magnetic pole composed of a massive iron core. Secondly, as described in Japanese Utility Model Laid-Open No. 62-98443, it is known to give a characteristic to the shape of the groove. Thirdly, it is known to provide a V-shaped groove as described in JP-A-59-89538. Fourthly, as described in Japanese Patent No. 3049715, there are known ones in which grooves are arranged in various directions on the surface of the claw-shaped magnetic pole. Fifthly, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 9-247915, one in which grooves are arranged with the same bevel width is known. In these examples, the eddy current is reduced by providing a groove on the entire surface of the claw-shaped magnetic pole.
[0003]
As another structure of the conventional alternator, sixthly, as described in US Pat. No. 3,271,606, the air gap on the rear side of the rotor is set to the front side of the rotation. More than what is known. Seventhly, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-215288, there is known a technique characterized by a ratio of bevel dimensions. In these examples, the purpose is to reduce magnetic sound by making the edge portion of the portion corresponding to the rotation rear side of the claw-shaped magnetic pole larger than the inclination width of the claw pole edge portion on the rotation front side.
[0004]
Furthermore, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 3-74163, an eighth is known in which the outer diameter of the portion facing the stator winding at the axial end of the claw-shaped magnetic pole is reduced. Yes. In this example, the outer diameter of the claw-shaped magnetic pole end is lowered to reduce wind noise and fan noise.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The eddy current that is actually generated on the surface of the claw-shaped magnetic pole is not generated uniformly on the entire surface of the claw-shaped magnetic pole, and a distribution occurs in the magnetic flux density on the surface of the claw due to the armature reaction caused by the generated current during power generation.
[0006]
In order to make the AC generator in the present invention small and have high output, the following problems arise when a structure having a high residual magnetic flux such as a neodymium permanent magnet is arranged between the claw-shaped magnetic poles. . That is, when a high residual magnetic flux such as a neodymium permanent magnet is arranged between the claw-shaped magnetic poles, the magnetic flux density on the entire claw surface increases by 30% to 40%, and the magnitude of the eddy current generated on the claw-shaped magnetic pole surface Increases in proportion to the square of the magnetic flux density, and therefore increases by about 1.7 to 2 times compared to the conventional example.
[0007]
Moreover, in the liquid-cooled vehicle AC generator of the present invention, a liquid-cooled type is adopted in order to increase the cooling efficiency. In a liquid-cooled AC generator, the entire circumference of the rotor is covered with a housing, and the cooling of the rotor is much worse than air cooling as in the conventional example, so the temperature of the neodymium permanent magnet placed between the poles It is necessary to reduce the calorific value so that does not exceed the heat resistance temperature. There is no magnet between the poles as in the prior art, and in the case of the air cooling type, it is sufficient to provide a uniform groove on the entire rotor, and there is no need to consider demagnetization of the magnet. In the neodymium permanent magnets currently on the market, the heat-resistant temperature is about 240 ° C., so it is very important to reduce the heat generation of the rotor. The neodymium permanent magnet has a problem that when the temperature rises, there arises a problem of thermal demagnetization in which the magnetic force is reduced.
[0008]
The object of the present invention is to generate AC power by preventing thermal demagnetization of permanent magnets arranged between the claw-shaped magnetic poles Machine It is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
(1) In order to achieve the above object, the present invention provides a plurality of tip portions. Has skew angle A pair of opposed claw-shaped magnetic poles forming claw portions, a field winding for magnetizing the claw-shaped magnetic poles, and a neodymium permanent magnet for auxiliary excitation disposed between the claw-shaped magnetic poles, A magnet fixing portion provided with a thickness at both ends of the claw-shaped magnetic pole; And a stator having a stator winding that is arranged at a predetermined interval from the rotor and generates an AC voltage by magnetization of the claw-shaped magnetic pole, and an outer peripheral portion of the stator In the AC generator for a vehicle having a water passage through which cooling water circulates, a plurality of grooves formed in parallel to the rotation direction of the rotor and a surface of the claw-shaped magnetic pole are formed on the surface of the claw-shaped magnetic pole. A chamfered portion that is formed rearward with respect to the rotation direction of the claw-shaped magnetic pole and widens the gap length between the inner peripheral surface of the stator and the surface of the claw-shaped magnetic pole, and the surface of the claw-shaped magnetic pole A chamfering portion formed on the front side with respect to the rotation direction of the claw-shaped magnetic pole and configured to widen a gap length between the inner peripheral surface of the stator and the surface of the claw-shaped magnetic pole, The width W10 of the part is wider than the width W20 of the beveled part Those were. With this configuration, in order to prevent thermal demagnetization of the permanent magnet disposed between the claw-shaped magnetic poles, it is possible to reduce eddy current loss generated on the claw-shaped magnetic pole surface.
[0011]
( 2 )the above( 1 ), Preferably, the chamfered portion is a beveled portion having a shape in which a rear side is cut off at a predetermined angle with respect to a rotation direction of the claw-shaped magnetic pole.
[0012]
( 3 )the above( 1 ), Preferably, the chamfered portion is a stepped processed portion having a stepped shape on the rear side with respect to the rotation direction of the claw-shaped magnetic pole.
[0013]
( 4 )the above( 1 Preferably, the groove provided on the surface of the claw-shaped magnetic pole is also formed on the surface of the chamfered portion, and the groove depth formed on the chamfered portion is claw-shaped other than the chamfered portion. The depth is smaller than the depth of the groove formed in the magnetic pole.
[0014]
( 5 )the above( 1 ), The chamfered portion is preferably formed in parallel with the skew angle of the claw-shaped magnetic pole.
[0017]
( 6 ) In the above (1), the step is preferably provided on the outer peripheral surfaces of both ends in the axial direction of the claw-shaped magnetic pole so that the outer diameter of the portion facing the stator winding is smaller than the portion facing the stator. Attached part is provided.
[0018]
( 7 ) In the above (1), preferably, the claw-shaped magnetic pole includes a magnet fixing portion for preventing the neodymium permanent magnet disposed between the claw-shaped magnetic poles from protruding, and the width L1 of the magnet fixing portion is 1 The thickness H1 is 1.0 to 2.5 mm, the magnetizing direction length L3 is 10 mm or less, and the neodymium magnet and the claw-shaped magnetic pole are It is arranged so that it touches directly.
[0019]
( 8 In (1) above, preferably, a magnetic ring is provided that extends the stator in the axial direction, and the outer peripheral surface of the magnetic ring is substantially the same as the outer peripheral surface of the stator core.
[0020]
( 9 (1) In the above (1), preferably, a claw-shaped magnetic pole is provided with a positioning hole for magnetization provided on an end face on the pulley side.
[0021]
( 10 ) In the above (1), preferably, the rotor is provided with a housing covering the entire circumference so as to have a sealed structure.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the configuration of the AC generator according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The vehicle alternator according to the present embodiment has a completely liquid-cooled cooling means.
Initially, the whole structure of the alternating current generator by this embodiment is demonstrated using FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an overall configuration of an AC generator according to a first embodiment of the present invention.
[0025]
A pulley 2 that receives engine power is fixed to a shaft 101. The shaft 101 is supported by two bearings 103A and 103B. Of the two bearings, the pulley-side bearing 103A is disposed on the front bracket 104F, and the other bearing 103B is supported by the housing 115. A rotor 100 is disposed at the center of the two bearings 103A and 103B, and is fixed to the shaft 101 so as to rotate in synchronization with the rotation of the pulley 2.
A claw-shaped magnetic pole 108 is provided on the rotor 100. A field winding 107 is disposed on the inner peripheral side of the claw-shaped magnetic pole 108. Further, between the claw-shaped magnetic poles 108 of the rotor 100, a neodymium permanent magnet 117 for auxiliary excitation that enables high output is provided via a permanent magnet holder 118. In the field winding 107, a brush 111 is slidably attached to a slip ring 110 provided in the rotor 100 so that a direct current can be passed. The polarity of the permanent magnet 117 is magnetized by a magnetizing jig, which will be described later, so that the same polarity as the magnetic pole formed when the field winding 107 is excited. An alignment hole 130 is provided on the pulley-side end surface of the rotor 100 so as to match the alignment convex portion of the magnetizing jig.
[0026]
In the stator 102, a three-phase stator winding 106 is wound around a stator core 105. A housing 115 provided with a water channel 114 is disposed on the outer periphery of the stator core 105. Further, the water paths 119 and 120 on the side opposite to the pulley constitute a sealed water path by covering the housing 115 provided with a groove serving as a water path with a rear plate 112. The cooling water channel is constituted by a housing 115 and a rear plate 112, and is configured so that the IC regulator 113, the diode fin 109 on which the diode is arranged, and the outer peripheral surface of the stator 102 flow uniformly. As described above, since the AC generator 1 has a completely sealed structure by adopting the water cooling method, the magnetic sound and wind sound generated inside the housing 115 has a structure that hardly leaks to the outside. .
[0027]
An IC regulator 113, a diode minus fin 109B into which a rectifying element is inserted, and a diode plus fin 109A for adjusting a generated voltage are arranged inside the rear bracket 104R on the side opposite to the pulley. The diode minus fin 109B is disposed on the rear plate 112, and the diode plus fin 109A is disposed thereon. The rectifying element is not limited to a diode, and the same performance can be obtained by using a MOS-FET bridge. A water channel 119 for cooling the rectifying element is provided on the side opposite to the pulley of the housing 115, and the water channel 119 is configured such that the water channel is closed by the rear plate 112. The rectifying element is fixed to the rear plate 112.
[0028]
The rear bracket 104R is fixed to the housing 115 so as to cover the diode minus fin 109B and the diode plus fin 109A on which the rectifying elements are arranged and the IC regulator 113.
[0029]
In the stator 102, a magnetic ring 150 extending from the stator core 105 is arranged on the outer peripheral side of the stator winding 106, and between the other gaps of the housing 115 and the windings in the stator core 105. A good thermal conductor 116 is filled. The good heat conductor 116 makes it easy to transmit heat generated by the loss generated in the stator winding to the water channel 114, and for example, an unsaturated polyester resin or the like is used. Although not shown, all the water channels described above are configured to branch and circulate engine cooling water.
[0030]
Next, the operation will be described. First, when the pulley 2 is rotated by engine power while the field winding 107 is DC-excited via the brush 111 and the slip ring 110, the claw-shaped magnetic pole 108 of the rotor 100 attached to the pulley 2 rotates. A three-phase voltage is generated in the stator winding 106. This three-phase voltage can be converted into a DC voltage by full-wave rectification by a rectifier bridge disposed in the diode minus fin 109B and the diode plus fin 109A.
[0031]
The water channel 114 arranged in the housing 115 is arranged on the outer periphery of the stator core 105 so as to suppress a temperature rise due to iron loss of the stator core 105 generated during power generation and copper loss generated in the stator winding 106. It is used as a heat transfer means. The water channel 114 is connected in series with the cooling water channel 119 of the rectifying element. As described above, the front bracket 104F, the housing 115, and the rear bracket 104R are configured to cover the entire rotor 100, and are effective in sound insulation of magnetic sound.
[0032]
Next, the shape of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a side view showing the configuration of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a view of the rotor 1 viewed from the axial direction. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part of FIG. 4 and 5 are explanatory side views relating to the dimensions of the claw-shaped magnetic poles used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
[0033]
As shown in FIGS. 2 and 3, the claw-shaped magnetic pole 108 in the foreground will be described as an N-pole side and the opposite side as an S-pole magnetic pole. The shape of the claw-shaped magnetic pole 108 of the present embodiment is such that both edges of the claw-shaped magnetic pole 108 are formed to prevent the permanent magnet 117 from jumping out between the poles of the N-pole claw-shaped magnetic pole 108N and the S-pole claw-shaped magnetic pole 108S. Magnet fixing portions 119 are provided on the left and right sides. The shape of the stepped portion 124 will be described later with reference to FIG. As shown in the figure, three alignment holes 130 are provided.
[0034]
As the thickness H1 of the magnet fixing portion 119 shown in FIG. 3 increases, the mechanical strength increases as the thickness increases. However, when the thickness of the permanent magnet 117 that can be arranged becomes thinner, the magnetic path leaks between the poles at the upper portion of the magnet. Since the area increases, about 1.0 mm to 2.5 mm is appropriate, and the permanent magnet 117 is prevented from popping out during rotation. In the present embodiment, this time, 1.5 mm is adopted as the radial thickness H1 of the magnet fixing portion 119.
[0035]
Further, the width L1 of the magnet fixing portion 119 shown in FIG. 3 is a width between the poles between the adjacent magnet fixing portions 119 when the width L1 is large from the relationship between the mechanical strength and the leakage magnetic flux between the poles. L2 becomes narrow and magnetic flux is likely to leak. In order to reduce the leakage magnetic flux between the poles, it is generally necessary to ensure the distance L2 to be about 10 times the gap length between the rotor 100 and the stator 102. Therefore, when the magnetization direction length L3 of the permanent magnet 117 is set to 8 mm, the width L1 is set to 1.5 mm as a reasonable value in order to secure 5 mm, which is 10 times the main gap 0.5 mm. Become.
[0036]
The fixed width L1 of the magnet fixing portion 119 is desirably about 1.0 mm to 2.5 mm. FIG. 4 shows the magnet fixing part height H1 on the horizontal axis and the effective magnetic flux Ф1 on the vertical axis. As shown in FIG. 4, it can be seen that when the magnet fixing part height H1 is about 1.0 to 2.5 mm, the leakage magnetic flux is small and the effective magnetic flux decreases little. FIG. 5 shows the magnitude of the leakage flux Φ2 when the magnet fixing part width L1 is taken on the horizontal axis. The leakage magnetic flux can be relatively reduced until the magnet fixing portion width L1 is about 1.0 to 2.5 mm.
[0037]
Next, the shape of the stepped portion 124 of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a front sectional view showing the configuration of the stepped portion of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
[0038]
As shown in FIG. 6, a stepped portion 124 is provided at the outer peripheral end of the claw-shaped magnetic pole 108. The portion of the claw-shaped magnetic pole 108 facing the stator core 105 has a convex shape, and stepped portions 124 are provided at both ends thereof. The width W2 of the central convex portion of the claw-shaped magnetic pole 108 is equal to or slightly larger than W1 with respect to the width W1 of the stator core 105. Stepped portions 124 having widths W3 and W4 are provided at both ends of the claw-shaped magnetic pole 108, and W3 = W4.
[0039]
The stepped portion 124 is provided to prevent the magnetic flux from interlinking with the rotor when the generated current flows through the end portion of the stator winding. That is, by making the magnetic flux generated by the generated current difficult to pass, leakage inductance can be reduced and the generated current can be improved. Further, since it is difficult to be affected by the leakage magnetic flux from the coil end, the loss can be reduced.
[0040]
Further, as will be described later, since the groove provided on the rotor surface, that is, the surface of the claw-shaped magnetic pole 108 is not provided with the stepped portion 124 at both ends, a bite feed for forming the groove is provided. In this case, workability can be improved.
[0041]
The height H3 of the stepped portion 124 is made larger than the groove depth provided on the rotor surface described later. If it is too large, the effective cross-sectional area of the magnetic circuit of the rotor decreases. Therefore, when the groove depth of the groove is 0.5 mm, the height H3 of the stepped portion 124 is at most about 1.0 mm. As another effect, the thermal expansion of the good thermal conductor 116 filling the coil portion is not affected.
[0042]
Next, the shape of the permanent magnet holder that fixes the permanent magnet used in the AC generator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
FIG. 7 is an explanatory view of a permanent magnet holder for fixing the permanent magnet used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention, and is a sectional view of the magnetic center position with respect to the axial direction (X direction) of the rotor. is there. FIG. 8 is a perspective view of a permanent magnet holder used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention. 7 and 8, the arrow X direction is the axial direction of the rotor, and the arrow Y direction is the circumferential direction of the rotor. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
[0043]
As shown in FIG. 7, a permanent magnet 117 is disposed between the claw-shaped magnetic pole 108N and the claw-shaped magnetic pole 108S. The claw-shaped magnetic pole on the N pole side is 108N, the claw-shaped magnetic pole on the S pole side is 108S, and a magnet fixing portion 119 for preventing the permanent magnet 117 from jumping out is provided inside. A permanent magnet 117 is inserted into the permanent magnet holder 118 and disposed between the claw-shaped magnetic poles 108. The permanent magnet holder 118 is made of a thin non-magnetic stainless material.
[0044]
As shown in FIG. 8, the magnet holder 118 includes two claws 118 a for preventing the permanent magnet 117 from falling and two claws 118 b for fixing to the claw-shaped magnetic pole 108.
[0045]
Next, the surface shape of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the present embodiment and the effect thereof will be described with reference to FIGS.
FIG. 9A is a schematic plan view of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention as viewed from above. FIG. 9B is a cross-sectional view along the line aa ′ in FIG. In FIG. 9A, the direction of arrow R is the rotation direction of the rotor. FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line aa ′ of FIG. 9A showing another example of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention as viewed from above. FIG. 11 is an explanatory diagram of the magnetic flux density used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
[0046]
As shown in FIG. 9A, when the claw-shaped magnetic pole rotates in the direction of the arrow R, the main magnetic flux is generated by a current generated by the generated current as shown by a solid line G1 in FIG. Will increase. This phenomenon is called armature reaction, and in the case of a generator, the magnetic flux density on the rear side increases with respect to the rotation direction. On the opposite side (front side with respect to the rotation direction), the main magnetic flux is weakened and demagnetized. Therefore, distribution is generated in the magnetic flux density on the surface of the claw-shaped magnetic pole during power generation.
[0047]
Since the portion indicated by the ellipse in the figure rises in the magnetic flux density, the fluctuation value of the magnetic flux density due to slot ripple increases during rotation. Since the eddy current loss increases in proportion to the square of the magnetic flux density fluctuation, the loss can be reduced by lowering the fluctuation value of the magnetic flux density. In order to make the magnetic flux density uniform in this portion, it is possible to widen the gap length between the inner peripheral surface of the stator and the outer peripheral surface of the rotor. Therefore, specifically, as shown in FIG. 9B, a beveled portion 108B1, which is a chamfered portion, is provided on the rear side of the claw-shaped magnetic pole 108 in the rotation direction. Details of the bevel processing section will be described later with reference to FIG. The width of the bevel processing portion 108B1 is constant. That is, in FIG. 9A, the width W5 = W6 of the bevel processing portion 108B1. Noise can be reduced by making the angle of the beveled portion 108B1 equal to the skew angle of the claw-shaped magnetic pole. Further, a beveled portion 108B2 is provided on the front side of the claw-shaped magnetic pole 108 in the rotation direction.
[0048]
By providing the beveled portion 108B1, the magnetic flux density on the rear side in the rotation direction of the claw-shaped magnetic pole 108 can be reduced as indicated by a broken line G2 in FIG. As a result, loss can be reduced.
[0049]
In order to increase the gap length between the inner peripheral surface of the stator and the outer peripheral surface of the rotor, as shown in FIG. 10, a stepped portion which is a chamfered portion is provided on the rear side of the claw-shaped magnetic pole 108 in the rotation direction. A processing unit 108S1 may be provided. Details of the stepped processed portion will be described later with reference to FIG. Further, a beveled portion 108B2 is provided on the front side in the rotation direction of the claw-shaped magnetic pole 108.
[0050]
Next, a specific example of the surface shape of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
Initially, the whole structure of the claw-shaped magnetic pole used for the AC generator by this embodiment is demonstrated using FIG. Moreover, the structure of the groove part and chamfering part which are formed in the surface of the nail | claw-shaped magnetic pole used for the alternating current generator by this embodiment is demonstrated using FIGS.
FIG. 12 is an external perspective view of the rotor used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of a groove formed on the surface of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view of a beveled portion that is a chamfered portion formed on the surface of a claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view of a stepped portion that is a chamfered portion formed on the surface of a claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
[0051]
As shown in FIG. 12, between the adjacent claw-shaped magnetic pole 108 </ b> S and claw-shaped magnetic pole 108 </ b> N, a permanent magnet 117 having a permanent magnet 117 inserted therein is disposed. In this case, the magnet holder 118 b is fixed to the notch of the claw-shaped magnetic pole 108. On the surface of the claw-shaped magnetic pole 108, when the rotation direction of the rotor is the arrow R direction, a large bevel processing portion 108B1 is provided at a portion on the rear side in the rotation direction. Further, a slight bevel processing portion 108B2 is provided on the front side in the rotation direction. Further, a groove 108 </ b> G is formed on the surface of the claw-shaped magnetic pole 108. A plurality of grooves 108G are formed in parallel with the rotation direction R of the rotor.
[0052]
The width W10 of the beveled portion (magnetization side bevel) 108B1 provided on the rear side in the rotation direction is related to the number of phases of the generator. For example, in the case of three phases, 1/6 to the claw-shaped magnetic pole width Wps. About 1/3 is optimal. The reason why it has a range of 1/6 to 1/3 is that it varies depending on the number of rotations, which is a value close to 1/6 on average. In this example, the width W10 is set to 5 mm from the strength of the magnet fixing portion. The width W20 of the beveled portion (demagnetization side bevel) 108B2 is about 2.5 mm.
[0053]
Next, the shape of the groove 108G disposed on the surface of the claw-shaped magnetic pole 108 will be described with reference to FIG. The depth h of the groove is largely related to the penetration depth of the magnetic field calculated from the rotation frequency of the rotor and the conductivity of the rotor. When the magnetic field penetration depth at the maximum rotation speed of the actual machine was calculated, it was found that the depth was required to be 0.65 mm. However, since the deep groove is difficult to cut, it is preferable to use a threading machine or a lathe as a structure suitable for mass production, with a processing of about 0.5 mm. Further, the cutting edge angle α of the cutting tool to be used is 60 to 70 degrees, and the shape of the groove is a sawtooth shape. The width t1 of the convex portion and the width t2 of the concave portion of the concavo-convex portion vary depending on the groove pitch p at the time of cutting and the wear of the cutting edge of the cutting bite at the time of machining. If the depth is 1.2 mm, the depth is 0.5 mm, and the width t2 of the groove bottom is 0.05 mm, the width t1 of the upper portion of the groove is about 0.57 mm. When the cutting edge angle α of the cutting tool is 70 degrees, t1 is 0.47 mm. When machining the groove 108G with a cutting tool using a threading machine, the stepped portion 124 at both ends of the claw-shaped magnetic pole 108 is not provided with a groove, so workability is improved when feeding the cutting tool for groove formation. Can be improved.
[0054]
When a laser is used as another processing means for the groove, the groove depth can be deepened and the groove width can be narrowed, so that the effect of reducing the eddy current is further increased. In this example, in order to reduce the iron loss of the stator, a relatively thin 0.35 t SPCC material was used.
[0055]
Next, the chamfered portion (beveled portion 108B1, beveled portion 108B2) of the claw-shaped magnetic pole surface will be described. Since the chamfered part adopted this time is for reducing the overall level of fluctuation of the magnetic flux density on the nail surface, it is effective to apply it on the magnetizing side (rear side in the rotation direction). Also from the analysis result by magnetic field analysis, it was found that the magnetic flux density was concentrated between about 5 mm from the edge. Since the claw-shaped magnetic pole width Wps in this example is 28 mm, the chamfered portion width W10 is about 18% in terms of the ratio to the claw-shaped magnetic pole width Wps.
[0056]
In the demagnetization side (front side in the rotation direction) of the beveled portion 108B2, it is only necessary to provide a deburring radius, so the demagnetization side bevel width W20 may be about 1 to 2 mm. By setting this degree, the magnetic flux density in the vicinity of the central portion in the rotation direction can be made equal.
[0057]
Further, the bevel processing portion 108B1 of the rotor rear magnetizing portion of the rotor shown in FIG. 14 is provided with a bevel width w10 corresponding to the magnetizing side at a constant angle. The angle β of the beveled part 108B1 was found to be about 20 degrees by calculation considering the output current using magnetic field calculation. With this angle, the decrease in output current can be reduced. In this case, the magnet fixing portion thickness H1 needs to be about 2.5 mm.
[0058]
Further, the height H2 of the stepped processed portion 108S1 of the rotor rear magnetizing portion shown in FIG. 15 is appropriate to be about 1.0 mm by calculation considering the output current using magnetic field calculation. I understood. With this height, a decrease in output current can be reduced. In this case, the magnet fixing portion thickness H1 needs to be about 2.5 mm.
[0059]
Further, as shown in FIG. 12, three alignment holes 130 are arranged on the side surface of the rotor on the pulley side core. By providing this positioning hole 130 on the pulley side, it can be easily incorporated into the magnetizing jig.
[0060]
Next, eddy current loss in the AC generator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 16 and 17.
FIG.16 and FIG.17 is explanatory drawing of the eddy current loss in the alternating current generator by the 1st Embodiment of this invention.
[0061]
FIG. 16 shows a case in which a chamfered portion is provided on the magnetizing side of the surface of the claw-shaped magnetic pole and a groove is provided in the surface portion of another claw-shaped magnetic pole (solid line J2), and a uniform groove is provided on the surface of the claw-shaped magnetic pole The loss comparison of the eddy current of the case (solid line J1) is shown. The horizontal axis in FIG. 16 indicates the depth of the groove, and the vertical axis indicates the magnitude of eddy current loss.
[0062]
As shown in FIG. 16, it is possible to reduce eddy current loss when a chamfered portion is provided on the magnetizing side and a groove is further provided at the same groove depth. In other words, when the eddy current loss is set to a certain value, the depth of the groove can be reduced, so that the work process can be reduced in manufacturing.
[0063]
In FIG. 17, when the horizontal axis is the groove pitch p and the vertical axis is the eddy current loss, the chamfered magnetic pole is provided with a chamfered portion on the magnetizing side and a groove is provided on the surface of the other claw-shaped magnetic pole. The loss comparison of the eddy current is shown in the case where a uniform groove is provided on the surface of the claw-shaped magnetic pole (solid line K1). In the case of the same eddy current loss, the groove pitch can be widened when the chamfered portion is provided on the magnetizing side. Therefore, since the number of grooves arranged on the surface of the claw-shaped magnetic pole is reduced, the time required for the machining process can be shortened, and the cost can be reduced.
[0064]
Next, a method for magnetizing the permanent magnet used for the rotor of the AC generator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 18 is an external perspective view of a permanent magnet magnetizing jig used in the rotor of the AC generator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 19 is a plan view of a magnetized magnetic pole used in a permanent magnet magnetizing jig used in the rotor of the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
[0065]
The external magnetizing jig 140 shown in FIG. 18 is a jig for magnetizing the permanent magnet 117 arranged on the rotor shown in FIG. Conventionally, a permanent magnet already magnetized was attached to the inside of the claw-shaped magnetic pole of the rotor, whereas in this embodiment, after attaching an unmagnetized neodymium magnet to the inside of the claw-shaped magnetic pole, Productivity is improved by magnetizing with the external magnetizing jig 140.
[0066]
The external magnetizing jig 140 is integrated with an S pole magnetizing magnetic pole 132 and an N pole magnetizing jig 133 that overlap the claw-shaped magnetic poles of the rotor, and a magnetizing coil (not shown) on the outer peripheral side thereof. It is configured in a substantially cylindrical shape by a resin 134 that is excellent in heat conduction for forming into a cylindrical shape. A housing (not shown) is provided on the outer peripheral portion, and a water channel for cooling the magnetizing coil is formed inside the housing. The magnetized magnetic poles 132 and 133 are composed of laminated steel plates so that eddy current loss is reduced.
[0067]
The rotor is inserted into the magnetizing jig 140 shown in FIG. 18 in the state shown in FIG. The shaft of the rotor is inserted into the shaft hole 135 and is positioned by the alignment convex portion 131 of the external magnetizing jig 140 and the alignment hole 130 provided in the rotor. At this time, the gap between the rotor and the magnetic pole of the magnetizing jig is about 0.05 mm to 0.2 mm. Although not shown, the magnetizing coil wound around the magnetized magnetic pole for the S pole and the magnetized coil wound around the magnetized magnetic pole for the N pole are connected in series so that the same magnetomotive force is generated in all the magnetic poles. It is.
[0068]
Next, the magnetized magnetic poles 132 and 133 will be described with reference to FIG. The shape of the magnetized magnetic poles 132 and 133 disposed in the magnetizing jig is substantially the same as that of the claw-shaped magnetic pole of the rotor, but the surface area of the magnetized magnetic pole is larger. If the gap ws between the S pole magnetized magnetic pole 132 and the N pole magnetized magnetic pole 133 of the magnetizing jig is narrow, the magnetic flux does not enter the rotor during magnetization, and the magnetized magnetic pole is short-circuited. Exists. In this example, the gap ws between the magnetized magnetic poles needs to be equal to or greater than the thickness of the magnetized coil for manufacturing, and is 2 in order to ensure 20 times or more the gap with the rotor at the time of magnetization described above. 0.5 mm. The magnetic pole width Wp2 at the magnetic center position of the magnetized magnetic pole and the magnetic center position width Wps2 of the claw-shaped magnetic pole of the rotor are such that two conditions are satisfied: Wp2> Wps2. The voltage applied to the magnetizing coil of the magnetizing jig 140 is approximately 3 kV to 4 kV, and is magnetized by flowing a current in a short time after charging the capacitor.
[0069]
As described above, in this embodiment, in the AC generator for a vehicle in which a neodymium permanent magnet is disposed between the claw-shaped magnetic poles in a liquid cooling type and the housing structure is almost hermetically sealed, in addition to the conventional groove processing The eddy current loss can be significantly reduced by reducing the magnetic flux density on the magnetizing side. In other words, by providing a chamfered portion at the claw-shaped magnetic pole part where the magnetic flux density is locally increased, the gap length is widened to reduce the concentration of the magnetic flux density, and grooves are provided at other locations to generate eddy current loss. Can be suppressed. In the case of three phases, the portion where the magnetic flux is concentrated is about 1/3 (about the slot pitch) with respect to the maximum width of one rotor pole. In the conventional example, the rotor is grooved at a certain depth, but there is no improvement in heat generation due to eddy current loss in the portion corresponding to the rotation rear side of the rotor where the magnetic flux density is concentrated. In this embodiment, in order to reduce the magnetic flux density of the rear part of the claw edge of the rotor where the magnetic flux density of the claw-shaped magnetic pole increases at the time of rotation, the gap is formed with a width of about 1 slot pitch of the stator magnetic pole. Widening can suppress heat generation due to eddy current loss.
[0070]
In addition, in order to reduce man-hours during processing and improve output, a stepped portion is provided on the outer diameter portion of both ends in the axial direction of the rotor so that it is smaller than the overlapping surface of the rotor and stator core. Since the cutting tool can prevent this portion from being processed, the cutting area can be reduced. Further, by providing the stepped portion at the time of grooving, it is possible to reduce the load fluctuation applied to the cutting bite and to increase the tool life. In addition, by providing a stepped portion, the magnetic flux when current flows through the end portion of the stator winding is less likely to be linked to the rotor, thereby reducing the inductance of the stator winding. I have to.
[0071]
Further, in the final assembly stage of the rotor, magnetizing with a magnetizing jig eliminates problems such as post-processing, and adhesion of chips and the like does not occur, thereby improving the reliability of the rotor.
[0072]
According to this embodiment, it is possible to reduce eddy current loss generated on the surface of the claw-shaped magnetic pole and prevent thermal demagnetization of the permanent magnet disposed between the claw-shaped magnetic poles.
[0073]
Next, the configuration of the AC generator according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 20 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of an AC generator according to the second embodiment of the present invention. FIG. 21 is an enlarged view of a main part of FIG.
[0074]
The main part of the AC generator according to the present embodiment shown in FIG. 20 corresponds to the configuration shown in FIG. In the configuration shown in FIG. 6, the gap between the inner peripheral side of the stator 102 and the outer peripheral side of the rotor 100 is constant. On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 20, the outer peripheral side of the claw-shaped magnetic pole 108T (the surface facing the inner peripheral side of the stator) is convex in the center when viewed in the direction of the rotation axis of the rotor. It has an arc shape. That is, the gap between the inner peripheral side of the stator 102 and the outer peripheral side of the rotor 100, that is, the surface of the claw-shaped magnetic pole 108T is assumed to be g1 at the center and g2 and g3 at both ends, respectively. , G2 = g3, and g1 <g2, g3.
Further, as shown in FIG. 21, a plurality of grooves 108M parallel to the rotation direction of the rotor are formed on the surface of the claw-shaped magnetic pole 108T. The depth of the groove is D2 = D3, where D1> D2, D3, where D1 is the depth of the groove at the center and D2 and D3 are the depths of the grooves at both ends.
[0075]
Thus, by making the gaps g2 and g3 at both ends in the rotation axis direction larger than the gap g1 at the center, the cooling efficiency at both ends in the axial direction of the rotor can be improved. Moreover, heat generation in the central portion can be suppressed by making the groove depth D1 in the central portion deeper than the groove depths D2 and D3 in both end portions. As a result, the thermal demagnetization of the permanent magnet can be reduced.
[0076]
According to this embodiment, the eddy current loss generated on the surface of the claw-shaped magnetic pole can be reduced, and the thermal demagnetization of the permanent magnet disposed between the claw-shaped magnetic poles can be further reduced.
[0077]
Next, the configuration of an AC generator according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 22 is a cross-sectional view showing the overall configuration of an AC generator according to the third embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
[0078]
The AC generator 1A according to the present embodiment is liquid-cooled, similar to the liquid-cooled vehicle AC generator shown in FIG. 1, but an inner fan fan 125 is provided on the end surface of the rotor 100 on the side opposite to the pulley. It is arranged. In addition, a ventilation hole 123 is provided in the front bracket 104F so that air in the machine can be circulated by the inner fan fan 125, and a ventilation hole 121 is provided in the bottom surface of the housing 115, and a ventilation hole 122 is provided in the rear bracket 104R. Other configurations are the same as those in FIG.
[0079]
As described above, when the internal fan 125 is provided, the internal temperature decreases by about 10 to 20 ° C. However, by providing grooves on the magnetizing side bevel described above and other surfaces, measures against eddy currents are taken. The temperature of the permanent magnet disposed between the claw-shaped magnetic poles can be reduced. Another effect is that a magnetic excitation force is reduced by providing a bevel on the magnetizing side. Also, in the grooving operation, by increasing the bevel width and cutting from the beveling side bevel, the load fluctuation of the cutting tool can be reduced, so that the tool life can be extended. Moreover, since eddy current loss is reduced, power generation efficiency is also improved.
[0080]
According to this embodiment, the eddy current loss generated on the surface of the claw-shaped magnetic pole can be reduced, and the thermal demagnetization of the permanent magnet disposed between the claw-shaped magnetic poles can be further reduced.
[0081]
Next, the configuration of an AC generator according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 23 is a cross-sectional view showing the overall configuration of an AC generator according to the fourth embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
[0082]
The basic configuration of the AC generator according to this embodiment is the same as that of the liquid-cooled vehicle AC generator shown in FIG. In the present embodiment, the magnetic ring 150 is disposed on the axial extension of the stator core 115. The outer peripheral surface of the magnetic body ring 150 is disposed so as to form the same plane as the outer peripheral surface of the stator core 115.
[0083]
The magnetic ring 150 prevents the magnetic flux leakage from the coil end from interlinking with the housing 115 and generating eddy current loss. The magnetic flux at the coil end portion can be collected by a magnetic ring newly arranged this time, and the leakage magnetic flux can be used as an effective magnetic flux. Further, the heat generated by the stator winding 106 can be efficiently transmitted to the housing 115. The magnetic ring 150 to be disposed is preferably formed by stacking thin rings in the axial direction. This is because the eddy current can be reduced.
[0084]
According to this embodiment, the eddy current loss generated on the surface of the claw-shaped magnetic pole can be reduced, and the thermal demagnetization of the permanent magnet disposed between the claw-shaped magnetic poles can be further reduced.
[0085]
Next, an AC generator according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The overall configuration of the AC generator of this embodiment is the same as that shown in FIG.
[0086]
Hereinafter, the entire configuration of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The configuration of the groove and the chamfered portion formed on the surface of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 24 is an external perspective view of the rotor used in the AC generator according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 25 is an enlarged cross-sectional view of a beveled portion that is a chamfered portion formed on a claw-shaped magnetic pole surface used in an AC generator according to a fifth embodiment of the present invention. FIG. 26 is an enlarged cross-sectional view of a stepped portion that is a chamfered portion formed on the surface of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the fifth embodiment of the present invention. 1, FIG. 12, FIG. 14, and FIG. 15 indicate the same parts.
[0087]
In the present embodiment, the groove 108G ′ is formed up to the position indicated by the dotted line in FIGS. That is, the groove 108G ′ is also provided in the magnetized side chamfered portion (the beveled portion 108B1 in FIG. 25 and the stepped portion 108S1 in FIG. 26).
[0088]
As shown in FIGS. 25 and 26, the groove 108G ′ is also arranged in the magnetizing side bevel portion (chamfered portion), whereby a further eddy current reduction effect can be obtained. Moreover, since the temperature rise of the permanent magnet arrange | positioned between nail | claw-shaped magnetic poles can be reduced, there exists an effect of the further output current improvement because the operating temperature of a permanent magnet becomes low. Further, since the temperature can be lowered as compared with the conventional rotor, the number of rotations can be improved and the size can be reduced. Further, if the rotor is made of a dust core made of magnetic powder hardened with an insulator, a further effect of reducing eddy current can be expected.
[0089]
In this case, in the case shown in FIG. 25, H1 = 2.0 mm, β = 5 degrees, Wps = 28.0 mm, W10 = 5 mm, and W20 = 2 mm. In the case of the claw-shaped magnetic pole shown in FIG. 26, H1 = 1.5 mm and H2 = 0.3 mm, and other dimensions are the same as those in FIG.
[0090]
According to this embodiment, the eddy current loss generated on the surface of the claw-shaped magnetic pole can be reduced, and the thermal demagnetization of the permanent magnet disposed between the claw-shaped magnetic poles can be further reduced.
[0091]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to prevent thermal demagnetization of the permanent magnet disposed between the claw-shaped magnetic poles.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an overall configuration of an AC generator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing a configuration of a claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
3 shows a view of the rotor 1 seen from the axial direction, and is an enlarged cross-sectional view of the main part of FIG.
FIG. 4 is a side view for explaining the dimensions of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a side view for explaining the dimensions of the claw-shaped magnetic poles used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a front sectional view showing a configuration of a stepped portion of a claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory view of a permanent magnet holder for fixing a permanent magnet used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention, and is a sectional view of a magnetic center position with respect to the axial direction (X direction) of the rotor. is there.
FIG. 8 is a perspective view of a permanent magnet holder used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 9A and 9B are a schematic plan view of a claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention as viewed from above, and a cross-sectional view along aa ′.
FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line aa ′ of FIG. 9A showing another example of the claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention as viewed from above.
FIG. 11 is an explanatory diagram of magnetic flux density used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an external perspective view of a rotor used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of a groove formed on a claw-shaped magnetic pole surface used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view of a beveled portion that is a chamfered portion formed on the surface of a claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view of a stepped portion that is a chamfered portion formed on the surface of a claw-shaped magnetic pole used in the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 16 is an explanatory diagram of eddy current loss in the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 17 is an explanatory diagram of eddy current loss in the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 18 is an external perspective view of a permanent magnet magnetizing jig used in the rotor of the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a plan view of a magnetized magnetic pole used in a permanent magnet magnetizing jig used in the rotor of the AC generator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of an AC generator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 21 is an enlarged view of a main part of FIG.
FIG. 22 is a cross-sectional view showing an overall configuration of an AC generator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a cross-sectional view showing an overall configuration of an AC generator according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 24 is an external perspective view of a rotor used in an AC generator according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 25 is an enlarged cross-sectional view of a beveled portion that is a chamfered portion formed on a surface of a claw-shaped magnetic pole used in an AC generator according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 26 is an enlarged cross-sectional view of a stepped portion that is a chamfered portion formed on a surface of a claw-shaped magnetic pole used in an AC generator according to a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... AC generator for liquid-cooled vehicles
100 ... rotor
101 ... Shaft
102 ... Stator
2 ... Pulley
104F ... Front bracket
104R ... Rear bracket
105 ... Stator core
106: Stator winding
107: Field winding
108 ... Claw-shaped magnetic pole
108B1, 108B2 ... Bevel processing section
108S1 ... Stepped part
108G ... groove
109A ... Diode plus fin
109B ... Diode minus fin
110 ... Slip ring
111 ... Brush
112 ... Rear plate
113 ... IC regulator
114 ... waterway
115 ... Housing
116 ... Good thermal conductor
117 ... Permanent magnet
118 ... Permanent magnet holder
119: Magnet fixing part
120 ... waterway
121-123 ... Ventilation opening
124 ... Stepped part
125 ... Inner fan
130 ... Positioning hole
131 ... Convex part for rotor alignment
132 ... Magnetized magnetic pole for S pole
133 ... Magnetized magnetic pole for N pole
134: Resin
135 ... Shaft hole
140 ... Magnetizing jig
150 ... Magnetic ring

Claims (10)

先端部分に複数個のスキュー角を有する爪部を形成した１対の対向配置された爪形磁極と、
この爪形磁極を磁化させる界磁巻線と、
上記爪形磁極間に配置された補助励磁用のネオジム永久磁石と、
上記爪形磁極の両端部に厚みをもって設けられた磁石固定部とから構成される回転子と、
上記回転子と所定の間隔を隔てて配置され、上記爪形磁極の磁化により交流電圧を発生させる固定子巻線とを有する固定子と、
上記固定子の外周部に冷却水が循環する水路とを有する車両用交流発電機において、
上記爪形磁極の表面に、上記回転子の回転方向と平行に形成された複数の溝と、
上記爪形磁極の表面であって、上記爪形磁極の回転方向に対して後ろ側に形成され、上記固定子の内周面と上記爪形磁極の表面の間のギャップ長を広くする面取り部と、
上記爪形磁極の表面であって、上記爪形磁極の回転方向に対して前側に形成され、上記固定子の内周面と上記爪形磁極の表面の間のギャップ長を広くするベベル加工部とを備え、
上記面取り部の幅Ｗ１０は、上記ベベル加工部の幅Ｗ２０よりも広いことを特徴とする車両用交流発電機。A pair of opposingly disposed claw-shaped magnetic poles each having a claw portion having a plurality of skew angles at the tip portion;
A field winding for magnetizing the claw-shaped magnetic pole;
A neodymium permanent magnet for auxiliary excitation arranged between the claw-shaped magnetic poles ,
A rotor composed of magnet fixing portions provided with thicknesses at both ends of the claw-shaped magnetic pole ;
A stator having a stator winding disposed at a predetermined interval from the rotor and generating an alternating voltage by the magnetization of the claw-shaped magnetic pole;
In the vehicle alternator having a water passage through which cooling water circulates on the outer periphery of the stator,
A plurality of grooves formed on the surface of the claw-shaped magnetic pole in parallel with the rotation direction of the rotor,
A chamfered portion that is a surface of the claw-shaped magnetic pole and is formed on the rear side with respect to the rotation direction of the claw-shaped magnetic pole, and widens the gap length between the inner peripheral surface of the stator and the surface of the claw-shaped magnetic pole. When,
A surface of the claw-shaped magnetic pole, which is formed on the front side with respect to the rotation direction of the claw-shaped magnetic pole and widens the gap length between the inner peripheral surface of the stator and the surface of the claw-shaped magnetic pole. And
An AC generator for vehicles, wherein a width W10 of the chamfered portion is wider than a width W20 of the beveled portion. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記面取り部は、上記爪形磁極の回転方向に対して後ろ側を所定の角度で削り取った形状のベベル加工部であることを特徴とする車両用交流発電機。In the vehicle alternator according to claim 1,
The vehicle AC generator according to claim 1, wherein the chamfered portion is a beveled portion having a shape in which a rear side is cut off at a predetermined angle with respect to a rotation direction of the claw-shaped magnetic pole. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記面取り部は、上記爪形磁極の回転方向に対して後ろ側を段付き形状とした段付き加工部であることを特徴とする車両用交流発電機。In the vehicle alternator according to claim 1,
2. The vehicle AC generator according to claim 1, wherein the chamfered portion is a stepped processed portion having a stepped shape on the rear side with respect to the rotation direction of the claw-shaped magnetic pole. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記爪形磁極の表面に設けられる溝は、上記面取り部の表面にも形成されているとともに、上記面取り部に形成された溝深さは、上記面取り部以外の爪形磁極に形成された溝深さよりも浅いことを特徴とする車両用交流発電機。In the vehicle alternator according to claim 1,
The groove provided on the surface of the claw-shaped magnetic pole is also formed on the surface of the chamfered portion, and the groove depth formed on the chamfered portion is a groove formed on the claw-shaped magnetic pole other than the chamfered portion. A vehicle alternator characterized by being shallower than the depth. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記面取り部は、上記爪形磁極のスキュー角と平行に形成されていることを特徴とする車両用交流発電機。In the vehicle alternator according to claim 1,
The vehicle AC generator according to claim 1, wherein the chamfered portion is formed in parallel with a skew angle of the claw-shaped magnetic pole. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記爪形磁極の軸方向両端外周面に設けられ、固定子巻線と対向する部分の外径が上記固定子と対面する部分よりも小さくなるような段付き部を備えたことを特徴とする車両用交流発電機。In the vehicle alternator according to claim 1,
A stepped portion is provided on the outer peripheral surfaces of both ends of the claw-shaped magnetic pole in the axial direction so that the outer diameter of the portion facing the stator winding is smaller than the portion facing the stator. AC generator for vehicles. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記爪形磁極は、爪形磁極間に配置される上記ネオジム永久磁石の飛び出しを防止するための磁石固定部を備え、この磁石固定部の幅Ｌ１は１．０〜２．５ｍｍの範囲であり、かつ厚みＨ１は１．０〜２．５ｍｍであり、磁石の着磁方向長さがＬ３は１０ｍｍ以下であるとともに、上記ネオジム磁石と上記爪形磁極は直接接するように配置されたことを特徴とする車両用交流発電機。In the vehicle alternator according to claim 1,
The claw-shaped magnetic pole includes a magnet fixing portion for preventing the neodymium permanent magnets disposed between the claw-shaped magnetic poles from protruding, and a width L1 of the magnet fixing portion is in a range of 1.0 to 2.5 mm. The thickness H1 is 1.0 to 2.5 mm, the magnetizing direction length L3 is 10 mm or less, and the neodymium magnet and the claw-shaped magnetic pole are arranged so as to be in direct contact with each other. AC generator for vehicles. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記固定子を軸方向に延長する磁性体リングを備え、上記磁性体リングの外周面は固定子コアの外周面とほぼ同じであることを特徴とする車両用交流発電機。In the vehicle alternator according to claim 1,
An AC generator for a vehicle comprising a magnetic ring extending in the axial direction of the stator, wherein an outer peripheral surface of the magnetic ring is substantially the same as an outer peripheral surface of the stator core. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記爪形磁極のプーリ側端面に設けられた着磁用の位置合わせ用穴を備えたことを特徴とする車両用交流発電機。In the vehicle alternator according to claim 1,
An AC generator for a vehicle comprising a positioning hole for magnetization provided on an end face of the claw-shaped magnetic pole on the pulley side. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記回転子を密閉構造となるように全周を覆うハウジングを備えたことを特徴とする車両用交流発電機。In the vehicle alternator according to claim 1,
An AC generator for vehicles, comprising a housing that covers the entire periphery of the rotor so as to have a sealed structure.
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