JP4035753B2

JP4035753B2 - ブラシレス交流発電機

Info

Publication number: JP4035753B2
Application number: JP2000104668A
Authority: JP
Inventors: 中村　　重信
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2020-04-06
Also published as: JP2001292550A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば農建機用車両等に搭載されるブラシレス交流発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンバインやブルドーザーなどの農建機用車両の発電機、例えば交流発電機は、塵埃の厳しい環境で使われることやメンテナンスフリー化への対応のため、磨耗部品であるブラシを持たないブラシレス交流発電機が用いられることが多い。
【０００３】
このブラシレス交流発電機はいわゆる界磁子回転型発電機であって、特表平９−５０７３７５号に開示されるように、回転子は複数の磁極（界磁鉄心の磁極をなす部分）が電機子に対面しつつ回転し、ギャップを介して磁極に囲まれる界磁コイルはフレームに固定される。各磁極は、周方向一定ピッチで極性交互に配置された状態で非磁性リング（ステンレスなど）によって相互に固定され、一体に回転する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このブラシレス交流発電機は、同一体格のブラシ付き交流発電機に対して本質的に体格当たりの出力が低いという欠点をもつ。その理由は、ブラシレス発電機の界磁束の磁気回路は大きな磁気抵抗となる直列ギャップ数が増加し、その磁気抵抗増大により界磁束量が減少するためである。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、信頼性の低下を招くことなくブラシレス交流発電機の体格当たりの出力を向上することをその目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のブラシレス交流発電機は、周方向極性交互に一定ピッチで一体に配置されて電機子に面する複数の磁極部と、一方の極性の前記磁極部と一体に形成されて回転軸に嵌着される回転継鉄部と、他方の極性の前記磁極部及び前記回転継鉄部の間に介設される静止継鉄部とを有する界磁鉄心と、回転不能に前記界磁鉄心に囲包される界磁コイルとを備えるブラシレス交流発電機において、前記回転継鉄部と前記静止継鉄部との間の界磁磁路の一部をなしつつ前記回転軸を回転自在に支持する軸受けを有し、前記回転軸は、プ−リを介してエンジンによって回転駆動され、前記軸受けは、プ−リ−側と反プ−リ側とに配置され、前記反プ−リ側の軸受けの外輪は、前記プ−リ側の軸受けの外輪より高い珪素含有率を有し、前記反プーリ側軸受けの外輪の端面は、前記回転継鉄部の端面と対向しており、前記反プーリ側軸受けの内、外輪は、０．９〜１．１ｗｔ％の珪素含有率を有することを特徴としている。
【０００７】
このようにすれば、回転継鉄部と静止継鉄部との間に位置して界磁磁路の一部としても機能する軸受けの透磁率を増やすことによって、その磁気抵抗を低減し、これにより界磁磁路全体の磁気抵抗値に反比例する界磁束量を増加して出力向上を図ることができる。
【０００９】
プ−リ側の軸受けは、ベルト駆動によるプ−リ荷重を大きく分担するため、フレームに外輪を強固に保持する必要が有り、このためリテ−ナプレ−トなどの介設部材を用いる。この結果、プーリ側軸受けは回転子の磁路である回転継鉄部から離れる。
【００１０】
これに対し、反プーリ側軸受けは、分担するプ−リ荷重が小さいため上記介設部材などを必要とせず、回転子の回転継鉄部に近接配置することができ、磁路とした場合にその磁気抵抗を低減することができ、出力向上に寄与することができる。更に、大プ−リ荷重を分担するために体格が大きいプーリ側軸受けは標準品とすることができるので、製造コストの増大を抑止することもできる。
【００１２】
すなわち、回転継鉄部と静止継鉄部との間の界磁磁路の一部をなしつつ回転軸を回転自在に支持する反プーリ側軸受けの内、外輪は、通常の軸受け用炭素クロム鋼（たとえばの珪素含有率が０．２〜０．３５ｗｔ％であるのに対し、０．９〜１．１ｗｔ％の珪素含有率を有する。
【００１３】
珪素含有率が上記範囲を下まわると透磁率の減少を招き、上まわると加工性の低下及び熱膨張率の低下による弊害が増大する。軸受けの熱膨張率の低下は、高温運転時において、通常は安価な炭素鋼で形成されてこの軸受けを支承するフレームの軸受けボックスと反プーリ側軸受けの外輪との間の嵌めあいのゆるみを招き、この部分が摩耗する問題を派生する。この問題は本発明の珪素含有率の変更という単純な手法で解決することができる。
【００１４】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載のブラシレス交流発電機において、前記反プーリ側軸受けの外輪と、この外輪を保持するフレ−ムの軸受けボックスとの間に樹脂製円筒部材が介設されていることを特徴としている。
【００１５】
これにより、高温運転時においてもフレームの軸受けボックスと反プーリ側軸受けの外輪との間の嵌めあいのゆるみを低減し、摩耗低減などにより信頼性、耐久性を一層向上することができる。
【００１６】
請求項３記載の構成によれば請求項１記載のブラシレス交流発電機において、前記反プーリ側軸受けの外輪を保持するフレ−ムの軸受けボックスは、珪素含有率が０．９〜１．１ｗｔ％とされた略円筒鉄部材により構成され、前記フレ−ムとの一体成形品であることを特徴としている。
【００１７】
これにより、高温運転時においてもフレームの軸受けボックスと反プーリ側軸受けの外輪との間の嵌めあいのゆるみを低減し、摩耗低減などにより信頼性、耐久性を一層向上することができる。
【００１８】
請求項４記載の構成によれば請求項１記載のブラシレス交流発電機において、前記反プーリ側軸受けの外輪を保持するフレ−ムの軸受けボックスの外側に近接して、冷却通路が配設されていることを特徴としている。
【００１９】
これにより、高温運転時においてもフレームの軸受けボックスと反プーリ側軸受けの外輪との間の嵌めあいのゆるみを低減し、摩耗低減などにより信頼性、耐久性を一層向上することができる。
【００２０】
上記の結果、簡単で安価な構成で界磁束の磁気回路における磁気抵抗を低減することができ、界磁束増加による出力向上を図ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を車両用ブラシレス発電機に適用した実施例を図面を参照して説明する。
【００２２】
（第一実施形態）
第一実施形態を図１に示す。図１は本実施形態の車両用ブラシレス発電機の軸方向断面図である。
【００２３】
車両用ブラシレス発電機１は、界磁子として働く回転子２の磁極鉄心２２１、２２２と、磁極に取り囲まれる位置に固定された界磁コイル２３と、電機子として機能する固定子３と、回転子２の回転軸であるシャフト２１を回転自在に支持する球軸受けである一対の軸受け４、５と、フレーム６、７と、固定子３に電気的に接続されて交流電力を直流に変換する整流器８等から構成されている。少なくともフレーム７は、高透磁率をもつ軟鉄を素材として形成されている。
【００２４】
磁極鉄心２２１は、ボス部（回転継鉄部）２２１０とその先端部に設けられた爪状磁極部（磁極部）とを有し、回転子２のシャフト２１に相対回転不能に嵌着されている。磁極鉄心２２１の磁極部には、爪状磁極部（磁極部）をなす磁極鉄心２２２が非磁性金属リング２２３を各爪状磁極部に溶接やろう付けするなどして一体化されている。
【００２５】
フレーム（静止継鉄部の一部）７の内端面にはリング状のグランドプレート（静止継鉄部の一部）２３１が嵌合、固定されている。グランドプレート２３１の内周面は磁極鉄心２２１のボス部２２１０の外周面に小ギャップ２３１２を介して面して、グランドプレート２３１の外周面は磁極鉄心２２２の径内側表面に小ギャップ２３１２を介して面し、これにより、グランドプレート２３１は界磁磁束が流れる磁気回路の通路（界磁磁路）の一部を形成する。
【００２６】
界磁コイル２３は樹脂ボビン２３０に巻装され、樹脂ボビン２３０はグランドプレート２３１の内周面に嵌入され、これにより界磁コイル２３はグランドプレート２３１を通じてフレーム７に固定されている。
【００２７】
９は、界磁コイル２３に流す界磁電流を調整して発電量を制御するレギュレータであり、界磁コイルリード線２３２を経由してタ−ミナル２３３に接続されている。
【００２８】
固定子３は、固定子巻線３１が巻装された固定子鉄心３２を有し、固定子鉄心３２の内周面はギャップ３００を介して回転子２の外周と対向している。
【００２９】
フレーム６、７は、固定子３の鉄心を挟んで図示しないスル−ボルトで軸方向へ一体に締結されており、フレーム６は軸受け４を通じて、フレーム７は軸受け５を通じてシャフト２１を回転自在に支承している。
【００３０】
軸受け４の外輪４２は、フレーム６の軸受けボックス６１に保持され、軸受け４の内輪４１は、シャフト２１を回転自在に支持している。軸受け５の内輪５１はシャフト２１に嵌着され、軸受け５の外輪５２はフレーム７の軸受けボックス７１に支承されている。フレーム６から外部に突出するシャフト２１の前端部にはプ−リ９が固着され、プ−リ９は図示しないエンジンにより駆動されている。
【００３１】
この実施例では特に、プーリ側の軸受け４の内輪４１及び外輪４２は高炭素クロム軸受け鋼（ＳＡＥ５２１００）よりなり、珪素を０．２５ｗｔ％含んでいる。これに対して、反プーリ側の軸受け５の内輪５１及び外輪５２は、上記ＳＵＪ２材の４倍に相当する１ｗｔ％の珪素を含有している。
【００３２】
この装置の界磁束の磁気回路を以下に説明する。
【００３３】
界磁コイル２３の界磁電流と巻き数の積である起磁力をＡＴ、この磁気回路全体の磁気抵抗をＲｍとすれば、発電に寄与する界磁束φは、φ＝ＡＴ／Ｒｍとなり、周知のように磁気抵抗Ｒｍを低減することで界磁束φを増加させ、それに応じて出力を増大することができる。
【００３４】
この磁気回路において、磁極鉄心２２１のボス部（回転継鉄部）２２１０を流れた界磁束φの多くは、磁極鉄心２２１の外周面からギャップ２３１２、グランドプレート（静止継鉄部の一部）２３１、ギャップ２３１１を順次通じて磁極鉄心２２２２へ流れる。
【００３５】
また、シャフト２１及び磁極鉄心２２１のボス部２２１０を流れた界磁束φの一部は、軸受け５、フレーム７（静止継鉄部の一部）を通じてグランドプレート２３１に流れ、グランドプレート２３１からギャップ２３１１を通じて磁極鉄心２２２に流れる。なお、シャフト２１及び磁極鉄心２２１のボス部２２１０からでて軸受け５を通じてフレーム７に流れる界磁束は、一部がシャフト２１から軸受け５の内輪５１、ボ−ル、外輪５２を通じてフレーム７に流れ、残りはボス部２２１０からギャップを通じて軸受け５の外輪５２に流れ、その後、フレーム７に達する。
【００３６】
この実施例では、反プーリ側の軸受け５の内輪５１、外輪５２は珪素含有率を従来のもの（ＳＡＥ５２１００）より特に増大している。具体的には、０．９〜１．１、更に好ましくは０．９５〜１．０５ｗｔ％としている。このため、軸受け５の透磁率を改善でき、その分だけ従来より出力を向上することができる。これにより、外輪５２の熱膨張率の低下による軸受け５の外輪５２の回転を抑止しつつ、上記出力向上を果たすことができる。
【００３７】
（変形態様１）
上記第一実施形態では、反プーリ側のフレーム７に界磁コイル２３を固定したが、図２に示すように、プーリ側のフレーム６によって固定してもよい。この時、グランドプレート２３１と磁極鉄心２２２との間のギャップは、プーリ側の軸受け４の近傍に配置されることとなり、反プーリ側の軸受け５は平坦な磁極鉄心２２１の軸方向端面と対面するように配置されるので、磁束の流れの乱れも少なく、安定した並列磁気回路を形成して、全体の磁気抵抗の低減を実現できる。
【００３８】
（変形態様２）
図４に示すこの変形態様は、図２に示す変形態様１において、フレーム７にカバ−７００を取り付けたものである。カバ−７００は、フレーム７のリア側の端面に所定間隙を隔てて対面しつつそれを囲覆する。この間隙は水充填室７０１となっており、外部のポンプにより水が循環している。
【００３９】
このようにすれば、軸受けボックス７１及び外輪５２の温度上昇を低減し、珪素含有率の増加による外輪５２の熱膨張率が低下しても外輪５２と軸受けボックス７１との間の相対回動を抑止することができる。
【００４０】
（変形態様３）
図５に示すこの変形態様は、図１に示す実施例１において、軸受け５の外輪５２と、フレーム７と一体に形成されたフレーム７から軸方向へ突出する軸受けボックス７１との間に、樹脂（ここではポリアミド）製のスリ−ブ１００を介設したものである。
【００４１】
このようにすれば、珪素含有率の増加に伴い、外輪５２の熱膨張率低下に対して樹脂製スリーブ１００の熱膨張によって外輪５２と軸受けボックス７１との間の相対回動を抑止することができる。なお、このスリ−ブ１００に磁性金属粉を混入させて磁気抵抗を低減することも可能である。
【００４２】
（変形態様４）
図６に示すこの変形態様は、図１に示す実施例１において、軸受け５の外輪５２と、フレーム７と一体に形成されたフレーム７から軸方向へ突出する軸受けボックス７１との間に、珪素含有率が０．９〜１．１ｗｔ％の金属（ここでは鋼板）製のフランジ部材１０１を介設したものである。
【００４３】
このようにすれば、珪素含有率の増加に伴い、外輪５２の熱膨張率低下に対してフランジ部材１０１の熱膨張も同様に低下するので、外輪５２と軸受けボックス７１との間の相対回動を抑止することができる。なお、このフランジ部材１０１は、磁気抵抗を低減するために高透磁性とされる。
【００４４】
（第二実施形態）
第二実施形態を図３に示す。図３は本実施形態の車両用ブラシレス交流発電機の軸方向要部拡大断面図である。
【００４５】
この実施例のブラシレス交流発電機は、図１に示す第一実施形態の軸受けを有するブラシレス交流発電機において、磁極鉄心２２１、２２２及びグランドプレート２３１の形状を変更した点をその特徴とする。
【００４６】
すなわち、この実施例では、小ギャップ２３１１、２３１２の面積を増大するために図３に示すように、グランドプレート２３１と磁極鉄心２２１のとの軸方向対向ギャップ２３１３をラビリンス構造とし、同じくグランドプレート２３１と磁極鉄心２２２との間の軸方向対向ギャップ２３１４をラビリンス構造とした点をその特徴とする。
【００４７】
更に詳しく説明すれば、静止継鉄部のなすグランドプレート２３１の径内側において、ギャップ２３１３を挟んで磁極鉄心２２１のボス部２２１０と対面するグランドプレート２３１の端面には環状の凹部２３１８が設けられ、これに応じて磁極鉄心２２１のボス部２２１０の後端面は凹部２３１８にギャップ２３１３を余して嵌入される環状突起２２１８を有している。
【００４８】
同様に、静止継鉄部のなすグランドプレート２３１の径外側において、ギャップ２３１４を挟んで磁極鉄心（爪状磁極部）２２２と対面するグランドプレート２３１の端面には環状の凹部２３１９が設けられ、この凹部２３１８にギャップ２３１４を余して磁極部２２２が嵌入されている。
【００４９】
このようにすれば、グランドプレート２３１両側のギャップ２３１３、２３１４の面積を増大できるので界磁回路の磁気抵抗を更に大幅に低減することができ、出力増大を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の車両用ブラシレス発電機の軸方向断面図である。
【図２】図１の発電機の変形態様１を示す軸方向断面図である。
【図３】実施例２の車両用ブラシレス発電機の軸方向要部拡大断面図である。
【図４】図１の発電機の変形態様２を示す軸方向断面図である。
【図５】図１の発電機の変形態様３を示す軸方向要部拡大断面図である。
【図６】図１の発電機の変形態様４を示す軸方向要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１車両用ブラシレス発電機
２回転子
２１シャフト
２２１磁極鉄心（磁極部、回転継鉄部）
２２２磁極鉄心（磁極部）
２３界磁コイル
２３１グランドプレート（静止継鉄部）
５軸受け
５１内輪
５２外輪
７フレ−ム（静止継鉄部）

Claims

周方向極性交互に一定ピッチで一体に配置されて電機子に面する複数の磁極部と、一方の極性の前記磁極部と一体に形成されて回転軸に嵌着される回転継鉄部と、他方の極性の前記磁極部及び前記回転継鉄部の間に介設される静止継鉄部とを有する界磁鉄心と、
回転不能に前記界磁鉄心に囲包される界磁コイルと、
を備えるブラシレス交流発電機において、
前記回転継鉄部と前記静止継鉄部との間の界磁磁路の一部をなしつつ前記回転軸を回転自在に支持する軸受けを有し、
前記回転軸は、プ−リを介してエンジンによって回転駆動され、
前記軸受けは、プ−リ−側と反プ−リ側とに配置され、
前記反プ−リ側の軸受けの外輪は、前記プ−リ側の軸受けの外輪より高い珪素含有率を有し、
前記反プーリ側軸受けの外輪の端面は、前記回転継鉄部の端面と対向しており、
前記反プーリ側軸受けの内、外輪は、０．９〜１．１ｗｔ％の珪素含有率を有することを特徴とするブラシレス交流発電機。
請求項１記載のブラシレス交流発電機において、
前記反プーリ側軸受けの外輪と、この外輪を保持するフレ−ムの軸受けボックスとの間に樹脂製円筒部材が介設されていることを特徴とするブラシレス交流発電機。
請求項１記載のブラシレス交流発電機において、
前記反プーリ側軸受けの外輪を保持するフレ−ムの軸受けボックスは、珪素含有率が０．９〜１．１ｗｔ％とされた略円筒鉄部材により構成され、前記フレ−ムとの一体成形品であることを特徴とするブラシレス交流発電機。
請求項１記載のブラシレス交流発電機において、
前記反プーリ側軸受けの外輪を保持するフレ−ムの軸受けボックスの外側に近接して、冷却通路が配設されていることを特徴とするブラシレス交流発電機。