JP4108482B2 - 交流発電機 - Google Patents

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Description

発明の背景
この開示は、２００１年３月１６日出願の米国仮特許出願第６０／２７６，７２３号に開示の交流発電機および製造方法を組込み、その優先権を本願において主張する。
１．技術分野
この発明は一般的に、内燃機関などにおいて応用される交流発電機、およびそのような交流発電機の製造方法に関し、さらに、回転シャフトを支持するための軸受を一般に有する電気装置用の成形プラスチックハウジングの製造に関する。
２．関連技術
交流発電機、特に自動車機関で応用されるものは、駆動端（Ｄ．Ｅ．）フレームおよび固定子・レギュレータ端（Ｓ．Ｒ．Ｅ．）フレームを伴って作製され、これらフレームは固定子およびロータを収容し、交流発電機を構成する他の構成要素を支持する。固定子は通常Ｄ．Ｅ．フレーム内に嵌め込まれる。両方のフレームは典型的にアルミニウムから鋳造され、そのいくつかの表面は、対応する交流発電機構成要素を支持する表面をもたらすために２次機械加工を必要とする。これら表面のうち１つは、固定子を支持するＤ．Ｅ．フレームの固定子ボアである。Ｄ．Ｅ．フレームは、一旦加工されると加熱されて固定子ボアを拡張し、固定子はこの時点でＤ．Ｅ．フレーム内に挿入され、それからフレームを冷却し、これによりＤ．Ｅ．フレームを固定子のまわりに収縮させて固定子を定位置に保持する。機械加工動作および加熱動作は、このような交流発電機の製造コストを増加させる。
アルミニウムは、固定子のために接地経路を提供でき、かつ固定子の動作温度が上昇しても強さおよび寸法について安定していることから、Ｄ．Ｅ．フレームで典型的に採用されている。
このようなアルミニウムＤ．Ｅ．フレームの他の機械加工表面には軸受孔も含まれており、その内部表面は機械加工されて、封止されたＤ．Ｅ．ローラ軸受を圧入で受けるようにされる。孔はアルミニウム材料の端縁を含み、この端縁は軸受孔の開口部のまわりに延び、軸受の設置後に外輪に対して回し付けられ、こうして軸受を孔の中で軸方向に捉える。２次加工動作および端縁変形動作は交流発電機のコストをさらに増加させる。さらに、使用済みの交流発電機を再生することが望まれる場合、回し付けられた端縁を削り取り、以前の回し付けられた端縁の位置で軸受孔にレトロフィット金属製保持器を固定してＤ．Ｅ．フレームに変更を加えなければならない。このようなプロセスは、軸受孔壁を再加工する工程と、回し付けられた端縁を除去して、保持器リングを受けるようにフレームを機械加工する工程と、使用済みのアルミニウムＤ．Ｅ．フレームを利用する、保持器リングを準備して固定する工程とを含む。このようなことで使用済み交流発電機の再生コストが増加する。
機械加工を必要とする他の表面としては、Ｄ．Ｅ．フレームおよびＳ．Ｒ．Ｅ．フレームの噛み合い表面があり、これら表面同士は合わされて留め具で固定される。さらにまた、運転時に交流発電機を装着するためのプレス鋼ブッシングを嵌め込むいくつかのボアも機械加工される。このような異なる金属材料（すなわち鋼とアルミニウム）のため腐食の
問題が生じ、これにも対処しなければならない。
米国特許第４，７０５，９８３号は、交流発電機であって、その構造の一部として絶縁プラスチック材料から作製された端部遮蔽物を有するものを開示しており、この端部遮蔽物は中心の成形ハブを伴って形成され、このハブは形成後にローラ軸受を安定させるように設けられる。
米国特許第５，９８２，０５７号は、中に成形される軸受ブッシュとともに、電動機の固定子のまわりに定位置でプラスチックハウジングを成形する方法を開示する。成形後、ローラ軸受が軸受ブッシュ内に設置される。中に成形される軸受ブッシュを設けることで、構造にコストおよび複雑さが増加する。
この発明の目的は、当該技術の軸受を支持するためにプラスチックハウジングを採用した交流発電機および他の電気機器との関連で、上述の制限を克服または大幅に最小化させることである。
発明およびその利点の概要
この発明の一局面に従うと、交流発電機であって、電気的接地部分を有するＤ．Ｅ．フレームと、接地部分から離れてＤ．Ｅ．フレームに固定される固定子と、Ｄ．Ｅ．フレームに固定されるＤ．Ｅ．軸受と、Ｄ．Ｅ．フレームに固定されるＳ．Ｒ．Ｅ．フレームと、Ｓ．Ｒ．Ｅ．フレームに固定されるＳ．Ｒ．Ｅ．軸受と、Ｄ．Ｅ．フレームおよびＳ．Ｒ．Ｅ．フレームの中に収容され、Ｄ．Ｅ．フレームおよびＳ．Ｒ．Ｅ．フレームに対して回転するようにＤ．Ｅ．軸受およびＳ．Ｒ．Ｅ．軸受によって受けられるロータとを含み、Ｄ．Ｅ．フレームがプラスチック材料から作製され、該Ｄ．Ｅ．フレームが固定子と接地部分とを電気的に結合する導電性接地回路を含む、交流発電機が提供される。発明のこの局面には、プラスチック製Ｄ．Ｅ．ハウジングであって、アルミニウム製の相当物よりも低コストで軽量であり、かつ固定子のための接地経路が設けられるハウジングを提供する利点がある。
この発明のさらなる局面に従うと、交流発電機のＤ．Ｅ．フレームまたはＳ．Ｒ．Ｅ．フレームなどのハウジング組立体は、内輪および外輪ならびにその間のローラ要素を有する封止ローラ軸受と、封止ローラ軸受が中で定位置に成形される軸受孔を有する成形プラスチックハウジングとを含む。軸受孔は、外輪の外部表面に係合する内部壁面と、軸方向の拘束部分とを含み、この拘束部分は、孔の内壁から径方向で内方向に、外面における軸方向で対向する端面に対して重なる関係で延び、軸受が軸受孔から外れないように軸受を軸方向に拘束する。この発明の関連の方法に従うと、成形の際、軸受に熱損傷を引起すであろう温度よりも低い金型温度に軸受が維持される。発明のこの局面には、熱に弱い封止ローラ軸受を交流発電機フレームなどのハウジング内で固定するための単純で効率的な手法を提供するという利点があり、これにより、予め成形された軸受ブッシュの機械加工動作もしくはプレス動作、またはその準備を回避する。同じ技術および特色は、軸受がハウジング内で定位置に成形される電気機器の他のプラスチックハウジングにも適用可能である。
この発明のさらに別の局面に従うと、Ｄ．Ｅ．フレームがプラスチック材料から成形され金型から取出される或る方法に従い、交流発電機を形成する。固定子をまだ高温のうちにＤ．Ｅ．フレーム内に設置し、プラスチック材料を冷却して固定子のまわりを締付けさせ、こうしてＤ．Ｅ．フレーム内で定位置に固定子を固定する。
この発明のさらに別の局面に従うと、電気部品のプラスチックハウジング内で定位置に
接地経路を成形し、画定された電気的経路をプラスチックハウジングを通じて確立する。
以下の説明および添付の図面を参照して、この発明の現在好ましい実施例を開示する。
詳細な説明
まず図１を参照して、この発明の現在好ましい実施例に従って構成された交流発電機１０の分解斜視図を示す。交流発電機１０は、駆動端（Ｄ．Ｅ．）フレーム１４および固定子・レギュレータ端（Ｓ．Ｒ．Ｅ．）フレーム１６からなるハウジング組立体１２を含み、これらフレーム同士は噛み合いフランジ１８，２０で接合され、ボルト２２で固定され、こうして固定子２４およびロータ２６を中に収容する。
Ｄ．Ｅ．フレーム１４はプラスチック材料から成形され、ここにはＤ．Ｅ．軸受２８が装着される。好ましくはＳ．Ｒ．Ｅ．フレーム１６も同様にプラスチック材料から作製され、対応するＳ．Ｒ．Ｅ．軸受３０が装着される。軸受２８，３０は、図５で概略的に示す種類の二重封止されたローラ軸受であり、外輪３２、内輪３４および複数の回転要素、たとえばここに示す軸受球３６を含み、これら軸受球は外輪３２と内輪３４との間に捉えられ、こうして内輪３４は外輪３２に対して回転できる。環状の封止材３８が内輪と外輪との隙間にまたがり、ローラ要素３６に封止環境を提供し、これらローラ要素は潤滑油４０で滑らかにされる。このような封止ローラ軸受２８，３０は耐熱性に乏しく、軸受２８，３０が臨界の動作上限温度を超えて加熱されると、封止材３８が過熱され故障する、および／または軸受２８，３０内の潤滑油４０が液化し封止材３８を通過して軸受から漏れ出し、軸受が故障する。臨界の動作上限温度は、潤滑油の種類と所与の軸受で採用された封止材とに依存して変わり、動作時の限界値についての知識は、交流発電機および軸受に関する当業者には公知である。軸受２８，３０はフレーム１４，１６内の開口部を取囲み、ここを通じてロータ２６のシャフトが延びて軸受に受けられる。
この発明の一局面に従うと、少なくともＤ．Ｅ．軸受２８は、Ｄ．Ｅ．フレーム１４および好ましくはＳ．Ｒ．Ｅ．フレーム１６の形成とともに定位置に成形される。図５で最もよく示されるように、軸受２８はＤ．Ｅ．フレーム１４を形成するように構成された金型（図示せず）内に挿入され、この中へ高温の流動性プラスチック材料が導入され、これは図示するように軸受２８のまわりを流れ、軸受２８をＤ．Ｅ．フレーム１４の軸受孔４２内に捉える。より具体的には、軸受孔４２は円筒形のハブまたは軸受孔壁部分４４からなり、これはＤ．Ｅ．フレーム１４の端部壁４６から軸方向で内方向に突き出る。ハブ４４は、外輪３２の外部周辺表面５０と係合する内部壁面４８を有する。Ｄ．Ｅ．フレーム１４と一片で成形される環状の保持部分またはフランジ５２は、内部壁面４８から径方向で内側に、Ｄ．Ｅ．軸受２８の対向する軸方向の側部において、軸方向に対向する端面５４，５６と重なる関係で、および内輪３４に対して径方向に外側で隔てられた関係で突き出ることによって、Ｄ．Ｅ．軸受を軸受孔４２内において、上部保持部分５２および下部保持部分５３によって両方の軸方向で、さらに内部壁面４８によって径方向に拘束する。このようにして軸受２８はＤ．Ｅ．フレームのみの構造によって成形中に定位置に捉えられる。下部保持部分はフレームの端部壁４６の一部を形成し、端部壁４６内の開口部から軸受孔壁またはハブ４４まで延びる。
図６に示すように、外輪３２の外部表面５０は一連の保持溝５８を伴って形成されることがあり、これら溝は外部表面５０内へと引込められている。成形中に溝５８はＤ．Ｅ．フレーム１４のプラスチック材料で充填され、Ｄ．Ｅ．フレーム１４の絡み合い保持リブ６０をもたらす。好ましくは、溝５８およびリブ６０は外輪３２の長手方向の軸および水平面を横切るように設けられ、絡み合い溝５８およびリブ６０は互いに交差し、外輪３２が軸に沿って長手方向に動かないように、さらに外輪３２の軸のまわりで回転して動かな
いように、外輪３２の動きを抑制する。溝５８は、外部表面５０内の研削によっても、他の好適な手段で設けてもよい。溝の深さは約０．０２０〜０．０３０インチ、幅は約０．０６０インチであることが好ましい。プラスチックハウジング内で軸受を定位置に成形するための同じ技術が、電気的始動機など他のハウジング部品にも等しく適用可能である。
次に図２および図３を参照して、Ｄ．Ｅ．フレーム１４は固定子ハブ６２を有し、これはフレーム１４の外部周辺壁によって与えられ、これは内部固定子受け表面６４を伴って形成され、この受け表面は、成形されているが機械加工されていない状態で、固定子２４の外部表面６６と十分な摩擦締め代で係合するようなサイズにされ、こうして固定子２４をＤ．Ｅ．フレーム１４内に固定する。
この発明に従うＤ．Ｅ．フレーム１４の成形は、Ｄ．Ｅ．フレーム１４が周囲温度まで冷却される際に、固定子２４の外部表面６６に対する固定子受け表面６４のサイズが、固定子２４の外部表面６６をきつく締付けて掴むことで固定子２４をＤ．Ｅ．フレーム１４内で定位置に固定するようなサイズとなるようにする。この発明の好ましい局面に従うと、Ｄ．Ｅ．フレーム１４は最初は固定子２４なしで成形される。Ｄ．Ｅ．フレーム１４のプラスチック材料の凝固後、かつＤ．Ｅ．フレーム１４がまだ成形から高温であるうちに、Ｄ．Ｅ．フレーム１４を金型から取出し、高温のうちに固定子２４をＤ．Ｅ．フレーム１４の固定子ハブ６２内に挿入する。当然のことながら、温度はＤ．Ｅ．フレーム１４の形成に用いる材料に依存して変わることになる。しかしながら、金型から取出す際の温度において、Ｄ．Ｅ．フレーム１４の熱で固定子受け表面６４が拡張した状態にされ、こうして固定子２４は、固定子２４と固定子ハブ６２との間の径方向の遊びのため、極めて容易に固定子ハブ６２内へ挿入可能である。一旦設置されると、Ｄ．Ｅ．フレーム１４は冷却させられ、これにより固定子受け表面６４は、固定子２４の外部表面６６のまわりをきつく締付け、Ｄ．Ｅ．フレーム１４に対して固定子２４が軸方向および回転方向で動かないように固定子２４を固定し、フレーム１４から外れることを防止する。
好ましくは、円筒形の内部固定子受け表面６４は調節リブ６８を伴って形成され、これは表面６４から径方向で内方向に突出る。調節リブ６８は固定子ハブ６２の表面６４に沿って軸方向に延びる。調節リブ６８はこのようにフレーム１４に固定され、固定子受け表面６４から内方向に突出る。固定子２４の外部表面６６は複数の軸方向の溝７０を伴って形成され、これらはいずれもリブ６８を受けることができる。ほとんどの場合、固定子２４はＤ．Ｅ．フレーム１４に対して好ましい角度配向を有することになる。図３および図４に示すように、固定子２４は可視の調節インジケータ７２で印付けられることがあり、その位置は、調節リブ６８に対する調節時に固定子２４がＤ．Ｅ．フレーム１４に対して適切な角度配向にあるようにされる。図４に示すように、固定子２４の設置の際、Ｄ．Ｅ．フレーム１４がまだ金型から高温であるうちに、調節インジケータ７２に関連付けられた適当な溝７０が調節リブ６８上で定位置に案内され、こうして固定子２４を精密にＤ．Ｅ．フレームに対して素早く、容易かつ明確に配向付け、これにより構成要素間のばらつきをなくす。
固定子２４は好ましくは金属積層部品７４および銅巻線７６を含む。
Ｄ．Ｅ．フレーム１４は好ましくは、少なくとも１つおよびここに示すように１対の、耳の形をとる電気的接地部分７８を伴って形成され、これら接地部分は、中に成形された金属ブッシングまたはスリーブ８０を有し、これらスリーブは受けられるボルト（図示せず）のための内張りされたボルト孔を形成し、これらボルトはフレームまたは車両などの他の構造に交流発電機１０を装着するものであり、この接続によって接地媒体がもたらされる。スリーブ８０はアルミニウムであることが好ましい。
プラスチック成形Ｄ．Ｅ．フレーム１４は導電性接地回路を含み、この接地回路は固定子２４と接地部分７８とを電気的に結合する。この発明の一局面に従うと、Ｄ．Ｅ．フレーム１４は導電性プラスチック複合材料から成形され、これによりＤ．Ｅ．フレーム１４全体が導電性となって接地経路が確立される。好適な材料は、交流発電機の動作温度に耐えることができ、かつＤ．Ｅ．フレーム１４の必要な支持を提供するのに十分な強さおよび安定性を維持できるものである。候補となる材料の中には、耐熱性を有し熱安定化されたポリアミド樹脂であって約３５〜５０体積％の炭素繊維量を有するものがあり、これにより複合物は導電性となってロータ２６から接地部分７８への導電経路をもたらす。このような材料の１つがＥ．Ｉ．デュポン・ド・ヌムール（E.I. du Pont de Nemours：デュポン）により、ザイテル（Ｒ）（Zytel）製品群として製造されている。これに代えて、または複合材料自体による導通に加えて、接地経路８２はスリーブ８０へ通じる埋込ワイヤ８４によって与えられ、Ｄ．Ｅ．フレーム１４の成形中に定位置へと成形されることもあり、またはＤ．Ｅ．フレーム１４の成形後に追加される外部ワイヤ８６によって与えられることもある。中に成形された接地経路を設けるための同じ技術が、始動機など他の電気機器のハウジングにも適用可能である。
この発明のさらなる局面に従うと、Ｓ．Ｒ．Ｅ．フレーム１６は、Ｄ．Ｅ．フレーム１４の導電率に対し比較的非導電性のプラスチック材料から作製される。換言すると、Ｓ．Ｒ．Ｅ．フレーム１６は、Ｄ．Ｅ．フレーム１４の特性と比べて導電性であるよりむしろ絶縁性である。Ｓ．Ｒ．Ｅ．フレーム１６は実質的に非導電性のプラスチック材料から作製され得る。好適な材料には、ザイテル（Ｒ）製品群の３５〜５０体積％ガラス繊維充填ポリアミド樹脂が含まれ得る。非導電性プラスチック材料からＳ．Ｒ．Ｅ．フレーム１６を作ることの利点として、Ｓ．Ｒ．Ｅ．フレーム上に装着される構成要素部分の多くが絶縁されることがあるが、それはＳＲＥフレームが通常、該構成要素と通常のアルミニウムＳ．Ｒ．Ｅ．フレームとの間の導通を防ぐために特別な絶縁遮蔽物などを必要とするからである。Ｓ．Ｒ．Ｅ．フレーム１６の裏面には、レギュレータ８８、整流器９０およびブラシ保持組立体９２が装着される。これら構成要素は設置されると端部カバー９４によって覆われ、このカバーも同様にプラスチックであり得る。Ｓ．Ｒ．Ｅ．フレーム１６が非導電性プラスチックであるため、レギュレータ８８および整流器９０をＳ．Ｒ．Ｅ．フレーム１６から電気的に絶縁する必要がなく、これによって交流発電機の製造が大幅に単純化され、製造コストが減少する。
この発明はさらに、伝統的な金属フレーム構成、およびこの発明によるプラスチックフレーム変形物の両方の使用済み交流発電機の再製造方法もまた企図している。いずれの場合でも、ロータおよび軸受ならびにその他の挿入物をＤ．Ｅ．フレームから取外し、新しいＤ．Ｅ．フレーム１４を先に記載のようにプラスチック材料から成形し、これは好ましくは成形端部軸受２８を含む。使用済みのプラスチックＤ．Ｅ．フレーム１４は破砕され再利用され得る。固定子２４は、フレーム１４が金型から高温であるうちに、それをフレーム１４に挿入する同じプロセスによって設置される。
ここに開示した実施例は、この発明の現在好ましい形態を表わしているが、これを例示するものに過ぎず、限定することを意図してはいない。この発明は前掲の特許請求の範囲により限定される。
この発明の現在好ましい実施例に従い構成された交流発電機を示す分解斜視図である。 Ｄ．Ｅ．フレームを示す拡大立面図である。 組立前のＤ．Ｅ．フレームおよび固定子を示す拡大分解斜視図である。 図３と同様のＤ．Ｅ．フレーム内の固定子であって組立後のものを示す図である。 一般に図２の線５−５に沿って切って見た拡大部分断面図である。 ハウジングの保持リブと絡み合って示された保持溝を伴って形成された外輪を有する軸受を示す拡大斜視図である。

Claims (15)

  1. 交流発電機であって、
    電気的接地部分を有する駆動端（Ｄ．Ｅ．）フレームと、
    前記接地部分から離れてＤ．Ｅ．フレームに固定される固定子と、
    前記Ｄ．Ｅ．フレームに固定される駆動端（Ｄ．Ｅ．）軸受と、
    前記Ｄ．Ｅ．フレームに固定される固定子・レギュレータ端（Ｓ．Ｒ．Ｅ．）フレームと、
    前記Ｓ．Ｒ．Ｅ．フレームに固定される固定子・レギュレータ端（Ｓ．Ｒ．Ｅ．）軸受と、
    前記Ｄ．Ｅ．フレームおよびＳ．Ｒ．Ｅ．フレームの中に収容され、前記Ｄ．Ｅ．フレームおよびＳ．Ｒ．Ｅ．フレームに対して回転するように前記Ｄ．Ｅ．軸受およびＳ．Ｒ．Ｅ．軸受によって受けられるロータとを備え、
    前記Ｄ．Ｅ．フレームはプラスチック材料から作製され、さらに、前記固定子を前記接地部分と電気的に結合する導電性接地回路を含む、交流発電機。
  2. 前記Ｄ．Ｅ．フレームは導電性複合プラスチック材料から作製される、請求項１に記載の交流発電機。
  3. 前記接地回路は、前記ロータと前記Ｄ．Ｅ．フレームの前記電気的接地部分との間に延びる接地ワイヤを含む、請求項１に記載の交流発電機。
  4. 前記Ｓ．Ｒ．Ｅ．フレームはプラスチック材料から作製される、請求項１に記載の交流発電機。
  5. 前記Ｓ．Ｒ．Ｅ．フレームは前記Ｄ．Ｅ．フレームに対して実質的に非導電性である、請求項４に記載の交流発電機。
  6. 前記Ｄ．Ｅ．軸受は前記Ｄ．Ｅ．フレーム内で定位置に成形される、請求項１に記載の交流発電機。
  7. 前記Ｄ．Ｅ．軸受は、内輪、外輪、および前記内輪と前記外輪との間に捉えられた封止した潤滑回転要素を有する、封止した軸受を含む、請求項６に記載の交流発電機。
  8. 前記Ｄ．Ｅ．フレームは軸受孔を含み、前記軸受孔は、床と、前記床から前記外輪のまわりで突き出る側壁と、前記孔内に前記Ｄ．Ｅ．軸受を捉えるために、前記外輪の端面に対して重なり合う関係で前記側壁から径方向で内方向に突き出る軸受保持部分とを有する、請求項７に記載の交流発電機。
  9. 前記外輪は、少なくとも１本の保持溝が形成された外部表面を有し、さらに、前記保持溝内へ延びる前記Ｄ．Ｅ．フレームのプラスチック材料の少なくとも１本の対応する保持リブを含む、請求項７に記載の交流発電機。
  10. 前記軸受は或る軸を有し、前記保持溝は前記軸を横切るように延びて、前記保持リブとの係合により軸受の軸方向で前記軸受を拘束する、請求項９に記載の交流発電機。
  11. 前記少なくとも１本の保持溝は、前記軸受軸を横切る交差パターン状に配置された複数の保持溝を含み、前記Ｄ．Ｅ．フレームの前記少なくとも１本の保持リブは、前記保持溝内に延びる対応する複数の保持リブを含む、請求項１０に記載の交流発電機。
  12. 前記Ｄ．Ｅ．フレームは、前記固定子の外部表面と係合する内部壁面を有する固定子孔を含み、前記外部表面は、前記固定子の軸方向に延びる複数の円周方向で隔てられたチャネルを含み、前記Ｄ．Ｅ．フレームは位置決めリブを含み、前記位置決めリブは、前記内部壁面から前記固定子の前記チャネルのうち対応する１本内へ突き出て、前記固定子を前記Ｄ．Ｅ．フレームに対して円周方向で明確に配向付ける、請求項１に記載の交流発電機。
  13. 前記Ｓ．Ｒ．Ｅ．軸受は、内輪、外輪、および前記内輪と外輪との間にある潤滑回転要素を有する、封止した軸受を含み、前記Ｓ．Ｒ．Ｅ．軸受は前記Ｓ．Ｒ．Ｅ．フレーム内で定位置に成形される、請求項１に記載の交流発電機。
  14. 前記Ｄ．Ｅ．フレームは、前記固定子、前記Ｄ．Ｅ．軸受および前記Ｓ．Ｒ．Ｅ．フレームと係合する支持表面を含み、前記支持表面は成形された際の状態にある、請求項１に記載の交流発電機。
  15. 前記Ｄ．Ｅ．フレームは前記固定子のまわりで収縮して嵌められる、請求項１に記載の交流発電機。
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