JP4306476B2 - 自動車用交流発電機 - Google Patents

Description

この発明は、乗用車、トラックなどの自動車エンジンに搭載される自動車用交流発電機（オルタネータ）に関し、とくに自動車用交流発電機の回転軸の軸受け装置の耐振動性の向上およびベアリングのクリープの抑制にかかわる。

自動車エンジンに装着され該エンジンに駆動される交流発電機は、図５に示すように、一対の碗状を呈するフロント（ドライブエンド）フレーム４とリア（リアエンド）フレーム５とを、各々の開口部を向かい合せて、固定子２を挟持して接合した構造のハウジングを有する。フロントフレーム４およびリアフレーム５のそれぞれの中央部には、内部に向かって軸方向に互いに突出する円筒状のフロントベアリングボックス（以下、フロントボックス）７およびリアベアリングボックス（以下、リアボックス）８が設けられている。このフロントボックス７およびリアボックス８のそれぞれには、フロントベアリング７１およびリアベアリング８１が取り付けられている。このフロントベアリング７１およびリアベアリング８１には、固定子２の内側に配された回転子３の回転軸（シャフト）３０が回転自在に支持されている。この回転軸３０は、フロントフレーム４から外に突き出している先端部に取り付けたプーリ２０を介してエンジンにより駆動される。

フロントベアリング７１の外輪７４はフロントボックス７に固定されているが、リアベアリング８１の外輪８４は軸方向の変位が可能な状態でリアボックス８に保持されている。リアボックス８は、筒状のリアベアリングホルダを備えている。リアベアリングホルダは、リアフレーム５のリア側の側壁部に固定されており、リアフレーム５の側壁部とともに、ベアリング収容部を形成している。この結果、ベアリング収容部内には、リアベアリング８１が軸方向にわずかに移動可能に保持される。さらに、ベアリング収容部内には、リアベアリング８１の外輪８４を軸方向の一方へ向けて付勢する手段が設けられている。この付勢（予圧付与）手段により、リアベアリング８１の外輪８４には軸方向に向けて所定の予圧が付与されている。

この予圧付与手段として、シングルウェーブワッシャ（以下、一重波ワッシャ）１Ａが用いられている。一重波ワッシャ１Ａは、リアベアリング８１とリアフレーム５の側壁部の内側面（側壁面）８３との間の隙間５３に配置されている。この内側面（側壁面）８３は、リアボックス８の側壁の内側面でもある。一重波ワッシャ１Ａは、リアベアリング８１の外輪８４と内側面（側壁面）８３とに接触するように配置され、挟持されている。一重波ワッシャ１Ａは、図５の（ロ）、（ハ）に示すように、細板状のバネ材を一周だけ環状に曲げ、さらに複数の山部と谷部とを交互に形成して形状をしている。また、特許文献１、２、３などにおいても、通常の電動機において、軸受けケーシングの軸受け収容凹部の下端面とアウターケーシングの上端面との間に弾発部材として一重波ワッシャを挟着した構造が採用されている。
特開平９−２８７６２０号公報 特開平８−１０３０４９号公報 特開２０００−８７９６４公報

通常の電動機では回転時の振動による軸方向の負荷は小さいが、自動車用交流発電機では、エンジンの振動を受けるとともに、発電機本体の高速回転により自励振動が加わった強い振動を受ける。また、近年、自動車で必要とされる電気負荷が増大する傾向にあり、大容量の発電が要求されている。このため、回転子が大型化して重量が増大し、回転軸を支持するベアリングが受けるクリープ力（振動と回転子重量の積）は増大し、自動車用交流発電機の耐クリープ力を大きくすることが必要となっている。

大容量の自動車用交流発電機における耐クリープ力の増大および必要予圧を確保するためには、ウェーブワッシャのバネ荷重を増大する必要がある。ウェーブワッシャの設計において、ワッシャの寸法は外径についてはベアリングの外輪以下、内径は回転軸の径以上に制限される。また、ウェーブワッシャが設置される隙間５３の軸方向寸法δは、図５の（イ）に示す如く、ハウジングの構成部品の軸方向寸法Ａ、Ｂ、Ｃ、および回転子３側の部品の軸方向寸法Ｄ〜Ｉの多数の部品の寸法公差が加算されるので、その公差に従い幅（大きさ）が変動する。この隙間５３の軸方向寸法δの大きさのバラツキにより、ウェーブワッシャの予圧（セット荷重）が変動する。このセット荷重の変動範囲を小さくするためには多数の部品の加工精度を上げる方法もあるが、加工精度の向上は大幅なコストの増大を招く。

図５の（ロ）、（ハ）に示す一重波ワッシャ１Ａが使用されている従来の小容量発電機では、低振動、軽重量の条件下において、隙間５３の軸方向寸法δの公差範囲Ｚ１において、図３に破線Ｓで示すバネ荷重特性のように、クリープの防止に必要な必要予圧（耐クリープ性）および予圧許容限界を共に満足する。回転子３が大重量である大容量発電機に一重波ワッシャを使用した場合に高振動が加わると、隙間５３の軸方向寸法δの公差範囲Ｚ２に示す如く、耐クリープ性は満足しても予圧が許容限界を超えて過大となり、早期破損の原因となる。

なお、一重波ワッシャを２枚直列に設置して直列ダブルウェーブワッシャとしバネ定数を低減すれば、ほぼ図３に実線Ｗで示すバネ荷重特性となり、耐クリープ性および予圧許容限界を共に満足する。しかしながら、２枚の一重波ワッシャの双方の山と谷とが付き合わさるように位置を合わせて固定することが必要であり、大幅なコストの上昇となるとともに、使用中の回転力により双方の山の位置がずれた場合、バネ荷重が大幅に低下しクリープが生じるという問題が発生する。

この発明の目的は、大容量発電に対応して回転子の重量が増大しても、回転軸を支持するベアリングに適正な予圧を付与でき、交流発電機における耐クリープ性の向上および過大予圧の防止を低コストに実現できる自動車用交流発電機の提供にある。

請求項１の発明では、フロントベアリングおよびリアベアリングを保持したハウジング内に固定子を設置するとともに、該固定子の内側に、フロントベアリングおよびリアベアリングに回転自在に支持されたシャフトを有する回転子を配してなる自動車用交流発電機において、リアベアリングの外輪に、多重ヘリカルウェーブワッシャ（以下、多重波ワッシャ）で予圧を付与している。

多重波ワッシャは、一重波ワッシャに比べて低いバネ定数と大きな変位量を有し、安定した予圧をリアベアリングの外輪に付与できる。このため、交流発電機の軸方向寸法の寸法公差が大きくても適正範囲の予圧が確実に得られ、耐クリープ力を大きく維持でき、長期間にわたって焼きつきなどのトラブルの発生を防止できる。また、単一の部品であるため、一重波ワッシャを直列に複数使用する場合に比較して装着が容易であり、コストの上昇も小さい。

また、本発明では、リアベアリングとリアボックスの側壁との間の隙間に、リアベアリングの外輪とリアボックスの側壁とに接触して多重波ワッシャを設置している。具体的には、リアボックスの側壁は、リアフレームのアルミニウム合金製の側壁部と、側壁部の内側面に配置された鉄製のワッシャボックスとを備え、多重波ワッシャは、リアベアリングの外輪とワッシャボックスとに接触して設置されたことを特徴とする。自動車用交流発電機では、一般にプーリ側のフロントベアリングは大型でフロントフレームに固定されており、リアベアリングは小型で予圧保持されている。この構成によれば、小型であるリアベアリングとリアボックスの外側壁との隙間に多重波ワッシャを挟着することにより、小型の多重波ワッシャで、リアベアリングの耐クリープ性およびワッシャの許容応力の双方を満足することができる。

そして、多重波ワッシャでは、リアベアリングとリアボックスの外側壁との隙間が、一重波ワッシャに比べ２倍以上必要となる。そこで多重波ワッシャの当り面をアルミニウムのリアフレームに代えて鉄製のワッシャボックスを追加することにより、当り面の肉厚を薄肉にでき軸方向寸法を短縮できるとともに、低振動仕様の一重波ワッシャ使用時と、回転子などリアフレーム以外は全て共用できるので、コストアップを押さえることができる。また、フレームのワッシャ当り面がアルミニウムから鉄に代わるので当り面の耐摩耗性が向上する。

また、リアボックスは、筒体と、この筒体の後端に設けられたフランジとを有するリアベアリングホルダを備え、該リアベアリングホルダのフランジがリアフレームの側壁部に締結されており、ワッシャボックスは、筒部と、この筒部の一端から径方向外側に拡がる外側鍔部と、筒部の他端から径方向内側に拡がり、多重波ワッシャを受ける内側鍔部とからなり、外側鍔部がリアベアリングホルダのフランジとリアフレームの側壁部に設けた径大座繰り面との間に挟着されていることを特徴とする。リアボックスとリアフレームとの間でワッシャボックスを挟み付け固定することにより、三者一体となり組付性が向上する。

請求項２の発明では、多重波ワッシャは、軸方向に隣り合う円環のうち、一方の円環の山部と他方の円環の谷部とが当接していることを特徴とする。この構成では、多重波ワッシャのバネ定数を低減できるので、大容量の発電機において、リアベアリングの外輪のクリープを防止するための荷重を確保しつつ、隙間が最小時、すなわち多重波ワッシャの変位量が最大となっても、多重波ワッシャの許容応力以内とすることができる。

請求項３の発明では、一般にアルミニウム製であるリアフレームの一部であるリアボックスの側壁に多重波ワッシャの端が当接することを防止でき、滑らかにウェーブしている頂部が当接する。よって、多重波ワッシャの端がリアボックスの外側壁の摩耗を促進することを阻止でき、安定して予圧（バネ荷重）を付与でき信頼性が向上する。さらに、多重波ワッシャの組付方向は任意でよく、組付工数を低減できる。

この発明の最良の形態を、参考例および実施例１に基づき説明する。

〔参考例〕
図１は、この発明の参考例にかかる自動車用の交流発電機（オルタネータ）１０を示す。この参考例の交流発電機１０は、自動車エンジンによりベルトを介して駆動され、車載の蓄電池を充電するとともに、自動車に搭載された各種の電気機器に給電する。

交流発電機１０は、固定子２、回転子３、およびアルミニウム合金製でいずれも碗状を呈する一対のドライブエンドフレーム（以下、フロントフレーム）４とリアエンドフレーム（以下、リアフレーム）５とを備えている。リアフレーム５の後側の側壁部の外側には、三相交流を直流に変換する整流装置６１、ブラシ装置６２および電圧調整機６３が設置され、これらはリアフレーム５に締結されたリアエンドカバー６４で覆われている。

固定子２は、固定子鉄心２２と、三相固定子巻線２３と、固定子鉄心２２と固定子巻線２３との間を電気絶縁するインシュレータ２４とを備えている。固定子鉄心２２は、フロントフレーム４の周壁部の開口端部と、リアフレーム５の周壁部の開口端部との間に挟持されて固定されている。固定子２の内側には、所定の隙間を介して回転子３が配置されている。フロントフレーム４およびリアフレーム５は、側壁の中心にシャフト穴４０およびシャフト穴５０を有し、各々の開口部が、固定子鉄心２２を挟み込むようにしてボルトによって接合されている。フロントフレーム４およびリアフレーム５には、冷却風を吐出または吸入するための多数の通風窓４１、５１が設けられている。

フロントフレーム４の側壁部の中央部には、内部に向かって軸方向に突出する円筒状のフロントベアリングボックス（フロントボックス）７が形成されている。リアフレーム５の側面の中央部には、内部に向かって軸方向に突出する円筒状のリアベアリングボックス（リアボックス）８が形成されている。フロントボックス７およびリアボックス８には、それぞれフロントベアリング７１およびリアベアリング８１が取り付けられている。フロントボックス７は、フロントフレーム４の中心に設けられ内部が前記シャフト穴４０となっている筒部４２と、筒部４２の後端（内側端）面に締結した係止リング４３によって形成されている。

リアボックス８は、後端に設けた鍔部（フランジ）８２がリアフレーム５の中心にネジ５２で締結された保持筒（リアベアリングホルダ）８０と、前記シャフト穴５０の周囲のリアフレーム５の側壁部の内側を座繰り成形して得られたリアフレーム５の側壁面８３とによって形成されている。この参考例では、保持筒８０は、筒体と、この筒体の後端に設けられた鍔部８２とからなる。このため、リアボックス８の側壁は、リアフレーム５のアルミニウム合金製の側壁部により形成されている。

回転子３は、前部および後部がフロントベアリング７１およびリアベアリング８１に支持された回転軸３０を有する。フロントフレーム４から先端側に突出した回転軸３０の先端部にはプーリ２０が設置され、プーリ２０は、エンジンにベルト（いずれも図示せず）で連結されている。

回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した磁界巻線３１を、それぞれ６個の爪部を有するポールコア３２によって、回転軸３０を通して両側から挟み込んだ構造を有している。ポールコア３２の両端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すための冷却ファン３３、３３が溶接などによって取り付けられている。また、回転軸３０のリア側端部近傍には、磁界巻線３１の両端に電気的に接続された２つのスリップリング３４、３５が形成されており、これらのスリップリング３４、３５を介してブラシ装置６２から磁界巻線３１に対して給電が行われる。

交流発電機１０は、ハウジングから突き出した回転軸３０の前端部に取り付けたプーリを介してエンジンにより駆動される。この交流発電機１０は、ベルトを介してプーリ２０にエンジンからの回転力が伝えられると、回転子３が所定方向に回転する。この状態で回転子３の磁界巻線３１に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア３２のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線２３に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置６１の出力端子からは所定の直流電力が取り出される。整流装置６１は、固定子巻線２３によって発生する三相交流を整流して直流に変換する。

回転子３の回転軸３０は、フロントベアリング７１およびリアベアリング８１に支持されているが、軸方向のガタつきを防止するため、所定の予圧を付与する必要がある。このため、リアベアリング８１とリアフレーム５の側壁面８３との間の隙間５３にリアベアリング８１の外輪８４と側壁面８３に接触して、一体型の二重波（二重ヘリカルウェーブ）ワッシャ１を挟着している。

二重波ワッシャ１は、図２に示す如く、細板状の一本のバネ材をその幅方向に関して環状に曲げて形成されている。この参考例では、二重波ワッシャ１は２周に亙って同一半径の円環状に曲げられており、一重目環状部１１と、二重目環状部１３とを有する。これら環状部１１、１３の両方において、細板状のバネ材がその厚さ方向に関して波打つように形成され、複数の山部と谷部とが設けられている。山部と谷部とは、所定の周期で交互に形成され、一重目環状部１１は谷部１２から始まり、同じ谷部１２にて終端する。この一重目環状部１１の終端は、引き続き二重目環状部１３の始端となっている。二重目環状部１３の始端は、一重目環状部１１の始端、終端とは異なり、山部１４となっている。環状部１１、１３の波の周期は同じであり、一重目環状部１１の波形状と、二重目環状部１３の波形状とは１／２周期だけずれて配置されている。

二重波ワッシャ１は、一方（一重目）の環状部１１の谷部１２と、他方（二重目）の環状部１３の山部１４とが当接している。また、一重目環状部１１の端１５は、一重目環状部１１の谷部１２に位置しており、二重波ワッシャ１の軸方向端面から離れた軸方向内側の位置に設定されている。二重目環状部１３の端１６は、二重目環状部１３の山部１４に位置しており、二重波ワッシャ１の軸方向端面から離れた軸方向内側の位置に設定されている。この結果、両端１５、１６が外輪８４とリアフレーム５の側壁面８３に接触しないように設定されている。この構成により、端１５または端１６が、アルミニウム合金製である側壁面８３に接触して、側壁面８３が摩耗し、予圧が低下する不具合を有効に防止できる。

この参考例の二重波ワッシャ１は、図３の特性グラフに実線Ｗで示す特性を有し、交流発電機１０が大型化し回転子３の重量が増大しても、リアベアリング８１の耐クリープ性と予圧の許容範囲との双方を満足することができ、長期間の使用に対して焼きつきなどのトラブルの発生を防止できる。

〔実施例１〕
図４は実施例１にかかる交流発電機を示す。この実施例では、参考例におけるリアフレーム５の側壁面８３を除去して径大のシャフト穴５０を形成し、この径大のシャフト穴５０に鉄製のワッシャボックス９を挿設している。ワッシャボックス９は、シャフト穴５０内に配置される筒部９２と、この筒部９２の一端（フロント側端）から径方向外側に拡がる外側鍔部９１と、筒部９２の他端（リア側端）から径方向内側に拡がる内側鍔部９３とを有する。この内側鍔部９３は、二重波ワッシャ１を受ける面を提供し、この実施例におけるリアボックス８の側壁を構成している。

二重波ワッシャ１は、リアベアリング８１と内側鍔部９３との間の隙間５３に、リアベアリング８１の外輪８４と内側鍔部９３の内壁面とに接触して挟着されている。ワッシャボックス９は、外側鍔部９１が、保持筒８０の鍔部（フランジ）８２と、径大のシャフト穴５０の周りのリアフレーム５の側壁部に設けた径大座繰り面８５との間に挟持されて固定されている。よって、この実施例では、二重波ワッシャ１は、外輪８４とワッシャボックス９とに接触して、これらの間に挟持されている。この実施例では、リアボックス８の側壁は、ワッシャボックス９の内側鍔部９３により形成されている。

この構成では、ワッシャボックス９の使用により軸方向に大きくなった隙間５３に二重波ワッシャ１が容易に設置でき、一重波ワッシャ１Ａを使用した従来の交流発電機の一部を変更するだけで、二重波ワッシャ１を設置できる利点がある。また、二重波ワッシャ１は、鉄製であるワッシャボックス９の後端側の側壁部９３に当接しているため、耐摩耗性に優れ、耐久性が向上する。さらに、ワッシャボックス９は、保持筒８０をリアフレーム５に締結する際に同時に固定できるため、三者一体で組付性が向上する。

この発明の自動車用交流発電機は、回転子を軸方向に付勢する手段として、多重ヘリカルウェーブワッシャを採用しているため、優れた耐クリープ性と大きなワッシャの許容応力を有し、大容量の交流発電機として実用性が高い。なお、以上に説明した実施例に代えて、以下の構成を採用することができる。二重波ワッシャ１は、三重以上の多重ヘリカルウェーブワッシャであってもよい。リアフレーム５のアルミニウム合金製の側壁部の内側面上に、鉄製のワッシャボックスを積層して配置してもよい。この場合は、積層体によりリアボックス８の側壁が形成される。さらに、以上に説明した実施例の構成は、フロントボックスにも転用することができる。

自動車用交流発電機の断面図である（参考例）。 二重波ワッシャの斜視図、二面図である（参考例）。 ウェーブワッシャの特性グラフである。 車両用交流発電機の断面図である（実施例１）。 従来の交流発電機の断面図およびウェーブワッシャの二面図である。

符号の説明

１ 二重波ワッシャ（多重ヘリカルウェーブワッシャ）
１０ 交流発電機
１２ 谷部
１４ 山部
２ 固定子
２０ プーリ
３ 回転子
３０ 回転軸（シャフト）
４ フロントフレーム（ドライブエンドフレーム）
５ リアフレーム（リアエンドフレーム）
７ フロントボックス（フロントベアリングボックス）
７１ フロントベアリング
８ リアボックス（リアベアリングボックス）
８０ 保持筒（リアベアリングホルダ）
８１ リアベアリング
８２ 鍔部（フランジ）
８３ リアフレームの側壁面
８４ リアベアリングの外輪
９ ワッシャボックス
９１ 鍔部
９２ 筒部
９３ 側壁部

Claims (3)

1. フロントベアリングおよびリアベアリングを保持したハウジング内に固定子を設置するとともに、該固定子の内側に、前記フロントベアリングおよび前記リアベアリングに回転自在に支持されたシャフトを有する回転子を配してなり、
   前記リアベアリングの外輪に、多重ヘリカルウェーブワッシャにより予圧を付与した自動車用交流発電機であって、
   前記ハウジングは、前記フロントベアリングを保持したフロントベアリングボックスを有するフロントフレームと、前記リアベアリングを保持したリアベアリングボックスを有するリアフレームとを備えるとともに、前記フロントフレームおよび前記リアフレームの間に前記固定子を挟持した構造を有し、
   前記リアベアリングボックスの側壁は、前記リアフレームのアルミニウム合金製の側壁部と、該側壁部の内側面に配置された鉄製のワッシャボックスとを備え、前記多重ヘリカルウェーブワッシャは、前記リアベアリングの外輪と前記ワッシャボックスとに接触して設置され、
   前記リアベアリングボックスは、筒体と、この筒体の後端に設けられたフランジとを有するリアベアリングホルダを備え、該リアベアリングホルダの前記フランジが前記リアフレームの側壁部に締結されており、前記ワッシャボックスは、筒部と、この筒部の一端から径方向外側に拡がる外側鍔部と、前記筒部の他端から径方向内側に拡がり、前記多重ヘリカルウェーブワッシャを受ける内側鍔部とからなり、前記外側鍔部が前記リアベアリングホルダのフランジと前記リアフレームの側壁部に設けた径大座繰り面との間に挟着されていることを特徴とする自動車用交流発電機。
2. 請求項１に記載の自動車用交流発電機において、前記多重ヘリカルウェーブワッシャは、軸方向に隣り合う円環のうち、一方の円環の山部と他方の円環の谷部とが当接していることを特徴とする自動車用交流発電機。
3. 請求項２に記載の自動車用交流発電機において、前記多重ヘリカルウェーブワッシャの円環方向の両端部は、前記リアベアリングホルダの側壁と前記リアベアリングの外輪のいずれにも当接せず配置されていることを特徴とする自動車用交流発電機。

Images