JP4380652B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

この発明は、例えば車両の内燃機関により駆動される車両用交流発電機等の回転電機の回転子の改良に関する。

通常の車両交流発電機のランデル式ロータコアは、界磁コイルの径方向内側にて界磁束を軸方向に流すボス部と、このボス部の軸方向外端から径方向外側に延在して界磁束を径方向に流すディスク部（柱部とも呼ぶ）と、このディスク部から界磁コイルを囲むように軸方向に延在してステータコアと磁束を授受する多数の爪極部とをそれぞれ有する一対のポールコアを組み立てて構成されている。一方のポールコアの各爪極部と他方のポールコアの各爪極部とは、周方向互い違いに配置される。この通常のランデル式ロータコアは、塊状軟磁性コアからそれぞれ製造される一対のポールコアを界磁コイルを挟んで軸方向に組み合わせて組み立てられる。

このランデル式ロータコアにおいて、爪極部の磁束を強化するために周方向に隣接する爪極部間に永久磁石を介設した磁石介設型ランデル式ロータコア（磁石併用ランデル式ロータコアとも言う）がたとえば下記の各特許文献に提案されている。
特開２００４−７９５８号公報 特開２００２−２６２５３０号公報 特開平１０−４６６４号公報 特開平１０−２０１１４９号公報 特開平１０−４６６０号公報 特開平１０−４６６２号公報 特開平１０−４６６３号公報 特開２００５−２３７１０７号公報

上記した従来のランデル式ロータコアは第３高調波成分による磁気音が大きいという問題をもつことが知られている。磁気音は、磁束の高調波成分の低減により減らすことができるため、爪極部の形状や配置を工夫することにより、磁束の高調波成分を低減して磁気音を減らせることが考えられる。

しかしながら、ランデル式ロータコアを構成する一対のポールコアは鍛造により製造されることが通常であるため、あまり複雑な形状の爪極部を製造することは製造工程の複雑化を招くという問題があった。

また、上記特許文献８は、磁石を回転方向に対して爪状磁極の一方側へ偏らせて磁石を配置することを提案している。しかし、本発明者らのテストによれば、特許文献８の構造では、磁気音の主要な成分である磁束の第３高調波成分がなお大きいことがわかった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、製造工程の複雑化を防止しつつ磁気音の低減が可能なランデル式ロータコア構造の回転電機の回転子を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する本発明の回転電機の回転子は、界磁コイルが巻装されて界磁束が軸方向に流れるボス部と、このボス部の軸方向端から周方向所定ピッチで径方向外側へ突出する柱部（ディスク部ともいう）と、この各柱部の先端から軸方向へ延在して界磁コイルを囲む爪極部とをそれぞれ有する一対のポールコアによりランデル式ロータコアを構成し、爪極部間に永久磁石を介設してなる磁石併用型ランデル式ロータコアに適用される。

本発明では特に、前記各永久磁石は、電磁ギャップ磁界のうち第３高調波の半波をキャンセルする逆位相波が発生するように、前記第１の爪極部と前記第２の爪極部の周方向の両側の端面のうち前記回転子の回転方向側の端面のみに直接又は磁石保護カバーを介して当接され、周方向に並ぶ前記第１の爪極部と前記第２の爪極部との間の隙間の周方向一方側の一部にだけ偏設され、更に周方向奇数番目の前記永久磁石と周方向偶数番目の前記永久磁石とを軸方向に所定距離だけ交互にずらして配置したことを特徴としている。これにより、固定子の内周面に対面する前記回転子の外周面における磁界の高調波成分を良好に低減できることがわかった。

以下、更に説明する。ランデル式ロータコアをもつ交流回転電機の磁気騒音の一因は、ランデル式ロータコアからステータコアへ流れる磁束がその高調波成分により歪むために生じる。この磁界の高調波成分がステータコアのティースに径方向周方向の磁気力の高調波成分を生じさせ、ティースが高い周波数で振動して磁気音を発生する。一つの爪極部、及びこの爪極部の周方向前後の周方向ギャップの各半分とは電気角πを占める。したがって、上記高調波成分がなければ、電磁ギャップの周方向磁界分布パターンは、一つの爪極部の周方向中心点から、その隣の爪極部の周方向中心点までを電気角πとして正弦波形状となるはずである。しかし、実際の測定によれば、一つの爪極部の周方向一半部は、爪極部のステータコアに対面する表面形状などにも起因して、この爪極部の周方向他半部よりも大きい磁界を上記電磁ギャップに形成する。

本発明は、爪極部における電磁ギャップが上記したように周方向において歪んだ分布をもつという知見にもとづいてなされたものであり、爪極部の周方向一半部と周方向他半部とのうち電磁ギャップの磁界が弱い方を爪極部間の永久磁石により補強する。これにより、爪極部の周方向中心点の両側の磁界波形の歪みが低減され、それに基づく磁界の高調波成分（たとえば第３高調波成分）を低減することができる。この磁界の高調波成分は耳障りな帯域でティースを径方向に振動させるため、本発明により良好に磁気音を低減することができる。

また、前記各永久磁石は、爪極部の回転方向側の前記爪極部の端面に対して爪極部の反回転方向側の前記爪極部の端面に比べて相対的に近接配置される。このようにすれば、永久磁石が近接する側の爪極部の磁束領域（ステータコアに対面する表面領域）は、永久磁石が近接しない側の爪極部の磁束領域よりも大きな磁束密度をもつことができる。したがって、永久磁石を爪極部の回転方向半部と反回転方向半部とのうち永久磁石が無い場合に表面磁極密度が小さい側に近接させれば、電磁ギャップの磁界分布を正弦波に近づけることができ、簡単な構造により磁気騒音を低減することができる。

好適な態様において、劣る磁束透過性を有して前記各永久磁石と回転子反回転方向側の前記爪極部端面との間に介設されるスペーサが配置される。このようにすれば、互いに周方向に隣接する一対の爪極部により永久磁石とスペーサとのペアを機械支持することができるため、遠心力による永久磁石のロータコアからの逸脱や振動を低減することができ、構造を強化することができる。スペーサとしては樹脂材や非磁性部材や易磁気飽和性をもつ軟磁性部材などを用いることができる他、永久磁石を周方向に弾性付勢するばね材などを用いることもできる。

好適な態様において、前記スペーサは非磁性部材からなる。これにより、磁石磁界による電磁ギャップの磁界に対する上記補正効果を向上することができる。

好適な態様において、前記スペーサは、前記永久磁石を被覆する磁石保護カバーと一体に形成されている。これにより、スペーサ又は磁石を良好にポールコアの爪極部間に支持することができる。

好適な態様において、前記スペーサは、前記永久磁石を被覆する磁石保護カバーに内蔵される。これにより、スペーサ又は磁石をポールコアの爪極部間に良好に機械支持することができる。

好適な態様において、前記隙間の軸方向長より短い軸方向長さを有するとともに、周方向交互に配置される前記第１の爪極部と前記第２の爪極部との間の隙間は、その軸方向一端からその軸方向他端に向け傾設されており、前記永久磁石は、前記隙間の周方向中央位置よりも周方向に所定角度だけ偏位して配置される。これにより、固定子の内周面に対面する前記回転子の外周面における磁界の高調波成分を低減することができる。

すなわちこの態様では、永久磁石の周方向中心点は、周方向に隣接する第１、第２爪極部の中間点から周方向一方側に所定角度だけずれて配置される。好適には、径方向に見た場合に略三角形となる爪極部の頂点側にずれて配置される。このようにすれば、固定子の内周面に対面する前記回転子の外周面における磁界の高調波成分を低減することができる。

以下、この発明の回転電機の回転子の好適な実施形態を具体的に説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるものではなく、本発明の技術思想を他の公知技術又はそれと同等の必要機能を有する他の技術を組み合わせて実現してもよい。

この実施形態の磁極筒部型ランデル式ロータコアを採用した車両用交流発電機の例を図１に示す縦断面図を参照して説明する。１はロータ、２はステータ、３はフロントフレーム、４はリヤフレーム、５はプーリー、６はスリップリング、７はブラシ構造、８は整流器、９はレギュレータである。

ステータ２は、ステータコア２１にステータコイル２２を巻装してなり、フロントフレーム３及びリヤフレーム４の内周面に固定されている。フロントフレーム３及びリヤフレーム４はボルトによりステータ２を囲んで締結され、軸受け３１、４１を介してロータ１の回転軸１１を回転自在に支承している。

ロータ１は、回転軸１１に固定された前側のポールコア１２と、界磁コイル（以下、励磁コイルとも言う）１３と、後側のポールコア１４と、永久磁石１５とにより構成されている。なお、ポールコア１２、１４は従来のランデル式ロータコアの一対のポールコアと同じ形状をもつ。更に詳しく説明すると、ポールコア１２は、ボス部１２１と、ボス部１２１の前端部から径方向外側へ延在するディスク部１２２と、ディスク部１２２から軸方向後方へ延在する爪極部１２３とからなり、ポールコア１４もポールコア１２と同一形状をもつ。ただし、ポールコア１４のボス部は１４１、ディスク部は１４２、爪極部は１４３と付番されている。ポールコア１２の後端面とポールコア１４の前端面とが接面されて、励磁コイル１３はポールコア１２、１４により囲まれている。ディスク部１２２、１４２はボス部１２１、１４１と一体に形成されている。ポールコア１２、１４が軟磁性体からなることはもちろんである。なお、ディスク部１２２、１４２は実際には各８極の爪極部に合わせて凹凸も有しており、実際には８本の柱部が放射状に配置された形状をもつ。よく知られているようにポールコア１２の爪極部１２３とポールコア１４の爪極部１４３とは周方向交互に配置されている。

ロータ１の模式斜視図を図２に示し、ロータ１の軸方向中央部における径方向断面を図３に示す。ただし、図２において、永久磁石１５の形状及び配置は模式的に図示されており、より正確な形状及び配置は図６に示されている。

図２及び図３において、周方向一定ピッチで配置された爪極部１２３と爪極部１４３との間に、永久磁石１５と非磁性のスペーサ１６とのペアが配置されている。永久磁石１５は周方向（正確には接線方向）へ磁化されている。図３に示すように、永久磁石１５の一対の磁極面の一方は、爪極部１２３及び爪極部１４３の右端面に当接し、永久磁石１５の一対の磁極面の他方は、爪極部１２３及び爪極部１４３の左端面にスペーサ１６を介して当接している。スペーサ１６は非磁性体により構成され、この実施例では合成樹脂により形成されている。

このような永久磁石１５の配置によれば、スペーサ１６を永久磁石１５に置換した場合に比べて永久磁石１５が爪極部１２３又は爪極部１４３に形成する磁束分布が変化する。永久磁石１５の磁束（磁石磁束）の分布例が図３に破線にて示されている。

永久磁石１５は、自己に対して図３における時計方向側に隣接する爪極部１４３又は爪極部１２３に対して、自己に対して図３における反時計方向側に隣接する爪極部１４３又は爪極部１２３に比べて相対的に弱い磁気的影響を与える。これは、図３に示すように磁石磁束が、ステータコア２１及び反時計側の爪極部１２３の磁極面（ステータコア２１に対面する外周面部分）を経由することなく漏れ磁束となるためであることがわかる。

この結果として、磁石磁界は、各爪極部１２３及び爪極部１４３の磁極面のうち時計方向側の半部の磁束密度を、反時計側のそれよりも増強することができるので、本発明者により観測された爪極部１４３の時計方向側の半部の磁束密度の低下減少を補うことができる。つまり、ステータコア２１と爪極部１４３及び爪極部１２３との間の電磁ギャップの磁界を正弦波形状に近づけることができ、ティースの高調波径方向振動を低減して耳障りな磁気騒音の高調波成分を低減することができる。

各永久磁石１５の形状、並びに、周方向及び軸方向におけるより正確な配置を図６を参照して更に詳しく説明する。図６の上部は、第１の爪極部１２３、第２の爪極部１４３及び永久磁石１５の周方向及び軸方向の形状、配置を示す展開図を示し、図６の下部は、この爪極部１２３、爪極部１４３によるロータ１の外周面の磁界の周方向分布を示す図である。

まず第１に、この実施形態では、永久磁石１５の軸方向長は、爪極部１２３、１４３のそれに較べて短く形成されている。

第２に、この実施形態では、軸方向一端からその軸方向他端に向けて周方向へ傾設された爪極部１２３と爪極部１４３との間の隙間１００内において、各永久磁石１５は、隙間１００の周方向中央位置ｍ（図６では電気角度θ＝π／２又は３π／２）よりも周方向一方側に所定角度φだけ偏位して配置されている。言い換えると、周方向奇数番目の永久磁石１５は、爪極部１２３と爪極部１４３との間の隙間１００において爪極部１２３と爪極部１４３とのうちの一方（爪極部１２３と爪極部１４３とのうちの周方向一方側の爪極部）に対して近接し、他方に対して離れて配置される。

第３に、周方向奇数番目の永久磁石１５と、周方向偶数番目の永久磁石１５とは軸方向へ所定距離だけずれて配置されている。言い換えると、周方向奇数番目の永久磁石１５は、周方向一方側に近接する爪極部１４３の軸方向一方側に近接配置され、周方向偶数番目の永久磁石１５は、周方向一方側に近接する爪極部１２３の軸方向他方側に近接配置されている。更に具体的に言うと、永久磁石１５は、周方向に隣り合った爪極部１２３、爪極部１４３の頂点側（先端１０１側）にずれて配置される。aは、永久磁石１５によって磁界Ｈに影響の及ぶ範囲を示している。なお、各永久磁石１５は、周方向両側の爪極部１２３，１４３のうち既述したように周方向一方側の爪極部に近接乃至隣接配置されるが、重要な点は、周方向両側の爪極部１２３，１４３のうち、磁気音の第３高調波成分を低減可能な側の爪極部に近接乃至隣接配置される点である。この点について以下に説明する。

図６の下側に示す磁界波形図は、ステータコアとロータコアとの間の電磁ギャップの磁界を示す。２００は、永久磁石１５を設けない場合におけるロータコアとステータコアとの間の電磁ギャップにおける磁界である。磁界２００は、その基本波成分に対してかなりの大きさの第３高調波成分２０２を含んでいるため、その波形は歪んでいる。一方、２０１は、図６の上部に示す形状及び配置をもつ永久磁石１５を装備させた場合における上記電磁ギャップにおける磁界である。

すなわち、このような軸方向に短い永久磁石１５を周方向一方側（特に磁界Ｈの第３高調波低減側）へ偏設すると、周方向において磁石が存在する領域にて磁界２００の第３高調波成分２０２と逆位相かつ同一周波数成分の磁石磁界を磁界２００に局部的に追加でき、その結果として、磁界２００の第３高調波成分２０２を大幅にキャンセルすることができる。

つまり、図６において周方向において破線で囲んだ領域A（第３高調波成分２０２の振幅が負となる領域）の磁界２００は、永久磁石１５により局部的に増加させられて磁界２０１となるため、電磁ギャップの磁界の第３高調波成分２０２を良好にキャンセルすることができ、磁界Ｈの径方向波形２００をひずみの少ない基本波２０１に近づけることができるので、磁気音を低減することができる。

言い換えると、図６において、爪極部１２３と爪極部１４３との間の隙間１００の周方向占有長さのうち、周方向一方側の一部にだけに永久磁石１５が配置されるため、磁石磁界による電磁ギャップの磁界の強化は周方向において局部的に限定される。そこで、電磁ギャップ磁界のうち第３高調波の半波と逆位相となるように、磁石を周方向へ偏設することにより、第３高調波を良好にキャンセルできる。

つまり、この実施例によれば、爪極部１２３と爪極部１４３との間の隙間１００を軸方向に対して周方向に斜設しておき、更に爪極部１２３及び爪極部１４３に較べて永久磁石１５を軸方向に短く形成し、更に奇数番目の永久磁石１５を磁石間隙間１００内にて周方向一方側かつ軸方向一方側へ配置し、偶数番目の永久磁石１５を磁石間隙間１００内にて周方向一方側かつ軸方向他方側へ配置したことにより、上記電磁ギャップ磁界のうち第３高調波の半波と逆位相となるように磁石を周方向へ偏設することにより第３高調波を良好にキャンセルしたものである。

（変形態様）
スペーサ１６は非磁性体又は磁気特性すなわち透磁率が小さい素材であればよく、たとえば非磁性の金属でもよく、磁路断面積が小さければ軟磁性金属でもよい。

（変形態様）
変形態様を図４に示す。この態様は永久磁石１５及びスペーサ１６を磁石保護カバー１７で包んだ形状を有している。このようにすれば、永久磁石１５を衝撃から保護できるとともに永久磁石１５とスペーサ１６との一体性を向上することができる。

磁石保護カバー１７は、樹脂、非磁性金属、軟磁性金属のどれを用いて製造してもよい。磁石保護カバー１７とスペーサ１６とを一体化してもよい。また、図５に示すように、磁石保護カバー１７が永久磁石１５のみを包み、スペーサ１６を磁石保護カバー１７の外側面に固定する構成を採用してもよい。その他、スペーサ１６を弾性体たとえばばね部材として永久磁石１５を接線方向へ弾性付勢してもよい。

（変形態様）
その他、永久磁石１５は従来同様、爪極部１２３と爪極部１４３との周方向隙間に一杯に配置してスペーサ１６を省略し、その代わりに、爪極部１４３及び爪極部１２３の一方の外側面近傍の磁気特性を、たとえばレーザー加熱などにより低下させてもよい。

第１実施例の磁石併用ランデル式ロータコアを有する車両用交流発電機の軸方向断面図である。 図１の磁石併用ランデル式ロータコアの斜視図である。 図２の磁極筒部型ランデル式ロータコアの径方向部分断面図である。 永久磁石とスペーサとを一体化した一例を示す断面図である。 永久磁石とスペーサとを一体化した他例を示す断面図である。 第２実施例の磁石配置を示す模式説明図である。

符号の説明

１ ロータ
２ ステータ
３ フロントフレーム
４ リヤフレーム
１１ 回転軸
１２ ポールコア
１３ 励磁コイル
１４ ポールコア
１５ 永久磁石
１６ スペーサ
１７ 磁石保護カバー
２１ ステータコア
２２ ステータコイル
１２１ ボス部
１２２ ディスク部（柱部）
１２３ 爪極部
１４１ ボス部
１４２ ディスク部（柱部）
１４３ 爪極部

Claims (6)

1. 界磁コイルが巻装されて界磁束が軸方向に流れるボス部と、前記ボス部の軸方向端から周方向所定ピッチで径方向外側へ突出する柱部と、前記各柱部の先端から軸方向へ延在して前記界磁コイルを囲む第１の爪極部とを有する第１のポールコアと、
   界磁コイルが巻装されて界磁束が軸方向に流れるボス部と、前記ボス部の軸方向端から周方向所定ピッチで径方向外側へ突出する柱部と、前記各柱部の先端から軸方向へ延在して前記界磁コイルを囲む第２の爪極部とを有する第２のポールコアと、
   周方向交互に配置される前記第１の爪極部と前記第２の爪極部との間の隙間に個別に介設されて前記第１の爪極部を第１の極性に、前記第２の爪極部を第２の極性に磁化する多数の永久磁石と、
   を備える回転電機の回転子において、
   前記各永久磁石は、電磁ギャップ磁界のうち第３高調波の半波をキャンセルする逆位相波が発生するように、前記第１の爪極部と前記第２の爪極部の周方向の両側の端面のうち前記回転子の回転方向側の端面のみに直接又は磁石保護カバーを介して当接され、周方向に並ぶ前記第１の爪極部と前記第２の爪極部との間の隙間の周方向一方側の一部にだけ偏設され
   周方向奇数番目の前記永久磁石と周方向偶数番目の前記永久磁石とは、軸方向に所定距離だけ交互にずれて配置されていることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 請求項１記載の回転電機の回転子において、
   劣る磁束透過性を有して前記各永久磁石と回転子反回転方向側の前記爪極部端面との間に介設されるスペーサを有する回転電機の回転子。
3. 請求項２記載の回転電機の回転子において、
   前記スペーサは非磁性部材からなる回転電機の回転子。
4. 請求項３記載の回転電機の回転子において、
   前記スペーサは、前記永久磁石を被覆する磁石保護カバーと一体に形成されている回転電機の回転子。
5. 請求項３記載の回転電機の回転子において、
   前記スペーサは、前記永久磁石を被覆する磁石保護カバーに内蔵される回転電機の回転子。
6. 請求項１記載の回転電機の回転子において、
   周方向交互に配置される前記第１の爪極部と前記第２の爪極部との間の隙間は、その軸方向一端からその軸方向他端に向け傾設されており、
   前記永久磁石は、前記隙間の軸方向長より短い軸方向長さを有するとともに、前記隙間の周方向中央位置よりも周方向に所定角度だけ偏位して配置されることを特徴とする回転電機の回転子。

Images