JP4544309B2

JP4544309B2 - 車両用交流発電機の回転子

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Publication number: JP4544309B2
Application number: JP2008010320A
Authority: JP
Inventors: 博雄海津
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2028-01-21
Also published as: US7834493B2; JP2009171812A; US20090184593A1

Description

本発明は、自動車やトラック等に搭載される車両用交流発電機の回転子に関する。

車両用交流発電機の回転子に備わった冷却ファンのブレード（羽根）には、、回転により遠心力が作用する。このとき、ブレードは外径方向の力を受け、反ブレード側への倒れ込みを起す。ファンブレードがポールコア（爪状磁極）の軸方向端面に確実に接合されている場合、爪状磁極からの反力によりこの変形を抑えることができる。

また、ファン音の次数分散を考慮すると、ブレードのピッチを不等ピッチにすることが望ましい（例えば、特許文献１参照。）。不等ピッチにした場合、爪状磁極に部分的に乗っている強度の低いブレードを設定せざるをえない場合が生じる。この強度の低いブレードについても遠心力に耐える強度を持たせるためには、ブレードを小さくするなどの方法があるが、冷却能力の低下が発生するため望ましくない。特許文献１では、冷却ファンの基部（ファンベース）に設けられる第１および第２の固定部の位置を工夫することにより、ブレードの固定強度を確保している。
特許第３８７６９１２号公報（第３−５頁、図１−３）

ところで、特許文献１に開示された車両用交流発電機の回転子では、ファンベースの固定部の位置を工夫しているが、製品の制約上の観点から必ずしも各固定部の位置を特許文献１で示された位置に設定することができない場合がある。また、特許文献１の回転子では、ファンベースの一部であってブレードの内径側に切り欠き部が形成されているが、この切り欠き部の向きや長さによっては遠心力によってブレードが変形したときに切り欠き部に作用する応力が過大になって冷却ファンの強度が低下したり、ブレードの変形量が大きくなるという問題があった。小型・高速回転の車両用交流発電機では、この変形量を固定子と回転子の間のギャップ以下にしなければならない。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、冷却性と強度を両立させた冷却ファンを備える車両用交流発電機の回転子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電機の回転子は、複数の磁極爪を有する一対の磁極鉄心と、磁極鉄心のボス部に巻装される界磁コイルと、磁極鉄心に固定された冷却ファンとを備えており、冷却ファンは、磁極鉄心の軸方向端面に固着された基部と、基部より軸方向に立設された複数の翼部とを有し、基部の一部であって翼部の内周側には切り欠き部が形成されており、切り欠き部を、この切り欠き部が形成された翼部に対応する磁極爪の径方向の向きと直角をなすように配置している。

切り欠き部が傾斜していると、磁極爪の外周端部近傍に発生する応力発生起点から切り欠き部の内周側端部に向けて応力集中が発生する。これに対し、切り欠き部の向きを磁極爪の径方向の向きに対して直角にすると、この切り欠き部の全体で応力を受けることができるため、端部のみに応力が集中することを緩和することができ、冷却ファンの強度を向上させることができる。また、強度確保のために冷却ファンを小さくする必要もないため、冷却性の低下を防止することができる。

また、一部の翼部は一の磁極爪に部分的に対応しており、この一部の翼部に対応する切り欠き部の長さがこの翼部の根元のＲ形状の半径ｒの２．２倍以下で、半径ｒが板厚寸法以上になっている。

このように、翼部の一部しか磁極爪に対応していない場合には強度低下が懸念されるが、このような場合であっても切り欠き部の長さを所定値以下に設定することにより、強度低下を抑制して遠心力による翼部の変形量を許容値以下に収めることが可能になる。

また、部分的に磁極爪に対応する翼部に対して周方向に連続する基部は、隣接する２つの磁極爪に対応している。

このように、翼部に対応する基部が２つの磁極爪にまたがっている場合には強度低下が懸念されるが、このような場合であっても、切り欠き部の向きあるいは長さを工夫することにより、強度低下を抑制して遠心力による翼部の変形量を許容値以下に収めることが可能になる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機の回転子について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の車両用交流発電機の回転子を示す断面図である。図１に示す本実施形態の回転子１００は、図示しない車両用交流発電機のフレームに回転可能に支持されており、車両に搭載されたエンジンによって回転駆動される。この回転子１００は、回転軸１と、この回転軸１に嵌着されるランデル型の一対の磁極鉄心２、３と、これらの磁極鉄心２、３に樹脂ボビン５を介して巻装される界磁コイル４と、磁極鉄心２、３のそれぞれの軸方向端面に固着される冷却ファン９、１０を含んで構成されている。

リア側の磁極鉄心３は、回転軸１と一体になって回転する円柱形状のボス部３１と、このボス部３１と一体形成されてボス部３１の一方の軸方向端面（リア側の冷却ファン１０が固着された軸方向外端部）から径方向外側に延在するディスク部３２と、このディスク部３２と一体形成されてディスク部３２の外周部分から個別に軸方向に延在する複数（例えば８個）の磁極爪３３とを有している。なお、フロント側の磁極鉄心２もリア側の磁極鉄心３と同じ形状を有している。

一対の磁極鉄心２、３は、複数の磁極爪３３を交互に噛み合わせた状態で組み立てられている。また、磁極鉄心２、３のボス部３１とディスク部３２と磁極爪３３とで囲まれた空間に、上述した樹脂ボビン５とこれに巻装された界磁コイル４とが収納されている。界磁コイル４には、スリップリング７、８を介して界磁電流が流される。これにより、磁極鉄心２、３は、一方がＮ極に、他方がＳ極に磁化される。

次に、リア側の磁極鉄心３の軸方向端面に固着される冷却ファン１０について詳細に説明する。図２は、リア側の冷却ファン１０の詳細形状を示す図であり、回転子１００をスリップリング７、８側から見た形状が示されている。図２に示すように、冷却ファン１０は、外径方向に向かうに従い回転子２の反回転方向に湾曲した曲面形状を成して不等角度ピッチで配置されて軸方向に沿って立設された７個のファンブレード（翼部）１１０と、これらのファンブレード１１０を保持するとともに磁極鉄心３の軸方向端面に固着されたファンベース（基部）１２０とを有している。この冷却ファン１０は、回転子１００と一体的に回転することで発熱部（例えば、図示しない整流装置や固定子の巻線等）を冷却する冷却風を発生させる。ファンベース１２０には、磁極鉄心３の軸方向端面に１０ヶ所の溶接部１２２で溶接されて固着される。溶接部１２２は、３個のファンブレード１１０に対応するファンベース１２０には２ヶ所が、残りの４個のファンブレード１１０に対応するファンベース１２０には１ヶ所がそれぞれ設けられている。また、ファンベース１２０のファンブレード１１０の内径側には、回転時およびファンブレード１１０を切り起こす際の応力を緩和する目的で、ファンブレード１１０のそれぞれに対応して周方向に溝形状の切り欠き部１２４が設けられている。

次に、切り欠き部１２４の詳細について説明する。図３は、冷却ファン１０の部分的な拡大図である。図３に示すように、ファンベース１２０の一部であってファンブレード１１０の内周側には切り欠き部１２４が形成されている。この切り欠き部１２４は、この切り欠き部１２４が連続するファンベース１２０Ａに対応する磁極爪３３の径方向の向き（図３では補助線Ｐでこの向きが示されている）と直角をなすように配置されている。なお、図３では一部の切り欠き部１２４についてその配置（向き）を示したが、他の切り欠き部１２４についても同様である。

図３に示す一部のファンブレード１１０は、一つの磁極爪３３に部分的に対応している。すなわち、一部のファンブレード１１０は、その一部が磁極爪３３に対応する軸方向端面上に載っており、残りの部分がこの軸方向端面から外れるように配置されている。また、図３に示したファンブレード１１０に対して周方向に連続するファンベース１２０Ａは、隣接する２つの磁極爪３３に対応している（２つの磁極爪３３の上にまたがって載っている）。しかも、このファンベース１２０Ａは、一方の磁極爪３３には固着されておらず、他方の磁極爪３３に対して２箇所の溶接部１２２による溶接によって固着されている。

このようなファンブレード１１０は、全体が一つの磁極爪３３の軸方向端面上に載っているファンブレード１１０に比べると固着の強度が低下する傾向にある。本実施形態では、このようなファンブレード１１０に対応する切り欠き部１２４の長さがこのファンブレード１１０の根元のＲ寸法の２．２倍以下に設定されている。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線の部分的な拡大断面図である。図４に示すように、ファンブレード１１０は、ファンベース１２０に対して立設しており、その根元部がＲ形状を有している。このＲ形状の半径をｒとすると、図３に示す切り欠き部１２４の長さａが２．２ｒ以下に設定されている。

図５は、切り欠き部１２４の長さとファンブレード１１０の変形量の関係を示す図である。図５において、横軸の「切り欠き長さ」は切り欠き部１２４の長さを、縦軸の「翼部変形量」はファンブレード１１０が遠心力によって変形した際にその最外径部分が径方向に広がる量をそれぞれ示している。図５には、切り欠き部の長さを可変して実際にファンブレード１１０の変形量を調べた結果が示されている。なお、ファンブレード１１０の根元部のＲ形状の半径ｒは１ｍｍに設定されている。また、一般に、根元部のＲ形状の半径ｒは、板厚寸法以上でないとプレス曲げ加工時に亀裂などの不具合が発生することから、半径ｒの下限は自動的に板厚寸法により決定することとなる。

図５に示すように、切り欠き部１２４の長さが２．２ｍｍ以下、すなわち２．２ｒ以下の場合にはファンブレード１１０の変形量は少ないが、これを超えると変形量が大きくなる。したがって、本実施形態では、切り欠き部１２４の長さが２．２ｒ以下となるように設定されている。なお、ファンブレード１１０の変形量の許容限界値（ファンブレード１１０が固定子と接触する値）は例えば０．２６ｍｍであり、切り欠き部１２４の長さを２．２ｒ以下に設定することにより、ファンブレード１１０の変形量をこの許容限界値より大幅に小さくすることができる。

また、図３に示したファンブレード１１０に対して周方向に連続するファンベース１２０Ａは、隣接する２つの磁極爪３３に対応している（２つの磁極爪３３の上にまたがって載っている）。しかも、このファンベース１２０Ａは、一方の磁極爪３３には固着されておらず、他方の磁極爪３３に対して２箇所の溶接部１２２による溶接によって固着されている。なお、上述した説明では、図３に示したファンブレード１１０の切り欠き部１２４について説明したが、他のファンブレード１１０の切り欠き部１２４についてもその長さを２．２ｒ以下に設定するようにしてもよい。

このように、本実施形態の回転子１００では、切り欠き部１２４の向きを磁極爪３３の径方向の向きに対して直角にしているため、ファンブレード１１０が遠心力によって変形したときにこの切り欠き部１２４の全体で応力を受けることができるため、切り欠き部１２４の端部のみに応力が集中することを緩和することができ、冷却ファン１０の強度を向上させることができる。また、強度確保のために冷却ファン１０を小さくする必要もないため、冷却性の低下を防止することができる。

また、ファンブレード１１０の一部しか磁極爪３３に対応していない場合や、ファンブレード１１０に対応するファンベース１２０が２つの磁極爪３３にまたがっている場合、２つの磁極爪３３にまたがったファンベース１２０が一方の磁極爪３３とだけ固着されている場合には強度低下が懸念されるが、このような場合であっても切り欠き部１２４の長さを所定値（２．２ｒ）以下に設定することにより、強度低下を抑制して遠心力によるファンブレード１１０の変形量を許容値以下に収めることが可能になる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、切り欠き部１２４をその向きが磁極爪３３の径方向の向きに対して直角になるように配置するとともに、切り欠き部１２４の長さが２．２ｒ以下となるようにしたが、これらは同時に実施する場合の他、いずれか一方のみを実施するようにしてもよい。

また、上述した実施形態ではリア側冷却ファン１０についてのみ説明したが、フロント側の冷却ファン９についても本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態では、不等角度ピッチで配置されるファンブレード１１０を有する冷却ファン１０について説明したが、等角度ピッチで配置されるファンブレードを有する冷却ファンについても本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態では、リア側の冷却ファン１０を磁極鉄心３に溶接によって固着する場合を考えたが、溶接以外の固定手段を用いるようにしてもよい。例えば、各溶接部１２２に対応する位置に貫通穴を設け、これらの貫通穴を用いて冷却ファン１０を磁極鉄心３にねじ止めして固定するようにしてもよい。

一実施形態の車両用交流発電機の回転子を示す断面図である。リア側の冷却ファンの詳細形状を示す図である。冷却ファンの部分的な拡大図である。図３のＩＶ−ＩＶ線の部分的な拡大断面図である。切り欠き部の長さとファンブレードの変形量の関係を示す図である。

符号の説明

１回転軸
２、３磁極鉄心
４界磁コイル
５樹脂ボビン
７、８スリップリング
９、１０冷却ファン
３１ボス部
３２ディスク部
３３磁極爪
１００回転子
１１０ファンブレード（翼部）
１２０ファンベース（基部）
１２２溶接部
１２４切り欠き部

Claims

複数の磁極爪を有する一対の磁極鉄心と、前記磁極鉄心のボス部に巻装される界磁コイルと、前記磁極鉄心に固定された冷却ファンとを備える車両用交流発電機の回転子において、
前記冷却ファンは、前記磁極鉄心の軸方向端面に固着された基部と、前記基部より軸方向に立設された複数の翼部とを有し、
前記基部の一部であって前記翼部の内周側には切り欠き部が形成されており、
前記切り欠き部を、この切り欠き部が形成された前記翼部に対応する前記磁極爪の径方向の向きと直角をなすように配置し、
一部の前記翼部は一の前記磁極爪に部分的に対応しており、この一部の前記翼部に対応する前記切り欠き部の長さがこの翼部の根元のＲ形状の半径ｒの２．２倍以下で、前記半径ｒが板厚寸法以上であることを特徴とする車両用交流発電機の回転子。
請求項１において、
部分的に前記磁極爪に対応する前記翼部に対して周方向に連続する前記基部は、隣接する２つの前記磁極爪に対応していることを特徴とする車両用交流発電機の回転子。