JP4677812B2 - タンデム式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、ランデル型ロータを有するタンデム式回転電機に関する。

二つのランデル型ロータをタンデム結合して出力倍増を図った回転電機（以下、タンデム型回転電機ともいう）が提案されている（特開平１−１５７２５１号、特開平５−１３７２９５号、特開平５−３０８７５１号）。このタンデム式ランデル型回転電機によれば、２つの発電電圧をそれぞれ独立制御可能に一つの回転電機から出力することが容易となり、２つの発電機を別々に配置するのに比べて、必要スペースの低減やコストダウンなどの効果を挙げることができる。このような２発電電圧を独自制御可能に発生することは、たとえば従来の１２Ｖ系に加えて４２Ｖ系などの高電圧を別に出力可能な２電圧型回転電機に特に好適である。

しかしながら、上記した従来のタンデム型回転電機では、一対のステータ・ロータペアを軸方向に並べる構造をもつため、軸方向長が増大するという問題があった。また、それぞれ大きな発熱源である二つのステータ・ロータペアが近接して配置されるため、発熱体の空間密度が増大するとともに冷却ファンの配置が困難となり、その結果として通常のランデル型回転電機に比べてコイルなどの温度敏感部品の温度上昇が過酷となるという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、内蔵部品の温度上昇を抑止しつつ軸方向長の縮小を実現したタンデム式回転電機を提供することをその目的としている。

以下に示す各独立発明のタンデム式回転電機は、ランデル型ロータコアと、前記ランデル型ロータのボス部に個別に巻装された界磁コイルと、前記ランデル型ロータの爪部の径方向外側に配置されたステータコアと、前記ステータコアに個別に巻装されたステータコイルとをそれぞれ有する一対のステータ・ロータペアを軸方向に隣接又は近接させ、前記両ステータ・ロータペアのランデル型ロータコアは同一の回転軸に固定され、前記一対のステータ・ロータペアのステータコイルの出力電流は互いに独立に制御される回転電機（以下、タンデム式回転電機と称する）に関する。

第１発明のタンデム式回転電機では特に、前記ロータコアは、軸方向内側の端面に遠心冷却翼を持たず、軸方向外側の端面に遠心冷却翼をもち、前記ステータ・ロータペアの界磁コイルの軸方向中心位置は、前記ステータ・ロータペアのステータコアの軸方向中心位置よりも他方の前記ステータ・ロータペア側にずれていることを特徴としている。すなわち、この発明によれば、ロータはステータよりも軸方向内側に偏設される。このようにすれば、ステータ・ロータペアの発電出力を低減することなく、タンデム式回転電機の軸方向長の増大を抑止しつつその冷却性能を改善することができる。本発明の作用効果については、実施形態にて更に詳しく説明するものとする。

好適態様において、前記一対のステータ・ロータペアのロータコアは、熱伝導性に優れたスペーサを介して密着している。このようにすれば、一対のステータ・ロータペアの一方特にその界磁コイルの発熱がもう一つの界磁コイルの発熱より大きい場合に、高温の界磁コイルの熱は、スペーサを通じて低温側のロータコアに良好に吸収されるため、界磁コイルの温度低下を実現することができる。

好適態様において、出力トルクが大きい側のロータコアは、前記一対のステータ・ロータペアのうち前記回転軸のトルク伝達側の端部に近接配置される。このようにすれば、回転軸の径を縮小することができ、回転軸のねじりを減らすことができる。

好適態様において、前記一対のステータ・ロータペアの電流を制御する回路装置は、前記一対のステータ・ロータペアのうち小発熱側のステータ・ロータペアに隣接するハウジングの反トルク伝達側の端面に固定される。このようにすれば、たとえば整流装置のような最高許容温度に激しい制限をもつ回路装置の温度上昇を抑止することができる。

好適態様において、前記一対のステータコイルは、高電圧を発生する高電圧コイルと、低電圧を発生する低電圧コイルとからなり、前記回路装置の整流装置は、高整流電圧と低整流電圧とを出力し、前記高整流電圧は、前記高電圧コイルの発電電力と前記低電圧コイルの発電電力とに基づいて形成されている。このようにすれば、高電圧側のステータコイルのターン数を減らすことができるため、高電圧側のステータコイルの導体断面積を増大することができる。高電圧側の出力増大を図ることができる。

その他の独立発明は、上記各好適態様と同様であるため、説明を省略する。

本発明のタンデム型回転電機の好適な実施態様を以下の実施例を参照して説明する。なお、この実施態様のタンデム式回転電機は、ランデル型ロータコアをもつので、ランデル型ロータを有するタンデム式回転電機とも呼ばれる。

（全体構成）
まず、実施例１のタンデム式回転電機の全体構造を図１を参照して以下に説明する。１はハウジング、２は第１回転電機部、３は第２回転電機部、４は回転軸、５はプーリ、６、７は軸受け、８は整流器及びレギュレータを含む回路装置、９は前側冷却ファン、１０は後側冷却ファンである。

ハウジング１は、フロントハウジング１１と、センターハウジング１２と、リヤハウジング１３とからなり、図示しないスルーボルトで締結して構成されている。回転軸４は、軸受け６，７を介してハウジング１に支承されており、プーリ５がハウジング１から前方へ突出する回転軸４の前端部に固定されている。回路装置８はリヤハウジング１３の後端面の外周部に固定されている。

第１回転電機部２は、ランデル型ロータコア２１と、ランデル型ロータコア２１に個別に巻装された界磁コイル２２と、ランデル型ロータコア２１の径方向外側に配置されたステータコア２３と、ステータコア２３に個別に巻装されたステータコイル２４とをそれぞれ有する一対のステータ・ロータペアからなる。ランデル型ロータコア２１は、それぞれボス部２１１と、ポール部２１２と、爪部（爪状磁極）２１３とをもつハーフコアのボス部２１１同士を突き合わせてなり、ランデル型ロータコア２１のボス部２１１には界磁コイル２２が巻装されている。ステータコア２３はフロントハウジング１１とセンターハウジング１２とにより挟設されており、ステータコア２３にはステータコイル２４が巻装されている。

第２回転電機部３は、ランデル型ロータコア３１と、ランデル型ロータコア３１に個別に巻装された界磁コイル３２と、ランデル型ロータコア３１の径方向外側に配置されたステータコア３３と、ステータコア３３に個別に巻装されたステータコイル３４とをそれぞれ有する一対のステータ・ロータペアからなる。ランデル型ロータコア３１は、それぞれボス部３１１と、ポール部３１２と、爪部３１３とをもつハーフコアのボス部３１１同士を突き合わせてなり、ランデル型ロータコア３１のボス部３１１には界磁コイル３２が巻装されている。ステータコア３３はセンターハウジング１２とリヤハウジング１３とにより挟設されており、ステータコア３３にはステータコイル３４が巻装されている。

上記した第１回転電機部２及び第２回転電機部３は、典型的なランデル型ロータコアをもつ回転電機であって、その他の構造詳細は通常のランデル型回転電機と同じであるためこれ以上の説明は省略する。ただし、実際には回転軸４のリヤ側の端部に界磁コイル給電用の３個のスリップリング及びブラシが設けられているが図示は省略する。これら３個のスリップリングの一つは、２たとえば接地端子をなす界磁コイルの共通端子であり、その他の二つは、界磁コイル２２、３２に給電するための端子をなす。

ロータコア２１の一対のハーフコアのうち軸方向内側のハーフコアは、輪板状のスペーサ９aを介して、ロータコア３１の一対のハーフコアのうち軸方向内側のハーフコアに押しつけられている。スペーサ９aはこの実施例では銅板製であり、ロータコア２１とロータコア３１とを熱的に一体化している。ただし、ロータコア２１とロータコア３１とは非磁性のスペーサ９aにより磁気的に分離されており、これにより第１回転電機部２と第２回転電機部３との磁気的干渉を防ぎ、これら二つの回転電機部２、３の発電電圧の独立制御性を向上させている。ただし、スペーサ９aをたとえば軟鉄輪板製とすることにより、スペーサ９aを挟んで互いに隣接一対のハーフコアを共通磁路化してもよい。この場合、両ロータコア２１、３１の界磁束Φ１、Φ２の方向は図１に示すように、上記隣接一対のハーフコアの磁束密度が減少する方向とすることが好適である。

この実施例では、第１回転電機部２のステータコイル２４は、第２回転電機部３のステータコイル３４よりも大きいターン数をもち、第１回転電機部２は高電圧発電用とされている。ステータコイル２４から出力された高電圧出力とステータコイル３４から出力された低電圧出力とは、回路装置８に内蔵された一対の三相全波整流器により個別に整流されて図示省略した高電圧負荷と低電圧負荷とに個別に出力される。回路装置８には一対の界磁電流制御用のレギュレータが収容されており、これら一対のレギュレータはそれぞれの発電電圧に応じて界磁電流を個別に制御する。

前側冷却ファン９及び後側冷却ファン１０は、それぞれ遠心冷却翼であり、前側冷却ファン９はロータコア２１の前側の各ポール部分に固定され、後側冷却ファン１０はロータコア３１の後側の各ポール部分に固定されている。前側冷却ファン９は、フロントハウジング１１の前端壁の吸入孔から吸い込んだ冷却空気を付勢し、ハウジング１の周壁の吹き出し孔から吹き出させる。これにより、ステータコイル２４のコイルエンドとロータコア２１とが冷却される。後側冷却ファン１０は、リヤハウジング１３の後端壁の吸入孔から吸い込んだ冷却空気を付勢し、ハウジング１の周壁の吹き出し孔から吹き出させる。これにより、ステータコイル３４のコイルエンドとロータコア３１とが冷却される。

（冷却作用の説明）
次に、この実施例の特徴点を図１を参照して詳しく説明する。図１において、Ｃ１はステータコア２３の軸方向中心位置、Ｃ２はステータコア３３の軸方向中心位置、Ｃ３は界磁コイル２２の軸方向中心位置、Ｃ４は界磁コイル３２の軸方向中心位置である。図１から明らかなように、Ｃ１はＣ３よりも軸方向外側（前方）に設けられ、Ｃ２はＣ４よりも軸方向外側（後方）に設けられている。

これにより、ロータコア２１の前端面は、ステータコア２３の前端面と略等しい軸方向位置をもち、ロータコア２１の後端面は、ステータコア２３の後端面よりも後方へ突出している。図１からわかるように、ロータコア２１の後端面はステータコイル２４の後側のコイルエンドの後端と略等しい軸方向位置を有している。

同様に、ロータコア３１の後端面は、ステータコア３３の後ろ端面と略等しい軸方向位置をもち、ロータコア３１の前端面は、ステータコア３３の前端面よりも前方へ突出している。図１からわかるように、ロータコア３１の前端面はステータコイル３４の前側のコイルエンドの前端と略等しい軸方向位置を有している。

つまり、この実施例では、一対のロータコア２１、３１の間に冷却ファンを持つことが困難なタンデム式回転電機において、一対のロータコア２１、３１の間に冷却ファンが無いため従来空きスペースとなっていたロータコア２１、３１の間を有効活用するため、ロータコア２１、３１を軸方向において互いに接近させたものである。なお、このロータコア２１、３１の間の空きスペースは、ステータコイル２４のコイルエンドの軸方向長とステータコイル３４のコイルエンドの軸方向長の合計以上は存在するため、従来無視できない容積となっていた。

このロータコア２１、３１の軸方向接近により、従来のタンデム式回転電機から電磁気特性を悪化させることなく、ステータコア２３よりも前方に突出していたロータコア２１の前端面を後方へ変位させることができ、ロータコア２１の前端面とフロントハウジング１１の内端面との間に広い空きスペースを確保することができる。なお、この空きスペースの軸方向長は、ステータコイル２４のコイルエンドの軸方向長以上となる。これにより、全体体格を増大することなくこの空きスペースに設けられる冷却ファン９を大型化することができ、ロータコア２１やステータコイル２４やステータコア２３の冷却性を向上することができる。

言い換えれば、従来のタンデム式回転電機の問題点は、通常の単一ロータコア型回転電機がロータの両側に冷却ファンを設けられることに比べて冷却ファンをそれぞれのロータコアの片側にしか設けることができないため、界磁コイルの冷却性が悪化することにあった。この実施例によれば、全体体格増大を図ることなく大型冷却ファンを設置できるため、低回転域でもロータコア又は界磁コイルを十分な風量で冷却することができ、界磁コイルの絶縁樹脂の電気絶縁特性の劣化を防止することができる。

上記と同様に、ロータコア２１、３１の軸方向接近により、ロータコア３１の後端面を前方へ変位させることができ、冷却ファン１０を大型化することができ、ロータコア３１やステータコイル３４やステータコア３３の冷却性を向上することができる。

（スペーサ９aの作用）
次に、スペーサ９aの作用を補足説明する。この実施例では、スペーサ９aを銅（アルミでもよい）製の輪板とした。これにより、ロータコア２１、３１の磁気的独立性を確保しつつ両者間の熱伝導性を向上することができ、界磁コイル温度の低減に特に有効である。更に説明すると、二つのロータコア２１、３１が両方とも高温となるケースは少ない。たとえば第１回転電機部２は特別の高電圧負荷に給電する高電圧発電機、第２回転電機部３を通常の車載負荷に常時給電する低電圧発電機としたケースについて更に説明する。第１回転電機部２が発電していない時には、界磁コイル３２にとって、ロータコア２１は大きな放熱源となるため、スペーサ９aの設置により、界磁コイル３２の温度を低下でき、その電気抵抗を低下し、その絶縁樹脂の劣化を防止することができる。

また、第１回転電機部２が大出力発電を行う場合でも、第２回転電機部３が全負荷運転することはほとんど無いため、界磁コイル２２にとってロータコア３１は大きな放熱源となり、界磁コイル２２の温度を低下でき、その電気抵抗を低下し、その絶縁樹脂の劣化を防止することができる。

（その他の特徴）
図１において、第１回転電機部２は第２回転電機部３よりも大出力であり、ロータコア２１はロータコア３１よりも大きく形成されている。また、ロータコア２１はロータコア３１よりもプーリ５側に配置されているため、回転軸４の径を縮小することができ、回転軸４のねじりを減らすことができる。更に、回路装置８は、第１回転電機部２よりも発熱が小さい第２回転電機部３側に固定されるため、回路装置の温度上昇を抑制することができる。

（変形態様）
図１では、ロータコア２１の後側のハーフコアの爪部（爪状磁極）２１３と、ロータコア３１の前側のハーフコアの爪部３１３とを周方向半磁極ピッチずれて配置されていたが、図２では、ロータコア２１の後側のハーフコアの爪部（爪状磁極）２１３と、ロータコア３１の前側のハーフコアの爪部３１３とを周方向等位置にセットした。このようにすれば、特に、漏れ磁束低減に有効である。

（整流回路例１の説明）
回路装置８に内蔵される整流装置の一例を図３に示す。２４U、２４V、２４Wはステータコイル２４の３相の各相コイルであり、３４U、３４V、３４Wはステータコイル３４の３相の各相コイルである。１０１は高電圧側の三相全波整流器、１０２は低電圧側の三相全波整流器、１０３は高電圧側の出力制御リレーである。三相全波整流器１０２はステータコイル３４の発電電圧を整流して図示しない低電圧負荷に給電する。ステータコイル３４はステータコイル２４と相ごとに直列接続されており、これにより、三相全波整流器１０１は、ステータコイル２４とステータコイル３４との合成電圧を三相全波整流して出力する。このようにすれば、ステータコイル２４のターン数を減らせる分だけ、ステータコイル２４の導体断面積を稼いでその発熱を低減することができる。

（整流回路例２の説明）
回路装置８に内蔵される整流装置の他例を図４に示す。この実施例では、高電圧側の三相全波整流器１０１の低電位側の出力端は、低電圧側の三相全波整流器１０２の高電位側の出力端に接続される。このようにすれば、整流回路例１と同様に、ステータコイル２４の発電電圧を低減できるためにステータコイル２４のターン数を減らせる分だけ、ステータコイル２４の導体断面積を稼いでその発熱を低減することができる。更に、図３に比べて、界磁コイル２２の界磁電流制御を三相全波整流器１０２の電圧により行い、界磁コイル３２の界磁電流制御を三相全波整流器１０１の電圧により行うだけで、高電圧（VH）の電圧制御と低電圧（VL）の電圧制御とを三相全波整流器１０１、１０２を別々に運転する場合と同様に調節することができる。

実施例のタンデム式型回転電機の軸方向模式断面図である。 図１の変形態様の軸方向模式断面図である。 図１のタンデム式型回転電機の整流回路図である。 図３の変形態様の整流回路図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 第１回転電機部
３ 第２回転電機部
４ 回転軸
５ プーリ
８ 回路装置
９a スペーサ
９ 前側冷却ファン
１０ 後側冷却ファン
１１ フロントハウジング
１２ センターハウジング
１３ リヤハウジング
２１ ランデル型ロータコア
２２ 界磁コイル
２３ ステータコア
２４ ステータコイル
３１ ランデル型ロータコア
３２ 界磁コイル
３３ ステータコア
３４ ステータコイル
１０１ 三相全波整流器
１０２ 三相全波整流器
２１１ ボス部
２１２ ポール部
２１３ 爪部
３１１ ボス部
３１２ ポール部
３１３ 爪部

Claims (5)

1. ランデル型ロータコアと、前記ランデル型ロータのボス部に個別に巻装された界磁コイルと、前記ランデル型ロータの爪部の径方向外側に配置されたステータコアと、前記ステータコアに個別に巻装されたステータコイルとをそれぞれ有する一対のステータ・ロータペアを軸方向に隣接又は近接させ、前記両ステータ・ロータペアのランデル型ロータコアは同一の回転軸に固定され、前記一対のステータ・ロータペアのステータコイルの出力電流は互いに独立に制御されるタンデム式回転電機において、
   前記ロータコアは、軸方向内側の端面に遠心冷却翼を持たず、軸方向外側の端面に遠心冷却翼をもち、前記ステータ・ロータペアの界磁コイルの軸方向中心位置は、前記ステータ・ロータペアのステータコアの軸方向中心位置よりも他方の前記ステータ・ロータペア側にずれていることを特徴とするタンデム式回転電機。
2. 請求項１記載のタンデム式回転電機において、
   前記一対のステータ・ロータペアのロータコアは、熱伝導性に優れたスペーサを介して密着しているタンデム式回転電機。
3. 請求項１又は２記載のタンデム式回転電機において、
   出力トルクが大きい側のロータコアは、前記一対のステータ・ロータペアのうち前記回転軸のトルク伝達側の端部に近接配置されるタンデム式回転電機。
4. 請求項１乃至３のいずれか記載のタンデム式回転電機において、
   前記一対のステータ・ロータペアの電流を制御する回路装置は、前記一対のステータ・ロータペアのうち小発熱側のステータ・ロータペアに隣接するハウジングの反トルク伝達側の端面に固定されるタンデム式回転電機。
5. 請求項１乃至４のいずれか記載のタンデム式回転電機において、
   前記一対のステータコイルは、高電圧を発生する高電圧コイルと、低電圧を発生する低電圧コイルとからなり、
   前記回路装置の整流装置は、高整流電圧と低整流電圧とを出力し、
   前記高整流電圧は、前記高電圧コイルの発電電力と前記低電圧コイルの発電電力とに基づいて形成されているタンデム式回転電機。

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