JP4815473B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、ブラシ及びスリップリングを備えた回転電機の構造に関するものである。

従来、例えば界磁巻線式の回転電機において、界磁電流はリヤブラケットに固定されたブラシと回転軸に取り付けられたスリップリングを介して供給される。この場合、固定されているブラシと回転しているスリップリングが接触するために、両者の摩擦により、ブラシとスリップリングが高温となってブラシ寿命が低下していた。また、ブラシ又はスリップリングの磨耗粉が発生し、磨耗粉による短絡、地絡が問題となっていた。

従来の回転電機では、ブラシ又はスリップリングを冷却し、ブラシ磨耗粉を排出するために、界磁鉄心の両側面に取り付けられた冷却用ファンによる冷却風を利用する。このとき、例えば特許文献１では、ブラシとスリップリング周辺に通風路を設け、外部へブラシ磨耗粉を排出する穴の形状として、外部から異物進入を防止するような構造が提案されている。

また、ブラシ及びスリップリングを有し、ロータの回転角を検出する回転角検出器を備えた回転電機において、回転角検出器の本体の外周部に冷却用ファンを設け、冷却風を回転検出器のセンサに送り、これらの温度上昇を抑制するものが示されている（例えば、特許文献２参照）。

特許３０５５４５１号公報 特開２００６−１８０５８０号公報（段落［００２９］〜［００３１］、図３、図４）

しかしながら、上記特許文献１では、ブラシとスリップリング周辺に通風路を設けているが、風を流すための動力としては回転子の界磁鉄心の端部に設けられた冷却用ファンを用いている。この冷却用ファンによる冷却風は、一般に回転電機の整流器、固定子、回転子等を冷却するためにも使用されるため、これらの部材を通る風量によって、ブラシ及びスリップリング周りの通風路に十分な風量を確保できない場合がある。

また、上記特許文献２に示すように、回転角検出器の本体の外周部に冷却用ファンを設けた場合は、確かにセンサは冷却することができるが、より発熱するブラシやスリップリングへ効果的に風を送ることができず、ブラシ磨耗粉の排出にも効果が薄い。

この発明は上記のような従来の課題を解消するためになされたものであり、ブラシ及びスリップリングへ効果的に冷却風を送ると共に、ブラシ磨耗粉を効果的に排出することができる回転電機を提供する。

この発明に係る回転電機は、ハウジングに回転自在に支持されている回転軸と、ハウジングに固定されると共に電機子巻線を有する固定子と、回転軸に固定されると共に界磁鉄心及び界磁巻線を有する回転子と、回転軸の回転子よりリヤ側の位置に固定されると共に界磁巻線に界磁電流を供給するスリップリングと、ハウジングのリヤ側に固定されると共にスリップリングを介して界磁巻線に界磁電流を供給するブラシと、回転軸のスリップリングよりリヤ側に配置される回転センサを備え、回転軸の回転センサよりリヤ側の位置、又は回転軸の回転センサよりフロント側であってスリップリングのリヤ側の位置に、回転センサ、ブラシ及びスリップリングに対してリヤ側からフロント側に向けて軸方向に冷却風を流す冷却用ファンを設置し、回転センサの固定子の周囲に軸方向のスリットを構成したことを特徴とする。

この発明によれば、ブラシ及びスリップリングへ効果的に冷却風を送ると共に、ブラシ磨耗粉を効果的に排出することができる。また、回転センサも効果的に冷却することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による回転電機を示す断面図であり、図２は実施の形態１による冷却用ファン装着部を示す拡大斜視図である。なお、本実施の形態で説明する回転電機１００は、車両用の交流発電電動機（モータジェネレータ）の例を示している。

本実施の形態の回転電機１００は、ハウジングとしてのフロントブラケット６及びリアブラケット７と、上記フロントブラケット６のベアリング１１Ａ及びリアブラケット７のベアリング１１Ｂを介して回転自在に支持されている回転軸１と、上記フロントブラケット６及びリアブラケット７に固定されると共に電機子巻線５ａを有する固定子５と、回転軸１に固定されると共に界磁鉄心２及び界磁巻線３を有する回転子１０と、回転軸１のフロント側の端部に固着されたプーリ９を備えている。そして、この回転電機１００は、プーリ９及びプーリ９に掛けられたベルト（図示せず）を介してエンジンの回転軸（図示せず）に連結されている。また、回転電機１００の駆動の際の発熱により、回転子１０や固定子５の温度が上昇するため、回転子１０の軸方向両端面には冷却用ファン１２及び１３が設けられている。

また、回転電機１００は、回転軸１のリヤ側に装着された一対のスリップリング４と、回転軸１のリヤ側外周に位置するようにリヤブラケット７に取り付けられたブラシホルダ８０と、上記一対のスリップリング４に摺接するようにブラシホルダ８０内に配置された一対のブラシ８を備えている。なお、本明細書では、回転子１０を中心として、プーリ９が取り付けられている側をフロント側、スリップリング４が取り付けられている側をリヤ側と呼ぶ。

さらに、回転電機１００は、直流電力を交流電力又は交流電力を直流電力に変換するパワー回路部３０と、回転子１０の界磁巻線３に界磁電流を供給する界磁回路部３１と、パワー回路部３０及び界磁回路部３１を制御する制御回路部３２を備え、外部接続用コネクタ３５及び電源端子３６を介して外部に接続される。

パワー回路部３０は、複数のパワー素子（後述するスイッチング素子）３０ａ及び３０ｂと、当該パワー素子３０ａ及び３０ｂに電気的に接続される電極部材を兼ねた内側ヒートシンク３０ｇ及び外側ヒートシンク３０ｈを備えている。各パワー素子間の接続は、樹脂にインサート成形された導電性部材（図示せず）と、ヒートシンク３０ｇ及び３０ｈとによって行われ、中継配線部材（図示せず）により制御回路部３２に電気的に接続される。

制御回路部３２は、制御回路基板３２ａと、制御回路基板３２ａを収納するための樹脂製のケース３３を備えている。ケース３３は、防水カバー３３ａ等により制御回路基板３２ａへの塩泥水の浸入を防ぐような防水構造を有している。界磁回路部３１は、制御回路基板３２ａと同一基板３２ａ上に実装することも可能であり、また、制御回路基板３２ａと分離して構成してもよい。外部接続用コネクタ３５は、制御回路部３２の近傍に配設され、制御回路部３２と電気的に接続されている。

図３は、本実施の形態の回転電機１００の制御回路図である。図において、交流発電電動機である回転電機１００は、固定子５の電機子巻線５ａと、回転子１０の界磁巻線３を備え、固定子５の電機子巻線５ａは、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルにより構成されている。パワー回路部３０では、上アーム３０Ａを構成するスイッチング素子（パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）３０ａ及び並列ダイオードと、下アーム３０Ｂを構成するスイッチング素子３０ｂ及び並列ダイオードとを２組直列に接続したものを１セットとし、当該セットを３個並列に配置することによりインバータを構成している。そして、当該インバータにはコンデンサ１０２が並列に接続されている。電機子巻線５ａの各相の端部は、交流配線を介して上記直列に接続した上アーム３０Ａのスイッチング素子３０ａと下アーム３０Ｂのスイッチング素子３０ｂの中間接続点にそれぞれ接続されている。また、バッテリ１０１の正極端子及び負極端子が、直列配線を介して上記パワー回路部３０の正極側及び負極側に接続されている。

界磁回路部３１は、ブラシ８とスリップリング４（図１参照）を介して界磁巻線３を挟んで直列接続される２つの半導体素子３１ａ及び３１ｂと、シャント抵抗３１ｃに並列接続されるフライホイールダイオード３１ｄを備える。

制御回路部３２は、パワー回路部３０の上アーム３０Ａのスイッチング素子３０ａと下アーム３０Ｂのスイッチング素子３０ｂのスイッチング動作を制御すると共に、界磁回路部３１を制御して回転子の界磁巻線３に流す界磁電流を調整する。

次に、図３に基づいて、本実施の形態の回転電機１００の制御動作の概要を説明する。エンジン始動時に、バッテリ１０１から直流電力が電源端子３６を介してパワー回路部３０に給電される。制御回路部３２は、パワー回路部３０の各スイッチング素子３０ａ、３０ｂをＯＮ／ＯＦＦ制御して、上記直流電力を三相交流電力に変換する。そして、この三相交流電力が交流発電電動機である回転電機１００の電機子巻線５ａに供給される。一方、制御回路部３２からの指令に基づき、界磁回路部３１は回転子１０の界磁巻線３に界磁電流を供給する。界磁巻線３の周囲に発生する磁束と、固定子５の電機子巻線５ａに流れる電流とが鎖交することで、駆動トルクが発生する。この駆動トルクにより、回転子１０が回転駆動され、プーリ９からベルト（図示せず）を介してエンジンのクランクシャフトへと伝達され、エンジンが始動する。

一方、エンジン運転状態では、エンジンの回転動力がクランクシャフトからベルト（図示せず）を介してプーリ９へ伝達される。この駆動力により、回転軸１に固定された回転子１０が回転する。これにより、回転子１０の界磁巻線３の発生する磁束が、固定子５の電機子巻線５ａと鎖交するため、電機子巻線５ａに三相交流電圧が誘起される。そして、制御回路部３２がパワー回路部３０の各スイッチング素子３０ａ、３０ｂをＯＮ／ＯＦＦ制御し、電機子巻線５ａに誘起された三相交流電力を直流電力に変換して、バッテリ１０１を充電する。

上述のように、界磁巻線式の回転電機１００において、界磁回路部３１からの界磁電流はリヤブラケット７に固定されたブラシ８と回転軸１に取り付けられたスリップリング４を介して供給される。固定されているブラシ８と回転しているスリップリング４が接触するために、両者の摩擦により、ブラシ８とスリップリング４が高温となってブラシ寿命が低下する。また、ブラシ８又はスリップリング４の磨耗粉が発生し、磨耗粉による短絡、地絡が問題となる。

そこで、本実施の形態では、回転子１０の回転軸１において、スリップリング４よりリヤ側の位置にブラシ８及びスリップリング４を冷却するための冷却用ファン２０を設置する。この冷却用ファン２０は、冷却用ファン２０の外周方向または冷却用ファン２０よりもリヤ側から冷却風を吸い込み、吸い込んだ冷却風を回転軸１に沿ってフロント側に流し、少なくともブラシ８及びスリップリング４の接触部分及びその周辺位置を通すようにする。

本実施の形態によれば、回転子１０が回転すると、回転軸１のブラシ８及びスリップリング４よりリヤ側に設置された冷却用ファン２０も回転して冷却風が発生する。この冷却風は、冷却用ファン２０の外周方向または冷却用ファン２０よりもリヤ側から冷却用ファン２０に入り、回転軸１に沿ってフロント側に流れる。これにより冷却用ファン２０からの冷却風がブラシ８及びスリップリング４方向に流れ、ブラシ８及びスリップリング４が冷却することができると共に、ブラシ８及びスリップリング４の摩擦により発生するブラシ磨耗粉を排出することができる。また、ブラシ８及びスリップリング４が冷却されることでブラシ磨耗を低減しブラシ寿命を向上させることができる。また、ブラシ８の電気抵抗を低減することで界磁電流を増加させ、回転電機１００の特性を向上させることができる。さらに、ブラシ磨耗粉を効率的に排出できるため、ブラシ磨耗粉によるスリップリング４の短絡や地絡を防止することができる。

本実施の形態の冷却用ファン２０はプレス加工により製作し、回転軸１のリヤ側端面等にねじ止めで固定してもよい。冷却用ファン２０をプレス加工で製作することで、安価に製作することができる。また、冷却用ファン２０をスリップリング４と一体に成形してもよい。スリップリング４と一体成型することで回転軸１にスリップリング４と同時に固定することができるので、回転子１０の組立工程を簡易化し、コストを低減することができる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による回転電機を示す主要部断面図であり、図５は実施の形態２による冷却用ファン装着部を示す拡大斜視図である。本実施の形態では、回転子１０のリヤ側ベアリング１１Ｂのリヤ側端部付近にブラシ８及びスリップリング４の冷却用ファン２１を設置する。つまり、回転軸１のスリップリング４よりフロント側の位置にブラシ８及びスリップリング４を冷却するための冷却用ファン２１を設置する。この冷却用ファン２１により、リヤ側から回転軸１に沿って冷却風を吸入し、少なくともブラシ８及びスリップリング４の接触部分及びその周辺位置を通すようにし、冷却用ファン２１の外周方向に設けられたスリット２４から排出されるようにする。また、冷却用ファン２１を設置するために、リヤブラケット７のベアリングボックス部７Ｂに冷却用ファン２１が入る空間を設け、冷却用ファン２１の外周方向へ排気のためのスリット２４を設ける。

本実施の形態によれば、回転子１０が回転すると、回転軸１のブラシ８及びスリップリング４よりフロント側に設置された冷却用ファン２１も回転する。このとき、冷却風はリヤ側から回転軸１に沿って吸入され、ブラシ８及びスリップリング４の接触部分及びその周辺位置を流れ、冷却用ファン２１の外周方向に設けられたスリット２４から排出される。これにより、ブラシ８及びスリップリング４が冷却されると共に、ブラシ８及びスリップリング４の摩擦により発生するブラシ磨耗粉を排出することができる。さらに、ブラシ８及びスリップリング４が冷却されることでブラシ磨耗を低減しブラシ寿命を向上させることができる。また、ブラシ８の電気抵抗を低減することで界磁電流を増加させ、回転電機１００の特性を向上させることができる。さらに、ブラシ磨耗粉を効率的に排出できるため、ブラシ磨耗粉によるスリップリング４の短絡や地絡を防止することができる。

本実施の形態において、冷却用ファン２１はプレス加工で製作され、リヤ側のベアリング１１Ｂと同時に固定される。これにより冷却用ファン２１の固定に追加部材を必要とせず、コストを低減できる。また、冷却用ファン２１とベアリング１１Ｂを予め固定しておき、一緒に回転子１０に組みつけても良い。また、冷却用ファン２１とスリップリング４を一体で成形してもよい。冷却用ファン２１とスリップリング４を一体成型することで回転軸１に冷却用ファン２１をスリップリング４と同時に固定することができる。そのため、回転子１０の組立工程を簡易化し、コストを低減することができる。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３による回転電機を示す主要部の断面図である。本実施の形態では、回転軸１のスリップリング４よりリヤ側の位置に回転センサ１６としてレゾルバを取り付ける。回転センサ１６としてのレゾルバは、回転軸１に設置された回転子１７と、固定側に設置された固定子１８を備えている。そして、レゾルバの回転子１７のリヤ側に冷却用ファン２２を固定している。回転軸１のリヤ側端部付近に回転センサ１６を設置した回転電機においてブラシ８及びスリップリング４を冷却する冷却用ファン２２を取り付ける場合、冷却用ファン２２と近接した軸方向位置に回転センサ１６の回転子１７が配置されることになる。このため、冷却用ファン２２と回転センサ１６の回転子１７を同時に固定することにより、回転電機の組立工程を簡素化することができ、コストを低減することができる。

以上のように、本実施の形態は、回転軸１のスリップリング４よりリヤ側の位置に回転センサ１６を取り付け、さらに、回転センサ１６のリヤ側に冷却用ファン２２を固定している。そのため、回転子１０が回転すると、回転センサ１６のリヤ側に設置された冷却用ファン２２も回転して冷却風が発生する。冷却用ファン２２の冷却風は、回転軸１に沿ってフロント側に流れ、回転センサ１６の固定子１８及び回転子１７を冷却すると共に、ブラシ８及びスリップリング４方向に流れ、ブラシ８及びスリップリング４を冷却する。まず、回転センサ１６を冷却することにより、回転センサ１６の検出誤差を低減することができる。また、ブラシ８及びスリップリング４を冷却することでブラシ磨耗を低減しブラシ寿命を向上させることができる。また、ブラシ８の電気抵抗を低減することで界磁電流を増加させ、回転電機１００の特性を向上させることができる。さらに、ブラシ８及びスリップリング４の摩擦により発生するブラシ磨耗粉を排出することができる。すなわち、ブラシ磨耗粉を効率的に排出できるため、ブラシ磨耗粉によるスリップリング４の短絡や地絡を防止することができる。

本実施の形態では、回転センサ１６としてレゾルバを使用する例を挙げている。レゾルバは対環境性に優れたセンサであり、回転検出の信頼性を確保できる。レゾルバは励磁して回転子１０の回転を測定するため、発熱するが、本実施の形態の冷却用ファン２２による冷却効果で、回転センサとしての信頼性や寿命の向上が図れる。なお、回転センサ１６としてレゾルバだけでなく、ホール素子を用いた磁気式の回転センサ等でも、回転センサの回転子と同時に冷却用ファンを固定することで、同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４による回転電機を示す主要部の断面図である。本実施の形態では、回転軸１のスリップリング４よりリヤ側の位置に回転センサ１６としてレゾルバを取り付ける。回転センサ１６としてのレゾルバは、回転軸１に設置された回転子１７と、固定側に設置された固定子１８を備えている。そして、レゾルバの回転子１７のフロント側の端面付近に冷却用ファン２３を取り付けている。この冷却用ファン２３は、冷却風をリヤ側から回転軸１に沿って吸入し、回転センサ１６の固定子１８及び回転子１７を冷却する共に、さらに冷却風をブラシ８及びスリップリング４方向に流して、ブラシ８及びスリップリング４を冷却する。

本実施の形態によれば、冷却用ファン２３による冷却風が、回転センサ１６の固定子１８及び回転子１７並びにブラシ８及びスリップリング４を冷却することができる。そして、回転センサ１６を冷却することにより、回転センサ１６の検出誤差を低減することができる。また、ブラシ８及びスリップリング４を冷却することでブラシ磨耗を低減しブラシ寿命を向上させることができる。また、ブラシ８の電気抵抗を低減することで界磁電流を増加させ、回転電機１００の特性を向上させることができる。さらに、ブラシ８及びスリップリング４の摩擦により発生するブラシ磨耗粉を排出することができる。すなわち、ブラシ磨耗粉を効率的に排出できるため、ブラシ磨耗粉によるスリップリング４の短絡や地絡を防止することができる。

実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５による回転電機の回転センサの固定子を示す斜視図である。本実施の形態は回転センサ１６としてレゾルバを使用した例を示す。本実施の形態では、レゾルバの固定子１８の周囲に軸方向のスリット２５を設ける。一般に、回転センサ１６においては、回転子１７と固定子１８の間隔は回転センサ１６の検出精度に関係し、特にレゾルバでは間隔を広げることができず、そのままでは上記実施の形態の冷却用ファン２２、２３を回転子１７付近に配置しても効果が薄くなってしまう。このため、本実施の形態では、回転センサ１６の固定子１８の周囲に軸方向のスリット２５を構成し、冷却風の軸方向通路を設けることで、上記実施の形態で説明した冷却用ファンで発生する冷却風を通り易くする。これにより、冷却風を効率的に回転センサ１６の固定子１８、並びにブラシ８及びスリップリング４に通すことができ、回転子１６の固定子１８並びにブラシ８及びスリップリング４の冷却、及びブラシ磨耗粉の排出を効果的に行うことができる。

実施の形態６．
図９はこの発明の実施の形態６による回転電機を示す主要部の断面図である。本実施の形態では、上記実施の形態のブラシ８及びスリップリング４を冷却する冷却用ファン２０、２１、２２、２３の少なくとも１個を付けた回転電機において、上記冷却用ファン２０、２１、２２、２３付近に、冷却風の外部との入出力口となるスリット２６、２７を設け、各スリット２６、２７が外部からの水や異物の混入を防ぐためのラビリンス構造となっている。図９では、軸方向のラビリンス構造の例を示しているが、通風路を径方向にずらしたラビリンス構造を構成してもよい。

一般的に通風路にラビリンス構造を設け、水や異物の混入を防ぐことはよく行われることであるが、ラビリンス構造を採ることで風路の抵抗が大きくなり、効果的に風が流れなくなってしまう。しかし、本発明のように回転電機内部に冷却用ファンを追加すると、風路内部で風を起こすためラビリンス構造を採っても冷却風を多く流すことが可能となり、ブラシ８及びスリップリング４の冷却やブラシ磨耗粉の排出を効果的に行うことができる。

以上の実施の形態では、それぞれ冷却用ファン２０、２１、２２、２３を１個取り付けた例を示したが、任意の冷却用ファン２０、２１、２２、２３を組み合わせることにより、より効果的にブラシ及びスリップリングの冷却やブラシ磨耗粉の排出を行うことが可能となる。

この発明の実施の形態１による回転電機を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による冷却用ファン装着部を示す拡大斜視図である。 この発明の実施の形態１による回転電機の制御回路図である。 この発明の実施の形態２による回転電機を示す主要部の断面図である。 この発明の実施の形態２による冷却用ファン装着部を示す拡大斜視図である。 この発明の実施の形態３による回転電機を示す主要部の断面図である。 この発明の実施の形態４による回転電機を示す主要部の断面図である。 この発明の実施の形態５による回転電機の回転センサの固定子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態６による回転電機を示す主要部の断面図である。

符号の説明

１００ 回転電機、１ 回転軸、２ 界磁鉄心、３ 界磁巻線、４ スリップリング、５ 固定子、６，７ ハウジング、８ ブラシ、１０ 回転子、１６ 回転センサ、
２０，２１，２２，２３ 冷却用ファン、２４，２５，２６，２７ スリット、
３０ パワー回路部、３１ 界磁回路部、３２ 制御回路部。

Claims (3)

1. ハウジングに回転自在に支持されている回転軸と、
   上記ハウジングに固定されると共に電機子巻線を有する固定子と、
   上記回転軸に固定されると共に界磁鉄心及び界磁巻線を有する回転子と、
   上記回転軸の上記回転子よりリヤ側の位置に固定されると共に上記界磁巻線に界磁電流を供給するスリップリングと、
   上記ハウジングのリヤ側に固定されると共に上記スリップリングを介して上記界磁巻線に界磁電流を供給するブラシと、
   上記回転軸の上記スリップリングよりリヤ側に配置される回転センサを備えた回転電機において、
   上記回転軸の上記回転センサよりリヤ側の位置、又は上記回転軸の上記回転センサよりフロント側であって上記スリップリングのリヤ側の位置に、上記回転センサ、上記ブラシ及び上記スリップリングに対してリヤ側からフロント側に向けて軸方向に冷却風を流す冷却用ファンを設置し、
   上記回転センサの固定子の周囲に軸方向のスリットを構成したことを特徴とする回転電機。
2. 上記回転軸の上記回転センサよりリヤ側の位置、又は上記回転軸の上記回転センサよりフロント側であって上記スリップリングのリヤ側の位置に設置された冷却用ファンは、上記回転センサの回転子と同時に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 上記冷却ファン付近には、上記回転電機の外部とつながるラビリンス構造を有する通路が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の回転電機。

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