JP4893706B2

JP4893706B2 - 車両用回転電機

Info

Publication number: JP4893706B2
Application number: JP2008197309A
Authority: JP
Inventors: 晴美村上
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2028-07-31
Also published as: JP2010035382A

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用交流発電機や発電電動機等の車両用回転電機に関する。

従来から、スリップリングの周囲を被覆部材で覆うとともに、回転軸の一端に固定された位置検出装置を被覆部材に設けられた開口を通して被覆部材の外側に配置した車両用回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この位置検出装置は、被覆部材に近接して被覆部材に対向するように、回転軸の貫通部位に固定された磁石ホルダと、磁石ホルダに保持された磁石と、磁石から出される磁束に感応してそれに応じた信号を出力する磁気感応素子とを備えており、被覆部材と磁石ホルダとの間はラビリンス構造になっている。この構造により、回転時に発生するブラシ摩耗粉が飛散しにくくなっている。
特開２００７−９７２３６号公報（第４−１０頁、図１−３）

ところで、特許文献１に開示された構造はブラシ摩耗粉の飛散を防止するためのものであるため、ブラシ摩耗粉がブラシとスリップリングの摺動部分から被覆部材と磁石ホルダの間のラビリンス構造までの範囲にわたって堆積することになる。この堆積したブラシ摩耗粉は導電性を有するため、回転軸とスリップリングとの間で電気短絡が生じるおそれがあり、回転軸の一端に固定された位置検出装置に電流が流れる可能性がある。このような短絡電流が流れると、その周辺には磁力が発生するため、回転位置検出に影響を与え、検出精度が低下するという問題があった。この検出精度を確保するために、位置検出装置を離すことも考えられるが、その場合、回転子の軸長（回転軸方向の長さ）が長くなるため、狭小化するエンジンルーム内において、車両用回転電機として搭載性上の新たな問題が生ずる。さらにブラシ摩耗粉などの導電性物質が蓄積され、電気短絡が進行すると、界磁巻線の電流が低下し、また、回転軸と一体回転する軸受けの内輪から固定輪である外輪へボールを介して電流が流れる可能性がある。その結果、車両用回転電機の出力性能が低下し、さらに軸受け内の電蝕により回転時に異音が発生するなどの問題も発生する。

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、大型化することなく回転位置検出精度の低下を防止することができる車両用回転電機を提供することにある。また、他の目的は、車両用回転電機の出力性能を確保し、異音不良を防止することができる車両用回転電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機は、界磁巻線と電気的に接続される一対のスリップリングを有する回転軸を含む回転子と、スリップリングに摺接する一対のブラシとこれら一対のブラシを収納する収納部が形成されたブラシホルダとブラシホルダとともにスリップリングを覆うカバー部材とを有するブラシ装置と、回転軸の一端に配置された回転位置被検出部と、回転位置被検出部の回転位置を検出する回転位置検出部とを備えており、回転位置被検出部とスリップリングとの間に、絶縁材料で形成された絶縁部が配置されている。

これにより、電位を持つスリップリングと回転位置被検出部との間に導電物質、例えば塩やブラシ粉が付着した場合であっても短絡電流が発生せず、短絡電流による磁力も発生しないため、回転位置検出精度の低下を防止することができる。また、スリップリングからの沿面距離を確保する必要がなくなるため、回転位置被検出部を含む軸長を短くすることができる。また、回転位置検出精度を確保するために回転子の軸長を長くする必要がないため、車両用回転電機の大型化を抑制し、狭小化するエンジンルーム内における搭載性を向上させることができる。さらに、ブラシ摩耗粉などの導電性物質が蓄積されて電気短絡が進行すると、界磁巻線の電流が低下し、また、回転軸と一体回転する軸受けの内輪から固定輪である外輪へボールを介して電流が流れる可能性があり、その結果、車両用回転電機の出力性能が低下し、さらに軸受け内の電蝕により回転時に異音が発生するなどの問題も発生するが、本発明ではブラシ摩耗粉などの導電性物質の蓄積に伴う電気短絡が生じないため、これらの問題の発生を未然に防止することができる。

また、上述した絶縁部は、回転軸に対して締め代をもって固定されていることが望ましい。これにより、絶縁部と回転軸との間の隙間をなくして絶縁部による絶縁状態を確実に確保することができる。

また、上述した絶縁部は、弾性部材であることが望ましい。これにより、回転軸方向の公差吸収が可能となる。

また、上述した絶縁部は、非弾性部材と弾性部材からなる２つの部品を組み合わせて形成されることが望ましい。これにより、遠心力大の部分に非弾性部材の部品を用いて変形を防止し、回転軸と接触する部分に弾性部材の部品を用いて隙間が生じることを防止することが可能となる。

また、上述した絶縁部には、金属あるいはセラミックスが配合されていることが望ましい。これにより、絶縁部の熱伝導性を高くすることができ、位置検出精度および回転軸の冷却性を向上させることができる。

以下、本発明の車両用回転電機を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、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全体構成を示す図である。図１に示す車両用交流発電機１００は、フロント側フレーム１、リア側フレーム２、固定子３、回転子４、制御機器５、ブラシ装置６、回転位置センサ７、リアカバー８、プーリ９等を含んで構成されている。

フロント側フレーム１およびリア側フレーム２は、共に椀形状を有しており、これらの開口部同士を対向させて固定子３を挟み込んだ状態で、複数本のボルトによって相互に固定されている。フロント側フレーム１には円筒状のベアリングボックス１１が一体に形成されており、リア側フレーム２には鉄製のベアリングボックス２１が取り付けられている。固定子３は、固定子鉄心３１および固定子巻線３２を備えている。

回転子４は、界磁巻線４１、ポールコア４２、４３、回転軸４４等を備えており、ベアリングボックス１１、２１に収納される一対のベアリング１３、１４により回転自在に保持されている。ポールコア４２、４３の軸方向端面には冷却ファン４５、４６が取り付けられている。また、回転軸４４の前端にはプーリ９がナット１０により結合されており、図示しない車両エンジンにより回転駆動される。さらに、リア側フレーム２の外側に位置する回転軸４４の後端には、界磁巻線４１の両端のそれぞれに接続された一対のスリップリング４７、４８が設けられている。

回転位置センサ７は、回転子４の回転位置を検出するものであり、回転軸４４の一端に配置されて回転子４とともに回転する円盤状の被検出部（回転位置被検出部）７１と、被検出部７１の回転位置を検出する検出部（回転位置検出部）７２と、被検出部７１と後方のスリップリング４８との間に配置されて電気絶縁材料で形成された絶縁部７３とを含んで構成されている。

制御機器５やブラシ装置６等のいわゆる電気部品は、リア側フレーム２の外側の軸方向端面にボルト等の固定手段によって固定されている。制御機器５は、固定子巻線３２の出力電圧である三相交流電圧を整流して直流の出力電圧に変換するとともに、界磁巻線４１に流れる励磁電流の通電の向きや大きさを制御することにより車両用交流発電機１００の出力電圧を制御する。ブラシ装置６は、制御機器５から回転子４の界磁巻線４１に励磁電流を流すためのものであり、回転子４の回転軸４４に形成されたスリップリング４７、４８のそれぞれに押圧するブラシ６１、６２が備わっている。これらの電気部品は、リアカバー８によって覆われている。

図２は、車両用交流発電機１００をリア側から見た図であり、リアカバー８、制御機器５、回転位置センサ７を取り除いてブラシ装置６が露出した状態が示されている。固定子巻線３２は、２組の三相巻線３２Ａ、３２Ｂからなり、一方の三相巻線３２Ａの各相コイルＸ、Ｙ、Ｚと他方の三相巻線３２Ｂの各相コイルＵ、Ｖ、Ｗのそれぞれの端部がリア側フレーム２に設けられた貫通孔を通してリア側に延びている。これらの端部は、制御機器５に接続されている。

次に、ブラシ装置６と被検出部７１の詳細構造について説明する。図３は、ブラシ装置６および回転位置センサ７の断面図である。ブラシ装置６は、ブラシホルダ２００、ブラシ６１、６２、カバー部材２５０を含んで構成されている。

ブラシホルダ２００は、箱型形状を有し、内部に正極側と負極側の２本のブラシ６１、６２を収納する直方体形状の収納部２１１、２１２と、ブラシ６１、６２のそれぞれから延びた柔軟性を有するリード部としてのピグテール６３と電気的に接続されて外部に突出する一対のターミナル２２１、２２２とを備えている。ターミナル２２１、２２２は、絶縁樹脂製のブラシホルダ２００にインサート成形されている。

また、カバー部材２５０は、スリップリング４７、４８に対して径方向外側および回転軸４４の一端（スリップリング４７、４８側の端部）側に配置されており、ブラシホルダ２００とともにスリップリング４７、４８を覆っている。また、カバー部材２５０は、回転軸４４の一端に対応する位置に、被検出部７１の最外径部分よりも小さい直径を有する開口部としての開放部２６２を有している。

ブラシ６１、６２は、天然黒鉛に銅粉を含有し、フェノール樹脂などを結合材とした金属黒鉛である。例えば、図４に示す製造工程により製造される。すなわち、原料（天然黒鉛）と結合材（フェノール樹脂）を混合する粉体処理（ステップ１００）、銅粉の混合（ステップ１０１）、ピグテール６３の配置（ステップ１０２）、成形（ステップ１０３）、焼成（ステップ１０４）の各工程を経てブラシ６１、６２が製造される。なお、ブラシ６１、６２は同一形状であり、同じ形状のものを互いにピグテール６３側が向かい合うように配置し、スプリング６４を介在させた状態で収納部２１１、２１２に収納される。これらのブラシ６１、６２は、スプリング６４によってスリップリング４７、４８に向けて押圧されて収納部２１１、２１２内で摺動接触している。

被検出部７１は、回転軸４４の一端（スリップリング４７、４８側の端部）に絶縁部７３とともに、例えばネジ固定されている。また、検出部７２は、制御機器５の一部に固定されるとともに被検出部７１に対向して配置されており、円盤状の被検出部７１の外周近傍領域の回転方向の位置を検出する。具体的な検出方法としては種々の方法が考えられる。例えば、被検出部７１の外周近傍に磁性体を配置し、検出部７２に設けられた検出コイルでこの磁性体の回転位置を検出したり、被検出部７１の外周近傍に磁石を配置し、検出部７２に設けられたホール素子でこの磁石の回転位置を検出する場合などが考えられる。なお、上記以外の方法、例えば光センサ等の光学式の検出方法などを用いてもよい。絶縁部７３は、被検出部７１の主に回転軸４４側の側面を覆う位置に配置されており、被検出部７１が回転軸４４の一端に取り付けられる際に、同時に回転軸４４に対して締め代をもって固定される。すなわち、回転軸４４の一端に設けられた取り付け孔よりも絶縁部７３の対応部位の外径の方が若干大きい値を有している。この絶縁部７３は、弾性部材で形成されている。また、熱伝導性を高めるために、絶縁部７３には金属あるいはセラミックスを配合することが望ましい。

図５は、図３のＶ−Ｖ線断面図である。例えば、図３および図５に示すように、被検出部７１は、表面に沿って一方向に着磁されたＮＳ磁極を有する永久磁石７１ａと、これを保持するホルダ７１ｂを含んで構成されており、検出部７２は、この永久磁石７１ａの外周近傍であって互いに９０°隔たった位置に配置された２つのホール素子７２ａ、７２ｂを含んで構成されている。これら２つのホール素子７２ａ、７２ｂの出力に基づいて永久磁石７１ａの回転位置、すなわち、永久磁石７１ａがホルダ７１ｂを介して固定された回転子４の回転位置の検出が可能になる。

また、検出部７２とカバー部材２５０は、天方向からの水やその他の異物の侵入を防止するための迷路構造を形成している。一方、空気は、水やその他の異物に比べて質量が小さいため、検出部７２とカバー部材２５０で形成される迷路構造を通って被検出部７１近傍まで到達し、開口部２６２を経由してスリップリング４７、４８近傍に導かれる。なお、迷路構造を通って水やその他の異物が被検出部７１近傍に到達しても、地方向に設けられた検出部７２間の隙間を通して地方向に排出される。

上述した回転位置センサ７の被検出部７１および絶縁部７３は、ブラシ装置６を組み付けた後、すなわち、スリップリング４７、４８の周囲をカバー部材２５０で覆った状態で、回転軸４４の一端に取り付け固定される。これにより、開放部２６２よりも大きな被検出部７１および絶縁部７３の取り付けが容易となる。

また、本実施形態では、カバー部材２５０と検出部７２は、回転軸４４の径方向に沿った向きに迷路構造を形成している。具体的には、図３に示すように、カバー部材２５０と検出部７２のそれぞれの軸方向位置を部分的に重ねることにより、径方向に沿った迷路構造が形成されている。なお、図３に示す構造では、被検出部７１とカバー部材２５０のそれぞれの軸方向位置および径方向位置を部分的に重ねることにより、これらの間で径方向および軸方向に沿った迷路構造が形成されている。これにより、カバー部材２５０と検出部７２の間の隙間を通して冷却風を導入しつつ（図１では省略したが、リアカバー８には冷却風導入用の貫通孔が形成されており、この貫通孔を通してリアカバー８の外部から内部に冷却風が導入され、その一部がカバー部材２５０と検出部７２の間の隙間に導かれる）、この隙間を通して外部から水の浸入を抑制して耐水性を確保することができる。

また、被検出部７１と回転軸４４のそれぞれの接触面は、互いにイオン化傾向が同じあるいは近い金属で形成されている。これにより、回転軸４４と被検出部７１の間に電位が発生してこれらの接触面が腐食することを防止し、耐食性を向上させることができる。

また、被検出部７１と回転軸４４は、金属（より好ましくは熱伝導性の高い金属）で形成されている。これにより、回転子４の熱を回転軸４４を通して被検出部７１側に伝えることができ、回転子４の冷却性を向上させることができる。なお、冷却性向上の観点からは、被検出部７１を熱伝導性が高い金属で構成することが望ましいが、被検出部７１の温度による膨張に伴う回転位置検出精度低下を抑制するために、被検出部７１を熱伝導性が低い部材で、あるいは被検出部７１を回転軸４４よりも熱伝導性が低い部材で形成するようにしてもよい。すなわち、冷却性向上と回転位置検出精度向上のいずれを優先させるかによって、被検出部７１の材質を決定すればよい。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１００では、回転位置センサ７の被検出部７１とスリップリング４８との間に電気絶縁材料で形成された絶縁部７３が配置されているため、電位を持つスリップリング４８と被検出部７１との間に導電物質、例えば塩やブラシ粉が付着した場合であっても短絡電流が発生せず、短絡電流による磁力も発生しないため、回転位置検出精度の低下を防止することができる。また、スリップリング４８からの沿面距離を確保する必要がなくなるため、被検出部７１を含む軸長（回転軸４４方向の長さ）を短くすることができる。

また、回転位置検出精度を確保するために回転子４の軸長を長くする必要がないため、車両用交流発電機１００の大型化を抑制し、狭小化するエンジンルーム内における搭載性を向上させることができる。さらに、ブラシ摩耗粉などの導電性物質が蓄積されて電気短絡が進行すると、界磁巻線４１の電流が低下し、また、回転軸４４と一体回転する軸受けの内輪から固定輪である外輪へボールを介して電流が流れる可能性があり、その結果、車両用交流発電機１００の出力性能が低下し、さらに軸受け内の電蝕により回転時に異音が発生するなどの問題も発生するが、本実施形態の車両用交流発電機１００ではブラシ摩耗粉などの導電性物質の蓄積に伴う電気短絡が生じないため、これらの問題の発生を未然に防止することができる。

また、絶縁部７３は、回転軸４４に対して締め代をもって固定されているため、絶縁部７３と回転軸４４との間の隙間をなくして絶縁部７３による絶縁状態を確実に確保することができる。また、絶縁部７３を弾性部材とすることにより、回転軸方向の公差吸収が可能となる。また、絶縁部７３に金属あるいはセラミックスを配合した場合には、絶縁部７３の熱伝導性を高くすることができ、位置検出精度および回転軸４４の冷却性を向上させることができる。

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。上述した実施形態では、絶縁部７３の全体を弾性部材で形成したが、非弾性部材と弾性部材からなる２つの部品を組み合わせて絶縁部を形成するようにしてもよい。図６は、絶縁部の変形例を示す図である。図６に示す絶縁部は、非弾性部材からなる部品７３Ａと弾性部材からなる部品７３Ｂとによって構成されている。部品７３Ａは、径が大きいつば部を含むが、非弾性部材によって形成されているため、高回転時の遠心力に充分耐えるだけの強度を確保することが可能となる。一方、部品７３Ｂは、回転軸４４に接触する部分を含むが、弾性部材によって形成されているため、この接触部位に隙間が生じることを防止することが可能となる。

また、上述した実施形態では、発電動作を行う車両用交流発電機１００について説明したが、固定子に回転磁界を発生させて回転子を駆動する発電電動機に本発明を適用することもできる。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。車両用交流発電機をリア側から見た図である。ブラシ装置および回転位置センサの断面図である。ブラシの製造工程を示す図である。図３のＶ−Ｖ線断面図である。絶縁部の変形例を示す図である。

符号の説明

１フロント側フレーム
２リア側フレーム
３固定子
４回転子
５制御機器
６ブラシ装置
７回転位置センサ
８リアカバー
９プーリ
４４回転軸
４７、４８スリップリング
６１、６２ブラシ
６３ピグテール
６４スプリング
７１被検出部
７２検出部
７３絶縁部
１００車両用交流発電機
２００ブラシホルダ

Claims

界磁巻線と電気的に接続される一対のスリップリングを有する回転軸を含む回転子と、前記スリップリングに摺接する一対のブラシとこれら一対のブラシを収納する収納部が形成されたブラシホルダと前記ブラシホルダとともに前記スリップリングを覆うカバー部材とを有するブラシ装置と、前記回転軸の一端に配置された回転位置被検出部と、前記回転位置被検出部の回転位置を検出する回転位置検出部とを備える車両用回転電機において、
前記回転位置被検出部と前記スリップリングとの間に、絶縁材料で形成された絶縁部が配置されていることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１において、
前記絶縁部は、前記回転軸に対して締め代をもって固定されていることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１または２において、
前記絶縁部は、弾性部材であることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１または２において、
前記絶縁部は、非弾性部材と弾性部材からなる２つの部品を組み合わせて形成されることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記絶縁部には、金属あるいはセラミックスが配合されていることを特徴とする車両用回転電機。