JP4912258B2

JP4912258B2 - 回転電機

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Publication number: JP4912258B2
Application number: JP2007235218A
Authority: JP
Inventors: 正夫守田; 正哉井上; 寛治新川; 敏行吉澤; 盛幸枦山; 慎二西村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: JP2009071924A; US20090066175A1; US7605519B2

Description

この発明は、車両用交流発電機などの回転電機に関し、特に永久磁石を搭載したランデル型の回転子構造に関するものである。

ランデル型の回転子を用いる車両用交流発電機は、数十年にわたって自動車に使用されてきた。そして、近年の環境問題から車載される電装品の負荷が急増しており、ランデル型の回転子の発電量のより一層の増加が求められている。
この要求に従来の設計範囲で対応しようとすると、発電機が大型化してしまう。発電機の大型化は発電機の重量や配置スペースを増大し、好ましくない。また、発電機の大型化は回転子慣性の増加を招き、エンジンの速度変動と発電機の慣性トルクが相互作用し、ベルトの振動やすべりを招くという新たな課題を発生させることが知られている。
したがって、発電機本体のサイズを現状のままで発電機容量を増大させることが求められている。

従来、このような課題を解決するために、ランデル型の回転子の対向する爪状磁極間に永久磁石を配設する手段がとられていた（例えば、特許文献１，２参照）。
そして、特許文献１に記載の従来技術では、外周面が内側の面よりも若干幅広のＬ字溝を爪状磁極の周方向両側面に形成し、永久磁石を周方向に相対する爪状磁極のＬ字溝部分に挿入している。そして、周方向に相対する爪状磁極間に配設された永久磁石は、回転時に作用する遠心力による移動が爪状磁極によって阻止されている。
また、特許文献２に記載の従来技術では、Ｕ字状に成形された磁気インサートが、磁極片の二つの連続する磁極指の間を、他の磁極片の磁極指の先端の下を伸びるように配置される。そして、この磁気インサートは、冷却ファンにより軸方向に移動を阻止され、その上の磁極指によって半径方向の移動が阻止されている。

特開２００６−７４９６９号公報特開平８−３０８１９０号公報

ベルトおよびプーリを介して伝達されるエンジンの回転力により駆動されるこの種の車両用交流発電機においては、最大、１８，０００〜２０，０００ｒｐｍ近くの高速で回転する。そのため、１極あたり数ｇ程度の小さな磁石を配設しても、数十ｋｇｆを超える極めて大きな遠心力が磁石に加わる。また、爪状磁極にも大きな遠心力が加わり、爪先端部が外周側に５０〜１００μｍ程度膨らむ。そして、エンジン回転数の増減にともない、爪状磁極は羽ばたくように変位する。
特許文献１，２に記載の従来技術では、永久磁石に作用する遠心力を、変位する爪状磁極そのもので保持しているので、永久磁石が爪状磁極の変位により損傷する等、永久磁石の保持信頼性が低下するという課題があった。

また、特許文献１，２に記載の従来技術では、永久磁石が回転子の表面近傍に配置されているので、永久磁石の主磁束、或いは漏れ磁束は回転子内で閉じることがなく、固定子に直接鎖交する成分を有している。そこで、無負荷無励磁における誘起電圧が発生する。

また、特許文献１に記載の従来技術では、冷却ファンの作用により、フロント側からケース内に吸気された冷却風の一部がポールコアを経由してリヤ側に流れ、或いはリヤ側からケース内に吸気された冷却風の一部がポールコアを経由してフロント側に流れ、冷却風同士が干渉して、大きな干渉音が発生するとともに、冷却風の風量が少なくなり、冷却効果が低下するという問題があった。
一方、特許文献２に記載の従来技術では、磁気インサートが磁極片の二つの連続する磁極指の間を、他の磁極片の磁極指の先端の下を伸びるように配置されているので、フロント側およびリヤ側からケース内に吸気された冷却風のポールコア内への通風路が閉塞される。そこで、フロント側およびリヤ側からケース内に吸気された冷却風同士の干渉は防止できるものの、冷却風のポールコア内への流入が阻止されるので、界磁コイルの温度上昇を抑制することができず、冷却効果が低下するという問題があった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、永久磁石の保持信頼性を高め、無負荷無励磁における誘起電圧の発生を抑え、冷却風同士の干渉音を低減するとともに、冷却効果を高めることができる回転電機を得ることを目的とする。

この発明による回転電機は、ボス部、該ボス部の軸方向両端縁部から径方向外方に延設された第１および第２継鉄部、および該第１および第２継鉄部のそれぞれから交互に軸方向に延設され、噛み合って周方向に配列された複数の第１および第２爪状磁極部を有し、上記ボス部の軸心位置に挿通されたシャフトに固着されたポールコアと、上記ボス部、上記第１および第２継鉄部、および上記複数の第１および第２爪状磁極部に囲まれた空間内に収納された界磁コイルと、を有する回転子と、上記ポールコアの軸方向両端のそれぞれに固着された第１および第２冷却ファンと、上記シャフトを軸支して上記回転子を内蔵し、吸気孔が軸方向の両端面に穿設され、かつ排気孔が径方向の側面に穿設されたケースと、円筒状の固定子鉄心、および上記固定子鉄心に巻装された固定子コイルを有し、上記固定子鉄心が上記回転子を所定のエアギャップを介して囲繞するように上記ケースに保持されて配設された固定子と、上記固定子で生じた交流を直流に整流する整流器と、を備えている。そして、磁石台座が、上記第２継鉄部に配設されて周方向に隣り合う上記第２爪状磁極部間のそれぞれのスペース内に延出し、永久磁石が、上記複数の第１爪状磁極部のそれぞれの先端側の内周面に対向して上記磁石台座に保持されて上記第２継鉄部側のみに配設されており、上記永久磁石のそれぞれは、上記界磁コイルの作る磁界の向きと逆向きに着磁配向されている。

この発明によれば、永久磁石が第２継鉄部に配設された磁石台座に保持されている。そこで、遠心力に起因する第１および第２爪状磁極の変位が永久磁石に影響しないので、第１および第２爪状磁極部の変位に起因する永久磁石の割れや欠けの発生が抑制される。また、永久磁石が第１爪状磁極部の内径側に位置しているので、永久磁石の配設に伴う慣性モーメントの増加が小さくなり、永久磁石に作用する遠心力も小さくなる。これらにより、永久磁石の保持信頼性が向上される。

また、永久磁石が第１爪状磁極部の先端側の内周面に対向して配置され、かつ界磁コイルの作る磁界の向きと逆向きに着磁配向されているので、永久磁石による磁界回路が回転子内部で閉じるように形成され、無負荷無励磁の誘起電圧の発生が抑制される。

さらに、磁石台座が、周方向に隣り合う第２爪状磁極部間のそれぞれのスペース内に延出するように第２継鉄部に配設され、永久磁石が、複数の第１爪状磁極部のそれぞれの先端側の内周面に対向して磁石台座に保持されているので、周方向に隣り合う第２爪状磁極部間のそれぞれのスペースが塞がれ、第２冷却ファンにより吸気孔からケース内に吸気された冷却風のポールコア内への流入が少なくなる。そこで、第２冷却ファンにより吸気孔からケース内に吸気された冷却風の大部分が、第２冷却ファンにより遠心方向に曲げられ、固定子コイルの第２冷却ファン側のコイルエンドを冷却した後、排気孔からケース外に排出される。第１冷却ファンにより吸気孔からケース内に吸気された冷却風の一部が、ポールコア内に流入して永久磁石に到達し、その後、第２爪状磁極部の遠心ファン効果により遠心方向に曲げられ、固定子コイルの第２冷却ファン側のコイルエンドを冷却した後、排気孔からケース外に排出される。第１冷却ファンにより吸気孔からケース内に吸気された冷却風の残りが、第１冷却ファンにより遠心方向に曲げられ、固定子コイルの第１冷却ファン側のコイルエンドを冷却した後、排気孔からケース外に排出される。これにより、第１冷却ファンによりケース内に吸気された冷却風の通風路と、第２冷却ファンによりケース内に吸気された冷却風の通風路とが分離され、両冷却風の風量が増加し、冷却効果を高めることができるとともに、干渉音を低減できる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機を模式的に示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す斜視図、図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における磁束の流れを説明するための模式図である。

図１および図２において、車両用交流発電機１は、それぞれ略椀形状のアルミ製のフロントブラケット２とリヤブラケット３とからなるケース４と、シャフト１６をケース４に軸受５を介して支持されて、ケース４内に回転自在に配設された回転子１３と、ケース４のフロント側に延出するシャフト１６の端部に固着されたプーリ６と、回転子１３の軸方向の両端面に固定された第１および第２冷却ファン７ａ，７ｂ、回転子１３に対して一定のエアギャップを有して、回転子１３の外周を囲繞してケース４に固定された固定子１０と、シャフト１６のリヤ側に固定され、回転子１３に電流を供給する一対のスリップリング８と、ブラシホルダ９ａ内に収納されて各スリップリング８に摺動するようにケース４内に配設された一対のブラシ９と、回転子１３に相対してリヤブラケット３の内壁面に固着され、固定子１０で生じた交流を直流に整流する整流器２５と、ブラシホルダ９ａに固着されて、固定子１０で生じた交流電圧の大きさを調整する電圧調整器２６と、を備えている。

固定子１０は、内周側に開口するスロットが周方向に配列された円筒状の固定子鉄心１１と、固定子鉄心１１に巻装され、回転子１３の回転に伴い、後述する界磁コイル１４からの磁束の変化で交流が生じる固定子コイル１２と、を備えている。

回転子１３は、励磁電流が流されて磁束を発生する界磁コイル１４と、界磁コイル１４を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成されるポールコア１５と、ポールコア１５の軸心位置に貫装されたシャフト１６と、を備えている。
ポールコア１５は、それぞれ例えばＳ１０Ｃなどの低炭素鋼で冷間鍛造製法により作製された第１および第２ポールコア体１７，２１に分割構成されている。

第１ポールコア体１７は、外周面を円筒形状とし、シャフト挿通穴が軸心位置に穿設された第１ボス部１８と、第１ボス部１８の一端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第１継鉄部１９と、第１継鉄部１９の外周部から軸方向他端側に延設された第１爪状磁極部２０とを有している。第１爪状磁極部２０は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成され、第１継鉄部１９の外周部に周方向に等角ピッチで例えば８つ配列されている。

第２ポールコア体２１は、外周面を円筒形状とし、シャフト挿通穴が軸心位置に穿設された第２ボス部２２と、第２ボス部２２の他端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第２継鉄部２３と、第２継鉄部２３の外周部から軸方向一端側に延設された第２爪状磁極部２４とを有している。第２爪状磁極部２４は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成され、第２継鉄部２３の外周部に周方向に等角ピッチで例えば８つ配列されている。

このように構成された第１および第２ポールコア体１７，２１は、第１および第２爪状磁極部２０，２４を交互に噛み合わせ、かつ、第１ボス部１８の他端面を第２ボス部２２の一端面に突き合わせ、シャフト挿通穴に貫装されたシャフト１６に固着されている。そして、ボビン（図示せず）に巻装された界磁コイル１４が、第１および第２ボス部１８，２２、第１および第２継鉄部１９，２３および第１および第２爪状磁極部２０，２４に囲まれた空間に装着されている。

磁石台座３０は、磁性材、例えばＳ１０Ｃなどの低炭素鋼で冷間鍛造製法により作製されている。この磁石台座３０が、各第１爪状磁極部２０の先端側内周面と対向する第２継鉄部２３の外周面上に接着剤などにより固着され、磁気的に接続されている。そして、磁石台座３０の上面が、第１爪状磁極部２０の内周面と略平行に形成されている。さらに、永久磁石３１が、断面平行四辺形に成形され、各第１爪状磁極部２０の先端側内周面に対向して磁石台座３０の上面に接着剤などにより固着され、磁気的に接続されている。このとき、各永久磁石３１の上面は、第１爪状磁極部２０の内周面と所定の隙間をもって略平行となっている。また、磁石台座３０は、周方向に隣り合う第２爪状磁極部２４間のそれぞれのスペース内に延出し、当該スペースをほぼ閉塞している。なお、磁石台座３０の上面の径方向位置は、当該スペースを閉塞する観点から、第２冷却ファン７ｂの外径と同等以上であることが望ましい。

また、永久磁石３１は、着磁方向３２が、界磁コイル１４を流れる界磁電流が回転子１３の軸心と直交する平面において作る磁界３３の向きと反対となるように着磁配向されている。つまり、図１に示されるように、界磁コイル１４に通電され、磁界３３が矢印方向に発生された場合、永久磁石３１は、磁界３３と逆向きに着磁配向される。ここでは、永久磁石３１の着磁方向３２は、径方向に一致しており、その着磁方向３２の延長線が対向する第１爪状磁極部２０の先端側の内周面に向かっている。なお、界磁コイル１４を流れる界磁電流が作る磁界３３の向きが反転した設計の場合には、永久磁石３１も逆向きに着磁配向される。

吸気孔２ａが、フロントブラケット２の軸方向の端面に、軸受５の外周側を周方向に配列されて複数穿設され、排気孔２ｂが、フロントブラケット２の径方向の側面に、固定子コイル１２のフロント側コイルエンド１２ｆの外周側に、かつ周方向に配列して、複数穿設されている。また、吸気孔３ａが、リヤブラケット３の軸方向の端面に、軸受５の外周側を周方向に配列されて複数穿設され、排気孔３ｂが、リヤブラケット３の径方向の側面に、固定子コイル１２のリヤ側コイルエンド１２ｒの外周側に、かつ周方向に配列して、複数穿設されている。

つぎに、このように構成された車両用交流発電機１の動作について説明する。
まず、電流がバッテリ（図示せず）からブラシ９およびスリップリング８を介して回転子１３の界磁コイル１４に供給され、磁束が発生される。この磁束により、第１ポールコア体１７の第１爪状磁極部２０がＮ極に着磁され、第２ポールコア体２１の第２爪状磁極部２４がＳ極に着磁される。
一方、エンジンの回転トルクがベルト（図示せず）およびプーリ６を介してシャフト１６に伝達され、回転子１３が回転される。そこで、回転磁界が固定子１０の固定子コイル１２に与えられ、起電力が固定子コイル１２に発生する。この交流の起電力が、整流器２５で直流電流に整流され、バッテリが充電され、或いは電気負荷に供給される。

回転子１３の回転に連動して第１および第２冷却ファン７ａ，７ｂが回転駆動される。そして、フロント側では、第１冷却ファン７ａの回転により、冷却風が吸気孔２ａからケース４内に吸気される。吸気孔２ａからケース４内に吸気された冷却風の一部が、周方向に隣り合う第１爪状磁極部２０間の隙間から回転子１３内に流入し、界磁コイル１４を冷却して永久磁石３１に到達する。永久磁石３１に到達した冷却風は、磁石台座３０および永久磁石３１によりリヤ側への流出を阻止され、第２爪状磁極部２４の遠心ファン効果により遠心方向に曲げられ、固定子コイル１２のリヤ側コイルエンド１２ｒを冷却した後、排気孔３ｂからケース４外に排出される。吸気孔２ａからケース４内に吸気された冷却風の残りが、第１冷却ファン７ａにより遠心方向に曲げられ、フロント側コイルエンド１２ｆを冷却した後、排気孔２ｂからケース４外に排出される。

一方、リヤ側では、第２冷却ファン７ｂの回転により、冷却風が吸気孔３ａからケース４内に吸気される。吸気孔３ａからケース４内に吸気された冷却風は、整流器２５を冷却した後軸方向に流れ、回転子１３に到達する。ここで、周方向に隣り合う第２爪状磁極部２４間の隙間が磁石台座３０および永久磁石３１により閉塞されているので、回転子１３に到達した冷却風は、回転子１３内への流入を阻止され、第２冷却ファン７ｂにより遠心方向に曲げられる。遠心方向に曲げられた冷却風は、リヤ側コイルエンド１２ｒを冷却した後、排気孔３ｂからケース４外に排出される。
これにより、整流器２５、固定子コイル１２および界磁コイル１４などの発熱部品が冷却風により冷却され、過度の温度上昇が阻止される。

つぎに、磁束の動作について図３を参照しつつ説明する。
まず、界磁コイル１４に通電されると、磁束３４が発生される。この磁束３４は、第１爪状磁極部２０からエアギャップ４０を通って固定子鉄心１１のティース部に入る。そして、磁束３４は、固定子鉄心１１のティース部からコアバック部を通って周方向に移動し、隣の第２爪状磁極部２４に対向するティース部からエアギャップ４０を通ってその第２爪状磁極部２４に入る。ついで、第２爪状磁極部２４に入った磁束３４は、第２継鉄部２３、第２ボス部２２、第１ボス部１８、第１継鉄部１９を通って第１爪状磁極部２０に至る。ここで、従来のランデル型回転子では、第１および第２ポールコア体は限界設計されているので、界磁コイルの発生する磁界により磁気飽和し、回転子で発生する磁束が減少してしまう。

この実施の形態１では、永久磁石３１は、界磁コイル１４の発生する磁界３３の向きと反対となるように着磁配向されている。そこで、永久磁石３１の発生する磁界の向きは、界磁コイル１４の発生する磁界３３と逆向きである。この永久磁石３１から発生した磁束３５が固定子鉄心１１に鎖交するには、大きな磁気抵抗をもつエアギャップ４０を往復する必要がある。また、永久磁石３１は、第１爪状磁極部２０の内径側に配設されており、第１爪状磁極部２０の内周面側に対して、より短い磁路長で周回するように配設されている。そこで、磁束３５の大部分が、固定子鉄心１１に迂回することなく、回転子内部で閉じた磁気回路を形成する。

つまり、永久磁石３１から発生する磁束３５は、空隙を介して第１爪状磁極部２０に入り、第１継鉄部１９、第１ボス部１８、第２ボス部２２、第２継鉄部２３および磁石台座３０を通り、永久磁石３１に戻る。
そこで、永久磁石３１の発生する磁束３５は、界磁コイル１４の発生する磁束３４と逆向きとなり、第１および第２ポールコア体１７，２１を構成する磁性体の磁束密度を大幅に低減することができ、磁気飽和を解消することができる。

ついで、このように構成された車両用交流発電機１を用いて、界磁アンペアターン（界磁ＡＴ）に対する固定子鎖交磁束量および回転数に対する発電量を測定し、その結果を図４および図５に示す。また、比較のために、永久磁石３１を省略した従来装置を作製し、界磁アンペアターン（界磁ＡＴ）に対する固定子鎖交磁束量および回転数に対する発電量（直流電流Ａ）を測定し、その結果を図４および図５に示す。なお図４中、実線が本発明品を示し、点線が従来装置を示している。

図４から、界磁ＡＴの小さい領域では、車両用交流発電機１と従来装置との差が小さく、磁気飽和が始まる領域を超えると、車両用交流発電機１と従来装置との差が大きくなることがわかる。すなわち、永久磁石３１を配設することが、磁気飽和を解消し、固定子１０に鎖交する磁束量を増大させることにつながることがわかる。
同様に、図５から、車両用交流発電機１では、従来装置に対し、特に低速回転域で大きな発電量が得られることが分かる。

つまり、従来装置では、磁気飽和に起因して界磁の起磁力のうち３割以上が回転子の磁気回路で消費され、磁束量の増大が困難となっていた。一方、この実施の形態１では、上述の通り、磁気飽和が解消されるので、固定子１０に鎖交する磁束が増加し、発電量が増加したものと推考される。特に、磁気飽和が顕著な低速アイドリング域での発電量を大幅に増大できることが確認された。

また、この実施の形態１では、永久磁石３１は、第１爪状磁極部２０の内周面に対向するように配設されているので、永久磁石３１は、回転子１３の外表面に対して径方向内方に位置している。そこで、固定子スロット高調波は第１および第２爪状磁極部２０，２４の表面部に留まり、永久磁石３１を直接誘導加熱するように作用しない。その結果、永久磁石３１が加熱されて、熱減磁することが未然に防止される。

また、永久磁石３１が、第１爪状磁極部２０の内周面に対向するように配設されているので、永久磁石３１の磁気回路が回転子内部で閉じた磁気回路となり、固定子１０に鎖交する磁束成分がなくなる。そこで、無負荷無励磁における永久磁石３１の誘起電圧の発生が抑制される。その結果、永久磁石３１の磁石量を増大させることができる。

また、永久磁石３１は磁石台座３０に取り付けられている。そこで、永久磁石３１が第１爪状磁極部２０の内径側に位置しているので、永久磁石３１にかかる遠心力が小さくなり、永久磁石３１の保持構造を簡略化できる。また、永久磁石３１は遠心力に対して大きく変位する第１および第２爪状磁極部２０，２４の影響を受けないので、永久磁石３１の保持が容易となる。さらに、温度範囲の広い車載発電機に適用しても、永久磁石３１は回転子の熱膨張に起因する爪状磁極部間の軸方向の変位の影響を受けないので、永久磁石３１の保持が容易となる。これらのことから、永久磁石３１の保持の信頼性が向上される。
また、永久磁石３１が第１爪状磁極部２０の内径側に位置しているので、永久磁石３１を配設することに起因する慣性モーメントの増加を小さくでき、慣性トルクが大きくなることも抑制できる。

また、磁石台座３０が、各第１爪状磁極部２０の先端側内周面と対向する第２継鉄部２３の外周面上に固着され、永久磁石３１が、第１爪状磁極部２０の先端側内周面に対向して各磁石台座３０の上面に固着されているので、周方向に隣り合う第１爪状磁極部２０間の隙間が磁石台座３０および永久磁石３１により閉塞される。そこで、第２冷却ファン７ｂの回転によりケース４内に吸気された冷却風の回転子１３内への流入が減少する。一方、第１冷却ファン７ａの回転によりケース４内に吸気され、その後回転子１３内に流入した冷却風は、回転子１３内からリヤ側に流出することなく、第２爪状磁極部２４の遠心ファン効果により径方向外方に流出する。そこで、第１冷却ファン７ａによりケース４内に吸気された冷却風の通風路と、第２冷却ファン７ｂによりケース４内に吸気された冷却風の通風路とが分離される。これにより、両冷却風の風量が増加し、冷却効果が高められるとともに、両冷却風の干渉に起因する騒音が低減される。

従って、発電機本体のサイズを現状のままで発電機容量を増大させた場合には、固定子コイル１２、界磁コイル１４、整流器２５での発熱量が増大し、過度の温度上昇をもたらす。この実施の形態１によれば、上述の通り、冷却効果が高められるので、発電機本体のサイズを現状のままで発電機容量を増大させた場合でも、固定子コイル１２、界磁コイル１４、整流器２５での発熱が効果的に放熱され、過度の温度上昇が抑えられる。

ここで、整流器２５が配設されたリヤ側の通風路の通風抵抗は大きくなり、リヤ側の通風路を流れる冷却風の風量が少なくなる。そこで、整流器２５が配設されたリヤ側の通風路を流れる冷却風の一部が回転子１３内に流入すると、リヤ側コイルエンド１２ｒの冷却に供給される冷却風の風量が一層減少し、冷却効果が低下する。また、回転子１３内に流入する冷却風が整流器２５により暖められていると、界磁コイル１４を効果的に冷却できない。

この実施の形態１では、永久磁石３１が、整流器２５が配設されている側の継鉄部、即ち第２継鉄部２３に配設された磁石台座３０に保持されている。そこで、吸気孔３ａから吸気された冷却風の全量が、回転子１３内に流入することなく、リヤ側コイルエンド１２ｒに供給される。また、吸気孔２ａから吸気された冷却風は、整流器２５により暖められること無く、温度が低い状態で回転子１３内に流入するので、界磁コイル１４を効果的に冷却できる。さらに、吸気孔２ａから吸気された冷却風は、温度が低いので、流量が回転子１３内に流入する分少なくなっても、フロント側コイルエンド１２ｆを効果的に冷却することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、永久磁石３１の着磁方向３２を径方向に一致させるものとしているが、この実施の形態２では、図６に示されるように、永久磁石３１の着磁方向３２を径方向に対して界磁コイル１４側に傾斜させ、第１爪状磁極部２０の先端側内周面に向けているものである。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

図６において、永久磁石３１は、断面平行四辺形に成形され、第１爪状磁極部２０の先端側内周面に対向して磁石台座３０の上面に接着剤などにより固着され、磁気的に接続されている。そして、永久磁石３１の上面は、第１爪状磁極部２０の内周面と所定の隙間をもって略平行となっている。また、永久磁石３１の着磁方向３２は回転子１３の軸心（シャフト１６の軸心）を含む平面において径方向（回転子１３の軸心と直交する平面）に対して界磁コイル１４側に角度θｍ傾斜している。

まず、永久磁石３１の着磁方向３２が回転子１３の軸心を含む平面において回転子１３の軸心と直交する方向（径方向）に対して界磁コイル１４側に角度θｍだけ傾斜することによる効果を説明するために、着磁方向３２が径方向に一致している場合の問題点について説明する。

界磁コイル１４が作る磁束３４は、図３に示されるように、第１爪状磁極部２０からエアギャップ４０を介して固定子鉄心１１に入り、再度エアギャップ４０を介して第２爪状磁極部２４に入る。この時、磁束３４は、第１爪状磁極部２０の根元部から固定子鉄心１１に入りやすく、先端側に行くほど、磁束３４の成分は少なくなる。同様に、磁束３４は、固定子鉄心１１から第２爪状磁極部２４の根元部に入りやすく、先端側に行くほど、磁束３４の成分は少なくなる。

このような状況下では、着磁方向３２が径方向に一致していると、永久磁石３１が作る磁束３５は永久磁石３１から第１爪状磁極部２０の先端部に入るようになる。そこで、第１爪状磁極部２０の磁路断面積の小さい先端側を流れる磁束３５は、界磁コイル１４が作る磁束３４により相殺されない。その結果、第１爪状磁極部２０の先端部の磁路が磁気飽和してしまい、永久磁石３１から回転子１３に加えられる磁束量が減ってしまう。つまり、永久磁石３１の利用率が低下してしまう。

ここで、永久磁石３１の着磁方向３２を径方向に対して界磁コイル１４側に角度θｍだけ傾けることにより、永久磁石３１による磁束３５は、永久磁石３１と第１爪状磁極部２０との間の領域の界磁コイル１４側の空間を通って、第１爪状磁極部２０の先端部の根元側から第１爪状磁極部２０に入り込むようになる。そこで、第１爪状磁極部２０の先端部の磁路が磁気飽和しなくなる。
これにより、磁束３５が第１爪状磁極部２０の先端部を通過する場合（着磁方向３２が径方向に一致している場合）に比べ、第１爪状磁極部２０の先端部での磁気飽和が回避されるので、磁石の磁束の利用率を高めることができる。

ここで、磁束の鉄への進入経路、あるいは磁束の鉄からの出射経路は、鉄の表面に対して垂直となっているので、磁石の着磁方向を鉄の表面に対して垂直にすることが望ましい。つまり、永久磁石３１の着磁方向３２は、対向する第１爪状磁極部２０の先端側内周面に直交することが望ましい。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、永久磁石３１を第２継鉄部２３に配設された磁石台座３０に保持させるものとしているが、この実施の形態３では、図７に示されるように、永久磁石３８を第１継鉄部１９に配設された磁石台座３７に保持させるものである。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

図７において、磁石台座３７は、磁性材、例えばＳ１０Ｃなどの低炭素鋼で冷間鍛造製法により作製されている。この磁石台座３７が、各第２爪状磁極部２４の先端側内周面と対向する第１継鉄部１９の外周面上に接着剤などにより固着され、磁気的に接続されている。そして、磁石台座３７の上面が、第２爪状磁極部２４の内周面と略平行に形成されている。さらに、永久磁石３８が、断面平行四辺形に成形され、各第２爪状磁極部２４の先端側内周面に対向して磁石台座３７の上面に接着剤などにより固着され、磁気的に接続されている。このとき、各永久磁石３８の上面は、第２爪状磁極部２４の内周面と所定の隙間をもって略平行となっている。また、磁石台座３７は、周方向に隣り合う第１爪状磁極部２０間のそれぞれのスペース内に延出し、当該スペースをほぼ閉塞している。
また、永久磁石３８は、着磁方向３２が、界磁コイル１４を流れる界磁電流が回転子１３の軸心と直交する平面において作る磁界３３の向きと反対となるように着磁配向されている。

この実施の形態３では、回転子１３の回転に連動して第１および第２冷却ファン７ａ，７ｂが回転駆動される。そして、フロント側では、第１冷却ファン７ａの回転により、冷却風が吸気孔２ａからケース４内に吸気される。ここで、周方向に隣り合う第１爪状磁極部２０間の隙間が磁石台座３７および永久磁石３８により閉塞されているので、吸気孔２ａからケース４内に吸気された冷却風は、回転子１３内への流入を阻止され、第１冷却ファン７ａにより遠心方向に曲げられる。遠心方向に曲げられた冷却風は、フロント側コイルエンド１２ｆを冷却した後、排気孔２ｂからケース４外に排出される。

一方、リヤ側では、第２冷却ファン７ｂの回転により、冷却風が吸気孔３ａからケース４内に吸気される。吸気孔３ａからケース４内に吸気された冷却風は、整流器２５を冷却した後軸方向に流れ、回転子１３に到達する。回転子１３に到達した冷却風の一部が、周方向に隣り合う第２爪状磁極部２４間の隙間から回転子１３内に流入し、界磁コイル１４を冷却して永久磁石３８に到達する。永久磁石３８に到達した冷却風は、磁石台座３７および永久磁石３８によりフロント側への流出を阻止され、第１爪状磁極部２０の遠心ファン効果により遠心方向に曲げられ、固定子コイル１２のフロント側コイルエンド１２ｆを冷却した後、排気孔２ｂからケース４外に排出される。回転子１３に到達した冷却風の残りが、第２冷却ファン７ｂにより遠心方向に曲げられ、リヤ側コイルエンド１２ｒを冷却した後、排気孔３ｂからケース４外に排出される。

このように、実施の形態３においても、第１および第２冷却ファン７ａ，７ｂによりケース４内に吸気された冷却風の通風路が分離され、両冷却風の風量が増加し、冷却効果が高められるとともに、両冷却風の干渉に起因する騒音が低減される。

また、この実施の形態３においても、界磁コイル１４により発生される磁束３４は、第１爪状磁極部２０からエアギャップ４０を通って固定子鉄心１１のティース部に入る。そして、磁束３４は、固定子鉄心１１のティース部からコアバック部を通って周方向に移動し、隣の第２爪状磁極部２４に対向するティース部からエアギャップ４０を通ってその第２爪状磁極部２４に入る。ついで、第２爪状磁極部２４に入った磁束３４は、第２継鉄部２３、第２ボス部２２、第１ボス部１８、第１継鉄部１９を通って第１爪状磁極部２０に至る。ここで、従来のランデル型回転子では、第１および第２ポールコア体は限界設計されているので、界磁コイルの発生する磁界により磁気飽和し、回転子で発生する磁束が減少してしまう。

一方、永久磁石３８から発生した磁束３９が固定子鉄心１１に鎖交するには、大きな磁気抵抗をもつエアギャップ４０を往復する必要がある。また、永久磁石３８は、第２爪状磁極部２４の内径側に配設されており、第２爪状磁極部２４の内周面側に対してより短い磁路長で周回するように配設されている。そこで、磁束３９の大部分が、固定子鉄心１１に迂回することなく、回転子内部で閉じた磁気回路を形成する。

つまり、永久磁石３８から発生する磁束３９は、磁石台座３７から第１継鉄部１９、第１ボス部１８、第２ボス部２２、第２継鉄部２３および第２爪状磁極部２４を通り、永久磁石３８に戻る。そこで、永久磁石３８の発生する磁束３９は、界磁コイル１４の発生する磁束３４と逆向きとなり、第１および第２ポールコア体１７，２１を構成する磁性体の磁束密度を大幅に低減することができ、磁気飽和を解消することができる。

なお、上記各実施の形態では、車両用交流発電機について説明しているが、この発明は、車両用交流発電機に限らず、車両用電動機や車両用発電電動機などの回転電機に適用しても、同様の効果を奏する。

また、上記各実施の形態では、永久磁石が断面平行四辺形に形成されているものとしているが、永久磁石の形状はこれに限定されるものではなく、磁石台座とともに適宜設計すればよい。
また、上記各実施の形態では、磁石台座がポールコアと別部材として作製されているものとしているが、磁石台座はポールコアと一体に作製されてもよい。あるいは、磁石台座を複数の部材で構成してもよい。

この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機を模式的に示す断面図である。この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す斜視図である。この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における磁束の流れを説明するための模式図である。この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における界磁アンペアターン（界磁ＡＴ）と固定子鎖交磁束量との関係を表す図である。この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における回転数に対する発電量を示す図である。この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機における永久磁石の着磁方向を説明するための模式図である。この発明の実施の形態３に係る車両用交流発電機における磁束の流れを説明するための模式図である。

符号の説明

２フロントブラケット、２ａ吸気孔、２ｂ排気孔、３リヤブラケット、３ａ吸気孔、３ｂ排気孔、４ケース、１０固定子、１１固定子鉄心、１２固定子コイル、１２ｆフロント側コイルエンド、１２ｒリヤ側コイルエンド、１３回転子、１４界磁コイル、１５ポールコア、１６シャフト、１７第１ポールコア体、１８第１ボス部、１９第１継鉄部、２０第１爪状磁極部、２１第２ポールコア体、２２第２ボス部、２３第２継鉄部、２４第２爪状磁極部、２５整流器、３０，３７磁石台座、３１，３８永久磁石、３２着磁方向。

Claims

ボス部、該ボス部の軸方向両端縁部から径方向外方に延設された第１および第２継鉄部、および該第１および第２継鉄部のそれぞれから交互に軸方向に延設され、噛み合って周方向に配列された複数の第１および第２爪状磁極部を有し、上記ボス部の軸心位置に挿通されたシャフトに固着されたポールコアと、上記ボス部、上記第１および第２継鉄部、および上記複数の第１および第２爪状磁極部に囲まれた空間内に収納された界磁コイルと、を有する回転子と、
上記ポールコアの軸方向両端のそれぞれに固着された第１および第２冷却ファンと、
上記シャフトを軸支して上記回転子を内蔵し、吸気孔が軸方向の両端面に穿設され、かつ排気孔が径方向の側面に穿設されたケースと、
円筒状の固定子鉄心、および上記固定子鉄心に巻装された固定子コイルを有し、上記固定子鉄心が上記回転子を所定のエアギャップを介して囲繞するように上記ケースに保持されて配設された固定子と、
上記固定子で生じた交流を直流に整流する整流器と、
を備えた回転電機において、
磁石台座が、上記第２継鉄部に配設されて周方向に隣り合う上記第２爪状磁極部間のそれぞれのスペース内に延出し、
永久磁石が、上記複数の第１爪状磁極部のそれぞれの先端側の内周面に対向して上記磁石台座に保持されて上記第２継鉄部側のみに配設されており、
上記永久磁石のそれぞれは、上記界磁コイルの作る磁界の向きと逆向きに着磁配向されていることを特徴とする回転電機。
上記整流器が、上記ケースの上記ポールコアの上記第２継鉄部側に内蔵されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
上記永久磁石の着磁方向が、対向する上記第１爪状磁極部の内周面に向いていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の回転電機。
上記永久磁石の着磁方向が、対向する上記第１爪状磁極部の内周面に直交していることを特徴とする請求項３記載の回転電機。