JP5092911B2

JP5092911B2 - 車両用回転電機

Info

Publication number: JP5092911B2
Application number: JP2008151421A
Authority: JP
Inventors: 晴美村上
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-06-10
Also published as: JP2009303289A

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。

また、ステータと、ステータと同軸で回転する回転軸に固定されたロータと、ステータを支持して固定するとともに回転軸が回転可能に支持するブラケットと、回転軸の一端側に配置されてロータの回転位置を検出する回転位置検出部とを備え、回転位置検出部外周をシールド部材で覆うようにした回転電機が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

また、回転子の回転軸に設けられたスリップリングに摺接するブラシを収納するブラシホルダと、スリップリングを覆うカバー部材とを備え、これらブラシホルダとカバー部材の少なくとも一方に形成された隙間による開口がスリップリングから見てブラシホルダ側を向くようにした車両用交流発電機が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００７−９７２３６号公報（第４−１０頁、図１−３）特開２００７−６０７３４号公報（第３−６頁、図１−７）特開２００６−６０００号公報（第４−８頁、図１−１６）

ところで、特許文献１に開示された構造は、被覆部材と回転軸に固定された磁石ホルダによってラビリンス構造を形成することにより、回転時のブラシ粉の被覆部材外部への飛散を抑えるためのものであるため、ブラシやスリップリング周辺への被水を充分に防ぐことができず、耐水性の確保が難しいという問題があった。

また、特許文献２に開示された構造では、回転位置検出部の周辺がシールド部材によって外部と遮断されるため、回転位置検出部やその近傍に配置されたスリップリングやブラシの冷却性が悪化するという問題があった。

また、特許文献２に開示された構造では、回転軸の後方がカバー部材で覆われているため、回転軸に特許文献２で示されたような回転位置検出部を取り付ける空間が確保できない。また、回転位置検出部を取り付けるために、カバー部材を開放することも考えられるが、もともとカバー部材はスリップリングの周辺空間への水の浸入を防止するために設けられたものであるため、カバー部材の開放に伴って耐水性が悪化すると、カバー部材の本来の目的が達成できなくなる。さらに、カバー部材を開放する場合に、カバー部材に回転位置検出部が干渉しないようにするためにはカバー部材の開口部の径を回転位置検出部の径よりも大きくする必要があるが、耐水性確保のために開口部の径を小さくすると、回転位置検出部の径も小さくなってしまい、高速回転域での位置検出精度が低下するという問題もある。

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、回転子の位置検出を行う場合に、検出精度を向上させることができるとともに、スリップリング周辺の冷却性および耐水性を確保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、カバー部材は、回転軸の一端に対応する位置に、回転位置被検出部より小さい開放部を有し、回転位置被検出部は、開放部を通して回転軸の一端に固定され、回転位置検出部は、回転位置被検出部に対向するとともに回転位置被検出部を挟んで回転軸の一端と反対側に配置され、カバー部材と回転位置検出部は、それぞれの軸方向位置を部分的に重ねることにより迷路構造を形成している。

開放部を通してスリップリング周辺に冷却風を導入することができるため、スリップリング周辺の冷却性を確保することができる。また、非回転部で迷路構造を形成するため、回転数に関係なく常に安定した耐水性を確保することができる。また、回転位置被検出部の形状を簡易にすることができ、回転位置被検出部の必要耐震強度を緩和することができる。また、開放部がこれより大きい回転位置検出部で覆われるため、開放部を通して水が浸入しにくくなり、耐水性を確保することができる。さらに、開放部の大きさに関係なく、大きい外径の回転位置検出部を用いることができるため、回転位置検出部の外径部分の移動量を大きくして回転高速域（高回転時）での位置検出精度を向上させることができる。

また、上述した回転位置被検出部は、ブラシ装置を組み付けた後、回転軸の一端に取り付けられることが望ましい。これにより、開放部よりも大きな回転位置被検出部の取り付けが容易となる。

また、上述したカバー部材と回転位置被検出部は、回転軸の軸方向に沿った向きに迷路構造（ラビリンス構造）を形成することが望ましい。あるいは、上述したカバー部材と回転位置被検出部は、回転軸の径方向に沿った向きに迷路構造を形成することが望ましい。これにより、カバー部材と回転位置被検出部の間の隙間を通して冷却風を導入しつつ、この隙間を通して外部から水の浸入を抑制してさらに耐水性を確保することができる。

また、上述した回転位置被検出部と回転軸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とが望ましい。これにより、回転軸と回転位置被検出部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、上述した回転位置被検出部と回転軸は、熱伝導性の高い金属で形成されていることが望ましい。あるいは、上述した回転位置被検出部と回転軸は、金属で形成されていることが望ましい。これにより、回転子の熱を回転軸を通して回転位置被検出部側に伝えることができ、回転子の冷却性を向上させることができる。

また、上述した回転位置被検出部は、熱伝導性が低い部材で形成されていることが望ましい。あるいは、回転位置被検出部は、回転軸よりも熱伝導性が低い部材で形成されていることが望ましい。これにより、回転位置被検出部が熱により変形して回転位置検出精度が低下することを防止することができる。

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とを含んで構成されている。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、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、本実施形態では、被検出部７１の外径が大きくなればなるほど回転位置の検出精度が向上する検出方法であれば、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。

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。

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、図５に示すように、検出部７２とカバー部材２５０は、矢印Ａで示される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。水やその他の異物の侵入方向が矢印Ｂで示されている。一方、空気（矢印Ｃ）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、矢印Ａと反対側の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（矢印Ｄ）。

上述した回転位置センサ７の被検出部７１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、開放部２６２を通してスリップリング４７、４８周辺に冷却風を導入することができるため、スリップリング４７、４８周辺の冷却性を確保することができる。また、開放部２６２がこれより大きい被検出部７１で覆われるため、開放部２６２を通して水が浸入しにくくなり、耐水性を確保することができる。さらに、開放部２６２の大きさに関係なく、大きい外径の被検出部７１を用いることができるため、被検出部７１の外径部分（外周近傍領域）の回転時の移動量を大きくして回転高速域（高回転時）での位置検出精度を向上させることができる。

なお、本発明は、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おいても適用されることはいうまでもない。

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。図６〜図９はブラシ装置６と回転位置センサ７の変形例を示す図である。なお、これらの図には、被検出部７１、検出部７２、カバー部材２５０の概略的な形状が示されており、ホール素子等は省略されている。

図６（Ａ）にはブラシ装置６から被検出部７１が露出した状態が、図６（Ｂ）にはブラシ装置６と回転位置センサ７を含む断面構造がそれぞれ示されている。これらの図に示す例では、検出部７２とカバー部材２５０によって形成される迷路構造が、主に矢印Ａで示される天方向に配置されている。この点は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示された変形例についても同じである。

図８（Ａ）にはブラシ装置６から被検出部７１が露出した状態が、図７（Ｂ）にはブラシ装置６と回転位置センサ７を含む断面構造が、図７（Ｃ）には図７（Ｂ）のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面がそれぞれ示されている。図７（Ｃ）に含まれる各矢印は、図５に含まれる各矢印に対応している（矢印Ａは天方向、矢印Ｂは水やその他の異物の侵入方向、矢印Ｃは空気の流れ、矢印Ｄや排出される異物の流れ）。

図９（Ａ）にはブラシ装置６から被検出部７１が露出した状態が、図９（Ｂ）にはブラシ装置６と回転位置センサ７を含む断面構造がそれぞれ示されている。これらの図に示す例では、カバー部材２５０の開放部２６２近傍の面を回転軸４４に対して傾斜させている。これにより、カバー部材２５０の構造を簡素化しつつ、迷路構造を形成するとともに開放部２６２の隙間を小さくすることができる。

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。ブラシホルダと一体形成された壁部の変形例を示す図である。ブラシホルダと一体形成された壁部の変形例を示す図である。ブラシホルダと一体形成された壁部の変形例を示す図である。ブラシホルダと一体形成された壁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
１００車両用交流発電機
２００ブラシホルダ
２１１、２１２収納部
２２１、２２２ターミナル
２５０カバー部材
２６２開放部

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、
前記カバー部材は、前記回転軸の一端に対応する位置に、前記回転位置被検出部より小さい開放部を有し、
前記回転位置被検出部は、前記開放部を通して前記回転軸の一端に固定され、
前記回転位置検出部は、前記回転位置被検出部に対向するとともに前記回転位置被検出部を挟んで前記回転軸の一端と反対側に配置され、
前記カバー部材と前記回転位置検出部は、それぞれの軸方向位置を部分的に重ねることにより迷路構造を形成し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、
前記回転位置被検出部は、前記ブラシ装置を組み付けた後、前記回転軸の一端に取り付けられ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、
前記カバー部材と前記回転位置被検出部は、前記回転軸の軸方向に沿った向きに迷路構造を形成することを特徴とする車両用回転電機。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記カバー部材と前記回転位置被検出部は、前記回転軸の径方向に沿った向きに迷路構造を形成す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、
前記回転位置被検出部と前記回転軸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とを特徴とする車両用回転電機。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記回転位置被検出部と前記回転軸は、熱伝導性の高い金属で形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記回転位置被検出部と前記回転軸は、金属で形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記回転位置被検出部は、熱伝導性が低い部材で形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記回転位置被検出部は、前記回転軸よりも熱伝導性が低い部材で形成されていることを特徴とする車両用回転電機。