JP5211914B2 - 車両用回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車、トラック等に搭載される車両用回転電機に関する。

従来から、ランデル型回転子の磁極爪部間に永久磁石を配置した磁石併用型の車両用交流発電機において、これら複数の永久磁石およびその保持器を、回転子の回転軸方向に互いにスライドさせて配置することにより、磁気騒音を低減するようにした構造が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。
特開２００５−２３７０５７号公報（第３−１０頁、図１−１８） 特開２００７−８９３８３号公報（第５−７頁、図１−６）

ところで、車両用交流発電機のリア側には整流装置等の電気部品が搭載されているため冷却風を導入する際の通風抵抗が増大するとともに、整流装置自体が発熱体であるため、発電時の回転子はプーリ側に比べてリア側の温度が高くなる。ところが、上述した各特許文献に開示された従来構造では、磁極爪部間に挿入された永久磁石は全数の内の半分がリア側に配置されているため、リア側に配置された永久磁石の温度が高くなるという問題があった。

一般に、永久磁石の磁力を示す磁束密度Ｂは、温度上昇と反比例する特性を持っているため、永久磁石を高温で使用すると、必要な磁力を得るために余計に高い磁束密度を持つ永久磁石を使用するか、あるいは、永久磁石の量を増やして使用する必要があり、コストの増大を招くことになる。

また、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石を使用する場合は、永久磁石の磁力を保持する力を示す保磁力Ｈも温度上昇と反比例する特性を持っているため、永久磁石を高温で使用すると、必要な保磁力を得るために余計に高い保磁力を持つ永久磁石を使用するか、あるいは、永久磁石の量を増やして使用する必要があり、さらにコストの増大を招くことになる。

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、回転子に装着された永久磁石の温度を下げることができ、これに伴うコスト低減が可能な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、それぞれに複数の爪部が形成された一対のポールコアと漏洩磁束を防ぐ向きに着磁されて一対のポールコアの爪部間に配置された複数の永久磁石とを有する回転子と、回転子と対向配置された固定子と、回転子の回転軸に取り付けられるプーリと、固定子に備わった固定子巻線に誘起される交流電圧を整流するとともに回転子を挟んでプーリと反対側に配置される整流装置とを備えており、永久磁石の前記回転軸に沿った中心位置が、一対のポールコアの軸方向幅の中心位置よりもプーリ側に配置されている。また、一対のポールコアは、永久磁石の回転軸方向の前後の位置決め部を有し、位置決め部は、永久磁石の当接部分に対応する凹形状となっている。具体的には、一対のポールコアの軸方向幅の中心位置よりもプーリ側に複数の永久磁石を配置している。

回転子に装着される永久磁石の位置を高温になる整流装置から遠ざけることにより、永久磁石の温度を下げることができる。それによりまた、高温時の磁力低下を抑制することができ、必要な磁力を得るために高い磁束密度を持つ永久磁石を使用したり、永久磁石の
量を増やす必要がなくなるため、コストの増大を防止することができる。また、一対のポールコアに位置決め部を有することにより、プーリ側にずらして配置された永久磁石の移動を防止することができる。

また、上述した一対のポールコアのそれぞれの軸方向端面には冷却ファンが取り付けられていることが望ましい。回転子に冷却ファンを取り付けることにより、回転子に装着された永久磁石の冷却が容易となる。また、永久磁石をプーリ側に偏って配置することにより、プーリ側の冷却ファンとの間の距離を近づけることができるため、永久磁石の冷却性をさらに向上させることができる。

また、上述した冷却ファンは斜流ブレードを有することが望ましい。あるいは、上述した斜流ブレードを有する冷却ファンは、プーリ側に配置された一方のポールコアに取り付けられていることが望ましい。斜流ブレードを有する冷却ファンを用いることにより、永久磁石の周囲に冷却風を送ることができ、効率よく永久磁石を冷却することができる。特に、永久磁石に近い側の冷却ファンを斜流ブレードとすることにより、温度が上昇する前の冷却風で永久磁石を冷却することができ、さらに冷却性を向上させることができる。

また、上述した永久磁石は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石であることが望ましい。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石は、温度上昇を抑えることにより、永久磁石の保磁力を高めることができるため、必要な保磁力を得るために高い保磁力を持つ永久磁石を使用したり、永久磁石の量を増やす必要がなくなり、さらにコストの増大を防止することができる。

また、少なくとも一方の位置決め部は、永久磁石を配置後にポールコアを塑性加工して形成されることが望ましい。これにより、永久磁石を備える回転子の組付が容易になるとともに、永久磁石の移動を確実に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造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、回転子２、固定子３、フロント側ハウジング４、リヤ側ハウジング５、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８、プーリ９等を含んで構成されている。

回転子２は、回転方向に沿って交互にＮＳ磁極を形成する軸方向に折り曲げられた複数の磁極爪部を有する一対のポールコア２２、２３と、これら一対のポールコア２２、２３の間に配置された永久磁石２９と、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した励磁コイル２１と、回転軸２４とを有する。また、フロント側（プーリ９側）のポールコア２２の軸方向端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すために斜流ブレードを備えて軸流式又は軸流式と遠心式を混合した冷却ファン２５が溶接（例えばプロジェクション溶接）によって取り付け固定されている。同様に、リヤ側のポールコア２３の軸方向端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すための遠心式の冷却ファン２６が溶接等によって取り付け固定されている。永久磁石２９の具体的な配置については後述する。

回転軸２４のリヤ側には励磁コイル２１の両端に電気的に接続されたスリップリング２７、２８が形成されており、ブラシ装置６内のブラシ６１、６２をスリップリング２７、２８のそれぞれに押し当てた状態で組み付けることにより、整流装置７から励磁コイル２１に対して励磁電流が流れるようになっている。

固定子３は、回転子２に対して対向配置された固定子鉄心３１に形成された複数個のスロットに、三相の固定子巻線３２が所定間隔で巻装されている。整流装置７は、固定子３の三相の固定子巻線３２に誘起される交流電圧を整流して直流出力を得るためのものであり、回転子２を挟んでプーリ９と反対側に配置され、所定の間隔で固定される正極側放熱板および負極側放熱板と、それぞれの放熱板に半田付け等によって取り付けられた複数個の整流素子とを含んで構成されている。

フロント側ハウジング４およびリヤ側ハウジング５は、上述した回転子２および固定子３を収納しており、回転子２が回転軸２４を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子２のポールコア２２、２３の外側に所定の隙間を介して配置された固定子３が固定されている。この固定子３の固定は、回転子２の回転方向に沿って等間隔に設けられた４箇所の支持部４２０にボルト３４を通して締め付けることにより行われる。

電圧調整器８は、励磁コイル２１に流す励磁電流を制御することにより車両用交流発電機１の出力電圧を調整するためのものであり、電気負荷と発電量とに応じて変化する出力電圧をほぼ一定に維持する。プーリ９は、エンジン（図示せず）の回転を車両用交流発電機１内の回転子２に伝えるためのものであり、回転軸２４の一方端（スリップリング２７等と反対側）にナット９１によって締め付け固定されている。また、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８を覆うように、これらを保護するリヤカバー９２が取り付けられている。

上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ９にエンジンからの回転が伝えられると回転子２が所定方向に回転する。このとき、励磁コイル２１に励磁電圧を印加することによりポールコア２２、２３のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線３２に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置７の出力端子からは所定の直流電流が取り出される。

また、上述した回転子２の回転に伴って、一方のポールコア２２の端面に取り付けられた冷却ファン２５が回転するため、プーリ９側に設けられたフロント側ハウジング４の吸入口４４０を介して冷却風が車両用交流発電機１の内部に吸入され、この冷却風の軸方向成分によって励磁コイル２１や永久磁石２９が冷却されるとともに、径方向成分によって固定子巻線３２の前方のコイルエンドが冷却される。この冷却風はその後フロント側ハウジング４の吐出口４５０から排出される。

同様に、上述した回転子２の回転に伴って、他方のポールコア２３の端面に取り付けられた冷却ファン２６も回転するため、リヤカバー９２の吸入口を介して吸入された冷却風が、整流装置７あるいは電圧調整器８を冷却した後に、リヤ側ハウジング５の吸入口５４０を介して冷却ファン２６まで導かれ、この冷却風が径方向に排出されて、固定子巻線３２の後方のコイルエンドが冷却される。この冷却風はその後リア側ハウジング５の吐出口（図示せず）から排出される。

次に、回転子２に備わった磁石２９の詳細について説明する。図２は、回転子２の斜視図である。また、図３は回転子２の側面の部分的な展開図である。

図１に示すように、回転子２に含まれる一方のポールコアは、励磁コイル２１が巻回された円柱形状の鉄心部２２Ａと、鉄心部２２Ａの軸方向端部から径方向に延伸するディスク部２２Ｂと、ディスク部２２Ｂから軸方向に延伸して他方のポールコア２３との間で交互にＮＳ磁極を形成する磁極爪部２２Ｃとを有している。他方のポールコア２３についても同様であり、鉄心部２３Ａ、ディスク部２３Ｂ、磁極爪部２３Ｃが含まれている。図２および図３に示すように、永久磁石２９は、隣接する２つの磁極爪部２２Ｃ、２３Ｃの間であって、一対のポールコア２２、２３の軸方向に沿った中心位置（一対のポールコア２２、２３のそれぞれの鉄心部２２Ａ、２３Ａが当接する位置、あるいは、冷却ファン２５、２６が取り付けられたそれぞれの軸方向端面の中間位置）よりもプーリ９側に配置されている。具体的には、図３に示すように、永久磁石２９の回転軸２４に沿った中心位置Ａが、一対のポールコア２２、２３の軸方向に沿った中心位置Ｂよりもプーリ９側に配置されている。また、永久磁石２９は、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石であって、隣接する磁極爪部２２Ｃ、２３Ｃの間の漏洩磁束を防ぐ向きに着磁されている。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、回転子２に装着される永久磁石２９の位置を高温になる整流装置７から遠ざけることにより、永久磁石２９の温度を下げることができる。また、高温時の減磁がなくなる、あるいは減磁の程度が軽減されることにより、必要な磁気特性を得るために高い磁束密度を持つ永久磁石２９を使用したり、永久磁石２９の量を増やす必要がなくなるため、コストの増大を防止することができる。

また、上述した一対のポールコア２２、２３のそれぞれの軸方向端面には冷却ファン２５、２６が取り付けられているため、回転子２に装着された永久磁石２９の冷却が容易となる。また、永久磁石２９をプーリ９側に偏って配置することにより、プーリ９側の冷却ファン２５との間の距離を近づけることができるため、永久磁石２９の冷却性をさらに向上させることができる。特に、斜流ブレードを有する冷却ファン２５がプーリ９側に取り付けられているため、近接配置された永久磁石２９の周囲に冷却風を送ることができ、効率よく永久磁石２９を冷却することができる。

また、永久磁石２９をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石とすることにより磁束密度の増大が可能であるとともに、温度上昇を抑えることにより、永久磁石２９の保磁力を高めることができるため、必要な保磁力を得るために高い保磁力を持つ永久磁石２９を使用したり、永久磁石２９の量を増やす必要がなくなり、さらにコストの増大を防止することができる。

図４は、永久磁石２９の位置決め部を追加した変形例を示す回転子２の部分的な展開図である。図４（Ａ）に示すように、一対のポールコア２２、２３は、永久磁石２９の回転軸方向の前後の位置決め部２２Ｄ、２３Ｄを有する。プーリ９側のポールコア２２の磁極爪部２２Ｃに形成された位置決め部２２Ｄは、永久磁石２９の当接部分に対応する形状を有する凹部であって、永久磁石２９の軸方向両側の位置決めが行われる。反プーリ側のポールコア２３の磁極爪部２３Ｃに形成された位置決め部２３Ｄは、永久磁石２９の当接部分に対応する形状を有する点は同じであるが、プーリ９側が開放されている。これにより、一方のポールコア２２の位置決め部２２Ｄに永久磁石２９を当接させた状態で他方のポールコア２３を組み付けることができ（図４（Ｂ））、２つの位置決め部２２Ｄ、２３Ｄによって、組付後に永久磁石２９を軸方向および回転方向の両側から拘束し、プーリ９側にずらして配置された永久磁石２９の移動を防止することができる。

図５は、永久磁石２９の位置決め部を追加した他の変形例を示す回転子２の部分的な展開図である。図５（Ａ）に示すように、一対のポールコア２２、２３は、永久磁石２９の回転軸方向の前後の位置決め部２２Ｅ、２３Ｅを有する。プーリ９側のポールコア２２の磁極爪部２２Ｃに形成された位置決め部２２Ｅは、永久磁石２９の当接位置に対応する軸方向両側に突起を有する。この突起は、ポールコア２２の磁極爪部２２Ｃを部分的に打ち出して（塑性加工して）形成されている。反プーリ側のポールコア２３の磁極爪部２３Ｃに形成された位置決め部２３Ｅは、永久磁石２９の当接位置に対応する軸方向両側に突起を有する。この突起は、ポールコア２３の磁極爪部２３Ｃを部分的に打ち出して（塑性加工して）形成されている。また、この軸方向両側の突起の内、少なくともプーリ９側に配置された突起は、永久磁石２９を配置した後（永久磁石２９を挟んだ状態でポールコア２２、２３を組み付けた後）に打ち出される。但し、他の突起も永久磁石２９を配置後に打ち出すようにしてもよい。このように、永久磁石２９を配置後に位置決め部２３Ｅを塑性加工で形成することにより、永久磁石２９を備える回転子２の組付が容易になるとともに、永久磁石２９の移動を確実に防止することができる。

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。例えば、上述した実施形態では、永久磁石２９をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石としたが、フェライト系などの他の種類の永久磁石を用いるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、発電機能を有する車両用交流発電機１について説明したが、発電機と電動機の機能を有する車両用回転電機に本発明を適用するようにしてもよい。この場合には、整流装置７にインバータ機能を追加して固定子巻線３２に三相交流電圧を印加し、回転子２を回転させればよい。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。 回転子の斜視図である。 回転子の側面の部分的な展開図である。 永久磁石の位置決め部を追加した変形例を示す回転子の部分的な展開図である。 永久磁石の位置決め部を追加した他の変形例を示す回転子の部分的な展開図である。

符号の説明

１ 車両用交流発電機
２ 回転子
３ 固定子
４ フロント側ハウジング
５ リヤ側ハウジング
６ ブラシ装置
７ 整流装置
８ 電圧調整器
９ プーリ
２１ 励磁コイル
２２、２３ ポールコア
２２Ａ、２３Ａ 鉄心部
２２Ｂ、２３Ｂ ディスク部
２２Ｃ、２３Ｃ 磁極爪部
２２Ｄ、２２Ｅ、２３Ｄ、２３Ｅ 位置決め部
２４ 回転軸
２５、２６ 冷却ファン
２９ 永久磁石

Claims (7)

1. それぞれに複数の爪部が形成された一対のポールコアと漏洩磁束を防ぐ向きに着磁されて前記一対のポールコアの前記爪部間に配置された複数の永久磁石とを有する回転子と、前記回転子と対向配置された固定子と、前記回転子の回転軸に取り付けられるプーリと、前記固定子に備わった固定子巻線に誘起される交流電圧を整流するとともに前記回転子を挟んで前記プーリと反対側に配置される整流装置とを備える車両用回転電機において、
   前記永久磁石の前記回転軸に沿った中心位置が、前記一対のポールコアの軸方向幅の中心位置よりも前記プーリ側に配置されており、
   前記一対のポールコアは、前記永久磁石の回転軸方向の前後の位置決め部を有し、
   前記位置決め部は、前記永久磁石の当接部分に対応する凹形状であることを特徴とする車両用回転電機。
2. 請求項１において、
   前記一対のポールコアの軸方向幅の中心位置よりも前記プーリ側に前記複数の永久磁石を配置することを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項１または２において、
   前記一対のポールコアのそれぞれの軸方向端面には冷却ファンが取り付けられていることを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項３において、
   前記冷却ファンは斜流ブレードを有することを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項４において、
   前記斜流ブレードを有する前記冷却ファンは、前記プーリ側に配置された一方の前記ポールコアに取り付けられていることを特徴とする車両用回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記永久磁石は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石であることを特徴とする車両用回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   少なくとも一方の前記位置決め部は、前記永久磁石を配置後に前記ポールコアを塑性加工して形成されることを特徴とする車両用回転電機。

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