JP5227458B2 - 保持装置による電動機のケーシングのエンドシールドへの軸受けの位置固定方法 - Google Patents

Description

背景技術
一般に、自動車分野に適用するための空冷式の発電機は、固定軸受けによって第１のエンドシールド（Ａエンドシールド）と、可動軸受によって第２のエンドシールド（Ｂエンドシールド）とに支承される。この場合、軸受けとして使用される玉軸受けは、軸方向でエンドシールドと保持板との間に位置固定されている。一般的に設けられている軸受け遊びに基づき、ロータの振動が全体として軸方向で生じる。ロータ衝突とも呼ばれるこの現象は、一般に１００Ｈｚ〜５００Ｈｚで発生し且つ概して発電機内の様々な構成部材における極めて高度な機械的負荷を伴う。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４０３９５７号明細書は、フランジ軸受けに関するものである。このフランジ軸受けは、収穫機又は別の相応に装備された農業機械の巻上げ機又は収容ドラムの歯付き軸を取り付けるために役立つ。フランジ軸受けは、片側を断絶された軸受けボディを有しており、この軸受けボディの外周面は、円筒形の中間区分を有している。この中間区分には、両側を円錐形に傾斜された区分が続いている。前記軸受けボディにはウェブが設けられており、このウェブは、巻上げ機スパイダの取付け部に、軸受けが正確に支承されて挿入されることを可能にすると同時に、回動防止手段として役立つ。軸受け半部は、膜ヒンジによって互いに弾性的に結合されており、この膜ヒンジに続いて切欠きが設けられており、この切欠きは、抵抗力のあるプラスチックから製作された軸受けボディの組立て及び分解時における拡開を容易にする。この構成は、切り欠かれた箇所における比較的小さな剛性に基づいて、より簡単に曲げることのできるヒンジである。

米国特許第３４３１０３２号明細書に開示された円筒形の軸受けケーシングは、軸方向で見てフライス切削加工されたスリットを有している。これにより、発生する内部応力、つまり例えば鋳造時に発生する自己応力が低下される。前記スリットによって、軸受けケーシングの変形が可能である。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０５３０７８号明細書は、軸受けユニットに関するものである。この軸受けユニットは軸受け支持体を有しており、この軸受け支持体は、有利には転がり軸受けとして形成されている軸受けに結合されている。この軸受けは、その支承輪内に周方向で巡る溝を有している。この溝には、軸受け支持体に配置され且つ半径方向に延在する少なくとも１つの突出部が係合する。軸受け支持体は所定の周方向位置に、ほぼ半径方向に延在するスリットを有している。

最後に、ＷＯ０３／０８１７５０Ａ１には車両用の発電機が示されており、この発電機は、半径方向に延在するスリットを有する保持板を有している。半径方向に延在するこのスリットは、製作誤差補償手段として役立つ。この構成では、保持板のねじ締結に際して場合によっては生じるひずみが減少される。それというのも、保持板の材料の変形が前記スリットによって可能であり、これにより、応力を低下させることができるからである。

発明の開示
本発明の根底を成す課題は、発電機の構成部材を機械的な過剰負荷、特に極端に高い振動加速が極端に長時間、発電機の構成部材に作用することから守ることにある。

本発明に基づき提案する構成に従って、電動機、つまり例えば自動車分野で使用される発電機において、保持板は軸受けの領域で、該保持板の巨視的な幾何学形状が、発電機の作動中に変化するように構成される。特に、保持板の巨視的な幾何学形状の変化は、保持板の破断に至るまでの、可視的な塑性変形によって成される。保持板の幾何学形状の変化によって、例えば１００Ｈｚ〜５００Ｈｚの周波数範囲における機械的な構成部材応力が、僅かな時間の間だけ、電動機、つまり例えば発電機の構成部材に作用して、大部分は保持板の材料によって吸収されるということが達成され得る。この点において保持板の材料は、特に高度な機械的な振動加速のためのアブソーバ若しくはダンパとして役立つ。

保持板の巨視的な幾何学形状の変化は、負荷が過剰に増大した場合に、予め与えられた目標破断箇所によって誘導されて強制的に生ぜしめられる亀裂により達成される。このためには、保持板の複数の規定された箇所に切欠きを設けることができ、これらの切欠きは、保持板の材料の極端に高い、但し局所的に制限された応力の過剰な増大を生ぜしめる。これらの制限された応力の過剰な増大が所定の限界値を超えると、このことは必然的に塑性変形の発生を招き、最終的な結果として亀裂形成を生ぜしめる。１つ又は複数の箇所で亀裂の生じた又は破断された保持板によって、発電機の構成部材に対する高度な機械的な構成部材負荷の伝達が防止され且つ亀裂の生じた又は破断された保持板によって緩衝若しくは吸収される。

保持板の規定された箇所に切欠きを形成する他に、過剰負荷時の保持板の塑性変形は、例えばそれぞれ異なる局所的な剛性によって、つまり例えば保持板の先細領域によっても強制的に生ぜしめることができる。これにより、保持板の機能的に重要な構成部材の負荷の減少が得られる。

本発明に基づき提案する保持板は特に、少なくとも１つの亀裂、即ち保持板の亀裂若しくは破断が、４００ｍ／ｓ^２を上回る加速度で、１５００００回以上の負荷変動において生じるように設計される。このような加速度は、通常の車両運転中には発生しない。逆に、３００ｍ／ｓ^２を下回る加速度値では、破断若しくは亀裂が生じてはならない。本発明に基づき提案する保持板に少なくとも１つの破断が発生した後は、発電機の応答特性が変化するので、生じる緩衝作用に基づき最大負荷が低下する。

保持板の破断後の破断面が互いに擦れ合わない場合、このことは摩擦作用の損失を伴う。しかし、破断された若しくは亀裂の生じた保持板は、損傷無しの、即ち破断されていない保持板に比べて小さな剛性を有している。保持板の剛性の低下は、保持板のより大きな変形を招き、これにより付加的に緩衝ポテンシャルを生ぜしめ、この緩衝ポテンシャルは、破断面に存在する緩衝ポテンシャルに加えて付加的に得られる。別のポジティブな作用は、保持板の比較的小さな剛性によって、発電機の伝達特性がポジティブな影響を及ぼされるという点にある。この作用は、保持板の破断面が互いに擦れ合うか合わないかということとは、ほぼ無関係である。

保持板ねじのピッチ円に関しては、このピッチ円が保持板に形成される孔のピッチ円に等しい、即ち、両ピッチ円が同一寸法を有しているということが目標とされる。

本発明に基づき提案する、規定された箇所に切欠きの設けられた保持板の実施形態では、切欠きの幾何学形状が、Ｋ_ｔ＞２．０の形状係数を有するように構成されているということが目標とされる。

発電機の縦断面図である。 コンベンショナルに形成された保持板の平面図である。 本発明に基づき提案する保持板の第１の実施形態を示した図である。 図３に示した第１の実施形態に基づく、保持板の変化した巨視的な幾何学形状を示した図である。 本発明に基づき提案する保持板の、別の第２の実施形態を示した図である。 図４に示した第２の実施形態に基づく保持板に生じた変化の巨視的な幾何学形状を示した図である。 本発明により基づき提案する保持板の、更に別の第３の実施形態を示した図である。 本発明により提案した保持板の、図５に示した第３の実施形態の変化した巨視的な幾何学形状を示した図である。 保持板の水平方向断面線を示した図である。 図６に示した断面線Ａ−Ａに沿って断面した図である。 図７に示した切断平面に生じる塑性変形を示した図である。 保持板の垂直方向断面線を示した図である。 本発明に基づき提案する保持板の破断時に生じる破断面を示した図である。 本発明に基づき提案する保持板の破断時に生じる破断面を示した図である。 図８に示した断面Ｂ−Ｂの切断平面における、本発明に基づき提案する保持板に生じる巨視的な幾何学形状変化を示した図である。 図８に示した断面Ｂ−Ｂの切断平面における、本発明に基づき提案する保持板に生じる巨視的な幾何学形状変化を示した図である。

実施形態
以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、ここでは自動車用の発電機若しくは三相交流発電機として構成された電動機１０の断面図が示されている。この電動機１０は、とりわけ２つの部分、即ち第１のエンドシールド１３．１と第２のエンドシールド１３．２とから成るケーシング１３を有している。第１のエンドシールド１３．１及び第２のエンドシールド１３．２は、それ自体にステータ１６を収容しており、このステータ１６は、一方ではほぼ円環状のステータ鉄心１７から成っており且つこのステータ１６の半径方向内側に向けられた、軸方向で延在する複数の溝には、ステータコイル１８が装着されている。この環状のステータ１６は、その半径方向内側に向けられた、溝付けされた表面で以てロータ２０を取り囲んでおり、このロータ２０はつめ付き極ロータとして形成されていてよい。ロータ２０は、とりわけ２つのつめ付き極シートバー２２；２３から成っており、これらのつめ付き極シートバー２２；２３の外周には、それぞれ軸方向で延在するつめ付き極フィンガ２４，２５が配置されている。つめ付き極シートバー２２；２３はロータ２０内で、当該つめ付き極シートバー２２；２３の、軸方向で延在するつめ付き極フィンガ２４；２５が、ロータ２０の周面に沿って互いに交互に位置するように配置されている。これにより、磁気的に必要とされる、逆方向で磁化されたつめ付き極フィンガ２４，２５間の中間スペースが得られ、これらの中間スペースは、つめ付き極中間スペースと呼ばれる。ロータ２０は、軸２７と、ロータの各側に位置する各１つの転がり軸受け２８とによって、第１及び第２のエンドシールド１３．１；１３．２に回転可能に支承されている。

ロータ２０は合計２つの軸方向の端面を有しており、これらの端面には各１つのファン３０が固定されている。このファン３０は、主としてプレート状若しくはディスク状の区分から成っており、この区分から複数のファンブレードが公知の形式で出発している。ファン３０は、エンドシールド１３．１，１３．２に設けられた開口４０を介して、電動機１０の外側と、電動機１０の内室との間の空気交換を可能にするために役立つ。このためには、前記開口４０が主としてエンドシールド１３．１，１３．２の軸方向端部に設けられており、開口４０を介してファン３０により、冷却空気が電動機１０の内室に吸い込まれる。この冷却空気は、ファン３０の回転により半径方向外側に向かって加速されるので、当該冷却空気は冷却空気を通すコイル張出し部４５を通流することができる。この作用によって、コイル張出し部４５が冷却される。冷却空気は、コイル張出し部４５を通流した後、若しくはコイル張出し部４５を周流した後に、半径方向外側に向かって、所定の開口（図１には図示せず）を通る経路を取る。

図１からは更に、右側に保護キャップ４７が位置しているということが判る。この保護キャップ４７は種々様々な構成部材を、環境による影響から保護する。つまり、この保護キャップ４７は、例えばスリップリング構成群４９をカバーしており、このスリップリング構成群４９は、励磁コイル５１に励磁電流を供給するために役立つ。前記スリップリング構成群４９を取り囲んで冷却体５３が配置されており、この冷却体５３は、ここではプラス極冷却体として作用する。いわゆる「マイナス極冷却体」としては、第２のエンドシールド１３．２が作用する。第２のエンドシールド１３．２と冷却体５３との間には接続板５６が配置されており、この接続板５６は、エンドシールド１３．２に配置されたマイナス極ダイオード５８と、冷却体５３に設けられたプラス極ダイオード（ここでは図示せず）とを互いに接続し、延いては自体公知のブリッジ回路を成すために役立つ。電動機１０の保持板は、図１に符号５９で示されている。

図２には、電動機で使用される、従来技術に基づいた保持板が示されている。

保持板６０は、方形、円形又は図２に示したように正方形に形成されていてよく、貫通開口６４と、所定の数の固定用開口６２とを有している。これらの固定用開口６２は、打ち抜かれた孔として製作されているか、或いはねじ山を備えた、又はねじ山無しの穴等として製作されていてよい。図２に示した保持板６０によって、図１に断面図で示した転がり軸受け２８が、電動機１０のケーシング内で位置固定される。図２からは、図示の保持板６０が、その外側及び内側の周縁部に関して平坦に形成されているということが判る。

図３には、本願発明に基づき提案する保持板の第１の実施形態が示されている。

図３からは、開口６４が内径８０を有しており且つ所定の数の固定用開口６２を有しているということが判る。図３に示した保持板６０の外縁部には、それぞれ６時の配置形式と１２時の配置形式で、第１のアウタ切欠き６６及びこの第１のアウタ切欠き６６に対向位置する第２のアウタ切欠き６８が位置している。これらの第１のアウタ切欠き６６と、第２のアウタ切欠き６８とは、９０°だけ回動されて形成されていてもよい、即ち、３時の配置形式と９時の配置形式とで形成されてもよい。有利には、保持板６０には第１の実施形態において互いに対向位置する２つのアウタ切欠き６６，６８が形成される。

図３ａから判るように、発電機の運転及び保持板６０の機械的負荷に際しては、第１若しくは第２のアウタ切欠き６６；６８の切欠き底部から内側へ、内径８０に向かって延びる亀裂７０が生じる。これらの亀裂７０は、保持板６０の幾何学形状の巨視的な変化を表すものであり、機械的な負荷は正に亀裂７０に変換されるので、負荷ピークは図１に示した電動機１０の構成部材によってではなく、主として保持板６０によって吸収され得る。

有利には、保持装置６０は板状に、即ち保持板として構成されている。

アウタ切欠き６６，６８の切欠き底部から半径方向で、中心開口６４の内径８０に向かって延びる亀裂７０に関して指摘しておくと、この亀裂７０を制限する面は比較的粗く脆いので、本発明ではこれらの面が互いに擦れ合うことにより、僅かな温度上昇を甘受しつつ振動加速を吸収することで、更なる緩衝作用を奏する。

図４には、本発明に基づき提案する、特に板状に形成された保持装置の別の第２の実施形態が示されている。

図４には、板状の保持装置６０の外周における第１のアウタ切欠き６６と第２のアウタ切欠き６８の他に、中心開口６４の内径８０に沿って互いに対向位置する切欠き、即ち第１のインナ切欠き７２と第２のインナ切欠き７４とが形成されているということが示されている。第１のアウタ切欠き６６の１２時の位置での方向付けと同様に、第１のインナ切欠き７２もやはり、１２時の位置で中心開口６４の内径８０に沿って位置している。同じことが第２のインナ切欠き７４にも当てはまり、この第２のインナ切欠き７４は第２のアウタ切欠き６８と同様に、６時の位置で中心開口６４の内径８０に沿って位置している。勿論、インナ切欠き７２，７４もアウタ切欠き６６、６８も、それぞれ９０°だけ互いに回動されて配置されていてもよい。

図４ａには、本発明に基づき提案する、有利には板状に形成された保持装置６０の機械的応力に際して生じる亀裂７０の亀裂モデルが示されている。第１のアウタ切欠き６６と第１のインナ切欠き７２、若しくは第２のアウタ切欠き６８と第２のインナ切欠き７４との互いに面した切欠き底部間に残留する僅かな材料ウェブに基づき、図４ａに示したように比較的短い亀裂７０が、それぞれ互いに面した切欠き底部間に延在している。

生じる面（この面が亀裂７０を制限する）は比較的高い粗さを有しており、このことは、振動加速を減少させることのできる付加的な緩衝作用に関して有利である。

図５には、本発明に基づき提案する、特に板状に形成された保持装置６０の、更に別の第３の実施形態が示されている。図３に示した第１実施形態及び図４に示した第２実施形態とは異なり、図５に示した本発明に基づき提案する、板状に形成された保持装置６０は、この保持装置６０の中実材料に設けられた、互いに対向位置するように方向付けられた貝殻状の開口７６，７８を貫通孔として有している。これにより、これらの開口７６；７８の端部からそれぞれ延びる材料ウェブが得られ、これらの材料ウェブは半径方向で、板状に形成された保持装置６０の外周と、中心開口６４を制限する内径８０の両方に向かって延びている。これらの残留する比較的短い材料区間には、本発明に基づき提案する保持装置６０の機械的負荷において発生する振動加速に基づき、応力の過剰な増大が生じ、このことが図５ａに示した亀裂７０を、一方では保持装置６０の外周の方向に延ばし且つ他方では中心開口６４の内径８０の方向に延ばす。

本発明に基づき提案する、特に板状に形成された保持装置の図３〜図５に示した全ての実施形態に、固定用開口６２は共通している。これらの固定用開口６２は、簡単に打ち抜かれた孔であってよいか、或いは雌ねじ山を備えて又は備えずに構成された穴であってよい。有利には、固定用開口６２の孔のピッチ円直径も、固定用開口６２を貫通するねじのピッチ円直径も、同一である。

図６に示した保持装置６０には、水平方向の断面線Ａ−Ａが書きこまれている。

図７及び図７ａには、図６に断面線Ａ−Ａと一緒に示した、本発明に基づき提案する、特に板状に形成された保持装置６０の断面Ａ−Ａが示されている。図７に示した断面図からは、保持装置６０が中心開口６４の領域に、保持装置の厚さ８２に関して減少された厚さ８４、即ち、先細部８４を有しているということが判る。特に板状に形成された保持装置６０の中心開口６４に接する前記の先細にされた領域８４によって、互いに対向位置するウェブ８６が得られ、これらのウェブ８６は、特に板状に形成された保持装置６０の機械的負荷に際して、図７ａに示したように塑性変形（符号８８）する。

図７ａに示したウェブ８６の互いに対向位置する端部の塑性変形部８８は、板状に形成された保持装置６０の幾何学形状の巨視的な変化を成すものであり、当該の塑性変形部８８によって、板状に形成された保持装置６０の機械的負荷に際してこの保持装置６０に生じる応力が減少され、その結果、特に板状に形成された保持装置６０の破断若しくは亀裂が甘受され、これにより、図１に断面図で示した電動機１０のコンポーネントが、前記周波数範囲内の過剰な機械的応力から保護される。

図８には断面線Ａ−Ａ及びＢ−Ｂが示されている。図９には破断前の保持装置６０を断面した図が示されているのに対して、図９ａには本発明に基づき提案する保持装置６０に破断が生じた後の断面が示されている。

図１０若しくは図１０ａには、図８に示した断面線Ｂ−Ｂで断面した図が示されている。断面線Ｂ−Ｂに基づき図１０に示したように、特に板状に形成された保持装置６０の平面９４；９６の一方には、平面側の切欠き９２が設けられる。これにより、平面９４側の切欠き９２の切欠き底部と、この切欠き底部に対向位置する平面９６との間に、減少された厚さが生じる。図１０ａに示したように、本発明に基づき提案する、有利には板状に形成された保持装置６０の機械的な過剰応力に際しては、正に前記の減少された厚さに亀裂７０が延在している。この亀裂７０は、平面９４側の切欠き９２の切欠き底部から平面側９６に向かって延びている。図１０若しくは図１０ａに示した、第１の平面９４における平面側の切欠き９２の位置に対して択一的に、平面側の切欠き９２は勿論、本発明に基づき提案する、特に板状に形成された保持装置６０の、対向位置する第２の平面９６に形成されていてもよい。

図３、図４、図５並びに図１０に関しては、そこに図示された切欠き、即ちアウタ切欠き６６，６８、インナ切欠き７２，７４又は平面側の切欠き９２が、全て有利には形状係数Ｋ_ｔ＞２．０で構成されているということが確認される。この形状係数ｘ_Ｋｔは、最大応力と公称応力との商（σ_max／σ₀）として規定されている。

図３、図４、図５若しくは図７及び図９に示した、本発明に基づき提案する、特に板状に形成された保持装置６０の実施形態では、４００ｍ／ｓ^２以上の加速度を伴って１５００００回以上の負荷変動が生じると保持装置６０が破断するように、該保持装置６０の幾何学形状が形成されているということが認められる。本発明に基づき提案する、特に板状に形成された保持装置６０は、有利にはこの保持装置６０が３００ｍ／ｓ^２未満の加速度では破断しないように寸法決めされる。本発明に基づき提案する保持装置６０が、少なくとも１つの亀裂７０の発生により破断若しくは部分的に破断した後では、電動機１０の応答特性が変化し、これに基づき緩衝作用によって最大負荷が減少する。

図９ａに示した破断面９０が、破断後は最早互いに擦れ合わなくなると、摩擦作用の一部はエネルギを低減させて消失する。但し、破断された若しくは一部破断された保持装置６０は、損傷無しの保持装置６０よりも小さな剛性を有している。保持装置６０の低下された剛性もやはり、図７ａに誇張して示したような、比較的大きな塑性変形部８８を生ぜしめ、これにより付加的に、破断面９０によって得られる緩衝に関して付加緩衝と見なされる緩衝を生ぜしめる。

Claims (11)

1. 保持装置（６０）によって電動機（１０）のケーシング（１３）のエンドシールド（１３．１，１３．２）に軸受け（２８）を位置固定するための方法であって、前記電動機には、軸（２７）を備えたロータ（２０）が回転可能に支承されており、前記保持装置（６０）が、ほぼ板状に構成されており且つ所定の複数の固定用開口（６２）を有しており、これらの固定用開口が、１つの開口（６４）を中心として配置されている形式のものにおいて、
   保持装置（６０）が、制限された応力の過剰な増大を局所的に生じさせ、該制限された応力の過剰な増大が所定の限界値を超えた場合に塑性変形の発生を招き、結果として亀裂を生じさせて破断を発生させる少なくとも１つの目標破断箇所（６６，６８；７２，７４；７６，７８；９２）を有しており、前記破断により、破断部の破断面に緩衝作用を生ぜしめることを特徴とする、保持装置（６０）によって電動機のケーシングのエンドシールドに軸受けを位置固定するための方法。
2. 前記少なくとも１つの目標破断箇所（６６，６８；７２，７４）が、切欠きとして形成されている、請求項１記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの目標破断箇所（７６，７８）が、保持装置（６０）の材料における貫通孔として形成されている、請求項１記載の方法。
4. 前記少なくとも１つの目標破断箇所（９２）が、保持装置（６０）の平面（９４，９６）に設けられた切欠きとして形成されている、請求項２記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの目標破断箇所（６６，６８；７２，７４）が、保持装置（６０）の外周に形成されている、請求項２記載の方法。
6. 所定数の目標破断箇所（６６，６８；７２，７４）が、前記外周及び／又は中心開口（６４）の内径（８０）に沿って形成されている、請求項２記載の方法。
7. 保持装置（６０）の厚さ（８２，８４）が変化するように形成されている、請求項２記載の方法。
8. 保持装置（６０）が先細部（８４）を有しており、該先細部に塑性変形可能なウェブ（８６）が延在している、請求項７記載の方法。
9. 切欠きとして形成された少なくとも１つの目標破断箇所（６６，６８；７２，７４；９２）が、形状係数Ｋ_ｔ＞２．０を有している、請求項２記載の方法。
10. 少なくとも２つの目標破断箇所（６６，６８；７２，７４）が、前記外周及び／又は中心開口（６４）の内径（８０）に沿って互いに対向位置するように配置されている、請求項６記載の方法。
11. 少なくとも２つの目標破断箇所（６６，６８；７２，７４）が、保持装置（６０）の外周において６時の位置と１２時の位置で、又は前記外周において３時の位置と９時の位置で位置しており且つ／又は中心開口（６４）の内径（８０）に沿って６時の位置と１２時の位置で、又は３時の位置と９時の位置で配置されている、請求項６記載の方法。

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