JP5348178B2 - ブラシレスオルタネータ - Google Patents

Description

この発明は、ブラシレスオルタネータに関する。

車両用交流発電機として用いられているオルタネータは、回転子がシャフト、プーリ、ベルトを介して車両のエンジンによって回転駆動されるが、車両の電気負荷が増大するに従いオルタネータも大型、大重量化してきており、回転子自体の重量増大がエンジンへ大きな負担をかけるようになってきている。特に、アイドル回転数の低下や加速性能の向上に対して、回転子の重量増大や慣性力増大はエンジンの駆動トルク不足を招き、大きな問題になっている。この回転子の重量や慣性力を低減し、さらに近年増えつつある高寿命化への要求にも対応するため、回転子の界磁コイルをブラケットに固定し、磁束を通す爪状磁極部が回転するブラシレスオルタネータが従来から知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に示されたブラシレスオルタネータでは、界磁コイルが固定されているボビン装置を有し、このボビン装置を構成しているリング状の第２継鉄部に設けられた段差部と、ボビンの軸方向の移動を規制するプレートの円筒部の一端とが固着されている。その固着されたプレートの円筒部の径方向厚さ寸法を最適化することで、磁気回路を改善しブラシレスオルタネータの出力を向上させることができる構造が提案されている。

特開２００７−３７２３３号公報

特許文献１に記載されたブラシレスオルタネータでは、プレートの円筒部の径方向厚さ寸法を変化させることによって、磁気抵抗を低減させブラシレスオルタネータの出力電流および出力効率を向上させるメリットと、界磁コイルの界磁電流の減少によるブラシレスオルタネータの出力電流および出力効率の低下というデメリットを総合的に考慮した結果、プレートの円筒部の径方向厚さ寸法を定量的に定めたものである。しかしながら、第２継鉄部の段差部とプレートとをスポット溶接により固着している箇所が磁気回路中に存在する構造のため、この固着している箇所においてはスポット溶接による応力集中のため依然として磁気抵抗が大きく、界磁コイルにより発生させた磁束が有効に活用されていない場合があり、その結果ブラシレスオルタネータの出力電流および出力効率の低下を招いていた。

ここで、特許文献１に記載されたブラシレスオルタネータでは、上述の第２継鉄部の段差部とプレートとを固着する方法として、スポット溶接以外に接着剤や螺合による方法も記載されているが、例えばこれらを用いた構造の場合、第２継鉄部の段差部とプレートとの接合箇所では界磁コイルを含めたボビンの重量に加えてプレートの自重も支持する必要があり、ブラシレスオルタネータの用途が耐熱性や耐振性等の使用環境が厳しくないものに限定されてしまうといった不都合があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、磁気回路中の磁気抵抗を低減することで高出力化、高効率化となるブラシレスオルタネータを提供することを目的とする。

この発明に係るブラシレスオルタネータは、シャフトと、前記シャフトと一体回転する磁極を備えた回転子と、前記回転子の外側に対向配置された固定子と、前記シャフトを回転自在に支持し、前記回転子および前記固定子を収納するブラケットと、前記ブラケットに固定され、内周面が空隙を介して前記回転子と対向し、前記回転子および固定子とともに磁気回路を形成する継鉄部と、前記継鉄部のうち外径が他の部分より小さい薄肉部の外周面と係合するボビンと、前記ボビンに巻回され、磁束を発生させる界磁コイルと、前記薄肉部における軸方向一端面と抵抗溶接により接合されるとともに、前記ボビンの軸方向一端面の全面が当接することで、前記ボビンを軸方向に保持する保持材とを備え、前記ボビンの軸方向長さと、前記薄肉部の軸方向長さがほぼ等しく設定されるとともに、前記空隙の大きさが、前記継鉄部における前記薄肉部と他の部分とで等しくされ、前記継鉄部における前記薄肉部と他の部分とが単一部材で一体に形成されているものである。

本発明に係るブラシレスオルタネータによれば、界磁コイルにより形成された磁束の磁気回路の一部を成す継鉄部と、界磁コイルが巻回されたボビンを軸方向に固定する保持材との接合部を、磁気回路から離れた位置で構成することにより、磁気抵抗を低減することができる。したがって、高出力化、高効率化されたブラシレスオルタネータを提供することができる。
また、保持材を継鉄部の薄肉部における軸方向一端面と抵抗溶接により接合しているので、溶接スペースを十分に確保することができ、生産性が向上すると共に、従来のはんだ付等と比較して耐熱性に優れ、且つ加工時間が短縮できるので、高寿命および生産性向上によるコストダウンが図れる。
さらに、保持材と、ボビンの軸方向一端面の全面が当接しているので、面圧を低減することができ、耐久性に優れる。
さらにまた、ボビンの軸方向長さと、前記薄肉部の軸方向長さがほぼ等しく設定されると共に、前記空隙の大きさが、継鉄部における薄肉部と他の部分とで等しくされ、継鉄部における薄肉部と他の部分とが単一部材で一体形成されているので、保持材を軸方向から溶接することができるので、保持材の加工が容易となる。また、従来よりも熱伝導率が向上し、放熱性が向上することで界磁コイルの発熱が抑制され、界磁電流の低下が抑制されるので、さらに高出力化および高効率化することができる。合わせて界磁コイルの発熱が抑制されることで、耐熱性に優れ、高寿命化されたオルタネータを提供できる。
さらにまた、磁気回路における磁気抵抗が増加することが抑制できるので、出力電流が向上するので、さらに高出力化および高効率化が可能となる。

この発明の実施の形態１に係るブラシレスオルタネータの軸方向要部拡大断面図である。 図１に示すブラシレスオルタネータの第２継鉄部の斜視図である。 図１に示すブラシレスオルタネータの軸方向断面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるブラシレスオルタネータの軸方向要部拡大断面図である。図２は、図１に示すブラシレスオルタネータの第２継鉄部の斜視図である。図３は、図１に示すブラシレスオルタネータの軸方向断面図である。
まず、この発明の実施の形態１に係るブラシレスオルタネータの構造について述べる。
図３において、ブラシレスオルタネータ１は、通しボルト２３により一体化されたフロントブラケット２０、リヤブラケット２１と、これらフロント、リヤブラケット２０、２１に固定され、固定子鉄心１５とこの固定子鉄心１５に巻装された固定子巻線１６とからなる固定子１４と、フロントブラケット２０に取付けられたフロント軸受１８とリヤブラケット２１に取付けられたリヤ軸受１９とにより両端部がそれぞれ回転自在に支持されたシャフト１７と、固定子１４の内側に設けられシャフト１７に固定された回転子２と、固定子巻線１６と電気的に接続され交流出力を直流に変換する整流器２２と、回転子２に電気的に接続され、固定子巻線１６で生じる交流電圧を所定範囲内に制御するレギュレータ（図示せず）とを備えている。

シャフト１７は、フロントブラケット２０側が外部に延出しており、この延出部にプーリ２４が固着されている。このプーリ２４とエンジン（図示せず）との間にはベルト（図示せず）が巻き掛けされており、エンジンの駆動によりベルトを介してシャフト１７が回転するようになっている。
そして、フロントブラケット２０はフロント軸受１８を介して、シャフト１７の一端側を回転自在に支持し、リヤブラケット２１はリヤ軸受１９を介して、シャフト１７の他端側を回転自在に支持している。これにより、回転子２は、フロントブラケット２０およびリヤブラケット２１内に回転自在に配設されている。

回転子２は、磁極鉄心３と、この磁極鉄心３の内側に設けられた界磁コイル１３とを備えている。
磁極鉄心３は、フロントブラケット２０側に配設されているフロント磁極鉄心４とリヤブラケット２１側に配設されているリヤ磁極鉄心８とから構成されている。
フロント磁極鉄心４は、軸心位置にシャフト１７が貫通、固着された円柱状の第１ボス部５と、第１ボス部５の一端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６と、第１継鉄部６の外周部から軸線方向に沿って、リヤブラケット２１側に先端部が延設された第１爪状磁極部７とを有している。

リヤ磁極鉄心８は、軸心位置にシャフト１７が貫通、固着した円筒状の第２ボス部９と、第２ボス部９の径方向外側に微小空隙を介して配置された第２継鉄部１０と、この第２継鉄部１０の径方向外側に微小空隙を介して配置され、軸線方向に沿って、フロントブラケット２０側に先端部が延設された第２爪状磁極部１１とを有している。

第２ボス部９および第１ボス部５のそれぞれの軸方向端面は互いに面接触している。
第２爪状磁極部１１と第１爪状磁極部７とは先端部が互いに噛み合うように配置されている。第１爪状磁極部７の内周面及び第２爪状磁極部１１の内周面は、非磁性体で作製された円環状のリング１２の外周面と溶接やロウ付け等により全周にわたって接合されており、第２爪状磁極部１１と第１爪状磁極部７とはリング１２を介して連結している。

界磁コイル１３は、第１爪状磁極部７とこの第１爪状磁極部７と対向した第２爪状磁極部１１との間に形成された空間部に配置されている。
界磁コイル１３は、シャフト１７を中心軸線としたナイロン樹脂製のボビン３２に導線が巻回されている。ボビン３２に複数回巻回された導線の端部の引出線（図示せず）は、レギュレータに接続されている。ボビン３２は、円筒部３２０と、この円筒部３２０の両端から径方向外方に延出された一対の第１鍔部３２１、第２鍔部３２２とを有している。

図１に示すように、第２継鉄部１０は、円筒形状を有する薄肉部１０１と、薄肉部１０１の一端面から軸線方向に延出し、外径が薄肉部１０１よりも大きい厚肉部１００とを有しており、これらが単一部材により一体に構成されている。また、厚肉部１００の内径と薄肉部１０１の内径は等しく同一内周面を形成している。
厚肉部１００の内周面は、微小空隙部を介して第２ボス部９の外周面と対向しており、薄肉部１０１の内周面は、微小空隙部を介して第１ボス部５の外周面と対向している。
この薄肉部１０１の外周面には、界磁コイル１３を構成しているボビン３２の円筒部３２０の内周面が係合し、厚肉部１００の軸方向一端面にはボビン３２の第１鍔部３２１が当接している。ボビン３２の軸方向の移動を規制する保持材として、軟鋼板をプレス成形して作製された円板状のプレート３１が、第２継鉄部１０の薄肉部１０１の軸方向一端面に接合されるとともに、ボビン３２の第２鍔部３２２の軸方向一端面とも当接している。これにより、ボビン３２は第２継鉄部１０に保持されている。加えて、第２継鉄部１０はリヤブラケット２１に固定されている。

第２継鉄部１０、ボビン３２およびプレート３１の各寸法関係については、ボビン３２の円筒部３２０の内径は、第２継鉄部１０の薄肉部１０１の外径にほぼ等しく、ボビン３２の軸方向長さは、第２継鉄部１０の薄肉部１０１の軸方向長さにほぼ等しい。さらに、ボビン３２の第一鍔部３２１および第二鍔部３２２の径方向長さは、プレート３１の径方向長さおよび第２継鉄部１０の厚肉部１００の径方向長さとほぼ等しい。

固定子１４は回転子２の外周を囲繞するように配設されている。また、固定子１４は、フロントブラケット２０とリヤブラケット２１とにより、その固定子鉄心１５の軸方向両端部を通しボルト２３を介して挟持されている。

次に、第２継鉄部１０に界磁コイル１３やプレート３１を組付ける手順について説明する。
まず、ボビン３２を、第２継鉄部１０の薄肉部１０１に挿入し、ボビン３２の第１鍔部３２１と第２継鉄部１０の厚肉部１００の軸方向一端面とを当接させる。次に、第２継鉄部１０の薄肉部１０１の軸方向一端面に、プレート３１をその円周上均一に複数個所にわたり順次スポット溶接により接合する。その後、ボビン３２に導線を巻回して界磁コイル１３を作製する。最後に、第２継鉄部１０は、この状態で取付ボルト（図示せず）を用いてリヤブラケット２１に螺着されることで固定される。

上記のように構成されたブラシレスオルタネ−タ１では、電流がバッテリ（図示せず）から界磁コイル１３に供給され、磁束を発生させる。
この磁束Φは、図１に示すように第２継鉄部１０から径方向内側に設けられた微小空隙部を通って第２ボス部９に伝わり、続いて第２ボス部９に内側端面が面接触している第１ボス部５から第１継鉄部６および第１爪状磁極部７を通って、回転子２の径方向外側に配設されている固定子１４を横切り、続いて磁束Φは第２爪状磁極部１１およびその径方向内側に設けられた微小空隙部を通って、最後に第２継鉄部１０に戻る経路を流れる。このため、第１爪状磁極部７がＮ極に着磁され、第２爪状磁極部１１がＳ極に着磁される。

一方、プーリ２４がエンジンによって駆動されてプーリ２４に直結するシャフト１７が回転し、それにより回転子２が回転する。これにより、界磁コイル１３によって作られた磁界も回転する。この回転磁界を成す磁束Φは前述した経路を通って固定子鉄心１５に与えられ、起電力が固定子巻線１６に発生する。この交流の起電力が整流器２２によって直流に整流され、バッテリに充電される。
この時、界磁コイル１３はリヤブラケット２１に螺着された第２継鉄部１０に装着されているので回転せず、第１ボス部５、第１継鉄部６および第１爪状磁極部７が一体に形成されたフロント磁極鉄心４と、リヤ磁極鉄心８の第２ボス部９および第２爪状磁極部１１とが回転することになる。

上記実施の形態１におけるブラシレスオルタネータ１は、第２継鉄部１０の薄肉部１０１と厚肉部１００とが単一部材により一体に構成されており、この薄肉部１０１とプレート３１の接合は、ボビン３２の第２鍔部３２２の軸方向一端面と近傍する箇所で行うため、磁束Φが第２継鉄部１０から径方向内側に設けられた微小空隙部を通って第２ボス部９に伝わる磁気回路上には、第２継鉄部１０とプレート３１の接合部が存在せず、磁気抵抗が低減できるため、磁気特性が向上する。その結果、磁気回路上に継鉄部とプレートとの接合部が存在する従来構造を有するブラシレスオルタネータよりも出力電流が向上するので、高出力化および高効率化が可能なブラシレスオルタネータを提供することができる。

また、本実施の形態１のような構成では、図１に示す第２継鉄部１０の薄肉部１０１の径方向の厚さｔを自由に設定することができる。ここで、薄肉部１０１の径方向の厚さｔを大きくすると、プレート３１を薄肉部１０１に接合する場合に、接触面積を大きく確保することができ接合作業性が向上するので、ブラシレスオルタネータの生産性が向上するが、一方で界磁コイル３１の内径が大きくなり、コイル長が長くなることによって界磁コイルを流れる界磁電流が減少し、出力効率が低下したり、さらにはブラシレスオルタネータ１の大型化を招く。そのため、ブラシレスオルタネータ１の生産性および出力、効率を総合的に考慮して、最適な第２継鉄部１０の円筒部１０１の径方向の厚さｔを設定することができる。

さらに、第２継鉄部１０は、厚肉部１００の内径と薄肉部１０１の内径とが等しく、同一内周面を形成され、プレート３１の接合が第２継鉄部１０の薄肉部１０１の軸方向一端面で行われるため、第２継鉄部１０の厚肉部１００から径方向内側に設けられた微小空隙部と、第２継鉄部１０の薄肉部１０１から径方向内側に設けられた微小空隙部の寸法を同じにすることができる。従来のブラシレスオルタネータでは、プレートを第２継鉄部に溶接する際に溶接痕が径方向内側に突出するため、微小空隙部を大きく確保した構造としており、これが磁気抵抗を大きくする一因となっていた。
本実施の形態１では、薄肉部１０１から径方向内側に設けられた微小空隙部が必要以上に大きくならず、この空隙部での磁気抵抗が増加することを抑制できる。よって、従来のブラシレスオルタネータよりも出力電流が向上するので、さらに高出力化および高効率化が可能なブラシレスオルタネータを提供することができる。

また、本実施の形態１では、ボビン３２の円筒部３２０の内周面と第２継鉄部１０の薄肉部１０１の外周面とが係合する面積を最大限に確保できるように、ボビン３２の軸方向長さと第２継鉄部１０の薄肉部１０１の軸方向長さとがほぼ等しく構成されている。このため、界磁コイル１３にて発生する熱は、第２継鉄部１０の薄肉部１０１から第２継鉄部１０の厚肉部１００を介してリヤブラケット２１に放散されることになるが、本実施の形態１においては、界磁コイル１３にて発生する熱が、直接第２継鉄部１０に伝達され、その放熱経路中に溶接等の接合箇所がなく、第２継鉄部１０が単一部材であるため、従来よりも熱伝導効率が向上し、放熱性が向上することで界磁コイル１３の発熱が抑制され、界磁電流の低下が抑制されるので、ブラシレスオルタネータをさらに高出力化および高効率化することができる。合わせて、界磁コイル１３の発熱が抑制されることで、耐熱性に優れ、高寿命化されたブラシレスオルタネータを提供することができる。

さらに、本実施の形態１では、プレート３１の外径はボビン３２の第２鍔部３２２の外径とほぼ等しいため、ボビン３２の第２鍔部３２２の全面がプレート３１と当接することで、面圧を低減することができ、耐久性に優れたブラシレスオルタネータを提供することができる。

本実施の形態１では、第２継鉄部１０の薄肉部１０１の軸方向一端面に、プレート３１を抵抗溶接であるスポット溶接により接合しているため、例えばはんだ付け等と比較し耐熱性に優れ且つ加工時間が短縮できるので、高寿命化および生産性向上によるコストダウンが図れるブラシレスオルタネータを提供することができる。
なお、ボビン３２の軸方向長さと第２継鉄部１０の薄肉部１０１の軸方向長さとがほぼ等しいため、薄肉部１０１の軸方向端面でプレート３１をスポット溶接で接合しても、この接合箇所は磁気回路から離れた位置となり、磁気特性に与える影響は小さい。

さらに、本実施の形態１のように、ボビン３２の軸方向長さと第２継鉄部１０の薄肉部１０１の軸方向長さとがほぼ等しく構成されていることで、板状のプレート３１を軸方向から溶接することができるので、プレート３１の加工が容易となる。さらに、薄肉部１０１の軸方向端面にプレート３１を溶接できるので、溶接作業スペースを十分に確保することができ生産性が向上する。さらに、ボビン３２を第２継鉄部１０に組付けた際に、軸方向にがたつきなく固定するために、第２継鉄部１０や界磁コイル１３、プレート３１の寸法管理の必要な箇所が、本実施の形態１のような構成では、第２継鉄部１０の薄肉部１０１の軸方向長さとボビン３２の軸方向長さの２ヶ所で済む。従来の構造では、第２継鉄部の段差部の軸方向長さと、プレートの円筒部の軸方向長さおよびボビンの軸方向長さの合計３箇所の寸法管理が必要なため、本実施の形態１のような構成とすることで、さらに生産性が向上しコストダウンが図れるブラシレスオルタネータを提供することができる。

また、薄肉部１０１とプレート３１との接合が、耐熱性に優れ、かつ強度を確保することができるスポット溶接によりなされているため、本実施の形態１のブラシレスオルタネータを温度や振動等の使用環境が苛酷な車両用交流発電機として用いることができる。

本実施の形態１では、薄肉部１０１とプレート３１との接合をスポット溶接として説明したが、これに限定するものではなく、例えばプロジェクション溶接あってもよく、あるいは薄肉部１０１の軸方向一端面に設けた突起部にプレート３１を圧入してもよい。また、本実施の形態１のような構造とすることで、従来のような径方向に張り出した鍔部を有する円筒形状のプレートと比較してプレート３１を小さくできるため、プレート３１の自重を支える薄肉部１０１とプレート３１との接合力を小さくすることができる。そのため、ろう付けやはんだ付けでも接合力が十分であれば、これらの接合方法を用いることもできる。

また、プレート３１の溶接箇所を、第２継鉄部１０の薄肉部１０１の軸方向一端面として説明したが、これに限られず、例えば、プレート３１が、径方向に張り出した鍔部を有する円筒形状の場合、鍔部と薄肉部１０１の軸方向一端面とを当接させながら、円筒部の外周面と薄肉部１０１の内周面とを接合するように溶接してもよい。

本実施の形態１では、ボビン３２の第２鍔部３２２の全面がプレート３１と当接するとしたが、これに限定されるものではなく、例えばプレート３１の外径がボビン３２の第２鍔部３２２の外径よりも小さくても、プレート３１がボビン３２の第２鍔部３２２の少なくとも一部と当接していれば、軸方向の移動規制ができる。

加えて、本実施の形態１では、ボビン２０をナイロン樹脂で構成したが、例えばフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂であってもよく、あるいは界磁コイル１３と第２継鉄部１０の厚肉部１００や薄肉部１０１との間、界磁コイル１３とプレート３１との間、即ち界磁コイル１３の第１、第２爪状磁極部７、１１と対向した面を除いた各面に、絶縁体である絶縁樹脂を塗布することでボビン２０を構成してもよく、あるいは絶縁紙を用いて構成してもよい。

また、本実施の形態１では、界磁コイル１３が係合している第２継鉄部１０をリヤブラケット２１側に螺着するように設けたが、フロントブラケット２０側に設けることもできる。この場合には、フロント磁極鉄心４とリヤ磁極鉄心８の位置を入れ替えることで対応できる。
さらに、リヤブラケット２１に第２継鉄部１０を固定するのに取付ボルトを用いたが、接着剤、あるいはリベット等を用いることにより鋲着してもよい。リベットによる固定ができれば、取付ボルトや接着剤による固定と比べて脱落を抑制することができる。

１ ブラシレスオルタネータ
２ 回転子
３ 磁極鉄心
４ フロント磁極鉄心
８ リヤ磁極鉄心
１０ 第２継鉄部
１０１ 薄肉部
１３ 界磁コイル
１４ 固定子
１７ シャフト
２０ フロントブラケット
２１ リヤブラケット
３１ プレート
３２ ボビン
３２０ 円筒部
３２２ 第２鍔部

Claims (3)

1. シャフトと、
   前記シャフトと一体回転する磁極を備えた回転子と、
   前記回転子の外側に対向配置された固定子と、
   前記シャフトを回転自在に支持し、前記回転子および前記固定子を収納するブラケットと、
   前記ブラケットに固定され、内周面が空隙を介して前記回転子と対向し、前記回転子および前記固定子とともに磁気回路を形成する継鉄部と、
   前記継鉄部のうち外径が他の部分より小さい薄肉部の外周面と係合するボビンと、
   前記ボビンに巻回され、磁束を発生させる界磁コイルと、
   前記薄肉部における軸方向一端面と抵抗溶接により接合されるとともに、前記ボビンの軸方向一端面の全面が当接することで、前記ボビンを軸方向に保持する保持材とを備え、
   前記ボビンの軸方向長さと、前記薄肉部の軸方向長さがほぼ等しく設定されるとともに、前記空隙の大きさが、前記継鉄部における前記薄肉部と他の部分とで等しくされ、前記継鉄部における前記薄肉部と他の部分とが単一部材で一体に形成されていることを特徴とするブラシレスオルタネータ。
2. 前記ブラシレスオルタネータは、車両用ブラシレスオルタネータであることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスオルタネータ。
3. 前記ブラケットと前記継鉄部との固定が、鋲着によりなされていることを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスオルタネータ。

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