JP5649728B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、回転電機に関するものであり、特に、ブラシおよびブラシホルダの温度上昇を防止したブラシホルダの構造に係るものである。

従来、例えば車輌用の界磁巻線式の回転電機において、界磁電流はブラシからスリップリングを介して回転子の界磁巻線へと供給される。この際、ブラシは、ブラシ後方に取り付けられたスプリングで押し付けられた状態で摺動する。ブラシとスリップリングは、摺動部の電気的損失、摺動摩擦およびそれぞれの通電経路の電気的損失に起因した発熱を生じる。スリップリングとブラシは、プラス側とマイナス側で一組ずつ設置されている。これらのブラシとスリップリングは、一般にプラス側とマイナス側間の電気絶縁性を確保するため絶縁性の樹脂等で覆われ、保持されている。

また、ブラシが収納されているブラシホルダとスリップリングのモールド樹脂との間には、外部からの異物や水分の進入を防止するとともに、ブラシ磨耗粉の排出機能をもつ迷路構造が設けられている。この迷路構造には、わずかな隙間が設けられているが、回転子に設置された冷却ファンにより生じた冷却風は、スリップリングとブラシの当接部に供給される割合は少ない。これらの要因により、スリップリングおよびブラシは、スリップリングとブラシの当接部を中心に高温になる。この際、ブラシが高温状態になると、摩耗速度が大きくなるため、ブラシ寿命の低下が問題となる。

そこで、従来、ブラシホルダ外部に放熱フィンを取り付けることで、ブラシで発生した熱を外部に熱伝達により放出する構造がとられている（例えば、特許文献１参照）。あるいは、ブラシを金属性のブラシホルダに保持し、ブラシホルダを保持するブラシホルダベースに一体成形されたブラシに界磁電流を供給するプレートとブラケットを、シール材を介して接続し、ブラシで発生した熱をブラケットに放出する構造が提案されている。（例えば、特許文献２参照）。もしくは、ブラシホルダにブラシ冷却およびブラシ摩耗粉排出用の通風口を設けることで、ブラシの温度を低減し、ブラシ寿命を向上する構造が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００３−０４７２０７号公報 特開２００８−２３６９７９号公報 特開２００９−１７７９９３号公報

しかしながら、特許文献１に示された従来の装置では、ブラシホルダの外側面に設置できる放熱フィンの枚数および大きさは、ブラシホルダの表面積が小さいために少なくなる。また、この構造を回転子の回転により発生させた冷却風により内部を冷却する構造をとる車両発電用回転電機に適用した場合、回転電機の低い回転数では、ブラシホルダ外部に設置した放熱フィンへ十分な冷却風を供給することが困難である。さらに、車両発電用回転電機の中でもモータージェネレータでは、一般的な車両用発電機よりも高い界磁電流を通電するため高い放熱能力が要求される。このような理由から、必要十分なブラシ冷却能力を得られないという課題がある。

また、特許文献２に示された従来の装置では、電動パワーステアリングのような、ブラシホルダなどが設置されるブラケット内部が密閉されており、外部の異物などによる電気的誤動作の問題がない場合においては有効であるが、車両発電用回転電機もしくはモータージェネレータでは、ブラシホルダ周りは外部から容易に異物が進入する構造であり、ブラシと銅電位の金属部材をブラシホルダ構成樹脂の外部に露出することができないという課題がある。

また、特許文献３に示された従来の装置では、ブラシホルダにブラシ冷却用の通風口を設けると、ブラシホルダサイズが大きくなることや、設置できる通風口のサイズが、ブラシホルダの大きさによって概ね決定されるため、通風口の断面積を大きく取ることが困難であり、ブラシの冷却性能が限定的となるという課題がある。

この発明は、前述のような従来の装置における課題を解消するためになされたものであり、ブラシおよびスリップリング当接部近傍で発生する熱を効率よくブラシホルダ外部に放出し、ブラシの過度の温度上昇を防止することができる回転電機を提供することを目的としたものである。

この発明による回転電機は、回転軸に固定された界磁鉄心と界磁巻線を有する回転子と、前記回転軸に固定され、前記界磁巻線に界磁電流を供給するスリップリングと、前記回転子の外周面に間隙を介して配置され、電機子巻線を有する固定子と、前記固定子を固定するハウジングと、前記ハウジングに固定され、前記スリップリングを介して上記界磁巻線に界磁電流を供給するブラシを保持するブラシホルダと、前記ハウジングに固定され、前記界磁電流を制御する界磁回路と前記電機子巻線に流れる電機子電流を制御するパワー回路を搭載したヒートシンクとを備えた回転電機であって、前記ブラシホルダは、前記界磁回路と前記ブラシとを電気的に接続する通電用ターミナルと、前記ブラシを冷却するブラシ冷却用金属部材とを備え、前記ブラシ冷却用金属部材は、少なくとも一部分が前記ブラシホルダの外部に露出した露出部を備え、前記ブラシ冷却用金属部材の前記露出部は、その少なくとも一部が前記ヒートシンクに接続されていることを備えていることを特徴とするものである。

この発明による回転電機によれば、ブラシホルダは、界磁回路とブラシとを電気的に接続する通電用ターミナルと、ブラシを冷却するブラシ冷却用金属部材とを備えているので、ブラシとスリップリングの当接部で発生した熱を、ブラシホルダに設けられた放熱部を通して放出させることが可能となり、ブラシの過度の温度上昇を防止することで長寿命なブラシをもつ回転電機を提供することができる。

この発明の実施の形態１による回転電機の断面図である。 この発明の実施の形態１による回転電機の回路図である。 この発明の実施の形態１による回転電機のブラシホルダ、およびブラシホルダの内部に設置されたブラシと通電用ターミナルとブラシ冷却用金属部材の拡大斜視図である。 この発明の実施の形態１による回転電機の実施の形態１における、ブラシホルダとヒートシンクとの接続面を含む断面を示す概略図である。 この発明の実施の形態２による回転電機における、ブラシホルダとヒートシンクとの接続面を含む断面を示す概略図である。 この発明の実施の形態３による回転電機における、ブラシホルダとヒートシンクとの接続面を含む断面を示す概略図である。

この発明の実施の形態４による回転電機の樹脂モールド後のブラシホルダの斜視図である。 この発明の実施の形態５による回転電機のブラシホルダの熱伝導率とブラシの温度上昇の関係を示す特性図である。 この発明の実施の形態５による回転電機のブラシホルダ構成樹脂とブラシ冷却用金属部材の線膨張係数差と、温度サイクル付加時のブラシホルダ構成樹脂に発生するひずみ量の関係を示す特性図である。 この発明の実施の形態６による回転電機のブラシホルダとヒートシンクとの接続面を含む断面を示す概略図である。 この発明の実施の形態７による回転電機のブラシホルダとヒートシンクとの接続面を含む断面を示す概略図である。 この発明の実施の形態８による回転電機のブラシホルダ構成樹脂に包括されるブラシとブラシ冷却用金属部材と通電用ターミナルの斜視図である。

この発明の実施の形態９による回転電機のブラシホルダ構成樹脂に包括されるブラシとブラシ冷却用金属部材と通電用ターミナルの斜視図である。 この発明の実施の形態１０による回転電機のブラシホルダの斜視図である。 この発明の実施の形態１１による回転電機のブラシホルダの斜視図である。 この発明の実施の形態１２による回転電機のブラシホルダとヒートシンクとの接続面を含む断面を示す概略図である。 従来の車両用の交流発電機用もしくはモータージェネレータのブラシホルダの斜視図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による回転電機について図に基づいて説明する。図１は、この発明の実施の形態１による回転電機の断面図である。この実施の形態１による回転電機は、車両用の交流発電電動機（モータジェネレータ）を示しているが、車両用の交流発電機でも適用可能である。

図１において、回転電機１００は、ハウジングとしてのフロントブラケット６及びリヤブラケット７と、フロントブラケット６のベアリング１９ａ及びリヤブラケット７のベアリング１９ｂを介して回転自在に支持されている回転軸１と、フロントブラケット６及びリヤブラケット７に固定されると共に電機子巻線を有する固定子５と、回転軸１に固定されると共に界磁鉄心２及び界磁巻線３を有する回転子１０と、回転軸１のフロント側の端部に固着されたプーリ２０を備えている。そして、この回転電機１００は、プーリ２０に掛けられたベルト（図示せず）を介してエンジンの回転軸（図示せず）に連結されている。また、回転電機１００の駆動の際の発熱により、回転子１０や固定子５の温度が上昇するため、回転子１０の軸方向両端面には冷却用ファン１２、１３が設けられている。

また、回転電機１００は、回転軸１のリヤ側に装着された一対のスリップリング４と、回転軸１のリヤ側外周に位置するようにリヤブラケット７に取り付けられたブラシホルダ８０と、上記一対のスリップリング４に摺接するようにブラシホルダ８０内に配置された一対のブラシ８を備えている。

さらに、回転電機１００は、直流電力を交流電力又は交流電力を直流電力に変換するパワー回路部３０と、回転子１０の界磁巻線３に界磁電流を供給する界磁回路部３１と、パワー回路部３０及び界磁回路部３１を制御する制御回路部３２を備えている。制御回路部３２は、外部接続用コネクタ３５に電気的に接続され、電源端子（図示せず）を介して外部に接続される。外部接続用コネクタ３５は、制御回路部３２の近傍に配設されている。

パワー回路部３０は、後述する３相ブリッジ回路の正極側アームを構成する３個のパワー素子３０ａ及び負極側アームを構成する３個のパワー素子３０ｂと、当該パワー素子３０ａ、３０ｂに電気的に接続される電極部材を兼ねたヒートシンク３０ｇを備えている。各パワー素子３０ａ、３０ｂ間の接続は、樹脂にインサート成形された導電性部材（図示せず）と、ヒートシンク３０ｇとによって行われ、中継配線部材（図示せず）により制御回路部３２に電気的に接続される。

前述の制御回路部３２は、制御回路基板３２ａと、制御回路基板３２ａを収納するための樹脂製のケース３３を備えている。ケース３３は、防水カバー３３ａ等により制御回路基板３２ａへの塩泥水の浸入を防ぐような防水構造を有している。界磁回路部３１は、制御回路基板３２ａと同一基板上に実装することも可能であり、また、制御回路基板３２ａと分離して構成してもよい。

図２は、この発明の実施の形態１による回転電機の回路図である。図２において、パワー回路部３０、界磁回路部３１、制御回路部３２によりパワー部３００が構成されている。パワー回路部３０は、前述の３相ブリッジ回路の正極側アームを構成する３個のパワー素子３０ａと、前述の負極側アームを構成する３個のパワー素子３０ｂを備えている。

ここで、この発明の実施の形態１による回転電機をより理解し易くするため、従来の例について述べる。図１７は、従来の車両用の交流発電機用もしくはモータージェネレータのブラシホルダの斜視図である。図１７において、ブラシホルダ８０は、絶縁性の樹脂で射出成形などにより成形され、その円環部８０１の内部に回転軸１に固定されているスリップリング４（図１参照）が配置される。また、円環部８０１の内面には、ブラシ保持部８０３内に収納されているブラシ８（図１参照）を突出させてスリップリング４に接触させるための開口部８０２が形成されている。ブラシホルダ８０は、その一部分がリヤブラケット７に固定されることによりリヤブラケット７の内部に固定される。また、ブラシホルダ８０には、ブラシに界磁電流を供給するための通電用ターミナル８２が設置されている。

このような構成の従来のブラシホルダ８０を、図１に示す界磁巻線式の回転電機１００に適用した場合において、界磁回路部３１からの界磁電流はリヤブラケット７に固定されたブラシホルダ８０に保持されたブラシ８と回転軸１に取り付けられたスリップリング４を介して供給されるが、固定されているブラシ８と回転しているスリップリング４が接触するために、両者の摩擦により、ブラシ８とスリップリング４との摺動部では発熱が生じる。また、この摺動部では、ブラシ８とスリップリング４は接触状態で保持されるため、接触部の電気抵抗に起因した発熱も生じる。さらに、通電にともなう各部材中のジュール発熱も同時に生じる。また、ブラシホルダ８０とスリップリング４の間は、外部からの異物や水の進入を防止するため樹脂モールド１４によって形成される迷路１４ａの隙間があるのみで冷却風の流入も制限される。以上の理由から、ブラシ温度が上昇し、ブラシ寿命が低下する問題がある。

さらに、車両用の交流発電機用もしくはモータージェネレータでは、ファンが設置された回転子の回転により生じる冷却風により内部を冷却する構造をとっている。このため、リヤブラケット７には多数の通風口が設けられており、外部からの異物が容易にブラシホルダ近傍に混入できる。スリップリング４とブラシ８の当接部は、異物による部材間の短絡を起こさないために、ブラシ摩耗粉排出用の異物が侵入しづらいブラシホルダ８０とスリップリングモールド樹脂とで構成したラビリンス構造のわずかな隙間を除いて、密閉されている。このため、ブラシ８自身もしくは、ブラシ８とスリップリング４の当接部の付近には有効な放熱経路が無く、ブラシが高温になるという問題がある。

そこで、この発明の実施の形態１による回転電機では、後述するようにブラシホルダ８０に、通電用ターミナルとは別のブラシ冷却用金属部材を設置し、車両用の交流発電機もしくはモータージェネレータ内部の温度が低い部分（パワー部冷却用のヒートシンク３０ｇなど）に接続することで、ブラシもしくはブラシとスリップリングの当接部で生じた熱を、効率よく放熱させるものである。

図３は、この発明の実施の形態１による回転電機のブラシホルダ、およびブラシホルダの内部に設置されたブラシと通電用ターミナルとブラシ冷却用金属部材の拡大斜視図であり、（ａ）はブラシホルダ、（ｂ）はブラシホルダの内部に設置されたブラシと通電用ターミナルとブラシ冷却用金属部材を示している。図３の(ａ)に示すように、ブラシホルダ８０のブラシ保持部８０３には、通電用ターミナル８２とは別のブラシ冷却用金属部材８１が配置されている。このブラシ冷却用金属部材８１は、ブラシホルダ構成樹脂によりインサート成形もしくはアウトサートされることでブラシ保持部８０３に固定される。

ブラシ冷却用金属部材８１は、少なくとも一部をブラシホルダ８０におけるブラシ保持部８０３の両側部の外部に夫々露出するように設置されている。これにより、ブラシ８、もしくはブラシ８とスリップリング４の当接部で生じた熱は、ブラシ冷却用金属部材８１に伝わり、ブラシホルダ８０の外部に放出される。また、ブラシ冷却用金属部材８１がブラシホルダ８０内部にインサート成形、もしくはアウトサートされていることで、別途設置する場合と比べて取り付けコストを削減できる。

図３の(ｂ)に示すように、ブラシホルダ構成樹脂内部には、ブラシ８の両側部を囲むようにブラシ冷却用金属部材８１が配置されている。このブラシ冷却用金属部材８１は、ブラシ８の周面を覆う第１の金属部材８１０と、この第１の金属部材８１０の表面に結合されその表面からほぼ直角方向に突出する第２の金属部材８１１とにより構成される。第１の金属部材８１０は、ブラシホルダ８０を構成する樹脂内にインサート成形もしくはアウトサートされる。ブラシ冷却用金属部材８１は、ブラシ８と絶縁されるように設置されている。その絶縁を確保する方法としては、例えば０．５［ｍｍ］程度の樹脂層を介してブラシ８の表面に沿うように第１の金部材８１０を設け、この第１の金属部材８１０に第２の金属部材８１１を固定することで、直接、ブラシ冷却用金属部材８１とブラシ８が接触しないように構成することが可能である。

ブラシ８を収納している空間と平行に配置される第１の金属部材８１０は、その面積が大きいほど、第１の金属部材８１０と第２の金属部材８１１からなるブラシ冷却用金属部材８１からの放熱性を高めることができる。第１の金属部材８１０の面積を大きくするためには、第１の金属部材８１０を、ブラシ８を収納している空間に沿わせて折り曲げ、好ましくはブラシ８の４面を囲うことで面積を最大限にすることができる。さらに、ブラシホルダ８０の内部に、骨組みのようにブラシ冷却用金属部材８１の第１の金属部材８１０が配置されているため、ブラシホルダ８０全体の機械的な強度が向上し、外部からの荷重や衝撃を受けた際に破壊されることを防止することができる。

この実施の形態１では、ブラシ８とブラシ冷却用金属部材８１との間の絶縁にはブラシホルダ８０を構成している樹脂を用いるようにしているが、例えばブラシ冷却用金属部材８１に、溶射やラミネートなどで絶縁材料をコーティングして構成してもよい。これにより、ブラシホルダ８０からの露出しているブラシ冷却用金属部材８１の第２の金属部材８１１に外部からの異物が付着した場合、もしくは、車両用の交流発電機もしくはモータージェネレータ内の他の部材に接してブラシ冷却用金属部材８１の第２の金属部材８１１を設置した場合でも、界磁電流のリークや短絡が生じない。

図４は、この発明の実施の形態１による回転電機の実施の形態１における、ブラシホルダとヒートシンクとの接続面を含む断面を示す概略図である。図４に示すブラシホルダ８０は、図３におけるＡ−Ａ断面に相当する。図４において、ブラシ冷却用金属部材８１の第１の金属部材８１０は、１対のブラシ８の半周面を囲うように略Ｅ字状の断面形状をしており、１対のブラシ冷却用金属部材８１の第１の金属部材８１０により各ブラシ８のほぼ全周面を囲うように配置されている。

ブラシホルダ８０から露出したブラシ冷却用金属部材８１の一部である第２の金属部材８１１のボス部は、パワー回路が搭載されているヒートシンク３０ｇのフィン３０ｇ２に設けられたボス部に、ねじ８３により連結されている。なお、ブラシホルダ８０から露出した第２の金属部材８１１は、ヒートシンク３０ｇにねじ８３により固定する代わりに、接着剤、もしくは、かしめなどにより、ブラシホルダ８０を固定してもよい。

このヒートシンク３０ｇは、パワー回路冷却用のヒートシンクであり、ベース面３０ｇ１から突出したフィン３０ｇ２に回転子の回転により生じる冷却風が効率よく供給されるように設計されている。ヒートシンク３０ｇは、冷却風の作用によって、ブラケットなどよりも動作中の温度が低くなる。ブラシホルダ８０から露出したブラシ冷却用金属部材８１は、ブラシ８、もしくはブラシ８とスリップリング４との当接部で生じた熱を、接続されたヒートシンク３０ｇへ熱伝導によって放出する。これらの理由により、ブラシ８から効率よく放熱され、ブラシ８の温度が低減される。この放熱モデルは、たとえば、ブラシ８の近傍で生じた熱を、ブラシホルダ８０の外周部に冷却用のヒートシンク３０ｇなどを取り付けて外部雰囲気に排出するモデルよりもブラシ冷却性で優れる。加えて、ブラシ冷却用金属部材８１の露出している部分は、大きな風量の冷却風が流れる部分であり、ブラシ冷却用金属部材８１の露出部表面からも、放熱が期待できる。

また、ブラシ冷却用金属部材８１のヒートシンク３０ｇとの接続部は、ブラシホルダ固定用の構造を兼ね備えている。これにより、ブラシホルダ固定用の構造を新たに設ける必要が無くなり、ブラシホルダの材料および製造コストが低減される。さらに、ブラシホルダ８０が別途固定用の構造を持つ場合は、ブラシ冷却用金属部材８１におけるブラシホルダ固定用の構造と相俟って、ブラシホルダ固定強度が一段と高くなる。

ブラシ冷却用金属部材８１をブラシホルダ８０の固定用に用いると、ブラシホルダ構成樹脂などを固定用に用いる場合と比べて、温度サイクルや経年劣化による形状変化である樹脂枯れによる問題、たとえば、ネジの緩みなどを防止できる。また、ブラシ冷却用金属部材８１とヒートシンク３０ｇをねじ止め、接着剤、もしくは、かしめなどで固定することで、ブラシ冷却用金属部材８１とヒートシンク３０ｇの接触部は、加圧されたり、熱伝導率が小さい部材で充填されるなどして、接触熱抵抗を小さくできる。これにより、ブラシ冷却用金属部材８１による放熱経路の熱抵抗が低減され、さらに効率よくブラシの温度を低減できる。また、この実施の形態１によるブラシホルダ８０は、元来の固定機構に追加してボス部の固定が加わり、通常の固定機構のみで保持されるブラシホルダよりも共振周波数を高く設定することができる。この実施の形態１によるブラシホルダは、振動に対する信頼性を高めることが可能となる。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２による回転電機における、ブラシホルダとヒートシンクとの接続面を含む断面を示す概略図である。図５において、ブラシホルダ８０から露出したブラシ冷却用金属部材８１の第１の金属部材８１０は、ヒートシンク３０ｇのベース面３０ｇ１側に延び、その端部８１０１がヒートシンク３０ｇのベース面３０ｇ１に対向するように折り曲げられてボス部を形成している。この第１の金属部材８１０の端部８１０１は、ヒートシンク３０ｇのベース面３０ｇ１に当接して接続されている。

この実施の形態２によれば、ブラシ冷却用金属部材８１とヒートシンク３０ｇとの接続部は、接触面積を大きく取ることができる。このため、この接続部の接触熱抵抗を低くすることができ、ブラシ８の熱を放熱する点で有利となる。また、ヒートシンク３０ｇへの放熱経路の個数も同時に増加することになり、放熱性が有利となる。さらに、ブラシホルダ８０は、ブラシ冷却用金属部材８１の第１の金属部材８１０のボス部がートシンク３０ｇのベース面３０ｇ１に固定されることになり、固定強度や振動の抑制効果が発現するため、ブラシホルダ８０の故障や振動などを低減することが可能である。したがって、ブラシホルダ８０は、元来の固定機構に追加してボス部の固定およびヒートシンクベース面の固定が加わり、通常の固定機構のみで保持されるブラシホルダよりも共振周波数を高く設定することができ、ブラシホルダは振動に対する信頼性を高めることが可能となる。

図６は、この発明の実施の形態３による回転電機における、ブラシホルダとヒートシンクとの接続面を含む断面を示す概略図である。図６において、ブラシホルダ８０から露出したブラシ冷却用金属部材８１の第１の金属部材８１０は、ヒートシンク３０ｇのベース面３０ｇ１側に延び、その端部８１０１がヒートシンク３０ｇのベース面３０ｇ１に対向するように折り曲げられてボス部を形成している。この第１の金属部材８１０の端部８１０１は、ヒートシンク３０ｇのベース面３０ｇ１に当接して接続されている。

この実施の形態３では、ブラシ冷却用金属部材８１における第１の金属部材８１０の端部８１０１、及び第２の金属部材８１１は、樹脂、グリースもしくは接着材などの高放熱隙間充填材９００を介して、ヒートシンク３０ｇのベース面３０ｇ１及びフィン３０ｇ２に接続されている。これにより、これらの接続部の接触抵抗は低減されるため、ブラシ冷却能力が向上する。また、これらの高放熱隙間充填材９００が設置されることで、ブラシホルダ８０のブラシ冷却用金属部材８１とヒートシンク３０ｇの間に異物が侵入することを防止する効果もある。このため、衝撃時や大きな温度変化があった場合などでも放熱経路の一部となる、ブラシ冷却用金属部材８１とヒートシンク３０ｇの接触部の接触抵抗が悪化することがない。
実施の形態４．

図７は、この発明の実施の形態４による回転電機の樹脂モールド後のブラシホルダの斜視図であり、（ａ）はブラシホルダ、（ｂ）はブラシホルダの内部に設置されたブラシと通電用ターミナルとブラシ冷却用金属部材を示している。図７の（ａ）、（ｂ）に示すように、ブラシ冷却用金属部材８１は、ブラシ８の周面に沿って配置された第１の金属部材８１０と、この第１の金属部材８１０の表面から直角方向に延びる第２の金属部材８１１と、第１の金属部材８１０の表面から直角方向に延び途中でほぼ直角に折り曲げられた複数の第３の金属部材８１２とから構成されている。第１の金属部材８１０は、ブラシホルダ８０を構成する樹脂内にインサートされ、第２の金属部材８１１と第３の金属部材８１２は、ブラシホルダの樹脂から外部に露出している。そして第３の金属部材８１２は、放熱フィン状もしくは、くし歯状の形状の放熱部となる。

この実施の形態４によれば、ブラシホルダ８０の外部に露出したブラシ冷却用金属部材８１の第２の金属部材８１１と第３の金属部材８１２により、ブラシホルダ８０の外部雰囲気への放熱がより促進される。そして、ブラシ８、もしくはブラシ８とスリップリング４との当接部で生じた熱は、第２の金属部材８１１によりブラシホルダ８０からヒートシンク３０ｇへ伝達される熱と、第３の金属部材８１２によりブラシホルダ８０の外部雰囲気に放熱される熱とに分散する。この結果、ブラシホルダ８０のブラシ冷却効果が向上とともに、ブラシ冷却用金属部材８１が接続されたヒートシンク８１ｇの温度上昇を防ぐ。また、ブラシ冷却用金属部材８１の第２の金属部材８１１と第３の金属部材８１２により形成される放熱部は、冷却風の流量が大きい部分に配置される。このため、冷却風はこれらの放熱部に衝突し、より流速が小さい動作条件で乱流となる。これにより、ブラシホルダ８０の上記放熱部のみならず、ブラシホルダ８０の表面の熱伝達率が向上し、ブラシ冷却効果が向上する。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５による回転電機におけるブラシホルダは、ブラシ温度低減効果を効果的に発現することができる熱伝導率が０．８［Ｗ／ｍＫ］以上の樹脂、例えばＰＰＳ、もしくは、ＰＢＴをベースにした樹脂により構成される。図８は、この発明の実施の形態５による回転電機のブラシホルダの熱伝導率とブラシの温度上昇の関係を示す特性図であり、縦軸はブラシの温度［ｋ］、横軸はブラシホルダの熱伝導率［Ｗ／ｍｋ］を示す。

車両用の交流発電機もしくはモータージェネレータの発電時、回生発電時、駆動動作時などで上昇するブラシの温度は、ブラシホルダの熱伝導率を大きくすることで低減される。これは、ブラシ近傍で発熱した熱が、ブラシホルダ８０を介して前述の実施の形態１乃至４に示すブラシ冷却用金属部材８１に伝導し、ブラシホルダ８０の外部に放出される際に、ブラシ８とブラシ冷却用金属部材８１との間の熱抵抗が低減されるためであると考えられる。

ブラシ８の近傍で発生した熱は、ブラシホルダ８０側からのみならず、スリップリング４を介した放熱経路や、ブラシ８のピグテールを介した放熱経路などの複数の放熱経路により放熱されるが、ブラシホルダ８０の熱伝導率が約０．８［Ｗ／ｍＫ］以下である場合には、ブラシ近傍で発生する熱が、スリップリング４を介した放熱経路やブラシ８のピグテールを介した放熱経路などの放熱経路に伝導される割合よりもブラシ冷却用金属部材８１を介した放熱経路へ伝導される割合の方がより大きくなるほどの効果は得られず、大きなブラシの温度低減効果をえることができないことを発明者らは確認した。このため、この実施の形態５による回転電機のブラシホルダは、ブラシ温度低減効果をより効果的に発現することができるように、熱伝導率が０．８［Ｗ／ｍＫ］以上の成樹脂によりブラシホルダ８０を成形するようにしたものである。

なお、ブラシホルダ８０の構成樹脂は、熱伝導率を向上させるために高熱伝導の高価なフィラーを添加するため、単位質量あたりの価格が増加する。このため、ブラシホルダ８０の熱伝導率が３．０［Ｗ／ｍＫ］以上になると、材料コストの増大が懸念される。そこで、放熱性に対するコスト増大の費用対効果を高いレベルで保つためには、望ましくはブラシホルダ８０の熱伝導率を０．８〜３．０［Ｗ／ｍＫ］にするとよい。

一方、ブラシホルダ８０の構成樹脂とブラシ冷却用金属部材８１は、インサート成形もしくはアウトサートされることにより、一体化されており、ブラシホルダ８０に温度サイクルが付加されると、ブラシホルダ８０の構成樹脂とブラシ冷却用金属部材８１は、線膨張係数が異なるため、界面境界部近傍には、熱変化によるひずみが生じる。車両用の交流発電機もしくはモータージェネレータが置かれる雰囲気は、使用状態や車外環境雰囲気温度により、大きな温度差が生じる。このため、ブラシホルダは、温度サイクルに対する構成樹脂にクラック対策が必要となる。クラックが発生し進展すると、ブラシホルダの付近に侵入した水分や、異物がクラックの隙間を通って、ブラシとスリップリングの当接部に達し、回転電機の動作不良を引き起こす場合がある。これを防止するためには、ブラシホルダ構成樹脂とブラシ冷却用金属部材の線膨張係数差を小さくする必要がある。

図９は、この発明の実施の形態５による回転電機のブラシホルダの構成樹脂とブラシ冷却用金属部材の線膨張係数差と、温度サイクル付加時のブラシホルダ構成樹脂に発生するひずみ量の関係を示す特性図である。図９に示すように、ブラシホルダ８０の構成樹脂とブラシ冷却用金属部材８１の線膨張係数差が１０［ｐｐｍ］を超える構成になると、温度サイクルにより発生する界面境界部近傍に発生するひずみが繰返し発生することで、クラックが発生することを発明者らは確認した。このため、この発明による回転電機のブラシホルダにおける、ブラシホルダ８０の構成樹脂とブラシ冷却用金属部材８１の線膨張係数差を、１０［ｐｐｍ］以下としている。

また、ブラシ冷却用金属部材８１は、銅（りん青銅も含む）、もしくは、真鍮により構成されている。ブラシ冷却用金属部材８１をこれらの材料にすること、ブラシホルダ８０から伝わった熱は、熱伝導率が高いこれらの部材で構成されたブラシ冷却用金属部材８１を介してヒートシンク３０ｇに熱伝導される。これにより、熱伝導率が低い鉄などでブラシ冷却用金属部材８１を構成した場合と比較して、高いブラシ温度低減効果が発生する。このとき、ブラシ冷却用金属部材８１を前述意の銅もしくは真鍮で構成する場合は、高いブラシ温度低減効果を保持できるが、熱伝導率が低い金属で作成した場合には、同じブラシ冷却性性能をブラシホルダ８０に持たせるためには、外部に放熱フィンを接着したり、ブラシ冷却用金属部材８１を大量に設置する必要がある。

これらの理由により、ブラシ冷却用金属部材８１を銅もしくは真鍮にすることで、ブラシホルダ８０自体を軽量化することができる。これより、車両用の交流発電機もしくはモータジェネレータ全体も軽くすることができる。また、ブラシホルダ８０の構成樹脂は、ＰＰＳ、もしくは、ＰＢＴをベースにした樹脂により構成する。これにより、ブラシ冷却用金属部材８１とブラシホルダ８０の構成樹脂との線膨張係数差を小さくできる。また、ブラシホルダ８０の構成樹脂自体の耐熱性および機械的な強度などが高いブラシホルダ８０を構成できる。さらに、ＰＰＳ、もしくは、ＰＢＴは、リサイクル性も高く、環境面およびコスト面で優れる。

実施の形態６．
図１０は、この発明の実施の形態６による回転電機のブラシホルダとヒートシンクとの接続面を含む断面を示す概略図である。図１０において、ブラシ８とブラシ冷却用金属部材８１とは、ブラシホルダ８０の構成樹脂により絶縁される構成となっている。即ち、少なくともブラシ冷却用金属部材８１における平板状の第１の金属部材８１０のブラシ側の面は、ブラシホルダ８０の構成樹脂を介してブラシ８に対向しており、ブラシ８とブラシ冷却用金属部材８１の第１の金属部材８１０とが直接接触することがない。

この実施の形態６では、ブラシ冷却用金属部材８１がブラシホルダ８０にインサート成形もしくはアウトサートされるのと同時に、絶縁構造も形成される。このため、ブラシホルダ８０を製造に要する時間を低減でき、コストを削減可能となる。また、ブラシ冷却用金属部材８１の第１の金属部材８１０とブラシ８との間に介在するブラシホルダ８０の構成部材の厚みは、成形成立性もしくは強度が許す範囲で薄くすることが望ましい。ブラシ冷却用金属部材の第１の金属部材８１０とブラシ８との間に介在するブラシホルダ８０の構成部材の厚みを薄くすることで、ブラシ近傍で発生した熱がブラシ冷却用金属部材８１による放熱経路を通る割合が増加し、熱がヒートシンク３０ｇに伝導されることで、ブラシ８の温度低減効果を大きくすることができる。

実施の形態７．
図１１は、この発明の実施の形態７による回転電機のブラシホルダとヒートシンクとの接続面を含む断面を示す概略図である。図１１において、ブラシ８とブラシ冷却用金属部材８１との絶縁は、ブラシホルダ８０の構成樹脂よりも熱伝導率が高い、もしくは、薄い厚みで構成できる部材９１０により構成されている。ブラシ冷却用金属部材８１における第１の金属部材８１０のブラシ側の表面に、熱伝導率が高い絶縁材料、たとえば、高熱伝導フィラーを配合した樹脂シート９１０を貼り付けたり、溶射やラミネートなどで付着させた絶縁材料を配置する。

このように、熱伝導率が高い、もしくは厚みを薄くできる、またはその両方を備えた絶縁材料９１０により、ブラシ８とブラシ冷却用金属部材８１との絶縁を確保することで、ブラシ８とブラシ冷却用金属部材８１の間の熱抵抗を大幅に低減できる。この結果、ブラシ近傍で発生した熱は、その大部分をブラシ冷却用金属部材８１を通る放熱経路に引き寄せられ、温度が低いヒートシンク３０ｇに熱伝導されることで高いブラシ温度上昇抑制効果を得られる。このように、ブラシ８とブラシ冷却用金属部材９１とを薄い絶縁材料を介して配置するため、ブラシホルダ８０自体の必要な容積が小さくなり、成形樹脂の使用量を減少させるとともに、ブラシホルダ８０重量も低減できる。この結果、車両用の交流発電機もしくはモータジェネレータを軽量化することが可能となる。

実施の形態８．
図１２は、この発明の実施の形態８による回転電機のブラシホルダ構成樹脂に包括されるブラシとブラシ冷却用金属部材と通電用ターミナルの斜視図である。図１２に示すように、ブラシ冷却用金属部材８１は、２つの第１の金属部材８１０と、２つの第２の金属部材８１１により構成し、ブラシ８の側面のほぼ全域に対応するように２つの第１の金属部材８１０の表面を可能な限り大きく形成し、この２つの第１の金属部材８１０の表面を、ブラシ８を介して互いに向かい合うように配置している。

これにより、ブラシ８の近傍で発生した熱をブラシホルダ８０の構成樹脂を介して、ブラシ冷却用金属部材８１が受け取る面積を大きくとることができ、この放熱経路の熱抵抗を低減することができる。この場合、ブラシ８を取り囲むようにブラシ冷却用金属部材８１を配置すればなお良い。ブラシ冷却用金属部材８１がブラシ８から熱を受け取る面積がさらに大きくなるとともに、ブラシホルダ中で骨組みの役目をするため、構造強度が向上する。

実施の形態９．
図１３は、この発明の実施の形態９による回転電機のブラシホルダ構成樹脂に包括されるブラシとブラシ冷却用金属部材と通電用ターミナルの斜視図である。図１３に示すように、ブラシ冷却用金属部材８１における第１の金属部材８１０は、スリップリング４（図示せず）とブラシ８の接触部付近に配置されている。このように、出来るだけスリップリング４とブラシ８との接触部の近傍に、ブラシ冷却用金属部材８１の第２の金属部材８１０を配置することで、ブラシ冷却効果を大きくとることができる。また、ブラシホルダ８０の形状の制約などで前述の図１２のようにブラシ８と対向する第１の金属部材の表面をブラシ８の長さ方向に大きくとれないような場合などでも、ブラシ温度低減効果を保持できる。

実施の形態１０．
図１４は、この発明の実施の形態１０による回転電機のブラシホルダの斜視図である。ブラシ冷却用金属部材８１の第２の金属部材８１１は、ブラシホルダ８０の側面からほぼ垂直に延びる第１部材８１１ａとこの第１部材８１１ａからほぼ直角方向に延びる第２部材８１１ｂとの複数個のパーツを接続することで構成されている。これにより、ブラシホルダ８０を成形する際の、設計の自由度を高くすることができる。ブラシ冷却用金属部材８１は、回転子に設置されたファンにより引き起こされる冷却風の流れを妨げない位置にすることが望ましい。

実施の形態１１．
図１５は、この発明の実施の形態１１による回転電機のブラシホルダの斜視図である。図１５に示すように、ブラシホルダ８０は、ブラシ８を格納するブラシ保持部８０３の空間部の壁面に装着された熱拡散用の金属性プレート９２０を備えている。ブラシ冷却用金属部材８１は、ブラシホルダ８０の構成樹脂に埋設されブラシホルダの簿構成樹脂を介して対向する第１の金属部材８１０と、第２の金属部材８１１とにより構成される。

熱拡散用の金属プレート９２０は、銅、アルミもしくは鉄製である。この実施の形態１１によれば、ブラシ近傍で発生した熱は、熱拡散用の金属プレート９２０により、ブラシ冷却用金属部材８１の第１の金属部材８１０の平面の方向に拡散され、熱伝導面積を大きくとることで、この経路の熱抵抗を小さくすることができる。この結果、高いブラシ冷却性を備えるブラシホルダを構成できる。

実施の形態１２．
図１６は、この発明の実施の形態１２による回転電機のブラシホルダとヒートシンクとの接続面を含む断面を示す概略図である。図１６に示すように、ブラシ冷却用金属部材８１は、ブラシホルダ８０の樹脂成形後にブラシホルダ８０の外側面に固定された第１の金属部材８１０と、第１の金属部材８０１に固定された第２の金属部材８１１とにより構成されている。

この実施の形態１２によれば、設置できるブラシ冷却用金属部材８１の形状自由度を向上することができる。これにより、ブラシホルダ８０の周りの風の流れを阻害しない形状に、ブラシ冷却用金属部材を配置できる。この結果、ブラシ８およびヒートシンク３０ｇに吹き付ける冷却風の流量を低減させることを回避でき、ブラシ８およびヒートシンク３０ｇの温度上昇を低減可能となる。また、ブラシホルダ８０の外周面に取付けるブラシ冷却用金属部材８１は、高熱伝導接着剤、ねじによる固定など、できるだけブラシホルダ８０とブラシ冷却用金属部材８１の接触部の熱抵抗を低減できる方法で固定するとよい。これにより、この放熱経路の熱抵抗を低減でき、ブラシ温度低減効果を向上できる。

この発明は、自動車産業分野、とりわけ自動車に搭載される回転電機の分野に利用することができる。

１００ 回転電機、 １ 回転軸、 ２ 界磁鉄心、 ３ 界磁巻線、
４ スリップリング、 ５ 固定子、 ６、７ ハウジング、
８ ブラシ、 ９ スリップリングターミナル、 １０ 回転子、
１１ 口出し線巻き付け部、 １２ 冷却用ファン、
１３ 冷却用ファン、 １４ スリップリングモールド部、
１５ スプリング、 １６ 回転センサ、
１８ コイル口出し線、 １９ ベアリング、 ２０ プーリ、
３０ パワー回路部、 ３０ａ パワー素子、 ３０ｂ パワー素子、
３０ｇ ヒートシンク、 ３０ｇ１ ヒートシンクのベース面、
３０ｇ２ フィン、 ３１ 界磁回路部、 ３２ 制御回路部、
３２a 制御回路基板、 ３３a 防水カバー、
３５ 外部用接続コネクタ、 ４０ 露出部、 ５０ モールド樹脂、
６０ モールド成形品、 ８０ ブラシホルダ、
８１ ブラシ冷却用金属部材、 ８１０ 第１の金属部材、
８１１ 第２の金属部材、８２ 通電用ターミナル、 ８３ ねじ、
９００ 高放熱隙間充填材、 ８１２ 第３の金属部材
９１０ 樹脂シート、 ９２０ 金属プレート

Claims (18)

1. 回転軸に固定された界磁鉄心と界磁巻線を有する回転子と、
   前記回転軸に固定され、前記界磁巻線に界磁電流を供給するスリップリングと、
   前記回転子の外周面に間隙を介して配置され、電機子巻線を有する固定子と、
   前記固定子を固定するハウジングと、
   前記ハウジングに固定され、前記スリップリングを介して上記界磁巻線に界磁電流を供給するブラシを保持するブラシホルダと、
   前記ハウジングに固定され、前記界磁電流を制御する界磁回路と前記電機子巻線に流れる電機子電流を制御するパワー回路を搭載したヒートシンクと、
   を備えた回転電機であって、
   前記ブラシホルダは、前記界磁回路と前記ブラシとを電気的に接続する通電用ターミナルと、前記ブラシを冷却するブラシ冷却用金属部材とを備え、
   前記ブラシ冷却用金属部材は、少なくとも一部分が前記ブラシホルダの外部に露出した露出部を備え、
   前記ブラシ冷却用金属部材の前記露出部は、その少なくとも一部が前記ヒートシンクに接続されている、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記ブラシ冷却用金属部材は、前記ブラシに対して電気的に絶縁されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ブラシ冷却用金属部材は、前記ブラシホルダにインサート成形されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記ブラシ冷却用金属部材の前記露出部は、前記ブラシホルダを直接又は間接的に前記ハウジングに固定するための構造を備える、
   ことを特徴とする請求項１から３のうちの何れか一項に記載の回転電機。
5. 前記ヒートシンクは、ブラシホルダ固定用のボス部を備え、
   前記ブラシ冷却用金属部材の前記露出部は、前記ヒートシンクのボス部に固定される、
   ことを特徴とする請求項１から３のうちの何れか一項に記載の回転電機。
6. 前記ブラシ冷却用金属部材の前記露出部は、前記ヒートシンクのベース面に固定されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のうちの何れか一項に記載の回転電機。
7. 前記ブラシ冷却用金属部材と前記ヒートシンクとは、熱伝導率の高い樹脂、グリース、接着材のうちの少なくとも一つを介して接続されている、
   ことを特徴とする請求項１から６のうちの何れか一項に記載の回転電機。
8. 前記ブラシ冷却用金属部材の前記露出部は、少なくとも一部が折曲したフィン状もしくはくし歯状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から７のうちの何れか一項に記載の回転電機。
9. 前記ブラシホルダは、熱伝導率が０．８［Ｗ／ｍＫ］以上の材料で構成されている、
   ことを特徴とした請求項１から８のうちの何れか一項に記載の回転電機。
10. 前記ブラシホルダを構成する材料と前記ブラシ冷却用金属部材の材質との線膨張係数差が１０［ｐｐｍ］以内である、
    ことを特徴とする請求項１から９のうちの何れか一項に記載の回転電機。
11. 前記ブラシホルダを構成する材料は、ＰＰＳもしくはＰＢＴであり、
    前記ブラシ冷却用金属部材を構成する材料は、銅もしくは真鍮である、
    ことを特徴とする請求項１から１０のうちの何れか一項に記載の回転電機。
12. 前記ブラシと前記ブラシ冷却用金属部材との間に、前記ブラシホルダを構成する樹脂が配置されている、
    ことを特徴とする請求項１から１１のうちの何れか一項に記載の回転電機。
13. 前記ブラシと前記ブラシ冷却用金属部材との間に、前記ブラシホルダを構成する樹脂よりも熱伝導率の高い部材が配置されている、
    ことを特徴とする請求項１から１２のうちの何れか一項に記載の回転電機。
14. 前記ブラシ冷却用金属部材は、前記ブラシの少なくとも外周面の周面の一部に対向して配置されている、
    ことを特徴とする請求項１から１３のうちの何れか一項に記載の回転電機。
15. 前記ブラシ冷却用金属部材は、少なくとも前記スリップリングと前記ブラシとの接触部近傍に配置されている、
    ことを特徴とする請求項１から１４のうちの何れか一項に記載の回転電機。
16. 前記ブラシ冷却用金属部材は、複数個の部材により構成されている、
    ことを特徴とする請求項１から１５のうちの何れか一項に記載の回転電機。
17. 前記ブラシホルダは、前記ブラシが格納される空間部の壁面に熱拡散用のプレートを備え
    前記ブラシ冷却用金属部材は、その一部が前記プレートに並行して配置されている、
    ことを特徴とする請求項１から１６のうちの何れか一項に記載の回転電機。
18. 前記ブラシ冷却用金属部材は、前記ブラシホルダの成形後に前記ブラシホルダ外側面に固定される、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。

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