JP5769871B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

この発明は、シャフトにスリップリング装置が圧入された回転電機の回転子に関するものである。

従来、車両用交流発電機として、シャフトの中間部位に一対の爪状磁極を軸支して構成したランデル型回転子を採用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この回転子では、シャフトの先端部に、互いに同軸上に離間して配置された第１のリング及び第２のリングを絶縁して保持したモールド成形で形成された成形体本体を有するスリップリング装置が圧入されている。

一方、このモールド成形で成形体本体を有する成形体を形成する場合、金型内で分岐した溶融樹脂が合流する際にはウェルドラインが発生するが、このウェルドラインを最小限に止めるために、溶融樹脂、金型温度を高くし、また射出圧力を高める対策がとられている（例えば、特許文献２）。

特許第３８４５９５２号明細書 特開２０１０−２２１５５０号公報

上記特許文献１の回転子では、成形体本体がシャフトよりも熱膨張率が大きいため、高温時に成形体のシャフト嵌合部の内径が大きくなり、第１のリング及び第２のリングに対するブラシの接触摩擦、またはエンジン内部の周期的な爆発及び車両の速度変化によって生じる回転変動のために、スリップリング装置がシャフトに対し相対的に回動するという不具合が生じるという問題点があった。
また、高温時でも上記不都合が生じないように成形体本体とシャフトとの締め代を大きく設定した場合には、組付け時に割れ、破損が生じ易いという問題点があった。
そして、特に、引張り強度が３割程度に低下する、モールド成形で必ず生じるウェルドラインでの割れの発生が顕著であるという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、締め代が高温時に成形体本体が膨張する量より小さくならず、かつこの締め代でスリップリング装置をシャフトに組付けた際の成形体本体の割れ、破損の発生を低減した回転電機の回転子を提供することを目的とする。

この発明に係る回転電機の回転子は、端部の周面が滑面であるシャフトと、このシャフトに圧入したスリップリング装置とを備え、前記スリップリング装置は、互いに同軸上に離間して配置され、回転子コイルと電気的に接続された第１のリング及び第２のリングと、前記第１のリング及び前記第２のリングを絶縁して保持するとともに、樹脂によりモールド成形された成形体本体と有し、前記シャフトが圧入された、前記成形体本体の穴の内壁面には、それぞれ軸線方向に沿って延びた複数の突起部が形成された圧入突起部が形成された回転電機の回転子であって、
圧入前の前記圧入突起部の内径の径は、前記シャフトの径よりも小さい締め代の関係にあり、また、前記内壁面では、前記モールド成形で生じたウェルドラインの部位に、前記突起部が除かれた非突起部が形成されており、前記シャフトは、炭素鋼Ｓ４８Ｃで構成され、前記成形体本体は、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）で構成され、前記非突起部は、その軸線方向の寸法が前記成形体本体の端面から３ｍｍ以上である。

この発明に係る回転電気の回転子によれば、圧入前の圧入突起部の内径の径は、シャフトの径よりも小さい締め代の関係にあり、また成形体本体の穴の内壁面では、モールド成形で生じたウェルドラインの部位に、非突起部が形成されているので、シャフトにスリップリング装置を圧入する際の成形体本体の割れ、破損が低減される。
また、締め代は、高温時に成形体本体が膨張する量より小さくならないように設定することで、スリップリング装置がシャフトに対し相対的に回動することを防止することができる。

この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の回転子を示す側断面図である。 図１のスリップリング装置を示す斜視図である。 図２のスリップリング装置を示す斜視断面図である。 図２のスリップリング装置を示す側断面図である。 図２の成形体本体の断面図である。 成形体本体の変形例を示す断面図である。 スリップリング装置の圧入解析の結果を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る回転子のスリップリング装置を示す要部断面図である。 図８のＩＸ-ＩＸ線に沿った矢視断面図である。 図８のＸ-Ｘ線に沿った矢視断面図である。 この発明の実施の形態３に係る回転子の要部を示す分解断面図である。 この発明の実施の形態３に係る回転子の要部側断面図である。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に車両用交流発電機の回転子１を示す側断面図である。
この車両用交流発電機（以下、発電機と略称する。）の回転子１は、ケース（図示せず）の内壁に固定された固定子（図示せず）の内側に設けられている。
この回転子１は、一端部にプーリ（図示せず）が固定されるシャフト２と、このシャフト２の中間部に固定され対向した一対の爪状磁極３，４と、この爪状磁極３，４の内部に導線が巻回された回転子コイル７と、シャフト２の他端部に圧入されたスリップリング装置５とを有している。
固定子は、固定子鉄心（図示せず）に固定子コイル（図示せず）が巻装されている。

上記構成の発電機では、バッテリ（図示せず）からブラシ６、スリップリング装置５を通じて回転子１の回転子コイル７に電流が供給されて、磁束が発生し、回転子１の爪状磁極３，４には、それぞれＮ極、Ｓ極が生じる。
一方、エンジンによってプーリは駆動され、シャフト２によって回転子１が回転するため、固定子鉄心には回転磁界が与えられ、固定子コイルには起電力が生じる。

図２は図１に示されたスリップリング装置５を示す斜視図、図３は図２のスリップリング装置５を示す斜視断面図、図４は図２のスリップリング装置５を示す側断面図である。
スリップリング装置５は、第１のリング１０及び第２のリング１１と、第１のリング１０に一端部が溶接により接続され他端部が回転子コイル７に溶接により接続された長尺リード１２と、第２のリング１１に一端部が溶接により接続され他端部が回転子コイル７に溶接により接続された短尺リード１３と、これら第１のリング１０、第２のリング１１、長尺リード１２及び短尺リード１３を互いに絶縁して保持した、インサート成形により形成された成形体１４とを備えている。

成形体１４は、円筒形状の成形体本体１６と、回転子コイル７と接続される、長尺リード１２及び短尺リード１３のそれぞれの端子部１９を支持する円環状の端子支持部１７と、長尺リード１２及び短尺リード１３を覆うとともに端子支持部１７と成形体本体１６とを連結する連結部１８とを備えている。

ところで、このスリップリング装置５は、生産性を考慮し取り扱い数量を増やすために縦型成形機を用いて製造されている。
この場合、金型内では、第１のリング１０及び第２のリング１１を下向きにセットし、樹脂のゲートは、端子支持部１７である。
そして、ゲートを通じて金型内に充填される溶融した樹脂は、端子支持部１７を形成する空間、２つの連結部１８を形成する空間を通じて成形体本体１６を形成する空間で合流するために、成形体本体１６ではウェルドラインが形成される。
一般に、ウェルドラインの引張り強度は、材料強度の３割程度に低下するため、スリップリング装置５のモールド割れは発生しやすい。

この実施の形態では、成形体本体１６の穴３０の内壁面には、それぞれ軸線方向に沿って延びた複数の突起部が形成された圧入突起部２０が形成されている。この圧入突起部２０は、図５に示すように、全周にわたって形成されている。
また、内壁面の両端部には、突起部が除かれた非突起部２１が形成されている。この非突起部２１はウェルドラインが発生する部位に相当する。
圧入前の圧入突起部２０の内径の径は、シャフト２の径よりも小さい締め代の関係にあり、この締め代の値は、成形体１４が高温時に膨張する量を超えて設定されている。

この実施の形態では、引張り強度が低いウェルドラインが生じた成形体本体１６の両端部に、圧入突起部２０の内径よりも径寸法が大きな非突起部２１が形成されているので、シャフト２に成形体本体１６の穴３０を圧入する際に、その端部に作用する応力が低く、成形体本体１６の端部を起点とした割れ、破損の発生が低減される。
従って、第１のリング１０と第２のリング１１との間でリーク電流が生じて出力電流が低下するのを防止することができる。
また、圧入突起部２０での締め代は、成形体１４が高温時に膨張する量を超えて設定されているので、高温時に成形体１４がシャフト２に対して回動するのを防止することができる。

なお、ウェルドラインの発生部位によっては、図６に示すように、圧入突起部２０Ａのうち、非突起部２１を穴３０の内壁面の周方向に沿って断続的に形成してもよい。
このようにすることで、引張り強度が低いウェルドラインが生じた部位では、非突起部２１が形成されており、シャフト２に成形体本体１６の穴３０を圧入する際にその部位に作用する応力が低下する。
従って、圧入突起部２０Ａでの締め代を実施の形態１と比較して大きくすることができ、高温時に成形体１４がシャフト２に対して回動するのをより確実に防止することができる。
なお、このウェルドラインが発生する部位については、樹脂流動解析で特定される。

図７は本願発明者がスリップリング装置５の圧入解析を行なった結果を示す図である。
なお、この解析に供したシャフト２は、炭素鋼Ｓ４８Ｃであり、成形体１４は、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）で形成されている。
この図７からは、例えば、圧入突起部２０での締め代が２００μｍの場合、成形体本体１６の非突起部２１の距離ａ１，ａ２が１ｍｍで、成形体本体１６の端面での最大主応力が約３８０ＭＰａであり、２ｍｍで約１９０ＭＰａとなり、非突起部２１の軸線方向の距離を１ｍｍ増やせば成形体本体１６の端面での応力が半減することがわかる。また、非突起部２１の距離ａ１，ａ２を３ｍｍにすると応力は５０ＭＰａ程度となり、成形体本体１６の端面での最大主応力が急激に低下していることがわかる。
そして、非突起部２１の距離ａ１，ａ２が３.５ｍｍ程度離れると、成形体本体１６の端面での最大主応力はほぼゼロとなっていることが分かる。
このことから、成形体本体１６の端面からの非突起部２１の距離ａ１，ａ２を３ｍｍ以上とすることで、成形体本体１６の端面に作用する最大主応力が大幅に低下させることが可能となり、それだけシャフト２に成形体本体１６の穴３０を圧入する際の成形体本体１６の端面を起点とした割れ、破損を大幅に低減させることができる。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る回転子１のスリップリング装置５を示す要部断面図、図９は図８のＩＸ-ＩＸ線に沿った矢視断面図、図１０は図８のＸ-Ｘ線に沿った矢視断面図である。
この実施の形態では、圧入突起部２０Ｂうち、左右で非突起部２１の位置が９０°異なる。
他の構成は、実施の形態１の回転子１と同じである。

この実施の形態による回転子１によれば、実施の形態１の回転子１と同様な効果を得ることができるとともに、引張り強度が低いウェルドラインが生じた部位では、作用する応力を低下させることができ、さらにシャフト２と成形体本体１６との周方向の嵌め合いが均等化されるという効果もある。
なお、非突起部２１は、内壁面の軸線方向に沿って断続的に形成してもよい。

実施の形態３．
図１１はこの発明の実施の形態３に係る回転子１の要部を示す分解断面図、図１２は図１１の回転子１の要部側断面図である。
この実施の形態では、成形体本体１６の穴３０の内壁面の両端部に非突起部２１が形成されている。その非突起部２１間では、第１のリング１０側に、圧入突起部２０が形成されており、第２のリング１１側に円滑面３１が形成されている。
シャフト２では、その先端部では、円滑面２３及び被圧入突起部２２が形成されている。成形体本体１６の穴３０にシャフト２の先端部が圧入されたときには、成形体本体１６の圧入突起部２０がシャフト２の円滑面２３に嵌着しており、成形体本体１６の円滑面３１がシャフト２の被圧入突起部２２に嵌着している。
他の構成は、実施の形態１と同じである。

この実施の形態では、成形体本体１６の穴３０にシャフト２の先端部が圧入されたときに、実施の形態１の回転子１と比較して、圧入突起部２０とシャフト２との嵌め合い距離が短縮され、シャフト２にスリップリング装置５を効率よく挿入することができる。
また、このときには、成形体本体１６の円滑面３１がシャフト２の被圧入突起部２２に嵌着しており、実施の形態１の回転子１と同様に、スリップリング装置５のシャフト２に対する組付強度を得ることができる。

なお、上記各実施の形態では、スリップリング装置５は、縦型成形機を用いて製造されており、ウェルドラインは、成形体本体１６の両端部に形成されるので、その両端部に非突起部２１を形成したが、必ずしもこの部位に限定されない。横型成型機でスリップリング装置を製造した場合には、ウェルドラインの発生する部位は当然異なり、それに合わせて非突起部が形成される箇所も変わる。
また、上記各実施の形態では、非突起部２１の内径とシャフト２の外径との間では、締め代があったが、隙間ばめであってもよい。
また、上記実施の形態では、車両用交流発電機の回転子１について説明したが、この発明は車両以外の例えば船外機用交流発電機の回転子にも適用することができる。
また、この発明は、電動機の回転子にも適用することができる。

１ 回転子、２ シャフト、３，４ 爪状磁極、５ スリップリング装置、６ ブラシ、７ 回転子コイル、１０ 第１のリング、１１ 第２のリング、１２ 長尺リード、１３ 短尺リード、１４ 成形体、１６ 成形体本体、１７ 端子支持部、１８ 連結部、１９ 端子部、２０，２０Ａ，２０Ｂ 圧入突起部、２１ 非突起部、２２ 被圧入突起部、２３，３１ 円滑面、３０ 穴。

Claims (6)

1. 端部の周面が滑面であるシャフトと、
   このシャフトに圧入したスリップリング装置とを備え、
   前記スリップリング装置は、互いに同軸上に離間して配置され、回転子コイルと電気的に接続された第１のリング及び第２のリングと、前記第１のリング及び前記第２のリングを絶縁して保持するとともに、樹脂によりモールド成形された成形体本体と有し、
   前記シャフトが圧入された、前記成形体本体の穴の内壁面には、それぞれ軸線方向に沿って延びた複数の突起部が形成された圧入突起部が形成された回転電機の回転子であって、
   圧入前の前記圧入突起部の内径の径は、前記シャフトの径よりも小さい締め代の関係にあり、
   また、前記内壁面では、前記モールド成形で生じたウェルドラインの部位に、前記突起部が除かれた非突起部が形成されており、
   前記シャフトは、炭素鋼Ｓ４８Ｃで構成され、前記成形体本体は、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）で構成され、前記非突起部は、その軸線方向の寸法が前記成形体本体の端面から３ｍｍ以上であることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記非突起部は、前記成形体本体の両端部の少なくとも一方に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記非突起部は、前記内壁面の周方向に沿って断続的に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の回転子。
4. 前記非突起部は、前記内壁面の軸線方向に沿って断続的に形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の回転電機の回転子。
5. 前記非突起部は、前記内壁面の前記シャフトの圧入側に形成されており、前記シャフトは、先端部に前記圧入突起部と嵌着した円滑面と、前記非突起部と嵌着した被圧入突起部とが形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の回転電機の回転子。
6. 前記回転電機は、車両用交流発電機であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の回転電機の回転子。

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