JP6213397B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、ローターの回転によって発電を行う、または電力の供給によってローターが回転する回転電機に関する。

ハウジング内に設けられたローターの回転によって、ローターの径方向外側と対向するように配置されたステータにおいて発電を行う発電機においては、発生した電力を直流に変換するために、パワー素子を有する電力変換装置がハウジング内に配置されて使用されるものがある。また、電力の供給によってローターが回転する電動機においても、ステータに供給する電力を交流に変換するために、ハウジング内に電力変換装置が設けられているものがある。さらに、発電機と電動機の２つの機能を併せ持つ電動発電機において、上記の電力変換装置をハウジング内に設けた、いわゆる機電一体の回転電機とするものがある。このような構成において、電力変換装置に含まれるパワー素子は、その作動によって発熱するため、発電機、電動機および電動発電機においては、ハウジング内において熱が滞留するという問題があった。

これに対し、交流発電機内に設けられ、パワー素子の冷却機能を備えた電力変換装置に関する従来技術があった（例えば、特許文献１参照）。当該従来技術においては、ローターの回転軸に直交するように平板状の取付部材を設け、取付部材の一面に放射状に複数の放熱フィンを形成し、他面にパワー素子が取り付けられている。さらに、交流発電機のハウジングに空気導入孔を設け、空気導入孔から内部に進入した冷却風が取付部材を通過することにより、放熱フィンにおいて放熱が行われ、パワー素子の冷却が行われる。

特開２０１４−３６４４５号公報

しかしながら、上述した従来技術による電力変換装置を備えた交流発電機においては、冷却風とともに、外部の塵、砂等の異物または水分がハウジング内に進入することがある。交流発電機の内部には、ローターへ電力を供給するための一対の給電ブラシ、およびローターに形成され、給電ブラシと摺動する一対のスリップリングが設けられており、ブラシとスリップリングとの摺動部は、交流発電機の内部に奥まっている。
一方、給電ブラシの磨耗粉がブラシホルダ内に堆積すると、給電ブラシの早期磨耗やスリップリング間の絶縁不良を発生させることがある。この問題を解決するために、ブラシホルダには磨耗粉抜け通路を設ける必要があるが、一方でブラシホルダ内側とブラシホルダ外側で異物または水分の進入経路ができる。
ここで、冷却機の放熱フィンが放射状に配置されているため、放熱フィン間、および上記の進入経路を経由して、進入した異物等が給電ブラシとローターに形成されたスリップリングとの摺動部に入る可能性が高まる。給電ブラシとスリップリングとの間の摺動部に異物が入り込んだ場合、給電ブラシの早期磨耗や給電ブラシとスリップリングとの間の接触不良を発生させることがある。

また、上述した従来技術による電力変換装置で、冷却性の向上のため、限られたスペース内において放熱面積を増やそうとすると、放射状の放熱フィンの枚数を増やことが必要になる。その結果、放熱フィンの厚みが小さくなるので、放熱フィンは部分的に欠け易くなる。すなわち、製造工程で、より慎重な取り扱いが必要となるので、製造コストが上昇すると共に、組付け後の使用環境によっては振動などによる欠けによる冷却性の低下や短絡故障を生ずる可能性が高まる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、給電ブラシの信頼性を向上させることのできる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、請求項１に係る回転電機の発明は、ハウジング（２、３、１１）と、ハウジングに固定されたステータ（４）と、ハウジングに対して回転可能に取り付けられ、ステータに対して半径方向に対向したローター（５）と、ハウジングに取り付けられ、ローターの回転軸（５ｄ）に設けられたスリップリング（５ｅ、５ｆ）と摺接してローターに電力を供給する給電ブラシ（９ａ、９ｂ）と、ステータに発生した電力を直流に変換する、または、ステータへの電力を交流に変換する電力変換素子（１５）と、電力変換素子が取り付けられるとともに、放熱用フィン（１４ｂ）が形成され、ハウジングに取り付けられた通風部（１４ａ、１４ｂ）と、を備え、ハウジングを貫通した空気導入孔（１２）からハウジング内に進入した冷却空気が、通風部を通過し、電力変換素子を冷却する回転電機（１）であって、空気導入孔と給電ブラシとの間には、空気導入孔から進入した冷却空気が給電ブラシへ到達することを阻止する遮蔽壁（１４ｃ）が形成され、通風部と遮蔽壁とが一体化されて素子取付部材（１４）が形成され、素子取付部材は、半径方向に延びる平板状に形成された底面部（１４ａ）を有し、底面部の一面（１４ｄ）には電力変換素子が固定され、底面部の他面（１４ｅ）には遮蔽壁が回転軸方向に突出するように形成されている。

この構成によれば、電力変換素子が取り付けられ、空気導入孔からハウジング内に進入した冷却空気が通過する通風部をハウジングに取り付け、空気導入孔と給電ブラシとの間には、進入した冷却空気が給電ブラシへ到達することを阻止する遮蔽壁が形成されていることにより、遮蔽壁に遮られ、進入した冷却空気が給電ブラシへ到達することがないため、冷却空気とともに異物または水分が給電ブラシの摺動部に入り込むことがなく、給電ブラシの磨耗や給電ブラシとスリップリングとの間の接触不良を防止することができる。
また、遮蔽壁は複数の放熱フィンを連結するので、剛性を高めることができる。よって、放熱フィンの厚みを小さくしても、欠けにくくすることができるので、製造コストの低減および冷却性の確保や短絡故障防止の効果を高めることができる。

本発明の一実施形態による交流発電機の回転軸に沿ってカットした場合の断面図 図１に示した放熱板をパワーモジュールが取り付けられた側から見た場合の斜視図 放熱板を冷却フィンが形成された側から見た場合の正面図 図３のIV−IV断面図 図１の一部拡大図 第２ボデーを整流装置側から見た場合の正面図

図１乃至図６に基づき、本発明の一実施形態による交流発電機１（回転電機に該当する）について説明する。本実施形態における交流発電機１は、車両に設けられているものであるが、これに限られるものではない。尚、交流発電機１の説明中において、ローター５の回転軸５ｄの延びた方向を単に回転軸方向という。また、回転軸方向において、プーリー８が形成された側（図１において左方）を交流発電機１の前方とし、反対側（図１において右方）を交流発電機１の後方として説明する。また、交流発電機１の外周から回転軸５ｄに近づく方向を半径方向内方といい、その逆の方向を半径方向外方という。

図１に示すように、交流発電機１において、第１ボデー２および第２ボデー３は、ステータ４を回転軸方向に挟み込んだ状態で連結されている。ステータ４は、第１ボデー２および第２ボデー３に固定されたステータコア４ａと、ステータコア４ａに巻回されたステータコイル４ｂとを備えている。
一方、第１ボデー２および第２ボデー３には、ローター５が回転可能に取り付けられている。ローター５を形成する一対のローターコア５ａ、５ｂは、界磁コイル５ｃを挟み込んで互いに結合されている。ローター５はステータ４に対して半径方向内方に対向しており、ローターコア５ａ、５ｂの外周面とステータコア４ａの内周面との間には、僅かな隙間が形成されている。また、前方に形成されたローターコア５ａの前端面にはフロント冷却ファン６ａが固定され、後方に形成されたローターコア５ｂの後端面にはリヤ冷却ファン６ｂが固定されている。フロント冷却ファン６ａおよびリヤ冷却ファン６ｂは、ローター５と一体回転可能に形成されている。

また、双方のローターコア５ａ、５ｂには回転軸５ｄが圧入されており、回転軸５ｄの前後部は、それぞれ軸受７ａ、７ｂによって、第１ボデー２および第２ボデー３に回転可能に取り付けられている。また、さらに、回転軸５ｄの前端部には、プーリー８が一体回転可能に取り付けられている。プーリー８には、図示しない車両のエンジンからの駆動力を伝達するベルトが張架されている。
回転軸５ｄの後端部には一対のスリップリング５ｅ、５ｆが、回転軸５ｄの全周にわたって形成されている。スリップリング５ｅ、５ｆには、それぞれワイヤーハーネス５ｇが接続されており、ワイヤーハーネス５ｇによってスリップリング５ｅ、５ｆは、前述した界磁コイル５ｃに接続されている。

図１に示したように、各々のスリップリング５ｅ、５ｆには、一対の給電ブラシ９ａ、９ｂが当接している。給電ブラシ９ａ、９ｂは、ブラシホルダ１０を介して第２ボデー３に取り付けられている。給電ブラシ９ａ、９ｂは、図示しない車両の直流電源（車載バッテリー）に接続されており、直流電源は、給電ブラシ９ａ、９ｂ、スリップリング５ｅ、５ｆおよびワイヤーハーネス５ｇを介して界磁コイル５ｃに通電される。給電ブラシ９ａ、９ｂは、ローター５が回転することにより、スリップリング５ｅ、５ｆに対して摺接し、界磁コイル５ｃに電力を供給する。

第２ボデー３の後端面には、リヤカバー１１が取り付けられている。リヤカバー１１は合成樹脂材料にて形成され、第２ボデー３との間において整流装置１３を挟持するように取り付けられている。リヤカバー１１と第２ボデー３との間には、全周にわたって吸気口１２（空気導入孔に該当する）が形成されている。吸気口１２は、リヤカバー１１と第２ボデー３との間を貫通し、交流発電機１の内外を連通している。整流装置１３については、後において詳述する。リヤカバー１１は、回転軸５ｄのスリップリング５ｅ、５ｆ、給電ブラシ９ａ、９ｂ、整流装置１３および図示しないＩＣレギュレータ等を覆うように、第２ボデー３に取り付けられている。尚、第１ボデー２、第２ボデー３およびリヤカバー１１を包括した構成がハウジングに該当する。

以下、整流装置１３について説明する。図２において示すように、整流装置１３は、放熱板１４（素子取付部材に該当する）と、放熱板１４に取り付けられた複数のパワーモジュール１５（電力変換素子に該当する）とを備えている。パワーモジュール１５は、これに限られるものではないが、例えば、複数のパワーＭＯＳトランジスタと、これらを制御する制御素子とにより形成されている。パワーモジュール１５は、ステータコイル４ｂに接続されるとともに、ＩＣレギュレータを介して車両の直流電源に接続されている。リヤカバー１１には、パワーモジュール１５および給電ブラシ９ａ、９ｂを、直流電源に接続するためのコネクタ１６を配置する位置に、空孔が形成されている。

図３に示すように、放熱板１４は、アルミニウム合金等の熱伝導性に優れた材料によって一体化されており、半径方向に延びる平板状に形成された底面部１４ａと、底面部１４ａ上に形成された複数の冷却フィン１４ｂ（放熱用フィンに該当する）と、底面部１４ａに接続された遮蔽壁１４ｃとを備えている。底面部１４ａの後面１４ｄ（一面に該当する）には、前述したパワーモジュール１５が取り付けられている。
放熱板１４は、中央部を回転軸５ｄが貫通するように、略Ｃ形状を呈しており、回転軸５ｄおよび給電ブラシ９ａ、９ｂを半径方向外方において取り囲んでいる。冷却フィン１４ｂおよび遮蔽壁１４ｃは、底面部１４ａの前面１４ｅ（他面に該当する）から回転軸方向前方に向けて突出している。底面部１４ａ上において、冷却フィン１４ｂは半径方向に放射状に延びている。遮蔽壁１４ｃは底面部１４ａ上を周方向に延びて、各々の冷却フィン１４ｂの半径方向における内端部を互いに連結している（図２および図３示）。尚、底面部１４ａと冷却フィン１４ｂとを含めた構成が、通風部に該当する。

図４に示したように、遮蔽壁１４ｃの半径方向外方に位置する面１４ｆと、底面部１４ａの前面１４ｅとの間には、所定半径を有した曲面部１４ｇが設けられ、遮蔽壁１４ｃと底面部１４ａとの接続部は滑らかな円弧状に形成されている。
また、図４に示したように、遮蔽壁１４ｃの回転軸方向の突出量ｈ１は、冷却フィン１４ｂの回転軸方向の突出量ｈ２よりも大きくなるように設定されている（ｈ１＞ｈ２）。
図１に示したように、放熱板１４は、給電ブラシ９ａ、９ｂを避けるように、第２ボデー３に取り付けられている。放熱板１４は、リヤカバー１１と第２ボデー３との間に形成された吸気口１２に対し半径方向に対向しており、吸気口１２を介して、放熱板１４の外周部が交流発電機１の外方から視認可能に形成されている。放熱板１４の遮蔽壁１４ｃは、吸気口１２と給電ブラシ９ａ、９ｂとの間に配置されている。

図５および図６に示すように、第２ボデー３には、放熱板１４の前面１４ｅに対して回転軸方向に対向する壁部３ａを有している。壁部３ａは、第１ボデー２、第２ボデー３およびリヤカバー１１を包括したハウジング内を仕切っている。壁部３ａには、吸気口１２から進入した冷却空気が通過する複数の吸入窓３ｂが貫通している。また、第２ボデー３の外周面には、回転軸方向において、壁部３ａに対する放熱板１４の反対側に位置するように、空気排出孔３ｃが形成されている（図１示）。
図５に示したように、吸入窓３ｂの回転軸５ｄの回転中心からの最外径ｒ１は、遮蔽壁１４ｃの、回転軸５ｄの回転中心からの径ｒ２よりも大きく設定されている（ｒ１＞ｒ２）。すなわち、遮蔽壁１４ｃは、吸入窓３ｂの最外径部よりも半径方向内方に位置している。

次に、交流発電機１の作動について説明する。直流電源から界磁コイル５ｃに電力が加えられた状態で、プーリー８を介して、エンジンによってローター５が回転されると、ステータコイル４ｂにおいて交流電力が発生する。ステータコイル４ｂにおいて発生した電力は、パワーモジュール１５によって直流に変換される。パワーモジュール１５によって直流に変換された電力は、必要な場合には、ＩＣレギュレータによって適正な電圧に調整された後、直流電源に蓄えられる。
ローター５が駆動されることにより、リヤ冷却ファン６ｂが回転すると、吸気口１２から冷却空気が吸引され、交流発電機１の内部に進入する。冷却空気は、吸入窓３ｂを通過して第２ボデー３内に進入した後、ステータコイル４ｂを冷却し、空気排出孔３ｃから外部へ排出される。吸気口１２から進入した冷却空気が、冷却フィン１４ｂに沿って放熱板１４を通過する際に、パワーモジュール１５によって発生された熱が放出される。尚、図１において、冷却空気の進入経路を太い矢印にて示している。
また、吸気口１２から進入した冷却空気は遮蔽壁１４ｃによって遮られ、給電ブラシ９ａ、９ｂへ到達することが阻止される。したがって、万が一、異物が吸気口１２から交流発電機１の内部に進入したとしても、給電ブラシ９ａ、９ｂの摺動部に入り込むことがなく、冷却空気とともに空気排出孔３ｃから外部へ排出される。

本実施形態によれば、吸気口１２と給電ブラシ９ａ、９ｂとの間には、進入した冷却空気が給電ブラシ９ａ、９ｂへ到達することを阻止する遮蔽壁１４ｃが形成されている。これにより、進入した冷却空気が、遮蔽壁１４ｃに遮られ、給電ブラシ９ａ、９ｂへ到達することがないため、冷却空気とともに異物が給電ブラシ９ａ、９ｂの摺動部に入り込むことがない。したがって、給電ブラシ９ａ、９ｂの磨耗や給電ブラシ９ａ、９ｂとスリップリング５ｅ、５ｆとの間の接触不良を防止することができる。
また、放熱板１４が一体的に形成され、半径方向に延びる平板状に形成された底面部１４ａの後面１４ｄには、パワーモジュール１５が固定されている。また、底面部１４ａの前面１４ｅには、回転軸方向に突出した複数の冷却フィン１４ｂが、半径方向に延びるように形成されている。また、遮蔽壁１４ｃは、前面１４ｅから回転軸方向に突出するとともに、周上に延びて複数の冷却フィン１４ｂを互いに連結している。これにより、複数の冷却フィン１４ｂおよび遮蔽壁１４ｃを一つの成形工程によって容易に形成することができる。また、放熱板１４を第２ボデー３に取り付けるだけで、交流発電機１内に冷却フィン１４ｂおよび遮蔽壁１４ｃを設けることができ、その取付工程を簡素化することができる。
また、放熱板１４において、遮蔽壁１４ｃが一体に形成されているため、遮蔽壁１４ｃ自体が放熱部として機能することにより、放熱板１４全体の放熱面積を増大させることができる。
さらに、遮蔽壁１４ｃを設けることにより放熱板１４の剛性を増大させることができるため、剛性の低下を危惧することなく、冷却フィン１４ｂを高くしたり、その枚数を増やしたりすることができる。したがって、放熱板１４からの放熱効果をいっそう向上させることができる。

また、遮蔽壁１４ｃの半径方向外方に位置する面１４ｆと底面部１４ａの前面１４ｅとの間に曲面部１４ｇを設け、双方の接続部は、滑らかな円弧状に形成されている。これにより、吸気口１２から第２ボデー３内に進入した冷却空気が放熱板１４を通過する際の抵抗を低減し、放熱板１４を通過する冷却空気の量の低下を防ぐことができる。したがって、パワーモジュール１５の冷却効果をさらに向上させることができる。また、放熱板１４を成形する際に、曲面部１４ｇによって、冷却フィン１４ｂの突出方向への型抜きが容易になり、成形型の耐久性も向上する。
また、遮蔽壁１４ｃは、冷却フィン１４ｂよりも回転軸方向に大きく突出していることにより、異物の給電ブラシ９ａ、９ｂとスリップリング５ｅ、５ｆとの摺動部への進入を、さらに防止することができる。
また、遮蔽壁１４ｃは、複数の冷却フィン１４ｂの内端部を接続していることにより、進入した冷却空気が遮蔽壁１４ｃに遮られることなく、冷却フィン１４ｂの全体に行き渡る。このため、遮蔽壁１４ｃの存在にかかわらず、半径方向に延びている冷却フィン１４ｂの全体を有効に利用して放熱を行い、パワーモジュール１５を冷却することができる。

また、第２ボデー３は、放熱板１４の前面１４ｅに対して回転軸方向に対向し、交流発電機１内を仕切る壁部３ａを有している。また、壁部３ａには、吸気口１２から進入した冷却空気が通過する吸入窓３ｂが貫通している。また、第２ボデー３の外周面には、回転軸方向において、壁部３ａに対する放熱板１４の反対側に位置する空気排出孔３ｃが形成されている。これらにより、吸気口１２から進入した冷却空気が、壁部３ａに形成された吸入窓３ｂを通過した後、空気排出孔３ｃから外部に排出される。この時、遮蔽壁１４ｃが吸入窓３ｂの最外径部よりも半径方向内方に位置しているため、遮蔽壁１４ｃによりガイドされた冷却空気が壁部３ａに衝突することなく、スムーズに吸入窓３ｂ内を通過することができる。したがって、吸気口１２から交流発電機１の内部に進入した冷却空気が、第２ボデー３の壁部３ａを通過する際の抵抗が低減される。その結果、放熱板１４を通過する冷却空気の量を増大させ、パワーモジュール１５の冷却効果を向上させることができる。
また、遮蔽壁１４ｃは複数の冷却フィン１４ｂを内周側で連結するので、放熱板１４の剛性を高めることができる。よって、冷却フィン１４ｂを、欠けにくくすることができるので、製造段階での取り扱いが容易になり、製造コストの低減が可能となる。さらに、欠けにより生ずる可能性のある回転電機内部での短絡故障を防止する効果も高めることができる。
また、遮蔽壁１４ｃ自体が放熱部として機能することによる放熱面積増大効果と、冷却空気を軸方向へガイドする機能による冷却性能を向上させることができる。

＜他の実施形態＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
本発明は、パワーモジュール１５によって交流に変換された電力をステータ４に供給することにより、ローター５を駆動する電動機にも適用可能である。
また、本発明は、車両において使用する回転電機のみではなく、家庭電器用の回転電機または一般産業機械用の回転電機にも適用可能である。
また、遮蔽部１４ｃは、必ずしも底面部１４ａに一体的に形成しなければならないわけではなく、遮蔽部１４ｃを単体で第２ボデー３等に取り付けてもよい。

図面中、１は交流発電機（回転電機）、２は第１ボデー（ハウジング）、３は第２ボデー（ハウジング）、３ａは壁部、３ｂは吸入窓、３ｃは空気排出孔、４はステータ、５はローター、５ｄは回転軸、５ｅ，５ｆはスリップリング、９ａ，９ｂは給電ブラシ、１１はリヤカバー（ハウジング）、１２は吸気口（空気導入孔）、１４は放熱板（素子取付部材）、１４ａは底面部（通風部）、１４ｂは冷却フィン（放熱用フィン、通風部）、１４ｃは遮蔽壁、１４ｄは後面（一面）、１４ｅは前面（他面）、１４ｆは半径方向外方に位置する面、１４ｇは曲面部、１５はパワーモジュール（電力変換素子）を示している。

Claims (6)

1. ハウジング（２、３、１１）と、
   該ハウジングに固定されたステータ（４）と、
   前記ハウジングに対して回転可能に取り付けられ、前記ステータに対して半径方向に対向したローター（５）と、
   前記ハウジングに取り付けられ、前記ローターの回転軸（５ｄ）に設けられたスリップリング（５ｅ、５ｆ）と摺接して前記ローターに電力を供給する給電ブラシ（９ａ、９ｂ）と、
   前記ステータに発生した電力を直流に変換する、または、前記ステータへの電力を交流に変換する電力変換素子（１５）と、
   該電力変換素子が取り付けられるとともに、放熱用フィン（１４ｂ）が形成され、前記ハウジングに取り付けられた通風部（１４ａ、１４ｂ）と、
   を備え、
   前記ハウジングを貫通した空気導入孔（１２）から前記ハウジング内に進入した冷却空気が、前記通風部を通過し、前記電力変換素子を冷却する回転電機（１）であって、
   前記空気導入孔と前記給電ブラシとの間には、前記空気導入孔から進入した冷却空気が前記給電ブラシへ到達することを阻止する遮蔽壁（１４ｃ）が形成され、
   前記通風部と前記遮蔽壁とが一体化されて素子取付部材（１４）が形成され、
   該素子取付部材は、
   半径方向に延びる平板状に形成された底面部（１４ａ）を有し、
   該底面部の一面（１４ｄ）には前記電力変換素子が固定され、前記底面部の他面（１４ｅ）には前記遮蔽壁が回転軸方向に突出するように形成された回転電機。
2. 前記底面部の前記他面には前記回転軸方向に突出した複数の前記放熱用フィンが、半径方向に延びるように形成され、前記遮蔽壁は、前記底面部の前記他面から前記回転軸方向に突出するとともに、周上に延びて複数の前記放熱用フィンを互いに連結している請求項１記載の回転電機。
3. 前記遮蔽壁の半径方向外方に位置する面（１４ｆ）と前記底面部の前記他面との接続部は、円弧状に形成されている請求項２記載の回転電機。
4. 前記遮蔽壁は、前記放熱用フィンよりも大きく突出している請求項２または３に記載の回転電機。
5. 前記遮蔽壁は、複数の前記放熱用フィンの内端部を接続している請求項２乃至４のうちのいずれか一項に記載の回転電機。
6. 前記ハウジングは、
   前記底面部の前記他面に対して前記回転軸方向に対向し、前記ハウジング内を仕切る壁部（３ａ）を有し、
   該壁部には、前記空気導入孔から進入した冷却空気が通過する吸入窓（３ｂ）が貫通し、
   前記ハウジングの外周面には、前記回転軸方向において、前記壁部に対する前記素子取付部材の反対側に空気排出孔（３ｃ）が形成され、
   前記遮蔽壁は、前記吸入窓の最外径部よりも半径方向内方に位置している請求項２乃至５のうちのいずれか一項に記載の回転電機。

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