JP6230649B2

JP6230649B2 - 車両用回転電機

Info

Publication number: JP6230649B2
Application number: JP2016090223A
Authority: JP
Inventors: 長谷川　和哉; 和哉長谷川; 拓也石田; 義博篠坂
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2036-04-28
Also published as: JP2017200346A; US20170317556A1; DE102016219477A1; US10498196B2

Description

この発明は、車両用回転電機に関するものであり、例えば、車両等に搭載されて、ロータと一体に回転される冷却ファンを有する車両用回転電機に関するものである。

従来、ロータの径方向外側に配置された複数のステータコイルのコイルエンドを冷却するために、ロータと一体に回転される冷却ファンによって冷却風を発生させるようにした車両用交流発電機が知られている。このような従来の車両用交流発電機では、冷却ファンからの冷却風によるコイルエンドの冷却性能を向上させるために、軸線方向についてステータコイルのコイルエンドと対向するハウジングに凹部を設ける構造が提案されている。このように、従来の車両用交流発電機では、ハウジングに凹部を設けたことにより、コイルエンドとハウジングとの間に形成された冷却風の流路の幅を拡大することができ、コイルエンドの冷却性能の向上を図ることができる（例えば、特許文献１参照）。

一方、従来、発電機フレームとマウントステー（ステー部）の連結強度を向上し、回転子や固定子などの振動が大きくなることを防止し、かつ回転子の回転変動を防止する発電機が知られている。このような従来の発電機では、フレームの円筒部の外周に設けられる被支持部を有するステー部において、被支持部の内側部分から円筒部の外周側へ向かって延びてステー部とフレームとを連結する連結部材が備えられている。また、その連結部材は、回転軸に垂直な面に対して傾斜した傾斜面を有するものである（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１５−１５９７２３号公報特許第２９２４６８９号公報

しかしながら、近年益々、車両用回転電機（車両用交流発電機）に対する要求が増える傾向にあり、冷却性向上はもちろん、同時に振動や回転変動についても抑制することが求められている。エンジンに組み付けるマウントステー（ステー部）について、特許文献２のような傾斜面による強度向上がされた場合、連結部材のフレーム側端部が、フレーム円筒部外周の排気口の径方向外側の大半を塞いでしまうこととなる。

上述のように、部分的に径方向外側が塞がれた排気口に対し、特許文献１に開示されたファンの羽根との隙間が狭い中間枠部とその外径側傾斜から続く軸方向に拡大された流路が適応された場合、以下の不具合が生じる。まず、吸気口からハウジング内に送られた冷却風は、コイルエンドとフロント側ハウジングとの間に形成された流路を通過するよう径方向に向きを変える際、軸方向から軸中心へ大きく付勢される。そして、ハウジング内に突出する中間枠部よりも車両用回転電機内に回り込んで引き込まれる吸引空気が、偏向されて排出され、結果的に吸気口に接近して再び吸気されてしまう不具合が生じる。この不具合は、径方向外側が塞がれた排気口に隣接して吸気口が大きく開口している場合、つまり、特許文献１の図２に示すような細いスポークが構成されない場合、特に顕著に生じてしまう。一旦、車両用回転電機内に引き込まれた空気の再吸入は、確実に冷却性能を低下させる。

この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、耐振性や強度向上を図るとともに、ファンによる冷却性の低下を抑制した車両用回転電機を得ることを目的としている。

この発明に係る車両用回転電機は、回転軸を中心に回転される回転子、前記回転子の外周を囲むように対向して配置された固定子、前記回転子の軸線方向端部に設けられるとともに前記回転子と一体に回転される遠心ファン、軸線方向の端部に前記遠心ファンに対向して設けられた吸気口と、前記吸気口に隣接して設けられた環状リブと、この環状リブを介して設けられた排気口を有し、前記回転子および前記固定子を収容するとともに前記回転軸を回転自在に支持するハウジング、前記ハウジングの径方向外周に設けられたステー、を備え、前記環状リブは、前記吸気口および前記排気口の軸線方向内端よりも前記遠心ファン側に突出して形成され、前記吸気口の軸線方向外側端面から前記ハウジングの内側に向かって徐々に小径となるように傾斜する内径側傾斜円筒面を有しており、前記ステーと前記環状リブとの間に封止部が設けられるものである。

この発明による車両用回転電機によれば、ステーの補強と冷却風の流路の幅の拡大によって生じる不要な再吸気流れを抑制できる。これにより、エンジンからの振動をハウジング全体へ分散させ、ステーの脚部への集中をなくし、応力歪を減少させてハウジングの変形を防止することができる。また、それとともに、遠心ファンの羽根との隙間を狭くして遠心ファンの回転により発生する冷却風の流量を確保し、かつ冷却性を低下させずに流路の幅も拡大することができる。

この発明の実施の形態１による車両用回転電機（車両用交流発電機）を示す断面図である。図１に示す車両用回転電機のステータの斜視図である。図１に示す車両用回転電機のステータの部分拡大断面図である。図１に示す車両用回転電機のフロント側ハウジングを内側から見たときの斜視図である。図１に示す車両用回転電機の冷却ファン及びフロント側ハウジングの非ステー部を示す断面模式図である。図４Ａを用いて空気の流れを解説する断面図である。図１に示す車両用回転電機の冷却ファン及びフロント側ハウジングのステー部を示す断面模式図である。図５において封止部を設けなかった場合に考えられる不具合を説明するための断面模式図である。図１に示す車両用回転電機のフロント側ハウジングを外側から見たときの平面図である。

実施の形態１．
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態１について説明する。なお、各図面において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。
図１は、この発明の実施の形態１による車両用回転電機（車両用交流発電機）を示す断面図である。図１において、車両用回転電機（車両用交流発電機）１は、軸線を中心に回転されるロータ２と、ロータ２の径方向外側の位置に配置され、ロータ２の外周を囲む筒状のステータ３と、ロータ２及びステータ３を支持するハウジング４と、ロータ２に設けられ、ロータ２と一体に回転されることにより冷却風を発生する冷却ファン５とを有している。

ロータ２は、ロータ２の軸線上に配置された回転軸６と、回転軸６に設けられ、ハウジング４内に収容されたロータ本体７とを有している。ロータ本体７は、ロータ２への給電を行うため、回転軸６に装着されるブラシ装置８からの給電により磁束を発生する界磁コイル（図示せず）と、界磁コイルが設けられ、界磁コイルが発生する磁束により磁極が形成されるポールコア７１とを有している。
ステータ３は、ハウジング４内に固定されている。また、ステータ３は、ロータ本体７を囲む円筒状（環状）のステータコア９と、ステータコア９に設けられ、ロータ２の回転に伴って界磁コイル（図示せず）からの磁束が変化することにより交流起電力が生じる複数のステータコイル１０とを有している。なお、ハウジング４のリア側外部には、ステータ３で生じた交流電流を直流電流に整流する整流器１１、及びステータ３で生じた交流電圧の大きさを調整する電圧調整器１２等が設けられている。

ステータコア９は、例えば鉄等の磁性体により構成されている。この発明の実施の形態１では、ステータコア９が、ロータ２の軸線方向に積層された複数枚の磁性体により構成されている。
図２Ａは、図１に示す車両用回転電機（車両用交流発電機）のステータの斜視図である。また、図２Ｂは、図１に示す車両用交流発電機のステータの部分拡大断面図である。図２Ａ、図２Ｂに示すように、ステータコア９は、円環状のバックヨーク部９ａと、バックヨーク部９ａから径方向内側へそれぞれ突出し、ステータコア９の周方向について互いに間隔を置いて配置された複数の磁極ティース部９ｂとを有している。各々の磁極ティース部９ｂは、ステータコア９の周方向において等間隔に配置されている。

ステータコイル１０は、各々の磁極ティース部９ｂに設けられている。また、複数のステータコイル１０は、ステータコア９の周方向へ並べられている。この発明の実施の形態１では、各ステータコイル１０が複数の磁極ティース部９ｂに跨って設けられており、周方向について互いに隣り合うステータコイル１０の一部同士が径方向について重なって配置されている。各ステータコイル１０は、ロータ２の軸線方向においてステータコア９の端面（ステータコア９の軸線方向の端面）から突出するコイルエンド１０ａをそれぞれ有している。
各々のコイルエンド１０ａの頂部（軸端）は、全体として冷却ファン５の径方向外側の位置に達している。各コイルエンド１０ａの軸線方向についての寸法は、各コイルエンド１０ａを構成するコイルすべてが同一とされるわけではないが、図２Ｂに示すように、全体として略塊状となっている。これにより、ステータコア９の軸線方向端面に対する各コイルエンド１０ａの頂部の位置は、ロータ２の軸線方向について周方向にほぼ同じ位置となっている。

ハウジング４は、それぞれ略椀形状とされたアルミニウム製のフロント側ハウジング１３及びリア側ハウジング１４により構成されている。フロント側ハウジング１３及びリア側ハウジング１４は、それぞれの開口部同士を対向させた状態で、複数本のボルト（図示なし）によって互いに固定されている。フロント側ハウジング１３及びリア側ハウジング１４のそれぞれは、ロータ２の軸線方向においてロータ２及びステータ３に対向している。この発明の実施の形態１では、フロント側ハウジング１３及びリア側ハウジング１４のそれぞれが、砂型鋳造やアルミダイキャスト等の鋳造により成型されている。
回転軸６は、フロント側ハウジング１３及びリア側ハウジング１４のそれぞれの中心を貫通している。また、回転軸６は、フロント側ハウジング１３及びリア側ハウジング１４のそれぞれに軸受１５を介して回転自在に支持されている。

冷却ファン５は、ロータ本体７の軸線方向の両側端面にそれぞれ固定されている。従って、ロータ本体７の一方の端面に固定された冷却ファン５は、フロント側ハウジング１３で覆われ、ロータ本体７の他方の端面に固定された冷却ファン５は、リア側ハウジング１４で覆われている。また、冷却ファン５は、冷却ファン５の回転方向において互いに間隔を置いて配置された複数枚の羽根５ａを有している。各々の羽根５ａは、冷却ファン５の外周部に配置されている。
ブラシ装置８は、回転軸６のリア側の部分に固定された一対のスリップリング１６と、ハウジング４内に設けられ、各々のスリップリング１６に個別に接触する一対のブラシ１７とを有している。回転軸６が回転しているときは、各スリップリング１６が各ブラシ１７に摺動しながら回転軸６の軸線を中心として回転する。
なお、フロント側ハウジング１３からハウジング４外へ突出する回転軸６の端部には、動力を伝達するための伝達ベルト（図示せず）が巻き掛けられるプーリ１８が固定されている。

図３は、図１に示す車両用回転電機（車両用交流発電機）のフロント側ハウジングを内側から見たときの斜視図である。また、図４Ａは、図１に示す車両用回転電機（車両用交流発電機）の冷却ファン及びフロント側ハウジングの非ステー部を示す断面模式図である。さらにまた、図４Ｂは、図４Ａを用いて空気の流れを解説する断面図である。
図３、図４Ａおよび図４Ｂにおいて、フロント側ハウジング１３は、ロータ２と同軸に配置された環状の外枠部１９と、外枠部１９と同軸に配置され、かつロータ２の軸線方向について外枠部１９よりもロータ本体７から離れた位置に配置された環状の中間枠部２０（環状リブ）と、回転軸６が通される貫通孔２１が設けられ、中間枠部２０の内側の位置に配置されたボス部２２と、中間枠部２０及びボス部２２間に繋がれた複数のスポーク２３と、外枠部１９及び中間枠部２０間に繋がれた複数のリブ２４とを有している。外枠部１９の内周部には、ステータコア９が嵌る段差部が設けられている。

各スポーク２３は、ロータ２の軸線方向についてロータ本体７に対向する位置に配置されている。また、各スポーク２３は、フロント側ハウジング１３の径方向に沿って配置され、かつフロント側ハウジング１３の周方向へ互いに間隔を置いて配置されている。
スポーク２３は、軸受ボスであるボス部２２を支持する構成である。これにより、フロント側ハウジング１３における中間枠部２０とボス部２２との間の位置には、各スポーク２３で仕切られた周方向に広い楕円形状の吸気口２５が、スポーク２３と同数形成されている。
各リブ２４は、冷却ファン５よりも径方向外側の位置に配置されている。また、各リブ２４は、フロント側ハウジング１３の周方向へ互いに間隔を置いて配置されている。これにより、フロント側ハウジング１３における外枠部１９と中間枠部２０との間の位置には、各リブ２４で仕切られた複数の排気口２６が形成されている。

この発明の実施の形態１においては、各リブ２４が、コイルエンド１０ａの径方向外側の位置で外枠部１９からコイルエンド１０ａに沿って配置されたリブ軸線方向部２４ａと、リブ軸線方向部２４ａの端部から湾曲しながら、コイルエンド１０ａの軸線方向外側を通って中間枠部２０に達するリブ径方向部２４ｂとを有している。これにより、各排気口２６は、コイルエンド１０ａの径方向外側の位置から、コイルエンド１０ａよりも回転軸６に近い位置に達するスリット状の穴とされている。
フロント側ハウジング１３における冷却ファン５の羽根５ａと対向する面（ファン対向面）と冷却ファン５の羽根５ａとの間の隙間は、冷却ファン５の回転により発生する冷却風の流量を確保するために、冷却ファン５の他の部分とフロント側ハウジング１３との間の隙間よりも狭くなっている。この発明の実施の形態１においては、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、中間枠部２０が、ロータ２の軸線方向について冷却ファン５の羽根５ａと対向して配置されている。

図４Ｂにおいて、矢印で冷却風の流れを示すように、冷却ファン５の回転により生じた冷却風は、ハウジング４外から各吸気口２５を通ってハウジング４内へ送られる。各吸気口２５を通ってハウジング４内へ送られた冷却風は、ハウジング４内でフロント側ハウジング１３の径方向外側へ流れ、コイルエンド１０ａとフロント側ハウジング１３との間に形成された流路を通過した後、各排気口２６を通ってハウジング４外へ排出される。冷却風は、コイルエンド１０ａとフロント側ハウジング１３との間の流路を通過するとき、コイルエンド１０ａとの間で熱交換を行う。コイルエンド１０ａは、冷却風との間での熱交換により冷却される。

図４Ａに示すように、中間枠部（環状リブ）２０は、吸気口２５の軸線方向外側端面２５ｉから車両用回転電機１の内側（図４Ａの右側から左側へ）にいくにつれ徐々に小径となるように傾斜する内径側傾斜円筒面２０ａを有している。また、中間枠部（環状リブ）２０は、内径側傾斜円筒面２０ａの終端部から順に、回転軸６の軸線方向と平行な内径側円筒面２０ｂと、軸線方向と垂直な面を有する冷却ファン５の羽根５ａの先端部と対向する円環面２０ｃと、円環面２０ｃの終端部から車両用回転電機１の外側（図４Ａの左側から右側へ）、つまりハウジング４の外側に向かって徐々に大径となるように傾斜する外径側傾斜円筒面２０ｄとを備えている。

また、円環面２０ｃの軸方向位置は、吸気口２５を規定するスポーク２３の軸線方向内端２３ｉ、排気口２６の径方向を規定するリブ径方向部２４ｂの軸線方向内端２４ｂｉのいずれよりも車両用回転電機１の内側に突出して構成されている。このように、円環面２０ｃが冷却ファン５側に突出して形成され、さらに軸線方向と垂直な面を有する冷却ファン５の羽根５ａの先端部と対向することで、冷却流路を規定している。
吸気口２５の軸線方向外側端面２５ｉにおいて中間枠部２０が傾斜し、内径側傾斜円筒面２０ａをなすことで、冷却風は軸中心に寄る方向で車両用回転電機１の内側に吸引され、そののち、中間枠部２０が傾斜し、外径側傾斜円筒面２０ｄをなすことで、冷却風は軸中心から離間する方向で車両用回転電機１の外に排出される。

また、図５は、図１に示す車両用回転電機（車両用交流発電機）の冷却ファン及びフロント側ハウジングのステー部を示す断面模式図である。図６は、図５において封止部を設けなかった場合に考えられる不具合を説明するための断面模式図である。
図３、図５に示すように、フロント側ハウジング１３には、エンジンへの支持を担うステー２７ａ、２７ｂが周方向の一部に設けられている。図５に示すように、側端部傾斜面２９は、リブ軸線方向部２４ａとほぼ同じ範囲で設けられている。その交点３０（ステー２７ａの側端部傾斜面２９とハウジング４の外枠部１９とが交わる点）の軸線方向位置は、中間枠部２０の円環面２０ｃと同じ位置かあるいはそれより外側（図５における右側）となっている。
特に、中間枠部２０の外径側（ステー対向側）が外径側傾斜円筒面２０ｄにより付勢される場合、図６に示すような回りこみ流を生じやすくなる可能性がある。そして、中間枠部２０の内径側の内径側傾斜円筒面２０ａに導かれて容易に車両用回転電機１内に再吸気する可能性がある。

この発明の実施の形態１では、図５に示すように、ステー２７ａと中間枠部２０の間に設けた封止部２８により、冷却風の再吸気を阻止でき、冷却性を悪化させないさらなる効果がある。また、封止部２８を設けた状態であっても、車両用回転電機１内の冷却流れとして、内径側に隣接する吸気口２５の大開口からの吸気状態はそのままであり、流量への影響はない。
また、図７は、図１に示す車両用回転電機のフロント側ハウジングを外側から見たときの平面図である。図７において、封止部２８は、ステー２７ａと中間枠部２０との間に設けられている。また、フロント側ハウジング１３の外枠部１９とステー２７ａとの連結部には、側端部傾斜面２９が設けられている。さらにまた、封止部２８は、その連結部と中
間枠部２０の最外周との間に設けられている。

なお、この発明の実施の形態１で図示したものはその一例であり、固定子のスロット数や回転子の磁極数、ステーの形状や数など、適宜選択が可能である。
また、上述の実施の形態１では、車両用交流発電機に適用されているが、回転電機である発電電動機にこの発明の実施の形態１を適用してもよい。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１車両用回転電機（車両用交流発電機）、２ロータ、３ステータ、４ハウジング、５冷却ファン、５ａ羽根、６回転軸、７ロータ本体、８ブラシ装置、９ステータコア、９ａバックヨーク部、９ｂ磁極ティース部、１０ステータコイル、１０ａコイルエンド、１１整流器、１２電圧調整器、１３フロント側ハウジング、１４リア側ハウジング、１５軸受、１６スリップリング、１７ブラシ、１８プーリ、１９外枠部、２０中間枠部（環状リブ）、２１貫通孔、２２ボス部、２３スポーク、２４リブ、２５吸気口、２６排気口、２７ａ、２７ｂステー、２８封止部、２９側端部傾斜面、３０交点、７１ポールコア

Claims

回転軸を中心に回転される回転子、
前記回転子の外周を囲むように対向して配置された固定子、
前記回転子の軸線方向端部に設けられるとともに前記回転子と一体に回転される遠心ファン、
軸線方向の端部に前記遠心ファンに対向して設けられた吸気口と、前記吸気口に隣接して設けられた環状リブと、この環状リブを介して設けられた排気口を有し、前記回転子および前記固定子を収容するとともに前記回転軸を回転自在に支持するハウジング、
前記ハウジングの径方向外周に設けられたステー、を備え、
前記環状リブは、前記吸気口および前記排気口の軸線方向内端よりも前記遠心ファン側に突出して形成され、前記吸気口の軸線方向外側端面から前記ハウジングの内側に向かって徐々に小径となるように傾斜する内径側傾斜円筒面を有しており、
前記ステーと前記環状リブとの間に封止部が設けられることを特徴とする車両用回転電機。
前記環状リブは、前記内径側傾斜円筒面の終端部から順に、前記軸線方向と平行な内径側円筒面と、前記軸線方向と垂直な面を有する前記遠心ファンの羽根の先端部と対向する円環面と、前記円環面の終端部から前記ハウジングの外側に向かって徐々に大径となるように傾斜する外径側傾斜円筒面とを有することを特徴とする請求項１に記載の車両用回転電機。
前記ハウジングは、前記排気口よりも外周側に設けられた外枠部と、この外枠部と前記ステーとの連結部に側端部傾斜面を有しており、
前記側端部傾斜面と前記ハウジングの前記外枠部との交点が、前記環状リブの前記円環面と同一の軸線方向位置かあるいは前記円環面の前記軸線方向位置より外側に構成されており、
前記封止部は、前記連結部と前記環状リブの最外径との間に設けられることを特徴とする請求項２に記載の車両用回転電機。