JP6381717B1 - 車両用回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】接着層が硬化するまでの間、永久磁石の径方向の位置決めと仮固定を容易に実現し、性能のばらつきを抑える。
【解決手段】回転子軸１２に圧入される円筒状のボス部と前記ボス部の軸方向端部から径方向外側に延びるディスク部と前記ディスク部の外周端から互いに噛み合うように軸方向に延びた複数の爪状磁極１３１とを有する一対の回転子鉄心１３と、周方向に隣接する２つの爪状磁極１３１の間に挿入された複数の永久磁石４０ａ、４０ｂと、回転子鉄心１３の周りに設けられたボビン５０と、ボビン５０の上に設けられた回転子巻線１４を備え、ボビン５０に永久磁石４０ａ、４０ｂの内径側を支持する羽部５０１を設けた。
【選択図】図６

Description

この発明は、車両に搭載される交流発電機などの車両用回転電機の回転子に関するものである。

従来より、例えば、車両に搭載される交流発電機では、回転子を構成するランデル型の爪状磁極と固定子との間で磁束を確実に受け渡すため、この爪状磁極の側面間に永久磁石を介在させて、爪状磁極間の磁束の漏洩を防止する技術が知られている。さらに、この永久磁石が遠心力により径方向外側に飛び出して破損することを防止するための技術が知られている。
このような従来技術として、例えば特開２００８−２９１２４号公報（特許文献１）に開示されているように、回転子を構成する一対の回転子鉄心のディスク部に凹部を設け、さらに爪状磁極の外周部に鍔部を設けて、永久磁石を拘束する車両用回転電機の回転子、あるいは、例えば特開２０００−１３４８８８号公報（特許文献２）に開示されているように、回転子の側面に溝加工を施し、磁石外周面と溝の間に磁石より軟質な材料を嵌入する車両用回転電機の回転子が知られている。

特開２００８−２９１２４号公報 特開２０００−１３４８８８号公報

このような車両用回転電機の回転子においては、永久磁石は接着剤などで固定されることが一般的であるが、接着層が硬化するまでの間、永久磁石を仮固定することを目的として爪状磁極に凹部や溝が設けられている。しかし、このような凹部や溝に対しては永久磁石を後から挿入する必要があるため、凹部や溝の径方向の寸法を永久磁石の寸法より大きくする必要がある。そのため、凹部や溝と永久磁石の径方向には隙間が発生し、その隙間分だけ永久磁石の位置がばらついてしまい、その結果、回転子外部に出ていく磁束が変化するため、性能もばらついてしまう課題がある。

この発明は、前記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、接着層が硬化するまでの間、永久磁石の径方向の位置決めと仮固定を容易に実現し、性能のばらつきを抑えることができる車両用回転電機の回転子を提供することにある。

この発明に係る車両用回転電機の回転子は、回転子軸に圧入される円筒状のボス部と前記ボス部の軸方向端部から径方向外側に延びるディスク部と前記ディスク部の外周端から互いに噛み合うように軸方向に延びた複数の爪状磁極とを有する一対の回転子鉄心と、周方向に隣接する２つの前記爪状磁極の間に挿入された複数の永久磁石と、前記回転子鉄心の周りに設けられたボビンと、前記ボビンの上に設けられた回転子巻線と、を備え、
前記ボビンに前記永久磁石の内径側を支持する羽部を設け、前記永久磁石の挿入方向と同じ側の前記羽部のみが前記永久磁石の内径側を支持することを特徴とする。

この発明に係る車両用回転電機の回転子によれば、ボビンに設けられた羽部によって、永久磁石を外径側に押し付けることで仮固定し、接着層が硬化するまでの間、永久磁石は適切な位置決めをされた状態で仮固定される。これにより車両用回転電機の性能のばらつきを抑えることができる。

この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の断面図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の正面図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子に、永久磁石を配置していない状態を示す側面図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子の部分側面図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子の一部を示す周方向断面図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子の一部を示す周方向断面図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子の一部を示す軸方向断面図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子巻線用ボビンを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子の一部を示す軸方向断面図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子の部分側面図である。 この発明の実施の形態２に係る車両用回転電機の回転子巻線用ボビンを示す図である。

以下、この発明に係る車両用回転電機の回転子の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の断面図で、正面図を示す図２のＡ−Ａ線に沿って矢印の方向から視た断面を示している。なお、図２の正面図は後述する制御装置のカバーを取り外した状態を示している。

図１及び図２に於いて、回転電機１は、回転電機本体２と、回転電機本体２に搭載された制御装置３とを有する制御装置一体型回転電機であり、例えば、内燃機関により駆動される車両に搭載される。この実施の形態１では、回転電機１はブラシ付の交流発電電動機（ＡＣモータジェネレータ）として構成されている。なお、以下の説明では、各図において同一または相当部分に同一符号を付して説明する。

回転電機本体２は、筒状の固定子４と、固定子４の内側空間部に配置され、固定子４に対して回転可能な回転子５と、固定子４及び回転子５を支持するハウジング６を有している。ハウジング６は、固定子４をその軸方向両端部で挟持する略椀形状のフロントブラケット７及びリヤブラケット８と、フロントブラケット７とリヤブラケット８との間に装架され、フロントブラケット７とリヤブラケット８とを互いに接近する方向に締め付ける複数の締結ボルト９を有している。フロントブラケット７とリヤブラケット８は金属製である。略椀形状のフロントブラケット７及びリヤブラケット８の底部には、吸気孔（図示せず）がそれぞれ複数形成され、同様にフロントブラケット７およびリヤブラケット８の外周両肩部には排気孔（図示せず）が複数形成されている。

固定子４は、フロントブラケット７及びリヤブラケット８との間に挟持されて締結ボルト９により締め付けられた筒状の固定子鉄心１０と、固定子鉄心１０に設けられた固定子巻線１１を有している。この実施の形態１に於いては、固定子巻線１１は回転電機１の電機子巻線を構成している。固定子巻線１１は、それぞれスター結線またはデルタ結線からなる１つもしくは複数の３相交流巻線により構成されている。

回転子５は、回転子５の軸線上に配置された回転子軸１２と、回転子軸１２の軸方向の中間部に固定された一対の回転子鉄心１３と、これらの回転子鉄心１３により包囲された界磁巻線としての回転子巻線１４を有している。一対の回転子鉄心１３は、回転子５側が電磁石となり固定子巻線１１で発電される、所謂、クローポール型磁極を構成しており、回転子軸１２に圧入して組み付けられる円筒状のボス部と、このボス部の軸方向端部から径方向外側に延びるディスク部と、このディスク部の外周端から互いに噛み合うように軸方向に延びる複数の爪状磁極とを備えている。この一対の回転子鉄心１３は鉄製で、それぞれ後述するように、例えば８つの爪状磁極が外周縁に周方向に等角ピッチで形成されると共に、回転子軸１２の軸方向に突設され、爪状磁極をかみ合わせるように対向して回転子軸１２に固定されている。

回転子軸１２は、フロントブラケット７及びリヤブラケット８を貫通し、フロントブラケット７及びリヤブラケット８のそれぞれに設けられた一対の軸受１５を介して回転自在に支持されている。回転子鉄心１３の外周部は、固定子４の内周部に所定の間隙を介して対向している。また、回転子鉄心１３の軸方向両端部には、回転子５と一体に回転される送風用の一対の冷却ファン１６が設けられている。

回転子軸１２のフロントブラケット７側の軸方向端部には、プーリ１７が固定されている。プーリ１７には、車両に搭載された内燃機関（図示せず）の回転軸と連動する伝達ベルト（図示せず）が巻き掛けられ、この伝達ベルトを介して回転電機１と内燃機関との間で動力の授受を行なう。また、回転子軸１２のリヤブラケット８側の軸方向端部近傍には、回転子軸１２の回転に応じた信号を発生する回転位置検出センサ１８と、回転子巻線１４に電気的に接続された一対のスリップリング１９が設けられている。これらのスリップリング１９は、回転子軸１２の外周部を囲む環状の導電性部材により構成されている。

導電性材料により構成された一対のブラシ２０は、リヤブラケット８に固定されたブラシホルダ２１に保持され、各スリップリング１９に接触する方向に一対の押圧ばね２２によりそれぞれ付勢されている。ブラシ２０とスリップリング１９は、回転子５の回転に伴って摺動接触し、界磁電流をブラシ２０とスリップリング１９を介して固定子巻線１１に供給する。

制御装置３は、固定子巻線１１に電気的に接続された２個のパワーモジュール構成体２３と、直流電源としての車載バッテリ（図示せず）からの直流電力を調整して界磁電流として回転子巻線１４に供給する１個の界磁回路部２４と、パワーモジュール構成体２３と界磁回路部２４を制御する１個の制御回路部２５と、パワーモジュール構成体２３と界磁回路部２４と制御回路部２５との間で制御信号の送受信を行う信号中継装置２６とを有している。制御装置３は、後述するように、リヤブラケット８の軸方向端部に固定されており、絶縁樹脂により構成されたカバー２７により覆われている。また、制御回路部２５には、外部機器（例えば内燃機関制御ユニットなど）との間で信号の送受信を行うための外部接続用のコネクタ２８が設けられている。

制御回路部２５は、制御回路を有する制御基板２５１を備え、この制御基板２５１は樹
脂２５２により保護されている。制御回路部２５には、信号中継装置２６を通じて回転位置検出センサ１８からの信号が送信されると共に、コネクタ２８を介して内燃機関制御ユニットなどの外部機器からの信号が送信される。制御回路部２５は、これらの送信された信号による情報に基づいて、界磁回路部２４及びパワーモジュール構成体２３にそれぞれ設けられたスイッチング素子（図示せず）をスイッチング制御する。

界磁回路部２４は、モールド樹脂によりモールドされたスイッチング素子などの電子部品により構成されており、制御回路部２５によりスイッチング素子がスイッチング制御され、回転子巻線１４への界磁電流を調整する。界磁回路部２４には、冷却フィン２４１（図２参照）を備えたヒートシンク２４２が設けられている。界磁回路部２４により調整された界磁電流は、回転子巻線１４に供給されて回転子巻線１４に直流磁界を発生させる。回転子巻線１４に発生した直流磁界による磁束は、回転子５の周面に於いて一方の回転子鉄心１３から他方の回転子鉄心１３に至るように流れ、その間に固定子巻線１１と鎖交する。

同一構成の２個のパワーモジュール構成体２３は、電力変換回路を構成する６個のスイッチング素子を備えたパワーモジュール２９をそれぞれ備えている。これらのスイッチング素子により構成された電力変換回路は、バッテリ(図示せず)からの直流電力を交流電力に変換して固定子巻線１１に供給するインバータ回路として動作し、または、固定子巻線１１からの交流電力を直流電力に変換してバッテリを充電すると共に車載機器に直流電力を供給するコンバータ回路として動作する。電力変換回路を構成するスイッチング素子は、例えば、パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子により構成される。２個のパワーモジュール構成体２３は、２組の電機子巻線に１対１で対応する３相電力変換回路を構成している。

信号中継装置２６は、パワーモジュール構成体２３と界磁回路部２４のそれぞれに電気的に接続された信号中継部材３０と、この信号中継部材３０に設けられ、制御回路部２５に接続される信号中継接続部３１とを有している。パワーモジュール構成体２３及び界磁回路部２４と制御回路部２５との間の信号の送受信は、前述のように構成された信号中継装置２６を介して行われる。

次に、回転電機１の回転子５について詳細に説明する。
図３は、永久磁石を挿入していない状態の回転子５の側面図である。回転子５は、一対の回転子鉄心１３のそれぞれの爪状磁極１３１が互いに噛み合うように構成されており、回転子巻線１４に界磁電流が通電されると、周方向に隣り合う２つの爪状磁極１３１の一方がＮ極に磁化され、他方がＳ極に磁化されるとともに、互いに対向する周方向側面の間で磁束が周方向に受け渡される。

一つの爪状磁極１３１と隣り合う爪状磁極１３１の周方向側面によって空隙が形成される。爪状磁極１３１は、横断面がほぼ台形形状を有し、先端部に近づくほど先細形状であって、外周面に後述する鍔部１３２ａ、１３２ｂが形成されている。一つの爪状磁極１３１と隣り合う爪状磁極１３１の周方向側面によって形成された空隙には、後述する永久磁石が挿入されている。回転子鉄心１３のディスク部には、軸方向に深堀りされて凹部となる段差部が周方向側面と鍔部１３２ａ、１３２ｂに連接して形成されている。永久磁石の軸方向端面は、この段差部によって軸方向に拘束される。なお、段差部の径方向寸法は、永久磁石の径方向厚さよりも大きく設定されている。

永久磁石は、周方向の２つの側面の一方がＮ極の磁極面をなし、他方がＳ極の磁極面をなす。そして、永久磁石は、Ｎ極の側面がＮ極に磁化される爪状磁極１３１の周方向側面に対向するように、かつ、Ｓ極の側面がＳ極に磁化される爪状磁極１３１の周方向側面に
対向するように、２つの爪状磁極１３１の間に配置される。これにより爪状磁極１３１と固定子４の間で確実に磁束を受け渡すことが可能になる。なお、永久磁石は、直方体に構成されたネオジウム磁石などの希土類磁石であり、長手方向が軸方向を向くように回転子５に組み込まれている。

図４は、回転子５の一部を側面から見た展開図であり、図３の爪状磁極１３１と図３では図示省略した永久磁石４０ａ、４０ｂのみを示した簡易図である。なお、図４では、爪状磁極１３１を爪状磁極１３１ａ〜１３１ｃとして図示している。
図４に示すように、爪状磁極１３１ａ〜１３１ｃの間にそれぞれ永久磁石４０ａ及び４０ｂが挿入されている。図の上方向が、プーリ１７（図１参照）が組み付けられるフロント側であり、図の下方向が、制御装置３（図１参照）が組み付けられるリヤ側である。

図５は、図４のＡ−Ａ断面図で磁石挿入前の断面図である。回転子鉄心１３の周りにボビン５０が設けられており、その上に回転子巻線１４が設けられている。さらに、回転子巻線１４と爪状磁極１３１ａとを電気的に絶縁するために、ボビン５０には羽部５０１が一体的に設けられている。ここで、羽部５０１のフロント側をフロント側羽部５０１ｆ、リヤ側をリヤ側羽部５０１ｒとすると、フロント側羽部５０１ｆが永久磁石４０ａの挿入される位置まで伸びている。なお、ボビン５０と羽部５０１とは、必ずしも一体的に設ける必要はないが、羽部５０１と一体的に設けることにより製造が容易になる利点がある。

図６は、図４のＡ−Ａ断面図で磁石挿入後の断面図である。永久磁石４０ａはフロント側から挿入され、その過程でボビン５０に設けられた羽部５０１のフロント側羽部５０１ｆを押し曲げる。ボビン５０は例えばポリアミド系樹脂などの軟らかく弾性力のある部材で構成されており、永久磁石４０ａの挿入は容易に行うことが出来る。永久磁石４０ａが挿入された後、フロント側羽部５０１ｆの弾性力によって永久磁石４０ａは外径側へと押し付けられる。前述のように、爪状磁極１３１ａの外周面には遠心力によって永久磁石４０ａが外周面に飛び出さないように鍔部１３２ａが形成されており、永久磁石４０ａは鍔部１３２ａと、後述の図７で説明する爪状磁極１３１ｂに同様に形成された鍔部１３２ｂに押し当てられる。これにより、永久磁石４０ａは鍔部１３２ａ及び鍔部１３２ｂを基準に安定した径方向の位置決めがなされる。また、フロント側羽部５０１ｆの弾性力により、永久磁石４０ａは仮固定され、自重などにより位置がずれることはない。このように、フロント側羽部５０１ｆによって永久磁石４０ａの挿入、位置決め、仮固定の工程が容易に行える。

図７は、図４のＢ−Ｂ断面図である。ボビン５０の羽部５０１は、フロント側羽部５０１ｆとリヤ側羽部５０１ｒがあり、図７ではフロント側羽部５０１ｆのみが永久磁石４０ａを支持しているが、リヤ側羽部５０１ｒのみで支持してもよく、あるいはフロント側羽部５０１ｆとリヤ側羽部５０１ｒの両方で支持しても構わない。

図８はボビン５０の概形図である。図８では永久磁石を押し付ける構造になっているのがフロント側羽部５０１ｆのみの場合の一例であるため、フロント側羽部５０１ｆのみが拡張されている。

なお、図５、図６、図７では、永久磁石４０ａをすべてフロント側から挿入する前提であるが、もし、リヤ側のボビン５０のリヤ側羽部５０１ｒが永久磁石４０ａの挿入エリアまで伸びていると、リヤ側羽部５０１ｒの先端に永久磁石４０ａが引っかかって磁石の挿入が困難となる可能性があり磁石挿入の容易性が得られない。そのため、永久磁石の挿入方向と同じ側のボビン５０の羽部５０１のみで永久磁石を支持することにより、一層容易に磁石挿入が可能となる。また、永久磁石はリヤ側から挿入しても構わない。その場合、ボビン５０はリヤ側羽部５０１ｒのみが永久磁石を押し付ける構造がより望ましい。

図９は、図４のＢ−Ｂ断面図の他の例である。図９では永久磁石４０ａと鍔部１３２ａ、１３２ｂの間に非磁性体で構成された平板状の保護部材９０を搭載している。図７の場合、永久磁石４０ａを挿入する際、ボビン５０のフロント側羽部５０１ｆによって外径側に押しつけられるため、永久磁石４０ａと鍔部１３２ａ、１３２ｂと擦れて永久磁石４０ａに傷がつく可能性があり、このため永久磁石４０ａを保護する目的で非磁性体で構成された保護部材９０を搭載している。

以上のように、実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子によれば、ボビン５０に設けられた羽部５０１のフロント側羽部５０１ｆとリヤ側羽部５０１ｒの何れか一方、もしくは両方の弾性力によって、永久磁石４０ａ、４０ｂを爪状磁極１３１ａ、１３１ｂの外周面側に押し付けることで仮固定し、かつ、爪状磁極１３１の鍔部１３２ａ、１３２ｂを基準に径方向に位置決めされるため、接着層が硬化するまでの間、永久磁石４０ａ、４０ｂは適切な位置決めをされた状態で仮固定される。これにより車両用回転電機の性能のばらつきを抑えることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る車両用回転電機の回転子について説明する。
実施の形態１では永久磁石がすべてフロント側もしくはリヤ側の同一方向から挿入されることを前提として説明したが、この場合、例えば図１０に示す永久磁石４０ａと永久磁石４０ｂのように、挿入の軌道が互いに干渉しあい、同時に挿入できない永久磁石が存在する。これを解決するため実施の形態２は、挿入の軌道が干渉しあう永久磁石をそれぞれフロント側とリヤ側から挿入する構造にすることで、永久磁石４０ａと永久磁石４０ｂの同時挿入を可能にするものである。

この場合、ボビン５０の形状が実施の形態１とは異なり、フロント側から挿入される永久磁石をフロント側羽部５０１ｆが、リヤ側から挿入される永久磁石をリヤ側羽部５０１ｒが押し付ける構造が望ましい。その理由は実施の形態１と同じである。実施の形態２におけるボビン５０の形状例を図１１に示す。図８ではフロント側羽部５０１ｆもしくはリヤ側羽部５０１ｒのみ面積が拡張されているが、図１１ではフロント側羽部５０１ｆとリヤ側羽部５０１ｒの両方の面積が拡張されている

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る車両用回転電機の回転子について説明する。
実施の形態１及び実施の形態２では、回転子５を一通り組み合わせた後、永久磁石４０ａ、４０ｂを挿入する構造になっている。図示は省略されているが実施の形態３では、フロント側及びリヤ側の回転子鉄心１３を組み合わせるときに永久磁石４０ａ、４０ｂも一緒に組み合わせる構造となっている。この場合、永久磁石４０ａ、４０ｂの保持のため、立方体形状の永久磁石の６面の内、内径側をボビン５０が支持し、残りの５面を鍔部１３２ａ、１３２ｂのように爪状磁極１３１で覆うことにより、永久磁石４０ａ、４０ｂを保持する。

実施の形態３では、実施の形態１及び実施の形態２のように永久磁石４０ａ、４０ｂを挿入しないため、挿入の容易性を得る必要がない。そのため、永久磁石４０ａ、４０ｂを押し付けるボビン５０の羽部５０１は、フロント側羽部５０１ｆ、またはリヤ側羽部５０１ｒ、あるいはその両方であっても構わない。この実施の形態３では径方向の位置決め及び仮固定の容易性が得られる効果がある。

以上、この発明の実施の形態１から実施の形態３に係る車両用回転電機の回転子について説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わ
せたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 回転電機、２ 回転電機本体、３ 制御装置、４ 固定子、５ 回転子、６ ハウジング、７ フロントブラケット、８ リヤブラケット、９ 締結ボルト、１０ 固定子鉄心、１１ 固定子巻線、１２ 回転子軸、１３ 回転子鉄心、１３１ 爪状磁極、１３１ａ 爪状磁極、１３１ｂ 爪状磁極、１３１ｃ 爪状磁極、１４ 回転子巻線、１５ 軸受、１６ 冷却ファン、１７ プーリ、１８ 回転位置検出センサ、１９ スリップリング、２０ ブラシ、２１ ブラシホルダ、２２ 押圧ばね、２３ パワーモジュール構成体、２４ 界磁回路部、２４１ 冷却フィン、２４２ ヒートシンク、２５ 制御回路部、２５１ 制御基板、２５２ 樹脂、２６ 信号中継装置、２７ カバー、２８ コネクタ、２９ パワーモジュール、３０ 信号中継部材、３１ 信号中継接続部、４０ａ、４０ｂ 永久磁石、５０ ボビン、５０１ 羽部、５０１ｆ フロント側羽部、５０１ｒ リヤ側羽部、１３２ａ、１３２ｂ 鍔部、９０ 保護部材

Claims (4)

1. 回転子軸に圧入される円筒状のボス部と前記ボス部の軸方向端部から径方向外側に延びるディスク部と前記ディスク部の外周端から互いに噛み合うように軸方向に延びた複数の爪状磁極とを有する一対の回転子鉄心と、
   周方向に隣接する２つの前記爪状磁極の間に挿入された複数の永久磁石と、
   前記回転子鉄心の周りに設けられたボビンと、
   前記ボビンの上に設けられた回転子巻線と、
   を備え、
   前記ボビンに前記永久磁石の内径側を支持する羽部を設け、前記永久磁石の挿入方向と同じ側の前記羽部のみが前記永久磁石の内径側を支持することを特徴とする車両用回転電機の回転子。
2. 前記ボビンを弾性力のある部材で構成すると共に、前記羽部を前記ボビンと一体的に構成したことを特徴とする請求項１に記載の車両用回転電機の回転子。
3. 前記爪状磁極の外周面に形成された鍔部の内径面と前記永久磁石の外径側表面の間に、非磁性体で構成された保護部材を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用回転電機の回転子。
4. 前記永久磁石を直方体とし、前記永久磁石の内径側表面を除く５面を前記爪状磁極で構成される面により囲うように配置したことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の車両用回転電機の回転子。

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