JP6611109B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、車両に搭載される交流発電機、電動機などの回転電機に適用されるランデル型回転子に関するものである。

この種の車両用交流発電機においては、近年、高出力化のニーズが高まるとともに、エンドユーザの高級志向化による騒音低減の要求も厳しくなっている。
そして、界磁コイルに電流が流れると、ジュール熱により、界磁コイルの温度が上昇して電気抵抗値が増加する。界磁コイルの電気抵抗値の増加により、回転子の起磁力が低下し、出力が低下してしまう。

このような状況を鑑み、界磁コイルの最外径を爪状磁極部の根元位置の外径より大きくして界磁コイルの表面積を増大し、冷却ファンにより界磁コイルを積極的に冷却して、界磁コイルの昇温に起因する電気抵抗値の増大を抑えて、回転子の起磁力を確保していた（例えば、特許文献１参照）。

また、界磁コイルの外径を爪状磁極部の根元位置の外径より大きくして界磁コイルを爪状磁極部の根元側内周面に押し当てることにより、爪状磁極部の振動振幅が減少し、爪状磁極部の共振音が低減することが、一般的に知られている。

特開２０００−３４１８９０号公報

従来の車両用交流発電機では、界磁コイルは、その外径が、軸方向一側から軸方向中央部に向かって漸次大きくなり、軸方向中央部から他側に向かって漸次小さくなる、一山の山形状に作製されていた。そこで、界磁コイルの冷却性を確保するために、界磁コイルの最外径を大きくして表面積を大きくすると、導体線の量が必要以上に大きくなり、コストが高くなるという課題があった。さらに、爪状磁極部の外径の平均値が大きくなり、界磁コイルに作用する遠心力が増大するという課題もあった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、冷却性を確保しつつ、導体線の量の増大を抑制し、低コスト化を図るとともに、界磁コイルに作用する遠心力の増大を抑制できる回転電機の回転子を得ることを目的とする。

この発明による回転電機の回転子は、円筒部、該円筒部の軸方向両端部に配設されるリング状の一対の継鉄部、および該一対の継鉄部のそれぞれから交互に軸方向に延設され、噛み合って周方向に配列された複数の爪状磁極部を有するランデル型鉄心と、前記ランデル型鉄心の軸心位置に挿入、固着された回転軸と、前記円筒部の外周に装着される円環状の巻胴部、および巻胴部の軸方向両端部から径方向外方に突出するリング平板状の一対のフランジ部を有するボビンと、前記巻胴部と前記一対のフランジ部とに囲まれた空間に導体線を多段に巻き重ねて構成され、前記爪状磁極部の内周面の根元側に接している界磁コイルと、前記界磁コイルの外周表面に空気を供給する冷却ファンと、を備え、前記界磁コイルは、山が軸方向に２つ以上並び連なった山形状に形成されており、前記山のそれぞれの頂部が前記爪状磁極部の根元位置より径方向外方に位置している。

この発明によれば、界磁コイルは、山が軸方向に２つ以上並び連なった山形状に形成され、山のそれぞれの頂部が爪状磁極部の根元位置より径方向外方に位置している。そこで、界磁コイルは、１山の山形状の界磁コイルと同等の、冷却ファンにより供給される空気に晒される表面積を確保できるので、界磁コイルの冷却性を確保できる。また、谷が形成されているので、界磁コイルを構成する導体線の量を低減でき、低コスト化が図られる。
また、山が軸方向に２つ以上並び連なった山形状に形成されているので、１山の界磁コイルに比べて、界磁コイルの平均外径が小さくなり、界磁コイルに作用する遠心力が小さくなる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子の要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子の要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子の要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態４に係る回転電機の回転子を示す断面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子の要部を示す断面図である。なお、図２中、点線Ａは、第１爪状磁極部および第２爪状磁極部の根元位置の外径である。

図１および図２において、回転子１は、回転軸２と、回転軸２に固着されたランデル型鉄心３と、界磁コイル１２と、冷却ファンとしての遠心ファン１４、１５と、を備える。

ランデル型鉄心３は、第１ポールコア４と第２ポールコア８とに分割構成されている。第１ポールコア４は、第１円筒部５と、第１円筒部５の軸方向一端部に一体に形成された、第１円筒部５より大径の厚肉リング状の第１継鉄部６と、それぞれ、第１継鉄部６から軸方向他側に延びて、周方向に等角ピッチで配列された、複数の第１爪状磁極部７と、を備える。第１爪状磁極部７は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成されている。

第２ポールコア８は、第２円筒部９と、第２円筒部９の軸方向他端部に一体に形成された、第２円筒部９より大径の厚肉リング状の第２継鉄部１０と、それぞれ、第２継鉄部１０から軸方向一側に延びて、周方向に等角ピッチで配列された、複数の第２爪状磁極部１１と、を備える。第２爪状磁極部１１は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成されている。

このように構成された第１ポールコア４と第２ポールコア８は、第１円筒部５の軸方向の他端面と第２円筒部９の軸方向の一端面とを突き合わせた状態で、それらの軸心位置に圧入された回転軸２により一体に構成されている。このとき、第１爪状磁極部７と第２爪状磁極部１１とは、第１継鉄部６と第２継鉄部１０のそれぞれから交互に軸方向に延設され、噛み合って周方向に配列されている。

ボビン１３は、絶縁性樹脂からなる樹脂成型体であり、薄肉の円筒状の巻胴部１３ａと、巻胴部１３ａの軸方向の両端部から径方向外方に突出する、薄肉のリング平板状の一対のフランジ部１３ｂと、一対のフランジ部１３ｂのそれぞれから延び出る舌部１３ｃと、を備える。

界磁コイル１２は、導体線をボビン１３に多段に巻き重ねて構成されている。このとき、界磁コイル１２は、外径が、軸方向一端から中央部に向かって漸次大きくなり、その後漸次低くなり、そして中央部から軸方向他側に向かって漸次大きくなり、その後漸次低くなり、軸方向他端に至る、山形状に構成されている。すなわち、界磁コイル１２は、２つの山が軸方向に並び連なった山形状に構成されている。

界磁コイル１２は、ボビン１３に巻回されて、第１円筒部５，第２円筒部９、第１継鉄部６、第２継鉄部１０、第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１に囲まれた空間に、収納されている。そして、巻胴部１３ａは、軸方向に連結された第１円筒部５と第２円筒部９に外接状態に装着されている。一対のフランジ部１３ｂは、第１継鉄部６と第２継鉄部１０の軸方向に相対する内面に接している。界磁コイル１２の軸方向の一端、中央部、および他端における外径が、第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の根元位置の外径Ａと等しくなっている。そして、界磁コイル１２の一方の山の斜面が、舌部１３ｃを介して第１爪状磁極部７の内周面の根元側に接している。また、界磁コイル１２の他方の山の斜面が、舌部１３ｃを介して第２爪状磁極部１１の内周面の根元側に接している。なお、第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の根元位置とは、第１爪状磁極部７の根元側における第１継鉄部６との境界位置であり、第２爪状磁極部１１の根元側における第２継鉄部１０との境界位置である。

遠心ファン１４，１５は、軸方向に延びるブレード１４ａ，１５ａを有し、ランデル型鉄心３の軸方向両端面に溶接などにより固定されている。ここでは、ブレード１４ａ，１５ａの枚数は同じであるが、ブレード１４ａの面積がブレード１５ａの面積より大きくなっており、遠心ファン１４の送風能力が遠心ファン１５の送風能力より大きい。

このように構成された回転子１は、例えば、車両用交流発電機に適用される。つまり、図示していないが、回転子１は、回転軸２が椀状の第１ブラケットと第２ブラケットとに支持されて、第１ブラケットと第２ブラケットとからなるハウジング内に回転可能に配設される。また、固定子（図示せず）が、第１ブラケットと第２ブラケットとに軸方向両側から挟持されて、回転子１の外周側に所定の隙間を介して回転子１と同軸に配設される。さらに、固定子で生じた交流を直流に整流する整流器（図示せず）、固定子で生じた交流電圧の大きさを調整する電圧調整器（図示せず）などがハウジングに配設されて、車両用交流発電機が構成される。

そして、車両用交流発電機においては、電流がバッテリから界磁コイル１２に供給され、磁束が発生される。この磁束により、第１爪状磁極部７がＮ極に磁化され、第２爪状磁極部１１がＳ極に磁化される。一方、エンジンの回転トルクが回転軸２に伝達され、回転子１が回転される。そこで、回転磁界が固定子の固定子コイルに与えられ、起電力が固定子コイルに発生する。この交流の起電力が、整流器で直流電流に整流され、バッテリが充電され、或いは電気負荷に供給される。

そして、電流が界磁コイル１２に流れ、界磁コイル１２が発熱する。また、遠心ファン１４，１５が回転子１の回転に連動して回転される。これにより、空気が第１ブラケットの吸気孔から吸入され、回転子１の第１ポールコア４の近傍まで流れ、遠心ファン１４により遠心方向に曲げられ、固定子コイルのコイルエンドを冷却して、第１ブラケットの排気孔から排出される。同様に、空気が第２ブラケットの吸気孔から吸入され、回転子１の第２ポールコア８の近傍まで流れ、遠心ファン１５により遠心方向に曲げられ、固定子コイルのコイルエンドを冷却して、第２ブラケットの排気孔から排出される。

このとき、遠心ファン１４の送風能力が遠心ファン１５の送風能力より大きいので、回転子１の第１ブラケット側の圧力が第２ブラケット側の圧力より低くなる。この圧力差により、第２ブラケット側の空気が第２爪状磁極部１１間を通って回転子１内に流入し、第１爪状磁極部７間を通って第１ブラケット側に流出する。界磁コイル１２での発熱がこの経路を流れる空気に放熱され、界磁コイル１２の温度上昇が抑制される。

ここで、遠心ファン１４，１５の送風能力を互いに異ならせることは、回転子１を回転駆動したときに、ランデル型鉄心３の第１ブラケット側と第２ブラケット側との間に圧力差を生じさせることを意味する。

実施の形態１では、遠心ファン１４の送風能力が遠心ファン１５の送風能力より大きくなっているので、動作時に、回転子１の第１ポールコア４側と第２ポールコア８側との間に圧力差が生じる。この圧力差により、第２爪状磁極部１１間から回転子１内に流入し、第１爪状磁極部７間を通って回転子１外に流出する空気の流れが形成される。

界磁コイル１２は、軸方向中央部を谷とする２山の山形状に形成されているので、１山の山形状の界磁コイルと同等の、回転子１内を流れる空気に晒される表面積が確保される。さらに、界磁コイル１２が２山の山形状に形成されているので、１山の山形状の場合に比べて、回転子１内を流れる空気の経路の通風抵抗が小さくなり、空気の流量が増大する。これにより、界磁コイル１２での発熱が効果的に放熱され、界磁コイル１２の温度上昇が抑制される。このように、回転子１の起磁力低下の要因となる界磁コイル１２の電気抵抗値の上昇が抑制されるので、回転子１の起磁力を確保され、出力低下が抑制される。

界磁コイル１２は、２山の山形状に形成されているので、界磁コイル１２の外径の平均値が小さくなる。これにより、回転子１の回転時に、界磁コイル１２に作用する遠心力が小さくなるので、界磁コイル１２の保持構造の簡略化が図られる。また、界磁コイル１２が谷を有しているので、導体線の量が少なくなり、低コスト化が図られる。

界磁コイル１２の２山の斜面が、それぞれ、ボビン１３の舌部１３ｃを介して第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の内周面の根元側に接している。そこで、第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の振動振幅が減少し、第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の共振音が低減し、磁気騒音が低減される。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子の要部を示す断面図である。

図３において、界磁コイル１２Ａは、２つの山が軸方向に並び連なった、軸方向中央部を谷とする山形状に形成されている。そして、軸方向の両端の外径が、第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の根元位置の外径Ａと等しくなっている。谷の底部の外径が、第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の根元位置の外径Ａより小さくなっている。２山の頂部の外径が、第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の根元位置の外径Ａより大きくなっている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された回転子１Ａでは、界磁コイル１２Ａは、軸方向中央部を谷とする２山の山形状に形成されている。さらに、界磁コイル１２Ａの２山の斜面が、それぞれ、ボビン１３の舌部１３ｃを介して第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の内周面の根元側に接している。したがって、実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態２では、界磁コイル１２Ａの谷の底部の外径が第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の根元位置の外径Ａより小さくなっている。そこで、界磁コイル１２に比べて、界磁コイル１２Ａの表面積が増大するとともに、空気の経路の通風抵抗が低減するので、界磁コイル１２Ａの温度上昇を一層抑制することができる。また、界磁コイル１２に比べて、界磁コイル１２Ａの外径の平均値が小さくなるので、界磁コイル１２Ａに作用する遠心力をさらに小さくできる。さらに、界磁コイル１２に比べて、導体線の量をさらに少なくでき、低コスト化が図られる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子の要部を示す断面図である。

図４において、界磁コイル１２Ｂは、３つの山が軸方向に並び連なった、軸方向の両端側および中央部を山とする山形状に形成されている。そして、軸方向の両端の外径が、第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の根元位置の外径Ａと等しくなっている。２つの谷の底部の外径が、第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の根元位置の外径Ａより小さくなっている。３山の頂部の外径が、第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の根元位置の外径Ａより大きくなっている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された回転子１Ｂでは、界磁コイル１２Ｂは、軸方向の両端側と中央部を山とする３山の山形状に形成されている。さらに、界磁コイル１２Ｂの軸方向両側の２山の斜面が、それぞれ、ボビン１３の舌部１３ｃを介して第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の内周面の根元側に接している。したがって、実施の形態３においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態３では、界磁コイル１２Ｂが３山の山形状に形成され、その谷の底部の外径が第１爪状磁極部７および第２爪状磁極部１１の根元位置の外径Ａより小さくなっている。そこで、界磁コイル１２に比べて、界磁コイル１２Ｂの表面積が増大するとともに、空気の経路の通風抵抗が低減するので、界磁コイル１２Ｂの温度上昇を一層抑制することができる。また、界磁コイル１２に比べて、界磁コイル１２Ｂの外径の平均値が小さくなるので、界磁コイル１２Ｂに作用する遠心力をさらに小さくできる。さらに、界磁コイル１２に比べて、導体線の量をさらに少なくでき、低コスト化が図られる。

なお、上記実施の形態１から３では、ランデル型鉄心の軸方向の両端面に固着された遠心ファンのブレードの面積を変えて、両遠心ファンの送風能力を異ならせているが、ブレードの枚数を変えて両遠心ファンの送風能力を異ならせてもよい。

実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４に係る回転電機の回転子を示す断面図である。

図５において、冷却ファンとしての斜流ファン１６は、軸方向に対して回転方向前方に傾斜するブレード１６ａを有し、第１ポールコア４の軸方向一端面に溶接などにより固定されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この回転子１Ｃにおいては、斜流ファン１６が、軸流ファンと遠心ファンとの中間的性能を有しており、ランデル型鉄心３の回転に連動して回転し、ランデル型鉄心３内を通る空気の経路を構成できる。
したがって、実施の形態４においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
実施の形態４によれば、斜流ファン１６をランデル型鉄心３の軸方向の一端面にのみ固定すればよく、部品点数を削減できる。

なお、上記実施の形態４では、斜流ファンをランデル型鉄心３の軸方向の一端面に取り付けているが、斜流ファンをランデル型鉄心３の軸方向の両端面に取り付けてもよい。この場合、ランデル型鉄心３の軸方向の両端面に取り付けられる両斜流ファンの送風性能を異ならせればよい。
また、上記実施の形態４では、斜流ファンをランデル型鉄心３の軸方向の一端面に取り付けているが、さらに、遠心ファンをランデル型鉄心３の軸方向の他端面に取り付けてもよい。
また、上記各実施の形態では、ランデル型鉄心が第１ポールコアと第２ポールコアとの２つに分割構成されているが、ランデル型鉄心は、この構成に限定されるものではなく、例えば、第１円筒部と第２円筒部との一体部材と、第１継鉄部と第１爪状磁極部との一体部材と、第２継鉄部と第２爪状磁極部との一体部材との３つに分割構成されてもよい。

１ 回転子、２ 回転軸、３ ランデル型鉄心、５ 第１円筒部、６ 第１継鉄部、７ 第１爪状磁極部、９ 第２円筒部、１０ 第２継鉄部、１１ 第２爪状磁極部、１２ 界磁コイル、１３ ボビン、１３ａ 巻胴部、１３ｂ フランジ部、１４，１５ 遠心ファン（冷却ファン）、１４ａ，１５ａ ブレード。

Claims (4)

1. 円筒部、該円筒部の軸方向両端部に配設されるリング状の一対の継鉄部、および該一対の継鉄部のそれぞれから交互に軸方向に延設され、噛み合って周方向に配列された複数の爪状磁極部を有するランデル型鉄心と、
   前記ランデル型鉄心の軸心位置に挿入、固着された回転軸と、
   前記円筒部の外周に装着される円環状の巻胴部、および巻胴部の軸方向両端部から径方向外方に突出するリング平板状の一対のフランジ部を有するボビンと、
   前記巻胴部と前記一対のフランジ部とに囲まれた空間に導体線を多段に巻き重ねて構成され、前記爪状磁極部の内周面の根元側に接している界磁コイルと、
   前記界磁コイルの外周表面に空気を供給する冷却ファンと、を備え、
   前記界磁コイルは、山が軸方向に２つ以上並び連なった山形状に形成されており、前記山のそれぞれの頂部が前記爪状磁極部の根元位置より径方向外方に位置している回転電機の回転子。
2. 上記界磁コイルの軸方向に隣り合う前記山の間に位置する谷の底部が、前記爪状磁極部の根元位置より径方向内方に位置している請求項１記載の回転電機の回転子。
3. 前記冷却ファンは、前記ランデル型鉄心の軸方向の両端部に固着された一対の遠心ファンであり、
   前記一対の遠心ファンは、送風能力が互いに異なるように構成されている請求項１又は請求項２記載の回転電機の回転子。
4. 前記冷却ファンは、前記ランデル型鉄心の軸方向の一端部に固着された斜流ファンであ
   る請求項１又は請求項２記載の回転電機の回転子。

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