JP6634960B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車やトラック等に搭載されて電動機や発電機として使用される回転電機の回転子に関する。

従来の回転電機として、固定子巻線が巻装された固定子と、該固定子と電磁ギャップを隔てて径方向に対向して回転可能に配置された回転子とを備えたものが知られている。そして、回転電機の回転子として、回転軸に固定される円筒状のボス部、及び、該ボス部の外周側に配置されて周方向交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部を有する界磁コアと、前記ボス部の外周側に巻装されて通電により起磁力を発生する界磁巻線と、を備えたランデル型回転子が知られている。

そして、特許文献１には、軸方向に複数枚の軟磁性板が積層された積層体からなり、界磁コアの爪状磁極片外周側に配置された筒状の磁極筒部（筒状部材）が開示されている。この筒状部材は、外径側表面に、爪状磁極片の輪郭形状に対応した凸部と、隣り合う爪状磁極片の間の空隙に対応した凹部とを有し、凸部と凹部がスロープ状に接続されている。これにより、回転子が回転した際に、固定子に作用する磁束の変動を緩和して磁気騒音を低減することが可能とされている。

特開２００９−１４８０５７号公報

ところで、上記の特許文献１に記載された筒状部材は、外径側表面に凹部と凸部が設けられていることから、軸方向に積層された軟磁性板の径方向の幅が狭い箇所で応力集中が発生し、応力破壊が起き易いという課題がある。また、筒状部材には、回転子の回転時に発生する遠心力によって爪状磁極部の変形応力が作用する。この爪状磁極部の変形応力は、爪状磁極部の先端に近い部位ほど大きくなるため、筒状部材に応力集中が発生することとなる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、筒状部材の応力集中を回避して強度を向上し得るようにした回転電機の回転子を提供することを解決すべき課題とするものである。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、
筒状のボス部（３２１）、前記ボス部の軸方向端部から周方向所定ピッチで径方向外側に突出する複数のディスク部（３２２）、及び、各前記ディスク部の外周端部から前記ボス部の外周側へ軸方向に突出し、周方向交互に異なる極性に磁化される複数の爪状磁極部（３２３）を有する界磁コア（３２）と、
前記ボス部の外周側に巻装されて通電により起磁力を発生する界磁巻線（３３）と、
前記爪状磁極部の外周を覆うように配置された筒状部材（３５）と、を備えた回転電機の回転子（３０）において、
前記筒状部材は、軸方向に積層された軟磁性体（３６）により構成され、積層方向に隣接する前記軟磁性体同士が、積層方向に形成されたかしめ部（３７）により互いに係合固定されており、
前記かしめ部は、前記筒状部材の周方向において不等ピッチで複数箇所に設けられており、
前記複数個所に設けられている前記かしめ部のうちの何れかは、前記回転子におけるｑ軸の位置に設けられている。

この構成によれば、筒状部材は、軸方向に積層された軟磁性体により構成され、積層方向に隣接する軟磁性体同士が、積層方向に形成されたかしめ部により互いに係合固定されている。これにより、かしめ部の残留応力が周方向に遠く離れ、残留応力が集中しない状態で、軸方向に隣接する軟磁性体同士を係合固定することができる。そのため、爪状磁極部の外周を覆う筒状部材は、回転子の回転時に発生する遠心力により爪状磁極部の変形応力が作用したときに、かしめ部により互いに係合固定されている軟磁性体同士で遠心応力が分散される。これにより、筒状部材の応力集中を回避して強度を向上させることができる。筒状部材の軟磁性体にかしめ加工を施した際には、軟磁性体の表面を覆う絶縁層が破壊される。そのため、絶縁層の破壊による渦電流ループを筒状部材の周方向において不等ピッチとすることで、電磁ノイズを低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、周方向に隣接する前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記爪状磁極部に周方向交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４）を有する。この構成によれば、永久磁石の追加により、回転子の回転時に筒状部材に作用する遠心応力が大きくなるため、磁石付きランデル型回転子の場合には、筒状部材の強度向上をより効果的に実現することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、周方向における前記かしめ部の個数と前記爪状磁極部の極数とが異なるように設定されている。この構成によれば、絶縁層の破壊による渦電流ループと回転電機の電気角１周期ループとが異なるようにすることで、電磁ノイズを低減することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、周方向における前記かしめ部の個数は、素数とされている。この構成によれば、耐震などとの複合荷重による高強度化を実現することができる。なお、請求項１〜４において、かしめ部の位置は、渦電流自体の絶対値をいたずらに高め損失低減効果の意味を失わせないため、界磁構造を有する回転子の特徴である大界磁、且つ磁束変動の大きいｄ軸に設置しないことが好ましい。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載された各部材や部位の後の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的な部材や部位との対応関係を示すものであり、特許請求の範囲に記載された各請求項の構成に何ら影響を及ぼすものではない。

実施形態１に係る回転子が搭載された回転電機の軸方向断面図である。 実施形態１に係る回転子の軸方向断面図である。 実施形態１に係る回転子の斜視図である。 実施形態１に係る回転子の外周側から見た正面図である。 実施形態１に係る回転子の軸方向から見た正面図である。 比較例１に係る回転子の軸方向から見た正面図である。 実施形態１に係る回転子の筒状部材を外した状態の斜視図である。 実施形態１に係る回転子において遠心力が作用したときの爪状磁極部が変形した状態を示す説明図である。 変形例１に係る回転子の軸方向から見た正面図である。 変形例２に係る回転子の軸方向から見た正面図である。

以下、本発明に係る回転電機の回転子の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。

〔実施形態１〕
実施形態１に係る回転電機の回転子について図１〜図８を参照して説明する。実施形態１の回転子は、例えば車両用交流発電機（回転電機）に搭載されるものであって、図１に示すように、ハウジング１０、固定子２０、回転子３０、界磁コイル給電機構、整流器４５等を含んで構成されている。

ハウジング１０は、それぞれ一端が開口した有底円筒状のフロントハウジング１１とリアハウジング１２とからなる。フロントハウジング１１とリアハウジング１２は、開口部同士が接合された状態でボルト１３により締結されている。固定子２０は、周方向に配列された図示しない複数のスロット及びティースを有する円環状の固定子コア２１と、固定子コア２１のスロットに巻装された三相の相巻線よりなる電機子巻線２５とを有する。この固定子２０は、フロントハウジング１１とリアハウジング１２の周壁内周面に、軸方向に挟持された状態で固定されている。

回転子３０は、固定子２０の径方向内側に配置されており、ハウジング１０に一対の軸受け１４，１４を介して回転自在に支持された回転軸３１に一体回転可能に設けられている。この回転子３０は、一対のポールコア３２ａ，３２ｂと界磁巻線３３とを有するランデル型回転子であり、回転軸３１の前端部に固定されたプーリ３１Ａを介して、車両に搭載された図示しないエンジンによって回転駆動される。界磁巻線給電機構は、界磁巻線３３に給電するための装置であり、一対のブラシ４１、一対のスリップリング４２及びレギュレータ４３等を有する。

以上の構成を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ３１Ａにエンジンからの回転力が伝えられると、回転子３０が回転軸３１と共に所定方向に回転する。この状態で、ブラシ４１からスリップリング４２を介して回転子３０の界磁巻線３３に励磁電圧を印加することにより、第１及び第２ポールコア３２ａ，３２ｂの第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂが励磁されて、回転子３０の回転周方向に沿って交互にＮＳ磁極が形成される。これにより、固定子２０の電機子巻線２５に回転磁界が付与されることで、電機子巻線２５に交流の起電力を発生させる。電機子巻線２５で発生した交流の起電力は、整流器４５を通って直流電流に整流された後、図示しないバッテリに供給される。

次に、実施形態１の回転子３０の特徴構成について図２〜図８を参照して詳しく説明する。実施形態１の回転子３０は、図２〜図５、図７に示すように、ハウジング１０に一対の軸受け１４，１４を介して回転自在に支持される回転軸３１と、回転軸３１の外周に嵌合固定された一対のポールコア３２ａ，３２ｂよりなる界磁コア３２と、界磁コア３２のボス部３２１に巻装された界磁巻線３３と、界磁コア３２の周方向に隣接する爪状磁極部３２３の間に配置された複数の永久磁石３４と、界磁コア３２の爪状磁極部３２３の外周を覆うように配置された筒状部材３５と、を有する。この回転子３０は、固定子２０の内周側に径方向に対向して回転可能に設けられている。

界磁コア３２は、図３及び図７に示すように、回転軸３１の前側（図１の左側）に固定された第１ポールコア３２ａと、回転軸３１の後側（図１の右側）に固定された第２ポールコア３２ｂとにより構成されている。第１ポールコア３２ａは、界磁巻線３３の径方向内側にて界磁束を軸方向に流す円筒状の第１ボス部３２１ａと、第１ボス部３２１ａの軸方向前端部から周方向所定ピッチで径方向外側へ突出して界磁束を径方向に流す第１ディスク部３２２ａと、各第１ディスク部３２２ａの外周端部から第１ボス部３２１ａの外周側へ界磁巻線３３を囲むように軸方向に突出して固定子コア２１と磁束の授受をする第１爪状磁極部３２３ａとからなる。

そして、第２ポールコア３２ｂも第１ポールコア３２ａと同一形状を有する。但し、第２ポールコア３２ｂの第２ボス部は３２１ｂ、第２ディスク部は３２２ｂ、第２爪状磁極部は３２３ｂと付番されている。これら第１及び第２ポールコア３２ａ，３２ｂは、軟磁性体からなる。

第１ポールコア３２ａと第２ポールコア３２ｂは、第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂを互い違いに向かい合わせるようにして、第１ポールコア３２ａの軸方向後端面と第２ポールコア３２ｂの軸方向前端面とが接触した状態に組み付けられている。これにより、第１ポールコア３２ａの第１爪状磁極部３２３ａと第２ポールコア３２ｂの第２爪状磁極部３２３ｂとが周方向交互に配置されている。第１及び第２ポールコア３２ａ，３２ｂは、それぞれ８個の爪状磁極部３２３をもち、実施形態１では、１６極（Ｎ極：８、Ｓ極：８）のランデル型回転子コアを形成している。

界磁巻線３３は、第１及び第２ボス部３２１ａ，３２１ｂの外周面に界磁コア３２と電気的に絶縁された状態で巻装されており、第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂに囲まれている。この界磁巻線３３は、図示しない界磁電流制御回路から界磁電流Ｉｆが通電されることによってボス部３２１に起磁力を発生させる。これにより、第１及び第２ポールコア３２ａ，３２ｂの第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂにそれぞれ異なる極性の磁極が形成される。実施形態１の場合には、第１爪状磁極部３２３ａがＳ極に磁化され、第２爪状磁極部３２３ｂがＮ極に磁化される。

この場合、界磁巻線３３により界磁コア３２のボス部３２１に発生した磁束は、例えば第１ポールコア３２ａの第１ボス部３２１ａから第１ディスク部３２２ａ、第１爪状磁極部３２３ａに流れた後、第１爪状磁極部３２３ａから固定子コア２１を経由して第２ポールコア３２ｂの第２爪状磁極部３２３ｂに流れ、第２爪状磁極部３２３ｂから第２ディスク部３２２ｂ、第２ボス部３２１ｂを経由して第１ボス部３２１ａに戻る磁気回路を形成する。この磁気回路は、回転子３０の逆起電力を生む磁気回路である。

そして、図７に示すように、周方向交互に配置された第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂの間には、軸方向斜めに延在する隙間が形成されており、各隙間には永久磁石３４が１個ずつ配置されている。各永久磁石３４は、長方体形状の外形を有し、磁化容易軸が周方向に向けられて、周方向両側の端面（磁束流入出面）が第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂの周方向側面にそれぞれ当接した状態で第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂに保持されている。これにより、各永久磁石３４は、その極性が界磁巻線３３の励磁によって第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂに交互に現れる極性と一致するように配置されている。

筒状部材３５は、図２〜図５に示すように、軸方向に積層されたリング状の複数の鋼板（軟磁性体）３６により円筒状に形成されており、界磁コア３２の爪状磁極部３２３の外周面を覆うように接触して界磁コア３２と同軸状に配置されている。この筒状部材３５は、界磁コア３２の爪状磁極部３２３の軸方向長さと同じ軸方向幅を有する。よって、筒状部材３５は、爪状磁極部３２３の外周面の全域を覆う大きさに形成されている。筒状部材３５を構成する各鋼板３６の軸方向両端面には、電気的絶縁層が被覆されている。これにより、筒状部材３５での渦電流損の低減が可能となる。そして、図３及び図４に示すように、積層方向に隣接する鋼板３６同士は、鋼板３６に対して積層方向（軸方向）にかしめ加工を施すことにより形成されたかしめ部３７により互いに係合固定されている。

この場合、筒状部材３５は、界磁コア３２の外周に鋼板３６を１枚ずつ嵌合して軸方向に積層させることにより組み付けられており、かしめ加工は、界磁コア３２の外周に最初に装着された１枚の鋼板３６から順番に全ての鋼板３６に対して施されている。即ち、最初の１枚目の鋼板３６にかしめ加工が施されると、鋼板３６の肉の一部がかしめ方向先端側に突出して凸部が形成され、かしめ方向後端側には凹部が形成される。ここでの凹部及び凸部は、リング状の鋼板３６の接線方向に長い矩形形状で概ね同じ大きさに形成される。実施形態１の場合、凹部及び凸部は、鋼板３６の径方向幅の全域に亘って形成されている。

次の２枚目の鋼板３６が１枚目の鋼板３６に軸方向に重ねられた状態でかしめ加工が施されると、２枚目の鋼板３６に形成される凸部が１枚目の鋼板３６の凹部に嵌合して、２枚の鋼板３６が凹部と凸部で係合し固定される。このようにして、３枚目以降の全ての鋼板３６に対してかしめ加工が施されることによって、積層方向に隣接する鋼板３６同士が積層方向に形成されたかしめ部３７により互いに係合固定される。なお、かしめ加工が施された際には、鋼板３６表面の一部の電気的絶縁層が破壊され、ループの長い渦電流が発生し易くなる。

実施形態１の場合、かしめ部３７は、筒状部材３５の周方向において不等ピッチで複数箇所に設けられ、且つ周方向におけるかしめ部３７の個数と爪状磁極部３２３の極数とが異なっている。具体的には、図５に示すように、爪状磁極部３２３の１６極（８極対）に対して、４個のかしめ部３７が周方向において不等ピッチで設けられている。不等ピッチを作る角度θは任意に設定してよい。このようにすることで、かしめ部３７に発生するループの長い渦電流とループの短い渦電流が混ざりあって高周波化するので、渦電流損の影響を小さくすることができる。なお、不等ピッチとされたかしめ部３７がｑ軸に設けられている。実施形態１のように、ｄ軸が主体となるランデル型回転子では、磁気特性を考慮すると、ｑ軸にかしめ部３７を設けることが望ましい。

なお、図６は、比較例として、従来のかしめ部３７を設ける位置を示すものである。この場合、かしめ部３７は、筒状部材３５の周方向において等ピッチで１６箇所に設けられており、且つ周方向におけるかしめ部３７の個数（１６個）と爪状磁極部３２３の極数（１６極）が同数となっている。

なお、実施形態１のようなランデル型回転子では、図８に示すように、回転子３０の回転時に発生する遠心力によって爪状磁極部３２３が変形する。即ち、爪状磁極部３２３のディスク部３２２付近の根元部では、径方向への変形量は小さいが、爪状磁極部３２３の先端部に近付く程、径方向への変形量が大きくなる。このように、爪状磁極部３２３の先端側に向かって大きくなるように変形応力が発生すると、筒状部材３５にとっては、爪状磁極部３２３の先端部付近で応力集中が起きる（図４参照）。ここで、筒状部材３５のように、軸方向に積層された多数の鋼板３６により構成された部材においては、爪状磁極部３２３の先端部の応力をその部位に在る筒状部材３５の一部の鋼板３６が受ける。この応力を受けた鋼板３６と、その根元側の隣りに在る鋼板３６と接続（かしめ部３７で係合固定）することにより、応力の大きい部位の鋼板３６と応力の小さい部位の鋼板３６とが互いに応力を受け渡すことで、応力が均一化され、筒状部材３５の高強度化が達成される。

以上のように構成された実施形態１の回転子３０によれば、筒状部材３５は、軸方向に積層された複数の鋼板３６により構成され、積層方向に隣接する鋼板３６同士が、積層方向に形成されたかしめ部３７により互いに係合固定されている。これにより、かしめ部３７の残留応力が周方向に遠く離れ、残留応力が集中しない状態で、軸方向に隣接する鋼板３６同士を係合固定することができる。そのため、爪状磁極部３２３の外周を覆う筒状部材３５は、回転子３０の回転時に発生する遠心力により爪状磁極部３２３の変形応力が作用したときに、かしめ部３７により互いに係合固定されている鋼板３６同士で遠心応力が分散される。これにより、筒状部材３５の応力集中を回避して強度を向上させることができる。

また、実施形態１では、かしめ部３７は、筒状部材３５の周方向において不等ピッチで複数箇所に設けられている。筒状部材３５の鋼板３６にかしめ加工を施した際には、鋼板３６の表面を覆う電気的絶縁層が破壊される。そのため、電気的絶縁層の破壊による渦電流ループを筒状部材３５の周方向において不等ピッチとすることで、電磁ノイズを低減することができる。

また、実施形態１では、周方向におけるかしめ部３７の個数と爪状磁極部３２３の極数とが異なるように設定されている。これにより、電気的絶縁層の破壊による渦電流ループと回転電機の電気角１周期ループとが異なるようにすることで、電磁ノイズを更に低減することができる。

また、実施形態１では、周方向に隣接する爪状磁極部３２３の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、界磁巻線３３の起磁力によって爪状磁極部３２３に周方向交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石３４を有する。この構成によれば、永久磁石３４の追加により、回転子３０の回転時に筒状部材３５に作用する遠心応力が大きくなるため、磁石付きランデル型回転子の場合には、筒状部材３５の強度向上をより効果的に実現することができる。

〔変形例１〕
変形例１の筒状部材３５は、図９に示すように、周方向におけるかしめ部３７の個数と爪状磁極部３２３の極数とが異なるように設定されている。具体的には、爪状磁極部３２３の極数が１６極であるのに対して、かしめ部３７の個数は４個である。なお、変形例１は、かしめ部３７が筒状部材３５の周方向において等ピッチで設けられている点で、上記の実施形態１と異なる。このようにすれば、電気的絶縁層の破壊による渦電流ループと回転電機の電気角１周期ループとが異なるようにすることで、電磁ノイズを低減することができる。

〔変形例２〕
変形例２の筒状部材３５は、図１０に示すように、周方向におけるかしめ部３７の個数が素数とされている。具体的には、かしめ部３７の個数は５個とされている。変形例２によれば、かしめ部３７の個数が素数であるため、一定のループの渦電流が発生しないし、損失が低周波となる。これにより、耐震などとの複合荷重による高強度化を実現することができる。

〔他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。例えば、上記の実施形態では、かしめ部３７は、全ての鋼板３６に設けられていたが、積層の開始側に位置する一部の鋼板３６に部分的に設けるようにしてもよい。

また、上記の実施形態１では、かしめ部３７の凹部及び凸部は、鋼板３６の径方向幅の全域に亘って形成されていたが、必ずしも鋼板３６の径方向幅の全域に亘って形成される必要はなく、隣接する鋼板３６同士の凹凸による係合固定状態が得られる大きさ（径方向幅）であればよい。

また、軸方向に積層される鋼板３６の枚数は、より大きい渦電流損の低減を目的とするため、より多い方が望ましい。しかし、永久磁石３４の渦電流損の低減などのためには、軸方向に４分割して程度でも実用的な効果が現れ、実際に流通されているレベルであるので、少なからず効果が得られる。

また、上記の実施形態では、本発明に係る回転子３０を車両用交流発電機に適用した例を説明したが、車両に搭載される回転電機としての電動機や、さらには発電機と電動機を選択的に使用し得る回転電機にも本発明を適用することができる。

１…車両用交流発電機（回転電機）、 ３０…回転子、 ３１…回転軸、 ３２…界磁コア、 ３２１…ボス部、 ３２１ａ…第１ボス部、 ３２１ｂ…第２ボス部、 ３２２…ディスク部、 ３２２ａ…第１ディスク部、 ３２２ｂ…第２ディスク部、 ３２３…爪状磁極部、 ３２３ａ…第１爪状磁極部、 ３２３ｂ…第２爪状磁極部、 ３３…界磁巻線、 ３４…永久磁石、 ３５…筒状部材、 ３６…鋼板（軟磁性体）、 ３７…かしめ部。

Claims (4)

1. 筒状のボス部（３２１）、前記ボス部の軸方向端部から周方向所定ピッチで径方向外側に突出する複数のディスク部（３２２）、及び、各前記ディスク部の外周端部から前記ボス部の外周側へ軸方向に突出し、周方向交互に異なる極性に磁化される複数の爪状磁極部（３２３）を有する界磁コア（３２）と、
   前記ボス部の外周側に巻装されて通電により起磁力を発生する界磁巻線（３３）と、
   前記爪状磁極部の外周を覆うように配置された筒状部材（３５）と、を備えた回転電機の回転子（３０）において、
   前記筒状部材は、軸方向に積層された軟磁性体（３６）により構成され、積層方向に隣接する前記軟磁性体同士が、積層方向に形成されたかしめ部（３７）により互いに係合固定されており、
   前記かしめ部は、前記筒状部材の周方向において不等ピッチで複数箇所に設けられており、
   前記複数箇所に設けられている前記かしめ部のうちの何れかは、前記回転子におけるｑ軸の位置に設けられている回転電機の回転子。
2. 請求項１において、
   周方向に隣接する前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記爪状磁極部に周方向交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４）を有する回転電機の回転子。
3. 請求項１又は２において、
   周方向における前記かしめ部の個数と前記爪状磁極部の極数とが異なるように設定されている回転電機の回転子。
4. 請求項３において、
   周方向における前記かしめ部の個数は、素数とされている回転電機の回転子。

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