JP6684447B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、車両の電動機や発電機などに用いられる、ステータとロータとを備える回転電機が知られている（例えば、特許文献１など）。この回転電機において、ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻装されている電機子巻線と、を有している。ロータは、界磁コアと、界磁巻線と、筒状部材と、を有している。

界磁コアは、ボス部と、ボス部の軸方向一端から径方向外側に広がるディスク部と、ディスク部に連接してボス部の外周側に配置されると共に、軸方向に沿って突出する磁極部と、を有している。磁極部は、軸回りに所定角度ごとに設けられており、周方向に交互に異なる極性の磁極が形成されるように複数設けられている。界磁巻線は、ボス部の外周側に巻装されている。筒状部材は、磁極部の外周側にその磁極部の外周面を覆うように配置されている。筒状部材によれば、周方向に隣接する磁極部同士を磁気的に接続することができると共に、磁極部の軸方向先端が高速回転時の遠心力によって径方向外側へ変形するのを抑えることができる。このため、磁極部間での磁束の漏れを低減して出力向上を図ることができると共に、磁極部での渦電流損を低減することができる。

特開２００９−１４８０５７号公報

ところで、上記の如く磁極部の外周面を覆う筒状部材が設けられた回転電機においては、長期間の時間経過に伴って、筒状部材と磁極部との隙間に水分が浸入し又は異種金属間に電位差が発生して局部電池が形成されることがある。かかる局部電池が形成されると、筒状部材にイオンの授受により錆が発生して、その錆に起因した強度低下に加えて振動，回転などによる応力が作用した際に筒状部材が破損し更には飛散し易くなる。かかる筒状部材の破損や飛散が生じると、筒状部材の一部がステータに詰まり、ロータがロックするおそれがある。従って、上記の要因でロータをロックさせないためには、筒状部材に破損が生じることを事前に或いは初期段階で検知することが求められる。しかしながら、上記した特許文献１記載の回転機では、かかる事態を想定した構造が採用されておらず、経時変化に伴うロータのロックを防止することができない。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、経時変化に伴う短絡部材の破損時にロータのロックを確実に防止することが可能な回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、ステータコアと、前記ステータコアに巻装されている電機子巻線と、を有するステータと、筒状のボス部及び前記ボス部の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の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いる界磁巻線と、前記磁極部の外周側に前記磁極部の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う前記磁極部同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材と、を有し、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータと、を備える回転電機であって、前記短絡部材は、軸方向端部が前記ステータコアの軸方向端よりも軸方向外側にはみ出すように形成されていると共に、前記軸方向端部の材料が他部の材料と異なるように構成されている回転電機である。

この構成によれば、爪状磁極部の外周面を覆う円筒状の短絡部材の軸方向端部がステータコアの軸方向端よりも軸方向外側にはみ出しているので、そのはみ出している短絡部材の軸方向端部に破損が生じた場合にも、ステータコアの内径側にその短絡部材の破損部が引っ掛かり難くなる。従って、回転電機によれば、経時変化に伴って短絡部材の軸方向端部が破損したときにその破損に起因してロータがロックするのを確実に防止することができる。

この構成によれば、短絡部材の軸方向端部と他部とに応力差を生じさせることができ、それらの材料の境目に破壊を生じさせ易くすることができる。このため、短絡部材の軸方向端部の破損を、軸方向端部以外の軸方向中央部の破損よりも先行して生じさせ易くすることができるので、経時変化に伴う短絡部材の破損を事前に或いはその初期段階で検知させ易くすることができる。

尚、前記短絡部材は、所定部材が軸方向に沿って３層以上に積層された積層部材であり、軸方向両側それぞれの前記軸方向端部を構成する層の前記所定部材の材料が前記他部を構成する層の前記所定部材の材料と異なるように構成されていてもよい。

この構成によれば、短絡部材の軸方向端部と他部とに応力差を生じさせることができ、それらの材料の境目に破壊を生じさせ易くすることができる。このため、短絡部材の軸方向端部の破損を、軸方向端部以外の軸方向中央部の破損よりも先行して生じさせ易くすることができるので、経時変化に伴う短絡部材の破損を事前に或いはその初期段階で検知させ易くすることができる。

上記課題を解決するためになされた第２の発明は、ステータコアと、前記ステータコアに巻装されている電機子巻線と、を有するステータと、筒状のボス部及び前記ボス部の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の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いる界磁巻線と、前記磁極部の外周側に前記磁極部の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う前記磁極部同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材と、を有し、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータと、を備える回転電機であって、前記短絡部材は、軸方向端部が前記ステータコアの軸方向端よりも軸方向外側にはみ出しかつ前記軸方向端部が他部に比べて径方向外側に向けて膨らむように形成されている回転電機である。

この構成によれば、短絡部材の膨らみがある軸方向端部に作用する遠心力が、膨らみが無い軸方向中央部に作用する遠心力に比べて小さいので、その軸方向端部に応力集中を生じさせ易くすることができる。このため、短絡部材の軸方向端部の破損を、軸方向端部以外の軸方向中央部の破損よりも先行して生じさせ易くすることができるので、経時変化に伴う短絡部材の破損を事前に或いはその初期段階で検知させ易くすることができる。

尚、前記短絡部材は、線状部材又は帯状部材が螺旋状に延在して軸方向に沿って積層された積層部材であり、前記軸方向端部の曲率が前記他部の曲率と異なるように形成されていてもよい。

この構成によれば、短絡部材の膨らみがある軸方向端部に作用する遠心力が、膨らみが無い軸方向中央部に作用する遠心力に比べて小さいので、その軸方向端部に応力集中を生じさせ易くすることができる。このため、短絡部材の軸方向端部の破損を、軸方向端部以外の軸方向中央部の破損よりも先行して生じさせ易くすることができるので、経時変化に伴う短絡部材の破損を事前に或いはその初期段階で検知させ易くすることができる。

上記課題を解決するためになされた第３の発明は、ステータコアと、前記ステータコアに巻装されている電機子巻線と、を有するステータと、筒状のボス部及び前記ボス部の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の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いる界磁巻線と、前記磁極部の外周側に前記磁極部の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う前記磁極部同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材と、を有し、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータと、を備える回転電機であって、前記短絡部材は、所定部材が軸方向に沿って積層された積層部材であり、軸方向端部が前記ステータコアの軸方向端よりも軸方向外側にはみ出すように形成されており、前記短絡部材の前記軸方向端部は、前記ステータコアの軸方向端よりも一層分だけ軸方向外側にはみ出している回転電機である。

この構成によれば、短絡部材が積層部材であるので、短絡部材が円筒状のパイプ状部材からなる構成と異なり、短絡部材の破損が生じる層を軸方向最外殻の一層に限定することができ、短絡部材の破損がその軸方向最外殻の一層よりも軸方向内側にある層で生じるのを防止することができる。従って、短絡部材の、ステータコアの軸方向端からの軸方向外側へのはみ出し量を抑えつつ、短絡部材の破損部をステータコアの内径側に引っ掛かり難くすることができる。

上記課題を解決するためになされた第４の発明は、ステータコアと、前記ステータコアに巻装されている電機子巻線と、を有するステータと、筒状のボス部及び前記ボス部の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の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いる界磁巻線と、前記磁極部の外周側に前記磁極部の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う前記磁極部同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材と、を有し、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータと、を備える回転電機であって、前記短絡部材は、軸方向端部が前記ステータコアの軸方向端よりも軸方向外側にはみ出すように形成されており、前記短絡部材は、前記磁極部及び前記短絡部材に形成された、前記ステータと前記ロータとの対向面に対して突出する突部と凹んだ溝部とが嵌合した状態で前記磁極部に固定されている回転電機である。

この構成によれば、ロータに形成される磁気回路上の凹凸を利用して、短絡部材と爪状磁極部とを固定することができる。また、爪状磁極部におけるｑ軸インダクタンスを上げ或いはｄ軸インダクタンスを下げてリラクタンストルクを発生させることができるので、トルク向上を図ることができる。

尚、前記短絡部材の前記軸方向端部は、溶接加工、かしめ加工、又はプレス加工が施された部位であってよい。
この構成によれば、短絡部材の軸方向端部が他部よりも脆くその軸方向端部の強度が他部の強度よりも低くなるので、短絡部材の軸方向端部の破損を、軸方向端部以外の軸方向中央部の破損よりも先行して生じさせ易くすることができる。このため、経時変化に伴う短絡部材の破損を事前に或いはその初期段階で検知させ易くすることができる。
また、前記磁極部は、前記ボス部の軸方向一端側に連接すると共に、軸方向に沿って爪状に突出する爪状磁極部であり、前記短絡部材は、前記磁極部の軸方向先端に接合されていてよい。
この構成によれば、爪状磁極部のうち遠心力による応力が最も高い軸方向先端部に短絡部材が接合されるため、短絡部材をその軸方向先端部にある接合部で破損させ易くすることができる。このため、経時変化に伴う短絡部材の破損を事前に或いはその初期段階で検知させ易くすることができる。
更に、前記短絡部材は、前記軸方向端部が前記ステータコアの軸方向端から軸方向外側に突出する前記電機子巻線のコイルエンド部に径方向で対向するように配置されていてよい。

この構成によれば、短絡部材の軸方向端部がコイルエンド部に径方向で対向するので、短絡部材の軸方向端部が破損したときにその破損部を回転中における遠心力によりコイルエンド部に接触させ易くすることができる。このため、コイルエンド部に流れる電流やコイルエンド部に生じる電圧の異常有無に基づいて短絡部材の破損を検知させることが可能である。

本発明の一実施形態に係る回転電機の断面図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータを径方向外側から見た際の図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータの斜視図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータの、短絡部材を除いたときの斜視図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータの一部の斜視図である。 本実施形態の回転電機が備えるステータ及びロータの断面図である。 本実施形態の回転電機が備える短絡部材が線状部材からなるときの斜視図である。 本実施形態の回転電機が備える短絡部材が帯状部材からなるときの斜視図である。 本実施形態の回転電機が備えるステータとロータとの配置関係を説明するための図である。 本発明の一変形例に係る回転電機が備える短絡部材の斜視図である。 本変形例の回転電機が備えるロータの一部を軸方向外側から見た際の図である。 本変形例の回転電機が備えるロータの断面図である。 本変形例の回転電機が備えるロータの一部の斜視図である。 本発明の他の一変形例に係る回転電機が備えるロータの爪状磁極部を短絡部材を透して径方向外側から見た際の図である。 図１４Ａに示す爪状磁極部及び短絡部材のXIV−XIV断面図である。 本発明の他の一変形例に係る回転電機が備えるロータの爪状磁極部を短絡部材を透して径方向外側から見た際の図である。 図１５Ａに示す爪状磁極部及び短絡部材のXV−XV断面図である。

以下、本発明に係る回転電機の具体的な実施形態について、図１〜図１５を参照しつつ説明する。

本実施形態において、回転電機２０は、例えば車両などに搭載されており、バッテリなどの電源から電力が供給されることで車両を駆動するための駆動力を発生すると共に、車両のエンジンから動力が供給されることでバッテリを充電するための電力を発生する装置である。回転電機２０は、図１に示す如く、ステータ２２と、ロータ２４と、ハウジング２６と、ブラシ装置２８と、整流装置３０と、電圧調整器３２と、プーリ３４と、を備えている。

ステータ２２は、磁路の一部を構成すると共に、ロータ２４の回転による回転磁界が付与されることで起電力を発生する部材である。ステータ２２は、ステータコア４０と、電機子巻線４２と、を有している。ステータコア４０は、円筒状に形成された部材である。ステータコア４０の径方向内径側には、径方向内側に向けて突出するティースと、径方向外側に向けて凹んだスロットと、が形成されている。これらのティース及びスロットは、それぞれ所定角度をおいて配置されるように複数設けられており、周方向において交互に連続して配置されている。

電機子巻線４２は、ステータコア４０（具体的には、そのティース）に巻装されている。電機子巻線４２は、ステータコア４０のスロットに収容される直線状のスロット収容部（図示せず）と、ステータコア４０の軸方向端から軸方向外側に突出する湾曲状のコイルエンド部４４と、を有している。電機子巻線４２は、回転電機２０の相数に対応した例えば多相巻線（例えば三相巻線）を有している。

ロータ２４は、ステータ２２（具体的には、ティースの先端）に対して径方向内側に所定のエアギャップＧ０を空けて対向配置されている。ロータ２４は、磁路の一部を構成すると共に、電流が流れることで磁極を形成する部材である。ロータ２４は、いわゆるランデル型回転子である。ロータ２４は、界磁コア５０と、界磁巻線５２と、短絡部材５４と、永久磁石５６と、を有している。

界磁コア５０は、ボス部５８と、ディスク部６０と、爪状磁極部６２と、を有している。ボス部５８は、回転シャフト６４が挿入可能な中心軸上に空いたシャフト孔６６を有する筒状部材であって、回転シャフト６４の外周側に嵌合固定される部位である。ディスク部６０は、ボス部５８の軸方向端部側から径方向外側に向けて延びる円盤状の部位である。

爪状磁極部６２は、ディスク部６０の外周端に連接すると共に、その連接部から軸方向に沿って爪状に突出する部材である。爪状磁極部６２は、その連接部からボス部５８に沿って延びている。爪状磁極部６２は、ボス部５８の外周側に配置されている。ボス部５８とディスク部６０と爪状磁極部６２とは、ポールコア（界磁鉄心）を形成する。ポールコアは、例えば鍛造成形されている。爪状磁極部６２は、略円弧状に形成された外周面を有している。爪状磁極部６２の外周面は、回転シャフト６４の軸中心近傍（具体的には、回転シャフト６４の軸中心又はその軸中心よりも該爪状磁極部６２に近い側の位置）を中心にした円弧を有している。

爪状磁極部６２は、互いに異なる極性（具体的には、Ｎ極及びＳ極）の磁極が形成される第１爪状磁極部６２−１及び第２爪状磁極部６２−２を含む。第１爪状磁極部６２−１及び第２爪状磁極部６２−２は、一対のポールコアを構成する。第１爪状磁極部６２−１及び第２爪状磁極部６２−２は、ロータ２４の軸回りに複数の同じ数（例えば、８個）ずつ設けられている。第１爪状磁極部６２−１と第２爪状磁極部６２−２とは、周方向に隙間空間６８を空けて交互に配置されている。

第１爪状磁極部６２−１は、ボス部５８の軸方向一端側から径方向外側に広がるディスク部６０の外周端に連接しており、軸方向他端側に向けて突出している。また、第２爪状磁極部６２−２は、ボス部５８の軸方向他端側から径方向外側に広がるディスク部６０の外周端に連接しており、軸方向一端側に向けて突出している。第１爪状磁極部６２−１と第２爪状磁極部６２−２とは、配置位置や突出する軸方向向きを除いて、互いに共通した形状に形成されている。第１爪状磁極部６２−１と第２爪状磁極部６２−２とは、軸方向根元側（又は軸方向先端側）が互いに軸方向逆側となるように周方向に交互に配置されており、互いに異なる極性に磁化される。

各爪状磁極部６２は、周方向において所定の幅（すなわち、周方向幅）を有すると共に、径方向において所定の厚さ（すなわち、径方向厚さ）を有するように形成されている。各爪状磁極部６２は、ディスク部６０との連接部近傍の根元側から軸方向先端側にかけて、周方向幅が徐々に小さくなりかつ径方向厚さが徐々に小さくなるように形成されている。すなわち、各爪状磁極部６２は、軸方向先端側ほど周方向及び径方向の双方において細くなるように形成されている。尚、各爪状磁極部６２は、周方向中心を挟んで周方向に左右対称となるように形成されていることが好ましい。

互いに周方向に隣接する第１爪状磁極部６２−１と第２爪状磁極部６２−２との間ごとに設けられた隙間空間６８は、軸方向斜めに延在しており、軸方向にかけてロータ２４の回転軸に対して所定角度で傾斜している。各隙間空間６８は、その周方向の大きさ（すなわち、寸法）が軸方向位置に応じて変化することがほとんど無いように、すなわち、その周方向寸法が一定若しくはその一定値を含む極僅かな範囲内に維持されるように設定されている。

尚、ロータ２４において磁気的なアンバランスが生じるのを回避するため、周方向のすべての隙間空間６８は同一形状であることが好ましい。しかし、特に片側方向にのみ回転するロータ２４においては、鉄損の低減などのために、爪状磁極部６２の形状を周方向中心を挟んで周方向に左右非対称形状として、隙間空間６８の軸方向位置ごとの周方向寸法を一定でないものとしてもよい。

界磁巻線５２は、ボス部５８と爪状磁極部６２との径方向隙間に配置されている。界磁巻線５２は、直流電流の流通により界磁コア５０に磁束を発生させ、通電により起磁力を発生させるコイル部材である。界磁巻線５２は、ボス部５８の外周側において軸回りに巻装されている。界磁巻線５２により発生した磁束は、ボス部５８及びディスク部６０を介して爪状磁極部６２に導かれる。すなわち、ボス部５８及びディスク部６０は、界磁巻線５２にて発生した磁束を爪状磁極部６２に導く磁路を形成する。界磁巻線５２は、発生磁束により第１爪状磁極部６２−１をＮ極に磁化させかつ第２爪状磁極部６２−２をＳ極に磁化させる機能を有する。

短絡部材５４は、爪状磁極部６２（すなわち、第１爪状磁極部６２−１及び第２爪状磁極部６２−２）の外周側に配置されてその爪状磁極部６２の外周を覆う円筒状の部材である。短絡部材５４は、爪状磁極部６２のディスク部６０との連接部からその爪状磁極部６２の軸方向先端までの距離程度の軸方向長さを有している。短絡部材５４は、径方向において所定厚さ（例えば、ロータ２４での機械強度と磁気性能とを両立させることができる例えば０．６ｍｍ〜１．０ｍｍ程度）を有する薄皮部材である。短絡部材５４は、爪状磁極部６２にその外周面側で対向して接すると共に、周方向に隣接する第１爪状磁極部６２−１と第２爪状磁極部６２−２との間の隙間空間６８をその径方向外側で閉じて、それらの爪状磁極部６２−１，６２−２同士を磁気的に接続する。

短絡部材５４は、鉄やケイ素鋼からなる電磁鋼板などの軟磁性材により構成されている。短絡部材５４は、円筒状に形成されたパイプ状部材であり、又は、所定部材が軸方向に沿って積層された積層部材である。短絡部材５４は、焼き嵌めや圧入，溶接或いはそれらの組み合わせなどによって爪状磁極部６２に対して固定される。短絡部材５４が積層部材である場合は、その積層は、打ち抜き加工した電磁鋼板などの複数枚の軟磁性の薄板部材が軸方向に沿って積層されたものであってよい。尚、各薄板部材はそれぞれ、渦電流損を抑制するために、軸方向に隣接する薄板部材に対して層間絶縁されていることが望ましい。また、その積層は、図７に示す如き一本の線状部材８０又は図８に示す如き一帯の帯状部材８２が螺旋状に延在して軸方向に沿って積層されたものであってもよい。この線状部材８０や帯状部材８２は、強度や磁気性能の観点から断面矩形状の角材であることが好ましいが、丸線或いは角部が湾曲したものであってよい。

短絡部材５４は、ロータ２４の外周面を滑らかにして、ロータ２４の外周面に形成される凹凸に起因する風切り音を低減する機能を有する。また、短絡部材５４は、周方向に並んだ複数の爪状磁極部６２を互いに連結して、各爪状磁極部６２の変形（特に径方向への変形）を抑える機能を有する。

永久磁石５６は、短絡部材５４の内周側に収容されていると共に、周方向に隣接する爪状磁極部６２の間すなわち第１爪状磁極部６２−１と第２爪状磁極部６２−２との間にその隙間空間６８を埋めるように配置されている磁極間磁石である。永久磁石５６は、隙間空間６８ごとに配置されており、隙間空間６８と同数の数だけ設けられている。各永久磁石５６は、隙間空間６８の形状に合わせてロータ２４の回転軸に対して斜めに傾斜して延在しており、概ね直方体形状に形成されている。永久磁石５６は、爪状磁極部６２間における磁束の漏れを低減して爪状磁極部６２とステータ２２のステータコア４０との間の磁束を強化する機能を有している。

永久磁石５６は、周方向に隣接する爪状磁極部６２の間の漏れ磁束を減少させる向きの磁極が形成されるように配置されている。永久磁石５６は、起磁力が周方向に向くように着磁されている。具体的には、永久磁石５６は、Ｎ極に磁化される第１爪状磁極部６２−１に対向する周方向の面の磁極がＮ極となり、かつ、Ｓ極に磁化される第２爪状磁極部６２−２に対向する周方向の面の磁極がＳ極となるように構成されている。尚、本実施形態は、永久磁石５６が着磁された後にロータ２４に組み込まれるものに適用することとしてもよいが、永久磁石５６がロータ２４に組み込まれた後に着磁されるものに適用することが好適である。

ハウジング２６は、ステータ２２及びロータ２４を収容するケース部材である。ハウジング２６は、回転シャフト６４ひいてはロータ２４を軸回りに回転可能に支持すると共に、ステータ２２を固定する。

ブラシ装置２８は、スリップリング７０と、ブラシ７２と、を有している。スリップリング７０は、回転シャフト６４の軸方向一端に固定されており、ロータ２４の界磁巻線５２に直流電流を供給する機能を有している。ブラシ７２は、２個一対設けられており、ハウジング２６に取り付け固定されたブラシホルダに保持されている。ブラシ７２は、その径方向内側の先端がスリップリング７０の表面に摺動するように回転シャフト６４側に押圧されつつ配置されている。ブラシ７２は、スリップリング７０を介して界磁巻線５２に直流電流を流す。

整流装置３０は、ステータ２２の電機子巻線４２に電気的に接続されている。整流装置３０は、電機子巻線４２で生じた交流を直流に整流して出力する装置である。電圧調整器３２は、界磁巻線５２に流す界磁電流を制御することにより回転電機２０の出力電圧を調整するためのものであり、電気負荷や発電量に応じて変化する出力電圧を略一定に維持させる機能を有している。プーリ３４は、車両エンジンの回転を回転電機２０のロータ２４に伝達するためのものであり、回転シャフト６４の軸方向他端に締め付け固定されている。

このような構造を有する回転電機２０においては、電源からブラシ装置２８を介してロータ２４の界磁巻線５２に直流電流が供給されると、その電流の通電により界磁巻線５２を貫いてボス部５８、ディスク部６０、及び爪状磁極部６２を流通する磁束が発生する。この磁束は、例えば、一方のポールコアのボス部５８→ディスク部６０→第１爪状磁極部６２−１→ステータコア４０→第２爪状磁極部６２−２→他方のポールコアのディスク部６０→ボス部５８→一方のポールコアのボス部５８の順に流れる磁気回路を形成する。この磁気回路は、ロータ２４の逆起電力を発生するものである。

上記の磁束が第１爪状磁極部６２−１及び第２爪状磁極部６２−２に導かれると、第１爪状磁極部６２−１がＮ極に磁化されると共に、第２爪状磁極部６２−２がＳ極に磁化される。かかる爪状磁極部６２の磁化が行われた状態で、電源から供給される直流が例えば三相交流に変換されて電機子巻線４２に供給されると、ロータ２４がステータ２２に対して回転する。従って、回転電機２０を、電機子巻線４２への電力供給により回転駆動させる電動機として機能させることができる。

また、回転電機２０のロータ２４は、車両エンジンの回転トルクがプーリ３４を介して回転シャフト６４に伝達されることにより回転する。かかるロータ２４の回転は、ステータ２２の電機子巻線４２に回転磁界を付与することで、電機子巻線４２に交流の起電力を発生させる。電機子巻線４２で発生した交流起電力は、整流装置３０を通って直流に整流された後、バッテリに供給される。従って、回転電機２０を、電機子巻線４２の起電力発生によりバッテリを充電させる発電機として機能させることができる。

次に、本実施形態の回転電機２０の特徴部について説明する。

本実施形態において、回転電機２０は、径方向に所定のエアギャップＧ０を空けて対向配置されたステータ２２及びロータ２４を備えている。ステータ２２は、電機子巻線４２が巻装される円筒状のステータコア４０を有している。電機子巻線４２のコイルエンド部４４は、ステータコア４０の軸方向端から軸方向外側に突出している。ロータ２４は、爪状磁極部６２の外周側にその外周面を覆うように配置された筒状の短絡部材５４を有している。短絡部材５４は、爪状磁極部６２に固定されている。

爪状磁極部６２は、軸方向端部がステータコア４０の軸方向端よりも軸方向外側にはみ出すように形成されている。また、短絡部材５４は、軸方向端部がステータコア４０の軸方向端よりも軸方向外側にはみ出すように形成されている。以下、このステータコア４０の軸方向端よりも軸方向外側にはみ出す短絡部材５４の軸方向端部を軸方向端部５４ｔとする。短絡部材５４は、ステータコア４０の軸方向長さＬｓよりも長い軸方向長さＬｔを有している。短絡部材５４は、ステータコア４０からのはみ出しが軸方向両側においてなされるように配置されており、その軸方向端部５４ｔがコイルエンド部４４に径方向で対向するように配置されている。短絡部材５４の軸方向端部５４ｔとコイルエンド部４４とは、ロータ２４（具体的には短絡部材５４）とステータ２２（具体的にはステータコア４０）との基準となる所定のエアギャップＧ０よりも大きなエアギャップを介して径方向に対向配置されている。

尚、ステータコア４０の「軸方向端」とは、図６に示す如く、ステータコア４０がロータ２４に対して所定のエアギャップＧ０を介して対向する部位のうちの軸方向端Ｃのことである。例えば、図９に示す如く、ステータコア４０が、軸方向両側（尚、軸方向片側でもよい。）においてロータ２４との対向面が軸方向端にかけてエアギャップが広がるようにテーパ状に形成されたテーパ部を有する場合は、上記したステータコア４０の軸方向長さＬｓは、テーパ部を含めたものでなく、テーパ部を含めないものであって、ステータコア４０の「軸方向端」は、ステータコア４０のテーパ部を含めた軸方向端ではなく、ロータ２４に対して所定のエアギャップＧ０を介して対向する部位のうちの軸方向端Ｃであって、その対向部位とテーパ部との境界位置のことである。

かかる構造を有する回転電機２０においては、円筒状の短絡部材５４の軸方向端部５４ｔがステータコア４０の軸方向端よりも軸方向外側にはみ出しているので、そのはみ出している短絡部材５４の軸方向端部５４ｔに破損が生じた場合にも、その短絡部材５４の破損部がステータコア４０の内径側にあるティースやスロットに引っ掛かり難い。また、その短絡部材５４の軸方向端部５４ｔとコイルエンド部４４とのエアギャップは、短絡部材５４の軸方向中央部とステータコア４０との所定のエアギャップＧ０よりも大きいので、短絡部材５４の破損部がコイルエンド部４４に引っ掛かり難い。従って、回転電機２０によれば、経時変化に伴って短絡部材５４の軸方向端部５４ｔが破損したときにその破損に起因してロータ２４がロックするのを確実に防止することができる。

特に、第１爪状磁極部６２−１と第２爪状磁極部６２−２とは、軸方向根元側（又は軸方向先端側）が互いに軸方向逆側となるように周方向に交互に配置されており、互いに異なる極性に磁化される。また、短絡部材５４は、ステータコア４０からのはみ出しが軸方向両側においてなされるように配置されている。回転電機２０の回転中における遠心力による応力は爪状磁極部６２の軸方向先端に集中するので、爪状磁極部６２の撓み量は、軸方向中央部で小さく、爪状磁極部６２の軸方向先端ほど大きい。爪状磁極部６２の軸方向先端部を含む軸方向端部は、ステータコア４０の軸方向端よりも軸方向外側にはみ出している。

従って、回転電機２０によれば、回転中に撓み量が大きくなる爪状磁極部６２の軸方向先端部がステータコア４０に対して軸方向外側に配置されていることで、その爪状磁極部６２の経時変化に伴う変形を、ステータコア４０に対向しない位置であってステータコア４０の軸方向外側で生じさせ易くすることができる。このため、爪状磁極部６２の変形に伴って短絡部材５４の軸方向先端部が破損しても、その破損に起因してロータ２４がロックするのを確実に防止することができる。

本実施形態においては、ロータ２４の短絡部材５４の軸方向先端部を含む軸方向端部５４ｔが破損したことを検知するために、短絡部材５４がその軸方向端部５４ｔがコイルエンド部４４に径方向で対向するように配置されていると共に、ステータ２２の電機子巻線４２に流れる電流を検出する電流センサなどが設けられる。短絡部材５４の軸方向端部５４ｔが破損し更にはその破損部が飛散した場合は、その破損部が回転中における遠心力により径方向外側へ変位し易くなり、電機子巻線４２のコイルエンド部４４に接触し易くなる。短絡部材５４の破損部がコイルエンド部４４に接触すると、電機子巻線４２が電気的に短絡部材５４と短絡するので、電機子巻線４２に正常時には流れない異常な電流が流れる。電流センサは、電機子巻線４２に流れる電流を検出する。電流センサが電気的に接続するコントローラは、電流センサを用いて検出した電流に基づいて、電機子巻線４２に流れる異常な電流を検出することで、電機子巻線４２の短絡を検出する。そして、コントローラは、短絡部材５４の破損を検知する。

回転電機２０においては、爪状磁極部６２は軸方向先端部ほど回転中に撓み量が大きくなる部材であるので、短絡部材５４の軸方向先端部の破損を、短絡部材５４の軸方向先端部以外の部位の破損よりも先行して生じさせることができる。かかる構成によれば、経時変化に伴って短絡部材５４の全体が破損する前、短絡部材５４の軸方向先端部が破損したときに、その破損部を電機子巻線４２のコイルエンド部４４に接触させることができる。このため、回転電機２０の構造によれば、経時変化に伴って短絡部材５４に破損が生じることを事前に或いはその初期段階で電流センサなどを用いて検知させ易くすることができる。

従って、本実施形態の構成によれば、経時変化に伴う短絡部材５４の破損を事前に或いはその初期段階で電流センサ及びコントローラなどを用いて検知することができ、その破損検知後に修理や部品交換などを施すことで、短絡部材５４の破損に起因したロータ２４とステータ２２との噛み合いによるロータ２４のロックを確実に防止することが可能である。

以上、説明したことから明らかなように、回転電機２０は、ステータコア４０と、ステータコア４０に巻装されている電機子巻線４２と、を有するステータ２２と、筒状のボス部５８及びボス部５８の外周側に配置されて周方向に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６２を有する界磁コア５０と、ボス部５８の外周側に巻装されている界磁巻線５２と、爪状磁極部６２の外周側に爪状磁極部６２の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う爪状磁極部６２同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材５４と、を有し、ステータ２２の内周側に径方向に対向して配置されたロータ２４と、を備えている。そして、短絡部材５４は、軸方向端部５４ｔがステータコア４０の軸方向端よりも軸方向外側にはみ出すように形成されている。

この構成によれば、爪状磁極部６２の外周面を覆う円筒状の短絡部材５４の軸方向端部５４ｔがステータコア４０の軸方向端よりも軸方向外側にはみ出しているので、そのはみ出している短絡部材５４の軸方向端部５４ｔに破損が生じた場合にも、ステータコア４０の内径側にその短絡部材５４の破損部が引っ掛かり難くなる。従って、回転電機２０によれば、経時変化に伴って短絡部材５４の軸方向端部５４ｔが破損したときにその破損に起因してロータ２４がロックするのを確実に防止することができる。

また、回転電機２０において、短絡部材５４は、軸方向端部５４ｔがステータコア４０の軸方向端から軸方向外側に突出する電機子巻線４２のコイルエンド部４４に径方向で対向するように配置されている。

この構成によれば、短絡部材５４の軸方向端部５４ｔがコイルエンド部４４に径方向で対向するので、短絡部材５４の軸方向端部５４ｔが破損したときにその破損部を回転中における遠心力によりコイルエンド部４４に接触させ易くすることができる。このため、コイルエンド部４４に流れる電流の異常有無に基づいて短絡部材５４の破損を検知させることが可能である。

ところで、上記の実施形態においては、短絡部材５４をその軸方向端部５４ｔがステータコア４０の軸方向端よりも軸方向外側にはみ出すように形成することとしている。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、そのステータコア４０の軸方向端から軸方向外側にはみ出る短絡部材５４の軸方向端部５４ｔに、他部よりも破損が生じ易いような処理が施されるものとしてもよい。

例えば、その短絡部材５４の軸方向端部５４ｔに溶接加工を施すことで、その軸方向端部５４ｔを他部よりも脆くしてその軸方向端部５４ｔの強度を他部の強度よりも低くすることとしてもよい。尚、この溶接加工は、短絡部材５４を爪状磁極部６２に固定するうえで行われるものであればよく、爪状磁極部６２ごとに行われるものであればよい。かかる変形例の構成によれば、短絡部材５４の軸方向端部５４ｔが軸方向中央部よりも脆いので、短絡部材５４の軸方向端部５４ｔの破損を、軸方向端部５４ｔ以外の軸方向中央部の破損よりも先行して生じさせ易くすることができる。このため、経時変化に伴う短絡部材５４の破損を事前に或いはその初期段階で検知させ易くすることができる。

また、上記の短絡部材５４の軸方向端部５４ｔにかしめ加工を施すことで、その軸方向端部５４ｔを他部よりも脆くしてその軸方向端部５４ｔの強度を他部の強度よりも低くすることとしてもよい。尚、このかしめ加工は、短絡部材５４を爪状磁極部６２に固定するうえで行われるものであればよく、爪状磁極部６２ごとに行われるものであればよい。かかる変形例の構成によれば、軸方向端部５４ｔにおいてかしめにより材料が塑性変形して形状変化が生じると共に加工硬化が生じるので、特に生材と加工硬化部との境目に大きな応力集中を生じさせ易くすることができる。このため、短絡部材５４の軸方向端部５４ｔの破損を、軸方向端部５４ｔ以外の軸方向中央部の破損よりも先行して生じさせ易くすることができるので、経時変化に伴う短絡部材５４の破損を事前に或いはその初期段階で検知させ易くすることができる。

また、上記の短絡部材５４の軸方向端部５４ｔにプレス加工を施すことで、その軸方向端部５４ｔを他部よりも脆くしてその軸方向端部５４ｔの強度を他部の強度よりも低くすることとしてもよい。かかる変形例の構成によれば、軸方向端部５４ｔにおいてプレスにより材料が塑性変形して形状変化が生じると共に加工硬化が生じるので、特に生材と加工硬化部との境目に大きな応力集中を生じさせ易くすることができる。このため、短絡部材５４の軸方向端部５４ｔの破損を、軸方向端部５４ｔ以外の軸方向中央部の破損よりも先行して生じさせ易くすることができるので、経時変化に伴う短絡部材５４の破損を事前に或いはその初期段階で検知させ易くすることができる。

また、上記の短絡部材５４を、軸方向端部５４ｔの材料が他部（具体的には、軸方向中央部）の材料と異なるように構成することで、その軸方向端部５４ｔを他部よりも脆くしてその軸方向端部５４ｔの強度を他部の強度よりも低くすることとしてもよい。例えば、軸方向端部５４ｔの材料として、強度の低い低炭素材などを用いることとすればよい。また、軸方向端部５４ｔの材料は、軸方向中央部の材料に比して引張強度及び降伏点の少なくとも何れかが低くなるように設定されていることが好ましい。かかる変形例の構成によれば、短絡部材５４の軸方向端部５４ｔと軸方向中央部とに応力差を生じさせることができ、それらの材料の境目に破壊を生じさせ易くすることができる。このため、短絡部材５４の軸方向端部５４ｔの破損を、軸方向端部５４ｔ以外の軸方向中央部の破損よりも先行して生じさせ易くすることができるので、経時変化に伴う短絡部材５４の破損を事前に或いはその初期段階で検知させ易くすることができる。

尚、上記した軸方向端部５４ｔの材料が他部の材料と異なる短絡部材５４の変形例において、その短絡部材５４が所定部材が軸方向に沿って積層された積層部材であるときは、その所定部材を３層以上に積層するものとし、軸方向両側それぞれの軸方向端部５４ｔを構成する層の所定部材の材料を、軸方向中央部を構成する層の所定部材の材料と異ならせることとすればよい。またこの場合、軸方向端部５４ｔを構成するすべての層の所定部材の材料を、軸方向中央部を構成する層の所定部材の材料と異ならせることとしてもよいし、また、軸方向端部５４ｔを構成するすべての層のうち一部の層の所定部材の材料を、軸方向中央部を構成する層の所定部材の材料と異ならせることとしてもよい。

また、上記の短絡部材５４を、図１０、図１１、図１２、及び図１３に示す如く、軸方向端部５４ｔが他部（具体的には、軸方向中央部）に比べて径方向外側に向けて膨らむように形成することで、その軸方向端部５４ｔを他部よりも脆くしてその軸方向端部５４ｔの強度を他部の強度よりも低くすることとしてもよい。かかる変形例の構成によれば、短絡部材５４の膨らみがある軸方向端部５４ｔに作用する遠心力が、膨らみが無い軸方向中央部に作用する遠心力に比べて小さいので、その軸方向端部５４ｔに応力集中を生じさせ易くすることができる。このため、短絡部材５４の軸方向端部５４ｔの破損を、軸方向端部５４ｔ以外の軸方向中央部の破損よりも先行して生じさせ易くすることができるので、経時変化に伴う短絡部材５４の破損を事前に或いはその初期段階で検知させ易くすることができる。

尚、上記した軸方向端部５４ｔが他部に比べて径方向外側に向けて膨らむ短絡部材５４の変形例において、その短絡部材５４が、一本の線状部材又は一帯の帯状部材が螺旋状に延在して軸方向に沿って積層された積層部材であることが望ましい。これは、短絡部材５４の軸方向端部５４ｔに膨らみを設けつつその短絡部材５４を爪状磁極部６２に固定するうえでは、層間が繋がっていることが好ましいからである。またこの場合、短絡部材５４は、特に図１１に示す如く、軸方向端部５４ｔがある箇所から軸方向外側で径方向外側に向けて延びつつその先端側の曲率が軸方向中央部の曲率と異なる（具体的には、大きくなる）ように形成されていればよい。またこの場合、軸方向端部５４ｔを構成するすべての層を、軸方向中央部を構成する層に比べて径方向外側に向けて膨らむようにしてもよいし、また、軸方向端部５４ｔを構成するすべての層のうち一部の層（特に軸方向端の一層）を径方向外側に向けて膨らむようにしてもよい。

また、上記の如く、短絡部材５４は、焼き嵌めや圧入，溶接或いはそれらの組み合わせなどによって爪状磁極部６２に対して固定されるが、この固定は、短絡部材５４が爪状磁極部６２の軸方向先端部（具体的には、短絡部材５４の軸方向端部５４ｔに対向する部位）に溶接やかしめなどで接合されるものであってよい。かかる変形例の構成によれば、爪状磁極部６２のうち遠心力による応力が最も高い軸方向先端部に短絡部材５４が接合されるため、短絡部材５４をその軸方向端部５４ｔにある接合部で破損させ易くすることができる。このため、経時変化に伴う短絡部材５４の破損を事前に或いはその初期段階で検知させ易くすることができる。尚、この短絡部材５４の、爪状磁極部６２の軸方向先端部に対する接合は、爪状磁極部６２ごとに行われるものであってもよいが、極端な強度低下を生じさせないために、何れかの爪状磁極部６２のみに行われるものであってよく、一極の爪状磁極部６２のみに行われることが好ましい。

上記の実施形態においては、短絡部材５４の軸方向端部５４ｔがステータコア４０の軸方向端よりも軸方向外側にはみ出るが、短絡部材５４が所定部材が軸方向に沿って積層された積層部材であるときは、この軸方向端部５４ｔは、ステータコア４０の軸方向端よりも一層分だけ軸方向外側にはみ出していればよい。かかる変形例の構成によれば、短絡部材５４が円筒状のパイプ状部材からなる構成と異なり、短絡部材５４の破損が生じる層を軸方向最外殻の一層に限定することができ、短絡部材５４の破損がその軸方向最外殻の一層よりも軸方向内側にある層で生じるのを防止することができる。従って、短絡部材５４の、ステータコア４０の軸方向端からの軸方向外側へのはみ出し量を抑えつつ、短絡部材５４の破損部をステータコア４０の内径側に引っ掛かり難くすることができる。尚、上記した一層分のはみ出しは、一本の線状部材８０又は一帯の帯状部材８２が螺旋状に延在して軸方向に沿って積層された短絡部材５４、又は、電磁鋼板などの薄板部材が軸方向に沿って積層された短絡部材５４に適用されることとすればよい。

上記の実施形態においては、短絡部材５４が爪状磁極部６２に対して固定されるが、この固定は、爪状磁極部６２及び短絡部材５４に形成された、ステータ２２とロータ２４との対向面に対して突出する突部とその対向面に対して凹んだ溝部とが嵌合した状態で実現されるものであってもよい。例えば、爪状磁極部６２の外周面に図１４に示す如き溝部９０を形成すると共に短絡部材５４の内周面に突部９２を形成し、その溝部９０にその突部９２を嵌合させることにより、その短絡部材５４を爪状磁極部６２に固定するものであってもよい。また、爪状磁極部６２の外周面に図１５に示す如き突部９４を形成すると共に短絡部材５４の内周面に溝部９６を形成し、その突部９４をその溝部９６に嵌合させることにより、その短絡部材５４を爪状磁極部６２に固定するものであってもよい。

かかる変形例の構成によれば、ロータ２４に形成される磁気回路上の凹凸を利用して、短絡部材５４と爪状磁極部６２とを固定することができると共に、爪状磁極部６２におけるｑ軸インダクタンスを上げ或いはｄ軸インダクタンスを下げてリラクタンストルクを発生させることができるので、トルク向上を図ることができる。

上記の実施形態においては、短絡部材５４の破損の検知を、電流センサを用いて検出されるコイルエンド部４４に流れる電流に基づいて行うこととしている。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、コイルエンド部４４の両端に生じる電圧を検出して、その電圧に基づいて短絡部材５４の破損を検知することとしてもよい。

尚、本発明は、上述した実施形態や変形例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の変更を施すことが可能である。

２０・・・回転電機、２２・・・ステータ、２４・・・ロータ、４０・・・ステータコア、４２・・・電機子巻線、４４・・・コイルエンド部、５０・・・界磁コア、５２・・・界磁巻線、５４・・・短絡部材、５４ｔ・・・軸方向端部、５８・・・ボス部、６２・・・爪状磁極部、８０・・・線状部材、８２・・・帯状部材、９０，９６・・・溝部、９２，９４・・・突部。

Claims (9)

1. ステータコア（４０）と、前記ステータコアに巻装されている電機子巻線（４２）と、を有するステータ（２２）と、
   筒状のボス部（５８）及び前記ボス部の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（６２）を有する界磁コア（５０）と、前記ボス部の外周側に巻装されている界磁巻線（５２）と、前記磁極部の外周側に前記磁極部の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う前記磁極部同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材（５４）と、を有し、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（２４）と、
   を備える回転電機（２０）であって、
   前記短絡部材は、軸方向端部（５４ｔ）が前記ステータコアの軸方向端よりも軸方向外側にはみ出すように形成されていると共に、前記軸方向端部の材料が他部の材料と異なるように構成されている回転電機。
2. 前記短絡部材は、所定部材が軸方向に沿って３層以上に積層された積層部材であり、軸方向両側それぞれの前記軸方向端部を構成する層の前記所定部材の材料が前記他部を構成する層の前記所定部材の材料と異なるように構成されている請求項１記載の回転電機。
3. ステータコア（４０）と、前記ステータコアに巻装されている電機子巻線（４２）と、を有するステータ（２２）と、
   筒状のボス部（５８）及び前記ボス部の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（６２）を有する界磁コア（５０）と、前記ボス部の外周側に巻装されている界磁巻線（５２）と、前記磁極部の外周側に前記磁極部の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う前記磁極部同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材（５４）と、を有し、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（２４）と、
   を備える回転電機（２０）であって、
   前記短絡部材は、軸方向端部（５４ｔ）が前記ステータコアの軸方向端よりも軸方向外側にはみ出しかつ前記軸方向端部が他部に比べて径方向外側に向けて膨らむように形成されている回転電機。
4. 前記短絡部材は、線状部材又は帯状部材が螺旋状に延在して軸方向に沿って積層された積層部材であり、前記軸方向端部の曲率が前記他部の曲率と異なるように形成されている請求項３記載の回転電機。
5. ステータコア（４０）と、前記ステータコアに巻装されている電機子巻線（４２）と、を有するステータ（２２）と、
   筒状のボス部（５８）及び前記ボス部の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（６２）を有する界磁コア（５０）と、前記ボス部の外周側に巻装されている界磁巻線（５２）と、前記磁極部の外周側に前記磁極部の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う前記磁極部同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材（５４）と、を有し、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（２４）と、
   を備える回転電機（２０）であって、
   前記短絡部材は、所定部材が軸方向に沿って積層された積層部材であり、軸方向端部（５４ｔ）が前記ステータコアの軸方向端よりも軸方向外側にはみ出すように形成されており、
   前記短絡部材の前記軸方向端部は、前記ステータコアの軸方向端よりも一層分だけ軸方向外側にはみ出している回転電機。
6. ステータコア（４０）と、前記ステータコアに巻装されている電機子巻線（４２）と、を有するステータ（２２）と、
   筒状のボス部（５８）及び前記ボス部の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（６２）を有する界磁コア（５０）と、前記ボス部の外周側に巻装されている界磁巻線（５２）と、前記磁極部の外周側に前記磁極部の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う前記磁極部同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材（５４）と、を有し、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（２４）と、
   を備える回転電機（２０）であって、
   前記短絡部材は、軸方向端部（５４ｔ）が前記ステータコアの軸方向端よりも軸方向外側にはみ出すように形成されており、
   前記短絡部材は、前記磁極部及び前記短絡部材に形成された、前記ステータと前記ロータとの対向面に対して突出する突部（９２，９４）と凹んだ溝部（９０，９６）とが嵌合した状態で前記磁極部に固定されている回転電機。
7. 前記短絡部材の前記軸方向端部は、溶接加工、かしめ加工、又はプレス加工が施された部位である請求項５又は６記載の回転電機。
8. 前記磁極部は、前記ボス部の軸方向一端側に連接すると共に、軸方向に沿って爪状に突出する爪状磁極部であり、
   前記短絡部材は、前記磁極部の軸方向先端に接合されている請求項１乃至７の何れか一項記載の回転電機。
9. 前記短絡部材は、前記軸方向端部が前記ステータコアの軸方向端から軸方向外側に突出する前記電機子巻線のコイルエンド部（４４）に径方向で対向するように配置されている請求項１乃至８の何れか一項記載の回転電機。

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