JP7002499B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本願は、回転電機に関するものである。

車両用交流発電機は、限られたエンジンルーム内に配置されるため小型化の要求がある。また、車載機器の電動化などにより車両の電気負荷増大により、車両用交流発電機は高出力化の要求もある。したがって、車両用交流発電機の単位体積当たりの出力電流は増加傾向にあり、必要な冷却能力は一段と高くなっている。

例えば、特許文献１には、車両用交流発電装置の冷却効率を向上させるため、冷却ファンの回転方向前進側の羽根とは間隙を有する状態で、羽根の外径先端縁部を回転方向前進側に向けて折り曲げ、流入口から流入した冷却風を補足して冷却風流路に案内する冷却ファン構造が提案されている。

また、冷却ファンの大型化または冷却ファンの羽根枚数の増加などにより、冷却風量を増加すると、ファン騒音も増加し、車内外騒音が大きくなる課題に対して、例えば特許文献２には、冷却ファンの翼ピッチを工夫することで、ファン騒音を低減する方策が開示されている。

実公平８－３１６９号公報 特許第６３６６８５１号

車両用交流発電装置の冷却効率向上には一般に冷却ファンの大型化または冷却風流路へ誘導するファン形状を構成した反面、風騒音が大きくなる課題があった。冷却ファンによる風量を増やし、風騒音を大きくすることは車室内ユーザへの耳障りな聴感に繋がる。

車両用交流発電装置はエンジンの回転に伴い、冷却ファンが取り付けられた回転子が回転する事によって発電する。エンジンが低回転から高回転に移行するに従い冷却ファンが回転数に比例して風量を増加させる為、風騒音が増大する。

また、冷却ファンの翼ピッチを工夫しても、それぞれの翼に発生する騒音源となる渦の発生を根本的に抑制していないので、特定の次数成分を低減することは可能であるが、オーバーオールを大きく押し下げるほどの低騒音化は期待できない。

本願は、上記の課題を解決するためになされたものであり、交流発電装置などの回転電機の静音性を大幅に向上し、風騒音を抑制する冷却ファンを備えた回転電機を提供する。

本願に開示される回転電機は、ケーシング内部に収容され、回転軸と同期して回転する回転子に環状に固定された冷却ファンにより、ケーシング外からケーシング内に通風させて冷却するものであって、冷却ファンは、内周から外周方向に伸びるファンブレードと、ファンブレードの回転軸方向端部に形成され、回転方向、もしくは反回転方向、もしくは回転方向と反回転方向に延びる突部と、を有し、ファンブレードは、内周から前記ケーシングに形成される通風口の最外径まで、傾斜をもって高くなり、ケーシングとの回転軸方向の間隙のうち、突部とケーシングとの間隙が最小となるように形成され、突部の周方向長さをｈ、最小となる間隙の幅をｔとするとき、ｈ／ｔ≧１／４であることを特徴とする。

本願に開示される回転電機によれば、反回転方向に形成された突部により、ファンブレードの回転方向と反回転方向の差圧が小さくなり、騒音レベルを抑制できる。

実施の形態１に係る車両用回転電機の断面構造の一例を概略的に記載した模式図である。 冷却ファンに、騒音を抑制するプレートを配置した回転電機の斜視図である。 実施の形態１に係る冷却ファンの冷却風の圧力差の一例を概略的に記載した模式図である。 実施の形態１に係る冷却ファンに形成された突部の一例を示す図である。 実施の形態１に係る冷却ファンに形成された突部の他の一例を示す図である。 実施の形態１に係る冷却ファンに形成された突部の折り曲げ角度を説明する図である。 実施の形態１に係る冷却ファンに形成された突部の形状を説明する図である。 実施の形態１に係る冷却ファンに形成された突部の形状を説明する別の図である。 実施の形態１に係る冷却ファンに形成された突部の形状を説明する別の図である。 実施の形態１に係る冷却ファンに形成された突部の形状を説明する別の図である。 図１の円部Ｗで示された部分の拡大図である。 実施の形態１の冷却ファンに形成された突部の長さと冷却ファンとケーシングとのギャップとの割合と、騒音との関係を説明する図である。

以下に、本願の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本願が限定されるものではない。また、以下に説明する図面においては各構成部材の大きさは実際の装置とは異なる場合がある。また、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。

実施の形態１．
本実施の形態では、車両用回転電機を例にとり、説明する。図１は実施の形態１に係わる車両用回転電機の断面構造の一例を概略的に記載した模式図である。車両用回転電機１は、シャフト６に固定された回転子８と、回転子８と隙間をあけて回転子８の外周を囲む固定子９と、がケーシング４内に収められている。ケーシング４はシャフト６の軸方向の両側にそれぞれベアリング５を有している。このベアリング５によってシャフト６を支持する。両側のベアリング５の間にある回転子８はシャフト６と一体的に回転する。

ケーシング４から突出したシャフト６の一方の端にベルトなどによって外部の駆動力が伝達されるプーリ７が固定される。また、その反対側となるシャフト６の他方の端に、回転子８のコイルの電流を流すための一対のスリップリング１０が設けられている。以下では、プーリ７が固定された側をフロント側、スリップリング１０が設けられた側をリア側として説明する。

実施の形態１の車両用回転電機１はランデル型（クローポール型ともいう）の回転電機である。回転子８は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回され、励磁電流が流れて磁束を発生する界磁巻線８１と、発生する磁束によって磁極が形成され、界磁巻線８１を覆うように設けられている界磁鉄心８２とからなる。界磁鉄心８２は、フロント側とリア側とが異なる磁極となるように分かれ、それぞれが６個あるいは８個の爪を有している。フロント側とリア側との界磁鉄心８２の爪同士がシャフト６の回転方向に間隔をあけて交互にずれるように配置される。例えば、フロント側とリア側とがそれぞれ６個の爪を有する場合には３０度、８個の爪を有する場合には２２．５度ずれ、フロント側の爪の先がリア側に伸び、リア側の爪の先がフロント側に伸びて、組み合った配置とされる。

固定子９は、微小な隙間をあけて回転子８を取り囲むよう配設され、円筒状の固定子鉄心９１と、固定子鉄心９１に巻装され、回転子８の回転に伴い、界磁巻線８１からの磁束の変化によって交流が生じる固定子コイル９２と、を備えている。

ケーシング４はフロント側ハウジング２とリア側ハウジング３とからなり、それらは固定子９の外側でシャフト６の軸方向に、長手のボルトによって接続されている。固定子９は、固定子鉄心９１をフロント側ハウジング２及びリア側ハウジング３の開口端に軸方向両端から挟持される。フロント側ハウジング２とリア側ハウジング３とは固定子９の外周の全体をカバーしておらず、固定子９の外周の一部が外部に露出するように開口部が設けられている。

スリップリング１０はリア側ハウジング３からリア側に突出したシャフト６の部分に設けられる。シャフト６のリア側に突出した部分は、保護カバー２７によって覆われる。保護カバー２７は外部からの風が流通できるように、多くの開口部が設けられており、例えば、格子状の部材からなっている。

保護カバー２７とリア側ハウジング３との間には、スリップリング１０の表面に摺動するブラシ１１、ブラシ１１を収容するブラシホルダ１７、ブラシ１１に隣接されて固定子９で生じた交流電圧の大きさを調整する電圧調整器１２、固定子９で生じる交流電圧を直流電圧に整流する整流装置１３などが備えられる。

固定子９の固定子コイル９２とのリード線９２１はリア側ハウジング３から保護カバー２７内まで引き出されて、サーキットボード１９の端子に結線され、整流装置１３と固定子コイル９２とが電気的に接続される。保護カバー２７の外周には電圧調整器１２と外部装置（図示せず）との信号の入出力を行うコネクタ２０が固定される。

フロント側ハウジング２からフロント側に突出したシャフト６の部分にプーリ７が固定されている。フロント側ハウジング２にはフロントベアリング収納部２１Ａがあり、このフロントベアリング収納部２１Ａにベアリング５を組付け、ほぼベアリング外輪を覆うようなリテーナ１５を配し、フロント側ハウジング２の外側からネジ１６を締結している。

上述した構造を有する車両用回転電機１は、ベルト等を介してプーリ７にエンジンからの回転が伝えられると回転子８が回転する。このとき、界磁巻線８１に励磁電圧を印加することにより界磁鉄心８２のそれぞれの爪部が励磁され、固定子コイル９２に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置１３の出力端子からは予め定められた直流電流が取り出される。

フロント側とリア側の界磁鉄心８２の６個あるいは８個の爪を有する面と反対の面に冷却ファン８３、８４を構成する。車両用回転電機１が回転するとシャフト６と同方向である回転軸方向から冷却風が流入し、冷却ファン８３、８４によって径方向に経路を変更され、固定子９およびフロント側ハウジング２もしくはリア側ハウジング３に向かって冷却風が放出される冷却風流路が形成される。また、冷却ファン８３、８４の回転に伴い、風騒音も発生する。

風騒音の低下を図るために、図２のように、冷却ファン８３、８４の軸方向に、冷却ファン８３、８４と別体のプレート８０を配置し、冷却風の風流路を区切ることにより、上述した風の乱流を抑制し風騒音を低下させることができる。しかし、冷却ファン８３、８４とは別にプレート８０を配置、接合するために、コストもしくは工数を必要とする。

ここで、風騒音の発生のメカニズムを説明する。以後、フロント側の冷却ファン８３を例にとり、説明するが、リア側の冷却ファン８４も同様な構成により、同様な効果を奏する。

冷却ファン８３が回転し、冷却風を風流路へ誘導する際、冷却ファン８３のハウジング側、すなわち回転軸方向に切り起こされ、回転軸内周から外周に伸びるファンブレード８３ａには、図３Ａに示すようにファンブレード８３ａの回転方向と反回転方向において冷却風の圧力差が発生する。図３Ａは、シャフト６の回転軸に対して垂直の方向から冷却ファン８３のファンブレード８３ａを見た図である。この冷却風の圧力差により、圧力の大きい側から小さい側に空気が回り込み（図３Ａ中、矢印Ｐ参照）、空気の渦が発生する。この空気の渦により、風騒音が発生する。

このため、冷却風の圧力差を軽減させるために、図３Ｂで示すように、ファンブレード８３ａの先端をファンの反回転方向に折り曲げて、突部８５を形成した。これにより、反回転方向の負圧が小さくなり、ファンブレード８３ａの端部の差圧が小さくなる。これにより、発生する空気の渦を小さくすることができ、騒音レベルを抑制することができる。
また、空気の回り込みを抑制するために、図４のように、ファンブレード８３ａの先端をファンの回転方向に折り曲げて突部８５を形成してもよい。さらに、図５のように、突部８５はファンブレード８３ａの先端部に限るものではなく、空気の渦が発生するファンブレード８３ａの端部全体に形成してもよい。図５は回転方向に折り曲げた例を示したが、端部全体を反回転方向に折り曲げてもよい。

ファンブレード８３ａの先端の折り曲げ角度は、シャフト６の回転軸に垂直な面と平行、すなわち、ファンブレード８３ａに対し、直角に折り曲げて形成してもよい。これは、板金を折り曲げて加工する冷却ファン８３にとって加工しやすい形状であり、寸法精度を高くすることができる。

また、図６に示すように、シャフト６の回転軸に垂直な面Ｒから突部８５の高さ方向になす角をθとする（吸い込み側を正）。この場合、０°＜θ＜９０°に設定してもよい。これにより、突部８５による仕事が期待でき、風量を増やすことができる。

逆に、－９０°＜θ＜０°に設定してもよい。これにより、θの角度に誤差が生じてもファンブレード８３ａの高さはほとんど変わらないため、一定の風量を確保しやすい。

突部８５の形状は、図７Ａに示すように、突部８５の折り曲げ方向Ｓとファンブレード８３ａのブレード弦長方向Ｔのなす面を、ファン突部曲面とする。ファン突部曲面に垂直な方向から見たとき、斜線で示すような四角形の形状（略四角形を含む）とすると加工がしやすく、突部８５の寸法精度を出しやすい。また、突部８５を有するブレード弦長方向Ｔ全体にわたって渦を抑制する効果が期待できる。

さらに、図７Ｂに示すように突部８５を、三角形の形状（略三角形を含む）、図７Ｃに示すように二分楕円の形状（略二分楕円の形状を含む）、または図７Ｄに示すように四分楕円の形状（略四分楕円の形状を含む）としてもよい。冷却ファン８３の使用条件、通風経路、車両用回転電機の構造、または冷却ファン８３の形状により発生個所が変わる渦に応じて、突部８５を適した形状にすることにより、効果的に騒音を抑制することができる。

また、図８のように、冷却ファン８３のファンブレード８３ａの内径側の角に面取りを行ってもよい。または内径側を円形状に形成してもよい。これにより、吸い込み風の流れを阻害することなく、必要風量を確保し、低騒音の冷却ファンを得ることができる。

また、図９のように、冷却ファン８３のファンブレード８３ａの外径側の角に面取りを行ってもよい。または外径側を円形状に形成してもよい。これにより、冷却ファン８３の最外径を大きくすることなく、突部８５を設けることが可能である。冷却ファン８３の外径側質量の抑制により遠心力が低下し、冷却ファン８３に発生する応力を下げることができ、信頼性の高い冷却ファンを得ることができる。

また、図１０のように、冷却ファン８３のファンブレード８３ａの先端部に、突部８５、８６を設けても良い。先端部に発生する渦が大きいファンブレード８３ａに突部を複数設けることにより、風音低減効果が増大する。図１０の例では、互いに周方向反対側にそれぞれ突部８５、８６を設けているが、周方向の同じ方向に複数設けてもよい。

また、冷却ファン８３の全てのファンブレード８３ａに突部８５を形成しなくてもよく、特定の周波数の騒音を低減するために、選択されたファンブレード８３ａに対してのみ突部８５を形成してもよい。例えば、１３枚のファンブレードのうち、１０枚のファンブレードに突部８５を形成するようにしてもよい。

また、突部８５は、内周から外周方向に伸びるファンブレード８３ａの回転軸に近い側（本実施の形態では回転方向フロント側）に形成してもよく、回転軸から遠い外周側（本実施の形態では回転方向リア側）に形成してもよい。これによりフロント側またはリア側に起因する騒音を低減することが可能となる。

図１１は、図１の円部Ｗで示された部分の拡大図である。図１１Ｂは、図１１ＡをＹ方向から見た図である。ケーシング４の吸気のための通風口の最外径をＲ_ｉとし、突部８５の最内径をｒ_ｉとするとき、ｒ_ｉ≧Ｒ_ｉとしてもよい。これにより、吸い込みの流れを阻害することがないため、十分な風量を確保することができる。また、冷却ファン８３を板金で形成する際、ファンブレード８３ａの内径側に突部８５を設けると、展開図の構成が難しくなる可能性があるが、外径側であれば展開図の構成が容易になる。

さらに、図１１に示すように、ケーシング４とファンブレード８３ａとのクリアランスであるギャップｔが、突部８５で最小となるようにしてもよい。ここで、ギャップｔは、ケーシング４と突部８５との隙間に発生する渦スケールを表す寸法となる。これにより、渦が発生しやすいファンブレード８３ａの端部とケーシング４との隙間を小さくすることで渦を小さくすることができる。渦が小さくなれば、静音効果が高くなる。

図１２は、図１１で示した突部８５の回転方向の長さｈとギャップｔの割合と、騒音の大きさの関係を示した図である。図１２において、ｈ／ｔ≧１／４とすると、ギャップｔに生じる漏れ渦の渦抑制効果を得ることができ低騒音ファンを実現できる。特にｈ／ｔ≧１／２とすることで、渦抑制効果が顕著になり、より低騒音化することができる。

ファンブレード８３ａに発生する基本渦スケールはファンブレード８３ａの高さＬであり、突部８５の回転方向の長さｈをファンブレード８３ａの高さＬより大きくしても低騒音化の効果は限定的であるため、ｈ≦Ｌとし効果的に騒音を低減する。

前述した通り、以上の説明は、フロント側の冷却ファン８３に突部８５を形成することで説明したが、リア側の冷却ファン８４に突部８５と同様の突部を形成してもよい。また、突部の形成は、ファンブレード端部に発生する空気の渦の大きさに応じて、冷却ファン８３と冷却ファン８４の一方あるいは両方に形成してもよい。これにより、回転電機に取り付けられた全ての冷却ファンの風音低減を実現することができる。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１：車両用回転電機、２：フロント側ハウジング、３：リア側ハウジング、４：ケーシング、５：ベアリング、６：シャフト、７：プーリ、８：回転子、１０：スリップリング、１１：ブラシ、１２：電圧調整器、１３：整流装置、１７：ブラシホルダ、１９：サーキットボード、２０：コネクタ、２７：保護カバー、８１：界磁巻線、８２：界磁鉄心、８３、８４：冷却ファン、８３ａ：ファンブレード、８５、８６：突部、９：固定子、９１：固定子鉄心、９２：固定子コイル、９２１：リード線

Claims (8)

1. ケーシングの内部に収容され、回転軸と同期して回転する回転子に環状に固定された冷却ファンにより、前記ケーシング外から前記ケーシング内に通風させて冷却する回転電機において、前記冷却ファンは、内周から外周方向に伸びるファンブレードと、前記ファンブレードの回転軸方向端部に形成され、回転方向、もしくは反回転方向、もしくは回転方向と反回転方向に延びる突部と、を有し、前記ファンブレードは、内周から前記ケーシングに形成される通風口の最外径まで、傾斜をもって高くなり、前記ケーシングとの回転軸方向の間隙のうち、前記突部と前記ケーシングとの間隙が最小となるように形成され、前記突部の周方向長さをｈ、最小となる前記間隙の幅をｔとするとき、ｈ／ｔ≧１／４であることを特徴とする回転電機。
2. 前記ファンブレードと前記突部のなす角度は、直角であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記突部の折り曲げ方向と前記ファンブレードのブレード弦長方向のなす面は、四角形状、三角形状、楕円形状、二分楕円形状または四分楕円形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記ファンブレードは内周から外周方向に伸びており、内周側が、面取りされた形状または円形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記ファンブレードは内周から外周方向に伸びており、外周側が、面取りされた形状または円形状であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 前記突部は、複数のファンブレードのうちの選択されたファンブレードに形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機。
7. 前記冷却ファンは、フロント側およびリア側に配設され、前記突部は、フロント側およびリア側の冷却ファンのいずれか一方、または両方の冷却ファンに形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電機。
8. 前記回転軸から前記通風口の外形までの距離は、前記回転軸から前記突部の内径までの距離以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の回転電機。

Images