JP7002568B2

JP7002568B2 - 車両用回転電機の回転子およびその製造方法

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Publication number: JP7002568B2
Application number: JP2019565626A
Authority: JP
Inventors: 達生川島; 敏行吉澤; 利昭柏原; 将之坂口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2038-01-18
Also published as: CN111630757B; EP3742591B1; EP3742591A1; JPWO2019142286A1; EP3742591A4; CN111630757A; WO2019142286A1

Description

本発明は、車両用回転電機の回転子およびその製造方法に関するものである。

交流発電機等の車両用回転電機の回転子として、ランデル型の回転子鉄心を用いたものが知られている。一対のランデル型鉄心は、それぞれ外周に複数の爪状磁極を有し、互いの爪状磁極が噛み合うように軸方向に対向配置されている。周方向に隣接する爪状磁極の間には永久磁石が配置され、爪状磁極間の磁束の漏洩を防止している。

ランデル型鉄心を用いた回転子の先行例として、特許文献１には、爪状磁極の外径側端部において周方向に突出したつば部を設け、永久磁石の遠心方向への移動を抑制するようにした回転子が開示されている。

また、従来の車両用回転電機の回転子の製造方法として、特許文献２には、対向配置された一対の爪状磁極に回転子軸を圧入する前に、爪状磁極の間に永久磁石を挿入する工法が開示されている。また、特許文献３には、回転子鉄心の軸方向端面に冷却ファンを溶接する前に、爪状磁極の間に永久磁石を挿入する工法が開示されている。

さらに、特許文献４には、回転子鉄心の軸方向端面に冷却ファンを固定する際に、冷却ファンの一方の表面にプラス側の溶接電極とマイナス側の溶接電極の両方を当接させて抵抗溶接を行う工法が開示されている。この特許文献４によれば、従来２組の溶接電極が必要であった２箇所の同時溶接を１組の溶接電極で行うことができ、溶接電流を小さくすることが可能である。

特開２０１３－１６２６６８号公報ＣＮ１０２７３８９７８公報ＣＮ１０１７８９６５２公報特開２０１０－７４９８２号公報

上記のように構成された回転子において、永久磁石は、その永久磁石を挟んで隣り合う爪状磁極間の漏洩磁束を低減する向きに着磁されている。一方、特許文献２および特許文献３に示されるように、従来の回転子の製造方法では、永久磁石を爪状磁極の間に挿入した後に、回転子鉄心の軸方向端面に抵抗溶接により冷却ファンを固定していた。

その際、溶接時の大電流による生じる磁界の影響により、永久磁石が減磁、または望まない方向に着磁するという不具合が生じていた。特許文献４に開示された回転子の製造方法では、溶接電流を小さくして永久磁石が不要に着磁されることを低減しているが、溶接電流により発生する磁界の影響を完全に防ぐことはできない。

また、レーザ溶接等の電流を用いない溶接方法であっても、入熱により永久磁石が減磁する不具合が生じていた。永久磁石が減磁、または望まない方向に着磁すると、爪状磁極と固定子との間での磁束の受け渡しが確実に行われず、漏洩磁束が増加するという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、冷却ファンの溶接が永久磁石の磁力に影響を与えることなく製造可能な車両用回転電機の回転子、およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る車両用回転電機の回転子は、それぞれ外周に複数の爪状磁極を有し、互いの爪状磁極が噛み合うように軸方向に対向配置された一対の回転子鉄心と、一対の回転子鉄心が固定された回転子軸と、周方向に隣接する爪状磁極によって形成された磁石保持部に配置された棒状の永久磁石と、一対の回転子鉄心の軸方向端面に固定された冷却ファンと、一対の回転子鉄心の少なくとも一方の軸方向端面の側から磁石保持部に連通する冷却風通路とを備え、一対の回転子鉄心の少なくとも一方の軸方向端面に固定された冷却ファンは、冷却風通路の端部と軸方向に重ならず、且つ永久磁石の長手方向の延長線上の領域に干渉しないように配置され、回転子軸の中心から冷却ファンの外周までの最長距離が、回転子軸の中心から永久磁石の長手方向の延長線上の領域までの最短距離よりも小さいものである。

本発明に係る車両用回転電機の回転子の製造方法は、それぞれ外周に複数の爪状磁極を有し、互いの爪状磁極が噛み合うように軸方向に対向配置された一対の回転子鉄心に、回転子軸を圧入する工程と、回転子軸が圧入された一対の回転子鉄心の軸方向端面に、溶接により冷却ファンを固定する工程と、冷却ファンが固定された一対の回転子鉄心の周方向に隣接する爪状磁極によって形成された磁石保持部に、一対の回転子鉄心の少なくとも一方の軸方向端面の側から棒状の永久磁石を挿入する工程とを含み、一対の回転子鉄心の永久磁石が挿入される側の軸方向端面に固定された冷却ファンは、永久磁石を磁石保持部へ挿入する際の挿入経路に干渉しないように配置されているものである。

本発明に係る車両用回転電機の回転子によれば、一対の回転子鉄心の少なくとも一方の軸方向端面に固定された冷却ファンが、永久磁石の長手方向の延長線上の領域に干渉しないように配置されているので、冷却ファンが軸方向端面に固定された状態で、永久磁石を磁石保持部へ配置することができる。これにより、永久磁石は、冷却ファンの溶接時に発生する磁界または熱の影響を受けないため、爪状磁極間の磁束の漏洩を確実に防止することができる。

本発明に係る車両用回転電機の回転子の製造方法によれば、一対の回転子鉄心の軸方向端面に溶接により冷却ファンを固定した後に、磁石保持部に永久磁石を挿入するようにしたので、冷却ファンの溶接が永久磁石の磁力に影響を与えることなく製造可能であり、爪状磁極間の磁束の漏洩を確実に防止することができる。
この発明の上記以外の目的、特徴、観点および効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

本発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の正面図である。本発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の断面図である。本発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子において永久磁石を配置していない状態を示す側面図である。本発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子における爪状磁極と永久磁石を示す部分側面図である。本発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子における爪状磁極と永久磁石を示す部分断面図である。本発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子における爪状磁極と永久磁石の変形例を示す部分断面図である。本発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子の製造方法を説明する断面図である。本発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子の製造方法を説明する断面図である。本発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子の軸方向端面を示す模式図である。本発明の実施の形態２に係る車両用回転電機の回転子を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る車両用回転電機の回転子の軸方向端面を示す模式図である。

実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の回転子について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１に係る車両用回転電機の軸方向正面図、図２は、図１中、Ａ－Ａで示す部分を矢印の方向から見た断面図である。また、図３から図６は、本実施の形態１に係る回転子を説明する図、図７および図８は、本実施の形態１に係る回転子の製造方法を説明する図である。なお、各図において同一、相当部分には同一符号を付している。

本実施の形態１に係る車両用回転電機１は、図２に示すように、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を備えた制御装置一体型回転電機であり、内燃機関により駆動される車両に搭載される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。

回転電機本体２は、筒状の固定子４と、固定子４の内側に配置された回転子７と、固定子４および回転子７を支持するケース１１、およびブラシ２０等から構成される。固定子４は、筒状の固定子鉄心５と、この固定子鉄心５に設けられた電機子巻線としての固定子巻線６とを備えている。固定子巻線６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、回転子の回転に伴い交流電圧が誘起される。

回転子７は、回転子軸８と、回転子軸８に固定された一対の回転子鉄心９Ａ、９Ｂと、これらの回転子鉄心９Ａ、９Ｂにより包囲された界磁巻線としての回転子巻線１０とを備えている。回転子鉄心９Ａ、９Ｂはランデル型鉄心であり、所謂クローポール型磁極を構成している。

回転子鉄心９Ａ、９Ｂは、それぞれ、径方向の中心部に貫通孔を有する円筒状のボス部９ａと、このボス部９ａの軸方向端部に設けられたディスク部９ｂと、ディスク部９ｂの外周から軸方向に延びる複数、例えば８個の爪状磁極９ｃを有している。複数の爪状磁極９ｃは、周方向に等角ピッチで配置されている。

このように構成された一対の回転子鉄心９Ａ、９Ｂは、互いのボス部９ａの端面が突き合わされた状態で、互いの爪状磁極９ｃが噛み合うように軸方向に対向配置され、ボス部９ａの貫通孔９ｆに圧入された回転子軸８に固定されている。また、周方向に隣接する爪状磁極９ｃによって形成された磁石保持部２７には、棒状の永久磁石２８が配置されている。

ケース１１は、金属製のフロントブラケット１２、リヤブラケット１３、および締結ボルト１４を有している。フロントブラケット１２とリヤブラケット１３の間には固定子鉄心５が挟持され、複数の締結ボルト１４により締め付けられ固定されている。略椀形状のフロントブラケット１２とリヤブラケット１３は、それぞれ、底部に複数の吸気孔を有し、外周両肩部に複数の排気孔を有している。

回転子軸８は、フロントブラケット１２およびリヤブラケット１３を貫通し、フロントブラケット１２とリヤブラケット１３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９Ａ、９Ｂの外周部は、固定子４の内周と所定の間隙を介して対向配置されている。また、回転子鉄心９Ａ、９Ｂの軸方向端部には、回転子７と一体に回転される送風用の冷却ファン１６Ａ、１６Ｂが固定されている。

回転子軸８のフロントブラケット１２側の軸方向端部には、プーリ１７が固定されている。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）がプーリ１７に巻き掛けられ、この伝達ベルトを介して車両用回転電機１と内燃機関との間で動力の授受が行われる。また、回転子軸８のリヤブラケット１３側の軸方向端部の近傍には、回転子軸８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１０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８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１３に固定されたブラシホルダ２１に保持されている。ブラシ２０は、一対の押圧ばね２２により、各スリップリング１９に接触する方向に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７の回転に伴って摺動接触し、スリップリング１９を介して外部のバッテリ（図示せず）から回転子巻線１０に界磁電流が供給される。回転子巻線１０に界磁電流が流れると、一方の回転子鉄心９Ａ（または９Ｂ）の爪状磁極９ｃがＮ極に、他方の回転子鉄心９Ｂ（または９Ａ）の爪状磁極９ｃがＳ極に磁化される。

図１は、制御装置３のカバー２６を取り外した状態を示している。制御装置３は、パワー半導体装置を搭載したパワーモジュール構成体２３、パワーモジュール構成体２３を冷却するためのヒートシンク２４および冷却フィン２５等を有している。なお、制御装置３の詳細な構成については、本発明に直接関係しないため、ここでは説明を省略する。

次に、本実施の形態１に係る回転子７について、図３から図６を用いて詳細に説明する。図３は、永久磁石を配置していない回転子を示す側面図、図４は、回転子の爪状磁極と永久磁石を部分的に示す側面図である。また、図５および図６は、図４中、Ｂ－Ｂで示す部分を矢印の方向から見た部分断面図であり、図中、上側は回転子の径方向外側、下側は回転子の径方向内側である。

図３に示すように、回転子７は、回転子鉄心９Ａ、９Ｂそれぞれの爪状磁極９ｃが互いに噛み合うように構成され、一方の回転子鉄心９Ａの爪状磁極９ｃと、他方の回転子鉄心９Ｂの爪状磁極９ｃは、周方向に隣接するよう配置される。さらに、図４に示すように、周方向に隣接する爪状磁極９ｃの間には、棒状の永久磁石２８が配置される。永久磁石２８は、永久磁石２８を挟んで隣り合う２つの爪状磁極９ｃの間の漏洩磁束を低減する向きに着磁されている。回転子７に永久磁石２８を配置することにより、爪状磁極９ｃと固定子４の間で確実に磁束を受け渡すことができる。

図５に示すように、回転子鉄心９Ａ、９Ｂの爪状磁極９ｃの外径側端部には、永久磁石２８が遠心力により径方向外側に飛び出さないように、つば部９ｄが設けられている。また、図６に示す変形例のように、爪状磁極９ｃの内径側端部にも、つば部９ｅを設けることにより、磁石保持部２７内での永久磁石２８の位置決めを容易に行うことができる。

本実施の形態１に係る回転子７の製造方法について、図７および図８を用いて説明する。まず、図７（ａ）に示すように、径方向の中心部に貫通孔９ｆを有する円筒状のボス部９ａと、このボス部９ａの軸方向端部に設けられたディスク部９ｂと、ディスク部９ｂの外周から軸方向に延びる複数の爪状磁極９ｃを有する一方の回転子鉄心９Ａを用意する。

続いて、図７（ｂ）に示すように、一方の回転子鉄心９Ａに、樹脂材からなるボビン１０ａに巻かれた回転子巻線１０を固定する。次に、図７（ｃ）に示すように、一方の回転子鉄心９Ａに他方の回転子鉄心９Ｂを組み付ける。これにより、一対の回転子鉄心９Ａ、９Ｂは、互いの爪状磁極９ｃが噛み合うように軸方向に対向配置される。さらに、図７（ｄ）に示すように、一対の回転子鉄心９Ａ、９Ｂに設けられた貫通孔９ｆに、回転子軸８を圧入する。

続いて、図７（ｅ）に示すように、回転子軸８が圧入された一対の回転子鉄心９Ａ、９Ｂの軸方向端面に、抵抗溶接により冷却ファン１６Ａ、１６Ｂを固定する。冷却ファン１６Ａ、１６Ｂは、複数のブレード１６ａを有している。なお、冷却ファン１６Ａ、１６Ｂの溶接方法は、抵抗溶接に限定されるものではなく、レーザ溶接等を用いることもできる。

一対の回転子鉄心９Ａ、９Ｂの少なくとも一方（図７（ｅ）では回転子鉄心９Ｂ）は、永久磁石２８を冷却する冷却風が通る冷却風通路２９を有している。冷却風通路２９は、磁石保持部２７に連通する開口部である。回転子鉄心９Ｂの軸方向端面には、冷却風通路２９の端部と軸方向に重ならないように冷却ファン１６Ｂが配置される。また、回転子鉄心９Ａの軸方向端面には、別の冷却ファン１６Ａが固定される。

続いて、回転子鉄心９Ｂの軸方向端面の側から磁石保持部２７に永久磁石２８を挿入する。図８に示すように、回転子鉄心９Ｂの軸方向端面に固定された冷却ファン１６Ｂは、磁石保持部２７における永久磁石２８の長手方向の延長線上の領域、すなわち永久磁石２８を磁石保持部２７へ挿入する際の挿入経路３０に干渉しないように配置されている。以上の工程により、本実施の形態１における回転子７が完成する。

図９は、図８に示す回転子の一方の回転子鉄心の軸方向端面を示す模式図である。なお、図９では、便宜上、ブレード１６ａを平面的に描いているが、実際には立体的である。また、永久磁石２８の長手方向の延長線上の領域である挿入経路３０は、実際には紙面に対して垂直ではなく、図９では回転子鉄心９Ｂの軸方向端面を正面から見たときの挿入経路３０の位置を示している。回転子鉄心９Ｂの軸方向端面において、回転子軸８の中心から冷却ファン１６Ｂのブレード１６ａの外周までの最長距離Ｒ２は、回転子軸８の中心から挿入経路３０までの最短距離Ｒ１よりも小さく設計されている（Ｒ１＞Ｒ２）。

なお、本実施の形態１では、一対の回転子鉄心９Ａ、９Ｂの一方の軸方向端面の側から磁石保持部２７に永久磁石２８を挿入するようにしたが、両側から永久磁石２８を挿入するようにしてもよい。その場合、両側の軸方向端面に、永久磁石２８の挿入経路３０に干渉しない冷却ファン１６Ｂを設ける必要がある。

以上のように、本実施の形態１に係る車両用回転電機１の回転子７によれば、一対の回転子鉄心９Ａ、９Ｂの少なくとも一方の軸方向端面に固定された冷却ファン１６Ｂが、永久磁石２８の長手方向の延長線上の領域、すなわち永久磁石２８の挿入経路３０に干渉しないように配置されているので、冷却ファン１６Ｂ、１６Ｂが軸方向端面に固定された状態で、永久磁石２８を磁石保持部２７へ配置することができる。これにより、永久磁石２８は、冷却ファン１６Ａ、１６Ｂの溶接時に発生する磁界または熱の影響を受けないため、爪状磁極９ｃの間の磁束の漏洩を確実に防止することができる。

また、本実施の形態１に係る回転子７の製造方法によれば、一対の回転子鉄心９Ａ、９Ｂの軸方向端面に、溶接により冷却ファン１６Ａ、１６Ｂを固定した後に、永久磁石２８を磁石保持部２７に挿入することができるため、冷却ファン１６Ａ、１６Ｂの溶接が永久磁石２８の磁力に影響を与えることなく製造可能である。これにより、冷却ファン１６Ａ、１６Ｂの溶接時に発生する磁界または熱の影響により、永久磁石２８が減磁または望まない方向へ着磁する不具合を回避することができる。

また、冷却ファン１６Ｂは、冷却風通路２９の端部と軸方向に重ならないように配置されているため、冷却風が冷却風通路２９へ流入し易く、永久磁石２８に対して高い冷却効果を奏する。これらのことから、本実施の形態１によれば、従来の製造方法に比べて新たな工程または製造装置を追加することなく、製造コストの上昇を伴わずに、爪状磁極９ｃの間の磁束の漏洩を確実に防止することが可能な車両用回転電機１の回転子７を得ることができる。

実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２に係る車両用回転電機の回転子を示す断面図、図１１は、図１０に示す回転子の一方の回転子鉄心の軸方向端面を示す模式図である。なお、図１１では、便宜上、ブレード１６ａを平面的に描いているが、実際には立体的である。また、永久磁石２８の長手方向の延長線上の領域である挿入経路３０は、実際には紙面に対して垂直ではなく、図１１では回転子鉄心９Ｂの軸方向端面を正面から見たときの挿入経路３０の位置を示している。

本実施の形態２に係る回転子は、図１０に示すように、回転子鉄心９Ｂの軸方向端面に、上記実施の形態１の冷却ファン１６Ｂとは形状の異なる冷却ファン１６Ｃが固定されている。冷却ファン１６Ｃは、冷却ファン１６Ｂと同様に、永久磁石２８の長手方向の延長線上の領域、すなわち永久磁石２８の挿入経路３０に干渉しないように配置されている。

また、図１１に示すように、回転子鉄心９Ｂの軸方向端面において、回転子軸８の中心から冷却ファン１６Ｃのブレード１６ａの外周までの最長距離Ｒ３は、回転子軸８の中心から挿入経路３０までの最短距離Ｒ１よりも大きく設計されている（Ｒ１＜Ｒ３）。ただし、冷却ファン１６Ｃのブレード１６ａは、挿入経路３０を避けるように配置され、冷却ファン１６Ｃの最長距離Ｒ３の部分は、周方向に隣接する挿入経路３０の間に配置されている。

なお、本実施の形態２に係る車両用回転電機の回転子のその他の構成、車両用回転電機の全体構成、および回転子の製造方法については、上記実施の形態１と同様であるのでここでは説明を省略する。また、上記実施の形態１の冷却ファン１６Ｂは、７枚のブレード１６ａを有し、本実施の形態２の冷却ファン１６Ｃは、８枚のブレード１６ａを有しているが、本発明による冷却ファンのブレードの数または形状は、特に限定されるものではない。

本実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、冷却ファン１６Ｃのブレード１６ａの外周までの最長距離Ｒ３を上記実施の形態１よりも大きくしたので、回転子７の冷却性能の向上が図られる。なお、本発明は、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車両用回転電機、２回転電機本体、３制御装置、４固定子、５固定子鉄心、６固定子巻線、７回転子、８回転子軸、９Ａ、９Ｂ回転子鉄心、９ａボス部、９ｂディスク部、９ｃ爪状磁極、９ｄ、９ｅつば部、９ｆ貫通孔、１０回転子巻線、１０ａボビン、１１ケース、１２フロントブラケット、１３リヤブラケット、１４締結ボルト、１５軸受、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ冷却ファン、１６ａブレード、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ヒートシンク、２５冷却フィン、２６カバー、２７磁石保持部、２８永久磁石、２９冷却風通路、３０挿入経路

Claims

それぞれ外周に複数の爪状磁極を有し、互いの前記爪状磁極が噛み合うように軸方向に対向配置された一対の回転子鉄心と、
前記一対の回転子鉄心が固定された回転子軸と、
周方向に隣接する前記爪状磁極によって形成された磁石保持部に配置された棒状の永久磁石と、
前記一対の回転子鉄心の軸方向端面に固定された冷却ファンと、
前記一対の回転子鉄心の少なくとも一方の前記軸方向端面の側から前記磁石保持部に連通する冷却風通路とを備え、
前記一対の回転子鉄心の少なくとも一方の前記軸方向端面に固定された前記冷却ファンは、前記冷却風通路の端部と軸方向に重ならず、且つ前記永久磁石の長手方向の延長線上の領域に干渉しないように配置され、
前記回転子軸の中心から前記冷却ファンの外周までの最長距離が、前記回転子軸の中心から前記永久磁石の長手方向の延長線上の前記領域までの最短距離よりも小さいことを特徴とする車両用回転電機の回転子。
それぞれ外周に複数の爪状磁極を有し、互いの前記爪状磁極が噛み合うように軸方向に対向配置された一対の回転子鉄心に、回転子軸を圧入する工程と、
前記回転子軸が圧入された前記一対の回転子鉄心の軸方向端面に、溶接により冷却ファンを固定する工程と、
前記冷却ファンが固定された前記一対の回転子鉄心の周方向に隣接する前記爪状磁極によって形成された磁石保持部に、前記一対の回転子鉄心の少なくとも一方の前記軸方向端面の側から棒状の永久磁石を挿入する工程とを含み、
前記一対の回転子鉄心の前記永久磁石が挿入される側の前記軸方向端面に固定された前記冷却ファンは、前記永久磁石を前記磁石保持部へ挿入する際の挿入経路に干渉しないように配置されていることを特徴とする車両用回転電機の回転子の製造方法。
前記一対の回転子鉄心の前記永久磁石が挿入される側の前記軸方向端面において、前記冷却ファンは、前記回転子軸の中心から外周までの最長距離が、前記回転子軸の中心から前記挿入経路までの最短距離よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の車両用回転電機の回転子の製造方法。
前記一対の回転子鉄心の前記永久磁石が挿入される側の前記軸方向端面において、前記冷却ファンは、前記回転子軸の中心から外周までの最長距離が、前記回転子軸の中心から前記挿入経路までの最短距離よりも大きく、且つ、前記挿入経路を避けて配置されていることを特徴とする請求項２記載の車両用回転電機の回転子の製造方法。