JP7090771B1 - 回転電機 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、自動車1台当たりの電装品の数と消費電力は、増加傾向にあり、車両用発電機には、より発電量が大きく、効率の高い発電および駆動性能が求められている。
また、さらなる効率向上に向けて、電力変換機能およびセンシング機能を備える制御装置をモータと一体化し、エンジンのアシストまたはアイドリングストップ機能を実現する制御装置一体型の回転電機であるモータジェネレータが開発されている。
具体的な要因としては、磁石への意図しない電流の付加による磁石および磁石近傍部材に生じる外乱磁束、磁石の温度上昇による磁束密度の変化、界磁巻線への通電によって生じる磁束が鉄系合金で構成された回転子軸を通り道として磁石に伝達される界磁巻線の外乱磁束の伝達がある。特に、回転子軸にスリップリング装置とブラシを備える回転電機において、回転子軸の先端部に配置した磁石に対して近い位置にスリップリングおよびブラシのような通電部品が配置されるため、回転位置センサの検出精度を良好に保つための構成が必要となる。このような、課題に対して、回転位置の検出精度を高く保つための構造が提案されている。
特に、スリップリングおよびブラシを備える回転電機において、スリップリングとブラシの摺接部では、通電時にブラシとスリップリングの当接面で生じる電圧降下、ブラシとスリップリングの摩擦、ブラシとスリップリング間に生じる微小な隙間で生じることがあることが知られているプラズマ現象の影響で発熱が大きくなる。特に、プラズマ現象が生じたときにスリップリングおよびブラシの発熱が大きく、これらの部品を直近に備える回転位置検出用の磁石は、これらの熱の影響を防止することが必要である。
以下、本願の実施の形態1に係る回転電機について図に基づいて説明する。
図1は、実施の形態1に係る回転電機の全体構成を一部断面で示す概要図である。
ここで説明する回転電機は、モータジェネレータを示しているが、発電機と電動機の機能を備える他の車両用回転電機に適用することが可能である。
ここで、電力変換装置は、パワー回路部と、界磁回路部と、制御回路部9と、各回路を電気的に接続した接続部材(図示せず)と、リヤブラケット2に取り付けられ、これらの部材を収納する制御回路部筐体7とから構成されている。
このような回転電機200は、リヤブラケット2の軸方向外側端部に制御装置を搭載した、いわゆる制御装置一体型回転電機である。
図において、リヤブラケット2側に取り付けられた転がり軸受21から制御回路部筐体7側に突出された回転子軸3の外周には絶縁樹脂部34が設けられており、この絶縁樹脂部34の外周面に環状の第1のスリップリング32と、第2のスリップリング33が離間して取り付けられている。また、絶縁樹脂部34の内部には第1のスリップリング32および第2のスリップリング33と界磁巻線52とを接続するリード部材(図示せず)が設けられている。さらに、回転子軸3の先端には信号被検出部8を構成する磁石82が非磁性金属部材の磁石ホルダ81を介して取り付けられている。
しかしながら、転がり軸受21で支持された回転子軸3にプーリ31を介してベルトで動力を伝達する構成の回転電機200では、ベルトの張力によって転がり軸受21にラジアル隙間分の位置ずれが生じ、回転子軸3に微小な傾きが生じて、スリップリング32,33が偏芯するという問題がある。このため、スリップリング32,33とブラシ61,62の当接部において微小な隙間が生じ、プラズマ現象を発生することが判っている。
すなわち、回転子軸3の先端部付近に回転位置センサ用の磁石82と、スリップリング32,33およびブラシ61,62を備えるベルト駆動式の回転電機200においては、経済性に優れた転がり軸受21を採用するために、磁石82の温度上昇に対する課題を解決する必要がある。
スリップリング32,33は、導電性の金属部材で構成されており、電気抵抗が小さく耐摩耗性および摩擦係数を小さくすることが可能で長寿命とすることができる銅合金もしくはアルミニウム合金もしくは鉄合金が採用されている。一方、ブラシ61,62は、黒鉛を主成分として構成されている。
したがって、転がり軸受21に近い第2のスリップリング33側(負極側)では、電離エネルギーが小さい合金材料のスリップリングからブラシへ電子を放出する方向に電力が供給されるため、銅原子の電子が容易に分離して第2のブラシ62へ流れる。この際、ブラシ62とスリップリング33との間に微小な隙間が存在すると、電子が大気中に放出され、プラズマ現象が生じる。
一方、第1のスリップリング32側(正極側)では、電離エネルギーが比較的大きい黒鉛を主成分とするブラシ側からスリップリングが電子を受け取る方向に電力が供給されるため、第1のスリップリング32を構成する合金材料から電離した電子が大気中に放出するには至らず、プラズマ現象が生じない。
したがって、経済性に優れた転がり軸受21を採用することが可能となり、高効率な回転電機200を得ることができる。また、回転電機200が高い雰囲気温度中で使用される場合でも、回転位置センサの検出精度が低下せず、効率の高い動作を実現することができる。さらに、スリップリング32,33とブラシ61,62の長寿命化を実現することができ、これに伴う小型化、薄肉化を可能とし、使用する材料の低減による経済性の向上、環境負荷の低減、小型軽量化による効率のさらなる向上効果を得ることができる。
この隙間を最小限とすることによって、第2のスリップリング33で生じるプラズマ現象の発生頻度または発生時間を低減することができ、単位時間当たりに第2のスリップリング33で生じる発熱を低減できる。この際、スリップリング32,33を支持する絶縁樹脂部34およびスリップリング32,33に接続された電力供給用のターミナル(図示せず)は、第2のスリップリング33と転がり軸受21との距離を増大する原因にならず、また、絶縁樹脂部34は各部材を保持するために不可避な構成であるため、転がり軸受側とスリップリングが連続して配置されていることを否定するものではない。
この結果、スリップリング32,33で生じた熱の内、回転位置センサの磁石82へ伝導される熱の割合が大きく低下し、スリップリング32,33から他の構成部材および外気へ放出される熱の割合が大きくなる。これは、スリップリング32,33から磁石82へ熱伝導される熱量が、熱伝導経路の熱抵抗に反比例するという、基本的な伝熱工学に基づく現象である。この構成により、上述した回転電機200の発電駆動効率の向上、経済性の向上をさらに高める効果がある。
次に、実施の形態2に係る回転電機の要部構成を示す図3に基づいて説明する。
図において、回転位置センサの磁石82は、非磁性材料で構成された磁石ホルダ81に固定されており、この磁石ホルダ81は、非磁性材料で構成されたブッシュ83に締め代をもって圧入固定されている。また、このブッシュ83は、スリップリング32,33を固定する絶縁樹脂部34と一体成型により制作され、絶縁樹脂部34を介して回転子軸3に固定されている。
その他の構成は、実施の形態1と同じであるため、説明を省略する。
次に、実施の形態3に係る回転電機について要部断面を示す図5に基づいて説明する。
実施の形態3に係る回転電機200においては、スリップリング32,33を保持する絶縁樹脂部34から露出したブッシュ85に外周に突出した環状の突起85aを少なくとも1か所設けたものである。その他の構成は実施の形態2と同様である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願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、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
21:転がり軸受、 3:回転子軸、 31:プーリ、32:第1のスリップリング、
33:第2のスリップリング、 34:絶縁樹脂部、4:固定子、 5:回転子、
51:界磁鉄心、 52:界磁巻線、53:冷却ファン、 61:第1のブラシ、
62:第2のブラシ、 7:制御回路部筐体、8:信号被検出部、 81:磁石ホルダ、
82:磁石、 83:ブッシュ、84:凹み、 85:ブッシュ、 85a:突起、
200:回転電機
Claims (5)
- ブラケットに転がり軸受を介して回転可能に支持された回転子軸と、前記回転子軸に固定された界磁鉄心および界磁巻線を有する回転子と、前記回転子軸に絶縁樹脂部を介して取り付けられ、前記回転子の界磁巻線に接続された一対のスリップリングと、前記スリップリングに対向して摺動可能に配置され、前記回転子の界磁巻線に電力を供給する一対のブラシと、前記回転子軸の端部における前記絶縁樹脂部に一体成型された非磁性材料からなるブッシュと、前記ブッシュに締め代をもって固定された非磁性材料からなる磁石ホルダと、前記磁石ホルダに固定され、前記回転子の回転位置を検知するための回転位置センサの磁石とを備え、
前記一対のスリップリングは、前記ブラシから前記スリップリングに電子を放出する方向に電力を伝達する第1のスリップリングと、前記スリップリングから前記ブラシに電子を放出する方向に電力を伝達する第2のスリップリングとからなり、
前記回転子軸の軸方向に前記転がり軸受、前記第2のスリップリング、前記第1のスリップリング、前記回転位置センサの磁石の順に配置されていることを特徴とする回転電機。 - 前記磁石ホルダおよび前記ブッシュは、銅またはアルミ系金属からなる非磁性材料で構成されており、前記回転子軸と前記ブッシュ、前記ブッシュと前記磁石ホルダが当接されていることを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
- 前記磁石ホルダは、前記ブッシュに圧入されており、その圧入部内周壁に前記回転子軸の軸方向の凹みを有していることを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
- 前記ブッシュは、前記絶縁樹脂部から露出した少なくとも1か所外周に突出した環状の突起を有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の回転電機
- 前記回転子は、冷却ファンを備え、前記冷却ファンの回転に伴って前記回転位置センサの磁石から前記スリップリング側へ冷却風が流れるように構成したことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の回転電機。
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