JPWO2017085873A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

嵌合溝が全周に渡って軸方向端部に形成された円筒部をそれぞれが有し、固定子鉄心の軸方向両端部がそれぞれの円筒部の嵌合溝に嵌め合わされた状態で固定子鉄心を軸方向に挟持する一対のフレームを備え、それぞれの円筒部の嵌合溝は、固定子鉄心の軸方向端面に対向する円環状の軸方向面と、固定子鉄心の外周面に対向する円筒状の径方向面とを有し、径方向面における軸方向面側の部分には、径方向外側に窪んだ凹部が全周に渡って形成され、固定子鉄心の軸方向端部から露出する固定子コイルの部分であるコイルエンドに対向する円筒部の内周面には、径方向外側に窪んだ大径部が形成されている。

Description

この発明は、例えば、乗用車またはトラックなどに搭載される回転電機に関する。

従来、円筒形状の固定子鉄心およびこの固定子鉄心に設けられた固定子コイルを有する固定子と、固定子鉄心の軸方向端部が嵌め合わされる嵌合溝が全周に渡って軸方向端部に形成された円筒部をそれぞれが有し、固定子鉄心の軸方向両端部がそれぞれの円筒部の嵌合溝に嵌め合わされた状態で固定子鉄心を軸方向に挟持する一対のフレームとを備え、それぞれの嵌合溝は、固定子鉄心の軸方向端面に対向する円環状の軸方向面と、軸方向端面における径方向外側部分に連続して設けられ、固定子鉄心の外周面に対向する円筒状の径方向面とを有している回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５００５３５４号公報

しかしながら、コイルエンドとフレームとの間の寸法を絶縁のために十分に確保するとともに回転電機の小型化を図るために、フレームの径方向の寸法を小さくし、さらに、コイルエンドに対向するフレームの部分に径方向外側に窪んだ大径部を形成すると、固定子鉄心の軸方向端面と嵌合溝の軸方向面との間の接触面積が小さくなってしまう。また、嵌合溝の軸方向面と径方向面との間の角部には、微視的には湾曲部が形成されてしまうので、固定子鉄心の軸方向端面と嵌合溝の軸方向面との間の接触面積は、さらに小さくなってしまう。その結果、固定子鉄心とフレームとの間の密接が低下してしまうという問題点があった。

この発明は、小型化を図るとともに、固定子鉄心とフレームとの間の密接をより確実にすることができる回転電機を提供するものである。

この発明に係る回転電機は、円筒形状の固定子鉄心および固定子鉄心に設けられた固定子コイルを有する固定子と、固定子鉄心の軸方向端部が嵌め合わされる嵌合溝が全周に渡って軸方向端部に形成された円筒部をそれぞれが有し、固定子鉄心の軸方向両端部がそれぞれの円筒部の嵌合溝に嵌め合わされた状態で固定子鉄心を軸方向に挟持する一対のフレームとを備え、それぞれの嵌合溝は、固定子鉄心の軸方向端面に対向する円環状の軸方向面と、軸方向端面における径方向外側部分に連続して設けられ、固定子鉄心の外周面に対向する円筒状の径方向面とを有し、径方向面における軸方向面側の部分には、径方向外側に窪んだ凹部が全周に渡って形成され、固定子鉄心の軸方向端部から露出する固定子コイルの部分であるコイルエンドに対向するフレームの内周面には、径方向外側に窪んだ大径部が形成されている。

この発明に係る回転電機によれば、径方向面における軸方向面側の部分には、径方向外側に窪んだ凹部が全周に渡って形成され、固定子鉄心の軸方向端部から露出する固定子コイルの部分であるコイルエンドに対向するフレームの内周面には、径方向外側に窪んだ大径部が形成されているので、小型化を図るとともに、固定子鉄心とフレームとの間の密接をより確実にすることができる。

この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機を示す縦断面図である。 図１の固定子を示す側面図である。 図１の車両用回転電機の要部を示す拡大図である。 図３の固定子鉄心を示す平面図である。 従来の固定子鉄心を示す平面図である。 図４の固定子鉄心の変形例を示す平面図である。 図４の固定子鉄心の変形例を示す平面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用回転電機を示す縦断面図である。この例では、回転電機として、車両用回転電機１００を例に説明する。車両用回転電機１００は、それぞれ椀形状に形成されたフレームとしてのフロントブラケット１およびリアブラケット２からなるケース３と、ケース３に回転自在に支持されたシャフト４と、フロントブラケット１から外側に突出したシャフト４の部分に固着されたプーリ５と、シャフト４に固定され、ケース３の内側に収容された回転子６と、回転子６の軸方向両端面に固定されたファン７とを備えている。フロントブラケット１およびリアブラケット２は、アルミニウムから構成されている。なお、フロントブラケット１およびリアブラケット２は、アルミニウム以外の材料から構成されてもよい。

また、車両用回転電機１００は、回転子６の外周を囲繞するようにケース３の内壁面に固定された固定子８と、シャフト４におけるリアブラケット２側の部分に固定され、回転子６に電流を供給するためのスリップリング９と、ケース３の内側に設けられ、スリップリング９を摺動する一対のブラシ１０と、ブラシ１０を収容するブラシホルダ１１と、固定子８に電気的に接続され、固定子８において生じた交流を直流に整流する整流器１２と、ブラシホルダ１１に固定されたヒートシンク１３と、ヒートシンク１３に接着され、固定子８において生じた交流の電圧の大きさを調整するレギュレータ１４とを備えている。

固定子８は、円筒形状の固定子鉄心１５と、固定子鉄心１５に設けられた固定子コイル１６とを有している。固定子鉄心１５には、軸方向に延びる複数のスロット１５１が形成されている。スロット１５１の開口は、径方向内側を向いている。複数のスロット１５１は、毎極毎相当たり２の割合で、周方向に等角ピッチで配置されている。

図２は図１の固定子８を示す側面図である。固定子８は、固定子鉄心１５に設けられたインシュレータ１７を備えている。インシュレータ１７は、スロット１５１に配置され、固定子鉄心１５と固定子コイル１６との間の絶縁を確保している。固定子コイル１６は、固定子鉄心の軸方向端部から露出する部分であるコイルエンド１６２を有している。

固定子コイル１６は、三相交流巻線から構成されている。固定子コイル１６の巻線端部１６１は、それぞれ整流器１２に電気的に接続されている。

図１に示すように、回転子６は、電流を流して磁束を発生させる界磁巻線１８と、それぞれが界磁巻線１８を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成される第１ポールコア１９および第２ポールコア２０とを有している。

フロントブラケット１およびリアブラケット２のそれぞれは、固定子鉄心１５の軸方向端部が嵌め合わされる嵌合溝２１が全周に渡って軸方向端部に形成された円筒部２１１を有している。嵌合溝２１は、断面Ｌ字形状となっている。嵌合溝２１は、円筒部２１１の内周側に形成されている。

フロントブラケット１の円筒部２１１の外周側には、複数のフロント側鍔部２２が形成されている。フロント側鍔部２２は、円筒部２１１から径方向外側に突出している。リアブラケット２の円筒部２１１の外周側には、複数のリア側鍔部２３が形成されている。リア側鍔部２３は、円筒部２１１から径方向外側に突出している。フロント側鍔部２２およびリア側鍔部２３は、軸方向について互いに対向するように配置されている。

フロント側鍔部２２には、ボルト孔２２１が形成されている。リア側鍔部２３には、ねじ孔２３１が形成されている。

図３は図１の車両用回転電機１００の要部を示す拡大図である。嵌合溝２１は、固定子鉄心１５の軸方向端面に対向する円環状の軸方向面２１２と、軸方向面２１２における径方向外側部分に連続して設けられ、固定子鉄心１５の外周面に対向する円筒状の径方向面２１３とを有している。軸方向面２１２は、シャフト４の軸線と直交する平坦面となっている。径方向面２１３は、シャフト４の軸線を中心とする円筒面となっている。

径方向面２１３における軸方向面２１２側の部分には、径方向外側に窪んだ凹部２１４が全周に渡って形成されている。径方向面２１３に凹部２１４が形成されることによって、軸方向面２１２および径方向面２１３を治具によって形成する際に、軸方向面２１２と径方向面２１３との間の角部が径方向外側にシフトされる。これにより、軸方向面２１２が径方向外側に広がって配置される。

固定子鉄心１５の軸方向端部から露出する固定子コイルの部分であるコイルエンド１６２に対向するケース３の内周面には、径方向外側に窪んだ大径部２５が形成されている。大径部２５は、円筒部２１１の内周面に形成されている。

図１に示すように、固定子鉄心１５の軸方向両端部が軸方向外側からフロントブラケット１の嵌合溝２１およびリアブラケット２の嵌合溝２１に嵌め合わされ、ボルト孔２２１に通された通しボルト２４をねじ孔２３１に締着して、固定子８がケース３に軸方向に加圧して挟持される。このとき、固定子鉄心１５の軸方向両端部の外周縁部は、通しボルト２４の締着力の推力とその反力との間の拘束力により、全周に渡って嵌合溝２１の軸方向面２１２に密接される。また、固定子鉄心１５の外周面の軸方向両端部は、嵌合溝２１の径方向面２１３に係合し、固定子８の径方向についての移動が規制されている。

固定子８は、小径化、小型化が図られており、図２に示すように、スロット１５１内に高密度に収容される固定子コイル１６は、固定子鉄心１５の軸方向両端部から露出するコイルエンド１６２において径方向外側に張り出している。固定子８の内周側には、回転子６が微小ギャップをあけて配置されているので、固定子８の内周側に向かってコイルエンド１６２を張り出すことができない。図３に示すように、張り出したコイルエンド１６２の外周側に面するフロントブラケット１およびリアブラケット２の部分には、大径部２５が配置されている。

フロントブラケット１およびリアブラケット２に大径部２５が形成されずに、フロントブラケット１およびリアブラケット２の径方向の寸法を小さくしながらコイルエンド１６２とフロントブラケット１およびリアブラケット２との間の必要なクリアランスを確保する場合には、フロントブラケット１およびリアブラケット２の全体の肉厚が小さくなる。これにより、フロントブラケット１およびリアブラケット２の剛性が大きく低下する。一方、本発明では、フロントブラケット１およびリアブラケット２に大径部２５が形成されているので、フロントブラケット１およびリアブラケット２の径方向の寸法を小さくしながらコイルエンド１６２とフロントブラケット１およびリアブラケット２との間の必要なクリアランスを確保しても、フロントブラケット１およびリアブラケット２における大径部２５以外の部分の肉厚が維持される。これにより、フロントブラケット１およびリアブラケット２の剛性が低下することを抑制することができる。

フロントブラケット１およびリアブラケット２におけるコイルエンド１６２に対向する内周面を加工せずに鋳肌面のまま使う場合には、フロントブラケット１およびリアブラケット２に大径部２５が形成されることによって、抜き勾配分だけ減少するコイルエンド１６２とフロントブラケット１およびリアブラケット２との間の絶縁距離を大きくし、または、抜き勾配分だけ減少するフロントブラケット１およびリアブラケット２の軸方向面２１２と固定子鉄心１５の軸方向端面との掛かり代を大きくすることができる。

フロントブラケット１およびリアブラケット２とコイルエンド１６２との間の絶縁距離としては、例えば、１ｍｍ以上が目安とされている。また、上述の治具による軸方向面２１２と径方向面２１３との間の角部のＲは、０．５ｍｍがＭＡＸ値として考慮されている。この角部の形状が凹部２１４の領域に収まるように凹部２１４の範囲が規定されるので、嵌め合わされる固定子鉄心１５と軸方向面２１２と径方向面２１３との間の角部とが干渉することはない。軸方向面２１２がより広く形成されることにより、車両用回転電機１００の耐久性が向上する。

次に動作について説明する。このように構成された車両用回転電機１００では、図示しないバッテリからブラシ１０およびスリップリング９を介して電流が界磁巻線１８に供給される。これにより、磁束が発生し、第１ポールコア１９がＮ極に励磁され、第２ポールコア２０がＳ極に励磁される。

一方、エンジンによってプーリ５が回転駆動すると、回転子６がシャフト４とともに回転する。これにより、回転磁界が固定子コイル１６に与えられ、起電力が発生する。この交流の起電力は、整流器１２を通って直流に整流され、その電圧の大きさがレギュレータ１４によって調整されて、バッテリに充電される。

また、回転子６の回転に同期してファン７が回転する。ファン７が回転すると、空気がフロントブラケット１の軸方向端部に形成された吸気孔１０１およびリアブラケット２の軸方向端部に形成された吸気孔２０１からケース３の内側に吸気される。ケース３の内側に吸気された空気は、軸方向に回転子６まで流れ、ファン７により遠心方向に曲げられた後、フロントブラケット１に形成された排気孔１０２およびリアブラケット２に形成された排気孔２０２からケース３の外側に排出される。排気孔１０２は、フロントブラケット１の側部であって、コイルエンド１６２に隣り合う部分に配置されている。排気孔２０２は、リアブラケット２の側部であって、コイルエンド１６２に隣り合う部分に配置されている。ケース３の内側を通る空気の流れによって、整流器１２、レギュレータ１４および固定子コイル１６などの発熱部品が冷却される。

固定子鉄心１５の軸方向両端部が通りボルト２４の締着力によりフロントブラケット１およびリアブラケット２のそれぞれの嵌合溝２１の軸方向面２１２に軸方向に加圧して挟持されるので、固定子鉄心１５の軸方向端面が完全な平面度を有していない場合であって、また、固定子鉄心１５の軸方向端面と軸方向面２１２とが完全に平行となっていない場合であっても、固定子鉄心１５の軸方向端面と軸方向面２１２とを密接状態にすることができる。軸方向面２１２は固定子８を挟持するのに適正な寸法が確保されるので、車載時に固定子８がケース３から脱落するなどの不具合を回避することができる。また、塩水または泥水が排気孔１０２または排気孔２０２から侵入した場合であっても、固定子鉄心１５の軸方向端面と軸方向面２１２との間には、その塩水または泥水が侵入しない。これにより、相電流を発生する固定子コイル１６とアースとなるケース３との間に、リークパスが形成されることが抑制され、絶縁不良の発生を抑制することができる。

固定子鉄心１５の軸方向端面と嵌合溝２１の軸方向面２１２とが金属面同士で接触している。さらに、固定子鉄心１５の軸方向端面と軸方向面２１２とが通しボルト２４の締着力によって、緊密状態となっている。これにより、固定子鉄心１５の軸方向端面と軸方向面２１２との接触熱抵抗が著しく低減される。その結果、固定子コイル１６で発生する熱が固定子鉄心１５を介してケース３へ効率的に伝達され、表面積の大きなケース３の表面から放熱されて、固定子８の温度上昇を抑制することができる。

図４は図３の固定子鉄心１５を示す平面図、図５は従来の固定子鉄心１５を示す平面図である。従来の固定子鉄心１５は、ケース３の嵌合溝２１の角部との間の干渉を回避するために、固定子鉄心の面取りをＣＯ．５としていた。本発明では、フロントブラケット１およびリアブラケット２の嵌合溝２１に凹部２１４を設けることにより、嵌合溝２１の角部と固定子鉄心１５との間の干渉を回避することができる。これにより、固定子鉄心１５の面取りを極限まで小さくすることができる。例えば、固定子鉄心１５の外周面であって軸方向両端部の角部における不要な加工かえりを除去して、固定子鉄心１５の面取りはＣＯ．２程度の糸面取りにすることができる。その結果、軸方向面２１２に面接触する固定子鉄心１５の軸方向端面の部分における径方向の寸法を大きくすることができ、軸方向面２１２に面接触する固定子鉄心１５の軸方向端面の部分の面積を大きくすることができる。これにより、固定子鉄心１５とフロントブラケット１およびリアブラケット２との間の密接が低下することなくフロントブラケット１およびリアブラケット２の径方向の寸法を小さくすることができる。

図６は図４の固定子鉄心１５の変形例を示す平面図である。固定子鉄心１５の面取りが小さくなるので、円環状の軸方向面２１２と固定子鉄心１５の軸方向端面との接触面における径方向寸法である径方向密接距離を必要最低限だけ確保できれば、スロット１５１の底位置を径方向外側に拡大することができる。これにより、スロット１５１のスロット面積を増大することができる。その結果、より大きな線径のコイルをスロット１５１に挿入することができ、車両用回転電機１００の出力特性を向上させることができる。

図７は図４の固定子鉄心１５の変形例を示す平面図である。固定子鉄心１５の面取りが小さくなるので、円環状の軸方向面２１２と固定子鉄心１５の軸方向端面との接触面における径方向寸法である径方向密接距離を必要最低限だけ確保できれば、固定子鉄心１５の径方向寸法を小さくすることができる。その結果、フロントブラケット１およびリアブラケット２の径方向寸法をさらに小さくすることができ、車両用回転電機１００のさらなる小型化を図ることができる。

以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機１００によれば、円筒形状の固定子鉄心１５および固定子鉄心１５に設けられた固定子コイル１６を有する固定子８と、固定子鉄心１５の軸方向端部が嵌め合わされる嵌合溝２１が全周に渡って軸方向端部に形成された円筒部２１１をそれぞれが有し、固定子鉄心１５の軸方向両端部がそれぞれの円筒部２１１の嵌合溝２１に嵌め合わされた状態で固定子鉄心１５を軸方向に挟持する一対のフレームとを備え、それぞれの嵌合溝２１は、固定子鉄心１５の軸方向端面に対向する円環状の軸方向面２１２と、軸方向面２１２における径方向外側部分に連続して設けられ、固定子鉄心１５の外周面に対向する円筒状の径方向面２１３とを有し、径方向面２１３における軸方向面２１２側の部分には、径方向外側に窪んだ凹部２１４が全周に渡って形成され、固定子鉄心１５の軸方向端部から露出する固定子コイル１６の部分であるコイルエンド１６２に対向するフレームの内周面には、径方向外側に窪んだ大径部２５が形成されているので、小型化を図るとともに、固定子鉄心１５とフレームとの間の密接をより確実にすることができる。

また、大径部２５は、円筒部２１１に形成されているので、大径部２５を容易に形成することができる。

また、大径部２５は、軸方向面２１２に連続して設けられているので、大径部２５を容易に形成することができる。

なお、上記実施の形態１では、スリップリング９、ブラシ１０、ブラシホルダ１１、整流器１２、ヒートシンク１３およびレギュレータ１４がリアブラケット２の内側に配置される構成について説明したが、これらの部品を樹脂カバーで覆って、リアブラケット２の外側に配置される構成であってもよい。

また、上記実施の形態１では、車両用回転電機１００を例に説明したが、車両用発電機または車両用交流電動機であってもよい。

また、上記実施の形態１では、固定子コイル１６が三相交流巻線から構成され、固定子コイル１６を収容するスロット１５１が毎極毎相２で周方向に等角ピッチで設けられた構成について説明したが、この構成に限らず、例えば、固定子コイルが１つの交流巻線から構成され、スロットが毎極毎相１の構成であってもよい。

Claims (3)

1. 円筒形状の固定子鉄心および前記固定子鉄心に設けられた固定子コイルを有する固定子と、
   前記固定子鉄心の軸方向端部が嵌め合わされる嵌合溝が全周に渡って軸方向端部に形成された円筒部をそれぞれが有し、前記固定子鉄心の軸方向両端部がそれぞれの前記円筒部の前記嵌合溝に嵌め合わされた状態で前記固定子鉄心を軸方向に挟持する一対のフレームと
   を備え、
   それぞれの前記嵌合溝は、前記固定子鉄心の軸方向端面に対向する円環状の軸方向面と、前記軸方向端面における径方向外側部分に連続して設けられ、前記固定子鉄心の外周面に対向する円筒状の径方向面とを有し、
   前記径方向面における前記軸方向面側の部分には、径方向外側に窪んだ凹部が全周に渡って形成され、
   前記固定子鉄心の軸方向端部から露出する前記固定子コイルの部分であるコイルエンドに対向する前記フレームの内周面には、径方向外側に窪んだ大径部が形成されている回転電機。
2. 前記大径部は、前記円筒部の内周面に形成されている請求項１に記載の回転電機。
3. 前記大径部は、前記軸方向面に連続して設けられている請求項１または請求項２に記載の回転電機。

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