JP2011004501A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファンで発生させた冷却風の排出方向とディフューザの傾きとが直行する構造となっているため、ディフューザにより通風抵抗が大きくなってしまい、冷却風がブラケット外周部の円周方向に設けられている排気口から効率良く外部に排出されず、電機子巻線を十分に冷却することができない。
【解決手段】端面に冷却ファンを固定した回転子と、回転子と回転空隙をもって対向して設けられ電機子巻線を有する固定子と、回転子及び固定子を支持するためのブラケットと、ブラケットの側壁部に設けられた複数の吸気口と、ブラケットの外周部の円周方向に配列された複数の排気口とを備え、ブラケットの角部内壁面に回転子の回転方向とは反対の傾きとなるディフューザが円周方向に複数個配列される回転電機。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷却ファンを内蔵した回転電機に関する。

回転電機は小型・高出力化の需要により、ファン内蔵型の需要が増加しているが、従来の回転電機の構造では自己発熱によって増加した温度上昇分を補うことができなかった。

そこで、固定子を構成するフレーム（ブラケット）の角部内壁面に複数の整流ガイド（以下、ディフューザ）を施す技術がある（特許文献１参照）。

特許文献１の図１及び図２には、複数の整流ガイドの隣接する２つの整流ガイドの各々を、等ピッチを隔てて配列し、且つシャフト２の半径方向に対して所定の傾斜角度だけ冷却ファンの回転方向に傾けることにより、冷却風の整流効果を向上させることが記載されている。

特開平９−１７２７５２号公報（第６頁〔００４１〕〜〔００４６〕、図１，図２）

特許文献１によれば、ディフューザの傾きは、回転子の回転方向と同じ傾きとなっている。即ち、冷却ファンで発生させた冷却風の外部への排出方向とディフューザの傾きは直行する構造となっているため、ディフューザにより通風抵抗が大きくなってしまい、冷却風はフロントブラケット及びリアブラケットの外周部の円周方向に設けられている複数の排気口から効率良く外部に排出されず、電機子巻線を十分に冷却することができない、という課題がある。

そこで、本発明の目的は、冷却ファンを内蔵して電機子巻線の冷却性を向上させた回転電機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい様態の一つは次の通りである。

当該回転電機は、端面に冷却ファンを固定した回転子と、回転子と回転空隙をもって対向して設けられ電機子巻線を有する固定子と、回転子及び固定子を支持するためのブラケットと、ブラケットの側壁部に設けられた複数の吸気口と、ブラケットの外周部の円周方向に配列された複数の排気口とを備え、ブラケットの角部内壁面に回転子の回転方向とは反対の傾きとなるディフューザが円周方向に複数個配列される。

本発明によれば、冷却ファンを内蔵して電機子巻線の冷却性を向上させた回転電機を提供することができる。

車両用交流発電機の縦断面図。 フロントブラケットの裏面図（反プーリ側から見た図）。 リアブラケットの裏面図（プーリ側から見た図）。 車両用交流発電機の縦断面図。 車両用交流発電機の要部左側面図（プーリ側から見た図）。 車両用交流発電機の要部右側面図（反プーリ側から見た図）。

以下、本実施例を図１〜図６に基づいて説明する。

図１に示すように、フロントブラケット１及びリアブラケット２は、内部に収容空間を有する有底筒状、つまり、椀形状を呈している。また、フロントブラケット１及びリアブラケット２には、各々、固定穴が開口する固定部３，４が径方向外周側に突出して一体に設けられており、これらの固定部３，４がボルト（図示せず）によって車両に取り付けられる。また、フロントブラケット１及びリアブラケット２は、アルミニウム合金によって成形されており、成形方法としてはダイキャストが用いられる。

リアブラケット２の軸方向端には、各々のブラケットよりも薄肉のリアカバー５が取り付けられており、このリアカバー５は、各々のブラケット同様、内部に収容空間を有する有底筒状、つまり、椀形状を呈している。このリアカバー５にも空気が流通するための吸気口５ａが内周側や外周側に複数開口している。また、リアカバー５の外周側には、バッテリーに接続されるターミナル６が取り付けられている。尚、リアカバー５は、樹脂製、もしくは、アルミニウム合金製である。

フロントブラケット１及びリアブラケット２の軸方向外端部における径方向略中心位置には、各々、軸受けとしてのボールベアリング７ａ，７ｂが取り付けられているが、フロントブラケット１に取り付けられるボールベアリング７ａは、リアブラケット２に取り付けられるボールベアリング７ｂよりも直径の大きなものが用いられている。

これらのボールベアリング７ａ，７ｂの内輪には、シャフト８が挿通され、このシャフト８はフロントブラケット１及びリアブラケット２に対して相対回転自在に支持されている。

また、シャフト８のフロントブラケット１側端には、回転伝達部材としてのプーリ９がボルトによって一体回転するように固定されており、このプーリ９には、図外のエンジンの回転が伝達されるクランクプーリから無端伝達帯としてのベルトによって回転が伝達される。このためシャフト８は、エンジンの回転数とプーリ９とクランクプーリのプーリ比に比例して回転する。

更にシャフト８のリアブラケット２側の端部には、シャフト８と一体に回転するよう２つのスリップリング１０が取り付けられており、各々のスリップリング１０に押し付けられた状態で摺動する２つのブラシ１１を介して電力が供給されるようになっている。

シャフト８の回転軸方向の略中央部には、磁性材料にて成形されたフロント側回転子部材１２Ｆ，リヤ側回転子部材１２Ｒがシャフト８と一体に回転するよう別々にセレーション結合されており、また、フロント側回転子部材１２Ｆ，リヤ側回転子部材１２Ｒは、軸方向に向かい合って当接した状態で軸方向の移動が規制されるべく、各々の回転子部材１２Ｆ，１２Ｒの外側端をシャフト８に形成した環状溝８ａ，８ｂ内に塑性流動させている。このようにシャフト８に固定されたフロント側回転子部材１２Ｆ，リヤ側回転子部材１２Ｒによって回転子１２が構成される。

この回転子１２の回転軸方向における両端面には、外周側に複数の羽根を有する板状のフロントファン１３Ｆ，リアファン１３Ｒが取り付けられており、回転子１２と一体的に回転する。

フロント側回転子部材１２Ｆ，リヤ側回転子部材１２Ｒは、内周側に位置する軸部１２ａと、外周側に位置する径方向断面がＬ字形状の複数の回転子爪磁極１２ｂとからなり、両回転子部材１２Ｆ，１２Ｒの軸部１２ａの軸方向端部同士が向かい合って当接することでランデル型鉄心が構成される。軸部１２ａ外周と回転子爪磁極１２ｂ内周間には、界磁巻線１４が回転軸周りに巻装され、この界磁巻線１４の両端は、シャフト８に沿って延出して前述のスリップリング１０に各々接続されている。１１はブラシであり、前述のスリップリング１０を経由して、界磁電流を供給する。尚、界磁巻線１４に供給される電流は、車両のバッテリー電圧より発電電圧が高くなったときに発電を開始するように、バッテリーの状態に応じて制御されるが、発電電圧を調整するための電圧制御回路としてのＩＣレギュレータ（図示せず）はリアカバー５の内部に配置された後述する整流回路１５に内蔵され、ターミナル６の端子電圧が常に一定電圧となるように制御している。

また、フロントブラケット１とリアブラケット２との間に固定子１７は挟み込まれるように固定され、固定子１７は、内周が回転子１２の回転子爪磁極１２ｂの外周とわずかな隙間を介して対向するようになる。

また、固定子１７は磁性材料からなる固定子鉄心１７ａと、固定子鉄心１７ａに沿って巻回された電機子巻線１７ｂとによって構成されており、各々の相における電機子巻線１７ｂは、リアカバー５内に取り付けられた整流回路１５に接続されている。更に、この整流回路１５は、ターミナル６を介してバッテリーと接続している。

尚、整流回路１５は、複数のダイオードで構成されており、これらのダイオードに関しては、独立した３相コイルを構成しているため６個のダイオードで全波整流する構成となっている。

次に回転子１２の詳細について説明する。図１に示すように回転子１２を構成するフロント側回転子部材１２Ｆ，リヤ側回転子部材１２Ｒは、軸部１２ａの軸方向外側端から径方向断面Ｌ字形状の回転子爪磁極１２ｂが周方向に複数、具体的には６個ずつ設けられており、フロント側回転子部材１２Ｆとリヤ側回転子部材１２Ｒから延びる各々の回転子爪磁極１２ｂが周方向に交互に配置されるので、回転子爪磁極１２ｂを全て合わせると１２の回転子爪磁極１２ｂから構成されている。つまり、本実施例における回転子１２の磁極数は、１２極となる。

このように形成されたフロント側回転子部材１２Ｆ，リヤ側回転子部材１２Ｒは、間に界磁巻線１４を配置して、各々の回転子爪磁極１２ｂが周方向に交互に位置するように軸部１２ａ端同士が当接した状態でシャフト８に固定される。

また、フロント側回転子部材１２Ｆ，リヤ側回転子部材１２Ｒの軸方向外側端には、各々、冷却ファンとしてフロントファン１３Ｆとリアファン１３Ｒとが溶接等によって取り付けられる。このフロントファン１３Ｆ及びリアファン１３Ｒは、回転子１２の回転により中心方向に空気が流通されるよう対称的なファンの配置となっている。フロントファン１３Ｆを例にとって説明とすると周方向に複数の突起が形成された金属板の突起部分における周方向一側をプレスにて略円弧状、且つ、略垂直に折り曲げて、半径方向に対して傾斜する傾斜面を有する羽根が一体成形されている。このように成形されたフロントファン１３Ｆとリアファン１３Ｒは、フロント側回転子部材１２Ｆとリヤ側回転子部材１２Ｒの軸方向外側端に溶接等によって一体的に固定される。これらフロントファン１３Ｆ，リアファン１３Ｒ、及び、回転子１２により通風することができる。

次に固定子１７の詳細について説明する。図１に示すように固定子鉄心１７ａは、磁性材料の薄板をコイル状に積層したものであり、その内周面には回転子爪磁極１２ｂ数によって決定された複数のスロット（図示せず）が等ピッチで成形されている。該スロット内には、予め巻装された３相の電磁子巻線１７ｂを挿入し、Ｙ結線またはΔ結線にて接続される。該スロット内に挿入された電磁子巻線１７ｂが固定子鉄心１７ａの内周面に露出しないようにスロット開口部に絶縁部材である絶縁紙を挿入する。

本実施例における固定子１７の１相分の磁極数は、１２極となり、回転子１２の磁極数と同数となる。

電機子巻線１７ｂの表面には、ワニス等で絶縁被覆が施されており、電機子巻線１７ｂの端末は、リアブラケット２の間を縫って、整流回路１５の端子１５ａに接続される。尚、固定子鉄心１７ａと電機子巻線１７ｂとの間には、絶縁部材である絶縁紙を配置するようにしてもよい。

以下、ディフューザの傾きを変えて冷却効果を向上させる構成について説明する。

フロントブラケット１及びリアブラケット２の側壁部には、図１〜図３に示すように空気が流通するための複数の吸気口１ｃ，２ｃが設けられている。

図４に示すように、回転子１２の回転軸から、吸気口１ｃ，２ｃ各々において前述の回転軸から最も離れた点（外端）までの距離を示す外端径φＤ１１，φＤ２１は、各々のブラケットが対向する回転子１２の端面に設けられたフロントファン１３Ｆ，リアファン１３Ｒの羽根の内径φＤ１２，φＤ２２と同じ又は小さい径となっている（φＤ１１≦φＤ１２，φＤ２１≦φＤ２２）。

また、各々のブラケットの外周側には複数の排気口１ｄ，２ｄが円周方向に開口している。回転子１２の回転軸から、排気口１ｄ，２ｄ各々において前述の回転軸から最も近い点（底端）までの距離を示す底端径φＤ１３，φＤ２３は、各々のブラケットが対向するフロントファン１３Ｆ，リアファン１３Ｒの羽根の外径φＤ１４，φＤ２４と同じ又は大きい径となっている（φＤ１３≧φＤ１４，φＤ２３≧φＤ２４）。

更に各々のブラケットの角部内壁面１Ｅ，２Ｅには、円周方向に複数配列されたディフューザ１ａ，２ａが各々のブラケットと一体となって設けられている。

図２，図３，図５，図６で示すように該ディフューザ１ａ，２ａは所定の傾きθ１，θ２を有しており、その傾きは回転子１２の回転方向とは反対の傾き、即ち、各々のブラケットが対向するフロントファン１３Ｆ，リアファン１３Ｒの羽根の傾きθ３，θ４と同一方向の傾きとなっており、該ディフューザ１ａ，２ａの傾きθ１，θ２は、フロントファン１３Ｆ，リアファン１３Ｒの羽根の傾きθ３，θ４によって決定する。

また該ディフューザ１ａ，２ａは、フロントファン１３Ｆ，リアファン１３Ｒの外径φＤ１４，φＤ２４より外周側にあり、該ディフューザの円周方向の取り付けピッチは、等ピッチθｐ１，θｐ２で設けられる。更に、該ディフューザは各々のブラケットの外周部に円周方向に設けられた複数の排気口１ｄ，２ｄを構成するためのリブ１ｂ，２ｂまで延びており、且つ排気口１ｄ，２ｄの底端φＤ１３，φＤ２３より上方位置に設けられている。また、ディフューザ１ａ，２ａの取り付け面に、ディフューザ１ａ，２ａを取り付ける上での障害、例えばディフューザ１ａ，２ａと重なるような穴やネジ部等がある場合は、この障害を避けるようにしてディフューザ１ａ，２ａの円周方向の取り付けピッチを不等ピッチθｐ１，θｐ２としても良い。

該ディフューザ１ａ，２ａのピッチθｐ１，θｐ２は、リブ１ｂ，２ｂと各々のブラケットが対向するフロントファン１３Ｆ，リアファン１３Ｒの羽根のピッチによって決定する。

次に本実施例の動作について説明する。

まず、エンジンの始動に伴ってクランクシャフトからベルトを介してプーリ９に回転が伝達されるため、シャフト８を介して回転子１２を回転させる。ここで回転子１２に設けられた界磁巻線１４にスリップリング１０を介してブラシ１１から直流電流を供給すると界磁巻線１４の内外周を周回する磁束が生じるため、回転子１２における回転子爪磁極１２ｂにＮ極、又は、Ｓ極が周方向に交互に形成される。この界磁巻線１４による磁束は、フロント側回転子部材１２ＦのＮ極の回転子爪磁極１２ｂから固定子１７の電機子巻線１７ｂ周りに周回する。更に、この磁束はリヤ側回転子部材１２ＲのＳ極の回転子爪磁極１２ｂに到達することで回転子１２と固定子１７を周回する磁気回路が形成される。このように回転子にて生じた磁束が電機子巻線１７ｂと鎖交するため、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電機子巻線１７ｂのそれぞれに交流誘起電圧が発生し、全体としては３相の交流誘起電圧が生じる。

このように発電された交流電圧は、整流回路１５によって、全波整流されて直流電圧に変換される。整流された直流電圧は約１４.３Ｖ程度の一定電圧になるようにＩＣレギュレータ（図示せず）で界磁巻線１４に供給する電流を制御することで達成している。

また、回転子１２が回転する際には、フロントファン１３Ｆ及びリアファン１３Ｒも回転子１２と共に回転するので、図１の破線矢印にて示したように外部の空気を内周側である軸方向から取り入れ、外周方向に排出する空気の流れを形成する。

フロントファン１３Ｆは、回転することにより、フロントブラケット１におけるボールベアリング７ａの外周部分に設けられた吸気口１ｃから軸方向に外部の空気を吸い込み、吸い込まれた空気は、フロントファン１３Ｆの羽根によって生じる遠心力によって外周側に流動される際、図５の破線矢印にて示したようにディフューザ１ａによって整流され、フロントブラケット１の外周部に円周方向に設けられた複数の排気口１ｄから排出される。

ここで固定子１７の軸方向一側面及び外周面は、フロントブラケット１に接触した状態で固定されているため、固定子１７で発生した熱はフロントブラケット１に伝達され、フロントブラケット１の表面から放熱される。このフロントブラケット１から放出された熱は、排気口１ｄに向かって流れる空気によって外部に排出され、固定子１７の電機子巻線１７ｂを冷却することができる。即ち、ディフューザ１ａは放熱フィンとしての作用も備えている。ここで、本実施例ではディフューザ１ａを回転子の回転方向とは反対の傾きで設けているため、より冷却作用が高まっている。

リアファン１２Ｒは、回転することにより、リアカバー５の外周側縁部に設けられた吸気口５ａ及びリアカバー５の軸方向端面に開口する内周側の風穴（図示せず）から整流回路１５を経由して、リアブラケット２におけるボールベアリング７ｂの外周部分に設けられた吸気口２ｃから軸方向に外部の空気を吸い込み、吸い込まれた空気は、リアファン１２Ｒの羽根によって生じる遠心力によって外周側に流動される際、図６破線矢印にて示したようにディフューザ２ａによって整流されリアブラケット２の外周部の円周方向に設けられた複数の排気口２ｄから排出される。このため、フロントブラケット１と同様に固定子１７から生じる熱、及び、リアブラケット２に伝達された固定子１７の熱は、リアブラケット２の表面から放熱され、排気口２ｄに向かって流れる空気によって冷却される。即ちディフューザ２ａは放熱フィンとしての作用も備えている。ここで、フロントブラケット１の場合と同様に、本実施例ではディフューザ２ａを回転子の回転方向とは反対の傾きで設けているため、より冷却作用が高まっている。

更に、回転することに発生するフロントファン１３Ｆの圧力とリアファン１３Ｒの圧力との圧力差により、回転子１２の磁極間の隙間と回転子１２と固定子１７との隙間を空気が流通する。本実施例では、リアファン１３Ｒに発生する圧力が大きくなるため、フロントブラケット１側から回転子１２と固定子１７の間と回転子１２磁極間の隙間を通ってリアブラケット側に空気が流れ、回転子１２及び固定子１７が冷却されることになる。

１ フロントブラケット
１ａ，２ａ ディフューザ
１ｂ，２ｂ リブ
１ｃ，２ｃ 吸気口
１ｄ，２ｄ 排気口
１Ｅ，２Ｅ 角部内壁面
２ リアブラケット
１２ 回転子
１３Ｆ フロントファン
１３Ｒ リアファン
１７ 固定子
１７ａ 固定子鉄心
１７ｂ 電機子巻線

Claims (6)

1. 端面に冷却ファンを設けた回転子と、前記回転子と対向して設けられ、電機子巻線を有する固定子と、前記回転子及び前記固定子を支持するためのブラケットと、前記ブラケットの側壁部に設けられた複数の吸気口と、前記ブラケットの外周部の円周方向に配列された複数の排気口とを備えた回転電機であって、前記ブラケットの角部内壁面に前記回転子の回転方向とは反対の傾きとなるディフューザが円周方向に複数個配列される回転電機。
2. 前記吸気口の外端径は前記冷却ファンの羽根の内径以下で、且つ、前記排気口の底端径は前記冷却ファンの羽根の外径以上である請求項１記載の回転電機。
3. 前記ディフューザは前記冷却ファンの羽根の外径より外周側に等ピッチに配列される請求項１又は２記載の回転電機。
4. 前記ディフューザを取り付ける上での障害がある場合に、当該ディフューザが前記冷却ファンの羽根の外径より外周側に不等ピッチに配列される請求項１又は２記載の回転電機。
5. 前記ディフューザの外周端は前記排気口を構成するリブまで延びている請求項１乃至４のいずれか一に記載の回転電機。
6. 前記ディフューザの外周端は前記排気口の底端より外周側にある請求項１乃至４のいずれか一に記載の回転電機。

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