JP2014112983A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の平均ギャップ長を低速回転から高速回転に至るまで縮小し、小型・高出力で高品質な回転電機を提供する。
【解決手段】固定子５と、該固定子５の内周側にギャップを介して回転自在に支持された回転子４とを備え、前記回転子４は爪部１０１がかみ合うように配置されたロータコア９，１０を有し、前記爪部１０１の内周面は、第１の傾斜角度による爪基端部側の傾斜部１０６と、第２の傾斜角度による爪先端部側の傾斜部１０７とを有し、前記第１の傾斜角度が前記第２の傾斜角度より小さくなるように回転電機を構成する。
【選択図】図７

Description

本発明は、回転電機に関する。

近年、車両内の電気機器の需要の増加およびＨＶやＥＶの大型車への適用等が進み、発電機やモータ等の回転電機における高出力および小型化が求められている。

本技術分野の背景技術として、特開平５−１５３７５９号公報（特許文献１）がある。この公報には、「体格、重量当たりの出力比の向上が可能な回転電機を提供する。電機子鉄心の内周面に所定のギャップを隔てて対向する爪部の電機子鉄心対向面が、静止時において爪部の基端部より先端部へ向けて次第に径小に形成されている。爪部の先端部はその高速回転時に遠心力により遠心方向へ延びて上記ギャップを縮小するが、元々、このギャップは爪部の基端部から先端部へ次第に幅広となっているので、上記高速回転による遠心方向への変位により爪部の先端が電機子鉄心の内周面に接触することが防止される。したがって、上記高速回転時の爪部先端の遠心方向への変位を見込んで上記ギャップを広く設定する必要がなく、その分だけ平均ギャップ長を縮小できるため、界磁束が増強され、出力が増強される」と記載されている。

特開平５−１５３７５９号公報

しかしながら、特許文献１によれば、車両用回転電機において多く使用される低回転域においては、遠心力による爪先端部の変位が少なく平均ギャップ長が縮小されないため、出力が増強されないという課題がある。また、回転子の製造においては高い精度が要求されるため、爪部の固定子鉄心対向面を切削して精度を確保する方法が一般的であり、特許文献１のように爪部の基端部より先端部へ向けて次第に径小に形成することは製造上困難であるという課題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転電機の平均ギャップ長を低速回転から高速回転に至るまで縮小し、小型・高出力で高品質な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に、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、固定子と、該固定子の内周側にギャップを介して回転自在に支持された回転子とを備える回転電機において、前記回転子は爪部がかみ合うように配置されたロータコアを有し、前記爪部の内周面は、第１の傾斜角度による爪基端部側の傾斜部と、第２の傾斜角度による爪先端部側の傾斜部とを有し、前記第１の傾斜角度は前記第２の傾斜角度より小さいことを特徴とする。

本発明によれば、低コストで高出力・高品質の回転電機を提供することができる。

本発明の一実施例による回転電機の全体構成を示す断面図。 従来の回転子の斜視図。 従来のロータコアの斜視図。 従来の回転子の断面図。 従来の回転子の遠心力による爪部変位時の断面図。 従来の回転子の遠心力による爪部変位量。 本発明の一実施例による回転子の断面図。 本発明の一実施例による回転子の遠心力による爪部変位時の断面図。 本発明の一実施例による回転子の遠心力による爪部変位量。

以下、図面を用いて実施例を説明する。

はじめに、図１〜図３を用いて、回転電機の全体構成および回転子構造について説明する。ここでは、回転電機として車両用交流発電機を例にして説明する。

図１は、回転電機である車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。図２は従来の車両用交流発電機の回転子の斜視図である。図３は従来のロータコアの斜視図である。

車両用交流発電機１８は、回転子４と、固定子５とを備えている。回転子４は、シャフト２の中心部に界磁巻線１１を備え、その両側に磁性材料からなる爪型形状のフロント側ロータコア９とリヤ側ロータコア１０からなる回転子鉄心が界磁巻線１１を両側から挟むように配置される。フロント側ロータコア９とリヤ側ロータコア１０とは、爪部が互いに対向し、かつ、一方の爪型磁極が他方の爪型磁極にかみ合うように配置される。フロント側ロータコア９とリヤ側ロータコア１０の爪部間には、永久磁石２０が配置され、回転子４に発生する磁束量を増加させ固定子５に発生する誘起電圧を上昇させ、高出力化を実現している。

回転子４は、固定子５の内周側に、わずかなギャップを介して対向配置されている。フロントベアリング３およびリヤベアリング８の内輪にシャフト２が挿通されることで、回転子４は回転自在に支持される。

リヤ側ロータコア１０は、外周側にロータコア爪部１０１が周方向に均等に配置される。本実施例は１２極機のため、６つの爪部が均等配置されている。リヤ側ロータコア１０は、中心部に界磁巻線１１が巻回されるヨーク部１０４、爪部１０１の根元部に側板部１０２、爪部１０１の間に爪間部１０３を有する。界磁巻線１１に電流が流れることでヨーク部１０４に磁束が発生し、ヨーク部１０４から側板部１０２を通過し、爪部１０１から固定子鉄心６に磁束が流れる。

フロント側ロータコア９も同様の構成であるが、磁束の流れは固定子鉄心６から爪部１０１を通過し、側板部１０２からヨーク部１０４へと流れ、フロント側と逆方向の流れとなる。

固定子５は、固定子鉄心６と固定子巻線７から構成される。固定子鉄心６は、環状に形成された薄板鋼板が複数枚積層され、内周側には突出した歯部（ティース）とからなり、各歯部の間にスロットが形成されている。各々のスロットに各相の固定子巻線７が複数のティースをまたいで夫々のスロットに挿入され、装着される。固定子５はセンターブラケット１９に焼嵌等により装着され、フロントブラケット１５と整流装置１６のプレートにより挟まれ、保持されている。

センターブラケット１９には、水路が形成されており、水路には水（不凍液）または油等を流すことで、固定子７及び整流装置１６とＩＣレギュレータを冷却し、高出力化対応した冷却システムで構成されている。

シャフト２の一方の端部には、プーリ１が取り付けられている。シャフト２の他方の端部には、スリップリング１２が設けられ、ブラシ１３と接触し界磁巻線１１に電力を供給している。更に、回転子４のリヤ側ロータコア１０の両端面には、外周側に複数の羽根を有する冷却ファンであるリヤファン１４が設けられ、回転することによる遠心力によって、リヤファン１４の回転により、冷却風がリヤカバー１７の吸気窓から導入され、回転子４を軸方向に通過し、フロントブラケット１５の排気窓から冷却風の経路が形成され、界磁巻線１１及びフロント側ロータコア９とリヤ側ロータコア１０の冷却を空冷式で行っている。本実施例の場合はリヤ側からフロント側に冷却風を通過させる形態となっているが、フロント側ロータコア９の端部にフロントファンを設けて、フロント側からリヤ側に冷却風を流すことも可能であるが、本実施例の構成上でリヤ部に整流装置１６及びＩＣレギュレータ（図示せず）が装着されているため、回転子４で放熱された熱風が導入されないような構成としている。

次に発電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１に回転トルクが伝達されるため、シャフト２を介して回転子４を回転させる。ここで、回転子４に設けられた界磁巻線１１にスリップリング１２を介してブラシ１３から直流電流を供給すると、界磁巻線１１の内外周を周回する磁束が生じるため、回転子４におけるフロント側ロータコア９とリヤ側ロータコア１０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１１による磁束は、フロント側ロータコア９のＮ極から固定子鉄心６を通って固定子巻線７の周りを周回し、回転子４のリヤ側ロータコア１０のＳ極に到達することで回転子４と固定子５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固定子巻線７と鎖交するため、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の固定子巻線７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、ダイオード等の整流素子で構成された整流装置１６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一定電圧になるようにＩＣレギュレータで界磁巻線１１に供給する電流を制御することで達成している。

次に図４〜図６を用いて、従来の回転電機の回転子の高速回転時におけるロータコア爪部の変位について説明する。図４は従来の回転子の断面図である。図５は従来の回転子の遠心力による爪部変位時を表した断面図である。図６は従来の回転子の遠心力による爪部変位量を表した図である。

フロント側ロータコア９とリヤ側ロータコア１０の爪部１０１は、固定子鉄心６の内周にわずかなギャップを介して対向配置されている。前記ギャップは、回転子４の高速回転時においてはロータコア爪部１０１がその遠心力によって開くことにより小さくなる。遠心力によるロータコア爪部１０１の開き量は、回転子４の回転速度と、ロータコア爪部１０１の材料強度および形状と質量と、フロント側ロータコア９とリヤ側ロータコア１０の爪部間に配置されている永久磁石２０の質量とによって決まる。

従来の爪部１０１の形状では、高速回転時の遠心力によって開く量は、爪基端部の遠心力による変位２３、爪部外周側ストレートエンド部の遠心力による変位２２、爪先端部の遠心力による変位２１の順で大きくなるのが一般的である。そこで従来は、最も開き量の多い爪先端部付近をあらかじめ径小になるような形状とし、爪基端部の固定子鉄心とのギャップ２４よりも爪先端部の固定子鉄心とのギャップ２５を大きくすることにより、高速回転時の遠心力によってロータコア爪部１０１が開き、固定子鉄心６に接触するのを防いでいた。

しかし、前述したように車両用回転電機において多く使用される低回転域においては、遠心力による爪先端部の変位が少なく平均ギャップ長が縮小されないため、出力が増強されない。また、前述したように回転子の製造においては高い精度が要求されるため、爪部の固定子鉄心対向面を切削して精度を確保する方法が用いられており、爪先端部と爪基端部を異なる外径で製造することは製造コストの増加につながる。

図７〜図９を用いて、本発明の実施例による回転電機の回転子について説明する。図７は本発明の実施例による回転子の断面図である。図８は本発明の実施例による回転子の遠心力による爪部変位時の断面図である。図９は本発明の実施例による回転子の遠心力による爪部変位量を表した図である。

本実施例における全体構成および固定子構造は前述したとおりである。本実施例における回転子の構成は、図７に示すようにシャフト２の中心部に界磁巻線１１を備え、その両側にフロント側ロータコア９とリヤ側ロータコア１０からなる回転子鉄心が界磁巻線１１を両側から挟むように配置される。フロント側ロータコア９とリヤ側ロータコア１０とは、爪部が互いに対向し、かつ、一方の爪型磁極が他方の爪型磁極にかみ合うように配置される。フロント側ロータコア９とリヤ側ロータコア１０の爪部間には、永久磁石２０が配置され、回転子４に発生する磁束量を増加させ固定子５に発生する誘起電圧を上昇させ、高出力化を実現している。

フロント側ロータコア９は図７に示すように、ロータコア爪部１０１の内周側の形状が爪基端部から爪先端部へ向けて１段の段差１０５が設けられた形状となっている。

リヤ側ロータコア１０の形状についてもフロント側ロータコア９と同様である。

ロータコア爪部１０１の内周側の段差は爪基端部側の傾斜部１０６の傾斜角度が浅く、爪先端部の傾斜部１０７の傾斜角度が深くなるように形成されており、爪部の内周側は全体として２つの異なる傾斜角度を１つの段差１０５によって形成されている。

なお、爪部の内周面において、爪基端部側の傾斜部１０６が爪先端部側の傾斜部１０７より傾斜角度が浅く（小さく）なるように形成されていれば良く、爪基端部側の傾斜部１０６と爪先端部側の傾斜部１０７との間に複数の段差１０５が設けられていても良い。この場合、爪基端部側の傾斜部１０６と爪先端部側の傾斜部１０７との間に、これらの傾斜部とは異なる傾斜角度（例えば、爪基端部側の傾斜部１０６の傾斜角度と爪先端部側の傾斜部１０７の傾斜角度の中間の傾斜角度）を持つ傾斜部が設けられることになる。

図７のようなフロント側ロータコア９は、一般的に熱間鍛造または冷間鍛造の製法で形成されている。本実施例であるロータコア爪部１０１の内周側の形状はロータコアの製造工程内で形成可能であるため、コストを増加させることなく安価にロータコア爪部１０１の内周側に段差１０５の形成が可能である。

遠心力によるロータコア爪部１０１の開き量は、回転子４の回転速度と、ロータコア爪部１０１の材料強度および形状と質量と、フロント側ロータコア９とリヤ側ロータコア１０の爪部間に配置されている永久磁石２０の質量とによって決まるが、本実施例はロータコア爪部１０１の形状と質量に着目したものである。

回転子４の高速回転時においては、ロータコア爪部１０１の内周側の爪基端部側では傾斜角が浅く、爪部断面積を大きくすることにより遠心力に対する強度を確保し、爪先端側では傾斜角を深く、爪部断面積を小さくすることにより爪部自重による遠心力を小さくする。爪部間に配置される永久磁石２０は爪基端部で保持されていることが一般的であるため、爪先端部には爪基端部ほどの強度は必要ない。これにより、図８に示すようにロータコア爪部１０１全体として回転子４の高速回転時の遠心力による爪開きは抑えられる。また、前述したように、爪基端部側では強度を増し、爪先端側では自重による遠心力を小さくしていることから、図９に示すように、爪基端部の遠心力による変位２３と爪先端部の遠心力による変位２１の差を小さくでき、結果として固定子５との接触を防止できる。

回転子４の低速回転時においては、高速回転時の遠心力による爪開きが抑えられ、爪基端部の遠心力による変位２３と爪先端部の遠心力による変位２１の差が小さくできることから、固定子５との対向面であるロータコア爪部１０１の外周側をストレート形状とすることができるため、平均ギャップ長を縮小することができ、高出力化が可能となる。

また、爪基端部側の爪部断面積を大きく取ることにより、主磁束が多く流れる爪基端部側の永久磁石２０との接触面積を大きくすることができ、回転子４に発生する磁束量を更に増加させ固定子５に発生する誘起電圧を上昇させ、更なる高出力化を可能としている。

以上説明したように、本実施例によれば、ロータコア爪部１０１の内周側に爪基端部から爪先端部へ向けて１段の段差を設け、高速回転時の遠心力によるロータコア爪部１０１の開きを抑制し、平均ギャップ長を縮小することで低速回転域から高速回転域まで出力向上が見込める小型で高出力化に適した高品質の車両用交流発電機を提供することができる。

上述の実施例では、回転電機の一例として車両用交流発電機について説明を行ったが、回転力を出力するモータや、発電と駆動を兼ねたモータジェネレータ等にも適用することができる。特にモータにおいては、ハイブリッド自動車や電動四輪駆動車の駆動用モータ、ポンプを駆動するためのモータ等へも同様に適用できる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述した各実施例は、本発明の理解を容易に説明するためのものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ プーリ
２ シャフト
３ フロントベアリング
４ 回転子
５ 固定子
６ 固定子鉄心
７ 固定子巻線
８ リヤベアリング
９ フロント側ロータコア
１０ リヤ側ロータコア
１１ 界磁巻線
１２ スリップリング
１３ ブラシ
１４ リヤファン
１５ フロントブラケット
１６ 整流装置
１７ リヤカバー
１８ 車両用交流発電機
１９ センターブラケット
２０ 永久磁石
２１ 爪先端部の遠心力による変位
２２ 爪部外周側ストレートエンド部の遠心力による変位
２３ 爪基端部の遠心力による変位
２４ 爪基端部の固定子鉄心とのギャップ
２５ 爪先端部の固定子鉄心とのギャップ
１０１ ロータコア爪部
１０２ ロータコア側板部
１０３ ロータコア爪間部
１０４ ロータコアヨーク部
１０５ 段差
１０６ 爪基端部側の傾斜部
１０７ 爪先端部側の傾斜部

Claims (6)

1. 固定子と、該固定子の内周側にギャップを介して回転自在に支持された回転子とを備える回転電機において、
   前記回転子は爪部がかみ合うように配置されたロータコアを有し、
   前記爪部の内周面は、第１の傾斜角度による爪基端部側の傾斜部と、第２の傾斜角度による爪先端部側の傾斜部とを有し、
   前記第１の傾斜角度は前記第２の傾斜角度より小さい回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記爪基端部側の傾斜部と前記爪先端部側の傾斜部の間に少なくとも１つの段差が設けられている回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記爪基端部側の傾斜部と前記爪先端部側の傾斜部とが、１つの前記段差を介して連続している回転電機。
4. 請求項２又は３に記載の回転電機において、
   前記爪部の間に永久磁石が配置され、
   前記爪部と前記永久磁石との接触面積が、前記爪基端部側より前記爪先端部側で小さくなっている回転電機。
5. 請求項４に記載の回転電機において、
   前記回転子が、回転軸周りに巻回された界磁巻線を有し、
   前記ロータコアが前記界磁巻線を包囲した回転電機。
6. 請求項５に記載の回転電機において、
   前記固定子が、内周面に向かって開口する複数のスロットを有する環状の固定子鉄心と、前記複数のスロットに絶縁シートを介して巻回された固定子巻線とを有する回転電機。