JP4396471B2 - 車両用回転電機およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両用回転電機に関し、例えば、車両に搭載される交流発電機に関する。

〔従来の技術〕
従来より、例えば、車両に搭載される交流発電機では、ロータを構成するランデル型の爪状磁極とステータとの間で磁束を確実に受け渡すため、この爪状磁極の側面間に永久磁石を介在させて、爪状磁極間の磁束の漏洩を防止する技術が公知となっている。さらに、この永久磁石が遠心力により径方向外側に飛び出し破損するのを防止するための技術が考えられている。

このような技術として、例えば、樹脂製の磁石保持部材を設けて永久磁石を保持するものや（例えば、特許文献１参照）、永久磁石を非磁性金属の板状部材で軸方向に包囲することにより磁石保持部材を形成するもの（例えば、特許文献２参照）が考えられている。また、永久磁石の外周面、内周面および軸方向両端面を非磁性金属の磁石保持部材で囲うとともに、爪状磁極の側面と対向する両側面を磁性金属の補助磁極部で覆い、さらに、磁石保持部材と補助磁極部とを溶接して一体化する技術（例えば、特許文献３参照）も考えられている。

〔従来技術の不具合〕
しかし、特許文献１に記載の技術によれば、磁石保持部材が樹脂により成形されているため、強度が低く破損する虞がある。また、特許文献２に記載の技術のように、非磁性金属の板状部材により永久磁石を包囲すれば、強度が向上し磁石保持部材自体が破損する虞が低減される。しかし、板状部材の包囲端部同士の係合などを行う必要があり加工に手間がかかる。さらに、永久磁石を軸方向に全周において包囲するため、磁石保持部材に用いる金属素材の使用量も多くなる。以上により、特許文献２に記載の磁石保持部材は製造コストが高いものになってしまう。

また、特許文献３に記載の技術は、非磁性金属の磁石保持部材と磁性金属の補助磁極部との溶接を行う必要がありコストが高い。なお、補助磁極部は磁性金属であるため、錆が発生する虞があり、錆の増大により補助磁極部が破損し永久磁石を保持できなくなる虞もある。
特開平７−１２３６６４号公報 特開２００３−３３９１４１号公報 特開２００２−２６２５３０号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、車両用交流発電機等の車両用回転電機において、磁石保持部材を用いて爪状磁極間に永久磁石を保持するに際し、コストアップすることなく破損の虞を低減することができる構造の磁石保持部材を提供することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の車両用回転電機は、周方向に互いに対向し磁束の受渡を行う複数の爪状磁極を有するとともに、回転軸に組み付けられるポールコアと、互いに向かい合う２つの爪状磁極の間に介在して、磁束の漏洩を減少する方向に着磁された複数の永久磁石と、永久磁石を保護するとともに、２つの爪状磁極の間に永久磁石を保持する金属製の磁石保持部材とを備え、磁石保持部材は、永久磁石の径方向外側の面および周方向両側面を囲うように形成され、永久磁石の周方向両側面を覆う２つの側部は、永久磁石の径方向外側の面を覆う両側架橋部よりも低剛性である。
これにより、磁石保持部材を略コの字状や略Ｃ字状に形成することができるため、永久磁石の全周を囲う場合に比べ素材の使用量を低減することができる。さらに、磁石保持部材において、２つの側部を両側架橋部よりも低剛性とすることにより、板状の素材を略コの字状や略Ｃ字状に容易に形成することができる。この結果、コストアップすることなく磁石保持部材の破損の虞を低減することができる。

また、２つの側部は、周方向に貫通する孔部を有することにより、両側架橋部よりも低剛性になっている。
これにより、プレス加工等の簡易な手段によって、２つの側部を低剛性にすることができる。

さらに、２つの側部の反両側架橋部側の端部は、永久磁石の径方向内側の面に係合している。
これにより、永久磁石が内周側に脱落するのを防止することができる。
また、磁石保持部材の側部の外側面と、爪状磁極の周方向側面との間に形成される空隙（以下、「磁極／部材間空隙」と呼ぶ）に、熱硬化性樹脂が充填されている。
これにより、磁石保持部材と爪状磁極との固着が強化され、より強固に永久磁石を２つの爪状磁極の間に保持することができる。
加えて、磁極／部材間空隙に、内周側に向かい漸増する部分がある。
これにより、径方向内側に向かい漸増する部分に充填された熱硬化性樹脂は、遠心力が作用する永久磁石に対し、くさびとして機能する。この結果、さらに強固に磁石保持部材を介して永久磁石を２つの爪状磁極の間に保持することができるので、磁石保持部材の破損を防止できる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の２つの側部は、両側架橋部よりも板厚が薄いことにより、両側架橋部よりも低剛性になっている。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の磁石保持部材は、非磁性材料を素材としている。
このため、磁石保持部材に防錆効果を有する素材を用いることにより、錆の進行による磁石保持部材の破損を防止できる。また、永久磁石が錆びるのを抑制することができるので、永久磁石にメッキなどの高価な表面処理を施す必要がなくなり、コストを低減できる。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の車両用回転電機では、磁極／部材間空隙に充填される熱硬化性樹脂が、ポールコアの内周側に装着される界磁コイルを保護する含浸固着樹脂と同じ樹脂素材である。
これにより、界磁コイルの含浸固着処理と同時に、磁極／部材間空隙における固着処理を行うことができる。このため、作業工数を減らしてコストを低減することができる。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の車両用回転電機の製造方法では、界磁コイルに含浸固着樹脂の被膜を形成しておき、磁極／部材間空隙に充填された熱硬化性樹脂とともに、含浸固着樹脂の皮膜に加熱処理を施す。
これによれば、界磁コイル、ポールコア、永久磁石および磁石保持部材などを所定の構成に組み立ててロータを形成する前に、熱硬化前の熱硬化性樹脂材料（プレポリマ）で界磁コイルに被膜を形成しておく。そして、ロータ全体を加熱処理することにより、界磁コイルの含浸固着処理と、磁極／部材間空隙における固着処理とを行う。これにより、ロータを組み立てた後に、プレポリマを界磁コイルに塗布する場合に比べて、作業の煩雑さを大幅に低減できる。

最良の形態１の車両用回転電機は、周方向に互いに対向し磁束の受渡を行う複数の爪状磁極を有するとともに、回転軸に組み付けられるポールコアと、互いに向かい合う２つの爪状磁極の間に介在して、磁束の漏洩を減少する方向に着磁された複数の永久磁石と、永久磁石を保護するとともに、２つの爪状磁極の間に永久磁石を保持する金属製の磁石保持部材とを備え、磁石保持部材は、永久磁石の径方向外側の面および周方向両側面を囲うように形成され、永久磁石の周方向両側面を覆う２つの側部は、永久磁石の径方向外側の面を覆う両側架橋部よりも低剛性である。

２つの側部は、周方向に貫通する孔部を有することにより、両側架橋部よりも低剛性になっている。
また、２つの側部の反両側架橋部側の端部は、永久磁石の径方向内側の面に係合している。
また、磁石保持部材は、非磁性材料を素材としている。
また、磁石保持部材の側部の外側面と、爪状磁極の周方向側面との間に形成される空隙（磁極／部材間空隙）に、熱硬化性樹脂が充填されている。
また、磁極／部材間空隙に充填される熱硬化性樹脂は、ポールコアの内周側に装着される界磁コイルを保護する含浸固着樹脂と同じ樹脂素材である。

さらに、最良の形態１の車両用回転電機の製造方法では、ポールコアの内周側に装着される界磁コイルに、界磁コイルを保護する含浸固着樹脂の被膜を形成しておき、磁極／部材間空隙に充填された熱硬化性樹脂とともに、含浸固着樹脂の皮膜に加熱処理を施す。

最良の形態２の車両用回転電機の２つの側部は、両側架橋部よりも板厚が薄いことにより、両側架橋部よりも低剛性になっている。
最良の形態３の車両用回転電機の磁極／部材間空隙は、内周側に向かい漸増する部分がある。

〔実施例１の構成〕
実施例１の車両用回転電機１の構成を図１ないし図７を用いて説明する。なお、本実施例では、車両用回転電機１として、内燃機関（図示せず）により回転駆動され車載電源（図示せず）等に電力を供給する交流発電機（以下、発電機１とする）を取り上げて説明する。
発電機１は、図１に示すように、電機子として機能するステータ２、界磁極として機能するロータ３、ステータ２およびロータ３を収容するハウジング４、電機子コイル５に誘起される交流電力を直流電力に変換する整流器６などにより構成されている。

ロータ３は、プーリ９およびベルト（図示せず）を介して内燃機関により回転駆動される回転軸１０、スリップリング１１を介して界磁電流の通電を受ける界磁コイル１２、周方向に互いに対向し界磁電流により励磁される磁束の受渡を行う複数の爪状磁極１３を有するとともに、回転軸１０に組み付けられるポールコア１４、互いに向かい合う２つの爪状磁極１３の間に介在して、磁束の漏洩を減少する方向に着磁された複数の永久磁石１５、永久磁石１５を保護するとともに、２つの爪状磁極１３の間に永久磁石１５を保持する磁石保持部材１６、ポールコア１４の軸方向両端に取り付けられた冷却ファン１７などを備える。

ポールコア１４は、回転軸１０に組み付けられるボス部２１、ボス部２１の軸方向両端から径方向外側に延びるディスク部２２、ディスク部２２の外周端から互いに噛み合うように軸方向に延びる前記した爪状磁極１３により構成されている。これにより、周方向に隣り合う２つの爪状磁極１３は、図２に示す各々の周方向側面２３により互いに対向する。そして、界磁電流が通電されると、周方向に隣り合う２つの爪状磁極１３の一方がＮ極に磁化され他方がＳ極に磁化されるとともに、互いに対向する周方向側面２３の間で磁束が周方向に受け渡される。

永久磁石１５は、図３に示すように、略直方体に成形されたネオジウム磁石などの希土類磁石であり、長手方向が軸方向を指向するように、ロータ３に組み込まれている。また、永久磁石１５は、周方向の２つの側面２５の一方がＮ極の磁極面をなし、他方がＳ極の磁極面をなす。そして、永久磁石１５は、Ｎ極の側面２５がＮ極に磁化される爪状磁極１３の周方向側面２３に対向するように、かつ、Ｓ極の側面２５がＳ極に磁化される爪状磁極１３の周方向側面２３に対向するように、２つの爪状磁極１３の間に配置される。これにより、隣り合うＮ極およびＳ極の爪状磁極１３の間で、磁束の漏洩を減少させ、確実にロータ３からの磁束をステータ２へ受け渡すことができる。

磁石保持部材１６は、永久磁石１５の径方向外側の面（以下、外周面２６とする）および周方向の２つの側面２５を囲うように略コの字状に形成されている。すなわち、磁石保持部材１６は、両側面２５を覆う２つの側部２７、および外周面２６を覆うとともに２つの側部２７を架橋する両側架橋部２８により構成されている。また、磁石保持部材１６は、ステンレスなどの非磁性金属を素材とし、２つの側部２７は、周方向に貫通する孔部２９が設けられることにより、両側架橋部２８よりも低剛性になっている。また、２つの側部２７の反両側架橋部２８側の端部３０は、図４に示すように、永久磁石１５の径方向内側の面（以下、内周面３１とする）に係合するように折り曲げられている。

なお、孔部２９は、図３に示すように軸方向に長く伸びる形状とし、各々の側部２７に１つだけ形成してもよいし、図５に示すように同様の形状とし、各々の側部２７に２つづつ形成してもよい。さらに、図６に示すように円形状とし、各々の側部２７に３つづつ形成してもよい。このように、孔部２９の形状、数、配置などは任意である。

そして、磁石保持部材１６は、永久磁石１５を略コの字状に包囲するとともに、図７に示すように、両側架橋部２８が永久磁石１５よりも外周に配置されるように２つの爪状磁極１３の間に装着される。このとき、磁石保持部材１６は、２つの側部２７の外側面３２が爪状磁極１３の周方向側面２３に当接して周方向に拘束され（図４参照）、２つの端面３３がディスク部２２の軸方向内面３４に当接して軸方向に拘束される（図２参照）。また、磁石保持部材１６は、両側架橋部２８の外面３５が爪状磁極１３の鍔部３６の内周面３７に当接して径方向に係止され（図２および図７参照）、これにより、永久磁石１５および磁石保持部材１６は、遠心力により径方向外側に飛び出すのを防止される。

また、ポールコア１４はコストダウンのため鍛造成形される場合が多く、この場合、その周方向側面２３などの表面は磁石保持部材１６の表面よりも粗い。このため、磁石保持部材１６の側部２７の外側面３２と、爪状磁極１３の周方向側面２３とは部分的に当接するとともに空隙（磁極／部材間空隙）が形成され、この磁極／部材間空隙に熱硬化性樹脂３８が充填されている。また、磁極／部材間空隙に充填される熱硬化性樹脂３８は、界磁コイル１２を保護する含浸固着樹脂と同じ樹脂素材にすることができる。

なお、界磁コイル１２の含浸固着樹脂は、発電機１の製造時に、熱硬化前の熱可塑性樹脂材料（プレポリマ）の被膜を界磁コイル１２の表面に形成しておき、磁極／部材間空隙に充填したプレポリマとともに、加熱硬化処理することにより形成してもよい。この場合、界磁コイル１２の含浸固着処理と、磁極／部材間空隙における固着処理とが、同時に行われる。

〔実施例１の作用〕
実施例１の発電機１の作用を説明する。
内燃機関によりロータ３が回転駆動された状態で、界磁コイル１２に界磁電流が通電され爪状磁極１３が磁化すると、ステータ２の電機子コイル５に交流電力が誘起されるとともに、誘起された交流電力は整流器６により直流電力に変換され車載電源等に供給される。この際、２つの隣り合う爪状磁極１３の間に介在する永久磁石１５は、磁束の漏洩を減少させ爪状磁極１３の間で確実に磁束を受け渡す。そして、ロータ３の回転に伴い、永久磁石１５に遠心力が作用するが、この永久磁石１５は磁石保持部材１６により略コの字状に収容されて保護され、さらに磁石保持部材１６は爪状磁極１３により径方向に係止されているので、遠心力による永久磁石１５の飛び出しが防止される。

〔実施例１の効果〕
実施例１の発電機１の効果を説明する。
実施例１の発電機１の磁石保持部材１６は、永久磁石１５の周方向の２つの側面２５を覆う２つの側部２７、および外周面２６を覆うとともに２つの側部２７を架橋する両側架橋部２８により構成され、２つの側部２７は両側架橋部２８よりも低剛性である。
これにより、磁石保持部材１６を略コの字状に形成することができるため、永久磁石１５の全周を囲う場合に比べ素材の使用量を低減することができる。さらに、磁石保持部材１６において、２つの側部２７を両側架橋部２８よりも低剛性とすることにより、板状の素材を略コの字状に容易に形成することができる。この結果、コストアップすることなく磁石保持部材１６の破損の虞を低減することができる。

また、コストダウンのためポールコア１４の表面は粗い場合が多い。このため、永久磁石１５の側面２５にポールコア１４の表面（本実施例では、爪状磁極１３の周方向側面２３）を、直接、接触させると局部的に強く突き当たる部分が生じ、永久磁石１５を破損させる虞がある。
これに対し、本実施例のように低剛性の側部２７で永久磁石１５の側面２５を覆うことにより、永久磁石１５の側面２５とポールコア１４の表面との直接接触を回避できるとともに、局所的な押圧力を吸収することができる。この結果、永久磁石１５の破損の虞を低減することができるという効果もある。

また、磁石保持部材１６の２つの側部２７は、周方向に貫通する孔部２９を有することにより、両側架橋部２８よりも低剛性になっている。
孔部２９はプレス加工等の簡易な手段によって設けることができる。このため容易に２つの側部２７を低剛性にすることができる。

また、磁石保持部材１６の２つの側部２７の反両側架橋部２８側の端部３０は、永久磁石１５の内周面３１に係合するように折り曲げられている。
これにより、永久磁石１５が内周側に脱落するのを防止することができる。

また、磁石保持部材１６は、非磁性金属を素材としている。
このため、磁石保持部材１６に防錆効果を有する素材を用いることにより、錆の進行による磁石保持部材１６の破損を防止できる。また、永久磁石１５が錆びるのを抑制することができるので、永久磁石１５にメッキなどの高価な表面処理を施す必要がなくなり、コストを低減できる。

また、発電機１では、磁極／部材間空隙に熱硬化性樹脂３８が充填されている。
これにより、磁石保持部材１６と爪状磁極１３との固着が強化され、より強固に永久磁石１５を２つの爪状磁極１３の間に保持することができる。

また、発電機１では、磁極／部材間空隙に充填される熱硬化性樹脂３８が、界磁コイル１２を保護する含浸固着樹脂と同じ樹脂素材である。
これにより、界磁コイル１２の含浸固着処理と同時に、磁極／部材間空隙における固着処理を行うことができる。このため、作業工数を減らしてコストを低減することができる。
なお、２つの側部２７の孔部２９にも熱硬化性樹脂３８が入りこむことにより、磁石保持部材１６と永久磁石１５と爪状磁極１３とが、さらに強固に固着される。

さらに、発電機１の製造方法では、界磁コイル１２の表面にプレポリマの被膜を形成しておき、磁極／部材間空隙に充填されたプレポリマとともに、含浸固着樹脂の皮膜に加熱処理を施してもよい。
これによれば、界磁コイル１２、ポールコア１４、永久磁石１５および磁石保持部材１６などを所定の構成に組み立ててロータ３を形成する前に、界磁コイル１２にプレポリマの被膜を形成しておく。そして、ロータ３を組み立てロータ３全体を加熱処理することにより、界磁コイル１２の含浸固着処理と、磁極／部材間空隙における固着処理とを行う。これにより、ロータ３を組み立てた後にプレポリマを界磁コイル１２に塗布する場合に比べて、作業の煩雑さを大幅に低減できる。

実施例２の発電機１では、図８に示すように、磁石保持部材１６の２つの側部２７は、両側架橋部２８よりも板厚が薄いことにより、両側架橋部２８よりも低剛性になっている。これにより、実施例１と同様の効果を得ることができる。

実施例３の発電機１では、磁石保持部材１６の側部２７の外側面３２と、爪状磁極１３の周方向側面２３との距離が内周側に向かい漸増している。この結果、磁極／部材間空隙は、内周側に向かい漸増している。
これにより、磁極／部材間空隙に充填された熱硬化性樹脂３８は、遠心力が作用する永久磁石１５および磁石保持部材１６に対し、くさびとして機能する。この結果、さらに強固に磁石保持部材１６を介して永久磁石１５を２つの爪状磁極１３の間に保持することができるので、磁石保持部材１６の破損を防止できる。

実施例４の発電機１では、磁石保持部材１６の最外周において、２つの側部２７の外側面３２が爪状磁極１３の周方向側面２３に当接して周方向に拘束され、この位置よりも内周側では、外側面３２と周方向側面２３との距離が内周側に向かい漸増している。そして、磁極／部材間空隙には、熱硬化性樹脂３８が充填されている。
これにより、２つの爪状磁極１３による挟持効果と、熱硬化性樹脂３８のくさび効果とにより、さらに強固に永久磁石１５および磁石保持部材１６を２つの爪状磁極１３の間に保持することができる。

発電機の要部断面図である（実施例１）。 ポールコアの要部正面図である（実施例１）。 永久磁石と磁石保持部材の斜視図である（実施例１）。 ロータの要部断面図である（実施例１）。 磁石保持部材の斜視図である（実施例１）。 磁石保持部材の斜視図である（実施例１）。 ロータの要部斜視図である（実施例１）。 磁石保持部材の斜視図である（実施例２）。 ロータの要部断面図である（実施例３）。 ロータの要部断面図である（実施例４）。

符号の説明

１ 発電機（車両用回転電機）
１０ 回転軸
１２ 界磁コイル
１３ 爪状磁極
１４ ポールコア
１５ 永久磁石
１６ 磁石保持部材
２３ 周方向側面（爪状磁極の周方向側面）
２５ 側面（永久磁石の周方向両側面）
２６ 外周面（永久磁石の径方向外側の面）
２７ 側部
２８ 両側架橋部
２９ 孔部
３０ 端部（側部の反両端架橋部側の端部）
３１ 内周面（永久磁石の径方向内側の面）
３２ 外側面（側部の外側面）
３８ 熱硬化性樹脂

Claims (5)

1. 周方向に互いに対向し磁束の受渡を行う複数の爪状磁極を有するとともに、回転軸に組み付けられるポールコアと、
   互いに向かい合う２つの爪状磁極の間に介在して、磁束の漏洩を減少する方向に着磁された複数の永久磁石と、
   前記永久磁石を保護するとともに、前記２つの爪状磁極の間に前記永久磁石を保持する金属製の磁石保持部材とを備えた車両用回転電機において、
   前記磁石保持部材は、前記永久磁石の径方向外側の面および周方向両側面を囲うように形成され、
   前記永久磁石の周方向両側面を覆う２つの側部は、前記永久磁石の径方向外側の面を覆う両側架橋部よりも低剛性であり、
   前記２つの側部は、周方向に貫通する孔部を有することにより、前記両側架橋部よりも低剛性になっており、
   前記２つの側部の反両側架橋部側の端部は、前記永久磁石の径方向内側の面に係合しており、
   前記磁石保持部材の前記側部の外側面と、前記爪状磁極の周方向側面との間に形成される空隙に、熱硬化性樹脂が充填されており、
   前記空隙は、内周側に向かい漸増する部分があることを特徴とする車両用回転電機。
2. 周方向に互いに対向し磁束の受渡を行う複数の爪状磁極を有するとともに、回転軸に組み付けられるポールコアと、
   互いに向かい合う２つの爪状磁極の間に介在して、磁束の漏洩を減少する方向に着磁された複数の永久磁石と、
   前記永久磁石を保護するとともに、前記２つの爪状磁極の間に前記永久磁石を保持する金属製の磁石保持部材とを備えた車両用回転電機において、
   前記磁石保持部材は、前記永久磁石の径方向外側の面および周方向両側面を囲うように形成され、
   前記永久磁石の周方向両側面を覆う２つの側部は、前記永久磁石の径方向外側の面を覆う両側架橋部よりも低剛性であり、
   前記２つの側部は、前記両側架橋部よりも板厚が薄いことにより、前記両側架橋部よりも低剛性になっており、
   前記２つの側部の反両側架橋部側の端部は、前記永久磁石の径方向内側の面に係合しており、
   前記磁石保持部材の前記側部の外側面と、前記爪状磁極の周方向側面との間に形成される空隙に、熱硬化性樹脂が充填されており、
   前記空隙は、内周側に向かい漸増する部分があることを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項１または請求項２に記載の車両用回転電機において、
   前記磁石保持部材は、非磁性材料を素材としていることを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項１または請求項２に記載の車両用回転電機において、
   前記空隙に充填される熱硬化性樹脂は、前記ポールコアの内周側に装着される界磁コイルを保護する含浸固着樹脂と同じ樹脂素材であることを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項１または請求項２に記載の車両用回転電機の製造方法であって、
   前記ポールコアの内周側に装着される界磁コイルに、前記界磁コイルを保護する含浸固着樹脂の被膜を形成しておき、
   前記空隙に充填された熱硬化性樹脂とともに、前記含浸固着樹脂の皮膜に加熱処理を施すことを特徴とする車両用回転電機の製造方法。

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