JP6494827B1 - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】回転子から固定子に鎖交する磁束量を増大し、回転機出力向上効果を得る。
【解決手段】ランデル型回転子5の第1および第2の爪状磁極部17、20のそれぞれの最径外面で、固定子鉄心11の内周面との間の空隙長を広くする面取り部18、21を含まない固定子鉄心11の軸方向端面と軸方位置での磁極幅11aをLW1、LW2とし、
固定子8の周方向360°/回転子極数の範囲に存在する複数の磁極歯11aにおいて、周方向距離をLt1、Lt2とした場合、Lt1<LW1<Lt2、およびLt1<LW2<Lt2の関係を満たすように構成する。
【選択図】図5

Description

本願は、車両用交流発電電動機などの回転電機に係り、詳しくは、ランデル型の回転子を備えた回転電機に関するものである。
車両に用いられる回転電機においては、車両燃費を改善するために、回転電機の出力を向上させることが有効である。そこで、固定子あるいは回転子の形状を工夫し、回転電機出力を向上させることが考えられてきた。
車両用の交流発電機においては、例えば特許文献1に開示されているように、発電機出力の向上を目的として、対向配置された一対の磁極円板部と、この磁極円板部の周辺部に相互に隔置されて設けられた復数個の磁極歯部であって、各磁極歯部は円周方向につば部を有し交互に反対極性で歯合された前記磁極歯部とを有する回転子を備え交流発電機において、前記磁極歯部はそれぞれ所定の半径を有する円弧状先端部を有し、前記磁極円板部はそれぞれ前記磁極歯部の両側に隣接配置された対向異極の磁極歯部の先端部の方向に対応する前記磁極円板部の半径方向に一対の実質的面取り部を有する交流発電機が提案されている。
特開昭60−098854号公報
しかし、特許文献1に開示された交流発電機では実質的面取り部の周方向幅が大きく、固定子に対向する回転子の最径外表面積が小さくなり、固定子に鎖交する磁束量が低減されて、交流発電機出力向上効果が低下する課題がある。また、前記一対の面取り部の最周内線と固定子鉄心軸方向端面の線とが交差する2点間を繋ぐ円弧長と、磁極ピッチ内に存在する複数の固定子磁極歯において、最周外に位置する磁極歯の最周外点と、最周内に位置する磁極歯の最周内点を繋ぐ円弧長との関係が不明瞭であることから、固定子の設計に依っては、所望の回転機出力向上効果が得られない可能性があった。
本願は、前記のような課題を解決するための技術を開示するもので、回転子から固定子に鎖交する磁束量が増大され、固定子の設計に依らず回転機出力向上効果を得ることが出来る回転電機の提供を目的とするものである。
本願に開示される回転電機は、回転子と、前記回転子の外周に空隙を介して設けられ、複数の磁極歯を有する固定子鉄心を備えた固定子とを含む回転電機であって、
前記回転子は、対向する一対の基部と、前記基部の一方の端縁部から径方向外側に延設された第1継鉄部と、前記基部の他方の端縁部から径方向外側に延設された第2継鉄部と、前記第1継鉄部の軸方向に延設されて周方向に等ピッチで配列された複数の第1爪状磁極部と、前記第2継鉄部の軸方向に延設されて周方向に等ピッチで配列された複数の第2爪状磁極部と、前記複数の第1爪状磁極部と前記複数の第2爪状磁極部を交互に噛み合わせて構成されたポールコアを備えた回転電機において、
前記第1爪状磁極部および前記第2爪状磁極部には、それぞれ前記回転子の回転方向および反回転方向端面に前記固定子鉄心の内周面との間の空隙長を広くする面取り部が設けられると共に、前記固定子鉄心の複数の磁極歯は、径内方向に形成された鍔部と径内方向から径外方向に形成された固定子第1継鉄部と、隣り合う前記固定子第1継鉄部を繋ぐ固定子第2継鉄部を有し、
回転方向を周外方向、反回転方向を周内方向とすると、前記第1爪状磁極部の最径外面かつ最周外面から始まる前記面取り部の最周内線と、前記第1爪状磁極部の最径外面かつ最周内面から始まる前記面取り部の最周外線が、前記固定子鉄心の軸方向一端面の線と交差する2点間の周方向距離をLW1、前記第2爪状磁極部の最径外面かつ最周外面から始まる前記面取り部の最周内線と、前記第2爪状磁極部の最径外面かつ最周内面から始まる前記面取り部の最周外線が、前記固定子鉄心軸方向他端面の線交差する2点間の周方向距離をLW2とし、
前記固定子鉄心の任意の前記固定子第2継鉄部から周外方向360°/回転子極数の範囲に存在する複数の前記磁極歯において、最周外に位置する前記磁極歯の前記鍔部の最周外点と、最周内に位置する前記磁極歯の前記鍔部の最周内点の周方向距離をLt2とし、最周外に位置する前記磁極歯の前記固定子第1継鉄部の最周外点と、最周内に位置する前記磁極歯の前記固定子第1継鉄部の最周内点の周方向距離をLt1とした場合、Lt1<LW1<Lt2、およびLt1<LW2<Lt2の関係を満たすように構成したものである。
本願に開示される回転電機によれば、前記構成により、回転子から固定子に鎖交する磁束量が増大され、固定子の設計に依らず回転機出力向上効果を得ることが出来る。
実施の形態1に係る車両用交流発電電動機を模式的に示す断面図である。 実施の形態1に係る車両用交流発電電動機に適用される回転子を示す斜視図である。 実施の形態1に係る車両用交流発電電動機に適用される回転子を構成するポールコア体を示す斜視図である。 実施の形態1に係る車両用交流発電電動機に適用される固定子を構成する固定子鉄心を示す軸方向上面図である。 実施の形態1に係る車両用交流発電電動機に適用される回転子を構成するポールコア体の爪状磁極部を固定子側から見た正面図である。 実施の形態1に係る車両用交流発電電動機の回転機出力向上効果を示す図である。 実施の形態1に係る車両用交流発電電動機における回転機全体の磁気回路および固定子の軸断面磁気回路を示す模式図である。 実施の形態2に係る車両用交流発電電動機に適用される回転子を構成するポールコア体の爪状磁極部を固定子側から見た正面図である。
以下、本願の実施の形態に係る回転電機について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一もしくは相当部分を示している。また、各図は、この実施の形態を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を示す場合には、図面の記載を基準とし、図中に記載されている各寸法は、図中記載の座標軸を基に計算される値で定義される。符号の英文字は大文字と小文字とで別の要素を意味する。「固定する」は、対象物を固定できれば任意であり、その固定方法は問わない。「等しくなる」は、ほぼ同一であることを意味しており、寸法交差の範囲で異なるものであれば有している機能は同じと看做す。「円環状」には円筒状を含む。更に、「径外方向」は径方向における外側を、「径内方向」は径方向における内側を、「周外方向」は回転方向、「周内方向」は反回転方向を、それぞれ意味する。
実施の形態1.
図1は実施の形態1に係る車両用交流発電電動機を模式的に示す断面図、図2は実施の形態1に係る車両用交流発電電動機に適用される回転子を示す斜視図、図3は実施の形態1に係る車両用交流発電電動機に適用されるポールコア体を示す斜視図である。なお、図2においては本願に直接関連しない一部部品(ファン)が省略されている。
図1から図3において、回転電機としての車両用交流発電電動機1は、それぞれ略椀形状のアルミ製のフロントブラケット2aおよびリヤブラケット2bと、シャフト3をフロントブラケット2aおよびリヤブラケット2bに軸受4を介して支持され、回転自在に配設された回転子5を備えている。
また、車両用交流発電電動機1は、フロントブラケット2aから延出するシャフト3の端部に固着されたプーリ6と、回転子5の軸方向の両端面に固定されたファン7と、回転子5に対して一定の空隙を有して回転子5の外周を囲繞し、フロントブラケット2aおよびリヤブラケット2bに固定された固定子8と、シャフト3のリヤ側(反負荷側)に固定され、回転子5に電流を供給する一対のスリップリング9と、一対のスリップリング9に摺動するように設けられた一対のブラシ10を備えている。
固定子8は、円筒状の固定子鉄心11と、固定子鉄心11に巻装され、回転子5の回転に伴なって後述する界磁巻線12からの磁束をうける固定子コイル13を備えている。回転子5は、界磁電流が流れることにより磁束を発生する界磁巻線12と、図2に詳細を示すように、界磁巻線12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ポールコア14と、ポールコア14の軸心位置に挿入され、固定されたシャフト3を備えている。ポールコア14は、それぞれ例えばS10Cなどの低炭素鋼で冷間鍛造製法により作製された第1および第2ポールコア体14a、14bに分割構成されている。
第1ポールコア体14aは、図3に詳細を示すように、端面を正円とする円筒体に作製されると共にシャフト挿通穴が軸心位置を貫通して形成された第1基部15と、第1基部15の一端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第1継鉄部16と、第1継鉄部16の外周部から軸方向他端側に延設された第1爪状磁極部17を有している。第1爪状磁極部17は、その最径外面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚が先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成されている。そして、第1爪状磁極部17は、第1継鉄部16の外周部に周方向に等ピッチで例えば8個配列されている。ここで、第1ポールコア体14aは、面取り部18を備えており、この面取り部18は、回転あるいは反回転方向端面に形成され、固定子8の内周面と第1爪状磁極部17の表面の間の空隙長を広くするように形成されている。
第2ポールコア体14bは、第1ポールコア体14aと同様に構成されており、端面を正円とする円筒体に作製されると共に、シャフト挿通穴が軸心位置を貫通して形成され、第1基部15と対向配置された第2基部(図示せず)と、第2基部の他端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第2継鉄部19と、第2継鉄部19の外周部から軸方向一端側に延設された第2爪状磁極部20を有している。第2爪状磁極部20は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成され、第2継鉄部19の外周部に周方向に等ピッチで例えば8個配列されている。ここで、第2ポールコア体14bは、面取り部21を備えており、この面取り部21は、回転あるいは反回転方向端面に形成され、固定子8の内周面と第2爪状磁極部20の表面の間の空隙長を広くするように形成されている。また、回転子5は、第1爪状磁極部17と第2爪状磁極部20との間に磁石22(図2参照)を備えている。
固定子8は、図4に示すように、複数の磁極歯11aを有する固定子鉄心11を備えており、磁極歯11aは径内方向に形成された鍔部11bと径内方向から径外方向に形成された固定子第1継鉄部11cと、隣り合う固定子第1継鉄部11cを繋ぐ固定子第2継鉄部11dを有している。また、前記のように、回転子5は、複数の第1爪状磁極部17のそれぞれに繋がる第1継鉄部16を第1ポールコア体14aに有し、複数の第2爪状磁極部20のそれぞれに繋がる第2継鉄部19を第2ポールコア体14bに有し、第1継鉄部16と第2継鉄部19は、それぞれ隣り合う継鉄部相互間に配置されている。
そして、図5に示すように、
(1)第1爪状磁極部17の最径外面かつ最周外面から始まる面取り部18の最周内線と、第1爪状磁極部17の最径外面かつ最周内面から始まる面取り部18の最周外線が、固定子鉄心11の軸方向一端面の線交差する2点間の周方向距離をLW1、
(2)第2爪状磁極部20の最径外面かつ最周外面から始まる面取り部21の最周内線と、第2爪状磁極部20の最径外面かつ最周内面から始まる面取り部21の最周外線が、固定子鉄心11の軸方向他端面の線交差する2点間の周方向距離をLW2とし、
図4に示すように、
(3)固定子鉄心11の任意の固定子第2継鉄部11dから周外方向360°/回転子極数の範囲に存在する複数の磁極歯11aにおいて、最周外に位置する磁極歯11aの鍔部の最周外点と、最周内に位置する磁極歯11aの鍔部の最周内点の周方向距離をLt2、
(4)最周外に位置する磁極歯11aの固定子第1継鉄部11cの最周外点と、最周内に位置する磁極歯11aの固定子第1継鉄部11cの最周内点の周方向距離をLt1とした場合、
Lt1<LW1<Lt2、およびLt1<LW2<Lt2となるように構成されている。なお、図5に示すLSCは、固定子鉄心11の軸方向一端面と軸方向他端面との距離を表している。
実施の形態1に係る車両用交流発電電動機1は前記のように構成されており、次に、車両用交流発電電動機1の電動機としての動作について説明する。
エンジン始動時に、バッテリ(図示せず)から直流電力が電源端子を介してパワー回路部(図示せず)に給電される。制御回路部(図示せず)は、パワー回路部の各スイッチング素子をオン/オフ制御して、直流電力を交流電力に変換する。この交流電力が、固定子8の固定子コイル13に供給される。
一方、界磁回路部(図示せず)は、制御回路部からの指令に基づいて、一対のブラシ10および一対のスリップリング9を介して回転子5の界磁巻線12に界磁電流を供給し、磁束が発生する。この磁束により、第1ポールコア体14aの第1爪状磁極部17がN極に磁化され、第2ポールコア体14bの第2爪状磁極部20がS極に磁化される。この回転子5の磁束と固定子コイル13に流れる電流が鎖交することで、駆動トルクが発生する。この駆動トルクにより、回転子5が回転駆動される。そして、回転子5の回転トルクが、プーリ6からベルト(図示せず)を介してエンジンのクランクシャフト(図示せず)に伝達され、エンジンを始動する。
次に車両用交流発電電動機1の発電機としての動作について説明する。エンジンの運転状態では、エンジンの回転トルクがクランクシャフトからベルトおよびプーリ6を介してシャフト3に伝達され、回転子5が回転される。このとき界磁巻線12に界磁電流を供給し回転子5に発生する磁束が固定子8の固定子コイル13と鎖交し、三相交流電圧が固定子コイル13に誘起される。そして、制御回路部が、パワー回路部の各スイッチング素子をオン/オフ制御して、固定子コイル13に誘起された三相交流電力を直流電力に変換し、バッテリを充電する。
実施の形態1に係る車両用交流発電電動機1は、前記のように構成され、動作するが、次にその効果について説明する。
実施の形態1に係る車両用交流発電電動機1の効果を確認するために、第1爪状磁極部17の最径外面かつ最周外面から始まる面取り部18の最周内線と、第1爪状磁極部17の最径外面かつ最周内面から始まる面取り部18の最周外線が、固定子鉄心11の一端面の線と交差する2点間の周方向距離LW1と、第2爪状磁極部20の最径外面かつ最周外面から始まる面取り部21の最周内線と、第2爪状磁極部20の最径外面かつ最周内面から始まる面取り部21の最周外線が、固定子鉄心11の他端面の線と交差する2点間の周方向距離LW2の値を変更したときの誘起電圧の値を図6に示す。
図6に示すように、Lt1<LW1<Lt2、およびLt1<LW2<Lt2の範囲において、誘起電圧の向上効果が多く得られていることが分かる。
前記効果が得られる理由を、図7(a)に示す車両用交流発電電動機1の回転子5と固定子8を含めた回転電機全体の磁気回路と、図7(b)に示す固定子鉄心11における1極対分の磁気回路を示す模式図(鉄心は円環状であり、簡略化のために直線形状で示す。座標軸は、径方向および周方向である。)を基に説明する。
界磁巻線12の発生する磁束は第1爪状磁極部17の最径外面から流出し、空隙を介して固定子鉄心11に流入し、固定子鉄心11を通った後、空隙を介して回転子5の第2爪状磁極部20の最径内面に流入する。固定子鉄心11の中では、第1爪状磁極部17の最径外面から発生する磁束が流入する磁極歯11aが1極分(図7(b)では6個)存在し、該磁束を第2爪状磁極部20に流出する磁束の経路となる磁極歯11aが1極分(図7では6個)存在する。つまり、第1爪状磁極部17から空隙を介し固定子鉄心11に流入する磁束は第1爪状磁極部17の最径外面から流出することから、周方向距離LW1は固定子鉄心11の1極分の磁極歯11aにおける最周内および最周外に位置する鍔部がなす周方向幅以内、即ち、Lt2になることが磁気的に理想状態であるといえる。
第1爪状磁極部17の最径外面をLt2以上とした場合、第1爪状磁極部17の最径外面において、前記Lt2を超えた位置から出力される磁束は固定子鉄心11と対向しないため出力に寄与しない。また、固定子鉄心11に流入した磁束は固定子鉄心11の磁極歯11aにおける固定子第1継鉄部11cを通るため、周方向距離LW1は固定子鉄心11の1極分の磁極歯11aにおける最周内および最周外方向に位置する固定子第1継鉄部11cがなす周方向幅以上、即ち、Lt1以上であることが磁束最大になる必要条件である。
以上より、本実施の形態が示すように、Lt1<LW1<Lt2、およびLt1<LW2<Lt2と成る範囲で固定子8に鎖交する磁束量が最大化されることが理解される。
このように、車両用交流発電電動機1では、固定子コイル13に鎖交する磁束量が最大化されていることから、回転機出力を最大化することが出来る。また、回転子5に対向する固定子鉄心11の磁極歯位置との関係を明確にしていることから、固定子8の設計に依らず、車両用交流発電電動機1の回転機出力最大化機能を得ることが出来る。
前記において、周方向距離LW1と周方向距離LW2を等しく構成することにより、第1爪状磁極部17と第2爪状磁極部20における非対称性が低減されるため、回転子5から固定子鉄心11に出力される磁束の高調波成分が低減され、高調波鉄損低減効果が得られる。
また、第1爪状磁極部17において、周外方向および周内方向の面取り部18を第1爪状磁極部17の周方向中心軸に対して対称形状にし、第2爪状磁極部20において、周外方向および周内方向の面取り部21を第2爪状磁極部20の周方向中心軸に対して対称形状にすることにより、回転子5から固定子鉄心11に出力される磁束の高調波成分が低減され、高調波鉄損低減効果が得られる。
実施の形態2.
図8は、実施の形態2に係る車両用交流発電電動機に適用されるポールコア体の爪状磁極部を固定子側から見た正面図で、実施の形態1の図5に相当する図である。なお、その他の構成については、実施の形態1と同様であり、説明を省略する。
実施の形態2に係るポールコア体は、第1爪状磁極部17の軸方向先端側端面と第2爪状磁極部20の軸方向先端側端面との距離LDが、固定子鉄心11の軸方向一端面と軸方向他端面との距離LSCよりも小さく構成されている。
実施の形態2に係る車両用交流発電電動機によれば、第1爪状磁極部17と第2爪状磁極部20の最径外面が、全て固定子鉄心11と径方向に対抗する面となるため、回転機出力向上効果を最大限得ることが出来る。
本開示は、例示的な実施の形態が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書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。
一例を挙げれば、実施の形態1で第1爪状磁極部17と第2爪状磁極部20との間に磁石22を備えているとして説明したが、出力最大化の機能は回転子5の最径外面と固定子鉄心11の磁極歯位置の関係によるものであるため、磁石22の有無によらず同様の効果が得られ、磁石22がない場合も同様の効果が得られる。
1 車両用交流発電電動機、2a フロントブラケット、2b リヤブラケット、3 シャフト、4 軸受、5 回転子、6 プーリ、7 ファン、8 固定子、9 スリップリング、10 ブラシ、11 固定子鉄心、11a 磁極歯、11b 鍔部、11c 固定子第1継鉄部、11d 固定子第2継鉄部、12 界磁巻線、13 固定子コイル、14 ポールコア、14a 第1ポールコア体、14b 第2ポールコア体、15 第1基部、16 第1継鉄部、17 第1爪状磁極部、18、21 面取り部、19 第2継鉄部、20 第2爪状磁極部、22 磁石、LW1、LW2、Lt1、Lt2 周方向距離。

Claims (4)

  1. 回転子と、前記回転子の外周に空隙を介して設けられ、複数の磁極歯を有する固定子鉄心を備えた固定子とを含む回転電機であって、
    前記回転子は、対向する一対の基部と、前記基部の一方の端縁部から径方向外側に延設された第1継鉄部と、前記基部の他方の端縁部から径方向外側に延設された第2継鉄部と、前記第1継鉄部の軸方向に延設されて周方向に等ピッチで配列された複数の第1爪状磁極部と、前記第2継鉄部の軸方向に延設されて周方向に等ピッチで配列された複数の第2爪状磁極部と、前記複数の第1爪状磁極部と前記複数の第2爪状磁極部を交互に噛み合わせて構成されたポールコアを備えた回転電機において、
    前記第1爪状磁極部および前記第2爪状磁極部には、それぞれ前記回転子の回転方向および反回転方向端面に前記固定子鉄心の内周面との間の空隙長を広くする面取り部が設けられると共に、
    前記固定子鉄心の複数の磁極歯は、径内方向に形成された鍔部と径内方向から径外方向に形成された固定子第1継鉄部と、隣り合う前記固定子第1継鉄部を繋ぐ固定子第2継鉄部を有し、
    回転方向を周外方向、反回転方向を周内方向とすると、前記第1爪状磁極部の最径外面かつ最周外面から始まる前記面取り部の最周内線と、前記第1爪状磁極部の最径外面かつ最周内面から始まる前記面取り部の最周外線が、前記固定子鉄心の軸方向一端面の線と交差する2点間の周方向距離をLW1、
    前記第2爪状磁極部の最径外面かつ最周外面から始まる前記面取り部の最周内線と、前記第2爪状磁極部の最径外面かつ最周内面から始まる前記面取り部の最周外線が、前記固定子鉄心軸方向他端面の線交差する2点間の周方向距離をLW2とし、
    前記固定子鉄心の任意の前記固定子第2継鉄部から周外方向360°/回転子極数の範囲に存在する複数の前記磁極歯において、最周外に位置する前記磁極歯の前記鍔部の最周外点と、最周内に位置する前記磁極歯の前記鍔部の最周内点の周方向距離をLt2とし、最周外に位置する前記磁極歯の前記固定子第1継鉄部の最周外点と、最周内に位置する前記磁極歯の前記固定子第1継鉄部の最周内点の周方向距離をLt1とした場合、
    Lt1<LW1<Lt2、およびLt1<LW2<Lt2の関係を満たすように構成したことを特徴とする回転電機。
  2. 前記周方向距離LW1と前記周方向距離LW2とを等しく構成したことを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
  3. 前記第1爪状磁極部に設けられた面取り部は、前記第1爪状磁極部の周方向中心軸に対して対称形状であり、前記第2爪状磁極部に設けられた面取り部は、前記第2爪状磁極部の周方向中心軸に対して対称形状であることを特徴とする請求項1または2に記載の回転電機。
  4. 前記第1爪状磁極部の軸方向先端側端面と前記第2爪状磁極部の軸方向先端側端面との軸方向距離を、前記固定子鉄心の軸方向一端面と軸方向他端面との距離よりも小さくしたことを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の回転電機。
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