(57)【要約】【課題】製造が容易であって、回転子に生じる漏れ磁束や表面の渦電流の発生を低減することができる車両用交流発電機を提供すること。【解決手段】  車両用交流発電機は、界磁巻線に通電することによりＮ極とＳ極に励磁される回転子２と、回転子２に対向して配置された固定子とを有する。回転子２は、外周側に爪状磁極部を有しないポールコア２３と、ポールコア２３の外周部に配置された薄板を積層した円環状の薄板積層コア２００と、薄板積層コア２００に形成された磁石配置穴に収納された永久磁石２２０とを備えている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁巻線に通電することによりＮ極とＳ極に励磁される回転子と、前記回転子に対向して配置された固定子とを有する車両用交流発電機において、
前記回転子は、外周側に爪状磁極部を有しないポールコアと、前記ポールコアの外周部に配置された薄板を積層した円環状の薄板積層コアと、前記薄板積層コアに形成された磁石配置穴に収納された第１の永久磁石とを備えることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項２】
請求項１において、
前記磁石配置穴の径方向には、前記薄板積層コアの径方向の厚みを薄くした薄肉部が形成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記第１の永久磁石は、周方向に着磁されており、
周方向に隣接する前記第１の永久磁石の着磁方向を互いに反対向きに設定することにより、隣接する２つの前記第１の永久磁石に挟まれた領域をＮ極あるいはＳ極とすることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記ポールコアの外周部には、前記磁石配置穴と異なる周方向位置に凹部が形成されており、
前記凹部に収納された第２の永久磁石をさらに備えることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記ポールコアの外周部には、前記磁石配置穴と異なる周方向位置にＶ字状の凹部が形成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記薄板積層コアは、周方向に隣接する前記磁石配置穴の間に形成された磁性芯配置穴を有しており、
前記磁性芯配置穴には、軸方向に沿って延在する磁性芯が挿入されることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記回転子は、前記ポールコアと前記薄板積層コアの軸方向端面にプロジェクション溶接により固定される冷却ファンを備えており、
前記冷却ファンに設けられたプロジェクション溶接用の突起部の位置を前記薄板積層コアと前記ポールコアの軸方向端面の境界位置に一致させることを特徴とする車両用交流発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乗用車やトラック等に搭載される永久磁石を備えた車両用交流発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車両用交流発電機の回転子の爪状磁極部間における漏れ磁束を低減する目的で、爪状磁極部間に永久磁石を配置した構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この回転子では、爪状磁極部の表面に発生する渦電流による損失が大きいため、この損失を低減するものとして、各爪状磁極部を薄い鋼板を積層して構成して表面の渦電流を低減した回転電機が知られている（例えば、特許文献２参照。）。また、爪状磁極部自体を積層板で構成するのではなく、その周囲に積層板によって構成した第３のコアを設け、この第３のコア内部に永久磁石を埋め込んだ回転電機も知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開昭６１−８５０４５号公報（第２−３頁、図１−９）
【特許文献２】特開平１１−１５０９０２号公報（第３−５頁、図１−１０）
【特許文献３】特開平１１−２０６０８４号公報（第３−４頁、図１−４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献２に開示された回転電機は、爪状磁極部が積層板で構成されており、隣接する２つの爪状磁極部間に永久磁石が配置されているため、各爪状磁極部の遠心強度が低いという問題がある。特に、車両用交流発電機のように高回転で動作する回転電機においては遠心破壊等に至る懸念がある。また、爪状磁極部全体を積層板で構成すると、軸方向に沿った磁束の流れが制限されるため、回転子と固定子との間で流れる磁束が減少するという問題もある。さらに、特許文献３に開示された回転電機は、第３のコアに形成された溝に各爪磁極部を噛み合わせる構造になっているため、爪状磁極を有するコアの寸法精度が要求され、製造が容易でないという問題があった。例えば、冷間鍛造によって安価に大量生産する場合には、各爪状磁極部の寸法精度が低下するため、第３のコアの溝に挿入する際に隙間が生じて異音が発生したり、締め代がきつすぎて第３のコアが変形するなどの不具合が考えられる。爪状磁極部の形状を切削等で成形することでこのような不具合はなくなるが、工程の追加になるため、コスト増加につながってしまう。
【０００４】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、製造が容易であって、回転子に生じる漏れ磁束や表面の渦電流の発生を低減することができる車両用交流発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電機は、界磁巻線に通電することによりＮ極とＳ極に励磁される回転子と、回転子に対向して配置された固定子とを有しており、回転子は、外周側に爪状磁極部を有しないポールコアと、ポールコアの外周部に配置された薄板を積層した円環状の薄板積層コアと、薄板積層コアに形成された磁石配置穴に収納された第１の永久磁石とを備えている。固定子に対向する回転子の外周部を薄板積層コアで形成することにより、回転子表面に発生する渦電流を低減することができる。また、ポールコアは爪状磁極部を有しない比較的単純な形状となっているため、製造が容易となる。さらに、単純な円環形状の薄板積層コアを用いて回転子を構成することにより、共振周波数を使用回転域よりも高くすることができ、爪状磁極部が振動することによる異音の発生を防止することができる。
【０００６】
また、上述した磁石配置穴の径方向には、薄板積層コアの径方向の厚みを薄くした薄肉部が形成されていることが望ましい。これにより、磁石配置穴に挿入されて永久磁石のＮ極とＳ極の間で薄板積層コアを介して生じる漏れ磁束を低減することができる。
【０００７】
また、上述した第１の永久磁石は、周方向に着磁されており、周方向に隣接する第１の永久磁石の着磁方向を互いに反対向きに設定することにより、隣接する２つの第１の永久磁石に挟まれた領域をＮ極あるいはＳ極とすることが望ましい。これにより、周方向沿って薄板積層コアの各領域を交互にＳ極とＮ極に設定することが可能になるとともに、これらの各磁極間で発生する漏れ磁束を低減することができる。
【０００８】
また、上述したポールコアの外周部には、磁石配置穴と異なる周方向位置に凹部が形成されており、凹部に収納された第２の永久磁石をさらに備えることが望ましい。あるいは、上述したポールコアの外周部には、磁石配置穴と異なる周方向位置にＶ字状の凹部が形成されていることが望ましい。これにより、薄板積層コアとポールコアの対向する磁極が同じ場合にこれらの間で流れる磁束を遮ることが可能になり、固定子に対向する薄板積層コアの面全体をＮ極あるいはＳ極として用いることが可能になる。
【０００９】
また、上述した薄板積層コアは、周方向に隣接する磁石配置穴の間に形成された磁性芯配置穴を有しており、磁性芯配置穴には、軸方向に沿って延在する磁性芯が挿入されることが望ましい。これにより、軸方向の磁気抵抗を低減することが可能になり、回転子と固定子との間で流れる磁束を増やすことができる。
【００１０】
また、上述した回転子は、ポールコアと薄板積層コアの軸方向端面にプロジェクション溶接により固定される冷却ファンを備えており、冷却ファンに設けられたプロジェクション溶接用の突起部の位置を薄板積層コアとポールコアの軸方向端面の境界位置に一致させることが望ましい。これにより、ポールコアに対する冷却ファンの固定と薄板積層コアの固定とを同時に行うことができ、工程の簡略化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した一の実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。例えば、冷却ファンを内蔵する車両用交流発電機の構造が示されている。図１に示す車両用交流発電機１は、回転子２、固定子３、ブラシ装置４、整流装置５、電圧制御装置６、ドライブフレーム７、リヤフレーム８、プーリ９等を含んで構成されている。
【００１３】
回転子２は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線２１を、ポールコア２２、２３によって、回転軸２４を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、ポールコア２２、２３の外周側には、永久磁石が内包された薄板積層コア２００が固定されており、ポールコア２２、２３と一体となって回転するようになっている。薄板積層コア２００とこれに組み合わされるポールコア２２、２３の詳細については後述する。
【００１４】
フロント側（プーリ９側）のポールコア２２の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すために軸流式の冷却ファン２５が溶接等によって取付け固定されている。同様に、リヤ側のポールコア２３の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すために遠心式の冷却ファン２６が溶接等によって取付け固定されている。また、回転軸２４のリヤ側には界磁巻線２１の両端に電気的に接続されたスリップリング２７、２８が形成されており、ブラシ装置４内のブラシ４１、４２をスリップリング２７、２８のそれぞれに押し当てた状態で組み付けることにより、整流装置５から界磁巻線２１に対して励磁電流が供給されるようになっている。
【００１５】
固定子３は、固定子鉄心３１に形成された複数個のスロットに三相の固定子巻線３２が所定の巻線方式で巻き回されている。また、固定子２は、ドライブフレーム７とリアフレーム８で挟み込むように固定されている。
【００１６】
整流装置５は、三相の固定子巻線３２に発生する交流の起電力を直流に整流して出力電流を得るためのものである。整流装置５は、配線用電極を内部に含む端子台５１と、この端子台５１を挟んで所定の間隔で固定される正極側放熱フィン５２および負極側放熱フィン５４と、正極側放熱フィン５２に取り付けられる複数（例えば固定子巻線３２の相数に合わせて３個）の正極側整流素子と、負極側放熱フィン５４に取り付けられる複数個の負極側整流素子とを含んで構成されている。
【００１７】
電圧制御装置６は、界磁巻線２１に流す励磁電流を制御するものであり、電気負荷が軽くて出力電圧が高くなる場合には、界磁巻線２１に対する電圧の印加を断続することにより、車両用交流発電機１の出力電圧を一定に保っている。プーリ９は、エンジン（図示せず）の回転を車両用交流発電機１内の回転子２に伝えるためのものであり、回転軸２４の一方端（スリップリング２７等と反対側）にナット９１によって締め付け固定されている。また、ブラシ装置４、整流装置５および電圧制御装置６を覆うように樹脂製のリヤカバー９２が取り付けられている。
【００１８】
上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ９にエンジンからの回転駆動力が伝えられると回転子２が所定方向に回転する。界磁巻線２１に外部から励磁電圧を印加することによりポールコア２２、２３のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線３２に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置５の出力端子からは所定の出力電流を取り出すことができる。以後、車両用交流発電機１自身の出力電圧が電圧制御装置６を介して界磁巻線２１に印加されるため、外部からの励磁電圧の印加は不要となる。
【００１９】
次に、回転子２の詳細について説明する。図２は、回転子２の側面図であり、スリップリング２７、２８側から見た形状が示されている。また、図３は回転子３に備わった薄板積層コア２００を示す平面図である。図４は、リヤ側のポールコア２３の平面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図である。図６は、図２のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【００２０】
図４および図５に示すように、リヤ側のポールコア２３は、小径部２３ａと大径部２３ｂからなる爪状磁極部を持たない段付きの円筒形状を有している。フロント側のポールコア２２も同様の形状を有しており、２つの小径部を突き合わせるとともに、その外周側に界磁巻線２１を配置した状態で組み付けが行われる。大径部２３ｂの外周部には、複数箇所（例えば８箇所）に凹部２３ｃが形成されており、凹部２３ｃを除く外周面２２ｄに薄板積層コア２００が加圧状態で接する。各凹部２３ｃは、大径部２３ｂの外周面に薄板積層コア２００が嵌め込まれたときに、永久磁石２１０の収納部となる。なお、２箇所の溝部２３ｅおよび凹部２３ｆは、回転軸２４に設けられたスリップリング２７、２８と界磁巻線２１との間の配線を通すためものであり、フロント側のポールコア２２には設けられていない。
【００２１】
図２および図３に示すように、薄板積層コア２００は、薄板を軸方向に積層することにより構成され、軸方向長さがポールコア２２、２３の軸方向長さの合計値と同じに設定されており、永久磁石２２０が挿入される軸方向に貫通した複数の磁石配置穴２０２と、磁性芯としての鉄芯２３０が挿入される軸方向に貫通した複数の磁性芯配置穴としての鉄芯配置穴２０４とを有する。図７は、鉄芯配置穴２０４に挿入される鉄芯２３０の斜視図である。鉄芯２３０は、円柱形状を有しており、薄板積層コア２００の軸方向長さとほぼ等しい長さを有している。薄板積層コア２００と固定子鉄心３１とによって形成される磁気回路には、薄板積層コア２００を軸方向に通過する磁束成分もあるため、この磁束に対する磁気抵抗を低減するために、軸方向に貫通した鉄芯配置穴２０４に挿入された鉄芯２３０が用いられている。
【００２２】
磁石配置穴２０２と鉄芯配置穴２０４は、周方向に沿って交互に配置されており、それぞれの数および位置は回転子２の極数ピッチ、即ち固定子３の固定子巻線３２によって形成される各相の磁極ピッチと一致している。各磁石配置穴２０２は、径方向に沿って長辺が配置された長方形形状を有している。また、各磁石配置穴２０２の短辺部分には凹部が形成されており、それぞれの短辺部分と薄板積層コア２００の外周面あるいは内周面とを接近させて径方向の厚みを薄くした薄肉部２０２ａ、２０２ｂが形成されている。これらの薄肉部２０２ａ、２０２ｂは、磁石配置穴２０２に挿入された永久磁石２２０のＳ極とＮ極との間で薄板積層コア２００を通して発生する漏れ磁束を低減するためのものである。また、磁石配置穴２０２に挿入される各永久磁石２２０は、磁石配置穴２０２の断面形状に合わせた直方体形状を有しており、薄板積層コア２００の軸方向長さとほぼ等しい長さを有している。各永久磁石２２０は、周方向に沿って着磁されており、隣接する永久磁石２２０の極性が互いに反対向きとなるように配置される。また、ポールコア２３の凹部２３ｃに挿入される各永久磁石２１０は、径方向に沿って着磁されており、ポールコア２３と同じ磁極が内径側となるように配置されている。
【００２３】
図８は、本実施形態の回転子２と固定子３との間で発生する磁束の説明図である。例えば、図６に示すように、界磁巻線２１に界磁電流が流れたときに、リヤ側のポールコア２３がＳ極に着磁され、フロント側のポールコア２２がＮ極に着磁されるものとする。
【００２４】
図８に示すように、隣接する２つの永久磁石２２０のＮ極で挟まれた領域が回転子２のＮ極磁極を形成している。Ｎ極磁極の内周側には、反対方向に着磁された永久磁石２１０が配置されているため、このＮ極磁極で発生したほとんどの磁束が固定子鉄心３１に向かい、その後、隣接する２つの永久磁石２２０のＳ極で挟まれた領域によって形成された回転子２のＳ極磁極に戻る。
【００２５】
このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、固定子３に対向する回転子２の外周部を薄板積層コア２００で形成することにより、回転子２の表面に発生する渦電流を低減することができる。また、ポールコア２２、２３は爪状磁極部を有しない比較的単純な形状となっているため、製造が容易となる。さらに、単純な円環形状の薄板積層コア２００を用いて回転子２を構成することにより、共振周波数を使用回転域よりも高くすることができ、爪状磁極部が振動することによる異音の発生を防止することができる。
【００２６】
また、磁石配置穴２０２の径方向には、薄板積層コア２００の径方向の厚みを薄くした薄肉部２０２ａ、２０２ｂが形成されているため、磁石配置穴２０２に挿入された永久磁石２２０のＮ極とＳ極の間で薄板積層コア２００を介して生じる漏れ磁束を低減することができる。
【００２７】
また、永久磁石２２０は周方向に着磁されており、周方向に隣接する永久磁石２２０の着磁方向を互いに反対向きにしているため、周方向に沿って薄板積層コア２００の各領域を交互にＳ極とＮ極に設定することが可能になるとともに、これらの各磁極間で発生する漏れ磁束を低減することができる。
【００２８】
また、上述したポールコア２２、２３の外周部には、磁石配置穴２０２と異なる周方向位置に凹部２３ｃが形成されており、凹部２３ｃに永久磁石２２０が収納されているため、薄板積層コア２００とポールコア２２、２３の対向する磁極が同じ場合にこれらの間で流れる磁束を遮ることが可能になり、固定子３に対向する薄板積層コア２００の面全体をＮ極あるいはＳ極として用いることが可能になる。
【００２９】
また、薄板積層コア２００には、周方向に隣接する磁石配置穴２０２の間に鉄芯配置穴２０４が形成されており、この鉄芯配置穴２０４には、軸方向に沿って延在する鉄芯２３０が挿入されているため、軸方向の磁気抵抗を低減することが可能になり、回転子２と固定子３との間で流れる磁束を増やすことができる。
【００３０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、ポールコア２３等の外周部に凹部２３ｃを形成してこの凹部２３ｃに永久磁石２２０を配置したが、図９に示すように、この凹部２３ｃをＶ字状の大きな凹部２３ｇに置き換えてポールコア２２、２３と薄板積層コア２００との間で直接流れる磁束を遮断するようにしてもよい。図１０は、図９に示したポールコア２３を用いた回転子２の側面図である。
【００３１】
また、上述した実施形態では、冷却ファン２５、２６の固定方法については言及していないが、これらの冷却ファン２５、２６をプロジェクション溶接によってポールコア２２、２３の軸方向端面に固定するとともに、図１１に示すように、冷却ファン２５（冷却ファン２６も同じ）に設けられたプロジェクション溶接用の突起部２５ａの位置を、薄板積層コア２００とポールコア２２の軸方向端面の境界位置に一致させるようにしてもよい。これにより、ポールコア２２、２３に対する冷却ファン２５、２６の固定と薄板積層コア２００の固定とを同時に行うことができ、工程の簡略化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。
【図２】回転子の側面図である。
【図３】回転子に備わった薄板積層コアを示す平面図である。
【図４】リヤ側のポールコアの平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図２のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】鉄芯配置穴に挿入される鉄芯の斜視図である。
【図８】本実施形態の回転子と固定子との間で発生する磁束の説明図である。
【図９】ポールコアの変形例を示す平面図である。
【図１０】図９に示したポールコアを用いた回転子の側面図である。
【図１１】冷却ファンの固定方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  車両用交流発電機
２  回転子
３  固定子
４  ブラシ装置
５  整流装置
６  電圧制御装置
７  ドライブフレーム
８  リヤフレーム
９  プーリ
２２、２３  ポールコア
２３ｃ  凹部
２００  薄板積層コア
２０２  磁石配置穴
２０４  鉄芯配置穴
２１０、２２０  永久磁石
２３０  鉄芯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006158147.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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