(57)【要約】【課題】  電力出力を増加させるために永久磁石を取り付けたオールタネータの回転子アセンブリを提供する。【解決手段】  回転子アセンブリは励磁巻線を含む。第１及び第２の各磁極片は全体が円形のボディを有し、回転軸と外側半径方向周縁を形成している。複数の磁極指が各磁極片の外側半径方向周縁の周りに放射状に離間し、該周縁から軸方向に回転軸と平行に伸びている。各磁極片は、外側半径方向周縁の周りに放射状に離間し、磁極指の間に位置する複数の取付け表面を含む。複数の永久磁石が取付け表面上に位置決めされている。複数のストラップは、それから伸びるタブを含み、これらのタブは、永久磁石を取付け表面に確保するために磁極片に締め付けられる。【選択図】      図２
2004153994.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オールタネータ用回転子アセンブリであって、
回転軸を形成しているシャフトと、
上記シャフト上に取り付けられ、外縁を有する第１の磁極片と、
上記シャフト上に上記第１の磁極片と同軸に取り付けられ、外縁を有する第２の磁極片と、
上記第１の磁極片と第２の磁極片との間に位置決めされている励磁巻線と、
上記第１の磁極片の上記外縁の周りに円周方向に離間し、上記外縁から軸方向に上記回転軸と概ね平行に伸びている複数の第１の磁極指と、
上記第２の磁極片の上記外縁の周りに円周方向に離間し、上記外縁から軸方向に上記回転軸と概ね平行に伸びている複数の第２の磁極指と、
上記第１及び第２の磁極片の上記外縁上に位置決めされ、隣接する上記指の間に配置されている複数の永久磁石と、
各々が上記永久磁石の１つを上記第１及び第２の磁極片の１つの上記外縁上に確保している複数のストラップと、
を備えていることを特徴とする回転子アセンブリ。
【請求項２】
上記各ストラップはそれから伸びるタブを含み、上記タブは上記磁極片に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の回転子アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車（モータビークル）用オールタネータ（交流発電機）に関し、特定的には、それに取り付けられた永久磁石を含むハイブリッド設計の回転子アセンブリを有するオールタネータに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、特に乗用車及び軽トラックを含む自動車応用に使用されるオールタネータに関する。これらのデバイスは、典型的には自動車の内燃機関のクランクシャフトに接続されている滑車上に巻き付けられた駆動ベルトを使用して機械的に駆動される。ベルトがオールタネータの滑車を駆動し、滑車が内部回転子アセンブリを回転させて交流（ＡＣ）電力を発生する。この交流電力は直流（ＤＣ）に整流され、自動車の電気バス及び蓄電池へ供給される。
【０００３】
オールタネータは数十年にわたって自動車に使用されてきたが、自動車設計、コスト、及び性能についての今日の要求から、より効率的なオールタネータを設計することが益々求められつつある。今日の自動車は、搭載している電気システム及びアクセサリの数が劇的に増加していることを特色としている。これらの電気デバイスは、内部及び外部照明、温度制御システム、益々精緻になったパワートレイン制御システム、自動車安定性システム、トラクション制御システム、及びアンチロックブレーキシステムを含む。自動車のオーディオ及びテレマチックシステムも、自動車の電気システムにさらなる要望を付加する。電動パワーステアリング及び電気的自動車ブレーキングシステムの広範な採用により、自動車のオールタネータの出力容量にさらなる要求がもたらされる。これらの設計挑戦を組合わせると極めて広範に変化するから、自動車の電気システムにはオールタネータを駆動する機関の動作速度及びさまざまな運転状態による変化には無関係であることが要求される。
【０００４】
自動車のオールタネータの電気出力を高くする要求に加えて、ボンネット内空間の制限、及び自動車の燃費に関係するその質量に対してオールタネータのサイズを最小にすることが望まれるというさらなる制約が含まれる。
【０００５】
電気出力を高くするという要望に加えて、これらのデバイスの設計者は、機関によって駆動されているベルトから供給される機械的動力を電力出力に変換する際の効率を高くする努力をも求められている。この効率は、自動車の高い総合熱効率に、従って燃費に直接的に変換される。そして最後に、大量生産される自動車の全ての成分についえ言えることであるが、これらの成分を最初の機器製造業者へ競り合って売り込む際の要因として、コストが残されている。
【０００６】
従来のオールタネータの電力出力を増加させるために使用されてきた１つの方法は、１つまたはそれ以上の永久磁石を回転子の外面に取り付けて大幅に強くした磁場を発生させることである。永久磁石と巻かれたフィールドコイルとの組み合わせ効果によって、マシンは実質的に大きい電力出力を発生することができる。しかしながら、回転子は25,000ＲＰＭ以上の速度で回転し、またさまざまな環境条件に曝されるので、永久磁石を回転子上に確保することは困難である。
【０００７】
磁石を回転子上に確保する１つの方法は、磁極片の相互に噛み合う指を長くし、それらを磁石の外側まで伸ばして磁石を隣接する磁極片上に保持することである。しかしながらこれは、回転子が急速にスピンすると指を回転子と固定子との間の空隙内へ外向きに撓ませるようになるので、指に応力を加えることになる。回転子と固定子とを互いに近付ける程電力出力は高くなるので、回転子と固定子との間の距離は極めて精密に制御されている。指が外向きに撓むために、オールタネータは大きい空隙を有するように設計しなければならず、そのことはオールタネータの電力出力を低下させることになる。
【０００８】
更に、永久磁石は一般的に脆く、サイズ公差に合致させるためには高価な研削を必要とするから、永久磁石を固定子上にロックできるように成形するのは困難且つ高価である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上の説明から理解されるように、永久磁石が回転子の構造的頑丈さに影響を与えず、且つ永久磁石のサイズ及び形状に厳格な公差を要求しないようにして、永久磁石を回転子に取り付けてオールタネータの電力出力を増加させるオールタネータ回転子アセンブリに対する要望が存在している。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の面においては、回転子アセンブリは第１及び第２の磁極を含む。各磁極は、磁極の周縁の周りに放射状に離間し、該周縁から軸方向に伸びている複数の磁極指と、磁極指の周りに、そしてそれらの間に放射状に離間している複数の取付け表面とを有している。組み立てられた状態では、磁極片は、磁極指が交互配置（インタリーブ）されて公知の“爪（クロウ）磁極”形態になるように回転子上に取り付けられている。永久磁石は取付け表面上に位置決めされ、永久磁石を磁極片に確保するためにストラップが設けられている。
【００１１】
本発明の別の面においては、各ストラップはそれから伸びるタブを含み、これらのタブは、永久磁石を取付け表面に保持しているストラップを磁極片に確保するために磁極片に溶接されている。
【００１２】
本発明の別の面においては、各ストラップはそれから伸びるタブを含み、第１及び第２の磁極片は、永久磁石を取付け表面に保持しているストラップを磁極片に確保するためにタブ上にステーキングされている部分を含む。
【００１３】
本発明の更に別の面においては、第１の磁極の各磁極指は第２の磁極片の磁極指間に伸びており、これらの磁極指の先端は第２の磁極片の取付け表面上に位置決めされている。第２の磁極の各磁極指は第１の磁極片の磁極指間に伸びており、これらの磁極指の先端は第１の磁極片の取付け表面上に位置決めされている。これらの先端はストラップと係合して永久磁石を取付け表面上に更に確保する。
【００１４】
本発明の更に別の面においては、永久磁石は接着剤を用いてストラップに確保される。
【００１５】
本発明の更に別の面においては、ストラップは非磁性材料で作られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の好ましい実施例を更に詳細に説明するためのフレームワークとして、図１に従来技術のオールタネータ構成を示す。図１に示されているオールタネータ１０は、ハウジング１２内に閉じ込められている。オールタネータの回転子シャフト１４は、転がり要素軸受け１６及び１８によって支持され、ベルト駆動の滑車２０は回転子シャフト１４の突き出た前端に取り付けられている。シャフト１４と共に回転するファン２２は、オールタネータ１０から熱を除去するための空気流を発生する。シャフト１４と共に回転するオールタネータの前側磁極２４及び後側磁極２６は、それぞれ爪指２８、３０を伸ばしている。爪指２８、３０はインタレースされて公知の“爪磁極”回転子形態になっている。励磁巻線３２は、磁極片２４、２６間に形成されている空洞内に配置され、直流励磁信号が１対のスリップリング３４、３６及び関連ブラシを通して励磁巻線３２へ印加される。
【００１７】
磁極片２４、２６、及び巻線３２は回転子アセンブリ３８を構成し、回転子アセンブリ３８はその回転と共に回転する極性が交番する磁場を発生する。巻線３２には直流励磁信号が印加されるのであるが、磁極２６、２８が交互にインタレースされているために極性が交番する磁場が作られる。この磁場は、回転子アセンブリ３８の周りに放射状に配置されている固定子コア４０の固定子巻線を横切る。回転子アセンブリ３８からの極性が交番する磁場がコア４０の固定子巻線を横切って運動し、公知のように電気を発生させる。
【００１８】
コア４０内に発生したオールタネータ１０による電気エネルギ出力は整流用ダイオード（図示してない）へ導かれ、多分自動車の分電バス（図示してない）に接続される前に別のフィルタ及び電力調整デバイスを通過する。電圧調整器としても知られている精緻な制御システムが使用され、適切なレベルの直流電圧を励磁巻線３２へ印加してオールタネータ１０からの出力交流を所望のＲＭＳ値にする。この出力交流は、コア４０の巻線設計に依存して単相形状であることも、または多相形状であることもできる。
【実施例１】
【００１９】
図２に、第１の好ましい実施励の回転子アセンブリ４２を示す。回転子アセンブリ４２は、図１に示す構造に類似したハウジング内の転がり要素軸受けによって支持されている回転子シャフト４４を含む。明瞭化のために、これらの機構は図２には省略されている。第１の磁極片４６及び第２の磁極片４８は、回転軸及び外縁５２を形成している。第１及び第２の磁極片４６、４８はシャフト４４と共に回転する。磁極指５４は、第１及び第２の磁極片４６、４８の外縁５２の周囲に円周方向に離間し、外縁から軸方向に回転軸５０と平行に伸びている。励磁巻線は、磁極４６と４８との間に形成されている空洞内のボビンに巻かれている。直流励振磁信号は、シャフト４４上に取り付けられた１対のスリップリング６０、６２及びそれらに関連しているブラシを通して励磁巻線に印加される。
【００２０】
第１及び第２の各磁極片４６、４８は、外縁５２の周囲に放射状に離間し、磁極指５４間に位置する複数の取付け表面６４をも含んでいる。図３に示すように、永久磁石６６は第１及び第２の各磁極片４６、４８の周縁５２に配置されており、１つの永久磁石６６が第１及び第２の磁極片４６、４８の各取付け表面上に位置決めされている。
【００２１】
好ましい実施例では、各永久磁石６６は、ストラップ６８によって磁極片４６、４８に確保されている。各ストラップ６８は磁極片４６、４８に取り付けられて、永久磁石６６の１つをその上に確保するようになっている。好ましくは、ストラップ６８は、ストラップ６８が永久磁石６６を実質的にカバーしてそれらを保護するように、永久磁石６６とほぼ同程度の広さである。しかしながら、永久磁石６６よりも狭い、または広いストラップ６８も、本発明の範囲から逸脱することなく使用することができる。
【００２２】
好ましくは、ストラップ６８はプラスチックで、または非磁性金属で形成されるが、ストラップ６８は永久磁石６６のＮ極から永久磁石６６のＳ極まで磁路を作らないどのような材料で作ることもできる。更に、ストラップ６８は、ストラップ６８が薄い限り磁性金属で作ることができる。このような場合、薄い磁性ストラップ６８は僅かな磁路を作ってオールタネータの電力密度を低下させるが、その他は、永久磁石６６を回転子アセンブリ４２上に確保するのに満足できるように働く。
【００２３】
ストラップ６８は更に、側から伸びるタブ７２を含む。ストラップ６８のタブ７２は、第１及び第２の磁極片４６、４８に接着剤を用いて取り付けることができる。もしストラップ６８が金属製であれば、図２に溶接７４で示してあるように、タブ７２を第１及び第２の磁極片４６、４８上に溶接することができる。図８を参照する。第１及び第２の磁極片４６、４８の部分（図示してない）をタブ７２ａ上にステーキングし、それによってストラップ６８を第１及び第２の磁極片４６、４８上に確保し、永久磁石６６を取付け表面６４上に保持することができるように、ストラップ６８は切欠き７６が形成されているタブ７２ａを含むことができる。
【００２４】
更に、ストラップ６８は、ピン及びねじを用いてタブ７２を取り付けることによって、第１及び第２の磁極片に確保することができる。図４を参照する。一方のタブ７２ｂはピン７８によって磁極片４８に取り付けられ、他方のタブ７２ｂはねじ付きのファスナ８０によって磁極片４８に取り付けられている。好ましくは、ピン７８を使用してタブ７２ｂを回転子アセンブリ４２の中心に向かって取り付ける（何故ならば、一旦回転子４２を組み立ててしまうと、励磁巻線（コア４０の巻線）３２がピン７８を逆戻しして抜き出すことを妨げ、それによって磁極片４８へのタブ７２ｂの取り付けを維持するようになっているからである）。好ましくは、タブ７２ｂは、ピン７８を受け入れるのに十分な大きさに形成されたスルーホール８２をその中に有し、磁極片４８はピン７８を受け入れるように形成されている孔８４をその中に有している。孔８４の中にピン７８をゆるく嵌めることも、またはプレス嵌めすることもできる。
【００２５】
回転子アセンブリ４２から外向きになっているタブ７２ｂは、ピン７８が究極的にゆるんで孔８４から抜け落ちるのを防ぐものは何も有していない。従って、外向きのタブ７２ｂは、それ程ゆるむことがないねじ付きのファスナによって取り付けられている。好ましくは、タブ７２ｂはねじ付きファスナ８０を受け入れるのに十分な大きさのスルーホール８２を含み、磁極片４８はねじ付きファスナ８０を受け入れてそれと係合するようになっている孔８６をその中に有している。ねじ付きファスナ８０は、ボルト、ねじ、その他のねじ付きファスナであることができる。
【００２６】
最後に、ストラップ６８は、釘８８によって磁極片４８に確保することができる。図５及び６を参照する。タブ７２ｂはその中に形成されたスルーホール８２を有しており、これらのスルーホール８２は釘８８を受け入れるのに十分な大きさである。磁極片４６、４８は焼鈍した軟鋼のような比較的柔らかい材料で作ることが好ましく、また釘８８は焼入れした鋼で作られている。釘８８が焼入れした鋼で作られているので、釘８８を磁極片４８の柔らかい材料内へ押し込んでそこに摩擦的に保持し、それによってタブ７２ｂを磁極片４８に確保することができる。
【００２７】
各ストラップ６８の２つのタブ７２ｂの各々を、上述した方法の何れか１つによって磁極片４６、４８に取り付けることができ、また特定のストラップ６８の何れか２つのタブ７２ｂを異なる方法によって取り付けることができることが理解されよう。
【００２８】
図４を参照する。好ましくは、永久磁石６６は、第１及び第２の磁極片４６、４８に取り付ける前に、接着剤によってストラップ６８に取り付ける。しかしながら、ストラップ６８は、接着剤を用いなくとも同じように使用することができる。接着剤を使用することによって、振動、機械的負荷、その他の力による永久磁石６６に加わる機械的応力の量が減少する。更に、永久磁石６６はストラップ６８によって取付け表面６４に保持されているので、永久磁石６６には厳格な公差は要求されない。好ましくは、図７に示すように、磁石６６はスリーブ９０を含む。好ましくは、スリーブ９０は、ゴムまたはプラスチックのような柔軟な材料で作るが、スリーブ９０は金属で作ることもできる。スリーブ９０は磁石６６のより大きい寸法変動を許容するので、その製造をより容易にする。
【００２９】
永久磁石６６のサイズ及び形状の変動は、永久磁石６６とストラップ６８との間に隙間を許容することによって補償することができる。この隙間は、永久磁石６６をストラップ６８に確保するのに使用する接着剤で充填することができる。従って、永久磁石６６に大きい公差を持たせることが可能になり、製造時に高価な研削動作を必要としないので、永久磁石６６のコストを大幅に引き下げることができる。エポキシ樹脂を含む接着剤が好ましいが、特定の環境及び応用条件に適するどのような接着剤も使用することができる。
【００３０】
ストラップ６８は、永久磁石６６の保護をも提供する。典型的には、永久磁石６６は極めて脆いが、ストラップ６８は、永久磁石６６自体の破損を、また回転子アセンブリ４２が高速で回転中に永久磁石６６のチップ（即ち、欠けた片）が回転子アセンブリ４２から飛散することを防ぐのを援助する。
【実施例２】
【００３１】
再度図３を参照する。第１の好ましい実施例では、第１及び第２の磁極片４６、４８の磁極指５４は互いに他方の取付け表面６４上まで伸びてはいない。代替として、図９に示すように、第２の好ましい実施例では、第１及び第２の各磁極片４６、４８の磁極指９２の先端９４はストラップ６８と係合し、ストラップ６８及び磁石６６を取付け表面６４に保持するための付加的な力を与える。磁極指９２が付加的に支持することにより、ストラップ６８をそれ程頑丈に設計しないでもよいか、または磁極指９２に付加的な支持が与えられていない場合よりも軽く且つ弱い材料で設計することができる。
【００３２】
第２の好ましい実施例の磁極指９２は永久磁石６６を付加的に保護し、ステーキングされた、または溶接されたタブ７２はストラップ６８及び永久磁石６６が磁極指９２に外向きの応力を加えることを防ぐ（この応力は、回転子アセンブリ４２の高速回転時に磁極指９２を外向きに撓ませ得る）。撓む危険性がないことから、回転子と固定子との間の空隙を減少させることが可能になり、それによってオールタネータ１０の電力密度を増加させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上に説明した本発明の永久磁石保持方法は、純粋な永久磁石回転子を有する電気マシンと共に、または巻かれたフィールドコイルを含まない電機子と共に使用できることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来技術のオールタネータの断面図である。
【図２】永久磁石を取り付けた回転子アセンブリの斜視図である。
【図３】磁極指がストラップ上まで伸びていない第１の好ましい実施例の部分断面図である。
【図４】図３の一部を拡大してピン及びねじ付きファスナによって取り付けられているストラップのタブを示す図である。
【図５】図４と同じような拡大図であって、どのようにして釘を磁極片内に位置決めするかを示す図である。
【図６】図５と同じような拡大図であって、磁極片内に挿入された後の釘を示す図である。
【図７】オールタネータに組立てる前にストラップ内に配置された永久磁石の斜視図である。
【図８】図７と同じような斜視図であって、ストラップのタブが切欠きを含むことを示す図である。
【図９】磁極指がストラップ上まで伸びてそれらと係合している第２の好ましい実施例の部分断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０    オールタネータ
１２    ハウジング
１４    回転子シャフト
１６、１８    軸受け
２０    滑車
２２    ファン
２４    前側磁極
２６    後側磁極
２８、３０    爪指
３２    励磁巻線
３４、３６    スリップリング
３８    回転子アセンブリ
４０    固定子コア
４２    回転子アセンブリ
４４    回転子シャフト
４６    第１の磁極片
４８    第２の磁極片
５０    回転軸
５２    外縁
５４    磁極指
６０、６２    スリップリング
６４    取付け表面
６６    永久磁石
６８    ストラップ
７２    タブ
７６    切欠き
７８    ピン
８０    ファスナ
８２    スルーホール
８４、８６    孔
８８    釘
９０    スリーブ
９２    磁極指
９４    指の先端
【図１】
2004153994.tif 000003
【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】
2004153994.tif 000008
【図７】
2004153994.tif 000009
【図８】
2004153994.tif 000010
【図９】
2004153994.tif 000011