(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、
前記フレームに固定された固定子鉄心と、
前記固定子鉄心のスロットに挿入される複数の導体セグメントを一端側で接合してなる電機子コイルと、
前記フレームに固定された軸受を介して回転自在に支承される回転軸と、
前記フレームに固定された略筒状の静止継鉄部と、
前記静止継鉄部の内周面に対向して前記回転軸に固定される回転継鉄部と、
前記固定子鉄心の内周面に対向して前記回転継鉄部の一端から突設される複数の第１爪形磁極部と、
前記静止継鉄部の外周面に対向しつつ各前記第１爪形磁極部の間に位置して支持部材により前記第１爪形磁極部に固定される複数の第２爪形磁極部と、
前記静止継鉄部に固定されて前記回転継鉄部の周囲に巻回される界磁巻線と、を有する界磁巻線静止型ブラシレス回転電機において、
前記電機子コイルは、径方向の通風路となる隙間を前記固定子鉄心の軸方向端面近傍の前記各導体セグメントの間に有しており、
前記第２爪形磁極部は、その先端を前記フレームの端壁部に近接して配置され、固定子鉄心の内側に対向して位置する有効磁極部を備え、前記有効磁極部から延出して前記電機子コイルのコイルエンドと対向し、さらに前記コイルエンドの軸方向先端よりも軸方向に突出する張り出し部を備えており、
前記張り出し部は、軸方向と直交する方向に突出し界磁磁束の磁路として機能するとともに遠心ファンとして遠心方向に空気流を生じさせる翼部を有し、前記張り出し部の外周面は先端に向かうにつれて外径寸法が小となる略テーパ状に形成されていることを特徴とする界磁巻線静止型ブラシレス回転電機。
【請求項２】
請求項１記載の界磁巻線静止型ブラシレス回転電機において、前記電機子コイルの接合側の端部は、前記第２爪形磁極部と対向して配置されていることを特徴とする界磁巻線静止型ブラシレス回転電機。
【請求項３】
請求項１又は２記載の界磁巻線静止型ブラシレス回転電機において、前記第２爪形磁極部は、前記静止継鉄部の外周面に対向する磁性環状部材により連結されていることを特徴とする界磁巻線静止型ブラシレス回転電機。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか記載の界磁巻線静止型ブラシレス回転電機において、前記静止継鉄部は、前記回転軸に装着されたプーリ側に位置する前記フレームの前端壁部に固定されていることを特徴とする界磁巻線静止型ブラシレス回転電機。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか記載の界磁巻線静止型ブラシレス回転電機において、前記静止継鉄部は、前記軸受けの外輪の端面に当接していることを特徴とする界磁巻線静止型ブラシレス回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、界磁巻線静止型ブラシレス回転電機に関する。本発明の回転電機は、乗用車、トラック等に搭載される車両用交流発電機に好適に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
通常の車両用交流発電機では、界磁巻線を回転子に装備するため、一対のスリップリング及びブラシ及びブラシ保持構造を必要とするが、近年の高速大出力化は両者の摺接面の磨耗や発熱の増大、磨耗粉発生量の増大などさまざまな問題を派生しており、換言すれば界磁巻線への給電のための上記回率給電構造が、高速大出力化の制限要素となっていた。
【０００３】
この問題を解決するために、フレームの端壁部に固定された静止継鉄部に界磁巻線を固定してなる界磁巻線静止型ブラシレス構造の交流発電機が知られている。
【０００４】
ところが、この界磁巻線静止型ブラシレス回転電機は、使用環境が悪い場合が多く、更に界磁巻線が静止していることで、回転電機内部に侵入した泥水、ダスト等の異物が界磁巻線表面部に停滞し易く、界磁巻線の絶縁被膜及び素線が劣化して線間レアショートや断線等の不具合が生じ易い。
【０００５】
プーリ側のフレーム外部に大型の冷却ファンを設けて界磁巻線表面部に軸方向の冷却風を発生させる外扇型構造が知られているが、高出力化に対応した界磁巻線の巻数増大及び磁極固定リング等の影響で軸方向の通風抵抗が増加し、充分な風量を得ることができず、上述した問題点は解消されない。
【０００６】
又、爪形磁極の端面に冷却ファンを設けて、径方向に送風させる内扇型構造も知られているが、特に界磁巻線を固定する側においては、冷却ファンを配置するスペースに静止継鉄部が配置されており、充分な送風能力のある冷却ファンを配置することができず、さらに通常のステータコイルのコイルエンド部は素線間に隙間が形成されていないため、コイルエンド内周に干渉した冷却風がスムーズに外部に排出されず、界磁巻線表面部に停滞する。従って、冷却風と共に侵入してきた泥水、ダスト等の異物も界磁巻線表面部に停滞して上述した問題点は依然解消できない。
【０００７】
さらに、この界磁巻線静止型ブラシレス回転電機は、界磁電流が流れることで発生する界磁コイルのジュール熱をベアリング外輪が固定されるフレーム端壁部へ逃がす構造となっており、通常のブラシ付き回転電機と比較してベアリング外輪が高温となる。一方、ブラシの摺動通電による発熱がシャフトに伝熱されないため、シャフトに固定されるベアリング内輪は通常のブラシ付き回転電機と比較して低温となる。従って、熱膨張差によりベアリングのラジアル隙間が大きくなり、早期摩耗、焼き付き等の不具合が発生し易い。
【０００８】
一方、この界磁巻線静止型ブラシレス回転電機は、正極側及び負極側の爪形磁極を回転磁極部に片持ちで支持している為、高速回転時の耐遠心性にも問題がある。
【０００９】
結局、回転給電構造廃止という優れた利点が魅力的であるにもかかわらず、通常の回転給電構造を備えた小型高出力の車両用交流発電機に実用上対抗できる界磁巻線静止型ブラシレス車両用交流発電機を製作することは不可能であると考えられていた。
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、高信頼性且つ高出力である回転給電機構レスの界磁巻線静止型ブラシレス回転電機を提供することをその目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の界磁巻線静止型ブラシレス回転電機は、フレームと、前記フレームに固定された固定子鉄心と、前記固定子鉄心のスロットに挿入される複数の導体セグメントを一端側で接合してなる電機子コイルと、前記フレームに固定された軸受を介して回転自在に支承される回転軸と、前記フレームに固定された略筒状の静止継鉄部と、前記静止継鉄部の内周面に対向して前記回転軸に固定される回転継鉄部と、前記固定子鉄心の内周面に対向して前記回転継鉄部の一端から突設される複数の第１爪形磁極部と、前記静止継鉄部の外周面に対向しつつ各前記第１爪形磁極部の間に位置して支持部材により前記第１爪形磁極部に固定される複数の第２爪形磁極部と、前記静止継鉄部に固定されて前記回転継鉄部の周囲に巻回される界磁巻線と、を有する界磁巻線静止型ブラシレス回転電機において、前記電機子コイルは、径方向の通風路となる隙間を前記固定子鉄心の軸方向端面近傍の前記各導体セグメントの間に有しており、前記第２爪形磁極部は、その先端を前記フレームの端壁部に近接して配置され、固定子鉄心の内側に対向して位置する有効磁極部を備え、前記有効磁極部から延出して前記電機子コイルのコイルエンドと対向し、さらに前記コイルエンドの軸方向先端よりも軸方向に突出する張り出し部を備えており、前記張り出し部は、軸方向と直交する方向に突出し界磁磁束の磁路として機能するとともに遠心ファンとして遠心方向に空気流を生じさせる翼部を有し、前記張り出し部の外周面は先端に向かうにつれて外径寸法が小となる略テーパ状に形成されていることを特徴としている。
【００１２】
本構成により、電機子コイルエンドの通風抵抗を格段に減少させるとともに、第２爪形磁極部に電機子コイルのコイルエンド内部に通風させるのに充分なファン特性を付加することができ、泥水、ダスト等の異物の停滞を防止することができる。又、電機子コイルの冷却性も向上でき、電機子コイルからフレーム周壁部への伝達熱量が減少し、フレームの周壁部温度を低下させることができる。従って、界磁コイルのジュール熱をフレーム周壁部まで伝達させることができる為、フレーム端壁部温度が低下して前述したベアリング故障の問題を解決することができる。
【００１３】
以下、更に説明する。
【００１４】
界磁巻線静止型ブラシレス回転電機の静止継鉄部側の第２爪形磁極部は、先端をフレーム端壁部に近接させており、電機子コイルのコイルエンドより軸方向にテーパ状に突出した張り出し部を有する構成となっており、この張り出し部はフレームの端壁部の空気吸入口近傍に設けられるとともに、界磁磁束の流れを阻害しない磁路として機能し遠心ファンとして遠心方向に空気流を生じさせる翼部を備えている。そのため、第２爪形磁極部により冷却風をコイルエンドへ容易かつ効果的に導くことができる。また、張り出し部が電機子コイルのコイルエンドより軸方向にテーパ状に突出していることにより、電機子コイルの冷却性を損ねることなく、片持ち支持されている爪形磁極部のモ−メント荷重を減少させることができ、プーリ比アップ等による高速化での出力性向上を図れる。更に、第２爪形磁極部は周方向所定ピッチで配置されるので、空気を遠心方向に付勢する遠心翼効果をもつ。
【００１５】
この第２爪形磁極部の遠心翼効果は、当然、ブラシ付き回転電機の専用冷却ファンに比較して格段に劣るが、電機子コイルのコイルエンドを形成している各導体セグメントの間に径方向の通風路となる隙間を形成しているため、通風抵抗が格段に小さい。従って、本発明の構成によって、通常巻線のステータを備えたブラシ付き回転電機相当以上の冷却効果を得ることが可能となる。
【００１６】
又、電機子コイルの損失低下により、界磁巻線静止型ブラシレス回転電機の問題の一つである。磁路のエアギャップ増加による出力性能低下を賄い、ブラシ付き回転電機相当以上の出力性能を得ることも可能となる。
【００１７】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の界磁巻線静止型ブラシレス回転電機において更に、前記電機子コイルの接合側の端部は、前記第２爪形磁極部と対向して配置されていることを特徴としている。
【００１８】
電機子コイルの接合部は所定ピッチで回転軸方向に延伸しており、各接合部の間には、コイルエンド内部に形成されている各導体セグメント間の隙間より大きい隙間が形成されている。従って、本構成により、遠心翼効果が少ない第２爪形磁極部のファン特性を向上させることができ、さらに電機子コイルの冷却性を向上させることができる。
【００２１】
請求項３記載の構成によれば請求項１又は２記載の界磁巻線静止型ブラシレス回転電機において更に、前記第２爪形磁極部は、前記静止継鉄部の外周面に対向する磁性環状部材により連結されていることを特徴としている。前記第２爪形磁極部は、前記静止継鉄部の外周面に対向する磁性環状部材により連結されていることを特徴としている。
【００２２】
これにより、爪形磁極部のモ−メント荷重を更に減少させることができ、且つ、磁性環状部材を磁路として活用できる為、エアギャップ部の磁気抵抗低減による出力性能向上が図れる。
【００２３】
請求項４記載の構成によれば請求項１乃至３のいずれか記載の界磁巻線静止型ブラシレス回転電機において更に、前記静止継鉄部は、前記回転軸に装着されたプーリ側に位置する前記フレームの前端壁部に固定されていることを特徴としている。
【００２４】
プーリ駆動される回転電機では、プーリのベルトテンション加重を分担する比率が、プーリ側の軸受けが反プーリ側の軸受けよりも大きいために、軸受けの体格（定格容量）もプーリ側の軸受けが大きくなる。本構成によれば、大径のプーリー側の軸受けの外輪が静止継鉄部に近接するので、この外輪を磁路の一部として利用することができ、磁束密度の低減により損失を低減することができる。
【００２５】
請求項５記載の構成によれば請求項１乃至４のいずれか記載の界磁巻線静止型ブラシレス回転電機において更に、前記静止継鉄部は、前記軸受けの外輪の端面に当接していることを特徴としている。
【００２６】
本構成によれば、静止継鉄部の端面がプーリ側の軸受けの外輪の端面に当接すき、軸受けの軸方向変位を規制する専用のストッパ構造を省略することができ、外輪を経由する磁路の磁気抵抗を低減して損失を低減することができる。
【００２７】
【発明の実施形態】
本発明の好適な態様を以下の実施例を参照して詳細に説明する。
【００２８】
【実施例】
本発明を適用した車両用交流発電機の一実施例を図面を参照して以下に説明する。
（全体構成）
１はフレーム、２は固定子、３は回転軸、４は静止継鉄部、５は界磁巻線、６は回転子鉄心、７は電機子コイル、８はプーリー側の軸受け、９はリヤ側の軸受け、１０は整流器である。固定子は、フレーム１の内周面に固定された固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１に巻装された電機子コイル７とからなる。電機子コイル７はフロント側のコイルエンド７１とリア側のコイルエンド７２を有している。
【００２９】
回転軸３は、フレーム１の両端整部１１、１２に軸受け８、９を回転自在に支承されている。回転軸３には、フレーム１の前端整部１１の外側に位置して図示しないプーリが装備されている。
【００３０】
静止継鉄部４は、ボルト４１によりフレーム１のプーリー側の前端整部１１に締結固定されて回転軸を囲む略筒状の軟鉄心からなる。
【００３１】
界磁巻線５は、静止継鉄部４の軸方向先端部の外周面を凹設してなる環状溝部に巻装されている。
【００３２】
回転子鉄心６は、回転軸３に固定されて静止継鉄部４とともに界磁巻線５が形成する界磁束の磁路を形成している。回転子鉄心６は、軸方向に互いに密着して回転軸に固定される一対の回転継鉄部６１、６２と、回転継鉄部６２と一体に形成された複数の第１爪形磁極部６３と、複数の第２爪形磁極部６４と、非磁性でリング状の支持部材６５とからなる。支持部材６５は、第１爪形磁極部６３と第２爪形磁極部６４とを一体化するための非磁性金属リングからなる。
【００３３】
回転継鉄部６１は、外周面が静止継鉄部４の内周面に小ギャップを挟んで対面する円筒状軟鉄心からなる。
【００３４】
回転継鉄部６２は、回転継鉄部６１と同様に静止継鉄部４の内周面に小ギャップを挟んで対面する円筒状軟鉄心からなるコア部６２１と、このコア部６２１の後端部に形成されて前記静止継鉄部４の内周面より径大に形成された円筒状軟鉄心からなるコア部６２２とを有する。
【００３５】
各第１爪形磁極部６３は、軟磁性を有し、コア部６２２の外周から固定子鉄心２１の内周面と界磁巻線５の外周面との間に形成される爪形磁極部収容隙間内へ軸方向に延在している。各第１爪形磁極部６３は、周方向定ピッチで配置されている。各第１爪形磁極部６３は、径外側に近接する電機子コイル７のリア側のコイルエンド７２よりも軸方向一内側に奥まって形成されているとともに冷却ファン１０を装備している。
【００３６】
各第２爪形磁極部６４は、軟磁性を有し、静止継鉄部４の外周面に小ギャップを挟んで対面するとともに各第１爪形磁極部６３の周方向中間に位置して上記爪形磁極部収容隙間内へ軸方向に延在している。各第２爪形磁極部６４は、周方向定ピッチで配置されている。更に、第２爪形磁極部６４は、固定子鉄心２１の径内側に位置する有効磁極部６４１と、この有効磁極部６４１から電機子コイル７のフロント側のコイルエンド７１の軸方向先端よりも軸方向に突出する張り出し部６４２とからなる。張り出し部６４２は、後述するフレーム１の空気吸入孔１３から取り入れた冷却空気流を少なくとも後述の電機子コイル７のフロント側のコイルエンド７１内の後述の通風路を貫通して送風するとともに界磁束の磁路を兼ねる翼部６４３を有している。また、張り出し部６４２は、静止継鉄部４の外周面に小ギャップを挟んで対面するとともに各翼部６４３を一体化する筒部６４４を有している。この筒部６４４は、磁束漏洩を防止するために、第１爪形磁極部６３の先端部から離れて形成されている。
【００３７】
フレーム１は、上記張り出し部６４２に面する端壁部である前端整部に開口する空気吸入孔１３と、フロント側のコイルエンド７１の外周側に位置してフレーム１の主として周壁部に開口する空気排出孔１４とを有している。
【００３８】
フロント側の軸受け８の外輪８１の後端面は、静止継鉄部４の前端面に当接している。
（電機子コイル７の構造）
本実施例で採用した電機子コイル７について図２、図３を参照して説明する。
【００３９】
この電機子コイル７は、既述したセグメント導体接合型電機子コイルであって、２本の直線導体部７００とそれらの両一端部とを連ねる湾曲部７０１とをもつＵ字状導体７０２を多数用い、Ｕ字状導体７０２の一対の直線導体部７００、７００をそれぞれ規定の２つのスロットの径方向に異なる位置に挿入し、スロットの両側の部分を周方向に斜行させて必要な周方向スパンを稼ぎ、直線導体部７００の先端部７０４を異なるＵ字状導体同士順次接合してなる。
【００４０】
図２はこのセグメント導体接合型電機子コイル７を径内側へみた展開図であり、図３はその接合側のコイルエンド（この実施例ではフロント側のコイルエンド）７１を示す斜視図である。
【００４１】
図２、図３からわかるように、このセグメント導体接合型電機子コイルのフロント側のコイルエンド７１は各Ｕ字状導体７０２の直線導体部７００が互いに平行に斜行するので、極めて多数の菱形の通風路１０００がフロント側のコイルエンド７１内に均等ピッチで径方向に生じる。また、Ｕ字状導体７０２の直線導体部７００の先端部７０４は上記接合のために軸方向にそれぞれ延在するので、各先端部７０４の間に軸方向に長い径方向通風路１００１が形成される。更に、各Ｕ字状導体７０２は、周方向又は軸方向に重なることがないので、もし径方向への通風を行えば、極めて小さい流体抵抗損失ですべてのＵ字状導体７０２を良好に冷却することができる。
【００４２】
なお、図３では１スロットに４本の導体を嵌装したが、１スロット当たりの導体数を更に増大しても径方向通風路は同様に確保される。
（動作説明）
回転子鉄心６を回転させると、第２爪形磁極部６４の張り出し部６４２の翼部６４３は界磁磁束の磁路として機能するとともに、遠心ファン（斜流ファン効果を一部もたせ空気流の一部を軸方向後方へ供給してもよい）として遠心方向に空気流を生じさせる。これにより、張り出し部６４２に面する前端壁部１１に開口する空気吸入孔１３からフレーム１の内部に冷却空気が導入され、この空気流が翼部６４３で遠心方向へ付勢されてフロント側のコイルエンド７１に吹き出され、コイルエンド７１の既述の多数の径方向通風路１０００、１００１を貫通して、コイルエンド７１の略径外側に位置するフレーム１の周壁部に開口する空気排出孔１４から外部に排出される。
【００４３】
これに対して、電機子コイル７のリア側のコイルエンド７２は、第１爪形磁極部６３の後端面がコイルエンド７２よりも前方に位置するため、この第１爪形磁極部６３の後端面に固定された冷却ファン１０が形成する遠心空気流により良好に冷却される。
（静止継鉄部４の配置）
静止継鉄部は、回転子鉄心６とともに界磁磁路を形成するが、更にこの実施例では、静止継鉄部４の前端面は、プーリからのベルト張力に抗するべく径大に形成されたフロント側の軸受け８の径大な外輪８１の後端面に当接あるいは当接可能となっている。
【００４４】
これにより、軸受け８の軸方向変位を阻止することができるとともに軟磁性を有する軸受け８の外輪８１を界磁磁路の一部とすることができるので、鉄損低減、界磁電流の低減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した車両用交流発電機の軸方向断面図である。
【図２】図１に示す車両用交流発電機の電機子コイルの展開図である。
【図３】図１に示す車両用交流発電機の電機子コイルのフロント側のコイルエンドの斜視図である。
【符号の説明】
１  フレーム
２  固定子
３  回転軸
４  静止継鉄部
５  界磁巻線
６  回転子鉄心
７  電機子コイル
８  プーリー側の軸受け
９  リヤ側の軸受け
１０  整流器
１１  フレーム１の前端壁部
１２  フレーム１の後端壁部
１３  空気吸入孔
１４  空気排出孔
２１  固定子鉄心
６１、６２  回転子鉄心６の回転継鉄部
６３  第１爪形磁極部
６４  第２爪形磁極部
６５  非磁性金属リング（支持部材）
７１  電機子コイル７のフロント側のコイルエンド
７２  電機子コイル７のリア側のコイルエンド
８１  フロント側の軸受け８の外輪
６４１  第２爪形磁極部６４の有効磁極部
６４２  第２爪形磁極部６４の張り出し部
６４３  第２爪形磁極部６４の翼部
６４４  第２爪形磁極部６４の筒部
１０００、１００１  コイルエンド７１の径方向通風路
【図１】
0004406812.tif 000002
【図２】
0004406812.tif 000003
【図３】
0004406812.tif 000004