(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部分に複数個のスキュー角を有する爪部を形成した１対の対向配置された爪形磁極と、
この爪形磁極を磁化させる界磁巻線と、
上記爪形磁極間に配置された補助励磁用のネオジム永久磁石と、
上記爪形磁極の両端部に厚みをもって設けられた磁石固定部とから構成される回転子と、
上記回転子と所定の間隔を隔てて配置され、上記爪形磁極の磁化により交流電圧を発生させる固定子巻線とを有する固定子と、
上記固定子の外周部に冷却水が循環する水路とを有する車両用交流発電機において、
上記爪形磁極の表面に、上記回転子の回転方向と平行に形成された複数の溝と、
上記爪形磁極の表面であって、上記爪形磁極の回転方向に対して後ろ側に形成され、上記固定子の内周面と上記爪形磁極の表面の間のギャップ長を広くする面取り部と、
上記爪形磁極の表面であって、上記爪形磁極の回転方向に対して前側に形成され、上記固定子の内周面と上記爪形磁極の表面の間のギャップ長を広くするベベル加工部とを備え、
上記面取り部の幅Ｗ１０は、上記ベベル加工部の幅Ｗ２０よりも広いことを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項２】
請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記面取り部は、上記爪形磁極の回転方向に対して後ろ側を所定の角度で削り取った形状のベベル加工部であ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記載の車両用交流発電機において、
上記面取り部は、上記爪形磁極の回転方向に対して後ろ側を段付き形状とした段付き加工部であ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記載の車両用交流発電機において、
上記爪形磁極の表面に設けられる溝は、上記面取り部の表面にも形成されているとともに、上記面取り部に形成された溝深さは、上記面取り部以外の爪形磁極に形成された溝深さよりも浅いことを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項５】
請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記面取り部は、上記爪形磁極のスキュー角と平行に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記載の車両用交流発電機において、
上記爪形磁極の軸方向両端外周面に設けられ、固定子巻線と対向する部分の外径が上記固定子と対面する部分よりも小さくなるような段付き部を備えたことを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項７】
請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記爪形磁極は、爪形磁極間に配置される上記ネオジム永久磁石の飛び出しを防止するための磁石固定部を備え、この磁石固定部の幅Ｌ１は１．０〜２．５ｍｍの範囲であり、かつ厚みＨ１は１．０〜２．５ｍｍであり、磁石の着磁方向長さがＬ３は１０ｍｍ以下であるとともに、上記ネオジム磁石と上記爪形磁極は直接接するように配置されたことを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項８】
請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記固定子を軸方向に延長する磁性体リングを備え、上記磁性体リングの外周面は固定子コアの外周面とほぼ同じであることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項９】
請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記爪形磁極のプーリ側端面に設けられた着磁用の位置合わせ用穴を備えたことを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項１０】
請求項１記載の車両用交流発電機において、
上記回転子を密閉構造となるように全周を覆うハウジングを備えたことを特徴とする車両用交流発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用交流発電機に係り、特に自動車用発電装置に用いるに好適な液冷式の車両用交流発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用交流発電機では、爪形磁極に溝を設けるものとして、以下の５つのものが知られている。第１に、米国特許第３５７１６３７号明細書に記載されているように、塊状鉄心で構成された爪形磁極の爪表面に渦電流を防止するために溝を設けることが知られている。第２には、実開昭６２−９８４４３号公報に記載されているように、溝の形状に特徴を持たせることが知られている。第３には、特開昭５９−８９５３８号公報に記載のように、Ｖ字形の溝を設けることが知られている。第４には、特許第３０４９７１５号公報に記載されているように、爪形磁極表面に溝を様々な方向に配置したものが知られている。第５には、特開平９−２４７９１５公報に記載されているように、同一ベベル幅に溝を配置したものが知られている。これらの例では、爪形磁極表面全体に溝を設けることにより、渦電流の低減を図るものである。
【０００３】
また、従来の交流発電機の別の構造としては、第６には、米国特許第３，２７１，６０６号明細書に記載されているように、回転子の回転後ろ側のエアギャップを回転前側よりも広げたものが知られている。第７には、特開平９−２１５２８８号公報に記載されているように、ベベル寸法の比率に特徴を持たせたものが知られている。これらの例では、爪形磁極の回転後ろ側に相当する部分の縁部において、回転前側の爪時極縁部の傾斜幅よりも大きくすることにより、磁気音低減を目的としている。
【０００４】
さらに、第８には、特開平３-７４１６３号公報に記載されているように、爪形磁極の軸方向端部で固定子巻線と対向する部分の外径を小さくしたものが知られている。この例では、爪形磁極端部の外径を下げて、風切り音の低減し、ファン音を低減するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
実際に爪形磁極表面で発生する渦電流は、爪形磁極表面全体で均一に発生するものではなく、発電時に発電電流による電機子反作用によって、爪表面の磁束密度に分布が発生する。
【０００６】
本発明における交流発電機は、小型高出力なものとするため、爪形磁極間にネオジム永久磁石のように残留磁束の高いものを配置した構成とする場合、次のような問題が生じてくる。すなわち、爪形磁極間にネオジム永久磁石のように残留磁束の高いものを配置した場合、爪表面全体の磁束密度が３割〜４割上昇し、爪形磁極表面で発生する渦電流の大きさは磁束密度の二乗に比例して増加するため、従来例と比較すれば約１．７倍〜２倍に増加する。
【０００７】
また、本発明の液冷式車両用交流発電機では、冷却効率を高めるため、液冷式を採用している。液冷式交流発電機では、回転子の全周をハウジングによって覆われており、回転子の冷却が従来例のような空冷に比べて非常に悪いために極間に配置したネオジム永久磁石の温度が耐熱温度を超えないように発熱量を下げる必要がある。従来のように極間に磁石が無く、空冷式の場合では回転子全体に均一の溝を設けた程度で良く、磁石の減磁等について考慮する必要が全く無かった。現在市販されているネオジム永久磁石においては、耐熱温度が２４０℃程度であるため回転子の発熱を低減することが非常に重要である。ネオジウム永久磁石では、温度が上昇すると、磁力が低減する熱減磁の問題が生るという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を防止した交流発電機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、先端部分に複数個のスキュー角を有する爪部を形成した１対の対向配置された爪形磁極と、この爪形磁極を磁化させる界磁巻線と、上記爪形磁極間に配置された補助励磁用のネオジム永久磁石と、上記爪形磁極の両端部に厚みをもって設けられた磁石固定部とから構成される回転子と、上記回転子と所定の間隔を隔てて配置され、上記爪形磁極の磁化により交流電圧を発生させる固定子巻線とを有する固定子と、上記固定子の外周部に冷却水が循環する水路とを有する車両用交流発電機において、上記爪形磁極の表面に、上記回転子の回転方向と平行に形成された複数の溝と、上記爪形磁極の表面であって、上記爪形磁極の回転方向に対して後ろ側に形成され、上記固定子の内周面と上記爪形磁極の表面の間のギャップ長を広くする面取り部と、上記爪形磁極の表面であって、上記爪形磁極の回転方向に対して前側に形成され、上記固定子の内周面と上記爪形磁極の表面の間のギャップ長を広くするベベル加工部とを備え、上記面取り部の幅Ｗ１０は、上記ベベル加工部の幅Ｗ２０よりも広いようにしたものである。かかる構成により、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を防止するために、爪形磁極表面で発生する渦電流損失を低減し得るものとなる。
【００１１】
（２）上記（１）において、好ましくは、上記面取り部は、上記爪形磁極の回転方向に対して後ろ側を所定の角度で削り取った形状のベベル加工部である。
【００１２】
（３）上記（１）において、好ましくは、上記面取り部は、上記爪形磁極の回転方向に対して後ろ側を段付き形状とした段付き加工部である。
【００１３】
（４）上記（１）において、好ましくは、上記爪形磁極の表面に設けられる溝は、上記面取り部の表面にも形成されているとともに、上記面取り部に形成された溝深さは、上記面取り部以外の爪形磁極に形成された溝深さよりも浅くしたものである。
【００１４】
（５）上記（１）において、好ましくは、上記面取り部は、上記爪形磁極のスキュー角と平行に形成したものである。
【００１７】
（６）上記（１）において、好ましくは、上記爪形磁極の軸方向両端外周面に設けられ、固定子巻線と対向する部分の外径が上記固定子と対面する部分よりも小さくなるような段付き部を備えるようにしたものである。
【００１８】
（７）上記（１）において、好ましくは、上記爪形磁極は、爪形磁極間に配置される上記ネオジム永久磁石の飛び出しを防止するための磁石固定部を備え、この磁石固定部の幅Ｌ１は１．０〜２．５ｍｍの範囲であり、かつ厚みＨ１は１．０〜２．５ｍｍであり、磁石の着磁方向長さがＬ３は１０ｍｍ以下であるとともに、上記ネオジム磁石と上記爪形磁極は直接接するように配置したものである。
【００１９】
（８）上記（１）において、好ましくは、上記固定子を軸方向に延長する磁性体リングを備え、上記磁性体リングの外周面は固定子コアの外周面とほぼ同じとしたものである。
【００２０】
（９）上記（１）において、好ましくは、上記爪形磁極のプーリ側端面に設けられた着磁用の位置合わせ用穴を備えるようにしたものである。
【００２１】
（１０）上記（１）において、好ましくは、上記回転子を密閉構造となるように全周を覆うハウジングを備えるようにしたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１９を用いて、本発明の第１の実施形態による交流発電機の構成について説明する。本実施形態による車両用交流発電機は、冷却手段を完全液冷構造としたものである。
最初に、図１を用いて、本実施形態による交流発電機の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による交流発電機の全体構成を示す断面図である。
【００２５】
エンジンの動力を受けるプーリ２は、シャフト１０１に固定されている。シャフト１０１は、２個のベアリング１０３Ａ，１０３Ｂで支持されている。２個のベアリングの内、プーリ側ベアリング１０３Ａは、フロントブラケット１０４Ｆに配置され、もう一方のベアリング１０３Ｂは、ハウジング１１５で支持されている。その２つのベアリング１０３Ａ，１０３Ｂの中心部には、回転子１００が配置され、プーリ２の回転に同期して回転するように、シャフト１０１に固定されている。
回転子１００には、爪形磁極１０８が設けられている。爪形磁極１０８の内周側には、界磁巻線１０７が配置されている。また、回転子１００の爪形磁極１０８の間には、高出力化を可能とする補助励磁用のネオジム永久磁石１１７が、永久磁石ホルダー１１８を介して設けられている。界磁巻線１０７には、回転子１００に設けられたスリップリング１１０にブラシ１１１が摺動可能に取り付けられており、直流電流を通電できるように構成されている。永久磁石１１７の極性は、界磁巻線１０７を励磁したときに作る磁極と同極が向かい合うように、後述する着磁治具によって着磁される。その着磁治具の位置合わせ用の凸部と合うように、回転子１００のプーリ側端面に、位置合わせ用穴１３０が設けられている。
【００２６】
固定子１０２には、固定子コア１０５に三相の固定子巻線１０６が巻かれている。固定子コア１０５の外周部には、水路１１４を設けたハウジング１１５が配置されている。また、反プーリ側の水路１１９および１２０は、ハウジング１１５に水路となる溝を設けたものに、リアプレート１１２で蓋をすることで、密閉水路を構成している。冷却水路としては、ハウジング１１５とリアプレート１１２により成り立っており、ＩＣレギュレータ１１３とダイオードの配置されるダイオードフィン１０９と固定子１０２の外周面を、均一に流れるように構成している。以上のように、水冷式とすることにより、交流発電機１は、完全密閉構造となっているため、ハウジング１１５内部で発生する磁気音や風音は、外部には漏れ難い構造となっている。
【００２７】
反プーリ側のリアブラケット１０４Ｒの内部には、発電電圧を調整するための、ＩＣレギュレータ１１３と、整流素子が挿入されたダイオードマイナスフィン１０９Ｂと、ダイオードプラスフィン１０９Ａが配置されている。ダイオードマイナスフィン１０９Ｂは、リアプレート１１２の上に配置され、その上にダイオードプラスフィン１０９Ａが配置されている。なお、整流素子としては、ダイオードに限らず、ＭＯＳ−ＦＥＴのブリッジを用いても同様の性能が得られるものである。ハウジング１１５の反プーリ側には、整流素子を冷却するための水路１１９が設けられており、その水路１１９はリアプレート１１２によって水路が閉じられた構成となっている。そして、整流素子は、このリアプレート１１２に固定されている。
【００２８】
リアブラケット１０４Ｒは、整流素子の配置されたダイオードマイナスフィン１０９Ｂ及びダイオードプラスフィン１０９Ａ及びＩＣレギュレータ１１３を覆うように、ハウジング１１５に固定されている。
【００２９】
固定子１０２においては、固定子巻線１０６の外周側には、固定子コア１０５から延長した磁性体リング１５０が配置され、その他のハウジング１１５の隙間及び固定子コア１０５内の巻線間にも良熱伝導体１１６が充填されている。この良熱伝導体１１６は、固定子巻線で発生した損失による発熱を水路１１４に伝えやすくするものであり、例えば、不飽和ポリエステル樹脂等が用いられている。図示しないが、先に説明した全ての水路は、エンジン冷却水を分岐して循環する構成である。
【００３０】
次に、動作について説明する。まず、界磁巻線１０７がブラシ１１１とスリップリング１１０を介して直流励磁された状態で、プーリ２がエンジン動力によって回転すると、プーリ２に取り付けられた回転子１００の爪形磁極１０８が回転し、固定子巻線１０６に３相の電圧が発生する。この３相電圧は、ダイオードマイナスフィン１０９Ｂ及びダイオードプラスフィン１０９Ａに配置した整流素子ブリッジによって全波整流することで、直流電圧に変換することができる。
【００３１】
ハウジング１１５に配置した水路１１４は、固定子コア１０５の外周に配置されており、発電時に発生する固定子コア１０５の鉄損や固定子巻線１０６で発生する銅損による温度上昇を抑えるように、熱の伝達手段として用いられている。水路１１４は、整流素子の冷却用水路１１９と直列に接続されている。このように、回転子１００の全体を覆うようにフロントブラケット１０４Ｆとハウジング１１５とリアブラケット１０４Ｒで構成され、磁気音の遮音等にも効果がある。
【００３２】
次に、図２〜図５を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の形状について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の構成を示す側面図である。図３は、回転子１を軸方向から見た図を示したものである。図３は、図１の要部拡大断面図である。また、図４及び図５は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の寸法に関する説明側面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３３】
図２及び図３に示すように、手前の爪形磁極１０８をＮ極側、反対側をＳ極磁極として説明する。本実施形態の爪形磁極１０８の形状は、Ｎ極側爪形磁極１０８ＮとＳ極側爪形磁極１０８Ｓの極間に、永久磁石１１７の飛び出しを防止するために、爪形磁極１０８の両縁部には磁石固定部１１９が左右に設けられている。なお、段付き部１２４の形状については、図６を用いて後述する。位置合わせ穴１３０は、図示するように、３箇所設けられている。
【００３４】
図３に示した磁石固定部１１９の厚みＨ１は、厚くすればするだけ機械的な強度は増すが、配置できる永久磁石１１７の厚みが薄くなるのと、磁石上部での極間で漏れる磁路面積が増加することから、１．０ｍｍ〜２．５ｍｍ程度が妥当であり、回転時に永久磁石１１７が飛び出さないようにしている。本実施形態では、この磁石固定部１１９の径方向厚みＨ１として、今回１．５ｍｍを採用した。
【００３５】
また、図３に示した磁石固定部１１９の幅Ｌ１は、機械的強度と、極間での漏れ磁束の関係から、幅Ｌ１を大きく取ると、隣接する磁石固定部１１９の間の極間幅Ｌ２が狭くなり、磁束が漏れやすくなる。極間の漏れ磁束を減らすために概ね、距離Ｌ２を回転子１００と固定子１０２のギャップ長の１０倍程度を確保する必要がある。そのため、永久磁石１１７の磁化方向長さＬ３を８ｍｍとした場合、極間幅Ｌ２は、主ギャップ０．５ｍｍの１０倍で５ｍｍを確保するためには幅Ｌ１は１．５ｍｍが妥当な値となる。
【００３６】
磁石固定部１１９の固定幅Ｌ１としては、１．０ｍｍ〜２．５ｍｍ程度が望ましいものである。図４は、横軸に磁石固定部高さＨ１、縦軸に有効磁束Ф１を示している。図４に示すように、磁石固定部高さＨ１が１．０〜２．５ｍｍ程度では漏れ磁束は少なく、有効磁束の減少は少ないことが分かる。また、図５は、磁石固定部幅Ｌ１を横軸に取った場合の漏れ磁束Φ２の大きさを示したものである。磁石固定部幅Ｌ１が１．０〜２．５ｍｍ程度までは、漏れ磁束は比較的少なくすることができる。
【００３７】
次に、図６を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の段付き部１２４の形状について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の段付き部の構成を示す正面断面である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３８】
図６に示すように、爪形磁極１０８の外周端部には、段付き部１２４が設けられている。固定子コア１０５と対向する爪形磁極１０８の部分は、凸部形状とされ、その両端部に、段付き部１２４が設けられている。固定子コア１０５の幅Ｗ１に対して、爪形磁極１０８の中央の凸部の幅Ｗ２は、Ｗ１に等しいか、僅かに大きい程度である。爪形磁極１０８の両端部に、幅Ｗ３，Ｗ４の段付き部１２４が設けられ、Ｗ３＝Ｗ４である。
【００３９】
段付き部１２４は、固定子巻線のエンドの部分に発電電流が流れた場合、磁束が回転子に鎖交し難いようにするために設けられている。すなわち、発電電流による磁束が通り難くすることにより、漏れインダクタンスが低減でき、発電電流を向上することができる。また、コイルエンドからの漏れ磁束の影響を受け難くできることから、損失を低減することもできる。
【００４０】
また、後述するように、回転子表面，すなわち、爪形磁極１０８の表面に設ける溝に対しても、この両端部の段付き部１２４には溝を設けないため、溝形成のためのバイト送りをする上で、作業性を向上することができる。
【００４１】
段付き部１２４の高さＨ３は、後述する回転子表面に設ける溝深さよりも大きくする。なお、大きくし過ぎた場合には回転子の磁気回路の有効断面積が低下する。そこで、溝の切削溝深さを０．５ｍｍとしたとき、段付き部１２４の高さＨ３最大でも１．０ｍｍ程度である。また、別の効果としては、コイル部を充填している良熱伝導体１１６の熱膨張に対しても影響を受けないものである。
【００４２】
次に、図７及び図８を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる永久磁石を固定する永久磁石ホルダーの形状について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる永久磁石を固定する永久磁石ホルダーの説明図であり、回転子の軸方向（Ｘ方向）に対する磁気的中心位置の断面図である。図８は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる永久磁石ホルダーの斜視図である。図７及び図８において、矢印Ｘ方向が回転子の軸方向であり、矢印Ｙ方向が回転子の円周方向である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００４３】
図７に示すように、爪形磁極１０８Ｎと爪形磁極１０８Ｓの間には、永久磁石１１７が配置される。Ｎ極側の爪形磁極を１０８Ｎ、Ｓ極側の爪形磁極を１０８Ｓとし、その内側に永久磁石１１７の飛び出しを防止するための磁石固定部１１９を設けている。永久磁石ホルダー１１８の内部に永久磁石１１７を挿入し、爪形磁極１０８の間に配置している。永久磁石ホルダー１１８は、非磁性体の薄いステンレス材で作成してある。
【００４４】
図８に示すように、磁石ホルダー１１８は、永久磁石１１７の落下防止用の２つの爪１１８ａと、爪形磁極１０８に固定するための２つの爪１１８ｂから構成されている。
【００４５】
次に、図９〜図１１を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の表面形状及びその効果について説明する。
図９（Ａ）は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極を上部から見た平面模式図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のａ−ａ’断面図である。図９（Ａ）において、矢印Ｒ方向が回転子の回転方向である。図１０は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極を上部から見た他の例の図９（Ａ）のａ−ａ’断面図である。図１１は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる磁束密度の説明図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００４６】
図９（Ａ）に示すように、矢印Ｒ方向に爪形磁極が回転する場合、図に長円で示した部分ＵＰφにおいて、図１１に実線Ｇ１で示すように、発電電流による電流で主磁束が増加する。この現象は、電機子反作用と呼ばれるもので、発電機の場合には、回転方向に対して後ろ側の磁束密度が上昇するものである。逆の反対側（回転方向に対して前側）では、主磁束は弱められ、減磁となる。よって、発電中では、爪形磁極表面の磁束密度に分布が発生している。
【００４７】
磁束密度は、図の楕円で示した部分が上昇することから、回転中はスロットリプルによる磁束密度の変動値が大きくなる。渦電流損失は磁束密度変動の二乗に比例して増加するため、磁束密度の変動値を下げることにより、損失低減を図ることができる。この部分の磁束密度を均一化するためには、固定子の内周面と、回転子の外周面の間のギャップ長を広げることで可能になる。そこで、具体的には、図９（Ｂ）に示すように、爪形磁極１０８の回転方向の後ろ側に、面取り部であるベベル加工部１０８Ｂ１を設けている。ベベル加工部の詳細については、図１２を用いて後述する。ベベル加工部１０８Ｂ１は、その幅が一定である。すなわち、図９（Ａ）において、ベベル加工部１０８Ｂ１の幅Ｗ５＝Ｗ６である。ベベル加工部１０８Ｂ１の角度は、爪形磁極のスキュー角と等しくすることにより、騒音を低減することができる。また、爪形磁極１０８の回転方向の前側にも、ベベル加工部１０８Ｂ２を設けている。
【００４８】
ベベル加工部１０８Ｂ１を設けることにより、図１１に破線Ｇ２で示すように、爪形磁極１０８の回転方向の後ろ側の磁束密度を低減することができる。これによって、損失低減を図ることができる。
【００４９】
なお、固定子の内周面と、回転子の外周面の間のギャップ長を広げるには、図１０に示すように、爪形磁極１０８の回転方向の後ろ側に、面取り部である段付き加工部１０８Ｓ１を設けてもよいものである。段付き加工部の詳細については、図１２を用いて後述する。また、爪形磁極１０８の回転方向の前側には、ベベル加工部１０８Ｂ２を設けている。
【００５０】
次に、図１２〜図１７を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の表面形状の具体例について説明する。
最初に、図１２を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の全体構成について説明する。また、図１３〜図１５を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の表面に形成される溝部と面取り部の構成について説明する。
図１２は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる回転子の外観斜視図である。図１３は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される溝部の拡大断面図である。図１４は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部であるベベル加工部の拡大断面図である。図１５は、本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部である段付き加工部の拡大断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００５１】
図１２に示すように、隣接する爪形磁極１０８Ｓと爪形磁極１０８Ｎの間には、永久磁石ホルダー１１８の内部に永久磁石１１７が挿入されたものが配置されている。この場合、磁石ホルダー１１８ｂの部分は、爪形磁極１０８の切り欠き部に固定される。爪形磁極１０８の表面には、回転子の回転方向を矢印Ｒ方向とした場合、回転方向の後ろ側になる部分に、大きくベベル加工部１０８Ｂ１を設けてある。また、回転方向の前側には、若干のベベル加工部１０８Ｂ２を設けている。さらに、爪形磁極１０８の表面には、溝１０８Ｇが形成されている。溝１０８Ｇは、回転子の回転方向Ｒと平行に、複数本形成されている。
【００５２】
回転方向の後ろ側に設けたベベル加工部（増磁側ベベル）１０８Ｂ１の幅Ｗ１０は、発電機の相数と関係し、例えば３相の場合には、爪形磁極幅Ｗｐｓの１／６〜１／３程度が最適である。１／６〜１／３の範囲を持つのは、回転数によって変わるためで、平均的に見れば１／６に近い値である。本例では、磁石固定部の強度から、幅Ｗ１０を５ｍｍとしている。また、ベベル加工部（減磁側ベベル）１０８Ｂ２の幅Ｗ２０は、２．５ｍｍ程度である。
【００５３】
次に、図１３を用いて、爪形磁極１０８の表面に配置する溝１０８Ｇの形状について説明する。溝の深さｈは、回転子の回転周波数と回転子の導電率から計算される磁場の浸透深さと大きく関係する。実機の最高回転数での磁場浸透深さを計算すると、深さは０．６５ｍｍ必要であることが分かった。しかし、深溝は切削が難しいため、量産に適した構造としてはネジ切り機や旋盤を用いて、０．５ｍｍ程度の加工が好ましいものである。また、使用する切削バイトの刃先角度αは、６０〜７０度となり、溝の形状はノコギリ歯状の形状となる。凹凸部の凸部の幅ｔ１と凹部の幅ｔ２は、切削時の溝ピッチｐや加工時の切削バイトの刃先の摩耗等により変動するが、バイト先端刃先角度を６０度とすれば、溝ピッチ１．２ｍｍで、深さ０．５ｍｍ、溝底の幅ｔ２を０．０５ｍｍとした場合、溝上部の幅ｔ１は０．５７ｍｍ程度となる。また、切削バイトの刃先角度αを７０度とした場合には、ｔ１は０．４７ｍｍである。ネジ切り機を用いてバイトにより溝１０８Ｇを加工する際、爪形磁極１０８の両端部の段付き部１２４には溝を設けないため、溝形成のためのバイト送りをする上で、作業性を向上することができる。
【００５４】
なお、溝の他の加工手段として、レーザーを用いた場合には溝深さを深く、そして、溝幅を狭く加工できるため渦電流の低減効果は更に大きくなる。本例では、固定子の鉄損を低減するために、比較的薄い０．３５ｔのＳＰＣＣ材を用いた。
【００５５】
次に、爪形磁極表面の面取り部（ベベル加工部１０８Ｂ１，ベベル加工部１０８Ｂ２）について説明する。今回採用した面取り部は、爪表面の磁束密度の変動の全体レベルを低減するためのものであるため、増磁側（回転方向の後ろ側）に施すことが有効である。磁界解析による解析結果からも縁部から特に５ｍｍ程度の間に磁束密度が集中することが分かった。本例の爪形磁極幅Ｗｐｓは２８ｍｍであるため、面取り部の幅Ｗ１０を爪形磁極幅Ｗｐｓとの比で表せば約１８％である。
【００５６】
減磁側（回転方向の前側）のベベル加工部１０８Ｂ２においては、バリ取りのアールを付ける程度で良いため、減磁側ベベル幅Ｗ２０は、１〜２ｍｍ程度あればよい。この程度とすることにより、回転方向の中央部付近に於ける磁束密度を等しくすることができる。
【００５７】
また、図１４に示す回転子の回転後ろ側増磁部のベベル加工部１０８Ｂ１は、増磁側に相当する部分のベベル幅ｗ１０を一定角度で設けている。ベベル加工部１０８Ｂ１の角度βは、磁界計算を用いて、出力電流も考慮した計算により２０度程度が適切であることが分かった。この角度であれば、出力電流の低下を少なくすることができる。この場合、磁石固定部厚みＨ１は２．５ｍｍ程度必要になる。
【００５８】
また、図１５に示す回転子の回転後ろ側増磁部の段付き加工部１０８Ｓ１の高さＨ２は、磁界計算を用いて、出力電流も考慮した計算により、１．０ｍｍ程度が適切であることが分かった。この高さであれば、出力電流の低下を少なくすることができる。この場合、磁石固定部厚みＨ１は２．５ｍｍ程度必要になる。
【００５９】
また、図１２に示すように、回転子のプーリ側コア側面には３個の位置合わせ用の穴１３０が配置されている。この位置合わせ用の穴１３０はプーリ側に設けることで、着磁治具に容易に組み込むことができる。
【００６０】
次に、図１６及び図１７を用いて、本実施形態による交流発電機における渦電流損失について説明する。
図１６及び図１７は、本発明の第１の実施形態による交流発電機における渦電流損失の説明図である。
【００６１】
図１６は、爪形磁極の表面の増磁側に面取り部を設けて、ほかの爪形磁極の表面部分に溝を設けた場合（実線Ｊ２）と、爪形磁極表面に均一の溝を設けた場合（実線Ｊ１）の渦電流の損失比較を示している。図１６の横軸は、溝の深さを示しており、縦軸は渦電流損失の大きさを示している。
【００６２】
図１６に示したように、増磁側に面取り部を施し、さらに、溝を設けた場合の方が同じ溝深さで比較すると、渦電流損失を低減することが可能である。言い換えると、渦電流損失をある一定値にする場合には、溝の深さを浅くすることができるため、製造する上で作業行程が低減できる。
【００６３】
図１７は、横軸を溝のピッチｐ、縦軸を渦電流損失とした場合、爪形磁極の表面の増磁側に面取り部を設けて、ほかの爪形磁極の表面部分に溝を設けた場合（実線Ｋ２）と、爪形磁極表面に均一の溝を設けた場合（実線Ｋ１）の渦電流の損失比較を示している。同じ渦電流損失にする場合には、増磁側に面取り部を設けた場合の方が溝ピッチを広くすることができる。よって、爪形磁極表面に配置する溝数が減少するため、加工工程にかかる時間を短縮することが可能になり、コスト低減が可能になる。
【００６４】
次に、図１８及び図１９を用いて、本実施形態による交流発電機の回転子に用いる永久磁石の着磁方法について説明する。
図１８は、本発明の第１の実施形態による交流発電機の回転子に用いる永久磁石の着磁治具の外観斜視図である。図１９は、本発明の第１の実施形態による交流発電機の回転子に用いる永久磁石の着磁治具に用いる着磁磁極の平面図である。
【００６５】
図１８に示した外部着磁治具１４０は、図１２に示した回転子に配置される永久磁石１１７を着磁するための治具である。従来は、すでに着磁された永久磁石を回転子の爪形磁極の内側に取り付けていたのに対して、本実施形態では、未着磁のネオジウム磁石を爪形磁極の内側に取り付けた後、外部着磁治具１４０により着磁することにより、生産性を向上するようにしている。
【００６６】
外部着磁治具１４０は、回転子の爪形磁極と重なるＳ極用着磁用磁極１３２，Ｎ極用着磁治具１３３と、その外周側に着磁コイルを（図示せず）一体的に成形するための熱伝導に優れた樹脂１３４により略円筒状に構成されている。その外周部には、図示しないハウジングがあり、そのハウジングの内部には着磁用のコイルを冷却するための水路が形成されている。着磁磁極１３２，１３３は、渦電流損失が小さくなるように積層鋼板で構成している。
【００６７】
回転子は、図１２に示した状態で、図１８に示した着磁治具１４０の内部に挿入される。シャフト穴１３５に回転子のシャフトが挿入され、外部着磁治具１４０の位置合わせ用の凸部１３１と回転子に設けた位置合わせ穴１３０によって位置決めされる。このとき、回転子と着磁治具の磁極との隙間は０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度である。図示しないが、Ｓ極用の着磁磁極に巻かれる着磁用コイルとＮ極用着磁磁極に巻かれる着磁コイルは直列に接続されており、全ての磁極に同じ起磁力が発生するようにしてある。
【００６８】
次に、図１９を用いて、着磁磁極１３２，１３３に関して説明する。着磁治具内に配置する着磁磁極１３２，１３３の形状は、回転子の爪形磁極とほぼ同型であるが、着磁磁極の表面積の方が大きく構成されている。着磁治具のＳ極用着磁磁極１３２とＮ極用着磁磁極１３３の極間ｗｓは、狭くすると着磁時に磁束が回転子に入らず、着磁磁極間を短絡するため最適な幅が存在する。本例では、着磁磁極の間隙ｗｓは、製作上着磁コイルの太さ以上が必要であると共に、先に述べた着磁時の回転子との隙間の２０倍以上を確保するために２．５ｍｍとした。また、着磁磁極の磁気的中心位置の磁極幅Ｗｐ２と回転子の爪形磁極の磁気的中心位置の幅Ｗｐｓ２は、Ｗｐ２＞Ｗｐｓ２で２つの条件が成り立つようにしている。着磁治具１４０の着磁コイルに掛ける電圧は、概ね３ｋＶ〜４ｋＶで、コンデンサに充電した後に短時間で電流を流して着磁する。
【００６９】
以上説明したように、本実施形態では、液冷式で爪形磁極間にネオジム永久磁石を配置し、ハウジング構造がほぼ密閉となるような車両用交流発電機において、従来の溝加工に加えて、増磁側の磁束密度を低減することで大幅な渦電流損失の低減が可能となる。すなわち、局部的に磁束密度が高くなる爪形磁極部分に面取り部を設けることにより、ギャップ長を広げて磁束密度の集中を低減し、その他の場所は溝を設けるようにして渦電流損の発生を抑えることができる。磁束が集中する部分は、３相の場合には回転子１極分の最大幅に対して約１／３程度（スロットピッチ程度）である。従来例では、回転子に一定の深さで溝を付けていたが、磁束密度が集中する回転子の回転後ろ側に相当する部分の渦電流損失による発熱に関しては何ら改善されたものは無いが、本実施形態では、爪形磁極の磁束密度が高くなる回転子の爪縁部で回転時に後方となる部分の磁束密度を低減するために、固定子磁極の１スロットピッチ程度の幅でギャップを広げることで渦電流損失による発熱を抑えることができる。
【００７０】
また、加工時の工数低減と出力の向上を図るために、回転子の軸方向両端部の外径部に段付き部を設け、回転子と固定子コアの重なり合う面よりも小さくすることで、切削バイトがこの部分を加工しないようにできるため、切削面積を低減できる。また、溝加工時において、段付き部を設けたことで、切削バイトにかかる負荷変動を小さくすることができ、バイトの長寿命化が可能となる効果がある。また、段付き部を設けることにより、固定子巻線のエンド部分に電流が流れた場合の磁束が、回転子に鎖交し難いようにしたことにより、固定子巻線のインダクタンス低減を図るようにしている。
【００７１】
さらに、回転子の最終組み立て段階で、着磁治具により着磁することで後加工等の問題が無くなり、切り粉等の付着が発生しないため、回転子の信頼性が向上する。
【００７２】
本実施形態によれば、爪形磁極表面で発生する渦電流損失を低減し、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を防止することができる。
【００７３】
次に、図２０及び図２１を用いて、本発明の第２の実施形態による交流発電機の構成について説明する。
図２０は、本発明の第２の実施形態による交流発電機の要部の構成を示す断面図である。図２１は、図２０の要部拡大図である。
【００７４】
図２０に示した本実施形態による交流発電機の要部は、図６に示した構成に対応するものである。図６に示した構成では、固定子１０２の内周側と回転子１００の外周側の間のギャップは一定であった。それに対して、図２０に示した実施形態では、爪形磁極１０８Ｔの外周側（固定子の内周側に対向する面）は、回転子の回転軸の方向に見たとき、中央部が凸の円弧状となっている。すなわち、固定子１０２の内周側と回転子１００の外周側，すなわち、爪形磁極１０８Ｔの表面の間のギャップは、中央部のギャップをｇ１として、両端側のギャップをそれぞれｇ２，ｇ３とすると、ｇ２＝ｇ３であり、また、ｇ１＜ｇ２，ｇ３としている。
また、図２１に示すように、爪形磁極１０８Ｔの表面には、回転子の回転方向と平行な溝１０８Ｍが複数本形成されている。溝の深さは、中央部の溝の深さをＤ１とし、両端部の溝の深さをそれぞれＤ２，Ｄ３とすると、Ｄ２＝Ｄ３であり、Ｄ１＞Ｄ２，Ｄ３としている。
【００７５】
このように、回転軸方向の両端部のギャップｇ２，ｇ３を中央部のギャップｇ１に比べて大きくすることにより、回転子の軸方向の両端部における冷却効率を向上することができる。また、中央部の溝深さＤ１を両端部の溝深さＤ２，Ｄ３よりも深くすることで、中央部における発熱を抑えることができる。結果として、永久磁石の熱減磁を低減することができる。
【００７６】
本実施形態によれば、爪形磁極表面で発生する渦電流損失を低減し、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を、さらに、低減することができる。
【００７７】
次に、図２２を用いて、本発明の第３の実施形態による交流発電機の構成について説明する。
図２２は、本発明の第３の実施形態による交流発電機の全体構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００７８】
本実施形態による交流発電機１Ａは、図１に示した液冷式車両用交流発電機と同様に、液冷式であるが、回転子１００に反プーリ側の端面に、内扇ファン１２５を配置している。また、内扇ファン１２５により機内の空気が循環できるように、フロントブラケット１０４Ｆに通風口１２３を設け、また、ハウジング１１５の底面に通風口１２１、リアブラケット１０４Ｒに通風口１２２を設けている。他の構成については、図１と同様である。
【００７９】
このように、内扇ファン１２５を設けた場合には、機内温度が１０〜２０℃程度下がるが、先に説明した増磁側ベベルと他の表面に溝を設けて渦電流対策を行うことで、爪形磁極間に配置した永久磁石の温度低減が可能となる。他の効果としては、増磁側にベベルを設けることで磁気加振力の低減効果もある。また、溝加工作業においてもベベル幅を大きくとり増磁側のベベルから切削することで、切削バイトの負荷変動を小さくすることができるためにバイトの寿命を延ばすことができる。また、渦電流損失を低減することから、発電効率も向上する。
【００８０】
本実施形態によれば、爪形磁極表面で発生する渦電流損失を低減し、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を、さらに、低減することができる。
【００８１】
次に、図２３を用いて、本発明の第４の実施形態による交流発電機の構成について説明する。
図２３は、本発明の第４の実施形態による交流発電機の全体構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００８２】
本実施形態による交流発電機の基本的な構成は、図１に示した液冷式車両用交流発電機と同様である。本実施形態では、固定子コア１１５の軸方向延長上に、磁性体リング１５０を配置している。磁性体リング１５０の外周面は、固定子コア１１５の外周面と同一平面を形成するように、配置されている。
【００８３】
磁性体リング１５０は、コイルエンドからの漏れ磁束がハウジング１１５に鎖交して渦電流損失を発生しするものを防ぐものである。コイルエンド部の磁束は、今回新たに配置した磁性体リングによって集磁させることができ、漏れ磁束を有効磁束として利用することができる。また、固定子巻線１０６の発熱を効率良くハウジング１１５に伝えることが可能になる。配置する磁性体リング１５０は、好ましくは薄いリングを軸方向に積み重ねたものが適当である。この理由は、渦電流の低下が可能となるためである。
【００８４】
本実施形態によれば、爪形磁極表面で発生する渦電流損失を低減し、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を、さらに、低減することができる。
【００８５】
次に、図２４〜図２６を用いて、本発明の第５の実施形態による交流発電機について説明する。本実施形態の交流発電機の全体構成は、図１に示したものと同様である。
【００８６】
以下、図２４を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の全体構成について説明する。また、図２５及び図２６を用いて、本実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の表面に形成される溝部と面取り部の構成について説明する。
図２４は、本発明の第５の実施形態による交流発電機に用いる回転子の外観斜視図である。図２５は、本発明の第５の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部であるベベル加工部の拡大断面図である。図２６は、本発明の第５の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部である段付き加工部の拡大断面図である。なお、図１，図１２，図１４，図１５と同一符号は、同一部分を示している。
【００８７】
本実施形態では、図２５，図２６に点線で示す位置まで、溝１０８Ｇ’を形成している。すなわち、増磁側面取り部（図２５のベベル加工部１０８Ｂ１，図２６の段付き加工部１０８Ｓ１）にも、溝１０８Ｇ’を設けている。
【００８８】
図２５，図２６に示すように、増磁側ベベル部（面取り部）にも溝１０８Ｇ’を配置することで、更なる渦電流の低減効果を得ることができる。また、爪形磁極間に配置した永久磁石の温度上昇を低減できるため、永久磁石の動作温度が低くなることで更なる出力電流向上の効果がある。また、従来の回転子に対して温度を低くすることができることから、回転数を向上させることも可能となり小形化も可能になる。また、回転子の材質を磁性粉を絶縁物で固めた圧粉鉄心等を用いれば更なる渦電流の低減効果が期待できる。
【００８９】
本では、図２５に示す場合、Ｈ１＝２．０ｍｍ、β＝５度、Ｗｐｓ＝２８．０ｍｍ、Ｗ１０＝５ｍｍ、Ｗ２０＝２ｍｍとしている。また、図２６に示す爪形磁極の場合には、Ｈ１＝１．５ｍｍ、Ｈ２＝０．３ｍｍで、他の寸法は図２５と同様である。
【００９０】
本実施形態によれば、爪形磁極表面で発生する渦電流損失を低減し、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を、さらに、低減することができる。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、爪形磁極間に配置した永久磁石の熱減磁を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による交流発電機の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の構成を示す側面図である。
【図３】回転子１を軸方向から見た図を示したものであり、図１の要部拡大断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の寸法に関する説明用の側面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の寸法に関する説明用の側面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極の段付き部の構成を示す正面断面である。
【図７】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる永久磁石を固定する永久磁石ホルダーの説明図であり、回転子の軸方向（Ｘ方向）に対する磁気的中心位置の断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる永久磁石ホルダーの斜視図である。
【図９】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極を上部から見た平面模式図と、ａ−ａ’断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極を上部から見た他の例の図９（Ａ）のａ−ａ’断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる磁束密度の説明図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる回転子の外観斜視図である。
【図１３】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される溝部の拡大断面図である。
【図１４】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部であるベベル加工部の拡大断面図である。
【図１５】本発明の第１の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部である段付き加工部の拡大断面図である。
【図１６】本発明の第１の実施形態による交流発電機における渦電流損失の説明図である。
【図１７】本発明の第１の実施形態による交流発電機における渦電流損失の説明図である。
【図１８】本発明の第１の実施形態による交流発電機の回転子に用いる永久磁石の着磁治具の外観斜視図である。
【図１９】本発明の第１の実施形態による交流発電機の回転子に用いる永久磁石の着磁治具に用いる着磁磁極の平面図である。
【図２０】本発明の第２の実施形態による交流発電機の要部の構成を示す断面図である。
【図２１】図２０の要部拡大図である。
【図２２】本発明の第３の実施形態による交流発電機の全体構成を示す断面図である。
【図２３】本発明の第４の実施形態による交流発電機の全体構成を示す断面図である。
【図２４】本発明の第５の実施形態による交流発電機に用いる回転子の外観斜視図である。
【図２５】本発明の第５の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部であるベベル加工部の拡大断面図である。
【図２６】本発明の第５の実施形態による交流発電機に用いる爪形磁極表面に形成される面取り部である段付き加工部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１…液冷式車両用交流発電機
１００…回転子
１０１…シャフト
１０２…固定子
２…プーリ
１０４Ｆ…フロントブラケット
１０４Ｒ…リアブラケット
１０５…固定子コア
１０６…固定子巻線
１０７…界磁巻線
１０８…爪形磁極
１０８Ｂ１，１０８Ｂ２…ベベル加工部
１０８Ｓ１…段付き部
１０８Ｇ…溝
１０９Ａ…ダイオードプラスフィン
１０９Ｂ…ダイオードマイナスフィン
１１０…スリップリング
１１１…ブラシ
１１２…リアプレート
１１３…ＩＣレギュレータ
１１４…水路
１１５…ハウジング
１１６…良熱伝導体
１１７…永久磁石
１１８…永久磁石ホルダー
１１９…磁石固定部
１２０…水路
１２１〜１２３…通風口
１２４…段付き部
１２５…内扇ファン
１３０…位置合わせ穴
１３１…回転子位置合わせ用凸部
１３２…Ｓ極用着磁磁極
１３３…Ｎ極用着磁磁極
１３４…樹脂
１３５…シャフト穴
１４０…着磁治具
１５０…磁性体リング
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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