JP2019080475A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】慣性モーメントを低減させ、回転電機の出力を向上させる回転子を得る。【解決手段】各爪状磁極部に、第１傾斜面と外周面及び第２傾斜面の外縁の一部を外縁に含む一対の面取り部を有し、一方の面取り部と第１傾斜面と外周面とが交わる第１の点と、他方の面取り部と第１傾斜面と外周面とが交わる第２の点との距離は、一方の面取り部と外周面と第２傾斜面とが交わる第３の点と、他方の面取り部と外周面と第２傾斜面とが交わる第４の点との距離より小さく、各第１爪状磁極部の第３と第４の点を結ぶ線と、各第２爪状磁極部の第３と第４の点を結ぶ線との距離は、各第１爪状磁極部の先端を結ぶ線と、各第２爪状磁極部の先端を結ぶ線との距離より小さい。【選択図】図６

Description

本発明は、車両に搭載される交流発電機を構成する回転電機の回転子に関する。

車両の内燃機関の出力を効率的に車輪に伝達するためには、ベルト等で接続された交流発電機の慣性モーメントを低減することが有効である。交流発電機の慣性モーメントが低減されると、内燃機関に加わる負荷が小さくなり、燃費が向上する。交流発電機の慣性モーメントを低下させるためには、回転子鉄心を小さくするとよい。

しかし、回転子鉄心を小さくすると、交流発電機の出力が低下するという問題がある。そこで、従来、回転機出力低下を抑制しつつ、慣性モーメントを低減可能な回転子鉄心形状の検討がなされてきた（例えば特許文献１参照）。

特許文献１には、周方向に複数の爪状磁極部を有する一対のポールコア体を、互いの複数の爪状磁極部が周方向に交互に配置された状態で組み合わせた、いわゆるランデル型構造の回転子が記載されている。そして、特許文献１では、回転子の各爪状磁極部に面取りを施している。これにより、径方向外側における各爪状磁極部間の周方向距離を大きく確保して、磁束漏れを低減させている。また、径方向端部における端面の面積を増やす事により、発生磁束量を増加させて、回転電機の出力を向上させている。

特開２０１６−２２０５１３号公報

従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１は、特許文献１中の図７に示されたように、１つの爪状磁極部において、一対の面取り部１２ｄ１と、爪の根元側で径方向内側から径方向外側にテーパ面となっている根元部１２ｅとが交わる２点間の距離をＬ２としている。また、一対の面取り部１２ｄ２と、爪状磁極部の外周面１２ｃとが交わる２点間の距離をＬ１としている。そして、特許文献１は、Ｌ２とＬ１の関係を、Ｌ２＞Ｌ１としている。よって、一対の面取り部１２ｄ１の面取り量が小さくなってしまう。このため、特許文献１の回転子は、慣性モーメントの低減効果が小さい。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、慣性モーメントの低減効果を向上させるとともに、回転電機の出力を向上させる回転子を得るものである。

この発明に係る回転電機の回転子は、回転子鉄心と回転子巻線とを有し、回転子鉄心は、第１ポールコア体及び第２ポールコア体を有し、第１ポールコア体は、周方向について互いに間隔を置いて配置されている複数の第１爪状磁極部を有し、第２ポールコア体は、周方向について互いに間隔を置いて配置されている複数の第２爪状磁極部を有し、第１ポールコア体及び第２ポールコア体は、第１爪状磁極部と第２爪状磁極部とが周方向に交互に配置された状態で互いに組み合わされ、回転子巻線は、複数の第１爪状磁極部及び複数の第２爪状磁極部の径方向内側に配置され、複数の第１爪状磁極部及び複数の第２爪状磁極部は、それぞれの根元肩部の周方向両側部に面取り部を有し、各面取り部は、複数の第１爪状磁極部及び複数の第２爪状磁極部の、それぞれの根元肩部の軸方向外側に形成された第１傾斜面の外縁の一部と、複数の第１爪状磁極部及び複数の第２爪状磁極部の、それぞれの外周面の外縁の一部と、複数の第１爪状磁極部及び複数の第２爪状磁極部の、それぞれの先端側の周方向両側部に形成された第２傾斜面の外縁の一部とを外縁に含み、各第１爪状磁極部及び各第２爪状磁極部における、一方の面取り部と、第１傾斜面と、外周面とが交わる第１の点と、他方の面取り部と、第１傾斜面と、外周面とが交わる第２の点との距離は、一方の面取り部と、外周面と、第２傾斜面とが交わる第３の点と、他方の面取り部と、外周面と、第２傾斜面とが交わる第４の点との距離よりも小さい。

この発明によれば、各爪状磁極部の根元肩部側において、周方向両側部の面取り部を大きくしている。これにより、回転子の慣性モーメントを低減させることができるとともに、回転電機の出力を向上させることができる。

実施の形態１の回転子が組み込まれた回転電機を模式的に示す断面図である。 実施の形態１の回転電機の回転子を示す斜視図である。 実施の形態１の回転電機の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の回転電機の回転子を構成する各ポールコア体の爪状磁極部を示す正面図である。 図４の各爪状磁極部の面取り部の形状を説明する図である。 実施の形態１の回転電機の回転子を構成する各ポールコア体の位置関係を示す図である。 実施の形態１の回転子を用いた回転電機の、誘起電圧基本波成分の向上効果を、従来例と比較した図である。 実施の形態１の回転子を用いた回転電機の、慣性モーメントの低減効果を従来例と比較した図である。 実施の形態１の回転電機の回転子を構成する、ポールコア体の爪状磁極部と、固定子との関係を示す図である。 実施の形態１の回転電機の回転子を構成する、ポールコア体の爪状磁極部と、他の固定子との関係を示す図である。

以下、本発明の回転電機の回転子の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における回転子が組み込まれた回転電機としての車両用交流発電電動機の正面図である。なお、図１は、制御装置のカバーを取り外した状態である。図２は、実施の形態１の回転電機の回転子を示す斜視図である。図１に示す両矢印は、回転電機１００の軸方向を示すとともに、フロントＦ側と、リヤＲ側を示している。

回転電機１００は、筒状の固定子２と、固定子２の内側に配置された回転子１と、固定子２及び回転子１を支持するケースとを有している。ケースは、固定子２のフロントＦ側を保持するフロントブラケット４Ａと、リヤＲ側を保持するリヤブラケット４Ｂとを有している。フロントブラケット４Ａとリヤブラケット４Ｂとは、複数のボルトにより固定されている。また、フロントブラケット４Ａ及びリヤブラケット４Ｂは、アルミで形成されている。

回転子１は、シャフト６を有している。シャフト６は、フロントブラケット４Ａ及びリヤブラケット４Ｂにそれぞれ取付けられた軸受７によって、回転自在に支持されている。シャフト６のフロントＦ側には、図示しないベルトが巻き掛けられるプーリ５が固定されている。シャフト６の中央付近には、回転子１が固定されている。回転子１の両側面には、それぞれファン９が取付けられている。シャフト６のリヤＲ側には、回転子１に電流を供給するスリップリング８と、スリップリング８に摺動するように配設された、図示しないブラシが取付けられている。

回転子１の外周と、固定子２の内周との間には、一定の空隙が形成されている。回転子１は、界磁電流が流されて磁束を発生する界磁巻線３０を有している。固定子２は、回転子１の回転に伴って、界磁巻線３０からの磁束をうける固定子コイル３を有している。

このように構成された、回転電機１００としての車両用交流発電電動機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、図示しないバッテリから直流電力が電源端子を介してパワー回路部に給電される。制御回路部は、パワー回路部の各スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ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２の固定子コイル３に供給される。

一方、界磁回路部は、制御回路部からの指令に基づいて、ブラシ及びスリップリング８を介して、回転子１の界磁巻線３０に界磁電流を供給し、磁束を発生させる。この磁束により、第１ポールコア体１０の第１爪状磁極部１０ＥがＮ極に磁化され、第２ポールコア体２０の第２爪状磁極部２０ＥがＳ極に磁化される。

この回転子１の磁束と固定子コイル３に流れる電流とが鎖交することで、駆動トルクが発生する。この駆動トルクにより、回転子１が回転駆動される。そして、回転子１の回転トルクが、プーリ５から図示しないベルトを介してエンジンのクランクシャフトに伝達され、エンジンが始動される。

次に、車両用交流発電電動機の、発電機としての動作を説明する。エンジンが運転状態にあるとき、エンジンの回転トルクがクランクシャフトからベルト及びプーリ５を介してシャフト６に伝達され、回転子１が回転される。これにより、界磁巻線３０の発生する磁束が固定子２の固定子コイル３と鎖交し、三相交流電圧が固定子コイル３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ＯＮ／ＯＦＦ制御して、固定子コイル３に誘起された三相交流電圧を直流電力に変換し、バッテリを充電する。

図２に示すように、回転子１は、界磁巻線３０を覆うように配置されている。そして、回転子１は、界磁巻線３０の磁束によって磁極が形成される第１ポールコア体１０及び第２ポールコア体２０を有している。第１ポールコア体１０及び第２ポールコア体２０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形成されている。

図３は、第１ポールコア体１０を示す図である。図３に示すように、第１ポールコア体１０は、環状の端面を有する円筒体である。第１ポールコア体１０は、シャフト６を挿通する貫通穴が形成された第１ボス部１０Ａを有している。また、第１ポールコア体１０は、第１ボス部１０ＡのリヤＲ側から、径方向外側に等ピッチで延設された、８つの第１継鉄部１０Ｂを有している。そして、各第１継鉄部１０Ｂの外周側には、それぞれ、根元肩部１０Ｃを介してフロントＦ側に延出する第１爪状磁極部１０Ｅが形成されている。なお、図３では、第１ポールコア体１０のみを示しているが、第２ポールコア体２０の形状も同様である。第１ポールコア体１０と第２ポールコア体２０とは、シャフト６に取付ける向きが、逆である点のみが異なる。

図４は、第１ポールコア体１０の一つの第１爪状磁極部１０Ｅと、第２ポールコア体２０の一つの第２爪状磁極部２０Ｅを示している。図３及び図４に示すように、各第１爪状磁極部１０Ｅ及び各第２爪状磁極部２０Ｅは、外周面が略台形状に形成されている。なお、図４に両矢印で示すＲＤは、回転子１の周方向を示している。

各第１爪状磁極部１０Ｅ及び各第２爪状磁極部２０Ｅは、周方向の幅が、先端側に向かうにつれて狭くなっている。さらに、各第１爪状磁極部１０Ｅ及び各第２爪状磁極部２０Ｅは、径方向の厚みが、先端側に向かうにつれて薄くなる、先細り形状に形成されている。

また、各第１爪状磁極部１０Ｅは、根元肩部１０Ｃの周方向の両側面に、それぞれ面取り部１５，１６を有している。同様に、各第２爪状磁極部２０Ｅは、根元肩部２０Ｃの周方向の両側面に、それぞれ面取り部２５，２６を有している。

図５は、一つの第１爪状磁極部１０Ｅにおける、２つの面取り部１５，１６の形状を説明する図である。なお、各第２爪状磁極部２０Ｅの２つの面取り部２５，２６についても第１爪状磁極部１０Ｅの面取り部１５，１６と同様である。

図５に示すように、各第１爪状磁極部１０Ｅの面取り部１５は、根元肩部１０ＣのリヤＲ側に形成された第１傾斜面１２の外縁の一部と、外周面１１の外縁の一部と、フロントＦ側の周方向の一方に形成された第２傾斜面１３の外縁の一部とを外縁に含んで形成されている。

一方、各第１爪状磁極部１０Ｅの面取り部１６は、根元肩部１０ＣのリヤＲ側に形成された第１傾斜面１２の外縁の一部と、外周面１１の外縁の一部と、フロントＦ側の周方向の他方に形成された第２傾斜面１４の外縁の一部とを外縁に含んで形成されている。

ここで、各第１爪状磁極部１０Ｅにおける、一方の面取り部１５と、第１傾斜面１２と、外周面１１とが交わる点を、第１の点Ｘ１１とする。また、他方の面取り部１６と、第１傾斜面１２と、外周面１１とが交わる点を、第２の点Ｘ１２とする。

そして、各第１爪状磁極部１０Ｅにおける一方の面取り部１５と、外周面１１と、第２傾斜面１３とが交わる点を、第３の点Ｙ１１とする。また、他方の面取り部１６と、外周面１１と、第２傾斜面１４とが交わる点を、第４の点Ｙ１２とする。このとき、第１の点Ｘ１１と第２の点Ｘ１２との距離Ｗｘは、第３の点Ｙ１１と第４の点Ｙ１２との距離Ｗｙよりも小さくなるように形成されている。

図６は、隣接する一対の第１爪状磁極部１０Ｅと第２爪状磁極部２０Ｅを示している。図６に示すように、各第１爪状磁極部１０Ｅの第３の点Ｙ１１と第４の点Ｙ１２とを結ぶ線と、各第２爪状磁極部２０Ｅの第３の点Ｙ２１と第４の点Ｙ２２とを結ぶ線との距離をＬｙとする。そして、各第１爪状磁極部１０Ｅの先端部１７を結ぶ線と、各第２爪状磁極部の先端部２７とを結ぶ線との距離をＬｄとする。このとき、距離Ｌｙは、距離Ｌｄよりも小さくなるように形成されている。

次に、実施の形態１の回転電機の回転子の効果確認結果について、図７及び図８を用いて説明する。

図７は、固定子誘起電圧の基本波成分の大きさを測定した結果を示す図である。また、図８は、回転子慣性モーメントの低減効果の大きさを測定した結果を示す図である。図７及び図８において、比較例の回転子を用いた測定値をＣで示し、実施の形態１の回転子１を用いた測定値をＡで示している。また、図７及び図８の縦軸は、比較例の測定値を１とした比を示している。

図７の固定子誘起電圧の基本波成分の大きさの比較においては、比較例として、図６における距離Ｌｄが、距離Ｌｙよりも小さくなるように形成された回転子を用いた。また、図８の慣性モーメントの低減効果の比較においては、比較例として、各第１爪状磁極部１０Ｅに面取り部１５，１６を有さず、かつ各第２爪状磁極部２０Ｅに面取り部２５，２６を有さない回転子を用いた。

図７に示すように、実施の形態１の回転子１を用いたＡは、比較例の回転子を用いた測定値Ｃよりも、固定子２に誘起する電圧の基本波成分が向上している。これは、距離Ｌｙを距離Ｌｄよりも小さくしたことで、隣合う第１爪状磁極部１０Ｅと第２爪状磁極部２０Ｅとの間の磁気抵抗が高められ、固定子２に鎖交する磁束量が増加したことによるものである。

また、図８に示すように、実施の形態１の回転子１を用いたＡは、比較例の回転子を用いた測定値Ｃよりも回転子慣性モーメントの低減効果が向上している。これは、第１爪状磁極部１０Ｅと第２爪状磁極部２０Ｅの面取り量が大きいことによるものである。

このように、実施の形態１の回転電機の回転子によれば、複数の第１爪状磁極部１０Ｅの根元肩部１０Ｃの周方向両側部に面取り部１５，１６を有している。また、複数の第２爪状磁極部２０Ｅの根元肩部２０Ｃの周方向両側部に面取り部２５，２６を有している。

そして、各第１爪状磁極部１０Ｅの面取り部１５，１６を、以下のように形成する。すなわち、面取り部１５と第１傾斜面１２と外周面１１とが交わる第１の点Ｘ１１と、面取り部１６と第１傾斜面１２と外周面１１とが交わる第２の点Ｘ１２との距離をＷｘとし、面取り部１５と外周面１１と第２傾斜面１３とが交わる第３の点Ｙ１１と、面取り部１６と外周面１１と第２傾斜面１４とが交わる第４の点Ｙ１２との距離をＷｙとしたとき、Ｗｘ＜Ｗｙとする。各第２爪状磁極部２０Ｅの面取り部２５，２６も同様に形成する。

さらに、第１爪状磁極部１０Ｅの第３の点Ｙ１１と第４の点Ｙ１２とを結ぶ線と、第２爪状磁極部２０Ｅの第３の点Ｙ２１と第４の点Ｙ２２とを結ぶ線との距離をＬｙとし、各第１爪状磁極部１０Ｅの先端部１７を結ぶ線と、各第２爪状磁極部２０Ｅの先端部２７とを結ぶ線との距離をＬｄとしたとき、Ｌｙ＜Ｌｄとする。

これにより、各第１爪状磁極部１０Ｅ及び各第２爪状磁極部２０Ｅは、各面取り部１５，１６及び各面取り部２５，２６の面取り量を大きくするとともに、Ｗｘ＜Ｗｙ及びＬｙ＜Ｌｄの関係を有するように形成している。この結果、回転子慣性モーメントを低減させることができるとともに、固定子２を鎖交する基本波磁束を向上させて、回転電機１００の出力を向上させることができる。

実施の形態２．
図９は、実施の形態２の回転子１を形成する、第１爪状磁極部１０Ｅと、第２爪状磁極部２０Ｅと、固定子２との位置関係を示す図である。実施の形態２の第１爪状磁極部１０Ｅ及び第２爪状磁極部２０Ｅは、固定子２との位置関係を規定している点が、実施の形態１とは異なる。他の構成は、実施の形態１と同様である。

図９に示すように、実施の形態２の回転子１は、第１爪状磁極部１０Ｅの第３の点Ｙ１１と第４の点Ｙ１２とを結ぶ線と、第２爪状磁極部２０Ｅの第３の点Ｙ２１と第４の点Ｙ２２とを結ぶ線との距離Ｌｙを、固定子２の軸方向の幅Ｌｓｃよりも小さくしている。

実施の形態２の回転子１によれば、第１爪状磁極部１０Ｅの外周面１１と、第２爪状磁極部２０Ｅの外周面２１とにおいて、隣接する第１爪状磁極部１０Ｅと第２爪状磁極部２０Ｅとの間の磁気抵抗が高まる領域が、固定子と径方向に対向する面となる。このため、実施の形態２の回転子１は、Ｌｙ＜Ｌｓｃとすることで、より高い基本波磁束向上効果を得ることが出来る。

図１０は、実施の形態２の変形例を示す図である。図１０における変形例の第１爪状磁極部１０Ｅ及び第２爪状磁極部２０Ｅは、固定子２との位置関係が、図９の場合と異なる。

図１０に示すように、変形例では、各第１爪状磁極部の先端部１７を結ぶ線と、各第２爪状磁極部の先端部２７を結ぶ線との距離Ｌｄを、固定子２の軸方向の幅Ｌｓｃよりも小さくしている。

実施の形態２の変形例によれば、Ｌｄ＜Ｌｓｃとすることで、第１爪状磁極部１０Ｅの外周面１１と、第２爪状磁極部２０Ｅの外周面２１とにおいて、隣接する第１爪状磁極部１０Ｅと第２爪状磁極部２０Ｅとの間の磁気抵抗が高まる領域が、全て固定子２と径方向に対向する面となる。このため、図１０に示した回転子は、図９に示した回転子よりもさらに基本波磁束向上効果を高めることが出来る。

１ 回転子、２ 固定子、３ 固定子コイル、６ シャフト、１０ 第１ポールコア体、１０Ｃ，２０Ｃ 根元肩部、１０Ｅ 第１爪状磁極部、１１,２１ 外周面、１２，２２ 第１傾斜面、１３，１４，２３，２４ 第２傾斜面、１５，１６，２５，２６ 面取り部、１７，２７ 先端部、２０ 第２ポールコア体、２０Ｅ 第２爪状磁極部、３０ 界磁巻線、１００ 回転電機。

Claims (4)

1. 回転子鉄心と、回転子巻線とを有し、
   前記回転子鉄心は、第１ポールコア体及び第２ポールコア体を有し、
   前記第１ポールコア体は、周方向について互いに間隔を置いて配置されている複数の第１爪状磁極部を有し、
   前記第２ポールコア体は、周方向について互いに間隔を置いて配置されている複数の第２爪状磁極部を有し、
   前記第１ポールコア体及び前記第２ポールコア体は、前記第１爪状磁極部と前記第２爪状磁極部とが周方向に交互に配置された状態で互いに組み合わされ、
   前記回転子巻線は、前記複数の第１爪状磁極部及び前記複数の第２爪状磁極部の径方向内側に配置される回転電機の回転子において、
   前記複数の第１爪状磁極部及び前記複数の第２爪状磁極部は、それぞれ、根元肩部の周方向両側部に面取り部を有し、
   各前記面取り部は、
   前記複数の第１爪状磁極部及び前記複数の第２爪状磁極部の、それぞれの前記根元肩部の軸方向外側に形成された第１傾斜面の外縁の一部と、
   前記複数の第１爪状磁極部及び前記複数の第２爪状磁極部の、それぞれの外周面の外縁の一部と、
   前記複数の第１爪状磁極部及び前記複数の第２爪状磁極部の、それぞれの先端側の周方向両側部に形成された第２傾斜面の外縁の一部と
   を外縁に含み、
   各前記第１爪状磁極部及び各前記第２爪状磁極部における、一方の前記面取り部と、前記第１傾斜面と、前記外周面とが交わる第１の点と、他方の前記面取り部と、前記第１傾斜面と、前記外周面とが交わる第２の点との距離Ｗｘは、一方の前記面取り部と、前記外周面と、前記第２傾斜面とが交わる第３の点と、他方の前記面取り部と、前記外周面と、前記第２傾斜面とが交わる第４の点との距離Ｗｙよりも小さく、
   各前記第１爪状磁極部の、前記第３の点と前記第４の点とを結ぶ線と、各前記第２爪状磁極部の、前記第３の点と前記第４の点とを結ぶ線との距離Ｌｙは、各前記第１爪状磁極部の先端部を結ぶ線と、各前記第２爪状磁極部の先端部を結ぶ線との距離Ｌｄよりも小さい、
   回転電機の回転子。
2. 前記距離Ｌｙは、固定子の軸方向の幅Ｌｓｃよりも小さい、
   請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記距離Ｌｄは、固定子の軸方向の幅Ｌｓｃよりも小さい、
   請求項１に記載の回転電機の回転子。
4. 各前記第１爪状磁極部及び各前記第２爪状磁極部のそれぞれの各前記面取り部は、各前記第１爪状磁極部及び各前記第２爪状磁極部の軸方向の中心線に対して対称な形状に形成されている、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。

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