JP4430691B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、車両用交流発電機などの回転電機に関し、特に永久磁石を搭載したランデル型の回転子構造に関するものである。

ランデル型の回転子を用いる車両用交流発電機は、数十年にわたって自動車に使用されてきた。そして、近年の環境問題から車載される電装品の負荷が急増しており、ランデル型の回転子の発電量のより一層の増加が求められている。
この要求に従来の設計範囲で対応しようとすると、発電機が大型化してしまう。発電機の大型化は発電機の重量や配置スペースを増大し、好ましくない。また、発電機の大型化は回転子慣性の増加を招き、エンジンの速度変動と発電機の慣性トルクが相互作用し、ベルトの振動やすべりを招くという新たな課題を発生させることが知られている。
したがって、発電機本体のサイズを現状のままで発電機容量を増大させることが求められている。

従来、このような課題を解決するために、ランデル型の回転子の周方向に対向する爪状磁極間に永久磁石を配設する手段がとられていた（例えば、特許文献１，２参照）。
さらに、磁石の装着方法としては、Ｕ字状の磁石を爪状磁極の爪先に嵌め込んで爪状磁極に保持させる方法（例えば、特許文献３参照）、あるいは回転子鉄心のボス部に巻き付けられた円筒状の界磁コイルの外周部にリング状の磁石を配設し、爪状磁極で磁石を保持させる方法（例えば、特許文献４参照）がある。

このように、従来の車両用交流発電機においては、永久磁石を保持する方法が種々提案されているが、これらの永久磁石保持方法を実用に供するには、（１）永久磁石の保持の信頼性を高めること、（２）無負荷無励磁の誘起電圧を抑制すること、（３）固定子スロットによって誘起される高周波磁界による磁石の熱減磁を回避することが必要となる。
以下、各要因について説明する。

（１）永久磁石の保持強度について
ベルトおよびプーリを介して伝達されるエンジンの回転力により駆動される車両用交流発電機では、最大、１８，０００〜２０，０００ｒｐｍ近くの高速で回転する。そのため、１極当たり数ｇ程度の小さな磁石を配設しても、数十Ｋｇｆを超える極めて大きな遠心力が磁石に加わる。

これに対し、従来の磁石保持方法では、爪状磁極そのもので磁石に加わる遠心力を保持させようとしていた。この磁石保持方法では、磁石および爪部の双方の接合する面を極めて高精度に仕上げて、両者を面接触状態にする必要がある。つまり、両者が点あたりで接すると、磁石に局所応力が集中し、磁石が破損してしまう。そして、磁石の加工精度を高くすることは量産品では困難であるので、代わりにＳＵＳのプレートや樹脂モールドなどで磁石の外形精度を確保する手立てを講じることも可能であるが、コストの膨大につながる。

また、界磁コイルを巻装する都合上、ポールコアは軸方向に２分割されたものを組み合わせているが、その組み合わせ精度も高める必要がある。これらの部品精度を確保することは、現実的には回転子の量産製造時のコストを著しく上昇する。
さらには、このように静的な形状精度を工夫しても、車両用交流発電機では、なお磁石保持が困難である。
すなわち、車両用交流発電機は、エンジンルーム内に配置されるために、摂氏百数十度の高温環境下に置かれ、熱膨脹／収縮によって数十μｍの変位を発生する。

また、爪状磁極には、磁石を保持しない状態でも、大きな遠心力が加わり、爪先端部が外周側に５０〜１００μｍ程度膨らむ。そして、エンジン回転速度の増減に伴い、爪状磁極は、はばたくように変位する。爪状磁極は片持ち梁構造のため、その変位は先端部が大きく、爪根元側では小さくなり、隣接する爪状磁極同士の距離も変化する。

したがって、このような爪状磁極の熱および遠心力の動的な変位があっても、磁石を均一な面で保持しようとすると、磁石保持構造には多大な工夫を要する。
また、磁石本体あるいは磁石を保護するカバーは爪状磁極の変位により摺動磨耗するので、強度信頼性を長期的に確保する必要がある。

これらのことから、磁石に作用する遠心力に抗して爪状磁極に磁石を保持させるには、さらに多くの工夫を要するのが現状であり、磁石を爪状磁極以外に保持させることが望ましい。そこで、磁石保持における磁石と爪状磁極との相対変位による影響を回避するために、径方向に着磁した磁石をランデル型ポールコアの軸端部で継鉄部外周側に配設する従来の改良型の磁石保持構造が提案されている（例えば、特許文献５参照）。

（２）無負荷無励磁における誘起電圧について
しかし、上述の従来の改良型の磁石保持構造では、無負荷無励磁における誘起電圧の問題がある。
この従来の改良型の磁石保持構造では、磁石が回転子の表面近傍に配置されているので、磁石の主磁束あるいは漏れ磁束は回転子内で閉じることなく、固定子に直接鎖交する成分を有することになる。

漏れ磁束レベルでも、５００ｒｐｍ程度のエンジンアイドリング領域で１〜２Ｖ程度相当の磁束を発生する設計となる。しかし、自動車用エンジンは１：１０程度の可変速範囲を持つため、例えばエンジン最高回転数がアイドリングの１０倍となると、１〜２Ｖの磁石の誘起電圧は車両の系統電圧を超えて、他の車載機器に悪影響を及ぼす。これを抑制するには、界磁の電源を両極性として、高速では界磁電流を逆に流して磁束を弱める、いわゆる逆界磁が必要となる。電流の流れる方向が１方向から２方向となると、単純なチョッパ制御ではなくＨ型ブリッジを組んだ双方回路となり、素子数が増加し、製品コストが上昇するという課題がある。また、この逆界磁は通常界磁と違いエンジン回転数上昇に対応して迅速に立ち上げる必要があるが、界磁は数Ａ程度の少ない電流で制御できるよう数百ターンというインピーダンスの高いコイルであるため、瞬時に逆界磁電流を流すことは難しいという現状がある。これを回避する為に界磁のターン数を減らすと、制御電源の電流値そのものも増加し、制御素子容量が増加し、製品コストが上昇するという新たな課題を生じる。

（３）固定子スロットによって誘起される高周波磁界による磁石の減磁について
スロット高調波磁束は固定子スロット数×回転数／秒の周波数成分を有する為に、２〜３ＫＨｚの高周波磁界である。このような状況で、磁石を爪状磁極間に保持させ、あるいはＵ字状の磁石を爪状磁極の先端に嵌め込んで保持させた場合、磁石あるいは磁石保持金具の一部が固定子側からみて回転子表面に露出する。そして、この露出する磁石あるいは磁石保持金具がスロット高調波による高周波磁界により誘導加熱されてしまう。一部でも誘導加熱されて局所的に高温になると、熱は磁石全体に伝熱して磁石が熱減磁するという課題がある。
同様に、従来の改良型の磁石保持構造においても、磁石あるいは磁石保持金具の一部が固定子側からみて回転子表面に露出しており、磁石の熱減磁の問題がある。

特開昭６１−８５０４５号公報 米国特許第４９５９５７７号明細書 米国特許第５５４３６７６号明細書 特開２００２−１３６００４号公報 特開２００４−１５３９９４号公報

このように、永久磁石をランデル型ポールコアに保持させるには、永久磁石の保持の信頼性を高め、無負荷無励磁の誘起電圧を抑制し、固定子スロットによって誘起される高周波磁界による磁石の熱減磁を回避する、ことが必要となる。
しかし、上述の従来の磁石保持構造は、これらの３つの課題に対する十分な対策ができていないことから、実用に供されていない。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、下記の特徴を有する回転電機を得ることを目的とする。
（１）磁石保持が容易であり、特に遠心力に対して大きく変化する爪先端の変位や爪間の相対的な変位が磁石保持に直接影響しない。
（２）温度範囲の広い車載発電機において、軸および回転子の熱膨張に対する爪間の軸方向の変位が磁石保持に直接影響しない。
（３）磁石量を相当ふやしても無負荷無励磁の誘起電圧がでにくい。
（４）固定子スロット高調波磁束の進入によって誘導加熱されにくい。
（５）磁石および磁石保持材の追加による慣性モーメントの増加が小さく、慣性トルクがでにくい。

この発明による回転電機は、ボス部、該ボス部の軸方向両端縁部から径方向外方に延設された一対の継鉄部、および該一対の継鉄部のそれぞれから交互に軸方向に延設され、噛み合って周方向に配列された複数の爪状磁極部を有し、上記ボス部の軸心位置に挿通されたシャフトに固着されたポールコアと、上記ボス部、上記一対の継鉄部、および上記複数の爪状磁極部に囲まれた空間内に収納された界磁コイルと、を有する回転子を備えている。さらに、上記複数の爪状磁極部のそれぞれの先端側の内周面に対向する上記一対の継鉄部の部位に該継鉄部から一体に突設された永久磁石保持部と、上記永久磁石保持部のそれぞれに穴中心を軸方向に一致させて穿設され、内周壁の一部に上記爪状磁極部の先端側の内周面に対向する軸方向開口を有する円筒状の磁石保持穴と、上記磁石保持穴のそれぞれに挿入、保持され、上記軸方向開口からの露出部が上記爪状磁極部の先端側の内周面に対向する永久磁石と、を備えている。そして、上記永久磁石のそれぞれは、上記磁石保持穴に嵌着される円柱状の樹脂体に上記露出部を突出させて一体にモールド成形され、かつ上記界磁コイルの作る磁界の向きと逆向きに着磁配向されている。

この発明によれば、永久磁石が継鉄部側に保持されている。そこで、遠心力や熱膨張に起因する爪状磁極の変位が永久磁石に影響しないので、爪状磁極部の変位に起因する永久磁石の割れや欠けの発生が抑制される。また、永久磁石が爪状磁極部の内径側に位置しているので、永久磁石の配設に伴う慣性モーメントの増加が小さくなる。さらに、永久磁石に作用する遠心力も小さくなり、永久磁石の保持が容易となる。
また、永久磁石が、内周壁の一部に軸方向開口を有する円筒状の磁石保持穴に挿入、保持されているので、永久磁石の保持が容易となるとともに、磁石保持穴をドリルやリーマなどの回転切削工具と用いて簡易に、高精度に作製でき、永久磁石をがたつき無く保持できる。
また、永久磁石が爪状磁極部の先端側の内周面に対向して配置されているので、永久磁石が爪状磁極部の内径側に位置し、固定子スロット高調波により直接誘導加熱されず、熱減磁を未然に防止できる。
さらに、永久磁石が界磁コイルの作る磁界の向きと逆向きに着磁配向されているので、永久磁石による磁界回路が回転子内部で閉じるように形成され、無負荷無励磁の誘起電圧の発生が抑制される。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機を模式的に示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す斜視図、図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機に適用される回転子に実装される永久磁石の構成を説明する斜視図、図４および図５はそれぞれこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における磁束の流れを説明するための模式図である。

図１乃至図３において、車両用交流発電機１は、それぞれ略椀形状のアルミ製のフロントブラケット２とリヤブラケット３とからなるケース４と、シャフト１６をケース４に軸受５を介して支持されて、ケース４内に回転自在に配設された回転子１３と、ケース４のフロント側に延出するシャフト１６の端部に固着されたプーリ６と、回転子１３の軸方向の両端面に固定されたファン７と、回転子１３に対して一定の空隙を有して、回転子１３の外周を囲繞してケース４に固定された固定子１０と、シャフト１６のリヤ側に固定され、回転子１３に電流を供給する一対のスリップリング８と、各スリップリング８に摺動するようにケース４内に配設された一対のブラシ９と、を備えている。なお、図示していないが、固定子１０で生じた交流を直流に整流する整流器、固定子１０で生じた交流電圧の大きさを調整する電圧調整器などがケース４内に配設されている。

固定子１０は、円筒状の固定子鉄心１１と、固定子鉄心１１に巻装され、回転子１３の回転に伴い、後述する界磁コイル１４からの磁束の変化で交流が生じる固定子コイル１２と、を備えている。

回転子１３は、励磁電流が流されて磁束を発生する界磁コイル１４と、界磁コイル１４を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成されるポールコア１５と、ポールコア１５の軸心位置に貫装されたシャフト１６と、を備えている。
ポールコア１５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作製された第１および第２ポールコア体１７，２１に分割構成されている。

第１ポールコア体１７は、外周面を円筒形状とし、シャフト挿通穴が軸心位置に穿設された第１ボス部１８と、第１ボス部１８の一端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第１継鉄部１９と、第１継鉄部１９の外周部から軸方向他端側に延設された第１爪状磁極部２０とを有している。第１爪状磁極部２０は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成され、第１継鉄部１９の外周部に周方向に等角ピッチで例えば８つ配列されている。

第２ポールコア体２１は、外周面を円筒形状とし、シャフト挿通穴が軸心位置に穿設された第２ボス部２２と、第２ボス部２２の他端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第２継鉄部２３と、第２継鉄部２３の外周部から軸方向一端側に延設された第２爪状磁極部２４とを有している。第２爪状磁極部２４は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成され、第２継鉄部２３の外周部に周方向に等角ピッチで例えば８つ配列されている。

このように構成された第１および第２ポールコア体１７，２１は、第１および第２爪状磁極部２０，２４を交互に噛み合わせ、かつ、第１ボス部１８の他端面を第２ボス部２２の一端面に突き合わせ、シャフト挿通穴に貫装されたシャフト１６に固着されている。そして、ボビン（図示せず）に巻装された界磁コイル１４が、第１および第２ボス部１８，２２、第１および第２継鉄部１９，２３および第１および第２爪状磁極部２０，２４に囲まれた空間に装着されている。ここで、第１および第２ボス部１８，２２および第１および第２継鉄部１９，２３が、それぞれポールコア１５のボス部および一対の継鉄部に相当する。

永久磁石保持部としての第１磁石保持台座３０は、冷間鍛造製法により第１ポールコア体１７に一体成形される。この第１磁石保持台座３０が、各第２爪状磁極部２４の先端側内周面と対向する第１継鉄部１９の外周面上に一体に突設されている。円筒状の第１磁石保持穴３１が、第１磁石保持台座３０に穴中心を軸方向に一致させて穿設されている。第１磁石保持穴３１を第２爪状磁極部２４側に開口させる第１軸方向開口３２が、第１磁石保持台座３０の外周部に軸方向一側から他側に至るように形成されている。
第１永久磁石３３は、第１磁石保持穴３１の内壁面形状に適合する外壁面形状の円柱体に作製され、第１磁石保持穴３１に軸方向から挿入、保持される。この時、第１軸方向開口３２からの第１永久磁石３３の露出部が第２爪状磁極部２４の先端側内周面に対向している。

永久磁石保持部としての第２磁石保持台座３４が、冷間鍛造製法により第２ポールコア体２１に一体成形される。この第２磁石保持台座３４が、各第１爪状磁極部２０の先端側内周面と対向する第２継鉄部２３の外周面上に一体に突設されている。円筒状の第２磁石保持穴３５が、第２磁石保持台座３４に穴中心を軸方向に一致させて穿設されている。第２磁石保持穴３５を第１爪状磁極部２０側に開口させる第２軸方向開口３６が、第２磁石保持台座３４の外周部に軸方向一側から他側に至るように形成されている。
第２永久磁石３７は、第２磁石保持穴３５の内壁面形状に適合する外壁面形状の円柱体に作製され、第２磁石保持穴３５に軸方向から挿入、保持される。この時、第２軸方向開口３６からの第２永久磁石３７の露出部が第１爪状磁極部２０の先端側内周面に対向している。

また、第１および第２永久磁石３３，３７は、着磁方向３８が、界磁コイル１４を流れる界磁電流が回転子１３の軸心と直交する平面において作る磁界３９の向きと反対となるように着磁配向されている。つまり、図１に示されるように、界磁コイル１４に通電され、磁界３９が矢印方向に発生された場合、第１および第２永久磁石３３，３７は、磁界３９と逆向きに着磁配向される。ここでは、第１および第２永久磁石３３，３７の着磁方向３８は、径方向に一致しており、その着磁方向３８の延長線が対向する第１および第２爪状磁極部２０，２４の先端側の内周面に向かっている。なお、界磁コイル１４を流れる界磁電流が作る磁界３９の向きが反転した設計の場合には、第１および第２永久磁石３３，３７も逆向きに着磁配向される。

つぎに、このように構成された車両用交流発電機１の動作について説明する。
まず、電流がバッテリ（図示せず）からブラシ９およびスリップリング８を介して回転子１３の界磁コイル１４に供給され、磁束が発生される。この磁束により、第１ポールコア体１７の第１爪状磁極部２０がＮ極に着磁され、第２ポールコア体２１の第２爪状磁極部２４がＳ極に着磁される。
一方、エンジンの回転トルクがベルト（図示せず）およびプーリ６を介してシャフト１６に伝達され、回転子１３が回転される。そこで、回転磁界が固定子１０の固定子コイル１２に与えられ、起電力が固定子コイル１２に発生する。この交流の起電力が、整流器で直流電流に整流され、バッテリが充電され、或いは電気負荷に供給される。

つぎに、磁束の動作について図４および図５を参照しつつ説明する。
まず、界磁コイル１４に通電されると、磁束３９ａが発生される。この磁束３９ａは、第１爪状磁極部２０からエアギャップ４０を通って固定子鉄心１１のティース部に入る。そして、磁束３９ａは、固定子鉄心１１のティース部からコアバック部を通って周方向に移動し、隣の第２爪状磁極部２４に対向するティース部からエアギャップ４０を通ってその第２爪状磁極部２４に入る。ついで、第２爪状磁極部２４に入った磁束３９ａは、第２継鉄部２３、第２ボス部２２、第１ボス部１８、第１継鉄部１９を通って第１爪状磁極部２０に至る。ここで、従来のランデル型回転子では、第１および第２ポールコア体は限界設計されているので、界磁コイルの発生する磁界により磁気飽和し、回転子で発生する磁束が減少してしまう。

この実施の形態１では、第１および第２永久磁石３３，３７は、界磁コイル１４の発生する磁界３９の向きと反対となるように着磁配向されている。そこで、第１および第２永久磁石３３，３７の発生する磁界の向きは、界磁コイル１４の発生する磁界３９と逆向きである。この第１および第２永久磁石３３，３７から発生した磁束４１が固定子鉄心１１に鎖交するには、大きな磁気抵抗をもつエアギャップ４０を往復する必要がある。また、第１および第２永久磁石３３，３７は、第２および第１爪状磁極部２４，２０の内径側に配設されており、第１および第２爪状磁極部２０，２４の内周面側に対してより短い磁路長で周回するように配設されている。そこで、磁束４１の大部分が、固定子鉄心１１に迂回することなく、回転子内部で閉じた磁気回路を形成する。

つまり、第１永久磁石３３から発生する磁束４１は、第１磁石保持台座３０から第１継鉄部１９、第１ボス部１８、第２ボス部２２、第２継鉄部２３および第２爪状磁極部２４を通り、第１永久磁石３３に戻る。また、第２永久磁石３７から発生する磁束４１は、空隙を介して第１爪状磁極部２０に入り、第１継鉄部１９、第１ボス部１８、第２ボス部２２、第２継鉄部２３および第２磁石保持台座３４を通り、第２永久磁石３７に戻る。
そこで、第１および第２永久磁石３３，３７の発生する磁束４１は、界磁コイル１４の発生する磁束３９ａと逆向きとなり、第１および第２ポールコア体１７，２１を構成する磁性体の磁束密度を大幅に低減することができ、磁気飽和を解消することができる。

ついで、このように構成された車両用交流発電機１を用いて、界磁アンペアターン（界磁ＡＴ）に対する固定子鎖交磁束量および回転数に対する発電量を測定し、その結果を図６および図７に示す。また、比較のために、第１および第２永久磁石３３，３７を省略した従来装置を作製し、界磁アンペアターン（界磁ＡＴ）に対する固定子鎖交磁束量および回転数に対する発電量（直流電流Ａ）を測定し、その結果を図６および図７に示す。なお図６中、実線が本発明品を示し、点線が従来装置を示している。

図６から、界磁ＡＴの小さい領域では、車両用交流発電機１と従来装置との差が小さく、磁気飽和が始まる領域を超えると、車両用交流発電機１と従来装置との差が大きくなることがわかる。すなわち、第１および第２永久磁石３３，３７を配設することが、磁気飽和を解消し、固定子１０に鎖交する磁束量を増大させることにつながることがわかる。
同様に、図７から、車両用交流発電機１では、従来装置に対し、特に低速回転域で大きな発電量が得られることが分かる。

つまり、従来装置では、磁気飽和に起因して界磁の起磁力のうち３割以上が回転子の磁気回路で消費され、磁束量の増大が困難となっていた。一方、この実施の形態１では、上述の通り、磁気飽和が解消されるので、固定子１０に鎖交する磁束が増加し、発電量が増加したものと推考される。特に、磁気飽和が顕著な低速アイドリング域での発電量を大幅に増大できることが確認された。

また、この実施の形態１では、第１および第２永久磁石３３，３７は、第１および第２爪状磁極部２０，２４の内周面に対向するように配設されているので、第１および第２永久磁石３３，３７は、回転子１３の外表面に対して径方向内方に位置している。そこで、固定子スロット高調波は第１および第２爪状磁極部２０，２４の表面部に留まり、第１および第２永久磁石３３，３７を直接誘導加熱するように作用しない。その結果、第１および第２永久磁石３３，３７が加熱されて、熱減磁することが未然に防止される。

また、第１および第２永久磁石３３，３７が、第１および第２爪状磁極部２０，２４の内周面に対向するように配設されているので、第１および第２永久磁石３３，３７の磁気回路が回転子内部で閉じた磁気回路となり、固定子１０に鎖交する磁束成分がなくなる。そこで、無負荷無励磁における第１および第２永久磁石３３，３７の誘起電圧の発生が抑制される。その結果、第１および第２永久磁石３３，３７の磁石量を増大させることができる。

また、第１および第２永久磁石３３，３７は第１および第２継鉄部１９，２３に取り付けられている。そこで、第１および第２永久磁石３３，３７が第１および第２爪状磁極部２０，２４の内径側に位置しているので、第１および第２永久磁石３３，３７にかかる遠心力が小さくなり、第１および第２永久磁石３３，３７の保持構造を簡略化できる。また、第１および第２永久磁石３３，３７は遠心力に対して大きく変位する第１および第２爪状磁極部２０，２４の影響を受けないので、第１および第２永久磁石３３，３７の保持が容易となる。さらに、温度範囲の広い車載発電機に適用しても、第１および第２永久磁石３３，３７は回転子の熱膨張に起因する爪状磁極部間の軸方向の変位の影響を受けないので、第１および第２永久磁石３３，３７の保持が容易となる。これらのことから、第１および第２永久磁石３３，３７の保持の信頼性が向上される。
また、第１および第２永久磁石３３，３７が第１および第２爪状磁極部２０，２４の内径側に位置しているので、第１および第２永久磁石３３，３７を配設することに起因する慣性モーメントの増加を小さくでき、慣性トルクが大きくなることも抑制できる。

つぎに、この実施の形態１による第１および第２永久磁石３３，３７の保持構造による効果について説明する。
第１および第２磁石保持穴３１，３５が穴方向を軸方向に一致させて第１および第２磁石保持台座３０，３４に円筒状に穿設されている。第１および第２軸方向開口３２，３６が第１および第２磁石保持穴３１，３５を第２および第１爪状磁極部２４，２０側に連通させるように第１および第２磁石保持台座３０，３４に形成されている。第１および第２磁石保持穴３１，３５の内周壁形状に適合する外壁面形状の円柱体に作製された第１および第２永久磁石３３，３７が、軸方向から第１および第２磁石保持穴３１，３５に挿入、保持されている。

そこで、第１および第２磁石保持穴３１，３５の穴形状が円筒状であるので、冷間鍛造製法により簡易に成型できる。さらに、成型後、ドリルやリーマなどの回転切削工具による簡便な追加工を施すことにより、高精度の穴寸法の第１および第２磁石保持穴３１，３５を形成できる。また、第１および第２永久磁石３３，３７が円柱体であるので、金型により簡易に成型できる。さらに、成型後、ドリルやリーマなどの回転切削工具による簡便な追加工を施すことにより、高精度の外径寸法の第１および第２永久磁石３３，３７を形成できる。

このように、本磁石保持構造よれば、嵌合面を金型による成型や回転切削工具による切削で作製でき、ＮＣ加工機などを使っての立体的な切削加工が必要ではなく、製造時間が短縮されると共に、製造コストを低減することができる。
また、嵌合面が円筒面であるので、加工精度を高くすることができ、第１および第２永久磁石３３，３７を第１および第２磁石保持穴３１，３５に、がたつき無く安定した状態で強固に保持することができる。そこで、自動車のエンジンによる振動が車両用交流発電機１に加わっても、第１および第２永久磁石３３，３７の割れや欠けの発生が抑制される。また、回転子１３が高速回転しても、第１および第２永久磁石３３，３７が第１および第２磁石保持穴３１，３５から抜けて飛散するような事態が回避される。

また、第１および第２永久磁石３３，３７と第１および第２磁石保持穴３１，３５との接触面が円筒面となるので、局部的な応力集中が無く、第１および第２永久磁石３３，３７や第１および第２磁石保持台座３０，３４の破損の発生が抑制される。
さらに、第１および第２永久磁石３３，３７の配設位置を高精度に位置決めできるので、出力を低下させることなく、第１および第２永久磁石３３，３７と第１および第２磁石保持穴３１，３５との接触を回避できる。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機に適用される回転子に実装される永久磁石の構成を説明する斜視図、図９はこの発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す正面図、図１０はこの発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機における磁束の流れを説明するための模式図である。

図８において、永久磁石４３は、断面台形の柱状体に作製され、断面台形の短辺側が突出するように、エポキシ、ナイロン６６などの絶縁樹脂でモールドされている。この絶縁樹脂のモールド成型体である樹脂体４４は、永久磁石４３の突出部を除き、第１および第２磁石保持穴３１，３５の内周壁面形状に適合する外周壁面形状の円柱体に作製されている。樹脂体４４は、図９に示されるように、軸方向から第２磁石保持穴３５に挿入、保持されている。永久磁石４３の樹脂体４４からの突出部は、第２磁石保持穴３５の第２軸方向開口３６から延出し、第１爪状磁極２０の先端側の内周面に相対している。図示していないが、永久磁石４３がモールド成形された樹脂体４４が、第１磁石保持穴３１に軸方向から挿入、保持されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態２では、永久磁石４３がモールド成形された樹脂体４４の外周壁面が第１および第２磁石保持穴３１，３５との嵌合面となる。樹脂体４４は、永久磁石に比べ、簡易に、高寸法精度の円柱体に作製できるので、永久磁石を円柱体に作製している上記実施の形態１に比べ、コストを低減することができる。

また、非磁性の樹脂体４４が永久磁石４３と第２磁石保持穴３５との間に介在しているので、図１０に示されるように、永久磁石４３の磁束の一部が第２磁石保持台座３４に漏れて永久磁石４３に戻る漏れ磁束４５が減少し、対向する第１爪状磁極部２０に向かう磁束量４６が増大する。その結果、回転子内部への磁石磁束が増加され、磁気飽和緩和の効果がさらに高められ、車両用交流発電機の発電量を一層増大することができる。

また、樹脂体４４が界磁コイル１４から第１および第２磁石保持台座３０，３４を介して永久磁石４３に伝達される熱を断熱するので、永久磁石４３の温度上昇を抑えることができる。そこで、熱により減磁しやすい磁石材料として希土類磁石を用いても、熱減磁を抑制することができる。

なお、上記実施の形態２では、永久磁石４３の断面台形の短辺で構成される上面を対向する第１および第２爪状磁極部２０，２４の先端側の内周面に平行に形成するようにしてもよい。この場合、永久磁石と爪状磁極部との間の隙間を最小限とすることができる。

実施の形態３．
図１１はこの発明の実施の形態３に係る車両用交流発電機に適用される回転子に実装される永久磁石の構成を説明する図である。
図１１において、鉄などからなる断面円弧状の磁性体４７が、永久磁石４３の断面台形の長辺で構成される底面に接合されている。そして、永久磁石４３の断面台形の短辺側が突出するように、かつ磁性体４７が埋設されるように、絶縁樹脂でモールドされている。この絶縁樹脂のモールド成型体である樹脂体４８は、永久磁石４３の突出部を除き、第１および第２磁石保持穴３１，３５の内周壁面形状に適合する外周壁面形状の円柱体に作製されている。
なお、他の構成は上記実施の形態２と同様に構成されている。

この実施の形態３では、上記実施の形態２における永久磁石４３の内径側と第１および第２磁石保持台座３０，３４との間の磁気ギャップが磁性体４７で埋められ、磁気抵抗を低減できる。つまり、磁石磁路の磁気抵抗が低減し、磁石磁束量が増加し、回転子の磁気飽和緩和の効果がより高くなり、発電出力をより増加することができる。

実施の形態４．
図１２はこの発明の実施の形態４に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す分解斜視図である。
図１２において、切頭円錐状の第２磁石保持穴５０が、第２磁石保持台座３４に穴中心を軸方向に一致させて穿設されている。第２磁石保持穴５０を第１爪状磁極部２０側に開口させる第２軸方向開口５１が、第２磁石保持台座３４の外周部に軸方向一側から他側に至るように形成されている。第２永久磁石５２は、第２磁石保持穴５０の内壁面形状に適合する外壁面形状の切頭円錐体に作製され、第２磁石保持穴５０に軸方向から挿入、保持される。この時、第２軸方向開口５１からの第２永久磁石５２の露出部が第１爪状磁極部２０の先端側内周面に対向している。

ここで、図示していないが、切頭円錐状の第１磁石保持穴が、第１磁石保持台座３０に穴中心を軸方向に一致させて穿設されている。第１磁石保持穴を第２爪状磁極部２４側に開口させる第１軸方向開口が、第１磁石保持台座３０の外周部に軸方向一側から他側に至るように形成されている。第１永久磁石は、第１磁石保持穴の内壁面形状に適合する外壁面形状の切頭円錐体に作製され、第１磁石保持穴に軸方向から挿入、保持される。この時、第１軸方向開口からの第１永久磁石の露出部が第２爪状磁極部２４の先端側内周面に対向している。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

第１および第２永久磁石の支持構造は同じであるので、ここでは、第２永久磁石５２の支持構造についてのみ説明する。
この実施の形態４においても、第２磁石保持穴５０が切頭円錐状の内周壁面形状に形成されているので、冷間鍛造製法により簡易に成型できる。さらに、成型後、ドリルやリーマなどの回転切削工具による簡便な追加工を施すことにより、高精度の穴寸法の第２磁石保持穴５０を形成できる。また、第２永久磁石５２が切頭円錐体に形成されているので、冷間鍛造製法により簡易に成型できる。さらに、成型後、ドリルやリーマなどの回転切削工具による簡便な追加工を施すことにより、高精度の穴寸法の第２永久磁石５２を形成できる。

また、第２磁石保持穴５０と第２永久磁石５２の嵌合面が切頭円錐の外周面であるので、第２永久磁石５２を軸方向から第２磁石保持穴５０に挿入するだけで、第２磁石保持穴５０に対する第２永久磁石５２の軸方向位置を設計位置に正確に位置決めできる。
また、第２永久磁石５２の切頭円錐体の外周面の軸方向に対する角度を、対向する第１爪状磁極部２０の先端側の内周面の軸方向に対する角度と略等しくすることにより、第２永久磁石５２と第１爪状磁極部２０との間の隙間を最小限とすることができる。

なお、上記実施の形態４において、上記実施の形態２と同様に、断面台形の永久磁石４３の一部が突出するように切頭円錐体の樹脂体にモールド成形するようにしても良い。さらに、上記実施の形態３と同様に、磁性体４７を永久磁石４３の底面に接合するようにしてもよい。

実施の形態５．
図１３はこの発明の実施の形態５に係る車両用交流発電機に適用される回転子の構成を模式的に示す断面図、図１４はこの発明の実施の形態５に係る車両用交流発電機に適用される回転子における永久磁石の支持構造を説明する要部断面図である。

図１３および図１４において、雌ねじ部５３が第２磁石保持穴５０の大径側の内周壁面に刻設されている。非磁性体リング５４は、薄肉のステンレスやエポキシ樹脂で作製され、永久磁石５２の大径側に外嵌状態に嵌着されている。雄ねじ部５５が非磁性体リング５４の外周壁面に刻設されている。永久磁石５２は、雄ねじ部５５を雌ねじ部５３に締着して第２磁石保持穴５０に挿入、保持されている。なお、雌ねじ部５３が第１磁石保持穴の大径側の内周壁面に刻設されており、永久磁石５２が雄ねじ部５５を雌ねじ部５３に締着して第１磁石保持穴に挿入、保持されている。他の構成は上記実施の形態４と同様に構成されている。

このように、永久磁石５２が雌ねじ部５３と雄ねじ部５５との螺着により磁石保持穴に保持されているので、第１および第２磁石保持台座の軸方向寸法が加工誤差などにより狭くなっていても、永久磁石５２の保持強固が大きくなり、永久磁石５２の飛散などが防止される。

ここで、上記実施の形態５では、雄ねじ部を非磁性体リングに刻設し、雌ねじ部を磁石保持穴に刻設するものとしているが、雌ねじ部を非磁性体リングに刻設し、雄ねじ部を磁石保持穴に刻設してもよい。
また、上記実施の形態５では、切頭円錐体の永久磁石に適用するものとして説明しているが、円柱体の永久磁石に適用してもよい。即ち、上記実施の形態１において、雄ねじ部が刻設された非磁性体リングを第１および第２永久磁石に嵌着し、雌ねじ部を第１および第２磁石保持穴に刻設し、雄ねじ部を雌ねじ部に締着して、第１および第２永久磁石を第１および第２磁石保持穴に挿入、保持するようにしてもよい。

なお、上記各実施の形態では、車両用交流発電機について説明しているが、この発明は、車両用交流発電機に限らず、車両用電動機や車両用発電電動機などの回転電機に適用しても、同様の効果を奏する。

この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機を模式的に示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機に適用される回転子に実装される永久磁石の構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における磁束の流れを説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における磁束の流れを説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における界磁アンペアターン（界磁ＡＴ）と固定子鎖交磁束量との関係を表す図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における回転数に対する発電量を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機に適用される回転子に実装される永久磁石の構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す正面図である。 この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機における磁束の流れを説明するための模式図である。 この発明の実施の形態３に係る車両用交流発電機に適用される回転子に実装される永久磁石の構成を説明する図である。 この発明の実施の形態４に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態５に係る車両用交流発電機に適用される回転子の構成を模式的に示す断面図である。 この発明の実施の形態５に係る車両用交流発電機に適用される回転子における永久磁石の支持構造を説明する要部断面図である。

符号の説明

１３ 回転子、１４ 界磁コイル、１５ ポールコア、１６ シャフト、１７ 第１ポールコア体、１８ 第１ボス部、１９ 第１継鉄部、２０ 第１爪状磁極部、２１ 第２ポールコア体、２２ 第２ボス部、２３ 第２継鉄部、２４ 第２爪状磁極部、３０ 第１磁石保持台座（永久磁石保持部）、３１ 第１磁石保持穴、３２ 第１軸方向開口、３３ 第１永久磁石、３４ 第２磁石保持台座（永久磁石保持部）、３５ 第２磁石保持穴、３６ 第２軸方向開口、３７ 第２永久磁石、３８ 着磁方向、４３ 永久磁石、４４ 樹脂体、４７ 磁性体、４８ 樹脂体、５０ 第２磁石保持穴、５１ 第２軸方向開口、５２ 第２永久磁石、５３ 雌ねじ部、５４ 非磁性体リング、５５ 雄ねじ部。

Claims (8)

1. ボス部、該ボス部の軸方向両端縁部から径方向外方に延設された一対の継鉄部、および該一対の継鉄部のそれぞれから交互に軸方向に延設され、噛み合って周方向に配列された複数の爪状磁極部を有し、上記ボス部の軸心位置に挿通されたシャフトに固着されたポールコアと、上記ボス部、上記一対の継鉄部、および上記複数の爪状磁極部に囲まれた空間内に収納された界磁コイルと、を有する回転子を備えた回転電機において、
   上記複数の爪状磁極部のそれぞれの先端側の内周面に対向する上記一対の継鉄部の部位に該継鉄部から一体に突設された永久磁石保持部と、
   上記永久磁石保持部のそれぞれに穴中心を軸方向に一致させて穿設され、内周壁の一部に上記爪状磁極部の先端側の内周面に対向する軸方向開口を有する円筒状の磁石保持穴と、
   上記磁石保持穴のそれぞれに挿入、保持され、上記軸方向開口からの露出部が上記爪状磁極部の先端側の内周面に対向する永久磁石と、を備え、
   上記永久磁石のそれぞれは、上記磁石保持穴に嵌着される円柱状の樹脂体に上記露出部を突出させて一体にモールド成形され、かつ上記界磁コイルの作る磁界の向きと逆向きに着磁配向されていることを特徴とする回転電機。
2. ボス部、該ボス部の軸方向両端縁部から径方向外方に延設された一対の継鉄部、および該一対の継鉄部のそれぞれから交互に軸方向に延設され、噛み合って周方向に配列された複数の爪状磁極部を有し、上記ボス部の軸心位置に挿通されたシャフトに固着されたポールコアと、上記ボス部、上記一対の継鉄部、および上記複数の爪状磁極部に囲まれた空間内に収納された界磁コイルと、を有する回転子を備えた回転電機において、
   上記複数の爪状磁極部のそれぞれの先端側の内周面に対向する上記一対の継鉄部の部位に該継鉄部から一体に突設された永久磁石保持部と、
   上記永久磁石保持部のそれぞれに穴中心を軸方向に一致させて穿設され、内周壁の一部に上記爪状磁極部の先端側の内周面に対向する軸方向開口を有する切頭円錐状の磁石保持穴と、
   上記磁石保持穴のそれぞれに挿入、保持され、上記軸方向開口からの露出部が上記爪状磁極部の先端側の内周面に対向する永久磁石と、を備え、
   上記永久磁石のそれぞれは、上記界磁コイルの作る磁界の向きと逆向きに着磁配向されていることを特徴とする回転電機。
3. 上記永久磁石が、上記磁石保持穴に嵌着される切頭円錐体に作製されていることを特徴とする請求項２記載の回転電機。
4. 上記永久磁石の切頭円錐体の外周面の軸方向に対する角度が、対向する上記爪状磁極部の先端側の内周面の軸方向に対する角度と略等しいことを特徴とする請求項３記載の回転電機。
5. 上記永久磁石が、上記磁石保持穴に嵌着される切頭円錐状の樹脂体に上記露出部を突出させて一体にモールド成形されていることを特徴とする請求項２記載の回転電機。
6. 上記永久磁石の露出部の外壁面が、対向する上記爪状磁極部の先端側の内周面と略平行に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項５記載の回転電機。
7. 断面円弧状の磁性体が、上記永久磁石の内径側壁面に、断面円弧側を内径側に向けて接合されて上記樹脂体に一体にモールド成形されていることを特徴とする請求項１又は請求項５記載の回転電機。
8. 非磁性体リングが上記永久磁石に外嵌状態に嵌着され、雄ねじ部と雌ねじ部とが上記磁石保持穴の内周壁面と上記非磁性体リングの外周壁面とに螺合可能に形成され、上記永久磁石が上記雄ねじ部と上記雌ねじ部との螺着により上記磁石保持穴に挿入、保持されていることを特徴とする請求項３記載の回転電機。

Images