JP2018129916A - 回転電機の回転子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ランデル型の爪状磁極は、プーリ側から延びる爪状磁極と、インバータ側から延びる爪状磁極から構成されているため、それらの加工誤差または組立時の位相ずれにより、磁石と爪状磁極の周方向側面との隙間が変化し、性能にばらつきが生じていた。【解決手段】一対の回転子鉄心１３と、複数の永久磁石４０とを備えた回転電機の回転子において、一対の回転子鉄心１３は、互いに噛み合うように軸方向に延出する複数の爪状磁極１３１を有し、複数の永久磁石４０は、周方向の両側面に、それぞれ回転子の径方向外側に面する傾斜面Ｐを有し、複数の爪状磁極１３１は、周方向の側面に、永久磁石４０の傾斜面Ｐに沿う、回転子の径方向内側に面する傾斜面Ｑを有し、複数の永久磁石４０は、周方向に隣接する２つの爪状磁極１３１の間で、永久磁石４０の傾斜面Ｐと、爪状磁極１３１の傾斜面Ｑとを当接させて配置される。【選択図】図４

Description

本発明は、磁石と爪状磁極の周方向側面との間に発生する隙間を最小限にする機構を備えた、回転電機の回転子に関する。

従来より、例えば車両に搭載される交流発電機では、回転子を構成する爪状磁極と固定子との間で磁束を確実に受け渡すため、隣合う爪状磁極の間に永久磁石を介在させて、爪状磁極の間から磁束が漏れることを防止している。このような交流発電機では、遠心力により、永久磁石が径方向外側に飛び出して破損するおそれがある。このため、回転子鉄心のディスク部に凹部を設けて永久磁石を保持するとともに、爪状磁極の外周部に設けた鍔部で永久磁石を拘束するものがある（例えば特許文献１参照）。また、回転子の側面に溝を設け、磁石の外周面と溝との隙間に、磁石よりも軟質な材料を配置して、遠心力による磁石の移動を抑止するものがある（例えば特許文献２参照）。

特許４６９２４２８号公報 特開２０００−１３４８８８号公報

ランデル型の爪状磁極は、プーリ側から延びる爪状磁極(フロントポール)と、インバータ側から延びる爪状磁極(リヤポール)の、一対の爪状磁極で形成されている。このため、これら一対の爪状磁極の加工誤差、又は回転軸への取付け時の位相ずれにより、磁石と爪状磁極の周方向側面との距離が変化して、性能にばらつきが生じるという問題があった。本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、磁石と爪状磁極の周方向側面との距離の変動を抑制するとともに、爪状磁極間の磁束の漏えいを抑制する、回転電機の回転子を得るものである。

本発明に係る回転電機の回転子は、一対の回転子鉄心と、複数の永久磁石とを備えている。一対の回転子鉄心は、それぞれ互いに噛み合うように軸方向に延出する、複数の爪状磁極を有している。複数の永久磁石は、周方向の両側面に、それぞれ回転子の径方向外側に面する傾斜面を有している。複数の爪状磁極は、周方向の側面に、永久磁石の傾斜面に沿う、回転子の径方向内側に面する傾斜面を有している。そして、複数の永久磁石は、周方向に隣接する２つの爪状磁極の間で、永久磁石の傾斜面と、爪状磁極の傾斜面とを当接させて配置される。

本発明は、一対の回転子鉄心に設けられた複数の爪状磁極と、これら複数の爪状磁極の間に配置される永久磁石との間の距離の変動を抑制することができる。また、爪状磁極と永久磁石を密着させることができる。これにより、爪状磁極間の、磁束の漏えいを抑制することができる。

本発明の実施の形態１による回転子を備えた回転電機の正面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う、回転電機の断面図である。 実施の形態１による回転子の側面図である。 実施の形態１による回転子の側面の部分的な斜視図である。 実施の形態１による回転子の側面の部分的な概略図である。 図５のＶI−ＶI線に沿う、回転子の概略断面図である。 実施の形態１による回転子の側面の概略断面図である。 実施の形態１による回転子の、永久磁石の角度の設定方法を説明する図である。 実施の形態１による回転子の第１変形例を示す概略図である。 実施の形態１による回転子の第２変形例を示す概略図である。 実施の形態１による回転子の第３変形例を示す概略図である。

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における回転子を備えた回転電機の正面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う、回転電機の断面図、図３は回転子の側面図である。図４は回転子の側面の部分的な斜視図であり、図５は回転子の側面の概略図である。また、図６及び図７は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う、回転子の断面を示す概略図である。なお、図１は、制御装置のカバーを取り外した状態で示している。

図２に示すように、回転電機１は、回転電機本体２と制御装置３とを有する、制御装置一体型の回転電機である。実施の形態１による回転電機１は、ブラシ付の交流発電電動機（ＡＣモータジェネレータ）であり、内燃機関により駆動される車両に搭載される。

回転電機本体２は、筒状の固定子４と、固定子４の内側に配置された回転子５と、固定子４及び回転子５を支持するケース６とを有している。ケース６は、固定子４の軸方向の一端側を保持するフロントブラケット７と、他端側を保持するリヤブラケット８を有している。フロントブラケット７とリヤブラケット８は金属製であり、複数の締結ボルト９によって、互いに接近する方向に締め付けられて固定されている。

固定子４は、筒状の固定子鉄心１０と、固定子鉄心１０に巻き掛けられた固定子巻線１１とを有している。固定子巻線１１は、それぞれスター結線またはデルタ結線からなる１つもしくは複数の３相交流巻線により構成されている。

回転子５は、回転軸１２と、一対の回転子鉄心１３と、回転子巻線１４とを有している。一対の回転子鉄心１３は鉄製であり、所謂、クローポール型磁極を構成している。図２に示すように、一対の回転子鉄心１３は、回転軸１２の軸方向の中間部に、互いに対向するように固定されている。回転子巻線１４は、一対の回転子鉄心１３に囲まれるように配置されている。一対の回転子鉄心１３は、回転軸１２に圧入される円筒状のボス部６０と、ボス部６０から、回転軸１２の径方向外側に延びるディスク部６１とを有している。そして、図３に示すように、一対の回転子鉄心１３は、ディスク部６１の外周から、回転軸１２の軸方向に、互いに対向するように延出する、８つの爪状磁極１３１を有している。

回転軸１２は、フロントブラケット７及びリヤブラケット８を貫通している。そして、回転軸１２は、一対の軸受１５を介して、フロントブラケット７及びリヤブラケット８に回転自在に支持されている。回転子鉄心１３の外周と固定子４の内周とは、所定の間隙を有している。また、回転子鉄心１３の、軸方向の両端部には、回転子５と一体に回転する一対の冷却ファン１６が取付けられている。

回転軸１２の、フロントブラケット７側にはプーリ１７が固定されている。プーリ１７には、内燃機関の駆動軸と連動する、図示しないベルトが巻き掛けられ、このベルトを介して、回転電機１と内燃機関との間で、動力の伝達を行なう。一方、回転軸１２の、リヤブラケット８側には、回転軸１２の回転位置を検出するセンサ１８と、一対のスリップリング１９と、一対のスリップリング１９に接触する一対のブラシ２０が取付けられている。

一対のスリップリング１９及び一対のブラシ２０は、導電性材料により形成されており、一対のスリップリング１９は、回転子巻線１４に電気的に接続されている。一対のブラシ２０は、リヤブラケット８に固定されたブラシホルダ２１に保持され、それぞれ、押圧バネ２２により、スリップリング１９に接触する方向に付勢されている。ブラシ２０とスリップリング１９は、回転子５の回転にともなって摺動し、界磁電流を発生させて、固定子巻線１１に供給する。

制御装置３は、一対のパワーモジュール構成体２３と、界磁回路部２４と、制御回路部２５と、信号中継装置２６とを有している。一対のパワーモジュール構成体２３は、固定子巻線１１に電気的に接続されている。一方、界磁回路部２４は、図示しないバッテリからの直流電力を調整して界磁電流とし、回転子巻線１４に供給する。パワーモジュール構成体２３と界磁回路部２４は、信号中継装置２６を介して、制御回路部２５により制御される。制御装置３は、絶縁樹脂により形成されたカバー３８によって覆われている。また、制御回路部２５は、例えば内燃機関制御ユニットなどの外部機器との間で、信号の送受信を行うための外部接続用のコネクタ２７を有している。

制御回路部２５は、樹脂２５２により保護された制御基板２５１を有している。制御回路部２５には、信号中継装置２６を介して、センサ１８から信号が入力される。また、制御回路部２５には、コネクタ２７を介して、内燃機関制御ユニットなどの外部機器から信号が入力される。制御回路部２５は、入力されたこれらの信号に基づいて、界磁回路部２４及びパワーモジュール構成体２３が有するスイッチング素子を制御し、回転子巻線１４に出力する界磁電流を調整する。

界磁回路部２４は、冷却フィン２４２を備えたヒートシンク２４１を有している。界磁回路部２４から出力された界磁電流は、回転子巻線１４に供給されて直流磁界を発生させる。回転子巻線１４に発生した直流磁界による磁束は、回転子５の周面において、一方の回転子鉄心１３から他方の回転子鉄心１３に流れ、その間に固定子巻線１１と鎖交する。

一対のパワーモジュール構成体２３は、それぞれ、パワーモジュール３０を有している。各パワーモジュール３０は、６個のスイッチング素子を備えた電力変換回路を有している。電力変換回路は、バッテリからの直流電力を交流電力に変換して、固定子巻線１１に供給するインバータ回路として動作する。また、電力変換回路は、固定子巻線１１からの交流電力を直流電力に変換して、バッテリを充電すると共に、車載機器に直流電力を供給する、コンバータ回路として動作する。電力変換回路を構成するスイッチング素子は、例えば、パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子により構成される。一対のパワーモジュール構成体２３は、２組の電機子巻線に１対１で対応する、３相電力変換回路を構成している。

信号中継装置２６は、パワーモジュール構成体２３と界磁回路部２４のそれぞれに電気的に接続された、信号中継用部材２８を有している。そして、信号中継用部材２８は、制御回路部２５に接続される信号中継用接続部２９を有している。

次に、本発明の実施の形態１における、回転子５について説明する。

図３は、回転子５の側面図であり、図４は、回転子５の側面の、部分的な斜視図である。そして、図５は、回転子５を側面から見た模式図である。図４及び図５は、爪状磁極１３１と永久磁石４０の配置のみを示している。また、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面の模式図である。図６に示す両矢印は、固定子側をＳＴ、回転軸側をＳＨとして示している。なお、図６では、引出線を見やすくするために、永久磁石４０と爪状磁極１３１のハッチングを省略している。

図３に示すように、回転子５は、回転軸１２と、一対の回転子鉄心１３とを有している。一対の回転子鉄心１３は、それぞれ複数の爪状磁極１３１を有している。一対の回転子鉄心１３は、互いに対向するように回転軸１２に取付けられており、各回転子鉄心１３が有する複数の爪状磁極１３１が、互いに噛み合うように配置される。

図４及び図５に示すように、各爪状磁極１３１の間には、永久磁石４０が配置される。図６に示すように、永久磁石４０における、爪状磁極１３１と接する両側面には、傾斜面Ｐが形成されている。そして、永久磁石４０の断面は台形状となっている。また、爪状磁極１３１における、永久磁石４０の側面と接する周方向側面には、永久磁石４０の傾斜面Ｐに沿う角度で形成された、傾斜面Ｑが形成されている。

このように、実施の形態１の回転子５によれば、永久磁石４０の両側面に形成された傾斜面Ｐを、爪状磁極１３１の周方向側面に形成された傾斜面Ｑに当接させている。これにより、爪状磁極１３１の加工誤差などにより、隣合う爪状磁極１３１間の距離が長くなった場合であっても、永久磁石４０をＳＴの方向に移動させて、永久磁石４０と爪状磁極１３１とを密着させることができる。逆に、隣合う爪状磁極１３１間の距離が短くなった場合には、永久磁石４０の位置をＳＨの方向にずらして取り付けることにより、永久磁石４０と爪状磁極１３１を密着させることができる。よって、爪状磁極１３１からの磁束の漏えいを抑制することができる。

永久磁石４０の傾斜面Ｐと爪状磁極１３１の傾斜面Ｑとを当接させて配置する構成では、爪状磁極１３１の加工誤差及び組立誤差などによって、爪状磁極１３１間の距離が変動した場合に、永久磁石４０の径方向の位置が変化する。一般に、爪状磁極を持つ回転子鉄心は、外径に精度が要求され、鍛造により成形された後に切削加工される。このため、永久磁石４０の位置がＳＴ側に大きくずれると、切削加工の妨げとなる。

そこで、本発明の実施の形態１における回転子５では、爪状磁極１３１の加工精度の設定及び組立担当者の組立精度など（以下、「精度」という。）に応じて、永久磁石４０の両側面が形成する角度αを決定している。以下に、図７及び図８を用いて、永久磁石４０の角度αを決定する手順を説明する。

図７及び図８は、図６と同じ方向から見た回転子５の断面の模式図である。なお、図７及び図８では、図６と同様に、永久磁石４０と爪状磁極１３１のハッチングを省略している。

図７は、永久磁石４０及び永久磁石４０に隣接する一対の爪状磁極１３１の、設計上の形状及び設計上の位置関係を示している。図７に示すように、永久磁石４０の両側面が形成する角度の設計値をα０とし、永久磁石４０のＳＴ側の端面の設計位置をＲｍとする。また、爪状磁極１３１の傾斜面Ｑの角度の設計値をα０／２とする。そして、一対の爪状磁極１３１間の、外周面における距離の設計値をＬ０とする。さらに、回転子鉄心１３の外径となる、各爪状磁極１３１の外径の設計値をＲとする。

一対の爪状磁極１３１間の距離Ｌ０は、爪状磁極１３１の加工誤差及び組立位置の誤差（以下、「誤差」という。）により変動する。この一対の爪状磁極１３１間の距離が長くなると、永久磁石４０を取付ける位置がＳＴの方向にずれる。永久磁石４０の位置ずれ量が、Ｒ−Ｒｍよりも大きくなると、永久磁石４０の径方向外側の端部が、爪状磁極１３１の外周より外側に突出してしまう。このため、永久磁石４０の位置ずれ量を、Ｒ−Ｒｍよりも小さく抑える必要がある。

図８の(ａ)及び(ｂ)は、爪状磁極１３１の精度を低く設定した場合の、永久磁石４０と爪状磁極１３１の位置関係を示す図である。図８において、永久磁石４０の角度はα１とし、爪状磁極１３１の傾斜面Ｑの角度は、永久磁石４０の傾斜面Ｐに合わせて、α１／２とする。

図８(ａ)は、爪状磁極１３１の誤差がない場合の組立状態を示している。一方、図８(ｂ)は、爪状磁極１３１の誤差が最大の場合の組立状態を示している。なお、図８(ｂ)では、誤差がない状態の永久磁石４０と爪状磁極１３１の位置を、破線で併記している。

図８(ｂ)において、一対の爪状磁極１３１間の距離Ｌ０のずれ量を、ΔＬｍａｘとする。そして、このときの永久磁石４０のＳＴ方向の位置ずれ量を、ΔＲｍとする。すると、α１との間に、以下の関係がある。
ｔａｎ（α１／２）＝ΔＬｍａｘ／ΔＲｍ （１）

ここで、永久磁石４０の位置ずれ量ΔＲｍは、Ｒ−Ｒｍより小さく抑える必要があるので、以下の関係を条件として設定する。
ΔＲｍ＜Ｒ−Ｒｍ （２）

式（２）を式（１）に代入すると、以下の関係が成り立つ。
ｔａｎ（α１／２）＞ΔＬｍａｘ／（Ｒ−Ｒｍ） （３）

式（３）を整理すると、α１について、以下の関係が導出される。
α１＞２×ａｒｃｔａｎ｛ΔＬｍａｘ／（Ｒ−Ｒｍ）｝ （４）

よって、爪状磁極１３１の精度に基づいて、一対の爪状磁極１３１間の距離Ｌ０の最大誤差ΔＬｍａｘを算出し、算出した値を式（４）に代入して、α１の許容範囲を求める。この許容範囲内で適当な値を選択することにより、爪状磁極１３１の精度に応じた、永久磁石４０の角度α１が決定される。そして、決定されたα１の値に基づいて、爪状磁極１３１の傾斜面Ｑの角度α１／２が決定される。以上により、永久磁石４０及び爪状磁極１３１の形状が決定される。

このように、実施の形態１における回転子５によれば、爪状磁極１３１の精度に応じて、永久磁石４０の角度α及び爪状磁極１３１の傾斜面Ｑの角度を決定している。これにより、爪状磁極１３１間の距離が、爪状磁極１３１の誤差により変動した場合であっても、永久磁石４０の、径方向の位置ずれ量を抑制することができる。よって、爪状磁極１３１と永久磁石４０とを密着させることができ、爪状磁極１３１間の磁束の漏えいを抑制することができる。

図８は、実施の形態１の回転子５の第１変形例である。図８に示すように、各爪状磁極１３１は、それぞれ鍔部１３３を有している。回転子５の製造過程では、熱硬化型の接着剤により、永久磁石４０を回転子鉄心１３に固着している。ところが、永久磁石４０を接着剤で仮止めし、炉に搬送する途中で、永久磁石４０が回転軸１２側に落下することがある。そこで、この第１変形例では、各爪状磁極１３１に鍔部１３３を形成し、永久磁石４０が回転軸１２方向に落下することを防止している。

なお、実施の形態１では、永久磁石４０の周方向の側面全体を傾斜面Ｐとしたが、これに限るものではない。例えば、側面の一部に傾斜面Ｐを形成したものであってもよい。また、実施の形態１では、永久磁石４０の断面形状を台形状としたが、これに限るものではない。例えば、図９に示す第２変形例の永久磁石４１のように、四角形に面取りをした形状でもよいし、図１０に示す第３変形例の永久磁石４２のように、円形または楕円形に傾斜面を備えた断面としてもよい。

１ 回転電機、４ 固定子、５ 回転子、１０ 固定子鉄心、１２ 回転軸、１３ 回転子鉄心、４０〜４２ 永久磁石、１３１ 爪状磁極、１３３ 鍔部。

Claims (3)

1. 一対の回転子鉄心と、
   複数の永久磁石とを有する、回転電機の回転子であって、
   前記一対の回転子鉄心は、
   回転軸に固定される円筒状のボス部と、
   前記ボス部から、前記回転軸の径方向の外側に延びるディスク部と、
   前記ディスク部の外周から、前記回転軸の軸方向に延出する複数の爪状磁極とを有し、
   前記一対の回転子鉄心は、それぞれの前記複数の爪状磁極を、互いに対向させて配置され、
   前記複数の永久磁石は、
   周方向の両側面に、それぞれ前記径方向の外側に面する傾斜面を有し、
   前記複数の爪状磁極は、
   周方向の側面に、前記永久磁石の傾斜面に沿う、前記径方向の内側に面する傾斜面を有し、
   複数の永久磁石は、
   周方向に隣接する２つの前記爪状磁極の間で、前記永久磁石の前記傾斜面と、前記爪状磁極の前記傾斜面とを当接させて配置される、
   回転電機の回転子。
2. 前記複数の爪状磁極は、
   前記爪状磁極の周方向の側面に、前記永久磁石が前記径方向の内側に落下することを防止する鍔部を有する、
   請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 請求項１又は２に記載された回転電機の回転子の製造方法であって、
   前記永久磁石における、前記両側面の前記傾斜面により形成される角度αを、下記の式により決定する、回転電機の回転子の製造方法。
   α＞２×ａｒｃｔａｎ｛ΔＬｍａｘ／（Ｒ−Ｒｍ）｝
   但し
   ΔＬｍａｘ：爪状磁極の精度に基づく爪状磁極間の最大位置ずれ量
   Ｒ ：回転子鉄心の外径
   Ｒｍ ：永久磁石における、径方向外側の端部の基準位置

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