JP2008125243A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、電磁騒音の発生等が抑制された高性能、高品質を確保しつつ、溶接設備を小型化でき、また溶接作業時間を短縮できる交流発電機を得る交流発電機を得る。
【解決手段】この交流発電機は、周方向に沿ってＮ極、Ｓ極が交互に形成される回転子と、この回転子を囲って設けられ軸線方向に沿って延びたスロットが周方向に所定ピッチで複数形成された固定子鉄心、及びこのスロット１５ａに装着された固定子巻線を有する固定子とを備え、前記固定子鉄心は、複数個の鉄心ブロックの端部同士を突き合わせて溶融接合して形成された直方体形状の素鉄心を曲げ変形させて形成される交流発電機において、溶融接合されたブロック溶接部３１の溶融深さは、少なくとも固定子鉄心の引っ張り応力が生じる引っ張り領域４０までである。
【選択図】図５

Description

この発明は、円筒形状に曲げ変形させ両端面同士を突き合わせて溶融接合された固定子鉄心を有する回転電機に関するものである。

従来、回転電機である車両用の交流発電機として、周方向に沿ってＮ極、Ｓ極が交互に形成される回転子と、この回転子を囲って設けられ軸線方向に沿って延びたスロットが周方向に所定ピッチで複数形成された固定子鉄心、及びこのスロットに装着された固定子巻線を有する固定子とを備え、前記固定子鉄心は、圧延鋼板を所定枚数積層し、その外周囲をレーザ溶接（積層溶接）して作製した直方体形状の素鉄心を円筒形状に曲げ変形させ、その後素鉄心の両端部同士を突き合わせて溶融接合して形成されるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このものの場合、固定子巻線の固定子鉄心に対する装着は、固定子巻線を構成する帯状の素線群の各直線部を素鉄心の各スロットに挿入して行われており、装着性が高いとともに固定子巻線の損傷が少なく、またスロット内の固定子巻線の導線の占積率が高いという利点がある。
また、上記素鉄心は、スロット間に形成されたティースにおいて径方向に沿って分断されており、この分断面を突き合わせて溶融接合されるので、突き合わせ部における突き合わせ作業が簡単で、また分断面が主要磁束の方向（径方向）に沿った分断面であり、交流発電機の出力低下を抑制することができる利点もある。

特開２００１-２４５４４６号公報（図２６、図４０）

上記固定子鉄心の場合、直方体形状の素鉄心を円筒化して端面を溶接しているが、素鉄心の曲げにはかなりの力が必要で、スプリングバックも強く、円筒後の接合面に隙間が生じ易い。そして、隙間が生じ大きくなると、隙間を横切る磁束に悪影響を及ぼし、磁束が乱れて磁気騒音を悪化させるだけではなく、スロットに装着された固定子巻線のコイルエンドに張力が加わって損傷してしまう恐れがある。
また、固定子に磁束や電流が流れ、生じる磁気加振力に固有振動数が共振することで固定子鉄心は径方向に微小変動し、電磁騒音を悪化させることが知られているが、固定子鉄心自体は、その外周の大半は外部に露出しており、径方向の共振を抑える構成にはなっていない。

このような問題の対策として、図８に示すように、ティースにおける突き合わせ部の全面（Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄの領域）を溶融接合することで素鉄心の端面同士を強固に接合することが考えられる。
なお、図８において固定子鉄心の軸線方向の長さＬｃが径方向の長さｄよりも長い。これは、車両用交流発電機の近年の高出力化及び高効率化の要望に沿うために、固定子鉄心の径方向の長さｄをより小形にし、磁束が通る部位が単純に増える固定子鉄心の軸線方向長さＬｃをより長くしたことによる。
しかし、通常は、溶融接合された突き合わせ部の表面には、酸化生成物が生成され、生成された酸化物（圧延鋼板の場合は例えばＦｅ_２Ｏ_３）は抵抗が大きく、磁気回路の主磁束が通るティースの内径面のＣ−Ｄの全幅に及んだ場合、確実に性能を低下させるものであり、車両用交流発電機の製品化に大きな障害になっている。
また、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄの領域全面が溶融接合されると、薄板である圧延鋼板を多数枚積層することで抑制されたうず電流がＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄの領域に流れてしまい、そのことが効率を低下させることになる。
また、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄの領域全面を溶融接合させた溶接を行うには、溶接作業時間が長くなるとともに、溶接設備が大型化しなければならない。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、電磁騒音の発生等が抑制された高性能、高品質を確保しつつ、溶接設備を小型化でき、また溶接作業時間を短縮できる回転電機を得ることを目的とするものである。

この発明に係る回転電機では、周方向に沿ってＮ極、Ｓ極が交互に形成される回転子と、この回転子を囲って設けられ軸線方向に沿って延びたスロットが周方向に所定ピッチで複数形成された固定子鉄心、及びこのスロットに装着された固定子巻線を有する固定子とを備え、前記固定子鉄心は、複数個の鉄心ブロックの前記スロット間に形成されたティースを分断して生じた端面同士を突き合わせて溶融接合して形成された直方体形状の素鉄心を曲げ変形させて形成される回転電機において、溶融接合されたブロック溶接部の溶融深さは、少なくとも前記固定子鉄心の引っ張り応力が生じる引っ張り領域までである。

また、この発明に係る回転電機では、周方向に沿ってＮ極、Ｓ極が交互に形成される回転子と、この回転子を囲って設けられ軸線方向に沿って延びたスロットが周方向に所定ピッチで複数形成された固定子鉄心、及びこのスロットに装着された固定子巻線を有する固定子とを備え、前記固定子鉄心は、直方体形状の素鉄心を曲げ変形させ前記スロット間に形成されたティースを分断して生じた両端面同士を突き合わせて溶融接合して形成される回転電機において、溶融接合された素鉄心溶接部の溶融深さは、少なくとも前記固定子鉄心の引っ張り応力が生じる引っ張り領域までである。

この発明に係る回転電機によれば、電磁騒音の発生等が抑制された高性能、高品質を確保しつつ、溶接設備を小型化でき、また溶接作業時間を短縮できるという効果がある。

以下、この発明の各実施の形態の車両用の交流発電機について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用の交流発電機の構成を示す断面図、図２は図１の固定子鉄心１５が形成される前段階の素鉄心１５Ａの斜視図、図３は図２の素鉄心１５Ａの部分構成図、図４は図３の素鉄心１５Ａの変形後の固定子鉄心１５の構成図である。
回転電機である、この交流発電機は、アルミニウム製のフロントブラケット１及びリヤブラケット２から構成されたケース３と、このケース３内に設けられ一端部にプーリ４が固定されたシャフト６と、このシャフト６に固定されたランデル型の回転子７と、回転子７の両側面に固定されたファン５と、ケース３の内壁面に固定された固定子８とを備えている。
また、交流発電機は、シャフト６の他端部に固定され回転子７に電流を供給するスリップリング９と、スリップリング９に摺動する一対のブラシ１０と、このブラシ１０を収納したブラシホルダ１１と、固定子８に電気的に接続され固定子８で生じた交流を直流に整流する整流器１２と、ブラシホルダ１１に嵌着されたヒートシンク１７と、このヒートシンク１７に接着され固定子８で生じる交流電圧の大きさを調整するレギュレータ１８とを備えている。

回転子７は、電流を流して磁束を発生する回転子コイル１３と、この回転子コイル１３を覆って設けられその磁束によって磁極が形成される一対のポールコア２０、２１とから構成されている。一対のポールコア２０、２１は、鉄製で、それぞれ８つの爪状磁極２２、２３が外周縁に周方向に等角ピッチで、かつかみ合うように対向してシャフト６に固着されている。

固定子８は、図４に示されるように軸線方向に沿って延びるスロット１５ａが周方向に所定ピッチで複数形成された円筒状の積層鉄心からなる固定子鉄心１５と、固定子鉄心１５に巻装された固定子巻線１６とを備えている。
また、フロントブラケット１及びリヤブラケット２の軸線方向の両側部では、吸気孔１ａ、２ａが形成され、フロントブラケット１及びリヤブラケット２の肩部では、排気孔１ｂ、２ｂが形成されている。

固定子鉄心１５は、直方体形状の素鉄心１５Ａを曲げ変形させて両端面同士を突き合わせて溶融接合して形成されている。ＣＯ_２レーザ溶接により溶融接合された素鉄心溶接部３３は、スロット１５ａ間のティース３２に形成されている。また、素鉄心溶接部３３は、固定子鉄心１５の一端部から他端部まで軸線方向に沿って全域に連続的に形成されている。
素鉄心溶接部３３は、固定子鉄心１５の軸線方向の長さが径方向の長さよりも大きい。
素鉄心１５Ａは、所定厚の圧延鋼板を所定枚数積層して外周部をＣＯ_２レーザ溶接して一体化して形成された２個の鉄心ブロック３０で構成されている。鉄心ブロック３０同士は、端面同士を突き合わせてＣＯ_２レーザ溶接により溶融接合して一体化されている。溶融接合されたブロック溶接部３１は、素鉄心溶接部３３と同様に、ティース３２に形成されている。また、ブロック溶接部３１は、固定子鉄心１５の一端部から他端部まで軸線方向に沿って全域に連続的に形成されている。
ブロック溶接部３１も、素鉄心溶接部３３と同様に、固定子鉄心１５の軸線方向の長さが径方向の長さよりも大きい。
素鉄心１５Ａは、２個の鉄心ブロック３０で構成されているので、素材である鋼材ロールから所定形状を打ち抜く工程における歩留まり等が改善されている。

上記構成の車両用の交流発電機では、インシュレータ（図示せず）を素鉄心１５Ａのスロット１５ａ側に載置し、その後帯状の固定子巻線１６の導線３４をスロット１５ａ内に押し入れることで、素鉄心１５Ａに固定子巻線１６が装着される。
この後、直方体形状の素鉄心１５Ａを円筒形状に曲げ変形し、素鉄心１５Ａのティース３２の分断面同士を突き合わせて溶融接合することで、固定子８が製造される。

上記構成の車両用の交流発電機では、電流がバッテリ(図示せず）からブラシ１０及びスリップリング９を介して回転子コイル１３に供給され、磁束が発生する。この磁束により、一方のポールコア２０の爪状磁極２２がＮ極に着磁され、他方のポールコア２１の爪状磁極２３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及びプーリ４を介してシャフト６に伝達され、回転子７が回転される。この結果、固定子巻線１６に回転磁界が与えられ、固定子巻線１６に起電力が発生する。この交流の起電力は、回転子７に流れる電流を調整するレギュレータ１８によりその大きさが調整される。また、この交流の起電力により生じる交流は、整流器１２を通って直流に整流されて、バッテリに充電されうる。

図５は図３の素鉄心１５Ａのブロック溶接部３１の拡大図である。
素鉄心１５Ａでは、曲げ変形する際、引っ張り応力が生じる、固定子鉄心１５の外周側である引っ張り領域４０と、固定子鉄心１５の内周側である圧縮領域４１とに区分けされ、引っ張り領域４０と圧縮領域４１との境界である境界線４２では力の均衡が保たれている。
なお、境界線４２に関しては、素材の剛性、厚み等でその現れる位置や様態は様々であり、図５では理解の為に可視化して一例として示している。
ブロック溶接部３１では、その溶融深さは、引っ張り領域４０及び境界線４２を超えた圧縮領域４１の一部まで及んでいる。
溶融深さが圧縮領域４１の全域に及ばないのは、圧縮領域４１では、素鉄心１５Ａの曲げ変形の際に、鉄心ブロック３０の端面同士を突き合わせる方向に力が加わり、接合強度として十分の強度が確保されており、溶接接合は不要であるからである。

素鉄心溶接部３３についても、ブロック溶接部３１と同様に、その溶融深さは、固定子鉄心１５の外周側である引っ張り領域を超え、固定子鉄心１５の内周側である圧縮領域の一部まで及んでいる。
素鉄心溶接部３３は、溶接接合後の固定子鉄心１５のスプリングバックに対して対抗するだけの十分な強度を有している。また、圧縮領域では、素鉄心１５Ｂの端面同士を突き合わせる方向に残留応力が作用し、接合強度として十分な強度が確保されている。

このように、ブロック溶接部３１は、その溶融深さは、引っ張り領域４０及び境界線４２を超えた圧縮領域４１の一部まででよく、同様に、素鉄心溶接部３３についても、その溶融深さは、引っ張り領域４０及び境界線４２を超えた圧縮領域４１の一部まででよく、ティース３２の分断面において一体化された十分な強度が確保されるとともに、主磁束が横切るティース３２の内周面の抵抗の増大を抑制でき、磁束が低減することなく、高性能、高品質の車両用交流発電機を得ることができる。
また、薄板である圧延鋼板を多数枚積層することで抑制されるうず電流抑制効果を妨げる領域（ブロック溶接部３１）を小さい領域で済ませることができる。
また、溶接部位は、ティース３２側が不要であり、小さくすることができるので、溶接設備を小型化でき、また溶接作業時間を短縮化できる。
なお、溶融深さが境界線４２を超えた圧縮領域４１の一部まで及んでいるのは、磁気加振力等により、圧縮領域４１の一部にも引っ張り応力が作用する場合でも対応できるようにするためである。

また、素鉄心溶接部３３は、ティース３２に形成されているので、直方体形状の素鉄心１５Ａを曲げ変形させて両端部同士を突き合わせて溶融接合する際に、固定子巻線１６に邪魔されることなく、溶接作業を行うことができる。
なお、素鉄心溶接部３３は、固定子鉄心１５の軸線方向の長さが径方向の長さよりも大きく、またブロック溶接部３１は、固定子鉄心１５の軸線方向の長さが径方向の長さよりも大きいので、磁束が通る部位が増大し、車両用交流発電機の高出力化及び高効率化が得られる。

なお、上記固定子鉄心１５は、例えば、外径が１３０ｍｍ、コアバックが４ｍｍ（図８のａ寸法）、引っ張り領域４０が２ｍｍ、圧縮領域が２ｍｍ、ティース３２の根元部の周方向の幅寸法が２．５ｍｍ、ティース３２の先端部の周方向の幅寸法が２．０ｍｍである。

実施の形態２．
この実施の形態では、図６に示す、一つの鉄心ブロックからなる直方体形状の素鉄心１５Ｂを用いて、図７に示すように、円筒形状に曲げ変形させて両端面同士を突き合わせて溶融接合して素鉄心溶接部３３が形成されている。
他の構成は、実施の形態１と同じである。
このティース３２に形成された素鉄心溶接部３３は、実施の形態１と同様に、その溶融深さが、引っ張り領域及び境界線を超えた圧縮領域の一部までである。従って、溶接部位を小さくすることができ、溶接設備を小型化でき、また溶接作業時間を短縮できる。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３の車両用交流発電機の固定子鉄心５０を示す正面図、図１０（ａ）は固定子鉄心５０を展開したときの正面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の底面図である。
この実施の形態では、固定子鉄心５０には２組の第１の固定子巻線及び第２の固定子巻線（図示せず）が組み込まれている。回転子７の磁極数が１６極であり、１極につき２×３相分が対応し、隣接した各スロット５０ａの開口部の径方向に延びた中心線間の間隔が機械角３６°と２４°の不均等ピッチで９６個形成されている。この不均等ピッチはティース５１の周方向の幅を変えることで形成されている。
この固定子鉄心５０は、一つの鉄心ブロックからなる直方体形状の素鉄心５０Ａを用い、円筒形状に曲げ変形させて両端面同士を突き合わせてＣＯ_２レーザ溶接により溶融接合して素鉄心溶接部３３が形成されている。
この素鉄心溶接部３３は、固定子鉄心５０の軸線方向の長さＬｃが径方向の長さｄよりも大きい。
他の構成は、実施の形態２と同じである。

この実施の形態では、各スロット５０ａは、隣接した各スロット５０ａの開口部の径方向に延びた中心線間の間隔が不均等になるように形成されているので、本願と同一出願人が出願し、登録された特許第３４９０６５９号明細書に記載されているように、非常に聴感的には不快な高調波音である、１２ｆ成分の電磁音及び風音が低減でき、不快な騒音を低減することができる効果がある。
他の作用、効果については、実施の形態２と同じである。
なお、例えばスロットの総数が７２、磁極数が１２である発電機、スロットの総数が１２０、磁極数が２０である車両用交流発電機であってもよい。

なお、上記各実施の形態では、固定子８については、スロット１５ａ，５０ａ内に固定子巻線１６を装着した後に、素鉄心１５Ａ，１５Ｂ，５０Ａを円筒形状に曲げ変形させたが、勿論このものに限定されない。
また、ブロック溶接部３１、素鉄心溶接部３３については、固定子鉄心１５，５０の一端面から他端面まで軸線方向に沿って全域に連続的に形成したが、所望の接合強度が確保できるのであれば、不連続に形成してもよい。また、軸線に対して傾斜して形成してもよい。
また、ブロック溶接部３１及び素鉄心溶接部３３については、ティース３２ではなく、スロット１５ａの底部に形成してもよい。
また、図１１に示すように、実施の形態１の素鉄心１５Ａのスロット１５ａの底面にノッチ５２を形成することで、素鉄心１５Ａが容易に円筒形状に形成されるとともに、真円度が向上する。勿論、実施の形態２の素鉄心１５Ｂのスロット１５ａの底面、実施の形態３の素鉄心５０Ａのスロット５０ａの底面にもノッチを形成してもよい。
また、上記実施の形態では、回転電機として、車両用の交流発電機について説明したが、車両用に限定されるものではなく、また、この発明は回転電機である電動機にも適用することができる。

この発明の実施の形態１に係る車両用の交流発電機の断面図である。 図１の固定子鉄心が曲げ変形される前工程の全体斜視図である。 図１の固定子が曲げ変形される前工程の構成図である。 図３の素鉄心が曲げ変形されたときの構成図である。 図３の要部拡大図である。 この発明の実施の形態２に係る車両用の交流発電機の素鉄心を用いたときの固定子が曲げ変形される前工程の構成図である。 図６の素鉄心が曲げ変形されたときの構成図である。 溶融接合される固定子鉄心の突き合わせ部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る車両用の交流発電機の固定子鉄心を示す正面図である。 図１０（ａ）は固定子鉄心を展開したときの正面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の底面図である。 固定子鉄心の変形例であり、固定子鉄心が曲げ変形される前工程の斜視図である。

符号の説明

６ シャフト、７ 回転子、８ 固定子、１３ 回転子コイル、１５，５０ 固定子鉄心、１５ａ，５０ａ スロット、１５Ａ，１５Ｂ，５０Ａ 素鉄心、１６ 固定子巻線、３０ 鉄心ブロック、３１ ブロック溶接部、３２，５１ ティース、３３ 素鉄心溶接部、４０ 引っ張り領域、４１ 圧縮領域、４２ 境界線、５２ ノッチ。

Claims (10)

1. 周方向に沿ってＮ極、Ｓ極が交互に形成される回転子と、
   この回転子を囲って設けられ軸線方向に沿って延びたスロットが周方向に所定ピッチで複数形成された固定子鉄心、及びこのスロットに装着された固定子巻線を有する固定子とを備え、
   前記固定子鉄心は、複数個の鉄心ブロックの前記スロット間に形成されたティースを分断して生じた端面同士を突き合わせて溶融接合して形成された直方体形状の素鉄心を曲げ変形させて形成される回転電機において、
   溶融接合されたブロック溶接部の溶融深さは、少なくとも前記固定子鉄心の引っ張り応力が生じる引っ張り領域までであることを特徴とする回転電機。
2. 周方向に沿ってＮ極、Ｓ極が交互に形成される回転子と、
   この回転子を囲って設けられ軸線方向に沿って延びたスロットが周方向に所定ピッチで複数形成された固定子鉄心、及びこのスロットに装着された固定子巻線を有する固定子とを備え、
   前記固定子鉄心は、直方体形状の素鉄心を曲げ変形させ前記スロット間に形成されたティースを分断して生じた両端面同士を突き合わせて溶融接合して形成される回転電機において、
   溶融接合された素鉄心溶接部の溶融深さは、少なくとも前記固定子鉄心の引っ張り応力が生じる引っ張り領域までであることを特徴とする回転電機。
3. 前記固定子鉄心は、直方体形状の前記素鉄心を曲げ変形させて、前記ティースで分断して生じた両端面同士を突き合わせて溶融接合して形成され、この溶融接合された素鉄心溶接部の溶融深さは、少なくとも前記固定子鉄心の引っ張り応力が生じる引っ張り領域までであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記ブロック溶接部の前記溶融深さは、前記固定子鉄心の圧縮応力が生じる圧縮領域まで一部及んでいることを特徴とする請求項１または３に記載の回転電機。
5. 前記素鉄心溶接部の前記溶融深さは、前記固定子鉄心の圧縮応力が生じる圧縮領域まで一部及んでいることを特徴とする請求項２または３に記載の回転電機。
6. 前記ブロック溶接部は、軸線方向の長さが径方向の長さよりも大きいことを特徴とする請求項１，３〜５の何れか１項に記載の回転電機。
7. 前記素鉄心溶接部は、軸線方向の長さが径方向の長さよりも大きいことを特徴とする請求項２〜６の何れか１項に記載の回転電機。
8. 前記スロットは、底面にノッチが形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の回転電機。
9. 各前記スロットは、隣接した各スロットの開口部の径方向に延びた中心線間の間隔が不均等になるように形成されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の回転電機。
10. 前記スロットの数は、１相１極当たり２以上であることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の回転電機。

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