JP3675074B2

JP3675074B2 - ランデルコア型回転電機

Info

Publication number: JP3675074B2
Application number: JP32396596A
Authority: JP
Inventors: 向井　　拓三; 彰哉七條; 慎一松原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1996-12-04
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2016-12-04
Also published as: US5903083A; JPH10174394A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ランデル型ポールコアを用いた回転子を有するランデルコア型回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用交流発電機は、それぞれが複数の爪部を有するランデル型ポールコアを用いた回転子を備えており、この回転子を高速に回転させることにより発電を行っている。このように回転子を高速回転させることにより、ポールコアの各爪部が振動して磁気音が大きくなったり、各爪部が遠心方向に広がるという不具合が生じていた。
【０００３】
上述した磁気音の増大や爪部の遠心方向への広がりを防止するための従来技術として、ランデル型ポールコアの爪部を拘束する各種の手法が知られている。例えば、特開昭５９−２２６６４５号公報に開示された車両用交流発電機の回転子は、ランデル型ポールコアの内周側にダンパーリングを備えており、このダンパーリングによってポールコアの爪部共振を防止することができる。また、実開昭５６−１０１１８５号公報に開示された車両用交流発電機の回転子は、ランデル型ポールコアの外周部に１本あるいは２本のリングを嵌め込むことにより爪部を外周面から拘束するため、爪部の広がり等を防止することができる。特開平４−１６５９５０号公報に開示された車両用交流発電機の回転子は、一対のポ−ルコアの爪部とそれらの間に挿入された永久磁石とをダイカストモ−ルドで一体的に包み込んでおり、爪部の遠心方向の広がりや振動を防止することができる。
【０００４】
また、特開平６−７８４７９号公報に開示された車両用交流発電機の回転子は、ポ−ルコア端面に取り付けられたファンの平坦部外周を円筒形状に形成し、その端部によって反対側のポ−ルコアの爪部先端を固定しており、爪部の広がりや振動を防止することができる。実開昭５６−１０２９８３号公報に開示された車両用交流発電機の回転子は、ポ−ルコアの爪部内周側に、くさび状凸部を有する非磁性体リングを挿入し、隣接する凸部間に爪部内周側を部分的に係合させることにより、爪部を内側から拘束してその広がりや振動を防止している。特開平７−３１２８５４号公報に開示された車両用交流発電機の回転子は、ポ−ルコアの爪部間に挿入した永久磁石の外側の保護カバ−を爪部に溶接しており、爪部が拘束されることによりその広がりや振動を低減することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特開昭５９−２２６６４５号公報に開示された回転子は、爪部を内周側から押さえているだけであるため、爪部の振動は防止することができるが、広がりを抑えることができない。また、実開昭５６−１０１１８５号公報に開示された回転子は、ポールコア外周面のほぼ中央にリングを嵌め込むための大きな溝が形成されているため、この溝より先の爪部が拘束されておらず、充分な効果が得られないおそれがある。特開平４−１６５９５０号公報に開示された回転子は、一対のポールコアと永久磁石とを一体的にモールドしているため、フィールドコイルを巻き回すためのボビンを一対のポールコアで挟み込んで組み付けを行う回転子には適用できず、しかもポールコアの外側を非磁性体で被うことになるため回転子と固定子とのギャップが大きくなって高出力化の妨げになるという問題がある。
【０００６】
また、特開平６−７８４７９号公報に開示された回転子は、円筒形状のリング部を非磁性体で形成する必要があるため鉄板等を使用することができず、しかもファン形状が複雑になるため加工がしにくいという問題がある。実開昭５６−１０２９８３号公報に開示された回転子は、非磁性体リングのくさび状凸部とポールコア内周部の両方を精度よく加工しなければならないため、やはり加工がしにくいという問題がある。特開平７−３１２８５４号公報に開示された回転子は、ポールコアのそれぞれの爪部と保護カバーを広範囲にわたって溶接しなければならず、製造に手間がかかるという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は製造が容易であり大きな出力の低下もなく、爪部の広がりや振動を抑えることができるランデルコア型回転電機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のランデルコア型回転電機の回転子は、外周面に螺旋状にワイヤが巻き付けられたポールコアを有しており、ポールコアの各爪部が外周面側から拘束されている。したがって、この回転子を回転させたときに、ポールコアの各爪部に遠心力が作用して遠心方向に広がったり、各爪部が共振によって振動するといった現象が極力抑えられる。特に、上述したワイヤは、ポールコアの隣接する爪部間の漏洩磁束を低減するためには非磁性体材料によって形成することが望ましい。
【０００９】
また、上述したポールコアの外周面に複数本の溝を形成し、この溝に沿ってワイヤを巻き付けるようにすれば、ワイヤの位置決めを容易にすることができ、しかもポールコアの爪部表面に凹凸が形成されることになって、爪部表面に発生する渦電流を低減することができる。
【００１０】
また、上述したワイヤの両端は、かしめや各種の溶接等によって直接ポールコアに機械的に接合されており、ポールコア等の組み付けが終わってからワイヤの巻き付けや接合を行えばよいため、従来の組立行程を大きく変えることなく回転子の製造を行うことができる。特に、車両用交流発電機のように小型化や高出力化が要求される回転電機は、回転子と固定子との間の所定の隙間（エアーギャップ）が小さいため、上述したワイヤ両端の接合は、固定子に対向するポールコアの外周面を外した領域で行うことが望ましい。
【００１１】
また、本発明は、ポールコアの爪部間に永久磁石を挿入して、爪部間に生じる漏洩磁束を減らすようにした回転子を有するランデルコア型回転電機に適用することもできる。永久磁石を爪部間に挿入した場合には、爪部に作用する遠心力が大きくなるため、回転時の爪部の広がりがさらに増すおそれがあるが、その外周をワイヤで拘束することにより、爪部の広がりを有効に抑えることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明を適用した回転電機の一種である車両用交流発電機（以後、「オルタネータ」と称する）は、回転子であるロータの外周に螺旋状の細い溝を形成し、この溝にワイヤを巻き付けることによりロータのポールコアの各爪部の広がりや振動を抑えることに特徴がある。以下、本発明を適用した一の実施形態のオルタネータについて、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１３】
図１は、本発明を適用した一実施形態のオルタネータの部分的な構成を示す断面図であり、ランデル型のロータとこれに組み合わされるステータを抜き出して示したものである。同図に示すロータ１は、同期発電機であるオルタネータの回転子であって、絶縁処理された銅線をボビン１０に円筒状かつ同心状に巻き回したフィールドコイル１２を一対のポールコア１４、１６で挟み込んで、回転軸であるシャフト１８を圧入することにより固定している。
【００１４】
一方のポールコア１４は、中心のコア部２０に連続する外周部において軸方向に折れ曲がった６極の爪部２２を有しており、これら６極の爪部２２の外周面には複数本の溝２４が形成されている。同様に、他方のポールコア１６は、中心のコア部２６に連続する外周部において軸方向に折れ曲がった６極の爪部２８を有しており、これら６極の爪部２８の外周面には複数本の溝３０が形成されている。ポールコア１４、１６の各爪部２２、２８は、互いに相手方の爪部２２、２８の間に位置するようにかみ合わされており、それぞれの外周面に形成された複数の溝２４、３０が全体として１本の連なった螺旋形状となっている。そして、これらの各溝２４、３０に沿って１本のワイヤ３２が重なることなく巻き回されている。
【００１５】
このワイヤ３２は非磁性体材料で形成されている。また、各ポールコア１４、１６の爪部２２、２８の外周面に形成された溝２４、３０は、オルタネータの出力低下を防ぐためにも細い方が好ましい。そのため、ワイヤ３２も細い方が好ましいが、爪部２２等の広がりを抑える必要があるため、所定の引っ張り強度を有することが要求され、たとえばステンレス製のワイヤ３２が用いられる。なお、条件が許すならば、アルミ製のワイヤや高張力を有する樹脂製のワイヤを用いるようにしてもよい。なお、ここにいうワイヤとは、柔軟性や張力などの条件からより線または単線のものを用いることができる。また、断面形状としては円形の他に楕円形、長方形としてもよい。さらにまた、ワイヤは金属の裸線とする他に、電気絶縁材により被覆されたものを用いてもよい。また、図１では溝２４、３０の断面形状を四角形形状としたが、断面形状は各溝の形成方法等により適宜変更可能であり、例えばＶ字形状やＵ字形状に形成してもよい。
【００１６】
また、図１において、ロータ１の外側に配置されたステータ２は、オルタネータの固定子であって、絶縁処理された３相のステータコイル５０がステータコア５２に巻き回されており、これら３相のステータコイル５０の出力を整流したものがオルタネータの出力として取り出される。
【００１７】
図２は、ロータ１の外観斜視図である。なお、ロータ１の各ポールコア１４、１６の端面には冷却ファンが溶接等によって取り付け固定されているが、図２および上述した図１ではこれらの各冷却ファンを含まない状態が示されている。また、図２にはワイヤ３２が巻き回される前の状態が示されている。
【００１８】
図２に示すように、ポールコア１４、１６のそれぞれの爪部２２、２８の外周面には、複数本の溝２４、３０が形成されており、これら各溝２４、３０の全体が１本の連なった螺旋形状となっている。これら各溝２４、３０に沿ってワイヤ３２を巻き付けることにより、ロータ１の外周面に１本のワイヤ３２を螺旋状に巻き付けることができる。なお、図１および図２では、１個の爪部２２、２８に約９本の溝２４、３０を形成したが、溝２４等の本数については各爪部２２等の重量や許容する回転数およびワイヤ３２の太さや引っ張り強度等を考慮して適宜設定すればよい。
【００１９】
図３は、ロータ１の外周面に形成した溝２４、３０に沿って巻き回した１本のワイヤ３２の端部の固定方法を示す図である。また、図４はその固定方法の詳細を示す図である。例えば、一方のポールコア１４のいずれかの爪部２２の根元近傍に、図４（Ａ）に示すように、溝２４の一方端の延長線上に貫通孔４０が形成されており、この貫通孔４０にワイヤ３２の一方端を通す（図４（Ｂ））。同様に、この貫通孔４０が形成された爪部２２に隣接する他方のポールコア１６の爪部２８の根元近傍にも、溝２４の他方端の延長線上に貫通孔が形成されており、この貫通孔にワイヤ３２の他方端を通す。こうしてロータ１の外周面に形成された溝２４、３０に沿って、ワイヤ３２を巻き回し、その両端を貫通孔４０等に通した後、一定の張力を加えながら図３に示すように、ポールコア１４、１６の外周面であって貫通孔４０等の近傍を部分的に変形させてかしめることにより、一定の張力を維持しながらワイヤ３２の両端をポールコア１４、１６に機械的に接合する。このようにして、ワイヤ３２は一連の巻き回しにより螺旋状に巻き回され、その両端が別々に固定されるので製造が容易である。
【００２０】
なお、ワイヤ３２の両端部とポールコア１４、１６との接合部分は、ステータコア５２に対向する領域を外した方が好ましい。具体的には、爪部２２の根元や、爪部２２の側面などにワイヤを接合することができる。一般に、ポールコア１４、１６の各爪部２２、２８とステータコア５２の内周面は、僅かな隙間（エアギャップ）を挟んで対向しているため、かしめによってポールコア１４、１６が部分的に外側に突出した場合にこの接合部分がステータコア５２の内周面に接触するおそれがある。ところが、ステータコア５２に対向する領域を外すと、この接合部分がステータコア５２の内周面より若干外周側に位置するステータコイル５０側にずれるため、接合部分がステータコイル５０等と接触するおそれはなくなる。
【００２１】
図５および図６は、ワイヤ３２の端部の機械的な接合方法の他の例を示す図である。図５はワイヤ３２の両端部をそれぞれ抵抗溶接によってポールコア１４、１６に機械的に接合した場合を示している。この場合にはワイヤ３２を非磁性体の金属材料で形成する必要がある。同図に示すように、ワイヤ３２の端部をポールコア１６の内径側に折り曲げて、ワイヤ３２の端部をポールコア１６の爪部２８の側面に部分的に接触させた状態で溶接用の電流を流し、その接触部分の抵抗溶接を行う。
【００２２】
また、図６はワイヤ３２の両端部をそれぞれアルゴン溶接によってポールコア１４、１６に機械的に接合した場合を示している。この場合にもワイヤ３２を非磁性体の金属材料で形成する必要がある。同図に示すように、ワイヤ３２の端部をポールコア１６の爪部２８から露出させ、この部分にろう材を流し込みながらアルゴン溶接を行う。
【００２３】
なお、上述した図３、図５および図６には、ワイヤ３２の両端を同一の方法で機械的に接合した例を示したが、ワイヤ３２の両端のそれぞれを異なる方法で機械的に接合するようにしてもよい。例えば、ワイヤ３２の一方端をかしめによって接合し、他方端を各種の溶接によって接合するようにしてもよい。
【００２４】
図７は、ロータ１の製造行程の一部を示す図であり、ワイヤ３２の組み付けに関係する行程のみを抜き出して示したものである。ボビン１０に巻かれたフィールドコイル１２をポールコア１４、１６で挟み込んだ状態でシャフト１８を圧入し、さらにフィールドコイル１２の両端部および冷却ファンの溶接を行う。このようにして組み付けられたロータ１に対して、次にポールコア１４、１６およびシャフトに形成されたスリップリングの外形切削を旋盤加工によって行う（ステップ７００）。このステップ７００までの行程は、従来のロータの製造行程と同じである。
【００２５】
次に、図２に示すような全体として螺旋形状となる溝２４、３０を、ポールコア１４、１６の爪部２２、２８の外周面に切削により形成する（ステップ７０１）。この螺旋形状の溝２４、３０の形成は、例えば、ステップ７００と同様に旋盤加工によって行うことができる。
【００２６】
螺旋形状の溝２４、３０を形成した後、これらの溝２４、３０に沿って１本のワイヤ３２を所定の張力を維持しながら巻き付け（ステップ７０２）、その両端部をポールコア１４、１６に機械的に接合する（ステップ７０３）。機械的な接合方法としては、上述したようなかしめによる方法、抵抗溶接やアルゴン溶接による方法等がある。
【００２７】
このように、ロータ１の外周面に全体として螺旋形状となる溝２４、３０を形成し、この溝に沿って非磁性体のワイヤ３２を巻き付けることにより、各ポールコア１４、１６の爪部２２、２８を外周面側から拘束している。したがって、ロータ１をオルタネータに組み付けて回転させたときに、爪部２２、２８が遠心方向に広がったり、振動して磁気音を発生するといった不具合を防止することができる。特に、回転によって変形や振動が生じやすい爪部２２、２８の全体にわたってワイヤ３２によってその外周面を拘束しているため、部分的に爪部を拘束する場合に比べて有効に振動等を防止することができる。なお、ワイヤ３２は、爪部２２、２８の先端部の外周に少なくとも配置されていることが重要であり、図示の実施形態のごとく外周面の一方端から他方端にわたって配置されることが望ましい。
【００２８】
また、各爪部２２、２８に形成する溝２４、３０はワイヤ３２の直径と同程度の幅と深さがあれば充分であり、細いワイヤ３２（例えば直径が１ｍｍ以下）を用いた場合には、ステータコア５２と対向する爪部２２、２８の面積が大きく減少することもないため、オルタネータの出力低下を最小限に抑えることができる。また、爪部２２、２８の外周面に溝２４、３０を形成することにより、オルタネータの発電時に各爪部２２、２８の外周面に発生する渦電流を低減することができる。また、ワイヤ３２によって爪部２２からの放熱性の向上を期待することができる。同様に、溝２４、３０によっても放熱性の向上が期待される。
【００２９】
図８は、上述したロータ１の変形例を示す図であり、ポールコアの爪部近傍の部分的な構造を示す斜視図が示されている。なお、図１に示したロータ１に対応する部材には同一符号を付して説明を行うものとする。同図に示すロータ１Ａは、一組のポールコア１４、１６の各爪部２２、２８の外周面に沿ってつば部３４、３６が形成されており、各爪部２２、２８の間には各爪部２２、２８間の漏洩磁束を減じる方向に着磁された永久磁石３８、４０が挿入されている。これら各つば部３４、３６は、ロータ１Ａを回転させたときに永久磁石３８、４０の遠心方向への移動を拘束するストッパーとして機能する。また、ロータ１Ａの外周面には、図２に示したロータ１と同様に全体で螺旋形状となる複数の溝２４、３０が形成されており、これらの溝２４、３０に沿って１本のワイヤ３２が巻き付けられている。また、ワイヤ３２の両端部は、上述したように各種の方法によって機械的にポールコア１４、１６に直接接合されている。なお、図８にはその一例としてアルゴン溶接による場合が示されている。
【００３０】
このように、ポールコア１４、１６の各爪部２２、２８の間には永久磁石３８、４０が挿入されているため、ロータ１Ａの自重、特に各爪部２２、２８に加わる遠心力が増すが、外周面に形成された溝２４、３０に沿ってワイヤ３２が巻き付けられてポールコア１４、１６の外周面を拘束しているため、ロータ１Ａが回転した際の爪部２２、２８の広がりを防止することができる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、図８に示したロータ１Ａは、ポールコア１４、１６の各爪部２２、２８の間に永久磁石３８、４０を直接挿入したが、非磁性体（例えば樹脂製あるいはステンレス等の金属製）の保持部材によって一部あるいは全部を覆い、その外周側を各爪部２２、２８のつば部３４、３６で押さえるようにしてもよい。また、永久磁石３８、４０を各爪部２２、２８間に直接あるいは保持部材で覆った状態で挿入した場合において、各爪部２２、２８の外周面に沿って形成したつば部３４、３６を取り除いてもよい。この場合であっても、永久磁石３８、４０あるいはこれを覆う保持部材の外周面がワイヤ３２によって拘束されるため、永久磁石３８等が遠心力によって径方向に移動することはない。
【００３２】
また、上述したロータ１等は、各爪部２２、２８に回転方向とは若干ずれた斜め方向に溝２４、３０を形成することにより、全体として１本の連なった螺旋形状となるようにしているが、各爪部２２、２８に回転方向と一致した溝を形成するようにしてもよい。
【００３３】
図９は、各爪部２２、２８の表面に形成した溝２４、３０の方向を変えた場合の具体例を示す図であり、各爪部２２、２８を回転方向に展開した状態が示されている。なお、分かり易くするために、溝２４、３０の本数を減らした概略構造が示されている。図９（Ａ）には図２等に示したように溝２４、３０を回転方向とずらして形成した場合が示されており、回転方向に一巡したときに隣の溝とつながるようになっている。これに対し、図９（Ｂ）には溝２４、３０を回転方向に一致させて形成した場合が示されている。同一線上にある溝２４、３０に沿ってワイヤ３２を巻き付けただけでは全体として螺旋形状にはならないため、１周巻き付けるごとに巻き付けの対象となる溝２４、３０を１本分ずらしていき、全体としてポールコア１４、１６の各爪部２２、２８の外周面を覆うような螺旋形状となっている。このように、溝２４、３０をロータの回転方向と一致する方向に形成した場合には、旋盤加工によって容易にこれらの溝２４、３０を形成することができる。
【００３４】
また、上述した実施形態では、ポールコア１４等の外周に非磁性体の材質でできたワイヤ３２を巻き付けるようにしたが、磁性体材料でできたピアノ線等のワイヤを用い、ポールコア１４等に巻き付けた後に熱処理を行うなどして、少なくとも爪部２２、２８間のワイヤを非磁性体化するようにしてもよい。また、上述した実施形態では、ポールコア１４等の外周面に１本のワイヤ３２を巻き付けるようにしたが、途中で分割された複数本のワイヤを巻き付けたり、２本以上のワイヤを同一の溝に平行にあるいはより線にして巻き付けるようにしてもよい。
【００３５】
また、上述した実施形態では、図３に示すようにワイヤ３２のそれぞれの端部を異なるポールコア１４、１６に機械的に接合するようにしたが、同一のポールコア１４あるいは１６に機械的に接合するようにしてもよい。この場合は、ワイヤ３２の一方の端部を爪部２２あるいは２８の先端近傍に機械的に接合すればよい。また、ワイヤ３２の両端のみに限らず、所定間隔ごとに複数箇所でワイヤを爪部に固定するよう構成してもよい。
【００３６】
また、上述した実施形態のロータ１等は、ポールコア１４等の各爪部２２、２８の外周面に溝２４、３０を形成した後にワイヤ３２を巻き付けるようにしたが、ステータコア５２と爪部２２等との間の間隔が大きい場合には、溝２４等を形成することなく爪部２２、２８の外周面に直接ワイヤ３２を巻き付けるようにしてもよい。
【００３７】
上述した図７を用いた説明では、ロータ１等の外形を切削した後に溝２４等を形成するようにしたが、冷鍛加工等によって無切削で所望の外形寸法が得られる場合は外形切削の行程を省いてもよい。また、溝２４等の形成もプレス加工等によって無切削で行うようにしてもよい。また、図７では、ワイヤ３２の巻き付けが終了した後にその両端を固定したが、ワイヤ３２の一方端を固定した後にワイヤ３２の巻き付けを行い、巻き付け終了後に他方端を固定するようにしてもよい。
【００３８】
また、上述した実施形態ではランデルコア型回転電機の一例として車両に搭載されるオルタネータを考えたが、車両搭載以外の目的で使用される発電機あるいはランデルコア型の回転子を有する電動機に本発明を適用することができる。また、上述したランデルコア型といった場合には、ポールコアの各爪部が先端に行くにしたがって幅が細くなる場合の他、同一幅の爪部を有する場合も含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した一実施形態のオルタネータの部分的な構成を示す断面図である。
【図２】図１のオルタネータに用いられるロータの外観斜視図である。
【図３】ロータの外周面に形成した溝に沿って巻き回した１本のワイヤの端部の固定方法を示す図である。
【図４】ワイヤ端部の固定方法の詳細を示す図である。
【図５】ワイヤの端部の機械的な接合方法の他の例を示す図である。
【図６】ワイヤの端部の機械的な接合方法の他の例を示す図である。
【図７】ロータの製造行程の一部を示す図である。
【図８】ポールコアの爪部間に永久磁石を挿入したロータの部分的な構造を示す斜視図である。
【図９】爪部表面の溝の形成方向を変えた場合の具体例を示す図である。
【符号の説明】
１ロータ
２ステータ
１４、１６ポールコア
２２、２８爪部
２４、３０溝
３２ワイヤ

Claims

回転子にランデル型のポールコアを有し、前記ポールコアの外周面に螺旋状に巻き回されたワイヤを備え、
前記ワイヤの両端は、機械的に直接前記ポールコアに接合されていることを特徴とするランデルコア型回転電機。
請求項１において、
前記ワイヤは、非磁性体材料により形成されていることを特徴とするランデルコア型回転電機。
請求項１または２において、
前記ポールコアの外周面には、複数本の溝が形成されており、前記ワイヤは前記溝に沿って全体として螺旋状に巻き回されていることを特徴とするランデルコア型回転電機。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記ワイヤ両端の接合は、固定子と所定の隙間を介して対向する前記ポールコアの外周面を外した領域で行うことを特徴とするランデルコア型回転電機。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記ポールコアの隣接する爪部間には、この爪間に生じる漏洩磁束を減じる方向に着磁された永久磁石が挿入されていることを特徴とするランデルコア型回転電機。
回転子にランデル型のポールコアを有し、前記ポールコアの爪部の外周面に螺旋状に巻き回されたワイヤを備え、
前記ワイヤは、非磁性体材料により形成されている
前記ポールコアの外周面には、複数本の溝が形成されており、前記ワイヤは前記溝に沿って全体として螺旋状に巻き回されていると共に、
前記爪部の全体にわたってワイヤによってその外周面を拘束していることを特徴とするランデルコア型回転電機。
請求項６において、
前記ポールコアの隣接する爪部間には、この爪間に生じる漏洩磁束を減じる方向に着磁された永久磁石が挿入されていることを特徴とするランデルコア型回転電機。