JP6094395B2

JP6094395B2 - 回転電機の回転子

Info

Publication number: JP6094395B2
Application number: JP2013126532A
Authority: JP
Inventors: 海津　博雄; 博雄海津; 聖慈近藤; 重信中村; 中村　　重信
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-06-17
Also published as: JP2015002630A; US20140368067A1; US9705384B2

Description

本発明は、自動車やトラック等に搭載される回転電機の回転子に関する。

従来から、金属製プレートの一方の面にプロジェクション溶接（電気抵抗溶接）用の球面状の突起を設け、この突起を用いてプロジェクション溶接することにより、冷却用ファンを回転子の磁極鉄心の軸方向端面に固定する構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような構造を採用することにより、組立時の部品点数が少なく、ボルト締め作業がなく生産性が低下しない車両用交流発電機を実現することができる。

特開２０００−９２７８７号公報

ところで、車両の仕様等によって電気負荷の容量が異なるため、様々な車両に車両用交流発電機を搭載することを考えると、発電機の出力バリエーションを増やす必要がある。固定子鉄心の内径をＤ、軸長をＬとすると、発電機出力は、Ｄ²Ｌに比例する。したがって、軸長Ｌを変化させることより内径Ｄを変化させた方が、発電機全体の寸法変化を少なくして出力バリエーションを増やすには有利である。

一方、近年の電気負荷の増加に伴い、高出力化のために内径Ｄを大きくすると、固定子内径に所定のギャップを有して対向する外径部を有する回転子の外径を大きくすることになる。このため、冷却用ファンの耐遠心力向上のために、溶接位置も外径方向に移動させる必要があり、各々の体格ごとに溶接位置に対応した溶接電極が必要となる。つまり、溶接電極に汎用性がなく、発電機の体格ごとに、溶接電極を含めた治具類を取り替える必要があり、製造工程の複雑化、製造コストの上昇を招くことになる。また、専用溶接設備を備えることで治具類の取り替えをなくすこともできるが、この場合には専用溶接設備のメインテナンスが必要になり、製造コストを低減することは難しい。

これに対し、レーザー溶接を用いる場合には、上述したプロジェクション溶接の課題を解決することが可能となる。例えば、レーザー溶接ではプロジェクション溶接のような溶接電極を含めた治具類が不要になるため、発電機の体格ごとにこれらの治具類を取り替える必要がなく、製造工程の簡素化や製造コストの低減が可能となる。

ところが、車両用交流発電機に内蔵される冷却ファンには、冷却風とともに水溶液も飛来するので、冷却ファンの錆の発生防止のために、例えば亜鉛などで表面が被覆されためっき鋼板を用いるのが普通であり、めっき鋼板を用いてレーザー溶接を行うとめっき溶融ガスが発生する。これにより、溶融部に空孔（ボイド）が生じやすくなり、溶接強度の低下による信頼性低下が生じるという新たな問題が生じる。

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、冷却ファンをレーザー溶接することにより製造コストを低減することができ、レーザー溶接の溶融部における空孔の発生を防止して信頼性を向上させることができる回転電機の回転子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の回転電機の回転子は、磁極鉄心と冷却ファンとを備えている。磁極鉄心は、複数の磁極爪部を有する。冷却ファンは、磁極鉄心の軸方向端面に対向するとともにレーザー溶接による溶接部を含むベースプレートと、このベースプレートに対して所定の角度をなすファンブレードとを有し、溶接部が開放端部を含む形状を有する。溶接部は、ストレート部とこのストレート部の両端のそれぞれに別々に続く湾曲部とを有する。湾曲部の端部が開放端部を形成する。ストレート部は、回転軸を中心とした径方向に延在している。

このように、レーザー溶接により冷却ファンを回転子の磁極鉄心に取り付けているため、回転電機の体格変更に伴って溶接位置を変更する場合であっても、溶接治具を体格ごとに取り替える必要がなく、製造コストを低減することができる。また、溶接部を開放端部を含む形状とすることにより、めっき鋼板を用いた場合に、溶接時にめっき溶融ガスが、ベースプレートと磁極鉄心との間から抜けやすくすることができるため、溶接時の溶融部に空孔が生じにくくなり、信頼性を向上させることができる。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。回転子の断面図である。リヤ側の冷却ファンの詳細形状を示す図である。溶接部形状の変形例を示す図である。溶接部形状の他の変形例を示す図である。溶接部形状の他の変形例を示す図である。溶接部形状の他の変形例を示す図である。溶接部近傍に凹部を形成した変形例を示す図である。溶接部近傍に凸部を形成した変形例を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。図１に示すように、一実施形態の車両用交流発電機１は、回転子２、固定子３、フロント側ハウジング４、リヤ側ハウジング５、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８、プーリ９等を含んで構成されている。

回転子２は、磁極鉄心２２、２３と冷却ファン２５、２６とを含んでいる。回転子２の詳細については後述する。

固定子３は、回転子２に対して対向配置された固定子鉄心３１に形成された複数のスロットに、多相（例えば三相）の固定子巻線３２が所定間隔で巻装されている。整流装置７は、固定子３の三相の固定子巻線３２の出力電圧である三相交流を整流して直流出力を得るためのものである。フロント側ハウジング４およびリヤ側ハウジング５は、上述した回転子２および固定子３を収納しており、回転子２が回転可能な状態で支持されているとともに、回転子２の外側に所定の隙間を介して配置された固定子３が固定されている。

電圧調整器８は、励磁電流を制御することにより車両用交流発電機１の出力電圧を調整するためのものであり、電気負荷と発電量とに応じて変化する出力電圧をほぼ一定に維持する。プーリ９は、エンジン（図示せず）の回転を車両用交流発電機１内の回転子２に伝えるためのものである。また、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８を覆うように、これらを保護するリヤカバー９２が取り付けられている。

次に、回転子２の詳細について説明する。図２に示すように、本実施形態の回転子２は、回転軸２１と、この回転軸２１に嵌着されるランデル型の一対の磁極鉄心２２、２３と、これらの磁極鉄心２２、２３に巻装される界磁コイル２４と、磁極鉄心２２、２３のそれぞれの軸方向端面に取り付けられる冷却ファン２５、２６を含んで構成されている。

リヤ側の磁極鉄心２３は、回転軸２１と一体になって回転する円柱形状のボス部２３Ａと、このボス部２３Ａと一体形成されてボス部２３Ａの一方の軸方向端面（リヤ側の冷却ファン２６が取り付けられた軸方向外端部）から径方向外側に延在するディスク部２３Ｂと、このディスク部２３Ｂと一体形成されてディスク部２３Ｂの外周部分から個別に軸方向に延在する複数の磁極爪部２３Ｃとを有している。なお、フロント側の磁極鉄心２２もリヤ側の磁極鉄心２３と同じ形状を有している。

一対の磁極鉄心２２、２３は、複数の磁極爪部２３Ｃを交互に噛み合わせた状態で組み立てられている。また、磁極鉄心２２、２３のボス部２３Ａとディスク部２３Ｂと磁極爪部２３Ｃとで囲まれた空間に、上述した界磁コイル２４とが収納されている。界磁コイル２４には、回転軸２１の反プーリ側端部近傍に設けられたスリップリング２７、２８を介して、ブラシ装置６から励磁電流が供給される。これにより、磁極鉄心２２、２３は、一方がＮ極に、他方がＳ極に磁化される。

次に、リヤ側の磁極鉄心２３の軸方向端面に取り付けられる冷却ファン２６について説明する。図３に示すように、冷却ファン２６は、外径方向に向かうに従い回転子２の反回転方向に湾曲した曲面形状を成して不等角度ピッチで配置されて軸方向に沿って立設された７個のファンブレード（翼部）１１０と、これらのファンブレード１１０を保持するとともに磁極鉄心３の軸方向端面にレーザー溶接によって固着されたベースプレート（基部）１２０とを有している。この冷却ファン２６は、例えば亜鉛などで表面が被覆されためっき鋼板を用い、このめっき鋼板をプレス成形することにより製造される。また、この冷却ファン２６は、回転子２と一体的に回転することで発熱部（例えば、整流装置７や固定子３の固定子巻線３２等）を冷却する冷却風を発生させる。ベースプレート１２０は、７ヶ所の溶接部１２２で溶接されて、磁極鉄心２３の軸方向端面に取り付けられる。なお、図３に示す例では、溶接部１２２は、レーザー溶接時に溶融してその後固まる溶融部の形状を示している。また、冷却ファン２６は、ベースプレート１２０に対するファンブレード１１０の角度が９０°に設定された遠心ファンとしたが、ファンブレード１１０が９０°以外の角度で傾斜している斜流ファンとしてもよい。

溶接部１２２は、開放端部を含む形状を有している。また、溶接部１２２は、所定方向に延在する長尺形状であって、非ループ形状を有する。具体的には、図３に示すように、各溶接部１２２は、ストレート部１２２Ａと、その両端のそれぞれに別々に続く湾曲部１２２Ｂ、１２２Ｃとを含むＣ字形状を有している。湾曲部１２２Ｂ、１２２Ｃの反ストレート部端部１２２Ｄ、１２２Ｅが開放端部となっている。反ストレート部端部１２２Ｄ、１２２Ｅとそれ以外の溶接部（例えばストレート部１２２Ａ）との間は、非溶接部となっている。また、ストレート部１２２Ａは、回転軸２１を中心とした径方向（完全に径方向に沿っている場合の他に、径方向に対して傾斜している場合も含まれる）に延在している。

このように、本実施形態の回転子２では、レーザー溶接により冷却ファン２６を回転子２の磁極鉄心２３に取り付けているため、車両用交流発電機１の体格変更に伴って溶接位置を変更する場合であっても、溶接治具を体格ごとに取り替える必要がなく、製造コストを低減することができる。また、溶接部１２２を開放端部を含む形状とすることにより、めっき鋼板を用いた場合に、溶接時にめっき溶融ガスが、ベースプレート１２０と磁極鉄心２３との間から抜けやすくすることができるため、溶接時の溶融部に空孔が生じにくくなり、信頼性を向上させることができる。

また、溶接部１２２は、少なくとも一部に湾曲部１２２Ｂ、１２２Ｃを含み、これらの湾曲部１２２Ｂ、１２２Ｃの端部１２２Ｄ、１２２Ｅが開放端部を形成している。また、この開放端部とこの開放端部以外の溶接部１２２との間に非溶接部が配置されている。これにより、この非溶接部を通してめっき溶融ガスを排出することが可能となる。

また、より安定した溶接を行うためには、溶接形状と同形状のめっきを事前に焼失させてもよい。その場合もレーザー溶接の利点として、レーザーの出力を調整して照射すること（プレバーン）によって実現できる。

また、溶接部１２２にストレート部１２２Ａを含めることにより、溶接部１２２に加わる引っ張り応力を、広い範囲で分散して負担することができるため、さらに信頼性を高めることが可能となる。特に、ストレート部１２２Ａを回転軸２１を中心とした径方向に延在させることにより、ストレート部１２２Ａの長手方向を、引っ張り応力が集中する方向に配置することが可能となり、さらに信頼性を高めることが可能となる。

また、レーザー溶接においては、溶接の開始部と終了部の出力が安定せず、不完全溶接になる場合があるが、ストレート部１２２Ａを挟んで湾曲部１２２Ｂ、１２２Ｃを配置することによって、不完全溶接になる可能性のある湾曲部１２２Ｂ、１２２Ｃのそれぞれの端部１２２Ｄ、１２２Ｅを応力の低い部位や圧縮応力部位に配置することができるので、さらに信頼性を高めることが可能となる。

なお、上述した例では、溶接部１２２をストレート部１２２Ａと２つの湾曲部１２２Ｂ、１２２Ｃを含むＣ字形状としたが、２つの湾曲部１２２Ｂ、１２２Ｃのいずれか一方を向きを反対にしたＳ字形状としてもよい（図４）。また、ストレート部１２２Ａを省略したＣ字形状とする場合（図５）、ストレート部１２２Ａのみとする場合（図６）、２つの湾曲部１２２Ｂ、１２２Ｃのいずれか一方とストレート部１２２Ａを組み合わせた形状とする場合（図７）などが考えられる。

ところで、磁極鉄心２３の軸方向端面とベースプレート１２０との間に発生しためっき溶融ガスを効率よく排除するためには、発生しためっき溶融ガスをベースプレート１２０の外部に誘導するための隙間を確保することが望ましい。

（変形例１）
図８に示す例では、ベースプレート１２０および磁極鉄心２３の軸方向端面の少なくとも一方（これらが対向する側の面）に、ベースプレート１２０の外径側端部まで連続している凹部１３０が形成されている。この凹部１３０は、少なくとも一部が溶接部１２２付近に形成されていることが望ましい。レーザー溶接は、溶接部１２２の内径側端部（反ストレート部端部１２２Ｄ）から開始し、外径側端部（反ストレート部端部１２２Ｅ）で終了するようにすれば、発生しためっき溶融ガスを凹部１３０を通して効率よく回転子２の外部に排出することができる。

（変形例２）
図９に示す例では、ベースプレート１２０および磁極鉄心２３の軸方向端面の少なくとも一方（これらが対向する側の面）に、凸部１４０が形成されている。この凸部１４０は、少なくとも一部が溶接部１２２と重ならない位置に形成されていることが望ましい。凸部１４０を挟んだ状態でベースプレート１２０が磁極鉄心２３の軸方向端面に溶接されると、凸部１４０の周囲に隙間が形成されるため、発生しためっき溶融ガスを凸部１４０に沿って効率よく回転子２の外部に排出することができる。

なお、図８および図９では、１つの溶接部１２２について図示されているが、他の溶接部についても同様であり、各溶接部１２２に対応して凹部１３０あるいは凸部１４０が形成されている。また、凹部１３０および凸部１４０は１つの回転子２において混在させるようにしてもよい。

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において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、リヤ側の冷却ファン２６をレーザー溶接する場合について説明したが、フロント側（プーリ側）の冷却ファン２５を溶接する場合についても同様である。

また、上述した実施形態では、回転電機の一例として車両用回転電機を考えたが、レーザー溶接により冷却ファンを取り付けるものであれば、車両用電動機や、車両以外の用途に用いられる回転電機についても本発明を適用することができる。

上述したように、本発明によれば、レーザー溶接により冷却ファンを回転子の磁極鉄心に取り付けているため、回転電機の体格変更に伴って溶接位置を変更する場合であっても、溶接治具を体格ごとに取り替える必要がなく、製造コストを低減することができる。また、溶接部を開放端部を含む形状とすることにより、めっき鋼板を用いた場合に、溶接時にめっき溶融ガスが、ベースプレートと磁極鉄心との間から抜けやすくすることができるため、溶接時の溶融部に空孔が生じにくくなり、信頼性を向上させることができる。

２２、２３磁極鉄心
２５、２６冷却ファン
１１０ファンブレード
１２０ベースプレート
１２２溶接部
１２２Ａストレート部
１２２Ｂ、１２２Ｃ湾曲部
１３０凹部
１４０凸部

Claims

複数の磁極爪部を有する磁極鉄心（２２、２３）と、
前記磁極鉄心の軸方向端面に対向するとともにレーザー溶接による溶接部（１２２）を含むベースプレート（１２０）と、このベースプレートに対して所定の角度をなすファンブレード（１１０）とを有し、前記溶接部が開放端部を含む形状を有する冷却ファン（２５、２６）と、
を備え、前記溶接部は、ストレート部（１２２Ａ）とこのストレート部の両端のそれぞれに別々に続く湾曲部（１２２Ｂ、１２２Ｃ）とを有し、
前記湾曲部の端部が前記開放端部を形成し、
前記ストレート部は、回転軸（２１）を中心とした径方向に延在していることを特徴とする回転電機の回転子。
請求項１において、
前記溶接部は、所定方向に延在する長尺形状であって非ループ形状を有することを特徴とする回転電機の回転子。
請求項１または２において、
前記開放端部とこの開放端部以外の前記溶接部との間に非溶接部が配置されていることを特徴とする回転電機の回転子。
請求項１〜３のいずれか一項において、
前記溶接部は、Ｃ字形状を有することを特徴とする回転電機の回転子。
請求項１〜４のいずれか一項において、
前記磁極鉄心の軸方向端面と前記ベースプレートとの対向面の少なくとも一方に凸部（１４０）を設け、前記凸部の周辺に形成される隙間をレーザー溶接終了後も維持することを特徴とする回転電機の回転子。
請求項５において、
前記凸部は、前記溶接部以外の位置に設けられることを特徴とする回転電機の回転子。
請求項１〜６のいずれか一項において、
前記磁極鉄心の軸方向端面と前記ベースプレートとの対向面の少なくとも一方に凹部（１３０）を設けることを特徴とする回転電機の回転子。
請求項７において、
前記凹部は、前記ベースプレートの端部まで連続していることを特徴とする回転電機の回転子。