JP4650849B2 - 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、特にランデル型の回転子における永久磁石の保持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。

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部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１参照）。

米国特許第４９５９５７７号明細書

従来の回転電機では、永久磁石が隣り合う爪状磁極部間に保持されているので、高速回転時に、隣り合う爪状磁極部間の相対的な変位が生じ、永久磁石を安定して保持できないという課題があった。

ランデル型の回転子鉄心においては、爪状磁極部相当部が継鉄部から径方向外方に延出する形状のコア体を冷間鍛造法により成型した後、継鉄部から径方向外方に延出する爪状磁極部相当部を略直角に折り曲げて爪状磁極部を形成している。そして、爪状磁極部の折り曲げ工程での歩留まりを高める必要があり、コア体の成型時に、継鉄部の隣り合う爪状磁極部間に位置する部位に谷部を同時に形成することが常套手段である。

ここで、永久磁石を継鉄部側に保持することで、磁石保持構造に対する高速回転時の爪状磁極部の変位の影響をなくすことが考えられる。そして、継鉄部の隣り合う爪状磁極部間に位置する部位に谷部を有する回転子鉄心の継鉄部側に永久磁石を保持させる場合、永久磁石は谷部を埋め込むように取り付けられる。この場合には、永久磁石の重量が過度に大きくなり、永久磁石に過大な遠心力が作用することになるので、永久磁石を安定して保持できなくなる。また、谷部を埋め込むように取り付けられた磁性材料からなる磁石保持部材に永久磁石を保持させることも可能である。この場合には、磁石保持部材の重量が過度に大きくなり、磁石保持部材に過大な遠心力が作用することになり、磁石保持部材を安定して保持できなくなり、永久磁石を安定して保持できなくなる。

また、永久磁石を継鉄部側に保持した場合、磁気的には、永久磁石の発生する磁束が回転子内で閉じた磁気回路を流れるように永久磁石を配設し、永久磁石の発生する磁束が固定子鉄心に流れる漏れ磁束を低減することが必要となる。

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、永久磁石を継鉄部側に安定して保持でき、かつ永久磁石の発生する磁束の漏れを低減できる回転電機を得ることを目的とする。

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、内径側に湾曲した谷部が周方向に隣り合う上記爪状磁極部間のそれぞれの上記継鉄部の部位に形成され、上記ボス部の軸心位置に挿通された回転軸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、を有する回転子と、上記回転子の外周を所定のエアギャップを介して囲繞して配設された固定子と、を備えている。上記爪状磁極部は、その先端側が軸方向に関して上記継鉄部と重なるように作製され、保持溝が、上記ポールコアの上記爪状磁極部の根元側で、上記谷部の内壁面の外径側の相対する部位のそれぞれに開口し、かつ溝方向を軸方向として上記継鉄部の軸方向外方から上記界磁コイル側に向かって凹設され、磁性材料からなる磁石保持具が、相対する上記保持溝に嵌着保持されて上記谷部に架設され、嵌合溝が、上記保持溝に嵌着保持された上記磁石保持具の外径側に位置する方向に対して開口し、かつ溝方向を軸方向として上記磁石保持具に凹設され、永久磁石が、上記磁石保持具より短い軸方向長さに作製され、上記嵌合溝に嵌着されて、該永久磁石の中心を上記磁石保持具の軸方向中心より上記界磁コイル側にシフトして上記磁石保持具に保持されている。そして、上記永久磁石は、径方向外方から見て、上記永久磁石の一部が上記爪状磁極部から露出し、残部が上記爪状磁極部の内径部に位置しており、さらにその中心を通る着磁方向の延長線が上記爪状磁極部の先端側内周面に向かうように着磁配向されている。

この発明によれば、磁石保持具が谷部に架設されているので、磁石保持具で谷部を埋め尽くす必要がなく、磁石保持具の容積を少なくできる。そこで、高速回転時、磁石保持具に作用する遠心力が小さくなるとともに、爪状磁極部の変位の影響もなく、簡易な保持構造で磁石保持具をポールコアに安定して保持できる。また、永久磁石が谷部に架設された磁石保持具に保持されているので、永久磁石を必要最小限の大きさにできる。そこで、永久磁石に作用する遠心力が小さくなるとともに、爪状磁極部の変位の影響もなく、簡易な保持構造で永久磁石を磁石保持具に安定して保持できる。
また、永久磁石が、その中心を磁石保持具の軸方向中心より界磁コイル側にシフトして磁石保持具に保持されているので、永久磁石の爪状磁極部の先端側内周面と対向する部位を大きくでき、永久磁石の発生する磁束の漏れを低減できる。
また、永久磁石は、その中心を通る着磁方向の延長線が上記爪状磁極部の先端側内周面に向かうように着磁配向されているので、永久磁石の発生する磁束の漏れを一層低減できる。これにより、爪状磁極部からの露出部分を多くでき、磁石量の増大が可能となり、出力の増大が図られる。

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おける永久磁石の磁石保持具への実装方法を説明する斜視図、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適用される回転子の要部を示す断面図である。

図１乃至図５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、回転軸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回転軸１６の端部に固着されたプーリ６と、回転子１３の軸方向（以下、軸方向という）の両端面に固定されたファン７と、回転子１３に対して一定のエアギャップ２９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、回転軸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回転軸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、回転軸挿通穴１８ａが軸心位置を貫通して形成された第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。さらに、第１谷部２５が第１継鉄部１９の各隣り合う第１爪状磁極部２０間に位置する部位に、内径側に向かって凸状に湾曲したＵ字状に凹設されている。さらにまた、第１爪状磁極部２０を折り曲げ成形する際に形成される第１折り曲げ線２７が第１継鉄部１９と第１爪状磁極部２０との境界に径方向に延びるように形成されている。

第２ポールコア体２１は、外周面を円筒形状とし、回転軸挿通穴２２ａが軸心位置を貫通して形成された第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。さらに、第２谷部２６が第２継鉄部２３の各隣り合う第１爪状磁極部２４間に位置する部位に、内径側に向かって凸状に湾曲したＵ字状に凹設されている。さらにまた、第２爪状磁極部２４を折り曲げ成形する際に形成される第２折り曲げ線２８が第２継鉄部２３と第２爪状磁極部２４との境界に径方向に延びるように形成されている。

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、回転軸挿通穴１８ａ，２２ａに貫装された回転軸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。また、軸方向において、第１および第２爪状磁極部２０，２４の先端側がそれぞれ第２および第１継鉄部２３，１９と重なっている。

第１磁石保持具３０は、鉄、鉄系磁性合金などの磁性材を用いて所定厚みを有する断面台形に作製されている。そして、溝方向を第１磁石保持具３０の厚み方向とする第１嵌合溝３１が第１磁石保持具３０の上面に開口するように凹設されている。ここで、第１磁石保持具３０の上下面および第１嵌合溝３１の底面が互いに平行な平坦面となっている。そして、第１嵌合溝３１は、その溝幅が開口に向かって漸次狭くなる楔状に形成されている。第１永久磁石３２は、第１嵌合溝３１の内形形状に適合する外形形状、つまり厚み方向と直交する平面における断面が台形で、第１磁石保持具３０より薄い厚みに作製され、その上下面が互いに平行な平坦面となっている。そして、第１永久磁石３２は、厚み方向を第１磁石保持具３０の厚み方向に一致させ、かつ第１永久磁石３２の一端面と第１磁石保持具３０の一端面とを同一面位置として、第１嵌合溝３１に嵌着され、必要に応じて接着剤を塗布されて第１磁石保持具３０に保持されている。そして、第１嵌合溝３１の底面と第１永久磁石３２の下面とが密接、あるいは微小な隙間を持って相対し、第１磁石保持具３０と第１永久磁石３２とが磁気的に接続されている。

第２磁石保持具３５は、第１磁石保持具３０と同じ材質を用いて同じ形状に作製されている。第２永久磁石３７は、第１永久磁石３２と同じ材質を用いて同じ形状に作製されている。第２永久磁石３７は、厚み方向を第２磁石保持具３５の厚み方向に一致させ、かつ第２永久磁石３７の一端面と第２磁石保持具３５の一端面とを同一面位置として、第２嵌合溝３６に嵌着され、必要に応じて接着剤を塗布されて第２磁石保持具３５に保持されている。そして、第２嵌合溝３６の底面と第２永久磁石３７の下面とが密接、あるいは微小な隙間を持って相対し、第２磁石保持具３５と第２永久磁石３７とが磁気的に接続されている。

第１保持溝４０が、第１ポールコア体１７の各第１爪状磁極部２０の根元側で、各第１谷部２５の内壁面の外径側の相対する部位のそれぞれに開口し、かつ溝方向を軸方向として第１継鉄部１９の一端から他端側に向かって第１折り曲げ線２７に到達するように凹設されている。同様に、第２保持溝４１が、第２ポールコア体２１の各第２爪状磁極部２４の根元側で、各第２谷部２６の内壁面の外径側の相対する部位のそれぞれに開口し、かつ溝方向を軸方向として第２継鉄部２３の他端から一端側に向かって第２折り曲げ線２８に到達するように凹設されている。ここで、第１および第２保持溝４０，４１は、ブローチ加工やエンドミル加工などにより、第１および第２磁石保持具３０，３５の両側部が嵌着される溝形状に形成されている。

第１磁石保持具３０が、第１永久磁石３２を上方に向けて、軸方向外側から相対する第１保持溝４０に圧入され、必要に応じて接着剤を塗布されて、各第１谷部２５の上に架設された状態で磁気的に接続されて第１ポールコア体１７に取り付けられる。このとき、第１磁石保持具３０および第１永久磁石３２の厚み方向が軸方向に一致している。また、第１嵌合溝３１は、第１保持溝４０に嵌着保持されている第１磁石保持具３０の外径側に位置する方向に開口している。

第１永久磁石３２は、その中心を第１磁石保持具３０の厚み方向の中心に対して界磁コイル１４側にシフトさせて、即ち軸方向の界磁コイル１４側にオフセットして第１磁石保持具３０に保持されている。そして、軸方向に関し、第１永久磁石３２の界磁コイル１４側が第２爪状磁極部２４と重なり、第１永久磁石３２の界磁コイル１４と逆側が第２爪状磁極部２４と重なっていない。つまり、径方向外方から見て、第１永久磁石３２の一部が第２爪状磁極部２４から露出し、残部が第２爪状磁極部２４の内径部に位置し、その上面が第２爪状磁極部２４の先端側内周面と所定の隙間をあけて対向している。また、第１嵌合溝３１の底面および第１永久磁石３２の下面は、回転子１３と同軸の円筒面に接する平坦面となっている。回転子１３の軸心を含む平面における第１永久磁石３２の断面は矩形である。なお、永久磁石の中心とは、永久磁石の上面と下面との中心かつ厚み方向の中心となる部分である。

第２磁石保持具３５が、第２永久磁石３７を上方に向けて、軸方向外側から相対する第２保持溝４１に圧入され、必要に応じて接着剤を塗布し、各第２谷部２６の上に架設された状態で磁気的に接続されて第２ポールコア体２１に取り付けられる。このとき、第２磁石保持具３５および第２永久磁石３７の厚み方向が軸方向に一致している。また、第２嵌合溝３６は、第２保持溝４１に嵌着保持されている第２磁石保持具３５の外径側に位置する方向に開口している。

第２永久磁石３７は、その中心を第２磁石保持具３５の厚み方向の中心に対して界磁コイル１４側にシフトさせて、即ち軸方向の界磁コイル１４側にオフセットして第２磁石保持具３５に保持されている。そして、軸方向に関し、第２永久磁石３７の界磁コイル１４側が第１爪状磁極部２０と重なり、第２永久磁石３７の界磁コイル１４と逆側が第１爪状磁極部２０と重なっていない。つまり、径方向外方から見て、第２永久磁石３７の一部が第１爪状磁極部２０から露出し、残部が第１爪状磁極部２０の内径部に位置し、その上面が第１爪状磁極部２０の先端側内周面と所定の隙間をあけて対向している。また、第２嵌合溝３６の底面および第２永久磁石３７の下面は、回転子１３と同軸の円筒面に接する平坦面となっている。回転子１３の軸心を含む平面における第２永久磁石３７の断面は矩形である。

また、第１永久磁石３２は、回転子１３の軸心を含み、かつ第１永久磁石３２の中心を通る平面において、着磁方向４２が、界磁コイル１４側に向かって上り勾配となるように傾斜するように着磁配向されている。そして、第１永久磁石３２の中心を通る着磁方向４２の延長線が対向する第２爪状磁極部２４の先端側内周面に向かっている。同様に、第２永久磁石３７は、回転子１３の軸心を含み、かつ第２永久磁石３７の中心を通る平面において、着磁方向４２が、界磁コイル１４側に向かって上り勾配となるように傾斜するように着磁配向されている。そして、第２永久磁石３７の中心を通る着磁方向４２の延長線が対向する第１爪状磁極部２０の先端側内周面に向かっている。また、図１に示されるように、界磁コイル１４に通電され、磁界４５が矢印方向に発生された場合、第１および第２永久磁石３２，３７は、磁界４５と逆向きに着磁配向される。なお、界磁コイル１４を流れる界磁電流が作る磁界４５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３２，３７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を介して回転軸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６および図７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４６が発生される。この磁束４６は、第１爪状磁極部２０からエアギャップ２９を通って固定子鉄心１１のティース部に入る。そして、磁束４６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２９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４６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３２，３７は、界磁コイル１４の発生する磁界４５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３２，３７の発生する磁界の向きは、界磁コイル１４の発生する磁界４５と逆向きである。この第１および第２永久磁石３２，３７から発生した磁束４７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２９を往復する必要がある。また、第１および第２永久磁石３２，３７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。

また、第１および第２永久磁石３２，３７の一部は、径方向外方から見て、第２および第１爪状磁極部２４，２０から露出しているので、例えば第２永久磁石３７から発生する磁束４７の一部が、第１爪状磁極部２０からの露出部から固定子鉄心１１に流れやすい。この実施の形態１では、第２永久磁石３７の中心を通る着磁方向４２の延長線が対向する第１爪状磁極部２４の先端側内周面に向かっているので、第１爪状磁極部２０からの露出部においても、磁束４７は第１爪状磁極部２０の先端側内周面に向かって流れ、固定子鉄心１１に流れる磁束量が低減される。そこで、磁束４７の大部分が、固定子鉄心１１に迂回することなく、回転子１３内部で閉じた磁気回路を流れる。

つまり、第１永久磁石３２から発生する磁束４７は、第１磁石保持具３０に入る。ここで、第１磁石保持具３０の下方には、第１谷部２５、即ち大きな空隙が存在する。そこで、第１磁石保持具３０に入った磁束４７は、第１磁石保持具３０内を周方向の両側に流れて第１継鉄部１９に入り、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、空隙を介して第１永久磁石３７に戻る。また、第２永久磁石３７から発生する磁束４７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を経て、第２継鉄部２３に入る。第２継鉄部２３に入った磁束４７は、第２継鉄部２３の第２谷部２６の両側を径方向外方に流れ、第２磁石保持具３５の両端から第２磁石保持具３５に入り、第２永久磁石３７に戻る。
そこで、第１および第２永久磁石３２，３７の発生する磁束４７は、界磁コイル１４の発生する磁束４６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。

つぎに、このように構成された車両用交流発電機１を用いて、界磁起磁力（界磁アンペアターン）に対する無負荷時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８および図９に示す。また、比較のために、第１および第２永久磁石３２，３７を省略した従来装置を作製し、界磁起磁力に対する無負荷時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８および図９に示す。なお、図８および図９中、実線が本発明品を示す、点線が従来装置を示している。

図８から、界磁起磁力の小さい領域では、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３２，３７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９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。

この実施の形態１では、第１および第２磁石保持具３０，３５が第１および第２谷部２５，２６の上に架設されているので、第１および第２磁石保持具３０，３５で第１および第２谷部２５，２６を埋め尽くす必要がなく、第１および第２磁石保持具３０，３５の容積を少なくできる。さらに、第１および第２永久磁石３２，３７が第１および第２谷部２５，２６の上に架設された第１および第２磁石保持具３０，３５に保持されているので、第１および第２永久磁石３２，３７を必要最小限の大きさにできる。そこで、高速回転時、第１および第２磁石保持具３０，３５、および第１および第２永久磁石３２，３７に作用する遠心力が小さくなるとともに、遠心力および熱膨張に起因する第１および第２爪状磁極部２０，２４の変位の影響もない。これにより、簡易な保持構造で第１および第２永久磁石３２，３７をポールコア１５に安定して保持できる。

また、第１および第２磁石保持具３０，３５が第１および第２谷部２５，２６の外径側の内壁面間を周方向に連結しているので、ポールコア１５の変形の発生を抑制できる。
また、第１および第２磁石保持具３０，３５が第１および第２ポールコア体１７，２１と別部品で作製されているので、加工精度を確保しやすく、第１および第２保持溝４０，４１との嵌合面、および第１および第２永久磁石３２，３７との嵌合面を高精度に作製できる。そこで、第１および第２磁石保持具３０，３５と第１および第２継鉄部１９，２３との嵌合部における隙間、さらには第１および第２磁石保持具３０，３５と第１および第２永久磁石３２，３７との嵌合部における隙間を最小限に少なくでき、これらの嵌合部での磁気抵抗が小さくなるので、磁石の磁束量が増えて、磁石を有効に利用することができる。

また、第１および第２永久磁石３２，３７は、回転子１３の最外周面に対して径方向内方に位置しているので、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の最外周面部に留まり、第１および第２永久磁石３２，３７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３２，３７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３２，３７の中心を通る着磁方向４２の延長線が対向する第２および第１爪状磁極部２４，２０の先端側内周面に向かっている。これにより、第１および第２永久磁石３２，３７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低減される。そこで、無負荷無励磁における第１および第２永久磁石３２，３７の誘起電圧の発生が抑制される。また、径方向外方から見て、第１および第２永久磁石３２，３７の第２および第１爪状磁極部２４，２０からの露出量が多くなっても、固定子１０に鎖交する磁束成分の増大を抑制できる。これらの結果から、第１および第２永久磁石３２，３７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３２，３７が第１および第２磁石保持具３０，３５に軸方向にオフセットされて保持されているので、第１および第２永久磁石３２，３７の第２および第１爪状磁極部２４、２０の先端側内周面と対向する部位を大きくできる。その結果、第１および第２永久磁石３２，３７の発生する磁束４７の漏れを低減できる。
また、第１および第２磁石保持具３０，３５が第１および第２永久磁石３２，３７の厚みより厚く作製されているので、第１および第２磁石保持具３０，３５と第１および第２保持溝４０，４１との嵌合面積を大きくできる。その結果、第１および第２継鉄部１９，２３による第１および第２磁石保持具３０，３５の保持強度が大きくなり、遠心力が第１および第２永久磁石３２，３７と第１および第２磁石保持具３０，３５に作用しても、第１および第２永久磁石３２，３７を安定して保持できる。

ここで、第１および第２折れ曲げ線２７，２８が第１および第２継鉄部１９，２３と第１および第２爪状磁極部２０，２４との境界に形成されている。そして、第１および第２爪状磁極部２０，２４の周方向幅は折れ曲げ線２７、２８から先端側に向かって漸次小さくなっている。そこで、第１および第２保持溝４０，４１を軸方向外方から第１および第２折れ曲げ線２７、２８を超えて形成した場合、第１および第２保持溝４０，４１と第１および第２磁石保持具３０，３５との嵌合面積は折れ曲げ線２７，２８を超えるほど小さくなる。このことから、第１および第２保持溝４０，４１を軸方向外方から第１および第２折れ曲げ線２７、２８を超えて形成しないようにすることが好ましい。あるいは、第１および第２保持溝４０，４１を軸方向に貫通するように形成した場合には、第１および第２磁石保持具３０，３５が折れ曲げ線２７，２８を超えて界磁コイル１４側に位置しないように第１および第２保持溝４０，４１に嵌着させることが好ましい。

このように、第１および第２磁石保持具３０，３５は、第１および第２保持溝４０，４１と第１および第２折り曲げ線２７，２８との交点Ｏと、第１および第２継鉄部１９，２３の軸方向外側の端面との間に位置するように、第１および第２保持溝４０，４１に嵌着保持されることが好ましい。

なお、第１および第２永久磁石３２，３７が所定厚みを有する断面台形に形成されているものとしているが、第１および第２永久磁石３２，３７は第１および第２磁石保持具３０，３５に嵌着、保持されていれば、その断面形状については特に限定されるものではない。同様に、第１および第２磁石保持具３０，３５が所定厚みを有する断面台形に形成されているものとしているが、第１および第２磁石保持具３０，３５は第１および第２保持溝４０，４１に嵌着、保持されていれば、その断面形状については特に限定されるものではない。言い換えれば、嵌合溝および保持溝の溝形状は、永久磁石および磁石保持具の嵌合部の形状に合わせて適宜設定すればよい。
また、第１および第２永久磁石３２，３７は、回転子１３の軸心を含む平面における断面が矩形に形成されているものとしているが、その断面形状も、適宜設定すればよい。

実施の形態２．
実施の形態２では、折り曲げ線が爪状磁極部と継鉄部との境界に、界磁コイル側に向かって下り勾配となるように傾斜して形成されている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。なお、第１および第２永久磁石３２，３７は、第１および第２ポールコア体１７，２１に同様にして保持されているので、ここでは、第２永久磁石３７の保持構造についてのみ説明し、第１永久磁石３２の保持構造についての説明を省略する。

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適用される回転子の要部を示す断面図である。
図１０において、第２折り曲げ線２８ａが、第２爪状磁極部２４と第２継鉄部２３との境界に、界磁コイル１４側に向かって下り勾配となるように傾斜して形成されている
第２保持溝４１は、第２ポールコア体２１の各第２爪状磁極部２４の根元側で、各第２谷部２６の内壁面の外径側の相対する部位のそれぞれに開口し、かつ溝方向を軸方向として第２継鉄部２３の他端から一端側に向かって第２折り曲げ線２８ａに到達するように凹設されている。第２磁石保持具３５は、第２永久磁石３７を上方に向けて、軸方向外側から相対する第２保持溝４１に圧入され、必要に応じて接着剤を塗布し、各第２谷部２６の上に架設された状態で磁気的に接続されて第２ポールコア体２１に取り付けられる。

ここで、第２磁石保持具３５および第２永久磁石３７の厚み方向が軸方向に一致している。また、第２永久磁石３７は、その中心を第２磁石保持具３５の厚み方向の中心に対して界磁コイル１４側にシフトさせて、即ち軸方向の界磁コイル１４側にオフセットして第２磁石保持具３５に保持されている。そして、軸方向に関し、第２永久磁石３７の界磁コイル１４側が第１爪状磁極部２０と重なり、第２永久磁石３７の界磁コイル１４と逆側が第１爪状磁極部２０と重なっていない。つまり、径方向外方から見て、第２永久磁石３７の一部が第１爪状磁極部２０から露出し、残部が第１爪状磁極部２０の内径部に位置し、その上面が第１爪状磁極部２０の先端側内周面と所定の隙間をあけて対向している。

また、第２永久磁石３７は、回転子１３の軸心を含み、かつ第２永久磁石３７の中心を通る平面において、着磁方向４２が、界磁コイル１４側に向かって上り勾配となるように傾斜するように着磁配向されている。そして、第２永久磁石３７の中心を通る着磁方向４２の延長線が対向する第１爪状磁極部２０の先端側内周面に向かっている。

従って、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様に効果が得られる。

ここで、第２保持溝４１を軸方向外方から第２折れ曲げ線２８ａを超えて形成した場合、第２保持溝４１と第２磁石保持具３５との嵌合面積は第２折れ曲げ線２８ａを超えるほど小さくなる。このことから、第２保持溝４１を軸方向外方から第２折れ曲げ線２８ａを超えて形成しないようにすることが好ましい。あるいは、第２保持溝４１を軸方向に貫通するように形成した場合には、第２磁石保持具３５が第２折れ曲げ線２８ａを超えて界磁コイル１４側に位置しないように第２保持溝４１に嵌着させることが好ましい。
このように、この実施の形態２においても、第２磁石保持具３５は、第２保持溝４１と第２折り曲げ線２８ａとの交点Ｏと、第２継鉄部２３の軸方向外側の端面との間に位置するように、第２保持溝４１に嵌着保持されることが好ましい。

実施の形態３．
実施の形態３では、着磁方向が永久磁石の下面に対して直交している永久磁石を用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。なお、第１および第２永久磁石３２，３７は、第１および第２ポールコア体１７，２１に同様にして保持されているので、ここでは、第２永久磁石３７の保持構造についてのみ説明し、第１永久磁石３２の保持構造についての説明を省略する。

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の要部を示す断面図である。
図１１において、第２磁石保持具３５Ａは、鉄、鉄系磁性合金などの磁性材を用いて所定厚みを有する断面台形に作製されている。そして、溝方向を第２磁石保持具３５Ａの厚み方向とする第２嵌合溝３６Ａが第２磁石保持具３５Ａの上面に開口するように凹設されている。ここで、第２磁石保持具３５Ａの上下面が互いに平行な平坦面となっている。また、第２嵌合溝３６Ａの一端側の領域の底面３６ａが、第２磁石保持具３５Ａの一端側に向かって下り勾配となる傾斜面に形成されている。そして、第２嵌合溝３６Ａの溝幅は、開口に向かって漸次狭くなる楔状に形成されている。

第２永久磁石３７は、厚み方向を第２磁石保持具３５Ａの厚み方向に一致させて、かつ第２永久磁石３７の下面の一端縁部を第２嵌合溝３６Ａの底面３６ａの一端縁部に一致させて、第２嵌合溝３６Ａに嵌着され、必要に応じて接着剤を塗布されて、第２磁石保持具３５Ａに保持されている。そして、第２嵌合溝３６Ａの底面３６ａと第２永久磁石３７の下面とが密接、あるいは微小な隙間を持って相対し、第２磁石保持具３５Ａと第２永久磁石３７とが磁気的に接続されている。第２永久磁石３７の着磁方向４２は、第２永久磁石３７の下面に垂直である。

第２磁石保持具３５Ａは、一端側を界磁コイル１４に向けて第２保持溝４１に嵌着されている。この時、第２嵌合溝３６Ａの底面３６ａおよび第２永久磁石３７の下面は、回転子１３と同軸の切頭円錐面に接する平坦面である。この平坦面は、軸方向に関し、界磁コイル１４に向かって、回転軸１６に対して、外径外側位置から内径内側となる方向で傾斜した勾配、即ち界磁コイル１４に向かって下り勾配の傾斜面である。そして、第２永久磁石３７の着磁方向４２が第２永久磁石３７の下面に垂直であるので、第２永久磁石３７の中心を通る着磁方向４２の延長線が対向する第１爪状磁極部２０の先端側内周面に向かっている。また、第２永久磁石３７の上面の一端縁部が第２折り曲げ線２８に一致している。

従って、この実施の形態３においても、上記実施の形態１と同様に効果が得られる。
この実施の形態３によれば、第２嵌合溝３６Ａの底面３６ａを界磁コイル１４に向かって下り勾配の傾斜面に形成しているので、着磁方向４２が第２永久磁石３７の下面に垂直であって、着磁方向４２の延長線が対向する第１爪状磁極部２０の先端側内周面に向かっている。そこで、着磁方向を第２永久磁石３７の下面に対して傾斜させる必要がなく、第２永久磁石３７の着磁が容易となる。また、第２永久磁石３７と第１爪状磁極部２０との間の隙間が狭くなり、第２永久磁石３７の磁束量が増加し、出力が増加する。

ここで、この実施の形態３においても、第２磁石保持具３５Ａは、第２保持溝４１と第２折り曲げ線２８との交点Ｏと、第２継鉄部２３の軸方向外側の端面との間に位置するように、第２保持溝４１に嵌着保持されることが好ましい。そして、第２磁石保持具３５Ａがその一端を交点Ｏに一致するように第２保持溝４１に嵌着された場合、第２永久磁石３７の一端側が第２折れ曲げ線２８を超えて第１爪状磁極部２０の内径部に入り込むので、第２永久磁石３７から発生する磁束の漏れ量が一層低減できる。
また、第２嵌合溝３６Ａの一端側の領域の底面３６ａのみを傾斜面にするものとしているが、嵌合溝全体の底面を傾斜面としてもよい。

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。

また、上記各実施の形態では、磁石保持具を全ての谷部に配設するものとしているが、磁石保持具は任意の谷部を選択して配設するようにしてもよい。この場合、周方向にバランスよく磁石保持具を配置することが望ましい。例えば、第１ポールコア体には磁石保持具を配設せず、第２ポールコア体の全ての谷部に磁石保持具を配設したり、第１および第２ポールコア体のそれぞれに、周方向の一つおきの谷部に磁石保持具を配設してもよい。このような構成をとることは、全ての谷部に磁石保持具を配設した場合に比べ、出力が少し低下するものの、部品点数を削減でき、安価な構成で出力をあげることができる。

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おける永久磁石の磁石保持具への実装方法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適用される回転子の要部を示す断面図である。 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の要部を示す断面図である。 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起磁力と固定子鎖交磁束量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の要部を示す断面図である。 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の要部を示す断面図である。

符号の説明

１０ 固定子、１３ 回転子、１４ 界磁コイル、１５ ポールコア、１６ 回転軸、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、２５ 第１谷部、２６ 第２谷部、２７ 第１折れ曲げ線、２８，２８ａ 第２折れ曲げ線、２９ エアギャップ、３０ 第１磁石保持具、３１ 第１嵌合溝、３２ 第１永久磁石、３５，３５Ａ 第２磁石保持具、３６，３６Ａ 第２嵌合溝、３７ 第２永久磁石、４２ 着磁方向、４０ 第１保持溝、４１ 第２保持溝。

Claims (3)

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、内径側に湾曲した谷部が周方向に隣り合う上記爪状磁極部間のそれぞれの上記継鉄部の部位に形成され、上記ボス部の軸心位置に挿通された回転軸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、を有する回転子と、
   上記回転子の外周を所定のエアギャップを介して囲繞して配設された固定子と、を備えた回転電機において、
   上記爪状磁極部は、その先端側が軸方向に関して上記継鉄部と重なるように作製され、
   保持溝が、上記ポールコアの上記爪状磁極部の根元側で、上記谷部の内壁面の外径側の相対する部位のそれぞれに開口し、かつ溝方向を軸方向として上記継鉄部の軸方向外方から上記界磁コイル側に向かって凹設され、
   磁性材料からなる磁石保持具が、相対する上記保持溝に嵌着保持されて上記谷部に架設され、
   嵌合溝が、上記保持溝に嵌着保持された上記磁石保持具の外径側に位置する方向に対して開口し、かつ溝方向を軸方向として上記磁石保持具に凹設され、
   永久磁石が、上記磁石保持具より短い軸方向長さに作製され、上記嵌合溝に嵌着されて、該永久磁石の中心を上記磁石保持具の軸方向中心より上記界磁コイル側にシフトして上記磁石保持具に保持されており、
   上記永久磁石は、径方向外方から見て、上記永久磁石の一部が上記爪状磁極部から露出し、残部が上記爪状磁極部の内径部に位置しており、さらにその中心を通る着磁方向の延長線が上記爪状磁極部の先端側内周面に向かうように着磁配向されていることを特徴とする回転電機。
2. 上記嵌合溝の軸方向位置において、少なくとも上記界磁コイル側の領域が、上記界磁コイル側に向かって上記回転軸に対して外径外側位置から内径内側となる方向で傾斜した勾配の溝形状に形成され、上記永久磁石が、上記嵌合溝の上記勾配に傾斜する領域に嵌着されて上記磁石保持具に保持されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 上記ポールコアには、折り曲げ線が上記爪状磁極部と上記継鉄部との境界に形成されており、
   上記磁石保持具は、上記保持溝と上記折り曲げ線との交点と、上記継鉄部の軸方向外方の端面との間に位置するように、上記保持溝に嵌着保持されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の回転電機。

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