JP4121083B2 - ブラシレスオルタネータ用界磁コイルのボビン装置 - Google Patents

Description

この発明は、ブラシレスオルタネータの界磁コイルを保持するボビン装置に関し、特にボビン装置を構成する継鉄部とプレートとの接合構造に関するものである。

ブラシレスオルタネータの界磁コイルを保持する従来のボビン装置は、厚肉円筒状の肉厚部およびこの肉厚部の最小半径部分から軸方向に突設された薄肉円筒状の肉薄部からなる継鉄部と、円筒部およびこの円筒部の一端から半径方向外方に延設された円盤状の鍔部からなるプレートと、円筒部およびこの円筒部の両端から半径方向外方に延設された一対の円盤状の鍔部からなるボビンとを備えている。そして、ボビンの円筒部が外嵌状態にプレートの円筒部に装着され、プレートの円筒部が外嵌状態に継鉄部の肉薄部に装着され、ボビンの円筒部に穿設された溶接用穴からプレートの円筒部と肉薄部とを溶接して一体化している（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−５５９２２号公報（図２１）

一般に、界磁コイルの巻回径が小さくなればなるほど、同じ巻回回数でも導線の長さを短くできるので、界磁コイルの材料を節約することができ、コストダウンを図ることができる。
従来のボビン装置では、プレートの円筒部が外嵌状態に継鉄部の肉薄部に装着され、溶接により一体化されているので、プレートの円筒部に装着されるボビンは、継鉄部の肉薄部の厚み分、内径が大きくなってしまう。その結果、界磁コイルの巻回径が大きくなり、導線の長さが長くなるので、界磁コイルの材料が多くなり、コストダウンを図れない、という不具合があった。また、丸棒から旋削加工により肉薄部を有する継鉄部を作製しているので、材料の廃棄率が大きくなり、製造時間が長くなり、コストダウンが図れない、という不具合もあった。
また、ボビンの円筒部に穿設された溶接用穴からプレートの円筒部と継鉄部の肉薄部とを溶接しているので、溶接仕様の変更に伴って溶接箇所の変更や増加があると、溶接穴位置や個数を変更したボビンを作製しなければならず、設計自由度が低下すると共に、コストダウンが図れない、という不具合もあった。

そこで、ボビンの内径を縮小するために肉薄部を省略し、プレートの円筒部の軸方向他端面を継鉄部の一端面に突き合わせて溶接一体化することも考えられる。しかしながら、プレートは継鉄部に片持ち構造で支持されているので、継鉄部との固定部から最も離れたプレートの一端は自由端となり、発電機に搭載された場合には、プレートが大きく振動してしまう、という新たな不具合が発生する。

この発明は、プレートの支持強度を確保しつつ、ボビン内径を縮小する継鉄部とプレートとの接合構造を採用し、耐振性を確保し、かつ、界磁コイルの材料を削減してコストダウンを可能とするブラシレスオルタネータ用界磁コイルのボビン装置を得ることを目的とする。

この発明によるブラシレスオルタネータ用界磁コイルのボビン装置は、肉厚リング状の継鉄部と、円筒部およびこの円筒部の一端から径方向外方に延設された円盤状の鍔部を有するプレートと、界磁コイルが巻回されるボビンとを備え、段差部が上記継鉄部の内周面に該継鉄部の一端から軸方向に所定長さにわたって凹設され、上記プレートの円筒部の軸方向他端部がその外周面を上記段差部の内周面と密接するように該段差部に内嵌状態に嵌め合わされて上記継鉄部に溶接され、上記ボビンが上記継鉄部と上記プレートとで形成される空間に装着されているものである。

この発明によれば、プレートが継鉄部に面接触状態に支持され、プレートの支持強度が確保される。さらに、プレートがボビンの軸方向外方で継鉄部に直接溶接されているので、ボビン内径が縮小され、界磁コイルの材料が削減でき、コストダウンが図られる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るブラシレスオルタネータを示す縦断面図、図２は図１に示されるブラシレスオルタネータにおける界磁コイルのボビン装置周りを示す要部拡大断面図、図３はこの発明の実施の形態１に係るブラシレスオルタネータにおける界磁コイルのボビン装置に適用されるプレートを示す斜視図である。

図１において、ブラシレスオルタネータ１は、界磁として働く回転子２の磁極鉄心３と、磁極に取り囲まれる位置に固定され、磁極鉄心３とともに回転子２を構成する界磁コイル１３と、電機子として機能する固定子１４と、回転子２の回転軸であるシャフト１７を回転自在に支持する第１および第２軸受１８、１９と、第１および第２ブラケット２０、２１と、固定子１４に電気的に接続され、交流電力を直流に変換する整流器２２等から構成されている。

磁極鉄心３は、第１および第２磁極鉄心４、８から構成されている。
そして、第１磁極鉄心４は、シャフト挿通穴が軸心位置に穿設された円柱状の第１ボス部５と、第１ボス部５の一端から径方向外方に延設された厚肉リング状の第１継鉄部６と、第１継鉄部６の外周から軸方向他端側に延設された第１爪状磁極部７とを有している。そして、第１磁極鉄心４は、第１ボス部５のシャフト挿通穴にシャフト１７を圧入して相対回転不能に取り付けられている。
一方、第２磁極鉄心８は、シャフト挿通穴が軸心位置に穿設された円筒状の第２ボス部９と、第２ボス部９の他端外周に配置された厚肉リング状の第２継鉄部１０と、第２継鉄部１０の外周から一端側に延出するように配置された第２爪状磁極部１１とを有している。そして、第２ボス部９がそのシャフト挿通穴にシャフト１７を圧入し、その一端面を第１ボス部５の他端面に突き合わせた状態で、相対回転不能に取り付けられている。また、第２爪状磁極部１１が、第１爪状磁極部７と噛み合うように配置され、第１および第２爪状磁極部７、１１の内周側に配設された非磁性体で作製されたリング１２と第１および第２爪状磁極部７、１１とを溶接や鑞付けするなどして一体化されている。さらに、第２継鉄部１０が、第２ブラケット２１の内壁面に固着され、第２ボス部９と第２爪状磁極部１１との間に微小な隙間を持って配設されている。

固定子１４は、固定子巻線１６が巻装された固定子鉄心１５を有し、回転子２の外周を囲繞するように配設されている。
第１ブラケット２０および第２ブラケット２１は、固定子鉄心１５の軸方向両端の肩部を挟んで通しボルト２３により締着一体化されている。そして、第１ブラケット２０が第１軸受１８を介してシャフト１７の一端側を回転自在に支持し、第２ブラケット２１が第２軸受１９を介してシャフト１７の他端側を回転自在に支持している。これにより、回転子２が、第１および第２ブラケット２０、２１内に回転自在に配設されている。
プーリ２４が第１ブラケット２０から外部に延出するシャフト１７の一端部に固着されており、エンジン（図示せず）により駆動されるようになっている。

このように構成されたブラシレスオルタネータ１では、電流がバッテリ（図示せず）から界磁コイル１３に供給され、磁束を発生させる。この磁束により、第１爪状磁極部７がＮ極に着磁され、第２爪状磁極部１１がＳ極に着磁される。
一方、プーリ２４がエンジンによって駆動され、シャフト１７が回転される。これにより、回転子２が回転され、回転磁界が固定子鉄心１５に与えられ、起電力が固定子巻線１６に発生する。この交流の起電力が整流器２２によって直流に整流され、バッテリに充電される。
この時、界磁コイル１３は第２ブラケット２１に固着された第２継鉄部１０に装着されているので、第１ボス部５、第１継鉄部６および第１爪状磁極部７が一体に形成された第１磁極鉄心４と、第２磁極鉄心８の第２ボス部９および第２爪状磁極部１１とが回転することになる。つまり、界磁コイル１３は回転しない。

ここで、ボビン装置３０は、図２に示されるように、第２ブラケット２１に固着される第２継鉄部１０と、第２継鉄部１０に溶接にて接続されたプレート３１と、第２継鉄部１０とプレート３１とにより構成された空間内に配設され、界磁コイル１３を収納するボビン３２とから構成されている。
第２継鉄部１０は、断面矩形のリング状に形成されている。そして、段差部１００が第２継鉄部１０の内周面を一端から軸方向長さｐにわたって大径化して環状に形成されている。さらに、回り止め用の凹部１０１が第２継鉄部１０の一端面に凹設されている。
プレート３１は、図３に示されるように、軟鋼板をプレス成形して作製され、円筒状の円筒部３１０と、円筒部３１０の一端から径方向外方に延設された円盤状の鍔部３１１とを備えている。
ボビン３２は、樹脂によって概略糸巻き状に作製され、円筒状の円筒部３２０と、円筒部３２０の両端から径方向外方に延設された円盤状の一対の鍔部３２１、３２２とを備えている。そして、回り止め用の突起３２３が他端側の鍔部３２２の外周面に突設されている。

ついで、このボビン装置３０の各部材の寸法関係について説明する。
プレート３１の円筒部３１０の外径は、第２継鉄部１０の段差部１００の内径にほぼ等しく、鍔部３１１の外径は、第２継鉄部１０の外径にほぼ等しい。そして、段差部１００の深さは、円筒部３１０の肉厚より僅かに大きく形成され、溶接痕が第２継鉄部１０の内周から径方向内方に突出しないようになっている。また、ボビン３２の円筒部３２０の内径は、プレート３１の円筒部３１０の外径にほぼ等しい。そして、ボビン３２の軸方向長さは、プレート３１の円筒部３１０の軸方向長さから段差部１００の軸方向長さ（ｐ）を減じた長さにほぼ等しい。さらに、ボビン３２の鍔部３２１、３２２の径方向長さは、プレート３１の鍔部３１１の径方向長さとほぼ等しい。なお、突起３２３は、第２継鉄部１０に凹設された凹部１０１に係合する位置関係で鍔部３２２に突設されている。

つぎに、このように構成されたボビン装置３０の組み立て手順について説明する。
まず、界磁コイル１３がボビン３２に巻回される。そして、プレート３１がボビン３２に挿入される。ついで、ボビン３２から延出するプレート３１の円筒部３１０の軸方向他端部が第２継鉄部１０の段差部１００に内嵌状態に嵌め込まれる。この時、円筒部３１０の端面が段差部１００の端面に突き当てられ、プレート３１が軸方向に関して第２継鉄部１０に位置決めされる。また、円筒部３１０の軸方向他端部の外周面が段差部１００の内周面に密接している。さらに、鍔部３２２に形成された突起３２３が第２継鉄部１０に凹設された凹部１０１に係合され、ボビン３２が周方向に関して第２継鉄部１０に位置決めされる。
その後、第２継鉄部１０とプレート３１の円筒部３１０との径方向に重なった部位が例えば周方向に等角ピッチで４箇所、内周側から例えばスポット溶接され、ボビン装置３０が組み立てられる。

このように、このボビン装置３０では、肉厚リング状の第２継鉄部１０の内周面一端側に環状の段差部１００が形成され、プレート３１の円筒部３１０の軸方向他端部が段差部１００に径方向に重なり合う状態に嵌め合わされ、プレート３１の円筒部３１０が径方向に重なり合う領域で第２継鉄部１０に溶接により一体化されている。

そこで、このプレート３１は第２継鉄部１０に片持ち構造に支持されているが、第２継鉄部１０とプレート３１の円筒部３１０とが段差部１００の領域（軸方向長さｐの範囲）で面接触状態となって固定されているので、プレート３１の支持強度が確保され、プレート３１の耐振性が高められる。つまり、本構造におけるプレート３１の支持強度は、プレートの円筒部の端面を継鉄部の端面に突き合わせて溶接しているプレートの片持ち支持構造の支持強度に比べて格段に大きくなり、プレートの円筒部が外嵌状態に継鉄部から延出する肉薄部に装着されて溶接されている従来のボビン装置におけるプレートの支持強度に近づけることができる。
また、第２継鉄部１０とプレート３１との溶接部の薄肉側（プレート３１の円筒部３１０）がボビン３２の軸方向外側で径方向内方に露出しているので、ボビン３２に影響されずに両者を溶接することができる。これにより、溶接作業性が向上される。さらに、溶接仕様の変更に伴って溶接箇所の変更や増加があっても、ボビン３２の形状を変更することなく対処でき、設計自由度が高められるとともに、コストダウンが図られる。
また、従来のボビン装置のような継鉄部から延出する肉薄部が不要となるので、ボビン３２の円筒部３２０の外径が肉薄部の厚み分小さくなる。そこで、界磁コイル１３の巻回径が小さくなり、導線の長さが短くなり、界磁コイル１３の材料節約の面からコストダウンが図られる。しかも、従来のボビン装置のような旋削加工を用いることなく第２継鉄部１０を作製できるので、材料の廃棄率が少なくなり、製造時間が短くなり、コストダウンを図ることができる。

ここで、ボビン装置３０（第２継鉄部１０の軸方向寸法Ｌ＝２２．５ｍｍ、重なり長さｐ＝６ｍｍ）および従来のボビン装置を搭載した交流発電機（出力電圧：２４Ｖ、定格域実出力：５５Ａ）の出力特性を測定したところ、ボビン装置３０を搭載した場合は、従来のボビン装置を搭載した場合に対して、高速回転数域（定格域に相当する発電機回転数５０００ｒｐｍ付近）で、電力で約１．５％〜約２．５％の出力向上が得られ、低速回転数域（発電機回転数１５００ｒｐｍ付近）で出力低下が生じることが確認できた。この出力低下分は、電力で約１．０％〜約１．５％であり、総合的にみれば、本ボビン装置３０の構成を採用することにより、交流発電機の出力特性が高められることがいえる。
また、本ボビン装置３０は、ボビン３２の外径を従来のボビン装置のボビン外径より小さくできるので、界磁コイル１３の巻回スペースが大きくなる。そこで、本ボビン装置３０では、界磁コイル１３の巻回数を多くして低速回転数域での出力低下分を補うことができるので、低速回転数域での出力を維持しつつ、高速回転数域での出力を高めることができる交流発電機を実現できる。
なお、高速回転数域での出力向上は、界磁コイル１３の内周径が縮小したことにより「単位長さ当たりの起磁力＝（電流アンペア×コイルの巻回数）÷磁路の長さ」が増大した結果によるものと推考される。また、低速回転数域での出力低下は、段差部１００を形成したことにより磁路を横切るギャップが拡大した結果によるものと推考される。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係るブラシレスオルタネータにおける界磁コイルのボビン装置に適用されるプレートを示す斜視図である。
図４において、プレート４０は、軟鋼板をプレス成形して作製され、円筒状の円筒部４００と、円筒部４００の一端から径方向外方に延設された円盤状の鍔部４０１と、円筒部４００の他端から軸方向外方に延設された４つの舌片４０２とを備えている。そして、４つの舌片４０２は、周方向に等角ピッチで円筒部４００に形成され、それぞれ軸方向長さｐ、周方向幅ｌに形成されている。
また、図示されていないが、周方向幅ｌおよび軸方向長さｐを有する段差部が第２継鉄部の内周面に周方向に等角ピッチで４つ形成されている。なお、この第２継鉄部は環状の段差部１００に代えて短冊状の段差部を形成している点を除いて、上記実施の形態１における第２継鉄部１０と同様に構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

ついで、このボビン装置の各部材の寸法関係について説明する。
プレート４０の円筒部４００および舌片４０２の外径は、第２継鉄部の段差部の内径にほぼ等しく、鍔部４０１の外径は、第２継鉄部の外径にほぼ等しい。そして、段差部の径方向深さは、円筒部４００および舌片４０２の肉厚より僅かに大きく形成され、溶接痕が第２継鉄部の内周から径方向内方に突出しないようになっている。さらに、段差部の軸方向長さｌおよび周方向幅ｐは舌片４０２の軸方向長さおよび周方向幅にほぼ等しい。また、ボビン３２の円筒部３２０の内径は、プレート４０の円筒部４００の外径にほぼ等しい。そして、ボビン３２の軸方向長さは、プレート４０の円筒部４００の軸方向長さにほぼ等しい。さらに、ボビン３２の鍔部３２１、３２２の径方向長さは、プレート４０の鍔部４０１の径方向長さとほぼ等しい。

この実施の形態２におけるボビン装置を組み立てるには、まず界磁コイル１３がボビン３２に巻回される。そして、プレート４０がボビン３２に挿入される。ついで、ボビン３２から延出するプレート４０の舌片４０２（軸方向他端部）が第２継鉄部の段差部に嵌め込まれる。この時、円筒部４００の端面が第２継鉄部の端面に突き当てられ、プレート４０が軸方向に関して第２継鉄部に位置決めされる。また、各舌片４０２の外周面が段差部の内周面に密接している。その後、第２継鉄部とプレート４０の舌片４０２とが内周側から例えばスポット溶接され、ボビン装置が組み立てられる。

このように、このボビン装置では、周方向幅ｌおよび軸方向長さｐを有する段差部が肉厚リング状の第２継鉄部の内周面一端側に周方向に等角ピッチで凹設され、プレート４０の円筒部４００の他端から軸方向に延出する舌片４０２が各段差部に径方向に重なり合う状態に嵌め合わされ、プレート４０の舌片４０２が内周側から第２継鉄部に溶接により一体化されている。

そこで、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
また、この実施の形態２では、第２継鉄部の内周面が段差部間に存在しているので、環状の段差部１００が形成されている上記実施の形態１に比べて、磁路を横切るギャップが少なくなる。その結果、段差部を形成することに起因する低速回転数域での出力低下が抑えられる。

なお、上記実施の形態２では、舌片４０２が周方向に等角ピッチで４つ形成されているものとしているが、舌片４０２の個数は４つの限定されるものではなく、所定の支持強度が得られればよい。

この発明の実施の形態１に係るブラシレスオルタネータを示す縦断面図である。 図１に示されるブラシレスオルタネータにおける界磁コイルのボビン装置周りを示す要部拡大断面図である。 この発明の実施の形態１に係るブラシレスオルタネータにおける界磁コイルのボビン装置に適用されるプレートを示す斜視図である。 この発明の実施の形態２に係るブラシレスオルタネータにおける界磁コイルのボビン装置に適用されるプレートを示す斜視図である。

符号の説明

１０ 第２継鉄部（継鉄部）、１２ 界磁コイル、３０ ボビン装置、３１ プレート、３２ ボビン、４０ プレート、１００ 段差部、３１０ 円筒部、３１１ 鍔部、４００ 円筒部、４０１ 鍔部、４０２ 舌片。

Claims (3)

1. 肉厚リング状の継鉄部と、円筒部およびこの円筒部の一端から径方向外方に延設された円盤状の鍔部を有するプレートと、界磁コイルが巻回されるボビンとを備え、
   段差部が上記継鉄部の内周面に該継鉄部の一端から軸方向に所定長さにわたって凹設され、上記プレートの円筒部の軸方向他端部がその外周面を上記段差部の内周面と密接するように該段差部に内嵌状態に嵌め合わされて上記継鉄部に溶接され、上記ボビンが上記継鉄部と上記プレートとで形成される空間に装着されていることを特徴とするブラシレスオルタネータ用界磁コイルのボビン装置。
2. 上記プレートの円筒部の軸方向他端部が内周側から上記継鉄部に溶接されていることを特徴とする請求項１記載のブラシレスオルタネータ用界磁コイルのボビン装置。
3. 上記プレートの円筒部の軸方向他端部は、軸方向外方に延出する所定の周方向幅を持った舌片に形成され、上記段差部は、上記舌片が嵌め合わされる周方向幅および軸方向長さに形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のブラシレスオルタネータ用界磁コイルのボビン装置。

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