(57)【要約】【課題】アルミニウム材を用いた固定子巻線の性能と信頼性を両立させることができる車両用回転電機を提供すること。【解決手段】車両用交流発電機１は、回転駆動される回転子２と、回転子２と対向配置される固定子鉄心３１とこの固定子鉄心３１に装備された固定子巻線３２とを有する固定子３と、回転子２および固定子３を支持するフレーム４とを備える。固定子巻線３２は、複数のセグメント導体３０、３０’を接合することにより形成されており、固定子巻線３２と整流器５との接続に用いられる引出し線としてのセグメント導体３０’と、それ以外のセグメント導体３０とをともにアルミニウム材で形成するとともに、それらの材質を異ならせている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動される回転子と、前記回転子と対向配置される固定子鉄心とこの固定子鉄心に装備された固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子および前記固定子を支持するフレームとを備える車両用回転電機において、
前記固定子巻線は、複数のセグメント導体を接合することにより形成されており、
前記固定子巻線と他の部品との接続に用いられる引出し線としての前記セグメント導体と、それ以外の前記セグメント導体とをともにアルミニウム材で形成するとともに、それらの材質を異ならせることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項２】
請求項１において、
前記引出し線としての前記セグメント導体の材料強度を、それ以外の前記セグメント導体よりも高くすることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記引出し線としての前記セグメント導体よりも、それ以外の前記セグメント導体の導電率を低くすることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記引出し線としての前記セグメント導体を１０００系のアルミニウム材により形成し、それ以外の前記セグメント導体を５０００系あるいは６０００系のアルミニウム材で形成することを特徴とする車両用回転電機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記他の部品は、前記固定子巻線から出力される交流電流を整流する整流器であることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記引出し線としての前記セグメント導体は、前記固定子鉄心に形成されたスロット内に一部が配置されており、前記固定子鉄心を挟んで前記他の部品と反対側の端部が、他の前記セグメント導体に接合されることを特徴とする車両用回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車やトラック等に搭載される車両用回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、多数のＵ字状の電気導体を用いたセグメント方式の固定子巻線が知られている。電気導体の材質としては銅が一般的であるが、軽量化や被水によるコイル腐食の防止を目的に、電気導体の材質としてアルミニウムを用いたものも知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、銅のターミナルを有する整流器との接合（組付け）を容易にして市場でのサービス性を十分確保するために、整流器と接合される引き出し導体のみを銅で形成し、他をアルミニウムで形成するようにした従来構造も知られている（例えば、特許文献２、３参照。）。
【特許文献１】特開平１１−１９１９４６号公報（第５−７頁、図１−１２）
【特許文献２】特開２００７−２０３０２号公報（第４−７頁、図１−１２）
【特許文献３】特開２００７−１８１３９６号公報（第３−７頁、図１−１２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、電気導体としてアルミニウム材を用いる場合、銅材を用いる場合に比べて導電率が低くなるため固定子巻線の抵抗値が増加し、出力性能が悪化する。そこで、アルミニウム材で形成される電気導体としては、極力導電率が高い材料、具体的には純アルミ（１０００系）を用いることが望ましい。また、固定子巻線の引出し線は整流器に接続されるが、この接続部分にはエンジン振動や熱（自己発熱）等のストレスが加わる。引出し線がアルミニウムの電気導体の場合には、銅材の場合に比べて強度（引っ張り強度や疲労強度）が低く、信頼性が低下する懸念がある。この対策としては、強度の高いアルミニウム合金を用いる方法が考えられるが、一般的にアルミニウム合金は導電率が低いため、固定子巻線としての抵抗値が高くなり、性能の低下を招くことになる。このように、特許文献１に開示されたようにアルミニウム材により固定子巻線を構成した場合には、性能と信頼性を両立させることができないという問題があった。
【０００５】
なお、特許文献２に開示された固定子巻線では、途中でアルミニウム材と銅材の異種金属を接合する必要があるため、銅材同士を接合する場合やアルミニウム材同士を接合する場合に比べると、接合が容易ではないという問題があった。十分な強度を確保しつつ接合を行うためには特殊な接合装置が必要になって設備が大型化してしまう。このため、アルミニウム材だけで固定子巻線を構成することができれば、コスト低減等の観点からは都合がよい。
【０００６】
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、アルミニウム材を用いた固定子巻線の性能と信頼性を両立させることができる車両用回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機は、回転駆動される回転子と、回転子と対向配置される固定子鉄心とこの固定子鉄心に装備された固定子巻線とを有する固定子と、回転子および固定子を支持するフレームとを備えており、固定子巻線は、複数のセグメント導体を接合することにより形成されており、固定子巻線と他の部品との接続に用いられる引出し線としてのセグメント導体と、それ以外のセグメント導体とをともにアルミニウム材で形成するとともに、それらの材質を異ならせている。異なる材質のアルミニウム材を組み合わせることにより、アルミニウム材を用いて固定子巻線を形成した場合の性能と信頼性という相反する要求を満たすことができる。
【０００８】
また、上述した引出し線としてのセグメント導体の材料強度を、それ以外のセグメント導体よりも高くすることが望ましい。あるいは、上述した引出し線としてのセグメント導体よりも、それ以外のセグメント導体の導電率を低くすることが望ましい。具体的には、上述した引出し線としてのセグメント導体を１０００系のアルミニウム材により形成し、それ以外のセグメント導体を５０００系あるいは６０００系のアルミニウム材で形成することが望ましい。これにより、引出し線部分の強度を確保しつつ、全体の抵抗値を下げて出力を向上させることが可能となる。
【０００９】
また、上述した他の部品は、固定子巻線から出力される交流電流を整流する整流器であることが望ましい。これにより、整流器との接続を行うセグメント導体について強度を確保することができ、振動等による耐久性の低下を防止して信頼性を確保することができる。
【００１０】
また、上述した引出し線としてのセグメント導体は、固定子鉄心に形成されたスロット内に一部が配置されており、固定子鉄心を挟んで他の部品と反対側の端部が、他のセグメント導体に接合されることが望ましい。これにより、引出し線に相当するセグメント導体を固定子鉄心のスロット内で保持することができるため、振動等のストレスがセグメント導体同士の接合部分に作用することを防止することができ、固定子巻線の引出し線の信頼性をさらに高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の車両用回転電機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。
【００１２】
図１は、一実施形態の車両用交流発電機１の断面図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、回転子２、固定子３、フレーム４、整流器５、レギュレータ１１等を含んで構成されている。この車両用交流発電機１は、エンジン（図示せず）から回転力を受けるプーリ２０を有する。プーリ２０は、シャフト６に回転子２とともに固定されている。回転子２は、一対のランデル型鉄心２１と界磁巻線２４とを有しており、エンジンによって回転駆動される。ランデル型鉄心２１の軸方向端面には冷却ファン２２、２３が設けられている。冷却ファン２２、２３は、フレーム４の軸方向の開口部４１から冷却風を内部に取り込み、取り込んだ冷却風を径方向の開口部４２に向けて吹き出す。この冷却風により、固定子３の固定子巻線３２や、固定子巻線３２に接続されて固定子巻線３２から出力される交流電流を整流する整流器５や出力電圧を調整するレギュレータ１１等が冷却される。シャフト６は、フレーム４に回転自在に支持されており、反プーリ側の端部近傍にはスリップリングが設けられている。また、フレーム４には、回転子２の外周側に位置して固定子３が固定されている。
【００１３】
次に、固定子３の詳細について説明する。図２は、固定子巻線３２を構成するセグメント導体３０の斜視図である。また、図３は図２に示したセグメント導体３０の組み付け状態を示す斜視図である。固定子３は、電気導体としての複数のセグメント導体３０によって構成される固定子巻線３２と、この固定子巻線３２が装備される複数のスロット３１０が形成されている固定子鉄心３１と、固定子巻線３２と固定子鉄心３１とに挟まれた絶縁シート３４とを有する。上述した回転子２および固定子３はフレーム４によって支持されている。
【００１４】
固定子鉄心３１のスロット３１０に装備された固定子巻線３２は複数の電気導体により構成され、各スロット３１０には偶数本（本実施形態では４本）の電気導体が収容されている。これらの各電気導体は、ほぼ矩形断面形状を有している。また、一のスロット３１０内の４本の電気導体は、図３に示すように固定子鉄心３１の径方向に沿って内側から内端層、内中層、外中層、外端層の順で一列に配置されている。
【００１５】
一のスロット３１０内の内端層の電気導体３３１ａは、固定子鉄心３１の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３１０内の外端層の電気導体３３１ｂと対をなしている。同様に、一のスロット３１０内の内中層の電気導体３３２ａは固定子鉄心３１の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３１０内の外中層の電気導体３３２ｂと対をなしている。そして、これらの対をなす電気導体は、固定子鉄心３１の軸方向の一方の端面側において連続線を用いることにより、ターン部３３１ｃ、３３２ｃを経由することで接続される。
【００１６】
したがって、固定子鉄心３１の一方の端面側においては、外中層の電気導体３３２ｂと内中層の電気導体３３２ａとをターン部３３２ｃを経由して接続する連続線を、外端層の電気導体３３１ｂと内端層の電気導体３３１ａとをターン部３３１ｃを経由して接続する連続線が内包することとなる。このように、固定子鉄心３１の一方の端面側においては、対をなす電気導体の接続部としてのターン部３３２ｃが、同じスロット３１０内に収容された他の対をなす電気導体の接続部としてのターン部３３１ｃにより囲まれる。外中層の電気導体３３２ｂと内中層の電気導体３３２ａとの接続により中層コイルエンドが形成され、外端層の電気導体３３１ｂと内端層の電気導体３３１ａとの接続により端層コイルエンドが形成される。
【００１７】
一方、一のスロット３１０内の内中層の電気導体３３２ａは、固定子鉄心３１の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３１０内の内端層の電気導体３３１ａ’とも対をなしている。同様に、一のスロット３１０内の外端層の電気導体３３１ｂ’は、固定子鉄心３１の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３１０内の外中層の電気導体３３２ｂとも対をなしている。そして、これらの電気導体は固定子鉄心３１の軸方向の他方の端面側において接続される。
【００１８】
したがって、固定子鉄心３１の他方の端面側においては、外端層の電気導体３３１ｂ’と外中層の電気導体３３２ｂとを接続する外側接合部３３３ｂと、内端層の電気導体３３１ａ’と内中層の電気導体３３２ａとを接続する内側接合部３３３ａとが、径方向および周方向に互いにずれた状態で配置されている。外端層の電気導体３３１ｂ’と外中層の電気導体３３２ｂとの接続、および内端層の電気導体３３１ａ’と内中層の電気導体３３２ａとの接続により、図４に示すように、異なる同心円上に配置された２つの隣接層コイルエンドが形成される。
【００１９】
さらに、図２に示すように、内端層の電気導体３３１ａと外端層の電気導体３３１ｂとが、一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる大セグメント３３１により提供される。また、内中層の電気導体３３２ａと外中層の電気導体３３２ｂとが一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる小セグメント３３２により提供される。基本となるＵ字状のセグメント導体３０は、大セグメント３３１と小セグメント３３２によって形成される。各セグメント３３１、３３２は、スロット３１０内に収容されて軸方向に沿って延びる部分を備えるとともに、軸方向に対して所定角度傾斜して延びる曲げ部としての斜行部３３１ｆ、３３１ｇ、３３２ｆ、３３２ｇを備える。これら斜行部によって、固定子鉄心３１から軸方向の両端面に突出するリア側コイルエンド群３２Ｒとフロント側コイルエンド群３２Ｆが形成されており、回転子２の軸方向の両端面に取り付けられた冷却ファン２２、２３を回転させたときに生じる冷却風の通風路は、主にこれら斜行部の間に形成されている。また、この冷却風の通風路には、固定子巻線３２の引出し線も配置されている。
【００２０】
以上の構成を、全てのスロット３１０のセグメント導体３０について繰り返す。そして、反ターン部側のフロント側コイルエンド群３２Ｆにおいて、外端層の端部３３１ｅ’と外中層の端部３３２ｅ、並びに内中層の端部３３２ｄと内端層の端部３３１ｄ’とがそれぞれＴＩＧ溶接や超音波溶着等の手段によって接合されて外側接合部３３３ｂおよび内側接合部３３３ａが形成され、電気的に接続されている。
【００２１】
本実施形態では、上述したセグメント導体３０を用いることにより、図５に示す２種類の三相巻線３２Ａ、３２Ｂが形成されており、これらの三相巻線３２Ａ、３２Ｂによって固定子巻線３２が構成されている。三相巻線３２Ａ、３２Ｂは、ともにＹ結線されており、互いに電気角で３０度位相がずれている。
【００２２】
図６は、一方の三相巻線３２Ａに対応する引出し線Ｙｂ、Ｚｂと中性点Ｎ１の詳細形状を示す図である。また、図７は引出し線および中性点として用いられるセグメント導体の組み付け状態を示す斜視図である。図７に示すように、リア側コイルエンド群３２Ｒ側から突出する引出し線等は、ターン部を有しない直線状のセグメント導体３０’を用いて形成されている。このセグメント導体３０’は、セグメント導体３０の一方の直線部をターン部で折り返さずにそのまま延長した形状を有している。したがって、図７に示すように、セグメント導体３０とともに固定子鉄心３１のスロット３１０に挿入して先端部側を折り曲げることにより、図４に示すように、セグメント導体３０’の端部を他のセグメント導体３０の端部と接合することができ、容易に引出し線Ｘｂ等を形成することができる。この端部同士の接合は、同じアルミ系のセグメント導体３０、３０’の接合であるため、セグメント導体３０同士を接合する場合と同様に、一般に行われているＴＩＧ溶接等で行うことが可能であり、銅とアルミニウムとを接合する場合のような特殊な設備が不要となる。
【００２３】
本実施形態では、このように形成される６本の引出し線Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ、Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂに対応するセグメント導体３０’とそれ以外のセグメント導体３０の両方をアルミニウム材によって形成するとともに、それらの材質を異ならせている。具体的には、引出し線としてのセグメント導体３０’の材料強度が、それ以外のセグメント導体３０よりも高くなるように材質を選定している。また、引出し線としてのセグメント導体３０’よりも、それ以外のセグメント導体３０の導電率が低くなるように材質を選定している。さらに、具体的には、引出し線としてのセグメント導体３０’を１０００系のアルミニウム材により形成し、それ以外のセグメント導体３０を５０００系あるいは６０００系のアルミニウム材で形成する。
【００２４】
図８は、アルミニウム材の特性を比較した図である。横軸は材料強度としての引張り強度を示しており、縦軸は導電率を示している。図８に示すように、純アルミ系（１０００系）のアルミニウム材は導電率が高く、これにより引出し線以外のセグメント導体３０を形成することにより、固定子巻線３２全体の抵抗値を下げて出力性能を向上させることができる。また、５０００系あるいは６０００系のアルミニウム材は、１０００系のアルミニウム材に比べると導電率は低くなるが、引張り強度が高く、これを用いて引出し線としてのセグメント導体３０’を形成することにより、エンジン振動等のストレスに強い固定子巻線３２を実現することができる。なお、例えばセグメント導体の総数を１９６本とすると、引出し線としての６本のセグメント導体３０’の本数比率は３．１％（総数を１４４本とした場合には４．２％）であり、これら６本のセグメント導体３０’を導電率が低い５０００系あるいは６０００系のアルミニウム材にしても、全体としての抵抗値増加はわずかであり、出力を低下させることはない。
【００２５】
このように、本実施形態の車両用交流発電機１の固定子３に含まれる固定子巻線３２では、整流器５との接続に用いられる引出し線としてのセグメント導体３０’と、それ以外のセグメント導体３０とをともにアルミニウム材で形成するとともに、それらの材質を異ならせている。異なる材質のアルミニウム材を組み合わせることにより、アルミニウム材を用いて固定子巻線３２を形成した場合の性能と信頼性という相反する要求を満たすことができる。
【００２６】
特に、引出し線としてのセグメント導体３０’の材料強度をそれ以外のセグメント導体３０よりも高く、あるいは、引出し線としてのセグメント導体３０’よりもそれ以外のセグメント導体３０の導電率を低くしている。具体的には、上述した引出し線としてのセグメント導体３０’を１０００系のアルミニウム材により形成し、それ以外のセグメント導体３０を５０００系あるいは６０００系のアルミニウム材で形成している。これにより、引出し線の部分の強度を確保しつつ、全体の抵抗値を下げて出力を向上させることが可能となる。
【００２７】
また、引出し線としてのセグメント導体３０’は、固定子鉄心３１に形成されたスロット３１０内に一部が配置されており、固定子鉄心３１を挟んで整流器５と反対側（プーリ側）の端部が、他のセグメント導体３０に接合されている。これにより、引出し線に相当するセグメント導体３０’を固定子鉄心３１のスロット３１０内で保持することができるため、振動等のストレスがセグメント導体３０、３０’の接合部分に作用することを防止することができ、固定子巻線３２の引出し線の信頼性をさらに高めることができる。
【００２８】
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、図５に示したような２種類の三相巻線３２Ａ、３２Ｂを組み合わせて固定子巻線３２を構成したが、１種類の三相巻線によって固定子巻線を構成するようにしてもよい。また、２種類のＹ結線を直列化した千鳥結線の固定子巻線や、Δ結線と千鳥結線とを組み合わせた固定子巻線に本発明を適用することができ、引出し線としてのセグメント導体とそれ以外のセグメント導体をともにアルミニウム材で形成し、これらの材質を本実施形態と同様に異ならせればよい。
【００２９】
また、上述した実施形態では、車両用交流発電機１に本発明を適用したが、車両用交流発電機以外の車両用回転電機（電動機等）についても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】一実施形態の車両用交流発電機の断面図である
【図２】固定子巻線を構成するセグメント導体の斜視図である。
【図３】図２に示したセグメント導体の組み付け状態を示す斜視図である。
【図４】フロント側コイルエンド群の接合端部を示す斜視図である。
【図５】本実施形他の固定子巻線の説明図である。
【図６】三相巻線に対応する引出し線と中性点の詳細形状を示す図である。
【図７】引出し線および中性点として用いられるセグメント導体の組み付け状態を示す斜視図である。
【図８】アルミニウム材の特性を比較した図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  車両用交流発電機
２  回転子
３  固定子
４  フレーム
５  整流器
１１  レギュレータ
２０  プーリ
３０  セグメント導体（固定子巻線の大部分を構成）
３０’  セグメント導体（固定子巻線の引出し線を構成）
３１  固定子鉄心
３２  固定子巻線
【図１】
2010098832.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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