(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子とともに回転する冷却ファンによって冷却風を発生する車両用交流発電機において、
前記冷却ファンのファンブレードの先端部である外縁部のみを、前記ファンブレードに対して回転方向後方に部分的に傾斜あるいは湾曲させており、
傾斜あるいは湾曲した前記外縁部は、前記ファンブレードを折り曲げることにより形成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項２】
請求項１において、
前記冷却ファンは金属板により形成されることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項３】
請求項２において、
前記冷却ファンは、回転軸に対して垂直方向をなすファン基板と、この基板から回転軸方向に延びた前記ファンブレードとを有し、
前記ファンブレードの一部分であって、前記基板の最外周よりさらに外側に突出した部分を傾斜あるいは湾曲させることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記ファンブレードは、ほぼ平面状の主面と、この主面に対して傾斜あるいは湾曲した外縁面とを有することを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項５】
請求項４において、
前記外縁面を傾斜させる場合の傾斜方向あるいは前記外縁面を湾曲させる場合の先端部分の接線方向は、前記回転子外周面であって前記主面を延長して交差する部分の接線方向までの範囲で設定することを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記冷却ファンのファンブレードは回転軸方向に吸入した冷却風の少なくとも一部を遠心方向に吐出する遠心ファンを構成することを特徴とする車両用交流発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子に固定された冷却ファンを回転させることによりステータコイル等の冷却を行う車両用交流発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用交流発電機は、車両走行中にバッテリの補充電を行うとともに、エンジンの点火、照明、その他の各種電装品の電力を賄うものであり、市場競争力を維持あるいは向上させるために、冷却ファンを回転させたときに生じる風切音やステータコイルとの干渉音等のファン音や、回転子を回転させて発電を行っているときに生じる各部の共振による磁気音などを低減して低騒音化を図ることが重要である。
【０００３】
上述したファン音を低減する従来技術として、特開平３−１０７３４８号公報に開示された冷却ファンがある。この冷却ファンは、回転中心からの半径が大きくなるにしたがってファンブレードの高さが低くなるように設定されており、ファンブレードの外周端近傍で生じる風切音や干渉音を少なくすることにより交流発電機のファン音の騒音レベルを低くすることができる。
【０００４】
また、ファン音を低減する他の従来技術として、特開平７−１９４０５９号公報に開示された冷却用ファンがある。この冷却ファンは、複数のファンブレードの断面形状を流線形に形成するとともに各ファンブレードの軸方向端部をファンガイドで覆うことにより、ファン音を低減している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特開平３−１０７３４８号公報に開示された冷却ファンは、ファンブレードの高さが低くなった分面積が減少するため風量が低下し、充分な冷却能力が得られないおそれがある。特に、この冷却ファンは、最も線速度が大きな各ファンブレードの遠心方向先端部の高さを低くしているため、冷却能力の低下が顕著になるおそれがある。近年、車両の高級化等に伴って車両の電気負荷動向は年々増加の傾向にあり、車両用交流発電機の高出力化が要求されているが、出力電流の増大はそのままステータコイルや整流装置等の温度上昇につながるため、少しでも多くの風量を確保した状態を維持しながら低騒音化を図ることが望まれている。
【０００６】
また、上述した特開平７−１９４０５９号公報に開示された冷却ファンは、その断面が流線形形状を有しているが、一般にファンブレードの表面を曲面形状にすると風量が低下することが知られており、風量の低下に伴って冷却能力が低下する。また、この冷却ファンは、ファンブレードの軸方向端部に取り付けられたファンガイドを有しているが、このファンガイドをファンブレードとは別に用意してファンガイドに取り付ける場合には部品点数や組み付け工程の増加を伴うことになる。ファンブレードとファンガイドを合成樹脂で一体的に成形することもできるが、この場合には別に用意された取付基板にこの一体成形品を取り付ける必要があるため、結局冷却ファンの全体を一つの部品として製造することはできない。特に、冷却ファンを量産する場合を考えると、鉄板等の板材をプレス機によって所定形状に打ち抜いて折り曲げることにより製造できれば都合がよいが、上述したファンブレードとファンガイドを有する冷却ファンは複雑な形状を有しているため１枚の板材を加工して簡単に作ることはできない。
【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、その目的は回転時の騒音を低減することができる冷却ファンを備えた車両用交流発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】
本発明の車両用交流発電機の回転子の冷却ファンは、ファンブレードの先端部である外縁部のみをファンブレードに対して回転方向後方に部分的に傾斜あるいは湾曲させており、傾斜あるいは湾曲した外縁部は、ファンブレードを折り曲げることにより形成されている。このため、冷却ファンを回転させたときにこの先端部分で発生する風切音、あるいは冷却ファンをハウジング内に内蔵している場合にはこの先端部分近傍から排出される冷却風がステータコイルに衝突して生じる干渉音を低減することができる。また、ファンブレードの先端のみを回転方向後方に傾斜させることにより、従来の平面ブレードのオルタネータに比べて、風量をほとんど低下させることなく、ファン音の騒音レベルを大幅に低減することができる。なお、ファンブレードの外縁部としては、遠心方向の外側、内側、軸方向側などが含まれるが、これらの中でも遠心方向の外側先端部分は回転時の線速度が最も大きい部分であり、この部分で発生する風切音や干渉音を低減できれば、冷却ファンを回転させたときに生じる騒音の低減に大きく寄与することができる。
【０００９】
特に、上述した冷却ファンを金属板によって形成した場合には、ファンブレードおよびその外縁部を折り曲げるだけで、上述した傾斜形状や湾曲形状を含む冷却ファンを形成することができ、製造しやすく量産に適している。また、この金属板を用いた冷却ファンを、回転軸に対して垂直方向をなすファン基板とこのファン基板から回転軸方向に延びたファンブレードによって構成し、基板の最外周より外側にファンブレードの先端部を突出させた場合には、この突出させた先端部の折り曲げがさらに容易になり、製造しやすさが増す。
【００１０】
また、上述したファンブレードは、ほぼ平面状の主面とその先端部を傾斜あるいは湾曲した外縁面とによって形成することが好ましい。一般に、ファンブレードは曲面形状よりも平面形状に形成した方が多くの風量を確保することができるため、上述したファンブレードの主面を平面状に形成し、外縁面のみを傾斜あるいは湾曲させるようにすれば、風量を低下させることなくほぼ維持しながらファン音を低減することができる。具体的には、この外縁面の全体を傾斜させる場合の傾斜方向、あるいは湾曲させる場合の先端部分の接線方向は、回転子外周面の接線方向までの範囲で設定されており、この範囲内で設定することによりファンブレード先端部での冷却風の吐出圧を抑えることができ、ファン音低減の効果が生じる。
【００１１】
また、ファンブレードがいわゆる遠心ファンを構成するものに本発明が適用されることで、高いファン音低減効果が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明を適用した車両用交流発電機（以後、「オルタネータ」と称する）は、回転子であるロータの軸方向端面に取り付け固定された冷却ファンの遠心方向先端部を回転方向後方に部分的に傾斜させ、あるいは湾曲させることにより、回転時のファン音を低減することに特徴がある。以下、本発明を適用した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、本実施形態のオルタネータの全体構成を示す図である。同図に示すオルタネータ１は、回転子としてのロータ２と、固定子としてのステータ３と、ロータ２にフィールド電流を供給するブラシ装置４と、ステータ３から出力される３相交流電圧を整流する整流装置としてのレクチファイヤ５と、このレクチファイヤ５の出力電圧をほぼ一定に制御する電圧制御装置としてのＩＣレギュレータ６と、ロータ２およびステータ３を収納する筐体となるフロントハウジング７およびリヤハウジング８と、ロータ２の一方端に固定されるプーリ９と、リヤハウジング８に取り付けられたブラシ装置４、レクチファイヤ５およびＩＣレギュレータ６を外側から覆うリヤカバー１０等を含んで構成されている。
【００１４】
ロータ２は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回したフィールドコイル２１を、それぞれが６個の爪を有するポールコア２２、２３によって、回転軸であるシャフト２４を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、シャフト２４のリヤ側にはフィールドコイル２１の両端に電気的に接続されたスリップリング２７、２８が形成されており、ブラシ装置４内のブラシ３４、３６をスリップリング２７、２８のそれぞれに押し当てた状態で組み付けることにより、ＩＣレギュレータ６からフィールドコイル２１に対して励磁電流が流れるようになっている。
【００１５】
また、フロント側（プーリ９が取り付けられる側）のポールコア２２の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風をロータ２の径方向に吐き出すために遠心式の冷却ファン２５が溶接等によって取り付け固定されている。同様に、リヤ側のポールコア２３の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風をロータ２の径方向に吐き出すために遠心式の冷却ファン２６が溶接等によって取り付け固定されている。これらの冷却ファン２５、２６の詳細な形状については後述する。
【００１６】
ステータ３は、複数個（例えば３６個）のスロットが形成されたステータコア３１と、これらのスロットに所定の間隔で巻き回された３相のステータコイル３２とを含んで構成されている。このステータコイル３２は、発電時に流れる出力電流によって発熱して高温になるが、ロータ２に固定された２枚の冷却ファン２５、２６の回転によって遠心方向に吐出される冷却風によって冷却され、材料等によって決まる所定の耐熱温度以下に冷却される。
【００１７】
レクチファイヤ５は、３相のステータコイル３２の出力電圧である３相交流を整流して直流出力を得るためのものであり、それぞれに複数個の整流素子が半田付けされた正極側放熱板５２および負極側放熱板５３とを含んで構成されている。正極側放熱板５２および負極側放熱板５３に半田付けされた各整流素子は、発電時に流れるステータコイル３２からの電流によって発熱するが、ロータ２のリヤ側に取り付けられた冷却ファン２６の回転によってリヤカバー１０を通して吸入される冷却風によって、各放熱板５２、５３を介して間接的に冷却される。
【００１８】
ＩＣレギュレータ６は、ロータ２のフィールドコイル２１に流す励磁電流を制御するものであり、オルタネータ１の電気負荷が軽くて出力電圧が高くなる場合には、フィールドコイル２１に対する電圧の印加を断続することにより、オルタネータの出力電圧を一定に保っている。このように、ＩＣレギュレータ６は発電時にはフィールドコイル２１に対する通電を行っており、これを制御するスイッチングトランジスタ（図示せず）が発熱するが、上述したレクチファイヤ５の場合と同様に、ロータ２のリヤ側に取り付けられた冷却ファン２６の回転によってリヤカバー１０を通して吸入される冷却風によって冷却される。
【００１９】
上述した構成を有するオルタネータ１は、ベルト等を介してプーリ９にエンジン（図示せず）からの回転が伝えられるとロータ２が所定方向に回転する。このとき、フィールドコイル２１に外部から初期励磁電圧を印加することにより、ロータ２のポールコア２２、２３のそれぞれの爪部が励磁され、ステータコイル３２に３相交流電圧を発生させることができ、レクチファイヤ５の出力端子からは所定の出力電流が取り出される。以後、オルタネータ１自身の出力電圧がＩＣレギュレータ６を介してフィールドコイル２１に印加されるため、外部から印加する励磁電流が不要となる。
【００２０】
また、上述したロータ２の回転に伴って、一方のポールコア２２の端面に取り付けられた冷却ファン２５が回転するため、フロントハウジング７のプーリ９近傍の吸入窓を介して冷却風がオルタネータ１内部に吸入され、この冷却風がロータ２の径方向に排出されて、ステータコイル３２のフロント側半分が冷却される。同様にロータ２の回転に伴って他方のポールコア２３の端面に取り付けられた冷却ファン２６が回転するため、リヤカバー１０の吸入窓を介して吸入された冷却風が、上述したようにレクチファイヤ５やＩＣレギュレータ６あるいはブラシ装置４等を冷却した後、冷却ファン２６近傍まで導かれ、この冷却風がロータ２の径方向に排出されて、ステータコイル３２のリヤ側半分が冷却される。図１においては、このようにしてフロント側の冷却ファン２５によって吸入された後排出される冷却風の流れが矢印Ａ、Ｂによって示され、リヤ側の冷却ファン２６によって吸入された後排出される冷却風の流れが矢印Ｃ、Ｄによって示されている。
【００２１】
図２は、ロータ１のリヤ側のポールコア２３に取り付け固定された冷却ファン２６の詳細な形状を示す図である。なお、ロータ１のフロント側のポールコア２２に取り付け固定された冷却ファン２５も基本的に同様の形状を有しているため、以下ではリヤ側の冷却ファン２６について詳細な説明を行うものとする。
【００２２】
同図に示すように、冷却ファン２６は、ロータ２の回転軸と垂直方向、すなわちポールコア２３の回転軸方向の端面と平行に形成されたファン基板４０と、このファン基板４０から回転軸方向に延びた複数枚のファンブレード４２とによって構成されている。ファンブレード４２の枚数は、回転時に発生するファン音の各次数成分のピーク位置が、ロータ２やステータ３の各部の振動によって発生する各種の磁気音の各次数成分のピーク位置と一致しないように設定することが好ましい。例えば、ポールコア２２、２３の爪部の個数やステータコア３１のスロット数はいずれも３の倍数であるため、本実施形態のファンブレード４２の枚数は、３の倍数以外の枚数である１１枚に設定されている。
【００２３】
また、ファン基板４０には６個の溶接部４４が形成されており、各溶接部４４をポールコア２３に例えば抵抗溶接することにより、冷却ファン２６がポールコア２３の軸方向端面に取り付け固定される。なお、冷却ファン２６をポールコア２３の軸方向端面に取り付け固定する方法については、抵抗溶接以外の他の溶接方法やネジ止め等の他の接合方法を用いるようにしてもよい。
【００２４】
図３は、図２に示した冷却ファン２６を部分的に拡大してファンブレード４２の詳細形状を示す図である。また、図４は図３に示すファンブレード４２をＩ方向から見た拡大図である。図３および図４に示すように、ファンブレード４２は、平面形状を有する主面４２Ａと、この主面４２Ａと所定の角度θ1 をなすように折り曲げた外縁面４２Ｂとを有しており、平面形状の主面４２Ａの遠心方向外側の先端を部分的に回転方向の後方に傾斜させた形状を有している。図３に示すように主面４２Ａとロータ２の外周円４６の接線方向とのなす角度をθ2 とすると、上述した外縁面４２Ｂの傾斜角θ1 は、０〜θ2 の範囲で設定される。
【００２５】
上述した詳細形状を有する冷却ファン２６は、例えばプレス機を用いて鉄板を折り曲げることにより形成される。また、外縁面４２Ｂは、ファンブレード４２をファン基板４０と垂直に折り曲げた後に、その先端部分をさらに上述した所定の傾斜角θ1 だけ折り曲げることにより形成される。特に、図３に示すように、ファン基板４０の最外周４８よりさらに外側にファンブレード４２の外縁面４２Ｂを突出させているため、鉄板を用いて冷却ファン２６を形成する場合に、この外縁面４２Ｂの折り曲げを容易に行うことができる。
【００２６】
図５は、上述した外縁面４２Ｂを有する冷却ファン２６を用いたロータ２を所定方向に回転させた場合に、冷却ファン２６から吐出される冷却風の状態を示す図である。また、図６は従来のロータを回転させた場合に冷却ファンから吐出される冷却風の状態を示す図である。
【００２７】
図５および図６において、矢印Ｅは一枚のファンブレードに着目した場合の冷却風の吐出方向を示しており、領域Ｆはその吐出範囲を示している。上述したようにファンブレード４２の先端部分の外縁面４２Ｂが主面４２Ａに対して回転方向後方に傾斜しているため、図５に示すようにファンブレード４２から排出される冷却風の吐出範囲Ｆが広がり、しかも、先端部分である傾斜した外縁面４２Ｂの近傍における冷却風の吐出方向Ｅが分散されてその吐出圧が抑制される。特に、ロータ２の回転時にはファンブレード４２の先端部分の線速度が最も速く、またこの先端部分が最もステータコイル３２に接近しているため、この先端部分近傍における冷却風の吐出圧を抑制することができれば、この先端部分近傍から排出される冷却風がステータコイル３２に衝突して生じる干渉音や、ファンブレード４２の遠心方向の輪郭部分で生じる風切音を大幅に低減することができる。
【００２８】
また、図６に示した従来のロータに取り付けられた冷却ファンと比較すれば分かるように、本実施形態の冷却ファン２６は、ファンブレード４２の先端を部分的に傾斜させただけであり、その大部分を占める主面４２Ａは平面形状に形成されているため、風量自体は従来の冷却ファンとほとんど変わらず、冷却能力が特に低下することもない。
【００２９】
図７は、上述した冷却ファン２６を用いた本実施形態のオルタネータ１のファン音の騒音レベルを測定した結果を示す図であり、横軸はオルタネータ１の回転数を、縦軸は騒音レベル（１目盛りが１０ｄＢ）をそれぞれ示している。同図に示す実線Ｇが本実施形態のオルタネータ１に、点線Ｈが図６に示した平面形状のファンブレードを有するロータを用いた従来のオルタネータ（以後、「平面ブレードのオルタネータ」と称する）に、一点鎖線Ｋが図８に示す曲面形状を有するファンブレードを有するロータを用いた従来のオルタネータ（以後、「曲面ブレードのオルタネータ」と称する）にそれぞれ対応している。
【００３０】
図７に示すように、全周波数帯域の騒音レベルを示すオーバオール特性をみると、本実施形態のオルタネータ１は、従来の平面ブレードのオルタネータと比較すると全域で数ｄＢ騒音レベルが低くなっており、従来の曲面ブレードのオルタネータと比較しても一部の回転数範囲を除いて若干騒音レベルが低くなっている。
【００３１】
また、各次数成分の包絡線を示す次数包絡線特性についてもほぼ同様の結果が得られており、本実施形態のオルタネータ１は、従来の平面ブレードのオルタネータと比較すると全域で数ｄＢ騒音レベルが低くなっており、従来の曲面ブレードのオルタネータと比較するとほとんどの回転数域で数ｄＢ騒音レベルが低くなっている。
【００３２】
図９は、図７に騒音レベルの測定結果を示した３種類のオルタネータについて冷却風の風量を比較した結果を示す図である。図９に示すように、実線Ｇで示された本実施形態のオルタネータ１の風量は、点線Ｈで示された従来の平面ブレードのオルタネータの風量とほぼ同じであるといえる。一方、一点鎖線Ｋで示された従来の曲面ブレードのオルタネータの風量は、本実施形態のオルタネータ１の風量と比較すると低下の度合いが大きく、冷却能力も低下していることが予想される。
【００３３】
このように、本実施形態のオルタネータ１は、ファンブレード４２の先端を回転方向後方に傾斜させることにより、従来の平面ブレードのオルタネータに比べて、風量をほとんど低下させることなく、ファン音の騒音レベルを大幅に低減することができる。
【００３４】
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、上述した実施形態では、図３に示すように、ファンブレード４２の先端を部分的に傾斜させて外縁面４２Ｂを形成したが、図１０に示すように、ファンブレード４２の先端を部分的に湾曲させて外縁面４２Ｃを形成するようにしてもよい。図２を用いて説明したように主面４２Ａとロータ２の外周円４６の接線方向とのなす角度をθ2 とすると、外縁面４２Ｃの先端部分の接線方向の傾斜角（この接線と主面４２Ａとのなす角度）θ3 は、０〜θ2 の範囲で設定される。
【００３５】
このように先端部分を湾曲させて外縁面４２Ｃを形成した場合であっても、ファンブレード４２から排出される冷却風の吐出範囲が広がり、しかも先端部分である湾曲した外縁面４２Ｃの近傍における吐出圧が抑制されるため、ロータ２の回転時に外縁面４２Ｃの近傍で生じる風切音や、ステータコイル３２に冷却風が衝突することにより生じる干渉音を低減することができる。
【００３６】
また、上述した実施形態では、ファン基板４０に対して垂直にファンブレード４２を折り曲げた遠心式の冷却ファンの先端を部分的に傾斜あるいは湾曲させた場合を説明したが、図１１に示すように、ファン基板に対して９０度未満の角度でファンブレードを折り曲げた軸流式の冷却ファンの先端を部分的に傾斜あるいは湾曲させてもよい。また、本実施形態では、主面４２Ａを平面形状に形成したが、図８に示した従来の曲面形状を有するファンブレードの先端を部分的に傾斜あるいは湾曲させてもよい。
【００３７】
また、図１に示したように、上述した実施形態では冷却ファンを内蔵した内扇式のオルタネータについて説明したが、冷却ファンがハウジングの外部に取り付けられた外扇式のオルタネータについても本発明を適用し、冷却ファンの先端を部分的に回転方向後方に傾斜あるいは湾曲させてもよい。この場合には、冷却ファンの外周側にステータコイルが存在しないため、ステータコイルによる干渉音は生じないが、風切音の発生を効果的に抑えてファン音を低減することができる。
【００３８】
また、上述した実施形態の冷却ファン２５、２６は、一例として鉄板を折り曲げて形成するようにしたが、ファンブレードの先端を部分的に傾斜あるいは湾曲させればよいため、鉄板以外の金属板を用いて形成したり、板材以外の金属材料を用いて（例えば鋳物やアルミダイカストによって）形成したり、樹脂材料を用いて形成してもよい。
【００３９】
また、上述した実施形態では、ファンブレード４２の遠心方向外側の先端のみを部分的に傾斜あるいは湾曲させて外縁面としたが、併せてファンブレード４２の回転軸方向の外縁部を部分的に傾斜あるいは湾曲させて、この部分で生じる風切音をさらに低減するようにしてもよい。
【００４０】
また、ファンブレードの外縁のうち、回転速度が速く、風切音を生じやすい部分を選択して部分的に外縁面とするほかに、すべての外縁を外縁面としてもよく、またファンブレードの外縁の角部のみを回転方向後方に傾斜あるいは湾曲させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のオルタネータの全体構成を示す図である。
【図２】リヤ側の冷却ファンの詳細な形状を示す図である。
【図３】図２に示した冷却ファンを部分的に拡大してファンブレードの詳細形状を示す図である。
【図４】図３に示すファンブレードをＩ方向から見た図である。
【図５】図２に示す冷却ファンを用いたロータを回転させた場合にこの冷却ファンから吐出される冷却風の状態を示す図である。
【図６】従来の平面形状のファンブレードの冷却ファンを用いたロータを回転させた場合にこの冷却ファンから吐出される冷却風の状態を示す図である。
【図７】本実施形態のオルタネータのファン音の騒音レベルを測定した結果を示す図である。
【図８】曲面形状のファンブレードを有する従来の冷却ファンの詳細形状を示す図である。
【図９】本実施形態のオルタネータの冷却風の風量を測定した結果を示す図である。
【図１０】本実施形態の冷却ファンの変形例を示す図である。
【図１１】本実施形態の冷却ファンの変形例を示す図である。
【符号の説明】
１  オルタネータ
２  ロータ
３  ステータ
２２、２３  ポールコア
２５、２６  冷却ファン
４０  ファン基板
４２  ファンブレード
４２Ａ  主面
４２Ｂ、４２Ｃ  外縁面
【図１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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