(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスロットを形成してなる固定子鉄心と、この固定子鉄心に装備された多相の固定子巻線と、回転子とを有する回転電機において、
前記固定子巻線は、端部において互いに接合された複数のＵ字型導体セグメントを備えており、
前記Ｕ字型導体セグメントは、前記固定子鉄心の一端側に両方の先端が配置され、前記固定子鉄心の他端側にターン部が配置されており、
前記Ｕ字型導体セグメントは、
前記固定子鉄心の一端側において前記両方の先端が外端層および内端層として配置される第１のＵ字型導体セグメントと、
前記固定子鉄心の一端側において前記両方の先端が外中層および内中層として配置される第２のＵ字型導体セグメントとを含んでおり、
複数の前記スロットには、前記第１および第２のＵ字型導体セグメントが周方向に関して交互に配置されており、
前記固定子鉄心の他端側には、前記外端層と前記外中層とを接合する複数の接合部が環状に配置されるとともに、前記内端層と前記内中層とを接合する複数の接合部が環状に配置されていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１において、前記第１のＵ字型セグメントは前記スロット内の径方向の端寄りに配置されており、前記第２のＵ字型セグメントは前記スロット内の径方向の中央寄りに配置されていることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
複数のスロットを形成してなる固定子鉄心と、この固定子鉄心に装備された多相の固定子巻線とを有する回転電機の製造方法において、
前記固定子鉄心を製造し、
前記固定子鉄心に形成された複数の前記スロットの全てを使用して前記固定子巻線を装備する工程と、複数の前記スロットのうち所定数の前記スロットのみを使用して残りを未使用スロットとして前記固定子巻線を装備する工程とが選択され、前記固定子巻線を装備することを特徴とする回転電機の製造方法。
【請求項４】
複数のスロットを形成してなる固定子鉄心と、この固定子鉄心に装備された多相の固定子巻線とを有する回転電機の製造方法において、
前記固定子鉄心を製造し、
前記固定子鉄心に形成された複数の前記スロットのうち所定数の前記スロットのみを使用して残りを未使用スロットとして前記固定子巻線を装備する工程と、前記所定数より多い前記スロットを使用して残りを未使用スロットとして前記固定子巻線を装備する工程とが選択され、前記固定子巻線を装備することを特徴とする回転電機の製造方法。
【請求項５】
複数のスロットを形成してなる固定子鉄心と、この固定子鉄心の前記スロット内に複数の層をなして装備された多相の固定子巻線とを有する回転電機の製造方法において、
前記固定子鉄心を製造し、
前記固定子鉄心に形成された複数の前記スロットの全ての層を使用して前記固定子巻線を装備する工程と、前記スロット内の所定の層のみを使用して残りを未使用層として前記固定子巻線を装備する工程とが選択され、前記固定子巻線を装備することを特徴とする回転電機の製造方法。
【請求項６】
複数のスロットを形成してなる固定子鉄心と、この固定子鉄心の前記スロット内に複数の層をなして装備された多相の固定子巻線とを有する回転電機の製造方法において、
前記固定子鉄心を製造し、
前記固定子鉄心に形成された前記スロット内の所定数の層のみを使用して残りを未使用層として前記固定子巻線を装備する工程と、前記所定数より多い層を使用して残りを未使用層として前記固定子巻線を装備する工程とが選択され、前記固定子巻線を装備することを特徴とする回転電機の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機およびその製造方法に関し、例えば乗用車やトラック等あるいは船舶等に搭載されてエンジンによって駆動される車両用交流発電機に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
車両用交流発電機に用いられる固定子として、ＷＯ９８／５４８２３には、導体セグメントを固定子鉄心のスロットの一方の端面から挿入した後に端部同士を接合することによって固定子巻線を形成するものが示されている。これにより、径方向に沿った各層ごとに規則的な傾斜パターンを持つコイルエンドを形成し、各導体セグメント間の干渉をなくすことにより、高占積率化とセグメント間の通風による冷却性向上によって固定子巻線の熱損失を低減して、高出力化を図ろうとしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したＷＯ９８／５４８２３に開示された従来の構成では、車両用交流発電機に要求される出力電圧、立ち上がり回転数などの性能に応じて、巻線としてのターン数、固定子鉄心の内径Ｄ、あるいは軸方向長さＬといった諸元が定められる。
【０００４】
ところが、車両用交流発電機が搭載される車両は、エンジンの排気量、想定される電気負荷の量など、種々のバリエーションがある。このため、各車両に搭載される車両用交流発電機も、車両毎のバリエーションに対応して、種々の諸元を持つよう設計されていた。したがって、要求性能ごとに異なる固定子鉄心を製造し、それに応じた回転子やフレームを製造する必要があった。また、要求性能に合わせて製品諸元、製造設備を設計して車両用交流発電機の製造を行う必要があった。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決する新規な固定子巻線の配置を提案するものである。
【０００６】
本発明は、少ない固定子巻線をもった回転電機と、その製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明は、一部のスロットにのみ電気導体を収容した回転電機およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明は、スロット内に本来的に収容可能な電気導体の本数よりも、少ない本数の電気導体を１本のスロット内に収容した回転電機およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明は、固定子の冷却性を向上することを目的とする。
【００１０】
本発明は、複数の要求性能に対応可能な回転電機およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明は、固定子鉄心に大幅な変更を加えることなく、将来的な要求性能の変更への対応、あるいは複数の要求性能への対応が可能な回転電機およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するために、固定子鉄心の一端側において両方の先端が外端層および内端層として配置される第１のＵ字型導体セグメントと、固定子鉄心の一端側において両方の先端が外中層および内中層として配置される第２のＵ字型導体セグメントとを用い、複数のスロットに第１および第２のＵ字型導体セグメントを交互に配置し、外端層と外中層とを接合する複数の接合部が環状に配置されるとともに、内端層と内中層とを接合する複数の接合部が環状に配置されている構成を採用することができる。この構成では、先端が４層に分布して位置する２種類の導体セグメントを用いているので、各スロット内に隙間を残しながら、固定子鉄心の一端側のコイルエンドにおいて、複数の接合部を多重に配置することができる。スロット内の隙間は、空間として、あるいは充填部材が充填された未使用層とすることができる。この構成は、複数の接合部を多重の環状に配置することで、接合部間の距離を確保する。また、すべてのスロット内に第１および第２のＵ字型導体セグメントの両方を収容した構成との相違点を少なくすることができ、製造工程における変更を少なくすることができる。
【００２５】
第１のＵ字型セグメントがスロット内の径方向の端寄りに配置され、第２のＵ字型セグメントがスロット内の中央寄りに配置される構成をとることができる。この構成では、複数のＵ字型導体セグメントをスロット内に隙間を残しながら均等に分散させて配置することができる。
【００３１】
上記目的を達成するために、複数のスロットのすべてを使用して固定子巻線を装備する工程と、複数のスロットのうち所定数のスロットのみを使用して残りを未使用スロットとして固定子巻線を装備する工程とが選択され、前記固定子巻線を装備するという製造方法を採用することができる。
また、上記目的を達成するために、複数のスロットのうち所定数のスロットのみを使用して残りを未使用スロットとして固定子巻線を装備する工程と、この所定数よりも多いスロットを使用して残りを未使用スロットとして固定子巻線を装備する工程とが選択され、前記固定子巻線を装備するという製造方法を採用することができる。
これらの製造方法によると、固定子鉄心を共用して、複数の固定子巻線を装備することができる。出力バリエーションを増やすことができる。
【００３３】
上記目的を達成するために、スロットの全ての層を使用して固定子巻線を装備する工程と、スロット内の所定の層のみを使用して残りを未使用層として固定子巻線を装備する工程とが選択され、前記固定子巻線を装備するという技術的手段を採用することができる。
また、上記目的を達成するために、スロット内の所定数の層のみを使用して残りを未使用層として固定子巻線を装備する工程と、前記所定数より多い層を使用して残りを未使用層として固定子巻線を装備する工程とが選択され、前記固定子巻線を装備するという技術的手段を採用することができる。
これらの製造方法によると、同じ固定子鉄心を用いて異なる固定子巻線を装備することができる。固定子鉄心を共用して、固定子巻線の異なる製品バリエーションを実現することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した回転電機の一実施形態として、本発明を適用した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。
【００３５】
〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。図１に示す車両用交流発電機１は、円筒形の固定子２と、この固定子２の内側に対向して配置された回転子３と、これらを支持するフレーム４と、整流器５とを含んで構成されている。
【００３６】
固定子２は、固定子鉄心２２と、固定子巻線２１を構成する複数の種類の導体セグメント２３と、固定子鉄心２２と各導体セグメント２３との間を電気絶縁するインシュレータ２４とを備えている。固定子鉄心２２は、所定厚さの積層板を複数枚数重ねることによって形成された積層鉄心として形成されており、これらの積層板を貫いて延びる複数のスロットが形成されている。インシュレータ２４は電気絶縁性の樹脂シートである。固定子巻線２１は、多相の固定子巻線としての三相固定子巻線である。固定子巻線２１の詳細な構造については後述する。
【００３７】
回転子３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界磁巻線３１を有する。界磁巻線３１は、それぞれが６個の爪部を有するポールコア３２によって、両側から挟まれている。そして、これらを回転軸３３が貫通している。また、フロント側のポールコア３２の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すための冷却ファン３５が溶接等によって取り付けられている。同様に、リヤ側のポールコア３２の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すための冷却ファン３６が溶接等によって取り付けられている。また、回転軸３３のリヤ側端部近傍には、界磁巻線３１の両端に電気的に接続された２つのスリップリング３７、３８が形成されている。フレーム４には、これらのスリップリング３７、３８に給電するブラシ装置７が設けられている。界磁巻線３１には、スリップリング３７、３８と、ブラシ装置７とを介して給電される。
【００３８】
フレーム４は、固定子２および回転子３を収容している。フレーム４には、回転子３が回転軸３３を中心に回転可能な状態で支持されている。フレーム４には、回転子３のポールコア３２の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム４は、固定子鉄心２２の軸方向端面から突出した固定子巻線２１のコイルエンドを冷却する冷却風の通風路を提供している。フレーム４は、フレーム４の外周壁に形成され、コイルエンドの径方向外側に位置する複数の吐出窓４１と、フレーム４の軸方向端面の壁面に位置する複数の吸入窓４２とを有している。
【００３９】
車両用交流発電機１のプーリ２０には、ベルト等を介してエンジン（図示せず）からの回転力が伝えられる。プーリ２０は回転子３とともに所定方向に回転する。この状態で、回転子３の界磁巻線３１に外部から励磁電圧を印加する。界磁巻線３１に流れる電流は、ポールコア３２のそれぞれの爪部を励磁し、回転子３の回転周方向に沿って交互にＮＳ磁極が形成される。回転子３からの磁束は固定子２に鎖交し、固定子巻線２１に三相交流電圧を発生させる。この三相交流電圧は、整流器５によって整流され、整流器５の出力端子からは直流の出力が得られる。
【００４０】
次に、固定子２の詳細について説明する。図２は、固定子２の部分的な断面図である。図２に示すように、固定子鉄心２２は、回転周方向に沿って交互に配置された複数のスロット２５、２５０を有している。第１のスロットとしてのスロット２５には、多相の固定子巻線２１を構成する複数本の電気導体が収容されている。このように固定子巻線２１が収容されたスロット２５を基本スロットと称する。本実施形態では、回転子３の磁極数に対応して、三相の固定子巻線２１を収容するように、３６個の基本スロット２５が回転周方向に等間隔に配置されている。隣接する基本スロット２５によって挟まれた部分の全体が基本ティース２６０を構成している。
【００４１】
また、第２のスロットとしてのスロット２５０は、未使用スロットとしての空スロットであって、固定子巻線２１は収容されていない。このように固定子巻線２１が収容されていないスロット２５０を予備スロットと称する。予備スロット２５０は、基本スロットの中間部に等間隔に３６個配置されている。予備スロット２５０は、上述した基本ティース２６０の中に形成されており、この基本ティース２６０の中で予備スロット２５０の両側に形成された２つのティース２６１、２６２が予備ティースを形成している。
【００４２】
また、スロット２５０の軸方向両側は、開口している。スロット２５０の径方向内側も開口している。このスロット２５０には、冷却媒体としての冷却風が導入される。この実施形態では、冷却ファン３５と冷却ファン３６とのファン能力に差を持たせるなどにより、スロット２５０の軸方向両端に圧力差を生じさせる。これによって、スロット２５０内を軸方向に風が流れる。
【００４３】
このように、本実施形態の固定子２には、７２本のスロットのうち、半分の基本スロットであるスロット２５のみに固定子巻線２１が装備されている。固定子鉄心２２に形成された複数のスロットの中から１つおきに予備スロットであるスロット２５０が間引かれている。また、基本スロット間に形成された基本ティースは、その回転周方向の範囲内に、基本スロットと同じ形状を有する予備スロットを１以上形成してもなおその予備スロットの両側には予備ティースを形成しうる周方向の幅がある。これにより所要の磁束通路としての断面積が確保される。なお、上述したスロットとは固定子巻線２１を構成する電気導体を複数本収納できる面積を持つものであり、スリットのような空隙は含まれないものとする。
【００４４】
固定子鉄心２２のスロット２５には互いに絶縁された偶数本（本実施形態では４本）の電気導体が収容されている。また、一のスロット内の４本の電気導体は、図２に示すように固定子鉄心２２の径方向に関して内側から内端層、内中層、外中層、外端層の順で一列にのみ配列されている。なお、１のスロット内に二列の電気導体を配列することも可能である。
【００４５】
この実施形態では、スロット内に収容される電気導体は、複数の導体セグメント２３によって提供される。図３に示すように、一のスロット２５内の内端層の電気導体２３１ａは、固定子鉄心２２の時計回り方向に向けて磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の外端層の電気導体２３１ｂと対をなしている。そして、これらの電気導体２３１ａ、２３１ｂは、固定子鉄心２２の軸方向の一方の端面側においてターン部２３１ｃを経由することで接続される。同様に、一のスロット２５内の内中層の電気導体２３２ａは固定子鉄心２２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２５内の外中層の電気導体２３２ｂと対をなしている。そして、これらの対をなす電気導体２３２ａ、２３２ｂは、固定子鉄心２２の軸方向の一方の端面側においてターン部２３２ｃを経由することで接続される。
【００４６】
したがって、固定子鉄心２２の一方の端面側においては、外中層の電気導体２３２ｂと内中層の電気導体２３２ａとをターン部２３２ｃを経由して接続する連続線を、外端層の電気導体２３１ｂと内端層の電気導体２３１ａとをターン部２３１ｃを経由して接続する連続線が囲むこととなる。このように、ターン部２３２ｃが、同じスロット２５内に収容された他の電気導体のターン部２３１ｃにより囲まれる。内中層の電気導体２３２ａと外中層の電気導体２３２ｂとの接続により中層コイルエンドが形成され、内端層の電気導体２３１ａと外端層の電気導体２３１ｂとの接続により端層コイルエンドが形成される。
【００４７】
一方、一のスロット２５内の内中層の電気導体２３２ａは、固定子鉄心２２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２５内の内端層の電気導体２３１ａ′とも対をなしている。これらの電気導体２３２ａ、２３１ａ′は固定子鉄心２２の軸方向の他方の端面側において接合により接続される。同様に、一のスロット２５内の外端層の電気導体２３１ｂ′は、固定子鉄心２２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２５内の外中層の電気導体２３２ｂとも対をなしている。これらの電気導体２３１ｂ′、２３２ｂは固定子鉄心２２の軸方向の他方の端面側において接合により接続される。
【００４８】
したがって、固定子鉄心２２の他方の端面側においては、外端層の電気導体２３１ｂ′と外中層の電気導体２３２ｂとを接続する外側接合部２３３ｂと、内端層の電気導体２３１ａ′と内中層の電気導体２３２ａとを接続する内側接合部２３３ａとが、径方向並んで配置されている。外端層の電気導体２３１ｂ′と外中層の電気導体２３２ｂとの接続、および内端層の電気導体２３１ａ′と内中層の電気導体２３２ａとの接続により、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。
【００４９】
さらに、図３に示すように、内端層の電気導体２３１ａと外端層の電気導体２３１ｂとが、一連の電気導体をほぼＵ字状に形成してなる導体セグメントとしての大セグメント２３１により提供される。そして、内中層の電気導体２３２ａと外中層の電気導体２３２ｂとが一連の電気導体をほぼＵ字状に形成してなる導体セグメントとしての小セグメント２３２より提供される。基本となるＵ字状の導体セグメント２３は、大セグメント２３１と小セグメント２３２によって形成される。各セグメント２３１、２３２は、スロット２５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斜行部２３１ｆ、２３１ｇ、２３２ｆ、２３２ｇを備える。これら斜行部によって、固定子鉄心２２から軸方向の両端面に突出するコイルエンドが形成されており、回転子３の軸方向の両端面に取り付けられた冷却ファン３５、３６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。
【００５０】
以上の構成を、引き出し線を形成する一部のスロットを除いて、複数のスロット２５について繰り返す。これにより、重ね巻による固定子巻線が形成される。
【００５１】
図４は、固定子巻線の巻線図である。三相（Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相）の中のＸ相の巻線状態が示されている。Ｘ相は、スロット番号１、７、……６７のスロット２５に形成される。図中、外端層の電気導体２３１ｂは一点鎖線で、外中層の電気導体２３２ｂは破線で、内中層の電気導体２３２ａは実線で、内端層の電気導体２３１ａは二点鎖線でそれぞれ示してある。図４に図示されるように、スロット番号１とスロット番号６７とには、引き出し線Ｘ１、Ｘ２を提供するために異形セグメントが配置されている。この実施形態では、異形セグメントはＵ字型の異形セグメントと、Ｉ字型の異形セグメントとが含まれる。
【００５２】
この実施形態では、スロット番号１〜７２のスロットが形成されており、１、３、５、７……６９、７１が使用スロット２５であり、２、４、６、８……６７０、７２が、未使用スロット２５０の番号である。１２０度だけ電気角がずれたＹ相は、スロット番号３、９、……６９のスロット２５に形成される。また、１２０度だけ電気角がずれたＺ相は、スロット番号５、１１、……７１のスロット２５に形成される。
【００５３】
図５は、導体セグメントが固定子鉄心２２に装備された状態を示す斜視図である。図５に示すように、各導体セグメントは、１つおきのスロット２５に配置され、外側接合部２３３ｂ、内側接合部２３３ａにおいて接合されている。
【００５４】
このように、本実施形態の車両用交流発電機に用いられる固定子２は、通風専用の空きスロット２５０を設けることにより、固定子鉄心２２を冷却して、スロット２５に装備された固定子巻線２１の冷却性を向上させることができる。したがって、全てのスロット２５、２５０に固定子巻線２１が装備された場合に比べ、巻線数を減らして出力をダウンさせた車両用交流発電機を容易に製造することができ、しかも冷却性の向上によって巻線数を半減した割りには出力の低下を少なくすることができる。
【００５５】
同じ固定子鉄心２２を用いて、全てのスロット２５、２５０に固定子巻線２１を装備することが可能なので、固定子鉄心２２やこれに合わせた他の部品の製造や組み付け工程の設備の変更を行うことなく、出力のバリエーションを増やすことができる。
【００５６】
また、固定子巻線２１が装備されたスロット２５と固定子巻線２１が装備されないスロット２５０とを交互に配置することにより、スロット２５内の固定子巻線２１の温度が局部的に高くなることがなく、均一かつ安定して固定子巻線２１の冷却を行うことができる。
【００５７】
また、導体セグメント２３を用いて固定子巻線２１を形成することにより、固定子鉄心２２から軸方向に突出した固定子巻線２１のコイルエンドでの導体セグメント２３同士の隙間形成を容易にして冷却性を向上させることができ、スロット２５の内外に配置された固定子巻線２１の全体を効率よく冷却することができる。
【００５８】
また、図２に示したように、スロット２５に収容される４本の電気導体の断面形状が、スロット２５の形状に沿ったほぼ矩形状に形成されている。電気導体の断面形状が、スロット２５の内壁に沿った平行面を有しているため、各電気導体からスロット２５の内壁面への良好な伝熱性を実現することができる。したがって、軸方向に冷却風が通るスロット２５０の存在とあいまって、固定子巻線２１の冷却性をさらに向上させることができる。
【００５９】
また、上述した固定子鉄心２２は、基本スロットとしてのスロット２５と予備スロットとしてのスロット２５０とが同じ形状に形成されているため、固定子巻線２１の巻線仕様を変更するだけで、複数の出力バリエーションを有する車両用交流発電機を製造することができる。すなわち、上述した１種類の固定子鉄心２２を製造した後に、２種類の固定子巻線を選択して装備するという製造方法を採用することができる。図５の如く、１つおきのスロット２５のみに固定子巻線２１を装備した固定子２と、図６に示すように全てのスロットを使用して固定子巻線を装備した固定子とをそれぞれ選択的に製造することができる。これにより、固定子鉄心２２に変更を加えることなく、将来的な要求性能の変更あるいは複数の要求性能に対応可能である。１スロットあたりの巻線数を変更する場合以上に多くの種類の出力バリエーションを有する車両用交流発電機を製造することができる。また、固定子鉄心については設計変更が不要であるため、固定子鉄心の製造や組み付け工程の設備の変更等が不要であり、新たな設備の追加を抑えることができる。
【００６０】
〔第１の実施形態の変形例〕
図２の空スロット２５０に代えて、図７に示すように、内周側に開口部を持たない空スロット２５１を予備スロットとして採用することができる。この場合、スロット２５１内の軸方向に冷却風を通しつつ、回転子３の外周に対向する固定子鉄心２２１の内周面積を増やして、より多くの磁束を固定子２に取り込むことができるため、さらに出力向上を図ったバリエーションの拡大が可能になる。特に、固定子鉄心２２の形状を若干変更するだけであるため、少ない設備変更のみで、出力が異なる複数の機種への転用が可能となる。この構成では、固定子鉄心の成形型の変更が必要となる。
【００６１】
さらに、スロット２５１に、図８に示すように絶縁樹脂等の充填部材２５２を充填してもよい。これにより、スロット２５１の軸方向の端部は塞がれ、冷却用の空気が入ることがない。これにより、固定子鉄心２２、２２１の剛性を高めることが可能であり、発電時に固定子２が振動することにより生じる磁気的な騒音を低減することができる。この構成では、さらに樹脂充填工程が付加される。
【００６２】
さらに、図９に示すように、予備スロットを形成可能な幅をもった基本ティース２６０のみを設ける構成を採用することができる。図７におけるスロット２５１を固定子鉄心２２の材料で完全にふさいで、基本スロット２５のみが形成される。すなわち、予備スロットには、現実に内部空間が形成された、あるいは内部空間に充填部材が形成されたもの以外に、現実には形成されていない仮想のスロットも含まれる。仮想のスロットを含むように基本スロットを形成するということは、回転周方向の幅が広い基本ティースを形成するということであり、回転子３の外周に対向する固定子鉄心の内周面積を増やすとともに、固定子鉄心内の磁気的な抵抗を減らすことができるため、巻線数を減らすことによる出力の低下を抑えることができ、出力のバリエーションをさらに増やすことができる。この構成でも固定子鉄心の成形型が変更される。
【００６３】
また、図１０に示すように、未使用スロット２５３の回転周方向に沿った幅をスロット２５よりも狭くしてもよい。この場合、固定子鉄心２２内の磁路面積が広がるので、上述したスロット２５１を用いた場合と同様に、より多くの磁束を固定子２に取り込むことができる。よって、スロット２５３の成形型を若干変更するという簡便な方法で、容易に出力バリエーションを拡大することがきる。
【００６４】
また、上述した実施形態では、固定子２のみを変更して出力のバリエーションを増やすことを考えたが、固定子鉄心２２の形状や固定子巻線２１の巻線仕様等を変更する際に、回転子３の仕様も同時に変更するようにしてもよい。例えば、固定子２の変更を行う際に、要求性能に合わせて、回転子３の極数を変更して磁極ピッチも変更するようにしてもよい。
【００６５】
また、第１の実施形態では、コイルエンドの一方に、ターン部２３１ｃ、２３２ｃを軸方向に重ねて配置したが、重ねることなく、接合部側のコイルエンドと同様に並列配置としてもよい。例えば、図１１に示す導体セグメント１２３を用いる。図１２に示した巻線仕様を構成する。この実施形態では、各セグメント１２３の接合部１２７を接合するとともに、異形セグメントとしての反転部３３１を設ける。これにより、１スロットあたり４本の電気導体を配置できる。また、コイルエンドには、導体間に通風路を形成して冷却性を向上させることができる。そして、出力低下を抑えて出力バリエーションをさらに増やすことができる。
【００６６】
また、スロット２５内に配置される導体セグメントは、ターン部を持つＵ字状ではなく、図１３に示すほぼＳ字状のセグメント２２３としてもよい。この場合には、両側のコイルエンドで導体セグメント２２３の端部同士を接合して巻線を形成する。Ｕ字状の導体セグメントと同様にコイルエンドの導体間に通風路を形成して、冷却性を向上させることができる。
【００６７】
また、第１の実施形態では、スロットあたりの導体数を４としたが、６以上の偶数としてもよい。この場合にも、同様の導体配置および接合状態を実現することができるため、コイルエンドの通風および空スロット内の通風が可能になって、冷却性が向上し、さらに出力のバリエーションを増やすことができる。
【００６８】
また、上述した実施形態では、各種の導体セグメントを用いて固定子巻線を形成する場合を説明したが、連続線を用いて固定子巻線を形成するようにしてもよい。この場合には、接合工程をなくすことができる。この結果、複数種類の固定子巻線が有する接合点の数の違いに対応するための製造工程の調整が不要になる。よって、出力バリエーションを増やす際の製造設備の変更を極力抑えることができる。
【００６９】
なお、第１の実施形態では、スロット２５０内を軸方向に通風するために、発電機内部の２つの冷却ファンを用いたが、フレーム外に冷却ファンを設けてフレーム内全体を軸方向に通風することによってスロット２５０内に、軸方向の通風を実現するようにしてもよい。また、冷却媒体としては水を用いることもできる。
【００７０】
さらに、コイルエンドにおける導体セグメントの傾斜角度を大きくすることで、それら導体間の間隔を狭めた構成を採用することができる。この構成は、コイルエンドの軸方向高さを低減する。さらにこの構成は、コイルエンドにおける導体間への通風を不可能とする。コイルエンドに通風されない構成においても、三相巻線のそれぞれが均等に冷却される。
【００７１】
〔第２の実施形態〕
第２の実施形態を、図１４と図１５により説明する。この第２の実施形態では、電気導体を全く収容しない未使用スロット２５０と、すべての層に電気導体を収容した使用スロット２５と、一部の層が未使用層として残された半使用スロット２５５とが配置される。この第２の実施形態では、半使用スロット２５５には２本だけの電気導体が収容される。しかも、この半使用スロット２５５は、固定子鉄心２２上に等間隔に位置する１２本のスロット群のうち、４本のスロットだけに対応する。残る８本のスロットは、未使用スロット２５０である。そして、半使用スロット２５５内の電気導体は、隣接する使用スロット２５の電気導体と直列接続される。
【００７２】
図１４には、Ｘ相の巻線の配置が示されている。Ｘ相の巻線を収容する使用スロット２５は、スロット番号１＋６ｎ（ｎ＝０〜１１）である。これら使用スロット２５のうちの４つのスロット番号１、７、１３、１９のみに隣接するスロット番号７２、６、１２、１８だけが、半使用スロット２５５とされている。そして、スロット番号６７から異形セグメントによってスロット番号７２に接続され、端部が引き出し線Ｘ２′として引き出されている。このように、使用スロット２５に隣接する複数のスロットのうちの一部のみを半使用スロット２５５とすることができる。
【００７３】
図１５は、図１４の巻線仕様によって形成された固定子の部分的な断面図である。半使用スロット２５５では、４つの層（内端層、内中層、外中層、外端層）の内の２つの層のみが使用され、残りの２つの層は未使用層（空層）となっている。例えば、Ｘ層のスロット番号１９に隣接するスロット番号１８のスロット２５５では、内端層の電気導体２３１ａと外中層の電気導体２３２ｂ′のみが収容されており、それ以外の内中層と外端層については未使用層になっている。
【００７４】
Ｙ相とＺ相も同様にして構成される。Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相のそれぞれに隣接する４つのスロット２５５のみに固定子巻線２１を構成する電気導体が収容される。この実施形態では、７２本のスロットのうち、半数の３６本が使用スロット２５である。残る３６本のスロットのうちの１２本のスロット２５５のみに部分的に電気導体が収容される。残る２４本のスロット２５０については電気導体が全く収容されない未使用スロットの状態で使用される。この実施形態では、１スロットあたりの電気導体の収容本数を、平均的に見て約４．７（＝４＋（４／１２×２））本に設定することができる。以上により、新たな出力バリエーションを得ることができる。また、未使用層については、軸方向に冷却風を流すことにより、固定子巻線２１の冷却性を向上させることができる。あるいは、未使用層を絶縁樹脂等の充填部材によってふさぐようにしてもよく、この場合には固定子の剛性を高めることができるため、発電時に固定子巻線２１が振動することにより生じる磁気的な騒音を低減することができる。
【００７５】
〔第２の実施形態の変形例〕
一般に、１相あたりの巻線についてスロット２５内を満たす巻線数をｘ、回転子３のＮＳ磁極数をＰ、電気導体を部分的に収容する半使用スロット２５５の数をｍ、半使用スロット２５５に収容される電気導体の数をｙとおくと、１スロットあたりの巻線数Ｔは、Ｔ＝ｘ＋（ｍ／Ｐ×ｙ）ただしｍ≦Ｐで表される。
【００７６】
例えば、ｍ＝Ｐ、ｙ＝２、ｘ＝４の場合の巻線仕様例を図１６に示す。このとき、１スロットあたりの巻線数Ｔは６本となる。
【００７７】
〔第３の実施形態〕
第３の実施形態を図１７と図１８により説明する。この実施形態では、ｍ＝Ｐ、ｙ＝２、ｘ＝２である。そして、各スロットには２本づつの電気導体が収容される。また、隣接して対をなす２つのスロットの電気導体が重ね巻によって直列接続される。これら２つのスロットに収容された電気導体が直列接続されて、一の相の固定子巻線を構成する。この実施形態では、多相固定子巻線としての三相固定子巻線が提供される。この実施形態では、すべてのスロットが半使用スロットである。スロット２５６には、その径方向の外端寄りの外端層と、内端寄りの内端層とに電気導体が収容される。外中層と内中層とは未使用層として残される。スロット２５７には、その径方向の中央寄りの外中層と内中層とに電気導体が収容され、外端層と内端層とは未使用層として残される。このような２種類の未使用層の配置をもったスロット２５６と２５７とが、固定子鉄心の全周にわたって交互に配置される。
【００７８】
この実施形態では、電気導体は複数の導体セグメントによって提供される。基本セグメントとして２種類の導体セグメントが用いられ、引き出し線の提供のために異形セグメントが用いられる。異形セグメントとして、２本の引出線セグメントＸ１、Ｘ２と、ジャンパ線セグメントＸ３とが用いられる。そして、これら導体セグメントによって固定子鉄心の両端にコイルエンドが形成される。その一方のコイルエンドには各導体セグメントのターン部が配置され、他方のコイルエンドには各導体セグメントの先端部が配置される。この他方のコイルエンドには、内端層から延びだす導体セグメントの先端部と、内中層から延びだす導体セグメントの先端部とを接合する内側接合部２３３ａと、外端層から延びだす導体セグメントの先端部と、外中層から延びだす導体セグメントの先端部とを接合する外側接合部２３３ｂとが形成される。そして、複数の外側接合部が環状に配列され、複数の内側接合部が環状に配列される。なお、各導体セグメントのスロット内における位置は相対的に重要ではない。この実施形態では、他方のコイルエンドにおいて複数の接合部２３３ａ、２３３ｂを形成するために、各導体セグメントの先端部が４つの層をなすことが重要である。この構成は、すべての層に電気導体を配置した固定子巻線（図６）と固定子鉄心を共用し、しかも製造設備、製造工程の変更を少なく抑えるために有効である。この実施形態では、スロット内における電気導体の位置は、図１７の位置からずれることがあり、例えば径方向に偏る場合がある。
【００７９】
図１８は第３の実施形態の巻線仕様を示す配線図である。図１８は、多相巻線としての三相巻線のうち、Ｘ相のみを示している。Ｙ相、Ｚ相も、同様に構成される。基本セグメントは、第１および第２セグメントとしての大セグメント２３１と小セグメント２３２とを有する。これらの導体セグメント２３１、２３２の平行な２本の直線部は、所定の磁極ピッチ離れた２本のスロット内にそれぞれが収容される。大セグメント２３１は外端層と内端層とに位置するために適合した形状を有し、小セグメント２３２は外中層と内中層とに位置するために適合した形状を有する。複数の導体セグメントは、磁極ピッチに対応する６スロット離れた２本のスロットに収容される。例えば、小セグメント２３２は、スロット番号１とスロット番号７とに収容され、これらがスロット２５７を形成する。大セグメント２３１は、スロット番号２とスロット番号８とに収容され、これらがスロット２５６を形成する。このような２種類の導体セグメントを隣接するスロットに交互に配置した構成が、固定子鉄心の全周にわたって形成される。
【００８０】
大セグメント２３１の内端層から延びだす先端部と、５スロット離れて位置する小セグメント２３２の内中層から延びだす先端部とが接合されて内側接合部２３３ａが形成される。大セグメント２３１の外端層から延びだす先端部と、７スロット離れて位置する小セグメント２３２の外中層から延びだす先端部とが接合されて外側接合部２３３ｂが形成される。従って、内側接合部２３３ａは、磁極ピッチである６スロットよりも１少ない５スロット離れた導体セグメントを接続し、外側接合部２３３ｂは、磁極ピッチである６スロットよりも１多い７スロット離れた導体セグメントを接続する。これら接合部２３３ａ、２３３ｂは、固定子鉄心からの軸方向高さが同じとされる。この結果、１つの相の巻線は、重ね巻である。例えば、２−８−１３―７―１４……のスロット番号に順に収容された電気導体により一連の重ね巻が形成される。従って、この実施形態では、隣接する２つのスロットに分散した重ね巻が形成される。
【００８１】
この実施形態によると、すべてのスロットに電気導体を均等に分散させることができ、しかも複数の接合部を規則的に配列することができる。
【００８２】
車両用交流発電機の製造工程においては、この第３の実施形態の固定子巻線と、図６に示す固定子巻線とを選択して、同じ形状の固定子鉄心に装備するという製造方法を取ることができる。これにより、固定子鉄心を共用して、しかも製造工程を大幅に変更することなく２種類の車両用交流発電機を製造することができる。
【００８３】
〔第３の実施形態の変形例〕
図１８に示した構成に代えて、図１９の構成を採用することができる。この変形例は、複数の接合部２３３ａ、２３３ｂの配置が異なる。外側接合部２３３ｂは、内側接合部２３３ａに比べて、固定子鉄心から軸方向に離れて位置している。この構成では、各接合部２３３ａ、２３３ｂへ向かう電気導体の傾斜角度を均等にすることができる。このような構成は、コイルエンドにおける通風性の向上あるいは製造上の利点を提供する。
【００８４】
第３の実施形態では、大セグメント２３１のターン部２３１ｃと、小セグメント２３２のターン部２３２ｃとを、軸方向に関して同じ高さとすることができる。この構成では、全てのセグメントのターン部の高さを一定にして、冷却性の利点、あるいは製造上の利点を得ることができる。
【００８５】
また、図１８、図１９の径方向の内外を反転した構成を採用してもよい。
【００８６】
また、図１７に代えて、図２０のような配置を採用することができる。全てのスロットが半使用スロット２５８、２５９である。この実施形態では、内端層と外中層とに電気導体を収容したスロット２５８と、外端層と内中層とに電気導体を収容したスロット２５９とが交互に配置される。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態の固定子の部分的な断面図である。
【図３】第１の実施形態の固定子巻線を構成する導体セグメントの斜視図である。
【図４】第１の実施形態の固定子巻線の固定子鉄心上における配線図である。
【図５】第１の実施形態の導体セグメントの接合部側のコイルエンドを示す固定子の部分的な斜視図である。
【図６】全てのスロットに導体セグメントが装備された固定子の部分的な斜視図である。
【図７】変形例の固定子の部分的な断面図である。
【図８】変形例の固定子の部分的な断面図である。
【図９】変形例の固定子の部分的な断面図である。
【図１０】変形例の固定子の部分的な断面図である。
【図１１】変形例の導体セグメントの斜視図である。
【図１２】変形例の固定子巻線の固定子鉄心上における配線図である。
【図１３】変形例の導体セグメントの斜視図である。
【図１４】変形例の固定子巻線の固定子鉄心上における配線図である。
【図１５】第２の実施形態の固定子の部分的な断面図である。
【図１６】第２の実施形態の固定子巻線の固定子鉄心上における配線図である。
【図１７】変形例の固定子の部分的な断面図である。
【図１８】第３の実施形態の固定子の部分的な断面図である。
【図１９】第３の実施形態の固定子巻線の固定子鉄心上における配線図である。
【図２０】変形例の固定子巻線の固定子鉄心上における配線図である。
【符号の説明】
１  車両用交流発電機
２  固定子
３  回転子
４  フレーム
５  整流器
２１  固定子巻線
２２  固定子鉄心
２３  導体セグメント
２４  インシュレータ
２５、２５０  スロット
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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