(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子コイルを有する固定子コア、この固定子コアの内径側に設けられ回転軸に固定された第一の回転子コアと第二の回転子コア、この第一の回転子コアと第二の回転子コアとを磁化する界磁コイル、前記第一の回転子コアと前記第二の回転子コアとから前記回転軸の軸方向に延長して設けられ、所定の隙間を介して交互に噛み合うように配列されると共に、前記固定子コアの内径面に所定の空隙を介して対向するように設けられた複数の磁極片を備え、この磁極片が前記固定子コアの内径面と対向する部分に於いて先端部ほど回転方向に幅が狭くなる略梯形状に形成されると共に、この磁極片の回転方向両側面の前記軸方向に対する傾斜角が根元側において小さく、先端側において大きく設定されたことを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項２】
磁極片両側面の傾斜角を、根元側から先端に至る全長の内、根元側から約２／３の間の角度を小さく、先端側の約１／３の間の角度を大きく設定したことを特徴とする請求項１に記載の車両用交流発電機。
【請求項３】
磁極片の固定子コアと対向する外面と回転方向両側面との角部に面取りがなされたことを特徴とする請求項１、または、請求項２に記載の車両用交流発電機。
【請求項４】
磁極片の外面と回転方向両端面との角部になされた面取りの回転方向の幅寸法を、磁極片の根元側において小さく、先端側において大きく設定したことを特徴とする請求項３に記載の車両用交流発電機。
【請求項５】
磁極片の外面と回転方向両端面との角部になされた面取りの半径方向の深さを、磁極片の根元側において小さく、先端側において大きく設定したことを特徴とする請求項３、または、請求項４に記載の車両用交流発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ランドル型の回転子を有する車両用交流発電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７ないし図１１は、従来の車両用交流発電機の構成を示すもので、図７は発電機の断面図、図８は回転子の斜視図、図９は固定子の斜視図、図１０は固定子コアの斜視図、図１１は回転子コアと固定子コアとの関係を示す説明図である。図７において、１はフロントブラケット、２はリヤブラケット、３はフロントブラケット１とリヤブラケット２とに挟持された固定子で、固定子３は図７と図９と図１０とに示すように固定子コア４と固定子コア４のスロット４ａ内に巻挿された三相の固定子コイル５とにより構成されている。
【０００３】
図７と図８とにおいて、６は両端がフロントブラケット１とリヤブラケット２とに支承された回転軸７に固定された回転子であり、第一の回転子コア８と、第二の回転子コア９と、両回転子コア８と９との間に巻回された界磁コイル１０と、両回転子コア８と９との背面に設けられたファン１１および１２と、回転軸７のフロントブラケット１側の外側に設けられたプーリ１３と、回転軸７のリヤブラケット２側の内側に設けられ、界磁コイル１０に電流を供給するスリップリング１４とにより構成されている。なお、１５はスリップリング１４に電流を供給するブラシ、１６はこのブラシ１５を保持するブラシホルダ、１７は固定子コイル５の交流出力を整流する整流器、１８は界磁コイル１０の電流を調整して固定子コイル５の出力電圧を制御するレギュレータである。
【０００４】
また、第一の回転子コア８と第二の回転子コア９とには、固定子コア４の内径面と対向する部分に図８と図１１とに示すように、先端部ほど回転方向に幅が狭くなった略梯形状の磁極片８ａと９ａとがそれぞれ複数個形成され、これらの磁極片８ａと９ａとは所定の隙間を介して交互に噛み合うように配置されると共に交互にＮ極とＳ極とに磁化されている。また、各磁極片８ａと９ａの固定子コア４と対向する外面と回転方向両端面との角部には、固定子コア４の内径面との間に形成される空隙の磁束分布を平滑にして電磁音を抑制するための面取り８ｂと９ｂとが設けられている。
【０００５】
このように構成された従来の車両用交流発電機において、車両に搭載された図示しないバッテリからブラシ１５とスリップリング１４とを介して界磁コイル１０に通電がなされ、回転子６がプーリ１３を介して内燃機関に駆動されることにより、回転子６は回転磁界を発生し、この回転磁界により固定子コイル５には三相の交流電圧が発生し、この電圧が整流器１７により整流されて接続された図示しない負荷に供給される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように発電機が運転状態にあり、負荷が抵抗負荷である場合、発電機の出力電流Ｉは次の式にて表される。
Ｉ＝ＫＢＤ×ｌ／Ｌ／｛１＋［（Ｒ＋ｒ）／ωＬ］２  ｝１／２    ・・（１）
ここに、Ｋは定数、Ｂは空隙の磁束密度、Ｄは回転子６の外径、ｌは固定子コイル５の導体長さ、Ｌは固定子コイル５の自己インダクタンス、Ｒは負荷抵抗値、ｒは固定子コイル５の抵抗値、ωは回転磁界の角速度である。
【０００７】
この（１）式において、角速度ω以外は発電機の設計諸元と負荷条件とにより決まるものである。そして、この発電機の回転数すなわちωを大きくすれば出力電流特性は、ωと共に増大するリアクタンスωＬの影響により飽和特性を示し、この飽和状態での電流Ｉｓは、
Ｉｓ∝ＢＤ×ｌ／Ｌ                                          ・・・（２）
として表される。従って、発電機の高速回転時の出力電流、すなわち、飽和電流Ｉｓを増大して高出力化するためには磁束密度Ｂと回転子６の直径Ｄと固定子コイル５の導体長さｌとを大きくし、固定子コイル５の自己インダクタンスＬを小さくすればよいことになる。
【０００８】
しかし、インダクタンスＬを減少させるためには固定子コイル５の巻数を減じることが必要であり、これは、同時に固定子コイル５の導体長さｌも減じることになるので出力電流の増大には効果的でない。発電機の大型化を避けて、すなわち、上記（２）式のＤを変えずに出力を増大させるには磁束密度Ｂを増大させる以外に方法はないが、このような発電機では負荷時の磁束密度Ｂは出力電流Ｉｓによる電機子反作用により、無負荷時の磁束密度に対して大幅に低下してしまうことになり、負荷時の磁束密度Ｂの増大、すなわち、電機子反作用の抑制が発電機の出力電流の増大には必要な条件となる。
【０００９】
また、発電機の低速回転時において、発生電圧が所定値（バッテリ電圧）に達するためにはそれ相当の回転数が必要であり、また、界磁コイル１０に流入する励磁電流値を補償しなければ出力とはならないことから、発電機の出力電流は所定の回転数に達しないと立ち上がらない。この出力電流の立ち上がり回転数は固定子コイル５の発生電圧に逆比例するため、低速時における出力電流の立ち上がり回転数を低くするには固定子コイル５の発生電圧を高める必要がある。この発生電圧Ｅは次の式にて表される。
Ｅ∝Ｂｌｖ＝ＢｌωＤ／２                                    ・・・（３）
この（３）式に示されるように、低速回転時の出力特性を向上させる場合にも磁束密度Ｂを増大させることが必要である。ここでの磁束密度Ｂは、図７の磁束Φに示す磁路の磁極片８ａおよび９ａと固定子コア４との間に形成される空隙の磁束密度であり、この空隙の磁気抵抗を減少させることが低速回転時の出力増大につながることになる。
【００１０】
車両用交流発電機は内燃機関から一定の増速比で増速されて駆動されるため、使用回転数範囲が０から１８，０００ｒｐｍにまで達するが、特に出力特性の向上が要求されるのは、内燃機関のアイドリング回転数に相当する発電機の回転数約１，５００ｒｐｍ近辺と、車両の通常走行状態に相当する発電機回転数約６，０００ｒｐｍ近辺とである。上記した出力電流Ｉｓが飽和状態となる回転数が約５，０００ｒｐｍであるから、発電機としてはこの飽和状態における出力電流Ｉｓの増大と、出力電流の立ち上がり回転数を下げることによるアイドリング回転時の出力電流の増大とに重点を置いた構成をとることが必要となる。
【００１１】
出力電流の立ち上がり回転数の低下、すなわち、低速回転時における出力特性の向上には、上記のように空隙の磁束密度Ｂを増大させることが必要であり、これは空隙の磁気抵抗を低下させるとにより達成される。しかし、空隙の磁気抵抗を低下させるために回転子６の磁極片８ａと９ａの面積を増大する場合、発電機の大型化を避けるためには磁極片８ａおよび９ａの幅を回転方向に増大せねばならず、このために隣接する磁極片８ａと９ａとの間隙が小さくなり、漏れ磁束が増加して出力特性の向上には限界が生ずることになる。さらに、高速回転時にはこの磁極片の面積の増大が電機子反作用による減磁力の増大につながることになるため、飽和状態における出力電流Ｉｓは充分な出力向上ができず、低速域から高速域まで出力を向上させることは極めて困難なものであった。
【００１２】
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り、アイドリング回転数相当の低速域から通常の使用領域である出力電流の飽和領域までの全回転域の出力特性の向上が可能な車両用交流発電機を得ることを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる車両用交流発電機は、固定子コイルを有する固定子コアと、この固定子コアの内径側に設けられ回転軸に固定された第一の回転子コアと第二の回転子コアと、この第一の回転子コアと第二の回転子コアとを磁化する界磁コイルと、第一の回転子コアと第二の回転子コアとから回転軸の軸方向に延長して設けられ、所定の隙間を介して交互に噛み合うように配列されると共に、固定子コアの内径面に所定の空隙を介して対向するように設けられた複数の磁極片とを備え、この磁極片が前記固定子コアの内径面と対向する部分に於いて先端部ほど回転方向に幅が狭くなる略梯形状に形成されると共に、この磁極片の回転方向両側面の軸方向に対する傾斜角を根元側において小さく、先端側において大きく設定したものである。
【００１４】
また、磁極片両側面の傾斜角を、根元側から先端に至る全長の内、根元側から約２／３の間の角度を小さく、先端側の約１／３の間の角度を大きく設定したものである。
さらに、磁極片の固定子コアと対向する外面と回転方向両側面との角部に面取りがなされるようにしたものである。
さらにまた、磁極片の外面と回転方向両端面との角部になされた面取りの回転方向の幅寸法を、磁極片の根元側において小さく、先端側において大きく設定したものである。
また、磁極片の外面と回転方向両端面との角部になされた面取りの半径方向の深さを、磁極片の根元側において小さく、先端側において大きく設定したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１および図２は、この発明の実施の形態１の車両用交流発電機の構成を説明するためのもので、図１は回転子の斜視図、図２は回転子の磁極片の形状を示す上面図であり、上記の従来例と同一機能部分には同一符号が付与されている。また、以下に説明する回転子の構成以外の発電機全体構成は上記の従来例にて説明した図７と同一であり、ここでは詳細な説明は省略する。図１および図２において、６は車両用交流発電機に使用される回転子であり、回転軸７と、回転軸７に固定された第一の回転子コア８および第二の回転子コア９と、両回転子コア８と９との間に巻回されこれらを異磁極に磁化する界磁コイル１０と、両回転子コア８と９との背面に設けられたファン１１および１２とで構成され、図７に示したようにスリップリング１４が回転軸７に取り付けられ、回転軸７はフロントブラ
ケット１およびリヤブラケット２により両端が回転自在に支承されている。
【００１６】
８ａと９ａとは第一の回転子コア８と第二の回転子コア９とにそれぞれ回転軸７の軸方向に延長して複数個設けられた略梯形状の磁極片であり、この磁極片８ａと９ａとは固定子コア４の内径に所定の空隙を介して対向して回転し、それぞれが先端部ほど回転方向に幅が狭くなるように傾斜角（スキュー角）が設けられると共に、各磁極片８ａ、９ａ共にこのスキュー角が図に示すように、磁極片の全長の内、根元から約２／３の間の角度がαに、また、残りの先端部の約１／３の間の角度がβに設定され、これらのスキュー角がα＜βの関係になるように構成されている。また、これらの磁極片８ａと９ａは所定の隙間を介して交互に噛み合うように配置されて一方がＮ極に他方がＳ極に磁化されている。
【００１７】
このように、磁極片８ａと９ａとが先端部ほど回転方向に幅が狭くなるような略梯形状に形成され、交互に異極に磁化された界磁を有する交流発電機においては、界磁コイル１０の励磁による界磁磁束はその９５％以上が磁極片８ａと９ａとの全長の内、根元から約２／３の長さの間にて固定子コア４に供給され、先端部の約１／３の長さの間から固定子コア４に供給される磁束量は極めて僅かなものとなる。一方、固定子コイル５を流れる出力電流による電機子反作用は磁極片８ａと９ａとの全長において作用する。
【００１８】
この発明の実施の形態１の車両用交流発電機においては上記のように、磁極片８ａと９ａとの根元から約２／３の間のスキュー角をαに、先端部の約１／３の間のスキュー角をβとしてそれぞれのスキュー角にα＜βの関係を持たせるようにしたので、根元部２／３の間は回転方向に面積が拡大され、先端部１／３では回転方向に面積が縮小されることになり、界磁磁束に対しては空隙の磁気抵抗を低下させながら、電機子反作用に対しては空隙の磁気抵抗を高めることになる。従って、界磁コイル１０の励磁による界磁磁界の磁束量を高めることができ、高速域での電機子反作用による減磁力は抑制されることになり、低速域から高速域までの出力を向上させることが可能となるものである。
【００１９】
また、上記のように磁極片８ａと９ａのスキュー角をα＜βに設定し、αの部分を根元から約２／３の間とすることにより、この間の磁極片８ａと９ａとの面積は回転方向に拡大されるが、先端部１／３の間ではスキュー角が大きいため、この面積拡大に伴う隣接磁極片間の隙間の減少は磁極片８ａと９ａとが隣接する部分の全長の内の１／３以下にとどまり、漏れ磁束の増加は僅かなものとなって出力特性の向上には大きく影響しない。さらに、磁極片先端部のスキュー角を大きくすることにより、先端部の重量低下が可能となって高速回転時の遠心力や振動に対する耐力が向上し、電磁加振力も低下するので電磁音を低下させることができることになる。
【００２０】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２の車両用交流発電機に使用される回転子コアの磁極片部の上面図、図４は、回転子コアの磁極片部の側断面図であり、この実施の形態における磁極片８ａおよび９ａは、固定子コア４の内径面に対向する面と回転方向両端面とで形成される角部に面取り８ｂと８ｃ、および、９ｂと９ｃを設け、根元側の約２／３の長さの間の面取り８ｂおよび９ｂの回転方向の幅寸法ｂを小さく、先端側の約１／３の長さの間の面取り８ｃおよび９ｃの回転方向の幅寸法ｃを大きく設定するようにしたものである。このように構成することにより、磁束分布が平滑化されて電磁音が抑制されると共に、根元部分の磁気抵抗をより小さく、先端部分の磁気抵抗をより大きくすることができ、界磁磁界の磁束量を高め、高速域での電機子反作用による減磁力を抑制して全回転域での出力
をより向上させることができることになる
【００２１】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３の車両用交流発電機に使用される回転子コアの磁極片部の上面図、図６は、回転子コアの磁極片部の側断面図であり、この実施の形態における磁極片８ａおよび９ａは、固定子コア４の内径面に対向する面と回転方向両端面とで形成される角部に面取り８ｂと８ｃ、および、９ｂと９ｃを設け、根元側の約２／３の長さの間の面取り８ｂおよび９ｂの半径方向の深さ寸法ｂを小さく、先端側の約１／３の長さの間の面取り８ｃおよび９ｃの半径方向の深さ寸法ｃを大きく設定するようにしたものである。このように構成することにより、実施の形態２の場合と同様に磁束分布が平滑化されて電磁音が抑制されると共に、根元部分の磁気抵抗をより小さく、先端部分の磁気抵抗をより大きくすることができ、界磁磁界の磁束量を高め、高速域での電機子反作用による減
磁力を抑制して全回転域での出力をより向上させることができることになる。また、実施の形態２と３とを同時に実施することにより効果を重畳させることができるものである。
なお、上記各実施の形態では、回転子磁極数を１２、固定子コアの磁極数を３６としたもので、固定子コアの磁極数は毎極毎相当たり１であるが、毎極毎相当たり２以上とし、固定子コアの磁極片を回転方向に細くし磁極片内の磁束漏れを減らし、かつ、その数を増やすことによって磁極片表面のトータル面積を拡大し、回転子磁極表面との磁気抵抗を軽減した車両用交流発電機に本発明を適用すると、さらに効果的である。
また、上記各実施の形態では、界磁コイルは回転子に内含されているが、界磁コイルをブラケットに固定し、エアギャップより界磁磁束を供給するタイプの車両用交流発電機にも適用できる。
【００２２】
【発明の効果】
以上に説明したようにこの発明の車両用交流発電機によれば、磁極片を、固定子コアの内径面と対向する部分に於いて先端部ほど回転方向に幅が狭くなる略梯形状に形成されると共に、この磁極片の回転方向両側面の前記軸方向に対する傾斜角が根元側において小さく、先端側において大きく設定したので、また、略梯形状に形成された磁極片の形状を根元から約２／３の間のスキュー角を小さくし、先端部の約１／３の間のスキュー角を大きくすることにより、根元から約２／３の間の磁極面積を拡大し、先端部の約１／３の間の磁極面積を縮小するようにしたので、また、磁極片外面における固定子コアとの対向面と回転方向両端面との角部の面取りの回転方向の幅寸法、または、半径方向の深さ寸法、あるいはその両者を、根元から約２／３の間においては小さく、先端部の約１／３の間においては大きくしたので、界磁磁束に対する磁気抵抗が小さくなり、電機子反作用に対する磁気抵抗が大きくなって、低速域から高速域までの全回転域において出力を向上させることができ、また根元から約２／３の間の磁気抵抗を小さく、先端部の約１／３の間の磁気抵抗を大きく設定することができ、界磁磁束に対する磁気抵抗が小さくなり、電機子反作用に対する磁気抵抗が大きくなって、低速域から高速域までの全回転域において出力を向上させることができ、さらに、遠心力や振動に対する機械的な耐力が向上するなど、優れた車両用交流発電機を得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１の車両用交流発電機に使用する回転子の構成を示す斜視図である。
【図２】  この発明の実施の形態１の車両用交流発電機に使用する回転子コアの磁極片の形状を示す上面図である。
【図３】  この発明の実施の形態２の車両用交流発電機に使用する回転子コアの磁極片の上面図である。
【図４】  この発明の実施の形態２の車両用交流発電機に使用する回転子コアの磁極片の側断面図である。
【図５】  この発明の実施の形態３の車両用交流発電機に使用する回転子コアの磁極片の上面図である。
【図６】  この発明の実施の形態３の車両用交流発電機に使用する回転子コアの磁極片の側断面図である。
【図７】  従来の車両用交流発電機の構成を示す断面図である。
【図８】  従来の車両用交流発電機の回転子の斜視図である。
【図９】  従来の車両用交流発電機の固定子の斜視図である。
【図１０】  従来の車両用交流発電機の固定子コアの斜視図である。
【図１１】  従来の車両用交流発電機の回転子コアと固定子コアとの関係を示す説明図である。
【符号の説明】
４    固定子コア、５    固定子コイル、６    回転子、７    回転軸、
８    第一の回転子コア、８ａ、９ａ    磁極片、
８ｂ、８ｃ、９ｂ、９ｃ    面取り、９    第二の回転子コア、
１０    界磁コイル、１１、１２    ファン。
【図１】
0003914676.tif 000002
【図２】
0003914676.tif 000003
【図３】
0003914676.tif 000004
【図４】
0003914676.tif 000005
【図５】
0003914676.tif 000006
【図６】
0003914676.tif 000007
【図７】
0003914676.tif 000008
【図８】
0003914676.tif 000009
【図９】
0003914676.tif 000010
【図１０】
0003914676.tif 000011
【図１１】
0003914676.tif 000012