(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケース内に回転自在に配設された回転子と、スロットが内周側に開口するように周方向に複数設けられた円筒状の固定子鉄心および上記固定子鉄心に巻装された３相の巻線をＹ結線して構成された固定子巻線を有し、上記回転子を取り囲むように上記ケースに固着された固定子とを備えた車両用交流発電機において、
上記３相の巻線は、それぞれ、Ｙ結線される第１巻線と、該第１巻線に直列に接続され、該第１巻線に対して電気角で所定の位相差をもつ第２巻線とから構成され、
各相の上記第１巻線と上記第２巻線との接続部が一組の３相ダイオードブリッジに接続され、かつ、各相の上記第２巻線の端部がもう一組の３相ダイオードブリッジに接続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】
上記３相の巻線のそれぞれにおいて、上記第１巻線と上記第２巻線とが電気角で１２０°の位相差をもつように構成されていることを特徴とする請求項１記載の車両用交流発電機。
【請求項３】
Ｙ結線された上記第１巻線の中性点がダイオードブリッジに接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の車両用交流発電機。
【請求項４】
上記３相の巻線のそれぞれにおいて、上記第２巻線の巻き数が上記第１巻線の巻き数より多いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の車両用交流発電機。
【請求項５】
上記３相の巻線のそれぞれにおいて、上記第２巻線の導線径が上記第１巻線の導線径より太いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の車両用交流発電機。
【請求項６】
上記３相の巻線のそれぞれにおいて、上記第１巻線が上記スロット内のスロット深さ方向の深い側に位置するように上記固定子鉄心に巻装され、上記第２巻線が上記スロット内のスロット深さ方向の浅い側に位置するように上記固定子鉄心に巻装されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか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、車両用交流発電機に関し、特に車両用交流発電機の固定子に巻装される固定子巻線構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は一般的な車両用交流発電機を示す断面図である。
図５において、車両用交流発電機は、ランドル型の回転子７がアルミニウム製のフロントブラケット１およびリヤブラケット２から構成されたケース３内にシャフト６を介して回転自在に装着され、固定子８が回転子７の外周側を覆うようにケース３の内壁面に固着されて構成されている。
シャフト６は、フロントブラケット１およびリヤブラケット２に回転可能に支持されている。このシャフト６の一端にはプーリ４が固着され、エンジンの回転トルクをベルト(図示せず)を介してシャフト６に伝達できるようになっている。回転子７に電流を供給するスリップリング９がシャフト６の他端部に固着され、一対のブラシ１０がこのスリップリング９に摺接するようにケース３内に配設されたブラシホルダ１１に収納されている。固定子８で生じた交流電圧の大きさを調整するレギュレータ１８がブラシホルダ１１に嵌着されたヒートシク１７に接着されている。固定子８に電気的に接続され、固定子８で生じた交流を直流に整流する整流器１２がケース３内に装着されている。
【０００３】
回転子７は、電流を流して磁束を発生する回転子巻線１３と、この回転子巻線１３を覆うように設けられ、回転子巻線１３で発生された磁束によって磁極が形成される一対のポールコア２０、２１とから構成される。一対のポールコア２０、２１は、鉄製で、それぞれ６つの爪形状の爪状磁極２２、２３が外周縁に周方向に等角ピッチで突設され、爪状磁極２２、２３をかみ合わせるように対向してシャフト６に固着されている。さらに、ファン５が回転子７の軸方向の両端に固着されている。
固定子８は、軸方向に延びるスロットが周方向に所定ピッチで複数形成された円筒状の固定子鉄心１５と、固定子鉄心１５に巻装された固定子巻線１６とを備えている。
【０００４】
このように構成された車両用交流発電機では、電流がバッテリ(図示せず）からブラシ１０およびスリップリング９を介して回転子巻線１３に供給され、磁束が発生される。この磁束により、一方のポールコア２０の爪状磁極２２がＮ極に着磁され、他方のポールコア２１の爪状磁極２３がＳ極に着磁される。一方、エンジンの回転トルクがベルトおよびプーリ４を介してシャフト６に伝達され、回転子７が回転される。そこで、固定子巻線１６に回転磁界が与えられ、固定子巻線１６に起電力が発生する。この交流の起電力が整流器１２を通って直流に整流されるとともに、その大きさがレギュレータ１８により調整され、バッテリに充電される。
【０００５】
ここで、固定子巻線１６の構造について図６を参照しつつ説明する。ここでは、回転子７の磁極数を１２とする。なお、図６中１〜３６の符号はスロット番号を示している。
固定子鉄心１５は、磁性材料を円筒状に成形したもので、３６個のスロット１５ａが内周側に開口するように周方向に等間隔に形成されている。
巻線３０は、導線２９を３個目ごとのスロット１５ａ（スロット番号１、４、７・・・３４のスロット）に順にスロット１５ａからスロット１５ａへと波状に巻装されて形成されている。また、巻線３１は、導線２９を３個目ごとのスロット１５ａ（スロット番号３、６、９・・・３６のスロット）に順にスロット１５ａからスロット１５ａへと波状に巻装されて形成されている。さらに、巻線３２は、導線２９を３個目ごとのスロット１５ａ（スロット番号５、８、１１・・・２のスロット）に順にスロット１５ａからスロット１５ａへと波状に巻装されて形成されている。
このように形成された３本の巻線３０、３１、３２は、それぞれの巻き終わり３０ｂ、３１ｂ、３２ｂを結線して、即ちＹ結線して固定子巻線１６を構成している。そして、巻き終わり３０ｂ、３１ｂ、３２ｂの結線部が固定子巻線１６の中性点となり、巻き始め３０ａ、３１ａ、３２ａが固定子巻線１６の口出し線となる。なお、３本の巻線３０、３１、３２は電気角で１２０°位相が異なっている。
【０００６】
また、整流器１２は、直列に接続されたプラス側ダイオードｄ11とマイナス側ダイオードｄ21、直列に接続されたプラス側ダイオードｄ12とマイナス側ダイオードｄ22、直列に接続されたプラス側ダイオードｄ13とマイナス側ダイオードｄ23および直列に接続されたプラス側ダイオードｄ14とマイナス側ダイオードｄ24が、出力端子Ｂとアースとの間に並列に接続されて構成されている。そして、固定子巻線１６は、図７に示されるように、巻線３０の巻き始め３０ａが直列に接続されたダイオードｄ11、ｄ21間に、巻線３１の巻き始め３１ａが直列に接続されたダイオードｄ12、ｄ22間に、巻線３２の巻き始め３２ａが直列に接続されたダイオードｄ13、ｄ23間に、さらに中性点が直列に接続されたダイオードｄ14、ｄ24間に、それぞれ結線されて、整流器１２に接続されている。
【０００７】
このように構成された車両用交流発電機では、回転速度が低速の場合、１相誘起電圧の３1/2倍の電圧が線間に発生する。また、回転速度が高速の場合、主磁束は３相の巻線３０、３１、３２に流れる３相交流電流により弱められるが、３次高調波起電力が残るので、中性点に接続したダイオードでこれも利用している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の車両用交流発電機においては、固定子巻線１６が電気角で１２０°位相の異なる３相の巻線３０、３１、３２をＹ結線して構成されているので、線間には１相誘起電圧の３1/2倍の電圧しか発生されず、低速の回転速度における発電要求に応えられないという課題があった。
これを解決するためには、各相の巻線３０、３１、３２の巻数を増やすことが考えられるが、この場合、高速の回転速度での発電電流が減ってしまうという問題が発生してしまう。
【０００９】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、固定子巻線構造を工夫して、線間に発生する電圧の大電圧化を可能とするとともに、高速の回転速度での発電電流の大電流化を可能とする車両用交流発電機を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る車両用交流発電機は、ケース内に回転自在に配設された回転子と、スロットが内周側に開口するように周方向に複数設けられた円筒状の固定子鉄心および上記固定子鉄心に巻装された３相の巻線をＹ結線して構成された固定子巻線を有し、上記回転子を取り囲むように上記ケースに固着された固定子とを備えた車両用交流発電機において、上記３相の巻線は、それぞれ、Ｙ結線される第１巻線と、該第１巻線に直列に接続され、該第１巻線に対して電気角で所定の位相差をもつ第２巻線とから構成され、各相の上記第１巻線と上記第２巻線との接続部が一組の３相ダイオードブリッジに接続され、かつ、各相の上記第２巻線の端部がもう一組の３相ダイオードブリッジに接続されているものである。
【００１１】
また、上記３相の巻線のそれぞれにおいて、上記第１巻線と上記第２巻線とが電気角で１２０°の位相差をもつように構成されているものである。
【００１２】
また、Ｙ結線された上記第１巻線の中性点がダイオードブリッジに接続されているものである。
【００１３】
また、上記３相の巻線のそれぞれにおいて、上記第２巻線の巻き数が上記第１巻線の巻き数より多いものである。
【００１４】
また、上記３相の巻線のそれぞれにおいて、上記第２巻線の導線径が上記第１巻線の導線径より太いものである。
【００１５】
また、上記３相の巻線のそれぞれにおいて、上記第１巻線が上記スロット内のスロット深さ方向の深い側に位置するように上記固定子鉄心に巻装され、上記第２巻線が上記スロット内のスロット深さ方向の浅い側に位置するように上記固定子鉄心に巻装されているものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における固定子巻線の電気結線図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の固定子における固定子巻線構造を説明する展開図である。
図１において、固定子巻線１６Ａは、電気角で１２０°の位相差を有する３相の巻線４０、５０、６０をＹ結線されて構成されている。そして、巻線４０は、電気角で１２０°の位相差を有する第１および第２巻線４１、４２を直列に接続して構成されている。また、巻線５０は、電気角で１２０°の位相差を有する第１および第２巻線５１、５２を直列に接続して構成されている。さらに、巻線６０は、電気角で１２０°の位相差を有する第１および第２巻線６１、６２を直列に接続して構成されている。
ここで、３相の巻線４０、５０、６０は同一の導線を用い、同じターン数に形成されている。また、第１巻線４１、５１、６１と第２巻線４２、５２、６２とのターン数も同じに形成されている。
【００１７】
また、整流器１２Ａは、直列に接続されたプラス側ダイオードｄ11とマイナス側ダイオードｄ21、直列に接続されたプラス側ダイオードｄ12とマイナス側ダイオードｄ22、直列に接続されたプラス側ダイオードｄ13とマイナス側ダイオードｄ23、直列に接続されたプラス側ダイオードｄ14とマイナス側ダイオードｄ24、直列に接続されたプラス側ダイオードｄ15とマイナス側ダイオードｄ25、直列に接続されたプラス側ダイオードｄ16とマイナス側ダイオードｄ26および直列に接続されたプラス側ダイオードｄ17とマイナス側ダイオードｄ27が、出力端子Ｂとアースとの間に並列に接続されて構成されている。
【００１８】
そして、固定子巻線１６Ａは、巻線４０の第１巻線４１と第２巻線４２との結線部が直列に接続されたダイオードｄ11、ｄ21間に、巻線４０の第２巻線４２の端部が直列に接続されたダイオードｄ12、ｄ22間に、巻線５０の第１巻線５１と第２巻線５２との結線部が直列に接続されたダイオードｄ13、ｄ23間に、巻線５０の第２巻線５２の端部が直列に接続されたダイオードｄ14、ｄ24間に、巻線６０の第１巻線６１と第２巻線６２との結線部が直列に接続されたダイオードｄ15、ｄ25間に、巻線６０の第２巻線６２の端部が直列に接続されたダイオードｄ16、ｄ26間に、さらに中性点が直列に接続されたダイオードｄ17、ｄ27間に、それぞれ結線されて、整流器１２Ａに接続されている。
つまり、この実施の形態１による電気結線では、Ｙ結線された第１巻線４１、５１、６１の出力端に３相ダイオードブリッジが接続され、電気角で１２０°の位相差をもつように第１巻線４１、５１、６１に直列に接続された第２巻線４２、５２、６２の出力端に３相ダイオードブリッジが接続され、中性点にもダイオードブリッジが接続されている。
【００１９】
ここで、各相の巻線４０、５０、６０の具体的な巻線構造について図２を参照しつつ説明する。なお、図２中、符号１〜３６はスロット番号を表している。
巻線４０を構成する第１巻線４１は、導線２９を３個目ごとのスロット１５ａ（スロット番号１、４、７・・・３４のスロット）に順にスロット１５ａからスロット１５ａへと波状に巻装されて形成されている。一方、第２巻線４２は、導線２９を３個目ごとのスロット１５ａ（スロット番号３、６、９・・・３６のスロット）に順にスロット１５ａからスロット１５ａへと波状に巻装されて形成されている。そこで、第１巻線４１と第２巻線４２とは、巻装されるスロット１５ａが３スロットずれているので、両者の間には電気角で１２０°の位相差がある。そして、第１巻線４１の巻き始め４１ａと第２巻線４２の巻き終わり４２ｂとを結線して、第１巻線４１と第２巻線４２とが電気角で１２０°の位相差を持つように直列に接続された巻線４０を構成している。
【００２０】
巻線５０を構成する第１巻線５１は、導線２９を３個目ごとのスロット１５ａ（スロット番号３、６、９・・・３６のスロット）に順にスロット１５ａからスロット１５ａへと波状に巻装されて形成されている。一方、第２巻線５２は、導線２９を３個目ごとのスロット１５ａ（スロット番号５、８、１１・・・２のスロット）に順にスロット１５ａからスロット１５ａへと波状に巻装されて形成されている。そこで、第１巻線５１と第２巻線５２とは、巻装されるスロット１５ａが３スロットずれているので、両者の間には電気角で１２０°の位相差がある。そして、第１巻線５１の巻き始め５１ａと第２巻線５２の巻き終わり５２ｂとを結線して、第１巻線５１と第２巻線５２とが電気角で１２０°の位相差を持つように直列に接続された巻線５０を構成している。
【００２１】
巻線６０を構成する第１巻線６１は、導線２９を３個目ごとのスロット１５ａ（スロット番号５、８、１１・・・２のスロット）に順にスロット１５ａからスロット１５ａへと波状に巻装されて形成されている。一方、第２巻線６２は、導線２９を３個目ごとのスロット１５ａ（スロット番号１、４、７・・・３４のスロット）に順にスロット１５ａからスロット１５ａへと波状に巻装されて形成されている。そこで、第１巻線６１と第２巻線６２とは、巻装されるスロット１５ａが３スロットずれているので、両者の間には電気角で１２０°の位相差がある。そして、第１巻線６１の巻き始め６１ａと第２巻線６２の巻き終わり６２ｂとを結線して、第１巻線６１と第２巻線６２とが電気角で１２０°の位相差を持つように直列に接続された巻線６０を構成している。
そして、第１巻線４１の巻き終わり４１ｂ、第１巻線５１の巻き終わり５１ｂおよび第１巻線６１の巻き終わり６１ｂを結線することにより、電気角で１２０°の位相差をもつ３相の巻線４０、５０、６０をＹ結線してなる固定子巻線１６Ａが巻装された固定子８Ａを得る。
【００２２】
このように構成された固定子８Ａでは、Ｙ結線された３相の巻線４０、５０、６０がそれぞれ電気角で１２０°の位相差をもつ第１巻線４１、５１、６１と第２巻線４２、５２、６２とを直列に接続して構成され、第１巻線４１、５１、６１と第２巻線４２、５２、６２との結線部が３相ダイオードブリッジに接続され、さらに第２巻線４２、５２、６２の端部が３相ダイオードブリッジに接続されている。そこで、線間に発生する最大電圧は、１相誘起電圧の２倍の電圧が得られる。その結果、無負荷起電力が大きくなるので、発電開始回転速度を低くすることができ、低速の回転速度における発電要求に応えられるようになる。
また、高速回転時には、第２巻線４２、５２、６２に電流が流れるため、電機子反作用が少なく、大電流が第２巻線４２、５２、６２に流れて、発電量が増える。
【００２３】
また、電流経路の観点から見ると、例えば第１巻線６１と第２巻線６２との結線部に流れる電流は、（-）→第１巻線６１→第１巻線４１→第２巻線４２→Ｂ、（-）→第１巻線６１→第１巻線４１→Ｂ、（-）→第２巻線６２→Ｂの電流経路を採ることになる。そこで、電流経路が多くなり、発電量を増大させることができる。
また、ダイオードブリッジが中性点にも接続されているので、（-）→中性点→第１巻線４１→Ｂ、（-）→中性点→第１巻線５１→Ｂ、（-）→中性点→第１巻線６１→Ｂの３つの並列回路が形成され、あたかも直並列を切り替えたように作用し、出力電流を増大させることができる。
【００２４】
ここで、固定子８に代えて固定子８Ａを搭載した車両用交流発電機を作製し、発電特性を測定した結果を図３に示す。なお、図３中、本願の車両用交流発電機の発電特性を実線で、従来例の車両用交流発電機の発電特性を点線で示している。また、横軸は回転速度を、縦軸は整流後の出力電流を表している。
図３から、従来の車両用交流発電機では、発電開始回転速度が１０００（ｍｉｎ-1）であったのに対し、本願の車両用交流発電機では、発電開始回転速度が９００（ｍｉｎ-1）となり、より低い回転速度から発電できることが確認された。また、本願の車両用交流発電機では、２０００ｍｉｎ-1以上の回転速度において、従来の車両用交流発電機に対して出力を増加できることが確認された。
【００２５】
実施の形態２．
この実施の形態２では、３相の巻線４０、５０、６０は同一の導線を用い、同じターン数に形成され、第２巻線４２、５２、６２のターン数を第１巻線４１、５１、６１のターン数よりも多くしている。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。
この実施の形態２においては、第２巻線４２、５２、６２のターン数を第１巻線４１、５１、６１のターン数よりも多くしているので、線間に発生する電圧が大きくなり、大きな起電力が得られるようになる。
【００２６】
実施の形態３．
この実施の形態３では、第１巻線４１、５１、６１と第２巻線４２、５２、６２とが同じターン数に形成され、第２巻線４２、５２、６２の導線の径を第１巻線４１、５１、６１の導線の径よりも太くしている。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。
この実施の形態３においては、大電流の流れる第２巻線４２、５２、６２の導線の径が太く形成されているので、高速回転時の発電効率が高くなる。
【００２７】
実施の形態４．
この実施の形態４では、図４に示されるように、第１巻線４１、５１、６１が各スロット１５ａ内にスロット深さ方向の深い側（径方向の外周側）に収納されるように巻装され、第２巻線４２、５２、６２が各スロット１５ａ内にスロット深さ方向の浅い側（径方向の内周側）に収納されるように巻装されている。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。
【００２８】
この実施の形態４では、第１巻線４１、５１、６１が各スロット１５ａ内にスロット深さ方向の深い側に、即ち各スロット１５ａの底部側に収納されるように巻装されている。一方、第２巻線４２、５２、６２が各スロット１５ａ内にスロット深さ方向の浅い側に、即ち各スロット１５ａの開口側に収納されるように巻装されている。そこで、各スロット１５ａの底部側に収納されている第１巻線４１、５１、６１の漏れインダクタンスが大きいので、高速回転時には、電流が各スロット１５ａの開口側に収納されている第２巻線４２、５２、６２に集中し、単相全波整流に近い特性となり、発電量を増大させることができる。
【００２９】
なお、上記各実施の形態では、回転子７の磁極数が１２で、固定子鉄心１５のスロット数が３６個の場合、即ち毎極毎相当たりのスロット数が１の場合について説明しているが、本発明は、これに限定されるものではない、毎極毎相当たりのスロット数が２以上の場合についても適用できることはいうまでもないことである。
また、上記各実施の形態では、第２巻線４２、５２、６２が第１巻線４１、５１、６１に対して電気角で１２０°の位相差をもつように構成されているものとしている。そして、毎極毎相当たりのスロット数が１の場合、第２巻線４２、５２、６２と第１巻線４１、５１、６１との間の電気角位相差は、６０°、１２０°、１８０°を採ることができる。例えば、第２巻線４２、５２、６２と第１巻線４１、５１、６１との間の電気角位相差を６０°とした場合には、両巻線間の電気角位相差を１２０°とした場合に比べ、起電力を大きくすることができるものの、電流が流れなくなり、高速時の出力が低下してしまうことになる。従って、発電開始回転速度と高速時の出力とを総合的に判断すると、毎極毎相のスロット数が１の場合には、第２巻線４２、５２、６２と第１巻線４１、５１、６１との間の電気角位相差を１２０°とすることが望ましい。
【００３０】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されているような効果を奏する。
【００３１】
この発明によれば、ケース内に回転自在に配設された回転子と、スロットが内周側に開口するように周方向に複数設けられた円筒状の固定子鉄心および上記固定子鉄心に巻装された３相の巻線をＹ結線して構成された固定子巻線を有し、上記回転子を取り囲むように上記ケースに固着された固定子とを備えた車両用交流発電機において、上記３相の巻線は、それぞれ、Ｙ結線される第１巻線と、該第１巻線に直列に接続され、該第１巻線に対して電気角で所定の位相差をもつ第２巻線とから構成され、各相の上記第１巻線と上記第２巻線との接続部が一組の３相ダイオードブリッジに接続され、かつ、各相の上記第２巻線の端部がもう一組の３相ダイオードブリッジに接続されているので、線間に発生する電圧が増えて、発電開始回転速度を下げることができるとともに、高速回転速度での発電電流が増えて、発電量を増加させることができる車両用交流発電機が得られる。
【００３２】
また、上記３相の巻線のそれぞれにおいて、上記第１巻線と上記第２巻線とが電気角で１２０°の位相差をもつように構成されているので、１相誘起電圧の２倍の電圧を線間に発生させることができる。
【００３３】
また、Ｙ結線された上記第１巻線の中性点がダイオードブリッジに接続されているので、多数の電流経路が形成され、直並列を切り替えたように作用し、出力電流を増加させることができる。
【００３４】
また、上記３相の巻線のそれぞれにおいて、上記第２巻線の巻き数が上記第１巻線の巻き数より多いので、線間に発生する電圧が大きくなり、大きな起電力が得られる。
【００３５】
また、上記３相の巻線のそれぞれにおいて、上記第２巻線の導線径が上記第１巻線の導線径より太いので、高速回転時の発電効率が高くなる。
【００３６】
また、上記３相の巻線のそれぞれにおいて、上記第１巻線が上記スロット内のスロット深さ方向の深い側に位置するように上記固定子鉄心に巻装され、上記第２巻線が上記スロット内のスロット深さ方向の浅い側に位置するように上記固定子鉄心に巻装されているので、高速回転時には、電流が第２巻線に集中し、単相全波整流に近い特性となり、発電量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における固定子巻線の電気結線図である。
【図２】  この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の固定子における固定子巻線構造を説明する展開図である。
【図３】  この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の発電特性を示すグラフである。
【図４】  この発明の実施の形態４に係る車両用交流発電機の固定子における固定子巻線構造を説明する図である。
【図５】  一般的な車両用交流発電機を示す断面図である。
【図６】  従来の車両用交流発電機の固定子における固定子巻線構造を説明する展開図である。
【図７】  従来の車両用交流発電機における固定子巻線の電気結線図である。
【符号の説明】
３  ケース、７  回転子、８Ａ  固定子、１５  固定子鉄心、１５ａ  スロット、１６Ａ  固定子巻線、４０、５０、６０  巻線、４１、５１、６１  第１巻線、４２、５２、６２  第２巻線、ｄ11−ｄ17  プラス側ダイオード、ｄ21−ｄ27  マイナス側ダイオード。
【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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