(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器の内壁に固定された固定子と、この固定子の内壁と対向する側に位置する回転子と、前記容器に回転支持され前記回転子を固定した鉄心と、複数枚の羽根からなり前記回転子の両端に固定されたファンとを備えた自動車用発電機において、
前記ファンから発生する騒音を複数の帯域に分割し、分割された前記複数の周波数帯域毎の騒音レベルが最大となる最大レベル帯域を検出し、所定の回転数範囲内の複数の回転数における前記最大レベル帯域の中心周波数が、所定の下限値Ｆ１と上限値Ｆ２にあるようにするため、前記一対のファンのうち羽根枚数の少ないファンの羽根枚数Ｎ１と羽根枚数の多いファンの羽根枚数Ｎ２に対し、（Ｎ２×Ｆ１）／（Ｎ１×Ｆ２）の値を０．９以上かつ１．１以下とすることを特徴とする自動車用発電機。
【請求項２】
容器の内壁に固定された固定子と、この固定子の内壁と対向する側に位置する回転子と、前記容器に回転支持され前記回転子を固定した鉄心と、複数枚の羽根からなり前記回転子の両端に固定されたファンとを備えた自動車用発電機において、
前記ファンから発生する騒音を複数の帯域に分割し、分割された前記複数の周波数帯域毎の騒音レベルが最大となる最大レベル帯域を検出し、所定の回転数範囲内の複数の回転数における前記最大レベル帯域の中心周波数のすべてが、所定の上限値Ｆ２（Ｈｚ）以下にあるようにするため、前記所定の回転数範囲の上限値Ｒ２（ｒ／ｍｉｎ）、前記一対のファンの羽根枚数の少ない方のファンの羽根枚数Ｎ１に対し、Ｎ１／Ｆ２×（Ｒ２／６０）の値を１以下としたことを特徴とする自動車用発電機。
【請求項３】
前記騒音を複数の周波数帯域毎の騒音レベルに分割する分割手段を１／３オクターブバンドとし、前記最大レベル帯域の中心周波数の下限値Ｆ１が２ｋＨｚ以上、かつ上限値Ｆ２が３．１５ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項１ないし２記載の車両用発電機。
【請求項４】
前記騒音を複数の周波数帯域毎の騒音レベルに分割する分割手段をクリティカルバンドとし、前記最大レベル帯域の中心周波数の下限値Ｆ１が１８５０Ｈｚ以上、かつ上限値Ｆ２が３４００Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項１ないし２記載の車両用発電機。
【請求項５】
前記最大レベル帯域に含まれる周波数の下限値は１６００Ｈｚ以上、かつ上限値は３８００Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項１ないし２記載の車両用発電機。
【請求項６】
前記最大レベル帯域の中心周波数下限値Ｆ１と、上限値Ｆ２の比Ｆ２／Ｆ１が１．５以上、かつ１．９以下であることを特徴とする請求項１ないし２記載の車両用発電機。
【請求項７】
前記発生音は、前記車両用発電機の周辺に設置された複数のマイクロホンにより測定された騒音の平均値とすることを特徴とする請求項１ないし２記載の車両用発電機。
【請求項８】
回転子を備えた回転機の音質評価方法において、前記回転機の音質評価の対象とする前記回転子の回転数の下限値Ｒ１から上限値Ｒ２までの複数の回転数における前記車両用発電機の発生音を検出し、前記発生音を複数の周波数帯域毎の騒音レベルに分割し、分割された前記複数の周波数帯域毎の騒音レベルが最大となる最大レベル帯域を検出し、前記複数の回転数における前記最大レベル帯域の中心周波数のすべてが、所定の周波数範囲Ｆ１からＦ２の範囲内となるか否かを判定することを特徴とする回転機の音質評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用発電機の音質の改善と、車両用発電機などの回転機の音質評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用発電機（オルタネータ）は、電機子コイルが装着された固定子と、この固定子の両側に前ブラケットと後ブラケットが設けられている。この前ブラケットと前記後ブラケットには、回転自在に支持され、励磁コイルを保持した磁極鉄心を有する円筒状の回転子が支持されている。この回転子の磁極鉄心の軸方向両側（回転子の前後）には、放射方向に配置された複数枚の羽根が設けられている。この羽根が一対の冷却ファンとなる。
【０００３】
この車両用発電機は、エンジンの回転を動力源として、プーリを介して回転するようになっており、車両の高速走行時には、１０、０００（ｒ／ｍｉｎ）以上で高速回転する。
【０００４】
このため、前記冷却ファンなどから回転数Ｎ（Ｈｚ）の整数倍の周波数を持つ騒音が自動車の室内に伝播してしまうという問題があるが、自動車では騒音の大きさ以外に、エンジン回転数の急速な変化にともない、冷却ファンから発生する音の変化が聴感的な異音と感じられることがある。
【０００５】
従来は、車両用発電機のブラケットを回転試験装置に固定して回転子を回転させたときの騒音や実際に車両に搭載し、回転数を変動させたときの騒音を、聴感で評価していた。
【０００６】
この従来の技術として、例えば特開平６−３３５２０４号公報がある。
【０００７】
この従来技術は、種々の実験や検討を重ねて、音質が最良となる冷却ファンの羽根枚数の組み合わせを、経験的に選択していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
走行中の自動車から発する複数の音には、低周波から高周波まで、多種の音が発生している。この音は、車内に侵入し、運転するドライバーに異音となって不快感を与えてしまうことは言うまでもない。
【０００９】
自動車から発生する音の内、最も大きいのは、当然エンジンであるが、エンジンの音は、低周波であり、ドライバーにとって比較的不快をあたえないと言われている。
【００１０】
これに対し、自動車用発電機は、エンジンの回転をプーリを介して高速回転させているため、エンジンの回転より約２．５培の回転数となる。従って、自動車用発電機の回転子に取付けられたファンから高い周波数の異音が発生し、ドライバに不快感を与えるため、この不快感を解消する要求がある。
【００１１】
特にこの要求は、高速走行の頻度が高い輸出用自動車や、エンジンの回転数変動を高いマニアル車に多いといわれている。
【００１２】
このように、自動車用発電機から発生する音が不快であるか、不快でないかの判断は、前記従来技術で音質評価するのが一般的であるが、この音質評価方法では、音質を個人の聴感で評価しているため、音質の物理量との対応が不明であり、車両用発電機の音質改善検討のための試行錯誤の実験、検討が必要である。また、個人差による評価のばらつきが大きいという問題もある。
【００１３】
本発明の目的は、設計回転数範囲に対して、音質的な異音が出難い車両用発電機の羽根枚数などの設定が容易となり、試作した車両用発電機の母音の変化などに対応した音質評価を容易に行える回転機の音質評価方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、容器の内壁に固定された固定子と、この固定子の内壁と対向する側に位置する回転子と、前記容器に回転支持され前記回転子を固定した鉄心と、複数枚の羽根からなり前記回転子の両端に固定されたファンとを備えた自動車用発電機において、前記ファンから発生する騒音を複数の帯域に分割し、分割された前記複数の周波数帯域毎の騒音レベルが最大となる最大レベル帯域を検出し、所定の回転数範囲内の複数の回転数における前記最大レベル帯域の中心周波数が、所定の下限値Ｆ１と上限値Ｆ２にあるようにするため、前記一対のファンのうち羽根枚数の少ないファンの羽根枚数Ｎ１と羽根枚数の多いファンの羽根枚数Ｎ２に対し、（Ｎ２×Ｆ１）／（Ｎ１×Ｆ２）の値を０．９以上かつ１．１以下とすることにより達成される。
【００１５】
また、容器の内壁に固定された固定子と、この固定子の内壁と対向する側に位置する回転子と、前記容器に回転支持され前記回転子を固定した鉄心と、複数枚の羽根からなり前記回転子の両端に固定されたファンとを備えた自動車用発電機において、
前記ファンから発生する騒音を複数の帯域に分割し、分割された前記複数の周波数帯域毎の騒音レベルが最大となる最大レベル帯域を検出し、所定の回転数範囲内の複数の回転数における前記最大レベル帯域の中心周波数のすべてが、所定の上限値Ｆ２（Ｈｚ）以下にあるようにするため、前記所定の回転数範囲の上限値Ｒ２（ｒ／ｍｉｎ）、前記一対のファンの羽根枚数の少ない方のファンの羽根枚数Ｎ１に対し、Ｎ１／Ｆ２×（Ｒ２／６０）の値を１以下としたことにより達成される。
【００１７】
また、前記騒音を複数の周波数帯域毎の騒音レベルに分割する分割手段を１／３オクターブバンドとし、前記最大レベル帯域の中心周波数の下限値Ｆ１が２ｋＨｚ以上、かつ上限値Ｆ２が３．１５ｋＨｚ以下であることにより達成される。
【００１８】
また、前記騒音を複数の周波数帯域毎の騒音レベルに分割する分割手段をクリティカルバンドとし、前記最大レベル帯域の中心周波数の下限値Ｆ１が１８５０Ｈｚ以上、かつ上限値Ｆ２が３４００Ｈｚ以下であることにより達成される。
【００１９】
また、前記最大レベル帯域に含まれる周波数の下限値は１６００Ｈｚ以上、かつ上限値は３８００Ｈｚ以下であることにより達成される。
【００２０】
また、前記最大レベル帯域の中心周波数下限値Ｆ１と、上限値Ｆ２の比Ｆ２／Ｆ１が１．５以上、かつ１．９以下であることにより達成される。
【００２１】
また、前記発生音は、前記車両用発電機の周辺に設置された複数のマイクロホンにより測定された騒音の平均値とすることにより達成される。
【００２２】
また、回転子を備えた回転機の音質評価方法において、前記回転機の音質評価の対象とする前記回転子の回転数の下限値Ｒ１から上限値Ｒ２までの複数の回転数における前記車両用発電機の発生音を検出し、前記発生音を複数の周波数帯域毎の騒音レベルに分割し、分割された前記複数の周波数帯域毎の騒音レベルが最大となる最大レベル帯域を検出し、前記複数の回転数における前記最大レベル帯域の中心周波数のすべてが、所定の周波数範囲Ｆ１からＦ２の範囲内となるか否かを判定 することことにより達成される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明を備えた車輌用発電機の構造を図を用いて説明する。図１は、本発明における冷却ファンを搭載した車両用発電機の断面図である。図２は、本発明を適用した車両用発電機の冷却ファンの斜視図である。
【００２４】
図１において、ロータ１は、それぞれ複数の爪が設けられた一対のコア２（回転子）を設けており、２ａが前コアであり、２ｂが後コアである。３は、界磁コイル４が巻き回されたボビン３である。５は、ボビン３の磁極鉄心となるヨークである。６は、回転軸であり、７は、スリップリング７である。これらの部品からロータ１が構成されている。
【００２５】
一対のコア２は、前後コア２ａ，２ｂの爪が噛み合うように相対し、ボビン３およびヨーク５を挟み込むように配置され、回転軸６がそれらの軸心位置に圧入されて固定されている。
【００２６】
一対のコア２の背面部には、前ファン１３および後ファン１４が取付けられている。この前後ファン１３、１４には、６つの丸穴３３（図２に示す）が設けられ、この穴３３を利用して前後コア２ａ，２ｂにスポット溶接されている。
【００２７】
回転軸6の一方の端部には、プーリ１２が取り付けられ、回転軸６のもう一方の端部にはスリップリング７が圧入されている。プーリ１２及びスリップリング７は、回転軸６と一体となって回転する。プーリ１２には、エンジンの回転を伝達させるためのベルト（図示せず）が架けられて回転する。
【００２８】
ステータ８（固定子）は、コア２の外周と僅かな隙間を持つように配設されている。ブラシホルダ９には、電圧制御器が実装されている。
【００２９】
１０は、前ブラケットであり、１１は、後ブラケットである。この前後ブラケット１０、１１は、回転軸６を軸支してロータ１を囲むように配置され、さらにステータ８を狭持している。この前後ブラケット１０、１１がステータ８、コア２、回転軸６を覆う容器となる。
【００３０】
図２は、ファンの斜視図である。
【００３１】
図２において、本実施例の車両用発電機に搭載される前ファン１３は、取り付け基盤３２と、この取り付け基盤３２と一体で成形されたファンブレード２１と、このファンブレード２１に取付けられたリング状ファンガイド３１から構成されている。この前ファン１３を樹脂のみで成形された場合は、コア6との結合部分が強度不足となるために、結合部分には金属製の取り付け基盤３２が埋め込まれる構造となっている。
【００３２】
一方、ファンブレード２１とリング状のファンガイド３１を一体で成形するために、取り付け基盤３２の半径は、リング状のファンガイド３１の内径より小さく設定されている。
【００３３】
尚、図２では、前ファン１３を代表して示したが、後ファン１４も同様の構造である。
【００３４】
図３は、前ファン１３の羽根を１０枚、後ファン１４の羽根を１７枚取付けた車両用発電機が、およそ１０、０００（ｒ／ｍｉｎ）で回転しているときの騒音レベルのスペクトルの一例を示したものである。
【００３５】
図３において、回転数Ｒ＝１０、０００／６０＝１６６（Ｈｚ）とその整数倍の次数成分が卓越した騒音であることがわかる。一般に、これらの卓越成分のなかでも、羽根枚数Ｎのファンが回転数Ｒで回転したときに発生するファンの積Ｎ×Ｒに対応した回転Ｎ次の次数成分（羽根通過周波数成分）が特に卓越することが知られている。
【００３６】
騒音低減のため、ファンを不等ピッチとして前記の羽根通過音成分をＮ次以外の次数にも分散しているが、図３のスペクトルでは９次から２０次にかけての周波数成分が卓越しており、前ファンと後ファンの羽根枚数に近い次数成分が卓越していることがわかる。
【００３７】
また騒音スペクトルでは、マイクロホンで捕らえた音圧波形より音圧スペクトルを求め、さらに周波数毎に日本工業規格ＪＩＳ  Ｃ１５０５などで規定されている人間の耳の周波数特性に対応したＡ特性での補正値を、ＪＩＳ  Ｃ１５１３で規定されている１／３オクターブバンド毎に加算した結果を表示している。
【００３８】
図４は、図３のスペクトルの１／３オクターブバンド毎の騒音レベルを表示したものである。
【００３９】
図４において、２．５ｋＨｚバンドのレベルが最大である。この最大レベル帯域が、騒音の中で最も支配的な成分である。したがって、この最大値を、図５に示したごとく、横軸を回転数、縦軸を最大レベル帯域の中心周波数にとれば、回転数に対応した支配的騒音の周波数変化のグラフ１００またはグラフ１０１を描くことができる。
【００４０】
この支配的騒音の周波数変化は、車両用発電機の音色あるいは音質の変化としてとらえられる。人間の感覚は、変化に対して敏感なため、例えば、グラフ１０１のように前記の周波数が一定の変化量を超えると、音質の変化が異常音として捕らえてしまう。
【００４１】
従って、周波数の許容範囲の下限周波数Ｆ１（Ｈｚ）と上限周波数Ｆ２（Ｈｚ）を設け、グラフ１００のように騒音の評価対象とする回転数範囲Ｒ１からＲ２までの範囲で最大レベル帯域の中心周波数の変化が一定量を超えないようにすればよい。これを、ファンの不等ピッチパターンの最適化により達成するためには、実験による試行錯誤が必要である。
【００４２】
設計段階で効率よく実施するためには、一対の冷却ファンの羽根通過周波数成分のうち少なくとも一つが周波数の許容範囲に入っている必要がある。また、車両用発電機では、できるだけ広い回転数範囲で異常音が出ないことがのぞましいため、異なる羽根枚数を持つ一対のファンのうち、少ない方の羽根枚数Ｎ１を持つファンによる騒音が、前記の周波数の許容範囲の下限値Ｆ１となる回転数において、多い方の羽根枚数Ｎ２を持つファンによる騒音が許容範囲の上限値Ｆ２となるようにして、一対の冷却ファンの羽根通過周波数成分のうち、一つだけが周波数変化の許容範囲に入る条件とすることが必要である。すなわち、（Ｎ２×Ｆ１）／（Ｎ１×Ｆ２）の値が約１であればよい。
【００４３】
また、ファン騒音のような定常的な騒音が異常音となるとき、例えば、「キーン」「ミャー」といった言葉で表現される。これらの表現では、母音がその周波数を帯域を示し、図８に示した英語リスニング科学的上達法（講談社刊、ブルーバックス）の１４８から１４９ページの日本語（図８（ａ））、または英語（図８（ｂ））の母音のフォルマント周波数と騒音の周波数が一致した場合に、騒音を対応する母音を使った言葉が使われることが多い。
【００４４】
一方、前述のごとく、騒音レベルは人間の聴感に合わせて音圧レベルに加えられる補正値は、２．５ｋＨｚで最も＋１．３ｄＢと極大となり、前後の周波数では単調に減少する。従って、ファンのように広帯域の騒音のスペクトルでは、図３にも見らみられるように、２ｋＨｚから３ｋＨｚ付近の帯域が支配的になる傾向がある。
【００４５】
２ｋＨｚから３ｋＨｚ付近の周波数範囲は、図８より、日本語の「イ」音、英語では「ｉ、Ｉ」音の母音の第２フォルマント周波数に対応している。
【００４６】
このため、前述の周波数の許容範囲の下限周波数Ｆ１（Ｈｚ）と上限周波数Ｆ２（Ｈｚ）は、母音の「イ」音や「ｉ、Ｉ」音の上限および下限周波数に対応させることにより、母音の変化による異常音を低減可能である。
【００４７】
図８より、母音の「イ」音、「ｉ、Ｉ」音の上限および下限周波数は、それぞれ約１６００Ｈｚから３８００Ｈｚであるため、これの範囲に含まれる１／３オクターブバンドの中心周波数である２０００Ｈｚ、２５００Ｈｚ、３１５０Ｈｚのいずれかに最大レベル帯域があればよいことになる。
【００４８】
また、心理的な騒音評価で使用される国際規格ＩＳＯ５２３Ｂで規定されたラウドネスレベルの計算に使用される周波数帯域であるクリティカルバンド（Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｂａｎｄ、臨界帯域）を用いた場合には、上記の母音の「イ」音、「ｉ、Ｉ」音の上限および下限周波数は、それぞれ約１６００Ｈｚから３８００Ｈｚの範囲内にあるバンドは、１８５０、２１５０、２５００、２９００、３４００であるため、これらのいずれかに最大レベル帯域があればよいことになる。
【００４９】
図６には、解析結果の一例のグラフ１０２および１０３を示し、１０２には異常音がなく、１０３には異常音があることがわかる。
【００５０】
また、上記の１／３オクターブやクリティカルバンド以外の帯域でもその帯域に含まれる周波数の範囲が１６００Ｈｚから３８００Ｈｚに含まれていればよい。
【００５１】
また、回転数変化に対して、変化する周波数の範囲が２．５ｋＨｚを中心として変化しない場合は、上記の「イ」音以外の母音における周波数の上限と下限の比率と同等とするため、周波数の許容範囲の上限周波数Ｆ２と下限周波数Ｆ１の比Ｆ２／Ｆ１を、１．５から１．９の範囲とすればよい。
【００５２】
また、周波数の許容範囲の上限周波数Ｆ２と下限周波数Ｆ１の比Ｆ２／Ｆ１を、１．５から１．９の範囲とした場合、（Ｎ２×Ｆ１）／（Ｎ１×Ｆ２）の値を約１とするため、Ｎ２／Ｎ１を１．５から１．９の範囲とすればよい。
【００５３】
図７は、本発明による音質評価方法のアルゴリズムを示すフローチャート図である。
【００５４】
図７において、スッテプ２００で評価を開始後、ステップ２０１で車両用発電機の回転数設定を行い、ステップ２０２で騒音検出を行う。その後、スッテプ２０３で騒音の周波数分析を行い、複数（Ｎ個）の周波数帯域毎の騒音レベルＬ１、Ｌ２、．．．ＬＮを求める。ステップ２０４で、これらＮ個の騒音レベルの中から最大値Ｌｍの検出を行い、ステップ２０５で回転数毎の周波数最大周波数帯域の中心周波数ｆｍの検出を実施する。
【００５５】
次に、ステップ２０６で前記の中心周波数ｆｍが所定の周波数範囲Ｆ１からＦ２の範囲にあるかの判定を行い、範囲内になければ、ステップ２０８で異音ありの判定を行い解析を終了する。範囲内であれば、ステップ２０７で計測すべき回転数がすべて終了しているかの確認を行う。終了していなければ、再度ステップ２０１の回転数設定からの評価手順を繰り返す。
【００５６】
また、すべての回転数での解析が終了していれば、ステップ２０９で調べた回転数範囲で異音はなかったとする判定を行う。
【００５７】
この音質評価方法により、車両用発電機の異音の有無の判定ができる。
【００５８】
尚、本発明で示した実施例は、自動車用発電機と同様の異音が発生する回転機であれば、回転数変化に伴う音質評価にも適用可能である。
【００５９】
次に、本発明の他の実施例を説明する。上記の前記第一の実施例における騒音の評価対象とする回転数範囲で、一対の冷却ファンの羽根通過周波数成分のうち、少なくとも一つが周波数変化の許容範囲に入れるため、回転数の上限Ｒ２（ｒ／ｍｉｎ）において、羽根枚数少ない方のファンの羽根通過周波数成分が周波数Ｎ１／Ｆ２×（Ｒ２／６０）の値を１以下にし、回転数の下限Ｒ１（ｒ／ｍｉｎ）においてＮ２／Ｆ１×（Ｒ１／６０）の値を１以上にすればよい。ファンの騒音エネルギは、一般に速度の6乗に比例して増加し、高回転数で特に問題となるため、前記の回転数の上限Ｒ２での制約を設ける必要がある。
【００６０】
また、これまでに述べた車両用発電機以外の回転機も含め、本発明による音質評価は可能で、図７に示したアルゴリズムにより、回転数設定２０１を行った後、騒音検出２０２を行い、周波数帯域分割２０３を行い、Ｌ１からＬＮまでの分割された帯域レベルの最大値Ｌｍを求め、Ｌｍの値をもつ最大レベルを持つ帯域の中心周波数を求め、これが所定の回転数範囲で所定の周波数範囲に有るかどうかを確認することにより、音質評価ができる。
【００６１】
また、騒音の検出においては、単一または複数のマイクロホンを用い、複数のマイクロホンを用いた場合には、それぞれマイクロホンにより検出された騒音レベルの平均により、音質評価を行うことが可能である。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、設計回転数範囲に対して、音質的な異音が出難い車両用発電機の羽根枚数などの設定が容易となり、試作した車両用発電機の母音の変化などに対応した音質評価を容易に行える
回転機の音質評価方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す車両用発電機の断面図。
【図２】本発明の一実施例を示す車両用発電機の冷却ファンの斜視図。
【図３】車両用発電機の騒音スペクトルの一例。
【図４】車両用発電機の周波数帯域分析結果の一例。
【図５】本発明による１／３オクターブバンドによる音質評価例。
【図６】本発明によるクリティカルバンドによる音質評価例。
【図７】本発明による音質評価方法のアルゴリズムを示すフローチャート図。
【図８】母音のフォルマントの周波数特性の例。
【符号の説明】
１…ロータ、２…コア、３…ボビン、４…コイル、５…ヨーク、６…回転軸、７…スリップリング、８…ステータコア、９…ブラシホルダ、１０…前ブラケット、１１…後ブラケット、１２…プーリ、１３…前ファン、１４…後ファン、２１…ファンブレード、３１…リング状ファンガイド、３２…取り付け基盤、３３…丸穴。
【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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