(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁コイルと、該界磁コイルが巻装された円筒部と該円筒部の軸方向位置から外周方向に広がる継鉄部と該継鉄部と連結され前記界磁コイルとを囲包するよう形成された爪状磁極部とを有するランデル型鉄心と、このランデル型鉄心を回転自在に支持するシャフトとを備え、前記界磁コイルは絶縁性のボビンに巻装されて円筒部と当接しており、該ボビンの軸長側端面は接着剤を介して前記継鉄部に固定されている界磁回転子と、
該回転子と対向配置された固定子鉄心、及びこの固定子鉄心に装備された多相固定子巻線を備える固定子とを有する車両用交流発電機において、
前記固定子鉄心の軸方向長さ（Ｌ１）は、前記円筒部の軸方向長さ（Ｌ２）より大きく、
前記継鉄部の軸方向長さ（Ｘ２）は前記爪状磁極の径方向厚さ（Ｘ１）より大きく設定されており、かつ前記円筒部は前記継鉄部と分離されて、当接固定されており、
前記円筒部の軸方向断面は、前記継鉄部と当接時に内径側に微小空隙部ができるように外径側が高く、内径側が低いテ−パ状面であって、その軸方向長さの差бが３〜２０μｍであることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項２】
前記円筒部と前記継鉄部は当接面において空隙部が設けられている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】
前記円筒部と前記継鉄部は当接面において酸化膜が生成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用交流発電機。
【請求項４】
前記固定子鉄心の軸方向長さ（Ｌ１）と、前記円筒部の軸方向長さ（Ｌ２）の比率（Ｌ１／Ｌ２）は、１．２５〜１．７５の範囲であり、かつ、前記継鉄部の軸方向長さ（Ｘ２）と前記爪状磁極の径方向厚さＸ１の比率（Ｘ１／Ｘ２）は、０．５〜０．９の範囲であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の車両用交流発電機。
【請求項５】
前記多相固定子巻線は、複数の導体セグメントを備え、
これら複数の導体セグメントは、前記スロット内においては、前記スロットの深さ方向に関して内層および外層として一対以上の対をなして周方向に重なりなく配列され、前記スロット内に互いに絶縁して収納されており、前記スロット外においては、前記固定子鉄心の端面側に延び出して配置されており、離間したスロット内の異なる層を直列接続する接続パターンによってコイルエンドを形成しており、その結果前記固定子鉄心の端面側には前記接続パターンを主として繰り返すコイルエンド群が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の車両用交流発電機。
【請求項６】
前記回転子は１６極以上であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の車両用交流発電機。
【請求項７】
前記回転子は軸方向両端面に金属製の冷却ファンを備え、該冷却ファンは前記ランデル型鉄心と熱伝導良好に装着されており、前記回転子内部に軸流を発生すべく各々の排気能力が異なる形状となっていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１つ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】
本発明は乗り物の内燃機関により駆動される車両用交流発電機に関し、例えば乗用車、トラック等に搭載される車両用交流発電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両走行抵抗の低減のためのスラントノーズ化や、車室内居住空間の確保のニーズからエンジンルームが近年ますます狭小化する中で、車両用交流発電機の搭載スペースに余裕がなくなってきている。
【０００３】
また車両用交流発電機においても、燃費向上のためエンジン回転は下げられ車両用交流発電機の回転も下がっている。しかしその一方で、安全制御機器等の電気負荷の増加が求められ、ますます発電能力の向上が求められている。
【０００４】
即ち、小型で高出力の車両用回転電機を安価に提供することが求められている。
【０００５】
このようなニーズに対応して，体格あたりの出力を決定づける回転子、固定子の磁気回路は数々の改良が提案されている。例えば、特開平１１−１６４４９９号公報では、図７に示すように、回転子の界磁コイル軸長よりも固定子鉄心の軸長を大きく取り、継鉄部から直接固定子鉄心に磁束を注入することで、爪状磁極の径方向厚みを小さく設定でき、その分回転子巻線の捲装面積を増加させ高出力化がはかれることを提案している。しかし、この方式では以下の問題があった。
【０００６】
すなわち、一般にランデル型ポールコアは爪状磁極表面に固定子からの交番磁束によるうず電流が発生する。また発電電流で高温化する固定子と対向するため、うず電流による自己発熱と固定子からの受熱とで爪状磁極は著しく高温化する。特に磁束が集中する爪状磁極外周面の中心部での温度上昇が著しい。この温度上昇は図８に示すように熱流Ｗとしてポールコア円筒部に到達し円筒部の温度を上昇させる。
【０００７】
これに対し、図９に示す特開平１１−１６４４９９号公報で開示された構成においては、爪状磁極の体積が小さくなるとともに、爪状磁極の側面部Ｓは減少するので、爪状磁極の熱容量低下によりうず電流による発熱は増加し、かつ、回転による爪状磁極の放熱も抑制されることから爪状磁極は高温化してしまう。
【０００８】
この結果爪状磁極の温度上昇による熱流が増加して継鉄部を介して鉄心中央部のボス部に伝搬し、回転子中央部が著しく高温化する。
【０００９】
ボス部が高温化した場合、回転子巻線、それを巻く樹脂製のボビン、ボス部鉄心それぞれが熱膨張する。また樹脂の熱膨張率と金属の熱膨張率が異なるため、その界面には熱応力が発生するが、その温度上昇値が大きいほど応力が大きくなる。更には車両用発電機は車両運転に合わせて、発熱、停止が繰り返されるため、各部は繰り返し応力が発生し、疲労が発生する。
【００１０】
特に図７に示すポールコア継鉄部と界磁コイルを巻装しているボビン間Ａ部は一般に樹脂含浸材の浸透で固着されているが、ボス部鉄心とこれを取り囲むボビンとの熱膨張の差が、Ａ部の樹脂含浸材に対し亀裂、破損が発生するように作用する。
【００１１】
この結果、ボビンとポールコアの固着強度が低下し、回転子の回転時にボビンがポールコアに対し回動し、コイルの断線、ひいては発電停止に至る問題があった。
【００１２】
このため、冷却風を増加させるため冷却ファンの大型化や、固定子からの受熱を抑えるため出力電流を低下させることが必要となり、本来の小型高出力化の効果を減少させてしまう。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点がポールコア中心部の高温化に起因している点に着眼し、この部分に伝搬する熱流を最小化させることで，高出力を維持しつつ高信頼性を確保する小型の車両用交流発電機を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、界磁コイルと、該界磁コイルが巻装された円筒部と該円筒部の軸方向位置から外周方向に広がる継鉄部と該継鉄部と連結され前記界磁コイルとを囲包するよう形成された爪状磁極部とを有するランデル型鉄心を備え、前記界磁コイルは絶縁性のボビンに巻装されて円筒部と当接しており、該ボビンの軸長側端面は少なくとも１ヶ所で樹脂系の接着剤を介して前記継鉄部に固定されている界磁回転子と、該回転子と対向配置された固定子鉄心、及びこの固定子鉄心に装備された多相固定子巻線を備える固定子とを有する車両用交流発電機において、前記固定子鉄心の軸方向長さ（Ｌ１）は、前記円筒部の軸方向長さ（Ｌ２）より大きく、前記継鉄部の軸方向長さ（Ｘ２）は前記爪状磁極の径方向厚さ（Ｘ１）より大きく設定されており、前記円筒部は前記継鉄部と分離されて、当接固定されていることを特徴としている。
【００１５】
前述のように前記固定子鉄心の軸方向長さ（Ｌ１）は、前記円筒部の軸方向長さ（Ｌ２）より大きく、前記継鉄部の軸方向長さＸ２は前記爪状磁極の径方向厚さ（Ｘ１）より大きく設定された発電機では爪状磁極部の温度上昇が過大となる。これに対し円筒部は前記継鉄部と分離されて、当接固定されていることを特徴としているので、当接面が熱抵抗となり継鉄部から円筒部への熱伝搬を妨げるため円筒部の温度上昇を抑制できる。これにより、円筒部温度上昇による熱応力を緩和できるため継鉄部とボビン間の接着剤の熱疲労を抑制でき、小型高出力化の効果を損なうことなく、ボビンの固定の信頼性を向上できる。この結果、小型高出力、高信頼の車両用交流発電機を提供できる。
【００１６】
請求項2の構成では、請求項１の構成において前記円筒部と前記継鉄部は当接面において空隙部が設けられていることを特徴としている。
【００１７】
当接面において空隙部が設けられているため、円筒部への熱伝達を更に抑制でき信頼性を更に向上できる。
【００１８】
請求項３の構成では、請求項１の構成において前記円筒部と前記継鉄部は当接面において酸化膜が生成されていることを特徴としている。
【００１９】
当接面において酸化膜が生成されているので円筒部への熱伝達を更に抑制でき信頼性を更に向上できる。
【００２０】
請求項4の構成では、請求項１の構成において前記固定子鉄心の軸方向長さ（Ｌ１）と、前記円筒部の軸方向長さ（Ｌ２）の比率（Ｌ１／Ｌ２）は、１．２５〜１．７５の範囲であり、かつ、前記継鉄部の軸方向長さ（Ｘ２）と前記爪状磁極の径方向厚さＸ１の比率（Ｘ１／Ｘ２）は０．５〜０．９の範囲であることを特徴としている。前述の範囲では出力電流がおおきいため、爪状磁極からの受熱が大きい。そのため、熱伝達抑制による信頼性の向上効果が更に大きい。
【００２１】
請求項5の構成では、請求項１〜4の構成において、前記多相固定子巻線は、複数の導体セグメントを備え、これら複数の導体セグメントは、前記スロット内においては、前記スロットの深さ方向に関して内層および外層として一対以上の対をなして周方向に重なりなく配列され、前記スロット内に互いに絶縁して収納されており、前記スロット外においては、前記固定子鉄心の端面側に延び出して配置されており、離間したスロット内の異なる層を直列接続する接続パターンによってコイルエンドを形成しており、その結果前記固定子鉄心の端面側には前記接続パターンを主として繰り返すコイルエンド群が形成されていることを特徴としている。
【００２２】
上記構成により、固定子のコイルエンドの重なりが抑制でき、コイルのスロット内占積率向上ができるためとともに通風性も向上できることから、固定子コイルの温度上昇を抑制できる。この結果、爪状磁極の固定子からの受熱を飛躍的に低減でき、ひいては円筒部の温度上昇を抑制でき、更に信頼性が向上できる。
【００２３】
請求項６に記載の発明では、前記回転子は１６極以上であることを特徴としている。
【００２４】
前記構成では、発電周波数が大きくなるため、うず電流の発熱がさらに大きい。加えて出力電流も増加するため、爪状磁極からの受熱は更に大きくなるため、熱伝達抑制による信頼性の向上効果が大きい。
【００２５】
請求項７に記載の発明では、前記回転子は軸方向両端面に金属製の冷却ファンを備え、該冷却ファンは前記ランデル型鉄心と熱伝導良好に装着されており、前記回転子内部に軸流を発生すべく各々の排気能力が異なる形状となっていることを特徴としている。
【００２６】
上記構成により、冷却ファンからの放熱も良好になる上に、回転子内部に軸流が発生するため、爪状磁極側面での放熱が促進される。これにより、爪状磁極の温度低減が図れるため、より信頼性の高い車両用交流発電機を提供できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
〔実施形態の構成〕
図１から図６は本発明の一実施形態を示したもので、図１は車両用交流発電機の主要部を示した断面図、図２は車両用交流発電機に含まれる回転子のポールコアの断面図、図３は回転子ポールコアの円筒部断面図、図４は回転子ポールコアの円筒部の部分断面図、図５は固定子コイルを構成する電気専体の形状を示す図、そして図６は電子コイルの形状を示す図である。
【００２９】
その車両用交流発電機１は、電機子として働く固定子２と界磁として働く回転子３、前記回転子、固定子を支持するハウジング４、前記固定子に直接接続され、交流電力を直流に変換する整流器５、界磁電流量を増減し発電量を制御する電圧調整器１１等から構成されている。界磁電流調節器としての電圧調整器１１は発電機が非稼働時に界磁コイルに電位がかからないように、界磁コイルに対し高電位側に接続されている。
【００３０】
回転子３は、シャフト６と一体になって回転するもので、ランデル型ポールコア７、冷却ファン１２（１２１、１２２）、界磁コイル８、スリップリング９、１０等によって構成されている。シャフト６は、プーリ２０に連結され、自動車に搭載された走行用のエンジン（図示せず）により回転駆動される。前記回転子３のポールコア７はボス部に相当する円筒部７１と、継鉄部７２、爪状磁極部７３とが一体化された２組の上下鉄心７３３により計３個の鉄心で構成されている。なお、同期インピーダンスの低減による高出力化のため、爪状磁極部は各８個以上、即ち１６極以上としている。ポールコア円筒部７１及び上下鉄心７３３はプレス、鍛造、鋳造等で製作し、円筒部７１と上下鉄心７３３の各当接面は切削加工等を施さず自然生成した酸化膜を残している。また円筒部７１の軸方向断面は図２及び図３に示すように継鉄部面と当接時に内径側に微少空隙部７１ａができるように外径側が高く、内径側が低いテーパ面としている。その軸方向長さの差δは出力減少が０．５％以下である３〜２０μｍに設定してある。各上下鉄心７３３には、上下鉄心７３３と熱伝達良好に金属製の１組の冷却ファン１２が装着されている。該冷却ファン１２は、スリップリング側ファン１２１と反スリップリング側ファン１２２とでブレードの形状または枚数が異なるファンを装着し、排気能力の違いによる風圧差により回転子内部、即ち爪状磁極近傍に軸流を生じさせる構成となっている。
【００３１】
界磁コイル８は、ナイロン等の樹脂製のボビン８１に巻装されている。そして、界磁コイル８の外形寸法は、軸方向中心部が大きく、端部にいくに従い小さくなっている。即ち、界磁コイル８の形状は、ポールコアの爪状磁極部７３に沿った山形形状となっている。ボビン８１の内径面はポールコアの円筒面７１の外周部と適当な圧縮力を持って少なくとも一ヶ所で当接されている。またボビン８１の軸方向端面にはポールコア継鉄部７２の軸方向内側面との間に部分的に極小隙間が設けられており、毛細管現象を利用し樹脂系接着材を浸透させている。ボビン、継鉄間は、該樹脂系接着材により固着される。
【００３２】
固定子２は、固定子鉄心３２と、電機子コイル３３と、固定子鉄心３２と電機子コイル３３とを絶縁するインシュレータ３４とで構成され、ハウジング４により支えられている。固定子鉄心３２は、薄い鋼板を重ね合わせて形成されている。上述したポールコア７がランデル型鉄心に対応している。
【００３３】
続いて各部の詳細について図４を使用し説明する。ポールコア７の円筒部７１の軸長Ｌ２は固定子鉄心３２の軸長Ｌ１より小さく設定し、その比率（Ｌ１／Ｌ２）は１．２５〜１．７５の範囲で設定されている。継鉄部７２の軸方向厚みはＸ２とし、その断面積は円筒部７１の断面積を磁極対（本実施形態では６）で割った面積に対し、略同一（±１０％の範囲）となるように設定されている。爪状磁極部７３の根元部の径方向厚さＸ１はＸ２に対し小さく、その比率（Ｘ１／Ｘ２）を０．５〜０．９の範囲に設定している。
【００３４】
固定子２は、外径寸法Ｒ４をポールコア７の爪状磁極部外径Ｒ１の１２９％にした。
【００３５】
またエアギャップｔは車両用交流発電機で一般的に使用される０．３５ｍｍとしている。その他爪状磁極部７３の先端厚さ等詳細寸法は従来の車両用発電機と同等比率で設定している。なお爪状磁極部７３の外径Ｒ１は９２ｍｍとした。なお、電機子コイル３３は図５に示されるような２つの直線部２３２を持つ略Ｕ字状の電気導体２３１からなる。図６に示されるように直線部２３２の片方はスロットの径方向の開口部側である内径側に配置されて内層をなし、他方はスロットの奥に位置する外径側に配置されて外層をなしている。さらに電気導体２３１の各直線部２３２の端部を接続するターン部２３３はコイルエンドとしての部分である。そして複数の電気導体２３１は、コイルエンドが整列するように重ねて固定子鉄心３２のスロットの一方側端面から挿入されている。そして、スロットの他方側端面から突出した内層あるいは外層の各直線部２３２をそれぞれ固定子鉄心３２の周方向に曲げ、１極分ずれた各電気導体２３１の異なる層の各直線部２３２に結線することで電機子コイル３３は構成されている。
【００３６】
〔実施形態の作用効果〕
上述のように、固定子鉄心３２の軸方向長さＬ１は、前記円筒部７１の軸方向長さＬ２より大きく、継鉄部７２の軸方向長さＸ２は前記爪状磁極部７３の径方向厚さＸ１より大きく設定されている。爪状磁極部７３の温度上昇が著しい発電機において、ポールコア円筒部７１を継鉄部７２及び爪状磁極部７３からなる上下鉄心と分離してあるため、当接面が熱抵抗となり、爪状磁極部７３で発生した熱量の円筒部７１への伝搬を抑制でき、結果的に円筒部７１の温度を低減できる。また本実施例では、当接面に空隙部７１ａができるようにポールコア円筒部７１の軸長方向端面をテーパ状にしてあるため、空隙部７１ａによる熱抵抗の増加で更に熱量伝搬が抑制できる。またその空隙は出力電流の減少が０．５％以下である３〜２０μｍで設定してあるため、小型高出力の効果を殆ど損なうことはない。
【００３７】
更には円筒部７１の軸方向端面、及び継鉄部７２の各当接面は切削加工等を施さず、酸化膜が生成されているためこの部分が更に熱抵抗熱抵抗を増加させ飛躍的に円筒部７１の温度低減が可能となる。また切削工程を施さないため、設備の簡素化、工数の低下などの効果もある。
【００３８】
また、上下鉄心と熱伝達良好に金属性のファンが装着されているため、爪状磁極部の熱を良好に放熱する。加えて、排気能力の違いによる風圧差により回転子内部即ち爪状磁極部近傍に軸流を発生されるため、爪状磁極部７３が良好に放熱される。
【００３９】
これらにより円筒部７１の温度上昇が低減できるため、樹脂と金属との間の軸方向の熱膨張差に起因する熱応力を低減でき、ボビン８１と継鉄部７２との間の樹脂系接着材の熱疲労を防止でき、高信頼の発電機を提供できる。
【００４０】
特に、本実施例では固定子鉄心３２の軸長Ｌ１とポールコア７の円筒部７１の軸長Ｌ２の比率（Ｌ１／Ｌ２）を、１．２５〜１．７５の範囲で設定し、また継鉄部７２の軸方向厚さＸ２と前記爪状磁極部７３の根元部の径方向厚さＸ１との比率（Ｘ１／Ｘ２）を１以下の０．５〜０．９の範囲で設定している。また、局数は通常１２極に対し１６極としている。
【００４１】
したがって、従来技術では継鉄部７２からの磁束増加及び電気周波数増加に伴ううず電流発熱の増加、上記磁束増加に伴う固定子３の発熱増加、爪状磁極部７３の側面減少による自己放熱の悪化に起因する爪状磁極の温度上昇が著しく、従来技術では冷却ファンの大型化、発電電流の抑制等を余儀なくされる発電機で、そのような小型高出力に反する設定をすることなく円筒部の温度上昇を抑制できるため、小型高出力、高信頼の車両用発電機を提供できる。また、冷却ファンを大型化してない。このため、冷却のための騒音が飛躍的に低減できる効果もある。また爪状磁極部７３の厚みは継鉄部７２に対し薄いため爪状磁極部７３の重量が軽くなり、回転子３が高速で回転した場合の遠心力による爪状磁極の変形が防止できる効果もある。
【００４２】
また、本実施例では電機子コイル３３は２つの直線部２３２を持つ略Ｕ字状の電気導体２３１からなり、直線部２３２の片方はスロットの径方向の開口部側である内径側に配置されて内層をなし、他方はスロットの奥に位置する外径側に配置されて外層をなしている。複数の電気導体２３１は、コイルエンドが整列するように重ねて固定子鉄心３２のスロットの一方側端面から挿入されている。そして、スロットの他方側端面から突出した内層あるいは外層の各直線部２３２をそれぞれ固定子鉄心３２の周方向に曲げ、１極分ずれた各電気導体２３１の異なる層の各直線部２３２に結線することで電機子コイル３３は構成されている。
【００４３】
このため、固定子巻線はコイルエンド部分で重なりがないため、高占積、低コイルエンド高さで作成でき低抵抗とすることができ発熱量が抑制できる。更にはコイルエンドがメッシュ状になり通風性も良好となるため、温度上昇が著しく抑制できる。このため、爪状磁極の固定子からの受熱が抑制でき爪状磁極の温度低減が可能となるため、ポールコア円筒部への伝熱量も下がるので、更に小型高出力で高信頼の車両用交流発電機を提供できる。
【００４４】
上記実施例では円筒部の両端面をテーパ状としたが片面でも相応の効果がある。また継鉄部側にテーパ面を設けても良く両側であっても良い。
【００４５】
また、酸化膜は円筒部、継鉄部の当接面の両方に設けているが片方であってもよい。また、２つの当接面の内の片面のみに設けてもよい。
【００４６】
なお、本実施形態では、樹脂製のボビンとしたが、絶縁性で金属と熱膨張率が異なるものであれば同様の効果が得られ、例えば紙製のボビンであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の車両用交流発電機の主要部を示した断面図である。
【図２】本実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子のポールコアの断面図である。
【図３】本実施形態の回転子ポールコアの円筒部断面を示す図である。
【図４】本実施形態の回転子ポールコアの軸方向部分断面図である。
【図５】固定子コイルを構成する略Ｕ字状の電気導体の詳細形状を示す図である。
【図６】図５に示す電気導体によって構成した電機子コイルの詳細形状を示す図である。
【図７】従来の車両用交流発電機の主要部を示した断面図である。
【図８】従来の回転子ポールコアの軸方向から見た部分的な平面図である。
【図９】従来の回転子の熱流を示す図である。
【符号の説明】
１…車両用交流発電機、２…固定子、３…回転子、６…シャフト、
７…ポールコア、８…界磁コイル、９，１０…スリップリング、
１２…冷却ファン、３２…固定子鉄心、３３…電機子コイル、
３４…インシュレータ、７１…円筒部、７２…継鉄部、７３…爪状磁極部。
【図１】
0004206602.tif 000002
【図２】
0004206602.tif 000003
【図３】
0004206602.tif 000004
【図４】
0004206602.tif 000005
【図５】
0004206602.tif 000006
【図６】
0004206602.tif 000007
【図７】
0004206602.tif 000008
【図８】
0004206602.tif 000009
【図９】
0004206602.tif 000010