(57)【要約】【課題】  車両用により好適な回転電機を提供することである。【解決手段】  １相の固定子巻線が１磁極に巻装される集中巻構造の固定子と、固定子とギャップを介して回転するように対向配置され、磁極数が１６以上である回転子と、を有する車両用回転電機で、回転子と固定子の磁極比率を２：３で構成する。車両用交流発電機は、回転数が３,０００ｒ／min近辺が最も多用される回転数であり、そのような回転数において、鉄損，銅損の双方を含む全体的な損失が低減され、より高い効率が得られる。【選択図】図１２
2009118618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１相の固定子巻線が１磁極に巻装される集中巻構造の固定子と、
前記固定子とギャップを介して回転するように対向配置され、磁極数が１６以上である回転子と、を有し、
前記回転子と前記固定子の磁極比率が２：３で構成された車両用交流発電機。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記回転子の磁極数が１６、前記固定子の磁極数が２４である車両用交流発電機。
【請求項３】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記回転子の磁極数が１８、前記固定子の磁極数が２７である車両用交流発電機。
【請求項４】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記回転子の磁極数が２０、前記固定子の磁極数が３０である車両用交流発電機。
【請求項５】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記回転子の磁極数が２２、前記固定子の磁極数が３３である車両用交流発電機。
【請求項６】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記回転子の磁極数が２４、前記固定子の磁極数が３６である車両用交流発電機。
【請求項７】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記回転子の磁極数が２６、前記固定子の磁極数が３９である車両用交流発電機。
【請求項８】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記回転子の磁極数が２８、前記固定子の磁極数が４２である車両用交流発電機。
【請求項９】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記固定子の磁極配列は電気角で１２０度の位相差で配置されている車両用交流発電機。
【請求項１０】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記固定子巻線同士の間に軸方向に冷却風が通る隙間を設けた車両用交流発電機。
【請求項１１】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記回転子に設けられたファンの軸方向位置に対して前記固定子に巻装されたコイルエンドが軸方向で内側に配置されている車両用交流発電機。
【請求項１２】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記回転子はファンが設けられ、前記ファンは、ダイオード等の整流素子が配置された片面に設けられている車両用交流発電機。
【請求項１３】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記固定子巻線の結線方式が△結線である車両用交流発電機。
【請求項１４】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記固定子巻線が巻装されるスロット内に風が通る空間部を設け、軸方向に冷却風が通る構造とした車両用交流発電機。
【請求項１５】
請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
前記固定子鉄心は厚みが０.３５mm以下の鋼板で構成され、各鋼板はエッチング鋼板である車両用交流発電機。
【請求項１６】
請求項１に記載の車両用交流発電機と、
前記車両交流発電機を発電機として接続したエンジンと、
前記エンジンに接続された無段式自動変速機と、を有する自動車。
【請求項１７】
請求項１に記載の車両用交流発電機と、
前記車両交流発電機を発電機として接続したディーゼルエンジンと、を有する自動車。
【請求項１８】
請求項１に記載の車両用交流発電機の製造方法であって、
前記固定子のコアバックを略直線状に配置し、
前記コアバックとは別体のＩ型ティースに巻線を装着し、
前記Ｉ型ティースを前記コアバックのティース挿入部に軸方向から差し込み、
前記コアバックをローラで丸めて付き合わせ部で溶接する車両用交流発電機の製造方法。
【請求項１９】
磁極数が２０である回転子と、
前記回転子とギャップを介して対向配置され、磁極数が２４であり、周方向に偶数番目の巻線で構成される第１の３相巻線と、奇数番目の巻線で構成される第２の３相巻線とを有する固定子と、
前記第１の巻線と前記第２の巻線の交流をそれぞれ独立に整流する整流回路と、を有する車両用交流発電機。
【請求項２０】
請求項１９に記載の車両用交流発電機であって、
前記固定子巻線は、前記第１の３相巻線と前記第２の３相巻線の巻回数が同じであり、更に整流後の直流電圧が電気的に接続されている車両用交流発電機。
【請求項２１】
１相の固定子巻線が１磁極に巻装される集中巻構造の固定子と、
前記固定子とギャップを介して回転するように対向配置され、磁極数が１６以上である回転子と、
前記固定子巻線に接続されたスイッチング回路と、を有し、
前記回転子と前記固定子の磁極比率が２：３で構成された車両用回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用交流発電機，車両用回転電機，車両用交流発電機の製造方法、及び自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用回転電機の一例として、車両用交流発電機がある。その改良技術として、冷却および占積率向上のために固定子スロット内の銅線に平角線を使用したもの（例えば特許文献１）や、効率向上のためにスロット面積を大きくして、丸線の抵抗値を下げるもの（例えば特許文献２）がある。また、固定子巻線を集中巻で構成し、極数とスロット数の関係を規定したもの（例えば特許文献３）がある。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２８５２１７号公報
【特許文献２】特開２００１−１０３７２１号公報
【特許文献３】特開平１１−２７９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
車両用の回転電機はエンジンと同期して回転するが、使用されるエンジン回転数の頻度の高い回転域において効率を向上させることが最も有効な手段となる。しかし、従来技術ではその点が必ずしも十分に考慮されていなかった。
【０００５】
本発明の目的は、車両用により好適な回転電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、固定子の巻線形態および磁極数と回転子の磁極数との組み合わせを、効率などの面で車両用途に好適な組み合わせにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、車両用により好適な回転電機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施形態を説明する。
【０００９】
従来の技術では、高効率化を実現するべく、巻線抵抗が小さくなるように導体の断面積を大きくするものがある。その目的のため、例えば平角線を用いた占積率向上やスロット断面積を広げるような工夫がなされていた。また、分布巻のコイルエンド長を短くできる集中巻も開示されているが、冷却方法や風切り音等に対する対策についての開示はなされていなかった。また、集中巻に関してはスロット高調波が大きく、コギングトルクの次数を大きくしても、円環モードが小さいためにステータコアの変形量が大きくなりコアバックを薄く作った場合には騒音が大きくなる問題点があった。
【００１０】
そこで、本発明の一実施形態では、巻線径を太くして低抵抗化を図るのではなく、巻数を低減して空いたスペースに対して太線化を図ったものである。そのために、現行と銅の使用量は変わらない設計とすることが出来るため銅線の原価が上昇することはない。
【００１１】
また本発明の一実施形態では、巻数を低減するために、ロータの極数に着目したものである。特に、近年エンジンの変速システムとして燃費改善や、変速ショック緩和のために既存の有段式自動変速機から無段式自動変速機に切り替わってきている。無段式自動変速機ではエンジン回転数と車軸の回転数を無段階に変速できることから、エンジンの常用回転数が従来のオートマチック車に比べて低くなっている。車両用交流発電機は、エンジンの出力軸に対してプーリ比が一定の大きさで動作する設計となっているため、エンジンの最高回転数とプーリ比を掛け合わせた回転数で、ステータの鉄損で温度上昇が許容値に入るようにロータの極数が決定されていた。車両用交流発電機はロータが厚板を曲げて作った爪磁極構造となっているため、一般的なモータと違いステータコアに曲げにくい珪素鋼板を使用せず細い帯状のＳＰＣＣ材を円形状に多重積層してステータコアを構成していた。ＳＰＣＣ材は、加工性は良い一方で、鉄損が大きい欠点を持っていたが、原価が安いため多用されてきた。珪素鋼板は一般的に堅いため、同様な円形状に積み上げていく加工が出来ないために、プレスにより打ち抜いたものを使用した例もあるが、ロータに相当する部分の材料が使えないためコストの上昇となっていた。これらのことから、車両用交流発電機は１２極程度の極数が一般的である。
【００１２】
本発明の一実施形態の車両用交流発電機は、エンジンと同期して回転するが使用されるエンジン回転数の頻度の高い回転域で効率向上が最も有効な手段となる。そこで、使用頻度の高いエンジン回転数に相当する車両用交流発電機回転数で、ステータ銅損と鉄損の割合と大きさから損失が最も小さくなる極数を選択し、更に低騒音化のためにステータ巻線を集中巻としたものである。
【００１３】
更に本発明の一実施形態では、冷却ファンの冷却風がステータコイルに直接当たらないように構成し風切り音を低減するようにしたものである。
【００１４】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１５】
図１は車両用交流発電機の回転数に対する使用頻度から求めた効率の重要度を示したものである。この表にも示したように車両用交流発電機の回転数が３,０００ｒ／min（エンジン回転数はプーリ比で割った値となり１,２００〜１,５００ｒ／min）近辺が最も多用される回転数となるため、このあたりの回転数において効率向上が有効である。次に、アイドリング相当に対する１,８００ｒ／min、高速道路走行時の６,０００ｒ／minが、使用頻度の高い回転数となっている。車両用交流発電機としては２０,０００ｒ／min程度までは機械的な強度で回される構造となっているが、１０,０００ｒ／min以上で使われる頻度は非常に少なくなっている。これらのことから、車両用交流発電機回転数で６,０００ｒ／min以下の回転数で効率が高い設計が重要である。特に、近年変速機に無段式自動変速機が普及してきており、エンジン回転数も高速で使用される頻度が下がってきたことからも、車両用交流発電機も比較的低い回転数で使用される頻度が高くなってきた。
【００１６】
図２にカットイン回転数を合わせた場合の回転子の極数と固定子巻線の巻数との関係を示す。基本的には車両用交流発電機はエンジンに対してプーリ比２〜３で増速して回転することから、車両用交流発電機回転数で１,２００〜１,３００ｒ／min時に発電を開始できる回転数とする必要がある。発電開始電圧は接続されるバッテリー電圧よりも発電電圧が高くなる必要があり、この発電電圧は極数とステータ巻数に比例するものである。そのために、１２極の車両用交流発電機が一相巻数５ターンで構成されていたとすると、極数を増加させることで巻数を低減することが可能になる。図２はその様子を示したもので、例えば極数を２０極とした場合、巻数は５ターンから３ターンに変更することが可能になる。更に、巻数が低下すれば発電機のインダクタンスが低減できるため、極数を増加させると発電出力が増加する傾向となり性能向上が可能になる。２０極にした場合、巻数は低下するが占積率を同じにするためには、電線径がΦ２.２からΦ２.８と太い電線を使用しなければならなくなる。また、極数を２８極まで向上すると、巻数を１ターンにすることもでき、この場合導線をスロットに入れるというよりも銅バーを差し込むイメージ又は銅を鋳込むような構造が考えられる。上記説明は３相結線にＹ結線を用いた場合であるが、巻数が少なくなると巻線径が太くなり生産性に欠ける場合が有る。その場合には△結線を採用することで巻数は増加するが線径を細くすることが出来るため、生産性が向上する場合もある。
【００１７】
図３は、極数を増加させた場合の導線の抵抗比を示したものである。図中では、同じ電流の場合、抵抗値低下は損失低下と等しいため損失比率として示した。その結果、１２極から２０極に変更した場合、ステータ銅損は６４％の低減が可能になるとこが分かる。
【００１８】
図４は逆に極数を増やしたことに起因して悪化する鉄損を示したものである。ステータコア材に０.５ｔのＳＰＣＣを用いた場合、現行の１２極の鉄損を１とした場合、２０極にした場合には鉄損が約２.２倍に増加することが分かる。
【００１９】
図５に、図３，図４で述べたステータ銅損と鉄損の比率に対して、現行の銅損と鉄損の絶対値の割合を加味したグラフを示す。また、それぞれの値を加えた結果、極数に対して最も損失が小さくなる極数は１６極〜２０極となることが分かった。また、極数増加と共に銅損は低下し、鉄損は増加するが、低減量の関係から、極数が１６極〜２０極よりも増加すると鉄損の増加により損失合計は増えていくことが分かる。しかし、現行のＳＰＣＣコア材においても２８極までなら現行の損失よりも小さくなることが分かった。
【００２０】
図６は、極数とスロット数との関係を示したものである。巻線方式としては、分布巻と集中巻について示した。分布巻に関しては毎極毎相スロット数（ＮＳＰＰ）が１の場合と２の場合について示した。また、集中巻に関しては、ロータ極数とスロット数の関係が２対３の比率となるものと、４対３の比率となるものと、更にそれ以外の組み合わせで成り立つものを示した。この図から分かるように、極数を増加させていくとスロット数も増加することになる。特に分布巻では、ＮＳＰＰが２の場合で２０極以上の極数を選択した場合、ティース幅が狭くなるため製作が難しくなってくる。集中巻ではスロット数は図示した範囲では最大でも４２で、製作が困難になるほどのスロット数にはならないことが分かる。
【００２１】
図７は分布巻の場合の極数に対するスロット内の実効有効面積について評価したものを示す。極数を増加させた場合、絶縁紙の厚みはスロット数に関係ないため、スロット数が増加することにより実効面積の低下が発生することが分かった。特にＮＳＰＰが２の場合には、スロット数が２倍となるため有効面積の低下が顕著となり、分布巻で極数を余り増加させると巻線のスペースの実効面積が低減するため銅損の低減割合が小さくなってしまう。
【００２２】
次に、図８を用いて騒音に深く関係する円環モードについて説明する。円環モードは、ロータ極数とステータ磁極数の最小組み合わせモードを示したものである。例えば分布巻の１２極３６スロットの場合について説明する。３相巻線の場合少なくとも３個のティースが１つのグループを形成する。その３個のティースに対して、対向するロータ磁極は１極分であるため、この１つのモードの繰り返しで全体のモデル化が可能になる。そのため３６スロット／３で１２が円環モードとなる。ＮＳＰＰが２になっても円環モードは１２と変わらない。この１２という数値は、ステータコアに１２箇所を均等に押す力が働くモードとなるため、ステータコアの変形が小さいモードとなる。この円環モードが小さいものは、変形量が大きくなるため、騒音の発生がおこりやすくなる。一般的なモータでは、この円環モードは６以下では騒音の発生が大きくなるため余り用いられていない。そのために、８以上のモードが理想的となる。円環モードが小さい場合には、コアバックを厚くすることで対策できるが、車両用交流発電機の場合には、搭載性から大きさに制限があるため極力大きい円環モードを採用することが望ましい。この表に示した円環モードから理想的な８以上と出来る組み合わせは、分布巻では、８極以上、集中巻では２対３系列の１６極２４スロット，２０極３０スロット，２４極３６スロット，２８極４２スロットとなることが分かった。他の、組み合わせでは円環モードが８未満となり騒音の面からは不利となり、その結果、コアバックを厚くした設計が必要となってくる。しかし、騒音の件を除けば、極数を１６極以上とすることで総合損失を低減できることから効率の向上は可能である。
【００２３】
図９に円環モードと固定子コアの振幅を相対的に示したものである。計算の基準は、振幅は円環モード次数の４乗分の１に比例するという計算式で行った。このグラフからも分かるように、現在の１２極３６スロットの円環モード１２に対して、２０極３０スロットでは円環モードが１０となり変形量は２倍となるが、他の組み合わせとして同じ２０極でも４対３系列の２０極１５スロットでは３３倍にも大きくなり、音を低減するのが大変となる。振幅が３倍までならコアバックの厚みを１.５倍程度に厚くすれば対応可能であるが、３３倍では現実的には音の対策は難しいと考えられる。
【００２４】
尚、図１０は極数を増加させた場合、分布巻から集中巻にすることで電線の長さの低減効果が大きいことを表した模式図である。図１０（ａ）は分布巻、（ｂ）は集中巻の例を示し、それぞれ上段が１２極、下段が２０極の場合を示す。斜線で示されているのは固定子鉄心であり、実線は巻線を示す。（ａ）の上段に示したように、１２極の場合、固定子鉄心に巻装されている長さが３０×２、コイルピッチが２８×２、そしてエンドコイル分が２０×４であり、コイル長は１９６になる。同じ１２極の集中巻ではコイルエンド部が小さくなるので、コイルピッチ２８×２＋固定子鉄心巻装分３０×２で、コイル長は１１６である。従って１２極の場合、分布巻から集中巻にすることにより０.５９の長さ低減効果がある。２０極の場合は、それが０.５５となり、極数が大きくなるにつれて、分布巻を集中巻に変更する場合の長さ低減効果が大きくなる。これは、集中巻のメリットの１つである。
【実施例１】
【００２５】
以上述べたことから、本発明の一実施例の車両用交流発電機１００について図１１を用いて構成を説明する。
【００２６】
回転子３はシャフトの中心部に爪型磁極１３とその中心部に界磁巻線１２が配置され、シャフトの先端にプーリ１が取り付けられており、その反対側には界磁巻線１２に給電するためのスリップリング９から構成されている。更に回転子３の爪形磁極１３の端面には回転と同期して回転する冷却ファンのフロントファン７Ｆとリアファン７Ｒから構成されている。また、爪型磁極間には永久磁石１６が配置され界磁巻線磁束を増加させる補助励磁の役目を果たしている。一方、固定子４は固定子磁極２０と固定子巻線５から構成され、回転子３と僅かなギャップを介して対向配置されている。固定子４はフロントブラケット１４とリアブラケット１５によって保持され、両ブラケットと回転子３はベアリング２Ｆおよび２Ｒで回転可能に支持されている。先に述べたスリップリング９はブラシ８と接触し電力を給電される構成となっている。固定子巻線５は３相巻線で構成されており、それぞれの巻線の口出し線は、整流回路１１に接続されている。整流回路１１はダイオード等の整流素子から構成され、全波整流回路を構成している。例えばダイオードの場合、カソード端子はターミナル６に接続されている。また、アノード側の端子は車両用交流発電機本体に電気的に接続されている。リアカバー１０は整流回路１１の保護カバーの役割を果たしている。
【００２７】
次に、発電動作について説明する。エンジン（図示せず）と車両用交流発電機は一般的にはベルトで連結されている。車両用交流発電機はプーリ１でエンジン側とベルトで接続され、エンジンの回転と共に回転子３は回転する。回転子３の爪形磁極１３の中心部に設けられた界磁巻線に電流が流れることで、この爪形磁極１３が磁化され、回転することで固定子巻線５に３相の誘導起電力を発生する。その電圧は先に述べた整流回路１１で全波整流され、直流電圧が発生する。この直流電圧のプラス側はターミナル６と接続されており、更にバッテリー（図示せず）と接続されている。詳細は省略するが、整流後の直流電圧はバッテリーを充電するのに適した電圧となるように、界磁電流は制御されている。
【００２８】
冷却ファンであるフロントファン７Ｆとリアファン７Ｒの外径側には、固定子磁極２０及び固定子巻線５は配置されず、これらのファンの内側に全て配置される構造となっている。そのために、ファインの風は軸方向から吸入された後外周方向に吹き出されるが、コイルエンドとの風の干渉がないため風音を小さくすることが出来る構造となっている。すなわち、図中で示すＷ１とＷ２の部分の外径方向は、ブラケットに設けられた風の取り出し口のみとなる。
【００２９】
次に、図１２を用いて回転子と固定子の関係について説明する。図１２（ｂ）は固定子、図１２（ｃ）は回転子、図１２（ａ）はそれらを組み合わせた場合の斜視図である。回転子極数が２０極で、固定子磁極数が３０の集中巻を採用した磁気回路を示している。回転子のロータの爪磁極間には補助励磁用の永久磁石１６が搭載されている。この永久磁石は必要性能に合わせて、磁石を省略することも可能であるが、磁石を搭載する場合にはフェライト磁石やネオジム磁石を用いることが出来る。特に永久磁石を爪磁極間に設けた場合には、爪磁極間を冷却風が通り難くなるため、冷却を考えると固定子巻線と固定子巻線の間に風が通る隙間を設けることが有効となる。本実施形態によれば、例えば部分１０１に示したように、コイルエンドを丸くできるため、軸方向に風を通した場合、風の通りが良く、風音を低減することができる。また、爪磁極には、磁気音低減のために回転方向の後ろ側にベベルと呼ぶ切り欠き部を設けている。固定子巻線５は直接固定子磁極に巻装しても良いが、製造の容易性から分割コアで作成することも可能である。
【００３０】
図１３に固定子コアを分割で作成する場合の構造について示した。本発明は作りやすさを優先するためにＩ型の固定子磁極２０を用いた。このＩ型固定子磁極２０のコアバック４１との嵌合部には凹部１７が設けられた構造となっている。また、コアバック４１には、前記固定子磁極２０の凹部に連結される凸部１８が設けられている。コアバック４１は固定子磁極挿入部１９が空いた状態で直線状に延びた状態となっている。固定子磁極２０及びコアバック４１は積層鋼板を重ねて構成されたもので、固定子磁極２０は中心部分１１１でかしめられている。製造過程において、まず固定子磁極２０に予め作成した固定子巻線５を軸方向から挿入し、その後コアバック４１に対して軸方向から挿入する。そのままだと締め代が小さくガタがあるため、直線上に展開されたコアバックをローラで丸めて円形にしたときに内周側の歪み量で固定子磁極２０を動かないように固定することが出来る。また、このときの巻線の接続線１２１は図示したように直線で表示した巻線は整数巻数とすることが出来るが、１コイルあたりの巻数が少ないため０.５ターンの巻線を構成したい場合には、点線で示した接続線１２３のような配線方法を用いることで０.５ターン毎の巻数を構成することが出来る。特に、図１８で示したように巻線の巻き方向が交互に繋がっていく場合にとってはステータの両側に接続線を配置することが出来るため、コイルエンドのボリュームを均一化できる。また、図示しないが、中性点のみをプーリ側で接続できるように配線することも可能である。残りの３相巻線はダイオード側とする。
【００３１】
次に図１４を用いてステータコイル内の風の流れについて説明する。図中矢印１３１で示す向きに風の通路が構成されている。軸方向に風を通そうとした場合、分布巻ではコイルエンドが連続して配置されるため風の通路を塞ぐようになっているが、集中巻は１磁極に集中して巻線が巻かれるため、必ずコイルエンドが独立して丸く構成される。よって、風の通路に最適な形状にすることができる。また、本実施形態の車両用交流発電機は極数を増加させたため、１磁極あたりの巻数が少なく、コイル同士が重ならないように構成することもできるため、全てのコイル表面に直接冷却風が通るため冷却効率も良い。
【００３２】
尚、この車両用交流発電機は、エンジンに接続された変速機が無段式自動変速機の場合により好適である。無段式自動変速機は、通常のＡＴなどの有段変速機に比べ、エンジンを高回転領域で回す頻度が低くなる。全運転領域における図１で示したアイドリングモードから高速走行に至るエンジンの回転数が、およそ４０００ｒｐｍ以下の頻度が高く、上述のようにそのような回転域に焦点を絞って設計された本実施形態の車両用交流発電機は、より高い効率を得ることが期待できる。また、エンジンがディーゼルエンジンである場合にも、特定の回転数領域の頻度が高く、同様の理由で本実施形態の車両用交流発電機を利用するメリットがある。
【実施例２】
【００３３】
図１５に本発明の一実施例をなす、ステータコイル内を軸方向に風が通る車両用交流発電機の構成を示す。以下に特に示す事項の他は、実施例１と同様である。
【００３４】
積極的に軸方向に風を通すためには、軸流ファンを用いることも出来るが、本実施例では整流素子の配置される側に遠心ファンも設けることで、整流素子の冷却向上と圧力差によりステータコイル内に風を通すことが出来るようになる。
【００３５】
本実施例では、最も大きいステータ銅損に着目して低減させるために極数増加で、銅損の大幅な低減を可能としたが、周波数の上昇により鉄損の増加となる。しかし、現在使用しているＳＰＣＣ材は最も鉄損の大きい部類の材料なので、例えば固定子磁極２０のみを薄板の電磁鋼板を採用すれば、損失増大を低減することが出来る。コアバックは曲げる必要があるため加工性の良いＳＰＣＣを用いることが望ましい。また、ステータ構造が分割コアではなくコイル直巻構造なら、ステータコアの材質全体を薄板の電磁鋼板とすることで、鉄損の増加を大幅に低減することが出来る。
【００３６】
図１６は、鉄板厚さと極数の関係について表したものである。最も多用されている１２極の車両用交流発電機には、板厚が０.５mm程度のものである。更に極数が１６極になると、０.３５mm程度を採用したものもある。これよりも極数を上昇させた場合、板厚は更に薄いものが適しており、０.２mm前後のものが適していると考えられる。この理由は、周波数の向上により渦電流損失が増えるためで、渦電流損失の抑制には電流経路を小さくできる薄板が有効となるためである。本実施形態の１６極以上の車両用交流発電機は０.３５mm以下の板厚を採用する。この場合、板厚が薄くなることで、打ち抜き歪みにより磁気特性の劣化が心配されるため、エッチングによるステータ磁極の作成手段も可能となってくる。
【００３７】
図１７に一般的なプレス加工により鉄板の打ち抜き断面とエッチングによる加工面の比較を示したものである。（ａ）がプレス加工面、（ｂ）がエッチング加工面である。図からも分かるように、プレス面は端部のダレやつぶれにより磁気特性の劣化及び積層時の厚みの不均一化が発生する。エッチングではそのような現象は発生していない。先に説明した、Ｉ型固定子磁極をコアバックに挿入する場合、ダレやつぶれがあるものを積層した場合、挿入時にうまく勘合しない場合が発生してくるが、エッチングで作成した場合には加工面が綺麗に揃うため制作性の向上が期待できる。
【００３８】
また、エッチングは化学反応で行うため薄ければ加工時間が短くなるため、コアバックの板厚とティース側の固定子磁極の厚みを変えた組み合わせも可能である。この場合、固定子磁極を構成する板厚を薄く構成する方が、渦電流の防止効果は大きい。
【実施例３】
【００３９】
図１８は、独立した３相巻線が電気角で３０度の位相差を持って構成できる２０極２４スロットまたは２８極２４スロットのステータコイルの配置について示した実施例である。以下に特に示す事項の他は、実施例１と同様である。
【００４０】
この２４スロット構造は隣り合うスロットが同一相で電気角３０度の位相差で配置されている。よって、奇数番号で構成される第一巻線と偶数番号で構成される第二巻線をそれぞれ独立して整流したものを示している。この場合、第一巻線の巻数と第二巻線の巻数を変えれば２種類の発電電圧を出力できる発電機とすることができる。また、巻数が同じ場合には独立して整流した後に直流側で繋げば並列接続となる。この場合には、第一巻線で発生する３相の全波整流時の６０度毎に変動する電圧リプルと第二巻線の電圧リプルが電気的に３０度ずれていることからリプル成分を打ち消すために、電圧リプルは小さくなり負荷電流の電流リプルも小さくなる。また、その場合磁気音と呼ばれる騒音も小さくなる。図では△結線で示したが、Ｙ結線でも同様な効果となる。図中コイルに付けた番号はコイル番号を意味しており、また、丸印はコイルの巻き方向を示している。同一マークは同一巻線方向、その逆は巻線方向が逆になったものである。また、図示しないが、各相の巻線を全並列で接続することで１極に巻かれる巻線が増加するが、１磁極巻線が断線しても、残りの巻線で発電が可能であり、信頼性向上が実現できる。
【実施例４】
【００４１】
図１９は他の実施例を示す。以下に特に示す事項の他は、実施例１と同様である。
【００４２】
この例では、リアファン７Ｒの外径を回転子３の外径よりも大きくしたものである。これにより、固定子４の軸方向の風を取り込み易い構造としたものである。これにより、さらに大きな冷却効果が得られる。図では、リアファンを大きくしたものを示したが、フロントファンだけとしてファン径を大きくしても同様の効果が得られる。
【実施例５】
【００４３】
図２０は他の実施例をなす回転電機２００を示す。本実施例では、整流回路１１ではなく、電力調整用の半導体素子であるパワーモジュール２１４を用いたものであり、通常はエンジン回転で発電機として作用するとともに、エンジンをスタートするときにはパワーモジュール２１４を制御して回転電機として力行させ、プーリで接続されたエンジンをスタートさせることが可能なスタータジェネレータを示している。以下に特に示す事項の他は、実施例１と同様である。
【００４４】
パワーモジュール２１４は、スイッチング回路をなす電力用の半導体素子、例えばＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体），ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型トランジスタ）を備え、この半導体素子を半田層を介して絶縁基板に接続し、さらに、半導体素子，半田層，絶縁基板，半田層，ヒートシンク２２３の積層体により構成されている。
【００４５】
このパワーモジュール２１４がリアブラケット２１０の外面にねじ止めなどで取り付けられる。パワーモジュール取り付け面すなわちヒートシンク２２３とリアブラケット２１０の間には、グリースが介在している。２１６は回転子の回転位置を検出するマグネットである。
【００４６】
パワーモジュール取り付け面の反対側となるリアブラケット２１０の内面は、ファンを取り付けた回転子３の一端面と対向する。パワーモジュール２１４を取り付けたリアブラケット２１０とヒートシンク２２３，絶縁基板，半導体素子とが積層構造をなしている。ヒートシンク２２３は、熱伝導の良好な、例えばアルミニウムなどで形成されている。パワーモジュール２１４を取り付けたリアブラケット２１０の内面に放熱機能を有するフィン２１７が設けられている。
【００４７】
フィン２１７は、回転子軸２１０を中心に放射状になるように形成されている。
【００４８】
パワーモジュール２１４は、ヒートシンク２２３面上に形成したケース内に収容されカバーにより覆われている。また、パワーモジュール２１４のパワー半導体素子は、ワイヤボンディングを介してバスバーに接続されている。
【００４９】
本実施例によれば、リアブラケット２１０を放熱板として、それにヒートシンク２２３を介して面接触するパワーモジュール２１４の発生熱を放熱することができる。特に、パワー半導体素子は、その被取り付け側の発熱面をリアブラケット２１０に向けて、直接又は伝熱部材を介して取り付けているので、発熱源の熱がリアブラケット２１０に逃げ易い構造をなしていること、リアブラケット２１０は放熱容量が大きいこと、しかも、その内面はフィン２１７を介して冷却風の通路となるオルタネータ内部（ファン付き回転子端面とリアブラケット内面間）にさらされるので、リアブラケット２１０による放熱効果を高めることができる。したがって、パワーモジュール２１４の冷却を向上させることができる。
【００５０】
以上述べた少なくともいずれかの実施例によれば、ロータ極数を１６極以上とし、更にコイルエンドを軸方向風によって冷却可能な集中巻構造を採用したことで、ステータ銅損を低減した高効率の車両用回転電機を実現できる。また、電磁音の低減のために集中巻でも２対３系列で構成されるコンビネーションを採用することで好適な車両用回転電機とすることが出来る。
【００５１】
このスタータジェネレータにおいても、集中巻きで構成される各相の巻線を全並列巻線とすることで、先に述べたように信頼性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】効率の重要度表を示す。
【図２】極数と巻数との関係グラフを示す。
【図３】極数と損失との関係を示したグラフを示す。
【図４】極数と鉄損の関係を示したグラフを示す。
【図５】３０００ｒ／min時における銅損と鉄損の関係を示す。
【図６】各巻線方法に対する極数とスロット数の関係を示す。
【図７】分布巻時の有効スロット面積を説明するグラフを示す。
【図８】極数と円環モードの関係を示す。
【図９】円環モードに対する振幅の関係を表したグラフを示す。
【図１０】分布巻を集中巻に変更した場合の、極数ごとのコイル長低減効果の差異を示す。
【図１１】本発明の一実施例を為す、集中巻のステータを組み込んだ車両用交流発電機を示す。
【図１２】ロータとステータの構造図を示す。
【図１３】ステータの組立方法を示した説明図を示す。
【図１４】ステータコイルの冷却について説明した斜視図を示す。
【図１５】本発明の一実施例をなす、車両用交流発電機を示す。
【図１６】ステータコア材の板厚と極数との関係を示す。
【図１７】プレス加工面とエッチング加工面との比較を示す。
【図１８】本発明の一実施例をなす、３相独立２巻線の構成図を示す。
【図１９】本発明の一実施例をなす、３相独立２巻線の構成図を示す。
【図２０】本発明の一実施例をなす、車両用回転電機を示す。
【符号の説明】
【００５３】
３  回転子
４  固定子
５  固定子巻線
２０  固定子磁極
１００  車両用交流発電機
【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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