(57)【要約】【課題】回転子が回転した際に固定子に作用する磁束の変動を緩和して磁気騒音を低減することができる車両用交流発電機を提供すること。【解決手段】車両用交流発電機１は回転子２および固定子３を備える。回転子２は、回転軸２１に嵌合固定された筒状のボス部２２と、このボス部２２の回転軸方向端面より半径方向外側に広がるディスク部２３と、このディスク部２３に連接して回転軸方向にボス部２２の外径側に配置された複数の爪状磁極部２４と、爪状磁極部２４の外周側に配置される磁極筒部２５と、ボス部２２と爪状磁極部２４との間に配置された界磁巻線２６とを有する。磁極筒部２５の外径側表面に、爪状磁極部２４の輪郭形状に対応した凸部２５Ａと、隣合う爪状磁極部２４の間の空隙に対応した凹部２５Ｂとを有し、凸部２５Ａと凹部２５Ｂとをスロープ状に接続している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する複数の爪状磁極を有する回転子と、前記回転子と対向配置された固定子鉄心とこの固定子鉄心に形成された複数のスロットに装備された多相の固定子巻線とを有する固定子とを備えた車両用交流発電機において、
前記回転子は、回転軸に嵌合固定された筒状のボス部と、このボス部の回転軸方向端面より半径方向外側に広がるディスク部と、このディスク部に連接して回転軸方向に前記ボス部の外径側に配置された複数の爪状磁極部と、前記爪状磁極部の外周側に配置される磁極筒部と、前記ボス部と前記爪状磁極部との間に配置された界磁巻線とを有し、
前記磁極筒部の外径側表面に、前記爪状磁極部の輪郭形状に対応した凸部と、隣合う前記爪状磁極部の間の空隙に対応した凹部とを有し、前記凸部と前記凹部とをスロープ状に接続することを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項２】
請求項１において、
前記磁極筒部は、軸方向に複数枚の軟磁性板が積層されて積層体からなることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項３】
請求項１において、
前記磁極筒部の前記凹部には、回転軸方向に貫通する孔部が形成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項４】
請求項１において、
前記磁極筒部とこれと隣り合う前記爪状磁極部との間に収納されて前記爪状磁極部と前記固定子鉄心との間の磁束を強化する永久磁石を有することを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項５】
請求項１において、
前記磁極筒部の前記凹部は、前記凸部よりも低い透磁率を有することを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記爪状磁極部の外周は、前記ディスク部から回転軸方向に離れるに従い回転方向の幅が狭いことを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記複数のスロットには第１および第２のスロット群が含まれ、前記固定子巻線には第１および第２の多相巻線が含まれ、
前記固定子鉄心は、前記ＮＳ極の磁極ピッチに対応して離間した前記第１のスロット群と、前記第１のスロット群に隣接して電気角で３０度ずれた前記第２のスロット群とを有し、
前記第１のスロット群に第１の多相巻線が巻回され、前記第２のスロット群に第２の多相巻線が巻回され、
前記第１の多相巻線と前記第２の多相巻線のそれぞれから出力が取り出されることを特徴とする車両用交流発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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。
【背景技術】
【０００２】
近年、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。 また、燃費向上のためエンジン回転数は下げられ、車両用交流発電機の回転数も下がっている。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。 即ち、小型で高出力・高効率の車両用交流発電機を提供することが求められている。
【０００３】
また、車外騒音低減の社会的要請や、車室内静粛性向上による商品性向上の狙いから、近年ますますエンジン騒音が低下してきており、比較的高速で回転する補機、とりわけ車両用交流発電機のファン騒音や磁気的騒音が耳につきやすい状況となってきた。
【０００４】
一方で、通常の車両用交流発電機に用いられているランデル式ロータコアは、塊状磁極であるために、固定子鉄心との磁束の授受において発生する磁束の変動により磁極に大きな鉄損を生じてしまう。また、このランデル式ロータコアは、界磁コイルの径方向外側空間に露出する各爪状部が、高速回転時において大きな風切り音を生じるため、静粛性に欠け、風損も大きいという欠点がある。また、このランデル式ロータコアは、高速回転時において遠心力により爪先端部が広がるため、固定子鉄心との隙間を確保する必要があり、エアギャップによる磁気抵抗が大きいという欠点がある。
【０００５】
これに対し、爪状磁極部での鉄損低減による発電効率の向上を目的として、あるいは、爪状磁極部での風切り音低減による静粛性向上と渦電流低減による発電効率の向上を目的として、爪状部の外周側に環状積層筒部を配置する車両用交流発電機が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【特許文献１】特許第３７８５９８４号公報（第３−６頁、図１−４）
【特許文献２】特開２００７−６８３０４号公報（第５−８頁、図１−１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に開示された車両用交流発電機では、回転子の外周は円筒状となっており、爪状磁極は軸方向に延伸しており傾斜（スキュー）していないので、回転子が回転した際に固定子に作用する磁束が急激変動するため、回転子と固定子間に作用する磁気脈動による磁気騒音が大きいという問題があった。また、特許文献２に開示された車両用交流発電機では、磁極筒部の外周面は磁極部にて部分円筒面をなし、連結部にて平面をなすことにより、連結部での漏れ磁束低減および爪状磁極部の渦電流低減の効果が述べられているが、車両用交流発電機に用いられる回転子の極数は通常１２極もしくは１６極と多極数であって磁極間の連結部は非常に狭い範囲となるため、全周が円筒面の場合と実質的に同じであり、十分な上記の効果が得られないという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、回転子が回転した際に固定子に作用する磁束の変動を緩和して磁気騒音を低減することができる車両用交流発電機を提供することにある。また、本発明の他の目的は、磁束の漏れを低減して出力を向上させることができる車両用交流発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電機は、回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する複数の爪状磁極を有する回転子と、回転子と対向配置された固定子鉄心とこの固定子鉄心に形成された複数のスロットに装備された多相の固定子巻線とを有する固定子とを備えており、回転子は、回転軸に嵌合固定された筒状のボス部と、このボス部の回転軸方向端面より半径方向外側に広がるディスク部と、このディスク部に連接して回転軸方向にボス部の外径側に配置された複数の爪状磁極部と、爪状磁極部の外周側に配置される磁極筒部と、ボス部と爪状磁極部との間に配置された界磁巻線とを有し、磁極筒部の外径側表面に、爪状磁極部の輪郭形状に対応した凸部と、隣合う爪状磁極部の間の空隙に対応した凹部とを有し、凸部と凹部とをスロープ状に接続している。これにより、回転子が回転した際に固定子に作用する磁束の変動を緩和することによる磁気騒音の低減が可能になり、静粛性を向上させることができる。また、凹部を設けることで、磁極筒部内部で周方向に流れる磁束の漏れを低減することができるので、有効磁束を増やして出力を向上させることができる。
【０００９】
また、上述した磁極筒部は、軸方向に複数枚の軟磁性板が積層されて積層体からなることが望ましい。これにより、磁極筒部での渦電流損を低減することが可能となり、発電効率を向上させることができる。
【００１０】
また、上述した磁極筒部の凹部には、回転軸方向に貫通する孔部が形成されていることが望ましい。これにより、磁極筒部内部で周方向に流れる磁束の漏れをさらに低減することができ、さらなる出力向上が可能となる。
【００１１】
また、上述した磁極筒部とこれと隣り合う爪状磁極部との間に収納されて爪状磁極部と固定子鉄心との間の磁束を強化する永久磁石を有することが望ましい。これにより、爪状磁極間における磁束の漏れを低減することができ、出力を向上させることができる。
【００１２】
また、上述した磁極筒部の凹部は、凸部よりも低い透磁率を有することが望ましい。これにより、磁極筒部内部で周方向に流れる磁束の漏れをさらに低減することができ、さらなる出力向上が可能となる。
【００１３】
また、上述した爪状磁極部の外周は、ディスク部から回転軸方向に離れるに従い回転方向の幅が狭いことが望ましい。これにより、回転子が回転した際に固定子に作用する磁束の変動を緩和し、磁気騒音を低減することができ、さらなる静粛性向上が可能となる。
【００１４】
また、上述した複数のスロットには第１および第２のスロット群が含まれ、固定子巻線には第１および第２の多相巻線が含まれ、固定子鉄心は、ＮＳ極の磁極ピッチに対応して離間した第１のスロット群と、第１のスロット群に隣接して電気角で３０度ずれた第２のスロット群とを有し、第１のスロット群に第１の多相巻線が巻回され、第２のスロット群に第２の多相巻線が巻回され、第１の多相巻線と第２の多相巻線のそれぞれから出力が取り出されることが望ましい。これにより、回転子のみでなく、固定子によっても磁束の変動を緩和し、磁気騒音をさらに低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、回転子２、固定子３、フロント側ハウジング４、リヤ側ハウジング５、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８、プーリ９等を含んで構成されている。
【００１６】
回転子２は、回転方向に沿って交互にＮＳ磁極を形成する複数の爪状磁極を有している。具体的には、回転子２は、回転軸２１に嵌合固定された筒状のボス部２２と、このボス部２２の回転軸方向端面より半径方向外側に広がるディスク部２３と、このディスク部２３に連接して回転軸方向にボス部２２の外径側に配置された複数の爪状磁極部２４と、爪状磁極部２４の外周側に配置される磁極筒部２５と、ボス部２２と爪状磁極部２４との間に配置された界磁巻線２６とを有する。ボス部２２、ディスク部２３、複数の爪状磁極部２４によってポールコア（界磁鉄心）が形成されており、このポールコアが２個１組としてそれぞれの爪状磁極部２４を交互かつ等間隔に配置した状態で回転子２の組立が行われる。また、フロント側（プーリ９側）のポールコアの端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すために冷却ファン２７が溶接（例えばプロジェクション溶接）によって取り付け固定されている。同様に、リヤ側のポールコアの端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すための冷却ファン２８が溶接等によって取り付け固定されている。
【００１７】
回転軸２１のリヤ側には界磁巻線２６の両端に電気的に接続されたスリップリング２９が形成されており、ブラシ装置６内のブラシ６１をスリップリング２９に押し当てた状態で組み付けることにより、整流装置７から界磁巻線２６に対して界磁電流が流れるようになっている。
【００１８】
固定子３は、回転子２に対して対向配置された固定子鉄心３１に形成された複数のスロットに、多相（例えば三相）の固定子巻線３２が所定間隔で巻装されている。整流装置７は、固定子３の三相の固定子巻線３２の出力電圧である三相交流を整流して直流出力を得るためのものであり、所定の間隔で固定される正極側放熱板および負極側放熱板と、それぞれの放熱板に半田付け等によって取り付けられた複数個の整流素子とを含んで構成されている。
【００１９】
フロント側ハウジング４およびリヤ側ハウジング５は、上述した回転子２および固定子３を収納しており、回転子２が回転軸２１を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子２の外側に所定の隙間を介して配置された固定子３が固定されている。この固定子３の固定は、回転子２の回転方向に沿って等間隔に設けられた４箇所の支持部４２０にボルト３４を通して締め付けることにより行われる。
【００２０】
電圧調整器８は、界磁巻線２６に流す界磁電流を制御することにより車両用交流発電機１の出力電圧を調整するためのものであり、電気負荷と発電量とに応じて変化する出力電圧をほぼ一定に維持する。プーリ９は、エンジン（図示せず）の回転を車両用交流発電機１内の回転子２に伝えるためのものであり、回転軸２１の一方端（スリップリング２９等と反対側）にナット９１によって締め付け固定されている。また、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８を覆うように、これらを保護するリヤカバー９２が取り付けられている。
【００２１】
上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ９にエンジンからの回転が伝えられると回転子２が所定方向に回転する。このとき、界磁巻線２６に電圧を印加することによりポールコアを構成するボス部２２、ディスク部２３、爪状磁極部２４、磁極筒部２５のそれぞれが励磁され、固定子巻線３２に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置７の出力端子からは所定の直流電流が取り出される。
【００２２】
次に、回転子２に備わった磁極筒部２５の詳細について説明する。図２は、回転子２の斜視図である。図３は、回転子２の部分的な横断面である。これらの図に示すように、磁極筒部２５は、複数の爪状磁極部２４の外周を覆う筒状部材であって、その外周側表面には、各爪状磁極部２４の輪郭形状に対応した凸部２５Ａと、隣合う爪状磁極部２４の間の空隙に対応した凹部２５Ｂとを有する。周方向に隣接する凸部２５Ａと凹部２５Ｂは、スロープ状に傾斜した面（径方向に対して傾斜した面）２５Ｃを介して接続されている。図２に示す例では、各爪状磁極部２４の外周は、連接するディスク部２３から回転軸方向に離れるに従い回転方向の幅が狭くなる形状を有しており、各爪状磁極部２４に対応する凸部２５Ａも同じように回転軸方向に沿って回転方向の幅が狭くなる形状を有する。また、磁極筒部２５は、凹凸がなく所定の径を有する内周面を有している。このため、凸部２５Ａに対して凹部２５Ｂの方が径方向の厚みが薄くなっている。
【００２３】
また、磁極筒部２５と各爪状磁極部２４は、焼きばめや溶接あるいはこれらの組み合わせによって相互に固定されている。なお、磁極筒部２５は、平板に凸部２５Ａや凹部２５Ｂ、傾斜面２５Ｃを成形したものを円筒状にして溶接やカシメなどにより接合してもよいし、複数の爪状磁極部２４の外周に巻きつけつつ溶接などにより固定してもよい。また、磁極筒部２５の回転軸方向の長さは、少なくとも外周側に対向する固定子鉄心３１の回転軸方向の長さ以上となるように設定されている。
【００２４】
なお、爪状磁極部２４と凸部２５Ａの位置を合わせる必要があるため、軸方向に沿った一方に配置される各爪状磁極部２４あるいは一部の爪状磁極部２４に径方向段差を設けるとともに、磁極筒部２５に同形状の段差を設けて位置決めを行うようにしてもよい。
【００２５】
このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、磁極筒部２５の外径側表面に、爪状磁極部２４の輪郭形状に対応した凸部２５Ａと、隣合う爪状磁極部２４の間の空隙に対応した凹部２５Ｂとを有し、凸部２５Ａと凹部２５Ｂとをスロープ状に接続している。これにより、回転子２が回転した際に固定子３に作用する磁束の変動を緩和することによる磁気騒音の低減が可能になり、静粛性を向上させることができる。また、凹部２５Ｂを設けることで、磁極筒部２５内部で周方向に流れる磁束の漏れを低減することができるので、有効磁束を増やして出力を向上させることができる。
【００２６】
また、爪状磁極部２４の外周は、ディスク部２３から回転軸方向に離れるに従い回転方向の幅が狭くなっており、回転子２が回転した際に固定子３に作用する磁束の変動を緩和し、磁気騒音を低減することができ、さらなる静粛性向上が可能となる。
【００２７】
図４は、磁極筒部の変形例を示す回転子の斜視図である。図４に示す磁極筒部１２５は、回転軸方向に複数枚の軟磁性板が積層された積層体となっている。磁極筒部１２５以外は、図２に示した回転子２と同じである。軟磁性板の積層体によって磁極筒部１２５を構成することにより、磁極筒部１２５で発生する渦電流損を低減することが可能となり、発電効率を向上させることができる。
【００２８】
図５は、磁極筒部の他の変形例を示す回転子の部分的な断面図である。図５に示す磁極筒部２２５の凹部２５Ｂには、回転軸方向に貫通する２個の孔部２５Ｄが形成されている。この磁極筒部２２５は、図２に示す磁極筒部２５あるいは図４に示す磁極筒部１２５に孔部２５Ｄを追加したものである。なお、孔部２５Ｄの個数は２個に限定されず、１個あるいは３個以上であってもよい。孔部２５Ｄを形成することにより、磁極筒部２２５内部で周方向に流れる磁束の漏れをさらに低減することができ、さらなる出力向上が可能となる。
【００２９】
図６は、回転子の変形例を示す部分的な断面図である。図６に示す回転子２Ａは、上述した磁極筒部２５（あるいは１２５、２２５）とこれと隣り合う爪状磁極部２４との間に収納されて爪状磁極部２４と固定子鉄心３１との間の磁束を強化する永久磁石３０を備えている。この永久磁石３０は、回転方向に隣接する２つの爪状磁極部２４間の漏れ磁束を減少させる向きに磁極の向きが設定される。具体的には、Ｎ極の爪状磁極部２４に対向する面がＮ極に、Ｓ極の爪状磁極部２４に対向する面がＳ極となるように磁極の向きが設定されている。これにより、爪状磁極間２４における磁束の漏れを低減することができ、出力を向上させることができる。
【００３０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態で用いられる磁極筒部２５、１２５、２２５の各凹部は、凸部よりも低い透磁率となるように、熱処理や機械加工により組織を変化させてもよい。これにより、磁極筒部内部で周方向に流れる磁束の漏れをさらに低減することができ、さらなる出力向上が可能となる。
【００３１】
また、上述した実施形態では、回転子２、２Ａの構造を工夫して磁気騒音を低減するようにしたが、固定子３の構造も工夫することが磁気騒音をさらに低減するようにしてもよい。例えば、固定子鉄心３１に形成された複数のスロットには第１および第２のスロット群が含まれ、固定子巻線３２には第１および第２の多相巻線が含まれるようにする。具体的には、固定子鉄心３１は、ＮＳ極の磁極ピッチに対応して離間した第１のスロット群と、第１のスロット群に隣接して電気角で３０度ずれた第２のスロット群とを備え、第１のスロット群に第１の多相巻線が巻回され、第２のスロット群に第２の多相巻線が巻回され、第１の多相巻線と第２の多相巻線のそれぞれから出力を取り出すようにする。これにより、回転子２のみでなく、固定子３によっても磁束の変動を緩和し、磁気騒音をさらに低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。
【図２】回転子の斜視図である。
【図３】回転子の部分的な横断面である。
【図４】磁極筒部の変形例を示す回転子の斜視図である。
【図５】磁極筒部の他の変形例を示す回転子の部分的な断面図である。
【図６】回転子の変形例を示す部分的な断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  車両用交流発電機
２、２Ａ  回転子
３  固定子
４  フロント側ハウジング
５  リヤ側ハウジング
６  ブラシ装置
７  整流装置
８  電圧調整器
９  プーリ
２１  回転軸
２２  ボス部
２３  ディスク部
２４  爪状磁極部
２５、１２５、２２５  磁極筒部
２５Ａ  凸部
２５Ｂ  凹部
２５Ｄ  孔部
２６  界磁巻線
３１  固定子鉄心
３２  固定子巻線
【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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