(57)【要約】この発明は、固定子の積層鉄心と界磁回転子の継鉄部とを軸方向でラップさせて、高出力を実現し、かつ、固定子および界磁回転子の寸法関係を規定して、高速および低速電磁音を低減できる車両用交流発電機を得ることを目的とする。この車両用交流発電機では、ランデル型鉄心の円筒部の外径Ｒ２とランデル型鉄心の外径Ｒ１との比率（Ｒ２／Ｒ１）が０．５０〜０．５４の範囲に、かつ、積層鉄心の軸方向長さＬｃとランデル型鉄心の軸方向長さＬｐとの比率（Ｌｃ／Ｌｐ）が０．５５〜０．７０の範囲に設定されている。
2002027897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁コイルと、この界磁コイルが巻装された円筒部、該円筒部の軸方向端部から径方向外方に延設された継鉄部およびこの継鉄部の径方向端部から上記界磁コイルを囲繞するように軸方向に延設された爪状磁極部を有するランデル型鉄心とを備える界磁回転子と、
上記爪状磁極部の外周に対向配置され、積層鉄心と電機子コイルとからなる固定子とを備えた車両用交流発電機において、
上記円筒部の外径Ｒ２と上記ランデル型鉄心の外径Ｒ１との比率（Ｒ２／Ｒ１）は、０．５０〜０．５４の範囲であり、
かつ、
上記積層鉄心の軸方向長さＬｃと上記ランデル型鉄心の軸方向長さＬｐとの比率（Ｌｃ／Ｌｐ）は、０．５５〜０．７０の範囲であることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項２】
上記ランデル型鉄心の少なくとも一方の軸方向端面に取り付けられた冷却ファンを備え、該冷却ファンは軸方向に関して上記電機子コイルのコイルエンド群とラップし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】
上記電機子コイルのコイルエンド群はコイルエンドが周方向に整列して配列されて構成されていることを特徴とする請求項２記載の車両用交流発電機。
【請求項４】
上記電機子コイルのコイルエンド群を構成する上記コイルエンドは周方向に隙間をもって配列されていることを特徴とする請求項３記載の車両用交流発電機。
【請求項５】
上記ランデル型鉄心の軸方向両端面のそれぞれに取り付けられた一対の冷却ファンを備え、該一対の冷却ファンのうち吸入側圧力の高い冷却ファンが取り付けられた上記ランデル型鉄心の軸方向端面において、隣り合う上記爪状磁極部間に形成される谷部が軸方向に関して開放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６】
上記ランデル型鉄心の少なくとも一方の軸方向端面に取り付けられた冷却ファンを備え、該冷却ファンの最外径寸法Ｒｆは、上記ランデル型鉄心の外径Ｒ１より小さい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７】
滑らかな外周面を有するリング状のカバーが上記電機子コイルのコイルエンド群の少なくとも内周側を覆うように配設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。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、車両用交流発電機に関し、特に爪状磁極に作用する磁気吸引力の磁気バランスを改善し、磁気吸引力によって発生する爪共振音を低減できる車両用交流発電機のランデル型鉄心構造に関するものである。
背景技術
近年、エンジンの騒音低減やそれに伴う遮音装置の縮小化によって、エンジンに取り付けられる車両用交流発電機の低騒音化が求められている。そして、車両用交流発電機の騒音は、ファンによる風騒音と電磁音との２つに大別され、特に、高調波の電磁音が耳障りな音として問題となっている。
一般的に、車両用交流発電機においては、回転速度に比例した磁気吸引力が界磁回転子の爪状磁極部と固定子の積層鉄心のティースとの間のエアギャップ部に発生しており、構成部品がその加振周波数に共振することで電磁音が発生することが知られている。車両用交流発電機においては、使用回転域が１０００〜２００００ｒ／ｍｉｎと広いために、構成部品の共振を回避することが難しい。そして、比較的共振周波数が低い固定子では、１０００〜５０００ｒ／ｍｉｎで共振し、比較的共振周波数が高い界磁回転子では、９０００ｒ／ｍｉｎ付近で爪状磁極部が共振する。この電磁音は振動振幅の大きさによって騒音レベルが左右されることから、電磁音を低減させるには振動を抑えることが重要となる。
そこで、高速電磁音については、振動抑制リングを爪状磁極部内部に噛み込ませることにより、爪状磁極部の共振周波数を使用回転域より高い周波数帯域にシフトさせて、電磁音を低減させる試みや、爪状磁極部に樹脂を塗布して、爪状磁極部の振動を減衰させて、電磁音を低減させる試みが採られていた。一方、低速電磁音については、積層鉄心や積層鉄心の保持ケースの剛性を高める、積層鉄心の偏心や変形を抑える、積層鉄心の振動を減衰させる樹脂を塗布する、などの試みが採られていた。また、積層鉄心と界磁回転子との間のギャップを広げて磁気吸引力を減少させ、磁気騒音を低減させることができるが、この対策は、出力低下をもたらしてしまう。
しかし、この種の車両用交流発電機においては、一般的に出力向上の観点から、ランデル型鉄心の軸長に対して固定子の積層鉄心の軸長を短くし、かつ、界磁回転子の外径に対して円筒部の外径を小さくするように設計されており、構造上振動し易い構造となっている。そこで、磁気吸引力が爪状磁極部の先端部に集中し、径方向の振動振幅が大きくなり、さらに円筒部から爪状磁極部までの距離が長いため、磁気吸引力に起因する軸方向の振動振幅が大きくなってしまい、上述の対策を施しても電磁音が効果的に低減されなかった。
また、固定子の積層鉄心と界磁回転子の継鉄部とを対向させることにより、継鉄部から外部に漏洩する磁束を極小とし、界磁回転子の発生磁束の回収率を高め、高出力を実現しようとする試みが、例えば特開平１１−２４３６７３号公報に提案されている。
この特開平１１−２４３６７３号公報では、図１３に示されるように、固定子の積層鉄心５１の軸方向長さＬｃと界磁回転子のランデル型鉄心５２の軸方向長さＬｐとの比率（Ｌｃ／Ｌｐ）を０．７〜１．０の範囲に設定し、かつ、ランデル型鉄心５２の外径Ｒ１と円筒部５２ａの外径Ｒ２との比率（Ｒ２／Ｒ１）を０．５４〜０．６０の範囲に設定することにより、高出力が実現できるものとしている。
しかしながら、この特開平１１−２４３６７３号公報では、積層鉄心５１の軸方向長さＬｃとランデル型鉄心５２の軸方向長さＬｐとの比率（Ｌｃ／Ｌｐ）を０．７〜１．０の範囲に設定しているので、積層鉄心５１に対向している爪状磁極部５２ｃの根元部の面積が大きい。そこで、積層鉄心５１の軸方向中央部においては、積層鉄心５１を通過する磁極変動がスムーズ、かつ、緩やかな変化をするので、正弦波に近い交流電圧が発生する。一方、積層鉄心５１の軸方向端部においては、爪状磁極部５２ｃの根元部と爪状磁極部５２ｃの先細り状の先端部とが積層鉄心５１を交互に通過することになる。そして、爪状磁極部５２ｃの根元部の通過時間は長く、一方爪状磁極部５２ｃの先端部の通過時間は短く、正弦波を乱した交流電圧が発生してしまう。この正弦波を乱した交流電圧の発生が積層鉄心５１の磁気振動を増加させるように作用し、固定子の振動増加により低速電磁音が大きくなってしまうという問題があった。さらに、Ｌｃが長くなる（ＬＣ／Ｌｐが１に近くなる）と、積層鉄心５１の軸方向端部においては、爪状磁極部５２ｃの先端部が積層鉄心５１と対向しなくなるとともに、ランデル型鉄心５２の肩部は面取りされていないので、急激な磁極変動をすることになる。これにより、正弦波をより乱した交流電圧が発生することになり、低速電磁音がさらに大きくなってしまう。
また、ランデル型鉄心５２の外径Ｒ１と円筒部５２ａの外径Ｒ２との比率（Ｒ２／Ｒ１）を０．５４〜０．６０の範囲に設定しているので、界磁コイルが巻回されたボビンとランデル型鉄心５２の継鉄部５２ｂとの接触面積が減少し、爪状磁極部５２ｃの振動を抑制する減衰効果が落ちて、高速電磁音が悪化してしまうという問題があった。
さらに、Ｌｃ／Ｌｐを０．７〜１．０の範囲に設定しているので、積層鉄心５１の端面がランデル型鉄心５２の端面近くに位置している。従って、電機子コイルのコイルエンド群において周方向に関して最も凹凸のある根元側が、ランデル型鉄心５２のなかで最も圧力変動の大きい肩部と径方向に関して対向していることになる。そこで、ランデル型鉄心５２の回転により、コイルエンド群の根元部とランデル型鉄心５２の肩部とが干渉し、風騒音が大きくなってしまうという問題もあった。
発明の開示
この発明は、固定子の積層鉄心と界磁回転子の継鉄部とを軸方向でラップさせて、高出力を実現し、かつ、固定子および界磁回転子の寸法関係を規定して、高速および低速電磁音を低減できる車両用交流発電機を得ることを目的とする。
この発明による車両用交流発電機は、界磁コイルと、この界磁コイルが巻装された円筒部、該円筒部の軸方向端部から径方向外方に延設された継鉄部およびこの継鉄部の径方向端部から上記界磁コイルを囲繞するように軸方向に延設された爪状磁極部を有するランデル型鉄心とを備える界磁回転子と、上記爪状磁極部の外周に対向配置され、積層鉄心と電機子コイルとからなる固定子とを備えた車両用交流発電機において、上記円筒部の外径Ｒ２と上記ランデル型鉄心の外径Ｒ１との比率（Ｒ２／Ｒ１）は、０．５０〜０．５４の範囲とし、かつ、上記積層鉄心の軸方向長さＬｃと上記ランデル型鉄心の軸方向長さＬｐとの比率（Ｌｃ／Ｌｐ）は、０．５５〜０．７０の範囲とするものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、この発明の好適な形態について図面を参照して説明する。
実施例１．
図１はこの発明の実施例１に係る車両用交流発電機を示す縦断面図である。
図１において、車両用交流発電機は、界磁回転子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が界磁回転子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。
界磁回転子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。
界磁回転子７は、電流を流して磁束を発生する界磁コイル１３と、この界磁コイル１３を覆うように設けられ、界磁コイル１３で発生された磁束によって磁極が形成されるランデル型鉄心としての一対のポールコア２０、２１とから構成される。ポールコア２０、２１は、鉄製であり、円筒部２０ａ、２１ａと、それぞれ円筒部の軸方向端部から径方向外方に延設されて、周方向に所定ピッチで配設された継鉄部２０ｂ、２１ｂと、各継鉄部２０ｂ、２１ｂの径方向端部から軸方向に延設された爪状磁極部２０ｃ、２１ｃとから構成され、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃがかみ合わさるように円筒部２０ａ、２１ａを突き合わせてシャフト６に固着されている。また、ポールコア２０、２１の軸方向端面の最外径部を面取りして肩部２０ｄ、２１ｄが形成されている。そして、界磁コイル１３がボビン１４に巻回されて円筒部２０ａ、２１ａに巻装されている。さらに、冷却ファン５がポールコア２０、２１の軸方向の両端部に固着されている。
固定子８は、溝方向を軸方向とするスロットが周方向に多数配設された円筒状の積層鉄心１５と、導線をこの積層鉄心１５のスロットに巻装してなり、界磁回転子７の回転に伴い、界磁回転子７からの磁束の変化で交流が生じる電機子コイル１６とから構成されている。
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を介して界磁コイル１３に供給され、磁束が発生される。この磁束により、ポールコア２０の爪状磁極部２０ｃがＮ極に着磁され、ポールコア２１の爪状磁極部２１ｃ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、界磁回転子７が回転される。そこで、電機子コイル１６に回転磁界が与えられ、電機子コイル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。
車両用交流発電機においては、界磁コイル１３、電機子コイル１６、整流器１２およびレギュレータ１８は、発電中、常に発熱している。そこで、発電により発生する熱を冷却するために、吸気孔１ａ、２ａおよび排気孔１ｂ、２ｂがフロントブラケット１およびリヤブラケット２に設けられている。
ここで、この実施例１では、図２に示されるポールコア２０、２１の各部の寸法関係は次のように設定されている。
円筒部２０ａ、２１ａの外径Ｒ２とポールコア２０、２１の外径Ｒ１との比率（Ｒ２／Ｒ１）は、０．５０〜０．５４の範囲に設定されている。また、積層鉄心１５の軸方向長さＬｃとポールコア２０、２１の軸方向長さＬｐとの比率（Ｌｃ／Ｌｐ）は、０．５５〜０．７の範囲に設定されている。
ポールコア２０、２１の各部の寸法関係が上述のように設定されているので、出力を減少させることなく爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの振動が低減され、爪共振音に起因する低速電磁音を低減することができ、かつ、固定子８の積層鉄心１５の磁気振動に起因する高速電磁音を低減できる車両用交流発電機が得られる。
ついで、図３乃至図５はこの実施例１の効果を確認した結果である。
図３はＬｃ／Ｌｐを所定値（０．４、０．５、０．５５、０．６）としたときの、（Ｒ２／Ｒ１）と出力電流との関係を示す図であり、横軸にＲ２／Ｒ１をとり、縦軸に出力電流をとっている。なお、出力電流は、２０００ｒ／ｍｉｎにおける実測値である。また、図４はＬｃ／Ｌｐ＝０．６としたときの、（Ｒ２／Ｒ１）と騒音レベルとの関係を示す図であり、横軸にＲ２／Ｒ１をとり、縦軸に１００００ｒ／ｍｉｎまでの電磁音のピーク値の実測値をとっている。また、図５はＲ２／Ｒ１＝０．５としたときの、（Ｌｃ／Ｌｐ）と騒音レベルとの関係を示す図であり、横軸にＲ２／Ｒ１をとり、縦軸に５０００ｒ／ｍｉｎまでの電磁音のピーク値の実測値をとっている。
図３から、出力電流はＲ２／Ｒ１が大きくなるほど漸次大きくなり、Ｒ２／Ｒ１が略０．５５を超えると漸次小さくなることが分かる。つまり、出力電流は、Ｒ２／Ｒ１が０．５５前後のときに極大値をもつことが分かる。これは、Ｒ２／Ｒ１が０．５より小さくなると、円筒部２０ａ、２１ａを流れる磁束の通路断面積が小さくなり、円筒部２０ａ、２１ａが磁気飽和して出力が得られなくなり、Ｒ２／Ｒ１が０．６を超えると、界磁コイル１３の容積を所定値に確保する場合、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの厚みが薄くなり、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃが磁気飽和して出力が得られなくなることに起因するものと考えられる。そこで、高出力の観点からは、０．５＜Ｒ２／Ｒ１＜０．６とすることが望ましい。
また、出力電流はＬｃ／Ｌｐが大きくなるほど漸次大きくなり、Ｌｃ／Ｌｐが０．５５を超えるとほぼ飽和することがわかる。これは、Ｌｃ／Ｌｐが大きくなることは爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの根元部と積層鉄心１５との軸方向のラップ量が大きくなることを意味している。つまり、Ｌｃ／Ｌｐが大きくなると、磁束が爪状磁極部の根元部（肩部）から積層鉄心１５に流入し、継鉄部から外部に漏洩する磁束量が低減するので、界磁回転子の発生磁束の回収率が上がり、出力が大きくなる。そして、Ｌｃ／Ｌｐがほぼ０．５５となると、界磁回転子の発生磁束の回収率が高められてほぼ飽和し、Ｌｃ／Ｌｐがさらに大きくなっても、出力の増加が少なくなることに起因するものと考えられる。そこで、高出力の観点からは、Ｌｃ／Ｌｐ＞０．５５とすることが望ましい。
図４から、高速電磁音の騒音レベルは、Ｒ２／Ｒ１が０．４から０．５４まではほぼ一定のレベルを維持し、Ｒ２／Ｒ１が０．５４を超えると急激に大きくなることが分かる。これは、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの形状を一定とした場合、Ｒ２／Ｒ１が大きくなることは継鉄部２０ｂ、２１ｂの径方向長さが短くなることを意味している。つまり、継鉄部２０ｂ、２１ｂの径方向長さが短くなると、界磁コイル１３が巻装されるボビン１４と継鉄部２０ｂ、２１ｂとの接触面積が小さくなり、ボビン１４による減衰効果が低減されることになる。そして、Ｒ２／Ｒ１が０．５４を超えると、ボビン１４による減衰効果が小さくなって、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの振動が減衰されず、高速電磁音の騒音レベルが大きくなったものと推考される。また、界磁コイル１３の巻線スペースを一定とした場合には、Ｒ２／Ｒ１が大きくなることは爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの肉厚が薄くなることを意味している。つまり、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの肉厚が薄くなると爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの剛性が小さくなり、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃが振動し易くなるので、同様の結果となる。このことから、高速電磁音を低減させるという観点からは、Ｒ２／Ｒ１＜０．５４とすることが望ましい。
また、図５から、低速電磁音の騒音レベルは、Ｌｃ／Ｌｐが０．５から０．７まではほぼ一定のレベルを維持し、Ｌｃ／Ｌｐが０．７を超えると急激に大きくなることが分かる。これは、Ｌｃ／Ｌｐが０．７を超えると、積層鉄心１５に対向している爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの根元部の面積が大きくなる。そこで、積層鉄心１５の軸方向中央部においては、積層鉄心１５を通過する磁極変動がスムーズ、かつ、緩やかな変化をするので、正弦波に近い交流電圧が発生するが、積層鉄心１５の軸方向端部においては、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの根元部と爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先細り状の先端部とが積層鉄心１５を交互に通過することになる。そして、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの根元部の通過時間は長く、一方爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先端部の通過時間は短く、正弦波を乱した交流電圧が発生してしまう。この正弦波を乱した交流電圧の発生が積層鉄心１５の磁気振動を増加させるように作用し、固定子の振動増加により低速電磁音が大きくなったものと考えられる。さらに、Ｌｃが長くなる（ＬＣ／Ｌｐが１に近くなる）と、積層鉄心１５の軸方向端部においては、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先端部が積層鉄心１５と対向しなくなり、正弦波をより乱した交流電圧が発生することになるので、低速電磁音がさらに大きくなってしまったものと考えられる。このことから、低速電磁音を低減させるという観点からは、Ｌｃ／Ｌｐ＜０．７とすることが望ましい。
以上のことから、０．５０＜Ｒ２／Ｒ１＜０．５４、かつ、０．５５＜Ｌｃ／Ｌｐ＜０．７とすることにより、高出力を確保しつつ、高速および低速電磁音を低減できる車両用交流発電機が得られる。
また、この実施例１では、Ｌｃ／Ｌｐ＜０．７に設定しているので、積層鉄心１５の端面がポールコア２０、２１の端面から離反して位置している。従って、電機子コイル１６のコイルエンド群１６ｆ、１６ｒにおいて周方向に関して最も凹凸のある根元側が、ポールコア２０、２１のなかで最も圧力変動の大きい肩部２０ｄ、２１ｄと径方向に関して対向しないようになる。そこで、ポールコア２０、２１の回転により生じるコイルエンド群１６ｆ、１６ｒの根元部とポールコア２０、２１の肩部２０ｄ、２１ｄとの干渉に起因する風騒音が低減される。さらに、ポールコア２０、２１の軸方向端面の最外径部を面取りして肩部２０ｄ、２１ｄが形成されているので、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの根元部とポールコア２０、２１の肩部２０ｄ、２１ｄとの干渉に起因する風騒音がさらに低減される。
また、ポールコア２０、２１の軸方向端面の最外径部を面取りして肩部２０ｄ、２１ｄが形成されているので、界磁回転子７の回転によりポールコア２０、２１の軸方向端面の最外径部で発生する風切り音が低減され、風騒音をさらに小さくできる。
実施例２．
この実施例２では、図６に示されるように、滑らかな外周面を有するガラスエポキシ製のリング状のカバー２４が電機子コイル１６のコイルエンド群１６ｆ、１６ｒの内周側および頂部を覆うように配設されている。なお、他の構成は上記実施例１と同様に構成されている。
この実施例２では、カバー２４が電機子コイル１６のコイルエンド群１６ｆ、１６ｒの内周側および頂部を覆うように配設されているので、カバー２４がポールコア２０、２１のなかで最も圧力変動の大きい肩部２０ｄ、２１ｄと径方向に関して対向している。
そこで、周方向に関して凹凸のあるコイルエンド群１６ｆ、１６ｒがカバー２４により肩部２０ｄ、２１ｄから隔離されるので、上記実施例１において界磁回転子７の回転により発生していたコイルエンド群１６ｆ、１６ｒと肩部２０ｄ、２１ｄとの干渉に起因する風騒音がなくなる。また、カバー２４の外周面は周方向に関して凹凸が少ないので、界磁回転子７の回転により発生するカバー２４と肩部２０ｄ、２１ｄとの干渉に起因する風騒音が低減される。これにより、上記実施例１に比べて風騒音の小さい車両用交流発電機が実現できる。
なお、界磁回転子の極数が２０極、２４極と増えると、ランデル型鉄心の肩部の数も増え、コイルエンド群と肩部との干渉に起因する風騒音が増加してしまう。この実施例２によれば、カバー２４を配設して、コイルエンド群と肩部との干渉を回避しているので、界磁回転子の極数増加による風騒音増加が抑えられる。従って、この実施例２による風騒音低減効果は、界磁回転子を多極化するほど顕著となる。
実施例３．
この実施例３では、図７に示されるように、フロント側の冷却ファン５の基部５ａが隣り合う爪状磁極部２０ｃ間に形成される谷部２０ｅを軸方向に開放するような形状に形成されている。なお、他の構成は上記実施例１と同様に構成されている。
ここで、フロント側においては、冷却風が冷却ファン５の回転により吸気孔１ａから吸入され、その後遠心方向に曲げられて、排気孔１ｂから外部に排気される。一方、リヤ側においては、冷却風が冷却ファン５の回転により吸気孔２ａから吸入され、整流器１２やレギュレータ１８を冷却した後、遠心方向に曲げられて、排気孔２ｂから外部に排気される。この時、整流器１２やレギュレータ１８がリヤ側の冷却風通風路中に配設されているので、リヤ側の通風抵抗がフロント側に比べて大きくなる。そして、フロント側の冷却ファン５の吸入側圧力がリヤ側の冷却ファン５の吸入側圧力より大きくなっている。
この実施例３では、フロント側の冷却ファン５の基部５ａが谷部２０ｅを軸方向に開放するような形状に形成されているので、冷却ファン５の吸入側圧力の大きいフロント側から谷部２０ｅを介してリヤ側に流れる冷却風の軸方向流が生じる。これにより、界磁コイル１３が冷却されるので、起磁力が増え、出力向上が実現される。
また、圧力の高いフロント側の冷却風の一部が軸方向流としてリヤ側に流れているので、フロント側のコイルエンド群１６ｆに供給される圧力の高い冷却風の風量が減少し、コイルエンド群１６ｆにおける干渉音が低減され、風騒音が小さくなる。
実施例４．
この実施例４では、図８に示されるように、ポールコア２０、２１の軸方向端面に取り付けられた冷却ファン５の最外径寸法Ｒｆが、Ｒ３＜Ｒｆ＜Ｒ１の範囲に設定され、かつ、冷却ファン５が電機子コイル１６のコイルエンド群１６ｆ、１６ｒと軸方向に関してラップしている。ここで、Ｒ３は爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの根元部の内径寸法である。なお、他の構成は上記実施例１と同様に構成されている。
この実施例４では、ポールコア２０、２１の軸方向端面に取り付けられた冷却ファン５の最外径寸法Ｒｆが、Ｒ３＜Ｒｆ＜Ｒ１の範囲に設定されている。つまり、冷却ファン５はポールコア２０、２１の円筒部２０ａ、２１ａから継鉄部２０ｂ、２１ｂを経て爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの根元部の一部に至るようにポールコア２０、２１の軸方向端面に固着されている。これにより、継鉄部２０ｂ、２１ｂの根元部を支点とする軸方向振動が抑制されるので、爪共振音が低減され、高速電磁音を低減することができる。
また、冷却ファン５が電機子コイル１６のコイルエンド群１６ｆ、１６ｒと軸方向に関してラップしているので、冷却風が冷却ファン５により大量にコイルエンド群１６ｆ、１６ｒに供給される。そこで、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの冷却性が高められ、電機子コイル１６の温度上昇が抑えられる。
ここで、積層鉄心１５の軸方向長さＬｃを長くすることに伴い、電機子コイル１６の導体長さも長くなり、電機子コイル１６の導体抵抗が大きくなってしまう。そして、電機子コイル１６の導体抵抗の増加は発熱量の増大をもたらすが、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの冷却性が高められることにより、電機子コイル１６の温度上昇が確実に抑えられる。
実施例５．
この実施例５では、電機子コイル１６の巻線構造を規定するものである。
図９はこの発明の実施例５に係る車両用交流発電機の固定子を示す斜視図、図１０はこの発明の実施例５に係る車両用交流発電機の固定子を内周側から見た平面図、図１１はこの発明の実施例５に係る車両用交流発電機の固定子の電機子コイルに適用される導体セグメントを示す斜視図である。
ここで、実施例５による固定子の構造について説明する。
電機子コイル１６Ａを構成する素線としての導体セグメント３０は、図１１に示されるように、絶縁被膜が被覆された扁平な銅線材を折り曲げ加工して作製されたもので、略Ｖ字状のターン部３０ｂにより一対の直線部３０ａ間を連結する略Ｕ字状に成形されている。
導体セグメント３０は、積層鉄心１５のリヤ側から６スロット（１磁極ピッチに相当）離れた各スロット１５ａの対に２本づつ挿入されている。この時、１本の導体セグメント３０の直線部３０ａが、１つのスロット１５ａ内の内径側から１番目の位置（以下、１番地とする）と、６スロット離れたもう１つのスロット１５ａ内の内径側から２番目の位置（以下、２番地とする）とに収納され、もう１本の導体セグメント３０の直線部３０ａが、１つのスロット１５ａ内の内径側から３番目の位置（以下、３番地とする）と、６スロット離れたもう１つのスロット１５ａ内の内径側から４番目の位置（以下、４番地とする）とに収納されている。これにより、各スロット１５ａ内には、４本の直線部３０ａが径方向に１列に並んで収納されている。そして、積層鉄心１５のフロント側に延出する導体セグメント３０の端部側が外開き状に周方向に曲げられている。
そして、積層鉄心１５のフロント側において、各スロット対の一方のスロット１５ａの１番地から延出する導体セグメント３０の端部３０ｃが、６スロット離れたもう他方のスロット１５ａの２番地から延出する他の導体セグメント３０の端部３０ｃに接合されて、１ターンの波巻き巻線が６つ形成されている。また、各スロット対の一方のスロット１５ａの３番地から延出する導体セグメント３０の端部３０ｃが、６スロット離れた他方のスロット１５ａの４番地から延出する他の導体セグメント３０の端部３０ｃに接合されて、１ターンの波巻き巻線が６つ形成されている。
なお、図示されていないが、各同一スロット群に巻装された巻線を直列に接続して４ターンの６相分の巻線が形成され、それぞれ３相分の巻線を交流結線して２組の３相交流巻線からなる電機子コイル１６Ａが形成されている。
このように構成された固定子８Ａは、毎極毎相当たりスロット数が２であり、図９に示されるように、コイルエンドを形成する導体セグメント３０のターン部３０ｂが径方向に１列に２層に並び、周方向に２列となって配列されて積層鉄心１５のリヤ側のコイルエンド群１６ｒを構成し、コイルエンドを形成する導体セグメント３０の端部３０ｃ同士の接合部３１が径方向に１列に２層に並び、周方向に２列となって配列されて積層鉄心１５のフロント側のコイルエンド群１６ｆを構成している。そして、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒにおいては、図１０に示されるように、コイルエンドの傾斜部が互いに隙間をもって周方向に整列されている。
この固定子８Ａにおいては、６スロット離れたスロット内の異なる層同士を接続する接続パターンに形成されたコイルエンドが周方向に整列されて配列されているので、冷却ファン５から送られた冷却風はコイルエンドの傾斜部に沿って整流されて流れ、風騒音が著しく低減される。また、コイルエンドが周方向に整列されて配列されているので、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの根元部における周方向の凹凸が少なくなり、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒと肩部２０ｄ、２１ｄとの干渉に起因する風騒音が低減される。
また、冷却風はコイルエンドの傾斜部に沿って流れるので、電機子コイル１６Ａの冷却性が高められ、固定子８Ａの温度上昇を抑えることができる。さらに、コイルエンドが周方向に隙間を持って配列されているので、冷却風がコイルエンド群１６ｆ、１６ｒ内に通風し、電機子コイル１６Ａの冷却性がさらに高められる。そこで、積層鉄心１５の軸方向長さＬｃを長くすることに伴い、電機子コイル１６Ａでの発熱量が増大しても、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの冷却性が高められることにより、電機子コイル１６Ａの温度上昇が確実に抑えられる。
実施例６．
この実施の形態６では、図１２に示されるように、連続する銅線３３を用いて電機子コイル１６Ｂを作製するものとしている。なお、この実施例６は、略Ｕ字状の導体セグメント３０に代えて連続する銅線３３を用いている点を除いて、上記実施例５と同様に構成されている。
この実施例６による固定子８Ｂにおいても、６スロット離れたスロット内の異なる層同士を接続する接続パターンに形成されたコイルエンドが周方向に整列されて配列されているので、冷却ファン５から送られた冷却風はコイルエンドの傾斜部に沿って整流されて流れ、風騒音が著しく低減される。また、コイルエンドが周方向に整列されて配列されているので、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの根元部における周方向の凹凸が少なくなり、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒと肩部２０ｄ、２１ｄとの干渉に起因する風騒音が低減される。
また、冷却風はコイルエンドの傾斜部に沿って流れるので、電機子コイル１６Ｂの冷却性が高められ、固定子８Ａの温度上昇を抑えることができる。さらに、コイルエンドが周方向に隙間を持って配列されているので、冷却風がコイルエンド群１６ｆ、１６ｒ内に通風し、電機子コイル１６Ｂの冷却性がさらに高められる。
さらに、この実施例６によれば、連続する銅線３３を用いているので、上記実施例５に比べて、接合箇所が著しく削減され、作業性が向上される。また、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒが銅線３３のターン部３３ａで構成されているので、上記実施例５に比べて、コイルエンド群１６ｆの軸方向長さを低くでき、コイルエンド群１６ｆにおける通風抵抗を小さくでき、風騒音を低減させることができる。
なお、上記実施例５、６では、毎極毎相当たりのスロット数が２の固定子について説明しているが、毎極毎相当たりのスロット数が３以上の固定子に適用してもよい。この場合、コイルエンド群を構成する導体表面積が増加し、電機子コイルの冷却性がさらに向上される。また、上記実施例５、６では、コイルエンドが周方向に整列されて配列されているので、コイルエンド群の内周側には冷却風の整流効果がある。そして、毎極毎相当たりのスロット数が増えるほど、コイルエンド群の内周側を構成するコイルエンド数が増え、冷却風の整流効果が大きくなり、電機子コイルの冷却性を高めることができる。
また、上記実施例５、６では、素線の直線部がスロット１５ａ内にスロット深さ方向に１列に４層に配列されているものとしているが、スロット１５ａ内にスロット深さ方向に１列に配列される素線の直線部の層数は４層に限定されるものではなく、例えば６層、８層、それ以上でもよい。
また、上記実施例５、６では、素線として扁平な銅線材を用いるものとしているが、素線は扁平な断面形状の線材に限定されるものではなく、例えば円形断面形状の線材を用いてもよい。この場合、コイルエンド群おける通風抵抗が低減し、風騒音の低減や電機子コイルの冷却性の向上が図られる。
また、界磁回転子７全体にワニスを塗布してもよい。この場合、ワニスがボビン１４に巻回された界磁コイル１３内に含浸され、界磁コイル１３の巻線間の隙間がワニスで充填される。そこで、界磁コイル１３の巻線間の熱伝導が向上し、界磁コイル１３の温度上昇が抑えられ、起磁力の増加が図られる。また、ワニスが冷却ファン５とポールコア２０、２１との間に充填され、ダンパとして作用し、ポールコア２０、２１の振動が減衰され、高速電磁音の低減が図られる。
以上述べたように、この発明によれば、界磁コイルと、この界磁コイルが巻装された円筒部、該円筒部の軸方向端部から径方向外方に延設された継鉄部およびこの継鉄部の径方向端部から上記界磁コイルを囲繞するように軸方向に延設された爪状磁極部を有するランデル型鉄心とを備える界磁回転子と、上記爪状磁極部の外周に対向配置され、積層鉄心と電機子コイルとからなる固定子とを備えた車両用交流発電機において、上記円筒部の外径Ｒ２と上記ランデル型鉄心の外径Ｒ１との比率（Ｒ２／Ｒ１）は、０．５０〜０．５４の範囲とし、かつ、上記積層鉄心の軸方向長さＬｃと上記ランデル型鉄心の軸方向長さＬｐとの比率（Ｌｃ／Ｌｐ）は、０．５５〜０．７０の範囲としているので、高出力を確保しつつ、高速および低速電磁音を低減できる車両用交流発電機が得られる。
また、上記ランデル型鉄心の少なくとも一方の軸方向端面に取り付けられた冷却ファンを備え、該冷却ファンは軸方向に関して上記電機子コイルのコイルエンド群とラップしているので、冷却風が冷却ファンによりコイルエンド群に直接的に供給され、電機子コイルの冷却性が高められる。これにより、固定子の軸方向長さＬｃを長くすることに起因する電機子コイルの温度上昇を抑えることができる。
また、上記電機子コイルのコイルエンド群はコイルエンドが周方向に整列して配列されて構成されているので、ランデル型鉄心の肩部とコイルエンド群との干渉に起因する風騒音が低減されるとともに、冷却ファンから供給される冷却風がコイルエンドに沿って流れ、冷却風とコイルエンド群との干渉に起因する風騒音が低減され、かつ、電機子コイルの冷却性が高められる。
また、上記電機子コイルのコイルエンド群を構成する上記コイルエンドは周方向に隙間をもって配列されているので、冷却ファンから供給される冷却風がコイルエンド群内を通風し、電機子コイルの冷却性がさらに高められる。
また、上記ランデル型鉄心の軸方向両端面のそれぞれに取り付けられた一対の冷却ファンを備え、該一対の冷却ファンのうち吸入側圧力の高い冷却ファンが取り付けられた上記ランデル型鉄心の軸方向端面において、隣り合う上記爪状磁極部間に形成される谷部が軸方向に関して開放されているので、冷却風が冷却ファンの吸入側圧力の高い側から谷部を通ってランデル型鉄心内に流入する。これにより、界磁コイルの温度上昇が抑えられるので、起磁力が増え、出力向上が実現される。
また、上記ランデル型鉄心の少なくとも一方の軸方向端面に取り付けられた冷却ファンを備え、該冷却ファンの最外径寸法Ｒｆが、上記ランデル型鉄心の外径Ｒ１より小さいので、ランデル型鉄心の継鉄部の根元部を支点とする軸方向振動が抑制され、爪共振音が低減され、高速電磁音を低減することができる。
また、滑らかな外周面を有するリング状のカバーが上記電機子コイルのコイルエンド群の少なくとも内周側を覆うように配設されているので、ランデル型鉄心の肩部とコイルエンド群との干渉に起因する風騒音がなくなる。
【図面の簡単な説明】
図１はこの発明の実施例１に係る車両用交流発電機を示す縦断面図、
図２はこの発明の実施例１に係る車両用交流発電機におけるランデル型鉄心の寸法関係を示す模式図、
図３はこの発明の実施例１に係る車両用交流発電機における（Ｒ２／Ｒ１）と出力電流との関係を示す図、
図４はこの発明の実施例１に係る車両用交流発電機における（Ｒ２／Ｒ１）と騒音レベルとの関係を示す図、
図５はこの発明の実施例１に係る車両用交流発電機における（Ｌｃ／Ｌｐ）と騒音レベルとの関係を示す図、
図６はこの発明の実施例２に係る車両用交流発電機を示す要部断面図、
図７はこの発明の実施例３に係る車両用交流発電機における冷却ファンとポールコアとの関係を説明する模式図、
図８はこの発明の実施例４に係る車両用交流発電機における固定子と界磁回転子との寸法関係を示す模式図、
図９はこの発明の実施例５に係る車両用交流発電機における固定子を示す斜視図、
図１０はこの発明の実施例５に係る車両用交流発電機における固定子の要部を内径側から見た平面図、
図１１はこの発明の実施例５に係る車両用交流発電機における固定子の電機子コイルに適用される導体セグメントを示す斜視図、
図１２はこの発明の実施例６に係る車両用交流発電機における固定子を示す斜視図、
図１３は従来の車両用交流発電機における固定子および界磁回転子の寸法関係を示す模式図である。
【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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【国際調査報告】
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