(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、界磁回転子の寸法関係を規定して、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の範囲に設定され、かつ、固定子の積層鉄心とランデル型鉄心の継鉄部との軸方向ラップ長さＴｒと継鉄部の軸方向長さＴｐとの比率（Ｔｒ／Ｔｐ）が０．２以上の範囲に設定されている。
2002029960.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、
上記積層鉄心と上記継鉄部との軸方向ラップ長さＴｒと上記継鉄部の軸方向長さＴｐとの比率（Ｔｒ／Ｔｐ）は、０．２以上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、該冷却ファンの最外径寸法Ｒｆは、Ｒ４＜Ｒｆ＜Ｒ１（Ｒ４：爪状磁極部の根元部内径）の範囲であ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】
上記爪状磁極部の肩部が該冷却ファンの最外径位置を起点として面取り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、該冷却ファンと上記ランデル型鉄心の軸方向端面との間に弾性を有する樹脂が介装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５】
上記電機子コイルは、素線を上記積層鉄心の所定スロット毎にスロット内の内層と外層とを交互にとるように巻装して形成された複数の巻線を有し、そのコイルエンド群が、上記積層鉄心の端部外方で所定スロット離れた上記スロット内の異なる層同士を直列に接続する接続パターンに形成されたコイルエンドを周方向に整列して配列して構成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】
円環状の爪保持部材が上記爪状磁極部の先端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。
【請求項７】
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、
上記爪状磁極部の根元部の径方向寸法Ｔｔと上記ランデル型鉄心の外径Ｒ１との比率（Ｔｔ／Ｒ１）は、０．１〜０．１５の範囲であり、
かつ、
上記積層鉄心と上記継鉄部との軸方向ラップ長さＴｒと上記継鉄部の軸方向長さＴｐとの比率（Ｔｒ／Ｔｐ）は、０．２以上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８】
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、Ｒ４＜Ｒｆ＜Ｒ１（Ｒ４：爪状磁極部の根元部内径）の範囲であることを特徴とする請求項７記載の車両用交流発電機。
【請求項９】
上記爪状磁極部の肩部が該冷却ファンの最外径位置を起点として面取りされていることを特徴とする請求項８記載の車両用交流発電機。
【請求項１０】
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、該冷却ファンと上記ランデル型鉄心の軸方向端面との間に弾性を有する樹脂が介装されていることを特徴とする請求項７記載の車両用交流発電機。
【請求項１１】
上記電機子コイルは、素線を上記積層鉄心の所定スロット毎にスロット内の内層と外層とを交互にとるように巻装して形成された複数の巻線を有し、そのコイルエンド群が、上記積層鉄心の端部外方で所定スロット離れた上記スロット内の異なる層同士を直列に接続する接続パターンに形成されたコイルエンドを周方向に整列して配列して構成されていることを特徴とする請求項７記載の車両用交流発電機。
【請求項１２】
円環状の爪保持部材が上記爪状磁極部の先端に配設されていることを特徴とする請求項７記載の車両用交流発電機。
【請求項１３】
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、
上記爪状磁極部間の谷部の底部外径Ｒ３と上記ランデル型鉄心の外径Ｒ１との比率（Ｒ３／Ｒ１）は、０．５５〜０．６５の範囲であり、
かつ、
上記積層鉄心と上記継鉄部との軸方向ラップ長さＴｒと上記継鉄部の軸方向長さＴｐとの比率（Ｔｒ／Ｔｐ）は、０．２以上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１４】
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、Ｒ４＜Ｒｆ＜Ｒ１（Ｒ４：爪状磁極部の根元部内径）の範囲であることを特徴とする請求項１３記載の車両用交流発電機。
【請求項１５】
上記爪状磁極部の肩部が該冷却ファンの最外径位置を起点として面取りされていることを特徴とする請求項１４記載の車両用交流発電機。
【請求項１６】
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、該冷却ファンと上記ランデル型鉄心の軸方向端面との間に弾性を有する樹脂が介装されていることを特徴とする請求項１３記載の車両用交流発電機。
【請求項１７】
上記電機子コイルは、素線を上記積層鉄心の所定スロット毎にスロット内の内層と外層とを交互にとるように巻装して形成された複数の巻線を有し、そのコイルエンド群が、上記積層鉄心の端部外方で所定スロット離れた上記スロット内の異なる層同士を直列に接続する接続パターンに形成されたコイルエンドを周方向に整列して配列して構成されていることを特徴とする請求項１３記載の車両用交流発電機。
【請求項１８】
円環状の爪保持部材が上記爪状磁極部の先端に配設されていることを特徴とする請求項１３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、従来、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。
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、爪状磁極部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１１−１６４４９９号公報に提案されている。
この特開平１１−１６４４９９号公報では、図１４に示されるように、固定子の積層鉄心５１の軸方向長さＬ１とランデル型鉄心５２の円筒部５２ａの軸方向長さＬ２との比率を１．２５〜１．７５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１１−１６４４９９号公報では、爪状磁極部の振動に起因する電磁音を低減させることについては、何ら論じられていなかった。
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、界磁回転子の寸法関係を規定して、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の範囲であり、かつ、上記積層鉄心と上記継鉄部との軸方向ラップ長さＴｒと上記継鉄部の軸方向長さＴｐとの比率（Ｔｒ／Ｔｐ）は、０．２以上の範囲としたものである。
また、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、上記爪状磁極部の根元部の径方向寸法Ｔｔと上記ランデル型鉄心の外径Ｒ１との比率（Ｔｔ／Ｒ１）は、０．１〜０．１５の範囲であり、かつ、上記積層鉄心と上記継鉄部との軸方向ラップ長さＴｒと上記継鉄部の軸方向長さＴｐとの比率（Ｔｒ／Ｔｐ）は、０．２以上の範囲としたものである。
さらに、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、上記爪状磁極部間の谷部の底部外径Ｒ３と上記ランデル型鉄心の外径Ｒ１との比率（Ｒ３／Ｒ１）は、０．５５〜０．６５の範囲であり、かつ、上記積層鉄心と上記継鉄部との軸方向ラップ長さＴｒと上記継鉄部の軸方向長さＴｐとの比率（Ｔｒ／Ｔｐ）は、０．２以上の範囲としたものである。
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。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、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの根元部の径方向寸法Ｔｔとポールコア２０、２１の外径Ｒ１との比率（Ｔｔ／Ｒ１）は、０．１〜０．１５の範囲に設定されている。さらに、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃ間の谷部の底部外径Ｒ３とポールコア２０、２１の外径Ｒ１との比率（Ｒ３／Ｒ１）は、０．５５〜０．６５の範囲に設定されている。さらにまた、積層鉄心１５と継鉄部２０ｂ、２１ｂとの軸方向ラップ長さＴｒと継鉄部２０ｂ、２１ｂの軸方向長さＴｐとの比率（Ｔｒ／Ｔｐ）は、０．２以上に設定されている。
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電磁音を低減することができる車両用交流発電機が得られる。
ついで、図３乃至図７はこの実施例１の効果を確認した結果である。
図３はＴｒ／Ｔｐ（以下、ｋとする）を所定値（−０．１、０、０．１、０．２、０．３、０．４）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、縦軸に騒音レベルをとっている。なお、騒音レベルは、１００００ｒ／ｍｉｎまでの電磁音のピーク値の実測値である。また、図４はｋ＝０．２としたときの、（Ｒ２／Ｒ１）と２０００ｒ／ｍｉｎにおける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。
図３から、騒音レベルはＲ２／Ｒ１が０．５４以下ではほぼ飽和して一定の値を示し、０．５４を超えると急激に増加することが分かる。これは、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、磁気騒音レベルが大きくなったものと推考される。このことから、Ｒ２／Ｒ１を０．５４以下とすることにより、騒音レベルを小さくできることが分かる。
また、図３から、ｋを大きくするにつれ騒音レベルが小さくなり、ｋが２．０以上となると騒音レベルが飽和することが分かる。これは、ｋが大きくなることは継鉄部２０ｂ、２１ｂ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。そして、ｋが０以下であると、継鉄部２０ｂ、２１ｂと積層鉄心１５とが軸方向でラップしていないので、磁束は爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先端部から積層鉄心１５に流れ込むことになり、磁気吸引力が爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先端部に集中し、爪状磁極部２０１、２１ｃの径方向振動が大きくなるものと推考される。また、ｋが０を超えると、継鉄部２０ｂ、２１ｂと積層鉄心１５とが軸方向でラップし、磁束が爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの根元側から積層鉄心１５に流れ込むようになるので、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先端部から積層鉄心１５に流れ込む磁束量がその分減少し、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの径方向振動が小さくなるものと推考される。このことから、ｋを０．２以上とすることにより、騒音レベルを小さくできることが分かる。
さらに、図４から、Ｒ２／Ｒ１が０．５４付近で出力電流が極大値となることが分かる。これは、Ｒ２／Ｒ１を小さくすることは円筒部２０ａ、２１ａの外径が小さくなることを意味している。そして、Ｒ２／Ｒ１が小さくなり過ぎると、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るので、Ｒ２／Ｒ１は０．５０以上であることが望ましい。また、Ｒ２／Ｒ１が大きくなり過ぎると、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ので、Ｒ２／Ｒ１は０．６以下であることが望ましい。
従って、図３および図４から、０．５０≦Ｒ２／Ｒ１≦０．５４かつｋ≧２．０とすることにより、高出力で、低電磁騒音の車両用交流発電機が実現できる。
図５はｋを所定値（０、０．１、０．２、０．４）としたときの、（Ｔｔ／Ｒ１）と騒音レベルとの関係を示す図であり、横軸にＴｔ／Ｒ１をとり、縦軸に騒音レベルをとっている。なお、騒音レベルは、１００００ｒ／ｍｉｎまでの電磁音のピーク値の実測値である。
図５から、Ｔｔ／Ｒ１が０．１３付近で騒音レベルが極小値となることが分かる。これは、Ｔｔ／Ｒ１を小さくすることは爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの厚さが薄くなることを意味している。そして、Ｔｔ／Ｒ１が小さくなり過ぎると、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの剛性が小さくなり、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの振動（騒音レベル）が大きくなってしまうので、Ｔｔ／Ｒ１は０．１０以上であることが望ましい。また、Ｔｔ／Ｒ１が大きくなり過ぎると、今度は爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの全体の重量が重くなり、かつ、振動の支点が内径側にシフトして振動振幅が増え、騒音レベルが大きくなってしまうので、Ｔｔ／Ｒ１は０．１５以下であることが望ましい。さらに、ｋが０．２未満であると、磁束は爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先端部から積層鉄心１５に流れ込むことになり、磁気吸引力が爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先端部に集中してしまい、爪状磁極部２０１、２１ｃの径方向振動が大きくなり、ｋが０．２以上となると、磁束が爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの根元部から積層鉄心１５に流れ込むようになるので、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先端部から積層鉄心１５に流れ込む磁束量がその分減少し、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの径方向振動が小さくなる。従って、ｋを０．２以上とすることにより、騒音レベルを小さくできることが分かる。
従って、図５から、０．１０≦Ｔｔ／ＲＴ≦０．１５かつｋ≧２．０とすることにより、高出力で、低電磁騒音の車両用交流発電機が実現できる。
図６はＲ３／Ｒ１を所定値（０．４、０．５、０．５５、０．６）としたときの、ｋと騒音レベルとの関係を示す図であり、横軸にｋをとり、縦軸に騒音レベルをとっている。なお、騒音レベルは、１００００ｒ／ｍｉｎまでの電磁音のピーク値の実測値である。また、図７はｋ＝０．２としたときの、（Ｒ３／Ｒ１）と２０００ｒ／ｍｉｎにおける出力電流との関係を示す図であり、横軸にＲ３／Ｒ１をとり、縦軸に出力電流をとっている。
図６から、騒音レベルはｋが０．２以上ではほぼ飽和して一定の値を示し、０．２未満では急激に増加することが分かる。これは、ｋが０．２未満であると、磁束は爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先端部から積層鉄心１５に流れ込むことになり、磁気吸引力が爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先端部に集中してしまい、爪状磁極部２０１、２１ｃの径方向振動が大きくなり、ｋが０．２以上となると、磁束が爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの根元部から積層鉄心１５に流れ込むようになるので、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先端部から積層鉄心１５に流れ込む磁束量がその分減少し、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの径方向振動が小さくなる結果によるものである。また、Ｒ３／Ｒ１が小さくなることは継鉄部２０ｂ、２１ｂ間の谷部２１ｅの底部外径が小さくなることを意味している。つまり、谷部２１ｅの底部外径が小さくなると、継鉄部２０ｂ、２１ｂの径方向長さがその分長くなり、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの軸方向振動が大きくなることになる。そして、Ｒ３／Ｒ１が０．５５未満では、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの軸方向振動が大きくなって、磁気騒音レベルが大きくなったものと推考される。このことから、Ｒ３／Ｒ１を０．５５以上、かつ、ｋを０．２以上とすることにより、騒音レベルを小さくできることが分かる。
また、図７から、Ｒ３／Ｒ１が０．６付近で出力電流が極大値となることが分かる。これは、Ｒ３／Ｒ１を小さくすることは谷部２１ｅの底部外径が小さくなり、継鉄部２０ｂ、２１ｂの周方向幅が狭くなることを意味している。そこで、Ｒ３／Ｒ１が小さくなり過ぎると、継鉄部２０ｂ、２１ｂを流れる磁束の通路断面積が小さくなり、継鉄部２０ｂ、２１ｂが磁気飽和して出力が得られなくなるので、Ｒ３／Ｒ１は０．４５以上であることが望ましい。また、Ｒ３／Ｒ１が大きくなり過ぎると、図８に示されるように、爪状磁極部２０ｃと谷部２１ｅの底部との間の隙間が狭くなり、爪状磁極部２０ｃから積層鉄心１５に流れ込む磁束の一部が谷部２１ｅを介してポールコア２１に流れ込むことにより、漏れ磁束が多くなり、出力が得られなくなるので、Ｒ３／Ｒ１は０．６５以下であることが望ましい。
従って、図６および図７から、０．５５≦Ｒ３／Ｒ１≦０．６５かつｋ≧２．０とすることにより、高出力で、低電磁騒音の車両用交流発電機が実現できる。
また、この実施例１では、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が形成している。そこで、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、風騒音の小さい車両用交流発電機が実現できる。
実施例２．
この実施例２では、図９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、Ｒ４＜Ｒｆ＜Ｒ１の範囲に設定され、肩部２０ｄ、２１ｄがポールコア２０、２１の軸方向端面の最外径部を冷却ファン５の最外径位置を起点として面取りして形成され、シリコーン系樹脂等の弾性を有する樹脂２２が冷却ファン５とポールコア２０、２１との間に介装されている。ここで、Ｒ４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２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、Ｒ４＜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る。
また、冷却ファン５とポールコア２０、２１の軸方向端面との間に介装されている弾性を有する樹脂２２がダンパーとして作用し、継鉄部２０ｂ、２１ｂの根元部を支点とする軸方向振動が減衰されるので、爪共振音がさらに低減される。
さらに、肩部２０ｄ、２１ｄがポールコア２０、２１の軸方向端面の最外径部を冷却ファン５の最外径位置を起点として面取りして形成されているので、冷却ファン５の吐出側の冷却風通路が周方向に拡大され、通風抵抗が低減される。そこで、冷却ファン５のブレード５ａに沿って内径側から外径側に流れる冷却風の流速が速くなり、冷却風がブレード５ａに沿ってスムーズに流れるようになる。これにより、冷却風の全体風量の低下が抑えられ、冷却ファン５の冷却効率が向上される。また、冷却風は冷却ファン５の吐出側から軸方向に広がって排出され、その一部が肩部２０ｄ、２１ｄに沿って電機子コイル１６のコイルエンド群１６ｆ、１６ｒに供給される。これにより、電機子コイル１６の温度上昇が効果的に抑えられる。
なお、上記実施例２では、シリコーン系樹脂等の弾性を有する樹脂２２が冷却ファン５とポールコア２０、２１との間に介装されているものとしているが、樹脂２２は弾性を有していればよく、例えばワニスでもよい。
実施例３．
この実施例３では、図１０に示されるように、爪保持部材としての例えばステンレス製のリング２３が爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの一方の先端部側と他方の根元部側とを拘束するように爪状磁極部２０ｃ、２１ｃに外嵌固定されている。なお、他の構成は上記実施例２と同様に構成されている。
この実施例３によれば、リング２３が爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先端の振動を規制しているので、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの振動振幅が減少され、爪共振音が低減される。また、爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの先端の径方向の広がりが阻止されるので、高速耐久性が向上される。即ち、高速回転時に爪状磁極部２０ａ、２１ａの先端側が径方向に広がって積層鉄心１５に衝突し、破損するような事故が回避される。
また、電機子コイル１６のコイルエンド群１６ｆ、１６ｒの根元部は周方向の凹凸が生じている。一方、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの根元部に相対する爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの部位も、周方向に凹凸が生じている。そこで、界磁回転子７の回転に伴って、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの根元部と爪状磁極部２０ｃ、２１ｃとの間で干渉音が発生し、風騒音を大きくしていた。この実施例３では、リング２３がコイルエンド群１６ｆ、１６ｒの根元部に相対する爪状磁極部２０ｃ、２１ｃの部位に介在しており、上述の干渉音が低減され、風騒音を小さくすることができる。
実施例４．
この実施例４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１１はこの発明の実施例４に係る車両用交流発電機の固定子を示す斜視図、図１２はこの発明の実施例４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４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１２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の一端側から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の他端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の他端側において、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、図１１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の一端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の他端側のコイルエンド群１６ｆを構成している。
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に沿って整流されて流れ、風騒音が著しく低減される。さらに、冷却風はコイルエンド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。
実施例５．
この実施の形態５では、図１３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５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４と同様に構成されている。
この実施例５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に沿って整流されて流れ、風騒音が著しく低減される。さらに、冷却風はコイルエンド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８Ｂの温度上昇を抑えることができる。
さらに、この実施例５によれば、連続する銅線３３を用いているので、上記実施例４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４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。
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の範囲であり、かつ、上記積層鉄心と上記継鉄部との軸方向ラップ長さＴｒと上記継鉄部の軸方向長さＴｐとの比率（Ｔｒ／Ｔｐ）は、０．２以上の範囲としているので、高出力が実現できるとともに、電磁音を低減できる交流発電機が得られる。
また、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、上記爪状磁極部の根元部の径方向寸法Ｔｔと上記ランデル型鉄心の外径Ｒ１との比率（Ｔｔ／Ｒ１）は、０．１〜０．１５の範囲であり、かつ、上記積層鉄心と上記継鉄部との軸方向ラップ長さＴｒと上記継鉄部の軸方向長さＴｐとの比率（Ｔｒ／Ｔｐ）は、０．２以上の範囲としているので、高出力が実現できるとともに、電磁音を低減できる交流発電機が得られる。
また、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、上記爪状磁極部間の谷部の底部外径Ｒ３と上記ランデル型鉄心の外径Ｒ１との比率（Ｒ３／Ｒ１）は、０．５５〜０．６５の範囲であり、かつ、上記積層鉄心と上記継鉄部との軸方向ラップ長さＴｒと上記継鉄部の軸方向長さＴｐとの比率（Ｔｒ／Ｔｐ）は、０．２以上の範囲としているので、高出力が実現できるとともに、電磁音を低減できる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、該冷却ファンの最外径寸法Ｒｆは、Ｒ４＜Ｒｆ＜Ｒ１（Ｒ４：爪状磁極部の根元部内径）の範囲としているので、爪状磁極部の軸方向振動が低減され、爪共振音が低減される。
また、上記爪状磁極部の肩部が該冷却ファンの最外径位置を起点として面取りされているので、冷却ファンから吐出された冷却風が肩部に沿って電機子コイルのコイルエンド群の冷却に供せられ、電機子コイルの温度上昇を効率的に抑えることができる。
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、該冷却ファンと上記ランデル型鉄心の軸方向端面との間に弾性を有する樹脂が介装されているので、爪状磁極部の軸方向振動が樹脂により減衰され、爪共振音が低減される。
また、上記電機子コイルは、素線を上記積層鉄心の所定スロット毎にスロット内の内層と外層とを交互にとるように巻装して形成された複数の巻線を有し、そのコイルエンド群が、上記積層鉄心の端部外方で所定スロット離れた上記スロット内の異なる層同士を直列に接続する接続パターンに形成されたコイルエンドを周方向に整列して配列して構成されているので、冷却ファンから吐出された冷却風がコイルエンドに沿って流れ、通風抵抗が小さくなり、風騒音が低減される。
また、円環状の爪保持部材が上記爪状磁極部の先端に配設されているので、爪状磁極部の振動振幅が減少され、爪共振音が低減されるとともに、爪状磁極部の径方向の広がりが阻止され、高速耐久性が向上される。
【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と騒音レベルとの関係を示す図、
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と出力電流との関係を示す図、
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Ｔｔ／Ｒ１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１に係る車両用交流発電機におけるｋと騒音レベルとの関係を示す図、
図７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Ｒ３／Ｒ１と出力電流との関係を示す図、
図８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爪状磁極部と円筒部との間の漏れ磁束を説明する模式図、
図９はこの発明の実施例２に係る車両用交流発電機における界磁回転子の寸法関係を示す模式図、
図１０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固定子周りを示す要部断面図、
図１１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を示す斜視図、
図１２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１３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１４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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【図１４】
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【国際調査報告】
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