JP2000299949A - 車両用交流発電機の固定子 - Google Patents

車両用交流発電機の固定子

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JP2000299949A
JP2000299949A JP11103618A JP10361899A JP2000299949A JP 2000299949 A JP2000299949 A JP 2000299949A JP 11103618 A JP11103618 A JP 11103618A JP 10361899 A JP10361899 A JP 10361899A JP 2000299949 A JP2000299949 A JP 2000299949A
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中村  重信
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志賀  孜
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化が可能であって、耐環境性に優れた車
両用交流発電機の固定子を提供すること。 【解決手段】 固定子鉄心の各スロットに収容される導
体セグメント23は、U字状に形成されており、ターン
部231c、232cのみが円形断面に、それ以外が矩
形断面を有する扁平形状に形成されている。導体セグメ
ント23の反ターン部側の端部が接合部となっており、
他のスロットから延びた導体セグメントの接合部との間
で接合が行われて固定子巻線が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、乗用車やトラック
等に搭載される車両用交流発電機の固定子に関する。
【0002】
【従来の技術】車両の電気負荷の増加に伴い、車両用発
電機の小型高出力化が求められている。小型高出力化を
図る従来技術としては、固定子巻線の高占積率化を図っ
て抵抗値を低減するという手法が一般的に知られてい
る。例えば、特開平63−194543号公報には、ス
ロットに挿入される部分のみを平角形状に変形させた固
定子巻線を用いた車両用交流発電機が開示されている。
固定子巻線を収容する固定子鉄心のスロット形状は、一
般には矩形に近い形に形成されるため、平角形状の断面
を有する導体セグメントを各スロット内に収納すること
により、各導体セグメントとスロット内壁面との間に形
成される隙間部分を低減することができ、高占積率化が
可能になる。
【0003】また、車両用交流発電機に用いられる固定
子として、複数の導体セグメントを接合することにより
形成された巻線を有するものが従来から知られている。
例えば、WO98/54823には、長方形の断面形状
を有するU字状の複数の導体セグメントを固定子鉄心の
一方の端面側から挿入した後に、反挿入側の端部同士を
接合することにより巻線が形成された固定子が開示され
ている。この固定子は、連続した導体巻線を巻いて巻線
を構成する場合に比べて、規則的に配置された巻線が形
成しやすいという特長がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した特
開平63−194543号公報に開示された車両用交流
発電機の固定子では、スロットから引き出されたコイル
エンド部における巻線の断面形状は円形のままであるた
め、スロット内の平角断面からスロット外の円形断面に
変化する部分において、巻線自体の径方向の厚みが増す
とともに同じスロット内に収容されている各層の巻線が
径方向および回転周方向のそれぞれに沿って干渉し合う
ため、固定子巻線のコイルエンドの外径が大きくなる。
このため、この固定子を支持するフレームの外径が大き
くなり、車両用交流発電機の小型化が難しいという問題
があった。
【0005】また、上述したWO98/54823に開
示された車両用交流発電機の固定子では、固定子巻線を
構成する各導体セグメントを簡単に製造しようとする
と、平角形状の断面を有する連続線あるいは長尺の導体
を、導体セグメントの長さに合わせて切断した後にその
中央部分で折り曲げてU字状に整形することが考えられ
るが、この折り曲げ行程において長方形断面を有する導
体セグメントのターン部に大きなストレスが生じ、導体
セグメントの外周を覆う絶縁被膜が損傷しやすくなり、
耐環境性が悪化するという問題があった。
【0006】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、小型化が可能であって、耐
環境性に優れた車両用交流発電機の固定子を提供するこ
とにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載された発
明によれば、複数のスロットを持つ固定子鉄心と、前記
スロットに装備された固定子巻線とを有する車両用交流
発電機の固定子において、前記固定子巻線のコイルエン
ドのターン部のみが非扁平断面を有し、それ以外は扁平
断面を有する導体で形成している。コイルエンドのター
ン部を非扁平断面とすることにより、ターン部において
生じる過度の応力集中等を防止することができるため、
絶縁皮膜の損傷を防止して耐環境性を向上させることが
できる。また、ターン部以外は扁平断面に形成されるた
め、スロットから突出するコイルエンドの外径が大きく
ならず、固定子を支持するフレームおよびこれを用いた
車両用交流発電機の小型化が可能になる。非扁平断面と
しては、ターン部以外における扁平断面よりも扁平の度
合いの少ない断面形状を採用でき、正方形、正多角形、
円形等の全方位にわたって径がほぼ等しい断面が望まし
い。
【0008】請求項2に記載された発明によれば、前記
非扁平断面を円形断面としている。これにより、固定子
巻線のターン部に生じるストレスを低減することができ
る。
【0009】請求項3に記載された発明によれば、前記
固定子巻線はU字状の平角導体によって形成される複数
の導体セグメントの端部同士を接合することによって構
成され、前記導体セグメントのターン部のみのを前記非
扁平断面に形成している。これにより、平角導体を折り
曲げることによってU字状の導体セグメントを形成する
場合のターン部において生じるストレス低減が可能にな
る。また、導体セグメントのターン部以外の部分が平角
導体によって形成されているため、スロット内で導体セ
グメントの周囲に形成される隙間を減らすことができ、
高いスロット収容占積率を確保することができる。
【0010】請求項4に記載された発明によれば、前記
導体セグメントは、前記スロット内において多重に配置
されており、曲率半径が小さい方の前記ターン部のみを
前記非扁平断面に形成している。導体セグメントが多重
に配置される場合には、特に内側に配置されて曲率半径
が小さいターン部に加わるストレスが大きくなるため、
少なくともこの部分を非扁平形状断面に形成することが
望ましい。
【0011】請求項5に記載された発明によれば、前記
ターン部には曲率半径が最も小さな部分が少なくとも含
まれている。曲率半径が最も小さな部分をターン部に含
ませておいて、この部分を非扁平断面とすることによ
り、絶縁皮膜が損傷する可能性が最も高い部分のストレ
ス低減が可能になる。
【0012】
【発明の実施の形態】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。
【0013】図1は、本実施形態の車両用交流発電機の
全体構成を示す図である。図1に示す車両用交流発電機
1は、固定子2、回転子3、フレーム4、整流器5等を
含んで構成されている。
【0014】固定子2は、固定子鉄心22と、固定子巻
線21を構成する導体セグメント23と、固定子鉄心2
2と導体セグメント23の間を電気絶縁するインシュレ
ータ24とを備えている。固定子2の詳細な構造につい
ては後述する。
【0015】回転子3は、絶縁処理された銅線を円筒状
かつ同心状に巻き回した界磁巻線31を、それぞれが6
個の爪部を有するポールコア32によって、回転軸33
を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、
フロント側のポールコア32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
めの冷却ファン35が溶接等によって取り付けられてい
る。同様に、リヤ側のポールコア32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36が溶接等によって取り付けられている。ま
た、回転軸33のリヤ側端部近傍には、界磁巻線31の
両端に電気的に接続された2つのスリップリング37、
38が形成されており、これらのスリップリング37、
38を介してブラシ装置7から界磁巻線31に対して給
電が行われる。
【0016】フレーム4は、固定子2および回転子3を
収容しており、回転子3が回転軸33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3のポールコ
ア32の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子
2が固定されている。また、フレーム4は、固定子鉄心
22の軸方向端面から突出した固定子巻線21のコイル
エンドに対向した部分に冷却風の吐出窓41を有し、軸
方向端面に吸入窓42を有している。
【0017】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20にエンジン(図示せ
ず)からの回転力が伝えられると回転子3が所定方向に
回転する。この状態で回転子3の界磁巻線31に外部か
ら励磁電圧を印加することにより、ポールコア32のそ
れぞれの爪部が励磁されて回転子3の回転周方向に沿っ
て交互にNS磁極が形成されるため、固定子巻線21に
三相交流電圧を発生させることができ、整流器5の出力
端子からは所定の直流電流が取り出される。
【0018】次に、固定子2の詳細について説明する。
図2は、固定子2の部分的な断面図である。また、図3
は固定子巻線を構成する導体セグメントの斜視図であ
る。図4は、導体セグメントが収容されるスロットを説
明するための固定子2の部分的な断面図である。図5
は、導体セグメントを接合することにより形成される固
定子巻線21を示す固定子2の断面図である。
【0019】固定子鉄心22のスロット25に装備され
た固定子巻線21は、複数の電気導体により構成され、
各スロット25には偶数本(本実施形態では4本)の電
気導体が収容されている。また、一のスロット25内の
4本の電気導体は、図2に示すように固定子鉄心22の
径方向に沿って内側から内端層、内中層、外中層、外端
層の順で一列に配列されている。
【0020】一のスロット25内の内端層の電気導体2
31aは、図4に示すように、固定子鉄心22の時計回
り方向にNS磁極ピッチ離れた他のスロット25内の外
端層の電気導体231bと対をなしている。同様に、一
のスロット25内の内中層の電気導体232aは固定子
鉄心22の時計回り方向に向けて1磁極ピッチ離れた他
のスロット25内の外中層の電気導体232bと対をな
している。そして、これらの対をなす電気導体は、固定
子鉄心22の軸方向の一方の端面側において連続線を用
いることにより、ターン部231c、232cを経由す
ることで接続される。これらのターン部231c、23
2cの詳細については後述する。
【0021】したがって、固定子鉄心22の一方の端面
側においては、外中層の電気導体232bと内中層の電
気導体232aとを接続する連続線を、外端層の電気導
体231bと内端層の電気導体231aとを接続する連
続線が囲むこととなる。このように、固定子鉄心22の
一方の端面側においては、対をなす電気導体の接続部と
してのターン部232cが、同じスロット25内に収容
された他の対をなす電気導体の接続部としてのターン部
231cにより囲まれる。外中層の電気導体232bと
内中層の電気導体232aとの接続により中層コイルエ
ンドが形成され、外端層の電気導体231bと内端層の
電気導体231aとの接続により端層コイルエンドが形
成される。
【0022】一方、一のスロット25内の内中層の電気
導体232aは、固定子鉄心22の時計回り方向に向け
て1磁極ピッチ離れた他のスロット25内の内端層の電
気導体231a’とも対をなしている。同様に、一のス
ロット25内の外端層の電気導体231b’は、固定子
鉄心22の時計回り方向に向けて1磁極ピッチ離れた他
のスロット25内の外中層の電気導体232bとも対を
なしている。そして、これらの電気導体は固定子鉄心2
2の軸方向の他方の端面側において接合により接続され
る。
【0023】したがって、固定子鉄心22の他方の端面
側においては、外端層の電気導体231b’と外中層の
電気導体232bとを接続する外側接合部と、内端層の
電気導体231a’と内中層の電気導体232aとを接
続する内側接合部とが、径方向および周方向に互いにず
れた状態で配置されている。外端層の電気導体231
b’と外中層の電気導体232bとの接続、および内端
層の電気導体231a’と内中層の電気導体232aと
の接続により、異なる同心円上に配置された2つの隣接
層コイルエンドが形成される。
【0024】さらに、図3に示すように、内端層の電気
導体231aと外端層の電気導体231bとが、一連の
電気導体をほぼU字状に成形してなる大セグメント23
1により提供される。そして、内中層の電気導体232
aと外中層の電気導体232bとが一連の電気導体をほ
ぼU字状に成形してなる小セグメント232により提供
される。基本となるU字状の導体セグメント23は、大
セグメント231と小セグメント232によって形成さ
れる。各セグメント231、232は、スロット25内
に収容されて軸方向に沿って延びる部分を備えるととも
に、軸方向に対して所定角度傾斜して延びる斜行部23
1f、231g、232f、232gを備える。これら
斜行部によって、固定子鉄心22から軸方向の両端面に
突出するコイルエンドが形成されており、回転子3の軸
方向の両端面に取り付けられた冷却ファン35、36を
回転させたときに生じる冷却風の通風路は、主にこれら
斜行部の間に形成されている。
【0025】以上の構成を、全てのスロット25の導体
セグメント23について繰り返す。そして、反ターン部
側のコイルエンド群において、外端層の端部231e’
と外中層の端部232e、並びに内中層の端部232d
と内端層の端部231d’とがそれぞれ溶接、超音波溶
着、アーク溶接、ろう付け等の手段によって接合されて
外側接合部および内側接合部が形成され、電気的に接続
されている。また、これらの接合部の互いの絶縁と保持
のために、絶縁材によるコーティングが行われる。
【0026】ところで、上述した本実施形態の導体セグ
メント23(大セグメント231、小セグメント23
2)は、ターン部231c、232cのみが円形断面に
形成されており、それ以外の部分が平角材を用いた扁平
断面に形成されている。また、これらのターン部231
c、232cとそれ以外の部分では、断面積がほぼ等し
くなっており、ターン部231c、232cの断面形状
を円形に変更したことによって固定子巻線21の抵抗値
が高くならないように配慮されている。
【0027】このように、本実施形態の車両用交流発電
機1では、図2に示すように、各導体セグメントの断面
を矩形形状に形成することにより、スロット25内の占
積率を高めることができるため、固定子巻線21の抵抗
値を低減し、発電能力を向上させることができる。ま
た、図3に示した導体セグメント23を用いて波巻きに
よって固定子巻線21を形成した場合には、コイルエン
ドにおける異相間の干渉がなく、これを考慮に入れてコ
イルエンドの外径を大きくする必要がなく、フレーム4
等の小型化を実現することができる。
【0028】また、従来のように、ターン部231c、
232cを含む全体を平角材で形成した場合には、棒状
の平角導体を中央で折り曲げてU字状の導体セグメント
23を製造する際に、ターン部231c、232cの内
周側が大きく圧縮され、外周側が大きく引き延ばされる
ため、これらの箇所において大きな応力集中が生じ、予
め絶縁皮膜が導体セグメント23の周囲に形成されてい
た場合に、この応力集中箇所において絶縁皮膜が損傷し
やすかった。ところが、上述した本実施形態の導体セグ
メント23では、ターン部231c、232cのみが円
形断面に形成されているため、扁平な平角材を曲げたと
きのようにターン部231c、232cの内径側と外径
側の変形の程度が大きくなく、大きな応力集中が発生し
ない。したがって、その周囲に形成されていた絶縁皮膜
の損傷を防止、あるいは損傷の程度を軽減することがで
きる。
【0029】なお、応力集中の程度は、ターン部231
c、232cを曲げ加工によって形成する際の変形の程
度によるため、小さな曲率半径を有する内側の(内包さ
れる側の)ターン部232cの方が大きな応力を受ける
ことになる。このため、絶縁皮膜の損傷が激しいと考え
られる内側のターン部231cのみを円形断面に形成
し、外側のターン部232cは従来通り、平角材による
矩形断面を維持するようにしてもよい。
【0030】また、本実施形態の導体セグメント23で
は、円形断面を有するターン部231c、232cの範
囲は、図3に示すように、曲線が始まるところから終わ
るところまでの範囲に一致させてあるが、曲率半径が最
も小さい部分を含ませる必要がある。また、ターン部の
頂点を含んでその前後の同じ長さにわたって円形断面と
することが望ましい。あるいは、実際にどの程度の曲率
半径を有する部分を所定の角度折り曲げれば絶縁皮膜の
損傷が生じるかは、絶縁皮膜の種類等に応じて変化する
ため、これら実際の使用状況に応じて円形断面を有する
ターン部231c、232cの範囲を変えるようにして
もよい。
【0031】図6は、一部のみが円形断面を有する棒状
導体の製造行程を示す図である。まず、ターン部231
c、232cと同じ円形断面を有する丸線300を所定
の長さに切り出す。図3に示す大セグメント231と小
セグメント232ではその全長が異なるため、それぞれ
に対応させて2種類の長さの丸線300の切り出しを行
う必要がある。次に、切り出した丸線300の中央部分
を残し、それ以外の部分を圧延ローラ310を用いて圧
延する。例えば、図6において矢印312で示す軌跡に
沿って圧延ローラ310を移動させることにより、図7
に示すような丸線300の中央部分以外を扁平な形状に
整形した導体セグメント300aが完成する。このよう
な圧延加工によって残った導体セグメント300aの中
央部分がターン部231c、232cとなる。さらに、
導体セグメント300aをターン部231c、232c
で折り曲げた後、ターン部231c、232cにつなが
る斜行部等を整形してを図3に示す導体セグメント23
が完成する。なお、導体セグメント23の端部231e
等の整形は、各導体セグメント23を固定子鉄心22の
所定のスロット25に挿入した後に行われる。
【0032】なお、図6を用いた説明では、ターン部2
31c、232c以外に相当する部分を扁平形状に変形
することにより、図7に示す導体セグメント300aを
製造したが、反対に、全体が扁平な平角材を用い、その
中央部分のみを円形断面に変形するようにしてもよい。
【0033】図8は、一部のみが円形断面を有する棒状
導体の他の製造工程を示す図である。まず、扁平形状を
有する平角線400を所定の長さに切り出す。次に、切
り出した平角線400の中央部分を、加圧治具410で
矢印方向に挟み込んで平角線400の中央部分の断面を
変形させる。この加圧治具410の押圧面には、図8お
よび図9に示すような両端に緩やかな傾斜部分を有する
半円溝412が形成されており、平角線400の中央部
分をこのような加圧治具410によって挟み込むことに
より、中央部分のみが円形断面でそれ以外の部分が扁平
な図7に示す導体セグメント300aが完成する。
【0034】図10は、固定子巻線の変形例を示す斜視
図である。また、図11は図10に示す固定子巻線を用
いた固定子の部分的な断面図である。上述した実施形態
では、U字状の導体セグメント23を用いて、その端部
同士を接合することにより、導体が連続的につながった
固定子巻線21を形成したが、図10および図12に示
すように、ターン部のみが円形断面を有し、それ以外に
ついては扁平形状を有する連続線を用いて固定子巻線1
21を形成するようにしてもよい。この場合には、固定
子鉄心22の各スロット25に回転軸方向から巻線12
1を挿入することは容易でないため、図12に示すよう
に、固定子鉄心122の各歯先先端部124に径方向に
沿った突起部130を形成することにより、スロット1
25の内周側開口部の周方向の幅を、スロット125内
部の周方向の幅と同じに設定し、図10に示した固定子
巻線121を内径側からスロット125内に挿入する。
その後、各歯先先端部124の突起部130を周方向に
塑性変形してスロット125の内周側開口を塞げばよ
い。このように、ターン部のみが円形断面になっている
連続線を用いて固定子巻線121を構成した場合には、
溶接による接合行程がないため、接合部の絶縁処理が不
要となり、安価に耐環境性をさらに向上させることがで
きる。
【0035】図13は、固定子巻線の他の変形例を示す
斜視図である。また、図14は図13に示す固定子巻線
を用いた固定子の部分的な断面図であり、連続した導体
が収容される2つのスロットに着目した構造が示されて
いる。また、図15は図13に示す固定子巻線を用いた
固定子の部分的な断面図であり、1つのスロットに着目
した構造が示されている。図13に示す固定子巻線は、
ターン部のみが円形断面に、それ以外が扁平形状に形成
された連続線を用いて波巻きを行ったものである。固定
子鉄心222の一のスロット225の内層側には2列の
導体323a、323bが収納され、NS磁極ピッチ離
れた他のスロット25の外層側には、導体323aにタ
ーン部323eを介して接続された導体323cと、導
体323bにターン部323fを介して接続された導体
323dとが2列に収納されている。このような連続線
を用いた波巻きによって固定子巻線を形成した場合に
は、図10に示した固定子巻線121と同様に、溶接に
よる接合行程がないため、接合部の絶縁処理が不要とな
り、安価に耐環境性をさらに向上させることができる。
【0036】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で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は、ターン部を
円形断面に形成した場合を説明したが、円形以外、例え
ば楕円形や正方形の角部が丸みを持った断面等、扁平の
度合いが緩やかな断面形状のターン部を採用することが
できる。
【0037】また、ターン部を円形断面に形成した場合
の効果として、絶縁皮膜の損傷防止をあげたが、必ずし
も折り曲げ加工前に絶縁皮膜がついている場合に限ら
ず、ターン部を折り曲げた後に絶縁皮膜を形成するよう
にしてもよい。あるいは、ターン部に絶縁皮膜が形成さ
れていない導体を用いるようにしてもよい。これらの場
合には、絶縁皮膜の損傷防止という効果は達成できない
が、小型化に寄与するというもう一方の効果については
有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示
す図である。
【図2】固定子の部分的な断面図である。
【図3】固定子巻線を構成する導体セグメントの斜視図
である。
【図4】導体セグメントが収容されるスロットを説明す
るための固定子の部分的な断面図である。
【図5】導体セグメントを接合することにより形成され
る固定子巻線を示す固定子の断面図である。
【図6】一部のみが円形断面を有する棒状導体の製造行
程を示す図である。
【図7】中央部分のみが円形断面を有する棒状導体を示
す斜視図である。
【図8】一部のみが円形断面を有する棒状導体の他の製
造工程を示す図である。
【図9】加圧治具の詳細を示す平面図である。
【図10】固定子巻線の変形例を示す斜視図である。
【図11】図10に示す固定子巻線を用いた固定子の部
分的な断面図である。
【図12】図10に示す固定子巻線を用いた固定子の製
作途中を示す部分的な断面図である。
【図13】固定子巻線の他の変形例を示す斜視図であ
る。
【図14】図13に示す固定子巻線を用いた固定子の部
分的な断面図である。
【図15】図13に示す固定子巻線を用いた固定子の部
分的な断面図である。
【符号の説明】
1 車両用交流発電機 2 固定子 3 回転子 4 フレーム 21 固定子巻線 22 固定子鉄心 23 導体セグメント 24 インシュレータ 25 スロット 231c、232c ターン部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H603 AA09 BB02 BB05 BB12 CA01 CA05 CB03 CC03 CC17 CD21 CE02 5H619 AA05 BB02 BB06 PP01 PP14

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数のスロットを持つ固定子鉄心と、前
    記スロットに装備された固定子巻線とを有する車両用交
    流発電機の固定子において、 前記固定子巻線のコイルエンドのターン部のみが非扁平
    断面を有し、それ以外は扁平断面を有する導体で形成し
    たことを特徴とする車両用交流発電機の固定子。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 前記非扁平断面は、円形断面であることを特徴とする車
    両用交流発電機の固定子。
  3. 【請求項3】 請求項1または2において、 前記固定子巻線は、U字状の平角導体によって形成され
    る複数の導体セグメントの端部同士を接合することによ
    って構成されており、 前記導体セグメントのターン部のみのを前記非扁平断面
    に形成することを特徴とする車両用交流発電機の固定
    子。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかにおいて、 前記導体セグメントは、前記スロット内において多重に
    配置されており、曲率半径が小さい方の前記ターン部の
    みを前記非扁平断面に形成することを特徴とする車両用
    交流発電機の固定子。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれかにおいて、 前記ターン部には曲率半径が最も小さな部分が少なくと
    も含まれることを特徴とする車両用交流発電機の固定
    子。
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