JP2000358348A

JP2000358348A - 車両用交流発電機

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Publication number: JP2000358348A
Application number: JP2000107935A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Umeda; 梅田　　敦司; Tsutomu Shiga; 志賀　　孜; Arata Kusase; 草瀬　　新
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2000-12-26
Anticipated expiration: 2020-04-10
Also published as: JP3543724B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高占積率化を他の出力向上要因に転化するこ
とにより高出力化を達成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に含まれる固定子２
は、外径Ｄｏに対する内径Ｄｉの比が７６％以上に、ス
ロット収容占積率が５０％以上にそれぞれ設定されてい
る。５０％以上の占積率では、内外径比Ｄｉ／Ｄｏが７
６％以上の特定の値において出力のピークが存在するた
め、占積率を高くするとともに内外径比を適切な値に設
定することにより、高出力化が可能になる。

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、特開昭６２−２７２８３６号公報、特開昭
６３−２７４３３５号公報、米国特許第５０９７１６７
号、ＷＯ９８／５４８２３には、平角形状の断面を有す
る導体セグメントを用いて固定子巻線が形成される車両
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】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うに導体セグメントを用いて固定子巻線の高占積率化を
図ることができるが、平角巻線を巻装する場合の困難さ
に比較すると、その出力向上の程度は些少であるといえ
る。それは、もはや固定子巻線の抵抗値がダイオードド
ロップなどの他の電気部品の抵抗値と大差ないレベルと
なり、少々の占積率増加では車両用発電機の内部抵抗を
飛躍的に低減することができないという原理的な限界性
によるものと考えられる。すなわち、高占積率化によっ
て高出力化を達成するという手法は、もはや飽和的であ
って、高出力化が容易ではないという問題点があった。

【０００４】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、高占積率化を他の出力向上
要因に転化することにより高出力化を達成することがで
きる車両用交流発電機を提供することにある。

【０００５】また、本発明の他の目的は、高出力化に伴
う磁気音の増加を抑制できる車両用交流発電機を安価に
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】スロット収容占積率（以
後、単に「占積率」と称する）が高められれば固定子の
外径に対する内径比を上げることができることに着目
し、本発明者は、その比率と占積率と出力の関係を実験
的に調べたところ、占積率が高くなるほどいずれの内径
／外径比率においても従来知られたように出力は高まる
が、占積率が高まると内径／外径の比率を適切にするこ
とにより、飛躍的に出力が向上し、またそれ以上になる
と再び出力が低下する傾向、すなわち出力向上を達成す
るために最適範囲が存在することを見いだした。

【０００７】これは一定の固定子外径に対して、エネル
ギー変換を司るところの内径容量を大きくすることによ
り発電電圧が高められる一方、一定の外径の下で内径を
大きく設計すると、固定子巻線の断面積が確保できずに
巻線抵抗値が増えて、発電機の内部抵抗が高くなるとい
う相矛盾する出力への影響要因があることによるものと
考えられる。

【０００８】請求項１の発明によれば、上記原理によ
り、固定子巻線の占積率を高くすることにより、巻線抵
抗を増やすことなく固定子の内径／外径比を高くするこ
とができ、従来占積率と内径／外径比とを別々に設定し
ただけでは達成することができなかった飛躍的な出力向
上を図ることができる。

【０００９】請求項２の発明によれば、固定子鉄心の径
方向外周部の硬度を径方向内周部の硬度よりも高くした
ことにより、帯状の鋼板を巻き取って固定子鉄心を形成
した場合に、固定子鉄心が径方向外側にいくにしたがっ
て薄くなって剛性が低下することを防止することがで
き、固定子鉄心外周の剛性ｕｐによる騒音の発生を防止
することができる。例えば、固定子鉄心の外周部を圧延
加工することにより内周部よりも薄肉化することが可能
であり、このとき同時に加工硬化させることにより、外
周部の剛性ｕｐを容易に達成することができる。

【００１０】請求項３の発明によれば、固定子は外周側
の環状鉄心部と内周側の歯状鉄心部とが一体に組み合わ
さって形成される構造であるとともに、固定子巻線をほ
ぼ矩形断面の導体を用いて構成しており、歯状鉄心部の
各スロットの外周側より固定子巻線を収容することがで
きることから、従来の丸素線の乱巻収納では得ることが
できなかった高占積率化が可能となる。

【００１１】請求項４の発明によれば、Ｕ字状の導体セ
グメントの直線部分を各スロットに２本ずつ収容するこ
とにより固定子巻線が形成されており、スロットの径方
向に沿って２本の導体が配置されるだけであるため、固
定子の径方向の厚さを薄くでき、固定子の外径に対する
内径の比を大きく設定することができる。また、導体セ
グメントの反ターン部先端より内側において、皮膜の焼
損部分が残るように溶接（例えばヒュージング溶接）が
行われるので、導体セグメントの先端部や溶接部の絶縁
処理が簡略化され、これにより、さらに固定子の径方向
の厚さを薄くすることができる。

【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
部分的な構成を示す断面図であり、回転子と固定子を含
む一部の構成のみを抜き出して示したものである。ま
た、図２は本実施形態の車両用交流発電機に含まれる固
定子の部分的な平面図である。

【００１４】本実施形態の車両用交流発電機１は、電機
子として働く固定子２と、界磁子として働く回転子３
と、これらの固定子２および回転子３を支持するフレー
ム４と、固定子２に接続されて交流電力を直流に変換す
る整流装置（図示せず）等を含んで構成されている。

【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、合計で１２個
のＮＳ爪状磁極３２を有するする界磁鉄心３３によっ
て、回転軸３４を通して両側から挟み込んだ構造を有し
ている。また、フロント側の界磁鉄心３３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、リヤ側の界磁鉄心３３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３４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、整流装置に接続されたブラシ装
置（図示せず）から界磁巻線３１に対する給電が行われ
る。

【００１６】また、固定子２は、固定子鉄心２２と、三
相の固定子巻線２３と、固定子鉄心２２と固定子巻線２
３との間を電気絶縁するインシュレータ２４とを備えて
いる。本実施形態においては、例えば外径φＤｏが１２
１ｍｍの固定子２が用いられている。また、この固定子
鉄心２２は、外周側に固定子巻線２３を収容する複数の
スロットを形成するために開口した凹部を有する歯状鉄
心部２２Ａと、外周側から組み合わされて歯状鉄心部２
２Ａとともに一体化されて固定子鉄心２２を構成する環
状鉄心部２２Ｂとからなっている。環状鉄心部２２Ｂの
内周壁には、歯状鉄心部２２Ａから径方向外側に延びた
複数のティース２２Ｃの先端部形状に対応する凹部が形
成されており、これらの先端部と凹部とを嵌合させるこ
とにより、歯状鉄心部２２Ａと環状鉄心部２２Ｂとの組
付けが行われる。このように、歯状鉄心部２２Ａと環状
鉄心部２２Ｂとに分割された固定子鉄心２２を用い、歯
状鉄心部２２Ａの外周側に開口した凹部に、固定子巻線
２３を巻装した後に環状鉄心部２２Ｂのティース２２Ｃ
を嵌合させることにより、固定子２の組付けを行うこと
ができるため、従来のように内周側に開口したティース
の隙間に内周側から丸素線の銅線を乱巻収納して固定子
巻線を形成する場合に比べて、大幅に作業性を改善する
ことができ、作業時間の短縮等が可能になる。

【００１７】図３は、固定子２の環状鉄心部２２Ｂを製
造する行程を示す図である。環状鉄心部２２Ｂは、所定
の厚みを有する帯状の鋼板１２０を巻き取りながら積層
させることにより製造される。この帯状の鋼板１２０
は、巻き取る前の状態において、一方の辺に予め所定間
隔で、歯状鉄心部２２Ａの各ティース２２Ｃの先端部に
対応した凹部１２２が形成されている。そして、この凹
部１２２が形成された鋼板１２０を、回転軸方向に沿っ
て押圧面が互いに傾斜している２つの送りローラ２００
によって、凹部１２２が形成されていない側を主に圧延
しながら送ることにより、その断面形状を台形に変形さ
せる。送りローラ２００を通過した後の帯状の鋼板１２
０は、この圧延加工によって凹部１２２と反対側の厚み
が薄くなって長手方向（送り方向）に延びるため、凹部
１２２側を内径側にして巻き取りローラ２１０の外周面
に設けられた位置決め用凸部１２２をこの凹部１２２に
係合させながら鋼板１２０を巻き取ることにより、所定
の厚みを有する環状鉄心部２２Ｂが形成される。このよ
うにして帯状の鋼板１２０を巻き取って形成された環状
鉄心部２２Ｂは、その後軸方向両端面を加圧した状態で
外周面を部分的に溶接することにより完成する。特に、
巻き取られた帯状の鋼板１２０は、圧延加工によって厚
みが減じた側において加工硬化が生じるため、環状鉄心
部２２Ｂは、外周側にいくにしたがって硬度が増す。

【００１８】図４は、固定子２の硬度を径方向に沿って
測定した結果を示す図である。歯状鉄心部２２Ａは、特
に加工硬化が生じないため、鋼板によってきまる一定の
硬度（約６０（ＨＲＢ））となった。これに対し、環状
鉄心部２２Ｂは、外周にいけばいくほど加工の程度が進
んで硬度が増し、最外周で硬度が約７０（ＨＲＢ）とな
った。

【００１９】ところで、上述した固定子２は、占積率が
５０％以上の高い値に設定されているとともに、外径Ｄ
ｏに対する内径φＤｉの比率Ｄｉ／Ｄｏが７６％以上に
設定されている。具体的には、本実施形態の固定子２で
は、外径φＤｏが１２１ｍｍに、内径φＤｉが１０２ｍ
ｍにそれぞれ設定されており、その比率Ｄｉ／Ｄｏは８
３％となっている。

【００２０】上述したような高い占積率を実現するため
に、例えば固定子巻線２３の断面がほぼ矩形形状に形成
されている。また、ほぼ矩形形状の断面を有する固定子
巻線２３は、このような断面形状を有する連続線を固定
子鉄心２３の各スロットに巻装することによっても形成
することができるが、本実施形態においては、作業性の
改善等を図るために、Ｕ字状に形成された複数の導体セ
グメントを用いて構成されている。なお、ほぼ矩形形状
といった場合には、正方形に近い断面形状の他に、扁平
な板材等の極端な長方形断面も含まれることはいうまで
もない。

【００２１】図５は、固定子巻線２３を構成する導体セ
グメント１２３の斜視図であり、固定子鉄心２２に組み
付ける前の状態が示されている。図５に示すように、導
体セグメント１２３は、棒状あるいは板状の金属材料
（例えば銅）をターン部１２３ｃで折り曲げたほぼＵ字
状に形成されており、ターン部１２３ｃよりスロットの
内周側に配置される内層側導体部１２３ａと、ターン部
１２３ｃよりスロットの外周側に配置される外層側導体
部１２３ｂとを含んで構成されている。また、これらの
内層側導体部１２３ａと外層側導体部１２３ｂのそれぞ
れは、固定子２のスロット内に収容される直線部として
の内部導体と、スロットの外部に露出してコイルエンド
を形成する外部導体とによって構成されている。

【００２２】固定子巻線２３は、固定子鉄心２２の各ス
ロットに２本の導体セグメント１２３を挿入し、異なる
スロットに挿入された導体セグメント１２３の先端部よ
り内側同士を互いに接合することにより構成されてい
る。図２に示すように、この導体セグメント１２３の内
層側導体部１２３ａおよび外層側導体部１２３ｂのそれ
ぞれの断面形状は、隣接する２辺のそれぞれが周方向お
よび径方向のそれぞれに沿って配置されており、径方向
に沿ってほぼ長方形形状に形成された各スロットに導体
セグメント１２３を収容することにより、高い占積率が
実現される。具体的には、本実施形態の固定子２では、
各導体セグメント１２３の断面積が２ｍｍ ²に、スロッ
ト断面積が６ｍｍ²にそれぞれ設定されており、占積率
は（２×２）／６＝６７％となっている。

【００２３】図６は、導体セグメント１２３の接合方法
を示す図であり、例えばヒュージング溶接を行う場合が
示されている。１磁極ピッチ離れた２つの導体セグメン
ト１２３の反ターン側の先端部より内側を互いに接触さ
せた状態で、この接触部分を径方向両側から２つの溶接
用電極２３０、２３２によって挟み込んだ後、これらの
溶接用電極２３０、２３２間に電流を流すことによって
ヒュージング溶接が行われる。このヒュージング溶接
は、導体セグメント１２３の表面に形成された絶縁用の
皮膜を残した状態で行われ、溶接が終了した後も溶接箇
所近傍に皮膜の焼損部分が残っている。

【００２４】図７は、このようにして複数の導体セグメ
ント１２３を接合することによって形成される固定子巻
線２３の結線図である。例えば、この固定子巻線２３で
は、３０°の位相差を有する２つの分布巻を直列接続す
ることにより１相の巻線が形成されており、このような
巻線の３相分を星形結線することにより三相回路が形成
されている。

【００２５】このように、本実施形態の車両用交流発電
機１においては、占積率が５０％以上であって、一般的
な従来品に比べて高い値に設定されているため、固定子
巻線２３の抵抗値を従来品のそれに比べて低くすること
ができる。このため、固定子２の外径Ｄｏに対する内径
Ｄｉの比率を増しても固定子巻線２３の抵抗値を増やさ
ないようにすることができ、この抵抗値増加抑制の下で
Ｄｉ²Ｌ（Ｌは固定子２の回転軸方向の長さ）を大きく
することができるので、車両用交流発電機１の出力向上
が可能になる。

【００２６】図８は、一般乗用車用クラスのものについ
て、実験的に求めた上述した固定子２の内外径比Ｄｉ／
Ｄｏに対する出力の最適値を示す図である。なお、図８
では、占積率αと内外径比Ｄｉ／Ｄｏを変えたときの出
力Ｐの他に、コンダクタンス（１／Ｒ）と容量比（Ｄｉ
²Ｌ）／（Ｄｏ²Ｌ）のそれぞれについても併せて示して
ある。

【００２７】従来の一般的な車両用交流発電機のよう
に、占積率が５０％未満である場合には、出力Ｐが最大
となるＤｉ／Ｄｏ比は、確かに従来採用されていたよう
に７０〜７６％近辺に存在する。ところが、占積率を５
０％以上に設定すると、出力Ｐが最大となるＤｉ／Ｄｏ
比が７６％以上のところに移動するため、このようなＤ
ｉ／Ｄｏ比を満たすように固定子２の内径Ｄｉと外径Ｄ
ｏの値を設定することにより、従来の車両用交流発電機
に比べて高出力化が可能になる。特に、図８からわかる
ように、本実施形態の車両用交流発電機１の具体的な値
である占積率６７％（７０％）およびＤｉ／Ｄｏ比８３
％の場合には、従来品に比べて飛躍的な高出力化が可能
となることがわかる。すなわち、５０％以上の高占積率
と、７６％以上の内外径比Ｄｉ／Ｄｏとを組み合わせる
ことにより、従来単独では得られなかった飛躍的な出力
向上効果が得られる。実験の結果によると、定格回転数
において１．７ｋＷが２．６ｋＷと、約１．５倍もの出
力向上効果を確認できた。

【００２８】なお、上述した実施形態では、外径φ１２
１ｍｍの固定子についてその例を示したが、発明者の確
認によると、外径がφ１００〜φ１５０ｍｍの範囲にあ
る固定子では、ほぼ上述した実施形態にて示した占積率
と固定子の内外径比の範囲に最適値が存在することがわ
かっている。これは、出力のピークが与えられる原理
が、固定子の外径がこの範囲に含まれる車両用交流発電
機の体格変化があっても普遍的であるためと考えられ
る。したがって、外径φ１００〜φ１５０の範囲におい
ても、占積率を５０％以上に設定するとともに、固定子
の内外径比を約７６％以上に設定することにより、飛躍
的な出力向上が可能になる。

【００２９】また、上述した実施形態では、１磁極あた
り６スロット分の固定子巻線２３が配置されるとともに
各スロットに２本の導体が収容された場合について説明
したが、これらの組み合わせを適宜変更して固定子巻線
を形成するようにしてもよい。

【００３０】図９は、他の実施形態の車両用交流発電機
に含まれる固定子の部分的な断面構造を示す図である。
図９に示す固定子は、１磁極あたり３スロットを有する
とともに、各スロットに４本の導体が収容されている。
また、各スロットには、導体セグメントでなくて連続導
体が収容されている。しかも、この連続導体の断面形状
は一部が平坦になっており、各スロット内において隣接
するもの同士の各平坦部が相互に当接して捻れが規制さ
れている。また、図９に示した固定子の外径はφ１２８
ｍｍ、内径はφ１００ｍｍであって内外径比Ｄｉ／Ｄｏ
は７８％であり、占積率は５８％であるため、内外径比
Ｄｉ／Ｄｏ７６％以上で占積率が５０％以上という上述
した本発明の適用要件に合致しており、実際に出力を測
定したところ、従来比で１．４倍の出力向上効果を有す
ることを確認している。

【００３１】また、上述した実施形態では、固定子２の
各スロット内に収容されている導体セグメントは、径方
向が回転周方向に比べて相対的に長いほぼ矩形断面を有
している場合を説明したが、回転周方向が径方向に比べ
て相対的に長い回転周方向に扁平なほぼ矩形断面を有す
る導体セグメントあるいは連続導線を用いて固定子を形
成するようにしてもよい。図１０は、回転周方向に扁平
な断面形状を有する導体を用いて固定子巻線を形成した
場合の固定子の部分的な断面構造を示す図である。図１
０に示すように、回転周方向に扁平な導体を用いること
により、固定子の内外径比Ｄｉ／Ｄｏを高くすることが
容易になる。前記実施例では、車両用交流発電機につい
て述べてきたが、本案の考え方は、インバータを設けて
電動動作と発電動作とを切り替える回転機（以下、「モ
ータジェネレータ」と称する。）にも適用できる。モー
タジェネレータは、例えば特開平９−３２４６６８号公
報に記載されているように、エンジン始動時にはインバ
ータのスイッチングトランジスタを駆動することによ
り、ステータ巻線に交流電流を流してモータとして動作
させるとともに、エンジン始動後は発電機として動作さ
せる。モータジェネレータにおいても、固定子２の外形
Ｄｏに対する内径Ｄｉの比を７６％以上に、スロッ占積
率を５０％以上にそれぞれ設定することにより、Ｄｉ²
Ｌを大きく設定でき、モータジェネレータでは発電出力
のみならず電動出力も大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の車両用交流発電機の部分的な構成
を示す断面図である。

【図２】本実施形態の車両用交流発電機に含まれる固定
子の部分的な平面図である。

【図３】固定子の環状鉄心部を製造する行程を示す図で
ある。

【図４】固定子の硬度を径方向に沿って測定した結果を
示す図である。

【図５】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６】導体セグメントの接合方法を示す図である。

【図７】固定子巻線の結線図である。

【図８】一般乗用車用クラスの車両用交流発電機につい
て、実験的に求めた固定子の内外径比に対する出力の最
適値を示す図である。

【図９】固定子の変形例を示す部分的な平面図である。

【図１０】固定子の変形例を示す部分的な平面図であ
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２２固定子鉄心２２Ａ歯状鉄心部２２Ｂ環状鉄心部２２Ｃティース２３固定子巻線１２３導体セグメント

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸に固定されて回転周方向に交互に
ＮＳ磁極が配置された回転子と、前記回転子に対向配置
された固定子鉄心とこの固定子鉄心に形成されたスロッ
ト内に収容される固定子巻線とを有する円環状の固定子
とを有する車両用交流発電機において、前記固定子のスロット収容占積率を５０％以上に、前記
固定子鉄心の外径に対する内径の比率を７６％以上にそ
れぞれ設定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、前記固定子鉄心の径方向外周部の硬度を径方向内周部の
硬度よりも高くしたことを特徴とする車両用交流発電
機。
【請求項３】請求項１または２において、前記固定子鉄心は、前記スロットが径方向外周側に開口
した歯状鉄心部と、この歯状鉄心部分の外周側に配置さ
れる環状鉄心部とを一体に組み合わせることにより構成
されており、前記固定子巻線は、ほぼ矩形断面の導体を用いて構成す
ることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、前記固定子巻線は、Ｕ字状の導体セグメントの直線部分
を前記スロットのそれぞれに２本ずつ収容し、互いに１
磁極ピッチ離れた２つの前記スロットに収容された２つ
の前記導体セグメントの反ターン部先端よりも内側に溶
接部分を有し、その周辺に皮膜の焼損部分が残っている
ことを特徴とする車両用交流発電機。