JP2001333558A

JP2001333558A - 車両用交流発電機と冷却ファンの製造方法

Info

Publication number: JP2001333558A
Application number: JP2000233166A
Authority: JP
Inventors: Toru Inaba; 亨稲葉; Masatoshi Watanabe; 昌俊渡邊; Susumu Sasaki; 進佐々木; Eiji Naito; 英治内藤; Sakae Ishida; 栄石田
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2001-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】静音化を要求された車両用交流発電機におい
て、製作コスト、製作工程数を考慮した冷却ファンを提
供する。【解決手段】インサート金具、ファンブレード、リング
状のファンガイドの全て、あるいは一部を、樹脂あるい
はアルミダイキャスト等で一体成形できるようするため
に、ファン取り付け側（ハブ側）のファンブレード間に
対して、リング状ファンガイドの内径以上の部分を切り
欠いた形状とする。【効果】一体成形可能であるために、製作コスト、製作
工程数の大幅な削減を可能とし、かつ、ファン騒音の静
音化を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転軸と一体に回
転して発熱部を空冷するファンをもつ車両用交流発電機
の騒音低減・原価低減に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、従来の車両用交流発電機では、
特開平９−３７５１９号公報に示されるように、発電機
の発熱部を冷却するために、遠心式、あるいは、軸流式
のファンが用いられていた。従来のファンは一枚の薄板
からプレス作業により成形されており、環状の支持板お
よびその一部を曲げ起こして成形した、軸方向に複数の
曲面、若しくは平面のファンブレードを突設した構造と
なっているものがある。または、特開平５−１１１２２
２号公報に示されているように、ファンブレードの一方
の端にリング状のファンガイドを溶接したもので構成し
ている。また、空調用のファンにおいて、一体成形可能
であるファンが、特開平９-２５０４９２号公報に示さ
れているが、この場合金型を３つ以上に分割して形成し
成形時にそれらを組合わせて形成するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、車両用交流発電
機には、装置の小型化及び冷却性能の一層の向上、製造
工数の低減が要求されている。

【０００４】ファンブレードは、発電機内の発熱部に滑
らかに空気を供給し、かつ大きな風量を得るようにファ
ンブレードの幅や面積および枚数等が決められる。ファ
ンブレードの面積は大きいほうが、単位面積当たりの空
気のする仕事は小さくて済むために、ファン効率を高く
することができる。

【０００５】金属板の切り起こしにより形成したファン
では、取付け基盤の半径を大きくしなければならない。
また、ファンブレードの断面形状が矩形状を呈している
ために、前縁、翼端面において流れの剥離が生じやす
く、空気の流れに乱れが生じ、大きな騒音を発生する。

【０００６】このため、従来の冷却ファンではファンブ
レードの幅や面積および枚数のいずれかを少なくしなけ
ればならないので、十分な風量を得ることが困難であ
り、冷却性能を向上するために多くの課題を有してい
た。また、近年重要視されている音色設計、すなわち、
ファンのピッチ間隔を設定するには、一枚の金属板より
切り起こしたのでは、自由度が少なく、音色設計を行う
のは難しい。

【０００７】また、リング状のファンガイドを持たない
ファンは、取付け側と対向する側のファンブレード端面
が空気を切ることにより生じる回転数の整数倍の周波数
の大きな騒音を発生するという問題もある。従来のリン
グ状ファンガイド付きのファンは、翼端より発生する騒
音を削減することが可能であり、騒音低減に対して多大
な効果をもつ。しかし、リング状のファンガイドを別パ
ーツとして溶接していたので、工程数が多く、製作コス
トが高いという問題があった。

【０００８】また、特開平９−２５０４９２号公報のよ
うに一体成形するものでも、金型が３つ以上の部品から
構成されていると、それを組み立てるだけ工程数も増加
し、金型を形成するにもかなりの精度が要求されコスト
アップの要因となる。

【０００９】また、溶接による結合では、ファンブレー
ドとリング状のファンガイドとの結合部が滑らかに接合
されない。また、溶接で結合を行うために溶接痕が残
る。これらの結合部で、流れの乱れが生じ騒音発生し悪
影響を及ぼす。

【００１０】本発明は上記のような課題を解決するため
になされたもので、小型軽量で冷却能力が高く、静かに
回転し、製作コストが低い、冷却ファンを備えた車両用
交流発電機を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の車両用交流発電機の冷却ファン形状は、イ
ンサート金具、ファンブレード、リング状のファンガイ
ドを、上下の型のみで一体成形できるような形状とす
る。上下の型のみで、一体成形を可能とするために、フ
ァン取り付け側（いわゆるハブ側であり、ファン取り付
け基盤側）のファンブレード間をリング状のファンガイ
ドの内径より大きい部分を切り欠いた形状とする。

【００１２】反取り付け側（いわゆるチップ側であり、
リング状ファンガイドを設けている側）のファンブレー
ド端面にリング状のファンガイドを取り付けることによ
り、ファンブレード端面が空気を切ることにより生じる
回転数の整数倍の周波数をもつ大きな騒音を低減でき
る。

【００１３】ファンブレード面積を拡大するために、フ
ァン取り付け側（ハブ側）のファンブレードの前縁位置
を回転軸近くまで伸ばし、ファン取り付け側（ハブ側）
から反取り付け側（チップ側）に、ファンブレードの前
縁半径を傾斜させる形状とした。この形状により、ファ
ン風量を増加でき、冷却性能の向上を図れる。

【００１４】さらに、流量を減らすことなく、ファン騒
音をさげるために、反取り付け側（チップ側）のファン
ブレードの後縁位置は変えず、空気吐き出し側で、ファ
ンブレードの後縁位置を傾斜させる形状とした。つま
り、ファン取り付け側（ハブ側）から反取り付け側（チ
ップ側）にファンブレードの後縁の半径位置が徐々に小
さくなるような位置とする形状とした。

【００１５】さらに、一度、冷却を行い温度が上昇した
ファン吐き出し空気が、ファン吸い込み側に戻り冷却効
率の低下をまねかないよう、また、ファン吐き出し空気
が発熱部である固定子のコイルに効率よく当たるよう
に、リング状のファンガイドの外径をファンブレードの
後縁より大きくした。

【００１６】このような構造の冷却用ファンは、樹脂、
アルミダイキャスト等により、上下の型抜きを行うこと
により、インサート金具、ファンブレード、ファンリン
グが一体に成形できるために、組み立て工数を削減でき
る。また、インサート金具の外径側のファンブレード間
を切り欠いているために、重量を軽くすることが可能と
なる。

【００１７】このような形状を用いることにより、騒
音、冷却性能、製作コスト、すべてを満足できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施例について、図面を
参照しながら説明する。図１は本発明を適用した車両用
交流発電機の冷却ファンの反取り付け側から見た斜視図
である。図２は本発明を適用した車両用交流発電機の冷
却ファンの取り付け側から見た斜視図である。

【００１９】図において、取付け基盤６３にファンブレ
ード６２が設けられ、ファンブレード６２を図１のよう
に反取付け基盤側から見たとき回転軸側を前縁６１、外
周側を後縁６２としている。

【００２０】本実施例の車両用交流発電機のファンは、
ファンブレード２１の反取り付け側（チップ側）の端面
において、ファンブレード２１が空気を切ることにより
騒音を発生していた。この騒音は、羽根翼端から発生す
る回転数の整数倍の周波数をもっている。この騒音を低
減するために、反取り付け側（チップ側）のファンブレ
ード２１端面にリング状のファンガイド３１を取り付け
る構造としてある。さらに、本冷却ファンは、インサー
ト金具３２と一体で成形されるリング状ファンガイド３
１を備えたファンブレード２１にて、構成されている。

【００２１】図３は、本発明における冷却ファンを搭載
した車両用交流発電機の断面図である。

【００２２】図３において、ロータ１は、それぞれ複数
の爪２ａを備え、向き合って設けられた一対の爪形のコ
ア２と、界磁コイル４が巻き回されたボビン３と、ボビ
ン３の磁極鉄心であるヨーク５と、回転軸６及びスリッ
プリング７から構成されている。一対のコア２は、爪２
ａが噛み合うように相対し、ボビン３及びヨーク５を挟
み込むように配置され、回転軸６がそれらの軸心位置に
圧入されて固定されている。本実施例では、一対のコア
２の背面部には、フロントファン１３及びリアファン１
４がコア２にファンの取付け基盤を構成しているインサ
ート金具３２に設けた６つの丸穴３３部をスポット溶接
にて、一体に取付けている。

【００２３】また、回転軸６の一方の端部には、プーリ
１２が取付けられている。回転軸６のもう一方の端部に
は、スリップリング７が圧入されており、プーリ１２及
びスリップリング７は回転軸６と一体となって回転す
る。ステータ８は、コア２の外周に、コア２と僅かな隙
間を持つように配設されている。ブラシホルダ９には電
圧制御器が実装されている。そして、フロントブラケッ
ト１０とリアブラケット１１が回転軸６を軸支してロー
タ１を囲むように配置され、さらにステータ８を狭持し
ている。このフロントブラケット、リアブラケットに
は、冷却風を吸入・吐出するための窓が多数空いてい
る。

【００２４】樹脂のみで冷却ファンを形成すると、ロー
タコア２と回転軸６との結合部分が強度不足となる。そ
こで、図３に示すように、結合部分には金属製のインサ
ート金具３２が埋め込まれる構造となっている。このイ
ンサート金具３２には、コア２に固定するための丸穴３
３が形成されている。ファンとリング状のファンガイド
３１を一体で成形するために、インサート金具３２の外
半径は、リング状のファンガイド３１の内径より小さく
設定されている。固定用の丸穴３３の部分は、そのまま
ボルトを用いてコア２に固定してもよいが、前記インサ
ート金具３２をコア２に溶接等により直接、固定しても
よい。

【００２５】次に、図５に、一体成形可能とする冷却フ
ァンの成形方法を示す。図５は金型の断面図を示したも
のである。インサート金具３２、ファンブレード２１、
リング状のファンガイド３１の全て、あるいは一部を、
樹脂あるいはアルミダイキャスト等で一体成形を可能と
する上下の型４１、４２を製作する。このファンの製造
工程の詳細は後述する。

【００２６】図５に示すように、冷却ファンを上下によ
る一体成形を可能とするために、インサート金具３２側
のファンブレード２１間に対して、リング状のファンガ
イド３１の内径部分を切り欠いた形状としてある。この
ような形状とすることにより、２つの型、つまり、上下
の型４１、４２を製作すればよい。これにより、従来の
ように、複雑な型を製作する必要がなくなり、型製作の
コストを大幅に削減することができる。さらに、このフ
ァンは、取付け基盤側のファンブレード間を切り欠いて
いるために、ファンブレード間が存在するファンと比較
して、大幅な軽量化をすることが可能となる。また、上
下による一体成形が可能なために、組み立て工数の削減
もできる。これらの結果、ファン製作の材料費、組み立
て工賃の減少となる。図４に示すような従来の金属板の
切り起こしによるファンにリング状のファンガイドを溶
接したものでは、ファンブレード間が完全に切り欠いて
いないために、一体成形が不可能な構造である。

【００２７】図６に本発明品の冷却ファンを成形するた
めの上下の型を示す。図６aは上部の型であり、凸状の
型である。図６bは下部の型であり、凹状の型である。
また、図７には、プレスにより作成したインサート金具
３２の斜視図を示す。以下に、上下による一体成形可能
な冷却ファンの製作方法の具体的一例を以下に示す。

【００２８】まず始めに、凹状の型４２における中央の
凸部４３に、図７に示すようなインサート金具３２をセ
ッティングする。この時に、インサート金具の６個所の
へこみ４５と、凹状の型における６個所の穴４７を合わ
せ、かつ、スリップリングからのケーブルを逃がすため
の２個所切り欠き部４６と、凹状の型における２個所の
吐出部４４を合わせることにより、インサート金具の軸
合わせを行う。その後、凸状の型４１をかぶせ、穴６４
にボルトを通すことにより、型４１と型４２を固定しす
る。型４１の注入孔（図示せず）より、約１３０℃に加
熱したモールド樹脂を流しこむ。この時、モールド樹脂
の圧力を高圧にすることにより隅々までにモールドを行
き渡す。その後、１分間冷却させたあと、型４１、４２
をとりはずす。

【００２９】また、この一体成形可能なファンを使用す
ることにより、次のような効果も得られることができ
る。

【００３０】本ファンは、樹脂あるいは、アルミダイキ
ャストで一体成形されているため、図４に示すように従
来のようなファンガイドをファンブレードに溶接により
固定することによる凹凸が存在せず、すべての面が平
面、または、滑らかな曲面となっている。その結果、溶
接の凹凸による流れの剥離等が生じにくく、ファンとフ
ァンガイドとの接合部で生じる、剥離に伴う乱流音を大
幅に削減できる。

【００３１】また、オルタネータのロータの界磁コイル
には電流が流れるために高い熱が発生する。ファンブレ
ード間に切りかきがない場合、ファンのハブ面がロータ
を囲うためにロータ間の流れが妨げられ、ロータの温度
が上昇し、オルタネータの出力が落ちることがある。し
かし、本冷却ファンは、ファンブレード間を切り欠いて
あるので、ロータ間に冷却風を強制的に流すことがで
き、ロータに巻き付けられた界磁コイルから発熱する熱
を冷却できる。これにより、オルタネータの出力が下が
る現象を回避できる。

【００３２】また、冷却ファンを樹脂あるいはアルミダ
イキャストで成形するため、自由な形状を形成できる。
リング状のファンガイド３１の入口前縁にＲを設けるこ
とにより、流れを剥離させず、スムーズにブレード２１
へ流入させることが可能となった。これにより、流れの
剥離に伴う乱流音を低減させ、騒音に対して有利な効果
となる。また、リング状のファンガイド３１とファンブ
レード２１との角部にＲを設けることにより、ファンガ
イド２１を取り付けることによる強度不足を回避してい
る。

【００３３】また、ファンブレード間に切り欠きがない
ために、実質的な翼面積の増加となる。ファンブレード
の翼面積増加に伴いファン流量を増加させることがで
き、ファンの冷却効率を改善することができる。

【００３４】また、さらに、ファン騒音を低減させ、か
つ、冷却性能を向上させるために、本冷却ファンには以
下のような構造をさらに付加させることとした。

【００３５】本実施例の冷却ファン(図３のフロントフ
ァン１３又はリアファン１４に相当する）は、図５に示
すように、ファンブレード２１の空気吸い込み側であっ
てファン取付け側の前縁６１の位置をオルタネータ回転
軸６近くまで伸ばして、ファンブレード２１面積を大き
くしている。同時に、ファン取り付け側（ハブ側）から
反取り付け側（チップ側）にファンブレード２１の前縁
６１に、傾斜を持たせる形状としてある。すなわち、フ
ァン高さｈが、回転軸に近くなるにつれて、徐々に小さ
くなる形状としたものである。この時の傾斜角度は、３
０°＜θ１＜６０°となるように設定した。

【００３６】このような構成とすることにより、ファン
の重量が減少し、強度に対する負担も低減する。また、
吸い込み流れや上流障害物（ブラケットの吸入孔など）
との距離が広がることにより、ファン前縁と上流障害物
とのいわゆるNZ（N:回転数，Z：羽枚数）周波数成分の
干渉音を大幅に減少することを可能とした。また同時
に，羽根面積も大きくなるために、冷却に必要とされる
流量も確保できる。

【００３７】リング状のファンガイド３１をファンブレ
ード２１の後縁より大きくした。これにより、冷却を行
い温度の上昇した吐出側の高圧の空気が、リング状のフ
ァンガイド３１上部を通過し、低圧側であるファン吸い
込み側へ戻る循環流の発生を防止できる。その結果、フ
ァンガイド３１が、発熱部である固定子のコイル表面に
沿って吐出流の流れを導くこととなり、吐出流量を有効
に利用し、冷却効率の一層の向上が図れる。

【００３８】図８は、上記、冷却ファンを用いた交流発
電機の騒音レベルと従来の切り起こしによるファンを用
いた交流発電機の騒音レベルをそれぞれ測定し、比較し
た図である。横軸は発電機の回転数を、縦軸は騒音レベ
ルを示したものである。

【００３９】図８に示すように、本実施例の交流発電機
は、従来の交流発電機に用いられている冷却ファンのよ
うに、一枚の板から切り起こしにより形成されたファン
と比較すると、発電機の全回転数において、約５ｄＢ騒
音レベルが低減できた。これは、ファン端面にリング状
のファンガイドを取り付けたことが最大の効果である
が、一体成形をしたことにより、溶接痕がなくなった効
果も約０.５ｄＢほどある。また、ファンブレードとリ
ング状ファンガイドが一体成形で形成されているため
に、すべての面が滑らかに形成されていることも大きな
騒音低減効果となっている。

【００４０】さらに、ステータコイル８とファンから発
生する流れとの干渉音を削減する方法を示す。ファン後
縁６２の形状がファン取り付け基盤に対して垂直設定さ
れているが、図５に示すように、反取り付け側（チップ
側）の後縁６２の位置は変えず、取り付け側（ハブ側）
の後縁６２の位置を小さくする。つまり、ファン高さｈ
が回転軸から離れるに従って、徐々に小さくなる形状と
した。この時の設定角度は、６０°＜θ＜８０°となる
ように設定した。これにより、ステータコイル８とファ
ン後縁との距離が広がり、ステータコイル８とファン後
縁のポテンシャル干渉や、ウェーク干渉の干渉音を低減
することが可能となる。ファンブレード２１の面積は小
さくなるが冷却流量は大きく減少しない。つまり、流量
を大きく減少させることなく、ファン騒音を小さくする
ことができる。

【００４１】さらに、ファンガイド３１に傾斜を持た
せ、出口面積を小さくすることによって、ファンブレー
ド内での過度の減速を抑えることができる。これによ
り、ファンブレード２１からの流れの剥離を抑制でき、
ファン効率の向上、すなわち、少ない動力で大きな風量
を得ることができる。本構成とすることにより、オルタ
ネータ全体の効率向上が図れる。

【００４２】本冷却ファンをアルミダイキャストまたは
その他の金属で製作することにより、ファン自体がフィ
ン効果となり、ロータの冷却効率をより一層とあげるこ
とができる。これにより、オルタネータの出力が向上
し、また、効率も高くなる。さらに冷却効率を向上させ
るために、冷却ファンとロータとの結合面にグリスを入
れてもよい。これにより、さらなる冷却効率の向上が可
能とする。

【００４３】さらに、ファンが樹脂あるいは、アルミダ
イキャストで成形されているために、音色設計、すなわ
ち、ファンのピッチ間隔を自由に設定することにより、
所定の周波数の音を発生することが可能とする。これに
より、本ファンでは、オルタネータより発生する音を人
に対して聞きやすい音色となるようなピッチ間隔として
ある。

【００４４】ファンピッチの不等間隔の割合を高くすれ
ば、発生周波数をホワイトノイズ化することが可能とな
る。しかし、不等間隔を大きくすると、ファン重量のア
ンバランスが問題となり、後に、バランスを取るために
ロータの肩部を大きく削らなければならない。しかし、
本発明によるファンは一体成形によるため、翼配置によ
るアンバランスを事前に計算し、シュラウド、ハブ面の
質量に対して偏りを持たせることにより、ファン単体で
のアンバランスをなくすことができる。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、交流発
電機の冷却効率を向上させると共に、騒音が小さく、製
作の容易な冷却ファン構造を実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した車両用交流発電機の冷却ファ
ンの上方側から見た斜視図。

【図２】本発明を適用した車両用交流発電機の冷却ファ
ンの下方側から見た斜視図。

【図３】本発明に係る車両用交流発電機を示す断面図。

【図４】ファンブレードの一方の端にリング状のファン
ガイドを溶接したファンの斜視図。

【図５】本発明を適用した車両用交流発電機の冷却ファ
ンの側面図。

【図６】本発明品を一体成形するための説明図。

【図７】インサート金具の斜視図。

【図８】本発明品と従来品との回転数に対する騒音レベ
ルの比較。

【符号の説明】

１…ロータ、２…コア、３…ボビン、４…コイル、５…
ヨーク、６…回転軸、７…スリップリング、８…ステー
タコア、９…ブラシホルダ、１０…フロントブラケッ
ト、１１…リアブラケット、１２…プーリ、１３…フロ
ントファン、１４…リアファン、２１…ファンブレー
ド、３１…リング状ファンガイド、３２…インサート金
具３３…丸穴、４１…型１、４２…型２、５１…新型
（一体成形されたファン）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡邊昌俊茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者佐々木進茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者内藤英治茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者石田栄茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器グループ内Ｆターム(参考） 3H033 AA02 AA15 BB02 BB06 CC01 DD03 DD25 DD26 EE03 EE06 5H609 BB05 BB18 PP02 PP05 PP06 PP07 PP10 PP14 QQ02 QQ12 QQ13 RR02 RR16 RR18 RR22 RR24 RR27 RR31 SS12 5H619 AA05 AA11 BB02 BB17 PP01 PP02 PP10 PP19 PP20 PP21 PP25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の爪形状部片からなる一対のコアと、
前記コアの中心部に挿入固着された回転軸と、前記回転
軸に挿入固着された励磁電流供給用スリップリングとを
有する回転子と、前記回転子の外周に設けられた固定子
と、前記回転子及び固定子を取り囲むように配置された
ブラケットを備え、前記回転子は軸受けを介し前記ブラ
ケットに回転自在に支持され、前記コアの両端面に遠心
式ファンまたは斜流式ファンであるフロントファン及び
リアファンが取付けられ、前記ブラケットには端部に複
数の吸気孔が設けられ、外周部に複数の排気孔が設けら
れ、回転子の回転で前記ファンにより発電機内を通風冷
却するようにした車両交流発電機において、前記フロントファン及び、リアファンの少なくとも一方
は、ファン取り付け側の固定板のファンブレード間に対
して、リング状ファンガイドの内径以上の部分を切り欠
いた形状としたことを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項２】請求項１に記載の車両交流発電機におい
て、前記フロントファン及び、リアファンの少なくとも一方
は、取り付け側を基準としたファン前縁の高さが、回転
軸に近づくに従い、徐々に小さくなる形状としたことを
特徴とする車両用交流発電機。
【請求項３】請求項１に記載の車両交流発電機におい
て、前記フロントファン及び、リアファンの少なくとも一方
は、反取り付け側を基準としたファン後縁の高さが、回
転軸に近づくに従い、徐々に大きくなる形状としたこと
を特徴とする車両用交流発電機。
【請求項４】請求項１に記載の車両用交流発電機におい
て、前記フロントファン及び、リアファンの少なくとも一方
は、上部の金型と、インサート金具を固定することがで
きる下部の金型により、ファン、リング状のファンガイ
ド、インサート金具を一体に成形したことを特徴とする
車両用交流発電機。
【請求項５】ファン取り付け側の固定板のファンブレー
ド間に対して、リング状ファンガイドの内径以上の部分
を切り欠いた冷却ファンを、下部の金型に、プレスによ
り形成されたインサート金具を固定する工程、下部の金
型と上部の金型を位置合わせして固定する工程、前記金
型の挿入により溶融した樹脂を流し込む工程、所定時間
冷却後、金型形成されたファンを取り出す工程、とから
なる冷却ファンの製造方法。