JP2002247787A - 回転電機 - Google Patents
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract
合であっても小型高出力、高効率、低コストを実現する
ことができる回転電機を提供すること。 【解決手段】 車両用交流発電機は、2組の三相巻線2
3A、23Bからなる電機子巻線23を用いて構成され
る固定子と整流装置5を備えている。一方の三相巻線2
3Aは、U相巻線、V相巻線、W相巻線がΔ結線されて
構成されている。また、他方の三相巻線23Bは、X相
巻線、Y相巻線、Z相巻線を有しており、それぞれが三
相巻線23Aの3つの結線部26A、26B、26Cに
直列に接続されている。また、これら2組の三相巻線2
3A、23Bは、互いに電気角でπ/6ずれた状態で配
置されている。
Description
等に搭載される発電機等の回転電機に関する。
に装着される車両用交流発電機においても、発電時に発
生する磁気騒音の低減が要望されている。しかし、その
一方で、安全制御機器等の電気負荷の増加が求められ、
ますます発電能力の向上が求められている。このため、
小型で低騒音、高出力の車両用交流発電機を安価に提供
することが求められている。
低減する様々な手法が従来から提案されている。例え
ば、特開平4−8140号公報には、図13に示すよう
に、各相の発生電圧がπ/6の位相差を生じる2組の三
相巻線121、122を設け、一方はデルタ結線、他方
はY結線(スター結線)とし、これらを並列結線する手
法が開示されている。一方の三相巻線121の線間電圧
と他方の三相巻線122の線間電圧を同一位相としつ
つ、各三相巻線の電流にπ/6の位相差を設けることに
より、磁気変動の主原因である電流の高調波成分を各相
で相殺させ、磁気振動すなわち磁気騒音を低減すること
ができる。
報に開示された手法では、Δ結線とY結線の線間電圧を
一致させるために、Y結線の三相巻線のターン数に対し
てΔ結線の三相巻線のターン数を√3倍しなくてはなら
ない。しかし、周知のように巻線のターン数は整数であ
ることから、完全に線間電圧が一致するように2組の三
相巻線のターン数を設定することはできない。したがっ
て、この手法では、異なる発生電圧を有する2組の三相
巻線を並列に結線することになり、高電圧側の三相巻線
から低電圧側の三相巻線へ循環電流が流れてしまうた
め、発電電流が減少したり、循環電圧により発熱が増加
し、これにより発電効率が悪化してしまうという問題が
あった。
れぞれのターン数が多くなることを許容して巻線ターン
数比を1:√3に極力近くする組み合わせを選ぶなどの
方法が採られているが、完全に同じにすることは不可能
である。このため、結局低騒音化はできるものの、回転
電機の大型化と発電効率の悪化という問題が新たに生じ
ることになる。
は、電気導体を折り曲げ接続して電機子巻線を形成する
技術が開示されているが、この電機子巻線ではターン数
により折り曲げ形状を異ならせる必要があるため、異な
るターン数の巻線が混在した場合に、製品構造が極めて
複雑になり、製造コストが多大になるという問題があっ
た。
たものであり、その目的は、発電電圧が異なる異種巻線
を組み合わせた場合であっても小型高出力、高効率、低
コストを実現することができる回転電機を提供すること
にある。
ために、本発明の回転電機は、固定子鉄心とこの固定子
鉄心に装備された電機子巻線を備える固定子を有してい
る。この電機子巻線は、複数の三相巻線を有し、一の三
相巻線はΔ結線がなされており、このΔ結線がなされた
三相巻線の各出力端に、他の三相巻線の各相を直列に結
線する。Δ結線がなされた一の三相巻線に他の三相巻線
の各相が直列に結線されているため、これら複数組の三
相巻線の発生電圧が異なる場合であっても循環電流が流
れることを防止することができる。このため、循環電流
による出力損失がなく、小型高出力かつ高効率の回転電
機を実現することが可能になる。
流が互いに電気角でπ/6の位相差を有する状態で固定
子鉄心に巻装されていることが望ましい。これにより、
磁気騒音の主な発生原因である固定子の反作用起磁力の
高調波成分を、複数の三相巻線によって互いに打ち消す
ことができ、磁気騒音の低減が可能となる。
一ターン数を有することが望ましい。これにより、これ
ら複数の三相巻線の各相の巻線工程をほぼ同じにするこ
とができるため、生産設備の簡略化や作業効率の向上が
可能になり、製品コストを下げることができる。
導体の端部同士を互いに接合することにより構成するこ
とが望ましい。これにより、電機子巻線のコイルエンド
を容易に整列させることができ、電機子巻線の抵抗値を
下げることが可能になり、回転電機の小型高出力化、高
効率化がさらに可能となる。また、電機子巻線を形成す
る際の電気導体の折り曲げや接合の作業を単純化するこ
とができ、製造設備の簡素化による飛躍的な低コスト化
が可能になる。
を有することが望ましい。これにより、固定子鉄心のス
ロット内の導体占積率を高めることができ、電機子巻線
をの抵抗値さらに下げることによって、回転電機のさら
なる小型高出力化、高効率化が可能になる。
の各出力端は、固定子鉄心の一方の端面において、18
0度を超える範囲で分散配置されていることが望まし
い。これにより、各出力端における結線作業がしやすく
なり、作業効率の向上による低コスト化が可能になる。
三相巻線の各リード線は、互いに径方向に重ならない位
置で這い回されていることが望ましい。これにより、各
リード線の長さを短くすることができるため、電機子巻
線の抵抗値の低減が可能になるとともに、リード線の振
動を低減することによる回転電機の信頼性向上が可能に
なる。
圧を整流する整流装置をさらに備えるとともに、Δ結線
がなされた三相巻線の各出力端側に接続された他の三相
巻線に設けられた別の出力端を整流装置に接続すること
が望ましい。Δ結線された三相巻線と他の三相巻線とが
直列に結線されているため、この他の三相巻線の出力端
に整流装置を接続するだけで、電機子巻線の出力を外部
に取り出すことができる。したがって、複数の三相巻線
のそれぞれに整流装置を対応させる場合に比べて、整流
素子の個数を減らすことによる整流装置の簡略化が可能
になり、部品コストや作業工数を低減することができ
る。
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。 〔第1の実施形態〕図1は、第1の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
流装置5等を含んで構成されている。
心22に装備された電機子巻線23と、固定子鉄心22
と電機子巻線23との間を電気絶縁するインシュレータ
24とを含んで構成されている。固定子鉄心22は、薄
い鋼板を重ね合わせて構成されており、円環形状の内周
側に複数個(本実施形態では例えば72個)のスロット
が形成されている。電機子巻線23は、電気角でπ/6
の位相差を有する2組の三相巻線23A、23Bを組み
合わせることによって構成されており、これら2組の三
相巻線23A、23Bが固定子鉄心22に形成された7
2個のスロットに収納されている。電機子巻線23の詳
細については後述する。
転するものであり、ランデル型ポールコア7、界磁コイ
ル8、スリップリング9、10、冷却用の斜流ファン1
1および遠心ファン12等を含んで構成されている。シ
ャフト6は、プーリ20に連結され、車両に搭載された
走行用のエンジン(図示せず)によって回転駆動され
る。本実施形態では、回転子磁極数は12に設定されて
おり、1磁極ピッチに固定子鉄心22の6個のスロット
が対応している。
収容しており、回転子3がシャフト6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7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。フレーム4は、フロントフレーム4
Aとリヤフレーム4Bとからなり、これらが複数本の締
結ボルト43によって締結されて上述した固定子2等の
支持が行われる。整流装置5は、電機子巻線23から延
びるリード線が接続されており、電機子巻線23から印
加される三相交流電圧を三相全波整流して直流電圧に変
換する。
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の界磁コイル8に外部か
ら励磁電圧を印加することにより、ポールコア7のそれ
ぞれの爪状磁極部が励磁され、電機子巻線23に三相交
流電圧を発生させることができ、整流装置5の出力端子
からは所定の直流電力が取り出される。
図2は、電機子巻線23の結線図である。図3は、電機
子巻線23の結線補助図である。図4および図5は、電
機子巻線23の具体的な巻線仕様を示す図である。図6
は、固定子2の結線部およびリード線の状態を示す図で
ある。
の三相巻線23A、23Bによって構成されている。一
方の三相巻線23Aは、互いに4スロット分(電気角で
2π/3)ずらして巻装されたU相巻線、V相巻線、W
相巻線をΔ結線することにより形成されている。具体的
には、図4および図5に示すように、U相巻線がスロッ
ト番号9、15、21、…の各スロットに、V相巻線が
それより4スロット分ずれたスロット番号5、11、1
7、…の各スロットに、W相巻線がそれよりさらに4ス
ロット分ずれたスロット番号1、7、13、…の各スロ
ットにそれぞれ巻装されている。
ト分ずらして巻装されたX相巻線、Y相巻線、Z相巻線
によって形成されている。具体的には、図4および図5
に示すように、X相巻線がスロット番号10、14、2
0、…の各スロットに、Y相巻線がそれより4スロット
分ずれたスロット番号6、12、18、…の各スロット
に、Z相巻線がそれよりさらに4スロット分ずれたスロ
ット番号2、8、14、…の各スロットにそれぞれ巻装
されている。
3A、23Bは、互いに1スロット分(電気角でπ/
6)ずらした位置に巻装されている。さらに、他方の三
相巻線23Bに含まれるX相巻線、Y相巻線、Z相巻線
のそれぞれの一方端が、Δ結線された一方の三相巻線2
3Aの3つの出力端である結線部26A、26B、26
Cのぞれぞれに直列に結線されており、X相巻線、Y相
巻線、Z相巻線のそれぞれの他方端が整流装置5に接続
されている。これにより、図2、図3に示すように、Δ
結線された一方の三相巻線23Aに対して、Y結線され
た他方の三相巻線23Bを直列に結線した状態が実現さ
れている。
3Aに含まれるU相巻線、V相巻線、W相巻線のそれぞ
れのターン数を6とし、他方の三相巻線23Bに含まれ
るX相巻線、Y相巻線、Z相巻線のターン数を上述した
ターン数6を√3で割った値に最も近い正数である3に
設定されている。
に、一方の三相巻線23Aの3つの結線部26A、26
B、26Cが、180度を超える範囲で分散配置されて
おり、それぞれの結線部26A、26B、26Cを形成
するリード線27が互いに径方向に重ならないように設
定されている。これにより、2組の三相巻線23A、2
3Bの間の結線作業や、そのために必要なリード線27
の成形作業が容易となる。また、リード線27を最短の
経路で形成することができるため、リード線の長さを最
小にすることが可能になる。
の三相巻線23Aに対して、Y結線された他方の三相巻
線23Bの発生電圧は0.86倍となる。しかし、一方
の三相巻線23Aに対して他方の三相巻線23Bが直列
に接続されているため、従来の車両用交流発電機のよう
に高電圧側の三相巻線から低電圧側の三相巻線へ流れて
いた循環電流が発生せず、発電電流の減少や循環電流に
よる発熱の増加を抑制することが可能になり、小型高出
力かつ高効率の車両用交流発電機1を実現することがで
きる。
組の三相巻線の発生電圧を一致させるようにそれぞれの
ターン数を決定する必要がないことから、2組の三相巻
線23A、23Bのそれぞれのターン数を任意の値に設
定することが可能になり、設計の自由度が増すという効
果もある。
の三相巻線23Bは、電気角でπ/6の位相差を有する
ように配置されており、三相巻線23A、23Bの各反
作用起磁力が相互に打ち消し合うため、磁気騒音を低減
することができる。また、2組の三相巻線23A、23
Bは直列に結線されているため、一方の三相巻線23B
の出力端のみを整流装置5に接続することにより、出力
電流を車両用交流発電機1の外部に取り出すことができ
る。このため、2組の三相巻線23A、23Bを用いる
場合であっても1組の全波整流回路を有する整流装置5
を用いるだけでよく、2組の三相巻線のそれぞれに全波
整流回路を対応させる場合に比べて、整流素子の個数を
半分に減らすことができ、部品コストや組み付けコスト
の低減が可能になる。
線部26A、26B、26Cのそれぞれを180度以上
の範囲で分散させるとともに、それぞれの結線部につな
がるリード線27が径方向に互いに重ならないようにし
ているため、電機子巻線23のコイルエンド部分に生じ
る冗長部分をなくしてコンパクトな形状とすることがで
きる。また、リード線27の長さを短くすることができ
るため、この部分の振動等を抑えることができ、車両用
交流発電機1の信頼性を向上させることができる。
用交流発電機は、第1の実施形態の車両用交流発電機1
に対して、ほぼU字状であって矩形断面を有する複数の
導体セグメント同士を接合することにより固定子の電機
子巻線を形成した点が異なっている。以下では、この相
違部分である固定子に着目した説明を行う。
を構成する導体セグメントの斜視図である。また、図8
は図7に示した導体セグメントの組み付け状態を示す斜
視図である。図9は、固定子の部分的な断面図である。
図10および図11は、本実施形態の固定子2の部分的
な斜視図である。
た電機子巻線23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8および図9に示すように固定子鉄
心22の径方向について内側から内端層、内中層、外中
層、外端層の順で一列に配列されている。
31aは、固定子鉄心22の時計回り方向に向けて1磁
極ピッチ(6スロット)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。
側においては、図11に示すように、外中層の電気導体
232bと内中層の電気導体232aとをターン部23
2cを経由して接続する連続線を、外端層の電気導体2
31bと内端層の電気導体231aとをターン部231
cを経由して接続する連続線が内包することとなる。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23
2a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。
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続される。
側においては、図10に示すように、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233b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233
a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231b’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23
1a’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。
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。また、内中層の電気導体232a
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230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曲げ部とし
ての斜行部231f、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群が形成されてお
り、回転子3の軸方向の両端面に取り付けられた斜流フ
ァン11および遠心ファン12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。また、この冷却風の通風路には、電機子巻線2
3のリード線27も配置されている。
セグメント230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231
e’と外中層の端部232e、並びに内中層の端部23
2d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233bおよび内側接合部233aが形
成され、電気的に接続されている。
成される本実施形態の電機子巻線23の結線状態や巻線
仕様は、第1の実施形態において図2〜図5に示した内
容をそのまま適用することができる。すなわち、本実施
形態では、固定子鉄心22の1磁極ピッチ分の6個のス
ロットのそれぞれには、互いに電気角がπ/6ずれた6
相の巻線が形成されており、一のスロット25に収容さ
れたU相巻線と、これに対して4スロットあるいは8ス
ロット離れた位置に収納されたV相巻線、W相巻線とを
Δ結線を行うことにより、一方の三相巻線23Aを形成
することができる。この三相巻線23Aに含まれるU相
巻線、V相巻線、W相巻線に対して1スロット分ずれた
スロット25に収納されたX相巻線、Y相巻線、Z相巻
線を、三相巻線23Aの3つの結線部に直列に結線する
ことにより、他方の三相巻線23Bを形成することがで
きる。このようにして第1の実施形態と同じ電機子巻線
23の結線状態および巻線仕様を実現することができ
る。
に含まれる2組の三相巻線は互いに直列接続されてお
り、それぞれの発生電圧を同じにする必要がないため、
それぞれのターン数を任意の値に設定することが可能に
なる。例えば、本実施形態では、図9に示した固定子の
部分的な断面図等から明らかなように、三相巻線23
A、23Bのそれぞれのターン数がともに4ターンに設
定されている。このため、2組の三相巻線23A、23
Bのそれぞれを構成する各導体セグメント230として
同じものを用いるとともに、同じ折り曲げ方法、接合方
法によって各三相巻線を形成することが可能になるた
め、容易に製造することができ、車両用交流発電機の製
造コストを下げることができる。
に、ほぼU字状の導体セグメント230同士を接合して
電機子巻線23を形成することにより、電機子巻線23
のコイルエンドを整列させることができるため、電気導
体の長さを抑えることができるとともに、スロット25
内の導体占積率を高くすることができる。これにより、
電機子巻線23の抵抗を飛躍的に低減することが可能に
なるため、小型高出力で発電効率が良好な車両用交流発
電機を実現することができる。
1と同様に、電機子巻線23において循環電流が発生し
ないため、出力電流や効率を損なうこともない。さら
に、電気角でπ/6ずらして2組の三相巻線23A、2
3Bが配置されているため、磁気騒音を低減することが
可能になる。
ものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変
形実施が可能である。例えば、図12に示すように、第
1の実施形態あるいは第2の実施形態で用いた電機子巻
線23を互いに電気角でπ/6だけずらしたものを2組
用意し、それぞれの出力を別々の三相全波整流回路に入
力するようにしてもよい。これにより、さらに磁気騒音
を低減することが可能になる。
ン数以外の三相巻線23A、23Bを用いるようにして
もよい。また、上述した各実施形態では、本発明を適用
した具体例として車両用交流発電機について説明した
が、他の車両用回転電機、例えば車載の電動機について
本発明を適用するようにしてもよい。
す図である。
る。
る。
である。
グメントの斜視図である。
示す斜視図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 固定子鉄心とこの固定子鉄心に装備され
た電機子巻線を備える固定子を有する回転電機におい
て、 前記電機子巻線は、複数の三相巻線を有し、一の前記三
相巻線はΔ結線がなされており、このΔ結線がなされた
前記三相巻線の各出力端に、他の前記三相巻線の各相を
直列に結線することを特徴とする回転電機。 - 【請求項2】 請求項1において、 前記複数の三相巻線は、各相電流が互いに電気角でπ/
6の位相差を有する状態で前記固定子鉄心に巻装されて
いることを特徴とする回転電機。 - 【請求項3】 請求項1または2において、 前記複数の三相巻線は、ほぼ同一ターン数を有すること
を特徴とする回転電機。 - 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかにおいて、 前記電機子巻線は、複数の電気導体の端部同士を互いに
接合することにより構成されることを特徴とする回転電
機。 - 【請求項5】 請求項4において、 前記電気導体は、矩形断面形状を有することを特徴とす
る回転電機。 - 【請求項6】 請求項1〜5のいずれかにおいて、 Δ結線がなされた前記三相巻線の各出力端は、前記固定
子鉄心の一方の端面において、180度を超える範囲で
分散配置されていることを特徴とする回転電機。 - 【請求項7】 請求項6において、 前記各出力端を形成する複数の前記三相巻線の各リード
線は、互いに径方向に重ならない位置で這い回されてい
ることを特徴とする回転電機。 - 【請求項8】 請求項1〜7のいずれかにおいて、 前記電機子巻線に誘起される電圧を整流する整流装置を
さらに備え、 Δ結線がなされた前記三相巻線の各出力端側に接続され
た他の前記三相巻線に設けられた別の出力端を前記整流
装置に接続することを特徴とする回転電機。
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