JP2006101625A - 車両用交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 正極側ヒートシンクの冷却性能に何等影響を与えることなく、負極側ヒートシンクの冷却性能を向上させ、また、負極側ヒートシンクの冷却フィン数を増加させることなく比較的簡単な手段で通風量を増大させることができる車両用交流発電機を実現する。
【解決手段】
ケーシング本体と冷却ファンとの間に正極側及び負極側の一方向導通素子をそれぞれ支持する正極側及び負極側支持部材を備え、上記正極側支持部材と負極側支持部材を回転軸と直交するほぼ同じ平面状に配置した車両用交流発電機において、上記正極側及び負極側支持部材のうち回転軸に対して遠い側に位置する支持部材の内周面を、当該支持部材のケーシング本体側端面からファン側端面に向かってその径方向寸法が増大するように傾斜させたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は車両に用いられる車両用交流発電機、特にその整流装置部分の改良に関するものである。

従来のこの種車両用交流発電機において、ブラケット内に収容した整流装置の発熱による問題点が指摘され、冷却用ヒートシンクを大型化することなく冷却効率を向上する構造が提案されている。（例えば特許文献１参照）
図１４乃至図２０は上記特許文献１に記載された車両用交流発電機を説明する図であり、図１４は従来の車両用交流発電機の構成を示す断面図、図１５は車両用交流発電機をリア側から見た正面図、図１６は従来の車両用交流発電機に搭載された整粒装置をリア側から見た斜視図、図１７は従来の車両用交流発電機に搭載された整粒装置のサーキットボード取り付け前の状態をフロント側から見た斜視図、図１８は従来の車両用交流発電機の要部断面図、図１９及び図２０は従来の車両用交流発電機に搭載されたダイオードを示す断面図である。

従来の車両用交流発電機は図１４に示すように、ランドル型の回転子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シング本体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が回転子７の外周側を覆うようにケーシング本体３の内壁面に固着されて構成されている。シャフト６は、一対の軸受１４ａ、１４ｂを介して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がベルト（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。

そして、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のリア側端部に固着され、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シング本体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電圧調整器（レギュレータ）１７がブラシホルダ１１に嵌着されたヒートシンク１８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で生じた交流電流を直流電流に整流する整流装置１２がケーシング本体３内に装着されている。

回転子７は、電流を流して磁束を発生する回転子コイル１３と、上記回転子コイル１３を覆うように設けられ、当該回転子コイル１３で発生した磁束によって磁極が形成される一対のランドル型ポールコア２０、２１とから構成される。一対のポールコア２０、２１は鉄製で、それぞれ爪状磁極２２、２３が外周縁に周方向に等間隔で複数突設され、爪状磁極２２、２３をかみ合わせるように対向してシャフト６に固定されている。そして、冷却手段としての冷却ファン５ａ、５ｂがポールコア２０、２１の軸方向の両端面にそれぞれ固着されている。

一方、固定子８は、固定子コア１５と、この固定子コア１５に巻回してなり、回転子7の回転に伴い回転子7からの磁束の変化で交流電流が生じる固定子コイル１６とから構成されている。そして、固定子コア１５に巻回された導線の一部が固定子コア１５の軸方向に延在し、フロント側コイルエンド１６ｆおよびリヤ側コイルエンド１６ｒを構成している。なお、固定子コイル１６は三つのコイルをＹ字形に結線して構成されるＹ形三相巻線である。

整流装置１２では、図１６、図１７に示されるように、ダイオード３５、３６が配列された略円弧状の正極側および負極側ヒートシンク３７、３８と、略円弧状のサーキットボード３９とから構成されている。ダイオード３５は図１９に示されるように、それぞれＮ型半導体とＰ型半導体とをＰＮ接合して構成された整流素子３５ａのＮ型半導体に銅ベース３５ｂ、Ｐ型半導体にサーキットボードと接続するためのリード端子３５ｃを半田接合し、絶縁性樹脂３５ｄにより整流素子３５ａをモールドして略直方体形状に成型されたものである。一方、ダイオード３６は図２０に示されるように、それぞれＮ型半導体とＰ型半導体とをＰＮ接合して構成された整流素子３６ａのＰ型半導体に銅ベース３６ｂ、Ｎ型半導体にサーキットボード３９と接続するためのリード端子３６ｃを半田接合し、絶縁性樹脂３６ｄにより整流素子３６ａをモールドして略直方体形状に成型されたものである。

正極側ヒートシンク３７は、その背面、即ち主面と反対側の面に放射状に伸びる複数個の冷却フィン３７ａと、ダイオード３５を支持すると共にダイオードの熱を効率よく冷却フィン３７aに拡散するためのベース３７bを有している。正極側ダイオード３５は、正極側ヒートシンク３７の主面（冷却ファン対向面）に、所定間隔をおいて周方向に一列に配設されている。そして、正極側ダイオード３５の平板状のベース３５bが半田付けにより正極側ヒートシンク３７のベース３７bの主面に接続されている。同様に負極側ダイオード３６も負極側ヒートシンク３８の主面に所定間隔おいて周方向に一列に配設されている。

負極側ヒートシンク３８はリヤブラケット２に電気的、熱的に接続されている。ここで、負極側ヒートシンク３８は正極側ヒートシンク３７のベース３７ｂの厚みよりも大きい。正極側ヒートシンク３７は軸方向内径側に位置しているため、面積が小さいのでダイオード３５が蜜に実装されているが、負極側ヒートシンク３８は軸方向外径側に位置しているため、面積が大きいので、ダイオード３６が疎に実装されている。負極側ヒートシンク３８では、各ダイオード３６の温度を均一にするために、熱を効率よく拡散する必要があるために、負極側ヒートシンク３８の厚みを大きくする必要がある。負極側ヒートシンク３８と正極側ベース３７bはダイオードを支持すると同時にダイオードの熱を効率よく拡散するという機能が同じであるにも拘わらず、負極側ヒートシンク３８の方が厚みが大きいのは上記理由からである。しかし、負極側ヒートシンク３８が接続されるリヤブラケット２には、負極側ヒートシンク３８との接続面であり負極側ヒートシンク３８からの熱を効率よく伝熱するためのベース２ｅとベース２ｅの背面には放射状に伸びる複数個の冷却フィン２ｄを有している。

ここで、負極側ヒートシンク３８が接続されるリヤブラケット２の背面には放射状に伸びる複数個の冷却フィン３６ａを有している。
そして、正極側ヒートシンク３７と負極側ヒートシンク３８とは、互いの主面がシャフト６と直交するほぼ同じ平面上に位置するように同軸に配置されている。この時、正極側ダイオード３５および負極側ダイオード３６とステータコイル１６とを電気的に接続するサーキットボード３９を備えており、固定子コイル１６で生じた三相交流を直流に整流している。このように構成された車両用交流発電機は、電流がバッテリ（図示せず）からブラシ１０、スリップリング９を介して回転子コイル１３に供給され磁束が発生する。この磁束により、一方のポールコア２０の爪状磁極２２がＮ極に着磁され、他方のポールコア２１の爪状磁極２３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、プーリ４を介してシャフト６に伝達され、回転子７が回転される。そのため、固定子コイル１６に回転磁界が与えられ、固定子コイル１６に起電力が発生する。この交流の起電力が整流装置１２を通って直流に整流されるとともに、その大きさが電圧調整器１７により調整され、バッテリに充電される。

このような従来の車両用交流発電機においては、回転子コイル１３、固定子コイル１６、整流装置１２および電圧調整器１７は、発電中、常に発熱している。例えば、定格出力電流１００Ａクラスの発電機では、温度的に高い回転ポイントで、それぞれ、６０Ｗ、５００Ｗ、１２０Ｗ、６Ｗの発生熱量がある。過度の発熱は発電機の性能を悪化させ、また部品の寿命を低下させることとなる。そこで、発電による発熱を冷却するため、吸気穴１ａ、２ａ、２ｃおよび排気穴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。

先ず、リヤ側では、図２１中点線矢印Ａで示されるように、リヤ側の冷却ファン５ｂの回転により、外気が吸気穴２ａ、２ｃを通じてケース３内に吸い込まれて、正極側ヒートシンク３５に当たり、その冷却フィン３５ａに沿ってシャフト６側に流れ、シャフト６と正極側ヒートシンク３５との間を通って回転子７側に流れ、リヤ側冷却ファン５bにより遠心方向に曲げられて固定子コイル１６のリヤ側コイルエンド１６ｒを冷却し、その後排気穴２ｂから外部に排出される。また、フロント側では、外気が吸気穴１ａを通じてケース３内に吸い込まれ、フロント側冷却ファン５ａにより遠心方向に曲げられて、固定子コイル１６のフロント側コイルエンド１６ｆを冷却し、その後排気穴１ｂから外部に排出される。

特開平８−１８２２７９号公報

近年オルタネータの出力が向上しつつある。オルタネータの出力が向上すると、整流装置に備えられているダイオード３５、３６の発熱量が増加しダイオード３５、３６の温度が増加する。ダイオード３５、３６の温度が増加すると、整流素子３５ａ、３６ａと銅ベース３５ｂ、３６ｂを接合している半田に熱疲労が原因でクラックが生じ、最終的には、ダイオード３５、３６が破壊してしまう。そこで、ダイオード３５、３６を冷却するヒートシンクの冷却性能を向上させる必要がある。従来装置の構造では、ファンまでの通風路は、主として、Ａ）ブラケットフィン２ｄ→正極側フィン３７ａ→ファン５ｂと、Ｂ）吸気穴２ａ→正極側フィン３７ａ→ファン５ｂの２つである。正極側ヒートシンク３７はヒートシンクに設けたフィン３７ａによって冷却しており、負極側ヒートシンク３８は、主としてブラケット２に設けたフィン２ｄによって冷却している。正極側ヒートシンク３７は軸方向内側に位置しているため、Ａ）、Ｂ）を通過する風で冷却することができるが、負極側ヒートシンク３６は軸方向外側に位置しているため、Ａ）を通過する風でしか冷却できない。

一般的にヒートシンクの冷却性能を向上させる方法として、フィンの表面積を増大させるか、フィンを通過する風量を増大させることが主として考えられる。正極側ヒートシンク３７はフィンの長さを増加させる、フィンの本数を増加させるなどフィンの表面積を増加させることにより、冷却性を向上させることができる。しかし、負極側ヒートシンク３６の冷却性を向上させるために、ブラケットフィン２ｄの表面積を増大させると、フィン隙間が小さくなり、ブラケットフィン２ｄの通風抵抗が増大するため、図２１に示すように、Ａ）を通過する風量が減少し、Ｂ）を通過する風量が増加する。

そのため負極側ヒートシンク３８を冷却する風量が減少するので、ヒートシンクの冷却性能が逆に悪化してしまう。つまり負極側は軸方向外側に位置しているために、上記理由により正極側と異なって表面積を増大させて冷却させることができない。
次に、ブラケットフィン本数はそのままで、ブラケットフィン２ｄを通過する風量を増大させる方法を考える。その方法として、図２２に示すように負極側ヒートシンク３８とリヤブラケット２のベース２ｅの内周を削除する方法がある。すなわち径方向寸法Ｓを短くする。このようにすると、負極側ヒートシンク３８、正極側ヒートシンク３７間を通過する風量が増加し、ブラケットフィン２ｄを風がスムーズに流入するため、負極側の冷却性能は向上する。

しかし、Ａ）に流入する風の大部分が負極側ヒートシンク３８と正極側ヒートシンク３７間を通過するので、正極側ヒートシンク３７に流入する風量が減少し、正極側ヒートシンク３７の冷却性能が低下する。
このように、従来装置の構造では、負極側ヒートシンク３８と、正極側ヒートシンク３７がほぼ同一平面状に位置しているため、軸方向に縮小でき、小型が図れるという利点はあるが、負極側ヒートシンク３８が軸方向外側に位置しているため、上記理由で正極側ヒートシンク３７の冷却性能を損なわずに負極側ヒートシンク３８の冷却性能を向上させることが困難である。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その第１の目的とするところは、正極側ヒートシンクの冷却性能に何等影響を与えることなく、負極側ヒートシンクの冷却性能を向上させることができる車両用交流発電機を実現することである。
また、この発明の第２の目的は、負極側ヒートシンクの冷却フィン数を増加させることなく比較的簡単な手段で通風量を増大させることができる車両用交流発電機を実現することを目的とする。

この発明に係る車両用交流発電機においては、ケーシング本体の内部に収容され、回転軸を介して回転自在に支持された回転子と、上記回転子に設けられ外気を発電機本体の内部へ通風する冷却ファン、上記ケーシング本体と冷却ファンとの間に配設され、正極側及び負極側の一方向導通素子をそれぞれ支持する正極側及び負極側支持部材を備え、上記正極側支持部材と負極側支持部材が上記回転軸と直交するほぼ同じ平面状に配置してなる車両用交流発電機において、上記正極側及び負極側支持部材のうち回転軸に対して遠い側に位置する支持部材の内周面を、当該支持部材のケーシング本体側端面からファン側端面に向かってその径方向寸法が増大するように傾斜させたものである。

この発明によれば、正極側ヒートシンクの冷却性能に何等影響を与えることなく、負極側ヒートシンクの冷却性能を向上させることができ、また、負極側ヒートシンクの冷却フィン数を増加させることなく比較的簡単な手段で通風量を増大させることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の車両用交流発電機の要部断面図、図２は本発明の車両用交流発電機に搭載された整流装置をリヤ側から見た斜視図、図３は本発明の整流装置の斜視図である。 本実施例の構成は、従来例の構成とほぼ同じであり、従来例と異なる点は、図１において、負極側ヒートシンク５２の内周が、ケーシング本体側端面からファン側端面に向かってその径方向寸法が増大するように傾斜していることと、リヤブラケットベース５１e内周を削除していることである。

図４に従来の車両用交流発電機に対して熱流体解析を実施したときの流速分布、図５に本発明の車両用交流発電機に対して熱流体解析を実施したときの流速分布、図６に従来の車両用交流発電機に対して熱流体解析を実施したときの流速分布、図７に本発明の車両用交流発電機に対して熱流体解析を実施したときの圧力分布を示している。図４からわかるように、従来では負極側ヒートシンクの内周側（○で囲った部分）で、風が剥離しており、また風の流れがスムーズでないことが分かる。図６では、色が濃くなるにつれ圧力が低下していることを示しているが、上記剥離部分で圧力が低下していることが分かる。 つまり圧力低下しているということは、剥離部分で圧力損失すなわち風のエネルギーの損失が大きいと考えられる。

しかし本発明では、図５からわかるように、風の剥離は多少しているものの、風の流れがスムーズになっており、図７からわかるように、図６と比較して、○で囲った部分の圧力低下が小さい、すなわち風のエネルギーの損失が少ないことが分かる。風のエネルギーの損失が少ないということは、風量が増加するということになるが、実際に熱流体解析の結果によると、本発明において従来例に比べてＡに流入する風量が１２％増加していることが分かった。また熱流体解析から、20℃雰囲気で従来例では、正極側ダイオードの温度は１１１℃、負極側ダイオードの上昇温度は1１６℃に対して、本発明では、正極側ダイオードの上昇温度は１１１℃、負極側ダイオードの上昇温度は1１１degと負極側ダイオードで５degの温度低減効果が見られた。

そこで、実際に実験を実施したところ、従来では正極側ダイオードの温度が１１４℃、負極側ダイオードの温度が1２０℃に対して、本発明では、正極側ダイオードの温度が１１３℃、負極側ダイオードの温度が１１３℃と負極側ダイオードで7degの温度低減効果が見られた。また、負極側ヒートシンク５２のリヤブラケットベース５１eとの接触面の径方向長さｌｃと、上記接触面の外径からフィン２dの内径までの長さｌｂとすると、ｌｂに対して、ｌｃが小さくなればなるほどフィンにより効率良く流入するが、負極側ヒートシンク５２とリヤブラケットベース５１eの接触面積が減少するため、負極側ヒートシンク５２からリヤブラケットベース５１eへの伝熱の効率が悪くなる。lｃ/lｂの値と冷却性には、図８のような関係がある。図８の縦軸は本実施例のヒートシンクの温度を示し、横軸はlｃ/lｂを示している。図８より、0.5<lc/lb<0.9(図中Ｘ)としたときに、本実施例の効果があると考えられる。

実施の形態２．
また上記熱流体解析と実験は負極側ヒートシンク５２が直線状に傾斜しているパターンで行ったが、例えば図９に示すように、負極側ヒートシンク５２のブラケット２側端面から冷却ファン５b側端面に向ってその径方向寸法が階段状に傾斜したり、図１０に示すように曲線状に傾斜する場合も同様の冷却性向上の効果がある。このように傾斜の仕方に関わらず、同様の冷却性向上の効果が認められ、また、図１１に示すように傾斜部にディンプルやフィンを設けると更に冷却性能は向上する。

実施の形態３．
また上記実施の形態に係る車両用交流発電機においては熱流体解析と実験によって本発明の効果を実証したが、正極側ヒートシンクと負極側ヒートシンクが径方向に交絡することなく上記回転軸とほぼ同じ平面状に位置している車両用交流発電機であれば、例えば図１２に示すように、負極側ヒートシンク５２は、リヤブラケット２を介さず、直接フィン５２dを設け、リヤブラケット２内に収容しているような構成でも同様な効果がある。また図１２においてはフィン５２dをストレートフィンとして図示しているが、ピンフィンのようなパターンなど、フィン形状によらず同様な効果があることはいうまでもない。更に、出力が低く、発熱量の小さい車両用交流発電機であれば、図１３のようにフィンがなくても同様な効果がある。なお、上記実施例ではすべてダイオードの形状が長方形のモールドタイプで記述してきたが、例えば円弧状のダイオードのように、ダイオードの形状によらず、同様の効果がある。

本発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の要部断面図である。 本発明の車両用交流発電機に搭載された整流装置をリヤ側から見た斜視図である。 本発明の整流装置の斜視図である。 従来の車両用交流発電機に対して熱流体解析を実施したときの流速分布図である。 本発明の車両用交流発電機に対して熱流体解析を実施したときの流速分布図である。 従来の車両用交流発電機に対して熱流体解析を実施したときの流速分布である。 本発明の車両用交流発電機に対して熱流体解析を実施したときの圧力分布を示している。 負極側ヒートシンクとリヤブラケットベースの接触面積と伝熱効率との関係を測定した特性図である。 本発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機の要部断面図である。 本発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機の要部断面図である。 本発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機の要部断面図である。 本発明の実施の形態３に係る車両用交流発電機の要部断面図である。 本発明の実施の形態３の変形例を示す車両用交流発電機の要部断面図である。 従来の車両用交流発電機の構成を示す断面図である。 車両用交流発電機をリア側から見た正面図である。 従来の車両用交流発電機に搭載された整流装置をリア側から見た斜視図である。 従来の車両用交流発電機に搭載された整流装置のサーキットボード取り付け前の状態をフロント側から見た斜視図である。 従来の車両用交流発電機の要部断面図である。 従来の車両用交流発電機に搭載された正極側ダイオードを示す断面図である。 従来の車両用交流発電機に搭載された負極側ダイオードを示す断面図である。 風の通過状況を説明する車両用交流発電機の要部断面図である。 風の通過状況の他の例を説明する車両用交流発電機の要部断面図である。

符号の説明

１ フロントブラケット、 ２ リヤブラケット、 ２d 冷却用フィン、
３ ケーシング本体、 ５ａ、５ｂ 冷却ファン、
６ シャフト、 ７ 回転子、
８ 固定子、 ３５ 正極側ダイオード、
３６ 負極側ダイオード、 ３７ 正極側ヒートシンク、
３８、５２ 負極側ヒートシンク、 ５１ リヤブラケットベース。

Claims (6)

1. ケーシング本体の内部に収容され、回転軸を介して回転自在に支持された回転子と、上記回転子に設けられ外気を発電機本体の内部へ通風する冷却ファンと、上記ケーシング本体と冷却ファンとの間に配設され、正極側及び負極側の一方向導通素子をそれぞれ支持する正極側及び負極側支持部材とを備え、上記正極側支持部材と負極側支持部材が上記回転軸と直交するほぼ同一平面状に配置してなる車両用交流発電機において、上記正極側及び負極側支持部材のうち回転軸に対して遠い側に位置する支持部材の内周面を、当該支持部材のケーシング本体側端面からファン側端面に向かってその径方向寸法が増大するように傾斜させたことを特徴とする車両用交流発電機。
2. 回転軸に対して遠い側に位置する上記支持部材のケーシング本体側端面はケーシング本体に固着されており、上記支持部材のケーシング本体と反対側端面には回転軸方向と径方向内側に突出した冷却用のフィンを設けたことを特徴とする請求項１に記載の車両用交流発電機。
3. 固着面の径方向長さｌｃと、固着面の外径からフィンの内径までの長さｌｂの比lc/lbが0.5<lc/lb<0.9であることを特徴とする請求項２に記載の車両用交流発電機。
4. 上記正極側及び負極側支持部材のうち回転軸に対して遠い側に位置する支持部材の内周面を、当該支持部材のケーシング本体側端面からファン側端面に向かってその径方向寸法が階段状に増大するようにしたことを特徴とする車両用交流発電機。
5. 上記正極側及び負極側支持部材のうち回転軸に対して遠い側に位置する支持部材の内周面を、当該支持部材のケーシング本体側端面からファン側端面に向かってその径方向寸法が曲線状に増大するようにしたことを特徴とする車両用交流発電機。
6. 回転軸に対して遠い側に位置する上記支持部材のケーシング本体側端面に回転軸方向と径方向内側に突出した冷却用のフィンを設けたことを特徴とする請求項１に記載の車両用交流発電機。