JP2006141079A - 車両用交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却性を向上させ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は、エンジンブラケット１００側に直結されて回転駆動される回転軸２と、回転軸２と一体に回転する回転子３と、回転子３の外周に配置される固定子４と、フレーム５、６とを備えている。固定子４は、固定子鉄心４０と、固定子鉄心４０の各スロットに径方向に並んで配置されて固定子鉄心４０の軸方向端面から一部が露出する複数のセグメント導体４６が互いに接合されて構成される固定子巻線４１とを有する。フロント側のフレーム５は、固定子巻線４１の外周側に形成された冷却風吐出窓５１と、エンジンブラケット１００側に形成された冷却風吸入窓５２とを有する。回転子３に固定された冷却ファン３５によって径方向外側に向けて発生した冷却風を、セグメント導体４６の間の隙間を通してエンジンブラケット１００から離れる向きに吐出している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二輪車等に搭載される車両用交流発電機に関する。

従来から、乗用車等の四輪車等に搭載される一般的な車両用交流発電機は、ベルトを介してエンジンと連結されて回転駆動されている。このような場合に、エンジンブラケットは発電機の外周側に位置し、複数のボルトを用いて発電機がエンジンブラケットに固定される（例えば、特許文献１参照。）。通常、発電機内を冷却する冷却風は、プーリ側から進入し、固定子等を冷却した後に外部に吐出される。このとき、回転しているプーリやベルト付近では風の流れが発生しているため熱がこもらず、フロントフレームの吸入窓から比較的低い温度の冷却風が発電機内に導入されて各部品を冷却することができる。また、上述した四輪車等に搭載される車両用発電機以外にも二輪車等に搭載される車両用交流発電機が知られている（例えば、特許文献２参照。）。この車両用発電機では、ベルトを介して連結する代わりにエンジンブラケットと発電機とはシャフトを直結させる形式で連結されている。さらに、最近の四輪車用の車両用発電機の中には、Ｕ字状のセグメント導体を規則正しく接合して固定子巻線を形成したものがある（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００２−５８１９３号公報（第３−５頁、図１−８） 特開平８−３３１７８６号公報（第３−６頁、図１−１１） 特許第３４０７６４３号公報（第４−７頁、図１−１３）

ところで、特許文献２に開示された二輪車用の発電機では、エンジンブロックに直接発電機が取り付けられるため、発電機から吐出された温度が高くなった冷却風がフロントフレームの吸入窓近傍に滞留した後に再び発電機内に導入され、冷却性が悪化するという問題があった。冷却性の悪化に伴い、電機部品等の寿命が低下するとともに、固定子および回転子の温度上昇による出力低下につながるため改善が望まれている。なお、四輪車用には、特許文献３に示すように、セグメント導体によって構成される固定子巻線を用いることにより、出力および冷却性を向上させたものが知られている。

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、冷却性を向上させ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。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電機は、エンジン側駆動部に直結されて回転駆動される回転軸と、回転軸と一体に回転するとともにエンジン側駆動部側の軸方向端面に冷却ファンが固定された回転子と、回転子の外周に配置される固定子と、内部に回転子を収容して回転軸を回転自在に保持するとともに軸方向の締結力を受けて固定子を保持するフレームとを備えており、固定子は、径方向に複数層の電気導体が挿入される複数のスロットが形成された固定子鉄心と、スロットに径方向に並んで配置されて固定子鉄心の軸方向端面から一部が露出する複数の電気導体が互いに接合されて構成される固定子巻線とを有し、複数層の中の各層の電気導体は、同一層について周方向にほぼ同一の傾斜をなすとともに、隣接する電気導体の間隔がほぼ一定であってこれら隣接する電気導体の間に所定の隙間が形成されており、フレームは、固定子巻線の外周側に形成された冷却風吐出窓と、冷却ファンよりも軸方向に沿ってエンジン側駆動部側に形成された冷却風吸入窓とを有し、隙間を通して回転子に固定された冷却ファンによって径方向外側に向けて発生した冷却風を、隙間および冷却風吐出窓を通してエンジン側駆動部から離れる向きに吐出している。これにより、冷却風吐出窓から排出された高温の冷却風がフレームに設けられた冷却風吸入窓の近傍に滞留することを防止して、再びこの冷却風が内部に取り込まれることを防止することができるため、冷却性を向上させることができる。

また、上述したエンジン側駆動部と回転軸との連結部の周囲には、フレームの一部が取り付けられるとともに冷却風吐出窓よりも径方向寸法が大きいエンジン側取り付け面が配置されていることが望ましい。このように連結部近傍に大きなエンジン取り付け面がある場合であっても、冷却風吐出窓から排出された高温の冷却風をこの取り付け面から遠ざかる向きに案内することにより、取り付け面の表面を辿ってこの高温の冷却風が冷却風吸入窓の近傍に導かれることを確実に防止することができる。

また、上述した固定子鉄心の軸方向端部からエンジン側駆動部側に露出する電気導体の軸方向端部位置と、冷却風吐出窓の軸方向端部位置とがほぼ同じに設定されていることが望ましい。これにより、セグメント導体の露出する部分によって構成されるコイルエンド内に形成された隙間ではなく、コイルエンドの上部からエンジン側駆動部側に向かって排出される冷却風を低減することができるため、排出された冷却風の冷却風吸入窓近傍での滞留をさらに低減すること可能になる。

また、上述した冷却風吐出窓の軸方向端部であってエンジン側駆動部と反対側に位置する側の形状を、外径側に向かうにしたがってエンジン側駆動部と離れる向きに傾斜した形状とすることが望ましい。これにより、エンジン側駆動部から遠ざかる向きに排出される冷却風の吐出量の割合を増すことができる。

また、冷却風吐出窓の軸方向端部であってエンジン側駆動部側に位置する側の形状を、回転軸と垂直な向きに形成することが望ましい。これにより、冷却風吐出窓からエンジン側駆動部側に向かう冷却風の直接的な流れを低減することができるため、高温の冷却風が排出後直ちに冷却風吸入窓を通して再び吸入されることを防止することができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の回転電機の巻線の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、回転軸２、回転子３、固定子４、フレーム５、６、整流器７、ブラシ装置８、電圧制御装置９等を備えている。

回転軸２は、先端部近傍にスプライン２０が設けられており、エンジンブラケット１００内に設けられたエンジン側駆動部としてのギア１０２に嵌合して連結されることにより、回転駆動される。

回転子３は、界磁として作用し、回転軸２と一体に回転しており、一対のランデル型ポールコア３０、３１、界磁コイル３２、冷却ファン３５、３６を備えている。ランデル型ポールコア３０、３１のそれぞれは、回転軸２に圧入されるボス部と、ボス部の軸方向端部近傍から径方向に延びるディスク部と、ディスク部の外周部から軸方向に延びる複数（例えば６個）の爪状磁極部により構成されている。一方の冷却ファン３５は、エンジンブラケット１００側に配置された一方のポールコア３０の軸方向端面に溶接などの手法によって固定されている。この冷却ファン３５は、例えば、ブレードの一部あるは全部を傾斜させた斜流ファンであり、吸入された冷却風を遠心方向および軸方向に沿って導く。軸方向に沿って導かれた冷却風は、ポールコア３０、３１の隣接する爪状磁極部間あるいはこれらの爪状磁極部と固定子４との間を通ることにより、回転子３および固定子４を冷却する。また、他方の冷却ファン３６は、エンジンブラケット１００と反対側に配置された他方のポールコア３１の軸方向端面に固定されている。この冷却ファン３６は、例えば、ポールコア３１の軸方向端面に対して垂直なブレードを有する遠心ファンであり、吸入された冷却風を遠心方向に導く。

固定子４は、径方向に複数層の電気導体が挿入される複数のスロット４５が形成された固定子鉄心４０と、スロット４５に径方向に並んで配置されて固定子鉄心４０の軸方向端面から一部が露出する複数のセグメント導体が互いに接合されて構成される固定子巻線４１とを有している。この固定子巻線４１ではスロット４５内に複数層の電気導体が配置されているが、同一層の各電気導体に着目すると、固定子鉄心４０から露出する各電気導体が周方向にほぼ同一の傾斜をなしており、隣接する電気導体の間隔が同一であってこれら隣接する電気導体の間に隙間が形成されている。また、径方向に隣接する電気導体については、固定子鉄心４０から露出する各電気導体が周方向反対側に傾斜をなしている。

一方のフレーム５は、エンジンブラケット１００側に配置されており、固定子４を収納保持する。固定子４は、固定子鉄心４０の軸方向端面の一部が複数本のスタッドボルト５０による軸方向の締結力を受けることで固定されている。また、フレーム５は、固定子４を収納した状態で固定子巻線４１のフロント側コイルエンドの外周側に形成された複数の冷却風吐出窓５１と、冷却ファン３５よりも軸方向に沿ってエンジンブラケット１００側に形成された冷却風吸入窓５２とを有している。冷却風吐出窓５１の詳細形状および固定子巻線４１との位置関係については後述する。

他方のフレーム６は、エンジンブラケット１００と反対側に配置されており、軸方向外側には整流器７、ブラシ装置８、電圧制御装置９等の電気部品が配置され、これらの電機部品を覆うようにリヤカバー１０が取り付けられる。また、フレーム６は、車両用交流発電機１として組み付けられた状態で固定子巻線４１のリヤ側コイルエンドの外周側に形成された複数の冷却風吐出窓６１と、冷却ファン３６よりも軸方向に沿ってリヤ側（エンジンブラケット１００と反対側）に形成された冷却風吸入窓６２とを有している。リヤカバー１０の軸方向端面にも冷却風吸入窓１１が形成されており、回転子３とともに冷却ファン３６が回転すると、リヤカバー１０に形成された冷却風吸入窓１１を通して吸入された冷却風が電気部品を冷却後、フレーム６に形成された冷却風吸入窓６２を通して冷却ファン３６近傍に導かれ、その後、固定子巻線４１のリヤ側コイルエンドを冷却した後にフレーム６の冷却風吐出窓６１から排出される。

フレーム５、６は、固定子４を固定するスタッドボルト５０とナット５３を用いて締め付け固定されている。また、フレーム５の外径側には貫通した取付穴を有する複数のステー部５４が、フレーム６の外径側には貫通した取付穴を有する複数のステー部６４がそれぞれ形成されている。ステー部５４、６４の貫通穴の位置を合わせた状態でリヤ側からボルト１２を通して締め付けることにより、エンジンブラケット１００に対してフレーム５、６、すなわち車両用交流発電機１の全体の取り付けが行われる。この状態において、回転軸２の先端部近傍に設けられたスプライン２０がエンジンブラケット内に設けられたギア１０２と嵌合して連結され、エンジン側から回転軸２に対して回転力が駆動される。

エンジンブラケット１００は、フレーム５のフロント側端面に形成された円筒形状のフランジ部５５に対応する凹部１０４と、フレーム５の冷却風吐出窓５１の外径よりも径方向寸法が大きい取り付け面（エンジン側取り付け面）１０６とを有している。

次に、固定子巻線４１のコイルエンド形状とフレーム５の冷却風吐出窓５１との関係について説明する。図２は、固定子４を外径側から見た部分的な展開図である。また、図３は固定子４をフロント側から見た部分的な斜視図である。これらの図に示すように、固定子巻線４１は、Ｕ字状のセグメント導体４６の各直線部を構成する電気導体を異なるスロット４５に挿入するとともに、各直線部から延びるフロント側の電気導体４６Ａを周方向に傾斜させるとともにその先端を径方向に隣接する他の電気導体の端部と接合して電気的な接続を行うことにより結線がなされている。フロント側の電気導体４６Ａは、径方向位置が同じものについては周方向に沿ってほぼ同じ角度で、しかも、隣接間隔Ｗがほぼ一定になるように傾斜している。また、径方向位置が隣接する２本の電気導体４６Ａについては、周方向に沿って傾斜方向が互いに反対に設定されている。このようにして、径方向に配置された複数層のセグメント導体４６からフロント側に露出して周方向に傾斜した複数の電気導体４６Ａによってフロント側のコイルエンド４７が形成されている。

周方向に隣接する電気導体４６Ａの間には、これらの電気導体４６Ａと同じ方向に傾斜した一定間隔Ｗを有する隙間Ｓが形成されている。したがって、所定の径方向位置にある複数の電気導体４６Ａによって形成された隙間Ｓと、この電気導体４６Ａと径方向位置が隣接する他の複数の電気導体４６Ａによって形成された隙間Ｓとは互いに交差しており、コイルエンド４７全体に着目すると、径方向に貫通した格子状の隙間Ｔが形成されている。

図４は、フレーム５の冷却風吸入窓５１近傍の詳細を示す部分的な拡大断面図であり、冷却風吐出窓５１とフロント側のコイルエンド４７との位置関係が示されている。図４に示すように、冷却風吐出窓５１のリヤ側軸方向端部５１Ａは、外径側に向かうにしたがってエンジンブラケット１００と遠ざかる向きに傾斜した端面形状を有している。これにより、エンジンブラケット１００から遠ざかる向きに排出される冷却風の吐出量の割合を増すことができる。

また、冷却風吐出窓５１のフロント側軸方向端部５１Ｂの位置は、フロント側のコイルエンド４７の頂部、すなわち、コイルエンド４７を構成している各セグメント導体４６（電気導体４６Ａ）の端部位置とほぼ同じになるように設定されている。これにより、各電気導体４６Ａによって形成されたコイルエンド４７内の隙間Ｔを避けて、コイルエンド４７の頂部と冷却風吐出窓５１の軸方向端部５１Ｂとの間に形成される隙間を通ってエンジンブラケット１００側に排出される冷却風を低減することができる。特に、コイルエンド４７の頂部と冷却風吐出窓５１の軸方向端部５１Ｂとの間に形成される隙間が大きいと、この隙間からエンジンブラケット１００側に向かって斜め方向に排出される冷却風が増加するが、コイルエンド４７の頂部位置と冷却風吐出窓５１のフロント側軸方向端部５１Ｂの位置とをほぼ同じにすることにより、この斜め方向に排出される冷却風を大幅に低減することができる。

図５は、本実施形態の車両用交流発電機１における温度低減の結果を示す図であり、本実施形態の構造を採用した固定子巻線４１の温度（実線）と従来構造（特許文献２に開示された構造）を採用した固定子巻線の温度（点線）とを比較した結果が示されている。図５に示すように、本実施形態の構成とすることにより、固定子巻線の温度を２０〜２５％低減することができた。

また、図６は、本実施形態の車両用交流発電機１における出力向上の結果を示す図であり、本実施形態の構造を採用した場合の出力（実線）と従来構造を採用した場合の出力（点線）とを比較した結果が示されている。図６に示すように、本実施形態の構成を採用して冷却性を向上させた結果、出力電流を約１０％増加させることができた。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、複数のセグメント導体４６を規則正しく傾斜させて固定子巻線４１のフロント側のコイルエンド４７を形成するとともに、このコイルエンド４７内に形成された隙間Ｔを主に通して冷却風を排出することにより、この冷却風がエンジンブラケット１００側に直接的に向くことを防止することができる。これにより、冷却風吐出窓５１から排出された高温の冷却風がフレーム５に設けられた冷却風吸入窓５２の近傍に滞留することを防止し、再びこの冷却風が内部に取り込まれることを防止することができるため、冷却性を向上させることができる。

特に、冷却風吐出窓５１の外径よりも径方向寸法が大きなエンジンブラケット１００の取り付け面１０６が配置された場合であっても、冷却風吐出窓５１から排出された高温の冷却風をこの取り付け面１０６から遠ざかる向きに案内することにより、取り付け面１０６の表面を辿ってこの高温の冷却風が冷却風吸入窓５１の近傍に導かれることを確実に防止することができる。

また、固定子鉄心４１の軸方向端部からエンジンブラケット１００側に露出するフロント側のコイルエンド４７を構成するセグメント導体４６の軸方向端部位置と、冷却風吐出窓５１の軸方向端部５１Ｂ位置とがほぼ同じに設定されているため、コイルエンド４７の上部からエンジンブラケット１００側に向かって排出される冷却風を低減することができ、排出された冷却風の冷却風吸入窓５２近傍での滞留をさらに低減すること可能になる。

また、冷却風吐出窓５１のエンジンブラケット１００と反対側の軸方向端部５１Ａの形状を、外径側に向かうにしたがってエンジンブラケット１００と離れる向きに傾斜した形状とすることにより、エンジンブラケット１００から遠ざかる向きに排出される冷却風の吐出量の割合を増すことができる。

なお、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において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、冷却風吐出窓５１のエンジンブラケット１００側の軸方向端部５１Ｂを軸方向に沿った面で構成したが、図７に示すように、回転軸２と垂直な向きに形成するようにしてもよい。これにより、冷却風吐出窓５１からエンジンブラケット１００側に向かう冷却風の直接的な流れをさらに低減することができるため、高温の冷却風が排出後直ちに冷却風吸入窓５２を通して再び吸入されることを防止することができる。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。 固定子を外径側から見た部分的な展開図である。 固定子をフロント側から見た部分的な斜視図である。 フレームの冷却風吐出窓近傍の詳細を示す部分的な拡大断面図である。 本実施形態の車両用交流発電機における温度低減の結果を示す図である。 本実施形態の車両用交流発電機における出力向上の結果を示す図である。 冷却風吐出窓形状の変形例を示す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 回転軸
３ 回転子
４ 固定子
５、６ フレーム
７ 整流器
８ ブラシ装置
９ 電圧制御装置
１０ リヤカバー
１１ 冷却風吸入窓
２０ スプライン
３０、３１ ポールコア
３２ 界磁コイル
３５、３６ 冷却ファン
４０ 固定子鉄心
４１ 固定子巻線
４５ スロット
４６ セグメント導体
４６Ａ 電気導体
４７ コイルエンド
５０ スタッドボルト
５１、６１ 冷却風吐出窓
５１Ａ、５１Ｂ 軸方向端部
５２、６２ 冷却風吸入窓
５３ ナット
５４、６４ ステー部
５５ フランジ部
１００ エンジンブラケット
１０２ ギア
１０４ 凹部
１０６ 取り付け面

Claims (5)

1. エンジン側駆動部に直結されて回転駆動される回転軸と、前記回転軸と一体に回転するとともに前記エンジン側駆動部側の軸方向端面に冷却ファンが固定された回転子と、前記回転子の外周に配置される固定子と、内部に前記回転子を収容して回転軸を回転自在に保持するとともに軸方向の締結力を受けて前記固定子を保持するフレームとを備える車両用交流発電機において、
   前記固定子は、径方向に複数層の電気導体が挿入される複数のスロットが形成された固定子鉄心と、前記スロットに径方向に並んで配置されて前記固定子鉄心の軸方向端面から一部が露出する複数の前記電気導体が互いに接合されて構成される固定子巻線とを有し、
   前記複数層の中の各層の前記電気導体は、同一層について周方向にほぼ同一の傾斜をなすとともに、隣接する前記電気導体の間隔がほぼ一定であってこれら隣接する電気導体の間に所定の隙間が形成されており、
   前記フレームは、前記固定子巻線の外周側に形成された冷却風吐出窓と、前記冷却ファンよりも軸方向に沿って前記エンジン側駆動部側に形成された冷却風吸入窓とを有し、
   前記隙間を通して前記回転子に固定された前記冷却ファンによって径方向外側に向けて発生した冷却風を、前記隙間および前記冷却風吐出窓を通して前記エンジン側駆動部から離れる向きに吐出することを特徴とする車両用交流発電機。
2. 請求項１において、
   前記エンジン側駆動部と前記回転軸との連結部の周囲には、前記フレームの一部が取り付けられるとともに前記冷却風吐出窓よりも径方向寸法が大きいエンジン側取り付け面が配置されていることを特徴とする車両用交流発電機。
3. 請求項１または２において、
   前記固定子鉄心の軸方向端部から前記エンジン側駆動部側に露出する前記電気導体の軸方向端部位置と、前記冷却風吐出窓の軸方向端部位置とがほぼ同じに設定されていることを特徴とする車両用交流発電機。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記冷却風吐出窓の軸方向端部であって前記エンジン側駆動部と反対側に位置する側の形状を、外径側に向かうにしたがって前記エンジン側駆動部と離れる向きに傾斜した形状とすることを特徴とする車両用交流発電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記冷却風吐出窓の軸方向端部であって前記エンジン側駆動部側に位置する側の形状を、前記回転軸と垂直な向きに形成することを特徴とする車両用交流発電機。
   

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