JP2007049885A - 車両用タンデム式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】体格重量の増大を抑止しつつ整流装置の温度上昇を抑止した車両用タンデム式回転電機を提供すること。
【解決手段】車両用タンデム式回転電機の整流装置８の整流素子をなす＋ダイオード８１及び−ダイオード８２はハウジング１３を通じて、ヒートシンクとしての第２回転電機部３のステータコア３３に放熱する。ステータコア３３はステータコア２３よりも大型大重量とされ、かつ高頻度負荷に給電しない。これにより、第２回転電機部３のステータコアによる＋ダイオード８１及び−ダイオード８２の温度上昇抑止効果を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一つの回転軸と複数のステータ・ロータペアをもち、各ステータ・ロータペアがランデル型ロータコアを有する車両用タンデム式回転電機に関する。

二つのランデル型ロータをタンデム結合して出力倍増を図った回転電機（以下、車両用タンデム式回転電機ともいう）が下記の特許文献１、３などに提案されている。この車両用タンデム式回転電機によれば、２つの発電電圧をそれぞれ独立制御可能に出力する回転電機をコンパクトに製造することができるため、互いに異なる２電源系の発電装置として２つの回転電機を別々に設置するのに比べて、製造費用及び設置スペースを大幅に削減することができる。このような車両用タンデム式回転電機は、たとえば従来の１２Ｖ系に加えて４２Ｖ系などの高電圧を独立出力する２電圧型電源系に特に好適である。
特開昭５６−１１２８６６号公報 実開昭５７−４２５６５号公報

上記した従来の２電源系用車両用タンデム式回転電機において、低圧発電機側は発電機からの交流出力を整流器で直流にしたのちバッテリに給電されるが高電圧側は電気ポットや電気コンロといった交流負荷のため整流器が不要であった。 しかしながら近年 自動車用として電動パワステや電動スタビライザといった直流で用いられる高電圧大電力負荷が増大してきたため高電圧発電側にも整流器が必要となり整流器のスペースや大電力を整流するため整流器の高発熱といった問題が生じることが判明した。

すなわち、車両用タンデム式回転電機は、整流装置の整流素子（通常は接合ダイオード）の数が従来に比べて倍増するため、整流装置の放熱機構が複雑、大型となり、整流素子冷却が難しくなった。更に詳しく説明すると、整流装置の放熱機構において重要なのは、各整流素子から低温熱源（たとえば外気）までの放熱抵抗を低減するとともに、整流素子に大電流が一時的に流れてその温度が急上昇する場合のヒートシンク機能を十分に確保する点にある。放熱機構のヒートシンク（熱吸収）機能が弱いと、整流素子に一時的に大電流が流れた場合に整流素子の温度上昇が大きくなってしまう。

ヒートシンク機能は、本質的に発熱源に小さい熱抵抗で大熱容量の蓄熱体を接続することにあり、この蓄熱体がいわゆるヒートシンクと呼称されている。このため、従来の車両用交流発電機では、整流装置の整流素子をリヤハウジングの外端面に直接又は良熱伝導部材を通じて間接的に締結し、発電機のリヤハウジング及びこのリヤハウジングに固定されたステータコアをヒートシンクとして利用していた。以下、この放熱機構を、整流素子固定リヤハウジング構造と称するものとする。当然、車両用タンデム式回転電機においてもこの整流素子固定ハウジング構造の採用が極めて好適である。

しかしながら、上記したように、車両用タンデム式回転電機では整流装置の整流素子数が従来に比べて倍増するため、整流素子一個当たりのハウジング占有面積が半減することになる。すなわち、車両用タンデム式回転電機では合計出力が倍増し、整流装置の発熱も倍増するにもかかわらず、車両用タンデム式回転電機は構造上主として軸方向長が増大するため、そのハウジングの外端面面積はほとんど増加することがない。したがって、従来とほぼ同じハウジングの外端面の整流素子配置領域に２倍の数すなわち合計１２個（整流素子をテュワル配置する場合は２４個）の整流素子を固定する必要が生じるため、整流素子個々に割り当てられるハウジング及びステータコアのヒートシンク（熱吸収）機能が半減することがわかる。

もちろん、整流装置用放熱機構のヒートシンク機能や放熱機能を増大するため、ハウジングを大径化したり、厚肉化したりすることも可能であるが、このような対策は車両用タンデム式回転電機の体格重量を大幅に増大するため実施が困難である。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、体格重量の増大を回避しつつ整流装置の放熱性の向上により大出力化が可能な車両用タンデム式回転電機を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する各発明の車両用タンデム式回転電機は、界磁コイルが巻装されたランデル型ロータコアとステータコイルが巻装されたステータコアとをそれぞれ有するとともに、前記各ロータコアは同一の回転軸に軸方向に隣接して固定されてエンジンにより駆動される第１ステータ・ロータペア及び第２ステータ・ロータペアと、前記両ステータ・ロータペアを囲包するとともに前記両ステータ・ロータペアのステータコアが固定されるハウジングと、前記ハウジングの一端面から突出する前記回転軸に装備されたプーリーと、前記ハウジングの端面に直接又は介在部材を介して固定されて前記ハウジングに直接又は前記介在部材を介して熱伝導良好に放熱する整流素子を有して前記第１ステータ・ロータペアの出力電流を整流する第１整流装置と、前記ハウジングの端面に直接又は介在部材を介して固定されて前記ハウジングに直接又は前記介在部材を介して熱伝導良好に放熱する整流素子を有して前記第２ステータ・ロータペアの出力電流を整流する第２整流装置と、前記第１、第２ステータ・ロータペアの界磁電流を独立制御するコントローラとを備える車両用タンデム式回転電機に適用される。この種の車両用タンデム式回転電機自体はたとえば二種類の直流電圧を独立制御可能に出力する発電装置として知られている。

第１ステータ・ロータペアと第２ステータ・ロータペアとはそれぞれことなる電気負荷系に給電することができるが、特別の場合に共通の電気負荷に共同して給電することもできる。好適には、第１ステータ・ロータペアは常時又は高頻度にて給電が必要な常用負荷系に給電し、第２ステータ・ロータペアは低頻度にて給電すればよい間欠負荷系に給電する。両負荷系は、同一の電源電圧で運用されてもよく、又は互いに異なる電源電圧で運用されても良い。あるいは、第１ステータ・ロータペアが出力する整流電圧と、第２ステータ・ロータペアが出力する整流電圧とを加算して高電圧側の第２負荷系に給電し、第１ステータ・ロータペアは低電圧側の第１負荷系に常用的に給電するようにしてもよい。

第１発明の車両用タンデム式回転電機では特に、前記第２ステータ・ロータペアは、前記第１ステータ・ロータペアよりも大きな定格出力電力を有して前記ハウジングの第２整流装置が固定される端面側に配置され、前記第２ステータ・ロータペアのステータコアは、前記第１ステータ・ロータペアのステータコアよりも大形大重量に形成されることを特徴としている。

すなわち、この発明は、相対的に大型かつ大重量をもち熱容量が大きい第２ステータ・ロータペアのステータコアを第２整流装置に近接配置することで、整流装置は、ハウジングを通じての相対的に小さい伝熱抵抗にて第２ステータ・ロータペアの大熱容量のステータコアをヒートシンクとして利用することができる。したがって、回転電機の体格重量を増加することなく、通常の車両用交流発電機よりも過酷な放熱環境に曝される多数の整流素子の温度上昇を良好に抑止することができ、整流素子の温度上昇による整流装置の最大出力電流の削減を防止することができる。

好適な態様において、前記第１ステータ・ロータペアは高頻度使用電気負荷に給電し、
前記第２ステータ・ロータペアは前記常用電気負荷よりも給電頻度が小さい低頻度使用電気負荷に給電する。このようにすれば、常用的に電流が流れて発熱することによりステータコア温度も相対的に高い第１ステータ・ロータペアを第２整流装置から遠ざけ、低頻度にて使用されて発熱頻度が小さくそのステータコア温度も平均して低い第２ステータ・ロータペアを第２整流装置側に配置するため、瞬間的に大電力整流時 発生する高熱を大形大重量で形成する第２ステータ・ロータペアに放熱できるため、一層好適である。

好適な態様において、前記高頻度使用電気負荷の定格電圧は前記低頻度使用電気負荷の定格電圧よりも低電圧とされ、前記第１ステータ・ロータペアは前記第２ステータ・ロータペアよりも低電圧を出力する。このようにすれば、第２ステータ・ロータペアは、出力電力が大きいにもかかわらずその出力電流の増大を抑止できるため、そのステータコアの温度上昇を防止して整流素子のヒートシンク機能を増大することができる。

第２発明の車両用タンデム式回転電機は、前記第１ステータ・ロータペアは高頻度使用電気負荷に給電し、前記第２ステータ・ロータペアは前記常用電気負荷よりも給電頻度が小さい低頻度使用電気負荷に給電し、前記第２ステータ・ロータペアは前記第２整流装置側に配置されることを特徴としている。

すなわち、この発明は、常用的に電流が流れて発熱することによりステータコア温度も相対的に高い第１ステータ・ロータペアを第２整流装置から遠ざけ、低頻度にて使用されて発熱頻度が小さくそのステータコア温度も平均して低い第２ステータ・ロータペアを第２整流装置側に配置するため、瞬間的な大電力整流時に発生する高熱を大形大重量で形成する第２ステータ・ロータペアに放熱することができる。

好適な態様において、前記高頻度使用電気負荷の定格電圧は前記低頻度使用電気負荷の定格電圧よりも低電圧とされ、前記第１ステータ・ロータペアは前記第２ステータ・ロータペアよりも低電圧を出力する。このようにすれば、第２ステータ・ロータペアは、出力電力が大きいにもかかわらずその出力電流の増大を抑止できるため、そのステータコアの温度上昇を防止して整流素子のヒートシンク機能を増大することができる。

本発明の車両用タンデム式回転電機の好適な実施態様を以下の実施例を参照して説明する。ただし、本発明は下記の実施態様に限定されるものではなく、その他の公知技術又はそれと必要機能が等しい技術を組み合わせて本発明を構成しても良いことは当然である。

［実施形態１］
（全体構成の説明）
実施例１の車両用タンデム式回転電機の全体構造を模式軸方向断面図を示す図１を参照して以下に説明する。

１はハウジング、２は第１回転電機部、３は第２回転電機部、４は回転軸、５はプーリ、６、７は軸受け、８は整流器、９はレギュレータ、１０はスリップリング給電機構である。

ハウジング１は、フロントハウジング１１と、センターハウジング１２と、リヤハウジング１３とからなり、スルーボルト１４で締結して構成されている。回転軸４は、軸受け６、７を介してハウジング１に支承されており、プーリ５がハウジング１から前方へ突出する回転軸４の前端部に固定されている。整流装置８、レギュレータ９及びスリップリング給電機構１０は第２回転電機部３のリヤ側にてリヤハウジング１３に固定されている。

第１回転電機部２は、ランデル型ロータコア２１と、ランデル型ロータコア２１に個別に巻装された界磁コイル２２と、ランデル型ロータコア２１の径方向外側に配置されたス
テータコア２３と、ステータコア２３に巻装されたステータコイル２４とを有している。第２回転電機部３は、ランデル型ロータコア３１と、ランデル型ロータコア３１に個別に巻装された界磁コイル３２と、ランデル型ロータコア３１の径方向外側に配置されたステータコア３３と、ステータコア３３に個別に巻装されたステータコイル３４とを有している。上記した第１回転電機部２及び第２回転電機部３は、典型的なランデル型ロータコアをもつ回転電機であって、その他の構造詳細は通常のランデル型回転電機と同じであるためこれ以上の説明は省略する。

スリップリング給電機構１０は、一対のブラシを通じてバッテリ電圧が給電される一対のスリップリングを有している。回転軸には図示省略した２つの励磁電流制御トランジスタが装備されており、これらトランジスタはたとえば光学的にレギュレータ９から受信した指令に基づいて一対のスリップリングから給電されて界磁コイル２２、３２に通電される励磁電流を互いに独立に制御する。

ステータコイル２４は常用の１２Vの車載バッテリ及び電気負荷へ給電し、ステータコ
イル３４は所定の走行モードにおいてたとえば後輪駆動用モータに給電して走行アシスト等を行う。

（ステータ・ロータペアの説明）
この実施形態では、第２回転電機部３は第１回転電機部２の出力電圧（１２V）よりも
格段に高電圧（４２V）かつ大出力とされるが、第２回転電機部３の使用頻度は第１回転
電機部２のそれに比べて格段に低く設定されている。したがって、第２回転電機部３特にそのステータコア３３の温度は第１回転電機部２のステータコア２３の温度よりもずっと低くなっている。ただし、第２回転電機部３の運転時には第２回転電機部３は一時的に大電力を出力する。

（整流装置８の説明）
整流装置８の構成、配置を図１を参照して説明する。整流装置８は２つの三相全波整流器により構成されており、各三相全波整流器は周知のように３つの上アーム側の整流素子（＋ダイオードとも言う）と、３つの下アーム側の整流素子（−ダイオードともいう）からなる。したがって、整流装置８は通常６つの＋ダイオードと合計６つの−ダイオードとを有する。なお、電流値が高い場合にはダイオードを並列接続して使用するため合計１２個の＋ダイオードと合計１２個の−ダイオードを有することになる。図１に一つの＋ダイオード８１と一つの−ダイオード８２とを示す。＋ダイオード８１はリヤハウジング１３の後端面に絶縁シート８３を挟んで固定されており、−ダイオード８２はリヤハウジングの後端面に直接固定されている。

＋ダイオード８１及び−ダイオード８２の放熱について以下に説明する。

第２回転電機部３は、（一部削除）たとえばスリップなどの特殊な走行状況において後輪駆動用モータに給電する。したがって、第２回転電機部３が給電を行う際には、第２回転電機部３の出力電流を整流する整流装置８の三相全波整流器には上記後輪駆動用モータを急駆動するために一時的に大電流が流れ、その＋ダイオード８１及び−ダイオード８２が急激に加熱される。

しかし、この実施形態では、大型大重量の第２回転電機部３のステータコイル３４をリヤハウジング１３に密接させているため、上記＋ダイオード８１及び−ダイオード８２の熱をステータコア３３の大きな熱容量により良好に吸収することができ、第２回転電機部３用の＋ダイオード８１及び−ダイオード８２の一時的な温度上昇を良好に抑止することができる。そのうえ、図示しないバッテリに常時給電するため定常的に発熱している第１
回転電機部２をこれら＋ダイオード８１及び−ダイオード８２から遠ざけているために第１回転電機部２がこれら＋ダイオード８１や−ダイオード８２に熱的に悪影響を与えることも防止することができる。

また、高電圧を発生する第２回転電機３が整流装置８の近くにあるため交流の高電圧配線をコンパクトに整流装置８に配線出来るため低圧側配線のように発電機の外側を這いまわしすることなく高電圧でも絶縁に対して注意をはらう必要がなくなる。

［実施形態２］
実施形態２の車両用タンデム式回転電機の全体構造を模式軸方向断面図で示す図２を参照して以下に説明する。この車両用タンデム式回転電機は実施形態１のそれと同一の基本構造をもつため、異なる点を主として説明する。

８Aは第２回転電機部３の出力を整流する整流器でドライブ側ハウジング１にプーリ５を逃げた形で形成されている。

第２回転電機部３で発電された高電圧出力は、ドライブ側ハウジング１端面に形成した整流装置８Aへ、第１回転電機部２で発電された低電圧出力は、リヤ側ハウジング１３の端面に設けた整流装置８へ分割されて出力されるため、整流装置８Aの放熱問題や、ハウジングの一つの端面に第１回転電機部２の整流装置と第２回転電機部３の整流装置とが集中することによる実装スペース上の問題も解決することができる。更に、第１回転電機部２第２回転電機部３からの出力を伝送するための配線スペースも分散できるため、配線のコンパクト化や配線間又は整流装置間の電気絶縁性の向上も可能となる。

［実施形態３］
実施形態３の車両用タンデム式回転電機を、その軸方向断面図である図３を参照して説明する。この車両用タンデム式回転電機は実施形態１のそれと同一の基本構造をもつため、異なる点のみを重点的に説明する。

第１回転電機部２のランデル型ロータコア２１はハーフコア２０１、２０２とからなり、第２回転電機部３のランデル型ロータコア３１はハーフコア２０２、２０３とからなる。すなわち、この実施形態では、ランデル型ロータコア２１、３１は前側のハーフコア２０１と、中間のハーフコア２０２と、後側のハーフコア２０３とを軸方向に突き合わせて構成されている。ハーフコア２０１は図１に示す第１回転電機部２の前側のハーフコアと同一形状をもち、ハーフコア２０３は図１の第２回転電機部３の後側のハーフコアと同一形状をもつ。また、ハーフコア２０２は、図１の第１回転電機部２の後側のハーフコアと第２回転電機部３の前側のハーフコアとを一体化した形状をもつ。

中間のハーフコア２０２は周方向同位置にてボス部２０２０から最初径方向外側へ延在した爪基部（ポール部ともいう）２０２１と、この爪基部２０２１から互いに軸方向反対側へ延在する爪部２１２、３１２をもつ。このようにすれば、部品点数を低減できる他、界磁束磁路の磁気抵抗を減らすことができるため、励磁電流を低減することができる。

３００は、非磁性板からなる遠心翼であり、前側のハーフコア２０１の爪部２１２の先端と後側のハーフコア２０３の爪部３１２の先端とに両端支持されている。これにより、二つロータコア２１、３１の間の遠心翼の枚数を倍増することができるため、ステータコア間軸方向ギャップの一対のコイルエンドの冷却を格段に良好に行うことができる。なお、非磁性の遠心翼３００は、ハーフコア２０２の爪基部２０２１に固定しても良い。
なお、上記図１〜図３では、スリップリング給電機構１０は、スリップリング・ブラシのペアを２つもつものを示したが、３つもつものや４つ持つものでもよいことは明白である。なお、スリップリング・ブラシのペアを２つもつスリップリング給電機構１０により２種類の界磁電流を独立制御する方法については、この発明の要旨ではないため説明を省略する。

実施形態１のランデル型ロータコアをもつ車両用タンデム式回転電機の軸方向模式断面図である。 実施形態２の車両用タンデム式回転電機の軸方向模式断面図である。 実施形態３の車両用タンデム式回転電機の軸方向模式断面図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 第１回転電機部（第１ステータ・ロータペア）
３ 第２回転電機部（第２ステータ・ロータペア）
４ 回転軸
５ プーリ
８ 整流装置
９ レギュレータ
１０ スリップリング給電機構
１１ フロントハウジング
１２ センターハウジング
１３ リヤハウジング
１４ スルーボルト
２１ ランデル型ロータコア
２２ 界磁コイル
２３ ステータコア
２４ ステータコイル
３１ ランデル型ロータコア
３２ 界磁コイル
３３ ステータコア
３４ ステータコイル
８１ ＋ダイオード（整流素子）
８２ −ダイオード（整流素子）
８３ 絶縁シート
２０１ ハーフコア
２０２ ハーフコア
２０２０ ボス部
２０２１ 爪基部
２０３ ハーフコア
２１２ 爪部
３００ 遠心翼
３１２ 爪部

Claims (5)

1. 界磁コイルが巻装されたランデル型ロータコアとステータコイルが巻装されたステータコアとをそれぞれ有するとともに、前記各ロータコアは同一の回転軸に軸方向に隣接して固定されてエンジンにより駆動される第１ステータ・ロータペア及び第２ステータ・ロータペアと、
   前記両ステータ・ロータペアを囲包するとともに前記両ステータ・ロータペアのステータコアが固定されるハウジングと、
   前記ハウジングの一端面から突出する前記回転軸に装備されたプーリーと、
   前記ハウジングの端面に直接又は介在部材を介して固定されて前記ハウジングに直接又は前記介在部材を介して熱伝導良好に放熱する整流素子を有して前記第１ステータ・ロータペアの出力電流を整流する第１整流装置と、
   前記ハウジングの端面に直接又は介在部材を介して固定されて前記ハウジングに直接又は前記介在部材を介して熱伝導良好に放熱する整流素子を有して前記第２ステータ・ロータペアの出力電流を整流する第２整流装置と、
   前記第１、第２ステータ・ロータペアの界磁電流を独立制御するコントローラと、
   を備える車両用タンデム式回転電機において、
   前記第２ステータ・ロータペアは、前記第１ステータ・ロータペアよりも大きな定格出力電力を有して前記ハウジングの第２整流装置が固定される端面側に配置され、
   前記第２ステータ・ロータペアのステータコアは、前記第１ステータ・ロータペアのステータコアよりも大形大重量に形成されることを特徴とする車両用タンデム式回転電機。
2. 請求項１記載の車両用タンデム式回転電機において、
   前記第１ステータ・ロータペアは高頻度使用電気負荷に給電し、前記第２ステータ・ロータペアは前記常用電気負荷よりも給電頻度が小さい低頻度使用電気負荷に給電することを特徴とする車両用タンデム式回転電機。
3. 請求項２記載の車両用タンデム式回転電機において、
   前記高頻度使用電気負荷の定格電圧は前記低頻度使用電気負荷の定格電圧よりも低電圧とされ、
   前記第１ステータ・ロータペアは前記第２ステータ・ロータペアよりも低電圧を出力することを特徴とする車両用タンデム式回転電機。
4. 界磁コイルが巻装されたランデル型ロータコアとステータコイルが巻装されたステータコアとをそれぞれ有するとともに、前記各ロータコアは同一の回転軸に軸方向に隣接して固定されてエンジンにより駆動される第１ステータ・ロータペア及び第２ステータ・ロータペアと、
   前記両ステータ・ロータペアを囲包するとともに前記両ステータ・ロータペアのステータコアが固定されるハウジングと、
   前記ハウジングの一端面から突出する前記回転軸に装備されたプーリーと、
   前記ハウジングの端面に直接又は介在部材を介して固定されて前記ハウジングに直接又は前記介在部材を介して熱伝導良好に放熱する整流素子を有して前記第１ステータ・ロータペアの出力電流を整流する第１整流装置と、
   前記ハウジングの端面に直接又は介在部材を介して固定されて前記ハウジングに直接又は前記介在部材を介して熱伝導良好に放熱する整流素子を有して前記第２ステータ・ロータペアの出力電流を整流する第２整流装置と、
   前記第１、第２ステータ・ロータペアの界磁電流を独立制御するコントローラと、
   を備える車両用タンデム式回転電機において、
   前記第１ステータ・ロータペアは高頻度使用電気負荷に給電し、前記第２ステータ・ロータペアは前記常用電気負荷よりも給電頻度が小さい低頻度使用電気負荷に給電し、
   前記第２ステータ・ロータペアは前記第２整流装置側に配置されることを特徴とする車両用タンデム式回転電機。
5. 請求項４記載の車両用タンデム式回転電機において、
   前記高頻度使用電気負荷の定格電圧は前記低頻度使用電気負荷の定格電圧よりも低電圧とされ、
   前記第１ステータ・ロータペアは前記第２ステータ・ロータペアよりも低電圧を出力することを特徴とする車両用タンデム式回転電機。

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