JP2007181396A - 車両用交流発電機 - Google Patents
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Abstract
【課題】部品組付が容易であって十分なサービス性を有するとともに、大幅なコストアップを伴わずに耐震性を向上させることができる車両用回転電機を提供すること。
【解決手段】回転駆動される回転子2と、回転子2と対向配置される固定子鉄心31とこの固定子鉄心31に装備された固定子巻線32とを有する固定子3と、回転子2および固定子3を支持するフレーム4とが備わっている。固定子巻線32は、ほぼ矩形断面形状を有する複数の電気導体で構成されており、これらの電気導体は銅とアルミニウムの両方で構成されている。
【選択図】図8
【解決手段】回転駆動される回転子2と、回転子2と対向配置される固定子鉄心31とこの固定子鉄心31に装備された固定子巻線32とを有する固定子3と、回転子2および固定子3を支持するフレーム4とが備わっている。固定子巻線32は、ほぼ矩形断面形状を有する複数の電気導体で構成されており、これらの電気導体は銅とアルミニウムの両方で構成されている。
【選択図】図8
Description
本発明は、自動車やトラック等に搭載される車両用交流発電機に関する。
従来から、多数のU字状の電気導体を用いたセグメント方式の固定子巻線が知られている。電気導体の材質としては銅が一般的であるが、軽量化や被水によるコイル腐食の防止を目的に、電気導体の材質としてアルミニウムを用いたものも知られている(例えば、特許文献1参照。)。
ところで、固定子巻線を銅の電気導体を用いて構成した場合には、固定子巻線の引出線と整流器との間の電気的接合は、整流器のターミナルも一般には銅であるため、TIG(tungsten inert−gas)溶接等を用いて容易に実現することができた。また、同材料同士のため、半田付けによる接合も容易であり、市場での修理も簡単であってサービス性も良かった。
一方、固定子巻線をアルミニウムの電気導体を用いて構成した場合には、固定子巻線の引出線と整流器との電気的接合は難しい。アルミニウムの電気導体と整流器の銅のターミナルは異種金属であるため融点が異なり、TIG溶接等に適していないからである。
技術的には、超音波溶着や摩擦圧接等で接合する方法があるが、この場合には専用の特殊設備が必要になって、海外の拠点における組み付けや、国内の小規模ラインにおける部品組付けを容易に行うことができないという問題がある。また、銅の電気導体とアルミニウムのターミナルとの間の半田付けが難しいため、市場での修理や部品交換ができず、サービス性が大幅に低下してしまう。
さらに、エンジンに搭載される回転電機は、厳しい振動条件下にあり、固定子巻線の引出線は、固定子巻線の他の電気導体に比べて長く引き回されるため、機械強度の低いアルミニウムの引出線において耐震性が低下するという問題があった。
特開平11−191946号公報(第5−7頁、図1−12)
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、部品組付が容易であって十分なサービス性を有するとともに、大幅なコストアップを伴わずに耐震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、本発明の車両用回転電機は、回転駆動される回転子と、回転子と対向配置される固定子鉄心とこの固定子鉄心に装備された固定子巻線とを有する固定子と、回転子および固定子を支持するフレームとを備えており、固定子巻線は、ほぼ矩形断面形状を有する複数の電気導体で構成されており、複数の電気導体は銅とアルミニウムの両方で構成されている。これにより、振動が大きく耐震性が要求される部分のみ部分的に銅の電気導体を用い、それ以外にアルミニウムの電気導体を用いることができるため、大幅なコストアップを伴わずに固定子巻線全体の耐震性を向上させることができる。
また、上述した固定子巻線に接続されて固定子巻線から出力される交流電圧を整流する整流器をさらに備え、少なくとも整流器に接続される電気導体が銅で構成されていることが望ましい。これにより、固定子巻線と整流器との接続を、従来からよく用いられているTIG溶接等で行うことが可能になり、海外での組付けや国内での小規模組み付けが可能になるとともに、半田付けが可能になることによって市場でのサービス性を向上させることが可能になる。
また、上述した整流器に接続される電気導体は、全体が固定子鉄心に形成されたスロット外に配置されていることが望ましい。これにより、銅の電気導体を使用する部分を最小の範囲に抑えることができ、アルミニウムの電気導体の割合を増加させて軽量化や被水に対する腐食防止の効果を高めることができる。
また、上述した固定子巻線を構成する複数の電気導体は、本数比率で3〜9%が銅であり、残りがアルミニウムであることが望ましい。このように、固定子巻線全体に対する銅の電気導体の割合を少なくすることにより、部品組付性やサービス性を向上させつつ軽量化や腐食防止を図ることが可能になる。
また、上述した電気導体は、固定子鉄心に形成されたスロット内に配置される2つの直線部と、2つの直線部をつなぐターン部とを含むほぼU字状のセグメント導体であり、異なるセグメント導体に含まれる直線部の端部同士を接合することによって固定子巻線が形成されており、固定子鉄心の軸方向端面から突出した電気導体によって固定子巻線のコイルエンドが形成され、コイルエンドに対向する位置に、回転子と一体となって回転する冷却ファンが設けられていることが望ましい。ほぼU字状のセグメント導体によって電気導体を構成する場合には、一部のセグメント導体の材質をアルミニウムから銅に変更すればよいため、固定子巻線を構成する電気導体を銅とアルミニウムの両方で構成することが容易となる。
以下、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。
図1は、車両用交流発電機1の断面図である。図1に示すように、本実施形態の車両用交流発電機1は、回転子2、固定子3、フレーム4、整流器5、レギュレータ11等を含んで構成されている。この車両用交流発電機1は、エンジン(図示せず)から回転力を受けるプーリ20を有する。プーリ20は、シャフト6に回転子2とともに固定されている。回転子2は、一対のランデル型鉄心21と界磁巻線24とを有しており、エンジンによって回転駆動される。ランデル型鉄心21の軸方向端面には冷却ファン22、23が設けられている。冷却ファン22、23は、フレーム4の軸方向の開口部41から冷却風を内部に取り込み、取り込んだ冷却風を径方向の開口部42に向けて吹き出す。この冷却風により、固定子3の固定子巻線32や、固定子巻線32に接続されて固定子巻線32から出力される交流電圧を整流する整流器5や出力電圧を調整するレギュレータ11等が冷却される。シャフト6は、フレーム4に回転自在に支持されており、反プーリ側の端部近傍にはスリップリングが設けられている。また、フレーム4には、回転子2の外周側に位置して固定子3が固定されている。
次に、固定子3の詳細について説明する。図2は、固定子巻線32を構成するセグメント導体30の斜視図である。また、図3は図2に示したセグメント導体30の組み付け状態を示す斜視図である。固定子3は、電気導体としての複数のセグメント導体30によって構成される固定子巻線32と、この固定子巻線32が装備される複数のスロット310が形成されている固定子鉄心31と、固定子巻線32と固定子鉄心31とに挟まれた絶縁シート34とを有する。上述した回転子2および固定子3はフレーム4によって支持されている。
固定子鉄心31のスロット310に装備された固定子巻線32は複数の電気導体により構成され、各スロット310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。これらの各電気導体は、ほぼ矩形断面形状を有している。また、一のスロット310内の4本の電気導体は、図3に示すように固定子鉄心31の径方向に沿って内側から内端層、内中層、外中層、外端層の順で一列に配置されている。
一のスロット310内の内端層の電気導体331aは、固定子鉄心31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310内の外端層の電気導体331bと対をなしている。同様に、一のスロット310内の内中層の電気導体332aは固定子鉄心31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310内の外中層の電気導体332b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31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331c、332cを経由することで接続される。
したがって、固定子鉄心31の一方の端面側においては、外中層の電気導体332bと内中層の電気導体332aとをターン部332cを経由して接続する連続線を、外端層の電気導体331bと内端層の電気導体331aとをターン部331c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31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332cが、同じスロット310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331cにより囲まれる。外中層の電気導体332bと内中層の電気導体332a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331bと内端層の電気導体331aとの接続により端層コイルエンドが形成される。
一方、一のスロット310内の内中層の電気導体332aは、固定子鉄心31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310内の内端層の電気導体331a’とも対をなしている。同様に、一のスロット310内の外端層の電気導体331b’は、固定子鉄心31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310内の外中層の電気導体332b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31の軸方向の他方の端面側において接続される。
したがって、固定子鉄心31の他方の端面側においては、外端層の電気導体331b’と外中層の電気導体332bとを接続する外側接合部333bと、内端層の電気導体331a’と内中層の電気導体332aとを接続する内側接合部333a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331b’と外中層の電気導体332bとの接続、および内端層の電気導体331a’と内中層の電気導体332a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。
さらに、図2に示すように、内端層の電気導体331aと外端層の電気導体331b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331により提供される。また、内中層の電気導体332aと外中層の電気導体332b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332により提供される。基本となるU字状のセグメント導体30は、大セグメント331と小セグメント332によって形成される。各セグメント331、332は、スロット310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331f、331g、332f、332gを備える。これら斜行部によって、固定子鉄心31から軸方向の両端面に突出するリア側コイルエンド群32Rとフロント側コイルエンド群32Fが形成されており、回転子2の軸方向の両端面に取り付けられた冷却ファン22、23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、固定子巻線32の引出し線も配置されている。
以上の構成を、全てのスロット310のセグメント導体30について繰り返す。そして、反ターン部側のフロント側コイルエンド群32Fにおいて、外端層の端部331e’と外中層の端部332e、並びに内中層の端部332dと内端層の端部331d’とがそれぞれTIG溶接や超音波溶着等の手段によって接合されて外側接合部333bおよび内側接合部333aが形成され、電気的に接続されている。
本実施形態では、上述したセグメント導体30を用いることにより、図4に示す2種類の三相巻線32A、32Bが形成されており、これらの三相巻線32A、32Bによって固定子巻線32が構成されている。三相巻線32A、32Bは、ともにY結線されており、互いに電気角で30度位相がずれている。
図5は、固定子巻線32を構成する2種類の三相巻線32A、32Bの引出し線および中性点の配置を示す図である。図5において、Xb、Yb、Zbは一方の三相巻線32Aの3本の引出し線を、N1は一方の三相巻線32Aの中性点を、Ub、Vb、Wbは他方の三相巻線32Bの3本の引出し線を、N2は他方の三相巻線32Bの中性点をそれぞれ示している。これらの引出し線Xb、Yb、Zb、Ub、Vb、Wbおよび中性点N1、N2は、リア側コイルエンド群32R側に配置されている。また、これらの引出し線Xb、Yb、Zb、Ub、Vb、Wbは、整流器5に備わった銅のターミナル51に接合される。
図6は、一方の三相巻線32Aに対応する引出し線Yb、Zbと中性点N1の詳細形状を示す図である。また、図7は引出し線および中性点として用いられるセグメント導体の組み付け状態を示す斜視図である。図7に示すように、リア側コイルエンド群32R側から突出する引出し線等は、ターン部を有しない直線状のセグメント導体30’を用いて形成されている。このセグメント導体30’は、セグメント導体30の一方の直線部をターン部で折り返さずにそのまま延長した形状を有している。したがって、図7に示すように、セグメント導体30とともに固定子鉄心31のスロット310に挿入して先端部側を折り曲げることにより、セグメント導体30’の端部を他のセグメント導体30の端部と接合することができ、容易に引出し線Xb等を形成することができる。
本実施形態では、このように形成される6本の引出し線Xb、Yb、Zb、Ub、Vb、Wbに対応するセグメント導体30’が銅によって構成されており、その他のU字状のセグメント導体30および中性点に対応する6本のセグメント導体30’がアルミニウムによって構成されている。また、例えば、スロット310の数が96個に設定されており、セグメント導体の本数比率でほぼ3%が銅のセグメント導体30’となっている。
このように、本実施形態の車両用交流発電機1では、固定子巻線32の一部のセグメント導体30’を銅で、それ以外のセグメント導体30等をアルミニウムで構成している。したがって、振動が大きく耐震性が要求される部分のみ部分的に銅のセグメント導体30’を用い、それ以外にアルミニウムのセグメント導体30を用いることができるため、大幅なコストアップを伴わずに固定子巻線32全体の耐震性を向上させることができる。
特に、少なくとも整流器5に接続される引出し線としてのセグメント導体30’を銅で構成することにより、固定子巻線32と整流器5との接続を、従来からよく用いられているTIG溶接等で行うことが可能になり、海外での組付けや国内での小規模組み付けが可能になる。また、半田付けが可能になることによって、市場での固定子巻線32と整流器5との間の接続を外したり再び接続したりすることができ、部品交換が可能になるため、市場でのサービス性を向上させることが可能になる。
なお、固定子巻線32の内部では、銅のセグメント導体30’とアルミニウムのセグメント導体30とを接合する部分が生じるが、この部分の接合は専用設備を用いて超音波溶着や固溶接合等で行うことができる。固定子3単体で考えると、銅のセグメント導体のみ、あるいはアルミニウムのセグメント導体のみの構成に対して複雑になるが、元々図2に示したセグメント導体30を用いた固定子3は構造が複雑であるため大きな工場において専用設備を用いて製造することになる。したがって、アルミニウムのセグメント導体と銅のセグメント導体の接合についてもこのような大きな工場において専用設備を用いて行えばよく、海外や国内の小規模工場ではこのようにして大工場で製造された固定子3を用いて組み付けのみを行えばよく、この組み付けにおいては銅のセグメント導体と整流器とを接続することになるため良好な組み付け性を確保することができる。また、市場においてはセグメント導体同士の接合部を修理することは皆無であり(修理する必要が生じた場合とは固定子巻線の断線が生じたときであり、固定子3全体を交換することになる)、全てのセグメント導体を銅とした場合と同様のサービス性を確保することが可能になる。
また、整流器5に接続される引出し線としてのセグメント導体30は、一部が固定子鉄心31に形成されたスロット310内に配置されているため、スロット310から引き出されて整流器5に接続される引出し線の継ぎ目をなくすことができ、コイルエンドを形成する他の電気導体に比べて長くなる引出し線の耐震性をさらに向上させることができる。
また、ほぼU字状のセグメント導体30を用い、異なるセグメント導体の端部同士を接合することによって固定子巻線32を形成しているため、一部のセグメント導体の材質をアルミニウムから銅に変更するだけで容易に固定子巻線を構成する電気導体を銅とアルミニウムの両方で構成することができる。
なお、上述した実施形態では、固定子巻線32に含まれる引出し線に対応するセグメント導体のみを銅で、それ以外のセグメント導体をアルミニウムで構成したが、銅で構成したセグメント導体の本数を増やすようにしてもよい。例えば、中性点N1、N2を形成するセグメント導体30’を銅で構成したり、引出し線と直接接続されるU字状のセグメント導体30を銅で構成するようにしてもよい。本数比率で3〜9%の範囲内であれば、アルミニウムのセグメント導体30を用いることによる軽量化や被水による腐食防止の効果を十分期待することができる。
本発明では、図8に示すように、スロット310内に配置される部分をアルミニウムで構成し、スロット310から突出して整流器5に接続される部分(引出し線Yb’、Zb’等)のみを銅で構成し、途中でこれらを溶接するようにしてもよい。このような構成を採用した場合であっても、整流器5のターミナル51と引出し線Yb’、Zb’等との間の組み付け性を向上させることができ、市場におけるサービス性の向上を図ることが可能になる。また、銅の電気導体を使用する部分を最小の範囲に抑えることができ、アルミニウムの電気導体の割合を増加させて軽量化や被水に対する腐食防止の効果を高めることができる。
また、上述した実施形態では、図4に示したような2種類の三相巻線32A、32Bを組み合わせて固定子巻線32を構成したが、1種類の三相巻線によって固定子巻線を構成するようにしてもよい。また、図9や図10に示すような2種類のY結線を直列化した千鳥結線の固定子巻線において本発明を適用するようにしてもよい。あるいは、図11に示すようなΔ結線と千鳥結線とを組み合わせた固定子巻線や、図12に示すようなΔ結線とY結線とを組み合わせた固定子巻線において本発明を適用するようにしてもよい。
1 車両用交流発電機
2 回転子
3 固定子
4 フレーム
5 整流器
11 レギュレータ
20 プーリ
30 セグメント導体
31 固定子鉄心
32 固定子巻線
2 回転子
3 固定子
4 フレーム
5 整流器
11 レギュレータ
20 プーリ
30 セグメント導体
31 固定子鉄心
32 固定子巻線
Claims (2)
- 回転駆動される回転子と、前記回転子と対向配置される固定子鉄心とこの固定子鉄心に装備された固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子および前記固定子を支持するフレームと、前記固定子巻線に接続されて前記固定子巻線から出力される交流電圧を整流する整流器とを備える車両用交流発電機において、
前記固定子巻線は、ほぼ矩形断面形状を有する複数の電気導体で構成され、前記複数の電気導体は銅とアルミニウムの両方で構成され、
前記整流器の銅ターミナルに接続される各相の引出し線を構成する前記電気導体が1本の銅で形成されており、
銅で構成される前記電気導体とアルミニウムで構成される前記電気導体との接合を、他の部材を介さずに行うと共に、
前記整流器に接続される前記電気導体は、全体が前記固定子鉄心に形成されたスロット外に配置されていることを特徴とする車両用交流発電機。 - 請求項1において、
前記電気導体は、前記固定子鉄心に形成されたスロット内に配置される2つの直線部と、前記2つの直線部をつなぐターン部とを含むほぼU字状のセグメント導体であり、異なる前記セグメント導体に含まれる前記直線部の端部同士を接合することによって前記固定子巻線が形成されており、
前記固定子鉄心の軸方向端面から突出した前記電気導体によって前記固定子巻線のコイルエンドが形成され、前記コイルエンドに対向する位置に、前記回転子と一体となって回転する冷却ファンが設けられていることを特徴とする車両用交流発電機。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007087519A JP2007181396A (ja) | 2007-03-29 | 2007-03-29 | 車両用交流発電機 |
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2007
- 2007-03-29 JP JP2007087519A patent/JP2007181396A/ja active Pending
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