JP2007282420A - 車両用交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】タンデム式車両用交流発電機の軸長を短縮しつつその性能を向上すること。
【解決手段】一対のランデル型ロータコア２１、３１をタンデム配置し、ステータコイル２４、３４をセグメント順次接続型コイルにより構成したタンデム式車両用交流発電機において、ランデル型ロータコア２１、３１の軸方向外側に配置されるディスク部（内側配置ディスク部）２１２、２１３の軸方向中心位置を、電機子鉄心（ステータコア）２３、３３の軸方向存在範囲内に配置する。これにより、互いに近接するステータコイル２４、３４の軸方向内側のコイルエンド２４２、３４２の間の軸方向隙間を拡大して、コイルエンド２４２、３４２の冷却性を向上し、コイルエンド２４２、３４２間の相互インダクタンスを低減することができるため、出力向上と二つの発電ユニットの独立制御性を向上することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は車両用交流発電機に関し、特にその車両搭載性の改善に関する。

近年、車両電気負荷の多様化にともない複数の発電電力の供給ニーズがあり、エンジン近傍に二つの発電機を配置することが提案されている。しかし、特に横置きエンジンにおいては車両衝突時の変形に対する余裕空間確保の必要性から、発電機を二つもエンジン近傍に設置することは困難であった。このため、それぞれステータとロータとからなる一対の発電ユニットを一つの発電機ハウジング内に軸方向へタンデム配置したタンデム式車両用交流発電機が下記の特許文献１に提案されている。

しかしながら、通常の車両用交流発電機に比較してこのタンデム式車両用交流発電機の軸方向長は大幅に増大するため、発電機がエンジンの横の排気管や吸気管などと干渉するという問題が生じ、実用化は容易ではなかった。

この問題に関し、出願人は、多数のＵ字状セグメント導体を順次接続してなる電機子巻線（以下、セグメント順次接合ステータコイルとも言う）をタンデム式車両用交流発電機のステータコイルとして採用することを先に提案した。なお、このセグメント順次接合ステータコイル構造において、各Ｕ字状セグメント導体の一対の脚部は、互いに１磁極ピッチ離れた一対のスロットに軸方向一方側から個別に挿通される。また、電機子巻線の一対のコイルエンドのうち軸方向他方側に突出した各脚部により構成される。なお、この種のセグメント順次接合ステータコイルは、もはや広く知られているが、必要であれば、本出願人が保有する下記の特許文献２ー４を参照されたい。

このセグメント順次接合ステータコイルは通常のステータコイルに較べてコイルエンドの軸方向長を短縮できる。したがって、軸方向に並んだ二つの電機子の軸方向長さの合計により規定されるため軸方向長が大幅に増大するタンデム式車両用交流発電機にこのセグメント順次接合ステータコイルを採用すると、通常の車両用交流発電機に較べてコイルエンド長短縮効果を２倍享受できるため、タンデム式車両用交流発電機の軸方向長を実用レベルとすることができる。言い換えると、従来公知のタンデム式車両用交流発電機は、このセグメント順次接合ステータコイルとの組み合わせによって初めて実用上要求される軸方向長をもつことが可能となった。
実開昭５７−４２５６５号公報 特許第３１１８８３７号公報 特許第３１７８４６８号公報 特許第３１９９０６８号公報

しかしながら、本発明者らは、上記したセグメント順次接合ステータコイルを採用したタンデム式車両用交流発電機（以下、セグメントコイル型タンデム式車両用交流発電機と称するものとする）では、次の問題が存在することを見い出した。すなわち、タンデム式車両用交流発電機の軸方向長は、タンデム配置された一対の電機子の軸方向長と、同じくタンデム配置された一対のランデル型界磁子を含む回転子構造体の軸方向長とにより決定される。すなわち、タンデム式車両用交流発電機の電機子にセグメント順次接続型コイルを用いて一対の電機子の軸方向長を短縮しても、回転子構造体の軸方向長がそのままであればタンデム式車両用交流発電機の軸方向長を短縮することはできない。

なお、ここで言う回転子は、上記したランデル型界磁子とその両側に配置された一対の軸受けと含む。また、軸受けとしばしば軸方向等位置にてランデル型界磁子の軸方向両端面には冷却ファンが配置される。つまり、タンデム式車両用交流発電機の電機子ペアにセグメント順次接続型コイルを用いて電機子ペアの軸方向長を短縮しても、回転子構造体の軸方向長短縮が困難であるため、タンデム式車両用交流発電機の軸方向長短縮が困難であることがわかった。

また、従来のタンデム式車両用交流発電機では、二つの電機子が軸方向に近接配置されるために、種々の問題が派生することが判明した。

第１の問題は、二つの電機子鉄心の間に突出する二つのコイルエンド（内側コイルエンドとも言う）への冷却風の供給が容易ではなく、これらコイルエンドの温度上昇が問題となることである。すなわち、通常の車両用交流発電機では、二つのコイルエンドは回転子構造体の遠心ファンの径方向外側に配置されるため良好に冷却されるが、タンデム式車両用交流発電機の内側コイルエンドの径方向内側への遠心ファンの設置及びこの遠心ファンへの冷却空気流の注入の両方とも困難である。

第２の問題は、二つの内側コイルエンドが軸方向に隣接配置されるために両者の間のインダクタンスにより、一方の電機子コイルに流れる三相交流電流によりもう一方の電機子コイルに三相交流電流が誘導されてしまうことである。この誘導は、二つの発電ユニットの独立制御性を悪化させる。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、軸方向長の増大を抑止しつつ電機子コイルの温度上昇を低減し、かつ、発電ユニットの制御性を向上可能な車両用交流発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第１発明は、回転軸に嵌着固定された円筒状鉄心により構成されて外周面に界磁巻線が巻装されたボス部と、前記ボス部の両端から径方向外側へ個別に延在する輪板状鉄心によりそれぞれ構成される一対のディスク部と、前記両ディスク部の径方向外端部から軸方向対向向きに延在してＮ極とＳ極とを周方向交互に形成する合計偶数個の爪状磁極部とを有するランデル型界磁子と、電機子巻線が巻装されるとともに前記爪状磁極部の径方向外側に位置してハウジングに固定された円筒状の電機子鉄心を有し、前記電機子巻線は前記電機子鉄心の一対のスロットに軸方向一方側から挿通されたＵ字状セグメント導体を順次接続してなるセグメント順次接続型コイルにより構成される電機子とを備え、前記ランデル型界磁子と前記電機子とによりそれぞれ構成される二つの発電ユニットが軸方向に隣接配置され、前記両発電ユニットのランデル型界磁子は同じ回転軸に嵌着固定されてタンデム型回転子を構成する車両用交流発電機において、前記一対のディスク部の一方は、前記電機子鉄心の軸方向存在範囲内に配置された軸方向中心位置をもつ内側配置ディスク部からなり、前記両発電ユニットの内側配置ディスク部は、前記タンデム型回転子の軸方向外側にそれぞれ配置されることを特徴としている。

すなわち、この発明の車両用交流発電機は、セグメントコイル型タンデム式車両用交流発電機のコイルエンドが通常より短いことを利用して一対のランデル型界磁子に対して一対の電機子を軸方向外側へずらして配置している。このため、一対の電機子鉄心の間に存在する二つのコイルエンドの間の軸方向ギャップを大きく確保することができる。

また、一対の電機子の軸方向長がセグメント順次接続型コイルの採用した結果として、車両用交流発電機の軸方向長は一対のランデル型界磁子を含む回転子構造体により規定されるため、上記のように一対の電機子を軸方向に離して配置しても、車両用交流発電機鉄心の軸方向長が増大することはない。

更に、軸方向に隣接する一対のコイルエンド間の隙間を大きく確保できるため、これら一対のコイルエンドの冷却が容易となり、かつ、これら一対のコイルエンド（高温体）同士が加熱しあうことも防止することができる。更に、これら一対のコイルエンド間の電磁結合による誘導電圧を減少させることができるため、二つの発電ユニットの制御性を向上させることができる。

好適な態様において、前記一対のディスク部の他方は、前記電機子鉄心の軸方向存在範囲外に配置された軸方向中心位置をもつ外側配置ディスク部からなり、前記両発電ユニットの外側配置ディスク部は、前記タンデム型回転子の軸方向内側に配置される。このようにすれば、外側配置ディスク部を電機子鉄心の径方向内側のスペースから出したので、界磁コイル配置スペースを広く確保することができるとともに、軸方向内側に配置される一対のコイルエンドの間の軸方向ギャップを十分に確保することができる。

好適な態様において、前記内側配置ディスク部から延在する前記爪状磁極部と、前記外側配置ディスク部から延在する前記爪状磁極部との間の周方向隙間に配置された永久磁石を有し、前記永久磁石は、前記爪状磁極部の磁極を強化する向きに着磁されている。このようにすれば、出力を増大することができる。

更に詳しく説明すると、上記したように電機子を軸方向に偏在させた本発明では、外側配置ディスク部から伸びる爪状磁極部が、内側配置ディスク部と軸方向において重なり、その径方向外側に位置することになる。このため、外側配置ディスク部から伸びる爪状磁極部は、所定ギャップを隔てて周方向に隣接する内側配置ディスク部側の爪状磁極部の他、内側配置ディスク部の表面に対面することになり、多くの磁束が漏洩することになる。つまり、この発明の電機子偏在方式では、通常のランデル型界磁子に較べて漏洩磁束が増大して出力が低下するという問題が生じる。

そこで、この態様では、互いに周方向に隣接する二つの爪状磁極部間の周方向ギャップに各爪状磁極部の磁界を強化する向きに着磁された永久磁石が介設される。このようにすれば、タンデム式車両用交流発電機における上記大きな漏洩磁束を低減して出力を増大することができる。

なお、この永久磁石は、内側配置ディスク部と軸方向に重なる位置まで延設されることが好ましい。これにより、内側配置ディスク部と相手側の爪状磁極部との間の磁束漏洩を更に良好に抑止することができる。

好適な態様において、前記電機子鉄心のティースの径内側先端面の周方向幅は、前記永久磁石の周方向幅よりも狭く形成されている。このようにすれば、電機子鉄心のティースの径内側先端面が永久磁石の配置領域を周方向へ横断する際に、磁石磁束がこのティースの径方向先端面により短絡的に流れるいわゆる磁石磁束の歯先漏れ現象を減らすことができ、その分だけ出力を向上することができる。

好適な態様において、前記電機子鉄心のスロットは毎極毎相あたり複数個配置されている。このようにすれば、ティースの径内側先端面の狭幅化を行ったにもかかわらず、毎極毎相あたりのスロット数が多いために言い換えれば毎極毎相あたりのティース数を多くしたので、電機子鉄心側の磁気回路の磁気抵抗を減らし、飽和磁束量を確保することができ、その結果として電機子鉄心側の磁気回路の磁気抵抗増加による出力低下を抑止することができる。

好適な態様において、前記爪状磁極部の外周側の表面に所定ピッチで凹設されて、前記爪状磁極部の径内側先端面部の渦電流を低減する複数の線状溝部を有する。好適には、この線状溝部の深さは爪状磁極部とステータコア（電機子鉄心）との間の空隙幅と同程度とされるが界磁束の流れを阻害しない範囲で適宜設定すればよい。線状溝部の幅は狭い方が爪状磁極部からティースに流れる磁束量の減少を抑止することができるため好都合である。線状溝部のピッチは、ステータコアのティースの周方向幅よりも狭くされることが、渦電流経路の延長効果を強化する点で好適である。このようにすれば、更なる出力増大を図ることができる。すなわち、永久磁石の追設とティース数の増加によるティースの径内側先端部分における渦電流損失の増大を良好に抑止することができる。界磁コイルの昇温も抑止することができる。

上記課題を解決する第２発明は、回転軸に嵌着固定された円筒状鉄心により構成されて外周面に界磁巻線が巻装されたボス部と、前記ボス部の両端から径方向外側へ個別に延在する輪板状鉄心によりそれぞれ構成される一対のディスク部と、前記両ディスク部の径方向外端部から軸方向対向向きに延在してＮ極とＳ極とを周方向交互に形成する合計偶数個の爪状磁極部とを有するランデル型界磁子と、電機子巻線が巻装されるとともに前記爪状磁極部の径方向外側に位置してハウジングに固定された円筒状の電機子鉄心を有する電機子とを備える車両用交流発電機において、周方向に隣接する前記爪状磁極部の間の周方向隙間に配置されて前記爪状磁極部の磁極を強化する向きに着磁された永久磁石を有し、前記一対のディスク部の少なくとも一方は、前記電機子鉄心の軸方向存在範囲内に配置された軸方向中心位置をもつ内側配置ディスク部からなることを特徴としている。

すなわち、この発明によれば、ランデル型界磁鉄心の一対のディスク部の少なくとも一方の軸方向中心位置を電機子鉄心の端面よりも軸方向内側に配置するという新規な構造を採用している。これに対して、従来のランデル型車両用交流発電機では、ディスク部の軸方向中心位置を電機子鉄心の端面よりも軸方向外側に配置していた。これは、ディスク部の軸方向中心位置を電機子鉄心の端面よりも軸方向内側に配置すると、ディスク部が相手側の爪状磁極部と近接することになり、磁束漏洩が増大して出力が低下することが大きな理由であった。

これに対して、この発明の車両用交流発電機は、互いに周方向に隣接する二つの爪状磁極部間の周方向ギャップに各爪状磁極部の磁界を強化する向きに着磁された永久磁石を介設した。このようにすれば、ランデル型界磁鉄心のディスク部の軸方向中心位置を電機子鉄心の径方向内側に設けることにより相手側の爪状磁極部がディスク部の径方向外側に存在しても、この爪状磁極部の界磁束がこの内側配置ディスク部にリークするのを抑止しつつ、ランデル型界磁鉄心の軸方向長を短縮することができる。

更に説明すると、爪状磁極部が、内側配置ディスク部と軸方向において重なり、その径方向外側に位置すると、他方のディスク部から伸びる爪状磁極部は、所定ギャップを隔てて周方向に隣接する内側配置ディスク部側の爪状磁極部の他、内側配置ディスク部の表面に対面することになり、多くの磁束が漏洩し、通常のランデル型界磁子に較べて漏洩磁束が増大して出力が低下するという問題が生じる。この問題は、永久磁石の介設により、格段に抑止することができる。

なお、この永久磁石は、内側配置ディスク部と軸方向に重なる位置まで延設されることが好ましい。これにより、内側配置ディスク部と相手側の爪状磁極部との間の磁束漏洩を更に良好に抑止することができる。

好適な態様において、前記電機子巻線は、前記電機子鉄心の一対のスロットに軸方向一方側から挿通されたＵ字状セグメント導体を順次接続してなるセグメント順次接続型コイルにより構成される。既述した第２発明によりランデル型界磁鉄心の軸方向長の短縮しても、電機子のコイルエンドの軸方向長が従来のように長ければ車両用交流発電機自体の軸方向長短縮効果は限定的となる。そこで、この態様では、電機子巻線としてコイルエンドの軸方向長が短いセグメント順次接続型コイルを採用する。これにより、ランデル型界磁鉄心の軸方向長縮小と電機子の軸方向長縮小とを同時に実現できるため、車両用交流発電機の軸方向長の短縮が可能となる。

好適な態様において、前記永久磁石は、前記内側配置ディスク部の径方向外側に延在する。これにより、内側配置ディスク部とその径方向外側まで延在する爪状磁極部の先端部との間の磁束漏れを更に良好に低減することができる。

好適な態様において、前記一対のディスク部の両方は、前記電機子鉄心の軸方向存在範囲内に配置された軸方向中心位置をもつ内側配置ディスク部からなる。これにより、上記したランデル型界磁鉄心の軸方向長の縮小効果を倍増することができる。

好適な態様において、前記電機子鉄心のティースの径内側先端面の周方向幅は、前記永久磁石の周方向幅よりも狭く形成されている。このようにすれば、電機子鉄心のティースの径内側先端面が永久磁石の配置領域を周方向へ横断する際に、磁石磁束がこのティースの径方向先端面により短絡的に流れるいわゆる磁石磁束の歯先漏れ現象を減らすことができ、その分だけ出力を向上することができる。

好適な態様において、前記電機子鉄心のスロットは毎極毎相あたり複数個配置されている。このようにすれば、ティースの径内側先端面の狭幅化を行ったにもかかわらず、毎極毎相あたりのスロット数が多いために言い換えれば毎極毎相あたりのティース数を多くしたので、電機子鉄心側の磁気回路の磁気抵抗を減らし、飽和磁束量を確保することができ、その結果として電機子鉄心側の磁気回路の磁気抵抗増加による出力低下を抑止することができる。

好適な態様において、前記爪状磁極部の外周側の表面に所定ピッチで凹設されて、前記爪状磁極部の径内側先端面部の渦電流を低減する複数の線状溝部を有する。好適には、この線状溝部は、爪状磁極部と電機子鉄心との間のギャップより狭い幅をもち、ピッチは、ティースの径方向最内側の部分の周方向幅よりも小さく形成されることが好適である。線状溝部は、電機子鉄心のティース磁束の変化により爪状磁極部の表面部に形成される渦電流経路を延長させる向きに設けられる。このようにすれば、更なる出力増大を図ることができる。すなわち、永久磁石の追設とティース数の増加によるティースの径内側先端部分における渦電流損失の増大を良好に抑止することができる。界磁コイルの昇温も抑止することができる。

本発明のセグメントコイル型タンデム式車両用交流発電機の好適な実施態様を図面を参照して説明する。

（実施形態１）
（全体構成）
実施形態１のセグメントコイル型タンデム式車両用交流発電機の全体構造を図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は整流器及びレギュレータを含む回路装置、９は前側冷却ファン、１０は後側冷却ファンである。

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、図示しないスルーボルト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。回路装置８はリヤハウジング１３の後端面の外周部に固定されている。

第１回転電機部２は、軟鉄により形成された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とからなるランデル型界磁子と、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に個別に巻装されたステータコイル２４とからなる電機子とからなる。

ランデル型ロータコア（ランデル型界磁鉄心）２１は、回転軸４に嵌着固定された円筒状鉄心により構成されボス部２１１と、ボス部２１１の両端から径方向外側へ個別に延在する輪板状鉄心によりそれぞれ構成される一対のディスク部２１２、２１２’と、両ディスク部２１２、２１２’の外周面（径方向外端部）から軸方向対向向きに延在してＮ極とＳ極とを周方向交互に形成する合計偶数個の爪状磁極部２１３とを有している。ランデル型ロータコア２１は一対のハーフコアのボス部２１１同士を軸方向へ突き合わせてなり、ランデル型ロータコア２１のボス部２１１には界磁コイル２２が巻装されている。ステータコア２３は円筒状の積層電磁鋼板により構成されてフロントハウジング１１とセンターハウジング１２とにより軸方向に挟設されており、ステータコア２３にはセグメント順次接続型コイルからなるステータコイル２４が巻装されている。

第２回転電機部３は、軟鉄により形成された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とからなるランデル型界磁子と、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とからなる電機子とからなる。

ランデル型ロータコア（ランデル型界磁鉄心）３１は、回転軸４に嵌着固定された円筒状鉄心により構成されボス部３１１と、ボス部３１１の両端から径方向外側へ個別に延在する輪板状鉄心によりそれぞれ構成される一対のディスク部３１２、３１２’と、両ディスク部３１２、３１２’の外周面（径方向外端部）から軸方向対向向きに延在してＮ極とＳ極とを周方向交互に形成する合計偶数個の爪状磁極部３１３とを有している。ランデル型ロータコア３１は一対のハーフコアのボス部３１１同士を軸方向へ突き合わせてなり、ランデル型ロータコア２１のボス部３１１には界磁コイル３２が巻装されている。ステータコア３３はセンターハウジング１２とリヤハウジング１３とにより軸方向に挟設されており、ステータコア３３にはセグメント順次接続型コイルからなるステータコイル３４が巻装されている。

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。

その他、回転軸４のリヤ側の端部には界磁コイル給電用のスリップリング及びブラシが設けられているが図示は省略する。ロータコア２１の外側配置ディスク部２１２’とロータコア３１の外側配置ディスク部３１２’は非磁性で輪板状のスペーサ９aを挟持している。この実施形態では、スペーサ９aは銅輪板からなり、ロータコア２１とロータコア３１とを熱的に一体化している。

前側冷却ファン９及び後側冷却ファン１０は、それぞれ遠心冷却翼であり、前側冷却ファン９はロータコア２１の前側の爪状磁極部２１３に固定され、後側冷却ファン１０はロータコア３１の後側の前側の爪状磁極部３１３に固定されている。前側冷却ファン９は、フロントハウジング１１の前端壁の吸入孔から吸い込んだ冷却空気を付勢し、フロントハウジング１１の周壁の吹き出し孔から吹き出させる。これにより、ステータコイル２４のコイルエンド２４１が冷却される。後側冷却ファン１０は、リヤハウジング１３の後端壁の吸入孔から吸い込んだ冷却空気を付勢し、リヤハウジング１３の周壁の吹き出し孔から吹き出させる。これにより、ステータコイル３４のコイルエンド３４１が冷却される。

（ランデル型ロータコアとステータコアとの配置）
以下、この実施形態におけるランデル型ロータコア（ランデル型界磁鉄心）とステータコア（電機子鉄心）との配置について図２を参照して以下に説明する。図２は、図１に示す回転子構造体と電機子と明確化するためにハウジング１の図示を省略した軸方向断面図である。ただし、以下においてディスク部２１２、３１２を内側配置ディスク部と称し、ディスク部２１２’、３１２’を外側配置ディスク部と称する。

図２において、Ｃ１はランデル型ロータコア２１の内側配置ディスク部２１２の軸方向中心位置、Ｃ２はランデル型ロータコア２１の外側配置ディスク部２１２’軸方向中心位置、Ｃ３はランデル型ロータコア３１の外側配置ディスク部３１２’の軸方向中心位置、Ｃ４はランデル型ロータコア３１の内側配置ディスク部３１２の軸方向中心位置を示すラインである。図２に示すようにこの実施形態では、内側配置ディスク部２１２の軸方向中心位置Ｃ１はステータコア２３の前端面ｆよりも後方に配置され、外側配置ディスク部２１２’の軸方向中心位置Ｃ２はステータコア２３の後端面よりも後方に配置されている。また、外側配置ディスク部３１２’の軸方向中心位置Ｃ３はステータコア３３の前端面よりも前方に配置され、内側配置ディスク部３１２の軸方向中心位置Ｃ４はステータコア３３の後端面よりも前方に配置されている。

つまり、この実施形態では、ステータコア（電機子鉄心）２３は、通常のランデル型車両用交流発電機に較べてランデル型ロータコア２１に対して前方に偏設され、ステータコア（電機子鉄心）３３は、通常のランデル型車両用交流発電機に較べてランデル型ロータコア３１に対して後方に偏設されている。

これにより、ステータコイル２４の一対のコイルエンド２４１、２４２のうち軸方向内側のコイルエンド２４２を、ハウジング１の前端内壁面に接触しない範囲で前方へ変位させることができる。同じく、ステータコイル３４の一対のコイルエンド３４１、３４２のうち軸方向内側のコイルエンド３４２をハウジング１の後端内壁面に接触しない範囲で後方へ変位させることができる。

なお、図１に示すように、ハウジング１の前端内壁面及び後端内壁面の軸方向位置は本質的に軸受け６、７の軸方向位置により規定され、軸受け６、７の軸方向位置は本質的にランデル型ロータコア２１、３１の軸方向長により規定される。

この実施形態では、ステータコイル２４、３４は、セグメント順次接続型コイルにより構成されている。セグメント順次接続型コイルについてはもはや広く知られているためその詳細構造については説明を省略する。必要であれば、既述の特許文献２ー４を参照されたい。セグメント順次接続型コイルは、コイルエンド側に突出したＵ字状セグメント導体の先端部を順次接続して多相ステータコイルの各相巻線を構成する。このため、ステータコア２３に巻装されるステータコイル２４のコイルエンド２４１、２４２の軸方向長は通常の巻き線型ステータコイルのそれに比較して短縮することができる。同じく、ステータコア３３に巻装されるステータコイル３４のコイルエンド３４１、３４２の軸方向長は通常の巻き線型ステータコイルのそれに比較して短縮することができる。

これにより、コイルエンド２４１の先端をフロントハウジング１１に接触させることなくステータコア２３を前方へ偏設させ、コイルエンド３４１の先端をリアハウジング１３に接触させることなくステータコア２３を後方へ偏設させることが可能となる。

なお、ステータコア２３とランデル型ロータコア２１とのあいだの磁束流通を確保するため、既述したステータコア２３の前方への偏設はステータコア２３の前端面がランデル型ロータコア２１の前端面よりも前方に突出しない範囲で行われる必要がある。同じく、ステータコア３３とランデル型ロータコア３１とのあいだの磁束流通を確保するため、既述したステータコア３３の後方への偏設はステータコア３３の後端面がランデル型ロータコア３１の後端面よりも後方に突出しない範囲で行われる必要がある。

上記配置を採用することにより、以下の効果を奏することができる。

図２から明らかなように、ステータコア２３、３３の上記偏設とセグメント順次接続型コイルの採用によるコイルエンドの軸方向長短縮とにより、ステータコイル２４の軸方向内側のコイルエンド２４２を前方へ偏設し、ステータコイル３４の軸方向内側のコイルエンド３４２を後方へ偏設することができるため、ハウジング１の軸方向長を増大することなくコイルエンド２４２、３４２との間の軸方向ギャップＧを大幅に増大することができる。

この増大により、それぞれ高温となるコイルエンド２４２、３４２が互いに熱的に影響しあうことを減らすことができ、コイルエンド２４２、３４２の温度上昇を抑止することができる。図１から明らかなように、軸方向内側のコイルエンド２４２、３４２の冷却は、軸方向外側のコイルエンド２４１、３４１に較べて、格段に困難であるため、この利点は重要となる。

更に、コイルエンド２４２、３４２の間の軸方向ギャップＧの増大により、コイルエンド２４２とコイルエンド３４２との磁気的結合すなわち相互インダクタンスを低減することができるため、一方のコイルエンドを流れる電流変化が他方のコイルエンドに電圧を誘導する現象を低減することができ、二つのステータコイル２４、３４の独立制御性を向上することもできる。

この実施形態では更に、軸方向外側のコイルエンド２４１、３４１は脚部コイルエンドとされ、軸方向内側のコイルエンド２４２、３４２は頭部コイルエンドとされる。これにより、更に、軸方向ギャップＧを増大することができる。更に詳しく説明すると、セグメント順次接続型コイルの二つのコイルエンドは、Ｕ字状セグメント導体のＵ字状頭部からなるコイルエンドと、Ｕ字状セグメント導体の一対の脚部からなるコイルエンドとにより構成されることが知られている。前者を頭部コイルエンドと称し、後者を脚部コイルエンドと称する。Ｕ字状セグメント導体の各脚部の先端同士を接合する必要があるため、脚部コイルエンドは頭部コイルエンドよりも大きな軸方向長をもつ。したがって、軸方向内側のコイルエンド２４２、３４２を、セグメント順次接続型コイルからなるステータコイルの頭部コイルエンドとすることにより、軸方向ギャップＧを一層増大して上記効果を一層増大することができる。

（爪状磁極部間の永久磁石２５、３５）
この実施形態では、図１に示すように、周方向に隣接する爪状磁極部２１３、２１３の間の周方向間隙に永久磁石２５が介設され、周方向に隣接する爪状磁極部３１３、３１３の間の周方向間隙に永久磁石３５が介設されている。ランデル型ロータコア２１に設けた永久磁石２５の配置状態を図３に示す。図３は、ランデル型ロータコア２１を周方向に展開し、求心方向に見た状態を示す部分模式展開図である。

この実施形態では、外側配置ディスク部２１２’、３１２’から軸方向外側に延在する爪状磁極部２１３、３１３が、内側配置ディスク部２１２、３１２の径方向外側へ達するため、永久磁石２５、３５は、内側配置ディスク部２１２、３１２の径方向外側へ達している。すなわち、永久磁石２５の前端は内側配置ディスク部２１２の後端より前方に突出しており、永久磁石３５の後端は内側配置ディスク部３１２の前端より後方に突出している。これにより、永久磁石２５、３５は、周方向に隣接する爪状磁極部２１３、２１３間、及び、周方向に隣接する爪状磁極部３１３、３１３間の磁束漏洩を低減するだけでなく、爪状磁極部２１３、３１３と内側配置ディスク部２１２、３１２との間の磁束漏洩も抑止することができる。すなわち、爪状磁極部２１３、３１３の周方向に面する表面と、その径方向内側の内側配置ディスク部２１２、３１２の表面との間の磁束漏洩も抑止することができるので、その分だけ、界磁束を強化して出力を増加することができる。

（ティース２３１、３３１の形状）
また、この実施形態では、ステータコア（電機子鉄心）２３のティースの径内側先端面の周方向幅を永久磁石２５の周方向幅よりも狭く形成し、ステータコア（電機子鉄心）３３のティースの径内側先端面の周方向幅を永久磁石３５の周方向幅よりも狭く形成している。ステータコア２３、３３の内周面を展開した状態を図４に示す。図４において、２３１、３３１はステータコア２３、３３のティースであり、ｔはティース２３１、３３１の周方向幅である。

このようにすると、ティース２３１、３３１の径内側先端面が永久磁石２５、３５の配置領域を周方向へ横断する際に、磁石磁束がこのティースの径方向先端面により短絡的に流れるいわゆる磁石磁束の歯先漏れ現象を減らすことができ、その分だけ出力を向上することができる。

比較例として、ステータコア（電機子鉄心）２３、３３のティース２３１’、３３１’の径内側先端面の周方向幅を永久磁石２５、３５の周方向幅よりも大きくした場合を図５に示す。ｔ’はティース２３１’、３３１’の周方向幅である。この場合には、永久磁石の略周方向に向いた一対の側面に生じた永久磁石２５、３５のＮ極とＳ極とがティース２３１’、３３１’の径内側先端面を通じて短絡することがわかる。図４、図５において、矢印は永久磁石の漏れ磁束の方向であり、その太さは漏れ磁束の量を示し、長さは漏れ磁束の磁路長を示す。なお、図５において、永久磁石２５、３５の各部において、矢印の太さが異なるのは、永久磁石２５、３５が傾いていて、永久磁石２５、３５の各部において空隙長が異なるためである。

ただし、ティース２３１、３３１の径内側先端面の周方向幅を狭小化すると、図４からわかるように、ステータコア２３、３３の内周面におけるティース２３１、３３１の占有率が減少し、ランデル型ロータコア２１、３１からステータコア２３、３３に流れる界磁束量が減少し、出力が低下する。

この問題は、毎極毎相あたりのスロット数を複数とすることにより解決することができる。毎極毎相あたり６スロットとした例を図６に示す。図６において、Ｓはスロットを示す。

（爪状磁極部２１３、３１３の線状溝部）
上記した永久磁石２５、３５の追加とティース２３１、３３１の数の増加の結果、爪状磁極部２１３、３１３の外周側の表面部における渦電流が増大し、損失の増大、及び爪状磁極部２１３、３１３からの伝熱による界磁コイル加熱とが生じる。この問題は、図７に示すように、ランデル型ロータコア２１の各爪状磁極部２１３の外周表面に溝部（線状溝部）を多数凹設することにより渦電流経路の電流経路を延長して解決することができる。

なお、図７は、図３において、溝部２１３１を追加したものである。もちろん、ランデル型ロータコア３１の爪状磁極部３１３にも同様の溝部が設けられる。図７において、溝部２１３１の深さは爪状磁極部２１３とステータコア２３との間の空隙幅と同程度とされるが、界磁束の流れを阻害しない範囲で適宜設定すればよい。溝部２１３１の幅は狭い方が、爪状磁極部２１３からティース２３１、３３１に流れる磁束量の減少を抑止することができるため好都合である。また、溝部２１３１のピッチは、ステータコア２３のティース２３１の周方向幅よりも狭くされることが好適である。これにより、渦電流経路の延長効果を強化することができる。ただし、溝部２１３１の深さは、界磁束の流れを阻害しない程度に深く形成されることが好適である。

互いに平行に形成される各溝部２１３１の延設方向は、爪状磁極部２１３の外周表面部における渦電流の方向と直角方向とすることが好適であるが、それに限定されない。一例を図７に示す。ただし、各溝部２１３１の延設方向は直線でなく湾曲させてもよい。このようにすれば、爪状磁極部２１３、３１３とステータコア２３、３３との間の空隙の磁束密度が増大し、ティース２３１、３３１の数が増加しても、爪状磁極部２１３、３１３の外周表面における渦電流損失を低減し、界磁コイルの温度上昇も抑止することができる。

（実験結果）
従来製品の車両用交流発電機は、外径143mmで軸長140mmの体格にて2.5kwの発電ユニットを一つ有していた。上記対策をすべて施した結果、外径143mmで軸長140mmで2.5kwの発電ユニットを二つ有するタンデム式車両用交流発電機を実現することができた。すなわち、同一体格にて出力が倍増し、かつ、独立制御可能な２つの発電ユニットを配置することが可能となった。

（実施形態２）
実施形態２の車両用交流発電機を図８、図９を参照して以下に説明する。図８は、この車両用交流発電機のランデル型ロータコアと電機子とからなる発電ユニットを示す軸方向模式図であり、図９はランデル型ロータコアを周方向に展開し、求心方向に見た状態を示す部分模式展開図である。この実施形態の車両用交流発電機は、実施形態１と異なって発電ユニットは一個であり、タンデム式車両用交流発電機ではない。

この実施形態の車両用交流発電機の第１の特徴は、ランデル型ロータコア２１のディスク部２１２の軸方向中心位置Ｃ１がステータコア２３の前端面よりも後方に配置され、ランデル型ロータコア２１の一対のディスク部２１２’の軸方向中心位置Ｃ２がステータコア２３の後端面よりも前方に配置されている点にある。すなわち、一対のディスク部２１２、２１２’は両方とも内側配置ディスク部とされている。これにより、ランデル型ロータコアの軸方向長を縮小することができる。

ステータコイル２４は、実施形態１と同じくセグメント順次接続型コイルとされている。これにより、ステータコイル２４のコイルエンド２４１、２４２の軸方向長短縮を実現することができる。

また、この実施形態では、周方向に隣接する爪状磁極部２１３、２１３の間の周方向間隙に永久磁石２５が介設される。爪状磁極部２１３は、内側配置ディスク部２１２、２１２’の径方向外側へ達し、永久磁石２５は、内側配置ディスク部２１２、２１２’の径方向外側へ達している。これにより、永久磁石２５は、爪状磁極部２１３と内側配置ディスク部２１２、２１２’との間の磁束漏洩を抑止することができる。

また、この実施形態でも実施形態１と同じく、ステータコア（電機子鉄心）２３のティースの径内側先端面の周方向幅は永久磁石２５の周方向幅よりも狭く形成するなどの実施形態１で説明した各特徴構成を併せて実施してもよい。すなわち、実施形態１で説明した各特徴構成とそれによる作用効果は、ランデル式車両用交流発電機に限らず、通常の車両用交流発電機にも適用できる。

実施形態１のタンデム式車両用交流発電機の軸方向断面図である。 図１の発電ユニットを示す模式軸方向断面図である。 図１の一つのランデル型ロータコアの部分展開図である。 図１のステータコアの部分展開図である。 比較例のステータコアの部分展開図である。 図１のステータコアにおいてティース及びスロット数を増加した変形例を示すステータコアの部分展開図である。 図１の爪状磁極部の線状溝部の一例を示す模式部分展開図である。 実施形態２の発電ユニットを示す模式側面図である。 図８のランデル型ロータコアの部分展開図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 第１回転電機部（発電ユニット）
３ 第２回転電機部（発電ユニット）
４ 回転軸
５ プーリ
９a スペーサ
９ 前側冷却ファン
１０ 後側冷却ファン
１１ フロントハウジング
１２ センターハウジング
１３ リアハウジング
２１ ランデル型ロータコア（ランデル型界磁鉄心）
２２ 界磁コイル
２３ ステータコア（電機子鉄心）
２４ ステータコイル（電機子巻線）
２５ 永久磁石
３１ ランデル型ロータコア（ランデル型界磁鉄心）
３２ 界磁コイル
３３ ステータコア
３４ ステータコイル
３５ 永久磁石
２１１ ボス部
２１２ ディスク部（内側配置ディスク部）
２１２’ ディスク部（外側配置ディスク部）
２１３ 爪状磁極部
２１３１ 溝部（線状溝部）
２３１ ティース
２４１ コイルエンド
２４２ コイルエンド
３１１ ボス部
３１２ ディスク部（内側配置ディスク部）
３１２’ ディスク部（外側配置ディスク部）
３１３ 爪状磁極部
３４１ コイルエンド
３４２ コイルエンド

Claims (13)

1. 回転軸に嵌着固定された円筒状鉄心により構成されて外周面に界磁巻線が巻装されたボス部と、前記ボス部の両端から径方向外側へ個別に延在する輪板状鉄心によりそれぞれ構成される一対のディスク部と、前記両ディスク部の径方向外端部から軸方向対向向きに延在してＮ極とＳ極とを周方向交互に形成する合計偶数個の爪状磁極部とを有するランデル型界磁子と、電機子巻線が巻装されるとともに前記爪状磁極部の径方向外側に位置してハウジングに固定された円筒状の電機子鉄心を有し、前記電機子巻線は前記電機子鉄心の一対のスロットに軸方向一方側から挿通されたＵ字状セグメント導体を順次接続してなるセグメント順次接続型コイルにより構成される電機子とを備え、
   前記ランデル型界磁子と前記電機子とによりそれぞれ構成される二つの発電ユニットが軸方向に隣接配置され、前記両発電ユニットのランデル型界磁子は同じ回転軸に嵌着固定されてタンデム型回転子を構成する車両用交流発電機において、
   前記一対のディスク部の一方は、前記電機子鉄心の軸方向存在範囲内に配置された軸方向中心位置をもつ内側配置ディスク部からなり、
   前記両発電ユニットの内側配置ディスク部は、前記タンデム型回転子の軸方向外側にそれぞれ配置されることを特徴とする車両用交流発電機。
2. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
   前記一対のディスク部の他方は、前記電機子鉄心の軸方向存在範囲外に配置された軸方向中心位置をもつ外側配置ディスク部からなり、
   前記両発電ユニットの外側配置ディスク部は、前記タンデム型回転子の軸方向内側に配置される車両用交流発電機。
3. 請求項２記載の車両用交流発電機において、
   前記内側配置ディスク部から延在する前記爪状磁極部と、前記外側配置ディスク部から延在する前記爪状磁極部との間の周方向隙間に配置された永久磁石を有し、
   前記永久磁石は、前記爪状磁極部の磁極を強化する向きに着磁されている車両用交流発電機。
4. 請求項３記載の車両用交流発電機において、
   前記電機子鉄心のティースの径内側先端面の周方向幅は、前記永久磁石の周方向幅よりも狭く形成されている車両用交流発電機。
5. 請求項４記載の車両用交流発電機において、
   前記電機子鉄心のスロットは毎極毎相あたり複数個配置されている車両用交流発電機。
6. 請求項５記載の車両用交流発電機において、
   前記爪状磁極部の外周側の表面に所定ピッチで凹設されて、前記爪状磁極部の径内側先端面部の渦電流を低減する複数の線状溝部を有する車両用交流発電機。
7. 回転軸に嵌着固定された円筒状鉄心により構成されて外周面に界磁巻線が巻装されたボス部と、前記ボス部の両端から径方向外側へ個別に延在する輪板状鉄心によりそれぞれ構成される一対のディスク部と、前記両ディスク部の径方向外端部から軸方向対向向きに延在してＮ極とＳ極とを周方向交互に形成する合計偶数個の爪状磁極部とを有するランデル型界磁子と、
   電機子巻線が巻装されるとともに前記爪状磁極部の径方向外側に位置してハウジングに固定された円筒状の電機子鉄心を有する電機子と、
   を備える車両用交流発電機において、
   周方向に隣接する前記爪状磁極部の間の周方向隙間に配置されて前記爪状磁極部の磁極を強化する向きに着磁された永久磁石を有し、
   前記一対のディスク部の少なくとも一方は、前記電機子鉄心の軸方向存在範囲内に配置された軸方向中心位置をもつ内側配置ディスク部からなることを特徴とする車両用交流発電機。
8. 請求項７記載の車両用回転電機において、
   前記電機子巻線は、前記電機子鉄心の一対のスロットに軸方向一方側から挿通されたＵ字状セグメント導体を順次接続してなるセグメント順次接続型コイルにより構成される車両用交流発電機。
9. 請求項８記載の車両用回転電機において、
   前記永久磁石は、前記内側配置ディスク部の径方向外側に延在する車両用交流発電機。
10. 請求項９記載の車両用回転電機において、
    前記一対のディスク部の両方は、前記電機子鉄心の軸方向存在範囲内に配置された軸方向中心位置をもつ内側配置ディスク部からなる車両用交流発電機。
11. 請求項１０記載の車両用交流発電機において、
    前記電機子鉄心のティースの径内側先端面の周方向幅は、前記永久磁石の周方向幅よりも狭く形成されている車両用交流発電機。
12. 請求項１１記載の車両用交流発電機において、
    前記電機子鉄心のスロットは毎極毎相あたり複数個配置されている車両用交流発電機。
13. 請求項１２記載の車両用交流発電機において、
    前記爪状磁極部の外周側の表面に所定ピッチで凹設されて、前記爪状磁極部の径内側先端面部の渦電流を低減する複数の線状溝部を有する車両用交流発電機。

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