JP2008043026A

JP2008043026A - 車両用回転電機

Info

Publication number: JP2008043026A
Application number: JP2006212775A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Matsubara; 慎一松原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2026-08-04
Also published as: JP5242897B2

Abstract

【課題】固定子巻線の占積率を向上させることができ、これに伴って高出力化、高効率化、耐久性向上が可能な車両用回転電機を提供すること。
【解決手段】車両用交流発電機は、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２２とこの固定子鉄心２２のスロット２５に装備された固定子巻線とを有する固定子２と、回転子および固定子２を支持するフレームとを備えている。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、電気導体は、２以上の複数本をひとつのセットとして、それら電気導体の周囲およびそれらの電気導体の間に絶縁皮膜２４が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用回転電機に関する。

近年のエンジンルームは、車両走行抵抗の低減のためのスラントノーズ化や車室内居住空間の確保のニーズにより狭小化の傾向にあり、車両用交流発電機等の補機類の搭載スペースに余裕がなくなるとともに、車両用交流発電機の周囲の温度も高くなってきている。また、燃費向上のためにアイドリング時のエンジン回転数は下げられ、これに伴って車両用交流発電機の回転数も下がってきているが、その一方で安全制御機器等の電気負荷が増加している。したがって、小型、高出力の特に低回転領域での出力特性の優れた車両用交流発電機が求められている。高出力化、高効率化のためには、まず最大の発熱源である固定子において、巻線抵抗値を低減して熱損失を低減することが考えられる。このためには、断面積が大きい巻線導体を使用するとともに、固定子鉄心のスロット内での導体（固定子巻線）の占有面積率（以下、「占積率」と称する）を向上させることが必要である。占積率の向上に対しては、断面形状がほぼ矩形形状の平角導体を用い、スロットの四隅部分に対応する平角導体の角部のＲ寸法を大きくしてスロットの四隅部分のＲ寸法とこの四隅部分に対応する平角導体の角部のＲ寸法とをほぼ一致させるとともに、それ以外の角部のＲ寸法を小さくした車両用回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。これにより、スロット内で平角導体の周囲に生じる隙間を減らすことで占積率向上による高出力化、高効率化、耐久性向上（温度低減）を実現している。
特開２００３−１８７７９号公報（第４−６頁、図１−９）

ところで、特許文献１の車両用回転電機の固定子に用いられる平角導体でも、それぞれの導体には所定の膜厚の絶縁皮膜が必要であり、１本の導体を取り囲む形で均一な膜厚の絶縁皮膜が形成されていたため、導体と導体との間には２層の絶縁皮膜が存在していた。このため、特に多数の導体をスロット内に納める場合は、この絶縁皮膜が占める割合が大きくなり、スロット内での占積率がその分だけ低下するという問題があった。

また、従来、矩形断面の導体に絶縁皮膜を形成する場合には、その角部のＲ寸法を小さくしてゆくと、角部には平坦部と均一な厚さの絶縁皮膜を形成することが非常に難しく、通常は他の部分よりも絶縁皮膜の厚さが薄くなる。仮に厚い絶縁皮膜を形成することができたとしても、その後の工程で角部が隣接する導体の角部同士が干渉すると絶縁皮膜にキズが付きやすいため、良好な絶縁性を維持することが難しく、結局、角部のＲ寸法をあまり小さくすることができず（例えばＲ＝０．４ｍｍ程度が限界）、占積率向上の障害になっていた。

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、固定子巻線の占積率を向上させることができ、これに伴って高出力化、高効率化、耐久性向上が可能な車両用回転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のスロット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、電気導体は、２以上の複数本をひとつのセットとして、それら電気導体の周囲およびそれらの電気導体の間に絶縁皮膜が形成されている。これにより、隣接する２本の電気導体の間の２層の絶縁皮膜をほぼ１層分の厚さに減らすことができるため、その分スロット内での占積率を上げることができ、これに伴って高出力化、高効率化、耐久性向上を実現することができる。

また、上述した電気導体は、２本をひとつのセットとして絶縁皮膜が形成されていることが望ましい。これにより、絶縁皮膜の膜厚の低減と、電気導体を所定形状に成形する際の作業性を両立させることが可能となる。

また、上述した絶縁皮膜は、２本の電気導体の間の膜厚Ｔがそれ以外の電気導体の周囲の膜厚ｔの２倍よりも薄く設定されていることが望ましい。これにより、各電気導体に個別に絶縁皮膜を形成する場合に比べて、確実に膜厚を薄くして占積率向上を実現することができる。

また、上述した絶縁皮膜は、２本の電気導体の間の膜厚Ｔがそれ以外の電気導体の周囲の膜厚ｔとほぼ同じに設定されていることが望ましい。これにより、絶縁皮膜全体として必要最小限の膜厚ｔを確保しつつ最大限の占積率を実現することができる。

また、ひとつのセットになった複数の電気導体は、隣接する電気導体が存在しない角部の半径ｒを、隣接する電気導体が存在する角部の半径Ｒよりも大きく設定することが望ましい。これにより、大きい半径ｒの角部については絶縁皮膜が部分的に薄くなることを防止することができ、小さい半径Ｒの角部については電気導体が隣接する部分であって絶縁皮膜が部分的に薄くなることを考慮する必要がないためその分半径Ｒを小さくして占積率向上を図ることができる。

また、上述した半径ｒは、スロットの四隅部分のＲ形状に合わせて設定されることが望ましい。スロット形状に合わせて電気導体の角部の形状を設定することにより、スロット内で電気導体の周囲に生じる隙間を減らすことができ、占積率を向上させることができる。

以下、本発明の車両用回転電機を適用した一実施形態の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、一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。図１に示す車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、フレーム４、ブラシ装置５、整流装置６、リヤカバー７等を含んで構成されている。

固定子２は、固定子鉄心２２と、固定子鉄心２２に形成された複数のスロット内に備わった電気導体としての複数のセグメント導体を相互に接合することにより形成された固定子巻線２３とを備えている。固定子２の詳細については後述する。

回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線３１を、それぞれが複数個の爪部を有するポールコア３２によって、回転軸３３を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、フロント側のポールコア３２の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出す送風手段としての冷却ファン３５が溶接等によって取り付けられている。同様に、リヤ側のポールコア３２の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出す送風手段としての冷却ファン３６が溶接等によって取り付けられている。また、回転軸３３のリヤ側端部近傍には、界磁巻線３１の両端に電気的に接続された２つのスリップリング３７、３８が形成されており、これらのスリップリング３７、３８を介してブラシ装置５から界磁巻線３１に対して給電が行われる。

フレーム４は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３が回転軸３３を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３のポールコア３２の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム４は、固定子鉄心２２の軸方向端面から突出した固定子巻線２３に対向した部分に冷却風の吐出窓４１を有し、軸方向端面に吸入窓４２を有している。

ブラシ装置５は、整流装置６から回転子３の界磁巻線３１に励磁電流を流すためのものであり、回転子３の回転軸３３に形成されたスリップリング３７、３８のそれぞれに押圧するブラシ５１、５２を有する。整流装置６は、三相の固定子巻線２３から出力される三相交流電流を整流して直流の出力電力を得るためのものである。リヤカバー７は、リヤ側のフレーム４の外側に取り付けられるブラシ装置５、整流装置６、ＩＣレギュレータ９等の電気部品を覆って、これらを保護するためのものである。

次に、固定子２の詳細について説明する。図２は、固定子２の部分的な断面図である。本実施形態の固定子鉄心２２は、薄い鋼板を積層することにより形成されている。積層される各鋼板は、あらかじめプレス加工によってスロット２５が形成されており、各スロット２５間の歯先部２６には周方向に磁束収集用突起部２７が形成されている。このように、プレス加工によってスロット２５を形成する場合には、各スロット２５の四隅部分２８は所定の円弧形状（ｒ形状）を有することになり、プレス型の寿命や磁路面積の確保等を考慮すると、この円弧の半径（ｒ寸法）を極端に小さくすることはできない。

また、固定子鉄心２２のスロット２５に装備された固定子巻線２３は、複数のセグメント導体により構成され、各スロット２５には複数本（本実施形態では４本）の電気導体が収容されている。また、一のスロット２５内の４本の電気導体は、固定子鉄心２２の径方向について内側から第１層から第４層までが一列に配列されている。これら各層の電気導体は、ほぼＵ字状のセグメント導体の２本の直線部に対応している。第１層が内端層、第２層が内中層、第３層が外中層、第４層が外端層に対応している。

図３は、固定子巻線２３を構成するセグメント導体の斜視図である。図３に示すように、本実施形態では、大小２種類のセグメント導体２３１、２３２が重ね合わされた状態で用いられている。重ね合わされたときに外側に配置される一方のセグメント導体２３１は、矩形断面を有する１本の直線状の電気導体をほぼＵ字状に折り曲げることにより形成され、２つの直線部２３１ａ、２３１ｂと、Ｕ字状の折り返し部分であるターン部２３１ｃと、これらの間をつなぐ斜行部２３１ｆとを有している。また、重ね合わされたときに内側に配置される他方のセグメント導体２３２は、矩形断面を有する１本の直線状の電気導体をほぼＵ字状に折り曲げることにより形成され、２つの直線部２３２ａ、２３２ｂと、Ｕ字状の折り返し部分であるターン部２３２ｃと、これらの間をつなぐ斜行部２３２ｆとを有している。直線部２３１ａ、２３２ａと直線部２３１ｂ、２３２ｂは、互いに１磁極ピッチ離れた２つのスロット２５に収容される。

図２に示すように、２つのセグメント導体２３１、２３２の一方の直線部２３１ａ、２３２ａは２本をセットにして絶縁皮膜２４が形成されている。同様に、２つのセグメント導体２３１、２３２の他方の直線部２３１ｂ、２３２ｂは２本をセットにして絶縁皮膜２４が形成されている。なお、図２において直線部２３１ｂ、２３２ｂに付された「’」は、一方の直線部２３１ａ、２３２ａが含まれるセグメント導体２３１、２３２とは異なる他のセグメント導体２３１、２３２に含まれるものであることを示している。

図４は、隣接した２本の直線部２３１ａ、２３２ａに形成された絶縁皮膜の詳細を示す図である。なお、他の２本の直線部２３１ｂ、２３２ｂについても同様であり、以下では、２本の直線部２３１ａ、２３２ａについて説明を行うものとする。図４に示すように、直線部２３１ａ、２３２ａの周囲に形成された絶縁皮膜２４は、これら２本の直線部２３１ａ、２３２ａに挟まれた領域の膜厚がＴに、それ以外の領域の膜厚がｔに設定されている。また、膜厚Ｔは膜厚ｔの２倍よりも薄く、好ましくは膜厚ｔと同じに設定されている。

また、本実施形態では、２本の直線部２３１ａ、２３２ａのそれぞれにおいて互いに隣接する角部の半径Ｒは、それ以外の角部の半径ｒよりも小さく設定されている。それ以外の角部の半径ｒは、スロット２５の四隅部分２８のｒ寸法に合わせてその値が設定されており、四隅部分２８と直線部２３１ａの角部との間に隙間が生じないようになっている。

ところで、電気導体の周囲に絶縁皮膜２４を形成する場合に、電気導体の表面に鋭角な凸部が存在するとその箇所で絶縁皮膜２４の膜厚が薄くなる。したがって、図５に示すように、１本の電気導体の周囲に絶縁皮膜２４を形成することを考えたときに、電気導体に半径Ｒの角部と半径ｒの角部が存在する場合であって、占積率を高めるために半径Ｒの値をあまり小さくすると、半径Ｒの角部における絶縁皮膜２４の膜厚が他の部分よりも薄くなって絶縁性が悪化することになる。これに対し、本実施形態では、図２や図４に示すように、半径Ｒの角部は２本の電気導体である直線部２３１ａ、２３２ａ同士が隣り合うように配置されるため、これらの角部周辺の絶縁皮膜２４の膜厚が薄くなることはない。

このように、本実施形態では、隣接する２本の電気導体の間の２層の絶縁皮膜２４を１層に減らすことができるため、その分スロット２５内での占積率を上げることができ、これに伴って車両用交流発電機１の高出力化、高効率化、耐久性向上を実現することができる。特に、２本をひとつのセットとして絶縁皮膜２４を形成することにより、絶縁皮膜２４の膜厚の低減と、電気導体を所定形状に成形する際の作業性を両立させることが可能となる。

また、２本の電気導体の間の絶縁皮膜２４の膜厚Ｔを、それ以外の電気導体の周囲の膜厚ｔの２倍よりも薄く設定することにより、各電気導体に個別に絶縁皮膜２４を形成する場合に比べて、確実に膜厚を薄くして占積率向上を実現することができる。特に、２本の電気導体の間の絶縁皮膜２４の膜厚Ｔを、それ以外の電気導体の周囲の膜厚ｔとほぼ同じに設定することにより、絶縁皮膜２４全体として必要最小限の膜厚ｔを確保しつつ最大限の占積率を実現することができる。

また、ひとつのセットになった複数の電気導体は、隣接する電気導体が存在しない角部の半径ｒを、隣接する電気導体が存在する角部の半径Ｒよりも大きく設定している。これにより、大きい半径ｒの角部については絶縁皮膜２４が部分的に薄くなることを防止することができ、小さい半径Ｒの角部については電気導体が隣接する部分であって絶縁皮膜２４が部分的に薄くなることを考慮する必要がないためその分半径Ｒを小さくして占積率向上を図ることができる。

また、半径ｒをスロット２５の四隅部分２８の形状に合わせて設定することにより、スロット２５内で電気導体の周囲に生じる隙間を減らすことができ、占積率を向上させることができる。

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。例えば、上述した実施形態では、２本の電気導体（直線部）を１セットとして絶縁皮膜２４を形成したが、３本以上の電気導体を１セットにしてそれらの周囲およびそれらの間に絶縁皮膜２４を形成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、Ｕ字状のセグメント導体の２本の直線部（電気導体）が隣接する場合について説明したが、直線状の２本あるいはそれ以上の本数のセグメント導体が隣接する場合にも本発明を適用することができる。また、上述した実施形態では、各スロット２５に４本の電気導体が収納される場合について説明したが、それ以上の本数の電気導体が各スロット２５に収納される場合にも本発明を適用することができる。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。固定子の部分的な断面図である。固定子巻線を構成するセグメント導体の斜視図である。隣接した２本の直線部に形成された絶縁皮膜の詳細を示す図である。１本の電気導体の周囲に絶縁皮膜を形成する場合の説明図である。

符号の説明

１車両用交流発電機
２固定子
３回転子
４フレーム
５ブラシ装置
６整流装置
７リヤカバー
２２固定子鉄心
２３固定子巻線
２４絶縁皮膜
２５スロット
２６歯先部
２７磁束収集用突起部
２８四隅部分
３１界磁巻線
３２ポールコア
３３回転軸
２３１、２３２セグメント導体
２３１ａ、２３１ｂ、２３２ａ、２３２ｂ直線部
２３１ｃ、２３２ｃターン部

Claims

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のスロット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を備える車両用回転電機において、
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ており、
前記電気導体は、２以上の複数本をひとつのセットとして、それら電気導体の周囲およびそれらの電気導体の間に絶縁皮膜が形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１において、
前記電気導体は、２本をひとつのセットとして前記絶縁皮膜が形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１または２において、
前記絶縁皮膜は、２本の前記電気導体の間の膜厚Ｔがそれ以外の前記電気導体の周囲の膜厚ｔの２倍よりも薄く設定されていることを特徴とする車両用回転電機。
請求項３において、
前記絶縁皮膜は、２本の前記電気導体の間の膜厚Ｔがそれ以外の前記電気導体の周囲の膜厚ｔとほぼ同じに設定されていることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
ひとつのセットになった複数の前記電気導体は、隣接する前記電気導体が存在しない角部の半径ｒを、隣接する前記電気導体が存在する角部の半径Ｒよりも大きく設定することを特徴とする車両用回転電機。
請求項５において、
前記半径ｒは、前記スロットの四隅部分のＲ形状に合わせて設定されることを特徴とする車両用回転電機。