JP2008061348A - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子巻線の接合部近傍における電解液や異物の滞留を防止す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】回転子と、固定子鉄心およびこの固定子鉄心に装備された複数の被膜付き導体セグメント３３を有する固定子と、回転子と固定子とを支持するフレームとを有する車両用回転電機において、複数の導体セグメント３３は、回転子の回転軸方向の端部３３ｅ同士が径方向および円環状に配列、接合されて接合部を形成し、接合部の近傍の導体セグメント３３の表面には被膜がなく、接合部の近傍に隣接する導体セグメント３３の表面に形成された被膜に含まれる蒸発成分が２００００ｐｐｍ以下に設定されている。
【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、環境問題対策として車両のアイドリング回転数の低下や、燃費向上のための軽量化や、車室内空間確保のためのエンジンルームの狭小化等の要求に対して、エンジンによって駆動される車両用交流発電機などの車載用の回転電機は、小型化や高出力化が求められている。これらの要求に応えるものとして、複数の導体セグメントによって固定子巻線を形成し、異なるスロットから突出する異なる層の導体セグメント同士を接続することにより、固定子巻線の高線積率化や低抵抗化を実現した車両用交流発電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、車両用交流発電機が搭載されるエンジンルーム内は、カーシャンプーや塩水などの電解液や走行中の塵や埃などの異物の飛来が多く、このような環境下でも性能を維持する必要がある。特に、車両用交流発電機は、ファンによって発生する冷却風によって各部の冷却を行っているため、冷却風とともに電解液や異物が車両用交流発電機内部に到達する可能性が大であり、固定子の環境性を確保することは重要な課題であるといえる。
特開２０００−６９７２９号公報（第３−８頁、図１−２３）

ところで、上述した特許文献１に開示された車両用交流発電機では、固定子巻線は複数の導体セグメントの端部同士が溶接により接合されているため、接合部およびその近傍が高温となる。例えば、接合部には被膜が存在せずにその近傍に被覆が存在する場合には、接合時に加わる熱ストレスによって接合部近傍の被膜が劣化する。その被膜の劣化による不具合としては、被覆が劣化した部分に剥離や亀裂が生じやすくなり、この剥離や亀裂によって生じた空隙に電解液や異物が滞留するという問題があった。

また、接合部に被膜が存在する場合には、被膜を巻き込んで接合することになるため接合の状態が安定せず、しかも被膜が熱ストレスによって劣化した部分に剥離や亀裂が生じて電解液や異物が滞留するという問題があった。また、絶縁性を向上させるために接合部を樹脂材料で被覆することも考えられるが、その際にも熱ストレスによって劣化した被膜の剥離や亀裂が存在すると、樹脂材料が付着しにくくなるため、環境性が低下することになる。さらに、溶接による接合を考えた場合に、接合部において元の導体セグメントの端面から周方向および径方向の両方に溶融導体がはみ出して固化するため、周方向に隣接する接合部間の距離が短くなり、短絡しやすくなる。

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、固定子巻線の接合部近傍における電解液や異物の滞留を防止することができる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、回転子と、固定子鉄心およびこの固定子鉄心に装備された複数の被膜付き導体セグメントを有する固定子と、回転子と固定子とを支持するフレームとを有しており、複数の導体セグメントは、回転子の回転軸方向の端部同士が径方向および円環状に配列、接合されて接合部を形成し、接合部の近傍の導体セグメントの表面には電気的絶縁物がなく、接合部の近傍に隣接する導体セグメントの表面に形成された電気的絶縁物に含まれる蒸発成分が２００００ｐｐｍ以下である。

導体セグメントの接合部およびその近傍は、溶接により接合時に高温となるため電気的絶縁物（絶縁皮膜）に吸湿されていた水分や電気的絶縁物の焼き付け後においても電気的絶縁物中に残留（残存）していた溶剤成分が急激に気化したりする。その結果、これらの気化ガスにより、電気的絶縁物が導体セグメント表面から押し上げられ、導体セグメントから剥離して浮き上がってしまったり（以下、この現象を「被膜浮き」と称する）、ブリスタと呼ぶような発泡が生じ被膜の劣化が発生する。そのため、電気的絶縁物中に含まれる水分、溶剤成分等の蒸発成分が少ない状態で接合することにより、電気的絶縁物の熱劣化を低減することができ、接合部近傍の電気的絶縁物へ電解液等の異物が浸入して滞留することを防止することができる。特に、図８に示すように、蒸発成分と発泡の程度の関係を調べたところ、電気的絶縁物中の蒸発成分が２００００ｐｐｍ以下であれば、ブリスタや被膜浮きを抑制できることを見出した。

また、上述した接合部の近傍において電気的絶縁物が存在しない部分は、回転子の回転軸方向に延びる軸方向部の範囲内にとどまり、軸方向部と連続する斜行部に達していないことが望ましい。従来は、接合時の高温により被膜浮きやブリスタなどの電気的絶縁物の熱劣化による環境性悪化を防ぐために、電気的絶縁物の熱劣化する部分を接合前に除去したり、電気的絶縁物の耐熱性や密着性を向上させたりする対策を行っていた。しかし、一般の絶縁樹脂より構成される電気的絶縁物の場合は、電気的絶縁物を除去する範囲が斜行部に達し、その部分まで別の絶縁樹脂で覆うことが必要であった。しかし、本発明では、接合時の高温により発生する被膜浮きやブリスタの原因となる水分や溶剤成分を低減することにより、一般の絶縁樹脂より構成される電気的絶縁物であってもこれを除去する範囲を斜行部まで到達させることなく良好な被膜状態を確保することができ、別に使用する絶縁樹脂の量を少なくすることができる。

また、上述した円環状に配列されて隣接する接合部の間に隙間を形成することが望ましい。これにより、冷却風の通風抵抗を低減することによって冷却性を向上させることができるとともに、フレーム内部に侵入した異物の排出効果を高めることができる。

また、上述した接合部は、絶縁樹脂によって覆われて、円周方向に沿った複数の凹凸形状をなすことが望ましい。劣化した電気的絶縁物が導体セグメントの表面に存在しないため、絶縁樹脂によって接合部を覆う場合にこの絶縁樹脂が付着しやすくなり、少ない樹脂量で充分に接合部を覆うことができる。これにより、接合部間の短絡を防止することができるとともに環境性を向上させることができる。また、凹凸形状とすることにより、表面積の拡大による冷却性の向上を図ることができる。

また、上述した接合部の近傍において電気的絶縁物が存在しない部分の断面は、ほぼ多角形形状を有していることが望ましい。電気的絶縁物が存在しない部分の隣接面を小さくすることができるため、それ以外の面に絶縁樹脂が付着しやすくなり、環境性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造を示す断面図である。同図に示すように、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等を含んで構成されている。

回転子２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コイル８を、それぞれが６個の爪部を有するポールコア７によって、回転軸６を通して両側から挟み込んだ構成を有している。また、フロント側のポールコア７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ために軸流式の冷却ファン１１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７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ために遠心式の冷却ファン１２が溶接等によって取り付けられている。

固定子３は、固定子鉄心３２と、固定子巻線３１を構成する複数の導体セグメント３３と、固定子鉄心３２と導体セグメント３３との間を電気絶縁するインシュレータ３４とを備えている。固定子鉄心３２は、薄い鋼板を重ね合わせて形成されており、その内周面には多数の溝状のスロットが形成されている。この溝状のスロットの内壁面に沿って、シート状のインシュレータ３４が配置されている。スロット内において、導体セグメント３３は、自らの表面に形成された絶縁用の被膜とインシュレータ３４とによって、固定子鉄心３２に対して電気的に絶縁されている。また、この固定子鉄心３２から露出している導体セグメント３３によって固定子巻線３１のコイルエンド３５が形成されている。固定子３の詳細構造については後述する。

フレーム４は、回転子２および固定子３を収容しており、回転子２が回転軸６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２のポールコア７の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子３が固定されている。また、フレーム４は、固定子３のコイルエンド３５に対向した部分に冷却風の吐出孔４２が、軸方向端面に吸入孔４１がそれぞれ設けられている。

上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ２０にエンジン（図示せず）からの回転力が伝えられると回転子２が所定方向に回転する。この状態で回転子２の界磁コイル８に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア７のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線３１に３相交流電圧を発生させることができ、整流器５の出力端子からは所定の直流電流が取り出される。

次に、固定子３の詳細について説明する。本実施形態の固定子巻線３１は、複数のＵ字状の導体セグメント３３を所定の規則にしたがって配列するとともに、こられの端部を電気的に接続することにより構成されている。

図２は、固定子巻線を構成する導体セグメント３３を模式的に表した斜視図である。２本の導体セグメント３３ａ、３３ｂを基本ユニットとし、このユニットを複数配列することにより、固定子巻線３１が形成される。

Ｕ字状の導体セグメント３３は、ターン部３３ｃと端部３３ｅとを有している。ターン部３３ｃは、これに続く斜行部３３ｄとともにリヤ側（反プーリ側）のコイルエンド３５を形成する。端部３３ｅは、これに続く斜行部３３ｆとともにドライブ側（プーリ側）のコイルエンド３５を形成する。本実施形態では、導体セグメント３３は、端部３３ｅの近傍を除く全体が電気的絶縁物としての被膜で覆われている。被膜で覆う範囲等の詳細については後述する。

各導体セグメント３３の端部３３ｅ同士の接合は、例えばＴＩＧ（ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｉｎｅｒｔ−ｇａｓ）溶接によって接合することが好ましい。図３は、導体セグメントを接合する前の端部を示す斜視図である。また、図４は導体セグメントを接合した後の端部を示す斜視図である。

図３に示すように、隣接する導体セグメント３３の端部３３ｅ同士を接触させた状態で隣接配置し、タングステン電極を接近させてアークを母材との間に発生させることによって局所的に溶融させて再び固化させる。これにより、図４に示すように、溶融痕として滴状の部分を持った接合部３３ｇが形成される。このとき、接合部３３ｇは溶接によって溶融して滴状になるため、接合前の端部３３ｅの径方向に沿った長さＬ１より、接合後の接合部３３ｇの径方向に沿った長さＬ２の方が短くなる。

また、図３および図４に示すように、本実施形態では、接合部３３ｇの近傍において被膜が存在しない部分は、回転子２の回転軸６に沿った方向に延びる軸方向部の範囲内にとどまり、軸方向部と連続する斜行部３３ｆに達していない。

また、上述した軸方向部（並び部端部）は、図３および図４に示すように、接合部３３ｇ内の隣接した面（図２に示す面３３Ｍ）、径方向および周方向に沿って隣接する接合部３３ｇに対向する面（図３および図４に示す面３３Ｌ、３３Ｎ）がそれぞれ平面であることが望ましい。面３３Ｍを平面とすることにより、接合の安定性を高めることが可能になる。また、面３３Ｌを平面とすることにより、径方向に隣接する接合部３３ｇや裸部（接合部３３ｇの近傍において被膜が存在しない部分）３３ｈの間、あるいは最外周の接合部３３ｇや裸部３３ｈとフレーム４の内壁との間に隙間を確保することができる。さらに、面３３Ｎを平面とすることにより、周方向に隣接した接合部３３ｇや裸部３３ｈの間に隙間を確保することができる。このようにして隙間を確保することにより、短絡防止や冷却性、環境性の向上を図ることができる。

図５は、固定子３を接合部３３ｇ側から見た平面図である。図５に示すように、２本の導体セグメント３３の接合部３３ｇは円環状に並んでいる。また、本実施形態の固定子巻線３１は、図２に示したように２本の導体セグメント３３ａ、３３ｂを基本ユニットとしているため、径方向に２カ所ずつ接合部３３ｇが存在する。結局、本実施形態では、３３ｅ端部同士が径方向および円環状に配列、接合されて接合部３３ｇを形成し、２列の同心状かつ円環状にこれらの接合部３３ｇが配置されている。また、このようにして円環状に配列されて隣接する各接合部３３ｇの間には隙間が形成されている。

図６は、接合部３３ｇの近傍の被膜の状態を示す図である。また、図７は従来の接合部の近傍の被膜の劣化状態（被膜浮き、ブリスタ）を示す図である。一般の絶縁樹脂により構成される被膜の場合は、図７に示すように、接合に必要な最小限の領域のみの被膜を除去した場合には、接合部３３ｇに隣接する領域３３ｉの被膜３３ｋが溶接時に伝わる熱により被膜浮き、ブリスタといった被膜の劣化が発生する。しかし、このような場合でも絶縁被膜中の水分などを低減することにより、被膜の劣化を低減することができる。

図８は、被膜中の水分、溶剤成分等の蒸発成分量と導体セグメント３３周囲に発生する発泡の程度との関係を示す図である。蒸発成分量と発泡の程度を実際に調べてみると、図８に示す関係から明らかなように、被膜の蒸発成分量が２００００ｐｐｍ以下であれば発泡（ブリスタや被膜浮き）を抑制することができる。本実施形態では、被膜の蒸発成分量が２００００ｐｐｍ以下に設定されている。

図９は、接合部３３ｇを絶縁樹脂で覆った固定子巻線３１を示す図である。また、図１０は図９に示すＰ部の拡大図である。図９に示すように、本実施形態では、接合部３３ｇを形成した後、絶縁樹脂３６によって接合部３３ｇ全体が覆われる。しかも、周方向に沿って隣接する各接合部３３ｇの間には隙間が形成されており、先端部分がほぼ凹凸形状になっている。

上述したように、本実施形態では、導体セグメント３３の周囲を覆う被膜は、回転子２の回転軸６に沿った方向に延びる軸方向部としての並び部端部に達している。接合部３３ｇの強度をさらに高くするために接合時の入熱量を大きくする場合、被膜の劣化部が隣り合う導体セグメント３３と所定の間隔を持って最初に交差する部分３３ｐまで達することが多い。そのため、従来のように蒸発成分量を考慮しない被膜の場合には、被膜の劣化部まで絶縁樹脂３６で覆っても、被膜浮きやブリスタのため絶縁樹脂３６の付着が悪く外部からの水等の進入により、隣り合う導体セグメント３３との電気絶縁が不十分になることが考えられる。これに対し、本実施形態では、被膜の蒸発成分量が管理されているため、被膜浮きやブリスタの発生を防止あるいは抑制することができ、絶縁樹脂３６の付着が悪くなることもない。

このように、本実施形態の固定子巻線３１の各導体セグメント３３においては、被膜に含まれる水分や溶剤成分が少ない状態で接合されるので、接合部３３ｇに隣接する導体セグメント３３の表面において被膜の劣化が生じない。このため、被膜の劣化部に電解液等の異物が浸入して滞留することを防止することができる。また、接合部３３ｇを絶縁樹脂３６で覆う場合であっても、この絶縁樹脂３６の付着性がよく、少ない量で充分に接合部３３ｇを覆うことができ、材料コストの低減とともに環境性の向上を図ることができる。

また、使用する絶縁樹脂３６を減らすことにより、隣接する接合部３３ｇの間の隙間を広げることができるため、冷却風の通風抵抗を低減することができ、冷却性を向上させるとともに、フレーム４内部に侵入した異物の排出効果を高めることができ、さらに環境性を向上させることが可能になる。

また、接合部３３ｇの径方向の長さを接合前の端部３３ｅの径方向の長さよりも短く設定することにより、径方向に沿って隣接する接合部３３ｇの間や、最外周の接合部３３ｇと径方向外側のフレーム４の内壁との間の短絡防止の効果を高めることもできる。

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で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、Ｕ字状の導体セグメント３３を用いたが、図１１に示すように、ターン部のない導体セグメント３３１を用いて、その両端部３３１ｅを接合するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、スロット内の導体セグメント３３の本数を４として２列の環状の接合部を形成したが、要求される出力特性に合わせて導体セグメント３３の数を変化させて、接合部の環状列数を変えるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、図３に示したように、導体セグメント３３の端部３３ｅの径方向に沿った長さを導体セグメント３３の他の部分と同じようにしたが、図１２に示すように、端部３３ｅ’同士の接触面と反対側に切り欠き部等を設けることにより、接合部の径方向の長さをさらに短くするようにしてもよい。この場合には、径方向に沿って隣接する接合部の間、あるいは最外周の接合部とフレーム４の内壁面との間の隙間をさらに大きく確保することができるため、短絡を防止するとともに、冷却性、環境性の向上を図ることができる。

また、上述した実施形態では、裸部３３ｈの断面形状を四角形に形成したが、四角形以上の多角形形状に形成するようにしてもよい。裸部同士の接触面をさらに小さくすることができるため、隣接する並び部端部の間に形成された隙間に絶縁樹脂が入りやすくなり、環境性を向上させることができる。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。 固定子巻線を構成する導体セグメントを模式的に表した斜視図である。 導体セグメントを接合する前の端部を示す斜視図である。 導体セグメントを接合した後の端部を示す斜視図である。 固定子を接合部側から見た平面図である。 接合部の近傍の被膜の状態を示す図である。 従来の接合部の近傍の被膜の状態を示す図である。 被膜中の蒸発成分と発泡の関係を示す図である。 接合部を絶縁樹脂で覆った固定子巻線を示す図である。 図９に示すＰ部の拡大図である。 ターン部のない導体セグメントを示す斜視図である。 導体セグメントの端部の他の例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 車両用交流発電機
２ 回転子
３ 固定子
４ フレーム
３１ 固定子巻線
３２ 固定子鉄心
３３ 導体セグメント
３３ｅ 端部
３３ｇ 接合部
３４ インシュレータ
３６ 絶縁樹脂

Claims (5)

1. 回転子と、固定子鉄心およびこの固定子鉄心に装備された複数の被膜付き導体セグメントを有する固定子と、前記回転子と前記固定子とを支持するフレームとを有する車両用回転電機において、
   前記複数の導体セグメントは、前記回転子の回転軸方向の端部同士が径方向および円環状に配列、接合されて接合部を形成し、前記接合部の近傍の前記導体セグメントの表面には電気的絶縁物がなく、前記接合部の近傍に隣接する前記導体セグメントの表面に形成された電気的絶縁物に含まれる蒸発成分が２００００ｐｐｍ以下であることを特徴とする車両用回転電機。
2. 請求項１において、
   前記接合部の近傍において前記電気的絶縁物が存在しない部分は、前記回転子の回転軸方向に延びる軸方向部の範囲内にとどまり、前記軸方向部と連続する斜行部に達していないことを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項１または２において、
   前記円環状に配列されて隣接する前記接合部の間に隙間を形成することを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記接合部は、絶縁樹脂によって覆われて、円周方向に沿った複数の凹凸形状をなすことを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項４において、
   前記接合部の近傍において前記電気的絶縁物が存在しない部分の断面は、ほぼ多角形形状を有していることを特徴とする車両用回転電機。
   

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