JP2009165318A - 車両用交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
車両用交流発電機の全体としてのバランスを向上する。
【解決手段】
スロットの底に設けられた巻線Ｕ２１と、巻線Ｕ２１の巻線を含む３相巻線に対して電気角で約３０度の位相差のもつ他の独立した３相巻線のうちＵ２１と同相である巻線Ｕ１１と、巻線Ｕ２１および巻線Ｕ１１とは異なる相の巻線Ｖ２２−と、巻線Ｕ１１と同相かつ直列接続された巻線Ｕ１２とを有するとともに、巻線Ｕ２１と巻線Ｖ２２−を直列接続したインダクタンスに対して、巻線Ｕ１１と巻線Ｕ１２を直列接続したインダクタンスがほぼ等しくなるように、Ｕ２１，Ｕ１１，Ｖ２２−，Ｕ１２が配置された車両用交流発電機。
【選択図】図７

Description

本発明は、車両用交流発電機に関する。

従来より、毎極毎相スロット数が２以上の車両用交流発電機の巻線形態としては、平角線を用いて、電気角で３０度の位相差をもつ隣り合ったスロットで第２の巻線を構成したものが知られている。また、電気角で２４度の位相差をもつスロットに対して、相巻線の接続によって、電気的に約３０度の位相差を設けるものも知られている。

一方、毎極毎相スロット数が１のものについては、基準となる巻線をスロットの底部に配置し、更に電気角で３０度の位相差を設けるためにほぼ同数の巻数で構成される上側コイルを２つのスロットに跨って構成することで、電気的な位相差を設けるようにしたものが知られている（例えば特許文献１）。

特開２００７−９７２４７号公報

毎極毎相スロット数が２以上で構成される従来技術は、スロット数が多く平角線を用いる必要があることや、スロット開口部がコイル径よりも小さいので、軸方向からセグメントコイルを挿入してコイル同士を溶接で接続する工程を要し、銅線に無酸素銅を用いる必要があるため、コストの増大を招いていた。

また、毎極毎相スロット数が１の上記従来技術は、電気的な位相差を設けることはできるものの、発電機全体を構成する電流や熱他の様々なバランスについては、必ずしも考慮されていなかった。

本発明の目的は、車両用交流発電機の全体としてのバランスを向上することである。

本発明は、スロットの底に設けられた第１の巻線と、第１の巻線に対して電気角で約３０度の位相差のもつ独立した３相巻線のうち第１の巻線と同相である第２の巻線と、第１および第２の巻線とは異なる相の第３の巻線と、前記第１または第２の巻線と同相かつ直列接続された第４の巻線とを、バランスを考慮して配置したものである。

本発明によれば、車両用交流発電機の全体としてのバランスを向上することができる。

本発明の実施例について図１〜図１０を用いて説明する。

従来の技術では、内周側に配置される巻線とスロットの底部に配置される巻線のインダクタンスが異なることによって生じる発電電流のバランスや、各コイルに接続される整流素子の熱的なバランスが必ずしも考慮されていなかった。以下に説明する実施例では、２つの３相巻線で構成される巻線において、電気角で３０度の位相差をもたせつつ、各相の電流バランスを改善することで、低騒音，低電流リプルの車両用交流発電機を実現するものである。

図１は、本発明の一実施例をなす、空冷式の車両用交流発電機１００の構成図である。

回転子３にはシャフトの中心部に爪形磁極１３とその中心部に界磁巻線１２が配置される。シャフトの先端にはプーリ１が取り付けられており、その反対側には界磁巻線１２に給電するためのスリップリング９が設けられている。更に回転子３の爪形磁極１３の両端面には回転と同期して回転する冷却ファンのフロントファン７Ｆとリアファン７Ｒが設けられている。また、爪形磁極１３には永久磁石１６が配置され界磁巻線磁束を増加させる補助励磁の役目を果たしている。

一方、固定子４は固定子磁極２０と固定子巻線５から構成され、回転子３と僅かなギャップを介して対向配置されている。固定子４はフロントブラケット１４とリアブラケット１５によって保持され、両ブラケットと回転子３はベアリング２Ｆおよび２Ｒで回転可能に支持されている。先に述べたスリップリング９はブラシ８と接触し電力を給電される構成となっている。固定子巻線５は３相巻線で構成されており、それぞれの巻線の口出し線は、整流回路１１に接続されている。整流回路１１はダイオード等の整流素子から構成され、全波整流回路を構成している。例えばダイオードの場合、カソード端子はターミナル６に接続されている。また、アノード側の端子は車両用交流発電機本体に電気的に接続されている。リアカバー１０は整流回路１１の保護カバーの役割を果たしている。

次に、発電動作について説明する。エンジン（図示せず）と車両用交流発電機１００は一般的にはベルトで連結されている。車両用交流発電機１００はプーリ１でエンジン側とベルトで接続され、エンジンの回転と共に回転子３は回転する。回転子３の爪形磁極１３の中心部に設けられた界磁巻線１２に電流が流れることで、この爪形磁極１３が磁化され、回転することで固定子巻線５に３相の誘導起電力を発生する。その電圧は先に述べた整流回路１１で全波整流され、直流電圧が発生する。この直流電圧のプラス側はターミナル６と接続されており、更にバッテリー（図示せず）と接続されている。整流後の直流電圧はバッテリーを充電するのに適した電圧となるように、界磁電流は制御されている。

図２は図１で示した軸中心部分のＡ−Ａ′断面を示したものである。本実施例の回転子極数は１２極であり、３相巻線は毎極毎相スロット数を１として全周で３６スロット構造となっている。すなわち、図２で示した、Ｕ１，Ｕ１−，Ｕ２，Ｕ２−，Ｕ３，Ｕ３−，Ｕ４，Ｕ４−，Ｕ５，Ｕ５−，Ｕ６，Ｕ６−とコイルが直列に接続され、波巻き巻線を形成している。他の相巻線についても同様である。回転子３の爪形磁極１３の間には永久磁石１６が図示した極性で配置されており、界磁巻線１２が作る磁束を増加させるような極性となっている。図２にも示したように、一般的にはスロット内は同相コイルが配置され、全節巻きで構成されている。

図３（ａ）は図２で示した巻線で構成される３相整流回路を示したものである。先ほど述べた各相巻線は３相Ｙ結線で接続されている。３相コイルの反中性点側の端子は図示したように６個のダイオードＤ１＋〜Ｄ３−に接続されている。また、プラス側のダイオードのカソードは共通となっており、バッテリーのプラス側に接続されている。マイナス側のダイオード端子のアノード側は同様にバッテリーのマイナス端子に接続されている。３相全波整流回路の直流側の電圧は図示したように電気角で６０度のリプルとなっている。図３（ｂ）は独立した３相Ｙ結線を電気角で３０度ずらした場合の回路構成図と電圧リプル波形を示したものである。電気的に独立した３相巻線のＵ１巻線とＵ２巻線の電圧は等しく電気的位相は３０度ずれているため、電位の大きいところが選択され最終的には３０度のリプルとなる。よって、この２つを比較してみると、電気角で３０度の振幅の方が小さくなるため、力の変動に相当する加振力は小さくなる。この様に、低加振力，低電圧リプルにより低騒音化を実現するために独立した３相巻線を電気的に３０度程度ずらした車両用交流発電機である。これらを実現するためのステータ構造は、毎極毎相スロット数が２以上で構成されており、各スロット毎に絶縁紙を用いる必要があるため実質的に占積率が低下する。そのため、平角線を用いたり丸線をスロット内で潰したりして占積率の低下を防止する必要がある。例えば、１２極で毎極毎相スロット数を２とした場合、スロット数は７２となる。また、１６極の場合には９６スロットとなりスロット数が増加し、製作が難しくなる。更に、極数を増やした設計では、例えば２０極の場合１２０スロットになり製造が更に難しくなる。しかし、本実施例によれば、毎極毎相スロット数は１を採用することで、極数が例え２０極となっても、スロット数は６０スロットで済むため、製造の難しさは克服される。

図４は毎極毎相スロット数が１の場合にどのような考え方で、電気的に２つの巻線に３０度の位相差を設けるかについて説明したものである。まず、巻線の構成について説明する。図示したＳｌｏｔ１〜Ｓｌｏｔ６には、Ｙ１巻線として各スロットの底部にＵ１，Ｗ１−，Ｖ１，Ｕ１−，Ｗ１，Ｖ１と電気的に６０度の位相差を持ってコイルが配置されている。Ｕ２相を構成するＵ２１巻線とＵ２２巻線はＵ２１巻線がＵ１と同じスロットでＵ２２相巻線は隣のＳｌｏｔ２に配置されている。他の相はＵ１，Ｕ２と同じ位相関係で図示したように配置されている。右上に示す回路で、Ｕ１巻線はスロット配置で示したＵ１巻線とＵ１−巻線の直列接続で構成されている。

図４で説明したスロット内の配置において、図５を用いて発電電流について説明する。図４はあくまでも電圧が３０度の位相差を持たせる方法であるが、実際には発電機としてＹ１巻線とＹ２巻線の電流が等しいことが望まれる。その理由としては、ダイオードの整流時に電流が不均衡である場合、特定のダイオードに電流が集中し、信頼性の低下することが考えられる。図５で示すと、Ｙ１巻線のＵ相電流ｉｕ１とＹ２巻線ｉｕ２電流の大きさが等しいことが望まれる。左側の上の図がその様子を示したもので、Ｙ１電流とＹ２電流は大きさが同じで電流位相が３０度のずれとなっている。

図６はＹ１巻線の電流とＹ２巻線の電流が等しくない場合を示している。例えば、図６のような巻線配置の場合、スロット底部に配置されるＹ１巻線と、スロット内周部に配置されるＹ２巻線では同じ巻数では、スロット内周部の方がインダクタンスが小さくなる。そのため、発電時には（ａ）と（ｂ）に示すように低速時には電流のアンバランス量が小さくても、周波数が高くなる高速側でインダクタンスによる電圧低下が大きくなるため、アンバランス電流が増加する傾向がある。アンバランス電流は、先に述べたように加振力の打ち消しがうまく出来ないばかりか、ダイオードの発熱のバランスが崩れる。そのために極力、Ｙ１巻線とＹ２巻線の電流バランスを合わせることが重要である。

図７に、実際にインダクタンスのバランスを低減した巻線配置構造の第一の実施例を示す。基本的には、１スロットあたり４つのコイルで構成される。まず、基準となる第一巻線はＵ１１とＵ１２を直列接続したもので、この例では、底から２番目と４番目に配置されている。底コイルはＵ２１相が配置されている。底から３番目のコイルはＶ相のＶ２２−が配置されている。他のスロット配置は図示した配置となっている。直列に接続される巻線は、Ｕ１１とＵ１２に対してはＵ２１とＵ２２となる。このとき、Ｕ１１とＵ１２，Ｕ２１とＵ２２はほぼ巻線数は同じ数となる。よって、図示したＳｌｏｔ１のＶ２２巻線は１スロット導体数の約１／４を占めることになる。同様に、Ｓｌｏｔ２においても、底から３番目のコイルはＵ相コイルが配置されるため底から３番目のコイルは他の相コイルとなっている。この図の配置からも分かるように、Ｕ１１とＵ１２は離間して配置され、更にＵ２１と他の相コイルも離間されて配置されるため、実際にはＵ１１コイルとＵ１２コイルの間に他の相コイルが配置されることになる。また、Ｕ２１，Ｗ２１−，Ｖ２１，Ｕ２１−，Ｗ２１，Ｖ２１…の各２１コイルは全て底コイルとなっている。以上述べた配置を採用することで、右上の発電電流の計算結果にも示すように１８００ｒ／minおよび６０００ｒ／minの発電電流の大きさのバランスをとることが出来る。この場合は、最もインダクタンスの大きい底コイルと、３番目に大きい底から３番目のコイルの直列接続に対して、２番目と４番目を直列接続したインダクタンスがほぼ等しくなるためであると考えられる。

また、第二の実施例として図８を用いて構成を説明する。Ｓｌｏｔ１に示すようにコイル配置としては、Ｕ１１とＵ１２の間にＵ２１とＶ２２−が配置されており、やはり底から３番目のコイルが他の相となっている点は共通である。また、Ｕ１１とＵ１２は離間して配置されている点も同様である。これは、Ｕ１相とＵ２相のインダクタンスのバランスを考えて、底部のコイルと内周側のコイルを直列に接続し、２つの内周側コイルを直列接続することでバランスをとるようにしたものである。発電計算の結果からも、１８００ｒ／min，６０００ｒ／minにおいてＹ１巻線とＹ２巻線の電流の大きさは等しく、合成波形のリプルが小さくなっていることがわかる。また、上記説明においてＵ１１とＵ１２コイルを逆に配置しても効果は同じである。

図９に実際に考案した巻線により騒音を測定した一例の結果を示す。１２極の場合に毎極毎相スロット数が１で問題となる騒音の次数は３６次となるため、３６次成分のみを従来型の巻線と、今回考案した巻線で比較した。その結果、約９ｄＢＡの騒音低減効果を得ることが出来た。特に、エンジン騒音の小さい低速時に効果があったため、アイドリング時の騒音低減が可能となった。

図１０は液冷式の車両用交流発電機の構成を示したものである。空冷構造と冷却構造以外の構造は図１と同様なため説明は省略するが、この様な液冷式の車両用交流発電機においても同様な効果が得られることはいうまでもない。

特に、液冷式では固定子の外周側に冷却水路１１０が配置されるため、低騒音化の効果は大きい。また、上記説明は毎極毎相スロット数が１の場合について説明したが、２未満の構造においても同様に電気角で３０度の位相差を設けようとした場合には、同様な巻線配置構造となるため、毎極毎相スロット数が２未満（例えば１.５など）の構成においても同様な効果が得られる。また、上記の説明は爪形磁極間に永久磁石を配置した場合について説明したが、磁石が無い場合には固定子磁極の磁気飽和が緩くなるため、スロット底部と内周側のコイルのインダクタンスの比率が大きくなり、本発明のスロット配置によるアンバランス低減効果は大きくなる。

また、上記実施形態は車両用交流発電機で説明したが、これを電動機としても機能させる、いわゆるスタータ・ジェネレータに適用しても良いことは言うまでもない。

本実施形態によれば、２つの３相巻線で構成される巻線において、電気角で３０度の位相差をもたせつつ、各相の電流バランスを改善することで、低騒音，低電流リプルの車両用交流発電機を実現できる。

車両用交流発電機の断面図。 図１のＡ−Ａ′断面図。 整流方式を説明する説明図。 巻線の接続を説明する説明図。 ３相巻線の電流波形を説明する説明図。 ３相巻線の電流バランスについて説明する説明図。 第一実施例のステータ配置図。 第二実施例のステータ配置図。 騒音実測値の説明グラフ。 液冷式車両用交流発電機の構成図。

符号の説明

３ 回転子
４ 固定子
５ 固定子巻線
１６ 永久磁石
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード
１００ 車両用交流発電機

Claims (12)

1. 回転子と、
   毎極毎相スロット数が２未満の分布巻で構成される固定子と、を有し、
   前記固定子に巻装される固定子巻線は、同一スロット内に第１の相の巻線が約３／４の導体数、前記第１の相とは異なる第２の相の巻線が約１／４の導体数が設けられるとともに、前記第２の層の巻線は、前記スロットの深さ方向中央付近に配置されている車両用交流発電機。
2. 請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
   前記第１の相の巻線は、互いに電気角で約３０度の位相差のある２組の独立した３相巻線を含むとともに、当該２組の巻線は前記スロットの深さ方向において交互に配列されている車両用交流発電機。
3. 請求項２に記載の車両用交流発電機であって、
   前記２組の巻線の少なくとも一方は、互いに直列接続された２つの巻線を含む車両用交流発電機。
4. 請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
   前記第１の相の巻線は、互いに電気角で約３０度の位相差のある２組の独立した３相巻線を含むとともに、当該２組の巻線のうち一方の組の巻線は、他方の組の巻線の間に前記スロットの深さ方向において挟まれるように配置されている車両用交流発電機。
5. 請求項１に記載の車両用交流発電機であって、
   前記固定子の外周側に冷却水路が配置されている車両用交流発電機。
6. 回転子と、
   毎極毎相スロット数が２未満の分布巻で構成される固定子と、を有し、
   前記固定子は、スロットの底に設けられた第１の巻線と、前記第１の巻線を含む３相巻線に対して電気角で約３０度の位相差のもつ他の独立した３相巻線のうち前記第１の巻線と同相である第２の巻線と、前記第１および第２の巻線とは異なる相の第３の巻線と、前記第２の巻線と同相かつ直列接続された第４の巻線と、を有し、
   前記第１の巻線と前記第３の巻線の間、および前記第２の巻線と前記第４の巻線の間が互いに離間するように前記第１〜第４の巻線が配置されている車両用交流発電機。
7. 請求項６に記載の車両用交流発電機であって、
   前記第２の巻線は、前記第１の巻線よりもスロット開口部側に配置され、前記第３の巻線は、前記第２の巻線よりもスロット開口部側に配置され、前記第４の巻線は、前記第３の巻線よりもスロット開口部側に配置されている車両用交流発電機。
8. 請求項６に記載の車両用交流発電機であって、
   前記第１〜第４の巻線数はほぼ同数である車両用交流発電機。
9. 回転子と、
   毎極毎相スロット数が２未満の分布巻で構成される固定子と、を有し、
   前記固定子は、スロットの底に設けられた第１の巻線と、前記第１の巻線を含む３相巻線に対して電気角で約３０度の位相差のもつ他の独立した３相巻線のうち前記第１の巻線と同相である第２の巻線と、前記第１および第２の巻線とは異なる相の第３の巻線と、前記第１の巻線と同相かつ直列接続された第４の巻線と、を有し、
   前記第１の巻線と前記第３の巻線の間、および前記第２の巻線と前記第４の巻線の間が互いに離間するように前記第１〜第４の巻線が配置されている車両用交流発電機。
10. 請求項９に記載の車両用交流発電機であって、
    前記第２の巻線は、前記第１の巻線よりもスロット開口部側に配置され、前記第３の巻線は、前記第２の巻線よりもスロット開口部側に配置され、前記第４の巻線は、前記第３の巻線よりもスロット開口部側に配置されている車両用交流発電機。
11. 請求項９に記載の車両用交流発電機であって、
    前記第１〜第４の巻線数はほぼ同数である車両用交流発電機。
12. 回転子と、
    毎極毎相スロット数が２未満の分布巻で構成される固定子と、を有し、
    前記固定子は、スロットの底に設けられた第１の巻線と、前記第１の巻線を含む３相巻線に対して電気角で約３０度の位相差のもつ他の独立した３相巻線のうち前記第１の巻線と同相である第２の巻線と、前記第１および第２の巻線とは異なる相の第３の巻線と、前記第１または第２の巻線と同相かつ直列接続された第４の巻線と、を有し、
    前記第１の巻線と前記第３の巻線を直列接続したインダクタンスに対して、前記第２の巻線と第４の巻線を直列接続したインダクタンスがほぼ等しくなるように前記第１〜第４の巻線が配置されている車両用交流発電機。

Images