JP2011193596A - 車両用交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】整流装置の放熱板の冷却効率を上昇させ、高品質及び高出力の車両用交流発電機を提供する。
【解決手段】固定子巻線を備えた固定子、該固定子の内周側に間隙を介して回転子を前記固定子内で回転可能に支持するフロントフレームおよびリアフレーム、前記回転子に取り付けられた冷却ファン、並びに一方の極性の電流を整流する第１極性側アームおよび他方の極性の電流を整流する第２極性側アームを具備し前記固定子巻線に発生した交流を整流する整流装置と前記整流装置を覆う保護カバーを備え、前記整流装置は、前記第１極性側アームを構成する整流素子を複数装着した第１放熱板２０、第２極性側アームを構成する整流素子を複数装着した第２放熱板２１、前記第１放熱版と第２放熱板の間に配置した波状に凹凸する接続板１９を備え、前記第１放熱板と前記接続板および第２放熱板と前記接続板との間に前記冷却ファンによる冷却風の通路を形成した。
【選択図】図４

Description

本発明は、車両用交流発電機に関する。

近年、車両内においては電子機器の需要の増加に伴い、車両用交流発電機は高出力化の傾向にある。車両用交流発電機の高出力化に際しては、出力電流の増加に伴い各部の発熱量が増大し、これに伴う温度上昇により品質寿命が低下することになる。

特に車両用交流発電機によって発電された交流電流を整流する整流素子は、発熱による温度の影響を大きく受け、耐熱温度を越えると急激に寿命が低下する。

また、近年ではエンジルームの省スペース化により、車両用交流発電機が搭載される周囲の環境温度は上昇傾向にあり、出力電流の増加による発熱量の増大と合わせて整流素子の冷却性向上による温度低減は重要課題となっている。

そこで、特許文献１では、整流装置の冷却効率向上のため、＋極（正側のアーム）の整流素子と保護カバーの間、一極（負側のアーム）の整流素子はリヤフレームと第２放熱板の間に外部からの冷却風を効率よく流入及び通過させ、放熱板の冷却効率を上昇させることで整流素子の温度低減させる提案等がなされている。

特開平１１−１６４５３８号公報

しかしながら、近年では車両側の電力需要は益々増加傾向にあり、車両用交流発電機の発電電力の大幅な増加に伴い、特許文献１の整流装置の冷却方式では、放熱板の放熱面積を確保することがスペース上確保できず、放熱板の冷却能力も飽和状態に達し、高出力化対応により整流素子の温度が耐熱温度を越え急激な寿命低下をもたらすことになる。

本発明は、整流装置の放熱板の冷却効率を上昇させ、高品質及び高出力の車両用交流発電機を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

固定子巻線を備えた固定子、該固定子の内周側に間隙を介して回転子を前記固定子内で回転可能に支持するフロントフレームおよびリアフレーム、前記回転子に取り付けられた冷却ファン、並びに一方の極性の電流を整流する第１極性側アームおよび他方の極性の電流を整流する第２極性側アームを具備し前記固定子巻線に発生した交流を整流する整流装置と前記整流装置を覆う保護カバーを備え、前記整流装置は、前記第１極性側アームを構成する整流素子を複数装着した第１放熱板、第２極性側アームを構成する整流素子を複数装着した第２放熱板、前記第１放熱版と第２放熱板の間に配置した波状に凹凸する接続板を備え、前記第１放熱板と前記接続板および第２放熱板と前記接続板との間に前記冷却ファンによる冷却風の通路を形成した。

本発明によれば、交流発電機の整流装置を構成する第１放熱板と第２放熱板との間に形成される冷却風の経路を、第１放熱板側と第２放熱板側にバランス良く分配することができるので、整流素子の冷却性能を向上させることのできる整流装置を備えた車両用交流発電機を提供することができる。

本発明の第１の実施形態にかかる車両用交流発電機の全体構成を示す断面図。 本発明の第１の実施形態にかかる保護カバ-を外した状態の車両用交流発電機のリヤ側斜視図。 本発明の第１の実施形態にかかる整流器の斜視図。 本発明の第１の実施形態にかかる整流器の分解図。 本発明の第１の実施形態にかかる整流器のリヤ側正面図。 図５のＡ−Ａ部断面図。 図６のＢ−Ｂ部断面図。 図６のＣ−Ｃ部断面図。 本発明の第２の実施形態にかかる整流器のリヤ側正面図。 図９のＥ−Ｅ部断面図。 本発明の第３の実施形態にかかる整流器のリヤ側正面図。 図１１のＯ−Ｆ部断面図。 図１１のＯ−Ｇ部断面図。 本発明の第４の実施形態にかかる保護カバ-を外した状態の車両交流発電機のリヤ側正面図。 図１４のＪ−Ｊ部断面図。 図１４のＫ−Ｋ部断面図。 図１４のＬ−Ｌ部断面図。

以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。

［実施形態１］
本発明の第１の実施形態にかかる車両用交流発電機の構成について図１及び図２を用いて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による車両用交流発電機の全体構成を示す断面図で、図２は保護カバーを取外した状態の車両用交流発電機のリヤ側斜視図を示す。

車両用交流発電機３１は、回転子４と固定子５とを備えている。回転子４は、中心部にシャフト２を備え、その両側に磁性材料にて成形されたフロント側爪形磁極９とリヤ側爪形磁極１０を備え、これらの爪形磁極は界磁巻線１１を覆うように両側から挟むように配置される。フロント側爪形磁極９とリヤ側爪形磁極１０とは、爪部が互いに対向し、かつ、一方の爪形磁極が他方の爪形磁極に噛み合うように配置される。

回転子４は、固定子５の内周側に、僅かな空隙を介して対向配置されている。回転子４のシャフト２は、フロントベアリング３及びリヤベアリング８の内輪に挿通され、回転自在に支持されている。

固定子５は、固定子鉄心６と固定子巻線７から構成される。固定子鉄心６は、環状に形成された薄板鋼板が複数枚積層され、内周側には突出した歯部（ティース）を備え、各歯部の間にスロットが形成されている。各々のスロットに各相の固定子巻線７が複数のティースをまたいで夫々のスロットに挿入され、装着される。固定子５の両端は、フロントフレーム１６とリヤフレーム１７によって保持されている。

シャフト２の一方の端部には、プーリ１が取り付けられている。シャフト２の他方の端部には、スリップリング１２が設けられ、ブラシ１３と接触し、界磁巻線１１に電力を供給している。更に、回転子４のフロント側爪形磁極９とリヤ側爪磁極１０の両端面には、外周側に複数の羽根を有する冷却ファンであるフロントファン１４とリヤファン１５が設けられ、回転することによる遠心力によって、外部からの空気を導入し、内部を冷却した空気を外部に排出するように、空気を流通させるようになっている。

フロント側の冷却風２６は、フロントフレーム１６の風窓からフロントファン１４を通過し、固定子巻線７のコイルエンドに当てながら、フロントフレーム１６の風窓から排出される。リヤ側の冷却風２７は、保護カバー２５の開口部から流入し、整流装置１８とICレギュレータ３０を通過し、リヤフレーム１７の中央部の風窓から、リヤファン１５を通過し、固定子巻線７のコイルエンドに当てながら、リヤフレーム１７の風窓から排出される。

固定子巻線７は、本例では２組の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、整流装置１８に接続されている。整流装置１８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、カソード端子は整流素子接続板１９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。保護カバー２５は整流装置１８の保護の役割を果たしている。

次に、発電動作について説明する。

まず、エンジンの始動に伴ってクランクシャフトからベルトを介してプーリ１に回転が伝達され、シャフト２を介して回転子４が回転される。ここで、回転子４に設けられた界磁巻線１１にスリップリング１２を介してブラシ１３から直流電流を供給すると界磁巻線１１の内外周を周回する磁束が生じ、回転子４におけるフロント側爪形磁極９とリヤ側爪形磁極１０にＮ極又はＳ極が周方向に交互に形成される。この界磁巻線１１による磁束は、フロント側爪形磁極９のＮ極から固定子鉄心６をとおって固定子巻線７の周りを周回し、回転子４のリヤ側爪形磁極１０のＳ極に到達することで回転子４と固定子５を周回する磁気回路が形成される。このように回転子に生じた磁束は固定子巻線７と鎖交し、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の固定子巻線７のそれぞれに交流電圧が発生し、全体としては３相の交流電圧が生じる。

このように発電された交流電圧は、ダイオード等の整流素子で構成された整流装置１８によって、全波整流されて直流電圧に変換される。整流された直流電圧は、ＩＣレギュレータ３０で界磁巻線１１に供給する電流を制御することで一定電圧になるように調整される。

次に図２ないし図８を用いて本実施形態による車両用交流発電機の整流装置の構成について説明する。

図３は本発明の第１の実施形態による整流器の斜視図である。図４は本発明の第１の実施形態による整流装置を分解した図である。図５は本発明の第１の実施形態による整流装置をリヤ側からの正面図である。図６は図５のＡ−Ａ部断面図である。図７は
図６のＢ−Ｂ部断面図である。図８は図６のＣ−Ｃ部断面図である。

図３及び図４に示すように車両用交流発電機３１に搭載される整流装置１８においては、第１の放熱板２０と第２放熱板２１が対向配置され、第１放熱板２０には＋極（正側アーム）の整流素子２２が６個装着され、第２放熱板２１には−極（負側アーム）の整流素子２３が６個装着されている。

第１放熱板２０と第２放熱板２１との間には、各整流素子を結線し全波整流回路を構成する整流素子接続板（接続端子板）１９を備え、該端子板は第１放熱板２０と第２放熱板２１との間に一定の電気的絶縁距離を保つ機能を兼ねている。

整流素子接続板１９は、樹脂成形品の絶縁材部１９ａとその内部にインサート成型された鉄製または銅製のターミナル１９ｂを備え、前記各々の整流素子を結線し整流回路を構成する。また、固定子巻線７とＩＣレギュレータ３０と接続することで車両用交流発電機３１として機能する。

整流装置１８は、図２に示すようにリヤフレーム１７に搭載される。また整流装置１８の第２放熱板２１はリヤフレーム１７に直接接触し、−極の整流素子２３で発生した発熱量を第２放熱板２１に伝達し、リヤフレーム１７に直接放熱させることで放熱面積を確保し冷却性の向上をはかる構成である。

第１放熱板２０側は保護カバー２５内のスペースを効率良く利用し、保護カバー側の内周側に複数の冷却フィンを設置し放熱面積を拡大し、これに外部から流入した冷却風を直接当てることで＋極の整流素子を冷却させる。

特に内周側の冷却フィンの間では、回転軸方向に通過する冷却風の風速は早く、この部分に冷却フィンを数多く設けるこことにより冷却効果を飛躍的に向上することができる。

しかしながら、前述したように、近年の車両側における電力需要拡大ため、高出力化の車両用交流発電機の出力電流が大幅に増大する。

そこで、本発明では、さらに第１放熱板２０と第２放熱板２１の間を通過する冷却風を効率化することで整流装置２０の冷却性を向上させる。

具体的な実施形態を図５〜図８に基づき説明する。

第１放熱板２０と第２放熱板２１との間の冷却風は比較的流速が早いため近傍の放熱板は熱伝達率が高く、整流素子の冷却に効果がある。

従来では、第１放熱板２０と第２放熱板２１の間の整流素子接続板１９は、第２放熱板に接するような構成である。このため、第１放熱板２０と第２放熱板２１の間にある整流器接続板１９の熱伝達率が低くなり冷却性が悪い。なお、第１放熱板２０には部分的に凹状に設けられた空隙が複数あり、その空隙を冷却風が通過するため第１放熱板２０は熱伝達率が高く、＋極の整流素子２２の温度低減に寄与していた。

本発明では、第１放熱板２０の冷却性を損なわず、第２放熱板２１の冷却性を向上させる。

図５は本実施形態の整流装置のリヤ側からの正面図であり、図６は、図５のＡ−Ａ部断面図である。

図６に示すように本発明では整流素子接続板１９が１方では第１放熱板２０と接しており、その反対側は第２放熱板２１と離れて空間２９が形成されている。また、一方では、第１放熱板２０と離れており空間２８が形成されており、その反対側は第２放熱板２１と接している。すなわち整流素子接続板１９は波状に形成されている。

このため、図６のＢ−Ｂ部断面図である図７に示すように、第１放熱板２０と整流素子接続板１９との間の空隙２８を冷却風２７ａが従来と同様に通過する。このため第１放熱板２０の熱伝達率は損なわれず、＋極の整流素子２２の温度は従来通りである。

また、図６のＣ−Ｃ部断面図である図８に示すように、第２放熱板２１と整流素子接続板１９との間の空隙２９を冷却風２７ｂが通過するようになり、第２放熱板２１の冷却性が向上し、−極の整流素子２３の温度は低減される。

このように、整流素子接続板（端子板）１９を波状に構成することにより、第１放熱板２０と第２放熱板２１の間の冷却風をバランスよく、第１放熱板２０側と第２放熱板２１側に分配することができる。このため、＋極の整流素子２２の冷却性を損なわず、−極の整流素子２３の温度低減が可能となる。

また、＋極の整流素子２２の温度と−極の整流素子２３の温度を均等化するには、図６に示すように第１放熱板側の空隙幅Ｗ１と空隙高さｈ１、第２放熱板側の空隙幅Ｗ２と空隙高さｈ2を調整するとよい。本実施形態では、第１放熱板側の空隙高さｈ１と第１放熱板側の空隙高さｈ２は等しくし、第１放熱板側の空隙幅Ｗ１と第２放熱板側の空隙幅Ｗ２を調整することにより＋極の整流素子の温度と−極の整流素子の温度をバランスさせてた。この図の例の場合、第１放熱板側の空隙幅Ｗ１に対し、第２放熱板側の空隙幅Ｗ２を１．１〜１．３倍としている。なお、空隙幅Ｗ１、Ｗ２は４．５ｍｍ以上、空隙高さｈ１、ｈ２は３．２ｍｍ以上が望ましい。

［実施形態２］
次に第２実施形態を図９と図１０に基づいて説明する。

図９は第２の実施形態にかかる整流器のリヤ側正面図である。

図１０は図９のＣ−Ｃ部断面図である。

この実施形態では、第１放熱板側の空間２８に第１放熱板２０に形成した冷却フィン２０ａを設配置する。これにより放熱面積の拡大を図ことができる。また、この部分に冷却風２７aを当てることにより、第１放熱板の熱伝達を向上させ、＋極の整流素子２２の温度を低減させることができる。

また、第２放熱板側の空間２９も同様に第１放熱板２１の冷却フィン２１ａを設けることにより、放熱面積の拡大を図ることができる。またこの部分に冷却風２８aを当てることにより、第１放熱板の熱伝達を向上させ、−極の整流素子２３の温度を低減させることができる。このように、第１実施形態に比して、第１放熱板側の空隙２８と第２放熱板側の空隙２９に、冷却フィンを設置することで、整流装置の冷却性を更に向上させることができる。

［実施形態３］
第３の実施形態を図１１、図１２、図１３に基づいて説明する。

図１１は第３の実施形態による整流器のリヤ側正面図である。図１２は図１１のＯ−Ｆ部断面図である。図１３は図１１のＯ−Ｇ部断面図である。

図１２に示すように第１放熱板側の空間２８に＋極の整流素子２２を配置し、冷却風２７ａを第１放熱板側の空間２８を通過させる共に＋極の整流素子２２を直接冷却することで温度低減効果を向上することができる。

また、図１３に示すように第２放熱板側の空間２９に−極の整流素子２３を配置し、冷却風２７ｂを第１放熱板側の空間２９を通過させる共に＋極の整流素子２３を直接冷却することで温度低減効果を向上することができる。さらには、−極の整流素子２３とリヤフレーム１７が直接接触し、放熱面積が大きいリヤフレーム１７に直接放熱されるため、−極の整流素子２３の温度低減効果は上昇する。

本実施形態においては、第１実施形態及び第２実施形態に比して第１放熱板側の空隙２８に＋極の整流素子２２を配置し、第２放熱板側の空間２９に−極の整流素子２３することで、空間を通過する冷却風を直接整流素子の冷却に利用でき、整流装置の冷却性を向上させる効果がある。

［実施形態４］
第４の実施形態を図１４、図１５、図１６、図１７に基づいて説明する。

図１４は第４の実施形態による車両用交流発電機のリヤ側正面図である。図１５はＪ−Ｊ部断面図である。図１６は図１５のＫ−Ｋ部断面図である。

本実施形態では、図１５に示すように第１放熱板側の空間２８に＋極の整流素子２２を配置し、冷却風２７ａを第１放熱板側の空間２８を通過させる共に＋極の整流素子２２を直接冷却することで温度低減効果を上昇させる。また、第２放熱板２１とリヤフレーム１７との空隙１７ａを設け、図１６に図１５のＫ−Ｋ部を断面した図を示すが、第２放熱板２１とリヤフレーム１７との間の空隙１７ａに冷却風２７ｃを通過させ、第２放熱板２１を冷却することができる。

また、図１７に示すように第２放熱板側の空間２９に−極の整流素子２３を配置し、冷却風２７ｂを第１放熱板側の空間２９を通過させると共に＋極の整流素子２３を直接冷却することで温度低減効果を向上させる。さらには、−極の整流素子２３とリヤフレーム１７は直接接触し、放熱面積が大きいリヤフレーム１７に直接放熱されるため、−極の整流素子２３の温度低減効果は上昇する。

本実施形態においては、−極の整流素子２３とリヤフレーム１７を直接接触させ、リヤフレーム１７に放熱させると共に、−極の整流素子２３部分以外の第２放熱板２１とリヤフレーム１７間には、空隙を設け冷却風を通過させる。このため第３実施例に比して冷却効率を上げることができる。

以上、本発明の各実施例について説明したが、他に採用可能な構成を以下に列挙する。

上記した各実施例では、回転電機の一実施形態として車両用交流発電機について説明を行ったが、発電と駆動を兼ねたモータジェネレータ等の車両用発電電動機にも適用することができる。

上記各実施例では、２組の三相巻線を備えた固定子巻線を例に整流装置の構成を述べたが、１組の三相巻線を備えた固定子巻線でも用いることができ、＋極の整流素子、−極の整流素子は実施例の半分の数で構成できる。

また、以上の実施例では、整流素子としてＰｎ接合を用いたダイオードを前提に説明したが整流素子としてスイッチング素子（パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等）を用いることもできる。

１ プーリ
２ シャフト
３ フロントベアリング
４ 回転子
５ 固定子
６ 固定子鉄心
７ 固定子巻線
８ リヤベアリング
９ フロント側爪磁極
１０ リヤ側爪磁極
１１ 界磁巻線
１２ スリップリング
１３ ブラシ
１４ フロントファン
１５ リヤファン
１６ フロントフレーム
１７ リヤフレーム
１７ａ 第２放熱板とリヤフレームの空隙
１８ 整流装置
１９ 整流素子接続板
１９ａ 絶縁材部
１９ｂ 接続ターミナル
２０ 第１放熱板
２１ 第２放熱板
２２ ＋極の整流素子
２３ −極の整流素子
２４ Ｂターミナルボルト
２５ 保護カバー
２６ フロント側冷却風
２７ リヤ側冷却風
２７ａ 第１放熱板と整流素子接続板との空隙を通過する冷却風
２７ｂ 第２放熱板と整流素子接続板との空隙を通過する冷却風
２７ｃ 第２放熱板とリヤフレームとの空隙を通過する冷却風
２８ 第１放熱板と整流素子接続板の空隙
２９ 第２放熱板と整流素子接続板の空隙
３０ 車両用交流発電機

Claims (7)

1. 固定子巻線を備えた固定子、該固定子の内周側に間隙を介して回転子を前記固定子内で回転可能に支持するフロントフレームおよびリアフレーム、前記回転子に取り付けられた冷却ファン、並びに一方の極性の電流を整流する第１極性側アームおよび他方の極性の電流を整流する第２極性側アームを具備し前記固定子巻線に発生した交流を整流する整流装置と前記整流装置を覆う保護カバーを備え、
   前記整流装置は、
   前記第１極性側アームを構成する整流素子を複数装着した第１放熱板、第２極性側アームを構成する整流素子を複数装着した第２放熱板、前記第１放熱版と第２放熱板の間に配置した波状に凹凸する接続板を備え、前記第１放熱板と前記接続板および第２放熱板と前記接続板との間に前記冷却ファンによる冷却風の通路を形成した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、
   前記第１放熱板と前記接続板との間に形成される空隙の幅は、第２放熱板と前記接続板との間に形成される空隙の幅よりも大であることを特徴とする車両用交流発電機。
3. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
   前記第２放熱板はリヤフレームに接触して固定したことを特徴とする車両用交流発電機。
4. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
   前記一方の極性は正極性であり、他方の極性は負極性であることを特徴とする車両用交流発電機。
5. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
   前記第１放熱板と前記接続板の間に形成された空隙には第１放熱板に形成された冷却フィンを配置し、第２放熱板と前記接続板との間に形成された空隙には第２放熱板に形成された冷却フィンを配置したことを特徴とする車両用交流発電機。
6. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
   前記第１放熱板と前記接続板の間に形成された空隙には第１極性側アームを構成する整流素子を配置し、第２放熱板と前記接続板との間に形成された空隙には第２極性側アームを構成する整流素子を配置したことを特徴とする車両用交流発電機。
7. 固定子巻線を備えた固定子、該固定子の内周側に間隙を介して回転子を前記固定子内で回転可能に支持するフロントフレームおよびリアフレーム、前記回転子に取り付けられた冷却ファン、冷却ファンを覆う保護カバー、並びに一方の極性の電流を整流する第１極性側アームおよび他方の極性の電流を整流する第２極性側アームを具備し前記固定子巻線に発生した交流を整流する整流装置を備え、
   前記整流装置は、
   前記第１極性側アームを構成する整流素子を複数装着した第１放熱板、第２極性側アームを構成する整流素子を複数装着した第２放熱板、前記第１放熱版と第２放熱板の間に配置した波状に凹凸する接続板を備え、前記第１放熱板と前記接続板および第２放熱板と前記接続板との間に前記冷却ファンによる冷却風の通路を形成し、
   前記第１放熱板と前記接続板の間に形成された空隙には第１極性側アームを構成する整流素子を配置し、第２放熱板と前記接続板との間に形成された空隙には第２極性側アームを構成する整流素子を配置するとともに、
   第２放熱板の前記第２極性アームを構成する整流素子を配置した部分の近傍以外の部分に接する前記リアフレームには冷却風を通すための凹部を設けたことを特徴とする車両用交流発電機。

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