JP2012115075A

JP2012115075A - 車両用回転電機の固定子

Info

Publication number: JP2012115075A
Application number: JP2010263202A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Ogiwara; 弘晃荻原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2030-11-26
Also published as: US20120133235A1; US8772995B2; JP5136920B2

Abstract

【課題】固定子巻線の接合部に加わるストレスを低減することができるとともに、接合部の長さを短くしつつ接合時の入熱量を低減することができる車両用回転電機の固定子を提供すること。
【解決手段】車両用交流発電機１の固定子３は、複数の導体セグメント３３の端部３３ｅ同士を溶接にて接合することにより形成される固定子巻線３１と、固定子巻線３１が巻装された固定子鉄心３２とを備える。導体セグメント３３の端部３３ｅに設けられた接合部３３ｇは、この接合部３３ｇに隣接する導体主部３３ｈに対して第１の傾斜角θ１で断面積が連続的に減少する第１の断面積減少部３３ｊと、第１の断面積減少部３３ｊよりも先端側に配置されて第１の傾斜角θ１よりも小さい第２の傾斜角θ２で断面積が連続的に減少する第２の断面積減少部３３ｋとを有する。
【選択図】図５

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の固定子に関する。

従来から、セグメント導体の端部同士を接合して形成される固定子巻線を有する車両用回転電機の固定子が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。この固定子に巻装された固定子巻線では、溶接の際の入熱量低減等を目的として、端部同士の接合部を段付形状に形成して先端部分の断面積を減少させるとともに一定にしたり（図７）、接合部の断面積を先端方向に連続して減少させている（図８）。

特許第３３０３８５４号公報（第３−７頁、図１−２４）特許第３９６４１１６号公報（第４−９頁、図１−１８）

ところで、特許文献１、２に開示された固定子巻線において、先端部分の断面積を減少させるとともに一定にする場合（図７）には、車両用回転電機の動作中、すなわち車両に搭載されて走行に伴う振動環境下にあるときや、回転電機の組付において溶接のために先端部をそろえて固定するときなどに、ストレスを受けることで段付部分（断面積が急激に減少する部分）において応力集中が発生し、固定子の接合部分が断線しやすくなる。

また、接合部の断面積を先端方向に連続して減少させる場合（図８）には、傾斜が緩やかだと断面積を先端方向に連続して減少させる部分の長さが長くなってしまい、その部分の加工の手間がかかるとともに、固定子巻線の軸方向の長さが長くなって最近の小型化の要請に反することになる。反対に、傾斜が急だと、本来の目的である入熱量低減の効果が少なくなってしまう。

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に加わるストレスを低減することができるとともに、接合部の長さを短くしつつ接合時の入熱量を低減することができる車両用回転電機の固定子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の固定子は、複数の導体片の端部同士を溶接にて接合することにより形成される固定子巻線と、固定子巻線が巻装された固定子鉄心とを備える車両用回転電機の固定子において、導体片の端部に設けられた接合部は、この接合部に隣接する導体主部に対して第１の傾斜角で断面積が連続的に減少する第１の断面積減少部と、第１の断面積減少部よりも先端側に配置されて第１の傾斜角よりも小さい第２の傾斜角で断面積が連続的に減少する第２の断面積減少部とを有している。

接合部を傾斜が大きい第１の断面積減少部とこれよりも傾斜が小さい第２の断面積減少部とで構成することでこれらの間の境界部分の角度が鈍角になるため、この境界部分に発生する応力集中の程度を軽減することができ、車両用回転電機の動作中や組付時に接合部に加わるストレスを低減することができる。また、入熱量低減のためには第２の断面積減少部のみを細くすればよいため、第１の断面積減少部と第２の断面積減少部からなる接合部の長さを短くしつつ入熱量の低減を図ることができる。

また、上述した導体主部は絶縁被膜で覆われており、少なくとも第１の断面積減少部および２の断面積減少部の全体は絶縁被膜で覆われておらず露出していることが望ましい。接合部全体の絶縁被膜を剥離しておくことにより被膜劣化を最小限に抑えることができる。特に、第２の断面積減少部から導体主部にかけて第１の断面積減少部にて断面積が急激に拡大するため、溶接時の導体主部の温度上昇を抑えることができ、導体主部に形成された絶縁被膜の劣化を確実に防止することができ、導体主部の十分な絶縁性を確保することができる。

また、上述した導体主部は、接合相手となる導体片以外の他の導体片と、固定子鉄心の軸方向端面より外側で交差しており、この交差する部分が絶縁被膜で覆われていることが望ましい。これにより、電位が異なる他相の導体片との間の絶縁不良を防止することができる。

また、上述した導体片は、平角銅線であることが望ましい。これにより、接合部同士を広い面積で接触させることができ、良好で安定した溶接品質を確保することができる。また、導体片の固定が容易となるため、絶縁被膜を容易に取り除くことができる。

また、上述した導体片は、Ｕ字形状を有しており、複数の導体片のそれぞれの接合部が、固定子鉄心の一方の軸方向端面側に整列配置されることが望ましい。これにより、溶接作業がしやすくなるとともに、溶接後の接合部に対して絶縁処理する場合の作業もしやすくなる。

また、上述した第１の断面積減少部と第２の断面積減少部は、曲面形状を介して連続していることが望ましい。これにより、第１の断面積減少部と第２の断面積減少部の間の境界部に生じる応力集中をさらに緩和することが可能となる。

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。導体セグメントの端部の詳細形状を示す側面図である。固定子の断面図である。固定子巻線の従来の接合部形状を示す図である。固定子巻線の従来の接合部形状を示す図である。

以下、本発明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、それぞれが複数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片としての導体セグメント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。

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に励磁電流を流すことにより、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。この端部３３ｅ側の斜行部３３ｆは、導体セグメント３３を固定子鉄心３２の各スロットに挿入した後に固定子鉄心３２の周方向に互い違いになるように（径方向に隣接する導体セグメント３３が互いに周方向に沿って反対となる向きに）捻ることで形成される。また、導体セグメント３３は、端部３３ｅを含む所定範囲を除く全体が電気的絶縁物としての絶縁被膜で覆われている。

各導体セグメント３３の端部３３ｅ同士の接合は、例えばＴＩＧ（ｔｕｎｇｓｔｅｎｉｎｅｒｔ−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、径方向に沿って隣接する２本の導体セグメント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溶接玉３３ｍが形成される。

図５は、導体セグメント３３の端部３３ｅの詳細形状を示す側面図である。端部３３ｅには、隣接する他の導体セグメント３３の端部３３ｅと突き合わせた状態で溶接にて接合する接合部３３ｇが形成されている。この接合部３３ｇは、この接合部３３ｇに隣接する導体主部３３ｈに対して第１の傾斜角θ１で断面積が連続的に減少する第１の断面積減少部３３ｊと、第１の断面積減少部３３ｊよりも先端側に配置されて第１の傾斜角θ１よりも小さい第２の傾斜角θ２で断面積が連続的に減少する第２の断面積減少部３３ｋとを有する。

本実施形態では、導体主部３３ｈは絶縁被膜で覆われており、少なくとも第１の断面積減少部３３ｊおよび第２の断面積減少部３３ｋの全体は絶縁被膜で覆われておらず露出している。なお、導体主部３３ｈは、必ずしも全体が絶縁被膜で覆われている必要はないが、他の導体セグメント３３と交差する部分（導体主部３３ｈは、接合相手となる導体セグメント３３以外の他の導体セグメント３３と、固定子鉄心３２の軸方向端面より軸方向に沿った外側で交差しており、この他の導体セグメント３３と交差する部分）が少なくとも絶縁被膜で覆われている必要がある。

接合部３３ｇ全体の絶縁被膜を剥離しておくことにより被膜劣化を最小限に抑えることができる。特に、第２の断面積減少部３３ｋから導体主部３３ｈにかけて第１の断面積減少部３３ｊにて断面積が急激に拡大するため、溶接時の導体主部３３ｈの温度上昇を抑えることができ、導体主部３３ｈに形成された絶縁被膜の劣化を確実に防止することができ、導体主部３３ｈの十分な絶縁性を確保することができる。

また、本実施形態では、導体セグメント３３は、断面が矩形形状を有する平角銅線が用いられている。これにより、溶接作業がしやすくなるとともに、溶接後の接合部に対して絶縁処理する場合の作業もしやすくなる。

図６は、固定子３の断面図である。図２および図６に示すように、固定子巻線３１のドライブ側のコイルエンド３５では、径方向に沿って隣接する２本の導体セグメント３３の接合部３３ｇ同士が溶接によって接合され、この接合部分が固定子鉄心３２の一方の軸方向端面側において周方向に沿って整列配置される。この接合部分は、絶縁材料（例えば粉体塗装）３６によって覆われており、接合部分同士あるいは他の部位との間の電気絶縁と同時に接合部分の固定が行われている。特に、接合部分を固定子鉄心３２の一方の軸方向端面側に配置することにより、接合部３３ｇの溶接作業がしやすくなるとともに、溶接後の接合部分に対して絶縁処理する作業もしやすくなる。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１の固定子３では、導体セグメント３３の接合部３３ｇを傾斜が大きい第１の断面積減少部３３ｊとこれよりも傾斜が小さい第２の断面積減少部３３ｋとで構成することでこれらの間の境界部分の角度が鈍角になるため、この境界部分に発生する応力集中の程度を軽減することができ、車両用交流発電機１の動作中や組付時に接合部３３ｇに加わるストレスを低減することができる。また、入熱量低減のためには第２の断面積減少部３３ｋのみを細くすればよいため、第１の断面積減少部３３ｊと第２の断面積減少部３３ｋからなる接合部３３ｇの長さを短くしつつ入熱量の低減を図ることができる。

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。上述した実施形態では、車両用交流発電機１の固定子３について本発明を適用したが、車両用交流発電機１以外の車両用回転電機（例えば、発電動作と電動動作を行う車両用回転電機や電動動作のみを行う車両用回転電機）の固定子に本発明を適用するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、導体セグメント３３の断面が矩形形状の場合について説明したが、断面が円形形状等の他の形状の場合にも本発明を適用することができる。また、Ｕ字形状の導体セグメント３３を用いて形成した固定子巻線３１だけでなく、Ｕ字形状の導体セグメント３３よりも長い複数本の連続線を用い、これらの連続線の端部同士を溶接にて接合して形成される固定子巻線について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、図５に示すように、第１の断面積減少部３３ｊと第２の断面積減少部３３ｋの間の境界部分にて所定の角度をなすように形成したが、この境界部分を曲面形状に形成して、この境界部に生じる応力集中をさらに緩和するようにしてもよい。

上述したように、本発明によれば、導体セグメント３３の接合部３３ｇを傾斜が大きい第１の断面積減少部３３ｊとこれよりも傾斜が小さい第２の断面積減少部３３ｋとで構成することで、これらの境界部分に発生する応力集中の程度を軽減することができ、車両用交流発電機１の動作中や組付時に接合部３３ｇに加わるストレスを低減することができる。また、接合部３３ｇの長さを短くしつつ入熱量の低減を図ることが可能となる。

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
３５コイルエンド
３３ｃターン部
３３ｄ、３３ｆ斜行部
３３ｅ端部
３３ｇ接合部
３３ｈ導体主部
３３ｊ第１の断面積減少部
３３ｋ第２の断面積減少部
３６絶縁材料

Claims

複数の導体片の端部同士を溶接にて接合することにより形成される固定子巻線と、前記固定子巻線が巻装された固定子鉄心とを備える車両用回転電機の固定子において、
前記導体片の端部に設けられた接合部は、この接合部に隣接する導体主部に対して第１の傾斜角で断面積が連続的に減少する第１の断面積減少部と、前記第１の断面積減少部よりも先端側に配置されて前記第１の傾斜角よりも小さい第２の傾斜角で断面積が連続的に減少する第２の断面積減少部とを有することを特徴とする車両用回転電機の固定子。
請求項１において、
前記導体主部は絶縁被膜で覆われており、少なくとも前記第１の断面積減少部および前記第２の断面積減少部の全体は絶縁被膜で覆われておらず露出していることを特徴とする車両用回転電機の固定子。
請求項２において、
前記導体主部は、接合相手となる導体片以外の他の導体片と、前記固定子鉄心の軸方向端面より外側で交差しており、この交差する部分が前記絶縁被膜で覆われていることを特徴とする車両用回転電機の固定子。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記導体片は、平角銅線であることを特徴とする車両用回転電機の固定子。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記導体片は、Ｕ字形状を有しており、
複数の前記導体片のそれぞれの前記接合部が、前記固定子鉄心の一方の軸方向端面側に整列配置されることを特徴とする車両用回転電機の固定子。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記第１の断面積減少部と前記第２の断面積減少部は、曲面形状を介して連続していることを特徴とする車両用回転電機の固定子。