JP2012244773A - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子に設けられた界磁用のコイルの巻線作業を容易として生産性を向上させ、コスト低減をはかることともに、コイル成形後の巻き崩れを防止した車両用回転電機を提供する。
【解決手段】回転子５の鉄心３に設けられ絶縁ボビン６に巻線された界磁用のコイル２と、コイル２の口出し線２７に接続されるスリップリング１８を備え、コイル２および口出し線２７にスプリングエロンゲーション値が４００〜５００の柔らかな絶縁電線が用いられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、乗用車、トラック等に搭載される車両用回転電機に関するもので、特に回転子界磁用のコイル構造に係るものである。

車両用回転電機としての発電電動機は、近年車両における電気負荷の増大化に伴い、構造を増大させることなく発電機としてより大きな出力をするとともに、さらなるコスト低減されたものが要求されてきている。コスト低減は製造方法の合理化によってもなされる。前記出力増大化要求に対しては、回転子界磁用のコイルの巻き回数を増やすことが対応策の１つであるが、発電電動機構造におけるコイル部分の占める容積が大きいことから、単に巻き回数を増加される案は、構造の大型化を招き適当ではない。
そこでコイル配置に要するスペースが少なくなるよう高密度な巻線構成を得ることを目的として、絶縁電線の絶縁厚さを薄くした絶縁電線を採用し、巻線処理や圧縮成型処理時に加わる負荷を吸収する巻線構造として、スプリングエロンゲーション値（ＳＥ値）が高い導線を用いる技術が示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−２３８６５６号公報

しかしながら、上記特許文献１に示された技術では、コイル巻線時の張力による変形を抑制するため、０．２％耐力の最低値を規定している。その一方で巻線処理等で印加される負荷をコイルで吸収し、絶縁皮膜に加わる負荷を低減するとしてＳＥ値の最低値を規定している。
この技術に示されているように０．２％耐力を大きく規定すると、巻線後のコイルに大きな縮み方向の内部応力が残ることになり、コイルの巻き始め、巻き終りの処理が適切に行われないと巻き崩れが発生するという問題点がある。さらに回転子に振動や熱等が加わることで、巻線の固定が緩み、巻き崩れなどの破損も生じる。さらに前記発電機出力の増大化要求に対して、コイルのＡＴ増加のため電流値を大きくすることが採用され、これに伴いコイルに使用される絶縁電線の線径を大きくすることが実用化されてきている。この場合、前記特許文献１に示された技術では線径が大きくなるとその分だけ絶縁電線が硬くなって、巻線作業がより困難となり、製造方法の合理化によるコスト低減化が達成されないという問題点もある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、回転子界磁用のコイルの巻線作業性を向上させてコスト低減をはかるとともに、機械的に強固な構造を有して耐久性を向上させ、発電機出力を増大可能とした車両用回転電機を提供する。

この発明に係る車両用回転電機は、回転子の鉄心に設けられ絶縁ボビンに巻線された界磁用のコイルと、該コイルの口出し線に接続されるスリップリングとが設けられ、コイルおよび口出し線に、スプリングエロンゲーション値が４００〜５００の絶縁電線が用いられているものである。

この発明に係る車両用回転電機は上記のような構成を備えているので、絶縁電線の柔軟性が増して、コイル巻線作業性が容易となり、生産性が向上してコスト低減が可能となる。さらには巻線時に必要な張力も低減できるため、生産設備がより簡略化される。また絶縁ボビンへの巻き付け後のスプリングバックが低減されるので、コイル成形後の巻き崩れの発生を防止できるという効果がある。

実施の形態１による車両用発電電動機を示す断面図である。 実施の形態１の車両用発電電動機の電気回路図である。 実施の形態１の絶縁ボビンを示す平面図である。 実施の形態１の絶縁ボビンとコイルを示す断面図である。 実施の形態１によるコイル線径と起磁力との関係を示す図である。 実施の形態１のスリップリング側上方から見た口出し線の結線状態を示す見取り図である。 実施の形態３の絶縁ボビンとコイルを示す断面図である。 実施の形態４の絶縁ボビンとコイルおよび渡り線を示す断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１は、車両用回転電機を車両用発電電動機を例として図に基づいて説明する。
図１は、車両用発電電動機１を示す断面図であり、図２はその電気回路図である。
図１において車両用発電電動機１は、２種類のハウジング９、１０とハウジング９、１０に回転自在に保持された回転子５と、電機子巻線７を保持する固定子８を備え、駆動時の電機子電流の供給および発電時の電機子電流の整流を行うためのスイッチング素子などの電子部品を電気的に接続する回路部からなるスイッチング回路１１を持ち、スイッチング回路１１は冷却のためのヒートシンク１９に搭載されてハウジング１０に固定されている。回転子５は界磁電流を流し励磁するコイル２が絶縁ボビン６に巻かれており、外部から界磁電流を口出し線２７を介しコイル２へ供給するためのスリップリング１８を持ち、ハウジング１０に固定されたブラシホルダ１７に備えられたブラシ１６がスリップリング１８に押圧されて接触し、界磁電流が供給される。界磁電流は界磁回路部１３で、要求される発生トルクや発電量を出力できるように調整されており、界磁回路部１３やスイッチング回路１１を制御するための制御回路部１２を備えている。回転子５の片側端部には図示しない内燃機関と双方向に出力を授受するためにプーリ２１が取り付けられており、ベルトを介して内燃機関と接続されている。シャフト４に固着された鉄心３の端面には冷却風を発生させるためのファン１４、１５が取り付けられている。回転子５には電動動作時の制御を行うためにプーリ２１と反対側の端部に回転センサ２２が取り付けられている。コネクタ２０を介し、図２に示す外部コントローラ２４から車両用発電電動機１の動作に対する指示を受け、同時に動作状態を報告する。

次に、実施の形態１の車両用発電電動機１の動作を説明する。
この車両用発電電動機１は、電動機として使用することで接続されたエンジンの再始動を行い、発電機として使用することで車両への電力供給や、バッテリへの充電を行うことができる。電動機として動作する場合には制御回路部１２から界磁回路部１３に界磁電流を流すように指示を行い、コイル２が励磁される。次にスイッチング回路１１に三相交流波形を流すことで回転子５が回転し、トルクを出力する。一方で発電機として動作する場合は外部コントローラ２４からの指示を受け、制御回路部１２が出力電流に応じた界磁電流を流すように界磁回路部１３に指示を出す。また、制御回路部１２が相電圧を測定し、出力電圧を超えた場合にスイッチング素子を切り替えるようにスイッチング回路１１に指示することで電機子巻線７に発生する交流電流を直流電流へ整流を行う。

次に、実施の形態１によるコイル２について説明する。
コイル２は、図３、図４に示すように、絶縁ボビン６に巻き回される。絶縁ボビン６は円筒状の巻胴部２５と、巻胴部２５から径方向に張り出したフランジ部２６と、コイル２の巻き始めと巻き終りのそれぞれの口出し線２７を係止する係止部２８、２９がフランジ部２６から外径方向に張り出している。尚、図４では巻き終りの口出し線２７の図示は省略している。

コイル２の巻線方法について説明する。まず、エナメル樹脂などの絶縁材料で被覆した線径１．２ｍｍφの絶縁電線を巻き始め側の係止部２８付近に固定し、巻胴部２５まで絶縁電線を導く。次に巻線機に取り付けられた絶縁ボビン６を回転させ、巻胴部２５から順次外周へ向けて巻線を行う。フランジ部２６の外周付近まで巻線しコイル２を形成した後、巻き始め側の係止部２８から円周方向で１８０度離れた位置にある巻き終り側の係止部２９までコイル２の口出し線２７を導く。最後に両係止部２８、２９に口出し線２７を係止する。巻線時にはコイル２に張力を掛けた状態で巻線を行うため、予め係止部２８に口出し線２７を係止してしまうと、係止部２８に力が掛かってしまい、劣化や破損する恐れが出てくる。このため、巻線時には係止部２８には口出し線２７を係止せず、巻線完了後にフック２８ａ、２９ａの下側部分で係止処理を行う。

また、巻線時は張力を掛けて行うため、巻線完了後に張力を緩めるとコイル２のスプリングバックによって、コイル２が縮み、巻崩れが発生する。スプリングバックによる巻崩れを防止するためには、コイル巻線時に掛ける張力を低減する。さらに絶縁電線が硬いほどスプリングバックが大きくなるため、柔軟性の指標であるスプリングエロンゲーション値（ＳＥ値）が大きい値の絶縁電線を用いる。このことによってスプリングバックを低減することができる。また、絶縁電線の線径が太いほど、スプリングバックが大きいので、線径が太い絶縁電線を使う場合には特にＳＥ値の大きい絶縁電線を使用することでコイル２の巻線性を向上する効果が高くなる。また、巻線時に必要な張力を低減することができるため、巻線機の駆動用モータの容量を小型化することができ、巻線機のコストの低減、ひいては車両用発電電動機１のコスト低減を図ることができる。

本実施の形態１では、絶縁ボビン６の係止部２８、２９はフランジ部２６からＴの字状のフック２８ａ、２９ａの下側が張り出した形状をしている。口出し線２７の係止方法は、外周に張り出した部分にフック２８ａ、２９ａに口出し線２７を巻き付けることで、コイル２と口出し線２７側の張力を分離し、巻崩れを防止する。この形状の場合、小さい巻線半径でコイル２を巻く必要があるため、絶縁電線が硬いと巻き付けるために大きな力が必要となる。また、特に巻き終り側は巻線時の張力を保ったまま、係止を行う必要があるため、巻線時の張力を低減すると共に、係止部２８、２９への巻き付けを容易に行えるように、柔らかなＳＥ値が４００〜５００の絶縁電線を使用することで工作性が向上する。
さらには、係止部２８、２９への固定が確実に行えるので、回転子５の高速回転に対応可能となり、車両用発電電動機１の長寿命化が図れる。

ここでこの実施の形態１において、コイル２に使用する絶縁電線の線径を１．２ｍｍφを採用したことについて説明する。
図５に同じ容積内にコイル２を巻線した場合（つまり、図１の鉄心３内のコイル２と同じ容積）の絶縁電線径（コイル線径）と起磁力との関係を示す。尚、この場合コイル２に印加される電圧は一定としている。
全体的な傾向として、線径が大きい方ほど起磁力が大きい傾向にある。これは起磁力が次式で求められる。
起磁力＝ターン数×界磁電流＝ターン数×界磁電圧／界磁抵抗
この中でターン数は断面積に関係し、界磁抵抗は巻き付けたコイル２の長さに関連しているため、線径が小さくなると、ターン数は増加するが、それ以上にコイル２の長さが増加するため、抵抗が増え、結果的に界磁電流が低下し、起磁力が低下していくことになる。直線から上方にずれている部分の線径は、軸方向の幅や、径方向の幅の限界値まで有効に使えるためである。
尚、前述したようにこの実施の形態１ではコイル２に用いる絶縁電線径を１．２ｍｍφとしたが、車両用発電電動機１の体格、出力に応じて１．０ｍｍφ〜１．５ｍｍφの線径を用いてもよい。

次に、コイル２および口出し線２７にＳＥ値４００〜５００の絶縁電線を用いる根拠について説明する。本願発明者はコイル２の巻線性、すなわち多量生産品のコスト低減に不可欠なコイル巻線作業時間の短縮化、およびコイル口出し線２２の係止部ならびに後述する図６のスリップリング１８のターミナル３２への接続強度について、ＳＥ値４５０、４２０、３５０の絶縁電線について比較試作、試験を実施した。
まず、コイル巻線性について述べる。比較は安定してコイル巻線が可能な作業を絶縁ボビン６の回転速度で評価した。下表にその結果を示す。

この結果から、ＳＥ値３８０の場合は巻線可能な巻線機回転速度が６００（ｒ／ｍｉｎ）であるが、ＳＥ値４２０となると巻線機回転速度が１０００（ｒ／ｍｉｎ）と上昇し、ＳＥ値４５０でも同様の回転速度で作業可能なことが判った。車両用発電電動機１の回転数や、コイル２の温度上昇値等を考慮し、ＳＥ値として４００〜５００が採用可能である。
このことから、ＳＥ値を４００〜５００と設定することで、巻線時間が短縮され、コイル製作の生産性が約１．６倍向上し、大幅なコスト低減が達成可能となる。

つづいて、係止部２８、２９への係止及びスリップリング１８のターミナル３２への接続性について説明する。
ＳＥ値の小さい硬く太い絶縁電線について、絶縁ボビン６の係止部２８、２９への固定やスリップリング１８のターミナル３２への接続作業を行う場合、硬い絶縁電線を引張って作業するため、必然的に絶縁電線を強い力で保持して引張る必要がある。強い力で絶縁電線を保持すると、保持するジグによってコイル２に傷が入ってしまうことが多くなる。線径１．２ｍｍφ、ＳＥ値３６０程度の絶縁電線を使用し、試験した結果、３２個の内２２個のコイル２に傷が入っており、６６％がＮＧとなった。口出し線２７に傷が入ってしまうと、回転子５の回転時の遠心力が掛かるとその部分から口出し線２７が破断してしまう。
また、後述する図６に示すように、スリップリング１８のターミナル３２に口出し線２７を巻き付ける方式の場合、小さい半径のターミナル３２に口出し線２７を巻き付けるため、必然的に巻き付け時に強く口出し線２７を引張る必要がある。このとき、口出し線２７だけでなくスリップリング１８のターミナル３２自体にも大きな力が掛かるので、ターミナル３２が変形をしてしまう。線径１．２ｍｍφ、ＳＥ値３６０程度のコイル２を使用し、試験した結果、２２個の内３個のターミナル３２の変形が発生し、約１４％がＮＧとなっている。
ＳＥ値が４２０、４５０の絶縁電線を用いたコイル２とおよび口出し線２７とすることにより、これらの不良について改善した。

次に、この実施の形態１におけるスリップリング１８への口出し線２７の結線工程を述べる。図４で既述したように絶縁ボビン６に巻き回されたコイル２は絶縁ボビン６の口出し線係止部２８、２９からコイル２で用いた絶縁電線がそのまま延伸した口出し線２７が引き出されている。回転子５の組立工程について説明する。
まず、完成したコイル２が巻き回された絶縁ボビン６の軸方向に両端から鉄心３で挟み込み、鉄心３の中央の穴にシャフト４が挿入されて同時に鉄心３を固定する。次にシャフト４にスリップリング１８を挿入する。次に図６に示すように口出し線２７をスリップリング１８のターミナル３２に接続する。最後に各種加工を施し、回転子５が完成する。
尚、図６はスリップリング１８側上方から見た口出し線２７の結線状態を示す見取り図である。

通常スリップリング１８は、回転子５に対して径が小さくなるため、口出し線２７を回転子５の外周側から内周側へと引き回す必要があり、回転子５が回転するときに発生する遠心力に対して十分な強度を持つように口出し線２７を処理すると共に、スリップリング１８のターミナル３２と口出し線２７を電気的に接続する必要がある。特に口出し線２７とスリップリング１８のターミナル３２との電気接続部は導電性を確保するために、半田、溶接、熱カシメ等で接合が実施されるが、一般にこれらの接合方法では、機械的な強度を確保できないため、直接力が掛からないように口出し線２７の引き回しを工夫するか、接続部ごと口出し線２７を鉄心３に樹脂等で固めて固定する方法ある。図６は前者の口出し線２７の引き回しを工夫した例である。係止部２８から引き出された口出し線２７は鉄心３に沿って回転子５の内周方法へと配線され、スリップリング１８に設けられたフック部３３に引っ掛けられた後、ターミナル３２に接続される。このように複雑な配線経路をとる場合、ＳＥ値が小さく硬い絶縁電線を使用すると配線時に口出し線２７が所定の位置を通らなくなる不具合が発生しやすくなる。具体的には、まず口出し線２７を鉄心３に沿うように配線する場合に、口出し線２７が硬いため、沿うことができずに浮いたまま配線されてしまう。この場合、高速回転時の口出し線２７に掛かる遠心力対策として、口出し線２７を樹脂等で鉄心３に固定することが考えられるが、浮いた状態では十分に固定することができず、高速回転性が悪化し、高速回転時に口出し線２７が断線する不具合が発生しやすくなる。

次に、スリップリング１８のターミナル３２付近では、狭い範囲で配線を行うため、口出し線２７を小さな半径で曲げる必要がある。コイル２から延伸する口出し線２７に太い線を使用する場合には十分に曲げることができずにスリップリング１８のフック部３３から外れたり、ターミナル３２への巻き付け時にターミナル３２との隙間が開くような不具合が発生する。また、口出し線２７を正しい位置に配置するためにはＳＥ値が４００未満の硬い絶縁電線では、大きな力が必要になり、作業性が悪く、特に人が手作業を行う場合には、作業に多くの力が必要となるため、製作時間や、作業者への疲労が溜まりやすくなる。

しかしながら、この実施の形態１による回転子５において、コイル２から延伸する口出し線２７は鉄心３に沿って引き回されて、シャフト４に固定されているスリップリング１８のターミナル３２に接続される。口出し線２７はそのままでは回転子５の回転に伴う遠心力を受けてしまうため、固定するために鉄心３に接するように配線され、樹脂などで固定される。このとき、柔らかいＳＥ値４００〜５００の絶縁電線を使用することで、コイル２のスプリングバックを低減し、鉄心３に容易に沿わせることができるため回転子５の工作性が向上すると共に、より強固に固定することができるため、回転子５の耐久性が向上する。
尚、係止部２８、２９の形状をＴ字状としたが、特に限定されるものでなく、コイル２と口出し線２７の張力の関係を保持し、大きなＳＥ値をもつ口出し線２７の引き回しを容易に行うことができる形状であればよい。

以上のように、この実施の形態１の車両用発電電動機１は、発電機出力の増大化要求に対しても、従来の回転子５の鉄心３の構造、寸法を変更することなく、回転子５のコイル２に用いられる絶縁電線を従来より大径化し、かつＳＥ値を４００〜５００と設定したので、出力増大化が達成し、かつコイル巻線作業性が格別に向上し、コスト低減が可能となり、さらに口出し線固定が容易となり、機械的強度が上昇、耐久性が向上するという効果がある。

実施の形態２．
次に、実施の形態２を説明する。
この実施の形態２では、コイル２が絶縁ボビン６の巻胴部２５側からフランジ部２６の外周まで順に巻き付ける層ごとの列数を奇数層同士、偶数層同士で同数となるように巻線する。すなわち、絶縁ボビン６の幅方向に列をなし、径方向に層をなしてコイル２が成形されている。このようにコイル２の各層の巻数を揃えることで、巻き回したコイル２の長さや巻数を揃えることができるため、コイル２の特性が揃えることができるため、出力特性のばらつきを低減することができる。各層の巻数を揃えるためには巻線機の制御を正確に行って巻線する必要がある。このとき、絶縁電線が硬い場合には、スプリングバックが大きいため、高い張力を掛けて巻き回す必要がある。このため巻線機の少しの変動で大きなスプリングバックが働いてしまい、巻崩れが発生しやすくなる。以上の対策として、柔らかなＳＥ値４００〜５００の絶縁電線を使用することで、安定した巻線を行うことができ、コイル２の生産性を向上することができる。

実施の形態３．
図７に実施の形態３のコイル２の断面を示す。
この実施の形態３では、コイル２の巻数を増加するために、フランジ部２６の外周側に、内周側よりも列数を減らして少なくとも１層分の巻線を行う。このような断面形状を有するコイルを従前より山巻き、あるいは俵積みコイルと称している。一般に巻き回し時の張力は巻線するコイル２が接する下層の２本のコイル２に掛かり、これが分散されて最終的にフランジ部２６で受けることになるが、この実施の形態３のようにフランジ部２６の外周部分にいたるまでに巻線を行う場合には、両端のコイル２で張力を受ける必要がある。このため、柔らかなＳＥ値４００〜５００の絶縁電線を使用することで巻線時の張力を低減すると、フランジ部２６の外周側の巻線を安定して行うことができる。その結果、巻線速度を上げることが可能となることや、歩留まりが向上し、コイル２の生産性が向上する。

実施の形態４．
図８に実施の形態４のコイル２ａの断面を示す。
図８に示すように巻き付け層数を奇数とするコイル２ａとすると、巻き終りが回転子５の反スリップリング側となる。口出し線２７は最終的にスリップリング１８に接続する必要があり、このため、この実施の形態４では前述した実施の形態３と同様に俵積みコイル形状とし、かつ一度反スリップリング側に設けた係止部２９に口出し線２７を係止し、次にスリップリング側に設けた係止部２８に係止した後にスリップリング１８へ接続する。単純に反スリップリング側とスリップリング側の係止部２８、２９の間を渡り線３１で繋げた場合、渡り線３１は浮いているため、回転子５の回転に伴う遠心力を受けてしまう。特に回転変動が起きた場合には、渡り線３１の係止部２８、２９から出る根元部に繰返し応力が掛かり、破断する可能性が高くなってしまう。この対策として、図８に示すようにフランジ部２６の外周にまでコイル２ａを巻き回し、フランジ部２６のコイル最外層２ｂに渡り線３１を押し付けた後ワニス等樹脂で固定することで、渡り線３１の係止部２８、２９から出る根元部に掛かる遠心力を低減することができ、コイル２ａの耐久性が向上する。このときＳＥ値４００〜５００の絶縁電線を使用しているので、少ない力で確実に渡り線３１をコイル最外層２ｂに押し付けることができ、その状態を保ったまま樹脂を硬化することができるため、コイル２ａの工作性が向上する。
尚、この実施の形態４ではコイル２ａを俵積み形状としたが、この形状に限らず、図４に示したような最外層が平坦な形状であってもよい。

以上のように、実施の形態１〜４の車両用発電電動機１の回転子において、コイル２に線径１．０ｍｍφ〜１．５ｍｍφの絶縁電線を用いるとともにＳＥ値４００〜５００と選定しているので、コイル２のスプリングバックを低減し、コイル２の巻き回しや係止部２８、２９への係止、スリップリング１８への接続配線作業等に必要な張力を低減することで、回転子５の工作性や耐久性を向上することができる。
尚、前述した実施の形態１〜４は車両用発電電動機を例として挙げたが、これに限らず、スリップリングを備えた車両用回転電機であれば適用可能であることは言うまでもない。

この発明は、乗用車やトラック等に搭載される回転電機に利用可能である。

１ 車両用発電電動機、２，２ａ コイル、５ 回転子、６ 絶縁ボビン、
１８ スリップリング、２５ 巻胴部、２６ フランジ部、２７ 口出し線、
２８，２９ 係止部、３１ 渡り線。

Claims (5)

1. 回転子の鉄心に設けられ絶縁ボビンに巻線された界磁用のコイルと、該コイルの口出し線に接続されるスリップリングとが設けられた車両用回転電機において、
   前記コイルおよび口出し線に、スプリングエロンゲーション値が４００〜５００の絶縁電線が用いられていることを特徴とする車両用回転電機。
2. 前記絶縁電線の線径を１．０ｍｍφ〜１．５ｍｍφとすることを特徴とする請求項１に記載の車両用回転電機。
3. 前記コイルは前記絶縁ボビンの幅方向に列をなし、径方向には層をなして積み重ねられて成形されており、前記層ごとの列数を奇数層同士、偶数層同士で同数となるよう構成されていることを特徴とする請求項１、２に記載の車両用回転電機。
4. 前記コイルの最外層が、前記絶縁ボビンの幅よりも狭い範囲内で、少なくとも１層以上巻き回されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用回転電機。
5. 前記コイルは、最外層が奇数層となる構成を有し、前記コイルの巻き始めは前記絶縁ボビンに設けられたスリップリング側の係止部に係止され、該係止部から延伸する口出し線が前記スリップリングに接続され、前記コイルの巻き終りは反スリップリング側の係止部に係止され、該係止部から延伸する渡り線が前記コイルの最外層に押し付けられて固着されるとともに、前記スリップリング側の係止部で係止された後、該渡り線につながり前記スリップリング側係止部から延伸する口出し線が前記スリップリングに接続されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の車両用回転電機。

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