JP2013039023A - 車両用交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】接触面積を確保することにより整流素子との間の固定力および導電性を維持することができるとともに、整流素子の寿命の低下を防止することができる車両用交流発電機を提供すること。
【解決手段】車両用交流発電機１は、複数の整流素子５４、５５とこれら複数の整流素子５４、５５が圧入される取付孔５６が形成された放熱フィン５２、５３とを有する整流装置５を備える。放熱フィン５２、５３は、ダイカスト成形によって形成され、取付孔５６の内周面５６０は、鋳肌面であって、整流素子５４、５５の圧入方向に沿った複数の凸部５６２を有し、凸部５６２の先端は、非凸部（凹部）の周方向の幅よりも狭い周方向の幅に形成され、取付孔５６の内周面５６０の硬度が、整流素子５４、５５の外周部の部材の硬度よりも高くなっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用交流発電機に関する。

従来から、整流装置の放熱フィンに貫通した取付孔を設け、外周面がローレット加工された整流素子をこの取付孔に圧入した構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、整流素子が放熱フィンよりも高い硬度を有している構造も知られている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、この整流素子の圧入を、放熱フィンの代わりにフレームに対して行うようにした構造が知られている（例えば、特許文献３参照。）。また、放熱フィンに設けた中空部に熱伝導部材が圧入されるヒートシンクにおいて、中空部の内周面と熱伝導部材の外周面とのいずれか一方に他方の表面硬度より高い表面硬度の表面層が形成されている構造が知られている（例えば、特許文献４参照。）。

特開平５−１１４６７８号公報（第２−３頁、図１−７） 特開２００２−１１９０２９号公報（第２−６頁、図１−９） 特許第３７７１６３７号公報（第３−４頁、図１−６） 特開２００５−２７７１９１号公報（第２−５頁、図１−４）

ところで、整流素子の放熱フィンは、冷却性に関しては、表面積が大きく複雑な形状を作ることができるアルミ材によるダイカスト成形品を用いた方が、プレス成形品よりも有利である。しかし、ダイカスト成形品を用いた場合の特徴として、表面の鋳肌面が内部に比べて硬度が高くなる。そのため、ダイカスト成形品の放熱フィンに特許文献１の構造を適用すると、整流素子の圧入部の部材よりも放熱フィンの取付孔の鋳肌面の方が硬くなり、整流素子の圧入部の外周面に形成されたローレット部が放熱フィンの取付孔に食い込まず、圧入時に主にローレット部が変形する。このように、ローレット部が取付孔の内周面に食い込まないため、整流素子と放熱フィンの取付孔との間の接触面積が小さくなり、塩水などが接触部分全体に浸入しやすくなり、接触部の腐食の進行が早まって整流素子の固定力が低下したり、接触部の導電性が早期に損なわれるおそれがあるという問題があった。また、接触面積が小さくなると、接触部の熱抵抗が増加して整流素子から放熱フィンへの熱伝導性が低下するため、整流素子の冷却性が悪化し、整流素子の寿命が短くなるという問題があった。

なお、これらの問題点を解決するために、放熱フィンの取付孔の鋳肌面を切削により除去することが考えられるが、追加の機械加工が必要になるため、コスト低減の観点からは望ましくない。また、整流素子が放熱フィンよりも高い硬度を有している特許文献２には、プレス成形された放熱フィンの開示しかなく、放熱性を向上させるためにダイカスト成形品を採用すると、上記と同様に、切削加工が必要となり、コスト上昇を招く。一方、ダイカスト成形品の鋳肌面よりも、さらに高い硬度を整流素子に持たせようとすれば、材料や作りにくさにより、整流素子自身の製造コストが上昇する。

また、放熱フィンの代わりにダイカスト成形品のフレームを用いる特許文献３についても、同様の問題がある。

特許文献４には、熱伝導部材の外周面に硬質クロムメッキなどの硬化処理を施して、圧入される中空部の内周面より硬くすることが記載されているが、その硬化処理の工程が必要になるため、製造コストや部品コストが上昇する。また、特許文献４には、中空部を持つ放熱フィンをダイカスト法で形成し、この中空部に複数の溝を熱伝導部材の挿入方向に設けた構成が示されている。この溝の形状は、特許文献４の図４に示されているように、圧入部面積を増やして熱伝導部材から放熱フィンへの伝熱性を高めるために、圧入部の周方向の幅が、溝の幅よりも非常に大きく設定されている。しかも、この特許文献４の図１や図２に示されているように、冷却すべき電子素子は熱伝導部材の圧入部から離れた端面に配置されている。しかし、車両用交流発電機の整流装置のように整流素子を圧入する構造においては、このような圧入は、整流素子に過大なストレスを加えることになり、整流素子の寿命の低下を生ずる。

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、接触面積を確保することにより整流素子との間の固定力および導電性を維持することができるとともに、整流素子の寿命の低下を防止することができる車両用交流発電機を低コストで提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電機は、複数の整流素子とこれら複数の整流素子が圧入される取付孔が形成された放熱フィンとを有する整流装置を備えており、放熱フィンは、ダイカスト成形によって形成され、取付孔の内周面は、鋳肌面であって、整流素子の圧入方向に沿った複数の溝を形成するように周方向に凹凸部を有し、凸部は凹部の周方向の幅よりも狭い周方向の幅、または頂点を有し、取付孔の内周面の硬度が、整流素子の外周部の部材の硬度よりも高くなっている。

硬い取付孔の内周面側に凸部を形成して整流素子を圧入することにより、凸部を整流素子の外周部に食い込ませることができるため、取付孔の内周面と整流素子の外周部との間の接触面積を増大させ、これらの間の固定力や導電性を維持することができる。しかも、凸部は、凹部の周方向の幅よりも狭い周方向の幅、または頂点を有しているので、整流素子への過大なストレスを防止し、接触面積の増大に伴って熱伝導性を向上させ、整流素子の冷却性を向上することと相まって、整流素子の寿命の低下を防止することができる。さらに、放熱フィンの内周面を加工せずに鋳肌面のまま用いることによるコスト低減が可能となる。

第１の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。 整流装置の詳細構造を示す平面図である。 負極側整流素を負極側放熱フィンの取付孔に打ち込む方向を示す図である。 負極側整流素子の断面図である。 負極側放熱フィンの取付孔の形状を示す断面図である。 負極側放熱フィンの取付孔の部分拡大図である。 負極側放熱フィンの変形例の取付孔の部分拡大図である。 負極側整流素子の外周面形状の変形例（第２の実施形態）を示す図である。 負極側整流素子の外周面形状の変形例（第２の実施形態）を示す図である。 封止剤を用いて負極側整流素子と負極側放熱フィンの嵌合部分を封止した変形例（第３の実施形態）を示す図である。 正極側整流素子の圧入方向に沿った外周部の端部に段付部を形成した変形例（第４の実施形態）を示す図である。 負極側整流素子の圧入方向に沿った取付孔の内周面の端部に圧入方向の前方側に段付部を形成した変形例（第５の実施形態）を示す図である。 フレームを整流装置の負極側放熱フィンとして用いた変形例（第６の実施形態）を示す車両用交流発電機の部分的な断面図である。

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に示す車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、ブラシ装置４、整流装置５、フレーム６、リヤカバー７、プーリ８等を含んで構成されている。

固定子２は、固定子鉄心２１と、この固定子鉄心２１に形成された複数個のスロットに所定の間隔で巻き回された三相の固定子巻線２３とを備えている。回転子３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巻線３１を、それぞれが複数の磁極爪部を有するポールコア３２によって、回転軸３３を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、フロント側のポールコア３２の端面には、冷却ファン３４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３２の端面には、冷却ファン３５が溶接等によって取り付けられている。

ブラシ装置４は、整流装置５から回転子３の界磁巻線３１に励磁電流を流すためのものであり、回転子３の回転軸３３に形成されたスリップリング３６、３７のそれぞれに押圧するブラシ４１、４２を有する。

整流装置５は、三相の固定子巻線２３の出力電圧である三相交流電圧を整流して直流の出力電力を得るためのものであり、配線用電極を内部に含む端子台５１と、所定の間隔で配置された正極側放熱フィン５２および負極側放熱フィン５３と、それぞれの放熱フィンに設けられた圧入孔に圧入することにより取り付けられた複数個の半導体装置としての整流素子５４、５５とを含んで構成されている。整流素子５４、５５の圧入構造については後述する。

フレーム６は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３が回転軸３３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３のポールコア３２の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム６は、固定子鉄心２１の軸方向端面から突出した固定子巻線２３に対向した部分に冷却風の吐出窓６１が、軸方向端面に冷却風の吸入窓６２がそれぞれ設けられている。リヤカバー７は、リヤ側のフレーム６の外側に取り付けられるブラシ装置４、整流装置５およびＩＣレギュレータ１２の全体を覆って、これらを保護するためのものである。

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８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３が所定方向に回転する。この状態で回転子３の界磁巻線３１に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア３２のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線２３に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置５の出力端子からは直流の出力電力が取り出される。

次に、図２を参照しながら整流装置５の詳細について説明する。なお、以下では主に負極側放熱フィン５３に圧入された負極側整流素子５５について説明するが、正極側放熱フィン５２とこれに圧入される正極側整流素子５４についても同様であり、詳細な説明は省略する。

整流装置５は、正極側放熱フィン５２と負極側放熱フィン５３を有している。負極側放熱フィン５３には６箇所に貫通した取付孔５６が形成されており、それぞれの取付孔５６に負極側整流素子５５が打ち込まれる。圧入によって負極側整流素子５５を負極側放熱フィン５３に取り付けることにより、半田付けによって取り付けた場合に比べて作業工数およびコストの低減が可能になる。負極側放熱フィン５３は、アルミ材（アルミニウムあるいはアルミニウム合金）を用いたダイカスト成形によって形成されている。また、負極側放熱フィン５３に形成された取付孔５６は、内周面が鋳肌面となっており、ダイカスト成形によって形成された内周面に対して追加の加工は行われていない。図３に示す矢印Ａは、負極側整流素子５５を負極側放熱フィン５３の取付孔５６に打ち込む方向を示している。

負極側整流素子５５は、ディスク部５００、半導体チップ５１０、リード５２０を含んで構成されている。ディスク部５００は、一方の端面に凹部５０４が形成された円筒形状を有している。この凹部５０４の内側底面が整流素子としての半導体チップ５１０を半田付けする接合面５０６となる。凹部５０４の底面側（図４に示す例ではディスク部５００の下面側）が打ち込み時の圧入面になっており、この圧入面の全体が均一に加圧される。

負極側整流素子５５は、ディスク部５００の接合面５０６上に半導体チップ５１０が半田５１２によって半田付けされ、さらに半導体チップ５１０の上部にリード５２０が半田５１４によって半田付けされている。また、半導体チップ５１０の全体を覆うようにシリコンゴムあるいは樹脂からなる保護層５２２が形成されている。

ところで、ディスク部５００は凹凸のない円筒状の外周面５０２を有している。ディスク部５００は、銅やアルミニウムなどによって形成されており、外周面５０２は例えば旋盤加工によって形成される。一方、上述した負極側放熱フィン５３に設けられた取付孔５６は、内周面５６０がローレット形状、具体的には、負極側整流素子５５の打ち込み方向と平行な向きに内周面５６０に複数の凸部が形成されている。

図５Ａ、図５Ｂに示すように、取付孔５６の内周面５６０には複数の凸部５６２が形成されており、先端部が頂点を持つ。凸部５６２の周方向幅ｘは、凹部（非凸部）の周方向幅ｙよりも小さい。また、凸部５６２の先端部の直径は、ディスク部５００の外径よりも小さく設定されている。図５Ａ、図５Ｂに示す例では、２４個の凸部５６２が図示されているが、この個数や形状は説明のために一例を示したものであって適宜変更される。例えば、図５Ｃの凸部５６２０は先端部に平坦部を持つ。この場合も、図５Ｂと同様に、凸部５６２０の周方向幅Ｘは、凹部（非凸部）の周方向幅Ｙよりも小さく、凸部５６２０の先端部の直径は、ディスク部５００の外径よりも小さく設定されている。

このような内周面５６０に凸部５６２が形成された取付孔５６に負極側整流素子５５のディスク部５００を圧入すると、ディスク部５００の外周部分に取付孔５６の内周面５６０の凸部５６２の先端部分が干渉するため、この干渉した部分が変形する。実際には、取付孔５６の内周面５６０はダイカスト成形の鋳肌面であるため、凸部５６２を含む内周面５６０は負極側整流素子５６のディスク部５００の外周面５０２よりも硬く、主に外周面５０２に凸部５６２が食い込みながら負極側整流素子５６の圧入が行われる。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１の整流装置５では、硬い取付孔５６の内周面５６０側に凸部５６２を形成しておいて、この取付孔５６に負極側整流素子５５を圧入することにより、凸部５６２を負極側整流素子５５の外周部（ディスク部５００の外周面５０２）に食い込ませることができるため、取付孔５６の内周面５６０と負極側整流素子５５の外周部との間の接触面積を増大させ、これらの間の固定力や導電性を維持することができる。また、凸部は凹部の周方向の幅よりも狭い周方向の幅を有しているので、圧入による整流素子への過大なストレスを防止し、接触面積の増大に伴う負極側整流素子５５の冷却性の向上と相まって、整流素子の寿命の低下を防止することができる。さらに、負極側放熱フィン５３の内周面を加工せずに鋳肌面のまま用いることによるコスト低減が可能となる。

また、負極側放熱フィン５３をアルミ材を用いたダイカスト成形によって形成しており、量産性に優れたアルミ材を用いたダイカスト成形を行うことにより、さらなるコスト低減が可能となる。なお、上述したように、正極側放熱フィン５２とこれに圧入される正極側整流素子５４についても同様である。

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。例えば、上述した実施形態では、負極側整流素子５５のディスク部５００の外周面５０２は凹凸のない円筒形状を有するものとしたが、負極側整流素子５５のディスク部５００の外周面５０２に、負極側放熱フィン５３の取付孔５６の内周面５６０に形成された複数の凸部５６２に対応する位置に凹部を形成するようにしてもよい。正極側整流素子５４についても同様である。

図６に示す変形例では、負極側整流素子５５の外周面５０２であって、負極側放熱フィン５３の取付孔５６の内周面５６０に設けられた２４個の凸部５６２に対応する位置に２４個の凹部５７０が形成されている。これらの凹部５７０は、凸部５６２と同様に、負極側整流素子５５の打ち込み方向と平行な向きに延在している。また、負極側整流素子５５を取付孔５６に圧入する際に、凸部５６２が確実に凹部５７０に噛み合うように、凸部５６２の方が凹部５７０よりも大きいサイズに形成されており、より硬い凸部５６２が圧入されることにより凹部５７０が変形し、これらの間が確実に嵌合するようになっている。このような凹部５７０を追加することにより、さらなる接触面積の増大が容易となる。また、負極側整流素子５５の位置決めがしやすくなるため、負極側整流素子５５の組み付けが容易となり、製造コストの低減が可能となる。なお、凹部５７０の数は必ずしも凸部５６２の数に合わせる必要はなく、図７に示すように、一部の凸部５６２に対応するように凹部５７０の数を減らしてもよい。

また、図３に示した負極側整流素子５５（正極側整流素子５４についても同様）の外周面、図６あるいは図７に示した負極側整流素子５５の外周面（凹部５７０以外の領域）に対して梨地加工を施して微細な凹凸形状としてもよい。これにより、負極側整流素子５５の外周面と取付孔５６の内周面（凸部５６２以外の領域）とが面接触する際の接触面積を増やすことが可能となる。正極側整流素子５４についても同様である。

また、上述した実施形態において負極側整流素子５５の外周面５０２と取付孔５６の内周面５６０とが嵌合する領域であって負極側放熱フィン５３の表面に露出する部位を、封止剤によって封止するようにしてもよい。正極側整流素子５４についても同様である。

図８に示す変形例では、負極側放熱フィン５３の両方の面に封止剤５８０が追加されて、負極側整流素子５５と負極側放熱フィン５３の嵌合部分が全周にわたって封止されている。これにより、これらの嵌合部分から塩水などの異物が浸入することを確実に防止することができ、耐環境性を向上させることができる。以上により、整流素子の外周部と取付孔との固定力や電導性を確実に維持することができる。なお、この封止は、負極側放熱フィン５３の表面であって異物の浸入側においてのみ行うようにしてもよい。図１に示す車両用交流発電機１の場合には、リヤカバー７に設けられた冷却風の吸入窓（図示せず）から主に塩水等の異物が浸入する。このため、図８において上側に図示された封止剤５８０のみを追加するようにしてもよい。

また、封止剤５８０を追加する代わりに（あるいは、封止剤５８０の追加とともに）、負極側整流素子５５の圧入方向に沿った外周部（外周面５０２）の端部や、取付孔５６の内周面５６０の端部に、径方向に延長した段付部を形成することにより、封止と同様の効果を持たせるようにしてもよい。正極側整流素子５４についても同様である。

図９に示す変形例では、正極側整流素子５４の外周面５０２の端部に段付部（大径部）５９０が形成されている。この段付部５９０の外径は、正極側整流素子５４の外周面５０２と取付孔５６の内周面５６０とが嵌合する領域であって正極側放熱フィン５２の表面に露出する部位の全体を覆う寸法に設定されている。これにより、図１に示す車両用交流発電機１において、段付部５９０の方向から塩水などの異物が浸入することを確実に防止することができ、耐環境性を向上させることができる。さらに、段付部５９０が圧入方向の位置決めになるので、製造容易化によるコスト低減の効果もある。

図１０に示す変形例では、負極側放熱フィン５３の内周面５６０の端部に段付部（小径部）５９２が形成されている。この段付部５９２の内径は、負極側整流素子５５の外周面５０２と取付孔５６の内周面５６０とが嵌合する領域であって負極側放熱フィン５３の表面に露出する部位の全体を覆う寸法に設定されている。これにより、段付部５９２の方向から塩水などの異物が浸入することを確実に防止することができ、耐環境性を向上させることができる。さらに、段付部５９２が圧入方向の位置決めになるので、製造容易化によるコスト低減の効果もある。

また、上述した実施形態では、負極側放熱フィン５３をフレーム６とは別に設けたが、一般にはフレーム６もアルミ材（アルミニウムあるいはアルミニウム合金）を用いたダイカスト成形によって形成されるため、フレーム６を負極側放熱フィン５３として用いるようにしてもよい。

図１１に示す変形例では、フレーム６の回転軸３３に沿った軸方向端面（後端面）に取付孔５６が設けられており、この取付孔５６に負極側整流素子５５が直接圧入される。また、フレーム６は、アルミ材を用いたダイカスト成形によって形成されており、取付孔５６の内周面が鋳肌面となっており、この内周面には図５に示した複数の凸部５６２が形成されている。このように、フレーム６を整流装置５の負極側放熱フィン５３として用いることにより、部品点数の削減によるコスト低減が可能となる。

上述したように、本発明によれば、硬い取付孔５６の内周面５６０側に凸部５６２を形成して整流素子５４、５５を圧入することにより、凸部５６２を整流素子５４、５５の外周部に食い込ませることができるため、取付孔５６の内周面５６０と整流素子５４、５５の外周部との間の接触面積を増大させ、これらの間の固定力や導電性を維持することができる。しかも、凸部は、凹部の周方向の幅よりも狭い周方向の幅、または頂点を有しているので、整流素子への過大なストレスを防止し、接触面積の増大に伴う整流素子の冷却性を向上することと相まって、整流素子５４、５５の寿命の低下を防止することができる。さらに、放熱フィン５３、５３の内周面を加工せずに鋳肌面のまま用いることによるコスト低減が可能となる。

１ 車両用交流発電機
５ 整流装置
５２ 正極側放熱フィン
５３ 負極側放熱フィン
５６ 取付孔
５０２ 外周面
５６０ 内周面
５６２ 凸部
５８０ 封止剤
５９０、５９２ 段付部

Claims (9)

1. 複数の整流素子（５４、５５）とこれら複数の整流素子が圧入される取付孔（５６）が形成された放熱フィン（５２、５３）とを有する整流装置（５）を備える車両用交流発電機（１）であって、
   前記放熱フィンは、ダイカスト成形によって形成され、
   前記取付孔の内周面（５６０）は、鋳肌面であって、前記整流素子の圧入方向に沿った複数の溝を形成するように大径の凹部と小径の凸部（５６２、５６２０）を周方向に交互に有し、
   前記凸部の先端は、前記凹部の周方向の幅よりも狭い周方向の幅、または頂点を有し、
   前記取付孔の内周面の硬度が、前記整流素子の外周部の部材の硬度よりも高いことを特徴とする車両用交流発電機。
2. 請求項１において、
   前記整流素子の外周部の外周面（５０２）には、前記取付孔の内周面に形成された前記複数の凸部の少なくとも一部に対応する位置に凹部（５７０）が形成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
3. 請求項１または２において、
   前記整流素子の外周部と前記取付孔の内周面とが嵌合する領域であって前記放熱フィンの表面に露出する部位が封止剤（５８０）によって封止されていることを特徴とする車両用交流発電機。
4. 請求項３において、
   前記封止剤による封止は、前記放熱フィンの表面であって異物の浸入側において行われることを特徴とする車両用交流発電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記整流素子の外周部と前記取付孔の内周面とが嵌合する領域であって前記放熱フィンの表面に露出する部位を、前記整流素子の圧入方向に沿った前記外周部の端部または前記取付孔の内周面の端部を径方向に延長した段付部（５９０、５９２）によって覆うことを特徴とする車両用交流発電機。
6. 請求項５において、
   前記段付部は、前記圧入方向の後方側に形成された前記外周部の大径部（５９０）であることを特徴とする車両用交流発電機。
7. 請求項５において、
   前記段付部は、前記圧入方向の前方側に形成された前記内周壁の小径部（５９２）であることを特徴とする車両用交流発電機。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
   前記取付孔の内周面と前記整流素子の外周部の部材は同一材料からなることを特徴とする車両用交流発電機。
9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、
   前記放熱フィンは、アルミ材を用いたダイカスト成形によって形成されることを特徴とする車両用交流発電機。

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