JP2014128041A

JP2014128041A - 車両用回転電機

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Publication number: JP2014128041A
Application number: JP2012280632A
Authority: JP
Inventors: Akinori Nobeyama; 陽徳延山; Hideaki Kamiya; 英明神谷; Masatoshi Komura; 甲村　　雅敏
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2014-07-07
Anticipated expiration: 2032-12-25
Also published as: CN103904795B; CN103904795A; JP6149395B2

Abstract

【課題】別部品の追加や組み付け工程の追加を要せずに固定子巻線を効率的に冷却することができる車両用回転電機を提供すること。
【解決手段】車両用交流発電機１は、固定子２および回転子３を備える。固定子２は、複数のスロット２２を有してリング状に形成された固定子鉄心２１と、スロット２２内において内径側に偏在して配置された状態で固定子鉄心２１に巻装された固定子巻線２３と、スロット２２内において固定子巻線２３を内径側に偏在して配置することにより外径側に生じた空間によってスロット２２内に形成された冷却媒体経路２５とを有する。
【選択図】図２

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に関する。

従来から、冷媒により固定子や回転子を直接冷却する構造を有し、固定子コイルスロット内に高熱伝導性の材質によって構成される放熱路を設けて、スロット内部のコイルと外部のコイルとの温度差を減少させた電動機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。放熱路は、固定子コアの内外でのコイル温度差を小さくすることにより、電動機の小型軽量化を図っている。

特開平８−２０５４７７号公報

ところで、上述した特許文献１の電動機では、コイル（固定子巻線）を冷却するために放熱路としての別部品が必要になって部品点数が増すとともに、その組み付け工程を追加する必要があるという問題があった。これらの別部品の追加や組み付け工程の追加は、製造コストの増加につながるため、望ましくない。

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、別部品の追加や組み付け工程の追加を要せずに固定子巻線を効率的に冷却することができる車両用回転電機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は、固定子および回転子を備える。固定子は、複数のスロットを有してリング状に形成された固定子鉄心と、スロット内において内径側に偏在して配置された状態で固定子鉄心に巻装された固定子巻線と、スロット内において固定子巻線を内径側に偏在して配置することにより外径側に生じた空間によって前記スロット内に形成された冷却媒体経路とを有する。回転子は、固定子鉄心の内径側に対向配置されている。

固定子鉄心の各スロット内において固定子巻線を内径側に寄せて配置することで外径側に冷却媒体経路を形成しているため、この冷却媒体経路を形成するために別部品が不要であり、この別部品を組み付ける工程を省略した上で固定子巻線全体の効率的な冷却が可能になる。これにより、製造コストを低減するとともに、冷却に伴う出力向上が可能となる。また、固定子鉄心のスロット内において固定子巻線を内径側に寄せて配置することにより、固定子巻線の全長を短くすることができ、使用する銅量を減らすことができる。さらに、固定子巻線が内径側に偏在することにより、固定子巻線の外側に配置される部品（具体的にはフロント側のフレームやリヤ側のフレーム）とコイルエンドとの間の隙間を広げることが容易となり、被水に対する耐環境性を向上させることができる。

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。スロット内に収納される絶縁部材と固定子巻線、冷却媒体経路の配置状態を示す図である。回転子の斜視図である。フロント側の冷却ファンの平面図である。固定子を外側から見た展開図である。断面形状を円形とした固定子の変形例を示す図である。

以下、本発明の車両用回転電機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に示す一実施形態の車両用交流発電機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、複数のスロット２２を有してリング状に形成された固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１の各スロット２２に所定の間隔で巻装された三相の固定子巻線２３と、固定子鉄心２１と固定子巻線２３とを電気絶縁するシート状の絶縁部材２４と、スロット２２内に形成された冷却媒体経路２５とを備えている。

図２に示すように、絶縁部材２４は、スロット２２の内周面に沿った形状を有している。スロット２２内において、固定子巻線２３を構成する複数の導体は、内径側に偏在して配置された状態で固定子鉄心２１に巻装されている。このようにしてスロット２２内において固定子巻線２３を内径側に偏在して配置することにより外径側に生じた空間によってスロット２２内に冷却媒体経路２５が形成されている。

また、固定子巻線２３を構成する複数の導体の断面形状は、少なくともスロット２２内において平角形状（矩形形状）となっている。固定子巻線２３全体を平角形状の断面を有する導体を用いて構成する場合の他、スロット２２の外部に露出する固定子巻線２３を円形や楕円形の断面を有する導体を用いて構成し、スロット２２内のみ平角形状の断面を有する導体を用いて構成するようにしてもよい。

回転子３は、固定子鉄心２１の内径側に対向配置されている。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の軸方向端面には、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の軸方向端面には、冷却ファン３５が溶接等によって取り付けられている。

図３および図４に示すように、本実施形態では、プーリ８側のフロント側の冷却ファン３４は斜流ファンが用いられている。この冷却ファン３４は、鉄板等の板材をプレス成形することにより形成されており、リヤ側のポールコア３２の軸方向端面と平行なベース部３４Ａと、このベース部３４Ａの一部を切り起こして形成されるブレード部３４Ｂとを有する。ブレード部３４Ｂを切り起こす角度（ベース部３４Ａとブレード部３４Ｂとの角度）は、９０度未満の角度に設定されている。また、図３に示すように、リヤ側の冷却ファン３５は、ブレード部を切り起こす角度が９０°の遠心ファンが用いられている。また、図１に示すように、上述した冷却ファン３４、３５の高さ（ブレード部先端の回転軸３３に沿った高さ）は、固定子巻線２３のコイルエンド高さよりも高くなっている。

ブラシ装置４は、整流装置５から回転子３の界磁巻線に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、リヤ側のフレーム６の外端面に固定されている。

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のコイルエンド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電気部品としてのブラシ装置４、整流装置５および制御装置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。

また、回転子３の回転に伴って冷却ファン３４、３５によって冷却風が発生する。具体的には、斜流ファンであるフロント側の冷却ファン３４が回転することにより、フロント側のフレーム６の吸入窓６２から外部空間の空気が吸入され、冷却ファン３４の外径側に冷却風が送出される。この冷却ファン３４は斜流ファンであるため、外径側に送出される冷却風には、径方向に送出される成分の他に斜め方向に送出される成分が含まれる。このため、軸方向（回転軸３３と平行な向き）に沿って流れる冷却風の風量を増やすことができる。この軸方向に沿って流れる冷却風の一部が、冷却媒体経路２５を通る冷却媒体として用いられる。また、冷却ファン３４によって径方向に送出された冷却風は、固定子巻線２３のフロント側のコイルエンドを冷却した後、主にフロント側のフレーム６の吐出窓６１から排出されるとともに、一部が冷却媒体経路２５に供給される。

また、リヤ側の冷却ファン３５が回転することにより、リヤカバー７の吸入窓（図示せず）を通して冷却風をリヤカバー７内に導入することができる。この冷却風は、電気部品としてのブラシ装置４、整流装置５、制御装置１２を冷却した後、リヤ側のフレーム６の吸入窓６２からフレーム６内に吸入され、冷却ファン３５の外径側に送出される。この冷却風は、固定子巻線２３のリヤ側のコイルエンドを冷却した後、リヤ側のフレーム６の吐出窓６１から排出される。

また、図５に示すように、固定子巻線２３のコイルエンドの少なくとも根元部には、冷却ファン３４により発生する冷却風を内径側から外径側に通す隙間Ｓ１や冷却ファン３５により発生する冷却風を内径側から外径側に通す隙間Ｓ２が形成されている。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、固定子鉄心２１の各スロット２２内において固定子巻線２３を内径側に寄せて配置することで外径側に冷却媒体経路２５を形成しているため、この冷却媒体経路２５を形成するために別部品が不要であり、この別部品を組み付ける工程を省略した上で固定子巻線２３全体の効率的な冷却が可能になる。これにより、製造コストを低減するとともに、冷却に伴う出力向上が可能となる。また、固定子鉄心２１のスロット２２内において固定子巻線２３を内径側に寄せて配置することにより、固定子巻線２３の全長を短くすることができ、使用する銅量を減らすことができる。さらに、固定子巻線２３が内径側に偏在することにより、固定子巻線２３の外側に配置される部品（具体的にはフロント側およびリヤ側のフレーム６）と固定子巻線２３のコイルエンドとの間の隙間を広げることが容易となり、被水に対する耐環境性を向上させることができる。

また、冷却媒体経路を通る冷却媒体として回転子３の回転に伴って冷却ファン３４、３５によって発生する冷却風を用いることにより、従来と同じ構造の回転子３を用いて冷却媒体経路２５に冷却媒体（冷却風）を供給することが可能となり、別部品の追加が一切不要になる。

また、一方の冷却ファン３４を斜流ファンとすることにより、軸方向に沿って流れる冷却風の風量を増加させ、冷却媒体経路２５を通る冷却風の風量も増加させることができ、大きな冷却効果を得ることができる。特に、フロント側の冷却ファン３４を斜流ファンとすることにより、他の部品（整流装置５等）を冷却した後の冷却風ではなく、外部空間から取り込まれた冷却風を冷却媒体経路２５に供給することが可能になり、冷却効果をさらに高めることができる。

また、冷却ファン３４、３５の高さを固定子巻線２３のコイルエンド高さよりも高くしているため、コイルエンドを飛び越して外径側に冷却風が回り込みやすくなり、コイルエンドの外径側を効率よく冷却することができるとともに、固定子巻線２３の外径側に形成された冷却媒体経路２５に効率よく冷却風を供給することが可能になる。

また、固定子巻線２３を構成する導体の断面形状を、少なくともスロット２２内については平角形状としている。これにより、断面形状が丸形形状の場合に比べて、スロット２２内において固定子巻線２３を詰めて配置してデッドスペースを減らすことができ、固定子巻線２３の抵抗値を変えることなく冷却媒体経路２５を広げることが可能になり、より大きな冷却効果を得ることができる。

また、固定子巻線２３のコイルエンドの根元部に、径方向に通じる隙間Ｓ１、Ｓ２を設けることにより、コイルエンドの冷却性を高めるとともに、コイルエンドの内径側から外径側に向けて通した冷却風を冷却媒体経路２５に導くことができるため、固定子巻線２３の冷却性をさらに向上させることができる。

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。例えば、上述した実施形態では、フロント側の冷却ファン３４を斜流ファンとしたが、リヤ側の冷却ファン３５と同様に、ブレード部を切り起こす角度が９０°の遠心ファンを用いるようにしてもよい。その場合には、フロント側およびリヤ側の２つの冷却ファン３４、３５は、それぞれのファン能力（風量）に差を設けることが望ましい。例えば、ブレード部の面積や枚数を変更してファン能力に差を設けることが考えられる。一対の冷却ファン３４、３５のそれぞれのファン能力（風量）に差を設けることにより、ファン能力の差に応じて軸方向に沿った冷却風の流れを発生させることが容易となり、特別な冷却風の供給機構を備えることなく冷却媒体経路２５を通して冷却風を流すことが可能となる。

また、上述した実施形態では、車両用交流発電機について説明したが、その他の車両用回転電機、例えば、電動動作を行う回転電機や発電動作と電動動作の両方を行う回転電機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、固定子巻線２３を構成する複数の導体のスロット２２内での断面形状を平角形状としたが、図６に示すように、固定子巻線２３を構成する導体の断面形状を円形（あるいは楕円形）としてもよい。このように、導体の断面形状を円形とした場合にも、固定子鉄心２１の各スロット２２内において固定子巻線２３を内径側に寄せて配置することで外径側に冷却媒体経路２５を形成することができる。

上述したように、本発明によれば、固定子鉄心の各スロット内において固定子巻線を内径側に寄せて配置することで外径側に冷却媒体経路を形成しているため、この冷却媒体経路を形成するために別部品が不要であり、この別部品を組み付ける工程を省略した上で固定子巻線全体の効率的な冷却が可能になる。

１車両用交流発電機
２固定子
２１固定子鉄心
２２スロット
２３固定子巻線
２５冷却媒体経路
３回転子
３４、３５冷却ファン

Claims

複数のスロット（２２）を有してリング状に形成された固定子鉄心（２１）と、前記スロット内において内径側に偏在して配置された状態で前記固定子鉄心に巻装された固定子巻線（２３）と、前記スロット内において前記固定子巻線を内径側に偏在して配置することにより外径側に生じた空間によって前記スロット内に形成された冷却媒体経路（２５）とを有する固定子（２）と、
前記固定子鉄心の内径側に対向配置された回転子（３）と、
を備えることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１において、
前記回転子は、ポールコア（３２）の軸方向端面に固定された冷却ファン（３４、３５）を有し、
前記冷却媒体経路を通る冷却媒体は、前記回転子の回転に伴って前記冷却ファンによって発生する冷却風であることを特徴とする車両用回転電機。
請求項２において、
前記ポールコアの軸方向両端面に一対の前記冷却ファンが備わっており、
一対の前記冷却ファンの一方は斜流ファン（３４）であることを特徴とする車両用回転電機。
請求項３において、
前記回転子を回転可能な状態で収容するフロント側およびリヤ側のフレーム（６）をさらに備え、
フロント側の前記フレームに対応する前記冷却ファンを前記斜流ファンとすることを特徴とする車両用回転電機。
請求項２において、
前記ポールコアの軸方向両端面に一対の前記冷却ファンが備わっており、
これら一対の前記冷却ファンのそれぞれのファン能力に差があることを特徴とする車両用回転電機。
請求項２〜５のいずれかにおいて、
前記冷却ファンの高さは、前記固定子巻線のコイルエンド高さよりも高いことを特徴とする車両用回転電機。
請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記固定子巻線を構成する導体の断面形状は、少なくとも前記スロット内において平角形状であることを特徴とする車両用回転電機。
請求項２〜６のいずれかにおいて、
前記固定子巻線のコイルエンドの少なくとも根元部には、前記冷却ファンにより発生する冷却風を内径側から外径側に通す隙間が形成されていることを特徴とする車両用回転電機。