JP3186703B2

JP3186703B2 - 車両用交流発電機

Info

Publication number: JP3186703B2
Application number: JP21447398A
Authority: JP
Inventors: 中村　　重信; 浩司柴田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1998-07-29
Publication date: 2001-07-11
Anticipated expiration: 2018-07-29
Also published as: EP0977342A1; DE69905314T2; JP2000050588A; US6127763A; DE69905314D1; EP0977342B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は乗用車、トラック等
に搭載される車両用交流発電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】地球環境保護に対応したＣＡＦＥ等の法
規制により、車両燃費向上のニーズが高まっている中、
車両用交流発電機には小型・軽量化に加え発電効率を上
げて駆動トルクを低減させることが要求されている。車
両用交流発電機の発電効率を高めるためには、各部で発
生する損失の低減が必要である。

【０００３】車両用交流発電機の主な損失は、固定子コ
イルに電流が流れることで発生する銅損、界磁コイルに
電流が流れることによる銅損である励磁損、交流電流を
直流に変換する時に発生する整流損、固定子鉄心に磁束
が通過する時に発生するうず電流による鉄損、ファンの
風損やブラシの接触部のブラシ損等を含む機械損があ
る。このうち銅損、整流損、固定子鉄心の鉄損及びブラ
シ損の低減については、損失発生部分が固定配置されて
いる為、材質変更による低損失材や形状改良が比較的容
易であり、従来より多数の提案がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、回転子の励磁損
の低減については、実開平５−１１７６９号公報におい
て、回転子を扁平構造とし界磁コイルと界磁鉄心との接
触面積を増大させて界磁コイルの放熱性を高める構造が
示されているが、車両用交流発電機の径方向寸法が増大
するため、搭載スペースの問題があった。また、軸流の
冷却ファンを内蔵して界磁コイルへの冷却を行う構造が
特開昭５９−４２５４６に示されているが、発電機の小
型化に伴い軸方向への冷却風量には限界があり、界磁コ
イルの冷却に充分とは言えなかった。

【０００５】本発明の第一の目的は、界磁コイルの冷却
性を向上することにより、高効率な車両用交流発電機を
提供することである。本発明の第二の目的は、固定子鉄
心から界磁鉄心を経由して冷却ファンへと熱の流れを導
くことにより、界磁コイルへの熱の到達を減少させるこ
とである。本発明の第三の目的は、界磁鉄心の爪と界磁
コイルとの間により多くの冷却風取り込みの容積を設け
ることにより、界磁コイルの冷却性を向上することであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明では、積層鋼板
より成る固定子鉄心と該固定子鉄心の複数のスロットに
装備され前記固定子鉄心の軸方向両端にコイルエンド部
を形成する固定子コイルを備える固定子、および該固定
子の内周側に対向配置される界磁鉄心と該界磁鉄心の軸
方向両端面に配置される冷却ファンと該界磁鉄心に装備
される界磁コイルとを備える回転子を有する車両用交流
発電機において、前記界磁鉄心は前記界磁コイルが装備
される円筒部と該円筒部から外周方向に広がる継鉄部と
該継鉄部と連結され前記界磁コイルを囲包するように形
成された爪部とを有するランデル型界磁鉄心であり、前
記爪部の隣接する異極間の周方向距離Ｙと前記固定子鉄
心の内径方向に伸びる磁極歯先端部の周方向先端幅Ｘと
の比率（Ｙ／Ｘ）が２〜３．３であり、前記爪部の根元
部内径寸法ｒ１と外径寸法Ｒ１との比率（ｒ１／Ｒ１）
が０．７８〜０．８であることを特徴としている。これ
により、固定子鉄心内周の磁極歯先端部から回転子の爪
部へ放射される熱を冷却ファンへ導き易くして界磁コイ
ルへ固定子からの熱が伝達しにくくすることができる。
さらに、爪間の隙間を通して固定子鉄心から界磁コイル
へ熱が直接放射される面積を低減することができる。さ
らに、爪根元部の径が大きく設定されるため、界磁コイ
ルの収容空間を大きくすることができる。これらの結
果、界磁コイルの熱的な問題を軽減することができる。
なお、界磁コイルの収容空間の拡大により、冷却風の取
り込み容積を拡大してもよい。この構成によると、界磁
コイルの冷却性を向上して発電効率を向上できる。

【０００７】さらに、前記固定子鉄心の積層鋼板の板厚
を０．６ｍｍ以下とすることが望ましい。これにより、
固定子鉄心の磁極歯先端部において軸方向の漏洩磁束を
低減できる。また、渦電流損失の低減効果を高めること
ができ、その温度上昇を抑制して回転子に向けて放射さ
れる熱を低減できる。この結果、界磁コイルの冷却性を
向上し、発電効率を向上できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】〔実施形態の構成〕図１、２、４
はこの発明の一実施形態を示したもので、図１は車両用
交流発電機の主要部を示した図で、図２、４は本実施形
態の車両用交流発電機の回転子と固定子の説明図であ
る。

【０００９】その車両用交流発電機１は、電機子として
働く固定子２、界磁として働く回転子３、前記回転子３
と固定子２を支持するハウジング４、前記固定子２に直
接接続され、交流電力を直流電力に変換する整流器５、
界磁電流量を増減し発電量を制御する電圧調整器１１等
から構成されている。回転子３は、シャフト６と一体に
なって回転するもので、１組のコアを組合わせてなるラ
ンデル型界磁鉄心７、フロント側冷却ファン１２、リア
側冷却ファン１３、界磁コイル８、スリップリング９、
１０等によって構成されている。シャフト６は、プーリ
２０に連結され、自動車に搭載された走行用のエンジン
（図示せず）により回転駆動される。

【００１０】前記回転子３の界磁鉄心７は、円筒部７
１、継鉄部７２、爪部７３により構成されている。界磁
コイル８は、絶縁材よりなるボビン８１を介して界磁鉄
心７の内側面に適当な圧縮力を持って当接され、樹脂含
浸などにより固着されている。また、界磁鉄心７の軸方
向の両端面には、鉄板製のフロント側冷却ファン１２と
リア側冷却ファン１３が固定されている。これらファン
１２、１３は、界磁鉄心７の端面に溶接されており、継
鉄部７２と接触している。このため、ファン１２、１３
は、界磁鉄心７と熱的にも結合されており、継鉄部７２
の熱はファン１２、１３に伝熱するとともに、ファン１
２、１３のブレードにも伝熱する。

【００１１】固定子２は、固定子鉄心３２と、固定子コ
イル３３と、鉄心と固定子コイルとを絶縁するするイン
シュレータ３４で構成され、ハウジング４により支えら
れている。固定子鉄心３２は、板厚０．６ｍｍの鋼板を
重ね合わせて形成されている。この固定子鉄心３２の内
周面には複数の磁極歯先端部３５が形成され、磁極歯先
端部３５の間にスロットが形成されている。また、固定
子コイル３３は固定子鉄心３２のスロットに収容される
収容部と固定子鉄心３２の軸方向端面より軸方向に伸延
するコイルエンド部を形成している。

【００１２】図２において、固定子鉄心３２の磁極歯先
端部３５の周方向幅Ｘに対し、界磁鉄心７の隣接する異
極の爪部７３の周方向距離Ｙの比率（Ｙ／Ｘ）を２に設
定している。また、図４において、爪部７３の根元部内
径寸法ｒ１と外径寸法Ｒ１との比率（ｒ１／Ｒ１）を
０．７９に設定している。図６に示すように、円筒部７
１の外径寸法Ｒ２に対し、この断面積からシャフト断面
積（シャフト径Ｒ３は界磁鉄心７の外径Ｒ１の約１８
％）を減じ、磁極鉄心の極対数Ｐで割ったものを基準断
面積Ｓ３としている。すなわち、Ｓ３＝｛π／（４Ｐ）｝（Ｒ２²−Ｒ３²）さらに、継鉄部７２までの磁気回路のネック部を作らな
いために、磁路断面を一定にすべく、図４に示すよう
に、継鉄部７２の断面積Ｓ２をＳ３と等しく設定してい
る。爪部７３の先端は、反対側の継鉄部７２と径方向に
重複する位置まで軸方向に延びている。

【００１３】界磁コイル８は、円筒部７１、継鉄部７
２、爪部７３の内側面で形成される余空間に対し、占積
率６８％で一定の抵抗値２．３Ωとなるように、コイル
径を選定した。また、回転子３の外径は９２ｍｍとし
た。固定子コイル３３は固定子鉄心３２に複数形成され
たスロット面積に対し、占積率が６０％となるようにコ
イル径を選定した。また回転子３の外径と固定子２の内
径とのエアギャップδは車両用交流発電機で一般的に使
用される０．３５ｍｍとしている。その他、爪部７３の
先端厚さ等は従来の車両用発電機と同等比率で設定して
いる。

【００１４】〔実施形態の作用効果〕界磁鉄心７の軸方
向両端面に配置された冷却ファン１２、１３は、外部か
ら冷却風を取り込む役割とともに、界磁鉄心７の放熱フ
ィンとしての役割も担っている。一方、最も発熱の大き
い固定子２において、固定子鉄心３２の内周の磁極歯先
端部３５から界磁鉄心７へと熱が放射される。

【００１５】図２には、ひとつの磁極歯先端部３５の中
心を、２つの爪部７３の中間に位置させた状態を示して
いる。界磁鉄心７の外周には、爪部７３の外周面と継鉄
部７２の外周面とによって、固定子鉄心３２の内周の磁
極歯先端部３５とエアギャップを介して対向する磁極と
しての外周面が形成されている。図２の状態では、ひと
つの磁極歯先端部３５は、固定子鉄心３２に形成される
２つの磁極に対して均等に対向している。この対向面積
Ｓ_Lは、斜線で示された２つの範囲として図示されてい
る。

【００１６】図２に示す実施形態では、対向面積Ｓ
_Lが、従来形状を示す図３と同じになるように磁極歯先
端部３５の周方向幅Ｘと、軸方向寸法Ｚとが設定されて
いる。また、磁極歯先端部３５の全面積は、図２と図３
とで等しい。そして、磁極歯先端部３５が爪部７３によ
って遮蔽されることなく界磁コイル８に直接に対向する
面積がＳ_Tとして図示されている。さらに、図２に図示
されるように、磁極歯先端部３５は、界磁鉄心７の磁極
としての外周面に対向しない範囲を有する。このような
非対向面を形成するように、幅Ｘと、継鉄部７２の外周
先端面の幅Ｗと、一方の極の２つの継鉄部７２の間隔Ｐ
とが設定されている。この非対向面はＳ_Lで示される対
向面に並んで位置している。

【００１７】図２の実施形態によると、磁極歯先端部３
５の軸方向両端が、冷却ファン１２、１３の近くで界磁
鉄心７の外周面と対向する。特に、磁極歯先端部３５が
継鉄部７２の外周面と直接に対向する面積が、図３の従
来形状に比べて格段に広くなる。しかも、磁極歯先端部
３５と爪部７３の外周面との対向も、継鉄部７２に近い
位置に集中する。このため、磁極歯先端部３５から放射
された熱が、放熱フィンとしての冷却ファン１２、１３
へ伝達しやすくなる。この結果、界磁コイル８の温度を
下げることができる。

【００１８】また、磁極歯先端部３５が界磁コイル８と
直接に対向する面積Ｓ_Tが減るため、磁極歯先端部３５
から界磁コイル８が受ける輻射熱を低減することができ
る。このため界磁コイル８の温度を下げることができ
る。また、磁極歯先端部３５の周方向の幅が小さくなる
ことで、磁極歯先端部３５と界磁コイル８との対向時間
が相対的に短くなり、これによっても界磁コイル８の温
度を下げる効果がある。なお、界磁コイル８の外周面に
は、コイル固定用の樹脂層が設けられているが、放射熱
の遮蔽効果においては、爪部と対比しうるものではな
く、放射熱を遮蔽しうるものとは言い難い。

【００１９】また、図４に示すように、爪部７３の根元
部内径寸法ｒ１と外径寸法Ｒ１との比率（ｒ１／Ｒ１）
を０．７９に設定しているので、従来構造の図５に比
べ、界磁コイル８の外周側の冷却風の取り込み容積を拡
大することができる。よって、通風による界磁コイル８
の冷却にも有利である。さらに、固定子鉄心３２の積層
鋼板は、板厚を０．６ｍｍとしている。このため、軸方
向に細長い磁極歯先端部３５を提供するために固定子鉄
心３２の軸方向寸法が大きくされることと相まって、軸
方向に関して多くの層を形成している。

【００２０】この構成により、図２に図示される２つの
対向面積Ｓ_Lの間での漏洩磁束を低減でき、この漏洩磁
束による渦電流を低減できる。さらに、発電に寄与する
ために磁極歯先端部３５を径方向に通る磁束に対して
も、層の総数の増加と、１層あたりの磁束密度の低減と
によって、渦電流の低減が実現される。このような渦電
流の低減により発熱を低減することができ、図９に図示
されるように発電効率を高い値に維持することができ
る。なお、板厚は、製造上の利点に配慮して効率を高く
維持できる範囲内で大きな値を選定することが望まし
い。

【００２１】図８は、発電効率を示すグラフである。固
定子鉄心３２の磁極歯先端部３５の周方向幅Ｘに対する
爪部７３の隣接する異極間の周方向距離Ｙの比率（Ｙ／
Ｘ）、および界磁鉄心７の外径寸法Ｒ１に対する爪部７
３の根元部内径寸法ｒ１の比率（ｒ１／Ｒ１）をパラメ
ータとして、車両用交流発電機１の全負荷状態での最大
効率η（％）を等効率線で結んで示したものである。な
お、Ｙ／Ｘの変更は、回転子側のＹを一定値とし、固定
子側のＸを変化させた。このグラフには、Ｙ／Ｘ＝２．
０〜３．３であって、しかもｒ１／Ｒ１＝０．７８〜
０．８の範囲が高効率を実現できる範囲として斜線で示
されている。

【００２２】なお、比率（Ｙ／Ｘ）が大きくなり過ぎる
とると、界磁鉄心７の軸長は有限であるので対向面積Ｓ
_Lが減少するので、有効磁束が減って出力パワ−の低下
が界磁コイル８の損失低下よりも増え、結果として発電
効率が低下した。同様に、比率（ｒ１／Ｒ１）について
も大きくなりすぎると、磁路面積Ｓ１が小さくなること
による有効磁束の低下が顕著になり、発電効率が低下し
た。

【００２３】〔他の実施形態〕本実施形態では、積層鋼
板の板厚を０．６ｍｍとしたが、０．４ｍｍに設定すれ
ば、固定子鉄心の積層鋼板数をさらに増やして軸方向の
電気抵抗値を増加させ、磁極歯先端部３５の渦電流によ
る発熱量を減らすことができるので、安定して高い発電
効率を得ることができる。なお、板厚は、図９に範囲Ａ
として示されるように０．６ｍｍ以下とすることがで
き、さらに範囲Ｂとして示されるように０．４ｍｍ以下
とすることが効率の観点から望ましい。なお、製造上の
制限からおのずと下限は設定される。また、ｒ１を拡大
することに伴うコイル収容空間の拡大により、太い界磁
コイルを採用し発熱を低減してもよい。かかる手段を採
用できることで熱的な課題を解決することができる。

【００２４】本実施形態では、回転子の極数は１２極で
あるが、他の極数、例えば１４極や１６極であっても同
様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の車両用交流発電機の主要部を示し
た図である。

【図２】本発明の固定子磁極歯先端部と界磁鉄心爪部と
の相対関係を説明する図である。

【図３】従来の固定子磁極歯先端部と界磁鉄心爪部との
相対関係を説明する図である。

【図４】本発明の回転子中を流れる磁束を説明する図で
ある。

【図５】従来の回転子中を流れる磁束を説明する図であ
る。

【図６】本実施形態の回転子を説明する部分断面図であ
る。

【図７】図６に示す本実施形態の回転子のＫ−Ｋ線断面
図である。

【図８】本発明の効果を示す図である。

【図９】本発明の効果を示す図である。

【符号の説明】

１車両用交流発電機２固定子３回転子６シャフト７界磁鉄心８界磁コイル９、１０スリップリング１２フロント側冷却ファン１３リア側冷却ファン３２固定子鉄心３３固定子コイル３４インシュレータ３５磁極歯先端部７１円筒部７２継鉄部７３爪部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 19/22

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】積層鋼板より成る固定子鉄心と該固定子
鉄心の複数のスロットに装備され前記固定子鉄心の軸方
向両端にコイルエンド部を形成する固定子コイルを備え
る固定子、および該固定子の内周側に対向配置される界
磁鉄心と該界磁鉄心の軸方向両端面に配置される冷却フ
ァンと該界磁鉄心に装備される界磁コイルとを備える回
転子を有する車両用交流発電機において、前記界磁鉄心は前記界磁コイルが装備される円筒部と該
円筒部から外周方向に広がる継鉄部と該継鉄部と連結さ
れ前記界磁コイルを囲包するように形成された爪部とを
有するランデル型界磁鉄心であり、前記爪部の隣接する異極間の周方向距離Ｙと前記固定子
鉄心の内径方向に伸びる磁極歯先端部の周方向先端幅Ｘ
との比率（Ｙ／Ｘ）が２〜３．３であり、前記爪部の根元部内径寸法ｒ１と外径寸法Ｒ１との比率
（ｒ１／Ｒ１）が０．７８〜０．８であることを特徴と
する車両用交流発電機。
【請求項２】請求項１において、前記固定子鉄心の積層鋼板の板厚が０．６ｍｍ以下であ
ることを特徴とする車両用交流発電機。