JP3636142B2 - 車両用交流発電機の固定子 - Google Patents

Description

【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の固定子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用交流発電機に用いられる固定子として、複数の導体セグメントを接合することにより形成された巻線を有するものが従来から知られている。例えば、ＷＯ９２／０６５２７には、Ｕ字状の複数の導体セグメントを固定子鉄心の一方の端面側から挿入した後に、反挿入側の端部同士を接合することにより巻線が形成された固定子が開示されている。この固定子は、連続した導体巻線を巻いて巻線を構成する場合に比べて、規則的に配置された巻線が形成しやすい特長がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したＷＯ９２／０６５２７においては、固定子鉄心の各スロットに挿入された導体は、異なるスロットに収納されたもの同士の端部が接合され、それぞれの接合部が固定子鉄心の形状に沿って円周方向に等間隔に並んで配置されている。例えば、各スロットには４本の導体がスロット入口側に２本、スロット奥側に２本が周方向に並んで収容されており、一のスロットから同じ方向に延びた２本の導体の端部と、他のスロットから同じ方向に延びた２本の導体の端部とがそれぞれ接合され、この２つの接合部が円周方向に沿って一列に配置されている。接合部と反対側に形成されたターン部についても同様であり、同じスロットから延びた２本の導体につながる２つのターン部が円周方向に沿って一列に配置されている。このように、各接合部やターン部が円周方向に沿って一列に配置されているため、出力電力を取り出す端子Ｘ等につながる巻線の端部が変形しやすいという問題があった。例えば、内周側で巻線の端部が引き出された場合には内周側に変形しやすく、反対に外周側で巻線の端部が引き出された場合には外周側に変形しやすくなる。このため、製造工程における組み付け作業時にあるいは分解修理時に、巻線の端部が簡単に変形してしまい、その都度手作業で手直しする必要があるため、作業効率の低下につながっていた。
【０００４】
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、固定子巻線の端部の変形を防止することができる車両用交流発電機の固定子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
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の固定子は、複数のスロットを持つ固定子鉄心と、前記スロットに装備された固定子巻線とを有する車両用交流発電機の固定子において、前記固定子巻線は、断面が矩形状であって、Ｕ字状のターン部を有する複数の導体セグメントが一の前記スロット内で最外層および最内層以外の中層の導線を含むように一列に複数層配置しており、全ての出力用引き出し線を前記中層から取り出すことを特徴としている。
【０００６】
固定子巻線が最外層、最内層およびそれら以外の中層の導線を含んで構成されており、固定子巻線の端部としての引き出し線を中層から取り出しているため、引き出し線の外周側に最外層の導体が存在し、反対に内層側に最内層の導体が存在するため、引き出し線がこれらの導体によって挟み込まれており、端部の変形を防止することができる。
【０００７】
また、出力用引き出し線は、Ｕ字状の導体セグメントのターン部側から取り出すことが望ましい。導体セグメントの端部において、導体セグメント同士および導体セグメントと引き出し線との間の接合が行われるため、ターン部側から引き出し線を取り出すことにより、ターン部を挟んだセグメント導体によって引き出し線を挟み込むことができ、引き出し線の径方向の移動を拘束することができる。
【０００８】
また、固定子巻線を構成する三相の巻線がＹ結線されている場合には、中性点に対応する三相の各端部を最内層から取り出して互いに結線することが望ましい。三相の各端部を最内層から取り出す場合であってもそれらをまとめて結線することにより補強されるため、外力が作用した場合であっても変形しにくく、端部の変形が防止される。また、この中性点の取り出しを最内層から行う場合には、中性点用の結線部分が軸方向に延びた場合であっても、固定子を支持するハウジング等の内壁面を遠ざけることが容易であり、固定子巻線とその他の部品との間の短絡を防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
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。
【００１０】
図１は、車両用交流発電機の全体構成を示す図である。図１に示す車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、フレーム４、整流器５等を含んで構成されている。
【００１１】
固定子２は、固定子鉄心２２と、固定子巻線を構成する複数の導体セグメント２３と、固定子鉄心２２と各導体セグメント２３との間を電気絶縁するインシュレータ２４とを備えている。
【００１２】
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８を、それぞれが６個の爪部を有するポールコア７によって、シャフト６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。
【００１３】
フレーム４は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３がシャフト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３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２が固定されている。また、フレーム４は、固定子鉄心２２の軸方向端面から突出した固定子巻線に対向した部分に冷却風の吐出窓４２が、軸方向端面に吸入窓４１がそれぞれ設けられている。
【００１４】
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８に外部から励磁電圧を印加することにより、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。
【００１５】
次に、固定子２の詳細について説明する。図２は、固定子２の部分的な断面図である。また、図３は固定子巻線を構成するセグメントの斜視図である。
【００１６】
固定子鉄心２２のスロット２５に装備された固定子巻線は複数の電気導体により構成され、各スロット２５には偶数本（本実施形態では４本）の電気導体が収容されている。また、一のスロット内の４本の電気導体は、図２に示すように固定子鉄心２２の径方向に関して内側から内端層、内中層、外中層、外端層の順で一列に配列されている。
【００１７】
一のスロット２５内の内端層の電気導体２３１ａは、固定子鉄心２２の時計回り方向に向けて磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の外端層の電気導体２３１ｂと対をなしている。同様に、一のスロット２５内の内中層の電気導体２３２ａは固定子鉄心２２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の外中層の電気導体２３２ｂと対をなしている。そして、これらの対をなす電気導体は、固定子鉄心２２の軸方向の一方の端面側において連続線を用いることにより、ターン部２３１ｃ、２３２ｃを経由することで接続される。
【００１８】
したがって、固定子鉄心２２の一方の端面側においては、外中層の電気導体２３２ｂと内中層の電気導体２３２ａとをターン部２３２ｃを経由して接続する連続線を、外端層の電気導体２３１ｂと内端層の電気導体２３１ａとをターン部２３１ｃを経由して接続する連続線が内包することとなる。このように、固定子鉄心２２の一方の端面側においては、対をなす電気導体の接続部としてのターン部２３２ｃが、同じスロット２５内に収容された他の対をなす電気導体の接続部としてのターン部２３１ｃにより囲まれる。外中層の電気導体２３２ｂと内中層の電気導体２３２ａとの接続により中層コイルエンドが形成され、外端層の電気導体２３１ｂと内端層の電気導体２３１ａとの接続により端層コイルエンドが形成される。
【００１９】
一方、一のスロット２５内の内中層の電気導体２３２ａは、固定子鉄心２２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の内端層の電気導体２３１ａ’とも対をなしている。同様に、一のスロット２５内の外端層の電気導体２３１ｂ’は、固定子鉄心２２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の外中層の電気導体２３２ｂとも対をなしている。そして、これらの電気導体は固定子鉄心２２の軸方向の他方の端面側において接合により接続される。
【００２０】
したがって、固定子鉄心２２の他方の端面側においては、外端層の電気導体２３１ｂ’と外中層の電気導体２３２ｂとを接続する外側接合部２３３ｂと、内端層の電気導体２３１ａ’と内中層の電気導体２３２ａとを接続する内側接合部２３３ａとが、径方向および周方向に互いにずれた状態で配置されている。外端層の電気導体２３１ｂ’と外中層の電気導体２３２ｂとの接続、および内端層の電気導体２３１ａ’と内中層の電気導体２３２ａとの接続により、異なる同心円上に配置された２つの隣接層コイルエンドが形成される。
【００２１】
さらに、図３に示すように、内端層の電気導体２３１ａと外端層の電気導体２３１ｂとが、一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる大セグメント２３１により提供される。そして、内中層の電気導体２３２ａと外中層の電気導体２３２ｂとが一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる小セグメント２３２により提供される。基本となるＵ字状の導体セグメント２３は、大セグメント２３１と小セグメント２３２によって形成される。各セグメント２３１、２３２は、スロット２５内に収容されて軸方向に沿って延びる部分を備えるとともに、軸方向に対して所定角度傾斜して延びる斜行部２３１ｆ、２３１ｇ、２３２ｆ、２３２ｇを備える。これら斜行部によって、固定子鉄心２２から軸方向の両端面に突出するコイルエンドが形成されており、回転子３の軸方向の両端面に取り付けられた冷却ファン１１、１２を回転させたときに生じる冷却風の通風路は、主にこれら斜行部の間に形成されている。
【００２２】
以上の構成を、全てのスロット２５の導体セグメント２３について繰り返す。そして、反ターン部側のコイルエンド群において、外端層の端部２３１ｅ’と外中層の端部２３２ｅ、並びに内中層の端部２３２ｄと内端層の端部２３１ｄ’とがそれぞれ溶接、超音波溶着、アーク溶接、ろう付け等の手段によって接合されて外側接合部２３３ｂおよび内側接合部２３３ａが形成され、電気的に接続されている。これらの接合部２３３ｂ、２３３ａの互いの絶縁と保持のために、絶縁材によるコーティングが行われる。なお、耐振動性、耐環境性を向上するために、複数の接合部の間を架橋するように絶縁材が付着されてもよい。この絶縁材は、接合部２３３ｂ、２３３ａのみに厚く付着させることが望ましい。
【００２３】
図４、図５、図６は、固定子巻線の巻線図であり、Ｙ結線された三相（Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相）の中のＸ相に着目した巻線状態が示されている。上述した固定子２は、図２に示したように、１つのスロット２５内に４本の導体セグメント２３が収容されており、その中の２本の導体セグメント２３が図４に示す巻線２１１用に用いられ、他の２本の導体セグメント２３が図５に示す巻線２１２用に用いられる。そして、それらの一方の端部２３ｎと２３ｍとが異形の導体セグメントを用いることにより結線されて、図４に示す巻線２１１と図５に示す巻線２１２が直列接続され、全体として図６に示すＸ相の巻線が形成されている。なお、これらの図に示すＸ１は、整流器５に接続されるＸ相の巻線の一方の端部としての出力用引き出し線を示しており、ターン部２３１ｃ、２３２ｃ側から取り出されている。また、Ｘ２は、Ｘ相の巻線の他方の端部としての中性点用引き出し線を示しており、出力用引き出し線と同様にターン部２３１ｃ、２３２ｃ側から取り出される。なお、上述した図４〜図６はＸ相の巻線について示されているが、Ｙ相の巻線およびＺ相の巻線についても同様であり、Ｘ相の巻線が収容されるスロット２５に隣接するスロット２５を用いてＹ相の巻線が形成され、さらに１つ分隣接するスロット２５を用いてＺ相の巻線が形成される。
【００２４】
図７は、本実施形態の車両用交流発電機１の結線図である。上述したように、図４に示す巻線２１１と図５に示す巻線２１２とが直列接続されてＸ相の巻線が形成されており、その一方端である出力用引き出し線Ｘ１が整流器５に接続される。同様に、Ｙ相およびＺ相の巻線が形成されており、それぞれの一方端である出力用引き出し線Ｙ１、Ｙ１が整流器５に接続される。また、Ｘ、Ｙ、Ｚ相の各巻線の他方端である中性点用引き出し線Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２が、図８に示すように共通に結線される。
【００２５】
図９は、引き出し線を固定子巻線の外部に引き出す様子を示す図であり、固定子２を導体セグメント２３のターン部２３１ｃ、２３２ｃ側から見た部分的な平面図が示されている。また、図１０は図９に示すＰ方向から見た矢視図であり、Ｘ相の出力用引き出し線Ｘ１と中性点Ｎ近傍の側面図が示されている。
【００２６】
３本の出力用引き出し線Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１のそれぞれは、外中層の電気導体２３２ａとして固定子巻線から取り出されており、それ以外の外端層、内中層、内端層の各電気導体２３１ｂ、２３２ａ、２３１ａによって囲まれて径方向の移動が拘束されている。
【００２７】
なお、導体セグメント２３のターン部２３１ｃ、２３２ｃ側は、図３に示した標準形状の導体セグメント２３を用いた場合には、外端層の電気導体２３１ｂと内端層の電気導体２３１ａとが接続され、外中層の電気導体２３２ｂと内中層の電気導体２３２ａとが接続されるが、各種の出力用引き出し線や中性点用引き出し線を取り出すとともに、上述したように図４に示した巻線２１１の端部２３ｍと図５に示した巻線２１２の端部２３ｎを接続する必要があるため、出力用引き出し線近傍では異形の導体セグメントが一部使用されている。
【００２８】
図１１および図１２は、出力用引き出し線近傍で使用されている異形の導体セグメントを示す図であり、図１１にはＹ相の出力用引き出し線Ｙ１近傍で用いられる異形の導体セグメントが、図１２にはＺ相の出力用引き出し線Ｚ１近傍で用いられる異形の導体セグメントがそれぞれ示されている。
【００２９】
図４および図５を用いて説明したＸ相の巻線と同様に、Ｙ相の巻線も図４に示す巻線２１１と図５に示す巻線２１２を直列接続することによって構成されており、それぞれの端部２３ｍと２３ｎを相互に接続するために、図１１に示す異形の導体セグメント２３ｙが使用され、外端層の電気導体２３１ｂと内中層の電気導体２３２ａとが接続される。
【００３０】
また、Ｚ相についても同様であり、Ｚ相の巻線も図４に示す巻線２１１と図５に示す巻線２１２を直列接続することによって構成されており、それぞれの端部２３ｍと２３ｎを相互に接続するために、図１２に示す異形の導体セグメント２３ｚが使用され、外端層の電気導体２３１ｂと内中層の電気導体２３２ａとが接続される。
【００３１】
このように、本実施形態の車両用交流発電機１に備わった固定子２は、Ｘ、Ｙ、Ｚの三相の巻線がＹ結線されて固定子巻線が形成されており、Ｘ、Ｙ、Ｚの各相の出力用引き出し線Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１のそれぞれが外中層の電気導体２３２ｂとして取り出されている。したがって、それぞれの出力用引き出し線は、外端層の電気導体２３１ｂや内中層の電気導体２３２ａや内端層の電気導体２３１ａによって挟まれており、径方向の移動が拘束されるため、変形やふらつきを防止することができ、組み付け作業や分解修理等における出力用引き出し線の位置決めが容易となって、作業効率を上げることができる。
【００３２】
また、Ｘ、Ｙ、Ｚの各相の出力用引き出し線に対応する中性点用引き出し線Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２は、全て内端層の電気導体２３１ａとして取り出されるが、これら３つの中性点用引き出し線は共通に接続されて中性点となるため、外力によって移動しにくく、変形やふらつきを防止することができる。また、各中性点用引き出し線は内端層から引き出されるが、この引き出し位置が内周側にいけばいくほど、リヤ側のフレーム４の軸方向の内壁面との距離が大きくなるため、固定子巻線とフレーム４との間の短絡を防止することができる。
【００３３】
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で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、図４に示した巻線２１１と図５に示した巻線２１２とを直列に接続してＸ、Ｙ、Ｚの各相の巻線を形成したが、図４に示した巻線２１１と図５に示した巻線２１２とを別々に所定の電気角ずらして配置することにより２組の三相巻線を構成し、図１３に示すように、それぞれの出力用引き出し線を２つの整流器に別々に接続するようにしてもよい。この場合には、出力用引き出し線および中性点用引き出し線の本数が２倍となるため、これらの引き出し線の変形やふらつきを防止することにより、作業効率の大幅な向上が可能になる。
【００３４】
また、各スロット２５内にターン部を有するＵ字状のセグメントが収容されている場合を説明したが、ターン部を有しない導体セグメントを使用した場合や、連続線を巻回して固定子巻線を形成した場合にも本発明を適用することができる。
【００３５】
また、上記実施形態は、三相の巻線がＹ結線であるが、Δ結線としてもよい。この場合、２本ずつ３箇所結線をするにあたり、一方の引き出し線は中層から取り出されるので、同様に移動が拘束され、変形やふらつきを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両用交流発電機の全体構成を示す図である。
【図２】固定子の部分的な断面図である。
【図３】固定子巻線を構成するセグメントの斜視図である。
【図４】固定子巻線の巻線図である。
【図５】固定子巻線の巻線図である。
【図６】固定子巻線の巻線図である。
【図７】本実施形態の車両用交流発電機の結線図である。
【図８】固定子巻線の中性点の斜視図である。
【図９】引き出し線を固定子巻線の外部に引き出す様子を示す図である。
【図１０】図９に示すＰ方向から見た矢視図である。
【図１１】出力用引き出し線近傍で使用されている異形の導体セグメントを示す図である。
【図１２】出力用引き出し線近傍で使用されている異形の導体セグメントを示す図である。
【図１３】２組の三相巻線を有する車両用交流発電機の結線図である。
【符号の説明】
１ 車両用交流発電機
２ 固定子
３ 回転子
５ 整流器
１１、１２ 冷却ファン
２２ 固定子鉄心
２３ 導体セグメント
２４ インシュレータ
２３１ａ、２３１ｂ、２３２ａ、２３２ｂ 電気導体
２３１ｃ、２３２ｃ ターン部
２３１ｆ、２３２ｆ 斜行部

Claims (3)

1. 複数のスロットを持つ固定子鉄心と、前記スロットに装備された固定子巻線とを有する車両用交流発電機の固定子において、
   前記固定子巻線は、断面が矩形状であって、Ｕ字状のターン部を有する複数の導体セグメントが一の前記スロット内で最外層および最内層以外の中層の導線を含むように一列に複数層配置しており、全ての出力用引き出し線を前記中層から取り出すことを特徴とする車両用交流発電機の固定子。
2. 請求項１において、
   前記出力用引き出し線は前記Ｕ字状の導体セグメントのターン部側から取り出されることを特徴とする車両用交流発電機の固定子。
3. 請求項１または２において、
   前記固定子巻線は三相の巻線がＹ結線されており、中性点に対応する前記三相の巻線のそれぞれの端部を前記最内層から取り出して結線することを特徴とするつ車両用交流発電機の固定子。

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