JP3815104B2 - 車両用交流発電機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は乗り物の内燃機関により駆動される車両用交流発電機に関し、例えば乗用車、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】
車両走行抵抗の低減のためのスラントノーズ化や、車室内居住空間の確保のニーズからエンジンルームが近年ますます狭小化する中で、車両用交流発電機の搭載スペースに余裕がなくなってきている。 一方、燃費向上のためエンジン回転は下げられ車両用交流発電機の回転も下がっている。しかしその一方で、安全制御機器等の電気負荷の増加が求められ、ますます発電能力の向上が求められている。即ち小型で高出力の車両用交流発電機を安価に提供することが求められている。
【０００３】
また車外騒音低減の社会的要請や、車室内静粛性向上による商品性向上の狙いから近年ますますエンジン騒音が低下してきており、比較的高速で回転する補機、とりわけ車両用交流発電機のファン騒音や、磁気的騒音が耳につきやすい状況となってきた。
【０００４】
従来、車両用交流発電機に一般的に用いられている固定子巻線は、連続線を固定子鉄心に装着する構成が採用されており、かかる固定子巻線の構成の下で、上記のような小型、高出力、低騒音といった要求に応えるべく種々の改良が提案されている。
【０００５】
例えば、特開平７−３０３３５１号に開示されるように、小型高出力化のため、巻線抵抗値低減の観点から巻線を短くすることができ、かつ、巻線の各相が径方向に干渉しないように巻く、２／３π短節巻技術がある。しかし、巻線係数の悪化が大きく発電電圧が著しく低下する問題、さらには巻線作業が困難になるという問題がある。
【０００６】
また、巻線時に相互干渉するコイルエンドを予整形したり、コイルエンドのみ細線とする等の技術が提案されているが、巻線作業が困難で、巻線抵抗値が増加する。さらに、かかる巻線技術では、コイルエンドの干渉は根本解決されずスロット内においてコイルはスロット内で偏り、幾何学的に収納しうる断面の略１／２以下しか収納できず低抵抗化が阻まれていた。また上記スロット内の偏りに起因し、各相のコイル形状が異なるため巻線の抵抗値、インダクタンスが不均一になり各相の電流の流れ方に偏りが生じ、局部的な温度上昇に伴う性能劣化や磁気騒音が増大する問題もあった。
【０００７】
例えば、コイルエンドを成形して扁平形状とし、通風を改善しようとするものとして、特開昭５９−１５９６３８号のものが知られている。しかし、かかる構成では、コイルエンドにおける通風抵抗の高さから十分な冷却性が得られず、騒音の低減も満足できなかった。
【０００８】
さらに、小型高出力化のために、回転子と固定子との間のエアギャップを小さくして磁束向上を図る手法がある。しかし、磁束向上分だけ固定子鉄心断面積を大きく取らなければならず、スロット面積の圧迫により巻線抵抗が増加し、結局出力向上効果がほとんどなくなってしまう。すなわち、固定子を構成する鉄心と巻線とのバランスが重要である。
【０００９】
かかる鉄心断面積と巻線との設計値の選択を最適として一定の出力向上効果を得ることはできたとしても、発熱源たるコイルエンドの冷却の問題が残る。例えば、電気導体の表面の絶縁塗膜と固着材を通して冷却するためにはファンを大型化すると共に近接させて風をあてる必要がある。しかし、従来の巻線は相間の干渉のためコイルエンドが凹凸になってしまい高次数のファン騒音が増加する。前述のように騒音が耳につきやすい現状では、これを解決するために例えばファン対向面のコイルエンドの内面を複雑な巻線行程により理想的な平滑面にしたり、ファン効率を犠牲にして風量を落として低騒音化を図る必要があった。
【００１０】
また小型高出力を追求していくと、回転子と固定子間に働く磁気力も増大し磁気騒音が増す問題がある。一般に車両用交流発電機では整流器をもっており、出力電圧を切って一定電圧のバッテリを充電するので、発生電圧が矩形状波となる。このため固定子と回転子の間の空隙の空間高調波には多くの第三高調波成分を含むことが知られており、その二乗周波数成分をもった磁気力が固定子と回転子の間に働き、磁気脈動力をもたらす事が知られている。この磁気騒音の対策として、例えば特開平４−２６３４５に見られるように、電気的位相差３０°の位置だけずれた２組の３相巻線を採用し、これらの出力を組み合わせて出力することで磁気脈動力を相互に相殺する技術も知られているが、これらは従来の巻線形状に起因する前述コイルエンドの干渉に加えて、２倍の数のスロットが必要となるために、それぞれに細い巻線を注意を払って巻き込まなければならず、より困難な問題をもたらすものである。すなわち、小型高出力化を図ることで新たに顕在化する問題点もあった。
【００１１】
このように、従来から車両用交流発電機において広く用いられている連続線を巻いた固定子巻線では、小型高出力低騒音といった互いに相反する要求に応えることが困難であった。
【００１２】
一方、一般の大型の誘導機型などの発電機では、例えば固定子スロット内導体を２本とし、径方向に２層化し、その内外層の導体を交互に接続することで異なる相のコイルエンドの干渉を無くしているものがある。
【００１３】
しかし、このようなものは車両用発電機にはそのまま使えないという問題点があった。すなわち、車両用交流発電機は、エンジンが最も低速のアイドル回転、すなわち発電機回転数で約１５００ｒｐｍ近辺で車両電気負荷に電力を供給しなければならない。このためには前記回転数、即ち約１５００ｒｐｍ以下でバッテリ電圧とダイオードドロップ分を加えた電圧である約１５Ｖを発生しなければならない。しかし、一般の乗用車、トラック用などの１〜２ｋｗクラスの車両用交流発電機においては、主としてその体格から決まるところの磁束量の制約に起因して、上述の一般大型発電機に見られるような構造では、上記低回転時の出力を得ることができない。特に、上述の一般大型発電機に見られる２本程度の少ない導体数では低回転時の出力を得ることが困難であった。更に、近年の燃費向上の為にアイドル回転数は低減される傾向であり、上述の一般大型発電機の構造ではますます対応できない状況となっている。
【００１４】
また、低回転での出力向上のためのひとつの手段として、多極化により高周波で作動させることが考えられるが、上述の一般大型発電機の構造では、固定子鉄心と略同一軸長のセーレント型回転子が用いられており、かかるセーレント型回転子では磁極数を増すと回転子内の巻線スペ−スが減少するため各磁極の起磁力が低下するので、出力向上が難しい。すなわち、上述の車両用交流発電機に要求される性能を満たすことが困難であった。
【００１５】
さらに、セーレント型回転子では、回転子内部に隙間を設けることが困難なため、固定子の内周面に向けての冷却風の導入や回転子内に設けられた界磁コイルへの冷却風の導入ができないという冷却上の問題があった。
【００１６】
さらに、導体バーなどと呼ばれるＵ字型の電気導体を用いて車両用交流発電機の固定子巻線を構成するものとして、特開昭６２−２７２８３６号、特開昭６３−２７４３３５号、特開昭６４−５３４０号が提案されている。しかし、かかる構成では、固定子鉄心が周方向に沿って積層されて円筒形に形成されるため、磁束通過方向に関して磁気的な抵抗が増加し、所要の性能を実現できない。また、実用的な強度の確保など解決すべき多くの課題を抱えている。
【００１７】
また、ＷＯ９２／０６５２７にも車両用交流発電機の固定子に導体バーを用いた構成が提案されている。ここに示された構成によれば、１つのスロット内に４本の電気導体がスクエアに配置されている。
【００１８】
かかる構成では、高出力化のために電気抵抗値を下げるべく電気導体断面積を増やすと、コイルエンドの間に隙間を設けることができない。さらに、周方向に並ぶ１つのスロット内の２本の電気導体のコイルエンドの先端において、他のスロットからの電気導体との各々の接合部の間に隙間を形成することも難しく、接合部どうしが短絡しやすいという問題も生ずる。
【００１９】
また、車両用交流発電機の冷却のためには、古くは冷却ファンをフレ−ム外部に持ち軸方向に冷却風を流す通風構造が採用されており、近年はフレ−ム内部に冷却ファンを持ち、冷却風を直接コイルエンドに当てる構成が主流となっている。このような冷却構造の下では、上記のような従来技術の電気導体の構造では、高出力化のために電気導体の断面積を大きくすると高い冷却性を得ることができないという問題点があった。
【００２０】
すなわち、ＷＯ９２／０６５２７に示された構成では、電気導体の断面積が制約されるため、高出力のための固定子の高占積率化が困難である。
【００２１】
一方、隙間を形成するために１つのスロット内の電気導体を２本にする構成も考えられるが、かくのごとき少ない導体数では、アイドル回転すなわち低回転での出力を得ることが不可能であり、車両用交流発電機としては使うことができない。
【００２２】
さらに、ＵＳＰ２９２８９６３には、固定子に導体バーを用い、ランデル型の界磁回転子を持った交流発電機が提案されている。しかし、この従来技術においても高出力と高い冷却性とを実現するための固定子巻線の構成は開示されていない。しかも、この従来技術に開示される構成は、軸方向の通風構造、あるいは冷却ファンを持たない構成であり、小型・高出力化のための冷却性向上に関する改良は、講じられていない。さらに、ここに開示された構成では、スロットあたりの導体数は２本であり、前述と同様に低回転での出力を得ることが困難である。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題点に鑑み、今日の車両用交流発電機に要求される性能を満足しうる高い実用性を備えた改良された車両用交流発電機を提供することを目的とする。
【００２４】
本発明の他の目的は、小型、高出力、低騒音を兼ね備えた車両用交流発電機を提供することである。
【００２５】
本発明のさらに他の目的は、車両用交流発電機に要求される低速回転からの出力を確保できる回転子と固定子巻線の構造、および固定子巻線のコイルエンドにおける新規な冷却のための構成を提供することにより、車両用交流発電機に要求される高出力を確保でき、しかも発熱による効率低下、出力低下を抑えた車両用交流発電機を提供することである。
【００２６】
本発明のさらに他の目的は、固定子巻線のスロット内における占積率を向上させ、その一方でスロットの外においては、回転子との共働により高い冷却性と低騒音とを発揮しうる車両用交流発電機を提供することである。
【００２７】
本発明のさらに他の目的は、局部的な固定子巻線の温度上昇を抑え、さらには磁気騒音の発生をも抑制した車両用交流発電機を提供することである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する界磁回転子と、該回転子と対向配置された固定子鉄心、及びこの固定子鉄心に装備された多相固定子巻線を備える固定子と、前記回転子と前記固定子とを支持するフレームとを有する車両用交流発電機において、
前記固定子鉄心には、前記多相固定子巻線を収容する複数のスロットが形成されており、前記多相固定子巻線は、複数の導体セグメントを接合して構成されており、これら複数の導体セグメントは、前記スロット内においては、前記スロットの深さ方向に関して二対以上の対をなして前記スロットの深さ方向にのみ配列され、前記スロット内に互いに絶縁して収納されており、前記スロット外においては、前記固定子鉄心の端面側に延び出して配置されてコイルエンドをなしており、複数の前記導体セグメントは、互いに接合されて複数の接合部を形成しており、複数の前記接合部は、多重の環状に配列されており、周方向並びに径方向に関して互いに離間して配置されていることを特徴とする車両用交流発電機という技術的手段を採用する。
【００２９】
かかる構成によると、コイルエンドの干渉を抑制しつつ、スロットあたりの導体数を４本以上に設定できる。接合部は、複数の電気導体の配置、すなわちスロットの配置に対応して、周方向に沿って環状に配列される。しかも、スロット内には、複数の導体セグメントを径方向にのみ配列して収容しているため、接合部の環状の配列を、同心状の多重に配置することができる。このため、複数の接合部を、周方向ならびに径方向へも離間させて配置することができ、複数の接合部の間に確実に隙間を形成できる。また、接合部間の短絡を容易に回避できる結果、接合工程における利点が提供される。
【００３０】
請求項１記載の車両用交流発電機において、複数の前記接合部は、２重の環状に配列されていることを特徴とする車両用交流発電機という技術的手段を採用することができる。
【００３１】
図１３では、複数の接合部は、２重の環状に配列されている。
【００３２】
請求項１記載の車両用交流発電機において、前記固定子は、含浸樹脂を備えることを特徴とする車両用交流発電機という技術的手段を採用することができる。
【００３３】
【実施の形態】
上記目的を達成するために、回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する界磁回転子と、該回転子と対向配置された固定子鉄心、及びこの固定子鉄心に装備された多相固定子巻線を備える固定子と、前記回転子と固定子とを支持するフレームとを有する車両用交流発電機において、
前記界磁回転子は、前記Ｎ極および前記Ｓ極を提供する複数の爪状磁極を有するランデル型鉄心を備え、
前記固定子鉄心は、積層板を貫いて延びる複数のスロットが形成された積層鉄心を備え、前記多相固定子巻線は、複数の電気導体を備え、
これら複数の電気導体は、前記スロット内においては、前記スロットの深さ方向に関して内層および外層として一対以上の対をなして配列され、前記スロット内に互いに絶縁して収納されており、前記スロット外においては、前記固定子鉄心の端面側に延び出して配置されており、異なるスロット内に異なる層として配置された２つの前記電気導体を直列接続する接続パターンによってコイルエンドを形成しており、その結果前記固定子鉄心の端面側には前記接続パターンを主として繰り返すコイルエンド群が形成されており、さらに、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体は、前記フレーム内における冷却風の通風方向と交差して延びるよう配置され、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体を横切って冷却風が流れる構成が提供され、一のスロット内に収容された異なる層をなす複数の電気導体が、同一の相の巻線を構成し、前記一のスロット内に収容された前記電気導体を含んで形成される第１巻線の出力と、前記一のスロットに近い他のスロット内に収容された他の電気導体を含んで形成される第２巻線の出力とを合成して出力することを特徴とするという技術的手段が採用される。
【００３４】
このように、異なるスロット内に異なる層として配置された２つの前記電気導体を直列接続する接続パターンを採用することで、一のスロット内の所定の層をなす電気導体と、他のスロット内の上記所定層とは異なる層をなす電気導体とが直列接続される。これにより、各相のコイルエンドの干渉を抑止でき、固定子巻線の高占積化を図ることができるので、出力を向上する効果がある。また、コイルエンド内を冷却風が横切るので、従来の固定子巻線のコイルエンドに対して格段に有効表面積が増し、この部分の電気導体の冷却を飛躍的に向上させることができ、高出力化が可能となる。また、電気導体のスロット内の位置に起因する各相の固定子巻線の導体長さ、漏れインダクタンスは均一化されるので、固定子巻線に流れる電流が均一化され、各相の発熱量も同じとなる。よって、局部的な固定子巻線の発熱や起磁力アンバランスを防止でき、温度低減、低騒音化を図ることができる。更に、コイルエンドに凹凸が無く、一様な繰り返し紋様が形成されること、及びコイルエンド内を冷却風が横切るので、冷却風との間で生ずる騒音も低減できる。また、ランデル型回転子との組合せであるので、鉄心（以下ポールコアと称す）の成形形状を変えるのみで極数の変更、多極化が容易である。また、爪状磁極の耐遠心剛性もあり、加えて界磁コイルをポールコア内央部のボス部に確実に装着できるから回転子の耐遠心性が確保でき、エンジン回転数の２〜３倍の回転比で運転できることになる。
【００３５】
即ち、一般誘導機等と異なり、高周波で作動できるため、スロットあたりの電気導体数が少なくても、車両アイドル回転数に対応する１５００ｒｐｍよりも低い回転数、例えば１０００ｒｐｍなどの低速から発電を開始できる。
【００３６】
また、ランデル型回転子との組合せであるので、磁極間に空間を設けることでき、界磁コイルの冷却上の利点を得ることができる。さらに、磁極自身が回転により冷却風を送風する構成とすることもできる。かかる構成は、軸方向への送風、あるいは径方向への送風に利用できる。よって、一般誘導機等に使われている、磁極間に空間の無い、中実円柱形状であるセ−レント型回転子に比べて、効率的に固定子内周面、固定子巻線、界磁コイルなどを冷却できる。なお、ランデル型回転子の磁極間は非磁性材料で埋められてもよい。
【００３７】
また、一のスロット内に収容された異なる層をなす複数の電気導体が、同一の出力相の固定子巻線を構成し、前記一のスロット内に収容された前記電気導体を含んで形成される第１巻線の出力と、前記一のスロットに近い他のスロット内に収容された他の電気導体を含んで形成される第２巻線の出力とが合成して出力される。なお、同一の出力相の巻線とは電気的な位相が等しい起電力が表れる巻線をいう。このように、同一スロット内に配置されて同相起電力が誘起される電気導体を直列接続することで、高い出力を確保できる。さらに、一のスロット内に収容された前記電気導体を含んで形成される第１巻線の出力と、前記一のスロットに近い他のスロット内に収容された他の電気導体を含んで形成される第２巻線の出力との合成値としての出力であるから、第１巻線と第２巻線の各々の出力が比較的小さい場合でも、高い出力を確保できる。例えば、第１巻線と第２巻線とを直接に直列あるいは並列に接続してそれらの出力を合成する構成や、第１巻線と第２巻線との出力を別々に整流した後に、直列あるいは並列に接続してそれらの出力を合成する構成をとることができる。
【００３８】
なお、固定子および前記回転子は、前記回転子を駆動するエンジンの回転数がアイドリング回転数の領域内にあるときに、前記巻線端に１５（Ｖ）以上の電圧を出力するように設定されていることが望ましい。
【００３９】
これによれば、市街地での走行で最も発生頻度の高いアイドリング回転の時にも必要最低限の車両の電気負荷に電力を供給できる。よって、アイドリング回転の時に供給可能電力以上の要求のある場合バッテリからも電力が供給されるが、これをできるだけ少なく抑え、車両が走行している時には発電機の出力が増えてバッテリを充電して元通りの状態に早期に復帰させることができる。また、アイドリング回転数を下げた場合でも上記の発電性能を持つので、燃費向上が可能となる。
【００４０】
なお、一のスロット内に収容された電気導体と、前記一のスロットに近い他のスロット内に収容された他の電気導体とが、同一の出力相の固定子巻線の一部として直列に配置されているという構成を採用してもよい。
【００４１】
かかる構成では、ひとつの交流出力が、位相が異なる２つの交流出力の合成値として出力される。このため、一のスロット内に収容される電気導体で得られる出力が比較的小さい場合でも、合成値としての出力により高い出力を確保できる。特に、スロット内に層状に電気導体を配列して収容した構成にあっては、スロット内への電気導体の収容数が制限され、同一相の出力値が制限されるが、上記の直列構成によりかかる不具合を補って所要の出力を得ることができる。従って、スロット内における占積率の向上効果と、コイルエンドにおける冷却性の向上効果とを、出力の低下を補いながら実現することができる。
【００４２】
なお、かかる巻線構造は、前記回転子のＮＳ磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットからなる第１のスロット群と、前記第１のスロット群に隣接して配置された第２のスロット群とを有し、前記第１のスロット群に収容された前記電気導体を直列接続して前記第１の巻線を構成し、前記第２のスロット群に収容された前記電気導体を直列接続して前記第２の巻線を構成して実現することができる。
【００４３】
また、前記スロットは電気角で略３０°の間隔で配列され、それら複数のスロットに収納された電気導体のうち、互に磁極ピッチだけ離間した関係にある第１のスロット群の各スロットに収納された電気導体同士が互いに直列に電気接続されて第１の直列導体群をなすとともに、前記第１スロット群に対し隣接関係にある第２スロット群の各スロットに収納された電気導体同士が互いに直列に電気接続されて第２の直列導体群をなし、さらにこれら第１の直列導体群と第２の直列導体群とが直列となって巻線をなし、その巻線端が整流器に接続されるという構成を採用してもよい。
【００４４】
これによれば、電気角略３０°の間隔で設けられた複数のスロットに収納された導体のうち、互に磁極ピッチだけ離間した関係にあるスロットに収納された導体同士が互いに直列に電気接続されて第１の直列導体群をなすから、全ての電気導体が揃って同一位相の起電圧を発生しそれらが算術加算されるので電気導体の長さ当たりの発電力は最高となる。さらに、第１の直列導体群の起電圧位相に対し位相が最も近い隣接スロットに収納された導体も第２の直列導体群をなして同様に高い発電力が得られる。そして、第１の直列導体群と第２の直列導体群とが直列とされて、一相をなすから、これらがベクトル加算され、トータルとして長さ当たりの起電圧は最高となる。しかも、前述の様にスロット間隔が電気角略３０°であるから第１の導体群と隣接関係にある第２の導体群とは電気角略３０°であり、磁気騒音の原因である磁気脈動力が低減する。よって磁気騒音が低減する効果がある。なお、電気角略３０°とは、２９°から３１°の範囲であり、この範囲内であれば前記磁気脈動力の低減に充分な効果がある。
【００４５】
また、一のスロット内に収容された電気導体を含んで形成される第１巻線と、前記一のスロットに近い他のスロット内に収容された他の電気導体を含んで形成される第２巻線と、前記第１巻線の交流出力を整流して出力する第１整流器と、前記第２巻線の交流出力を整流して出力する第２整流器とを備え、前記第１整流器の整流出力と前記第２整流器の整流出力とが合成して出力されるという構成を採用してもよい。
【００４６】
かかる構成によっても、第１巻線のみあるいは第２巻線のみでの出力の低さを補うことができる。
【００４７】
なお、かかる巻線構造は、前記回転子のＮＳ磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットからなる第１のスロット群と、前記第１のスロット群に隣接して配置された第２のスロット群とを有し、前記第１のスロット群に収容された前記電気導体を直列接続して前記第１の巻線を構成し、前記第２のスロット群に収容された前記電気導体を直列接続して前記第２の巻線を構成することにより実現することができる。
【００４８】
また、２組の整流器を備え、前記スロットは電気角で略３０°の間隔で配列され、それら複数のスロットに収納された電気導体のうち、互に磁極ピッチだけ離間した関係にある第１のスロット群の各スロットに収納された電気導体同士が互いに直列に電気接続されて第１の直列導体群をなすとともに、前記第１スロット群に対し隣接関係にある第２スロット群の各スロットに収納された電気導体同士が互いに直列に電気接続されて第２の直列導体群をなし、さらにこれら第１の直列導体群と第２の直列導体群とが独立して巻線をなし、それぞれの巻線の出力がそれぞれの前記整流器に接続されるという構成を採用してもよい。
【００４９】
かかる構成によっても、第１直列導体群と、第２直列導体群とが構成される。そして、この構成においては、各導体群の出力がそれぞれに独立して整流され、必要に応じて合成される。従って、高出力、低磁気騒音といった効果を得ることができる。
【００５０】
また、前記ランデル型鉄心の爪状磁極の外径をＬ１とし、回転軸方向の長さをＬ２として、これらの比率を、Ｌ１／Ｌ２≧１．５とすることが望ましい。
【００５１】
かかる構成は、セ−レント型回転子が界磁コイルなどの耐遠心性の問題からＬ１が制限され、高出力化のための磁気抵抗低減手段としてＬ２を大きくし、比率Ｌ１／Ｌ２が比較的小さく設定されるのに対し、ランデル型回転子では前記セ−レント型回転子に対し耐遠心性が勝り、比率Ｌ１／Ｌ２は１．５以上に設定されることによる。また、この場合、回転に伴う軸方向外部からの冷却風取り込みの面積が拡大し、冷却風量を増加させることができ、冷却性能を向上できるという効果もある。
【００５２】
また、ひとつの前記スロット内に収容される複数の前記電気導体は、前記スロットの深さ方向にのみ配列されている構成を採用することが望ましい。
【００５３】
かかる構成によると、スロットの外において、電気導体のすべてを固定子の径方向に関して離間させることができるので、コイルエンド群内において複数のコイルエンドが互いに密着することを防止でき、コイルエンド群内への通風を容易にして冷却性を高め、冷却風とコイルエンドとの干渉による騒音の低減を図ることができる。
【００５４】
また、前記スロット内において電気的に絶縁されたすべての電気導体は、前記固定子鉄心の端部に形成されたコイルエンドにおいて空間的に離間して配置されていることが望ましい。
【００５５】
かかる構成によると、すべての電気導体は、コイルエンドにおいて良好に冷却され、電気導体の間での冷却性のばらつきがなく、均等な冷却を得ることができる。
【００５６】
また、前記電気導体は、前記スロット内における断面形状が前記スロット形状に沿った略矩形状であるという構成を採用することが望ましい。
【００５７】
かかる構成によると、スロット内における電気導体の占積率を高めることが容易になる。また、スロット形状に沿った略矩形状であるため、電気導体から固定子鉄心への伝熱を向上できる効果もある。なお、略矩形状としては、スロット内の形状に沿った断面形状であることが重要であり、正方形、長方形といった形状の他、４辺の平面と丸い角とで構成された形状、長方形の短辺を円形とした長円形などを用いることができる。なお、正方形、長方形を用いることで、スロット内における占積率を向上することができる。また、断面積の小さい電気導体にあっては、長円形を用いてもよい。かかる断面形状の電気導体は、円形断面の電気導体を、プレスして形成することができる。
【００５８】
また、複数の前記電気導体は、裸の金属部材よりなり、前記スロット内において複数の前記電気導体の相互間と、前記複数の電気導体と前記スロットの内壁面との間とに介装されて電気的な絶縁を提供する電気絶縁部材を備え、複数の前記電気導体は、前記スロット外においては、互いに空間的に離間して配置されているという構成を採用してもよい。
【００５９】
これによれば、電気導体の絶縁皮膜を廃止でき、素材費を大幅に低減できる。更に絶縁皮膜の破損に配慮することなく、電気導体をプレス加工できるなど生産工程が大幅に簡略化でき、低コスト化を図ることができる。また、従来耐熱温度が最も低かった絶縁皮膜の廃止により、固定子巻線の耐熱温度を上げることができるので、発熱に対する信頼性が向上する効果もある。また、前記固定子鉄心と該スロットに収納された導体とからなる固定子の軸方向全長が、前記ランデル型回転子の軸方向全長と同等以下である構成を採用してもよい。
【００６０】
かかる構成によると、回転子に対して軸方向に短い固定子が配置されるため、これらの配置を卵形にすることができる。このため、フレームを含めて卵形の発電機外殻を提供でき、搭載スペ−スの狭小化に対応できると共に、機械的強度の向上による磁気騒音の低減を図ることができる。
【００６１】
また、前記スロットの両側に位置する鉄心歯先部の少なくとも一部を塑性変形させて、前記スロットの内周側の開口の巾を前記スロット内の内壁間距離より狭く形成してなるという構成を採用してもよい。
【００６２】
かかる構成によると、鉄心歯先部の塑性変形の時にスロット内の電気導体を更に径方向内周側からスロット奥に押し込むので、より高占積率化を達成できる。更に、固定子鉄心の歯部が十分固定できるため、鉄心の剛性が上がりステータ鉄心の振動を抑制することができるので、磁気騒音を低減できる。また入口部を内壁間距離より狭くすることによりウエッジ等係止部材を廃止できるので、コスト低減が可能である。更に歯先部を塑性加工させることにより加工硬化するため、剛性の高い電気導体を使っても径方向内側に飛び出すことがない。なお、かかる構成は、スロット内の断面形状にかかわりなく採用することができる。ただし、スロットの断面形状を、深さ方向に関して巾が一定な平行スロットとすることが望ましい。これにより、内層導体と外層導体との形状を同じにしてもスロット内の隙間が不均一にあくことなく、高占積率化が可能である。
【００６３】
また、前記電気導体のスロット外に位置する部分の少なくとも一部が略扁平形状である構成を採用してもよい。
【００６４】
かかる構成によると、コイルエンド部における電気導体からの放熱面積を大きくすることができる。さらに、複数のコイルエンドのそれぞれに扁平形状を採用し、それらを径方向と平行に配置することで、コイルエンド間の隙間を確保でき、さらには径方向への通風抵抗を低減できる。なお、電気導体は部分的に扁平形状に成形する他、スロット外においてはその全体を扁平形状としてもよい。さらには、スロット内も含めて全体を扁平な断面形状をもって形成してもよい。なお、扁平形状としては、長方形断面、長楕円断面などを採用することができる。
【００６５】
また、前記界磁回転子の磁極間には磁石を介在し、界磁磁束に磁石磁束を加え前記固定子に向かわせる構成を採用してもよい。
【００６６】
かかる構成によると、ランデル型界磁回転子の性能向上による高出力、高効率といった効果を得ることができる。しかもかかる効果を、固定子側における損失によって失うことなく、固定子巻線の改良による放熱性向上の効果によって十分に引き出すことができる。
【００６７】
また、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体は、それらの表面の殆ど全体が前記冷却風にさらされている構成を採用することが望ましい。
【００６８】
かかる構成によると、高い冷却性を、すべての電気導体に対して均等に発揮させることができる。
【００６９】
なお、かかる構成は、電気導体をスロット内において径方向にのみ配列した構成、あるいは電気導体を裸線としてそれらを空間的に離間させて絶縁した構成、あるいはスロット外においても矩形の電気導体を採用した構成との組合せの下で、比較的簡単に実現できるという製造上の利点と、より高い冷却性を実現できるという利点とを発揮する。
【００７０】
また、前記コイルエンド群が、前記固定子鉄心の両端にそれぞれ形成されており、前記フレーム内にはそれぞれの前記コイルエンド群に対応して２つの冷却風の通風経路が形成されているという構成を採用することが望ましい。
【００７１】
かかる構成によると、２つのコイルエンド群がそれぞれの通風経路によって確実に冷却される。しかも、その冷却は、コイルエンド群内の電気導体が、そこを横切る冷却風によって冷却されるため、熱に起因する損失上、効率上の問題点を低減し、さらには騒音上の問題点を低減する。また、前記フレーム内における冷却風を生じさせる送風手段を備えることが望ましい。
【００７２】
かかる構成によると、フレーム内に確実に冷却風の流れを作り出すことができ、コイルエンドを確実に冷却することができる。なお、送風手段としては、専用の冷却ファンを設ける他、ランデル型界磁回転子の形状を利用するなどの構成を採用することができる。
【００７３】
さらに、送風手段を採用する構成においては、
前記コイルエンドに対応して、前記フレームには前記電気導体を横切って流れる冷却風の通風孔が形成されているという構成を採用することが望ましい。
【００７４】
かかる構成によると、電気導体を横切って流れる冷却風を効率よく流すことができる。なお、かかる構成は、固定子鉄心の両側にそれぞれコイルエンド群を構成する場合には、それぞれのコイルエンド群に対応して通風孔が設けられることが望ましい。
【００７５】
さらに、前記送風手段は、前記界磁回転子の軸方向端部に設けられており、前記界磁回転子の回転により遠心方向外側に向けて送風し、前記コイルエンドにおける前記複数の電気導体を横切って流れる冷却風を生じさせる送風手段を備える構成を採用することが望ましい。
【００７６】
かかる構成によると、固定子のコイルエンド群の内側に近接して送風手段が配置され、しかも、遠心方向外側へ向かう冷却風はコイルエンド群内を横切って流れた後フレームに形成された通気口から排出されるため、コイルエンド群へ強力かつ大量の冷却風を提供することができる。しかも、コイルエンド群内においては電気導体の形状が改良されているため、低騒音で高い冷却性、放熱性が得られる。なお、ここにいう「遠心方向外側に向けて送風」は、遠心方向成分のみによる送風の他、いくらかの軸方向成分を含んだ送風であってもよい。かかる送風方向の設定は、界磁回転子の冷却などの要求に応じて適宜選択することができる。
【００７７】
また、前記送風手段は、前記界磁回転子の軸方向の両端部に設けられているという構成を採用することが望ましい。
【００７８】
かかる構成によると、界磁回転子の軸方向の両側において冷却風を得ることができる。なお、固定子の両側にコイルエンド群を形成した構成と併用することで、２つのコイルエンド群のそれぞれを、対応する送風手段で冷却することができる。
【００７９】
また、前記送風手段は、複数のブレードを有する送風ファンを備えるという構成を採用することができる。
【００８０】
かかる構成によると、冷却風を確実に得ることができる。
【００８１】
また、前記送風手段は、前記複数の爪状磁極に対応して形成された前記ランデル型鉄心の形状により提供されるという構成を採用してもよい。
【００８２】
かかる構成によると、ランデル型鉄心が本来的に有する複数の爪状磁極に対応した形状によって冷却風を得ることができる。なお、かかる構成では、ランデル型鉄心のみで送風する構成を採用した場合には、専用の送風ファンを不要とでき、部品点数、加工工数を低減できる。また、送風ファンと併用して共同して送風する構成を採用した場合には、送風風量を増加することができる。
【００８３】
なお、前記ランデル型鉄心の軸方向端部と、前記フレームの内壁面とを近接して対向させて配置してなる構成を採用することができる。
【００８４】
かかる構成によると、フレームの内壁面をシュラウドとして機能させて、ランデル型鉄心の軸方向端部の形状を利用して送風することができる。なお、シュラウドとしてのフレームの内壁面とは、フレームとしての金属製部材の内壁面の他、フレームに装備された部品であってもよい。
【００８５】
また、前記フレームには、前記界磁回転子を駆動するプーリの装着端に面して前記送風手段のための吸気口が形成され、前記吸気口の最外径は、そこに装着されるべきプーリの最外径より小さいという構成を採用することができる。
【００８６】
かかる大直径のプーリを採用する場合でも実用的な車両用交流発電機を提供できる。すなわち、小型高出力化を図る場合、トルク増加によりベルト寿命が低下する問題があるため、プーリ径を大型化してベルトに加わるストレスを低減する必要がある。ところが、かかる構成では、プーリがフレ−ムの吸入孔をふさいでしまい、通風抵抗が増すため冷却風量が減少する。しかし、本案では固定子の改良により冷却性を向上しているため、冷却風量が減少してもコイルエンドを冷却でき、ベルト寿命を確保しつつ、小型高出力化を達成できる。
【００８７】
また、前記コイルエンドは、第１スロット内に所定の層として配置された第１電気導体と、前記第１スロットから、前記界磁回転子のＮＳ極の磁極ピッチに対応して離間する第２スロット内に前記第１電気導体とは異なる層として配置された第２電気導体とを直列接続する接続パターンによって形成されているという構成を採用することが望ましい。
【００８８】
これによれば、固定子鉄心の各軸方向側面のコイルエンドの並びが同一方向となり、異なる相のコイルエンドの干渉を回避することができる。よって、導体はスロット奥まで挿入することができ、占積率を向上することにより出力向上が可能となる。また、コイルエンドに凹凸が無く、一様な繰り返し紋様を形成しているので、冷却風との間で生ずる騒音も低減できる。
【００８９】
また、前記コイルエンドは、前記第１スロットから延び出す前記第１電気導体の端部と、前記第２スロットから延び出す前記第２電気導体の端部とを接合して構成されており、前記第１電気導体と前記第２電気導体とは、別体の導体製のセグメントにより提供されており、一方の電気導体の端部が、前記磁極ピッチの半分の距離を少なくとも周回する角度と長さとを持っているという構成を採用することができる。
【００９０】
これによれば、セグメントをスロット内から延び出して配置し、他のセグメントと接合することでコイルエンドが形成される。かかる接合により形成されたコイルエンドが、そこを横切って流れる冷却風によって冷却される。このような接合を伴う構成を採用することにより、セグメントを採用できる。なお、接合とは、超音波溶接、ア−ク溶接、ろう付けなどによる電気的接続をいう。
【００９１】
また、前記セグメントは、２本の前記電気導体を前記固定子鉄心の一方の端部でターン部により連続的に接続してなるＵ字状のセグメントであり、前記第１の電気導体の端部としての第１のＵ字状セグメントの端部と、前記第２の電気導体の端部としての第２のＵ字状セグメントの端部との接合を、前記接続パターンとして前記コイルエンドが形成されているという構成を採用することが望ましい。
【００９２】
かかる構成によると、導体の部品点数及び接合箇所が半減でき製造工程が容易となる。また、接合部を固定子の軸方向片側にそろえることからも、生産工程が容易となる効果がある。
【００９３】
また、前記セグメントは、スロットの両側から突出する２つの端部をもったセグメントであり、前記固定子鉄心の一方の端部において、前記第１電気導体の端部としての第１セグメントの一方の端部と、前記第２電気導体の端部としての第２セグメントの一方の端部との接合を、前記接続パターンとして一方のコイルエンドが形成され、前記固定子鉄心の他方の端部において、前記第１電気導体の端部としての第１セグメントの他方の端部と、他の前記第２電気導体の端部としての第３セグメントの他方の端部との接合を、前記接続パターンとして他方のコイルエンドが形成されているという構成を採用してもよい。
【００９４】
これによれば、電気導体は一方向に延びる単純形状にできるので、電気導体自体の製造工程が容易となる。また、あらかじめ成形した電気導体を径方向内周側からスロットへ押し込むことができるので、軸方向から挿入する場合に比べコイルエンド部の加工が不要となり製造工程が容易になるとともに、さらに高占積率化が可能となる。
【００９５】
また、前記電気導体の両方の端部の周回長さの合計が、前記磁極ピッチに対応しているという構成を採用することが望ましい。
【００９６】
これによれば、一定形状のセグメントを利用して固定子上を周回する固定子巻線を形成することができる。従って、電気導体の形状を統合し、種類を低減でき、電気導体を製造するためのプレス型などの製造設備を安価にできる。また、接合部を固定子鉄心の両側面に配置し、しかも同じ形状とすることで接続部の生産工程が容易となる。
【００９７】
また、前記スロットの両側に位置する鉄心歯先部の少なくとも一部を塑性変形させて、前記スロットの内周側の開口の巾を前記スロット内の内壁間距離より狭く形成してなる構成を採用することが望ましい。
【００９８】
これによれば、鉄心歯先部の塑性変形の時にスロット内の電気導体を更に径方向内周側からスロット奥に押し込むので、より高占積率化を達成できる。更に、固定子鉄心の歯部が十分固定できるため、鉄心の剛性が上がりステータ鉄心の振動を抑制することができるので、磁気騒音を低減できる。また入口部を内壁間距離より狭くすることによりウエッジ等係止部材を廃止できるので、コスト低減が可能である。更に歯先部を塑性加工させることにより加工硬化するため、剛性の高い電気導体を使っても径方向内側に飛び出すことがない。なお、かかる構成は、スロット内の断面形状にかかわりなく採用することができる。ただし、スロットの断面形状を、深さ方向に関して巾が一定な平行スロットとすることが望ましい。これにより、内層導体と外層導体との形状を同じにしてもスロット内の隙間が不均一にあくことなく、高占積率化が可能である。
【００９９】
また、さらに整流器を備え、前記電気導体の一部が前記整流器の整流素子の電極に直接接続されている構成を採用してもよい。
【０１００】
これによれば、整流回路を構成するための端子台等の接合部材が不要であり、簡単な構成の低コストで小型の整流器を提供できる。なお、電気導体をセグメントで構成する場合には、かかる整流素子との直接接続のためのセグメントは、他のセグメントより長いなど、所定の接続パターンを繰り返して接合される他のセグメントとは異なる形状とすることが望ましい。
【０１０１】
また、前記整流素子の電極に接続される前記電気導体は、前記固定子と前記整流素子電極との間において変形しやすい部分を有するという構成を採用してもよい。
【０１０２】
これによれば、電気導体の変形で振動などを吸収でき、整流素子の破損を防止する事ができ高信頼性を実現できる。なお、変形しやすい部分としては、電気導体の一部を細くした形状などを採用することができる。
【０１０３】
また、さらに整流器を備え、整流器は、前記Ｕ字状セグメントのターン部側に前記整流器を配置して前記固定子巻線の巻線端と接続したという構成を採用してもよい。
【０１０４】
かかる構成によると、巻線を形成するためにＵ字状セグメントの端部を接合する時に、整流素子の電極に接続される導体が邪魔にならず、同一パタ−ンの繰り返し接合が可能となるので、製造工程が容易となり、コスト低減が可能となる。
【０１０５】
また、さらに整流器を備え、整流器は、前記Ｕ字状セグメントのターン部とは反対側に前記整流器を配置して前記固定子巻線の巻線端と接続したという構成を採用してもよい。かかる構成によると、Ｕ字状セグメントのタ−ン部形状を同一にできるため、セグメントの製作工数を短縮でき、コスト低減が可能となる。
【０１０６】
また、前記固定子は、相互に短絡して中性点となす引き出し配線を有するという構成を採用することができる。
【０１０７】
かかる構成によると、固定子上において中性点接続を実現できる。なお、電気導体を延長して敷設し、複数の電気導体を直接に接続して中性点接続を得ることが望ましい。特に、断面形状が矩形の電気導体を採用した場合には、十分な強度が得られ、他のコイルエンドとの間にも空間を確保しながら敷設することができる。また、放熱面積を増加し、固定子コイルの冷却性を向上することもできる。
【０１０８】
また、以上に述べた構成において、前記内層と外層の導体は一対とすることができる。かかる構成によると、固定子への導体の組み付け工数が少なくできるとともに、コイルエンドの本数が少ないので隙間を容易に確保できる。また、導体の部品点数及び電気接続箇所が少ないので、製造工程を容易にできる。
【０１０９】
また、前記内層と外層の導体は二対以上であってもよい。
【０１１０】
かかる構成によると、コイルエンドの干渉を抑制しつつ、スロットあたりの導体数を４本以上に設定できるので、燃費向上や車両アイドル停止時の騒音低減などのために車両のアイドル回転数が更に低下した場合でも、発電機から出力することができる。
【０１１１】
なお、内層電気導体と、外層電気導体とを二対以上配置した場合にあっては、ひとつの前記スロット内に収容される複数の前記電気導体は、前記スロットの深さ方向にのみ配列されており、複数の前記電気導体は、前記コイルエンド群において互いに他の電気導体と接合されて複数の接合部を形成しており、複数の前記接合部は、多重の環状に配列されており、前記コイルエンド群内において周方向並びに径方向に関して互いに離間して配置されているという構成が採用されることが望ましい。
【０１１２】
かかる構成によると、接合部は、複数の電気導体の配置、すなわちスロットの配置に対応して、周方向に沿って環状に配列される。しかも、スロット内には、複数の電気導体を径方向にのみ配列して収容しているため、接合部の環状の配列を、同心状の多重に配置することができる。このため、複数の接合部を、周方向ならびに径方向へも離間させて配置することができ、複数の接合部の間に確実に隙間を形成できる。また、接合部間の短絡を容易に回避できる結果、接合工程における利点が提供される。
【０１１３】
上記目的は、回転周方向に交互にＮＳ極を形成する界磁回転子と、該回転子の外周に対向配置した固定子と、前記回転子と固定子とを支持するフレームと、前記固定子より導いた交流電力を直流電力に整流する整流器とを有する車両用交流発電機において、
前記固定子は、複数のスロットを形成した積層固定子鉄心と、該スロットに収納された複数の電気導体とを有し、
前記電気導体は複数のセグメントを含み、前記セグメントは、それぞれが異なるスロット内に収容される２本の直線部を有する略Ｕ字状セグメントであって、複数の前記Ｕ字状セグメントのターン部は、コイルエンドとして前記固定子鉄心の一方の端面側から軸方向に突出して配置され、しかも互いに離間して配列されて第１コイルエンド群を形成し、一の前記スロット内に収容された異なる層をなす複数の前記電気導体が同一の出力相の固定子巻線を構成し、前記一のスロット内に収容された前記電気導体を含んで形成される第１巻線の出力と、前記一のスロットに近い他のスロット内に収容された他の電気導体を含んで形成される第２巻線の出力とが合成して出力され、複数の前記Ｕ字状セグメントの端部は、他方の端面側から軸方向に突出して配置され、巻線のコイルエンドを形成するように所定の接続パターンで接合され、しかもこれらコイルエンドが互いに離間するように配列されて第２コイルエンド群を形成し、前記界磁回転子は、前記Ｎ極および前記Ｓ極を提供する複数の爪状磁極を有するランデル型鉄心を備え、さらに前記界磁回転子は、前記界磁回転子の軸方向の両側において、前記第１コイルエンド群を横切って径方向に空気が流れる通風路と、前記第２コイルエンド群を横切って径方向に空気が流れる通風路とを提供しているという構成によって達成される。
【０１１４】
かかる構成によると、固定子の両端部に冷却性に優れたコイルエンドが形成され、しかも界磁回転子によって、それぞれのコイルエンド群に、それらを横切って空気を流す通風路が提供されるため、小型、高出力の車両用交流発電機を提供することができる。
【０１１５】
なお、前記界磁回転子は、その軸方向の端部に、前記コイルエンド群に向けて送風する送風手段を備えることが望ましい。
【０１１６】
これにより、コイルエンド群に向けて、強力に大量の空気を送風することができる。
【０１１７】
さらに、前記フレームには、前記第１コイルエンド群の外周側と、前記第２コイルエンド群の外周側との両方に前記通風路の出口としての通風口が開設されていることが望ましい。
【０１１８】
これにより、送風手段からコイルエンド群を抜けてさらに通風口から排出される通風路が提供される。
【０１１９】
なお、前記Ｕ字状セグメントは、断面形状が長方形状の電気導体により構成されており、前記コイルエンドにおいては、その断面の長手方向を径方向に配列して配置されていることが望ましい。かかる構成を採用することで、コイルエンド群の通風抵抗を低減でき、低騒音化を図ることができる。なお、長方形状の断面形状としては、長方形のほか、長方形の短辺を曲面とした形状や、長楕円形などを用いることができる。
【０１２０】
また、ひとつの前記スロット内には、内層と外層とを一対とする複数対の前記直線部が、前記スロットの深さ方向にのみ配列されて収容されており、前記Ｕ字状セグメントの端部を接合してなる複数の接合部は、前記第２コイルエンド群内において多重の環状に配列されており、複数の接合部は周方向並びに径方向に関して互いに離間して配置されているという構成を採用することができる。
【０１２１】
かかる構成によると、ひとつのスロット内に複数対の電気導体を収容する場合で、接合部を第２のコイルエンド群内において確実に離間して配置することができ、製造工程における利点を提供することができる。
【０１２２】
また、前記電気導体は、所定の相数をもった多相の固定子巻線を形成しており、前記固定子鉄心には、前記界磁回転子の磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットを１相分とする、前記相数に対応した多相分の第１スロット群が形成されるとともに、さらに前記第１スロット群から所定の電気角度ずれた第２スロット群が形成されており、前記第１スロット群に収容された前記電気導体により構成される多相の固定子巻線の出力と、前記第２スロット群に収容された前記電気導体により構成される多相の固定子巻線の出力とを合成して出力するという構成を採用してもよい。かかる構成によると、スロット内に収容される電気導体の総数が制限され、同一相の出力値が制限される構成にあっても、所要の出力を得ることができる。特に、セグメントを採用することによりスロット内の占積率の向上効果と、コイルエンド群における低騒音、高冷却性といった効果とを生かしつつ、高出力を達成することができる。
【０１２３】
なお、第１スロット群と第２スロット群とは、互いに隣接するスロットを利用して構成することが望ましい。また、第１スロット群と第２スロット群とは、磁気音の低減のためには、３相発電機においては電気角約３０度ずれていることが望ましい。また、出力の合成は、各群の近接する相の巻線を直列あるいは並列に接続して、交流として合成する構成を採用できる。また、出力の合成は、各群毎に直流に整流した後に、直流として合成する構成を採用できる。
【０１２４】
さらに、上記の目的は、回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する界磁回転子と、該回転子と対向配置された固定子鉄心、及びこの固定子鉄心に装備された多相固定子巻線を備える固定子と、前記回転子と固定子とを支持するフレームとを有する車両用交流発電機において、
前記界磁回転子は、前記Ｎ極および前記Ｓ極を提供する複数の爪状磁極を有するランデル型鉄心を備え、前記固定子鉄心は、積層板を貫いて延びる複数のスロットが形成された積層鉄心を備え、前記多相固定子巻線は、複数の電気導体を備え、
これら複数の電気導体は、前記スロット内においては、前記スロットの深さ方向に関して内層および外層として一対以上の対をなして配列され、前記スロット内に互いに絶縁して収納されており、前記スロット外においては、前記固定子鉄心の端面側に延び出して配置されており、異なるスロット内に異なる層として配置された２つの前記電気導体を直列接続する接続パターンによってコイルエンドを形成しており、その結果前記固定子鉄心の端面側には前記接続パターンを主として繰り返すコイルエンド群が形成されており、さらに、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体は、前記フレーム内における冷却風の通風方向と交差して延びるよう配置され、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体を横切って冷却風が流れる構成が提供されるという構成を採用することで達成される。
【０１２５】
すなわち、かかる構成を採用することで、スロット内における電気導体の占積率を高めることができる。しかも、コイルエンドにおける複数の電気導体を横切って冷却風が流れるので、コイルエンドにおいて高い放熱性が得られ、高出力化に伴う熱的な問題を回避することができる。特に、フレーム内に形成される空気流を利用して高出力化に伴う熱的な問題を回避することができる。このように、従来の車両用交流発電機にない構成が採用されることで、ランデル型界磁回転子を用いた実用的な構成の下で、高出力化に伴う熱的な問題を回避することができるという利点が得られる。
【０１２６】
なお、ひとつの前記スロット内には複数対の前記電気導体が、前記スロットの深さ方向にのみ配列されて収容されており、複数の前記電気導体は、前記コイルエンド群において互いに他の電気導体と接合されて複数の接合部を形成しており、複数の前記接合部は、多重の環状に配列されており、前記コイルエンド群内において周方向並びに径方向に関して互いに離間して配置されているという構成を採用することで、ひとつのスロット内に４本以上の電気導体を収容しながら、コイルエンドにおける電気導体間の干渉を防止することができる。特に、電気導体の接合部間の干渉を防止することができる。従って、コイルエンドにおける放熱性の向上効果を損なうことなく、巻線としてのターン数を確保し、出力の向上を図ることができる。
【０１２７】
上記目的を達成するために、回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する界磁回転子と、該回転子と対向配置された固定子鉄心、及びこの固定子鉄心に装備された多相固定子巻線を備える固定子と、前記回転子と前記固定子とを支持するフレームとを有する車両用交流発電機において、
前記固定子鉄心には、前記多相固定子巻線を収容する複数のスロットが形成されており、これら複数のスロットは、前記界磁回転子の磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットを１相分のスロット群として、多相分のスロット群よりなる第１スロット組と、さらに前記第１スロット組から所定の電気角度ずれた第２スロット組とを含んでおり、
前記多相固定子巻線は、複数の電気導体を接合して構成されており、これら複数の電気導体は、前記スロット内においては、前記スロットの深さ方向に関して内層および外層として一対以上の対をなして配列され、前記スロット内に互いに絶縁して収納されており、前記スロット外においては、前記固定子鉄心の端面側に延び出して配置されて、異なるスロット内の異なる層をなす２つの電気導体を直列接続する複数のコイルエンドをなしており、前記多相固定子巻線は、前記第１スロット組に含まれる複数のスロット群に収容された多相の巻線の出力と、前記第２スロット組に含まれる複数のスロット群に収容された多相の巻線の出力とを合成するように結線されており、
さらに、前記コイルエンドによって、すべての前記スロット群の巻線毎に、実質的に等しい放熱に寄与する表面積が与えられていることを特徴とする車両用交流発電機という技術的手段を採用することができる。
【０１２８】
かかる構成によると、２組の多相巻線が得られ、それらの出力が合成されるので、発電機に求められる仕様に応じた出力特性あるいは発電電力の品質を得ることができる。しかも、２組もの多相巻線が一の固定子鉄心に装着されるにもかかわらず、スロット内に内層、外層として収容された電気導体がコイルエンドにおいて接続されて巻線が形成されているため、ひとつのスロット群に形成された巻線が有する放熱のための表面積と、他のスロット群に形成された巻線が有する放熱のための表面積とが実質的に等しくされるので、巻線毎の放熱性のばらつきを生じることがない。これにより、実質的に２倍の相を有することによる優れた出力特性、発電電力の優れた品質、さらには電気磁気的な騒音の低減といった効果を得ながら、それらの効果を減らすことのない優れた放熱性を実現することができる。
【０１２９】
なお、２組の多相巻線を結線するにあたっては、それぞれを多相巻線として星型結線あるいは環状結線して、それぞれの出力を別々の整流器で整流した後に直流出力として直列あるいは並列に接続してもよい。また、２組の多相巻線の電気的な位相が近接する巻線を直列あるいは並列に接続して、ひとつの多相巻線として星型結線あるいは環状結線してもよい。
【０１３０】
なお、２組の多相巻線は、電気角が３０度ずれた２組の３相巻線とすることができる。
【０１３１】
なお、さらに、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体は、前記フレーム内における冷却風の通風方向と交差して延びるよう配置され、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体を横切って冷却風が流れる構成が提供されるという技術的手段を採用してもよい。かかる構成によると、コイルエンドにおいてさらに優れた放熱性、低騒音性を実現することができる。
【０１３２】
また、ひとつの前記スロット内には複数対の前記電気導体が、前記スロットの深さ方向にのみ配列されて収容されており、複数の前記電気導体は、前記コイルエンド群において互いに他の電気導体と接合されて複数の接合部を形成しており、複数の前記接合部は、多重の環状に配列されており、前記コイルエンド群内において周方向並びに径方向に関して互いに離間して配置されているという構成を採用してもよい。
【０１３３】
次に、この発明を適用した車両用交流発電機を図に示す実施例に基づいて説明する。
【０１３４】
（第一実施例の構成）
図１から図８はこの発明の第一実施例を示したものである。図１は特に自動車用に適合された車両用交流発電機の主要部を示した図である。図２から図８は本実施例の固定子の説明図である。
【０１３５】
こ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、回転子３と固定子２とを支持するフレ−ム４、および固定子２に生じる交流電力を直流電力に変換する整流器５を有している。この整流器５の出力は１２Ｖのバッテリに接続されている。回転子３は、シャフト６と一体になって回転するもので、一対のランデル型ポールコア７、冷却ファン１１、界磁コイル８、スリップリング９、１０、および１６個の永久磁石５１によって構成されている。永久磁石５１は、図示せぬ磁石保持器によって連結されている。
【０１３６】
ポールコア爪間に介在された永久磁石５１は、直方体のフェライト磁石を使用している。その寸法は、磁極間幅を８ｍｍ、軸方向長さを２４ｍｍ、径方向長さを９ｍｍに設定してある。また、界磁コイルは、平角導体を使用し、抵抗値を１．８Ω、ターン（Ｔ）数を３３０Ｔに設定してある。また、永久磁石５１には、湿式異方性磁石を用い、−３０°Ｃ下でフル励磁した際に５％以下の減磁特性に抑制できる磁石材を用いている。
【０１３７】
また、ポールコアのボス部の径はφ５０ｍｍであり、シャフト６の径はφ１７ｍｍに設定している。このポールコアのボス部の断面積よりシャフト６の断面積を引いた断面積を極対数で割ったものを基準として、略同一となるように各部磁極断面積を設定している。
【０１３８】
シャフト６の端部には、プーリが固定されている。プーリは、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。
【０１３９】
ランデル型コア７は、一対のポールコアにより構成されている。コア７は、シャフト６に組付られたボス部７１、ボス部の両端より径方向に延びる２つのディスク部７２、及びディスク部７２の先端に配列された１６個の爪状磁極７３を有する。
【０１４０】
フレーム４には、その軸方向の両端に、冷却空気の吸入孔４１、４２が開設されている。さらに、フレーム４には、その外周部に、冷却空気の吐出孔４３、４４が開設されている。吐出孔４３、４４は、コイルエンド３１に対向して２列の環状に配列されている。また、プーリの外径はフレ−ム４の軸方向端面の吸入孔４１の外径よりも大きく設定されている。
【０１４１】
固定子２は、固定子鉄心３２、固定子巻線を構成する複数の導体セグメント３３、及び固定子鉄心３２と導体セグメント３３との間を電気絶縁するインシュレータ３４で構成され、フレ−ム４により支えられている。固定子鉄心３２は、薄い鋼板を重ね合わせた積層型のもので、その内周面には複数のスロット３５が形成されている。
【０１４２】
ひとつのスロット３５内には、２本の矩形状の電気導体が、内層導体、外層導体として挿入されている。これら電気導体は、導体セグメント３３によって提供されている。導体セグメント３３は、Ｕ字状、あるいはＶ字状と呼び得る形状である。
【０１４３】
固定子巻線は電気接続された多数の導体セグメント３３により構成されている。固定子鉄心３２の軸方向端面の一方に導体セグメント３３のターン部３３ｃが配置され、その他方に接合部３３ｄが配置されている。接合部３３ｄは、異なる導体セグメント３３の端部を接続して形成されている。導体セグメント３３は、固定子鉄心３２の両端に突出して、それぞれコイルエンド３１を形成している。そして、複数の導体セグメント３３が、固定子鉄心３２上に環状に配列される結果、環状のコイルエンド群が形成されている。
【０１４４】
導体セグメント３３のうち、固定子鉄心３２から延び出す稜線部３３ｅは外層、内層で逆方向に傾斜している。コイルエンド群の中で隣接する導体セグメント３３の間には電気絶縁が確保できる所定の隙間が設けられている。
【０１４５】
コイルエンド３１には、回転子３のポールコア７のディスク部７２が対向している。
【０１４６】
なお、この導体セグメント３３の絶縁皮膜はあっても無くとも良い。
【０１４７】
またインシュレータ３４は図４に示されるように、固定子鉄心３２と導体セグメント３３との間、スロット内の各電気導体の間を絶縁すべくＳ字形状に配置されている。
【０１４８】
また、固定子鉄心３２の先端歯部は固定子鉄心３２の製作時又は導体セグメント３３挿入後の押し曲げ等により加工硬化を加えている。
【０１４９】
上記固定子巻線は、Ｘ、Ｙ，Ｚの３相巻線を有している。各相の一方の巻線端３３ｆは、軸方向に延び出しており、整流器５に設けられた整流素子５２の電極部５３に直接、ヒュージング溶接等により電気接続されている。巻線端３３ｆには、振動を吸収し、応力の伝達を緩和するために、断面積を狭めた部分３３ｇが形成されている。
【０１５０】
各相の他方の巻線端は図２２に示すように中性点３３ｋとして直接又は導体を介して電気接続されている。
【０１５１】
固定子巻線の製造工程を説明する。
【０１５２】
Ｕ字状の導体セグメント３３は、図３に示すように、内層側導体部３３ａと外層側導体部３３ｂとターン部３３ｃとで構成されている。このセグメント３３は銅平板から折り曲げ、プレス等で製作される。
【０１５３】
複数の導体セグメント３３は、固定子鉄心３２の軸方向端面の同一側に複数のターン部３３ｃが揃うように重ねられる。そして、図４に示すように外層側導体部３３ｂがスロット３５の深さ方向の奥側に、内層側導体部３３ａがスロット３５の深さ方向の手前側に位置するように挿入される。その結果、略平行なスロット３５の側壁に、電気導体の両側面がインシュレータ３４を介して対向するように圧入される。
【０１５４】
一方、固定子鉄心３２の他端側には、複数の導体セグメント３３の端部が、内層、外層として突出して配列される。そして、図５に示すように、内層と外層とが周方向に反対方向に曲げられる。内層と外層とは所定のスロット数だけ曲げられる。その後、異なる層の異なる導体セグメント３３の端部どうしが接合され、接合部３３ｄが形成される。この接合部３３ｄとしては、電気導通するように超音波溶着、アーク溶接、ろう付け等を採用できる。
【０１５５】
本実施例では回転子３の磁極数を１６に設定してあり、固定子鉄心３２のスロット数を９６に設定し、固定子巻線は３相巻線を構成している。ステータ外径はφ１３０ｍｍであり、内径はφ１０２ｍｍに設定してある。この固定子鉄心２３の積厚は３４ｍｍであり、板厚０．５ｍｍのＳＰＣＣ材を積層し、レーザ溶接等で固着している。スロットは電気角で３０°ピッチに相当する３．７５°ピッチで等間隔で設定している。その形状は、側面を平行とした略矩形状であり、その側面幅は１．８ｍｍ、奥行きは１０ｍｍ、背厚は３．５ｍｍ、開口幅は０．８ｍｍに設定されている。また、先端歯先部の径方向厚さは０．５ｍｍに設定されている。
【０１５６】
このスロット内に挿入される電気導体は、厚さ１．６ｍｍ、幅４．５ｍｍであり、角部には０．６ｍｍ以下のＲが取ってある。スロットと電気導体との間には、約１００μｍの厚さのインシュレータ３４が介在している。
【０１５７】
具体的結線例を図６、図７、図８を使用して説明する。図６、図７の下側の渡り線部はセグメントのターン部３３ｃであり、上側が接合部３３ｄである。図中実線は内層の電気導体、一点鎖線は外層の電気導体を示す。
【０１５８】
まず、３相巻線のうちのＸ相について説明する。スロット番号の４番から６スロットおきに９４番まで（４番、１０番、１６番……９４番）が第１のスロット群を成している。これらに隣接する５番から６スロットおきに９５番まで（５番、１１番、１７番……９５番）が第２のスロット群を成している。
【０１５９】
第１スロット群に収容された複数の導体セグメント３３によって形成される第１巻線は、２本の波巻巻線を含んでいる。また、第２スロット群に収容された複数の導体セグメント３３によって形成される第２巻線は、２本の波巻巻線を含んでいる。
【０１６０】
これら第１巻線と第２巻線とは、２つの結線部１０２と、１つの結線部１０３とを経由して直列接続されている。第２巻線の２本の波巻巻線は、結線部１０３によって反転して直列接続されている。そして、その両端それぞれに、結線部１０２によって第１巻線の波巻巻線が直列接続されている。そして、第１巻線の２つの端部が、巻線端Ｘと、巻線端Ｘ’として引き出される。
【０１６１】
なお、結線部１０２は、５スロット離れたスロット内に収容された内層電気導体と外層電気導体とを接続している。結線部１０３は、６スロット離れたスロット内に収容された同じ層の電気導体を接続している。
【０１６２】
この結果、Ｘ相は、電気角で３０°位相がずれた第１巻線と第２巻線とが直列接続されて構成される。そして、第１巻線が２Ｔ、第２巻線が２Ｔであることから、４Ｔの固定子巻線が構成される。同様にして、電気角１２０°ピッチでＹ相、Ｚ相が形成され、図８に示すようにこれらの３相が星形結線されている。
【０１６３】
なお上記実施例では、Ｘ相の第１スロット群と、Ｙ相の第１スロット群と、Ｚ相の第１スロット群とが第１スロット組に属し、Ｘ相の第２スロット群と、Ｙ相の第２スロット群と、Ｚ相の第２スロット群とが第２スロット組に属する。そして、これらスロット組に装備された巻線は、コイルエンドにおいてすべてが均等に外部に露出しており、均等に冷却風にさらされる。そして、電気的に隣接する２つの巻線が直列接続されて交流として合成されており、２組のスロット組により提供される６つの巻線が、３相結線されている。また、これら巻線はコイルエンド間に隙間をもっているため、風下側に配置されるコイルエンドであっても十分に風にさらされる。このため、巻線毎の放熱に寄与する表面積の差がほとんどない。つまり、３相の多相交流発電機として、２倍の相数である６相に相当する巻線を含むにもかかわらず、すべての巻線が均等な冷却条件に置かれる。
【０１６４】
なお、図５、図６、図７に示した固定子巻線では、導体セグメント３３のターン部３３ｃが固定子鉄心３２の一方の端面側に配列され、整流器５に接続される巻線端３３ｆが固定子鉄心３２の他方の端面側から引き出されている。
【０１６５】
（実施例の作用効果)
上記構成とすることにより、内層に位置する複数の導体セグメント３３の稜線部３３ｅの傾斜方向を同一方向とすることができ、しかも外層に位置する複数の導体セグメント３３の稜線部３３ｅの傾斜方向を同一方向とすることができる。このため、多相の固定子巻線をコイルエンドで干渉無く配置できる。よって、スロット内における電気導体の占積率を向上して高出力化できる。しかも、コイルエンドにおいて隣接する電気導体の間には、電気絶縁が確保できる隙間が設けられるので温度上昇が大幅に抑制される。特に本実施例では、ランデル型回転子の軸方向端部に内扇ファンとしての冷却ファン１１を設け、コイルエンド３１の外周側に対応してフレーム４に通気孔としての吐出孔４３、４４を設けているため、コイルエンド群内を通ってフレーム外周部に向けて抜ける冷却風の通風抵抗を極端に低減でき、冷却性を大きく向上させることができる。
【０１６６】
また、隣接するスロット群の巻線を直列接続して固定子巻線とすることで、スロットあたりの電気導体数を少なくしてコイルエンドでの導体間の隙間を確保しつつ、車両用発電機に必要なＴ数を得ることができる。
【０１６７】
回転子の磁極数の３倍のスロット数で固定子を設計する従来方式の場合、スロット内の電気導体数以上のＴ数を得ることはできない。一般に、車両用交流発電機では、定格０．５〜２．５ｋｗのものが使用される。このような出力を、車載可能な所定の体格の制限、エンジン回転数の制限の下で実現しようとした場合、少なくとも固定子巻線は３Ｔ以上必要である。これより小さいＴ数を設定した場合、図９の破線に示されるように低速回転では出力が出ず、高速のみ出力が大きく出てしまい車両用交流発電機として不適切な特性となってしまう。
【０１６８】
例えば、スロット数を回転子の磁極数の３倍とし、スロットあたり電気導体数を２本として、固定子巻線のＴ数を２Ｔとした比較例と、本実施例の出力特性を図９の破線と実線に示す。従来方式では回転頻度の高い車両アイドル回転数付近での低下が著しく車両用発電機として成立しない。必然的に、スロットあたりの電気導体数を増加させなければならない。しかし、１本の電気導体の断面積が同じである限り、コイルエンドの隙間減少による通風性の悪化、冷却性の悪化という問題が生じる。また、電気導体の組み付け工数の増加にともなう製造コストの増加の問題がある。逆に、１本の電気導体の断面積を下げてＴ数を増すと、巻線のインピ−ダンスが高くなるので高出力化が不可能となる。
【０１６９】
これに対し、本実施例では、スロット数を極数の３倍以上とし、隣接するスロットの導体を直列に接続する部分を設けているので、スロットあたりの導体数は最少である２本とすることができる。具体的には、１６極の磁極数に対して３相発電機として必要な３倍の４８個のスロット数だけでなく、さらに倍の９６個のスロット数を確保している。例えば、１２極に対しては３相で、７２個のスロットを採用してもよい。これにより、コイルエンドに隙間を形成して通風による冷却性を確保でき、製造コストを増加することなくスロット内の占積率を向上させ、低回転から車両に必要な出力特性を得ることができる。
【０１７０】
また電気角が３０°ずれた第１巻線と第２巻線とを直列接続しているので、起磁脈動力を低減できるため磁気騒音の大幅な低減ができる効果もある。
【０１７１】
しかも、第１巻線と第２巻線とは、コイルエンドにおいては均等に外部に露出しており、均等に冷却風にさらされている。しかも、コイルエンド間には、そこを横切る通風を可能とするための隙間が確保されているため、高い冷却性が得られる。この関係は、６つのスロット群に収容された６つの巻線のすべてについて実現されており、すべての巻線が均等に冷却される。
【０１７２】
また、図６、図７の結線方法では、２層化した内層側電気導体と外層側電気導体を交互に接続するため、各相の渡り線部分の長さは結果的に同一とすることができるので各相の巻線の電気抵抗値は均一となる。加えて、固定子巻線のインダクタンスはスロット内の位置によって異なるが本実施例では内層側電気導体の数と外層側電気導体の数とが各相で同一であるため、インダクタンスは略同一とすることができる。即ち、インピーダンスが均一化できることにより局部的な発熱を防止できる。
【０１７３】
またコイルエンドの軸方向高さも飛躍的に低減でき、結果的に従来の固定子巻線に対し抵抗値を略半減できる。これにより、低インピーダンス化によって小型高出力化を図ることができると共に、発熱量低減による温度低減、高効率化をも達成できる。
【０１７４】
更にコイルエンド高さの低減にともない、固定子２の軸方向長さを抑制できる。この結果、フレーム４の角部の丸みを大きくできる。この結果、体格が丸い車両用交流発電機を構成でき、機械的剛性の向上を図ることができる。さらに、車載時に、他の部品との干渉を回避することができるという効果がある。
【０１７５】
また、コイルエンドの冷却性が大幅に向上することから、ファンの小型化が実現できる。さらに、コイルエンド群としては、表面の凹凸が平滑化されること、一様な繰り返し紋様が形成されること、及びコイルエンド内を冷却風が横切ることで、冷却風との間で生ずるファン騒音を大幅に低減することができる。
【０１７６】
また、導体セグメント３３のターン部３３ｃと反対側から巻線端３３ｆを取り出しているので、ターン部３３ｃは同一形状とすることができる。このため、ターン部３３ｃ以外の直線部の長さを変えて巻線端３３ｆや結線部１０２、１０３の形成に対応できる。よって直線部の長さのみ異なる導体セグメント３３を製作すればよいので、生産工数を大巾に下げることができ、安価な設備で対応できる。
【０１７７】
また電気導体の断面形状の矩形化により、高占積率化が可能であると共に、プレス等での導体セグメントの作成も可能であり、素材、加工コストの低減を図ることができる。
【０１７８】
また、電気導体と固定子鉄心との間の対向面積が大きくなるので、伝熱が良好となり電気導体の温度が更に低減できる効果がある。また、固定子全体の剛性が高まることから磁気音を抑える効果もある。また、電気導体自体の剛性があがることから、コイル間の隙間の管理が容易である。その結果、電気導体の絶縁皮膜の廃止、電気導体の固着材の廃止が可能となり、高信頼性で低コストの発電機が提供できる。また、巻線端部の剛性も高まることから、従来必要であった整流器５の端子台を廃止でき、直接、整流素子５２に接続することも可能になるので、更にコスト低減効果がある。
【０１７９】
また、スロット内を、単線の電気導体を、内外に２層化して収容しているため、組付が容易となる。しかも、接合箇所は径方向に１ヶ所であるから他の接合箇所との重なりがなくなり、溶接等の工程が容易になり、生産性が向上する。よって低コストの発電機を提供できる。更に、１組の整流器で構成できるため、電気部品が簡素化でき、低コスト化できる効果もある。
【０１８０】
また、ランデル型回転子であることから、冷却ファンに鉄材が使用できるので、高速回転に対する耐久性がセ−レント型回転子よりも優れる。セ−レント型回転子では、軸方向端面に磁極が並ぶので、この軸方向端面に設ける部材は、磁束短絡防止のためにアルミや樹脂などの非磁性材を使用しなければならないからである。このような高速耐久性の高さにより、プ−リ比を高く設定することができるので、エンジンのアイドリング回転時の回転子の回転数を高くして出力を向上できる。また、ファンの材料費や加工費が安く、さらにポ−ルコアとの接合手段にも安価なヒュ−ジング溶接などが採用できることにより、製造コストの低減効果もある。
【０１８１】
（第二実施例）
図１０から図１２に第二実施例を示す。第一実施例では、固定子鉄心３２の端面の片側に導体セグメント３３のターン部３３ｃを設けていたが、第二実施例ではターン部３３ｃで分離された導体セグメントを用いる。そして、固定子鉄心３２の両側に接合部を配置した点が異なる。
【０１８２】
図１１に図示されるように、導体セグメント３３は、スロット３５内に挿入される略直線状部分である内部導体３３ｈと、この内部導体の両側おいて固定子鉄心３２の軸方向両側に延びる略直線状部分である外部導体３３ｉを有してなる。この外部導体３３ｉは磁極ピッチの約半分の距離を周回する角度と長さを持っている。外部導体３３ｉは図１０に示すようにコイルエンド３１としての稜線部を形成している。そして、内層、外層の稜線部３３ｉの傾きが逆になるように複数の導体セグメント３３がスロット内に挿入されている。また、固定子鉄心３２は、図１２に示されるように歯先先端部３２ａをＵ字状またはＪ字状とした半製品から製造される。固定子鉄心３２は、複数の導体セグメント３３をスロット内に挿入した後、径方向から歯先先端部３２ａに加工治具を押し当てるなどして歯先先端部３２ａに塑性加工を加えて、スロットの内周側開口を狭めて製造される。このようにすることで、径方向内側からの導体セグメント３３の挿入が可能となり、予め導体セグメントを最終形状に加工することができ、組付けが容易となる。
【０１８３】
また、導体セグメントを挿入した後、導体セグメントを径方向内側から圧縮してスロット形状に合わせて変形させることで、更に高い占積率を得ることができる。また、塑性加工により歯先先端部が加工硬化するため、導体セグメント３３のスプリングバックによる歯先変形を防止できる効果もある。
【０１８４】
なお、導体セグメント３３は予め加工することとしたが、スロット内に収納した後折り曲げ加工しても良い。
【０１８５】
（第三実施例）
第一、第二実施例では内外層の電気導体を一対のみ、即ちスロットあたりの電気導体数を２Ｔとしたが、導体セグメントの挿入工程を繰り返すなどの手段により、電気導体を二対以上としてもよい。この場合も、図１３に示すように、異なる相のコイルエンド間の干渉は、第一実施例と同様に回避できる。このため、上記実施例と同様に高い占積率、高い冷却効率、低い騒音などの効果が得られる。更にスロットあたりの電気導体数が増えるので、低いエンジン回転数から発電を開始でき、低速回転時の発電量を増加させることができる。
【０１８６】
図１４には、内外層の電気導体を二対、つまりスロットあたりの導体数が４Ｔの場合のインシュレータの配置を示す。
【０１８７】
更に、内外層の電気導体を二対以上設けることで、スロット数の設定、結線箇所等を変えることにより、任意のＴ数を構成することができる。
【０１８８】
（第四実施例）
第一から第三実施例では、電気角で３０°の位相差をもつ２つのスロット群に収容された巻線を直列接続することにより、スロットあたりのＴ数を増やすとともに、磁気音の主成分である極対数の６倍次数成分をキャンセルして騒音低減を図っている。つまり、交流の状態で、２つの巻線の出力を合成している。
【０１８９】
これに対し、図１５、１６の固定子巻線展開図、および図１７の回路図に示すように、電気角で３０°の位相差をもつ２組の三相巻線をそれぞれの整流器で整流した後、合成して出力する点が異なる。つまり、直流の状態で、２つの巻線の出力を合成している。
【０１９０】
具体的結線例を図１５、図１６、図１７を使用して説明する。図１５、図１６の下側の渡り線部はセグメントターン部３３ｃとなり、上側が結線部３３ｄとなる。図中実線は内層電気導体、一点鎖線は外層電気導体を示す。
【０１９１】
まず、Ｘ相の第１巻線と第２巻線について説明する。スロット番号の４番から６スロットおきに９４番まで（４番、１０番、１６番……９４番）が第１のスロット群を成している。これらに隣接する５番から６スロットおきに９５番まで（５番、１１番、１７番……９５番）が第２のスロット群を成している。
【０１９２】
第１スロット群に形成される第１巻線は、図１５に示す巻線端Ｘ１と、Ｘ１’とを有する。第１巻線は、巻線端Ｘ１と、Ｘ１’との間に敷設された反転結線部で直列接続された２本の波巻巻線を含んでいる。
【０１９３】
第２スロット群に形成される第２巻線は、図１６に示す巻線端Ｘ２と、Ｘ２’とを有し、第１巻線と同様に形成されている。
【０１９４】
さらに、同様にして、電気角で１２０°離れてＹ相、Ｚ相が形成されている。これら各相についても、第１巻線と第２巻線が形成されている。
【０１９５】
そして、これら６本の巻線は、図１７に示すように結線される。Ｘ、Ｙ、Ｚ相の３つの第１巻線が星型結線されて第１整流器に接続される。Ｘ、Ｙ、Ｚ相の３つの第２巻線が星型結線されて第２整流器に接続される。第１整流器の直流出力と、第２整流器の直流出力とは並列に接続され、直流出力が合成される。
【０１９６】
これにより、２Ｔの３相巻線の直流出力を合計して取り出すので、低回転域での出力不足を改善することができる。更に、内外層電気導体を二対以上配置する第三実施例と組み合わせることで、４Ｔ以上を実現でき、低回転域での発電不足の問題を解消できる。また、電気角が異なる２つの巻線を直列接続することが不要であるから、導体セグメントの形状を同一にすることができ、導体セグメントの生産効率が更に向上できる。磁気音の主成分である極対数の６倍次数成分をキャンセルして騒音低減が達成される効果も得られる。
【０１９７】
なお上記実施例では、Ｘ相の第１スロット群と、Ｙ相の第１スロット群と、Ｚ相の第１スロット群とが第１スロット組に属し、Ｘ相の第２スロット群と、Ｙ相の第２スロット群と、Ｚ相の第２スロット群とが第２スロット組に属する。そして、これらスロット組に装備された巻線がそれぞれ異なる多相固定子巻線として多相結線され、それぞれ別々に整流されて、その後直流として並列接続されて合成されている。
【０１９８】
（その他の実施例）
上記第一実施例では、固定子２の端面の片側でのみ導体セグメントを接合したが、両側で接合してもよい。例えば、複数の導体セグメントのターン部を、固定子鉄心３２の両側に分散して配置することができる。この場合、接合部の間隔を広くでき、溶接等の接合工程が容易になる効果がある。
【０１９９】
上記第二実施例で採用した図１２に図示される固定子鉄心３２と、第一実施例で採用した図３に図示される導体セグメント３３とを組み合わせることができる。
【０２００】
また、図１２の固定子鉄心３２を採用する場合には、導体セグメントをスロットに挿入しつつ、挿入が完了したスロットから順番に塑性加工を実施することができる。これにより、生産効率を飛躍的に向上できる。
【０２０１】
電気導体としては、複数の素線からなる矩形断面の電気導体を採用できる。
【０２０２】
上記の実施例では、電気導体は銅製である。これに代えて、アルミ、鉄等を用いることができる。かかる材質の選定により、素材コストの低減、鋳物、ダイカストで導体セグメントを製造でき、生産工程が容易となる効果がある。
【０２０３】
また、電気導体の断面は、矩形としたが、丸断面であってもよい。また、矩形と丸との複合でもよい。たとえば、スロット内を矩形とし、スロット外を丸とすることができる。この場合、高い占積率、高い冷却性能の効果が得られる。また逆に、スロット内を丸とし、スロット外を矩形とすれば、コイルエンドにおける電気導体間の隙間を十分確保でき、冷却風の通風抵抗を低減して冷却性能を大幅に向上できる。なお、矩形断面の電気導体は、扁平形状と言い得る形状である。
【０２０４】
導体セグメント３３に絶縁皮膜を設け、インシュレータをスロットの内壁に沿ってＵ字型に配置しても良い。この場合、インシュレータ形状が単純化できる効果がある。また、固定子鉄心３２を絶縁処理してインシュレータを廃止しても良い。この場合、導体セグメント３３をスロットに挿入する時に、インシュレータがずれて絶縁不良を起こすことを防止できる。
【０２０５】
固定子巻線は、３相以上の多相巻線であっても良い。多相巻線であっても、固定子鉄心３２に規則的に巻線を形成でき、巻線形状を複雑にすることがない。３相以上とすることで、出力電圧のさらなる低ノイズ化、低リップル化を図ることができる。
【０２０６】
固定子巻線は、三角結線されてもよい。これは車両が必要とする発電量の特性に応じて、適宜、選択できる。
【０２０７】
回転子として、永久磁石を持たない回転子を採用してもよい。また、永久磁石の励磁のみによる回転子であってもよい。
【０２０８】
回転子の両端面に冷却ファンを設けてもよい。例えば図１８に示す構成を採用できる。この実施例では、回転子のフロント側端面にも冷却ファン１２が装備される。かかる構成によると、良好な冷却特性が得られる。なお、ランデル型回転子では、ポールコアのディスク部で風を発生するため、図１に示す片方の冷却ファン１１だけでも必要な冷却性が得られるが、両側に冷却ファンを設けた場合、更に車両用交流発電機としての体格を小型化できる効果がある。
【０２０９】
また、図１９に示す構成を採用してもよい。回転子３の冷却ファンが設置されていない端面に、フレーム４の吸入孔４１の外周部の内壁面４５を近接させて対向させている。これにより、ポールコア７のディスク部７２をファンと見立てて、内壁面４５がシュラウドの役割を担う。このため、ディスク部７２の送風能力が増す。従って、冷却ファンを両側に設ける場合に比べて、部品点数、加工工数を増やすことなく、同等の冷却性能を達成でき、更に小型化できる。
【０２１０】
図２３に示すように、巻線端３３ｆを、ターン部３３ｃと同じ側に設けてもよい。これにより、接合部での溶接などによる接合工程において、巻線端３３ｆが邪魔にならず、しかも同一パターンの繰り返し接合となるから、生産工程が容易となる。
【０２１１】
以上に述べた実施例では、回転子の磁極数の６倍の数のスロットを設けている。そして、隣接する２つのスロットに収容された電気導体を直列接続する箇所を設けることで、一連の巻線のターン数を４Ｔとした。これは、３相の２倍スロット直列巻線と呼ぶことができる。これに代えて、例えばスロット数を磁極数の９倍としてもよい。そして、隣接する３つのスロットに収容された電気導体を直列接続する箇所を設けることで、６Ｔとすることができる。これは、３相の３倍スロット直列巻線と呼ぶことができる。また、同一スロット内の導体を直列接続しないで、並列接続させる箇所を設けることにより、５Ｔとするなど奇数のターン数に設定することもできる。スロット数の増加によりさらに多いターン数に設定してもよい。
【０２１２】
また、固定子鉄心３２に設けるスロット数は、上記倍スロット構成よりさらに１スロットだけ多くしてもよい。例えば、９７本のスロットを固定子鉄心３２に形成してもよい。この場合の結線を説明する展開図を図２０、図２１に示す。図中、実線は内層電気導体、一点鎖線は外層電気導体を示す。この構成によると、結線部１０４、１０５の形状、特に高さを他のコイルエンドを同じにすることができる。図６、図７に図示される結線では、結線部１０２、１０３は、他のコイルエンドとは異なる高さを持っており、異なる形状の電気導体を必要とするとともに、接合工程の複雑化を招く。
【０２１３】
隣接するスロットの異なる層をなす電気導体を接続する結線部１０４は、他のコイルエンドと同じ傾斜と高さを持っている。このため、Ｕ字状の導体セグメントの製作にあたって、直線部の長さを統一でき、導体セグメントの生産工程が容易になる。更に、同じ層の電気導体を接続するための結線部１０５は、通常の繰り返しと同じ形状とすることができるので、結線工程が容易になる。
【０２１４】
この構成では、図２０、図２１の巻線端Ｘなどの引出し側に、Ｕ字状の導体セグメントのターン部を配置してもよい。ターン部の広がりがすべてスロット６本分に統一化されるため、セグメントの生産工程が容易になる効果もある。
【０２１５】
また、固定子には、電気絶縁を確保するための絶縁性樹脂をコーティングをしてもよい。かかる樹脂は、含浸樹脂とも呼ばれる。かかる樹脂は、巻線の電気絶縁性を高めるため、あるいは固定子状のセグメント等を相互に固着して固定するために有効である。なお、樹脂のコーティングにあたっては、コイルエンド群内への通風性を損なわないように付与することが望ましい。ただし、樹脂によってコイルエンド間の隙間がいくぶん塞がれることがあってもよい。かかる構成にあっても、コイルエンド群において各セグメントの間に隙間が維持されることで、放熱に寄与する表面積を広く確保することができ高い冷却性を得ることができる。
【０２１６】
以上に説明した実施例によると、コイルエンドの干渉を抑制でき、固定子巻線の高占積率化が図れ、出力を向上する効果がある。更に、異なるスロットの内外層に位置する導体を直列に接続しているのでスロット内位置に起因する各相巻線の導体長さ、漏れインダクタンスは各相で均一化される。このためコイルを流れる電流が均一化され、各相の発熱量も同じとなるため、局部的な固定子巻線の発熱や起磁力アンバランスを防止でき、温度低減、低騒音化が図れる。また、隣接するスロットを直列接続する固定子巻線とすることで、スロットあたりの導体数を少なくしてコイルエンドでの導体間の隙間を確保しつつ車両用発電機に必要な低回転時の出力を得るためのターン数を得ることができる。特に、上述の実施例では、電気角が３０度異なる２組の三相固定子巻線を構成しているから、電気磁気的な騒音を抑制する効果があるとともに、実質的には電気的な位相が異なる６つの巻線の出力を合成しているので、整流後の直流電力に含まれるリップル成分が少なく、高品質の電力を供給できる。しかも、セグメントを用いて固定子巻線を構成し、スロット内においては深さ方向にのみ電気導体を積層して収容している。このため、一様な形状をもった複数のコイルエンドを一様に配列することができ、電気的に位相が異なる複数の巻線を、コイルエンドにおいてはそれぞれ均等に外部に露出させ、冷却風に対して均等にさらすことができる。しかも、コイルエンドにおいては複数の導体セグメントが互いに離間しているので、放熱のための十分な表面積が確保される。さらには冷却風が横切って流れることで優れた放熱性が実現される。これらの作用により、複数の巻線毎の冷却性のばらつきをなくしながら、高い放熱性、冷却性を実現することができ、電気導体の断面積向上に伴う電気抵抗の低下と相まって、小型化、高出力化に適合可能な車両用交流発電機が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第一実施例の縦断面図である。
【図２】図２は第一実施例の固定子の外観図である。
【図３】図３は第一実施例の導体セグメント３３の斜視図である。
【図４】図４は第一実施例の固定子の部分的な断面図である。
【図５】図５は第一実施例の固定子の両端面のコイルエンドを示す斜視図である。
【図６】図６は固定子巻線の結線状態を示す展開図であって、１番目から４８番目のスロットを示している。
【図７】図７は固定子巻線の結線状態を示す展開図であって、４９番目から９６番目のスロットを示している。図６と図７は、Ｖ−Ｖ線、ＶＩ−ＶＩ線で環状に接続されて一連の固定子巻線を示している。
【図８】図８は車両用交流発電機の回路図である。
【図９】図９は車両用交流発電機の出力特性を示すグラフである。
【図１０】図１０は第二実施例の固定子の部分的な外観図である。
【図１１】図１１は第二実施例の導体セグメント３３の斜視図である。
【図１２】図１２は第二実施例の固定子の部分的な断面図である。
【図１３】図１３は第三実施例の固定子のコイルエンドを示す斜視図である。
【図１４】図１４は第三実施例の固定子の部分的な断面図である。
【図１５】図１５は第四実施例の固定子巻線の結線状態を示す展開図である。
【図１６】図１６は第四実施例の固定子巻線の結線状態を示す展開図である。図１５と図１６とは、ＶＩＩ−ＶＩＩ線、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線で環状に接続されて一連の固定子巻線を示している。
【図１７】図１７は第四実施例の車両用交流発電機の回路図である。
【図１８】図１８は、その他の実施例の縦断面図である。
【図１９】図１９は、その他の実施例の縦断面図である。
【図２０】図２０は他の実施例の固定子巻線の結線状態を示す展開図である。
【図２１】図２１は他の実施例の固定子巻線の結線状態を示す展開図である。図２０と図２１とは、ＩＸ−ＩＸ線、Ｘ−Ｘ線で環状に接続されて一連の固定子巻線を示している。
【図２２】図２２は第一実施例の固定子巻線端を示す斜視図である。
【図２３】図２３はその他の実施例の固定子巻線端を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 車両用交流発電機
２ 固定子
３ 回転子
３１ コイルエンド
３２ 固定子鉄心
３３ 導体セグメント
３４ インシュレータ
３５ スロット
４ フレーム
５ 整流器
６ シャフト
７ ポールコア
８ 界磁コイル
【発明が属する技術分野】
本発明は乗り物の内燃機関により駆動される車両用交流発電機に関し、例えば乗用車、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】
車両走行抵抗の低減のためのスラントノーズ化や、車室内居住空間の確保のニーズからエンジンルームが近年ますます狭小化する中で、車両用交流発電機の搭載スペースに余裕がなくなってきている。 一方、燃費向上のためエンジン回転は下げられ車両用交流発電機の回転も下がっている。しかしその一方で、安全制御機器等の電気負荷の増加が求められ、ますます発電能力の向上が求められている。即ち小型で高出力の車両用交流発電機を安価に提供することが求められている。
【０００３】
また車外騒音低減の社会的要請や、車室内静粛性向上による商品性向上の狙いから近年ますますエンジン騒音が低下してきており、比較的高速で回転する補機、とりわけ車両用交流発電機のファン騒音や、磁気的騒音が耳につきやすい状況となってきた。
【０００４】
従来、車両用交流発電機に一般的に用いられている固定子巻線は、連続線を固定子鉄心に装着する構成が採用されており、かかる固定子巻線の構成の下で、上記のような小型、高出力、低騒音といった要求に応えるべく種々の改良が提案されている。
【０００５】
例えば、特開平７−３０３３５１号に開示されるように、小型高出力化のため、巻線抵抗値低減の観点から巻線を短くすることができ、かつ、巻線の各相が径方向に干渉しないように巻く、２／３π短節巻技術がある。しかし、巻線係数の悪化が大きく発電電圧が著しく低下する問題、さらには巻線作業が困難になるという問題がある。
【０００６】
また、巻線時に相互干渉するコイルエンドを予整形したり、コイルエンドのみ細線とする等の技術が提案されているが、巻線作業が困難で、巻線抵抗値が増加する。さらに、かかる巻線技術では、コイルエンドの干渉は根本解決されずスロット内においてコイルはスロット内で偏り、幾何学的に収納しうる断面の略１／２以下しか収納できず低抵抗化が阻まれていた。また上記スロット内の偏りに起因し、各相のコイル形状が異なるため巻線の抵抗値、インダクタンスが不均一になり各相の電流の流れ方に偏りが生じ、局部的な温度上昇に伴う性能劣化や磁気騒音が増大する問題もあった。
【０００７】
例えば、コイルエンドを成形して扁平形状とし、通風を改善しようとするものとして、特開昭５９−１５９６３８号のものが知られている。しかし、かかる構成では、コイルエンドにおける通風抵抗の高さから十分な冷却性が得られず、騒音の低減も満足できなかった。
【０００８】
さらに、小型高出力化のために、回転子と固定子との間のエアギャップを小さくして磁束向上を図る手法がある。しかし、磁束向上分だけ固定子鉄心断面積を大きく取らなければならず、スロット面積の圧迫により巻線抵抗が増加し、結局出力向上効果がほとんどなくなってしまう。すなわち、固定子を構成する鉄心と巻線とのバランスが重要である。
【０００９】
かかる鉄心断面積と巻線との設計値の選択を最適として一定の出力向上効果を得ることはできたとしても、発熱源たるコイルエンドの冷却の問題が残る。例えば、電気導体の表面の絶縁塗膜と固着材を通して冷却するためにはファンを大型化すると共に近接させて風をあてる必要がある。しかし、従来の巻線は相間の干渉のためコイルエンドが凹凸になってしまい高次数のファン騒音が増加する。前述のように騒音が耳につきやすい現状では、これを解決するために例えばファン対向面のコイルエンドの内面を複雑な巻線行程により理想的な平滑面にしたり、ファン効率を犠牲にして風量を落として低騒音化を図る必要があった。
【００１０】
また小型高出力を追求していくと、回転子と固定子間に働く磁気力も増大し磁気騒音が増す問題がある。一般に車両用交流発電機では整流器をもっており、出力電圧を切って一定電圧のバッテリを充電するので、発生電圧が矩形状波となる。このため固定子と回転子の間の空隙の空間高調波には多くの第三高調波成分を含むことが知られており、その二乗周波数成分をもった磁気力が固定子と回転子の間に働き、磁気脈動力をもたらす事が知られている。この磁気騒音の対策として、例えば特開平４−２６３４５に見られるように、電気的位相差３０°の位置だけずれた２組の３相巻線を採用し、これらの出力を組み合わせて出力することで磁気脈動力を相互に相殺する技術も知られているが、これらは従来の巻線形状に起因する前述コイルエンドの干渉に加えて、２倍の数のスロットが必要となるために、それぞれに細い巻線を注意を払って巻き込まなければならず、より困難な問題をもたらすものである。すなわち、小型高出力化を図ることで新たに顕在化する問題点もあった。
【００１１】
このように、従来から車両用交流発電機において広く用いられている連続線を巻いた固定子巻線では、小型高出力低騒音といった互いに相反する要求に応えることが困難であった。
【００１２】
一方、一般の大型の誘導機型などの発電機では、例えば固定子スロット内導体を２本とし、径方向に２層化し、その内外層の導体を交互に接続することで異なる相のコイルエンドの干渉を無くしているものがある。
【００１３】
しかし、このようなものは車両用発電機にはそのまま使えないという問題点があった。すなわち、車両用交流発電機は、エンジンが最も低速のアイドル回転、すなわち発電機回転数で約１５００ｒｐｍ近辺で車両電気負荷に電力を供給しなければならない。このためには前記回転数、即ち約１５００ｒｐｍ以下でバッテリ電圧とダイオードドロップ分を加えた電圧である約１５Ｖを発生しなければならない。しかし、一般の乗用車、トラック用などの１〜２ｋｗクラスの車両用交流発電機においては、主としてその体格から決まるところの磁束量の制約に起因して、上述の一般大型発電機に見られるような構造では、上記低回転時の出力を得ることができない。特に、上述の一般大型発電機に見られる２本程度の少ない導体数では低回転時の出力を得ることが困難であった。更に、近年の燃費向上の為にアイドル回転数は低減される傾向であり、上述の一般大型発電機の構造ではますます対応できない状況となっている。
【００１４】
また、低回転での出力向上のためのひとつの手段として、多極化により高周波で作動させることが考えられるが、上述の一般大型発電機の構造では、固定子鉄心と略同一軸長のセーレント型回転子が用いられており、かかるセーレント型回転子では磁極数を増すと回転子内の巻線スペ−スが減少するため各磁極の起磁力が低下するので、出力向上が難しい。すなわち、上述の車両用交流発電機に要求される性能を満たすことが困難であった。
【００１５】
さらに、セーレント型回転子では、回転子内部に隙間を設けることが困難なため、固定子の内周面に向けての冷却風の導入や回転子内に設けられた界磁コイルへの冷却風の導入ができないという冷却上の問題があった。
【００１６】
さらに、導体バーなどと呼ばれるＵ字型の電気導体を用いて車両用交流発電機の固定子巻線を構成するものとして、特開昭６２−２７２８３６号、特開昭６３−２７４３３５号、特開昭６４−５３４０号が提案されている。しかし、かかる構成では、固定子鉄心が周方向に沿って積層されて円筒形に形成されるため、磁束通過方向に関して磁気的な抵抗が増加し、所要の性能を実現できない。また、実用的な強度の確保など解決すべき多くの課題を抱えている。
【００１７】
また、ＷＯ９２／０６５２７にも車両用交流発電機の固定子に導体バーを用いた構成が提案されている。ここに示された構成によれば、１つのスロット内に４本の電気導体がスクエアに配置されている。
【００１８】
かかる構成では、高出力化のために電気抵抗値を下げるべく電気導体断面積を増やすと、コイルエンドの間に隙間を設けることができない。さらに、周方向に並ぶ１つのスロット内の２本の電気導体のコイルエンドの先端において、他のスロットからの電気導体との各々の接合部の間に隙間を形成することも難しく、接合部どうしが短絡しやすいという問題も生ずる。
【００１９】
また、車両用交流発電機の冷却のためには、古くは冷却ファンをフレ−ム外部に持ち軸方向に冷却風を流す通風構造が採用されており、近年はフレ−ム内部に冷却ファンを持ち、冷却風を直接コイルエンドに当てる構成が主流となっている。このような冷却構造の下では、上記のような従来技術の電気導体の構造では、高出力化のために電気導体の断面積を大きくすると高い冷却性を得ることができないという問題点があった。
【００２０】
すなわち、ＷＯ９２／０６５２７に示された構成では、電気導体の断面積が制約されるため、高出力のための固定子の高占積率化が困難である。
【００２１】
一方、隙間を形成するために１つのスロット内の電気導体を２本にする構成も考えられるが、かくのごとき少ない導体数では、アイドル回転すなわち低回転での出力を得ることが不可能であり、車両用交流発電機としては使うことができない。
【００２２】
さらに、ＵＳＰ２９２８９６３には、固定子に導体バーを用い、ランデル型の界磁回転子を持った交流発電機が提案されている。しかし、この従来技術においても高出力と高い冷却性とを実現するための固定子巻線の構成は開示されていない。しかも、この従来技術に開示される構成は、軸方向の通風構造、あるいは冷却ファンを持たない構成であり、小型・高出力化のための冷却性向上に関する改良は、講じられていない。さらに、ここに開示された構成では、スロットあたりの導体数は２本であり、前述と同様に低回転での出力を得ることが困難である。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題点に鑑み、今日の車両用交流発電機に要求される性能を満足しうる高い実用性を備えた改良された車両用交流発電機を提供することを目的とする。
【００２４】
本発明の他の目的は、小型、高出力、低騒音を兼ね備えた車両用交流発電機を提供することである。
【００２５】
本発明のさらに他の目的は、車両用交流発電機に要求される低速回転からの出力を確保できる回転子と固定子巻線の構造、および固定子巻線のコイルエンドにおける新規な冷却のための構成を提供することにより、車両用交流発電機に要求される高出力を確保でき、しかも発熱による効率低下、出力低下を抑えた車両用交流発電機を提供することである。
【００２６】
本発明のさらに他の目的は、固定子巻線のスロット内における占積率を向上させ、その一方でスロットの外においては、回転子との共働により高い冷却性と低騒音とを発揮しうる車両用交流発電機を提供することである。
【００２７】
本発明のさらに他の目的は、局部的な固定子巻線の温度上昇を抑え、さらには磁気騒音の発生をも抑制した車両用交流発電機を提供することである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する界磁回転子と、該回転子と対向配置された固定子鉄心、及びこの固定子鉄心に装備された多相固定子巻線を備える固定子と、前記回転子と前記固定子とを支持するフレームとを有する車両用交流発電機において、
前記固定子鉄心には、前記多相固定子巻線を収容する複数のスロットが形成されており、前記多相固定子巻線は、複数の導体セグメントを接合して構成されており、これら複数の導体セグメントは、前記スロット内においては、前記スロットの深さ方向に関して二対以上の対をなして前記スロットの深さ方向にのみ配列され、前記スロット内に互いに絶縁して収納されており、前記スロット外においては、前記固定子鉄心の端面側に延び出して配置されてコイルエンドをなしており、複数の前記導体セグメントは、互いに接合されて複数の接合部を形成しており、複数の前記接合部は、多重の環状に配列されており、周方向並びに径方向に関して互いに離間して配置されていることを特徴とする車両用交流発電機という技術的手段を採用する。
【００２９】
かかる構成によると、コイルエンドの干渉を抑制しつつ、スロットあたりの導体数を４本以上に設定できる。接合部は、複数の電気導体の配置、すなわちスロットの配置に対応して、周方向に沿って環状に配列される。しかも、スロット内には、複数の導体セグメントを径方向にのみ配列して収容しているため、接合部の環状の配列を、同心状の多重に配置することができる。このため、複数の接合部を、周方向ならびに径方向へも離間させて配置することができ、複数の接合部の間に確実に隙間を形成できる。また、接合部間の短絡を容易に回避できる結果、接合工程における利点が提供される。
【００３０】
請求項１記載の車両用交流発電機において、複数の前記接合部は、２重の環状に配列されていることを特徴とする車両用交流発電機という技術的手段を採用することができる。
【００３１】
図１３では、複数の接合部は、２重の環状に配列されている。
【００３２】
請求項１記載の車両用交流発電機において、前記固定子は、含浸樹脂を備えることを特徴とする車両用交流発電機という技術的手段を採用することができる。
【００３３】
【実施の形態】
上記目的を達成するために、回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する界磁回転子と、該回転子と対向配置された固定子鉄心、及びこの固定子鉄心に装備された多相固定子巻線を備える固定子と、前記回転子と固定子とを支持するフレームとを有する車両用交流発電機において、
前記界磁回転子は、前記Ｎ極および前記Ｓ極を提供する複数の爪状磁極を有するランデル型鉄心を備え、
前記固定子鉄心は、積層板を貫いて延びる複数のスロットが形成された積層鉄心を備え、前記多相固定子巻線は、複数の電気導体を備え、
これら複数の電気導体は、前記スロット内においては、前記スロットの深さ方向に関して内層および外層として一対以上の対をなして配列され、前記スロット内に互いに絶縁して収納されており、前記スロット外においては、前記固定子鉄心の端面側に延び出して配置されており、異なるスロット内に異なる層として配置された２つの前記電気導体を直列接続する接続パターンによってコイルエンドを形成しており、その結果前記固定子鉄心の端面側には前記接続パターンを主として繰り返すコイルエンド群が形成されており、さらに、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体は、前記フレーム内における冷却風の通風方向と交差して延びるよう配置され、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体を横切って冷却風が流れる構成が提供され、一のスロット内に収容された異なる層をなす複数の電気導体が、同一の相の巻線を構成し、前記一のスロット内に収容された前記電気導体を含んで形成される第１巻線の出力と、前記一のスロットに近い他のスロット内に収容された他の電気導体を含んで形成される第２巻線の出力とを合成して出力することを特徴とするという技術的手段が採用される。
【００３４】
このように、異なるスロット内に異なる層として配置された２つの前記電気導体を直列接続する接続パターンを採用することで、一のスロット内の所定の層をなす電気導体と、他のスロット内の上記所定層とは異なる層をなす電気導体とが直列接続される。これにより、各相のコイルエンドの干渉を抑止でき、固定子巻線の高占積化を図ることができるので、出力を向上する効果がある。また、コイルエンド内を冷却風が横切るので、従来の固定子巻線のコイルエンドに対して格段に有効表面積が増し、この部分の電気導体の冷却を飛躍的に向上させることができ、高出力化が可能となる。また、電気導体のスロット内の位置に起因する各相の固定子巻線の導体長さ、漏れインダクタンスは均一化されるので、固定子巻線に流れる電流が均一化され、各相の発熱量も同じとなる。よって、局部的な固定子巻線の発熱や起磁力アンバランスを防止でき、温度低減、低騒音化を図ることができる。更に、コイルエンドに凹凸が無く、一様な繰り返し紋様が形成されること、及びコイルエンド内を冷却風が横切るので、冷却風との間で生ずる騒音も低減できる。また、ランデル型回転子との組合せであるので、鉄心（以下ポールコアと称す）の成形形状を変えるのみで極数の変更、多極化が容易である。また、爪状磁極の耐遠心剛性もあり、加えて界磁コイルをポールコア内央部のボス部に確実に装着できるから回転子の耐遠心性が確保でき、エンジン回転数の２〜３倍の回転比で運転できることになる。
【００３５】
即ち、一般誘導機等と異なり、高周波で作動できるため、スロットあたりの電気導体数が少なくても、車両アイドル回転数に対応する１５００ｒｐｍよりも低い回転数、例えば１０００ｒｐｍなどの低速から発電を開始できる。
【００３６】
また、ランデル型回転子との組合せであるので、磁極間に空間を設けることでき、界磁コイルの冷却上の利点を得ることができる。さらに、磁極自身が回転により冷却風を送風する構成とすることもできる。かかる構成は、軸方向への送風、あるいは径方向への送風に利用できる。よって、一般誘導機等に使われている、磁極間に空間の無い、中実円柱形状であるセ−レント型回転子に比べて、効率的に固定子内周面、固定子巻線、界磁コイルなどを冷却できる。なお、ランデル型回転子の磁極間は非磁性材料で埋められてもよい。
【００３７】
また、一のスロット内に収容された異なる層をなす複数の電気導体が、同一の出力相の固定子巻線を構成し、前記一のスロット内に収容された前記電気導体を含んで形成される第１巻線の出力と、前記一のスロットに近い他のスロット内に収容された他の電気導体を含んで形成される第２巻線の出力とが合成して出力される。なお、同一の出力相の巻線とは電気的な位相が等しい起電力が表れる巻線をいう。このように、同一スロット内に配置されて同相起電力が誘起される電気導体を直列接続することで、高い出力を確保できる。さらに、一のスロット内に収容された前記電気導体を含んで形成される第１巻線の出力と、前記一のスロットに近い他のスロット内に収容された他の電気導体を含んで形成される第２巻線の出力との合成値としての出力であるから、第１巻線と第２巻線の各々の出力が比較的小さい場合でも、高い出力を確保できる。例えば、第１巻線と第２巻線とを直接に直列あるいは並列に接続してそれらの出力を合成する構成や、第１巻線と第２巻線との出力を別々に整流した後に、直列あるいは並列に接続してそれらの出力を合成する構成をとることができる。
【００３８】
なお、固定子および前記回転子は、前記回転子を駆動するエンジンの回転数がアイドリング回転数の領域内にあるときに、前記巻線端に１５（Ｖ）以上の電圧を出力するように設定されていることが望ましい。
【００３９】
これによれば、市街地での走行で最も発生頻度の高いアイドリング回転の時にも必要最低限の車両の電気負荷に電力を供給できる。よって、アイドリング回転の時に供給可能電力以上の要求のある場合バッテリからも電力が供給されるが、これをできるだけ少なく抑え、車両が走行している時には発電機の出力が増えてバッテリを充電して元通りの状態に早期に復帰させることができる。また、アイドリング回転数を下げた場合でも上記の発電性能を持つので、燃費向上が可能となる。
【００４０】
なお、一のスロット内に収容された電気導体と、前記一のスロットに近い他のスロット内に収容された他の電気導体とが、同一の出力相の固定子巻線の一部として直列に配置されているという構成を採用してもよい。
【００４１】
かかる構成では、ひとつの交流出力が、位相が異なる２つの交流出力の合成値として出力される。このため、一のスロット内に収容される電気導体で得られる出力が比較的小さい場合でも、合成値としての出力により高い出力を確保できる。特に、スロット内に層状に電気導体を配列して収容した構成にあっては、スロット内への電気導体の収容数が制限され、同一相の出力値が制限されるが、上記の直列構成によりかかる不具合を補って所要の出力を得ることができる。従って、スロット内における占積率の向上効果と、コイルエンドにおける冷却性の向上効果とを、出力の低下を補いながら実現することができる。
【００４２】
なお、かかる巻線構造は、前記回転子のＮＳ磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットからなる第１のスロット群と、前記第１のスロット群に隣接して配置された第２のスロット群とを有し、前記第１のスロット群に収容された前記電気導体を直列接続して前記第１の巻線を構成し、前記第２のスロット群に収容された前記電気導体を直列接続して前記第２の巻線を構成して実現することができる。
【００４３】
また、前記スロットは電気角で略３０°の間隔で配列され、それら複数のスロットに収納された電気導体のうち、互に磁極ピッチだけ離間した関係にある第１のスロット群の各スロットに収納された電気導体同士が互いに直列に電気接続されて第１の直列導体群をなすとともに、前記第１スロット群に対し隣接関係にある第２スロット群の各スロットに収納された電気導体同士が互いに直列に電気接続されて第２の直列導体群をなし、さらにこれら第１の直列導体群と第２の直列導体群とが直列となって巻線をなし、その巻線端が整流器に接続されるという構成を採用してもよい。
【００４４】
これによれば、電気角略３０°の間隔で設けられた複数のスロットに収納された導体のうち、互に磁極ピッチだけ離間した関係にあるスロットに収納された導体同士が互いに直列に電気接続されて第１の直列導体群をなすから、全ての電気導体が揃って同一位相の起電圧を発生しそれらが算術加算されるので電気導体の長さ当たりの発電力は最高となる。さらに、第１の直列導体群の起電圧位相に対し位相が最も近い隣接スロットに収納された導体も第２の直列導体群をなして同様に高い発電力が得られる。そして、第１の直列導体群と第２の直列導体群とが直列とされて、一相をなすから、これらがベクトル加算され、トータルとして長さ当たりの起電圧は最高となる。しかも、前述の様にスロット間隔が電気角略３０°であるから第１の導体群と隣接関係にある第２の導体群とは電気角略３０°であり、磁気騒音の原因である磁気脈動力が低減する。よって磁気騒音が低減する効果がある。なお、電気角略３０°とは、２９°から３１°の範囲であり、この範囲内であれば前記磁気脈動力の低減に充分な効果がある。
【００４５】
また、一のスロット内に収容された電気導体を含んで形成される第１巻線と、前記一のスロットに近い他のスロット内に収容された他の電気導体を含んで形成される第２巻線と、前記第１巻線の交流出力を整流して出力する第１整流器と、前記第２巻線の交流出力を整流して出力する第２整流器とを備え、前記第１整流器の整流出力と前記第２整流器の整流出力とが合成して出力されるという構成を採用してもよい。
【００４６】
かかる構成によっても、第１巻線のみあるいは第２巻線のみでの出力の低さを補うことができる。
【００４７】
なお、かかる巻線構造は、前記回転子のＮＳ磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットからなる第１のスロット群と、前記第１のスロット群に隣接して配置された第２のスロット群とを有し、前記第１のスロット群に収容された前記電気導体を直列接続して前記第１の巻線を構成し、前記第２のスロット群に収容された前記電気導体を直列接続して前記第２の巻線を構成することにより実現することができる。
【００４８】
また、２組の整流器を備え、前記スロットは電気角で略３０°の間隔で配列され、それら複数のスロットに収納された電気導体のうち、互に磁極ピッチだけ離間した関係にある第１のスロット群の各スロットに収納された電気導体同士が互いに直列に電気接続されて第１の直列導体群をなすとともに、前記第１スロット群に対し隣接関係にある第２スロット群の各スロットに収納された電気導体同士が互いに直列に電気接続されて第２の直列導体群をなし、さらにこれら第１の直列導体群と第２の直列導体群とが独立して巻線をなし、それぞれの巻線の出力がそれぞれの前記整流器に接続されるという構成を採用してもよい。
【００４９】
かかる構成によっても、第１直列導体群と、第２直列導体群とが構成される。そして、この構成においては、各導体群の出力がそれぞれに独立して整流され、必要に応じて合成される。従って、高出力、低磁気騒音といった効果を得ることができる。
【００５０】
また、前記ランデル型鉄心の爪状磁極の外径をＬ１とし、回転軸方向の長さをＬ２として、これらの比率を、Ｌ１／Ｌ２≧１．５とすることが望ましい。
【００５１】
かかる構成は、セ−レント型回転子が界磁コイルなどの耐遠心性の問題からＬ１が制限され、高出力化のための磁気抵抗低減手段としてＬ２を大きくし、比率Ｌ１／Ｌ２が比較的小さく設定されるのに対し、ランデル型回転子では前記セ−レント型回転子に対し耐遠心性が勝り、比率Ｌ１／Ｌ２は１．５以上に設定されることによる。また、この場合、回転に伴う軸方向外部からの冷却風取り込みの面積が拡大し、冷却風量を増加させることができ、冷却性能を向上できるという効果もある。
【００５２】
また、ひとつの前記スロット内に収容される複数の前記電気導体は、前記スロットの深さ方向にのみ配列されている構成を採用することが望ましい。
【００５３】
かかる構成によると、スロットの外において、電気導体のすべてを固定子の径方向に関して離間させることができるので、コイルエンド群内において複数のコイルエンドが互いに密着することを防止でき、コイルエンド群内への通風を容易にして冷却性を高め、冷却風とコイルエンドとの干渉による騒音の低減を図ることができる。
【００５４】
また、前記スロット内において電気的に絶縁されたすべての電気導体は、前記固定子鉄心の端部に形成されたコイルエンドにおいて空間的に離間して配置されていることが望ましい。
【００５５】
かかる構成によると、すべての電気導体は、コイルエンドにおいて良好に冷却され、電気導体の間での冷却性のばらつきがなく、均等な冷却を得ることができる。
【００５６】
また、前記電気導体は、前記スロット内における断面形状が前記スロット形状に沿った略矩形状であるという構成を採用することが望ましい。
【００５７】
かかる構成によると、スロット内における電気導体の占積率を高めることが容易になる。また、スロット形状に沿った略矩形状であるため、電気導体から固定子鉄心への伝熱を向上できる効果もある。なお、略矩形状としては、スロット内の形状に沿った断面形状であることが重要であり、正方形、長方形といった形状の他、４辺の平面と丸い角とで構成された形状、長方形の短辺を円形とした長円形などを用いることができる。なお、正方形、長方形を用いることで、スロット内における占積率を向上することができる。また、断面積の小さい電気導体にあっては、長円形を用いてもよい。かかる断面形状の電気導体は、円形断面の電気導体を、プレスして形成することができる。
【００５８】
また、複数の前記電気導体は、裸の金属部材よりなり、前記スロット内において複数の前記電気導体の相互間と、前記複数の電気導体と前記スロットの内壁面との間とに介装されて電気的な絶縁を提供する電気絶縁部材を備え、複数の前記電気導体は、前記スロット外においては、互いに空間的に離間して配置されているという構成を採用してもよい。
【００５９】
これによれば、電気導体の絶縁皮膜を廃止でき、素材費を大幅に低減できる。更に絶縁皮膜の破損に配慮することなく、電気導体をプレス加工できるなど生産工程が大幅に簡略化でき、低コスト化を図ることができる。また、従来耐熱温度が最も低かった絶縁皮膜の廃止により、固定子巻線の耐熱温度を上げることができるので、発熱に対する信頼性が向上する効果もある。また、前記固定子鉄心と該スロットに収納された導体とからなる固定子の軸方向全長が、前記ランデル型回転子の軸方向全長と同等以下である構成を採用してもよい。
【００６０】
かかる構成によると、回転子に対して軸方向に短い固定子が配置されるため、これらの配置を卵形にすることができる。このため、フレームを含めて卵形の発電機外殻を提供でき、搭載スペ−スの狭小化に対応できると共に、機械的強度の向上による磁気騒音の低減を図ることができる。
【００６１】
また、前記スロットの両側に位置する鉄心歯先部の少なくとも一部を塑性変形させて、前記スロットの内周側の開口の巾を前記スロット内の内壁間距離より狭く形成してなるという構成を採用してもよい。
【００６２】
かかる構成によると、鉄心歯先部の塑性変形の時にスロット内の電気導体を更に径方向内周側からスロット奥に押し込むので、より高占積率化を達成できる。更に、固定子鉄心の歯部が十分固定できるため、鉄心の剛性が上がりステータ鉄心の振動を抑制することができるので、磁気騒音を低減できる。また入口部を内壁間距離より狭くすることによりウエッジ等係止部材を廃止できるので、コスト低減が可能である。更に歯先部を塑性加工させることにより加工硬化するため、剛性の高い電気導体を使っても径方向内側に飛び出すことがない。なお、かかる構成は、スロット内の断面形状にかかわりなく採用することができる。ただし、スロットの断面形状を、深さ方向に関して巾が一定な平行スロットとすることが望ましい。これにより、内層導体と外層導体との形状を同じにしてもスロット内の隙間が不均一にあくことなく、高占積率化が可能である。
【００６３】
また、前記電気導体のスロット外に位置する部分の少なくとも一部が略扁平形状である構成を採用してもよい。
【００６４】
かかる構成によると、コイルエンド部における電気導体からの放熱面積を大きくすることができる。さらに、複数のコイルエンドのそれぞれに扁平形状を採用し、それらを径方向と平行に配置することで、コイルエンド間の隙間を確保でき、さらには径方向への通風抵抗を低減できる。なお、電気導体は部分的に扁平形状に成形する他、スロット外においてはその全体を扁平形状としてもよい。さらには、スロット内も含めて全体を扁平な断面形状をもって形成してもよい。なお、扁平形状としては、長方形断面、長楕円断面などを採用することができる。
【００６５】
また、前記界磁回転子の磁極間には磁石を介在し、界磁磁束に磁石磁束を加え前記固定子に向かわせる構成を採用してもよい。
【００６６】
かかる構成によると、ランデル型界磁回転子の性能向上による高出力、高効率といった効果を得ることができる。しかもかかる効果を、固定子側における損失によって失うことなく、固定子巻線の改良による放熱性向上の効果によって十分に引き出すことができる。
【００６７】
また、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体は、それらの表面の殆ど全体が前記冷却風にさらされている構成を採用することが望ましい。
【００６８】
かかる構成によると、高い冷却性を、すべての電気導体に対して均等に発揮させることができる。
【００６９】
なお、かかる構成は、電気導体をスロット内において径方向にのみ配列した構成、あるいは電気導体を裸線としてそれらを空間的に離間させて絶縁した構成、あるいはスロット外においても矩形の電気導体を採用した構成との組合せの下で、比較的簡単に実現できるという製造上の利点と、より高い冷却性を実現できるという利点とを発揮する。
【００７０】
また、前記コイルエンド群が、前記固定子鉄心の両端にそれぞれ形成されており、前記フレーム内にはそれぞれの前記コイルエンド群に対応して２つの冷却風の通風経路が形成されているという構成を採用することが望ましい。
【００７１】
かかる構成によると、２つのコイルエンド群がそれぞれの通風経路によって確実に冷却される。しかも、その冷却は、コイルエンド群内の電気導体が、そこを横切る冷却風によって冷却されるため、熱に起因する損失上、効率上の問題点を低減し、さらには騒音上の問題点を低減する。また、前記フレーム内における冷却風を生じさせる送風手段を備えることが望ましい。
【００７２】
かかる構成によると、フレーム内に確実に冷却風の流れを作り出すことができ、コイルエンドを確実に冷却することができる。なお、送風手段としては、専用の冷却ファンを設ける他、ランデル型界磁回転子の形状を利用するなどの構成を採用することができる。
【００７３】
さらに、送風手段を採用する構成においては、
前記コイルエンドに対応して、前記フレームには前記電気導体を横切って流れる冷却風の通風孔が形成されているという構成を採用することが望ましい。
【００７４】
かかる構成によると、電気導体を横切って流れる冷却風を効率よく流すことができる。なお、かかる構成は、固定子鉄心の両側にそれぞれコイルエンド群を構成する場合には、それぞれのコイルエンド群に対応して通風孔が設けられることが望ましい。
【００７５】
さらに、前記送風手段は、前記界磁回転子の軸方向端部に設けられており、前記界磁回転子の回転により遠心方向外側に向けて送風し、前記コイルエンドにおける前記複数の電気導体を横切って流れる冷却風を生じさせる送風手段を備える構成を採用することが望ましい。
【００７６】
かかる構成によると、固定子のコイルエンド群の内側に近接して送風手段が配置され、しかも、遠心方向外側へ向かう冷却風はコイルエンド群内を横切って流れた後フレームに形成された通気口から排出されるため、コイルエンド群へ強力かつ大量の冷却風を提供することができる。しかも、コイルエンド群内においては電気導体の形状が改良されているため、低騒音で高い冷却性、放熱性が得られる。なお、ここにいう「遠心方向外側に向けて送風」は、遠心方向成分のみによる送風の他、いくらかの軸方向成分を含んだ送風であってもよい。かかる送風方向の設定は、界磁回転子の冷却などの要求に応じて適宜選択することができる。
【００７７】
また、前記送風手段は、前記界磁回転子の軸方向の両端部に設けられているという構成を採用することが望ましい。
【００７８】
かかる構成によると、界磁回転子の軸方向の両側において冷却風を得ることができる。なお、固定子の両側にコイルエンド群を形成した構成と併用することで、２つのコイルエンド群のそれぞれを、対応する送風手段で冷却することができる。
【００７９】
また、前記送風手段は、複数のブレードを有する送風ファンを備えるという構成を採用することができる。
【００８０】
かかる構成によると、冷却風を確実に得ることができる。
【００８１】
また、前記送風手段は、前記複数の爪状磁極に対応して形成された前記ランデル型鉄心の形状により提供されるという構成を採用してもよい。
【００８２】
かかる構成によると、ランデル型鉄心が本来的に有する複数の爪状磁極に対応した形状によって冷却風を得ることができる。なお、かかる構成では、ランデル型鉄心のみで送風する構成を採用した場合には、専用の送風ファンを不要とでき、部品点数、加工工数を低減できる。また、送風ファンと併用して共同して送風する構成を採用した場合には、送風風量を増加することができる。
【００８３】
なお、前記ランデル型鉄心の軸方向端部と、前記フレームの内壁面とを近接して対向させて配置してなる構成を採用することができる。
【００８４】
かかる構成によると、フレームの内壁面をシュラウドとして機能させて、ランデル型鉄心の軸方向端部の形状を利用して送風することができる。なお、シュラウドとしてのフレームの内壁面とは、フレームとしての金属製部材の内壁面の他、フレームに装備された部品であってもよい。
【００８５】
また、前記フレームには、前記界磁回転子を駆動するプーリの装着端に面して前記送風手段のための吸気口が形成され、前記吸気口の最外径は、そこに装着されるべきプーリの最外径より小さいという構成を採用することができる。
【００８６】
かかる大直径のプーリを採用する場合でも実用的な車両用交流発電機を提供できる。すなわち、小型高出力化を図る場合、トルク増加によりベルト寿命が低下する問題があるため、プーリ径を大型化してベルトに加わるストレスを低減する必要がある。ところが、かかる構成では、プーリがフレ−ムの吸入孔をふさいでしまい、通風抵抗が増すため冷却風量が減少する。しかし、本案では固定子の改良により冷却性を向上しているため、冷却風量が減少してもコイルエンドを冷却でき、ベルト寿命を確保しつつ、小型高出力化を達成できる。
【００８７】
また、前記コイルエンドは、第１スロット内に所定の層として配置された第１電気導体と、前記第１スロットから、前記界磁回転子のＮＳ極の磁極ピッチに対応して離間する第２スロット内に前記第１電気導体とは異なる層として配置された第２電気導体とを直列接続する接続パターンによって形成されているという構成を採用することが望ましい。
【００８８】
これによれば、固定子鉄心の各軸方向側面のコイルエンドの並びが同一方向となり、異なる相のコイルエンドの干渉を回避することができる。よって、導体はスロット奥まで挿入することができ、占積率を向上することにより出力向上が可能となる。また、コイルエンドに凹凸が無く、一様な繰り返し紋様を形成しているので、冷却風との間で生ずる騒音も低減できる。
【００８９】
また、前記コイルエンドは、前記第１スロットから延び出す前記第１電気導体の端部と、前記第２スロットから延び出す前記第２電気導体の端部とを接合して構成されており、前記第１電気導体と前記第２電気導体とは、別体の導体製のセグメントにより提供されており、一方の電気導体の端部が、前記磁極ピッチの半分の距離を少なくとも周回する角度と長さとを持っているという構成を採用することができる。
【００９０】
これによれば、セグメントをスロット内から延び出して配置し、他のセグメントと接合することでコイルエンドが形成される。かかる接合により形成されたコイルエンドが、そこを横切って流れる冷却風によって冷却される。このような接合を伴う構成を採用することにより、セグメントを採用できる。なお、接合とは、超音波溶接、ア−ク溶接、ろう付けなどによる電気的接続をいう。
【００９１】
また、前記セグメントは、２本の前記電気導体を前記固定子鉄心の一方の端部でターン部により連続的に接続してなるＵ字状のセグメントであり、前記第１の電気導体の端部としての第１のＵ字状セグメントの端部と、前記第２の電気導体の端部としての第２のＵ字状セグメントの端部との接合を、前記接続パターンとして前記コイルエンドが形成されているという構成を採用することが望ましい。
【００９２】
かかる構成によると、導体の部品点数及び接合箇所が半減でき製造工程が容易となる。また、接合部を固定子の軸方向片側にそろえることからも、生産工程が容易となる効果がある。
【００９３】
また、前記セグメントは、スロットの両側から突出する２つの端部をもったセグメントであり、前記固定子鉄心の一方の端部において、前記第１電気導体の端部としての第１セグメントの一方の端部と、前記第２電気導体の端部としての第２セグメントの一方の端部との接合を、前記接続パターンとして一方のコイルエンドが形成され、前記固定子鉄心の他方の端部において、前記第１電気導体の端部としての第１セグメントの他方の端部と、他の前記第２電気導体の端部としての第３セグメントの他方の端部との接合を、前記接続パターンとして他方のコイルエンドが形成されているという構成を採用してもよい。
【００９４】
これによれば、電気導体は一方向に延びる単純形状にできるので、電気導体自体の製造工程が容易となる。また、あらかじめ成形した電気導体を径方向内周側からスロットへ押し込むことができるので、軸方向から挿入する場合に比べコイルエンド部の加工が不要となり製造工程が容易になるとともに、さらに高占積率化が可能となる。
【００９５】
また、前記電気導体の両方の端部の周回長さの合計が、前記磁極ピッチに対応しているという構成を採用することが望ましい。
【００９６】
これによれば、一定形状のセグメントを利用して固定子上を周回する固定子巻線を形成することができる。従って、電気導体の形状を統合し、種類を低減でき、電気導体を製造するためのプレス型などの製造設備を安価にできる。また、接合部を固定子鉄心の両側面に配置し、しかも同じ形状とすることで接続部の生産工程が容易となる。
【００９７】
また、前記スロットの両側に位置する鉄心歯先部の少なくとも一部を塑性変形させて、前記スロットの内周側の開口の巾を前記スロット内の内壁間距離より狭く形成してなる構成を採用することが望ましい。
【００９８】
これによれば、鉄心歯先部の塑性変形の時にスロット内の電気導体を更に径方向内周側からスロット奥に押し込むので、より高占積率化を達成できる。更に、固定子鉄心の歯部が十分固定できるため、鉄心の剛性が上がりステータ鉄心の振動を抑制することができるので、磁気騒音を低減できる。また入口部を内壁間距離より狭くすることによりウエッジ等係止部材を廃止できるので、コスト低減が可能である。更に歯先部を塑性加工させることにより加工硬化するため、剛性の高い電気導体を使っても径方向内側に飛び出すことがない。なお、かかる構成は、スロット内の断面形状にかかわりなく採用することができる。ただし、スロットの断面形状を、深さ方向に関して巾が一定な平行スロットとすることが望ましい。これにより、内層導体と外層導体との形状を同じにしてもスロット内の隙間が不均一にあくことなく、高占積率化が可能である。
【００９９】
また、さらに整流器を備え、前記電気導体の一部が前記整流器の整流素子の電極に直接接続されている構成を採用してもよい。
【０１００】
これによれば、整流回路を構成するための端子台等の接合部材が不要であり、簡単な構成の低コストで小型の整流器を提供できる。なお、電気導体をセグメントで構成する場合には、かかる整流素子との直接接続のためのセグメントは、他のセグメントより長いなど、所定の接続パターンを繰り返して接合される他のセグメントとは異なる形状とすることが望ましい。
【０１０１】
また、前記整流素子の電極に接続される前記電気導体は、前記固定子と前記整流素子電極との間において変形しやすい部分を有するという構成を採用してもよい。
【０１０２】
これによれば、電気導体の変形で振動などを吸収でき、整流素子の破損を防止する事ができ高信頼性を実現できる。なお、変形しやすい部分としては、電気導体の一部を細くした形状などを採用することができる。
【０１０３】
また、さらに整流器を備え、整流器は、前記Ｕ字状セグメントのターン部側に前記整流器を配置して前記固定子巻線の巻線端と接続したという構成を採用してもよい。
【０１０４】
かかる構成によると、巻線を形成するためにＵ字状セグメントの端部を接合する時に、整流素子の電極に接続される導体が邪魔にならず、同一パタ−ンの繰り返し接合が可能となるので、製造工程が容易となり、コスト低減が可能となる。
【０１０５】
また、さらに整流器を備え、整流器は、前記Ｕ字状セグメントのターン部とは反対側に前記整流器を配置して前記固定子巻線の巻線端と接続したという構成を採用してもよい。かかる構成によると、Ｕ字状セグメントのタ−ン部形状を同一にできるため、セグメントの製作工数を短縮でき、コスト低減が可能となる。
【０１０６】
また、前記固定子は、相互に短絡して中性点となす引き出し配線を有するという構成を採用することができる。
【０１０７】
かかる構成によると、固定子上において中性点接続を実現できる。なお、電気導体を延長して敷設し、複数の電気導体を直接に接続して中性点接続を得ることが望ましい。特に、断面形状が矩形の電気導体を採用した場合には、十分な強度が得られ、他のコイルエンドとの間にも空間を確保しながら敷設することができる。また、放熱面積を増加し、固定子コイルの冷却性を向上することもできる。
【０１０８】
また、以上に述べた構成において、前記内層と外層の導体は一対とすることができる。かかる構成によると、固定子への導体の組み付け工数が少なくできるとともに、コイルエンドの本数が少ないので隙間を容易に確保できる。また、導体の部品点数及び電気接続箇所が少ないので、製造工程を容易にできる。
【０１０９】
また、前記内層と外層の導体は二対以上であってもよい。
【０１１０】
かかる構成によると、コイルエンドの干渉を抑制しつつ、スロットあたりの導体数を４本以上に設定できるので、燃費向上や車両アイドル停止時の騒音低減などのために車両のアイドル回転数が更に低下した場合でも、発電機から出力することができる。
【０１１１】
なお、内層電気導体と、外層電気導体とを二対以上配置した場合にあっては、ひとつの前記スロット内に収容される複数の前記電気導体は、前記スロットの深さ方向にのみ配列されており、複数の前記電気導体は、前記コイルエンド群において互いに他の電気導体と接合されて複数の接合部を形成しており、複数の前記接合部は、多重の環状に配列されており、前記コイルエンド群内において周方向並びに径方向に関して互いに離間して配置されているという構成が採用されることが望ましい。
【０１１２】
かかる構成によると、接合部は、複数の電気導体の配置、すなわちスロットの配置に対応して、周方向に沿って環状に配列される。しかも、スロット内には、複数の電気導体を径方向にのみ配列して収容しているため、接合部の環状の配列を、同心状の多重に配置することができる。このため、複数の接合部を、周方向ならびに径方向へも離間させて配置することができ、複数の接合部の間に確実に隙間を形成できる。また、接合部間の短絡を容易に回避できる結果、接合工程における利点が提供される。
【０１１３】
上記目的は、回転周方向に交互にＮＳ極を形成する界磁回転子と、該回転子の外周に対向配置した固定子と、前記回転子と固定子とを支持するフレームと、前記固定子より導いた交流電力を直流電力に整流する整流器とを有する車両用交流発電機において、
前記固定子は、複数のスロットを形成した積層固定子鉄心と、該スロットに収納された複数の電気導体とを有し、
前記電気導体は複数のセグメントを含み、前記セグメントは、それぞれが異なるスロット内に収容される２本の直線部を有する略Ｕ字状セグメントであって、複数の前記Ｕ字状セグメントのターン部は、コイルエンドとして前記固定子鉄心の一方の端面側から軸方向に突出して配置され、しかも互いに離間して配列されて第１コイルエンド群を形成し、一の前記スロット内に収容された異なる層をなす複数の前記電気導体が同一の出力相の固定子巻線を構成し、前記一のスロット内に収容された前記電気導体を含んで形成される第１巻線の出力と、前記一のスロットに近い他のスロット内に収容された他の電気導体を含んで形成される第２巻線の出力とが合成して出力され、複数の前記Ｕ字状セグメントの端部は、他方の端面側から軸方向に突出して配置され、巻線のコイルエンドを形成するように所定の接続パターンで接合され、しかもこれらコイルエンドが互いに離間するように配列されて第２コイルエンド群を形成し、前記界磁回転子は、前記Ｎ極および前記Ｓ極を提供する複数の爪状磁極を有するランデル型鉄心を備え、さらに前記界磁回転子は、前記界磁回転子の軸方向の両側において、前記第１コイルエンド群を横切って径方向に空気が流れる通風路と、前記第２コイルエンド群を横切って径方向に空気が流れる通風路とを提供しているという構成によって達成される。
【０１１４】
かかる構成によると、固定子の両端部に冷却性に優れたコイルエンドが形成され、しかも界磁回転子によって、それぞれのコイルエンド群に、それらを横切って空気を流す通風路が提供されるため、小型、高出力の車両用交流発電機を提供することができる。
【０１１５】
なお、前記界磁回転子は、その軸方向の端部に、前記コイルエンド群に向けて送風する送風手段を備えることが望ましい。
【０１１６】
これにより、コイルエンド群に向けて、強力に大量の空気を送風することができる。
【０１１７】
さらに、前記フレームには、前記第１コイルエンド群の外周側と、前記第２コイルエンド群の外周側との両方に前記通風路の出口としての通風口が開設されていることが望ましい。
【０１１８】
これにより、送風手段からコイルエンド群を抜けてさらに通風口から排出される通風路が提供される。
【０１１９】
なお、前記Ｕ字状セグメントは、断面形状が長方形状の電気導体により構成されており、前記コイルエンドにおいては、その断面の長手方向を径方向に配列して配置されていることが望ましい。かかる構成を採用することで、コイルエンド群の通風抵抗を低減でき、低騒音化を図ることができる。なお、長方形状の断面形状としては、長方形のほか、長方形の短辺を曲面とした形状や、長楕円形などを用いることができる。
【０１２０】
また、ひとつの前記スロット内には、内層と外層とを一対とする複数対の前記直線部が、前記スロットの深さ方向にのみ配列されて収容されており、前記Ｕ字状セグメントの端部を接合してなる複数の接合部は、前記第２コイルエンド群内において多重の環状に配列されており、複数の接合部は周方向並びに径方向に関して互いに離間して配置されているという構成を採用することができる。
【０１２１】
かかる構成によると、ひとつのスロット内に複数対の電気導体を収容する場合で、接合部を第２のコイルエンド群内において確実に離間して配置することができ、製造工程における利点を提供することができる。
【０１２２】
また、前記電気導体は、所定の相数をもった多相の固定子巻線を形成しており、前記固定子鉄心には、前記界磁回転子の磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットを１相分とする、前記相数に対応した多相分の第１スロット群が形成されるとともに、さらに前記第１スロット群から所定の電気角度ずれた第２スロット群が形成されており、前記第１スロット群に収容された前記電気導体により構成される多相の固定子巻線の出力と、前記第２スロット群に収容された前記電気導体により構成される多相の固定子巻線の出力とを合成して出力するという構成を採用してもよい。かかる構成によると、スロット内に収容される電気導体の総数が制限され、同一相の出力値が制限される構成にあっても、所要の出力を得ることができる。特に、セグメントを採用することによりスロット内の占積率の向上効果と、コイルエンド群における低騒音、高冷却性といった効果とを生かしつつ、高出力を達成することができる。
【０１２３】
なお、第１スロット群と第２スロット群とは、互いに隣接するスロットを利用して構成することが望ましい。また、第１スロット群と第２スロット群とは、磁気音の低減のためには、３相発電機においては電気角約３０度ずれていることが望ましい。また、出力の合成は、各群の近接する相の巻線を直列あるいは並列に接続して、交流として合成する構成を採用できる。また、出力の合成は、各群毎に直流に整流した後に、直流として合成する構成を採用できる。
【０１２４】
さらに、上記の目的は、回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する界磁回転子と、該回転子と対向配置された固定子鉄心、及びこの固定子鉄心に装備された多相固定子巻線を備える固定子と、前記回転子と固定子とを支持するフレームとを有する車両用交流発電機において、
前記界磁回転子は、前記Ｎ極および前記Ｓ極を提供する複数の爪状磁極を有するランデル型鉄心を備え、前記固定子鉄心は、積層板を貫いて延びる複数のスロットが形成された積層鉄心を備え、前記多相固定子巻線は、複数の電気導体を備え、
これら複数の電気導体は、前記スロット内においては、前記スロットの深さ方向に関して内層および外層として一対以上の対をなして配列され、前記スロット内に互いに絶縁して収納されており、前記スロット外においては、前記固定子鉄心の端面側に延び出して配置されており、異なるスロット内に異なる層として配置された２つの前記電気導体を直列接続する接続パターンによってコイルエンドを形成しており、その結果前記固定子鉄心の端面側には前記接続パターンを主として繰り返すコイルエンド群が形成されており、さらに、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体は、前記フレーム内における冷却風の通風方向と交差して延びるよう配置され、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体を横切って冷却風が流れる構成が提供されるという構成を採用することで達成される。
【０１２５】
すなわち、かかる構成を採用することで、スロット内における電気導体の占積率を高めることができる。しかも、コイルエンドにおける複数の電気導体を横切って冷却風が流れるので、コイルエンドにおいて高い放熱性が得られ、高出力化に伴う熱的な問題を回避することができる。特に、フレーム内に形成される空気流を利用して高出力化に伴う熱的な問題を回避することができる。このように、従来の車両用交流発電機にない構成が採用されることで、ランデル型界磁回転子を用いた実用的な構成の下で、高出力化に伴う熱的な問題を回避することができるという利点が得られる。
【０１２６】
なお、ひとつの前記スロット内には複数対の前記電気導体が、前記スロットの深さ方向にのみ配列されて収容されており、複数の前記電気導体は、前記コイルエンド群において互いに他の電気導体と接合されて複数の接合部を形成しており、複数の前記接合部は、多重の環状に配列されており、前記コイルエンド群内において周方向並びに径方向に関して互いに離間して配置されているという構成を採用することで、ひとつのスロット内に４本以上の電気導体を収容しながら、コイルエンドにおける電気導体間の干渉を防止することができる。特に、電気導体の接合部間の干渉を防止することができる。従って、コイルエンドにおける放熱性の向上効果を損なうことなく、巻線としてのターン数を確保し、出力の向上を図ることができる。
【０１２７】
上記目的を達成するために、回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する界磁回転子と、該回転子と対向配置された固定子鉄心、及びこの固定子鉄心に装備された多相固定子巻線を備える固定子と、前記回転子と前記固定子とを支持するフレームとを有する車両用交流発電機において、
前記固定子鉄心には、前記多相固定子巻線を収容する複数のスロットが形成されており、これら複数のスロットは、前記界磁回転子の磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットを１相分のスロット群として、多相分のスロット群よりなる第１スロット組と、さらに前記第１スロット組から所定の電気角度ずれた第２スロット組とを含んでおり、
前記多相固定子巻線は、複数の電気導体を接合して構成されており、これら複数の電気導体は、前記スロット内においては、前記スロットの深さ方向に関して内層および外層として一対以上の対をなして配列され、前記スロット内に互いに絶縁して収納されており、前記スロット外においては、前記固定子鉄心の端面側に延び出して配置されて、異なるスロット内の異なる層をなす２つの電気導体を直列接続する複数のコイルエンドをなしており、前記多相固定子巻線は、前記第１スロット組に含まれる複数のスロット群に収容された多相の巻線の出力と、前記第２スロット組に含まれる複数のスロット群に収容された多相の巻線の出力とを合成するように結線されており、
さらに、前記コイルエンドによって、すべての前記スロット群の巻線毎に、実質的に等しい放熱に寄与する表面積が与えられていることを特徴とする車両用交流発電機という技術的手段を採用することができる。
【０１２８】
かかる構成によると、２組の多相巻線が得られ、それらの出力が合成されるので、発電機に求められる仕様に応じた出力特性あるいは発電電力の品質を得ることができる。しかも、２組もの多相巻線が一の固定子鉄心に装着されるにもかかわらず、スロット内に内層、外層として収容された電気導体がコイルエンドにおいて接続されて巻線が形成されているため、ひとつのスロット群に形成された巻線が有する放熱のための表面積と、他のスロット群に形成された巻線が有する放熱のための表面積とが実質的に等しくされるので、巻線毎の放熱性のばらつきを生じることがない。これにより、実質的に２倍の相を有することによる優れた出力特性、発電電力の優れた品質、さらには電気磁気的な騒音の低減といった効果を得ながら、それらの効果を減らすことのない優れた放熱性を実現することができる。
【０１２９】
なお、２組の多相巻線を結線するにあたっては、それぞれを多相巻線として星型結線あるいは環状結線して、それぞれの出力を別々の整流器で整流した後に直流出力として直列あるいは並列に接続してもよい。また、２組の多相巻線の電気的な位相が近接する巻線を直列あるいは並列に接続して、ひとつの多相巻線として星型結線あるいは環状結線してもよい。
【０１３０】
なお、２組の多相巻線は、電気角が３０度ずれた２組の３相巻線とすることができる。
【０１３１】
なお、さらに、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体は、前記フレーム内における冷却風の通風方向と交差して延びるよう配置され、前記コイルエンドにおける複数の前記電気導体を横切って冷却風が流れる構成が提供されるという技術的手段を採用してもよい。かかる構成によると、コイルエンドにおいてさらに優れた放熱性、低騒音性を実現することができる。
【０１３２】
また、ひとつの前記スロット内には複数対の前記電気導体が、前記スロットの深さ方向にのみ配列されて収容されており、複数の前記電気導体は、前記コイルエンド群において互いに他の電気導体と接合されて複数の接合部を形成しており、複数の前記接合部は、多重の環状に配列されており、前記コイルエンド群内において周方向並びに径方向に関して互いに離間して配置されているという構成を採用してもよい。
【０１３３】
次に、この発明を適用した車両用交流発電機を図に示す実施例に基づいて説明する。
【０１３４】
（第一実施例の構成）
図１から図８はこの発明の第一実施例を示したものである。図１は特に自動車用に適合された車両用交流発電機の主要部を示した図である。図２から図８は本実施例の固定子の説明図である。
【０１３５】
こ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、回転子３と固定子２とを支持するフレ−ム４、および固定子２に生じる交流電力を直流電力に変換する整流器５を有している。この整流器５の出力は１２Ｖのバッテリに接続されている。回転子３は、シャフト６と一体になって回転するもので、一対のランデル型ポールコア７、冷却ファン１１、界磁コイル８、スリップリング９、１０、および１６個の永久磁石５１によって構成されている。永久磁石５１は、図示せぬ磁石保持器によって連結されている。
【０１３６】
ポールコア爪間に介在された永久磁石５１は、直方体のフェライト磁石を使用している。その寸法は、磁極間幅を８ｍｍ、軸方向長さを２４ｍｍ、径方向長さを９ｍｍに設定してある。また、界磁コイルは、平角導体を使用し、抵抗値を１．８Ω、ターン（Ｔ）数を３３０Ｔに設定してある。また、永久磁石５１には、湿式異方性磁石を用い、−３０°Ｃ下でフル励磁した際に５％以下の減磁特性に抑制できる磁石材を用いている。
【０１３７】
また、ポールコアのボス部の径はφ５０ｍｍであり、シャフト６の径はφ１７ｍｍに設定している。このポールコアのボス部の断面積よりシャフト６の断面積を引いた断面積を極対数で割ったものを基準として、略同一となるように各部磁極断面積を設定している。
【０１３８】
シャフト６の端部には、プーリが固定されている。プーリは、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。
【０１３９】
ランデル型コア７は、一対のポールコアにより構成されている。コア７は、シャフト６に組付られたボス部７１、ボス部の両端より径方向に延びる２つのディスク部７２、及びディスク部７２の先端に配列された１６個の爪状磁極７３を有する。
【０１４０】
フレーム４には、その軸方向の両端に、冷却空気の吸入孔４１、４２が開設されている。さらに、フレーム４には、その外周部に、冷却空気の吐出孔４３、４４が開設されている。吐出孔４３、４４は、コイルエンド３１に対向して２列の環状に配列されている。また、プーリの外径はフレ−ム４の軸方向端面の吸入孔４１の外径よりも大きく設定されている。
【０１４１】
固定子２は、固定子鉄心３２、固定子巻線を構成する複数の導体セグメント３３、及び固定子鉄心３２と導体セグメント３３との間を電気絶縁するインシュレータ３４で構成され、フレ−ム４により支えられている。固定子鉄心３２は、薄い鋼板を重ね合わせた積層型のもので、その内周面には複数のスロット３５が形成されている。
【０１４２】
ひとつのスロット３５内には、２本の矩形状の電気導体が、内層導体、外層導体として挿入されている。これら電気導体は、導体セグメント３３によって提供されている。導体セグメント３３は、Ｕ字状、あるいはＶ字状と呼び得る形状である。
【０１４３】
固定子巻線は電気接続された多数の導体セグメント３３により構成されている。固定子鉄心３２の軸方向端面の一方に導体セグメント３３のターン部３３ｃが配置され、その他方に接合部３３ｄが配置されている。接合部３３ｄは、異なる導体セグメント３３の端部を接続して形成されている。導体セグメント３３は、固定子鉄心３２の両端に突出して、それぞれコイルエンド３１を形成している。そして、複数の導体セグメント３３が、固定子鉄心３２上に環状に配列される結果、環状のコイルエンド群が形成されている。
【０１４４】
導体セグメント３３のうち、固定子鉄心３２から延び出す稜線部３３ｅは外層、内層で逆方向に傾斜している。コイルエンド群の中で隣接する導体セグメント３３の間には電気絶縁が確保できる所定の隙間が設けられている。
【０１４５】
コイルエンド３１には、回転子３のポールコア７のディスク部７２が対向している。
【０１４６】
なお、この導体セグメント３３の絶縁皮膜はあっても無くとも良い。
【０１４７】
またインシュレータ３４は図４に示されるように、固定子鉄心３２と導体セグメント３３との間、スロット内の各電気導体の間を絶縁すべくＳ字形状に配置されている。
【０１４８】
また、固定子鉄心３２の先端歯部は固定子鉄心３２の製作時又は導体セグメント３３挿入後の押し曲げ等により加工硬化を加えている。
【０１４９】
上記固定子巻線は、Ｘ、Ｙ，Ｚの３相巻線を有している。各相の一方の巻線端３３ｆは、軸方向に延び出しており、整流器５に設けられた整流素子５２の電極部５３に直接、ヒュージング溶接等により電気接続されている。巻線端３３ｆには、振動を吸収し、応力の伝達を緩和するために、断面積を狭めた部分３３ｇが形成されている。
【０１５０】
各相の他方の巻線端は図２２に示すように中性点３３ｋとして直接又は導体を介して電気接続されている。
【０１５１】
固定子巻線の製造工程を説明する。
【０１５２】
Ｕ字状の導体セグメント３３は、図３に示すように、内層側導体部３３ａと外層側導体部３３ｂとターン部３３ｃとで構成されている。このセグメント３３は銅平板から折り曲げ、プレス等で製作される。
【０１５３】
複数の導体セグメント３３は、固定子鉄心３２の軸方向端面の同一側に複数のターン部３３ｃが揃うように重ねられる。そして、図４に示すように外層側導体部３３ｂがスロット３５の深さ方向の奥側に、内層側導体部３３ａがスロット３５の深さ方向の手前側に位置するように挿入される。その結果、略平行なスロット３５の側壁に、電気導体の両側面がインシュレータ３４を介して対向するように圧入される。
【０１５４】
一方、固定子鉄心３２の他端側には、複数の導体セグメント３３の端部が、内層、外層として突出して配列される。そして、図５に示すように、内層と外層とが周方向に反対方向に曲げられる。内層と外層とは所定のスロット数だけ曲げられる。その後、異なる層の異なる導体セグメント３３の端部どうしが接合され、接合部３３ｄが形成される。この接合部３３ｄとしては、電気導通するように超音波溶着、アーク溶接、ろう付け等を採用できる。
【０１５５】
本実施例では回転子３の磁極数を１６に設定してあり、固定子鉄心３２のスロット数を９６に設定し、固定子巻線は３相巻線を構成している。ステータ外径はφ１３０ｍｍであり、内径はφ１０２ｍｍに設定してある。この固定子鉄心２３の積厚は３４ｍｍであり、板厚０．５ｍｍのＳＰＣＣ材を積層し、レーザ溶接等で固着している。スロットは電気角で３０°ピッチに相当する３．７５°ピッチで等間隔で設定している。その形状は、側面を平行とした略矩形状であり、その側面幅は１．８ｍｍ、奥行きは１０ｍｍ、背厚は３．５ｍｍ、開口幅は０．８ｍｍに設定されている。また、先端歯先部の径方向厚さは０．５ｍｍに設定されている。
【０１５６】
このスロット内に挿入される電気導体は、厚さ１．６ｍｍ、幅４．５ｍｍであり、角部には０．６ｍｍ以下のＲが取ってある。スロットと電気導体との間には、約１００μｍの厚さのインシュレータ３４が介在している。
【０１５７】
具体的結線例を図６、図７、図８を使用して説明する。図６、図７の下側の渡り線部はセグメントのターン部３３ｃであり、上側が接合部３３ｄである。図中実線は内層の電気導体、一点鎖線は外層の電気導体を示す。
【０１５８】
まず、３相巻線のうちのＸ相について説明する。スロット番号の４番から６スロットおきに９４番まで（４番、１０番、１６番……９４番）が第１のスロット群を成している。これらに隣接する５番から６スロットおきに９５番まで（５番、１１番、１７番……９５番）が第２のスロット群を成している。
【０１５９】
第１スロット群に収容された複数の導体セグメント３３によって形成される第１巻線は、２本の波巻巻線を含んでいる。また、第２スロット群に収容された複数の導体セグメント３３によって形成される第２巻線は、２本の波巻巻線を含んでいる。
【０１６０】
これら第１巻線と第２巻線とは、２つの結線部１０２と、１つの結線部１０３とを経由して直列接続されている。第２巻線の２本の波巻巻線は、結線部１０３によって反転して直列接続されている。そして、その両端それぞれに、結線部１０２によって第１巻線の波巻巻線が直列接続されている。そして、第１巻線の２つの端部が、巻線端Ｘと、巻線端Ｘ’として引き出される。
【０１６１】
なお、結線部１０２は、５スロット離れたスロット内に収容された内層電気導体と外層電気導体とを接続している。結線部１０３は、６スロット離れたスロット内に収容された同じ層の電気導体を接続している。
【０１６２】
この結果、Ｘ相は、電気角で３０°位相がずれた第１巻線と第２巻線とが直列接続されて構成される。そして、第１巻線が２Ｔ、第２巻線が２Ｔであることから、４Ｔの固定子巻線が構成される。同様にして、電気角１２０°ピッチでＹ相、Ｚ相が形成され、図８に示すようにこれらの３相が星形結線されている。
【０１６３】
なお上記実施例では、Ｘ相の第１スロット群と、Ｙ相の第１スロット群と、Ｚ相の第１スロット群とが第１スロット組に属し、Ｘ相の第２スロット群と、Ｙ相の第２スロット群と、Ｚ相の第２スロット群とが第２スロット組に属する。そして、これらスロット組に装備された巻線は、コイルエンドにおいてすべてが均等に外部に露出しており、均等に冷却風にさらされる。そして、電気的に隣接する２つの巻線が直列接続されて交流として合成されており、２組のスロット組により提供される６つの巻線が、３相結線されている。また、これら巻線はコイルエンド間に隙間をもっているため、風下側に配置されるコイルエンドであっても十分に風にさらされる。このため、巻線毎の放熱に寄与する表面積の差がほとんどない。つまり、３相の多相交流発電機として、２倍の相数である６相に相当する巻線を含むにもかかわらず、すべての巻線が均等な冷却条件に置かれる。
【０１６４】
なお、図５、図６、図７に示した固定子巻線では、導体セグメント３３のターン部３３ｃが固定子鉄心３２の一方の端面側に配列され、整流器５に接続される巻線端３３ｆが固定子鉄心３２の他方の端面側から引き出されている。
【０１６５】
（実施例の作用効果)
上記構成とすることにより、内層に位置する複数の導体セグメント３３の稜線部３３ｅの傾斜方向を同一方向とすることができ、しかも外層に位置する複数の導体セグメント３３の稜線部３３ｅの傾斜方向を同一方向とすることができる。このため、多相の固定子巻線をコイルエンドで干渉無く配置できる。よって、スロット内における電気導体の占積率を向上して高出力化できる。しかも、コイルエンドにおいて隣接する電気導体の間には、電気絶縁が確保できる隙間が設けられるので温度上昇が大幅に抑制される。特に本実施例では、ランデル型回転子の軸方向端部に内扇ファンとしての冷却ファン１１を設け、コイルエンド３１の外周側に対応してフレーム４に通気孔としての吐出孔４３、４４を設けているため、コイルエンド群内を通ってフレーム外周部に向けて抜ける冷却風の通風抵抗を極端に低減でき、冷却性を大きく向上させることができる。
【０１６６】
また、隣接するスロット群の巻線を直列接続して固定子巻線とすることで、スロットあたりの電気導体数を少なくしてコイルエンドでの導体間の隙間を確保しつつ、車両用発電機に必要なＴ数を得ることができる。
【０１６７】
回転子の磁極数の３倍のスロット数で固定子を設計する従来方式の場合、スロット内の電気導体数以上のＴ数を得ることはできない。一般に、車両用交流発電機では、定格０．５〜２．５ｋｗのものが使用される。このような出力を、車載可能な所定の体格の制限、エンジン回転数の制限の下で実現しようとした場合、少なくとも固定子巻線は３Ｔ以上必要である。これより小さいＴ数を設定した場合、図９の破線に示されるように低速回転では出力が出ず、高速のみ出力が大きく出てしまい車両用交流発電機として不適切な特性となってしまう。
【０１６８】
例えば、スロット数を回転子の磁極数の３倍とし、スロットあたり電気導体数を２本として、固定子巻線のＴ数を２Ｔとした比較例と、本実施例の出力特性を図９の破線と実線に示す。従来方式では回転頻度の高い車両アイドル回転数付近での低下が著しく車両用発電機として成立しない。必然的に、スロットあたりの電気導体数を増加させなければならない。しかし、１本の電気導体の断面積が同じである限り、コイルエンドの隙間減少による通風性の悪化、冷却性の悪化という問題が生じる。また、電気導体の組み付け工数の増加にともなう製造コストの増加の問題がある。逆に、１本の電気導体の断面積を下げてＴ数を増すと、巻線のインピ−ダンスが高くなるので高出力化が不可能となる。
【０１６９】
これに対し、本実施例では、スロット数を極数の３倍以上とし、隣接するスロットの導体を直列に接続する部分を設けているので、スロットあたりの導体数は最少である２本とすることができる。具体的には、１６極の磁極数に対して３相発電機として必要な３倍の４８個のスロット数だけでなく、さらに倍の９６個のスロット数を確保している。例えば、１２極に対しては３相で、７２個のスロットを採用してもよい。これにより、コイルエンドに隙間を形成して通風による冷却性を確保でき、製造コストを増加することなくスロット内の占積率を向上させ、低回転から車両に必要な出力特性を得ることができる。
【０１７０】
また電気角が３０°ずれた第１巻線と第２巻線とを直列接続しているので、起磁脈動力を低減できるため磁気騒音の大幅な低減ができる効果もある。
【０１７１】
しかも、第１巻線と第２巻線とは、コイルエンドにおいては均等に外部に露出しており、均等に冷却風にさらされている。しかも、コイルエンド間には、そこを横切る通風を可能とするための隙間が確保されているため、高い冷却性が得られる。この関係は、６つのスロット群に収容された６つの巻線のすべてについて実現されており、すべての巻線が均等に冷却される。
【０１７２】
また、図６、図７の結線方法では、２層化した内層側電気導体と外層側電気導体を交互に接続するため、各相の渡り線部分の長さは結果的に同一とすることができるので各相の巻線の電気抵抗値は均一となる。加えて、固定子巻線のインダクタンスはスロット内の位置によって異なるが本実施例では内層側電気導体の数と外層側電気導体の数とが各相で同一であるため、インダクタンスは略同一とすることができる。即ち、インピーダンスが均一化できることにより局部的な発熱を防止できる。
【０１７３】
またコイルエンドの軸方向高さも飛躍的に低減でき、結果的に従来の固定子巻線に対し抵抗値を略半減できる。これにより、低インピーダンス化によって小型高出力化を図ることができると共に、発熱量低減による温度低減、高効率化をも達成できる。
【０１７４】
更にコイルエンド高さの低減にともない、固定子２の軸方向長さを抑制できる。この結果、フレーム４の角部の丸みを大きくできる。この結果、体格が丸い車両用交流発電機を構成でき、機械的剛性の向上を図ることができる。さらに、車載時に、他の部品との干渉を回避することができるという効果がある。
【０１７５】
また、コイルエンドの冷却性が大幅に向上することから、ファンの小型化が実現できる。さらに、コイルエンド群としては、表面の凹凸が平滑化されること、一様な繰り返し紋様が形成されること、及びコイルエンド内を冷却風が横切ることで、冷却風との間で生ずるファン騒音を大幅に低減することができる。
【０１７６】
また、導体セグメント３３のターン部３３ｃと反対側から巻線端３３ｆを取り出しているので、ターン部３３ｃは同一形状とすることができる。このため、ターン部３３ｃ以外の直線部の長さを変えて巻線端３３ｆや結線部１０２、１０３の形成に対応できる。よって直線部の長さのみ異なる導体セグメント３３を製作すればよいので、生産工数を大巾に下げることができ、安価な設備で対応できる。
【０１７７】
また電気導体の断面形状の矩形化により、高占積率化が可能であると共に、プレス等での導体セグメントの作成も可能であり、素材、加工コストの低減を図ることができる。
【０１７８】
また、電気導体と固定子鉄心との間の対向面積が大きくなるので、伝熱が良好となり電気導体の温度が更に低減できる効果がある。また、固定子全体の剛性が高まることから磁気音を抑える効果もある。また、電気導体自体の剛性があがることから、コイル間の隙間の管理が容易である。その結果、電気導体の絶縁皮膜の廃止、電気導体の固着材の廃止が可能となり、高信頼性で低コストの発電機が提供できる。また、巻線端部の剛性も高まることから、従来必要であった整流器５の端子台を廃止でき、直接、整流素子５２に接続することも可能になるので、更にコスト低減効果がある。
【０１７９】
また、スロット内を、単線の電気導体を、内外に２層化して収容しているため、組付が容易となる。しかも、接合箇所は径方向に１ヶ所であるから他の接合箇所との重なりがなくなり、溶接等の工程が容易になり、生産性が向上する。よって低コストの発電機を提供できる。更に、１組の整流器で構成できるため、電気部品が簡素化でき、低コスト化できる効果もある。
【０１８０】
また、ランデル型回転子であることから、冷却ファンに鉄材が使用できるので、高速回転に対する耐久性がセ−レント型回転子よりも優れる。セ−レント型回転子では、軸方向端面に磁極が並ぶので、この軸方向端面に設ける部材は、磁束短絡防止のためにアルミや樹脂などの非磁性材を使用しなければならないからである。このような高速耐久性の高さにより、プ−リ比を高く設定することができるので、エンジンのアイドリング回転時の回転子の回転数を高くして出力を向上できる。また、ファンの材料費や加工費が安く、さらにポ−ルコアとの接合手段にも安価なヒュ−ジング溶接などが採用できることにより、製造コストの低減効果もある。
【０１８１】
（第二実施例）
図１０から図１２に第二実施例を示す。第一実施例では、固定子鉄心３２の端面の片側に導体セグメント３３のターン部３３ｃを設けていたが、第二実施例ではターン部３３ｃで分離された導体セグメントを用いる。そして、固定子鉄心３２の両側に接合部を配置した点が異なる。
【０１８２】
図１１に図示されるように、導体セグメント３３は、スロット３５内に挿入される略直線状部分である内部導体３３ｈと、この内部導体の両側おいて固定子鉄心３２の軸方向両側に延びる略直線状部分である外部導体３３ｉを有してなる。この外部導体３３ｉは磁極ピッチの約半分の距離を周回する角度と長さを持っている。外部導体３３ｉは図１０に示すようにコイルエンド３１としての稜線部を形成している。そして、内層、外層の稜線部３３ｉの傾きが逆になるように複数の導体セグメント３３がスロット内に挿入されている。また、固定子鉄心３２は、図１２に示されるように歯先先端部３２ａをＵ字状またはＪ字状とした半製品から製造される。固定子鉄心３２は、複数の導体セグメント３３をスロット内に挿入した後、径方向から歯先先端部３２ａに加工治具を押し当てるなどして歯先先端部３２ａに塑性加工を加えて、スロットの内周側開口を狭めて製造される。このようにすることで、径方向内側からの導体セグメント３３の挿入が可能となり、予め導体セグメントを最終形状に加工することができ、組付けが容易となる。
【０１８３】
また、導体セグメントを挿入した後、導体セグメントを径方向内側から圧縮してスロット形状に合わせて変形させることで、更に高い占積率を得ることができる。また、塑性加工により歯先先端部が加工硬化するため、導体セグメント３３のスプリングバックによる歯先変形を防止できる効果もある。
【０１８４】
なお、導体セグメント３３は予め加工することとしたが、スロット内に収納した後折り曲げ加工しても良い。
【０１８５】
（第三実施例）
第一、第二実施例では内外層の電気導体を一対のみ、即ちスロットあたりの電気導体数を２Ｔとしたが、導体セグメントの挿入工程を繰り返すなどの手段により、電気導体を二対以上としてもよい。この場合も、図１３に示すように、異なる相のコイルエンド間の干渉は、第一実施例と同様に回避できる。このため、上記実施例と同様に高い占積率、高い冷却効率、低い騒音などの効果が得られる。更にスロットあたりの電気導体数が増えるので、低いエンジン回転数から発電を開始でき、低速回転時の発電量を増加させることができる。
【０１８６】
図１４には、内外層の電気導体を二対、つまりスロットあたりの導体数が４Ｔの場合のインシュレータの配置を示す。
【０１８７】
更に、内外層の電気導体を二対以上設けることで、スロット数の設定、結線箇所等を変えることにより、任意のＴ数を構成することができる。
【０１８８】
（第四実施例）
第一から第三実施例では、電気角で３０°の位相差をもつ２つのスロット群に収容された巻線を直列接続することにより、スロットあたりのＴ数を増やすとともに、磁気音の主成分である極対数の６倍次数成分をキャンセルして騒音低減を図っている。つまり、交流の状態で、２つの巻線の出力を合成している。
【０１８９】
これに対し、図１５、１６の固定子巻線展開図、および図１７の回路図に示すように、電気角で３０°の位相差をもつ２組の三相巻線をそれぞれの整流器で整流した後、合成して出力する点が異なる。つまり、直流の状態で、２つの巻線の出力を合成している。
【０１９０】
具体的結線例を図１５、図１６、図１７を使用して説明する。図１５、図１６の下側の渡り線部はセグメントターン部３３ｃとなり、上側が結線部３３ｄとなる。図中実線は内層電気導体、一点鎖線は外層電気導体を示す。
【０１９１】
まず、Ｘ相の第１巻線と第２巻線について説明する。スロット番号の４番から６スロットおきに９４番まで（４番、１０番、１６番……９４番）が第１のスロット群を成している。これらに隣接する５番から６スロットおきに９５番まで（５番、１１番、１７番……９５番）が第２のスロット群を成している。
【０１９２】
第１スロット群に形成される第１巻線は、図１５に示す巻線端Ｘ１と、Ｘ１’とを有する。第１巻線は、巻線端Ｘ１と、Ｘ１’との間に敷設された反転結線部で直列接続された２本の波巻巻線を含んでいる。
【０１９３】
第２スロット群に形成される第２巻線は、図１６に示す巻線端Ｘ２と、Ｘ２’とを有し、第１巻線と同様に形成されている。
【０１９４】
さらに、同様にして、電気角で１２０°離れてＹ相、Ｚ相が形成されている。これら各相についても、第１巻線と第２巻線が形成されている。
【０１９５】
そして、これら６本の巻線は、図１７に示すように結線される。Ｘ、Ｙ、Ｚ相の３つの第１巻線が星型結線されて第１整流器に接続される。Ｘ、Ｙ、Ｚ相の３つの第２巻線が星型結線されて第２整流器に接続される。第１整流器の直流出力と、第２整流器の直流出力とは並列に接続され、直流出力が合成される。
【０１９６】
これにより、２Ｔの３相巻線の直流出力を合計して取り出すので、低回転域での出力不足を改善することができる。更に、内外層電気導体を二対以上配置する第三実施例と組み合わせることで、４Ｔ以上を実現でき、低回転域での発電不足の問題を解消できる。また、電気角が異なる２つの巻線を直列接続することが不要であるから、導体セグメントの形状を同一にすることができ、導体セグメントの生産効率が更に向上できる。磁気音の主成分である極対数の６倍次数成分をキャンセルして騒音低減が達成される効果も得られる。
【０１９７】
なお上記実施例では、Ｘ相の第１スロット群と、Ｙ相の第１スロット群と、Ｚ相の第１スロット群とが第１スロット組に属し、Ｘ相の第２スロット群と、Ｙ相の第２スロット群と、Ｚ相の第２スロット群とが第２スロット組に属する。そして、これらスロット組に装備された巻線がそれぞれ異なる多相固定子巻線として多相結線され、それぞれ別々に整流されて、その後直流として並列接続されて合成されている。
【０１９８】
（その他の実施例）
上記第一実施例では、固定子２の端面の片側でのみ導体セグメントを接合したが、両側で接合してもよい。例えば、複数の導体セグメントのターン部を、固定子鉄心３２の両側に分散して配置することができる。この場合、接合部の間隔を広くでき、溶接等の接合工程が容易になる効果がある。
【０１９９】
上記第二実施例で採用した図１２に図示される固定子鉄心３２と、第一実施例で採用した図３に図示される導体セグメント３３とを組み合わせることができる。
【０２００】
また、図１２の固定子鉄心３２を採用する場合には、導体セグメントをスロットに挿入しつつ、挿入が完了したスロットから順番に塑性加工を実施することができる。これにより、生産効率を飛躍的に向上できる。
【０２０１】
電気導体としては、複数の素線からなる矩形断面の電気導体を採用できる。
【０２０２】
上記の実施例では、電気導体は銅製である。これに代えて、アルミ、鉄等を用いることができる。かかる材質の選定により、素材コストの低減、鋳物、ダイカストで導体セグメントを製造でき、生産工程が容易となる効果がある。
【０２０３】
また、電気導体の断面は、矩形としたが、丸断面であってもよい。また、矩形と丸との複合でもよい。たとえば、スロット内を矩形とし、スロット外を丸とすることができる。この場合、高い占積率、高い冷却性能の効果が得られる。また逆に、スロット内を丸とし、スロット外を矩形とすれば、コイルエンドにおける電気導体間の隙間を十分確保でき、冷却風の通風抵抗を低減して冷却性能を大幅に向上できる。なお、矩形断面の電気導体は、扁平形状と言い得る形状である。
【０２０４】
導体セグメント３３に絶縁皮膜を設け、インシュレータをスロットの内壁に沿ってＵ字型に配置しても良い。この場合、インシュレータ形状が単純化できる効果がある。また、固定子鉄心３２を絶縁処理してインシュレータを廃止しても良い。この場合、導体セグメント３３をスロットに挿入する時に、インシュレータがずれて絶縁不良を起こすことを防止できる。
【０２０５】
固定子巻線は、３相以上の多相巻線であっても良い。多相巻線であっても、固定子鉄心３２に規則的に巻線を形成でき、巻線形状を複雑にすることがない。３相以上とすることで、出力電圧のさらなる低ノイズ化、低リップル化を図ることができる。
【０２０６】
固定子巻線は、三角結線されてもよい。これは車両が必要とする発電量の特性に応じて、適宜、選択できる。
【０２０７】
回転子として、永久磁石を持たない回転子を採用してもよい。また、永久磁石の励磁のみによる回転子であってもよい。
【０２０８】
回転子の両端面に冷却ファンを設けてもよい。例えば図１８に示す構成を採用できる。この実施例では、回転子のフロント側端面にも冷却ファン１２が装備される。かかる構成によると、良好な冷却特性が得られる。なお、ランデル型回転子では、ポールコアのディスク部で風を発生するため、図１に示す片方の冷却ファン１１だけでも必要な冷却性が得られるが、両側に冷却ファンを設けた場合、更に車両用交流発電機としての体格を小型化できる効果がある。
【０２０９】
また、図１９に示す構成を採用してもよい。回転子３の冷却ファンが設置されていない端面に、フレーム４の吸入孔４１の外周部の内壁面４５を近接させて対向させている。これにより、ポールコア７のディスク部７２をファンと見立てて、内壁面４５がシュラウドの役割を担う。このため、ディスク部７２の送風能力が増す。従って、冷却ファンを両側に設ける場合に比べて、部品点数、加工工数を増やすことなく、同等の冷却性能を達成でき、更に小型化できる。
【０２１０】
図２３に示すように、巻線端３３ｆを、ターン部３３ｃと同じ側に設けてもよい。これにより、接合部での溶接などによる接合工程において、巻線端３３ｆが邪魔にならず、しかも同一パターンの繰り返し接合となるから、生産工程が容易となる。
【０２１１】
以上に述べた実施例では、回転子の磁極数の６倍の数のスロットを設けている。そして、隣接する２つのスロットに収容された電気導体を直列接続する箇所を設けることで、一連の巻線のターン数を４Ｔとした。これは、３相の２倍スロット直列巻線と呼ぶことができる。これに代えて、例えばスロット数を磁極数の９倍としてもよい。そして、隣接する３つのスロットに収容された電気導体を直列接続する箇所を設けることで、６Ｔとすることができる。これは、３相の３倍スロット直列巻線と呼ぶことができる。また、同一スロット内の導体を直列接続しないで、並列接続させる箇所を設けることにより、５Ｔとするなど奇数のターン数に設定することもできる。スロット数の増加によりさらに多いターン数に設定してもよい。
【０２１２】
また、固定子鉄心３２に設けるスロット数は、上記倍スロット構成よりさらに１スロットだけ多くしてもよい。例えば、９７本のスロットを固定子鉄心３２に形成してもよい。この場合の結線を説明する展開図を図２０、図２１に示す。図中、実線は内層電気導体、一点鎖線は外層電気導体を示す。この構成によると、結線部１０４、１０５の形状、特に高さを他のコイルエンドを同じにすることができる。図６、図７に図示される結線では、結線部１０２、１０３は、他のコイルエンドとは異なる高さを持っており、異なる形状の電気導体を必要とするとともに、接合工程の複雑化を招く。
【０２１３】
隣接するスロットの異なる層をなす電気導体を接続する結線部１０４は、他のコイルエンドと同じ傾斜と高さを持っている。このため、Ｕ字状の導体セグメントの製作にあたって、直線部の長さを統一でき、導体セグメントの生産工程が容易になる。更に、同じ層の電気導体を接続するための結線部１０５は、通常の繰り返しと同じ形状とすることができるので、結線工程が容易になる。
【０２１４】
この構成では、図２０、図２１の巻線端Ｘなどの引出し側に、Ｕ字状の導体セグメントのターン部を配置してもよい。ターン部の広がりがすべてスロット６本分に統一化されるため、セグメントの生産工程が容易になる効果もある。
【０２１５】
また、固定子には、電気絶縁を確保するための絶縁性樹脂をコーティングをしてもよい。かかる樹脂は、含浸樹脂とも呼ばれる。かかる樹脂は、巻線の電気絶縁性を高めるため、あるいは固定子状のセグメント等を相互に固着して固定するために有効である。なお、樹脂のコーティングにあたっては、コイルエンド群内への通風性を損なわないように付与することが望ましい。ただし、樹脂によってコイルエンド間の隙間がいくぶん塞がれることがあってもよい。かかる構成にあっても、コイルエンド群において各セグメントの間に隙間が維持されることで、放熱に寄与する表面積を広く確保することができ高い冷却性を得ることができる。
【０２１６】
以上に説明した実施例によると、コイルエンドの干渉を抑制でき、固定子巻線の高占積率化が図れ、出力を向上する効果がある。更に、異なるスロットの内外層に位置する導体を直列に接続しているのでスロット内位置に起因する各相巻線の導体長さ、漏れインダクタンスは各相で均一化される。このためコイルを流れる電流が均一化され、各相の発熱量も同じとなるため、局部的な固定子巻線の発熱や起磁力アンバランスを防止でき、温度低減、低騒音化が図れる。また、隣接するスロットを直列接続する固定子巻線とすることで、スロットあたりの導体数を少なくしてコイルエンドでの導体間の隙間を確保しつつ車両用発電機に必要な低回転時の出力を得るためのターン数を得ることができる。特に、上述の実施例では、電気角が３０度異なる２組の三相固定子巻線を構成しているから、電気磁気的な騒音を抑制する効果があるとともに、実質的には電気的な位相が異なる６つの巻線の出力を合成しているので、整流後の直流電力に含まれるリップル成分が少なく、高品質の電力を供給できる。しかも、セグメントを用いて固定子巻線を構成し、スロット内においては深さ方向にのみ電気導体を積層して収容している。このため、一様な形状をもった複数のコイルエンドを一様に配列することができ、電気的に位相が異なる複数の巻線を、コイルエンドにおいてはそれぞれ均等に外部に露出させ、冷却風に対して均等にさらすことができる。しかも、コイルエンドにおいては複数の導体セグメントが互いに離間しているので、放熱のための十分な表面積が確保される。さらには冷却風が横切って流れることで優れた放熱性が実現される。これらの作用により、複数の巻線毎の冷却性のばらつきをなくしながら、高い放熱性、冷却性を実現することができ、電気導体の断面積向上に伴う電気抵抗の低下と相まって、小型化、高出力化に適合可能な車両用交流発電機が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第一実施例の縦断面図である。
【図２】図２は第一実施例の固定子の外観図である。
【図３】図３は第一実施例の導体セグメント３３の斜視図である。
【図４】図４は第一実施例の固定子の部分的な断面図である。
【図５】図５は第一実施例の固定子の両端面のコイルエンドを示す斜視図である。
【図６】図６は固定子巻線の結線状態を示す展開図であって、１番目から４８番目のスロットを示している。
【図７】図７は固定子巻線の結線状態を示す展開図であって、４９番目から９６番目のスロットを示している。図６と図７は、Ｖ−Ｖ線、ＶＩ−ＶＩ線で環状に接続されて一連の固定子巻線を示している。
【図８】図８は車両用交流発電機の回路図である。
【図９】図９は車両用交流発電機の出力特性を示すグラフである。
【図１０】図１０は第二実施例の固定子の部分的な外観図である。
【図１１】図１１は第二実施例の導体セグメント３３の斜視図である。
【図１２】図１２は第二実施例の固定子の部分的な断面図である。
【図１３】図１３は第三実施例の固定子のコイルエンドを示す斜視図である。
【図１４】図１４は第三実施例の固定子の部分的な断面図である。
【図１５】図１５は第四実施例の固定子巻線の結線状態を示す展開図である。
【図１６】図１６は第四実施例の固定子巻線の結線状態を示す展開図である。図１５と図１６とは、ＶＩＩ−ＶＩＩ線、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線で環状に接続されて一連の固定子巻線を示している。
【図１７】図１７は第四実施例の車両用交流発電機の回路図である。
【図１８】図１８は、その他の実施例の縦断面図である。
【図１９】図１９は、その他の実施例の縦断面図である。
【図２０】図２０は他の実施例の固定子巻線の結線状態を示す展開図である。
【図２１】図２１は他の実施例の固定子巻線の結線状態を示す展開図である。図２０と図２１とは、ＩＸ−ＩＸ線、Ｘ−Ｘ線で環状に接続されて一連の固定子巻線を示している。
【図２２】図２２は第一実施例の固定子巻線端を示す斜視図である。
【図２３】図２３はその他の実施例の固定子巻線端を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 車両用交流発電機
２ 固定子
３ 回転子
３１ コイルエンド
３２ 固定子鉄心
３３ 導体セグメント
３４ インシュレータ
３５ スロット
４ フレーム
５ 整流器
６ シャフト
７ ポールコア
８ 界磁コイル
Claims (3)
- 回転周方向に沿って交互にＮＳ極を形成する界磁回転子と、該回転子と対向配置された固定子鉄心、及びこの固定子鉄心に装備された多相固定子巻線を備える固定子と、前記回転子と前記固定子とを支持するフレームとを有する車両用交流発電機において、
前記固定子鉄心には、前記多相固定子巻線を収容する複数のスロットが形成されており、
前記多相固定子巻線は、複数の導体セグメントを接合して構成されており、
これら複数の導体セグメントは、前記スロット内においては、前記スロットの深さ方向に関して二対以上の対をなして前記スロットの深さ方向にのみ配列され、前記スロット内に互いに絶縁して収納されており、前記スロット外においては、前記固定子鉄心の端面側に延び出して配置されてコイルエンドをなしており、複数の前記導体セグメントは、互いに接合されて複数の接合部を形成しており、
複数の前記接合部は、多重の環状に配列されており、周方向並びに径方向に関して互いに離間して配置されていることを特徴とする車両用交流発電機。 - 請求項１記載の車両用交流発電機において、
複数の前記接合部は、２重の環状に配列されていることを特徴とする車両用交流発電機。 - 請求項１記載の車両用交流発電機において、
前記固定子は、含浸樹脂を備えることを特徴とする車両用交流発電機。
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