JP3903637B2 - 車両用交流発電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用交流発電機に関する。
【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という特長がある。また、同じようにＵ字状の導体セグメントを用いて巻線が形成されているものとして、ＷＯ９８／５４８２３に開示された車両用交流発電機が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したＷＯ９２／０６５２７に開示された車両用交流発電機においては、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。このとき、同一のスロットから引き出される導体セグメントの２つの接合部は接近し、異なるスロットから引き出される接合部は離れており、接合部の間隔が一様でなかった。このため、近接した接合部においては、溶接電極の干渉防止等の対策が必要になり、また接合部の間隔を等しくするためには、導体セグメントを固定して曲げ加工する治具１００、１０２を、同一スロットの同じスロット深さ位置にある導体セグメントごとに設ける必要があり、製造工程が複雑になるという問題点があった。また、車両用交流発電機は、塩水やカーシャンプーなどの電解液にさらされるといった厳しい環境の下で使用されることが多いため、近接した接合部間が短絡して発電異常を起こすおそれがあり、耐環境性が悪化するという問題があった。
【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、製造工程の簡略化が可能であり、耐環境性に優れた車両用交流発電機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明によれば、固定子は、複数のスロットを有する固定子鉄心と、前記スロット内で回転周方向に沿って複数列が収納される複数の導体セグメントとを有し、複数の前記導体セグメントは、前記スロット内に収納される直線部と、回転軸方向に沿った前記スロットの両側に突出して互いに周方向に沿って反対の向きに傾斜する２つの斜行部と、前記斜行部の端部に形成される２つの接合部とを含んでおり、前記２つの斜行部の周方向長さは異なり、前記端部どうしの周方向距離は前記ＮＳ磁極ピッチに対向した長さであり、前記スロット内の同じ周方向に沿って収納された複数の前記導体セグメントは、２本を単位として同じ形状のものが含まれており、これらの同じ形状を有する２本の前記導体セグメントを回転軸方向に逆向きに配置され、径方向に隣接する前記接合部どうしを接合することによって固定子巻線をする。これにより、使用する導体セグメントの種類を減らすことができるため、製造工程の簡略化が可能になる。
【０００６】
請求項２に記載された発明によれば、前記スロット内の同じ周方向に沿って偶数本の前記導体セグメントが備わっており、位相数をｎ、１スロットあたりの周方向の列数を２ｋとし、ｎ及びｋは１以上の自然数とし、前記ＮＳ磁極ピッチに対向した長さをＰとし、ｘを１以上ｋ以下の自然数をしたときに、前記導体セグメントに含まれる前記斜行部の周方向の長さを、｛２ｎ（２ｋ−１）±（２ｘ−１）｝Ｐ／｛４ｎ（２ｋ−１）｝に設定している。また、請求項３に記載された発明によれば、前記スロット内の同じ周方向に沿って奇数本の前記導体セグメントが備わっており、位相数をｎ、１スロットあたりの周方向の列数を２ｈ＋１とし、ｎおよびｈは１以上の自然数とし、前記ＮＳ磁極ピッチに対向した長さをＰとし、ｙを０以上ｈ以下の自然数としたときに、前記導体セグメントに含まれる前記斜行部の周方向の長さを、（２ｎｈ±ｙ）Ｐ／（４ｎｈ）に設定している。このようにして各導体セグメントの斜行部の長さを設定することにより、各接合部の間隔を等しくすることができるため、一部の接合部が接近して生じる接合部間の短絡やこれによる発電異常の発生を防止することができ、耐環境性を向上させることができる。
【０００７】
請求項４に記載された発明によれば、前記導体セグメントは、前記スロット内に収納された前記直線部が、前記スロット形状に沿ったほぼ矩形の断面形状を有している。これにより、スロット内で導体セグメントの周囲に形成される隙間を減らすことができるため、高いスロット収容占積率を確保することができる。
【０００８】
【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。
【０００９】
図１は、本実施形態の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。
【００１０】
固定子２は、固定子鉄心２２と、固定子巻線２１を構成するほぼ１種類の導体セグメント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。固定子２の詳細な構造については後述する。
【００１１】
回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線３１を、それぞれが６個の爪部を有するポールコア３２によって、回転軸３３を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、フロント側のポールコア３２の端面には、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の冷却ファン３５が溶接等によって取り付けられている。同様に、リヤ側のポールコア３２の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すための冷却ファン３６が溶接等によって取り付けられている。また、回転軸３３のリヤ側端部近傍には、界磁巻線３１の両端に電気的に接続された２つのスリップリング３７、３８が形成されており、これらのスリップリング３７、３８を介してブラシ装置７から界磁巻線３１に対して給電が行われる。
【００１２】
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が回転軸３３を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３のポールコア３２の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム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２１のコイルエンドに対向した部分に冷却風の吐出窓４１を有し、軸方向端面に吸入窓４２を有している。
【００１３】
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３１に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア３２のそれぞれの爪部が励磁されて回転子３の回転周方向に沿って交互にＮＳ磁極が形成されるため、固定子巻線２１に三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。
【００１４】
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。図２に示すように、固定子鉄心２２は複数のスロット２５を有しており、各スロット２５には多相の固定子巻線２１が収容されている。本実施形態では、回転子３の磁極数に対応して、三相の固定子巻線２１を収容するように、３６個のスロット２５が回転周方向に等間隔に配置されている。また、複数のスロット２５のそれぞれには、４本の電気導体が収容される。一のスロット２５内の４本の電気導体は、固定子鉄心２２の径方向（奥行き方向）と周方向のそれぞれに二列ずつ配置されている。
【００１５】
図３は、固定子巻線２１を構成する導体セグメント２３の詳細形状を示す斜視図である。図３に示す導体セグメント２３は、折り返しを有しない棒状の導体であり、ほぼ矩形断面を有している。この導体セグメント２３は、スロット２５内に収容される直線部２３ａと、この直線部２３ａの両側において固定子鉄心２２の軸方向両側に延びる斜行部２３ｂ、２３ｃとを有している。この斜行部２３ｂ、２３ｃは、軸方向に対して周方向に所定の角度傾斜しており、それぞれの端部は、回転子３のＮＳ磁極ピッチに対応して離間した他のスロット２５に収納されている他の導体セグメント２３の端部同士を溶接等によって接合するために用いる接合部２３ｄとなる。
【００１６】
また、この導体セグメント２３に含まれる一方の斜行部２３ｃは、周方向の長さが５Ｐ／１２に、他方の斜行部２３ｂは、周方向の長さが７Ｐ／１２に設定されている。各スロット２５には、４本の導体セグメント２３がそれぞれの向きを異ならせた状態で収納されており、それぞれの直線部２３ａが図２に示したスロット２５内の４本の電気導体となる。例えば、スロット２５の内層側に対応した２本の導体セグメント２３は、互いの直線部２３ａを周方向に重ねるとともに、固定子鉄心２２の一方の端面側においてそれぞれの斜行部２３ｂと２３ｃが同一周方向に沿って並ぶように配置される。このような内層側の２本の導体セグメント２３の配置は、全てのスロット２５において同じ向きに行われる。また、スロット２５の外層側に対応した２本の導体セグメント２３は、互いの直線部２３ａを周方向に重ねる点は同じであるが、固定子鉄心２２の一方の端面側において、内層側の導体セグメント２３とは反対向きになるようにそれぞれの斜行部２３ｂ、２３ｃが同一周方向に沿って並ぶように配置される。このようにしてスロット２５の内層側に配置された２本の導体セグメント２３と外層側に配置された２本導体セグメント２３のそれぞれの接合部２３ｄが、回転子３のＮＳ磁極ピッチＰだけ離れたもの同士接合されて、波巻がなされた固定子巻線２１が形成される。
【００１７】
図４は、固定子２の部分的な巻線仕様図である。例えば、図４に示すように、スロット番号「４」のスロット２５の内層側には、上下方向を反対にして組み合わせた２本の導体セグメント２３が収納されており、スロット番号「４」と１磁極ピッチ離れたスロット「１」のスロット２５の外層側には、上述した２本の導体セグメント２３とは周方向に沿って反対向きとなるように配置された２本の導体セグメント２３が収納されている。そして、スロット番号「４」のスロット２５から固定子鉄心２２の一方の端面側に延びた斜行部２３ｃとスロット番号「１」のスロット２５から同じ側に延びた斜行部２３ｂとが結線されるように、これらに対応した２つの接合部２３ｄを溶接等によって接合する。また、スロット番号「４」のスロット２５から固定子鉄心２２の一方の端面側に延びた斜行部２３ｂとスロット番号「１」のスロット２５から同じ側に延びた斜行部２３ｃとが結線されるように、これらに対応した２つの接合部２３ｄを溶接等によって接合する。
【００１８】
図５は、導体セグメント２３が固定子鉄心２２に装備された状態を示す斜視図である。上述したように、各スロット２５の内層側に収納された各導体セグメント２３は、固定子鉄心２２の両端面のそれぞれにおいて、同一周方向に沿って斜行部２３ｂと２３ｃが組み合わされて延びている。そして、各斜行部２３ｂ、２３ｃの端部である接合部２３ｄは、１磁極ピッチ離れた他のスロット２５から延びた斜行部２３ｃと２３ｂの端部である接合部２３ｄと接合される。
【００１９】
ところで、上述した導体セグメント２３は、固定子鉄心２２の各スロット２５に収納される前に、図３に示した形状に整形される。したがって、各スロット２５に収納するために、固定子鉄心２２の軸方向から挿入することはできない。このため、本実施形態では、固定子鉄心２２の形状を工夫することにより、スロットの内径側から導体セグメント２３を挿入できるようになっている。
【００２０】
図６は、導体セグメント２３を径方向から挿入するための形状を有する固定子の部分的な断面図である。図６に示すように、固定子鉄心２２は、径方向に沿った突起部１３０が形成された歯先先端部１２４を有している。これにより、各スロット２５′は、内径側の開口部の周方向の幅と、スロット２５′内部の周方向の幅と同じに設定することができる。このような固定子鉄心２２を用いることにより、図３に示した両端近傍に斜行部２３ｂ、２３ｃが形成された導体セグメント２３をスロット２５′の内径側から挿入することができる。その後、スロット２５′の内径側の開口を塞ぐように突起部１３０を周方向に折り曲げて、図２に示すスロット２５が形成される。図３に示したような両側の斜行部２３ｂ、２３ｃが形成された後の導体セグメント２３を用いる場合には、各スロットに導体セグメントを挿入した後に整形する場合に比べて、製造工程の簡略化が可能になる。また、スロット２５′に導体セグメント２３を挿入した後に、径方向から加圧して導体セグメント２３のスロット２５′内の直線部２３ａをスロット形状に合わせて変形することも可能になるため、スロット２５内の占積率を高めて出力向上を図る効果もある。
【００２１】
このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、一のスロット２５の同じ深さ位置（内層あるいは外層）に２本の導体セグメントが収納される場合であっても、図３に示すような１種類の導体セグメント２３を用いて固定子巻線２１を形成することができ、このとき導体セグメント２３の端部に形成される各接合部を等間隔に配置することができる。したがって、隣接する一部の接合部のみ接近しすぎたために生じる接合部間の短絡や発電異常の発生を防止することができ、耐環境性を向上させることができる。
【００２２】
また、固定子鉄心２２に挿入する前に導体セグメント２３の斜行部３３ｂ、３３ｃを形成することができるため、固定子鉄心２２に各導体セグメント２３を挿入した後の整形作業等が不要であり、行程の簡略化が可能となる。また、基本的に図３に示した１種類の導体セグメント２３を用いて固定子巻線２１のほとんどを形成することができるため、部品点数低減による製造コストの低減が可能になる。
【００２３】
さらに、図２に示すように、導体セグメント２３の断面を矩形形状に形成することにより、スロット２５内の占積率を高めることができるため、固定子巻線２１の抵抗値を低減し、発電能力を向上させることができる。しかも、連続巻線を用いずに導体セグメント２３を用いることにより、上述した高占積率化に加えて、コイルエンド間の隙間を形成する工程を簡略化でき、固定子２の製造コストを低減することができる。
【００２４】
ところで、上述した実施形態では、スロット２５内に収容された電気導体は、回転周方向に二列の場合を考えたが、この周方向の電気導体の列数は、３列以上の場合に一般化することができ、その具体的な設定内容は以下のようになる。
【００２５】
（１）１スロットあたりの周方向列数が２ｋ（偶数）の場合
１スロット内の周方向の列数が２ｋの場合には、導体セグメントの直線部とその両端の接合部のそれぞれまでの周方向長さａ、ｂは、以下のようになる。
【００２６】

ここで、ＰはＮＳ磁極ピッチを、ｎは位相数をそれぞれ示している。また、ｘは１，２，…ｋである。例えば、ｋ＝１（２列）、ｎ＝３（三相）の場合に、上述した（１）式にこれらの値を代入して計算すると、（６±１）Ｐ／１２となって、直線部から各接合部までの長さが５Ｐ／１２と７Ｐ／１２の１種類の導体セグメントを用いればよいことがわかる。これは、図３に示した導体セグメント２３そのものである。
【００２７】
また、ｋ＝２（４列）、ｎ＝３（三相）の場合に、上述した（１）式にこれらの値を代入して計算すると、（１８±１）Ｐ／３６、（１８±３）Ｐ／３６となって、直線部から各接合部までの長さが１７Ｐ／３６と１９Ｐ／３６の第１の導体セグメントと、１５Ｐ／３６と２１Ｐ／３６の第２の導体セグメントを用いればよいことがわかる。図７は、これら２種類の導体セグメントを用いた場合の各接合部の周方向位置を説明するための図である。図７に示すように、例えばスロット番号「１」を基準に考えた場合に、このスロットに収納される４列分の導体セグメントに対応する４つの接合部のそれぞれの周方向位置は、基準位置からそれぞれ１５Ｐ／３６、１７Ｐ／３６、１９Ｐ／３６、２１Ｐ／３６となって、隣接する接合部の間隔がＰ／１８となる。
【００２８】
（２）１スロットあたりの周方向列数が２ｈ＋１（奇数）の場合
１スロット内の周方向の列数が２ｈ＋１の場合には、導体セグメントの直線部とその両端の接合部のそれぞれまでの周方向長さａ、ｂは、以下のようになる。
【００２９】
（２ｎ×ｈ±ｙ）Ｐ／（４ｎ×ｈ） …（２）
ここで、ｙは０，１，２，…ｈである。例えば、ｈ＝１（３列）、ｎ＝３（三相）の場合に、上述した（２）式にこれらの値を代入して計算すると、６Ｐ／１２、（６±１）Ｐ／１２となって、直線部から各接合部までの長さが６Ｐ／１２の第１の導体セグメントと、５Ｐ／１２と７Ｐ／１２の第２の導体セグメントを用いればよいことがわかる。図８は、これら２種類の導体セグメントを用いた場合の各接合部の周方向位置を説明するための図である。図８に示すように、例えばスロット番号「１」を基準に考えた場合に、このスロットに収納される３列分の導体セグメントに対応する３つの接合部のそれぞれの周方向位置は、基準位置からそれぞれ５Ｐ／１２、６Ｐ／１２、７Ｐ／１２となって、隣接する接合部の間隔がＰ／１２となる。
【００３０】
このように、スロット内の周方向に配置された導体セグメントの列数が３以上の任意の値になった場合であっても、最小限の数の導体セグメントを組み合わせるだけで、接合部を等間隔に配置することができる。このため、隣接する接合部間の短絡や発電異常の発生を防止することができ、耐環境性を向上させることができる。
【００３１】
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、図６に示した固定子鉄心２２は、歯先先端部１２４に２つの突起部１３０を形成しておいて、これらを周方向の両側に向けて変形することにより、スロット２５′の内径側の開口部を塞ぐようにしたが、図９に示すように、固定子鉄心２２の歯先先端部１２４に１つの突起部１３２を形成しておいて、これを所定の周方向に沿って変形することにより、スロット２５′の内径側の開口部を塞ぐようにしてもよい。
【００３２】
また、上述した実施形態では、直線部２３ａの両側に斜行部３３ｂ、３３ｃが形成されている導体セグメントの２３を固定子鉄心２２の各スロット２５に内径側から挿入する場合を説明したが、これらの斜行部３３ｂ、３３ｃのいずれかが形成されていない状態の導体セグメント、すなわち、図１０に示すように、一方の斜行部２３ｃが形成されておらず、直線部２３ａが斜行部２３ｂと反対側の端部まで延びた導体セグメント１２３と、図１１に示すように、他方の傾斜部２３ｄが形成されておらず、直線部２３ａが斜行部２３ｃと反対側の端部まで延びた導体セグメント２２３を用意し、これら２種類の導体セグメント１２３、２２３をスロット２５へ軸方向から挿入し、スロット２５の反対側から突出した導体セグメント２３の一部を折り曲げて、斜行部２３ｃ、２３ｂを形成するようにしてもよい。この折り曲げ加工において、軸方向に沿って固定子鉄心２２の端面から離れた位置で折れ曲がる一方の導体セグメント１２３の方が斜行部２３ｃを形成する際の曲げＲが大きくなって加工硬化が少ないため、スプリングパックによって、より固定子鉄心２２側に配置された他方の導体セグメント２２３の斜行部２３ｂから浮き上がる。したがって、同一スロットから延びた２つの導体セグメント１２３、２２３に対応した２つの接合部が離れるように配置され、容易に等間隔に近い状態で各接合部を配置することができる。
【００３３】
また、上述した実施形態では、各接合部が完全に等間隔で配置される場合を説明したが、各接合部を多少不等間隔で配置するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の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導体セグメントの詳細形状を示す斜視図である。
【図４】固定子の部分的な巻線仕様図である。
【図５】導体セグメントが固定子鉄心に装備された状態を示す斜視図である。
【図６】導体セグメントを径方向から挿入するための形状を有する固定子の部分的な断面図である。
【図７】１スロット内の周方向に４列の導体セグメントが収容されている場合に、２種類の導体セグメントを用いた場合の各接合部の周方向位置を説明するための図である。
【図８】１スロット内の周方向に３列の導体セグメントが収容されている場合に、２種類の導体セグメントを用いた場合の各接合部の周方向位置を説明するための図である。
【図９】導体セグメントを径方向から挿入するための形状を有する他の固定子の部分的な断面図である。
【図１０】各スロットに軸方向から挿入する導体セグメントを示す斜視図である。
【図１１】各スロットに軸方向から挿入する他の導体セグメント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
４ フレーム
２１ 固定子巻線
２２ 固定子鉄心
２３、１２３ 導体セグメント
２３ａ 直線部
２３ｂ、２３ｃ 斜行部
２３ｄ、２３ｅ 接合部
２４ インシュレータ
２５ スロット

Claims (4)

1. 回転周方向に沿って交互にＮＳ磁極が形成された回転子と、前記回転子と対向配置された固定子とを有する車両用交流発電機において、
   前記固定子は、複数のスロットを有する固定子鉄心と、前記スロット内で回転周方向に沿って複数列が収納される複数の導体セグメントとを有し、
   複数の前記導体セグメントは、前記スロット内に収納される直線部と、回転軸方向に沿った前記スロットの両側に突出して互いに周方向に沿って反対の向きに傾斜する２つの斜行部と、前記斜行部の端部に形成される２つの接合部とを含んでおり、
   前記２つの斜行部の周方向長さは異なり、前記端部どうしの周方向距離は前記ＮＳ磁極ピッチに対向した長さであり、
   前記スロット内の同じ周方向に沿って収納された複数の前記導体セグメントは、２本を単位として同じ形状のものが含まれており、これらの同じ形状を有する２本の前記導体セグメントを回転軸方向に逆向きに配置され、
   径方向に隣接する前記接合部どうしを接合することによって固定子巻線を形成することを特徴とする車両用交流発電機。
2. 請求項１において、
   前記スロット内の同じ周方向に沿って偶数本の前記導体セグメントが備わっており、位相数をｎ、１スロットあたりの周方向の列数を２ｋとし、ｎ及びｋは１以上の自然数とし、前記ＮＳ磁極ピッチに対向した長さをＰとし、ｘを１以上ｋ以下の自然数をしたときに、前記導体セグメントに含まれる前記斜行部の周方向の長さを、
   ｛２ｎ（２ｋ−１）±（２ｘ−１）｝Ｐ／｛４ｎ（２ｋ−１）｝
   に設定することを特徴とする車両用交流発電機。
3. 請求項１において、
   前記スロット内の同じ周方向に沿って奇数本の前記導体セグメントが備わっており、位相数をｎ、１スロットあたりの周方向の列数を２ｈ＋１とし、ｎおよびｈは１以上の自然数とし、前記ＮＳ磁極ピッチに対向した長さをＰとし、ｙを０以上ｈ以下の自然数としたときに、前記導体セグメントに含まれる前記斜行部の周方向の長さを、
   （２ｎｈ±ｙ）Ｐ／（４ｎｈ）
   に設定することを特徴とする車両用交流発電機。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記導体セグメントは、前記スロット内に収納された前記直線部が、前記スロット形状に沿ったほぼ矩形の断面形状を有することを特徴とする車両用交流発電機。

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