JP3920004B2 - 車両用交流発電機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両用交流発電機に関し、特に車両用交流発電機の固定子に巻装される固定子巻線構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5は一般的な車両用交流発電機を示す断面図である。
図5において、車両用交流発電機は、ランドル型の回転子7がアルミニウム製のフロントブラケット1およびリヤブラケット2から構成されたケース3内にシャフト6を介して回転自在に装着され、固定子8が回転子7の外周側を覆うようにケース3の内壁面に固着されて構成されている。
シャフト6は、フロントブラケット1およびリヤブラケット2に回転可能に支持されている。このシャフト6の一端にはプーリ4が固着され、エンジンの回転トルクをベルト(図示せず)を介してシャフト6に伝達できるようになっている。回転子7に電流を供給するスリップリング9がシャフト6の他端部に固着され、一対のブラシ10がこのスリップリング9に摺接するようにケース3内に配設されたブラシホルダ11に収納されている。固定子8で生じた交流電圧の大きさを調整するレギュレータ18がブラシホルダ11に嵌着されたヒートシク17に接着されている。固定子8に電気的に接続され、固定子8で生じた交流を直流に整流する整流器12がケース3内に装着されている。
【0003】
回転子7は、電流を流して磁束を発生する回転子巻線13と、この回転子巻線13を覆うように設けられ、回転子巻線13で発生された磁束によって磁極が形成される一対のポールコア20、21とから構成される。一対のポールコア20、21は、鉄製で、それぞれ6つの爪形状の爪状磁極22、23が外周縁に周方向に等角ピッチで突設され、爪状磁極22、23をかみ合わせるように対向してシャフト6に固着されている。さらに、ファン5が回転子7の軸方向の両端に固着されている。
固定子8は、軸方向に延びるスロットが周方向に所定ピッチで複数形成された円筒状の固定子鉄心15と、固定子鉄心15に巻装された固定子巻線16とを備えている。
【0004】
このように構成された車両用交流発電機では、電流がバッテリ(図示せず)からブラシ10およびスリップリング9を介して回転子巻線13に供給され、磁束が発生される。この磁束により、一方のポールコア20の爪状磁極22がN極に着磁され、他方のポールコア21の爪状磁極23がS極に着磁される。一方、エンジンの回転トルクがベルトおよびプーリ4を介してシャフト6に伝達され、回転子7が回転される。そこで、固定子巻線16に回転磁界が与えられ、固定子巻線16に起電力が発生する。この交流の起電力が整流器12を通って直流に整流されるとともに、その大きさがレギュレータ18により調整され、バッテリに充電される。
【0005】
ここで、固定子巻線16の構造について図6を参照しつつ説明する。ここでは、回転子7の磁極数を12とする。なお、図6中1〜36の符号はスロット番号を示している。
固定子鉄心15は、磁性材料を円筒状に成形したもので、36個のスロット15aが内周側に開口するように周方向に等間隔に形成されている。
巻線30は、導線29を3個目ごとのスロット15a(スロット番号1、4、7・・・34のスロット)に順にスロット15aからスロット15aへと波状に巻装されて形成されている。また、巻線31は、導線29を3個目ごとのスロット15a(スロット番号3、6、9・・・36のスロット)に順にスロット15aからスロット15aへと波状に巻装されて形成されている。さらに、巻線32は、導線29を3個目ごとのスロット15a(スロット番号5、8、11・・・2のスロット)に順にスロット15aからスロット15aへと波状に巻装されて形成されている。
このように形成された3本の巻線30、31、32は、それぞれの巻き終わり30b、31b、32bを結線して、即ちY結線して固定子巻線16を構成している。そして、巻き終わり30b、31b、32bの結線部が固定子巻線16の中性点となり、巻き始め30a、31a、32aが固定子巻線16の口出し線となる。なお、3本の巻線30、31、32は電気角で120°位相が異なっている。
【0006】
また、整流器12は、直列に接続されたプラス側ダイオードd11とマイナス側ダイオードd21、直列に接続されたプラス側ダイオードd12とマイナス側ダイオードd22、直列に接続されたプラス側ダイオードd13とマイナス側ダイオードd23および直列に接続されたプラス側ダイオードd14とマイナス側ダイオードd24が、出力端子Bとアースとの間に並列に接続されて構成されている。そして、固定子巻線16は、図7に示されるように、巻線30の巻き始め30aが直列に接続されたダイオードd11、d21間に、巻線31の巻き始め31aが直列に接続されたダイオードd12、d22間に、巻線32の巻き始め32aが直列に接続されたダイオードd13、d23間に、さらに中性点が直列に接続されたダイオードd14、d24間に、それぞれ結線されて、整流器12に接続されている。
【0007】
このように構成された車両用交流発電機では、回転速度が低速の場合、1相誘起電圧の31/2倍の電圧が線間に発生する。また、回転速度が高速の場合、主磁束は3相の巻線30、31、32に流れる3相交流電流により弱められるが、3次高調波起電力が残るので、中性点に接続したダイオードでこれも利用している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来の車両用交流発電機においては、固定子巻線16が電気角で120°位相の異なる3相の巻線30、31、32をY結線して構成されているので、線間には1相誘起電圧の31/2倍の電圧しか発生されず、低速の回転速度における発電要求に応えられないという課題があった。
これを解決するためには、各相の巻線30、31、32の巻数を増やすことが考えられるが、この場合、高速の回転速度での発電電流が減ってしまうという問題が発生してしまう。
【0009】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、固定子巻線構造を工夫して、線間に発生する電圧の大電圧化を可能とするとともに、高速の回転速度での発電電流の大電流化を可能とする車両用交流発電機を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る車両用交流発電機は、ケース内に回転自在に配設された回転子と、スロットが内周側に開口するように周方向に複数設けられた円筒状の固定子鉄心および上記固定子鉄心に巻装された3相の巻線をY結線して構成された固定子巻線を有し、上記回転子を取り囲むように上記ケースに固着された固定子とを備えた車両用交流発電機において、上記3相の巻線は、それぞれ、Y結線される第1巻線と、該第1巻線に直列に接続され、該第1巻線に対して電気角で所定の位相差をもつ第2巻線とから構成され、各相の上記第1巻線と上記第2巻線との接続部が一組の3相ダイオードブリッジに接続され、かつ、各相の上記第2巻線の端部がもう一組の3相ダイオードブリッジに接続されているものである。
【0011】
また、上記3相の巻線のそれぞれにおいて、上記第1巻線と上記第2巻線とが電気角で120°の位相差をもつように構成されているものである。
【0012】
また、Y結線された上記第1巻線の中性点がダイオードブリッジに接続されているものである。
【0013】
また、上記3相の巻線のそれぞれにおいて、上記第2巻線の巻き数が上記第1巻線の巻き数より多いものである。
【0014】
また、上記3相の巻線のそれぞれにおいて、上記第2巻線の導線径が上記第1巻線の導線径より太いものである。
【0015】
また、上記3相の巻線のそれぞれにおいて、上記第1巻線が上記スロット内のスロット深さ方向の深い側に位置するように上記固定子鉄心に巻装され、上記第2巻線が上記スロット内のスロット深さ方向の浅い側に位置するように上記固定子鉄心に巻装されているものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機における固定子巻線の電気結線図、図2はこの発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機の固定子における固定子巻線構造を説明する展開図である。
図1において、固定子巻線16Aは、電気角で120°の位相差を有する3相の巻線40、50、60をY結線されて構成されている。そして、巻線40は、電気角で120°の位相差を有する第1および第2巻線41、42を直列に接続して構成されている。また、巻線50は、電気角で120°の位相差を有する第1および第2巻線51、52を直列に接続して構成されている。さらに、巻線60は、電気角で120°の位相差を有する第1および第2巻線61、62を直列に接続して構成されている。
ここで、3相の巻線40、50、60は同一の導線を用い、同じターン数に形成されている。また、第1巻線41、51、61と第2巻線42、52、62とのターン数も同じに形成されている。
【0017】
また、整流器12Aは、直列に接続されたプラス側ダイオードd11とマイナス側ダイオードd21、直列に接続されたプラス側ダイオードd12とマイナス側ダイオードd22、直列に接続されたプラス側ダイオードd13とマイナス側ダイオードd23、直列に接続されたプラス側ダイオードd14とマイナス側ダイオードd24、直列に接続されたプラス側ダイオードd15とマイナス側ダイオードd25、直列に接続されたプラス側ダイオードd16とマイナス側ダイオードd26および直列に接続されたプラス側ダイオードd17とマイナス側ダイオードd27が、出力端子Bとアースとの間に並列に接続されて構成されている。
【0018】
そして、固定子巻線16Aは、巻線40の第1巻線41と第2巻線42との結線部が直列に接続されたダイオードd11、d21間に、巻線40の第2巻線42の端部が直列に接続されたダイオードd12、d22間に、巻線50の第1巻線51と第2巻線52との結線部が直列に接続されたダイオードd13、d23間に、巻線50の第2巻線52の端部が直列に接続されたダイオードd14、d24間に、巻線60の第1巻線61と第2巻線62との結線部が直列に接続されたダイオードd15、d25間に、巻線60の第2巻線62の端部が直列に接続されたダイオードd16、d26間に、さらに中性点が直列に接続されたダイオードd17、d27間に、それぞれ結線されて、整流器12Aに接続されている。
つまり、この実施の形態1による電気結線では、Y結線された第1巻線41、51、61の出力端に3相ダイオードブリッジが接続され、電気角で120°の位相差をもつように第1巻線41、51、61に直列に接続された第2巻線42、52、62の出力端に3相ダイオードブリッジが接続され、中性点にもダイオードブリッジが接続されている。
【0019】
ここで、各相の巻線40、50、60の具体的な巻線構造について図2を参照しつつ説明する。なお、図2中、符号1〜36はスロット番号を表している。
巻線40を構成する第1巻線41は、導線29を3個目ごとのスロット15a(スロット番号1、4、7・・・34のスロット)に順にスロット15aからスロット15aへと波状に巻装されて形成されている。一方、第2巻線42は、導線29を3個目ごとのスロット15a(スロット番号3、6、9・・・36のスロット)に順にスロット15aからスロット15aへと波状に巻装されて形成されている。そこで、第1巻線41と第2巻線42とは、巻装されるスロット15aが3スロットずれているので、両者の間には電気角で120°の位相差がある。そして、第1巻線41の巻き始め41aと第2巻線42の巻き終わり42bとを結線して、第1巻線41と第2巻線42とが電気角で120°の位相差を持つように直列に接続された巻線40を構成している。
【0020】
巻線50を構成する第1巻線51は、導線29を3個目ごとのスロット15a(スロット番号3、6、9・・・36のスロット)に順にスロット15aからスロット15aへと波状に巻装されて形成されている。一方、第2巻線52は、導線29を3個目ごとのスロット15a(スロット番号5、8、11・・・2のスロット)に順にスロット15aからスロット15aへと波状に巻装されて形成されている。そこで、第1巻線51と第2巻線52とは、巻装されるスロット15aが3スロットずれているので、両者の間には電気角で120°の位相差がある。そして、第1巻線51の巻き始め51aと第2巻線52の巻き終わり52bとを結線して、第1巻線51と第2巻線52とが電気角で120°の位相差を持つように直列に接続された巻線50を構成している。
【0021】
巻線60を構成する第1巻線61は、導線29を3個目ごとのスロット15a(スロット番号5、8、11・・・2のスロット)に順にスロット15aからスロット15aへと波状に巻装されて形成されている。一方、第2巻線62は、導線29を3個目ごとのスロット15a(スロット番号1、4、7・・・34のスロット)に順にスロット15aからスロット15aへと波状に巻装されて形成されている。そこで、第1巻線61と第2巻線62とは、巻装されるスロット15aが3スロットずれているので、両者の間には電気角で120°の位相差がある。そして、第1巻線61の巻き始め61aと第2巻線62の巻き終わり62bとを結線して、第1巻線61と第2巻線62とが電気角で120°の位相差を持つように直列に接続された巻線60を構成している。
そして、第1巻線41の巻き終わり41b、第1巻線51の巻き終わり51bおよび第1巻線61の巻き終わり61bを結線することにより、電気角で120°の位相差をもつ3相の巻線40、50、60をY結線してなる固定子巻線16Aが巻装された固定子8Aを得る。
【0022】
このように構成された固定子8Aでは、Y結線された3相の巻線40、50、60がそれぞれ電気角で120°の位相差をもつ第1巻線41、51、61と第2巻線42、52、62とを直列に接続して構成され、第1巻線41、51、61と第2巻線42、52、62との結線部が3相ダイオードブリッジに接続され、さらに第2巻線42、52、62の端部が3相ダイオードブリッジに接続されている。そこで、線間に発生する最大電圧は、1相誘起電圧の2倍の電圧が得られる。その結果、無負荷起電力が大きくなるので、発電開始回転速度を低くすることができ、低速の回転速度における発電要求に応えられるようになる。
また、高速回転時には、第2巻線42、52、62に電流が流れるため、電機子反作用が少なく、大電流が第2巻線42、52、62に流れて、発電量が増える。
【0023】
また、電流経路の観点から見ると、例えば第1巻線61と第2巻線62との結線部に流れる電流は、(-)→第1巻線61→第1巻線41→第2巻線42→B、(-)→第1巻線61→第1巻線41→B、(-)→第2巻線62→Bの電流経路を採ることになる。そこで、電流経路が多くなり、発電量を増大させることができる。
また、ダイオードブリッジが中性点にも接続されているので、(-)→中性点→第1巻線41→B、(-)→中性点→第1巻線51→B、(-)→中性点→第1巻線61→Bの3つの並列回路が形成され、あたかも直並列を切り替えたように作用し、出力電流を増大させることができる。
【0024】
ここで、固定子8に代えて固定子8Aを搭載した車両用交流発電機を作製し、発電特性を測定した結果を図3に示す。なお、図3中、本願の車両用交流発電機の発電特性を実線で、従来例の車両用交流発電機の発電特性を点線で示している。また、横軸は回転速度を、縦軸は整流後の出力電流を表している。
図3から、従来の車両用交流発電機では、発電開始回転速度が1000(min-1)であったのに対し、本願の車両用交流発電機では、発電開始回転速度が900(min-1)となり、より低い回転速度から発電できることが確認された。また、本願の車両用交流発電機では、2000min-1以上の回転速度において、従来の車両用交流発電機に対して出力を増加できることが確認された。
【0025】
実施の形態2.
この実施の形態2では、3相の巻線40、50、60は同一の導線を用い、同じターン数に形成され、第2巻線42、52、62のターン数を第1巻線41、51、61のターン数よりも多くしている。なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
この実施の形態2においては、第2巻線42、52、62のターン数を第1巻線41、51、61のターン数よりも多くしているので、線間に発生する電圧が大きくなり、大きな起電力が得られるようになる。
【0026】
実施の形態3.
この実施の形態3では、第1巻線41、51、61と第2巻線42、52、62とが同じターン数に形成され、第2巻線42、52、62の導線の径を第1巻線41、51、61の導線の径よりも太くしている。なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
この実施の形態3においては、大電流の流れる第2巻線42、52、62の導線の径が太く形成されているので、高速回転時の発電効率が高くなる。
【0027】
実施の形態4.
この実施の形態4では、図4に示されるように、第1巻線41、51、61が各スロット15a内にスロット深さ方向の深い側(径方向の外周側)に収納されるように巻装され、第2巻線42、52、62が各スロット15a内にスロット深さ方向の浅い側(径方向の内周側)に収納されるように巻装されている。なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
【0028】
この実施の形態4では、第1巻線41、51、61が各スロット15a内にスロット深さ方向の深い側に、即ち各スロット15aの底部側に収納されるように巻装されている。一方、第2巻線42、52、62が各スロット15a内にスロット深さ方向の浅い側に、即ち各スロット15aの開口側に収納されるように巻装されている。そこで、各スロット15aの底部側に収納されている第1巻線41、51、61の漏れインダクタンスが大きいので、高速回転時には、電流が各スロット15aの開口側に収納されている第2巻線42、52、62に集中し、単相全波整流に近い特性となり、発電量を増大させることができる。
【0029】
なお、上記各実施の形態では、回転子7の磁極数が12で、固定子鉄心15のスロット数が36個の場合、即ち毎極毎相当たりのスロット数が1の場合について説明しているが、本発明は、これに限定されるものではない、毎極毎相当たりのスロット数が2以上の場合についても適用できることはいうまでもないことである。
また、上記各実施の形態では、第2巻線42、52、62が第1巻線41、51、61に対して電気角で120°の位相差をもつように構成されているものとしている。そして、毎極毎相当たりのスロット数が1の場合、第2巻線42、52、62と第1巻線41、51、61との間の電気角位相差は、60°、120°、180°を採ることができる。例えば、第2巻線42、52、62と第1巻線41、51、61との間の電気角位相差を60°とした場合には、両巻線間の電気角位相差を120°とした場合に比べ、起電力を大きくすることができるものの、電流が流れなくなり、高速時の出力が低下してしまうことになる。従って、発電開始回転速度と高速時の出力とを総合的に判断すると、毎極毎相のスロット数が1の場合には、第2巻線42、52、62と第1巻線41、51、61との間の電気角位相差を120°とすることが望ましい。
【0030】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されているような効果を奏する。
【0031】
この発明によれば、ケース内に回転自在に配設された回転子と、スロットが内周側に開口するように周方向に複数設けられた円筒状の固定子鉄心および上記固定子鉄心に巻装された3相の巻線をY結線して構成された固定子巻線を有し、上記回転子を取り囲むように上記ケースに固着された固定子とを備えた車両用交流発電機において、上記3相の巻線は、それぞれ、Y結線される第1巻線と、該第1巻線に直列に接続され、該第1巻線に対して電気角で所定の位相差をもつ第2巻線とから構成され、各相の上記第1巻線と上記第2巻線との接続部が一組の3相ダイオードブリッジに接続され、かつ、各相の上記第2巻線の端部がもう一組の3相ダイオードブリッジに接続されているので、線間に発生する電圧が増えて、発電開始回転速度を下げることができるとともに、高速回転速度での発電電流が増えて、発電量を増加させることができる車両用交流発電機が得られる。
【0032】
また、上記3相の巻線のそれぞれにおいて、上記第1巻線と上記第2巻線とが電気角で120°の位相差をもつように構成されているので、1相誘起電圧の2倍の電圧を線間に発生させることができる。
【0033】
また、Y結線された上記第1巻線の中性点がダイオードブリッジに接続されているので、多数の電流経路が形成され、直並列を切り替えたように作用し、出力電流を増加させることができる。
【0034】
また、上記3相の巻線のそれぞれにおいて、上記第2巻線の巻き数が上記第1巻線の巻き数より多いので、線間に発生する電圧が大きくなり、大きな起電力が得られる。
【0035】
また、上記3相の巻線のそれぞれにおいて、上記第2巻線の導線径が上記第1巻線の導線径より太いので、高速回転時の発電効率が高くなる。
【0036】
また、上記3相の巻線のそれぞれにおいて、上記第1巻線が上記スロット内のスロット深さ方向の深い側に位置するように上記固定子鉄心に巻装され、上記第2巻線が上記スロット内のスロット深さ方向の浅い側に位置するように上記固定子鉄心に巻装されているので、高速回転時には、電流が第2巻線に集中し、単相全波整流に近い特性となり、発電量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機における固定子巻線の電気結線図である。
【図2】 この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機の固定子における固定子巻線構造を説明する展開図である。
【図3】 この発明の実施の形態1に係る車両用交流発電機の発電特性を示すグラフである。
【図4】 この発明の実施の形態4に係る車両用交流発電機の固定子における固定子巻線構造を説明する図である。
【図5】 一般的な車両用交流発電機を示す断面図である。
【図6】 従来の車両用交流発電機の固定子における固定子巻線構造を説明する展開図である。
【図7】 従来の車両用交流発電機における固定子巻線の電気結線図である。
【符号の説明】
3 ケース、7 回転子、8A 固定子、15 固定子鉄心、15a スロット、16A 固定子巻線、40、50、60 巻線、41、51、61 第1巻線、42、52、62 第2巻線、d11−d17 プラス側ダイオード、d21−d27 マイナス側ダイオード。
Claims (6)
- ケース内に回転自在に配設された回転子と、スロットが内周側に開口するように周方向に複数設けられた円筒状の固定子鉄心および上記固定子鉄心に巻装された3相の巻線をY結線して構成された固定子巻線を有し、上記回転子を取り囲むように上記ケースに固着された固定子とを備えた車両用交流発電機において、
上記3相の巻線は、それぞれ、Y結線される第1巻線と、該第1巻線に直列に接続され、該第1巻線に対して電気角で所定の位相差をもつ第2巻線とから構成され、
各相の上記第1巻線と上記第2巻線との接続部が一組の3相ダイオードブリッジに接続され、かつ、各相の上記第2巻線の端部がもう一組の3相ダイオードブリッジに接続されていることを特徴とする車両用交流発電機。 - 上記3相の巻線のそれぞれにおいて、上記第1巻線と上記第2巻線とが電気角で120°の位相差をもつように構成されていることを特徴とする請求項1記載の車両用交流発電機。
- Y結線された上記第1巻線の中性点がダイオードブリッジに接続されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の車両用交流発電機。
- 上記3相の巻線のそれぞれにおいて、上記第2巻線の巻き数が上記第1巻線の巻き数より多いことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の車両用交流発電機。
- 上記3相の巻線のそれぞれにおいて、上記第2巻線の導線径が上記第1巻線の導線径より太いことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の車両用交流発電機。
- 上記3相の巻線のそれぞれにおいて、上記第1巻線が上記スロット内のスロット深さ方向の深い側に位置するように上記固定子鉄心に巻装され、上記第2巻線が上記スロット内のスロット深さ方向の浅い側に位置するように上記固定子鉄心に巻装されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の車両用交流発電機。
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