JP4192002B2 - 回転電気機器 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の技術分野）
本発明は、自動車のオルタネータ用回転電気機器に関する。
【０００２】
より詳細には本発明は、かかる電気機器が有する換気装置に関する。
【０００３】
（技術の状態）
単相タイプまたは多相タイプの回転電気機器は、同心状に配置された少なくとも２つの部品、すなわちロータとステータとを備え、これらの部品の一方が、アーマチュアを構成し、他方が、インダクタを構成している。
【０００４】
ロータは、少なくとも一方の軸方向端部に電気機器を冷却するためのファンを、通常支持している。その理由は、アーマチュア／インダクタ要素の少なくとも一方が温度の上昇するコイルを含むので、電気機器を正しく作動させるには、このコイルを冷却しなければならないからである。この電気機器のほとんどは、電子部品だけでなく、ボールベアリングをも有しており、一般にファンが発生する空気流、または一般的には冷却流体を使用することによって、これらの部品を、同じように冷却しなければならない。
【０００５】
アーマチュアがロータによって形成されている場合、電気機器は、電動モータを構成し、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。アーマチュアがステータによって形成され、発電機として作動し、例えばオルタネータを形成するようになっている場合には、この電気機器は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【０００６】
言うまでもなく、この電気機器は、例えば自動車のオルタネータ兼ステータを形成するようにリバーシブルにできるので、オルタネータ機能を有しながら、自動車のエンジンを始動させることが可能である。
【０００７】
図１は、内燃エンジンを備えた自動車用の三相タイプのオルタネータとなっている多相回転電気機器を示す。
【０００８】
このオルタネータは、図１の左から右へ、すなわち前方から後方へ向かって、シャフト１２の前端部に強固に取り付けられた駆動プーリー１０を有し、シャフト１２の後端部は、集電器１４に属す集電リング（符号なし）を支持している。このシャフト１２の軸線は、電気機器の回転軸線を構成している。
【０００９】
シャフト１２は、ロータ１６を固定した状態で支持しており、ロータ１６には、励磁コイル１８が設けられている。励磁コイル１８の両端部は、ワイヤーリンクによって、集電器１４にリンクされている。より詳細については、欧州特許公開第0515259号を参照されたい。
【００１０】
特に、オルタネータまたはオルタネータ兼スタータを構成する電気機器のステータには、ワイヤーまたは導線バーのいずれかが巻かれ、これらワイヤーまたはバーは、断面が正方形のピン状となっており、ステータのノッチに嵌合されていることが好ましい。
【００１１】
このように形成されたコイルは、多相または六相タイプとすることができる。前記Ｕ字形ピンの導線は、ノッチ内に整列されていることが好ましい。より詳細については、２００１年４月５日に出願されたフランス特許出願第0104770号、または２００１年１０月１９日に出願されたフランス特許出願第0113553号を参照されたい。
【００１２】
本明細書のロータ１６は、クロータイプのロータである。すなわち、外側に軸方向を向く歯１２０が設けられたロータであり、歯１２０は、歯の間に冷却流体を流すための通路を構成し、従ってロータは、それぞれ前方および後方の２つの極ホイール２０、２２を有し、各極ホイールは、それぞれ前方ファン２４および後方ファン２６を支持している。
【００１３】
より詳細に述べると、各極ホイールは、横方向を向くフランジを備え、このフランジは、全体として台形をした軸方向を向く歯１２０を外周部に支持している。極ホイールの一方の歯は、他方の極ホイールに向いており、極ホイールの一方の歯は、他方の極ホイールの歯に重なり合うように取り付けられている。
【００１４】
励磁コイル１８の取り付けを可能にするように、極ホイールの２つのフランジの間には、軸方向に円筒形コアが設けられている。このコアは、ホイール２０、２２のフランジとは異なるように構成されている。図１では、各フランジは、円筒形コアを形成するように、円筒形の半コアを中心に有する。
【００１５】
ホイール２０、２２は、磁性材料で製造されており、コイル１８が励磁されると、ホイールは、公知のようにＮ極とＳ極とを形成する。この場合、６〜８対の歯が形成されている。各ホイール２０、２２は、円周方向に規則的に分散された６〜８個の極を有する。前方ファン２４よりも後方ファン２６のほうが、より強力となっている。
【００１６】
これらのファン２４、２６は、第１シリーズのブレードまたは翼を備え、これらのブレードは、間に換気チャンネルを形成している。これらブレードは、板金フランジを切り出し、折り曲げ、折り曲げたフランジを、例えば溶接または他の適当な手段、例えばクリンプ加工によって、当該極ホイール２０、２２に固定することによって得られる。後方ファンのブレードは、前方ファンのブレードよりも大きくなっている。
【００１７】
各ホイールは、上記のように、反対のホイールに向く軸方向の歯を有しており、一方のホイールの歯は、他方のホイールの歯に重ね合わされており、コイル１８が集電器１４の集電リングによって励磁されると、磁極を形成するようになっている。各集電リングは、電圧レギュレータ（図示せず）のための支持体としても働くブラシホルダー２８によって支持されたブラシ（符号なし）と接触している。
【００１８】
ステータ３０の一部は、オルタネータのアーマチュアを形成し、ロータ１６を囲んでいる。
【００１９】
ステータ３０は、金属プレートのパック状となっている本体３２を有し、この金属プレートの内部には、ステータ３０のコイル３４が含むワイヤーまたはピンを通過させるための軸方向のノッチ（図示されず）が設けられている。このコイル３４には、バン（符号なし）が設けられており、このバンは、一方で本体３０の両側で延び、他方、ファン２４、２６の径方向外側に延びている。
【００２０】
コイル３４の出力端は、ステータが発生する交流を整流するための整流デバイス４０、本例ではダイオードにリンクされている。
【００２１】
これらのファン２４、２６は、前方ベアリング３６および後方ベアリング３８のそれぞれの近くで延びている。
【００２２】
ベアリング３６、３８は、例えばアルミニウムをベースとするものであり、例えばタイロッドによって互いにリンクされ、ステータ３０およびロータのための支持ケーシングを形成している。ベアリング３６、３８は、中空状であり、各ベアリングは、横方向フランジを有し、このフランジの外周部は、軸方向を向くリムとして延びている。
【００２３】
ステータ３０のボディ３２は、ベアリング３６、３８のリムによって支持され、これらの間に挟持されている。ベアリング３６、３８のフランジは、ロータ１６を固定するためのシャフト１２を回転可能に取り付けるためのボールベアリングを中心に支持している。
【００２４】
ファン２４、２６が、プーリー１０によって共に回転するように駆動されると、ファン２４、２６によってオルタネータの内部を換気できるよう、ベアリング３６、３８には孔が開けられている。プーリー１０は、このプーリーに係合する少なくとも１つのベルトを含む伝達装置によって、自動車のエンジンにリンクされている。
【００２５】
このような換気によって、コイル１８、３４だけでなく、そのレギュレータを備えたブラシホルダー２８、更にレギュレータに連動する整流デバイス４０も冷却することが可能になっている。冷却流体、本例では、空気がベアリング３６、３８の種々の開口部、および電気機器内を通過する時の通路が、矢印で示されている。
【００２６】
より詳細には、後方ベアリングのフランジは、整流デバイス、ブラシホルダー２８およびレギュレータを支持している。これらベアリング３６、３８は、それらのフランジに形成された入口換気口、およびコイル３４のバンに向いたリムに形成された出口換気口を有する。
【００２７】
遠心タイプのファンから、上述のように構成されたファン２４および２６の性質のために、オルタネータ内の空気通路は、ほぼ放射状となっている。
【００２８】
オルタネータから要求される電気出力は、自動車に搭載される電力消費要素の数、およびその電力の増加と共に大幅に増加する。このような電気出力が増加する結果、オルタネータの最も高温の部品、例えば整流デバイス４０のダイオード、ロールベアリング、ロータなどの温度が上昇する
【００２９】
（発明の要旨）
オルタネータに設けられている換気装置は、適度に電気を出力するように、オルタネータの種々の要素を冷却するのに十分有効であるが、更に出力を増すことができるように、オルタネータを冷却するには、極めて適するとは言えない。
【００３０】
電気出力を大きくするには、ファンのサイズ、すなわちその断面を増加しなければならないが、許容できないのノイズ、および換気装置の出力に有害な乱流を生じさせる。
【００３１】
本発明の目的は、これらの欠点を除くことにある。
【００３２】
そのため、本発明は、各々に歯が形成された極ホイールを備えるロータと、該ロータに強固に取り付けられ、各極ホイールの歯の数よりも多い多数のブレードが設けられた少なくとも１つのファンとを備え、該ブレードの間に換気チャンネルが形成され、これらチャンネルが、発散すると共に電気機器を通る冷却流体の流れを発生するようになっている回転電気機器において、前記ブレードの前縁の高さでのブレードの入射角度が、１５０°と１７５°との間であり、ブレードの後縁の高さでのブレードの入射角度が、ブレードの回転中に生じる円に対する接線に対して、９０°と１６５°との間にあり、前記ブレードの平均長さに対するブレードの平均ピッチの比が、０.９７５未満であることを実質的に特徴とする回転電気機器に関する。
【００３３】
本発明のある特徴によれば、電気機器が、ロータに強固に取り付けられた２つのファンを含む時、前方ファンのブレードの数のほうが、後方ファンのブレードの数よりも多い。これにより、前方ファンによって発生されるノイズが低減される。
【００３４】
ファンのブレードの数を少なくすると、同じパワーを発生するのにファンの直径を小さくでき、この効果によって、ノイズを低減できる。ブレードの数を増せば、高調波の数も増し、ホワイトノイズが深刻になる程度に高調波のスペクトルを悪化させる。
【００３５】
前記前方ファンに１１個のブレードを設け、前記後方ファンに９個のブレードを設け、後方ファンのブレードを前方ファンのブレードよりを大きくすることにより、良好な結果が得られた。
【００３６】
好ましい実施例によれば、前記前方ファンの直径のほうを、前記後方ファンの直径よりも小さくしてある。
【００３７】
種々の実施例では、この換気装置は、次の特徴事項の１つ以上を、単独で、または技術的な組み合わせて含むことができる。
【００３８】
−前記換気チャンネルは、ほぼ正方形の入口横断面を有する。
【００３９】
−前記ブレードは、これらブレードの間に前記換気チャンネルを形成する第１の組のブレードと、第２ブレードと称される第２の組のブレードとを備え、前記第２の組のブレードのほうが、前記第１の組のブレードよりも短く、前記第２の組のブレードの少なくとも１つのブレードが、前記第１の組のブレードの２つの連続するブレードの間に挟持されるように、少なくとも１つのチャンネル内において、前記第１の組のブレードの内周部よりも径方向外側に設けられている。
【００４０】
−前記第１および第２の組のブレードのブレードの少なくとも一部の高さは、内周部から外周部に向かって減少している。
【００４１】
−少なくとも１つのチャンネルには、第２ブレードが設けられていない。
【００４２】
−前記第１および第２の組のブレードのうちのブレードの少なくとも１つは、他のブレードに対して、不規則に分散されている。
【００４３】
−前記第１および第２の組のブレードのうちのブレードの少なくとも１つに、チャンネルの底部をオーバーハングし、前記ブレードの上方における冷却流体の二次的流れを防止するようになっている表面が設けられている
【００４４】
−前記表面は、前記ブレードに対して、垂直または傾斜して延びるフィンによって構成されている。
【００４５】
−前記ブレードをカバーするカバーによって、前記表面が形成されている。
【００４６】
添付図面を参照し、純粋な非制限的例として示された次の説明から、本発明の上記以外の目的、特徴、および利点が明らかとなると思う。
【００４７】
（発明の好ましい実施例の説明）
これら種々の実施例では、ロータおよびステータが配置されている自動車のオルタネータのケーシングには、上記のように、前方ベアリングおよび後方ベアリングが設けられており、これらベアリングの各々には、オルタネータが作動する間、効率的に空気を給入し、排出できるように、前方および後方にそれぞれ空気入口換気口および出口換気口が設けられている。
【００４８】
より詳細に述べると、２つの極ホイールを備えるロータを含む、図１に示されたタイプのオルタネータを使用する。ロータには、上記のように、それぞれ前方ファンおよび後方ファンが固定されている。本発明にかかわるファンは、図１に示されたファン２６および２４の代わりに、所定位置に取り付けられている。
【００４９】
本発明では、後方ファンには、前方ファンのブレードよりも小さい多数のブレードが設けられている。これら後方ファンのブレードは、前方ファンよりも大きいので、後方ファンのほうが、より強力となっている。各ファンのブレードの数は、極ホイールの歯の数よりも多くなっている。
【００５０】
このファンが効率的に動作できるようにするには、比較的出力を大きくし、あまり乱流のない安定な流れを得るようになっており、ブレードに対して、流体の流れが分離することを防止できるようなファンを使用しなければならない。
【００５１】
このようにするには、前縁の高さでの入射角、すなわち、ブレードによって境界が定められブレードが回転する際に、ブレードが発生する円に対する接線の角度が１５０〜１７０°であり、後縁の高さでのブレードの入射角が、作動時の後縁の回転によって生じる円に対する接線に対して９０〜１６５°となるブレードを使用する。
【００５２】
本発明の重要な特徴によれば、更に翼内チャンネル、すなわちブレードが構成するチャンネルが比較的小さく、各ブレードの長さに対する平均ピッチの比が、好ましくは０.９７５未満であり、ほぼ正方形の入口横断面を有するなブレードが選択される。
【００５３】
更に、ブレード内で、翼内チャンネル内のガイド表面が不連続となることが防止されるように、流体が損失なくガイドされ、安定した状態のままであって、ブレードに対して分離されないようになっている。
【００５４】
図２は、これらの特徴を有するファンの第１実施例を示す。
【００５５】
この図から判るように、ファン、本例では全体が符号４３で示された後方ファンは、翼とも称されるブレード４６を備え、このブレードは、間に換気チャンネル、すなわち翼内チャンネル４８を形成し、このチャンネルは、外側に向かって拡がっている。
【００５６】
チャンネル４８は、電気機器のロータ、従って適当な手段によって、ロータに強固に取り付けられたファンが回転すると、チャンネル内で冷却流体を流すようになっている。
【００５７】
チャンネル４８は、ブレード４６の内周部から外周部に進むにつれて広くなっている。
【００５８】
上記のように、入口および出口での乱流が最小となるようにするために、アルファベットＢで示された入口における入射角は、１５０〜１７５°であり、アルファベットＡで示された出口における入射角は、９０〜１６５°である。これらの角度は、ブレードの表面とブレードの回転中に形成される円Ｃに対する接線、またはブレードに平行なラインとによって構成される。ここで、後方ファンは９個のブレードを有し、前方ファンは１１個のブレードを有する。
【００５９】
図３に示された実施例でも、状況は同じである。別の図では、ブレードの数はこれよりも多くなっている。それにもかかわらず、前方ファンに対する１１個のブレードと、後方ファンに対する９個のブレードとを組み合わせたことによって、他の実施例に比して、より良く電気機器のノイズを低減できた。
【００６０】
図３を参照すると、後縁の高さで二次的流れが発生するのを防止するために、ブレードの少なくとも一部には、フィン５０が設けられている。このフィンは、チャンネル４８の底部をオーバーハングし、ブレードに対して、垂直または傾斜した状態で延び、これらブレードの上方における流体の二次的流れを防止している。
【００６１】
同じように、乱れを最小にしながら、冷却流体をできるだけ一定としうるように、冷却流体の速度を更に調節することが望ましい。
【００６２】
従って、可能な場合には、フィンの使用と組み合わせて、ブレードの少なくとも一部の高さを、内周部から外周部に向けて低くする。
【００６３】
図４に示された別の変形例によれば、可能な場合にはフィンを使用することと、ブレードの高さを低くすることと、電気機器の換気を改良すると同時に、電気機器のノイズを低減することと組み合わせて、一方で、主ブレード４０よりも短く、他方で、主ブレード４６の内周部よりも径方向外側に設置された二次ブレード５２が２つの連続するブレード４６の間に挟持されている。換気チャンネル４８の一部には、かかる二次ブレード５２を設けなくてもよい。
【００６４】
従って、換気チャンネル４８は、２つの部品５４および５６、すなわち、二次ブレード５２の内周部よりも径方向内側に延びる径方向内側部品５４と、二次ブレードを収容し、冷却流体が主要ブレード４６に接触するように、この冷却流体を圧縮する径方向外側部品５６とにサブ分割されている。
【００６５】
同様に、対応するブレードから垂直方向に、または傾斜して延びる端部フィン５０を二次ブレードに設けることができることが理解できると思う。
【００６６】
最後に、図４から判るように、ブレードは、他のブレードに対して、一定の角度または不規則な角度で分散できる。しかし、ブレードを不規則に配置した場合、ファンの作動ノイズはより低減される。
【００６７】
最後に、本発明は、上記実施例だけに限定されるものでないことは言うまでもない。
【００６８】
図３を参照して説明した実施例では、ブレードには、ブレードの上方における二次的流れの発生を防止するフィンを設けることができるが、変形例として、ブレードの全てまたは一部をカバーするカバーにこれらフィンを置換し、このゾーンにおける二次的な流れの発生を防止することも可能である。
【００６９】
図５は、符号５８でかかるカバーを示している。このカバーは、環状ディスクとして具現化され、このディスクは、好ましくは接着により、または他の適当な公知の態様で、ブレードの自由エッジに固定されている。しかし、カバーを有するファンを一体部品とすることも可能である。
【００７０】
図６は、図４に示されたブレード５２のような二次ブレードが、図３に示されたフィン５０が設けられた２つのブレード４６の間に配置されたファンの一実施例を示す。
【００７１】
ここで、各極ホイールの歯の数は、６〜８個であるので、電気機器は、６〜８対の極を有する。従って、いずれのケースにおいても、後方ファンは、極ホイールの一方の歯の数よりも多い数のブレードを備えている。
【００７２】
ロータが７対の極を有し、ステータ本体の外径が、１３２ｍｍ〜１３８ｍｍであり、コイルが、上記フランス国特許出願第0113353号（より細部についてはこれを参照されたい）に記載されたタイプとなっている場合に、極めて良好な結果および性能が得られた。従って、コイルは、断面が正方形のＵ字形導線要素を含み、ステータの本体に公知の態様で設けられた各ノッチ内に、総計４本の導線が並置されている。
【００７３】
ある応用例では、当然ながら、前方ファンを省略することがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術に係わる換気装置が設けられた自動車のオルタネータの軸方向半断面図を示す。
【図２】 本発明に係わる換気装置のファンの一実施例を上から見た図である。
【図３】 本発明に係わる換気装置のファンの変形例を示す。
【図４】 本発明に係わる換気装置のファンの第３実施例を示す。
【図５】 本発明に係わる換気装置のファンの第４実施例を示す斜視図である。
【図６】 本発明に係わる換気装置のファンの第５実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ 駆動プーリー
１２ シャフト
１４ 集電器
１６ ロータ
１８ 励磁コイル
２０、２２ 極ホイール
２４ 前方ファン
２６ 後方ファン
２８ ブラシホルダ
３０ ステータ
３２ 本体
３４ コイル
３６、３８ ベアリング
４０ 整流デバイス
４３ 後方ファン
４６ ブレード
４８ 翼内チャンネル
５０ フィン
５４、５６ 部品
５８ カバー
１２０ 歯

Claims (13)

1. 各々に歯（１２０）が形成された極ホイール（２０）（２２）を備えるロータ（１６）と、該ロータ（１６）に強固に取り付けられ、各極ホイール（２０）（２２）の歯（１２０）の数よりも多い多数のブレード（４６）が設けられた、少なくとも１つのファン（４３）とを備え、該ブレード（４６）の間に換気チャンネル（４８）が形成され、これらチャンネルが、拡がると共に、電気機器を通る冷却流体の流れを発生するようになっている回転電気機器において、
   前記ブレードの前縁の高さでのブレードの入射角度（Ｂ）が、１５０°と１７５°との間であり、ブレードの後縁の高さでのブレードの入射角度（Ａ）が、ブレードの回転中に生じる円に対する接線に対して、９０°と１６５°との間にあり、前記複数のブレード（４６）の平均長さに対する複数のブレード（４６）の平均ピッチの比が、０．９７５未満であることを特徴とする回転電気機器。
2. ２つのファン（２４）（２６）、すなわち前方ファン（２４）と後方ファン（２６）とを備え、前記後方ファンのブレード（４６）のほうが、前記前方ファン（２４）のそれよりも大きく、前方ファン（２４）のブレードの数のほうが、前記後方ファン（２６）のブレードの数よりも多いことを特徴とする、請求項１記載の回転電気機器。
3. 前記前方ファンが、１１個のブレードを含み、前記後方ファンが、９個のブレードを含むことを特徴とする、請求項２記載の回転電気機器。
4. 前記前方ファンの直径のほうが、前記後方ファンの直径よりも小さいことを特徴とする、請求項２記載の回転電気機器。
5. 前記換気チャンネル（４８）が、ほぼ正方形の入口断面を有することを特徴とする、請求項１記載の回転電気機器。
6. 前記ブレードが、これらのブレードの間に前記換気チャンネルを形成する第１の組のブレード（４６）と、第２ブレードと称される第２の組のブレード（５２）とを備え、前記第２の組のブレードのほうが、前記第１の組のブレードよりも短く、前記第２の組のブレードの少なくとも１つのブレードが、前記第１の組のブレードの２つの連続するブレードの間に挟持されるように、少なくとも１つのチャンネル内において、前記第１の組のブレードの内周部よりも径方向外側に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の回転電気機器。
7. 前記第１および第２の組のブレード（４６）（５２）のブレードの少なくとも一部の高さが、内周部から外周部に向かって減少していることを特徴とする、請求項６記載の回転電気機器。
8. 少なくとも１つのチャンネルには、第２ブレードが設けられていないことを特徴とする、請求項６記載の回転電気機器。
9. 前記第１および第２の組のブレード（４６）（５２）のうちのブレードの少なくとも１つが、他のブレードに対して不規則に分散されていることを特徴とする、請求項６記載の回転電気機器。
10. 前記第１および第２の組のブレード（４６）（５２）のうちのブレードの少なくとも１つに、チャンネルの底部をオーバーハングし、前記ブレードの上方における冷却流体の二次的流れを防止するようになっている表面（５０）が設けられていることを特徴とする、請求項６記載の回転電気機器。
11. 前記表面が、前記ブレードに対して、垂直または傾斜して延びるフィン（５０）によって構成されていることを特徴とする、請求項１０記載の回転電気機器。
12. 前記ブレードをカバーするカバー（５８）によって、前記表面が形成されていることを特徴とする、請求項１０記載の回転電気機器。
13. 自動車用オルタネータとして形成されていることを特徴とする、請求項１記載の回転電気機器。

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