JP4375456B2 - ブラシレス車両用交流発電機 - Google Patents

Description

本発明は、トラック、建機、農機等に搭載されるブラシレス車両用交流発電機に関する。

近年、乗用車メーカやトラックメーカにおいて排気ガス規制に対応すべくエンジンを改良してきており、それに伴いエンジンに搭載される部品の周囲温度も高くなる傾向にある。また、安全性を確保するための装置や、追加電源、快適性を求める傾向も年々増加し、車両用発電機の負荷が増加してきている。車両用発電機の構造としては、乗用車に搭載されるブラシ付き構造の他に、稼働時間や走行距離が長い長距離トラックや粉塵が舞う悪環境下で使用される建機や農機等に搭載される長寿命対応のブラシレス構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このようなブラシレス構造の車両用発電機は、外部からの異物侵入や被液による内部の電気部品のショートや外部からの外力による電気部品のダメージ保護のために、ハウジング壁側面には冷却用窓を設けず、しかも、整流装置などの電気部品はハウジングの側面壁で保護されているのが一般的であり、内部の電気部品は回転軸にネジ共締め固定される外扇冷却ファンを利用して冷却される。また、近年の小型高出力化のニーズに対しては、固定子の外径を拡大したり積厚を長くする技術や、固定子巻線の抵抗を低抵抗化する等の公知技術を利用して応えているが、高出力化に伴い内部の電気部品が高温になるという不都合があった。その対策として、冷却ファンの風量や風速を上げる等の公知技術はあるが、ブラシレス車両用発電機に備わった外扇ファンでは径方向の寸法制約上外径が大きくできない。また、ブレード枚数増加や軸方向の面積を増加させようにもそれぞれのファンブレードの強度が低下するおそれがあるため、ファンブレードの枚数や面積の増加にも限界があり、風速や風量を思ったように増加できない。また、整流装置などの電気部品の放熱フィンとハウジング側面壁との間の間隔を狭くして、整流装置の放熱フィンの周囲や内部を冷却風が通るようにすることも考えられるが、放熱フィンとハウジング側面壁との沿面距離が小さくなると異物の堆積によるこれらの間の短絡等の原因になり、信頼性の低下につながるため好ましくない。
特開２００１−２９２５５０号公報（第３−５頁、図１−６）

ところで、特許文献１に開示されているブラシレス車両用交流発電機では、プーリ側に外扇式の冷却ファンが設けられており、リア側のハウジングに設けられた吸気窓を通してハウジング内部に冷却風が導入されるが、この吸気窓が形成されたハウジングの面と回転子の軸方向端面との間に段差があると、回転子の爪状磁極部の回転に伴って、ハウジングの吸気窓からハウジング内部に導入された冷却風に乱流が発生し、ハウジング内部で冷却風が円滑に流れずに冷却性が悪化するという問題があった。

また、ハウジングに設けられた固定継鉄部と回転子の爪状磁極部との間の隙間が、ハウジングの吸気窓に対して露出している場合には、この隙間部分に対して被液や浸水がしやすくなるという問題があった。隙間部分への被液や浸水が多くなると、錆の発生による回転子固着が懸念されるため、好ましくない。

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、冷却性を向上させることができるとともに、回転子の隙間部分に対する被液や浸水を低減することができるブラシレス車両用交流発電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明のブラシレス車両用交流発電機は、固定子巻線を有する固定子と、固定子の内周側に対向配置された回転子と、回転子に供給する磁束を発生し固定締結部に巻回される界磁巻線と、固定子巻線の出力電圧を整流して外部に出力する複数の整流素子が取り付けられた放熱フィンを有する整流装置と、固定子および回転子を収納するハウジングとを備えており、ハウジングは、回転子の回転軸に対して垂直に延在するディスク形状部と、ディスク形状部から放射状に径方向外側に延びる複数のスポークと、スポークの外周端から周方向に延びるハウジング側壁と、ディスク形状部の外周部とスポークとハウジング側壁とで区画される吸気窓とを有している。

また、上述した回転子は爪状磁極部を互いに周方向に連結するリング状の肩部を有し、肩部がディスク形状部に隣接配置されている。

また、上述したディスク形状部の外周部は、肩部のディスク形状部に対向する面を超えて軸方向に沿って回転子側に延びる突出部を有することが望ましい。これにより、乱流の発生および回転子内周側への被水や浸水をさらに低減することができる。

また、上述した突出部は、ディスク形状部と別部品により形成されていることが望ましい。これにより、ハウジングの形状を複雑化することなく突出部を追加することが可能となる。

以下、本発明を適用した一実施形態のブラシレス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。図１は、一実施形態のブラシレス車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。また、図２は一実施形態のブラシレス車両用交流発電機の全体構造を示す背面図である。

図１および図２に示すように、本実施形態のブラシレス車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、界磁巻線４、フロントハウジング５１、リアハウジング５２、整流装置６、レギュレータ７、リアカバー８等を備えている。固定子２は、電機子として働くものであり、固定子鉄心２１に固定子巻線２２が巻回されている。

回転子３は、界磁として働くものであり、固定子２の内周側に対向配置されている。図３は、回転子３の一部断面を含む側面図である。回転子３は、回転軸３１とともに回転する回転継鉄部３２、３３と、回転継鉄部３３と一体に形成された爪状磁極部３４と、リング状の支持部材３５によって爪状磁極部３４と一体化された爪状磁極部３６とを備えている。この爪状磁極部３６は、その一部であるリング状の肩部３６ａにおいて互いに周方向に連結されている。また、回転軸３１の後方端部にはこの回転軸３１を回転可能に保持する軸受け３７が設けられている。

界磁巻線４は、回転子３に供給する磁束を発生させるものであり、固定継鉄部４１に巻回されている。固定継鉄部４１は、筒状部材であってボルト４２によってリアハウジング５２に固定されている。この固定継鉄部４１は、回転子３によって構成される界磁の一部をなしている。

フロントハウジング５１およびリアハウジング５２は、固定子２および回転子３を支持するものである。上述した軸受け３７は、リアハウジング５２に圧入されて固定されている。また、フロントハウジング５１からは回転軸３１の端部が突出しており、この突出した回転軸３１に冷却ファン５３およびプーリ（図示せず）がナット５４によって締め付け固定される。整流装置６は、固定子巻線２２の出力電圧を整流して外部に出力する複数の整流素子が取り付けられた放熱フィンを有する。レギュレータ７は、界磁巻線４に供給する励磁電流を断続することにより、ブラシレス車両用交流発電機１の出力電圧を調整する。

エンジンによって回転子３が回転駆動されると、回転子３と一体になった冷却ファン５３も回転する。これにより、リアカバー８に設けられた吸気窓を通してリアカバー８内に冷却風が吸入される。この冷却風は、整流装置６やレギュレータ７等を冷却した後、リアハウジング５２に形成された吸気窓５２ｆ（後述する）を通して回転子３側に導入され、回転子３、界磁巻線４および固定子２を冷却した後、冷却ファン５３側に抜けるようになっている。

次に、リアハウジング５２の詳細と、回転子３との関係について説明する。図４は、リアハウジング５２の平面図である。リアハウジング５２は、一方の面に固定継鉄部４１が取り付けられ他方の面に整流装置６が取り付けられて回転軸３１に対して垂直に延在する円盤状のディスク形状部５２ａと、その径方向外側に放射状に延びる複数のスポーク５２ｄと、スポーク５２ｄの外周端から周方向に延びたハウジング側壁５２ｅとを有している。スポーク５２ｄと、このスポーク５２ｄに隣接するハウジング側壁５２ｄと、このスポーク５２ｄに隣接するディスク形状部５２ａの外周部５２ｂとによって通風用の吸気窓５２ｆが区画されている。

図５は、リアハウジング５２のディスク形状部５２ａの外周部５２ｂと回転子３の爪状磁極部３６の肩部３６ａとの関係を示す図である。図４および図５に示すように、外周部５２ｂは、リア側（整流装置６が配置される側）の外径をＬ２、フロント側（回転子３が配置される側）の外径をＬ１とすると、Ｌ２＞Ｌ１の関係を有するテーパ形状（回転軸３１に対して傾斜した形状）を有している。また、図３および図５に示すように、爪状磁極部３６の肩部３６ａの軸方向端面の外径をφ２、肩部３６ａの最外径をφ１とすると、φ２≧Ｌ２≧φ１の関係となるように、すなわち、リアハウジング５２のディスク形状部５２ａの外周部５２ｂのフロント側の外径Ｌ２が、回転子３の肩部３６ａの軸方向端部の外径φ２と最外径φ１の間にあるようにディスク形状部５２ａの外形形状が設定されている。

このように、本実施形態のブラシレス車両用交流発電機１では、リアハウジング５２のディスク形状部５２ａの外周部５２ｂ、すなわちリアハウジング５２の吸気窓５２ｆの端部形状をテーパ形状とすることにより、ディスク形状部５２ａと回転子３との間の段差部分で生じる冷却風の乱流を低減することができ、効率よく回転子３周辺に冷却風を導くことができるため、冷却性の向上が可能となる。

図６は、従来構造のブラシレス車両用交流発電機の部分的断面図である。図６において矢印で示すように、導入される冷却風は、リアハウジングと回転子との間に存在する段差部分に衝突して円滑な流れが阻害されて乱流が発生する。これに対し、図５に示す本実施形態の構造ではこのような段差部分で発生する乱流が低減される。

図７は、冷却風風量の測定結果を示す図である。図７において、横軸は発電機回転数を、縦軸は冷却風の風量をそれぞれ示している。また、実線は本実施形態のブラシレス車両用交流発電機１に対応する風量を、点線は図６に示す従来構造のブラシレス車両用交流発電機の部分的断面図に対応する風量を示している。図７に示すように、本実施形態のブラシレス車両用交流発電機１では、従来構造のブラシレス車両用交流発電機に対して、高速回転域において１０〜１５％の風量増加を実現することができる。

図８は、変形例のブラシレス車両用交流発電機の部分的断面図である。図８に示す変形例では、回転子３の肩部３６ａとリアハウジング５２のディスク形状部５２ａとの間の隙間が少なくなるように、ディスク形状部５２ａの回転子３側対向面が回転子３側に移動するとともに、ディスク形状部５２ａの外周部５２ｂの傾斜（テーパ角度）を肩部３６の外周部の傾斜に合わせることで、ディスク形状部５２ａの外周部５２ｂと肩部３６ａの外周部とが全体で段差のない一体形状に近づくように工夫されている。これにより、さらに冷却風の乱流を低減するとともに、回転子３の内周側への被水等を低減することができる。

図９は、他の変形例のブラシレス車両用交流発電機の部分的断面図である。図９に示す変形例では、ディスク形状部５２ａの外周部５２ｂがテーパ形状ではなく、回転軸に平行な面として形成されている。このような場合であっても、φ２≧Ｌ２≧φ１の関係となるようにディスク形状部５２ａを形成することにより、回転子３の肩部３６ａの端面に当たることにより生じる冷却風の乱流を低減することができ、効率よく回転子３周辺に冷却風を導くことができるため、冷却性の向上が可能となる。また、ディスク形状部５２ａ近傍において回転子３内周側に回り込む冷却風を減らすことができるため、回転子３内周側に存在する隙間部分に対する被水や浸水の低減が可能となる。このため、錆の発生による回転子固着を防止することができる。

図１０は、他の変形例のブラシレス車両用交流発電機の部分的断面図である。図１０に示す変形例では、ディスク形状部５２ａの外周部５２ｂの一部が回転子３側に延長された突出部５２ｇが備わっている。この突出部５２ｇは、肩部３６ａのディスク形状部５２ａに対向する面を超えて軸方向に沿って回転子３側に延びている。このような突出部５２ｇを備えることにより、乱流の発生および回転子３内周側への被水や浸水をさらに低減することができる。

図１１は、他の変形例のブラシレス車両用交流発電機の部分的断面図である。図１１に示す変形例では、図１０に示した突出部５２ｇを含むディスク形状部５２ａの外周部５２ｂを、別部品としてのカバー部材５２ｈで形成している。このカバー部材５２ｈは、ボルト４２によって、リアハウジング５２に固定継鉄部４１とともに固定されている。これにより、リアハウジング５２の形状を複雑化することなく突出部を追加することが可能となる。なお、図１１に示す例では、カバー部材５２ｈによって図１０に示す突出部５２ｇを形成したが、このカバー部材５２ｈの軸方向長さを短くすることで、突出部を有しない外周部（図５や図９に示す外周部５２ｂ）を形成するようにしてもよい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、図５に示すように、テーパ形状を有する外周部５２ｂの回転子３側の外径Ｌ２をφ１以上φ２以下に設定したが、外径Ｌ２をφ１未満に設定してもよい。この場合であっても、外周部５２ｂをテーパ形状とすることによる冷却風の乱流低減の効果はある。

一実施形態のブラシレス車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。 一実施形態のブラシレス車両用交流発電機の全体構造を示す背面図である。 回転子の一部断面を含む側面図である。 リアハウジングの平面図である。 リアハウジングのディスク形状部の外周部と回転子の爪状磁極部の肩部との関係を示す図である。 従来構造のブラシレス車両用交流発電機の部分的断面図である。 冷却風風量の測定結果を示す図である。 変形例のブラシレス車両用交流発電機の部分的断面図である。 他の変形例のブラシレス車両用交流発電機の部分的断面図である。 他の変形例のブラシレス車両用交流発電機の部分的断面図である。 他の変形例のブラシレス車両用交流発電機の部分的断面図である。

符号の説明

１ ブラシレス車両用交流発電機
２ 固定子
３ 回転子
４ 界磁巻線
６ 整流装置
７ レギュレータ
８ リアカバー
３１ 回転軸
３２、３３ 回転継鉄部
３４、３６ 爪状磁極部
３５ 支持部材
３６ａ 肩部
５１ フロントハウジング
５２ リアハウジング
５２ａ ディスク形状部
５２ｂ 外周部
５２ｄ スポーク
５２ｅ ハウジング側壁
５２ｆ 吸気窓
５３ 冷却ファン

Claims (2)

1. 固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の内周側に対向配置された回転子と、前記回転子に供給する磁束を発生し固定締結部に巻回される界磁巻線と、前記固定子巻線の出力電圧を整流して外部に出力する複数の整流素子が取り付けられた放熱フィンを有する整流装置と、前記固定子および前記回転子を収納するハウジングとを備えるブラシレス車両用交流発電機において、
   前記ハウジングは、前記回転子の回転軸に対して垂直に延在するディスク形状部と、前記ディスク形状部から放射状に径方向外側に延びる複数のスポークと、前記スポークの外周端から周方向に延びるハウジング側壁と、前記ディスク形状部の外周部と前記スポークと前記ハウジング側壁とで区画される吸気窓とを有し、
   前記回転子は爪状磁極部を互いに周方向に連結するリング状の肩部を有し、前記肩部が前記ディスク形状部に隣接配置されており、
   前記ディスク形状部の外周部は、前記肩部の前記ディスク形状部に対向する面を超えて軸方向に沿って前記回転子側に延びる突出部を有することを特徴とするブラシレス車両用交流発電機。
2. 請求項１において、
   前記突出部は、前記ディスク形状部と別部品により形成されていることを特徴とするブラシレス車両用交流発電機。

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