JP4497062B2 - 車両用交流発電機 - Google Patents

Description

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。

近年、車両走行抵抗の低減のためのスラントノーズ化やエンジンまわりの各種装着品の増加、および車室内居住空間確保というニーズからエンジンルームがますます狭小化し、発電機の周囲温度が高くなる傾向にあるとともに発電機の小型化が求められている。一方、快適性や安全性の向上のための各種の電気負荷の増加により、発電機の発電能力の向上も求められ、発電機自身の発熱量も増加している。以上のことから、発電機を構成する各種部品の中でも、温度上昇の大きい機能部品である整流素子（ダイオード）を持つ整流装置の冷却性を小型かつ低コストで確保、実現することが必要である。

これに対し、整流素子を放熱フィンに設けた穴部に打ち込み嵌合させ、従来実施していた、はんだ付けを廃止することにより、はんだの熱疲労に伴う不具合を解消し、さらには、放熱フィンをアルミダイカストにより鋳造することで回転軸に対して放射状の複雑なサブフィンを形成し、放熱面積を拡大することで放熱フィンを大型化することなく冷却性の確保を図る構成が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、回転軸に対して放射状に設けられたサブフィンに加えて、小型化に対応したコンパクトな放熱フィンに多数の整流素子を打ち込み嵌合させるため整流素子が近接して打ち込まれる打ち込み部周辺にリブを配置して放熱フィンを補強するとともに、打ち込み部周辺の放熱フィンそのものの厚さを厚くし、整流素子打ち込み時の放熱フィンの割れストレスに対処する構成が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００４−１１２８６０号公報（第４−６頁、図１−５） 特開２００４−２８２９３７号公報（第４−７頁、図１−１０）

上述したように、近年、快適性や安全性の向上のための各種の電気負荷の増加により発電機の能力も向上しており、整流素子の発熱も増加している。更に発電機には小型化が求められており、その対応として、特許文献１、２に開示されたように、放熱フィンに複雑なサブフィンを形成することにより、放熱フィンを大型化することなく整流素子の冷却を図っている。しかしながら、複数の整流素子を圧入する上に、複雑なサブフィンを形成した放熱フィンは、形状が複雑であるがゆえに、肉厚が減少する部位や、応力集中を誘発する部位を形成し、整流素子圧入によるストレスに対し、十分な耐力がなく、放熱フィンが割れてしまう可能性がある。また、こうした放熱フィンを低コストで実現するためには、アルミダイカストにより鋳造製作することが望ましいが、鋳造品は内質の安定化が難しく、欠陥等によりさらに放熱フィン割れの可能性が増すことが予想される。

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、整流装置の放熱フィンに整流素子を圧入した場合に整流素子の圧入ストレスに対して十分なフィン強度を確保することができる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、本発明の車両用交流発電機は、回転子と、回転子と対向配置された固定子と、回転子と固定子とを支持するフレームと、固定子の交流出力を直流出力に変換する整流装置と、外部から整流装置を経由して冷却風を吸入するファンを備えており、整流装置は、整流素子の冷却部材と整流素子接続導体を兼ねた正負の異なる極性を有する一対のフィンと、一対のフィンに打ち込み固定された複数の整流素子と、これらの整流素子の整流回路を形成する端子台とを有し、一対のフィンは、回転子の回転軸に対して径方向に配置され、かつ、互いに径方向にオーバーラップ部を有する２層構造を有し、一対のフィンは、整流素子の圧入穴近傍に、軸方向に沿って凸形状となる円環状リブを有し、円環状リブは、軸方向高さが異なる複数の部位を有している。このように、円環状リブはフィンに設けられた整流素子の圧入穴とフィン端部との距離、すなわち肉厚が薄い部位が高く設定されている。その逆に、肉厚が厚い側は、円環状リブの高さが低く設定されている。こうすることにより、整流素子圧入によるフィンへのストレス（フィンに加わる円周応力）が均一化され、従来肉厚が薄い側に集中していた応力が軽減されてフィン割れの発生を防止することが可能となり、整流素子の圧入ストレスに対して十分なフィン強度を確保することができる。なお、円環状リブの定量的高さの理想値は、一般的にフィンに割れが発生する断面において、その断面の幅Ｂと高さＨで求められる２次モーメントＩ（Ｉ＝１／１２×Ｂ×Ｈ³ ）の値が整流素子の圧入穴の円周上で等しくなるように設定することが望ましい。

また、上述した円環状リブは、整流素子を圧入するフィンに設けられた圧入穴とフィンの端部との距離が長い側において欠落していることが望ましい。フィン強度の弱い部位の円環状リブを高く設定したいが寸法的にそれが不可能な場合等において、その逆にフィン強度の高い部位の円環状リブを部分的に高さをゼロ（欠落した状態）に設定することによっても、上述した断面の２次モーメントの値を理想値に近い値とすることができ、整流素子の圧入ストレスに対して十分なフィン強度を確保することが可能となる。

また、上述した円環状リブの軸方向高さが異なる複数の部位を連結する領域は、これら複数の部位の表面に対して９０度を超える向きを有する傾斜部と、これら複数の部位の表面のそれぞれと傾斜部とを滑らかにつなぐ曲面部とを有することが望ましい。あるいは、上述した円環状リブの欠落している部位とそれ以外の部位とを連結する領域は、これらの部位の表面に対して９０度を超える鈍角の傾斜部と、これらの部位の表面のそれぞれと傾斜部とを滑らかにつなぐ曲面部とを有することが望ましい。これにより、円環状リブの高さを変化させたり、円環状リブを部分的に欠落させたりした場合に、その変化を緩やかにすることで、一般的に形状の急変する部位に発生する応力集中を緩和することが可能となる。

また、上述した円環状リブの軸方向高さが低い側の部位の近傍に、フィンを貫通する穴を１箇所以上設けることが望ましい。あるいは、上述した円環状リブの欠落している部位の近傍に、フィンを貫通する穴を１箇所以上設けることが望ましい。円環状リブの高さを低くしたり、部分的に欠落させたりした場合であって、まだなお整流素子の圧入穴のフィン応力が不均一になる場合に、フィン強度に余裕がある部位に貫通穴を効果的に配置することで、フィン応力の更なる均一化を図ることが可能となる。また、貫通穴の内周面によりフィンの放熱面積が拡大するとともに、正負の極性が異なる一対のフィンは互いに径方向にオーバーラップ部を有する２層構造を形成しているため、回転子に設けられたファンにより車両用交流発電機後方から流入した冷却風が貫通穴を通過することで整流装置の冷却性向上も図ることが可能となる。

また、上述した円環状リブの近傍に回転子の回転軸に対して放射状に突出したサブフィンを有することが望ましい。これにより、フィンの放熱面積を拡大して整流装置の冷却性向上を図ることが可能となる。

また、上述したサブフィンは、円環状リブの軸方向高さが高い部位を含んで形成されていることが望ましい。これにより、サブフィンにより形状が複雑化して肉厚が減少する部位が生じても、この部位の円環状リブの高さを高く設定することでフィン強度と冷却性の両立を図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車両用交流発電機について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、一実施形態の車両用交流発電機の断面図である。図１に示す車両用交流発電機１は、エンジンからベルト（図示せず）およびプーリ１０を介して回転駆動される回転子２と、電機子として働く固定子４と、回転子２と固定子４とを一対の軸受け３ｃ、３ｄを介して支持するフロントフレーム３ａおよびリアフレーム３ｂと、固定子４に接続されて交流出力を直流出力に変換する整流装置５と、回転子２の界磁コイル２２に界磁電流を供給するブラシを保持するブラシ装置７と、出力電圧を制御するレギュレータ９と、車両との間で電気信号を入出力する端子を持つコネクタケース６と、整流装置５やレギュレータ９やブラシ装置７等を覆うようにリアフレーム３ｂの端面に取り付けられる樹脂製の保護カバー８等を含んで構成されている。回転子２は、回転子磁極２４の軸方向端面に、外部から整流装置５を経由して冷却風を吸入する冷却風発生装置としての冷却ファン２６を備えている。

次に、整流装置５の詳細について説明する。図２は、整流装置５の平面図である。また、図３は整流装置５の断面構造を示す車両用交流発電機１の部分断面図である。図４は整流装置５に含まれる負極側放熱フィンの平面図である。整流装置５は、軸方向に２段に重ねられたオーバーラップ部を有する２重構造の正極側放熱フィン５０１、負極側放熱フィン５０３と、正極側放熱フィン５０１に取り付けられた正極側整流素子５０２と、負極側放熱フィン５０３に取り付けられた負極側整流素子５０４と、端子台５１３とを含んで構成されている。

端子台５１３は、正極側放熱フィン５０１と負極側放熱フィン５０３の間を電気的に絶縁する樹脂製絶縁部材であり、固定子４で発生する交流電圧を正極側整流素子５０２および負極側整流素子５０４に導くための導電部材５１４を内蔵している。正極側整流素子５０２は、リード部５１０が負極側放熱フィン５０３に向くように配置されており、負極側整流素子５０４は、リード部５１２が正極側放熱フィン５０１に向くように配置されている。

また、これらの正極側整流素子５０２および負極側整流素子５０４のそれぞれは、正極側放熱フィン５０１あるいは負極側放熱フィン５０３に設けられた圧入穴としての整流素子圧入部５０２Ａ、５０４Ａに打ち込み固定されており、それぞれのリード部５１０、５１２は、端子台５１３の導電部材５１４に電気接続されて全波整流回路を形成している。例えば、本実施形態では、２組の三相全波整流回路を形成するよう、図２に示すように、正極側放熱フィン５０１には６個の正極側整流素子５０２が、負極側放熱フィン５０３には６個の負極側整流素子５０４がそれぞれ配置されている。

また、正極側放熱フィン５０１には出力端子としてのボルト５００が取り付けられており、このボルト５００から直流出力が取り出される。

上述した構造を有する整流装置５は、リアフレーム３ｂと保護カバー８との間に配置されており、リアベアリングボックス３０の支持部材としての締結ボルト３１に、保護カバー８とともに締結固定されている。また、負極側放熱フィン５０３は、正極側放熱フィン５０１に比べ外径寸法が大きく設定されており、負極側整流素子５０４は、正極側整流素子５０２よりも外径側に配置されている。また、図３に示すように、負極側放熱フィン５０３は、締結ボルト３１周辺においてはリアフレーム３ｂに接している。

本実施形態では、正極側放熱フィン５０１および負極側放熱フィン５０３は、例えばアルミダイカストによって形成されており、量産性の向上によるコストダウンが図られている。なお、アルミ材や銅材等の熱伝導率が良好な金属材料を切削加工してこれらの放熱フィンを形成してもよい。

ところで、図４に示すように、負極側放熱フィン５０３の整流素子圧入部５０４Ａ近傍には、円環状リブ６０１が設けられている。この円環状リブ６０１は、軸方向高さが異なる複数の部位を有する。具体的には、円環状リブ６０１は、負極側放熱フィン５０３の肉厚が薄い部位（外周端部までの距離が短い部位）については軸方向高さが高い部位６０１ａが設定され、反対に、負極側放熱フィン５０３の肉厚が厚い部位（外周端部までの距離が長い部位）については軸方向高さが低い部位６０１ｂが設定されている。なお、円環状リブ６０１の定量的高さの理想値は、一般的に負極側放熱フィン５０３に割れが発生する断面において、その断面の幅Ｂと高さＨで求められる２次モーメントＩ（Ｉ＝１／１２×Ｂ×Ｈ³ ）の値が整流素子圧入部５０４Ａの円周上で等しくなるように設定することが望ましい。

正極側放熱フィン５０１についても同様である。すなわち、図２に示すように、正極側放熱フィン５０１の整流素子圧入部５０２Ａ近傍には、円環状リブ６０２が設けられている。この円環状リブ６０２は、軸方向高さが異なる複数の部位を有する。具体的には、円環状リブ６０２は、正極側放熱フィン５０１の肉厚が薄い部位（外周端部までの距離が短い部位）については軸方向高さが高い部位６０２ａが設定され、反対に、正極側放熱フィン５０１の肉厚が厚い部位（外周端部までの距離が長い部位）については軸方向高さが低い部位６０２ｂが設定されている。

このように、円環状リブ６０１、６０２は放熱フィン５０３、５０１に設けられた整流素子圧入部５０４Ａ、５０２Ａとフィン端部との距離、すなわち肉厚が薄い部位が高く設定されている。その逆に、肉厚が厚い側は、円環状リブ６０１、６０２の高さが低く設定されている。こうすることにより、整流素子圧入による放熱フィンへのストレス（放熱フィンに加わる円周応力）が均一化され、従来肉厚が薄い側に集中していた応力が軽減されて放熱フィン割れの発生を防止することが可能となり、整流素子５０４、５０２の圧入ストレスに対して十分な放熱フィン強度を確保することができる。

図５は、整流装置の変形例を示す図であり、変形例に対応した負極側放熱フィン５０３の部分的な平面図が示されている。図５に示す負極側放熱フィン５０３の整流素子圧入部５０４Ａ近傍には、円環状リブ６０１が設けられている。この円環状リブ６０１は、負極側放熱フィン５０３の肉厚が薄い部位については軸方向高さが高い部位６０１ａが設定され、反対に、負極側放熱フィン５０３の肉厚が厚い部位については円環状リブ６０１が部分的に欠落した部位６０１ｃが設定されている。

図６は、図５に示すＶＩ−ＶＩ線断面図である。図６に示すように、軸方向高さが高い部位６０１ａと円環状リブ６０１が欠落している部位６０１ｃは、９０°を超える鈍角な傾斜部６０１ｅとそれぞれの部位を結ぶ曲面部としてのＲ部６０１ｆ（２箇所）とによって連結されている。なお、図５および図６は、負極側放熱フィン５０３について説明したが、正極側放熱フィン５０１の円環状リブ６０２についても同様である。

放熱フィン強度の弱い部位の円環状リブ６０１、６０２を高く設定したいが寸法的にそれが不可能な場合等において、その逆に放熱フィン強度の高い部位の円環状リブ６０１、６０２を部分的に高さをゼロ（欠落した状態）に設定することによっても、上述した断面の２次モーメントの値を理想値近い値とすることができ、整流素子５０４、５０２の圧入ストレスに対して十分な放熱フィン強度を確保することが可能となる。

また、円環状リブ６０１、６０２を部分的に欠落させた場合（図２に示すよう円環状リブ６０１、６０２の高さを変化させた場合も同様）に、その変化を緩やかにすることで、一般的に形状の急変する部位に発生する応力集中を緩和することが可能となる。

図７は、整流装置の他の変形例を示す図であり、変形例に対応した負極側放熱フィン５０３の部分的な平面図が示されている。図７に示す負極側放熱フィン５０３は、図５に示す構成と同様に、円環状リブ６０１として軸方向高さが高い部位６０１ａが設定されているとともに、円環状リブ６０１が部分的に欠落した部位６０１ｃが設定されている。また、円環状リブが欠落した部位６０１ｃの外側に、応力均一化を図るための貫通穴６０３が設けられている。なお、図７においては、貫通穴６０３を円弧上の大きな穴１個にて形成したが、任意の大きさの穴を多数個組み合わせ、自由に配置することで更に設定自由度が増す。また、図７に示す円環状リブ６０１の代わりに、図５に示した円環状リブ６０１を用いるようにしてもよい。

このように、円環状リブ６０１、６０２の高さを低くしたり、部分的に欠落させたりした場合であって、まだなお整流素子圧入部５０４、５０２の放熱フィン応力が不均一になる場合に、放熱フィン強度に余裕がある部位に貫通穴６０３を効果的に配置することで、放熱フィン応力の更なる均一化を図ることが可能となる。また、貫通穴６０３の内周面により放熱フィンの放熱面積が拡大するとともに、正負の極性が異なる一対の放熱フィン５０３、５０１は互いに径方向にオーバーラップ部を有する２層構造を形成しているため、回転子２に設けられた冷却ファン２６により車両用交流発電機１後方から流入した冷却風が貫通穴６０３を通過することで整流装置５の冷却性向上も図ることが可能となる。

図８は、整流装置の他の変形例を示す正面図である。また、図９は図８に示す正極側放熱フィンの部分的な斜視図であり、Ａ領域近傍の詳細が示されている。図１０は図８に示す負極側放熱フィンの正面側の部分的な斜視図であり、Ｂ領域近傍の詳細が示されている。図１１は図８に示す負極側放熱フィンの裏面側の部分的な斜視図であり、Ｂ領域近傍の詳細が示されている。これらの図に示すように、正極側放熱フィン５０１の整流素子圧入部５０２Ａ近傍には、回転子２の回転軸２１に対し放射状に突出したサブフィン６０５が設けられている。このサブフィン６０５が設けられた部位に対応する円環状リブ６０２は、応力集中した場合においても十分なフィン強度が確保できるように、軸方向高さが高い部位６０２ａが対応している。同様に、負極側放熱フィン５０３の整流素子圧入部５０４Ａ近傍には、回転子２の回転軸２１に対し放射状に突出したサブフィン６０６が設けられている。このサブフィン６０６が設けられた部位に対応する円環状リブ６０１は、応力集中した場合においても十分なフィン強度が確保できるように、軸方向高さが高い部位６０１ａが対応している。

このように、円環状リブ６０１、６０２の近傍に回転子２の回転軸２１に対して放射状に突出したサブフィン６０６、６０５を備えることにより、放熱フィン５０３、５０１の放熱面積を拡大して整流装置５の冷却性向上を図ることが可能となる。特に、サブフィン６０６、６０５は、円環状リブ６０１、６０２の軸方向高さが高い部位を含んで形成されている。これにより、サブフィン６０６、６０５により形状が複雑化して肉厚の減少や応力が集中する部位が生じても、この部位の円環状リブ６０１、６０２の高さを高く設定することで放熱フィン強度と冷却性の両立を図ることが可能となる。

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、正極側放熱フィン５０１と負極側放熱フィン５０３の両方の各整流素子圧入部の近傍に円環状リブを設けたが、正極側放熱フィン５０１と負極側放熱フィン５０３のいずれか一方、あるいは一部の整流素子圧入部の近傍に円環状リブを設けるようにしてもよい。

一実施形態の車両用交流発電機の断面図である。 整流装置の平面図である。 整流装置の断面構造を示す車両用交流発電機の部分断面図である。 整流装置に含まれる負極側放熱フィンの平面図である。 整流装置の変形例を示す図である。 図５に示すＶＩ−ＶＩ線断面図である。 整流装置の他の変形例を示す図である。 整流装置の他の変形例を示す正面図である。 図８に示す正極側放熱フィンの部分的な斜視図である。 図８に示す負極側放熱フィンの正面側の部分的な斜視図である。 図８に示す負極側放熱フィンの裏面側の部分的な斜視図である。

符号の説明

１ 車両用交流発電機
２ 回転子
４ 固定子
５ 整流装置
１０ プーリ
５０１ 正極側放熱フィン
５０２ 正極側整流素子
５０２Ａ、５０４Ａ 整流素子圧入部
５０３ 負極側放熱フィン
５０４ 負極側整流素子
５１３ 端子台
６０１、６０２ 円環状リブ
６０３ 貫通穴

Claims (8)

1. 回転子と、前記回転子と対向配置された固定子と、前記回転子と固定子とを支持するフレームと、前記固定子の交流出力を直流出力に変換する整流装置と、外部から前記整流装置を経由して冷却風を吸入するファンを備える車両用交流発電機において、
   前記整流装置は、整流素子の冷却部材と整流素子接続導体を兼ねた正負の異なる極性を有する一対のフィンと、前記一対のフィンに打ち込み固定された複数の整流素子と、これらの整流素子の整流回路を形成する端子台とを有し、
   前記一対のフィンは、前記回転子の回転軸に対して径方向に配置され、かつ、互いに径方向にオーバーラップ部を有する２層構造を有し、
   前記一対のフィンは、前記整流素子の圧入穴近傍に、軸方向に沿って凸形状となる円環状リブを有し、
   前記円環状リブは、軸方向高さが異なる複数の部位を有し、
   前記円環状リブの軸方向高さは、前記整流素子の圧入穴と前記フィンの端部との距離が短い部位は高く設定され、前記整流素子の圧入穴と前記フィンの端部との距離が長い部位は低く設定されてい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、
   前記円環状リブは、前記整流素子を圧入する前記フィンに設けられた圧入穴と前記フィンの端部との距離が長い側において欠落してい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、
   前記円環状リブの軸方向高さが異なる複数の部位を連結する領域は、これら複数の部位の表面に対して９０度を超える向きを有する傾斜部と、これら複数の部位の表面のそれぞれと前記傾斜部とを滑らかにつなぐ曲面部とを有することを特徴とする車両用交流発電機。
4. 請求項１または３において、
   前記円環状リブの軸方向高さが低い側の部位の近傍に、前記フィンを貫通する穴を１箇所以上設けることを特徴とする車両用交流発電機。
5. 請求項２において、
   前記円環状リブの欠落している部位とそれ以外の部位とを連結する領域は、これらの部位の表面に対して９０度を超える鈍角の傾斜部と、これらの部位の表面のそれぞれと前記傾斜部とを滑らかにつなぐ曲面部とを有することを特徴とする車両用交流発電機。
6. 請求項５において、
   前記円環状リブの欠落している部位の近傍に、前記フィンを貫通する穴を１箇所以上設けることを特徴とする車両用交流発電機。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記円環状リブの近傍に前記回転子の回転軸に対して放射状に突出したサブフィンを有することを特徴とする車両用交流発電機。
8. 請求項７において、
   前記サブフィンは、前記円環状リブの軸方向高さが高い部位を含んで形成されていることを特徴とする車両用交流発電機。

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