JP4548264B2 - 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、車室内居住空間の確保のニーズからエンジンルームがますます狭小化する中で、車両用交流発電機の搭載スペースに余裕がなくなってきている。 また、燃費向上のためエンジン回転は下げられ車両用交流発電機の回転も下がっている。しかしその一方で、安全制御機器等の電気負荷の増加が求められ、ますます発電能力の向上が求められている。 即ち小型で高出力の車両用交流発電機を安価に提供することが求められている。

また、車外騒音低減の社会的要請や、車室内静粛性向上による商品性向上の狙いから、近年ますますエンジン騒音が低下してきており、比較的高速で回転する補機、とりわけ車両用交流発電機の騒音が耳につきやすい状況となってきた。

従来、ハウジングの冷却風吐出窓近傍の形状を改良することにより、騒音を低減したり、冷却性を向上したりする各種の技術が知られている。例えば、冷却風吐出窓を形成するリブを流線形にすることにより冷却風の抵抗を低減して冷却風の流れを円滑にする従来構造（例えば、特許文献１参照。）や、ハウジングに設けられた支持部（サポート部）近傍のリブの傾斜を工夫することにより冷却風の抵抗を低減して冷却風量を増加させた従来構造（例えば、特許文献２参照。）などが知られている。
特開２０００−６９７１４号公報（第３−４頁、図１−８） 特開平７−７９５４３号公報（第４−５頁、図１−８）

ところで、上述した特許文献１、２に開示された従来構造では、ハウジングに形成されたリブや支持部の周辺における冷却風の抵抗を低減する工夫がなされているが、その分冷却風量が増すためファン騒音低減の効果が少ないという問題があった。特に、リブおよび冷却風吐出窓が周方向にほぼ等間隔で形成されている場合には、この間隔で決まる特定次数成分がファン騒音に含まれることになるが、このようなファン騒音については特に考慮されているわけではない。

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、ファン騒音を低減することができ、しかも冷却性を維持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、回転軸と一体的に回転する回転子と、回転子の外周に対向して配置された固定子と、回転軸と一体的に回転して回転軸のほぼ半径方向に冷却風を発生させて固定子を冷却する冷却ファンと、回転子を収容して回転軸を回転自在に支持するとともに周方向に複数の冷却風吐出窓を形成する複数のリブが形成されたハウジングとを備えており、ハウジングは、固定子を支持するために用いられる複数の支持部を有しており、ハウジングに形成された複数のリブの周方向側面は回転軸の径方向に対して傾斜しており、複数のリブは回転子の回転方向に沿って周方向幅が次第に変化し、隣接する支持部の間において、複数のリブの周方向幅は、回転子の回転方向に沿って一方向に徐々に広く、あるいは、一方向の徐々に狭くなるように設定されている。冷却風吐出窓を形成するリブの周方向幅を次第に変化させることにより、冷却風吐出窓の周方向間隔をずらしているため、冷却風が各吐出窓を通して排出される際に発生する耳障りな特定次数成分を抑制してファン騒音全体を低減す
ることが可能になる。

上述した複数のリブの周方向幅を、回転子の回転方向上流から下流に向かって徐々に広くなるように設定することにより、特定次数のファン騒音を確実に低減することができる。

また、上述した複数のリブの周方向幅を、回転子の回転方向上流から下流に向かって徐々に狭くなるように設定することにより、特定次数のファン騒音を確実に低減することができる。また、ハウジングの隣接する支持部間に形成された冷却風吐出窓を塞いで冷却風量を測定したところ、一方の支持部に近い回転方向上流側の冷却風吐出窓を塞いでも冷却風量の低下が少ないことが確認されたため、回転方向上流側の方がリブ幅が広くなるようにすることで、冷却風量の低減を抑制して冷却性を維持することが可能になる。

また、上述したハウジングは、整流装置が固定されるリヤ側ハウジングと、回転子が回転駆動されるプーリが取り付けられるフロント側ハウジングとに分割されており、リヤ側ハウジングについて、複数のリブの周方向側面を回転軸の径方向に対して傾斜させるとともに、複数のリブの周方向幅を回転子の回転方向に沿って次第に変化させることが望ましい。これにより、リヤ側ハウジングのリブの幅を次第に広くすることにより、整流装置からリヤ側ハウジングに伝わる伝熱量を増すことができるため、整流装置の冷却性を向上させることができる。

また、上述した複数のリブの幅は、最大幅に対する最小幅の比率が０．８から０．５の範囲内に含まれるように設定されていることが望ましい。これにより、ファン騒音低減と整流装置の温度低減の効果を両立させることが可能となる。

また、隣接する支持部の間において、複数のリブによって形成される冷却風吐出窓は、回転子の回転方向下流側に偏在して配置されていることが望ましい。上述した冷却風量の測定から、回転方向上流になるほど冷却風吐出窓がないことによる冷却風量への影響が少ないことがわかっているため、回転方向下流側に冷却風吐出窓を偏在させることにより、冷却風量の確保による冷却性の維持が可能になる。

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、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、回転子２、固定子３、フロント側ハウジング４、リヤ側ハウジング５、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８、プーリ９等を含んで構成されている。

回転子２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２１を、それぞれが６個の爪部を有する界磁鉄心２２、２３によって、回転軸２４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（プーリ９側）の界磁鉄心２２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に軸流式又は軸流式と遠心式を混合した冷却ファン２５が溶接等によって取り付け固定されている。同様に、リヤ側の界磁鉄心２３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遠心式の冷却ファン２６が溶接等によって取り付け固定されている。

回転軸２４のリヤ側には界磁巻線２１の両端に電気的に接続されたスリップリング２７、２８が形成されており、ブラシ装置６内のブラシ６１、６２をスリップリング２７、２８のそれぞれに押し当てた状態で組み付けることにより、整流装置７から界磁巻線２１に対して励磁電流が流れるようになっている。

固定子３は、固定子鉄心３１に形成された複数個のスロットに、三相の固定子巻線３２が所定間隔で巻き回されている。整流装置７は、固定子３の三相の固定子巻線３２の出力電圧である三相交流を整流して直流出力を得るためのものであり、所定の間隔で固定される正極側放熱板および負極側放熱板と、それぞれの放熱板に半田付け等によって取り付けられた複数個の整流素子とを含んで構成されている。

フロント側ハウジング４およびリヤ側ハウジング５は、上述した回転子２および固定子３を収納しており、回転子２が回転軸２４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２の界磁鉄心２２、２３の外側に所定の隙間を介して配置された固定子３が固定されている。この固定子３の固定は、回転子２の回転方向に沿って等間隔に設けられた４箇所の支持部４２０にボルト３４を通して締め付けることにより行われる。

電圧調整器８は、界磁巻線２１に流す励磁電流を制御することにより車両用交流発電機１の出力電圧を調整するためのものであり、電気負荷と発電量とに応じて変化する出力電圧をほぼ一定に維持する。プーリ９は、エンジン（図示せず）の回転を車両用交流発電機１内の回転子２に伝えるためのものであり、回転軸２４の一方端（スリップリング２７等と反対側）にナット９１によって締め付け固定されている。また、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８を覆うように、これらを保護するリヤカバー９２が取り付けられている。

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９にエンジンからの回転が伝えられると回転子２が所定方向に回転する。このとき、界磁巻線２１に励磁電圧を印加することにより界磁鉄心２２、２３のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線３２に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置７の出力端子からは所定の直流電流が取り出される。

また、上述した回転子２の回転に伴って、一方の界磁鉄心２２の端面に取り付けられた冷却ファン２５が回転するため、プーリ９側に設けられたフロント側ハウジング４の吸入口４４０を介して冷却風が車両用交流発電機１の内部に吸入され、この冷却風の軸方向成分によって界磁巻線２１が冷却されるとともに、径方向成分によって固定子巻線３２の前方のコイルエンドが冷却される。

同様に、上述した回転子２の回転に伴って、他方の界磁鉄心２３の端面に取り付けられた冷却ファン２６も回転するため、リヤカバー９２の吸入口を介して吸入された冷却風が、整流装置７あるいは電圧調整器８を冷却した後に、リヤ側ハウジング５の吸入口５４０を介して冷却ファン２６まで導かれ、この冷却風が径方向に排出されて、固定子巻線３２の後方のコイルエンドが冷却される。

次に、リヤ側ハウジング５の詳細について説明する。図２は、リヤ側ハウジング５の平面図である。図１および図２に示すように、リヤ側ハウジング５は、回転子２に対向する位置に設けられて軸受けを収納する軸受け収納部５００と、車両用交流発電機１をエンジンブロック（図示せず）に取り付けるために使用されるステー５１０と、このステー５１０の根元部分近傍２箇所とそれ以外の２箇所の合計４箇所の側面に等間隔に配置された４つの支持部５２０とを有している。各支持部５２０は、ボルト収納部を有しており、フロント側ハウジング４内に固定子３の一部を収納した状態で、各支持部５２０のボルト収納部にボルト３４を通して締め付けることにより、固定子３が固定される。

また、リヤ側ハウジング５は、４つの支持部５２０の間に回転子２の回転に伴って冷却ファン２６から吐出された冷却風を通過する複数の冷却風吐出窓５５０を形成する複数のリブ５３０が配置されている。図２に示すように、リブ５３０は回転子２の冷却風がスムーズに吐出されるように、回転子２の回転方向に沿って外周部にいくほど回転方向下流側に傾斜している。しかも、隣接する２つの支持部５２０の間では、回転子２の回転方向上流側から下流側に向かってリブ５３０の幅が次第に増加するように設定されている。図２に示す例では、隣接する２つの支持部５２０の間に配置されたリブ５３０の幅を回転方向上流側から下流側に向かって順番に５３０Ｄ、５３０Ｃ、５３０Ｂ、５３０Ａとしたときに、５３０Ａ＞５３０Ｂ＞５３０Ｃ＞５３０Ｄの関係を満たすように設定されている。また、隣接した２つのリブ５３０によって形成される冷却風吐出窓５５０（支持部５２０に隣接するリブ５３０についてはこのリブ５３０と支持部５２０から連続するリヤ側ハウジング５の周方向壁面との間に形成される窓５５０）の幅は同一になるように設定されている。

ところで、図３に示すようにリブ５３０の幅を同一に設定した従来のリヤ側ハウジング５Ａでは、強度的に必要な最小幅に設定すればよいが、図２に示すようにリブ５３０の幅を徐々に変化させる場合には、最小幅のリブ５３０についても要求する強度を確保しつつ、それ以外のリブ５３０についてはこの最小幅以上の幅を設定する必要があるため、確保することができる冷却風吐出窓５５０の数が減少する場合がある。図２に示す本実施形態品と図３に示す従来品を比較すると、隣接する支持部５２０間に設けられた冷却風吐出窓５５０の数が減少して５個になっている。このように冷却風吐出窓５５０の数が減少した場合には、できるだけ各冷却風吐出窓５５０を回転子２の回転方向下流側に形成することが望ましい。

図４は、図３に示した従来のリヤ側ハウジングの冷却風吐出窓を塞いで風量を測定した結果を示す図である。図３に示すように、隣接する支持部５２０間で、回転子の回転方向上流側から下流側に向かって順番に配置されたそれぞれの冷却風吐出窓をａ〜ｇとする。図４には、これらの冷却風吐出窓を一つずつ塞いだ場合の風量の変化が示されている。図４に示す測定結果によると、冷却性能に寄与しない冷却風吐出窓が存在することが分かった。具体的には、隣接する２つの支持部５２０の間に形成された７個の冷却風吐出窓ａ〜ｇのうち、最も回転方向上流側に配置された冷却風吐出窓ａを塞いでも風量の変化はほとんど見られなかった。この測定結果から、図２に示す本実施形態のリヤ側ハウジング５のように、各冷却風吐出窓５５０を回転子２の回転方向下流側に寄せて配置することにより、冷却風吐出窓の数が減少することによる風量低下を抑制できることがわかる。

図５は、本実施形態の車両用交流発電機１のファン騒音を測定した結果を示す図である。図５において、横軸は車両用交流発電機１の回転数を、縦軸はＳＰＬ（Sound Pressure Level）単位で表したファン騒音をそれぞれ示している。測定は、全ての次数成分を含む「オーバーオール」と、各次数成分の包絡線を示す「次数包絡」のそれぞれについて行った。なお、リブ５３０の幅を徐々に大から小に変化させた本実施形態のリヤ側ハウジング５を用いた場合の測定結果を実線で示すとともに、比較のために、傾斜はしているがリブ幅は等間隔にした従来形状のリヤ側ハウジング（図３）を用いた場合の測定結果を点線で示した。

図５に示すように、車両用交流発電機１の回転数の低速から中速域において、「オーバーオール」および「次数包絡」の両方についてファン騒音低減の効果が確認された。特に、８０００〜１１０００ｒｐｍの範囲においては大幅なファン騒音 の低減が実現された。

図６は、本実施形態の車両用交流発電機１のファン騒音と整流装置７の温度とをリブ５３０の幅の減少率をパラメータとして測定した結果を示す図である。図６において、横軸は各リブ５３０の幅を隣接するリブ５３０間でどの程度減少させるかを示すリブ幅の減少率（最も広いリブ幅５３０Ａに対する最も狭いリブ幅５３０Ｄのリブ幅の減少率であって、（１−５３０Ｄ／５３０Ａ）×１００（％）で算出）を、縦軸は従来形状（図３）のリヤ側ハウジングを使用した車両用交流発電機を基準に示したファン騒音（実線）と整流装置温度（破線）をそれぞれ示している。

図６に示すように、ファン騒音は、リブ幅の減少率が増すにしたがって減少し、ほぼ２０％以上で減少の程度がなだらかになる。具体的には、リブ幅の減少率を２０％以上に設定することにより、ファン騒音の「オーバーオール」が−３ｄＢ低減され、「次数包絡」が−２〜−４ｄＢの範囲で低減された。一方、整流装置温度は、リブ幅の減少率が５０％に達するまではほぼ一定であり、５０％を超えると急激に上昇する。

実際には、リブ５３０の幅の減少率を大きくするほど最も細いリブ５３０の幅が細くなって強度の面で実現が困難となるので、最小リブ幅を強度上の問題のない値にに決定した上で回転方向下流側に配置されたリブ５３０ほどリブ幅を徐々に増加させるといった設計手法になるが、この場合リブ幅の変化率が大きいほど冷却風吐出窓５５０の総面積が小さくなり整流装置７の温度が増加する傾向が見られたため、整流装置７の温度を抑えつつ騒音を低減させようとした場合には減少率は２０％から５０％に抑えることが望ましいと考えられる。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、リヤ側ハウジング５の支持部５２０間に周方向に配置される複数のリブ５３０を、従来構造のように等幅に設定するのではなく、回転子２の回転方向上流側から下流側に沿って徐々にリブ幅を小から大に変化させている。これにより、リブ５３０によって形成される冷却風吐出窓５５０の総面積は減少するが、総風量の減少を抑制することで整流装置７の温度上昇を抑えつつ、冷却風の圧力変動を各リブ５３０において徐変することによって（徐々に変化させることによって）リブ５３０付近で生じる耳障りな特定次数成分を抑制してファン騒音全体を低減することが可能になる。

また、隣り合うリブ５３０によって形成される冷却風吐出窓５５０の周方向幅を一定にすることにより、それぞれの冷却風吐出窓５５０を通して吐出される冷却風の風圧をほぼ均一にすることができるため、冷却風の乱れを抑制することができ、冷却風の乱れによって新たに発生するファン騒音や冷却性の低下を防止することができる。

また、複数のリブ５３０の周方向幅を、回転子２の回転方向上流から下流に向かって徐々に広くなるように設定することにより、特定次数のファン騒音を確実に低減することができる。

また、リヤ側ハウジング５のリブ５３０の幅を回転方向に沿って次第に広くすることにより、全てのリブ５３０を最小幅で形成した場合に比べて、整流装置７からリヤ側ハウジング５に伝わる伝熱量を増すことができるため、整流装置７の冷却性を向上させることができる。

また、複数のリブ５３０の幅を、最大幅に対する最小幅の比率を０．８から０．５の範囲内に含まれるように設定することにより、ファン騒音低減と整流装置の温度低減の効果を両立させることが可能となる。特に、実験によると、リブ５３０の幅の減少率を３５％から４０％の範囲内（最大幅に対する最小幅の比率を０．６５から０．６の範囲内）で設定することにより、整流装置７の温度上昇を抑えつつ良好なファン騒音の低減効果が得られることが確かめられている。

また、リヤ側ハウジング５の隣接する支持部５２０の間において、複数のリブ５３０によって形成される冷却風吐出窓５５０は、図２に示すように、回転子２の回転方向下流側に偏在して配置されている。図４に示した冷却風量の測定から、回転方向上流になるほど冷却風吐出窓５５０がないことによる冷却風量への影響が少ないことがわかっているため、回転方向下流側に冷却風吐出窓５５０を偏在させることにより、冷却風量の確保による冷却性の維持が可能になる。

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、リヤ側ハウジング５のリブ５３０および冷却風吐出窓５５０について本発明を適用したが、リヤ側ハウジング５の代わりにあるいはリヤ側ハウジング５とともにフロント側ハウジング４のリブおよび冷却風吐出窓について本発明を適用するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、リヤ側ハウジング５の複数のリブ５３０の周方向幅が、回転子２の回転方向上流から下流に向かって徐々に広くなるように設定したが、反対に、回転方向上流から下流に向かって徐々に狭くなるように設定してもよい。この場合にも同様に特定次数のファン騒音を確実に低減することができる。しかも、図４に示した実験結果から、一方の支持部５２０に近い回転方向上流側の冷却風吐出窓５５０を塞いでも冷却風量の低下が少ないことが確認されているため、回転方向上流側の方がリブ幅が広くなるようにすることで、冷却風量の低減を抑制して冷却性を維持することが可能になる。

また、上述した実施形態では、支持部５２０間のリブ５３０の幅を徐々に幅を大から小に変化させたが、図３に示す構造において、支持部５２０間のリブ５３０で形成される冷却風吐出窓５５０を塞いだ場合と開けたままの風量を測定し変化率の低い窓（回転方向上流側に配置された冷却風吐出窓）は、整流装置７の温度上昇が問題ない範囲であれば塞いでも構わない。図７は、図３に示したリヤ側ハウジングの変形例を示す図である。図７に示すリヤ側ハウジング５Ｂは、図３に示したリヤ側ハウジング５Ａにおいてａで示された冷却風吐出窓５５０が塞がれている。リブ幅が徐々に変化しているわけではないので冷却風の圧力変動を徐変することはできないが、リブ５３０で形成される各冷却風吐出窓５５０の総面積が減少することで、ファン騒音のオーバーオール値を低減することができる。現在市場に流通している製品の騒音を低減する場合には、この方法を採用することで、ハウジング成型型を一部を修正するだけで対応することができるため、ファン騒音対策を行った際の大幅なコスト上昇を抑えることができる利点もある。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。 リヤ側ハウジングの平面図である。 従来のリヤ側ハウジングの平面図である。 従来のリヤ側ハウジングの冷却風吐出窓を塞いで風量を測定した結果を示す図である。 本実施形態の車両用交流発電機のファン騒音を測定した結果を示す図である。 本実施形態の車両用交流発電機のファン騒音と整流装置の温度とをリブ５３０の幅の減少率をパラメータとして測定した結果を示す図である。 リヤ側ハウジングの変形例を示す図である。

符号の説明

１ 車両用交流発電機
２ 回転子
３ 固定子
４ フロント側ハウジング
５ リヤ側ハウジング
６ ブラシ装置
７ 整流装置
８ 電圧調整器
９ プーリ
５１０ ステー
５２０ 支持部
５３０ リブ
５５０ 冷却風吐出窓

Claims (4)

1. 回転軸と一体的に回転する回転子と、前記回転子の外周に対向して配置された固定子と、前記回転軸と一体的に回転して前記回転軸のほぼ半径方向に冷却風を発生させて前記固定子を冷却する冷却ファンと、前記回転子を収容して前記回転軸を回転自在に支持するとともに周方向に複数の冷却風吐出窓を形成する複数のリブが形成されたハウジングとを備える車両用交流発電機において、
   前記ハウジングは、前記固定子を支持するために用いられる複数の支持部を有しており、
   前記ハウジングに形成された前記複数のリブの周方向側面は前記回転軸の径方向に対して傾斜しており、前記複数のリブは前記回転子の回転方向に沿って周方向幅が次第に変化し、
   隣接する前記支持部の間において、前記複数のリブの周方向幅は、前記回転子の回転方向に沿って一方向に徐々に広く、あるいは、一方向に徐々に狭くなるように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、
   前記ハウジングは、整流装置が固定されるリヤ側ハウジングと、前記回転子が回転駆動されるプーリが取り付けられるフロント側ハウジングとに分割されており、
   前記リヤ側ハウジングについて、前記複数のリブの周方向側面を前記回転軸の径方向に対して傾斜させるとともに、前記複数のリブの周方向幅を前記回転子の回転方向に沿って次第に変化させることを特徴とする車両用交流発電機。
3. 請求項１または２において、
   前記複数のリブの幅は、最大幅に対する最小幅の比率が０．８から０．５の範囲内に含まれるように設定されてい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、
   隣接する前記支持部の間において、前記複数のリブによって形成される前記冷却風吐出窓は、前記回転子の回転方向下流側に偏在して配置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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