JP4646038B2

JP4646038B2 - 車両用交流発電機

Info

Publication number: JP4646038B2
Application number: JP2006519184A
Authority: JP
Inventors: 利昭柏原; 和徳田中; 修一田村; 行儀大西; 順一大田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: US20060145558A1; EP1750351A4; EP1750351A1; EP1750351B1; CN100479296C; JPWO2005117237A1; CN1809951A; WO2005117237A1

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は例えば内燃機関により駆動される交流発電機に関し、特に乗用車、トラック等に搭載される車両用交流発電機の固定子構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両用交流発電機においては、小型高出力化あるいは絶縁性・耐電食性の向上が益々要求されてきており、それを達成するために種々の改良が提案されている。発電能力の向上については、例えば特開平１１−１６４５０５公報（特許文献１参照）に見られるように、電気導体の渡り部において、電気導体のそれぞれを空間的に離間し、且つ、その絶縁層厚さは前記スロット内に位置する収納部での絶縁層厚さより薄くしたことにより、電気導体の渡り部の冷却性を向上させ、発電機の出力、効率を向上しようとするものが提案されている。
【０００３】
また、従来一般に固定子電気導体は皮膜付導体で構成され、この絶縁層が電気導体の放熱性を著しく妨げていることは良く知られていた。しかし、これら絶縁層を廃止したり、単に薄くすることは、絶縁性の低下を招くため実用上不可能であった。
【先行技術文献】
【０００４】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１―１６４５０５号公報
【特許文献２】
特開２００１―２３８３８４号公報（特許第３４００７７６号）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、上記問題点に鑑み、電気導体のそれぞれを空間的に離間しなくとも、コイル間の絶縁性を確保し、小型高出力化あるいは絶縁性・耐電食性の向上を図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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の車両用交流発電機は、界磁巻線を有する回転子と、前記回転子と対向配置された固定子鉄心及びこの固定子鉄心に巻回された絶縁被覆付電気導体を有する固定子と、上記回転子と固定子とを支持するハウジングとを備えた車両用交流発電機において、前記固定子鉄心はそれぞれ軸方向に延びる複数個のスロットを有する積層鉄心からなり、前記絶縁被覆付電気導体は前記スロット内に位置する収納部とこの収納部同士を固定子鉄心の軸端側で連結する渡り部とからなり、予め被覆された絶縁電線を成形して上記スロット内に位置する収納部の電気導体の断面形状を実質的に長方形とすると共に上記渡り部での前記電気導体の断面形状を実質的に円形とし、前記スロット内に位置する収納部での電気導体の少なくとも長辺部分の絶縁層厚さを前記渡り部の絶縁層厚さより薄くしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る車両用交流発電機は、スロット内に位置する収納部での電気導体を断面略長方形とし且つその絶縁層厚さを薄くして、電気導体の発熱を積層鉄心とハウジングへ効率よく伝導させるとともに、渡り部は逆に絶縁層厚さを厚くしたので、不必要なコイル間の空間を配設しなくとも、コイル間の絶縁性を確保し、渡り部の軸方向高さを低くするとともに、外部の被水等から渡り部の電気導体部を保護し、耐電食性が高めることができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の構成を示す断面図である。
【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を示す斜視図である。
【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固定子における固定子巻線のスロット収納状態を示す一部断面図である。
【図４】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１相分の巻線を示す斜視図である。
【図５】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１相分の巻線の要部を示す拡大図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機の固定子における固定子巻線のスロット収納状態を示す一部断面図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る車両用交流発電機の固定子における固定子巻線のスロット収納状態を示す一部断面図である。
【図８】この発明の実施の形態４に係る車両用交流発電機のフロントブラケットを前面から見た図である。本発明に係る実施の形態５における関節型鉄心の突き合せ部で位置決めして製造した場合のコギングトルクの低次成分の実測結果を示すものである。
【図９】この発明の実施の形態４に係る回転子の外形構造を示す斜視図である。
【図１０】この発明の実施の形態５に係る車両用交流発電機の固定子の製造工程を説明する工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１による車両用交流発電機を図１に基づいて説明する。
この車両用交流発電機２０は、図１に示されるように、それぞれ略椀形状の熱伝導性良好なアルミ製のフロントブラケット２１およびリヤブラケット２２から構成されたハウジング２３と、このハウジング２３内に設けられ、一端部にプーリ２４が固定されたシャフト２６と、このシャフト２６に固定されたランドル型の回転子２７と、この回転子２７の軸方向両端部に固定されたファン２５と、回転子２７を包囲するようにハウジング２３に固定された固定子４０と、上記シャフト２６の他端部に固定されて回転子２７に電流を供給するスリップリング２８と、スリップリング２８の表面に摺動する一対のブラシ２９と、このブラシ２９を収納するブラシホルダ３０と、固定子４０に電気的に接続され、固定子４０で生じた交流を直流に整流する整流器３１と、ブラシホルダ３０に嵌着されて、固定子４０で生じた交流電圧の大きさを調整するレギュレータ３２とを備えている。
【００１０】
回転子２７は、電流を流して磁束を発生する界磁巻線３３と、この界磁巻線３３を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成される一対のポールコア３４、３５とを備えている。そして、一対のポールコア３４、３５は、鉄製で、それぞれ最外径面形状を略台形形状とする爪状磁極３４ａ、３５ａが外周縁部に周方向に等角ピッチで突設されており、これらの爪状磁極３４ａ、３５ａを噛み合わせるように対向させてシャフト２６に固着されている。固定子４０は、磁性鋼板を積層してなる円筒状の固定子鉄心４１と、固定子鉄心４１に巻装された固定子巻線４２とから構成されている。そして、固定子４０は、爪状磁極３４ａ、３５ａの外周面と固定子鉄心４１の内周面との間に均一なエアギャップを形成するようにフロントブラケット２１とリヤブラケット２２とに挟持されている。
また、フロントブラケット２１には給気孔３６と排気孔３７を有し、リヤブラケット２２には給気孔３８と排気孔３９を有している。
【００１１】
図２は車両用交流発電機の固定子を示す斜視図、図３は車両用交流発電機の固定子における固定子巻線のスロット収納状態を示す一部断面図、図４は車両用交流発電機の固定子における１相分の巻線を示す斜視図、図５は車両用交流発電機の固定子における１相分の巻線の要部を示す拡大図である。
図２において、固定子鉄心４１Ａは、所定形状にプレス加工された磁性鋼板を積層一体化して円筒状に作製されたもので、スロット４１ｃが毎極毎相当たり２の割合で周方向にほぼ等角ピッチで形成されている。つまり、回転子２７の１２個の爪状磁極に対して、２つの３相交流巻線からなる固定子巻線４２Ａが得られるように、７２個のスロット４１ｃが固定子鉄心４１Ａに設けられている。
【００１２】
一方、固定子巻線４２Ａは、装着されるスロット４１ｃを１スロットづつずらして固定子鉄心４１Ａに装着された６相分の巻線４３Ａを備えている。そして、それぞれ３相分の振り分け巻線４３Ａが交流結線、例えばＹ結線されて２つの３相交流巻線を構成している。各巻線４３Ａは、図４に示されるように、絶縁被膜が被覆された銅線材からなる１本の導体線４４を、６スロット毎のスロット４１ｃに周方向一側に波状に５ターン巻回し、引き続いて６スロット毎のスロット４１ｃに周方向他側に波状に５ターン巻回して、各スロット内導体数を全て同一とした全節巻で構成されている。
【００１３】
そして、図３に示されるように、導体線４４の断面形状は、スロット４１ｃ内に収納されているスロット収納部４４ａにおいて断面略長方形に成形され、その長辺部分の絶縁皮膜４５は渡り部（コイルエンド）４４ｂより薄く形成されている。これに対し、固定子鉄心４１Ａの軸端側で上記スロット収納部４４ａを連結しているコイルエンド部４４ｂは断面円形に形成されている。そしてこの部分の絶縁皮膜は上記スロット収納部４４ａの少なくとも長辺部分の絶縁皮膜より厚く形成されている。
【００１４】
また、各スロット４１ｃには、絶縁紙４６を介して導体線４４のスロット収納部４４ａが、断面略長方形の長手方向（長辺）を周方向に向けて、かつ、互いに密接して径方向に１列に並んで１０層に配列して収納されている。ここで、スロット収納部４４ａの断面略長方形の長辺長さが鍔部４１ｄ間の隙間４１e（スロット開口）より大きくなるように構成され、導体線４４がスロットから脱落しないようにしている。
【００１５】
図５は上記１相分の巻線の要部拡大図を示し、６本の振り分け巻線４３Ａを１列に配列した例を示している。すなわち、周方向一側に６ピッチ離れたスロットの固定子鉄心４１Ａの軸端一側に、波型に成形された３本のスロット収納部４４ａ１を収納し、次いで、固定子鉄心４１Ａの軸端他側に、波型に成形された他の３本のスロット収納部４４ａ２を周方向他側に６ピッチ間隔で収納して構成される。そして、スロット収納部４４ａに続くスロット開口通過部４４ｄ（図５参照）は、断面扁平に成形されその長軸方向がスロット収納部４４ａの断面略長方形の長手方向と直交し、その断面扁平の短軸方向長さが鍔部４１ｄ間の隙間より小さくなるようになっている。
【００１６】
上記実施形態においては、導体線４４のスロット収納部４４ａをスロット４１ｃ内の径方向に隙間なく収納することにより、収納部での電気導体の密度を高め、電気導体の発熱を積層鉄心とハウジングへ効率よく伝導させることができる。このような導体線形状を得るために、絶縁被膜付断面丸型導電体を、スロット４１ｃに挿入されるに先立って、圧延ローラ等で断面略長方形に成型する。例えば、直径１．６mmの断面円形状の絶縁被膜付電線を圧延ローラで挟み、厚さ１．３mmまで扁平になるように一方向に圧延加工すると、圧延加工される面の絶縁皮膜、すなわち扁平絶縁皮膜は薄く延ばされるが、圧延加工されない面の絶縁皮膜、すなわち円弧面絶縁皮膜は上記断面円形状被覆電線での絶縁皮膜厚が残り、上記扁平絶縁皮膜が上記円弧面絶縁皮膜より薄く形成される。
【００１７】
例えば、エナメル系絶縁皮膜の膜厚が約５０μｍの断面円形状被覆電線の場合は、円弧面絶縁皮膜が約５０μｍ、扁平部絶縁皮膜が約４０μｍの断面がトラック（小判）状電線が形成される。つまり、絶縁皮膜は径方向に、絶縁皮膜層が薄くなっているので、発電することにより生じる電機子巻線の発熱量は径方向に位置する積層鉄心の外周側に効率よく放熱され、スロット収容占積率向上と熱伝導の相乗の効果により、発電機の出力及び効率の向上が図られる。
【００１８】
また、本実施の形態によれば、図１に示すように、渡り部（コイルエンド）４４bを保護するように外周部にハウジング２３が形成されている。また、渡り部（コイルエンド）４４bの近傍には冷却風を排出させるための排気孔３７、３９がある。従って、渡り部４４bは前記したように絶縁層厚さを厚く維持できるので、不必要なコイル間の空間を配設しなくとも、コイル間の絶縁性を確保することができ、また、渡り部４４bの軸方向高さを低くできるので、電気導体長の短縮が可能であり、発電機の出力及び効率の向上と小型化が図られる。更に、車両走行により、上記の排気孔３７、３９の部位から塩水、泥水などが浸入するため、渡り部４４bは絶縁層厚さを厚くし、渡り部の電気導体部を保護し、３相の各相コイル間の電食あるいはコイルとハウジング間の電食を防止することができるものである。
【００１９】
実施の形態２.
実施の形態２によれば、図６のように巻線ユニットのスロット収納部４４aが、スロット４１ｃに挿入されるに先立って、径方向を短辺とし、周方向を長辺とする略断面長方形に形成され、しかも、互いに密接して径方向に二列に配列したものである。なお、図中４７は上記巻線ユニットを成形するために含浸された絶縁樹脂を示している。
このようにすることによっても、スロット収納部４４ａの電気導体部をスロット４１ｃ内の周方向に隙間なく収納することができ、従って、この場合も、絶縁皮膜層が薄くなっている周方向を長辺とする部位で、前記電気導体部を径方向に密に配置してスロット４１ｃ内の電気導体の密度を更に向上することができ、電気導体の発熱を積層鉄心とハウジングへ効率よく伝導させることができるので、発電機の出力及び効率の更なる向上が図られる。
【００２０】
実施の形態３．
また、実施の形態３によれば、図７のように巻線ユニットのスロット収納部４４aが、スロット４１ｃに挿入されるに先立って、径方向を長辺とし、周方向を短辺とする略断面長方形に形成され、互いに密接して径方向に一列に並んで構成されるようにしたものである。このようにすることによってもスロット収納部４４ａの電気導体部をスロット４１ｃ内の周方向に隙間なく収納することができる。
【００２１】
この場合では、径方向を長辺とする部位で絶縁皮膜層が薄くなっているので、前記径方向を長辺とする部位と積層鉄心の歯部の両端部の伝熱面が更に大きく確保されるので、発電することにより生じる電機子巻線の発熱量は周方向に位置する積層鉄心の歯部の両端を経由し、積層鉄心の外周側に効率よく放熱されるので、更に発電機の出力及び効率の向上が図られる。また、絶縁被膜の薄い部位と歯部の両端部の間に絶縁部材を介在させることにより、電気導体部と鉄心の絶縁性が向上する。さらにスロット４１ｃ内に位置するスロット収納部の前記電気導体に絶縁性樹脂を含浸させることにより、電機子巻線の発熱量は径方向に位置する積層鉄心の外周側にも効率よく放熱されるとともに、電気導体部と鉄心の絶縁性が向上する。
【００２２】
実施の形態４．
実施の形態４は、上記実施の形態１乃至３の車両用交流発電機の放熱効果を促進するために、ブラケットの外周部に複数の排気孔リブと複数の排気孔を設け、更に回転子に設けられたファンに複数のファンブレードを備えた実施例を示している。図８はフロントブラケットを前面から見た図であり、図９は回転子の外形構造を示す斜視図である。
図８において、６１はフロントブラケット２１の外周部に複数個も受けられた排気孔リブであり、上記排気孔リブ６１間は排気孔３７が形成されている。またフロントブラケット２１の軸心側には、複数個の給気孔リブ６２とその間に給気孔３６が形成されている。
【００２３】
図１及び図８を参照して冷却空気の流れを説明すると、フロントブラケット２２側の吸気孔３６から軸方向に吸い込まれた冷却空気は吸気孔リブ６２間を通風しファン２５で遠心方向に曲げられ、固定子巻線４２のフロント側端部を冷却し、排気孔リブ６１間の排気孔３７から外気へ排気される。ファン２５には、図９に示すように、複数のファンブレード５５を備えた遠心ファン２５を用いているため、空気がファンブレード５５に流入し直角に曲げられて径方向に排出されており、固定子４０からフロント、リヤブラケット１、２に伝わった熱を放熱する冷却フィンとしての役割を有しているので、コイルの発熱が更に効率よく放熱され、発電機の出力及び効率の向上が図られる。
【００２４】
なお、上記では、フロントブラケット２２側について説明したが、リヤブラケット２１側についても同様に通風が行われる。すなわち、リヤブラケット２１側のファンブレード５５の作用により、吸気孔３８から軸方向に吸い込まれた冷却空気は吸気孔リブ６２間を通風しファン２５で遠心方向に曲げられ、固定子巻線４２のリヤ側端部を冷却し、排気孔リブ６１間の排気孔３９から外気へ排気される。
【００２５】
実施の形態５．
実施の形態５は、前記電気導体のスロット収納部４４aをスロット４１ｃ内に配置するための有効な一方法について説明する。すなわち、断面略長方形に成形された互いに密接して配列した上記巻線ユニットをスロット４１ｃ内に隙間なく収納するために、特許第３４００７７６号（特許文献２参照）で既に知られている車両用交流発電機の製造方法を利用することができる。図１０はこの車両用交流発電機の固定子の製造工程を説明する工程断面図である。
【００２６】
まず、台形形状のスロットが所定のピッチ（電気角で３０°）で形成された冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ材）を所定枚数積層し、その外周部をレーザ溶接して直方体の鉄心を作製する。次いで、図１０（ａ）に示されるように、鉄心３６のスロット４１c内にインシュレータ６５が装着され、２つの素線群４２Ａ、４２Ｂの各直線部を各スロット４１c内に重ねて押し入れる。これにより、図１０の（ｂ）に示されるように、２つの素線群４２Ａ、４２Ｂが鉄心４１Ａに装着される。この時、素線４４の直線部４４aは、インシュレータ６５により鉄心４１Ａと絶縁されてスロット４１c内に径方向に４本並んで収納されている。ついで、鉄心４１Ａを丸め、その端面同士を当接させて溶接し、図１０の（ｃ）に示されるように、円筒状の鉄心４１を得る。鉄心４１Ａを丸めることにより、スロット４１cの形状は略矩形断面形状となり、その開口部４１eは直線部４４aのスロット幅方向寸法より小さくなる。そして、一般的なΔあるいはＹの結線方法に基づいて、各素線の端部同士を結線して固定子巻線群を形成する。
【００２７】
この方法によれば、帯状鉄心のスロット部が予め、素線の挿入性がよくなるように広げられているので、挿入時の素線の損傷はなく、さらにスロット内に位置する収納部の前記電気導体とスロット内に位置する収納部鉄心の間の絶縁部材を薄くすることができ、非常に高い占積率が得られると同時に鉄心を丸めるときに、前記の素線の挿入性がよくなるように広げられた鉄心と電気導体の隙間をなくし、鉄心と電気導体に介在する絶縁部材に密着することができ、発電することにより生じる電機子巻線の発熱量は周方向に位置する積層鉄心の歯部の両端を経由し、積層鉄心の外周側に効率よく放熱される。また、別の利点として、電気導体の扁平断面を形成する部位で薄い絶縁皮膜に損傷を与えることなく、高い絶縁性が得られるものである。
【符号の説明】
【００２９】
２３ハウジング、２６回転軸、
２７回転子、３３界磁巻線、
３６、３８吸気孔、３７、３９排気孔、
４０固定子、４１固定子鉄心、
４１ｃスロット、４２固定子巻線、
４４a 収納部、４４b 渡り部、
６１吸気孔リブ、６２排気孔リブ。

Claims

界磁巻線を有する回転子と、前記回転子と対向配置された固定子鉄心及びこの固定子鉄心に巻回された絶縁被覆付電気導体を有する固定子と、上記回転子と固定子とを支持するハウジングとを備えた車両用交流発電機において、前記固定子鉄心はそれぞれ軸方向に延びる複数個のスロットを有する積層鉄心からなり、前記絶縁被覆付電気導体は前記スロット内に位置する収納部とこの収納部同士を固定子鉄心の軸端側で連結する渡り部とからなり、予め被覆された絶縁電線を成形して上記スロット内に位置する収納部の電気導体の断面形状を実質的に長方形とすると共に上記渡り部での前記電気導体の断面形状を実質的に円形とし、前記スロット内に位置する収納部での電気導体の少なくとも長辺部分の絶縁層厚さを前記渡り部の絶縁層厚さより薄くしたことを特徴とする車両用交流発電機。
上記スロット内に位置する収納部の絶縁被覆付電気導体は、周方向を長辺とし、径方向を短辺とする実質的な長方形断面としたことを特徴とする請求項１に記載の車両用交流発電機。
上記スロット内に位置する収納部の絶縁被覆付電気導体は、径方向を長辺とし、周方向を
短辺とする実質的な長方形断面としたことを特徴とする請求項１に記載の車両用交流発電機。
上記スロット内に位置する収納部の絶縁被覆付電気導体は、径方向に一列に密着配置されていることを特徴とする請求項２に記載の車両用交流発電機。
上記スロット内に位置する収納部の絶縁被覆付電気導体は、径方向に複数列に密着配置されていることを特徴とする請求項２に記載の車両用交流発電機。