JP4670661B2 - 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。

一般に、回転電機では、固定子と回転子との間の空隙部において、電機子反作用によって高調波磁界が生じることが知られている。また、回転角に対しては、スロットリップルと言われる小磁束脈動が生ずる。この脈動は、固定子と回転子との間の対向面間磁気抵抗が変化することに基づくものである。これらの交番磁界は、積層板よりなる固定子には殆ど悪影響を及ぼさないが、鋼塊よりなる回転子磁極に対しては渦電流損失やヒステリシス損失をもたらす。また、近年は、車両の低燃費化が叫ばれ、車両用交流発電機においても、その高効率化、低渦電流損失化が求められている。そこで、これらの要求に対応するため、磁極の表面に、渦電流の通路に対して妨げとなる表面の凹凸を設けた車両用交流発電機が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
特開平３−１３９１４９号公報（第２−５頁、図１−８） 特開平５−８３９０９号公報（第２−４頁、図１−９）

しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示された車両用交流発電機においては、渦電流損失に対する一応の効果は認められるが、溝加工を回転子磁極表面全面に施す為、溝加工部の回転子磁極表面に占める割合が大きい。溝加工部において固定子対向面との距離が増大するため、溝加工部の磁極表面に占める割合が大きいと、磁極表面と固定子対向面との平均距離が増大し、固定子へ到達する磁束が減少して出力が大幅に低下するという問題があった。

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、回転子表面における渦電流を低減するとともに出力の低下を抑制することができる車両用交流発電機を提供することを目的とする。

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、爪状磁極を有する回転子と、回転子の外周に対向配置された固定子とを備えており、固定子に対向する爪状磁極の表面であって回転子の回転後方側の偏った位置のみに複数本の溝が形成されている。回転子の爪状磁極の表面温度を測定すると回転前方側（回転方向に沿った下流側）よりも回転後方側（回転方向に沿った上流側）の方が高いことがわかった。すなわち、温度分布が一様でなく、偏りがあることから、爪状磁極の表面に発生する渦電流の位置も主に回転後方側に偏っていることが推定できる。したがって、回転子の爪状磁極の表面であって回転後方側の偏った位置のみに複数本の溝を形成することにより、渦電流を有効に低減することができる。また、回転前方側については溝が形成されていないため、固定子との間の間隔が拡大することがなく、出力の低下を抑制することができる。

また、上述した複数本の溝が偏って形成された位置は、固定子に対向する爪状磁極の表面のうち回転後方側のほぼ半分の領域であることが望ましい。これにより、渦電流低減の効果と出力低下防止の効果を両立させ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、図面を参照しながら詳細に説明する。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個の爪部を有する爪状磁極としての界磁鉄心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。界磁鉄心２２、２３の材質としては、例えば低炭素鋼が用いられる。この界磁鉄心２２、２３の表面には、表面に発生する渦電流を低減するために複数本の溝が形成されている。これらの溝の形成位置等については後述する。

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。

次に、回転子２の界磁鉄心２２、２３の表面に形成された複数本の溝について説明する。図２は、回転子２の外観を示す斜視図である。なお、図２に示す斜視図は、界磁鉄心２２、２３の表面に形成された複数本の溝１２２、１２３の配置や形状を示すものであり、それ以外については概略的な形状が示されているとともに、冷却ファン２５、２６が省略されている。また、界磁鉄心２２、２３のそれぞれの爪部２２Ａ、２３Ａの個数については８個のものが示されているが、この個数は固定子鉄心３１のスロット数やスロットピッチ等に応じて適宜変更されるものであり、６個あるいはその他の個数が用いられることもある。また、図３は回転子２および固定子３の回転方向（周方向）展開図である。

図２および図３に示すように、一方の界磁鉄心２２に備わった複数の爪部２２Ａの表面であって固定子鉄心３１に対向する面には、回転子２の回転後方側（回転方向に沿った上流側）に偏って、回転方向に沿った向きの複数本の溝１２２が形成されている。なお、一方の界磁鉄心２２に備わった爪部２２Ａの表面に形成された溝１２２に着目して説明するが、他方の界磁鉄心２３に備わった爪部２３Ａの表面に形成された溝１２３についても同様である。

ところで、爪部２２Ａの表面の温度分布を測定してみると回転方向に沿って一様でなく、偏りがあることがわかった。図４は、溝が形成されていない爪部の表面の温度分布を測定した結果を示す図である。図４において、Ａ、Ｂ、Ｃは温度の測定位置を示している。また、「温度上昇（°Ｃ）」は、爪部２２Ａの根元部の温度を基準とした場合の温度差の値を示している。図４に示す測定結果からわかるように、爪部の発熱部分は、回転後方（回転方向に沿った上流側）のほぼ半分の領域に偏っている。すなわち、爪部表面に発生する渦電流の分布は、回転後方のほぼ半分の領域に偏っていることが推定できる。本実施形態では、このように偏って分布する渦電流を有効に低減すべく、複数本の溝１２２を、固定子鉄心３１に対向する爪部２２Ａの表面の回転後方側のほぼ半分の領域に形成している。

また、これらの溝１２２のピッチ（隣接間隔）Ｒは、爪部２２Ａ表面の渦電流を有効に低減するためには、固定子３のスロットピッチ（固定子鉄心３１に形成された複数個のスロットの隣接間隔）Ｔの１／４以下に、これらの溝１２２の深さは０．５ｍｍ以上に設定することが望ましい。また、溝１２２の具体的な形状としては、図５（ａ）に示すように底部が円弧状のＵ字状溝の他、図５（ｂ）に示すように底部が直角状の角溝や、図５（ｃ）に示すようにこれらの溝や底部が鋭角を有するＶ字状溝を組み合わせる場合などが考えられる。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、回転子２の爪状磁極（界磁鉄心２２、２３の爪部の表面であって回転後方側の偏った位置のみに複数本の溝１２２、１２３を形成することにより、渦電流を有効に低減することができる。また、回転前方後方側については爪状磁極の表面に溝１２２、１２３が形成されていないため、固定子３との間の間隔が拡大することがなく、出力の低下を抑制することができる。特に、複数本の溝１２２、１２３が偏って形成された位置を、固定子３に対向する界磁鉄心２２、２３の爪部２２Ａ、２３Ａの表面のうち回転後方側のほぼ半分の領域とすることにより、渦電流低減の効果と出力低下防止の効果を両立させることが可能となる。また、複数本の溝１２２、１２３の隣接間隔を固定子３のスロットピッチの１／４以下とするとともに、複数本の溝１２２、１２３の深さを０．５ｍｍ以上とすることにより、溝１２２、１２３が形成された領域において確実に渦電流を低減す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、図２や図３に示したように回転方向に沿った向きに溝１２２、１２３を形成したが、これらの溝１２２、１２３は回転軸２４と平行な向きに形成したり、回転方向や回転軸２４の向きに対して傾斜した向きに形成したりしてもよい。また、溝１２２、１２３のピッチを一定にする場合を説明したが、これらの溝ピッチを爪部２２Ａ、２３Ａ表面の位置に応じて異ならせるようにしてもよい。また、複数本の溝１２２（あるいは１２３）を互いに平行に形成するのではなく、互いに非平行な向きに形成したり互いに交差させるようにしてもよい。

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。 回転子の外観を示す斜視図である。 回転子および固定子の回転方向展開図である。 溝が形成されていない爪部の表面の温度分布を測定した結果を示す図である。 爪部に形成された溝の形状を示す断面図である。

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
２１ 界磁巻線
２２、２３ 界磁鉄心
２２Ａ、２３Ａ 爪部
１２２、１２３ 溝

Claims (2)

1. 爪状磁極を有する回転子と、前記回転子の外周に対向配置された固定子とを備える車両用交流発電機において、
   前記固定子に対向する前記爪状磁極の表面であって前記回転子の回転後方側の偏った位置のみに複数本の溝が形成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、
   前記複数本の溝が偏って形成された位置は、前記固定子に対向する前記爪状磁極の表面のうち回転後方側のほぼ半分の領域であることを特徴とする車両用交流発電機。

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