JP4698313B2 - 交流発電機 - Google Patents

Description

この発明はランデル型ロータに冷却ファンが固定され、ケーシング内の発熱部品を冷却する交流発電機に関するもので、特に車両用交流発電機用冷却ファンのブレード配置に関する。

従来のこの種のランデル型ロータは、爪状磁極片を互いにかみ合わせるように対向して配置された一対の磁極片から構成され、その内部にフィールドコイルを収納するように取り付けられている。またこの磁極片の軸方向の両端面に冷却ファンがそれぞれ固着されている。このようなランデル型ロータを有する車両用交流発電機においては、車両に搭載された内燃機関によりタイミングプーリを介して回転駆動力が伝達され、ロータが回転する。上記フィールドコイルは回転軸に固定されたスリップリングと電気的に接続されており、これを介してバッテリから励磁電流が給電される。

このように励磁されたロータが回転することでステータコイルに交流誘導電流が生じ、それを整流することにより直流電流が得られる。こうした発電の過程で、車両用交流発電機のステータコイル、フィールドコイルをはじめとする各部ではその発熱のために温度が上昇し、部品寿命の劣化や破損の原因となるため、ファンを用いた強制冷却は必須となる。ロータにはその軸方向両端面に冷却ファンが取り付けられており、ロータの回転に伴って冷却ファンが回転し、通風を促して各部を冷却する構造を採用している。これら冷却ファンによる通風路としては、大別して、整流子やレギュレータ等の発熱源後方よりの吸い込み流れ、冷却ファンの遠心方向に配置されたステータコイルエンドおよびステータより受熱したブラケットリブへの吹き付け流れ、ロータ・ステータ間を軸方向に流れる通過流れがある。

また交流発電機の出力はロータの起磁力に依存するため、ロータ内に巻かれたフィールドコイルを流れる励磁電流を増大させることが出力性能の向上につながる。しかしながら、単に励磁電流を増大させるだけでは発熱量が大きくなってしまうため、出力性能を向上させるためには、フィールドコイルにおける温度上昇を耐熱限界以下に抑えるべく、また温度上昇に伴い増大するコイルの通電抵抗を小さく抑えて損失を低減させるべく、ロータの軸方向に冷却風を流して直接的にフィールドコイルを冷却することが有効な手段となる。このような観点から、ロータ・ステータ間を流れる冷却風を増大させてフィールドコイルの冷却性を向上させる試みは従来から行われている。

上述したロータの軸方向に冷却風を流すことを意図した交流発電機の例として、特開平６−２８４６３８号公報に示されたものがある（特許文献1参照）。これによると、ロータの軸方向両端面に取り付けられた軸流円板をロータの磁極片に沿って傾斜させることにより、軸方向に流れる冷却風がスムーズに流入出するためのガイド機構をなしている。これにより、ロータ回転時に軸方向に流れる冷却風の流入側において、軸流円盤の傾斜部に衝突した冷却風が、軸流円盤から磁極片の回転方向前面に沿ってロータの軸方向へと流れ込む仕組みになっている。

更には流出側において、流入部と同様にロータの軸方向端面へ取り付けられた軸流円盤により、磁極片の回転方向前縁における流路の急拡大によって生じる剥離流れを抑制する効果を有している。しかしながら流出側における軸流円盤傾斜部は、回転方向前方の表面近傍に、つまり磁極片間すきま部上に、正圧すなわち圧力が高くなる領域を生成することで冷却風の流れを阻害してしまい、軸流円盤によって軸方向へ流れる冷却風量を増大させる効果の一部を抑制してしまう傾向があった。

また、特開平９−１５４２５６号公報（特許文献２参照）に示すように、ロータの軸方向駆動源側（流入側）端面に取り付けられた冷却ファンのブレードを、ロータの磁極片に沿って略連続した面を構成し、軸方向に流れる冷却風がスムーズに流入するためのガイドを形成したものがある。しかしながら実際には駆動源側より流入した冷却風は冷却ファン通過後においてその大半が遠心方向を向いており、ロータ・ステータ間を軸方向へスムーズに流れてはおらず、またその流れもステータ内径側面に沿っているため、ロータに巻きつけられたフィールドコイルを効果的に冷却することができない問題点があった。

特開平６−２８４６３８号公報 特開平９−１５４２５６号公報

前述したように、特許文献１、２に示される手法では、ロータの軸方向に流れる冷却風を増大させるのに寄与しているが、フィールドコイルを冷却する観点からは未だ改善の余地を残していた。本件出願の発明者等は、これらの問題の原因の一つに従来の流出側冷却ファンのブレード構造があることに注目した。すなわち、流出側冷却ファンのブレードはロータの回転方向前縁に設置されているのが通常であり、このため前述したようにブレードの回転方向側に生じる正圧が冷却風の軸流方向の流れを減殺するよう作用していることを発見した。本発明は上記の課題を解決すべくなされたもので、限られたスペースで冷却ファンの効率を向上させ、かつロータ・ステータ間を軸方向に流れる冷却風を増大させることによりフィールドコイルの冷却性改善を図り、交流発電機の出力性能を向上させることを目的とするものである。

この発明は、ランデル型磁極片にて構成されるロータと、上記ロータの軸端に取り付けられ、上記磁極片の回転方向後縁に沿って配置される複数のブレードを有する冷却ファンとを備え、上記ブレード面後方に切り欠き部を設けて、上記ロータの回転方向を前方とするとき、上記磁極片間すきま部を軸方向に流れる冷却風の流出側に固定された冷却ファンの回転時に、ブレード面後方に生じる負圧によって上記冷却ファンのブレード面後方を軸方向に流れる冷却風の流路を確保するようにした交流発電機において、上記冷却ファンは、そのベース部から半径方向に突出するブレードを円弧状に成形し、そのブレードのうち、片側磁極片数の半数以上のブレードについて、ブレード面前後の正圧・負圧が最大となるブレード外径端を上記磁極片の回転方向後縁に配置したものである。

この発明によれば、上記のように形成されたブレードによりブレード面後方に発生する負圧によって、爪状磁極片を互いにかみ合わせるように対向して配置された一対の磁極片間に存在するすきま部を通じてロータ・ステータ間を軸方向に流れる冷却風の流れを増大させることができる。これにより、軸方向に流れる冷却風を負圧によって促すことができるため、ステータおよびフィールドコイルを効果的に冷却することができる効果を有する。

実施の形態１．
図１は本発明の車両用交流発電機の要部断面図、図２(a)は図１の車両用交流発電機のロータ部軸方向側面図、図２(b)はその斜視図を示している。図において、ランデル型のロータ７がアルミニウム製のフロントブラケット１およびリアブラケット２から構成されたケーシング本体３内に回転軸６を介して回転自在に装着され、ステータ８がロータ７の外周側を覆うようにケーシング本体３の内壁面に固着されて構成されている。回転軸６は、一対の軸受１４ａ、１４ｂを介してフロントブラケット１およびリアブラケット２に回転可能に支持されている。この回転軸６の一端にはプーリ４が固着され、エンジンの回転トルクがベルト（図示せず）を介して回転軸６に伝達できるようになっている。

また、ロータ７内のフィールドコイル１３に電流を供給するスリップリング９が回転軸６のリア側端部に固着され、一対のブラシ１０がこのスリップリング９に摺接するようにケーシング本体３内に配設されたブラシホルダ１１に収納されている。ステータ８で生じた交流電圧の大きさを調整するレギュレータ１７がブラシホルダ１１に嵌着されたヒートシンク１８に接着されている。ステータ８に電気的に接続され、ステータ８で生じた交流電流を直流電流に整流する整流装置１２がケーシング本体３内に装着されている。

ロータ７は、電流を流して磁束を発生するフィールドコイル１３と、上記フィールドコイル１３を覆うように設けられ、当該フィールドコイル１３で発生した磁束によって磁極が形成される一対のランデル型磁極片２０、２１とから構成される。一対の磁極片２０、２１は鉄製で、それぞれ爪状磁極片２２a、２２bが外周縁に周方向に等間隔で複数突設され、爪状磁極片２２a、２２b をかみ合わせるように対向して回転軸６に固定されている。そして、冷却手段としての冷却ファン５は磁極片２０、２１の軸方向の両端面にそれぞれ固着されており、それぞれ円周方向に複数枚のブレード５ａ、５ｂとこれらのブレード５ａ、５ｂを支持するベース５cよりなっている。

一方、ステータ８は、ステータコア１５と、このステータコア１５に巻回してなり、ロータ7の回転に伴いロータ7からの磁束の変化で交流電流が生じるステータコイル１６とから構成されている。そして、ステータコア１５に巻回された導線の一部がステータコア１５の軸方向に延在し、フロント側コイルエンド１６aおよびリア側コイルエンド１６bを構成している。ステータコイル１６は三つのコイルをＹ字形に結線して構成されるＹ形三相巻線である。なお、互いに対向して配置された爪状磁極片２２a、２２bの間には磁極片間すきま部２３が形成されている。

実施の形態１のものは、ロータの回転方向を前方とするとき、軸方向に流れる冷却風の流出側（リアブラケット２側）のロータ端面に固定された冷却ファン５のブレード５bが、磁極片２２bの回転方向後縁２２ｂ１側に沿うように配置されており、上記ブレード面後方に切り欠き部５dを設けた構造となっている。これにより、ロータ回転時にはブレード５b面後方に発生する負圧が磁極片間すきま部２３上において冷却風の吸引力を発生し、図２（ｂ）の矢印Ｃに示すように冷却風がこの負圧部に流れ込む流路を確保する効果を生じる。図１に冷却ファン５により発生する冷却風の主たる流れを白抜き矢印で示しており、先ず、ロータの軸方向駆動源側（流入側）端面に取り付けられた冷却ファン５のブレード５aにより生成される遠心方向へのブラケットリブへの吹き付け流れＢ及びロータ・ステータ間を軸方向に流れる通過流れＣがあり、更に整流子やレギュレータ等の発熱源後方よりの吸い込み流れＡがある。

一方、ブレード５b面前方には正圧が発生するが、この部分は冷却ファン５のベース５cで上記流路が塞がれているので、この部分が開放している従来のように上記正圧により冷却風の流通を相殺してしまうことがなくなり、他の流路を採用することにより所定の通風を行うものである。このように流出側ロータ端面に固定された冷却ファン５に上記ファン形状を適用することにより、上述したように磁極片間すきま部２３を軸方向に流れる冷却風Ｃを増大させ、フィールドコイル１３の冷却性を向上させることができる。

図３はこの発明の効果を確認するために行った測定グラフで、横軸に上記ブレード５ｂの位置をロータの回転方向に沿って変化させた場合のロータ中心位置からの傾き角度を、縦軸は軸方向風量を任意単位で示したものである。横軸の傾き角度はロータの回転方向前縁側に配置された場合を０°とし、それから８°ずつロータの回転方向後縁側にずらして行き、最もロータの回転方向後縁側に配置された場合を２４°とした場合の測定値である。これによるとロータの回転方向前縁側に配置された場合（０°）に比べ最もロータの回転方向後縁側に配置された場合（２４°）は風量が１０倍以上に改善されていることが確認された。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機を示すもので、（a）は流出側から見たロータ部の軸方向側面図、（b）はその斜視図を示している。この実施の形態２では、冷却ファンのベース５cの半径方向の寸法は短く、このベース５cから半径方向外方へ突出するように複数個のブレード５bを取り付けている。騒音対策等を目的として、冷却ファン５のブレード５bを円弧状に成形し、これを不等ピッチで配置する場合の例を示している。ブレード５bのベース５cへの取り付けは例えば溶接等で行われる。この実施例においては、そのブレード面前後の正圧・負圧が最大となるブレード外径端Ｐ（円弧状先端部）をロータの回転方向後縁２２b2に配置することにより、磁極片間すきま部２３上において冷却風の吸引力を発生し、ブレード５bの後方部分に発生する負圧による冷却風の吸い込み作用を促し、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。上記ブレード５bの配置は少なくとも片側爪状磁極片数（図４では８個）の半数以上のブレードについて行えば十分な効果が得られるものである。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３に係る車両用交流発電機を示すもので、（a）は流出側から見たロータ部の軸方向側面図、（b）はその斜視図を示している。この実施の形態３では、磁極片間すきま部２３上に配置された冷却ファン５のベース５cが、ブレード５b位置からその回転方向前方のすきま部２３の一部を塞ぐように補強部５c1を設けた形状となっている。これにより、実施の形態２に比べてブレード５bを補強することができると共に、ブレード面前方に生じる正圧によって軸方向に流れる冷却風を相殺してしまう効果を上記補強部５c1により防ぐことができる。この実施の形態３のようなファン形状を流出側ロータ端面に固定された冷却ファン５に適用することにより、ロータ７・ステータ８間を通過してくる冷却風出口付近の昇圧を抑えながら軸方向に流れる冷却風を増大させる効果が得られる。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４に係る車両用交流発電機を示すもので、（a）は流出側から見たロータ部の軸方向側面図、（b）はその斜視図を示している。この実施の形態４では、磁極片間すきま２３上に配置された冷却ファン５のブレード５b の回転方向後面に沿って外径側からその一部を切り欠いた形状5ｄとしたものである。冷却ファン５は、板金によって製作され、かつ磁極片間すきま２３上に配置された冷却ファン５のブレード５bはその回転方向前方から切り起こした形状となっている。このファン形状を流出側ロータ端面に固定された冷却ファン５に適用することにより、ブレード面後方に生じる負圧によってロータ7・ステータ8間から冷却風が流れ込む作用が生じ、軸方向に流れる冷却風を増大させると共に冷却ファンの製作を簡略化する効果が得られる。

実施の形態５．
図７はこの発明の実施の形態５に係る車両用交流発電機を示すもので、（a）は流出側から見たロータ部の軸方向側面図、（b）はその斜視図を示している。この実施の形態５では、上記実施の形態４と同じく磁極片間すきま２３上に配置された冷却ファン５のブレード５b の回転方向後面に沿って外径側からその一部を切り欠いた形状5ｄ としたものである。しかしこの実施例では、冷却ファン５は板金によって製作され、かつ磁極片間すきま２３上に配置された冷却ファン５のブレード５bはその回転方向後方から切り起こした形状となっている。このファン形状を流出側ロータ端面に固定された冷却ファン５に適用することにより、上記実施例３と実施例４の効果を同時に満たし、軸方向に流れる冷却風を大幅に増大させることができる。

実施の形態６．
図８はこの発明の実施の形態６に係る車両用交流発電機を示すもので、（a）は流出側から見たロータ部の軸方向側面図、（b）はその斜視図を示している。この実施の形態６では、冷却ファン５のブレード５b にブレード補強用のシュラウドプレート５eを適用したものである。これにより、ブレード５b 面前方に生じる正圧はブレード面と磁極片２２とシュラウドプレート５eにより三方を囲まれることによってその昇圧効果が改善される。同時にブレード面後方に生じる負圧についても、ブレード面上方を通してブレード前方からの回り込み流れが抑制されることでその減圧効果が改善される。これにより、上述の正圧・負圧による冷却風への効果を向上させることができる。

実施の形態７．
図９はこの発明の実施の形態７に係る車両用交流発電機を示すもので、（a）は流入側から見たロータ部の軸方向側面図、（b）はその斜視図を示している。この実施の形態７では、実施の形態１〜６で説明した流出側に設置される冷却ファン５に加えて流入側に設置される冷却ファン５に関するものである。すなわち、ロータの軸方向駆動源側（流入側）端面に取り付けられた冷却ファン５のブレード５aを、そのブレード位置から回転方向後方の磁極片２２の一部を補強部５c1により塞いだ形状としたものである。これによりブレード面前方に生じる正圧によってその冷却風の流入を増大させ、かつブレード面後方に生じる負圧によって流入した冷却風が逆流するのを防ぐことができる。
従って、磁極片２０、２１の軸方向の両端面にそれぞれ固着される冷却ファン５のブレードをそれぞれ所定の形状とすることにより、両者相俟って軸方向に流れる冷却風を一層増大させることができる。

なお、実施の形態７におけるリアブラケット２側の冷却ファン５のブレード５bとフロントブラケット１側の冷却ファン５のブレード５aとの関係を逆に設置すなわちブレード５bをフロントブラケット１側に、またブレード５aをリアブラケット２側に設置することにより、これまでのプーリ４側からレギュレータ１１側への軸方向流れとは逆に、圧力損失のバランスから実用が困難であったレギュレータ１１側からプーリ４側へのロータ７・ステータ８間軸方向流れを実現することができる。

これまでのプーリ4側からレギュレータ１１側へ冷却風が流れるロータ７・ステータ８間の通過流れＣが、レギュレータ１１周りを通過してくる吸い込み流れＡと冷却風の向きが相反するため、双方の風量はトレードオフの関係になり効率が低下する問題点があった。一方、上述したようにレギュレータ１１側からプーリ４側へロータ７・ステータ８間に冷却風を流すことにより、レギュレータ１１周りを通過する冷却風とロータ７・ステータ８間を通過する冷却風の双方を増大させることができる。

また、エンジンの始動時にはバッテリの電力により駆動されて上記エンジンを始動し、かつ上記エンジンの始動後はエンジンに駆動されて交流電力を発生する車両用電動発電機においては、ランデル型ロータの爪状磁極片間に永久磁石等を介在させるタイプのものがあるが、上記介在物によってロータ７・ステータ８間の圧力損失が大きくて軸方向に冷却風が微小量しか流れないことがある。このような場合、本発明を用いることで軸方向に流れる冷却風を向上させて澱んでいる高温空気を排出することで出力性能の大幅向上を図ることができる。
なお、本発明は特に車両用交流発電機に限定されるものではなく、ランデル型ロータと冷却ファンもしくは冷却ファンに準ずるリブ等を備えた回転電機に適用することができるものであり、また、各実施例で説明したブレード構造は冷却ファンの一部のブレードにのみ適用しても所定の効果を奏することができる。

本発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の要部断面図である。 図１の車両用交流発電機のロータ部拡大図であり、（a）は軸方向側面図、(b)はその斜視図である。 この発明の効果を確認するために行った測定グラフである。上記車両用交流発電機のロータ部の斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機を示し、（a）はロータ部軸方向側面図、（b）はその斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る車両用交流発電機を示し、（a）はロータ部軸方向側面図、（b）はその斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る車両用交流発電機を示し、（a）はロータ部軸方向側面図、（b）はその斜視図である。 本発明の実施の形態５に係る車両用交流発電機を示し、（a）はロータ部軸方向側面図、（b）はその斜視図である。 本発明の実施の形態６に係る車両用交流発電機を示し、（a）はロータ部軸方向側面図、（b）はその斜視図である。 本発明の実施の形態７に係る車両用交流発電機を示し、（a）はロータ部軸方向側面図、（b）はその斜視図である。

符号の説明

１ フロントブラケット、 ２ リアブラケット、３ ケーシング本体、
４ プーリ、 ５ 冷却ファン、 ５a、５b ブレード、
５c ベース、 ５c1 補強部、 ５d 切り欠き部、
５e シュラウドプレート、 ６ 回転軸、 ７ ロータ、
８ ステータ、 ９ スリップリング、 １３ フィールドコイル、
１４ａ、１４ｂ 軸受、 １５ ステータコア、 １７ レギュレータ、
２０、２１ 磁極片、 ２２a、２２b 爪状磁極片、
２３ 磁極片間すきま部。

Claims (3)

1. ランデル型磁極片にて構成されるロータと、上記ロータの軸端に取り付けられ、上記磁極片の回転方向後縁に沿って配置される複数のブレードを有する冷却ファンとを備え、上記ブレード面後方に切り欠き部を設けて、上記ロータの回転方向を前方とするとき、上記磁極片間すきま部を軸方向に流れる冷却風の流出側に固定された冷却ファンの回転時に、ブレード面後方に生じる負圧によって上記冷却ファンのブレード面後方を軸方向に流れる冷却風の流路を確保するようにした交流発電機において、上記冷却ファンはそのベース部から半径方向に突出するブレードを円弧状に成形し、そのブレードのうち、片側磁極片数の半数以上のブレードについて、ブレード面前後の正圧・負圧が最大となるブレード外径端を上記磁極片の回転方向後縁に配置したことを特徴とする交流発電機。
2. 上記冷却ファンは、その外径端が上記磁極片間すきま部上に配置されたブレードについて、そのブレード位置からロータの回転方向前方に延在し上記磁極片間すきま部の一部を塞ぐ補強部を備えた形状としたことを特徴とする請求項１に記載の交流発電機。
3. 上記冷却ファンに対して、上記磁極片間すきま部を軸方向に流れる冷却風の流入側ロータ端面に固定された冷却ファンのブレードのうち、その外径端が上記磁極片間すきま部上に配置されたブレードについて、そのブレード位置からロータの回転方向後方に延在し上記磁極片間すきま部を塞ぐ補強部を備えた形状としたことを特徴とする請求項１に記載の交流発電機。

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