JP4926409B2 - 交流発電機 - Google Patents

Description

この発明は、回転子に固定されたファンの回転でリヤブラケットの吸気口から吸入される外気により、回転子、ステータ及び整流器が冷却される交流発電機に関するものである。

従来、リヤブラケット及びフロントブラケットからなるケースと、一端部が前記リヤブラケットのリヤベアリング収納部に設けられ他端部が前記フロントブラケットのフロントベアリング収納部に設けられたフロントベアリングに回転自在に支持されたシャフトと、このシャフトに固定された回転子と、前記ケースの内壁面に固定されたステータコア及びこのステータコアに導線が巻回されて構成されたステータコイルからなるステータと、前記リヤブラケット内に設けられているとともに前記ステータコイルに電気的に接続されステータコイルで生じた交流を直流に整流する整流器と、前記回転子に固定され回転子の回転により前記リヤブラケットの吸気口から外気を吸入して前記整流器を冷却するファンとを備え、前記整流器は、裏面にフィンが立設されたヒートシンクと、ヒートシンクの表面に固定された複数のダイオードを有し、フィンに対向したベアリング収納部の外周部に複数のフィンが形成された交流発電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この車両用交流発電機の場合、出力が向上すると、前記ダイオードと、前記ステータの発熱量が増加し、それに伴い、ダイオードの温度、ステータの温度が上昇するとともに、それらを収納しているリヤブラケットの温度が上昇し、その結果前記ベアリング収納部の温度が上昇する。
そして、高出力車両用交流発電機では、例えば１００℃雰囲気中では、ステータの温度が２３０℃程度、ダイオードの温度が１９０℃程度、リヤベアリングの温度が１７０℃程度、フロントベアリングの温度は１６０℃程度に達する。
リヤベアリングがフロントベアリングと比較して温度が高いのは、リヤブラケットに負極側ダイオードのヒートシンクが直接当接しているので、負極側ダイオードの発熱をリヤブラケットが受熱するためである。

特開２００１−４５７２６号公報（図５）

この車両用交流発電機では、リヤベアリングの温度を低減するために、リヤベアリング収納部の外周部にフィンを設けているものの、負極側ダイオードを主に冷却しているリヤブラケットのフィン、及び正極側ダイオードを冷却している正極側ヒートシンクのフィンを通過して温まった空気が、リヤベアリング収納部のフィンを通過するので、１００℃の雰囲気中では、そのフィンには、１４０℃程度の空気が通過することになる。
各部材には耐熱温度があり、例えばステータは２４０℃、ダイオードは２００℃、ベアリングは１８０℃であり、場合によってはリヤベアリングの温度だけが耐熱温度を超えてしまう恐れがある。

もし、このようなことが生じた場合、リヤベアリングの中のグリースが熱変化を起こしてしまい、グリースが潤滑油としての役割を果たさなくなり、リヤベアリングは回転子の回転中にカラカラという音が鳴ってしまうことになり、それを防ぐために例えば耐久仕様が１８０℃以上のベアリングを用いることもできるが、そのことは高コスト化を招くという問題点があった。

また、車両用交流発電機の出力は、回転子に巻いている回転子コイルの電流にほぼ比例し、その回転子コイルの電流は回転子コイルの温度によって決まってくる。即ち、回転子コイルの両端部間には一定の電圧が印加されており、回転子コイルの温度が高ければ高いほど、回転子コイルの電気抵抗が大きくなるので回転子コイルの電流は小さくなる。
即ち、車両用交流発電機の出力を向上させるためには、回転子コイルに流れる電流値を大きくする必要があり、そのためには回転子コイルの温度を低減する必要がある。回転子コイルの温度は回転子コイル自体の発熱と、リヤベアリング、フロントベアリングを通してのケースからの受熱による。

そのため、回転子コイルを冷却するためには、回転子コイルを通過する冷却風量を増やす方法も考えられるが、冷却風量の増加は、そのまま風による騒音の増大につながってしまう。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、冷却風量の増大に依存することなく、リヤベアリングの温度上昇を抑制することで、高出力化を図ることができる交流発電機を得ることを目的とする。

この発明に係る交流発電機は、リヤブラケット及びフロントブラケットからなるケースと、端部が前記リヤブラケットのリヤベアリング収納部内に設けられたリヤベアリングに回転自在に支持されたシャフトと、このシャフトに固定された回転子と、前記ケースの内壁面に固定されたステータコア及びこのステータコアに導線が巻回されて構成されたステータコイルからなるステータと、前記リヤブラケット内に設けられているとともに前記ステータコイルに電気的に接続されステータコイルで生じた交流を直流に整流する整流器と、前記回転子に固定され回転子の回転により前記リヤブラケットの吸気口から外気を吸入して前記回転子、前記ステータ及び前記整流器を冷却するファンとを備え、前記整流器は、前記吸気口に対向して設けられた正極側ヒートシンク、この正極側ヒートシンクに固定された正極側ダイオード、前記正極側ヒートシンクの径外側方向であって前記リヤブラケットに固定された負極側ヒートシンク、及びこの負極側ヒートシンクに固定された負極側ダイオードを有している交流発電機において、
前記リヤベアリング収納部の近傍に形成された前記吸気口であって前記リヤベアリング収納部側には、前記シャフトに対して垂直方向に延びた複数のリヤベアリング冷却用フィンが形成されており、さらに前記吸気口であって前記リヤベアリング収納部と対向した側にも、前記シャフトに向かって垂直方向に延びた複数のリヤベアリング冷却用フィンが形成されており、
各前記リヤベアリング冷却用フィンの合計面積をＳｂ、前記リヤベアリング冷却用フィンが形成される前の前記吸気口の全面積をＳｋとしたときに、（Ｓｂ/Ｓｋ）の値が０．２〜０．６の範囲内である。

この発明に係る交流発電機によれば、リヤベアリングの温度上昇を抑制でき、高出力化を図ることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の車両用交流発電機の断面図、図２は図１のリヤブラケット１を内側から視たときの図、図３は図１の車両用交流発電機をリヤブラケット１側から視たときの図、図４は図１の整流器１２を示す全体斜視図である。
この車両用交流発電機では、アルミニウム製のリヤブラケット１及びフロントブラケット２からケ−ス３が構成されている。リヤブラケット１のリヤベアリング収納部３０にはリヤベアリング３１が嵌着されている。フロントブラケット２のフロントベアリング収納部３２にはフロントベアリング３３が嵌着されている。フロントベアリング３３及びリヤベアリング３１は、一端部にプ−リ４が固定されたシャフト６を回転自在に支持している。このシャフト６の中間部ではランドル型の回転子７が固定されている。シャフト６の他端部には回転子７に電流を供給するスリップリング９が固定されている。

ケ−ス３内の内壁面にはステータ８が固定されている。スリップリング９にはブラシホルダ１１内に収納された一対のブラシ１０の先端面が摺接するようになっている。リヤブラケット１の内部にはステータ８に電気的に接続されステータ８で生じた交流を直流に整流する整流器１２が設けられている。ブラシホルダ１１にはヒートシンク１７が嵌着されている。このヒートシンク１７にはステータ８で生じた交流電圧を調整するレギュレ−タ１８が接着されている。

回転子７は、電流を流して磁束を発生する回転子コイル１３と、回転子コイル１３を覆って設けられその磁束によって磁極が形成されるポ−ルコア１４とを備えている。ポ−ルコア１４は一対の交互に噛み合った第１のポ−ルコア体２１及び第２のポ−ルコア体２２とから構成されている。第１のポ−ルコア体２１及び第２のポ−ルコア体２２の軸線方向端面には、それぞれ冷却用の第１の遠心ファン５ａ、第２の遠心ファン５ｂが溶接されている。
ステータ８は、ステータコア１５と、このステータコア１５に導線が巻回され回転子７の回転に伴い、回転子コイル１３からの磁束の変化で交流が生じるステータコイル１６とを備えている。

整流器１２は、円弧帯状のヒートシンク本体２４ａ及びこのヒートシンク本体２４ａの裏面（リヤブラケット１側）に立設された複数個のフィン２４ｂで構成された正極側ヒートシンク２４と、この正極側ヒートシンク本体２４ａの表面に半田付けで固定され樹脂モールド成形された４個の正極側ダイオード２３と、リヤブラケット１に固定されてアースされた円弧帯状の負極側ヒートシンク２６と、この負極側ヒートシンク２６に半田付けで固定され樹脂モールド成形された４個の負極側ダイオード２５と、各々のダイオード２３，２５とステータコイル１６とを電気的に接続するサーキットボード２７とを備えている。
正極側ヒートシンク２４と負極側ヒートシンク２６とは、シャフト６の半径方向にほぼ平面状に配置され、ケース３内に収納されている。正極側ヒートシンク２４及び負極側ヒートシンク２６は熱伝導率の高いアルミニウムで構成されている。

リヤブラケット１では、正極側ヒートシンク２４に対向して間隔をおいて６箇所に吸気口Ａが形成されている。この各吸気口Ａの周縁部のうち、リヤベアリング収納部３０側では、リヤベアリング冷却用フィン３４が等分間隔で形成されている。このリヤベアリング冷却用フィン３４は、正極側ヒートシンク２４のダイオード冷却用フィンであるフィン２４ｂと対向している。
シャフト６に対して垂直方向に延びた各リヤベアリング冷却用フィン３４は、リヤブラケット１をシャフト６の軸線方向に沿って視たときに、図６に示すように、一つおきにフィン２４ｂと重なるように形成されている。
なお、リヤブラケット１には、ヒートシンク１７に対向した吸気口Ｃが形成されている。また、リヤブラケット１には、吸気口Ａ，Ｃから入った空気を外部に排出する排気口Ｂ，Ｄも形成されている。

上記構成の車両用交流発電機では、バッテリ（図示せず）からブラシ１０、スリップリング９を通じて回転子コイル１３に電流が供給されて磁束が発生する一方、エンジンによってプ−リ４は駆動され、シャフト６によって回転子７が回転するため、ステータコイル１６には回転磁界が与えられ、ステータコイル１６には起電力が生じる。
この交流の起電力は、整流器１２の正極側ダイオード２３、負極側ダイオード２５を通って直流に整流されるとともに、レギュレ−タ１８によりその大きさが調整されて、バッテリに充電される。

ところで、回転子７の回転とともに遠心ファン５ａ，５ｂが回転し、この回転により、リヤブラケット１の吸気口Ａからは、図５に示すように矢印αで示すように流れ、正極側ヒートシンク２４、正極側ダイオード２３を冷却している。その外気は、その後第１の遠心ファン５ａにより半径外側方向に流れ、リヤ側のステータコイル１６のエンド部を冷却し、排気口Ｂから外部に排出される。

また、吸気口Ａでは、リヤベアリング冷却用フィン３４が設けられており、外気は、一部はリヤベアリング冷却用フィン３４に直接衝突するので、リヤベアリング冷却用フィン３４が冷却されるとともに、リヤベアリング冷却用フィン３４と一体のリヤベアリング収納部３０も熱伝導により冷却され、リヤベアリング収納部３０に収納されたリヤベアリング３１は冷却される。
また、吸気口Ａの近傍にリヤベアリング収納部３０が設けられているので、外気は、一部がリヤベアリング収納部３０にも直接衝突し、リヤベアリング収納部３０に収納されたリヤベアリング３１は冷却される。

本願発明者は、このリヤベアリング冷却用フィン３４の有無によるリヤベアリング３１の冷却効果を確かめるために実験を行った。
この結果、１００℃雰囲気中において、リヤベアリング３１の温度が１５℃程度低減され、さらにはリヤベアリング３１の温度が低減したことにより、出力が３％向上することが分かった。
ただし、リヤベアリング冷却用フィン３４を設けたことにより、吸気口Ａの面積が小さくなり、吸気口Ａにおける空気抵抗が大きくなったため、正極側ダイオード２３の温度は３℃程度増加したが、正極側ダイオード２３の温度は耐熱温度に対してマージンがある分、全く問題がなかった。
なお、出力が低い車両用交流発電機においては、正極側ヒートシンク２４にフィン２４ｂを設けなくても正極側ダイオード２３の温度が耐熱温度以下である場合があり、この場合には当然にダイオード冷却用フィンであるフィン２４ｂが無くてもよい。

また、本願発明者は、リヤベアリング冷却用フィン３４の合計面積をＳｂ、リヤベアリング冷却用フィン３４が形成される前の各吸気口Ａの全面積をＳｋとし、（Ｓｂ/Ｓｋ）とリヤベアリング３１の温度との関係を実験により求めた。
その結果を図７に示す。この図７から、Ｓｂの値が大きくなる、即ち吸気口Ａにおいてリヤベアリング冷却用フィン３４が示す割合が大きくなり過ぎると、吸気口Ａを通過する風量が減少することになり、リヤベアリング３１の冷却効率が下がり、逆にＳｂの値が小さくなり過ぎると、吸気口Ａを通過する風量が増大するもののリヤベアリング冷却用フィン３４の面積が小さくなるために、リヤベアリング冷却用フィン３４によるリヤベアリング３１の冷却効果が減少してしまうことが分かった。
そして、（Ｓｂ/Ｓｋ）の値が、０．２〜０．６の範囲内である場合にリヤベアリング３１の冷却効率が高いことが分かった。

以上説明したように、この実施の形態１による車両用交流発電機によれば、リヤベアリング収納部３０の近傍の吸気口Ａには、シャフト６に対して垂直方向にストレートに延びた複数のリヤベアリング冷却用フィン３４が形成されているので、吸気口Ａの縁部において外気と接触する接触面積が増大し、リヤベアリング３１の冷却性能が向上し、回転子コイル１３の温度上昇が抑制される結果、回転子コイル１３に流れる電流値が上昇し、高出力化を図ることができる。

また、正極側ヒートシンク２４には、リヤベアリング冷却用フィン３４に対向してシャフト６の軸線方向に延びた複数のダイオード冷却用フィンであるフィン２４ｂが形成されているので、正極側ダイオード２３の冷却性能が向上する。

また、シャフト６の軸線方向に沿ってリヤブラケット１を視たときに、各リヤベアリング冷却用フィン３４は、フィン２４ｂと重なって設けられているので、外気は、図６において各リヤベアリング冷却用フィン３４の両側面に沿って流れ、フィン２４ｂ間に円滑に導かれ、正極側ダイオード２３の冷却性能が向上する。
なお、この実施の形態では、各リヤベアリング冷却用フィン３４は、一つおきのフィン２４ｂと重なって設けられているが、各リヤベアリング冷却用フィン３４は、各フィン２４ｂと重なって設けるようにしてもよいし、例えば二つおきに重なって設けるようにしてもよい。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２の車両用交流発電機における要部断面図である。
この実施の形態では、シャフト６の軸線方向に沿ってリヤブラケット１を視たときに、各リヤベアリング冷却用フィン３４が、隣接した一対のフィン２４ｂ間に設けられている点を除いては実施の形態１の車両用交流発電機と同じである。
この実施の形態では、外気は、各リヤベアリング冷却用フィン３４の下流側を回り込むようにしてフィン２４ｂ間に導かれるので、実施の形態１のものと比較して、リヤベアリング冷却用フィン３４の冷却性能、即ちリヤベアリング３１の冷却性能が向上する。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３の車両用交流発電機における要部断面図である。
この実施の形態では、リヤベアリング冷却用フィン３４Ａは、隣接した一対のフィン２４ｂ間までシャフト６の軸線方向に沿って延設されている点を除いて実施の形態２の車両用交流発電機と同じである。
この実施の形態では、一対のフィン２４ｂ間に導かれる風量は著しく減少し、正極側ヒートシンク２４の冷却性能は低減するものの、リヤベアリング冷却用フィン３４Ａの面積が増大してリヤベアリング３１の冷却性能が著しく向上し、リヤベアリング３１の温度を著しく低減させることができる。

実施の形態４．
図１０はこの発明の実施の形態４の車両用交流発電機をリヤブラケット１側から視たときの図である。
この実施の形態では、実施の形態１に示されたリヤブラケット１に、さらに反リヤベアリング収納部３０側にもリヤベアリング冷却用フィン３４Ｂを設けた点を除いては実施の形態１の車両用交流発電機と同じである。
このものの場合、実施の形態１のものと比較して、リヤベアリング冷却用フィン３４Ｂを設けたことにより、リヤブラケット１の吸気口Ａの外側領域の放熱性も向上する。

なお、上記の各実施の形態では、車両用交流発電機について説明したが、車両以外に適用される交流発電機にもこの発明を適用できるのは勿論である。また、半径内側に負極側ダイオードを配置し、半径外側に正極側ダイオードを配置した交流発電機についても、この発明を適用することができる。

この発明の実施の形態１による車両用交流発電機を示す断面図である。 図１のリヤブラケットを内側から視たときの図である。 図１の車両用交流発電機をリヤブラケットから視たときの図である。 図１の整流器を示す全体斜視図である。 図１の車両用交流発電機の要部拡大図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った矢視断面図である。 （Ｓｂ/Ｓｋ）とリヤベアリングの温度との関係を示す図である。 この発明の実施の形態２による車両用交流発電機の要部断面図である。 この発明の実施の形態３による車両用交流発電機の要部断面図である。 この発明の実施の形態４による車両用交流発電機をリヤブラケット側から視たときの図である。

符号の説明

１ リヤブラケット、３ ケース、５ａ 第１の遠心ファン、６ シャフト、７ 回転子、８ ステータ、１２ 整流器、１３ 回転子コイル、１６ ステータコイル、２３ 正極側ダイオード、２４ 正極側ヒートシンク、２４ａ ヒートシンク本体、２４ｂ フィン（ダイオード冷却用フィン）、３０ リヤベアリング収納部、３１ リヤベアリング、３４，３４Ａ，３４Ｂ リヤベアリング冷却用フィン。

Claims (5)

1. リヤブラケット及びフロントブラケットからなるケースと、端部が前記リヤブラケットのリヤベアリング収納部内に設けられたリヤベアリングに回転自在に支持されたシャフトと、このシャフトに固定された回転子と、前記ケースの内壁面に固定されたステータコア及びこのステータコアに導線が巻回されて構成されたステータコイルからなるステータと、前記リヤブラケット内に設けられているとともに前記ステータコイルに電気的に接続されステータコイルで生じた交流を直流に整流する整流器と、前記回転子に固定され回転子の回転により前記リヤブラケットの吸気口から外気を吸入して前記回転子、前記ステータ及び前記整流器を冷却するファンとを備え、前記整流器は、前記吸気口に対向して設けられた正極側ヒートシンク、この正極側ヒートシンクに固定された正極側ダイオード、前記正極側ヒートシンクの径外側方向であって前記リヤブラケットに固定された負極側ヒートシンク、及びこの負極側ヒートシンクに固定された負極側ダイオードを有している交流発電機において、
   前記リヤベアリング収納部の近傍に形成された前記吸気口であって前記リヤベアリング収納部側には、前記シャフトに対して垂直方向に延びた複数のリヤベアリング冷却用フィンが形成されており、さらに前記吸気口であって前記リヤベアリング収納部と対向した側にも、前記シャフトに向かって垂直方向に延びた複数のリヤベアリング冷却用フィンが形成されており、
   各前記リヤベアリング冷却用フィンの合計面積をＳｂ、前記リヤベアリング冷却用フィンが形成される前の前記吸気口の全面積をＳｋとしたときに、（Ｓｂ/Ｓｋ）の値が０．２〜０．６の範囲内であることを特徴とする交流発電機。
2. 前記ヒートシンクには、前記リヤベアリング冷却用フィンに対向して前記シャフトの軸線方向に延びた複数のダイオード冷却用フィンが形成されている請求項１に記載の交流発電機。
3. 前記軸線方向に沿って前記リヤブラケットを視たときに、各前記リヤベアリング冷却用フィンは、前記ダイオード冷却用フィンと重なって設けられている請求項１または２に記載の交流発電機。
4. 前記軸線方向に沿って前記リヤブラケットを視たときに、各前記リヤベアリング冷却用フィンは、隣接した一対の前記ダイオード冷却用フィン間に設けられている請求項１または２に記載の交流発電機。
5. 前記リヤベアリング冷却用フィンは、隣接した一対の前記ダイオード冷却用フィン間まで前記軸線方向に沿って延設されている請求項４に記載の交流発電機。

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