JP5242925B2 - 車両用交流発電機 - Google Patents

Description

この発明は、ランデル型回転子を備えた車両用交流発電機に関し、特にランデル型回転子の爪状磁極部の表面に流れる渦電流を低減する爪状磁極部構造に関するものである。

鋼塊製の爪状磁極部を有するランデル型回転子を組み込んだ車両用交流発電機においては、固定子高調波磁束が爪状磁極部に対して渦電流損失をもたらし、効率が低下する。
この問題を解決するために、渦電流の通路にあって渦電流の妨げとなる複数の溝を、爪状磁極部の固定子と対向する表面に形成し、渦電流損失を低減していた（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平３−１３９１４９号公報 特開平５−８３９０９号公報

従来のランデル型回転子では、爪状磁極部の固定子と対向する全面に溝を形成し、渦電流損失を低減している。しかしながら、爪状磁極部の固定子と対向する表面に溝を設けることは、等価的な空隙長さが長くなり、発電出力の低下をもたらす。つまり、爪状磁極部の固定子と対向する全面に溝を設けることは、渦電流損失を低下できるものの、発電出力を低下させるという新たな課題を生じさせる。

本出願人は、このような状況に鑑み、車両用交流発電機が発電運転している場合、界磁磁束と電機子反作用磁束とが存在し、爪状磁極部の固定子と対向する表面の回転方向後方側では、これらの磁束が強めあい、磁気飽和が顕著になり、爪状磁極部の固定子と対向する表面の回転方向後方側における渦電流損失が大きくなることに着目して、この発明をするに至ったものである。つまり、爪状磁極部の固定子と対向する表面の回転方向後方側にのみ溝を設けて、大きな渦電流を効果的に遮断し、渦電流損失の低減効果と発電出力低下の抑制効果とを実現させている。

なお、特許文献１には、爪状磁極部の固定子と対向する表面の両側縁部にのみ溝を設けることも提案されているが、渦電流損失が小さな爪状磁極部の回転方向前方側にも溝が設けられているので、その分、等価的な空隙長さが長くなり、発電出力が低下するという課題は解決されない。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、爪状磁極部の空隙側表面の回転方向後方側にのみ溝を設けて、集中して流れる渦電流を効果的に遮断するとともに、溝を設けることに起因する等価的な空隙長さの増大を抑制し、渦電流損失を低減でき、かつ発電出力の低下を抑制できる車両用交流発電機を得ることを目的とする。

この発明による車両用交流発電機は、先細り形状の鋼塊製の爪状磁極部が軸方向の両端から軸方向に交互に延設されて互いに咬み合って周方向に配列されたポールコアおよびこのポールコアに装着された界磁巻線を有するランデル型回転子と、上記ランデル型回転子を所定の空隙をもって囲繞する円筒状の固定子鉄心およびこの固定子鉄心に装着された固定子巻線を有する固定子と、を備えている。そして、溝方向を周方向とする溝が、上記爪状磁極部の空隙側表面の回転方向後方側にのみ、軸方向に複数形成され、上記複数の溝は、溝深さが上記爪状磁極部の根元側ほど深くなっている。

この発明によれば、渦電流損失が顕著な爪状磁極部の空隙側表面の回転方向後方側における渦電流の流線が溝により分断され、渦電流損失が効果的に低減される。渦電流の流線を分断する溝が爪状磁極部の空隙側表面の回転方向後方側にのみ形成されているので、溝を形成することによる等価的な空隙長さの増大が少なく、発電出力の低下が抑えられる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機を示す縦断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機に実装されるランデル型回転子を示す斜視図である。

図１および図２において、車両用交流発電機１は、それぞれ略椀形状のアルミ製のフロントブラケット２とリヤブラケット３とからなるケース４と、シャフト１８をケース４に軸受５を介して支持されて、ケース４内に回転自在に配設された回転子１５と、ケース４のフロント側に延出するシャフト１８の端部に固着されたプーリ６と、回転子１５の軸方向の両端面に固定されたファン７と、回転子１５に対して一定の空隙を有して、回転子１５の外周を囲繞するようにケース４に固定された固定子１２と、シャフト１８のリヤ側に固定され、回転子１５に電流を供給する一対のスリップリング８と、各スリップリング８に摺動するようにケース４内に配設された一対のブラシ９と、固定子１２で生じた交流を直流に整流する整流器１０と、固定子１２で生じた交流電圧の大きさを調整する電圧調整器１１と、を備えている。

固定子１２は、円筒状の固定子鉄心１３と、固定子鉄心１３に巻装され、回転子１５の回転に伴い、界磁巻線１６からの磁束の変化で交流が生じる固定子巻線１４と、を備えている。回転子１５は、励磁電流が流されて磁束を発生する界磁巻線１６と、界磁巻線１６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ポールコア１７と、ポールコア１７の軸心位置に貫装されたシャフト１８と、を備えている。

ポールコア１７は、それぞれ例えばＳ１０Ｃなどの低炭素鋼からなる鋼塊で冷間鍛造製法により作製された第１および第２ポールコア体２０，２４に分割構成されている。

第１ポールコア体２０は、シャフト挿通穴が軸心位置に穿設された円柱状の第１ボス部２１と、第１ボス部２１の一端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第１継鉄部２２と、第１継鉄部２２の外周部から軸方向他端側に延設された第１爪状磁極部２３とを有している。第１爪状磁極部２３は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成され、第１継鉄部２２の外周部に周方向に等角ピッチで例えば８つ配列されている。

第２ポールコア体２４は、シャフト挿通穴が軸心位置に穿設された円柱状の第２ボス部２５と、第２ボス部２５の他端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第２継鉄部２６と、第２継鉄部２６の外周部から軸方向一端側に延出された第２爪状磁極部２７とを有している。第２爪状磁極部２７は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成され、第２継鉄部２６の外周部に周方向に等角ピッチで例えば８つ配列されている。

第１および第２ポールコア体２０，２４は、第１および第２爪状磁極部２３，２７を噛み合わせて対向させ、かつ、第１および第２ボス部２１，２５の端面同士を突き合わせた状態で、第１および第２ボス部２１，２５のシャフト挿通穴に圧入されたシャフト１８に固着されている。このように構成されたポールコア１７では、第１および第２爪状磁極部２３，２７が周方向に交互に配列され、第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面がシャフト１８の中心を軸心とする円筒面に一致し、固定子鉄心１３の内周面との間に均一な空隙が形成される。

界磁巻線１６は、導体線をボビン２９に軸方向に多列に、かつ径方向に多層に巻回されて構成され、第１および第２ボス部２１，２５と、第１および第２継鉄部２２，２６と、第１および第２爪状磁極部２３，２７とで囲まれた空間内に装着されている。溝３０が、第１爪状磁極部２３および第２爪状磁極部２７の空隙側表面である最外径面の回転方向の後方側に、軸方向に等角ピッチで、かつ同一溝幅で複数形成されている。各溝３０は、第１爪状磁極部２３および第２爪状磁極部２７の最外径面の回転方向後方に位置する側辺から周方向前方に所定長さに延設されている。また、各溝３０の周方向の溝長さは、先端側から根元側（継鉄部側）に漸次長くなっている。

つぎに、このように構成された車両用交流発電機１の動作について説明する。
まず、界磁電流がバッテリ（図示せず）からブラシ９およびスリップリング８を介して回転子１５の界磁巻線１６に供給され、磁束が発生される。この磁束により、第１ポールコア体２０の第１爪状磁極部２３がＮ極に着磁され、第２ポールコア体２４の第２爪状磁極部２７がＳ極に着磁される。
一方、エンジンの回転トルクがベルト（図示せず）およびプーリ６を介してシャフト１８に伝達され、回転子１５が回転される。そこで、回転磁界が固定子１２の固定子巻線１４に与えられ、起電力が固定子巻線１４に発生する。この交流の起電力が整流器１０で直流電流に整流され、バッテリが充電され、或いは、電気負荷に供給される。

ここで、鋼塊製の爪状磁極部を有するランデル型回転子における渦電流損失について説明する。
発電時、界磁電流による磁束（以下、界磁磁束とする）と発電電流による磁束（以下、電機子反作用磁束とする）とが発生する。この電機子反作用磁束の多くは界磁磁束と反対向きに発生するが、その一部は界磁磁束と直交する向きに発生する。この電機子反作用磁束の直交成分は、爪状磁極部において、回転方向前方側では界磁磁束と反対向きの磁束となるが、回転方向後方側では界磁磁束と同じ向きの磁束となる。即ち、回転方向後方側では、界磁磁束と電機子反作用磁束とが重畳し、強め合うことで、磁束密度が高くなる。このため、爪状磁極部においては、回転方向後方側の磁気飽和が顕著となる。

爪状磁極部が鋼塊製である場合、同期発電機であっても、固定子が作る高調波磁束の影響により、爪状磁極部の最外径面に渦電流が発生する。例えば、固定子鉄心のスロットとティースのパーミアンス脈動により発生する高調波（スロット高調波）により、爪状磁極部の最外径面に渦電流が発生する。爪状磁極部の最外径面に渦電流が発生すると、渦電流損失となり、効率が悪化する。

爪状磁極部の最外径面に発生する渦電流は、爪状磁極部の電気抵抗が小さくなるほど大きくなる。爪状磁極部の電気抵抗は、渦電流が流れる断面積が大きいほど小さくなることは言うまでもないことである。固定子が作る高調波のような高周波に対して渦電流が流れる場合、爪状磁極部の表皮深さは渦電流が流れる断面の面積に比例する。ここで、爪状磁極部の導電率をσ、高調波磁束の周波数をｆ、爪状磁極部の透磁率をμとすれば、表皮深さδは式（１）で概略計算できる。

従って、透磁率が小さくなれば、表皮深さが大きくなり、爪状磁極部の電気抵抗が低くなり、渦電流損失が大きくなることがわかる。一般に、塊状鉄心では、磁束密度が高くなるほど、鉄心の透磁率が低下するため、磁束密度が高くなる爪状磁極部の最外径面の回転方向後方側での渦電流損失が大きくなると結論づけられる。

ついで、鋼塊製の爪状磁極部に発生する渦電流損失の分布を三次元電磁界解析した結果を図３に示す。図３から、爪状磁極部の最外径面の回転方向前方側での渦電流損失が少なく、回転方向後方側での渦電流損失が極めて大きくなっていることが分かる。なお、図３中、まだらに見えるのはポスト処理に於ける問題であり、本質とは関係ない。

この実施の形態１では、溝方向を周方向とする溝３０が、第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面の回転方向後方側に、軸方向に等ピッチで複数形成されているので、溝３０が、第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面の回転方向後方側に集中する渦電流の流線を分断し、渦電流損失を効果的に低減できる。溝３０が第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面の回転方向後方側にのみ形成されているので、溝３０を形成することに起因する等価的な空隙長さの増大が少なく、発電出力の低下が抑制される。従って、発電出力の低下を抑えて、渦電流損失を効果的に低減できる車両用交流発電機が実現される。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る車両用発電機に実装されるランデル型回転子の爪状磁極部を示す斜視図である。
この実施の形態２では、溝方向を周方向とする溝３１が、第１爪状磁極部２３の最外径面の回転方向後方側に、軸方向に等ピッチに形成され、かつ溝３１の溝深さが先端側から根元側に徐々に深くなっている。また、溝３１は、図示していないが、第２爪状磁極部２７の最外径面の回転方向後方側にも、軸方向に等ピッチに形成され、かつ溝３１の溝深さが先端側から根元側に徐々に深くなっている。なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

図３に示されるように、渦電流損失は、爪状磁極部の最外径面の回転方向後方側でも、特に根元側に集中していることが分かる。
この実施の形態２では、第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面の回転方向後方側に形成された溝３１の溝深さが先端側から根元側に徐々に深くなっているので、第１および第２爪状磁極部２３，２７の電気抵抗が先端側から根元側に徐々に高くなる。そこで、根元側に集中して流れる渦電流の流線が確実に分断され、渦電流損失をより低減することができる。渦電流は先端側に集中しないので、第１および第２爪状磁極部２３，２７の先端側の溝３１の溝深さが浅くなっていても、渦電流の流線を確実に分断できる。そこで、先端側の溝３１の深さを過度に深くすることに起因する等価的な空隙長さの増大を抑えることができる。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３に係る車両用発電機に実装されるランデル型回転子の爪状磁極部を示す斜視図である。
この実施の形態３では、溝方向を周方向とする溝３２が、第１爪状磁極部２３の最外径面の回転方向後方側に、溝間隔が先端側から根元側に徐々に狭くなるように軸方向に配列して形成されている。また、溝３２は、図示していないが、第２爪状磁極部２７の最外径面の回転方向後方側に、溝間隔が先端側から根元側に徐々に狭くなるように軸方向に配列して形成されている。なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態３では、第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面の回転方向後方側に形成された溝３２の溝間隔が先端側から根元側に徐々に狭くなっているので、第１および第２爪状磁極部２３，２７の電気抵抗が先端側から根元側に徐々に高くなる。そこで、根元側に集中して流れる渦電流の流線が確実に分断され、渦電流損失をより低減することができる。渦電流が先端側に集中しないので、先端側の溝３２の溝間隔が狭くなっていても、渦電流の流線を確実に分断できる。そこで、先端側の溝３１の溝間隔を過度に狭くすることに起因する等価的な空隙長さの増大を抑えることができる。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４に係る車両用発電機に実装されるランデル型回転子の爪状磁極部を示す斜視図である。
この実施の形態４では、固定子鉄心１３の内周面と第１爪状磁極部２３との間の空隙長を広くする後方面取り部３３および前方面取り部３４が、第１爪状磁極部２３の最外径面の回転方向後方側および回転方向前方側にそれぞれ形成されている。そして、後方面取り部３３の面取り角度θ１が前方面取り部３４の面取り角度θ２より小さくなっている。また、固定子鉄心１３の内周面と第２爪状磁極部２７との間の空隙長を広くする後方面取り部３３および前方面取り部３４が、図示していないが、第２爪状磁極部２７の最外径面の回転方向後方側および回転方向前方側のそれぞれに形成されている。面取り角度θ１，θ２は、シャフト１８の中心と直交する平面における第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面の接線と後方および前方面取り部３３，３４とのなす角度である。なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

ここで、後方面取り部３３が第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面の回転方向後方側に形成されていることで、高調波磁束による影響で第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面の回転方向後方側に発生する渦電流が低減する。
この実施の形態４では、溝３０および後方面取り部３３が第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面の回転方向後方側に形成されているので、後方面取り部３３を形成することで、高調波磁束により第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面の回転方向後方側に発生する渦電流を低減し、溝３０を形成することで、低減された渦電流の流線を確実に分断し、渦電流損失を一層低減することができる。

前方面取り部３４が第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面の回転方向前方側に形成されているので、回転子１５の回転に起因する電磁音の発生を抑制することができる。

後方面取り部３３が形成されている第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面の回転方向後方側に、されに溝３０が形成されると、溝３０を形成することにより、第１および第２爪状磁極部２３，２７の最外径面の回転方向後方側のパーミアンスが小さくなる。そこで、後方面取り部３３の面取り角度θ１と前方面取り部３４の面取り角度θ２とを等しくすると、パーミアンスにアンバランスが発生する。この実施の形態４では、後方面取り部３３の面取り角度θ１を前方面取り部３４の面取り角度θ２より小さくしているので、パーミアンスのアンバランスの発生を抑制できる。

なお、この発明は、ポールコアを構成する第１および第２ポールコア体の全体を鋼塊体で作製する必要はなく、少なくとも爪状磁極部が鋼塊体で作製されていればよい。

この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機に実装されるランデル型回転子を示す斜視図である。 鋼塊製の爪状磁極部に発生する渦電流損失の分布を三次元電磁界解析した結果を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る車両用発電機に実装されるランデル型回転子の爪状磁極部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る車両用発電機に実装されるランデル型回転子の爪状磁極部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４に係る車両用発電機に実装されるランデル型回転子の爪状磁極部を示す斜視図である。

符号の説明

１ 車両用交流発電機、１２ 固定子、１３ 固定子鉄心、１４ 固定子巻線、１５ 回転子、１６ 界磁巻線、１７ ポールコア、２３ 第１爪状磁極部、２７ 第２爪状磁極部、３０，３１，３２ 溝、３３ 後方面取り部、３４ 前方面取り部。

Claims (3)

1. 先細り形状の鋼塊製の爪状磁極部が軸方向の両端から軸方向に交互に延設されて互いに咬み合って周方向に配列されたポールコアおよびこのポールコアに装着された界磁巻線を有するランデル型回転子と、
   上記ランデル型回転子を所定の空隙をもって囲繞する円筒状の固定子鉄心およびこの固定子鉄心に装着された固定子巻線を有する固定子と、を備え、
   溝方向を周方向とする溝が、上記爪状磁極部の空隙側表面の回転方向後方側にのみ、軸方向に複数形成され、
   上記複数の溝は、溝深さが上記爪状磁極部の根元側ほど深くなっていることを特徴とする車両用交流発電機。
2. 上記固定子鉄心の内周面と上記爪状磁極部との間の空隙長を広くする後方側面取り部が、上記爪状磁極部の空隙側表面の回転方向後方側に形成されていることを特徴とする請求項１記載の車両用交流発電機。
3. 上記固定子鉄心の内周面と上記爪状磁極部との間の空隙長を広くする前方側面取り部が、上記後方側面取り部より大きな面取り角度で、上記爪状磁極部の空隙側表面の回転方向前方側に形成されていることを特徴とする請求項２記載の車両用交流発電機。

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