JP6706978B2 - 車両用回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、例えば車両用交流発電機などの車両用回転電機に関し、特に冷却ファンを内蔵した車両用回転電機に関するものである。

車両用回転電機である車両用交流発電機は、車両走行中にバッテリの補充電を行うとともに、車載電装品の電力を賄うものであり、その小型、軽量、高出力化が要望されている。しかし、車両用交流発電機を小型化することは、冷却ファンの小型化につながり、車両用交流発電機に内蔵された電気部品を冷却する冷却風量が減少し、冷却能力が低下することになる。

このような状況を鑑み、ハウジングの冷却風吐出窓の形状を工夫し、車両用交流発電機の冷却能力を向上させる技術が種々提案されている。例えば、特許文献１では、固定子を支持する支持部が側面に等間隔に４つ配置され、複数の冷却風吐出窓を形成する複数のリブが支持部間に配置されたハウジングにおいて、複数の冷却風吐出窓を形成する複数のリブは、回転軸の径方向に対して傾斜しており、その傾斜角は、固定子を支持するために用いられる支持部の近傍で大きく、その支持部から離れた位置で小さくなるように設定されていた。このような構造とすることで、冷却風吐出窓と支持部との境界で生じる冷却風の流れの急変を緩和することができ、冷却能力を維持しつつ、騒音を低減できるとしている。

特開２００７−１７４７７４号公報

特許文献１では、冷却風吐出窓を形成している複数のリブの傾斜角を工夫して、冷却風吐出窓における通風抵抗を低減させているが、支持部が冷却風に対して通風抵抗を増加させるように作用し、冷却能力の十分な向上が図れないという課題があった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、ハウジングのスポークと支持リブとの回転子の回転方向の位置関係が、冷却風が冷却風吐出窓を流出する際の通風抵抗を低減できることを見出し、スポークと支持リブとの位置関係を特定することにより、冷却風吐出窓における通風抵抗を低減し、冷却能力を向上させることができる車両用回転電機を得ることを目的とする。

この発明による車両用回転電機は、軸方向の両側からフロント側ハウジングとリヤ側ハウジングとに保持された固定子と、上記フロント側ハウジングと上記リヤ側ハウジングとに回転可能に支持されたシャフトに固定され、上記固定子の内周側に、上記固定子と同軸に配置され、冷却ファンをフロント側に備える回転子と、を備えている。上記フロント側ハウジングは、周壁部と、上記周壁部の一側開口を塞口する底部と、を有し、ベアリング収納部が、上記底部の軸心位置に上記シャフトと相対して設けられ、支持リブが、それぞれ、径方向に延びるスポークにより上記ベアリング収納部と連結された状態で、上記周壁部に周方向に分散して複数配設され、冷却風吸入窓が、上記スポークにより区画された状態で、上記底部の上記ベアリング収納部の径方向外側に、周方向に並んで複数配列され、冷却風吐出窓が、上記支持リブにより区画された状態で、上記周壁部に周方向に並んで複数配列され、冷却風が、上記冷却ファンの回転により、上記冷却風吸入窓から吸入され、上記冷却風吐出窓から吐出される。上記スポークの本数は、上記支持リブの本数と同じであり、複数の上記スポークのそれぞれが、複数の上記支持リブのなかの対応する支持リブに対して、上記回転子の回転方向と逆方向に４５°よりも小さい同一角度だけシフトしている。

この発明によれば、スポークの本数は、支持リブの本数と同じであり、複数の上記スポークのそれぞれが、複数の支持リブのなかの対応する支持リブに対して、回転子の回転方向と逆方向に同一角度だけシフトしている。そこで、冷却風吸入窓を構成する隣り合うスポークがなすスポーク間角度が、それぞれ、冷却風吐出窓のなかの対応する冷却風吐出窓を構成する隣り合う支持リブがなす支持リブ間角度と同じ角度となる。また、冷却風吸入窓を構成するスポークが、それぞれ、冷却風吐出窓のなかの対応する冷却風吐出窓を構成する支持リブに対して、回転子の回転方向と逆方向に同一角度だけシフトしている。これにより、冷却ファンにより回転方向に旋回されてフロント側ハウジングの周壁部に到達した冷却風と、支持リブとの衝突の発生が抑制される。その結果、冷却風が冷却風吐出窓を流通する際の通風抵抗が低減され、冷却能力が向上される。

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説明する断面図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機をフロント側から見た端面図である。 実施の形態１に係る車両用交流発電機のフロント側ハウジングにおける冷却風吐出窓を流れる冷却風の流れを説明する図である。 比較例のフロント側ハウジングにおける冷却風吐出窓を流れる冷却風の流れを説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機のフロント側ハウジングにおけるスポークのシフト角度θ１と冷却風吐出窓から流出する冷却風の平均流速との関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機のフロント側ハウジングにおける冷却風吐出窓内の周方向における冷却風の平均流速の分布を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機のフロント側ハウジングにおけるスポークのシフト角度θ１と冷却風吐出窓から流出する冷却風の平均流速との関係を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る車両用交流発電機のフロント側ハウジングにおけるスポークのシフト角度θ１と冷却風吐出窓から流出する冷却風の平均流速との関係を示す図である。

以下、本発明の車両用回転電機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

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の構成を説明する断面図、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のフロント側ハウジングを軸方向外側から見た端面図である。

図１において、車両用回転電機としての車両用交流発電機１は、それぞれ略椀形状のアルミニウム製のフロント側ハウジング２とリヤ側ハウジング３とからなるケーシング４と、このケーシング４に一対のベアリング５を介して回転可能に支持されたシャフト６と、ケーシング４のフロント側に突出するシャフト６の端部に固定されたプーリ７と、シャフト６に固定されてケーシング４内に配設され、シャフト６と一体に回転する回転子８と、回転子８を囲繞するようにケーシング４に固定された固定子９と、ケーシング４のリヤ側に突出するシャフト６の突出部に固定され、回転子８に電流を供給する一対のスリップリング１０と、ブラシホルダ１７に収容されて、各スリップリング１０の表面に摺動する一対のブラシ１１と、ブラシホルダ１７に取り付けられたヒートシンク１２ａに固定されて一対のブラシ１１に隣接して配設され、固定子９で生じる交流電圧の大きさを調整する電圧調整器１２と、固定子９で生じる交流電圧を直流電圧に変換する整流装置１３と、電圧調整器１２と外部装置（図示せず）との信号の授受を行うコネクタ２０と、電圧調整器１２、整流装置１３およびブラシホルダ１７を覆うようにリヤ側ハウジング３に装着された保護カバー２７と、を備えている。

回転子８は、ランデル型回転子であり、絶縁処理された銅線を円筒状、かつ同心状に巻き回して作製され、励磁電流が流れて磁束を発生する界磁巻線８１と、軸心位置を貫通するシャフト６に固定されて界磁巻線８１を覆うように設けられ、界磁巻線８１で発生する磁束によって磁極が形成される界磁鉄心８２と、例えば、板金加工によりブレード８３ａがリング状の基部から切り起こされてなり、その基部を界磁鉄心８２の軸方向の両端面に溶接などにより固定され、界磁鉄心８２と一体に回転する冷却ファン８３と、を備える。なお、界磁鉄心８２は、例えば、８つの爪部を交互にかみ合わせて構成されている。この場合、回転子８の極数は１６となる。

固定子９は、円筒状の固定子鉄心９１と、固定子鉄心９１に装着され、回転子８の回転に伴い、界磁巻線８１からの磁束の変化によって交流が生じる固定子巻線９２と、を備えている。また、固定子９は、リヤ側ハウジング３の支持部２５のボルト収納部にリヤ側から通された通しボルト４０をフロント側ハウジング２の支持部２５のボルト収納部の雌ねじ溝に締着して、固定子鉄心９１がフロント側ハウジング２とリヤ側ハウジング３の開口端に軸方向両側から挟持されて、回転子８の外周に同軸に配設されている。固定子巻線９２のリード線９２ａは、リヤ側ハウジング３から引き出されてサーキットボード１９の端子１９ａに結線され、整流装置１３と固定子巻線９２とが電気的に接続されている。

整流装置１３は、複数個の正極側整流素子が実装された正極側ヒートシンク１８ｐと、複数個の負極側整流素子が実装された負極側ヒートシンク１８ｎと、サーキットボード１９と、を備える。そして、正極側整流素子と負極側整流素子との対が、サーキットボード１９を介して、ダイオードブリッジを構成するように接続されている。
フロント側のベアリング５は、フロント側ハウジング２のベアリング収納部２１に収納され、ベアリング外輪をほぼ覆うように内側に配されたリテーナ１５にフロント側ハウジング２の外側からねじ１６を締着して、取り付けられている。

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。
エンジン（図示せず）の回転トルクがベルト（図示せず）およびプーリ７を介してシャフト６に伝達され、回転子８が回転される。このとき、電流がブラシ１１およびスリップリング１０を介して回転子８の界磁巻線８１に供給され、磁束が発生される。この磁束により、Ｎ極とＳ極とが界磁鉄心８２の外周部に配列された爪部に周方向に交互に形成される。そこで、回転磁界が固定子９の固定子巻線９２に与えられ、交流の起電力が固定子巻線９２に発生する。この交流の起電力が、リード線９２ａを介して整流装置１３に供給され、整流装置１３で整流されるとともに、その大きさが電圧調整器１２で調整されて、車載負荷やバッテリに供給される。

また、回転子８の回転により、界磁鉄心８２の軸方向の両端面に固定された冷却ファン８３が回転する。

フロント側では、冷却風が、フロント側ハウジング２の底部に形成された冷却風吸入窓２２から吸入され、フロント側ハウジング２内を軸方向に流れて界磁鉄心８２に至り、その後径方向外方に曲げられて、フロント側ハウジング２の周壁部に形成された冷却風吐出窓２３から外部に吐出される。そして、界磁巻線８１がフロント側ハウジング２内を流れる冷却風の軸方向の流れ成分により冷却され、固定子巻線９２のフロント側コイルエンドが冷却風の径方向の流れ成分により冷却される。

リヤ側では、冷却風が、保護カバー２７に形成された吸入窓２７ａから吸入され、保護カバー２７内を流れてリヤ側ハウジング３の底部に形成された冷却風吸入窓２２から吸入され、リヤ側ハウジング３内を軸方向に流れて界磁鉄心８２に至り、その後径方向外方に曲げられて、リヤ側ハウジング３の周壁部に形成された冷却風吐出窓２３から外部に吐出される。そして、電圧調整器１２や整流装置１３が、保護カバー２７内を流れる冷却風により冷却される。また、界磁巻線８１がリヤ側ハウジング３内を流れる冷却風の軸方向の流れ成分により冷却され、固定子巻線９２のリヤ側コイルエンドが冷却風の径方向の流れ成分により冷却される。

つぎに、フロント側ハウジング２の詳細について図１および図２を参照しつつ説明する。

フロント側ハウジング２は、略円筒状の周壁部と、周壁部の一側開口を塞口する底部とからなる略腕形状に形成され、その底部の軸心位置Ｏに回転子８と対向するように設けられてベアリング５を収納するベアリング収納部２１と、それぞれ、周壁部の開口側縁部の軸心位置Ｏを挟んで相対する位置から径方向外方に突出するように設けられ、車両用交流発電機１を車両のエンジンブロック（図示せず）に取り付けるためのステー２８と、各ステー２８の根元部近傍の２箇所、すなわち周壁部の開口側縁部の合計４箇所に設けられた４つの支持部２５と、を有する。４つの支持部２５は、固定子鉄心９１を保持するためのものであり、フロント側ハウジング２の周壁部の開口側縁部に周方向に等間隔に配置され、それぞれ、内周面に雌ねじ溝が形成されたボルト収納部を有する。

支持リブ２６が、フロント側ハウジング２の周壁部の、支持部２５のぞれぞれの近傍に設けられている。支持リブ２６は、回転子８を支持するためのものであり、その周方向幅が広く形成され、周方向に等間隔で４つ配列されている。そして、冷却風吐出窓２３が、支持リブ２６により区画されて、フロント側ハウジング２の周壁部に、周方向に等間隔で４つ配列されている。具体的には、リブ２４が、フロント側ハウジング２の周壁部の、周方向に隣り合う支持リブ２６間の部位に、複数設けられている。複数のリブ２４は、それぞれ、支持リブ２６より狭い周方向幅を有し、径方向に対して回転子８の回転方向に傾斜している。そして、隣り合うリブ２４間、およびリブ２４と支持リブ２６との間が冷却風吐出窓部２３ａとなり、隣り合う支持リブ２６間の冷却風吐出窓部２３ａの群が冷却風吐出窓２３を構成する。なお、回転子８の回転方向とは、車両用交流発電機１を搭載した車両の前進走行時の回転子８の回転方向を意味する。

冷却風吸入窓２２が、それぞれ、フロント側ハウジング２の底部のベアリング収納部２１の外周側に形成されて、周方向に等間隔に４つ配列されている。そして、ベアリング収納部２１が、それぞれ、径方向に延びて、周方向に隣り合う冷却風吸入窓２２間を区画している４本のスポーク３０を介して、支持リブ２６に連結されている。これにより、回転子８は、ベアリング収納部２１およびスポーク３０を介して支持リブ２６に支持される。なお、スポーク３０の周方向幅は、支持リブ２６の周方向幅と同程度である。

ここで、４本の支持リブ２６は、軸心位置Ｏを中心として、周方向に等間隔に配列されており、シャフト６と直交する平面において、周方向に隣り合う支持リブ２６と軸心位置Ｏとを結ぶ線分がなす角度（以下、支持リブ間角度という）θ３は９０°となる。また、４本のスポーク３０は、軸心位置Ｏを中心として、周方向に等間隔に配置されており、シャフト６と直交する平面において、周方向に隣り合うスポーク３０がなす角度（以下、スポーク間角度という）θ２は９０°となる。そして、スポーク３０は、軸心位置Ｏを中心として、対応する支持リブ２６に対して角度θ１だけ、回転子８の回転方向と逆方向にシフトしている。以下、角度θ１を、スポーク３０のシフト角度θ１とする。この実施の形態１では、スポーク３０のシフト角度θ１は負である。つまり、スポーク３０が対応する支持リブ２６に対して回転子８の回転方向と逆方向に｜θ１｜だけシフトしている、なお、シフト角度θ１が正の場合は、スポーク３０が対応する支持リブ２６に対して回転子８の回転方向にθ１だけシフトしていることを意味する。

なお、リヤ側ハウジング３においても、ベアリング収納部２１、ステー２８、支持部２５、冷却風吸入窓２２、冷却風吐出窓２３などが、フロント側ハウジング２と同様に形成されているので、ここでは、その説明を省略する。

ここで、スポーク３０のシフト角度θ１の効果について図３および図４を参照しつつ説明する。図３は実施の形態１に係る車両用交流発電機のフロント側ハウジングにおける冷却風吐出窓を流れる冷却風の流れを説明する図、図４は比較例のフロント側ハウジングにおける冷却風吐出窓を流れる冷却風の流れを説明する図である。

実施の形態１によるフロント側ハウジング２では、図３に示されるように、スポーク３０のシフト角度θ１が負、すなわち、スポーク３０が、支持リブ２６に対して回転子８の回転方向と逆方向にシフトしている。一方、比較例のフロント側ハウジング１００では、図４に示されるように、スポーク３０のシフト角度θ１がゼロ、すなわち、スポーク３０と支持リブ２６の周方向の設置位置が同じである。

冷却風吸入窓２２から吸入された冷却風の軸方向の流れは、冷却ファン８３により径方向の流れに変換される。このとき、冷却風は、ブレード８３ａにより、回転子８の回転方向の前方に進みながら、すなわち回転子８の回転方向の前方に旋回しながら、径方向外方に流れる。そこで、冷却風は、ブレード８３ａによる回転子８の回転方向の前方への旋回角度に対応する傾斜した流れ、すなわちシャフト６の径方向に対して回転子８の回転方向の前方に傾斜した流れとなって冷却風吐出窓２３に流入する。

比較例のフロント側ハウジング１００では、冷却風吸入窓２２内の回転子８の回転方向の前方側を除く領域から吸入された冷却風は、図４に矢印Ａで示されるように、冷却風吐出窓２３を通って流出される。しかし、冷却風吸入窓２２内の回転子８の回転方向の前方側の領域から吸入された冷却風は、図４に矢印Ｂで示されるように、支持リブ２６に衝突してしまう。これにより、冷却風吸入窓２２から吸入された冷却風が冷却風吐出窓２３を通って流出する際の通風抵抗が増大し、冷却能力が低下することになる。

フロント側ハウジング２では、スポーク３０のシフト角度θ１が負であるので、冷却風吐出窓２３は冷却風吸入窓２２に対して回転子８の回転方向の前方にシフトしている。そこで、冷却風吸入窓２２から吸入された冷却風は、図３に矢印Ａで示されるように、支持リブ２６と衝突することなく、冷却風吐出窓２３を通って流出する。つまり、スポーク３０のシフト角度θ１を調整することにより、冷却風の支持リブ２６との衝突を抑えることができ、冷却風が冷却風吐出窓２３を通って流出する際の通風抵抗を低減でき、冷却能力を向上できる。

ここで、冷却ファン８３から吐出された冷却風は、上述の通り、径方向に対して回転子８の回転方向の前方に傾斜した流れとなるので、径方向外方に進むにつて、周方向に拡散する。そこで、周方向に隣り合うスポーク３０がなすスポーク間角度θ２が周方向に隣り合う支持リブ２６がなす支持リブ間角度θ３より大きい場合には、冷却風吐出窓２３に到達した冷却風の周方向幅は、周方向に拡散して、冷却風吐出窓２３の周方向幅より広くなる。その結果、スポーク３０のシフト角度θ１を調整したとしても、冷却風と支持リブ２６との重なりが多くるので、冷却風が冷却風吐出窓２３を流出する際の通風抵抗が増大し、冷却能力が低下する。

また、周方向に隣り合うスポーク３０がなすスポーク間角度θ２が周方向に隣り合う支持リブ２６がなす支持リブ間角度θ３より小さい場合には、冷却風吐出窓２３に到達した冷却風の周方向幅は、周方向に拡散しても、冷却風吐出窓２３の周方向幅より狭くなる。その結果、冷却風吐出窓２３に対して冷却風の流量が不足し、所望の冷却能力が得られなくなる。

実施の形態１では、周方向に隣り合うスポーク３０がなすスポーク間角度θ２が周方向に隣り合う支持リブ２６がなす支持リブ間角度θ３と等しくなっているので、冷却風吐出窓２３に到達した冷却風の周方向幅は、周方向に拡散しても、冷却風吐出窓２３の周方向幅に略等しくなる。その結果、スポーク３０のシフト角度θ１を調整することにより、冷却風と支持リブ２６との重なりを最小とすることができるので、冷却風が冷却風吐出窓２３を流出する際の通風抵抗を低減でき、冷却能力を向上できる。

なお、冷却風吐出窓２３に到達した冷却風の周方向幅は、フロント側ハウジング２の周壁部の外径が大きくなるほど広くなるが、その冷却風の周方向幅の広がりは、隣り合うスポーク３０がなすスポーク間角度θ２と隣り合う支持リブ２６がなす支持リブ間角度θ３とを等しくすることで、吸収される。言い換えれば、フロント側ハウジング２の周壁部の外径に拘わらず、隣り合うスポーク３０がなすスポーク間角度θ２と隣り合う支持リブ２６がなす支持リブ間角度θ３とを等しくし、スポーク３０のシフト角度θ１を調整することにより、冷却風と支持リブ２６との重なりを最小とすることができる。

つぎに、スポーク３０のシフト角度θ１をパラメータとして冷却風吐出窓２３から流出する冷却風の平均流速を測定した結果を図５に示す。図５はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機のフロント側ハウジングにおけるスポークのシフト角度θ１と冷却風吐出窓から流出する冷却風の平均流速との関係を示す図である。なお、図５中、点線Ｄ１はθ１＝０°のときの平均流速を示し、点線Ｄ２はθ１＝４５°のときの平均流速を示している。また、冷却ファン８３の外径φを９０ｍｍとし、冷却風吸入窓２２の半径Ｒ１を４３ｍｍとし、フロント側ハウジング２の周壁部の外径を１３０ｍｍとした。なお、半径Ｒ１は、冷却風吸入窓２２の外周側の半径である。また、冷却ファン８３の外径Ｒ１は、ブレード８３ａの外径に相当する。

図５から、θ１が０°から増加すると、冷却風吐出窓２３から流出する冷却風の平均流速が徐々に増加することがわかった。また、θ１が０°から減少すると、冷却風吐出窓２３から流出する冷却風の平均流速が徐々に増加し、θ１＝−１５°のときに、θ＝＋４５°のときの平均流速を超え、θ１＝−３５°のときに最大平均流速となり、その後平均流速が低下し、θ１＝−４５°のときに、θ１＝＋４５°のときの平均流速となることがわかった。このように、θ１を、−４５°＜θ１＜−１５°の範囲に設定すると、冷却風の平均流速が増加し、特に、−４０°＜θ１＜−２７°の範囲とすることで、冷却風の平均流速がさらに増加することが確認された。

なお、回転子８の回転数を変えた場合にも、また支持リブ２６およびスポーク３０の本数を変えた場合にも、図５と同様の結果が得られた。また、冷却風吸入窓２２の内周側の半径は、冷却風の吸入流量に関係するものであり、冷却ファン８３による旋回角度には影響しない。

ここで、−４５°＜θ１＜−１５°の範囲では、冷却ファン８３から吐出される冷却風の支持リブ２６と衝突する風量が低下し、冷却風が冷却風吐出窓２３を流出する際の通風抵抗が低下して、平均流速が増加したものと推考される。

したがって、実施の形態１では、冷却風が冷却風吐出窓２３を流出する際の通風抵抗を低下させ、冷却能力を向上させる観点から、隣り合うスポーク３０がなすスポーク間角度θ２と隣り合う支持リブ２６がなす支持リブ間角度θ３とを等しくし、スポーク３０のシフト角度θ１を、−４５°＜θ１＜−１５°の範囲に設定すればよく、−４０°＜θ１＜−２７°の範囲に設定することがより好ましい。特に、スポーク３０のシフト角度θ１を−３５°に設定すれば、冷却風が冷却風吐出窓２３を流出する際の通風抵抗が最小となり、冷却能力を最も向上させることができる。

つぎに、冷却風吐出窓２３内の周方向に配列された冷却風吐出窓部２３ａにおける冷却風の平均流速を測定した結果を図６に示す。図６はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機のフロント側ハウジングにおける冷却風吐出窓内の周方向における冷却風の平均流速の分布を示す図である。なお、図６中、横軸は冷却風吐出窓２３内の周方向の位置を示し、縦軸は冷却風の平均流速を示し、実線はθ１＝−３５°のときの平均流速を示し、点線はθ１＝０°のときの平均流速を示している。また、横軸の位置Ａは、冷却風吐出窓２３内の回転子８の回転方向の後方の支持リブ２６とリブ２４との間に形成された冷却風吐出窓部２３ａの位置であり、位置Ｃは、冷却風吐出窓２３内の回転子８の回転方向の前方の支持リブ２６とリブ２４との間に形成された冷却風吐出窓部２３ａの位置であり、位置Ｂは、冷却風吐出窓２３内の位置Ａと位置Ｃとの略中間位置の隣り合うリブ２４間に形成された冷却風吐出窓部２３ａの位置である。また、冷却ファン８３の外径を９０ｍｍとし、冷却風吸入窓２２の半径Ｒ１を４３ｍｍとし、フロント側ハウジング２の周壁部の外径を１３０ｍｍとした。

図６から、スポーク３０のシフト角度θ１を−３５°に設定した場合、スポーク３０のシフト角度θ１を０°に設定した場合に比べ、冷却風の平均流速が、増加した状態で、かつ変動が少ない状態で、冷却風吐出窓２３内の周方向に分布していることが確認できた。
これは、スポーク３０のシフト角度θ１を−３５°に設定したので、冷却ファン８３から吐出された冷却風が支持リブ２６に衝突することなく、冷却風吐出窓２３の周方向のほぼ全領域を通って流出されたことによるものと推考される。
このように、スポーク３０のシフト角度θ１を−３５°に設定すれば、冷却能力を向上できるとともに、周方向の流速変動を緩和させることが可能となる。

ここで、冷却風吐出窓２３内での冷却風吐出窓部２３ａの周方向幅は一定であったが、冷却風吐出窓２３内の位置Ｂから位置Ｃまでの領域における冷却風吐出窓部２３ａの周方向幅を、冷却風吐出窓２３内の位置Ａ側の領域における冷却風吐出窓部２３ａの周方向幅より広げてもよい。この場合、冷却風吐出窓２３内の位置Ｂから位置Ｃまでの領域における平均流速がさらに速くなり、冷却能力を向上できる。また、冷却風吐出窓２３内の位置Ｂから位置Ｃまでの領域における冷却風吐出窓部２３ａの周方向幅を、冷却風吐出窓２３内の位置Ａ側の領域における冷却風吐出窓部２３ａの周方向幅より狭めてもよい。この場合、冷却風吐出窓２３内での平均流速の分布が均一となり、騒音を低減できる。

なお、上記実施の形態１では、支持リブ２６およびスポーク３０の本数が４本の場合について説明しているが、支持リブ２６の本数とスポーク３０の本数が等しく、かつ隣り合うスポーク３０がなすスポーク間角度θ２と隣り合う支持リブ２６がなす支持リブ間角度θ３とを等しくすれば、支持リブ２６およびスポーク３０の本数は４本に限定されず、２本以上であればよく、例えば８本でもよい。

また、上記実施の形態１では、支持リブ２６およびスポーク３０が軸心位置Ｏ周りに等角ピッチで配列されているが、支持リブ２６の本数とスポーク３０の本数が等しく、かつ冷却風吸入窓２２を区画するスポーク３０がなすスポーク間角度θ２と当該冷却風吸入窓２２から吸入された冷却風が流出する冷却風吐出窓２３を区画する支持リブ２６がなす支持リブ間角度θ３とを等しくすれば、支持リブ２６およびスポーク３０は、軸心位置Ｏ周りに等角ピッチで配列されていなくてもよい。つまり、支持リブ２６の本数とスポーク３０の本数が等しく、かつ周方向に配列されている複数本のスポーク３０のそれぞれが、周方向に配列されている複数本の支持リブ２６のなかの対応する支持リブ２６に対して、回転子８の回転方向と逆方向に同じ角度だけシフトしていればよい。

また、上記実施の形態１では、リヤ側ハウジング３はフロント側ハウジング２と同様に形成されている。しかし、保護カバー２７が、電圧調整器１２、整流装置１３およびブラシホルダ１７を覆うようにリヤ側ハウジング３に装着されている。これにより、リヤ側の冷却ファン８３の吸い込み側は、フロント側の冷却ファン８３の吸い込み側に比べて、閉塞状態となっており、冷却ファン８３による冷却風の旋回角度が小さくなる。そこで、リヤ側のスポーク３０のシフト角度θ１を、フロント側に比べて、小さく設定して、冷却風の流速を増速することが望ましい。

実施の形態２．
実施の形態２では、冷却風吸入窓２２が４３ｍｍより大きい半径Ｒ１に形成されている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。

冷却風は、ブレード８３ａにより、回転子８の回転方向の前方に進みながら、径方向外方に流れる。そして、ブレード８３ａによる冷却風の回転子８の回転方向の前方への移動量は、すなわち旋回角度は、冷却風吸入窓２２の半径Ｒ１により変動する。そして、半径Ｒ１が大きくなれば、冷却風のブレード８３ａを通過する径方向長さが短くなり、旋回角度が小さくなるので、スポーク３０の支持リブ２６に対する回転子８の回転方向の後方へのシフト量を小さくして、冷却風の支持リブ２６との衝突を抑える必要がある。

ここで、冷却風吸入窓２２の半径をパラメータとしてシフト角度θ１と冷却風吐出窓２３における冷却風の平均流速との関係を測定した結果を図７に示す。図７はこの発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機のフロント側ハウジングにおけるスポークのシフト角度θ１と冷却風吐出窓から流出する冷却風の平均流速との関係を示す図である。なお、図７中、一点鎖線はＲ１＝４３ｍｍのときの平均流速を示し、点線はＲ１＝４５ｍｍのときの平均流速を示し、実線はＲ１＝４７ｍｍのときの平均流速を示している。また、Ｄ２は、Ｒ１＝４３ｍｍ、シフト角度θ１＝４５°のときの平均流速を示している。また、冷却ファン８３の外径φを９０ｍｍ、フロント側ハウジング２の周壁部の外径を１３０ｍｍとした。

図７から、Ｒ１が４３ｍｍ、４５ｍｍの場合、θ１が−３０°から増加すると、冷却風吐出窓２３から流出する冷却風の平均流速が徐々に減少することがわかった。また、Ｒ１が４７ｍｍの場合、θ１が−３０°から増加すると、θ１が−２８°までは冷却風吐出窓２３から流出する冷却風の平均流速がほぼ一定で、θ１が-２８°を過ぎると、徐々に減少することがわかった。また、θ１が−２８°から−１０°の範囲では、Ｒ１が４３ｍｍ、４５ｍｍ、４７ｍｍの順に、平均流速が速くなることが分かった。Ｒ１が４３ｍｍの場合、θ１＝−１５°のときに、Ｄ２と同等の平均流速となった。Ｒ１が４５ｍｍの場合には、θ１＝−１２．４°のときに、Ｄ２と同等の平均流速となり、Ｒ１が４７ｍｍの場合、θ１＝−１０．６°のときに、Ｄ２と同等の平均流速となった。これは、冷却風吸入窓２２の半径Ｒ１が大きくなると、冷却ファン８３のブレード８３ａ内で冷却風の旋回される時間が短くなり、冷却風の旋回角度が小さくなったことによるものと推考される。

このように、Ｒ１が４３ｍｍから４５ｍｍに拡大した場合、Ｄ２と同等の平均流速が得られるθ１の上限が角度ａだけ拡大できることがわかる。同様に、Ｒ１が４３ｍｍから４７ｍｍに拡大した場合、Ｄ２と同等の平均流速が得られるθ１の上限が角度ｂだけ拡大できることがわかる。測定結果から、ａ＝２．６°であり、ｂ＝４．４°であった。

ここで、ｔ＝Ｒ１−４３とすると、Ｒ１＝４５ｍｍのときに、ｔ＝２となり、Ｄ２と同等の平均流速が得られるθ１の上限が拡大する角度の数値に略一致する。また、Ｒ１＝４７ｍｍのときに、ｔ＝４となり、Ｄ２と同等の平均流速が得られるθ１の上限が拡大する角度の数値に略一致する。
なお、Ｒ１を４３ｍｍより大きくした場合に、Ｄ２と同等の平均流速が得られるθ１の上限が略ｔ°だけ拡大するが、Ｄ２と同等の平均流速が得られるθ１の下限も略ｔ°だけ拡大する。

したがって、実施の形態２においては、ｔ＝Ｒ１−４３とすると、スポーク３０のシフト角度θ１を、−４５°＋ｔ°＜θ１＜−１５°＋ｔ°の範囲に設定することにより、冷却風の支持リブ２６との衝突が抑えられ、冷却風の平均流速を増加できる。特に、−４０°＋ｔ°＜θ１＜−２７°＋ｔ°の範囲とすることにより、冷却風の支持リブ２６との衝突がさらに抑えられ、冷却風の平均流速をさらに増加することができる。

なお、冷却風吸入窓２２の半径Ｒ１が冷却ファン８３の半径φ／２を超えると、冷却風のブレード８３ａを通過する径方向長さは一定となるので、φ／２≧Ｒ１＞４３（ｍｍ）の範囲で、スポーク３０のシフト角度θ１を設定すればよい。

また、半径Ｒ１が４３ｍｍより小さい領域では、ブレード８３ａ内を通過する冷却風が少なく、結果的に冷却風のブレード８３ａを通過する径方向長さは変わらず、旋回角度は一定となる。すなわち、半径Ｒ１が４３ｍｍより小さい領域では、スポーク３０のシフト角度θ１は、半径Ｒ１が４３ｍｍのときの設定範囲、つまり、−４５°＜θ１＜−１５°の範囲に設定すればよい。また、冷却風吸入窓２２は、ベアリング収納部２１の外周側に形成されることから、半径Ｒ１は、ベアリング収納部２１の半径より大きくなるが、冷却風の吸入流量を考慮して設定すればよい。

実施の形態３．
実施の形態３では、外径φが９０ｍｍと異なる冷却ファン８３を用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。

冷却風は、ブレード８３ａにより、回転子８の回転方向の前方に進みながら、径方向外方に流れる。そして、ブレード８３ａによる冷却風の回転子８の回転方向の前方への移動量は、すなわち旋回角度は、冷却ファン８３の外径φにより変動する。そして、冷却ファン８３の外径φが大きくなれば、冷却風のブレード８３ａを通過する径方向長さが長くなり、旋回角度が大きくなるので、スポーク３０の支持リブ２６に対する回転子８の回転方向の後方へのシフト量を大きく、冷却風の支持リブ２６との衝突を抑える必要がある。一方、冷却ファン８３の外径φが小さくなれば、冷却風のブレード８３ａを通過する径方向長さが短くなり、旋回角度が小さくなるので、スポーク３０の支持リブ２６に対する回転子８の回転方向の後方へのシフト量を小さくして、冷却風の支持リブ２６との衝突を抑える必要がある。

ここで、冷却ファン８３の外径φをパラメータとしてシフト角度θ１と冷却風吐出窓２３における冷却風の平均流速との関係を測定した結果を図８に示す。図８はこの発明の実施の形態３に係る車両用交流発電機のフロント側ハウジングにおけるスポークのシフト角度θ１と冷却風吐出窓から流出する冷却風の平均流速との関係を示す図である。なお、図８中、一点鎖線はφ＝９０ｍｍのときの平均流速を示し、点線はφ＝８８ｍｍのときの平均流速を示し、実線はφ＝８６ｍｍのときの平均流速を示している。また、Ｄ２は、Ｒ１＝４３ｍｍ、シフト角度θ１＝４５°のときの平均流速を示している。また、冷却風吸入窓２２の半径Ｒ１を４３ｍｍとし、フロント側ハウジング２の周壁部の外径を１３０ｍｍとした。

図８から、φが９０ｍｍ、８８ｍｍの場合、θ１が−３０°から増加すると、冷却風吐出窓２３から流出する冷却風の平均流速が徐々に減少することがわかった。また、φが８６ｍｍの場合、θ１が−３０°から増加すると、θ１が−２５°までは冷却風吐出窓２３から流出する冷却風の平均流速がほぼ一定で、θ１が-２５°を過ぎると、徐々に減少することがわかった。また、θ１が−２８°から−１０°の範囲では、φが９０ｍｍ、８８ｍｍ、８６ｍｍの順に、平均流速が速くなることが分かった。φが９０ｍｍの場合、θ１＝−１５°のときに、Ｄ２と同等の平均流速となった。φが８８ｍｍの場合には、θ１＝−１２．４°のときに、Ｄ２と同等の平均流速となり、φが８６ｍｍの場合、θ１＝−１０．４°のときに、Ｄ２と同等の平均流速となった。これは、ブレード８３ａの外径が小さくなると、冷却風吸入窓２２から吸入された冷却風が冷却ファン８３のブレード８３ａを通過する距離が短くなり、冷却風の旋回角度が小さくなったことによるものと推考される。

このように、φが９０ｍｍから８８ｍｍに縮小した場合、Ｄ２と同等の平均流速が得られるθ１の上限が角度ｃだけ拡大できることがわかる。同様に、φが９０ｍｍから８６ｍｍに縮小した場合、Ｄ２と同等の平均流速が得られるθ１の上限が角度ｄだけ拡大できることがわかる。測定結果から、ｃ＝２．６°であり、ｄ＝４．６°であった。

ここで、Ｄ３＝９０−φとすると、φ＝８８ｍｍのときに、Ｄ３＝２となり、Ｄ２と同等の平均流速が得られるθ１の上限が拡大する角度の数値に略一致する。また、φ＝８６ｍｍのときに、Ｄ３＝４となり、Ｄ２と同等の平均流速が得られるθ１の上限が拡大する角度の数値に略一致する。
なお、φを９０ｍｍより小さくした場合に、Ｄ２と同等の平均流速が得られるθ１の上限が略Ｄ３°だけ拡大するが、Ｄ２と同等の平均流速が得られるθ１の下限も略Ｄ３°だけ拡大する。

したがって、実施の形態３においては、Ｄ３＝９０−φ（但し、φ＜９０）とすると、スポーク３０のシフト角度θ１を、−４５°＋Ｄ３°＜θ１＜−１５°＋Ｄ３°の範囲に設定することにより、冷却風の平均流速を増加でき、特に、−４０°＋Ｄ３°＜θ１＜−２７°＋Ｄ３°の範囲とすることにより、冷却風の平均流速をさらに増加することができる。

ここで、実施の形態３では、冷却風吸入窓２２の半径Ｒ１が４３ｍｍの場合について説明しているが、冷却風吸入窓２２の半径Ｒ１を変えた場合について検討する。

まず、半径Ｒ１が４３ｍｍより小さい領域では、上記実施の形態２において説明したとおり、ブレード８３ａ内を通過する冷却風が少なく、結果的に冷却風のブレード８３ａを通過する径方向長さは変わらず、旋回角度は一定となる。すなわち、半径Ｒ１が４３ｍｍより小さい領域では、スポーク３０のシフト角度θ１は、半径Ｒ１が４３ｍｍのときの設定範囲、つまり、−４５°＋Ｄ３°＜θ１＜−１５°＋Ｄ３°の範囲に設定することで、冷却風の平均流速を増加できる。特に、−４０°＋Ｄ３°＜θ１＜−２７°＋Ｄ３°の範囲に設定することで、冷却風の平均流速をさらに増加できる。

つぎに、半径Ｒ１が４３ｍｍより大きい領域では、上記実施の形態２において説明したとおり、Ｄ２と同等の平均流速が得られるθ１の上限および下限がともに略（Ｒ１−４３）°だけ拡大する。すなわち、半径Ｒ１が４３ｍｍより大きい領域では、スポーク３０のシフト角度θ１は、−４５°＋（Ｒ１−４３＋Ｄ３）°＜θ１＜−１５°＋（Ｒ１−４３＋Ｄ３）°の範囲に設定することで、冷却風の平均流速を増加できる。特に、−４０°＋（Ｒ１−４３＋Ｄ３）°＜θ１＜−２７°＋）Ｒ１−４３＋Ｄ３）°の範囲に設定することで、冷却風の平均流速をさらに増加できる。

なお、上記各実施の形態では、車両用交流発電機について説明しているが、本発明は、車両用交流発電電動機や車両用交流電動機などの車両用回転電機に適用しても、同様の効果を奏する。

２ フロント側ハウジング、３ リヤ側ハウジング、６ シャフト、８ 回転子、９ 固定子、２１ ベアリング収納部、２２ 冷却風吸入窓、２３ 冷却風吐出窓、２６ 支持リブ、３０ スポーク、８３ 冷却ファン、θ１ シフト角度、θ２ スポーク間角度、θ３ 支持リブ間角度。

Claims (5)

1. 軸方向の両側からフロント側ハウジングとリヤ側ハウジングとに保持された固定子と、
   上記フロント側ハウジングと上記リヤ側ハウジングとに回転可能に支持されたシャフトに固定され、上記固定子の内周側に、上記固定子と同軸に配置され、冷却ファンをフロント側に備える回転子と、を備え、
   上記フロント側ハウジングは、周壁部と、上記周壁部の一側開口を塞口する底部と、を有し、ベアリング収納部が、上記底部の軸心位置に上記シャフトと相対して設けられ、支持リブが、それぞれ、径方向に延びるスポークにより上記ベアリング収納部と連結された状態で、上記周壁部に周方向に分散して複数配設され、冷却風吸入窓が、上記スポークにより区画された状態で、上記底部の上記ベアリング収納部の径方向外側に、周方向に並んで複数配列され、冷却風吐出窓が、上記支持リブにより区画された状態で、上記周壁部に周方向に並んで複数配列され、
   冷却風が、上記冷却ファンの回転により、上記冷却風吸入窓から吸入され、上記冷却風吐出窓から吐出される回転電機において、
   上記スポークの本数は、上記支持リブの本数と同じであり、
   複数の上記スポークのそれぞれが、複数の上記支持リブのなかの対応する支持リブに対して、上記回転子の回転方向と逆方向に４５°よりも小さい同一角度だけシフトしている車両用回転電機。
2. 上記冷却風吸入窓の半径が４３ｍｍ以下、上記冷却ファンの外径をφｍｍとしたときに、同じ配列順番の隣り合う上記支持リブに対する隣り合う上記スポークのシフト角度θ１は、上記回転子の回転方向を正方向としたときに、−４５°＋（９０−φ）°＜θ１＜−１５°＋（９０−φ）°、但し８６≦φ＜９０である請求項１記載の車両用回転電機。
3. 上記スポークのシフト角度θ１は、−４０°＋（９０−φ）°＜θ１＜−２７°＋（９０−φ）°である請求項２記載の車両用回転電機。
4. 上記冷却風吸入窓の半径Ｒ１が４３ｍｍより大きく、４７ｍｍ以下であり、上記冷却ファンの外径を（９０−Ｄ３）ｍｍ、ただし、８６≦（９０−Ｄ３）≦９０としたときに、同じ配列順番の隣り合う上記支持リブに対する隣り合う上記スポークのシフト角度θ１は、上記回転子の回転方向を正方向としたときに、−４５°＋（Ｒ１−４３＋Ｄ３）°＜θ１＜−１５°＋（Ｒ１−４３＋Ｄ３）°である請求項１記載の車両用回転電機。
5. 上記スポークのシフト角度θ１は、−４０°＋（Ｒ１−４３＋Ｄ３）°＜θ１＜−２７°＋（Ｒ１−４３＋Ｄ３）°である請求項４記載の車両用回転電機。

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