KR20040024463A

KR20040024463A - 냉각팬 소음 감소를 위한 하우징을 구비한 차량용교류발전기

Info

Publication number: KR20040024463A
Application number: KR1020030061207A
Authority: KR
Inventors: 나카노가즈토시
Original assignee: 가부시키가이샤 덴소
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2004-03-20
Also published as: JP3982369B2; US6888275B2; KR100557409B1; CN1490921A; US20040051406A1; GB0319136D0; JP2004104955A; FR2844647A1; FR2844647B1; CN1232019C; GB2395844B; GB2395844A

Abstract

차량용 교류발전기는, 실질적으로, 하우징, 계자 코일을 갖는 로터 및 고정자 코일을 갖는 고정자를 포함한다. 냉각팬은 상기 로터의 축 끝단에 연결된다. 상기 고정자는 상기 하우징에 고정되어 배치되며, 상기 로터는 상기 하우징 내에 회전 가능하게 지지된다. 상기 로터의 회전에 의하여, 교류 전류가 상기 고정자 코일에 발생되며, 상기 교류전류는 탑재된 배터리를 충전하기 위하여 직류 전류로 정류된다. 상기 하우징 내로 냉각 공기를 유입하기 위한 흡기부가 상기 하우징의 축 끝단 벽면상에 형성된 스포크(spokes)들 사이에 형성된다. 상기 스포크들은 반경방향에 대하여, 로터의 회전 방향과는 반대 방향으로 기울어짐으로써, 스포크 주위에서 발생하는 공기 유동 소음을 감소시킨다.

Description

냉각팬 소음 감소를 위한 하우징을 구비한 차량용 교류발전기 {Automotive alternator having housing for reducing cooling fan noise}

본 발명은 자동차에 사용되는 교류발전기에 관한 것으로서, 냉각팬을 포함한 교류발전기에 관한 것이다.

일반적으로, 교류발전기는 자동차에 장착된다. 로터의 회전에 의해 교류발전기에서 발생한 교류전류는 직류전류로 정류되며, 탑재된 배터리는 정류된 직류전류로 충전된다.

냉각팬은 고정자 코일을 냉각하기 위한 로터의 축 단부에 장착된다. 외부 공기가 냉각 팬의 회전에 의하여 하우징의 축 단부의 벽면에 형성된 흡기부를 통해 교류발전기로 흡입되며, 냉각 공기는 하우징의 방사상 외측으로 형성된 배기부에서배출된다. 달리 말하면, 축방향으로 흡입된 상기 외부 공기는 고정자 코일을 냉각시키고 하우징의 반경 방향으로 배출된다.

냉각 공기 유동은 배기부에 의해 교란되기 때문에 그 근방에서 공기 유동에 의한 소음이 발생한다. 상기 냉각 공기 유동은 또한, 하우징의 리브(ribs) 및 스포크(spokes)가 형성된 흡기부 근방에서 교란된다. 따라서, 공기 유동 소음은 흡기부 근방에서도 발생된다.

지금까지 상기 배기부 근방에서 공기 유동 소음을 감소시키기 위한 다양한 제안들이 제공되었다. 이러한 제안들은 : 냉각팬의 블레이드 형상을 바꾸는 것; 고정자 코일의 코일 단부의 형상을 개량하는 것; 및 배기부의 형상을 바꾸는 것을 포함한다. 이러한 제안들 중 하나 또는 그 이상을 사용함으로써, 배기부 근방에서 공기 유동이 교란되는 것을 가라앉히고, 배기부 주위의 공기 유동 소음을 감소시킬 수 있었다.

달리 말하면, 흡기부 주위에서 발생한 공기 유동 소음을 감소시키기 위하여, WO-00/16467은 로터의 회전 방향에 대향하는 방향으로 반경방향에 기울어지게 형성된 하우징 리브를 제공한다. 이는 약 25°∼ 35°범위의 기울어짐 각으로 설정되도록 제안되었다. 그러나, 리브를 기울임에 의해서 공기 유동 소음을 충분히 감소시킬 수 없다는 것을 알게되었다. 이는 하우징의 축 단부 벽면에 형성된 리브의 사이즈가 축 방향으로나 로터의 회전방향을 따라서나 충분히 크지 않기 때문이다. 상기 리브는 작은 돌맹이 등과 같은 외부의 파티클이 상기 흡기부를 통해 하우징 내로 투입되는 것을 방지하기 위해서만 형성된다. 따라서, 상기 리브는 하우징의 원통부에 베어링 박스(bearing box)를 연결하기 위한 스포크보다 사이즈 면에서 훨씬 작게 제작된다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 측면에서 안출된 것으로서, 흡기부 근방에서 발생하는 냉각 공기 유동 소음을 충분히 감소시키기 위한 개량된 교류발전기를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.

도1은 교류발전기의 정면에서 바라본, 본 발명에 따른 교류발전기를 도시한 평면도.

도2는 도1에 도시된 교류발전기를 도시한 단면도.

도3은 전측 하우징의 축 끝단 벽면에 형성된 스포크 및 리브의 높이를 도시한 개략도.

도4는 종래의 교류발전기와 비교하여, 본 발명의 일 실시예의 공기 유동 소음 수준을 총괄치(overll value) 및 포락치(envelope value)의 관점에서 도시한 그래프.

도5는 스포크들의 기울기 각을 다양하게 가변시킨 교류발전기에서의 공기 유동 소음 감소량을 도시한 그래프.

도6은 스포크들 중 몇 개만이 기울어진 전측하우징을 갖는 교류발전기를 전방에서 도시한 평면도.

도7은 스포크의 일측면 만이 기울어진 전측하우징을 갖는 교류발전기를 전방에서 도시한 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 설명

1 : 교류발전기2 : 로터

3 : 고정자4 : 전측하우징

5 : 후측 하우징6 : 브러쉬 장비

7 : 정류장치8 : 전압 레귤레이터(regulator)

9 : 풀리400 : 베어링 박스

420 : 지지부430 : 스포크

432 : 리브440 : 흡기부

차량용 교류발전기는 하우징, 상기 하우징에 고정되어 장착되는 고정자 및 상기 하우징에 회전 가능하도록 지지되는 로터를 포함한다. 냉각팬이 상기 로터의 축 끝단면에 연결된다. 상기 로터가 엔진에 의하여 회전하면, 상기 고정자에 배치된 고정자 코일에서 교류전류가 발생한다. 발생된 교류전류는 교류발전기에 장착된 정류기에 의해 직류전류로 정류된다. 상기 직류전류는 탑재된 배터리에 공급되어 그를 충전한다.

구조적인 부재로서 복수개의 스포크가 상기 하우징의 축 끝단 벽면에 형성된다. 냉각 공기를 흡인하기 위한 흡기부가 인접한 각 쌍의 스포크들 사이에 형성된다. 리브 또한 하우징에 투입되는 작은 돌과 같은 외부의 파티클을 제거하기 위하여 각 흡기부에 형성된다. 리브들은 로터의 회전방향을 따르는 너비 및 축방향 길이 모두 구조적 부재로서 기능하는 스포크와 비교할 때 훨씬 작다.

냉각팬이 상기 로터와 함께 회전하면, 냉각 공기가 상기 흡기부로부터 흡인되고 고정자에 배치된 고정자 코일 및 로터를 휘감는 로터 코일이 냉각된다. 상기 흡기부 근처에서 발생되는 공기 유동 소음을 감소시키기 위하여, 상기 스포크들은 로터의 회전 중심으로부터 연장되는 반경방향 선에 대하여 로터의 회전 방향과 대향되게 기울어진다.

상기 기울기 각은 10° 내지 45° 범위로 설정되는 것이 바람직하며, 10° 내지 25°의 범위로 설정되는 것이 가장 바람직하다. 모든 스포크들을 기울이는 것 대신에 몇 개의 스포크 만을 기울이는 것이 가능하다. 각 스포크의 양 측면이 기울어질 수도 있고, 또는 로터의 회전 방향의 하류에 위치되는 각 스포크의 일측면 만이 기울어질 수도 있다.

본 발명에 따르면, 흡기부 근방에서 발생하는 상기 공기 유동 소음이 상당히 감소될 수 있다. 본 발명의 다른 목적들과 특징들은 아래에 첨부된 도면들을 참조로 하여 후술되는 바람직한 실시예들을 이해함으로써 더욱 명백해질 수 있을 것이다.

도1 및 도2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 차량용으로 사용되는 교류발전기(1)는 로터(2), 고정자(3), 전측 하우징(4), 후측 하우징(5), 브러쉬 장비(brush device)(6), 정류기(7), 전압 레귤레이터(regulator)(8) 및 관련된 구성요소들을 포함한다.

상기 로터(2)는 로터 샤프트(24)에 고정되어 연결된 한 쌍의 로터 코어(22, 23) 및 상기 한 쌍의 로터 코어(22, 23)가 서로 접하여 형성되는 중심 보스(centerboss) 주위에 감겨진 계자 코일(field coil)로 구성된다. 각 로터 코어(22, 23)는 자극을 형성하는 여섯개의 클로(claw)를 구비한다. 냉각팬(25)은 용접등에 의해 상기 로터 코어(22)의 전방 축 단면에 연결된다. 상기 냉각팬은 축류형 팬이거나 또는 축류형 팬 및 원심 팬의 조합이다. 냉각 공기는 교류 발전기(1)의 전방으로부터 그에 유입되며, 반경 방향으로 배출된다. 유사하게, 다른 냉각 팬(26)이 용접 등에 의해 상기 로터 코어(23)의 후방 축 단면에 연결된다. 상기 냉각 팬(26)은 축 방향으로 냉각공기를 흡인하고 반경 방향으로 배출시키는 원심 팬이다.

한 쌍의 슬립링(27, 28)은 상기 로터 샤프트(24)의 후측 단부에 연결된다. 브러쉬 장비(6)에 수용된 한 쌍의 브러쉬(61, 62)는 정류기(7)로부터 계자 코일(21)에 여기 전류(exciting current)를 공급하기 위한 상기 한 쌍의 슬립링과 미끄럼 접촉된다. 상기 고정자(3)는 원통형 고정자 코어(3) 및 상기 고정자 코어(31)에 형성된 슬롯에 감겨진 삼상 고정자 코일(32)로 구성된다. 상기 정류기는 양 정류 요소를 운반하는 히트 싱크 플레이트 및 음 정류 요소를 운반하는 또 다른 히트 싱크 플레이트로 구성된다. 상기 정류 요소들은 납땜 등으로 상기 히트 싱크 플레이트에 전기적 및 기계적으로 연결된다. 상기 고정자(3)에서 발생된 교류 전류는 상기 정류기(7)에 의해 직류 전류로 정류된다.

교류발전기 하우징은 서로 동일한 간격으로 하우징(4, 5)의 외주면에 형성되는 각각의 지지부(420)에 삽입되는 4개의 관통 볼트(34)에 의해 서로 연결되는 전측 하우징(4) 및 후측 하우징(5)으로 구성된다. 상기 고정자(3)는 상기 전측 하우징(4) 및 후측 하우징(5) 사이에 고정되어 수용된다. 상기 로터(2)는 그들 사이에작은 공기 간극을 갖고 상기 고정자(3)의 내경(inner bore)에 배치된다. 상기 로터(2)는 전측 하우징(4)에 수용된 베어링(36) 및 상기 후측 하우징(5)에 수용된 다른 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다.

상기 전압 레귤레이터(8)는 상기 계자 코일(21)에 공급되는 전류의 양을 조절함으로써, 교류발전기의 출력 전압이 소정 수준으로 유지된다. 풀리(pulley)(9)가 상기 로터 샤프트(24)의 전방 단부에 너트(91)에 의해 고정되어 연결된다. 상기 로터(2)는 엔진(미도시)에 의해 엔진과 상기 풀리(9)를 연결하는 벨트를 통하여 회전된다. 후측 커버(92)는 상기 브러쉬 장비(6), 정류기, 및 전압 레귤레이터(8)를 커버하기 위하여 교류발전기(1)의 후측면에 배치된다.

상기 로터(2)가 엔진에 의해 회전되는 동안 계자 코일(21)에 여기 전류를 공급함으로써 자기장이 상기 로터(2)에 형성된다. 상기 로터(2)는 도1에 도시된 방향(교류 발전기(1)의 전방 측면에서 본 시계방향)으로 회전한다. 삼상 교류전류가 상기 고정자 코일(32)에 생성되며, 생성된 교류전류는 상기 정류기(7)에 의해 직류 전류로 정류된다. 이러한 직류전류는 탑재된 배터리를 충전하기 위해 그에 공급된다.

상기 로터 코어(22)의 전방 단면에 연결되는 냉각팬(25)은 로터(2)와 동일한 방향으로 로터와 함께 회전한

다. 상기 냉각팬(25)의 회전에 의하여, 냉각 공기가 전측 하우징(4)의 축 끝단 벽면에 형성된 흡기부(440)를 통해 교류발전기(1)에 유입된다. 상기 계자코일(21)은 냉각 공기유동의 축방향 요소에 의해 냉각되며, 상기 고정자코일(32)의 전측 코인 단부는 상기 냉각 공기 유동의 반경방향 요소에 의하여 냉각된다.

유사하게, 로터 코어(23)의 후측 단면에 연결되는 또 다른 냉각 팬(26) 또한 상기 로터(2)와 함께 회전한다. 상기 냉각팬(26)의 회전에 의하여, 냉각공기가 교류발전기(1)에 유입되며, 정류기(7) 및 전압 레귤레이터(8)를 거쳐 상기 고정자 코일(32)의 후측 코일 단부로 흘러들어 간다. 상기 냉각 공기는 최종적으로 반경 방향으로 후측 하우징(5)으로부터 배출된다. 따라서, 상기 정류기(7), 전압 레귤레이터(8) 및 후측 코일 끝단이 냉각된다.

이하, 도1 및 도2를 참조로 하여, 상기 전측 하우징(4)을 상세히 설명한다. 상기 전측 하우징(4)은 실질적으로 컵 형상이며, 축 끝단 벽면(45) 및 상기 축 끝단 벽면(45)에 연결되는 원통부를 포함한다. 그 내부에 베어링(36)을 포함하기 위한 베어링 박스(400))는 상기 축 끝단 벽면 중심부에 형성되며, 상기 베어링 박스(400)로부터 전측 하우징(4)의 원통부까지 각각 연장된 네개의 스포크(430)에 의해 지지된다. 엔진 블록에 상기 교류발전기(1)를 장착하기 위한 장착 스테이(mounting stays)(410, 412)들이 상기 전측 하우징(4)로부터 상하측으로 연장되도록 형성된다. 상기 후측 하우징(5)에 전측 하우징(4)을 연결하기 위한 관통볼트가 삽입된 4개의 지지부(420)가 서로 동일한 간격으로 상기 장착 스테이(410, 412)의 최하부에 형성된다.

전측 하우징(4)으로 냉각 공기가 유입되게 하기 위한 개구가 근방의 상기 각 쌍의 스포크들 사이에 형성되며, 상기 개구는 개구 내에 형성된 리브(423)에 의해복수개의 흡기부(440)로 분리된다. 상기 리브(432)는 실질적으로 반경 방향으로 연장된다. 상기 스포크(430)는 교대로 상기 로터(2)를 지지하는 베어링 박스(400)를 지지하기 위한 충분한 기계적 강도를 갖도록 형성된다. 반면에, 상기 리브(432)는 그들이 단지 작은 돌들과 같은 외부의 파티클이 상기 교류발전기에 투입되는 것을 방지하기 위해서만 사용되기 때문에, 훨씬 적은 기계적 강도를 갖도록 형성된다.

도3은 상기 스포크(430) 및 리브(432)를 도시한 단면도이며, 상기 로터(2)의 회전 방향을 따라 분해되어 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 상기 축 방향의 스포크(430) 높이는 리브(432)의 높이보다 더 높으며, 회전 방향을 따른 스포크(430)의 너비는 리브(432)의 너비보다 더 넓다. 상기 흡기부(440) 근방에서 공기 유동 소음을 감소시키기 위하여, 각 스포크(430)는 도1에 도시된 바와 같이, 로터(2)의 회전 중심으로부터 각각 반경 방향으로 연장되도록 로터(2)의 회전 방향과 반대방향으로 기울어진다. 상기 기울기 각는 10° 내지 45°의 범위로 설정된다.

도4는 공기 유동 소음 수준을 다양한 회전 속도(rpm)에서 dB-A로 나타내어 도시한 것이다. 상기 그래프에서 총괄적인 소음 수준 및 포락선(envelope) 소음 수준(각각의 오더(order) 요소를 둘러싸는 소음수준)이 도시되었다. 실선은 본 발명에 따른 교류발전기(1)의 소음수준을 도시한 것이고, 점선은 스포크가 기울어지지 않은(기울기 각= 0°) 종래의 교류발전기의 소음수준을 도시한 것이다. 상기 그래프는 실제 측정 결과를 나타낸 것이다. 상기 그래프로부터, 총괄수준 및 포락선수준 모두에서 공기 유동 소음 수준이 본 발명에 따른 교류발전기에서 향상되었다는 것을 명백히 알 수 있다. 특히, 5,000rpm 내지 12,000rpm의 회전 속도 범위에서 소음수준히 상당히 향상되었다.

도5는 가변적이 기울기 각를 갖는 교류발전기의 소음 수준 감소량을 측정하기 위한 테스트 결과를 도시한 것이다. 기울기각이 없는 종래의 교류발전기와 기울기 각이 각각 10°, 20° 또는 45°인 교류발전기의 소음 수준 사이의 차이인, 소음 수준의 감소량이 세로축으로 도시되었다. 가로좌표에는 기울기각가 도시되었다. 상기 실선은 총괄치를 나타내고 점선은 포락치를 나타낸 것이다. 소음 수준이 10° 내지 45° 범위로 스포크를 기울임으로써 감소된다는 것을 확인할 수 있다. 더욱 특별히, 상기 총괄치의 소음수준은 3(dB-A)만큼 감소되며, 포락치의 소음수준은 2 내지 4(dB-A)만큼 감소된다.

기울기 각가 더 커지면, 상기 흡기부(440)의 개구가 작아진다. 따라서, 상기 흡기부(440)의 개구 면적을 충분한 수준으로 관리하면서 바람직한 소음 감소를 얻기 위해서는 기울기 각를 10° 내지 25°의 범위로 설정하는 것이 가장 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 리브(432)보다 높이 및 너비 양쪽 모두 더 큰 상기 스포크(430)는 각각의 반경 방향으로 로터의 회전 방향에 대향하는 방향으로 기울어진다. 이러한 방식으로 스포크(430)를 기울임으로써, 흡기부(440) 근방에서 생성된 냉각 공기 유동 교란이 최소 수준으로 억제된다. 따라서, 상기 흡기부(440) 주위의 공기 유동 소음 수준이 감소될 수 있다. 실험을 통하여, 상당한 소음수준 감소가 기울기 각를 10°내지 45°의 범위로 설정함으로써 달성된다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들면, 도6에 도시된 바와 같이, 모든 스포크 대신에 몇개의 스포크(430)가 기울어질 수 있다. 도6에 도시된 교류발전기에서, 세개의 스포크(430)가 기울어져 있고, 하나의 스포크는 기울어지지 않았다. 이러한 방식으로도 어느 정도의 소음 수준 감소가 달성될 수 있다. 전술한 실시예에서는 각 스포크(430)의 양측면 모두가 기울어졌으나, 상기 로터(2)의 회전 방향의 하류에 위치하는 스포츠의 일면 만이 기울어지는 것도 가능하다. 도7에 도시된 바와 같이, 상기 스포크(430a)는 일측만이 기울어진다. 소음 감소는 이러한 방식으로도 달성될 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 첨부된 청구항이 결정하는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 형상 또는 세부구성을 변형할 수 있다는 것이 명백하다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 스포크를 로터 회전의 반대방향으로 기울어지도록 형성함으로써, 냉각 공기의 교란을 어느 정도 억제할 수 있기 때문에, 교류발전기의 소음을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

축 끝단 벽면을 구비하며 실질적으로 원통형으로 형성된 하우징;

상기 하우징에 고정되어 배치되는 고정자;

상기 고정자 내에 지지되며, 회전축 끝단면에 고정되는 냉각 팬을 구비하는 로터를 포함하되 :

복수개의 스포크가 하우징의 축 끝단 벽면에 형성되고;

상기 로터에 고정된 냉각팬의 회전에 의해, 냉각 공기가 상기 흡기부를 통해 하우징 내부로 유입되도록, 냉각 팬을 향하는 공기 흡기부가 상기 스포크의 양측면에 형성되며;

상기 스포크는 상기 로터의 회전 중심으로부터 연장되는 반경 방향 선에 대해 로터의 회전 방향에 대향하는 방향으로 기울어지는

차량용 교류발전기.
제1항에 있어서,

상기 스포크는 10° 내지 45°의 범위의 기울기각으로 기울어지는

차량용 교류발전기.
제1항에 있어서,

로터의 회전방향의 하류에 위치되는 스포크의 일측만이 기울어지는

차량용 교류발전기.
제2항에 있어서,

상기 기울기 각을 25°를 넘지 않도록 설정되는

차량용 교류발전기.
제1항에 있어서,

복수개의 스포크들 중 몇 개 만이 기울어지고, 나머지 스포크는 기울어지지 않는

차량용 교류발전기.