WO1998040956A1

WO1998040956A1 - Generateur de courant alternatif pour vehicule

Info

Publication number: WO1998040956A1
Application number: PCT/JP1997/003789
Authority: WO
Inventors: Shin Kusase; Tsutomu Shiga
Original assignee: Denso Corporation
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 1998-09-17
Also published as: EP0915557A4; EP0989657B1; EP0915557B1; DE69732578T2; DE69732578D1; EP0915557A1; EP0989657A3; WO1998040953A1; EP0989657A2

Description

明細書車両用交流発電機技術分野

本発明は、乗用車、トラック等に搭載される車両用交流発電機に関するものである。背景技術

従来から車両用交流発電機においては、小型高出力化を達成するために種々の改良が提案されている。

発電能力の向上については、例えば特開平 6— 4 6 5 5 0号公報にみられるように永久磁石の利用による方法など有効な手段が多くある力 ^?、他方のニーズである小型化に対応するためには体格制約上ファンも小型化せざるを得ず、従って風量は低下してしまい、しかも発電能力の向上に伴いジュール損による発熱増加は避けられず、結局温度上昇の問題を生じていた。ずなわち、小型高出力化のネックは、温度上昇、とりわけ発電を行なう電機子コイルの放熱を如何に限られた体格の中で行なうかが技術的ポイントであった。

このような技術背景の下、例えば特開平 7— 1 9 4 0 6 0号公報に見られるように、空気冷却でなく、より放熱効率のよい水を冷却媒体として考える発電機の水冷技術もある力、原理的に明らかなように水の配管や、発電機胴体へのウォータ―ジャケット構造の付加により実質的体格や重量増加を伴うこととなり、そもそもの目的に合致するものではなく、これまでも一部の特殊用途に用いられるに過ぎなかった。一方、一般的な空冷の従来技術としては、電機子コイルのコイルェンド部の温度低減が主として提案されている。かかるコイルェンド部の改良としては、特公平 4— 2 4 9 3 9号公報、特開平 6 3 - 5 9 7 4 4号公報、実公平 1 一 2 7 4 0 6号公報、特開昭 5 7— 1 3 2 7 4 3号公報などが知られている。

これらの空冷技術は一定の効果をもたらすが、次のような限界性をもつものであった。

すなわちまず特公平 4— 2 4 9 3 9号公報に関しては、各相コィルュニット間に隙間を設けており、該隙間に沿って冷却風が流通する力？、その流通の過程においてコイル素線の全周囲のうちの一部のみに風が当たる程度でありしかも流れが平行流であるために一般に知られているように平行流であるから風速の約 0 . 6乗での冷却性向上作用をする程度に留まり、そのステ一タコイルェンド内周面、すなわち流れがコィル素線に対して垂直方向の場合の効き方すなわち風速の 2乗での冷却性向上の場合に比べて大きな効果は得られるものではない。また、同公報第 3図に見られるようにコイルエンドの一部において、コイル素線間が離間して隙間を有しており、該隙間を冷却風が流通し一定の冷却効果はあるものの同公報第 2図第 3 図より伺えるようにコイルェンドの略半分が他の相と密着した部分を多く有し、冷却風の流通性に限界があった。

また、特開平 6 3 - 5 9 7 4 4号公報については、コイルェンドに隙間をつくりその位置に冷却ファンを配置し、ほぼ遠心方向に冷却風を吹き当て熱伝達率を上げると共に、通風抵抗を下げて風の吹き抜け性を良くしてコイルや他の部品の冷却性も改善しょうとするものである力'、この技術も効果が少ない。その技術的理由は、ファンの位置が同公報第 1図を見れば理解されるように、一般にランデル型ロータの場合の特徴として界磁コイルの軸方向巻装スペースを長くとる必要性と、ポールコアディスクの磁路断面積の必要性とからコイルェンドのほぼ中央よりコイルェンドの先端にかけて偏って配置される形となり、そもそもコイルェンド全体に対応させられないことに起因している。すなわち、わずかに対応した位置においてコイルェンドに風抜け用の隙間を形成すると風は抜けるものの冷却風が実際にはコイルに狭い範囲でしか当たらないからと解釈される。しかもコイルェンドの卷線ピッチに対応して周方向に所定周期で風抜け用の隙間ガ形成されていることから、ファンブレードで圧縮された冷却風が回転角度に対して周期的に開放されることにより顕著なサイレン音やピッチノイズを生じるという実用上の問題もあつた。

また、コィルェンドを全体的に整列させて偏平状として表面積を確保した上でコィルェンドュニットを軸方向にずらして隙間を形成しているのでコイルエンドが軸方向に長くならざるを得ず、結果小型化の目的にも合致しないという問題もあった。

また、実公平 1 一 2 7 4 0 6号公報については、コィルの各相内についての離間は認められるカ^ 前述の特公平 4 _ 2 4 9 3 9号の技術と同様に他の相との離間が図られておらず、例えば同公報第 4 図において断面 A— A以外のところではコイルェンド全体のうちの大きな範囲を占める他の相との重なり部分が密着したままであり自ずと冷却作用に限界があることは明らかである。

このように従来からコィルェンド部におけるコィルェンド 1本 1 本の配置を工夫することで風の抜けを改善して放熱性を高める試みがなされている力いずれの構成においてもコイルエンド部のコィル素線同士が一部離間は認められるものの全体として扁平整列的に配置されて冷却風の通風路を大きくとりながら、これを覆って大きな流通抵抗としてしまい、しかもファン近傍には風が当たるが他には当たりにくいなどせつかくファンの近傍に配置しても全コイル素線が十分な冷却風の恩恵にあずかることができず、しかも流通抵抗も大きいがためにファンを近接しているので風の衝突による風切音は顕著となるなどの他の実用上の問題もあった。発明の開示

本発明はかかる従来技術の問題点を解決することを目的とするものである。

本発明はコイルェンド部の内部に冷却媒体の流れを流れ込みやすくすることで、冷却媒体の流れを有効活用してコイルェンド部の放熱性を高めることを目的とするものである。

本発明は、コイルエンド部の放熱性向上に加えて、騒音低下を図ることを目的とするものである。

本発明は上記目的を達成するために以下に述べるような手段を採用する。

請求項 1に記載の発明によると、コイルェンドの断面において、コィルが相互にばらばらにかつ径方向に奥行きをもつて千鳥配列または格子配列状に分散離間している。すなわち厚みをもった星団状に分散離間しているから、空気の流れを確実にコイルエンド部の内部に向けて流れ込ませることができるのみならず、流れ込んだ冷却空気の流れ（冷却風）は各々のコイルエンドに衝突しながらジグザグ状に流れの方向を変えて進まざるを得ず、コイル素線の全体が、また全表面の流速を増すことができ、著しく熱交換効果は向上し放熱性、冷却性が高まる。 δ

しかも、流れ込んだ冷 ί|1風は多数のコイルとその周囲の隙間とにより無数の音波の反射と吸収とを繰り返すから騒音を低下させる効果も著しい。また、コイルエンド部全体が扁平状でなく膨らみをもたせた星団状の断面であるので空気の流れを妨げることも少なくなる。また、数本のコイルエンドを接触させて組となし、複数のコィルエンド組の間にのみ隙間を形成してもよい。この場合、束ねるコィルェンドの数が増えると 1本 1本のコィルェンドの露出面積が減少して放熱性が低下するので、例えば、 2本組、 3本組程度が望ましい。

また、コイルエンド部内においては多数のコイルエンドが均等に分布していることが望ましい力;'、コイルェンド部の軸方向に沿つた断面、あるいは径方向に沿った断面においてコィルェンドがいくつかの群に分かれて偏って分布してもよい。例えば請求項 2記載の発明のように、 3相コイルの X、 Υ、 Ζ各相毎には比較的狭い隙間を形成して分布させつつ、各相を予め角度もたせて予成形しておけば相互に重なりやすいコィルェンド根元にも隙間を形成でき、しかも電機子コィルの装着作業上の利点を提供することができる。

また、請求項 3記載の発明のように、コイルエンドを形成するコィル素線の径と、コイルェンドの間の隙間とを関係を所定の関係にすることで、放熱性を最大化することができる。ここでは、隙間をほぼコィル素線の径以下とするとともに、隙間をコィル素線の径のほぼ 1 Z 1 0以上とする。かかる関係は、コイルエンド部の内部に位置するコィルェンドに対しても十分に冷却媒体が供給されるためと解される。

請求項 4記載の発明によると、ひとつのスロットから延びる複数のコイルェンドは、その根元部のみで含浸固着剤により互いの隙間を閉塞されて配置される _¾ このため、コイルエンド部と変形モ一メントが最も大きくなる根元部においては含浸固着剤により十分な強度を得ることができるとともに、コイルェンドの他の部位においては含浸固着剤による隙間の閉塞を少なくして高い放熱性を得ることができ、耐振動性と放熱性との両立を図ることができる。

また、請求項 5記載の発明のように、コイルエンド部の内部における各コイルェンドの配置を工夫することで放熱性を向上することができる。ここでは、一群のコイルエンドを配列してコイルエンド列が形成され、このコィルェンド列に沿って他のコィルェンドとの間に冷却媒体が流れやすい通路空間が形成される。かかる構成によると、コイルェンド部の内部の奥にまで冷却媒体を導入することができる。かかる手段を採用する場合、コイルエンドの一群を、回転軸と平行に配列してもよく、回転軸から径方向に沿って、あるいは放射状に配列してもよい。また、複数列に配列してもよい。なお、かかる構成においても、ひとつのコイルエンド列をなすコイルェンドの間に隙間が形成されるとともに、複数のコィルェンド列の間にも隙間が形成されることが望ましい。

そして、請求項 6記載の発明のように、コイルエンド列に沿って形成された冷却媒体の通路をコイルェンド部の軸方向先端に開口させることで、コイルエンド部の軸方向先端側から冷却媒体を導入する構成を採用することができる。さらに冷却媒体の通路をコィルェンドの軸方向の中心軸上にほぼ一致して配置することで、軸方向に長いコィルェンド部にその内側から内外両方向に向けて均等に冷却媒体を流すことができ、コイルエンド部の内側外側に偏りのない放熱性を与えることができる。

また、請求項 7記載の発明のように、コイルエンド部の径方向内側に冷却ファンを配置し.、コイルェンド部の先端側を固定子の内径よりも内側に配置して冷却用ファンを包み込む漏斗状に形成してもよい。かかる手段を採用することで、広い範囲にわたってコイルェンドを分散して配置することができる。

また、請求項 8記載の発明のようにコイルエンドとフレームとの距離をコイルエンド部の内部に形成された隙間程度に接近させることで、冷却媒体の流れがコィルェンド部とフレームとの間を通過するよりもコイルェンド部の内部を通過しやすくなり放熱性を高めることができる。

また、請求項 9記載の発明のように、コイルエンド部をフレームに熱的に密着させてもよく、かかる密着構造をとることで、フレームとコイルェンド部との間の流通抵抗を最大にすることができ、コィルェンド部の内部を通る冷却媒体を増加させることができるとともに、コィルェンド部の熱をフレームに伝熱させて相対的にコィルエンド部の温度を低減することができる。

なお、上記のようにコィルェンド部をフレームに近接あるいは密着させる場合には、請求項 1 0記載の発明のようにコイルェンド部とフレームとの間に熱伝導性の絶縁部材が配置されることが望ましく、コイルエンドとフレームとの間の電気的な絶縁を確保するとともに、コイルエンドからフレームへの伝熱を確保することができる。特に可撓性を有していることによりコイルやフレームの熱膨張による変形に対しても常に安定した伝熱を確保できる。

さらに、コイルエンド部の周囲の流通抵抗としては、コイルェンド部と固定子との間の根元部はコイルがスロットに出入りする部分であるがこの部分は風が抜けやすいので、例えば請求項 1 1記載の発明のように、電機子コイルと固定子とを絶縁する絶縁フィルムを固定子端面よりもはみ出.させ、コイルェンドの固定子側の根元部においてコイルェンドと固定子との間の隙間を塞ぐように配置してもよい。かかる構成によると、コイルエンド部と固定子との間よりコィルェンド部の内部に冷却媒体を流入させることができる。

また、請求項 1 2記載の発明によると、コイルエンド部の径方向内側に回転子とともに回転する遠心式冷却ファンを接近して配置し、冷却ファンの吐出流の最も強い位置にコィルェンド部を位置させているから、コイルェンド部の周囲とコィルェンド部の内部との流通抵抗に加えてファンの速い吐出風速を直接的にコィルェンド部の内部に向けて吹き込むことができ、高い放熱性を得ることができる

。なお、コイルエンドを高い密度で配置したほとんど隙間を持たなぃコィルェンド部の場合には、騒音を抑制するために冷却ファンからある程度の隙間をあけて配置する必要があり、例えば冷却ファン径の 5 %程度が必要とされている力本発明のコィルェンド部のように複数の隙間を有して十分に低い流通抵抗を持つコイルェンド部では冷却ファン径の 2 %程度にまで接近させても騒音の発生を抑えることができる。

なお、冷却手段としては冷却ファンを利用することができる力さらに請求項 1 3記載の発明のように、ランデル型ポールコアのディスク部の U字状開口部の軸方向端部を閉塞する仕切り部を設け、 U字状開口部の側壁面をファンとしても上記コイルェンド部に向けて流れる冷却媒体の流量、流速を上げることができ、放熱性を高めることができる。なお、 U字状開口部と冷却ファンのファンブレードとを対応させて位置させ、より冷却ファンと U字状開口部の側壁面とが共同して冷却空気の流れを生起せしめるように構成してもよレ、。また、請求項 1 4記載'の発明のように仕切部はコイルエンド部の固定子側根元部に対応して設けるられることが望ましく、冷却ファンと U字状開口部の側壁面とで供給される冷却風を確実にコイルェンド部に供給することができる。

なお、請求項 1 5記載の発明のように、仕切部は非磁性部材、または磁極間の漏洩磁束を阻止する向きの磁石、またはその保持部材としてもよレ、。

また、請求項 1 6記載の発明のように、冷却媒体をコイルエンド部の径方向外側から流れ込ませることで、回転子など高温部品で温度上昇していない比較的低温の冷却媒体をコイルェンド部に当てることができ、高い放熱性を得ることができる。

請求項 1 7記載の発明によると、電機子コイルは固定子のスロットから周方向両側にコイルを延出してコイルェンド部を形成する複層卷線であるため、コイルェンドの本数を少なくできるのでコィルェンドのそれぞれを所要の隙間をあけて配置しやすくなる。

また、請求項 1 8記載の発明によると、二層波卷卷線が採用されるため、単純巻回ュニットを波形成形してスロットに収納するだけで簡単に構成することができる。

また、請求項 1 9記載の発明によると、 2 3 7Γ短節卷であるから、各層についてのコイルエンド一相互のラップを無くし、コイルェンド間の隙間を確保しやすくなる。

また、請求項 2 0記載の発明によると、これら巻線は小型のコィルエンドとすることができるため各層は、相互にずらしやすく、各層を冷却媒体が通過しゃすくすることができる。図面の簡単な説明図 1は、本発明を適用'した車両用交流発電機の部分破断断面図である。図 2は、コイルエンド部の形状を示す平面図である。図 3は、コイルエンド部の形状を示す断面図である。図 4は、実験結果を示すグラフである。図 5は、実験結果を示すグラフである。図 6は、コイルエンド間の冷却空気の流れを示す模式断面図である。図 7 は、本発明を適用した他の実施例の部分断面図である。図 8は、本発明を適用した他の実施例の部分断面図である。図 9は、本発明を適用した他の実施例の部分断面図である。図 1 0は、他の実施例のコイルエンド部の形状を示す斜視図である。図 1 1は、図 1 0の断面図である。図 1 2は、図 1 0の平面図である。図 1 3は、他の実施例の回転子を示す斜視図である。図 1 4は、他の実施例の車両用交流発電機の断面図である。図 1 5は、他の実施例の素線の断面図である。発明を実施するための最良の形態

本発明を適用した一実施形態として以下に車両用交流発電機の実施例を説明する。

まず、車両用交流発電機の基本的な構成を図面に基づいて説明する。図 1には車両用交流発電機の一部破断断面が図示されている。車両用交流発電機 1は、フレーム 1 0を有している。フレーム 1 0は、フロントフレーム 1 1 とリアフレーム 1 2 とからなり、これらは複数の締結ボルト 1 3で締結されている。フレーム 1 0には、軸方向の両端部に冷却風の入口としての入口開口 1 4、 1 5が開設されている。一方、フレーム 1 0の径方向外周面には、後述する冷却ファンの径方向外側に対応してスリット状の冷却風出口としての複数の出口開口 1 6、 1 -7が周方向に関して並列に開設されている。フレーム 1 0には回転軸 2 0が回転自在に支承されている。この回転軸 2 0のフロント側端部にはェンジンの動力を受けるプ一リ 2 1が固定されている。回転軸 2 0の中央部には、回転子 3 0が固定されている。さらに回転軸 2 0のリア側端部には、スリップリングとブラシとを含む集電装置 4 2が装着され、界磁コイル 3 2へ界磁電流が供給される。

回転子 3 0は、ランデル型のポールコア 3 1 と、このポールコア 3 1に装着された界磁コイル 3 2 とを有する。ポールコア 3 1は、一対のク口一ポール 3 1 a、 3 1 bを備える。クローポール 3 1 a 、 3 1 bの各々は、回転軸 2 0に嵌合固定されたボス部 3 1 cと、ボス部から径方向外側に向けて広がるディスク部 3 1 dと、デイスク部から軸方向に延びる爪状磁極部 3 1 eとを備える。なお、図 1 にはクロ一ポール 3 1 aについて、 3 1 c、 3 1 d、 3 1 eを指し示した。

また、回転子 3 0の軸方向の両端には、その端面に冷却ファン 3 3、 3 4が固定されている。フロント側冷却ファン 3 3は、遠心式ファンとしてのファンブレードと、斜流式ファンとしてのファンブレ一ドとを混在させて構成されている。そして、斜流式ファンのフアンブレードは、ディスク部 3 1 dに爪状磁極 3 1 eの間に対応して形成された U字状開口部にほぼ一致して設けられている。一方、リァ側冷却ファン 3 4は、遠心式フアンとしてのファンブレードのみで構成されている。

回転子 3 0は有効磁束増加用の補助磁石 3 5を備える。回転子 3 0の爪状磁極部 3 1 eの間には隣接する磁極の極性と対向する極性をもった有効磁束増加用 ·の補助磁石 3 5が装着されている。この補助磁石 3 5は、磁極の間毎に配置された複数の永久磁石と、これら複数の永久磁石を予備組立体として一体に連結する保持部材とを備える。なお、保持部材は長方形の永久磁石を収容する箱状部分を有しており、この箱状部分が爪状磁極 3 1 eの間に位置している。また、永久磁石は隣接する磁極の極性と対向するように着磁されており、保持部材は非磁性材料である樹脂製である。この補助磁石 3 5 は、その軸方向端面が固定子 4 0の軸方向端面とほぼ一致するように配置されている。この補助磁石 3 5の軸方向端面は、爪状磁極 3 1 e間において冷却風の流れを部分的に阻止する風圧仕切り部として機能する。これにより、 U字状開口部の側壁面により、径方向外側へ向かう空気の流れが生起されやすくなる。なお、補助磁石 3 5 の軸方向端面には保持部材が面しているが、永久磁石を露出させてもよい。

回転子 3 0の外周側には、固定子 4 0が対向して配置されている o この固定子 4 0はフレーム 1 0に固定されている。固定子 4 0は、鋼板を所定厚さに積層して円筒状に構成されており、内周面に複数のスロットが形成されている。

固定子 4 0には有機絶縁皮膜を施したコイル素線により電機子コィル 5 0が卷装されている。電機子コイル 5 0はスロット内に収容されている部分と、固定子 4 0の軸方向両端部に露出しているコィルェンド部 5 4、 5 5とを有している。図 2には、電機子コイル 5 0と固定子 4 0との斜視図が図示されており、図 3には軸方向から見た電機子コイル 5 0と固定子 4 0とが図示されている。

この電機子コイル 5 0は、 3相交流発電機としての X相コイル群 5 1、 Y相コイル群 5 2、 Z相コイル群 5 3を含む。コイルエンド部 5 4、 5 5は、スロッ-ト間の渡り線としての複数のコイルエンド 5 6が集合した集合体である。

さらに、コイルエンド部 5 4、 5 5の外殻に位置するコイルェンド 5 6の一部は、熱伝導性に優れた絶縁部材としての電気絶縁性塗膜 1 0 aを介してフレーム 1 1、 1 2の内壁面に当接している。なお、この塗膜 1 0 aは、フレームの内面の全体、またはコイルェンド 5 6と対向する部分のみに施工することができる。また、コイルエンド 5 6との密着性を高めるために、塗膜の乾燥前にコイルェンドと接触させたり、粘着性をしばらくの間維持する塗膜を採用してもよい。また、コイルエンド 5 6 との接触後に固着剤を付与して接着してもよい。

さらには、塗膜に限らず、熱伝導性と電気絶縁性に優れたフィルムゃ樹脂成形品を用いることができ、かかる場合にもコイルェンドとの密着性を高めるために粘着性のある材料を選定したり、後工程で固着剤を付与して密着性を高めることが望ましい。

リァ側フレーム 1 2の外側には、電圧調整回路 6 0 と、整流回路 7 0とが搭載され、板状のカバー 8 0で覆われている。

次に、図 1の車両用交流発電機の基本的な作動を説明する。ェンジンにより回転子 3 0が回転駆動されると、電圧調整回路 6 0から集電装置 4 2を介して界磁コイル 3 2に界磁電流が供給される。これにより、回転界磁が形成され、固定子 4 0に装備された電機子コィル 5 0には交流電力が発生する。この交流電力は、整流回路 7 0 で整流され、直流出力として出力される。

回転子 3 0の回転により、冷却ファン 3 3、 3 4が回転し、軸方向の両端から空気を吸い込み、径方向外側へ吐出する。

フロント側では、入口 1 4から冷却空気が導入される。冷却空気は、コイルェンド部 5 4 -に向かう流れと、爪状磁極 3 1 eに沿って軸方向に流れて回転子 3 0を冷却する流れとに分けられる。このとき、一部の空気は、フロント側クロ一ポール 3 1 aのディスク部 3 1 dの U字状開口の側壁面により遠心方向外側へ向けて流され、コィルェンド部 5 4に向かう。

リア側では、カバ一 8 0に形成された複数の開口を通り、電圧調整回路 6 0、整流回路 7 0、集電装置 4 2を冷却した後の空気が入口 1 5から導入される。この冷却空気は、コイルエンド部 5 5に向けて流される。同時に、爪状磁極 3 1 eの間を通ってきた冷却空気は、リア側クローポール 3 1 bのディスク部 3 1 dの U字状開口の側壁面により遠心方向外側へ向けて流され、コイルェンド部 5 5に向かう。

このようにして冷却手段としての 2つの冷却ファン 3 3、 3 4により生起される冷却風は、車両用交流発電機 1の構成部品の全体を冷却し、特に出口 1 6、 1 7に向けて流れる過程でコイルエンド部 5 4、 5 5を構成するコイルエンド 5 6を冷却する。

次に、コイルエンド部 5 4、 5 5の構成および放熱作用をさらに詳細に説明する。

図 1 に図示されるように、コイルエンド部 5 4、 5 5は、冷却フアン 3 3、 3 4から出口 1 6、 1 7に向かう冷却風の通路に配置されている。このコイルエンド部 5 4、 5 5においては、各コイルェンド 5 6がほぼ均等に分布するように配置されている。各コィルェンド 5 6は、互いにほぼその線径に相当する隙間をあけて配置されている。

図 2に図示されるように、固定子 4 0のひとつのスロットから延び出す複数のコイルェンド 5 6は、このスロットから出た直後の根元部においてのみ束ねら-れ、コイルエンド束をなしている。そして、その根元部においてのみ固着剤 5 7によりコイルエンド 5 6間の隙間が閉塞されており、この根元部より先端側では固着剤 5 7はコィルェンド 5 6間の隙間をほとんど目詰まりさせていない。各コィル群 5 1、 5 2、 5 3を構成する 1本 1本のコイルエンド 5 6はその群内において根元部を除いてすベて隙間をあけて離間している。さらに、各コイル群間にも隙間が設けられ、コイルエンド 5 6はその群内、群間のいずれに関しても離間している。

群内のコイルエンド 5 6は、図 1、図 3に図示されるように径方向に複数層に分けられている。そして、外側層のコイルエンド 5 6 は、各々の内側の層のコイルェンド間の隙間に対応して配置されている。すなわち、任意の層に属するひとつのコイルェンド 5 6は、径方向に関して、それより内側の層に属する隣り合う 2本のコイルエンドの間に対応して位置している。このため、径方向内側から外側を見て、内側層の隣り合う 2つのコイルエンドの間に対応して外側層のコイルェンドが配置されている。この関係は複数層の相互間において実現されている。

なお、コイルェンド 5 6間が固着されないので耐振動性などの強度が低下するが、コイルエンド 5 6の根元部での含浸固着剤による固着と、コイルエンド部外殻におけるフレームとの接触とによりコィルェンド部 5 4、 5 5としての強度が確保されている。

さらに、電機子コイル 5 0と固定子 4 0との間を絶縁するために、スロット内の電機子コィル 5 0は絶縁フィルムによって包まれてスロット内に収容されている。この絶縁フイルム 4 1 は、コィルェンド 5 6の根元部において固定子 4 0の軸方向端面より延び出して配置されており、コイルエンド 5 6の根元部におけるコイルェンド束間の隙間を小さくして、通風抵抗をなしている。

従ってコイルエンド部 5 4、 5 5はフレーム 1 1、 1 2の内面に極めて接近して配置されてコイルェンド 5 4、 5 5の周囲を通る通路の通風抵抗を大きくしており、しかもコイルェンド 5 6の根元部の束部間の隙間も絶縁フィルム 4 1で通風抵抗を大きくしている。その反対にコィルェンド部 5 4、 5 5は複数のコィルエンド 5 6を互いに隙間をあけて配置し、コイルエンド部 5 4、 5 5内に複数の通路を形成するように配置し通風抵抗を小さくしているから、コィルエンド部 5 4、 5 5の周囲を通る通路より、コイルエンド部 5 4 、 5 5の内部を通る通路のほうが通風抵抗が小さく構成されている。このため、冷却ファン 3 3、 3 4により生起される冷却空気の流れは、そのほとんどがコイルエンド部 5 4、 5 5の内部を通過し、それらを構成する各コィルェンド 5 6のそれぞれを効率的に冷却する。このため、コイルエンド部 5 4、 5 5において高い放熱性が得られ、電機子コイル 5 0の温度を低下させることができる。

次に、コイルェンドの放熱性について実験結果に基づいて考察する。

図 4、図 5は 7 0 ( A ) クラス、 1 0 0 ( A ) クラス、 1 3 0 ( A ) クラスの発電機に基づいてコイルェンド間隙間を変化させて得られた実験結果を示すグラフである。図 4は、図 3に図示されるコィル群間の平均隙間とコイルェンド温度、すなわち放熱性との関係を示している。なお、図 4は、 X相のコイルエンドを束ねて 1つのコイルエンド束としてのコイルエンド群とし、同様に Υ、 Ζ各相に対応してコイルェンド群を作り、それらコイルェンド群間の軸方向端部を互いに離間させている。そして、コイルエンド群間隙間は、コイルェンドの根元部を除く部分について計測されており、部分的な密着箇所も含めた平均 '的な隙間として計測されている。

図 5は、コイル群間の平均隙間と線径との比を 1 とした場合の、群内のコィルェンド間の平均隙間とコイルェンド温度との関係を示している。ここでも、コイルエンド間の隙間は、コイルエンド根元部を除く部分について計測され、しかも部分的な密着箇所も含めた平均的な隙間として計測されている。

図 4、図 5には、発電機の出力クラスに関係なく、隙間/線径をほぼ 0 . 1以上とすることでコイル温度を最低値（図 4ではおよそ 1 5 0 °C、図 5ではおよそ 1 2 0 °C ) 付近に維持できることが示されている。一方で、隙間 Z線径を 1 . 0程度にしてもコイル温度の変化はほとんどなく、 1 . 0を超えて 1 . 5程度になると温度上昇が認められる。ここで、隙間/線径を 1 . 0以上にすると、コイルエンド部 5 4、 5 5の大きさが膨らみ、交流発電機全体の体格の大型化を招くことになる。このため、推奨範囲としてほぼ 0 . 1以上、ほぼ 1 . 0以下が見いだされる。なお、コイル温度がほぼ最低温度に達するという観点から、ほぼ 0 . 5以上に設定することが望ましい。

なお、隙間 Z線径が 1 . 0以上となって温度が上昇する原因としては、以下のような現象が考えられる。図 6は、コイルエンド部 5 4内の 3本のコイルエンド 5 6 a〜 cの配置を示す拡大断面図である。冷却フアン 3 3から送風される冷却風は、図 6の太い矢印のように線間の隙間を流れる。このとき最も表層に位置するコィルェンド 5 6 a、 5 6 bには、その上流側表面に冷却風が当たるだけでなく、下流側にコイルエンド 5 6 cが位置するため、下流側表面にも沿って冷却風が流れる。一方、下流側に位置するコイルエンド 5 6 cは、上流側に位置する 2つのコイルエンド 5 6 a、 5 6 bの間の隙間に対応して位置しており、この隙間を通って流れてきた冷却風を直接受けるとともに、コイルエンド 5 6 aとコイルエンド 5 6 c との隙間、およびコイルエンド 5 6 bとコィルェンド 5 6 c との隙間に分流される冷却風がコイルェンド 5 6 cの側面から下流側表面に沿って流れる。なお、図 6図中の矢印は、冷却風の強さを表しており、下流側に位置するコィルエンド 5 6 cに衝突する冷却風の強さがほとんど低下せず、むしろ上流側のコイルエンド 5 6 a、 5 6 bでの縮流により流速が速まっていることを示している。

このように、コィルェンド間の隙間が適切な範囲にあることで、各コイルエンドの表面に沿って冷却風を流すことができる。そして、この隙間が小さすぎる場合には冷却風の風量が低下して放熱性が悪化し、その一方で隙間が大きすぎる場合にはコイルェンドの表面に冷却風が強く当たらないため境界剥離層が成長し、放熱性が低下すると考えられる。

なお、コイルエンド部 5 4、 5 5の径方向内側に回転子とともに回転する遠心式冷却ファン 3 3、 3 4を接近して配置し、冷却ファン 3 3、 3 4の吐出流の最も強い位置にコイルエンド部 5 4、 5 5 を位置させているから、コイルエンド部 5 4、 5 5の周囲とコイルエンド部 5 4、 5 5の内部との流通抵抗に加えてファン 3 3、 3 4 の速い吐出風速を直接的にコイルエンド部 5 4、 5 5の内部に向けて吹き込むことができ、高い放熱性を得ることができる。なお、コィルェンドを高い密度で配置したほとんど隙間を持たないコイルェンド部の場合には、騒音を抑制するために冷却ファンからある程度の隙間をあけて配置する必要があり、例えば冷却ファン径の 5 %程度が必要とされている力'、本発明のコイルエンド部のように無数に多くの隙間を持たせているから風の衝突による反射波によるピッチノイズが原理的に極小と-なるとともに十分に低い流通抵抗を持つコィルェンド部で圧力波の波高値が下がるからサイレン音も低下する。これらにより冷却ファン径の 2 %程度にまで接近させても騒音の発生を抑えることができる。

以上に述べた実施例によると、コイルエンド部の放熱性を高め、高出力化に対応することができる。特に、補助磁石を併用して高出力化を図る場合でもジュ—ル損による発熱増加があつても温度上昇を抑えることができたり、許容温度の低い有機絶縁皮膜を用いることができる。また、補助磁石 3 5により磁束向上が図れるため、同一出力電圧を発生させるための電機子コイル 5 0のターン数は相対的に減少させることができ、コイルエンド部 5 4、 5 5において隙間を確保しやすくなるため、体格の小型化、出力の向上さらには効率の向上といったトータルでの性能向上を図ることができる。以上に述べた実施例では、コイルェンド部の内部において複数のコイルエンドをほぼ均等に、しかも冷却空気の流れに対して星団状に分布させて配置した力 ^?、図 7〜図 1 0に図示されるような配置にしてもよい。

図 7では、比較的小さい隙間をあけてコイルエンドを配列し、径方向に対して車両用交流発電機としての中央へ向けて角度 1〜 Θ 4で傾斜したコイルエンド列 5 0 a、 5 0 b , 5 0 c , 5 0 a ' 、 5 0 b ' 、 5 0 c ' を形成している。そして、各コイルエンド列の間には比較的大きいテ一パ状隙間を形成している。なお、この実施例では、コイルエンド 5 6はフレーム 1 1には接触していない。ただし、コイルエンド 5 6 とフレーム 1 1 との間にはコイルエンド間の平均隙間よりも十分に小さい隙間が形成されるだけである。コイルェンド列 5 0 a、 5 0 bは、冷却フアン 3 3からの吹き込み方向に対して傾斜して-おり、冷却空気をリァ側に向けて吐出する。なお、リア側ではこれとは逆に配列され、冷却空気をフロント側に向けて吐出する。

また、図 8のように軸方向に沿ってコイルェンド列 5 0 c、 5 0 dを形成してもよい。例えば X、 Y、 Ζの各相毎にコイルエンド列 5 0 c、 5 0 dを形成し、これらコイルエンド列を径方向に積層してコイルェンド部 5 4が形成される。コイルエンド列 5 0 c、 5 0 dの間には比較的大きな隙間が形成され、コイルェンド部 5 4の軸方向端面に開口している。そして、外周に位置するコイルエンド列 5 0 c とフレーム 1 1 との間の隙間がコィルェンド間の平均隙間より小さくされている。

冷却フアン 3 3からの冷却空気は、図 8の矢印のようにコィルェンド部 5 4の軸方向端面から流入し、列をなすコイルェンド間の隙間を通して吐出される。

また、コイルエンド部を図 9に図示されるように回転子の端部に装着された冷却ファンを包み込むように漏斗状に形成してもよい。この実施例では、コィルェンド 5 4の内側面を冷却フアン 3 3の外周面に沿って角度で傾斜した漏斗状としている。

この構成によると、コイルェンド部 5 4の占める空間を大きく確保することができ、コイルェンド間の隙間を大きく確保することができる。また、図 9においては、コイルエンド部 5 4の外殻に位置するコイルェンド 5 6とフレームとの間の隙間 Dと、コイルェンド 5 6の素線の直径 dとほぼ等しく設定している。図 9のようにコィルェンド間の隙間を十分に大きくすることでコイルェンド部の内部の通風抵抗を十分に低くすることができるので、コイルエンド部の外側とフレームとの間にも冷却風が流れるように構成することができる。

なお、図 9の構成はコイルエンド部をフレーム内に収容する際に、フレームに接触させて変形させて構成してもよい。この場合、フレームとの接触部が増加する結果フレームへの伝熱を増加させるとともに、冷却ファンからの吐出風が強い範囲の全体にわたってコィルェンド部を配置することができ、冷却ファンの能力を有効活用することができる。

また、図 2の実施例では、単層波巻きの電機子コイルを説明した力 ^?、電機子コイルとしては二層卷線を採用してもよい。ニ層卷線と採用することで、コイルエンド部において各相毎に分かれ、しかも 2層に分かれたコイルェンド群が得られるため、コイルェンド部の内部に比較的簡単な製造方法により多くの隙間を形成することができる。かかるニ層卷線としては特公平 3 - 7 3 2 2 5号公報に開示されるような二層波卷き卷線、あるいは図 1 0、図 1 1、図 1 2のような二層 2 3 7Γ短節卷線を採用することができる。

図 1 0の二層 2 / 3 7Γ短節巻線では、ひとつのスロットから周方向両側に向けてコイルェンドが分かれて延在するため、コイルェンド間の隙間を確保しやすいという効果がある。この構成では、図 1 0に軸方向から見た平面図が図示されるように、回転子の 2磁極ピツチ内に 3相が位置するように配置され、しかも第 1層のコイル 5 1 a、 5 2 a、 5 3 aに対し、第 2層のコイル 5 1 b、 5 2 b、 5 3 bを電気角で 6 0 ° ずらして配置している。

図 1に示した実施例では、補助磁石 3 5によって風圧仕切部を構成し、ランデル型ポールコアの爪間の U字状開口部の側壁による径方向外側への送風効果を向上させている力図 1 3に図示されるように、専用の風圧仕切り部としての板 3 7 0を回転子 3 0 0に装着してもよい。しかも、回転子 3 0 0の端面に設けられる冷却ファン 3 3 0、 3 4 0のファンブレード 3 3 1、 3 4 1 を、 U字状開口部の側壁の延長上に設けることで相乗的に送風能力を高めることができる。

また、図 1 4に図示されるようないわゆる外扇式発電機に本発明を適用してもよレ、。かかる構成では、フロント側に設置された冷却ファン 3 3 1により、発電機の外周面に開設された入口開口 1 4 0 、 1 5 0から発電機内に入り、発電機内を通って冷却ファン 3 3 1 により発電機外へ吸い出される冷却空気の流れが発生する。このため、コイルエンド部 5 4 0、 5 5 0には、発電機の外周外側から冷たい外気が直接に導入され、優れた放熱性が得られる。ここでも、冷却風の通路のほぼ全体にわたり複数のコイルェンドがほぼ均等に分散して配置されコィルェンド部の周囲よりもコイルェンド部の内部の通風抵抗が低く構成されてコイルエンド部の内部に通風されやすく構成されていることが重要である。

また、以上に述べた実施例では、円断面の素線を用いて電機子コィル 5 0を卷回した力;'、これを非円形の多角形断面としてもよレ、。例えば、図 1 5に図示されるような、銅線 5 6 0 aと、有機絶縁皮膜 5 6 0 bとからなる角を丸くした角状断面の素線 5 6 0力、皮膜 5 6 0 aの傷のつきにくさ、加工性の良さ、そして放熱性の観点から望ましい。なお、傷のつきにくさと、放熱性とを両立する観点からは、素線に施された有機絶縁皮膜の厚さを第 2種の皮膜厚さの約 8 0 %から約 4 0 %としたものが高い効果を発揮する。例えば、 4 0 0 から 2 0 0 _Λとすることができる。なお、かかる素線としては古河電工（株）製「超耐加工皮膜電線」あるいは住友電工（株）製「耐傷性薄皮膜電線」を用いることができる。産業上の利用可能性

本発明によると、コイルエンド部における線間に隙間を設け、この隙間を通る冷却空気の流れによってコイルェンド部を良好に冷却することができる。これにより、コイルエンドにおける温度上昇が抑えられる。かかる本発明は車両用交流発電機に利用することができ、小型高出力の要求に応えることができる。

Claims

請求の範囲

1 . フレームに固定され、軸方向の端部に三相電機子コイルの複数のコイルェンドの集合体としてのコィルェンド部が形成された固定子と、該固定子に対向して配置された回転子と、該回転子に連動して駆動され前記フレーム内を通る冷却空気の流れを生じさせる手段とを備え、

前記コィルェンド部を形成する前記コィルェンドがそのコィルェンド部の断面において星団状に厚みをもって分散離間して隙間を形成するとともに、該隙間部分に前記冷却空気の流れを流通させることを特徴とする車両用交流発電機。

2 . 請求項 1に記載の車両用交流発電機において、

前記コイルェンド部を構成する前記三相電機子コイルの各相においてコイルエンドが相互に分散して隙間を有すると共に、前記各相のコイルェンドが各相間に根元から広がる角度をあけて配置され、相互の根元重なり部にも隙間を有することを特徴とする。

3 . 請求項 1 または 2のいずれかに記載の車両用交流発電機において、

前記コイルェンド部の隙間は、前記電機子コイルの素線径のほぼ 1 Z 1 0から前記電機子コィルの素線径にほぼ等しい隙間であることを特徴とする。

4 . 請求項 1に記載の車両用交流発電機において、

前記固定子に形成されたひとつのスロットから延びる複数の前記コイルェンドは、前記固定子鉄心側の根元部のみで含浸固着剤により互いの隙間を閉塞されていることを特徴とする。

5 . 請求項 1 に記載の車両用交流発電機において、

前記コイルェンド部の前記隙間の大きさを異ならせ、通風路に沿つて大きな隙間を配列し-たことを特徴とする。

6 . 請求項 5に記載の車両用交流発電機において、

前記コイルェンド部の前記大きな隙間の配列は、前記コイルェンド部の軸方向先端に開口していることを特徴とする。

7 . 請求項 1 または 6のいずれかに記載の車両用交流発電機において、

前記コイルェンド部の径方向内側には前記回転子とともに回転する前記冷却手段としての冷却ファンが配置され、前記コイルェンド部の先端側は前記固定子の内径よりも内側に配置されて、前記冷却用ファンを包み込む漏斗状に形成されていることを特徴とする。

8 . 請求項 1から 3のいずれかに記載の車両用交流発電機において前記コイルェンド部は、前記フレームとの距離が前記コィルェンド部の内部に形成された隙間程度に接近していることを特徴とする

9 . 請求項 1から 3のいずれかに記載の車両用交流発電機において前記コィルェンド部は、前記コィルェンドの熱が伝わるように前記フレームに熱的に密着させたことを特徴とする。

1 0 . 請求項 8または 9に記載の車両用交流発電機において、前記コィルェンド部と近接もしくは密着する前記フレームの表面には、可撓性を有する熱伝導性の電気絶縁部材が設けられていることを特徴とする。

1 1 . 請求項 1 または 4のいずれかに記載の車両用交流発電機において、

前記電機子コイルと前記固定子鉄心との間に介装されて両者を絶縁するとともに、その軸-方向端部が前記固定子端面よりもはみ出して前記コイルェンドの前記固定子側の根元部において前記コイルェンドと前記固定子との間の隙間を塞ぎ前記冷却空気の流通抵抗を形成する絶縁フィルムを備え、前記コィルェンド部と前記固定子鉄心との間より前記コイルェンド部の内部に前記冷却空気を流入させることを特徴とする。

1 2 . 請求項 1 または 7のいずれかに記載の車両用交流発電機において、

前記コィルェンド部の径方向内側には前記回転子とともに回転する前記冷却手段としての遠心式冷却ファンが接近して配置され、前記冷却ファンの吐出流の最も強い位置に前記コイルェンド部を位置させていることを特徴とする。

1 3 . 請求項 1 2に記載の車両用交流発電機において、

前記回転子は、ランデル型ポールコア及びその端面側に設けた前記冷却手段としての冷却ファンを有し、さらに前記ポールコアのデイスク部の U字状開口部の軸方向端部を閉塞して前記 U字状開口部の側壁面をファンとする仕切り部とを備えたことを特徴とする。

1 4 . 請求項 1 3に記載の車両用交流発電機において、

前記仕切部は前記固定子鉄心の端面部にほぼ対応して設けられることを特徴とする。

1 5 . 請求項 1 3に記載の車両用交流発電機において、

前記仕切部は前記ポールコアの磁極間に介在された非磁性部材、または磁極間の漏洩磁束を阻止する向きの磁石、またはその保持部材であることを特徴とする。

1 6 . 請求項 1から 1 1のいずれかに記載の車両用交流発電機において、前記冷却空気は、前記 ·コイルェンド部の径方向外側から流れ込むことを特徴とする。

1 7 . 請求項 1 に記載の車両用交流発電機において、

前記電機子コイルは、前記固定子のスロットから軸方向に延び出して後、周方向両側に 2分してコイルを延出して前記コイルエンド部を形成する巻線であることを特徴とする。

1 8 . 請求項 1 7に記載の車両用交流発電機において、

前記巻線は、二層波巻卷線であることを特徴とする。

1 9 . 請求項 1 7に記載の車両用交流発電機において、

前記卷線は、二層 2 Z 3 ；：短節卷であることを特徴とする。

2 0 . 請求項 1 7から 1 9のいずれかに記載の車両用交流発電機において、

前記ニ層卷線の各層は、相互にずらされて、各層間の前記冷却媒体の流通抵抗を低くし放熱性を増したことを特徴とする。