WO2011121770A1 - 車両用交流発電機 - Google Patents

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WO2011121770A1
WO2011121770A1 PCT/JP2010/055899 JP2010055899W WO2011121770A1 WO 2011121770 A1 WO2011121770 A1 WO 2011121770A1 JP 2010055899 W JP2010055899 W JP 2010055899W WO 2011121770 A1 WO2011121770 A1 WO 2011121770A1
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WO
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end plate
claw
portions
plate portion
diameter
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Application number
PCT/JP2010/055899
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English (en)
French (fr)
Inventor
芳壽 石川
宮田 健治
小山 貴之
Original Assignee
株式会社 日立製作所
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Publication date
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Priority to PCT/JP2010/055899 priority patent/WO2011121770A1/ja
Priority to JP2012507989A priority patent/JPWO2011121770A1/ja
Priority to US13/575,361 priority patent/US20130187515A1/en
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/24Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
    • H02K1/243Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors of the claw-pole type
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the present invention relates to a vehicle alternator mounted on a passenger car, a truck or the like.
  • the vehicle alternator described in Patent Document 1 includes a rotor having a Rundel type iron core having a cylindrical portion, a yoke portion, and a claw-shaped magnetic pole portion.
  • the magnetic flux ⁇ flows from the cylindrical portion to the yoke portion and the claw-shaped magnetic pole portion, and flows from the claw-shaped magnetic pole portion to the stator core.
  • Patent Document 1 conventionally, it is desirable to make the magnetic path cross-sectional area of each part (cylindrical part, yoke part, claw-shaped magnetic pole part) of the Rundel type iron core substantially the same. Further, it is necessary to secure a space necessary for winding the field coil. Corresponding to the magnetic flux generated by the rotor thus designed, the magnetic path cross-sectional area of the stator core is also determined. In general, the material of the stator core has better magnetic properties than the material of the rotor core, so the magnetic path cross-sectional area of the stator core is determined to be smaller than the magnetic path cross-sectional area of the rotor core.
  • the axial length of the stator core is made longer than the axial length of the rotor cylindrical portion, and the root cross-sectional area of the claw-shaped magnetic pole portion is cylindrical.
  • the thing narrower than a part area and a yoke part cross-sectional area is proposed (for example, refer patent document 1 and 2).
  • a part of the magnetic flux directly flows into the stator core from the yoke, and the coil cross section of the field coil is secured by reducing the cross-sectional area of the root portion of the claw-shaped magnetic pole portion.
  • the vehicle alternator includes a cylindrical portion around which a field coil is wound, plate-like first and second end plate portions disposed so as to face both axial end surfaces of the cylindrical portion, A plurality of first claw portions extending in parallel to the rotation axis from the first end plate portion toward the second end plate portion, and the rotation shaft from the second end plate portion toward the first end plate portion And a second nail portion alternately arranged in the circumferential direction with respect to the plurality of first claw portions, and a rotation gap on the outer periphery of the Rundel type rotor.
  • stator having a laminated core around which an armature coil is wound, and the first and second end plate portions are continuous around the circumference of the rotating shaft.
  • the output and efficiency of the vehicle alternator can be further improved, and the output and efficiency can be maximized.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a vehicle AC generator 100.
  • the half sectional view of a rotor The figure which shows the stator core 21 and the rotor cores 112F and 112R. The figure which looked at the rotor core 112F from the axial direction. The figure which shows the back side of a rotor core. The figure which shows the structure of the rectifier circuit which performs three-phase full wave rectification. The figure explaining an equivalent magnetic circuit. The figure which shows the detail of the end plate part 112b.
  • FIG. 14 is a diagram showing the shape of a valley region when the output current of FIGS.
  • FIG. 17 is a diagram showing the shape of a valley region when the output current of FIGS.
  • FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view showing a configuration of a vehicular AC generator 100.
  • a pulley 1 is attached to the tip of the shaft 18 provided with the rotor 112, and a belt is stretched between the pulley 1 and a pulley attached to a drive shaft of an engine (not shown).
  • the shaft 18 is rotatably supported by a bearing 2F provided on the front bracket 14 and a bearing 2R provided on the rear bracket 15.
  • the stator 4 disposed to face the rotor 112 with a slight gap is held so as to be sandwiched between the front bracket 14 and the rear bracket 15.
  • FIG. 2 is a view showing the entire rotor 112, and shows the upper half in section.
  • FIG. 3 is a diagram showing cross sections of the stator core 21 and a pair of rotor cores 112F and 112R constituting a part of the rotor 112.
  • FIG. 4 is a view of the rotor core 112F viewed from the axial direction.
  • the rotor core 112R has the same shape as the rotor core 112F.
  • the rotor 112 constitutes a Rundel type rotor (claw-shaped magnetic pole type rotor) as shown in FIG.
  • the rotor cores 112F and 112R formed of a magnetic material are serration-coupled to substantially the center portion of the shaft 18 in the rotation axis direction so as to rotate integrally with the shaft 18.
  • the front-side rotor core 112F and the rear-side rotor core 112R are attached to the shaft 18 so that the cylindrical portions 112a face each other and come into contact with each other, and the outer ends of the rotor cores 112F and 112R are in the annular grooves formed in the shaft 18.
  • the axial movement is regulated by plastic flow.
  • each of the rotor cores 112F and 112R extends from the cylindrical portion 112a, the end plate portion 112b perpendicular to the rotation axis, and the end plate portion 112b in parallel to the rotation axis.
  • a plurality of claw portions 112c As can be seen from FIG. 4, the end plate portion 112b is not completely circular, and a portion connected to the claw portion 112c protrudes in the outer peripheral direction.
  • the rotor cores 112F and 112R are each formed with six claw portions 112c, and the number of pole core poles of the rotor 112 is twelve.
  • FIG. 5 is a view showing the back side of the rotor core (the side where the claw portion 112c is not formed).
  • the end plate portion 112b has a protruding region 1120A where the claw portion 112c is formed and a circular disc region 1120B.
  • a claw portion 112c formed on the end plate portion 112b of the other rotor core is arranged at a position facing a valley region formed between adjacent projecting regions 1120A as indicated by a two-dot chain line.
  • the rotor cores 112F and 112R are attached to the shaft 18 so that the cylindrical portions 112a face each other.
  • the claw portion 112c provided on the end plate portion 112b of each rotor core 112F, 112R extends in the direction of the other rotor core.
  • the claw portions 112c of the rotor core 112F and the claw portions 112c of the rotor core 112R are alternately arranged in the rotor circumferential direction.
  • the field coil 12 wound around the coil bobbin 17 is disposed between the outer periphery of the cylindrical portion 112a and the inner periphery of the claw portion 112c.
  • the coil bobbin 17 is extrapolated to the cylindrical part 112a of the rotor cores 112F and 112R, and the field coil 12 is wound around the body part of the coil bobbin 17 around the rotation axis. Insulation of the field coil 12 is maintained by a coil bobbin 17 interposed between the rotor cores 112F and 112R and the field coil 12.
  • a slip ring 9 for supplying power to the field coil 12 is provided at the rear end of the shaft 18. Both ends of the coil conductor constituting the field coil 12 extend along the shaft 18 and are connected to the slip ring 9 respectively. Electric power for generating a magnetic field is supplied to the field coil 12 from a battery mounted on the vehicle via the brush 8 in contact with the slip ring 9.
  • a front fan 7F and a rear fan 7R having a plurality of blades on the outer peripheral side are attached to both front and rear end surfaces of the rotor 112 in the rotation axis direction. These fans 7F and 7R rotate integrally with the rotor 112 to circulate air from the inner peripheral side to the outer peripheral side. It should be noted that the front fan 7F on the front bracket 14 side has smaller blades than the rear fan 7R on the rear bracket 15 side, and the flow rate of air to be circulated is smaller than that of the rear fan 7R.
  • the stator 4 is composed of a stator core 21 and a stator winding 5, and is disposed opposite to the rotor 112 with a slight gap.
  • the stator core 21 is held by the front bracket 14 and the rear bracket 15 so as to be sandwiched from the front and rear.
  • the stator winding 5 is composed of a three-phase winding, and the lead wire of each winding is connected to the rectifier circuit 11.
  • the rectifier circuit 11 is constituted by a rectifier element such as a diode, and constitutes a full-wave rectifier circuit. For example, when a diode is used, the cathode terminal of the diode is connected to the terminal 6, and the terminal on the anode side is electrically connected to the vehicle alternator main body.
  • the rear cover 10 provided with the air holes for cooling serves as a protective cover for the rectifier circuit 11.
  • FIG. 6 shows a configuration of a rectifier circuit 11 that performs three-phase full-wave rectification using six diodes 111.
  • the rectifier circuit 11 is formed by connecting three sets of series circuits composed of two diodes 111 in parallel.
  • the U, V, and W phase stator windings 5 are connected by a three-phase Y connection, and the terminal on the anti-neutral point side is connected to the connection point of the diodes 111 connected in series.
  • the cathode of the upper (plus side) diode 111 is common and is connected to the plus terminal of the battery 99.
  • the anode of the lower (minus) diode 111 is connected to the minus terminal of the battery 99.
  • the pulley 1 and the engine-side pulley are connected by the belt, and the rotor 112 rotates as the engine rotates.
  • the rotor 112 When current flows through the field coil 12, the rotor 112 is magnetized, and a magnetic path that circulates around the field coil 12 is formed in the rotor 112.
  • the magnetic flux emitted from the claw portion 112c of one rotor core enters the stator core 21, and then enters the claw portion 112c of the other rotor core.
  • the rotor 112 rotates, a rotating magnetic field is formed, and a three-phase induced electromotive force is generated in the stator winding 5.
  • the voltage is full-wave rectified by the rectifier circuit 11 described above to generate a DC voltage.
  • the positive side of the DC voltage is connected to the terminal 6 and further connected to the battery 99.
  • the field current supplied to the field coil 12 is controlled so that the rectified DC voltage becomes a voltage suitable for charging the battery 99, and the generated voltage is the vehicle. Control is performed in accordance with the state of the battery 99 so that power generation is started when the battery voltage becomes higher than the battery voltage.
  • An IC regulator (not shown) as a voltage control circuit for adjusting the generated voltage is built in the rectifier circuit 11 disposed inside the rear cover 10 shown in FIG. 1, and the terminal voltage of the terminal 6 is always constant. It is controlled to be a voltage.
  • the stator core axial length Ls shown in FIG. 3 is set to be longer than the axial length Ly of the cylindrical portion. Therefore, the magnetic flux generated by the AT of the field coil from the cylindrical portion 112a is a magnetic flux that flows directly into the stator core 21 via the end plate portion 112b, and a magnetic flux that flows into the stator core 21 via the claw portion 112c. Branch to If the distribution between the amount of magnetic flux directly flowing into the stator core 21 and the amount of magnetic flux flowing into the stator core 21 from the outer peripheral surface of the claw portion via the claw portion 112c is not properly selected, a high output as expected can be obtained. Can't get.
  • FIG. 7A is a diagram showing an equivalent magnetic circuit in the present embodiment
  • FIG. 7B is a diagram showing a surface facing the stator core 21 in the rotor core 112F.
  • S1 represents the cross-sectional area of the magnetic path in the cylindrical portion 112a
  • S2 represents the cross-sectional area of the magnetic path in the end plate portion 112b
  • S3 represents the cross-sectional area of the magnetic path in the claw portion 112c.
  • the magnetic resistance of the cylindrical portion 112a is r1
  • the magnetic resistance of the end plate portion 112b is r2
  • the magnetic resistance of the claw portion 112c is r3.
  • symbol S4 represents a surface (outer peripheral surface) facing the stator core 21 in the claw portion 112c, and the area of the region is also represented by symbol S4.
  • symbol S5 represents a region facing the stator core 21 in the outer peripheral surface of the end plate portion 112b, and the area of the region is also denoted by symbol S5.
  • the magnetic resistance of the gap between the surface S4 of the claw 112c and the stator core 21 is r4.
  • the magnetic resistance of the gap between the outer peripheral surface S5 of the end plate portion 112b and the stator core 21 is r5.
  • the magnetic flux that passes through the surfaces S3 and S4 and enters the stator core is magnetic flux that passes through the magnetic resistances r3 and r4.
  • the magnetic flux that passes through the surface S5 and enters the stator core is the magnetic flux that passes through the magnetic resistance r5.
  • FIG. 8 shows details of the end plate portion 112b.
  • a magnetic path related to one claw portion 112c will be considered in association with a region sandwiched by a one-dot chain line in FIG.
  • a portion where the region from the cylindrical portion 112a to the claw portion 112c of the end plate portion 112b is connected to the root of the claw portion 112c, and a portion indicated by reference sign A between the connecting portion and the cylindrical portion 112a Think separately.
  • the cross-sectional area is S20 and the magnetic resistance is r20.
  • the cross-sectional area of the connecting portion is S21, and the magnetic resistance of that portion is r21.
  • the cross-sectional area S20 and the magnetic resistance r20 of the A portion are simply expressed by the following equations (2) and (3).
  • P is the number of poles
  • ⁇ 2 is the magnetic permeability of the end plate portion 112b.
  • the first term on the right side of Equation (2) is the area of the arc surface on the inner circumference side of the region A in FIG. 8, and the second term on the right side is the area of the arc surface on the outer circumference side of the region A. Therefore, the cross-sectional area S20 is an average value thereof.
  • De is the diameter dimension of the valley of the valley region between the claw portions 112.
  • S20 X2 ( ⁇ Dy / P / 2 + ⁇ De / P / 2) / 2 (2)
  • r20 (De ⁇ Dy) / 2 ⁇ ( ⁇ 2 ⁇ S20) (3)
  • Ly is the axial length of the cylindrical portion 112a
  • Lp is the axial length of the claw portion 112c.
  • ⁇ 1 is the magnetic permeability of the cylindrical portion 112a.
  • mu 2 is the permeability of the end plate portion 112b
  • mu 3 is the permeability of the claw portion 112c.
  • k is a shape factor of the claw portion 112c, which is a coefficient indicating that the shape of the claw portion 112c is narrowed in the distal direction, and is usually empirically in the range of 1.0 to 1.3.
  • the combined magnetic resistance r345 of the magnetic circuit from the end plate portion 112b to the stator core 21 is expressed by the following equation (7) using the magnetic resistances r3, r4, r5 (see FIG. 7).
  • the total magnetic resistance of the magnetic circuit excited by the field coil 12 is expressed as r1 + r2 + r345 + r6, where r6 is the magnetic resistance of the stator core 21. Therefore, high output can be obtained by optimizing the combined magnetic resistance r345.
  • ⁇ f ( ⁇ 3 / ⁇ 0 ) ⁇ k.
  • r345 (Lp ⁇ S4 + ⁇ f ⁇ 2 S3) / ⁇ 0 ( ⁇ f S3S4 ⁇ + S4S5Lp + ⁇ f S3S5 ⁇ ) (8)
  • equation (8) is convenient for explaining the phenomenon, it is difficult to obtain an accurate solution using equation (8) in an actual Rundel type rotor. This is because the magnetic flux density and permeability of each block defined by the cross-sectional areas and lengths from S1 to S5 shown here are assumed to be constant. This is because there is a divergence with the phenomenon exhibited by the Rundel type rotor having the above. Since iron has magnetic saturation characteristics, it is considered that the actual phenomenon differs in magnetic permeability and magnetic flux density in a distributed constant for each minute block.
  • a stator in order to analyze an accurate phenomenon, it is necessary to consider a stator, a Lundel rotor and shaft, a stator coil, and a leakage magnetic flux by using a three-dimensional electromagnetic field analysis technique.
  • a micro block of an appropriate size that takes into account the magnetic flux distribution and magnetic flux density of each part (analytically, a micro space block composed of nodes and elements) Divided into hundreds of thousands of blocks per vehicle alternator (alternator), and the degree of magnetic saturation, permeability, and magnetic flux density for each minute block is calculated and distributed constant The analysis method is adopted.
  • the alternator in order to solve such a problem, a three-dimensional electromagnetic field analysis in consideration of magnetic saturation of each magnetic circuit is applied.
  • the alternator is divided into two groups, generally called ⁇ 128 alternator and ⁇ 139 alternator, with some exceptions.
  • the output current at 1800r / min is used as the standard for evaluation, so the output current here is the maximum field current at 1800r / min.
  • the area in which the field coil can be wound increases, so that the area in which the field coil can be wound around the dimension X1 and the cylindrical part 112a (that is, The cross-sectional area of the portion surrounded by the cylindrical portion 112a, the end plate portion 112b and the claw portion 112c in FIG. 3) and the number of turns of the field coil (field coil AT) are calculated in conjunction with each other.
  • the other stator core shapes and the like are constant regardless of X1.
  • FIG. 9 shows the simulation results for the ⁇ 128 alternator.
  • the output current (A) per weight (kg) was defined as output (A / kg).
  • the decrease in output when X1 / X2 is smaller than 0.8 causes the AT consumption in the claw portion 112c to be significant even if X1 is decreased and the field winding number is increased. This shows that the magnetic flux does not increase as expected, but rather decreases.
  • X1 / X2 is between 0.8 and 1.1
  • the magnetomotive force at the claw 112c is increased or decreased due to the change of X1 / X2
  • the magnetic field at the end plate due to the reduction of the valley region between the magnetic poles.
  • the output becomes almost constant due to a decrease in magnetomotive force due to an increase in the road cross-sectional area and a decrease in the number of turns of the field winding.
  • X1 / X2 is larger than 1.1
  • the negative effect due to the decrease in the number of field turns is slightly higher than the positive effect due to the decrease in magnetoresistance, and the output decreases as X1 / X2 increases.
  • FIG. 10 shows the simulation result regarding the ⁇ 139 alternator.
  • the data L13 is Ls / Ly.
  • Ly 1.5
  • the field coil 12 has a constant space factor of 68% in the space formed by the inner peripheral surface of the cylindrical portion 112a, the end plate portion 112b, and the claw portion 112c, and protects the control device. Therefore, the number of turns is determined by adjusting the winding diameter so that the field coil resistance value is about 2 ⁇ .
  • the shape of the end plate portion 112b is such that the shape of the inner peripheral side of the claw root is circular as shown in FIGS. 4 and 8, and only the portion connected to the claw root is in the outer circumferential direction.
  • the shape is projected. That is, it is a simulation result when the diameter dimension De of the valley part of the valley region between the claw parts 112c and the diameter dimension of the claw part base are set equal.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the rotor core when the valley diameter De of the valley region is smaller than the diameter Dc on the inner periphery side of the claw portion 112c.
  • FIG. 12 and 13 are calculation results in the case of ⁇ 128 alternator, and are diagrams showing the relationship between the valley diameter De and the output current.
  • FIG. 14 is a diagram showing the shape of the valley region when the output current of FIGS. 12 and 13 reaches a peak.
  • the valley diameter De If the valley diameter De is increased too much, the distance between the bottom of the valley region and the inner peripheral surface of the claw portion on the opposite side becomes too small, and the positive effect by filling the valley region due to the negative effect on the output current due to leakage magnetic flux. It will be countered. As a result, the output current that has risen as the valley diameter De increases increases.
  • the valley diameter De is at most Dr, and the valley diameter De at which the output current peaks is considered to be not more than Dr.
  • the gap dimension between the claw magnetic poles can be considered. Therefore, when setting the valley diameter De of the valley region so that the output current is increased, it is necessary to set not only the magnetic resistance reduction but also the leakage magnetic flux as described above. Therefore, as a measure of the size of the valley diameter De, it is preferable that the distance B between the claw portion 112c and the valley bottom portion in FIG. 2 is set to be not less than the distance C between the claw portions 112c.
  • the way of changing the output current when the valley diameter De is changed has the same tendency almost without depending on the value of X1 / X2.
  • the valley diameter De of the valley region is set to 68 mm or more and 78 mm or less, an output current in a range from the maximum output current to about 2 (A) is obtained.
  • the range of the valley diameter De is similarly set in FIG. 13, the decrease from the maximum output current is 1 (A) or less. Therefore, in the case of a ⁇ 128 alternator, it is preferable to set the valley diameter De to 68 mm or more and 78 mm or less in order to obtain an output current in the vicinity of the maximum output current with minus 2 (A) as a guide.
  • FIG. 15 and 16 show the calculation results in the case of ⁇ 139 alternator
  • FIGS. 15 and 16 have the same tendency, and the peak positions of the output currents are close.
  • FIG. 17 is a diagram showing the shape of the valley region when the output current of FIGS. 15 and 16 reaches a peak.
  • the valley diameter De of the valley region when the valley diameter De of the valley region is set to 70 mm or more and 80 mm or less, an output current in a range from the maximum output current to about 2 (A) is obtained.
  • the range of the valley diameter De where the output current from the maximum output current up to about 2 (A) is obtained is approximately 70 mm to 83 mm. Therefore, in the case of a ⁇ 139 alternator, it is preferable to set the valley diameter De to 70 mm or more and 80 mm or less in order to obtain an output current in the vicinity of the maximum output current with minus 2 (A) as a guide.
  • 12-pole and 16-pole rotors are known for use in alternators.
  • 18 and 19 show the calculation results of X1 / X2 versus output current in the case of 16 poles.
  • FIG. 18 shows the case of ⁇ 128 alternator
  • FIG. 19 shows the case of ⁇ 139 alternator.
  • 18 and 19 correspond to FIGS. 9 and 10 in the case of 12 poles, and have the same tendency.
  • the range of X1 / X2 where the output current is almost maximum is 0.9 to 1.1 for the ⁇ 128 alternator and 0.8 to 1. It can be said that it is 1.
  • the same output tendency is shown for both the 12-pole case and the 16-pole case.
  • the rotor 112 is provided with a front fan 7F and a rear fan 7R, and the field coil 12 is cooled by cooling air formed by these fans 7F and 7R. ing. Therefore, when the valley diameter De is set such that De> Dc as shown in FIG. 14B, even if the field coil 12 is wound up to the claw root inner diameter Dc, the coil outer diameter Dcoil is equal to the valley diameter De. Will be smaller. As a result, the end plate portion 112b obstructs the flow of cooling air to the outer peripheral surface of the field coil 12, and the coil cooling effect is reduced.
  • the valley diameter De such that De ⁇ Dcoil.
  • the valley diameter De can be set to the valley diameter De of the peak position.
  • the field coil 12 wound around the cylindrical portion 112a may have a shape in which the central portion in the axial direction swells in the outer peripheral direction.
  • the coil outer diameter Ccoil here is the outer diameter at both end portions in the axial direction. I am thinking in.
  • each claw portion 112c has two side surfaces 73 opposed to the adjacent claw portions 112c narrowed from the outer diameter side to the inner diameter side, respectively. It has become a shape.
  • Each side surface 73 is narrowed by an angle ⁇ , and the angle formed by the two side surfaces 73 is 2 ⁇ .
  • the side surface 73 of the claw portion 112c is narrowed by 15 degrees on one side, and in the case of 16 poles, it is narrowed by 11.25 degrees.
  • the gap dimension between adjacent claw parts of the rotor 112 that is, the gap dimension between the claw part 112c of the rotor core 112F and the claw part 112c of the rotor core 112R is changed from the outer diameter side to the inner diameter side. It is configured to keep constant over time. This is intended to prevent an increase in leakage magnetic flux between the claw portions 112c, and is structured such that the gap between the claw portions 112c does not become small even when approaching the inner diameter side.
  • the drawing process toward the inner diameter side (for example, 15 deg on one side in the case of a 12-pole machine) is abolished and the outer diameter is eliminated.
  • increasing the cross section of the claw 112c by setting the same width dimension on both the inner diameter side and the inner diameter side is more effective in increasing the output current.
  • the output can be improved by about 10% when the width of the claw 112c is the same between the inner and outer diameters as in the present embodiment, compared to the case where the drawing is performed.
  • the vehicular AC generator includes the cylindrical portion 112a around which the field coil 12 is wound, and the plate-like first arranged so as to face both axial end surfaces of the cylindrical portion 112a.
  • a stator 4 having a laminated core around which an armature coil 5 is wound, which are opposed to each other with a rotation gap around the outer periphery of the Rundel-type rotor 112.
  • the end plate portion 112b of the end plate portion 112b is a disc region 112 that is continuous over the entire circumference of the rotation axis.
  • B consisting of a disc region 1120B protrudes in the outer peripheral direction, a plurality of projected regions 1120A claw portion 112c is formed.
  • the diameter dimension De of the bottom of the valley region formed between the projecting regions is set to be not less than the root inner diameter size Dc of the claw portion 112c formed in the projecting region 1120A and not more than the outer diameter size Dr of the claw portion 112c.
  • the magnetic resistance is reduced and the output current can be improved.
  • the protruding region 1120A in which the claw portion 112c is formed tends to be deformed so that the claw portion 112c is opened outward by a centrifugal force applied to the claw portion 112c.
  • the size of the valley region is smaller than the conventional one, the protruding amount of the protruding region 1120A in the outer diameter direction is small, the mechanical strength is increased, and the protruding region 1120A in which the claw portion 112c opens outward. Can be reduced.
  • the cooling air from the fans 7F and 7R is blown toward the field coil 12 from the back side (outside) of the end plate portion 112b. If the valley region is largely cut as in the conventional case, dust or the like that flows along with the cooling air easily adheres to the field coil through the valley region. However, in this embodiment, since the valley region is smaller than the conventional one, adhesion of dust or the like to the field coil 12 can be reduced.
  • the width dimension in the circumferential direction of the claw portion 112c is set equally from the outer peripheral side to the inner peripheral side.
  • the output current can be improved as compared with the conventional vehicular AC generator having a shape narrowed toward the inner periphery as shown in a).
  • the two-piece configuration in which the rotor 112 is composed of the two rotor cores 112F and 112R has been described.
  • the rotor 112 is sandwiched between a pair of end plates having claw portions and the one end plate.
  • the present invention can be similarly applied to a three-piece rotor composed of cylindrical members arranged in such a manner.
  • the bottom of the valley region is an arc surface, but it may be a flat surface. In that case, what is necessary is just to consider twice the distance of the plane and the axis center as the above-mentioned valley diameter De.

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Abstract

 車両用交流発電機は、界磁コイルが巻装された円筒部(112a)と、円筒部(112a)の軸方向両端面に対向するように配置された板状の第1および第2の端板部(112b)と、第1の端板部(112b)から第2の端板部方向へと回転軸に平行に伸延する複数の第1の爪部(112c)と、第2の端板部(112b)から第1の端板部方向へと回転軸に平行に伸延し、複数の第1の爪部(112c)に対して周方向に交互に配置された第2の爪部(112c)と、を有するルンデル型回転子と、ルンデル型回転子の外周に回転空隙を有して対向配置され、電機子コイルが巻装された積層鉄心を有する固定子と、を備え、第1および第2の端板部(112b)は、回転軸の回り一周に渡って連続している円板領域と、円板領域から外周方向に突出し、爪部(112c)が形成された複数の突出領域とから成り、突出領域間に形成される谷間領域の底部の径寸法(De)を、突出領域に形成された爪部(112c)の根元内径寸法(Dc)以上、かつ、爪部(112c)の外径寸法(Dr)以下に設定した。

Description

車両用交流発電機
 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。
 近年、自動車用交流発電機に対する要請として、小型化ならびに同一体格で発電能力の向上が求められている。即ち、小型で高出力の車両用交流発電機を合理的な価格で提供することが求められている。
 特許文献1に記載の車両用交流発電機では、円筒部、継鉄部、爪状磁極部を有するルンデル型鉄心を有した回転子を備えている。回転子から発生する磁束Φは、界磁コイルの起磁力をAT、各部(円筒部、継鉄部、爪状磁極部、空隙、固定子鉄心)の磁気抵抗の和をRmとすると、周知のように式Φ=AT/Rmで表される。この磁束Φは、特許文献1の図2に示されるように円筒部から、継鉄部、爪状磁極部に流れ、爪状磁極部から固定子鉄心に流入する。
 特許文献1によれば、従来は、ルンデル型鉄心の各部(円筒部、継鉄部、爪状磁極部)の磁路断面積を、ほぼ同一にすることが望ましいとされている。また、界磁コイルの巻装に必要なスペースを確保するようにすることも必要であった。このように設計された回転子の発生磁束に対応して、固定子鉄心の磁路断面積も決められる。一般に、固定子鉄心の材質は回転子鉄心の材質に比べて磁気特性が良好なため、固定子鉄心の磁路断面積は回転子鉄心の磁路断面積よりも小さく決定される。
 このような従来設計に対して設計方法の考え方を変えて、固定子鉄心の軸方向長さを回転子円筒部の軸方向長さよりも長くし、かつ、爪状磁極部の根元断面積を円筒部面積や継鉄部断面積より狭くしたものが提案されている(例えば、特許文献1および2参照)。この構成においては、磁束の一部が継鉄から直接固定子鉄心に流入し、爪状磁極部の根元部断面積を小さくすることで界磁コイルのコイル断面を確保するようにしている。
特許第3381608号公報 特許第3436148号公報
 しかしながら、上述した特許文献1に記載の回転子鉄心のように、爪状磁極部の根元断面積を円筒部面積や継鉄部断面積より狭くする場合、爪状磁極部の根元部近傍での磁気飽和を考慮してより詳細に検討する必要がある。例えば、爪状磁極部の根元断面積小さくし過ぎると爪状磁極根元において磁気抵抗が増大して飽和し、期待通りに出力電流の向上が図れなくなる。このように、車両用交流発電機では、いかにして出力電流の向上を図るかが課題となっていた。
 上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。 
 当該車両用交流発電機は、界磁コイルが巻装された円筒部と、該円筒部の軸方向両端面に対向するように配置された板状の第1および第2の端板部と、第1の端板部から第2の端板部方向へと回転軸に平行に伸延する複数の第1の爪部と、第2の端板部から第1の端板部方向へと回転軸に平行に伸延し、複数の第1の爪部に対して周方向に交互に配置された第2の爪部と、を有するルンデル型回転子と、ルンデル型回転子の外周に回転空隙を有して対向配置され、電機子コイルが巻装された積層鉄心を有する固定子と、を備え、第1および第2の端板部は、回転軸の回り一周に渡って連続している円板領域と、円板領域から外周方向に突出し、爪部が形成された複数の突出領域とから成り、突出領域間に形成される谷間領域の底部の径寸法は68mm以上78mm以下に設定される。
 本発明によれば、車両用交流発電機の出力および効率の更なる向上を図ることができ、出力および効率の最大化も可能となる。
車両用交流発電機100の構成を示す断面図。 ロータの半断面図。 固定子コア21とロータコア112F,112Rとを示す図。 ロータコア112Fを軸方向から見た図。 ロータコアの背面側を示す図。 三相全波整流を行う整流回路の構成を示す図。 等価磁気回路を説明する図。 端板部112bの詳細を示す図。 φ128オルタネータに関する出力(A/kg)のシミュレーション結果を示す図。 φ139オルタネータに関する出力(A/kg)のシミュレーション結果を示す図。 谷間領域の谷径Deが爪部112cの根元内周側の径Dcよりも小さい場合のロータコアを示す図。 φ128オルタネータの場合の計算結果を示す図。 φ128オルタネータにおいてX1/X2=1.1、Ls/Ly=1.3とした場合のDeと出力電流の関係を示す図。 図12,13の出力電流がピークとなったときの谷間領域の形状を示す図。 φ139オルタネータにおけるDe対出力電流の計算結果を示す図。 φ139オルタネータにおいてX1/X2=0.82、Ls/Ly=1.21とした場合の谷径Deと出力電流の関係を示す図。 図15,16の出力電流がピークとなったときの谷間領域の形状を示す図。 φ128オルタネータ(16極)の場合のX1/X2対出力の計算結果を示す図。 φ139オルタネータ(16極)の場合のX1/X2対出力の計算結果を示す図。 爪部112cの断面形状を示す図。
 以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図1は本発明の一実施の形態を示す図であって、車両用交流発電機100の構成を示す断面図である。ロータ112が設けられたシャフト18の先端にはプーリ1が取り付けられており、このプーリ1と不図示のエンジンの駆動軸に取り付けられたプーリとの間にはベルトが架け回されている。シャフト18は、フロントブラケット14に設けられたベアリング2Fと、リアブラケット15に設けられたベアリング2Rとにより回転可能に支持されている。ロータ112と僅かなギャップを介して対向配置される固定子4は、フロントブラケット14とリアブラケット15によって挟持されるように保持されている。
 図2、図3および図4はロータ112の形状を説明する図である。図2はロータ112の全体を示す図で、上側半分を断面で示したものである。図3は、固定子コア21、および、ロータ112の一部を構成する一対のロータコア112F,112Rの各断面を示す図である。図4は、ロータコア112Fを軸方向から見た図である。なお、ロータコア112Rは、ロータコア112Fと同一形状である。
 ロータ112は、図2に示すようなルンデル型回転子(爪状磁極型回転子)を構成している。磁性材料にて成形されたロータコア112F,112Rは、シャフト18と一体に回転するように、シャフト18の回転軸方向の略中央部にそれぞれセレーション結合されている。フロント側のロータコア112Fとリア側のロータコア112Rとは、それぞれの円筒部112aが向かい合って当接するようにシャフト18に取り付けられ、各ロータコア112F,112Rの外側端をシャフト18に形成した環状溝内に塑性流動させることで、軸方向の移動が規制されている。
 図3および4に示すように、ロータコア112F,112Rは、いずれも、円筒部112aと、回転軸に垂直な端板部112bと、端板部112bから回転軸に対して平行に伸延している複数の爪部112cとを有する。端板部112bは図4からも分かるように完全に円形ではなく、爪部112cに連結している部分が外周方向に突出している。ロータコア112F,112Rには爪部112cがそれぞれ6つ形成されており、ロータ112のポールコア極数は12極になっている。
 図5は、ロータコアの背面側(爪部112cが形成されていない面側)を示す図である。端板部112bは、爪部112cが形成される突出領域1120Aと、円形を成す円板領域1120Bとを有している。隣り合う突出領域1120A間に形成される谷間領域と対向する位置に、他方のロータコアの端板部112bに形成された爪部112cが二点差線で示すように配置される。
 なお、特許文献1,2に示す従来の車両用交流発電機(オルタネータ)では、例えば、特許文献1の図9や特許文献2の図3に示すように、回転軸に垂直な板状の継鉄部は、隣接する一対の爪状磁極部の連結部分の間が内周側に大きく切れ込んだ谷間領域となっている。谷間領域の底の部分は、円筒部付近まで達している。一方、図4に示す例では、端板部112bの突出領域1120A間の谷間領域は爪部112cの根元内径までしか切れ込んでおらず、爪部根元よりも内周側の端板部形状(図5の円板領域1120Bの形状)は円形となっている。詳細は後述するが、従来は大きく切れ込んだ谷間領域であったものを、本実施の形態では、図4のように谷間領域を埋め込むことにより、出力電流の向上を図ることが可能となった。
 図2に示すように、ロータコア112F,112Rは互いの円筒部112aが対向するようにシャフト18に取り付けられる。各ロータコア112F,112Rの端板部112bに設けられた爪部112cは、他方のロータコア方向に伸延している。ロータコア112Fの爪部112cとロータコア112Rの爪部112cとは、ロータ周方向に交互に配置されている。
 円筒部112aの外周と爪部112cの内周との間には、コイルボビン17に巻装された界磁コイル12が配置される。コイルボビン17はロータコア112F,112Rの円筒部112aに外挿され、界磁コイル12はコイルボビン17の胴部に回転軸回りに巻装されている。ロータコア112F,112Rと界磁コイル12との間に介在するコイルボビン17によって、界磁コイル12の絶縁が保たれている。
 図1に戻って、シャフト18の後端には、界磁コイル12に給電するためのスリップリング9が設けられている。界磁コイル12を構成するコイル導体の両端は、シャフト18に沿って延出し、スリップリング9に夫々接続されている。このスリップリング9に接触するブラシ8を介して、車両に搭載されたバッテリーから、磁界を発生するための電力が界磁コイル12に給電される。
 ロータ112の回転軸方向の前後両端面には、外周側に複数の羽根を有するフロントファン7Fおよびリアファン7Rが取り付けられている。これらのファン7F,7Rはロータ112と一体的に回転し、内周側から外周側に空気を流通させる。なお、フロントブラケット14側のフロントファン7Fは、リアブラケット15側のリアファン7Rよりも羽根が小さく、流通させる空気の流量もフロントファン7Fは、リアファン7Rよりも少ない。
 固定子4は固定子コア21と固定子巻線5とから構成され、ロータ112と僅かなギャップを介して対向配置されている。固定子コア21は、フロントブラケット14とリアブラケット15によって前後から挟持されるように保持されている。固定子巻線5は三相巻線で構成されており、それぞれの巻線の口出し線は、整流回路11に接続されている。整流回路11はダイオード等の整流素子により構成され、全波整流回路を構成している。例えば、ダイオードを用いた場合、ダイオードのカソード端子はターミナル6に接続され、アノード側の端子は車両用交流発電機本体に電気的に接続される。なお、冷却のための風穴が設けられたリアカバー10は、整流回路11の保護カバーの役割を果たしている。
 図6は、6つのダイオード111を用いて三相全波整流を行う整流回路11の構成を示したものである。整流回路11は、2つのダイオード111から成る直列回路を3組並列接続したものである。U,V,W相の固定子巻線5は3相Y結線で接続されており、その反中性点側の端子は直列接続されたダイオード111の接続点に接続されている。上側(プラス側)のダイオード111のカソードは共通となっており、バッテリー99のプラス端子に接続されている。下側(マイナス側)のダイオード111のアノードはバッテリー99のマイナス端子に接続されている。
 次に、発電動作について説明する。上述したように、プーリ1とエンジン側プーリとはベルトで連結されており、エンジンの回転と共にロータ112が回転する。界磁コイル12に電流が流れることでロータ112は磁化され、界磁コイル12の周囲を周回する磁路がロータ112に形成される。一方のロータコアの爪部112cから出た磁束は固定子コア21に入った後に、他方のロータコアの爪部112cへと入る。そして、ロータ112が回転すると回転磁界が形成され、固定子巻線5に三相の誘導起電力が発生する。その電圧は上述した整流回路11で全波整流され、直流電圧が発生する。この直流電圧のプラス側はターミナル6と接続されており、さらにバッテリー99と接続されている。
 なお、詳細は省略するが、界磁コイル12に供給される界磁電流は、整流後の直流電圧がバッテリー99を充電するのに適した電圧となるように制御され、また、発電電圧が車両のバッテリー電圧より高くなったときに発電を開始するように、バッテリー99の状態に応じて制御される。この発電電圧を調整するための電圧制御回路としてのICレギュレータ(図示せず)は、図1に示したリアカバー10の内部に配置された整流回路11に内蔵され、ターミナル6の端子電圧が常に一定電圧となるように制御している。
 本実施の形態では、図3に示す固定子コア軸長Lsを円筒部軸方向長さLy以上に設定している。そのため、円筒部112aから界磁コイルのATにより発生した磁束は、端板部112bを経由して直接固定子コア21に流入する磁束と、爪部112c経由で固定子コア21に流入する磁束とに分岐する。この固定子コア21に直接流入する磁束量と、爪部112cを経由して爪部外周面から固定子コア21に流入する磁束量との配分を適切に選択しないと、期待通りの高出力を得ることができない。
 以下では、Ls≧Lyの場合において、出力を最適にする形状について説明する。図7(a)は本実施の形態における等価磁気回路を示す図であり、また、図7(b)は、ロータコア112Fにおける固定子コア21に対向する面を示す図である。図7(a)において、S1は円筒部112aにおける磁路の断面積を表し、S2は端板部112bにおける磁路の断面積を表し、S3は爪部112cにおける磁路の断面積を表している。また、円筒部112aの磁気抵抗をr1、端板部112bの磁気抵抗をr2、爪部112cの磁気抵抗をr3とする。
 図7(b)において、符号S4は、爪部112cにおける固定子コア21に対向する面(外周面)を表しており、その領域の面積も符号S4で表す。符号S5は、端板部112bの外周面の内、固定子コア21に対向する領域を表しており、その領域の面積も符号S5で表す。爪部112cの面S4と固定子コア21との空隙の磁気抵抗をr4とする。また、端板部112bの外周面S5と固定子コア21との空隙の磁気抵抗をr5とする。
 図7および特許文献1の図5から分かるように、面S3およびS4を通過して固定子コアに入る磁束は、磁気抵抗r3,r4を通過する磁束である。一方、面S5を通過して固定子コアに入る磁束が、磁気抵抗r5を通過する磁束である。
 円筒部112aの断面積S1は、図3に示すように円筒部112aの外径をDy、シャフト18の外径をDs、ポールコア極数をP、とすると、次式(1)のように表される。なお、シャフト18の材質はロータコアより磁気特性を重視せず機械強度を重視する材質となっているため、ここではシャフト18を磁気回路から除いて考える。
 S1={π/(4・P/2)}・(Dy-Ds)  …(1)
 図4に示す爪部112cの磁極幅Wは、ロータコア112F,112Rの外周寸法π・Drを極数Pで割った値とする。すなわち、W=(π・Dr)/Pである。図8は端板部112bの詳細を示す図である。一つの爪部112cに関する磁路について、図8(b)の一点鎖線で挟まれた領域を対応させて考える。ここで、端板部112bの円筒部112aから爪部112cまでの領域を、爪部112cの根元に連結している部分と、その連結部分と円筒部112aとの間の符号Aで示す部分とに分けて考える。A部分に関して断面積をS20、磁気抵抗をr20とする。また、連結部分の断面積をS21、その部分の磁気抵抗をr21とする。
 この場合、A部分の断面積S20および磁気抵抗r20は、簡略的に次式(2),(3)で表される。Pは極数、μ2は端板部112bの透磁率である。式(2)の右辺第1項は図8の領域Aの内周側の円弧面の面積であり、右辺第2項は領域Aの外周側の円弧面の面積である。そのため、断面積S20はそれらの平均値となっている。なお、Deは、爪部112間の谷間領域の谷部の径寸法である。
   S20=X2 ・(πDy/P/2+πDe/P/2)/2  …(2)
    r20=(De-Dy)/2÷(μ2・S20)   …(3)
 一方、爪部根元の連結部分の断面積S21および磁気抵抗r21は、簡略的には次式(4)、(5)で表される。
    S21=W・X2   …(4)
    r21=0.5X1/(μ2・S21)   …(5)
 したがって、本実施の形態においては、図7(a)に示す断面積S2の代わりに上述した断面積S20および断面積S21を使用し、図7(a)の磁気抵抗r2は次式(6)のように表される。このような前提のもとで、最大出力が得られるようにX1,X2を決めればよい。
    r2=r20+r21   …(6)
 円筒部112aの磁気抵抗r1、端板部112bの磁気抵抗r2および爪部112cの磁気抵抗r3は、それぞれr1=Ly/(μ・S1)、r2=r20+r21、r3=Lp/(μ・S3・k)のように表される。ここで、Lyは円筒部112aの軸方向長さ、Lpは爪部112cの軸方向長さである。また、μは円筒部112aの透磁率である。同様に、μは端板部112bの透磁率であり、μは爪部112cの透磁率である。kは爪部112cの形状係数であり、爪部112cの形状が先端方向に絞られていることを表す係数であり、通常、経験的に1.0~1.3の範囲にある。一方、空隙部の磁気抵抗r4,r5は、空隙の寸法をδとしたときに、r4=δ/(μ・S4),r5=δ/(μ・S5)と表される。
 端板部112bから固定子コア21までの磁気回路の合成磁気抵抗r345は、磁気抵抗r3,r4,r5を用いて次式(7)のように表される(図7参照)。また、界磁コイル12によって励磁される磁気回路の合計磁気抵抗は、固定子コア21の磁気抵抗をr6とすると、r1+r2+r345+r6のように表される。そのため、合成磁気抵抗r345を最適化することにより高出力が得られる。
    1/r345=1/(r3+r4)+1/r5
    r345=r5(r3+r4)/(r3+r4+r5)  …(7)
 式(7)の各磁気抵抗に断面積を用いた磁気抵抗の式を代入して整理すると、合成磁気抵抗r345は次式(8)のように表される。なお、式(8)において、μはμ=(μ)・kである。
 r345=(LpδS4+μδS3)/μ(μS3S4δ+S4S5Lp+μS3S5δ)
                               …(8)
 しかしながら、この式(8)は現象の説明には便利であるが、実際のルンデル型ロータにおいて式(8)を利用して精度ある解を求めるのは困難である。それは、ここで示すS1~S5までの各断面積と長さで規定される各ブロックの磁束密度、透磁率を一定であるとして、略集中回路的に考えているために、実際の三次元構造を有するルンデル型ロータが示す現象との間に乖離が生じているためである。鉄が磁気飽和特性を有しているために、実際の現象は微小ブロック毎に分布定数的に、透磁率および磁束密度が異なっていると考えられる。
 そのため、近年、正確な現象を解析するために三次元電磁界解析技術を利用し、固定子、ルンデル型ロータ及びシャフト、固定子コイル、さらには漏れ磁束を考慮する必要がある。固定子およびルンデル型ロータの周囲の空気層まで含めて、各部の磁束分布・磁束密度を考慮した適切な大きさの微小ブロック(解析学的には節点と要素で構成されている微小空間ブロックと称しているが一台の車両用交流発電機(オルタネータ)あたり数十万ブロックに分割)に分割して、その微小ブロックごとの磁気飽和の程度、透磁率、磁束密度を計算し、分布定数的に解析する方法が採用されている。
 そこで、本実施の形態では、このような問題点を解決するために、各磁気回路の磁気飽和も考慮した3次元電磁界解析を適用することとした。一般的に、オルタネータとしては、一部の例外を除き殆どφ128オルタネータおよびφ139オルタネータと通称される2系列に分けられる。
 ここでは、まずφ128オルタネータにて検討する。ロータコアの形状は上述したものと同様とし、以下の式(9)、(10)、(11)を満足するものとする。具体的な寸法は、従来製造されているφ128オルタネータの設計定数を利用し、極数=12極、Dy=54mm、Ds=17mm、Dr=99.4mm、δ=0.3mmとする。また、端板部112bの厚みX2も、従来機と同じくX2=13.5mmとした。また、Ly=26mmとし、LsをLs/Ly=1.15~1.75になるように変化させた。Ly、X2を変化させなかったのは、今回は同じ軸長で最大出力を得るための条件を求めるためであり、φ128オルタネータとして自動車メーカの仕様にあわせて最大値を選んである。
   S1={π/(4・P/2)}・(Dy-Ds)  …(9)
   X2=S1/W     …(10)
   W=(π・Dr)/P  …(11)
[X1/X2を変化させたときの出力電流の変化]
 このような定数において、爪部112cの根元厚みをX1とし、X1/X2を0.6~1.2、Ls/Ly を1.15~1.75まで変化させて出力電流の推移を求めた。なお、式(4)では合成磁気抵抗r345は断面積S3,S4,S5を用いて表されているが、この場合には、X1、X2等を用いて書き換えたものを使用する。また、図4に示す例では、根元内周側の径Dc(以下では、爪部根元内径と呼ぶことにする)と谷径Deとを同一寸法としているので、X1/X2を変化させると(すなわち、X1を変化させると)、それに応じて谷径De(=Dc)も変化することになる。
 ここでは、X1とX2(すなわち、S2とS3)との相対的な関係によって出力電流がどのように変化するかを検討するものであり、出力電流の傾向はX1/X2に依存している。そのため、上述したようにX2をX2=13.5mmに固定し、X1を変化させることでX1/X2を0.6~1.2まで変化させた場合も、逆に、X1を固定し、X2を変化させることでX1/X2を0.6~1.2まで変化させた場合も、出力電流は同様の傾向を示す。
 一般に、オルタネータにおいては1800r/minでの出力電流を評価の基準にしているので、ここでの出力電流は、回転数1800r/minでの最大界磁電流のときを示す。また、爪部112cの根元部の寸法X1が小さい場合には界磁コイルを巻回できる面積が増加するので、この寸法X1と、円筒部112aに対して界磁コイルが巻回できる面積(すなわち、図3の円筒部112a、端板部112bおよび爪部112cにより囲まれた部分の断面積)、および、界磁コイルの巻き数(界磁コイルAT)とを連動させて計算する。それ以外の固定子コア形状等はX1に拠らず一定としている。
 図9はφ128オルタネータに関するシミュレーション結果を示したものであり、データL1はLs/Ly=1.15の場合を、データL2はLs/Ly=1.3の場合を、データL3はLs/Ly=1.5の場合を、データL4はLs/Ly=1.75の場合をそれぞれ示す。なお、ここでは、重量(kg)当たりの出力電流(A)を出力(A/kg)とした。
 データL1~L3の変化傾向を見ると、X1/X2が0.6から0.8の間においては、X1/X2の増加とともに出力は増大し、X1/X2=0.9でほぼ最大となる。X1/X2が0.9から1.1までにおいては、X1/X2が増加しても出力はほぼ一定となっている。X1/X2が1.1を超えると、L2,L3に減少が見え始め、L1も1.2付近から減少し始める。このことから、X1/X2については、0.9以上1.1以下に設定するのが好ましい。
 また、X1/X2=1.75のデータL4については、データL1~L3と比べて出力の傾向が異なっており、X1/X2が0.6から1.0までほぼ一定で、1.0より大きくなるとゆっくりと減少する。出力の値についても、X1/X2が0.8以上では、データL1~L3とかけ離れた小さな値となっている。このことから、Ls/Lyは略1.5以下に設定するのが好ましいことがわかる。
 X1/X2が0.8よりも小さくなったときの出力の減少は、X1が小さくなって界磁巻数が増加しても爪部112cにおけるATの消費が著しくなり、界磁巻数の増加に対して磁束が期待通りに増えず、かえって減少していることを示している。また、X1/X2が0.8から1.1の間においては、X1/X2の変化による爪部112cにおける起磁力の増減、更には磁極間の谷間領域を小さくしたことによる端板部の磁路断面積の拡大による起磁力の減少、および界磁巻線の巻数の減少により、出力がほぼ一定となる。さらに、X1/X2が1.1よりも大きくなると、磁気抵抗減少によるプラス効果よりも界磁巻数減少によるマイナス効果の方が若干上回り、X1/X2の増加とともに出力が減少している。
 一方、図10はφ139オルタネータに関するシミュレーション結果を示したものであり、データL11はLs/Ly=1.07の場合を、データL12はLs/Ly=1.21の場合を、データL13はLs/Ly=1.5の場合を、データL14はLs/Ly=1.75の場合をそれぞれ示す。φ139オルタネータの場合も、図3の各寸法は、従来製造されているφ139オルタネータの設計定数を利用し、Dy=60mm、Ds=17mm、Dr=106.3mm、δ=0.35mmとする。また、端板部112bの厚さX2も従来機と同様にX2=14.5mmとした。
 図10の計算結果を見ると、データL11~L13は同じような変化傾向を示しており、Ls/Ly=1.75のデータL14の傾向はデータL11~L13と異なっている。このことから、φ139オルタネータにおいても、Ls/Lyを略1.5以下に設定するのが好ましいと言える。
 Ls/Ly=1.5のデータL13を見ると、ほぼX1/X2=0.9が出力(A/kg)のピークとなっている。図10から、30(A/kg)以上となる範囲をピーク範囲とすると、ピーク範囲のX1/X2は0.8以上1.1以下となっている。そして、Ls/Lyが1.5よりも小さくなると、データL11、L12のように出力の曲線は上方へ移動することがわかる。上述したように、Ls/Lyを1.5以下に設定することを考慮すると、X1/X2を0.8以上1.1以下に設定することにより、高性能なオルタネータを達成することができる。
 なお、上記シミュレーションでは、界磁コイル12は、円筒部112a、端板部112b、爪部112c内周面にて形成される空間において一定の占積率68%とされ、かつ、制御装置の保護のため界磁コイル抵抗値が約2Ωとなるように巻線径を調整して巻数を決めている。
[出力電流に対する、端板部112bの谷間領域の影響]
 上述したシミュレーションでは、端板部112bの形状は、図4や図8に示したように爪部根元の内周側の形状が円形であって、爪部根元に連結する部分のみが外周方向に突出した形状であるとしている。すなわち、爪部112c間の谷間領域の谷部の径寸法Deと爪部根元の径寸法とが等しく設定されている場合の、シミュレーション結果である。
 ところで、式(2)~(6)に示したように、端板部112bの磁気抵抗r2は、爪部112c間の谷間領域の谷径Deによって変化する。図11は、谷間領域の谷径Deが爪部112cの根元内周側の径Dcよりも小さい場合のロータコアを示す図である。なお、図4や図8に示したロータコアは、谷底面が図11の二点鎖線で示すようにDe=Dcの場合を示したものである。
 図11のようにDc>Deに設定した場合には、上述した式(5)の代わりに、次式(12)で与えられる磁気抵抗r21を使用する必要がある。
    r21=0.5(Dr-De)/(μ2・S21)   …(12)
 図12,13はφ128オルタネータの場合の計算結果であり、谷径Deと出力電流との関係を示す図である。図12はX1/X2=0.93の場合を示し、図13はX1/X2=1.1の場合を示す。いずれも、Ls/Ly=1.30として計算したものである。なお、上述したようφ128オルタネータの設計定数をDr=99.4mm、X2=13.5mmのように設定しているので、X1/X2=0.93の場合の爪部112cの爪部根元内径DcはDc=74mmであって、X1/X2=1.1の場合にはDc=70mmとなる。
 図12および図13のいずれの場合も、谷径Deを大きくして谷間領域の大きさを小さくすると、出力電流も上昇する。これは、谷間領域を埋めることにより、その埋めた部分にも磁束が通るため磁気抵抗が小さくなり、出力電流が増加するものと考えられる。出力電流は谷径Deの増加とともに増大し、図12および図13のいずれの場合もDe=73mmの近傍でピークとなり、その後は減少傾向となっている。
 図14は、図12,13の出力電流がピークとなったときの谷間領域の形状を示す図であり、(a)は図12の場合(X1/X2=0.93)、(b)は図13の場合(X1/X2=1.1)である。図14(b)に示すように、X1/X2=1.1の場合には、ピーク位置の谷径Deは爪部根元内径Dcよりも大きくなっている。これは、上述したように谷間領域を埋めた部分にも磁束が通り、出力電流が改善されることからも理解できる。
 一方、図12,図14(a)に示すX1/X2=0.93の場合にも同様の考え方をすれば、図12のDe>Dcの領域での出力電流がDe=Dcにおける出力電流よりも大きくなることが期待されるが、計算結果はそのようになっていない。これは、図2や図5からも分かるように、谷間領域の底部(谷径Deの部分)と、反対側の端板部112bから伸延した爪部112cとの間の漏れ磁束が影響しているためである。漏れ磁束が多くなると出力電流が減少する。
 谷径Deを大きくし過ぎると、谷間領域の底部と反対側の爪部内周面との距離が小さくなり過ぎ、漏れ磁束による出力電流へのマイナス効果によって、谷間領域を埋めたことによるプラス効果が打ち消されてしまうことになる。その結果、谷径Deの増加につれて上昇していた出力電流が減少に転じることになる。
 仮に、谷間領域が形成されている端板部112bと反対側の爪部112cとの距離が十分に離れているとすれば、谷径Deが爪部根元内径Dcよりも大きくなっても、磁気抵抗低減の効果が飽和するまでは、谷径Deの増加に伴って出力電流は増加する。谷径Deは最大でもDrであり、出力電流がピークとなる谷径DeはDr以下と考えられる。
 しかしながら、実際には、谷径Deを大きくして行くと反対側の爪部112cとの間の漏れ磁束が影響して、図12,13に示すようにDe=73mmを超えた頃から出力電流が減少し始める。漏れ磁束による影響が現れる谷径Deの目安としては、爪磁極間のギャップ寸法が考えられる。そのため、出力電流が大きくなるように谷間領域の谷径Deを設定する場合には、磁気抵抗低減だけでなく上述したような漏れ磁束も考慮して設定する必要がある。このことから、谷径Deの大きさの目安としては、図2の爪部112cと谷底部との距離Bが、爪部112c間の距離C以上となるように設定するのが好ましい。
 図12,13に示すように、谷径Deを変化させたときの出力電流の変化の仕方は、X1/X2の値には殆ど依存することなく同じような傾向を有している。図12において、谷間領域の谷径Deを68mm以上78mm以下に設定すると、最大出力電流から2(A)程度下がった所までを範囲とする出力電流が得られる。また、図13において谷径Deの範囲を同様に設定すると、最大出力電流からの低下は1(A)以下となる。よって、φ128オルタネータの場合に、マイナス2(A)を目安として最大出力電流近傍の出力電流を得るためには、谷径Deを68mm以上78mm以下に設定するのが好ましい。
 図15,16はφ139オルタネータの場合における計算結果を示したものであり、図15はX1/X2=1.1の場合を示し、図13はX1/X2=0.82の場合を示す。いずれも、Ls/Ly=1.21として計算したものである。φ139オルタネータの設計定数はDr=106.3mm、X2=14.5mmのように設定されているので、X1/X2=1.1の場合の爪部根元内径DcはDc=74mmであって、X1/X2=0.82の場合にはDc=83mmとなる。
 図15および図16に示す出力電流は同じような傾向となっており、出力電流のピーク位置も接近している。図15に示すX1/X2=1.1の場合にはピーク位置はDe=75の近傍で、図16に示すX1/X2=0.82の場合にはDe=77の近傍にピークがある。図17は、図15,16の出力電流がピークとなったときの谷間領域の形状を示す図であり、(a)は図15の場合(X1/X2=1.1)、(b)は図16の場合(X1/X2=0.82)である。
 φ139オルタネータの場合も、谷間領域の底部と反対側の爪部112cとの間の漏れ磁束の影響が出ており、特に、図16の場合には、爪部根元内径Dcに対してピーク位置の谷径Deが比較的大きくなっている。このようにX1/X2が異なっていて爪部根元内径Dcが異なる場合でも、図15,16に示すようにピーク位置はほぼ似たような値となり、曲線の形状も同様の傾向となっているのがわかる。
 図15において、谷間領域の谷径Deを70mm以上80mm以下に設定すると、最大出力電流から2(A)程度下がった所までを範囲とする出力電流が得られる。また、図16において、最大出力電流から2(A)程度下がった所までの出力電流が得られる谷径Deの範囲は、ほぼ70mm以上83mm以下となる。よって、φ139オルタネータの場合に、マイナス2(A)を目安として最大出力電流近傍の出力電流を得るためには、谷径Deを70mm以上80mm以下に設定するのが好ましい。
 一般に、オルタネータに用いられるロータでは、12極のものと16極のものとが知られている。図18および図19は16極の場合のX1/X2対出力電流の計算結果を示したものであり、図18はφ128オルタネータの場合で、図19はφ139オルタネータの場合である。図18,19は12極の場合の図9,10に対応する図であって、同様の傾向を有している。そして、出力電流がほぼ最大となるX1/X2の範囲についても、12極の場合と同様に、φ128オルタネータにおいては0.9~1.1であって、φ139オルタネータにおいては0.8~1.1であると言える。このように、12極の場合も16極の場合も同様の出力傾向を示していることがわかる。
[コイル冷却に関する説明]
 図2に示したように、ロータ112にはフロントファン7Fおよびリアファン7Rが設けられており、界磁コイル12は、これらのファン7F,7Rによって形成された冷却風により冷却される構成となっている。そのため、図14(b)のように谷径DeがDe>Dcのように設定された場合、界磁コイル12を爪部根元内径Dcまで巻回したとしても、コイル外径Dcoilは谷径Deよりも小さいことになる。その結果、端板部112bが界磁コイル12の外周面への冷却風の流れを阻害し、コイル冷却効果が低下することになる。
 そのため、界磁コイル12の冷却まで考慮した場合には、谷径DeをDe≦Dcoilのように設定するのが好ましい。例えば、図14(b),図17(a)に示すように、出力電流のピーク位置の谷径DeがDe>Dcとなっている場合を考えると、界磁コイル12が爪部根元内径Dcまで巻回されている場合にはDe=Dc(=Dcoil)のように設定され、コイル外径DcoilがDcoil<Dcである場合には、De=Dcoilのように設定される。一方、図14(a),図17(b)のように出力電流のピーク位置の谷径DeがDe<Dcとなっている場合には、界磁コイル12が爪部根元内径Dcまで巻回されていれば、谷径Deをピーク位置の谷径Deに設定することができる。もちろん、ピーク位置の谷径De(peak)がコイル外径Dcoilに対してDcoil<De(peak)であった場合には、De=Dcoilのように設定される。
 なお、円筒部112aに巻回された界磁コイル12は、軸方向中央部が外周方向に盛り上がるような形状となる場合があるが、ここでのコイル外径Ccoilは軸方向両端部分の外径で考えている。
[爪断面形状に関する説明]
 ところで、従来のルンデル型ロータでは、図20(a)に示すように、各爪部112cは、隣接する爪部112cに対向する2つの側面73が、それぞれ外径側から内径側にかけて絞ったような形状となっている。各側面73はそれぞれ角度θだけ絞っており、2つの側面73が成す角度は2θとなっている。例えば、12極の場合には、爪部112cの側面73を片側で15deg絞っており、16極の場合には11.25deg絞っている。
 このような形状とすることで、ロータ112の隣接する爪部間の隙間寸法、すなわち、ロータコア112Fの爪部112cとロータコア112Rの爪部112cとの間の隙間寸法を、外径側から内径側にかけて一定に保つような構成としている。これは、爪部112c間の漏れ磁束の増加を防ぐ意図で、爪部112c間の隙間が内径側に近づいても小さくならないような構造としたものである。
 しかしながら、本発明者による電磁界解析結果によれば、図20(b)に示すように、内径側に向けての絞り加工(例えば、12極機の場合の片側15deg)を廃止して外径側も内径側も同一幅寸法とすることで爪部112cの断面を大きくしたほうが出力電流増加に効果的であることが判明した。実際に計算を行うと、本実施の形態のように爪部112cの幅寸法を内外径で同一とした場合のほうが、絞り加工を施した場合に比べて10%程度の出力向上が図れる。
 上述したように、本発明に係る車両用交流発電機は、界磁コイル12が巻装された円筒部112aと、円筒部112aの軸方向両端面に対向するように配置された板状の第1および第2の端板部112bと、第1の端板部112bから第2の端板部方向へと回転軸に平行に伸延する複数の第1の爪部112cと、第2の端板部112bから第1の端板部方向へと回転軸に平行に伸延し、複数の第1の爪部112cに対して周方向に交互に配置された第2の爪部112cと、を有するルンデル型回転子112と、ルンデル型回転子112の外周に回転空隙を有して対向配置され、電機子コイル5が巻装された積層鉄心を有する固定子4と、を備え、第1および第2の端板部112bは、回転軸の回り一周に渡って連続している円板領域1120Bと、円板領域1120Bから外周方向に突出し、爪部112cが形成された複数の突出領域1120Aとから成る。そして、突出領域間に形成される谷間領域の底部の径寸法Deを、突出領域1120Aに形成された爪部112cの根元内径寸法Dc以上、かつ、爪部112cの外径寸法Dr以下に設定したことにより、磁気抵抗が低減され出力電流の向上を図ることができる。
 また、爪部112cが形成された突出領域1120Aは、爪部112cにかかる遠心力によって爪部112cが外側に開くように変形する傾向にある。しかし、本実施の形態では谷間領域の大きさが従来よりも小さいため、突出領域1120Aの外径方向への突出量が小さく機械的強度が高まり、爪部112cが外側に開くような突出領域1120Aの変形を低減することができる。
 図2に示すように、ファン7F,7Rによる冷却風が、端板部112bの背面側(外側)から界磁コイル12に向けて吹き付けられる構成となっている。従来のように谷間領域が大きく切れ込んでいると、冷却風とともに流れ込んだ塵等が谷間領域を通って界磁コイルに付着しやすい。しかしながら、本実施形態では谷間領域が従来よりも小さいため、界磁コイル12への塵等の付着を低減することができる。
 また、図20(b)に示すように、爪部112cの伸延方向に垂直な断面において、爪部112cの周方向の幅寸法を外周側から内周側まで等しく設定することで、図20(a)のように内周側にかけて絞った形状とする従来の車両用交流発電機に比べて、出力電流の向上を図ることができる。
 なお、上述した実施の形態では、ロータ112が2つのロータコア112F,112Rから構成される2ピース形式について説明したが、爪部が形成された一対の端板と、その一つの端板によって挟持されるように配置される円筒部材とから成る3ピース形式のロータに対しても、本発明は同様に適用することができる。
 また、上述した実施の形態では、谷間領域の底部を円弧面としているが、平面であっても構わない。その場合、その平面と軸中心との距離の2倍を、上述した谷径Deと考えればよい。
 上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

Claims (11)

  1.  界磁コイルが巻装された円筒部と、該円筒部の軸方向両端面に対向するように配置された板状の第1および第2の端板部と、前記第1の端板部から前記第2の端板部方向へと回転軸に平行に伸延する複数の第1の爪部と、前記第2の端板部から前記第1の端板部方向へと回転軸に平行に伸延し、前記複数の第1の爪部に対して周方向に交互に配置された第2の爪部と、を有するルンデル型回転子と、
     前記ルンデル型回転子の外周に回転空隙を有して対向配置され、電機子コイルが巻装された積層鉄心を有する固定子と、を備えた公称φ128の車両用交流発電機であって、
     前記第1および第2の端板部は、回転軸の回り一周に渡って連続している円板領域と、前記円板領域から外周方向に突出し、前記爪部が形成された複数の突出領域とから成り、
     前記突出領域間に形成される谷間領域の底部の径寸法を68mm以上78mm以下に設定した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、
     前記積層鉄心の回転軸方向長さをLs、前記円筒部の長さをLy、前記第1および第2の端板部の厚さをX2、前記第1および第2の爪部の根元径方向厚さをX1としたときに、比率Ls/Lyを1.0以上とし、かつ、比率X1/X2を0.9以上1.1以下に設定したことを特徴とする車両用交流発電機。
  3.  界磁コイルが巻装された円筒部と、該円筒部の軸方向両端面に対向するように配置された板状の第1および第2の端板部と、前記第1の端板部から前記第2の端板部方向へと回転軸に平行に伸延する複数の第1の爪部と、前記第2の端板部から前記第1の端板部方向へと回転軸に平行に伸延し、前記複数の第1の爪部に対して周方向に交互に配置された第2の爪部と、を有するルンデル型回転子と、
     前記ルンデル型回転子の外周に回転空隙を有して対向配置され、電機子コイルが巻装された積層鉄心を有する固定子と、を備えた公称φ139の車両用交流発電機であって、
     前記第1および第2の端板部は、回転軸の回り一周に渡って連続している円板領域と、前記円板領域から外周方向に突出し、前記爪部が形成された複数の突出領域とから成り、
     前記突出領域間に形成される谷間領域の底部の径寸法を70mm以上80mm以下に設定したことを特徴とする車両用交流発電機。
  4.  請求項3に記載の車両用交流発電機において、
     前記積層鉄心の回転軸方向長さをLs、前記円筒部の長さをLy、前記第1および第2の端板部の厚さをX2、前記第1および第2の爪部の根元径方向厚さをX1としたときに、比率Ls/Lyを1.0以上とし、かつ、比率X1/X2を0.8以上1.1以下に設定したことを特徴とする車両用交流発電機。
  5.  請求項1乃至4のいずれか一項に記載の車両用交流発電機において、
     前記突出領域間に形成される谷間領域の底部の径寸法を前記界磁コイルの外径以下に設定したことを特徴とする車両用交流発電機。
  6.  界磁コイルが巻装された円筒部と、該円筒部の軸方向両端面に対向するように配置された板状の第1および第2の端板部と、前記第1の端板部から前記第2の端板部方向へと回転軸に平行に伸延する複数の第1の爪部と、前記第2の端板部から前記第1の端板部方向へと回転軸に平行に伸延し、前記複数の第1の爪部に対して周方向に交互に配置された第2の爪部と、を有するルンデル型回転子と、
     前記ルンデル型回転子の外周に回転空隙を有して対向配置され、電機子コイルが巻装された積層鉄心を有する固定子と、を備え、
     前記第1および第2の端板部は、回転軸の回り一周に渡って連続している円板領域と、前記円板領域から外周方向に突出し、前記爪部が形成された複数の突出領域とから成り、
     前記突出領域間に形成される谷間領域の底部の径寸法を、前記突出領域に形成された前記爪部の根元内径寸法以上、かつ、前記爪部の外径寸法以下に設定したことを特徴とする車両用交流発電機。
  7.  請求項6に記載の車両用交流発電機において、
     前記谷間領域の底部の径寸法は、さらに、他方の端板部から伸延する爪部と前記底部との隙間寸法が前記第1の爪部と前記第2の爪部との隙間寸法以上となるように、設定されていること特徴とする車両用交流発電機。
  8.  界磁コイルが巻装された円筒部と、該円筒部の軸方向両端面に対向するように配置された板状の第1および第2の端板部と、前記第1の端板部から前記第2の端板部方向へと回転軸に平行に伸延する複数の第1の爪部と、前記第2の端板部から前記第1の端板部方向へと回転軸に平行に伸延し、前記複数の第1の爪部に対して周方向に交互に配置された第2の爪部と、を有するルンデル型回転子と、
     前記ルンデル型回転子の外周に回転空隙を有して対向配置され、電機子コイルが巻装された積層鉄心を有する固定子と、を備え、
     前記第1および第2の端板部は、回転軸の回り一周に渡って連続している円板領域と、前記円板領域から外周方向に突出し、前記爪部が形成された複数の突出領域とから成り、
     前記突出領域間に形成される谷間領域の底部の径寸法を前記界磁コイルの外径と等しく設定したことを特徴とする車両用交流発電機。
  9.  請求項1乃至8のいずれか一項に記載の車両用交流発電機において、
     前記第1および第2の爪部は、該爪部の伸延方向に垂直な断面において、周方向の幅寸法が外周側から内周側まで等しく設定されていることを特徴とする車両用交流発電機。
  10.  請求項1乃至9のいずれか一項に記載の車両用交流発電機において、
     前記円筒部は別体に形成された第1の円筒部と第2の円頭部とから成り、
     前記ルンデル型回転子は、前記第1の端板部と前記第1の爪部と前記第1の円筒部とが一体に形成されるとともに、前記第2の端板部と前記第2の爪部と前記第2の円筒部とが一体に形成されている、2ピース形式の回転子であることを特徴とする車両用交流発電機。
  11.  請求項1乃至9のいずれか一項に記載の車両用交流発電機において、
     前記ルンデル型回転子は、前記円筒部と、前記前記第1の爪部が形成された前記第1の端板部と、前記第2の爪部が形成された前記第2の端板部とが別体で形成されている、3ピース形式の回転子であることを特徴とする車両用交流発電機。
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