JP2001103721A - 車両用交流発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】車両用交流発電機の最も大きい損失である固定
子巻線の銅損を、回転子外径と固定子外径の比のバラン
スを最適化することで低減して、効率を向上させる。 【解決手段】爪形磁極構造を持つ車両用交流発電機の爪
磁極間に永久磁石を配置して、回転子外径と固定子外径
の比を０.７３ 未満として、固定子巻線の銅損を大幅に
低減した車両用交流発電機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は車両用交流発電機に
関する。

【０００２】

【従来の技術】車両用交流発電機は固定子巻線を有する
固定子と回転子巻線を有する回転子とを備えている。回
転子は対向する爪形磁極と前記対向する爪形磁極の内側
に回転子巻線が設けられている。前記爪形磁極は軸方向
に突出する爪部を有しており、前記対向する爪形磁極の
爪が円周方向に交互に配置されている。車両用交流発電
機の中には、前記爪形磁極の爪部間に永久磁極が設けら
れているものがある。車両用交流発電機の一例は特開平
9−131030号公報に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】車両用交流発電機の解
決すべき課題の１つは効率を更に向上させることであ
る。例えば自動車用の交流発電機を例として具体的に説
明すると、自動車に搭載されている機器は過去に比べよ
り電力を必要としている。また、地球環境を守るために
は自動車のエネルギー消費、特に燃料の消費量を少なく
することが必要である。このことからより高効率の交流
発電機が望まれている。

【０００４】本発明の目的は効率の良い車両用交流発電
機を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の内の１つにおけ
る解決手段は、上記の目的を達成するために、固定子巻
線の巻線スペースを広げるために回転子の外径を小径化
したことである。これにより固定子巻線の径または断面
積を大きくでき、抵抗値を下げ、固定子巻線で発生する
銅損を低減して効率向上を図るものである。

【０００６】本発明の内の他の１つにおける解決手段は
回転子を小径化することにより銅損の低減を図り、一方
小型化による界磁の起磁力低下の問題を永久磁石を設け
ることで解決したものである。後述の実施の形態では、
上記永久磁石の固定構造を具体的に述べている。この具
体的構造では、永久磁石の磁束を効率的に利用でき、発
電効率を向上できる。

【０００７】他の特徴は実施の形態に関する説明の中で
記載する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施例を図１によ
り説明する。図１は空冷式車両用交流発電機１の縦断面
図である。まず、構成について説明する。本実施形態の
車両用交流発電機１は２個のブラケットを備え、これら
のブラケットはプーリ１０２側に配置されるフロントブ
ラケット１０３及び反プーリ側に配置されるリアブラケ
ット１０４からなる。両ブラケット１０３と１０４は、
プーリ側ベアリングと反プーリ側ベアリングを介してシ
ャフト１０１を支持している。シャフト１０１の一方の
端部にはプーリ１０２が取り付けられ、もう一方側には
２個のスリップリング１１０が取り付けられている。プ
ーリ１０２はベルト（図示せず）を介してエンジンの出
力軸に固定されたプーリ（図示せず）と接続され、エン
ジンの回転速度に比例して回転する。

【０００９】２個のスリップリング１１０は２個のブラ
シ１１１とそれぞれ摺動するように、２個のブラシ１１
１がブラシホルダに取り付けられ、ブラシ１１１から後
述する界磁巻線１０７に界磁電流が供給される。また、
プーリ１０２とスリップリング１１０の間に位置する配
置関係で、シャフト１０１に回転子すなわち回転子２０
２が取り付けられている。

【００１０】回転子２０２は第１の爪形磁極２０８と第
２の爪形磁極２０９を有し、第１と第２の爪形磁極２０
８と２０９は軸方向に対向するように配置されている。
爪形磁極２０８と２０９はそれぞれ回転子２０２の軸方
向に突出するすなわち軸方向に伸びた爪部を複数個有し
ている。回転子２０２の外周つまり円周方向に、第１の
爪形磁極２０８と第２の爪形磁極２０９の爪部が交互に
配置されるように構成されている。回転子２０２の両側
には固定子巻線で発生する発熱を冷却するための２個の
冷却ファン２１４と２１５が配置される。また、回転子
２０２の内側にヨーク１１６が設けられ、その外周部に
はボビン１２３に巻かれた界磁巻線107が設けられる。
この界磁巻線１０７にスリップリング１１０から直流電
流を供給することによって前記爪形磁極２０８と２０９
を磁化させる。界磁巻線１０７はこの実施の形態では１
例として丸型形状であり、１２ボルト発電用あるいは２
４ボルト発電用で直径が０.７mmから１.０mmである。

【００１１】一対の爪形磁極２０８と２０９の隣り合う
爪部の間には永久磁石１１２がそれぞれ配置され、回転
子２０２の爪形磁極２０８と２０９の外周部には永久磁
石１１２の飛び出しを防止するための永久磁石カバーで
ある非磁性板１１３が配置されている。非磁性板１１３
は例えばステンレスの板であり、上記隣り合う爪部の間
にレーザーにより溶接されている。

【００１２】フロントブラケット１０３とリアブラケッ
ト１０４の間には固定子コア１０５が配置され、この固
定子コア１０５の内周側には所定の幅を持つエアギップ
を介して前記回転子２０２が配置される。また、前記爪
形磁極２０８と２０９表面に配置される非磁性板１１３
は固定子コア１０５の内周面と僅かな間隔（機械的ギャ
ップ）を隔てて配置されている。この機械的ギャップ
（エアギャップ）の幅すなわちエアギャップ長ｇは機械
的特性の関係から必要となる予め決められた間隔であ
り、この実施の形態では０.３〜０.５mm程度である。ま
た、非磁性板１１３を用いているので磁気的なギャップ
の長さは機械的なギャップの長さより非磁性体カバーの
厚み分大きくなる。この実施例では非磁性板１１３の厚
みｈを１mmとしている。すなわちエアギャップ長ｇの２
倍以上としている。

【００１３】この非磁性板１１３の厚みｈを厚くすると
磁気的なギャップの長さを大きくでき、漏れ磁束が減少
する。これは効率向上につながる。しかし、非磁性板１
１３の厚みｈを大きくし過ぎると、界磁巻線１０７と永
久磁石１１２との間の空間２２０が狭くなり冷却効果が
低下する。このことは結果として温度上昇の問題やそれ
に関係して総合的な発電効率の低下につながる。これら
の理由から非磁性板１１３の厚みｈをエアギャップ長ｇ
の２倍〜４倍の範囲とすることが望ましい。界磁巻線１
０７は、良熱伝導体である、液晶ポリマーや高熱伝導Ｐ
ＰＳで作られたボビン１２３に巻かれている。ボビン１
２３が良熱伝導体で作られているため、界磁巻線１０７
で発生した熱はヨーク１１６および爪形磁極２０８と２
０９に伝わり易い。

【００１４】爪形磁極２０８と２０９の爪部間に永久磁
石１１２を配置すると、界磁巻線１０７の冷却効果が低
下する。すなわち永久磁石１１２が無ければ界磁巻線10
7の表面に多くの冷却風が作用し、大きな冷却効果が得
られる。本実施の形態では、１１２を配置しているの
で、界磁巻線１０７の表面に作用する冷却風の流れが阻
害される。このため、本実施の形態ではボビン１２３に
熱伝導性の優れた材料を使用し、熱を逃がすようにして
いる。

【００１５】固定子コア１０５には図３の如く、ティー
ス１２１とスロット１２２が設けられ、この固定子コア
１０５の凹部に相当するスロット１２２には固定子巻線
106が３相に巻かれている。エンジンの回転駆動によっ
て磁化されている爪形磁極２０８と２０９が回転する
と、固定子巻線１０６に３相の誘起電圧が発生する。図
１の如く、固定子コア１０５はフロントブラケット１０
３とリアブラケット１０４の間にインローにより固定さ
れる。リアブラケット１０４の内側には、整流回路を構
成する整流ダイオード１０９と発電電圧を調整するため
のＩＣレギュレータ１１４が配置されている。

【００１６】これらの整流ダイオード１０９は固定子巻
線１０６で発生した３相交流電圧を全波整流し直流電圧
に変換する。前記ＩＣレギュレータ１１４は、バッテリ
ーを充電するためにダイオードで整流した直流電圧が約
１４.３Ｖ 程度の電圧に保たれるよう、界磁巻線へ供給
する電流を制御する。出力電圧が１４ボルト前後に保た
れることで、１２ボルトのバッテリーを充電することが
できる。従って実際には１２ボルトより数ボルト高い出
力を発生するが、分かり易くするために１２ボルト用発
電機と呼ぶことにする。

【００１７】以上のように構成した車両用交流発電機１
において、エンジンの駆動によってプーリ１０２が回転
すると、シャフト１０１はスリップリング１１０及び回
転子２０２と一緒に回転し、ブラシ１１１からの直流電
流が回転子２０２内部の界磁巻線１０７に通電され、界
磁巻線１０７は爪形磁極２０８と２０９のそれぞれの磁
極にＮ極及びＳ極を構成するように動作する。この界磁
巻線１０７による磁束は、Ｎ極の爪形磁極２０８の爪部
から出たものが、固定子コア１０５を通りＳ極の爪形磁
極２０９の爪部に戻る磁気回路を形成する。この磁気回
路の磁束が固定子巻線１０６と鎖交することにより、固
定子巻線１０６に３相の誘起電圧が発生する。

【００１８】先に述べた爪磁極２０８と２０９間に配置
した複数個の永久磁石１１２の極性は爪磁極に同極が向
かい合う方向に着磁したもので固定子巻線１０６を通る
有効磁束を増加させるためのものである。本実施例で
は、爪磁極間には耐熱性の高いネオジム磁石を採用して
いる。エンジンルームの中に装着されて、高温になるが
それでも磁石の特性を維持でき、効率的な発電が可能で
ある。

【００１９】固定子巻線１０６は１本の連続した丸形の
エナメル線をリング状に必要巻数巻いたものを極数に応
じた星形に変形してスロットに挿入する手法により作成
されるもので、量産性に優れた方法により作成されるも
のである。そのために、使用されるエナメル線は丸形形
状のもので、リング状に巻くときに多少のよれがあって
も支障がない。また、本実施例では固定子巻線１０６の
抵抗値を下げるために太い線を固定子のスロット内に配
置する。１２ボルト用固定子巻線で直径が１mm以上であ
る。好ましくは１.２mmから１.６mm程度である。丸形の
エナメル線の他に角型のエナメル線を使用可能である。
この場合リング状とは別の製造方法を用いることにな
る。直径ではなく断面積て論じると０.８ 平方mm以上で
あり、好ましくは１.１ 平方mm以上である。また大き過
ぎても問題があり価格が高くなる。２.１ 平方mm以下が
望ましい。

【００２０】スロットの入口を大きくできないため、固
定子巻線１０６の１本の線径を大きくするとスロット内
に挿入することが困難となる。固定子巻線１０６の巻線
当たりの電流値を少なくすれば、線径を増やさなくても
流れる電流密度を下げられる。このため本実施例では固
定子巻線の並列回路数を４本あるいは６本としても良
い。このように並列回路数を増やすことで巻線径を上記
の値での太さで構成することで作業性を向上し、しかも
銅損を大幅に少なくしている。このように、並列回路数
を２から４に増やすことであるいは６に増やすことで、
１相の固定子巻線は２本で構成されていたものが４本で
構成されるようになり、あるいは６本で構成することに
なる。並列回路数を２から４にしたことによって、１つ
のスロット内に配置される固定子巻線の線径を銅損を同
じくすれば相対的に細くすることができ、スロット内に
占める巻線スペースが向上し占積率を高くすることがで
きる。

【００２１】固定子コア１０５のスロット内の巻線占積
率は高いほど出力が増加する。平角線を使用すると占有
率を９０％程度に向上させることができるが、冷却ファ
ンからの冷風が通り難くなる。従って本実施例では丸型
の線（断面が略円形の線）を使用し、占有率を５５％〜
８０％の範囲としている。また上記平角線を使用した場
合、スロット内を整列巻にしなければならないため、巻
線端部が大きくなる問題がある。また、丸線を用いてス
ロット内で丸線をつぶして占積率を向上することも可能
である。

【００２２】次に図２と図３を用いて磁気回路を構成す
る部分の寸法関係についてより詳細に説明する。図１と
同じ符号は同じ物を示す。固定子巻線１０６が巻装され
る固定子コア１０５の最大外径を固定子外径Ｄｓとす
る。界磁巻線１０７，ヨーク１１６及び爪形磁極２０８
と２０９から構成される回転子２０２の外径をＤｒとす
る。この実施例では最大外径である。またこの実施例は
永久磁石カバーである非磁性板１１３の厚みおよび永久
磁石の部分と爪部の内の大きい方の直径を前記回転子２
０２の外径Ｄｒとしている。固定子コア１０５の内面と
回転子２０２の外周とのギャップ、この実施例では固定
子コア１０５の内面と爪形磁極２０８と２０９の外周面
との間の機械的なギャップの長さをｇとする。図２の実
施例では、ｇはエアギャップの長さである。上記回転子
２０２の外径は、例えば爪形磁極２０８と２０９の爪部
直径、あるいは永久磁石カバーである非磁性板１１３の
直径の大きい方である。

【００２３】詳細な寸法関係は図３を用いて説明をす
る。図３は軸方向から見た場合の固定子コア１０５の部
分拡大図である。固定子コア１０５はティース１２１と
スロット１２２から構成されており、前記固定子巻線１
０６はこのスロット１２２内に配置される。図２でも説
明したように固定子コア１０５の外径をＤｓ，回転子２
０２の外径をＤｒ，エアギャップ長をｇ，ティースの長
さをＬｔとする。また、本実施例では固定子巻線１０６
は丸線を使用しており、この丸線の直径をФDcとする。
固定子巻線１０６はスロット２２の入口より挿入される
ので、巻線の径ФＤｃはスロット２２の入口幅Ｓより小
さいことが必要である。

【００２４】本実施例では、ティース１２１はロータ側
の幅ｔ１と外側の幅ｔ２とを略同じくしてスロット１２
２の面積を有効に確保できるようにしている。ティース
121の幅を狭くすれば巻線スペースであるスロットの面
積を増加できるが、ティース１２１の磁束密度が高くな
り、磁気抵抗が大きくなる。このため発電機の出力は低
下する。本実施例はこれらの点も考慮し最適値を示して
いる。

【００２５】なお図２に示す実施の形態では、固定子コ
ア１０５の軸方向の幅Ｗ１は２８mm、外径Ｄｓは直径１
３９mm、外径Ｄｒは直径９７.８mm 、固定子コア１０５
の内径は直径９８.６mm、ギャップｇは０.４mmである。
これらの数字は一例であり、ギャップｇは０.３mmから
０.６mmが好ましく、この条件を満足させて、Ｄｒ／Ｄ
ｓの比の後述する条件を満足させれば、ＤｓとＤｒはプ
ラス側とマイナス側に上の数値から５％の範囲で変更で
きる。図２の実施の態様では回転子２０２の最高回転は
１万８千回転／分、幅Ｗ２は約１１mm、幅Ｗ３は約２７
mmである。

【００２６】次に本実施例における回転子２０２の外径
Ｄｒと固定子の外径Ｄｓの関係について説明する。図４
は、図３で述べた回転子２０２外径Ｄｒと固定子外径Ｄ
ｓの比Ｄｒ／Ｄｓを横軸に取った場合の発電機出力特性
を示したものである。車両用交流発電機１はエンジンの
補機を駆動する出力軸にベルトを介して接続されるため
に、配置される場所は制限されている。また、自動車の
ボンネット内の実装密度が高くなっており自ずと車両用
交流発電機に割り当てられるスペースが決まってしま
う。現状では、車両用交流発電機の固定子コアの外径で
直径Ф２００mm（Фは以下直径を意味する）以下であ
る。また、発電に要求される出力電流は大きくなる傾向
にあり、現行の空冷式車両用交流発電機では出力電流の
最大値は１５０Ａ程度となっている。特に空冷式の場合
においては、低回転時には回転子２０２に設けられた冷
却ファン２１４と２１５の冷却風は少なくなるために発
電電流を大きくすることは困難であった。

【００２７】永久磁石を使用しない従来の車両用交流発
電機の場合、体格が一定なら発電出力が最大となる固定
子外径Ｄｓと回転子外径Ｄｒとの比Ｄｒ／Ｄｓはほぼ一
定となる。この比率を計算した結果、図４に示すように
回転子の外径Ｄｒと固定子の外径Ｄｓとの比は０.７２
〜０.８の範囲で出力が最も大きくなることが分かった
（（Ａ）曲線）。現行品では回転子の外径Ｄｒと固定子
の外径Ｄｓの比はこの範囲に設計されている。例えば、
当社の固定子外径がФ１３９mmにおいては回転子の外径
はФ１０８mmであり、前記の比に直すと０.７７となっ
ている。

【００２８】近年、地球温暖化対策として自動車には燃
費向上を目的とした改善がなされている。そのためには
エンジンの損失を低減することも重要であるが、補機で
ある車両用交流発電機においても高効率化を推進する必
要がある。従来は効率を犠牲にし、コンパクト化に設計
の重点を置いているため固定子巻線で発生する銅損が損
失の７割程度を占めている。比較的出力電圧が低いので
出力を増大すると電流が増加し、それに伴い損失も増大
しざるを得なかった。また、温度的にもほぼ限界に近い
ところで使用していたため、温度的な余裕は小さくこれ
以上の高出力化には回転子に設けた冷却ファン２１４と
２１５の大型化が必要となっていた。そのために冷却フ
ァン２１４と２１５による騒音増大及び風損による損失
増大、高出力化による固定子巻線の銅損増大により効率
の低下が問題であった。

【００２９】本発明では、従来の永久磁石１１２が出力
向上に使われていたものを、効率を向上させるためのア
イテムとして違った見方をすることで、温度上昇，騒音
増大等の問題点を解決し、尚かつ固定子巻線の銅損を低
減した高効率の車両用交流発電機を実現しようとするも
のである。

【００３０】先に説明した図４において、永久磁石１１
２を爪磁極間に配置しない場合の出力特性は（Ａ）に示
すように回転子の外径Ｄｒと固定子の外径Ｄｓの比で計
算すると０.７２〜０.８以内が出力電流が最大となる範
囲である。この理由は、回転子の外径Ｄｒを大きくしす
ぎると固定子巻線が巻けなくなり、線径が細くなり抵抗
値が増大することで出力低下が発生し、逆に回転子の外
径Ｄｒを小さくすると界磁巻線スペースが小さくなり発
電出力が低下するためである。

【００３１】ところが爪磁極間に永久磁石１１２を配置
した場合には、好ましくは残留磁束密度の高いネオジム
系の永久磁石１１２を配置した場合には、爪磁極間の漏
れ磁束を低減又はそれ以上の増磁作用として働き有効磁
束を２割以上増加させることが可能になる。この有効磁
束の増加により発電電流である車両用交流発電機の出力
電流は少なくても２０〜３０％増加する。よって、永久
磁石１１２を爪磁極間に搭載した場合の出力特性は図４
の（Ｂ）に示すようになり回転子２０２の外径Ｄｒと固
定子の外径Ｄｓの選択範囲は広がる。また、ネオジム磁
石よりも残留磁束密度の低いフェライト磁石の場合に
は、（Ｃ）曲線で示すように、（Ａ）曲線と（Ｂ）曲線
の間となる。例えば１例であるが、永久磁石１１２を搭
載しない場合の電気出力の最適値が回転子２０２の外径
Ｄｒと固定子の外径Ｄｓの比は０.７２〜０.８の範囲で
あったものが、電気的に同出力を得ようとした場合にネ
オジム系の永久磁石１１２を爪磁極間に配置すれば、回
転子２０２外径Ｄｒと固定子外径Ｄｓの比は０.６〜０.
８５程度まで広げることが出きることがわかった。つま
り、永久磁石１１２を爪磁極間に配置することで、従来
と同じ電気出力値を満足するための、回転子２０２外径
Ｄｒと固定子外径Ｄｓの取りうることの出きる比の範囲
が広がることが分かる。

【００３２】図５は先に述べた回転子外径Ｄｒと固定子
外径Ｄｓの比を横軸に取った場合の、固定子巻線１０６
で発生する銅損，回転子２０２とほぼ同じ外径で構成さ
れる冷却ファン２１４と２１５の騒音，回転子２０２の
慣性モーメント，車両用交流発電機としての効率を示し
たものである。固定子巻線１０６で発生する銅損，冷却
ファン２１４と２１５による騒音，回転子２０２の慣性
モーメントは、回転子２０２外径Ｄｒと固定子外径Ｄｓ
の比を大きくすると大きくなる。例えばＤｒ／Ｄｓの比
が大きいということは、相対的に回転子２０２外径Ｄｒ
が大きくなることを意味しており固定子巻線１０６のス
ペースが狭まることになる。よって、この状態でも出力
を出すためには、固定子巻数を一定とする必要があるた
めに固定子巻線径を細くせざるを得ない。よって、固定
子巻線の抵抗値が増大して銅損の発生が大きくなる。ま
た、銅損の発生が大きくなるために回転子２０２に配置
する冷却ファン２１４と２１５の外径も大きいものが必
要となり冷却ファン２１４と２１５による騒音の増大が
発生する。そのために、発電機の効率は低下する傾向に
ある。また、回転子２０２外径Ｄｒが大きくなることで
回転子２０２の慣性モーメントが大きくなり、車両に組
み込んだ状態ではエンジンの回転変動によりベルトの滑
りが大きくなり、ベルトの寿命が短くなる問題が発生す
る。

【００３３】逆の場合のＤｒ／Ｄｓが小さくなることは
回転子２０２外径が小さくなることを意味し、固定子内
径が小さくできるために、ティース１２１が内周側に長
くなりスロット面積を大きくすることができるものであ
る。そのために、固定子巻線径を大きくすることがで
き、固定子巻線抵抗を小さくできることから同じ発電電
流で発生する銅損を小さくできる。また、銅損による発
熱が減った分冷却ファン２１４と２１５も小さくできる
ことから風損の低減、風音による騒音の低減が可能にな
る。よって、発電機としての効率を高く設計することが
できる。また、回転子２０２外径を小さくすることで回
転子２０２の慣性モーメントが小さくでき、エンジンと
接続されるベルトの寿命を大幅に延ばすことができる。

【００３４】これらのことを総合的に判断すると、爪形
磁極間に永久磁石１１２を配置した車両用交流発電機に
おいて、同じ発電出力を満足するためには、回転子外径
Ｄｒと固定子外径Ｄｓとの比が０.６〜０.８５において
実現できるが、効率，騒音，温度上昇余裕，ベルトの寿
命延長等から考えて、本発明では前記比率を０.７２以
下を採用することで、効率，騒音，温度上昇余裕，ベル
ト寿命等に良好な車両用交流発電機を構成することがで
きる。

【００３５】また、発電出力も考慮に入れた場合には前
記比率を０.６〜０.７２とすることで全ての条件を満足
することができる。回転子外径Ｄｒと固定子外径Ｄｓの
比が０.６ という値は、固定子の一つのティースと隣り
合うティースの間に巻線を挿入するために必要なスロッ
ト入口幅を確保することから出た数値であり、これ以上
Ｄｒ／Ｄｓを小さくすると巻線が挿入できなくなる一つ
の目安となる値である。

【００３６】図６は爪形磁極２０８と爪形磁極２０９の
爪部を説明する説明図である。602は爪形磁極２０８の
爪部であり、６０４は爪形磁極２０９の爪部である。先
に説明した通り、爪部６０２と爪部６０４との間に永久
磁石が設けられ、その外側に非磁性板１１３が設けられ
ている。このように爪部と隣りの爪部との間に永久磁石
１１２と非磁性板１１３とが全周に渡って設けられてい
る。

【００３７】図７は図６の一部を拡大した図であり、非
磁性板１１３は爪部６０２と爪部６０４にその周囲がレ
ーザー溶接により固定される。爪部６０４と爪部６０６
との間の非磁性板１１３も同様であり、このようにして
各爪部間に非磁性板１１３が固定される。図８は図６の
矢印６１２で示す部分の部分断面図である。爪部６０２
と爪部６０４は断面であり、この爪部６０２と爪部６０
４との間に永久磁石１１２と非磁性板１１３が設けられ
ており、これらもまた断面が図８に現れている。爪部６
０２と爪部６０４との各外側部分８０２と８０４が図７
に示す如く切り欠けられ、そこに非磁性板１１３が埋め
込まれ、上述の通りレーザー溶接により固定される。爪
部６０２と爪部６０４との間の溝は図６と図７に示す通
り、回転子の回転方向に対してそれぞれ傾斜して配置さ
れる関係になり、この溝が広くなる方向に上記切り欠け
が設けられる。この関係は他の溝も同じである。

【００３８】図８で爪部６０２と爪部６０４の溝の形状
は垂直でも良いが少し外側つまり非磁性板１１３側が狭
くなる形状を成している。ただこの傾斜が大きいと磁石
が台形になる。本実施例はほとんど垂直に近い、つまり
１１３側がわずかに狭まっている形状である。このわず
かな狭まりで磁石を固定することは困難であり、磁石の
外側に非磁性板１１３を設けている。この１１３の厚さ
ｈは約１mmである。この厚さｈはギャップｇの約２倍あ
るいは２倍以上にしている。これにより永久磁石１１２
の非磁性板１１３を介しての漏洩磁束を少なく抑えるこ
とができる。すなわち爪部６０２や爪部６０４と固定子
鉄心とのギャップはｇである。一方永久磁石１１２と固
定子鉄心との間にできる漏洩磁束の磁気回路は少なくと
も非磁性板１１３とギャップｇを介することとなり、磁
気抵抗を大きくできる。

【００３９】磁気抵抗を大きくするには非磁性板１１３
の厚さｈを厚くすれば良いが、し過ぎると永久磁石１１
２の爪磁極に接する断面積が減少し、出力電流が低下す
ることで効率が落ちる。爪部６０２と爪部６０４との接
触面積が大きければそれだけ永久磁石１１２の磁束を有
効に利用でき出力が増大する。なお永久磁石１１２と爪
部６０２や爪部６０４とは接触することが望ましく、こ
の間に空間や非磁性体が存在すると磁気抵抗が増大し、
効率が大きく低下する。

【００４０】次に、第２の実施例である水冷構造を持つ
車両用交流発電機に適用した場合について図９を用いて
説明する。一部の部品を除いて基本的には図１から図７
を使用して説明した第１の実施例の対応する各部品と作
用および効果は同じである。同じ部号を付したものは基
本的には同じ作用効果である。

【００４１】図９は車両用交流発電機１の第２の実施例
の縦断面図である。まず、構成について説明する。本実
施形態の車両用交流発電機１はハウジング９２０の両側
に２個のブラケット１０３と１０４を備えている。これ
らブラケットはプーリ１０２側に配置されるフロントブ
ラケット１０３及び反プーリ側リアブラケット１０４で
ある。両ブラケットの中心部にはシャフト１０１がプー
リ側ベアリング及び反プーリ側ベアリングを介して支持
され、シャフト１０１の一方の端部にはプーリ１０２が
取り付けられ、もう一方の端部には２個のスリップリン
グ１１０が取り付けられている。先に述べた、プーリ側
ベアリングはベアリングの外輪の回り止めとしてベアリ
ングリテーナがフロントブラケット１０３に設けられて
いる。また、プーリ１０２はベルトを介してエンジンの
出力軸に配置されたプーリと接続され、エンジンの回転
数に比例して回転する。

【００４２】スリップリング１１０にはブラシ１１１が
摺動可能に取り付けられ、ブラシ１１１から後述する回
転子２０２の界磁巻線１０７に界磁電流を供給する。界
磁巻線１０７は熱伝導が良好な液晶ポリマー又は高熱伝
導ＰＰＳ等で制作されたボビン１２３に巻き付けられて
いる。このボビン１２３と界磁巻線１０７との関係は第
１の実施例と同じであり、図面の記載は省略した。

【００４３】シャフト１０１の中央部には上述の回転子
２０２（ロータ）が取り付けられている。回転子２０２
の外周部には円周方向に爪形の形状を持つ一対の爪形磁
極２０８と２０９が配置されている。また、回転子２０
２の中心部にはヨーク１１６があり、その外側に界磁巻
線１０７が上記ヨーク１１６の巻線を構成するように配
置されている。

【００４４】この界磁巻線１０７に２個のスリップリン
グ１１０からの直流電流を流すことによって前記爪形磁
極２０８と２０９を磁化させる。一対の爪形磁極２０８
と２０９の爪磁極間すなわち爪部間には永久磁石１１２
が配置され、永久磁石１１２の外側に非磁性板１１３が
全周に渡って設けられている。この実施例では図１から
図６で示した第１の実施例とは異なり、爪形磁極２０８
と２０９の最外周部にも永久磁石１１２の飛び出しを防
止するための永久磁石カバー１１３が配置される関係に
なる。この実施例では永久磁石カバー１１３，爪形磁極
２０８，２０９の外周部にも配置されるために、厚みが
０.３〜０.５mm程度の非磁性体ステンレス鋼により構成
されている。

【００４５】プーリ側フロントブラケット１０３と反プ
ーリ側リアブラケット１０４の間には固定子コア１０５
が内蔵されたハウジング９２０が配置される。この固定
子コア１０５の内周面は、回転子２０２である爪形磁極
２０８と２０９表面に配置されるカバー１１３と僅かな
間隔（機械的ギャップ）を隔てる配置関係になってい
る。この機械的ギャップ長は機械的特性の関係から必要
となる予め決められた間隔であり、例えば０.３〜０.５
mm程度である。よって、この実施例ではステンレス性カ
バーの厚みを考慮すると、磁気的なギャップ長はそれぞ
れの和となり0.6〜１.０mmとなる。

【００４６】固定子コア１０５にはティースとスロット
が配置されており、この固定子コア１０５の凹部に相当
するスロット部には固定子巻線１０６が３相に巻かれて
おり、エンジンの駆動によって磁化された爪形磁極２０
８と２０９が回転すると、固定子巻線１０６に３相の誘
起電圧が発生する。固定子コア１０５はハウジング９２
０の内側にヤキバメにより固定されるが、固定子コア１
０５のスロット内の固定子巻線１０６の隙間およびコイ
ルエンド部には、良熱伝導体９１９が充填され、結果的
には固定子コア１０５と固定子巻線１０６とハウジング
９２０は良熱伝導体９１９で一体的に固定され、熱伝導
の優れた構造をなす。上述した良熱伝導体は、熱伝導率
が空気よりも大きいシリコンゴム系のものや熱伝導率の
高いエポキシ樹脂等である。

【００４７】ハウジング９２０には冷却水が流れるため
の水路９１７が形成されている。この水路９１７は軸方
向に伸びた複数の通路が構成され、軸方向の長さは固定
子コア１０５と固定子巻線１０６との両方にほぼ対向す
る長さが望ましい。上記水路９１７は何本もあり、コア
１０５と巻線１０６の外側に円周方向に広がって配置さ
れている。

【００４８】また、ハウジング９２０の反プーリ側には
整流ダイオード１０９を冷却するための第２の水路９１
５が形成され、第１の水路９１７と水の流れの関係にお
いて直列に接続されている。この整流ダイオード１０９
の冷却水路９１５は、ハウジングのリア側の側部とプレ
ート９１８とで形成される。この実施例ではハウジング
のリア側に溝が設けられこの溝を塞ぐ関係にプレート９
１８が配置されて水路９１５を形成する。プレート９１
８には整流ダイオード１０９が支持され、このプレート
を介してダイオードの熱が水路に逃げる構造になってい
る。

【００４９】ハウジング９２０とプレート９１８の間
（接続部の間）には水漏れを防止するためのシール材
(図示せず)が充填され、水漏れを防止している。プレー
ト９１８は、その外側に配置されるリアブラケット１０
４によりハウジング９２０に８本のネジを用いて固定さ
れている。

【００５０】リアブラケット１０４の内側には、全波整
流回路を構成する整流ダイオード１０９のマイナス側は
直接冷却水路１１７を密閉するためのプレート９１８に
固定され、プラス側の整流ダイオードはマイナス側に対
して絶縁材を介して配置されている。また、発電電圧を
調整するためのＩＣレギュレータ１１４は前記リアブラ
ケット１０４に冷却面が接するように配置されている。
これらの整流ダイオード１０９は固定子巻線１０６で発
生した３相交流電圧を全波整流し直流電圧に変換する。
ＩＣレギュレータ１１４は、バッテリーを充電するため
にダイオードで整流した直流電圧が約１４.３Ｖ 程度の
一定電圧に保たれるよう、界磁巻線電流を制御する。

【００５１】以上のように構成した車両用交流発電機１
において、エンジンの駆動によってプーリ１０２が回転
すると、シャフト１０１はスリップリング１１０及び回
転子２０２と一緒に回転し、ブラシ１１１からの直流電
流が回転子２０２内部の界磁巻線１０７に通電され、界
磁巻線１０７は爪形磁極２０８と２０９のそれぞれの磁
極にＮ極及びＳ極を構成するように動作する。この界磁
巻線１０７による磁束は、Ｎ極の爪形磁極２０８の爪部
から出たものが、固定子コア１０５を通りＳ極の爪形磁
極２０９の爪部に戻る磁気回路を形成する。この磁気回
路の磁束が固定子巻線１０６を鎖交することにより、固
定子巻線１０６に３相の誘起電圧が発生する。この３相
の誘起電圧は先の整流ダイオード１０９により全波整流
され直流電圧に変換される。整流された直流電圧は約１
４.３Ｖ 程度の一定電圧になるようにＩＣレギュレータ
１１４で界磁巻線電流を制御することで達成している。
先に述べた爪磁極間に配置した永久磁石１１２は爪磁極
間に同極が向かい合う方向に着磁したもので固定子巻線
１０６を通る有効磁束を増加させるためのものである。
本実施例では冷却方式に水冷を採用しているために、低
速時の冷却効果が大きいことから、爪磁極間には耐熱性
が高く残留磁束密度の大きいネオジム磁石を採用して高
出力化を図っている。

【００５２】次に固定子巻線１０６で発生する銅損によ
る発熱の冷却について説明する。先にも述べたように、
固定子巻線１０６が配置される固定子コア１０５はハウ
ジング９２０に固定され（例えばヤキバメにより）、熱
をハウジング９２０に伝えやすい構造としている。ま
た、先にも説明したように固定子巻線１０６の放熱向上
のために固定子巻線１０６とハウジング９２０の内面が
熱的に接触できるように、熱伝導の高い樹脂で熱の放熱
経路を設けている。ハウジング９２０の外周には軸方向
に穴が複数個貫通しており、フロントブラケット１０３
とプレート９１８により水路は密閉されジグザグ状に水
路が構成されている。冷却水はハウジング９２０内のジ
グザグ状の水路を流れるように構成されており、固定子
コア１０５の外周面から冷却出来るものである。また、
回転子２０２内部で発生する界磁巻線１０７の銅損によ
る熱は、シャフト１０１を通してブラケットに熱伝導す
る経路と、内部の空気を介してフロントブラケット１０
３及びハウジング９２０に流れる経路とにより放熱する
構造と成っている。これにより内部の温度上昇を小さく
抑えることができる。

【００５３】動作に関しては、図１で示した空冷機との
違いはないために詳細な説明は省略する。この図９に示
した水冷構造の磁気回路においても先に述べたように回
転子２０２外径Ｄｒと固定子外径Ｄｓの比において０.
７３ 未満に設定することで固定子巻線で発生する銅損
を１／３〜１／２にすることができるために、車両用交
流発電機の効率換算で１５％〜１８％程度効率を向上さ
せることができる。車両用交流発電機の効率向上を自動
車の燃費に換算した計算によると約３％程度の燃費改善
効果になる。

【００５４】次に、図１０を用いてボビン１２３の他の
実施例を説明する。図１０は界磁巻線を良熱伝導体１０
２４で一体的に成形してボビンを兼用したものの縦断面
図を示したものである。このように、界磁巻線１０７を
良熱伝導体１０２４で一体的に成形することで冷却性の
優れた界磁巻線１０７とすることが可能となり、永久磁
石１１２を爪磁極間に配置しても良好に界磁巻線の冷却
を促進することができる。

【００５５】先に説明した図３を用いて、本発明の回転
子２０２外径Ｄｒと固定子の外径Ｄｓの比を実現するた
めのティース長Ｌｔと固定子の外径Ｄｓに対する割合で
はティース長Ｌｔは固定子外径Ｄｓの１０.０ ％以上と
することで、先に説明した回転子２０２外径Ｄｒと固定
子外径Ｄｓの比０.７２ 以下とほぼ同じ意味を持つ。

【００５６】図１１は、図１から図８に示す第１の実施
例および図９から図１０に示す第２の実施例の回路図で
ある。固定子巻線１０６で発生した３相交流は整流回路
109で整流され、出力端子１１０２と１１０８から出力
される。出力端子１１０２と１１０８はバッテリーに接
続される。また端子１１０４はバッテリーの端子に接続
され、バッテリーの端子電圧を検知するのに使用され
る。端子１１０６は表示ランプに接続される。電圧レギ
ュレータ１１４は界磁巻線１０７の電流を制御し、発電
電圧を制御する。この実施例では、電圧レギュレータ１
１４をＩＣ（集積回路）で構成しているので、先の説明
ではＩＣレギュレータと呼んだ。この実施例では、固定
子巻線１０６は６回路が並列接続させているので各コイ
ルの電流は少なくなり、固定子巻線１０６の１本の断面
積を小さくできる。

【００５７】本発明では、効率向上を実現するために固
定子巻線の抵抗値を下げられるように、固定子スロット
の面積を増やせるように回転子２０２外径を小さくした
ものであるが、回転子２０２の外径が小さくなったこと
で冷却ファンによる風損の低減による効率向上及び、回
転子２０２の慣性モーメント低減によるベルトの高寿命
化の効果がある。

【００５８】上記実施例では、爪磁極間に永久磁石を配
置し出力向上を図ることができ、また固定子巻線の銅損
を抑えることができ、結果として発熱量を抑えることが
できる。発熱を抑えられるので冷却ファンを大きくする
必要がなく、騒音も抑えられる。

【００５９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば車両
用交流発電機の効率向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】空冷式車両用交流発電機の断面図である。

【図２】空冷式車両用交流発電機の断面図の部分拡大図
である。

【図３】空冷式車両用交流発電機の固定子部分の横断面
図である。

【図４】回転子２０２外径と固定子外径比に対する出力
特性を説明する説明図である。

【図５】回転子２０２外径と固定子外径比に対する諸特
性を説明する説明図である。

【図６】回転子の斜視図である。

【図７】爪部の拡大図である。

【図８】爪部の断面図である。

【図９】水冷式車両用交流発電機の縦断面図である。

【図１０】界磁巻線の他の実施例を説明する図である。

【図１１】交流発電機の回路図である。

【符号の説明】

１…車両用交流発電機、１０１…シャフト、１０２…プ
ーリ、１０３…フロントブラケット、１０４…リアブラ
ケット、１０５…固定子コア、１０６…固定子巻線、１
０７…界磁巻線、１０９…整流ダイオード、１１０…ス
リップリング、１１１…ブラシ、１１２…永久磁石、１
１３…永久磁石カバー、１１４…ＩＣレギュレータ、１
１６…ヨーク、１２１…ティース、１２２…スロット、
２０８，２０９…爪形磁極、２１４，２１５…冷却ファ
ン、９１７…水路、９１８…プレート、９１９，１０２
４…良熱伝導体、９２０…ハウジング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本田 義明 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 高野 雅美 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 鈴木 敦 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 松原 謙一郎 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 5H619 AA01 AA05 BB02 BB06 BB17 PP01 PP02 PP04 PP08 PP14 PP25 5H621 AA03 BB10 GA01 GB10 HH01 JK14 JK15

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の対向配置された爪形磁極と前記爪形
   磁極を磁化させるための界磁巻線とから構成され、前記
   対向配置された爪形磁極のそれぞれには軸方向に延びた
   爪部が複数個形成されており、また前記対応する爪形磁
   極の爪部が円周方向に交互に配置されている回転子と、 前記交互に配置された爪部間に配置された永久磁石と、 前記回転子と所定の間隔を隔てて前記回転子の外側に配
   置された固定子コアと、前記固定子コアに保持され前記
   回転子の回転により交流電圧を発生させる固定子巻線と
   を備え、 前記回転子と前記固定子コアは外観形状が略円形をな
   し、前記回転子の外径をＤｒとし、前記固定子の外径を
   Ｄｓとしたとき、比Ｄｒ／Ｄｓが０.７２〜０.６の範囲
   にあることを特徴とする車両用交流発電機。
2. 【請求項２】請求項１に記載の車両用交流発電機におい
   て、前記固定子巻線が並列に接続された６回路を備えて
   おり、前記固定子巻線の１本の断面積を０.８ 平方mm以
   上または直径を１.０mm 以上としたことを特徴とする車
   両用交流発電機。
3. 【請求項３】請求項２に記載の車両用交流発電機におい
   て、前記回転子は内側に前記界磁巻線を設け、前記界磁
   巻線の外側に前記爪形磁極の爪部を配置し、前記界磁巻
   線の外側であってかつ隣合う前記爪部との間に永久磁石
   を配置し、前記永久磁石のさらに外側に非磁性の板を配
   置し、前記回転子と前記固定子の内側のギャプ長をｇと
   し、前記非磁性板の厚さをｈとしたとき、前記ｇより前
   記ｈを大きくしたことを特徴とする車両用交流発電機。
4. 【請求項４】請求項３に記載の車両用交流発電機におい
   て、前記ｈと前記ｇとの比ｈ／ｇが２〜４の範囲内であ
   ることを特徴とする車両用交流発電機。
5. 【請求項５】軸方向に突出した複数個の爪部を備えた第
   １および第２の爪形磁極と、 前記爪形磁極を磁化させるための界磁巻線と、 前記爪形磁極間に配置された永久磁石とを備え、 前記第１および第２の爪形磁極は対向して配置されると
   共に、それぞれの前記爪部が円周方向に交互に配置さ
   れ、前記界磁巻線は前記爪部の内側に配置され、交互に
   配置され前記爪部の間に前記永久磁石を配置されてい
   て、前記第１および第２の爪形磁極および界磁巻線およ
   び永久磁石は回転子を構成し、 前記回転子と所定の間隔を隔てて固定子コアが配置さ
   れ、 前記固定子コアはティースを有し、 前記ティース内に固定子巻線を配置し、前記ティースの
   径方向の長さをＬｔとし、前記固定子コアの外径をＤｓ
   とし、前記回転子の外径をＤｒとしたとき、比Ｌｔ／Ｄ
   ｓが０.１ より大きい値であり、比Ｄｒ／Ｄｓが０.７
   ２〜０.６の範囲にあることを特徴とする車両用交流発
   電機。
6. 【請求項６】請求項５に記載の車両用交流発電機におい
   て、ステータスロット内の占有率が０.５５〜０.８以下
   であることを特徴とする車両用交流発電機。
7. 【請求項７】請求項５に記載の車両用交流発電機におい
   て、一相の巻線の並列回路数は４以上で構成されること
   を特徴とする車両用交流発電機。
8. 【請求項８】請求項５〜７の内の１つの項に記載の車両
   用交流発電機において、前記固定子巻線は丸型のエナメ
   ル線で構成され、前記エナメル線の直径を１.０mm 以上
   としたことを特徴とする車両用交流発電機。
9. 【請求項９】請求項１〜８の内の１つの項に記載の車両
   用交流発電機において、前記永久磁石はネオジム磁石で
   あり、 前記爪部との間にネオジム磁石を配置し、前記ネオジム
   磁石のさらに外側に非磁性の板を配置し、前記回転子と
   前記固定子の内側のギャプ長をｇとし、前記非磁性板の
   厚さをｈとしたとき、前記ｇより前記ｈを大きくしたこ
   とを特徴とする車両用交流発電機。
10. 【請求項１０】請求項１に記載の車両用交流発電機にお
    いて、前記固定子巻線は連続した１本の巻線をリング状
    にしたものから成型により固定子のスロットに挿入する
    手法で作成されることを特徴とする車両用交流発電機。