JP2004048890A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】温度低減に伴う出力向上が可能であるとともに磁気騒音を低減することができる回転電機を提供すること。
【解決手段】車両用交流発電機は、回転子、固定子２、ハウジング等を備える。固定子２は、回転子に対向配置されて軸方向に延びるスロット３５を円周状に複数有する固定子鉄心３２と、固定子鉄心３２に巻装される固定子巻線とを備えている。固定子巻線は、スロット３５内に挿入される電気導体３３１ａ等を有する。各電気導体３３１ａ等は、スロット３５の周方向幅よりも小さい幅を有するとともに、周方向に対向するスロット内壁面のいずれか一方に交互に当接している。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車やトラックに搭載される車両用交流発電機等の回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許公報第２９２７２８８号公報には、Ｕ字状の複数の導体セグメントを固定子鉄心の一方の端面側から挿入し、反対側の端子同士を接合することにより構成された巻線を用いた固定子が備わった車両用交流発電機が開示されている。このような固定子では、導体セグメントを挿入する際の挿入抵抗を軽減するために、導体セグメントと固定子鉄心のスロット内壁面との間に微小隙間を形成する必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の車両用交流発電機では、固定子鉄心のスロット内で導体セグメントが何の規制もされずに配置されると、導体セグメントがスロット内壁面に当接しなかったり、一方の側面に偏って当接したりするおそれがある。このため、導体セグメントがスロット内壁面に当接しない場合には、導体セグメントから固定子鉄心への放熱性が悪化して導体セグメントの温度が上昇し、出力低下を引き起こすという問題があった。また、導体セグメントがスロット内の一方の壁面に偏って当接する場合には、導体セグメントが当接しない側の固定子鉄心のティースが振動しやすくなるため、磁気的振動の増加によって磁気騒音が悪化するという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、温度低減に伴う出力向上が可能であるとともに磁気騒音を低減することができる回転電機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の回転電機は、回転子と、回転子に対向配置されて軸方向に延びるスロットを円周状に複数有する固定子鉄心と、固定子鉄心に巻装される固定子巻線とを備えており、固定子巻線は、スロット内に挿入される挿入部を有し、挿入部は、スロットの周方向幅よりも小さい幅を有するとともに、周方向に対向するスロット内壁面のいずれか一方に当接している。固定子巻線の挿入部の幅をスロットの周方向幅よりも小さくすることにより、挿入部といずれか一方のスロット内壁面との間に隙間が形成されるため、固定子巻線のスロットへの挿入が容易となり、作業性を向上させることができる。また、固定子鉄心の各スロットに収納される固定子巻線の挿入部を、必ずいずれか一方のスロット内壁面に当接させることにより、固定子巻線からスロット内壁面への放熱性が良好になるため、固定子巻線の温度低減およびこれに伴う出力向上が可能になる。
【０００６】
また、上述したスロットがほぼ矩形断面形状を有するとともに、挿入部は周方向に対向するスロット内壁面に沿った２つの対向面を有するほぼ矩形断面形状に形成されていることが望ましい。スロット形状に合わせて挿入部形状もほぼ矩形断面形状とすることにより、スロット内壁面と挿入部とが接触する面積を大きくすることができるため、熱伝導性が良好になり、しかも挿入部が振動しにくくなって固定子巻線の磁気騒音を低減することができる。
【０００７】
また、上述したスロットには複数の挿入部が径方向に沿って一列に積層されており、これらの積層された挿入部が、周方向に対向する２つのスロット内壁面の一方に、径方向に沿って交互に当接していることが望ましい。これにより、固定子巻線の各挿入部を均等にスロット内壁面に当接させることができるため、固定子巻線からスロット内壁面への均一な熱伝導と、固定子鉄心のティース部の均一な振動低減が可能になる。
【０００８】
また、上述した固定子巻線は、一対の挿入部とこれらの挿入部をつなぐターン部とを有するほぼＵ字状の導体セグメントを複数接合することにより形成されることが望ましい。挿入部とスロット内壁面との間に隙間を確保することによりＵ字状のセグメント導体を軸方向に挿入することが容易になるとともに、挿入された導体セグメントの熱伝導性の向上による温度低減および出力向上と振動低減を図ることが可能になる。特に、導体セグメントを用いることにより、容易に固定子巻線を太くすることができるため、抵抗低減によるさらなる温度低減および出力向上と、剛性アップによるさらなる磁気騒音の低減が可能となる。
【０００９】
また、上述したターン部の弾性変形によって、一対の挿入部間の周方向の距離が変更可能であり、弾性変形のスプリングバックによって、挿入部をスロット内壁面に当接させることが望ましい。挿入部をスロット内壁面に当接させるために特別な構成を追加する必要がないため、簡単な構成によって温度低減による出力向上と磁気騒音低減が可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の回転電機は、例えば、エンジンに搭載固定されてこのエンジンによって回転駆動される三相の車両用交流発電機に適用することができる。以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、電機子として働く固定子２と、界磁として働く回転子３と、固定子２をスタットボルト４ｃで固定するとともに回転子３を回転可能に支持するフロントハウジング４ａおよびリアハウジング４ｂと、固定子２から出力される交流電圧を直流電圧に変換する整流器５とを含んで構成されている。
【００１２】
回転子３は、シャフト６と一体になって回転するものであり、ランデル型ポールコア７、界磁コイル８、スリップリング９、１０、送風装置としての斜流ファン１１および遠心ファン１２を備えている。シャフト６は、プーリ２０に連結されており、車両に搭載された走行用のエンジン（図示せず）により回転駆動される。
【００１３】
ランデル型ポールコア７は、一組のポールコアを組み合わせて構成されている。ランデル型ポールコア７は、シャフト６に組み付けられたボス部７１と、ボス部７１の両端から径方向に延びるディスク部７２と、１６個の爪状磁極部７３とにより構成されている。
【００１４】
プーリ側の斜流ファン１１は、ポールコア７端面に溶接などによって固着されたベース板１１１に対して鋭角な傾斜を持つブレードと直角のブレードを有し、回転子３と一体になって回転する。反プーリ側の遠心ファン１２は、ポールコア７端面に溶接などによって固着されたベース板１２１に対して直角のブレードのみを有する。
【００１５】
フロントハウジング４ａとリアハウジング４ｂとからなるハウジング４の軸方向端面には、吸入孔４１が設けられている。そして、ハウジング４の外周両肩部には、固定子２の第１コイルエンド群３１ａと第２コイルエンド群３１ｂのそれぞれの径方向外側に対応して冷却風の排出孔４２が設けられている。
【００１６】
整流器５は、車両用交流発電機１の反プーリ側の端部に設けられている。第１コイルエンド群３１ａは、この整流器５と対応づけて配置される。
図２は、固定子２の部分的な断面図であり、固定子鉄心に装着されるセグメント導体のスロット内における配置状態が示されている。図３は、固定子巻線を構成するセグメント導体の斜視図である。図４は、固定子巻線を構成する導体セグメントの接合部を示す斜視図である。
【００１７】
固定子２は、固定子鉄心３２と、固定子鉄心３２に形成されたスロット３５内に配置された複数の電気導体により構成された固定子巻線３１と、固定子鉄心３２と電気導体との間を電気絶縁するインシュレータ３４とを備えている。固定子鉄心３２は、フロントハウジング４ａに挿入された後スタットボルト４ｃで固定され、さらにその上に置かれたリアハウジング４ｂがナット４ｄで固定される。
【００１８】
図２に示すように、固定子鉄心３２には、多相の固定子巻線３１を収納できるように、複数のスロット３５が形成されている。本実施形態では、回転子３の磁極数に対応して、三相の固定子巻線３１を収納するために、７２個のスロット３５が等間隔に配置されている。
【００１９】
固定子鉄心３２のスロット３５に装備された固定子巻線３１は、１本１本の電気導体として把握することができ、複数のスロット３５のそれぞれの中には、偶数本（本実施形態では４本）の電気導体が収納されている。また、１つのスロット３５内に挿入された挿入部としての４本の電気導体は、固定子鉄心３２の径方向に関して内周側から内端層、内中層、外中層、外端層の順で一列に配列されている。また、これらの挿入部としての各電気導体は、スロット３５の周方向幅よりも小さい周方向幅を有しており、スロット３５に挿入したときにスロット内壁面との間に隙間が形成される。
【００２０】
これらの電気導体が所定のパターンで接続されることにより、固定子巻線３１が形成される。なお、本実施形態では、スロット３５に収容された電気導体は、第１コイルエンド群３１ａ側においては、一端を連続線を配置することにより、また、第２コイルエンド群３１ｂにおいては、他端を接合することにより接続されている。
【００２１】
各スロット３５内の１本の電気導体は、所定の磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の１本の他の電気導体と対をなしている。特に、コイルエンド部における複数の電気導体間の隙間を確保し、整列して配置するために、１つのスロット３５内の所定の層の電気導体は、所定の磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の他の層の電気導体と対をなしている。
【００２２】
例えば、１つのスロット３５内の内端層の電気導体３３１ａは、固定子鉄心３２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の外端層の導体３３１ｂと対をなしている。同様に、１つのスロット３５内の内中層の電気導体３３２ａは、固定子鉄心３２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の外中層の電機導体３３２ｂと対をなしている。そして、これらの対をなす電気導体は、固定子鉄心３２の軸方向の一方の端部において連続線を用いることにより、ターン部３３１ｃ、３３２ｃを経由することで接続される。したがって、固定子鉄心３２の一方の端部においては、外中層の電気導体３３２ｂと内中層の電気導体３３２ａとを接続する連続線を、外端層の電気導体３３１ｂと内端層の電気導体３３１ａとを接続する連続線が囲むことになる。外中層の電気導体と内中層の電気導体との接続により中層コイルエンドが形成され、外端層の電気導体と内端層の電気導体との接続により端層コイルエンドが形成される。
【００２３】
一方、１つのスロット３５内の内中層の電気導体３３２ａは、固定子鉄心３２の時計回り方向に向けてほぼ１磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の内端層の電気導体３３１ａ’とも対をなしている。同様に、１つのスロット３５内の外端層の電気導体３３１ｂ’は、固定子鉄心３２の時計回り方向に向けてほぼ１磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の外中層の導体３３２ｂと対をなしている。そして、これらの各電気導体は固定子鉄心３２の軸方向の他方の端部において接合により接続される。
【００２４】
したがって、固定子鉄心３２の他方の端部においては、外端層の電気導体３３１ｂと外中層の電気導体３３２ｂとを接続する接合部と、内端層の電気導体３３１ａと内中層の電気導体３３２ａとを接続する接合部とが、径方向に並んでいる。外端層の電気導体３３１ｂと外中層の電気導体３３２ｂとの接続、および内端層の電気導体３３１ａと内中層の電気導体３３２ａとの接続により隣接層コイルエンドが形成される。このように、固定子鉄心３２の他方の端部においては、対をなす電気導体の接続部が、重複することなく並べて配置される。
【００２５】
さらに、複数の電気導体は、周方向に対向するスロット内壁面に沿った２つの対向面を有するほぼ矩形断面を持った一定の太さの電気導体を所定形状に形成したＵ字状セグメント導体により提供される。図３に示すように、内層端の電気導体３３１ａおよび外層端の電気導体３３１ｂとからなる一連の電気導体が、電気導体をほぼＵ字状に形成してなる大セグメント３３１により提供される。また、内中層の電気導体３３２ａと外中層の電気導体２３２ｂとからなる一連の電気導体が、電気導体をほぼＵ字状に形成してなる小セグメント３３２により提供される。
【００２６】
これらの大セグメント３３１と小セグメント３３２は、基本セグメント３３を形成する。そして、基本セグメント３３を規則的にスロット３５に配置して、固定子鉄心３２の周りを２周するコイルが形成される。しかし、固定子巻線３１の引出線を構成するセグメントおよび１周目と２周目とを接続するターン部は、基本セグメント３３とは形状の異なる異形セグメントで構成される。本実施形態の場合には、異形セグメントの本数は９本となる。１周目と２周目との接続は、端層と中層の接続となるが、この接続により異形コイルエンドが形成される。
【００２７】
また、本実施形態では、大セグメント３３１に含まれる外端層の電気導体３３１ｂと内端層の電気導体３３１ａの周方向に沿った距離は、これらの電気導体３３１ｂ、３３１ａが挿入される２つのスロット３５の中心間ピッチＰ（図４）よりも若干短く設定されている。また、この大セグメント３３１は、ターン部３３１ｃの弾性変形によって一対の直線部３３１ｂ、３３１ａ間の周方向の距離が変更可能であって、これらの直線部３３１ｂ、３３１ａ間の周方向の距離を広げながら対応する２つのスロット３５に挿入することにより、これらの電気導体３３１ｂ、３３１ａは、弾性変形のスプリングバックによってターン部３３１ｃが存在する側の一方のスロット内壁面に当接し、他方のスロット内壁面との間に隙間が形成されるように各スロット３５内に配置される。
【００２８】
また、小セグメント３３２に含まれる外中層の電気導体３３２ｂと内中層の電気導体３３２ａの周方向に沿った距離は、これらの電気導体３３２ｂ、３３２ａが挿入される２つのスロット３５の中心間ピッチＰよりも若干長く設定されている。また、この小セグメント３３２は、ターン部３３２ｃの弾性変形によって一対の直線部３３２ｂ、３３２ａ間の周方向の距離が変更可能であって、これらの直線部３３２ｂ、３３２ａ間の周方向の距離を狭くしながら対応する２つのスロットに挿入することにより、これらの電気導体３３２ｂ、３３２ａは、弾性変形のスプリングバックによってターン部３３２ｃが存在する側と反対側の一方のスロット内壁面に当接し、他方のスロット内壁面との間に隙間が形成されるように各スロット３５内に配置される。
【００２９】
このように、図３に示すようにターン部３３１ｃ、３３２ｃが重なるように配置された大セグメント３３１と小セグメント３３２では、対応する２つのスロット３５の中心間距離を基準にして、大セグメント３３１の直線部３３１ａ、３３１ｂが互いに接近するように配置され、小セグメント３３２の直線部３３２ａ、３３２ｂが互いに遠ざかるように配置されている。したがって、図２に示すように、各スロット３５に着目すると、大セグメント３３１および小セグメント３３２の各直線部が径方向に沿って一列に積層されており、これらの積層された各電気導体が、周方向に対向する２つのスロット内壁面の一方に、径方向に沿って交互に当接している。
【００３０】
固定子巻線３１の製造工程を以下に説明する。基本セグメント３３は、Ｕ字状の小セグメント３３２のターン部３３２ｃをＵ字状の大セグメント３３１のターン部３３１ｃが囲むように揃えられて、固定子鉄心３２の軸方向側面の一方側から挿入される。その際、大セグメント３３１の一方の電気導体３３１ａは固定子鉄心３２の第１のスロット３５の内端層に、小セグメント３３２の一方の電気導体３３２ａは同じ第１のスロット３５の内中層に、そして、大セグメント３３１の他方の電気導体３３１ｂは固定子鉄心３２の第１のスロット３５から時計方向の１磁極ピッチ離れた第２のスロット３５の外端層に、小セグメント３３２の他方の電気導体３３２ｂも同じ第２のスロット３５の外中層に挿入される。
【００３１】
その結果、図２に示すように、１つのスロット３５には、内端層側から、挿入部としての電気導体３３１ａ、３３２ａ、３３２ｂ’、３３１ｂ’が一列に配置される。ここで、直線部３３２ｂ’３３１ｂ’は、１磁極ピッチずれた他のスロット３５内の電気導体と対をなしている。
【００３２】
挿入後、第２コイルエンド群３１ｂにおいて、端層側に位置している電気導体は、大セグメント３３１が開く方向に接合部３３１ｄ、３３１ｅが１．５スロット分傾けられる。そして、中層の電気導体は、小セグメント３３２が閉じる方向に接合部３３２ｄ、３３２ｅが１．５スロット分傾けられる。
【００３３】
以上の構成を、全てのスロット３５の基本セグメントについて繰り返す。そして、第２コイルエンド群３１ｂにおいて、外端層の接合部３３１ｅ’と外中層の接合部３３２ｅ、並びに内中層の接合部３３２ｄと内端層の接合部３３２ｄ’とが溶接、超音波溶着、アーク溶接、ろう付け等の手段によって電気的導通を得るように接合され、図４に示すような固定子２が得られる。
【００３４】
このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、セグメント導体３３の挿入部である各電気導体の幅をスロット３５の周方向幅よりも小さくすることにより、各電気導体といずれか一方のスロット内壁面との間に隙間を形成することができるため、セグメント導体３３をスロット３５へ挿入する作業が容易となり、作業性を向上させることができる。また、固定子鉄心３２のスロット３５に収納される各電気導体を、必ずいずれか一方のスロット内壁面に当接させることにより、固定子巻線３１からスロット内壁面への放熱性が良好になるため、固定子巻線３１の温度低減およびこれに伴う出力向上が可能になる。
【００３５】
また、スロット３５の形状に合わせてセグメント導体３３の電気導体形状もほぼ矩形断面形状とすることにより、スロット内壁面と各電気導体とが接触する面積を大きくすることができるため、熱伝導性が良好になり、しかも電気導体が振動しにくくなって固定子巻線３１の磁気騒音を低減することができる。
【００３６】
また、各スロット３５に複数の電気導体を径方向に沿って一列に積層するとともに、これらの各電気導体が、周方向に対向する２つのスロット内壁面の一方に、径方向に沿って交互に当接しているため、各電気導体を均等にスロット内壁面に当接させることができ、固定子巻線３１からスロット内壁面への均一な熱伝導と、固定子鉄心３２のティース部の均一な振動低減が可能になる。
【００３７】
また、各セグメント導体のターン部の弾性変形のスプリングバックによって各電気導体をスロット内壁面に当接させているため、各電気導体をスロット内壁面に当接させるために特別な部品や工程を追加する必要がないため、簡単な構成によって温度低減による出力向上と磁気騒音低減が可能になる。
【００３８】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、固定子鉄心３２の各スロット３５に４本の電気導体が挿入される固定子２について説明したが、スロット３５に挿入される電気導体の数は４本以外であってもよい。例えば、図５に示すように、各スロット３５に、８本の電気導体を径方向に沿って一列に積層し、これら８本の電気導体が径方向に沿って交互に異なるスロット内壁面に当接するようにしてもよい。
【００３９】
また、上述した実施形態では、Ｕ字状のセグメント導体を用いて固定子巻線を構成するようにしたが、ターン部を含まないほぼ直線状のセグメント導体を用いて固定子巻線を構成したり、連続線を用いて固定子巻線を構成する場合にも本発明を適用することができる。
【００４０】
また、上述した実施形態では、回転電機の一例として車両用交流発電機について説明したが、他の発電機や発電機以外の電動機等の各種の回転電機に本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。
【図２】固定子鉄心に装着されるセグメント導体のスロット内における配置状態を示す図である。
【図３】固定子巻線を構成するセグメント導体の斜視図である。
【図４】固定子巻線を構成する導体セグメントの接合部を示す斜視図である。
【図５】固定子巻線の変形例に対応するセグメント導体のスロット内における配置状態を示す図である。
【符号の説明】
１　車両用交流発電機
２　固定子
３　回転子
５　整流器
３１　固定子巻線
３２　固定子鉄心
３３　セグメント導体
３５　スロット
３３１ａ、３３１ｂ、３３２ａ、３３２ｂ　電気導体
３３１ｃ、３３２ｃ　ターン部

Claims (5)

1. 回転子と、前記回転子に対向配置されて軸方向に延びるスロットを円周状に複数有する固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻装される固定子巻線とを備える回転電機において、
   前記固定子巻線は、前記スロット内に挿入される挿入部を有し、
   前記挿入部は、前記スロットの周方向幅よりも小さい幅を有するとともに、周方向に対向するスロット内壁面のいずれか一方に当接していることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、
   前記スロットがほぼ矩形断面形状を有するとともに、前記挿入部は周方向に対向する前記スロット内壁面に沿った２つの対向面を有するほぼ矩形断面形状に形成されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２において、
   前記スロットには複数の前記挿入部が径方向に沿って一列に積層されており、これらの積層された前記挿入部が、周方向に対向する２つの前記スロット内壁面の一方に、径方向に沿って交互に当接していることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記固定子巻線は、一対の前記挿入部とこれらの挿入部をつなぐターン部とを有するほぼＵ字状の導体セグメントを複数接合することにより形成されることを特徴とする回転電機。
5. 請求項４において、
   前記ターン部の弾性変形によって、一対の前記挿入部間の周方向の距離が変更可能であり、
   前記弾性変形のスプリングバックによって、前記挿入部を前記スロット内壁面に当接させることを特徴とする回転電機。

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