JP2005261153A - 車両用交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 コスト増加、出力低下を抑えながら耐久性を向上させることができる車両用交流発電機を提供すること。
【解決手段】 車両用交流発電機には、ポールコア２１に巻回された回転子巻線２２と回転子巻線２２に電気的に接続された一対の集電環２６、２７とを有する回転子２と、回転子２の外周に空隙を空けて配置された固定子と、一対の集電環２６、２７と摺接して回転子巻線２２に給電するブラシ装置とが備わっている。これら一対の集電環２６、２７のそれぞれは、異なる金属材料を用いて形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用交流発電機に関する。

車両用交流発電機は、エンジンから動力を得て発電を行い、バッテリの充電を行うとともに、エンジンの点火や照明その他の各種電装品への電力供給を行うものであり、市場競争力の維持向上のためには小型、軽量、高出力化とともに製品寿命向上も重要な課題である。

特に、エンジンルームの狭小化や車両用交流発電機のエンジンへの搭載位置（一般的にエンジンに搭載される補機類の中で車両用交流発電機はその配置自由度の高さから、エンジンルーム下方へ装着されることが多い）より、車両から車両用交流発電機を脱着することは大掛かりな作業となりつつある。したがって、車両用交流発電機のメンテナンス頻度の低減、理想的にはメンテナンスフリー化が望ましい。そのためには、車両用交流発電機の寿命を決定づける重要な要素であるブラシおよび集電環の寿命向上、すなわちブラシおよび集電環の耐摩耗性や耐環境性向上を図る必要がある。

従来のブラシや集電環の一般的な構造として、導電性の管材を回転子軸にモールド等によって一体させた後に分割して、一対の集電環を得るものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。正負極からなる一対の集電環は、同一金属管を樹脂モールドの後に分割するその製法上、同一の材料で形成されている。

集電環の材料としては一般的に銅（Ｃｕ）が多用されているが、ステンレス（ＳＵＳ）系材料を用いるものも存在する。集電管の材料選定は、電気特性（ブラシとの摺接部の電圧降下の大きさ）や、機械特性（集電管およびブラシの耐摩耗性）のほか、経済性（材料コスト、加工コスト）を考慮して行うべきであり、材料と各々の特性の相関傾向についての検討がなされている（例えば、特許文献２参照。）。この検討によると、電気特性とコストについては銅の方がステンレス鋼よりも良好であり、一方、機械特性については銅よりもステンレス鋼の方が良好である。結局、期待する諸特性に合わせて銅とステンレス鋼とを使い分けている。

また、他の集電環の構造として、回転子巻線の端末部を延伸し、回転軸に巻き付けて固着させた後に、その円筒表面を平滑に切削加工して形成した金属環を集電環として使用するものが知られている（例えば、特許文献３〜５参照。）。
特開昭５８−２０７８４１号公報（第４−５頁、図１−６） 特公平１−４０５９２号公報（第３−４頁、図１−５） 特開昭５２−１４４７０５号公報（第１−２頁、図１−３） 特開昭５２−１４４７０６号公報（第１−２頁、図１−３） 特開昭５２−１４４７０７号公報（第１−２頁、図１−３）

ところで、特許文献１に開示された構造の集電環の材料としては一般には電気特性の優れた銅が用いられるが、銅の機械的性質上、金属黒鉛からなるブラシとの摺接に伴う発熱や、特に正極側においてはブラシ火花等により集電環表面に摩耗や荒れが生じやすく、集電環およびブラシの摩耗を激しく促進させ、耐久性が低下するという問題があった。

また、この問題に対する対策として集電環にステンレス鋼を用いることが考えられるが、ステンレス鋼は銅に比べて機械特性は優るものの電気特性、すなわちブラシとの接触抵抗が悪化して電圧降下が大きくなるため、集電環の主機能である回転子巻線への給電電流が低下し、車両用交流発電機の出力低下を招くという問題があった。また、ステンレス鋼は銅に比べて高価であり、部品コストおよび製品コストが上昇するという問題もある。

なお、特許文献３〜５に開示された構造の集電環は、いずれも回転子巻線の端末部を延長して構成することから、巻線と同一材質、一般的には銅により形成されるため、円環状の集電環に銅を用いて構成した場合の弊害が不可避であり、しかも、巻線用銅線材は巻線性を向上させるために軟化調質されていて集電環の摩耗を悪化させる恐れがあるため、使用条件が厳しい車両用交流発電機の回転子への採用は難しい。

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、コスト増加、出力低下を抑えながら耐久性を向上させることができる車両用交流発電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電機は、鉄心に巻回された回転子巻線と回転子巻線に電気的に接続された一対の集電環とを有する回転子と、回転子の外周に空隙を空けて配置された固定子と、一対の集電環と摺接して回転子巻線に給電するブラシ装置とを備えており、一対の集電環のそれぞれは異なる金属材料を用いて構成されている。回転子に備わった一対の集電環のそれぞれの材料として、特性が異なる異種金属を組み合わせて用いることにより、両方をステンレス鋼で形成した場合のような過度な給電電流の低下やコスト増加がなく、しかも、両方を銅で形成した場合のようなブラシとの摺接に伴う発熱、摩耗、荒れによる耐久性の著しい低下をなくすことができるため、コスト増加、出力低下を抑えながら耐久性を向上させることが可能となる。

また、上述した一対の集電環の一方の材料としてステンレス鋼を用いることが望ましい。これにより、集電環として多用されている銅を用いて両方の集電環を形成した場合に比べて機械特性を向上させることが可能になり、耐摩耗性の改良による耐久性向上が可能になる。

また、ステンレス鋼を用いて形成される上述した集電環には、正電圧が印加されていることが望ましい。これにより、特に正極側の集電環において発生しやすいブラシ火花等によって生じる集電環表面の摩耗や荒れを低減することが可能になる。

また、上述した一対の集電環の他方の材料としてステンレス鋼よりも導電性が良好な金属材料を用いることが望ましい。これにより、機械特性を改善しつつ電気特性の悪化の程度を抑えることが可能になり、耐久性向上と出力維持を両立させることができる。

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。

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断面図である。図１に示す車両用交流発電機１は、回転子２、固定子３、ブラシ装置４、整流装置５、ＩＣレギュレータ６、ドライブフレーム７、リアフレーム８、プーリ９、リアカバー１０等を含んで構成されている。ＩＣレギュレータ６は、ブラシ装置４を介して回転子巻線２２への通電を調節する電圧調整回路である。ＩＣレギュレータ６は、車両用交流発電機１の出力電圧としての整流装置５の正極側端子の電圧、あるいはこの車両用交流発電機１によって充電されるバッテリ（図示せず）の電圧を検出する端子を有し、この検出電圧が所定の目標電圧に接近するように回転子巻線２２の通電電流をデューティ制御する回路として構成することができる。

回転子２は、６個の爪部を有する鉄心としての一対のポールコア２１と、これらのポールコア２１に絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻回することにより形成される界磁巻線としての回転子巻線２２と、回転子巻線２２を挟み込んだ状態で一対のポールコア２１に圧入される回転軸２３と、フロント側のポールコア２１の端面に溶接等によって固定されてフロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出す軸流式の冷却ファン２４と、リヤ側のポールコア３２の端面に溶接等によって固定されてリヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出す遠心式の冷却ファン２５とを備えている。回転軸２３には、回転子巻線２２の両端にそれぞれが電気的に接続された一対の集電環（スリップリング）２６、２７が備わっている。

固定子３は、回転子２のポールコア２１の外周に所定の隙間を空けて配置されており、固定子鉄心３１と、この固定子鉄心３１に形成された複数個のスロットに所定の間隔で巻回された三相の固定子巻線３２とを備えている。

ブラシ装置４は、整流装置５から回転子２の回転子巻線２２に励磁電流を流すためのものであり、回転軸２３に備わった一対の集電環２６、２７に押圧することで摺接して回転子巻線２２に給電を行う一対のブラシ４１、４２を有する。ブラシ装置４は、一対のブラシ４１、４２を、箱状の樹脂製のブラシホルダ４３内に収容して構成されている。ブラシホルダ４３内には、ブラシ４１、４２を保持するための２つの空間が、回転軸２３に対してほぼ径方向に延びるように形成されている。これらブラシ保持空間は、回転軸２３の軸方向に関して所定距離離れて、それぞれに対応する集電環２６、２７の径方向外側に対面するように位置している。ブラシホルダ４３は、リアフレーム８にボルトなどの固定部材によって固定されている。このため、ブラシホルダ４３は、リアフレーム８から外側に向けて突出して支持されている。集電環２６に接触し、摺動するブラシ４１は、リアフレーム８から、ブラシ４２より離れて保持される。

整流装置５は、三相の固定子巻線３２の出力電圧である三相交流電圧を整流して直流の出力電圧を得るためのものである。ＩＣレギュレータ６は、整流装置５の出力電圧で動作し、ブラシ装置４に備わった一対のブラシ４１、４２およびこれらに摺接した回転軸２３に備わった一対の集電環２６、２７を介して回転子巻線２２に供給する励磁電流の断続制御を行うことにより、車両用交流発電機１の出力電圧を所定の調整電圧値に調整する。

ドライブフレーム７およびリアフレーム８は、回転子２および固定子３を収容しており、回転子２が回転軸２３を中心に回転自在に支持されている。プーリ９は、回転軸２３の先端（集電環２６、２７と反対側）にナット９１を用いて締め付け固定されており、エンジン（図示せず）によって回転駆動される。リアカバー１０は、リアフレーム８の外側に取り付けられるブラシ装置４、整流装置５およびＩＣレギュレータ６の全体を覆って、これらを保護する。ドライブフレーム７には、回転軸２３を回転自在に支持する軸受けとしてのボールベアリング７１が設けられている。このボールベアリング７１は、回転子２を、そのフロント側ポールコア２１と、プーリ９との間において支持している。リアフレーム８には、回転軸２３を回転自在に支持する軸受けとしてのボールベアリング８１が設けられている。このボールベアリング８１は、回転子２を、そのリア側ポールコア２１と、ブラシ装置４すなわち一対の集電環２６、２７との間において支持している。

図２は、回転子２の断面図である。リア側に配置された一方の集電環２６は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）を用いて形成されており、内周面の一部に溶接された配線２８を介して回転子巻線２２の一方端に電気的に接続されている。この集電環２６には、ブラシ装置４に備わった一方のブラシ４１が摺接され、所定の正電圧がＩＣレギュレータ６から印加される。また、ポールコア２１側に配置された他方の集電環２７は、銅（Ｃｕ）を用いて形成されており、内周面の一部に溶接された配線２９を介して回転子巻線２２の他方端に電気的に接続されている。この集電環２７には、ブラシ装置４に備わった他方のブラシ４２が摺接され、所定の負電圧（一方の集電環２６を介して印加される電圧に対して相対的に負電圧）が印加される。

これらの集電環２６、２７は、回転軸２３に対してホルダ２０を用いて固定されており、このホルダ２０によって各配線２８、２９の電気絶縁と機械的な固定が同時に行われる。集電環２６、２７は、筒状のホルダ２０の一端部に、軸方向に並べて、かつ所定の隙間を介在させることで互いに軸方向に離して、互いに電気的に絶縁して保持固定されている。筒状のホルダ２０は、集電環２６、２７を保持する部位がほぼ円筒状であり、他方の端部には、ポールコア２１に沿って径方向に拡がる鍔部を有する。さらに、筒状のホルダ２０は、その軸方向に関してほぼ中央部であって、ややポールコア２１側の位置に、ボールベアリング８１の内輪と接する支持部分を有する。筒状のホルダ２０は、絶縁性の部材により成形されており、例えば絶縁性樹脂をモールド成形してなる。筒状のホルダ２０の鍔部には、周方向に関して離れて、例えば直径上に位置するように離れて、良導電性の金属よりなる配線２８、２９の一端が露出している。これら配線２８、２９は、鍔部内をとおり、支持部分内を通って延びており、それぞれ対応する集電環２６，２７に接合されている。筒状のホルダ２０は、回転軸２３の一端側としてのリア側端部に嵌着され、固定されている。

この実施形態では、集電環２６、２７は、回転子２を支持する一対のボールベアリング７１、８１の間に位置しない。集電環２６、２７は、一方のボールベアリング８１より外側、すなわちリア側に突出した回転軸２３の端部に支持されている。その回転軸２３は、リアフレーム８に対して、ボールベアリング８１ばかりでなく、筒状の樹脂製のホルダ２０を介して支持される。

この実施形態では、ボールベアリング８１から、より離れて位置する集電環２６を、他方の集電環２７の材料より相対的に耐摩耗性、耐食性に優れた金属、鉄系合金としてのステンレス鋼製としている。ボールベアリング８１の相対的に近くに位置する集電環２７は、他方の集電環２６の材料より相対的に導電性に優れた金属としての銅製である。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、回転子２の回転軸２３に備わった一対の集電環２６、２７のそれぞれの材質として、特性が異なる異種金属を組み合わせて用いることにより、両方をステンレス鋼で形成した場合のような過度な給電電流の低下やコスト増加がなく、しかも、両方を銅で形成した場合のようなブラシ４１、４２との摺接に伴う発熱、摩耗、荒れによる耐久性の著しい低下をなくすことができるため、コスト増加、出力低下を抑えながら耐久性を向上させることが可能となる。

特に、一方の集電環２６の材料としてステンレス鋼を用いることにより、集電環として多用されている銅を用いて両方の集電環を形成した場合に比べて機械特性を向上させることが可能になり、耐摩耗性の改良による耐久性向上が可能になる。また、ステンレス鋼を用いて形成される一方の集電環２６に正電圧を印加することにより、正極側の集電環２６において発生しやすいブラシ火花等によって生じる集電環２６表面の摩耗や荒れを低減することが可能になる。また、他方の集電環２７の材料としてステンレス鋼よりも導電性が良好な金属材料（実施形態では銅）を用いることにより、機械特性を改善しつつ電気特性の悪化の程度を抑えることが可能になり、耐久性向上と出力維持を両立させることができる。

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において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、ステンレス鋼を用いて形成された集電環２６と銅を用いて形成された集電環２７とを組み合わせて用いるようにしたが、それぞれの集電環２６、２７には電気特性および機械特性を改善するためのカーボン等の各種の材料を添加するようにしてもよい。また、一対の集電環２６、２７のそれぞれを異種金属を用いて形成する具体例として、電気特性が良好な銅と機械特性が良好なステンレス鋼とを用いたが、それぞれを単一の金属材料を用いる場合だけでなく、一方あるいは両方を銅、ステンレス鋼あるいはその他の金属を主成分とする合金で形成するようにしてもよい。この場合に、例えば、銅を主成分として同じ成分が含まれる２種類の合金を用いて両方の集電環２６、２７を形成し、それぞれの合金における成分比のみを異ならせるようにしてもよい。すなわち、本発明では、成分比のみが異なる２種類の合金も異種金属として扱うものとする。

また、上述した実施形態では、ブラシ装置４に備わった一対のブラシ４１、４２の材質については特に言及していないが、集電環２６、２７を異種金属で形成した場合には、それぞれの金属にあわせて良好な電気特性および機械特性が得られるように各ブラシ４１、４２の材質も異ならせるようにしてもよい。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。 回転子の断面図である。

符号の説明

１ 車両用交流発電機
２ 回転子
３ 固定子
４ ブラシ装置
５ 整流装置
６ ＩＣレギュレータ
７ ドライブフレーム
８ リアフレーム
２１ ポールコア
２２ 回転子巻線
２３ 回転軸
２６、２７ 集電環
２８、２９ 配線
４１、４２ ブラシ

Claims (4)

1. 鉄心に巻回された回転子巻線と前記回転子巻線に電気的に接続された一対の集電環とを有する回転子と、前記回転子の外周に空隙を空けて配置された固定子と、前記一対の集電環と摺接して前記回転子巻線に給電するブラシ装置とを備える車両用交流発電機において、
   前記一対の集電環のそれぞれは異なる金属材料を用いて構成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
2. 請求項１において、
   前記一対の集電環の一方の材料としてステンレス鋼を用いることを特徴とする車両用交流発電機。
3. 請求項２において、
   ステンレス鋼を用いて形成される前記集電環には、正電圧が印加されていることを特徴とする車両用交流発電機。
4. 請求項２または３において、
   前記一対の集電環の他方の材料としてステンレス鋼よりも導電性が良好な金属材料を用いることを特徴とする車両用交流発電機。
   

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