JP2007097247A - 車両用交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
磁気騒音を低減できるとともに、製造コストを低減し、かつ、設計の自由度の高い車両用交流発電機を提供することにある。
【解決手段】
ステータコアに配置される３相巻線は、△結線で接続された２組の独立した３相巻線Ｕ１，Ｕ２とから構成される。第一の３相巻線Ｕ１の各相巻線は電気的に６０度または１２０度ずれた位置に挿入される。第二の３相巻線Ｕ２１，Ｕ２２は一相巻線を２つのスロットに分けて挿入される。第一の３相巻線Ｕ１の巻数をｎとし、巻数ｎが奇数の場合、前記第二の３相巻線Ｕ２の２つの巻数Ｕ２１，Ｕ２２はそれぞれ（ｎ＋１）／２であり、巻数ｎが偶数の場合、第二の３相巻線の２つの巻数はｎ／２とｎ／２＋１である。第二の３相巻線の２つの巻線のうちどちらかの巻線は、前記第一の３相巻線の同相巻線と同じスロットに配置される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、車両用交流発電機に係り、特に、磁気騒音を低減するに好適な車両用交流発電機に関する。

従来の車両用交流発電機としては、例えば、特開２００４−３６４４６４号公報に記載のように、毎極毎相スロット数を２以上として磁気騒音を低減するものが知られている。また、関連するものとして、例えば、特開平６−１７８４７９号公報に記載のように、ステータ巻線を２つの独立したＹ結線で構成し、第一巻線と第二巻線の位相差を３０度としたものが知られている。

特開２００４−３６４４６４号公報 特開平６−１７８４７９号公報

しかしながら、特開２００４−３６４４６４号公報に記載のように、毎極毎相スロット数を２以上としたものでは、スロット内の導体数を偶数で構成する必要があるために、スロット数が増加し、製造コストが高くなるという問題があった。

また、特開平６−１７８４７９号公報に記載のように、２つの独立した巻線をＹ結線で構成し、第一巻線と第二巻線の位相差を３０度となるようにコイルを２分割するために、分割されるコイルの選択範囲が狭く設計に自由度がない問題点がある。すなわち、一般的な車両用の交流発電機でＹ結線で構成する場合、巻数は５〜７ターン程度で構成されているため、電気角で３０度の位相差を実現できる（巻線を２分割する）条件を満足できるものは６ターンだけとなり、他の巻数では電気角で３０度の位相差を待たせることはできないため、設計に自由度が低いという問題があった。また、第一巻線と第二巻線の位相差を３０度とするためには第一巻線と第二巻線の数を同じにしなければならないが、第一巻線の作る起磁力と第二巻線が作る起磁力が同じにならないため、電圧リプルは小さくならなず、結果として、磁気騒音が大きくなると言う問題点があった。

本発明の目的は、磁気騒音を低減できるとともに、製造コストを低減し、かつ、設計の自由度の高い車両用交流発電機を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、ステータと、このステータの内周側に回転可能の支持されたロータと、前記ステータの３相巻線で発生した交流電圧を整流する整流回路とを備えた車両用交流発電機であって、前記ステータは、毎極毎相スロット数が１で構成されたステータコアと、前記ステータコアに配置される、△結線で接続された２組の独立した３相巻線とともって構成され、前記２組の独立した３相巻線の内、第一の３相巻線の各相巻線は電気的に６０度または１２０度ずれた位置に挿入され、第二の３相巻線は一相巻線を２つのスロットに分けて挿入され、前記第一の３相巻線の巻数をｎとし、巻数ｎが奇数の場合、前記第二の３相巻線の２つの巻数はそれぞれ（ｎ＋１）／２であり、巻数ｎが偶数の場合、前記第二の３相巻線の２つの巻数はｎ／２とｎ／２＋１であり、前記第二の３相巻線の２つの巻線のうちどちらかの巻線は、前記第一の３相巻線の同相巻線と同じスロットに配置されるものである。
かかる構成により、磁気騒音を低減できるとともに、製造コストを低減し、かつ、設計の自由度を高くすることができる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記第一の３相巻線は、前記ステータコアに設けられたスロットの底側に配置され、第二の３相巻線は、前記ステータの内周側に配置されたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記第一の３相巻線と前記第二の３相巻線の位相角は、電気角で略２５度〜３５度の範囲となるものである。

（４）上記（３）において、好ましくは、前記第一の３相巻線と前記第二の３相巻線の位相角は、電気角で２５．３度〜３４．７度の範囲となるものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記第一の３相巻線の巻数に対して、前記第二の３相巻線のそれぞれの巻線のベクトル和の比が略０．９５〜１．０５の範囲である。

（６）上記（５）において、好ましくは、前記第一の３相巻線の巻数に対して、前記第二の３相巻線のそれぞれの巻線のベクトル和の比が０．９５４〜１．０４の範囲である。

本発明によれば、磁気騒音を低減できるとともに、製造コストを低減し、かつ、設計の自由度を高くし得るものとなる。

以下、図１〜図９を用いて、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による車両用交流発電機の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の構成を示す縦断面図である。

本実施形態の車両用交流発電機１００は、２個のブラケット１４，１５を備えている。このブラケットは、プーリ１側に配置されるフロントブラケット１４及び反プーリ側リアブラケット１５からなる。両ブラケット１４，１５の中心部には、シャフト１７がプーリ側ペアリング２Ｆ、反プーリ側ペアリング２Ｒを介して支持されている。シャフト１７の一方の端部にはプーリ１が取り付けられ、もう一方の端部にはスリップリング９が取り付けられている。プーリ側ベアリング２Ｆ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１４に設けられている。プーリ１はベルト（図示せず）を介してエンジンの出力軸に配置されたクランクプーリと接続され、エンジンの回転数とプーリ比に比例して回転する。スリップリング９にはブラシ８が摺動可能に取り付けられ、ブラシ８から後述する界磁巻線１２に電力を供給する。

また、シャフト１７の中央部には、回転子（ロータ）３が設けられている。回転子３の軸方向の両面端部には、フロントファン７Ｆとリアファン７Ｒが設けられている。回転子３の外周部には、爪形の形状を持つ爪形磁極１３が複数配置されている。また、回転子３の中心部には界磁巻線１２が巻かれ、この界磁巻線１２にスリップリング９からの直流電流によって爪形磁極１３を磁化させる。固定子４にはティースとスロットが配置され、この固定子４の凹部に相当するスロットには固定子巻線５が３相で分布巻きに巻かれている。界磁巻線１２及び固定子巻線５としては、断面形状が円形で表面にエナメル等の絶縁被覆された銅線を用いている。界磁巻線及び固定子巻線として断面円形状の導線を用いることで、平角線を用いた場合に比べて、コストを低減することができる。

エンジンの駆動によって爪形磁極１３が回転して磁化されると、固定子巻線５に３相の誘起電圧が発生する。また、発電電圧を調整するためのＩＣレギュレータ（図示せず）は、リアブラケット１５とリアカバー１０の間に配置され、バッテリに接続されるターミナル６の端子電圧を常に一定電圧となるように制御している。全波整流に必要な整流回路１１は、ＩＣレギュレータ（図示せず）と同様にリアブラケット１５とリアカバー１０の間に配置される。

以上のように構成した車両用交流発電機１００において、エンジンの駆動によってプーリ１が回転すると、シャフト１７はスリップリング９及び回転子３と一緒に回転し、ブラシ８からの直流電流が回転子内部の界磁巻線１２に通電され、界磁巻線１２は爪形磁極１３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１２による磁束は、Ｎ極の爪形磁極の爪部から出たものが、固定子４を通りＳ極の爪形磁極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５を鎖交することにより、固定子巻線５に３相の誘起電圧が発生する。この３相の誘起電圧は先に説明した整流回路１１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１４．３Ｖ程度の一定電圧になるようにＩＣレギュレータ（図示せず）で界磁巻線電流を制御することで達成している。

次に、図２及び図３を用いて、本実施形態による車両用交流発電機における固定子４に巻かれる固定子巻線５の結線構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機における固定子巻線の結線関係を示す回路図である。図３は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機における固定子巻線のスロット配置を示す要部断面図である。なお、図２及び図３において、図１と同一符号は、同一部分を示している。

図２に示すように、本実施形態においては、図１に示した固定子巻線５を２つの独立した３相巻線５ａ，５ｂとしている。第一巻線５ａは、Ｕ１巻線，Ｕ１−巻線，Ｖ１巻線，Ｖ１−巻線，Ｗ１巻線，Ｗ１−巻線からなる。また、第二巻線５ｂは、第一巻線５ａと同相コイルに対応する巻線が、それぞれ２分割されており、Ｕ２１巻線，Ｕ２２巻線，Ｕ２１−巻線，Ｕ２２−巻線，Ｖ２１巻線，Ｖ２２巻線，Ｖ２１−巻線，Ｖ２２−巻線，Ｗ２１巻線，Ｗ２２巻線，Ｗ２１−巻線，Ｗ２２−巻線からなる。第一巻線５ａ及び第二巻線５ｂは、それぞれΔ結線されている。

第一巻線５ａと第二巻線５ｂは電気的には独立した巻線となっており、図に示した整流回路１１により電気的に接続されるようになっている。整流回路１１は、全波整流回路であり、１２個の整流素子（ダイオード）で構成されている。整流回路１１の出力である直流電圧は、バッテリー２００に蓄電され、また、負荷３００に供給される。

図３は、図１に示した円筒構造の固定子４を、簡易的に直線で展開して示している。本実施形態の車両用交流発電機は、毎極毎相スロット数が１で構成されるため、ロータが１２極の場合はスロット数が３６で構成される。ここでは、その一部を図示している。本例の交流発電機は、３相の交流発電機であるため、毎極毎相スロット数が１で構成される。なお、スロット数が３６であるため、１スロットあたりの電気角度は６０度となる。

通常の車両用交流発電機のコイル配置は１つのスロットに１つの相コイルが配置されており、無極無相スロット数が１の場合には、基準となるスロットをＵ相とすると次のスロットはＷ−，Ｖ，Ｕ−，Ｗ，Ｖ−の繰り返しとなる。

第一巻線５ａは、従来と同じスロットに上記と同じ繰り返しのパターンで配置されている。第二巻線５ｂのＵ２巻線はＵ２１巻線とＵ２２巻線に２分割され、Ｕ２１巻線は第一巻線のＵ１巻線と同じスロットに配置される。Ｕ２２巻線は隣のスロットであるＷ１−と同じスロットに配置される。Ｖ２相に関しても、Ｖ２１とＶ２２に分けてＶ２１はＶ１と同じスロット、Ｖ２２はＵ１−相と同じスロットに配置される。

なお、図２に示したように、整流回路１１によって整流するため、２組の巻線５ａ，５ｂで発生する電圧は、同じ大きさで位相差が電気角で３０度の場合に、リプルを最も小さくでき、磁気騒音も低減できる。

次に、図４を用いて、本実施形態による車両用交流発電機における２つの固定子巻線による起磁力について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機における２つの固定子巻線による起磁力の説明図である。

図４（Ａ）は、第一巻線５ａのＵ１相が作る起磁力をベクトル表示したものである。図４（Ｂ）は、第二巻線のＵ２１とＵ２２の合計で作るＵ２の合成ベクトルを示している。Ｕ２１とＵ２２の巻数を同じにした場合、合成ベクトルはＵ２となりθは３０度となる。しかし、合成ベクトルのＵ２は、第一巻線の作る起磁力Ｕ１と比較すれば小さい値となり、電圧のバランスが崩れることから２つの電圧に３０度の位相差があっても、図２で示した整流回路１１の整流した直流側の電圧はリプルが大きくなる。

それに対して、図４（Ｂ）に示したように、第二巻線の起磁力を、Ｕ２１とＵ２２‘とすることで、その合成ベクトルＵ２’で示される起磁力は、第一巻線が作る起磁力Ｕ１とほぼ同じ値にすることができる。このとき、合成ベクトルのＵ２’は、第一巻線の作る起磁力Ｕ１に対して位相差θ’となるが、この位相差を３０度に近い値とすることで、リプルを小さくすることができる。

本実施形態の車両用交流発電機では、ステータ巻線に占積率向上に有利であるばかりではなく電圧リプルの小さい△巻線を採用し、巻数がＹ結線より多くすることで巻数の選択肢を広げたものである。更に、独立した３相巻線を２組用いて電圧リプルを低減し、磁気音の源となる加振力の変動分を小さくするものである。

次に、図５を用いて、本実施形態による車両用交流発電機における２つの固定子巻線の具体的な巻数の組合せについて説明する。
図５は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機における２つの固定子巻線の具体的な巻数の組合せの説明図である。

図４で説明したように、第二巻線の合成ベクトルＵ２’と、第一巻線の作る起磁力Ｕ１が略等しく、かつ、両者の位相差θ’が略３０度となる組合せとすることで、リプルを小さくすることができる。

図５に示す具体的な巻数の組み合わせにおいて、例えば一相巻数が５ターンの場合、第一巻線のＵ１巻数は５ターンで構成される。この場合、第二巻線はＵ２１とＵ２２の合計巻数が５ターンとなるようなＵ２１＝２，Ｕ２２＝３とした場合、第二巻線の合成ベクトルＵ２巻線の大きさは４．３６ターンとなる。また、この場合図３の（ｂ）で示した位相θは３６．６度となる。理想的な巻数の構成比は、Ｕ２巻線の合成起磁力値がＵ１とほぼ同じでＵ１とＵ２巻線の電気的な位相がほぼ３０度となることである。

例えば、図４に示した一相巻数が奇数の場合、Ｕ２１巻線とＵ２２巻線の合計巻数を一相巻数よりも１ターン多くし、Ｕ２１巻線とＵ２２巻線の巻数を同じにすることで、電気的な位相を３０度にすることができると共にＵ２の合成ベクトルをＵ１巻線の大きさ（±５％以内）に近づけることができる。また、一相巻数が偶数巻数の場合においてもＵ２１とＵ２２巻線の合計巻数をＵ１巻数よりも１ターン多く巻き２つに分散することで、電気的な位相は３０度の前後で２５〜３５度程度となり、Ｕ２１とＵ２２の合成ベクトルをＵ１とほぼ同じ値にすることができ整流後の電圧リプルを小さくすることができる。

図５に示した組合せ例の中で、太線で囲んだ組合せが、第二巻線の起磁力と位相の関係が良好である組み合わせを示している。この組合せの中で、第一巻線の起磁力と、第２巻線の合成ベクトルは、図５中のＵ１巻数と、Ｕ２巻数の比として表される。従って、良好な組合せにおいては、Ｕ２１とＵ２２の合成ベクトルと、Ｕ１の比は、０．９５４〜１．０４の範囲となり、ほぼ０．９５〜１．０５の範囲，即ち、Ｕ２の合成ベクトルをＵ１巻線の大きさの±５％以内となる。また、このとき、位相差は、Ｕ１−Ｕ２位相差に示すように、２５．３度〜３４．７度となり、ほぼ２５度〜３５度の範囲となる。

この表からも分かるように第一巻線の巻数に対し第二巻線は分散して配置されることから巻数が増加する。巻線のインダクタンスは巻数の二乗に比例して大きくなるため第二巻線のインダクタンスが大きくなった場合高速側で第一巻線と第二巻線の発電電流にアンバランスが生じる可能性がある。そこで、本実施形態では図３にも示したように、第一巻線５ａに対し第二巻線５ｂをインダクタンスが小さくなる固定子の内周側に配置してインダクタンスの低減を図っている。更に、第一巻線と第二巻線の抵抗値まで合わせる場合には、第二巻線の線径を若干第一巻線の線径よりも太くすることでこの問題を解決することができる。

次に、図６〜図９を本実施形態による車両用交流発電機における全波整流波形について説明する。
図６〜図９は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機における全波整流波形及び各相波形を示す波形図である。

ここでは、図５で説明した巻数に関して代表的な巻数について、各相波形と全波整流波形を示している。図６は、Ｕ１巻線の巻数を７ターンとし、Ｕ２巻線の巻数をそれぞれ４ターンとした場合の各相波形と全波整流波形を示している。このとき、Ｕ１とＵ２の位相差は３０度である。図７は、Ｕ１巻数を８ターンとし、Ｕ２巻線の巻数を４ターンと５ターンした場合の各相波形と全波整流波形を示している。このとき、Ｕ１とＵ２の位相差は３３．７度である。

図８は、Ｕ１巻線の巻数を９ターンとし、Ｕ２巻線の巻数をそれぞれ５ターンとした場合の各相波形と全波整流波形を示している。このとき、Ｕ１とＵ２の位相差は３０度である。図９は、Ｕ１巻数を１０ターンとし、Ｕ２巻線の巻数を５ターンと６ターンした場合の各相波形と全波整流波形を示している。このとき、Ｕ１とＵ２の位相差は３３度である。

どのグラフの波形も単独の３相巻線の電圧リプルより大幅に変動を小さくすることができている。このように、本実施形態では、一相巻数が奇数の場合には、Ｕ２１巻線とＵ２２巻線の巻数をＵ１巻線より１ターン多く構成し、その値を１／２にしたもので構成し、一相巻数が偶数の場合には、Ｕ２１とＵ２２の巻数を同様に１ターン多く巻きＵ２１とＵ２２の巻数が１ターン異なるように構成することで独立した３相巻線の２つの位相を電気的に約３０度程度ずらすことができると共に、巻線が作る起磁力の大きさをほぼ同じにすることができる。電圧のリプルが低減できれば、負荷時の電流のリプルも小さくなり騒音の低減が可能になる。

以上説明したように、本実施形態では、第一巻線の巻数よりも１ターン多く第二巻線の巻数を選択することで、電圧リプルを小さくでき、負荷時の発電電流の時間変化が小さく加振力の変動が少ないため、騒音を低減することができる。また、ステータコアに毎極毎相スロット数が１となるコアを用い、ステータ巻線に連続した巻線を用いて△結線で接続することでＹ結線に対し、巻数が多い８〜１２ターンを選択することができ、巻線を分割する場合の選択肢を増加させることができ、設計の自由度を高くすることができる。さらに、△結線はＹ結線に比べ細い線を用いることができるため、スロット内の占積率を高くでき、効率向上の効果もある。また、電線が細いため、エンドコイル部の成形処理が比較的容易になり。構造の簡単さに加えて製造のし易さからコスト低減が可能になる。

なお、以上の説明では、回転子構造を爪形磁極のもので説明したが、本発明は固定子のコイル配置に関するものであり、回転子の構造に影響を受けないため、回転子が永久磁石で構成されたものや爪磁極間に永久磁石を配置したものにおいても同様の効果が得られることはいうまでもない。

本発明の一実施形態による車両用交流発電機の構成を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態による車両用交流発電機における固定子巻線の結線関係を示す回路図である。 本発明の一実施形態による車両用交流発電機における固定子巻線のスロット配置を示す要部断面図である。 本発明の一実施形態による車両用交流発電機における２つの固定子巻線による起磁力の説明図である。 本発明の一実施形態による車両用交流発電機における２つの固定子巻線の具体的な巻数の組合せの説明図である。 本発明の一実施形態による車両用交流発電機における全波整流波形及び各相波形を示す波形図である。 本発明の一実施形態による車両用交流発電機における全波整流波形及び各相波形を示す波形図である。 本発明の一実施形態による車両用交流発電機における全波整流波形及び各相波形を示す波形図である。 本発明の一実施形態による車両用交流発電機における全波整流波形及び各相波形を示す波形図である。

符号の説明

１００…車両用交流発電機
３…回転子
４…固定子
５…固定子巻線
５ａ…第一巻線
５ｂ…第二巻線
１１…整流回路
１２…界磁巻線
１３…爪形磁極
２００…バッテリー
３００…電気負荷

Claims (6)

1. ステータと、このステータの内周側に回転可能の支持されたロータと、前記ステータの３相巻線で発生した交流電圧を整流する整流回路とを備えた車両用交流発電機であって、
   前記ステータは、
   毎極毎相スロット数が１で構成されたステータコアと、
   前記ステータコアに配置される、△結線で接続された２組の独立した３相巻線をもって構成され、
   前記２組の独立した３相巻線の内、第一の３相巻線の各相巻線は電気的に６０度または１２０度ずれた位置に挿入され、第二の３相巻線は一相巻線を２つのスロットに分けて挿入され、
   前記第一の３相巻線の巻数をｎとし、巻数ｎが奇数の場合、前記第二の３相巻線の２つの巻数はそれぞれ（ｎ＋１）／２であり、巻数ｎが偶数の場合、前記第二の３相巻線の２つの巻数はｎ／２とｎ／２＋１であり、
   前記第二の３相巻線の２つの巻線のうちどちらかの巻線は、前記第一の３相巻線の同相巻線と同じスロットに配置されることを特徴とする車両用交流発電機。
2. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
   前記第一の３相巻線は、前記ステータコアに設けられたスロットの底側に配置され、第二の３相巻線は、前記ステータの内周側に配置されたことを特徴とする車両用交流発電機。
3. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
   前記第一の３相巻線と前記第二の３相巻線の位相角は、電気角で略２５度〜３５度の範囲となることを特徴とする車両用交流発電機。
4. 請求項３記載の車両用交流発電機において、
   前記第一の３相巻線と前記第二の３相巻線の位相角は、電気角で２５．３度〜３４．７度の範囲となることを特徴とする車両用交流発電機。
5. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
   前記第一の３相巻線の巻数に対して、前記第二の３相巻線のそれぞれの巻線のベクトル和の比が略０．９５〜１．０５の範囲であることを特徴とする車両用交流発電機。
6. 請求項５記載の車両用交流発電機において、
   前記第一の３相巻線の巻数に対して、前記第二の３相巻線のそれぞれの巻線のベクトル和の比が０．９５４〜１．０４の範囲であることを特徴とする車両用交流発電機。

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