JP2007504794A - 自動車用のオルタネータまたはオルタネータ／スタータなどの多相回転電気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複合結線ステータ装置によって多相回転電気装置の性能を最適化する。
【解決手段】本発明は、自動車用のオルタネータやオルタネータ／スタータなどの多相回転電気装置に関する。この装置は、ケーシング内にロータを覆っているステータを有する。このステータは、星形の３相結線および三角形の３相結線を備えており、これらの結線の出力は、共通出力端子とグランドとの間に並列に配置されたブリッジ整流器に接続されている。２つの結線は、ステータの凹部内に一緒に受容されている。星形結線のターン数および三角形結線のターン数はそれぞれ、３および５となるように選択される。本発明は、オルタネータやオルタネータ／スタータに用いることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、自動車用等のオルタネータやオルタネータ／スタータなどの多相回転電気装置に関する。この回転電気装置は、ケーシング内にロータを覆っているステータを有する。このステータは、３相スター結線および３相デルタ結線を備え、これらの結線の出力は、この回転電気装置の共通出力端子とアースとの間に並列に配置されたブリッジ整流器に接続されている。これらの結線は、ステータの凹部内に一緒に収容されている。

これらの２つの３相結線は、一方が星形に接続され、他方がデルタ形に接続され、複合結線ステータ装置を形成している。

このタイプの回転電気装置は、以下の詳細な説明で参照するフランス特許第２，７３７，０６３号に開示されている。一方が星形に接続され、他方がデルタ形に接続された２つの３相結線によって生成される電圧は同一であるため、デルタ結線のターン数を、スター結線のターン数の√３倍にしなければならない。また、２つの結線の巻線の断面の比を、１／√３にしなければならないことにも留意されたい。

従って、従来技術は、複合結線ステータ装置によって得られる少数の特定の効果を有するのみである。

本発明の目的は、複合結線ステータ装置によって、上記に定義した回転電気装置の性能を最適化するための可能性を追及することにある。

この目的を達成するために、本発明による回転電気装置では、スター結線のターン数とデルタ結線のターン数が整数であり、これらのターン数の比が、可能な限り√３に近くなるように選択されており、スター結線およびデルタ結線のターン数は、それぞれ３および５である。

本発明の別の特徴によると、スター結線のワイヤの直径は、デルタ結線のワイヤの直径とは異なり、これらの直径の比は、これらの結線の抵抗の最適な比√３に近く、かつ凹部の充填率が５０％を超えるように選択されている。

本発明の更に別の特徴によると、スター結線は、平行な２本のワイヤを用いて分布巻きされている。

本発明の更に別の有利な特徴によると、ステータ凹部のスター結線の巻線は、凹部の開口に分散して配置され、デルタ結線の巻線は、凹部の底部に配置されている。

本発明の更に別の有利な特徴によると、対になった極と永久磁石がロータに配置されている。この永久磁石は、その数が極の数よりも少なく、ロータの中心に対して対称に配置されている

これらの有利な特徴は、単独で用いても、組み合わせて用いてもよい。

本発明の一実施形態を単に例示する添付の図面を参照しながら以下の説明を読めば、本発明をよりよく理解でき、本発明の他の目的、特徴、詳細、および利点が、より明らかになると思う。

図１は、以下に簡単に説明する回転電気装置を示している。この回転電気装置は、特に従来の熱機関を搭載した自動車用の本発明を適用できる３相型オルタネータである。オルタネータは、通常、反転可能であり、特に自動車の熱機関を開始するためのオルタネータ／スタータからなっている。この装置は、オルタネータ・モードで作動している場合、他のオルタネータと同様に、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。この装置はまた、電気モータ・モード、特に自動車の熱機関を開始するためのスタータ・モードで動作している場合、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。

この装置は、ケーシング１、その内部のシャフト３に固定された回転可能なロータ２、およびそのロータを取り囲んでいるステータ４を必ず有している。このステータ４は、両側に延出ワイヤ５を形成しているステータの巻線を収容するべく、ここでは半密閉型の凹部を備えた本体を有する。この本体は、金属シートの束の形態である。このような巻線は、複合結線ステータ装置を形成するべく、後述するように配置される３相スター結線および３相デルタ結線を有する。

ロータは、一例として、例えば米国特許出願公開第２００２／０１７５５８９号、および欧州特許出願公開第０４５４０３９号に開示されている例のように、クローロータの形態とすることができる。

このロータは、軸方向に並置された２つの極ホイール７および８を有する。これらの極ホイールは、それぞれ、伝達フランジを備えている。伝達フランジの外周部には、他方の極ホイールのフランジを向いて、軸方向に延びた台形型の歯９が設けられている。一方の極ホイールの歯は、それぞれ、他方の極ホイールの近接する２つの歯の間の空間内に進入し、それぞれの極ホイールの歯が、互いにインターロックされている。

励磁巻線１０が、フランジと極ホイール７、８との間に軸方向に配置されている。励磁巻線１０は、円柱コアの形態のロータ部品によって保持されている。この円柱コアは、フランジとは別個にしてもよいし、図１に示すように、それぞれがフランジの一部である２つの部品から構成してもよい。

励磁巻線１０が作動すると、すなわち給電されると、強磁性材料からなるロータが磁化して誘導ロータとなり、極ホイールの歯に磁極が出現する。

この誘導ロータは、シャフト３が回転するとアーマチュア・ステータに交流電流を誘導する。

変更例として、ロータを、例えば国際特許公開第０２／０５４５６６号パンフレットに開示されているような極が突出したタイプにすることができ、その磁極の周りには、複数の励磁巻線が巻き付けられている。

ロータ２のシャフト３は、その前端部に、自動車の熱機関とオルタネータとの間に、少なくとも１つのベルトを備える運動伝達装置の一部であるプーリー１２を備え、その後端部１３に、ロータの励磁巻線の両端に配線で接続されたコレクタリングを備えている。まとめて１４として示されているブラシホルダの一部であるブラシが、コレクタリングを擦るように配置されている。ブラシホルダは、電圧レギュレータに接続されている。

ケーシング１は、２つの部品、すなわちプーリー１２に近接した前部ベアリング１６と、ブラシホルダ、電圧レギュレータ、およびブリッジ整流器を保持する後部ベアリング１７とからなっている。これらのベアリングは、それぞれ、中空形状であって、ロータ２のシャフト３を回転可能に取り付けるために、中心にボールベアリング１９および２０を備えている。図示されている装置のこれらのベアリングには、空気の循環によって、オルタネータを冷却できるように孔が開けられている。

最後に、ロータは、少なくとも一方のその軸端部に、空気を循環させるためのファンを備えている。図示の例では、ファン２３がロータの前面に設けられ、より高出力の別のファン２４が、ロータの後面に設けられている。それぞれのファンは、複数の羽根２５および２６を備えている。

変更例として、オルタネータを、水で冷却することができ、好適な冷却水の導管を、ケーシングに設けることができる。

本発明を適用することができる図２のタイプの回転電気装置は、図２に示すように、３相スター結線２８と３相デルタ結線２９を備える複合結線ステータ装置を有する。これらの結線２８および２９の出力は、それぞれ、特に装置が反転型であって、例えばフランス国特許第２，７４５，４４５号（米国特許第６，００２，２１９号）に開示されているオルタネータ／スタータからなる場合、ダイオード３２またはＭＯＳＦＥＴ型のトランジスタなどの整流素子を含むブリッジ整流器３０および３１に接続されている。

従って、図２の３相結線は、それぞれ、相の結線を構成する３つのアームを備えている。

３相スター結線は、星型に接続された３つのアームを備え、共通の入力と３つの出力が、ブリッジ整流器３０に電気的に接続されている。

３相デルタ結線は、三角形の頂点のそれぞれに、対で電気的に接続され、三角形に接続された３つのアームを備えている。それぞれの頂点が入力となっている。この３相結線の出力は、ブリッジ整流器３１に電気的に接続されている。

これらのブリッジ整流器は、アースとＤＣ出力端子３３との間に並列に接続されている。

これらのブリッジ整流器は、例えばフランス国特許第２，７３７，０６３号の図３に示されているように、オルタネータの後部ベアリング１７に保持される。

ブリッジ整流器は、グレッツ型の全波整流器である。これらのブリッジ整流器は、特にステータの巻線で生成される交流電流を整流して、ＤＣ電流に変換し、特に自動車のバッテリを充電することができる。

２つの結線から供給される電圧は、実質的に同一であるため、デルタ結線２９におけるターン数は、スター結線２８におけるターン数よりも√３倍多い。デルタ結線の巻線の断面積とスター結線の巻線の断面積との比は、１／√３である。

図２の線図は、例えばフランス国特許第２，７３７，０６３号に開示されていて公知であるため、更なる詳細は省略する。

図３に示すように、スター結線２８の巻線とデルタ結線２９の巻線は、同じ凹部３５内に配設されている。デルタ結線２９の巻線は凹部の開口３６に近接して配設され、スター結線２８の巻線は、凹部の底部に配設されている。

開示する例示的な実施形態では、ロータ２（図４）は、１つの極ホイールが８つの歯９を備えているため、８対の極を有することに留意されたい。従って、ステータの本体内に４８の凹部が設けられている。つまり、上記した米国特許出願公開第２００２／０１７５５８９号および欧州特許出願公開第０４５４０３９号に開示されている解決手段のノッチの半数である。

もちろん、本発明によるロータは、６対、７対、１０対、または１２対の極を有することができ、ステータは、３６対、４２対、６０対、または７０対の極を有することができる。

公知の方法では、第１のアームの巻線を受容する連続した２つの凹部間に３相結線が配置される場合、２つの凹部はそれぞれ、結線の第２のアームおよび第３のアームを受容するようになっている。

それぞれの凹部３５は、ステータの本体に対して巻線のワイヤを絶縁するために、凹部絶縁材（符号なし）を公知の方法で備えており、各凹部３５の開口３６は、巻線のワイヤが通れるように十分な幅を有することに留意されたい。この入口は、凹部充填材（参照符号なし）によって、公知の方法で閉じられている。この充填材は、巻線のワイヤを締め付けるようにするために、弾性材とするのが有利である。

本発明の目的は、特に複合結線ステータ装置の好適な構成、および後述する追加の構造手段によって、図１および図２に示すタイプの回転電気装置の性能を最適化するべく改善することにある。

本発明は、本質的に、ステータの各凹部内に受容されるスター結線２８のターン数、及びデルタ結線２９のターン数の選択が装置の性能に大きな影響を与えるという知見に基づいている。

本発明では、最適な熱条件を得るには、ターン数をできる限り少なくしなければならないが、スター結線のターン数に対するデルタ結線のターン数の比を、できる限り最適値√３に近づけなければないことが分かった。

測定値から、図５に示す特性曲線を作成した。図５のＹ軸は、装置の熱状態すなわちステータ本体を構成する金属シートの束であるステータ本体の鉄で測定された温度、またはブリッジ整流器のダイオードの測定温度を示し、Ｘ軸は、２つの結線のターン数の比Ｒを示している。

Ｘ軸はまた、２つの条件によって考えられうる様々なターン数の比、すなわち対を示している。この場合、それぞれのターン数は整数でなければならない。従って、Ｘ軸は、スター結線のターン数２、３、４に対して考えられうる比を示している。図５の特性曲線は、最小値が５／３から７／４の間にあり、最適値の比が√３である上に開いたベル型であることが分かる。

スター結線のターン数が増大したときの最適値√３の右側の熱劣化は、ステータの鉄の温度上昇という形で測定できる、太くなった延出ワイヤによって冷却空気が通過できなくなるという事実によって説明がつく。最適値√３の左側の熱状態の劣化は、スター結線のターン数が２の場合はデルタ結線のターン数を４にしなければならず、最適な比√３ではない２となるために起こる。この比が最適値と大きく異なるため、電気系統が不安定になり、ブリッジ整流器のダイオードの温度が上昇してしまう。

従って、各凹部において、スター結線のターン数３、およびデルタ結線のターン数５を有する結線構造が特に有利であることが分かった。

上記したように、複合結線ステータ装置、すなわちスター結線とデルタ結線の組み合わせも、デルタ結線の抵抗の比がスター結線の抵抗の比の１／√３倍に等しくなるようにしなければならない。本発明では、１／√３の最適な比に近づけるために、直径が異なるデルタ結線のワイヤとスター結線のワイヤを使用する。

装置が動作できる最適な熱条件は、凹部の充填率が５０％以上であって、延出ワイヤの通気が十分な範囲でワイヤの直径を可能な限り大きくした場合に得られる。しかし、巻線を凹部内へ適合させるには、直径が小さなワイヤの方が容易であるため、平行なワイヤによってスター結線の巻線を形成することにする。しかし、平行なワイヤの数は、延出ワイヤの通気が十分となるように可能な限り少なくしなければならない。

本発明では、結線のそれぞれのアームが第１の直径のワイヤであるデルタ式３相結線と、結線のそれぞれのアームが分布巻された第２の直径の２本の平行なワイヤであるスター式３相結線を形成するのが、特に有利であることが分かった。念のため、分布巻きは、ワイヤをステータ本体の凹部内である周方向に巻き、次いで、ステータ本体を１回転したら、ステータ本体の凹部内で別の周方向に巻いて形成することに留意されたい。

本発明のスター結線では、各アームに対して、２本の平行なワイヤ、すなわち１つになった２本のワイヤが、ステータ本体の凹部内で３回巻かれ、デルタ結線では、ステータ本体の凹部内で５回巻かれている。

従って、スター結線およびデルタ結線のアームは、それぞれ、３回巻きおよび５回巻きである。

この構成を、ステータの各凹部内の特に有利な５回巻き３相デルタ結線と３回巻き３相スター結線の対に適用して、デルタ結線のアームの５回巻き、すなわち５本のワイヤの下側の凹部の底部にスター結線のアームの６本のワイヤ（１巻きに付き２本のワイヤ）が配置された図３に示す構造を達成できる。

一例として、平行なワイヤを使用しない複合結線ステータ装置では、１．６ｍｍのワイヤでデルタ結線を形成し、２．２４ｍｍのワイヤでスター結線を形成することができる。スター結線が平行なワイヤで形成される場合には、スター結線およびデルタ結線のそれぞれに、直径１．６ｍｍおよび直径１．７ｍｍのワイヤを使用することができる。

凹部３５の開口３６に近接したデルタ結線のワイヤと凹部の底部のスター結線のワイヤの配置により、電気出力の面で優れたバランスが得られる。しかし、熱条件を改善し、かつ装置のノイズを軽減するには、スター結線のワイヤを分布巻きで凹部の開口に配置し、デルタ結線のワイヤを凹部の底部に配置するのが有利である。

図４に示す構造を有するロータを用いて、本発明による装置の性能すなわち出力および効率を更に上げることができる。このロータは、よく知られており、例えばフランス国特許第２，７８４，２４８号に開示されているように、図１のステータ２などのステータの外周部における近接する２つの歯の間に所定数の永久磁石３８を備えている。永久磁石３８は、その数がロータの極の数よりも少なくなるように選択され、ロータの軸に対して対称に配置されている。本発明のこの構成は、極が突出したタイプのロータにも適用することができる。

図４では、８対の極に対して４対の磁石３８が設けられている。

本発明では、金属シートの束の形態であるステータ本体の外周部に、振動を吸収するための弾性装置を設けることも有利であることに留意されたい。この弾性装置は、前部にフラットシール４０を備え、後部にパッド４１を備えており、図１から分かるように、熱を放散させるためにステータの本体と前部ベアリングとの間に配置された可撓性の熱伝導樹脂からなっている。

上記した説明から明らかなように、本発明は、従来技術に比べて、特定の出力の向上、磁気ノイズの減少、およびリップル率の低下などの様々な利点を有する。これらの利点は、ターン数の比が√３、結線の抵抗の比が１／√３になるようにステータのスター結線とデルタ結線を３０電気角度ずらして得ることができる。

図１の装置は、前部ファンとより高出力の後部ファンによって空気冷却される。装置の出力は、例えばフランス特許第２，７４１，９１２号などに開示され、図１の後部ファンのように、それぞれが一連の羽根を備えた２つのファンを重ね合わせて形成されるファンなどの高性能ファンを用いても上げることができる。

スター結線のワイヤの直径は、デルタ結線のワイヤの直径とは異なる。スター結線は、２本のワイヤで巻くことができ、デルタ結線は、１本のワイヤで巻かれる。スター結線は、ステータの延出ワイヤの冷却を促進するために、分布巻きで巻かれ、丸ワイヤが使用される。ワイヤの断面は、１．５ｍｍ以上である。延出ワイヤの相の位置は交互する。

延出ワイヤの冷却を更に促進するために、延出ワイヤにおける軸方向の高さが異なった巻線を設ける。従って、巻線の１つ、好ましくは凹部の底部に近接した巻線が、それぞれの延出ワイヤにおける他の巻線に対して軸方向に突き出て延在する。この場合、スター結線は、凹部の底部に配置される。

従来技術の回転電気装置の軸方向の断面図である。 従来技術によるスター結線とデルタ結線を有するステータの結線を備えた回転電気装置の電気回路図である。 本発明による回転電気装置のステータの一部を示す断面図である。 本発明による回転電気装置のステータの斜視図である。 スター結線のターン数とデルタ結線のターン数の比Ｒの関数として装置の熱状態Ｔを表す曲線のグラフである。

符号の説明

１ ケーシング
２ ロータ
３ シャフト
４ ステータ
５ 延出ワイヤ
７、８ 極ホイール
９ 歯
１０ 励磁巻線
１２ プーリー
１３ シャフト後端部
１４ ブラシホルダ
１６ 前部ベアリング
１７ 後部ベアリング
１９、２０ ボールベアリング
２３ 前部ファン
２４ 後部ファン
２６ 羽根
２８ スター結線
２９ デルタ結線
３０、３１ ブリッジ整流器
３３ 出力端子
３５ 凹部
３６ 開口
３８ 永久磁石
４０ フラットシール
４１ パッド

Claims (9)

1. ブリッジ整流器を備えるタイプの多相回転電気装置であって、
   ケーシング内に、ステータ本体を有するステータ、およびそのステータに覆われたロータが配置されており、
   前記ステータ本体に形成されている凹部内に、巻線が収容されており、
   前記ステータは、３相スター結線および３相デルタ結線を備え、これらの結線の出力が、アースと共通出力端子との間に並列に接続されたブリッジ整流器に接続されており、
   前記３相スター結線および３相デルタ結線が、前記ステータの凹部内に一緒に収容されており、前記スター結線（２８）のターン数と前記デルタ結線（２９）のターン数が整数であって、これらの結線（２８）（２９）のターン数の比（Ｒ）が、可能な限り√３に近く、かつ小さくなるように選択され、そのため、前記スター結線（２８）のターン数および前記デルタ結線（２９）のターン数が、それぞれ３および５であることを特徴とする多相回転電気装置。
2. スター結線（２８）のワイヤの直径が、デルタ結線（２９）のワイヤの直径とは異なり、これらの直径は、２つの巻線の断面積の比が√３に近く、かつステータ（４）の凹部（３５）の充填率が、５０％を超えるように選択されていることを特徴とする、請求項１記載の多相回転電気装置。
3. スター結線（２８）が、平行な２本のワイヤを用いて、分布巻きで形成されていることを特徴とする、請求項２記載の多相回転電気装置。
4. ステータ凹部（３５）のスター結線（２８）の巻線が、その凹部（３５）の開口（３６）に分布巻きで配置され、かつデルタ結線（２９）の巻線が、その凹部（３５）の底部に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の多相回転電気装置。
5. ロータ（２）が対になった極（９）を備えており、このロータ（２）の外周部における近接する２つの前記極（９）の間に、永久磁石（３８）が設けられており、この永久磁石（３８）は、その数が極の数よりも少なく、前記ロータの中心に対して対称に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の多相回転電気装置。
6. ステータ（４）の本体が、弾性懸架装置（４０）（４１）によってケーシング（１）に固定されていることを特徴とする、請求項１記載の多相回転電気装置。
7. 弾性懸架装置が、ステータ本体の前部にフラットシール（４０）を備え、後部にパッド（４１）を備えていることを特徴とする、請求項６記載の多相回転電気装置。
8. ロータ（２）が、２つのファンが重ね合わされて形成されたダブルファンを有することを特徴とする、請求項１記載の多相回転電気装置。
9. 自動車用のオルタネータであることを特徴とする、請求項１記載の多相回転電気装置。

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