JP3543724B2

JP3543724B2 - 車両用交流発電機

Info

Publication number: JP3543724B2
Application number: JP2000107935A
Authority: JP
Inventors: 敦司梅田; 孜志賀; 新草瀬
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2020-04-10
Also published as: JP2000358348A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
車両の電気負荷の増加に伴い、車両用発電機の小型高出力化が求められている。小型高出力化を図る従来技術としては、固定子巻線の高占積率化を図って抵抗値を低減するという手法が一般的に知られている。例えば、特開昭６２−２７２８３６号公報、特開昭６３−２７４３３５号公報、米国特許第５０９７１６７号、ＷＯ９８／５４８２３には、平角形状の断面を有する導体セグメントを用いて固定子巻線が形成される車両用交流発電機が開示されている。固定子巻線を収容する固定子鉄心のスロット形状は、一般には矩形に近い形に形成されるため、平角形状の断面を有する導体セグメントを各スロット内に収納することにより、各導体セグメントとスロット内壁面との間に形成される隙間部分を低減することができ、高占積率化が可能になる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように導体セグメントを用いて固定子巻線の高占積率化を図ることができるが、平角巻線を巻装する場合の困難さに比較すると、その出力向上の程度は些少であるといえる。それは、もはや固定子巻線の抵抗値がダイオードドロップなどの他の電気部品の抵抗値と大差ないレベルとなり、少々の占積率増加では車両用発電機の内部抵抗を飛躍的に低減することができないという原理的な限界性によるものと考えられる。すなわち、高占積率化によって高出力化を達成するという手法は、もはや飽和的であって、高出力化が容易ではないという問題点があった。
【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、高占積率化を他の出力向上要因に転化することにより高出力化を達成す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。
【０００５】
また、本発明の他の目的は、高出力化に伴う磁気音の増加を抑制できる車両用交流発電機を安価に提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
スロット収容占積率（以後、単に「占積率」と称する）が高められれば固定子の外径に対する内径比を上げることができることに着目し、本発明者は、その比率と占積率と出力の関係を実験的に調べたところ、占積率が高くなるほどいずれの内径／外径比率においても従来知られたように出力は高まるが、占積率が高まると内径／外径の比率を適切にすることにより、飛躍的に出力が向上し、またそれ以上になると再び出力が低下する傾向、すなわち出力向上を達成するために最適範囲が存在することを見いだした。
【０００７】
これは一定の固定子外径に対して、エネルギー変換を司るところの内径容量を大きくすることにより発電電圧が高められる一方、一定の外径の下で内径を大きく設計すると、固定子巻線の断面積が確保できずに巻線抵抗値が増えて、発電機の内部抵抗が高くなるという相矛盾する出力への影響要因があることによるものと考えられる。
【０００８】
請求項１の発明によれば、上記原理により、固定子巻線の占積率を高くすることにより、巻線抵抗を増やすことなく固定子の内径／外径比を高くすることができ、従来占積率と内径／外径比とを別々に設定しただけでは達成することができなかった飛躍的な出力向上を図ることができる。しかもその効果を連続線を用いて得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
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。
【００１３】
図１は、本実施形態の車両用交流発電機の部分的な構成を示す断面図であり、回転子と固定子を含む一部の構成のみを抜き出して示したものである。また、図２は本実施形態の車両用交流発電機に含まれる固定子の部分的な平面図である。
【００１４】
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、界磁子として働く回転子３と、これらの固定子２および回転子３を支持するフレーム４と、固定子２に接続されて交流電力を直流に変換する整流装置（図示せず）等を含んで構成されている。
【００１５】
回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線３１を、合計で１２個のＮＳ爪状磁極３２を有するする界磁鉄心３３によって、回転軸３４を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、フロント側の界磁鉄心３３の端面には、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ための冷却ファン３５が溶接等によって取り付けられている。同様に、リヤ側の界磁鉄心３３の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すための冷却ファン３６が溶接等によって取り付けられている。また、回転軸３４のリヤ側端部近傍には、界磁巻線３１の両端に電気的に接続された２つのスリップリング３７、３８が形成されており、これらのスリップリング３７、３８を介して、整流装置に接続されたブラシ装置（図示せず）から界磁巻線３１に対する給電が行われる。
【００１６】
また、固定子２は、固定子鉄心２２と、三相の固定子巻線２３と、固定子鉄心２２と固定子巻線２３との間を電気絶縁するインシュレータ２４とを備えている。本実施形態においては、例えば外径φＤｏが１２１ｍｍの固定子２が用いられている。また、この固定子鉄心２２は、外周側に固定子巻線２３を収容する複数のスロットを形成するために開口した凹部を有する歯状鉄心部２２Ａと、外周側から組み合わされて歯状鉄心部２２Ａとともに一体化されて固定子鉄心２２を構成する環状鉄心部２２Ｂとからなっている。環状鉄心部２２Ｂの内周壁には、歯状鉄心部２２Ａから径方向外側に延びた複数のティース２２Ｃの先端部形状に対応する凹部が形成されており、これらの先端部と凹部とを嵌合させることにより、歯状鉄心部２２Ａと環状鉄心部２２Ｂとの組付けが行われる。このように、歯状鉄心部２２Ａと環状鉄心部２２Ｂとに分割された固定子鉄心２２を用い、歯状鉄心部２２Ａの外周側に開口した凹部に、固定子巻線２３を巻装した後に環状鉄心部２２Ｂのティース２２Ｃを嵌合させることにより、固定子２の組付けを行うことができるため、従来のように内周側に開口したティースの隙間に内周側から丸素線の銅線を乱巻収納して固定子巻線を形成する場合に比べて、大幅に作業性を改善することができ、作業時間の短縮等が可能になる。
【００１７】
図３は、固定子２の環状鉄心部２２Ｂを製造する行程を示す図である。環状鉄心部２２Ｂは、所定の厚みを有する帯状の鋼板１２０を巻き取りながら積層させることにより製造される。この帯状の鋼板１２０は、巻き取る前の状態において、一方の辺に予め所定間隔で、歯状鉄心部２２Ａの各ティース２２Ｃの先端部に対応した凹部１２２が形成されている。そして、この凹部１２２が形成された鋼板１２０を、回転軸方向に沿って押圧面が互いに傾斜している２つの送りローラ２００によって、凹部１２２が形成されていない側を主に圧延しながら送ることにより、その断面形状を台形に変形させる。送りローラ２００を通過した後の帯状の鋼板１２０は、この圧延加工によって凹部１２２と反対側の厚みが薄くなって長手方向（送り方向）に延びるため、凹部１２２側を内径側にして巻き取りローラ２１０の外周面に設けられた位置決め用凸部１２２をこの凹部１２２に係合させながら鋼板１２０を巻き取ることにより、所定の厚みを有する環状鉄心部２２Ｂが形成される。このようにして帯状の鋼板１２０を巻き取って形成された環状鉄心部２２Ｂは、その後軸方向両端面を加圧した状態で外周面を部分的に溶接することにより完成する。特に、巻き取られた帯状の鋼板１２０は、圧延加工によって厚みが減じた側において加工硬化が生じるため、環状鉄心部２２Ｂは、外周側にいくにしたがって硬度が増す。
【００１８】
図４は、固定子２の硬度を径方向に沿って測定した結果を示す図である。歯状鉄心部２２Ａは、特に加工硬化が生じないため、鋼板によってきまる一定の硬度（約６０（ＨＲＢ））となった。これに対し、環状鉄心部２２Ｂは、外周にいけばいくほど加工の程度が進んで硬度が増し、最外周で硬度が約７０（ＨＲＢ）となった。
【００１９】
ところで、上述した固定子２は、占積率が５０％以上の高い値に設定されているとともに、外径Ｄｏに対する内径φＤｉの比率Ｄｉ／Ｄｏが７６％以上に設定されている。具体的には、本実施形態の固定子２では、外径φＤｏが１２１ｍｍに、内径φＤｉが１０２ｍｍにそれぞれ設定されており、その比率Ｄｉ／Ｄｏは８３％となっている。
【００２０】
上述したような高い占積率を実現するために、例えば固定子巻線２３の断面がほぼ矩形形状に形成されている。また、ほぼ矩形形状の断面を有する固定子巻線２３は、このような断面形状を有する連続線を固定子鉄心２３の各スロットに巻装することによっても形成することができるが、本実施形態においては、作業性の改善等を図るために、Ｕ字状に形成された複数の導体セグメントを用いて構成されている。なお、ほぼ矩形形状といった場合には、正方形に近い断面形状の他に、扁平な板材等の極端な長方形断面も含まれることはいうまでもない。
【００２１】
図５は、固定子巻線２３を構成する導体セグメント１２３の斜視図であり、固定子鉄心２２に組み付ける前の状態が示されている。図５に示すように、導体セグメント１２３は、棒状あるいは板状の金属材料（例えば銅）をターン部１２３ｃで折り曲げたほぼＵ字状に形成されており、ターン部１２３ｃよりスロットの内周側に配置される内層側導体部１２３ａと、ターン部１２３ｃよりスロットの外周側に配置される外層側導体部１２３ｂとを含んで構成されている。また、これらの内層側導体部１２３ａと外層側導体部１２３ｂのそれぞれは、固定子２のスロット内に収容される直線部としての内部導体と、スロットの外部に露出してコイルエンドを形成する外部導体とによって構成されている。
【００２２】
固定子巻線２３は、固定子鉄心２２の各スロットに２本の導体セグメント１２３を挿入し、異なるスロットに挿入された導体セグメント１２３の先端部より内側同士を互いに接合することにより構成されている。図２に示すように、この導体セグメント１２３の内層側導体部１２３ａおよび外層側導体部１２３ｂのそれぞれの断面形状は、隣接する２辺のそれぞれが周方向および径方向のそれぞれに沿って配置されており、径方向に沿ってほぼ長方形形状に形成された各スロットに導体セグメント１２３を収容することにより、高い占積率が実現される。具体的には、本実施形態の固定子２では、各導体セグメント１２３の断面積が２ｍｍ²に、スロット断面積が６ｍｍ²にそれぞれ設定されており、占積率は（２×２）／６＝６７％となっている。
【００２３】
図６は、導体セグメント１２３の接合方法を示す図であり、例えばヒュージング溶接を行う場合が示されている。１磁極ピッチ離れた２つの導体セグメント１２３の反ターン側の先端部より内側を互いに接触させた状態で、この接触部分を径方向両側から２つの溶接用電極２３０、２３２によって挟み込んだ後、これらの溶接用電極２３０、２３２間に電流を流すことによってヒュージング溶接が行われる。このヒュージング溶接は、導体セグメント１２３の表面に形成された絶縁用の皮膜を残した状態で行われ、溶接が終了した後も溶接箇所近傍に皮膜の焼損部分が残っている。
【００２４】
図７は、このようにして複数の導体セグメント１２３を接合することによって形成される固定子巻線２３の結線図である。例えば、この固定子巻線２３では、３０°の位相差を有する２つの分布巻を直列接続することにより１相の巻線が形成されており、このような巻線の３相分を星形結線することにより三相回路が形成されている。
【００２５】
このように、本実施形態の車両用交流発電機１においては、占積率が５０％以上であって、一般的な従来品に比べて高い値に設定されているため、固定子巻線２３の抵抗値を従来品のそれに比べて低くすることができる。このため、固定子２の外径Ｄｏに対する内径Ｄｉの比率を増しても固定子巻線２３の抵抗値を増やさないようにすることができ、この抵抗値増加抑制の下でＤｉ²Ｌ（Ｌは固定子２の回転軸方向の長さ）を大きくすることができるので、車両用交流発電機１の出力向上が可能になる。
【００２６】
図８は、一般乗用車用クラスのものについて、実験的に求めた上述した固定子２の内外径比Ｄｉ／Ｄｏに対する出力の最適値を示す図である。なお、図８では、占積率αと内外径比Ｄｉ／Ｄｏを変えたときの出力Ｐの他に、コンダクタンス（１／Ｒ）と容量比（Ｄｉ²Ｌ）／（Ｄｏ²Ｌ）のそれぞれについても併せて示してある。
【００２７】
従来の一般的な車両用交流発電機のように、占積率が５０％未満である場合には、出力Ｐが最大となるＤｉ／Ｄｏ比は、確かに従来採用されていたように７０〜７６％近辺に存在する。ところが、占積率を５０％以上に設定すると、出力Ｐが最大となるＤｉ／Ｄｏ比が７６％以上のところに移動するため、このようなＤｉ／Ｄｏ比を満たすように固定子２の内径Ｄｉと外径Ｄｏの値を設定することにより、従来の車両用交流発電機に比べて高出力化が可能になる。特に、図８からわかるように、本実施形態の車両用交流発電機１の具体的な値である占積率６７％（７０％）およびＤｉ／Ｄｏ比８３％の場合には、従来品に比べて飛躍的な高出力化が可能となることがわかる。すなわち、５０％以上の高占積率と、７６％以上の内外径比Ｄｉ／Ｄｏとを組み合わせることにより、従来単独では得られなかった飛躍的な出力向上効果が得られる。実験の結果によると、定格回転数において１．７ｋＷが２．６ｋＷと、約１．５倍もの出力向上効果を確認できた。
【００２８】
なお、上述した実施形態では、外径φ１２１ｍｍの固定子についてその例を示したが、発明者の確認によると、外径がφ１００〜φ１５０ｍｍの範囲にある固定子では、ほぼ上述した実施形態にて示した占積率と固定子の内外径比の範囲に最適値が存在することがわかっている。これは、出力のピークが与えられる原理が、固定子の外径がこの範囲に含まれる車両用交流発電機の体格変化があっても普遍的であるためと考えられる。したがって、外径φ１００〜φ１５０の範囲においても、占積率を５０％以上に設定するとともに、固定子の内外径比を約７６％以上に設定することにより、飛躍的な出力向上が可能になる。
【００２９】
また、上述した実施形態では、１磁極あたり６スロット分の固定子巻線２３が配置されるとともに各スロットに２本の導体が収容された場合について説明したが、これらの組み合わせを適宜変更して固定子巻線を形成するようにしてもよい。
【００３０】
図９は、本発明を適用した第１の実施形態の車両用交流発電機に含まれる固定子の部分的な断面構造を示す図である。図９に示す固定子は、１磁極あたり３スロットを有するとともに、各スロットに４本の導体が収容されている。また、各スロットには、導体セグメントでなくて連続導体が収容されている。しかも、この連続導体の断面形状は一部が平坦になっており、各スロット内において隣接するもの同士の各平坦部が相互に当接して捻れが規制されている。また、図９に示した固定子の外径はφ１２８ｍｍ、内径はφ１００ｍｍであって内外径比Ｄｉ／Ｄｏは７８％であり、占積率は５８％であるため、内外径比Ｄｉ／Ｄｏ７６％以上で占積率が５０％以上という上述した本発明の適用要件に合致しており、実際に出力を測定したところ、従来比で１．４倍の出力向上効果を有することを確認している
【００３１】
また、上述した実施形態では、固定子２の各スロット内に収容されている導体セグメントは、径方向が回転周方向に比べて相対的に長いほぼ矩形断面を有している場合を説明したが、回転周方向が径方向に比べて相対的に長い回転周方向に扁平なほぼ矩形断面を有する導体セグメントあるいは連続導線を用いて固定子を形成するようにしてもよい。図１０は、回転周方向に扁平な断面形状を有する導体を用いて固定子巻線を形成した場合の固定子の部分的な断面構造を示す図である。図１０に示すように、回転周方向に扁平な導体を用いることにより、固定子の内外径比Ｄｉ／Ｄｏを高くすることが容易になる。
前記実施例では、車両用交流発電機について述べてきたが、本案の考え方は、インバータを設けて電動動作と発電動作とを切り替える回転機（以下、「モータジェネレータ」と称する。）にも適用できる。
モータジェネレータは、例えば特開平９−３２４６６８号公報に記載されているように、エンジン始動時にはインバータのスイッチングトランジスタを駆動することにより、ステータ巻線に交流電流を流してモータとして動作させるとともに、エンジン始動後は発電機として動作させる。
モータジェネレータにおいても、固定子２の外形Ｄｏに対する内径Ｄｉの比を７６％以上に、スロッ占積率を５０％以上にそれぞれ設定することにより、Ｄｉ²Ｌを大きく設定でき、モータジェネレータでは発電出力のみならず電動出力も大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の車両用交流発電機の部分的な構成を示す断面図である。
【図２】本実施形態の車両用交流発電機に含まれる固定子の部分的な平面図である。
【図３】固定子の環状鉄心部を製造する行程を示す図である。
【図４】固定子の硬度を径方向に沿って測定した結果を示す図である。
【図５】固定子巻線を構成する導体セグメントの斜視図である。
【図６】導体セグメントの接合方法を示す図である。
【図７】固定子巻線の結線図である。
【図８】一般乗用車用クラスの車両用交流発電機について、実験的に求めた固定子の内外径比に対する出力の最適値を示す図である。
【図９】本発明を適用した第１の実施例の固定子を示す部分的な平面図である。

【図１０】固定子の変形例を示す部分的な平面図である。
【符号の説明】
１車両用交流発電機
２固定子
３回転子
４フレーム
２２固定子鉄心
２２Ａ歯状鉄心部
２２Ｂ環状鉄心部
２２Ｃティース
２３固定子巻線
１２３導体セグメント

Claims

回転軸に固定されて回転周方向に交互にＮＳ磁極が配置された回転子と、前記回転子に対向配置された固定子鉄心とこの固定子鉄心に形成されたスロット内に収容される固定子巻線とを有する円環状の固定子とを有する車両用交流発電機において、
前記固定子のスロット収容占積率を５０％以上に、前記固定子鉄心の外径に対する内径の比率を７６％以上にそれぞれ設定し、
各スロットには、連続導体が収容され、この連続導体の断面形状は一部が平坦になっていることを特徴とする車両用交流発電機。