JP3612807B2 - ウォータポンプ一体型車両用回転電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷却媒体としてエンジンの冷却水を使用するウォータポンプ一体型車両用回転電機に関するもので、特にエンジンの冷却水回路中の冷却水に圧力を加えて循環させるウォータポンプを車両用回転電機に一体化したウォータポンプ一体型車両用回転電機に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両に搭載される電気負荷の増加やエンジンルームの小型化に伴う補機類の取付スペースの狭小化等により車両用交流発電機は小型で高出力のものが望まれている。そこで、車両用交流発電機の高出力化の一手段として冷却効率の向上を図るために冷却ファンの改良等の工夫、検討が重ねられてきたが、昨今のエンジンの高馬力化に伴い、エンジンルーム内の周温は益々高温化傾向にあり、この高温化した空気を用いていくら車両用交流発電機の固定子（三相の電機子巻線）等を空冷しても大きな冷却効果が期待できない状況にある。
【０００３】
したがって、エンジンルーム内の空気を吸入して固定子を空冷する車両用交流発電機においては、内部に熱風を吸引することになるので、逆に固定子の温度上昇を誘引することにより固定子に巻装された三相の電機子巻線の交流出力を低下させるという可能性もある。
【０００４】
このため、従来より、エンジンよりも下方のフレッシュエアをエアダクトで車両用交流発電機の吸気部へ導き、固定子に供給する空気の吸気温度を下げるようにした技術（第１従来例）が提案されている。ところが、この第１従来例においては、エアダクトの取付設計が煩わしく、エアダクトを車両用交流発電機に取り付けるために大きな取付スペースを必要とする。このため、車両用交流発電機の製品コストを上昇させるという問題が生じている。
【０００５】
また、エンジンより冷却水を導水管で車両用交流発電機の内部に導き、固定子や整流器等を水冷するようにした技術（第２従来例）もある。ところが、この第２従来例においては、導水管の配管がコスト高になること、導水管の重量に耐え得る車両用交流発電機の必要剛性レベルが高いものとなり、車両用交流発電機としても製品コストが上昇する。また、車両用交流発電機の電気部品を収納する収納室と冷却水が流れる冷却水路とを確実にシールしなければならず、設計信頼度が低いという問題が生じている。
【０００６】
さらに、導水管を設けることなく車両用交流発電機を冷却するために、エンジンブロックに冷却水路を新たに設けて、その冷却水路近傍のエンジンブロック表面に直接車両用交流発電機を取り付け、エンジンの冷却水により固定子や整流器等を水冷するようにした技術（第３従来例：例えば特開平１−２７４６４０号公報に記載の技術）が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、第３従来例においては、車両用交流発電機の電気部品を収納する収納室と冷却水が流れる冷却水路とを確実にシールしなければならないので設計信頼度が低く、エンジンブロックに新たな冷却水路を設ける必要があるので製造コストが上昇するという問題が生じている。
【０００８】
そして、エンジンの主要な冷却水路に対して車両用交流発電機内に設けられる冷却水流通路が狭い水路となるので、主要な冷却水路と冷却水流通路とが直列接続の場合、ウォータポンプの加圧力が従来品と同程度のとき冷却水の循環流量が非常に少なくなりエンジンの冷却性能が低下するという問題が生じている。また、主要な冷却水路と冷却水流通路とが並列接続の場合には、冷却水流通路内を流れる冷却水の圧力損失により優先的に主要な冷却水路に冷却水が流れることになるので、冷却水流通路内に冷却水がほとんど流れず、車両用交流発電機の冷却効果が得られないという問題が生じている。
【０００９】
【発明の目的】
〔請求項１の目的〕
請求項１に記載の発明の目的は、新たにエンジンに冷却水路を設けたり、回転電機本体に導水管を取り付けたりすることなく、回転電機本体をエンジンの冷却水により冷却することのできるウォータポンプ一体型車両用回転電機を提供することにある。
【００１０】
また、新たにエンジンに冷却水路を設けたり、回転電機本体に導水管を取り付けたりしないようにして、部品点数を低減することにより製品コストを低減することのできるウォータポンプ一体型車両用回転電機を提供することにある。
さらに、エンジン冷却水回路内を流れる冷却水の圧力損失の増加を防止することにより、回転電機本体の冷却性能の低下およびエンジンの冷却性能の低下を防止することのできるウォータポンプ一体型車両用回転電機を提供することにある。
【００１１】
〔請求項２および請求項３の目的〕
請求項２および請求項３に記載の発明の目的は、回転電機本体を空冷しないようにして、被水や塵芥等の異物が回転電機本体の内部に侵入することを防止することにより、回転電機本体の絶縁信頼性や回転抵抗の発生等による効率低下などの性能の低下を防止することのできるウォータポンプ一体型車両用回転電機を提供することにある。
【００１２】
〔請求項１および請求項４の目的〕
請求項１および請求項４に記載の発明の目的は、回転電機本体の軸方向寸法を縮小化することにより、狭い回転軸の軸方向空間内にコンパクトに回転子および固定子等の磁気回路を配置することのできるウォータポンプ一体型車両用回転電機を提供することにある。
【００１３】
〔請求項５の目的〕
請求項５に記載の発明の目的は、固定子巻線を確実に水路形成部材の仕切り部の外側面に熱的に密着固定することができ、且つ固定子巻線の温度上昇を防止することのできるウォータポンプ一体型車両用回転電機を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の構成〕
請求項１に記載の発明は、冷却媒体としてエンジンの冷却水回路内を循環する冷却水を使用する車両用回転電機において、
前記エンジンに一体的に設けられ、冷却水が流れる冷却水路を形成すると共に、前記冷却水路と外部とを仕切る円環形状の仕切り部、およびこの仕切り部の内周側に円筒形状の軸受保持部を有する水路形成部材と、前記軸受保持部より両端部が突出した状態で前記軸受保持部に回転自在に支持された回転軸と、この回転軸の、前記軸受保持部より前記冷却水路側に位置する端部に設けられ、前記冷却水路内の冷却水に圧力を加えて前記冷却水回路中に冷却水の循環流を発生させるウォータポンプ本体と、前記回転軸の、前記軸受保持部より外部側に位置する端部に設けられ、且つ前記仕切り部の外側面に熱的に密着するように設けられた回転電機本体とを備え、
前記回転軸は、前記ウォータポンプ本体および前記回転電機本体と一体的に回転する回転体であって、
前記水路形成部材は、前記回転軸の、前記軸受保持部より前記冷却水路側に位置する端部の周囲および前記ウォータポンプ本体の周囲に、前記冷却水路に連通するポンプ室を有し、
前記回転電機本体は、前記回転軸の周囲に配置されており、しかも電流が流れると磁化する固定子巻線を有し、前記回転軸の軸方向に対して直交する径方向に配された環状の固定子と、この固定子と相対回転すると共に、前記固定子との間に環状空隙を形成する環状の回転子とで構成されており、
前記固定子は、前記仕切り部の外側面に熱的に密着固定され、且つ前記冷却水路との間に前記仕切り部が介在しており、前記仕切り部を介して前記冷却水路内を流れる冷却水によって冷却される技術手段を採用した。なお、前記水路形成部材の仕切り部として、内部のポンプ室（２７）内にウォータポンプ本体を回転自在に収容するウォータポンプフレーム（６）の外壁部（３１）を用いても良い。
【００１５】
〔請求項１の作用〕
請求項１に記載の発明によれば、回転軸が回転するとウォータポンプ本体が回り、水路形成部材の仕切り部により形成された冷却水路内の冷却水に圧力が加えられ、冷却水回路中に冷却水の循環流が発生する。そして、回転軸が回転することにより回転電機が作動し、回転電機本体の発熱部品（固定子の固定子巻線）が発熱する。
【００１６】
また、回転電機本体が回転することにより、回転軸が回転してウォータポンプ本体が回り、水路形成部材にて形成された冷却水路内の冷却水に圧力が加えられ、冷却水回路中に冷却水の循環流が発生する。
さらに、回転電機本体が、エンジンに一体的に設けられた水路形成部材の仕切り部に熱的に密着するように設けられているので、水路形成部材の仕切り部を介して冷却水路内を流れる冷却水によって回転電機本体が冷却され効率が高まる。
【００１７】
〔請求項１の効果〕
請求項１に記載の発明は、冷却水回路内に冷却水を循環させるウォータポンプ本体が直接圧力を加える冷却水路を形成する水路形成部材の仕切り部の外側面に固定子を直接固定しているので、水路形成部材の仕切り部を介して冷却水路内を流れる冷却水によって車両用回転電機の固定子の固定子巻線を冷却することができる。これにより、固定子を冷却するために新たに冷却水路を設けたり、導水管を取り付けたりする必要はないので、部品点数を低減でき、製品コストを低減することができる。さらに、ウォータポンプ本体を駆動する回転軸を回転電機本体と共用しているので、部品点数をより低減でき、製品コストをより低減することができる。そして、仕切り部の外側面に熱的に密着固定され、且つ回転軸の軸方向に対して直交する径方向に配された環状の固定子とこの固定子と相対回転すると共に、固定子との間に環状空隙を形成する環状の回転子とで回転電機本体を構成することにより、回転電機本体の軸方向寸法を縮小化することができる。すなわち、回転軸の径方向で回転子と固定子とが対向配置されるものと比較して回転電機本体を回転軸の軸方向に小型化を図ることができる。これにより、狭い回転軸の軸方向空間内にコンパクトに回転子および固定子等の磁気回路を配置することができる。
【００１８】
また、本来の冷却水路の他に回転電機本体専用の冷却水路を設けていないので、回転電機本体を冷却するための冷却水路内を流れる冷却水の圧力損失の低下を抑えることができるので、十分な冷却水量が得られることにより、回転電機本体の冷却性能の低下を防止することができ、且つエンジンの冷却性能の低下を防止することができる。
【００１９】
〔請求項２の構成〕
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のウォータポンプ一体型車両用回転電機に加えて、前記水路形成部材は、前記回転電機本体の内部への異物の侵入を防ぐための異物侵入防止手段を有する技術手段を採用した。
【００２０】
〔請求項２の作用および効果〕
請求項２に記載の発明によれば、冷却媒体として冷却水を使用して回転電機を水冷することにより、回転電機本体の内部の空冷が不要となると共に、水路形成部材に異物侵入防止手段を設けることにより、回転電機本体の内部への空気の侵入がし難くなる。このため、回転電機本体の内部への被水や塵芥等の異物が侵入し難くなるので、回転電機本体の耐久寿命の低下および性能の低下を抑えることができる。
【００２１】
〔請求項３の構成〕
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のウォータポンプ一体型車両用回転電機に加えて、前記回転電機本体は、前記回転電機本体の内部への異物の侵入を防ぐための異物侵入防止手段を有する技術手段を採用した。
【００２２】
〔請求項３の作用および効果〕
請求項３に記載の発明によれば、冷却媒体として冷却水を使用して回転電機を水冷することにより、回転電機本体の内部の空冷が不要となると共に、回転電機本体に異物侵入防止手段を設けることにより、回転電機本体の内部への空気の侵入がし難くなる。このため、回転電機本体の内部への被水や塵芥等の異物が侵入し難くなるので、回転電機本体の耐久寿命の低下および性能の低下を抑えることができる。
【００２５】
〔請求項４の構成〕
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のウォータポンプ一体型車両用回転電機に加えて、前記回転子は、永久磁石のみで磁界を発生する技術手段を採用した。
【００２６】
〔請求項４の作用および効果〕
請求項４に記載の発明によれば、回転子の磁界発生手段を永久磁石のみで構成することにより、回転子の磁界発生手段として回転子巻線を用いるものと比較して回転電機本体を回転軸の軸方向に小型化を図ることができる。これにより、狭い回転軸の軸方向空間内にコンパクトに回転子および固定子等の磁気回路を配置することができる。そして、永久磁石により磁気力がほぼ一定に発生し続けられ、回転子巻線を用いたもののような過熱条件による電圧降下を要因とする効率の低下等の不具合も生じない。さらに、回転子鉄心および回転子巻線が不要となるので、部品点数を低減でき、製品コストを低減することができる。
【００２７】
〔請求項５の構成〕
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のウォータポンプ一体型車両用回転電機に加えて、前記固定子は、前記固定子巻線を覆うと共に、前記固定子巻線を前記仕切り部の外側面に熱的に密着固定する良熱伝導性樹脂を有する技術手段を採用した。
【００２８】
〔請求項５の作用および効果〕
請求項５に記載の発明によれば、固定子巻線が良熱伝導性樹脂に覆われた状態で水路形成部材の仕切り部の外側面に熱的に密着するように確実に固定される。そして、固定子巻線の熱が良熱伝導性樹脂、水路形成部材の仕切り部と伝わって冷却水路内を流れる冷却水に奪われることにより固定子巻線が十分に冷却されることにより、固定子巻線の温度上昇を抑えることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
〔第１実施例の構成〕
図１ないし図６はこの発明の第１実施例を示したもので、図１はそのウォータポンプ一体型車両用交流発電機を示した図で、図２はウォータポンプ一体型車両用交流発電機の取付状態を示した図である。
【００３０】
ウォータポンプ一体型車両用交流発電機１は、エンジンＥの冷却水回路中に冷却水の循環流を発生させるウォータポンプ２、このウォータポンプ２と一体的に作動するオルタネータ３、およびこのオルタネータ３の出力電圧を調整する出力電圧調整装置１０を備える（図６参照）。
【００３１】
冷却水回路は、エンジンＥのウォータジャケット（図示せず）内を循環することによりエンジンを冷却して暖められた冷却水を、冷却水配管（図示せず）→ラジエータ（図示せず）→ウォータポンプ２→エンジンＥのウォータジャケットのように循環させる冷却水経路を形成する回路である。ここで、冷却水としては、エチレングリコール水溶液等の不凍液を添加した冷却水、不凍液や防錆剤等を混合したロングライフクーラント（Ｌ．Ｌ．Ｃ）などを使用する。
【００３２】
エンジンＥの外殻を構成するハウジング（以下エンジンハウジングと呼ぶ）１１の前面には、図２に示したように、ウォータポンプ一体型車両用交流発電機１が取り付けられ、クランクシャフトプーリ１２、ウォータポンプ２のポリＶプーリ５およびポリＶプーリ１３が回転自在に取り付けられ、クランクシャフトプーリ１２、ウォータポンプ２のポリＶプーリ５およびポリＶプーリ１３にはポリＶベルト１４が掛け渡されている。
【００３３】
また、エンジンハウジング１１の前面には、２つのカムシャフトプーリ１５、３つのアイドラー１６も回転自在に取り付けられ、クランクシャフトプーリ１２、２つのカムシャフトプーリ１５および３つのアイドラー１６にはタイミングベルト１７が掛け渡されている。
【００３４】
（ウォータポンプの説明）
次に、ウォータポンプ２について図１ないし図３に基づいて詳細に説明する。ここで、図３はウォータポンプフレームを示した図である。
ウォータポンプ２は、シャフト４、このシャフト４と一体回転するポリＶプーリ５、シャフト４を回転自在に支持するウォータポンプフレーム（以下ポンプフレームと略す）６、およびシャフト４に回転駆動されるウォータポンプ本体（以下ポンプ本体と略す）７等から構成されている。
【００３５】
（シャフトの説明）
シャフト４は、本発明の回転体であって、ポンプフレーム６にベアリング２１およびシール材２２を介して回転自在に支持されている回転軸である。このシャフト４は、オルタネータ３およびポンプ本体７に回転動力を伝達する動力伝達手段でもある。なお、この実施例では、ベアリング２１として、インナーレース、アウターレース、多数のボールおよび２個のベアリングシール（シールド）等を有する両シールド玉軸受が使用されている。
【００３６】
（ポリＶプーリの説明）
ポリＶプーリ５は、例えばアルミニウムを主体とする金属板をプレス成形してなるものである。このポリＶプーリ５は、ポンプフレーム６およびベアリング２１よりも車両の前方側に配された円環板形状の連結部２３、およびこの連結部２３の外周よりエンジン側に向けて突出されたプーリ基体部２４等から構成された動力伝達手段である。
【００３７】
連結部２３の内周部は、シャフト４の先端側に鍔付きナット等の締結具２５により締め付け固定されている。
プーリ基体部２４は、ポンプフレーム６の一部およびベアリング２１よりも外周側を覆うように設けられている。そして、プーリ基体部２４には、ゴムまたは金属製のポリＶベルト１４が掛け渡され、エンジンの回転動力が伝達される。
【００３８】
（ウォータポンプフレームの説明）
ポンプフレーム６は、本発明の水路形成部材であって、例えばアルミニムダイカスト製で、内部に冷却水を流入させる通水孔２６が上部で開口している。そして、ポンプフレーム６の内部には、通水孔２６より流入した冷却水をポンプ本体７を収容するポンプ室（冷却水路）２７に導入するための冷却水路２８が形成されている。
【００３９】
さらに、ポンプフレーム６の内側部とエンジンハウジング１１の前面部との間には、ポンプ室２７内の冷却水をエンジンのウォータジャケット（図示せず）へ導入するための２つの冷却水路２９が形成されている。そして、ポンプフレーム６は、冷却水路２８と冷却水路２９とを区画する仕切り壁部３０、およびこの仕切り壁部３０よりも外側（ポリＶプーリ５側）に設けられ、冷却水路２８と外部とを区画する外壁部（仕切り部、仕切り手段）３１を有している。
【００４０】
その外壁部３１には、ベアリング２１を保持する円筒形状のベアリングホルダー（軸受保持部）３２が一体成形されている。このベアリングホルダー３２よりも外周側には、ポリＶプーリ５のプーリ基体部２４が所定の円筒空隙を介して回転自在に取り付けられている。また、外壁部３１には、オルタネータ３の外周側を覆う円筒形状の突出部３３、およびオルタネータ３の後記するステータ９の内周を保持する円環形状の突出部３４も一体成形されている。
【００４１】
突出部３３は、本発明の異物侵入防止手段であって、オルタネータ３の内部、つまり後記するオルタネータ３のロータ８とステータ９との間に形成される環状空隙（ギャップ）内への被水や塵芥等の異物の侵入を防ぐ閉塞壁である。この突出部３３は、ベアリング２１の内部、つまりポリＶプーリ５のプーリ基体部２４とベアリングホルダー３２との間に形成される筒状空隙、およびポリＶプーリ５の連結部２３とベアリングホルダー３２との間に形成される環状空隙内への被水や塵芥等の異物の侵入も防ぐ。そして、外壁部３１の突出部３３、３４間には、ステータ９を保持固定するための円環形状の収容溝３５が形成されている。
【００４２】
（ポンプ本体の説明）
ポンプ本体７は、シャフト４に回転駆動されることにより、ポンプ室２７内の冷却水に圧力を加えて冷却水回路内にエンジンの冷却水の循環流を発生させる循環流発生手段である。このポンプ本体７は、シャフト４のエンジン側端部（他端部）の外周に形成されたローレット歯に圧入固定される金属製のカラー４１を例えば４０％のガラス繊維入りの強化樹脂（例えばナイロン６６．商標）によりモールド成形してなる。
【００４３】
そして、ポンプ本体７は、略円環板形状の側壁部４２上に多数のブレード４４を有している。そのブレード４４の内周には、冷却水をブレード４４へ吸い込むための多数の吸込口４５が形成されている。また、ブレード４４の外周には、冷却水を吐出するための多数の吐出口４６が形成されている。
【００４４】
（オルタネータの説明）
次に、オルタネータ３について図１ないし図６に基づいて詳細に説明する。オルタネータ３は、本発明の回転電機本体（特には交流発電機本体）であって、シャフト４、ポリＶプーリ５、ロータ８、ステータ９および後述する整流装置６１等から構成された永久磁石式ブラシレス偏平交流発電機である。そして、このオルタネータ３のステータ９をポンプフレーム６の外壁部３１の外側面に熱的に密着させることにより、冷却媒体としての冷却水により水冷されるようにしている。
【００４５】
（ロータの説明）
次に、オルタネータ３のロータ８について図１および図４に基づいて詳細に説明する。ここで、図４は永久磁石５２を示した図である。ロータ８は、本発明の回転子であって、界磁として働く部分で、シャフト４およびポリＶプーリ５と一体になり回転する。このロータ８は、前述のシャフト４、ポリＶプーリ５、さらにこのポリＶプーリ５に固定された円環板形状の磁性金属板５１、およびこの磁性金属板５１の外周側に固定された永久磁石５２等から構成されている。
【００４６】
磁性金属板５１は、ロータ８のヨークを構成するもので、ポリＶプーリ５のプーリ基体部２４のエンジン側面にスポット溶接等の接合手段を用いて接合され、外周に永久磁石５２を係止する係止部としての円筒壁部５３、およびこの円筒壁部５３のエンジン側端部より径方向に延びる円環状の延長部５４を有する動力伝達手段である。この延長部５４は、本発明の異物侵入防止手段であって、外周部がポンプフレーム６の突出部３３の内周部との間に、ロータ８を回転可能とするだけの隙間を隔てて対向するように設けられ、オルタネータ３の内部、つまりロータ８とステータ９との間に形成される環状空隙内への被水や塵芥等の異物の侵入を防ぐ閉塞部である。
【００４７】
（永久磁石の説明）
永久磁石５２は、例えばネオジウム（Ｎｄ）磁石等の希土類磁石、アルニコ磁石、フェライト磁石、あるいは樹脂磁石（ナイロン樹脂、Ｎｄ、Ｆｅ、Ｂ粉末を焼結したもの）が用いられ、長期間磁気力を発生し続けるもので磁極を構成する。そして、永久磁石５２は、磁性金属板５１の円環状部分のステータ９に対向する対向面に構造用接着剤（図示せず）を用いて接合されている。この永久磁石５２は、図３および図４に示したように、円盤形状（ドーナツ形状）に形成され、多極（例えば１６極）で遠心方向に対して一定角度を持つようにスキュー（斜め）に着磁されている。
【００４８】
（ステータの説明）
次に、オルタネータ３のステータ９について図１および図５に基づいて詳細に説明する。ここで、図５はステータ９を示した図である。ステータ９は、本発明の固定子であって、ロータ８と共に磁気回路を構成している。このステータ９は、ポンプフレーム６の外壁部３１の外側面に熱的に密着固定されたステータコア５５、およびこのステータコア５５に巻装された三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃ等から構成されている。
【００４９】
（ステータコアの説明）
ステータコア５５は、固定子鉄心、電機子鉄心であって、外壁部３１の収容溝３５内に収容されて外壁部３１に形成された係止部としての段部３６の内側に圧入固定されている。このステータコア５５は、図５に示したように、リボン状（帯状）で薄鋼板（磁性材料）を螺旋形状に巻装したものである。
【００５０】
そして、ステータコア５５は、永久磁石５２からでた磁束が三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃと有効に交差するように作られた磁束通路を形成する。なお、ステータコア５５に接触する外壁部３１の厚みは、１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度で、好ましい値としては１０ｍｍ程度である。
【００５１】
（ステータコイルの説明）
三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃは、本発明の固定子巻線であって、ロータ８の磁界との相対回転運動によって三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃに誘導起電力（交流出力）を発生する電機子巻線、電機部品、発熱部品である。そして、三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃは、Ｙ結線により結線され、それらの各巻線端が出力電圧調整装置１０に結線されている（図６参照）。なお、三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃをΔ結線により接続しても良い。
【００５２】
この実施例では、三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃとステータコア５５および外壁部３１との電気絶縁性を向上させるために例えば熱良伝導性のアルミナのフィラーなどを混合したエポキシ系の良熱伝導性樹脂５７によりモールディングしている。また、エポキシ系の良熱伝導性樹脂５７は、図１に示したように、ステータコア５５および三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃを外壁部３１に接着する接着剤としても働く。
【００５３】
（電圧調整装置の説明）
次に、出力電圧調整装置１０について図１および図６に基づいて詳細に説明する。ここで、図６は出力電圧調整装置の電気回路を示した図である。
【００５４】
出力電圧調整装置１０は、オルタネータ３の整流装置６１およびＤＣ−ＤＣコンバータ６２を有し、三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃで発生した交流出力を整流し所定の電圧に降圧して１２Ｖ用のバッテリ６３を充電する。
整流装置６１は、３個の正極側整流素子（例えばダイオード）６４ａ〜６４ｃ、および３個の負極側整流素子（例えばダイオード）６５ａ〜６５ｃ等から構成され、三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃで発生した交流電流を整流して直流電流にする。
【００５５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ６２は、ＭＯＳ型ＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）６６、コンデンサ６７、ダイオード６８および鉄心付きコイル６９等から構成され、図示しないコンピュータによりＰＷＭ制御（パルスのＯＮ／ＯＦＦ比を変化させる制御）によりＭＯＳ型ＦＥＴ６６を駆動することによって、オルタネータ３の整流装置６１より出力される直流電圧（例えば４８Ｖ）を降圧した後に平滑して安定したバッテリ電圧（例えば１３Ｖ〜１４Ｖ）を得る。
【００５６】
〔第１実施例の作用〕
次に、この実施例のウォータポンプ一体型車両用交流発電機１の作用を図１ないし図６に基づいて簡単に説明する。
【００５７】
エンジンＥが運転されることによって、エンジンＥの回転動力がクランクシャフト→クランクシャフトプーリ１２→ポリＶベルト１４を介してウォータポンプ２およびオルタネータ３のポリＶプーリ５に伝達される。このポリＶプーリ５に回転動力が伝達されると、ポンプフレーム６にベアリング２１を介して回転自在に支持されているシャフト４および磁性金属板５１が回転する。
【００５８】
ポリＶプーリ５の回転に伴って磁性金属板５１が回転することによりロータ８の永久磁石５２も回転する。これにより、永久磁石５２から回転磁界が発生することにより、ロータ８と相対回転するステータ９のステータコイル５５に巻装された三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃに順次交流電流が誘起し、発電電圧が急速に立ち上がる。
【００５９】
この三相の交流電流は、整流装置６１の３個の正極側整流素子６４ａ〜６４ｃおよび３個の負極側整流素子６５ａ〜６５ｃに入力されることにより、三相の交流電流が整流され直流電流に整流される。そして、この整流された直流電圧（例えば４８Ｖ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２で降圧された後に平滑される。これにより、バッテリ６３が充電されると共に、車両に搭載された電気負荷に電力が供給される。
【００６０】
一方、シャフト４が回転することによりシャフト４の端部に固定されたポンプ本体７も回転する。このポンプ本体７の回転により吸引力が発生し、ラジエータで冷却された低温の冷却水が通水孔２６を介してポンプフレーム６の冷却水路２８内を流れる。この冷却水路２８内を流れる低温の冷却水は、外壁部３１を介してオルタネータ３のステータ９に熱的に密着しており、オルタネータ３のステータ９（特に三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃ）が効率良く冷却される。
【００６１】
その後に低温の冷却水は、多数の吸込口４５からポンプ本体７内に吸い込まれ、多数のブレード４４で圧力が加えられて多数の吐出口４６より吐出される。これらの吐出口４６より吐出された低温の冷却水は、冷却水路２９を通ってエンジンのウォータジャケットに供給されてエンジンが効率良く冷却される。
【００６２】
〔第１実施例の効果〕
以上のように、ウォータポンプ一体型車両用交流発電機１は、冷却水回路中で最も低温の冷却水が流れる冷却水路２８を形成するポンプフレーム６の外壁部３１の外側面にステータ９を熱的に密着固定しているので、三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃを十分冷却することができる。これにより、ステータ９を冷却するためにエンジンハウジング１１に新たに冷却水路を設けたり、オルタネータ３と冷却水回路とを接続する導水管を取り付けたりする必要はなくなるので、その分だけ部品点数が少なくなり、オルタネータ３の冷却機構の製造コストを低減することができる。
【００６３】
さらに、既存のウォータポンプ２のシャフト４およびポリＶプーリ５をオルタネータ３の回転軸およびプーリとして共用しているので、車両にウォータポンプとオルタネータとが別途設けられる従来装置と比較して部品点数をより低減でき、オルタネータ３の製品コストをより低減することができる。したがって、このような安価なオルタネータ３を備えた車両価格を低減することができる。そして、従来のオルタネータとこのオルタネータ３とを車両に搭載することにより近年の電気負荷の増大に耐え得る強力な充電装置（電力供給装置）となる。
【００６４】
また、本来の冷却水路の他に車両用回転電機専用の冷却水路を設ける必要がないので、オルタネータ３を冷却するための冷却水路２８、２９内を流れる冷却水の圧力損失の低下を抑えることができる。このため、エンジンの冷却水回路中で十分な冷却水量が得られることにより、オルタネータ３の固定子の冷却性能の低下およびエンジンの冷却性能の低下を抑えることができる。
【００６５】
オルタネータ３のロータ８およびステータ９を覆うようにポンプフレーム６の外側面から軸方向へ向かって円環形状の突出部３３を設けることにより、突出部３３の先端側の内周とロータ８の磁性金属板５１の延長部５４の外周との間が狭くなりオルタネータ３を空冷できないようにしている。このため、オルタネータ３内、すなわちロータ８とステータ９との間に形成される環状空隙内に被水や塵芥等の異物が侵入し難くなるので、オルタネータ３の耐久寿命の低下を抑えることができる。
【００６６】
環状のロータ８とポンプフレーム６の外壁部３１の外側面に熱的に密着固定された環状のステータ９とでオルタネータ３を構成し、且つロータ８の磁界発生手段を永久磁石５２のみで構成することにより、オルタネータ３の軸方向寸法を縮小化することができる。これにより、狭いシャフト４の軸方向空間内にコンパクトにオルタネータ３を配置することができる。そして、永久磁石５２により磁気力がほぼ一定に発生し続けられ、回転子巻線をもつもののような過熱条件による電圧降下を要因とする発電効率の低下等の不具合も生じない。さらに、回転子鉄心および回転子巻線が不要となるので、部品点数が少なくなることによりオルタネータ３の製造コストを低減することができる。また、ロータ８の磁界発生手段を永久磁石５２のみで構成しているので、従来の交流発電機に必要であったブラシとスリップリングを設ける必要はなく、これらのブラシやスリップリングを設けないことによりできたスペースにロータ８とステータ９とで構成される磁気回路を配置できるようになる。
【００６７】
ここで、従来のウォータポンプのプーリとエンジンハウジング１１との間の距離が小さく、このスペースにオルタネータ３のロータ８やステータ９を配置することが困難であった。しかし、この実施例では、シャフト４を回転自在に支持するためのベアリング２１をポリＶプーリ５の連結部２３およびプーリ基体部２４に包まれるように配置しているので、ポリＶベルト１４とポンプ本体７との間の軸方向寸法を短く設定すべき制約の中で、ロータ８とステータ９とで構成される磁気回路を配置できるスペースを形成することができる。
【００６８】
そして、オルタネータ３のロータ８とステータ９の対向面積はオルタネータ３の出力需要に応じて広くとる必要があるが、ロータ８とステータ９を円環板形状にしているので、大出力が要求される場合でも、軸方向寸法が大きくなることはなく、ロータ８とステータ９とで構成される磁気回路を配置できるスペースを形成することができる。
【００６９】
この実施例では、永久磁石５２を磁性金属板５１の円筒壁部５３の内周面で係止するように設置しているので、永久磁石５２が遠心力により飛散することはない。
また、ポンプフレーム６がエンジンハウジング１１と別体で設けられているので、エンジン本体の組み立て後にそのエンジン本体にポンプフレーム６を装着することができ、ウォータポンプ２およびオルタネータ３の組付作業が容易となる。
【００７０】
ステータコア５５および三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃがエポキシ系の良熱伝導性樹脂５７にて、ポンプフレーム６の外壁部３１にモールディングされているので、ロータ８の回転に伴って誘導起電力が生ずる際に三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃに発生する熱が良熱伝導性樹脂５７、ポンプフレーム６と良好に伝わって冷却水路２８内を流れる冷却水に奪われることにより三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃが十分に冷却されることにより、三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃの温度が過上昇することを抑えることができる。
【００７１】
ウォータポンプ２のポンプ本体７は、オルタネータ３のロータ８と一体的に高速回転するので、ポンプ本体７の多数のブレード４４の軸方向寸法を小型化でき、且つポンプ本体７を構成する強化樹脂の材料費用の節約とエンジンの設計の小型化を可能とすることができる。
【００７２】
以上のことから、オルタネータ３（特には三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃ）の冷却効果が更に高まりステータ９のインピーダンスの上昇を抑えることができ、且つ永久磁石５２の磁気力の低下も少ないからサイズ当たりの交流出力（発電出力）を大きくできるので、ひいてはウォータポンプ一体型車両用交流発電機１全体の軸方向寸法をコンパクトにできる。
【００７３】
〔第２実施例〕
図７はこの発明の第２実施例を示したもので、そのウォータポンプ一体型車両用交流電動機を示した図である。
【００７４】
この実施例では、ポリＶプーリ５を廃止することにより、ポンプ本体７を連結部材７１を介して交流電動機本体（永久磁石式ブラシレス偏平交流電動機）７０で動かすようにしている。この交流電動機本体７０のロータ８は、三相のステータコイル５６ａ〜５６ｃに流れる電流と永久磁石５２の磁界との相互作用により回転力を発生する。
【００７５】
〔変形例〕
この実施例では、ロータ８の磁界発生手段として永久磁石５２のみを用いたが、ロータ８の磁界発生手段としてロータコイルを用いても良く、永久磁石とロータコイルとを組み合わせたものでも良い。この場合には、ロータコイルの冷却には、自然放熱を利用する。
【００７６】
この実施例では、本発明をウォータポンプ一体型同期交流発電機や同期電動機を用いたが、本発明をウォータポンプ一体型誘導発電機や誘導電動機を用いても良い。さらに、本発明を電動発電機に用いても良い。
また、ウォータポンプ本体と回転電機本体とを外歯軸と内歯軸との嵌合により駆動連結しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウォータポンプ一体型車両用交流発電機を示した断面図である（第１実施例）。
【図２】ウォータポンプ一体型車両用交流発電機の取付位置を示した概略図である（第１実施例）。
【図３】ウォータポンプフレームを示した正面図である（第１実施例）。
【図４】オルタネータの永久磁石を示した説明図である（第１実施例）。
【図５】オルタネータのステータを示した説明図である（第１実施例）。
【図６】出力電圧調整装置を示した電気回路図である（第１実施例）。
【図７】ウォータポンプ一体型車両用交流電動機を示した概略図である（第２実施例）。
【符号の説明】
１ ウォータポンプ一体型車両用交流発電機（ウォータポンプ一体型車両用回転電機） ２ ウォータポンプ
３ オルタネータ（回転電機本体、交流発電機本体）
４ シャフト（回転軸、回転体）
５ ポリＶプーリ
６ ウォータポンプフレーム（水路形成部材）
７ ウォータポンプ本体
８ ロータ（回転子）
９ ステータ（固定子）
１０ 出力電圧調整装置
１１ エンジンハウジング
２７ ポンプ室（冷却水路）
３１ 外壁部（仕切り部、仕切り手段）
３２ ベアリングホルダー（軸受保持部）
３３ 突出部（異物侵入防止手段）
５２ 永久磁石
５４ 延長部（異物侵入防止手段）
５５ ステータコア（固定子鉄心、電機子鉄心）
５６ａ ステータコイル（固定子巻線、電機子巻線）
５６ｂ ステータコイル（固定子巻線、電機子巻線）
５６ｃ ステータコイル（固定子巻線、電機子巻線）
５７ 良熱伝導性樹脂
７０ 交流電動機本体
７１ 連結部材
Ｅ エンジン

Claims (5)

1. 冷却媒体としてエンジンの冷却水回路内を循環する冷却水を使用する車両用回転電機において、
   （ａ）前記エンジンに一体的に設けられ、冷却水が流れる冷却水路を形成すると共に、前記冷却水路と外部とを仕切る円環形状の仕切り部、およびこの仕切り部の内周側に円筒形状の軸受保持部を有する水路形成部材と、
   （ｂ）前記軸受保持部より両端部が突出した状態で前記軸受保持部に回転自在に支持された回転軸と、
   （ｃ）この回転軸の、前記軸受保持部より前記冷却水路側に位置する端部に設けられ、前記冷却水路内の冷却水に圧力を加えて前記冷却水回路中に冷却水の循環流を発生させるウォータポンプ本体と、
   （ｄ）前記回転軸の、前記軸受保持部より外部側に位置する端部に設けられ、且つ前記仕切り部の外側面に熱的に密着するように設けられた回転電機本体と
   を備え、
   前記回転軸は、前記ウォータポンプ本体および前記回転電機本体と一体的に回転する回転体であって、
   前記水路形成部材は、前記回転軸の、前記軸受保持部より前記冷却水路側に位置する端部の周囲および前記ウォータポンプ本体の周囲に、前記冷却水路に連通するポンプ室を有し、
   前記回転電機本体は、前記回転軸の周囲に配置されており、しかも電流が流れると磁化する固定子巻線を有し、前記回転軸の軸方向に対して直交する径方向に配された環状の固定子と、この固定子と相対回転すると共に、前記固定子との間に環状空隙を形成する環状の回転子とで構成されており、
   前記固定子は、前記仕切り部の外側面に熱的に密着固定され、且つ前記冷却水路との間に前記仕切り部が介在しており、前記仕切り部を介して前記冷却水路内を流れる冷却水によって冷却されることを特徴とするウォータポンプ一体型車両用回転電機。
2. 請求項１に記載のウォータポンプ一体型車両用回転電機において、
   前記水路形成部材は、前記回転電機本体の内部への異物の侵入を防ぐための異物侵入防止手段を有することを特徴とするウォータポンプ一体型車両用回転電機。
3. 請求項１または請求項２に記載のウォータポンプ一体型車両用回転電機において、
   前記回転電機本体は、前記回転電機本体の内部への異物の侵入を防ぐための異物侵入防止手段を有することを特徴とするウォータポンプ一体型車両用回転電機。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のウォータポンプ一体型車両用回転電機において、
   前記回転子は、永久磁石のみで磁界を発生することを特徴とするウォータポンプ一体型車両用回転電機。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のウォータポンプ一体型車両用回転電機において、
   前記固定子は、前記固定子巻線を覆うと共に、前記固定子巻線を前記仕切り部の外側面に熱的に密着固定する良熱伝導性樹脂を有することを特徴とするウォータポンプ一体型車両用回転電機。

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