JP4186317B2

JP4186317B2 - 車両用交流発電機

Info

Publication number: JP4186317B2
Application number: JP20207399A
Authority: JP
Inventors: 中村　　重信; 真谷口; 志賀　　孜
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2019-07-15
Also published as: JP2000228853A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用交流発電機に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、環境問題対策として車両エンジンのアイドル回転数の低減により、車両用交流発電機（以下オルタネータ）には、より低速回転からの出力供給が求められるようになった。この出力供給を開始できるオルタネータの回転数を、立ち上がり回転数と呼び、この立ち上がり回転数はオルタネータの起電圧がバッテリー電圧よりも高くなる回転数に相当する。また、電力を要する環境対策装置の搭載などにより要求出力が増加している。一方、燃費向上のための軽量化や、車室空間の確保のために、エンジンルーム内に搭載される部品への小型化要求も年々強まっている。しかも、コスト低減要求は、いうまでもない。
【０００３】
これらの要求に応えるべく、国際公開９２／０６５２７号公報には、断面が長方形の導体で電機子巻線を構成することによりスロット内の占積率を上げ、また、１つのスロット内に内層側導体と外層側導体とを配置し、異なるスロット内の内層側導体と外層側導体とを交互に順次接続して、１つの相で２回巻回した（２ターン／相）巻線構造のオルタネータが示されている。
【０００４】
そして、上記した従来のオルタネータに使用される導体は、図９に示すように形成される。すなわち、例えば銅よりなる導体１００は、幅が広い第１の面１０１と幅が狭い第２の面１０２とを有する断面が略長方形の細長い板であり、最初は図９ａの如く直線状になっている。次に、図９ｂに示すように第２の面１０２を支点としてＵ字形状に曲げた後に、図９ｃに示すようにターン部１０３の両側の片を逆方向にひねり、さらに、図９ｄに示すように両側の片を中間部で曲げて、スロット内に配置される内部導体部１０４とスロット外に配置される斜行部１０５とを形成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のオルタネータは、巻線のターン数が少ないため、立ち上がり回転数を要求されるレベルまで下げることは困難であった。
【０００６】
一方、導体１００のターン部１０３には、図９ｂの加工により曲げ応力が発生するとともに、幅が狭い第２の面１０２を支点として曲げているため、ターン部１０３の外周部および内周部ではその応力が極めて大きくなる。また、図９ｃの加工により、ターン部１０３にはねじり荷重が作用してせん断応力が発生する。このように、導体１００のターン部１０３には、曲げ応力とせん断応力の両方が発生するため、導体１００のターン部１０３では、導体表面の絶縁皮膜の破損や導体自体の亀裂が生じやすく、被水による導体間の電気短絡や、振動による断線を生じて、発電不良に至る恐れがあった。
【０００７】
そこで本発明は、オルタネータの立ち上がり回転数を低くすることを第１の目的とする。
【０００８】
また、その目的を達成するにあたり、上記した絶縁皮膜の破損や導体自体の亀裂が大きな問題となる。そこで本発明は、絶縁皮膜の破損や導体自体の亀裂を防止可能にすることを他の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ｐ対のＮＳ磁極を持つ回転子鉄心と、ｍ相の巻線を構成する電機子巻線と、電機子巻線を保持する複数のスロットを有する電機子鉄心とを備える車両用交流発電機において、各スロット内に電機子巻線を構成する導体を内層側と外層側に配置し、隣接するｎ個（ｎ≧３の自然数）のスロットに各２本収納された導体を直列接続して１つの位相の巻線を形成し、導体（３１０、３１０３）は、幅が広い第１の面（３１１）と幅が狭い第２の面（３１２）とを有する略長方形の断面形状であり、異なる２つのスロット（３５）内に配置される第１および第２の内部導体部（３１ｃ１、３１ｃ２）と、スロット（３５）外に配置されて第１および第２の内部導体部（３１ｃ１、３１ｃ２）から延びる第１および第２の斜行部（３１ａ１、３１ａ２）と、この第１および第２の斜行部（３１ａ１、３１ａ２）を繋げるターン部（３１ａ０、３１ａ３）とを有し、ターン部（３１ａ０、３１ａ３）から離れた位置で、第１および第２の斜行部（３１ａ１、３１ａ２）を逆方向に折り曲げ、ターン部（３１ａ０、３１ａ３）は、第１の面（３１１）が対向するように複数箇所で折り曲げられていることを特徴としている。
【００１０】
これによると、各スロットに導体を２本配置し、かつ３個以上の隣接するスロット内の導体を接続しているため、見かけ上のターン数（２ｎターン／相）が多くなり、立ち上がり回転数を低くすることができる。
【００１２】
ここで、３個以上の隣接するスロット内の導体を接続する構成では、スロット数が増加するため導体がより偏平になり、上記した絶縁皮膜の破損や導体の亀裂がさらに生じ易くなってしまう。
【００１３】
これに対し、ターン部（３１ａ０、３１ａ３）から離れた位置で２つの斜行部（３１ａ１、３１ａ２）を逆方向に折り曲げるようにしているから、ターン部（３１ａ０、３１ａ３）にはせん断応力が発生しなくなる。従って、ターン部（３１ａ０、３１ａ３）での絶縁被膜の破損や導体の亀裂を防止することが可能となり、より偏平な断面の導体を使用することができる。よって、体格を大きくすることなく、立ち上がり回転数が低く、しかも耐久性の高いオルタネータを実現できる。
【００１４】
また、ターン部（３１ａ０、３１ａ３）は、第１の面（３１１）が対向するように複数箇所で折り曲げられている。これによると、ターン部（３１ａ０、３１ａ３）は幅が広い第１の面（３１１）で折り曲げられるので、従来のように幅が狭い第２の面を支点として曲げる場合よりもターン部（３１ａ０、３１ａ３）の応力が小さくなり、さらに耐久性を向上できる。
【００１７】
請求項２に記載の発明では、ターン部（３１ａ０）の表面を覆う絶縁被膜はタ−ン部（３１ａ０）の成形時に破損を生じない延性を持つことを特徴としている。これにより、ターン部の表面の絶縁皮膜の破損が防止され、耐久性を向上できる。
【００１８】
請求項３に記載の発明では、導体（３１０）はセグメント導体により構成され、セグメント導体は、軸方向の一端側にタ−ン部（３１ａ０）が配置され、軸方向の他端側には他のセグメント導体との接合部（３１ｂ０、３１ｂ０’）が配置されていることを特徴としている。これにより、スロットの一方からセグメント導体をそろえて挿入し、反対側のコイルエンドに接合部（３１ｂ０、３１ｂ０’）を集中できるので、導体挿入作業および接合作業を能率的に行うことができ、製造コストを低減できる。
【００１９】
請求項４に記載の発明では、電機子巻線（３１）は、各相ごとに連続する導体（３１０３）によって形成されていることを特徴としている。これにより、セグメント導体を使用する場合に比べ、各セグメント間の接合工数を無くすことができる。
【００２０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１〜図４は第１実施形態を示しており、ＮＳ磁極対ｐ＝６（磁極数＝１２）、位相数ｍ＝３（Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相）、１つの位相の巻線を構成する導体が隣接して配置されるスロットの数ｎ＝３の例を示したものである。図１はオルタネータの断面図、図２〜４は本発明の電機子に関する説明図である。
【００２２】
図１に示すように、オルタネータ１は、界磁として働く界磁回転子２と、この回転子２からの回転磁束によって起電力を発生する電機子３と、回転子２と電機子３を支持するフレ−ム４と、電機子３の巻線３１の出力線が接続されて交流電力を直流に変換する整流器５等から構成されている。
【００２３】
回転子２は、ランデル型磁極鉄心（回転子鉄心）７１、７２、界磁コイル８、スリップリング９、１０を備えている。ランデル型磁極鉄心７１、７２は、シャフト６に組付られたボス部から径方向外方に向かってディスク部が延び、ディスク部からそれぞれ６個の爪状磁極部７３が軸方向に延びている。また、スリップリング９、１０を介して励磁電流が流れる界磁コイル８は、磁極鉄心７１、７２に取り囲まれるように配置されている。
【００２４】
回転子２は、シャフト６と一体になって回転するもので、シャフト６はプーリ２０に連結され、自動車に搭載された走行用のエンジン（図示せず）によりベルトを介して回転駆動される。なお、各磁極鉄心７１、７２の軸方向両側面には冷却ファン１１、１２が、溶接やかしめなど適宜な手段によって固定されており、冷却ファン１１、１２は回転子２と一体となって回転して冷却風の流れを生じさせる。
【００２５】
フレ−ム４の軸方向両端側には、冷却風吸入のための吸気孔４１が設けられている。また、フレ−ム４には、電機子巻線３１の第一コイルエンド３１ａおよび第二コイルエンド３１ｂにそれぞれ対向した外周部分に、冷却風排出のための排気孔４２が設けられている。
【００２６】
図２に示すように、電機子鉄心３２には、多相の電機子巻線３１を収容できるように、複数のスロット３５が形成されている。本実施形態では、回転子２の磁極数（１２極）に対応して、３相の電機子巻線３１を収納するように、１０８個のスロット３５が周方向に等間隔に配置されている。電機子鉄心３２のスロット３５に装備された電機子巻線３１は、１本１本の電気導体として把握することができ、スロット３５のそれぞれの中には、例えば銅よりなる２本の電気導体が収容され、２本の電気導体とスロット３５の内壁との間はインシュレータ３４によって絶縁してある。なお、電気導体の断面は、スロット深さ方向（径方向）長さをａ、スロット幅方向（周方向）長さをｂとすると、ａ＞ｂである扁平な長方形であり、２本の電気導体はスロット深さ方向に１列に配置されている。
【００２７】
次に、図３にて巻線仕様を説明する。図３において、実線は外層導体を、破線は内層導体を、数字はスロットの番号を、それぞれ示している。なお、スロット数は２ｐｍｎ個、本例では１０８個であり、ＮＳ磁極ピッチは９個のスロットに対応する。
【００２８】
本実施形態では、第ｋスロットの内層側導体と第（ｋ±９）スロットの外層側導体が第ｋスロットと第（ｋ±９）スロットの間の任意の位置で半径方向に転移する様に繋がっている。但し（ｋ＋９）＞１０８の場合、及び（ｋ−９）＜１の場合は、第１００スロットと第１スロット、第１０１スロットと第２スロット、…………、第１０７スロットと第８スロット、第１０８スロットと第９スロットの、各導体が繋がる。
【００２９】
Ｘ相を抜き出して具体的に説明すると、第１スロットの内層側導体は第１コイルエンド３１ａ側で第１０スロットの外層側導体と繋がり、第１０スロットの外層側導体は第２コイルエンド３１ｂ側で第１９スロットの内層側導体と繋がり、更に第１９スロットの内層側導体は第１コイルエンド３１ａ側で第２８スロットの外層側導体と繋がっている。同じルールで順次接続することにより、第（１＋９ｋ）スロットの導体群は１つのループ状となり電機子鉄心３２を２回巻回することになる。つまり２ターン／スロットの巻線が形成される。この導体群がＸ相の巻線を構成する１つのコイルｘ１である。但し、コイルｘ１において、第１００スロットの外層側導体と第１スロットの外層側導体は、第１コイルエンド３１ａ側で接続する。
【００３０】
同様に、（２＋９ｋ）のスロットに挿入されるコイル群はＸ相の巻線を構成するコイルｘ２であり、（３＋９ｋ）のスロットに挿入されるコイル群はＸ相の巻線を構成するコイルｘ３である。
【００３１】
そして、コイルｘ１の第９１スロットの内層側導体と、コイルｘ２の第１０１スロットの内層側導体とを第１コイルエンド３１ａ側で接続し、コイルｘ２の第９２スロットの内層側導体と、コイルｘ３の第１０２スロットの内層側導体とを第１コイルエンド３１ａ側で接続することにより、３つのコイルｘ１、ｘ２、ｘ３が直列に接続され、Ｘ相は、６ターン／相の巻線を構成する。
【００３２】
同様に、（４＋９ｋ）、（５＋９ｋ）、（６＋９ｋ）のスロットに挿入される導体を上記と同じルールで接続すると、コイルｘ１、ｘ２、ｘ３とは電気的に２４０度位相のずれたコイルｚ１、ｚ２、ｚ３が形成され、これらを直列に接続してＺ相コイルを得る。
【００３３】
同様に、（７＋９ｋ）、（８＋９ｋ）、（９＋９ｋ）のスロットに挿入される導体を上記と同じルールで接続すると、コイルｘ１、ｘ２、ｘ３とは電気的に１２０度位相のずれたコイルｙ１、ｙ２、ｙ３が形成され、これらを直列に接続してＹ相コイルを得る。
【００３４】
以上のように、本実施形態では、各スロット３５に導体を２本配置し、かつ３個の隣接するスロット内の導体を接続しているため、見かけ上のターン数が６ターン／相となり、立ち上がり回転数を低くすることができる。
【００３５】
次に、巻線を構成するセグメント導体について説明する。図４は、導体の一部（第１スロットと第１０スロットに挿入されるセグメント導体３１０）を示している。導体３１０は例えば銅材の表面に絶縁皮膜（例えば、ポリアミドイミド樹脂）を施したもので、幅が広い第１の面３１１と幅が狭い第２の面３１２とを有する断面が略長方形の偏平な板であり、曲げ加工前は直線状である。
【００３６】
この直線状の偏平な板は、図４ａに示すように、直線状の板の長手方向中央部の位置で２箇所折り曲げられてタ−ン部３１ａ０が形成される。このタ−ン部３１ａ０の折り曲げは、一方側（図４ａ右側）は第１の面３１１に折曲頂部３１３が形成されるように谷折りされ、他方側（図４ａ左側）は第１の面３１１に折曲頂部３１３が形成されるように山折りされ、これにより、タ−ン部３１ａ０で繋がる２つの片（後に、斜行部等が形成される部分）はタ−ン部３１ａ０から同方向に延びている。
【００３７】
図４ａのように成形された後、タ−ン部３１ａ０で繋がる２つの片が図４ｂのように成形される。すなわち、ターン部３１ａ０から離れた第１折曲部３１４において第１の面３１１で谷折りされて、外層側の斜行部３１ａ１と内層側の斜行部３１ａ２とが逆方向に延ばされ、さらに、第２折曲部３１５において第１の面３１１で山折りされて、所定ピッチだけ離れたスロット３５に挿入される外層側の内部導体部３１ｃ１と内層側の内部導体部３１ｃ２とが形成されている。また、第３折曲部３１６において第１の面３１１で谷折りされて、外層側の斜行部３１ｂ１と内層側の斜行部３１ｂ２とが逆方向に延ばされ、さらに、第４折曲部３１６において第１の面３１１で山折りされて、外層側の接合部３１ｂ０’と内層側の接合部３１ｂ０とが形成されている。
【００３８】
成形されたセグメント導体３１０は、図４ｂで上方側のターン部３１ａ０および斜行部３１ａ１、３１ａ２を第１コイルエンド３１ａに配置して、外層側の内部導体部３１ｃ１が本例では第１０スロットに挿入され、内層側の内部導体部３１ｃ２が本例では第１スロットに挿入される。そして、スロットに挿入後、第２コイルエンド３１ｂ側において、接合部３１ｂ０、３１ｂ０′を他のスロットからのセグメント導体の接合部と半田付けや溶接等によって接続して巻線を形成する。なお、１つのスロットから軸方向両側に延びる２つの斜行部が互いに逆向きになるように、また内層側導体の斜行部と外層側導体の斜行部とは逆の周方向に向くように、配置されている。
【００３９】
以上のように、第１コイルエンド３１ａ側にセグメント導体３１０のタ−ン部３１ａ０をそろえてスロット３５に挿入することにより、反対側のコイルエンドに接合部を集中できるので、接合のための絶縁皮膜剥離や、接合後の絶縁処理も片側のコイルエンドだけでよい。よって、製造工数を低減して製造コストを低減できる。また、直線形状の偏平導体にターン部３１ａ０を形成することができるので、材料歩留まりを向上でき、材料コストを低減できる。
【００４０】
さらに、ターン部３１ａ０から離れた位置で２つの斜行部３１ａ１、３１ａ２を逆方向に折り曲げるようにしているから、ターン部３１ａ０には曲げ応力が発生するのみで、せん断応力は発生しない。しかも、ターン部３１ａ０は幅が広い第１の面３１１で折り曲げられるので、従来のように幅が狭い第２の面を支点として曲げる場合よりもターン部３１ａ０の曲げ応力も小さくなる。従って、ターン部での絶縁被膜の破損や導体の亀裂を防止することが可能となり、より偏平な断面の導体を使用することができる。よって、体格を大きくすることなく、立ち上がり回転数が低く、しかも耐久性の高いオルタネータを実現できる。
【００４１】
なお、図３には磁極数＝１２、直列接続されるスロット数ｎ＝３の例を示したが、さらに立ち上がり回転数を低減するためにこれらを大きく設定しても、本発明の構成を採用することにより、不具合防止および製造容易の効果を同様に得ることができる。
（第２実施形態）
図５は第２実施形態を示すもので、第１実施形態とは導体のターン部の構成のみが異なっている。第２実施形態の導体３１００は、図５ａに示すように、直線状の板の長手方向中央部の位置で、幅が狭い第２の面３１２を支点としてＵ字形状に曲げられてタ−ン部３１ａ０が形成される。図５ａのように成形された後、ターン部３１ａ０から離れた第１折曲部３１４において第１の面３１１で谷折りされて、外層側の斜行部３１ａ１と内層側の斜行部３１ａ２とが逆方向に延ばされる。以下、第１実施形態と同様にして、図５ｂの形状に成形される。これによれば、１回の曲げ加工でターン部３１ａ０を形成できるので、安価な曲げ成形用の設備でセグメント導体を製作できる。
【００４２】
なお、図５ａのようにＵ字形状に曲げる際の、ターン部３１ａ０の絶縁皮膜の破損や導体の亀裂防止のために、絶縁皮膜や導体は延性の高い材料を使ったり、加熱による延性向上の状態で曲げてもよい。あるいは、図５ａのようにＵ字形状に曲げた後に、ターン部の絶縁処理を行ってもよい。
（第３実施形態）
図６は第３実施形態を示すもので、第１実施形態とは導体のターン部の構成のみが異なっている。第３実施形態の導体３１０１は、図６ａに示すように、直線状の板の長手方向中央部の位置で、幅が広い第１の面３１１を湾曲面とするアーチ状に曲げられてタ−ン部３１ａ０が形成され、導体３１０１全体としてはＵ字状になっている。ここで、タ−ン部３１ａ０の曲げＲは、第１の面３１１の幅と略同一にしている。図６ａのように成形された後、図６ｂに示すように、ターン部３１ａ０から離れたひねり部３１８において、タ−ン部３１ａ０で繋がる２つの片（後に、斜行部等が形成される部分）が図６ａの状態から９０°ひねられる。以下、第１実施形態と同様にして、図６ｃの形状に成形される。
【００４３】
これによれば、ターン部３１ａ０の曲げＲが大きいので、ターン部３１ａ０の応力が著しく小さくなって耐久性を向上できるとともに、ターン部３１ａ０形成の工数も低減できるので製造コストを低減できる。
（第４実施形態）
図７は第４実施形態を示すもので、第１実施形態とは、導体のターン部の構成やターン部の形成方法が異なっている。第４実施形態のセグメント導体３１０２は、図７ａに示すように、偏平断面を持つ長尺の裸導体の中央に、導体の長手方向の一端から他端側端部の直前まで延びるスリット３１０２ａをプレス加工などにより設け、スリット３１０２ａのない端部をターン部３１ａ０としている。図７ａのように成形された後、ターン部３１ａ０から離れた第１折曲部３１４において第１の面３１１で谷折りされて、外層側の斜行部３１ａ１と内層側の斜行部３１ａ２とが逆方向に延ばされ、以下、第１実施形態と同様にして、図７ｂの形状に成形され、その後で導体表面の絶縁処理を行う。これによれば、ターン部３１ａ０の折り曲げが不要となるので、導体自体の亀裂も無く、安価な設備で、耐久性をさらに向上することができる。
（第５実施形態）
上記した各実施形態では、セグメント導体を使用したが、図８に示すように両側のコイルエンドにターン部３１ａ３、３１ｂ３を持つ連続線３１０３を用いて、各相の巻線を形成してもよい。これにより、セグメント導体間の接合工数を無くすことができる。
（他の実施形態）
導体をスロット３５の内周側開口部から挿入し、その後にこの開口部を狭めるように塑性加工してスロット３５内の導体を固定してもよい。この場合、あらかじめ導体のコイルエンド形状を成形できるので、特に連続線３１０３を用いる場合に適する。
【００４４】
また、セグメント導体は、偏平断面を持つ裸導体を使ってターン部３１ａ０を形成した後に、表面の絶縁膜の被覆を行って製造してもよい。これによれば、絶縁膜の破損はなくなるので、より確実な耐久性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による車両用交流発電機の断面図である。
【図２】図１の電機子の部分的な断面図である。
【図３】図１の交流発電機の巻線仕様図である。
【図４】図１のセグメント導体の形成方法を示す斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態によるセグメント導体の形成方法を示す斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態によるセグメント導体の形成方法を示す斜視図である。
【図７】本発明の第４実施形態によるセグメント導体の形成方法を示す斜視図である。
【図８】本発明の第５実施形態によるセグメント導体の斜視図である。
【図９】従来のセグメント導体の形成方法を示すもので、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は平面図および正面図、（ｄ）は斜視図である。
【符号の説明】
３１…電機子巻線、３２…電機子鉄心、
３５…スロット、７１、７２…回転子鉄心、
３１０、３１００、３１０１、３１０２、３１０３…導体。

Claims

ｐ対のＮＳ磁極を持つ回転子鉄心と、ｍ相の巻線を構成する電機子巻線と、前記電機子巻線を保持する複数のスロットを有する電機子鉄心とを備える車両用交流発電機において、
前記各スロット内に前記電機子巻線を構成する導体を内層側と外層側に配置し、隣接するｎ個（ｎ≧３の自然数）の前記スロットに各２本収納された前記導体を直列接続して１つの位相の巻線を形成し、
前記導体（３１０、３１０３）は、幅が広い第１の面（３１１）と幅が狭い第２の面（３１２）とを有する略長方形の断面形状であり、異なる２つの前記スロット（３５）内に配置される第１および第２の内部導体部（３１ｃ１、３１ｃ２）と、前記スロット（３５）外に配置されて前記第１および第２の内部導体部（３１ｃ１、３１ｃ２）から延びる第１および第２の斜行部（３１ａ１、３１ａ２）と、この第１および第２の斜行部（３１ａ１、３１ａ２）を繋げるターン部（３１ａ０、３１ａ３）とを有し、
前記ターン部（３１ａ０、３１ａ３）から離れた位置で、前記第１および第２の斜行部（３１ａ１、３１ａ２）を逆方向に折り曲げ、
前記ターン部（３１ａ０、３１ａ３）は、前記第１の面（３１１）が対向するように複数箇所で折り曲げられていることを特徴とする車両用交流発電機。
前記ターン部（３１ａ０）の表面を覆う絶縁被膜を備え、この絶縁被膜は前記タ−ン部（３１ａ０）の成形時に破損を生じない延性を持つことを特徴とする請求項１に記載の車両用交流発電機。
前記導体（３１０）はセグメント導体により構成され、前記セグメント導体は、軸方向の一端側に前記タ−ン部（３１ａ０）が配置され、軸方向の他端側には他のセグメント導体との接合部（３１ｂ０、３１ｂ０’）が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用交流発電機。
前記電機子巻線（３１）は、各相ごとに連続する導体（３１０３）によって形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用交流発電機。