JP4453670B2 - 車両用交流発電機の固定子 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関により駆動される交流発電機の固定子に関し、乗用車、トラック等あるいは船舶などの乗り物に搭載される車両用交流発電機の固定子に関する。

車両用交流発電機の固定子巻線の中には、連続線を用いるのではなく、あらかじめヘアピン状に屈曲した（以下、この屈曲した部分をターン部と称する）電気導体であるセグメントを用い、固定子のスロットにセグメントを挿入した後にセグメント同士を接合することによって構成されるものがある（例えば、特許文献１参照。）。この固定子巻線では、固定子鉄心の一方の軸方向端面から突出するコイルエンド群において、内外層間の大セグメントのターン部が、中層間の小セグメントのターン部を囲むように配置されている。この固定子巻線は、大セグメントのターン部が小セグメントのターン部を囲むように形成されるため、小セグメントの表面に直接当たる冷却風が少なく、冷却しにくい。このため、小セグメントターン部周辺に熱がこもってしまい、小セグメントの表面からの放熱性も悪くなってしまう。

このような冷却性低下に対する対策として、大セグメントのターン部と小セグメントのターン部を周方向にずらして冷却性を向上するという巻線構造が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１１−３４６４４８号公報（第３−８頁、図１−１９） 特許第３４０７６７６号公報（第３−５頁、図１−７）

ところで、特許文献２に開示された巻線構造では、大セグメントのターン部のコイルエンド高さが、小セグメントのターン部のコイルエンド高さに依存しているため、大ターン部の高さを低くすることができない。このため、発熱量を抑えるとともに出力増大を図るために、巻線の長さを短くして巻線の抵抗値を低くすることができないという問題があった。また、コイルエンドを囲むフレームとの間の通風抵抗を小さくすることができず、車両用交流発電機の体格を維持する場合には、冷却風の風量を増やすことができないという問題があった。

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、固定子巻線の長さを短くして抵抗値を下げることができ、冷却風の風量増加による冷却性の向上が可能な車両用交流発電機の固定子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電機の固定子は、複数のスロットを持つ固定子鉄心とスロットに装備された多相の固定子巻線とを有しており、固定子巻線は、電気導体よりなる複数のセグメントを接合して構成されており、セグメントは、固定子鉄心の軸方向端面から突出するコイルエンドを形成する斜行部を備え、セグメントは、大径のターン部を有するＵ字状の大セグメントと、小径のターン部を有するＵ字状の小セグメントとを含んでおり、固定子鉄心の軸方向端面に形成されるコイルエンド群において、同じスロットを通る大セグメントのターン部と小セグメントのターン部とが、互いに周方向にずれているとともに軸方向高さが同じである。これにより、大セグメントのターン部を小セグメントのターン部と同じ程度に曲げることが可能となり、大セグメントのターン部の軸方向高さを下げることができる。したがって、固定子巻線とフレームとの間のギャップが増し、冷却風量を増加させることができ、冷却性向上が可能となる。また、大セグメントのターン部の軸方向高さを低くすることにより、固定子巻線の形成に必要な電気導体の長さが短くなり、抵抗値を下げることができるとともに固定子巻線にかかるコストを下げることが可能となる。

また、大セグメントのターン部の高さを小セグメントのターン部と同じになるまで低くすることにより、さらに冷却風量を増加させるとともに固定子巻線の長さを短くして抵抗値を下げ、冷却性向上の効果を上げることができる。また、大セグメントと小セグメントの軸方向高さが同一になるため、大セグメントと小セグメントを固定子鉄心のスロットに挿入する工程を同時に行うことができ、工程の簡略化が可能になる。

また、上述した固定子鉄心の内周側に配置された回転子が回転したときにこの回転子の軸方向端面に備わった冷却ファンによって生じる冷却風の通風路が斜行部の間に形成されることが望ましい。これにより、径方向に沿って大セグメントと小セグメントの両方が暴露した状態となるため、コイルエンド群の増加した表面積を冷却風の当たる面積として有効に利用することができ、さらなる冷却性向上が可能となる。

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。
〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。図１に示すように、車両用交流発電機１は、電機子として働く固定子２と、界磁として働く回転子３と、固定子２および回転子３を支持するフレーム４と、交流電力を直流電力に変換する整流器５とを備えて構成されている。

回転子３は、シャフト６と一体になって回転するものであり、ランデル型ポ−ルコア７、界磁コイル８、スリップリング９、１０、冷却ファン１１、１２を備えている。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）により回転駆動される。ランデル型ポールコア７は、一組のポールコアを組合わせて構成されている。ランデル型ポールコア７は、シャフト６に組み付けられたボス部７１およびボス部７１の両端より径方向に延びるディスク部７２、ディスク部７２から軸方向に延びる１２個の爪状磁極部７３により構成されている。フレーム４の軸方向端面には吸入孔４１が設けられている。また、フレーム４の外周両肩部には、固定子２の第１コイルエンド群３１ａと第２コイルエンド群３１ｂのそれぞれの径方向外側に対応して冷却風の排出孔４２が設けられている。

図２は、固定子２の部分的な断面図である。図３は固定子巻線を構成するセグメントの斜視図である。固定子２は、固定子鉄心３２と、固定子鉄心３２に形成されたスロット３５内に配置された複数の電気導体により構成される固定子巻線と、固定子鉄心３２と電気導体との間を電気絶縁するインシュレータ３４とにより構成される。図２に示すように、固定子鉄心３２には、多相の固定子巻線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３の磁極数に対応して、３相の固定子巻線を収容するように、３６本のスロット３５が等間隔に配置されている。

固定子鉄心３２のスロット３５に装備された固定子巻線は、１本１本の電気導体として把握することができ、複数のスロット３５のそれぞれの中には、偶数本（本実施形態では４本）の電気導体が収容されている。また、一のスロット内の４本の電気導体は、固定子鉄心３２の径方向に関して内側から内端層、内中層、外中層、外端層の順で一列に配列されている。これら電気導体が所定のパターンで接続されることにより、固定子巻線が形成される。なお、本実施形態では、スロット３５内の電気導体は、固定子鉄心３２の両端のコイルエンド部において、一端は連続線を配置することにより、他端は接合により接続される。

各スロット３５内の１本の電気導体は、所定の磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の１本の他の電気導体と対をなしている。特に、コイルエンド部における複数の電気導体間の隙間を確保し、整列して配置するために、一のスロット３５内の所定の層の電気導体は、所定の磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の他の層の電気導体と対をなしている。例えば、一のスロット３５内の内端層の電気導体３３１ａは、固定子鉄心３２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の外端層の電気導体３３１ｂと対をなしている。同様に、一のスロット３５内の内中層の電気導体３３２ａは固定子鉄心３２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の外中層の電気導体３３２ｂと対をなしている。そして、これらの対をなす電気導体は、固定子鉄心３２の軸方向の一方の端部において連続線を用いることにより、ターン部３３１ｃ、３３２ｃを経由することで接続される。従って固定子鉄心３２の一方の端部においては、外中層の電気導体と内中層の電気導体とを接続する連続線を、外端層の電気導体と内端層の電気導体とを接続する連続線が囲むこととなる。このように、固定子鉄心３２の一方の端部においては、対をなす電気導体の接続部が、同じスロット３５内に収容された他の対をなす電気導体の接続部により囲まれる。外中層の電気導体と内中層の電気導体とを接続により中層コイルエンドが形成され、外端層の電気導体と内端層の電気導体とを接続により端層コイルエンドが形成される。一方、一のスロット３５内の内中層の電気導体３３２ａは、固定子鉄心３２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた、他のスロット３５内の内端層の電気導体３３１ａ' とも対をなしている。同様に、一のスロット３５内の外端層の電気導体３３１ｂ' は、固定子鉄心３２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の外中層の電気導体３３２ｂと対をなしている。そして、これらの電気導体は固定子鉄心３２の軸方向の他方の端部において接合により接続される。従って、固定子鉄心３２の他方の端部においては、外端層の電気導体と外中層の電気導体とを接続する接合部と、内端層の電気導体と内中層の電気導体とを接続する接合部とが、径方向に並んでいる。外端層の電気導体と外中層の電気導体との接続、および内端層の電気導体と内中層の電気導体との接続により隣接層コイルエンドが形成される。このように固定子鉄心３２の他方の端部においては、対をなす電気導体の接続部が、重複することなく並べて配置される。

さらに、複数の電気導体は、平角断面をもった電気導体を所定形状に成形したセグメントにより提供される。図３に示されるように、内端層の電気導体と外端層の電気導体とが、一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる大セグメント３３１により提供される。そして、内中層の電気導体と外中層の電気導体とが一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる小セグメント３３２により提供される。

大セグメント３３１と小セグメント３３２とは基本セグメント３３を形成する。そして、基本セグメント３３を規則的にスロット３５に配置して、固定子鉄心３２の周りを２周することにより固定子巻線が形成される。しかし、固定子巻線の引出線を構成するセグメントおよび１周めと２周めとを接続するセグメントのターン部は基本セグメント３３とは形状の異なる異形セグメントで構成される。そして、本実施形態の場合、異形セグメントの本数は３本となる。１周めと２周めとの接続は端層と中層の接続となるが、この接続により異形コイルエンドが形成される。

図４、図５、図６は、本実施形態の車両用交流発電機の巻線仕様図であり、３相巻線のうちの１相であるＸ相について示されている。外端層の電気導体が１点鎖線で、外中層の電気導体が破線で、内中層の電気導体が実線で、内端層の電気導体が２点鎖線でそれぞれ示されている。また、上段がタ−ン部を配列してなる第１コイルエンド群３１ａに、下段が接合部を配列してなる第２コイルエンド群３１ｂにそれぞれ対応している。これらの図の中央に横一列に並ぶ数字はスロット番号を表している。また、図７は本実施形態の車両用交流発電機の結線図である。

図４に示すように、Ｘ相に対応する基本セグメント３３は、スロット番号の１番から３スロットおきに配置される。第２コイルエンド群３１ｂにおいて、一のスロット３５から出た外中層の電気導体の端部は固定子鉄心３２の時計周り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３５から出た外端層の電気導体の端部と、また、一のスロット３５から出た内端層の電気導体の端部は固定子鉄心３２の時計周り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３５から出た内中層の電気導体の端部と接合される。そして、スロットあたり２タ−ンの重ね巻の第１巻線３１１が形成される。同様に、図５に示すように、スロットあたり２タ−ンの重ね巻の第２巻線３１２が形成される。これら図４、図５の巻線３１１および巻線３１２は、図６に示すように、第１巻線３１１の端部３３ｍと第２巻線３１２の端部３３ｎとが連結され、スロットあたり４タ−ンの巻線３１５が形成される。

ここで、第１巻線３１１の端部３３ｍと第２巻線３１２の端部３３ｎとを連結するターン部を有するセグメントは、基本セグメント３３である大セグメント３１１および小セグメント３１２とは形状が異なっている。このＸ相の巻線では、異形セグメントは、第１巻線３１１の端部３３ｍと第２巻線３１２の端部３３ｎとを連結するターン部を有するセグメント、巻線端Ｘ１を有するセグメントおよび巻線端Ｘ２を有するセグメントの３つである。異形セグメントが３つに抑えられることは、次のように説明できる。

図４に示す第１巻線３１１は、上述のように規則的に接合してできる環状の巻線において、１番と３４番のスロット３５に挿入されている小セグメント３３２のターン部３３２ｃを切断することによって得ることができる。同様に、第２巻線３１２は、規則的に接合してできる環状の巻線において、１番と３４番のスロット３５に挿入されている大セグメント３３１のターン部３３１ｃを切断することによって得ることができる。そして、ターン部３３１ｃの切断部の一方とターン部３３２ｃの切断部の一方とを直列に連結し、それぞれの切断部の他方を巻線端とすることにより、１本の巻線３１５を形成している。このように、２つの環状の巻線を２箇所で切断し、一の環の切断部と他の環の切断部とを接続して１本の巻線にすることで、４ターンの重ね巻の巻線３１５を形成できる。そのため、必要な異形セグメントは３つである。

また、この異形セグメントは、第１コイルエンド群３１ａの１磁極ピッチ間に集中して設けることができる。本実施形態では、ターン部３３１ｃが第１巻線３１１を形成し、ターン部３３２ｃが第２巻線３１２を形成するからである。Ｘ相と同様にして、互いに１２０度ずつ位相の異なるスロットにＹ相、Ｚ相が形成される。Ｘ相の巻線端Ｘ１、および図示せぬＹ相、Ｚ相の巻線端Ｙ１、Ｚ１は、整流器５に接続され、巻線端Ｘ２は中性点として図示せぬＹ２、Ｚ２と接続される。そして、図７に示すように、これらの３相が星形結線される。図６に示した巻線仕様では、整流器５につながる巻線端Ｘ１は、第１コイルエンド群３１ａ側から軸方向に取り出されている。

次に、固定子巻線の製造工程を以下に説明する。基本セグメント３３は、Ｕ字状の小セグメント３３２の２本の直線部３３２ａ、３３２ｂをＵ字状の大セグメント３３１の２本の直線部３３１ａ、３３１ｂで径方向の両側から挟み込むように揃えられ、固定子鉄心３２の軸方向側面の一方側から挿入される。その際、大セグメント３３１の一方の電気導体３３１ａは固定子鉄心３２の一のスロット３５の内端層に、小セグメント３３２の一方の電気導体３３２ａは前記一のスロット３５の内中層に、そして、大セグメント３３１の他方の電気導体３３１ｂは固定子鉄心３２の前記一のスロット３５から時計方向に１磁極ピッチ離れた他のスロット３５の外端層に、小セグメント３３２の他方の電気導体も前記他のスロット３５の外中層に挿入される。その結果、図２に示すように、一のスロット３５には内端層側から、上述の電気導体として直線部３３１ａ、３３２ａ、３３２ｂ' 、３３１ｂ' が一列に配置される。ここで、３３２ｂ' 、３３１ｂ' は、１磁極ピッチずれた他のスロット３５内の電気導体と対をなしている大小のセグメントの直線部である。

挿入後、第２コイルエンド群３１ｂにおいて、端層側に位置している電気導体は、大セグメント３３１が開く方向に接合部３３１ｄ、３３１ｅが１．５スロット分傾けられる。そして、中層の電気導体は、小セグメント３３２が閉じる方向に接合部３３２ｄ、３３２ｅが１．５スロット分傾けられる。

以上の構成を、全てのスロット３５の基本セグメント３３について繰り返す。そして、第２コイルエンド群３１ｂにおいて、外端層の接合部３３１ｅ' と外中層の接合部３３２ｅとが、そして、内中層の接合部３３２ｄと内端層の接合部３３１ｄ' とが溶接、超音波溶着、アーク溶接、ろう付け等の手段によって接合され、電気的に接続されている。

基本セグメント３３は、銅平板からプレス等で略Ｕ字型形状に成形される。大セグメント３３１と小セグメント３３２は、個別に成形してもよいし、銅平板から２本を同時に成形してもよい。また、基本セグメント３３は、直線部の平角断面を持つ電気導体をひねって形成される。ターン部３３１ｃ、３３２ｃの形状は、図３に示すようなコの字形に限らず、円弧状としてもよい。

ところで、本実施形態では、固定子鉄心３２の一方の軸方向端面に形成される第１コイルエンド群３１ａにおいて、同じスロット３５を通る大セグメント３３１のターン部３３１ｃと小セグメント３３２のターン部３３２ｃとが互いに周方向にずれた形状を有しており、それぞれのターン部３３１ｃ、３３２ｃの位置が固定子鉄心３２の軸方向（中心軸に沿った方向）に沿って重複している。

図８は、同じスロット３５に挿入される大セグメント３３１と小セグメント３３２の各ターン部３３１ｃ、３３２ｃの位置関係を示す図であり、図３に示すＰ視の概略形状が示されている。図８に示すように、大セグメント３３１のターン部３３１ｃと小セグメント３３２のターン部３３２ｃが互いにｈだけコイルエンドの高さ方向（シャフト６に沿った方向）にオーバーラップしている。このように各ターン部３３１ｃ、３３２ｃをオーバーラップさせるために、本実施形態では、固定子鉄心３２の軸方向端面の一方に形成される第１コイルエンド群３１ａにおいて、同じスロット３５を通る大セグメント３３１のターン部３３１ｃと小セグメント３３２のターン部３３２ｃを周方向にずらしており、このために、捻り部分も含めた各ターン部３３１ｃ、３３２ｃを互いに干渉しない位置で捻ってコイルエンドを形成している。

このように、同じスロット３５を通る大セグメント３３１のターン部３３１ｃと小セグメント３３２のターン部３３２ｃとが互いに周方向にずれており、それぞれのターン部３３１ｃ、３３２ｃの位置が固定子鉄心３２の軸方向に沿って重複しているため、大セグメント３３１のターン部３３１ｃを小セグメント３３２のターン部３３２ｃと同じ程度に曲げることが可能となり、大セグメント３３１のターン部３３１ｃの軸方向高さを下げることができる。したがって、固定子巻線とフレーム４との間のギャップが増し、冷却風量を増加させることができ、冷却性向上が可能となる。また、大セグメント３３１のターン部３３１ｃの軸方向高さを低くすることにより、固定子巻線の形成に必要な電気導体の長さが短くなり、抵抗値を下げることができるとともに固定子巻線にかかるコストを下げることが可能となる。

図９は、同じスロット３５に挿入される大セグメント３３１と小セグメント３３２の各ターン部３３１ｃ、３３２ｃの軸方向高さを同じにした変形例を示す図である。大セグメント３３１のターン部３３１ｃの高さを小セグメント３３２のターン部３３２ｃと同じになるまで低くすることにより、さらに冷却風量を増加させるとともに固定子巻線の長さを短くして冷却性向上の効果を上げることができる。また、大セグメント３３１と小セグメント３３２の軸方向高さが同一になるため、大セグメント３３１と小セグメント３３２を固定子鉄心３２のスロット３５に挿入する工程を同時に行うことができ、工程の簡略化が可能になる。

ところで、基本セグメント３３は、固定子鉄心３２の軸方向端面から突出するコイルエンドを形成する斜行部を備えている。具体的には、図３において、大セグメント３３１の直線部３３１ａとターン部３３１ｃ、接合部３３１ｄのそれぞれを繋ぐ部分、直線部３３１ｂとターン部３３１ｃ、接合部３３１ｅのそれぞれを繋ぐ部分、小セグメント３３２の直線部３３２ａとターン部３３２ｃ、接合部３３２ｄのそれぞれを繋ぐ部分、直線部３３２ｂとターン部３３２ｃ、接合部３３２ｅのそれぞれを繋ぐ部分がコイルエンドを形成する斜行部となっている。これらの斜行部は、周方向に沿って規則正しく所定間隔で配置された大セグメント３３１あるいは小セグメント３３２の一部をなすものであり、固定子鉄心３２の内周側に配置された回転子３が回転したときにこの回転子３の軸方向端面に備わった冷却ファン１１、１２によって生じる冷却風の通風路がこれらの斜行部の間に形成される。周方向に沿って大セグメント３３１のターン部３３１ｃと小セグメント３３２のターン部３３２ｃをずらすことにより、径方向に沿って大セグメント３３１の斜行部と小セグメント３３２の斜行部の両方が暴露した状態となるため、コイルエンド群３１ａ、３１ｂの増加した表面積を冷却風の当たる面積として有効に利用することができ、冷却性向上が可能となる。

第１の実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。 固定子の部分的な断面図である。 固定子巻線を構成するセグメントの斜視図である。 本実施形態の車両用交流発電機の巻線仕様図である。 本実施形態の車両用交流発電機の巻線仕様図である。 本実施形態の車両用交流発電機の巻線仕様図である。 本実施形態の車両用交流発電機の結線図 同じスロットに挿入される大セグメントと小セグメントの各ターン部の位置関係を示す図である。 同じスロットに挿入される大セグメントと小セグメントの各ターン部の軸方向高さを同じにした変形例を示す図である。

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−ム
６ シャフト
７ ポールコア
８ 界磁コイル
９、１０ スリップリング
１１、１２ ファン
３１ コイルエンド
３１ａ 第１コイルエンド群
３１ｂ 第２コイルエンド群
３２ 固定子鉄心
３３ 基本セグメント
３４ インシュレータ

Claims (2)

1. 複数のスロットを持つ固定子鉄心と前記スロットに装備された多相の固定子巻線とを有する車両用交流発電機の固定子において、
   前記固定子巻線は、電気導体よりなる複数のセグメントを接合して構成されており、
   前記セグメントは、前記固定子鉄心の軸方向端面から突出するコイルエンドを形成する斜行部を備え、
   前記セグメントは、大径のターン部を有するＵ字状の大セグメントと、小径のターン部を有するＵ字状の小セグメントとを含んでおり、
   前記固定子鉄心の軸方向端面に形成されるコイルエンド群において、同じスロットを通る前記大セグメントのターン部と前記小セグメントのターン部とが、互いに周方向にずれているとともに軸方向高さが同じであり、
   前記斜行部は、前記固定子鉄心の軸方向端面から突出して斜行している部分であり、前記ターン部は、前記スロット内の径方向位置が異なる２本の前記斜行部の端部同士を接続する部分であることを特徴とする車両用交流発電機の固定子。
2. 請求項１において、
   前記固定子鉄心の内周側に配置された回転子が回転したときにこの回転子の軸方向端面に備わった冷却ファンによって生じる冷却風の通風路が前記斜行部の間に形成されることを特徴とする車両用交流発電機の固定子。

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