JP4588709B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、ランデル型回転子の端面にファンが装着された回転電機に関するものである。

ファンが搭載されたランデル型回転子を用いた車両用交流発電機では、回転子の回転に伴いファンにより遠心方向に冷却風が発生し、固定子のコイルエンドや固定子の熱を伝えるブラケットを冷却する。また、ファンに吸入される冷却風により整流器やレギュレータが冷却される。これらの被冷却体はそれぞれ耐熱限界があるため、例えば仮に冷却が十分に達成されない場合には、耐熱限界を超えて破損してしまい、もしそれを防止するためには流れる電流値を低減する必要がある。つまり、交流発電機の発電電流を抑制することになり、出力性能が低下する。

また、車両用交流発電機を取り巻く環境として、近年、エンジンルームの狭小化、エンジンルームの周辺部品の高密度配置等に伴うエンジンルーム内雰囲気温度の上昇、及び車載電気装置の増大等の要因により熱的環境は高く厳しくなる傾向にある。
さらに、車両用交流発電機に求められる小型軽量高出力化の要望に応えるために、車両用交流発電機は小型化の傾向にあり、それは冷却ファンの小径化につながるが、冷却風量の低下により、車両用交流発電機の冷却性の悪化を伴う可能性があり、これらを解決し、車両用回転電機の冷却性の向上を図ることは急務である。

このような要請に対して、斜流式ブレードを有するフロント側冷却ファンと遠心式ブレードを有するリヤ側冷却ファンとを組み合わせ、リヤ側冷却ファンをランデル型ポールコアの反プーリ側端面に固着し、フロント側冷却ファンをそのポールコアのプーリ側端面に固着し、その斜流式ブレードを最適化形状に選定することで冷却効率を向上させた交流発電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０９−１５４２５６号公報

しかしながら、上記構成の車両用交流発電機によれば、小型高出力化に対応するためには、三相の固定子コイルや回転子コイル等の電気部品の発熱量の増大に対応してより冷却性を重視した設定が必要となるが、フロント側冷却ファンの斜流式ブレードの形状を最適化するだけでは冷却風量が追いつかず、必然的に風量を増大させる手段を講じなければならない。
その冷却風量を向上させる手段として、冷却ファンの斜流式ブレードの枚数増加、斜流式ブレードの面積増加等が考えられるが、鉄系金属板等のプレス成形による製造方法では、１枚の略円板形状の母材から複数枚の斜流式ブレードを切り起こすため、枚数増加と面積増加は相反することとなり、通常はある妥協点で枚数、面積が選定されており、車両用交流発電機の出力向上及び小型化の両立は非常に困難であるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、限られたスペースの中でファンの能力を向上させることで、回転子コイル及び固定子コイルの冷却性を改善し、出力を向上させることができる回転電気を得ることを目的にする。

この発明に係る回転電機では、回転子とともに回転し、吸入孔からの空気をケース内に導くとともに遠心方向に送って排出孔から外部に排出するファンは、ポールコアの端面から隣接した一対の爪状磁極間で軸線方向に延びている介在部を含むブレードを有しており、前記ブレードの前記介在部は、径方向から視て「く」の字形状に折曲部で折曲されている。

この発明による回転電機によれば、限られたスペースの中でファンの能力を向上させることで、回転子コイル及び固定子コイルの冷却性を改善し、出力を向上させることができる。

この発明の実施の形態１の車両用交流発電機を示す側断面図である。 図１のリヤ側コイルエンドの部分拡大図である。 図１のリヤ側ファンを示す側面図である。 図１のリヤ側ファンをリヤブラケット側から視たときの正面図である。 図１のリヤ側ファンが形成される前の展開図である。 実施の形態２における車両用交流発電機のリヤ側ファンを示す側面図である。 図６のリヤ側ファンをリヤブラケット側から視たときの正面図である。 図６のリヤ側ファンが形成される前の展開図である。 実施の形態３における車両用交流発電機のリヤ側ファンを示す側面図である。 図９のリヤ側ファンをリヤブラケット側から視たときの正面図である。 図９のリヤ側ファンが形成される前の展開図である。 実施の形態４における車両用交流発電機のリヤ側ファンを示す側面図である。 図１２のリヤ側ファンをリヤブラケット側から視たときの正面図である。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の車両用交流発電機を示す側断面図である。
回転電機であるこの車両用交流発電機では、アルミニウム製のフロントブラケット１及びリヤブラケット２から構成されたケース３内に、一端部にプーリ４が固定されたシャフト５が回転自在に設けられている。このシャフト５にはランドル型の回転子６が固定されている。回転子６の両側面のうちプーリ４側にはフロント側ファン７が固定され、反プーリ４側にはリヤ側ファン８が固定されている。また、回転子６の周囲には、回転子６の囲むようにして固定子９がケース３の内壁面に固定されている。
シャフト５の他端部には、回転子６に電流を供給するスリップリング１０が固定されている。このスリップリング１０の表面には、ブラシホルダ１２内に収納された一対のブラシ１１が摺接するようになっている。ブラシホルダ１２には、固定子９で生じた交流電圧の大きさを調整するレギュレータ１３が固定されている。また、リヤブラケット２内には、固定子９に電気的に接続され交流を直流に整流する整流器１４が設けられている。

フロントブラケット１には、内径側に複数の吸入孔１ａが形成され、外径側に複数の排出孔１ｂが形成されている。リヤブラケット２には、内径側に複数の吸入孔２ａが形成され、外径側に複数の排出孔２ｂが形成されている。

上記回転子６は、電流を流して磁束を発生する回転子コイル１５と、この回転子コイル１５を覆って設けられたポールコアとを備えている。このポールコアは、磁束によりＮ極、Ｓ極に着磁されるフロント側ポールコア体１６及びリヤ側ポールコア体１７を備えている。フロント側ポールコア体１６及びリヤ側ポールコア体１７は、それぞれ爪形状で互いに噛み合ったフロント側爪状磁極１８、リヤ側爪状磁極１９を有している。フロント側爪状磁極１８、リヤ側爪状磁極１９のそれぞれの数は、４である。

固定子９は、回転子６からの回転磁界が通る固定子コア２０と、この固定子コア２０の内径側に設けられた固定子コイル２１とを備えている。鋼板を積層して構成された固定子コア２０の内径側には、軸線方向に延びて形成されたスロットが全周にわたって等分間隔で複数設けられている。
固定子コイル２１は、導線が固定子コア２０の両端面側のスロット外で折り返されてフロント側コイルエンド２２及びリヤ側コイルエンド２３が形成されているとともに、所定スロット数毎にスロット内でスロット深さ方向に内層と外層とが交互に採るように分布巻で連続的に巻回されている。
固定子コア２０の軸線方向の長さは、ポールコアの軸線方向の長さよりも短い。

図２は、リヤ側コイルエンド２３の部分拡大図である。
リヤ側コイルエンド２３を構成する各導線は、固定子コア２０の端面から直線状（軸線方向）に延出された直線部２４と径方向及び周方向に曲げられた渡り部２５とから構成されており、固定子コア２０の端面上では空間δが形成されている。
なお、フロント側コイルエンド２２についても、リヤ側コイルエンド２３と同様の構成であり、固定子コア２０の端面上でも空間δが形成されている。

図３は図１に示したリヤ側ファン８を示す側面図、図４は図１のリヤ側ファン８をリヤブラケット２側から視たときの正面図である。
リヤ側ファン８は、回転子６のリヤ側端面に固定されたベース３０と、このベース３０に対して垂直に延設された複数のブレード３１とから構成されている。各ブレード３１は、リヤ側ポールコア体１７の端面から反フロント側ポールコア体１６に延びた基部３２と、隣接した一対の爪状磁極１９、１９間に延び先端が欠落したほぼ三角形状をした介在部３３とから構成されている。
図５は、上記リヤ側ファン８が形成される前の展開図である。リヤ側ファン８は、非磁性材料で構成された平板を図５に示す形に打ち抜き、図５の点線αの箇所から９０度折り曲げることで形成される。
なお、フロント側ファン７についても、リヤ側ファン８と同一の構造であり、その説明は省略する。

上記構成の車両用交流発電機では、バッテリ（図示せず）からブラシ１１、スリップリング１０を通じて回転子コイル１５に電流が供給されて磁束が発生し、爪状磁極１８、１９には、それぞれＮ極、Ｓ極が生じる。
一方、エンジンによってプーリ４は駆動され、シャフト５によって回転子６が回転するため、固定子コア２０には回転磁界が与えられ、固定子コイル２１には起電力が生じる。
この交流の起電力は、整流器１４を通って直流に整流されるとともに、レギュレ−タ１３によりその大きさが調整されて、バッテリに充電される。

また、回転子６の回転によりフロント側ファン７も回転し、このファン７の回転により、空気は、矢印Ａに示すように、フロントブラケット１の吸入孔１ａから入り、固定子コイル２１のフロント側コイルエンド２２等を冷却して、排出孔１ｂから排出される。
フロント側ファン７では、ブレードの介在部が一対の爪状磁極１８、１８間で軸線方向に沿って配置されているので、爪状磁極１８、１８間の空気も遠心方向に掻き出されることになり、その空気も、矢印Ｂに示すように、排出孔１ｂから外部に排出される。
また、回転子７の回転によりリヤ側ファン８も回転し、このファン８の回転により、空気は、矢印Ｃに示すように、リヤブラケット２の吸入孔２ａから入り、整流器１４、レギュレータ１３、固定子コイル２１のリヤ側コイルエンド２３を冷却して、排出孔２ｂから排出される。
リヤ側ファン８では、ブレード３１の介在部３３が一対の爪状磁極１９、１９間に軸線方向に沿って配置されているので、爪状磁極１９、１９間の空気も、矢印Ｄに示すように、遠心方向に掻き出されることになり、その空気も排出孔２ｂから外部に排出される。

上記構成の車両用交流発電機によれば、フロント側ファン７のブレードでは、爪状磁極１８、１８間に介在部が延設されているので、ブレードの面積が増大するとともに、回転子６の回転に伴い、爪状磁極１８、１８間の空気も遠心方向に流れ、その結果回転子コイル１５の外周面上の空気の流れが活発となり、それだけ回転子コイル１５の冷却性能が向上する。そのため、回転子コイル１５に流れる電流の量を増加させることができ、固定子９に発生する出力電流値は増加する。
また、リヤ側ファン８のブレード３１では、爪状磁極１９、１９間に介在部３３が延設されているので、ブレード３１の面積が増大するとともに、回転子６の回転に伴い、爪状磁極１９、１９間の空気も遠心方向に流れ、その結果回転子コイル１５の外周面上の空気の流れが活発となり、それだけ回転子コイル１５の冷却性能が向上する。そのため、回転子コイル１５に流れる電流の量を増加させることができ、固定子９に発生する出力電流値は増加する。

また、フロント側コイルエンド２２、リヤ側コイルエンド２３での各導線には、固定子コア２０の端面から直線状（軸線方向）に延出された直線部２４が設けられているので、固定子コア２０の両端面上では空間δが形成されており、コイルエンド２２、２３における空気抵抗は小さくなり、コイルエンド２２、２３を通る空気流量が増大する。従って、固定子コイル２１の放熱性が向上する。

また、フロント側ファンのブレード、リヤ側ファン８のブレード３１は、非磁性材料で構成されているので、介在部３３を介して異極の爪状磁極１８、１９間にわたって磁束が漏れるのが防止される。

また、固定子コイル２１は、導線が所定スロット数毎にスロット内で規則性をもって配置された分布巻で巻回されているので、導線の全長が短くてよく、それだけ固定子コイル２１の電気抵抗が小さくなり、出力電流を増大させることができる。

また、ファン７、８は、平板を折曲して形成されているので、簡単に製造される。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２における車両用交流発電機のリヤ側ファン４０を示す側面図、図７は図６のリヤ側ファン４０をリヤブラケット２から視たときの正面図である。
この実施の形態では、リヤ側ファン４０は、リヤ側ポールコア体１７の端面に固定されたベース４１と、このベース４１に対して傾斜して延設された複数のブレード４２とから構成されている。ブレード４２はベース４１から延設された基部４３と、この基部４３から隣接した一対の爪状磁極１９、１９間に延び先端が欠落したほぼ三角形状をした介在部４４とから構成されている。
図８は、上記リヤ側ファン４０が形成される前の展開図である。リヤ側ファン４０は、非磁性材料で構成された平板を図８に示す形に打ち抜き、図８の点線αの箇所から紙面に対して手前側に鋭角に折り曲げることで形成される。
なお、フロント側ファンについても、リヤ側ファン４０と同一の構造であり、その説明は省略する。
また、他の構成は、実施の形態１と同様である。

この実施の形態２における車両用交流発電機によれば、リヤ側ファン４０は、ブレード４２の介在部４４が一対の爪状磁極１９、１９間で、一方の爪状磁極１９、１９側に向けて延出されているので、回転子６の端面にある空気は、軸線方向に流れる、即ち爪状磁極１９、１９間に積極的に導かれ、回転子コイル１５の外周面上の空気の流れが活発となり、それだけ回転子コイル１５の冷却性能が実施の形態１のものと比較してさらに向上する。
なお、フロント側ファンについても、リヤ側ファン４０と同様の作用、効果を有するので、その説明は省略する。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３における車両用交流発電機のリヤ側ファン５０を示す側面図、図１０は図９のリヤ側ファン５０をリヤブラケット２から視たときの正面図である。
この実施の形態では、リヤ側ファン５０は、リヤ側ポールコア体１７の端面に固定されたベース５１と、このベース５１の周囲に周方向に等分間隔で設けられた複数のブレード５２とから構成されている。ブレード５２は、ベース５１から延設された基部５３と、この基部５３から隣接した一対の爪状磁極１９、１９間に延び先端が欠落したほぼ三角形状をした介在部５４とから構成されている。介在部５４は、中間部の折曲部５５で「く」の字形状に折曲されている。この折曲部５５の径方向外側には固定子コア２０の端面上の空隙部δが設けられている。
図１１は、上記リヤ側ファン５０が形成される前の展開図である。リヤ側ファン５０は、非磁性材料で構成された平板を図１１に示す形に打ち抜き、図１１の点線αの箇所から紙面に対して９０度手前側に折り曲げ、また介在部５４の折曲部５５で紙面の奥側に折り曲げることで形成される。
なお、フロント側ファンについても、リヤ側ファン５０と同一の構造であり、その説明は省略する。
他の構成は、実施の形態１と同様である。

この実施の形態３における車両用交流発電機によれば、リヤ側ファン５０のブレード５２は、「く」の字形状に折曲されているので、回転子６の回転に伴い、図９において矢印Ｉの方向からの空気がブレード５２に当たる際、折曲部５５に多くの空気が集められ、その空気は遠心方向に進み、固定子コア２０の端面上の空隙部δを通過して排出孔２ｂから外部に排出される。従って、コイルエンド２３を通る空気流量が増大し、特に固定子コイル２１の放熱性が向上する。
なお、フロント側ファンについても、リヤ側ファン５０と同様の作用、効果を有するので、その説明は省略する。

実施の形態４．
図１２はこの発明の実施の形態４における車両用交流発電機のリヤ側ファン６０を示す側面図、図１３は図１２のリヤ側ファン６０をリヤブラケット２から視たときの正面図である。
この実施の形態４による車両用交流発電機では、ブレード６１、６２は周方向に不等ピッチで配置されており、一対のリヤ側爪状磁極１９間に位置したブレード６１については、実施の形態１のブレード３１と同形であり、一対のリヤ側爪状磁極１９間に位置しない、つまり爪状磁極１９と対面したブレード６２については、矩形状のブレードである。
なお、フロント側ファンについても、リヤ側ファン６０と同一の構造であり、その説明は省略する。
他の構成は、実施の形態１と同様である。

上記構成の車両用交流発電機によれば、ブレード６１、６２は周方向に不等ピッチで配置されているので、加振作用は抑制され、リヤ側ファン８の回転により生じる騒音が低減される。また、リヤ側ファン８のブレード６１では、ブレード６１の介在部が一対のリヤ側爪状磁極１９、１９間まで延びているので、回転子６の回転に伴い、爪状磁極１９、１９間の空気も遠心方向に流れ、その結果回転子コイル１５の外周面上の空気の流れが活発となり、それだけ回転子コイル１５の冷却性能が向上する。
なお、フロント側ファンについても、リヤ側ファン６０と同様の作用、効果を有するので、その説明は省略する。

なお、上記各実施の形態では、車両用交流発電機について説明したが、この発明は、車両搭載用エンジンを除く内燃機関、電動機及び水車等を駆動源として回転駆動されるその他の交流発電機にも適用することができる。
また、この発明は、固定子コイルに電流を流し、固定子コイルに回転磁界を生じさせることで回転子を回転させる、回転電機である電動機にも適用することができる。
また、上記各実施の形態では、ファン７、８、４０、５０、６０は非磁性体で構成されているが、ファンは、勿論鉄製であってもよい。
この場合、ブレードは、磁性材料で構成されているので、介在部を介して異極の爪状磁極間にわたって磁束が流れる虞がある。これに対しては、介在部と隣接した爪状磁極との間の距離が、固定子コアの内周面と回転子の外周面との間の距離よりも大きい設定することでその磁束の漏れが防止される。
また、介在部を有するファンを、ポールコアの端面のうち、整流器側の端面のみに固定することで、発熱部材をより効果的に冷却することができる。
また、上記各実施の形態では、ファン７、８、４０、５０、６０は、ポールコアの両端面に固定された場合について説明したが、回転子とともに回転すればよいのであって、例えばシャフトに固定したものであってもよい。

Claims (10)

1. 空気を吸入する吸入孔、及び前記空気を排出する排出孔を有するケースと、
   このケース内にシャフトに固定して設けられ、電流を流して磁束を発生する回転子コイル、この回転子コイルを覆って設けられ前記磁束により着磁される複数の爪状磁極を有するランデル型のポールコアを含む回転子と、
   この回転子を囲って設けられた固定子コア、この固定子コアの軸線方向に延びたスロットに導線が巻回して設けられた固定子コイルを含む固定子と、
   前記回転子とともに回転し、前記吸入孔からの前記空気を前記ケース内に導くとともに遠心方向に送って前記排出孔から外部に排出するファンとを備え、
   前記ポールコアは、一対の交互に前記爪状磁極が噛み合った、第１のポールコア体及び第２のポールコア体から構成された回転電機において、
   前記ファンは、前記ポールコアの端面から隣接した一対の前記爪状磁極間で軸線方向に延びている介在部を含むブレードを有しており、
   前記ブレードの前記介在部は、径方向から視て「く」の字形状に折曲部で折曲されている回転電機。
2. 前記固定子コイルは、前記導線が所定スロット数毎に前記スロット内で規則性をもって配置された分布巻で巻回されている請求項１に記載の回転電機。
3. 前記固定子コイルでは、前記導線が固定子コアの端面の外側で折り返されてコイルエンドが形成されているとともに、前記コイルエンドでは、前記導線は前記端面から軸線方向に延出された直線部を有することで、前記端面上では空間が形成されている請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記ブレードの前記介在部は、隣接した一対の前記爪状磁極のうち一方の爪状磁極側に向けて延出されている請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の回転電機。
5. 前記折曲部は、径方向外側に前記空間と対向している請求項３に記載の回転電機。
6. 前記ファンは、平板を折曲して形成されている請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の回転電機
7. 前記ファンは鉄製であり、前記介在部と隣接した前記爪状磁極との間の距離が、前記固定子コアの内周面と回転子の外周面との間の距離よりも大きい請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の回転電機。
8. 前記ファンは非磁性材料で構成されている請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の回転電機。
9. 前記ファンの前記ブレードは周方向に不等ピッチで設けられ、隣接した一対の前記爪状磁極間に対向したブレードは、前記介在部を有している請求項１ないし請求項８の何れか１項に記載の回転電機。
10. 前記ファンは、前記ポールコアの端面のうち、前記固定子で生じた交流を直流に整流する整流器側の端面のみに固定されている請求項１ないし請求項９の何れか１項に記載の回転電機。

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