JP4756358B2 - ２電圧型タンデム式車両用交流発電機 - Google Patents

Description

本発明は、２電圧型タンデム式車両用交流発電機の改良に関する。

軸方向に縦列配置された２つのステータ・ロータペア（発電ユニット）と一つの回転軸とをもつタンデム式車両用交流発電機が公知となっている。タンデム式車両用交流発電機は、出力電流整流用の整流器を各発電ユニットごとに装備する。整流器の電力消費及び発熱量は大きいため、整流器の必要設置スペースは大きくなり、二つの整流器の相互の熱的干渉と大電流配線の引き回しの複雑化という問題を内包している。この問題に鑑み、下記の特許文献１は、タンデム式車両用交流発電機において、これら二つの整流器をハウジングのフロント側とリア側に分散配置する方式（以下、整流器分散配置方式とも言う）を提案している。この整流器分散配置方式によれば、電機子巻線と整流器との間の配線長を短縮できるという重要な効果も奏することができる。

この特許文献１のタンデム式車両用交流発電機では、発電制御用のコントローラはハウジングのフロント側に配置されている。
特開平１１−９８７８９号公報

上記した特許文献１記載の整流器分散配置方式のタンデム式車両用交流発電機では、スリップリングをプーリ近傍とリア側とに分散配置すること非合理性などの諸理由に鑑み、プーリ側（フロント側）の発電ユニットのロータとしていわゆる界磁巻線静止型ランデル型界磁子を採用することによりスリップリング・ブラシペアを省略している。このようなスリップリング・ブラシペアの省略はタンデム式車両用交流発電機の軸方向長の短縮の点でも大きな効果を奏する。

しかしながら、界磁巻線静止型ランデル型界磁子を採用した発電ユニットは、通常のランデル型界磁鉄心に較べて必要界磁電流が大きく、体格当たりの出力密度が小さいため、タンデム式車両用交流発電機の軸方向長が大幅に増大するという不具合があった。

この問題を解決するために、プーリ側のロータにも通常のランデル型界磁子を採用することが好適であるが、このためにはスリップリング・ブラシペアを２対追設する必要となり、タンデム式車両用交流発電機の軸方向長増大を招く。この問題は、プーリ側（フロント側）の発電ユニットへの界磁電流給電を、リア側に配置したスリップリング・ブラシアセンブリにより行うことにより改善される。すなわち、この場合には、リア側の発電ユニットへ給電する２対のスリップリング・ブラシペアの一つ（たとえば接地側）をプーリ側（フロント側）のそれと共用できるため、合計３対のスリップリング・ブラシペアにより２つの発電ユニットへの界磁電流給電を個別に行うことができ、タンデム式車両用交流発電機の軸方向長短縮と出力向上とを期待することができる。

しかしながら、特許文献１の整流器分散配置方式のタンデム式車両用交流発電機において、リア側にスリップリング・ブラシペアを増設してプーリ側（フロント側）のロータを通常のランデル型界磁子に変更する場合、次の問題が生じることがわかった。

すなわち、この場合には、プーリ側（フロント側）に配置されてプーリ側（フロント側）の整流器から給電される界磁電流制御装置（以下、レギュレータ又はコントローラとも言う）からリア側のスリップリング・ブラシペアへの界磁電流給電経路が長くなり、その結果として、この界磁電流給電経路の抵抗損失が大きくなり、発電効率が低下してしまう。異なる観点から説明すると、導線の許容電流密度は抵抗損失や発熱量の点で一定限界があるため、界磁電流給電経路が長いということは、抵抗損失や発熱低減のためにその導体断面積の増大が必要となる。しかし、このような太い導線を長く延設することは重量及び費用の増大を招いてしまう。配線スペースの確保も簡単ではなく、組み付け作業も困難化する。

その他、ハウジングの前端面はプーリに近接しているため、ハウジングの前端面のうち、電気機器設置のために利用可能な面積は限られている。更に説明すると、プーリにはベルトが掛けられており、このベルトはハウジングの前端面に沿いつつ延設されており、冷却空気導入窓の必要性も考慮すると、整流器設置後に利用可能なその残存面積は、ハウジングの後端面に較べて格段に小さく、上記したプーリ側（フロント側）のランデル型界磁子の界磁電流調整用のコントローラの設置は容易ではない。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、発電効率を向上するとともにコントローラ配置も容易なタンデム式車両用交流発電機を提供することをその目的としている。

上記課題を解決するこの発明は、前端部にプーリが、後端部にスリップリングが固定される回転軸を回転自在に支持するハウジングと、前記ハウジング内の前部に収容される前側のランデル型界磁子及び前側の電機子と、前記ハウジング内の後部に収容される後側のランデル型界磁子及び後側の電機子と、前記ハウジングの前端面に固定されて前記前側の電機子が出力する交流電力を整流する前側の整流器と、
前記ハウジングの後端面に固定されて前記後側の電機子が出力する交流電力を整流する後側の整流器とを備えるタンデム式車両用交流発電機において、前記スリップリングを通じて前記２つのランデル型界磁子へ給電する界磁電流を個別に制御するコントローラとを有し、前記コントローラは、前記ハウジングの後端面に固定されて少なくとも前記前側の整流器から給電されることを特徴としている。

すなわち、この発明は、整流器をハウジングの前後に分散配置する整流器分散配置方式のタンデム式車両用交流発電機において、リア側にスリップリング及び前側のランデル型界磁子の界磁電流調整用のコントローラを配置し、かつ、前側の整流器からこのコントローラに給電することを特徴としている。

このようにすれば、界磁電流給電経路における抵抗損失の低減による発電効率の向上を実現するとともに、前側のランデル型界磁子の界磁電流調整用のコントローラの配置を容易とすることができる。また、前側のランデル型界磁子の界磁電流調整用のコントローラと後側のランデル型界磁子の界磁電流調整用のコントローラとを一体化すれば更にコンパクトにすることができる。

以下、界磁電流給電経路における抵抗損失の低減による発電効率の向上効果について図１２及び図１３を参照して更に具体的に説明する。図１２は本発明の示す回路例を示し、図１３は特許文献１において前側に界磁電流調整用のコントローラを、リア側にスリップリング・ブラシを設けた場合の回路例を示す。図１２、図１３とも、前側のランデル型界磁子への界磁電流通電回路系のみを示す。

１００は前側の整流器、１０１はコントローラ（界磁電流調整器）、１０２はスリップリング・ブラシペア、１０３は前側のランデル型界磁子の界磁巻線、１０４は前側の整流器１００とコントローラとを接続する配線（給電線）、１０５はコントローラとスリップリング・ブラシペアとを接続する配線、Ｔは界磁電流断続用のトランジスタ、Ｄはフライホイルダイオード、ＩｓはトランジスタＴの電流、ＩｆはフライホイルダイオードＤの電流である。図１２及び図１３から明らかなように、図１２における前側の整流器１００とコントローラ１０１との間の給電線１０４の抵抗損失は、図１３におけるコントローラ１０１とスリップリング・ブラシペア１０２との間の配線１０５の抵抗損失に較べてフライホイル電流Ｉｆの分だけ半減する。

このことは、抵抗損失を一定とすれば、図１２の回路構成を採用することにより前側の整流器１００からリア側へ延設される配線の断面積を半減することができることを意味する。補足すると、界磁電流断続用のトランジスタＴがＯＦＦし界磁巻線に蓄積された電磁エネルギーがフライホイルダイオードＤを介して消費される際、配線１０５の抵抗損失が大きいため次に界磁電流断続用のトランジスタＴがＯＮしたときには界磁巻線に蓄積された電磁エネルギーが早く減衰してしまいコントローラからの給電量が増すことになる。通常の車両用交流発電機において、界磁電流は数〜１０Ａと大きく、その抵抗損失低減効果により発電効率を向上することができる。

好適な態様において、前記前側の整流器から前記コントローラへの給電のための給電線を有し、前記給電線は、前記前側の電機子及び前記後側のランデル型界磁子の径方向外側に配置されている。このようにすれば、この給電線を後側の電機子のスロットを貫通させる場合に較べてリア側の発電ユニットの出力低下を招くことがない。更に、この給電線のインダクタンスを大幅に低減することができるため、この給電線に重畳するスイッチングサージ電圧を大幅に低減することができる。なお、既述したように、この発明ではこの給電線にはフライホイル電流が流れないため問題とならないがその高周波電圧成分が高く、配線インダクタンスが大きい場合、非常に大きいスイッチングサージ電圧が発生するため、配線インダクタンスの低減は重要な課題である。

好適な態様において、前記給電線は、前記ハウジングの周壁部に軸方向に貫設された給電線収容孔に収容されている。このようにすれば、給電線がハウジングにより機械的保護されるため、落下や事故などによる機械衝撃により配線が短絡したり断線したりするのを良好に防止することができる。そのうえ、この態様では、給電線が導電性かつ非磁性のハウジングにより囲包されることになるので、電機子鉄心が近接するにもかかわらずその配線インダクタンスを大幅に低減してスイッチングサージ電圧を低減できるとともに、この給電線から外部への電磁波ノイズの放射も良好に低減することができる。

好適な態様において、前記ハウジングは、それぞれ椀状に形成されたフロントハウジング及びリアハウジングを有し、前記給電線収容孔は、前記フロントハウジングの端壁部側及びリアハウジング１２の端壁部側がそれぞれ狭小断面積となる抜き勾配をもつ。このようにすれば、フロントハウジングの給電線収容孔、及び、リアハウジングの給電線収容孔を両方とも端面側に向けて狭小断面積となるテーパ孔としたので、フロントハウジングとリアハウジングとの径方向又は周方向への組み付けがずれても配線作業を容易に行うことができる。

好適な態様において、前記前側の電機子と前記後側の電機子との間に介設された筒状のスペーサを有し、前記フロントハウジング及びリアハウジングの一方の前記周壁部は、前記両電機子の一方のすべてを囲包して前記両電機子の他方の外周面に達し、前記フロントハウジング及びリアハウジングは、スルーボルトにより付勢されて前記前側の電機子、スペーサ及び前記後側の電機子を軸方向に挟圧、固定する。このようにすれば、センターハウジングを設けていないため、各ハウジングの給電線収容孔の接合箇所を減らすことができ、その位置ずれにより配線作業の困難化を軽減することができる。

好適な態様において、前記給電線収容孔は、前記フロントハウジング及びリアハウジングのスルーボルト挿通用の貫通孔に近接して配置されている。このようにすれば、スルーボルト挿通用の貫通孔から離れるほど増大するハウジング材料の加工ひずみなどによるその寸法変化が小さくなる事で給電線収容孔の位置ずれを抑止することができる。

本発明のタンデム式車両用交流発電機の好適な実施態様を以下の実施形態を参照して説明する。ただし、本発明は下記の実施態様に限定されるものではなく、その他の公知技術又はそれと必要機能が等しい技術を組み合わせて本発明を構成してもよいことは当然である。

（全体構成の説明）
この実施形態のタンデム式車両用交流発電機の全体構造を図１、図２、図３を参照して説明する。図１はこの模式軸方向断面図、図２はそのリア側からみたフロント側からみた正面図、図３はその平面図である。

１はハウジング、２は第１回転電機部、３は第２回転電機部、４は回転軸、５はプーリ、６、７は軸受け、８Ａは前側の整流器、８Ｂは後側の整流器、９はレギュレータ（コントローラ）、１０はスリップリング給電機構、４０は整流器カバー、５０はエンドカバーである。

ハウジング１は、フロントハウジング１１と、リアハウジング１２とからなり、スルーボルト１４で締結して構成されている。回転軸４は、軸受け６、７を介してハウジング１に支承されており、プーリ５がハウジング１から前方へ突出する回転軸４の前端部に固定されている。前側の整流器８Ａはフロントハウジング１１の前端面に固定されている。後側の整流器８Ｂ、レギュレータ９及びスリップリング給電機構１０はリアハウジング１２に固定されている。

第１回転電機部２は、ランデル型ロータコア２１と、ランデル型ロータコア２１に個別に巻装された界磁コイル２２と、ランデル型ロータコア２１の径方向外側に配置された電機子鉄心（ステータコア）２３と、電機子鉄心（ステータコア）２３に巻装された電機子コイル（ステータコイル）２４とを有している。

第２回転電機部３は、ランデル型ロータコア３１と、ランデル型ロータコア３１に個別に巻装された界磁コイル３２と、ランデル型ロータコア３１の径方向外側に配置された電機子鉄心（ステータコア）３３と、電機子鉄心（ステータコア）３３に個別に巻装された電機子コイル（ステータコイル）３４とを有している。第１回転電機部２及び第２回転電機部３は典型的なランデル型ロータコアをもつ回転電機であって、その他の構造詳細は通常のランデル型回転電機と同じであるためこれ以上の説明は省略する。

レギュレータ９は、界磁コイル２２へ通電する界磁電流を調整する第１コントローラと、界磁コイル３２へ通電する界磁電流を調整する第２コントローラとを有している。これら第１コントローラ及び第２コントローラは本質的に従来のレギュレータと同じ回路構成を有している。第１コントローラは、図１２で言うコントローラ１０１に相当する。

スリップリング給電機構１０は、３対のスリップリング・ブラシペアを有している。一対のスリップリング・ブラシペアは、接地ラインに接続される共通のスリップリング・ブラシペアであり、他の２対のスリップリング・ブラシペアは、第１コントローラと第２コントローラとから個別に給電された２つの界磁電流を界磁コイル２２と界磁コイル３２とに個別に給電する。

ステータコイル３４は常用の１２Vの車載バッテリ及び電気負荷へ給電し、ステータコイル２４は４２Vの車載バッテリ及び電気負荷へ給電している。第１回転電機部２と第２回転電機部３とを反対に配置してもよい。

前側の整流器８Ａ及び後側の整流器８Ｂは、それぞれ三相全波整流器により構成されており、各三相全波整流器は周知のように３つの上アーム側の整流素子（＋ダイオードとも言う）と、３つの下アーム側の整流素子（−ダイオードともいう）からなる。重要な点は、既述したように、前側の整流器８Ａがフロントハウジング１１の前端面に、後側の整流器８Ｂがリアハウジング１２の後端面に固定されている点にある。図２において、４０は前側の整流器８Ａを囲んでフロントハウジング１１の前端面に固定される円弧状の整流器カバーであり、７０は整流器カバー４０から突出する前側の整流器８Ａの出力端子（ターミナル）である。

（給電構造の説明）
この実施形態では、前側の整流器８Ａから後側のレギュレータ９に界磁電流を給電するための給電構造を有している。この給電構造を図１〜図３を参照して説明する。

この給電構造は、前側の整流器８Ａから後側のレギュレータ９に界磁電流を給電するための給電線１０４（図１２参照）と、フロントハウジング１１及びリアハウジング１２の周壁部に軸方向に貫設された給電線収容孔１０６、１０７とからなる。給電線１０４（正確にはその一対の導体線１０８、１０９）の両端は、前側の整流器８Ａ及びレギュレータ９に溶接あるいは半田付けあるいはかしめ等の公知の接続手段により個別に接続されている。

給電線収容孔１０６、１０７は、フロントハウジング１１及びリアハウジング１２の製作基準位置となるスルーボルト挿通用の複数の貫通孔１４Aのうちフロントハウジング１１及びリアハウジング１２の製作基準位置となる貫通孔１４Ａの近傍に配置されている。これにより、成形時の加工ひずみの影響での寸法変化を低減することができる。

給電線１０４及び給電線収容孔１０６を図４に拡大図示する。図４は、前からみた給電線収容孔１０６近傍の拡大部分正面図である。給電線１０４は、周方向に所定距離隔てて平行に延設された一対の導体線１０８、１０９と、樹脂成形によりこれら導体線１０８、１０９を被覆する絶縁樹脂被覆体１１０とからなり、給電線１０４は給電線収容孔１０６に収容されている。給電線収容孔１０６は、フロントハウジング１１の周壁部から径方向外側に突設された角筒部１１１に貫設されている。給電線収容孔１０７は給電線収容孔１０６とほぼ同一形状であるため、説明を省略する。

（変形態様）
給電線収容孔１０６の変形態様を説明する。

給電線収容孔１０６は、図５に示すように電機子鉄心２３、３３の外周面に凹設してもよい。また、図６に示すように、角筒部１１１にスルーボルト挿通用の線状溝１４Ｂを設けてもよい。この貫通溝１４Ｂはフロントハウジング１１やリアハウジング１２の内周面に開口している。また、図７に示すように、角筒部１１１に、スルーボルト挿通用兼給電線収容用の線状溝１４Ｃを設けても良い。

（変形態様）
図８に示す給電線１０４の変形態様を説明する。

図９は、給電線１０４の絶縁樹脂被覆体１１０を、絶縁樹脂被覆体１１０Ａと絶縁樹脂被覆体１１０Ｂとに２分割したものである。図１０は、給電線１０４の絶縁樹脂被覆体１１０を、絶縁樹脂被覆体１１０Ｃと絶縁樹脂被覆体１１０Ｄと絶縁樹脂被覆体１１０Ｅとに３分割したものである。これらの絶縁樹脂被覆体の接合には加熱、かしめなど種々の公知の方法を採用することができる。その他、図１１に示すように、絶縁被覆された単導体線を一対樹脂被覆して、給電線１０４を構成しても良い。

（変形態様）
フロントハウジング１１に設けた給電線収容孔１０６を前方へ向けて断面積が狭小となるテーパ孔とし、リアハウジング１２に設けた給電線収容孔１０７を後方へ向けて断面積が狭小となるテーパ孔とすると、フロントハウジング１１とリアハウジング１２との組み付けのずれを良好に吸収することができる。またその代わりに、給電線収容孔１０６の後端開口部と、給電線収容孔１０７の前端開口部とを同様にテーパ孔としてもよい。

（変形態様）
好適態様において、給電線１０４は、フロントハウジング１１の前端面に固定された端子台と、リアハウジング１２の後端面に固定された端子台とに接続される。なお、給電線部１０４はフロント側の整流器またはリヤ側の配線板１２０と一体に構成してもよい。このようにすれば、配線作業を簡素化することができる。

実施形態のタンデム式車両用交流発電機の軸方向模式断面図である。 図１のタンデム式車両用交流発電機のフロント側からみた正面図である。 図１のタンデム式車両用交流発電機の平面図である。 図３の給電線及び給電線収容孔を拡大図示する部分拡大正面図である。 変形態様の給電線及び給電線収容孔を拡大図示する部分拡大正面図である。 変形態様の給電線及び給電線収容孔を拡大図示する部分拡大正面図である。 変形態様の給電線及び給電線収容孔を拡大図示する部分拡大正面図である。 給電線の平面図である。 変形態様の給電線の拡大正面図である。 変形態様の給電線の拡大正面図である。 変形態様の給電線の拡大正面図である。 図１の前側の界磁巻線用の界磁電流制御回路を示す回路図である。 比較例の前側の界磁巻線用の界磁電流制御回路を示す回路図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 第１回転電機部
３ 第２回転電機部
４ 回転軸
５ プーリ
８Ａ 整流器
８Ｂ 整流器
９ レギュレータ
１０ スリップリング給電機構
１１ フロントハウジング
１２ リアハウジング
１４ スルーボルト
１４Ａ 貫通孔
１４Ｂ 貫通溝
１４Ｂ 線状溝
１４Ｃ 線状溝
２１ ランデル型ロータコア
２２ 界磁コイル
２３ 電機子鉄心
２４ 電機子巻線
３１ ランデル型ロータコア
３２ 界磁コイル
３３ ステータコア
３４ ステータコイル
４０ 整流器カバー
１００ 整流器
１０１ コントローラ
１０２ ブラシペア
１０４ 給電線
１０６ 給電線収容孔
１０７ 給電線収容孔
１０８ 導体線
１０９ 導体線
１１０ 絶縁樹脂被覆体
１１０Ａ 絶縁樹脂被覆体
１１０Ｂ 絶縁樹脂被覆体
１１０Ｃ 絶縁樹脂被覆体
１１０Ｄ 絶縁樹脂被覆体
１１０Ｅ 絶縁樹脂被覆体
１１１ 角筒部
１２０ 配線板

Claims (6)

1. 前端部にプーリが、後端部にスリップリングが固定される回転軸を回転自在に支持するハウジングと、
   前記ハウジング内の前部に収容される前側のランデル型界磁子及び前側の電機子と、
   前記ハウジング内の後部に収容される後側のランデル型界磁子及び後側の電機子と、
   前記ハウジングの前端面に固定されて前記前側の電機子が出力する交流電力を整流する前側の整流器と、
   前記ハウジングの後端面に固定されて前記後側の電機子が出力する交流電力を整流する後側の整流器と、
   を備えるタンデム式車両用交流発電機において、
   前記スリップリングを通じて前記２つのランデル型界磁子へ給電する界磁電流を個別に制御するコントローラとを有し、
   前記コントローラは、前記ハウジングの後端面に固定されて少なくとも前記前側の整流器から給電されることを特徴とするタンデム式車両用交流発電機。
2. 請求項１記載の車両用タンデム式回転電機において、
   前記前側の整流器から前記コントローラへの給電のための給電線を有し、
   前記給電線は、前記前側の電機子及び前記後側の電機子の径方向外側に配置されているタンデム式車両用交流発電機。
3. 請求項２記載のタンデム式車両用交流発電機において、
   前記給電線は、前記ハウジングの周壁部に軸方向に貫設された給電線収容孔に収容されているタンデム式車両用交流発電機。
4. 請求項３記載のタンデム式車両用交流発電機において、
   前記ハウジングは、それぞれ椀状に形成されたフロントハウジング及びリアハウジングを有し、
   前記給電線収容孔は、前記フロントハウジングの端壁部側及びリアハウジング１２の端壁部側がそれぞれ狭小断面積となる抜き勾配をもつタンデム式車両用交流発電機。
5. 請求項１〜４記載のタンデム式車両用交流発電機において、
   前記前側の電機子と前記後側の電機子との間に介設された筒状のスペーサを有し、
   前記フロントハウジング及びリアハウジングの一方の前記周壁部は、前記両電機子の一方のすべてを囲包して前記両電機子の他方の外周面に達し、
   前記フロントハウジング及びリアハウジングは、スルーボルトにより付勢されて前記前側の電機子、スペーサ及び前記後側の電機子を軸方向に挟圧、固定するタンデム式車両用交流発電機。
6. 請求項１〜５記載のタンデム式車両用交流発電機において、
   前記給電線収容孔は、前記フロントハウジング及びリアハウジングのスルーボルト挿通用の貫通孔に近接して配置されているタンデム式車両用交流発電機。

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