JP5751176B2 - 車両用回転電機の固定子 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用回転電機の固定子に関する。

従来から、セグメント導体の端部同士を接合して形成される固定子巻線であって、２重円環構造の巻線を有し、大セグメントと小セグメントの各ターン部が同一方向に捻られている固定子巻線を有する車両用回転電機の固定子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この固定子では、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基本的に同じ形状および同じ向きを有しており、大セグメントのターン部の内側に沿うように小セグメントのターン部が内包されている。

特開平１１−１６４５０４号公報

ところで、特許文献１に開示された車両用回転電機の固定子では、外側に配置された大セグメントのターン部と内側に配置された小セグメントのターン部とが同じ形状および同じ向きを有しているため、これらのターン部によって形成されるコイルエンドに内径側から冷却風を当てたときに、外側に配置された大セグメントのターン部に冷却風が当たって大セグメントのターン部が優先的に冷却され、小セグメントのターン部の冷却性が悪化する。大セグメントのターン部に当たった冷却風は、このターン部に当たった後にターン部の横を通り抜けるように流れるが、大セグメントのターン部の内側に沿うように小セグメントのターン部が配置されているため、同様に小セグメントのターン部についても冷却風が横を通り抜けてしまう。

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、複数のターン部を重ねてコイルエンドが形成される場合に内側のターン部の冷却性を向上させることができる車両用回転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、本発明の車両用回転電機の固定子は、複数のスロットが周方向に並んで形成された固定子鉄心と、固定子鉄心の各スロットに導体を巻回することにより構成される固定子巻線とを備える車両用回転電機の固定子において、固定子巻線は、固定子鉄心の軸方向端面から突出するコイルエンド部を有し、コイルエンド部は、異なる２つのスロットのそれぞれ収納された２本の導体を接続する第１のターン部と、異なる２つのスロットのそれぞれ収納された２本の導体を接続するとともに第１のターン部よりも内側に配置された第２のターン部とを有し、固定子鉄心の周方向に対して（周方向を挟んで）、第１のターン部の延在方向と第２のターン部の延在方向を反対にしている。２つのターン部の延在方向を互いに反対にすることにより、外側のターン部に当たってその横を通り抜けた冷却風を内側のターン部に直接当てることができるため、内側のターン部の冷却性を向上させることができる。

また、上述した第１および第２のターン部のそれぞれの頂部の延在方向を比較したときに、第１のターン部の頂部の延在方向の方が、固定子鉄心の内径側に配置された回転子の冷却ファンの回転によって発生する冷却風の流れに沿った向きに設定されており、冷却風を第２のターン部に直接当てている。これにより、外側のターン部の横を冷却風が通り抜ける際にこの外側のターン部が冷却風のガイドとなるため、冷却風の通風抵抗を低減して冷却風量を増すことができるとともに、内側のターン部に向けて冷却風を効率よく当てることができ、内側のターン部の冷却性をさらに向上させることができる。

また、上述した導体は、矩形断面を有することが望ましい。これにより、固定子巻線の占積率を上げて抵抗値を下げることができ、内側のターン部を含む固定子巻線全体の温度低減が可能となる。

また、上述した固定子巻線は、それぞれがＵ字形状を有する複数の導体セグメントの端部同士を接合することにより構成されていることが望ましい。複数の導体セグメントを用いて固定子巻線を構成することにより、ターン部を所定形状に形成することが容易となる。

また、上述した第１および第２のターン部は、同じ２つのスロットに対応しており、第１のターン部において一方のスロット内での径方向位置が他方のスロット内での径方向位置よりも外径側となるときに、第２のターン部において同じ一方のスロット内での径方向位置が他方のスロット内での径方向位置よりも内径側になることが望ましい。これにより、２つのターン部の延在方向を確実に異ならせることができる。

また、帯状の固定子鉄心の各スロットに連続線からなる導体を巻回した後に、固定子鉄心を円環状に成形するようにしてもよい。このような固定子の製造方法を採用した場合であっても外側のターン部に当たってその横を通り抜けた冷却風を内側のターン部に直接当てることができるため、内側のターン部の冷却性を向上させることができる。

一実施形態の車両用交流発電機の断面図である。 固定子巻線の一方のコイルエンド部を示す部分的な側面図である。 固定子巻線の他方のコイルエンド部を示す部分的な斜視図である。 固定子巻線の一の相を抜き出した部分的な側面図である。 図４に示した固定子巻線の一の相の平面図である。 リヤ側のコイルエンド部を構成する２つのターン部の延在方向と冷却風の流れの向きとの関係を概略的に示す図である。

以下、本発明の車両用回転電機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。

図１は、一実施形態の車両用交流発電機１の断面図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、回転子２、固定子３、フレーム４、整流器５、レギュレータ１１等を含んで構成されている。この車両用交流発電機１は、エンジン（図示せず）から回転力を受けるプーリ２０を有する。プーリ２０は、回転子２の回転軸６に固定されている。

回転子２は、一対のランデル型鉄心２１と界磁巻線２４とを有しており、エンジンによって回転駆動される。ランデル型鉄心２１の軸方向端面には冷却ファン２２、２３が設けられている。冷却ファン２２、２３は、フレーム４の軸方向の開口部４１から冷却風を内部に取り込み、取り込んだ冷却風を径方向の開口部４２（図１には示されていないが、リヤ側のフレーム４にも開口部４２が形成されている）から排出する。この冷却風により、固定子３の固定子鉄心３１に巻回された固定子巻線３２や、固定子巻線３２に接続されてこの固定子巻線３２から出力される交流電流を整流する整流器５や出力電圧を調整するレギュレータ１１等が冷却される。回転軸６は、フレーム４に回転自在に支持されており、反プーリ側の端部近傍にはスリップリングが設けられている。また、フレーム４には、回転子２の外周側に対向配置された固定子３が固定されている。

次に、固定子３の詳細について説明する。本実施形態の固定子３に巻回された固定子巻線３２は三相巻線であって、それぞれがＵ字形状を有する矩形断面の複数の導体セグメントの端部同士を接して直列接続することにより各相が形成されている。

図２は、固定子巻線３２の一方のコイルエンド部を示す部分的な側面図であり、Ｕ字形状を有する導体セグメントのターン部側が示されている。図３は、固定子巻線３２の他方のコイルエンド部を示す部分的な斜視図であり、導体セグメントの反ターン部側が示されている。図４は、固定子巻線３２の一の相を抜き出した部分的な側面図であり、Ｕ字形状のターン部側半分が示されている。図５は、図４に示した固定子巻線３２の一の相の平面図である。

図３に示すように、固定子３は、電気導体としての複数の導体セグメント３０によって構成される固定子巻線３２と、この固定子巻線３２が装備される複数のスロット３１０が形成されている固定子鉄心３１とを有する。

固定子鉄心３１の各スロット３１０に装備された固定子巻線３２は複数の電気導体により構成され、各スロット３１０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。これらの各電気導体は、ほぼ矩形断面形状を有している。また、一のスロット３１０内の４本の電気導体は、図５に示すように固定子鉄心３１の各スロット３１０内において径方向に沿って内側から内端層、内中層、外中層、外端層の順で一列に配置されている。

一のスロット３１０内の内端層の電気導体３３１ａは、固定子鉄心３１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３１０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３１０内の外中層の電気導体３３２ａは固定子鉄心３１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３１０内の内中層の電気導体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３１の一方の軸方向端面側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。

したがって、固定子鉄心３１の一方の軸方向端面側においては、外中層の電気導体３３２ａと内中層の電気導体３３２ｂとを接続する連続線であるターン部３３２ｃ（第２のターン部）を、内端層の電気導体３３１ａと外端層の電気導体３３１ｂとを接続する連続線であるターン部３３１ｃ（第１のターン部）が内包することとなる。このように、固定子鉄心３１の一方の端面側においては、対をなす電気導体の接続部としてのターン部３３２ｃが、同じスロット３１０内に収容された他の対をなす電気導体の接続部としてのターン部３３１ｃにより囲まれる。

このようにして固定子巻線３２に含まれる一の相に対応する複数の導体セグメント３０が固定子鉄心３１の各スロット３１０に規則正しく装備される。また、固定子巻線３２に含まれる他の二つの相についても同様であり、図２に示すように、全体としては、固定子巻線３２に含まれる各相に対応する導体セグメント３０が、所定の順番で繰り返すように各スロット３１０に装備されて固定子巻線３２が形成される。そして、固定子鉄心３１の一方の軸方向端面側において、外中層の電気導体３３２ａと内中層の電気導体３３２ｂとを接続するターン部３３２ｃによって内層コイルエンドが形成され、内端層の電気導体３３１ａと外端層の電気導体３３１ｂとを接続するターン部３３１ｃによって外層コイルエンドが形成され、これら内層コイルエンドと外層コイルエンドによって固定子鉄心３１の一方の軸方向端面から突出する一方のコイルエンド部３２Ｒ（図１）が構成される。

一方、固定子鉄心３１の他方の軸方向端面側（図３）において、一のスロット３１０内の内中層の電気導体３３２ｂ（図５）は、固定子鉄心３１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３１０内の内端層の電気導体３３１ａ（図５）とも対をなしている。同様に、一のスロット３１０内の外端層の電気導体３３１ｂ（図５）は、固定子鉄心３１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３１０内の外中層の電気導体３３２ａ（図５）とも対をなしている。

このように、固定子鉄心３１の他方の軸方向端面側においては、外端層の電気導体３３１ｂと外中層の電気導体３３２ａとを接続する外側接合部３３３ｂ（図３）と、内端層の電気導体３３１ａと内中層の電気導体３３２ｂとを接続する内側接合部３３３ａ（図３）とが、径方向および周方向に互いにずれた状態で配置されている。外端層の電気導体３３１ｂと外中層の電気導体３３２ａとの接続、および内端層の電気導体３３１ａと内中層の電気導体３３２ｂとの接続により、図３に示すように、異なる同心円上に配置された外周コイルエンドと内周コイルエンドからなるコイルエンド部３２Ｆ（図１）が構成される。

また、図４に示すように、内端層の電気導体３３１ａと外端層の電気導体３３１ｂとが、一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる外側の大セグメント３３１により提供される。一方、内中層の電気導体３３２ｂと外中層の電気導体３３２ａとが一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる内側の小セグメント３３２により提供される。基本となるＵ字状のセグメント導体３０は、大セグメント３３１と小セグメント３３２によって形成される。各セグメント３３１、３３２は、スロット３１０内に収容されて軸方向に沿って延在する部分を備えるとともに、固定子鉄心３１の軸方向端面から突出して軸方向に対して所定角度傾斜して延在する斜行部を備える。これら斜行部によって、固定子鉄心３１から軸方向端面から突出するリヤ側のコイルエンド部３２Ｒとフロント側のコイルエンド部３２Ｆが形成されており、リヤ側のコイルエンド部３２Ｒに着目すると、回転子２の軸方向端面に取り付けられた冷却ファン２３を回転させたときに生じる冷却風の通風路は、リヤ側のコイルエンド部３２Ｒの斜行部を構成するターン部３３１ｃ、３３２ｃの間に形成されている。

以上の構成を、全てのスロット３１０のセグメント導体３０について繰り返す。そして、図３に示すように、反ターン部側のフロント側のコイルエンド部３２Ｆにおいて、外端層の端部３３１ｄと外中層の端部３３２ｄ、並びに内中層の端部３３２ｅと内端層の端部３３１ｅとがそれぞれＴＩＧ溶接や超音波溶着等の手段によって接合されて外側接合部３３３ｂおよび内側接合部３３３ａが形成され、電気的に接続されている。

図６は、リヤ側のコイルエンド部３２Ｒを構成する２つのターン部３３１ｃ、３３２ｃの延在方向と冷却風の流れの向きとの関係を概略的に示す図である。コイルエンド部３２Ｒを冷却する冷却風Ｗは、回転子２のリヤ側軸方向端面に取り付けられた冷却ファン２３を回転させることによって発生しているため、固定子鉄心３１の周方向Ｃに対して垂直ではなく、冷却ファン２３の回転方向に応じた９０°未満の角度で外側のターン部３３１ｃに到達する。

本実施形態の固定子巻線３２では、上述したように各導体セグメント３０のスロット３１０内での配置を行うことにより、外側の大セグメント３３１のターン部３３１ｃの延在方向と、内側の小セグメント３３２のターン部３３２ｃの延在方向を、固定子鉄心２１の周方向に対して（周方向を挟んで）反対にしている。これにより、外側のターン部３３１ｃに当たってその横を通り抜けた冷却風Ｗを内側のターン部３３２ｃに直接当てることができるため、内側のターン部の冷却性を向上させることができる。

また、図６に示すように、２つのターン部３３１ｃ、３３２ｃのそれぞれの頂部３３１ｃ’、３３２ｃ’の延在方向を比較したときに、外側のターン部３３１ｃの頂部３３１ｃ’の延在方向の方が冷却風Ｗの流れに沿った向きに設定されており、内側のターン部３３２ｃの頂部３３２ｃ’の延在方向の方が冷却風Ｗの流れに対向する向きに設定されている。これにより、外側のターン部３３１ｃの横を冷却風Ｗが通り抜ける際にこの外側のターン部３３１ｃが冷却風Ｗのガイドとなるため、冷却風Ｗの通風抵抗を低減して冷却風量を増すことができる。また、内側のターン部３３２ｃに向けて冷却風を効率よく当てることができ、内側のターン部３３２ｃの冷却性をさらに向上させることができる。

また、Ｕ字形状を有する複数の導体セグメント３０の端部同士を接合することにより固定子巻線３２を構成することにより、ターン部３３１ｃ、３３２ｃを上述したような所定形状に形成することが容易となる。また、導体セグメント３０を矩形断面とすることにより、固定子巻線３２の占積率を上げて抵抗値を下げることができ、内側のターン部３３２ｃを含む固定子巻線３２全体の温度低減が可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、車両用交流発電機１の固定子３について本発明を適用したが、車両用交流発電機１以外の車両用回転電機（例えば、発電動作と電動動作を行う車両用回転電機や電動動作のみを行う車両用回転電機）の固定子に本発明を適用するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、導体セグメント３０の断面が矩形形状の場合について説明したが、断面が円形形状等の他の形状の場合にも本発明を適用することができる。また、Ｕ字形状の導体セグメント３０を用いて形成した固定子巻線３２だけでなく、Ｕ字形状の導体セグメント３０よりも長い複数本の連続線を用い、これらの連続線の端部同士を溶接にて接合して形成される固定子巻線についても本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態では、複数のスロット３１０を有する円環形状の固定子鉄心３１を用い、各スロット３１０に導体セグメント３０を装備して固定子巻線３２を形成するようにしたが、帯状の固定子鉄心の各スロットに連続線からなる導体を巻回した後に、この帯状の固定子鉄心を円環状に成形するようにしてもよい。このようないわゆるカーリングコアと連続線を用いて固定子を製造する場合であっても、外側のターン部に当たってその横を通り抜けた冷却風を内側のターン部に直接当てることができるため、内側のターン部の冷却性を向上させることができる。

上述したように、本発明によれば、２つのターン部の延在方向を互いに反対にすることにより、外側のターン部に当たってその横を通り抜けた冷却風を内側のターン部に直接当てることができるため、内側のターン部の冷却性を向上させることができる。

１ 車両用交流発電機
２ 回転子
３ 固定子
４ フレーム
２２、２３ 冷却ファン
２４ 界磁巻線
３０ 導体セグメント
３１ 固定子鉄心
３２ 固定子巻線
３２Ｆ、３２Ｒ コイルエンド部
４１、４２ 開口部
３１０ スロット
３３１ａ、３３１ｂ、３３２ａ、３３２ｂ 電気導体
３３１ｃ、３３２ｃ ターン部
３３１ｃ’、３３２ｃ’ 頂部
３３１ 大セグメント
３３２ 小セグメント

Claims (5)

1. 複数のスロットが周方向に並んで形成された固定子鉄心と、前記固定子鉄心の各スロットに導体を巻回することにより構成される固定子巻線とを備える車両用回転電機の固定子において、
   前記固定子巻線は、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部を有し、
   前記コイルエンド部は、異なる２つの前記スロットのそれぞれ収納された２本の前記導体を接続する第１のターン部と、異なる２つの前記スロットのそれぞれ収納された２本の前記導体を接続するとともに前記第１のターン部よりも内側に配置された第２のターン部とを有し、
   前記固定子鉄心の周方向に対して、前記第１のターン部の延在方向と前記第２のターン部の延在方向を反対にし、
   前記第１および第２のターン部のそれぞれの頂部の延在方向を比較したときに、前記第１のターン部の頂部の延在方向の方が、前記固定子鉄心の内径側に配置された回転子の冷却ファンの回転によって発生する冷却風の流れに沿った向きに設定されており、これにより、前記冷却風を前記第２のターン部に直接当てたことを特徴とする車両用回転電機の固定子。
2. 請求項１において、
   前記導体は、矩形断面を有することを特徴とする車両用回転電機の固定子。
3. 請求項２において、
   前記固定子巻線は、それぞれがＵ字形状を有する複数の導体セグメントの端部同士を接合することにより構成されていることを特徴とする車両用回転電機の固定子。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、
   前記第１および第２のターン部は、同じ２つの前記スロットに対応しており、
   前記第１のターン部において一方の前記スロット内での径方向位置が他方の前記スロット内での径方向位置よりも外径側となるときに、前記第２のターン部において同じ一方の前記スロット内での径方向位置が他方の前記スロット内での径方向位置よりも内径側になることを特徴とする車両用回転電機の固定子。
5. 請求項１において、
   帯状の前記固定子鉄心の各スロットに連続線からなる前記導体を巻回した後に、前記固定子鉄心を円環状に成形することを特徴とする車両用回転電機の固定子。

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