JPH0583909A - 車両用交流発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加工工数が少なく，磁極におけるうず電流損
失を低減し，発電効率に優れた車両用交流発電機を提供
すること。 【構成】 ランデル型回転子１と固定子３とよりなる車
両用交流発電機において，回転子１の磁極１１の表面に
は，うず電流の通路にあってその妨げとなる溝２１を，
磁極１１の軸方向に設けた。また，溝２１のピッチＲ
は，固定子３のスロットピッチＴの１／４以下であるこ
と。溝の形状は，Ｖ字状，Ｕ字状，角状など任意であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，車両に用いる交流発電
機，特に回転子の磁極表面の構造に関する。

【０００２】

【従来技術】一般に，回転電機は，固定子と回転子との
間の空隙部において，電機子反作用によって高調波磁界
が生じることが知られている。また，回転角に対して
は，スロットリップルと言われる小磁束脈動が生ずる。
この脈動は，固定子と回転子との間の対向面間磁器抵抗
が変化することに基づくものである。これらの交番磁界
は，積層板よりなる固定子には殆ど悪影響を及ぼさない
が，鋼塊よりなる回転子磁極に対してはうず電流損失や
ヒステリシス損失をもたらす。また，近年は，車両の低
燃費化が叫ばれ，車両用交流発電機においても，その高
効率化，低うず電流損失化が求められている。そして，
上記要求に対応するため，磁極の表面に，うず電流の通
路にあってその妨げとなる凹凸表面を設けた，車両用交
流発電機が提案されている（特開平３−１３９１４９
号）。

【０００３】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記従来の車
両用交流発電機においては，うず電流損失に対する一応
の効果は認められるが，加工工数が多い割には，顕著な
発電効果が得られないという問題があった。本発明は，
かかる従来の問題点に鑑み，固定子のスロットピッチと
回転子の表面構造との関係につき検討を重ねた結果なさ
れたものである。本発明は，加工工数が少なく，磁極に
おけるうず電流損失を低減し，発電効率に優れた車両用
交流発電機を提供しようとするものである。

【０００４】

【課題の解決手段】本発明は，低炭素鋼製爪状磁極を有
する，いわゆるランデル型回転子とこれに対面して配設
した固定子とよりなる車両用交流発電機において，上記
回転子の磁極の表面にはうず電流の通路にあってその妨
げとなる溝を該磁極の軸方向に設けてなり，かつ該溝の
ピッチが上記固定子のスロットピッチの１／４以下であ
り，更に溝深さが０．５ｍｍ以上であることを特徴とす
る車両用交流発電機にある。本発明において最も注目す
べきことは，磁極表面に設けた上記溝は，そのピッチが
固定子のスロットピッチの１／４以下であることであ
る。

【０００５】上記スロットピッチが１／４を越えると，
うず電流の発生が多くなり発電効率が低下する（後述の
図５参照）。ここに，上記固定子のスロットピッチと
は，固定子の配置間隔（ピッチ）のことをいう。また，
上記回転子の溝ピッチは，固定子のスロットピッチの１
／４以下で，かつ該溝の幅の１７／４以上であることが
好ましい。溝のピッチが，その幅の１７／４未満では，
磁極表面において溝部分を除いた表面の面積が少なくな
りすぎ，発電効率が低下してしまう（図５参照）。

【０００６】また，上記溝は磁極の軸方向に設ける。ま
た，該溝の形状としては，図３に示すごとく，底部が鋭
角を有するＶ字状溝，図６に示すごとく，底部が円弧状
を有するＵ字状溝，底部が直角状を呈する角溝，或いは
これらの組み合わせなどがある。また，溝ピッチは同一
でなくとも，上記範囲内において任意に形成することが
できる（図８参照）。

【０００７】また，上記溝の深さは，図９の特性図よ
り，０．５ｍｍ以上とするのが良く，０．５〜１．０ｍ
ｍとすることが好ましい。０．５ｍｍ未満ではうず電流
防止効果が少なく，一方１．０ｍｍを越えるとうず電流
防止効果は飽和する。また，溝は，磁束変化の激しい磁
極側縁部にのみ，上記のピッチで設け，その他は大きな
ピッチで形成しておくこともできる。この場合には，溝
の加工工数がより少なくなる。

【０００８】

【作用及び効果】前記のごとく，車両用交流発電機の回
転子が回転すると，回転子と固定子との間の空隙部での
磁束の脈動によって，磁極表面に平行にうず電流が生じ
る。そして，このうず電流は，磁極材料の電気抵抗が大
きい程，小さくなる。しかし，本発明においては，磁極
表面に，上記スロットピッチとの関係において定められ
た所定ピッチの溝が設けてある。そのため，該溝によっ
てうず電流の流線が分断される。それ故，うず電流損失
が低下する。また，上記磁極表面上の溝は，スロットピ
ッチの１／４以下としているので，加工工数が少なくて
良い。したがって，本発明によれば，加工工数が少なく
磁極におけるうず電流損失を低減し，発電効率に優れた
車両用交流発電機を提供することができる。

【０００９】

【実施例】実施例１ 本発明の実施例にかかる車両用交流発電機につき，図１
〜図５により説明する。本例の車両用交流発電機は，図
１〜図３に示すごとく，コイルを巻回した励磁巻線１２
とその表面を包むように設けた磁極１１とからなる回転
子１と，該回転子１の外周に配設した固定子３（図１，
図３）とよりなる。また，上記回転子１の磁極１１の表
面にはうず電流（図４）の通路にあってその妨げとなる
溝２１を，磁極１１の軸方向に設けてなる。

【００１０】上記回転子１は，磁極１１の後方にファン
１５を有する。該磁極１１は，その幅が先端に向かって
縮小する略台形の爪状磁極である。該磁極は，いわゆる
ランデル型多極爪状磁極であり，低炭素鋼塊にて作製さ
れ，その表面は固定子鉄心３の内側に対面している。上
記固定子は，三相電機子巻線を集中巻きした，通常板厚
０．５〜１ｍｍの積層板よりなる。本例では０．６ｍｍ
である。また，固定子と，磁極表面との間の空隙は，通
常０．３〜０．５ｍｍであり，本例では平均０．３５ｍ
ｍである。

【００１１】上記溝２１は，回転方向に螺旋状に形成し
てある。この螺旋状の溝２１は，図１，図２に示すごと
く，左右方向より交互に入った各磁極１１に対して，そ
の回転方向に沿って１本の螺旋状となるよう，ピッチＲ
で設けてある。また，溝深さは０．８ｍｍである。ま
た，図１に示すごとく，該溝ピッチＲと固定子３のスロ
ットピッチＴとの関係は，Ｒ≦Ｔ／４である。また，図
３に示すごとく，溝ピッチＲと溝幅Ｗとの関係は，Ｗ×
１７／４≦Ｒである。

【００１２】次に，回転子１の回転とうず電流との関係
につき，図４を用いて説明する。本例の車両用交流発電
機においては，固定子３に対して回転子１が回転する
と，両者の間の空隙に存在する合成起磁力による空隙磁
束分布は，奇数次高調波磁束成分を有する歪波となる。
上記空隙磁束分布は，磁極１１より固定子鉄心に与えら
れる略正弦波起磁力分布と，これを受けて固定子鉄心に
より回転子鉄心に与えられる略矩形状起磁力分布とによ
って生ずる。そして，上記奇数次高調波磁束は，前記磁
極１１の表面に侵入するが，その際，図４に示すごと
く，うず電流１７が発生するので，高調波磁束は磁極表
面近傍でうず電流損を生じせしめることとなる。

【００１３】また，上記の略矩形状起磁力は，固定子鉄
心より回転子鉄心に与えられるのでその周期は，１スロ
ットピッチの繰り返し時間となり，よって高調波磁束及
びその磁束密度Ｂの周期も１スロットピッチの繰り返し
時間となる。また，回転子円周方向（θ方向）には，１
スロットピッチの周期で磁束密度Ｂが分布している。し
たがって，磁極表面近傍に生ずるうず電流１７は，図４
に示すごとく，（ｄＢ／ｄθ）² 〔又，（ｄＢ／ｄｔ）
² ともいえる〕に比例するので，θ方向にＴ／２のピッ
チで生ずる。また，磁極表面近傍に生ずるうず電流は，
その生じせしめる磁束を受ける面積に対して，最小の長
さ（低抵抗）で流れようとするため，真円となる。よっ
て，軸方向のピッチもＴ／２となる。結局，うず電流１
７は，図４に示すごとく，磁極１１の表面において，Ｔ
／２のブロック毎に生ずることとなる。

【００１４】そして，本例においては，磁極鉄心表面に
前記溝２１をＲ≦Ｔ／４で設けているので，該溝２１
が，上記のごとく，表面に生ずるうず電流の流線を必ず
分断することとなる。その結果，うず電流損失が低減さ
れる。一方，溝幅Ｗを一定にした場合，溝ピッチＲが小
さくなると，磁極表面において溝部分を除いた残りの面
積Ｓが小さくなる。すると，磁束密度Ｂ（＝Φ／Ｓ）が
大きくなる。そして，うず電流損ＺはＺ∝Ｂ² で表され
るので，うず電流Ｚは大きくなる。そのため，溝ピッチ
の下限も考慮しておくことが好ましい。

【００１５】以下，この点に関して，説明すると，固定
子と磁極表面との間の空隙が０．３〜０．５ｍｍの場合
には，通例磁極表面最大磁束密度が１３Ｋガウス程度で
ある。また，通例の磁極内部の平均磁束密度は１７Ｋガ
ウス程度である。そこで，溝がない場合の磁極表面積を
Ｓｏとすると，Ｓ／Ｓｏ≧１３／１７となる。また，磁
極表面において溝と溝との間にある残り幅をＤとすると
（図３），Ｄ／Ｒ＝（１−ｗ／Ｒ）≧１３／１７であ
る。書き換えるとｗ×１７／４≦Ｒとなる。

【００１６】そこで，ｗ＝０．３ｍｍ＝３．４×１０^-2
×Ｔの場合の，上記うず電流低減効果について，図５に
交流発電機の溝ピッチＲと発電効率との関係を示した。
図５は，１００Ａクラスのオルタネータで，固定子内径
は１０２ｍｍ，よって，Ｔ＝１０２π／３６＝８．９
（３６はスロット数），Ｗ＝３．４×１０^-2×８．９＝
０．３ｍｍである。同図より，磁極の溝ピッチＲが固定
子のスロットピッチＴの１／４（０．２５）以下の場合
には，発電効率が高いことが分かる。また，溝ピッチＲ
が溝幅Ｗ（上記のＷ＝０．３ｍｍ＝３．４×１０^-2×
Ｔ）の１７／４倍，即ち３．４×１０^-2×Ｔ×１７／４
＝０．１４５Ｔよりも小さいと発電効率が５９％より低
下することが分かる。

【００１７】これより知られるごとく，Ｒ≦Ｔ／４であ
り，ｗ×１７／４≦Ｒである場合，つまり０．１４５Ｔ
≦Ｒ≦Ｔ／４の場合には，磁極に溝を有しない比較交流
発電機（図５の棒グラフ）に比べて，発電効率が優れて
いることがわかる。そして，上記範囲で溝を形成すれば
ピッチ及び溝深さを限定したことにより，より少ない加
工の手間で最大の効果が得られることが分かる。

【００１８】実施例２ 本例は，図６（ａ）〜（ｃ）に示すごとく，種々の形状
の溝２１を示すものである。即ち，図６（ａ）は，底部
が円弧状であるＵ字状溝２１を，図６（ｂ）は底部が角
状である角形溝２１を示している。また，図６（ｃ）
は，底部が鋭角のＶ字状溝と，上記角形溝と，Ｕ字状溝
とを併用したものである。その他は，実施例１と同様で
ある。本例によれば，実施例１と同様の効果を得ること
ができる。

【００１９】実施例３ 本例は，図７に示すごとく，磁極１１の表面において，
磁束変化の激しい磁極側縁部のみに，実施例１と同様の
所定ピッチの溝２１を形成し，その他の部分はその２倍
の大きなピッチの溝２１を設けたものである。その他
は，実施例１と同様である。本例によれば，実施例１と
同様の効果を得ることができる。また，本例では，所定
ピッチの溝は側縁部のみに設けるので，溝加工が容易で
ある。

【００２０】実施例４ 本例は図８に示すごとく，各溝２１が各種のピッチＲ１
〜Ｒ４において形成されたものである。但し，これらの
ピッチＲ１〜Ｒ４は，本発明の範囲内にある。このよう
に，溝ピッチが本発明の範囲内にあれば，溝ピッチはバ
ラツキがあっても，本発明の効果が得られる。そのた
め，溝の加工時に，刃具が損傷した場合でも，継続加工
時に再び正確なピッチ合わせをする必要がなく，加工が
容易である。また，多条螺旋用の刃具を用いる場合で
も，刃具のピッチに多少のズレがあっても，それを無視
することができる。そのため，加工精度を下げて，加工
費を安くすることもできる。また，本例においても，実
施例１と同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の車両用交流発電機における，回転子
と固定子の展開説明図。

【図２】実施例１の車両用交流発電機の要部斜視図。

【図３】実施例１の車両用交流発電機の回転子と固定子
の断面説明図。

【図４】車両用交流発電機における，磁極表面上のうず
電流の説明図。

【図５】実施例１における，スロットピッチに対する溝
ピッチ比と発電効率との関係を示す線図。

【図６】実施例２における，各種溝の説明図。

【図７】実施例３における磁極上の溝の説明図。

【図８】実施例４における溝ピッチの説明図。

【図９】本発明における車両用交流発電機の磁極の溝深
さとうず電流損失の関係を示す線図。

【符号の説明】

１．．．回転子， １１．．．磁極， １７．．．うず電流， ２１．．．溝， ３．．．固定子， Ｄ．．．残り幅， Ｒ．．．溝ピッチ， Ｔ．．．スロットピッチ， Ｗ．．．溝幅，

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低炭素鋼製爪状磁極を有する，いわゆる
   ランデル型回転子と，これに対面して配設した固定子と
   よりなる車両用交流発電機において，上記回転子の磁極
   の表面にはうず電流の通路にあってその妨げとなる溝を
   該磁極の軸方向に設けてなり，かつ該溝のピッチが上記
   固定子のスロットピッチの１／４以下であり，更に溝深
   さが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする車両用交流
   発電機。
2. 【請求項２】 請求項１において，回転子の溝は，その
   ピッチが固定子のスロットピッチの１／４以下で，かつ
   該溝幅の１７／４以上であることを特徴とする車両用交
   流発電機。