JP3715894B2 - 車両用交流発電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両用交流発電機に関し、特に冷却ファンと固定子巻線との位置関係に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の車両用交流発電機を示す断面図である。
図１０において、車両用交流発電機は、アルミニウム製のフロントブラケット１およびリヤブラケット２から構成されたケース３と、このケース３内に設けられ、一端部にプーリ４が固定されたシャフト６と、このシャフト６に固定されたランデル型の回転子７と、この回転子７の軸方向両端部に固定された冷却ファンとしての遠心ファン５と、回転子７を包囲するようにケース３に固定された固定子８と、シャフト６の他端部に固定されて回転子７に電流を供給するスリップリング９と、スリップリング９の表面に摺動する一対のブラシ１０と、このブラシ１０を収納するブラシホルダ１１と、固定子８に電気的に接続され、固定子８で生じた交流を直流に整流する整流器１２と、ブラシホルダ１１に嵌着されたヒートシンク１７に取り付けられて、固定子８で生じた交流電圧の大きさを調整するレギュレータ１８とを備えている。
【０００３】
回転子７は、電流を流して磁束を発生する界磁巻線１３と、この界磁巻線１３を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成される一対のポールコア２０、２１とを備えている。そして、一対のポールコア２０、２１は、鉄製で、それぞれ最外径面形状を略台形形状とする爪状磁極２２、２３が外周縁部に周方向に等角ピッチで突設されてなり、これらの爪状磁極２２、２３を噛み合わせるように対向させてシャフト６に固着されている。
固定子８は、磁性鋼板を積層してなる円筒状の固定子鉄心１５と、固定子鉄心１５に巻装された固定子巻線１６とから構成されている。そして、固定子８は、爪状磁極２２、２３の外周面と固定子鉄心１５の内周面との間に均一なエアギャップを形成するようにフロントブラケット１とリヤブラケット２とに挟持されている。
整流器１２は、固定子巻線１６の出力を三相全波整流するための一方向性導通素子パッケージ２４と、一対のヒートシンク２５と、ブッリジ回路を構成する配線がインサート成形されたサーキットボード２６とから構成されている。一方向性導通素子パッケージ２４は放熱用タブ２４ｂに接合されたダイオード２４ａを絶縁性樹脂２４ｃによりモールドして略直方体形状に成形されている。そして、一方向性導通素子パッケージ２４が、放熱用タブ２４ｂをヒートシンク２５の主面に接合して各ヒートシンク２５に所定個数づつ実装されている。
【０００４】
このように構成された車両用交流発電機では、バッテリ（図示せず）からブラシ１０、スリップリング９を通じて界磁巻線１３に電流が供給されて磁束が発生する。この磁束により、ポールコア２０の爪状磁極２２がＮ極に着磁され、ポールコア２１の爪状磁極２３がＳ極に着磁される。
一方、エンジンによってプーリ４が駆動され、シャフト６によって回転子７が回転される。この回転子７の回転により、回転磁界が固定子鉄心１５に与えられ、固定子巻線１６に起電力が発生する。そして、固定子巻線１６に発生した交流の起電力が整流器１２により直流に整流されるとともに、その出力電圧の大きさがレギュレータ１８により調整され、バッテリに充電される。
【０００５】
ここで、界磁巻線１３、固定子巻線１６、整流器１２およびレギュレータ１８は、発電中、常に発熱しており、定格出力電流１００Ａクラスの車両用交流発電機では、温度的に高い回転ポイントで、それぞれ６０Ｗ、５００Ｗ、１２０Ｗ、６Ｗの発生熱量がある。
そこで、発電により発生する熱を冷却するために、吸気孔１ａ、１ｂがフロントブラケット１およびリヤブラケット２の軸方向端面に穿設され、排気孔１ｂ、２ｂがフロントブラケット１およびリヤブラケット２の径方向側面に固定子巻線１６のコイルエンド群１６ｆ、１６ｒに相対するように穿設されている。
これにより、回転子７の回転に伴って遠心ファン５が回転駆動され、外気が吸気孔１ａ、２ａからケース３内に吸気されて軸方向に回転子７側に流れ、ついで遠心ファン５により遠心方向に曲げられ、その後コイルエンド群１６ｆ、１６ｒを横切って排気孔１ｂ、２ｂから外部に排気される冷却風流路が形成される。また、回転子７のフロント側およびリヤ側の圧力差に起因して、フロント側から回転子７内を通ってリヤ側に流れる冷却風流路が形成される。
その結果、固定子巻線１６で発生した熱がコイルエンド群１６ｆ、１６ｒから冷却風に放熱され、固定子８の温度上昇が抑えられる。また、ダイオード２４ａおよびレギュレータ１８で発生した熱がヒートシンク２５、１７を介して冷却風に放熱され、整流器１２およびレギュレータ１８の温度上昇が抑えられる。さらに、界磁巻線１３で発生した熱が回転子７内を流れる冷却風に放熱されて、回転子７の温度上昇が抑えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように構成された車両用交流発電機では、遠心ファン５によって形成される冷却風流路を流れる冷却風により固定子８、整流器１２等の発熱部品を冷却するようになっている。
ここで、冷却風流路を流れる冷却風の流入流量は、冷却風流路の通風抵抗に依存し、通風抵抗が大きくなるほど、流入流量は低下する。この冷却風の流入流量の低下は整流器１２およびレギュレータ１８の冷却性の低下をもたらすことになる。また、遠心ファン５と固定子巻線１６のコイルエンド群１６ｆ、１６ｒとのラップ量（両者の径方向の重なりの軸方向長さ）が冷却風流路の通風抵抗を増加する１つの要因となっている。つまり、該ラップ量が大きくなれば、通風抵抗が増大する。そして、該ラップ量が大きくなるほど、固定子巻線１６の冷却性が高められる。
このように、遠心ファン５と固定子巻線１６のコイルエンド群１６ｆ、１６ｒとのラップ量を大きくすることは、固定子巻線１６の冷却性向上につながるが、整流器１２およびレギュレータ１８の冷却性の低下をもたらすことになってしまう。
【０００７】
しかしながら、従来、遠心ファン５と固定子巻線１６のコイルエンド群１６ｆ、１６ｒとのラップ量が、固定子巻線１６の冷却性、もしくは、整流器１２およびレギュレータ１８の冷却性を考慮して設定されていたので、固定子巻線１６、もしくは、整流器１２およびレギュレータ１８が過度に温度上昇してしまうという課題があった。
【０００８】
本出願人は、このような状況に鑑み、大きな発熱部品である固定子巻線１６および整流器１２に着目し、固定子巻線１６および整流器１２の温度上昇に伴う不具合について検討した。
そして、固定子巻線１６の温度が過度に上昇すると、固定子巻線１６に含浸されているワニスの軟化をもたらすことになる。その結果、振動により固定子巻線１６が固定子鉄心１５に擦れ、固定子巻線１６の導体線の絶縁被膜が損傷して、絶縁性が低下してしまう。
一方、整流器１２の温度が過度に上昇すると、整流器１２のダイオード２４ａが熱劣化して寿命が短くなってしまう。
【０００９】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、固定子巻線に含浸されているワニスの軟化温度と整流器のダイオードの耐熱温度とを考慮して冷却ファンと固定子巻線のコイルエンド群とのラップ量を設定し、絶縁性の悪化がなく、かつ、ダイオードの長寿命化が図られる車両用交流発電機を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る車両用交流発電機は、ケースに回転可能に支持されたシャフトと、上記シャフトに固着された回転子と、軸方向に延びるスロットが毎極毎相当たり２の割合で周方向に並んで複数形成され、上記回転子を内包するように上記ケースに支持された円筒状の固定子鉄心およびこの固定子鉄心に巻装された固定子巻線を有する固定子と、上記回転子の軸方向の一端面に相対するように上記ケースに支持された整流器と、少なくとも上記回転子の軸方向の一端面に固着された冷却ファンとを備えた車両用交流発電機において、上記冷却ファンは、上記固定子巻線のコイルエンド群の頂部に対するファンの軸方向突出量ｔとファンの軸方向高さｈとの比（ｔ／ｈ）が、０．２＜ｔ／ｈ＜０．７を満足するように構成されているものである。
【００１１】
また、上記固定子巻線の上記コイルエンド群と上記固定子鉄心の端面との間に隙間が形成されており、該隙間が軸方向に関して上記冷却ファンが固着された上記回転子の端面より中心側に位置しているものである。
【００１２】
また、上記固定子巻線の各相の巻線が、振り分け巻で上記固定子鉄心に巻装されているものである。
【００１３】
また、上記冷却ファンは、上記回転子の外径より小径の外径に形成されているものである。
【００１４】
また、上記回転子の軸方向端面と外周面との交差領域が面取りされているものである。
【００１５】
また、上記冷却ファンが上記回転子の軸方向の両端面に固着され、上記回転子の軸方向の一端面に固着された上記冷却ファンが遠心ファンであり、上記回転子の軸方向の他端面に固着された上記冷却ファンが斜流ファンである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機を示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の固定子を示す斜視図、図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の固定子を示す分解斜視図、図４はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における電気回路を示す回路図である。
【００１８】
図１において、回転子７Ａは、電流を流して磁束を発生する界磁巻線１３と、この界磁巻線１３を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成される一対のポールコア２０Ａ、２１Ａとを備えている。そして、一対のポールコア２０Ａ、２１Ａは、鉄製で、それぞれ最外径面形状を略台形形状とする爪状磁極２２、２３が外周縁部に周方向に等角ピッチで突設されてなり、各軸方向端面と外周面との交差領域をアール状に面取りして肩部２０ａ、２１ａが形成され、これらの爪状磁極２２、２３を噛み合わせるように対向させてシャフト６に固着されている。
冷却ファンとしての遠心ファン３８は、外径がポールコア２０Ａ、２１Ａの軸方向端面と肩部２０ａ、２１ａとの境界部に略一致するようにポールコア２０Ａ、２１Ａの軸方向端面に固着されている。
固定子８Ａは、磁性鋼板を積層してなる円筒状の固定子鉄心１５Ａと、固定子鉄心１５Ａに巻装された固定子巻線１６Ａとから構成されている。そして、固定子８Ａは、爪状磁極２２、２３の外周面と固定子鉄心１５Ａの内周面との間に均一なエアギャップを形成するようにフロントブラケット１とリヤブラケット２とに挟持されている。
【００１９】
ここで、固定子巻線１６Ａのコイルエンド群１６ｆ、１６ｒの頂部に対する遠心ファン３８の軸方向突出量ｔと遠心ファン３８の軸方向高さｈとの比（ｔ／ｈ）を０．５としている。
なお、他の構成は、図１０に示された従来の車両用交流発電機と同様に構成されている。
【００２０】
ついで、固定子８Ａの構造について図２および図３を参照しつつ説明する。
固定子鉄心１５Ａには、軸方向に延びるスロット１４が毎極毎相当たり２個の割合で周方向に等角ピッチ（電気角で３０度のピッチ）で設けられている。つまり、回転子７Ａの１２個の爪状磁極２２、２３に対して、２つの３相交流巻線からなる固定子巻線１６Ａが得られるように、７２個のスロット１４が固定子鉄心１５Ａに設けられている。
ここで、スロット１４は、ａ相のスロット１４ａ、ｄ相のスロット１４ｄ、ｂ相のスロット１４ｂ、ｅ相のスロット１４ｅ、ｃ相のスロット１４ｃおよびｆ相のスロット１４ｆの順に周方向に繰り返し配列されている。なお、各相のスロット１４は６スロットピッチで配列されている。
【００２１】
ａ相巻線３０ａは、絶縁被覆された連続銅線からなる導体線を所定回巻回した波巻き巻線に構成されており、図３に示されるように、６スロットピッチ（６Ｐ）に配列された１２のスロット収納部３１ａと、隣り合うスロット収納部３１ａの端部同士を軸方向の両側で交互に連結する連結部３１ｂとからなる波状パターンに形成されている。このａ相巻線３０ａは、スロット収納部３１ａを６スロットピッチに配列されたａ相のスロット１４ａのそれぞれに収納して固定子鉄心１５Ａに巻装されている。そして、隣り合うスロット収納部３１ａの端部同士を連結する連結部３１ｂが固定子鉄心１５Ａの軸方向の外側で周方向に延在し、コイルエンドを構成している。また、ｂ相、ｃ相、ｄ相、ｅ相およびｆ相巻線３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆが、同様に構成されている。
【００２２】
そして、ａ相、ｂ相およびｃ相巻線３０ａ、３０ｂ、３０ｃが互いに周方向に２スロット分（２Ｐ）ずらされて３層に重ねられて、固定子鉄心１５Ａに巻装されている。同様に、ｆ相、ｄ相およびｅ相巻線３０ｆ、３０ｄ、３０ｅが互いに周方向に２スロット分ずらされて３層に重ねられて、ａ相、ｂ相およびｃ相巻線３０ａ、３０ｂ、３０ｃの内周側に位置するように固定子鉄心１５Ａに巻装されている。
これにより、図２に示されるように、６相の巻線３０ａ〜３０ｆが径方向に６層に重ねられて固定子鉄心１５Ａに巻装された固定子８Ａが得られる。そして、６相の巻線３０ａ〜３０ｆのコイルエンド（連結部３１ｂ）が固定子巻線１６Ａのコイルエンド群１６ｆ、１６ｒを構成している。また、コイルエンドの固定子鉄心１５Ａの周方向に延在する部位が渡り部１６ｂとなり、渡り部１６ｂと固定子鉄心１５Ａの端面との間に隙間Ｇが形成されている。なお、図示していないが、ワニスが固定子巻線１６を収納したスロット１４内に含浸されており、固定子巻線１６が固定子鉄心１５Ａに固着されている。
【００２３】
このように巻装されたａ相、ｂ相およびｃ相巻線３０ａ、３０ｂ、３０ｃがＹ結線（交流結線）されて第１の３相交流巻線１６０Ａを構成し、ｄ相、ｅ相およびｆ相巻線３０ｄ、３０ｅ、３０ｆがＹ結線（交流結線）されて第２の３相交流巻線１６０Ｂを構成している。固定子巻線１６Ａは第１および第２の３相交流巻線１６０Ａ、１６０Ｂから構成されている。そして、第１および第２の３相交流巻線１６０Ａ、１６０Ｂがそれぞれ整流器１２に接続されて、図４に示される電気回路を構成している。
なお、ａ相、ｂ相およびｃ相巻線３０ａ、３０ｂ、３０ｃはそれぞれ電気角で６０度の位相差が与えられ、ｄ相、ｅ相およびｆ相巻線３０ｄ、３０ｅ、３０ｆはそれぞれ電気角で６０度の位相差が与えられている。さらに、ｄ相、ｅ相およびｆ相巻線３０ｄ、３０ｅ、３０ｆは、ａ相、ｂ相およびｃ相巻線３０ａ、３０ｂ、３０ｃに対して電気角で３０度の位相差が与えられている。
【００２４】
このように構成された車両用交流発電機では、回転子７Ａの回転により、回転磁界が固定子鉄心１５Ａに与えられ、固定子巻線１６Ａの第１および第２の３相交流巻線１６０Ａ、１６０Ｂに起電力が発生する。第１および第２の３相交流巻線１６０Ａ、１６０Ｂで発生された交流の起電力がそれぞれ整流器１２により直流に整流されるとともに、その出力電圧の大きさがレギュレータ１８により調整される。そして、各整流器１２の出力が合成されてバッテリに充電される。
【００２５】
この実施の形態１によれば、固定子巻線１６Ａのコイルエンド群１６ｆ、１６ｒの頂部に対する遠心ファン３８の軸方向突出量ｔと遠心ファン３８の軸方向高さｈとの比（ｔ／ｈ）を０．５としているので、冷却風の流入流量が確保され、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの冷却性を損なうことなく、整流器１２のダイオード２４ａの温度上昇を低減することができる。これにより、ダイオード２４ａの熱劣化が抑えられるので、ダイオード２４ａの長寿命化が図られる。さらに、固定子８Ａの温度上昇が抑えられるので、ワニスの軟化が抑えられて、固定子巻線１６Ａの導体線と固定子鉄心１５Ａとの擦れに起因する導体線の絶縁被膜の損傷も阻止され、絶縁性が向上される。
【００２６】
また、遠心ファン３８の外径がポールコア２０Ａ、２１Ａより小径に構成されているので、遠心ファン３８とコイルエンド群１６ｆ、１６ｒとの径方向距離が大きくなり、遠心ファン３８とコイルエンド群１６ｆ、１６ｒとの干渉に起因する風騒音が低減される。
また、ポールコア２０Ａ、２１Ａにアール状の肩部２０ａ、２１ａが形成されているので、肩部２０ａ、２１ａによる風切り音が改善され、風騒音が低減される。
また、スロット１４が毎極毎相当たりの２個の割合で形成されているので、スロット１４間に形成されるティースが径方向に関して隣り合う磁極間に重なる時間が短くなる。その結果、漏れ磁束が低減され、有効磁束の減少が抑えられる。さらに、磁束の脈動の発生が抑えられ、発電電圧の変動や出力波形の乱れが少なくなり、直流に整流した場合のリップルが低減される。
【００２７】
ここで、固定子巻線１６Ａのコイルエンド群１６ｆ、１６ｒの頂部に対する遠心ファン３８の軸方向突出量ｔと遠心ファン３８の軸方向高さｈとの関係について検討する。そこで、固定子巻線１６Ａのコイルエンド群１６ｆ、１６ｒの頂部高さを変えた固定子８Ａを搭載した車両用交流発電機を全負荷で発電させ、出力が安定した状態で、固定子８Ａおよび整流器１２（ダイオード２４ａ）の飽和温度を測定し、飽和温度の雰囲気温度からの温度上昇値を図５に示す。なお、図５において、横軸には遠心ファン３８の軸方向突出量ｔと遠心ファン３８の軸方向高さｈとの比（ｔ／ｈ）を表し、縦軸には固定子８Ａおよびダイオード２４ａの実験雰囲気温度（２０℃）からの温度上昇値ΔＴ（℃）を表している。そして、固定子８Ａの温度上昇値を点線で、ダイオード２４ａの温度上昇値を実線で示している。また、固定子８Ａおよびダイオード２４ａの飽和温度は、２０００、２５００、３０００、４０００および５０００ｒ／ｍｉｎで運転させて固定子８Ａおよびダイオード２４ａの各飽和温度を測定し、その最大値を飽和温度としている。また、ｔ／ｈ＝１は、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの頂部が回転子７Ａのポールコア２０Ａ、２１Ａの軸方向端面（ファン取付面）に一致している場合であり、ｔ／ｈ＝０は、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの頂部が遠心ファン３８の軸方向外端面（ファン高さ）に一致している場合である。
【００２８】
図５から、ダイオード２４ａの温度上昇値ΔＴは、ｔ／ｈが０の時、１２０℃を示し、ｔ／ｈが増加するに従って急激に低下し、０．６を越えると緩やかに減少し、ｔ／ｈが１の時に、９５℃となることが分かる。これは、ｔ／ｈ＝０では、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒが遠心ファン３８の軸方向全域と径方向に関して重なっているので、通風抵抗が最大となり、冷却風の流入流量が最小となり、ダイオード２４ａが効果的に冷却されなかったものと推測される。そして、ｔ／ｈが増えるにつれ、通風抵抗が小さくなり、冷却風の流入流量が増加することにより、ダイオード２４ａの冷却性が上がり、ダイオード２４ａの温度上昇が抑えられたものと推測される。
【００２９】
ここで、実機では、最悪の運転条件で９０℃の雰囲気温度となる。また、ダイオード２４ａの耐熱温度は１６５℃である。そこで、雰囲気温度９０℃での温度上昇値を７５℃以下に抑えれば、最悪の運転条件になってもダイオード２４ａの温度が耐熱温度を越えることが避けられることになる。そして、雰囲気温度上昇による界磁電流低下による出力の低下を考慮すると、雰囲気温度９０℃での温度上昇値ΔＴ７５℃は雰囲気温度２０℃での温度上昇値ΔＴ１０５℃（ｔ／ｈ＝０．２）に相当している。従って、ダイオード２４ａの寿命（熱劣化）を考慮すると、ｔ／ｈは０．２を越えるように設定することが望ましい。
【００３０】
一方、図５から、固定子８Ａの温度上昇値は、ｔ／ｈが０の時、１８０℃を示し、ｔ／ｈが増加するに従って緩やかに増加し、０．６を越えるとやや急峻に増加し、ｔ／ｈが１の時に、２３０℃をとることが分かる。これは、ｔ／ｈ＝０では、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒが遠心ファン３８の軸方向全域と径方向に関して重なっているので、遠心ファン３８で遠心方向に曲げられた冷却風のほとんどがコイルエンド群１６ｆ、１６ｒに供給され、固定子巻線１６が効果的に冷却されたものと推測される。そして、ｔ／ｈが増えるにつれ、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒと遠心ファン３８との重なりが少なくなり、遠心ファン３８からコイルエンド群１６ｆ、１６ｒへの冷却風の供給量が低下することにより、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの冷却性が悪化し、固定子８Ａが温度上昇したものと推測される。
【００３１】
ここで、ワニスの軟化温度が２６０℃であることから、雰囲気温度９０℃での温度上昇値ΔＴを１７０℃以下に抑えれば、最悪の運転条件になっても固定子８Ａの温度がワニスの軟化温度を越えることが避けられることになる。そして、雰囲気温度上昇による界磁電流低下による出力の低下を考慮すると、雰囲気温度９０℃での温度上昇値ΔＴ１７０℃は雰囲気温度２０℃での温度上昇値ΔＴ２００℃（ｔ／ｈ＝０．７）に相当している。従って、ワニスの軟化を考慮すると、ｔ／ｈは０．７未満に設定することが望ましい。これにより、固定子巻線１６Ａと固定子鉄心１５Ａとの結合の緩みに起因する絶縁性の悪化が抑えられる。
そこで、０．２＜ｔ／ｈ＜０．７とすることで、ダイオード２４ａの長寿命化が図られ、かつ、絶縁性の悪化が抑えられる車両用交流発電機を実現することができる。
【００３２】
ついで、固定子巻線１６Ａのコイルエンド群１６ｆ、１６ｒの渡り部１６ｂの固定子鉄心側端面とファン取付面との間の軸方向距離Ｌと風騒音との関係について検討する。そこで、固定子巻線１６Ａのコイルエンド群１６ｆ、１６ｒの渡り部１６ｂと固定子鉄心１５Ａの端面との隙間Ｇの軸方向高さを変えた固定子８Ａを搭載した車両用交流発電機を１００００ｒ／ｍｉｎで運転したときの風騒音を測定した結果を図６に示す。なお、図６において、横軸には渡り部１６の固定子鉄心側端面とファン取付面との間の軸方向距離Ｌ（ｍｍ）を表し、縦軸には風騒音のOver All値（ｄＢ）を表している。また、Ｌ＝０は、渡り部１６の固定子鉄心側端面がファン取付面に一致している場合であり、Ｌ＞０は、隙間Ｇの軸方向全域がポールコア２０Ａ、２１Ａと径方向に重なっている場合であり、Ｌ＜０は、隙間の少なくとも一部が遠心ファン３８と径方向に重なっている場合である。
【００３３】
図６から、隙間Ｇの少なくとも一部が遠心ファン３８と径方向に重なっている場合（Ｌ＜０）、ほぼ一定の大きな風騒音（９５ｄＢ）が発生しているが、風騒音はＬ＝０近傍で急激に減少し、Ｌ＞０でほぼ一定（８５ｄＢ）となることが分かる。風騒音はコイルエンド群１６ｆ、１６ｒの周方向における凹凸と遠心ファン３８との間の干渉により発生している。そして、周方向に繰り返し現れる隙間Ｇで構成される周方向の凹凸に起因する風騒音が約１０ｄＢある。そこで、この隙間Ｇで構成される周方向の凹凸に起因する風騒音は、隙間Ｇと遠心ファン３８との径方向における重なりをなくすことで、防止される。
従って、風騒音を低減するためには、Ｌ＞０とすることが望ましい。
【００３４】
ここで、隙間Ｇは、スロット数が多くなるほど多くなる。そして、隙間Ｇで構成される周方向の凹凸に起因する風騒音は、隙間Ｇが多くなるほど発生する周波数が高くなる。つまり、高次数の騒音、即ち不快な耳障りな騒音となる。そして、Ｌ＞０とすることで、このような不快な耳障りな騒音の発生を抑えることができる。このＬ＞０とすることによる不快な耳障りな騒音の発生を防止する効果は、毎極毎相当たりのスロットが２以上のものに対して、顕著となる。また、毎極毎相当たりのスロット数が１の場合でも、スロット数が多いもの（磁極数：１６、スロット数：４８）においてＬ＞０とすることは、不快な耳障りな騒音の発生を抑える点で、有効な対策となる。
【００３５】
なお、上記実施の形態１では、６相の巻線３０ａ〜３０ｆが、外周側からａ相巻線３０ａ、ｂ相巻線３０ｂ、ｃ相巻線３０ｃ、ｆ相巻線３０ｆ、ｄ相巻線３０ｄおよびｅ相巻線３０ｅの順に並んで固定子鉄心１５に装着されているものとしている。しかしながら、６相の巻線３０ａ〜３０ｆの装着順序はこれに限定されるものではない。
【００３６】
実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機を示す断面図、図８はこの発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機の固定子を示す斜視図、図９はこの発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機の固定子に巻装された固定子巻線の分解斜視図である。
図７において、実施の形態２による車両用交流発電機では、冷却ファンとしての斜流ファン３９がポールコア２０Ａの軸方向端面（ファン取付面）に固着されている。そして、固定子８Ｂは、固定子鉄心１５Ａと、固定子鉄心１５Ａに巻装された固定子巻線１６Ｂとから構成されている。この固定子巻線１６Ｂの各相の巻線が、後述するように、振り分け巻きで固定子鉄心１５Ａに巻装されている。尚、他の構成は上記実施の形態１と同様の構成されている。
【００３７】
ここで、固定子巻線１６Ｂの構成について、図８および図９を参照しつつ説明する。
ａ相巻線４０ａは、絶縁被覆された連続銅線からなる導体線を所定回巻回した波巻き巻線に構成されており、図９に示されるように、６スロットピッチ（６Ｐ）に配列された１２のスロット収納部４１ａと、隣り合うスロット収納部４１ａの半分の端部同士を軸方向の両側で交互に連結し、かつ、残りの半分の端部同士を軸方向の両側で交互に連結する連結部４１ｂとからなる波状パターンの振り分け巻線に形成されている。このａ相巻線４０ａは、スロット収納部４１ａを６スロットピッチに配列されたａ相のスロット１４ａのそれぞれに収納して固定子鉄心１５Ａに巻装されている。そして、隣り合うスロット収納部４１ａの端部同士を連結する連結部４１ｂが固定子鉄心１５Ａの軸方向の外側で周方向に延在し、コイルエンドを構成している。この時、１つのスロット１４ａから延出する連結部４１ｂは、その半分が周方向の一側に延びて周方向一側の隣のスロット１４ａに入り、残りの半分が周方向の他側に延びて周方向他側の隣のスロット１４ａに入っている。
また、ｂ相、ｃ相、ｄ相、ｅ相およびｆ相巻線４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆが、同様に構成されている。
【００３８】
そして、ａ相およびｅ相巻線４０ａ、４０ｅが互いに周方向に３スロット分（３Ｐ）ずらされて２層に重ねられて、固定子鉄心１５Ａに径方向の外周側の２層を構成するように巻装されている。同様に、ｄ相およびｃ相巻線４０ｄ、４０ｃが互いに周方向に３スロット分ずらされて２層に重ねられて、固定子鉄心１５Ａに径方向の中央の２層を構成するように巻装されている。さらに、ｂ相およびｆ相巻線４０ｂ、４０ｆが互いに周方向に３スロット分ずらされて２層に重ねられて、固定子鉄心１５Ａに径方向の内周側の２層を構成するように巻装されている。
これにより、図８に示されるように、６相の巻線４０ａ〜４０ｆが径方向に６層に重ねられて固定子鉄心１５Ａに巻装された固定子８Ｂが得られる。この時、６相の巻線４０ａ〜４０ｆは、外周側からａ相巻線４０ａ、ｅ相巻線４０ｅ、ｄ相巻線４０ｄ、ｃ相巻線４０ｃ、ｂ相巻線４０ｂおよびｆ相巻線４０ｆの順に並んで固定子鉄心１５Ａに装着されている。そして、６相の巻線４０ａ〜４０ｆのコイルエンド（連結部４１ｂ）が固定子巻線１６Ｂのコイルエンド群１６ｆ、１６ｒを構成している。また、コイルエンドの固定子鉄心１５Ａの周方向に延在する部位が渡り部となり、渡り部と固定子鉄心１５Ａの端面との間に隙間Ｇが形成されている。
【００３９】
このように巻装されたａ相、ｂ相およびｃ相巻線４０ａ、４０ｂ、４０ｃがＹ結線（交流結線）されて第１の３相交流巻線を構成し、ｄ相、ｅ相およびｆ相巻線４０ｄ、４０ｅ、４０ｆがＹ結線（交流結線）されて第２の３相交流巻線を構成している。そして、第１および第２の３相交流巻線がそれぞれ整流器１２に接続されて、図４に示される電気回路と同等の電気回路を構成している。
なお、ａ相、ｂ相およびｃ相巻線４０ａ、４０ｂ、４０ｃはそれぞれ電気角で６０度の位相差が与えられ、ｄ相、ｅ相およびｆ相巻線４０ｄ、４０ｅ、４０ｆはそれぞれ電気角で６０度の位相差が与えられている。さらに、ｄ相、ｅ相およびｆ相巻線４０ｄ、４０ｅ、４０ｆは、ａ相、ｂ相およびｃ相巻線４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対して電気角で３０度の位相差が与えられている。
このように構成された固定子８Ｂを固定子８Ａに代えて車両用交流発電機に搭載され、上記実施の形態１と同様に動作する。
【００４０】
この実施の形態２では、フロント側の冷却ファンが斜流ファン３９により構成されているので、吸気孔１ａから流入した冷却風は斜流ファン３９により径方向外側と軸方向リヤ側とに流される。そこで、回転子７Ａ内を通ってフロント側からリヤ側に流れる冷却風の流量が確保され、界磁巻線１３が確実に冷却される。これにより、界磁巻線１３の温度上昇が抑えられ、出力向上が図られる。
【００４１】
また、固定子巻線１６Ｂを構成する各相の巻線４０ａ〜４０ｆは、振り分け巻線で構成されているので、各巻線４０ａ〜４０ｆのスロット１４から延出する連結部４１ｂ（コイルエンド）が周方向両側に半分づつ振り分けられる。そこで、スロット１４から延出した後周方向に曲げられる近傍における各巻線４０ａ〜４０ｆを構成する導体線の束の径方向の重なりが周方向に分散され、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの径方向の膨らみが低減される。これにより、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの周方向における凹凸が少なくなるので、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒと回転子８Ａおよび冷却ファン（遠心ファン３８および斜流ファン３９）との圧力変動に起因する風騒音を低減することができる。
【００４２】
さらに、外周側からａ相巻線４０ａ、ｅ相巻線４０ｅ、ｄ相巻線４０ｄ、ｃ相巻線４０ｃ、ｂ相巻線４０ｂおよびｆ相巻線４０ｆの順に並んで固定子鉄心１５に装着されている。
そこで、第１の３相交流巻線を構成する巻線と第２の３相交流巻線を構成する巻線とが径方向に交互に並んでいるので、第１の３相交流巻線のコイルエンド（連結部４１ｂ）と第２の３相交流巻線のコイルエンド（連結部４１ｂ）とが径方向にバランスよく配列されている。これにより、冷却ファン５から供給される冷却風により、第１の３相交流巻線のコイルエンドと第２の３相交流巻線のコイルエンドとが均等に冷却され、一方の３相交流巻線の温度が過度に上昇することもなく、固定子８Ｂの温度上昇を抑えることができる。
【００４３】
また、径方向の外周側の２層を構成するａ相巻線４０ａおよびｅ相巻線４０ｅは、ｅ相巻線４０ｅの連結部４１ｂが、ａ相巻線４０ａの連結部４１ｂの周方向の中央でスロット１４ｅから延出するように配列されている。これにより、ａ相巻線４０ａおよびｅ相巻線４０ｅのコイルエンドにおけるスロット１４から延出した後周方向に曲げられる近傍（径方向の膨らみが最大となる部位）が周方向に最も離反した状態となる。
同様に、径方向の中央の２層を構成するｄ相巻線４０ｄおよびｃ相巻線４０ｃは、ｄ相巻線４０ｄの連結部４１ｂが、ｃ相巻線４０ｃの連結部４１ｃの周方向の中央でスロット１４ｄから延出するように配列されている。これにより、ｄ相巻線４０ｄおよびｃ相巻線４０ｃのコイルエンドにおけるスロット１４から延出した後周方向に曲げられる近傍が周方向に最も離反した状態となる。
さらに、径方向の内周側の２層を構成するｂ相巻線４０ｂおよびｆ相巻線４０ｆは、ｆ相巻線４０ｆの連結部４１ｆが、ｂ相巻線４０ｂの連結部４１ｂの周方向の中央でスロット１４ｆから延出するように配列されている。これにより、ｂ相巻線４０ｂおよびｆ相巻線４０ｆのコイルエンドにおけるスロット１４から延出した後周方向に曲げられる近傍が周方向に最も離反した状態となる。
その結果、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの径方向の膨らみが低減される。これにより、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒの周方向における凹凸が少なくなるので、コイルエンド群１６ｆ、１６ｒと回転子７および冷却ファン５との圧力変動に起因する風騒音を低減することができる。
【００４４】
ここで、上記実施の形態２では、６相の巻線４０ａ〜４０ｆが、外周側からａ相巻線４０ａ、ｅ相巻線４０ｅ、ｆ相巻線４０ｆ、ｂ相巻線４０ｂ、ｃ相巻線４０ｃおよびｄ相巻線４０ｄの順に並んで固定子鉄心１５Ａに装着されているものとしている。しかしながら、６相の巻線４０ａ〜４０ｆの装着順序はこれに限定されるものではない。
【００４５】
なお、上記各実施の形態では、ｄ相、ｅ相およびｆ相巻線は、ａ相、ｂ相およびｃ相巻線に対して電気角で３０度の位相差が与えられているものとしているが、ｄ相、ｅ相およびｆ相巻線と、ａ相、ｂ相およびｃ相巻線との間の位相差は３０度（電気角）に限定されるものではなく、例えば両者の位相差を３２．５度（電気角）としてもよい。この場合、不快な高調音の原因となる１２次電磁加振力が低減される。
また、上記各実施の形態では、毎極毎相当たりのスロット数が２のものについて説明しているが、この発明は、毎極毎相当たりのスロット数が１のもの、あるいは３以上のものに適用しても、同様の効果が得られる。
また、上記各実施の形態では、固定子巻線の各相の巻線に１本の導体線からなる波巻き巻線を用いるものとしているが、この発明では、各相の巻線は１本の導体線からなる波巻き巻線に限定されるものではなく、例えば短尺の導体セグメントを連結して構成した波巻き巻線でもよい。
【００４６】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００４７】
この発明によれば、ケースに回転可能に支持されたシャフトと、上記シャフトに固着された回転子と、軸方向に延びるスロットが毎極毎相当たり２の割合で周方向に並んで複数形成され、上記回転子を内包するように上記ケースに支持された円筒状の固定子鉄心およびこの固定子鉄心に巻装された固定子巻線を有する固定子と、上記回転子の軸方向の一端面に相対するように上記ケースに支持された整流器と、少なくとも上記回転子の軸方向の一端面に固着された冷却ファンとを備えた車両用交流発電機において、上記冷却ファンは、上記固定子巻線のコイルエンド群の頂部に対するファンの軸方向突出量ｔとファンの軸方向高さｈとの比（ｔ／ｈ）が、０．２＜ｔ／ｈ＜０．７を満足するように構成されているので、導体線の絶縁被膜の損傷に起因する絶縁性の低下が抑えられ、かつ、ダイオードの長寿命化が図られる車両用交流発電機が得られる。
【００４８】
また、上記固定子巻線の上記コイルエンド群と上記固定子鉄心の端面との間に隙間が形成されており、該隙間が軸方向に関して上記冷却ファンが固着された上記回転子の端面より中心側に位置しているので、隙間に起因する不快な耳障りな騒音の発生が抑えられる。
【００４９】
また、上記固定子巻線の各相の巻線が、振り分け巻で上記固定子鉄心に巻装されているので、コイルエンド群の周方向の凹凸が低減され、該周方向の凹凸に起因する風騒音が低減される。
【００５０】
また、上記冷却ファンは、上記回転子の外径より小径の外径に形成されているので、冷却ファンとコイルエンド群との径方向距離が確保され、風騒音が低減される。
【００５１】
また、上記回転子の軸方向端面と外周面との交差領域が面取りされているので、風切り音が低減される。
【００５２】
また、上記冷却ファンが上記回転子の軸方向の両端面に固着され、上記回転子の軸方向の一端面に固着された上記冷却ファンが遠心ファンであり、上記回転子の軸方向の他端面に固着された上記冷却ファンが斜流ファンであるので、回転子内を流れる冷却風が確実に確保され、界磁巻線の温度上昇が抑えられ、出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機を示す断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の固定子を示す斜視図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の固定子を示す分解斜視図である。
【図４】 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における電気回路を示す回路図である。
【図５】 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機におけるｔ／ｈとダイオードおよび固定子の温度上昇値との関係を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機におけるＬと風騒音との関係を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機を示す断面図である。
【図８】 この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機の固定子を示す斜視図である。
【図９】 この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機の固定子に巻装された固定子巻線の分解斜視図である。
【図１０】 従来の車両用交流発電機を示す断面図である。
【符号の説明】
３ ケース、６ シャフト、７Ａ 回転子、８Ａ、８Ｂ 固定子、１２ 整流器、１３ 界磁巻線、１４ スロット、１５Ａ 固定子鉄心、１６Ａ、１６Ｂ 固定子巻線、１６ｆ、１６ｒ コイルエンド群、１６ｂ 渡り部、２０Ａ、２１Ａ ポールコア、２０ａ、２１ａ 肩部、３８ 遠心ファン（冷却ファン）、３９ 斜流ファン（冷却ファン）、Ｇ 隙間。

Claims (6)

1. ケースに回転可能に支持されたシャフトと、上記シャフトに固着された回転子と、軸方向に延びるスロットが毎極毎相当たり２の割合で周方向に並んで複数形成され、上記回転子を内包するように上記ケースに支持された円筒状の固定子鉄心およびこの固定子鉄心に巻装された固定子巻線を有する固定子と、上記回転子の軸方向の一端面に相対するように上記ケースに支持された整流器と、少なくとも上記回転子の軸方向の一端面に固着された冷却ファンとを備えた車両用交流発電機において、
   上記冷却ファンは、上記固定子巻線のコイルエンド群の頂部に対するファンの軸方向突出量ｔとファンの軸方向高さｈとの比（ｔ／ｈ）が、０．２＜ｔ／ｈ＜０．７を満足するように構成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
2. 上記固定子巻線の上記コイルエンド群と上記固定子鉄心の端面との間に隙間が形成されており、該隙間が軸方向に関して上記冷却ファンが固着された上記回転子の端面より中心側に位置していることを特徴とする請求項１記載の車両用交流発電機。
3. 上記固定子巻線の各相の巻線が、振り分け巻で上記固定子鉄心に巻装されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用交流発電機。
4. 上記冷却ファンは、上記回転子の外径より小径の外径に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の車両用交流発電機。
5. 上記回転子の軸方向端面と外周面との交差領域が面取りされていることを特徴とする請求項４記載の車両用交流発電機。
6. 上記冷却ファンが上記回転子の軸方向の両端面に固着され、上記回転子の軸方向の一端面に固着された上記冷却ファンが遠心ファンであり、上記回転子の軸方向の他端面に固着された上記冷却ファンが斜流ファンであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の車両用交流発電機。

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