JP4029519B2

JP4029519B2 - 車両用交流発電機の固定子

Info

Publication number: JP4029519B2
Application number: JP10361899A
Authority: JP
Inventors: 中村　　重信; 志賀　　孜
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-04-12
Filing date: 1999-04-12
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2019-04-12
Also published as: US6476530B1; JP2000299949A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用交流発電機の固定子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の電気負荷の増加に伴い、車両用発電機の小型高出力化が求められている。小型高出力化を図る従来技術としては、固定子巻線の高占積率化を図って抵抗値を低減するという手法が一般的に知られている。例えば、特開平６３−１９４５４３号公報には、スロットに挿入される部分のみを平角形状に変形させた固定子巻線を用いた車両用交流発電機が開示されている。固定子巻線を収容する固定子鉄心のスロット形状は、一般には矩形に近い形に形成されるため、平角形状の断面を有する導体セグメントを各スロット内に収納することにより、各導体セグメントとスロット内壁面との間に形成される隙間部分を低減することができ、高占積率化が可能になる。
【０００３】
また、車両用交流発電機に用いられる固定子として、複数の導体セグメントを接合することにより形成された巻線を有するものが従来から知られている。例えば、ＷＯ９８／５４８２３には、長方形の断面形状を有するＵ字状の複数の導体セグメントを固定子鉄心の一方の端面側から挿入した後に、反挿入側の端部同士を接合することにより巻線が形成された固定子が開示されている。この固定子は、連続した導体巻線を巻いて巻線を構成する場合に比べて、規則的に配置された巻線が形成しやすいという特長がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特開平６３−１９４５４３号公報に開示された車両用交流発電機の固定子では、スロットから引き出されたコイルエンド部における巻線の断面形状は円形のままであるため、スロット内の平角断面からスロット外の円形断面に変化する部分において、巻線自体の径方向の厚みが増すとともに同じスロット内に収容されている各層の巻線が径方向および回転周方向のそれぞれに沿って干渉し合うため、固定子巻線のコイルエンドの外径が大きくなる。このため、この固定子を支持するフレームの外径が大きくなり、車両用交流発電機の小型化が難しいという問題があった。
【０００５】
また、上述したＷＯ９８／５４８２３に開示された車両用交流発電機の固定子では、固定子巻線を構成する各導体セグメントを簡単に製造しようとすると、平角形状の断面を有する連続線あるいは長尺の導体を、導体セグメントの長さに合わせて切断した後にその中央部分で折り曲げてＵ字状に整形することが考えられるが、この折り曲げ行程において長方形断面を有する導体セグメントのターン部に大きなストレスが生じ、導体セグメントの外周を覆う絶縁被膜が損傷しやすくなり、耐環境性が悪化するという問題があった。
【０００６】
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、小型化が可能であって、耐環境性に優れた車両用交流発電機の固定子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明によれば、複数のスロットを持つ固定子鉄心と、前記スロットに装備された固定子巻線とを有する車両用交流発電機において、前記固定子巻線は連続線で構成され、この固定子巻線の両コイルエンドは所定角度傾斜して延びる斜行部とこれら斜行部間をつなぐターン部とからなり、このターン部のみが円形断面を有し、それ以外は扁平断面を有する導体で形成している。コイルエンドのターン部を円形断面とすることにより、ターン部において生じる過度の応力集中等を防止することができるため、絶縁皮膜の損傷を防止して耐環境性を向上させることができる。また、ターン部以外は扁平断面に形成されるため、スロットから突出するコイルエンドの外径が大きくならず、固定子を支持するフレームおよびこれを用いた車両用交流発電機の小型化が可能になる。
【０００９】
請求項２に記載された発明によれば、前記導体セグメントは、前記スロット内において多重に配置されており、曲率半径が小さい方の前記ターン部のみを前記円形断面に形成している。導体セグメントが多重に配置される場合には、特に内側に配置されて曲率半径が小さいターン部に加わるストレスが大きくなるため、少なくともこの部分を円形断面に形成することが望ましい。
【００１０】
請求項３に記載された発明によれば、前記固定子巻線は、前記スロットにおいて、径方向に沿って一列に配列されている。
【００１１】
請求項４に記載された発明によれば、前記固定子巻線は、前記スロットの内層側には２列の導体が、他のスロットの外層側にはこれら２列の導体と連続する２列の導体が収納されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明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。
【００１３】
図１は、参考例としての車両用交流発電機の全体構成を示す図である。図１に示す車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、フレーム４、整流器５等を含んで構成されている。
【００１４】
固定子２は、固定子鉄心２２と、固定子巻線２１を構成する導体セグメント２３と、固定子鉄心２２と導体セグメント２３の間を電気絶縁するインシュレータ２４とを備えている。固定子２の詳細な構造については後述する。
【００１５】
回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線３１を、それぞれが６個の爪部を有するポールコア３２によって、回転軸３３を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、フロント側のポールコア３２の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すための冷却ファン３５が溶接等によって取り付けられている。同様に、リヤ側のポールコア３２の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すための冷却ファン３６が溶接等によって取り付けられている。また、回転軸３３のリヤ側端部近傍には、界磁巻線３１の両端に電気的に接続された２つのスリップリング３７、３８が形成されており、これらのスリップリング３７、３８を介してブラシ装置７から界磁巻線３１に対して給電が行われる。
【００１６】
フレーム４は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３が回転軸３３を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３のポールコア３２の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム４は、固定子鉄心２２の軸方向端面から突出した固定子巻線２１のコイルエンドに対向した部分に冷却風の吐出窓４１を有し、軸方向端面に吸入窓４２を有している。
【００１７】
上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ２０にエンジン（図示せず）からの回転力が伝えられると回転子３が所定方向に回転する。この状態で回転子３の界磁巻線３１に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア３２のそれぞれの爪部が励磁されて回転子３の回転周方向に沿って交互にＮＳ磁極が形成されるため、固定子巻線２１に三相交流電圧を発生させることができ、整流器５の出力端子からは所定の直流電流が取り出される。
【００１８】
次に、固定子２の詳細について説明する。図２は、固定子２の部分的な断面図である。また、図３は固定子巻線を構成する導体セグメントの斜視図である。図４は、導体セグメントが収容されるスロットを説明するための固定子２の部分的な断面図である。図５は、導体セグメントを接合することにより形成される固定子巻線２１を示す固定子２の断面図である。
【００１９】
固定子鉄心２２のスロット２５に装備された固定子巻線２１は、複数の電気導体により構成され、各スロット２５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。また、一のスロット２５内の４本の電気導体は、図２に示すように固定子鉄心２２の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列されている。
【００２０】
一のスロット２５内の内端層の電気導体２３１ａは、図４に示すように、固定子鉄心２２の時計回り方向にＮＳ磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の外端層の電気導体２３１ｂと対をなしている。同様に、一のスロット２５内の内中層の電気導体２３２ａは固定子鉄心２２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２５内の外中層の電気導体２３２ｂ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２２の軸方向の一方の端面側において連続線を用いることにより、ターン部２３１ｃ、２３２ｃを経由することで接続される。これらのターン部２３１ｃ、２３２ｃの詳細については後述する。
【００２１】
したがって、固定子鉄心２２の一方の端面側においては、外中層の電気導体２３２ｂと内中層の電気導体２３２ａとを接続する連続線を、外端層の電気導体２３１ｂと内端層の電気導体２３１ａとを接続する連続線が囲むこととなる。このように、固定子鉄心２２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２３２ｃが、同じスロット２５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２３１ｃにより囲まれる。外中層の電気導体２３２ｂと内中層の電気導体２３２ａとの接続により中層コイルエンドが形成され、外端層の電気導体２３１ｂと内端層の電気導体２３１ａとの接続により端層コイルエンドが形成される。
【００２２】
一方、一のスロット２５内の内中層の電気導体２３２ａは、固定子鉄心２２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２５内の内端層の電気導体２３１ａ’とも対をなしている。同様に、一のスロット２５内の外端層の電気導体２３１ｂ’は、固定子鉄心２２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２５内の外中層の電気導体２３２ｂとも対をなしている。そして、これらの電気導体は固定子鉄心２２の軸方向の他方の端面側において接合により接続される。
【００２３】
したがって、固定子鉄心２２の他方の端面側においては、外端層の電気導体２３１ｂ’と外中層の電気導体２３２ｂとを接続する外側接合部と、内端層の電気導体２３１ａ’と内中層の電気導体２３２ａとを接続する内側接合部とが、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２３１ｂ’と外中層の電気導体２３２ｂとの接続、および内端層の電気導体２３１ａ’と内中層の電気導体２３２ａとの接続により、異なる同心円上に配置された２つの隣接層コイルエンドが形成される。
【００２４】
さらに、図３に示すように、内端層の電気導体２３１ａと外端層の電気導体２３１ｂとが、一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる大セグメント２３１により提供される。そして、内中層の電気導体２３２ａと外中層の電気導体２３２ｂとが一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる小セグメント２３２により提供される。基本となるＵ字状の導体セグメント２３は、大セグメント２３１と小セグメント２３２によって形成される。各セグメント２３１、２３２は、スロット２５内に収容されて軸方向に沿って延びる部分を備えるとともに、軸方向に対して所定角度傾斜して延びる斜行部２３１ｆ、２３１ｇ、２３２ｆ、２３２ｇを備える。これら斜行部によって、固定子鉄心２２から軸方向の両端面に突出するコイルエンドが形成されており、回転子３の軸方向の両端面に取り付けられた冷却ファン３５、３６を回転させたときに生じる冷却風の通風路は、主にこれら斜行部の間に形成されている。
【００２５】
以上の構成を、全てのスロット２５の導体セグメント２３について繰り返す。そして、反ターン部側のコイルエンド群において、外端層の端部２３１ｅ’と外中層の端部２３２ｅ、並びに内中層の端部２３２ｄと内端層の端部２３１ｄ’とがそれぞれ溶接、超音波溶着、アーク溶接、ろう付け等の手段によって接合されて外側接合部および内側接合部が形成され、電気的に接続されている。また、これらの接合部の互いの絶縁と保持のために、絶縁材によるコーティングが行われる。
【００２６】
ところで、上述した参考例としての導体セグメント２３（大セグメント２３１、小セグメント２３２）は、ターン部２３１ｃ、２３２ｃのみが円形断面に形成されており、それ以外の部分が平角材を用いた扁平断面に形成されている。また、これらのターン部２３１ｃ、２３２ｃとそれ以外の部分では、断面積がほぼ等しくなっており、ターン部２３１ｃ、２３２ｃの断面形状を円形に変更したことによって固定子巻線２１の抵抗値が高くならないように配慮されている。
【００２７】
このように、参考例としての車両用交流発電機１では、図２に示すように、各導体セグメントの断面を矩形形状に形成することにより、スロット２５内の占積率を高めることができるため、固定子巻線２１の抵抗値を低減し、発電能力を向上させることができる。また、図３に示した導体セグメント２３を用いて波巻きによって固定子巻線２１を形成した場合には、コイルエンドにおける異相間の干渉がなく、これを考慮に入れてコイルエンドの外径を大きくする必要がなく、フレーム４等の小型化を実現することができる。
【００２８】
また、従来のように、ターン部２３１ｃ、２３２ｃを含む全体を平角材で形成した場合には、棒状の平角導体を中央で折り曲げてＵ字状の導体セグメント２３を製造する際に、ターン部２３１ｃ、２３２ｃの内周側が大きく圧縮され、外周側が大きく引き延ばされるため、これらの箇所において大きな応力集中が生じ、予め絶縁皮膜が導体セグメント２３の周囲に形成されていた場合に、この応力集中箇所において絶縁皮膜が損傷しやすかった。ところが、上述した参考例としての導体セグメント２３では、ターン部２３１ｃ、２３２ｃのみが円形断面に形成されているため、扁平な平角材を曲げたときのようにターン部２３１ｃ、２３２ｃの内径側と外径側の変形の程度が大きくなく、大きな応力集中が発生しない。したがって、その周囲に形成されていた絶縁皮膜の損傷を防止、あるいは損傷の程度を軽減することができる。
【００２９】
なお、応力集中の程度は、ターン部２３１ｃ、２３２ｃを曲げ加工によって形成する際の変形の程度によるため、小さな曲率半径を有する内側の（内包される側の）ターン部２３２ｃの方が大きな応力を受けることになる。このため、絶縁皮膜の損傷が激しいと考えられる内側のターン部２３１ｃのみを円形断面に形成し、外側のターン部２３２ｃは従来通り、平角材による矩形断面を維持するようにしてもよい。
【００３０】
また、参考例としての導体セグメント２３では、円形断面を有するターン部２３１ｃ、２３２ｃの範囲は、図３に示すように、曲線が始まるところから終わるところまでの範囲に一致させてあるが、曲率半径が最も小さい部分を含ませる必要がある。また、ターン部の頂点を含んでその前後の同じ長さにわたって円形断面とすることが望ましい。あるいは、実際にどの程度の曲率半径を有する部分を所定の角度折り曲げれば絶縁皮膜の損傷が生じるかは、絶縁皮膜の種類等に応じて変化するため、これら実際の使用状況に応じて円形断面を有するターン部２３１ｃ、２３２ｃの範囲を変えるようにしてもよい。
【００３１】
図６は、一部のみが円形断面を有する棒状導体の製造行程を示す図である。まず、ターン部２３１ｃ、２３２ｃと同じ円形断面を有する丸線３００を所定の長さに切り出す。図３に示す大セグメント２３１と小セグメント２３２ではその全長が異なるため、それぞれに対応させて２種類の長さの丸線３００の切り出しを行う必要がある。次に、切り出した丸線３００の中央部分を残し、それ以外の部分を圧延ローラ３１０を用いて圧延する。例えば、図６において矢印３１２で示す軌跡に沿って圧延ローラ３１０を移動させることにより、図７に示すような丸線３００の中央部分以外を扁平な形状に整形した導体セグメント３００ａが完成する。このような圧延加工によって残った導体セグメント３００ａの中央部分がターン部２３１ｃ、２３２ｃとなる。さらに、導体セグメント３００ａをターン部２３１ｃ、２３２ｃで折り曲げた後、ターン部２３１ｃ、２３２ｃにつながる斜行部等を整形してを図３に示す導体セグメント２３が完成する。なお、導体セグメント２３の端部２３１ｅ等の整形は、各導体セグメント２３を固定子鉄心２２の所定のスロット２５に挿入した後に行われる。
【００３２】
なお、図６を用いた説明では、ターン部２３１ｃ、２３２ｃ以外に相当する部分を扁平形状に変形することにより、図７に示す導体セグメント３００ａを製造したが、反対に、全体が扁平な平角材を用い、その中央部分のみを円形断面に変形するようにしてもよい。
【００３３】
図８は、一部のみが円形断面を有する棒状導体の他の製造工程を示す図である。まず、扁平形状を有する平角線４００を所定の長さに切り出す。次に、切り出した平角線４００の中央部分を、加圧治具４１０で矢印方向に挟み込んで平角線４００の中央部分の断面を変形させる。この加圧治具４１０の押圧面には、図８および図９に示すような両端に緩やかな傾斜部分を有する半円溝４１２が形成されており、平角線４００の中央部分をこのような加圧治具４１０によって挟み込むことにより、中央部分のみが円形断面でそれ以外の部分が扁平な図７に示す導体セグメント３００ａが完成する。
【００３４】
図１０は、固定子巻線の本実施形態を示す斜視図である。また、図１１は図１０に示す固定子巻線を用いた固定子の部分的な断面図である。上述した実施形態では、Ｕ字状の導体セグメント２３を用いて、その端部同士を接合することにより、導体が連続的につながった固定子巻線２１を形成したが、図１０および図１２に示すように、ターン部のみが円形断面を有し、それ以外については扁平形状を有する連続線を用いて固定子巻線１２１を形成するようにしてもよい。この場合には、固定子鉄心２２の各スロット２５に回転軸方向から巻線１２１を挿入することは容易でないため、図１２に示すように、固定子鉄心１２２の各歯先先端部１２４に径方向に沿った突起部１３０を形成することにより、スロット１２５の内周側開口部の周方向の幅を、スロット１２５内部の周方向の幅と同じに設定し、図１０に示した固定子巻線１２１を内径側からスロット１２５内に挿入する。その後、各歯先先端部１２４の突起部１３０を周方向に塑性変形してスロット１２５の内周側開口を塞げばよい。このように、ターン部のみが円形断面になっている連続線を用いて固定子巻線１２１を構成した場合には、溶接による接合行程がないため、接合部の絶縁処理が不要となり、安価に耐環境性をさらに向上させることができる。
【００３５】
図１３は、固定子巻線の他の変形例を示す斜視図である。また、図１４は図１３に示す固定子巻線を用いた固定子の部分的な断面図であり、連続した導体が収容される２つのスロットに着目した構造が示されている。また、図１５は図１３に示す固定子巻線を用いた固定子の部分的な断面図であり、１つのスロットに着目した構造が示されている。図１３に示す固定子巻線は、ターン部のみが円形断面に、それ以外が扁平形状に形成された連続線を用いて波巻きを行ったものである。固定子鉄心２２２の一のスロット２２５の内層側には２列の導体３２３ａ、３２３ｂが収納され、ＮＳ磁極ピッチ離れた他のスロット２５の外層側には、導体３２３ａにターン部３２３ｅを介して接続された導体３２３ｃと、導体３２３ｂにターン部３２３ｆを介して接続された導体３２３ｄとが２列に収納されている。このような連続線を用いた波巻きによって固定子巻線を形成した場合には、図１０に示した固定子巻線１２１と同様に、溶接による接合行程がないため、接合部の絶縁処理が不要となり、安価に耐環境性をさらに向上させることができる。
【００３６】
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で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、ターン部を円形断面に形成した場合を説明したが、円形以外、例えば楕円形や正方形の角部が丸みを持った断面等、扁平の度合いが緩やかな断面形状のターン部を採用することができる。
【００３７】
また、ターン部を円形断面に形成した場合の効果として、絶縁皮膜の損傷防止をあげたが、必ずしも折り曲げ加工前に絶縁皮膜がついている場合に限らず、ターン部を折り曲げた後に絶縁皮膜を形成するようにしてもよい。あるいは、ターン部に絶縁皮膜が形成されていない導体を用いるようにしてもよい。これらの場合には、絶縁皮膜の損傷防止という効果は達成できないが、小型化に寄与するというもう一方の効果については有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例としての車両用交流発電機の全体構成を示す図である。
【図２】固定子の部分的な断面図である。
【図３】固定子巻線を構成する導体セグメントの斜視図である。
【図４】導体セグメントが収容されるスロットを説明するための固定子の部分的な断面図である。
【図５】導体セグメントを接合することにより形成される固定子巻線を示す固定子の断面図である。
【図６】一部のみが円形断面を有する棒状導体の製造行程を示す図である。
【図７】中央部分のみが円形断面を有する棒状導体を示す斜視図である。
【図８】一部のみが円形断面を有する棒状導体の他の製造工程を示す図である。
【図９】加圧治具の詳細を示す平面図である。
【図１０】固定子巻線の実施形態を示す斜視図である。
【図１１】図１０に示す固定子巻線を用いた固定子の部分的な断面図である。
【図１２】図１０に示す固定子巻線を用いた固定子の製作途中を示す部分的な断面図である。
【図１３】固定子巻線の他の変形例を示す斜視図である。
【図１４】図１３に示す固定子巻線を用いた固定子の部分的な断面図である。
【図１５】図１３に示す固定子巻線を用いた固定子の部分的な断面図である。
【符号の説明】
１車両用交流発電機
２固定子
３回転子
４フレーム
２１固定子巻線
２２固定子鉄心
２３導体セグメント
２４インシュレータ
２５スロット
２３１ｃ、２３２ｃターン部

Claims

複数のスロットを持つ固定子鉄心と、前記スロットに装備された固定子巻線とを有する車両用交流発電機の固定子と、界磁巻線と端面に冷却ファンが取り付けられたポールコアとを有する回転子と、前記固定子及び回転子を収容するフレームとを有する車両用交流発電機において、
前記固定子巻線は連続線で構成され、この固定子巻線の両コイルエンドは所定角度傾斜して延びる斜行部とこれら斜行部間をつなぐターン部とからなり、このターン部のみが円形断面を有し、それ以外は扁平断面を有する導体で形成すると共に、
前記フレームは、固定子巻線の両コイルエンドに対向した部分に冷却ファンにより発生する冷却風の突出窓を有したことを特徴とする車両用交流発電機。
請求項１において、
前記ターン部には曲率半径が最も小さな部分が少なくとも含まれることを特徴とする車両用交流発電機。
請求項１において、
前記固定子巻線は、前記スロットにおいて、径方向に沿って一列に配列されていることを特徴とする車両用交流発電機。
請求項１において、
前記固定子巻線は、前記スロットの内層側には２列の導体が、他のスロットの外層側にはこれら２列の導体と連続する２列の導体が収納されていることを特徴とする車両用交流発電機。