JP4640008B2

JP4640008B2 - 車両用回転電機

Info

Publication number: JP4640008B2
Application number: JP2005207101A
Authority: JP
Inventors: 聖慈近藤; 重信中村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-07-15
Also published as: DE102006032789A1; JP2007028790A; US20070013259A1; US7800261B2

Description

本発明は、乗用車やトラック等の乗り物に搭載される車両用交流発電機等の車両用回転電機に関する。

近年、車両走行抵抗の低減のためのスラントノーズ化や車室内居住空間の確保のニーズからエンジンルームがますます狭小化する中で、車両用交流発電機の搭載スペースに余裕がなくなってきている。また、燃費向上のためエンジン回転は下げられ車両用交流発電機の回転も下がっている。しかしその一方で、安全制御機器等の電気負荷の増加が求められ、ますます発電能力の向上が求められている。すなわち、小型で高出力の車両用交流発電機を安価に提供することが求められている。小型で高出力のため、車両用交流発電機の内蔵部品は高密集化してきている。

また車外騒音低減の社会的要請や、車室内静粛性向上による商品性向上の狙いから、近年ますますエンジン騒音が低下してきており、比較的高速で回転する補機、とりわけ車両用交流発電機のファン騒音が耳につきやすい状況になってきた。

車両用交流発電機の固定子における固定子鉄心の冷却については、冷却剤導入のために固定子鉄心の外周部をフレーム壁にて覆い、その中空部に固定子の外周部に径方向に突起が配置され、その中空部に冷却剤を流動することにより冷却性を向上させ、密閉状のフレームとすることで、外部への騒音の漏れも低減可能な構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開昭５８−４３１５７号公報（第１−２頁、図１−３）

ところで、特許文献１に開示された構造では、冷却剤を中空部に流動するために車両用交流発電機自体が大型化し、また冷却剤として例えばラジエータから冷却剤を流動する配管経路を必要とするためエンジンルーム内のスペースはさらに余裕がなくなるのと同時に複雑化してしまい、また冷却剤の漏れを防止するために接合面の高精度化や接続部の信頼性を向上しなくてはいけないという多くの問題があった。

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、大型化することなく冷却性を向上させることができる車両用回転電機を提供することにある。さらには、低騒音な車両用回転電機を提供することを目的とする。以上により、高出力、高信頼性を実現できる車両用回転電機を提供することを目的とする。

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は、プーリ側および反プーリ側の両方の軸方向端部にファンを持つ回転子と、回転子の外周側に対向配置した固定子と、回転子と固定子とを支持するフレームとを有しており、固定子は、複数のスロットを有する固定子鉄心と、スロットに収納された固定子巻線をなす複数の矩形状電気導体と、固定子鉄心と矩形状電気導体との間の電気絶縁体であるインシュレータとを有し、固定子鉄心は、フレームの外部に露出して周方向に沿った複数の凹凸形状を外周面に有している。これにより、狭小化したエンジンルーム内でエンジンに搭載されている車両用回転電機の固定子鉄心の外周面に軸方向に沿った通風経路を確保することができ、固定子鉄心の放熱性を向上させ、大型化することなく冷却性を向上させることができる。

また、反プーリ側に配置されたファンのファン風量をプーリ側に配置されたファンのファン風量よりも多くしている。これにより、固定子鉄心の外周面に設けた軸方向の通風経路に、雰囲気温度が反プーリ側に比較して低温であるプーリ側から冷却風を流すことによって固定子鉄心の冷却性を向上させることができる。以上により、冷却剤を流す中空部が不要となるので、大型化することなく車両用交流発電機の冷却性を向上させることができる。
また、上述したフレームは、固定子鉄心の軸方向端面から突出する矩形状電気導体の外径側に形成されて冷却風を吐出する複数の吐出窓を有しており、固定子鉄心の外周面に形成された凹凸形状の凹部の周方向位置と、フレームに形成された吐出窓の周方向位置とを一致させている。これにより、雰囲気温度が比較的低温であるプーリ側のフレームの吐出窓から排出された冷却風がよりスムーズに固定子鉄心外周の凹部に沿った軸方向の通風経路を通過していくため、さらに効率よく固定子鉄心、ひいては固定子を冷却することができる。

また、上述した矩形状電気導体は、インシュレータを介して固定子鉄心のスロット内壁面の少なくとも一面に接していることが望ましい。これにより、固定子巻線の発熱を効率よく固定子鉄心に伝熱して固定子鉄心外周部の通風経路で冷却することができ、小型高出力化に対応することが可能になる。

また、上述したスロットの径方向断面には、矩形状電気導体およびインシュレータを除いた隙間があり、スロットの径方向断面積に対する隙間の面積比が２５％以下であることが望ましい。このように、熱伝導率の低いスロット内の隙間を小さくすることにより、固定子巻線の発熱を効率よく固定子鉄心に伝熱することができ、固定子鉄心外周部の通風経路で冷却することができる。

また、上述したスロットの内部に、固定子鉄心の内周面まで樹脂を充填することが望ましい。一般に、充填に用いられる樹脂は、空気よりも熱伝導率が高いことから、固定子巻線の発熱を効率よく固定子鉄心に伝熱することができ、固定子鉄心外周部の通風経路で冷却することができる。さらに、回転子の外周部と固定子の内周部の隙間が平滑化されることから、回転時の干渉音が低下し、ファン騒音を低減することができる。

また、上述した回転子は、複数の爪状鉄心を有し、これら複数の爪状鉄心間に磁石を配置することが望ましい。爪状鉄心間に、磁石を配置することにより、爪状鉄心間の漏れ磁束を低減して出力向上を図ることができる。磁石は、磁力の強い希土類磁石とすることによって、より大きな出力向上を実現することができる。一方、希土類磁石は高温下において永久減磁する性質があるが、本発明の構成により、固定子の冷却が可能となるので、固定子から回転子への放射熱が減少する。よって、磁石の高温での永久減磁を防止することができるので、安定した出力向上効果を得ることができる。

また、上述した固定子鉄心の外周面に形成された凹凸形状の凸部の周方向位置と、固定子鉄心において周方向に隣接してスロットを区画する歯部の周方向位置とを一致させることが望ましい。スロット内では歯部の側面積が大きいため、固定子巻線の矩形状電気導体から歯部への伝熱量が大きくなる。一方、歯部の外径側に凸部を形成することにより、歯部と表面積の大きい凸部との距離を最小にすることができ、歯部に伝わった熱を凸部を介して効率よく放出することができ、冷却性を向上させることができる。

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、界磁として働く回転子２と、電機子として働く固定子３と、これらの回転子２および固定子３を支持するフレーム４と、固定子３に接続されて交流電力を直流に変換する整流器５と、回転子２の界磁電流量を増減して発電量を制御する電圧調整器１１とを含んで構成されている。

回転子２は、シャフト６と一体になって回転するものであり、爪状鉄心としてのランデル型ポールコア２１、冷却ファン２２、２３、界磁巻線２４等によって構成されている。一方の冷却ファン２２は、プーリ２０側のポールコア２１の軸方向端面に溶接によって固定されている。他方の冷却ファン２３は、反プーリ側（整流器５が配置された側）のポールコア２１の軸方向端面に溶接によって固定されている。本実施形態では、プーリ２０側に配置された冷却ファン２２のファン風量よりも、反プーリ側に配置された冷却ファン２３のファン風量の方が多くなるように、ファンブレードの大きさや枚数が設定されている。

図２は、固定子３の部分断面図である。また、図３は固定子３の部分的な斜視図である。固定子３は、回転子２の外周側に対向配置されており、複数のスロット３５を有する固定子鉄心３１と、スロット３５に収納された固定子巻線をなす複数の矩形状電気導体３２と、固定子鉄心３１と矩形状電気導体３２との間の電気絶縁体であるインシュレータ３４とを有している。固定子鉄心３１は、薄い鋼板シートを重ね合わせた円環状の積層鉄心である。この固定子鉄心３１は、周方向に沿った複数の凹凸形状を外周面に有しており、この凹凸形状が外径方向にフレーム４の外部に露出している。具体的には、フレーム４のステー部を除く外周面の直径よりも、凹凸形状の凸部先端の外径の方が大きくなるように凹凸形状が設定されている。

図２に示すように、矩形状電気導体３２は、軸方向断面（シャフト６と垂直な向きに矩形状電気導体３２を切断した場合の断面）がほぼ矩形形状を有しており、インシュレータ３４を介して固定子鉄心３１のスロット内壁面の少なくとも一面に接している。スロット３５の径方向断面（径方向と垂直な向き、すなわち周方向のスロット３５と矩形状電気導体３２を含むように切断した場合の断面）には、矩形状電気導体３２およびインシュレータ３４を除いた隙間３６が含まれる。スロット３５の径方向断面積に対する隙間３６の面積比が２５％以下となるように設定されている。

図４は、フレーム４と固定子鉄心３１の係合状態を示す車両用交流発電機１の部分的な側面図である。フレーム４は、フロント側用およびリア側用に２分割されており、これら２つのフレーム４によって固定子３１の軸方向端面の外周部近傍を互いに軸方向に締め付けることにより、固定子３が固定される。また、フレーム４は、固定子鉄心３１の軸方向端面から突出する矩形状電気導体３２の外径側に形成されて冷却風を吐出する複数の吐出窓４２を有している。本実施形態では、固定子鉄心３１の外周面に形成された凹凸形状の凹部３７の周方向位置と、フレーム４に形成された吐出窓４２の周方向位置とを一致させている。また、固定子鉄心３１の外周面に形成された前記凹凸形状の凸部３８の周方向位置と、固定子鉄心３１において周方向に隣接してスロット３５を区画する歯部３９の周方向位置とを一致させている。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、固定子鉄心３１の外周面を周方向に沿った複数の凹凸形状にするとともに、外径方向にフレーム４の外部に露出させている。これにより、狭小化したエンジンルーム内でエンジンに搭載されている車両用交流発電機１の固定子鉄心３１の外周面に軸方向に沿った通風経路を確保することができ、固定子鉄心３１の放熱性を向上させ、大型化することなく冷却性を向上させることができる。

また、反プーリ側に配置された冷却ファン２３のファン風量をプーリ側に配置された冷却ファン２２のファン風量よりも多くしている。これにより、固定子鉄心３１の外周面に設けた軸方向の通風経路に、雰囲気温度が反プーリ側に比較して低温であるプーリ側から冷却風を流すことによって固定子鉄心の冷却性を向上させることができる。以上により、冷却剤を流す中空部が不要となるので、大型化することなく車両用交流発電機１の冷却性を向上させることができる。

また、固定子巻線を構成する各矩形状電気導体３２は、インシュレータ３４を介して固定子鉄心３１のスロット内壁面の少なくとも一面に接しているため、固定子巻線の発熱を効率よく固定子鉄心３１に伝熱して固定子鉄心３１外周部の通風経路で冷却することができ、小型高出力化に対応することが可能になる。

また、スロット３５の径方向断面には矩形状電気導体３２およびインシュレータ３４を除いた隙間３６が含まれるが、スロット３５の径方向断面積に対する隙間３６の面積比を２５％以下に設定している。このように隙間３６の面積比の上限値を制限することにより、高占積率化が可能になる。また、熱伝導率の低いスロット３５内の隙間３６を小さくすることにより、固定子巻線の発熱を効率よく固定子鉄心３１に伝熱することができ、固定子鉄心３１外周部の通風経路で冷却することができる。

また、固定子鉄心３１の外周面に形成された凹部３７の周方向位置と、フレーム４に形成された吐出窓４２の周方向位置とを一致させることにより、雰囲気温度が比較的低温であるプーリ側のフレーム４の吐出窓４２から排出された冷却風がよりスムーズに固定子鉄心３１外周の凹部３７に沿った軸方向の通風経路を通過していくため、さらに効率よく固定子鉄心、ひいては固定子を冷却することができる。

また、固定子鉄心３１の外周面に形成された凸部３８の周方向位置と、固定子鉄心３１の歯部３９の周方向位置とを一致させることにより、矩形状電気導体３２から歯部３９に伝わった熱を凸部３８を介して効率よく放出することができ、冷却性を向上させることができる。

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、図２に示すように、スロット３５内に隙間３６が含まれるようにしたが、図５に示すように、スロット３５の内部に固定子鉄心３１の内周面まで樹脂６０を充填してもよい。一般に、充填に用いられる樹脂６０は、空気よりも熱伝導率が高いことから、固定子巻線の発熱を効率よく固定子鉄心３１に伝熱することができ、固定子鉄心３１外周部の通風経路で冷却することができる。また、回転子２の外周部と固定子３の内周部の隙間が小さくなるため、回転子２の発熱を固定子３に伝えることが容易になる。さらに、回転子２の外周部と固定子３の内周部の隙間が平滑化されることから、回転時の干渉音が低下し、ファン騒音を低減することができる。

また、図６に示すように、爪状鉄心としてのポールコア２１間に、外周部近傍の隙間を埋めるように磁石６２を配置してもよい。これにより、隣接するポールコア２１の爪部間に、磁石６２を配置することにより、爪部間の漏れ磁束を低減して出力向上を図ることができる。磁石６２は、磁力の強い希土類磁石とすることによって、より大きな出力向上を実現することができる。一方、希土類磁石は高温下において永久減磁する性質があるが、本発明の構成により、固定子３の冷却が可能となるので、固定子３から回転子２への放射熱が減少する。よって、磁石６２の高温での永久減磁を防止することができるので、安定した出力向上効果を得ることができる。

また、上述した実施形態では、回転子２の軸方向両端面に冷却ファン２２、２３が固定されている車両用交流発電機１について説明したが、反プーリ側の冷却ファン２３のみが備わった車両用交流発電機に本発明を適用するようにしてもよい。電動機等のその他の車両用回転電機について本発明を適用するようにしてもよい。

一実施形態の車両用交流発電機の断面図である。固定子の部分断面図である。固定子の部分的な斜視図である。フレームと固定子鉄心の係合状態を示す車両用交流発電機の部分的な側面図である。スロット内に樹脂を充填した変形例を示す固定子の部分断面図である。ポールコア間に磁石を配置した回転子の部分的斜視図である。

符号の説明

１車両用交流発電機
２回転子
３固定子
４フレーム
５整流器
２０プーリ
２１ポールコア
２２、２３冷却ファン
２４界磁巻線
３１固定子鉄心
３２矩形状電気導体
３４インシュレータ
３５スロット
３６隙間
３７凹部
３８凸部
３９歯部

Claims

プーリ側および反プーリ側の両方の軸方向端部にファンを持つ回転子と、前記回転子の外周側に対向配置した固定子と、前記回転子と前記固定子とを支持するフレームとを有する車両用回転電機において、
前記固定子は、複数のスロットを有する固定子鉄心と、前記スロットに収納された固定子巻線をなす複数の矩形状電気導体と、前記固定子鉄心と前記矩形状電気導体との間の電気絶縁体であるインシュレータとを有し、
前記固定子鉄心は、前記フレームの外部に露出して周方向に沿った複数の凹凸形状を外周面に有し、
前記フレームは、前記固定子鉄心の軸方向端面から突出する前記矩形状電気導体の外径側に形成されて冷却風を吐出する複数の吐出窓を有しており、
前記固定子鉄心の外周面に形成された前記凹凸形状の凹部の周方向位置と、前記フレームに形成された前記吐出窓の周方向位置とを一致させたものであって、
反プーリ側に配置された前記ファンのファン風量をプーリ側に配置された前記ファンのファン風量よりも多くすることにより、固定子鉄心の外周面に沿った軸方向の通風経路に、雰囲気温度が反プーリ側に比較して低温であるプーリ側から冷却風を流すことを特徴とする車両用回転電機。
請求項１において、
前記矩形状電気導体は、前記インシュレータを介して前記固定子鉄心のスロット内壁面の少なくとも一面に接していることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１または２において、
前記スロットの径方向断面には、前記矩形状電気導体およびインシュレータを除いた隙間があり、前記スロットの径方向断面積に対する前記隙間の面積比が２５％以下であることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記スロットの内部に、前記固定子鉄心の内周面まで樹脂を充填することを特徴とする車両用回転電機。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記回転子は、複数の爪状鉄心を有し、これら複数の爪状鉄心間に磁石を配置することを特徴とする車両用回転電機。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記固定子鉄心の外周面に形成された前記凹凸形状の凸部の周方向位置と、前記固定子鉄心において周方向に隣接して前記スロットを区画する歯部の周方向位置とを一致させることを特徴とする車両用回転電機。