JP2007020302A - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品組付が容易であって十分なサービス性を有するとともに、大幅なコストアップを伴わずに耐震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。
【解決手段】 回転駆動される回転子２と、回転子２と対向配置される固定子鉄心３１とこの固定子鉄心３１に装備された固定子巻線３２とを有する固定子３と、回転子２および固定子３を支持するフレーム４とが備わっている。固定子巻線３２は、ほぼ矩形断面形状を有する複数の電気導体で構成されており、これらの電気導体は銅とアルミニウムの両方で構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車やトラック等に搭載される車両用回転電機に関する。

従来から、多数のＵ字状の電気導体を用いたセグメント方式の固定子巻線が知られている。電気導体の材質としては銅が一般的であるが、軽量化や被水によるコイル腐食の防止を目的に、電気導体の材質としてアルミニウムを用いたものも知られている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、固定子巻線を銅の電気導体を用いて構成した場合には、固定子巻線の引出線と整流器との間の電気的接合は、整流器のターミナルも一般には銅であるため、ＴＩＧ（tungsten inert-gas）溶接等を用いて容易に実現することができた。また、同材料同士のため、半田付けによる接合も容易であり、市場での修理も簡単であってサービス性も良かった。

一方、固定子巻線をアルミニウムの電気導体を用いて構成した場合には、固定子巻線の引出線と整流器との電気的接合は難しい。アルミニウムの電気導体と整流器の銅のターミナルは異種金属であるため融点が異なり、ＴＩＧ溶接等に適していないからである。

技術的には、超音波溶着や摩擦圧接等で接合する方法があるが、この場合には専用の特殊設備が必要になって、海外の拠点における組み付けや、国内の小規模ラインにおける部品組付けを容易に行うことができないという問題がある。また、銅の電気導体とアルミニウムのターミナルとの間の半田付けが難しいため、市場での修理や部品交換ができず、サービス性が大幅に低下してしまう。

さらに、エンジンに搭載される回転電機は、厳しい振動条件下にあり、固定子巻線の引出線は、固定子巻線の他の電気導体に比べて長く引き回されるため、機械強度の低いアルミニウムの引出線において耐震性が低下するという問題があった。
特開平１１−１９１９４６号公報（第５−７頁、図１−１２）

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、部品組付が容易であって十分なサービス性を有するとともに、大幅なコストアップを伴わずに耐震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。

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、回転駆動される回転子と、回転子と対向配置される固定子鉄心とこの固定子鉄心に装備された固定子巻線とを有する固定子と、回転子および固定子を支持するフレームとを備えており、固定子巻線は、ほぼ矩形断面形状を有する複数の電気導体で構成されており、複数の電気導体は銅とアルミニウムの両方で構成されている。これにより、振動が大きく耐震性が要求される部分のみ部分的に銅の電気導体を用い、それ以外にアルミニウムの電気導体を用いることができるため、大幅なコストアップを伴わずに固定子巻線全体の耐震性を向上させることができる。

また、上述した固定子巻線に接続されて固定子巻線から出力される交流電圧を整流する整流器をさらに備え、少なくとも整流器に接続される電気導体が銅で構成されていることが望ましい。これにより、固定子巻線と整流器との接続を、従来からよく用いられているＴＩＧ溶接等で行うことが可能になり、海外での組付けや国内での小規模組み付けが可能になるとともに、半田付けが可能になることによって市場でのサービス性を向上させることが可能になる。

また、上述した整流器に接続される電気導体は、一部が固定子鉄心に形成されたスロット内に配置されていることが望ましい。これにより、固定子鉄心のスロットから引き出されて整流器に接続される引出し線の継ぎ目をなくすことができるため、コイルエンドを形成する他の電気導体に比べて長くなる引出し線の耐震性をさらに向上させることができる。

また、上述した整流器に接続される電気導体は、全体が固定子鉄心に形成されたスロット外に配置されていることが望ましい。これにより、銅の電気導体を使用する部分を最小の範囲に抑えることができ、アルミニウムの電気導体の割合を増加させて軽量化や被水に対する腐食防止の効果を高めることができる。

また、上述した固定子巻線を構成する複数の電気導体は、本数比率で３〜９％が銅であり、残りがアルミニウムであることが望ましい。このように、固定子巻線全体に対する銅の電気導体の割合を少なくすることにより、部品組付性やサービス性を向上させつつ軽量化や腐食防止を図ることが可能になる。

また、上述した電気導体は、固定子鉄心に形成されたスロット内に配置される２つの直線部と、２つの直線部をつなぐターン部とを含むほぼＵ字状のセグメント導体であり、異なるセグメント導体に含まれる直線部の端部同士を接合することによって固定子巻線が形成されており、固定子鉄心の軸方向端面から突出した電気導体によって固定子巻線のコイルエンドが形成され、コイルエンドに対向する位置に、回転子と一体となって回転する冷却ファンが設けられていることが望ましい。ほぼＵ字状のセグメント導体によって電気導体を構成する場合には、一部のセグメント導体の材質をアルミニウムから銅に変更すればよいため、固定子巻線を構成する電気導体を銅とアルミニウムの両方で構成することが容易となる。

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、シャフト６に回転子２とともに固定されている。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に向けて吹き出す。この冷却風により、固定子３の固定子巻線３２や、固定子巻線３２に接続されて固定子巻線３２から出力される交流電圧を整流する整流器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。シャフト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の外周側に位置して固定子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。図２は、固定子巻線３２を構成するセグメント導体３０の斜視図である。また、図３は図２に示したセグメント導体３０の組み付け状態を示す斜視図である。固定子３は、電気導体としての複数のセグメント導体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、固定子巻線３２と固定子鉄心３１とに挟まれた絶縁シート３４とを有する。上述した回転子２および固定子３はフレーム４によって支持されている。

固定子鉄心３１のスロット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３に示すように固定子鉄心３１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内の内中層の電気導体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内の外中層の電気導体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の一方の端面側においては、外中層の電気導体３３２ｂと内中層の電気導体３３２ａとをターン部３３２ｃを経由して接続する連続線を、外端層の電気導体３３１ｂと内端層の電気導体３３１ａとをターン部３３１ｃを経由して接続する連続線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。外中層の電気導体３３２ｂと内中層の電気導体３３２ａ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３３１ｂと内端層の電気導体３３１ａとの接続により端層コイルエンドが形成される。

一方、一のスロット３１０内の内中層の電気導体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内の内端層の電気導体３３１ａ’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’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３３２ｂ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３１の軸方向の他方の端面側において接続される。

したがって、固定子鉄心３１の他方の端面側においては、外端層の電気導体３３１ｂ’と外中層の電気導体３３２ｂとを接続する外側接合部３３３ｂと、内端層の電気導体３３１ａ’と内中層の電気導体３３２ａとを接続する内側接合部３３３ａ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３３２ｂ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３３２ａ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。

さらに、図２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大セグメント３３１により提供される。また、内中層の電気導体３３２ａと外中層の電気導体３３２ｂ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曲げ部としての斜行部３３１ｆ、３３１ｇ、３３２ｆ、３３２ｇを備える。これら斜行部によって、固定子鉄心３１から軸方向の両端面に突出するリア側コイルエンド群３２Ｒとフロント側コイルエンド群３２Ｆが形成されており、回転子２の軸方向の両端面に取り付けられた冷却ファン２２、２３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。また、この冷却風の通風路には、固定子巻線３２の引出し線も配置されている。

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、反ターン部側のフロント側コイルエンド群３２Ｆにおいて、外端層の端部３３１ｅ’と外中層の端部３３２ｅ、並びに内中層の端部３３２ｄと内端層の端部３３１ｄ’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。

本実施形態では、上述したセグメント導体３０を用いることにより、図４に示す２種類の三相巻線３２Ａ、３２Ｂが形成されており、これらの三相巻線３２Ａ、３２Ｂによって固定子巻線３２が構成されている。三相巻線３２Ａ、３２Ｂは、ともにＹ結線されており、互いに電気角で３０度位相がずれている。

図５は、固定子巻線３２を構成する２種類の三相巻線３２Ａ、３２Ｂの引出し線および中性点の配置を示す図である。図５において、Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂは一方の三相巻線３２Ａの３本の引出し線を、Ｎ１は一方の三相巻線３２Ａの中性点を、Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂは他方の三相巻線３２Ｂの３本の引出し線を、Ｎ２は他方の三相巻線３２Ｂの中性点をそれぞれ示している。これらの引出し線Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ、Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂおよび中性点Ｎ１、Ｎ２は、リア側コイルエンド群３２Ｒ側に配置されている。また、これらの引出し線Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ、Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂは、整流器５に備わった銅のターミナル５１に接合される。

図６は、一方の三相巻線３２Ａに対応する引出し線Ｙｂ、Ｚｂと中性点Ｎ１の詳細形状を示す図である。また、図７は引出し線および中性点として用いられるセグメント導体の組み付け状態を示す斜視図である。図７に示すように、リア側コイルエンド群３２Ｒ側から突出する引出し線等は、ターン部を有しない直線状のセグメント導体３０’を用いて形成されている。このセグメント導体３０’は、セグメント導体３０の一方の直線部をターン部で折り返さずにそのまま延長した形状を有している。したがって、図７に示すように、セグメント導体３０とともに固定子鉄心３１のスロット３１０に挿入して先端部側を折り曲げることにより、セグメント導体３０’の端部を他のセグメント導体３０の端部と接合することができ、容易に引出し線Ｘｂ等を形成することができる。

本実施形態では、このように形成される６本の引出し線Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ、Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂに対応するセグメント導体３０’が銅によって構成されており、その他のＵ字状のセグメント導体３０および中性点に対応する６本のセグメント導体３０’がアルミニウムによって構成されている。また、例えば、スロット３１０の数が９６個に設定されており、セグメント導体の本数比率でほぼ３％が銅のセグメント導体３０’となっている。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、固定子巻線３２の一部のセグメント導体３０’を銅で、それ以外のセグメント導体３０等をアルミニウムで構成している。したがって、振動が大きく耐震性が要求される部分のみ部分的に銅のセグメント導体３０’を用い、それ以外にアルミニウムのセグメント導体３０を用いることができるため、大幅なコストアップを伴わずに固定子巻線３２全体の耐震性を向上させることができる。

特に、少なくとも整流器５に接続される引出し線としてのセグメント導体３０’を銅で構成することにより、固定子巻線３２と整流器５との接続を、従来からよく用いられているＴＩＧ溶接等で行うことが可能になり、海外での組付けや国内での小規模組み付けが可能になる。また、半田付けが可能になることによって、市場での固定子巻線３２と整流器５との間の接続を外したり再び接続したりすることができ、部品交換が可能になるため、市場でのサービス性を向上させることが可能になる。

なお、固定子巻線３２の内部では、銅のセグメント導体３０’とアルミニウムのセグメント導体３０とを接合する部分が生じるが、この部分の接合は専用設備を用いて超音波溶着や固溶接合等で行うことができる。固定子３単体で考えると、銅のセグメント導体のみ、あるいはアルミニウムのセグメント導体のみの構成に対して複雑になるが、元々図２に示したセグメント導体３０を用いた固定子３は構造が複雑であるため大きな工場において専用設備を用いて製造することになる。したがって、アルミニウムのセグメント導体と銅のセグメント導体の接合についてもこのような大きな工場において専用設備を用いて行えばよく、海外や国内の小規模工場ではこのようにして大工場で製造された固定子３を用いて組み付けのみを行えばよく、この組み付けにおいては銅のセグメント導体と整流器とを接続することになるため良好な組み付け性を確保することができる。また、市場においてはセグメント導体同士の接合部を修理することは皆無であり（修理する必要が生じた場合とは固定子巻線の断線が生じたときであり、固定子３全体を交換することになる）、全てのセグメント導体を銅とした場合と同様のサービス性を確保することが可能になる。

また、整流器５に接続される引出し線としてのセグメント導体３０は、一部が固定子鉄心３１に形成されたスロット３１０内に配置されているため、スロット３１０から引き出されて整流器５に接続される引出し線の継ぎ目をなくすことができ、コイルエンドを形成する他の電気導体に比べて長くなる引出し線の耐震性をさらに向上させることができる。

また、ほぼＵ字状のセグメント導体３０を用い、異なるセグメント導体の端部同士を接合することによって固定子巻線３２を形成しているため、一部のセグメント導体の材質をアルミニウムから銅に変更するだけで容易に固定子巻線を構成する電気導体を銅とアルミニウムの両方で構成することができる。

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、固定子巻線３２に含まれる引出し線に対応するセグメント導体のみを銅で、それ以外のセグメント導体をアルミニウムで構成したが、銅で構成したセグメント導体の本数を増やすようにしてもよい。例えば、中性点Ｎ１、Ｎ２を形成するセグメント導体３０’を銅で構成したり、引出し線と直接接続されるＵ字状のセグメント導体３０を銅で構成するようにしてもよい。本数比率で３〜９％の範囲内であれば、アルミニウムのセグメント導体３０を用いることによる軽量化や被水による腐食防止の効果を十分期待することができる。

また、上述した実施形態では、図７に示したセグメント導体３０’の全体を銅で構成したが、図８に示すように、スロット３１０内に配置される部分をアルミニウムで構成し、スロット３１０から突出して整流器５に接続される部分（引出し線Ｙｂ’、Ｚｂ’等）のみを銅で構成し、途中でこれらを溶接するようにしてもよい。このような構成を採用した場合であっても、整流器５のターミナル５１と引出し線Ｙｂ’、Ｚｂ’等との間の組み付け性を向上させることができ、市場におけるサービス性の向上を図ることが可能になる。また、銅の電気導体を使用する部分を最小の範囲に抑えることができ、アルミニウムの電気導体の割合を増加させて軽量化や被水に対する腐食防止の効果を高めることができる。

また、上述した実施形態では、図４に示したような２種類の三相巻線３２Ａ、３２Ｂを組み合わせて固定子巻線３２を構成したが、１種類の三相巻線によって固定子巻線を構成するようにしてもよい。また、図９や図１０に示すような２種類のＹ結線を直列化した千鳥結線の固定子巻線において本発明を適用するようにしてもよい。あるいは、図１１に示すようなΔ結線と千鳥結線とを組み合わせた固定子巻線や、図１２に示すようなΔ結線とＹ結線とを組み合わせた固定子巻線にお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。 固定子巻線を構成するセグメント導体の斜視図である。 図２に示したセグメント導体の組み付け状態を示す斜視図である。 本実施形他の固定子巻線の説明図である。 固定子巻線を構成する２種類の三相巻線の引出し線および中性点の配置を示す図である。 三相巻線に対応する引出し線と中性点の詳細形状を示す図である。 引出し線および中性点として用いられるセグメント導体の組み付け状態を示す斜視図である。 引出し線の変形例を示す図である。 固定子巻線の変形例を示す図である。 固定子巻線の変形例を示す図である。 固定子巻線の変形例を示す図である。 固定子巻線の変形例を示す図である。

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
１１ レギュレータ
２０ プーリ
３０ セグメント導体
３１ 固定子鉄心
３２ 固定子巻線

Claims (6)

1. 回転駆動される回転子と、前記回転子と対向配置される固定子鉄心とこの固定子鉄心に装備された固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子および前記固定子を支持するフレームとを備える車両用回転電機において、
   前記固定子巻線は、ほぼ矩形断面形状を有する複数の電気導体で構成されており、前記複数の電気導体は銅とアルミニウムの両方で構成されていることを特徴とする車両用回転電機。
2. 請求項１において、
   前記固定子巻線に接続されて前記固定子巻線から出力される交流電圧を整流する整流器をさらに備え、
   少なくとも前記整流器に接続される前記電気導体が銅で構成されていることを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項２において、
   前記整流器に接続される前記電気導体は、一部が前記固定子鉄心に形成されたスロット内に配置されていることを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項２において、
   前記整流器に接続される前記電気導体は、全体が前記固定子鉄心に形成されたスロット外に配置されていることを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記固定子巻線を構成する前記複数の電気導体は、本数比率で３〜９％が銅であり、残りがアルミニウムであることを特徴とする車両用回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記電気導体は、前記固定子鉄心に形成されたスロット内に配置される２つの直線部と、前記２つの直線部をつなぐターン部とを含むほぼＵ字状のセグメント導体であり、異なる前記セグメント導体に含まれる前記直線部の端部同士を接合することによって前記固定子巻線が形成されており、
   前記固定子鉄心の軸方向端面から突出した前記電気導体によって前記固定子巻線のコイルエンドが形成され、前記コイルエンドに対向する位置に、前記回転子と一体となって回転する冷却ファンが設けられていることを特徴とする車両用回転電機。
   

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