JP3675322B2 - 車両用交流発電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両用交流発電機に係り、特に、自動車用発電装置として好適な、電圧調整器を備えた車両用交流発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用交流発電機には、次のようなことが要求されている。第一に、車両の電気負荷の増大に対応するため、車両用交流発電機には高出力化、小型化が要求されている。第二に、車両用交流発電機自体が発生する騒音の低減が要求されている。
【０００３】
界磁コイル、固定子、電圧調整器、整流器は運転中発熱を伴うが、それぞれは、その機能を持するために、一定温度以下に保たれる必要がある。従来のほとんどの車両用交流発電機は、冷却風によって各部の冷却を行っている空冷方式である。車両用交流発電機の高出力化をすれば、固定子、電圧調整器、整流器などの発熱量が増大する。さらに、小型化をすすめると放熱面積が減少し、各部の温度が上昇し易くなる。このため、各部の冷却性能を向上させることが必要とされている。
【０００４】
冷却性能の向上には、現在空気の流れを用いているために冷却風流量の増大があげられる。そのため回転子と同期する大型のファンもしくは複数のファンが取り付けられ、前記ファンによって起こる冷却風の流れによって、界磁コイル、固定子、電圧調整器、整流器などを冷却している。それとは別に、冷媒によって車両用交流発電機の冷却性能を向上する方法がある。冷媒を用いることにより、空冷方式で用いられるファンは必要なく、騒音低減には大きな効果がある。
【０００５】
冷媒の一つとしてエンジンの冷却水を用いる方法がある。車両用交流発電機の水冷方式の従来技術としては、特開平１１−２４３６５８号公報が挙げられる。この技術では、回転子の軸方向両サイドには、回転軸の軸心と同心円状に複数のある高さを持ったリング（以下回転ディスクと呼ぶ）が存在する。回転ディスクの反対の面には前ブラケットおよび後ブラケットの内面に回転ディスク同様、回転軸の軸心と同心円状に複数のある高さを持ったリング（以下固定ディスクと呼ぶ）があるエアギャップを介して回転ディスクと噛合うように配置される。そのため、回転軸が回転したときに回転子は一体となって回転し、回転ディスクも同様に回転するが、この時に回転ディスクは固定ディスクとあるエアギャップを保ちながら回転するので、固定ディスクと接触せずに回転できる。界磁コイルで発生した熱は回転子、回転ディスク、エアギャップ、固定ディスク、前ブラケット、後ブラケット、冷却水の順に伝達される熱経路を作ることができ界磁コイルの熱は冷却水へ放熱される。
【０００６】
また、車両用電動機における固定子の冷却手段の従来技術として、特開平２０００−１１６０６２号公報が挙げられる。この技術では、モータとケーシングとハウジングから構成されるケーシング、ハウジング間には走行風が流れる通路が形成され、モータの固定子と接するケーシング表面には仕切り板、放熱フィン、乱流生成突起等が設けられ走行風との熱交換効率を高めている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術には、以下のような課題が残されている。車両用交流発電機において、発電中に出力を十分に出すためには界磁電流を十分流さなくてはならない。しかし、界磁コイルに電流を流すと、界磁コイルの内部抵抗によって界磁コイル自体が発熱する。界磁コイルが発熱し温度が上昇すると、界磁コイルの内部抵抗はさらに増大し、十分な界磁が行われず、出力を得られないため、界磁コイルの冷却は重要である。また、車両用電動機において、温度上昇に伴うモータの性能低下を抑えるためには固定子コイルを効率良く冷却する必要がある。
【０００８】
特開平１１−２４３６５８号公報では、界磁コイルを冷却するための放熱経路において冷却性能は回転ディスクから固定ディスクの間が支配的である。これは、金属等と比較して熱伝導率の低い空気の間隙を介して、熱が回転ディスクから固定ディスクへ主に伝導で伝わるためである。そのため、冷却性能を向上させるには回転ディスクと固定ディスクの間隙を小さくするか、それぞれのディスクの伝熱面積を大きくする必要がある。しかし、加工精度や組立性を考慮すると、実用上の間隙は１ｍｍ程度となり、冷却性能を上げるためには、伝熱面積を増加できる多重リング構造となり加工、部品コスト及び組立コストが高くなるという問題点があった。
【０００９】
また、特開平２０００−１１６０６２号公報の方式では、固定子と接するケーシング表面に放熱フィン、乱流生成突起等を設けることにより、走行風との熱交換効率を高め、固定子コイルの冷却は行われている。しかし、ケーシングによってほぼ密閉された空間に設置される構成の、回転子の冷却性能の向上は図られていない。この技術を車両用交流発電機に用いた場合、固定子コイルの冷却は行われるが回転子の冷却が十分に行なわれないため、界磁コイルの内部抵抗は増大し、十分な界磁が行われず、出力を十分に得ることが出来ない。
【００１０】
本発明の目的は、回転子の表面と回転子の熱が伝わる伝熱面との間隙が大きくても、界磁コイルの冷却性能を向上させて発電中に出力を十分に出し、加工、部品コスト及び組立コストの低減を図ることができる車両用交流発電機を提供し得ることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、固定子鉄心に固定子コイルが巻装されてなる固定子と、回転軸に磁極鉄心が嵌合されてなる回転子と、磁極鉄心を磁化する界磁コイルと、整流器と、電圧調整器と、回転子を軸受を介して支持するブラケットによって構成され、前記回転子の表面と前記回転子の熱が伝わる伝熱面とで閉じられた空間に乱流を発生させる部材を設けることにより達成される。
【００１２】
また、前記の車両用交流発電機は、固定子外周のハウジングもしくは回転子を軸受けで支持するブラケットに冷媒流路を備えた液冷式である。
【００１３】
さらに、乱流を発生させる部材は、具体的には一つ又は複数の凹凸を有する部材、又は突起を設ける。また、これらは鉄、アルミニウム等の金属材料、樹脂、焼結材料を用いる。これら乱流を発生させる部材は、閉じられた空間の流れに乱れを発生させ流体を十分に混合させるので回転子表面及び前記ブラケットの伝熱面の熱伝達を向上させると共に、その間の熱通過を促進する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例である液冷式車両用交流発電機の構成を示す縦断面図である。
【００１５】
本発明は冷媒としては水、油等、さまざまな冷媒を用いることができるが、以下実施例ではエンジン冷却水を冷媒として用いている。図１において、回転軸１には、プーリ２と、回転子磁極鉄心３（図のように回転子の界磁コイルを囲む爪の部分）、回転子鉄心４、スリップリング５ａ、５ｂが固着されている。なお、回転子磁極鉄心３と回転子鉄心４は同一部材で構成されている。回転子鉄心４の周りには界磁コイル６が巻装される。回転子２１は、回転子磁極鉄心３と、回転子鉄心４、および界磁コイル６から構成される。界磁コイル６は、スリップリング５ａ、５ｂを介して外部電源と電気的につながっている。なお、スリップリング５ａ、５ｂにはそれぞれブラシ１３ａ、１３ｂが回転自由に接触している。
【００１６】
回転子２１の外周には、あるエアギャップを持って固定子鉄心７が配置されている。固定子鉄心７には固定子コイル８が巻装されており、固定子鉄心７よりはみ出た部分（以下コイルエンドと呼ぶ。）８ａ、８ｂが存在する。
【００１７】
固定子鉄心７の外周にはハウジング１０が配置されており、ハウジング１０内には、冷却水流路１７が設けられている。固定子鉄心７はハウジング１０に挿入され、固定子鉄心７外周部とハウジング１０内周部とは接触している。
【００１８】
固定子鉄心７を支持するハウジング１０は、前ブラケット９と後ブラケット１８によって篏合支持されている。また、前ブラケット９に設けられた前軸受１１と、後ブラケット１８に設けられた後軸受１２とにより、回転軸１は回転可能な状態に支持される構成となっている。すなわち、回転子２１は、前ブラケット９と、後ブラケット１８及び、ハウジング１０とによって形成される密閉空間内に設けられる構成となっている。
【００１９】
なお、回転子２１には、その軸方向両サイドに、回転軸1の軸心と同心円状に複数のある高さを持ったリング（以下回転ディスクと呼ぶ）１９ａ、１９ｂが設けられている。回転ディスク１９ａ、１９ｂに対向する前ブラケット9及び後ブラケット１８の内面には、前記回転ディスク１９ａ、１９ｂ同様、回転軸1の軸心と同心円状に複数のある高さを持ったリング（以下固定ディスクと呼ぶ）２０ａ、２０ｂが、あるエアギャップを介して回転ディスク１９ａ、１９ｂと噛合うように固着される。
【００２０】
この構成により、回転軸１が回転したときに回転子２１は一体となって回転し、回転ディスク１９ａ、１９ｂも同様に回転する。この時、回転ディスク１９ａ、１９ｂは固定ディスク２０ａ、２０ｂとあるエアギャップを保ちながら回転するので、固定ディスク２０ａ、２０ｂと接触せずに回転できる。
【００２１】
図２(a)は、回転ディスク１９ａ、１９ｂと固定ディスク２０ａ、２０ｂの拡大図と、図２(b)は、そのＡ−Ａ断面図である。
【００２２】
回転ディスク１９ａ、１９ｂと対向する固定ディスク２０ａ、２０ｂの伝熱面には、突起２２が設けられている。この突起２２は、回転ディスク１９ａ、１９ｂと固定ディスク２０a、２０ｂで形成される空間で、回転ディスク１９ａ、１９ｂの回転により発生する空気流に乱流を発生させるために設けた乱流発生部材である。整流器１４と固定ディスク２０ｂとの間には、後ブラケット１８に設けられた冷却水流路が存在し、整流器１４で発生した熱が固定ディスク２０ｂに影響を与えないようになっている。なお、図２では、乱流を発生させる乱流発生部材は突起２２であるが、それに相当する凹部でもよい。重要なことは空気流れをディスク表面から剥離させ、さらに、剥離した空気流れをディスク表面に再付着させることである。これが達成される形状であれば、凹凸に限らず何でもよい。材質も任意である。但し、金属の方が凹凸部も冷却部に出来るため好ましい。
【００２３】
次に、本実施例の動作について説明する。エンジン（図示せず）が起動を始めると、車両から冷却水が供給されると共に、回転軸１が回転する。バッテリ(図示せず)の充電量が不足すると、発電を開始し、ブラシ１３ａ、１３ｂ及びスリップリング５ａ、５ｂを介して界磁コイル６に励磁電圧が供給され、回転子磁極鉄心３が励磁される。エンジンからの駆動力が、プーリ２を介して回転軸１に伝達されているので、回転子磁極鉄心３が、固定子コイル８の中で回転する。すると、固定子コイル８をよぎる磁束が変化するため、固定子コイル８には誘導起電力が発生する。発生した電流は交流であるから、整流器１４により直流に変換され車両に供給される。
【００２４】
車両の電気負荷の大きさに応じて、電圧調整器１５が働き、界磁コイル６に供給される励磁電圧が調整され、適切な発電量が保たれる。界磁コイル６と、固定子コイル８と、整流器１４と、電圧調整器１５とは、運転中に発熱を伴うが、それらは、その機能を維持するために、一定温度以下に保つ必要がある。発電中に出力を十分に出すためには、界磁電流を十分流さなくてはならない。しかし、界磁コイル６に電流を流すと、界磁コイル６の内部抵抗によって界磁コイル６自体が発熱する。界磁コイル６が発熱し温度が上昇すると、界磁コイル６の内部抵抗はさらに増大し、十分な界磁が行われず、出力を得られないため、界磁コイル６の冷却は重要である。
【００２５】
そのため、前述の構成とすることによって、界磁コイル６で発生した熱は、回転子２１、回転ディスク１９ａ、１９ｂ、空気層２３、固定ディスク２０ａ、２０ｂ、前ブラケット９、後ブラケット１８、冷却水の順に伝達される熱経路を作ることができ、界磁コイル６の熱は冷却水へ放熱される。このとき、固定ディスク２０ａ、２０ｂと回転ディスク１９ａ、１９ｂ間の空気層２３には、回転ディスク１９ａ、１９ｂが回転することにより空気の粘性によって空気の対流が発生すると共に、固定ディスク２０ａ、２０ｂの伝熱面に突起２２を設けることにより、突起２２の下流領域に流れの乱れが発生し熱伝達率が増加する。なお、この突起２２が無い場合は、空気の流れは層流となり、ディスク近傍の空気はディスク面と略同じ速度で回転し、熱の伝達を妨げるように働く。これによって、回転ディスク１９ａ、１９ｂから固定ディスク２０ａ、２０ｂへの伝熱性能は回転ディスク１９ａ、１９ｂの回転数の増加と共に向上し、界磁コイル６を更に冷却することが出来る。
【００２６】
突起２２が無い場合（従来方式）と本実施例の冷却性能の比較を、図３及び図４を参照して説明する。図３は一組の場合の回転ディスク１９ａ、１９ｂと固定ディスク２０ａ、２０ｂの噛み合わせの拡大図とそのＢ−Ｂ断面図である。
【００２７】
回転ディスク１９ａ、１９ｂと対向する固定ディスク２０ａ、２０ｂの伝熱面には突起２２(高さ２ｍｍ)が設けられている。回転ディスク１９ａ、１９ｂの外径８０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍ、高さ１０ｍｍ、材質がアルミニウムとした場合の、回転ディスクから固定ディスク間の冷却性能を示す熱抵抗Ｒの計算結果を図４に示す。
【００２８】
従来方式（突起２２が無い場合）では、熱は回転ディスクから固定ディスクへ間隙の空気層２３を介して主に伝導で伝わる。このため、図４に示すように間隙Ｇが小さい程熱抵抗Ｒは小さくなり、回転ディスクの回転数を増加させてもほとんど変化しない。また、加工精度や組立性を考慮すると、実用上の間隙Ｇは１ｍｍ程度となり、熱抵抗Ｒを小さくするためには、伝熱面積を増加できる多重リング構造となり加工や部品コストが高くなる。
【００２９】
本実施例の方式は、ディスクの伝熱面に突起２２を設けることにより、突起２２の下流領域に流回転子の表面と回転子の熱が伝わる伝熱面との間隙が大きくても、乱れを発生させることが出来、熱伝達率を増加出来る。熱は、回転ディスクから固定ディスクへ主に熱伝達で伝わるため、熱抵抗Ｒは間隙Ｇの大きさに関係なく回転数に依存する。このため、車両用交流発電機の出力を得るために回転数を増加させる程、熱抵抗Ｒは小さくなる。このため、冷却性能が向上し、従来方式との差が顕著となる。
【００３０】
なお、本実施例によれば突起２２の高さは０．５〜３ｍｍ、回転ディスクの厚さは０．５〜２ｍｍ、回転ディスクの高さは５〜２０ｍｍ、間隙Ｇは０．５〜３ｍｍが望ましい。以上のように、回転子の表面と回転子の熱が伝わるブラケットの伝熱面とで閉じられた空間において、回転子からブラケット側へ伝える伝熱面に突起を設けることにより、回転子の側の伝熱面とブラケット側の伝熱面の空気層に回転子の回転に伴い対流が発生し、これと共に、突起部の下流領域に流れの乱れが発生し、回転子の回転数の増加とともに熱伝達率が向上する。このため、回転子側の伝熱面積と回転子の熱が伝わる伝熱面積を少なくすると共に、回転子側の伝熱面と回転子の熱が伝わる伝熱面との間隙を大きくすることが可能となる。これによって、加工、部品コスト及び組立コストの低減を図ることが出来る。また、回転子の回転数の増加と共に界磁コイルの冷却性能が向上するため、高出力、高効率を図ることができる。
【００３１】
さらに、回転子の表面と回転子の熱が伝わる伝熱面とで閉じられた空間、すなわち、回転子をブラケットやハウジング及びシールなどによってほぼ密閉された状態において、界磁コイルの冷却性能の向上を図ることが出来る。このため、ファンを用いた空冷の車両用交流発電機と比較して、騒音の低減と異物の侵入が防止でき、信頼性の向上が図られる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施例を、図５を用いて説明する。図５は第１の実施例の図２と同様、回転ディスク１９ａ、１９ｂと固定ディスク２０ａ、２０ｂの拡大図と、そのＡ−Ａ断面図である。第１の実施例と異なる点は、回転ディスク１９ａ、１９ｂと対向する固定ディスク２０ａ、２０ｂの伝熱面の両方に突起２２が設けられていることである。これにより、固定ディスク２０ａ、２０ｂと回転ディスク１９ａ、１９ｂ間の空気層２３には、回転ディスク１９ａ、１９ｂが回転することにより、空気の粘性によって空気の対流が発生するすると共に、突起２２の下流領域に流れの乱れが発生し、回転ディスクと固定ディスクの両方の伝熱面において熱伝達率が増加する。このため、更に回転ディスク１９ａ，１９ｂから固定ディスク２０ａ，２０ｂへの伝熱性能は向上する。本構成では、第１の実施例と同様の冷却効果を得られると共に、第１の実施例に比べて突起を作成する手間は増えるが、冷却効果は増加するものと考えられる。
【００３３】
次に、本発明の第３の実施例を、図６を用いて説明する。図６は、第１の実施例の図２同様、回転ディスク１９ａ、１９ｂと固定ディスク２０ａ、２０ｂの拡大図と、そのＡ−Ａ断面図である。第1の実施例と異なる点は、回転ディスク１９ａ、１９ｂの円周部の一部を切り欠いた、切り欠き部２４を設けた点である。本構成では、固定ディスク２０ａ、２０ｂに設けた突起により発生する乱流に加えて、切り欠き部２４の後流の乱れが促進し熱伝達率が増加するため、第１の実施例に比べて回転子２１の冷却効率が向上する。
【００３４】
次に本発明の第４の実施例を、図７〜図９を用いて説明する。図７は第１の実施例の図1同様、液冷式車両用交流発電機の構成を示す縦断面図である。第1の実施例と異なる点は、回転ディスク１９ａ、１９ｂと固定ディスク２０ａ、２０ｂを設ける代わりに、回転子２１の両端面に、図８及び図９に示すように、回転方向に発生する空気流を遮る方向に複数枚の羽根（突起）２３を設けると共に、回転子端面に対向する前ブラケット９及び後ブラケット１８にも同様に羽根（突起）２２を設けたものである。本実施例では、この突起の角度を回転方向に対して、略直角に設けているが、この角度は回転により発生する空気流を遮り、下流側に乱流を発生できる角度であれば良い。さらに、回転子磁極鉄心３の表面に凹部２５を設けてある。
【００３５】
本構成により、回転子２１の側面とブラケット９、１８間の空気層２３と回転子磁極鉄心３と固定子鉄心７の空気層２３には、回転子２１が回転することにより空気の粘性によって空気の対流が発生するすると共に、突起２２と凹部２５の下流領域に流れの乱れが発生し回転子２１の側面とブラケット９、１８の伝熱面及び回転子磁極鉄心３の表面と固定子鉄心７の伝熱面において熱伝達率が増加するため、回転子２１の側面からブラケット９、１８への伝熱性能及び回転子磁極鉄心３の表面から固定子鉄心７への伝熱性能は向上する。これより第１の実施例に比べて回転子の冷却効率が向上すると共に、回転ディスクと固定ディスクが無いため回転子２１の軸方向をコンパクトに出来る。
【００３６】
なお、以上の実施例において、ハウジング１０と前ブラケット９が一体となっていても良い。また、ハウジング１０と後ブラケット１８が一体となっていても良い。また、前ブラケットと固定ディスク２０ａが一体となっていても良く、後ブラケット１８と固定ディスク２０ｂが一体となっていても良い。また、回転子２１と回転ディスク１９ａ，１９ｂが一体となっていても良い。前ブラケット９と固定ディスク２０ａ、後ブラケット１８と２０ｂが別体のときは、固定ディスク２０ａ、２０ｂは鉄、アルミニウム等の金属や焼結金属及び樹脂によって成形しても良い。さらに、前ブラケット９と固定ディスク２０ａ、後ブラケット１８と２０ｂが一体のときは、アルミダイキャストで一体成形しても良い。
【００３７】
冷却水流路１７は、前ブラケット９や後ブラケット１８内に配置しても良い。突起２２は伝熱面に対して凹んでいても良い。回転ディスクと固定ディスク及び突起は、回転子２１の片側だけでも良い。なお、回転ディスクと固定ディスク及び伝熱面における突起の組み合わせは、空冷式や空冷式と液例式を組み合わせた車両用交流発電機、及びブラシレス式の車両用交流発電機に用いても良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば車両用交流発電機において、回転子の表面と回転子の熱が伝わるブラケットの伝熱面とを閉じられた空間に設け、更に乱流を発生させる部材を設けることにより、回転子の回転数の増加と共に熱伝達率が向上する。このため、回転子側の伝熱面積と回転子の熱が伝わる伝熱面積を少なくすると共に、回転子側の伝熱面と回転子の熱が伝わる伝熱面との間隙を大きくすることが可能となる。これによって加工、部品コスト及び組立コストの低減を図ることが出来る。また、回転子の回転数の増加と共に界磁コイルの冷却性能が向上するため、高出力、高効率を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による車両用交流発電機の全体構成の縦断面図。
【図２】本発明の第１の実施例による車両用交流発電機のディスク噛み合い部分拡大図及びその断面図。
【図３】本発明の第１の実施例によるディスク噛み合い部分の一例の熱抵抗を算出するためのディスク噛み合い部分拡大図及びその断面図。
【図４】本発明の第１の実施例によるディスク噛み合い部分の熱抵抗を示す冷却性能図。
【図５】本発明の第２の実施例による車両用交流発電機のディスク噛み合い部分拡大図及びその断面図。
【図６】本発明の第３の実施例による車両用交流発電機のディスク噛み合い部分拡大図及びその断面図。
【図７】本発明の第４の実施例による車両用交流発電機の全体構成の縦断面図。
【図８】本発明の第４の実施例による前ブラケットの断面及び側面図。
【図９】本発明の第４の実施例による回転子の断面及び側面図。
【符号の説明】
１…回転軸、２…プーリ、３…回転子磁極鉄心、４…回転子鉄心、５ａ、５ｂ…スリップリング、６…回転子コイル、７…固定子鉄心、８…固定子コイル、８ａ、８ｂ…コイルエンド、９…前ブラケット、１０…ハウジング、１１…前軸受、１２…後軸受、１３ａ、１３ｂ…ブラシ、１４…整流器、１５…電圧調整器、１７…後ブラケット内冷却水流路、１８…後ブラケット、１９、１９ａ、１９ｂ…回転ディスク、２０、２０ａ、２０ｂ…固定ディスク、２１…回転子、２２…突起、２３…空気層、２４…切り欠き部、２５…凹部。

Claims (2)

1. 鉄心に固定子コイルが巻装されてなる固定子と、この固定子を支持するハウジングと、このハウジングに支持された回転軸を支持さるブラケットと、前記ハウジングの内部に設けられた冷却水流路と、前記回転軸に磁極鉄心が嵌合されて前記磁極鉄心を磁化する界磁コイルとからなる回転子と、この回転子に回転的に接続され回転ディスクと、前記ブラケットに指示された固定ディスクとを備え、前記回転ディスクと前記固定ディスクとがエアギャップを介して噛み合った車両用交流発電機において、
   噛み合った前記回転ディスクと前記固定ディスクとで形成された空間であって、
   前記回転ディスク又は前記固定ディスクのどちらか一方の伝熱面に突起を設け、この突起により空気流れを前記両ディスクの表面から剥離させ、この剥離した空気流れを前記両ディスクの表面に再付着させることを特徴とする車両用交流発電機。
2. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
   前記乱流発生部材を凹部としたことを特徴とする車両用交流発電機。

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