WO2011151874A1

WO2011151874A1 - 車両用交流発電機

Info

Publication number: WO2011151874A1
Application number: PCT/JP2010/059200
Authority: WO
Inventors: 芳壽石川; 宮田　健治; 小山　貴之
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2012-11-30
Also published as: JPWO2011151874A1; US20130082564A1

Abstract

　界磁コイル(12)が巻装された円筒部(112a)と、該円筒部(112a)の軸方向両端面に対向するように配置された一対の板状の端板部(112b)と、一方の端板部(112b)から他方の端板部方向へと回転軸に平行に伸延する複数の爪部(112c)と、他方の端板部(112b)から一方の端板部方向へと回転軸に平行に伸延し、前記複数の爪部(112c)に対して周方向に交互に配置された複数の爪部(112c)と、を有するルンデル型回転子と、ルンデル型回転子の外周側に回転空隙を有して対向配置され、電機子コイルが巻装された積層鉄心を有する固定子と、を備えた車両用交流発電機であって、隣接する第１の爪部と第２の爪部との間の爪磁極間空隙寸法を、出力電流を最大とする爪磁極間空隙寸法を含む所定の最適空隙範囲に設定した。

Description

車両用交流発電機

　本発明は、乗用車、トラック等に搭載される車両用交流発電機に関する。

　近年、自動車用交流発電機に対して、小型化ならびに同一体格で発電能力の向上が求められている。即ち、小型で高出力の車両用交流発電機を合理的な価格で提供することが求められている。

　特許文献１に記載の車両用交流発電機では、円筒部、継鉄部、爪状磁極部を有するルンデル型鉄心を有した回転子を備えている。この特許文献１では、固定子鉄心の軸方向長さを回転子円筒部の軸方向長さよりも長くし、かつ、爪状磁極部の根元断面積を円筒部面積や継鉄部断面積より狭くしたものを提案している。このような構成とすることで、磁束の一部が継鉄から直接固定子鉄心に流入し、爪状磁極部の根元部断面積を小さくすることで界磁コイルのコイル断面を確保するようにしている。

特許第３３８１６０８号公報

　しかしながら、上述した特許文献１に記載の回転子鉄心のように、爪状磁極部の根元断面積を円筒部面積や継鉄部断面積より狭くする場合、爪状磁極部の根元部近傍での磁気飽和を考慮してより詳細に検討する必要があり、例えば、爪状磁極部の根元断面積を小さくし過ぎると爪状磁極根元において磁気抵抗が増大して飽和し、期待通りに出力電流の向上が図れなくなる。

　このように、車両用交流発電機では、いかにして出力電流の向上を図るかが課題となっている。このような背景から、本発明では、ルンデル型ロータを有する車両用交流発電機においてロータコア形状に改善を加えることにより、さらなる性能向上を図った。

　上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。　
　界磁コイルが巻装された円筒部と、該円筒部の軸方向両端面に対向するように配置された板状の第１および第２の端板部と、第１の端板部から第２の端板部方向へと回転軸に平行に伸延する複数の第１の爪部と、第２の端板部から第１の端板部方向へと回転軸に平行に伸延し、複数の第１の爪部に対して周方向に交互に配置された複数の第２の爪部と、を有するルンデル型回転子と、ルンデル型回転子の外周側に回転空隙を有して対向配置され、電機子コイルが巻装された積層鉄心を有する固定子と、を備えた車両用交流発電機であって、隣接する第１の爪部と第２の爪部との間の爪磁極間空隙寸法を、出力電流を最大とする爪磁極間空隙寸法を含む所定の最適空隙範囲に設定したことを特徴とする。

　本発明によれば、車両用交流発電機の出力電流の更なる向上を図ることができる。

車両用交流発電機１００の構成を示す断面図。ロータ１１２の外観斜視図。ロータ１１２の断面図。整流回路１１の構成を示す図。等価磁気回路を説明する図。爪部１１２ｃの外周面形状を示す図。磁気抵抗ｒ20および磁気抵抗ｒ21を説明する図。爪部１１２ｃの形状を説明する図。 φ128オルタネータ（１２極）における爪部形状とシミュレーション結果を示す図。爪部形状Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を示す図。 φ128オルタネータ（１２極）のシミュレーション結果を示す図。 φ139オルタネータ（１２極）のシミュレーション結果を示す図。 φ128オルタネータ（１６極）のシミュレーション結果を示す図。 φ139オルタネータ（１６極）のシミュレーション結果を示す図。Ｒ加工を施した場合の爪部１１２ｃの外周面形状を示す図。

　以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明の一実施の形態を示す図であって、車両用交流発電機１００の構成を示す断面図である。ロータ１１２が設けられたシャフト１８の先端にはプーリ１が取り付けられており、このプーリ１と不図示のエンジンの駆動軸に取り付けられたプーリとの間にはベルトが架け回されている。シャフト１８は、フロントブラケット１４に設けられたベアリング２Ｆと、リアブラケット１５に設けられたベアリング２Ｒとにより回転可能に支持されている。ロータ１１２と僅かなギャップを介して対向配置される固定子４は、フロントブラケット１４とリアブラケット１５によって挟持されるように保持されている。

　シャフト１８の後端には、界磁コイル１２に給電するためのスリップリング９が設けられている。界磁コイル１２を構成するコイル導体の両端は、シャフト１８に沿って延出し、スリップリング９に夫々接続されている。このスリップリング９に接触するブラシ８を介して、車両に搭載されたバッテリーから、磁界を発生するための電力が界磁コイル１２に給電される。

　ロータ１１２の回転軸方向の前後両端面には、外周側に複数の羽根を有するフロントファン７Ｆおよびリアファン７Ｒが取り付けられている。これらのファン７Ｆ，７Ｒはロータ１１２と一体的に回転し、内周側から外周側に空気を流通させる。なお、フロントブラケット１４側のフロントファン７Ｆは、リアブラケット１５側のリアファン７Ｒよりも羽根が小さく、流通させる空気の流量もフロントファン７Ｆは、リアファン７Ｒよりも少ない。

　固定子４は固定子コア２１と固定子巻線５とから構成され、ロータ１１２と僅かなギャップを介して対向配置されている。固定子コア２１は、フロントブラケット１４とリアブラケット１５によって前後から挟持されるように保持されている。固定子巻線５は三相巻線で構成されており、それぞれの巻線の口出し線は、整流回路１１に接続されている。整流回路１１はダイオード等の整流素子により構成され、全波整流回路を構成している。例えば、ダイオードを用いた場合、ダイオードのカソード端子はターミナル６に接続され、アノード側の端子は車両用交流発電機本体に電気的に接続される。なお、冷却のための風穴が設けられたリアカバー１０は、整流回路１１の保護カバーの役割を果たしている。

　図２および図３はロータ１１２を示す図である。図２は、ロータ１１２の外観斜視図であり、図３はシャフト１８の中心軸よりも上側を断面で示したものである。図３に示すように、本実施の形態のロータ１１２は、ルンデル型回転子（爪磁極型回転子）を構成している。磁性材料にて成形されたロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒは、シャフト１８と一体に回転するように、シャフト１８の回転軸方向の略中央部にそれぞれセレーション結合されている。フロント側のロータコア１１２Ｆとリア側のロータコア１１２Ｒとは、それぞれの円筒部１１２ａが向かい合って当接するようにシャフト１８に取り付けられ、各ロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒの外側端をシャフト１８に形成した環状溝内に塑性流動させることで、軸方向の移動が規制されている。なお、ロータコア１１２Ｒとロータコア１１２Ｆとは同一形状である。

　ロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒは、いずれも、界磁コイル１２が巻き回される円筒部１１２ａと、回転軸に垂直な端板部１１２ｂと、端板部１１２ｂの外周側端面に形成され、回転軸に対して平行に伸延している複数の爪部１１２ｃとを有する。図２に示すように、ロータコア１１２Ｆの爪部１１２ｃとロータコア１１２Ｒの爪部１１２ｃとは、周方向に交互に並んでおり、隣接する爪部１１２ｃとの間の間隔Ｇは爪磁極間空隙寸法と称される。ここでは、爪磁極間空隙寸法Ｇは、爪部１１２ｃの最外周面の縁と、隣接する爪部１１２ｃの最外周面の縁との距離を示す。本実施の形態の形態では、ロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒには爪部１１２ｃがそれぞれ６つ形成されており、ロータ１１２の極数は１２極になっている。

　図３に示すように、ロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒは、互いの円筒部１１２ａが対向するようにシャフト１８に取り付けられる。各ロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒの端板部１１２ｂに設けられた爪部１１２ｃは、他方のロータコア方向に伸延している。ロータコア１１２Ｆの爪部１１２ｃとロータコア１１２Ｒの爪部１１２ｃとは、ロータ周方向に交互に配置されている。

　円筒部１１２ａの外周と爪部１１２ｃの内周との間には、コイルボビン１７に巻装された界磁コイル１２が配置される。コイルボビン１７はロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒの円筒部１１２ａに外挿され、界磁コイル１２はコイルボビン１７の胴部に回転軸回りに巻装されている。ロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒと界磁コイル１２との間に介在するコイルボビン１７によって、界磁コイル１２の絶縁が保たれている。

　図４は、整流回路１１の構成を示す図である。本実施の形態の車両用交流発電機では、固定子巻線５は、３０度位相ずらしで設けられた第１巻線と第２巻線とを備えている。各巻線に対して、３相全波整流を行う整流回路１１がそれぞれ設けられている。各整流回路１１は、２つのダイオード１１１から成る直列回路を３組並列接続したものである。

　Ｕ，Ｖ，Ｗ相の固定子巻線５は３相Ｙ結線で接続されており、その反中性点側の端子は直列接続されたダイオード１１１の接続点に接続されている。上側（プラス側）のダイオード１１１のカソードは共通となっており、バッテリー９９のプラス端子に接続されている。下側（マイナス側）のダイオード１１１のアノードはバッテリー９９のマイナス端子に接続されている。

　なお、本実施形態では図４に示すようなダブルスター巻線を例に説明しているが、それ以外の巻線方式、例えば、シングルスター巻線、シングルデルタ巻線、ダブルデルタ巻線であっても、本発明は同様に適用することができる。

　次に、発電動作について説明する。上述したように、プーリ１とエンジン側プーリとはベルトで連結されており、エンジンの回転と共にロータ１１２が回転する。界磁コイル１２に電流が流れることでロータ１１２は磁化され、界磁コイル１２の周囲を周回する磁路がロータ１１２に形成される。一方のロータコアの爪部１１２ｃから出た磁束は、固定子コア２１に入った後に、他方のロータコアの爪部１１２ｃへと入る。そして、ロータ１１２が回転すると回転磁界が形成され、固定子巻線５に三相の誘導起電力が発生する。その電圧は上述した整流回路１１で全波整流され、直流電圧が発生する。この直流電圧のプラス側はターミナル６と接続されており、さらにバッテリー９９と接続されている。

　なお、詳細は省略するが、界磁コイル１２に供給される界磁電流は、整流後の直流電圧がバッテリー９９を充電するのに適した電圧となるように制御され、また、発電電圧が車両のバッテリー電圧より高くなったときに充電を開始するように、バッテリー９９の状態に応じて制御される。この発電電圧を調整するための電圧制御回路としてのＩＣレギュレータ（図示せず）は、図１に示したリアカバー１０の内部に配置され、ターミナル６の端子電圧が常に一定電圧となるように制御している。

　図５（ａ）は本実施の形態における等価磁気回路を示す図であり、図５（ｂ）は、爪部１１２ｃの外周面の、固定子コア２１に対向する領域を示す図である。爪部１１２ｃは端板部１１２ｂの外周に連結するように設けられているが、本実施形態では、爪部１１２ｃのこの連結部分における固定子コア対向面領域を符号Ｓ50で表し、その他の爪部１１２ｃの固定子コア対向面領域を符号Ｓ40で表すことにする。すなわち、符号Ｓ40の領域と符号Ｓ50の領域を合わせた領域が、爪部１１２ｃの固定子コア対向面領域を構成している。

　図６は、爪部１１２ｃの固定子側から見た形状（本実施の形態では、この形状を外周面形状と称する）に関して、従来の場合と本実施の形態の場合とを対比して示したものである。図６（ｂ）は本実施の形態における爪部１１２ｃの外周面形状を示したものであり、固定子側から見た爪部１１２ｃの平面図である。爪部１１２ｃの外周面形状は、爪部１１２ｃの伸延方向の端板側端端１１２０から爪部先端１１２１にかけて先細り形状を成している。すなわち、爪部１１２ｃの伸延方向に垂直な断面における周方向の幅寸法が、端板側端端１１２０から爪部先端１１２１にかけて減少するように、言い換えると、爪部１１２ｃの根元部分が端板側端部１１２０に近付くにつれて大きくなるように設定されている。そのため、図６（ｂ）に示す平面図では、爪部１１２ｃの外周面形状は台形状を成すことになる。なお、爪部伸延方向の寸法Ｌ１で示す部分の外周面が固定子コア２１と対向する部分であり、上述した固定子コア対向面領域である。符号１１２ｈで示す部分は面取り部分である。

　一方、従来のルンデル型回転子の爪磁極外周面形状は、図６（ａ）に示すような形状をしている。すなわち、爪部１１２ｃと端板部１１２ｂとが連結している部分が回転軸に沿って平行となるように形成されている。そのため、固定子コア対向面領域の面積（以下では、爪磁極表面積と称する）は、図６（ｂ）に示す爪部１１２ｃの方が、爪部１１２ｃと端板部１１２ｂとが連結している部分における２ΔＳに対応する分だけ大きくなっている。

　図５（ａ）に示す等価磁気回路において、円筒部１１２ａの磁気抵抗をｒ1とする。また、端板部１１２ｂ、および端板部１１２ｂと連結している爪部１１２ｃの根元領域を含む部分の磁気抵抗をｒ2とし、爪部１１２ｃの内で端板部１１２ｂよりも内側に突出している部分の磁気抵抗をｒ3とする。また、爪部１１２ｃの領域Ｓ40と固定子コア２１との空隙の磁気抵抗をｒ4とし、爪部１１２ｃの領域Ｓ50と固定子コア２１との空隙の磁気抵抗をｒ5とする。さらに、ｒ6は固定子コア２１の磁気抵抗である。このように、爪部１１２ｃから固定子コア２１に入る磁束は、領域Ｓ40を通って固定子コア２１に入る磁束と、領域Ｓ50を通って固定子コア２１に入る磁束とに分けて考える。

　図５（ａ）から分かるように、端板部１１２ｂから固定子コア２１までの磁気回路の合成磁気抵抗ｒ345、すなわち磁気抵抗ｒ2と磁気抵抗ｒ6との間の合成磁気抵抗ｒ345は、磁気抵抗ｒ3，ｒ4，ｒ5を用いて次式（１）のように表される。また、界磁コイル１２によって励磁される磁気回路の合計磁気抵抗は、ｒ1＋ｒ2＋ｒ345＋ｒ6のように表される。
　　　　１/ｒ345＝１/（ｒ3＋ｒ4）＋１/ｒ5
　　　　ｒ345＝ｒ5（ｒ3＋ｒ4）/（ｒ3＋ｒ4＋ｒ5）　　…（１）

　なお、磁気抵抗ｒ2については、図７に示す磁気抵抗ｒ20と磁気抵抗ｒ21との直列接続であるとして考える。図７は、端板部１１２ｂと爪部１１２ｃとの連結部分を詳細に示す図である。一つの爪部１１２ｃに関する磁路について、図７（ｂ）の一点鎖線で挟まれた領域を対応させて考える。さらに、一点鎖線で挟まれた領域において、２つの磁路断面積Ｓ20，Ｓ21を考える。そして、磁路断面積Ｓ20で代表される部分（すなわち、半径Ｄe／２よりも内側の部分）の磁気抵抗をｒ20とし、磁路断面積Ｓ21で代表される部分（すなわち、半径Ｄe／２よりも外側の部分）の磁気抵抗をｒ21とする。よって、図５（ａ）の磁気抵抗ｒ2は、次式（２）のように表される。
　　　　ｒ2＝ｒ20＋ｒ21 　　…（２）

　なお、磁路断面積Ｓ20，Ｓ21は、簡略的に次式（３），（４）で表される。Ｐは極数であり、Ｗは図７（ｂ）に示すように爪部１１２ｃの幅である。Ｘ2は、図６に示すように、端板部１１２ｂの厚さ寸法である。
　　　　Ｓ20＝Ｘ2 ・(πＤy/Ｐ/２+πＤe/Ｐ/２)/２　　…（３）
　　　　Ｓ21＝Ｗ・Ｘ2 　　…（４）

　本実施の形態では、車両用交流発電機の効率向上を図るために、三次元電磁界解析技術を利用してシミュレーションを行うことにより、ルンデル型回転子の形状について検討した。この三次元電磁界解析においては、固定子、ルンデル型回転子およびその周囲の空気層まで含めて、各部の磁束分布・磁束密度を考慮した適切な大きさの微小ブロック(解析学的には節点と要素で構成されている微小空間ブロックと称しているが一台の車両用交流発電機（オルタネータ）あたり数十万ブロックに分割)に分割して、その微小ブロックごとの磁気飽和の程度、透磁率、磁束密度を計算し、分布定数的に解析する方法が採用されている。

　体格を変えることなく出力電流の大きな車両用交流発電機を得るためには、ロータ１１２に関しては、界磁コイル１２により発生した磁束を効率的に固定子鉄心側に導いてより大きな誘起電圧を生じさせることが重要である。そこで、本実施の形態では、以下の（ａ）～（ｃ）に示す対策を施した。
（ａ）爪磁極間空隙寸法の最適化
（ｂ）爪部１１２ｃの形状（外周面形状）の改善
（ｃ）爪部１１２ｃの側面形状の改善

［ａ．爪磁極間空隙寸法の最適化］
　図５に示すようなロータ１１２の場合、磁束は爪部１１２ｃの外周面の領域Ｓ40，Ｓ50を介して固定子鉄心２１へと入り込む。周方向に並んだ複数の爪部１１２ｃは交互にＮ極、Ｓ極となっており、Ｎ極の爪部１１２ｃから出た磁束は固定子鉄心２１に入った後、Ｓ極になっている隣の爪部１１２ｃへと戻る。この爪部１１２ｃから固定子鉄心２１へ入る有効磁束は、固定子鉄心２１に対向する爪部１１２ｃの領域Ｓ40，Ｓ50の面積、すなわち爪磁極表面積に依存する。

　一方、領域Ｓ40，Ｓ50を大きくしようとして爪磁極間空隙寸法Ｇ（図２参照）を小さくすると、爪部１１２ｃから隣接する爪部１１２ｃへと磁束が入ってしまう漏れ磁束の影響が大きくなる。

　一般に、爪磁極表面積の増加は有効磁束を増加させ、逆に、漏れ磁束の増加は有効磁束の減少を招く。爪磁極表面積は、爪磁極外周面の形状を変更しない限り爪磁極間空隙寸法に依存する。本実施の形態では、爪磁極間空隙寸法をパラメータとして出力電流のシミュレーション計算を行い、出力電流がピークとなる爪磁極間空隙寸法、すなわち有効磁束が最も大きくなる爪磁極間空隙寸法を求めるようにした。

［ｂ．爪部１１２ｃの外周面形状の改善］
　本実施の形態では、爪部１１２ｃの伸延方向に垂直な断面における周方向の幅寸法Ｗ（図７（ｂ）参照）が、図６（ｂ）に示す爪部伸延方向の爪部先端１１２１から端板側端部１１２０にかけて増大するように設定されている。そのため、図６（ｂ）の平面図に示す爪部１１２ｃの外周面形状は、台形状となっている。このような形状とすることにより、爪磁極外周面から固定子コア２１へ入る有効磁束がより大きくなるようにしている。磁気抵抗で言えば、磁気抵抗ｒ4，ｒ5が小さくなるような形状としている。

［ｃ．爪部１１２ｃの側面形状の改善］
　従来のルンデル型回転子では、図８（ａ）に示すように、各爪部１１２ｃは、隣接する爪部１１２ｃに対向する２つの側面７３が、それぞれ外径側から内径側にかけて絞ったような形状となっている。各側面７３は、爪部１１２ｃの外径側および内径側の幅を等しくした場合（図８（ｂ）に示す場合）の側面位置からそれぞれ角度θだけ絞っており、２つの側面７３が成す角度は２θとなっている。例えば、１２極の場合には、爪部１１２ｃの側面７３を片側で１５deg絞っており、１６極の場合には１１．２５deg絞っている。

　このような形状とすることで、ロータ１１２の隣接する爪部間の隙間寸法、すなわち、ロータコア１１２Ｆの爪部１１２ｃとロータコア１１２Ｒの爪部１１２ｃとの間の隙間寸法を、外径側から内径側にかけて一定に保つような構成としている。これは、爪部１１２ｃ間の漏れ磁束の増加を防ぐ意図で、爪部１１２ｃ間の隙間が内径側に近づいても小さくならないような構造としたものである。

　しかしながら、本発明者による電磁界解析結果によれば、図８（ｂ）に示すように、内径側に向けての絞り加工（例えば、１２極機の場合の片側１５deg）を廃止して、外径側も内径側も同一幅寸法とすることで爪部１１２ｃの断面積を大きくしたほうが、出力電流増加に効果的であることが判明した。

（シミュレーション結果）
　図９，図１１～図１４は、上述した３項目（ａ）～（ｃ）に関するシミュレーション計算の結果を示したものである。一般的に、車両用交流発電機は、一部の例外を除き殆どφ128オルタネータおよびφ139オルタネータと通称される２系列に分けられる。この通称は固定子コア２１の外径に由来するものであり、φ128オルタネータの固定子コア外径はほぼ１２８ｍｍに設定されており、φ139 オルタネータの固定子コア外径はほぼ１３９ｍｍに設定されている。

　まず、φ128オルタネータについて説明する。ロータコアの具体的な寸法は、従来製造されているφ128オルタネータの代表的な設計定数を利用し、極数=１２極、Ｄy＝５４mm、Ｄs＝１７mm、Ｄr＝９９．４mm、δ＝０．３mmとする。また、端板部１１２ｂの厚みＸ2も、従来機と同じくＸ2＝１３．５mmとした。また、図５に示すＬy、Ｌsの値は、Ｌy=２６mm、Ｌs＝３４ｍｍとした。なお、φ128オルタネータと通称される車両用交流発電機における各寸法は、ほぼ上記の各寸法と同じである。そのため、φ128オルタネータと通称される車両用交流発電機であれば、以下に示すシミュレーション計算とほぼ同一の結果が得られる。

　図９は、本実施の形態におけるロータ１１２の爪部１１２ｃの形状、すなわち、上述の項目［ｂ．爪部１１２ｃの外周面形状の改善］、［ｃ．爪部１１２ｃの側面形状の改善］を考慮した場合の爪部１１２ｃの形状と、その場合のシミュレーション結果を示したものである。図９に示す爪形状Ｓ１は図６（ｂ）に示すような外周面形状を有し、さらに、爪側面形状については、図８（ｂ）に示すように爪部１１２ｃの内径側の幅と外径側の幅とが等しく設定されている。このような形状を前提として爪磁極間空隙寸法Ｇを変化させると、図９に示すようなシミュレーション結果（出力電流）が得られた。

　図９に示すシミュレーション結果（出力電流）は、爪形状Ｓ１において爪磁極間空隙寸法Ｇを変化させたときの出力電流を示す。計算結果によれば、爪磁極間空隙寸法Ｇを増加させると出力電流は増加し、Ｇ＝９ｍｍとＧ＝１０ｍｍとの間（約９．７ｍｍ付近）において出力電流がピークとなっている。そのピーク位置よりも大きい爪磁極間空隙寸法Ｇにおいては、爪磁極間空隙寸法Ｇが増加するにつれて出力電流が減少する。

　このような特性については、次のように考えることができる。爪磁極間空隙寸法Ｇが約９．７ｍｍよりも小さい領域では、爪磁極間空隙寸法Ｇを増加させたときに、漏れ磁束の減少による有効磁束の増加の方が、爪磁極表面積の減少による有効磁束の減少よりも大きく、出力電流が増加傾向を示す。一方、爪磁極間空隙寸法Ｇが約９．７ｍｍよりも大きい領域では、爪磁極間空隙寸法Ｇが大きいため漏れ磁束の影響が小さくなる。そのため、爪磁極表面積の減少による影響が支配的になり、有効磁束が減少し出力電流が減少する。

　さらに、爪部１１２ｃの形状を図９に示した爪形状Ｓ１だけでなく、図１０に示す爪形状Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４についても出力電流のシミュレーションを行った。図１１は、爪形状Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に対する出力電流のシミュレーション結果を示したものである。

　爪形状Ｓ２は、外周面形状が図６（ｂ）に示す形状であって、爪側面形状については図８（ａ）に示すように爪部１１２ｃの爪側面を内径側にかけて絞った形状となっている。また、爪形状Ｓ３の外周面形状は図６（ａ）に示す形状で、爪側面形状は図８（ｂ）に示す形状である。爪形状Ｓ４は従来の爪形状を示したものであり、図６（ａ）に示す外周面形状と図８（ａ）に示す爪側面形状とを組み合わせたものである。

　図１１に示すように、爪形状Ｓ２の場合、出力電流が全体的に爪形状Ｓ１の場合よりも小さくなり、出力電流曲線のピーク位置はＧ＝９ｍｍとＧ＝１０ｍｍの間にある。爪形状Ｓ１のように爪内径側への絞りを廃止した方が、絞りを設けた爪形状Ｓ２の場合に比べて全体的に出力電流が増加している理由としては、爪内径側への絞りを設けたことによる漏れ磁束の低減効果よりも、絞りを廃止したことによる磁束の通りやすさの向上（磁気抵抗ｒ3の低下）の方が上回っているものと考えられる。

　また、爪形状Ｓ２の場合のピーク位置は爪形状Ｓ１の場合に比べて若干左側に移動しているが、これは、爪内径側への絞りを設けたことにより爪内径側の隙間が大きくなり、漏れ磁束の影響が出てくる爪磁極間空隙寸法Ｇが左側へ移動したと考えられる。

　一方、爪形状Ｓ３の出力電流曲線と爪形状Ｓ４の出力電流曲線は、爪磁極間空隙寸法Ｇ＝９ｍｍとＧ＝１０ｍｍとの間で交差している。爪磁極間空隙寸法Ｇが交差点における寸法Ｇの値よりも小さい場合には、爪形状Ｓ３の出力電流よりも爪形状Ｓ４の出力電流の方が大きく、逆に、爪磁極間空隙寸法Ｇが交差点のＧよりも大きい場合には爪形状Ｓ３の出力電流の方が大きくなっている。このような特性に関しては、次のように考えることができる。

　すなわち、爪形状Ｓ３と爪形状Ｓ４とに関して爪磁極間空隙寸法Ｇが同一の場合を比較すると、爪形状Ｓ３は爪幅寸法が外径側と内径側とで等しいので、内径側の実際の空隙寸法は外径側の爪磁極間空隙寸法Ｇよりも小さくなっている。そのため、爪形状Ｓ３は、爪断面積および漏れ磁束が爪形状Ｓ４より大きい。すなわち、爪断面積が大きい分だけ爪断面積に起因する有効磁束は大きく、逆に、漏れ磁束が大きい分だけ漏れ磁束に起因する有効磁束は小さくなる。これらの差分＝（爪断面積の相違に起因する有効磁束の増加）－（漏れ磁束の相違に起因する有効磁束の減少）が正か負かによって、爪形状Ｓ３の出力電流と爪形状Ｓ４の出力電流との大小が決まることになる。

　爪磁極間空隙寸法Ｇが小さい領域では、漏れ磁束の影響が大きいので、爪断面積の相違に起因する有効磁束の増加よりも、漏れ磁束の相違に起因する有効磁束の減少の方が大きくなると考えられる。すなわち、差分＜０となり、爪形状Ｓ３の出力電流よりも爪形状Ｓ４の出力電流の方が大きくなる。一方、爪磁極間空隙寸法Ｇがある程度大きくなると漏れ磁束の影響が小さくなるので、漏れ磁束の相違に起因する有効磁束の減少よりも爪断面積の相違に起因する有効磁束の増加の方が大きくなると考えられる。すなわち、差分＞０となり、爪形状Ｓ４の出力電流よりも爪形状Ｓ３の出力電流の方が大きくなる。図１１に示すグラフでは、交差点（Ｇ＝９．２ｍｍ付近）で差分＝０となり、爪磁極間空隙寸法Ｇが交差点よりも小さいところでは差分＜０となり、逆に爪磁極間空隙寸法Ｇが交差点よりも大きいところでは差分＞０となっている。

　なお、爪部１１２ｃの外周面の形状が台形状である爪形状Ｓ１および爪形状Ｓ２の出力電流を比較すると、この場合には、爪側面が内径側に絞られていない爪形状Ｓ１の方が常に出力電流が大きく、図１１に示す爪形状Ｓ３，Ｓ４の出力電流のような逆転は生じていない。図２，５，６に示すように、台形状の爪部１１２ｃでは、従来形状のものよりも爪磁極表面積が２ΔＳだけ大きくなっている。そのため、爪形状Ｓ１，Ｓ２は爪磁極表面積が爪形状Ｓ３，Ｓ４に比べてより大きくなっており、有効磁束に対する漏れ磁束の影響がより小さくなっている。さらに、端板部の断面積が大きいため磁気抵抗が下がり、結果として磁束量が増加し有効磁束を増やすことに寄与している。その結果、爪部１１２ｃが台形状の場合には、図１１に示すような出力電流の逆転が起きていないものと考えられる。

　図１２はφ139オルタネータに関するシミュレーション結果を示したものである。φ139オルタネータの場合も、ロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒの各寸法は、従来製造されているφ139オルタネータの代表的な設計定数を利用し、極数＝１２極、Ｄy＝６０mm、Ｄs＝１７mm、Ｄr＝１０６．３mm、δ＝０．３５mmとする。また、端板部１１２ｂの厚さＸ2も従来機と同様にＸ2=１４．５mmとした。また、Ｌy=１５mmとし、Ｌs＝３４ｍｍとした。なお、φ139オルタネータと通称される車両用交流発電機における各寸法は、ほぼ上記の各寸法と同じである。そのため、φ139オルタネータと通称される車両用交流発電機であれば、以下に示すシミュレーション計算とほぼ同一の結果が得られる。

　φ139オルタネータの出力電流曲線も、φ128オルタネータの場合と同様の傾向を示している。すなわち、爪形状Ｓ１の出力電流は全体的に爪形状Ｓ２の出力電流よりも大きく、爪形状Ｓ３の出力電流曲線と爪形状Ｓ４の出力電流曲線とが交差している。

　爪形状Ｓ１，Ｓ２のいずれの場合も、出力電流のピーク位置はＧ＝９ｍｍとＧ＝１１ｍｍとの間にあるが、爪形状Ｓ２の出力電流がピークとなる爪磁極間空隙寸法Ｇは、爪形状Ｓ１の出力電流がピークとなる爪磁極間空隙寸法Ｇよりも小さい。このように、φ139オルタネータの場合も、爪部１１２ｃの外周面の形状が台形状である場合には、爪部１１２ｃの内径側にかけての絞りを廃止することにより、出力電流の向上を図ることができる。

　また、爪形状Ｓ３の場合と爪形状Ｓ４の場合とを比較すると、出力電流曲線の交差点の爪磁極間空隙寸法ＧはほぼＧ＝９ｍｍとなっている。そして、爪磁極間空隙寸法ＧがＧ＝９ｍｍよりも小さい場合には爪形状Ｓ４の出力電流の方が大きく、逆に、爪磁極間空隙寸法Ｇが交差点のＧよりも大きい場合には爪形状Ｓ３の出力電流の方が大きくなっている。

　図１３はφ128オルタネータで極数を１６極とした場合のシミュレーション結果を示し、図１４はφ139オルタネータで極数を１６極とした場合のシミュレーション結果を示したものである。いずれの場合も、本実施形態における爪形状Ｓ１の場合の出力電流と、従来の爪形状Ｓ４の場合の出力電流とを示す。

　図１３，１４に示すシミュレーション結果と図１１，１２に示す１２極の爪形状Ｓ１，Ｓ４のシミュレーション結果と比較した場合、爪磁極間空隙寸法Ｇが小さいところで出力電流の大小関係が逆転している点が異なっている。１６極は１２極よりも極数が多いため、同一の爪磁極間空隙寸法Ｇの場合には、１２極の方が爪部１１２ｃの幅寸法は小さくなる。そのため、爪磁極間空隙寸法Ｇが小さいところでの漏れ磁束の影響は、１２極の場合よりも大きくなる。さらに、爪形状Ｓ１の場合には爪側面を内径側にかけて絞っていないため、爪形状Ｓ４に比べて漏れ磁束の影響が出やすい。その結果、図１１，１２に示すように、爪磁極間空隙寸法Ｇが小さいところ出力電流の逆転が生じることになる。

　上述のように、ルンデル型回転子を備えた車両用交流発電機における有効磁束の向上に関して、爪磁極間空隙寸法を調整することによる漏れ磁束の大小と爪磁極表面積の大小とはトレードオフの関係になっている。そのため、本実施の形態では、爪磁極間空隙寸法を変化させた場合の出力電流に関して上述のように詳細なシミュレーション計算を行うことで、隣接する第１の爪部と第２の爪部との間の爪磁極間空隙寸法を、出力電流を最大とする爪磁極間空隙寸法を含む所定の最適空隙範囲に設定することが可能となった。上述のシミュレーション結果をまとめると、以下のようになる。

（爪磁極間空隙寸法）
　爪部１１２ｃの形状を変えずに爪磁極間空隙寸法Ｇのみを種々の値に変化させた場合、出力電流値がピークとなる寸法がある。そして、出力電流の最適範囲を大別すると、φ128オルタネータの１２極では８ｍｍ以上１１ｍｍ以下、φ139オルタネータの１２極では８ｍｍ以上１２ｍｍ以下となる。また、１６極の場合には、φ128オルタネータでは６ｍｍ以上８ｍｍ以下、φ139オルタネータでは６ｍｍ以上９ｍｍ以下となる。このように爪磁極間空隙寸法Ｇを設定することにより、爪形状Ｓ１～Ｓ４のいずれを採用した場合でも出力電流の向上を図ることができる。

（爪部１１２ｃの外周面形状）
　本実施の形態では、爪部１１２ｃの外周面形状として図６（ａ），（ｂ）に示す２つの形状について検討した。そして、出力電流に関して、爪形状Ｓ１と爪形状Ｓ３との対比と、爪形状Ｓ２と爪形状Ｓ４との対比とを行うことにより、図６（ｂ）に示すような外周面形状とした方がより大きな出力電流が得られることが分かった。

　爪部１１２ｃの側面形状を図８（ｂ）に示すように内径側と外径側とで幅寸法が等しい形状とした場合については、図１１，１２の爪形状Ｓ１の出力電流と爪形状Ｓ３の出力電流とを比較する。図１１に示すφ128オルタネータの場合も、図１２に示すφ139オルタネータの場合も、爪形状Ｓ１（台形状）の方が爪形状Ｓ３（従来形状）の場合よりも出力電流が大きくなっている。出力電流の増加量は爪磁極間空隙寸法Ｇによって若干異なるが、φ128オルタネータの場合には７Ａ～２０Ａ程度であり、φ139オルタネータの場合には３０Ａ～４０Ａ程度となっている。

　また、爪部１１２ｃの側面形状を図８（ａ）に示すような絞り形状とした場合には、図１１，１２に示す爪形状Ｓ２の出力電力と爪形状Ｓ４の出力電流とを比較する。絞り形状とした場合にも、台形状である爪形状Ｓ２の方が従来形状である爪形状Ｓ４の場合よりも出力電流が大きくなっている。出力電流の増加量は爪磁極間空隙寸法Ｇによって若干異なるが、φ128オルタネータの場合には３Ａ～８Ａ程度であり、φ139オルタネータの場合には２０Ａ前後となっている。

　なお、１６極については、爪形状Ｓ２，Ｓ３に関する出力電流の記載を省略したが、爪形状Ｓ１と爪形状Ｓ３との間の出力電流の関係、および爪形状Ｓ２と爪形状Ｓ４との間の出力電流の関係は、１２極の場合と同様である。

　このように、爪部１１２ｃの外周面形状に関しては、爪部１１２ｃの側面形状を絞り形状とするか否かに依らず、台形状とすることにより出力電流の向上を図ることができる。言いかえると、爪部１１２ｃの外周面形状が台形状となるように、爪部１１２ｃの伸延方向に垂直な断面における周方向の幅寸法を爪部伸延方向の爪部先端から端板側端部にかけて増大させ、爪根元部分の外周面の表面積を大きくするのが好ましい。

　なお、爪部１１２ｃの外周面形状を台形状とした目的は、磁束が通過する面である外周面の表面積を大きくすることにより出力電流の改善を図ることであり、加工しやすさ等を考慮すると台形状が好ましい形状である。ただし、台形状という範囲内において形状を変形しても良く、例えば図１５に示すようにＲ加工を施した場合も台形状の範囲に含める。その場合も、少なくとも固定子コア対向面領域は台形となるようにするのが好ましい。

（爪部１１２ｃの側面形状）
　爪部１１２ｃの側面形状と出力電流との関係については、すなわち、絞り形状の有無と出力電流との関係についてまとめると、以下のようになる。この場合、図１１，１２に示すように、爪部１１２ｃの外周面形状が台形状（爪形状Ｓ１，Ｓ２）であるか従来形状（爪形状Ｓ３，Ｓ４）であるかによって、出力電流の大小関係が異なっている。

　先ず、爪部１１２ｃの外周面形状が台形状である爪形状Ｓ１，Ｓ２の出力電流を比較する。φ128オルタネータおよびφ139オルタネータのいずれの場合においても、爪磁極間空隙寸法Ｇの値に依らず爪形状Ｓ１の出力電流の方が爪形状Ｓ２の出力電流よりも大きくなっている。すなわち、絞り形状としない方が出力電流は大きい。

　一方、爪部１１２ｃの外周面形状が従来形状である爪形状Ｓ３，Ｓ４の出力電流を比較すると、φ128オルタネータおよびφ139オルタネータのいずれの場合においても、出力電流の大小関係に逆転が生じることが分かった。図１１に示すφ128オルタネータの場合には、Ｇ＝９．２ｍｍとＧ＝９．４ｍｍとの間で出力電流曲線が交差し、交差位置よりも爪磁極間空隙寸法Ｇが小さい領域では絞り形状とした爪形状Ｓ４の方が出力電流が大きく、交差位置よりも爪磁極間空隙寸法Ｇが大きい領域では絞り形状でない爪形状Ｓ３の方が出力電流が大きい。また、図１２に示すφ139オルタネータの場合には、ほぼＧ＝９ｍｍで出力電流曲線が交差し、交差位置よりも爪磁極間空隙寸法Ｇが小さい領域では絞り形状とした爪形状Ｓ４の方が出力電流が大きく、交差位置よりも爪磁極間空隙寸法Ｇが大きい領域では絞り形状でない爪形状Ｓ３の方が出力電流が大きい。

　なお、上述した爪磁極間空隙寸法Ｇ、爪部１１２ｃの外周面形状、および爪部１１２ｃの側面形状の全てを考慮した場合には、φ128オルタネータ（１２極）およびφ139オルタネータ（１２極）のいずれの場合においても、爪形状を図１１に示す爪形状Ｓ１とし、爪磁極間空隙寸法を８ｍｍ以上１１ｍｍ以下に設定するのが好ましい。このような構成とすることにより、車両用交流発電機において、出力の更なる向上を図ることができる。

　上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

　４：固定子、５：固定子巻線、１１：整流回路、１２：界磁コイル、２１：固定子コア、１００：車両用交流発電機、１１２：ロータ、１１２ａ：円筒部、１１２ｂ：端板部、１１２ｃ：爪部、１１２Ｆ，１１２Ｒ：ロータコア、Ｇ：爪磁極間空隙寸法

Claims

　界磁コイルが巻装された円筒部と、該円筒部の軸方向両端面に対向するように配置された板状の第１および第２の端板部と、前記第１の端板部から前記第２の端板部方向へと回転軸に平行に伸延する複数の第１の爪部と、前記第２の端板部から前記第１の端板部方向へと回転軸に平行に伸延し、前記複数の第１の爪部に対して周方向に交互に配置された複数の第２の爪部と、を有するルンデル型回転子と、
　前記ルンデル型回転子の外周側に回転空隙を有して対向配置され、電機子コイルが巻装された積層鉄心を有する固定子と、を備えた車両用交流発電機であって、
　隣接する前記第１の爪部と前記第２の爪部との間の爪磁極間空隙寸法を、出力電流を最大とする爪磁極間空隙寸法を含む所定の最適空隙範囲に設定したことを特徴とする車両用交流発電機。
　請求項１に記載の車両用交流発電機において、
　前記車両用交流発電機は、極数１２のルンデル型回転子を備えた公称φ１２８の車両用交流発電機であって、
　前記最適空隙範囲を８ｍｍ以上１１ｍｍ以下に設定したことを特徴とする車両用交流発電機。
　請求項１に記載の車両用交流発電機において、
　前記車両用交流発電機は、極数１２のルンデル型回転子を備えた公称φ１３９の車両用交流発電機であって、
　前記最適空隙範囲を８ｍｍ以上１２ｍｍ以下に設定したことを特徴とする車両用交流発電機。
　請求項１に記載の車両用交流発電機において、
　前記車両用交流発電機は、極数１６のルンデル型回転子を備えた公称φ１２８の車両用交流発電機であって、
　前記最適空隙範囲を６ｍｍ以上８ｍｍ以下に設定したことを特徴とする車両用交流発電機。
　請求項１に記載の車両用交流発電機において、
　前記車両用交流発電機は、極数１６のルンデル型回転子を備えた公称φ１３９の車両用交流発電機であって、
　前記最適空隙範囲を６ｍｍ以上９ｍｍ以下に設定したことを特徴とする車両用交流発電機。
　請求項１乃至５のいずれか一項に記載の車両用交流発電機において、
　前記第１および第２の爪部の前記固定子に対向する外周面形状がそれぞれ台形状となるように、前記爪部の伸延方向に垂直な断面における周方向の幅寸法が、爪部伸延方向の爪部先端から端板側端部にかけて増大するように設定されていることを特徴とする車両用交流発電機。
　請求項６に記載の車両用交流発電機において、
　前記第１および第２の爪部は、該爪部の伸延方向に垂直な断面における周方向の幅寸法が、前記爪部の外径側から内径側まで等しく設定されていることを特徴とする車両用交流発電機。