WO2012059981A1

WO2012059981A1 - 車両用交流発電機

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Publication number: WO2012059981A1
Application number: PCT/JP2010/069514
Authority: WO
Inventors: 芳壽石川; 宮田　健治; 博洋床井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2013-05-02

Abstract

　車両用交流発電機は、Ｎ極用の爪磁極(112c)とＳ極用の爪磁極(112c)とが、爪磁極間空隙を介して回転方向に交互に複数設けられたルンデル型回転子(112)と、ルンデル型回転子(112)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、隣接する一対の爪磁極(112c)において、爪磁極間空隙を介して互いに対向する爪磁極側面は、爪磁極(112c)の軸方向一端である爪磁極先端から軸方向他端までの少なくとも所定領域において平行となっており、かつ、軸方向他端では、爪磁極(112c)の内周側における周方向幅寸法が外周側における周方向幅寸法以上に設定されている。

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。

　本発明の第１の態様によると、車両用交流発電機は、Ｎ極用の爪磁極とＳ極用の爪磁極とが、爪磁極間空隙を介して回転方向に交互に複数設けられた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、隣接する一対の爪磁極において、爪磁極間空隙を介して互いに対向する爪磁極側面は、爪磁極の軸方向一端である爪磁極先端から軸方向他端までの少なくとも所定領域において平行となっており、かつ、軸方向他端では、爪磁極の内周側における周方向幅寸法が外周側における周方向幅寸法以上に設定されている。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様の車両用交流発電機において、互いに対向する爪磁極側面は、回転子軸方向中央において平行となっているのが好ましい。
　本発明の３の態様によると、第２の態様の車両用交流発電機において、回転子軸方向中央において、爪磁極の内周側における周方向幅寸法が外周側における周方向幅寸法よりも小さく、かつ、爪磁極の両側面の成す角度が１２極回転子の場合には３０degであって、１６極回転子の場合には２２．５degであるのが好ましい。
　本発明の４の態様によると、第２または第３の態様の車両用交流発電機において、軸方向他端を少なくとも含む爪磁極根元においては爪磁極の両側面は平行状態であると共に、爪磁極根元よりも先端側であって回転子軸方向中央までは両側面の成す角度が連続的に変化し、かつ、回転子軸方向中央よりも先端側においては両側面の成す角度が一定に設定されているのが好ましい。
　本発明の５の態様によると、第２乃至４のいずれか一の態様の車両用交流発電機において、爪磁極は、爪磁極側面に加えて、固定子に対向する爪磁極外周面と回転子軸芯に面する爪磁極内周面とを有し、回転子軸芯に面する爪磁極内周面と回転子軸芯との角度に関して、爪磁極根元から回転子軸方向中央までの爪磁極内周面の角度をα、回転子軸方向中央から爪磁極先端までの爪磁極内周面の角度をβとしたとき、α＜βに設定するのが好ましい。

　本発明によれば、車両用交流発電機の出力の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。ロータコアの斜視図。整流回路１１の構成を示す図。等価磁気回路を説明する図。磁気抵抗ｒ20および磁気抵抗ｒ21を説明する図。爪部１１２ｃの外周面形状を示す図。爪部１１２ｃの形状を説明する図。爪形状Ｓ１および爪形状Ｓ２を示す図。爪形状Ｓ１，Ｓ２の場合のシミュレーション結果を示す図。爪形状Ｓ１，Ｓ２の場合のシミュレーション結果を示す図。従来のオルタネータの爪形状を説明する図。図１２のＡ１－Ａ１断面図およびＡ２－Ａ２断面図を示す図。ロータコア１１２Ｆの外観を示す斜視図。爪部１１２ｃを先端側から見た図。爪部１１２ｃの軸方向の断面を示す図。図１６のＡ１－Ａ１断面図およびＡ３－Ａ３断面図を示す図。爪部１１２ｃの側面の傾きを説明する図。爪部１１２ｃの側面の傾きの他の例を示す図。側面７３Ｂ，７３Ｃの境界を根元方向にずらした場合の図。側面７３Ｂ，７３Ｃの境界を先端方向にずらした場合の図。

　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。なお、以下の説明では、車両用交流発電機のことをオルタネータと呼ぶ場合がある。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２，３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である。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のポールコア極数は１２極になっている。

　なお、爪部１１２ｃの回転方向後側の外周面には角度の緩やかな傾斜面を成すベベル１１２５が形成されている。このベベル１１２５を設けることによって、回転中の磁気騒音低減や、爪部表面に生じる渦電流損失の低減を図ることができる。本実施の形態の車両用交流発電機の場合にはロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒにベベルが形成されているが、ベベルを有しない車両用交流発電機にも本発明は適用することができる。

　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。

　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６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６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６（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）に示す磁気抵抗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６（ｂ）に示すように爪部１１２ｃの幅である。Ｘ2は、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。

　全体的な寸法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）～（ｄ）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
　（ｃ－１）側面角度の改善Ａ（側面全体を平面とする）
　（ｃ－２）側面角度の改善Ｂ（側面に３次元構造を採用）
（ｄ）爪部１１２ｃの内周面形状の改善

［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。漏れ磁束の増加は有効磁束の減少を招く。このように、有効磁束の向上に関しては、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。

［ｂ．爪部１１２ｃの外周面形状の改善］
　爪磁極から固定子コア２１へ磁束を効果的に流入させるには、爪部１１２ｃの固定子コア２１と対向する部分である爪磁極表面の面積が大きい方が好ましい。そうすることで、図５の磁気抵抗ｒ4，ｒ5が小さくなる。そこで、本実施の形態では、爪部１１２ｃの根元部分の外周面面積がより大きくなるように、爪部１１２ｃの外周面形状を、図７（ａ）に示す従来の形状から、図７（ｂ）に示すような台形形状へと改善した。

［ｃ－１．爪部１１２ｃの側面形状の改善Ａ］
　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。

　このような構造とした背景には、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することで、爪部１１２ｃ間の漏れ磁束の増加を防ぐという意図があった。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た。

　しかしながら、図８（ａ）のように側面７３を絞る構造とすると、爪部１１２ｃの断面積減少することから、爪部根元から先端部へと流れる磁束に対して磁気抵抗が大きくなってしまうおそれがある。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）
　上述した項目（ａ），（ｂ），（ｃ－１）の考察を確認するために、図９に示す２つの爪形状Ｓ１，Ｓ２について出力電流のシミュレーションを行った。爪形状Ｓ１は従来の爪形状を示したものであり、外周面形状は図７（ａ）に示す形状であって、爪側面形状は図８（ａ）に示す形状である。一方、改善された爪形状Ｓ２は、図７（ｂ）に示す外周面形状と図８（ｂ）に示す爪側面形状とを組み合わせたものである。

　一般的に、車両用交流発電機（オルタネータ）としては、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。これらは、ロータおよびステータの大きさは異なるが、形状的にはほぼ同様の形状を有している。

　φ128オルタネータの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、Ｌy=２６mmとし、Ｌs＝３４ｍｍとした。

　また、φ139オルタネータのロータコアの具体的な寸法についても、従来製造されているφ139オルタネータの設計定数を利用し、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。

　図１０，１１は、爪形状Ｓ１，Ｓ２のそれぞれに関して磁極間空隙Ｇの寸法を変化させたときの、出力電流のシミュレーション結果を示したものである。図１０はφ128オルタネータの場合を示し、図１１はφ139オルタネータの場合を示す。図１０，１１からも分かるように、爪形状Ｓ２のように外周面形状を台形状にして表面積を増加させ、また、側面７３を平行にして爪断面積を大きくすることにより、出力電流が大きく向上ることが確認された。

　また、爪形状Ｓ１，Ｓ２に依らず、爪磁極間空隙寸法Ｇには最適な寸法があることが分かった。例えば、図１０に示す爪形状Ｓ１の曲線を見ると、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。

　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。

　本実施の形態では、上述した項目（ａ），（ｂ），（ｃ－１）に加えて、（ｃ－２）の側面角度の改善Ｂ（３次元構造の採用）および（ｄ）爪部１１２ｃの内周面形状の改善を施すことにより、従来では得られない出力向上を図ることができた。

　爪形状Ｓ１，Ｓ２に関する上述した説明では、一対の側面７３を平行として爪断面積を増加させることにより出力電流の改善を図ることができた。爪形状Ｓ１の場合、爪磁極間空隙の寸法は外周面においてはＧであるが、径方向内側においてはＧよりも小さくなっている。そのため、図１０，１１に示した結果は、一対の側面７３を平行としたときに、径方向内側における空隙寸法減少による漏れ磁束に起因する出力電流の減少よりも、爪断面積増加による出力電流の増加の方が大きいことを示している。

　ところで、爪形状Ｓ１においては、次の点が出力向上に対する阻害要因となっている。すなわち、爪形状Ｓ１では、爪部１１２ｃの根元から先端にかけて側面７３を平行としているため、爪部１１２ｃの内周側の部分において磁極間空隙が小さくなり、漏れ磁束が比較的大きくなる部分が生じる。

　図１２，１３は爪形状Ｓ２のオルタネータを説明する図である。図１２は、固定子コア２１およびロータ１１２の一部を示す断面図である。図１３（ａ）は図１２のＡ１－Ａ１断面図、図１３（ｂ）はＡ２－Ａ２断面図である。図１２に示すように、ロータ１１２はフロント側のロータコア１１２Ｆとリア側のロータコア１１２Ｒとを備えている。

　ロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒの形状は、図１２に示すようにロータ１１２の軸方向中央位置Ｌ２に関して対称となっている。ロータコア１１２Ｆの爪部１１２ｃはリア方向に向けて延在し、ロータコア１１２Ｒの爪部１１２ｃはフロント方向に向けて延在している。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おり、爪部１１２ｃの側面７３のハッチングを施した領域（以下、対向領域と称する）は、爪磁極間空隙を介して隣接する爪部１１２ｃの側面７３に対向している。爪部１１２ｃの径方向の厚さ寸法は根元部分が厚く、先端になるほど薄くなっている。そのため、側面７３の対向領域の径方向寸法ｈ１は、軸方向中央位置Ｌ２において最も大きくなっている。

　図１３（ａ）に示すＡ１－Ａ１断面図は軸方向中央位置Ｌ２における断面を示したものであり、図１３（ｂ）のＡ２－Ａ２断面図は図示右側の爪根元に近い部分を断面したものである。１２極のオルタネータの場合、隣接する爪部１１２ｃ同士の角度は３０degである。そのため、爪部１１２ｃの形状が上述した爪形状Ｓ２の場合には、隣接する爪部１１２ｃの対向する側面７３の成す角度は３０degとなる。その結果、Ａ１－Ａ１断面図から分かるように、爪磁極間空隙の幅（隙間寸法Ｗ２）は内径側に近づくほど狭くなっている。

　図１３（ｂ）に示すＡ２－Ａ２断面の場合には、図１２に示すように爪部１１２ｃの先端部分は隣接する爪部１１２ｃの根元部分と対向しているので、外周面に近い領域が対向領域となっている。そのため、対向領域における隙間寸法Ｗ２は外周面における爪磁極間空隙寸法Ｇとそれほど違わない寸法となっており、爪磁極間の漏れ磁束を抑えることができる。

　一方、図１３（ａ）に示すＡ１－Ａ１断面の場合には、内径側に近い部分Ｂにおける隙間寸法Ｗ２は、外周面における爪磁極間空隙寸法Ｇよりもかなり小さな値となっている。そのため、この部分における爪磁極間の漏れ磁束が無視できず、出力電流を低下させる要因になっている。そこで、本実施の形態では、爪部１１２ｃの側面形状に３次元構造を採用することにより、爪部１１２ｃの内周側（符号Ｂで示す部分）における漏れ磁束の低減を図るようにした。

　図１４～１６は、そのような形状を採用したロータコア１１２Ｆを示す図である。図１４はロータコア１１２Ｆの外観を示す斜視図である。図１５は、爪部１１２ｃを先端側から見た図である。図１６は爪部１１２ｃの軸方向の断面を示す図であり、（ａ）は本実施の形態の場合、（ｂ）は爪形状Ｓ２の場合（図９と同一）である。なお、リア側のロータコア１１２Ｒも、ベベル１１２５の位置が異なるだけで、その他の構成は図１４～１６に示したロータコア１１２Ｆと同様の形状を有している。すなわち、ベベル１１２５を形成しない場合には、ロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒは同一形状を有している。

　図１４～１６に示す爪部１１２ｃは、側面形状に応じて３つの部分に区分される。第１の部分は爪部１１２ｃと端板部１１２ｂとの接続部分である根元部１１２１、第２の部分は根元部１１２１とロータ１１２の軸方向中央位置Ｌ２との間の中間部１１２２、第３の部分は軸方向中央位置Ｌ２から先端までの先端部１１２３である。

　爪部１１２ｃをロータ１１２の軸心に垂直な断面で見た場合、図１５からも分かるように、根元部１１２１においては、２つの側面７３Ａは、どの断面においても平行状態となっている。中間部１１２２においては、根元部１１２１との接続位置Ｌ１では側面７３Ｂは平行になっているが、軸方向中央位置Ｌ２では側面７３Ｂの成す角度が３０degとなっている。すなわち、平行状態の場合と比べて１５deg傾いていることになる。そして、接続位置Ｌ１から軸方向中央位置Ｌ２までは、２つの側面７３Ｂの成す角度は平行状態から３０degまで一定の割合で変化している。また、先端部１１２３においては、軸方向中央位置Ｌ２から先端までのどの断面においても、２つの側面７３Ｃの成す角度は３０degとなっている。

　爪部１１２ｃの内周面は回転子軸芯に対して斜めに傾斜している。本実施の形態では、図１６（ａ）に示すように中間部１１２２の内周面１１２２ｅは角度θ１を成し、先端部１１２３の内周面１１２３ｅは角度θ３（＞θ１）を成している。一方、図１６（ｂ）に示す爪形状Ｓ２の場合には、爪部１１２ｃの内周面１１２ｅは、根元から先端まで一定の角度θ２を成している。角度θ１，θ３は、Ａ１－Ａ１断面における断面積が図１６（ｂ）に示す場合とほぼ等しくなるように設定される。そのように設定することで、軸方向中央位置Ｌ２で傾き角度を１５degとした場合でも、爪形状Ｓ２の場合と同程度の磁気抵抗に抑えることが可能となる。また、角度θ３は、爪磁極先端の厚みが爪形状Ｓ２の場合と同一となるように設定されている。そのため、θ１＜θ２＜θ３のような大きさになっている。

　図１７は、図１４～１６に示すロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒで構成されるロータ１１２の場合の、Ａ１－Ａ１断面図およびＡ３－Ａ３断面図を示す図である。Ａ３－Ａ３断面図は、爪部１１２ｃの中間部１１２２と根元部１１２１との接続位置Ｌ１での断面を示す。図１３（ａ）に示した断面図では、隣接する爪部１１２ｃの対向する側面７３（爪磁極間空隙を挟む側面）の成す角度は３０degとなっていたが、図１７（ａ）に示すＡ１－Ａ１断面図では、爪磁極間空隙を挟む２つの側面の傾き角度（平行状態からの角度）を、内周側の隙間が広がるように１５degずつ角度を変更している。すなわち、隣接する爪部１１２ｃの側面の成す角度それぞれ３０degとしたので、爪磁極間空隙の隙間寸法は外周側も内周側も等しくＧになっている。

　図１６（ａ）において、Ａ１－Ａ１断面位置である中間位置Ｌ２から接続位置Ｌ１に近付くにつれて、中間部１１２２の側面７３Ｂの成す角度は３０degから徐々に小さくなり、接続位置Ｌ１において平行状態となる。図１８，１９は爪部１１２ｃの側面の傾きを説明する図であり、縦軸は角度、横軸は軸方向の位置を示している。図１６（ａ）の場合、爪磁極間空隙を挟んで設けられた隣接する爪部１１２ｃの側面の傾き角度の和は、図１８（ａ）の一点鎖線で示すようにＡ１－Ａ１断面位置（中間位置Ｌ２）では３０degであって接続位置Ｌ１に近付くにつれて小さくなる。そして、接続位置Ｌ１およびそれよりも根元側では傾き角度の和は１５degとなっている。そのため、爪磁極間空隙の内周側の隙間寸法は、Ａ１－Ａ１断面位置（中間位置Ｌ２）ではＧであるが、その他の位置ではＧよりも小さい。

　なお、図１８（ａ）において、実線はロータコア１１２Ｆの爪部１１２ｃに関する側面傾きで、破線はロータコア１１２Ｒの爪部１１２ｃに関するものである。「（先端）」、「（根元）」はロータコア１１２Ｒの爪部１１２ｃの先端位置および根元位置を示している。

　このように、対向領域の面積が大きい中央位置Ｌ２付近において爪磁極間空隙がほぼ平行となるようにすることで、爪形状Ｓ２の場合に比べて爪磁極間のもれ磁束の影響を小さくすることができる。さらに、図１７（ａ），（ｂ）に示すように、中央位置Ｌ２における爪断面積が爪形状Ｓ２の場合の爪断面積とほぼ同一となるように、内周面１１２２ｅ，１１２３ｅの角度θ１，θ２を設定することにより、出力性能（出力電流）の更なる向上を図ることができる。すなわち、側面７３Ｂを内周側に絞るような形状とした場合でも、爪断面積を爪形状Ｓ２とした場合と同程度とすることができ、爪形状Ｓ２と同程度の磁気抵抗とすることができる。もちろん、θ１＝θ３＝θ２としても良く、上述したように図１３（ａ）の符号Ｂの部分の漏れ磁束の影響を低減できるので、出力向上を図ることができる。

　図１４～１７に示すような形状とすることにより、従来の爪形状Ｓ１の場合と比べて出力電流を１２５％程度まで向上可能なことがシミュレーション計算により分かった。例えば、φ139オルタネータの場合、爪形状Ｓ１の場合は１４０Ａ程度であり、爪形状Ｓ２のように改良した場合でも１７０Ａ程度であったが、本実施の形態の爪形状とした場合には１８０Ａ程度まで出力電流の向上を図れることが分かった。

　ところで、図１６（ａ）に示した例では、先端部１１２３の側面７３Ｃの傾き角度は、軸方向中央位置Ｌ１から先端までのいずれの位置においても１５degであるとしたが、図１８（ｂ）に示すように、先端にかけて徐々に傾き角度を大きくするようにしても良い。この場合、軸方向中央位置Ｌ２において側面７３の傾き角度が１５deg、すなわち２つの側面の成す角度が３０degとなるように、位置Ｌ１から先端まで一定の割合で側面７３の角度が変化している。先端位置における傾き角度はβ１degである。

　このような側面形状とすると、図１８（ｂ）からも分かるように、位置Ｌ１と位置Ｌ２との間においては、傾き角度の和は３０degとなるので、隣接する爪部１１２ｃの側面はこの範囲において平行状態となる。なお、図１８（ｂ）においてβ１＝３０degとすることで、爪部１１２ｃの先端部分まで、隣接する爪部１１２ｃの側面を平行状態とすることができる。

　図１９（ａ）は、爪部１１２ｃの根元側端部から先端にかけて、傾き角度を０degから１５degへと一定の割合で変化させた場合を示す。この場合、傾き角度の和が軸方向中央位置Ｌ２で３０degとなるように側面形状を設定する。そのため、先端位置における傾き角度はβ２となる。このような側面形状とすることにより、隣接する爪部１１２ｃの側面を、側面全体にわたって平行状態とすることができる。また、図１９（ｂ）のように角度を設定することで、軸方向中央位置Ｌ２を含む所定の範囲Ｈにおいて、対向する側面を平行状態とすることができる。

　なお、図１４～１６に示す例では、根元部１１２１の側面７３Ａの傾き角度を０degとしているが、断面形状において内周側の方が幅広の略台形となるように、側面７３Ａの傾き角度を設定してもよい。すなわち、根元部１１２１（図１９（ａ）に示す例では、根元側端部）では、爪部１１２ｃの内周側における周方向幅寸法が外周側（外周面）における周方向幅寸法以上に設定される。

　上述した実施形態では、ベベルの部分を除きロータコア１１２Ｆおよびロータコア１１２Ｒの形状が同一形状であって、ロータ１１２が軸方向中央位置Ｌ２に関して対称形状となっていたので、隣接する爪部１１２ｃの側面が平行となる領域は、軸方向中央位置Ｌ２または軸方向中央位置Ｌ２を中心とする所定領域であった。しかしながら、ロータ形状の軸方向対称性を満足しなくても良いのであれば、図１６（ａ）において、側面が平行となる位置を軸方向中央位置Ｌ２からずらすようにしても良い。その場合、平行となる位置が、ハッチングを施した領域の中央位置、すなわち最も領域径方向寸法が最も大きい位置から左右にずれる。そのため、軸方向中央位置Ｌ２を平行状態とした場合よりも出力電流は低下する。すなわち、出力電流は、側面が平行となる位置を軸方向中央位置Ｌ２とした場合にピークとなることが分かる。

　また、図１４，１５に示す例では、軸方向中央位置Ｌ２を側面７３Ｂと側面７３Ｃとの境界としているが、図２０，２１のように側面７３Ｂ，７３Ｃの境界を軸方向中央位置Ｌ２から根元方向および先端方向にずらした場合についても、出力電流を計算してみた。この場合も、出力電流は側面７３Ｂ，７３Ｃの境界を軸方向中央位置Ｌ２とした場合がピークとなり、境界を根元方向または先端方向にずらすと出力電流は減少することが分かった。図２０の場合も、図２１の場合も、軸方向中央位置Ｌ２を側面７３Ｂと側面７３Ｃとの境界とした場合に比べて１Ａ程度出力電流が低下した。なお、境界を根元方向または先端方向にずらすと、対向する側面が平行となる領域は存在しなくなる。

　（１）上述したように、本実施の形態の車両用交流発電機は、Ｎ極用の爪磁極である爪部１１２ｃとＳ極用の爪磁極である爪部１１２ｃとが、爪磁極間空隙を介して回転方向に交互に複数設けられたルンデル型回転子であるロータ１１２と、ロータ１１２の外周側に僅かなギャップである回転空隙を有して対向配置され、電機子コイルである界磁コイル１２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、隣接する一対の爪部１１２ｃにおいて、爪磁極間空隙を介して互いに対向する側面７３は、爪部１１２ｃの軸方向一端である爪磁極先端から軸方向他端までの少なくとも所定領域において平行となっており、かつ、軸方向他端では、爪部１１２ｃの内周側における周方向幅寸法が外周側における周方向幅寸法以上に設定されている。その結果、爪磁極の磁気抵抗を小さくすると共に磁極間漏れ磁束も小さくすることができ、出力向上を図ることができる。

　（２）ロータ１１２の軸方向の対称性を考慮すると、隣接する爪部１１２ｃの互いに対向する側面７３は、軸方向中央位置Ｌ２おいて平行となっているのが好ましい。

　（３）また、軸方向中央位置Ｌ２において、爪部１１２ｃの内周側における周方向幅寸法が外周側における周方向幅寸法よりも小さく、かつ、爪部１１２ｃの両側面の成す角度が１２極回転子の場合には３０degであって、１６極回転子の場合には２２．５degであるのが好ましい。

　（４）さらに、軸方向他端である根元側端部を少なくとも含む根元部１１２１においては爪磁極の両側面は平行状態であると共に、根元部１１２１よりも先端側であって軸方向中央位置Ｌ２までは両側面の成す角度が連続的に変化し、かつ、軸方向中央位置Ｌ２よりも先端側においては両側面の成す角度が一定に設定するようにしても良い。

　（５）また、回転子軸芯に対する爪部１１２ｃの内周面の角度に関して、爪磁極根元と回転子軸方向中央との間の内周面１１２２ｅの角度αをθ１、回転子軸方向中央と爪磁極先端との間の内周面１１２２ｅの角度βをθ３としたとき、θ１＜θ３に設定するのが好ましい。このように設定することで、軸方向中央位置Ｌ２における爪部断面積を、爪形状Ｓ２とした場合の爪断面積とほぼ等しくすることが可能となる。その結果、爪部１１２ｃの磁気抵抗が低減され、出力向上を図ることができる。

　なお、上述した実施形態では、（ｃ－２）の側面角度の改善Ｂ（３次元構造の採用）および（ｄ）爪部１１２ｃの内周面形状の改善の両方を実施した場合について説明したが、（ｃ－２）の側面角度の改善Ｂ（３次元構造の採用）のみを実施した場合においても、出力向上を図ることができる。すなわち、項目（ｃ－２）を実行することで出力向上が図れ、さらに項目（ｄ）を実行することで出力の更なる向上を図ることができる。

　上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。また、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。

Claims

　Ｎ極用の爪磁極とＳ極用の爪磁極とが、爪磁極間空隙を介して回転方向に交互に複数設けられた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、
　隣接する一対の前記爪磁極において、前記爪磁極間空隙を介して互いに対向する爪磁極側面は、前記爪磁極の軸方向一端である爪磁極先端から軸方向他端までの少なくとも所定領域において平行となっており、かつ、前記軸方向他端では、前記爪磁極の内周側における周方向幅寸法が外周側における周方向幅寸法以上に設定されてい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、
　前記互いに対向する爪磁極側面は、回転子軸方向中央において平行となっている車両用交流発電機。
　請求項２に記載の車両用交流発電機において、
　前記回転子軸方向中央において、前記爪磁極の内周側における周方向幅寸法が外周側における周方向幅寸法よりも小さく、かつ、前記爪磁極の両側面の成す角度が１２極回転子の場合には３０degであって、１６極回転子の場合には２２．５degである車両用交流発電機。
　請求項２または３に記載の車両用交流発電機において、
　前記軸方向他端を少なくとも含む爪磁極根元においては前記爪磁極の両側面は平行状態であると共に、前記爪磁極根元よりも先端側であって前記回転子軸方向中央までは前記両側面の成す角度が連続的に変化し、かつ、前記回転子軸方向中央よりも先端側においては前記両側面の成す角度が一定に設定されている車両用交流発電機。
　請求項２乃至４のいずれか一項に記載の車両用交流発電機において、
　前記爪磁極は、前記爪磁極側面に加えて、前記固定子に対向する爪磁極外周面と回転子軸芯に面する爪磁極内周面とを有し、
　回転子軸芯に面する爪磁極内周面と前記回転子軸芯との角度に関して、前記爪磁極根元から前記回転子軸方向中央までの前記爪磁極内周面の角度をα、前記回転子軸方向中央から前記爪磁極先端までの前記爪磁極内周面の角度をβとしたとき、α＜βに設定した車両用交流発電機。