WO2012001817A1

WO2012001817A1 - 車両用交流発電機

Info

Publication number: WO2012001817A1
Application number: PCT/JP2010/061349
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: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2013-01-02
Also published as: JPWO2012001817A1

Abstract

　車両用交流発電機は、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、を備える。回転子は一対のロータコアを有し、ロータコア(112R)は、界磁コイルが巻装される円筒部(112a)と、円筒部(112a)の軸方向両端面に対向するように配置された板状の端板部(112b)と、端板部(112b)から回転軸に平行に伸延する複数の爪磁極部(112c)と、を有する。爪磁極部(112c)のそれぞれは、爪磁極部外周面の回転方向後側の縁領域に、爪磁極部(112c)の内周側に向けて傾斜した傾斜面であるベベル(1120)を有し、ベベル(1120)の傾斜角度は１０deg以上１６deg以下に設定されていることを特徴とする。

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。

　一般に、車両用交流発電機は、ヨーク部、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コアを備えている（例えば、特許文献１参照）。車両用交流発電機においては、電機子巻き線に負荷電流が流れる時に発生する磁気的騒音が課題の一つに挙げられている。

　上述した特許文献１に記載の技術では、爪状磁極部の回転方向に対して前方側縁および後方側縁に面取りを設けて、磁気騒音の低減を図っている。その際に、後方側縁に面取りと前方側縁の面取りとの比率を所定の範囲とすることで、出力効率の低下を抑えるようにしている。

特許第３２６５９６７号公報

　ところで、近年、自動車用交流発電機に対する要請として、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。

　従来、磁気騒音対策のために上述のような面取りやベベル加工が知られているが、本発明では、ベベル加工によって爪磁極表面の渦電流損失が大幅に低減されることに着目し、上述した面取りに代えてベベル加工を行うとともにベベル加工の最適化を行うことで、効率および出力電流の改善を図るようにした。

　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の爪磁極部と、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の爪磁極部に対して周方向に交互に配置された複数の第２の爪磁極部と、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、第１および第２の爪磁極部のそれぞれは、爪磁極部外周面の回転方向後側の縁領域に、爪磁極部外周面から爪磁極部の内周側に向けて傾斜した傾斜面を有し、傾斜面の傾斜角度は１０deg以上１６deg以下に設定されていることを特徴とする。

　本発明によれば、効率および出力電流の改善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。整流回路１１の構成を示す図。ロータの半断面図。ロータコア１１２Ｒの外観を示す図。図４に示すロータコア１１２ＲのＡ－Ａ断面図。ベベルが無い場合と有る場合の効率を示す図。ベベル角度θ1と出力電流との関係を示す図。ベベル角度θ1を変化させたときの加振力を示す図。ベベル幅（％）を変化させたときの渦電流損失と出力電流とを示す図。ベベルの形状を示す図。爪磁極部１１２ｃの側面形状を示す図。他の実施形態を示す図。固定子巻線５を分散巻構造とした場合の概念図。分散巻構造とダブル三相構造を組み合わせた場合の概念図。固定子巻線５を分布巻構造とした場合の概念図。爪磁極部１１２ｃの断面図。爪間磁石１１２ｍの効果を説明する図。フェライト磁石およびネオジウム磁石の特質を比較して示した図。爪間磁石１１２ｍの有無による出力電流を比較する図。

　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２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。

　図３はロータ１１２の全体を示す図であり、上側半分を断面で示したものである。本実施の形態のロータ１１２は、ルンデル型回転子（爪状磁極型回転子）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磁極部１１２ｃとを有する。ロータコア１１２Ｆの爪磁極部１１２ｃとロータコア１１２Ｒの爪磁極部１１２ｃとは、所定の爪磁極間空隙を設けて周方向に交互に並んでいる。本実施の形態の形態では、ロータコア１１２Ｆ，１１２Ｒには爪磁極部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。

　円筒部１１２ａの外周と爪磁極部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。

　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磁極部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磁極部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。

　次に車両用交流発電機の効率について説明する。効率は出力電力と入力電力との比で表されるが、これは交流発電機の損失の大きさによって決まる。例えば、ハーフ負荷（定格電流の５０％の電流）時の出力電流を９０Ａ、出力電圧を１４Ｖとしたとき、効率が７６％であったとすると、以下に示すように損失は約３９８Ｗということになる。
　　　　　出力：１４Ｖ×９０Ａ＝１２６０Ｗ
　　　　　入力：１２６０Ｗ÷０．７６≒１６５８Ｗ
　　　　　損失：１６５８Ｗ－１２６０Ｗ＝３９８Ｗ

　車両用交流発電機の損失の内訳は、(1)整流損（整流ダイオードにおける損失）、(2)機械損、(3) 界磁銅損、(4) 鉄損（ロータの渦電流損失も含む）、(5)固定子銅損に分類される。本実施の形態では、これらの損失の内、渦電流損失の低減ができるロータコア形状を提供する。

　上述したロータにおける渦電流損失は、ロータコアの爪磁極（爪磁極部１１２ｃ）表面において偏磁（磁束密度の偏り）が生じることに起因している。負荷時には固定子コイルに流れる電流（誘起電圧による電流）によって磁界が生成される。この磁界は、回転子の磁界よりも９０度位相がずれており、爪磁極部１１２ｃのロータ回転方向後側においては磁束密度が増加し、爪磁極部１１２ｃのロータ回転方向前側においては磁束密度が減少する。そのため、爪磁極部１１２ｃの方面において磁束密度の偏り（偏磁）が生じることになる。偏磁が生じていない場合には、爪磁極部１１２ｃにおける磁界は正弦波的な分布になっているが、偏磁が生じた場合には、爪形磁極の回転方向下流側に磁界のピークが生じるように偏磁する。その結果、磁極表面付近に渦電流が生じて損失（渦電流損失）が発生する。

　そこで、本実施の形態では、この偏磁を緩和して磁束密度の均一化を図るために、ベベルと呼ぶ傾斜面を爪磁極部１１２ｃの外周面に形成して、固定子コア２１の内周面と爪磁極部１１２ｃの外周面との間の隙間間隔を大きくするような構成とした。この間隔が大きくなった部分では磁束密度が減少し、偏磁が軽減されることになる。

　図４は、ベベルが形成されたロータコア１１２Ｒの外観を示す図である。また、図５は図４のＡ－Ａ断面を示す図である。なお、Ａ－Ａ断面は、固定子コア２１の軸方向中央に一致する断面である。図４に示すように、爪磁極部１１２ｃの平面形状（外周方向から見た形状）は、図示上側（端板部１１２ｂの側）から図示下側の爪先端にかけて先細りに窄まった台形形状をしている。爪磁極部１１２ｃの回転方向後側の磁極表面１１２１（図５参照）には、角度の緩やかな傾斜面を成すベベル１１２０が形成されている。

　図５の断面図において、Ｂ0は磁極表面１１２１の幅寸法を示し、Ｂ1はベベル１１２０の幅寸法を示し、θ1はベベル１１２０の傾斜角度（以下ではベベル角度と呼ぶ）を示す。直線Ｌ1は爪磁極部１１２ｃの中央とロータコア軸心とを通る直線である。一方、直線Ｌ2は磁極表面１１２１のべベルの始点（中心から（Bo/2-Bi）離れた位置）における接線である。　すなわち、図５において、ベベル角度θ1は、ベベル１１２０を構成する傾斜面と直線Ｌ2（べベルの始点における接線）との成す角度である。図５に示す例では、ベベル角度θ1は、爪磁極部１１２ｃの先端側から根元側の全てにおいて同一角度に設定されている。そのため、ベベル加工が容易となり、生産性に優れている。

　以下では、ベベル１１２０の幅については幅寸法Ｂiを用いる代わりに、次式に示すようなベベル幅（％）を用いて説明する。この場合、ベベル１１２０の幅寸法Ｂiがベベル１１２０の幅寸法Ｂ0の半分となったときが、ベベル幅（％）＝１００％となる。
ベベル幅（％）＝Ｂi／（Ｂ0／2）×100＝（2Ｂi／Ｂ0）×100

　図４，５に示す例では、ベベル幅（％）はどの断面で考えても同一となっている。例えば、ベベル幅＝６０％の場合、図４のＡ－Ａ断面位置だけでなく、爪磁極部１１２ｃの根元付近でも先端付近でも等しく６０％と設定されている。

　なお、図５に示す例では、爪磁極部１１２ｃの断面幅が、爪磁極部１１２ｃの外周側と内周側とが等しい場合について示したが、内周側の幅寸法が小さくなるように内周側に絞ったような形状の爪磁極部（図１１（ａ））に対しても、本発明は同様に適用することができる。

　図６はベベルの有無による効率の違いを示す図であり、直線Ｌ11はベベル１１２０を形成した場合を示し、直線Ｌ12はベベル１１２０を形成しない場合を示す。ここでは、ベベル１１２０のベベル角度θ1を１２degとし、ベベル幅（％）を６０％としている。図６に示すデータは実測値を示している。後述の図７，８に示すデータは、３次元電磁界解析を用いて算出したものである。

　図６は、出力電流が定格電流の５０％の値での実測効率を示したものであり、回転数は１８００～１００００（r/min）の範囲とした。データを見ると、ベベル１１２０の有無に依らず、回転数が２０００～３０００（r/min）の間において効率がピークとなり、それ以降は回転数が増えるにつれて効率が下がっている。いずれの回転数範囲においてもベベル１１２０を形成した場合の方が効率が高く、１８００（r/min）では効率が約２％向上し、１００００（r/min）では約１０％の効率向上が得られた。高回転数ほど効率向上が大きい。このように、ベベル１１２０を形成することにより偏磁が緩和され、その結果、渦電流損失が低減し、効率の向上が図られている。もちろん、ベベルであればどのような形状のものでも良いというわけではなく、ベベル角度およびベベル幅（％）には最適な範囲がある。以下では、ベベル角度およびベベル幅（％）について説明する。

　図７は、ベベル角度θ1と出力電流との関係を示す図である。なお、回転数は１８００（r/min）とした。ここでは、ベベル幅（％）とベベル角度θ１の積を略一定としてある。すなわち一般的に言われているようにべベル角度が大きいときはベベルの幅を狭くし、ベベル角度が小さいときはベベルの幅を大きくしてある。その状態でベベル角度を変化させたときの出力電流をシミュレーション計算した。なお、図７においてベベルを形成しなかった部分の出力電流を直線で表示しベベル無と矢印で示している。図７では、ベベル角度θ1を９．５degから１１degまで変化させた場合の計算結果を示したが、その範囲内においては、いずれのベベル角度θ1においても、ベベル１１２０を形成したほうがベベルを形成しない場合よりも出力電流が大きくなっている。

　また、出力電流の変化の様子を見ると、１１deg付近に大きなピークが現れ、そのピーク位置よりもベベル角度が小さい場合には、ベベル角度の増加と共に出力電流が増加している。一方、ピーク位置を過ぎると、ベベル角度の増加と共に出力電流は減少し、１６degを越えた辺りからほぼ一定となる。

　この結果は、次のように考えることができる。ベベルを形成すると、その部分においては固定子コア内周面と爪磁極部１１２ｃの外周面（爪磁極面）とのギャップが拡がり、偏磁が改善されて渦電流損失が低下する。その結果、効率が向上して出力電流が増加する。一方、ギャップが広がると磁気回路の磁気抵抗が大きくなり、その分、誘導起電力が低下して出力電流を低下させることになる。

　図７のピーク位置よりもベベル角度θ1が小さな領域では、ベベル角度θ1の増加に対して磁気抵抗増加の影響よりも渦電流損失低下の影響の方が大きく、出力電流が増加傾向を示すことになると考えることができる。一方、ピーク位置よりもベベル角度θ1が大きな領域では、ベベル角度θ1を増加させた場合、磁気抵抗増加の影響よりも渦電流損失低下の影響の方が大きく、出力電流が低下傾向を示すことになると考えることができる。また、ベベル角度θ1が１６degよりも大きな領域においてほぼ一定となるのは、θ1＝１６deg付近で磁気抵抗増加の影響および渦電流損失低下の影響が飽和状態になり、それ以上ベベル角度θ1を大きくしても出力電流への影響が変化しないものと考えられる。このようなことから、図７に示すような出力電流のピークが発生する。

　ところで、上述した偏磁は加振力としても作用し、騒音の発生原因となる。図８は、図７の場合と同様にベベル角度θ1を変化させたときの、加振力の変化を示したものである。なお、回転数は１８００（r/min）とした。ベベル１１２０を形成しなかった場合の加振力をＸ軸に平行な直線で表しベベル無と矢印で示している。ベベル１１２０を形成しない場合には加振力は１６０００Ｐａであったが、ベベル１１２０を形成すると加振力は６０００Ｐａ以下へと大きく低下する。ベベル角度θ1＝１５～１６degにおいて加振力は最低となっており、そこから両端に近付くにつれて加振力は大きくなる。

　図７の結果から、より効率の向上を図るためには、ベベル角度θ1を１０deg以上１６deg以下の範囲が最適範囲となる。さらには、１１deg以上１２deg以下に設定するのが好ましい。なお、図４に示す例では、ベベル角度θ1を爪磁極部１１２ｃの先端から根元部分まで同一としたが、上述した最適範囲（１０deg以上１６deg以下）内の値において、先端から根元部分にかけて変化するようにしても良い。

　図７，８では、ベベル幅（％）を一定にしてベベル角度θ1を変化させた場合の、出力電流および加振力について示した。一方、ベベル角度θ1を一定とし、ベベル幅（％）を変化させた場合のシミュレーション結果を図９に示す。ここでは、ベベル角度θ1をθ1＝１２degとした。図９の曲線Ｌ21はベベル幅（％）と渦電流損失との関係を示したもので、曲線Ｌ22はベベル幅（％）と出力電流との関係を示したものである。なお、図９では、渦電流損失も出力電流も、ベベル幅＝０％の場合の値を基準とする百分率で表した。

　渦電流損失の場合（曲線Ｌ21）、ベベル幅（％）の増加と共に直線的に渦電流損失が低下する。ただし、ベベル幅＝４０％付近を境に直線の傾きが異なっている。一方、出力電流の場合（曲線Ｌ22）には、ベベル無から幅40%付近までは100%を超えてベベルの効果により出力電流が増える傾向にあるが、４０％を越えると出力電流が直線的に減少する。さらに、ベベル幅＝６０％を越えたところで曲線Ｌ22の傾きが変化している。ここでは、渦電流損失の低下が２０％以上となる範囲であって、かつ、出力電流の低下が９５％以下となるように、すなわち、ベベル幅（％）を３０％以上６０％以下に設定するのが好ましい。図１０の爪磁極部１１２ｃ(固定子中心位置)の幅との比で表現すると、その比を０．１５以上０．３以下に設定することになる。

　なお、上述した実施の形態では、図１０（ａ）に示すように、固定子コア２１の軸方向中央位置における断面だけでなく、爪磁極部１１２ｃの先端から根元までのいずれの断面においても同一のベベル幅（％）とした。図１０（ａ）に示す例では、ベベル幅＝５０％としている。しかしながら、ベベル１１２０の形状としては、図１０（ａ）のように同一比率とする場合の他に、図１０（ｂ）に示すように、爪磁極部１１２ｃの先端部分から根元部分までベベル１１２０の幅寸法を同一とするような形状でも良い。このような形状の場合、固定子コア２１の軸方向中央位置における比率をベベル幅（％）とする。図１０（ｂ）のベベル形状の場合には、固定子コア２１の軸方向中央位置において比率＝５０％となっているので、ベベル幅（％）は５０％であるとする。この場合にも、ベベル幅（％）は上述した最適範囲（３０％以上６０％以下）に設定される。

　また、図１０（ａ）に示すように爪磁極部先端から根元部にかけてベベル１１２０の幅寸法が大きくなる形状であって、各位置におけるベベル角度θ1が上述した最適範囲（１０deg以上１４．５deg以下）になるようにベベル１１２０を構成するようにしても良い。

　ところで、従来のルンデル型ロータでは、図１１（ａ）に示すように、各爪磁極部１１２ｃは、隣接する爪磁極部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、爪磁極部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の隣接する爪磁極部間の隙間寸法、すなわち、ロータコア１１２Ｆの爪磁極部１１２ｃとロータコア１１２Ｒの爪磁極部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、爪磁極部１１２ｃ間の漏れ磁束の増加を防ぐ意図で、爪磁極部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１１（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磁極部１１２ｃの断面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。実際に計算を行うと、本実施の形態のように爪磁極部１１２ｃの幅寸法を内外径で同一とした場合のほうが、絞り加工を施した場合に比べて１０%程度の出力向上が図れる。

　上述したように、本実施の形態では以下に記載のような効果を奏する。車両用交流発電機は、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、を備える。また、ルンデル型回転子は、界磁コイル１２が巻装された円筒部１１２ａと、円筒部１１２ａの軸方向両端面に対向するように配置された板状の端板部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磁極部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、前記複数の爪磁極部１１２ｃに対して周方向に交互に配置された複数の爪磁極部１１２ｃと、を有する。

　爪磁極部１１２ｃのそれぞれは、爪磁極部外周面の回転方向後側の縁領域に、爪磁極部１１２ｃの内周側に向けて傾斜した傾斜面としてのベベル１１２０を備えており、ベベル１１２０の傾斜角であるベベル角度θ1は、最適な出力電流を与える角度範囲である１０deg以上１６deg以下に設定される。その結果、図７に示すように、出力電流は、そのピークを含む最適範囲内の値となる。また、図８に示すように、効率も、ベベルを形成しない場合に比べて向上する。

　さらに、固定子４（すなわち固定子コア２１）の軸方向中央に対向する位置におけるベベル１１２０の幅と爪磁極部１１２ｃの幅との比率を、０．１５以上０．３以下、すなわち、ベベル幅（％）を３０％以上６０％以下に設定することにより、出力電流の低下を防止しつつ渦電流損失の低減を図ることができる。

　さらに、爪磁極部１１２ｃの幅を外周側から内周側まで等しく設定することで、すなわち、図１１（ｂ）に示すように、爪磁極部１１２ｃの側面７３の内周側にかけての絞りを廃止することで、出力向上を図ることができる。

　図１２は他の実施形態を示す図であり、上記実施形態のロータ１１２において、周方向に互いに隣り合った爪磁極部１１２ｃの間に爪間磁石１１２ｍを挿入し固定したものである。これを図３で説明した実施形態、すなわち周方向に互いに隣り合った爪磁極部１１２ｃの間を単に空間にしたものと比べた場合、爪間磁石１１２ｍを設けたことにより、図１７のように爪間磁石１１２ｍによる起磁力による磁束１３００が、通常の界磁コイルの起磁力によって発生される磁束にプラスされることになる。その結果、磁束量が増加して誘起電圧が増加し、出力が向上し、効率が向上するという効果が得られる。なお、図１７では、爪間磁石１１２ｍと爪磁極部１１２ｃとの間に磁性体板１２００を挟んだ構造としているが、磁性体板１２００を設けない構成も可能である。

　なお、この爪間磁石１１２ｍとしては、さまざまな種類の磁石を適用可能であるが、例えばネオジウム磁石やフェライト磁石を使用することが可能である。特に、フェライト磁石を使用することが好ましい。その理由は、ネオジウム磁石を使用した場合との比較を図１８に示す。ネオジウム磁石は保持力が大きいため、ロータ表面におけるスロット高調波による渦電流損失も大きい。そのためにロータ表面の温度が上昇し磁石の温度が減磁限界を超えるので、それを防止するためにグルーブ加工をしているが、磁束密度が高いために深さが０．５mm程度必要になる。また、そのために等価空隙が大きくなる。等価空隙の係数をカータ係数と称するが約１．４にもなる。

　一方、フェライト磁石の場合は、保持力が小さいこともありスロット高調波による渦電流損失も少ないため、グルーブ加工の深さも最大０．３mmで十分であり、等価空隙を表すカータ係数も１．３以下になる。従って、ネオジウム磁石の場合は保持力が高すぎてかえってグルーブを深くせざるを得ない。フェライト磁石の場合は適正な保持力であり、グルーブの深さも適正で加工も容易であり、生産性も向上する。また、ネオジウム磁石は密度が７．３～７．５であるがフェライト磁石の密度は４．８であり、磁石重量が軽いために図１７に示す磁石保持用の庇１１２２の厚みが薄くて済む利点がある。

　ここで、フェライト磁石とは、例えば次に示すような組成を有するものを指す。酸化鉄（Fe2O3）を約85％、酸化ストロンチュウム（SrO）を約10%、その他たとえばランタン(La)またはコバルト（Co）等を含んでいる酸化鉄系焼結磁石である。また、ベベル１１２０と同等の効果を得るために、グルービングを設けることも可能である。ベベル１１２０と同様に、ネオジウム磁石を使用した場合に比べて、保持力が約１/３～１/２と弱いため爪磁極表面の磁束密度がネオジウム磁石の場合に比し弱いためグルービングの深さを浅くすることができ、生産性向上や、材料の有効利用によるコスト低減が可能になるといった効果を得ることが可能である。

　図１３及び図１４を用いて、図１の固定子４に巻装された固定子巻線５の一例を説明する。ここでは、いわゆる分散巻コイルを用いたものを一例として説明する。図１３は、本発明の一実施形例をなす交流発電機の概念図を示す。交流発電機の一部を直線状に展開して示したものである。なお、ここでは回転子は符号１００１で示し、固定子は符号１００２で示す。

　回転子１００１には複数の回転子磁極１０１１が装備され、固定子１００２には固定子１００２の磁極を形成する複数のティース１０２１が装備されている。複数のティース１０２１にはＵ相コイル１０３１、Ｖ相コイル１０３２、Ｗ相コイル１０３３が巻かれている。ここで、Ｖ相コイルとはＵ相コイルを流れる交流電流に対して位相が１２０度遅れた（２４０度進んだ）交流電流が流れるコイルと定義する。また、Ｗ相コイルとはＵ相コイルを流れる交流電流に対して位相が２４０度遅れた（１２０度進んだ）交流電流が流れるコイルと定義する。回転子１００１は矢印で示した方向に回転する。

　実線で示したコイルは正巻き（ティースを内径側から見て時計方向巻き）されたコイルであり、点線で示したコイルは逆巻き（ティースを内径側から見て反時計方向巻き）されたコイルである。図１３に示す例では、正巻きのコイルを回転子から遠い位置に巻いているが、逆に、正巻きのコイルを回転子から近い位置に巻いても良い。

　図１３に示す固定子コイル構造は、２つの集中巻コイルを互いに電気角１８０度ずれた位置に２重に配置し、それぞれのＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル同士を直列に接続した構造になっている。言い換えれば、次のような構造になっている。固定子１００２が回転子１００１に空隙を介して配置され、電気角幅３６０度領域内に、同相のコイルターンによって形成される２つの固定子磁極１０９１，１０９２が配置されるようにコイルが巻回されている。そして、固定子磁極１０９１，１０９２を形成するそれぞれのコイルターンは、周方向角度幅が電気角１８０度よりも小さく、コイルターン同士が互いに重ならないように設けられているとともに、固定子磁極１０９１と固定子磁極１０９２とが互いに逆極性をなすように巻回されている。

　ここでは、２つの固定子磁極１０９１，１０９２をなすコイルターンは、互いに電気角１８０度ずらして設けられている。そして、Ｕ，Ｖ，Ｗの３つの相のコイルターンは、それぞれ電気角６０度ずつずらして配置されている。なお、Ｖ相コイルはＵ相コイルとは逆に巻回されているため、＋６０度－１８０度＝－１２０度となり、Ｖ相コイルはＵ相コイルよりも位相が１２０度遅れる。また、Ｗ相コイルは、Ｕ相コイルと同じ向きに巻くため、Ｕ相コイルよりも２×６０度＝１２０度だけ位相が進む。また、この実施例では、１つのコイルターンがなす電気角幅は１２０度であり、同相では２つのコイルターンで２４０度の領域、すなわち全体の２／３の数のティースに巻かれている。このようなコイルの巻き方を、分散巻と呼ぶことにする。

　このため、本実施形態における固定子コイルは、電気角３６０度以内に１つの集中巻コイルを設ける集中巻構造に比べて、回転子の磁束と鎖交する各コイルターンの回路面積が２倍であり、コイル利用効率は集中巻の２倍になっている。ティースに巻くコイルターン数を比較した場合、集中巻と同じ鎖交磁束を得るために必要なコイルターン数は、本実施形態の場合には集中巻の半分で済む。また、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各コイルは、集中巻に比べて２倍に分散されている。さらに、図１５に示す分布巻のように全てのティースにコイルが巻かれた構造ではなく、全体の２／３の数のティースにしか巻かれていない。そのため、集中巻や分布巻に比べて、コイルインダクタンスを低く抑えることができる。

　さらに本実施例は、集中巻に比べて、コイルが２倍に分散配置されており、Ｕ相コイル，Ｖ相コイル、およびＷ相コイルは半分程度重複しながら巻かれているので、電機子反作用は集中巻に比べて周方向に比較的なめらかに分布することになり、高次の電磁力高調波成分が低減された構造になっている。このため、集中巻に比べると、より静かな回転電機として機能できる。

　なお、図１３の例は、固定子ティースが電気角６０度毎に１本配置され、コイルターンが電気角度幅１２０度で巻回された構造であるが、固定子ティースを電気角３０度毎に１本配置し、コイルターンを電気角度幅で９０度、あるいは１２０度、もしくは１５０度で巻回した構造としても、同様の効果を奏することができる。

　図１４は、本発明の他の実施形態を示すであり、回転電機の概念図を示す。以下に述べる事項の他は、上記実施形態と同様である。図１４に示す例では、上記の分散巻構造とダブル三相構造を組み合わせた構造を成す。すなわち、図１３で示した巻線群を２つ設け、互いに位相をずらして配置したものである。

　図１４に示すように、固定子１００２において、ティース１０２１の本数を電気角３６０度あたり１２本にし、隣接するティース１０２１間の電気角位相差を３０度とする。そして、一方の三相交流系（三相系Ａ）の分散巻構造の三相交流系コイルを、ティース１０２１の半径方向外側の部分に配置し、他方の三相交流系（三相系Ｂ）の分散巻構造の三相交流系コイルを、ティース１０２１の半径方向内側の部分に配置するようにした。三相系Ｂは三相系Ａに対して電気角で３０度ずれた位置に配置され、三相系Ａに対して並列に接続される。三相系Ａ，Ｂともに各コイルは例えば４本のティースを束ねるように巻く。

　このように、固定子巻線として分散巻を採用するとともに、上記実施形態で説明したようにロータコア１１２Ｆ、１１２Ｒにベベル１１２０を設けることによって、図６に示したように大幅に効率が向上する効果が得られる。この場合、爪間磁石１１２ｍを設けなくても、同様の効果が得られる。

　さらに固定子巻線として、分散巻方式ではなく、図１５に示した分布巻方式のコイルを採用するとともに、爪間磁石１１２ｍを設け、さらに当該爪間磁石１１２ｍとしてフェライト磁石を採用することによって、図１９に示すように大幅に出力電流が増加する。この場合、ベベル１１２０を設けると、効率は分散巻を採用した場合と同様に向上する。また、上述した実施形態では３相の分散巻、分布巻の固定子を例として説明したが、相の数は３に限らず本発明を適用可能である。例えば、３相の巻線に、電気角で３０度ずらしてさらに３相を巻回した６相巻線や、また５相巻線などの特殊な形態であっても、上記と同様の効果が得られる。

　他の実施形態として、図１６に爪磁極部１１２ｃの断面図を示す。これは、爪磁極部１１２ｃの先端部の内側（界磁コイル１２側）に面取り１１２ｚを設けたものである。この面取り１１２ｚを設けることによって、爪磁極部１１２ｃの先端での磁気抵抗が高くなり、当該先端から隣接ずる他の爪磁極部１１２ｃなどに漏れる磁束を減少させることができる。その結果、効率を向上させることができる。また、先端の重量が減ることによって、高速回転時のコアの変形を軽減することができる。

　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：爪磁極部、１１２Ｆ，１１２Ｒ：ロータコア、１１２ｍ：爪間磁石、１１２０：ベベル

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の爪磁極部と、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の爪磁極部に対して周方向に交互に配置された複数の第２の爪磁極部と、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、
　前記第１および第２の爪磁極部のそれぞれは、爪磁極部外周面の回転方向後側の縁領域に、前記爪磁極部外周面から前記爪磁極部の内周側に向けて傾斜した傾斜面を有し、
　前記傾斜面の傾斜角度は１０deg以上１６deg以下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１に記載の車両用交流発電機において、
　前記固定子の軸方向中央に対向する位置における前記傾斜面の幅と前記爪磁極部の幅との比率を、０．１５以上０．３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２に記載の車両用交流発電機において、
　前記傾斜面の幅と前記爪磁極部の幅との比率を、前記爪磁極部の先端から根元部分において同一と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、
　前記傾斜面の傾斜角度を、前記爪磁極部の先端から根元部分において同一としたことを特徴とする車両用交流発電機。
　請求項１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、
　前記第１および第２の爪磁極部は、該爪磁極部の幅が外周側から内周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。
　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の爪磁極部と、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の爪磁極部に対して周方向に交互に配置された複数の第２の爪磁極部と、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、
　前記第１および第２の爪磁極部のそれぞれは、爪磁極部外周面の回転方向後側の縁領域に、前記爪磁極部外周面から前記爪磁極部の内周側に向けて１０deg以上１６deg以下の傾斜角度で傾斜した傾斜面を有し、
　前記固定子は、前記回転子の爪磁極が成す電気角３６０deg以内に、同相のコイルターンおよび固定子コアによって形成される固定子磁極が２つ配置されるようにコイルが巻回され、それぞれの固定子磁極を形成する前記コイルターンは周方向角度幅が電気角１８０degよりも小さいコイルターンであり、前記２つの固定子磁極を成す前記コイルターンが互いに重ならないように設けられているとともに、隣接する前記固定子磁極が互いに逆極性をなすように前記コイルターンが巻回されていることを特徴とする車両用交流発電機。
　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の爪磁極部と、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の爪磁極部に対して周方向に交互に配置された複数の第２の爪磁極部と、前記第１の爪磁極部と隣接する前記第２の爪磁極部との間の各々に配置されたフェライト磁石と、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、
　前記第１および第２の爪磁極部のそれぞれは、爪磁極部外周面の回転方向後側の縁領域に、前記爪磁極部外周面から前記爪磁極部の内周側に向けて傾斜した傾斜面を有し、
　前記傾斜面の傾斜角度は１０deg以上１６deg以下に設定されていることを特徴とする車両用交流発電機。
　周方向に設けられた複数の爪磁極および前記爪磁極間に配置されたフェライト磁石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、
　前記固定子は、前記回転子の爪磁極が成す電気角３６０deg以内に、同相のコイルターンおよび固定子コアによって形成される固定子磁極が２つ配置されるようにコイルが巻回され、それぞれの固定子磁極を形成する前記コイルターンは周方向角度幅が電気角１８０degよりも小さいコイルターンであり、前記２つの固定子磁極を成す前記コイルターンが互いに重ならないように設けられているとともに、隣接する前記固定子磁極が互いに逆極性をなすように前記コイルターンが巻回されていることを特徴とする車両用交流発電機。
　周方向に設けられた複数の爪磁極および前記爪磁極間に配置されたフェライト磁石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、
　前記固定子は、前記回転子の爪磁極が成す電気角３６０deg以内に、同相のコイルターンおよび固定子コアによって形成される固定子磁極が２つ配置されるようにコイルが巻回され、それぞれの固定子磁極を形成する前記コイルターンは周方向角度幅が電気角１８０degであり、前記２つの固定子磁極を成す前記コイルターンは、一方のコイルターンは０degから１８０degの間で巻き回され、他方のコイルターンは１８０degから３６０degの間で逆極性を成すように巻き回されていることを特徴とする車両用交流発電機。