Vehicle AC generator

【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、磁気騒音の低減に好適なステータコアを備えた車両用交流発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の車両用交流発電機は、年々高出力化のニーズが高まると共に、エンドユーザの高級指向化により騒音低減の要求も厳しくなっている。 従来の車両用交流発電機における騒音の発生源としては、ステータコアがある。 ステータコアから発生した磁気振動騒音は、直接ブラケットに伝播し、外部に騒音として発生している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のステータコアは、一体構造であるため、ステータコア内に発生した磁気振動騒音は、減衰することなく、外部に出るため、騒音レベルが大きいという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、騒音を低減することができる車両用交流発電機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、回転子と、一対のブラケットによって挟持された固定子とを有し、上記固定子を構成するステータコアは、薄板を積層した構造からなる車両用交流発電機において、上記ステータコアを構成する複数の薄板の内の少なくとも一部の薄板が、周方向に４分割以上に分割されて構成されるとともに、各層の分割部が周方向に向けて千鳥状に積層されているとともに、上記ステータコアは、上記フロントブラケット及びリヤブラケットとの勘合部において、環状の薄板から構成され、上記環状の薄板の厚みが、上記分割された薄板の厚みよりも厚くするようにしたものである。
かかる構成により、共振周波数を低減して、発生する騒音を低減し得るものとなる。
【０００６】
（２）上記（１）において、好ましくは、積層された薄板を締結固定若しくは溶接固定するとともに、その固定箇所を、分割数若しくは分割数の倍数の数としたものである。
【０００７】
（３）上記（２）において、好ましくは、上記固定箇所を、分割数の２倍若しくは３倍若しくは４倍としたものである。
【０００８】
（４）上記（１）において、好ましくは、上記分割された薄板の分割数を４分割乃至８分割としたものである。
【０００９】
（５）上記（４）において、好ましくは、上記分割された薄板の分割数を６分割としたものである。
【００１２】
【発明の実施形態】
以下、図１〜図６を用いて、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態に用いる車両用交流発電機の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態よる車両用交流発電機の全体構成を示す縦断面図である。
【００１３】
本実施形態の車両用交流発電機１００は、プーリ側に配置されるフロントブラケット１１０及び反プーリ側リアブラケット１１２からなる２個のブラケットを備えている。 両ブラケット１１０，１１２の中心部には、シャフト１２０がベアリングを介して支持され、シャフト１２０の一方の端部にはプーリ１２２が取り付けられ、もう一方の端部にはスリップリング１２４が取り付けられている。 プーリ１２２は、ベルトを介してエンジンの出力軸に接続され、エンジンの回転数に比例して回転する。 スリップリング１２４には、ブラシ１２６が摺動可能に取り付けられ、ブラシ１２６から後述する界磁巻線に電力を供給する。
【００１４】
また、シャフト１２０の中央部には、回転子（ロータ）１３０が取り付けられている。 回転子１３０の外周部には、爪形の形状を持つ一対の爪形磁極１３２が配置されている。 また、回転子の中心部には界磁巻線１３４が巻かれ、この界磁巻線１３４にスリップリング１２４から直流電流を流すことによって、爪形磁極１３２を磁化させる。
【００１５】
プーリ側フロントブラケット１１０と反プーリ側リアブラケット１１２の間には、固定子１４０が取付固定されている。 固定子１４０は、ステータコア１４２と、固定子巻線１４４とから構成されている。 ステータコア１４２のスロットに、固定子巻線１４４が巻回されている。 エンジンの駆動によって爪形磁極１３２が回転して磁化されると、固定子巻線１４４に３相の誘起電圧が発生する。 ここで、ステータコア１４２は、プレス打ち抜きによって成形された薄板を複数枚積層した後、固定されて構成されている。 例えば、ステータコア１４２の厚さＬを２６ｍｍとして、１枚の薄板のステータコアの厚さを０．５ｍｍとすると、５２枚の薄板を積層してステータコアが構成されている。 ステータコア１４２の両端部は、プーリ側フロントブラケット１１０と反プーリ側リアブラケット１１２にそれぞれ嵌合されている。 そのため、ステータコア１４２の両端の嵌合部は、プーリ側フロントブラケット１１０と反プーリ側リアブラケット１１２の内径とほぼ一致する寸法形状となっている。 嵌合部の寸法Ｌ１，Ｌ３は、例えば、それぞれ、５ｍｍであり、１０枚の積層された薄板の外径を切削加工により、プーリ側フロントブラケット１１０と反プーリ側リアブラケット１１２の内径とほぼ一致する寸法形状としている。
【００１６】
以上のように構成した車両用交流発電機１００において、エンジンの駆動によってプーリ１２２が回転すると、シャフト１２０はスリップリング１２４及び回転子１３０と一緒に回転し、ブラシ１２６からの直流電流が回転子内部の界磁巻線１３４に通電され、界磁巻線１３４は爪形磁極１３２のそれぞれの磁極にＮ極及びＳ極を構成するように動作する。 この界磁巻線１３４による磁束は、Ｎ極の爪形磁極の爪部から出たものが、ステータコア１４２を通りＳ極の爪形磁極の爪部に戻る磁気回路を形成する。 この磁気回路の磁束が固定子巻線１４４を差交することにより、固定子巻線１４４に３相の誘起電圧が発生する。 ３相の誘起電圧は、ダイオードにより全波整流され、直流電圧に変換されて、整流された直流電圧はＩＣレギュレータで電圧調整され、約１４．３Ｖ 程度の一定電圧に保たれる。
【００１７】
次に、図２を用いて、本実施形態による車両用交流発電機に用いるステータコア１４２の内の１層分のステータコアの構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機に用いるステータコアの内の１層分のステータコアの構成を示す斜視図である。
【００１８】
ステータコア１４２は、薄板をプレス打ち抜いて成形されたものを、複数枚積層して形成される。 図２は、１層分のステータコア１４２Ａを示している。 本実施形態においては、１層分のステータコア１４２Ａは、リング状のステータコアを、分割部ＤＡｕ，ＤＡｖ，ＤＡｗ，ＤＡｘ，ＤＡｙ，ＤＡｚにおいて円周方向に６分割された分割ステータコア１４２Ａ１，１４２Ａ２，１４２Ａ３，１４２Ａ４，１４２Ａ５，１４２Ａ６から構成されている。 各分割ステータコア１４２Ａ１，…，１４２Ａ６は、同一形状のものである。 従って、分割部ＤＡｕ，ＤＡｖ，ＤＡｗ，ＤＡｘ，ＤＡｙ，ＤＡｚを隣接させるようにして配置することにより、図示するように、元のリング状のステータコア１４２Ａとなる。
【００１９】
次に、図３を用いて、本実施形態による車両用交流発電機に用いるステータコア１４２の構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機に用いるステータコアの構成を示す斜視図である。
【００２０】
本実施形態によるステータコア１４２は、図２に示した１層分のステータコア１４２Ａを積層して形成される。 即ち、図３に示すように、１層分のステータコア１４２Ａ，１４２Ｂ，１４２Ｃ，１４２Ｄが積層される。 各ステータコア１４２Ｂ，１４２Ｃ，１４２Ｄの形状・寸法は、図２に示したステータコア１４２Ａと同一のものである。 なお、ステータコア１４２を構成するために積層される枚数は、通常数十枚であるが、ここでは、説明の簡単のため、４層分を積層するものとして説明する。
【００２１】
さらに、本実施形態においては、各ステータコア１４２Ａ，１４２Ｂ，１４２Ｃ，１４２Ｄを積層する際に、各層毎に、分割部をずらす千鳥配置としている。 即ち、ステータコア１４２Ａの分割ステータコア１４２Ａ２の両側には、分割部ＤＡｕ，ＤＡｖがある。 また、２層目のステータコア１４２Ｂを構成する分割ステータコア１４２Ｂ１と分割ステータコア１４２Ｂ２の間には、分割部ＤＢｕがある。 分割部ＤＢｕは、１層目のステータコア１４２Ａの分割ステータコア１４２Ａ２の周方向の中央に位置付ける。 即ち、１層目のステータコア１４２Ａの分割部ＤＡｕに対して、２層目のステータコア１４２Ｂの分割部ＤＢｕは、時計方向に３０度ずらして配置する。 同様にして、２層目のステータコア１４２Ｂを構成する分割ステータコアも、分割部を時計方向に３０度ずらして配置される。
【００２２】
次に、３層目のステータコア１４２Ｃの分割ステータコア１４２Ｃ２の両側には、分割部ＤＣｕ，ＤＣｖがある。 分割部ＤＣｕは、２層目のステータコア１４２Ｂの分割ステータコア１４２Ｂ１の周方向の中央に位置付ける。 即ち、２層目のステータコア１４２Ｂの分割部ＤＢｕに対して、３層目のステータコア１４２Ｃの分割部ＤＣｕは、反時計方向に３０度ずらして配置する。 同様にして、３層目のステータコア１４２Ｃを構成する分割ステータコアも、分割部を反時計方向に３０度ずらして配置される。
【００２３】
さらに、４層目のステータコア１４２Ｄを構成する分割ステータコア１４２Ｄ１と分割ステータコア１４２Ｄ２の間には、分割部ＤＤｕがある。 分割部ＤＤｕは、３層目のステータコア１４２Ｃの分割ステータコア１４２Ｃ２の周方向の中央に位置付ける。 即ち、３層目のステータコア１４２Ｃの分割部ＤＣｕに対して、４層目のステータコア１４２Ｄの分割部ＤＤｕは、時計方向に３０度ずらして配置する。 同様にして、４層目のステータコア１４２Ｄを構成する分割ステータコアも、分割部を時計方向に３０度ずらして配置される。
【００２４】
以上のように配置した結果、例えば、分割部ＤＡｕ，ＤＢｕ，ＤＣｕ，ＤＤｕは、互いに時計方向，反時計方向に位置がずれており、千鳥状に配置される。 なお、分割ステータコアの形状は全て同じものであるため、各層毎に、時計方向，反時計方向，時計方向とずらすことなく、時計方向にずらし続けても同様な千鳥状の配置となるものである。
【００２５】
次に、図４を用いて、本実施形態による車両用交流発電機に用いるステータコアの完成した構成について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機に用いるステータコアの完成した構成を示す斜視図である。
【００２６】
図３に示したように、分割ステータコアを千鳥状に配置し、積層した後、ステータコアの外周を、１２個のリベットＲｕ１，Ｒｕ２，Ｒｖ１，Ｒｖ２，Ｒｗ１，Ｒｗ２，Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｚ１，Ｒｚ２により、締結固定する。 リベットＲｕ１，…，Ｒｚ２の締結位置は、最上層に位置する分割ステータコア１４２Ａの分割部ＤＡｕ，…，ＤＡｚの両側である。 即ち、リベットＲｕ１，Ｒｕ２は、それぞれ、図２に示した分割ステータコア１４２Ａの分割部ＤＡｕの両側の位置となっている。 他のリベットＲｖ１，…，Ｒｚ２の締結位置も、同様にして、最上層に位置する分割ステータコア１４２Ａの分割部ＤＡｖ，…，ＤＡｚの両側の位置となっている。
【００２７】
次に、図５を用いて、本実施形態による車両用交流発電機の伝達関数の測定結果について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の伝達関数の測定結果を示す特性図である。
【００２８】
図５において、横軸は周波数（Ｈｚ）を示しており、縦軸は加速度／力（ｍ／Ｎ・ｓ ^２ ）を示している。 図中に示す伝達関数において、細い実線は、従来の分割していないステータコアを用いた車両用交流発電機の伝達関数を示しており、また、破線は、従来の３分割のステータコアを用いた車両用交流発電機の伝達関数を示している。 また、中位の太さの実線は、本実施形態による４分割のステータコアを用いた車両用交流発電機の伝達関数を示しており、太い実線は、本実施形態による６分割のステータコアを用いた車両用交流発電機の伝達関数を示しており、二点鎖線は、本実施形態による８分割のステータコアを用いた車両用交流発電機の伝達関数を示している。 ４分割のステータコア及び８分割のステータコアとは、図２に示した６分割のステータコアに対して、分割数を、それぞれ、４分割，８分割としたものである。
【００２９】
本実施形態では、第１に、共振周波数は、従来品（分割無（細い実線），３分割（破線））に比べて、本実施形態による交流発電機（４分割（中位の太さの実線），６分割（太い実線），８分割（二点鎖線））が低くなっている。 そして、本実施形態による交流発電機においては、その共振周波数が、エンジンアイドル回転数換算した周波数（１０８０Ｈｚ）よりも、低くなっている。 一般に、エンジンが回転している状態では、エンジンは、アイドル回転数以上で回転している。 従って、従来のように、エンジンアイドル回転数換算した周波数（１０８０Ｈｚ）よりも高い周波数に共振周波数があると、エンジンの回転数が交流発電機の共振周波数と一致して大きな騒音を発生することになる。 それに対して、本実施形態では、共振周波数は、エンジンアイドル回転数換算した周波数（１０８０Ｈｚ）よりも低いため、エンジンの回転時には、エンジンの回転数が交流発電機の共振周波数と一致することはなく、騒音の発生を低減することができる。
【００３０】
また、本実施形態では、第２に、共振周波数における加速度／力のピーク値を小さくすることができる。 この加速度／力のピーク値が、発生する騒音量に影響するため、本実施形態では、ピーク値を小さくできることにより、発生する騒音をさらに低減することができる。
【００３１】
なお、分割数の増大により、共振周波数が低くなり、分割数の増加により減衰も期待できるが、逆に分割数が増加するとステータコアの固定箇所が増加するため剛性が強くなり、減衰効果は少なくなる。 最も減衰に効果がある分割数は、６分割構造である。 ６分割構造とすることにより、共振周波数も最も低くすることができるとともに、加速度／力のピーク値も最も低減することができる。 次に効果的なのが、４分割構造である。 ４分割構造とすることにより、共振周波数を従来よりも低くすることができるとともに、加速度／力のピーク値も低減することができる。 また、８分割構造では、加速度／力のピーク値は従来の３分割構造並であるが、共振周波数を従来より低くすることができるので、騒音の低減効果がある。
【００３２】
また、ステータコア固定箇所を１２箇所にすることで共振を回避できる。 固定箇所は、６分割構造の場合、１２カ所，１８カ所，２４カ所が効果的である。
【００３３】
次に、図６を用いて、本実施形態による車両用交流発電機の磁気騒音の測定結果について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の磁気騒音の測定結果を示す特性図である。
【００３４】
周波数ｆ（Ｈｚ）と、車両用交流発電機の回転数Ｎ（ｒ／ｍｉｎ）は以下の式で求めることができる。
【００３５】
ｆ＝（Ｎ／６０）×ｎ
ここで、ｎは、車両用交流発電機の回転次数成分（３６次）である。
【００３６】
騒音問題の回転数は、エンジンアイドル回転近傍（一般的にアイドル回転を７５０ｒ／ｍｉｎとし、プーリ比を２．４とすると、車両用交流発電機の回転数Ｎに換算して １８００ｒ／ｍｉｎ）であり、上記関係式より周波数ｆは、１０８０（Ｈｚ）になる。 この周波数が、車両用交流発電機の固有振動数と近似もしくは一致すると、磁気共振が発生し、騒音が大きくなる。
【００３７】
図６において、横軸は車両用交流発電機の回転数Ｎ（ｒ／ｍｉｎ）を示しており、縦軸は、騒音（ｄＢＡ）を示している。 また、細い実線は、従来の分割していないステータコアを用いた場合の騒音を示している。 エンジンのアイドル回転数に換算した１８００ｒ／ｍｉｎ付近において、共振しているため、騒音が大きくなっている。 一方、太い実線は、本実施形態による６分割のステータコアを用いた場合の騒音を示している。 図５において、説明したように、本実施形態では、６分割のステータコアを用いることにより、固有振動数が低周波数側に移行しているため、車両用交流発電機の固有振動数と共振周波数がずれており、騒音を低減することができる。 また、減衰効果により、オーバオール値についても低減が図れるものである。
【００３８】
なお、複数の分割ステータコアを積層固定する方法としては、リベットやボルト等による締結固定以外に、溶接固定する方法をとることもできるものである。 また、固定箇所は、上述の例では、分割部の両側であるため、分割数の２倍の数をなっているが、必ずしも、これに限られるものでなく、分割数そのものや、分割数の４倍や８倍でもよいものである。 但し、固定箇所の数が、あまり少ないと、積層された分割ステータコアの各薄板の間に隙間が生じることもある。 薄板間の隙間は、漏れ磁束を多くするため、その結果として、発電機の効率が低下するため、あまり、固定箇所の数を少なくすることは好ましくなく、かかる観点からは、分割数の２倍以上が好ましいものである。 また、固定箇所の数が多くなると、ステータコアが剛体となるため、分割ステータコアを用いたことによる振動の減衰効果が低減する。 そのため、固定箇所の数は、分割数の８倍以下が好ましいものである。
また、積層固定する方法は、リベット等による締結固定と、溶接固定を併用することもできる。 例えば、図４に示した構成において、１２個のリベットＲｕ１，…，Ｒｚ２により、締結固定するとともに、積層されたステータコア１４２の外周の溝部Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ３１，Ｇ３１，…の１２カ所を溶接固定するようにしていもよいものである。 ここで、溝部Ｇ１１，Ｇ１２は、リベットＲｚ２，Ｒｕ１の外周方向の内側であり、溝部Ｇ２１，Ｇ２２は、リベットＲｕ２，Ｒｖ１の外周方向の内側であり、溝部Ｇ３１，Ｇ３２は、リベットＲｖ２，Ｒｗ１の外周方向の内側の位置の溝である。 このようにすることにより、合計２４カ所（分割数の４倍）で固定されることになる。
【００３９】
また、図３若しくは図４の説明においては、ステータコア１４２を構成する全ての薄板状のステータコアを分割構造とするものとして説明したが、その一部のみを分割構造としてもよいものである。 例えば、図１に示したように、ステータコア１４２の両端には、嵌合部が設けられている。 この嵌合部は従来のような円環状の薄板を用い、中央部には図２に示した分割構造の薄板のステータコアを用いることができる。 この場合、例えば、中央部は、図２に示した分割構造の薄板として、厚さ０．５ｍｍのものを３２枚千鳥状に配置して積層し、両端には、円環状の厚さ０．５ｍｍの薄板をそれぞれ１０枚づつ積層して合計５２枚の積層体とした後、締結結合もしくは溶接結合により一体的に結合する。 ステータコアの両端部を円環状の薄板とすることにより剛性を高めることができるので、結合箇所は、分割数の２倍若しくは３倍として、分割構造のステータコアを用いることによる減衰効果を高め、なおかつ、剛性を高めることができる。 また、ここで、両端部の円環状の薄板の外径形状は、ブラケットとの嵌合部に嵌合できる寸法形状となるように、予めプレス打ち抜きすることにより、ステータコア側の嵌合部形成のための切削加工を不要として製作性が向上する。 さらに、両端部の薄板は、例えば、円環状の厚さ１．０ｍｍの薄板をそれぞれ５枚づつ積層して、上述のものと同じ厚さとするようにしてもよいものである。 このようにすることにより、剛性を高めることができる。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態によれば、車両用交流発電機のステータコアを多分割することで、磁気騒音の要因である固有振動数を低い方向にずらすことが可能になり、騒音のピーク回転数（共振振動）もエンジンアイドル回転領域以下に回避できる。 また、振動の減衰効果により騒音が低減する。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、車両用交流発電機において発生する騒音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態よる車両用交流発電機の全体構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による車両用交流発電機に用いるステータコアの内の１層分のステータコアの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による車両用交流発電機に用いるステータコアの構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態による車両用交流発電機に用いるステータコアの完成した構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態による車両用交流発電機の伝達関数の測定結果を示す特性図である。
【図６】本発明の一実施形態による車両用交流発電機の磁気騒音の測定結果を示す特性図である。
【符号の説明】
１００…交流発電機１１０…フロントブラケット１１２…反プーリ側リアブラケット１３０…回転子（ロータ）
１４０…固定子１４２…ステータコア１４４…固定子巻線