JP2007135372A

JP2007135372A - 車両用交流発電機

Info

Publication number: JP2007135372A
Application number: JP2005328694A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hamada; 寛浜田; Yoshinori Hayashi; 由典林; Mikio Masuno; 幹男増野; Yoshitaka Kondo; 義孝近藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2007-05-31
Also published as: CN1972088B; CN1972088A; US20070108855A1; DE102006053417A1; KR20070051690A; US7362019B2; KR100910244B1; FR2893779A1

Abstract

【課題】レギュレータのヒートシンクと冷却フィンとの接合状態を維持することにより信頼性を向上させることができる車両用交流発電機を提供すること。
【解決手段】車両用交流発電機は、固定子巻線を有する固定子と、固定子に対向配置された回転子と、固定子巻線に誘起した交流電圧を整流する整流装置と、出力電圧調整用のレギュレータ基板としてのモノリシック集積回路チップ７０と、モノリシック集積回路チップ７０が接合されたレギュレータヒートシンク７２と、モノリシック集積回路チップ７０とレギュレータヒートシンク７２とが収納されたレギュレータケース７と、レギュレータヒートシンク７２に装着された金属製のレギュレータ冷却フィン７３とを備えている。レギュレータ冷却フィン７３およびレギュレータヒートシンク７２のそれぞれは、同等の熱膨張係数を有する材質で形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用交流発電機に関する。

車両走行抵抗の低減のためのスラントノーズ化や車室内居住空間確保というニーズからエンジンルームが近年ますます狭小化しており、車両用交流発電機の搭載スペースに余裕がなくなってきている。また、燃費向上のために、例えばアイドル時などのエンジン回転数が低下し、これに伴って車両用交流発電機の回転数も低下しているにもかかわらず、その一方で安全制御機器等の電気負荷の増加により発電能力の一層の向上が要求され、小型で高出力（例えば、固定子体格で１５２ｍｍ以下で出力が２．４ＫＷ以上）の車両用交流発電機の需要が増加している。

その対策として、固定子巻線の抵抗値低減や固定子と回転子の間のエヤギャップ縮小、励磁電流の増大等により高出力化は可能である。しかし、それと同時に車両用交流発電機を構成する各部品の温度が上昇し、熱による各部品の劣化が加速する。このため、各部品について冷却性を向上させる工夫がなされている。例えば、レギュレータについては、冷却フィンの配置を工夫することで冷却風の十分な流速と流量を確保することにより冷却性向上を実現する構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−２７４４４０号公報（第２頁、図１−５）

ところで、一般にレギュレータ用ヒートシンクとしては熱伝導率や導電率の良好な銅もしくは銅合金が採用され、このヒートシンクを冷却するために用いられる冷却フィンとしては加工性およびコストの面からアルミ材が採用されている。また、これらのヒートシンクと冷却フィンとを接合する材料としては耐熱性に優れるシリコン系接着材が一般的である。しかし、ヒートシンクと冷却用フィンは材質が異なるため、両者の熱膨張係数が異なり、エンジンに駆動されて発電している状態とエンジンを停止して発電も停止している状態とが繰り返されることによる冷熱ストレスが上記の高出力化によってさらに増大し、接着面への熱応力が増加しているため、冷却フィンとヒートシンクとの接合状態を長期にわたり維持することが困難になってきており、信頼性が低下するという問題があった。接合不十分になると、当然ながら、レギュレータの放熱性が悪化するので、発電不具合に至るおそれがある。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、レギュレータのヒートシンクと冷却フィンとの接合状態を維持することにより信頼性を向上させ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。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電機は、固定子巻線を有する固定子と、固定子に対向配置された回転子と、固定子巻線に誘起した交流電圧を整流する整流装置と、出力電圧調整用のレギュレータ基板と、レギュレータ基板が接合されたヒートシンクと、レギュレータ基板とヒートシンクとが収納されたレギュレータケースと、ヒートシンクに装着された金属製の冷却フィンとを備えており、冷却フィンおよびヒートシンクのそれぞれを、同等の熱膨張係数を有する材質としている。レギュレータのヒートシンクに装着される冷却フィンをヒートシンクと同等の熱膨張係数を有する材質とすることにより、ヒートシンクに冷却フィンを装着するために使用される接合部材へ加わる熱応力を低減させることが可能になり、長期にわたってレギュレータのヒートシンクと冷却フィンとの接合状態を維持することにより信頼性を向上させることができる。

また、上述した冷却フィンおよびヒートシンクの両方を、銅あるいは銅合金を用いて形成することが望ましい。冷却フィンとヒートシンクの両方を、熱伝導率のよい銅や銅合金で形成することにより、熱応力の低減と同時に冷却性の向上を実現することができ、さらに信頼性を向上させることができる。例えば、これらの材質としてアルミニウムを用いる場合に比べて熱伝導率を高くすることができるため、大幅な冷却性向上が可能となる。

また、上述した固定子の外径が１５２ｍｍ以下であって定格出力が２．４ＫＷ以上であることが望ましい。このように大型で定格出力が大きい場合であってもレギュレータのヒートシンクと冷却フィンとの接合状態を確実に維持することが可能になり、高出力化と信頼性向上を両立させることができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。また、図２は本実施形態の車両用交流発電機をリア側から見た図である。

図１および図２に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、固定子巻線２１を有する電機子として働く固定子２と、固定子２に対向配置されて界磁として働く回転子３と、固定子２および回転子を支持するフロントハウジング４１、リアハウジング４２と、固定子巻線２１に誘起した交流電圧を整流する整流装置５と、回転子３の界磁巻線３１に界磁電流を供給するブラシ６１を保持するブラシ装置６と、出力電圧を制御するレギュレータケース７と、車両側の外部制御装置（図示せず）との間で電気信号を入出力する端子を持つコネクタケース８と、リヤカバ−９とを含んで構成されている。レギュレータケース７、コネクタケース８およびレギュレータ基板等（後述する）によってレギュレータが構成されている。例えば、本実施形態では大型の車両用交流発電機１、具体的には固定子２の外径が１５２ｍｍ以下であって定格出力が２．４ＫＷ以上の車両用交流発電機１が用いられている。

次に、レギュレータケース７とコネクタケース８とを含んで構成されるレギュレータの詳細について説明する。図３は、レギュレータの詳細構造を示す断面図である。図４は、レギュレータの側面図である。図５は、レギュレータの正面図である。図２〜図５に示しように、レギュレータケース７は、励磁電流制御用のスイッチング素子およびこのスイッチング素子を断続制御する制御回路とが集積されたレギュレータ基板としてのモノリシック集積回路チップ７０と、このモノリシック集積回路チップ７０に一方端が接続され他方端がレギュレータケース７の外部に露出する複数の外部接続端子７１と、モノリシック集積回路チップ７０が一方の面に接合されたレギュレータヒートシンク７２とを有しており、これらの全体を含むモールド一体成形により薄板状に形成されている。また、レギュレータヒートシンク７２の他方の面（モノリシック集積回路チップ７０の搭載面と反対側）には、レギュレータ冷却フィン７３がシリコン系接着剤７４を用いて接合されている。このレギュレータ冷却フィン７３は、レギュレータヒートシンク７２と対向する側が平坦面となっており、反対側の面には放熱性を向上させるために複数の凹凸が形成されている。上述したレギュレータケース７は、コネクタケース８の一部として内径側へ突出するレギュレ−タ支持部８６に締付けて固定されており、凹凸形状を有するレギュレータ冷却フィン７３の主面は車両用交流発電機１の回転軸方向に沿って、かつ内径側を向くように延在している。外部接続端子７１はコネクタケース８から突出する接続端子８７に溶接等で電気的に接合されている。

本実施形態では、レギュレータケース７に搭載されているレギュレータヒートシンク７２とレギュレータ冷却フィン７３のそれぞれが、同等の熱膨張係数を有する材質で形成されている。具体的には、モノリシック集積回路チップ７０の自己発熱による温度上昇を抑制するために熱伝導率が良好な銅あるいは銅合金を用いて、レギュレータヒートシンク７２とレギュレータ冷却フィン７３の両方が形成されている。なお、レギュレータヒートシンク７２は外部に露出しないが、レギュレータ冷却フィン７３の凹凸形状を有する面は外部に露出するため、耐食性が要求される場合は少なくともこの露出する面に耐食性を向上させる表面処理を施すことが望ましい。

図６は、冷熱サイクル試験を実施した結果を示す図である。図６に示すように、レギュレータヒートシンク７２とレギュレータ冷却フィン７３の両方を銅あるいは銅合金を用いて形成した本発明品では、レギュレータヒートシンク７２として銅あるいは銅合金を用い、レギュレータ冷却フィン７３としてアルミニウムを用いた従来品に比べて、同一の故障率に達するまでの冷熱サイクル試験時間を約１．５倍に伸ばすことができ、長寿命化を実現することができる。

図７は、レギュレータヒートシンク温度の測定結果を示す図である。図７に示すように、レギュレータヒートシンク７２とレギュレータ冷却フィン７３の両方を銅あるいは銅合金を用いて形成した本発明品では、レギュレータヒートシンク７２として銅あるいは銅合金を用い、レギュレータ冷却フィン７３としてアルミニウムを用いた従来品に比べて、レギュレータヒートシンク７２の温度をピーク時に約５°Ｃ下げることができる。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、レギュレータ冷却フィン７３をレギュレータヒートシンク７２と同等の熱膨張係数を有する材質とすることにより、車両用交流発電機１の発電状態や車両用交流発電機１が搭載されたエンジン等の状態が変化してこれらのレギュレータヒートシンク７２およびレギュレータ冷却フィン７３に温度変化が大きい冷熱ストレスが加わったとしても、レギュレータヒートシンク７２にレギュレータ冷却フィン７３を装着するために使用される接合部材としてのシリコン系接着剤７４へ加わる熱応力を低減させることが可能になり、長期にわたってレギュレータヒートシンク７２とレギュレータ冷却フィン７３との接合状態を維持することにより信頼性を向上させることができる。

特に、レギュレータ冷却フィン７３とレギュレータヒートシンク７２の両方を熱伝導率のよい銅や銅合金で形成することにより、熱応力の低減と同時に冷却性の向上を実現することができ、さらに信頼性を向上させることができる。例えば、これらの材質としてアルミニウムを用いる場合に比べて熱伝導率を高くすることができるため、大幅な冷却性向上が可能となる。

また、固定子２の外径が１５２ｍｍ以下であって定格出力が２．４ＫＷ以上である大型の車両用交流発電機１に対しても、レギュレータヒートシンク７２とレギュレータ冷却フィン７３との接合状態を確実に維持することが可能になり、高出力化と信頼性向上を両立させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、レギュレータヒートシンク７２とレギュレータ冷却フィン７３との接合をシリコン系接着剤７４を用いたが、使用温度や耐久性等を考慮してシリコン系以外の接着剤を用いるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、レギュレータヒートシンク７２とレギュレータ冷却フィン７３の両方を銅あるいは銅合金を用いて形成するようにしたが、使用温度がそれ程高くならないような場合等においてはこれらをアルミニウムやアルミニウム合金を用いて形成するようにしてもよい。また、レギュレータヒートシンク７２とレギュレータ冷却フィン７３のそれぞれを銅あるいは銅合金のように同種の金属材料で形成したが、熱膨張係数がほぼ同じであればよいため、レギュレータヒートシンク７２とレギュレータ冷却フィン７３のそれぞれを異種金属を用いて形成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、固定子２の外径が１５２ｍｍ以下であって定格出力が２．４ＫＷ以上である大型の車両用交流発電機１に本発明を適用したが、それ以下の小型の車両用交流発電機についても本発明を適用することができることはいうまでもない。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。本実施形態の車両用交流発電機をリア側から見た図である。レギュレータの詳細構造を示す断面図である。レギュレータの側面図である。レギュレータの正面図である。冷熱サイクル試験を実施した結果を示す図である。レギュレータヒートシンク温度の測定結果を示す図である。

符号の説明

１車両用交流発電機
２固定子
３回転子
５整流装置
６ブラシ装置
７レギュレータケース
８コネクタケース
９リヤカバー
４１フロントハウジング
４２リアハウジング
７０モノリシック集積回路チップ
７１外部接続端子
７２レギュレータヒートシンク
７３レギュレータ冷却フィン
７４シリコン系接着剤
８６レギュレータ支持部
８７接続端子

Claims

固定子巻線を有する固定子と、前記固定子に対向配置された回転子と、前記固定子巻線に誘起した交流電圧を整流する整流装置と、出力電圧調整用のレギュレータ基板と、前記レギュレータ基板が接合されたヒートシンクと、前記レギュレータ基板と前記ヒートシンクとが収納されたレギュレータケースと、前記ヒートシンクに装着された金属製の冷却フィンとを備えた車両用交流発電機において、
前記冷却フィンおよび前記ヒートシンクのそれぞれを、同等の熱膨張係数を有する材質とすることを特徴とする車両用交流発電機。
請求項１において、
前記冷却フィンおよび前記ヒートシンクの両方を、銅あるいは銅合金を用いて形成することを特徴とする車両用交流発電機。
請求項１または２において、
前記固定子の外径が１５２ｍｍ以下であって定格出力が２．４ＫＷ以上であることを特徴とする車両用交流発電機。