JP2004350414A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石式の回転電機において、界磁を制御すると共に界磁コイルの放熱性を高めて効率の良い運転を行う。
【解決手段】回転軸と一体に回転するロータコア４及び該ロータコア４の外周部に取り付けられるマグネット５と、ロータコア４の外側に配置されるステータコア６及びステータコア６に巻装される発電コイル８とを備える発電機１において、ステータコア６に隣接して界磁コイル１６及び界磁リング２６を設けると共に、ロータコア４には各マグネット５間に制御磁極を設け、界磁コイル１６が界磁リング２６及び制御磁極を通る閉磁路を形成するよう構成したことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁石式の回転電機に関し、特に自動二輪車等のエンジンに連携して用いられるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両等に用いられる発電機の中には、ロータ側の励磁コイルに通電して電磁石とし、この電磁石を用いた電磁誘導によりステータ側の発電コイルに起電力（電圧）を発生させて発電を行う励磁式のもの（例えば、特許文献１参照。）と、ロータ側のマグネット（永久磁石）を用いて発電を行う磁石式のものとがある。この内、磁石式の発電機の中には、強力な磁束が必要な場合と磁束が弱くて済む場合との間の異なる発電性能に対応するために、ロータのマグネット間に制御磁極を設けると共にステータに界磁コイルを設け、この界磁コイルへの通電を制御することで発電電力を調整可能としたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
ところで、近年、上記のような磁石式の発電機がエンジンのスタータモータとして、あるいはハイブリット車両等であればアシストモータとして兼用されることがあるが、この場合には、発電コイル又は別途設けた起動コイルに電力が供給され回転磁界が形成されてロータの回転力が創出される。また、発電機として使用する場合には、回転するロータのマグネットにより発電コイルに起電力を発生させて発電を行う。そして、このような発電電動機においても、要求される運転性能に対応するために界磁コイルを付設して出力調整可能としたものがある（例えば、特許文献３，４参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
実開昭６１−６８６５３号公報
【特許文献２】
特許第３３６３６８２号公報
【特許文献３】
特開平１１−１２７５６４号公報
【特許文献４】
特開平１１−１２７５６５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した磁石式の発電機及び発電電動機等といった回転電機は、有底円筒状をなすロータ内にステータが配置されるアウターロータ型であることが一般的であるが、このような回転電機において、界磁コイルによるロータ内の温度上昇を抑えるために界磁コイルへの通電量を抑えたりファンを設けたりすると、運転の効率を低下させることがある。
この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、磁石式の回転電機において、界磁を制御すると共に界磁コイルの放熱性を高めて効率の良い運転を行うことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題の解決手段として、請求項１に記載した発明は、回転軸と一体に回転するロータコア（例えば実施の形態におけるロータコア４，３４）及び該ロータコアの外周部に取り付けられる永久磁石（例えば実施の形態におけるマグネット５，３５）と、前記ロータコアの外側に配置されるステータコア（例えば実施の形態におけるステータコア６，３６）及び該ステータコアに巻装されるコイル（例えば実施の形態における発電コイル８，３８）とを備える回転電機（例えば実施の形態における発電機１，３１）において、前記ステータコアに隣接して界磁コイル（例えば実施の形態における界磁コイル１６，４６）及び界磁リング（例えば実施の形態における界磁リング２６，５６）を設けると共に、前記ロータコアには各永久磁石間に制御磁極（例えば実施の形態における制御磁極１５，４５）を設け、前記界磁コイルが界磁リング及び制御磁極を通る閉磁路を形成するよう構成したことを特徴とする。
【０００７】
この回転電機によれば、界磁コイルに通電する電流の方向及び大きさによって制御磁極の磁極及び磁束量を変化させることが可能となり、要求される出力に応じて運転性能を調整するよう制御することが可能となる。しかも、界磁コイルに通電する電流の方向や大きさの設定を変更するのみで異なる出力仕様とすることができ、基本レイアウトを変更せず最小限の変更で複数種の回転電機に対応できる。
そして、ロータコアの外側にステータコアを配置した所謂インナロータ型としたことで、ステータコアに隣接して設けられた界磁コイル及び界磁リングの放熱を良好に行うことができる。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、前記永久磁石の磁極を同一としたことを特徴とする。
【０００９】
この回転電機によれば、マグネットの誤組みが減少し、かつ部品管理が容易になる。
【００１０】
請求項３に記載した発明は、前記界磁リングを前記ステータコアの外周側に配置したことを特徴とする。
【００１１】
この回転電機によれば、界磁コイルに通電した際の閉磁路の形成を容易にすることができると共に、さらに放熱を良好に行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１，図２に示す磁石式の発電機（回転電機）１は、例えば自動二輪車等のエンジン（何れも図示略）に連携して使用されるもので、エンジンのクランク軸と連動して回転するロータ２と、エンジンケース等に固定されるステータ３とを備え、エンジンの運転に伴い発電し得るよう構成される。
【００１３】
ロータ２は、エンジンのクランク軸又はクランク軸に連係される駆動軸等の回転軸（図示略）と一体に回転するロータコア４と、該ロータコア４の周囲にその周方向に並んで取り付けられる複数のマグネット（永久磁石）５とを備え、ステータ３は、ロータコア４の外側に配置されるステータコア６と、該ステータコア６の複数の突極部７にそれぞれ巻装され各マグネット５とステータ３（及びロータ２）の径方向で近接した状態で対向配置される複数の発電コイル（コイル）８とを備える。つまり、発電機１は、ステータ３の内側でロータ２が回転する所謂インナロータ型として構成される。
【００１４】
ロータコア４は鉄等の強磁性材料（透磁率が大きい材料）からなり、前記回転軸の軸線Ｃを共有する略円筒状に形成される。ここで、図２における左右方向を発電機１の左右方向とすると、このロータコア４の内周側に設けられる挿通孔９には右側から回転軸が挿通され、ボルトナット等の締結手段を用いてロータコア４と回転軸とが一体に結合される。なお、ロータコア４の右側端は回転軸取り付け面１０となる。また、ロータコア４の右側端部には回転軸取り付け面１０の挿通孔９の周囲を左側に段差状に変化させてなる段差部１１が設けられる。
【００１５】
ロータコア４の軸方向略中央よりも右側（回転軸取り付け面１０側）の部位は、その左側の部位に対して軸線Ｃと直交する段差面１２を介して大径に形成される大径部１３とされる。この大径部１３の外周部には、その外周面を径方向内側に変化させてなるマグネット取り付け凹部１４が設けられる。ここで、マグネット５は、ロータコア４の径方向で扁平な略直方体形状とされ、かつ大径部１３と同一外周面を形成するよう円弧状に反って形成される。このマグネット５がロータコア４の大径部１３の外周部分に等間隔で複数（この実施の形態においては四個）配置され、これら各マグネット５に対応してマグネット取り付け凹部１４が設けられる。
【００１６】
ロータコア４の各マグネット取り付け凹部１４間の部位は、各マグネット５と共に発電機１の界磁極を形成するための制御磁極１５として構成される。つまり、制御磁極１５はマグネット５と同数（四個）でかつロータコア４の周方向で各マグネット５と交互に並んで配置される。なお、この実施の形態では、各制御磁極１５及びマグネット５はそれぞれの極弧角θｐ，θｍが互いに略同一となるよう設定される。そして、各マグネット５は互いの磁極を同一として設けられ、その対極は各マグネット５間の各制御磁極１５が必要に応じて界磁コイル１６により磁化されることで形成される。
【００１７】
マグネット取り付け凹部１４は軸方向で回転軸取り付け面１０まで貫通しておらず、したがって各マグネット取り付け凹部１４の右側には側壁１７が設けられる。また、マグネット取り付け凹部１４の左側には、ロータコア４左側の小径部１８に嵌合装着されビス１９により段差面１２に当接した状態で固定される環状のホルダキャップ２０が配設される。そして、各マグネット取り付け凹部１４の側壁１７とホルダキャップ２０とにより各マグネット５が挟持され、かつ側壁１７及びホルダキャップ２０に設けられた係止爪２１により保持されることで、各マグネット５がロータコア４に固定される。
【００１８】
ステータコア６は薄板状の強磁性材料（例えばケイ素鋼板）を軸方向に積層して形成されるもので、軸線Ｃを中心として大径部１３を囲繞する円環状に形成される。ステータコア６の内周部には複数（この実施の形態では十二個）の突極部７が径方向内側に向かって突設され、各突極部７には絶縁部材２２を介して導線が巻回されて各々発電コイル８が形成される。各発電コイル８は不図示の配電部品により三相に連結され、かつ整流器及び電圧調整器等を介してバッテリや電装部品に接続される。
【００１９】
そして、ステータコア６の左側には、ロータコア４の制御磁極１５の磁束量を制御する界磁コイル１６が設けられる。界磁コイル１６は軸線Ｃを中心とする円環状とされ、ロータコア４の小径部１８を囲繞する絶縁部材からなるコイルボビン２４を介して導線を巻回することで形成される。コイルボビン２４はロータコア４の小径部１８と径方向で対向するよう近接配置され、発電機１の左側端部を形成する界磁プレート２５のボス部２３外周に固定される。この界磁プレート２５の外周部とステータコア６の外周部とが界磁リング２６を介して連結される。ここで、界磁プレート２５及び界磁リング２６は強磁性材料からなるものである。
【００２０】
界磁リング２６は軸線Ｃを中心とした円筒状の部材で、ステータコア６の外周側に配置され、かつ発電機１の外周部を形成している。この界磁リング２６の内周側には軸方向に沿う貫通孔２７を有する固定用突部２８が複数（この実施の形態では四個）設けられ、かつ界磁プレート２５及びステータコア６には固定用突部２８の貫通孔２７に対応する貫通孔２９，２９がそれぞれ設けられる。そして、界磁リング２６の左側端部には界磁プレート２５の外周部が、右側内周部にはステータコア６の外周部が各々整合し、各貫通孔２７，２９にスルーボルト等の締結部材を図２の右側から挿通してエンジンカバーに締め込むことで、これを介してエンジンケースにステータコア６、界磁リング２６、及び界磁プレート２５が一体に結合された状態で固定される。
【００２１】
界磁コイル１６はステータコア６と軸方向で隣接し、かつ界磁リング２６と径方向で隣接している。また、界磁コイル１６と界磁プレート２５とはコイルボビン２４を介して軸方向で接している。ここで、図３、図４に示すように、界磁コイル１６に通電することで生じる磁束は、その大部分が界磁プレート２５、界磁リング２６、ステータコア６、制御磁極１５、及びロータコア４を経由する図中矢印Ｆ又はＦ’で示す閉磁路をそれぞれ形成することとなる。そして、界磁コイル１６に通電する電流の方向及び大きさによってマグネット５と制御磁極１５の磁極及び磁束量を変化させることが可能である。なお、図中矢印Ｍはマグネット５により形成される閉磁路である。
【００２２】
次に、作用について説明する。
まず、エンジンの運転により回転軸を介してロータ２が回転すると、各マグネット５の移動による磁界の変化により各発電コイル８に起電力が生じ、この起電力が発電電力としてバッテリや電装部品に供給される。このとき、界磁コイル１６に通電されていない場合には界磁コイル１６による磁束が界磁に作用しないので、ロータ２の磁束量は各マグネット５の磁束量に依存している。
【００２３】
次いで、各制御磁極１５が各マグネット５と対極側となるよう界磁コイル１６に通電された場合、つまり界磁コイル１６により発生するステータコア６を通過する磁路がマグネット５の磁路と逆方向となるよう閉磁路Ｆを形成した場合には、界磁コイル１６が生じる磁束が各マグネット５では減算し、各制御磁極１５では加算された合成磁束が各発電コイル８に作用する。このため、界磁コイル１６に通電する電流を増大させればそれに応じて磁気抵抗の小さい各制御磁極１５の磁束量を増加させ、全体の磁束変化を大きくして各発電コイル８の発電電力を増加させることができる。
【００２４】
また、制御磁極１５が各マグネット５と同極側となるよう、前述の通電方向とは逆方向に界磁コイル１６に通電された場合、つまり界磁コイル１６により発生するステータコア６を通過する磁路がマグネット５の磁路と同方向となるよう閉磁路Ｆ’を形成した場合には、界磁コイル１６が生じる磁束が各マグネット５では加算し、各制御磁極１５では加算された合成磁束が各発電コイル８に作用する。このため、界磁コイル１６に通電する電流を増大させればそれに応じて磁気抵抗の小さい各制御磁極１５の磁束量を減少させ、全体の磁束変化を小さくして各発電コイル８の発電電力を増加させることができる。
【００２５】
したがって、要求される出力（発電電力）に応じて発電性能を調整するよう制御することが可能となる。特に車両に用いられる場合、バッテリの充電状況や電装部品の使用状況によって要求される出力が細かく変化するので、各条件に応じて発電性能を調整するようにすれば、要求される出力が少ない場合には発電性能を抑えて電気的フリクションを低減させることが可能となる一方、要求される出力が多い場合には最大発電性能を発揮することが可能となる。
【００２６】
上記実施の形態によれば、界磁コイル１６に通電される電流の方向及び大きさによって出力を増減させることができるため、要求される出力が少ない場合でも過剰な発電による余剰電力をレギュレータ（電圧調整回路）により熱エネルギーとして廃棄するといった無駄を抑え、かつ電気的フリクションを抑えることができる。この結果、効率の良い発電（運転）を行うことができ、延いてはエンジンの燃費を高めることができる。
【００２７】
また、界磁コイル１６に通電する電流の方向や大きさの設定を変更するのみで異なる出力仕様とすることができるため、汎用性が高まりコストダウンを図ることが可能となる。
【００２８】
さらに、インナロータ型とされることで発電コイル８を有するステータ３の放熱が良好であることに加え、界磁コイル１６が発電機１の外周部を形成する界磁リング２６に隣接すると共に発電機１の左側端部を形成する界磁プレート２５に隣接しているため、界磁コイル１６、界磁リング２６、及び界磁プレート２５の放熱を良好に行うことができる。これにより、発電機１全体の温度上昇が抑えられ、界磁コイル１６への通電量を抑えたり冷却ファンを設ける等の対策を講じる必要がなく、結果として効率の良い発電を行うことができる。
【００２９】
さらにまた、複数のマグネット５の磁極を同一とすることで、誤組みを減少させかつ部品管理を容易にすることができるため、歩留りを向上させコストダウンを図ることが可能となる。
【００３０】
そして、ステータコア６及び界磁コイル１６の外周側に界磁リング２６が配置され、かつ界磁コイル１６の左側、つまりステータコア６と反対側には界磁プレート２５が配置されることで、界磁コイル１６に通電した際に閉磁路が形成され易く、各マグネット５と制御磁極１５の磁束を効果的に増減調整することができる。
【００３１】
次に、この発明の第二の実施の形態について説明する。
図５に示す発電機（回転電機）３１は、前記発電機１と同様、ロータ３２が回転軸（図示略）と一体に回転するロータコア３４と該ロータコア３４の周囲にその周方向に並んで取り付けられる複数のマグネット（永久磁石）３５とを備え、ステータ３３がロータコア３４の外側に配置されるステータコア３６と該ステータコア３６の複数の突極部３７にそれぞれ巻装され各マグネット３５とステータ３３の径方向で近接した状態で対向配置される複数の発電コイル（コイル）３８とを備え、ステータ３３の内側でロータ３２が回転することで発電し得るインナロータ型として構成される。
【００３２】
ロータコア３４は前記回転軸の軸線Ｃを共有する略円筒状に形成され、このロータコア３４の挿通孔３９に右側から回転軸が挿通される。なお、図５における左右方向を発電機３１の左右方向とする。また、ロータコア３４の右側端部には発電機１の外周近傍まで至る界磁フランジ５５が一体に設けられる。ロータコア３４の左側の外周部には複数のマグネット取り付け凹部４４が設けられ、各マグネット取り付け凹部４４にそれぞれマグネット３５が取り付けられる。
【００３３】
ロータコア３４の各マグネット取り付け凹部４４間の部位は制御磁極４５として構成され、各制御磁極４５とマグネット３５とが同数でかつロータコア３４の周方向で交互に配置される。各マグネット３５は互いの磁極を同一として設けられ、その対極は各マグネット３５間の各制御磁極４５が必要に応じて界磁コイル４６により磁化されることで形成される。なお、ロータコア３４の左側端には各マグネット３５を固定するためのホルダキャップ５０がビス４９により取り付けられる。
【００３４】
ステータコア３６は軸線Ｃを中心として各マグネット３５及び制御磁極４５を囲繞する円環状に形成され、その内周部に突設される複数の突極部３７に各々導線が巻回されて三相の発電コイル３８が形成される。そして、ステータコア３６の右側には、ロータコア３４の制御磁極４５の磁束量を制御する界磁コイル４６が設けられる。界磁コイル４６は軸線Ｃを中心とする円環状とされ、各マグネット３５及び制御磁極４５を囲繞するコイルボビン５３に導線を巻回することで形成される。界磁コイル４６及びコイルボビン５３は断面略Ｊ型の保持部材５４により保持され、この保持部材５４の後部フランジが、軸線Ｃを中心とした円筒状に形成され界磁コイル４６及びステータコア３６を囲繞する界磁リング５６にビス５７により取り付けられる。
【００３５】
界磁コイル４６はステータコア３６と軸方向で隣接し、界磁フランジ５５と保持部材５４の後部フランジを介して軸方向で隣接している。また、界磁コイル４６と界磁リング５６、及び界磁コイル４６とロータコア３４とは、それぞれ径方向で隣接している。ここで、界磁コイル４６に通電することで生じる磁束は、その大部分が界磁リング５６、界磁フランジ５５、ロータコア３４、制御磁極４５、及びステータコア３６を経由する図中矢印Ｇ又はＧ’で示す閉磁路をそれぞれ形成することとなる。
【００３６】
したがって、前記発電機１と同様、界磁コイル４６に通電する電流の方向及び大きさによってマグネット３５と制御磁極４５の磁極及び磁束量を変化させることが可能となり、要求される出力が少ない場合には発電性能を抑えて電気的フリクションを低減させることができる一方、要求される出力が多い場合には最大発電性能を発揮することができる。
【００３７】
上記第二の実施の形態においても、第一の実施の形態と同様、効率の良い発電を行うことができ、延いてはエンジンの燃費を高めることができる。また、汎用性が高まることでコストダウンを図ることができる。
さらに、発電コイル３８、界磁コイル４６、界磁リング５６、及び界磁フランジ５５の放熱性が高まることでより効率の良い発電を行うことができる。さらにまた、複数のマグネット３５の磁極が同一であることで歩留りを向上させコストダウンを図ることが可能となる。
そして、界磁リング５６及び界磁フランジ５５を設けたことで、界磁コイル４６に通電した際に閉磁路が形成され易く、各マグネット３５と制御磁極４５の磁束を効果的に増減調整することができる。
【００３８】
なお、この発明は上記実施の形態に限られるものではなく、例えば、上記構成をスタータモータ等の電動機に応用してもよい。この場合、界磁コイルにより磁束量を増減させることで電動機の出力特性を可変させることが可能となる。同様に、上記構成をモータジェネレータ等の発電電動機に応用してもよい。そして、車両用又は汎用のエンジンに用いられるものに限らず、例えばファンモータ等、回転電機全般に適用可能である。
また、ロータ２，３２やステータ３，３３の部品構成は一例であり、例えばロータコア４，３４を回転軸と一体に構成してもよく、制御磁極１５，４５をロータコア４，３４と別体としてもよい。また、マグネット５，３５は必ずしも同一磁極にするとは限らない。さらに、マグネット５，３５及び制御磁極１５，４５の数や各極弧角θｐ，θｍの比率を変更すれば、界磁極を全てマグネットで構成したものと同一のサイズで同等の運転性能が得られるよう調整することも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、界磁コイルに通電する電流の方向及び大きさを変化させることで要求される出力に応じて運転性能を調整するよう制御することが可能となり、余剰電力を廃棄するといった無駄を抑え、かつ電気的フリクションを抑えることができる。この結果、効率の良い運転を行うことができ、延いてはエンジンの燃費や車両の加速性能を高めることができる。しかも、界磁コイルに通電する電流の方向や大きさの設定を変更するのみで異なる出力仕様とすることができ、基本レイアウトを変更せず最小限の変更で複数種の回転電機に対応できるため、汎用性が高まりコストダウンを図ることが可能となる。
そして、ロータコアの外側にステータコアを配置した所謂インナロータ型としたことで、ステータコアに隣接して設けられた界磁コイル及び界磁リングの放熱性が高まるため、これらの温度上昇を抑えるための特別な対策を講じる必要がなく、より効率の良い運転を行うことができる。
【００４０】
請求項２に記載した発明によれば、マグネットの誤組みが減少し、かつ部品管理が容易になるため、歩留りを向上させコストダウンを図ることが可能となる。
【００４１】
請求項３に記載した発明によれば、界磁コイルに通電した際の閉磁路の形成を容易にすることができるため、各マグネットの磁束を効果的に増減調整することができる。また、界磁コイルの放熱性をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第一の実施の形態における発電機の正面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】界磁コイルの作用を示す図１に相当する作用説明図である。
【図４】図３におけるＢ−Ｂ線に沿う作用説明図である。
【図５】この発明の第二の実施の形態における発電機の説明図である。
【符号の説明】
１，３１ 発電機（回転電機）
４，３４ ロータコア
５，３５ マグネット（永久磁石）
６，３６ ステータコア
８，３８ 発電コイル（コイル）
１５，４５ 制御磁極
１６，４６ 界磁コイル
２６，５６ 界磁リング

Claims (3)

1. 回転軸と一体に回転するロータコア及び該ロータコアの外周部に取り付けられる永久磁石と、前記ロータコアの外側に配置されるステータコア及び該ステータコアに巻装されるコイルとを備える回転電機において、前記ステータコアに隣接して界磁コイル及び界磁リングを設けると共に、前記ロータコアには各永久磁石間に制御磁極を設け、前記界磁コイルが界磁リング及び制御磁極を通る閉磁路を形成するよう構成したことを特徴とする回転電機。
2. 前記永久磁石の磁極を同一としたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記界磁リングを前記ステータコアの外周側に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。

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