JP2009148020A - 永久磁石式の交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】三相の永久磁石型の交流発電機において、ステータコイル９をΔ結線したものでありながら、該コイルを線細化できるようにして発電特性を向上する。
【解決手段】三相のコイルのうち、Ｕ相のコイルについては、コイルＵ１、Ｕ２、Ｕ３とコイルＵ４、Ｕ５、Ｕ６とに分離した並列状態で巻装し、同様にして１スロットずつずらしてＶ相、Ｗ相のコイルを巻装し、そしてコイルＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３をΔ結線して第一のΔ結線群Ｉを形成し、コイルＵ４〜Ｕ６、Ｖ４〜Ｖ６、Ｗ４〜Ｗ６をΔ結線し第二のΔ結線群ＩＩを形成したものに、さらに各Δ結線群Ｉ、ＩＩの各対応する結線部位同士を配線１０、１１、１２でそれぞれ接続することでΔ結線群Ｉ、ＩＩが並列接続された三相のステータコイル９とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動二輪車、バギー車等の小型車両に搭載される永久磁石を用いて構成される永久磁石式の交流発電機の技術分野に属するものである。

一般に、この種の永久磁石型の交流発電機は、フェライト磁石のような永久磁石を、有底円筒状をしたヨーク内周面に周回り方向所定の間隔を存して設けてアウタロータ（回転子）と、該アウタロータと同心状に設けられ、ステータコイルが巻装されたティース部（突極）を放射方向に突出して設けたステータコア（固定子）とを用い、エンジン駆動に基づいてアウタロータを回転させることでステータコイルに起電力を誘起して発電するようにしている。
このような永久磁石型の交流発電機において、ステータコイルをＹ結線にした場合、自己発熱量が高くなってしまうという問題があり、そこでΔ結線にしたものが提唱されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−１６６３８１号公報

ところが前記従来のものは、ステータコイルをΔ結線するものにおいて、一つの相を直列配線していたためコイル長が長くなり、このため通電抵抗が大きくなって効率が悪いという問題があり、これを解決するためコイル径を太くして抵抗を低減することが試みられる。しかるにコイル径を太くすると、コイルの巻き数が少なくなって余剰出力の向上や要求出力を確保できない等、発電特性に影響を与えてしまうと共に、コイルが硬くなって巻きづらいという問題があり、ここに本発明の解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、円筒状をし、内周面に交互に異極になった永久磁石が周回り方向に取付けられるアウタロータと、該アウタロータに内装され、周回り方向に角度を存して突設したティースにステータコイルが巻装されたステータコアとを用いて構成される磁石式の交流発電機において、前記ステータコイルを三相でかつΔ結線したものとするにあたり、該ステータコイルは、あいだに二相おいたティースに順次巻装したものであり、前記ティースの数Ｎは
Ｎ＝３×ｎ 但し、ｎは２以上の自然数
で定義され、ｎの約数Ｘを１を含むがｎは含まない数としたときに、前記ステータコアには、ティースに巻装されるステータコイルの数がそれぞれＸ個ずつになるΔ結線群がｎ÷Ｘ個形成されるものとし、これら形成されるΔ結線群を並列接続したことを特徴とする永久磁石式の交流発電機である。
請求項２の発明は、円筒状をし、内周面に交互に異極になった永久磁石が周回り方向に取付けられるアウタロータと、該アウタロータに内装され、周回り方向に角度を存して突設したティースにステータコイルが巻装されたステータコアとを用いて構成される磁石式の交流発電機において、前記ステータコイルを三相でかつΔ結線したものとするにあたり、該ステータコイルはあいだに２個おいたティースに順次巻装したものであり、前記ティースの数Ｎは
Ｎ＝３×ｎ 但し、ｎは２以上の自然数
で定義され、ｎの約数Ｘを１を含むがｎは含まない数としたときに、前記ステータコアには、ティースに巻装されるステータコイルの数がそれぞれＸ個ずつになるΔ結線群がｎ÷Ｘ個形成されるものとし、これら形成されるΔ結線群を並列接続したことを特徴とする永久磁石式の交流発電機である。

そして請求項１または２の発明とすることにより、ステータコイルをΔ結線して三相の永久磁石式交流発電機にしたものでありながら、該ステータコイルは、Δ結線され複数のΔ結線群が並列したものとして形成され、この結果、ロータコアが回転したことによって誘起される電流は、同時に複数のΔ結線群を流れることになってステータコイルの抵抗が低下し、これによってステータコイルを細線化できてコイルが巻きやすくなるうえコイルの巻き数を増加し得ることになって発電特性を向上でき、しかも並列巻き線になるためダブルフライヤ方式で巻装できて巻き作業も簡略化する。

次ぎに、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図中、１は永久磁石型の三相の交流発電機であって、該交流発電機１は、有底円筒状をしたアウタロータ２と、該アウタロータ２の内周に該アウタロータ２と同心状に設けられるステータコア３とを用いて構成されるが、前記アウタロータ２を構成すべく、軸芯方向一端側が開口した有底円筒状のヨーク４の底部４ａには、中心部に位置して筒内側方に突出するボス部４ｂが形成され、該ボス部４ｂが図示しないエンジン側の出力軸に連結され、該エンジン側の駆動回転によってアウタロータ４が従動回転し、これによってステータコア３に設けた後述するステータコイルが電磁誘導されて発電するようになっている。

前記ヨーク４の内周面部４ｃには永久磁石５の複数が交互に異極となるよう周回り方向に所定間隔を存して組み付けられる（本実施の形態では１２極になっている）が、そのため該内周面部４ｃは、内周面開口側半部の内径が底面側半部の内径に対して大径となるよう例えば切削による加工が施されており、これによってヨーク内周面部４ｃは、開口側に磁石取付け部４ｄが形成されている。そして磁石取付け部４ｄには、磁石ケース６を介して永久磁石５が取付けられ、該取付けられた永久磁石５の内周面を磁石カバー７で覆蓋する構成になっている。

一方、前記ステータコア３は、ヨーク４と同心になる状態で、前記ボス部４ｂの外径よりも大径になるコア部３ａが形成され、該コア部３ａから周回り方向所定角度を存してティース３ｂが突出し、該ティース部３ｂにステータコイル９が巻装されたものであり、ティース部３ｂの外周面が磁石カバー７に隙間（ギャップ）を存して対向するようになっている。

前記ステータコア３は、前記ステータコイル９をあいだに二相分（後述するように本実施の形態ではステータコイル９が一相につき３個のティース部３ｂに巻装されるものとしている）のティース部３ｂをおいた３個づつのティース部３ｂに順次巻装したものにして三相でかつΔ結線にしたものになるが、その場合に、前記ティースの数Ｎは
Ｎ＝３×ｎ 但し、ｎは２以上の自然数
で定義され、
ｎの約数Ｘを１を含むがｎは含まない数としたときに、
前記ステータコアには、ティースに巻装されるステータコイルの数がそれぞれＸ個ずつになるΔ結線群がｎ÷Ｘ個形成されるものとし、
ｎの約数Ｘが１を含むがｎを含まない数としたときに、
これら形成されるΔ結線群を並列接続されるものとする。

これをさらに具体的にして以下に説明する。図４に示す第一の実施の形態のステータコイルの巻装方式であるが、このものでは、ティース部３ｂが１８個（ｎ＝６としたものであって、Ｎ＝３×６となる）ある１８スロット方式のものになっており、このものに６（＝ｎ）の約数の３（＝Ｘ）を選んだときに、ステータコイル数が３となる２個（＝ｎ÷Ｘ＝６／３）のΔ結線群が並列接続されたものについて説明する。いま、ティース部３ｂに巻装される相をＵ、Ｖ、Ｗの三相としたときに、これら各相のコイルは、二相分のティース部３ｂをあいだにおいて（二相分のティースをあいだに跳ばす）一相分のティース部（連続する３個のティース部３ｂ）３ｂに順次巻装されることになり、そこでこれら各相のコイルについて、Ｕ相のコイルをＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｕ５、Ｕ６とアドレス化し、同様にしてＶ相のコイルはＶ１〜Ｖ６と、Ｗ相のコイルはＷ１〜Ｗ６となるようにアドレス化したものが順次巻装されることになる。その場合に、Ｕ相のコイルについては、巻き始め（Ｓ）から巻き終わり（Ｅ）までとして、コイルＵ１、Ｕ２、Ｕ３になるものと、コイルＵ４、Ｕ５、Ｕ６なるものとに分離された並列状態で巻装し、同様にして１スロットずつずらした状態で、Ｖ相のコイルはコイルＶ１、Ｖ２、Ｖ３になるものと、コイルＶ４、Ｖ５、Ｖ６になるものとが、Ｗ相のコイルはコイルＷ１、Ｗ２、Ｗ３になるものと、コイルＷ４、Ｗ５、Ｗ６なるものとがそれぞれ並列状態で巻装される。
そしてコイルＵ１〜Ｕ３、コイルＶ１〜Ｖ３、コイルＷ１〜Ｗ３のものについてΔ結線して第一のΔ結線群Ｉが形成される一方、コイルＵ４〜Ｕ６、コイルＶ４〜Ｖ６、コイルＷ４〜Ｗ６のものについてΔ結線されて第二のΔ結線群ＩＩが形成され、該各Δ結線群Ｉ、ＩＩの各対応する結線部位ＵＷＩとＵＷＩＩ、ＵＶＩとＵＶＩＩ、ＶＷＩとＶＷＩＩの各結線端同士を配線１０、１１、１２でそれぞれ接続し、該接続配線１０、１１、１２から外部接続端子１０ａ、１１ａ、１２ａを設けることでΔ結線群Ｉ、ＩＩが並列接続された三相のステータコイル９を形成している。

叙述のごとく構成された本発明の実施の形態において、三相の永久磁石式の交流発電機を構成しているステータコイル９は、デルタ結線をして効率を向上したものでありながら、該ステータコイル９は、Δ結線された第一、第二の結線群Ｉ、ＩＩが線対称の状態で並列したものとして形成され、これらの結線部位の対応するもの同士がさらに結線されて並列接続されたものとなる。この結果、アウタロータ２が回転したことによってステータコイル９に誘起される電流は、並列接続された第一、第二の結線群Ｉ、ＩＩを同時に流れることになってステータコイル９の抵抗が低下する。

このように本発明が実施されたものにおいては、ステータコイル９は、Δ結線されたものが並列接続されたものになって、ステータコイル９の抵抗が低下し、これによってステータコイル９を細線化できてコイルが巻きやすくなるうえコイルの巻き数を増加し得ることになって発電特性が向上する。各相のコイルは、線対称状態の並列巻き線になるためダブルフライヤ方式で巻装することができて巻き作業も簡略化する。

さらに図５では第二の実施の形態の巻装方式を採用している。つまりこのものでは、ティース部３ｂが１８個（ｎ＝６としたものであって、Ｎ＝３×６となる）ある１８スロット方式のものになっており、このものに６（＝ｎ）の約数の３（＝Ｘ）を選んだときに、ステータコイル数が３となる２個（＝ｎ÷Ｘ＝６／３）のΔ結線群が並列接続されたものである。そしてこのものでは、前記第一の実施の形態と同様、Ｕ、Ｖ、Ｗの三相としたときに、これら各相のコイルは、ティース部３ｂを一つづつ位置ズレする状態で、あいだに２個のティース部３ｂをおいた（２個のティースをあいだに跳ばす）ティース部３ｂに順次巻装したものである。つまりこれら各相のコイルについて、同様にしてＵ相のコイルをＵ１〜Ｕ６とアドレス化し、Ｖ相のコイルをＶ１〜Ｖ６と、Ｗ相のコイルをＷ１〜Ｗ６となるようにアドレス化したものが、それぞれあいだに２ｂのティース部３ｂをおいた状態で順次巻装されることになる。そしてこのものでも、Ｕ相のコイルについては、巻き始め（Ｓ）から巻き終わり（Ｅ）までとして、コイルＵ１、Ｕ２、Ｕ３になるものと、コイルＵ４、Ｕ５、Ｕ６なるものとに分離された並列状態で巻装し、同様にして１スロットずつずらした状態で、Ｖ相のコイルはコイルＶ１、Ｖ２、Ｖ３になるものと、コイルＶ４、Ｖ５、Ｖ６になるものとが、Ｗ相のコイルはコイルＷ１、Ｗ２、Ｗ３になるものと、コイルＷ４、Ｗ５、Ｗ６なるものとがそれぞれ並列状態で巻装される。
そしてコイルＵ１〜Ｕ３、コイルＶ１〜Ｖ３、コイルＷ１〜Ｗ３のものについてΔ結線して第一のΔ結線群Ｉが形成される一方、コイルＵ４〜Ｕ６、コイルＶ４〜Ｖ６、コイルＷ４〜Ｗ６のものについてΔ結線されて第二のΔ結線群ＩＩが形成され、該各Δ結線群Ｉ、ＩＩの各対応する結線部位ＵＷＩとＵＷＩＩ、ＵＶＩとＵＶＩＩ、ＶＷＩとＶＷＩＩの各結線端同士を配線１０、１１、１２でそれぞれ接続し、該接続配線１０、１１、１２から外部接続端子１０ａ、１１ａ、１２ａを設けることでΔ結線群Ｉ、ＩＩが並列接続された三相のステータコイル９を形成しており、このような巻装方式としても本発明を実施できることは言うまでもない。

尚、本発明は前記各実施の形態に限定されないものであって、前記式で定義されるティースの個数であれば、増減することは自由である。また永久磁石の数についても、三相の交流発電機としての機能を損なわないものであれば増減することは自由であることは言うまでもない。

さて次に、前記ティースの全数Ｎは
Ｎ＝３×ｎ 但し、ｎは２以上の自然数
で定義され、
ｎの約数Ｘを１を含むがｎは含まない数としたときに、前記ステータコアには、ティースに巻装されるステータコイルの数がそれぞれＸ個ずつになるΔ結線群がｎ÷Ｘ個形成されることについて、図６に示した表図を用いてさらに詳しく説明する。

表図において、ｎ＝２の場合、ティース全数Ｎは６、ｎ＝２の２を含まない約数は１であり、Δ結線群は、１本づつステータコイルで形成されるΔ結線群が２個形成されることになる。これを配線したものは、図７（Ａ）となる。このようにして並列接続されるΔ結線群が定義されることになるが、前述したｎ＝６とした場合、前記定義される約数は１、２、３である。これらについてそれぞれの配線を図７（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）で示す。さらに前記表図では、ｎ＝３、４、８、１２とした場合について前記定義されるティース全数、約数（＝Δ結線群の各コイル数）、Δ結線群の数（＝ｎ／Ｘ）を示してある。

三相の永久磁石式交流発電機の正面図である。 三相の永久磁石式交流発電機の断面側面図である。 ｎ＝６、Ｘ＝３としたとき形成されるΔ結線群Ｉ、ＩＩ同士の結線状態を示す配線回路図である。 第一の実施の形態におけるＵ相のステータコイルを巻装した状態を示すステータコアの正面図である。 第二の実施の形態におけるＵ相のステータコイルを巻装した状態を示すステータコアの正面図である。 ｎを変化させたときのＮ、ＸおよびΔ結線群の数を示す表図である。 （Ａ）はｎ＝２、Ｘ＝１としたときの配線回路図、（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）はｎ＝６、Ｘ＝１、２、３としたときのそれぞれの配線回路図である。

符号の説明

１ 交流発電機
２ アウタロータ
３ ステータコア
３ｂ ティース部
９ ステータコイル
Ｉ 第一Δ結線群
ＩＩ 第二Δ結線群

Claims (2)

1. 円筒状をし、内周面に交互に異極になった永久磁石が周回り方向に取付けられるアウタロータと、該アウタロータに内装され、周回り方向に角度を存して突設したティースにステータコイルが巻装されたステータコアとを用いて構成される磁石式の交流発電機において、
   前記ステータコイルを三相でかつΔ結線したものとするにあたり、
   該ステータコイルは、あいだに二相おいたティースに順次巻装したものであり、
   前記ティースの数Ｎは
   Ｎ＝３×ｎ 但し、ｎは２以上の自然数
   で定義され、
   ｎの約数Ｘを１を含むがｎは含まない数としたときに、
   前記ステータコアには、ティースに巻装されるステータコイルの数がそれぞれＸ個ずつになるΔ結線群がｎ÷Ｘ個形成されるものとし、
   これら形成されるΔ結線群を並列接続したことを特徴とする永久磁石式の交流発電機。
2. 円筒状をし、内周面に交互に異極になった永久磁石が周回り方向に取付けられるアウタロータと、該アウタロータに内装され、周回り方向に角度を存して突設したティースにステータコイルが巻装されたステータコアとを用いて構成される磁石式の交流発電機において、
   前記ステータコイルを三相でかつΔ結線したものとするにあたり、
   該ステータコイルはあいだに２個おいたティースに順次巻装したものであり、
   前記ティースの数Ｎは
   Ｎ＝３×ｎ 但し、ｎは２以上の自然数
   で定義され、
   ｎの約数Ｘを１を含むがｎは含まない数としたときに、
   前記ステータコアには、ティースに巻装されるステータコイルの数がそれぞれＸ個ずつになるΔ結線群がｎ÷Ｘ個形成されるものとし、
   これら形成されるΔ結線群を並列接続したことを特徴とする永久磁石式の交流発電機。

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