JP2010081670A - 交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータにおける巻線の占積率を効果的に向上させることができ、発電効率及び生産効率を向上させることができる交流発電機を提供すること。
【解決手段】交流発電機１は、Ｎ極の磁界形成部２２ＮとＳ極の磁界形成部２２Ｓとを周方向Ｃに交互に複数配列してなるロータ２と、磁界交番用ポール４を周方向Ｃに複数配列してなるステータ３とを有しており、各磁界交番用ポール４に対して、Ｎ極の磁界形成部２２ＮとＳ極の磁界形成部２２Ｓとが交互に対向配置されることによって、単相の交流発電を行うよう構成してある。複数の磁界交番用ポール４は、ステータ３を構成するステータコア３１の周方向Ｃに複数形成したポール３２に対して、巻線５１を巻回した巻線ポール４Ａと、巻線５１を巻回していない無巻線ポール４Ｂとを、１つずつ交互に複数形成して構成してある。複数の巻線ポール４Ａは、すべて同じ巻回方向に巻線５１の巻回を行って形成してある。
【選択図】図２

Description

本発明は、単相交流の発電を行うよう構成した単相磁石式発電機に関する。

磁石式発電機は、Ｎ極及びＳ極の永久磁石を周方向に交互に複数配列して構成したロータと、巻線を巻回したポールを周方向に複数配列して構成したステータとを有している。そして、例えば、エンジン等による回転駆動力を受けてロータが回転する際には、複数のポールに対して、Ｎ極の永久磁石による磁界とＳ極の永久磁石による磁界とが繰り返し交互に対向配置されることによって、複数のポールに巻回した巻線に交流電圧の発電を行っている。

例えば、特許文献１の永久磁石電動機においては、ステータの歯（ポール）を３つのグループに分け、各グループにおいては、歯の開口部間のピッチを連続した３個の歯の幅は広くし、残りの１個の歯の幅は狭くしている。そして、広ピッチに形成した歯には、隣同士の歯の極性が異なるように巻線を行い、狭ピッチに形成した歯には、巻線を行っていない。また、各グループに１相分の巻線を施すことにより、全体として３相巻線を形成している。これによれば、銅線の使用量を削減すると共に、トルクを増大し、効率を向上した永久磁石電動機を得ることができる。

また、例えば、特許文献２の磁石式発電機のステータにおいては、第１巻線を１ポール飛ばしの各ポールに同一巻回方向で巻回すると共に、第２巻線を１ポール飛ばしの各ポールに第１巻線の巻回方向とは逆の巻回方向で巻回している。これによれば、外部リード線が短くて済み、かつ、外部リード線及び巻線をターミナルに接続する作業を容易化することができる。

特開２００１−２４５４６０号公報 特開２００５−２６１１５９号公報

しかしながら、上記従来のステータにおいては、各ポールに巻線の巻回を行っている。そのため、巻線を行った各ポール間には、互いの巻線同士が接触することを防止するために、所定幅のエアギャップ（隙間）を設ける必要があった。また、各ポール間には、各ポールに巻回した巻線同士を繋ぐ渡線が通るスペースを確保するか、常に巻線がポールの内周側の位置で巻き終わるようにして、このポールの内周側の位置から次のポールの内周側の位置へと渡線を通す工夫が必要であった。これらのことより、従来の巻線の仕方によっては、ステータにおける巻線の占積率（線積率）を向上させることが困難であり、発電効率を効果的に向上することができなかった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、ステータにおける巻線の占積率を効果的に向上させることができ、発電効率及び生産効率を向上させることができる交流発電機を提供しようとするものである。

本発明は、Ｎ極の磁界形成部とＳ極の磁界形成部とを周方向に交互に複数配列してなるロータと、磁界交番用ポールを周方向に複数配列してなるステータとを有し、
上記各磁界交番用ポールに対して、上記Ｎ極の磁界形成部と上記Ｓ極の磁界形成部とが交互に対向配置されることによって、単相又は複数相の交流発電を行うよう構成した交流発電機において、
上記複数の磁界交番用ポールは、上記ステータを構成するステータコアの周方向に複数形成したポールに対して、巻線を巻回した巻線ポールと、巻線を巻回していない無巻線ポールとを、１つずつ交互に複数形成してなり、
上記複数の巻線ポールは、すべて同じ巻回方向に巻線の巻回を行って形成してあることを特徴とする交流発電機にある（請求項１）。

本発明の交流発電機は、各磁界交番用ポールに対して、Ｎ極又はＳ極の磁界を交番させるものであり、ステータにおける巻線の占有率を向上させることができるものである。
具体的には、複数の磁界交番用ポールは、巻線を巻回した巻線ポールと、巻線を巻回していない無巻線ポールとを、１つずつ交互に複数形成して構成した。また、複数の巻線ポールにおける巻線の巻回方向をすべて同じにした。

そして、各巻線ポールに隣接する各無巻線ポールには巻線が巻回されていない。これにより、巻線ポールに巻回する巻線を、ポール同士の間のスロットの可能な限り全体に配置することができる。そして、巻線ポールにおける巻線と無巻線ポールとの間に形成されるエアギャップ（隙間）を極力小さくすることができる。そのため、ステータにおける巻線の占積率を効果的に向上させることができる。

また、Ｎ極又はＳ極の磁界形成部が各巻線ポール及び各無巻線ポールに対して交番するときには、巻線ポールから無巻線ポールを通過して巻線ポールに戻る磁路が形成される。そのため、無巻線ポールに巻線を行っていなくても、互いに隣接するポールにおける巻線の巻回方向を逆にして全体のポールに巻線を行った場合と比べて同等の発電出力性能を発揮し、巻線の占積率を向上した分、スロット幅を大きくしたり、太い巻線（銅線等）を巻いたりすることができるので、発電効率を向上させることができる。
さらに、各巻線ポールにおいては同じ巻回方向に巻線の巻回を行うことができる。これにより、各巻線ポールへの巻線の巻回が容易であり、ステータの生産効率も向上させることができる。

それ故、本発明の交流発電機によれば、ステータにおける巻線の占積率を効果的に向上させることができ、発電効率及び生産効率を向上させることができる。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記交流発電機は、上記ステータの外周側に上記ロータを配置してなるアウターロータタイプのものとし、上記ステータコアに形成した上記ポールは、径方向内周側の基端部の周方向幅が最も小さく、かつ径方向外周側の先端部の周方向幅が最も大きくなった台形形状を有しており、上記ポール同士の間には、互いに平行な一対の周方向側壁を備えた平行スロットが形成されており、上記巻線ポールは、上記平行スロットにおける一対の周方向側壁に平行に巻線を配置して形成することができる（請求項２）。
この場合には、巻線の占積率を効果的に向上させることができ、発電効率及び生産効率に優れるアウターロータタイプのステータを容易に形成することができる。また、ポールの断面積を増加させることができ（先端部の周方向幅を増加させたことによる断面積の増加を図ることができ）、鉄損を小さくして発電効率を向上させることができる。
なお、各平行スロット内には、巻線を長方形状になるよう並べて配置することができる。

また、上記交流発電機は、上記ステータの内周側に上記ロータを配置してなるインナーロータタイプのものとし、上記ステータコアに形成した上記ポールは、径方向外周側の基端部の周方向幅が最も大きく、かつ径方向内周側の先端部の周方向幅が最も小さくなった台形形状を有しており、上記ポール同士の間には、互いに平行な一対の周方向側壁を備えた平行スロットが形成されており、上記巻線ポールは、上記平行スロットにおける一対の周方向側壁に平行に巻線を配置して形成することもできる（請求項３）。
この場合には、巻線の占積率を効果的に向上させることができ、発電効率及び生産効率に優れるインナーロータタイプのステータを容易に形成することができる。また、ポールの断面積を増加させることができ（基端部の周方向幅を増加させたことによる断面積の増加を図ることができ）、鉄損を小さくして発電効率を向上させることができる。
なお、各平行スロット内には、巻線を長方形状になるよう並べて配置することができる。

また、上記巻線ポールにおける巻線と上記無巻線ポールとの間に形成された隙間は、上記巻線ポールにおける巻線の直径よりも小さくすることが好ましい（請求項４）。
この場合には、各巻線ポールにおける巻線と各無巻線ポールとの間のエアギャップ（隙間）を極力小さくして、発電効率をより向上させることができる。

また、上記Ｎ極の磁界形成部及び上記Ｓ極の磁界形成部は、それぞれ永久磁石からなり、上記ステータにおいては、１本の巻線を上記複数の巻線ポールに連続して巻回することによって単相のコイルが形成されており、上記１本の巻線は、上記無巻線ポールを介して隣接する巻線ポール間を渡っており、交流発電機によって単相磁石式交流発電機を形成することが好ましい（請求項５）。
この場合には、Ｎ極及びＳ極の磁界形成部を永久磁石によって形成することにより、ロータの構造を簡単にすることができる。

また、単相の交流発電機を構成することにより、１本の巻線によってステータ全体における巻線を連続して行うことができ、ステータの生産効率をより向上させることができる。
なお、ステータには、単相のコイルを形成する以外にも、複数相のコイルを形成することもできる。例えば、ステータには、３本の連続する巻線によって各巻線ポールへの巻線の巻回を行うことにより、３相のコイルを形成することもできる。

以下に、本発明の交流発電機にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
（実施例１）
本例の交流発電機１は、図２に示すごとく、Ｎ極の磁界形成部２２ＮとＳ極の磁界形成部２２Ｓとを周方向Ｃに交互に複数配列してなるロータ２と、磁界交番用ポール４を周方向Ｃに複数配列してなるステータ３とを有している。また、交流発電機１は、各磁界交番用ポール４に対して、Ｎ極の磁界形成部２２ＮとＳ極の磁界形成部２２Ｓとが交互に対向配置されることによって、単相の交流発電を行うよう構成してある。
図３に示すごとく、複数の磁界交番用ポール４は、ステータ３を構成するステータコア３１の周方向Ｃに複数形成したポール３２に対して、巻線５１を巻回した巻線ポール４Ａと、巻線５１を巻回していない無巻線ポール４Ｂとを、１つずつ交互に複数形成して構成してある。そして、複数の巻線ポール４Ａは、すべて同じ巻回方向Ｔ１に巻線５１の巻回を行って形成してある。

以下に、本例の交流発電機１につき、図１〜図５を参照して詳説する。
図１に示すごとく、本例の交流発電機１は、車両（本例では二輪車）のエンジンのクランクシャフト７の回転を受けて発電を行うものであり、発電を行った電力によりバッテリーの充電、ランプ類の点灯等を行うために用いる。また、本例の交流発電機１によって発電した電力は、エンジンにおけるシリンダーへ加圧した燃料を供給するための電動式の燃料ポンプを駆動するために用いることができる。
また、本例の交流発電機１は、ステータ３の外周側にロータ２を配置してなるアウターロータタイプのものである。本例のロータ２は、エンジンのクランクシャフト７に連結されている。また、ステータ３３は、エンジン等に取り付けるハウジング１０に固定されている。

図２、図３に示すごとく、本例のステータ３は、複数の電磁鋼板を軸方向Ｌに積層してなるステータコア３１に、巻線５１による単相のコイル５を配置してなる。単相のコイル５は、１本の巻線５１を連続して巻回することによって形成されている。
また、図４に示すごとく、本例のステータコア３１に形成したポール３２は、径方向内周側の基端部３２１の周方向Ｃの幅が最も小さく、かつ径方向外周側の先端部３２２の周方向Ｃの幅が最も大きくなった台形形状を有している。そして、ポール３２同士の間には、互いに平行な一対の周方向Ｃの側壁を備えた平行スロット３３が形成されており、巻線ポール４Ａは、平行スロット３３における一対の周方向Ｃの側壁に平行に、長方形状に巻線５１を配置して形成されている。

本例のステータ３においては、巻線ポール４Ａにおける巻線５１と無巻線ポール４Ｂとの間に形成されるエアギャップを極力小さくしている。すなわち、本例のステータ３においては、巻線ポール４Ａにおける巻線５１と無巻線ポール４Ｂとの間に形成された隙間Ｓは、巻線ポール４Ａにおける巻線５１の直径よりも小さくしてある。
また、ステータコア３１は、複数の電磁鋼板を積層してなる鉄心部３１１と、この鉄心部３１１の表面（巻線５１の巻回をする表面）を被覆する絶縁性の被覆部３１２とによって形成してある。

図２に示すごとく、本例のロータ２においては、Ｎ極の磁界形成部２２Ｎ及びＳ極の磁界形成部２２Ｓは、それぞれ永久磁石からなる。ロータ２は、軟磁性材料からなる円筒状ヨーク２１の内周側に、Ｎ極の磁界形成部２２ＮとＳ極の磁界形成部２２Ｓとを同じ数だけ、交互に繰り返し配列して構成されている。
ステータ３においては、絶縁被膜を有するエナメル線等からなる１本の巻線５１を複数の巻線ポール４Ａに連続して巻回することによって単相のコイル５が形成されている。そして、１本の巻線５１は、無巻線ポール４Ｂを介して隣接する巻線ポール４Ａ同士の間を渡っている。また、本例の交流発電機１は、単相磁石式交流発電機を構成している。

本例のロータ２においては、Ｎ極の磁界形成部２２ＮとＳ極の磁界形成部２２Ｓとが、周方向Ｃに同じピッチで繰り返し交互に形成されている。本例のロータ２の極数は１８であり、Ｎ極及びＳ極の磁界形成部２２Ｎ、２２Ｓはそれぞれ９個ずつ形成されている。
なお、ロータ２の極数は、１８極以外にも、例えば、８極、１２極、１４極、１６極、２０極、２２極、２４極とすることができる。

また、図２に示すごとく、本例のステータ３においては、磁界交番用ポール４が、周方向Ｃに同じピッチで繰り返し形成されている。すなわち、巻線ポール４Ａ及び無巻線ポール４Ｂのいずれのポール間においても、その周方向Ｃへの形成ピッチは同じになっている。
また、巻線ポール４Ａの数と無巻線ポール４Ｂの数とを合わせた合計ポール数（本例では１８ポール）は、Ｎ極の磁界形成部２２Ｎの数とＳ極の磁界形成部２２Ｓの数とを合わせたロータ２の極数（本例では１８極）と同じである。

また、図３、図４に示すごとく、各巻線ポール４Ａに巻回する巻線５１は、径方向内周側の基端部３２１から先端部３２２へと巻回を始め、先端部３２２と基端部３２１とに往復して巻回を行い、先端部３２２において巻回を終わって、次の巻線ポール４Ａへと渡っている。そして、各巻線ポール４Ａには、基端部３２１から先端部３２２へ向けて巻回した巻線層と、先端部３２２から基端部３２１へ向けて巻回した巻線層とを交互に重ねて、巻線５１が形成されている。また、各無巻線ポール４Ｂには、巻線ポール４Ａの先端部３２２から次の巻線ポール４Ａの基端部３２１へと渡る巻線５１の一部である渡線５２が横切っている。なお、図３においては、各巻線ポール４Ａへ巻回を行った巻線５１の巻始めと巻終りの引出線を符号５０１、５０２によって示した。

本例の交流発電機１は、各磁界交番用ポール４に対して、Ｎ極又はＳ極の磁界を交番させるものであり、ステータ３における巻線５１の占有率を向上させることができるものである。
具体的には、複数の磁界交番用ポール４は、巻線５１を巻回した巻線ポール４Ａと、巻線５１を巻回していない無巻線ポール４Ｂとを、１つずつ交互に複数形成して構成した。また、複数の巻線ポール４Ａにおける巻線５１の巻回方向Ｔ１をすべて同じにした。

そして、各巻線ポール４Ａに隣接する各無巻線ポール４Ｂには巻線５１が巻回されていない。これにより、巻線ポール４Ａに巻回する巻線５１を、ポール３２同士の間のスロット３３の全体に、可能な限り隙間Ｓを形成することなく配置することができる。そして、巻線ポール４Ａにおける巻線５１と無巻線ポール４Ｂとの間に形成されるエアギャップ（隙間）Ｓを極力小さくすることができる。そのため、ステータ３における巻線５１の占積率を効果的に向上させることができる。

また、Ｎ極の磁界形成部２２Ｎ又はＳ極の磁界形成部２２Ｓが各巻線ポール４Ａ及び各無巻線ポール４Ｂに対して交番するときには、巻線ポール４Ａから無巻線ポール４Ｂを通過して巻線ポール４Ａに戻る磁路Ｇが形成される（図４参照）。そのため、無巻線ポール４Ｂに巻線５１を行っていなくても、互いに隣接するポール３２における巻線５１の巻回方向を逆にして、全体のポール３２に巻線５１を行った場合と比べて同等の発電出力性能を発揮することができる。また、巻線５１の占積率を向上した分、スロット３３の周方向Ｃの幅を大きくしたり、太い巻線５１（銅線等）を巻いたりすることができるので、発電効率を向上させることができる。
さらに、本例の各巻線ポール４Ａにおいては同じ巻回方向Ｔ１に巻線５１の巻回を行うことができる。これにより、各巻線ポール４Ａへの巻線５１の巻回が容易であり、ステータ３の生産効率も向上させることができる。

それ故、本例の交流発電機１によれば、ステータ３における巻線５１の占積率を効果的に向上させることができ、発電効率及び生産効率を向上させることができる。

なお、ステータ３には、単相のコイル５を形成する以外にも、図５に示すごとく、例えば、３相のコイルを形成することもできる。この場合には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のコイルごとに連続する１本の巻線を用い、各相の巻線を、各無巻線ポール４Ｂを飛ばして３相の巻線ポール４Ｕ、４Ｖ、４Ｗにそれぞれ巻回することができる。同図において、各相のコイルの配置を簡略的に符号Ｕ、Ｖ、Ｗによって示す。
ステータ３における各磁界交番用ポール４は、Ｕ相の巻線ポール４Ｕ、無巻線ポール４Ｂ、Ｖ相の巻線ポール４Ｖ、無巻線ポール４Ｂ、Ｗ相の巻線ポール４Ｗ、無巻線ポール４Ｂの順に繰り返し形成することができる。同図においては、ステータ３の極数が１８極の場合の例を示したが、ステータ３の極数は６の倍数となる種々の極数とすることができる。

（実施例２）
本例は、交流発電機１を、ステータ３の内周側にロータ２を配置してなるインナーロータタイプのものとした場合についての例である。
図６に示すごとく、本例のステータコア３１に形成したポール３２Ｘは、径方向内周側へ突出しており、径方向外周側の基端部３２１Ｘの周方向Ｃの幅が最も大きく、かつ径方向内周側の先端部３２２Ｘの周方向Ｃの幅が最も小さくなった台形形状を有している。また、ポール３２Ｘ同士の間には、互いに平行な一対の周方向Ｃの側壁を備えた平行スロット３３Ｘが形成されており、巻線ポール４Ａは、平行スロット３３Ｘにおける一対の周方向Ｃの側壁に平行に、長方形状に巻線５１を配置して形成されている。

本例に示したように、交流発電機１をインナーロータタイプとする場合でも、上記実施例１の場合と同様の作用効果を得ることができる。
本例においても、その他の構成は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

実施例１における、交流発電機の全体を示す断面説明図。 実施例１における、交流発電機を軸方向から見た状態で示す説明図。 実施例１における、ステータを軸方向から見た状態で示す説明図。 実施例１における、磁界交番用ポールの形成状態を拡大して示す説明図。 実施例１における、他のステータを簡略的に示す説明図。 実施例２における、ステータを軸方向から見た状態で示す説明図。

符号の説明

１ 交流発電機
２ ロータ
２２Ｎ Ｎ極の磁界形成部
２２Ｓ Ｓ極の磁界形成部
３ ステータ
３１ ステータコア
３２ ポール
３３ スロット
４ 磁界交番用ポール
４Ａ 巻線ポール
４Ｂ 無巻線ポール
５ コイル
５１ 巻線
５２ 渡線
Ｓ 隙間

Claims (5)

1. Ｎ極の磁界形成部とＳ極の磁界形成部とを周方向に交互に複数配列してなるロータと、磁界交番用ポールを周方向に複数配列してなるステータとを有し、
   上記各磁界交番用ポールに対して、上記Ｎ極の磁界形成部と上記Ｓ極の磁界形成部とが交互に対向配置されることによって、単相又は複数相の交流発電を行うよう構成した交流発電機において、
   上記複数の磁界交番用ポールは、上記ステータを構成するステータコアの周方向に複数形成したポールに対して、巻線を巻回した巻線ポールと、巻線を巻回していない無巻線ポールとを、１つずつ交互に複数形成してなり、
   上記複数の巻線ポールは、すべて同じ巻回方向に巻線の巻回を行って形成してあることを特徴とする交流発電機。
2. 請求項１において、上記交流発電機は、上記ステータの外周側に上記ロータを配置してなるアウターロータタイプのものであり、
   上記ステータコアに形成した上記ポールは、径方向内周側の基端部の周方向幅が最も小さく、かつ径方向外周側の先端部の周方向幅が最も大きくなった台形形状を有しており、
   上記ポール同士の間には、互いに平行な一対の周方向側壁を備えた平行スロットが形成されており、
   上記巻線ポールは、上記平行スロットにおける一対の周方向側壁に平行に巻線を配置して形成してあることを特徴とする交流発電機。
3. 請求項１において、上記交流発電機は、上記ステータの内周側に上記ロータを配置してなるインナーロータタイプのものであり、
   上記ステータコアに形成した上記ポールは、径方向外周側の基端部の周方向幅が最も大きく、かつ径方向内周側の先端部の周方向幅が最も小さくなった台形形状を有しており、
   上記ポール同士の間には、互いに平行な一対の周方向側壁を備えた平行スロットが形成されており、
   上記巻線ポールは、上記平行スロットにおける一対の周方向側壁に平行に巻線を配置して形成してあることを特徴とする交流発電機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記巻線ポールにおける巻線と上記無巻線ポールとの間に形成された隙間は、上記巻線ポールにおける巻線の直径よりも小さくなっていることを特徴とする交流発電機。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、上記Ｎ極の磁界形成部及び上記Ｓ極の磁界形成部は、それぞれ永久磁石からなり、
   上記ステータにおいては、１本の巻線を上記複数の巻線ポールに連続して巻回することによって単相のコイルが形成されており、上記１本の巻線は、上記無巻線ポールを介して隣接する巻線ポール間を渡っており、
   単相磁石式交流発電機を形成してなることを特徴とする交流発電機。

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