CN104604103A - 永磁交流发电机 - Google Patents

Abstract

本永磁发电机能够在有限的空间内增加输出功率，并实现体积小、重量轻、输出功率高的发电机。与1个磁极相对应的U相的绕组设置为，例如，第一和第二绕组(19、24)的多个绕组，该第一和第二绕组(19、24)卷绕成短节距绕组，且将第一和第二绕组(19、24)的卷绕开始端至少错开1个齿，并以第一以及第二的多个绕组(19、24)所占的卷绕角度(从第一绕组(19)的卷绕开始端至第二绕组(24)的卷绕结束端的槽间的角度)与磁极角相对应的方式进行卷绕，V相相对于U相在电角度滞后120度的位置以与U相相同的关系配置第一和第二绕组(19、24)，在进一步滞后120度的位置配置W相。然后，分别对第一和第二绕组(19、24)的输出功率进行整流之后使其汇合，并将电流相加后使用。

Description

永磁交流发电机

技术领域

本发明涉及一种具备安装在壳体上的定子以及相对定子旋转的具有永磁部件的转子的永磁发电机的定子的绕组。

背景技术

以往，为了提高发电机的效率，在发电机的转子上使用永久磁铁的方法已得到广泛的普及。因为永磁发电机的特长是磁力大，所以即使转速小也可得到较大的输出功率。然而，因为永久磁铁的磁力是恒定的，所以如果转速增加，具有因磁力大而使电压过于上升的倾向，并且对电压上升很难进行控制。然而，近年来，由于本发明人的研究成果，对电压进行控制变得简单方便(专利文献1、2、3)，因此发电机的小型化成为下一个课题。

例如，在汽车用发电机中其尺寸越小搭载性越好，且更加方便。而且，近年来汽车对电功率的需求在不断地增加，而且要求发电机小型化和提高输出功率。

一方面，以往作为汽车用发电机使用的电磁式发电机在转子上产生电磁力，并且使配置在其外周的定子的绕组产生电动势，以此发电。然而存在电磁铁的磁力过小，尤其在低速度无法得到较大的发电功率的问题。于是，利用加速器使转速变大以增加发电功率，可是该方法也有限度，只好将发电机的尺寸增大以满足电功率的需求。然而，增加尺寸也有限度，因此发电功率的不足引起电瓶电力耗尽，目前已成了驾驶员的烦恼之事。

另一方面，人们多次探讨过利用永磁发电机作为汽车用发电机，可是为确保必要的性能需要较大的体积，无法实现特别小型的汽车用发电机，因此只好放弃了搭载在车体的念头。然而，近年来，有人提出在电动机中用磁性材料制作转子并将永久磁铁内置于其中的IPMSM(Interior Permanent MagnetSynchronous Motor：永磁同步电动机)的方法(非专利文献1),以此提高电动机的低速度转矩。该IPMSM除了永久磁铁的磁力之外还产生电流磁场，并使其流入磁性材料，与永久磁铁的磁场相加而使整个磁力增加。于是，作为与以往的感应式电动机相比可实现高效率、小型轻量化的同步电动机，已适用于混合动力汽车用电动机。该IPMSM也可适用于发电机。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第4463872号公报

专利文献2：日本特许第4712896号公报

专利文献3：日本特许第4913234号公报

非专利文献1：Ohmsha“内置式磁铁同步电动机的设计和控制”武田洋次等著

发明内容

发明所要解决的课题

然而，以简单的方法用小型的永磁发电机增加输出功率非常困难，不存在划时代的实用性技术。另一方面，IPMSM方式虽然也能够应用于发电机，但是存在控制装置复杂且零部件数较多、成本昂贵的缺点。尤其是使用稀土元素的IPMSM成了高价产品。

在此，有关永磁发电机的发电功率，通过理论公式对不增大发电机尺寸就难以提高输出功率的问题进行说明。

首先，发电机的输出功率取决于磁力的强度、频率、定子的绕组数量等的特性。也就是说，用下面的数学式1以及数学式2所表示的电压和规定电压中的电流值的乘积来决定输出功率。

(数学式1)

E＝4.44×φ×f×Ws

式中，E:电动势电压

φ:磁力的大小

f:频率

Ws:绕组的匝数

(数学式2)

E＝I×(R²+(2πfL/1000)²)^1/2

式中，I:电流

R:绕组的电阻

L:绕组的电感

因此，若匝数大电压就变大，绕组的匝数的函数即阻抗越小电流I越大，从而输出功率变大。然而，从上述的数学式1中可明显地看出用一般的绕组无论怎么改变绕组也无法增加电动势。当然，通过改变磁路的磁阻，磁力强度φ的磁导系数变大。于是，虽然对定子的齿的材质、形状、绕组的形状等绞尽脑汁想办法来提高输出功率，但是其效果甚微。而且，即使增加绕组的匝数，虽然绕组电阻变小，但是绕组的电感不变，因此产生的电压不变。

还有，如上述的数学式2所示，相对于对电动势想要增大产生的电流需要使绕组的电感变小。电感由下面的数学式3表示。

(数学式3)

L＝A·μ·N²/l

式中，A:卷绕有绕组的铁心面积

μ:导磁率

N:匝数

l:磁场的通道长度

只要验证数学式3就可容易得知在不改变绕组的情况下不存在将电感L大幅度地减小的方法，因此在不增大发电机的尺寸的情况下无法提高输出功率。

本发明的目的在于提供一种用简单的方法保持原有的小尺寸而增加功率的永磁交流发电机。

用于解决课题的手段

为实现上述目的，本发明人进行了种种实验和研究。最初用同相位卷绕2个绕组，对电流是否变为2倍以及输出功率是否变为2倍做了试验。当在同一个齿上卷绕2个绕组时，虽然匝数增加绕组的电阻变小，但是绕组的电感不变，因此产生的电压不变。在该绕组中匝数相等电感也相同，因此无法使电流变为2倍。可是通过试验得知，若错开绕组的相位卷绕2个绕组，则因为磁通量的通过时刻错开(通过该绕组的磁力的通过模式发生变化)，所以具有在每个绕组产生电压的特性。而且，当将这些电力相加时可得到大致两倍的电力。

本发明是基于上述的见解而提出的。本发明所涉及的永磁交流发电机，具有旋转自如地支撑于壳体的转子轴、固定于转子轴上且外周侧安装有多个永磁部件的转子、配置在转子的外侧并卷绕有绕组的定子、以及使电压恒定的切换机构，其中，将与转子的磁极相对应的定子的齿设置为3以上且相数的2以上的整数倍，并且，与转子的磁极相对应的定子的绕组由卷绕成短节距的多个绕组组成，且以将卷绕多个绕组的齿错开而卷绕成短节距的多个绕组所占的卷绕角度与磁极角相对应的方式进行卷绕。

在此优选为，当发电机为多相发电机时，与转子的磁极相对应的定子的齿的数量为相数的2以上的整数倍，并且，与转子的磁极相对应的定子的绕组由卷绕成短节距的多个绕组组成，且以将卷绕多个绕组的齿错开而多个绕组所占的卷绕角度与磁极角相对应的方式进行卷绕，相对于与第一相相对应的绕组之后各相的定子的绕组依次配置于电角度各滞后360度除以相数所得到的角度的位置。

尤其优选为，与转子的磁极相对应的定子的齿的数量为相数的2以上的整数倍，与1个磁极相对应的定子的绕组由与整数相同数的绕组组成，且跨越从与转子的磁极相对应的齿的数量减去比整数少1的数所得到的数量的齿进行短节距卷绕，并以将错开1个齿而卷绕成短节距的多个绕组所占的卷绕角度与磁极角相对应的方式进行卷绕，相对于与第一相相对应的绕组之后各相的定子的绕组依次从电角度各滞后360度除以相数所得到的角度的位置开始配置。

其中尤其优选为，当发电机为三相发电机时，与转子的磁极相对应的定子的齿为6个，并且与1个磁极相对应的定子的绕组由第一以及第二的两种绕组组成，通过错开1个齿分别卷绕5个齿的短节距卷绕，以第一以及第二绕组所占的卷绕角度与磁极角相对应的方式进行卷绕，相对于U相的第一以及第二绕组从电角度滞后120度的位置开始配置V相的第一以及第二绕组，再从V相滞后120度配置W相的第一以及第二绕组。

还有，优选为，当发电机为三相发电机时，与转子的磁极相对应的定子的齿为9个，并且，与1个磁极相对应的定子的绕组由第一、第二以及第三的三种绕组组成，通过错开1个齿分别卷绕7个齿的短节距卷绕，以第一、第二以及第三绕组占据的卷绕角度与磁极角相对应的方式进行卷绕，相对于U相的第一、第二以及第三绕组从电角度滞后120度的位置开始配置V相的第一、第二以及第三绕组，再从V相滞后120度配置W相的第一、第二以及第三绕组。

还有，优选为，当发电机为单相发电机时，与转子的磁极相对应的定子的齿为3个，并且，定子的绕组为第一以及第二的两种绕组，以错开1个齿卷绕2个齿的方式进行短节距卷绕。

优选为，在这些发电机中，在多个定子的绕组产生的交流电分别独立地由整流器整流，然后使接线汇合并将直流电流相加后使用。

进而，涉及本发明的永磁交流发电机，通过在与1个磁极相对应的多个所述绕组中使与各自的绕组的卷绕角度相对应的电流以与多个绕组之间的错开相对应的滞后流过，使定子侧的多个绕组产生的定子侧磁场的合计与各相的转子的磁极部相对应而产生驱动力，永磁交流发电机可作为电动机而运行。

发明效果

根据技术方案1所述的发明所涉及的永磁交流发电机，其将与转子的磁极相对应的定子的齿的数量设置为3以上且相数的2以上的整数倍，并且，以短节距卷绕且将卷绕多个绕组的齿错开并以多个绕组所占的卷绕角度与磁极角相对应的方式在1个磁极上卷绕多个绕组，通过这种简单的结构和方法能够增加小型发电机的输出功率。

也就是说，该发明增加与定子的磁极相对应的齿和槽的数量的同时，将绕组的卷绕方法错开，并在1个极上卷绕多个例如2种或3种以上的绕组，仅通过这种简单的结构，即使不增加发电机的尺寸也能够得到与通常的发电机相比具有2倍或3倍或更大的输出功率。

总之，永磁发电机的定子所产生的电动势电压取决于永久磁铁所具备的磁场的强度、频率、绕组的匝数。另一方面，与对应于磁极的齿的数量不相关，通过齿的磁力的总和就是磁场的强度。还有，当对永久磁铁的磁通量分布进行调查时，磁铁的两端部磁力较小，中间具有最大的磁力。因而，例如，当将与转子相对的齿的数量设定为6个时，通过中间的4个齿的磁力最大，而两端的磁力稍微小些，并且即使将绕组卷绕5个齿而不是6个齿整个磁通量的大小变化也很小。

当用上述的数学式1进行说明时，假定磁通的数量随着齿的数量相应地减少，那么电动势电压为E1＝5/6E，然而具有2束绕组，所以E2＝2×5/6·E，计算上可期待大约增加70％的输出功率。然而，在本发明人的实际的实验中得到了2倍的输出功率。这是因为，当存在与磁极相对应的多个齿时，磁通量并不是均匀地通过所有的齿而是两端的齿的磁力稍微变得弱小，所以即使卷绕成短节距绕组其输出功率也不会减少多少。

因而，通过将多个绕组的相位稍稍错开并以与磁极角相对应的方式进行卷绕，使在每个绕组独立地产生电力并将该电力进行相加，这在不用实现发电机尺寸的大型化而增加输出功率方面是非常有效的。

对技术方案2所述的发明所涉及的永磁多相交流发电机而言，不减少多少所卷绕的齿的数量就能够对应于1个磁极卷绕多个绕组，因此可抑制通过绕组的磁力的减少，并减少对发电电压下降的影响而有效地增加输出功率。

对技术方案3所述的发明所涉及的永磁多相交流发电机而言，不减少多少所卷绕的齿的数量就能够将绕组均匀地插入在所有的槽中而使磁力均匀地通过，因此能够增加大约2倍或2倍以上的输出功率并且作用于绕组的磁力均匀，可降低转矩波动的发生。

对技术方案4所述的发明所涉及的永磁三相交流发电机而言，在1个磁极上，不减少多少所卷绕的齿的数量就能够将2束绕组均匀地插入在所有的槽中而使磁力均匀地通过，因此能够增加大约2倍的输出功率并且作用于绕组的磁力均匀，可降低转矩波动的发生。

对技术方案5所述的发明所涉及的永磁三相交流发电机而言，在1个磁极上，不减少多少所卷绕的齿的数量就能够将3个绕组均匀地插入在所有的槽中而使磁力均匀地通过，因此能够增加大约3倍的输出功率并且作用于绕组的磁力均匀，可降低转矩波动的发生。

根据技术方案6所述的发明，即使是单相的永磁交流发电机也能够增加大约2倍或2倍以上的输出功率。

对技术方案7所述的发明所涉及的永磁交流发电机而言，因为在多个所述定子的绕组产生的交流电分别独立地由整流器整流，然后使接线汇合并将直流电流相加后使用，所以不产生环流电流并能够增加大约2倍至3倍或更多的输出功率。当然，当将发电机的输出端子直接连接到具有同样绕组结构的电动机的输入端子并使其旋转时，例如，当直接连接配置有2种绕组的发电机和电动机时，当发电机的第一绕组与电动机的第一绕组相连且发电机的第二绕组与电动机的第二绕组相连时，不产生环流电流。因此，对在各自的绕组产生的电力进行整流并相加后使用，即使在实现增加永磁交流发电机的输出功率方面是令人满意的条件，但并不是必须条件。

对技术方案8所述的发明所涉及的永磁交流发电机而言，在作为电动机而运行的情况下，通过在与1个磁极相对应的多个所述绕组中将与各自的绕组的卷绕角度相对应的电流以与多个绕组之间的错开相对应的滞后进行通电，使定子侧的多个绕组产生的定子侧磁场的合成磁场与各相的转子的磁极部相对应而产生驱动力，因此可使作为电动机而运行的驱动力加倍增加。

附图说明

图1示出本发明的永磁发电机的结构，(A)为主视图，(B)为侧视图。

图2为示出绕组卷绕到本发明的发电机的槽的卷绕方式的图。

图3为将圆筒形的槽和齿作成展开图并显示卷绕方式的图。

图4为利用本发明发电的两种绕组所产生的发电电压的波形图。

图5为用于使本发电绕组的具有不同相位的电压汇合的整流电路。

图6为当将本发明的发电机作为电动机使用时，使电流流过各相的卷绕角度错开的绕组然后使电流汇合以使驱动力增加的电路图。

图7为当直接连接本发明的一个实施方式的永磁三相交流发电机和永磁三相交流电动机时的电路图。

图8为示出在本发明的一个实施方式的永磁三相交流发电机中，将第一绕组并联连接的例子的电路图。

具体实施方式

下面根据附图所示的实施方式对本发明的结构进行详细说明。

图1示出本发明的永磁发电机的实施方式的一例。根据本实施方式所涉及的发明的永磁发电机为6极三相交流发电机，如图1所示，其由壳体34、转子轴1、转子35、以及定子2组成。其中，壳体34由前壳体3和后壳体5组成；转子轴1通过一对轴承4可旋转地支撑在壳体34上；转子35由固定在转子轴1上的永磁部件7组成；以及，定子2配置在转子35的外周侧且固定在壳体34上。而且，定子2由定子铁心36和卷绕在定子铁心36上的定子线圈8组成。

还有，在转子轴1的一端部上设置有从发动机、风车、水车等的驱动源输入驱动力的输入齿轮等的输入装置。该发电机的组成转子35的转子轴1的两端通过轴承4可旋转地支撑在壳体34上。转子35具备由配置在导磁性部件37的外周面上的多个永久磁铁片组成的永磁部件7以及固定在永磁部件7的外周面的圆筒状套筒40，其中导磁性部件37配置在转子轴1的外周。组成转子35的永磁部件7和导磁性部件37的两端面分别配置有非磁性材料制成的端板38，并用螺母、凸缘等的紧贴装置一体固定在转子轴1上。另外，后壳体5配置有整流器15、29，前壳体3配置有扼流线圈20、14、26、25的端子。在此，扼流线圈20、14、26、25配置在定子的外侧。在本说明书中有关扼流线圈20、14、26、25配置在定子的外侧是指配置成不与转子35的磁通交链的状态。还有，为了将定子线圈8成形固定于定子铁心36上而在槽部内配置有绝缘纸等。

在此，本发明的永磁发电机的定子铁心36设置有3个以上且相数的2以上的整数倍的与转子35的磁极相对应的齿46。也就是说，与单相发电机的1个磁极相对应的齿46的数量，因为相数为1，所以为3个以上的整数即3、4、5、6、···、n，与二相发电机的1个磁极相对应的齿46的数量，因为相数为2，所以为4、6、8、10、···、n，与三相发电机的1个磁极相对应的齿46的数量，因为相数为3，所以为6、9、12、15、···、n，与六相发电机的1个磁极相对应的齿46的数量，因为相数为6，所以为12、18、24、30、···、n。另一方面，在不改变发电机原有的小尺寸的情况下要增加定子的齿46的数量也是有极限的。于是，即使比起一般的定子铁心增加更多的与磁极相对应的齿46，例如，单相电机时优选为增加到3个齿或最多4个齿，而且同样地在多相的电动机的情况下也优选为增加到相数的2倍即最小数。例如，如图1(B)以及图2所示，适用于6极三相交流发电机的本实施方式，每1个磁极具有6个齿共计设置有36个齿。而且，上述的齿46的最小的数量3是为了实现在单相发电机中，在与1个磁极相对应的转子的齿46上至少错开1个齿卷绕2个卷绕成短节距的绕组，且以多个绕组所占的卷绕角度与磁极角度相对应的方式进行配置所需的齿46的数量。还有，发电机为多相时，与转子的磁极相对应的定子的齿46的数量优选为相数的2以上的整数倍，只要至少具有相数的2倍的齿数就可在与磁极相对应的所有的槽中容纳绕组。

还有，对应于1个磁极的多个绕组之间的所卷绕的齿46的错开数量只要是至少1个齿以上就可实施。然而，如果过于增加错开齿46的数量，就会出现用卷绕成短节距的绕组所卷绕的齿46的数量减少的问题，这是所不希望的。例如，在6个齿/P的二相发电机中，若以两种绕组错开1个齿而跨越5个齿进行卷绕的情况为例，如图3所示，第一个绕组19所卷绕的齿46在为了确定图2以及图3中的齿46的相互位置关系而赋予的1至36的连续号码中，为1、2、3、4、5的5个齿，第二个绕组24所卷绕的齿46为2、3、4、5、6的5个齿，以第一以及第二的多个绕组19、24所占的卷绕角度(从第一绕组的卷绕开始端至第二绕组的卷绕结束端的槽间的角度，其电角度为180度)与磁极角度(电角度为180度)相对应的方式进行卷绕。另一方面，虽然未图示，但是当以相同的跨越数量将齿46错开2个齿时，第二绕组将跨越齿46的3、4、5、6、7的5个齿并卷绕与不同的磁极相对应的齿46的7。此时，在齿46的7中通过S极的磁力使磁力相互抵消，最终使通过绕组的磁力变弱。因而，要想将相同的齿数和相同数量的绕组错开2个齿而以与磁极角度对应的方式进行卷绕，就得第一绕组跨越齿46的1、2、3、4的4个齿，第二绕组跨越齿46的3、4、5、6的4个齿，跨越4个齿进行卷绕，然而这样的卷绕不仅无法避免因所卷绕的齿数的减少而引起的磁力的降低，还会产生未容纳绕组的槽，因此是不希望的。因而，最妥善的方法是错开1个齿卷绕绕组。然而，在不改变原有的小尺寸的情况下增加输出功率的效果未必仅限于错开1个齿。

还有，定子线圈8将卷绕成短节距的多个绕组使其相互错开卷绕开始端的齿46而进行卷绕且以多个绕组所占的卷绕角度与磁极角度相对应的方式进行配置。也就是说，本发明当在与1个磁极相对应的转子的齿46上至少错开1个齿而卷绕多个卷绕成短节距的绕组时，利用在各自的绕组产生电压的特性，而将各自的绕组所产生的电力相加以实现增大输出功率。因此，优选为，在1个磁极上错开配置的绕组至少为2个，根据情况为3个以上。另一方面，因为来自转子的磁极的磁力通过绕组所卷绕的齿46，所以若所卷绕的齿46的数量减少磁力也随之减少，并发电电压下降。因此，优选为不减少多少所卷绕的齿46的数量而增加绕组的数量，因为卷绕两种或三种的绕组可增加相加的电力，这是所希望的。在此，优选为，当发电机为多相时，相对于与第一相相对应的多个绕组之后各相的多个绕组依次配置于电角度各滞后360度除以相数所得到的角度的位置。

于是，绕组的数量、卷绕绕组的齿46的错开数量以及绕组跨越齿46的数量不仅限于特定的数量，但是，其中尤其优选为，与1个磁极相对应的绕组由与决定齿46的数量的2以上的整数相同数量的绕组组成，并且跨越从与转子的磁极相对应的齿46的数量减去比所述整数少1的数所得到的数量的齿46进行短节距卷绕，并以错开1个齿而卷绕成短节距的多个绕组所占的卷绕角度与磁极角相对应的方式进行卷绕。在这种情况下，绕组均匀地容纳在所有的槽中。

具体而言，当构成为单相发电机时，(a)3个齿/P、跨越2个齿、错开1个齿、两种绕组时，绕组容纳在所有的槽中。虽然在一部分的槽中绕组的数量因所容纳的槽而异，但具有增加输出功率的效果。(b)4个齿/P、跨越3个齿、错开1个齿、两种绕组时，在与磁极相对应的一部分的槽中不存在绕组，还有在一部分的槽中绕组为2个，而且在一部分的槽中绕组为1个，绕组的数量各不相同且不均匀，然而具有作为发明目的的增加输出功率的效果。(c)5个齿/P、跨越4个齿、错开1个齿、两种绕组时，虽然绕组不容纳在所有的槽中，但是具有增加输出功率的效果。(d)5个齿/P、跨越3个齿、错开1个齿、三种绕组时，虽然绕组容纳在所有的槽中，但是在2个槽中绕组为其他槽的两倍的2个绕组，尽管绕组的数量因槽而异且不均匀，然而能够达到提高输出功率的目的。(e)6个齿/P、跨越5个齿、错开1个齿、两种绕组时，虽然在单相时不是在所有的槽中容纳绕组，然而具有增加输出功率的效果。

还有，当发电机为三相发电机时，(f)6个齿/P、错开1个齿、跨越5个齿、两种绕组是作为本实施方式而例示的绕组时，绕组均匀地容纳在所有的槽中，并且输出功率增加到大致2倍。在(g)9个齿/P、错开1个齿、跨越7个齿、三种绕组时，以及(h)12个齿/P、错开1个齿、跨越9个齿、四种绕组的情况下，不管在哪一种情况绕组均容纳在所有的槽中，并且数量相同，因此与图3的实施列一样可期待增加2至3倍的输出功率。也就是说，在(g)的9个齿的情况下，当用数学式1进行说明时，假定磁通的数量按着齿46的数量相应地减少，那么电动势电压为E1＝7/9E，然而具有3束绕组，所以电动势电压为E2＝3×7/9·E，计算上可期待大约增加2.3倍的输出功率。还有，在(h)的12个齿的情况下，电动势电压为E2＝4×9/12·E，计算上可期待大约增加3倍的输出功率。可是，从计算上大约增加1.7倍的输出功率的(f)的实验结果得到2倍的输出功率，这可能是由于通过两端的齿46的磁力要比通过中间的齿46的磁力略小，因而即使卷绕成短节距绕组其输出功率也不会减少太多的原因，从这一试验结果也显然可以预料(g)或(h)的情况也增加2.3倍以上或3倍以上的输出功率。

并且，当发电机为二相发电机时，优选为，(i)4个齿/P、错开1个齿、跨越3个齿、两种绕组，(j)6个齿/P、错开1个齿、跨越4个齿、三种绕组，以及(j)8个齿/P、错开1个齿、跨越5个齿、五种绕组等。

并且，当发电机为六相发电机时，在(l)12个齿/P、错开1个齿、跨越11个齿、两种绕组，以及(m)18个齿/P、错开1个齿、跨越10个齿、三种绕组，以及(n)24个齿/P、错开1个齿、跨越9个齿、四种绕组的情况下，不管在哪一种情况绕组均容纳在所有的槽中，并且数量相同，因此与图3的实施例同样地可期待增加2倍左右的输出功率。

将利用示出适用于每1个磁极为6个齿的6极三相交流发电机的例子的图2以及图3对根据本发明的永磁发电机的定子线圈的卷绕方法进行详细说明。并且，在图2以及图3中，符号1、2、3、···、36是为了确定定子铁心36的齿46的相互位置关系而赋予的连续号码，如对应于构成N极的永磁部件7的齿46为1至6、对应于S极的齿46为7至12，每6个对应1个磁极。在定子铁心36中，例如以U相的第一绕组19为例，从端子U1开始共3个组的短节距绕组以串联连接的状态卷绕至端子X1。该3个组的短节距绕组分别是：将齿46的1至5向右旋方向卷绕的对应N极的绕组和将齿46的7至11向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组；将齿46的13至17向右旋方向卷绕的对应N极的绕组和将齿46的18至23向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组；并且将齿46的25至29向右旋方向卷绕的对应N极的绕组和将齿46的31至35向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组。另外，图2中的符号47为槽。

一方面，U相的第二绕组24，从端子U2开始共3个组的短节距绕组串联连接的状态卷绕至端子X2。该3个组的短节距绕组分别是：将齿46的2至6向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的8至12向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组；接着，将齿46的14至18向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的20至24向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组；将齿46的26至30向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的32至36向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组。通过这种绕组结构，因为第一绕组19和第二绕组24的相位错开1个齿(电角度为30度(180°/6个齿))，所以在第一绕组19和第二绕组24上产生独立的电压，将这些电压相加就可得到2倍的电力。

另一方面，相对于与第一相相对应的多个绕组，之后各相的多个绕组依次配置于电角度各滞后360度除以相数所得到的角度的位置。因此，V相从U相错开电角度120度的位置开始。也就是说，V相的第一绕组，从端子V1开始共3个组的短节距绕组以串联连接的状态卷绕至端子Y1。该3个组的短节距绕组分别是：将齿46的5至9向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的11至15向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组；将齿46的17至21向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的23至27向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组；并且将齿46的29至33向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的35至3向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组。还有，第二绕组，从端子V2开始共3个组的短节距绕组以串联连接的状态卷绕至端子Y2。该3个组的短节距绕组分别是：将齿46的6至10向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的12至16向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组；将齿46的18至22向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的24至28向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组；并且将齿46的30至34向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的36至4向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组。

W相进一步从V相错开120度的齿46的10开始。W相的第一绕组，从端子W1开始共3个组的短节距绕组以串联连接的状态卷绕至端子Z1。该3个组的短节距绕组分别是：将齿46的10至13向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的15至19向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组；将齿46的21至25向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的27至31向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组；并且将齿46的33至1向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的3至7向左旋方向卷绕的对应S极的绕组。还有，W相的第二绕组从齿46的10开始，并从端子W2共3个组的短节距绕组以串联连接的状态卷绕至端子Z2。该3个组的短节距绕组分别是：将齿46的10至14向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的15至19向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组；将齿46的22至26向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的28至32向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组；并且将齿46的34至2向右旋方向卷绕的对应N极的绕组、将齿46的4至8向左旋方向卷绕的对应S极的绕组为1组。

图4示出由该发电机产生的发电电压波形。第一绕组和第二绕组产生电角度错开30度的发电电压，因此若对端子部分进行直接的连接，由于线间的电压差就会产生环流电流，这将产生非常大的热量。

于是，用二极管电桥对U、V、W各相的第一绕组进行整流并将其变成DC电压，若对第二绕组也进行整流，则电压差将会消失并可进行汇合。其结果，在2个绕组产生的电力大约达到2倍的电力，在小型发电机的结构体中能得到强大的输出功率。

图5示出图2以及图3所示的6极三相交流发电机(6个齿/极、跨越5个齿、错开1个齿将两种绕组绕卷成短节距绕组)的电路结构的一例。该电路结构是适用于本发明人在先申请的JP特许第4913234号所涉及的三相交流发电机的例子的一种电路，但是也可以适用于通常的以往的永磁发电机。在本实施方式中，将组成JP特许第4913234号中的定子线圈8的3个绕组构成为，分别设置2个或3个第一以及第二绕组并进行串联连接，而且在每个连接点处设置中性点开关(未图示)。通常，6极三相交流发电机的绕组的匝数大概为150匝或180匝，因而与每个磁极相对应的短节距绕组卷绕成，例如，每1个磁极卷绕15匝的共90匝的绕组19L、每1个磁极卷绕10匝的共60匝的绕组19M、以及每1个磁极卷绕5匝的共30匝的绕组19S的3个绕组并将这些绕组进行串联连接的同时在每个绕组的连接点处设置中性点开关(未图示)，并通过控制该中性点开关将3个绕组组合为15+10+5(共180)匝、10+5(共90)匝、5(共30)匝以分别适用于30匝的高速旋转、90匝的中速旋转、180匝的低速旋转，当然也可以通过中性点开关将相同匝数的3个绕组组合起来。还有，也可以通过中性点开关将具有不同匝数的2个绕组串联连接并作为高速用和低速用进行切换。还有，也可以在与1个第一绕组的磁极对相对应的短节距绕组的每个对上设置中性点开关，从而将1个第一绕组19分断成3个绕组而作为高速用、中速用、低速用进行切换。并且，对于第二绕组24(或者第三绕组)情况也相同，在此不再详细描述以免重复。

在此，第一绕组19对具有不同匝数的3个绕组19L、19M、19S进行串联连接，并在中间设置中性点开关(未图示)，在其下流侧设置大扼流线圈14和小扼流线圈20，为了使发电电压恒定在其前部配置三相二极管电桥21和控制流过电流的晶体三极管22。大扼流线圈14和小扼流线圈20的中间配置分歧点23，从分歧点23拉出来的引线与整流器15相连并将电流整流为直流，通过导线31传送到负荷17。定子绕组卷绕成分割的第一绕组19和第二绕组24，因此第二绕组24对具有不同匝数的3个绕组24L、24M、24S进行串联卷绕，并在前部配置大扼流线圈25和小扼流线圈26，与第一绕组19侧的三相二极管电桥21以及晶体三极管22一样在其下流侧配置由将电压控制为一定电压的三相二极管电桥(未图示)和晶体三极管(未图示)组成的切换机构27。在大扼流线圈25和小扼流线圈26之间设置分歧点28，与第一绕组一样从分歧点28拉出来的引线与整流器29相接并将电流整流为直流。来自整流器29的直流电通过导线30连接至负荷17侧并进行汇合。另外，在此对U相进行了描述，然而V相、W相也具有相同的结构。还有，图中的附图标记44是检测转速和磁极位置的传感器、16是电压检测器、18是控制器(控制装置)、13是安装端子。

也可以利用配置有晶体三极管的桥接电路对由绕组发电的上述整流装置的交流电进行切换以使电压恒定并进行汇合。

一方面，将该发电机作为电动机使用时，在U相的第一绕组19中，针对与N极相对应的6个齿在与第一绕组19所对应的5个齿相应的电角度即电角度150度之间使电流向负方向流过，接着滞后30度在第二绕组24中使电流在电角度150度之间向负方向流过。在V相的第一绕组19中，以相对U相的第一绕组19滞后120度的时刻在电角度150度之间使负电流流过，在第二绕组24中相对第一绕组19滞后30度在电角度150度之间使负方向电流流过。W相也一样，相对V相的第一绕组19滞后120度在电角度150度之间使电流流过，在第二绕组中相对第一绕组19滞后30在电角度150度之间使电流流过。

通过对第一绕组19和第二绕组24进行通电，其合成磁场覆盖120度并对转子的磁铁7产生强大的拉力。

电动机的驱动力是，在相对转子的N极磁铁略超前的角度使负方向的电力流过并在定子形成S极，以对转子的N极磁铁产生拉力，由此产生驱动力。对于S极而言，作为结果形成N极，因此在该处拉力也在起作用并向转子施加驱动转矩。虽然在转子上安装位置传感器并确定通电时刻，然而随着旋转速度的提高，通过使通电位置超前来设定优化的通电状况。

图6示出当发挥电动机作用时的驱动电路。控制装置18关掉发电机侧的开关32、33并打开中性点开关39，来自作为电源的蓄电池45的电流经由三相桥接电路41并通过扼流线圈14和绕组19之间的端子43在U、V、W相的第一绕组19进行通电，但是通电的模式可以是矩形波形也可以是正弦波形。晶体三极管42由控制装置18既能控制为正弦曲线(正弦波形)又能控制为矩形波形。当流过的电流为矩形波状时，U、V、W相的合成为阶梯状的磁场变为正弦曲线，因此要使控制机构变得简单将电流控制为矩形波形较好。

另外，上述的方式是本发明的优选方式的一个例子，本发明不仅限于此，在不脱离本发明的要旨的范围内可进行各种变形。例如，在本实施方式中，主要对使用第一以及第二的两种绕组组成输出功率绕组的例子进行了说明，但是不特别限定于这两种，也可以使用第一、第二以及第三的三种绕组、或者四种绕组，根据情况也可以使用更多种的绕组组成。还有，来自转子的磁极的磁力通过卷绕有绕组的齿46，因此若减少所卷绕的齿46的数量则与绕组交链的磁力也就减少，并且发电电压下降。因此，不减少多少所卷绕的齿46的数量而卷绕两种或三种的绕组更能增加相加的电力。于是，优选为将第一绕组和第二绕组或者第三绕组的卷绕开始端的相位错开1个齿，但是不是特别限定于错开1个齿，根据情况也可以错开1个齿以上，例如2个齿。

还有，在本实施方式中，主要对交流电切换为直流电之后，使接线汇合并将电流相加的例子进行了说明。然而，当电动机侧也用与发电机相同的绕组时，也有将该输出端子直接连接至电动机而不经过直流和交流的切换就直接利用电力使电动机旋转的情况。例如，如图7所示，当与发电机一样电动机侧的绕组也是将短节距绕组错开1个齿卷绕成两种绕组时，发电机的第一绕组可直接与电动机的第一绕组相连且发电机的第二绕组可直接与电动机的第二绕组相连。在这种情况下，不产生环流电流，因此可在不产生热的情况下增加一倍的输出功率。

而且，在本实施方式中，主要对第一以及第二的两种绕组19、24进行串联连接的例子进行了说明，然而本发明不仅限于此，也可以进行并联连接。例如，如图8所示，通常绕组在N极和S极形成一对，然而在极端的例子中，也可以只卷绕一个与N极相对应的绕组和一个与S极相对应的绕组，例如将U1和X2、U2和X1连接起来使用。用图3来说明，齿46的1至5在N极进行右旋卷绕、46的7至11在S极进行左旋卷绕，并将这些绕组作为第一绕组、以相同的方法用右旋卷绕和左旋卷绕的一对将齿46的(2至6)+(8至12)卷绕的绕组作为第二绕组、将齿46的(13至17)+(19至23)卷绕的绕组作为第三绕组、将齿46的(25至29)+(31至35)卷绕的绕组作为第四绕组，如果对这些绕组进行并联连接虽然电压低但可实现较大电流的发电机。

还有，不言而喻本发明的绕组结构可适用于IPMSM(Interior PermanentMagnet Synchronous Motor)。

产业上可利用性

根据本发明的发电机结构也可适用于，例如，汽车用发电机、风力发电机、水力发电机等需要小型化的各种发电机。

附图标记的说明

1-转子轴；2-定子；7-永磁部件；8-绕组；19-第一绕组(输出绕组)；24-第二绕组；35-转子；36-定子铁心；46-定子铁心的齿；47-槽。

Claims (8)

1.一种永磁交流发电机，其具有旋转自如地支撑于壳体的转子轴、固定于所述转子轴且外周侧安装有多个永磁部件的转子、配置在所述转子的外侧并卷绕有绕组的定子、以及使电压恒定的切换机构，其特征在于：

将与所述转子的磁极相对应的所述定子的齿设置为3个以上且相数的2以上的整数倍，并且，与所述转子的磁极相对应的所述定子的绕组由卷绕成短节距的多个绕组组成，且以将卷绕所述多个绕组的齿错开并且卷绕成短节距的所述多个绕组所占的卷绕角度与磁极角相对应的方式进行卷绕。

2.根据权利要求1所述的永磁交流发电机，其特征在于：

所述发电机为多相发电机，与所述转子的磁极相对应的所述定子的所述齿的数量为相数的2以上的整数倍，并且，与所述转子的磁极相对应的所述定子的绕组由卷绕成短节距的多个绕组组成，且以将卷绕所述多个绕组的齿错开并且所述多个绕组所占的卷绕角度与磁极角相对应的方式进行卷绕，

相对于与第一相相对应的所述多个绕组之后各相的所述多个绕组依次配置于电角度各滞后360度除以相数所得到的角度的位置。

3.根据权利要求1所述的永磁交流发电机，其特征在于：

当所述发电机为多相发电机时，与所述转子的磁极相对应的所述定子的所述齿的数量为相数的2以上的整数倍，与1个磁极相对应的所述定子的绕组由与所述整数相同数的绕组组成，且跨越从与所述转子的磁极相对应的所述齿的数量减去比所述整数少1的数所得到的数量的齿进行短节距卷绕，并以错开1个齿并且卷绕成短节距的所述多个绕组所占的卷绕角度与所述磁极角相对应的方式进行卷绕，

相对于与第一相相对应的所述绕组之后各相的所述定子的绕组依次从电角度各滞后360度除以相数所得到的角度的位置开始配置。

4.根据权利要求3所述的永磁交流发电机，其特征在于：

所述发电机为三相发电机，与所述转子的磁极相对应的所述定子的所述齿为6个，并且，与1个磁极相对应的所述定子的绕组由第一以及第二的两种绕组组成，通过错开1个齿分别卷绕5个齿的短节距卷绕，以所述第一以及第二绕组所占的卷绕角度与所述磁极角相对应的方式进行卷绕，

相对于U相的第一以及第二绕组从电角度滞后120度的位置开始配置V相的第一以及第二绕组，再从V相滞后120度配置W相的第一以及第二绕组。

5.根据权利要求3所述的永磁交流发电机，其特征在于：

所述发电机为三相发电机，与所述转子的磁极相对应的所述定子的所述齿为9个，并且，与1个磁极相对应的所述定子的绕组由第一、第二以及第三的三种绕组组成，通过错开1个齿分别卷绕7个齿的短节距卷绕，以所述第一、第二以及第三绕组所占的卷绕角度与所述磁极角相对应的方式进行卷绕，

相对于U相的第一、第二以及第三绕组从电角度滞后120度的位置开始配置V相的第一、第二以及第三绕组，再从V相滞后120度配置W相的第一、第二以及第三绕组。

6.根据权利要求1所述的永磁交流发电机，其特征在于：

所述发电机为单相发电机，与所述转子的磁极相对应的所述定子的所述齿为3个，并且，所述定子的绕组为第一以及第二的两种绕组，以错开1个齿卷绕2个齿的方式进行短节距卷绕。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的永磁交流发电机，其特征在于：

在多个所述定子的绕组产生的交流电分别独立地由整流器整流，然后将接线汇合并将直流电流相加后使用。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的永磁交流发电机，其特征在于：

通过在与1个磁极相对应的多个所述绕组中使与各自的所述绕组的卷绕角度相对应的电流以与多个所述绕组之间的错开相对应的滞后流过，使定子侧的多个所述绕组产生的定子侧磁场的合成磁场与各相的转子的磁极部相对应而产生驱动力，所述永磁交流发电机能作为电动机而运行。