JP2003079117A - 発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 車載用の発電機については扁平化が望まれて
いるが、従来のクローポール形発電機は、ブラシ構造を
有するため扁平化が困難であった。また、ブラシレスモ
ータに関しては、永久磁石による磁気的な引き摺りなど
が課題であった。 【解決手段】 固定子２０については、励磁ヨーク４０
に沿って、励磁巻線が巻回され、励磁ヨーク４０に所定
数の電機子鉄心５０の対が固定され、この電機子鉄心５
０に電機子巻線６０が巻回されている。回転子３０につ
いては、シャフト８０の周りに励磁ヨーク９０が設けら
れ、この励磁ヨーク９０に電機子鉄心５０の対に対応す
る突極部１００が設けられている。回転子３０がエンジ
ンなどの動力によって回転すると、電機子巻線６０に誘
起電圧が発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電機に関する。
特に本発明は、全ての巻線が静止している発電機に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気自動車に搭載される発電機と
して、一般的にクローポール形発電機が使用されてい
る。クローポール形発電機の固定子巻線は３相巻線であ
り、発電の励磁用に、回転子に励磁巻線が設けられてい
る。クローポール形発電機は、励磁巻線に電流を供給す
るために、整流子とブラシを有している。

【０００３】一方、整流子とブラシをなくし、回転子に
励磁巻線、固定子に永久磁石を備えるブラシレス発電機
が考案されている。ブラシレス発電機としては、たとえ
ば、特開平６−３５１２０６号公報記載のハイブリッド
励磁形永久磁石同期回転機がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】将来的に、エアコンの
コンプレッサー、ウォータポンプ等の自動車の補機類の
駆動は、個別の電動機により駆動される計画がある。こ
のため、ベルトが必要なくなり、エンジンクランク軸に
直結した発電機が必要となる。これを達成するには発電
機が扁平構造を有する必要がある。

【０００５】しかし、従来のクローポール形発電機は、
回転子に励磁巻線を備え、励磁巻線に励磁電流を供給す
るためのブラシが必要であった。このため、ブラシの分
だけモータ長が大きくなり扁平構造が困難であった。

【０００６】また、従来のブラシレス発電機において
は、発電要求が無い場合でも、回転子の永久磁石により
発生する磁束が固定子巻線を鎖交することにより、固定
子巻線に誘起電圧が発生していた。また、固定子鉄心、
回転子鉄心に磁束が鎖交し変化することにより、鉄損が
発生し、磁気的な引き摺り損失が発生していた。このよ
うな発電機を車載した場合には、エンジン負荷が大きく
なり燃費を悪化させる要因となる。さらに、永久磁石が
回転子表面に構成されているために、高速回転時には飛
散する可能性があり、回転範囲が制限される。また、飛
散防止のための回転子構造が必要になり、構造が複雑で
コストが上昇していた。この他、永久磁石により発生す
る磁束が回転子の電機子巻線を鎖交するためによって回
転子巻線に生じた励起電圧が、目標電圧（発電電圧）よ
り高くなってしまう場合には、等価的に、磁石が発生す
る磁束を打ち消す磁束を発生させるために励磁コイルに
電流を流す必要があった。

【０００７】そこで本発明は、上記の課題を解決するこ
とのできる発電機を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明の発電機
は、円形状の第１励磁ヨークと、前記第１励磁ヨークの
内周側に、回転軸方向に対をなして固定された透磁性の
複数の固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻回された電機
子巻線と、前記固定子鉄心の対の間に前記励磁ヨークの
内周に沿って巻回され、可変磁束を発する励磁巻線と、
を有する固定子と、シャフトの周りに設けられた第２励
磁ヨークと、前記第２励磁ヨーク上に、前記固定子鉄心
の対に対応して設けられた透磁性の突極部であって、対
の一方の突極部が対の他方の隣り合う突極部の間に設け
られた突極部と、を有する回転子と、を備え、前記励磁
巻線に電流を流すことにより、励磁磁束を発生させ、前
記回転子を外部動力によって回転させることにより、前
記電機子巻線に電圧を発生させ、または、前記励磁巻線
に電流を流すことにより、励磁磁束を発生させ、前記電
機子巻線に回転子位置に応じて交流電流を流すことによ
りトルクを発生させる。

【０００９】これによれば、たとえば、本発明の発電機
を車両用オルタネータに利用した場合に、永久磁石によ
る磁束を利用しないことで、磁気的な引き摺りの発生を
防止することができ、エンジンの負担を下げることがで
きる。

【００１０】本発明の前記固定子は、前記励磁ヨークの
外周側に放熱フィンをさらに有してもよい。この場合
に、前記放熱フィンが前記励磁巻線から発する磁束の方
向と略同一となるように設けられていてもよい。

【００１１】これによれば、励磁ヨークに放熱フィンを
設けることで、放熱特性が向上し、発電機の長寿命化を
図ることができる。

【００１２】本発明の前記固定子鉄心および前記突極部
は、電磁鋼板を積層することにより形成されていてもよ
い。この場合に、前記固定子鉄心および前記突極部は、
回転軸方向中央部に設けられた第１の電磁鋼板と、前記
第１の電磁鋼板より、板厚が厚く、前記第１の電磁鋼板
の両側に設けられた第２の電磁鋼板と、を含んでもよ
い。

【００１３】これによれば、積層鉄心の各層の外側に厚
い電磁鋼板を使用することで強度が上がり、補強用のス
ペーサを廃止、あるいは簡略化することができる。ま
た、これに伴い、発電機の扁平化を図ることができる。

【００１４】本発明の前記回転子は、前記突極部の対間
に配置されたスペーサをさらに有してもよい。

【００１５】これによれば、スペーサによって回転子の
バランスが調整され、発電機の振動低減向上に寄与する
ことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態を通じて
本発明を説明する。

【００１７】図１は、実施形態に係る発電機１０を回転
軸方向から見たときの側面図を示す。また、図２は、図
１に示した発電機１０のＡ−Ａ方向の断面図を示す。本
実施形態に係る発電機１０は、固定子２０および回転子
３０によって構成される。

【００１８】固定子２０は、励磁ヨーク４０、電機子鉄
心５０、電機子巻線６０、および励磁巻線７０を含む。

【００１９】励磁ヨーク４０は、円筒状の形状を有し、
たとえば焼結材で形成される。励磁ヨーク４０の内周側
には、所定の間隔を置いて軸方向に２つの層をなす電機
子鉄心５０ａ、ｂが固定されている。本実施例において
は、１２個の電機子鉄心５０ａ、ｂのペアが、励磁ヨー
ク４０の内周側に突極している。なお、この電機子鉄心
５０は、電磁鋼板を積層することによって形成すること
が好適である。電機子巻線６０は、電機子鉄心５０ａ、
ｂのペアを芯として巻回されている。励磁巻線７０は、
５０ａ、ｂに挟まれた状態で、励磁ヨーク４０に沿って
巻回されている。なお、電機子巻線６０および励磁巻線
７０は、たとえば絶縁被覆が施された銅線が好適であ
る。

【００２０】なお、本実施形態においては、電機子巻線
６０が電機子鉄心５０ａ、ｂのペアにまたがって巻回さ
れているが、電機子鉄心５０ａ、ｂそれぞれ別個に巻回
されてもよい。

【００２１】回転子３０は、シャフト８０、励磁ヨーク
９０、および突極部１００を有する。シャフト８０は、
エンジンなどを動力源として回転する。励磁ヨーク９０
は、シャフト８０の周りに設置されている。突極部１０
０は、電機子鉄心５０ａ、ｂのペアに対応して励磁ヨー
ク９０上に設けられている。本実施形態においては、突
極部１００ａ、ｂそれぞれ８個が、互いに位置がずれる
ように（互い違いに）設置されている。すなわち、突極
部１００ｂは、隣合う突極部１００ａの間に位置してい
る。なお、突極部１００は、電磁鋼板を積層することに
よって形成することが好適である。

【００２２】以上のように発電機１０を構成することに
より、励磁巻線７０によって発生する磁束は、固定子２
０の励磁ヨーク４０→電機子鉄心５０ａ→突極部１００
ａ→回転子３０の励磁ヨーク９０→突極部１００ｂ→電
機子鉄心５０ｂ→固定子２０の励磁ヨーク４０という経
路を有する磁気回路を形成する。回転子３０が回転する
と、電機子巻線６０に鎖交する磁束が変化し、電機子巻
線６０に電圧が発生する。

【００２３】これによれば、本実施形態の発電機１０
は、励磁巻線７０が固定子２０側に設けられているため
にブラシを必要とせず、扁平構造が可能である。このた
め発電機１０をエンジンと結合する場合に、動力伝達用
のベルトを用いずに、エンジンクランク軸に直結するこ
とができる。ベルトを使用しないで済むため、保守（ベ
ルト寿命、ブラシ寿命等）および構造が簡単となり、さ
らにはベルト、プーリー、テンショナー等が不必要とな
り、部品点数が少なくなるので、低コスト化が可能であ
る。

【００２４】また、仮に回転子３０に永久磁石を用いた
場合には以下のような課題が生じるが、本実施形態の回
転子３０に永久磁石が含まれないので、永久磁石を用い
た場合の課題が解決される。

【００２５】すなわち、永久磁石を用いた場合の課題の
一つは、永久磁石から発生する磁束が電機子巻線６０を
鎖交することによる電機子巻線６０における誘起起電力
が、発電の必要のないときにも発生する場合がある。ま
た、電機子鉄心５０等に磁束が鎖交し変化することによ
って鉄損が発生し、磁気的な引き摺りが発生する場合が
ある。さらに、回転子３０が高速回転している場合に
は、永久磁石が飛散する可能性があり回転速度が制限さ
れ、また、飛散防止のための回転子構造が必要となり、
構造が複雑になり、コストが上昇する。

【００２６】なお、発電機１０は、励磁巻線７０に電流
を流すことにより、励磁磁束を発生させるとともに、電
機子巻線６０に回転子３０の位置に応じて交流電流を流
すことによりトルクを発生させること、すなわち電動機
として用いることができる。

【００２７】図３は、発電機１０を冷却するための構成
例を示す。固定子２０の励磁ヨーク４０の外周に放熱フ
ィン１１０が設けられている。放熱フィン１１０の設置
位置としては、冷却効率を考えると、常に磁束密度が高
い状態にある場所が適当であるが、そのような位置とし
て、隣り合う電機子鉄心５０の間が好適である。さら
に、図３に示すように励磁ヨーク４０断面の中央部には
高磁束密度領域が分布しているので、励磁ヨーク４０断
面の中央部が設置位置として好適である。また、励磁巻
線７０により発生する磁束の方向と、放熱フィン１１０
の方向を一致させるように構成することにより、磁束抵
抗の低減と、放熱能力の向上が期待できる。

【００２８】図４は、補強が施された電機子鉄心５０の
構成例を示す。この構成例においては、電機子鉄心５０
は、回転軸方向断面の中央部に厚さが薄く、鉄損が小さ
い第１の電磁鋼板が用いられる。第１の電磁鋼板は、第
１の電磁鋼板より厚みがあり、それだけ強度が増した第
２の電磁鋼板によって、両側から挟み込まれている。通
常、電磁鋼板は厚くなる（強度が増す）ほど、鉄損が大
きくなる。このため、強度と鉄損のバランスにより、第
１および第２の電磁鋼板の積層の割合が決められる。

【００２９】このように、比較的強度の弱い第１の電磁
鋼板の両側に、比較的強度の強い電磁鋼板を設けること
により、電機子鉄心５０および突極部１００全体の強度
を増すことができる。また、従来ならば必要であった、
電磁鋼板を挟み込むための補強用のスペーサが必要ない
ため、形状の小型化、扁平化が図られる。なお、突極部
１００についても本構成例と同様な構成とすることによ
り、形状の小型化、扁平化を実現することができる。

【００３０】図５は、励磁巻線７０の固定用の構成例を
示す。本構成例においては、励磁巻線７０は、内周側に
設けられ内周スペーサ１２０と、外周側に設けられた外
周スペーサ１３０によって挟み込まれている。内周スペ
ーサ１２０の両端は、励磁巻線７０側に突出し、中央部
が溝（凹部）となっている。

【００３１】これによれば、励磁巻線７０と電機子鉄心
５０とが接触することを防止することができる。また、
励磁巻線７０を製造する際には、励磁巻線７０を構成す
る銅線等を、内周スペーサ１２０に直接巻きつけること
ができる。さらに、内周スペーサ１２０の中央部に溝
（凹部）がもうけてあるため、銅線等の巻きつけが容易
にできる。

【００３２】図６は、バランス調整がされた回転子３０
の構成例を示す。本構成例においては、突極部１００
ａ、ｂの間に、スペーサ１４０が設けられる。スペーサ
１４０上には、さらにフライホイール１５０が設けられ
ている。これにより、突極部１００ａ、ｂが互い違いに
設けられていることによるアンバランスが修正される。

【００３３】なお、フライホイール１５０を設けず、バ
ランス調整用スペーサ１４０だけでもよく、この場合に
は、バランス調整用スペーサ１４０の高さを、回転子３
０の外形（突極部１００ａ、ｂの高さ）に合わせてもよ
い。なお、バランス調整用スペーサ１４０の高さを、突
極部１００ａ、ｂの高さに合わせた場合には、突極部１
００ａ、ｂの強度が増すので、突極部１００ａ、ｂの補
強が必要なくなるという利点がある。

【００３４】以上、本発明の実施形態に係る発電機１
０、および発電機１０に関する構成例について図に基づ
いて説明した。

【００３５】なお、上記実施形態においては、回転子３
０の突極部１００に電磁鋼板を用いたが、突極部１００
に励磁ヨーク９０と同じ透磁性の材料を用いることによ
り、励磁ヨーク９０と突極部１００を一体成形で製作す
ることができる。

【００３６】さらに、発電機１０の製作において、励磁
巻線７０を励磁ヨーク４０の内周側に挿入するために、
一体成形した励磁ヨーク９０と突極部１００を左右対称
に分割しておき、励磁巻線７０の挿入後に、分割した励
磁ヨーク９０と突極部１００を再度結合してもよい。

【００３７】

【発明の効果】上記説明から明らかなように、本発明に
よれば、ブラシレス構造にすることにより扁平化を図る
とともに、永久磁石を用いた場合に生じる磁気的な引き
摺り等の課題をクリアした発電機を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態に係る発電機１０を回転軸方向から
見たときの側面図を示す図である。

【図２】 図１に示した発電機１０のＡ−Ａ方向の断面
図を示す図である。

【図３】 発電機１０を冷却するための構成例を示す図
である。

【図４】 補強が施された電機子鉄心５０の構成例を示
す図である。

【図５】 励磁巻線７０の固定用の構成例を示す図であ
る。

【図６】 バランス調整がされた回転子３０の構成例を
示す図である。

【符号の説明】 １０ 発電機、２０ 固定子、３０ 回転子、４０ 励
磁ヨーク、５０ａ，ｂ電機子鉄心、６０ 電機子巻線、
７０ 励磁巻線、８０ シャフト、９０ 励磁ヨーク、
１００ａ，ｂ 突極部、１１０ 放熱フィン、１２０
内周スペーサ、１３０ 外周スペーサ、１４０ バラン
ス調整用スペーサ、１５０ フライホイール。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円形状の第１励磁ヨークと、 前記第１励磁ヨークの内周側に、回転軸方向に対をなし
   て固定された透磁性の複数の固定子鉄心と、 前記固定子鉄心に巻回された電機子巻線と、 前記固定子鉄心の対の間に前記励磁ヨークの内周に沿っ
   て巻回され、可変磁束を発する励磁巻線と、 を有する固定子と、 シャフトの周りに設けられた第２励磁ヨークと、 前記第２励磁ヨーク上に、前記固定子鉄心の対に対応し
   て設けられた透磁性の突極部であって、対の一方の突極
   部が対の他方の隣り合う突極部の間に設けられた突極部
   と、 を有する回転子と、 を備え、 前記励磁巻線に電流を流すことにより、励磁磁束を発生
   させ、前記回転子を外部動力によって回転させることに
   より、前記電機子巻線に電圧を発生させること、 または、前記励磁巻線に電流を流すことにより、励磁磁
   束を発生させ、前記電機子巻線に回転子位置に応じて交
   流電流を流すことによりトルクを発生させることを特徴
   とする発電機。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の発電機において、 前記固定子は、前記励磁ヨークの外周側に放熱フィンを
   さらに有することを特徴とする発電機。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の発電機において、 前記放熱フィンが前記励磁巻線から発する磁束の方向と
   略同一となるように設けられていることを特徴とする発
   電機。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の発電
   機において、 前記固定子鉄心および前記突極部は、電磁鋼板を積層す
   ることにより形成されていることを特徴とする発電機。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の発電機において、 前記固定子鉄心および前記突極部は、回転軸方向中央部
   に設けられた第１の電磁鋼板と、 前記第１の電磁鋼板より、板厚が厚く、前記第１の電磁
   鋼板の両側に設けられた第２の電磁鋼板と、 を含むことを特徴とする発電機。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかに記載の発電
   機において、 前記回転子は、前記突極部の対間に配置されたスペーサ
   をさらに有することを特徴とする発電機。