JP2003164129A - 磁石併用誘導子型回転機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軸方向寸法の短い回転機を提供すること。 【解決手段】 電機子巻線を有する電機子積層鉄心と、
空隙を介して回転自在に前記鉄心と対向する電気角ほぼ
３６０度ピッチで配置された単極性の界磁鉄心磁極面
と、該界磁鉄心磁極面と周方向に隣接し磁気的に連接し
た界磁鉄心磁極基礎面の上に、前記界磁鉄心磁極面の極
性と異なる極性の永久磁石を起磁力源とした永久磁石起
磁力源磁極を設けるとともに、前記界磁鉄心磁極と前記
電機子鉄心バックヨーク部とを磁気的に連接し、かつ該
連接磁気回路ループの中に界磁巻線を配置している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、同期回転機一般に
適用されるものであるが、とりわけ軸方向薄型化が要求
されるエンジン直結型発電電動機に適するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃費向上ニーズより車の電気化がすす
み、低速でエンジンの動力補助や、或いは車両制動時に
運動エネルギー回生など、エンジンと連携協調して車両
の省エネルギーを図る技術が脚光を浴びている。このよ
うな機械・電気ハイブリッドシステムのカギは、エンジ
ンと結ばれる回転機の大きさと性能である。特に、トラ
ンスミッションとエンジンの間に挟んで配置するエンジ
ン直結型のものにおいては軸方向が長いと限られた車幅
の中での収まりが悪化することのほか、エンジン振動の
支持特性の悪化を招くなどの問題があった。これまでに
効率の悪い誘導機式から効率のよい同期機式へ、中でも
効率や小型化で効果の大きい永久磁石式の技術開発と実
用化が図られてきている。

【０００３】しかしながらこれらのものは従来の回転機
と同様に固定子の内径または外径に分布捲きあるいは集
中捲きされたものであり、電圧誘導にかかわらないコイ
ルエンド部の長さも長く、軸方向長さにおいて約８０ｍ
ｍ〜１００ｍｍといった長いものであった。そのため
に、巻線抵抗の大きいことによる銅損も大きく、また軸
方向取り付け寸法すなわちコイルトランスミッションと
エンジンの間を大きく離間する必要があり、パワトレイ
ン部全体としての体格や支持構造が大きくなってしまう
問題もあった。また特に負荷の多いときに効率のよい永
久磁石式であっても負荷が少ない時には磁気力を抑制す
るために固定子巻線に対向する起磁力発生用の電流を流
す必要があるなど複雑な特殊な制御技術を必要とするの
みならず通常使用の軽負荷のときに効率が伸びないとい
う問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本願は前述の問題点を
解決すべく軸方向寸法の短い回転機を提供しようとする
ものである。そのために効率の良い同期機で、中でも永
久磁石を利用することを基本として技術改良を図るもの
であり、軸方向寸法が小さく、永久磁石を利用しながら
出力制御が従来同様の簡素な直流小電流制御にて可能と
すること、である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は前述課題に対し
て次のように解決を図るものである。

【０００６】まず、請求項１に示す構成では、電機子巻
線を有する電機子積層鉄心と、空隙を介して回転自在に
前記鉄心と対向する電気角ほぼ３６０度ピッチで配置さ
れた単極性の界磁鉄心磁極面と、該界磁鉄心磁極面と周
方向に隣接し磁気的に連接した界磁鉄心磁極基礎面の上
に、前記界磁鉄心磁極面の極性と異なる極性の永久磁石
を起磁力源とした永久磁石起磁力源磁極を設けるととも
に、前記界磁鉄心磁極と前記電機子鉄心バックヨーク部
とを磁気的に連接し、かつ該連接磁気回路ループの中に
界磁巻線を配置している。

【０００７】この構成により前記課題が次のように解決
される。すなわち、界磁鉄心そのものと飛び飛びの永久
磁石とで、基本的に永久磁石回転機と同様に小型の磁極
と界磁構造部とすることができるので、径方向でも軸方
向でも所望する方向に体格を小さくできる。

【０００８】また前記界磁電流制御により、飛び飛びの
磁石磁束が電機子を経て隣接する界磁鉄心磁極に帰って
くる部分において、界磁巻線電磁石より逆方向の磁束を
流すことにより、それらの電機子巻線への総合磁束鎖交
量が加減できるため、従来のような大きな電機子電流の
制御を必要とせず界磁巻線の通電制御にて回転機の出力
制御が出来ることとなる。

【０００９】また、次に請求項２に示す構成では、前記
界磁鉄心は椀状成形してなり、その内径面に前記永久磁
石を固設している。

【００１０】この構成により前記課題が次のように解決
される。

【００１１】椀状の回転方向に連続体であるために、電
機子に与える所定磁束の通過が、従来の爪状磁極などの
肉厚に比べて薄い界磁鉄心（椀の肉厚）とできて、それ
と連接する界磁鉄心が全体として薄くでき軸方向が小さ
くなるとともに、電機子の外径に空隙面を設定すること
により、いわゆる出力容量Ｄ²Ｌが大きくできて格段に
高性能化できる。そのう椀の内径への磁石配置であるこ
とから、遠心力にも強く、その分高回転にも耐えそれに
よる高出力化効果も発揮できる。それらによって所望出
力を実現する為の体格が全体として格段に小さくできる
こととなる。

【００１２】また、次に請求項３に示す構成では、前記
界磁鉄心磁極基礎面に対して前記界磁巻線起磁力と磁気
回路上並列となり、かつ前記界磁巻線起磁力とは逆極性
となる残留永久磁石磁束キャンセル用の他の永久磁石起
磁力源を配置している。

【００１３】この構成により前記課題が次のように解決
される。すなわち、前述の磁気回路構成のままでは、界
磁電流をオフした時でも前記磁石磁束が電機子鉄心を経
て非磁石界磁鉄心磁極に戻るので電機子との磁石磁束の
鎖交量がのこり、出力してしまうところを、界磁電流を
反転させなくても前記残留永久磁石磁束をキャンセルす
ることができる。そのため、Ｈブリッジ構成などの界磁
電流の反転回路を必要とせず、界磁制御がより簡素化で
きることとなる。

【００１４】また、次に請求項４に示す構成では、前記
電機子巻線は平角型導体を整列巻きしている。

【００１５】この構成により前記課題が次のように解決
される。すなわち、電機子巻線のコイルエンドターン部
が整列して軸方向の長さが縮小するので、界磁鉄心の連
接部を張り出す必要もなく界磁磁気回路が短くてすみそ
のために界磁起磁力損失も小さくなり、電機子の寸法の
みならず界磁磁気回路も小さくて済み、全体として格段
に小型化特に軸方向が小さくできる。

【００１６】また、次に請求項５に示す構成では、前記
界磁鉄心は、回転機とり付け用部材を兼ねている。

【００１７】この構成により前記課題が次のように解決
される。すなわち電機子と回転子の相互の位置制度を左
右する組み付け部品点数がへり、その位置決め誤差の集
積が少なくて済み、その結果電機子鉄心と回転子の軸心
誤差がへるので、電機子と回転子の空隙寸法を縮小する
ことができる。これにより大幅に回転機の出力が増やせ
て全体として格段に小型化特に軸方向が小さくできる。

【００１８】また、次に請求項６に示す構成では、前記
電機子鉄心と界磁鉄心とは、軸方向空隙を介して対面さ
せている。

【００１９】この構成により前記課題が次のように解決
される。すなわち、界磁鉄心磁極や磁石磁極の全体構造
が軸方向に短くできる。またこのために界磁鉄心の軸方
向の張りだしも格段に小さくなり界磁磁気回路が短くて
すみそのために界磁起磁力損失も小さくなる。また電機
子巻線の軸方向の張りだし寸法も干渉することなく納め
ることができ、界磁巻線の巻装平均径も小さくて済む。
このように各部分の設計が軸方向に小さくできるように
相互に作用しあうことや、部分的に大幅な高性能化が図
れる設計効果とから、所定要求性能の設計要件のもとで
全体が格段に小さくできることとなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】［第１の実施形態］車両走行用エ
ンジンに直結した発電機に適用した第１の実施例につい
て図１を参照してその構成を説明する。

【００２１】アルミハウジング１に、軟鉄製の第１固定
界磁鉄心７が第２固定界磁鉄心とともに取り付けられ、
前記第１固定界磁鉄心７には積層鉄板よりなる電機子鉄
心２が取り付けられ該電機子鉄心２には電機子巻線３が
巻装されており、該巻線３は前記アルミハウジングに図
示なき熱放散用の熱伝導シートを介して熱的に良好に接
触している。前記積層鉄心２の外径面は、後述するが鉄
製ハブ兼用の界磁回転子鉄心１０と空隙面５を介して対
向している。前記第１固定界磁回転子鉄心７には、固定
界磁巻線６が巻装されており、また第２固定界磁鉄心９
が図示のように当接している。第２固定界磁鉄心９の軸
方向端面に回転自在に対向するように、前記界磁回転子
鉄心を兼ねる鉄製ハブが回転軸である鞍インクシャフト
１４や、トルクコンバータ１３に締結固定されている。

【００２２】前記鉄製ハブ１０の外径部は椀状に形成さ
れており、その内径面であって、前記電機子鉄心２の外
径面には図２に示すように空隙面５を介して永久磁石磁
極４が電気角３６０°ピッチで固設されており、またそ
の磁石と磁石の間は、前記界磁鉄心が磁石磁極面とほぼ
同一面に形成されて電機子と対向するようになっており
非磁石の界磁鉄心自身の磁極面１２を形成している。前
記永久磁石４は前記電機子鉄心２に対して同一極性を対
向するように着磁しており、図２中の極性表示のように
着磁している。すなわちその極性とは、同図中一点鎖線
に示す磁束の流れる方向が前記界磁巻線６は界磁電流を
正方向流す方向であり、回転機出力が増す方向としてお
り、すなわち前記非磁石界磁鉄心磁極１２に生じる極性
とは逆となる着磁としている。

【００２３】また図２に示すように電機子鉄心は磁極ピ
ッチ電気角１８０°の中に電機子鉄心歯状部を六つ擁
し、図３のように位相差３０°の二組の三相巻線をもつ
巻線仕様、また結線となっている。 また詳細図示は省
略しているが導線断面は略矩形の、平角導線であり、こ
れを整列巻回しており、コイルエンドターンは約８ｍｍ
と、通常の同一体格の電機子と比べて約１／３と小型に
なっている。

【００２４】次にこの第１実施例の作動について説明す
る。クランクシャフト１４の回転にともないハブ１０が
回転しこれに固定された磁石磁極４、非磁石磁極である
界磁鉄心磁極１２が回転して電機子鉄心２に交番磁界を
与えて、電機子巻線３に電圧を誘導する。発電された電
圧は、前記電機子巻線３に接続された図３の三相整流器
３９３に導かれて、直流に変換されて図示なき車両の蓄
電池に導かれ充電する。

【００２５】界磁巻線６と電機子巻線３はともに通電に
伴い発熱するが、前記界磁巻線３の外周囲は固定界磁鉄
心７などを通して放熱される。また前記のようにアルミ
ハウジング１に対して電機子巻線３のエンドターン部が
熱的に良好に接触しているので、前記電機子巻線は主に
熱伝導によって良好に冷却される。

【００２６】前記蓄電池は、その充電量の増加に伴い電
池の充電電圧が上昇するが、図３の界磁電流制御装置３
９６が、この電圧を検知して、前記界磁巻線６（図５で
は３９４）の電流量を減少する。これにより前記電機子
巻線３（図５では３９１，３９２）の発電量が減少す
る。また前記充電電圧が減少すると、前記界磁巻線６の
電流を増加して、前記電機子巻線３の発電量を増す。

【００２７】また、電機子断面が略矩形状の平角導線か
らなり、これを捻ってセグメントコンダクターとしてス
ロットに軸方向から差込み、他方で溶接して連続巻線と
して形成している。この巻線は、２磁極ピッチに対して
１２個の電機子鉄心歯状部に対して、電気角３０°の位
相差を有する二組の三相回路を形成している。すなわち
図５の如く結線することにより、二組の電気角位相差３
０°の三相交流−直流双方向変換回路を構成して、これ
により、三相の電機子反作用の形成する第三高調波の時
間的磁気的歪みに基づく騒音を低減している。

【００２８】ここでさらに前記界磁電流の増減と、電機
子巻線に鎖交する磁束量の増減すなわち発電量の調整に
ついて詳細説明する。

【００２９】図２に示す横断面において磁束ループに示
す部分に着目して説明する。図２において界磁巻線の電
流の有無にかかわらず各永久磁石磁極４は隣り合う各非
磁石磁極１２に反対極性を発生させる。そのため電機子
鉄心を介して同一空隙面側の隣り合う異極間にて実線に
示す磁束の流れが生じる。そのためこの分による電機子
巻線中での発電電圧は常に発生している。次に界磁巻線
６に正方向に電流を通じて、前記非磁石磁極すなわち界
磁鉄心磁極に、もともと前記永久磁石で与えられていた
極性（たとえば図中にはＮ極性を示す）をより強めるよ
うに界磁巻線の起磁力を与えることにより、図２中に非
磁石磁極１２から固定界磁鉄心７と向かう一点鎖線の流
れとして示すように磁束が流れて、前記の永久磁石によ
る電機子巻線の磁束鎖交量は更に増加して、その結果発
電量が増加する。

【００３０】また、前記界磁電流を小さくした時、例え
ばゼロにしたときは、図１に示す残留永久磁石磁束キャ
ンセル用の磁石によって、前記非磁石磁束すなわち界磁
鉄心１２に、逆の極性（例えば、前記の増電流の際の例
に対応させるとＳ極が）が生じるので、図２中の破線で
示すように前記永久磁石磁極４の磁束をキャンセルする
こととなり、電機子の総合発電電圧はゼロにすることが
できる。このように界磁巻線の電流を逆方向に流してゼ
ロにしなくても、あらかじめ逆バイアスをするように永
久磁石を配置しておくことで、界磁巻線の電流制御は、
図２に示すように簡略化できることとなる。

【００３１】以上のような構造とすることにより軸方向
の寸法が小さくなり搭載が容易となりまた励磁電力が節
減でき効率がよく、永久磁石を利用しながら簡単な界磁
電流制御で発電制御ができまた簡単な組み立てで大量生
産に向く実用的なエンジン直結発電機が提供できること
となった。

【００３２】本実施例の具体的試作例として、外径φ２
８０ｍｍ，全長２０ｍｍにて、８ｋｗ（６００ｒｐ
ｍ）、効率８５％となり、従来技術でのランデル型鉄心
同期機での試作例（外径φ２８０ｍｍ，全長８０ｍｍに
て、５ｋｗ（６００ｒｐｍ）、効率７６％）に対して大
幅に薄型かつ高出力となった。

【００３３】［第２の実施形態］次に第二の実施例を図
４に示す。前記第一実施例では電機子鉄心の内径を空隙
面としていたが、ここに示すものでは軸方向端面を空隙
面としている。このようにすると、特に軸方向制約が厳
しく径方向に制約がゆるいケースにおいては空隙面積が
よりおおきく拡大できることから、特に有用であること
は明らかである。また図示していないが磁極４，１２や
電機子鉄心２の歯状部は部分扇形状である。電機子巻線
３は二組の三相巻線を有しており相互に３０°の位相差
をもっており、それらは第１実施例の回路構成すなわち
図２と同一としている。また界磁磁気回路における第１
固定界磁鉄心７と第２固定界磁鉄心９との間には、残留
永久磁石キャンセル用の永久磁石８が、締結ボルト８０
１により、過大応力を避ける為の非磁性のアルミ製着座
スペーサ８０２を介して、挟持固定されている。

【００３４】［その他の実施形態］前記第１，第２実施
例では、１磁極ピッチに対して電機子鉄心歯状部を６つ
として、二組の三相電機子巻線を巻装しているが、一組
でもよく、また短節でも全節でも、集中巻きでも分布ま
きでもよいことはいうまでもない。

【００３５】また前記実施例ではエンジン直結の発電機
への適用例を示したが、電動機でも、発電電動機でもよ
く、また民生用のモータでも、小型携帯機器用のモータ
への適用でもよく、またそれぞれの適用用途に応じてさ
まざまな設計態様の応用態様を図ることができることは
いうまでもない。

【００３６】また上述の各実施例では界磁鉄心の表面に
磁石を貼りつける仕様としているが、磁石の磁気回路中
どこに設けるかは適宜変更できる。例えば磁束を集中す
るために全ての磁極には軟鉄磁極片を用いて、内奥部に
磁石を配置したり、また回転子表面に磁石を貼りつける
にしても、その外周に遠心力拘束用のナイロン，カーボ
ン繊維を巻装したり、非磁性ステンレス板を張り付けた
り、薄い磁性シートをある程度の磁気漏れを覚悟して使
用するなどの構成できることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明となる第一実施例の説明図である。

【図２】図１に示す第１実施例におけるＡＡ断面の説明
図である。

【図３】図１に示す第１実施例の基本回路構成の説明図
である。

【図４】第２実施例の構造説明のための主要断面図であ
る。

【符号の説明】 １…アルミハウジング、 ２…電機子鉄心、 ３…電機子巻線、 ４…永久磁石磁極、 ５…空隙面、 ６…固定界磁巻線、 ７…第１固定界磁鉄心、 ８…残留永久磁石キャンセル用の永久磁石、 ９…第２固定界磁鉄心、 １０…鉄製ハブ、 １１…締結ボルト、 １２…界磁鉄心磁極、 １３…トルコン、 １４…クランクシャフト。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電機子巻線を有する電機子積層鉄心と、
   空隙を介して回転自在に前記鉄心と対向する電気角ほぼ
   ３６０度ピッチで配置された単極性の界磁鉄心磁極面
   と、該界磁鉄心磁極面と周方向に隣接し磁気的に連接し
   た界磁鉄心の上に、前記界磁鉄心磁極面の極性と異なる
   極性の永久磁石を起磁力源とした永久磁石起磁力源磁極
   を設けるとともに、前記界磁鉄心磁極と前記電機子鉄心
   バックヨーク部とを磁気的に連接し、かつ該連接磁気回
   路ループの中に界磁巻線を配置したことを特徴とする磁
   石併用誘導子型回転機。
2. 【請求項２】 前記界磁鉄心は椀状成形してなり、その
   内径面に前記永久磁石を起磁力が前記界磁起磁力と逆方
   向起磁力となるように着磁して固設したことを特徴とす
   る請求項１に記載の磁石併用誘導子型回転機。
3. 【請求項３】 前記界磁鉄心磁極に対して前記界磁巻線
   起磁力の与える極性とは逆の極性となる永久磁石起磁力
   源を前記界磁鉄心の回路に配置し、かつ前記界磁巻線の
   電流を単一の開閉制御素子で加減制御を行なうことを特
   徴とする請求項１または２項に記載の磁石併用誘導子型
   回転機。
4. 【請求項４】 前記電機子巻線は平角型導体を整列巻装
   してなることを特徴とする請求項１乃至３項のいずれか
   １つに記載の磁石併用誘導子型回転機。
5. 【請求項５】 前記界磁鉄心は、回転機とり付け用部材
   を兼ねたことを特徴とする、請求項１乃至４項のいずれ
   か１つに記載の磁石併用誘導子型回転機。
6. 【請求項６】 前記電機子鉄心と界磁鉄心とは、軸方向
   空隙を介して対面することを特徴とする請求項１乃至５
   項のいずれか１つに記載の磁石併用誘導子型回転機。