JP2003284303A

JP2003284303A - 回転電機

Info

Publication number: JP2003284303A
Application number: JP2002077774A
Authority: JP
Inventors: Arata Kusase; 草瀬　　新
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-10-03
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: JP3829742B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高出力化が可能な回転電機を提供すること。【解決手段】車両用交流発電機１は、電機子２、回転
子３、励磁コイル４、フロントフレーム５、リヤフレー
ム６を備える。軟鉄製のフロントフレーム５は、回転子
３のポールコア３２のフロント側端面を利用して同極磁
極部５１が形成されており、この同極磁極部５１の外周
に励磁コイル４が設けられている。回転子３の励磁コイ
ル３１によって発生する交番磁束に、フロントフレーム
５の励磁コイル４によって発生する単方向磁束が加算さ
れるため、電機子巻線２３に鎖交する磁束が増す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば乗用車や航
空機、工具などの小型高性能が重視される分野において
電動機や発電機として用いられる回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両用として用いられる回転電機として
の電動機や発電機には、小型軽量高出力が要求されてお
り、これまでこの要求を満たすために、性能を支配する
界磁磁束量を増やすさまざまな方法が提案されている。
小型高磁束化を可能とする代表的な従来技術としては、
回転軸を嵌装するボス部と、それに連接したディスク部
と、更にそれに連接した爪状磁極部とからなるいわゆる
ランデル型の界磁鉄心を有する回転子が普及している。
このランデル型の界磁鉄心では、集中単純巻きによって
巻回された界磁巻線によって発生した磁束が、各爪状磁
極部を含んで形成される磁気回路に並列に供給されるた
め、各爪状磁極部の励磁アンペアターンを大きく設定す
ることができ、高出力を得ることができるという特長が
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したラ
ンデル型の回転子を用いた場合には、一定の回転子外径
を考えたときに、爪状磁極部の径方向の厚みや必要な界
磁巻線量を確保するためには、界磁磁束量を支配するボ
ス部の外径をあまり大きくできないため、このボス部に
おいて磁束の飽和が生じやすく、高出力化に限界がある
という問題があった。

【０００４】また、界磁磁束量を増加させる従来技術と
して、隣接する爪状磁極部間に永久磁石を介在させる方
法もあるが、ボス部の外径をできるだけ大きくした上で
界磁巻線量を確保しようとするとこの永久磁石の設置ス
ペースを確保することが難しく、しかも爪状磁極部間の
隙間が永久磁石によって埋められてしまうことから冷却
性が悪化することになる。このように、永久磁石を爪状
磁極部間に介在させる方法では、飛躍的な出力増加を図
ることが難しい。

【０００５】本発明は、このような点に鑑みて創作され
たものであり、その目的は、高出力化が可能な回転電機
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明の回転電機は、電機子巻線が電機子鉄心
に装備された電機子と、電機子鉄心と対向配置された回
転子鉄心とこの回転子鉄心に磁束を供給する第１の励磁
源とを有する回転子と、電機子および回転子を支持する
フレームと、フレームに相対的に固定されて回転子鉄心
に磁束を供給する第２の励磁源とを備えている。この回
転子に含まれる第１の励磁源によって磁束を発生した状
態で回転子を回転させることにより、電機子鉄心に対し
て交番磁束を発生するとともに、回転子以外の固定部位
に設けられた第２の励磁源によって発生した磁束を回転
子鉄心に供給した状態で回転子を回転させることによ
り、電機子鉄心に対して単方向の脈動磁束を発生してい
る。これにより、回転子に含まれる第１の励磁源によっ
て発生する交番磁束に、第２の励磁源によって発生する
単方向の脈動磁束が加算されるため、電機子巻線に鎖交
する磁束の量を増やすことができ、回転電機の高出力化
が可能になる。特に、第２の励磁源は、回転子の外部に
設けられているため、回転子内での設置スペース等を考
慮する必要がなく、回転電機の小型化も可能になる。な
お、交番磁束と脈動磁束とが加算された結果、正負同量
の交番磁束でなくなるが、磁束の微分量としての誘導電
圧は交流になるため、回転電機としての発電動作や電動
動作については特に支障はない。

【０００７】また、上述した電機子鉄心と回転子鉄心と
を磁気的に連結するとともに、回転子鉄心の極性と対抗
する向きに直流起磁力を有する継鉄部を有することが望
ましい。このような継鉄部を備えることにより、回転子
鉄心に対して回転子の外部から磁束を供給することが可
能になる。

【０００８】また、上述した第１および第２の励磁源の
いずれか一方を永久磁石で、他方を励磁コイルで形成
し、励磁コイルへの通電量を低下させたときに、永久磁
石によって発生する磁束が電機子鉄心に鎖交する量が減
少するように界磁用の磁気回路が構成されていることが
望ましい。これにより、励磁コイルの数を減らすことが
できるため、励磁電流を供給するための構成および回転
電機全体の構造の簡素化が可能になる。また、励磁コイ
ルに対する通電量を減らしたときに回転電機の出力が低
下するようになるため、永久磁石を用いた場合であって
も回転電機の出力を制御することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した回転電機
の一種である車両用交流発電機について、図面を参照し
ながら説明する。〔第１の実施形態〕図１は、第１の実施形態の車両用交
流発電機の部分的な構成を示す断面図であり、回転子と
これに組み合わされる固定子、フレーム等を抜き出して
示したものである。

【００１０】図１に示す本実施形態の車両用交流発電機
１は、電機子２、回転子３、励磁コイル４、フロントフ
レーム５、リヤフレーム６を含んで構成されている。電
機子２は、電機子鉄心２１と、この電機子鉄心２１に形
成された複数個のスロットに所定の間隔で巻き回された
三相の電機子巻線２３とを備えている。この電機子巻線
２３の出力リード線は、三相全波整流装置（図示せず）
に接続されており、電機子巻線２３に誘起された交流電
圧がこの三相全波整流装置によって整流されて出力電力
が外部に取り出される。

【００１１】回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状
かつ同心状に巻き回した第１の励磁源としての励磁コイ
ル３１を、それぞれが６個の爪状磁極部を有するランデ
ル型の２つのポールコア（回転子鉄心）３２によって、
回転軸３３を通して両側から挟み込んだ構造を有してい
る。回転軸３３の一方の端部近傍に設けられたブラシス
リップリング（図示せず）を介して励磁コイル３１に励
磁電流が供給される。

【００１２】フロントフレーム５およびリヤフレーム６
は、電機子２および回転子３を収容しており、回転子３
が回転軸３３を中心に回転可能な状態で支持されている
とともに、回転子３のポールコア３２の外周側に所定の
隙間を介して配置された電機子２が固定されている。ま
た、フロントフレーム５には、回転子３のポールコア３
２のフロント側端面を利用して同極磁極部５１が形成さ
れており、この同極磁極部５１とポールコア３２の端面
とが所定の隙間を介して対向している。また、フロント
フレーム６は、軟鉄製であり、電機子鉄心２１とフロン
トフレーム５側の一方のポールコア３２とを磁気的に連
結することにより磁束を通す継鉄部として機能する。な
お、リヤフレーム６は、アルミニウム等の非磁性体材料
を用いて形成されている。

【００１３】第２の励磁源としての励磁コイル４は、フ
ロントフレーム５の内側であって同極磁極部５１の外径
側に固定されている。回転子３に設けられた第１の励磁
コイル３１によって発生する磁束が通る磁路と並行し
て、フロントフレーム５に設けられた第２の励磁コイル
４によって発生する磁束が通る磁路が形成されている。
例えば、図１に示すように、回転子３に設けられた励磁
コイル３１に対する通電が行われたときに、フロントフ
レーム５側のポールコア３２がＮ極に磁化されるように
なっており、フロントフレーム５に設けられた励磁コイ
ル４に対する通電が行われたときに、Ｎ極に磁化された
ポールコア３２に対抗する向きに直流起磁力を有するよ
うに、継鉄部の一部である同極磁極部５１もＮ極に磁化
されるようになっている。

【００１４】本実施形態の車両用交流発電機１はこのよ
うな構成を有しており、次にその動作を説明する。上述
したように、回転子３に設けられた励磁コイル３１に励
磁電流が流れると、フロントフレーム５側に配置された
一方のポールコア３２がＮ極に磁化され、他方のポール
コア３２がＳ極に磁化されるため、Ｎ極に磁化された一
方のポールコア３２の各爪状磁極部から流れ出す磁束
は、電機子鉄心２１に一旦入った後に、Ｓ極に磁化され
た他方のポールコア３２の各爪状磁極部に流れ込む。し
かも、回転子３は回転しているため、電機子鉄心２１の
各スロット間の歯に着目すると、交番磁束が発生する。

【００１５】また、フロントフレーム５に設けられた励
磁コイル４に励磁電流が流れると、フロントフレーム５
のＮ極に磁化された同極磁極部５１から流れ出た磁束
は、回転子３のフロントフレーム５側のポールコア３
２、電機子鉄心２１を経由して再びフロントフレーム５
に戻る。しかも、この励磁コイル４の通電によって生じ
る磁束は単方向磁束となる。

【００１６】図２は、車両用交流発電機１に含まれる２
つの励磁コイル４、３１に励磁電流を流したときに発生
する磁束を示す図である。図２に示した磁束は、電機子
鉄心２１のスロット間の一の歯に着目し、Ｎ極に磁化さ
れた一方のポールコア３２からこの歯に流れ込む磁束の
向きを正としている。上述したように、フロントフレー
ム５側に配置されたＮ極のポールコア３２から電機子鉄
心２１の各歯に流れ込む合計磁束には、回転子３に設け
られた励磁コイル４によって発生する交番磁束Ａの他
に、フロントフレーム５に設けられた励磁コイル４によ
って発生する単方向の脈動磁束Ｂも含まれる。したがっ
て、図２に示すように、Ｎ極に磁化された一方のポール
コア３２から電機子鉄心２１に流れ込む磁束の方が、電
機子鉄心２１からＳ極に磁化された他方のポールコアに
流れ込む磁束よりも多くなる。

【００１７】このように、本実施形態の車両用交流発電
機１では、回転子３に含まれる励磁コイル３１によって
発生する交番磁束に、励磁コイル４によって発生する単
方向の脈動磁束が加算されるため、電機子巻線２３に鎖
交する磁束の量を増やすことができ、車両用交流発電機
１の高出力化が可能になる。特に、励磁コイル４は、回
転子３の外部に設けられているため、回転子３内での設
置スペース等を考慮する必要がなく、車両用交流発電機
１の小型化も可能になる。また、継鉄部として機能する
軟鉄製のフロントフレーム５を用いることにより、ポー
ルコア３２に対して回転子３の外部から磁束を供給する
ことが可能になる。

【００１８】図３は、本実施形態の車両用交流発電機１
を実際に試作して出力特性を測定した結果を示す図であ
る。図３に示すように、フロントフレーム５に第２の励
磁コイル４を追加することにより、従来構成の車両用交
流発電機に対して約３０％の著しい出力向上を達成する
ことができた。

【００１９】〔第２の実施形態〕ところで、上述した第
１の実施形態では、２種類の励磁コイル３１、４に励磁
電流を流しているが、励磁コイル３１、４のいずれか一
方を永久磁石に置き換えるようにしてもよい。

【００２０】図４は、第２の実施形態の車両用交流発電
機１Ａの部分的な構成を示す図であり、回転子とこれに
組み合わされる固定子、フレーム等を抜き出して示した
ものである。図４に示す車両用交流発電機１Ａは、電機
子２、回転子３Ａ、励磁コイル４Ａ、４Ｂ、フロントフ
レーム５Ａ、リヤフレーム６Ａ、継鉄部７１、７２、７
３、７４を含んで構成されている。

【００２１】電機子２は、第１の実施形態の車両用交流
発電機１に含まれるものと基本的に同じ構造を有してお
り、電機子鉄心２１と電機子巻線２３を備えている。回
転子３Ａは、回転軸１３３方向に沿って磁化された円盤
状の永久磁石１３１を、それぞれが６個の爪状磁極部を
有するランデル型の２つのポールコア１３２によって、
回転軸１３３を通して両側から挟み込んで構造を有して
いる。

【００２２】フロントフレーム５Ａおよびリヤフレーム
６Ａは、電機子２および回転子３Ａを収容しており、回
転子３Ａが回転軸１３３を中心に回転可能な状態で支持
されているとともに、回転子３Ａのポールコア１３２の
外周側に所定の隙間を介して配置された電機子２が固定
されている。これらのフロントフレーム５Ａ、６Ａは、
アルミニウム等の非磁性体材料によって形成されてい
る。

【００２３】また、フロントフレーム５Ａの内壁部に沿
って継鉄部７１が、この継鉄部７１の端部に継鉄部７２
がそれぞれ設けられている。継鉄部７２は、フロントフ
レーム５Ａ側に配置された回転子３Ａの一方のポールコ
ア１３２と対向しており、この一方のポールコア１３２
と同極に磁化される同極磁極部として機能する。また、
継鉄部７１、７２によって包含する位置に励磁コイル４
Ａが設けられている。同様に、リヤフレーム６Ａの内壁
部に沿って継鉄部７３が、この継鉄部７３の端部に継鉄
部７４がそれぞれ設けられている。継鉄部７４は、リヤ
フレーム６Ａ側に配置された回転子３Ａの他方のポール
コア１３２と対向しており、この他方のポールコア１３
２と同極に磁化される同極磁極部として機能する。ま
た、継鉄部７３、７４によって包含する位置に励磁コイ
ル４Ｂが設けられている。

【００２４】一方の励磁コイル４Ａは、フロントフレー
ム５Ａの継鉄部７１、７２によって包含する位置に固定
されている。回転子３Ａに設けられた永久磁石１３１に
よって発生する磁束が通る磁路と並行して、フロントフ
レーム５Ａに設けられた第２の励磁コイル４Ａによって
発生する磁束が通る磁路が形成されている。例えば、図
４に示すように、回転子３Ａに設けられた永久磁石１３
１によってフロントフレーム５Ａ側のポールコア１３２
がＮ極に磁化されるようになっており、フロントフレー
ム５Ａに設けられた励磁コイル４Ａに対する通電が行わ
れたときに、フロントフレーム５Ａの同極磁極部として
機能する継鉄部７２もＮ極に磁化されるようになってい
る。これにより、回転子３Ａ内のＮ極に磁化された一方
のポールコア１３２から電機子鉄心２１に磁束が通る磁
路と並行して、継鉄部７２から回転子３Ａ内のＮ極に磁
化された一方のポールコア１３２を通って電機子鉄心２
１に磁束が通る磁路が形成される。リヤフレーム６Ａ側
についても同様である。

【００２５】このように、回転子３Ａに永久磁石１３１
を備えるとともに、フロントフレーム５Ａおよびリヤフ
レーム６Ａに励磁コイル４Ａ、４Ｂを備えることによ
り、永久磁石１３１によって発生する交番磁束に、励磁
コイル４Ａ、４Ｂによって発生する単方向磁束を加算す
ることができるため、電機子巻線２３に鎖交する磁束を
増やすことができ、車両用交流発電機１Ａの出力を向上
させることができる。

【００２６】図５は、本実施形態の車両用交流発電機１
Ａの非発電時における磁束の状態を示す図である。２つ
の励磁コイル４Ａ、４Ｂに対する励磁電流の供給を停止
した場合には、図５に示すように、Ｎ極に磁化された一
方のポールコア１３２→継鉄部７２→継鉄部７１→電機
子鉄心２１→継鉄部７３→継鉄部７４→Ｓ極に磁化され
た他方のポールコア１３２、という周回した磁路が形成
される。したがって、永久磁石１３１によって発生した
磁束は、電機子巻線２３と鎖交することなくこの磁路を
通って周回するようになり、ブラシレス構造でありなが
ら容易に非発電状態を実現することができる。

【００２７】このように、励磁コイル４Ａ、４Ｂと永久
磁石１３１とを組み合わせることにより、励磁源の全部
を励磁コイルで実現する場合に比べて、励磁コイルの数
を減らすことができるため、励磁電流を供給するための
構成および車両用交流発電機１Ａ全体の構造の簡素化が
可能になる。また、励磁コイルに対する通電量を減らし
たときに車両用交流発電機１Ａの出力が低下するように
なるため、永久磁石を用いた場合であっても車両用交流
発電機１Ａの出力を制御することができる。

【００２８】〔第３の実施形態〕図６は、第３の実施形
態の車両用交流発電機１Ｂの部分的な構成を示す図であ
り、回転子とこれに組み合わされる固定子、フレーム等
を抜き出して示したものである。

【００２９】図６に示す車両用交流発電機１Ｂは、電機
子２、回転子３Ｂ、フロントフレーム５Ｂ、リヤフレー
ム６Ｂ、永久磁石８１、８２を含んで構成されている。
電機子２は、第１の実施形態の車両用交流発電機１に含
まれるものと基本的に同じ構造を有しており、電機子鉄
心２１と電機子巻線２３を備えている。

【００３０】回転子３Ｂは、第１の実施形態の車両用交
流発電機１に含まれる回転子３に対して、２つのポール
コア３２の各爪状磁極部間に永久磁石３４を追加した構
造を有している。フロントフレーム５Ｂおよびリヤフレ
ーム６Ｂは、電機子２および回転子３Ｂを収容してお
り、回転子３Ｂが回転軸３３を中心に回転可能な状態で
支持されているとともに、回転子３Ｂのポールコア３２
の外周側に所定の隙間を介して配置された電機子２が固
定されている。これらのフロントフレーム５Ｂ、６Ｂ
は、軟鉄製であり、磁束を通す継鉄部として機能する。

【００３１】また、フロントフレーム５Ｂの内壁部の一
部には永久磁石８１が設けられている。この永久磁石８
１は、フロントフレーム５Ｂ側に配置された回転子３Ｂ
の一方のポールコア３２と対向しており、これらの対向
面が同じ極性となるように配置されている。同様に、リ
ヤフレーム６Ｂの内壁部の一部には永久磁石８２が設け
られている。この永久磁石８２は、フロントフレーム６
Ｂ側に配置された回転子３Ｂの他方のポールコア３２と
対向しており、これらの対向面が同じ極性となるように
配置されている。

【００３２】このように、回転子３Ｂに励磁コイル３１
を備えるとともに、フロントフレーム５Ｂおよびリヤフ
レーム６Ｂに永久磁石８１、８２を備えることにより、
励磁コイル３１によって発生する交番磁束に、永久磁石
８１、８２によって発生する単方向磁束を加算すること
ができるため、電機子巻線２３に鎖交する磁束を増やす
ことができ、車両用交流発電機１Ｂの出力を向上させる
ことができる。

【００３３】図７は、本実施形態の車両用交流発電機１
Ｂの非発電時における磁束の状態を示す図である。励磁
コイル３１に対する励磁電流の供給を停止した場合に
は、図７に示すように、Ｎ極に磁化された一方のポール
コア３２→Ｓ極に磁化された他方のポールコア３２→永
久磁石８２→リヤフレーム６Ｂ→フロントフレーム５Ｂ
→永久磁石８１、という周回した第１の磁路と、Ｎ極に
磁化された一方のポールコア３２→永久磁石３４→Ｓ極
に磁化された他方のポールコア３２、という第２の磁路
が形成される。したがって、励磁コイル３１によって発
生した磁束は、電機子巻線２３と鎖交することなく、こ
れらの磁路を通って周回するようになり、ブラシレス構
造でありながら容易に非発電状態を実現することができ
る。

【００３４】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変
形実施が可能である。例えば、上述した第１の実施形態
では、フロントフレーム５側に励磁コイル４を設けた
が、代わりにリヤフレーム６側に、あるいはフロントフ
レーム５とリヤフレーム６の両方に励磁コイルを設ける
とともに、軟鉄製のリヤフレーム６を用いるようにして
もよい。

【００３５】また、上述した第２の実施形態では、フロ
ントフレームあるいはリヤフレームとは別にその内壁側
に継鉄部を形成したが、第１および第３の実施形態で示
したように軟鉄製あるいはその他の磁性体材料のフレー
ムを用いるようにしてもよい。あるいは、反対に、第１
および第３の実施形態において、非磁性体材料のフレー
ムの内壁側に継鉄部を備えるようにしてもよい。

【００３６】また、上述した各実施形態では、回転電機
の一例として車両用交流発電機について説明したが、そ
の他の発電機あるいは電動機について本発明を適用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態の車両用交流発電機の部分的な
構成を示す断面図である。

【図２】本実施形態の車両用交流発電機に含まれる２つ
の励磁コイルに励磁電流を流したときに発生する磁束を
示す図である。

【図３】本実施形態の車両用交流発電機を実際に試作し
て出力特性を測定した結果を示す図である。

【図４】第２の実施形態の車両用交流発電機の部分的な
構成を示す断面図である。

【図５】本実施形態の車両用交流発電機の非発電時にお
ける磁束の状態を示す図である。

【図６】第３の実施形態の車両用交流発電機の部分的な
構成を示す断面図である。

【図７】本実施形態の車両用交流発電機の非発電時にお
ける磁束の状態を示す図である。

【符号の説明】

１車両用交流発電機２電機子３回転子４、３１励磁コイル５フロントフレーム６リヤフレーム２１電機子鉄心２３電機子巻線３２ポールコア３３回転軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電機子巻線が電機子鉄心に装備された電
機子と、前記電機子鉄心と対向配置された回転子鉄心と、前記回
転子鉄心に磁束を供給する第１の励磁源とを有する回転
子と、前記電機子および前記回転子を支持するフレームと、前記フレームに相対的に固定されており、前記回転子鉄
心に磁束を供給する第２の励磁源と、を備え、前記回転子に含まれる第１の励磁源によって磁
束を発生した状態で前記回転子を回転させることによ
り、前記電機子鉄心に対して交番磁束を発生するととも
に、前記回転子以外の固定部位に設けられた第２の励磁
源によって発生した磁束を前記回転子鉄心に供給した状
態で前記回転子を回転させることにより、前記電機子鉄
心に対して単方向の脈動磁束を発生することを特徴とす
る回転電機。
【請求項２】請求項１において、前記電機子鉄心と前記回転子鉄心とを磁気的に連結する
とともに、前記回転子鉄心の極性と対抗する向きに直流
起磁力を有する継鉄部を有することを特徴とする回転電
機。
【請求項３】請求項１または２において、前記第１および第２の励磁源のいずれか一方を永久磁石
で、他方を励磁コイルで形成し、前記励磁コイルへの通
電量を低下させたときに、前記永久磁石によって発生す
る磁束が前記電機子鉄心に鎖交する量が減少するように
界磁用の磁気回路が構成されていることを特徴とする回
転電機。