JP2003348805A

JP2003348805A - 発電機

Info

Publication number: JP2003348805A
Application number: JP2002150453A
Authority: JP
Inventors: Hideo Okano; 秀雄岡野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2003-12-05

Abstract

(57)【要約】【課題】鉄損が極めて少なく且つコギングトルクの発
生が無く、これにより効率の良い発電ができ且つ、出力
を容易に調整することができる発電機を提供すること。【解決手段】アキシャルギャップ型の発電機（１）
は、ステータとしてハウジング（７）に固定された複数
のコイル（４）を備え、更に、ロータとして回転軸
（５）に固定された複数のヨーク（２）と該ヨーク
（２）それぞれに固定された複数のマグネット（３）を
備えている。ヨーク（２）、マグネット（３）、コイル
（４）、そしてヨーク（２）の順に並べられた１セット
を１発電ユニットとして、当該発電ユニットを複数、回
転軸（５）に沿って積み重ね、回転軸（５）の回転に伴
う各ヨーク（２）とマグネット（３）の回転によって各
コイル（４）から得られる出力電力の総和を増加させ
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、発電機に関し、よ
り詳細には、ロータ（即ち、回転子）にマグネット（即
ち、磁石）を設けたアキシャルギャップ型の発電機に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図５（Ａ）および図５（Ｂ）を参照して
従来の発電機の一例を説明する。図５（Ａ）は従来の発
電機の断面図、そして図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＶＢ−
ＶＢ矢視断面図である。発電機１００は、ステータ（即
ち、固定子）としてコイル１０１および鉄芯１０２を備
え、更に、ロータとしてマグネット１０３および回転軸
１０４を備えている。回転軸１０４は、軸受１０５によ
りハウジング１０６に軸支されている。この発電機１０
０は、回転軸１０４の周方向に延長するギャップをマグ
ネット１０３と鉄芯１０２との間に形成する形態を採る
ため、一般的にラジアルギャップ型と呼ばれている。ケ
イ素を含有する材料からなる鉄芯１０２には、図５
（Ｂ）に示されるように、複数の歯部１０７が設けら
れ、歯部１０７各々の間にはスロット１０８が形成さ
れ、そしてそれぞれのスロット１０８にコイル１０１が
収納される。尚、マグネット１０３は鉄芯１０２に対し
て相対的に回転するため、この構造上、渦電流損失、ヒ
ステリシス損失、コギングトルク、等が発生する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述の発電機１００に
おいて、鉄芯１０２のケイ素含有率を高めて板厚を薄く
した材料を使用すれば、鉄損の発生を少なくすることが
できるが、ケイ素の含有率を高めた材料は硬度が高いの
で、プレスによる打ち抜き性が悪く、更には、材料単価
も高いので、発電機１００自体のコストを高めてしまう
といった課題がある。また、発電機１００の出力は、回
転数が一定であれば、発電機１００の体格（即ち、径お
よび長さ）で決まってしまうため、簡単には発電機出力
の調整ができないという課題もある。

【０００４】そこで、本発明は、鉄損が極めて少なく且
つコギングトルクの発生が無く、これにより効率の良い
発電ができ且つ、出力を容易に調整することができる発
電機を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明の発電機は、請求項１に記載したよう
に、ハウジングと、該ハウジングに回転自在に支持され
る回転軸と、該回転軸の軸方向に積み重ねられる少なく
とも２つの発電ユニットと、を備えるアキシャルギャッ
プ型の発電機であって、前記少なくとも２つの発電ユニ
ットのうち、第１の発電ユニットが、前記回転軸と一体
に回転するように前記回転軸にそれぞれ固定された円板
状の第１および第２のヨークと、前記第１のヨークと前
記第２のヨークとの間に配置され且つ前記第１のヨーク
の上面に固定された第１のマグネットと、前記第１のマ
グネットの上面と前記第２のヨークの下面との間に配置
されるように前記ハウジングに固定された第１のコイル
と、を有しており、そして前記少なくとも２つの発電ユ
ニットのうち、前記回転軸の軸方向に前記第１の発電ユ
ニットに積み重ねられる第２の発電ユニットが、前記回
転軸と一体に回転するように前記回転軸に固定された円
板状の第３のヨークと、前記第２のヨークと前記第３の
ヨークとの間に配置され且つ前記第２のヨークの上面に
固定された第２のマグネットと、前記第２のマグネット
の上面と前記第３のヨークの下面との間に配置されるよ
うに前記ハウジングに固定された第２のコイルと、を有
していることを特徴としている。

【０００６】請求項１に記載の発明によれば、回転軸の
軸方向に積み重ねられる少なくとも２つの発電ユニット
を発電機が備えており、当該少なくとも２つの発電ユニ
ットのうち、第１の発電ユニットが、回転軸と一体に回
転するように回転軸にそれぞれ固定された円板状の第１
および第２のヨークと、第１のヨークと第２のヨークと
の間に配置され且つ第１のヨークの上面に固定された第
１のマグネットと、第１のマグネットの上面と第２のヨ
ークの下面との間に配置されるようにハウジングに固定
された第１のコイルと、を有しており、そして、前記少
なくとも２つの発電ユニットのうち、回転軸の軸方向に
第１の発電ユニットに積み重ねられる第２の発電ユニッ
トが、回転軸と一体に回転するように回転軸に固定され
た円板状の第３のヨークと、第２のヨークと第３のヨー
クとの間に配置され且つ第２のヨークの上面に固定され
た第２のマグネットと、第２のマグネットの上面と第３
のヨークの下面との間に配置されるようにハウジングに
固定された第２のコイルと、を有している。それ故、第
１のヨークの上面に固定された第１のマグネットにより
磁路が形成され、そして第２のヨークには第１のコイル
を通過してくる磁束を受ける磁路が形成される。更に、
第２のヨークの上面には第２のマグネットが固定されて
おり、これにより磁路が形成され、そして第３のヨーク
には第２のコイルを通過してくる磁束を受ける磁路が形
成される。即ち、ヨーク、マグネット、コイル、そして
ヨークの順に並べられた１セットを１発電ユニットとし
て、当該発電ユニットを複数、回転軸に沿って積み重ね
ていけば、回転軸の回転に伴う各ヨークとマグネットの
回転によって各コイルから得られる出力電力の総和を増
加させることができる。この発電ユニットでは、ヨーク
とマグネットが一緒に回転させられるので、マグネット
の磁束による渦電流鉄損やヒステリシス損失は発生せ
ず、従来のラジアルギャップ型の発電機と比較して、鉄
損は非常に少なく且つコギングトルクの発生は無い。そ
れ故、効率の良い発電ができ且つ、出力の増減が簡単に
できる。発電機の回転軸への入力回転を変速機により増
速する場合、鉄損が少なく、コギングトルクが無いた
め、入力側から見ると負荷が増えず、効率の良い発電が
できる。

【０００７】また、本発明の発電機は、請求項２に記載
したように、前記第２の発電ユニットの第２のマグネッ
ト、第２のコイル、そして第３のヨークの並び順と同様
に、更に他のマグネット、コイル、そしてヨークを繰り
返し並設して、更なる発電ユニットが前記回転軸の軸方
向に前記第２の発電ユニットに積み重ねられることを特
徴としている。

【０００８】請求項２に記載の発明のように、第２の発
電ユニットの第２のマグネット、第２のコイル、そして
第３のヨークの並び順と同様に、更に他のマグネット、
コイル、そしてヨークを繰り返し並設して、更なる発電
ユニットを前記回転軸の軸方向に前記第２の発電ユニッ
トに積み重ねていけば、各コイルから得られる出力電力
の総和を増加させることができる。

【０００９】以上、本発明について簡潔に説明した。更
に、以下に説明される発明の実施の形態を添付の図面を
参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確
化されるであろう。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る好適な実施形
態を図面に基づき詳細に説明する。図１（Ａ）は本発明
の一実施形態であるアキシャルギャップ型の発電機１の
断面図、そして図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＩＢ矢視図で
ある。図２（Ａ）および図２（Ｂ）は図１（Ａ）の各マ
グネット３を形成するマグネット片の形状を示す図であ
り、図２（Ａ）はマグネット片が有する角度を示す平面
図、そして図２（Ｂ）はマグネット３への磁化方向を示
すマグネット３の側面図である。図３（Ａ）〜図３
（Ｃ）は図１（Ａ）の各コイル４の形状を示す図であ
り、図３（Ａ）はコイル４の導線の巻き方を示す平面
図、図３（Ｂ）はコイル４が有する角度を示す平面図、
そして図３（Ｃ）は図３（Ａ）のコイル４の側面図であ
る。図４（Ａ）および図４（Ｂ）は図１（Ａ）の各ヨー
ク２の形状を示す図であり、図４（Ａ）はヨーク２の平
面図、そして図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢ
矢視断面図である。

【００１１】図１（Ａ）に示されるように、アキシャル
ギャップ型の発電機１は、ステータとしてハウジング７
に固定された複数のコイル４を備え、更に、ロータとし
て回転軸５に平行に配置された複数のヨーク２と該ヨー
ク２それぞれに固定された複数のマグネット（即ち、磁
石）３を備えている。ハウジング７は、図１（Ａ）およ
び図１（Ｂ）から判るように、中空円筒形のフレーム１
５、該フレーム１５の下側開口端を塞ぐように設けられ
た下ブラケット８ａ、およびフレーム１５の上側開口端
を塞ぐように設けられた上ブラケット８ｂを有してい
る。

【００１２】回転軸５は、下ブラケット８ａおよび上ブ
ラケット８ｂに設けられた軸受１３によりハウジング７
に軸支されている（即ち、回転自在に支持されてい
る）。尚、発電機１は、ヨーク２、マグネット３および
コイル４を回転軸５の軸方向に並設してギャップを形成
する形態を採るため、一般的にアキシャルギャップ型と
呼ばれている。

【００１３】ヨーク２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）はそ
れぞれ磁路を形成する円板状の磁性体により構成され
る。各ヨーク２を構成する磁性体としては、鉄、マルテ
ンサイト系ステンレス、フェライト系ステンレス、等が
例として挙げられる。各ヨーク２は、図４（Ａ）および
図４（Ｂ）に示されるように、回転軸５が挿入される軸
挿入孔２０を中央に有している。また、平行キー１１が
挿入されるキー溝２１が軸挿入孔２０に並設されてい
る。ヨーク２は、それぞれ回転軸５と一体に回転される
ように、平行キー１１により回転軸５に対する回動を抑
止され且つヨーク２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄそれぞれの間
に内側スペーサ１０を介在させた状態でナット１２およ
び回転軸５のフランジ５ａにより挟持されて回転軸５に
互いに平行に固定される。

【００１４】また、コイル４とギャップを介して対向す
る各ヨーク２（特に図１（Ａ）ではヨーク２ａ，２ｂ，
２ｃ）の上面には複数の円環状の溝２２が形成されてい
る。これらの溝２２は、マグネット３を接着するための
接着剤たまりとして働く。ただし、溝２２はヨーク２に
設けなくともよく、また、円環状に限らず適宜様々な形
態を採ってもよい。

【００１５】各マグネット３は、図２（Ａ）に示される
ように、外周面３１が大きく内周面３２が小さい扇状に
形成されたマグネット片を複数組み合せることにより形
成されており、また図２（Ｂ）に示されるように、各マ
グネット片は板圧方向（即ち、回転軸５と平行な方向）
に磁化（着磁）されている。本実施形態では一例として
図２（Ａ）に示されるように周方向の両端面間に９０°
の角度を有するマグネット片を用いているため、各マグ
ネット３を形成すべく１つの円板（リング）状の本体を
形成するように４枚のマグネット片が各ヨーク２（図１
（Ａ）ではヨーク２ａ，２ｂ，２ｃ）の上面にそれぞれ
Ｓ極とＮ極を交互にして並べられ且つ接着剤等により固
定される。従って、本実施形態では各ヨーク２（図１
（Ａ）ではヨーク２ａ，２ｂ，２ｃ）上にマグネット片
が平面視で周方向にＳ極−Ｎ極−Ｓ極−Ｎ極というよう
に配置される。

【００１６】また、このように１つの円板（リング）状
のマグネット３を複数枚のマグネット片の組み合せで形
成する代わりに、周方向に、Ｎ極，Ｓ極，Ｎ極，Ｓ極，
・・・というように多極に着磁された１枚の円板（リン
グ）状マグネットを採用してもよい。尚、マグネットと
しては、希土類磁石、フェライト磁石、等を採用でき
る。

【００１７】各コイル４は、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に
示されるように、導線を略扇状の形状に同心巻きにした
後、エポキシ樹脂等によりモールドすることにより形成
されている。図１（Ａ）に示されるように、複数のコイ
ル４は、各コイルホルダー６に装着され、コイルホルダ
ー６それぞれの間に外側スペーサ９を介在させた状態で
ハウジング７に固定される。本実施形態では図３（Ｂ）
に示されるように円周方向の両端面間に６０°の角度を
有するコイル４を一例として用いているため、１つの円
（リング）を形成するように６個のコイル４が各コイル
ホルダー６に装着される。

【００１８】このように、図１（Ａ）に示される実施形
態では回転軸５の軸方向に発電機１の下端側から上端側
へ、第１のヨーク２ａ、第１のマグネット３ａ、第１の
コイル４ａ、第２のヨーク２ｂ、第２のマグネット３
ｂ、第２のコイル４ｂ、第３のヨーク２ｃ、第３のマグ
ネット３ｃ、第３のコイル４ｃ、そして第４のヨーク２
ｄといった順で積み上げられている。各ヨーク２（図１
（Ａ）ではヨーク２ａ，２ｂ，２ｃ）の上面にはマグネ
ット３が固定されて磁路が形成され、そして各ヨーク２
（図１（Ａ）ではヨーク２ｂ，２ｃ，２ｄ）の下面には
コイル４を通過してくる磁束を受ける磁路が形成され
る。

【００１９】即ち、ヨーク、マグネット、コイル、そし
てヨークの順に並べられた１セットを１発電ユニットと
して、当該発電ユニットを複数、回転軸５に沿って積み
重ねていけば、回転軸５の回転に伴う各ヨークとマグネ
ットの回転によって各コイルから得られる出力電力の総
和を増加させることができる。図１（Ａ）に示される実
施形態を参照して言えば、第１のヨーク２ａおよび第２
のヨーク２ｂ、当該第１のヨーク２ａと第２のヨーク２
ｂとの間に配置され且つ第１のヨーク２ａの上面に固定
された第１のマグネット３ａ、および当該第１のマグネ
ット３ａの上面と第２のヨーク２ｂの下面との間に配置
される第１のコイル４ａを有する第１の発電ユニット
に、第３のヨーク２ｃ、当該第３のヨーク２ｃと第２の
ヨーク２ｂとの間に配置され且つ第２のヨーク２ｂの上
面に固定された第２のマグネット３ｂ、および当該第２
のマグネット３ｂの上面と第３のヨーク２ｃの下面との
間に配置される第２のコイル４ｂを有する第２の発電ユ
ニットを、回転軸５の軸方向に積み重ねられ、更に第２
の発電ユニットの構成と同様に第３の発電ユニットが積
み重ねられている。この場合、第２のヨーク２ｂは第１
の発電ユニットおよび第２の発電ユニットの共通ヨーク
として働き、また、第３のヨーク２ｃは第２の発電ユニ
ットおよび第３の発電ユニットの共通ヨークとして働
く。

【００２０】このように、各発電ユニットでは、ヨーク
とマグネットが一緒に回転させられるので、マグネット
の磁束による渦電流鉄損やヒステリシス損失は発生せ
ず、従来のラジアルギャップ型の発電機と比較して、鉄
損は非常に少なく且つコギングトルクの発生は無い。そ
れ故、効率の良い発電ができ且つ、出力の増減が簡単に
できる。発電機１の回転軸５への入力回転を変速機によ
り増速する場合、鉄損が少なく、コギングトルクが無い
ため、入力側から見ると負荷が増えず、効率の良い発電
ができる。図１（Ａ）では、前述の発電ユニットを軸方
向に３段連結した例が示されているが、更に発電ユニッ
トの数を増やしたり、逆に減らしたりすることにより発
電出力の増減を容易に調整することができる。

【００２１】尚、本発明は、前述した実施形態に限定さ
れるものではなく、適宜、変形，改良，等が可能であ
る。その他、前述した実施形態における各構成要素の材
質，形状，寸法，形態，数，数値，配置個所，等は本発
明を達成できるものであれば任意であり、限定されな
い。尚、発電機１を電動機（即ち、モータ）として用い
ることも可能であることは言うまでもない。

【００２２】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、回転軸の軸方向に積み重ねられる少なくとも２つの
発電ユニットを発電機が備えており、当該少なくとも２
つの発電ユニットのうち、第１の発電ユニットが、回転
軸と一体に回転するように回転軸にそれぞれ固定された
円板状の第１および第２のヨークと、第１のヨークと第
２のヨークとの間に配置され且つ第１のヨークの上面に
固定された第１のマグネットと、第１のマグネットの上
面と第２のヨークの下面との間に配置されるようにハウ
ジングに固定された第１のコイルと、を有しており、そ
して、前記少なくとも２つの発電ユニットのうち、回転
軸の軸方向に第１の発電ユニットに積み重ねられる第２
の発電ユニットが、回転軸と一体に回転するように回転
軸に固定された円板状の第３のヨークと、第２のヨーク
と第３のヨークとの間に配置され且つ第２のヨークの上
面に固定された第２のマグネットと、第２のマグネット
の上面と第３のヨークの下面との間に配置されるように
ハウジングに固定された第２のコイルと、を有してい
る。それ故、第１のヨークの上面に固定された第１のマ
グネットにより磁路が形成され、そして第２のヨークに
は第１のコイルを通過してくる磁束を受ける磁路が形成
される。更に、第２のヨークの上面には第２のマグネッ
トが固定されており、これにより磁路が形成され、そし
て第３のヨークには第２のコイルを通過してくる磁束を
受ける磁路が形成される。即ち、ヨーク、マグネット、
コイル、そしてヨークの順に並べられた１セットを１発
電ユニットとして、当該発電ユニットを複数、回転軸に
沿って積み重ねていけば、回転軸の回転に伴う各ヨーク
とマグネットの回転によって各コイルから得られる出力
電力の総和を増加させることができる。この発電ユニッ
トでは、ヨークとマグネットが一緒に回転させられるの
で、マグネットの磁束による渦電流鉄損やヒステリシス
損失は発生せず、従来のラジアルギャップ型の発電機と
比較して、鉄損は非常に少なく且つコギングトルクの発
生は無い。それ故、効率の良い発電ができ且つ、出力の
増減が簡単にできる。発電機の回転軸への入力回転を変
速機により増速する場合、鉄損が少なく、コギングトル
クが無いため、入力側から見ると負荷が増えず、効率の
良い発電ができる。

【００２３】また、本発明のように、第２の発電ユニッ
トの第２のマグネット、第２のコイル、そして第３のヨ
ークの並び順と同様に、更に他のマグネット、コイル、
そしてヨークを繰り返し並設して、更なる発電ユニット
を前記回転軸の軸方向に前記第２の発電ユニットに積み
重ねていけば、各コイルから得られる出力電力の総和を
増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の一実施形態であるアキシャル
ギャップ型の発電機の断面図、そして（Ｂ）は図１
（Ａ）のＩＢ矢視図である。

【図２】図１（Ａ）の各マグネットを形成するマグネッ
ト片の形状を示す図である。

【図３】図１（Ａ）の各コイルの形状を示す図である。

【図４】図１（Ａ）の各ヨークの形状を示す図である。

【図５】従来の発電機の断面図である。

【符号の説明】

１発電機２ヨーク３マグネット４コイル５回転軸７ハウジング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジングと、該ハウジングに回転自在
に支持される回転軸と、該回転軸の軸方向に積み重ねら
れる少なくとも２つの発電ユニットと、を備えるアキシ
ャルギャップ型の発電機であって、前記少なくとも２つの発電ユニットのうち、第１の発電
ユニットが、前記回転軸と一体に回転するように前記回
転軸にそれぞれ固定された円板状の第１および第２のヨ
ークと、前記第１のヨークと前記第２のヨークとの間に
配置され且つ前記第１のヨークの上面に固定された第１
のマグネットと、前記第１のマグネットの上面と前記第
２のヨークの下面との間に配置されるように前記ハウジ
ングに固定された第１のコイルと、を有しており、そし
て前記少なくとも２つの発電ユニットのうち、前記回転
軸の軸方向に前記第１の発電ユニットに積み重ねられる
第２の発電ユニットが、前記回転軸と一体に回転するよ
うに前記回転軸に固定された円板状の第３のヨークと、
前記第２のヨークと前記第３のヨークとの間に配置され
且つ前記第２のヨークの上面に固定された第２のマグネ
ットと、前記第２のマグネットの上面と前記第３のヨー
クの下面との間に配置されるように前記ハウジングに固
定された第２のコイルと、を有していることを特徴とす
る発電機。
【請求項２】前記第２の発電ユニットの第２のマグネ
ット、第２のコイル、そして第３のヨークの並び順と同
様に、更に他のマグネット、コイル、そしてヨークを繰
り返し並設して、更なる発電ユニットが前記回転軸の軸
方向に前記第２の発電ユニットに積み重ねられることを
特徴とする請求項１に記載した発電機。