JP2005295611A

JP2005295611A - 電動機・ジェネレータの構造

Info

Publication number: JP2005295611A
Application number: JP2004103278A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kawamura; 英男河村
Original assignee: Fuji Cera Tech Co Ltd
Current assignee: Fuji Cera Tech Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】この発明は，簡単で安価な機械的装置によって，電動機の機能とジェネレータの機能を有し，回転変動する出力軸で対して常に所定の一定電圧を発電する。
【解決手段】この電動機・ジェネレータの構造は，ハウジング１に固定されたステータ４，フライホイール１５に固定された永久磁石片５を持つロータ３，それらの間の磁束制御部材７を有する。ステータ４の巻線１４は，配電盤２２，２３を介してバッテリに接続される電動機回路１７と，ダイオードに接続されるジェネレータ回路４２から成る。
【選択図】図１

Description

この発明は，ハウジングに取り付けられたステータ，及びフライホイールに取り付けられたロータを備えた電動機・ジェネレータの構造に関する。

近年，自動車から排出される排気ガスの削減，或いは燃料節減の省燃費上の問題から車両が停止状態の時には，エンジンの駆動を停止することが求められ，その法規制が検討されている。このようなアイドリングストップについての法制化は，ドイツ，イギリス等のヨーロッパ諸国では実施され始め，早晩，日本もその対象になると予測されている。また，エンジンのフライホイールに電動機であるスタータとジェネレータを兼用させたものが知られているが，それは永久磁石部材をフライホイールの外周面に取り付けてロータを構成し，発電機の出力はスイッチングレギュレタで一定電圧にし，電動機機能はインバータにて交流を作り，駆動する構造であった。

また，フライホイールに設けられた永久磁石式発電・電動機が知られている。該発電・電動機は，永久磁石部材を備えたロータがクランクシャフトに取り付けられたフライホイールに取り付けられた巻線を持つ半径方向に放射状に設けられたステータがフライホイールを取り囲むように配置されたフライホイールハウジングに固定されている。ロータは，小径回転部の外周に取り付けられた透磁性内筒，該透磁性内筒の外周面に周方向に磁極が交互に異なる状態に配置された複数の永久磁石板片を備えた永久磁石部材，該永久磁石部材の外周に配置された透磁性部材，及び該透磁性部材の外周に配置された補強部材から構成されている。ステータは，ロータ側に位置する透磁性の良い材料の円形状に形成された帯板状部，該帯板状部の外周に周方向に所定の間隔で隔置して固定された櫛部，及び前記櫛部の外周面に嵌合された磁路を形成するリング状継鉄，及び前記櫛部間に形成されたスロット部に配設された巻線から構成されている（例えば，特許文献１参照）。

また，近年，自動車の電気使用量は増加し，それに伴ってバッテリーが上がったり，バッテリー破裂等の事故が頻繁し，今後益々増加するものと警戒されている。また，自動車のパワーステアリング，ブレーキ装置，ナビゲーション，オーディオ，ＩＴ機器等の各種機器が普及し，自動車等の移動体の発電電力が不足している。従来型の自動車用発電機は，１２Ｖ，８０〜１００Ａが一般的であり，その出力は１〜１．２ｋｗであって現状必要とされる消費電力２ｋｗに満たないのが現状である。また，自動車では，近い将来必要となる消費電力は，２．５ｋｗ〜４ｋｗと見込まれている。

上記のことを解決するため，永久磁石式発電機では，回転速度に応じて磁束密度を制御して発電量を適正に制御するため，ロータとステータとの間に磁束制御リングを相対回転可能に配置し，磁束制御リングのステータに対する相対移動によって磁束を制御して一定電圧を発電するようにしたものが知られている（例えば，特許文献２参照）。

また，永久磁石式発電機として，発電電圧を一定電圧にするため，ロータとステータとの間に，ステータの櫛部と同一ピッチを持った櫛歯状の回転可能な磁束制御リングを配設し，ロータの低速回転時ではステータの櫛部と磁束制御リングの歯部とを整合一致させ，ロータの高速時にはステータの櫛部と磁束制御リングの歯部とをずらして両者間に大きな空隙を発生させ，磁路抵抗を増加させて磁束を制御するものが知られている（例えば，特許文献３参照）。
特開２００３−１０２１４４号公報特開平７−２３６２６０号公報特開２００２−２８１６９５号公報

しかしながら，フライホイールに永久磁石部材を備えたロータを取り付け，スタータとジェネレータの役割を果たさせる電動機・ジェネレータ即ち発電・電動機は，上記のように開発されているが，該発電・電動機は，発電機の電圧が上昇する欠点をスイッチング・レギュレタで一定電圧化させ，スタータとして使うときにはインバータを用いて交流を作り，電動機として作用させる。該発電・電動機は，スイッチング・レギュレタ，インバータ等の機器が高価であるため，これらの機器を取り付けるだけで，自動車そのものが高価になり，コストアップとなる問題を有している。

また，永久磁石式発電機において，ロータとステータの間にその磁路間の磁路抵抗を増減させる磁束制御部材を配置したものについて，磁束制御部材が円周方向に移動し，磁束制御部材の櫛状歯部とステータの櫛部の先端部との間の空隙が大きくなったとき，永久磁石の磁力は，ステータの半径方向に流れるものと磁束制御部材の周辺方向に流れるものに分離される。該磁路のうちステータ外周方向へ流れる磁力は，巻線に作用して発電電流を作る。磁束制御を行ったとき，ステータ側に流れる磁束ができるだけ小さい方が制御性が良いことになる。永久磁石式発電機の磁束制御性は，回転数が高いほどステータ側への磁束減少が大きい方が制御性が良い。また，ロータの回転数が小さい場合，磁力の通りが良いほど良い。ステータ材料は珪素鋼板が使われていることが多いが，珪素鋼板は交流磁界に対して，約１０００Ｈｚ程まで極めて良好に追随する。しかしながら，ステータの櫛部サイズが短い場合には，磁路抵抗が小さいので，磁路空隙を設けてもステータ側に磁束が漏洩するという問題がある。

この発明の目的は，上記の問題を解決することであり，スタータ等の電動機としてはシンプルで安価な機械的な配電盤を用いてエンジンを起動させるシステムを提供し，また，ジェネレータとしては永久磁石の強い磁力を用いて低回転から高回転まで大量の発電をさせ，更に，ロータとステータとの間に磁束制御部材を配置し，磁束制御部材をステータに対して相対移動させて磁路空隙を制御し，それによってロータの回転変動にかかわらず常に予め決められた一定電圧を確実に発電できるように構成した電動機・ジェネレータの構造を提供することである。

この発明は，ハウジングに固定され且つ周方向に隔置して立設された櫛部間のスロットを通して前記櫛部に巻き込まれた巻線を備えたステータ，前記ハウジングに回転可能に支持されたエンジンの出力軸に設けられたフライホイール，及び前記フライホイールの外周面に取り付けられた周方向に順次配置された複数の永久磁石片を備えたロータを有し，前記ステータに巻き込まれた前記巻線は，配電盤を介してバッテリに接続される電動機回路とダイオードを介して前記バッテリに接続されるジェネレータ回路とに接続され，エンジン起動加速時には電動機になり，その他はジェネレータ回路になるように設定されていることから成る電動機・ジェネレータの構造に関する。

また，この電動機・ジェネレータの構造は，前記ステータと前記ロータとの間に配置され且つ前記ステータの内周側に周方向に隔置して立設された第１櫛状歯部，及び前記第１櫛状歯部に対応する同一ピッチの第２櫛状歯部を備え且つ前記ステータに対して揺動可能な円筒状の磁束制御部材を有するものである。

また，前記ステータの前記巻線は，３相交流巻線であり，前記ロータの前記永久磁石片のＮ極とＳ極に対応する前記スロットに配置されており，前記出力軸，前記エンジンのクランクシャフト及び前記フライホイールのいずれかに設けられた一対の前記配電盤にそれぞれ接続されている。

また，前記配電盤は，前記Ｎ極と前記Ｓ極に対応して前記ステータの前記第１櫛状歯部が若干の進み側に前記Ｎ極と前記Ｓ極を構成するように前記バッテリからの電流を前記巻線に流し，前記出力軸を駆動する電動機機能を持つように構成されている。

また，前記配電盤への前記電流は，前記バッテリより供給される前記電流を円筒形の前記配電盤に取り付けられたブラシを通じて通電され，前記ブラシは，前記エンジンが高速になった場合に前記配電盤より離れて遮断されるように構成されている。

また，この電動機・ジェネレータの構造は，前記エンジンが自力運転の時には，ジェネレータとして作用するので，その発電電圧が一定になるように，前記磁束制御部材の前記第２櫛状歯部と前記ステータの前記第１櫛状歯部との間の磁路空隙を制御するように前記磁束制御部材が前記ステータに対して揺動させ，また，加速運転時の信号を受けて，前記電動機を加速アシスト装置として作動させる場合の駆動トルクを大きくさせる低速時には，前記磁束制御部材の前記第２櫛状歯部と前記ステータの前記第１櫛状歯部とを一致させ，高速になるに従って徐々に前記第２櫛状歯部と前記第１櫛状歯部との整合位置をずらせて前記電動機の駆動トルクを下げる制御を実施するように構成されている。

また，この電動機・ジェネレータの構造では，前記巻線から前記ダイオードを通じて前記バッテリへ蓄電される状態ではジェネレータとして機能し，前記磁束制御部材の作用によって前記エンジンの低速から高速までの領域で予め決められた一定電圧の高出力電力が発電されるように構成されている。

また，前記ステータは，前記櫛部，前記櫛部を連繋するブリッジ部及び前記ブリッジ部の内周側に設けた前記櫛状集合部を備えたインナステータと前記インナステータの外周に嵌合された外側継鉄を構成するアウタステータから成り，前記アウタステータと前記インナステータは軟鋼，純鉄等の交流磁束の飽和性のよい材料で構成されている。

この電動機・ジェネレータの構造は，上記のように構成したので，極めて安価な機械的な配電盤を設けることによって，安価でシンプルな装置を提供することができる。この電動機・ジェネレータの構造は，複数の永久磁石片を用いた回転子のロータをフライホイールに取り付け，その外周に磁束制御部材を配置し，更に磁束制御部材の外周にステータを配設させると共に，ステータに巻かれた巻線を３相交流巻線とし，それぞれのロータの磁極に対応させ，巻線を並列に接合させているので，スタータとして機能させる場合には，電動機回路を通じてバッテリーからの電流を一対の配電盤の何れか一方を通じてステータの巻線へ流すことによってフライホイールを通じて容易にエンジンの出力軸を始動させるスタータ等の電動機として作用させることができ，更に，エンジン起動後，エンジンの駆動力を補助し，車両の加速性を向上させる動力を与えることができ，また，ジェネレータとして機能させる場合には，電動機回路を遮断して，ジェネレータ回路を通じてステータの巻線からバッテリーへ電流を流してバッテリーに蓄電することができる。

この電動機・ジェネレータの構造は，発電時にはロータの回転に連れ，発電するが回転の上昇と共に，電圧が上がるので，磁束制御部材をステータに対して揺動させ，ステータの第１櫛状歯部と磁束制御部材の第２櫛状歯部との間に磁路空隙を設ける動作をさせるものであり，磁束制御部材の材質は，透磁性が良く，交流磁束に対し追随性の良い珪素鋼板で作製し，ステータの材料は初透磁率が小さく，交番磁束に対し，高周波で飽和する軟鋼又は純鉄で構成し，それによってエンジンが高回転になった時に，無負荷電圧がサチュレートし，磁束制御部材の電圧降下性を増幅させ，その結果，エンジンの回転が変動しても，負荷が変化しても発電電圧を一定に保ち，バッテリーに大電力を供給できる。また，エンジンを起動させ，又は加速時にはロータに対応してステータ側にロータ磁極の反対の磁極が進み側に発生するように機械式の配電盤を設け，ステータの巻線に電力を送ることにより，電動機・ジェネレータは，電動機に変化する。電動機は，回転上昇と共にステータの巻線により，逆起電力が作用し，バッテリー電圧ではステータに電力を供給できなくなるので，その場合，磁束制御部材を揺動させて逆起電力の上昇を抑えることにより，高回転まで回転駆動力を与えることができる。

以下，図面を参照して，この発明による電動機・ジェネレータの構造の実施例を説明する。この電動機・ジェネレータの構造は，例えば，車両等に搭載されたエンジンの出力軸に連結して利用され，出力軸２に固定されたフライホイール１５に取り付けたロータ３を回転駆動して発電するジェネレータの機能，及びバッテリーからの電流によってエンジンの出力軸を駆動してスタータ等の電動機の機能を有するものである。この電動機・ジェネレータの構造は，発電された電力を自動車等の電子機器，ヒータ，補機等で消費するのに適用できる。

この電動機・ジェネレータの構造は，図１に示すように，ステータ４に巻き込まれた巻線１４は，配電盤２２，２３を介してバッテリー３７に接続される電動機回路１７とダイオード３２を介してバッテリー３７に接続されるジェネレータ回路４２とに接続されている。電動機・ジェネレータ１は，エンジン６には出力軸２を介して連結され，またタイヤ４４付きホイール３６には出力軸３８を介して連結されている。この電動機・ジェネレータの構造は，特に，図２に示すように，永久磁石片５を用いた回転子のロータ３をフライホイール１５に取り付け，その外周に磁束制御部材７を配置し，更に磁束制御部材７の外周にステータ４を配設させると共に，ステータ４に巻かれた巻線１４にはＵ相−Ｖ相−Ｗ相の３相交流を流し，ロータ３のそれぞれの永久磁石片５の磁極に対応させて，ステータ４に巻き上げた巻線１４を並列に接続しており，フライホイール１５は，フライホイールハウジング等のハウジング３５に軸受４３（１個のみを図示）によって回転可能に支持されたエンジン６の出力軸２，３８に設けられている。エンジン６は，概して，図２に示されるように，シリンダ３９内を往復運動するピストン（図示せず），該ピストンに取り付けられたコネクティングロッド（図示せず），該コネクティングロッドの往復運動で回転力が与えられるクランクシャフト１６，クランクシャフト１６の端部に設けられた出力軸２，出力軸２に固定されたフライホイール１５，フライホイール１５にクラッチ３４を介して取り付けられた出力軸３８を有している。磁束制御部材７は，ロータ３の駆動状態に応じて電磁弁，モータ等のアクチュエータ（図示せず）によってステータ４に対して相対移動するように作動され，ステータ４を通る磁束を制御する機能を有する。

図３に示すように，配電器２２，２３は，３相交流のＵ相−Ｖ相−Ｗ相に対応して，バッテリー３７の電力がステータ４の巻線１４に送電されるように，配電盤２２は，銅製の長手方向に長い円弧片Ｕ₁−Ｖ₁−Ｗ₁〜Ｕ₆−Ｖ₆−Ｗ₆が順次に円周上に並べた構造に形成され，また，配電盤２３は，銅製の長手方向に長い円弧片Ｕ₁₁−Ｖ₁₁−Ｗ₁₁〜Ｕ₆₆−Ｖ₆₆−Ｗ₆₆が順次に円周上に並べた構造に形成されている。また，上記の各円弧片は，ステータコイルの巻線１４にライン４５，４６を介して接続されている。配電盤２２の外周には，バッテリー３７から接続された電力が導通されるカーボンブラシの正側ブラシ２４と負側ブラシ２５とがコントローラ（図示せず）の指令で断接可能に接触し，また，配電盤２３の外周には，バッテリー３７から接続された電力が導通されるカーボンブラシの正側ブラシ２６と負側ブラシ２７とがコントローラ（図示せず）の指令で断接可能に接触している。正側ブラシ２４と負側ブラシ２７とは，正規位置に設置され，巻線１４を通じて一方向（実線の矢印）へ電流を流し，また，正側ブラシ２６と負側ブラシ２５とは，回転角６０°進めた位置に設置され，巻線１４を通じて逆方向（点線の矢印）へ電流を流すように構成されている。配電盤２２，２３即ち配電円筒は，Ｎ極，Ｓ極に対応して順流，逆流に電流が流れるように，２列の配電器２２，２３が配設され，ロータ３のＮ極に対応して順流（実線の矢印）が，Ｓ極に対応して逆流（点線の矢印）が流れるように配設されている。ブラシ２４〜２７は，エンジン６の回転数が大きくなった時に，ブラシ２４〜２７には負荷が掛かり，配電盤２２，２３の回転が高速度によって摩耗するので，コントローラの指令で電気的手段により，ブラシ２４〜２７を配電盤２２，２３から切り離して電動機回路１７を遮断するように構成されている。

次に，図４及び図５を参照して，この電動機・ジェネレータの構造におけるステータ４の巻線１４に流れる３相交流電流とロータ３の永久磁石片５との関係を説明する。図４には３相交流を説明するためのブロック図が示され，また，図５には３相交流電流の波形が示されている。ステータ４の巻線１４にＵ相，Ｖ相及びＷ相の３相交流電流を流した場合，図５で示されるプラス側に交流電流が流れると，対応するステータ４にＮ極ができ，マイナスだとＳ極ができる。従って，図５の状態だと，Ｎ極とＮ極で反発し，ロータ３が回転した時，ロータ３のＮ極よりやや進んだ場所にＳ極を作り，Ｓ極より進んだ場所にＮ極を作る動作を繰り返すと，ロータ３を引っ張るようになり，電動機の機能が得られる。図４ではプラスサイドＡがＮ極を作り，マイナスサイドＢがＳ極を作る。図４及び図５に置いて，ロータ３の永久磁石片５の位置を下側に示す。具体例を説明すると，図５に示すように，巻線１４に＋Ｕ相の交流電流が流れる時には，図３に示すように，配電盤２２では交流電流がプラス側電源４７からブラシ２４，ライン４５及びライン４６を通って巻線１４を実線矢印の方向に流れ，次いで配電盤２３のライン４６，ライン４５及びブラシ２７を通ってマイナス側４８へ流れる。次いで，図５に示すように，ロータ３の回転が回転角６０°進むと，巻線１４には−Ｗ相の交流電流が流れることになり，図３に示すように，配電盤２３では交流電流がプラス側電源４７からブラシ２６，ライン４５及びライン４６を通って巻線１４を点線矢印の方向に流れ，次いで配電盤２２のライン４６，ライン４５及びブラシ２５を通ってマイナス側４８へ流れる。上記のように，例えば，コントローラがブレーキペダルから足を離した信号，アクセルペダルの踏込み信号等を受けて配電盤２２，２３にブラシ２４〜２７を接触させ，バッテリー３７のプラス側電源４７から配電盤２２，２３を通じて巻線１４に３相交流電流を流すという上記の動作が繰り返えされると，ロータ３を次々に引っ張るようになり，スタータ機能等の電動機の機能を発揮することになる。

図６及び図７に示すように，ロータ３は，透磁性部分を外周部に有するフライホイール１５，フライホイール１５の外周面に取り付けられた周方向に順次配置された複数の永久磁石片５，及び永久磁石片５を保持する保持パイプ４０を備えている。ロータ３は，透磁性のフライホイール１５の外周面に永久磁石部材５を埋め込んで配置し，周方向に隔置状態に配置され且つ軸方向に延びる永久磁石片５と，隣接する永久磁石片５間に介在された非磁性部材とから構成されている。また，ロータ３の永久磁石片５は，６個の円弧状の永久磁石片５を備えており，永久磁石片５はほぼ６０°に相当している。ロータ３の永久磁石片５は，周方向に隣接する永久磁石片５が交互に異なった磁極即ちＮ極とＳ極とが交互に配置されるように配列されている。また，ロータ３は，複数の永久磁石片５から多極ロータに構成され，回転数が大きくなったとき，交流周波数が６００Ｈｚを超え，磁束飽和するように構成されている。

また，磁束制御部材７は，ステータ４に対して揺動可能な円筒状に形成され，ステータ４とロータ３との間の隙間４１に配置され，ステータ４の内周側に周方向に隔置して立設された櫛状集合部２１，及び櫛状集合部２１に対応する同一ピッチの櫛状歯部８（第２櫛状歯部）を備えている。また，磁束制御部材７は，アクチュエータによって，ステータ４に対して相対移動して磁束制御部材７とステータ４間との磁束が制御されるように構成されている。また，電動機・ジェネレータ１は，磁束制御部材７をロータ３の駆動状態に応じてステータ４に対して相対移動させる電磁弁，モータ等のアクチュエータから構成されている。磁束制御部材７は，周方向に隔置して配置され且つステータ４の櫛状集合部２１と相対する突起した櫛状歯部８，及び櫛状歯部８間に凹溝１２を形成するように櫛状歯部８を連結するブリッジ部９から構成され，全体的に円筒状に形成されている。また，磁束制御部材７の櫛状歯部８には，その先端の両側角部にチャンファ部３０が形成されている。また，磁束制御部材７の凹溝１２の底部間はチャンファ部３０間の空隙より小さい空隙に形成されている。磁束制御部材７は，パーマロイ，珪素含有率の大きい鋼板等の透磁率の大きい薄板材を積層して構成されている。

また，磁束制御部材７の櫛状歯部８は，周方向に隔置して配置され，ステータ４の櫛部１０間のスロット１１の幅より小さい幅を有する。磁束制御部材７の櫛状歯部８の周方向の幅は，ステータ４を構成するインナステータ２０の櫛部１０間のスロット１１の幅より小さい幅に設定されている。櫛状歯部８は，先端部の両側角部にチャンファ部３０が形成されている。この電動機・ジェネレータの構造では，図６に示すように，磁束制御部材７の櫛状歯部８とステータ４の櫛状集合部２１とが互いに対向して整合状態では，インナステータ２０を通る磁束が抑制されていない状態であり，また，図７に示すように，コントローラの指令でアクチュエータが駆動して磁束制御部材７がステータ４に対して相対移動した状態では，ステータ４の櫛状集合部２１のチャンファ部３１と磁束制御部材７の櫛状歯部８のチャンファ部３０との間に，最大の磁路空隙３３が形成され，インナステータ２０を通る磁束が低減された抑制状態になる。また，磁路空隙３３は，櫛状歯部８のチャンファ部３０と櫛状集合部２１のチャンファ部３１との間に確実に形成され，磁束制御性をアップさせている。また，磁束制御部材７は，アクチュエータによって回転移動が制御される時には，磁束制御部材７に移動方向の上下流の一方のクリアランスと他方のクリアランスとは同程度のクリアランス量に制御されるようになっている。

図６及び図７に示すように，この電動機・ジェネレータの構造では，特に，ステータ４は，フライホイールハウジング等のハウジング３５に固定され且つ周方向に隔置して立設された櫛部１０間のスロット１１を通して櫛部１０に巻き上げられたコイル即ち巻線１４を備えている。ステータ４は，櫛部１０，櫛部１０を凹溝２９を形成して連繋するブリッジ部２８及びブリッジ部２８の内周側に設けた櫛状歯部である櫛状集合部２１（第１櫛状歯部）を備えたインナステータ２０と，インナステータ２０の外周に嵌合された外側継鉄を構成するアウタステータ１９から成り，アウタステータ１９とインナステータ２０は，軟鋼，純鉄等の交流磁束の飽和性のよい材料で構成されている。インナステータ２０の櫛部１０は，フライホイール１５に組み込むため，長さが短く形成されているので，磁束の逃げを防止するため，アウタステータ１９と同様の材料で作製することが好ましい。ステータ４に形成する櫛状歯部は，ステータ４のサイズによって櫛部１０に対応する数，又は櫛部１０を集合した櫛状集合部２１に形成すればよい。

また，ステータ４は，櫛状円筒部材であるインナステータ２０とインナステータ２０の外周面に嵌合された円筒状のアウタステータ１９から構成されている。インナステータ２０は，周方向にスロット１１を形成して隔置状態に延びる櫛部１０，内周側で隣接する櫛部１０を互いに連結するブリッジ部２８及びブリッジ部２８より内周側で内方に延びる櫛状集合部２１から構成されている。櫛状集合部２０は，２個の櫛部１０をブリッジ部９によって集合する構造に形成されており，幅が大きく形成されているので，磁束制御部材７との磁束制御が良好に行えるようになっている。インナステータ２０は，櫛部１０間のスロット１１に巻線１４が巻き上げられている。インナステータ２０は，隣接する櫛部１０間が外開き開口１８に形成されている。櫛部１０は，外開きに形成されているので，櫛部１０に巻線１４を巻き上げる際に，インナステータ２０の外周側から行うことができ，極めて容易に達成できる。アウタステータ１９には，インナステータ２０の櫛部１０を嵌合する長手方向に延びる凹溝が形成されている。インナステータ２０へのアウタステータ１９の嵌合は，インナステータ２０の櫛部１０の拡大状態の先端部がアウタステータ１９の凹溝に嵌合し，先端部と凹溝との間には接着剤としての樹脂材が介在して微小なエアギャップを形成するように構成されている。特に，櫛状集合部２１は，その内側先端の両側角部にチャンファ部３１が形成されている。

また，アウタステータ１９を構成する薄板材は，１枚１枚が独立してそれぞれが絶縁材で電気的に絶縁されている。インナステータ２０は，珪素鋼板等から成る薄板材を積層して構成されている。この永久磁石式発電機は，ステータ４のアウタステータ１９を高周波交流の追随性が悪い材料で形成したので，ロータ３の回転数が大きい部分の無負荷電圧が，実線で示す珪素鋼板の場合に比較してサチュレートし，磁束制御状態では初透磁率が小さくなる効果があり，より顕著な磁束制御性が得られる。

ステータ４の巻線１４は，３相交流巻線であり，ロータ３の永久磁石片５のＮ極とＳ極に対応するスロット１１に配置されている。特に，ステータの巻線１４は，エンジン６の出力軸２，エンジン６のクランクシャフト１６，又はフライホイール１５のいずれかに設けられた一対の配電盤２２，２３にそれぞれ接続されている。更に，配電盤２２，２３は，Ｎ極と前記Ｓ極に対応してステータ４の櫛状集合部２１が若干の進み側に，Ｎ極とＳ極を構成するようにバッテリー３７からの電流を巻線１４に流すように構成されており，それによって，電動機・ジェネレータ１は，出力軸２，３８を駆動するスタータ機能等の電動機機能を持つように構成されている。また，配電盤２２，２３への電流は，バッテリー３７より供給される電流を円筒形の配電盤２２，２３に取り付けられたブラシ２４，２５，２６，２７を通じて通電され，ブラシ２４，２５，２６，２７は，エンジン６が高速になった場合に，配電盤２２，２３より離れて遮断されるように構成されている。

この電動機・ジェネレータの構造は，バッテリー３７から配電盤２２，２３を通じて巻線１４に通電される状態ではスタータとして機能し，エンジン６が高速になった時に，磁束制御部材７の櫛状歯部８とステータ４の櫛状集合部２１との間に磁路空隙３３を作るように，磁束制御部材７がステータ４に対して揺動され，ロータ３の磁力が作る逆起電力を減少させるように作用し，エンジン６の駆動力を増加させるハイブリット機能を持たせるものである。また，この電動機・ジェネレータの構造は，巻線１４からダイオード３２を通じてバッテリー３７へ蓄電される状態ではジェネレータとして機能し，磁束制御部材７の作用によってエンジン６の低速から高速までの領域で予め決められた一定電圧が発電されるように構成されている。

この電動機・ジェネレータ１の構造は，発電時にはロータ３の回転に連れ，発電するが回転の上昇と共に，電圧が上がるので，磁束制御部材７をステータ４に対して揺動させ，ステータ４の櫛状集合部２１と磁束制御部材７の櫛状歯部８との間に，図７に示すように，磁路空隙３３を設ける動作をさせる。また，磁束制御部材７の材料は，透磁性が良く，交流磁束に対し追随性の良い珪素鋼板で作製し，ステータ４の材料は，初透磁率が小さく，交番磁束に対し，高周波交流磁束で飽和する軟鋼，純鉄，１３Ｃｒ−Ｆｅステンレス鋼等で構成する。電動機・ジェネレータ１は，上記構造によって，エンジン６が高回転になった時に，無負荷電圧がサチュレートし，磁束制御部材７の電圧降下性を増幅させる。その結果，エンジン６の回転が変動しても，負荷が変化しても発電電圧を一定に保ち，バッテリー３７に大電力を供給することができる。

また，電動機・ジェネレータ１は，エンジン６を起動させ，又は加速時にはロータ３に対応してステータ４側に回転子磁極の反対の磁極が進み側に発生するように機械式の配電盤２２，２３を設け，ステータ４の巻線１４に電力を送ることにより，電動機・ジェネレータ１は，電動機に変化する。電動機は，回転上昇と共に，ステータ４の巻線１４により，逆起電力が作用し，バッテリー電圧ではステータ４に電力を供給できなくなるので，その場合，磁束制御部材７を揺動させて逆起電力の上昇を抑えることにより，高回転まで回転駆動力を与えることができる。

この電動機・ジェネレータの構造は，上記のように構成されており，具体的には，例えば，次のように作動する。即ち，電動機・ジェネレータ１は，エンジンが停止している時に，コントローラがブレーキペダルから足を離した信号，アクセルを踏み込む信号等の信号を受けて，ブラシ２４〜２７を配電盤２２，２３に接続し，電動機回路１７を付勢して電流をバッテリー３７からブラシ２４〜２７，配電盤２２，２３及びスタータの巻線１４に流し，ロータ３を回転させ，ロータ３の回転はフライホイール１５を通じて出力軸２，３８を回転させスタータとして作用する。また，エンジン６の出力軸２の回転が上昇すれば，コントローラがそれを検出してブラシ２４〜２７を配電盤２２，２３から離して遮断し，電動機回路１７を遮断し，それによってジェネレータ回路４２が付勢し，ロータ３の回転によって磁束がステータ４に流れ，ステータ４の巻線１４に電流が発生し，その電流はダイオード３２を通じてバッテリー３７へ流れ，バッテリー３７に蓄電され，ジェネレータとして機能する。更に，電動機・ジェネレータ１は，ジェネレータとして機能させる時には，エンジン６の出力軸２が回転変動したとしても，フライホイール１５に取り付けたロータ３とハウジング３５に取り付けたスタータ４との間に設けた磁束制御部材７によって予め決められた一定電圧を常に発電させることができ，車両等に搭載した各種の機器を操作する電源として利用でき，また，電動機として機能させる時には，エンジン６に対するスタータとして機能させると共に，出力軸２，３８を駆動させることができ，容易にハイブリット車を提供することができる。

この発明による電動機・ジェネレータの構造は，例えば，自動車，ハイブリッド車等に搭載されるエンジンに組み込んで使用することができる。

この発明による電動機・ジェネレータの構造が組み込まれるシステムを説明するブロック図である。この発明による電動機・ジェネレータの構造の実施例を示す概略断面図である。図２の電動機・ジェネレータの構造に組み込まれる一対の配電盤を示す概略説明図である。この電動機・ジェネレータの構造における３相交流を説明するブロック図である。この電動機・ジェネレータの構造における３相交流の波形を説明するグラフである。この電動機・ジェネレータの構造における磁束制御部材の整合状態を示す部分拡大図である。この電動機・ジェネレータの構造における磁束制御部材の磁路空隙の形成された状態を示す部分拡大図である。

符号の説明

１電動機・ジェネレータ
２，３８出力軸
３ロータ
４ステータ
５永久磁石片
６エンジン
７磁束制御部材
８櫛状歯部（第２櫛状歯部）
９，２８ブリッジ部
１０櫛部
１１スロット
１４巻線
１５フライホイール
１６クランクシャフト
１７電動機回路
１９アウタステータ
２０インナステータ
２１櫛状集合部（第１櫛状歯部）
２２，２３配電盤
２４，２６正側ブラシ
２５，２７負側ブラシ
３２ダイオード
３３磁路空隙
３５ハウジング
３６ホイール
３７バッテリー
４２ジェネレータ回路

Claims

ハウジングに固定され且つ周方向に隔置して立設された櫛部間のスロットを通して前記櫛部に巻き込まれた巻線を備えたステータ，前記ハウジングに回転可能に支持されたエンジンの出力軸に設けられたフライホイール，及び前記フライホイールの外周面に取り付けられた周方向に順次配置された複数の永久磁石片を備えたロータを有し，前記ステータに巻き込まれた前記巻線は，配電盤を介してバッテリに接続される電動機回路とダイオードを介して前記バッテリに接続されるジェネレータ回路とに接続され，エンジン起動加速時には電動機になり，その他はジェネレータ回路になるように設定されていることから成る電動機・ジェネレータの構造。
前記ステータと前記ロータとの間に配置され且つ前記ステータの内周側に周方向に隔置して立設された第１櫛状歯部，及び前記第１櫛状歯部に対応する同一ピッチの第２櫛状歯部を備え且つ前記ステータに対して揺動可能な円筒状の磁束制御部材を有することから成る請求項１に記載の電動機・ジェネレータの構造。
前記ステータの前記巻線は，３相交流巻線であり，前記ロータの前記永久磁石片のＮ極とＳ極に対応する前記スロットに配置されており，前記出力軸，前記エンジンのクランクシャフト及び前記フライホイールのいずれかに設けられた一対の前記配電盤にそれぞれ接続されていることから成る請求項１又は２に記載の電動機・ジェネレータの構造。
前記配電盤は，前記Ｎ極と前記Ｓ極に対応して前記ステータの前記第１櫛状歯部が若干の進み側に前記Ｎ極と前記Ｓ極を構成するように前記バッテリからの電流を前記巻線に流し，前記出力軸を駆動する電動機機能を持つように構成されていることから成る請求項３に記載の電動機・ジェネレータの構造。
前記配電盤への前記電流は，前記バッテリより供給される前記電流を円筒形の前記配電盤に取り付けられたブラシを通じて通電され，前記ブラシは，前記エンジンが高速になった場合に前記配電盤より離れて遮断されるように構成されていることから成る請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動機・ジェネレータの構造。
前記エンジンが自力運転の時には，ジェネレータとして作用するので，その発電電圧が一定になるように，前記磁束制御部材の前記第２櫛状歯部と前記ステータの前記第１櫛状歯部との間の磁路空隙を制御するように前記磁束制御部材が前記ステータに対して揺動させ，また，加速運転時の信号を受けて，前記電動機を加速アシスト装置として作動させる場合の駆動トルクを大きくさせる低速時には，前記磁束制御部材の前記第２櫛状歯部と前記ステータの前記第１櫛状歯部とを一致させ，高速になるに従って徐々に前記第２櫛状歯部と前記第１櫛状歯部との整合位置をずらせて前記電動機の駆動トルクを下げる制御を実施することから成る請求項２〜５のいずれか１項に記載の電動機・ジェネレータの構造。
前記巻線から前記ダイオードを通じて前記バッテリへ蓄電される状態ではジェネレータとして機能し，前記磁束制御部材の作用によって前記エンジンの低速から高速までの領域で予め決められた一定電圧の高出力電力が発電されるように構成されていることから成る請求項２〜６のいずれか１項に記載の電動機・ジェネレータの構造。
前記ステータは，前記櫛部，前記櫛部を連繋するブリッジ部及び前記ブリッジ部の内周側に設けた前記櫛状集合部を備えたインナステータと前記インナステータの外周に嵌合された外側継鉄を構成するアウタステータから成り，前記アウタステータと前記インナステータは軟鋼，純鉄等の交流磁束の飽和性のよい材料で構成されていることから成る請求項１〜７のいずれか１項に記載の電動機・ジェネレータの構造。