JP2006136080A - 三相磁石式発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】非対向時の交番短絡磁束を減少させることにより渦電流損を低減させコア突極部先端部の発熱を抑制するとともに発電効率を向上させることができ、さらに、対向時の有効磁束を増大させることにより発生出力を大幅に増大させることができる三相磁石式発電機を提供すること。
【解決手段】希土類磁石１３は、コア突極部先端部２７に対して剥き出し状態で対向配置される。希土類磁石１３のコア側の面１３aは、回転方向の中央部１３bと中央部１３bを挟む２つの端部１３c、１３dとに区分される。中央部１３bは、回転中心と略同心の断面凹R形状に形成される。各端部１３c、１３dは、希土類磁石１３のコア側の面１３aを平面として仮想した場合における該平面１３aに対し、所定角度θだけ面取りした平面により形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、三相磁石式発電機、詳しくは、オートバイ、バギー、雪上車などのエンジンに装着され、バッテリの充電及び電気負荷への電力供給を行う三相磁石式発電機に関する。

近年、三相磁石式発電機は小型高出力が要求されている。このため、回転子の極数を４n（n:任意の正の整数）、固定子の極数を３nとし、かつ、回転子の磁石として希土類磁石を使用する三相磁石式発電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、図６に示すように、回転子１の厚さtの磁石１３の内周側に非磁性体からなる磁石保護環１５を設けた三相磁石式発電機の場合、磁石１３と固定子２のコア２１との間の実質的なエアギャップは、コア２１と磁石保護環１５との間の空間のエアギャップG1に磁石保護環１５の厚さSを加えたG1＋Sとなり、高出力化に限界があった。

そこで、従来公知の技術として、図６図示の磁石保護環１５を除去して厚さtの磁石１３とコア２１との間のエアギャップを空間のエアギャップG1のみに設定すると、エアギャップの減少によりコア２１の突極部２５の先端部２７が磁石１３と対向する位置にあるとき（以下、対向時という。）の有効磁束が増大し、発生出力を大幅に増加させることが可能となる。しかし、図７に示すように、隣り合う磁石１３間にコア突極部先端部２７が位置するとき（以下、非対向時という。）にコア突極部先端部２７で短絡する交番短絡磁束Φ３は、エアギャップの減少に伴い図６の場合の交番短絡磁束Φ２よりも大きくなり、このため渦電流損が増加してコア突極部先端部２７の発熱が増大するとともに発電効率が低下するという問題があった。

そこで、従来公知ではなく本発明の前提発明として、厚さtの磁石１３の内周面１３aを平面形状に形成すると、図８に示すように、非対向時のエアギャップはG１からG３へと増大し、交番短絡磁束Φ４が減少するため、渦電流損が減少し、コア突極部先端部２７の発熱が低減するとともに発電効率が改善される。

また、特許文献２に記載されるように、磁石１３の内周面１３aを凸R面に形成すると、図１０に示すように、非対向時のエアギャップG５が増大し、交番短絡磁束Φ５が減少するため、渦電流損が減少し、コア突極部先端部２７の発熱が低減するとともに発電効率が改善される。
特開２００３−３４８７８４公報 特開２００１−３５２７０２公報

しかし、図８に示した本発明の前提となる発明の場合、磁石１３の内周面１３aが平面であるため、磁石１３の中心に近い部分のエアギャップも若干ではあるが大きくなり、このため対向時の有効磁束が減少し、発生出力が低下するという問題が生じる。また、図８に示すように、磁石１３の外周面１３gも内周面１３aと同様な平面形状に近いため、図９に示すように、磁石１３を組付ける際に磁石１３を誤って逆向きに組付けるおそれがある。磁石１３を逆向きに組付けた場合、回転部材１１eの内周面と磁石１３との間に隙間Eが発生するため、磁石１３の図示P部が内周側に突出して回転子１の内径が減少し、回転子１とコア２１との間の安全ギャップが減少するという問題がある。

また、図１０に示した従来技術の場合、磁石１３の内周面１３aが凸R面であるため、磁石１３の中心に近い部分のエアギャップも大きくなり、このため対向時の有効磁束が減少し、発生出力が低下するという問題が生じる。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、非対向時の交番短絡磁束を減少させることにより渦電流損を低減させコア突極部先端部の発熱を抑制するとともに発電効率を向上させることができ、さらに、対向時の有効磁束を増大させることにより発生出力を大幅に増大させることができる三相磁石式発電機を提供することを目的とする。

本発明の三相磁石式発電機は、固定子と希土類磁石を用いる回転子とからなる三相磁石式発電機において、前記希土類磁石は、前記固定子のコアの突極部の先端部に対して剥き出し状態で対向配置され、かつ、前記希土類磁石の前記コア側の面は、回転方向の中央部と該中央部を挟む２つの端部とに区分され、前記中央部は、回転中心と略同心の断面凹R形状に形成されるとともに、前記各端部は、当該希土類磁石の前記コア側の面を平面として仮想した場合における該平面に対し、所定角度だけ面取りした平面により形成されることを特徴とする。

本発明の三相磁石式発電機によると、希土類磁石をコア突極部先端部に対して剥き出し状態で対向配置したため、希土類磁石とコア突極部先端部との間のエアギャップを減少させることができる。このため、対向時の有効磁束が増大し、発生出力を大幅に増加させることが可能となる。また、希土類磁石のコア側の面の両端部を面取りしたため、非対向時の希土類磁石とコア突極部先端部との間のエアギャップが増大する。このため、非対向時の交番短絡磁束が減少し、渦電流損が低減し、コア突極部先端部の発熱を抑制できるとともに発電効率を向上させることができる。また、希土類磁石のコア側の面には、断面凹R形状の中央部と面取り面の両端部とが交わる部分に稜線が形成されるため、希土類磁石の組付時に、作業者は稜線の有無に基づいて希土類磁石の裏表を容易に確認できるため、希土類磁石を逆向きに組付ける誤組付を防止することができる。

また、本発明の三相磁石式発電機において、前記固定子の極数は３n（ｎ：４〜８のいずれかの整数）であり、前記回転子の極数は４nである。

三相磁石式発電機において、コアの外径及び希土類磁石の体積を増大させることにより高出力を得ることが可能である。一方、出力電流が増大すると、コイルの温度が上昇する。このため、コイルの温度を下げるためにコイルの径を太くする必要がある。ところが、nを３以下に設定すると、回転子の極数は１２極以下となり発生周波数が低下するため、コイルの巻数を増やす必要が生じ、その結果太い銅線を巻けなくなる。また、nを９以上に設定すると、固定子の極数は２７極以上となり、隣り合う極同士の間隔が狭くなり過ぎて太い銅線を巻けなくなる。また、回転子の極数を２n、固定子の極数を３nに設定した場合には、コイルの巻数が多くなり太い銅線を巻けなくなる。そこで、本発明の三相磁石式発電機は、回転子の極数を４n（ｎ：４〜８のいずれかの整数）に、固定子の極数を３nに設定した。このため、本発明によると、大出力かつ低発熱の三相磁石式発電機を提供できるようになる。

また、本発明の三相磁石式発電機において、前記コア突極部先端部の前記希土類磁石側の面は、回転方向の中央部と該中央部を挟む２つの端部とに区分され、前記中央部は、略凸R形状に形成されるとともに、前記各端部は、当該コア突極部先端部の前記希土類磁石側の面を平面として仮想した場合における該平面に対し、所定角度だけ面取りした平面により形成されるようにする。このような構成を採用することにより、非対向時の希土類磁石とコア突極部先端部との間のエアギャップがさらに増大する。このため、非対向時の交番短絡磁束が減少し、渦電流損が低減し、コア突極部先端部の発熱を抑制できるとともに発電効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る三相磁石式発電機の断面図、図２は、図１図示II-II断面図、図３は、希土類磁石間にコア突極部先端部が位置するとき（非対向時）の部分断面図、図４は、希土類磁石とコア突極部先端部が対向する位置にあるとき（対向時）の部分断面図、図５は、希土類磁石の斜視図をそれぞれ示す。

図１〜図５において、本実施形態に係る三相磁石式発電機１００は、エンジンのクランクシャフト（図示せず）に固定される回転子１と、エンジンカバー（図示せず）に固定され、回転子１の内周側に配置される固定子２とにより構成される。

回転子１の極数は４n（n：４〜８の整数）であり、固定子２の極数は３nである。

回転子１は、磁性体からなる回転部材１１を備える。回転部材１１は、熱間鍛造後切削により仕上げ加工されている。回転部材１１の中央のボス部１１aの内側には、テーパ部１１bが形成されており、テーパ部１１bは、ボルト（図示せず）によってクランクシャフト（図示せず）の端部に嵌合、固着される。回転部材１１の端面部１１cには、冷却用貫通孔１１dが複数設けられている。回転部材１１の円筒状の外周部１１eはヨークを構成している。回転部材外周部１１eの内側に、非磁性体からなるリング状のスペーサ１２、１４、及び、円周方向に等間隔に配置された４n個の希土類磁石１３が、クランクシャフト（図示せず）の軸方向に沿って配設されている。スペーサ１２は、４n個の希土類磁石１３を均等に位置決めするための凸部１２aを有している。スペーサ１２は、回転部材外周部１１eの先端部１１fを巻きかしめすることによって回転部材外周部１１eの内周面に固定されている。希土類磁石１３は、厚さtを有し、スペーサ１２の凸部１２aによって位置決めされるとともに回転部材外周部１１eの内周面に接着固定されている。なお、図６に示した磁石保護環は設けられていない。

固定子２はコア２１を備える。コア２１は、電磁鋼板をプレス加工したコアシート２２aを複数枚積層した積層コアシート２２の両側に、コアシート２２aよりも若干厚いコアエンドプレート２３を配置し、リベット２４をかしめることによって一体化されている。各コアエンドプレート２３は、略直角に折り曲げられた鍔部２３aを外周側に有している。コア２１の巻線部（突極部）２５はエポキシ樹脂で絶縁されており、この絶縁された巻線部２５に発電コイル２６が巻線されている。固定子２は、ねじ締め孔２７に挿通されるねじ（図示せず）によってエンジンカバー（図示せず）に固定される。

希土類磁石１３は、図１，２，３，４に示すように、磁石保護環が設けられていないため、固定子２のコア２１の突極部２５の先端部２７に対して剥き出し状態で対向配置されている。また、希土類磁石１３のコア２１側の面（内周面）１３aは、図３，４，５に示すように、回転方向aの中央部１３bとこの中央部１３bを挟む２つの端部１３c、１３dとに区分されている。中央部１３bは、回転中心と略同心の断面凹R形状に形成されている。各端部１３c、１３dは、図３に示すように、希土類磁石１３のコア２１側の面を平面Aとして仮想した場合における該平面Aに対し、所定角度θだけ面取りした平面により形成されている。

また、コア突極部先端部２７の希土類磁石１３側の面２７aは、図３，４に示すように、回転方向の中央部２７bとこの中央部２７bを挟む２つの端部２７c、２７dとに区分されている。中央部２７bは、略凸R形状に形成されている。各端部２７c、２７dは、図３に示すように、コア突極部先端部２７の希土類磁石１３側の面を平面Bとして仮想した場合における該平面Bに対し、所定角度αだけ面取りした平面により形成されている。

上記のように構成される三相磁石式発電機１００の作動時、図４に示すように、コア突極部先端部２７が希土類磁石１３と対向する位置にあるときつまり対向時には、上記のように回転子１に磁石保護環が設けられておらず、希土類磁石１３がコア突極部先端部２７に対して剥き出し状態で対向するため、希土類磁石１３とコア突極部先端部２７との間のエアギャップを設定するにあたって、磁石保護環を有する従来技術における磁石保護環とコア突極部先端部２７との間のエアギャップG１と同じエアギャップを設定することができる。したがって、エアギャップが磁石保護環の厚さS分だけ減少する、つまり、G１＋SからG１へと減少することにより、有効磁束Φ０が増大し、発生出力を増大させることができる。

また、図３に示すように、コア突極部先端部２７が隣り合う希土類磁石１３間に位置するときつまり非対向時には、希土類磁石１３の各端部１３c、１３dに面取り面が形成されかつコア突極部先端部２７の各端部２７c、２７dに面取り面が形成されているため、希土類磁石１３とコア突極部先端部２７との間のエアギャップは、対向時のエアギャップG１よりも大きなG２となる。このエアギャップG２により、交番短絡磁束Φ１が減少し、渦電流損が減少する。このため、コア突極部先端部２７の発熱が抑制されるとともに発電効率が向上する。

また、希土類磁石１３のコア２１側の面１３aには、断面凹R形状の中央部１３bと面取り面からなる両端部１３c、１３dとが交わる部分に稜線１３e、１３fが形成されるため、希土類磁石１３の組付時に、作業者は稜線１３e、１３fの有無に基づいて希土類磁石１３の裏表を容易に確認できるため、希土類磁石１３を逆向きに組付ける誤組付を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る三相磁石式発電機の断面図である。 図１図示II-II断面図である。 希土類磁石間にコア突極部先端部が位置するとき（非対向時）の部分断面図である。 希土類磁石とコア突極部先端部が対向する位置にあるとき（対向時）の部分断面図である。 希土類磁石の斜視図である。 磁石保護環を備える従来の三相磁石式発電機の部分断面図である。 磁石保護環を除去した従来の三相磁石式発電機の部分断面図である。 本発明の前提発明に係る三相磁石式発電機の部分断面図である。 同三相磁石式発電機の問題点を説明するための部分断面図である。 他の従来例に係る三相磁石式発電機の部分断面図である。

符号の説明

１ 回転子
１３ 希土類磁石
１３a コア側の面
１３b 中央部
１３c、１３d 端部
A 仮想平面
θ 所定角度
２ 固定子
２１ コア
２５ 突極部
２７ 先端部
２７a 希土類磁石側の面
２７b 中央部
２７c、２７d 端部
B 仮想平面
α 所定角度

Claims (3)

1. 固定子と希土類磁石を用いる回転子とからなる三相磁石式発電機において、
   前記希土類磁石は、前記固定子のコアの突極部の先端部に対して剥き出し状態で対向配置され、かつ、前記希土類磁石の前記コア側の面は、回転方向の中央部と該中央部を挟む２つの端部とに区分され、前記中央部は、回転中心と略同心の断面凹R形状に形成されるとともに、前記各端部は、当該希土類磁石の前記コア側の面を平面として仮想した場合における該平面に対し、所定角度だけ面取りした平面により形成されることを特徴とする三相磁石式発電機。
2. 前記固定子の極数は３n（ｎ：４〜８のいずれかの整数）であり、前記回転子の極数は４nであることを特徴とする請求項１に記載の三相磁石式発電機。
3. 前記コア突極部先端部の前記希土類磁石側の面は、回転方向の中央部と該中央部を挟む２つの端部とに区分され、前記中央部は、略凸R形状に形成されるとともに、前記各端部は、当該コア突極部先端部の前記希土類磁石側の面を平面として仮想した場合における該平面に対し、所定角度だけ面取りした平面により形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の三相磁石式発電機。

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