JP2008017578A - Rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁石とコイルとを有する回転発電機に関するものである。 The present invention relates to a rotary generator having a magnet and a coil.
従来、永久磁石式発電機として、回転軸に固定されたヨーク(鉄のような磁性材料)の外周に永久磁石を張り付けるか、ヨークの内部に永久磁石を埋め込み、他方、そのヨークの外周側に、鉄心材に電線を巻いてなるコイルを設けたものが知られている。 Conventionally, as a permanent magnet generator, a permanent magnet is attached to the outer periphery of a yoke (magnetic material such as iron) fixed to a rotating shaft, or a permanent magnet is embedded in the yoke, and the outer periphery side of the yoke Moreover, what provided the coil which winds an electric wire around an iron core material is known.
その永久磁石式発電機では、ヨークおよび永久磁石を回転させて回転磁界を発生させることで、コイルに起電力を発生させ、発電が行われる(例えば、特許文献1参照)。 In the permanent magnet generator, the yoke and the permanent magnet are rotated to generate a rotating magnetic field, thereby generating an electromotive force in the coil and generating electric power (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上述した回転発電機では、ヨークを数千回転〜1万回転で回転させるため、そのヨークに張り付けた(または、埋め込んだ)永久磁石の固定方法によっては、機械的強度の関係(限界)から、ヨークおよび永久磁石が破損してしまう虞がある。 However, in the rotary generator described above, since the yoke is rotated at several thousand to 10,000 revolutions, depending on the fixing method of the permanent magnet attached to (or embedded in) the yoke, the mechanical strength relationship (limit) Therefore, the yoke and the permanent magnet may be damaged.
また、回転発電機において、永久磁石が取り付けられるヨーク側は固定し、コイルおよび鉄心側を回転させることにより発電させることは可能であるが、コイルからの電流を取り出すための構造が必要となり現実的ではない。 Moreover, in a rotary generator, it is possible to generate electricity by fixing the yoke side to which the permanent magnet is attached and rotating the coil and the iron core side. However, a structure for taking out the current from the coil is necessary, which is realistic. is not.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、永久磁石側およびコイル側の何れも回転させることなく、発電可能な回転発電機を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a rotary generator capable of generating power without rotating both the permanent magnet side and the coil side.
上記目的を達成するために本発明は、回転軸に対して同芯的に位置させて固定側に設けられた環状体と、該環状体に、その周方向に沿って所定の間隔を隔てて設けられた複数の鉄心と、これら鉄心に巻回された導電性コイルと、上記環状体の径方向内側または外側に位置させて固定側に設けられたリング状のヨークと、該ヨークに、その周方向に沿ってN極、S極が交互になるよう、かつ各磁極が上記環状体の各鉄心に対向するよう設けられた複数の永久磁石と、上記回転軸に、上記環状体と上記ヨークとの間に位置させて設けられた非磁性体からなるリング状のロータと、該ロータに、上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石に各々対向するよう設けられた磁性体からなる複数のポールピースと、上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石の間に、上記ロータのポールピースまたは非磁性体部分を位置させ磁束の量を増減させて、上記環状体のコイルに起電力を発生させて発電するための回転軸駆動手段とを備えたものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides an annular body that is positioned concentrically with respect to a rotating shaft and provided on a fixed side, and a predetermined interval along the circumferential direction of the annular body. A plurality of provided iron cores, a conductive coil wound around the iron cores, a ring-shaped yoke provided on the fixed side and positioned inside or outside in the radial direction of the annular body, A plurality of permanent magnets provided so that N poles and S poles alternate along the circumferential direction, and each magnetic pole faces each iron core of the annular body, and the annular body and the yoke A ring-shaped rotor made of a non-magnetic material provided between and a plurality of magnetic materials made of the magnetic material provided to face the rotor core and the permanent magnet of the yoke, respectively. Pole piece, iron core of the annular body, and yoke Rotating shaft drive means for generating electric power by generating an electromotive force in the coil of the annular body by positioning the pole piece or non-magnetic part of the rotor between the permanent magnets to increase or decrease the amount of magnetic flux. It is a thing.
上記目的を達成するために本発明は、回転軸に対して同芯的に位置させて固定側に設けられた環状体と、該環状体に、その周方向に沿って所定の間隔を隔てて設けられた複数の鉄心と、これら鉄心に巻回された導電性コイルと、上記環状体に対して軸方向に並べて固定側に設けられたリング状のヨークと、該ヨークに、その周方向に沿ってN極、S極が交互になるよう、かつ各磁極が上記環状体の各鉄心に対向するよう設けられた複数の永久磁石と、上記回転軸に、上記環状体と上記ヨークとの間に位置させて設けられた非磁性体からなるリング状のロータと、該ロータに、上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石に各々対向するよう設けられた磁性体からなる複数のポールピースと、上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石の間に、上記ロータのポールピースまたは非磁性体部分を位置させ磁束の量を増減させて、上記環状体のコイルに起電力を発生させて発電するための回転軸駆動手段とを備えたものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides an annular body that is positioned concentrically with respect to a rotating shaft and provided on a fixed side, and a predetermined interval along the circumferential direction of the annular body. A plurality of provided iron cores, conductive coils wound around these iron cores, a ring-shaped yoke arranged on the fixed side in the axial direction with respect to the annular body, and a circumferential direction in the yoke A plurality of permanent magnets provided so that N poles and S poles alternate along each other, and each magnetic pole faces each iron core of the annular body, and between the annular body and the yoke on the rotating shaft A ring-shaped rotor made of a non-magnetic material provided on the rotor, and a plurality of pole pieces made of a magnetic material provided on the rotor so as to face the iron core of the annular body and the permanent magnet of the yoke, respectively. The core of the annular body and the permanent magnet of the yoke And a rotary shaft driving means for generating electric power by generating an electromotive force in the coil of the annular body by positioning the pole piece or the non-magnetic part of the rotor to increase or decrease the amount of magnetic flux. .
好ましくは、上記ロータのポールピースが、上記環状体の鉄心と同数設けられたものである。 Preferably, the pole pieces of the rotor are provided in the same number as the iron core of the annular body.
本発明によれば、永久磁石側およびコイル側の何れも回転させることなく、発電することができるという優れた効果を発揮するものである。 According to the present invention, an excellent effect that power can be generated without rotating both the permanent magnet side and the coil side is exhibited.
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
本実施形態の回転発電機は、例えば、車両のエンジンにより回転駆動されて、車両への電力を供給およびバッテリの充電を行うものである。 The rotary generator according to the present embodiment is, for example, driven to rotate by an engine of a vehicle to supply electric power to the vehicle and charge a battery.
まず、図1から図3に基づき回転発電機の概略構造を説明する。 First, the schematic structure of the rotary generator will be described with reference to FIGS.
図1から図3に示すように、本実施形態の回転発電機1は、回転軸2と、その回転軸2に対して同芯的に位置させて固定側に設けられた環状体3と、その環状体3の径方向内側に位置させて固定側に設けられたリング状のヨーク4と、環状体3と上記ヨーク4との間に位置させて、回転軸2に設けられたリング状のロータ5と、回転軸2を回転駆動するための回転軸駆動手段とを備える。環状体3とヨーク4とロータ5とは、基本的に発電時は、回転軸2に対して同芯的に、かつ同一の軸方向位置に配置される。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
環状体3は、図示しないケーシングに取り付けられる。環状体3は、磁性体からなる。
The
その環状体3には、周方向に沿って所定の間隔で複数(図例では12極、図1および図2では4極のみ示す)の鉄心(以下、コイル鉄心という)31と、これらコイル鉄心31に巻回されたコイル32(導電性コイル)とが設けられる。
The
具体的には、コイル鉄心31は、環状体3の内周面に沿って等間隔で形成され、内周面から径方向内側に突出する。コイル32は、例えば、一本の電線にて全てのコイル鉄心31を巻回してなり、そのコイル32は、車両のバッテリなどに接続される。
Specifically, the
ヨーク4は、回転軸2に対して同芯的に位置させて、図示しないケーシングに取り付けらる。ヨーク4は、例えば、低炭素鋼などの磁性体からなる。
The
そのヨーク4には、複数(図例では12極、図1および図2では4極のみ示す)の永久磁石41が、周方向に沿ってN極、S極が交互になるよう、かつ各磁極が環状体3の各コイル鉄心31に対向するよう設けられる。
The
具体的には、永久磁石41は、一方の磁極を径方向外側(鉄心側)に向けて突出するよう、かつ他方の磁極がヨーク4の外周面に当接するよう、ヨーク4に等間隔で取り付けられる。本実施形態では、永久磁石41は、コイル鉄心31と同数設けられ、各コイル鉄心31に対応する周方向位置に配置、固定される。
Specifically, the
また、本実施形態では、ヨーク4および永久磁石41を、回転軸2の軸方向に沿って往復動させるためのスイッチング装置が設けられる。
In the present embodiment, a switching device for reciprocating the
そのスイッチング装置は、ヨーク4の内周面に摺接してヨーク4を軸方向移動可能に支持するヨーク支持材421と、ヨーク4の軸方向の一端部に取り付けられ、軸方向に伸縮可能なエアシリンダ(図示せず)とを備え、そのエアシリンダを伸縮させて、永久磁石41がコイル鉄心31と対向する位置(略同じ軸方向位置)(発電ON位置)と、コイル鉄心31に対して軸方向に離間した位置(発電OFF位置)とで、ヨーク4の位置を切り替える。
The switching device includes a
ロータ5は、環状体3およびヨーク4に対して、径方向に所定の隙間を隔てて配置され、図示しない支持材(例えば、スポーク状の支持材)にて回転軸2に取り付けられる。ロータ5と、環状体3およびヨーク4の隙間は、例えば、永久磁石41の磁力などを考慮して設定される。
The
ロータ5は、非磁性材料(非磁性体)(非金属・金属問わず)からなる。ロータ5の非磁性材料としては、回転に耐えうる強度を持ち、かつ渦電流が発生し難い電気抵抗の大きい材料(絶縁体や半導体など)が使用される。例えば、ロータ5の非磁性材料として、ステンレスや真ちゅう、プラスチックなどが考えられる。
The
そのロータ5には、磁性材料(磁性体)(例えば、鉄など)からなる複数のポールピース51が設けられる。
The
ポールピース51は、ロータ5内に周方向に等間隔で埋め込まれ、環状体3のコイル鉄心31およびヨーク4の永久磁石41に各々対向するよう設けられる。また、ロータ5のポールピース51間には、ロータ5自身を構成する非磁性材料からなる非磁性体部分52が位置する。
The
本実施形態では、ロータ5のポールピース51が、環状体3のコイル鉄心31(およびヨーク4の永久磁石41)と同数設けられる。
In the present embodiment, the same number of
ポールピース51の磁性材料は、できるだけ永久磁石41の磁束がコイル鉄心31を通過するよう透磁率の高い材料が望ましく、かつ、渦電流が発生しにくいように電気抵抗の大きな材料(絶縁体や半導体など)が好ましい。例えば、ポールピース51の磁性材料としては、積層鋼板などが考えられる。
The magnetic material of the
回転軸駆動手段は、エンジンの回転を回転発電機1の回転軸2に伝達して発電を行うためのものであり、例えば、図示しないエンジンのクランクシャフトに取り付けられたプーリと、そのプーリおよび回転発電機1の回転軸2を接続するベルトとを備える。
The rotary shaft drive means is for generating power by transmitting the rotation of the engine to the
詳しくは後述するが、回転軸駆動手段は、回転軸2(ロータ5)を回転させて環状体3のコイル鉄心31およびヨーク4の永久磁石41の間に、ロータ5のポールピース51または非磁性体部分52を交互に位置させ磁束の量を増減させることで、環状体3のコイル32に起電力を発生させて発電を行う。
As will be described in detail later, the rotating shaft driving means rotates the rotating shaft 2 (rotor 5), and between the
次に、本実施形態の回転発電機1の作用を説明する。
Next, the operation of the
まず、図1、図2、図4および図5に基づき、コイル鉄心31、ポールピース51、および永久磁石41間に形成される磁気回路について説明する。なお、図4および図5は、永久磁石および発電コイルが8極である回転発動機を、直線モデルにて模式的に示す。
First, a magnetic circuit formed between the
図1および図4に示すように、ロータ5のポールピース51が、環状体3のコイル鉄心31およびヨーク4の永久磁石41と同じ周方向位置に位置するときは、永久磁石41のN極からポールピース51、コイル鉄心31を通り、さらにヨーク4、隣接するコイル鉄心31、ポールピース51、永久磁石41のS極に至る磁気回路C1が形成される。このとき、コイル鉄心31を通る磁束は最大となる。
As shown in FIGS. 1 and 4, when the
この図1の位置からロータ5が回転すると、ポールピース51を通過してコイル鉄心31を通る磁束の量が徐々に減少する。
When the
図2および図5に示すように、ロータ5の非磁性体部分52が、環状体3のコイル鉄心31およびヨーク4の永久磁石41と同じ周方向位置に位置するときは、その非磁性体部分52により、永久磁石41からコイル鉄心31への磁束が遮断され、永久磁石41のN極から、ポールピース51を通り隣接する永久磁石41のS極に至る磁気回路C2が形成される。このとき、コイル鉄心31を通る磁束は最小(ほぼ0)となる。
As shown in FIGS. 2 and 5, when the
この図2の位置からロータ5が回転すると、ポールピース51を通過してコイル鉄心31を通る磁束の量が徐々に増大する。
When the
以上のように本実施形態では、回転軸2およびロータ5を回転させ、コイル鉄心31へ進入する磁束の量を増減させコイル32に起電力を発生させる。
As described above, in the present embodiment, the
次に、図6に基づき、回転軸2(ロータ5)の回転角と、コイル32の電圧およびコイル鉄心31内の磁束との関係を説明する。
Next, the relationship between the rotation angle of the rotating shaft 2 (rotor 5), the voltage of the
図6は、一例として、極数が12の回転発電機1におけるロータ5の回転角によるコイル鉄心31内の磁束(図6において、破線Mで示す)および起電力(電圧)(図6において、実線Eで示す)の変化を示す。ここで、ポールピース51が、コイル鉄心31および永久磁石41と同じ周方向位置に位置するときの回転角を、0度とし、60度までを示す。
As an example, FIG. 6 shows a magnetic flux (indicated by a broken line M in FIG. 6) and an electromotive force (voltage) (voltage in FIG. 6) in the
図6に示すように、ポールピース51が、コイル鉄心31および永久磁石41と同じ周方向位置に位置する回転角0、30および60度(図6において、符号Hで示す)では、コイル鉄心31内の磁束が最大となる。
As shown in FIG. 6, at the rotation angles 0, 30 and 60 degrees (indicated by reference sign H in FIG. 6) where the
一方、ポールピース51が、極(永久磁石41)の中間位置に位置する回転角15、45度(図6において、符号Lで示す)では、コイル鉄心31内の磁束が最小となる。
On the other hand, at the rotation angle of 15 and 45 degrees (indicated by symbol L in FIG. 6) where the
以上のように、回転角によりコイル鉄心31内の磁束が変化し、その変化量に見合った起電力がコイル32に発生して発電が行われる。
As described above, the magnetic flux in the
このように、本実施形態では、ポールピース51を埋め込んだロータ5のみを回転させてコイル32に起電力を発生させるので、永久磁石41およびコイル32のいずれも回転させる必要がなく、コイル側または永久磁石側が破損してしまうという従来の問題点を解決できる。
Thus, in this embodiment, since only the
また、永久磁石41を回転させないので、例えば、本実施形態のスイッチング装置のように、永久磁石41およびヨーク4を、回転軸2方向に移動させてコイル鉄心31より遠ざけ、永久磁石41からコイル鉄心31に進入する磁束を減らす構造を容易に採用することができる。これにより、発電不要時のコギングトルクや損失の低減が可能となる。
Further, since the
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, Various modifications and application examples can be considered.
例えば、上述の実施形態では、ロータ5、7に対して径方向の外周側に環状体3(コイル鉄心31およびコイル32)、内周側にヨーク4(永久磁石41)を各々配置したが、環状体3とヨーク4の配置は内外周を反対にしてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the annular body 3 (
また、回転軸方向に、順に、ヨーク(磁石)、ロータ(ポールピース)および環状体(コイル鉄心およびコイル)を配置するようにしてもよい。 Moreover, you may make it arrange | position a yoke (magnet), a rotor (pole piece), and a cyclic | annular body (a coil iron core and a coil) in order in a rotating shaft direction.
すなわち、環状体に対して軸方向に並べて、リング状のヨークを固定側に設け、それら環状体とヨークとの間に位置させて、非磁性体からなる(或いは、非磁性を有する導体からなる)リング状のロータを回転軸に設けるようにしてもよい。このとき、環状体、ヨークおよびロータは、略同径のリング状に形成することが好ましい。 That is, a ring-shaped yoke is arranged on the fixed side in an axial direction with respect to the annular body, and is located between the annular body and the yoke, and is made of a non-magnetic material (or made of a non-magnetic conductor). ) A ring-shaped rotor may be provided on the rotating shaft. At this time, the annular body, the yoke, and the rotor are preferably formed in a ring shape having substantially the same diameter.
また、スイッチング装置は、上述したヨーク4を軸方向に移動するものに限定されず、例えば、図11に示すように、複数の磁石101が周方向に沿ってN極、S極が交互になるよう固定されたヨーク102を、軸方向に2列配置し、片方のヨーク102をエアシリンダ(図示せず)などで周方向に回動させる回転スイッチング機構117のようなものでもよい。
Further, the switching device is not limited to the above-described one that moves the
1 回転発電機
2 回転軸
3 環状体
31 鉄心(コイル鉄心)
32 コイル
4 ヨーク
41 永久磁石
5 ロータ
51 ポールピース
52 非磁性体部分
DESCRIPTION OF
32
Claims (3)
該環状体に、その周方向に沿って所定の間隔を隔てて設けられた複数の鉄心と、
これら鉄心に巻回された導電性コイルと、
上記環状体の径方向内側または外側に位置させて固定側に設けられたリング状のヨークと、
該ヨークに、その周方向に沿ってN極、S極が交互になるよう、かつ各磁極が上記環状体の各鉄心に対向するよう設けられた複数の永久磁石と、
上記回転軸に、上記環状体と上記ヨークとの間に位置させて設けられた非磁性体からなるリング状のロータと、
該ロータに、上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石に各々対向するよう設けられた磁性体からなる複数のポールピースと、
上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石の間に、上記ロータのポールピースまたは非磁性体部分を位置させ磁束の量を増減させて、上記環状体のコイルに起電力を発生させて発電するための回転軸駆動手段とを備えたことを特徴とする回転発電機。 An annular body provided concentrically with the rotation axis and provided on the fixed side;
A plurality of iron cores provided at predetermined intervals along the circumferential direction of the annular body;
A conductive coil wound around these iron cores;
A ring-shaped yoke provided on the fixed side and positioned on the radially inner side or outer side of the annular body;
A plurality of permanent magnets provided on the yoke such that N poles and S poles alternate along the circumferential direction, and each magnetic pole faces each iron core of the annular body;
A ring-shaped rotor made of a non-magnetic material provided on the rotating shaft between the annular body and the yoke;
A plurality of pole pieces made of a magnetic body provided on the rotor so as to face the iron core of the annular body and the permanent magnet of the yoke;
The pole piece or nonmagnetic part of the rotor is positioned between the iron core of the annular body and the permanent magnet of the yoke, and the amount of magnetic flux is increased or decreased to generate an electromotive force in the coil of the annular body to generate power. And a rotary generator for rotating shaft.
該環状体に、その周方向に沿って所定の間隔を隔てて設けられた複数の鉄心と、
これら鉄心に巻回された導電性コイルと、
上記環状体に対して軸方向に並べて固定側に設けられたリング状のヨークと、
該ヨークに、その周方向に沿ってN極、S極が交互になるよう、かつ各磁極が上記環状体の各鉄心に対向するよう設けられた複数の永久磁石と、
上記回転軸に、上記環状体と上記ヨークとの間に位置させて設けられた非磁性体からなるリング状のロータと、
該ロータに、上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石に各々対向するよう設けられた磁性体からなる複数のポールピースと、
上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石の間に、上記ロータのポールピースまたは非磁性体部分を位置させ磁束の量を増減させて、上記環状体のコイルに起電力を発生させて発電するための回転軸駆動手段とを備えたことを特徴とする回転発電機。 An annular body provided concentrically with the rotation axis and provided on the fixed side;
A plurality of iron cores provided at predetermined intervals along the circumferential direction of the annular body;
A conductive coil wound around these iron cores;
A ring-shaped yoke provided on the fixed side in the axial direction with respect to the annular body;
A plurality of permanent magnets provided on the yoke such that N poles and S poles alternate along the circumferential direction, and each magnetic pole faces each iron core of the annular body;
A ring-shaped rotor made of a non-magnetic material provided on the rotating shaft between the annular body and the yoke;
A plurality of pole pieces made of a magnetic body provided on the rotor so as to face the iron core of the annular body and the permanent magnet of the yoke;
The pole piece or nonmagnetic part of the rotor is positioned between the iron core of the annular body and the permanent magnet of the yoke, and the amount of magnetic flux is increased or decreased to generate an electromotive force in the coil of the annular body to generate power. And a rotary generator for rotating shaft.
The rotary generator according to claim 1 or 2, wherein pole pieces of the rotor are provided in the same number as the iron core of the annular body.
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