JP2009148109A

JP2009148109A - ３相磁石発電機

Info

Publication number: JP2009148109A
Application number: JP2007324526A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Hashiba; 光春羽柴; Masaya Inoue; 正哉井上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】従来の磁石発電機と同一規模において、さらに出力電流の増加を図ることを目的にした３相磁石発電機を提供する。
【解決手段】３相磁石発電機において、回転子（１）は円周上に永久磁石（２ａ、２ｂ）が等分配置され、回転子と対向してコイル線が巻装された固定子（３）を有し、永久磁石の極数とティース数の比を１０ｎ：１２ｎ（ｎは正の整数）とし、１相のコイル線は隣合うティースについて互いに逆向きに複数回巻装され、その間のコイル線は直列接続されている巻線を１セットとしてこの１セットが複数配置され、同様に他相のコイル巻線も複数セットの巻線をなすことにより固定子３相巻線を構成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、特に車両に搭載され内燃機関により駆動され、電気負荷に対する電力を供給する３相磁石発電機に関するものである。

従来の３相磁石発電機は、自動二輪車等に搭載され近年の電気負荷の増加に伴い、出力電流の増大が要求されている。一方、発電機を搭載する車両空間は、種々の電子装置の増加に伴い狭くなり、小型化が望まれている。これまでの従来の発電機では、回転子として配置された永久磁石数と固定子巻線のティース数は２ｎ：３ｎ又は４ｎ：３ｎ（ｎは正の整数）の構成をなしていた。

特開２００３−３４８７８４号公報

特許文献１の３相磁石発電機の主構造は、永久磁石数４ｎ＝１６個、コイル巻装ティース数３ｎ＝１２個（ｎは任意の整数）であり、この構造により特に内燃機関（エンジン）の低速回転域の出力電流を増大するものであった。

この発明は、従来の発電機と同一規模においてさらに出力電流を増大できる３相磁石発電機の提供することを目的とする。

この発明は、内燃機関により回転させられる円筒状回転子と、この回転子に対向しコイル線が巻装された複数のティースを有する固定子とからなり、回転子は、円筒部の円周状に均等配置された複数の永久磁石を有し、固定子は、コイル線を巻装するティースと、永久磁石と空隙を有して対向するティース先端部と、各ティースを連結する根元部とを有し、コイル線は３相巻線とした３相磁石発電機において、永久磁石の個数とコイル線の巻装されたティース数は１０ｎ：１２ｎ（ｎは正の整数）の関係をなし、１相のコイル巻線は、隣合うティースに対して互いに逆方向に複数回巻装され、これらコイル線間は直列に接続された１セット巻線を複数有し、他の相も同様に１セット巻線を複数有し、これらの各相のコイル巻線を接続することで３相巻線を構成したものである。

この発明によれば、従来と同一規模でありながらその出力電流を簡単に増大できる効果を奏する。

実施の形態１．
この発明を適用した３相磁石発電機における実施の形態１を図に基づき説明する。図１はアウタロータ型３相磁石発電機の要部を示しており、１は回転子、３は固定子であり、エンジン（図示せず）により回転子（１）が回転させられる。回転子（１）は外周円筒部（１ａ）とその内周に永久磁石（２ａ）（２ｂ）が配置されている。永久磁石（２ａ）はＮ極、永久磁石（２ｂ）はＳ極に着磁されており、その厚み（Ｔ）、及び周方向幅（Ｔｍ）は各極とも同一であり、永久磁石同士間の周方向間隔（２ｃ、Ｓｍ）も同一である。

また、固定子（３）は、発電用コイル線（図示せず）が巻装されたティース部（３ａ）、前記永久磁石（２ａ、２ｂ）に対向するティース先端部（３ｂ）、及び固定子（３）を車両へ搭載するための固定穴（３ｄ）を要するティース根元部（３ｃ）からなっている。また、固定子に流れる渦電流損を抑制するために薄板を複数枚積層して固定子コアを構成している。一方、コイル線はティース部（３ａ）に所定回数巻かれている。

ここで永久磁石数を１０ｎ＝２０個、ティース数を１２ｎ＝２４個（つまり、ｎ＝２）とした構成で、回転子（１）が回転すると、永久磁石Ｎ、Ｓ極が回転しティース（３ａ）に巻装されたコイル線に電磁作用による磁束変化から電流が流れる。この電流を取出して車両の電源に利用する。磁束は永久磁石Ｎ極（２ａ）から空隙を飛び、ティース先端部（３ｂ）、ティース（３ａ）、ティース根元部（３ｃ）を通り、再度空隙を飛び永久磁石のＳ極（２ｂ）へ戻る経路を辿る。

次に図２を用いてコイル巻線を説明する。図２（ａ）は図１を直線上に引き伸ばした一部分であり、回転子（２）の内、２ａはＮ極永久磁石、２ｂはＳ極永久磁石であり、固定子（３）もティース先端部（３ｂ）を直線上に同様に展開している。ティースにはコイル線が巻装されているが、３相の巻線をそれぞれＵ１、Ｖ１、Ｗ１とＵ２、Ｖ２、Ｗ２と名付けると、２組の３相巻線が存在することになり、それぞれは隣合ったティースに巻装されている。さらに、Ｕ１は例えば図面左巻きとすると、Ｕ２は逆の右巻きであり、かつそれらのコイル線は直列接続されている。この接続状態を電気的に示したものが図２（ｂ）であり、ここでは各相を△結線にしたものである。つまり右巻き、左巻きの直列化の法則性に基づき接続された部分を１セット巻線として１相を形成したのち、これらの各相をさらに接続するように構成している。

ここで３相コイル巻線接続は、各相間の電気角は１２０度であり、磁石数とティース数は１０対１２であるため、１相のコイル巻線はティース数４個が使用され、２組の３相コイル巻線を配置されている。２組のそれぞれのコイル巻線Ｕ１とＵ２は３０度の電気角分位相がずれることになる。この位相のずれは、発電動作中の電磁音を低減できる効果を有している。また、Ｕ１とＵ２は互いに逆方向巻きであるが、これらがもし同一方向巻きであれば、磁束の流れは永久磁石Ｎ極、空隙、ティース（図２中Ｕ１）、ティース根元部、ティース（図２中Ｕ２）、空隙、永久磁石Ｓ極と直接流れることにより巻装されたコイル線を横切ることが少なく、発電電流著しく低下する。しかし、隣接するコイル巻線方向を逆方向巻きにすることにより、隣合う永久磁石Ｓ極からあたかもティースに向かって磁束が流れることになり、Ｎ、Ｓ両極から流れ、ティース６個、又は１２個先のティースからこのティースに対向している永久磁石Ｎ、Ｓ極に戻る経路をとることができる。従って磁束がコイル線を差交することになり発電電流が得られる。

次に永久磁石の周方向幅（Ｔｍ）、永久磁石同士の間隔（Ｓｍ）、ティース先端部周方向幅（Ｔｔ）、ティース先端部同士間の隙間（Ｓｔ）について説明する。永久磁石の磁束密度が一定である場合、磁石の幅Ｔｍ、厚み（Ｔ）は大きいほど磁束量は多くなる。ここで従来品と比較するため径方向寸法を従来品と同一とし、幅方向のみを変化させていく。つまり磁石間隔Ｓｍを小さくすればするほど磁石形状が大きくなるため磁束量は増えるが、磁石間隔が狭くなればなるほど磁石間同士の短絡経路が構成されることになり、逆に出力電流が増加しない。つまり漏洩磁束が増加し発電に寄与しなくなるためである。そのため永久磁石とティース先端部との空隙以上は永久磁石間の間隔を開ける必要がある。

一方、ティース先端部同士の隙間（Ｓｔ）は前記のような永久磁石間間隔問題はないが、コイル線をティースに巻きつけにくいという製造上の問題が発生する。従って製造上の問題がない程度まで隙間を狭くできる。しかし、ティース先端部隙間が狭いことはティース先端部の周方向幅（Ｔｔ）が大きく設定できることになる。この幅（Ｔｔ）は永久磁石からの磁束をより多く吸収するためにティース幅よりも広く取っており、永久磁石周方向幅（Ｔｍ）と関係して発電に影響する。その際の磁束の吸収率はほぼ下式に依存する。

Ｋ１＊Ｔｔ／Ｋ２＊Ｔｍ（％）（１）
（Ｋ１：ティース数、Ｋ２：永久磁石数）

数式（１）によればティース先端幅Ｔｔが広いほど吸収率は高くなっている。しかし、Ｔｔが広くなりすぎた場合、永久磁石が回転するとティース先端部が、Ｎ・Ｓ両極にまたがるように位置することになる。このような位置関係では、永久磁石Ｎ極からの磁束は、ティース先端部に飛び、その後隣合う永久磁石Ｓ極へ戻る経路を流れるようになる。つまり漏洩磁束が増えるのみでティース先端部を広くしたことが逆効果となる。図１のティース先端部のように両端部が斜めにカットされ、漏洩磁束が流れることを抑制しているように、ティース先端部周方向幅（Ｔｔ）は永久磁石との関係からその寸法を決定しなければ出力向上にならない場合がある。

図３（ａ）には従来品と比較するため、同一磁極径、同一永久磁石の回転子を使用し、ティース先端幅を可変した場合の出力電流結果を示している。また、図３（ｂ）はその結果をグラフに示したものである。仕様Ｃは従来品（Ａ）に比べかなりの出力アップが得られている。一方、仕様Ｂは高速域（３０００ｒｐｍ以上）では従来品に比べ出力ダウンとなっているものの、低速域は従来品に比べ電流がアップしている。つまり車両の仕様によっては、高速域の発電能力よりも低速、例えばアイドル付近での発電向上が要求されることも多く、このような場合は低速重視の仕様Ｂも重要視されてくる。

実施の形態２．
次に実施の形態２について図４を用いて説明する。逆方向巻き直列接続の１セットを複数個直列に接続する（図４（ａ））のみならず、出力電流仕様によっては、図４（ｂ）のように並列接続することも可能である。この場合のコイル巻線の実ターン数は実巻装回数の１／２〜１／３にできるので、コイル線の占積率との兼ね合いにより、細線、太線を使い分けることができ、接続方法により出力電流アップの領域を自在に変更することができる。また、図３（ｂ）のような△結線のみならず、Ｙ結線とすることも容易であり、この場合も前記１セット巻線を核として１セット以上を接続することで同様に出力電流のアップを実現できる。

この発明は車両用の３相磁石発電機のみならず、船舶、航空機等の発電機にも用いることができる。

この発明の実施の形態１を示す全体図である。この発明の実施の形態１の要部を示す概略図である。この発明の実施の形態２を示す全体図である。この発明の実施の形態２を示す概略図である。

符号の説明

１回転子、１ａ円筒部、２永久磁石、２ａＮ極永久磁石、２ｂＳ極永久磁石、
３固定子、３ａティース、３ｂティース先端部、３ｃ根元部、３ｄ固定穴、
４コイル線、

Claims

内燃機関により回転させられる円筒状回転子と、この回転子に対向しコイル線が巻装された複数のティースを有する固定子とからなり、前記回転子は、円筒部の円周状に均等配置された複数の永久磁石を有し、前記固定子は、前記コイル線を巻装する前記ティースと、前記永久磁石と空隙を有して対向するティース先端部と、前記各ティースを連結する根元部とを有し、コイル線は３相巻線とした３相磁石発電機において、
前記永久磁石の個数と前記コイル線の巻装されたティース数は１０ｎ：１２ｎ（ｎは正の整数）の関係をなし、１相のコイル巻線は、隣合うティースに対して互いに逆方向に複数回巻装され、これらコイル線間は直列に接続された１セット巻線を複数有し、他の相も同様に１セット巻線を複数有し、これらの各相のコイル巻線を接続することで３相巻線を構成したことを特徴とする３相磁石発電機。
ティース先端部の周方向幅は永久磁石の周方向幅以下であることを特徴とする請求項１記載の３相磁石発電機。
ティース先端部間同士は周方向に互いに隙間を有し、永久磁石の周方向幅は永久磁石間同士の間隔よりも大きく、かつ前記ティース先端部間同士の隙間幅よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の３相磁石発電機。
ティース先端部周方向幅は永久磁石間同士の間隔よりも大きく、かつティース先端部間同士の隙間幅よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の３相磁石発電機。
各相のコイル巻線は１セット巻線を複数有し、それらを直列又は並列に接続されたことを特徴とする請求項１記載の３相磁石発電機。
各相のコイル巻線の接続は、Ｙ結線又は△結線されたことを特徴とする請求項１記載の３相磁石発電機。
回転子は、固定子のティース先端部より外周側に配置されたアウタロータであることを特徴とする請求項１記載の３相磁石発電機。