JP2009213259A - 磁石発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気音により発生する騒音及び製造コストを低減させた上で、小型・高出力化を図ることができる磁石発電機を提供する。
【解決手段】ティース１６は、コイル線材を巻装するための巻胴部３１と、巻胴部３１の先端面に設けられ巻胴部３１の延出方向に交差して延出する周壁部３２とで構成され、ロータ３の周壁７の内周面には、永久磁石８が配置され、永久磁石８におけるティース１６の周壁部３２との対向面は平坦面８ａとして形成されるとともに、ロータ３の内周面との対向面も平坦面８ｂとして形成されていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、自動二輪車に用いられる磁石発電機に関するものである。

一般に、自動二輪車に搭載される発電機として、磁石発電機が多く用いられている。
この発電機は、自動二輪車のエンジンのクランクシャフトに連係される有底筒状のロータと、エンジンのケースの内側に固定されたステータとを備えている。ロータの内周面側には、内周面の形状に合わせて弧状に形成されたフェライト磁石等からなる永久磁石が設けられている。一方、ステータには複数の電機子コイルが巻装されたティースが永久磁石に対応するように設けられている。そして、ロータが回転することによりティースに流れる磁束が変化し、これが起電力となって電機子コイルに電流が流れるようになっている。

ところで、上述した自動二輪車に用いられる発電機にあっては、低回転時においても発電電流を高めたいとの要請があり、発電機のさらなる高出力化が望まれている。
そこで、発電機の高出力化を図るために、例えば永久磁石の極数を増加する構成が考えられる。また、従来用いられていたフェライト磁石に替わる永久磁石の構成材料として、ネオジウム磁石等の希土類磁石を用いるような構成が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。この構成によれば、希土類磁石は、フェライト磁石に比べて磁束密度が高いため、発電機の小型化を図った上で、高出力化が可能になるとされている。
特開平１１−１３６９１６号公報 実公平７−５３３９２号公報

しかしながら、永久磁石の構成材料として希土類磁石を用いる場合、以下のような問題がある。
希土類磁石は、フェライト磁石等に比べ、単価が高いことに加え、ロータの内周面の形状に合わせて面取り加工等を施すことで、さらなるコストアップとなる。
また、希土類磁石を用いることで、高出力化を図ることができるが、電機子コイルと永久磁石との磁気的な吸引力や反発力により、永久磁石が振動してロータの内周面と永久磁石との衝突音（いわゆる、磁気音という）が発生する。その結果、発電機の騒音が大きくなるという問題がある。

そこで、本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであって、磁気音により発生する騒音及び製造コストを低減させた上で、小型・高出力化を図ることができる磁石発電機を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、複数のティースを備えたステータと、前記ステータに対して回転自在に設けられ、筒部を有するロータと、を備えた磁石発電機において、前記ティースは、コイル線材を巻装するための巻胴部と、前記巻胴部の先端面に設けられ前記巻胴部の延出方向に交差して延出する周壁部とで構成され、前記ロータの前記筒部の内周面には、複数の希土類磁石が配置され、前記希土類磁石における前記ティースの前記周壁部との対向面は平坦面として形成されるとともに、前記ロータの前記内周面との対向面も平坦面として形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、希土類磁石におけるティースの周壁部との対向面を平坦面として形成するとともに、ロータの内周面との対向面を平坦面として形成することで、希土類磁石をロータ等の形状に合わせて加工を施すことがない。これにより、ロータ等の形状に合わせて永久磁石を加工する場合に比べて、製造コストを低減することができる。
さらに、希土類磁石におけるロータとの対向面を平坦面として形成することで、ロータと希土類磁石との接触面積を減少させることができる。

請求項２に記載した発明は、前記周壁部は、前記希土類磁石と前記ティースとが対向配置された状態において、前記周壁部の延出方向における両端部から前記希土類磁石までの距離が、前記周壁部の延出方向における中央部から前記希土類磁石までの距離より広くなるように形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、周壁部の両端部から希土類磁石までの距離を、周壁部の中央部から希土類磁石までの距離より広く形成することで、ティースが希土類磁石の両端部を通過する際の磁気的な吸引力や反発力の変化を小さくすることができる。これにより、希土類磁石の振動を低減させることができるため、コギングトルクを減少させることができる。

請求項３に記載した発明は、前記ロータと前記希土類磁石と間に緩衝材が設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、ロータと希土類磁石との間に緩衝材を設けることで、ティースと希土類磁石との磁気的な吸引力や反発力により生じる希土類磁石の振動を吸収することができる。

請求項１に記載の発明によれば、ロータ等の形状に合わせて希土類磁石に加工を施すことがないため、製造コストを低減した上で、小型・高出力化を実現することができる。
また、ロータと希土類磁石との接触面積を減少させることで、磁気音の発生を低減させることができる。したがって、発電機から発生する騒音を低減することができる。
請求項２に記載の発明によれば、希土類磁石の振動を低減させることができるため、コギングトルクを減少させることができる。したがって、磁気音の発生を低減させることができるため、発電機から発生する騒音を低減することができる。
請求項３に記載の発明によれば、希土類磁石の振動を吸収することができるため、磁気音の発生を低減させることができる。したがって、発電機から発生する騒音を低減することができる。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１，２に示すように、発電機（磁石発電機）１は、例えば自動二輪車に用いられるアウターロータ型の発電機であって、エンジンのクランクシャフト２の先端に固定されたロータ３と、エンジンのケース（不図示）に固定されたステータ４とを備えている。

ロータ３は、有底筒状に形成されたものであって、中央にロータボス５が設けられている。ロータボス５の中央には貫通孔６が形成されている。貫通孔６は、クランクシャフト２の先端形状に対応するように基端側に向かって径方向に広がるテーパ状に形成されており、ここにクランクシャフト２が挿入されるようになっている。そして、ロータ３とクランクシャフト２とは、ナット１０によって締結固定され、軸線回りに共回りするようになっている。なお、本実施形態のロータ３の外径は、例えば１６０ｍｍ程度に形成されている。

ロータ３の底壁１１には、複数のネジ孔１２が周方向に等間隔に形成されている。このネジ孔１２には、ロータ３とワンウェイクラッチ機構１３とを締結固定するためのボルト１４が挿入されている。

ステータ４は、円環状のステータコア１７を有している。ステータコア１７は、磁性材料の板材を軸線方向に積層して形成したものであって、中央にロータボス５が挿通可能なボス孔１５が形成されている。また、ステータコア１７には、周方向に沿って等間隔に複数のネジ孔２０が形成されている。そして、このネジ孔２０には、ステータ４をエンジンのケースに締結固定するためのボルト（不図示）が挿入されている。

ステータコア１７には、放射状に径方向外側に向かって延出する複数（例えば、１８本）のティース１６が周方向に等間隔に設けられている。そして、各ティース１６間には、発電機１の軸線方向に延びる複数（例えば、１８箇所）のスロット１９が形成されている。各ティース１６には、それぞれインシュレータ２４が装着され、そのインシュレータ２４を介して電機子コイル１８（図２参照）が巻装されている。

図２に示すように、電機子コイル１８は、所定の本数（例えば、３本）のコイル線材２５がそれぞれティース１６間に巻装されて構成されている。コイル線材２５は、銅線に絶縁材であるエナメルが被膜された、いわゆるエナメル線である。各コイル線材２５の端末部は、各々所定のティース１６に巻装された後、その巻き始め端、及び巻き終わり端が相毎に纏まった状態でスロット１９から引き出されている。なお、図１においては、説明を分かり易くするため電機子コイル１８の記載は省略する。

一方、エンジンのケースの外方からは、コイル線材２５の本数に対応して３本の発電出力用リード線の端末部が引き延ばされている。各発電出力用リード線の端末部とコイル線材２５の各端末部とは、それぞれ同じ向きになるように重ね合わされており、この重ね合わせた部分を半田付けして結合部２１を形成している。なお、結合部は半田付けする他に、圧着スリーブを用いて加締めたりする構成等を用いることも可能である。
各結合部２１には、それぞれ管状の絶縁チューブ２２が装着されている。絶縁チューブ２２は、各結合部２１の絶縁を確保するためのものであり、コイル線材２５及び発電出力用リード線１９のそれぞれの端末部を覆うようになっている。各絶縁チューブ２２は、断面矩形状の固定具２３に束ねられ、この固定具２３を介してステータコア１７にボルト２７によって締結固定されている。

ここで、図１，３に示すように、上述した各ティース１６は、径方向に延出しコイル線材２５（図２参照）が巻装される巻胴部３１と、巻胴部３１の先端に形成された周壁部３２とで構成されている。
周壁部３２は、巻胴部３１の延出方向に交差する方向に延出するとともに、巻胴部３１対して左右対称となるように形成されている。周壁部３２は、径方向外側に向かって湾曲するように形成されている。具体的には、周壁部３２は軸線方向平面視で弧状に形成されており、その曲率がロータ３の周壁（筒部）７と同等に形成されている。すなわち、各ティース１６の先端に設けられた周壁部３２がステータ４の外周面を構成している。

ロータ３の周壁７には、その内周面側に複数（例えば、２０個）の永久磁石（希土類磁石）８が周方向に磁極が交互となるように設けられている。永久磁石８は、ネオジウム磁石等の希土類磁石からなる矩形平板状のものであり、永久磁石８におけるティース１６の周壁部３２との対向面が平坦面８ａとして形成されるとともに、ロータ３の内周面との対向面も平坦面８ｂとして形成されている。つまり、永久磁石８の平坦面８ｂの幅方向（周方向）における両端の角部が、ロータ３の周壁７の内周面に接触しており、中央部ではロータ３の周壁７の内周面との間に断面弧状の間隙を有している。したがって、永久磁石８はロータ３の周壁７に線接触した状態で配置されている。そして、各永久磁石８の平坦面８ｂとロータ３の周壁７との間隙には、接着剤３３が充填されており、各永久磁石８は、ロータ３の周壁７の内周面に接着剤３３を介して貼り付けられている。この接着剤３３は、永久磁石８の振動を吸収する緩衝材として機能している。

一方、永久磁石８とティース１６とは、平坦面８ａと周壁部３２との間に間隙を有しつつ対向しており、平坦面８ａと周壁部３２とが対向した状態において、周壁部３２の周方向における両端部と平坦面８ａとの間の距離ｃは、周壁部３２の周方向における中央部と平坦面８ａとの間の距離ａより広くなるように形成されている（ｃ＞ａ）。つまり、ティース１６の周壁部３２は、軸線方向平面視で弧状に形成されているのに対し、これに対向する永久磁石８の平坦面８ａは平坦に形成されている。したがって、永久磁石８とティース１６との間の距離は、周壁部３２の中央部から周方向両側に向かって徐々に広がるように形成されている。

本実施形態の発電機１においては、エンジンを始動するときには、スタータのモータの回転がワンウェイクラッチ機構１３を介してロータ３に伝達され、このロータ３がロータ３に固定されたクランクシャフト２を回転させる。このようにしてクランクシャフト２を回転させることでエンジンが始動する。その後、クランクシャフト２の回転数が所定数を越えると、クランクシャフト２と共に回転するワンウェイクラッチ機構１３によってスタータモータとエンジンとが切り離される。
また、クランクシャフト２と共にロータ３が回転すると、永久磁石８がステータ４の周りを回転するので、電機子コイル１８に誘導起電力が発生し、この起電力が発電出力用リード線を介して不図示のバッテリに蓄電されたり、付属電気機器に電力供給されたりする。

したがって、本実施形態によれば、永久磁石８におけるティース１６の周壁部３２との対向面を平坦面８ａとして形成するとともに、ロータ３の周壁７との対向面を平坦面８ｂとして形成することで、永久磁石８をティース１６やロータ３の形状に合わせて加工を施すことがない。したがって、従来のようにティースやロータの形状に合わせて永久磁石を加工する場合に比べて、製造コストを低減することができる。

ところで、希土類磁石を用いることで、高出力化を図ることができるが、電機子コイルと永久磁石との磁気的な吸引力や反発力により、永久磁石が振動してロータの内周面と永久磁石との衝突音（いわゆる、磁気音という）が発生する。その結果、発電機の騒音が大きくなるという問題がある。

ここで、本願発明者は、上述した実施形態における発電機と従来の発電機とを用いて、発電機から発生する磁気音の大きさを比較する試験を行った。
まず、従来の発電機の構成について説明する。なお、以下の説明において上述した本実施形態と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
図５に示すように、従来の発電機５１は、軸線方向平面視で弧状の永久磁石５０を備えている。具体的には、永久磁石５０のロータ３との対向面は、ロータ３の周壁７の内周面と同等の曲率で形成されている一方、永久磁石５０のティース１６の周壁部３２との対向面は、ティース１６の周壁部３２の曲率と同等の曲率を有するように形成されている。つまり、永久磁石５０の幅方向（周方向）における中央部からティース１６の周壁部３２までの距離ａ’と、永久磁石５０の周方向における両端部からティース１６の周壁部３２までの距離ｃ’とが等しく形成されている（ａ’＝ｃ’）。したがって、永久磁石５０とティース１６の周壁部３２との距離が周方向において等しく形成されている。

図４は、発電機の回転数（ＲＰＭ）に対する磁気音の強さ（ｄＢ）を示すグラフである。なお、図４においては、本実施形態における発電機の試験結果を実線で示し、従来における発電機の実験結果を破線で示している。
図５に示すように、本実施形態の発電機においては、従来の発電機に比べて磁気音を低減できることが確認された。

従来の発電機５１では、図５に示すように、ロータ３の内周面の形状に合わせて永久磁石５０を弧状に形成しているが、加工誤差等によって永久磁石５０とロータ３との間に僅かな間隙が生じる。これにより、永久磁石５０の磁気的な吸引力や反発力により永久磁石５０とロータ３との衝突が激しく、磁気音が大きくなるため、発電機５１の騒音が大きくなると考えられる。
これに対して、図３に示すように、本実施形態の発電機１では、永久磁石８のロータ３の周壁７との対向面を平坦面８ｂとして形成することで、永久磁石８の平坦面８ｂとロータ３の周壁７が線接触することになる。これにより、永久磁石８とロータ３との接触面積を減少させることができるため、磁気音の発生を抑制することができる。
さらに、永久磁石８とロータ３との間に接着剤３３が充填されているため、この接着剤３３が緩衝材となり永久磁石８の振動を吸収することができる。したがって、磁気音の発生を抑制することができる。

また、図５に示すように、従来の発電機５１では、永久磁石５０とティース１６の周壁部３２との距離が周方向において等しく形成されているため、永久磁石５０から隣接する永久磁石５０間における永久磁石５０の存在しないスペースを、ティース１６が通過する際の磁束の変化が大きい。その結果、ここを通過する際にコギングトルクが大きくなり、永久磁石５０の振動が大きくなることが考えられる。
これに対して、図３に示すように、本実施形態の発電機１では、永久磁石８の中央から周方向両端に向かうにつれ、永久磁石８の平坦面８ａとティース１６の周壁部３２との間の距離が広くなるように形成されている構成とした。これにより、各ティース１６の周壁部３２が永久磁石８の両端を通過する際の磁気的な吸引力や反発力の変化を永久磁石８の中央を通過する際と比較して小さくすることができ、コギングトルクを減少させることができる。

このように、本実施形態の発電機１によれば、コギングトルクを減少させることができるとともに、永久磁石８の振動がロータ３に伝わりにくくすることができるため、磁気音の発生を低減させることができる。したがって、発電機１から発生する騒音を低減することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上述の実施形態では、外径が１６０ｍｍ、１８スロットのステータを有し、２０極の永久磁石を有する発電機について説明したが、これに限られることはなく、種々の設計変更が可能である。

本発明の実施形態における発電機の断面図である。 図１のＡ−Ａ’線に相当する断面図である。 本発明の実施形態における図１のＢ部拡大図である。 回転数（ＲＰＭ）に対する磁気音の強さ（ｄＢ）を示すグラフである。 従来における図１のＢ部に相当する拡大図である。

符号の説明

１…発電機（磁石発電機） ３…ロータ ４…ステータ ７…周壁（筒部） ８…永久磁石（希土類磁石）８ａ…平坦面 ８ｂ…平坦面 １６…ティース ２５…コイル線材 ３１…胴巻部 ３２…周壁部 ３３…接着剤（緩衝材）

Claims (3)

1. 複数のティースを備えたステータと、前記ステータに対して回転自在に設けられ、筒部を有するロータと、を備えた磁石発電機において、
   前記ティースは、コイル線材を巻装するための巻胴部と、前記巻胴部の先端面に設けられ前記巻胴部の延出方向に交差して延出する周壁部とで構成され、
   前記ロータの前記筒部の内周面には、複数の希土類磁石が配置され、
   前記希土類磁石における前記ティースの前記周壁部との対向面は平坦面として形成されるとともに、前記ロータの前記内周面との対向面も平坦面として形成されていることを特徴とする磁石発電機。
2. 前記周壁部は、前記希土類磁石と前記ティースとが対向配置された状態において、前記周壁部の延出方向における両端部から前記希土類磁石までの距離が、前記周壁部の延出方向における中央部から前記希土類磁石までの距離より広くなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁石発電機。
3. 前記ロータと前記希土類磁石と間に緩衝材が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の磁石発電機。

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