JP2009216015A - アキシャルギャップ型モータジェネレータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の軸方向長の増大を抑制しつつ、発電能力の向上を図るアキシャルギャップ型モータジェネレータを提供する。
【解決手段】一対の発電用ロータ３１，３３は、回転軸９と一体で回転する。ステータ３２は、回転軸９上において発電用ロータ３１，３３の間に配置され、回転軸９の軸方向において発電用ロータ３１，３３のそれぞれと離間している。
【選択図】図１

Description

本発明は、アキシャルギャップ型モータジェネレータに関する。

汎用エンジンの典型的な利用形態の一つとして、エンジンに外部装置としての発電体を外付けし、エンジンの駆動力を用いて発電する形態がある。特許文献１には、ラジアルギャップ型の発電体を外付けした汎用エンジンが開示されている。

特開２００１−２９５６５７号公報

従来、汎用エンジンに発電体を外付けする場合には、汎用エンジンの側方より突出したエンジンの回転軸に外部装置である発電体を取り付ける必要がある。しかしながら、汎用エンジンとは別体化された発電体は、それ自体のサイズおよび重量が非常に大きい。したがって、発電体を単に外付けした場合には、全体的なサイズや重量が大きくなってしまい、ユーザにとって扱い難いという問題がある。

また、発電体としてアキシャルギャップ型モータジェネレータを用いる場合、発電時における自己発熱によって、汎用エンジンの冷却効率の低下を招くとともに、モータジェネレータ自体の早期劣化も懸念される。

そこで、本発明の目的は、回転軸の軸方向長の増大を抑制しつつ、発電能力の向上を図るアキシャルギャップ型モータジェネレータを提供することである。

また、本発明の別の目的は、アキシャルギャップ型モータおよび汎用エンジンを効果的に冷却することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、第１および第２の発電用ロータと、ステータと、第１のフィンと、第１の通気孔と、フィン部材とを有し、エンジン本体の駆動力によって回転する回転軸に取り付けられ、ハウジングで覆われるアキシャルギャップ型モータジェネレータを提供する。第１の発電用ロータ、および、その外側に設けられた第２の発電用ロータは、回転軸と一体で回転する。中空状のステータは、回転軸上において、第１および第２の発電用ロータの間に配置され、第１および第２の発電用ロータのそれぞれと離間している。第１のフィンは、第２の発電用ロータにおいて、その周方向に複数並んで設けられている。第１の通気孔は、第２の発電用ロータにおける第１のフィンの内側に設けられ、回転軸の軸方向に第２の発電用ロータを貫通する。フィン部材は、回転軸と一体で回転し、ステータの中空部位内に挿入され、複数の第２のフィンが周方向に並んでいる。

ここで、本発明において、フィン部材は、第１の発電用ロータに一体形成されていてもよい。また、第１の発電用ロータに第２の通気孔をさらに設けてもよい。この第２の通気孔は、回転軸の軸方向に第１の発電用ロータを貫通する。また、対の発電用ロータのそれぞれにおけるステータと対向する対向面には、複数の磁石が周方向に並んで取り付けられており、ステータには、複数のコイルが結線されて取り付けられていることが好ましい。また、第１および第２の発電用ロータは、回転軸の回転力を自己の慣性力によって安定化させるフライホイールとしての機能を担っていることが好ましい。さらに、第１または第２の発電用ロータには、回転軸の回転角度を検出するための点火用磁石が取り付けられていてもよい。

本発明によれば、第１および第２の発電用ロータのそれぞれが発電時に必要とする相手方部材として、これらの発電用ロータの間に配置されたステータが共用される。したがって、回転軸の軸方向長の増大を抑制しつつ、発電能力の向上を図ることが可能になる。それとともに、アキシャルギャップ型モータジェネレータおよび汎用エンジンを効果的に冷却することができる。すなわち、第１のフィンの周方向の変位によって第２の発電用ロータの外周方向に流出した気流（外気流）は、ハウジングに沿って回転軸の軸方向に導かれてエンジン本体に至る。また、フィン部材の回転によって第１の通気孔より吸入された気流（内気流）は、ステータの中空部位からギャップ（第１，第２の発電用ロータとステータの間に形成された隙間）を通って、上記外気流と合流する。このような外気流および内気流によって、第１および第２の発電用ロータと、ステータと、エンジン本体とが冷却される。

図１および図２は、本実施形態に係る汎用エンジン１の展開斜視図であり、図１は回転軸９の一端側から、図２は回転軸９の他端側からそれぞれ見たものである。また、図３は、汎用エンジン１の展開側面図であり、同図に示した符号Ｃは回転軸９の軸方向（アキシャル方向）を示す。この汎用エンジン１は、エンジン本体２にアキシャルギャップ型モータジェネレータ３を一体化した形態を有し、発電用途に供される。汎用エンジン１は、エンジン本体２と、アキシャルギャップ型モータジェネレータ３と、リコイル４と、ハウジング５、燃料タンク６と主体に構成されている。なお、図１では、エンジン本体２の外観形状を明示するために、その上部に搭載される燃料タンク６が省略されている。

エンジン本体２は、一般的な汎用エンジンと同様の構成を有している。このエンジン本体２の上部には、燃料を貯蔵する燃料タンク６が取り付けられている。回転軸９は、エンジン本体２の駆動力によって回転する。回転軸９は、エンジン本体２の左右の側部よりそれぞれ突出しており、図３に示した突出部位９ａ，９ｂを有する。エンジン本体２の一方の側部より突出した突出部位９ａには、汎用エンジン１とは別体化され、オプションとして提供される任意の外部装置（図示せず）を取り付けることが可能である。一方、この突出部位９ａとは反対側である他方の側部より突出した突出部位９ｂには、アキシャルギャップ型モータジェネレータ３が一体的に取り付けられている。

アキシャルギャップ型モータジェネレータ３は、円盤状の発電用ロータ３１，３３と、中空状のステータ３２とを主体に構成されている。発電用ロータ３１，３３のそれぞれは、その中心を回転軸９に固定することによって、回転軸９と一体で回転する。エンジン本体２に近い内側の発電用ロータ３１（以下、「内ロータ３１」という）に関して、ステータ３２と対向する対向面には、例えばネオジウム系永久磁石といった複数の発電用磁石３１ａが周方向に並んで取り付けられている。隣り合った発電用磁石３１ａの極性は、交互に反転している。また、内ロータ３１よりも外側の発電用ロータ３３（以下、「外ロータ３３」という）に関して、ステータ３２と対向する対向面には、発電用磁石３１ａと同様の材質によって形成された発電用磁石３３ａが周方向に並んで取り付けられている。発電用磁石３１ａの場合と同様、隣り合った発電用磁石３３ａの極性も交互に反転している。一方、ステータ３２は、その中央周りに中空部位が形成されたリング形状を有する。ステータ３２は、略直線状に延在する複数の取付部材７を介してエンジン本体２に固定されている。また、ステータ３２は、内外のロータ３１，３３の間に配置され、回転軸９の軸方向Ｃにおいて内外のロータ３１，３３のそれぞれと離間している。ステータ３２には、例えば集中巻導線といった複数のコイル３２ａが結線されて取り付けられている。

外ロータ３３には、複数の冷却フィン３３ｃと、複数の通気孔３３ｂとが設けられている。周方向に並んだ冷却フィン３３ｃのそれぞれは、外ロータ３３の外面（ステータ３２と対向しない側）より軸方向Ｃに起立し、略径方向に延在している。また、周方向に並んだ通気孔３３ｂは、冷却フィン３３ｃの内側に設けられ、外ロータ３３を軸方向Ｃに貫通する。冷却フィン３３ｃおよび通気孔３３ｂは、エンジン本体２およびアキシャルギャップ型モータジェネレータ３の双方を冷却するために機能する。

一方、内ロータ３１には、フィン部材３４と、複数の貫通孔３１ｂとが設けられている。フィン部材３４は、複数の冷却フィンが周方向に並んだ形状を有しており、回転軸９と一体で回転する。なお、フィン部材３４は、回転軸９と一体で回転する形態であれば、内ロータ３１に一体形成する必要は必ずしもなく、内ロータ３１と別体で形成してもよい。フィン部材３４は、ステータ３２の中空部位内に挿入・収容される。また、周方向に並んだ通気孔３１ｂは、内ロータ３３を軸方向Ｃに貫通する。フィン部材３４および通気孔３１ｂは、エンジン本体２およびアキシャルギャップ型モータジェネレータ３の双方を冷却するために機能する。

本実施形態では、内外のロータ３１，３３を回転軸９に取り付ける際の組付作業性の向上を図るため、また、内外のロータ３１，３３の隙間を精度よく確保するために、回転軸９への取り付きに先立ち、内外のロータ３１，３３を一体化する。具体的には、外ロータ３３との対向側における内ロータ３１の表面中央には、軸方向Ｃに突出した円筒状のボス部が形成されている（ボス部の内径は回転軸９の外径に相当）。このボス部の頂部を外ロータ３１の対向面に当接させ、この状態で、外ロータ３３の逆面からボルトを挿入して両者を締結する。なお、ボス部は、内ロータ３１側ではなく外ロータ３３側に形成してもよい。

内ロータ３１の外径は、その外側に位置するステータ３２の外径よりも小さい。その理由は、ステータ３２をエンジン本体２に取り付けるために用いられる取付部材７の形状を最適化し、エンジン本体２の振動に起因したステータ３２の変位（振動の増幅）を抑制するためである。この場合、ステータ３２の径方向（ラジアル方向）に突出した部位（内ロータ３１よりも大径な部位）は、アーム状の取付部材７の一端を固定するための部位、すなわち糊代部として用いられる。また、内ロータ３１はステータ３２よりも小径なので、取付部材７の形状をその延在長が最短になる略直線状にしたとしても、内ロータ３１との干渉を回避することができる。

アキシャルギャップ型モータジェネレータ３は、発電系を二系統備えている。第１の系統は、内ロータ３１とステータ３２とのペアによって、また、第２の系統は、外ロータ３３とステータ３２とのペアによってそれぞれ形成される。内外のロータ３１，３３の間に配置されたステータ３２は、それぞれのロータ３１，３３が発電時に必要とする相手方部材として共用される。なお、電磁鋼板を使用しないアキシャルギャップ型モータジェネレータ３を採用する場合には、一般的なラジアルギャップ型モータジェネレータと比較して鉄損が少なく、高効率な発電が可能になる。

回転軸９の突出部位９ｂに固定された２枚のロータ３１，３３は、それ自体の自重に加えて、発電用磁石３１ａ，３３ａも埋め込まれているので、ある程度の重量を有する。したがって、内ロータ３１および外ロータ３３のそれぞれは、回転時における自己の慣性力によって、エンジン本体２の１サイクルの間で変化する回転軸９の回転力を安定化させるフライホイールとしての役割を担う。

突出部位９ｂの先端、すなわち外ロータ３３の外側には、エンジン本体２を始動させる際に回転軸９を強制的に回転させるリコイル４が設けられている。このリコイル４には、エンジン本体２およびアキシャルギャップ型モータジェネレータ３を冷却するための空気を取り入れる吸気口が形成されている。以上のような構成を有するアキシャルギャップ型モータジェネレータ３は、ハウジング５によって略全体が覆われている。このハウジング５は、リコイル４の吸気口より吸入された空気をエンジン本体２側へ導く内部形状を有する。

内ロータ３１および外ロータ３３の一方には、回転軸９の回転角度を検出するための点火用磁石８（図３参照）が取り付けられている。本実施形態において、点火用磁石８は、内ロータ３１におけるエンジン本体２と対向する面に取り付けられており、図示しない位置検出センサによって点火用磁石８の位置、すなわち回転軸９の回転角度を検出する。位置検出センサは、内ロータ３１の外縁よりも外側に位置するようにエンジン本体２に取り付けられ、内ロータ３１の径方向において点火用磁石８と対向した際、これを検出する。

なお、点火用磁石８は、内ロータ３１ではなく外ロータ３３に取り付けてもよい。例えば、外ロータ３３の外面（冷却フィン３３ｃが形成される側）に点火用磁石８を取り付けることができる。この場合、ステータ３２との干渉を避けるために、位置検出センサをステータ３２の外縁よりも外側に取り付ける必要があり、点火用磁石８とのギャップが大きくなってしまうが、実用上支障のない検出精度を確保可能である。なお、外ロータ３３に取り付ける場合、その点火用磁石８の近傍に点火コイル等の点火系部材（図示せず）が併せて備え付けられる。点火系部材がより外側に備え付けられることで、メンテナンス時におけるクリアランス調整を容易に行うことができる。

エンジン本体２の駆動によって回転軸９が回転すると、回転軸９と一体化された内外のロータ３１，３３も回転する。内外のロータ３１，３３が回転すると、各ロータ３１，３３に取り付けられた発電用磁石３１ａ，３３ａが、回転軸９の軸線を中心に鉛直方向に回転するので、各ロータ３１，３３の周囲の磁界が急激に変動する。これにより、各ロータ３１，３３の近傍に設置されたステータ３２のコイル３２ａには、発電用磁石３１ａ，３３ａの電磁誘導による誘導電流が流れる。このような発電メカニズムによって、アキシャルギャップ型モータジェネレータ３は電力を出力する。

図４は、気流による冷却メカニズムの説明図である。同図において、部材３１〜３３は軸方向Ｃにかなり離間して示されているが、これは説明の便宜上のものに過ぎず、実際にはこれよりも近接しており、内ロータ３１のフィン部材３４がステータ３２の中空部位に挿入される点に留意されたい。エンジン本体２の駆動によって回転軸９が回転すると、外ロータ３３に設けられた冷却フィン３３ｃが周方向に変位する。これにより、リコイル４の吸気口より吸入された空気の一部（外気流）は、冷却フィン３３ｃによって外ロータ３３の外周方向に流出する。そして、外周に流出した外気流は、ハウジング５との内部形状に沿って軸方向Ｃに流れ、エンジン本体２に至る。この外気流によって、外ロータ３３の外周部位と、ステータ３２の外周部位と、内ロータ３１の外周部位とが冷却され、その上でエンジン本体２も冷却される。

また、回転軸９が回転すると、内ロータ３１に一体化されたフィン部位３４も回転する。これにより、リコイル４の吸気口より吸入された空気の一部（内気流）は、外ロータ３３の通気孔３３ｂを通過して、ステータ３２の中空部位、すなわち、アキシャルギャップ型モータジェネレータ３の内部に流入する。そして、内部に流入した内気流の一部は、フィン部材３４ａの回転によって、外ロータ３３とステータ３２との間の隙間（ギャップ）を経てステータ３２の外周方向に流出する。また、内気流の一部は、ステータ３２と内ロータ３１の間のギャップを経てステータ３２の外周方向に流出する。そして、外周に流出した内気流は外気流と合流する。この内気流によって、内ロータ３１、ステータ３２および外ロータ３３のそれぞれの内部が冷却される。また、内気流の一部は、内ロータ３１の通気孔３１ｂを経てエンジン本体１に流れる。以上のような気流によって、アキシャルギャップ型モータジェネレータ３およびエンジン本体２の双方が冷却される。なお、ステータ３２の内部の気流方向は、回転軸９の回転方向とフィン部材３４の傾斜方向との関係により一義的に特定される。エンジン本体１に到達した空気は、幅方向奥側（車軸方向内側）に排出される。

このように、本実施形態によれば、内外のロータ３１，３３のそれぞれが発電時に必要とする相手方部材として、これらの間に配置されたステータ３２が共用される。ステータ３２のコイル３２ａに掛かる磁界には、内ロータ３１の発電用磁石３１ａによるものと、外ロータ３３の発電用磁石３３ａとによるものとが併存する。すなわち、コイル３２ａには二系統の磁界が掛かるため、発電用磁石３１ａ，３３ａを単一（一系統）にした場合と比較して、理論的には２倍程度の高出力が期待できる。それとともに、ステータ３２を共有することで、回転軸９の軸方向長の増大を抑制することができる。

また、外部装置を取付可能な突出部位９ａとは反対側に位置する突出部位９ｂにおいて、アキシャルギャップ型モータジェネレータ３がエンジン本体２と一体で設けられている。これにより、外部装置としてのアキシャルギャップ型モータジェネレータを別途取り付けなくても、発電用途での使用が可能になり、全体的な軽量化・小型化を図ることができる。

一般に、アキシャルギャップ型モータジェネレータ３は、ラジアルギャップ型モータジェネレータよりもアキシャル方向（軸方向）およびラジアル方向（径方向）のサイズが小さくて済むという利点がある。そのため、突出部位９ｂにフライホイールが取り付けられた既存の汎用エンジンの設計や仕様を大きく変更することなく、既存のフライホイールをアキシャルギャップ型モータジェネレータ３と共用することによって、本実施形態に係る汎用エンジン１を低コストで実現することができる。

また、本実施形態によれば、アキシャルギャップ型モータジェネレータ３およびエンジン本体１を効果的に冷却することができる。すなわち、冷却フィン３３ｃの周方向の変位によって外ロータ３３の外周方向に流出した外気流は、ハウジング５に沿って軸方向Ｃに導かれてエンジン本体２に至る。また、フィン部材３４の回転によって通気孔３３ｂより吸入された内気流は、ステータ３２の中空部位からギャップを通って、上記外気流と合流する。このような外気流および内気流によって、内外のロータ３１，３３と、ステータ３２と、エンジン本体２とが冷却される。

さらに、本実施形態によれば、使用する摩耗部品を削減しているために、高い耐久性を有する。外ロータ３３に冷却フィン３３ｃを取り付け、回転部材を発電用途と冷却用途とを兼用させる。また、外ロータ３３に更に点火用磁石８に取り付けた場合には、エンジン制御用途をも兼用させることができ、汎用エンジン１の構成部材を一層削減できる。したがって、アキシャルギャップ型モータジェネレータ３の取り付けが容易になって量産性が向上する。

なお、上述した実施形態では、内外のロータ３１，３３の間にステータ３２を介在させる形態について説明したが、それ以上の発電用ロータを追加してもよい。この場合、ｎ枚の発電用ロータに対して、ｎ−１枚のステータを用意すれば足りる。

回転軸の一端側より見た汎用エンジンの展開斜視図 回転軸の他端側より見た汎用エンジンの展開斜視図 汎用エンジンの展開側面図 気流による冷却メカニズムの説明図

符号の説明

１ 汎用エンジン
２ エンジン本体
３ アキシャルギャップ型モータジェネレータ
４ リコイル
５ ハウジング
６ 燃料タンク
７ 取付部材
８ 点火用磁石
９ 回転軸
９ 回転軸
９ａ，９ｂ 突出部位
３１ 発電用ロータ（内ロータ）
，３３ 発電用ロータ（外ロータ）
３１ａ，３３ａ 発電用磁石
３１ｂ，３３ｂ 通気孔
３３ｃ 冷却フィン
３２ ステータ
３２ａ コイル
３４ フィン部材

Claims (6)

1. エンジン本体の駆動力によって回転する回転軸に取り付けられ、ハウジングで覆われるアキシャルギャップ型モータジェネレータにおいて、
   前記回転軸と一体で回転する第１の発電用ロータと、
   前記回転軸と一体で回転し、前記内側の発電用ロータよりも外側に設けられた第２の発電用ロータと、
   前記回転軸上において、前記第１の発電用ロータおよび前記第２の発電用ロータの間に配置され、前記第１の発電用ロータおよび前記第２の発電用ロータのそれぞれと離間した中空状のステータと、
   前記第２の発電用ロータに設けられ、周方向に並んだ複数の第１のフィンと、
   前記第２の発電用ロータにおける前記第１のフィンの内側に設けられ、前記回転軸の軸方向に前記第２の発電用ロータを貫通する第１の通気孔と、
   前記回転軸と一体で回転し、前記ステータの中空部位内に挿入され、複数の第２のフィンが周方向に並んだフィン部材と
   を有することを特徴とするアキシャルギャップ型モータジェネレータ。
2. 前記フィン部材は、前記第１の発電用ロータに一体形成されていることを特徴とする請求項１に記載されたアキシャルギャップ型モータジェネレータ。
3. 前記第１の発電用ロータに設けられ、前記回転軸の軸方向に前記第１の発電用ロータを貫通する第２の通気孔をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載されたアキシャルギャップ型モータジェネレータ。
4. 前記第１の発電用ロータおよび前記第２の発電用ロータのそれぞれにおける前記ステータと対向する対向面には、複数の磁石が周方向に並んで取り付けられており、
   前記ステータには、複数のコイルが結線されて取り付けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載されたアキシャルギャップ型モータジェネレータ。
5. 前記第１の発電用ロータおよび第２の発電用ロータは、前記回転軸の回転力を自己の慣性力によって安定化させるフライホイールとしての機能を担っていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載されたアキシャルギャップ型モータジェネレータ。
6. 前記第１の発電用ロータまたは第２の発電用ロータには、前記回転軸の回転角度を検出するための点火用磁石が取り付けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載されたアキシャルギャップ型モータジェネレータ。

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