JP2014239613A - 自動二輪車用発電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】ロータの磁石からの磁束をスステータのテータティースに有効に導くことで発電効率等を向上できること。
【解決手段】中心から放射状に延びる複数のステータティース35にコイル37が巻装されたステータ33と、ロータヨーク40の内周面に磁石41が設置されてステータ33周りを回転するロータ34と、を有する自動二輪車用発電機であって、磁石41は、一対の極毎に設けられた複数個が、ロータ34の周方向に間隙42を介して隣接して設置され、ステータティース35は、コイル37が巻装されるコイル巻装部36から周方向両側へ延びる先端部38を有し、磁石41の回転方向後端44Bがコイル巻装部36の中心線Nに略一致したとき、この回転方向後端44Bに対向する回転方向前端44Aを有する隣接する磁石41の前記回転方向前端44Aが、ステータティース35の先端部38と重ならないように、磁石41間の間隙42が設定されたものである。
【選択図】 図6

Description

本発明は自動二輪車用発電機に関する。
図12に示すように、自動二輪車用発電機としてのマグネット装置100は、複数本のステータティース101のそれぞれにコイル102が巻装されたステータ103と、ロータヨーク104の内周面に磁石105が設置されたロータ106とを有し、ロータ106がエンジンの駆動力によりステータ103周りを回転することで、電磁誘導の作用でコイル102に誘導電流が誘起されて発電がなされる。
上述のマグネット装置100では、磁石105はロータヨーク104の内周面に例えば4枚設置される。図13に示すように、各磁石105に、N極及びS極の対の磁極が3極着磁されている。このため、1枚の磁石105において隣の磁極へ磁束が漏れ易く、ステータ103のステータティース101へ流れる磁束が減少して磁束が有効に使われていない。この結果、マグネット装置100の発電出力及び発電効率の向上を図ることができなかった。
また、特許文献1は、ステータの外周を回転するロータのロータヨークに、複数の永久磁石が補極を挟んで配置され、発電機として機能する回転電機が開示されている。
特開2002−153095号公報
ところが、上述の特許文献1に記載の回転電機では、ロータの永久磁石間に補極が配置されているので、これらの永久磁石と補極間で磁束の漏れが生じ、ロータの永久磁石からステータのステータティース(ステータ突極)へ流れる磁束が減少してしまう。従って、この場合にも、永久磁石の磁束が有効に使われず、発電出力及び発電効率が低下する恐れがある。
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、ロータの磁石からの磁束をステータのステータティースに有効に導くことで、発電出力及び発電効率を向上させることができる自動二輪車用発電機を提供することにある。
本発明に係る自動二輪車用発電機は、中心から放射状に延びる複数のステータティースのそれぞれにコイルが巻装されて設けられたステータと、ロータヨークの内周面に磁石が設置され、前記中心を中心として前記ステータ周りを回転するロータと、を有する自動二輪車用発電機であって、前記磁石は、一対の極毎に設けられた複数個が、前記ロータの周方向に間隙を介して隣接して設置され、前記ステータティースは、前記コイルが巻装されるコイル巻装部からロータの回転方向側および反回転方向側へ延びる先端部を有し、前記磁石の回転方向後端が前記コイル巻装部の中心線に略一致したとき、前記回転方向後端に対向する回転方向前端を有する隣接する前記磁石の前記回転方向前端が、前記ステータティースの前記先端部と重ならないように、前記磁石間の前記間隙が設定されたことを特徴とするものである。
また、本発明に係る自動二輪車用発電機は、中心から放射状に延びる複数のステータティースのそれぞれにコイルが巻装されて設けられたステータと、ロータヨークの内周面に磁石が設置され、前記中心を中心として前記ステータ周りを回転するロータと、を有する自動二輪車用発電機であって、前記磁石は、一対の極毎に設けられた複数個が、前記ロータの周方向に間隙を介して隣接して設置され、前記ステータティースは、前記コイルが巻装されるコイル巻装部からロータの回転方向側および反回転方向側へ延びる先端部を有し、前記先端部における前記ロータの回転方向側に延びる一方側部分は、前記コイル巻装部の中心線に前記磁石の回転方向前端が略一致したとき、この回転方向前端に対向する回転方向後端を有する隣接する前記磁石と重なるよう構成されたことを特徴とするものである。
本発明によれば、磁石は、一対の極毎に設けられた複数個がロータの周方向に間隙を介して隣接して設置されたので、各磁石間で磁束が漏れることを抑制でき、磁石からステータティースへ流れる磁束を増大できる。この結果、ロータの磁石からの磁束をステータのステータティースに有効に導くことができるので、発電出力及び発電効率を向上させることができる。
また、本発明によれば、ステータティースの先端部におけるロータの回転方向側に延びる一方側部分は、ステータティースのコイル巻装部の中心線に磁石の回転方向前端が略一致したとき、この回転方向前端に対向する回転方向後端を有する隣接する磁石と重なるよう構成されている。従って、磁石とステータティースとの対向する時間、即ちステータティースが磁石の磁束を回収する時間が長くなって、各ステータティースに磁束が長時間流れることになる。この結果、ロータの磁石からの磁束をステータのステータティースに有効に導くことができるので、発電出力及び発電効率を向上させることができる。
本発明に係る自動二輪車用発電機の一実施形態が適用された自動二輪車のエンジンユニットを示す左側面図。 図1のII−II線に沿う断面図。 図2のIII−III線方向から目視した発電機としてのマグネット装置を示す正面図。 図3の磁石とステータティースを模式的に示す概略正面図。 図3の一部を拡大し、磁石とステータティースとの第1回転位置における磁束の流れを示す動作図。 図3の一部を拡大し、磁石とステータティースとの第2回転位置における磁束の流れを示す動作図。 図3の一部を拡大し、磁石とステータティースとの第3回転位置における磁束の流れを示す動作図。 磁石間の間隙と発電出力及び発電効率等との関係を示すグラフ。 ステータティースの先端部における一方側部分の他方側部分に対する相対長さと発電出力及び発電効率等との関係を示すグラフ。 ステータティースの先端部における他方側部分を一方側部分に対して長くした場合を示す図6に対応する作動図。 ステータティースの先端部における他方側部分の一方側部分に対する相対長さと発電出力及び発電効率等との関係を示すグラフ。 従来の発電機としてのマグネット装置を示す正面図。 図12の磁石を模式的に示す概略正面図。
以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
図1は、本発明に係る自動二輪車用発電機の一実施形態が適用された自動二輪車のパワーユニットを示す左側面図。このパワーユニット10は空冷式4サイクル単気筒エンジン11を有し、このエンジン11は主に、クランクシャフト19を回転自在に支持し収容するクランクケース12と、クランクケース12の端部に結合されたシリンダブロック13と、シリンダブロック13に結合されたシリンダヘッド14と、シリンダヘッド14に結合されたヘッドカバー15と、を備えて構成される。
本実施形態では、クランクケース12は左右2つ割りに構成される。図2において、クランクケース12は左右で対をなす右側クランクケース12Rと左側クランクケース12Lとが相互に結合されて一体化され、それらによってクランク室18が形成される。このクランク室18内にクランクシャフト19、及びこのクランクシャフト19と一体化された左右一対のクランクウェブ19Aが、一対のベアリング20を介して回転自在に軸支される。
クランクウェブ19A相互間には、クランクピン21を介してコンロッド22の基端側が連結される。また、シリンダブロック13内にはピストン23が往復動可能に収容されており、ピストン23はピストンピン24を介してコンロッド22の先端側と連結される。従って、ピストン23がシリンダブロック13の軸線方向に往復動することで、クランクシャフト19が回転する。
クランク室18の周囲においてケース隔壁を隔ててその右側にクラッチ室27が、また左側にはマグネット室28がそれぞれ配置される。クラッチ室27内にはクランクシャフト19の右側軸端部に配置されたクラッチ装置29が収容され、クラッチ室27はクラッチカバー30によって覆われる。また、マグネット室28内にはクランクシャフト19の左側軸端部に配置されたマグネット装置31が収容され、マグネット室28はマグネットカバー32(クランクケースカバー)によって覆われる。
前記マグネット装置31は、自動二輪車用の単相式発電機であり、クランクシャフト19の回転軸と同軸に、クランクシャフト19周囲に配置されるステータ33と、クランクシャフト19の左側軸端部に固定され、ステータ33周りをクランクシャフト19の回転軸と同軸に回転するロータ34とを有して構成される。ロータ34の回転方向を図3に矢印Pで示す。
ステータ33は、図2及び図3に示すように、その中心O(クランクシャフト19の回転中心軸芯と同軸)から複数本(本実施形態では12本)のステータティース35が放射状(クランクシャフト19の回転中心軸に対して垂直方向)に延び、それぞれのステータティース35のコイル巻装部36にコイル37が巻装されて構成される。クランクシャフト19の回転軸方向から目視した図である図3〜図5に示すように、各ステータティース35におけるコイル巻装部36の先端側に、ステータ33の周方向両側(ロータ34の回転方向側及びロータ34の反回転方向側)に延びる先端部38が形成されている。このステータ33は、図2に示すように、取付ボルト39を用いてマグネットカバー32の内面に固定状態で取り付けられる。
ロータ34は、図2及び図3に示すように有底円筒形状に形成され、その内部空間にステータ33が配置される。さらに、ロータヨーク40の内周面にステータ33を取り囲むように複数の磁石41が固定して設置され、この磁石41がステータ33におけるステータティース35の先端部38と対向するように配置されている。そして、ロータヨーク40がクランクシャフト19に回転一体に取り付けられてクランクシャフト19とともに回転するときに、この磁石41が、ステータティース35の先端部38の外側を適度な間隙を有して通過するように構成される。磁石41は、図3〜図5に示すように、複数本(例えば12本)のステータティース35に対応して複数個(本実施形態では12個)が、磁石の存在しない間隙42を介して隣接して設置される。そして、1個の磁石41に、N極とS極が一対着磁されると共に、隣り合う磁石41の極が交互となるように配置されている。
複数個の磁石41を備えるロータ34がクランクシャフト19の回転によって、ステータ33の中心Oを中心としてステータ33周りを矢印P方向に回転することで、電磁誘導の作用でステータ33のコイル37に誘導電流が誘起されて発電がなされる。尚、図5〜図7中の矢印Aは、磁石41からステータ35へ流れる磁束、あるいはステータ35から磁石41へ流れる磁束の流れを示す。また、ロータ34の複数個の磁石41は、反ロータヨーク40側(ステータ33が配置される側)に金属製の薄板からなるカバー43が装着されて保護される。
複数個の磁石41間の間隙42は、クランクシャフト19の回転軸方向から目視した図である図6に示すように、ロータ34の回転によって磁石41の回転方向後端44Bがステータ33のステータティース35におけるコイル巻装部36の中心線N(クランクシャフト19の回転軸に垂直な断面において、前記回転軸中心とコイル巻装部36の中心を結ぶ仮想線)と略一致する第2回転位置にきたとき、前記回転方向後端44Bに対向する回転方向前端44Aを有する隣接する磁石41の前記回転方向前端44Aが、ステータティース35の先端部38(先端部38の後述の他方側部分38B)と重ならないように設定される。つまり、クランクシャフト19の回転軸に垂直な断面において、磁石41の回転方向後端44Bがコイル巻装部36の中心線Nと略一致する第2回転位置にきたとき、後続する磁石41の回転方向前端44Aがステータティース35の先端部38と重ならない(周方向の位置で異なる角度位置となる)ように設定される。
本実施形態では、クランクシャフト19の回転軸方向から目視した図である図4に示すように、磁石41の周方向角度(磁石41の両端縁44A、44Bとクランクシャフト19の回転軸中心を結ぶ直線同士の前記回転軸中心における最大挟角)をθaとし、磁石41間の間隙42の周方向角度(間隙42の両側に配置された磁石41の各端縁44A、44Bとクランクシャフト19の回転軸中心を結ぶ直線同士の前記回転軸中心における最大挟角)をθbとしたとき、θa=21°、θb=9°にそれぞれ設定される。即ち、磁石41が配置される周方向角度と磁石41間の間隙42が配置される周方向角度との比は、
θa:θb=2.3:1
に設定される。
磁石41間の間隙42の周方向角度θbを9°に設定した理由を、図8を用いて説明する。この図8では、機械入力(発電機を回す為の負荷であって、この場合エンジン11に作用する負荷。この負荷は発電出力と電気損失に分けられる。尚、この電気損失は、銅損・鉄損・機械損で構成される。)をX1で、発電出力(マグネット装置31が発生する発電電力)をY1で、発電効率(発電出力を機械入力で除した比)をZ1でそれぞれ表示している。1個の磁石41にN極とS極が一対着磁され、各磁石41間に間隙42が設けられたことで、磁石41間で磁束の漏れが抑制され、磁石41からステータティース35へ流れる磁束が増大して発電出力及び発電効率、特に発電効率が向上する。図8に示すように、間隙42の周方向角度θbが9°において発電効率Z1が最も高くなるため、周方向角度θbを9°に設定しているのである。
図4及び図5に示すように、ステータ33の各ステータティース35における先端部38は、ロータ34の回転方向Pへ延びる一方側部分38Aの周方向長さL(クランクシャフト19の回転軸に垂直な断面において、コイル巻装部36の中心線Nに対する突出高さ)が、ロータ34の回転方向Pと反対側へ延びる(回転方向Pに向かって延びる)他方側部分38Bの周方向長さM(クランクシャフト19の回転軸に垂直な断面において、コイル巻装部36の中心線Nに対する突出高さ)よりも長く形成されている。
このとき、ステータティース35の先端部38における他方側部分38Bの周方向長さMは、ロータ34の回転によって磁石41の周方向中央位置Kがステータティース35のコイル巻装部36の中心線Nと略一致する(クランクシャフト19の回転軸中心に対する周方向の位置であって略同一な角度位置となる)第1回転位置にきたとき(図5)、ステータティース35の先端部38における他方側部分38Bの端縁46が、磁石41の回転方向後端44Bと略一致する(クランクシャフト19の回転軸中心に対する周方向の位置であって略同一な角度位置となる)長さに設定される。また、本実施形態では前述したように、ステータティース35の先端部38における他方側部分38Bの周方向長さMは、間隙42の周方向長さと略一致する長さに設定されている。
これに対し、図7に示すように、ステータティース35の先端部38の一方側部分38Aは、ロータ34の回転によって磁石41の回転方向前端44Aがステータ33におけるステータティース35のコイル巻装部36の中心線Nに略一致する(クランクシャフト19の回転軸中心に対する周方向の位置であって略同一な角度位置となる)第3回転位置にきたとき、前記回転方向前端44Aに対向する回転方向後端44Bを有する隣接する磁石41(このステータティース35から離れていく磁石41)とクランクシャフト19の回転軸中心に対する周方向の位置にて重なるように、その周方向長さL(図4参照)が設定される。ステータティース35の先端部38における一方側部分38Aの周方向長さLが上述のように設定されることで、磁石41とステータティース35の先端部38とが対向する時間、特に磁石41の回転方向後端44Bがステータティース35の先端部38の外方を通過してから離れていくときの対向する時間が長くなって、ステータティース35が磁石41から磁束を回収する時間が長くなり、このため、磁石41からの磁束をステータティース35に長時間有効に流すことができるので、マグネット装置31の発電出力及び発電効率が向上する。
ステータティース35の先端部38における一方側部分38Aの周方向長さLは、先端部38における他方側部分38Bの周方向長さMよりも3.0mm長く設定することが好ましい。その理由を、図9を用いて説明する。この図9では、機械入力をX2で、発電出力をY2で、発電効率をZ2でそれぞれ表示している。ステータティース35の先端部38における一方側部分38Aの他方側部分38Bに対する相対長さ(他方側部分38Bを基準にした一方側部分38Aの長さ)は、一方側部分38Aが長くなるほど発電効率Z2が高くなることが判り、+3.0mm程度長くすることが最適である。つまり、図7に示す第3回転位置にきたときに、ステータティース35の先端部38における一方側部分38Aと磁石41の回転方向後端44Bとが3.0mm程度重なるようにすると、発電効率Z2が最適となる。
尚、図10に示すように、ステータティース35の先端部38における一方側部分38Aを、ロータ34の磁石41の周方向中央位置Kがステータティース35のコイル巻装部36の中心軸Nと略一致する第1回転位置(図5参照)にきたときに、一方側部分38Aの端縁45が磁石41の回転方向前端44Aと略一致する周方向長さLとし、且つ、ステータティース35の先端部38における他方側部分38Bの周方向長さMを、一方側部分38Aの周方向長さLに対して長くまたは短く設定しても(図10では長く設定したものを図示)、発電効率の向上には何ら寄与しない。
例えば、ステータティース35の先端部38における他方側部分38Bの一方側部分38に対する相対長さ(一方側部分38Aを基準にした他方側部分38Bの長さ)が図10に示すように長い場合には、ロータ34の回転によって磁石41の回転方向後端44Bがステータティース35のコイル巻装部36の中心線Nと略一致したとき、磁石41からの磁束が矢印Aの如くステータティース35に流れると共に、ステータティース35の先端部38の他方側部分38Bを通って、矢印Bに示すように隣接する磁石41へ漏れてしまう。また、ステータティース35の先端部38における他方側部分38Bの一方側部分38に対する相対長さが短い場合には、ロータ34の回転時に磁石41からの磁束がステータティース35へ流入するタイミングが遅れてしまう。
このため、機械入力をX3で、発電出力をY3で、発電効率をZ3でそれぞれ表示した図11に示すように、ステータティース35の先端部38における他方側部分38Bの一方側部分38Aに対する相対長さが長い場合(例えば一方側部分38Aを基準にして他方側部分38Bが+2mmと長い場合)にも、短い場合(例えば一方側部分38Aを基準にして他方側部分38Bが−3mmと短い場合)にも、発電効率Z3が共に低下していることが判る。
上述のことから、ステータティース35の先端部38における他方側部分38Bの周方向長さMは、図4〜図7に示すように、ロータ34の回転によって磁石41の周方向中央位置Kがステータティース35のコイル巻装部36の中心線Nと略一致する第1回転位置にきたとき(図5)、ステータティース35の先端部38における他方側部分38Bの端縁46が磁石41の回転方向後端44Bと略一致する長さに設定されることが、発電効率上最適である。また、図6に示す第2回転位置にきたとき、ステータティース35の先端部38における他方側部分38Bの端縁46が磁石41の回転方向前端44Aと略一致する長さに設定すると、発電効率を向上させることが出来る。
以上に構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果(1)及び(2)を奏する。
(1)図3及び図5に示すように、ロータ34が備える磁石41は、一対の極(N極とS極)毎に設けられた複数個がロータ34の周方向に間隙42を介して等間隔に隣接して設置されたので、各磁石41間で磁束が漏れることを抑制でき、磁石41からステータ33のステータティース35へ流れる磁束を増大できる。この結果、ロータ34の磁石41からの磁束をステータ33のステータティース35に有効に導くことができるので、マグネット装置31の発電出力及び発電効率を向上させることができる。
(2)図7に示すように、ステータ33のステータティース35の先端部38におけるロータ34の回転方向P側へ延びる一方側部分38Aは、ステータティース35のコイル巻装部36の中心線Nに磁石41の回転方向前端44Aが略一致したとき、この回転方向前端44Aに対向する回転方向後端44Bを有する隣接する磁石41と重なるよう構成されている。従って、磁石41とステータティース35との対向する時間、即ちステータティース35が磁石41の磁束を回収する時間が長くなって、各ステータティース35に磁束が長時間流れることになる。この結果、ロータ34の磁石41からの磁束をステータ33のステータティース35に有効に導くことができるので、マグネット装置31の発電出力及び発電効率を向上させることができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
31 マグネット装置(発電機)
33 ステータ
34 ロータ
35 ステータティース
36 コイル巻装部
37 コイル
38 先端部
38A 一方側部分
38B 他方側部分
40 ロータヨーク
41 磁石
42 間隙
44A 回転方向前端
44B 回転方向後端
L、M 周方向長さ
N 中心線
O 中心
P 回転方向
θa、θb 周方向角度

Claims (6)

  1. 中心から放射状に延びる複数のステータティースのそれぞれにコイルが巻装されて設けられたステータと、
    ロータヨークの内周面に磁石が設置され、前記中心を中心として前記ステータ周りを回転するロータと、を有する自動二輪車用発電機であって、
    前記磁石は、一対の極毎に設けられた複数個が、前記ロータの周方向に間隙を介して隣接して設置され、
    前記ステータティースは、前記コイルが巻装されるコイル巻装部からロータの回転方向側および反回転方向側へ延びる先端部を有し、
    前記磁石の回転方向後端が前記コイル巻装部の中心線に略一致したとき、前記回転方向後端に対向する回転方向前端を有する隣接する前記磁石の前記回転方向前端が、前記ステータティースの前記先端部と重ならないように、前記磁石間の前記間隙が設定されたことを特徴とする自動二輪車用発電機。
  2. 中心から放射状に延びる複数のステータティースのそれぞれにコイルが巻装されて設けられたステータと、
    ロータヨークの内周面に磁石が設置され、前記中心を中心として前記ステータ周りを回転するロータと、を有する自動二輪車用発電機であって、
    前記磁石は、一対の極毎に設けられた複数個が、前記ロータの周方向に間隙を介して隣接して設置され、
    前記ステータティースは、前記コイルが巻装されるコイル巻装部からロータの回転方向側および反回転方向側へ延びる先端部を有し、
    前記先端部における前記ロータの回転方向側に延びる一方側部分は、前記コイル巻装部の中心線に前記磁石の回転方向前端が略一致したとき、この回転方向前端に対向する回転方向後端を有する隣接する前記磁石と重なるよう構成されたことを特徴とする自動二輪車用発電機。
  3. 前記ステータティースの先端部は、ロータの回転方向側に延びる一方側部分が、ロータの反回転方向側に延びる他方側部分よりも長く形成されたことを特徴とする請求項2に記載の自動二輪車用発電機。
  4. 前記隣接する磁石の回転方向前端がステータティースにおけるコイル巻装部の中心線と略一致したとき、前記ステータティースにおけるロータの回転方向側に延びる一方側部分が、前記隣接する磁石の前記回転方向前端に対向する回転方向後端を有する磁石と重なるよう構成されたことを特徴とする請求項1に記載の自動二輪車用発電機。
  5. 前記ロータが備える磁石とこの磁石間の間隙との周方向角度の比が2.3:1であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の自動二輪車用発電機。
  6. 前記ロータが備える磁石は、ステータの複数のステータティースに対応して複数個設置され、これらのステータティースと磁石とがそれぞれ12個ずつ設けられたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の自動二輪車用発電機。
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