JP2016146712A - 発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすく、更には外径寸法の小型化に適した発電機を提供する。
【解決手段】固定子３８は、複数の磁石４８と、第１固定子コア５０Ａと、第２固定子コア５０Ｂと、電機子コイル６０と、を有し、第１固定子コア５０Ａ及び第２固定子コア５０Ｂは、コイルスロット部５２と、コイルスロット部５２に対して周方向の一方に隣接する磁路部にある第１固定子突極部６２Ａと、コイルスロット部５２に対して周方向の他方に隣接する磁路部にある第２固定子突極部６２Ｂと、を有し、第１固定子突極部６２Ａと回転子４０の回転子突極部４４との間の第１磁気抵抗より、第２固定子突極部６２Ｂと回転子突極部４４の間の第２磁気抵抗が大きい第１状態と、第２磁気抵抗より第１磁気抵抗が大きい第２状態とが交互に切り替わるように、回転子突極部４４及び固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの位置が定められる。
【選択図】図３

Description

本発明は、自転車のハブダイナモ等に用いられる発電機に関する。

自転車のハブダイナモは、車輪と同程度の速度で回転子が回転するため、ローラーダイナモと比べて回転子の回転速度が遅くなり易く、低速走行時の誘導起電力が不十分になる傾向がある。そこで、ハブダイナモには、回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力が得られるように工夫したものが好適に用いられる。

この一例として、特許文献１には、クローポール型発電機が提案されている。この発電機は、固定子と、固定子の外周側に配置される回転子とを備える。回転子は周方向に並べて配置される複数の磁石を有し、各磁石は固定子と対向する磁極が周方向に交互に異なる磁極となる。固定子は軸方向両側に配置される一対の固定子コアを備える。各固定子コアは互いに近づく側に向けて延びる複数の爪部を有し、別々の固定子コアの爪部が周方向に交互に位置するように設けられる。各固定子コアの爪部は回転子の各磁石の径方向内側に配置され、その磁石により周方向に交互に異なる極性が生じるように励磁される。固定子には磁石から各固定子コアの爪部を介して磁束が通過する位置に電機子コイルが配置される。

この発電機では、回転子の回転により各固定子コアの爪部に対する磁石の相対位置が変わり、これに伴い各爪部の極性が切り替わることで、電機子コイルを鎖交する主磁束の向きが反転し、電機子コイルに誘導起電力が生じる。このとき得られる交流電力は、磁石の極数に比例する大きさの周波数となるため、磁石の極数に応じた高周波数の交流電力を得やすくなっている。

特開２００７−４９８３９号公報

近年、自転車の意匠性の向上を図るため、ハブの外径寸法の小型化が要求されており、これに伴い、ハブダイナモの外径寸法の小型化が望まれている。クローポール型発電機では、異なる極性に励磁される各固定子コアの爪部が周方向に交互に並ぶように構成される。よって、ハブダイナモの外径寸法が小さくなるにつれて、隣り合う爪部間の距離が過度に小さくなる。この結果、異なる極性に励磁された爪部の間に磁束が通り易くなり、電機子コイルを鎖交しない漏れ磁束が増大し易くなる。従って、クローポール型発電機では、外径寸法の低減に伴い漏れ磁束が増大し、十分な誘導起電力を得にくいという問題点があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされており、その目的の１つは、回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすく、更には外径寸法の小型化に適した発電機を提供することにある。

本発明のある態様に係る発電機は、回転子と、周方向に間隔を空けて配置され、周方向に対向する磁極が同極となる複数の磁石と、磁石の周方向両側に配置されるコイルスロット部を含む固定子コアと、磁石を周方向に跨ぐようにコイルスロット部間に巻き回される電機子コイルとを有する固定子と、を備え、回転子は、周方向に間隔を空けて形成される複数の回転子突極部を含む回転子コアを有し、固定子コアは、コイルスロット部に対して周方向の一方に隣接する磁路部に回転子と対向して設けられる第１固定子突極部と、コイルスロット部に対して周方向の他方に隣接する磁路部に回転子と対向して設けられる第２固定子突極部と、を有する。

本発明によれば、回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすく、更には外径寸法の小型化に適した発電機を得られる。

第１実施形態に係る自転車用発電機が搭載される自転車を示す部分側面図である。 第１実施形態に係る自転車のハブや周囲の構成を示す前面図である。 第１実施形態に係る自転車用発電機を示す断面図である。 第１実施形態に係る自転車用発電機の電機子コイルを示す断面図である。 第１実施形態に係る回転子突極部、固定子突極部の位置関係を示す図である。 第１実施形態に係る発電機の電気角が零である状態を示す図である。 第１実施形態に係る発電機の電気角がπ／２である状態を示す図である。 第１実施形態に係る発電機の電気角がπである状態を示す図である。 第１実施形態に係る発電機の電気角が３π／２である状態を示す図である。 第２実施形態に係る発電機の断面図である。 第２実施形態に係る発電機の電機子コイルを示す断面図である。 第２実施形態に係る発電機の電気角が零である状態を示す図である。 第２実施形態に係る発電機の電気角がπ／２である状態を示す図である。 第２実施形態に係る発電機の電気角がπである状態を示す図である。 第２実施形態に係る発電機の電気角が３π／２である状態を示す図である。

以下、各実施形態の説明では、同一の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面では、説明の便宜のため、構成要素の一部を適宜省略する。

［第１の実施の形態］
図１は第１実施形態に係る自転車用発電機１０（以下、単に発電機１０という）が搭載される自転車１２を示す部分側面図である。自転車１２は、メインフレーム１４のヘッドチューブ１６に回転可能に支持されるフロントフォーク１８と、フロントフォーク１８に取り付けられるハブ軸２０とを備える。ハブ軸２０には車輪としての前輪２２が回転自在に支持される。前輪２２の横側には前照灯２４が設置され、これには発電機１０により得られた電力が供給される。

前輪２２はハブ軸２０に軸受け（図示せず）を介して回転自在に支持される筒状のハブ２６と、ハブ２６の外周部に取り付けられる複数のスポーク２８と、各スポーク２８の外周部に取り付けられるリム３０とを更に有する。リム３０にはタイヤ３２が取り付けられる。

図２は自転車１２のハブ２６や周囲の構成を示す前面図である。ハブ２６以外の構成は二点鎖線で示す。ハブ２６内にはハブダイナモとなる発電機１０が収容される。ハブ軸２０の軸方向の両端部には雄ねじ３４が形成される。ハブ軸２０は、各雄ねじ３４に螺合したナット３６の締め付けにより、ハブ２６とともにフロントフォーク１８に固定される。

図３は発電機１０の断面図である。本図は後述する回転子４０の回転中心の軸線方向に直交する断面図であり、図２のＡ−Ａ線断面でもある。なお、本図ではハブ２６を省略する。また、以下の説明では、後述する固定子３８及び回転子４０の各構成要素の位置関係を説明するうえで、「軸方向」、「周方向」、「径方向」の用語を使うことがある。このうち「軸方向」は回転子４０の回転中心の軸線方向を意味し、「周方向」、「径方向」のそれぞれは回転子４０の回転中心に関して周方向、径方向を意味する。

発電機１０は、ハブ軸２０に対して固定される固定子３８と、ハブ軸２０に対して回転自在に支持される回転子４０とを備える。発電機１０は、固定子３８の外周側に回転子４０が配置されるアウターロータ型発電機である。また、発電機１０は同期発電機である。回転子４０は、前輪２２の一部であるハブ２６と一体に回転可能に設けられる。回転子４０は前輪２２の回転に連動して回転可能となる。

回転子４０は、全体として環状をなす。回転子４０は、環状基部４２と、環状基部４２の固定子３８と対向する側である環状基部４２の内周側に設けられる複数の回転子突極部４４と、を含む回転子コア４６を有する。

各回転子突極部４４は環状基部４２から固定子３８と対向する側である径方向内側に向けて突出する。各回転子突極部４４は所定の幅ｗと同等の幅となるように構成される。ここでの「同等」とは、完全に同一である場合と、略同一である場合とを含む。「同等」の解釈は以下も同様である。

各回転子突極部４４は所定の角度λ（以下、突極ピッチともいう）と同等の角度で周方向にずらした位置に間隔を空けて配置される。回転子突極部４４は、本例では、合計２０個設けられており、突極ピッチλを１８°（＝３６０°／２０）としている。この突極ピッチλは発電機１０の電気角２πに相当し、回転子４０が突極ピッチλだけ回転すると、後述のように、電機子コイル６０により一周期分の交流電力が生じる。

固定子３８は、全体として環状をなす。固定子３８は、周方向に間隔を空けて配置される複数の磁石４８と、複数の磁石４８間につき一つ配置される複数の固定子コア５０Ａ、５０Ｂを有する。複数の磁石４８と複数の固定子コア５０Ａ、５０Ｂは周方向に交互に並べられ、接着等により接合することにより環状を呈する。磁石４８と固定子コア５０Ａ、５０Ｂとは、本例では、それぞれ合計４個、つまり、偶数個設けられる。

磁石４８は永久磁石である。磁石４８は後述の電機子コイル６０の界磁に用いる。磁石４８は周方向が着磁方向となる。磁石４８は周方向に同等の角度をずらした位置に間隔を空けて配置される。周方向に隣り合う複数の磁石４８は周方向に対向する磁極が同極となる。磁石４８は、周方向に隣り合う固定子コア５０Ａ、５０Ｂを径方向に分断するように、径方向に沿って延びる板状に設けられる。

固定子コア５０Ａ、５０Ｂや前述の回転子コア４６は回転子４０の軸方向に複数の金属板を積層して構成される。この金属板は電磁鋼板等の軟磁性体を素材とする。

固定子コア５０Ａ、５０Ｂは、周方向に１つおきに配置される一つの磁石４８（たとえば、図中上側の磁石４８）に対して周方向の一方（図中の時計回り方向）に隣接する第１固定子コア５０Ａと、その一つの磁石４８に対して周方向の他方（図中の反時計回り方向）に隣接する第２固定子コア５０Ｂとを含む。本例では、第１固定子コア５０Ａは２個、第２固定子コア５０Ｂは２個設けられる。

各固定子コア５０Ａ、５０Ｂは、周方向に１つおきに配置される磁石４８の周方向両側に配置されるコイルスロット部５２を有する。コイルスロット部５２は複数の磁石４８間につき１つ配置されることになる。コイルスロット部５２は、各第１固定子コア５０Ａ、各第２固定子コア５０Ｂのそれぞれにつき１つ形成される。コイルスロット部５２は、回転子４０と対向する側である径方向外側から反対側の径方向内側に窪むように形成される。

各固定子コア５０Ａ、５０Ｂは、コイルスロット部５２の他に、コイルスロット部５２に対して底側に隣接する弧状の磁路接続部５４と、コイルスロット部５２に対して周方向両側に隣接する磁路部５６Ａ、５６Ｂとを有する。磁路接続部５４は各磁路部５６Ａ、５６Ｂを周方向に接続する。磁路部５６Ａ、５６Ｂは回転子４０と対向する側である径方向外側に延びる。磁路部５６Ａ、５６Ｂは、コイルスロット部５２の周方向の一方（図中時計回り方向）に隣接する第１磁路部５６Ａと、周方向の他方（図中反時計回り方向）に隣接する第２磁路部５６Ｂとを含む。

図４は発電機１０の電機子コイル６０を示す断面図である。本図では回転子４０の軸方向の一方（紙面手前側）での電機子コイル６０の巻き方向Ｂを併せて示す。固定子３８は、各磁石４８のそれぞれを周方向に跨ぐように、各磁石４８に対して周方向両側に隣り合うコイルスロット部５２間に巻き回される電機子コイル６０を更に有する。電機子コイル６０は複数の磁石４８のそれぞれに対応して設けられ、磁石４８の数と同数のものが設けられる。電機子コイル６０は、対応する磁石４８を周方向両側、軸方向両側から取り囲むように巻き回される。

電機子コイル６０は周方向に隣り合うコイルスロット部５２間に集中巻きで巻き回されるが、他のコイルスロット部５２を経由するように分布巻きで巻き回されてもよい。周方向に隣り合う電機子コイル６０は互いに逆向きの巻き方向Ｂで巻き回されるが、同方向に巻き回されてもよい。

電機子コイル６０には、後述のように、回転子４０が回転するとき、同相の交流電力が生じる。各電機子コイル６０は電気的に並列に接続され、その出力端は図示しない整流回路に接続され、整流回路には単相の交流電力が出力される。整流回路は交流電力を整流、平滑等して直流電力に変換したうえで、これを外部電気機器としての前照灯２４（図１参照）に供給する。なお、各電機子コイル６０は電気的に直列に接続されてもよい。

ここで、固定子３８は、図３に示すように、複数の第１磁路部５６Ａのそれぞれに回転子４０と対向して設けられる第１固定子突極部６２Ａと、複数の第２磁路部５６Ｂのそれぞれに回転子４０と対向して設けられる第２固定子突極部６２Ｂとを有する。各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂは各磁路部５６Ａ、５６Ｂから回転子４０と対向する側である径方向外側に向けて突出する。第１固定子突極部６２Ａは１つの第１磁路部５６Ａにつき２つ設けられ、第２固定子突極部６２Ｂは１つの第２磁路部５６Ｂにつき２つ設けられる。固定子突極部６２Ａ、６２Ｂは、本例では、合計１６個設けられる。

各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂは回転子突極部４４に対して径方向に所定のギャップを空けて配置される。各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂは回転子突極部４４の幅ｗと同等の幅となるように構成される。

図５は回転子突極部４４、固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの位置関係を示す図である。本図では、複数の突極部のうちの一部を区別するため、それぞれの符号の末尾に（ａ）等のアルファベットを付して示す。以下の図でも同様に示す場合がある。

１つの第１磁路部５６Ａに設けられる複数の第１固定子突極部６２Ａは、各回転子突極部４４の突極ピッチλと同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。１つの第２磁路部５６Ｂに設けられる複数の第２固定子突極部６２Ｂも、突極ピッチλと同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。また、第１固定子突極部６２Ａの近傍にて周方向に隣り合う他の第２固定子突極部６２Ｂはλ×１．５と同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。

これにより、第１固定子突極部６２Ａは、ｎを１以上の自然数としたとき、他の第１固定子突極部６２Ａに対して、λ×ｎと同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。たとえば、第１固定子突極部６２Ａ（ｄ）は、その時計方向に隣り合う他の第１固定子突極部６２Ａ（ｇ）に対してλ×４（＝λ×１．５＋λ＋λ×１．５）でずれており、その反時計方向に隣り合う他の第１固定子突極部６２Ａ（ｃ）に対してλ×１．０でずれている。第２固定子突極部６２Ｂも同様に、他の第２固定子突極部６２Ｂに対して、λ×ｎと同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。

また、第２固定子突極部６２Ｂは、第１固定子突極部６２Ａに対して、λ×（ｎ＋０．５）と同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。たとえば、第２固定子突極部６２Ｂ（ｅ）は、その時計方向に隣り合う第１固定子突極部６２Ａ（ｇ）に対してλ×２．５（＝λ＋λ×１．５）でずれており、その反時計方向に隣り合う第１固定子突極部６２Ａ（ｄ）に対してλ×１．５でずれている。

以上の発電機１０の動作を図６〜図９を用いて説明する。各図は回転子４０が電気角でπ／２ずつ方向Ｐに回転したときの状態を示す。また、図６、図８では回転子コア４６等を流れる磁束のうち、主磁束の流れを主に示し、漏れ磁束の流れは省略する。また、図７、図９では、漏れ磁束の流れを示す。以下では図６の位置関係にあるときの電気角が零であり、図７〜図９では電気角がπ／２、π、３π／２であるとする。また、便宜的に、一つの回転子突極部４４（ａ）に「○」印を付して示す。

図６に示すように、電気角が零のとき、第１固定子突極部６２Ａは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して周方向の全幅に亘り重なる位置にある。また、第２固定子突極部６２Ｂは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して周方向の全幅に亘り重ならない位置、つまり、周方向にずれた位置にある。言い換えると、第１固定子突極部６２Ａが近傍の一つの回転子突極部４４に対して周方向に重なる範囲（以下、第１重なり範囲という）の方が、第２固定子突極部６２Ｂが近傍の他の回転子突極部４４に対して周方向に重なる範囲（以下、第２重なり範囲という）より大きくなる。これにより、第１固定子突極部６２Ａと回転子突極部４４の間の磁気抵抗である第１磁気抵抗Ｒ１より、第２固定子突極部６２Ｂと回転子突極部４４の間の磁気抵抗である第２磁気抵抗Ｒ２が大幅に大きくなる。

この結果、一つの磁石４８から生じる磁束により、その磁石４８の一方の磁極面に隣接する第１固定子コア５０Ａの第１固定子突極部６２Ａと、他方の磁極面に隣接する第２固定子コア５０Ｂの第１固定子突極部６２Ａとを通る閉ループの磁路Ｍｐが形成される。たとえば、図中上側の磁石４８（ｂ）は、第１固定子コア５０Ａ（ｂ）の磁路接続部５４→第１固定子コア５０Ａ（ｂ）の第１磁路部５６Ａ→第１固定子突極部６２Ａ（ｇ）→回転子突極部４４（ｇ）→回転子４０の環状基部４２→回転子突極部４４（ｃ）、（ｄ）→第１固定子突極部６２Ａ（ｃ）、６２Ａ（ｄ）→第２固定子コア５０Ｂ（ａ）の第１磁路部５６Ａを経由して元の磁石４８（ｂ）に戻る磁路Ｍｐを形成する。

この磁路Ｍｐは各電機子コイル６０内を径方向に鎖交するように形成される。このとき、複数の磁石４８は周方向に対向する磁極が同極となるため、周方向に隣り合う磁石４８により生じる磁路Ｍｐの回転方向は互いに逆向きとなる。たとえば、図中上側の磁石４８（ｂ）により生じる磁路Ｍｐは反時計回りとなり、図中左側の磁石４８（ｂ）により生じる磁路Ｍｐは時計回りとなる。この結果、一つの電機子コイル６０内には別々の磁石４８から生じた磁束を同じ向きにして鎖交させられる。たとえば、図中上側の電機子コイル６０（ｂ）内には、図中上側の磁石４８（ｂ）により生じる磁束と、図中左側の磁石４８（ａ）により生じる磁束とが同じ向きで鎖交させられる。

図７に示すように、電気角がπ／２のとき、第１固定子突極部６２Ａは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して、周方向の略半幅に亘り重なる位置にある。また、第２固定子突極部６２Ｂも同様である。言い換えると、第１固定子突極部６２Ａの回転子突極部４４に対する第１重なり範囲と、第２固定子突極部６２Ｂの回転子突極部４４に対する第２重なり範囲とが同等となる。これにより、第１磁気抵抗Ｒ１、第２磁気抵抗Ｒ２が同等の大きさとなる。

この結果、一つの磁石４８から生じる磁束により、その磁石４８の一方の磁極面に隣接する第１固定子コア５０Ａの第２固定子突極部６２Ｂと、他方の磁極面に隣接する第２固定子コア５０Ｂの第１固定子突極部６２Ａとを通る閉ループの磁路Ｍｐが形成される。たとえば、図中上側の磁石４８（ｂ）は、第１固定子コア５０Ａ（ｂ）の第２磁路部５６Ｂ→第２固定子突極部６２Ｂ（ｅ）、（ｆ）→回転子突極部４４（ｅ）、４４（ｆ）→回転子４０の環状基部４２→回転子突極部４４（ｃ）、４４（ｄ）→第１固定子突極部６２Ａ（ｃ）、（ｄ）→第２固定子コア５０Ｂ（ａ）の第１磁路部５６Ａを経由して元の磁石４８（ｂ）に戻る磁路Ｍｐを形成する。この磁路Ｍｐは各電機子コイル６０内を径方向に往復しており、各電機子コイル６０内を鎖交しないように形成される。

図８に示すように、電気角がπのとき、第１固定子突極部６２Ａは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して、周方向の全幅に亘り重ならない位置、つまり、周方向にずれた位置にある。また、第２固定子突極部６２Ｂは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して、周方向の全幅に亘り重なる位置にある。言い換えると、第１固定子突極部６２Ａの回転子突極部４４に対する第１重なり範囲よりも、第２固定子突極部６２Ｂの回転子突極部４４に対する第２重なり範囲の方が大きくなる。これにより、第２磁気抵抗Ｒ２より第１磁気抵抗Ｒ１が大幅に大きくなる。

この結果、一つの磁石４８から生じる磁束により、その磁石４８の一方の磁極面に隣接する第１固定子コア５０Ａの第２固定子突極部６２Ｂと、他方の磁極面に隣接する第２固定子コア５０Ｂの第２固定子突極部６２Ｂとを通る閉ループの磁路Ｍｐが形成される。たとえば、図中上側の磁石４８（ｂ）は、第１固定子コア５０Ａ（ｂ）の第２磁路部５６Ｂ→第２固定子突極部６２Ｂ（ｅ）、（ｆ）→回転子突極部４４（ｅ）、４４（ｆ）→回転子４０の環状基部４２→回転子突極部４４（ａ）、４４（ｔ）→第２固定子突極部６２Ｂ（ａ）、６２Ｂ（ｂ）→第２固定子コア５０Ｂ（ａ）の磁路接続部５４を経由して元の磁石４８（ｂ）に戻る磁路Ｍｐを形成する。

この磁路Ｍｐは、各電機子コイル６０内を径方向に鎖交するように形成される。このとき、磁路Ｍｐは、電気角が零のとき（図６参照）と比べて、電機子コイル６０内を鎖交する向きが径方向の逆向きとなる。

図９に示すように、電気角が３π／２のとき、第１固定子突極部６２Ａは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して、周方向の半幅に亘り重なる位置にある。また、第２固定子突極部６２Ｂは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して、周方向の半幅に亘り重なる位置にある。これにより、第１磁気抵抗Ｒ１、第２磁気抵抗Ｒ２が同等の大きさとなる。この結果、電気角がπ／２のときと同様の磁路Ｍｐが形成される。

以上のように、電気角が零の状態（以下、第１状態という）のとき、第１磁気抵抗Ｒ１より第２磁気抵抗Ｒ２が大幅に大きくなり、電気角が３π／２の状態（以下、第２状態という）のとき、第２磁気抵抗Ｒ２より第１磁気抵抗Ｒ１が大幅に大きくなる。回転子４０が回転すると、これら第１状態と第２状態とが交互に切り替わる。

図６、図８に示すように、一つの電機子コイル６０（たとえば、電機子コイル６０（ｂ））では、第１状態のとき、径方向の一方に向けて鎖交する磁路Ｍｐが形成され、第２状態のとき、径方向の他方に向けて鎖交する磁路Ｍｐが形成される。つまり、第１状態と第２状態との間で切り替わると、各電機子コイル６０内を鎖交する磁束の径方向での向きが反転するように切り替わり、各電機子コイル６０に交流の誘導起電力が生じる。このとき、各電機子コイル６０では同相の交流電力が生じる。このように、発電機１０では、第１状態と第２状態とが交互に切り替わるように、複数の回転子突極部４４及び複数の固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの位置が定められる。

以上の発電機１０の作用効果を説明する。
一般に、発電機の周波数ｆ（Ｈｚ）は、回転子の回転速度Ｎ（ｒ／ｍｉｎ）と、発電機の極数Ｐとの間で下記の式（１）の関係を満たす。
Ｎ＝１２０×ｆ／Ｐ ・・・ （１）

本発明者は、本実施形態に係る発電機１０において、回転子突極部４４の数を２倍した数が発電機の極数Ｐになる知見を得た。この知見は、図３に示す構造を用いた解析により得られた。この解析では、回転子４０の回転速度Ｎを１２０（ｒ／ｍｉｎ）とし、各電機子コイル６０により発電される電力の周波数ｆ（Ｈｚ）を求めた。この結果、周波数ｆは４０（Ｈｚ）であることが求められ、式（１）より、回転子突極部４４の数（２０個）を２倍した数が発電機の極数Ｐとなることが確認された。

従って、本実施形態に係る発電機１０では、所定の位置に回転子突極部４４や固定子突極部６２Ａ、６２Ｂが配置されていれば、回転子突極部４４の数が増えるほど誘導起電力の周波数が増大し、回転子４０の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすくなる。なお、誘導起電力の電圧は、電機子コイル６０を鎖交する磁束と周波数の積に比例することから、高周波数の交流電力を得られるということは、それだけ高電圧の交流電力を得られることになる。

また、第１固定子突極部６２Ａと第２固定子突極部６２Ｂが磁石４８やコイルスロット部５２を挟んだ位置に設けられ、これらの間隔を離し易くなる。よって、磁石４８によりこれらが異なる極性に励磁されても、第１固定子突極部６２Ａと第２固定子突極部６２Ｂの間での漏れ磁束の発生を抑え易くなる。このため、これらの間での漏れ磁束の発生を抑えつつ、発電機１０の回転子４０や固定子３８の外径寸法を小型化し易くなる。なお、このような第１固定子突極部６２Ａや第２固定子突極部６２Ｂの間での漏れ磁束の発生を抑えられるということは、電機子コイル６０を鎖交する磁束の低減を抑えられ、発電機１０により十分な出力の電圧を得やすくなることになる。

また、たとえば、特開２０１２−１８２９６１号に記載のような、固定子の複数の突極部のそれぞれに電機子コイルを巻き回す三相交流発電機では、回転子の磁極数の増大に伴い電機子コイルの数が増大し、それだけ高コストや組み立て性の低下を招く。この点、本実施形態では、高周波数の交流電力を得るうえで、磁石４８や電機子コイル６０の数を増やさずに回転子突極部４４の数を増やすだけでよいため、それだけ部品数を削減でき、低コストにしつつ良好な組み立て性を得られる。

また、従来のクローポール型発電機では、回転子の磁石から各固定子コアの爪部に流れる磁束は、爪部内で軸方向に向きを変えたうえで爪部の根元部に向けて流れる。この爪部の磁路方向（軸方向）と直交する磁路断面積は、爪部の径方向の厚みや周長に応じて定まる。ここで、発電機の軸長を変えずに外径寸法を小型化した場合、固定子コアの爪部は、軸長が変わらずに周方向に細くなり、磁石と対向するギャップ面が細くなるうえ、径方向の厚みが小さくなる結果、爪部の根元部での磁路断面積が小さくなる。よって、固定子コアの爪部がギャップ面で受け取った磁束は、磁路断面積が小さい爪部の根元部に集中し易くなり、根元部で磁気飽和が発生し易くなる。この結果、電機子コイルを鎖交する磁束が流れにくくなり、発電機により十分な出力の電圧を得にくくなる。

この点、本実施形態に係る発電機１０では、固定子コア５０の固定子突極部６２Ａ、６２Ｂには、軸方向ではなく径方向に向けて磁束が流れる。この固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの磁路方向（径方向）と直交する磁路断面積は、固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの軸長や周長に応じて定まり、発電機１０の外径寸法を小型化した場合でも変化しにくい。このため、発電機１０の外径寸法を小型化した場合でも、固定子コア５０の軸長を長くすることにより固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの磁路断面積を確保できる。よって、発電機１０の外径寸法を小型化した場合でも、固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの磁気飽和の発生を抑えられ、電機子コイル５０を鎖交する磁束の減少を抑え、発電機１０により十分な出力の電圧を得やすくなる。

また、第１状態と第２状態との間で切り替わる度に、１つの磁石４８により生じる磁路Ｍｐの電機子コイル６０内での向きを反転させることができ、その向きが反転しないよりも電機子コイル６０を鎖交する磁束の変化量を大きくでき、それだけ高電圧の交流電力を得やすくなる。また、第１状態と第２状態との間で切り替わる度に、１つの磁石４８を用いて１つの電機子コイル６０内で生じる磁路Ｍｐの向きを反転させることができるため、磁石４８の数を抑えつつも高電圧の交流電力を得やすくなる。

また、各第１固定子突極部６２Ａは他の第１固定子突極部６２Ａに対してλ×ｎと同等の角度でずれ、各第２固定子突極部６２Ｂは第１固定子突極部６２Ａに対してλ×（ｎ＋０．５）と同等の角度でずれる。よって、回転子突極部４４に対する各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの相対位置が揃えられ、各磁石４８から生じる磁束により形成される磁路Ｍｐの変化の仕方を合わせられ、各電機子コイル６０により同相の交流電力を得やすくできる。

また、各固定子コア５０Ａ、５０Ｂや回転子コア４６を複数の金属板を積層して構成できるため、主磁束が通る部分での渦電流による鉄損を大きく抑えられる。

［第２の実施の形態］
図１０は第２実施形態に係る発電機１０を示す断面図であり、図１１は発電機１０の電機子コイル６０を示す断面図である。回転子４０の回転子突極部４４は、図３の例では、合計２０個設けられたが、本例では合計１８個設けられる。突極ピッチλは２０°（＝３６０°／１８）となる。

固定子３８の磁石４８と固定子コア５０Ａ、５０Ｂとは、図３の例では、それぞれ合計４個設けられたが、本例では、それぞれ合計２個設けられる。また、第１固定子コア５０Ａ、第２固定子コア５０Ｂは、図３の例では、それぞれ２個ずつ設けられたが、本例では、それぞれ１個ずつ設けられる。また、第１固定子突極部６２Ａ、第２固定子突極部６２Ｂは、図３の例では、第１磁路部５６Ａ、第２磁路部５６Ｂに２つずつ設けられたが、本例では４つずつ設けられる。このように、回転子突極部４４、固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの数は特に限られない。

以上の発電機１０の動作を図１２〜図１５を用いて説明する。各図は回転子４０が電気角でπ／２ずつ方向Ｐに回転したときの状態を示す。図１２、図１４では、回転子コア４６等を流れる磁束のうち、主磁束の流れを主に示し、漏れ磁束の流れは省略する。また、図１３、図１５では、漏れ磁束の流れを示す。以下では図１２の位置関係にあるときの電気角が零であり、図１３〜図１５では電気角がπ／２、π、３π／２であるとする。

図１２に示すように、電気角が零のとき、第１固定子突極部６２Ａは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して、周方向の全幅に亘り重なる位置にある。第２固定子突極部６２Ｂは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して、周方向の全幅に亘り重ならない位置、つまり、周方向にずれた位置にある。言い換えると、第１固定子突極部６２Ａの回転子突極部４４に対する第１重なり範囲の方が、第２固定子突極部６２Ｂの回転子突極部４４に対する第２重なり範囲より大きくなる。これにより、第１実施形態と同様に、各電機子コイル６０内を径方向に鎖交するように閉ループの磁路Ｍｐが形成される。

図１３に示すように、電気角がπ／２のとき、第１固定子突極部６２Ａは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して、周方向の半幅に亘り重なる位置にある。また、第２固定子突極部６２Ｂは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して、周方向の半幅に亘り重なる位置にある。言い換えると、第１固定子突極部６２Ａの回転子突極部４４に対する第１重なり範囲と、第２固定子突極部６２Ｂの回転子突極部４４に対する第２重なり範囲とが同等となる。これにより、第１実施形態と同様に、各電機子コイル６０内を径方向に往復するように閉ループの磁路Ｍｐが形成される。

図１４に示すように、電気角がπのとき、第１固定子突極部６２Ａは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して、周方向の全幅に亘り重ならない位置、つまり、周方向にずれた位置にある。第２固定子突極部６２Ｂは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して、周方向の全幅に亘り重なる位置にある。言い換えると、第１固定子突極部６２Ａの回転子突極部４４に対する第１重なり範囲よりも、第２固定子突極部６２Ｂの回転子突極部４４に対する第２重なり範囲の方が大きくなる。これにより、第１実施形態と同様に、各電機子コイル６０内を径方向に鎖交するように閉ループの磁路Ｍｐが形成される。

図１５に示すように、電気角が３π／２のとき、第１固定子突極部６２Ａは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して、周方向の半幅に亘り重なる位置にある。また、第２固定子突極部６２Ｂは、回転子４０の径方向から見て、その近傍の回転子突極部４４に対して、周方向の半幅に亘り重なる位置にある。これにより、電気角がπ／２のときと同様の磁路Ｍｐが形成される。

本発明者は、以上の発電機１０においても、回転子突極部４４の数を２倍した数が発電機の極数Ｐになる知見を得た。この知見は、図１０に示す構造を用いた解析により得られた。この解析では、回転子４０の回転速度Ｎを１２０（ｒ／ｍｉｎ）とし、各電機子コイル６０により発電される電力の周波数ｆ（Ｈｚ）を求めた。この結果、周波数ｆは３６（Ｈｚ）であることが求められ、式（１）より、回転子突極部４４の数（１８個）を２倍した数が発電機の極数Ｐとなることが確認された。

従って、本実施形態に係る発電機１０によっても、第１実施形態と同様、回転子突極部４４の数が増えるほど誘導起電力の周波数が増大し、回転子４０の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすくなる。この他の点でも、第１実施形態と同様の作用効果を得られる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

発電機１０は自転車用発電機を例に説明したが、その用途はこれに限られない。また、発電機１０は、自転車用発電機とする場合、自転車１２の回転部の回転に連動して回転子４０が回転可能であればよい。ここでの回転部は、車輪としての前輪２２を例に説明したが、ハブシェル、クランクの他、リアディレイラー（チェーンテンショナー）のプーリー等でもよい。また、発電機１０は、ハブダイナモではなくローラーダイナモ等として構成されてもよい。発電機１０はアウターロータ型発電機を例示したが、固定子３８の内周側に回転子４０が配置されるインナーロータ型発電機でもよい。

固定子３８は、第１固定子コア５０Ａ、第２固定子コア５０Ｂが別体に構成される例を説明したが、これらが一体に構成されてもよい。また、固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの幅は、回転子突極部４４の幅ｗと同等である例を説明したが、回転子突極部４４の幅ｗ以下でもよいし、回転子突極部４４の幅ｗ以上でもよい。

回転子突極部４４、固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの位置は、図示の例に限られず、第１磁気抵抗より第２磁気抵抗が大きい第１状態と、第２磁気抵抗より第１磁気抵抗が大きい第２状態とが交互に切り替わるように定められていればよい。

この条件を満たすうえで、第１状態では、第１固定子突極部６２Ａの回転子突極部４４に対する第１重なり範囲の方が、第２固定子突極部６２Ｂの回転子突極部４４に対する第２重なり範囲より大きくなるようにしてもよい。また、この条件を満たすうえで、第２状態では、第１重なり範囲よりも第２重なり範囲の方が大きくなるようにしてもよい。

たとえば、図６、図１２では、第１状態にあるとき、第１重なり範囲は第１固定子突極部６２Ａの周方向の全幅に亘る範囲であり、第２重なり範囲はない例を説明した。この他にも、第１状態にあるとき、たとえば、第１重なり範囲は図示の例と同じ範囲としつつ、第２重なり範囲は、第２固定子突極部６２Ｂの近傍の回転子突極部４４に対して、第２固定子突極部６２Ｂの半幅以下の範囲に亘り重なる範囲としてもよい。このとき、第２固定子突極部６２Ｂは、第１重なり範囲よりも第２重なり範囲の方が小さくなるように、一つの回転子突極部４４に対して周方向にずれた位置にあることになる。

同様に、図８、図１４では、第２状態にあるとき、第１重なり範囲はなく、第２重なり範囲は第２固定子突極部６２Ｂの周方向の全幅に亘る範囲である例を説明した。この他にも、第２状態にあるとき、たとえば、第２重なり範囲は図示の例と同じ範囲としつつ、第１重なり範囲は、第１固定子突極部６２Ａの近傍の回転子突極部４４に対して、第１固定子突極部６２Ａの半幅以下の範囲に亘り重なる範囲としてもよい。

１０…発電機、１２…自転車、２２…前輪（回転部）、２６…ハブ、３８…固定子、４０…回転子、４４…回転子突極部、４６…回転子コア、４８…磁石、５０Ａ…第１固定子コア、５０Ｂ…第２固定子コア、５２…コイルスロット部、５６Ａ…第１磁路部、５６Ｂ…第２磁路部、６０…電機子コイル、６２Ａ…固定子突極部、６２Ａ…第１固定子突極部、６２Ｂ…第２固定子突極部。

Claims (7)

1. 回転子と、
   周方向に間隔を空けて配置され、周方向に対向する磁極が同極となる複数の磁石と、前記磁石の周方向両側に配置されるコイルスロット部を含む固定子コアと、前記磁石を周方向に跨ぐように前記コイルスロット部間に巻き回される電機子コイルと、を有する固定子と、を備え、
   前記回転子は、周方向に間隔を空けて形成される複数の回転子突極部を含む回転子コアを有し、
   前記固定子コアは、前記コイルスロット部に対して周方向の一方に隣接する磁路部に前記回転子と対向して設けられる第１固定子突極部と、前記コイルスロット部に対して周方向の他方に隣接する磁路部に前記回転子と対向して設けられる第２固定子突極部と、を有することを特徴とする発電機。
2. 前記第１固定子突極部と前記回転子突極部の間の磁気抵抗を第１磁気抵抗とし、前記第２固定子突極部と前記回転子突極部の間の磁気抵抗を第２磁気抵抗とした場合に、前記回転子が回転するとき、前記第１磁気抵抗より前記第２磁気抵抗が大きい第１状態と、前記第２磁気抵抗より前記第１磁気抵抗が大きい第２状態とが交互に切り替わるように、前記複数の回転子突極部、前記第１固定子突極部及び前記第２固定子突極部の位置が定められることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
3. 前記回転子の回転中心に関して径方向から見て、前記第１固定子突極部が近傍の前記回転子突極部に対して周方向に重なる範囲の方が、前記径方向から見て、前記第２固定子突極部が近傍の前記回転子突極部に対して周方向に重なる範囲より大きい状態を第１状態とし、
   前記径方向から見て、前記第１固定子突極部が近傍の前記回転子突極部に対して周方向に重なる範囲より、前記径方向から見て、前記第２固定子突極部が近傍の前記回転子突極部に対して周方向に重なる範囲の方が大きい状態を第２状態としたとき、
   前記第１状態と前記第２状態とが交互に切り替わるように、前記複数の回転子突極部、前記第１固定子突極部及び前記第２固定子突極部の位置が定められることを特徴とする請求項１または２に記載の発電機。
4. 前記複数の回転子突極部は、所定の角度λと同等の角度で周方向にずらした位置に配置され、
   前記第１固定子突極部は、他の第１固定子突極部に対してλ×ｎ（ｎは１以上の自然数）と同等の角度で周方向にずらした位置に配置され、
   前記第２固定子突極部は、前記第１固定子突極部に対してλ×（ｎ＋０．５）と同等の角度で周方向にずらした位置に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発電機。
5. 前記回転子コア及び前記固定子コアは、前記回転子の回転中心の軸線方向に複数の金属板を積層して構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発電機。
6. 本発電機は、自転車の回転部の回転に連動して前記回転子が回転可能な自転車用発電機であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発電機。
7. 本発電機は、自転車のハブダイナモであることを特徴とする請求項６に記載の発電機。

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