JP3680213B2 - 三相磁石式発電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オートバイ（自動二輪車）などに搭載され、バッテリを充電するとともに前照灯など電気負荷に電力を供給する三相磁石式発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、オートバイ用の三相磁石式発電機には、小型化が要求されると同時に、電気負荷の増加に伴う低回転側での出力電流の増大が要求されている。
【０００３】
しかし、コイルの巻線スペースの縮小化に伴い大径のコイルを用いることができず、また、低回転側での出力電流の増大に伴い高回転側での出力電流も増大することになり、このため、従来の三相磁石式発電機つまり回転子の極数２ｎ、固定子の極数３ｎ（ｎ：任意の整数）の三相磁石式発電機では、高回転側の出力電流を抑えることができず、コイル温度が高くなるという問題があった。
【０００４】
特開２００１−１１２２２６には、図１０に示すように、回転子の極数を１６極、固定子の極数を１８極とし、固定子を図１１に示すように結線した三相磁石式発電機が開示されている。この三相磁石式発電機によると、回転子の極数が従来の１２極から１６極に増えたことにより周波数が高くなって電圧が高くなり、低回転側の出力電流が増大するとともに、１極当たりの磁石が小さくなって高回転側の出力電流が減少するため、コイル温度を低下させることができる。しかし、図１２に示すように、同一相内に電気角で２０°の位相差が発生するため出力電圧が低下し、この低下を補うためには磁石を大型化する必要があり、このためコスト高になるという問題がある。また、位相合わせのために略１８０°対向した極に連続して巻線するようにしているため、渡り線が長くなるとともに、離れた位置にある極の引き出し線を１箇所に集めてリード線と結線できるよう整形する必要があり、整形工数が多くかかるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決し、固定子は従来一般的な三相磁石式発電機の固定子と同様に構成するとともに回転子の構造に工夫を施すことによって、安価で、しかも、低回転側の出力電流の増大により充電性能を向上させるとともに高回転側の出力電流の減少によりコイル温度を低下させることができる三相磁石式発電機を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決し、各極において同一の巻線方向を有し、渡り線は２極飛びに配線されるとともに、コイルが巻かれた極数３ｎ（ｎ：任意の整数）の固定子と、永久磁石が固定された極数４ｎの回転子とを有し、三相を形成する複数の前記コイルは、前記コイルの始点と他の前記コイルの終点が、また前記コイルの終点と別の前記コイルの始点が接続されていることにより、閉鎖回路を形成したことにより、固定子について従来技術（特開２００１−１１２２２６）と比べ渡り線が短く整形工数が少なくなり、また、低回転側において出力電流を増大させ、高回転側において出力電流を減少させることができる。
【０００７】
さらに、三相を形成する複数の前記コイルに形成される電気角は、２４０°である。
また、本発明の三相磁石式発電機は、自動二輪車に搭載され、バッテリを充電するとともに電気負荷に電力を供給するものである。
また、閉鎖回路の三相を形成する複数の前記コイルは、前記コイルの始点と他の前記コイルの終点が、また前記コイルの終点と別の前記コイルの始点が接続されるとともに、その接続された結線が引き出されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１は、一実施形態に係る三相磁石式発電機の断面図、図２は、図１図示II−II線による断面図、図３は、固定子のコイル結線図、図４は、出力電圧のベクトル図、図５は、外部特性グラフ、図６は、出力電流グラフ、図７は、本実施形態の比較例としての従来一般的な三相磁石式発電機の断面図、図８は、同比較例の固定子のコイル結線図、図９は、同比較例の出力電圧のベクトル図をそれぞれ示す。
【００１０】
図１及び図２において、本実施形態に係る三相磁石式発電機は、回転子１００と固定子２００とにより構成される。
【００１１】
回転子１００は、磁性体からなるロータ１１を備える。ロータ１１は、熱間鍛造後切削により仕上げ加工されてなる。ロータ１１の中央のボス部１１ａの内側には、図示しないエンジンのクランクシャフトに嵌合されるテーパ部１１ｂが形成されている。その他、ボス部１１ａには、図示しないナット等を用いてロータ１１をクランクシャフトに締め付け固定させたときの締め付け座面となる端面１１ｃ、及び、ロータ１１をクランクシャフトから外す際に利用される抜きねじ部１１ｄが形成されている。ロータ１１の端面部１１ｅには、冷却用の窓穴１１ｆが複数個設けられている。ロータ１１の円筒状の外周部１１ｇはヨークを構成している。ロータ外周部１１ｇの内側に、非磁性体からなるリング状のスペーサ１２、円周方向に等間隔に配置された複数個の永久磁石１３、及び、ロータ外周部１１ｇに圧入された非磁性体からなるリング状の位置決めケース１４が、クランクシャフトの軸方向に沿って順に配設されている。複数個の永久磁石１３は、位置決めケース１４に形成された凸部１４ａによって円周方向に等間隔となるよう位置決めされるとともに、永久磁石１３の内側に磁石保護リング１５を圧入しロータ外周部１１ｇの先端１１ｈを巻きかしめすることによってロータ１１に固定されている。なお、磁石保護リング１５は、ステンレス板をプレス加工して形成されている。
【００１２】
固定子２００は回転子１００の内側に配設されている。固定子２００は積層コア２１を備える。積層コア２１は、鉄板をプレス加工したものを複数枚積層し、リベット２２をかしめることによって一体化されてなる。積層コア２１の表面はエポキシ樹脂等で絶縁されており、この積層コア２１に巻線用銅線を巻装して発電コイル２３が形成されている。固定子２００は、積層コア２１に形成されたねじ締め穴２１ａに図示しない取付ボルトをねじ込むことによって図示しないエンジンケースに固定される。
【００１３】
次に、図２〜図４に基づき、本発明に係る三相磁石式発電機の固定子２００の極数、コイル結線方法及び回転子１００の極数並びに固定子２００の出力電圧について、従来一般的な三相磁石式発電機（図７〜図９）と比較しながら説明する。
【００１４】
本発明における固定子２００の極数は、３ｎ（ｎ：任意の整数）である。これに対し、従来一般的な三相磁石式発電機の固定子２００の極数も３ｎである。したがって、ｎ＝４の場合、図２及び図７を参照すれば明らかなように、本発明の固定子２００の極数は、従来の固定子２００の極数と同じ１２となる。
【００１５】
また、本発明における固定子２００のコイル２３の結線方法は、図３に示す通りであり、図８に示した従来の固定子２００のコイル２３の結線方法と同じであり、すべての極において巻線方向は同一であり、また、２極飛びで渡り線が配線される。したがって、渡り線は２極分の長さで済むため、従来技術（特開２００１−１１２２２６）のような長い渡り線を必要としなくなり、また、従来技術（特開２００１−１１２２２６）と比べコイルの引き出し整形が容易になる。
【００１６】
一方、本発明における回転子１００の極数は、４ｎ（ｎ：任意の整数）である。これに対し、従来一般的な三相磁石式発電機の回転子１００の極数は２ｎである。したがって、ｎ＝４の場合、図２及び図７を参照すれば明らかなように、従来の回転子１００の極数は８であるのに対し、本発明における回転子１００の極数は１６となる。
【００１７】
したがって、ｎ＝４の場合、図２及び図７に示すように、従来の固定子２００の機械角は３０°、電気角は１２０°であるのに対し、本発明における固定子２００の機械角は３０°、電気角は２４０°となり、また、従来の回転子１００の機械角は４５°、電気角は１８０°であるのに対し、本発明における回転子１００の機械角は２２．５°、電気角は１８０°となる。このため、図４及び図９を参照すれば明らかなように、本発明における固定子２００の出力電圧は、従来の固定子２００の出力電圧に対し、相の順序は逆になるものの相間位相差は１２０°となり同一相内での位相差は発生しない。したがって、位相差に起因する出力電圧の損失は発生せず、従来技術（特開２００１−１１２２２６）のように損失を補うために永久磁石を大型化する必要が無くなる。
【００１８】
次に、本発明による三相磁石式発電機（図１〜図４）の外部特性と従来一般的な三相磁石式発電機（図７〜図９）の外部特性とを比較すると、図５に実験結果として示すように、本発明による三相磁石式発電機の場合、従来一般的な三相磁石式発電機と比べ、低回転（１０００ｒｐｍ）から高回転（５０００ｒｐｍ）にわたり電流が減少するとともに電圧が増大することが判明した。このような実験結果は、電流については、１極当たりの永久磁石１３を小さくしたことから電流は減少し、また、電圧については、永久磁石１３の小型化により電圧は減少するが、回転子１００の極数を２倍にしたことから周波数が２倍となり、その結果電圧は増大したと考察される。
【００１９】
また、電圧Ｖを一定として出力電流を測定すると、図６に示すように、低回転（１０００ｒｐｍ）では、本発明による出力電流が従来技術による出力電流よりも大きくなり、その結果バッテリへの充電電流が増大する。一方、高回転（５０００ｒｐｍ）では、本発明による出力電流が従来技術による出力電流よりも小さくなり、その結果コイル温度は大幅に低下する。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の三相磁石式発電機によると、固定子の極数は従来一般的な固定子と同様３ｎ（ｎ：任意の整数）に設定し、回転子の極数を従来一般的な回転子の２倍の４ｎに設定したため、従来技術（特開２００１−１１２２２６）と比べコスト低減を図ることができるとともに、従来一般的な三相磁石式発電機と比べ、低回転側で出力電流の増大を図り、高回転側で出力電流の減少を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る三相磁石式発電機の断面図である。
【図２】図１図示II−II線による断面図である。
【図３】固定子のコイル結線図である。
【図４】出力電圧のベクトル図である。
【図５】外部特性グラフである。
【図６】出力電流グラフである。
【図７】本実施形態の比較例としての従来一般的な三相磁石式発電機の断面図である。
【図８】同比較例の固定子のコイル結線図である。
【図９】同比較例の出力電圧のベクトル図である。
【図１０】先行技術文献に記載の三相磁石式発電機の断面図である。
【図１１】同文献における固定子のコイル結線図である。
【図１２】同文献における出力電圧のベクトル図である。
【符号の説明】
１００ 回転子
１１ ロータ
１３ 永久磁石
２００ 固定子
２３ 発電コイル

Claims (4)

1. 各極において同一の巻線方向を有し、渡り線は２極飛びに配線されるとともに、コイルが巻かれた極数３ｎ（ｎ：任意の整数）の固定子と、永久磁石が固定された極数４ｎの回転子とを有し、三相を形成する複数の前記コイルは、前記コイルの始点と他の前記コイルの終点が、また前記コイルの終点と別の前記コイルの始点が接続されていることにより、閉鎖回路を形成していることを特徴とする三相磁石式発電機。
2. 請求項１において、三相を形成する複数の前記コイルに形成される電気角は、２４０°であることを特徴とする請求項１記載の三相磁石式発電機。
3. 請求項１または２において、自動二輪車に搭載され、バッテリを充電するとともに電気負荷に電力を供給することを特徴とする三相磁石式発電機。
4. 請求項１乃至３において、前記閉鎖回路の三相を形成する複数の前記コイルは、前記コイルの始点と他の前記コイルの終点が、また前記コイルの終点と別の前記コイルの始点が接続されるとともに、その接続された結線が引き出されていることを特徴とする三相磁石式発電機。

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