JP3724416B2 - 軸方向分割混成磁極型ブラシレス回転電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はブラシレス構造の回転界磁型同期機における、特に磁石を利用した界磁回転子の構造に関するものであり、山岳地帯や無人島の通信施設電源用などの風力発電機や、車両用エンジン直結始動機兼発電電動機などに好適のものである。
【０００２】
【従来の技術】
メンテナンスフリー化のネックはブラシであり、これをなくしたいわゆるブラシレス方式にすることが考えられるが、界磁巻線を固定して磁極を回転する都合より電機子を経る磁束通路にはエアギャップの数が増えることになり出力が低いという問題があった。具体的には爪状磁極を有するランデル型回転子では通常一つの磁束ループに介在するギャップは二つであるが、同ランデル型のブラシレス構造でギャップ数が２倍に増えて４つなり、出力低下をきたす問題が在った。これに対して、巻線起磁力を増したり前記爪状磁極間に永久磁石を介在して磁束を補足し出力低下を防ぐ技術も公知であるが、エアギャップがあるために界磁電流を遮断しても永久磁石の磁束が界磁鉄心側に完全に短絡せず出力がゼロに抑制できず、そのために強い磁石の使用が出来ずその結果、せっかく磁石を追加しても出力が限定されるという問題点が残った。また元々爪状磁極が片持ち梁構造で遠心力に対して変形しやすいのに加えて多くの永久磁石がそれら爪状磁極に質量付加される為に高回転に対して耐久性が弱くその結果せっかく磁石を追加しても出力が限定されるという問題点が残った。
【０００３】
また、永久磁石を用いたブラシレス回転機は電機子鎖交磁束が制御できない問題点があることが致命的問題点であったが、近年は交流大電流のベクトル制御技術が進歩した結果、電機子電流を回転子座標において磁石磁界を加減制御することが容易に行えるようになったが、反面で制御装置や電力変換装置が高価につく問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術の問題点を解決すべく、本発明は永久磁石を利用するブラシレスでありながら、▲１▼出力低下がなく、▲２▼従来のような界磁巻線電流制御で電機子鎖交磁束量の制御が可能であり、▲３▼耐高速性に優れる、という新しい回転機構造を見出すことを課題としている。それにより本発明は、小型軽量高性能とブラシメンテナンスフリーの両立を達成することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題の解決のための、請求項１に示した構成について説明する。すなわち、空間的に固定された電機子とこれに空隙面を介して回転磁界を与える回転界磁子とからなり、前記回転界磁子の前記空隙面には、界磁鉄心の一部よりなる磁極基礎部の上に、永久磁石を起磁力源とする磁石源磁極と、巻線電磁石を起磁力源とする巻線源磁極とを軸方向と磁極ピッチとに関して飛び飛びに市松模様状の配置として混成磁極群を形成し、さらに前記磁極基礎部を軸方向に分割してその磁極基礎部よりも内奥部の、かつ電機子よりも小径となる部位において空間的に固定した界磁巻線を配設する。
【０００６】
この構成により前記課題が次のように解決される。すなわち、まず界磁磁界を形成するために永久磁石と界磁巻線との両方を使う構成としている上に、前記界磁巻線は小巻径としており抵抗値の割りに巻数が多く稼げるので所定印加電圧に対して巻数×電流値すなわち起磁力が増せて大きな出力が得られ、前述課題の一つ目である出力低下の克服が可能となる。また磁石磁極と界磁巻線磁石を混用して合成磁束が電機子に鎖交して電圧を発生する構成であり、前述課題の二つ目である界磁巻線電流を制御することによる電機子からの出力の制御、が可能となる。また永久磁石は飛び飛びの配置すなわち数が通常の磁石発電機の半分と少ないために質量も小さく、数が少ないことからこの耐遠心力に耐えることが容易となり、しかも磁極の基礎部の鉄心が爪状磁極のような片持ち梁構造でなく円筒状であるために回転に対する変形にも強くなり前述課題の三つ目である耐高速性に優れることとなる。
【０００９】
前記軸方向分割部において対向する前記両界磁鉄心の端面に、出力増加の際に現れる前記両界磁鉄心の極性と同じ方向となる、すなわち対抗する方向の起磁力を与える永久磁石を前記軸方向分割部に配置する構成とする。
【００１０】
この構成により前記課題が次のように解決される。すなわち、前述構成１に述べたように界磁巻線の磁気回路と並設して、磁極基礎部となる界磁鉄心の上に永久磁石すなわち固定起磁力を配置しているために、通常は界磁電流をゼロにしただけでは回転機の出力がゼロにできず、トランジスタのＨブリッジ構成などにより界磁電流の方向を逆転した通電制御を必要とするが、この構成をとる場合には、前記のように大きな反抗磁界を界磁鉄心両端面間に与えても、電機子への鎖交磁束を抑制することができる。すなわちそれを見こんでこの逆バイアス磁石を強くしてこれから供給する磁束量を増すことが出きるので、界磁巻線の側からの供給と相加わる磁束量が増して格段に高出力化できることになる。すなわち同一定格出力の条件のもと小型化設計が可能となる。
【００１１】
次に前記課題の解決のための、請求項２に示した構成について説明する。すなわち、前記界磁回転子を前記電機子の外径側に配置し前記界磁巻線を前記電機子の内径側に配置する。
【００１２】
この構成により前記課題が次のように解決される。すなわち、前述構成により永久磁石は椀状の界磁鉄心の内径側に固設されることとなるために界磁回転子は耐遠心力性にきわめて優れることとなり、上記のように大きく外径側に配置しても耐高速性を損なうこともなく、出力能力を支配する空隙径を格段に大きく出来、また他方で界磁巻線は巻装径が小さい為に抵抗値の割りに巻数が稼げるので、前述課題の一つ目である出力低下の抑止ばかりか大きく出力向上が図れることとなる。
【００１３】
次に前記課題の解決のための、請求項３に示した構成について説明する。すなわち、前記電機子を軸方向に分割、または複数個配列して、それらの軸方向の空間から界磁巻線を吊り下げて固定する。
【００１４】
この構成により前記課題が次のように解決される。すなわち、電機子を分割したから前記界磁巻線の強度の高い吊り下げ固定が可能となり、その結果界磁巻線量も増やすことが出来、前述の課題の一つ目である出力維持向上が達成されることとなる。また電機子や界磁巻線の通風性もより改善されこの課題のより高度な達成が可能となる。
【００１５】
次に前記課題の解決のための、請求項４に示した構成について説明する。すなわち、電機子巻線として平角導体の整列巻きまたは集中巻き、またはトロイダル巻きとする。
【００１６】
この構成により前記課題が次のように解決される。すなわち従来一般的な分布巻きでは、電機子巻線のエンドターンが大きくなり、その結果電機子の軸方向が大きいが、上記巻線方式によるとそれが小さく出来、前述のように軸方向にタンデム配置しても回転機全長を大きく伸ばすこともなく、回転子界磁鉄心軸長も短くてすみ、その結果界磁鉄心で失われる起磁力損失も少なくてすみ、前述の一つ目の課題である出力の維持向上が達成される。また回転子を大きく延ばす必要がないために高速回転でのふれ回りなどの阻害要因も抑止でき、前述課題の三つ目が阻害されることもなく達成できることとなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
本発明を車両用交流発電機に適用した第１実施例を図１、図２、図５を用いて説明する。
【００１８】
まず図１において、アルミ製の非磁性ハウジング１に図示なき締結ボルトにより挟持固定された軸長約３５ｍｍ，外径約１３５ｍｍの電機子鉄心２０１には、図５に示す第１三相巻線５９１と第２三相巻線５９２とが巻装されている。これらの導体は断面が略平角であり、前記鉄心の巻線収納スロットにおいて約７５％の導体／スロット面積比率の占積率となっている。これら巻線の総称である図１の電機子巻線２０２は図１に示す部位９に収納された整流器５９３に接続されている。前記電機子鉄心２０１の内径には、第１回転界磁鉄心３０１と第２回転界磁鉄心３０２とが空隙面３０３を介して対向しており、該第１、第２界磁鉄心は、前記空隙面３０３の直下において、軸方向分離部３０４を有し、また一方シャフト８に嵌合する中心部に近いボス部を経て断面略Ｕ字状に磁気的に連接している。界磁巻線４０１は、このＵ字部の谷間に相当する位置において界磁ボビン支持部材４０３は、前記軸方向分離部３０３を通過して前記電機子鉄心２０１の積層鉄板内に挟持されたに固定されて、前記界磁巻線４０１を断面形状において宙吊り態様にて空間的に固定されている。
【００１９】
なお前記界磁鉄心には冷却用ファン５０５、またハウジング１には通風孔５０６があり、また前記界磁鉄心３０１、３０２と界磁巻線４０１は空間的に隙間を有しており界磁巻線冷却風５０７が、これらの間を流れる構成となっている。前記界磁鉄心はシャフト８、またそれを回転支承する軸受により電機子鉄心に対して回転できるようになっており、図示なき車両エンジンにから動力をベルト伝動されるプーリが、該シャフトに設けられており、前記界磁鉄心は回転駆動力を得て回転する関係に構成されている。また前記電機子巻線５９１、５９２（図１での２０２）はそれぞれ図５の整流器５９３に接続された後に正極出力端子５９５に接続されて直流出力を発生する。また該直流出力の一部は前記界磁巻線４０１に、正逆両方向と大きさの加減をすべき（細部図示は省略しているが）トランジスタＨブリッジ回路を有する界磁制御装置５９６に導かれている。
【００２０】
次に回転子の磁気回路構造の詳細について図１、図２を参照して説明する。
【００２１】
第１回転界磁鉄心３０１と第２回転界磁鉄心３０２とは電機子鉄心２０１と約０．５ｍｍの空隙面３０３を介して対向する面に、クサビ状の溝を電気角３６０°ピッチすなわち一磁極ピッチおきに具備しており、その溝の底部は図２に示す磁極の基礎部３９１、３９２は、隣の非磁石磁極部５０２と連続体となっており界磁鉄心３０１または３０２の一部となっている。前記クサビ状溝部には前記磁極基礎部に接してクサビ状の永久磁石が嵌装しており、該永久磁石は前記のそれぞれが接している前記基礎部３９１、３９２の磁極性に対向する向きにそれぞれ着磁されている。これら永久磁石磁極と非磁石磁極とは、軸方向分離部３０４と、前記磁極ピッチを半周期とした飛び飛びの市松模様状となっており、電機子巻線２０２のあるコイル単位からみたときの前記界磁回転子の外径面の磁極の極性は、第１回転界磁鉄心上の磁極も、第２回転界磁鉄心上の磁極も同一極性となって該コイル単位に作用する位置関係となっている。さらに前記永久磁石の径外側の面には筒状の０．３ｍｍの厚さの非磁性ステンレスよりなる磁石保護バンド５０３が前記界磁鉄心３０１、３０２それぞれの外径を含めて包むように嵌装されている。
【００２２】
また前記第１、第２回転界磁鉄心は、前記空隙面３０３の直下において、軸方向に約６ｍｍの分離部３０４を有している。界磁ボビン支持部材４０３には、この分離部３０４の間を通過する部分において界磁逆バイアス用リング状磁石を固設保持し、前記界磁巻線４０１により回転界磁鉄心３０１，３０２間の軸方向分離部３０４に形成される磁界と逆方向の向きに、前記界磁電磁石起磁力と同程度の強い起磁力を与えるように着磁されていて、前記両回転界磁鉄心に対して約１ｍｍ程度のギャップを介して対面している。また界磁回転子全長約６５ｍｍに対して前記界磁巻線は、軸長約２０ｍｍでその定格界磁巻線起磁力は約１６００ＡＴとなっており、前記第１回転界磁鉄心と第２回転界磁鉄心とはその接触面の表面粗さによりもたらされる極僅かな数十から数百ミクロン前後の平均空間ギャップを有して、界磁巻線４０１の内径部とシャフト８の間のボス状部にて突き当てられ接触して、磁気的に連接して一体の界磁鉄心となっている。また前記磁石磁極の磁石と界磁逆バイアス用リング磁石とはネオジム鉄ボロン系の希土類磁石である。
【００２３】
次に以上の構成の作動について説明する。電機子が磁束を受けて発電し整流され、発電の結果蓄電池が充電され、電圧が上昇し、その上昇が所定値に達すると、前記界磁電流を遮断するという基本的な作動については、一般の車両用交流発電機と同様であり詳述を省略する。以下磁気回路の作動を界磁巻線の電流との関係で説明する。
【００２４】
界磁巻線の電流がフルに流れている時図２中に示しているように回転子の第１界磁鉄心にＮ、また第２回転界磁鉄心にＳ磁極性があらわれているとすると、磁極基礎部（磁石収納溝底部にも相当）と逆極性を電機子に与えるように着磁された永久磁石磁極の表面は第１界磁側がＳ、第２側がＮとなり、回転子の外径面の磁極極性は市松模様状となっており、シャフト８の回転とともに電機子鉄心２０１には交互にＮＳ交番磁界が与えられ、最大出力の発電をする。また界磁電流が弱まると、前記非磁石磁極は界磁巻線による励磁が弱まるが、前記永久磁石による磁束が残っているのでやや弱い発電をする。また界磁電流がゼロになると、界磁巻線の起磁力はなくなり永久磁石磁極の磁束だけで弱い発電ができる。
【００２５】
界磁電流を逆方向に流すと、前記逆バイアス磁石の磁束を界磁巻線側の回路に全て引き込むことが出来、また前記界磁鉄心上の永久磁石磁束を打ち消すように界磁鉄心磁極から電機子鉄心さらに界磁鉄心磁極に沿う磁束を流すことができて、完全に出力をゼロにできる。この界磁逆バイアス磁石は前記界磁巻線の発生する起磁力に相当する程度の大きなものである。また界磁巻線を回転界磁鉄心が囲包するようにそれらの内部に収納する配置としているために、巻装平均径が小さくそのために抵抗値の割りに巻数が多く出来て、大きな起磁力を発生させることができる。このために他方ではバランス上前記のされざれの永久磁石の強さを強くできるので、これら双方あいまっての高出力化効果をもたらすこととなる。
【００２６】
また、前記構成にのべたように界磁巻線を固定子から吊り下げ固定しているので、磁気回路の実質的エアギャップは空隙面３０３のみで済んでおり、前述従来技術の問題点で述べたような従来一般のブラシレス特有のギャップでの磁気損失もなく、出力低下の要因を排除することができる。また電機子には平角導体で整列した巻線を施してそのエンドターン部も低いので、本発明の目的とする発電機の小型化についての効果を奏している。
【００２７】
以上の構成し、また各構成要素が作用するので、従来技術の問題点として最初に述べたような出力低下がなく従来のような界磁巻線電流制御で電機子鎖交磁束量の制御が可能でありまた耐高速性に優れる、という三つの課題を達成できるすなわち小型軽量高性能とブラシメンテナンスフリーの両立を達成するという本発明の目的を達成することが出来るのである。
【００２８】
［第２の実施形態］
次に図３に示す第２実施例について説明する。前記第１実施例では第１，第２回転界磁鉄心をともに塊状の鉄心とし、また磁石の外径に非磁性ステンレスの磁石保護バンドとを構成する例を示したが、本第２実施例では、同図に示すように、前記界磁鉄心の前記磁極基礎部３９１、３９２の外径にリング状積層鉄板を嵌装し、かつその積層体には、前記空隙面とは反対側において回転周方向に略等間隔にスロットを設け、該スロットに径方向着磁永久磁石３９３を収納し、該永久磁石部位と他の部位とをＮＳ交互極性とする。
【００２９】
この構成により前記の非磁性磁石保護バンドを必要としないばかりか、磁極が全体として積層鉄心となるために磁極表面の高周波磁界による損失が軽減され前述の一つ目の課題である高性能化が達成され、また単一の磁石保護バンドと異なり、万一多少のリングの損傷があったとしも前記永久磁石３９３の飛散を防止することができるという高回転耐久性の高い信頼性を確保できるという効果を奏する。
【００３０】
［第３の実施形態］
次に図４に示す第３実施例について説明する。前記第１、第２実施例では電機子鉄心の内部に回転界磁鉄心や空隙面が配置されている例を示したが、本第３実施例では、同図に示すように界磁回転子６０５１、６０５２を前記電機子６０７の外径側に配置し界磁電流調整器６０４に接続された前記界磁巻線６０６を前記電機子６０７の内径側に配置している。
【００３１】
前記電機子６０７は、非磁性金属材よりなる電機子支持体６０５５に固定され、該支持体６０５５は、前記回転子６０５２、６０５４と磁気的に連接するところの固定界磁鉄心６０５１に固定されている。該界磁鉄心６０５１は、アルミダイカストなどからなるハウジング６０３に固定され、該ハウジング６０３は車両エンジンハウジング６０１に固定されている。前記界磁回転子６０５２、６０５４は、図示なきエンジンクランクプーリにより駆動される。
【００３２】
発電機プーリ６０２を固定して前記ハウジング６０３に軸承された回転軸６０９に固定され、プーリ６０２の回転力を受けて回転する。前記界磁回転子６０５２には、その一部である非磁石界磁鉄心磁極６０８２若しくは回転界磁鉄心６０５２と、磁石磁極６０８１若しくは回転界磁鉄心６０５４とが、設けられており、それらは軸方向中間位置において非磁性材にて磁気的に遮断され、かつ非磁性の回転界磁鉄心固定用部材６０５３により相互に固定され、回転子としての構造体をなしている。
【００３３】
この構成により永久磁石は椀状の界磁鉄心の内径側に固設されることとなるために界磁回転子は耐遠心力性にきわめて優れることとなり、上記のように大きく外径側に配置しても耐高速性を損なうこともなく、出力能力を支配する空隙径を格段に大きく出来、また他方で界磁巻線は巻装径が小さい為に抵抗値の割りには巻数が稼げるので、前述課題の一つ目である出力低下の抑止ばかりか大きく出力向上が図れることとなる。
【００３４】
［第４の実施形態］
次に図６に示す第４実施例について説明する。回転界磁鉄心６９５は、図示の如く断面Ｕ字状に軸方向中間位置にて磁極を分離されており、永久磁石６９９をとびとびに用いており、この構成は前記第１実施例などと同様であるが、以下の点が異なる。
【００３５】
前記各実施例では電機子が単一の例を示したが、本第４実施例では、同図に示すように前記電機子を軸方向に分割して電機子６９２と６９３とをハウジング６９１に嵌装して複数個配列して、それらの軸方向の余裕の在る空間から剛性の高いハウジング６０１に固定した厚みのある高強度の非磁性支持板６９４にて、界磁巻線６９６を保持している。また他方、高強度の支持のために、該界磁巻線の外径側に磁性継鉄６９７や、逆バイアス用の厚く広い磁石６９８を配置できるのでこの分回転界磁鉄心６９５への磁束供給能力が増せるばかりか、これとのバランスで決まる性格の界磁巻線起磁力も強く出来、しかも全体として前記電機子や界磁巻線の通風性もより改善されているのでその結果界磁全体の磁束供給能力が大幅に増せて前述の課題の一つ目である出力維持向上が高いレベルで達成されることとなる。
【００３６】
その他、前述の第１実施例では、界磁巻線の電流の方向を反転することで回転機の出力をゼロにするようにＨブリッジ構成の界磁制御回路を用いているが、磁石の強さや空隙の設定、また常用負荷のあり方とその分の電機子反作用の大きさ（例えば界磁電流そのものが常用負荷になる）によっては、界磁電流の反転を必要としない設計もとりうる。また前記逆バイアス磁石がなくてもよい。適宜設計目標値と設計諸元の制約のもとで、さまざまな態様があることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明となる第一実施例の説明図である。
【図２】第１図の界磁回転子の磁極配列説明図である。
【図３】第２実施例の回転子磁極の構成図である。
【図４】第３実施例の主要断面図である。
【図５】第１実施例の回路構成図である。
【図６】第４実施例の電機子と回転子の構成図である。
【符号の説明】
１…非磁性ハウジング、
２０１…電機子鉄心、
２０２…電機子巻線、
３０１…第１回転界磁鉄心、
３０２…第２回転界磁鉄心、
３０３…空隙面、
３０４…軸方向分離部、
３９１、３９２…磁極基礎部、
３９３…径方向着磁永久磁石、
４０１…界磁巻線、
４０２…界磁巻線ボビン、
４０３…界磁ボビン支持部材、
５０１…磁石磁極、
５０２…非磁石磁極、
５０３…磁石保護バンド、
５０４…界磁逆バイアス用リング状磁石、
５０５…ファン、
５０６…通風孔、
５０７…界磁巻線冷却風、
５９１…第１の三相巻線、
５９２…第２の三相巻線、
５９３…三相整流器、
５９５…正極出力端子、
５９６…界磁制御装置、
６０１…エンジンハウジング、
６０２…発電機プーリ、
６０３…発電機ハウジング、
６０４…界磁電流調整器、
６０５１…固定界磁鉄心、
６０５２…回転界磁鉄心、
６０５３…非磁性金属部材、
６０５４…回転界磁鉄心、
６０５５…電機子支持体、
６０６…界磁巻線、
６０７…電機子、
６０８１…永久磁石磁極、
６０８２…非磁石磁極、
６０９…回転軸、
６９１…ハウジング、
６９２…第１の電機子、
６９３…第２の電機子、
６９４…非磁性支持板、
６９５…回転界磁鉄心、
６９６…界磁巻線、
６９７…磁性継鉄、
６９８…逆バイアス用磁石、
６９９…永久磁石、
７…軸受、
８…シャフト、
９…界磁制御装置および整流器の収容部。

Claims (4)

1. 空間的に固定された電機子とこれに空隙面を介して回転磁界を与える回転界磁子とからなり、前記回転界磁子の前記空隙面には、界磁鉄心の一部よりなる磁極基礎部の上に、永久磁石を起磁力源とする磁石源磁極と、巻線電磁石を起磁力源とする巻線源磁極とを軸方向と磁極ピッチとに関して飛び飛びに市松模様状の配置として混成磁極群を形成し、さらに前記磁極基礎部を軸方向に分割してその磁極基礎部よりも内奥部の、かつ電機子よりも小径となる部位において空間的に固定した界磁巻線を配設すると共に、前記軸方向分割部において対向する前記両界磁鉄心の端面に界磁通電時のそれら前記両界磁鉄心の極性と同じ、対抗する方向の起磁力を与える永久磁石を、前記軸方向分割部に配置することを特徴とする軸方向分割混成磁極型ブラシレス回転電機。
2. 前記界磁回転子を前記電機子の外径側に配置し前記界磁巻線を前記電機子の内径側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の軸方向分割磁極型ブラシレス回転電機。
3. 前記電機子を軸方向に分割、または複数個配列して、それらの軸方向の空間から界磁巻線を吊り下げて固定したことを特徴とする請求項１もしくは２に記載の軸方向分割磁極型ブラシレス回転電機。
4. 電機子巻線として平角導体の整列巻きまたは集中巻き、またはトロイダル巻きとしたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の軸方向分割磁極型ブラシレス回転電機。

Images