JP3816492B2 - 磁石発電機 - Google Patents

Description

この発明は、フライホイールの回転により、磁石と発電コイルとの電磁誘導作用で発電する磁石発電機に関するものである。

従来の交流発電機では、渦電流による発熱を抑制するため磁性薄板鋼板を複数枚積層した積層鉄心に発電コイルが設けられ、この発電コイルの外周側には、フライホイールの外周縁の内面に周方向に沿って互いに間隔を隔てて固定された複数個の永久磁石が配置されていた。積層鉄心の両側面には、薄板鋼板より板厚の厚い高強度の磁性鋼板からなる中空円板形状の端板が重ねられていた。この端板の外周縁部は、発電コイルの保持及び積層鉄心の導線巻線部に磁束を誘導させるために発電コイル側に折曲していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２７５２８３号公報

上記構成の交流発電機において、磁石発電機では、フライホイ−ルが回転する際に永久磁石により生じる交番磁界により、積層鉄心にはヒステリシス損、及び渦電流損による発熱が生じる。特に、端板のＬ字状曲げ部位では磁束が誘導されているために磁束密度が高く、ヒステリシス損も大きくなる。一方で板厚が厚いため渦電流損による発熱も大きくなってしまう。その結果、積層鉄心の温度が高くなり、その温度上昇に伴い発電コイルの温度も上昇するので、発電コイルの抵抗値が高くなり、発電コイルの抵抗値に比例する銅損による発電コイルの温度も上昇するとともに発電効率が低下してしまうという問題点があった。
また、発電コイルに使用される銅線は、高分子材料で絶縁被膜が施されており、発電コイルの温度が上昇し、高温状態が長時間続くことにより、発電コイルの寿命・信頼性が低下してしまうという問題点もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、発電コイルの温度上昇を抑制することで、発電効率を向上させることができるとともに、発電コイルの寿命・信頼性が向上した磁石発電機を得ることを目的とする。

この発明に係る磁石発電機は、筒状部を有し回転軸線の回りを回転するフライホイールと、このフライホイールの内周面に設けられフライホイールととともに回転する複数個の磁石と、径方向外側に突出した複数のティースを有し前記磁石と対向した固定子鉄心と、前記ティースに導線が巻回された発電コイルとを備え、前記固定子鉄心は、複数の磁性薄板鋼板を積層した積層鉄心と、この積層鉄心の両側面を挟むように配置された一対の端板とを有し、一対の前記端板の少なくとも一方は、前記磁性薄板鋼板よりも放熱性が高い金属材料で構成されている。

この発明による磁石発電機では、一対の端板の少なくとも一方は、磁性薄板鋼板よりも放熱性が高い金属材料で構成されているので、発電コイルの温度上昇が抑制されて発電効率が向上するとともに、発電コイルの寿命・信頼性が向上する。

以下、この発明の各実施の形態について説明するが、各図において、同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明による磁石発電機の実施の形態１を示す縦断面図、図２はその左側面図である。

この磁石発電機は、内燃機関と連結された回転子１と、この回転子１と対面した固定子２を備えている。
回転子１は、椀状のフライホイール３を有し、このフライホイール３は、外周の筒状部４と、筒状部４の内側のボス部５と、筒状部４とボス部５とをつなぐ底部６とを含んでいる。このフライホイール３は、回転軸線Ａ−Ａを中心として回転する。ボス部５は、内燃機関により回転駆動される回転軸（図示せず）に固定される。

フライホイール３の筒状部４の内周面には、複数個の永久磁石７が固定されている。この複数個の永久磁石７は、回転軸線Ａ−Ａの周りに、互いに等しい角度間隔で配置されている。複数個の永久磁石７は、隣接する永久磁石７が互いに逆極性に着磁されており、永久磁石７の内周側空間では、交互に方向が変化する磁界を発生するようになっている。
各永久磁石７の各内周面には、筒状の保護環８が密着して嵌め込まれている。各永久磁石７の回転軸線Ａ−Ａ方向の両端部と、各永久磁石７の周方向の相互間隙には、モールド成形材９が充填されている。このモールド成形材９によって、複数個の永久磁石７と保護環８とがフライホイール３の筒状部４の内周面に固定されている。

固定子２は図示しない固定部材に取り付けられて固定されている。
この固定子２は、中空円柱状の固定子鉄心１０及び発電コイル１１を有する。固定子鉄心１０は、外周部に径外側方向に放射状に突出した複数個のティース１２が周方向に等分間隔で形成されている。

各ティース１０の周側面にはそれぞれ導線である銅線が巻回されて、発電コイル１１が構成されている。各発電コイル１１は、接続リード１４により互いに接続されている。

外周部に複数個のティース１２が形成された固定子鉄心１０は、冷間圧延鋼板である中空の磁性薄板鋼板を回転軸線Ａ−Ａの方向に多数枚積層して構成された積層鉄心１５と、この積層鉄心１５の両側面にそれぞれ密着して重ねられた第１の端板１６、第２の端板１７とから構成されている。
第１の端板１６、第２の端板１７は、発電コイル１１の保持のために外周縁部が発電コイル１１側に折曲して折曲部１６ａ、１７ａを有しており、放熱性材料であるアルミニウム材（ＪＩＳ規格Ａ２０１７−Ｔ４）で構成されている。折曲部１６ａは、全体が永久磁石７より回転軸線Ａ−Ａの方向に沿って外側に設けられている。
積層鉄心１５及び第１の端板１６、第２の端板１７の内周部には、回転軸線Ａ−Ａと平行に貫通した貫通穴１８が形成されている。この貫通孔１８に貫通したボルト（図示せず）及びボルトの端部に螺着されたナット（図示せず）により、積層鉄心１５、及び積層鉄心１５の両側面側の第１の端板１６、第２の端板１７が一体化されている。

図３は図１のある一つのティース１２を中心とした断面図、図４は図３のIＶ−IＶ線による断面図である。
図３において、中心線Ｂ−Ｂは、回転軸線Ａ−Ａから径方向に延びた線である。
固定子鉄心１０は、軸線Ａ−Ａを取り囲む環状部１９を有し、ティース１２は、この環状部１９から外側に向かって中心線Ｂ−Ｂに沿って突出している。ティース１２は、径方向に中心線Ｂ−Ｂに沿って延長された直線部２０と、この直線部２０の先端部から両側で周方向に張り出したつば部２１とを有する。

各ティース１２のつば部２１において、保護環８と微小な空間を介して対向する円弧状面には、直線部２０の表面と同様に発電コイル１１との間を電気的に絶縁するための絶縁膜２３が施されている。発電コイル１１は、環状部１９とつば部２１との間で直線部２０の外周に銅線が巻回して構成されている。
第１の端板１６、第２の端板１７は、図４に示すように導線である銅線が巻回されているが、その端板１６、１７の剛性により、発電コイル１１は所定の形状に形成され、保持されている。第１の端板１６、第２の端板１７の反積層鉄心１５側のエッジ部分には、面取り加工が施され、丸みを持ったコーナ部２４が形成されている。発電コイル１１は、この丸みを持ったコーナ部２４の周りに銅線が巻回されて形成されているので、銅線の巻回作業の際の破損は防止され、またコーナ部２４における発電コイル３０に対する絶縁性を向上する。

上記構成の磁石発電機では、内燃機関により回転駆動される回転軸に連動してフライホイ−ル３が回転し、その際に永久磁石７により生じる交番磁界により、発電コイル１１には電力が生じる。この際の交流出力は、図示しない整流用ダイオードにより整流され、車載バッテリなどの負荷に給電される。

この実施の形態の磁石発電機によれば、第１の端板１６、第２の端板１７は、非磁性のアルミニウム板で構成されているので、鋼板の場合に比べて発電に寄与しないものの、比熱で約２.１倍、熱伝導率では約５倍の値を有する結果、ヒステリシス損、渦電流損により発生した積層鉄心１５での熱が効率よく外気に放出され、固定子鉄心１０の温度の上昇が抑制され、発電コイル１１の銅損による発熱も低減されるため、従来のものと比較して同等以上の発電（出力電流）を得ることができる。
また、第１の端板１６、第２の端板１７の外周縁部がＬ字状に曲げられており、この曲げ部で発電コイル１１は保持されている。

図５は、実施の形態１による磁石発電機の固定子鉄心１０の温度特性（発熱特性）Ｔ１と、発電コイル１１の発電特性（出力電流特性）Ｇ１を示すもので、本願発明者が実験により求めたものである。
横軸は磁石発電機の駆動回転数（ｒ／ｍｉｎ）であり、縦軸は左側に固定子鉄心１０の温度（℃）を、また右側に発電コイル１１の出力電流（Ａ）を示す。比較のために、第１の端板、第２の端板を、積層鉄心１５と同じ磁性材料の冷間圧延鋼板で構成した磁石発電機の比較例を示し、その温度特性をＴ２、発電特性をＧ２とする。
各回転数での発熱（鉄損＋銅損）温度は飽和温度を示し、フライホイ−ル３の冷却効率によっては絶対値に多少の変化はあるものの、端板１６、１７がアルミニウム板と鋼板とでは、明らかな温度差が見られる。また、非磁性で発電に寄与しないアルミニウム板にも関わらず、固定子鉄心１０の温度上昇が低減されているため、上述したように発電量が増大したことが分かる。

実施の形態２．
図６はこの発明による磁石発電機の実施の形態２を示す要部断面図、図７は図６のＶII−ＶＩI線に沿った断面図である。
この実施の形態では、固定子鉄心１０のティース３０の直線部３２において、回転軸線Ａ−Ａを中心とした回転方向の端板３１の周方向の幅寸法が積層鉄心１５の周方向の幅寸法よりも小さい。また、固定子鉄心１０の環状部３３において、回転軸線Ａ−Ａに対して径方向の端板３１の幅寸法が積層鉄心１５の径方向の幅寸法よりも小さい。
他の構成は、実施の形態１と同じである。

この実施の形態２で用いた端板３１の材料は、実施の形態１と同一のアルミニウム板（Ａ２０１７−Ｔ４）であり、同一板厚の場合、従来の鋼板（例えばＳＰＣＣなどの冷間圧延鋼板）の引張強度に対して、このアルミニウム板は約１．３倍の強度を有するため、同一強度下においては端板３１の断面積は約７５％で済ますことが可能である。
従って、ティース３０の直線部３２において、端板３１の周方向の幅寸法を、積層鉄心１５を構成する磁性薄板鋼板の幅寸法よりも狭くすることが可能となり、実施の形態１のものと比較して端板３１の材料重量を低減させることができるとともに、銅線をティース３０に巻回した時の使用量も減らすことができる。

なお、鋼板よりも引張強度が高い端板を用いることで、端板３１の直線部の幅寸法を小さくする以外に、例えば設置スペースの関係で端板の板厚を小さくしてもよい。また、端板の環状部の空間内径寸法を大きくして端板の表面積を小さくするようにしてもよい。

なお、上記実施の形態１、２では、一対の端板は、それぞれ同一のアルミニウム板で、同一形状、同一厚さであったが、設置環境に応じて放熱性が特に要求される側のみにアルミニウム板からなる端板を用いてもよい。
また、放熱性材料は、アルミニウム（ＪＩＳ規格Ａ２０１７−Ｔ４）に限定されるものではなく、放熱性が磁性薄板鋼板よりも優れたもので、より好ましくは鋼板よりも引張強度が高い、例えば洋白（ＪＩＳ規格Ｃ７５２１）であってもよい。

この磁石発電機は、二輪車、船外機、スノーモービルなどに搭載され、それらの内燃機関などにより駆動されて、バッテリの充電、各種負荷への給電などの用途に使用される。

この発明の実施の形態１の磁石発電機の縦断面図である。 図１の磁石発電機の左側面図である。 図１のティースを中心とした断面図である。 図３のIＶ−IＶ線に沿った矢視断面図である。 実施の形態１による磁石発電機の固定子鉄心の温度特性、発電コイルの発電特性を示す図である。 この発明の実施の形態２の磁石発電機の要部断面図である。 図６のＶIＩ−ＶＩＩ線に沿った矢視断面図である。

符号の説明

１ 回転子、２ 固定子、３ フライホイール、４ 筒状部、７ 永久磁石、１０ 固定子鉄心、１１ 発電コイル、１２，３０ ティース、１５ 積層鉄心、１６ 第１の端板、１７ 第２の端板、１６ａ，１７ａ 折曲部、１９，３３ 環状部、２０，３２ 直線部、３０ ティース、３１ 端板。

Claims (3)

1. フライホイールの筒状部の内周に配置された複数個の磁石を配置し、回転軸線の回りに回転する筒状の回転子と、径方向外側に突出した複数のティースを有し前記磁石と対向した固定子鉄心と、前記ティースに導線が巻回されて設けられた発電コイルとを備え、前記固定子鉄心は、複数の磁性薄板を積層した積層鉄心と、この積層鉄心の両側面を挟むように配置された一対の端板とを有した磁石発電機において、
   一対の前記端板の少なくとも一方は、前記磁性薄板鋼板よりも放熱性が高い金属材料で構成されているとともに、外周縁部が前記発電コイル側に折曲された折曲部を有し、この折曲部は、全体が前記磁石より前記回転軸線の方向に沿って外側に設けられているとともに周方向に張り出しており、また前記端板の前記回転軸線を中心とした回転方向の周方向の幅寸法が、前記積層鉄心の周方向の幅寸法よりも小さい磁石発電機。
2. フライホイールの筒状部の内周に配置された複数個の磁石を配置し、回転軸線の回りに回転する筒状回転子と、径方向外側に突出した複数のティースを有し前記磁石と対向した固定子鉄心と、前記ティースに導線が巻回されて設けられた発電コイルとを備え、前記固定子鉄心は、複数の磁性薄板を積層した積層鉄心と、この積層鉄心の両側面を挟むように配置された一対の端板とを有した磁石発電機において、
   一対の前記端板の少なくとも一方は、前記磁性薄板鋼板よりも放熱性が高い金属材料で構成されているとともに、外周縁部が前記発電コイル側に折曲された折曲部を有し、この折曲部は、全体が前記磁石より前記回転軸線の方向に沿って外側に設けられているとともに周方向に張り出されており、また前記一対の端板は反積層鉄心側のエッジ部分に面取りが施されている磁石発電機。
3. 前記金属材料はアルミニウムである請求項1または請求項２に記載の磁石発電機。

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