JP3955865B2

JP3955865B2 - 磁石発電機

Info

Publication number: JP3955865B2
Application number: JP2004329122A
Authority: JP
Inventors: 博久横田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2024-11-12
Also published as: US20060103252A1; US7166942B2; JP2006141155A

Description

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

図１２および図１３は特許文献１に示される従来のフライホイール形の磁石発電機の回転子を示すもので、図１２はその黄断面図、図１３は図１２のＡ−Ａ線の縦断面図である。図において、１は周壁部１ｃと周壁部１ｃの一端側の側壁部１ｄと他端側の開口部１ｅから構成される椀状のフライホイールである。２はフライホイール１の周壁部１ｃに設置された複数個の磁石で、周方向に周壁部１ｃ内側に設けられた突起部１ａとかみ合っている。３は環状に設置され磁石２の内側に密着する筒状の保護環で、金属板の絞り加工によって形成され一端に折曲形成された鍔部３ａを有している。

４は磁石２および保護環３をフライホイール１に一体に固定する樹脂であり、磁石２の両側部および各磁石２の端部間に充填される。５は回転軸（図示せず）に装着するボス部で、フライホイール１の側壁部１ｄにおける中心部に固着されている。４ａはフライホイール１の内側側壁部１ｄに設置されたフィンである。１ｂはフライホイール１の全周数箇所で周壁部１ｃ内側に押出成形された段部を示している。

次に動作について説明する。回転軸が回転することにより、回転軸に取り付けられているボス部５、フライホイール１が回転し、フライホイール１の内側側壁部１ｄに設置されたフィン４ａが発電コイルとフライホイール１の側壁部１ｄ間空隙の気体を撹拌することで発電コイルを冷却する。

近年、磁石発電機の分野においては、さらなる小型高出力化が求められており、効果的な対策としては、発電コイルとフライホイール１間空隙をより狭くし、磁石２からの磁束を効率よく発電コイルに伝えることが挙げられる。

特開２００２−１０１６３０号公報

この発明は発電コイルの温度のバラツキを抑制し、さらにコイル温度を低減させようとするものである。具体的には、磁石の保護管を廃止することにより出力向上を図ると共に発電コイルの冷却媒体を効率よく発電コイルに掛けることにより発電コイルの温度上昇を防止すると共に、発電電流の低下を防止できる磁石発電機を得ることを目的とする。

この発明に係わる磁石発電機は、周壁部と上記周壁部の一端側の側壁部と上記周壁部の他端側の開口部とによって形成され、回転軸に固定されて回転する椀状のフライホイール、上記フライホイールの内周面に接着配置された複数個の磁石、上記フライホイール内に上記磁石と対向し、上記フライホイールと同軸に設置され上記磁石との電磁誘導作用により発電される発電コイルを備え、上記発電コイルが上記フライホイールの開口部側から供給される冷却媒体で冷却される磁石発電機であって、隣り合う上記磁石間には、上記フライホイールの軸方向に間隙が形成されており、上記フライホイールの開口部側の内周に接着されると共に、上記各磁石における上記フライホイールの開口部側に接着されて、上記磁石間の上記間隙の上記開口部側を閉じる環状部を有する環状の磁石ホルダを設けたものである。

また、上記環状の磁石ホルダは、上記フライホイールの開口部側の内周に接着されると共に、上記各磁石における上記フライホイールの開口部側に接着されて、上記磁石間の上記間隙の上記開口部側を閉じる環状部と、上記磁石間の上記間隙の一部を埋めると共に上記磁石に接着される柱状部とを有するものである

この発明の磁石発電機によれば、発電コイルとフライホイールの側壁部間の空間、及び隣り合う磁石間の隙間に発電コイルの冷却媒体が充填される。環状磁石ホルダが磁石を接着保持すると共に、磁石間の隙間における開口部側を閉じるので、充填された上記冷却媒体が一部堰止めされる。フライホイールが発電コイルの外周を回転することにより、充填され一部堰止めされた冷却媒体は効率よく発電コイルに振り掛かる。さらに、磁石間の隙間が冷却媒体の攪拌効果を有しているから、発電コイルをより効率よく冷却することができる。

また、磁石ホルダの環状部と柱状部により、磁石は、確実に強固に接着固定され、位置決めさせることができる。

図７、図８は、試作した磁石発電機の回転子を示すものである。図７はその黄断面図、図８は図７のＢ−Ｂ線の縦断面図である。図において、フライホイール１１は、周壁部１１ｃと周壁部１１ｃの一端側の側壁部１１ｄと他端側の開口部１１ｅから構成される椀状のフライホイールである。１２はフライホイール１１の周壁部１１ｃの内周面に接着配置された複数個の磁石で、N極とS極が交互に等間隔で配置されている。フライホイール１１の側壁部１１ｄにおける中心部は、例えば内燃機関のシャフトなどの回転軸１３に装着固定される。フライホイール１１は回転軸１３の回転と共に回転する。

発電コイル１４（図１０）とフライホイール１１間空隙を狭くするため、試作した磁石発電機は、磁石１２の保護環及び磁石１２をフライホイール１１に一体化するための樹脂を廃止した構造となっている。磁石１２をフライホイール１１に一体化する方法としては接着剤１５による接着方法を用いている。１６は発電コイル１４の冷却及びオイル（電気絶縁性冷却媒体）の攪拌を目的としたファンである。この構造により高出力化を達成することはできたが、未だ発電コイル１４の高温問題についての対策が求められた。この発電コイル１４の高温問題は抵抗値上昇による発電電流の低下も招いている。そこでより発電コイル１４の冷却効果の高い構造が必要とされる。

ここで試作した磁石発電機のコイル温度測定結果を図９に示す。コイル温度測定箇所は図１０に示すＵ相、Ｖ相、Ｗ相とする。図１０は磁石発電機の側面説明図である。コイル温度を測定した際の磁石発電機の回転速度は、７０００ｒ／ｍｉｎであり、発電コイル１４の冷却方法はオイル冷却とする（冷却媒体にエンジンオイルを使用した）。試作した磁石発電機のコイル温度の測定結果は、U相：１９８℃、V相：２５６℃、W相：２３１℃となっており、更なるコイル温度の低減とコイル温度バラツキの抑制が必要とされる。

上記のコイル温度のバラツキの原因としては、フライホイール１１の内周面に接着により固定された磁石１２間に隙間１７が存在していることが挙げられる（図７参照）。これは、試作した磁石発電機の構造が磁石１２とフライホイール１１とを接着にて固定しているために起きる。図１１は試作した磁石発電機の発電コイル１４のオイル冷却を示す断面説明図で、例えば、エンジンオイルがフライホイール１１の開口部１１ｅ側から噴射される。噴射された冷却オイルは、磁極１８間空隙等からフライホイール１１の側壁部１１ｄ側に達する。

冷却オイルは、フライホイール１１が回転しているので、ファン１６で攪拌され発電コイル１４の各相に振り掛けられ熱を吸収するが、磁石１２間に隙間１７が存在するため、冷却オイルが外部に早く流れ出てしまう。そのため、冷却オイルがフライホイール１１内に必要する量が充分に充填されていなく、発電コイル１４を効率よく冷却することができない。そのため、オイルが溜まりやすいU相ではコイル温度が低くなっているが、オイルが掛かりにくいV相、W相はコイル温度が高くなる傾向にある。
そのため、この発明は、発電コイルの温度のバラツキを抑制し、さらにコイル温度を低減させようとするものである。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１である磁石発電機を図１〜図６を用いて説明する。図１、図２は、実施の形態１の磁石発電機の回転子を示すものである。図１はその黄断面図、図２は図１のＣ−Ｃ線の縦断面図である。図３（ａ）（ｂ）はそれぞれ環状磁石ホルダの一部を示す斜視図である。図４は冷却オイルによる冷却を示す磁石発電機の断面説明図である。図５は磁石発電機のコイル温度の測定結果を示すグラフである。図６は磁石ホルダの装着状態を示すフライホイールの斜視図である。なお、この明細書の図面において、同一符号は同一又は相当部分を示し、重複する説明の一部又は全部を省略することがある。

図７〜図８で示す試作した磁石発電機に対して、実施の形態１の磁石発電機は、さらに、環状の磁石ホルダ１９が、隣り合う磁石１２間の軸方向の隙間１７におけるフライホイール１１の開口部１１ｅ側を閉じると共に、各磁石１２を接着固定することを目的として備えられている。磁石ホルダ１９は例えば、耐熱性樹脂系非磁性体である。環状の非磁性体磁石ホルダ１９は、フライホイール１１の開口部１１ｅ側の内周面に接着されると共に、隣り合う磁石１２間の隙間１７の開口部１１ｅ側に各磁石１２と接着して配置されている。各磁石１２と磁石ホルダ１９間の接着及び各磁石１２，磁石ホルダ１９とフライホイール１１内周面との接着には、接着剤を使用している。

環状の磁石ホルダ１９は、図３（ｂ）で示す環状部１９ａのみで形成することもできるが、図３（ａ）で示すように、上記環状部１９ａから延び、隣り合う磁石１２間の各隙間１７の一部を埋める柱状部１９ｂを形成しているものを使用することが好ましい。磁石ホルダ１９の柱状部１９ｂは、図１，図２，図４に示すように、隣り合う磁石１２間の各隙間１７の一部を埋めている。

磁石ホルダ１９の柱状部１９ｂは、磁石１２の軸長（上記フライホイール１１の軸方向における磁石１２の長さ）に対して４０〜６０％の長さを有していることが好ましい。図６に磁石ホルダ１９の装着状態を示す。磁石１２の軸長に対して４０〜６０％の長さを有する柱状部１９ｂを装着することで、隣り合う磁石間の隙間１７の一部を残すことができる。

磁石ホルダ１９の柱状部１９ｂが磁石１２の軸長に対して４０〜６０％の長さを有している理由としては、磁石１２の軸長の４０％より柱状部１９ａが短くなると、磁石１２の固定が弱くなり、磁石の倒れ防止効果が弱くなり、逆に磁石１２の軸長の６０％より柱状部１９ａが長くなると、コイル冷却オイルが隙間１７（凹形状）内に充填される量が少なくなる。
この隙間１７に発電コイル１４の冷却媒体であるオイルが充填された状態で、発電コイル１４の外周をフライホイール１１が回転することにより効率良く発電コイル１４を冷却することが可能となる。この磁石ホルダ１９は磁石１２間の隙間１７の一部を埋めるだけでなく、磁石１２の位置決めと磁石１２の固定力の向上の役目も兼ね備えている。

実施の形態１の磁石発電機は、隣り合う磁石１２間の隙間１７の一部に磁石ホルダ１９の柱状部１９ｂが存在する。図４に説明するように、この柱状部１９ｂにより、磁石１２間の隙間１７の一部が埋まり、フライホイール１１内に存在する発電コイル１４の冷却媒体であるオイルが磁石１２間の隙間１７から漏れにくくなる。これにより、フライホイール１１内にオイルが堰止められ、必要量充填されることで効率よく発電コイル１４を冷却することが可能となる。なお、発電コイル１４の冷却媒体は、オイルの他、気体、空気であっても、フライホイール１１内に充填された気体、空気が攪拌され、発電コイル１４の冷却効果を得ることができる。

磁石ホルダ１９として、図３（ａ）のものを用い、実施の形態１の磁石発電機のコイル温度の測定結果を図５に示す。測定コイルはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のコイル温度を測定した。コイル温度の測定箇所は図１０に示す箇所と同じである。コイル温度を測定した際の磁石発電機の回転速度は７０００ｒ／ｍｉｎである。U相：１４９℃、V相：１４１℃、W相：１４９℃となっており、図９で示す試作した磁石発電機のコイル温度の測定結果に対し、コイル温度が大幅に低減し、コイル温度のバラツキも少なくなっている。

上記のコイル温度の測定結果から、実施の形態１の磁石発電機で、隣り合う磁石１２間の隙間１７の一部を環状磁石ホルダ１９で埋めたことで、発電コイル１４の冷却用オイルをフライホイール１１内に充分に充填できる。これによりコイル温度のバラツキが少なく、コイル温度が大幅に低減できる。

実施の形態２．
上述し、図３（ａ）に示すように、磁石ホルダ１９には、環状部１９ａと、環状部１９ａから延びフライホイール１１内に配置されて、磁石１２間の隙間１７を埋める柱状部１９ｂが等間隔に配置されている。磁石ｎ個に対し、柱状部ｎ個は同数である。環状部１９ａはフライホイール１１の開口部１１ｅ側の内周面に配置される。磁石ホルダ１９はフライホイール１１への挿入をスムーズにするため、柱状部１９ｂ先端に面取り部１９ｃを形成している。

磁石発電機には、隣り合う磁石１２間の隙間（凹形状）とは別に、周壁部１１ｃの一端側の側壁部１１ｄが鍛造でファン形状に打ち出されている。そのファン１６は発電コイル１４の冷却及びオイルの攪拌を目的としている。つまり、ファン１６及び隙間１７（凹形状）の双方による冷却媒体の攪拌効果によって、発電コイル１４をより効率よく冷却することが可能である。

また、実施の形態２の磁石発電機は、上述したように接着剤１５により、磁石１２と磁石ホルダ１９をそして、それらをフライホイール１１内周面に固定している。その際、磁石１２と磁石ホルダ１９との隙間が非常に狭いことから接着剤１５がはみ出る可能性がある。そこで磁石ホルダ１９と磁石１２が接触する環状部１９ａと柱状部１９ｂに面取り部１９ｄを形成することで、余分となった接着剤１５が面取り部１９ｄに入り込み、フライホイール１１の発電コイル１４側にはみ出してこない。環状部１９ａと柱状部１９ｂの面取り部１９ｄは、発電コイル１４側にはみ出してこないように、フライホイール１１の内周に対向する側（図３参照）に形成するとよい。

なお、この発明の磁石発電機は、例えば内燃エンジンにより駆動される３相磁石発電機に適用できる。

この発明の実施の形態１における回転子の黄断面図である。図１のＣ−Ｃ線の縦断面図である。実施の形態１の環状磁石ホルダの一部を示す斜視図である。実施の形態１における冷却オイルによる冷却を示す磁石発電機の断面説明図である。実施の形態１における磁石発電機のコイル温度の測定結果を示すグラフである。実施の形態１における磁石ホルダの装着状態を示すフライホイールの斜視図である。試作した磁石発電機における回転子の黄断面図である。図７のＢ−Ｂ線の縦断面図である。試作した磁石発電機のコイル温度の測定結果を示すグラフである。試作した磁石発電機のコイル温度の測定箇所を示す側面説明図である。試作した磁石発電機の発電コイルのオイル冷却を示す断面説明図である。従来のフライホイール形の磁石発電機における回転子の黄断面図である。図１２のＡ−Ａ線の縦断面図である。

符号の説明

１１フライホイール１１ｃ周壁部
１１ｄ側壁部１１ｅ開口部
１２磁石１３回転軸
１４発電コイル１５接着剤
１６ファン１７隙間
１８磁極１９磁石ホルダ
１９ａ環状部１９ｂ柱状部
１９ｃ面取り部１９ｄ面取り部

Claims

周壁部と上記周壁部の一端側の側壁部と上記周壁部の他端側の開口部とによって形成され、回転軸に固定されて回転する椀状のフライホイール、上記フライホイールの内周面に接着配置された複数個の磁石、上記フライホイール内に上記磁石と対向し、上記フライホイールと同軸に設置され上記磁石との電磁誘導作用により発電される発電コイルを備え、上記発電コイルが上記フライホイールの開口部側から供給される冷却媒体で冷却される磁石発電機であって、
隣り合う上記磁石間には、上記フライホイールの軸方向に間隙が形成されており、
上記フライホイールの開口部側の内周に接着されると共に、上記各磁石における上記フライホイールの開口部側に接着されて、上記磁石間の上記間隙の上記開口部側を閉じる環状部を有する環状の磁石ホルダを設けたことを特徴とする磁石発電機。
上記環状の磁石ホルダは、上記フライホイールの開口部側の内周に接着されると共に、上記各磁石における上記フライホイールの開口部側に接着されて、上記磁石間の上記間隙の上記開口部側を閉じる環状部と、上記磁石間の上記間隙の一部を埋めると共に上記磁石に接着される柱状部とを有するものである請求項１記載の磁石発電機。
上記磁石間の上記間隙の一部を埋める上記柱状部は、上記磁石の軸長に対して４０〜６０％の長さを有している請求項２記載の磁石発電機。
上記磁石ホルダの柱状部先端には、上記フライホイールへの装着をスムーズにするように、面取り部が形成されている請求項２記載の磁石発電機。
上記磁石ホルダの柱状部には、上記磁石との接触面に面取り部が形成されている請求項２記載の磁石発電機。
上記磁石ホルダは、耐熱性樹脂系非磁性体である請求項１記載の磁石発電機。
上記発電コイルが冷却される冷却媒体は、電気絶縁性オイルである請求項１記載の磁石発電機。
上記フライホイールの側壁部に冷却媒体を攪拌するファンが形成されている請求項１記載の磁石発電機。