JP4264150B2 - 電動回転機、自動車用交流電源、自動車用交流電源兼スターター及び回転子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用交流電源のような電動回転機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用交流電源を構成する単相または多相の発電機は、通常、励起コイルを有する回転子が中で回転する固定子を備えている。
【０００３】
励起コイルは、回転子の軸の突き出た部分に設けた２つのスリップリングと接触しているブラシを介して付勢される。
【０００４】
各種回転機が公知であり、特に欧州特許第０７０７３７４号では、固定子のコイルは、永久磁石及び励起コイルにより同時に励起され、アーマチュアによって励起コイルに流れた電流は、スイッチによって制御され、励起電流の反転により、磁束は高速で減少させられる。
【０００５】
しかし、励起電流は、この種の回転機では、本質的に、２方向の交流電流であるので、このスイッチとしては、高価なＨ形スイッチブリッジを用いる必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの欠点を解消し、励起用に作用させることによって、電流を調整させ、かつこの励起用に永久磁石を使用するにも拘らず、励起が、ゼロ、もしくは本質的にゼロから、最大値との間で変化しうる回転機、特に自動車用等の交流電源を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の別の目的は、ゼロ値と最大値との間で変る励起電流を応用して、励起がその範囲内で変化するようにした回転機を提供することである。
【０００８】
本発明のさらに別の目的は、軸方向の寸法が小さく、重量当りの仕事率が大きい二重のエアギャップと１つの回転子を有する回転機のための構造を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による電動回転機は、少なくとも1対の固定子スロットを有する少なくとも１つの固定子と、前記固定子スロットに形成されたアーマチュアのコイル、及び固定子に対して回転できる回転子を備え、該回転子は、回転子の周囲に沿って交互に配置された永久磁石と励起コイルを含み、該永久磁石及び励起コイルは、前記少なくとも1個のアーマチュアのコイルの周囲を通る閉鎖磁気回路を選択的に設定する手段を形成する電動回転機において、前記回転子は、第1の円周方向と該第1の円周方向と対向する第２の円周方向に回転し、かつ前記永久磁石は、そのＮ−Ｓ方向が円周方向に配置され、外側と内側にスロットを有するＨ型要素の前記スロット内に巻回された前記励起コイルに電流が流れていないときに、前記第1の円周方向にそれ自身を輪で囲む磁束を生じさせ、かつ前記励起コイル中に励起電流が生じて前記少なくとも１つのアーマチュアのコイルの周囲を通る閉鎖磁気回路を設定したときに、前記励起コイルは、前記第２の円周方向に、調節可能な局部的な磁束を確立することを特徴とする。
【００１０】
このような調整構造によって、通常のレギュレーターを、励起を調節するための電流遮断機として使用することができ、２方向電流で作動する回転機と比較して、電流遮断機の費用は、１／４になる。
【００１１】
回転子は、その周縁に沿って、励起コイルと交互に配置された複数の永久磁石を備えているのがよい。
【００１２】
回転子は、励起コイルが収容されているスロットを有するＨ形要素を交互に配置した複数の永久磁石を有しているのがよい。このＨ形要素は、コイルヘッドの長さを短縮させるので、抵抗、従って励起エネルギーの損失を減らすことができ、出力は改善される。
【００１３】
好ましい実施例では、内側固定子と外側固定子とを有している。このような構成の長所の１つは、二重回転子を有するこの種の通常の回転機と比較して、回転慣性がより小さいことである。
【００１４】
このような構成は、軸方向の長さが短く、２つの固定子に高出力を与えねばならない場合、重量当りの仕事率が高い自動車用交流電源兼モーターのスターターとして有用である。
【００１５】
本発明の第２実施例によれば、上記のような二重励起を有するハイブリッドな回転機のための回転子が提供される。
【００１６】
本発明のさらなる特徴と長所は、非限定的な本発明の好ましいいくつかの実施例についての詳細な説明と添付図面により、明らかになると思う。
【００１７】
【実施例】
図１は、本発明の第１実施例の単相電動回転機の固定子１と回転子５を示す。
【００１８】
固定子１は、エンドレスの２つの環状部分からなる環状固定子本体２を備えている。この構造体の内縁には、アーマチュアのコイル４を収容するための１対の固定子のスロット３が設けられている。このスロット３は、偶数であり、固定子１の周縁部に等間隔で設けられている。
【００１９】
回転子５は、受部７に設けた永久磁石８により交互に挟まれた一連のＨ形要素６を備えている。このＨ形要素６は、外側のスロット６ａと内側のスロット６ｂを有している。
【００２０】
回転子５は、巻き線すなわち励起コイル９を備え、励起コイル９は、外側のスロット６ａと内側のスロット６ｂに収容されている。
【００２１】
励起コイル９は、それに調節可能な励起電流を供給するための適当な手段１０（図１）に接続されている。
Ｈ形要素６と永久磁石８は、回転子５に等間隔で配置されている。
【００２２】
永久磁石８の数とＨ形要素６の数は、回転機の極の対の数、すなわち固定子のスロット３の数の半分である。詳しく言うと、永久磁石８とＨ形要素６は、外側のスロット６ａが固定子１の第１スロット３と整列している時、Ｈ形要素６のどちらかの側の永久磁石８が、第１スロット３のどちらかの側にある固定子のスロット３と整列するように配置されている。
【００２３】
永久磁石８の南北の方向は、励起コイル９に電流が流れてない時、回転子５に、図１に示す矢印の方向の、実質的に円周方向の磁束を生ずるように定められている。従って、励起電流がない場合、固定子１を流れる場がないか、もしあっても、無視しうる程度である。
【００２４】
従って、回転子５の角度位置に拘らず、アーマチュアのコイル４に電流は生じないか、あっても無視しうる程度である。従って、回転機の励起はゼロである。
【００２５】
もし、単向性の電流が励起コイル９に生じ、永久磁石８によって生じるのと反対方向に磁束が生じると、この反対方向の力によって、永久磁石８と励起コイル９からの磁束は、エアギャップ（回転子鉄心と固定子鉄心の間の空隙）を横切って、固定子１まで伸びる。、そこでは、励起電流は十分に大きい。
【００２６】
その結果、アーマチュアに起電力が生じる。この起電力の値は、励起コイル９によって生じる磁場の大きさ次第であり、おおむねゼロと最大値の間を変化する。
【００２７】
永久磁石８と励起コイル９の寸法は、励起コイル９からの磁束が、永久磁石８からの磁束と同じ大きさであり、励起電流が適度な強さとなるように定めてある。
従って、励起コイル９の電流の変化を調節することにより、励起コイル９の磁束が調節されるのみならず、固定子１の永久磁石８の磁束も調節される。
【００２８】
その結果、前記の構造体により、回転機の操作は、単向性電流を用いて調節される。この調節は、例えば、マイクロプロセッサーによって制御される１つのトランジスターによって行いうる。
【００２９】
図２は、本発明による多相回転機の一実施例を示す。図２では、図１の回転機におけるのと同一要素には、同一符号に１００を加えて示してある。
【００３０】
図２に示す回転機は、３相機で、図１と同様の回転子１０５と永久磁石１０８を、交互に配した複数のＨ形要素１０６を備えており、Ｈ形要素に形成されたスロットには、励起コイル１０９が収容されている。
【００３１】
永久磁石１０８は、回転子１０５の径方向の厚さよりやや小寸の受部１０７内に収められている。固定子１２１は、円周方向に無端に連続しており、積層板からなる通常の形をしている。
【００３２】
固定子１２１は、回転子の１対の電極毎に、６つのスロット１０３を有し、このスロット１０３は、角度的に等間隔の内歯１２２によって囲われている。
【００３３】
固定子のスロット１０３には、異なる相のコイル１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃが収容されている。固定子の周縁にある３つの連続するスロット１０３には、それぞれ３相コイルが収容されている。
【００３４】
図２に示す回転機は、図１のものと同様の原理で作動する。特に、励起コイル１０９に励起が生じない時は、永久磁石１０８は、殆ど完全に回転子内に流れる磁束を生ずるように協動し、従って固定子の相コイルにおける電流は、おおむねゼロである。
【００３５】
これとは対照的に、永久磁石によって生じる場の反対方向に励起が生じる時、異なる相のコイル１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃの周りの場に環状回路現象が生じ、所定の速度で回転子が回転する際、回転機には、励起電流がゼロと最大励起値との間を変化する時、おおむねゼロと最大値との間を変化する３相の起電力が生じる。
【００３６】
図１，図２に示す実施例では、回転子５と１０５は、非磁性材料、または永久磁石、Ｈ形要素及び励起コイルからなる装置からなり、かつ非磁性材料によって絶縁されている軸（図示せず）に固着されている。
【００３７】
しかし、他の構造も可能である。特に、図３、図４で示すように、回転子を、外側固定子と内側固定子との間に配置することもできる。
【００３８】
図３、図４では、図１と同じ要素には、２００を加えた同じ符号で示してある。
図３、図４では、回転機は、図１の固定子１と回転子５とそれぞれ同様の外側固定子２０１と回転子２０５を備えている。特に、回転子２０５は、永久磁石２０８を交互に配した一連のＨ形要素２０６からなり、Ｈ形要素におけるスロットには、励起コイル２０９が収容されている。
【００３９】
外側固定子２０１は、積層板からなり、その内縁に、アーマチュアのコイル２０４を受け入れる一連のスロット２０３を設けてある。回転子２０５は、外側固定子２０１と内側固定子２１１との間で回転する。
【００４０】
内側固定子２１１も積層板からなり、その内縁に沿って、アーマチュアのコイル２１４を受け入れる一連のスロット２１３を設けてある。スロット２１３の数は、スロット２０３と同じであり、スロット２１３、スロット２０３とは、図３、図４に示すように、互いに一直線に並んでいる。
【００４１】
図３、図４に示す構造の回転機は、図１、図２に示すものと同様に作動する。
励起電流がない場合、永久磁石２０８からの磁場は、回転子２０５内を循環する。回転子２０５の回転中、アーマチュアのコイル２０４，２１４には電流は生じない。
【００４２】
これとは対照的に、励起電流が生じると、永久磁石２０８の磁束は、２つのエアギャップを介して、外側固定子２０１と内側固定子２１１まで伸び、起電力が、アーマチュアのコイル２０４，２１４に生じる。
【００４３】
２つの固定子２０１，２１１のアーマチュアのコイルは独立しており、そのため、二元性電圧３相機の構造に役立つという長所を有している。第１固定子は、１４ボルトで作動することができ、第２固定子は、自動車の回路条件によって、２４，４８，または９６ボルトで作動する。
【００４４】
前記のものと同様の各種構造体は、互いに平行に、又は直列に接続することができる。また図１〜図４の回転機では、必要に応じて、初期に磁化するか、または再磁化してもよい。詳しく言うと、永久磁石を、最初に磁化させることなく、固定子に取り付けと、正常な励起電流とは逆の電流で、励起コイルに電圧を加えればよい。
【００４５】
永久磁石によって作られたものと同じ方向の円周方向の磁場が、回転子に生じる。この磁場は、永久磁石を磁化または再磁化することができる。この磁化または再磁化は、例えば半導体のスイッチ手段を用いて実施することができる。このことは、この技術分野に明るい人であれば、容易に達成しうる。
【００４６】
この操作は、バッテリーによって供給される電気エネルギーを有する自動車に乗っていても、あるいはガレージでエンジンをかけている間にでも実施できる。
【００４７】
また、Ｈ形要素にコイルを取り付けることは、構造上から容易であり、永久磁石を取り付けるのと別に実施できる。
【００４８】
また永久磁石が磁化されると、永久磁石の磁束が回転子で集合するので、固定子と回転子の組立てが容易になる。従って、回転子の構造物が、内側と外側の固定子の強磁性部品に付着する恐れはない。
【００４９】
本発明により提供される新規な構造によると、従来技術と比べて、出力が１０〜２０％増加する。
【００５０】
本発明は、前記し、図示した実施例に限定されるものではない。特に、前記特徴により、発電機やモーターや、いくつかの相を有する回転機を作ることができる。
【００５１】
また、Ｈ形要素の周囲を励起コイル化した構造（例えばドーナッツ形コイル）により、突き出た極を有する回転機のコイルとは対照的に、遠心力に対する抵抗力が改良されている。
【００５２】
自動車業界で用いられている永久磁石式交流発電機の主な欠点は、磁石によって生じる有用な磁束が永久に存在することに起因しており、それにより、変動率が損失するおそれがある。これにより、過剰電圧が生じ、自動車の電気系統部品が、全損または部分損することとなる。
【００５３】
本発明の構造によると、励起がない場合、磁束は、固定子を介して集合することはないので、中立化する。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、高価なＨ形スイッチブリッジを用いる必要がない。
励起に作用することによって、電流の調整を行うことができ、かつこの励起に作用する永久磁石を使用するにも拘らず、励起がゼロ、もしくは実質的にゼロ値と最大値との間で変化しうる回転機、特に自動車用交流電源を提供できる。
【００５５】
ゼロ値と最大値との間で変る励起電流の応用の結果として、励起がその範囲内で変化する電動回転機を提供できる。
【００５６】
軸方向に密集した、かつ増加した重量当りの仕事率を有する二重のエアギャップと、１つの回転子を有する回転機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における電動回転機の回転子と固定子装置の概略図である。
【図２】本発明による３相の回転子と固定子装置の部分断面図である。
【図３】本発明の他の実施例における電動回転機の回転子と固定子装置の概略図である。
【図４】本発明のさらに他の実施例における電動回転機の回転子と固定子装置の部分断面図である。
【符号の説明】
１，１０１，２０１，２１１．．．固定子
２ ．．．固定子本体
３，１０３，２０３ ．．．固定子のスロット
４，２０４，２１４ ．．．アーマチュアのコイル
１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ．．異なる相のコイル
５，１０５，２０５ ．．．回転子
６，１０６，２０６ ．．．Ｈ形要素
６ａ ．．．外側のスロット
６ｂ ．．．内側のスロット
７、１０７ ．．．受部
８，１０８，２０８ ．．．永久磁石
９，１０９，２０９ ．．．励起コイル
１０ ．．．調節可能な励起電流を供給する手段
１２２ ．．．内歯

Claims (9)

1. 少なくとも1対の固定子スロットを有する少なくとも１つの固定子と、前記固定子スロットに形成されたアーマチュアのコイル、及び固定子に対して回転できる回転子を備え、該回転子は、回転子の周囲に沿って交互に配置された永久磁石と励起コイルを含み、該永久磁石及び励起コイルは、前記少なくとも1個のアーマチュアのコイルの周囲を通る閉鎖磁気回路を選択的に設定する手段を形成する電動回転機において、
   前記回転子は、第1の円周方向と該第1の円周方向と対向する第２の円周方向に回転し、かつ前記永久磁石は、そのＮ−Ｓ方向が円周方向に配置され、外側と内側にスロットを有するＨ型要素の前記スロット内に巻回された前記励起コイルに電流が流れていないときに、前記第1の円周方向にそれ自身を輪で囲む磁束を生じさせ、かつ前記励起コイル中に励起電流が生じて前記少なくとも１つのアーマチュアのコイルの周囲を通る閉鎖磁気回路を設定したときに、前記励起コイルは、前記第２の円周方向に、調節可能な局部的な磁束を確立することを特徴とする電動回転機。
2. 回転子（５）（１０５）（２０５）は、励起コイル（９）（１０９）（２０９）が収容されているスロットを有するＨ形要素を交互に配置した複数の永久磁石（８）（１０８）（２０８）を有していることを特徴とする請求項１記載の電動回転機。
3. 内側固定子（１）（１０１）（２０１）（２１１）と外側固定子（１）（１０１）（２０１）（２１１）を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動回転機。
4. ２つの固定子（２０１）（２１１）は、互いに一直線に並んでいる同数のスロットを有していることを特徴とする請求項３記載の電動回転機。
5. 励起コイル（９）（１０９）（２０９）の補助によって、永久磁石（８）（１０８）（２０８）を磁化又は再磁化するための逆磁場を確立する手段を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の電動回転機。
6. 請求項１〜５のいずれか1項に記載の電動回転機を備えることを特徴とする自動車用交流電源。
7. 請求項４又は５記載の電動回転機からなることを特徴とする電動回転機。
8. 請求項７に記載の電動回転機を備えることを特徴とする自動車用交流電源兼スターター。
9. アーマチュアのコイルの周囲を通る接続された磁性回路を選択的に設定できるようになっている手段を備えているハイブリッド（多機能）電動回転機のための回転子において、前記手段が、回転子（５）（１０５）（２０５）の円周方向に輪で囲む磁束を生ずるように、そのＮ−Ｓ方向が円周方向に配置された少なくとも１つの永久磁石（８）（１０８）（２０８）、及び永久磁石によって作られる磁束とは反対の円周方向に、調節可能な局部的な磁束を確立するための、外側と内側にスロットを有するＨ型要素の前記スロット内に巻回された、少なくとも１つの励起コイル（９）（１０９）（２０９）を備えていることを特徴とするハイブリッド電動回転機のための回転子。

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