JP4452342B2 - 磁束整流電気機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電気機器に関し、より詳くは、自動車用オルタネータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自動車用オルタネータを構成する単相または多相発電機は、一般に１つのステータを有し、このステータ内で、励磁コイルを支持するロータが回転するようになっている。このコイルは、ロータシャフトの突出した部分に設けられた２つのスリップリングと接触するブラシに接続されている。
【０００３】
欧州特許公開第0707374号公報は、効率性を改善するために、永久磁石およびコイルによって、ロータの励磁用（この励磁を一般に二重励磁と称す）の磁界を発生するようになっており、磁石からの磁束を低減または実質的に解消するように、励磁方向を選択的に反転する励磁コイルスイッチング手段によって、アーマチュアによって送られる電流を制御するようになっている回転電気機器を開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような励磁電流の方向を反転したいという要求により、いわゆるＨ型半導体スイッチングブリッジを使用しなければならない。このスイッチングブリッジは、コストが高く、回転電気機器のユニットコストを更に増している。
【０００５】
本発明の課題は、上記欠点を解消し、装置、特にコイルにより変化する単一方向の励磁により、特に所定のレンジ内で変化するエネルギーを送るように、実質的にゼロの値から最大値までコイルによって変化する励磁により、出力電流を調節できる、二重励磁による回転電気機器、例えばオルタネータを提案することにある。
従って、本発明は、特にゼロ値から最大値まで変化する励磁を必要としないが、ゼロでない値から最大値まで変化する励磁で充分である状況で、二重励磁を行わせることを目的とする。
【０００６】
本発明の別の課題は、上記タイプの電気機器において、磁石とコイルとによる相当するレベルの励磁と組み合わされた所定の数のロータ極に対して必要とされる磁石の数を低減することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
従って本発明は、ステータとロータとを含み、ステータが、少なくとも１対のノッチ内に収容された少なくとも１つのアーマチュアコイルを含み、ロータが、アーマチュアコイルの一部のまわりに、磁気閉回路を選択的に形成するための手段を含み、該手段が、ロータの周方向に自ら閉じた磁束を発生するようになっている少なくとも１つの励磁用永久磁石と、この磁石によって発生される磁束と反対の周方向に局部的な可変磁束を発生するようになっている少なくとも１つの励磁コイルとを含み、磁石が、第１の対のロータ極を構成する第１のロータ部分内に収容されており、端部が第２の対のロータ極を構成する第２のロータ部分のまわりにコイルが巻かれており、ロータが、前記第１ロータ部分および第２ロータ部分と共に周方向の磁気伝達通路を形成する第３のロータ部分を、隣接する第１ロータ部分と第２ロータ部分との間に備えていることを特徴とする、磁束整流電気機器を提供するものである。
【０００８】
本発明の電気機器は、次のような非限定的で、好ましい特徴を有する。
【０００９】
第２ロータ部分は、磁束を発生するようになっている２つの励磁用コイル有し、磁束の一方は、ロータの内側を向き、他方は、ロータの外側を向くようになっている。
【００１０】
ロータは、一連の交互に配置された第１部分と第２部分とを、その周辺に沿って有する。
【００１１】
第２ロータ部分は、ほぼＵ字形であり、その２つの分岐部に、励磁用コイルを受ける。
【００１２】
第３ロータ部分は、ロータの極から所定の距離にあり、ロータの半径よりもかなり短い半径方向の距離だけ延びている。
【００１３】
第１ロータ部分、第２ロータ部分、および第３ロータ部分は、単一コアによって構成されている。
【００１４】
ロータは、磁石のそれぞれの対の間に設けられた少なくとも２つの別個のヨーク要素によって形成されており、前記磁石によって共に接合されている
【００１５】
本発明は、自動車用オルタネータを構成する上記電気機器を更に提案するものである。
【００１６】
添付図面を参照し、単なる非限定的例として示した本発明の好ましい実施例を読めば、本発明の上記以外の特徴、目的および利点がより明らかとなろう。
【００１７】
【発明の実施の形態】
まず図１（ａ）および図１（ｂ）には、本発明に係わる単相または多相電気機器、例えばオルタネータのステータ１の一部、およびそれに対応するロータ２の一部を展開略図として示している。
【００１８】
ステータ１は、従来どおりにアーマチュアコイル１４の一部を受けるよう内周部に設けられた複数のノッチ１３とで、連続した環状構造体を構成するコア１２を有する。
【００１９】
偶数のノッチ１３が等しい回転角に離間するように、偶数のノッチ１３が分散されており、これらノッチ１３の間に、極１５が残されている。
【００２０】
ロータ２は、一連の磁気的に分離された個々の構造体によって構成されている。これら構造体は、別体とするか、または好ましくは一体とされる。この構造体は、説明を簡潔にするために、図１（ａ）および図１（ｂ）には、個々の構造体として示されており、２つの分岐部２１１、２１２を備えたＵ字形の第１の構造体２１を含み、分岐部の自由端は、２つの外部に突出する極を構成し、これら極の回転角方向のピッチは、単相電気機器の場合、ロータの極１５の回転角方向のピッチに等しく、これら構造体は、分岐部の他に更にベース２１３を含む。
【００２１】
２つの分岐部２１１、２１２のまわりには、それぞれの励磁コイル２１５、２１６が巻かれており、これらのコイルは、後により詳細に説明するように、反対方向に２つの磁束を発生するよう、相互に接続されている。
【００２２】
上記のような複数の等しい回転角だけ離間したＵ字形構造体を設けることが好ましい。
【００２３】
Ｕ字形構造体２１の間には同じ数の永久磁石構造体２２が交互に配置されている。各構造体は、２つの強磁性部材２２１と２２２との間に固定された１つの永久磁石２２５を含み、ステータに向く強磁性部材の面は極を構成し、Ｕ字形構造体２１１の極と部材２２１、２２２の極とは、ロータの外周部のまわりに等しい回転角だけ離間している。
三相電気機器の場合、ステータのノッチ１３の数は、上記のように構成されたロータの極の数の３倍となっている。
【００２４】
構造体２１と２２とは、強磁性材料の中間部材２３によって相互に接続されている。中間部材２３は、磁気コネクタを形成すると共に、構造体２１および２２の半径方向の寸法よりかなり小さいステータの半径方向の寸法部分（この寸法は、図１（ａ）および図１（ｂ）におけるステータの高さに対応する）を占めている。
【００２５】
ここに示されているように、接続部材２３は、Ｕ字形部材２１のベース２１３の実質的な高さだけ延び、これら部材の上に、２つの励磁用コイル２１５、２１６の外側部分に必要な空間を残すことが好ましい。
【００２６】
極の必要な数に従い、ロータの種々の部品を連続したグループとして配置されたＮ個の組に設けることができる。
【００２７】
次に、図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、作動原理が上記のようになっている回転電気機器、本例ではオルタネータの作動について説明する。
【００２８】
まず、励磁コイル２１５、２１６内に励磁用電流がない状況（図１ａ）を検討する。
【００２９】
この場合、永久磁石２２５によって発生される磁束は、部材２２１、２２２、磁気コネクタ２３、およびＵ字形部材２１のベース部分２１３を通過する閉じた回路に従う。
【００３０】
この結果、図１（ａ）における矢印Ｆ１で示されるこの磁束は、漏れ磁束として無視できる程度に伝達される場合を除き、ステータへは伝えられない。従って、このオルタネータは、励磁されていない状態にあり、ステータコイルは、実質的に電流を送ることはない。
【００３１】
（磁束方向Ｆ１に対し）上流側端部でコイル２１５内に下向きの磁束が発生し、下流側コイル２１６で上向きの磁束が発生されるような方向に励磁用コイル２１５、２１６に電流が供給される場合、ロータとステータとの間で、３つの主な磁束が循環する。
【００３２】
矢印Ｆ１で示される第１の磁束は、図１（ｂ）に示すような反時計回り方向に、２つの隣接するステータの極の間でＵ字形部材２１の分岐部２１１、２１２およびベース２１３を流れる。
【００３３】
矢印Ｆ３で示す第２の磁束は、部材２１の左側分岐部２１１、磁気コネクタ部分２３および磁石２２５に隣接する部材２２２を通り、更にステータの２つの隣接する極の間で、ステータを通って時計回り方向に流れる。
【００３４】
永久磁石２２５によって発生される磁束は、反対方向の磁束（磁束Ｆ３）と磁気コネクタ２３で合流する。この磁束は、磁石に隣接する２つの部材２２１、２２２、および２つの隣接するステータの極を、後により詳細に説明するように、少なくとも部分的に循環する（反時計回り方向の磁束Ｆ４）。
【００３５】
最後に、磁気２２５および励磁コイル２１５、２１６により、相補的な同一極性の磁束Ｆ５が発生する。
【００３６】
このように、ロータ２の上に一連のＮ極とＳ極が形成され、ステータコイルは、電流を発生することができる。
【００３７】
ロータコイル２１５、２１６のレベルにおけるロータ電流の大きさは、電気機器の一般的な励磁レベルを直接決定し、この励磁レベルは、前記電流の単調関数として変化する。
【００３８】
より正確に説明すれば、ロータ電流がない場合（図１ａ）、励磁もない（上記参照）。
【００３９】
他方、磁気コネクタ２３において、左側に向かって流れる磁束の絶対値が、ロータ電流がない状態で隣接する永久磁石によって発生される磁束の絶対値に等しい場合、前記永久磁石によって発生される磁束のすべてが、ステータに向けてダイバートされる。
【００４０】
こうして電気機器は最大限に励磁され、可変ロータ電流を発生するようオルタネータ内に設けられた手段は、ロータ電流に対応する電流を最大電流とするようになっている。
【００４１】
これにより、ゼロ値から所定の最大値まで変化する単一方法の励磁電流を使って、ゼロの励磁から最大の励磁まで、電流の単調関数として変化する励磁が得られる。
【００４２】
従って、従来の二重励磁電気機器において必要な励磁に従い、双方向の電流を発生するＨ型の電子スイッチングブリッジまたは同等な装置を省略することが可能である。このような省略により、単一半導体スイッチングデバイスで構成できるスイッチング手段のコストが大幅に低減される。
【００４３】
次に図２および図３を参照し、本発明にかかわる電気機器のロータの詳細な実施例について説明する。
【００４４】
いずれのケースにおいても、図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して説明した強磁性部材は、単一コア２０内で組み合わされる。
【００４５】
図２は、８つの極と、２つの径方向に対抗する永久磁石２２５と、２対の励磁用コイル２１５、２１６を備えたロータを示す。
【００４６】
図１（ａ）および図１（ｂ）の部材に対応する強磁性部材には、符号を付してある。ロータシャフトを受けるようになっている中心ボア２０ａのまわりのコア２０部分は、Ｕ字形部材２１のベース２１３および磁気コネクタ２３を構成し、これら磁気コネクタ２３は、前記ボアとコイル２１５、２１６の外側部分を受けるノッチの底部との間に、小さい径方向の寸法部分を有する。
【００４７】
図２のロータが、三相オルタネータ用である場合、ステータは、ステータの三相コイルが嵌合された２４個の、好ましくは等しい回転角に離間されたノッチを有する。
【００４８】
図３は、１２０度の等しい回転角に離間された１２個の極と、３対の励磁コイル２１５、２１６を備えたロータを示す。この場合、好ましくは等しい回転角に離間されたノッチを３６個備える三相電気機器用のステータが設けられる。
【００４９】
次に、図４および図５を参照し、図２および図３に示されたロータコアの変形例について説明する。
【００５０】
図４は、２つの磁石２２５の間で延び、連続する円筒形構造体を形成するように、組み立て時に２つの磁石に接合されるようになっている２つのセクタ２０Ａ、２０Ｂとして、ロータのコア２０が形成されていることを示す。
【００５１】
図５において、３つのセクタ２０Ａ、２０Ｂおよび２０Ｃが設けられており、これらは、３つの磁石により接合され、ロータを形成している。
【００５２】
このように、ロータをＮ個のセクタ（Ｎは極の必要な数によって代わる）に分離したことは、コイルの製造が容易となり、単一の円筒コアよりも種々のセクタを容易に別個に巻くことができるという点で有利である。
【００５３】
励磁電流がない場合、磁石からの磁束は、それ自身の上で閉じるので、電気機器の組み立て中に、アセンブリライン上で生じ得るような、ロータが強磁性部材に吸着されるという危険がなくなるという本発明の別の利点にも注目されたい。
【００５４】
当然ながら、本発明は、上に説明し、図示した実施例のみに限定されるものでなく、当業者であれば、本発明の要旨の範囲内で、上記実施例を、任意に変形または変更できるかについて理解しうると思う。
【００５５】
特に、ロータに磁気構造体とコイル構造体の任意の組み合わせを設けることができる。例えば、磁気構造体の各対の間に２つ以上のコイル構造体を設けたり、コイル構造体の各対の間に２つ以上の磁気構造体を設けたりすることができる。
【００５６】
この場合、コイルと磁石とは、励磁電流のない場合に磁石によって発生される周方向のほとんどを、コイルの最大磁束がブロックできるようになっている。
【００５７】
各コイル構造体は、巧妙に配置されたコイルを１個しか含んでいなくてもよい。
【００５８】
各磁気構造体は、２つ以上の磁石を有することができる。これら磁石からの磁束は、コイルによる励磁がない場合に、ロータ内の周方向の磁束の必要な効果を得るように結合する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、磁界コイルが非励磁状態にある、本発明の第１実施例を構成する回転電気機器のロータ・ステータシステムの展開略図であり、（ｂ）は、磁界コイルが励磁状態にある、（ａ）に類似した図である。
【図２】本発明に係わる多相電気機器のロータ・ステータシステムの略断面図である。
【図３】本発明の第２実施例を構成する回転電気機器のロータ・ステータシステムの展開略図である。
【図４】図２からのロータのコアの一実施例の略断面図である。
【図５】図３からのロータのコアの一実施例の略断面図である。
【符号の説明】
１ ステータ
２ ロータ
１２ コア
１３ ノッチ
１４ アーマチュアコイル
１５ 極
２０ａ，２０ｂ セクター
２１ 第１のＵ字形構造体
２２ 永久磁石構造体
２３ コネクタ
２１１、２１２ 分岐部
２１３ ベース
２１５、２１６ 励磁コイル
２２１、２２２ 部材
２２５ 永久磁石
Ｆ１、Ｆ２ 磁束
Ｆ３ 磁束
Ｆ４ 反時計回り方向の磁束、
Ｆ５ 相補的な同一極性の磁束

Claims (8)

1. 少なくとも１対のノッチ（１３）内に収容された少なくとも１つのアーマチュアコイル（１４）を含むステータ（１）と、前記アーマチュアコイル（１４）のまわりに磁気閉回路を選択的に形成するための手段を含むロータ（２）とを含む電気回転機器であって、
   Ｉ．前記磁気閉回路を選択的に形成する手段が、（イ）ロータ（２）の周方向に第１の磁束（Ｆ１）を発生するようになっている少なくとも１つの励磁用永久磁石（２２５）と、（ロ）前記励磁用永久磁石（２２５）が発生する第１の磁束（Ｆ１）と同じ方向に磁束を発生する少なくとも１個の励磁用コイル（２１５）（２１６）とを含んでいて、
   前記励磁用永久磁石（２２５）が発生する磁束（Ｆ１）は、前記少なくとも１個の励磁用コイル（２１５、２１６）に流す励磁用電流を制御することによって変化されること、前記励磁用永久磁石（２２５）が発生する第１の磁束（Ｆ１）は、反対方向の磁束（Ｆ３）と合流され、電気機器は最大限に励磁され、前記電気機器の励磁は、前記励磁電流の関数として、ゼロ値から所定の最大値まで変化されること、及び
   ＩＩ．前記励磁用永久磁石（２２５）が第１のロータ部分（２２）内に収容されていて、第１の対のロータ極を構成していること、
   ＩＩＩ．前記励磁用コイル（２１５、２１６）は第２のロータ部分（２１）のまわりに巻かれていて、第２のロータ部分（２１）の端部が第２の対のロータ極を構成していること、及び
   ＩＶ．前記ロータ（２）が、前記第１ロータ部分（２２）および第２ロータ部分（２１）の間に第３のロータ部分（２３）を備えていて、第３のロータ部分（２３）が、第１ロータ部分（２２）および第２ロータ部分（２１）と共に周方向の磁束を形成する、ことを特徴とする電気回転機器。
2. 第２ロータ部分（２１）が、磁束を発生するようになっている２つの励磁用コイル（２１５）（２１６）を有し、磁束の一方がロータ（１）の内側を向き、他方がロータ（１）の外側を向いていることを特徴とする、請求項１記載の電気機器。
3. ロータ（１）が、一連の交互に配置された第１部分（２２）と第２部分（２１）を、その周辺に沿って有することを特徴とする、請求項１または２記載の電気機器。
4. 第２ロータ部分（２１）が、ほぼＵ字形であり、その２つの分岐部（２１１）（２１２）の各々に、励磁用コイル（２１５）（２１６）を受けていることを特徴とする、請求項１〜３の電気機器。
5. 前記第３ロータ部分（２３）が、ロータの極から所定の距離にあり、ロータの半径よりもかなり短い半径方向の距離だけ延びていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の電気機器。
6. 第１ロータ部分（２２）、第２ロータ部分（２１）および第３ロータ部分（２３）が、単一コア（２０）によって構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の電気機器。
7. ロータが、磁石（２２５）のそれぞれの対の間に設けられた少なくとも２つの別個のヨーク要素（２０ａ）（２０ｂ）；（２０ａ）（２０ｂ）（２０ｃ）によって形成されており、かつ前記磁石によって共に接合されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の電気機器。
8. 自動車用オルタネータである請求項１〜７のいずれかに記載の電気機器。

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