JP4494615B2

JP4494615B2 - 永久磁石式回転電機

Info

Publication number: JP4494615B2
Application number: JP2000326913A
Authority: JP
Inventors: 公朗蜂須賀
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2020-10-26
Also published as: JP2002136012A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石式回転電機に関し、特に、高回転時に永久磁石からの磁束の一部をバイパスさせてコイルと鎖交する有効磁束を減少させる永久磁石式回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石式回転電機は、例えば、車両のバッテリ充電用の発電機として、又はエアコンや冷蔵庫のコンプレッサ駆動用モータとして利用されている（第１の従来例）。この第１の従来例に係る永久磁石式回転電機を発電機として用いるとき、低回転時に高出力を得たい場合がある。これにより、高回転時には過電圧が発生し、この過電圧によるバッテリや制御装置などに対する過負荷を防止するためにリレー等の電気部品を設ける必要がある。一方、前記の第１の従来例に係る永久磁石式回転電機をモータとして用いる場合、低回転時に高トルクを得たいときがある。しかしながら、この場合には、高回転域で誘起電圧が大きくなる。この誘起電圧が永久磁石式回転電機に供給される供給側電源電圧より大きくなるとモータとして運転できなくなる。結局、全体として回転レンジを広くとることが困難である。
【０００３】
さらに、従来技術の一例として、特開平７−３２２５８４号公報に開示されている永久磁石式回転電機が挙げられる（第２の従来例）。
【０００４】
この第２の従来例に係る永久磁石式回転電機１は発電機として機能するものであり、図６に示すように、磁性体からなる回転軸２と、該回転軸２に嵌合された永久磁石３を有する回転子４と、該回転子４を囲繞する固定子５を有する。このとき、前記永久磁石３は磁極が交互に異なるように配設されている。前記回転子４の上方には該回転子４の周壁を摺動自在なスライダ６が装着され、該スライダ６の一端部には磁性体からなる皿状の制御盤７が固着され、該スライダ６の他端部にはフライウエイト８が設けられている。さらに、前記固定子５の先端部と前記制御盤７の縁部との間にコイルスプリング９が介装されている。
【０００５】
この永久磁石式回転電機１を作動させた場合、先ず、低回転時にはフライウエイト８に働く遠心力が弱いため、該フライウエイト８が作用せず、回転子４と制御盤７との間に所定の距離が確保される。このため、回転する永久磁石３からの磁束は損失なく固定子５に達し、低回転時でも所定の起電力を得ることができる。さらに、永久磁石式回転電機１を高回転で作動させた場合、遠心力が大となり、該遠心力の作用によりフライウエイト８の一部が制御盤７を固定子５側に押圧することになる。これにより、制御盤７の縁部がコイルスプリング９の弾発力に抗して固定子５の先端部に当接する。この場合、永久磁石３からの磁束は大きくなるが、この磁束の一部は制御盤７及び回転軸２方向にバイパスされて（図７中、矢印Ｆ方向）、固定子５に達する磁束が低減される。これにより、高回転時の過大な起電力が抑制される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の第１の従来例に係る永久磁石式回転電機においては、高回転時に発生する過電圧を抑制するためにリレー等の電気部品を設けなければならず、部品点数が増加するという不具合が生じている。
【０００７】
また、前記の第２の従来例に係る永久磁石式回転電機１においては、高回転時に固定子５の先端部で磁束をバイパスさせているため、鉄損が大きくなるという難点がある。さらに、バイパス経路である制御盤７は回転軸２の周壁を摺動自在に装着されたスライダ６に固着されているため、該回転軸２と該スライダ６との間に異物などが侵入した場合、該スライダ６が該回転軸２の周壁を摺動することができなくなるおそれがある。これにより、高回転時に固定子５と制御盤７とが当接することができずに、該制御盤７が磁束のバイパス経路として機能しないという懸念が指摘されている。
【０００８】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、永久磁石式回転電機を発電機として用いるとき、低回転時に所定の出力を確保でき、部品点数を増加させることなく高回転時に磁路の一部を短絡させて発電出力を抑制できるとともに、鉄損を低減して高効率化を達成でき、また、永久磁石式回転電機をモータとして用いるとき、低回転時に高トルクを確保できるとともに、高回転時の過大な誘起電圧を抑制して回転レンジを拡大できる永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転軸と、該回転軸に嵌合するとともに、永久磁石が埋め込まれたヨークと、コイルを備えたステータとを有する永久磁石式回転電機であって、前記ヨークの軸方向の少なくとも一つの端面側には磁路短絡機構が設けられ、前記磁路短絡機構は前記端面に接近離間自在な磁性体からなる可動部を含み、前記回転軸が所定の回転数より低い場合、前記可動部は前記端面から離間した状態であり、該回転軸が所定の回転数より高い場合、該可動部は該端面に接近当接した状態であることを特徴とする。さらに、前記磁路短絡機構は弾性部材と転動部材を有し、前記可動部は前記回転軸の周壁を移動自在であるとともに、前記回転軸が所定の回転数より低い場合、前記弾性部材の弾発力により前記可動部は前記端面から離間し、該回転軸が所定の回転数より高い場合、前記転動部材が遠心力の作用下に該回転軸から離間する方向に移動することによって前記弾性部材の弾発力に抗して該可動部は該端面に接近当接するとよい。
【００１０】
本発明によれば、高回転時に磁路短絡機構を構成する可動部が、永久磁石が埋め込まれたヨークの軸方向の一端面に接近当接する。これにより、回転する永久磁石からの磁束の一部が可動部にバイパスされる。すなわち、可動部に磁束が漏れることになり、コイルに達する有効磁束が減少することになる。従って、永久磁石式回転電機を発電機として用いるとき、磁路を短絡させるためのリレー等の電気部品を設けることなく、高回転時に磁路の一部を短絡させて発電出力を抑制することができるとともに、鉄損を低減して高効率化を達成できる。しかも、永久磁石式回転電機をモータとして用いるとき、低回転域でのモータトルクを確実に確保することができるとともに、高回転域での過大な誘起電圧を抑制して回転レンジを拡大することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る永久磁石式回転電機について好適な実施の形態を挙げ、添付の図１〜図５を参照しながら以下詳細に説明する。なお、この永久磁石式回転電機は、その用途が限定されるものではないが、例えば、自動車などのエンジンの出力軸に結合され、広い回転レンジの対応が必要とされるものに使用される発電機やステータと発電機とを一体とした機器に用いられると好ましい。
【００１２】
本発明の第１の実施の形態に係る永久磁石式回転電機１０は、図１に示すように、大径部１２と小径部１４とからなる回転軸１６と、該回転軸１６に嵌合するとともに、該回転軸１６と一体的に回転動作するヨーク１８と、ステータ２０を有する。このヨーク１８は高透磁率材からなる鋼板（例えば、けい素鋼板）を積層したものであり、図１におけるその下方には磁路短絡機構２２が設けられている。この磁路短絡機構２２の構成については、後で詳述する。
【００１３】
ヨーク１８には回転軸１６に対して所定角度離間して複数の孔部２４が該ヨーク１８を貫通するように形成されており、該孔部２４には磁極の異なる永久磁石２６が交互にそれぞれ収容されている。
【００１４】
ステータ２０はヨーク１８と同様に高透磁率からなる積層鋼板からなり、該ヨーク１８を囲繞している。このステータ２０には図示しない絶縁部材を介して第１〜第９電磁コイル２８ａ〜２８ｉが巻回されており、該ステータ２０に形成されたボルト孔３０を通って内燃機関ケース３２のボルト穴３４に螺合されたボルト３６により、該ステータ２０は該内燃機関ケース３２に固定されている。従って、前記ヨーク１８は、ステータ２０に巻回された第１〜第９電磁コイル２８ａ〜２８ｉにより囲繞される。なお、ステータ２０には、第１〜第９電磁コイル２８ａ〜２８ｉとは別の電磁コイル（図示せず）が固定されている。この図示しない電磁コイルは、永久磁石式回転電機１０を発電機として機能させる際に、誘起電圧を発生させるためのものである。
【００１５】
内燃機関ケース３２の図１における下端部には回転軸１６の大径部１２を通すための開口部３８が形成されている。この開口部３８と大径部１２との間は、シール部材４０によりシールされている。また、前記内燃機関ケース３２の略中腹部には段部４２が形成されており、この段部４２には上述したボルト穴３４が設けられる。
【００１６】
磁路短絡機構２２は、図１に示すように、回転軸１６の小径部１４の周壁を摺動自在で、且つ磁性体からなる可動部４４と、該小径部１４に嵌合するとともに、大径部１２と該小径部１４の境界部位に形成された該大径部１２の端面に固着される略円盤状の固定部４６と、該固定部４６に形成された３つの移動溝４８ａ〜４８ｃ上にそれぞれ載置された３個の球状の遠心ウエイト５０ａ〜５０ｃを有する。
【００１７】
可動部４４における前記小径部１４の近傍には環状凹部５２が形成されるとともに、該環状凹部５２内にはコイルスプリング５４の一端部が挿入される。前記コイルスプリング５４の他端部はヨーク１８の下端面５６に着座している。従って、前記コイルスプリング５４は、前記環状凹部５２の底面と前記下端面５６との間に介装され両者間に弾発力を付与する。
【００１８】
さらに、前記可動部４４には、該可動部４４の半径方向外方に向かうにつれて前記遠心ウエイト５０ａ〜５０ｃの周面に合う曲率で外方に向かって下方へと傾斜する３つの切欠溝５８ａ〜５８ｃが形成されており、該遠心ウエイト５０ａ〜５０ｃはこの切欠溝５８ａ〜５８ｃをそれぞれ移動可能に配置されている。
【００１９】
また、前記可動部４４には、３つの貫通孔６０ａ〜６０ｃが形成されており、該貫通孔６０ａ〜６０ｃにはそれぞれ止めピン６２ａ〜６２ｃが貫通するとともに、該止めピン６２ａ〜６２ｃは、ヨーク１８に形成された凹部６４ａ〜６４ｃにそれぞれ圧入される。従って、ヨーク１８と可動部４４とは、一体的に回転動作できるように構成されている。
【００２０】
第１の実施の形態に係る永久磁石式回転電機１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用及び効果について説明する。
【００２１】
先ず、回転軸１６が低速で回転動作する場合には、図１に示すように、各遠心ウエイト５０ａ〜５０ｃが受ける遠心力よりも磁路短絡機構２２を構成するコイルスプリング５４の弾発力が大きい。従って、可動部４４がコイルスプリング５４により弾発付勢され、ヨーク１８と可動部４４とが離間した状態となる。この場合、ステータ２０の第１〜第９電磁コイル２８ａ〜２８ｉのうち任意のコイルが、例えば、バッテリ（図示せず）などの電力供給源に電気的に接続され、該電力供給源から第１〜第９電磁コイル２８ａ〜２８ｉに電流が供給されて永久磁石式回転電機１０が、モータとして機能することになる。
【００２２】
そして、回転軸１６が高速で回転動作するようになると、各遠心ウエイト５０ａ〜５０ｃが受ける遠心力における該回転軸１６の長手方向に沿う成分がコイルスプリング５４の弾発力よりも大きくなる。このため、遠心ウエイト５０ａ〜５０ｃは、可動部４４に形成された切欠溝５８ａ〜５８ｃ及び固定部４６に形成された移動溝４８ａ〜４８ｃ内を転動または滑動し、該可動部４４の半径方向外方の端部に至る。これに伴い、図３に示すように、遠心ウエイト５０ａ〜５０ｃにより可動部４４が押圧されて上昇し、その結果、ヨーク１８の下端面５６と該可動部４４の上端面６６とが当接することになる。
【００２３】
この場合、ヨーク１８が回転動作しているので、該ヨーク１８に保持された永久磁石２６により、第１〜第９電磁コイル２８ａ〜２８ｉとは別の図示しない電磁コイルに誘起電圧が発生する。すなわち、永久磁石式回転電機１０は、発電機として機能することになる。その際、ヨーク１８と可動部４４とが当接しているため、回転する永久磁石２６からの磁束の一部が、図３中、矢印Ａ方向にバイパスする、すなわち漏れ磁束が発生する。これにより、図示しない前記電磁コイルに達する有効磁束が減少して、高回転時に発生する誘起電圧を抑制することができる。
【００２４】
なお、第１の実施の形態において、磁路短絡機構２２を図１においてヨーク１８の下方に配設したが、該磁路短絡機構２２を図１においてヨーク１８の上方に配設してもよく、或いはヨーク１８の上方と下方の両方に該磁路短絡機構２２を配設してもよい。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る永久磁石式回転電機１００について、図４及び図５を参照しながら説明する。この第２の実施の形態に係る永久磁石式回転電機１００において、第１の実施の形態に係る永久磁石式回転電機１０における構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２６】
この第２の実施の形態に係る永久磁石式回転電機１００は、前記第１の実施の形態に係る永久磁石式回転電機１０と略同様の構成を有するが、磁路短絡機構２２の可動部４４と固定部４６の形状が異なっている。
【００２７】
前記第２の実施の形態に係る永久磁石埋式回転電機１００の可動部４４は、図４に示すように、環状凹部５２から半径方向外方に円盤状に形成されている。一方、固定部４６は半径方向外方に向かうにつれて回転軸１６の軸方向に沿って上方に膨出する山形状に形成される。従って、移動溝４８ａ〜４８ｃは遠心ウエイト５０ａ〜５０ｃの周面に合う曲率で外方に向かって上方へと傾斜して形成される。
【００２８】
前記永久磁石式回転電機１００の回転軸１６を高速で回転動作させた場合、図５に示すように、各遠心ウエイト５０ａ〜５０ｃは、切欠溝５８ａ〜５８ｃ及び移動溝４８ａ〜４８ｃ内を転動または滑動し、該可動部４４の半径方向外方の端部に至る。その際、前記遠心ウエイト５０ａ〜５０ｃは、前記移動溝４８ａ〜４８ｃを上方に向かって転動または滑動することになる。これにより、前記遠心ウエイト５０ａ〜５０ｃによって可動部４４が押圧されて上昇し、ヨーク１８の下端面５６と該可動部４４の上端面６６とが当接することになる。従って、上記した第１の実施の形態に係る永久磁石式回転電機１０と同様に、回転する永久磁石２６からの磁束の一部が、図５中、矢印Ｂ方向にバイパスする、すなわち漏れ磁束が発生する。これにより、図示しない電磁コイルに達する有効磁束が減少して、高回転時に発生する誘起電圧を抑制することができる。
【００２９】
しかも、この第２の実施の形態に係る永久磁石式回転電機１００においては、可動部４４に設けられた環状凹部５２の外側が半径方向外方に円盤状に形成されているため、貫通孔６０ａ〜６０ｃの長さを可及的に短くすることができる。従って、止めピン６２ａ〜６２ｃの長さを可及的に短尺化できるため、該止めピン６２ａ〜６２ｃを容易に前記貫通孔６０ａ〜６０ｃに圧入することが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、高回転時に磁路短絡機構を構成する可動部が、永久磁石が埋め込まれたヨークの軸方向の一端面に接近当接する。これにより、回転する永久磁石からの磁束の一部が可動部にバイパスされる。すなわち、可動部に磁束が漏れることになり、コイルに達する有効磁束が減少することになる。従って、永久磁石式回転電機を発電機として用いるとき、磁路を短絡させるためのリレー等の電気部品を設けることなく、高回転時に磁路の一部を短絡させて発電出力を抑制することができるとともに、鉄損を低減して高効率化を達成できる。しかも、永久磁石式回転電機をモータとして用いるとき、低回転域でのモータトルクを確実に確保することができるとともに、高回転域での過大な誘起電圧を抑制して回転レンジを拡大することができるという特有の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る永久磁石式回転電機の要部を示す一部省略縦断面概略構成図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線からみた矢視説明図である。
【図３】図１の永久磁石式回転電機が備える磁路短絡機構の可動部がヨークに当接した状態を示す一部省略縦断面説明図である。
【図４】第２の実施の形態に係る永久磁石式回転電機の要部を示す一部省略縦断面概略構成図である。
【図５】図４の永久磁石式回転電機が備える磁路短絡機構の可動部がヨークに当接した状態を示す一部省略縦断面説明図である。
【図６】第２の従来例に係る永久磁石式回転電機を示す縦断面説明図である。
【図７】図６の永久磁石式回転電機の固定子と制御盤とが当接した状態を示す縦断面説明図である。
【符号の説明】
１０、１００…永久磁石式回転電機１６…回転軸
１８…ヨーク２０…ステータ
２２…磁路短絡機構２６…永久磁石
２８ａ〜２８ｉ…第１〜第９電磁コイル
４４…可動部５０ａ〜５０ｃ…遠心ウエイト
５４…コイルスプリング５６…下端面

Claims

回転軸と、該回転軸に嵌合するとともに、永久磁石が埋め込まれたヨークと、コイルを備えたステータとを有する永久磁石式回転電機であって、
前記ヨークの軸方向の少なくとも一つの端面側には磁路短絡機構が設けられ、前記磁路短絡機構は前記端面に接近離間自在な磁性体からなる可動部を含み、
前記回転軸が所定の回転数より低い場合、前記可動部は前記端面から離間した状態であり、該回転軸が所定の回転数より高い場合、該可動部は該端面に接近当接した状態であり、
前記可動部には、前記回転軸の軸線方向に延在する貫通孔が形成されており、
前記磁路短絡機構は、弾性部材と、転動部材と、前記可動部に形成された前記貫通孔に挿入され一端部が前記ヨークに固定された位置決めピンとを有し、これにより前記ヨークと前記可動部とが一体的に回転動作できるように構成されており、
前記可動部は前記回転軸の周壁を移動自在であるとともに、前記回転軸が所定の回転数より低い場合、前記弾性部材の弾発力により前記可動部は前記端面から離間し、前記回転軸が所定の回転数より高い場合、前記転動部材が遠心力の作用下に前記回転軸から離間する方向に移動することによって前記弾性部材の弾発力に抗して前記可動部が前記端面に接近当接する、ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転軸は、前記ヨークに嵌合した小径部と、前記小径部よりも外径が大きい大径部とを有し、
前記磁路短絡機構は、前記小径部と前記大径部の境界部位に形成された前記大径部の端面に当接して配置された固定部をさらに有し、
前記可動部は、前記ヨークと前記固定部との間に位置するとともに、前記弾性部材により前記固定部側に弾性的に付勢され、
前記可動部と前記固定部との間に前記転動部材が転動可能に保持されている、ことを特徴とする永久磁石式回転電機。