JP4556408B2

JP4556408B2 - クローポール形回転機

Info

Publication number: JP4556408B2
Application number: JP2003328529A
Authority: JP
Inventors: 徹桑原
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2023-09-19
Also published as: JP2005094978A

Description

本発明は、発電機又は電動機として使用されるクローポール形回転機に関するものである。

従来から、発電機又は電動機として使用される回転機としてクローポール形回転機と称されるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

クローポール形回転機の一例を図７に示す。

図に示すように、クローポール形回転機は、図示しない固定側に支持されたケーシング１０と、ケーシング１０に軸受１１，１１を介して枢支された回転軸１２と、ケーシング１０内で回転軸１２に一体的に装着されたロータ１３と、ケーシング１０に固定され、ロータ１３の外周面を隙間をおいて覆うように配置されたステータ１４とを備える。

ロータ１３は、回転軸１２の外周部に連結されたほぼ円筒状の鉄心（ポールピース）１５と、その鉄心１５の外周部に巻回されたコイル１６と、鉄心１５及びコイル１６の軸方向両端部に配置された第１及び第２磁極体（ポールピース）１７，２１とを備える。

鉄心１５は、強磁性材料（例えば、炭素含有量が比較的低い機械構造用炭素鋼）から形成され、キー溝やスプライン等を介して回転軸１２に相対回転不可に連結される。

第１及び第２磁極体１７，２１もまた、強磁性材料（例えば、炭素含有量が比較的低い機械構造用炭素鋼）から形成され、キー溝やスプライン等を介して回転軸１２の外周部に相対回転不可に連結される。第１及び第２磁極体１７，２１はそれぞれ、ほぼ円盤状の基部１７ａ，２１ａと、基部１７ａ，２１ａの径方向外側端部に一体的に設けられ、コイル１６の外周を覆うように軸方向に延出した第１及び第２クロー１７ｂ，２１ｂとを有している。

第１及び第２クロー１７ｂ，２１ｂはそれぞれ、コイル１６の周方向に所定間隔を隔てて複数設けられ、径方向外側から見て、基部１７ａ，２１ａ側から軸方向先端部に向かうに従って先細りとなるように、ほぼ二等辺三角形状に形成されている。また、第１及び第２クロー１７ｂ，２１ｂの外周面は、回転軸１２の軸心を中心とする１つの仮想円に沿って湾曲している。

第１及び第２磁極体１７，２１の各クロー１７ｂ，２１ｂは、対向する相手側のクロー２１ｂ，１７ｂ間の隙間に挿入して配置される。つまり、第１クロー１７ｂと第２クロー２１ｂとは、コイル１６の周方向に間隔を隔てて交互に配列される。第１及び第２磁極体１７，２１は例えば、基部１７ａ，２１ａとクロー１７ｂ，２１ｂとを一体的に成形したものを折り曲げることにより製造される。

ステータ１４は磁性材料（例えば電磁鋼板の積層体）からなり、ほぼ円筒形状を有している。ステータ１４には、その周方向に間隔を隔てて複数の巻線２２が保持されている。

なお、図中、１９，２０は冷却用のファンである。

係るクローポール形回転機を発電機として使用する場合、回転軸１２の一端に設けたプーリ１８を介して、図示しない駆動手段（例えば、車両のエンジン）により回転軸１２とロータ１３とを一体的に回転する。また、それと同時にロータ１３のコイル１６に通電する。

すると、鉄心１５と第１及び第２磁極体１７，２１が励磁され、鉄心１５と、第１及び第２磁極体１７，２１の基部１７ａ，２１ａと第１及び第２クロー１７ｂ，２１ｂと、ステータ１４との間で磁気回路が形成され、ステータ１４に配設された巻線２２に電流が発生し、発電が遂行される。

特開２００１−１３６６９３号公報

しかしながら、このようなクローポール形回転機では、発電機として使用する場合、発電に際してコイル１６を通電して鉄心１５と第１及び第２磁極体１７，２１とを励磁する必要があるため発電効率が悪かった。そこで、発電時に必要とされるコイル１６への通電電流を低減して発電効率を高めることが望まれていた。

また、クローポール形回転機を用いた発電機又は電動機の性能を向上させることも望まれていた。

そこで、本発明は上記課題を解決すべく創案されたものであり、その目的は、発電機として使用する場合における発電効率の向上、又は発電機及び電動機として使用する場合における性能向上を図ったクローポール形回転機を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、回転軸に一体的に装着されたロータと、該ロータの外周面を隙間をおいて覆うように配置されたステータとを備え、上記ロータが、上記回転軸の外周部に相対回転不可に連結された鉄心と、該鉄心の外周部に巻回されたコイルと、上記鉄心の軸方向両端部に配置され、上記コイルの径方向外側を覆うと共に周方向に間隔を隔てて配置されたクローをそれぞれ備えた第１及び第２磁極体とを有し、上記第１磁極体のクローと第２磁極体のクローとが上記コイルの周方向に交互に配列されるクローポール形回転機であって、上記鉄心に、上記回転軸の軸方向に磁極面を有する永久磁石を埋設したものである。

更に本発明は、回転軸に一体的に装着されたロータと、該ロータの外周面を隙間をおいて覆うように配置されたステータとを備え、上記ロータが、上記回転軸の外周部に相対回転不可に連結された鉄心と、該鉄心の外周部に巻回されたコイルと、上記鉄心の軸方向両端部に配置され、上記コイルの径方向外側を覆うと共に周方向に間隔を隔てて配置されたクローをそれぞれ備えた第１及び第２磁極体とを有し、上記第１磁極体のクローと第２磁極体のクローとが上記コイルの周方向に交互に配列されるクローポール形回転機であって、上記第１磁極体及び第２磁極体の内の少なくとも一方の磁極体に永久磁石が埋設されており、上記永久磁石は、上記コイルが通電されたときのみ、上記ステータを介して磁気回路を形成し、上記コイルが通電されていないときに、上記永久磁石が埋設された磁極体内で上記永久磁石の磁束が短絡するものである。

本発明によれば、発電機として使用する場合における発電効率の向上、又は発電機及び電動機として使用する場合における性能向上を図ることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施例を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の一実施例にかかるクローポール形回転機の側面断面図である。このクローポール形回転機の基本的な構成は、図７を用いて説明したものと同様であるので、同一要素には同一の符号を付してその説明を省略する。

このクローポール形回転機の特徴は、ロータ１３を構成する鉄心１５の内部に永久磁石３０を埋設した点にある。

即ち、鉄心１５の内面の軸方向中間部（本実施例ではほぼ中央部）に、径方向外側に窪んだ凹部３１が設けられ、その凹部３１内に永久磁石３０が収容・埋設される。凹部３１はその断面がほぼ矩形状であり、鉄心１５の周方向全域に亘って環状に形成される。

永久磁石３０は、凹部３１と同様の断面形状を有するリング状であり、凹部３１内に隙間なく収容される。従って、永久磁石３０は回転軸１２の周方向全域に亘って延出する。永久磁石３０の内面は、回転軸１２の外周面と接触するか、外周面から僅かな間隔を隔てて離間する。

永久磁石３０は、その軸方向両端面に磁極面を有しており、磁極の向きが、コイル１６が通電されたときに鉄心１５に励磁される磁極の向きと同一となるように配置される。

次に、このクローポール形回転機を発電機として使用する場合を例にとって、本実施例のクローポール形回転機の作用を説明する。

まず、発電を行わないときは、回転軸１２を停止させると共に、ロータ１３のコイル１６を非通電とする。すると、図２（ａ）に示すように、永久磁石３０の磁束が鉄心１５内を通って短絡し、短絡回路Ｗ１を形成する。つまり、永久磁石３０の磁束は鉄心１５内に保持され、ステータ１４側へ漏れることはない。従って、非発電時に、磁気漏れによる制動力が回転軸１２に作用することはない。これは、クローポール形回転機を車両の発電機として使用する場合に非常に有効である。なぜなら、非発電時に回転軸１２及びそれに接続されたエンジンに制動力が作用しないため、燃費及び出力の向上が図れるからである。

次に、発電を行う場合、回転軸１２の一端に設けたプーリ１８（図１参照）を介して、図示しない駆動手段（例えば、車両のエンジン）により回転軸１２とロータ１３とを一体的に回転する。また、それと同時にロータ１３のコイル１６に通電する。

すると、鉄心１５と第１及び第２磁極体１７，２１が励磁され、図２（ｂ）に示すように、鉄心１５と、第１及び第２磁極体１７，２１の基部１７ａ，２１ａと第１及び第２クロー１７ｂ，２１ｂと、ステータ１４との間で磁気回路Ｗ２が形成され、ステータ１４に配設された巻線２２に電流が発生し、発電が遂行される。このとき、永久磁石３０の磁極面の向きが、励磁された鉄心１５と第１及び第２磁極体１７，２１の磁極の向きと同一であるため、永久磁石３０の磁束も同様に、鉄心１５、第１及び第２磁極体１７，２１の基部１７ａ，２１ａと第１及び第２クロー１７ｂ，２１ｂ、ステータ１４を通って流れ、磁気回路Ｗ３を形成する。なお、鉄心１５、第１及び第２磁極体１７，２１、永久磁石３０の磁極の向きは一例として示したものであり、図例と逆向きでも構わないことは勿論である。

このように、本実施例のクローポール形回転機によれば、ロータ１３のコイル１６に通電したときに、励磁された鉄心１５と第１及び第２磁極体１７，２１からの磁束のみならず、永久磁石３０からの磁束もステータ１４側へと流れるため、発電効率の向上、あるいは性能向上を図ることができる。

即ち、発電機としての性能を従来と同等とした場合、永久磁石３０の磁束Ｗ３の分だけコイル１６に対する通電電流（電圧）を少なくできるため、発電効率が向上する。あるいは、永久磁石３０の磁束Ｗ３の分だけコイル１６の巻数を少なくしたり、鉄心１５のサイズを小さくすることもでき、クローポール形回転機の小型化を図ることもできる。

また、コイル１６の巻数及びコイル１６に対する通電電流（電圧）を従来と同等とした場合、永久磁石３０の磁束Ｗ３の分だけステータ１４に作用する磁束（磁力）が大きくなるため、発電機としての性能が向上する。この性能向上効果は、クローポール形回転機を電動機として使用する場合も得ることができる。

なお、永久磁石３０のサイズや磁力などは、発電機又は電動機に必要とされる性能などを考慮して適宜設定される。

次に、図３を用いて他の実施例を説明する。

この形態は、永久磁石３０を鉄心１５の軸方向一端部（第１磁極体１７側端部）に埋設したものである。つまり、鉄心１５の内面の軸方向一端部に凹部３１を形成し、その凹部３１内に永久磁石３０が収容・埋設される。

この形態では、発電を行わないときには、永久磁石３０の磁束は第１磁極体１７の基部１７ａと鉄心１５を通って短絡する。この形態においても、上記実施例１と同様の効果を得ることができる。

このように、永久磁石３０は鉄心１５の軸方向端部又は中間部のいずれに設けてもよく、鉄心１５に対する軸方向位置に制約はない。また、永久磁石３０は鉄心１５の軸方向両端部にそれぞれ設けるなど、鉄心１５の軸方向に複数設けても良い。

図４を用いて、更に他の実施例を説明する。

図４に示すように、この実施例は、永久磁石３５を第１磁極体１７の基部１７ａ内に埋設したものである。即ち、第１磁極体１７の基部１７ａの径方向中間部に、断面矩形状の空洞３６が周方向全域に亘って環状に形成され、その空洞３６内に断面矩形状でリング状の永久磁石３５が収容される。

永久磁石３５の埋設方法の例を図５を用いて説明する。

図５（ａ）に示す例は、第１磁極体１７の基部１７ａをその径方向中間部で上下に二分割して形成し、一方（図中の下側）の分割基部１７ａ−１の軸方向中間部に径方向内側に窪んだ凹部３７を設け、他方の分割基部１７ａ−２の軸方向中間部（凹部３７と同位置）に凹部３７よりも径方向長さの短い凸部３８を形成したものである。凸部３８の径方向長さが凹部３７の径方向長さよりも短いため、凸部３８を凹部３７内に挿入すると、凹部３７の底部と凸部３８の先端部との間に磁石埋設スペース（図４の空洞３６に相当）が形成される。

一方の分割基部１７ａ−１の凹部３７内に永久磁石３５を収容した後、他方の分割基部１７ａ−２の凸部３８を凹部３７内に収容し、両分割基部１７ａ−１，１７ａ−２をボルト３９等の締結手段で一体化することにより、分割基部１７ａ−１，１７ａ−２及び永久磁石３５を一体化できる。なお、ボルト３９は、分割基部１７ａ−１，１７ａ−２の周方向に間隔を隔てて複数設けられる。

図５（ｂ）に示す例は、上側の分割基部１７ａ−２に凹部３７を設け、下側の分割基部１７ａ−１に凸部３８を設けたものである。更に、この例では、凸部３８及び凹部３７は、各分割基部１７ａ−１，１７ａ−２の軸方向一端部（図中左側端部）に形成される。このように、凸部３８及び凹部３７の分割基部１７ａ−１，１７ａ−２に対する軸方向位置に制約はない。

図５（ｃ）に示す例は、両分割基部１７ａ−１，１７ａ−２の側部に連結板４０を配置し、この連結板４０とボルト又はビス４１とを介して、分割基部１７ａ−１，１７ａ−２及び永久磁石３５を一体化したものである。

図４に戻り、リング状の永久磁石３５は、その径方向両端面（外周面及び内周面）に磁極面を有しており、その磁極の向きが、コイル１６に通電されたときに第１磁極体１７の基部１７ａを通って流れる磁束の向きと等しくなるように配置される。

このクローポール形回転機では、コイル１６が通電されないときには、永久磁石３５の磁束は第１磁極体１７の基部１７ａを通って短絡する。一方、コイル１６が通電されたときには、励磁された鉄心１５及び第１磁極体１７の磁束と共にステータ１４へと流れ、磁気回路を形成する。従って、この実施例でも上述した実施例１，２と同様の効果を得ることができる。

なお、図６に示すように、永久磁石３５を第１及び第２磁極体１７，２１の両方の基部１７ａ，２１ａに設けても良く、あるいは第２磁極体２１の基部２１ａのみに設けても良い。また、第１及び第２磁極体１７，２１の基部１７ａ，２１ａに対する永久磁石３５の径方向位置についても特に制約はない。しかしながら、永久磁石３５を基部１７ａ，２１ａの径方向外側端部にあまりに近づけすぎると、コイル１６が通電されていないときに、永久磁石３５の磁束の一部がステータ１４側へと漏れる可能性があるので、ステータ１４に対する磁気漏れの生じない位置に設けることが好ましい。

本発明は以上の実施例に限定されるものではない。

例えば、永久磁石３０，３５はリング状として説明したが、周方向に分割した形状であっても良い。また、回転軸１２の周方向に間隔を隔てて複数の永久磁石３０，３５を設けても良い。

また、図４及び図６に示したように、永久磁石３５を第１磁極体１７及び／又は第２磁極体２１の基部１７ａ，２１ａの軸方向中間部に設ける場合、永久磁石３５がその軸方向両端部に磁極面を有するようにしても良い。

更に、図１で示したクローポール形回転機の各構成要素の形状は一例として示したものであり、本発明を限定するものではない。

本発明の一実施例に係るクローポール形回転機の側面断面図である。（ａ）は、図１のクローポール形回転機の部分拡大側面断面図であり、コイル非通電時の状態を示している。（ｂ）は、図１のクローポール形回転機の部分拡大側面断面図であり、コイル通電時の状態を示している。他の実施例のクローポール形回転機の部分拡大側面断面図である。他の実施例のクローポール形回転機の部分拡大側面断面図である。（ａ）は、永久磁石の埋設方法を示す部分拡大側面断面図である。（ｂ）は、永久磁石の埋設方法を示す部分拡大側面断面図である。（ｃ）は、永久磁石の埋設方法を示す部分拡大側面断面図である。他の実施例のクローポール形回転機の部分拡大側面断面図である。従来のクローポール形回転機の側面断面図である。

符号の説明

１２回転軸
１３ロータ
１４ステータ
１５鉄心
１６コイル
１７第１磁極体
１７ｂ第１クロー
２１第２磁極体
２１ｂ第２クロー
３０永久磁石
３５永久磁石

Claims

回転軸に一体的に装着されたロータと、該ロータの外周面を隙間をおいて覆うように配置されたステータとを備え、
上記ロータが、
上記回転軸の外周部に相対回転不可に連結された鉄心と、
該鉄心の外周部に巻回されたコイルと、
上記鉄心の軸方向両端部に配置され、上記コイルの径方向外側を覆うと共に周方向に間隔を隔てて配置されたクローをそれぞれ備えた第１及び第２磁極体とを有し、
上記第１磁極体のクローと第２磁極体のクローとが上記コイルの周方向に交互に配列されるクローポール形回転機であって、
上記鉄心に、上記回転軸の軸方向に磁極面を有する永久磁石を埋設したことを特徴とするクローポール形回転機。
回転軸に一体的に装着されたロータと、該ロータの外周面を隙間をおいて覆うように配置されたステータとを備え、
上記ロータが、
上記回転軸の外周部に相対回転不可に連結された鉄心と、
該鉄心の外周部に巻回されたコイルと、
上記鉄心の軸方向両端部に配置され、上記コイルの径方向外側を覆うと共に周方向に間隔を隔てて配置されたクローをそれぞれ備えた第１及び第２磁極体とを有し、
上記第１磁極体のクローと第２磁極体のクローとが上記コイルの周方向に交互に配列されるクローポール形回転機であって、
上記第１磁極体及び第２磁極体の内の少なくとも一方の磁極体に永久磁石が埋設されており、
上記永久磁石は、上記コイルが通電されたときのみ、上記ステータを介して磁気回路を形成し、上記コイルが通電されていないときに、上記永久磁石が埋設された磁極体内で上記永久磁石の磁束が短絡することを特徴とするクローポール形回転機。