JP4676804B2 - 磁石式発電機及び磁石式発電機の出力調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動二輪車等に使用される磁石式発電機に関し、特に、エンジンと連携して発電動作を行う磁石式発電機及びその出力調整方法に関する。

従来より、自動二輪車等に搭載される発電機しては、構造簡単にして所望の出力が得られることから、いわゆる磁石式発電機が広く使用されている。この種の磁石式発電機は、発電子コイルが巻装された固定子と、固定子の外側に回転自在に支持された回転子とを備えている。回転子には、磁性材料にて形成されたヨークが設けられており、ヨークには複数個の永久磁石が取り付けられている。永久磁石は、ヨーク周方向に沿って間隔をあけて同心円状に配設されている。ヨークはボスロータ等によってエンジンのクランク軸に接続されており、エンジンが始動すると、永久磁石を備えた回転子が固定子の周囲で回転し、発電子コイルに起電力が生じ発電動作が行われる。

一方、電装部品の増大等による消費電流の増加に伴い、発電機の高出力化が求められており、磁石式発電機においても、多極化や永久磁石の材質変更により出力電流の向上が図られている。すなわち、従来の磁石式発電機では、永久磁石の極数が１２極以下であることが多かったが、近年では１２極を超えたものも珍しくなく、例えば、２０極１５スロットの磁石式発電機も実用化されている。また、永久磁石自体も、従来のフェライト磁石に代えて、ネオジウム系やサマリウムコバルト系の希土類磁石を用いることにより、界磁が高磁束密度化し、発電機の小型化、高出力化が図られる。

ところが、このような高出力の磁石式発電機では、エンジン低回転域での発電効率を上げると、車両によっては高回転域での発電量が余剰となる場合がある。余分の電力は、短絡制御される電圧調整器によって熱として廃棄されるため、その分、発電効率が低下し、二輪車の燃費が低下する。この場合、四輪自動車では、オルタネーター等の界磁コイルを有する発電機が使用されており、界磁コイルに流れる界磁電流を制御することにより、出力電圧を一定に維持できる。これに対して、磁石式発電機では、界磁が永久磁石によって形成されるため界磁の制御ができず、出力側に電圧調整器を介設して電圧を一定に維持せざるを得ず、発電効率や燃費の面で不利になるという問題があった。

そこで、このような余剰電力を削減するため、従来より、次のような手法によって、適用車種等に応じた磁石式発電機の出力調整が行われている。まず第１に、永久磁石に逆磁界をかけて減磁を行い、その着磁量を減少させる方式がある。この方式は、永久磁石にフェライト磁石を用いた場合に適用され、界磁磁束密度を低下させることにより、発電出力を抑制する。次に、第２の方式として、マグネット自体を小型化する対応策が挙げられる。この方式は、材料価格が高価な希土類磁石を用いた場合に適用され、永久磁石の着磁量は調整せずフル着磁状態で使用するが、磁石自体が小さいため、その分、磁束量が減少する。さらに、第３の方式として、固定子側の調整が挙げられる。この場合は、ステータコアの積層枚数やコイル巻回数を減少させ、これにより、発電出力を抑制する。

また、特許文献２の磁石式発電機では、出力調整のため、回転子側の永久磁石の間に制御磁極を設け、これを電磁石として使用することにより、界磁磁束密度を制御している。ここでは、固定子側に界磁コイルが設けられており、界磁コイルの通電により、制御磁極の極性や磁束量を適宜変更できるようになっている。そして、低回転域では界磁を強め、高回転域では界磁を弱めることにより、発電出力の均等化を図り、余剰電力を削減している。
特開平5-316673号公報 特開平7-59314号公報 特開平10-174396号公報 特開平10-178752号公報

しかしながら、前述の出力調整方式では、次のような問題がある。まず、第１の方式では、車種に応じて様々な減磁処理が必要となり、処理が煩雑化し、その分、工数が増大しコストアップの要因となる。次に、第２の方式では、高価な希土類磁石を切削等するのは無駄であり、また、小型化するための後加工も必要となるため、コスト面で不利となる。さらに、第２の方式では、仕様毎にコア積層数やコイル巻回数を変更するため、その都度生産設備の調整が必要となり、生産効率が低下するという問題がある。

一方、特許文献２の発電機の場合は、界磁コイルに対する通電方向や供給電流量を制御する必要があり、発電機とは別に専用の制御手段を設ける必要がある。このため、電圧調整器は不要となるものの、それよりも高価な制御装置が必要となり、発電システム自体のコストが増大する。また、永久磁石に対して制御磁石の個数が極端に少なくなると、磁束調整幅が小さくなり、制御形態も限定され実効性が低くなる。

本発明の目的は、煩雑で工数のかかる出力調整処理を行うことなく、種々の仕様に対して容易に出力調整が可能な磁石式発電機を提供することにある。

本発明の磁石式発電機は、発電子コイルが巻装された固定子と、前記固定子の外側に回転自在に支持された磁性材料からなるヨークを備える回転子とを有する磁石式発電機であって、前記ヨークは、周方向に沿って前記発電子コイルと対向して設けられた複数個の極片を有し、前記極片は、永久磁石、又は、磁性材料からなる出力調整部材によって形成され、永久磁石にて形成された前記極片は、隣接する前記極片同士が異極となるように配置され、前記出力調整部材にて形成された前記極片と、前記永久磁石にて形成された前記極片は、軸方向において同じ位置に配置され、前記極片における前記永久磁石と前記出力調整部材の配置個数を変更することにより、その出力を変更可能としたことを特徴とする。

本発明にあっては、永久磁石又は出力調整部材からなる複数個の極片における永久磁石と出力調整部材の配置個数を変更可能に構成したので、出力調整部材を適宜個数配置することにより、永久磁石による界磁磁束数を調整し、発電出力を容易に調整することができる。このため、種々の仕様に対し、煩雑な調整処理や生産設備の調整を伴うことなく、容易に最適な出力特性の設定が可能となる。

前記磁石式発電機において、前記永久磁石と前記出力調整部材が同重量となるように前記出力調整部材に切欠を形成し、前記回転子の重量バランスを均一化させても良い。この場合、前記出力調整部材を奇数個配置しても良い。

前記磁石式発電機において、前記出力調整部材を偶数個配置する場合、各前記出力調整部材の回転中心に対し対向する位置に他の前記出力調整部材が配置しても良い。これにより、永久磁石による磁気バランスが均等化され、回転子の円滑な回転や発電電圧波形が安定する。

また、前記磁石式発電機が前記極片が１４個以上設けられた三相発電機であっても良く、永久磁石の極数が１２極を超えた１４極以上の多極仕様の発電機である程、出力調整部材による出力調整効果は大きい。

一方、本発明の磁石式発電機の出力調整方法は、発電子コイルが巻装された固定子と、前記固定子の外側に回転自在に支持された磁性材料からなるヨークを備える回転子とを有する磁石式発電機の出力調整方法であって、前記ヨークは、周方向に沿って前記発電子コイルと対向して設けられた複数個の極片を有し、前記極片は、永久磁石、又は、磁性材料からなる出力調整部材によって形成され、永久磁石にて形成された前記極片は、隣接する前記極片同士が異極となるように配置され、前記出力調整部材にて形成された前記極片と、前記永久磁石にて形成された前記極片は、軸方向において同じ位置に配置され、前記極片における前記永久磁石と前記出力調整部材の配置個数を変更することにより、前記磁石式発電機の出力を調整することを特徴とする。

本発明にあっては、永久磁石又は出力調整部材からなる複数個の極片における永久磁石と出力調整部材の配置個数を変更することにより磁石式発電機の出力を調整するようにしたので、永久磁石と出力調整部材の個数設定によって、発電出力を容易に調整することができる。このため、種々の仕様に対し、煩雑な調整処理や生産設備の調整を伴うことなく、容易に最適な出力特性の設定が可能となる。

本発明の磁石式発電機によれば、発電子コイルが巻装された固定子と、固定子の外側に回転自在に支持されたヨークを備える回転子とを有してなる磁石式発電機にて、ヨークの周方向に沿って複数個の極片を設けると共に、この極片を永久磁石又は磁性材料からなる出力調整部材によって形成し、極片中の永久磁石と出力調整部材の配置個数を変更可能に構成したので、出力調整部材を適宜個数配置することにより、永久磁石による界磁磁束数を調整し、発電出力を調整することができる。すなわち、永久磁石と出力調整部材の個数設定によって、発電機に求められる種々の仕様に対し、煩雑な調整処理や生産設備の調整を伴うことなく、容易に最適な出力特性の設定が可能となる。このため、過剰な発電能力によって生じる余剰電力を低減でき、発電効率の向上を図ることが可能となると共に、例えば、当該発電機を自動二輪車に使用した場合、その燃費向上も図ることが可能となる。

本発明の磁石式発電機によれば、発電子コイルが巻装された固定子と、固定子の外側に回転自在に支持されたヨークを備える回転子とを有してなる磁石式発電機にて、ヨークの周方向に沿って複数個の極片を設けると共に、この極片を永久磁石又は磁性材料からなる出力調整部材によって形成し、極片中の永久磁石と出力調整部材の配置個数を変更することにより磁石式発電機の出力を調整するようにしたので、永久磁石と出力調整部材の個数設定によって、発電出力を容易に調整することができる。従って、発電機に求められる種々の仕様に対し、煩雑な調整処理や生産設備の調整を伴うことなく、容易に最適な出力特性の設定が可能となり、過剰な発電能力によって生じる余剰電力を低減でき、発電効率の向上を図ることが可能となると共に、例えば、当該発電機を自動二輪車に使用した場合、その燃費向上も図ることが可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例である磁石式発電機の正面図、図２は図１の磁石式発電機のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１,２の磁石式発電機１は、自動二輪車に搭載するのに好適なものとして構成されている。この磁石式発電機１は、固定子２と回転子３とを備えている。固定子２は、エンジンのエンジンケース（図示せず）に固定される。回転子３は、エンジンのクランク軸（図示せず）に連結され、発電機の界磁子とエンジンのフライホイールを兼ねた構成となっている。エンジンが始動しクランク軸が回転すると、回転子３は固定子２の周囲を回転する。

回転子３は、有底の短尺円筒形状のヨーク４と、ヨーク４の底壁内面に突設された円筒形状のボス部材５を備えている。ヨーク４とボス部材５は共に、鉄等の磁性材料にて同心状に一体形成されている。ボス部材５は、クランク軸にテーパー結合されてボルト等の締結手段（図示せず）によって締結される。これにより、回転子３はクランク軸に一体回転する。
ヨーク４の内周面４ａには、周方向沿って複数個の極片６が接着剤等によって取り付けられている。磁石式発電機１では、極片６は所定間隔をあけて２０個設けられている。極片６には、永久磁石６ａ又は鉄片（出力調整部材）６ｂが使用される。図２に示すように、磁石式発電機１では、永久磁石６ａが１６個、鉄片６ｂが４個使用されている。但し、永久磁石６ａと鉄片６ｂの配置個数は、適宜変更可能である。隣接する永久磁石６ａ同士は異極に配置されている。鉄片６ｂは、永久磁石６ａによる磁気バランスが均等化するように、各鉄片６ｂの回転中心に対し対向する位置に他の鉄片６ｂが配置されている。これにより、回転子３の円滑な回転動作が実現できると共に、発電電圧波形も安定する。

永久磁石６ａと鉄片６ｂは、互いに略等しい大きさの円弧形の直方体形状に形成されている。但し、鉄片６ｂの方が永久磁石６ａよりも比重が大きいため、完全同一形状とすると、鉄片６ｂの方が重量が大きくなる。図２のように、鉄片６ｂを９０°間隔で４個等分に配置した場合には、両者に重量差があっても回転バランスは偏らないが、鉄片６ｂを奇数個配置する場合には、バランスに偏りが生じる。このため、鉄片６ｂには、図３に示すような切欠７が形成されており、鉄片６ｂと永久磁石６ａとが同重量となるように調整されている。これにより、重量のアンバランスによる回転ブレを防止でき、回転子３の円滑な回転動作が実現できる。

固定子２は、大略星形の短尺円盤形状に形成されたコア１１を備えている。コア１１は、鉄等の磁性材料からなる薄板を多数枚積層して一体化した構成となっており、エンジンケースの外面にクランク軸と同心状に配され、ボルト１２によってエンジンケースに固定される。固定子２の外側には回転子３がその外周を取り囲むように配置され、クランク軸の駆動により、回転子３は固定子２の周囲を回転する。

コア１１は、円環状のコア本体１３と、コア本体１３の外周に放射状に突設された複数本の突極１４を備えている。各突極１４には発電子コイル１５が３相で、かつ、集中巻きにそれぞれ巻線されている。発電子コイル１５は、整流器、電圧調整器を介してバッテリーや負荷（何れも図示せず）に接続されている。

次に、磁石式発電機１の動作について説明する。エンジンによってクランク軸が回転されると、固定子２のまわりで回転子３が回転する。回転子３の回転に伴って、発電子コイル１５に起電力が発生し、この起電力が発電電力としてバッテリーや負荷に供給される。ここで、前述のように、車種によっては、鉄片６ｂを使用せず、極片６の全てを永久磁石６ａにて構成すると、エンジン高回転域での出力が過剰となる場合がある。その場合、従来の磁石式発電機では、前述のように、減磁等の煩雑で工数のかかる出力調整処理を行う必要があった。

これに対し、本発明による磁石式発電機１では、永久磁石６ａと鉄片６ｂの個数が適宜変更できるようになっており、鉄片６ｂの個数を増やすことにより、永久磁石６ａによる界磁磁束数を減少させ発電出力を抑制することができる。図４（ａ）は、永久磁石６ａと鉄片６ｂの個数と発電出力との関係を示す表であり、そこでは、全ての極片６を永久磁石６ａとした場合の発電出力を100％としている。また、図４（ｂ）は、エンジン回転数と充電電流との関係を永久磁石６ａと鉄片６ｂの個数ごとに示した説明図である。

図４（ａ）に示すように、全てを永久磁石６ａとした場合に比して、鉄片６ｂを１個使用すると約４％出力が抑制でき、４個使用した場合は出力を８４％に抑えることができる。このため、図４（ｂ）に示すように、鉄片６ｂを４個使用した場合は、エンジン回転数が3000rpmの時点でも充電電流を約２０Ａに抑えることができる。この場合でも、アイドリング時（約1200rpm）の充電電流は約１３Ａ程度確保される。なお、永久磁石６ａの極数が１２極を超えた１４極以上の多極仕様の発電機である程、鉄片６ｂによる出力調整効果は大きい。

このように、当該磁石式発電機１は、鉄片６ｂの個数を変更することにより、発電出力を容易に調整することができる。鉄片６ｂの個数変更は、生産設備の大きな変更を伴うことなく、単に永久磁石６ａに代えて鉄片６ｂを装置にセットすれば足り、組付工程も着磁工程を含め、全て従来の磁石式発電機と同一設定で対応可能であり、生産効率の低下も招来しない。従って、多々ある車両の種類に応じた種々の仕様に対し、煩雑な調整処理や生産設備の調整を伴うことなく、容易に最適な出力特性の設定が可能となる。その結果、余剰電力の廃棄を避けることができ、発電効率の向上と共に車両の燃費向上も図られる。さらに、鉄片６ｂは永久磁石６ａに比して安価であるため、製品のコストダウンも図られる。

本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、コア１１の構造や突極１４の本数並びに構造、発電子コイル１５の巻線方法、鉄片６ｂの個数等は、前述の実施例の構成や方法に限定されない。また、前述の実施例では、自動二輪車用の磁石式発電機について説明したが、本発明の磁石式発電機は、自動二輪車以外の車両や汎用エンジンを用いた発電機にも適用可能である。

本発明の一実施例である磁石式発電機の正面図である。 図１の磁石式発電機のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 鉄片の構成を示す斜視図である。 （ａ）は、永久磁石と鉄片の個数と発電出力との関係を示す表であり、（ｂ）はエンジン回転数と充電電流との関係を永久磁石と鉄片の個数ごとに示した説明図である。

符号の説明

１ 磁石式発電機
２ 固定子
３ 回転子
４ ヨーク
４ａ 内周面
５ ボス部材
６ 極片
６ａ 永久磁石
６ｂ 鉄片
７ 切欠
１１ コア
１２ ボルト
１３ コア本体
１４ 突極
１５ 発電子コイル

Claims (5)

1. 発電子コイルが巻装された固定子と、前記固定子の外側に回転自在に支持された磁性材料からなるヨークを備える回転子とを有する磁石式発電機であって、
   前記ヨークは、周方向に沿って前記発電子コイルと対向して設けられた複数個の極片を有し、
   前記極片は、永久磁石、又は、磁性材料からなる出力調整部材によって形成され、
   永久磁石にて形成された前記極片は、隣接する前記極片同士が異極となるように配置され、
   前記出力調整部材にて形成された前記極片と、前記永久磁石にて形成された前記極片は、軸方向において同じ位置に配置され、
   前記極片における前記永久磁石と前記出力調整部材の配置個数を変更することにより、その出力を変更可能としたことを特徴とする磁石式発電機。
2. 請求項１記載の磁石式発電機において、前記永久磁石と前記出力調整部材が同重量となるように前記出力調整部材に切欠を形成し、前記回転子の重量バランスを均一化したことを特徴とする磁石式発電機。
3. 請求項２記載の磁石式発電機において、前記出力調整部材が奇数個であることを特徴とする磁石式発電機。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の磁石式発電機において、前記出力調整部材を偶数個配置する場合、各前記出力調整部材の回転中心に対し対向する位置に他の前記出力調整部材が配置されることを特徴とする磁石式発電機。
5. 発電子コイルが巻装された固定子と、前記固定子の外側に回転自在に支持された磁性材料からなるヨークを備える回転子とを有する磁石式発電機の出力調整方法であって、
   前記ヨークは、周方向に沿って前記発電子コイルと対向して設けられた複数個の極片を有し、
   前記極片は、永久磁石、又は、磁性材料からなる出力調整部材によって形成され、
   永久磁石にて形成された前記極片は、隣接する前記極片同士が異極となるように配置され、
   前記出力調整部材にて形成された前記極片と、前記永久磁石にて形成された前記極片は、軸方向において同じ位置に配置され、
   前記極片における前記永久磁石と前記出力調整部材の配置個数を変更することにより、前記磁石式発電機の出力を調整することを特徴とする磁石式発電機の出力調整方法。
   

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