JP4852242B2 - 交流発電機 - Google Patents
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Description
本発明は、自動二輪車のエンジン等に接続され、発電機やスタータモータとして使用される回転電機に関する。
背景技術
発電機や電動機等の回転電機は一般に、コイルを巻装した固定子と、永久磁石を備えた回転子とから構成される。そのうち発電機では、回転子をエンジン等によって回転駆動させることにより、永久磁石が形成する回転磁界がコイルと交差し固定子側に起電力が生じる。一方、電動機では、コイルに通電し回転磁界を形成することにより、回転子が回転駆動される。そして、このような回転電機は、構造が簡単でありながら高出力が得られるため、例えば自動二輪車用の発電機や、スタータと発電機を兼ねた始動発電機などとして使用されている。
図9は、従来の回転電機の固定子と回転子の構成を示す説明図である。図9の回転電機はU,V,Wの三相の装置であり、回転子51が固定子52の外側に配設されるいわゆるアウタロータ型の構成となっている。回転子51はエンジンのクランクシャフト等に連結され、固定子52の外側に回転自在に配設される。回転子51は、磁性体からなるロータヨーク53を備えており、ロータヨーク53の内周面には周方向に沿って複数個の永久磁石54が固定されている。固定子52は、複数の突極55が形成されたステータコア56を備えており、突極55にはコイル57が巻装されている。
図9に示すように、従来の三相回転電機では、ステータコア56のコイル57は、2個置きの極(突極55)に連続して巻装される。また、同一相のコイル57を巻装する2個置きの極は、同じ極性の磁石と同じ電気角にて対向する。例えば、図9において、U相の極U1〜U4は、2個置きに配置され、全てN極の永久磁石54に中心軸上で対向する。このため、従来の回転電機では、永久磁石54や突極55はそれぞれ等間隔に配置される。すなわち、永久磁石54は、N極とS極が同数となるように等分配置され、その極数Nは2n個となる。また、突極55も等分配置され、固定子側の極数Mは、三相の場合3m個となる。nはmと等しいかmの整数倍となっており、図9の場合、永久磁石54の極数Nは16極(n=8)となり、固定子側の極数Mは12極(m=4;n=2m)となっている。
ところが、このような従来の回転電機では、それを自動二輪車の発電機として用い、アイドリング回転域における発電電流をできるだけ多く確保すると、中〜高回転域における発電電流が消費電流よりも大きくなり余剰な電流が生じる。このような余剰電流が生じると、その分エンジンフリクション(エンジン負荷)が大きくなり、燃費低下や馬力ロスにつながる。また、発電機自体においてもコイルの発熱が大きくなり、その耐熱限界に近付いている。
一方、余剰電流対策としては、コイルの巻数を増加させたり、ステータコアの厚さを増したりすることでコイルのインダクタンスを大きくし、中〜高回転域での発電電流を抑制してコイル温度の低減を図ることも行われている。しかしながら、現状の巻線スペースにて大幅な巻数増加は不可能な状態にある。また、ステータコアの積層厚増加も車体側レイアウトの制約により困難である。そこで、現状では、エンジンオイルの吹き掛けや放熱溝の形成など、様々な強制冷却機構により発熱の低減を図っている。しかし、これらの対策では、今後の更なる負荷増加に伴う高出力化には対応しきれず、発電機自体の体格アップが必要となる。装置小型化の要請の中、発電機の大型化は困難であり、現状の大きさを維持しつつ、低回転域の電流量を向上すると共に、中〜高回転域での発電電流を抑制し得る回転電機が求められていた。
発明の開示
本発明の目的は、現状の体格を維持しつつ、低回転域の電流量を向上させると共に、中〜高回転域での発電電流を抑制しコイルの発熱を低減させ得る回転電機を提供することにある。
本発明の回転電機は、コイルが巻装された複数個の突極を備える固定子と、前記固定子の外周又は内周に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が前記突極と対向するように周方向に沿って取り付けられた回転子とを有してなる回転電機であって、同一相となる前記突極を周方向に隣接配置し、前記隣接する各突極を異極性の前記永久磁石と同一電気角にて対向させると共に、隣接配置された同一相の前記突極同士により極対を形成し、前記極対を相数分備えた極対群を前記固定子の中心に対し点対称の位置に2群配置し、かつ、前記極対群の間に前記突極を追加配置可能な空隙を設けたことを特徴とする。
前記回転電機において、前記回転電機は発電機として機能させ、その発電時に前記極対内の前記突極間に形成される磁路を同極数の前記永久磁石を有する回転電機よりも短く形成し、前記コイルのインダクタンスを同極数の前記永久磁石を有する回転電機よりも大きくしても良い。
また、前記回転電機において、前記回転電機を発電機として機能させ、その発電時に、前記極対内の前記突極間及び隣接する他の極対の前記突極同士間に磁路を形成し、前記極対内の前記突極間に生じる磁束が、隣接する他の極対の前記突極同士間に生じる磁束よりも多くなるようにしても良い。
本発明にあっては、同一相の突極を隣接配置し、それらを異極性の永久磁石と同一電気角にて対向させるようにしたので、磁路の長さを短くすることができると共に、有効磁束を増加させることが可能となる。従って、従来の発電機と同様の体格でありながら、中〜高回転領域における発電量を抑制しコイル温度を低減できると共に、低回転領域における出力を向上させることが可能となる。このため、従来の発電機と同等以上の出力性能でありながらコイルの発熱が大幅に低減することができ、エンジンフリクションの低減が図られ、エンジンの燃費向上や馬力ロスの低減を図ることが可能となる。また、現在の体格を維持しつつ発電機の高出力化が可能となり、体格アップや強制冷却機構の付加を伴うことなく、自動二輪車等における更なる負荷の増加に対応することが可能となる。さらに、同一相となる突極が固定子の中心に対し点対称の位置に配置されるので、回転時の磁気バランスが良好となり、効率の良い回転が可能となる。
前記回転電機において、前記隣接する同一相の各突極における前記コイルの巻き方向を互いに異ならせても良い。また、前記回転電機において、前記永久磁石の極数Nに対し、同一相となる隣接した前記突極間の角度θ1を360°/N、異相となる隣接した前記突極間の角度θ2をθ1+θ1/相数Pに設定しても良い。さらに、前記回転電機において、相数P×(θ1+θ2)を180°以下に設定しても良い。
一方、前記回転電機において、隣接配置された同一相の前記突極同士により極対を形成し、前記極対の間に前記突極を追加配置しても良く、これにより、さらに回転電機の出力を向上させることができる。また、隣接配置された同一相の前記突極同士により極対を形成し、前記極対を相数分備えた極対群を前記固定子の中心に対し点対称の位置に2群配置しても良い。この際、前記極対群の間に前記突極を追加配置することも可能である。
さらに、前記回転電機は、前記固定子が前記回転子の内側に配設されるアウターロータ型の回転電機であっても、また、前記回転子が前記固定子の内側に配設されるインナーロータ型の回転電機であっても良い。
加えて、前記回転電機は、発電機であっても、また、モータであっても良く、さらに、自動二輪車用の始動発電機であっても良い。
発明を実施するための最良の形態
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の実施の形態1である回転電機の構成を示す断面図である。図1の回転電機1は、いわゆるアウタロータ型の回転電機であり、例えば自動二輪車におけるACG(交流発電機)として使用される。図1の発電機は、大きく分けて回転子2と固定子3とから構成される。ここでは、回転子2が界磁子として、固定子3が電機子として機能する。回転子2には永久磁石4が、固定子3にはコイル5が取り付けられている。回転子2がコイル5の外側にて回転すると、永久磁石4が形成する回転磁界がコイル5を切り、コイル5に起電力が生じ発電が行われる。
回転子2は、エンジンのクランクシャフト(図示せず)に取り付けられる。回転子2は、固定子3の外側に回転自在に配設され、フライホイールとしても機能する。回転子2は、有底円筒形状のロータヨーク11と、ロータヨーク11に取り付けられクランクシャフトに固定されるボスロータ12とを備えている。ロータヨーク11とボスロータ12は共に鉄等の磁性材料にて形成されている。ボスロータ12は、円盤状のフランジ部12aと略円筒形状のボス部12bとからなる。フランジ部12aは、ロータヨーク11の底部11aに同心的に取り付けられる。ボス部12bはフランジ部12aから回転中心線に沿って突設され、クランクシャフトにテーパ結合される。クランクシャフトが回転するとボス部12bが共に回転し、回転子2がコイル5の外側にて回転する。
ロータヨーク11の円筒部11bの内周面には、永久磁石4が周方向に沿って複数個配設されている。永久磁石4は、内面側の極性が交互にN極とS極になるように22°30′間隔で16個等分に配置されている。すなわち、永久磁石4の極数Nは、図9の回転電機と同様にN=16(n=8)となっている。
固定子3は、複数枚の鋼板を重ねて形成したステータコア13を備えている。ステータコア13には複数個の突極14が形成されており、突極14の周囲にはコイル5が巻装されている。回転電機1は三相交流を発電する発電機であり、突極14は、U,V,W相の各相ごとにそれぞれ4本ずつ設けられ、固定子3側の極数Mは12極(M=3m;m=4)となっている。
ここで、当該回転電機1では、突極14が図9に示した従来の回転電機と異なり、等間隔には設けられていない。図2は、回転電機1における回転子2と固定子3の位置関係を示す説明図である。図2に示すように、突極14は同一相のものが周方向に隣接配置されると共に、隣接する同相の突極14は異極性の永久磁石4と同一電気角にて対向している。また、同一相の隣接する突極14間では、対向する永久磁石4の極性変化に対し、コイル5の巻方向が図2に矢印にて示したように互いに逆方向となっている。
例えばU相について見ると、U相を形成する突極U1(以下、各突極はU1のように符号のみにて示す)とU2は隣接して配置され、極対15Uaを形成している。また、U1がN極、U2がS極と中心線上で同時に対向するように、U1とU2との間の角度θ1は、永久磁石4の配置間隔と同じ22°30′(360°/N;N=16)に設定されている。さらに、U1とU2とではコイル5の巻方向が逆になっている。
同様にV相,W相を形成するV1,V2とW1,W2もそれぞれ隣接配置されて極対15Va,15Waを形成している。また、各極対15Va,15Waにおいて、V1,V2とW1,W2が異極性の永久磁石4と同一電気角にて対向するように、同一相の隣接突極間角度θ1は22°30′に設定されている。さらに、V1とV2、W1とW2ではコイル5の巻方向が逆になっている。そして、これらの極対15Ua,15Va,15Waは、3相分が集まって1つの極対群16aを形成している。
一方、異相となる隣接した突極間の角度θ2(例えばU2,V1間)は、θ1+θ1/相数Pに設定されている。つまり、異相隣接突極間角度θ2は、同相隣接突極間角度θ1にそれを相数Pにて除した角度を付加した値となっている。θ1は永久磁石4の配置間隔と等しくなっており、θ1を相数で割った値をθ1に加えてθ2とすると、相数と同じ個数の極対を備えた極対群16aでは、極対群16aの角度Xは永久磁石4の配置間隔の整数倍になる。そして、極対群角度X(=相数P×(θ1+θ2))が180°以下の場合には、極対群をさらにもう1組配置することができる。
図2に示すように、ここでは、θ2は22°30′+22°30′/3=30°に設定されている。また、極対群16aの角度Xは、3×(22°30′+30°)=157°30′≦180°となっている。従って、固定子3にはもう1つ極対群を設けることができる。そこで、固定子3の中心Oに対し、極対群16aと点対称の位置に、極対15Ub,15Vb,15Wbからなる極対群16bがもう1組設けられている。この極対群16bにおいても、θ1,θ2,Xは極対群16aと全く同様に設定されている。
図2に示すように、例えばU1,U2が異極性の永久磁石4と同一電気角にて対向している場合、U3,U4もまた異極性の永久磁石4と同一電気角にて対向するように設定されている。また、他の突極V3,V4、W3,W4もV1,V2やW1,W2と同様の関係に設定されている。
このような回転電機1では、発電時に形成される磁路は、図2に破線にて示すように、U1,U2間、U2,V1間等に形成される。この場合、U1,U2間の突極間角度は22°30′であり、図9の場合(30°)に比してU1,U2間の磁路の長さが短くなっている。一般に、コイルのインダクタンスは磁路の長さに反比例するため、図2の回転電機1では、図9のものに比してインダクタンスが大きくなる。すなわち、コイルの巻数やステータコアの積厚を増加させることなくインダクタンスを増大させることができる。従って、エンジンの中〜高回転領域における発電電流を抑制し、コイル5の温度を低減することが可能となる。
発明者らの実験によれば、図9の構成の場合、5000RPMにて発電量が16.4A、コイル温度が80°Cであったものが、図2の構成では、同じ5000RPMにて発電電流量を14.8A、コイル温度を62°Cに低減させることができた。
また、1個の突極に生じる磁束数を仮に2本とし、これを基準として考えると、図2の回転電機1では、U1,U2間に2本、U2,V1間に1本の磁束が生じる。このため、例えばU相について見ると、図2に示すように、U1,U3に2本、U2,U4に3本の磁束が通り、U相の総磁束数は合計10本となる。これに対し、図9のものでは、U1,U2,U3,U4の全てに2本ずつ磁束が通り、U相の総磁束数は合計8本となる。すなわち、図2の回転電機1では、各相における有効磁束が従来のものよりも多くなり、低回転域における出力の向上が図られる。
発明者らの実験によれば、図9の構成の場合、磁束密度が1突極当たり10200Mxであったものが、図2の構成では10700Mxに増加し、4極では合計2000Mx増加した。このため、発電量も、図9のものでは1500RPMにて2.6Aであったものが、図9のものでは1500RPMにて3.4Aに増加した。
このように当該回転電機1では、従来の発電機と同様の体格でありながら、中〜高回転領域における発電量を抑制しコイル温度を低減できると共に、低回転領域における出力を向上させることが可能となる。このため、従来の発電機と同等以上の出力性能でありながらコイルの発熱が大幅に低減することができ、エンジンフリクションの低減が図られ、エンジンの燃費向上や馬力ロスの低減を図ることが可能となる。また、現在の体格を維持しつつ発電機の高出力化が可能となり、体格アップや強制冷却機構の付加を伴うことなく、自動二輪車等における更なる負荷の増加に対応することが可能となる。
(実施の形態2)
次に、実施の形態2として、図2の回転電機に突極を追加したものについて説明する。図3は、本発明の実施の形態2である回転電機における回転子2と固定子3の位置関係を示す説明図である。なお、以下の実施の形態では、実施の形態1と同様の部材、部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。また、固定子3も構成を明確化するため、その必要最小限のみを示し細部は省略する。
図2の回転電機では、極対群16aの角度Xが157°30′となっており、180°からXを引いた残りの角度は180°−157°30′=22°30′となる。これは前述のθ1と同じ角度であり、図2からも分かるように、極対群16a,16bの間には、両端にそれぞれ突極を1個ずつ追加できるスペースが存在している。なお、180°−X≧θ1の場合には突極を2個、≧2θ1の場合には突極を4個、≧3θ1の場合には突極を6個それぞれ追加可能である。
そこで、図3の回転電機では、図3の上部の空隙にU相の突極、下部の空隙にW相の突極を設け、この突極の追加配置によりさらなる出力アップを図っている。発明者らの実験によれば、図2の構成の場合、1500RPMにて3.4A、5000RPMにて14.8Aであったものが、図3のものでは1500RPMにて5.9A、5000RPMにて15Aに増加した。この場合、高回転領域ではインダクタンス増により発電量が抑制されているため、低回転領域での出力増が顕著であり、温度上昇を抑えた効果的な出力アップが実現できる。
なお、追加の突極の相はU,W相には限定されず、V相の突極を追加しても良い。また、異なる相の突極ではなく、例えばU相のみを2極のように、同相の突極を追加しても良い。
(実施の形態3)
さらに実施の形態3として、永久磁石を14極、突極を12極としたものについて説明する。図4は、本発明の実施の形態3である回転電機における回転子2と固定子3の位置関係を示す説明図である。
図4の回転電機では、14個の永久磁石4が25°43′間隔で等分に配置されている(N=14;n=7)。固定子3側の突極14は12個設けられており(M=3m;m=4)、θ1は永久磁石4の配置間隔と同じ25°43′(360°/N;N=14)に設定されている。θ2は、25°43′+25°43′/3=34°17′に設定され、極対群16aの角度Xは、3×(25°43′+34°17′)=180°となっている。この場合、180°−Xは、180°−180°=0°であり、突極の追加を行うことはできない。
(実施の形態4)
加えて、実施の形態4として、永久磁石を18極、突極を12極としたものについて説明する。図5は、本発明の実施の形態4である回転電機における回転子2と固定子3の位置関係を示す説明図である。
図5の回転電機では、18個の永久磁石4が20°間隔で等分に配置されており(N=18;n=9)、θ1も20°(360°/N;N=18)に設定されている。θ2は、20°+20°/3=26°40′に設定され、極対群16aの角度Xは、3×(20°+26°40′)=140°となっている。
一方、図5の場合、180°−X=180°−140°=40°≧2θ1であり、前述のように突極14を4極追加することができる。図6は、図5の回転電機に突極を追加配置した構成を示す説明図である。図6のものでは、図5にて極対群16a,16bの間に形成された空隙にそれぞれU,W相の突極14が追加され、さらなる出力アップが図られている。
(実施の形態5)
また、実施の形態5として、永久磁石を20極、突極を12極としたものについて説明する。図7は、本発明の実施の形態5である回転電機における回転子2と固定子3の位置関係を示す説明図である。
図7の回転電機では、20個の永久磁石4が18°間隔で等分に配置されており(N=20;n=10)、θ1も18°(360°/N;N=20)に設定されている。θ2は、18°+18°/3=24°に設定され、極対群16aの角度Xは、3×(18°+24°)=126°となっている。
図7の場合、180°−X=180°−126°=54°≧3θ1であり、前述のように突極14を6極追加することができる。図8は、図7の回転電機に突極を追加配置した構成を示す説明図である。図8の場合、極対群16a,16b間のみに突極14が追加配置される構成ではなく、極対群内の極対間にも突極が追加配置されている。すなわち、極対群16a,16b間(極対15Ua,15Wb間及び極対15Wa,15Ub間)にU相とW相の突極14が2個ずつ追加されているのに加えて、極対15Va,15Wa間及び極対15Vb,15Wb間にもV相の突極14が1個追加されている。つまり、図8においては、極対15Ua,15Va,15Wa、15Ub,15Vb,15Wbの隣にそれぞれ追加の突極14が1個ずつ計6個付加された形となっている。
本発明は前記実施の形態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、極対群16aは1個のみでも発電を行うことができ、必ずしも対となる極対群16bを備える必要はない。従って、Xが180°を超えても本発明の構成は成立すると共に、永久磁石4の極数が例えば12極の場合など、14極未満の場合にも成立可能である。また、極対群16a中における極対15Uaは常に複数の突極14を有する必要はなく、例えば、U,V相は極対を形成するが、W相は単独の突極のみとすることも可能である。すなわち、本発明における極対は、複数の突極の集合のみならず、単独の突極にて形成される場合も存在する。
さらに、前述の実施の形態では本発明の回転電機を発電機として使用した場合を示したが、これをモータとして使用することも可能である。また、自動二輪車のACGスタータのように、発電機とモータを兼用したものにも適用可能である。モータに使用した場合、従来のモータと同等以上の出力でコイルの発熱を大幅に低減したモータを実現できる。また、同一体格にて、モータ出力(トルク)の向上を図ることが可能となる。加えて、前述の実施の形態では本発明の回転電機を自動二輪車用発電機に適用した例を示したが、他の用途の発電機やモータに適用することも可能である。
一方、前述の実施の形態では、アウタロータ型の回転電機に本発明を適用した例を示したが、回転子が固定子の内側に配設されるいわゆるインナーロータ型の回転電機に本発明を適用することも可能である。また、前述の実施の形態では、相数が3相の回転電機について説明したが、5相等の他の多相回転電機にも本発明は適用可能である。
産業上の利用の可能性
本発明の回転電機によれば、同一相の突極を隣接配置し、それらを異極性の永久磁石と同一電気角にて対向させるようにしたので、磁路の長さを短くすることができると共に、有効磁束を増加させることが可能となる。従って、従来の発電機と同様の体格でありながら、中〜高回転領域における発電量を抑制しコイル温度を低減できると共に、低回転領域における出力を向上させることが可能となる。このため、従来の発電機と同等以上の出力性能でありながらコイルの発熱が大幅に低減することができ、エンジンフリクションの低減が図られ、エンジンの燃費向上や馬力ロスの低減を図ることが可能となる。また、現在の体格を維持しつつ発電機の高出力化が可能となり、体格アップや強制冷却機構の付加を伴うことなく、自動二輪車等における更なる負荷の増加に対応することが可能となる。
また、本発明の回転電機によれば、隣接配置された同一相の突極同士により極対を形成し、この極対の間に突極を追加配置できるので、回転電機の出力をさらに向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明の実施の形態1である回転電機の構成を示す断面図である。
図2は、図1の回転電機における回転子と固定子の位置関係を示す説明図である。
図3は、本発明の実施の形態2である回転電機における回転子と固定子の位置関係を示す説明図である。
図4は、本発明の実施の形態3である回転電機における回転子と固定子の位置関係を示す説明図である。
図5は、本発明の実施の形態4である回転電機における回転子と固定子の位置関係を示す説明図である。
図6は、図5の回転電機に突極を追加配置した構成を示す説明図である。
図7は、本発明の実施の形態5である回転電機における回転子と固定子の位置関係を示す説明図である。
図8は、図7の回転電機に突極を追加配置した構成を示す説明図である。
図9は、従来の回転電機の固定子と回転子の構成を示す説明図である。
Claims (7)
- エンジンに取り付けられ、
コイルが巻装された複数個の突極を備える固定子と、
前記固定子の外周又は内周に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が前記突極と対向するように周方向に沿って取り付けられた回転子と、を有してなる3相の交流発電機であって、
周方向に隣接配置された同一相となる前記突極により形成され、前記隣接する各突極が異極性の前記永久磁石と同一電気角にて対向する極対と、
前記極対を相数分備え、前記固定子の中心に対し点対称の位置に配置された2組の極対群と、を有し、
前記永久磁石の極数をN、前記極対内の前記突極間の角度をθ1、隣接する前記極対間の角度をθ2としたとき、前記角度θ1を360°/N、前記角度θ2をθ1+θ1/相数Pに設定して前記角度θ1を前記角度θ2よりも小さく形成し、当該交流発電機の突極を周方向に等分に配置した場合に比して、発電時に前記極対内の前記突極間に形成される磁路を短く、かつ、前記コイルのインダクタンスを大きくすると共に、
発電時に、前記極対内の前記突極間、及び、隣接する前記極対同士の隣接する前記突極間に磁路を形成し、同一相となる隣接した前記突極が前記永久磁石と対向したとき、前記極対内の前記同一相突極間と、前記同一相突極の一方と該突極に隣接した他の前記極対に属する異相の前記突極との間に磁束が流れるようにしたことを特徴とする交流発電機。 - 請求項1記載の交流発電機において、前記隣接する同一相の各突極における前記コイルは、互いに巻き方向を異にすることを特徴とする交流発電機。
- 請求項1または2記載の交流発電機において、相数P×(θ1+θ2)が180°以下であることを特徴とする交流発電機。
- 請求項1〜3の何れか1項に記載の交流発電機において、前記極対群の間に前記突極を追加配置可能な空隙を設けたことを特徴とする交流発電機。
- 請求項4記載の交流発電機において、前記空隙に前記突極を追加配置し、該追加の突極は、一方の前記極対群から前記角度θ1離れた位置に配されることを特徴とする交流発電機。
- 請求項1〜5の何れか1項に記載の交流発電機において、前記極対群の角度Xを前記永久磁石の配置間隔の整数倍としたことを特徴とする交流発電機。
- 請求項1〜6の何れか1項に記載の交流発電機において、前記交流発電機は、発電時に前記極対内の前記突極間及び隣接する他の極対の前記突極同士間に磁路が形成され、前記極対内の前記突極間に生じる磁束が、隣接する他の極対の前記突極同士間に生じる磁束よりも多いことを特徴とする交流発電機。
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