JP4927226B1 - 高効率発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で、高出力化を図るとともに、小型化と省材料化を図ることができる高効率発電機を提供する。
【解決手段】高効率発電機３０は、入力軸１６に固定され、周方向に永久磁石１８を複数有するロータ１２と、ロータ１２に対して所定の間隔をもって相対し、その相対する方向に突出するティース２２に巻き回されたステータコイル２６を有するステータ１４とを備える。そして、ステータコイル２６が不均等相配置になるように構成される。このような簡易な構成により、発電機１０の高出力化、小型化および省材料化を図ることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、永久磁石を含むロータと、ステータコイルを含むステータとを有する高効率発電機に関し、特にステータの構造の改良に関する。

従来から、入力軸に固定されたロータと、このロータに対して間隔を空けて配置されたステータとを有する発電機が知られている。

発電機が永久磁石を用いた永久磁石型の発電機である場合、ロータは、このロータの周方向にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように等間隔に配置される永久磁石を有する。

一方、ステータは、ロータの永久磁石に対向するように突出して形成されたティースと、このティースに巻き回されたステータコイルとを有する。

このように構成される発電機においては、ロータの回転で発生する回転磁界と、ステータコイルとの間で働く電磁誘導作用によりステータコイルに電圧が誘起されて電流が流れ、発電が行われる。

発電機により発電される電力が３相交流である場合、通常、ステータコイルの数は、３ｍ（ｍは正の整数）個となり、ステータコイルが周方向に例えばＵ，Ｖ，Ｗ相の順に並ぶように等間隔に配置される。しかも、ステータコイルは、各相で発生する起電力の大きさが同じで、それぞれ１２０°位相差があるような３相交流、すなわち対称３相交流の電力が取り出せるように配置される。上述のような、周方向に等間隔に配置することで、周方向に移動する永久磁石に対する反作用、すなわち逆トルクのムラを低減するステータコイルの配置構造を、以降、単にステータコイルの均等負荷配置構造という。そして、対称３相交流の電力を発電可能なステータコイルの配置構造を、以降、単にステータコイルの均等相配置構造という。

下記特許文献１には、軸方向に延びる孔が周方向に等間隔で複数形成され、それらの孔内に永久磁石をそれぞれ配置して構成されるロータを有する回転電機が記載されている。

また、下記特許文献２には、内周に永久磁石が配置された円筒状のロータと、このロータの内周に間隔をあけて設けられたステータとを有する３相交流発電機が開示されている。ステータは、径方向外側に突出するように設けられたティースと、このティースの巻き回されたステータコイルとを有する。この発電機においては、ロータの回転により発生する永久磁石とステータコイルとの電磁誘導作用により発電が行われる。

また、下記特許文献３には、円筒状の内周面に永久磁石が周方向に配置されたアウターロータと、このロータに内装され、周方向に突出して設けられるティースにステータコイルが巻き回されたステータとを有する永久磁石式の交流発電機が記載されている。

特開２０００−２２８８３８号公報 特開２００４−１６６３８１号公報 特開２００９−１４８０２０号公報

従来の３相交流発電機においては、上述のように、ステータコイルは均等負荷配置構造及び均等相配置構造である。このような構成で、ロータを１６００、２０００、３５００または４０００ｒｐｍなどの高速回転域で回転させることによって、対称３相交流の電力が発電され、発電機の出力仕様特性を満たすことができる。しかしながら、上述のような高速回転域においてロータを回転させると、当然に発熱が増大するので、発電機が損傷してしまう、又は寿命が短くなってしまう可能性がある。

そこで、ステータコイルの数を単に増加させ、ロータを１０００ｒｐｍ以下などの低速回転域で回転させることにより、上述のような発熱を抑制することが考えられる。しかしながら、従来の３相交流発電機の構成では、ステータコイルの磁気抵抗が強すぎ、また各永久磁石に対する逆トルクが各相で均等に加算されて増加してしまうので、ロータが回転しない、あるいはロータが所望の回転数を得ることができず、結果として、所望の出力を得ることができないという問題があった。

本発明の目的は、簡易な構造で、高出力化を図るとともに、小型化と省材料化を図ることができる高効率発電機を提供することにある。

本発明の高効率発電機は、入力軸に固定され、周方向に永久磁石を複数有するロータと、ロータに対して所定の間隔をもって相対し、その相対する方向に突出するティースに巻き回されたステータコイルを有するステータと、を備え、ステータコイルが不均等相配置になるように構成されることを特徴とする。

また、ティースが、ステータの周方向に等間隔に設けられ、各ティースに巻き回されるステータコイルが、各相の間における位相差が不均等になるように出力側に対してそれぞれ結線されることが好適である。

また、ティースが、ステータの周方向に等間隔に設けられ、ティースに巻かれるステータコイルの数は、ティースの数より少なく、それらのステータコイルが、各相の間における位相差が不均等になるように出力側に対してそれぞれ結線されることが好適である。

また、ステータコイルは、隣接する複数のティースに対して巻かれることができる。

本発明の高効率発電機によれば、簡易な構造で、高出力化を図るとともに、小型化と省材料化を図ることができる。

本実施形態に係る高効率発電機のステータの構成を示す図である。 図１のステータに対応するロータの構成を示す図である。 出力回路を示す図である。 別の実施形態に係る高効率発電機のステータの構成を示す図である。 本発明の高効率発電機と従来例の出力特性の一例を示す図である。 本発明の高効率発電機と従来例の出力特性の一例を示す図である。 本発明の高効率発電機と従来例の出力特性の一例を示す図である。 別の実施形態に係る高効率発電機のステータの構成を示す図である。 図８のステータに対応するロータの構成を示す図である。 別の実施形態に係る高効率発電機のステータの構成を示す図である。 本発明の高効率発電機と従来例の出力特性の一例を示す図である。 本発明の高効率発電機と従来例の出力特性の一例を示す図である。 本発明の高効率発電機と従来例の出力特性の一例を示す図である。 別の実施形態に係る高効率発電機のステータコイルの配置を示す図である。 別の実施形態に係る高効率発電機のステータコイルの配置を示す図である。 別の態様の出力回路を示す図である。 別の態様の出力回路を示す図である。 別の実施形態に係る高効率発電機のステータコイルの配置を示す図である。 別の実施形態に係る高効率発電機のステータコイルの配置を示す図である。 別の態様の、図１のステータに対応するロータの構成を示す図である。 別の態様の、図１のステータに対応するロータの構成を示す図である。

以下、本発明に係る高効率発電機の実施形態について、図を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る高効率発電機のステータの構成を示す図であり、図２は、図１のステータに対応するロータの構成を示す図である。

本実施形態に係る高効率発電機（以下、単に「発電機」と記す）１０は、３相交流発電機である。発電機１０は、ロータ１２と、ステータ１４を有する。ロータ１２は、ステータ１４の内周に間隔を空けて回転可能に配置される。

ロータ１２は、入力軸１６と同心の円筒状の磁性体であり、例えば電磁鋼板を軸方向に積層して構成される。ロータ１２は、入力軸１６に同期回転可能に固定される。ロータ１２には、図２に示されるように、永久磁石１８が周方向に１６個配置される。具体的には、永久磁石１８が、ロータ１２の周方向にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように等間隔に１６個配置される。なお、永久磁石１８の数は一例であり、永久磁石１８の数は、２ｎ（ｎは正の整数）個とすることができる。

なお、本実施形態においては、各永久磁石１８は、ロータ１２の外周面に、軸方向に沿ってそれぞれ配置される。しかし、この構成に限定されず、各永久磁石１８は、ロータ１２に軸方向に延びて形成された孔内にそれぞれ埋め込まれて配置されてもよい。また、本実施形態では、ロータ１２が電磁鋼板を積層して構成される場合について説明したが、この構成に限定されず、ロータ１２が圧粉磁心から成形されるものであってもよい。

ステータ１４は、ロータ１２の周囲に僅かな隙間を空けて配置される。ステータ１４は、入力軸１６と同心の円筒形状をした磁性体であり、例えば電磁鋼板を軸方向に積層して形成される。具体的には、ステータ１４は、薄板状の電磁鋼板をプレスで打ち抜いて、打ち抜かれた電磁鋼板を軸方向に所定の枚数積層して、積層された複数の電磁鋼板を加圧カシメ等の処理を施して結合され形成される。

なお、本実施形態においては、ステータ１４が電磁鋼板を積層して構成される場合について説明したが、この構成に限定されず、ステータ１４が圧粉磁心から成形されるものであってもよい。

ステータ１４は、環状のヨーク２０と、このヨーク２０の内周から径方向内側に向けて突出し、周方向に所定の間隔をおいて配置されたティース２２とを有する。本実施形態のティース２２は、図１に示されるように、周方向に２４個配置される。なお、ティース２２の数は一例である。

互いに隣接するティース２２の間には、溝状の空間であるスロット２４が形成される。導線が、スロット２４を通りつつ、ティース２２に巻きつけられることでステータコイル２６（図３に示す）を形成する。

このように構成される発電機１０においては、ロータ１２の回転で発生する回転磁界と、ステータコイル２６との間で働く電磁誘導作用によりステータコイル２６に電圧が誘起されて電流が流れ、発電が行われる。

本実施形態の発電機１０は、ステータコイル２６が不均等相配置になるように構成されることを特徴とする。不均等相配置とは、対称３相交流ではない電力が発電されるようなステータコイル２６の配置であり、従来技術で述べた均等相配置とは異なる構成である。このようなステータコイル２６の不均等相配置を採用する発電機１０は、均等相配置のものに比べ、回転するロータ１２に対する反作用、すなわち各永久磁石１８に対する逆トルクの増加が抑制されるので、ロータ１２の回転数が増加して高出力化を図ることができる。以下、ステータコイル２６の不均等相配置の具体的な構成について説明する。

図１には、Ｕ相のステータコイル２６が巻かれるティース２２に対して、右回りに、Ｕ１〜Ｕ８までアドレスが順に付され、同様に、Ｖ相のステータコイル２６が巻かれるティース２２に対して、Ｖ１〜Ｖ６までアドレスが付され、さらに、Ｗ相のステータコイル２６が巻かれるティース２２に対して、Ｗ１〜Ｗ５までアドレスが付されている。なお、図１に示されるステータ１４においては、ステータコイル２６のアドレスが付されていないティース２２が５個ある。

Ｕ相のステータコイル２６では、コイルＵ１〜Ｕ６及びＵ７〜Ｕ８が、２相分のティース２２を間においてティース２２に巻き回され、コイルＵ６〜Ｕ７が、３相分のティース２２を間においてティース２２に巻き回され、コイルＵ８〜Ｕ１が、１相分のティース２２を間において巻き回される。Ｖ相のステータコイル２６において、コイルＶ１〜Ｖ２，Ｖ３〜Ｖ４及びＶ５〜Ｖ６が２相分のティース２２を間において、コイルＶ２〜Ｖ３が５相分のティース２２を間において、コイルＶ４〜Ｖ５が６相分のティース２２を間において、そして、コイルＶ６〜Ｖ１が１相分のティース２２を間において、それぞれティース２２に巻き回される。さらに、Ｗ相のステータコイル２６では、コイルＷ１〜Ｗ２及びＷ３〜Ｗ４が２相分のティース２２を間において、コイルＷ２〜Ｗ３が５相分のティース２２を間において、コイルＷ４〜Ｗ５が６相分のティース２２を間において、そして、コイルＷ５〜Ｗ１が４相分のティース２２を間において、それぞれティース２２に巻き回される。

従来例の発電機においては、各相のステータコイルは、２相分のティースを間においてティースに巻きつけられ、各相の間における位相差が１２０°で均等になるように配置される。しかし、本発明の発電機１０においては、ステータコイル２６が、上述のように、各相の間における位相差がそれぞれ１２０°の均等ではなく、少なくとも一部が不均等になるように配置される。このような構成により、ステータコイル２６の不均等相配置を実現することができる。

また、図１に示されるように、ティース２２の数２４個より、ティース２２に巻かれるステータコイル２６の数１９個の方が少ない。そして、それらのステータコイル２６が、各相の間における位相差が不均等になるように配置される。このような構成によっても、ステータコイル２６の不均等相配置を実現することができる。このようなステータコイル２６が周方向において等間隔に配置されない構造は、後述する不均等負荷配置に対応する。本発明では、このように、ステータコイル２６の不均等相配置と不均等負荷配置を組み合わせることもできる。

本実施形態においては、ステータコイル２６の数が１９個である場合について説明したが、本発明はこのステータコイル２６の数１９個に限定されない。ステータコイル２６は、１９個より少なくてもよく、全てのティース２２に対して巻かれて２４個であってもよい。いずれの構成であっても、ティース２２に設けられたステータコイル２６と出力側とを、各相の間における位相差が不均等になるように結線し、あるいは、一部のステータコイル２６と出力側とを結線しないようにすることで、ステータコイル２６の不均等相配置を実現することができる。

次に、発電機１０の出力回路について、図３を用いて説明する。本発明の発電機１０の出力回路は、図３に示されるように、各相のステータコイル２６、例えばコイルＵ１，Ｕ２，Ｕ３・・・Ｕ８の各出力端子と、これらに対応する整流回路２８がそれぞれ接続され、それらの整流回路２８の出力側において、同相のステータコイル２６の出力が並列に接続されるように構成される。このような出力回路により、従来の出力回路である、Ｙ結線またはΔ結線の３つの端子に整流回路をそれぞれ接続したものに比べ、各相の出力電流の増大を図ることができる。一方、この出力回路においては、従来の出力回路に比べ各相の出力電圧は低下する。しかし、上述のようにステータコイル２６の不均等相配置により、従来例に比べ、ロータ１２の回転数が増加するので、ステータコイル２６ごとの高電圧化が図られる。したがって、本実施形態の発電機１０とその出力回路との構成によれば、従来例に比べ、確実に高出力を得ることができ、特に、出力電力を、そのまま二次電池などの充電器へ充電するときに有用である。また、発電機１０により発電された電力を、充電器へ充電する場合には、各ステータコイル２６の出力端子と、これに対応する整流器２８とをそれぞれ接続し、それらの出力側において、ステータコイル２６の出力が並列に接続されるように構成される、すなわち単相出力方式により構成されることが好適である。

本実施形態においては、発電機１０が、ロータ１２がステータ１４の内側に配置された内転式発電機である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ロータがステータの外側に配置される外転式発電機とすることもできる。

次に、別の実施形態の発電機３０について、図４を用いて説明する。図４は、別の実施形態に係る高効率発電機のステータの構成を示す図である。なお、上記実施形態と同じ構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。また、この実施形態のステータに対応するロータの構成は、図２と同じである。

この実施形態の発電機３０は、ステータコイル２６が不均等負荷配置になるように構成されることを特徴とする。不均等負荷配置とは、周方向に移動する永久磁石に対する反作用、すなわち逆トルクのムラが生じるようなステータコイル２６の配置であり、従来技術で述べた均等負荷配置とは異なる構成である。このようなステータコイル２６の不均等負荷配置を採用する発電機３０は、均等負荷配置のものに比べ、回転するロータ１２に対する反作用、すなわち各永久磁石１８に対する逆トルクの増加が抑制されるので、ロータ１２の回転数が増加して高出力化を図ることができる。以下、ステータコイル２６の不均等負荷配置の具体的な構成について説明する。

この実施形態のステータコイル２６は、ステータ１４の周方向において偏在するように配置される。周方向に偏在とは、周方向における所定の領域に偏っているというである。ティース２２が、図４に示されるように、入力軸１６の中心から所定の角度（例えば１２０°）により囲まれる扇形の領域に偏在して９個配置される。そして、各ティース２２には、図４に示されていないが、ステータコイル２６がそれぞれ巻き回される。このように、ステータコイル２６が周方向における所定の領域に偏って配置される。なお、ティース２２及びステータコイル２６の数９個は一例であり、本発明はこの数に限定されない。また、本実施形態においては、ティース２２が偏在化して形成される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ティース２２が周方向に等間隔で形成され、ステータコイル２６が周方向において偏在するように、それらのティース２２の一部に巻かれて配置されてもよい。

この実施形態におけるステータコイル２６の相は任意に設定可能である。すなわち、各ステータコイル２６に、それぞれ出力回路を接続した独立（単相）出力方式により出力電力を取り出すことができる。または、ステータコイル２６が、周方向にＵ，Ｖ，Ｗ相の順に並ぶように等間隔に配置、すなわち均等相配置され、各相に、それぞれ出力回路を接続した３相交流出力方式により出力電力を取り出すこともできる。あるいは、ステータコイル２６が、周方向において順不同にＵ，Ｖ，Ｗ相が並ぶように配置し、各相に、それぞれ出力回路を接続した３相交流出力方式により出力電力を取り出すこともできる。ステータコイル２６ごとに出力端子が設けられ、この出力端子の結線方法を変更するだけでステータコイル２６の相を任意に設定可能になるので、ステータ１４の設計自由度が向上するとともに、出力電力の調整も容易になる。

このように、この実施形態においては、ティース２２と、これに対応するステータコイル２６とが、ステータ１４の周方向に偏在するように配置される。従来例の発電機においては、周方向に等間隔に配置されるステータコイルが、周方向に移動する各永久磁石に対して所定の逆トルク、いわゆる負荷が等間隔ごとにかかるように配置されていた。しかし、この発明の発電機３０においては、ステータコイル２６が周方向に偏在するように配置されるので、各永久磁石は、周方向に移動する際にかかる負荷が均等ではなく、不均等になる。このように、周方向におけるステータコイル２６の偏在化により、ステータコイル２６の不均等負荷配置を実現することができる。

本実施形態においては、ステータコイル２６の偏在化により、ステータコイル２６の不均等負荷配置が構成される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。周方向における負荷が不均等になるのであれば、あるティース２２に巻かれるステータコイル２６の線径が、他のティース２２に巻かれるステータコイル２６の線径と異なるように構成されてもよい。さらに、あるティース２２に巻かれるステータコイル２６の巻き数が、他のティース２２に巻かれるステータコイル２６の巻き数と異なるように構成されてもよい。または、これらを組み合わせた構成であっても、ステータコイル２６の不均等負荷配置を実現することができる。さらに、ロータ１２に配置される、ある永久磁石１８の磁力が、他の永久磁石１８の磁力と異なるように構成することで、それらの永久磁石が、周方向に移動する際にかかる負荷が均等ではなく、すなわち不均等にすることもできる。

図４に戻り、この実施形態のステータ１４は、入力軸１６と偏心の円筒形状であることを特徴とする。具体的には、ステータ１４の外周における中心と、入力軸１６と同心である内周における中心とが異なる。このようなステータ１４の構成は、周方向におけるステータコイル２６の偏在化を図る際に、特に有用であり、ステータ１４の小型化が図られる。この構成により、径方向におけるステータ１４の長さが大きくなる領域が生じ、その領域に、ヨーク２０の幅を確保しつつ、径方向により長いスロット２４とティース２２とを形成することができる。このように形成されるスロット２４とティース２２により、外径が同じ従来のステータに比べ、ティース２２の１個あたりに巻きつけられる導線の巻き線数または線径の少なくとも一方をより大きくすることができ、ステータコイル２６の容量の増大を図ることができる。また、線径の増大に伴い、巻き線の本数を少なく、例えば１本にすることでより大きな出力電流を得ることができる。また、本実施形態のステータ１４と従来例のものが同じ外径である場合、上述のような、より大きく形成されるティース２２には、従来例の周方向に等間隔で配置されたステータコイルで使用される長さの導線を、全て巻きつけることができる。

次に、この実施形態に係る発電機３０の出力特性について、図５から７を用いて説明する。図５から７は、それぞれ、本発明の高効率発電機と従来例の発電機との出力特性の一例を示す図である。なお、図５から７において、従来例の出力回路は、Δ結線に整流器を介して負荷が接続されたものであり、本発明の出力回路は、図３と同じ構成のものを採用し、発電機３０に、整流器２８を介して負荷が接続されたものとする。この負荷は、１００ｗ／１２Ｖのランプが３個で全て共通である。また、従来例と本発明に使用される永久磁石の数は、ともに１６個で、着磁力も同じとする。

図５に示されるように、従来例は、巻き線のターン数が２５Ｔ、ステータコイルの数が２４個、線径が０．８５φ×３本という条件である。この条件における測定値は、ロータの回転数が４２５ｒｐｍ、出力電圧が０．２１Ｖ、出力電流が４Ａであった。一方、本発明では、従来例の条件から、巻き線のターン数を５０Ｔ、ステータコイル２６の数を９個という条件に変えて測定した。この測定値は、ロータ１２の回転数が９２５ｒｐｍ、出力電圧が６．０Ｖ、出力電流が３５Ａであった。

図６では、従来例が、巻き線のターン数が３５Ｔ、ステータコイルの数が２４個、線径が０．８５φ×１本という条件である。この条件における測定値は、ロータの回転数が４７４ｒｐｍ、出力電圧が０．２Ｖ、出力電流が７Ａであった。一方、本発明では、従来例の条件から、巻き線のターン数を２１Ｔ、ステータコイル２６の数を９個、線径を１．１φ×１本という条件に変えて測定した。この測定値は、ロータ１２の回転数が７８５ｒｐｍ、出力電圧が２．２Ｖ、出力電流が１８Ａであった。巻き線が１本であることにより、そこに大きな電流が流れ、しかも線径を大きくすることで、出力電流をさらに大きくすることができる。

図７では、従来例が、巻き線のターン数が６５Ｔ、ステータコイルの数が２４個、線径が０．８５φ×２本という条件である。この条件における測定値は、ロータの回転数が４２８ｒｐｍ、出力電圧が０．３７Ｖ、出力電流が１．５Ａであった。一方、本発明では、従来例の条件から、巻き線のターン数を５６Ｔ、ステータコイル２６の数を９個という条件に変えて測定した。この測定値は、ロータ１２の回転数が９３５ｒｐｍ、出力電圧が１７Ｖ、出力電流が１７Ａであった。

これらの出力特性に示されるように、発電機３０は、従来の発電機に比べ、ロータ１２の回転数が増加し、高出力を得ることができた。すなわち、ステータコイル２６が不均等負荷配置になるように構成することで、ロータ１２の回転数が増加し、高出力化を可能にする。一方で、発電機３０においては、従来例に比べてステータコイル２６の数が削減されるので、省材料化を可能にする。

この実施形態においては、発電機３０が、ロータ１２がステータ１４の内側に配置された内転式発電機である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ロータがステータの外側に配置される外転式発電機３２とすることもできる。

この発電機３２の構成について、図８，９を用いて説明する。図８は、別の実施形態の高効率発電機のステータの構成を示す図であり、図９は、図８のステータに対応するロータの構成を示す図である。なお、上述した二つの実施形態と同じ構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

発電機３２は、中空の円筒形状のロータ３４と、ロータ３４の内周に間隔を空けて設けられたステータ３６とを有する。ロータ３４と入力軸１６とは軸方向端部において同期回転可能に固定される。ロータ３４の内周には、周方向に等間隔で永久磁石１８が配置される。具体的には、永久磁石１８が、ロータ３４の周方向にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように等間隔に１６個配置される。なお、永久磁石１８の数は一例であり、永久磁石１８の数は、２ｎ（ｎは正の整数）個とすることができる。

この実施形態のステータ３６は、入力軸１６が貫通する中空の、入力軸１６と偏心の円筒形状である。すなわち、ステータ３６の外周における中心と、入力軸１６と同心である内周における中心とが異なる。この構成は、上述の実施形態のステータ１４と同様に、周方向におけるステータコイル２６（図示せず）の偏在化を図る際に、特に有用であり、ステータ３６の小型化が図られる。

次に、別の実施形態の発電機３８について、図１０を用いて説明する。図１０は、別の実施形態に係る高効率発電機のステータの構成を示す図である。なお、上記実施形態と同じ構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。また、この実施形態のステータに対応するロータの構成は、図９と同じである。

この発電機３２は、ロータ３４がステータ４０の外側に配置される外転式発電機である。ステータ４０は、入力軸１６が貫通する中空の、入力軸１６と同心の円筒形状である。すなわち、ステータ４０の外周における中心と、入力軸１６と同心である内周における中心とが同じである。

ステータ４０は、環状のヨーク２０と、このヨーク２０の外周から径方向外側に向けて突出し、周方向に所定の間隔をおいて配置されたティース２２とを有する。本実施形態のティース２２は、図１０に示されるように、周方向に２４個配置される。なお、ティース２２の数は一例である。互いに隣接するティース２２の間には、溝状の空間であるスロット２４が形成される。

図１０には、ステータコイル２６（図示せず）が巻かれるティース２２に対して、右回りに２２ａ〜２２ｉまでアドレスが順に付されている。具体的には、ティース２２ａを起点として、右回りに、１個のティース２２を間において、順にティース２２ｉまでアドレスが順に付されている。よって、ステータコイル２６は、入力軸１６の中心から所定の角度（例えば２４０°）により囲まれる扇形の領域に偏在して９個配置される。なお、この配置は一例であり、本発明はこの構成に限定されず、周方向におけるステータコイル２６の偏在化が形成されるのであれば、ステータコイル２６の数を９個より少なくても、あるいは多くてもよい。また、ステータコイル２６が巻き回されるティース２２の場所も限定されず、隣接するティース２２に連続的に巻き付けても、２個のティース２２を間においてもよい。

この実施形態におけるステータコイル２６の相は、上述した実施形態と同様に、任意に設定可能である。すなわち、各ステータコイル２６に、それぞれ出力回路を接続した独立（単相）出力方式により出力電力を取り出すことができる。または、ステータコイル２６が、周方向にＵ，Ｖ，Ｗ相の順に並ぶように等間隔に配置、すなわち均等相配置され、各相に、それぞれ出力回路を接続した３相交流出力方式により出力電力を取り出すこともできる。あるいは、ステータコイル２６が、周方向において順不同にＵ，Ｖ，Ｗ相が並ぶように配置し、各相に、それぞれ出力回路を接続した３相交流出力方式により出力電力を取り出すこともできる。ステータコイル２６ごとに出力端子が設けられ、この出力端子の結線方法を変更するだけでステータコイル２６の相を任意に設定可能になるので、ステータ４０の設計自由度が向上するとともに、出力電力の調整も容易になる。

次に、この実施形態に係る発電機３８の出力特性について、図１１から１３を用いて説明する。図１１から１３は、それぞれ、本発明の高効率発電機と従来例の発電機との出力特性の一例を示す図である。なお、図１１から１３において、従来例の出力回路は、Δ結線に整流器を介して負荷が接続されたものであり、本発明の出力回路は、図３と同じ構成のものを採用し、発電機３８に、整流器２８を介して負荷が接続されたものとする。この負荷は、１００ｗ／１２Ｖのランプが３個で全て共通である。また、従来例と本発明に使用される永久磁石の数は、ともに１６個で、着磁力も同じとする。

図１１に示されるように、従来例は、巻き線のターン数が２５Ｔ、ステータコイルの数が２４個、線径が０．８５φ×３本という条件である。この条件における測定値は、ロータの回転数が４２５ｒｐｍ、出力電圧が０．２１Ｖ、出力電流が７Ａであった。一方、本発明では、従来例の条件から、巻き線のターン数を５０Ｔ、ステータコイル２６の数を９個という条件に変えて測定した。この測定値は、ロータ３４の回転数が４３８ｒｐｍ、出力電圧が６．０Ｖ、出力電流が１５Ａであった。

図１２では、従来例が、巻き線のターン数が３５Ｔ、ステータコイルの数が２４個、線径が０．８５φ×１本という条件である。この条件における測定値は、ロータの回転数が１７８ｒｐｍ、出力電圧が０．０２Ｖ、出力電流が４．８Ａであった。一方、本発明では、従来例の条件から、巻き線のターン数を２１Ｔ、ステータコイル２６の数を８個、線径を１．１φ×１本という条件に変えて測定した。この測定値は、ロータ３４の回転数が５７３ｒｐｍ、出力電圧が１５．７Ｖ、出力電流が１８Ａであった。

図１３では、従来例が、巻き線のターン数が６５Ｔ、ステータコイルの数が２４個、線径が０．８５φ×２本という条件である。この条件における測定値は、ロータの回転数が０ｒｐｍ、すなわち回転せずに、出力電圧が０Ｖ、出力電流が０Ａであった。一方、本発明では、従来例の条件から、巻き線のターン数を５６Ｔ、ステータコイル２６の数を６個という条件に変えて測定した。同じ入力にも関わらず、測定値は、ロータ３４の回転数が９３５ｒｐｍ、出力電圧が４０Ｖ、出力電流が３５Ａであった。

これらの出力特性に示されるように、発電機３８は、従来の発電機に比べ、ロータ３４の回転数が増加し、高出力を得ることができた。すなわち、ステータコイル２６が不均等負荷配置になるように構成することで、ロータ３４の回転数が増加し、高出力化を可能にする。

次に、別の実施形態に係る高効率発電機のステータコイルの配置について、４つの図を用いて説明する。これらの図に用いられるステータには、ティース２２が周方向に等間隔に配置されているものとする。しかし、これらの図においては、通常、周方向に配置されるティース２２を、見易くするため、直線的に並び替えて表している。

図１４は、４８個のティース２２を有するステータ１４におけるステータコイル２６の配置を示す図である。図示しないが、ロータの永久磁石１８は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように等間隔に３２個配置される。すなわち、周方向において隣接するＮ極とＳ極の永久磁石１８の間隔は、周方向において隣接するティース１４の間隔に対して１．５倍になるように、永久磁石１８がロータに配置される。

図１４には、ティース２２に対して、左端から右端まで１〜４８のアドレスが順に付されている。そして、ティース２２に巻かれるステータコイル２６に対しても、Ｕ１〜Ｕ４、Ｖ１〜Ｖ４そしてＷ１〜Ｗ４までアドレスが付されている。

具体的には、Ｕ相のステータコイル２６では、コイルＵ１が１，２番のティース２２に対して巻き回され、コイルＵ２が１３，１４番のティース２２に巻き回され、コイルＵ３が２５，２６番のティース２２に巻き回され、コイルＵ４が３７，３８番のティース２２に巻き回される。Ｖ相のステータコイル２６では、コイルＶ１が９，１０番のティース２２に対して巻き回され、コイルＶ２が２１，２２番のティース２２に巻き回され、コイルＶ３が３３，３４番のティース２２に巻き回され、コイルＶ４が４５，４６番のティース２２に巻き回される。そして、Ｗ相のステータコイル２６では、コイルＷ１が４，５番のティース２２に対して巻き回され、コイルＷ２が１６，１７番のティース２２に巻き回され、コイルＷ３が２８，２９番のティース２２に巻き回され、コイルＷ４が４０，４１番のティース２２に巻き回される。

従来例の発電機においては、各相のステータコイルの間における位相差が１２０°で均等になるように配置される。しかし、この実施形態においては、ステータコイル２６が、上述のように配置されることにより、各相の間における位相差がそれぞれ１２０°の均等ではなくなる。このような構成により、ステータコイル２６の不均等相配置を実現することができる。

そして、上述したアドレス以外のティース２２には、ステータコイル２６が巻き回されていない。すなわち、３，６〜８，１１，１２，１５，１８〜２０，２３，２４，２７，３０〜３２，３５，３６，３９，４２〜４４，４７，４８番のティース２２には、ステータコイル２６が巻き回されず、いわゆる空きのティース２２が存在することになる。このように、空きのティース２２を存在させることにより、言い換えれば、ステータコイル２６の数をティース２２の数より少なくすることにより、ステータコイル２６の不均等相配置を達成するための最適なレイアウトが容易になる。

本実施形態においては、ステータコイル２６の数が１２個である場合について説明したが、本発明はこのステータコイル２６の数１２個に限定されない。ステータコイル２６は、全てのティース２２の数４８個より少なければよい。いずれの構成であっても、ティース２２に設けられたステータコイル２６と出力側とを、各相の間における位相差が不均等になるように結線し、あるいは、一部のステータコイル２６と出力側とを結線しないようにすることで、ステータコイル２６の不均等相配置を実現することができる。

次に、２４個のティース２２を有するステータ１４におけるステータコイル２６の配置について、図１５を用いて説明する。図示しないが、ロータの永久磁石１８は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように等間隔に１６個配置される。すなわち、周方向において隣接するＮ極とＳ極の永久磁石１８の間隔は、周方向において隣接するティース１４の間隔に対して１．５倍になるように、永久磁石１８がロータに配置される。

図１５には、ティース２２に対して、左端から右端まで１〜２４のアドレスが順に付されている。ステータコイル２６は、１，２番のティース２２と、４，５番のティース２２と、７，８番のティース２２と、１０，１１番のティース２２と、１３番のティース２２と、１５，１６番のティース２２と、１８，１９番のティース２２と、２１，２２番のティース２２に対してそれぞれ巻き回される。そして、上述したアドレス以外のティース２２には、ステータコイル２６が巻き回されていない。すなわち、３，６，９，１２，１４，１７，２０，２３，２４番のティース２２には、ステータコイル２６が巻き回されず、いわゆる空きのティース２２が存在することになる。このように、空きのティース２２を存在させることにより、上述したように、ステータコイル２６の不均等相配置を達成するための最適なレイアウトが容易になる。

この実施形態におけるステータコイル２６の相は、既に述べた実施形態と同様に、任意に設定可能である。すなわち、各ステータコイル２６に、それぞれ出力回路を接続した独立（単相）出力方式により出力電力を取り出すことができる。または、ステータコイル２６が、周方向において順不同にＵ，Ｖ，Ｗ相が並ぶように配置し、各相に、それぞれ出力回路を接続した３相交流出力方式により出力電力を取り出すこともできる。ステータコイル２６ごとに出力端子が設けられ、この出力端子の結線方法を変更するだけでステータコイル２６の相を任意に設定可能になるので、ステータ４０の設計自由度が向上するとともに、出力電力の調整も容易になる。

図１６，１７に、図３とは異なる別の態様の出力回路の一例を示す。図１６に示されるように、各相のステータコイル２６が並列にそれぞれ接続され、それらの出力端子が各整流回路２８にそれぞれ対応するように接続される。例えば、並列接続されたコイルＵ１，Ｕ２，Ｕ３の出力端子と整流回路２８が接続され、並列接続されたコイルＶ１，Ｖ２，Ｖ３の各出力端子と整流回路２８が接続され、並列接続されたコイルＷ１，Ｗ２，Ｗ３の各出力端子と整流回路２８が接続される。このような出力回路により、従来の出力回路である、Ｙ結線またはΔ結線の３つの端子に整流回路をそれぞれ接続したものに比べ、各相の出力電流の増大を図ることができる。また、この出力回路においては、発電時におけるロータ１２に対する磁気抵抗が低下するので、ロータ１２の回転数が増加し、結果としてステータコイル２６ごとの高電圧化が図られる。図１７には、各相のステータコイル２６が並列にそれぞれ接続され、それらの出力端子が各整流回路２８にそれぞれ対応するように接続されるデルタ結線が示される。このような構成にすることによっても、各相の出力電流の増大を図ることができる。なお、各相のステータコイル２６の数は一例であり、この態様ではステータコイル２６の数３個に限定されず、複数個あれば実現できる。また、各相のステータコイル２６が複数ある場合、それらの出力端子がそれぞれ別の出力回路に結線され、所望の電力、すなわち直流電力と交流電力を同時に取り出せるように構成されてもよい。このような場合、この発電機を、三相交流電力と直流電力とを同時に必要とする装置、例えば電気自動車に搭載して使用することが好適である。

次に、１８個のティース２２を有するステータ１４におけるステータコイル２６の配置について、図１８を用いて説明する。図示しないが、ロータの永久磁石１８は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように等間隔に１２個配置される。すなわち、周方向において隣接するＮ極とＳ極の永久磁石１８の間隔は、周方向において隣接するティース１４の間隔に対して１．５倍になるように、永久磁石１８がロータに配置される。

図１８には、ティース２２に対して、左端から右端まで１〜１８のアドレスが順に付されている。そして、ティース２２に巻かれるステータコイル２６に対しても、Ｕ１、Ｖ１そしてＷ１のアドレスが付されている。

具体的には、Ｕ相のステータコイル２６では、コイルＵ１が１，２番のティース２２に対して巻き回される。Ｖ相のステータコイル２６では、コイルＶ１が４，５番のティース２２に対して巻き回される。そして、Ｗ相のステータコイル２６では、コイルＷ１が９，１０番のティース２２に対して巻き回される。

この実施形態においては、ステータコイル２６が、上述のように配置されることにより、各相の間における位相差がそれぞれ１２０°の均等ではなくなる。このような構成により、ステータコイル２６の不均等相配置を実現することができる。

そして、上述したアドレス以外のティース２２には、ステータコイル２６が巻き回されていない。すなわち、３，６〜８，１１〜１８番のティース２２には、ステータコイル２６が巻き回されず、いわゆる空きのティース２２が存在することになる。このように、空きのティース２２を存在させることにより、ステータコイル２６の不均等相配置を達成するための最適なレイアウトが容易になる。

本実施形態においては、ステータコイル２６の数が３個である場合について説明したが、本発明はこのステータコイル２６の数３個に限定されない。ステータコイル２６は、全てのティース２２の数１８個より少なければよい。いずれの構成であっても、ティース２２に設けられたステータコイル２６と出力側とを、各相の間における位相差が不均等になるように結線し、あるいは、一部のステータコイル２６と出力側とを結線しないようにすることで、ステータコイル２６の不均等相配置を実現することができる。

最後に、１５個のティース２２を有するステータ１４におけるステータコイル２６の配置について、図１９を用いて説明する。図示しないが、ロータの永久磁石１８は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように等間隔に１０個配置される。すなわち、周方向において隣接するＮ極とＳ極の永久磁石１８の間隔は、周方向において隣接するティース１４の間隔に対して１．５倍になるように、永久磁石１８がロータに配置される。

図１９には、ティース２２に対して、左端から右端まで１〜１５のアドレスが順に付されている。そして、ティース２２に巻かれるステータコイル２６に対しても、Ｕ１、Ｖ１そしてＷ１のアドレスが付されている。

具体的には、Ｕ相のステータコイル２６では、コイルＵ１が１，２番のティース２２に対して巻き回される。Ｖ相のステータコイル２６では、コイルＶ１が４，５番のティース２２に対して巻き回される。そして、Ｗ相のステータコイル２６では、コイルＷ１が９，１０番のティース２２に対して巻き回される。

この実施形態においては、ステータコイル２６が、上述のように配置されることにより、各相の間における位相差がそれぞれ１２０°の均等ではなくなる。このような構成により、ステータコイル２６の不均等相配置を実現することができる。

そして、上述したアドレス以外のティース２２には、ステータコイル２６が巻き回されていない。すなわち、３，６〜８，１１〜１５番のティース２２には、ステータコイル２６が巻き回されず、いわゆる空きのティース２２が存在することになる。このように、空きのティース２２を存在させることにより、ステータコイル２６の不均等相配置を達成するための最適なレイアウトが容易になる。

本実施形態においては、ステータコイル２６の数が３個である場合について説明したが、本発明はこのステータコイル２６の数３個に限定されない。ステータコイル２６は、全てのティース２２の数１８個より少なければよい。いずれの構成であっても、ティース２２に設けられたステータコイル２６と出力側とを、各相の間における位相差が不均等になるように結線し、あるいは、一部のステータコイル２６と出力側とを結線しないようにすることで、ステータコイル２６の不均等相配置を実現することができる。

図１４，１５，１８，１９に示された実施形態においては、主に、ステータコイル２６が隣接する２個のティース２２に対して巻かれる場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。不均等相配置の達成が可能であれば、ステータコイル２６が、隣接する２個以上の複数のティース２２、例えば３個、４個または６個のティース２２に対して巻かれても良い。また、図１４，１５，１８，１９に示された実施形態においては、ティース２２の数が、４８，２４，１８，１５個である場合について説明したが、本発明はこれらのティース２２の数に限定されず、４８個より多くても、１５個より少なくても、あるいは、１５から４８個の間の数であってもよい。

また、図１４，１５，１８，１９に示された実施形態においては、ロータの永久磁石１８は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように等間隔に配置される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。Ｎ極を複数個、例えば２個順に並べた後に、Ｓ極を複数個、例えば２個順に並ぶように構成することもできる。

図２０には、別の態様の、図１のステータに対応するロータの構成が示されている。この態様のロータ１２においては、永久磁石１８が、Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ，Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ・・・の順に配列されている。このような構成にすることで、図２で示されるロータ１２を使用した発電機より、約２倍の出力を得ることができる。また、図２１には、別の態様の、図１のステータに対応するロータの構成が示されている。この態様のロータ１２においては、永久磁石１８が、Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ，Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ・・・の順に配列されているとともに、永久磁石１８の数が２倍、すなわち１６個から３２個になっている。このような構成にすることで、図２で示されるロータ１２を使用した発電機より、ロータ１２の回転速度が低下して、約２倍の出力を得ることができる。これらの永久磁石１８の配列、すなわち同極の永久磁石１８を隣接させる配列は、図９に示されるロータ３４であっても、図１４，１５，１８，１９に示される発電機も用いられるロータにも適用することができる。

１０，３０，３２，３８ 高効率発電機、１２，３４ ロータ、１４，３６，４０ ステータ、１６ 入力軸、１８ 永久磁石、２０ ヨーク、２２ ティース、２４ スロット、２６ ステータコイル、２８ 整流器。

Claims (3)

1. 入力軸に固定され、周方向に永久磁石を複数有するロータと、
   ロータに対して所定の間隔をもって相対し、その相対する方向に突出するティースに巻き回されたステータコイルを有するステータと、
   を備え、
   ステータコイルが不均等相配置になるように構成され、
   ティースが、ステータの周方向に等間隔に設けられ、
   各ティースに巻き回されるステータコイルが、各相の間における位相差が不均等になるように出力側に対してそれぞれ結線される、
   ことを特徴とする高効率発電機。
2. 請求項１に記載の高効率発電機において、
   ティースが、ステータの周方向に等間隔に設けられ、
   ティースに巻かれるステータコイルの数は、ティースの数より少なく、
   それらのステータコイルが、各相の間における位相差が不均等になるように出力側に対してそれぞれ結線される、
   ことを特徴とする高効率発電機。
3. 請求項１に記載の高効率発電機において、
   ステータコイルは、隣接する複数のティースに対して巻かれる、
   ことを特徴とする高効率発電機。

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