JP4935799B2 - 回転電機とその回転子 - Google Patents

Description

本発明は、二輪車、乗用車、トラックやその他の一般産業用に用いられる回転電機とその回転子に関する。

径方向に交互にＮＳ磁極を形成すべく着磁した極数個の主磁極磁石と、この主磁極磁石の周方向両側面より磁束を流通させる極数個のヨーク磁石とをいわゆるハルバッハアレイといわれる交互配列とした磁石回転子は、その磁極において磁束の集中を高めることができ、また継鉄を必要としないので、小型軽量高性能の回転電機を実現できることが知られている。例えば、このような回転電機の具体的な構成として、主磁極磁石とヨーク磁石の磁石群とを樹脂製ハブに内包した継鉄のない樹脂製ロータを用いた軽量のモータが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−１９７２８７号公報（第４−８頁、図１−１６）

ところで、特許文献１等に開示されたハルバッハアレイの回転子には、（４）ロータ全周に磁気回路通路も兼ねる高磁束密度の磁石を配列する構造であるため、性能はよくても高価にならざるを得ないという問題点があった。
（５）磁束の集中する主磁極が磁石材であるために鉄心磁極のような局部的高磁束密度がとれないことから、磁束集中効果を与えるハルバッハアレイにしても固定子に鎖交できる磁束はトータルとして少ないものにとどまるという問題点があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、（１）高温でしかもさまざまな位置に逆磁界が加わりやすい発電機での熱的減磁の低減、（２）バランス確保、（３）信頼性確保、（４）磁石の低コスト化、（５）有効磁束の増加、を実現することができる回転電機およびその回転子を提供することにある。

本発明の回転電機の回転子は、径方向に交互にＮＳ磁極を形成すべく着磁された極数個の主磁極磁石と、主磁極磁石の周方向両側面より磁束を流通させる極数個のヨーク磁石とを備え、主磁極磁石とヨーク磁石のアークレシオをほぼ２対１に設定している。また本発明の回転電機の固定子は、回転子の外周に対向配置された分布巻の固定子であって、周方向に隣接して形成された複数の歯状部と、複数の歯状部間に形成されたスロットに巻装された三相電機子巻線を備えており、三相電機子巻線は一つの磁極ピッチの間に３つの歯状部を含むように、各スロットに電気角１８０°ピッチで巻装されていることを特徴としている。これにより、ヨーク磁石から合流する磁束を主磁極磁石自身の磁束とほぼ同じにすることができ、所定の磁石使用量において多くの磁束を流すことが可能になる。

また請求項１に記載の発明おいて、回転子は、主磁極磁石とヨーク磁石とが密着固定された熱良導性の金属放熱部材を備えていてもよい。また請求項２に記載の発明において、回転子は、金属放熱部材を固定する回転軸をさらに備え、金属放熱部材と回転軸との間を中空構造とした冷却通風部を形成してもよい。また請求項２または３に記載の発明において、金属放熱部材は、非磁性であり、主磁極磁石とヨーク磁石のそれぞれの外周を覆う円筒としてもよい。また請求項２乃至４のいずれかに記載の発明において、金属放熱部材は、主磁極磁石とヨーク磁石のそれぞれの軸方向両端に設けられて主磁極磁石とヨーク磁石の軸方向移動を規制する基板部と羽根状放熱部とを有するようにしてもよい。また請求項４または５に記載の発明において、主磁極磁石とヨーク磁石のそれぞれとその周囲部材との間に形成された隙間に、空気よりも熱伝導率が良好な熱伝導固着材を充填してもよい。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面に基づいて詳細に説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。また、図２は第１の実施形態の車両用交流発電機の径方向に沿った部分的な断面図である。図３は、回転子３の径方向に沿った部分的な断面図である。

図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１００は、フレーム１、固定子２、回転子３を含んで構成されている。

固定子２は、周方向に複数の歯状部が形成された積層鉄心２０と、周方向に隣接する歯状部間に形成されたスロットに巻装された三相の電機子巻線２１とを含んで構成されている。電機子巻線２１は、一の磁極ピッチ（電気角１８０°）の間に３つの歯状部を含むように、積層鉄心２０の各スロットに電気角１８０°ピッチで巻装されている。また、積層鉄心２０は、その外周面がフレーム１の内周面に拘束されており、フレーム１に収納固定されている。

回転子３は、回転することによって固定子２と交差する回転磁界を発生するためのものであり、回転軸３０、ハブ３１、主磁極磁石３２およびヨーク磁石３３を含んで構成されている。フレーム１には、一対の軸受け１０、１１が固定して設けられており、エンジンのクランクプーリによって回転駆動される発電機プーリ（図示せず）に締結固定された回転軸３０がこれらの軸受け１０、１１によって回転自在に支持されている。

また、回転軸３０の一部にはローレット加工部が形成されており、熱良導性の非磁性金属放熱部としてのジュラルミン製のハブ３１がこのローレット加工部の外周に嵌入固定される。このハブ３１は、径方向延在部３１０、内側円筒部３１１、外側円筒部３１２、基板部３１３、羽根状放熱部３１４を備えている。径方向延在部３１０は、回転軸３０に対する嵌合面のほぼ中央から径方向外側に向かって延在しており、さらにその外周に内側円筒部３１１が形成されている。この内側円筒部３１１は、径方向延在部３１０の外周端から軸方向に沿った両側に延在しており、その両端は径方向外側に向かってさらに延在した後、軸方向中央部に向かって延在する外側円筒部３１２を形成し、さらに両端部は軸方向中央部において溶接により接合された閉じた構造になっている。

内側円筒部３１１と外側円筒部３１２の間の袋状の部分には、径方向に交互にＮＳ磁極を形成すべく着磁された極数個（極数と同じ数）の主磁極磁石３２と、この主磁極磁石３２の周方向両側面より磁束を流通させる極数個のヨーク磁石３３とが周方向に交互に配置された状態で収納されている。主磁極磁石３２は、径方向に沿ってＮＳ磁極が形成されるように着磁されており、しかも周方向に隣接する各主磁極磁石３２の着磁方向が交互に反対となるように配置されている。したがって、一の主磁極磁石３２が外周側がＮ極になるように着磁されているものとすると、その周方向両側に配置された他の主磁極磁石３２は外周側がＳ極になるように着磁されている。また、ヨーク磁石３３は、周方向に沿ってＮＳ磁極が形成されるように着磁されており、外周側がＮ極に着磁された主磁極磁石３２に対向する側がＮ極に、外周側がＳ極に着磁された主磁極磁石３２に対向する側がＳ極になるように着磁されている。また、主磁極磁石３２とヨーク磁石３３は、ともに希土類ネオジウム鉄ボロン永久磁石が用いられている。

このように、回転子３は、主磁極磁石３２、ヨーク磁石３３とこれらの径方向両側に配置されたジュラルミン製の内側円筒部３１１、外側円筒部３１２によって構成されており、磁性材料である鉄心を含まない構造となっている。例えば、内側円筒部３１１の厚みは５ｍｍに、外側円筒部３１２の厚みは０．８ｍｍに設定されている。また、内側円筒部３１１と外側円筒部３１２の軸方向の両端には、主磁極磁石３２とヨーク磁石３３とが互いの反発力によって軸方向にずれることを規制するために、基板部３１３を有する羽根状放熱部３１４が形成されている。さらに、内側円筒部３１１の内径側には空洞部３１５が形成されており、径方向延在部３１０にはこの空洞部３１５につながる通風孔３１６が設けられている。

また、図２および図３に示すように、積層鉄心２０の歯状部に対向する主磁極磁石３２の外径側のアーク長Ａと、ヨーク磁石３３の外径側のアーク長Ｂとの比（アークレシオ）は２対１に設定されている。

また、主磁極磁石３２は、径方向外側に向かうに従って周方向に沿った幅が広くなる末広がり断面形状を有しており、反対に、ヨーク磁石３３は、径方向内側に向かうに従って周方向に沿った幅が広くなる末広がり断面形状を有している。これらの主磁極磁石３２とヨーク磁石３３は、内側円筒部３１１と外側円筒部３１２との間に介在固定されているが、これら磁石の間やこれらの磁石とその周辺部材（内側円筒部３１１や外側円筒部３１２等）との間には、隙間３１７が磁石反発力等により形成されている。本実施形態では、この隙間３１７には、熱伝導固着材３１８が充填されており、主磁極磁石３２およびヨーク磁石３３を相互に移動不可能にくさび効果にて充填拘束するとともに接着している。

図４は、本実施形態の車両用交流発電機１００の結線図である。電機子巻線２１はＹ結線された三相分布巻線であり、３つの出力端子は、三相の整流器４に接続されている。整流器４の出力端子（Ｂ端子）は、車両に搭載されたバッテリ５と、各種のランプ類を含む各種の電気負荷６に接続されている。

本実施形態の車両用交流発電機１００はこのような構成を有しており、次にその作用を説明する。

主磁極磁石３２にヨーク磁石３３が側面より密着しているので、それらの起磁力が合成され、これらの磁石を磁束通路として固定子２の積層鉄心２０に対して磁束を供給することができる。すなわち、継鉄となる鉄心が不要となる。このようにして供給される磁束が固定子２に鎖交した状態で回転軸３０を回転させることにより、この回転とともにＮＳ極を交番させることができ、電機子巻線２１を巻装した固定子２には起電力が発生し、この起電力を整流器４で整流して外部のバッテリ５や電気負荷６に導くことができる。

このようにして固定子２に電流が生じると、そのジュール損失による発熱が生じて固定子２の電機子巻線２１から積層鉄心２０へと熱が伝わる。また、固定子２の交番する鎖交磁束によりヒステリシス損失や渦電流損失が積層鉄心２０に発生して、同様に積層鉄心２０を加熱することとなる。これらの熱は、固定子２に対向する主磁極磁石３２やヨーク磁石３３に熱伝達や熱輻射により伝わって、これらの温度を上昇させることとなる。

また、主磁極磁石３２とヨーク磁石３３とは互いに着磁方向が半ば対向する向きであるとともに、車両用発電機１００ではこれら磁石の与える界磁磁化作用の反作用として電機子電流による電機子反作用、すなわち反磁界が与えられる。このため、主磁極磁石３２とヨーク磁石３３は、そもそも減磁しやすい状況にあるところにおいて、上述したように温度が高くなるとこれらの磁石の減磁特性すなわちＢＨ特性は原点側に近寄り、大きく特性低下が生じたときには永久減磁が生じやすいという問題がある。しかし、本実施形態の構造では、ハブ３１によって主磁極磁石３２とヨーク磁石３３を冷却する放熱部材が構成され、これらの磁石に密着させているので、これらの磁石の温度が低くなって特性低下による永久減磁が防止できる。

また、熱良導性金属部材としてのジュラルミン製のハブ３１の内側円筒部３１１とこのハブ３１を固定する回転軸３０との間を中空構造として冷却通風部が形成されている。これにより、主磁極磁石３２やヨーク磁石３３の温度が、冷却通風部を流れる冷却風によって冷却された熱良導性金属部材としてのバブ３１の吸熱効果により、大幅に低下して特性低下を防止することができる。

また、主磁極磁石３２とヨーク磁石３３の外周面も外側円筒部３３２で覆って拘束しているため、これらの磁石の温度がこの外側円筒部３３２の吸熱効果により大幅に低下して特性低下を防止することができるとともに、回転中あるいはこれらの磁石自身の反発力による空間隙間が生じにくいので回転バランスが崩れる問題もない。

また、主磁極磁石３２とヨーク磁石３３のそれぞれの軸方向両端には、これらの磁石の軸方向移動を規制するジュラルミン製の基板部３１３と羽根状放熱部３１４とが設けられており、これらの吸熱効果によって主磁極磁石３２とヨーク磁石３３の磁石の温度が大幅に低下してこれらの磁石の特性低下を防止することができるともに、回転中あるいはこれらの磁石自身の反発力による空間隙間が生じにくいので回転バランスが崩れる問題もない。

また、主磁極磁石３２およびヨーク磁石３３の間の隙間３１７あるいはこれらの周囲部材との隙間には、空気よりも熱伝導率のよい熱伝導固着材３１８が充填されている。これにより、主磁極磁石３２とヨーク磁石３３の熱が周囲に伝熱しやすく、温度を大幅に低減して、特性低下を防止することができるともに、回転中あるいはこれらの磁石自身の反発力による軸方向のずれや空間隙間が生じにくいので回転偶力バランスが崩れてしまう問題もない。

また、主磁極磁石３２は外径側に末広がりの台形状断面としている。これにより、ヨーク磁石３３の磁束は主磁極磁石３２が径方向着磁であるにもかかわらずその側面より流入するが、この磁束は主磁極磁石３２が径方向外側に断面が漸増するために、合流磁束が主磁極磁石３２の磁化に妨げられることがなく、磁束の流れが円滑になって所定の磁石使用量において多くの磁束を流すことができ、車両用交流発電機１００の小型高出力化を実現することができる。

また、主磁極磁石３２とヨーク磁石３３は、それらのアークレシオがほぼ２対１に設定されている。これにより、主磁極磁石３２の周方向両側面から合流する磁束は、その磁束密度を主磁極磁石３２の磁束密度とほぼ同じにすることができ、所定の磁石使用量において多くの磁束を流すことができる。

また、本実施形態の車両用交流発電機１００には、主磁極磁石３２の周方向両側面より磁束を流通する極数個のヨーク磁石３３を有する回転子３に対向配置した分布巻の電機子巻線２１を有する固定子２が備わっている。これにより、起電力をかせぐために多くの巻数を施してその結果電機子電流が流れると大きな電機子反作用が作用する集中巻のような大きな減磁作用が発生しないので、減磁に対して配慮が必要なハルバッハアレイにおいて減磁に関する信頼性向上を計ることが可能になる。また、集中巻としたときは、永久磁石の磁束密度が限られていることから、積層鉄心の狭い歯状部への磁束流入には困難性が伴って有効磁束は限定的となるが、分布巻とすることで積層鉄心２０の複数の歯状部から主磁極磁石３２の磁束が固定子２側に進入することができるため、有効磁束の総量が増す効果もある。

また、主磁極磁石３２とヨーク磁石３３の外径を同じに設定してこれらの全周を磁極としており、電気角１８０°の範囲にある主磁極磁石３２とヨーク磁石３３の双方から、固定子２の積層鉄心２０の複数の歯状部に磁束が進入できるため、より有効磁束の総量を増すことができる。

以上により、（１）高温でしかもさまざまな位置に逆磁界が加わりやすい発電機での熱的減磁、（２）バランス確保の困難性、（３）信頼性確保の困難性、（４）磁石が高コストになりがち、（５）トータル有効磁束が稼ぎにくい、という５つの課題が解決され、目的とする小型軽量高性能の車両用発電機１００を実現することができる。

この結果、従来は１４Ｖ−１５０Ａクラスの車両用交流発電機は固定子２の外径が１２８ｍｍで重量が５ｋｇ程度であったものが、本実施形態の構造を採用することにより、固定子２の外径が１００ｍｍで重量が３ｋｇ程度に、著しく小型化、軽量化を図ることができた。

〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態の車両用交流発電機の回転子について説明する。車両用交流発電機の全体構成は、図１に示した第１の実施形態の車両用交流発電機と同じであり、構造が異なる回転子について説明を行うものとする。

図５は、第２の実施形態の車両用交流発電機の径方向に沿った部分的な断面図である。
本実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子３Ａは、主磁極磁石３２Ａとヨーク磁石３３Ａの形状あるいは材質を変更した点が第１の実施形態の回転子３と異なっている。

主磁極磁石３２Ａは、第１の実施形態の主磁極磁石３２と同様に、希土類ネオジウム鉄ボロン永久磁石が用いられている。一方、ヨーク磁石３３Ａは、フェライト永久磁石が用いられている。一般に、フェライト永久磁石は希土類磁石に比べて低磁束密度であるため、第１の実施形態のヨーク磁石３３に比べて、径方向および周方向の厚みが厚く設定されており、これにより、大量の磁束を主磁極磁石３２Ａに側面から供給することができるようになっている。また、ヨーク磁石３３Ａの外径は、主磁極磁石３２Ａの外径と同じであり、ヨーク磁石３３Ａの径方向外側に向かう漏れ磁束も、主磁極磁石３２Ａの磁束とともに固定子２に鎖交することができる。

〔第３の実施形態〕
次に、第３の実施形態の車両用交流発電機の回転子について説明する。車両用交流発電機の全体構成は、図１に示した第１の実施形態の車両用交流発電機と同じであり、構造が異なる回転子について説明を行うものとする。

図６は、第３の実施形態の車両用交流発電機の径方向に沿った部分的な断面図である。
本実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子３Ｂは、径方向に交互にＮＳ磁極を形成すべく着磁された極数個の外径が小さな主磁極磁石３２Ｂと、この主磁極磁石３２Ｂの周方向両側面に対向する極数個の外径が大きなヨーク磁石３３Ｂと周方向に交互に配列されている。また、この主磁石磁極３２Ｂの外径側には、熱良導性の鉄心磁極片３４が当接配置されている。この鉄心磁極片３４には、主磁極磁石３２Ｂと同様にヨーク磁石３３Ｂが両側面より当接している。このような構造とすることにより、鉄心磁極片３４に大量の磁束を集中させることができ、車両用交流発電機の出力向上を図るとともに、コストパフォーマンスにすぐれ小型軽量となるばかりでなく、各磁石の熱が効率よく吸熱されて、高温回転機での熱的減磁信頼性の課題が高いレベルで解決されることとなる。

〔その他の実施形態〕
上述した各実施形態では、界磁として永久磁石（主磁極磁石３２やヨーク磁石３３等）のみを用いた構造について説明したが、永久磁石と界磁コイルとを併用する構造であってもよい。これにより、本発明と同様の効果が得られることはいうまでもない。例えば、図７に示すように、第三の実施形態で説明した磁極片３４の部分が軸方向に延在してさらに回転軸３０の中心側に延在し回転軸３０の周囲を通って元に戻るいわゆるランデル型爪状磁極３２０を用いてももよい。すなわち、回転軸周囲の鉄心部３２１に界磁コイル３２２を巻回してこの界磁コイル３２２を励磁源とするとともに、主磁石磁極３２Ｃとヨーク磁石３３Ｃとを励磁源とした混成励磁であってもよい。

また、上述した実施形態では車両用発電機について説明したが、その他の用途の発電機や各種の直流機に本発明を適用することができる。例えば、外周を放熱性がよく、しかも軽量の非磁性金属であるアルミ円筒部としてその円筒の内部に主磁極磁石とヨーク磁石を配置し、その内部に電機子回転子を配置する。これにより、これらの磁石の放熱性がよく減磁のおそれもないため、過負荷に耐える小型で高出力軽量の直流モータを実現することができる。

また、電気自動車やハイブリッド自動車などの高温のエンジンに近いあるいは閉塞空間におかれ、かつ小型高出力が求められて高温になりがちな回転機に本発明を適用することもできる。また、小型軽量が求められる電車駆動用や低慣性が求められる数値制御加工用ＡＣサーボモータなどにも有用であり、本発明を適用することができる。

第１の実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。 第１の実施形態の車両用交流発電機の径方向に沿った部分的な断面図である。 回転子の径方向に沿った部分的な断面図である。 本実施形態の車両用交流発電機の結線図である。 第２の実施形態の車両用交流発電機の径方向に沿った部分的な断面図である。 第３の実施形態の車両用交流発電機の径方向に沿った部分的な断面図である。 変形例の車両用交流発電機の径方向に沿った部分的な断面図である。

符号の説明

１ フレーム
２ 固定子
３ 回転子
４ 整流器
５ バッテリ
６ 電気負荷
１０、１１ 軸受け
２０ 積層鉄心
２１ 電機子巻線
３０ 回転軸
３１ ハブ
３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ 主磁極磁石
３３、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ ヨーク磁石
３１１ 内側円筒部
３１２ 外側円筒部
３１３ 基板部
３１４ 羽根状放熱部
３１５ 空洞部
３１６ 通風孔
３１７ 隙間
３１８ 熱伝導固着材
３２０ ランデル型爪状磁極
３２１ 鉄心部
３２２ 界磁コイル

Claims (6)

1. 径方向に交互にＮＳ磁極を形成すべく着磁された極数個の主磁極磁石と、前記主磁極磁石の周方向両側面より磁束を流通させる極数個のヨーク磁石と、を備え、前記主磁極磁石と前記ヨーク磁石のアークレシオがほぼ２対１に設定された回転子と、前記回転子の外周に対向配置された分布巻の固定子と、を備えた回転電機において、
   前記固定子は、周方向に隣接して形成された複数の歯状部と、複数の前記歯状部間に形成されたスロットに巻装された三相電機子巻線を備えており、
   前記三相電機子巻線は一つの磁極ピッチの間に３つの歯状部を含むように、各スロットに電気角１８０°ピッチで巻装されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、
   前記回転子は、前記主磁極磁石と前記ヨーク磁石とが密着固定された熱良導性の金属放熱部材を備えることを特徴とする回転電機。
3. 請求項２において、
   前記回転子は、前記金属放熱部材を固定する回転軸をさらに備え、
   前記金属放熱部材と前記回転軸との間を中空構造とした冷却通風部が形成されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項２または３において、
   前記金属放熱部材は、非磁性であり、前記主磁極磁石と前記ヨーク磁石のそれぞれの外周を覆う円筒であることを特徴とする回転電機。
5. 請求項２乃至４のいずれかにおいて、
   前記金属放熱部材は、前記主磁極磁石と前記ヨーク磁石のそれぞれの軸方向両端に設けられて前記主磁極磁石と前記ヨーク磁石の軸方向移動を規制する基板部と羽根状放熱部とを有することを特徴とする回転電機。
6. 請求項４または５において、
   前記主磁極磁石と前記ヨーク磁石のそれぞれとその周囲部材との間に形成された隙間には、空気よりも熱伝導率が良好な熱伝導固着材が充填されていることを特徴とする回転電機。

Images