JP5055858B2

JP5055858B2 - 回転発電機

Info

Publication number: JP5055858B2
Application number: JP2006184733A
Authority: JP
Inventors: 誠小川; 隆文深田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2006-07-04
Filing date: 2006-07-04
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2026-07-04
Also published as: JP2008017578A

Description

本発明は、磁石とコイルとを有する回転発電機に関するものである。

従来、永久磁石式発電機として、回転軸に固定されたヨーク（鉄のような磁性材料）の外周に永久磁石を張り付けるか、ヨークの内部に永久磁石を埋め込み、他方、そのヨークの外周側に、鉄心材に電線を巻いてなるコイルを設けたものが知られている。

その永久磁石式発電機では、ヨークおよび永久磁石を回転させて回転磁界を発生させることで、コイルに起電力を発生させ、発電が行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１０７７１６号公報

しかしながら、上述した回転発電機では、ヨークを数千回転〜１万回転で回転させるため、そのヨークに張り付けた（または、埋め込んだ）永久磁石の固定方法によっては、機械的強度の関係（限界）から、ヨークおよび永久磁石が破損してしまう虞がある。

また、回転発電機において、永久磁石が取り付けられるヨーク側は固定し、コイルおよび鉄心側を回転させることにより発電させることは可能であるが、コイルからの電流を取り出すための構造が必要となり現実的ではない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、永久磁石側およびコイル側の何れも回転させることなく、発電可能な回転発電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、回転軸に対して同芯的に位置させて固定側に設けられた環状体と、該環状体に、その周方向に沿って等間隔で設けられた複数の鉄心と、これら鉄心のそれぞれに巻回された導電性コイルと、上記環状体の径方向内側または外側に位置させて固定側に設けられたリング状のヨークと、該ヨークに、一方の磁極が上記鉄心に向き他方の磁極が上記ヨークに当接し、上記ヨークの周方向に沿って上記鉄心に向く磁極がＮ極、Ｓ極交互になるよう、かつ各磁極が上記環状体の各鉄心に対向するよう等間隔で設けられた上記鉄心と同数の永久磁石と、上記回転軸に、上記環状体と上記ヨークとの間に位置させて設けられた非磁性体からなるリング状のロータと、該ロータに、上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石に各々対向するよう等間隔で設けられた磁性体からなる上記鉄心及び上記永久磁石と同数のポールピースと、上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石の間に、上記ロータのポールピースまたは非磁性体部分を位置させることで各鉄心を通る磁束の量を増減させて、上記環状体のコイルに起電力を発生させて発電するための回転軸駆動手段とを備えたものである。

上記目的を達成するために本発明は、回転軸に対して同芯的に位置させて固定側に設けられた環状体と、該環状体に、その周方向に沿って等間隔で設けられた複数の鉄心と、これら鉄心のそれぞれに巻回された導電性コイルと、上記環状体に対して軸方向に並べて固定側に設けられたリング状のヨークと、該ヨークに、一方の磁極が上記鉄心に向き他方の磁極が上記ヨークに当接し、上記ヨークの周方向に沿って上記鉄心に向く磁極がＮ極、Ｓ極交互になるよう、かつ各磁極が上記環状体の各鉄心に対向するよう等間隔で設けられた上記鉄心と同数の永久磁石と、上記回転軸に、上記環状体と上記ヨークとの間に位置させて設けられた非磁性体からなるリング状のロータと、該ロータに、上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石に各々対向するよう等間隔で設けられた磁性体からなる上記鉄心及び上記永久磁石と同数のポールピースと、上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石の間に、上記ロータのポールピースまたは非磁性体部分を位置させることで各鉄心を通る磁束の量を増減させて、上記環状体のコイルに起電力を発生させて発電するための回転軸駆動手段とを備えたものである。

本発明によれば、永久磁石側およびコイル側の何れも回転させることなく、発電す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形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態の回転発電機は、例えば、車両のエンジンにより回転駆動されて、車両への電力を供給およびバッテリの充電を行うものである。

まず、図１から図３に基づき回転発電機の概略構造を説明する。

図１から図３に示すように、本実施形態の回転発電機１は、回転軸２と、その回転軸２に対して同芯的に位置させて固定側に設けられた環状体３と、その環状体３の径方向内側に位置させて固定側に設けられたリング状のヨーク４と、環状体３と上記ヨーク４との間に位置させて、回転軸２に設けられたリング状のロータ５と、回転軸２を回転駆動するための回転軸駆動手段とを備える。環状体３とヨーク４とロータ５とは、基本的に発電時は、回転軸２に対して同芯的に、かつ同一の軸方向位置に配置される。

環状体３は、図示しないケーシングに取り付けられる。環状体３は、磁性体からなる。

その環状体３には、周方向に沿って所定の間隔で複数（図例では１２極、図１および図２では４極のみ示す）の鉄心（以下、コイル鉄心という）３１と、これらコイル鉄心３１に巻回されたコイル３２（導電性コイル）とが設けられる。

具体的には、コイル鉄心３１は、環状体３の内周面に沿って等間隔で形成され、内周面から径方向内側に突出する。コイル３２は、例えば、一本の電線にて全てのコイル鉄心３１を巻回してなり、そのコイル３２は、車両のバッテリなどに接続される。

ヨーク４は、回転軸２に対して同芯的に位置させて、図示しないケーシングに取り付けらる。ヨーク４は、例えば、低炭素鋼などの磁性体からなる。

そのヨーク４には、複数（図例では１２極、図１および図２では４極のみ示す）の永久磁石４１が、周方向に沿ってＮ極、Ｓ極が交互になるよう、かつ各磁極が環状体３の各コイル鉄心３１に対向するよう設けられる。

具体的には、永久磁石４１は、一方の磁極を径方向外側（鉄心側）に向けて突出するよう、かつ他方の磁極がヨーク４の外周面に当接するよう、ヨーク４に等間隔で取り付けられる。本実施形態では、永久磁石４１は、コイル鉄心３１と同数設けられ、各コイル鉄心３１に対応する周方向位置に配置、固定される。

また、本実施形態では、ヨーク４および永久磁石４１を、回転軸２の軸方向に沿って往復動させるためのスイッチング装置が設けられる。

そのスイッチング装置は、ヨーク４の内周面に摺接してヨーク４を軸方向移動可能に支持するヨーク支持材４２１と、ヨーク４の軸方向の一端部に取り付けられ、軸方向に伸縮可能なエアシリンダ（図示せず）とを備え、そのエアシリンダを伸縮させて、永久磁石４１がコイル鉄心３１と対向する位置（略同じ軸方向位置）（発電ＯＮ位置）と、コイル鉄心３１に対して軸方向に離間した位置（発電ＯＦＦ位置）とで、ヨーク４の位置を切り替える。

ロータ５は、環状体３およびヨーク４に対して、径方向に所定の隙間を隔てて配置され、図示しない支持材（例えば、スポーク状の支持材）にて回転軸２に取り付けられる。ロータ５と、環状体３およびヨーク４の隙間は、例えば、永久磁石４１の磁力などを考慮して設定される。

ロータ５は、非磁性材料（非磁性体）（非金属・金属問わず）からなる。ロータ５の非磁性材料としては、回転に耐えうる強度を持ち、かつ渦電流が発生し難い電気抵抗の大きい材料（絶縁体や半導体など）が使用される。例えば、ロータ５の非磁性材料として、ステンレスや真ちゅう、プラスチックなどが考えられる。

そのロータ５には、磁性材料（磁性体）（例えば、鉄など）からなる複数のポールピース５１が設けられる。

ポールピース５１は、ロータ５内に周方向に等間隔で埋め込まれ、環状体３のコイル鉄心３１およびヨーク４の永久磁石４１に各々対向するよう設けられる。また、ロータ５のポールピース５１間には、ロータ５自身を構成する非磁性材料からなる非磁性体部分５２が位置する。

本実施形態では、ロータ５のポールピース５１が、環状体３のコイル鉄心３１（およびヨーク４の永久磁石４１）と同数設けられる。

ポールピース５１の磁性材料は、できるだけ永久磁石４１の磁束がコイル鉄心３１を通過するよう透磁率の高い材料が望ましく、かつ、渦電流が発生しにくいように電気抵抗の大きな材料（絶縁体や半導体など）が好ましい。例えば、ポールピース５１の磁性材料としては、積層鋼板などが考えられる。

回転軸駆動手段は、エンジンの回転を回転発電機１の回転軸２に伝達して発電を行うためのものであり、例えば、図示しないエンジンのクランクシャフトに取り付けられたプーリと、そのプーリおよび回転発電機１の回転軸２を接続するベルトとを備える。

詳しくは後述するが、回転軸駆動手段は、回転軸２（ロータ５）を回転させて環状体３のコイル鉄心３１およびヨーク４の永久磁石４１の間に、ロータ５のポールピース５１または非磁性体部分５２を交互に位置させ磁束の量を増減させることで、環状体３のコイル３２に起電力を発生させて発電を行う。

次に、本実施形態の回転発電機１の作用を説明する。

まず、図１、図２、図４および図５に基づき、コイル鉄心３１、ポールピース５１、および永久磁石４１間に形成される磁気回路について説明する。なお、図４および図５は、永久磁石および発電コイルが８極である回転発動機を、直線モデルにて模式的に示す。

図１および図４に示すように、ロータ５のポールピース５１が、環状体３のコイル鉄心３１およびヨーク４の永久磁石４１と同じ周方向位置に位置するときは、永久磁石４１のＮ極からポールピース５１、コイル鉄心３１を通り、さらにヨーク４、隣接するコイル鉄心３１、ポールピース５１、永久磁石４１のＳ極に至る磁気回路Ｃ１が形成される。このとき、コイル鉄心３１を通る磁束は最大となる。

この図１の位置からロータ５が回転すると、ポールピース５１を通過してコイル鉄心３１を通る磁束の量が徐々に減少する。

図２および図５に示すように、ロータ５の非磁性体部分５２が、環状体３のコイル鉄心３１およびヨーク４の永久磁石４１と同じ周方向位置に位置するときは、その非磁性体部分５２により、永久磁石４１からコイル鉄心３１への磁束が遮断され、永久磁石４１のＮ極から、ポールピース５１を通り隣接する永久磁石４１のＳ極に至る磁気回路Ｃ２が形成される。このとき、コイル鉄心３１を通る磁束は最小（ほぼ０）となる。

この図２の位置からロータ５が回転すると、ポールピース５１を通過してコイル鉄心３１を通る磁束の量が徐々に増大する。

以上のように本実施形態では、回転軸２およびロータ５を回転させ、コイル鉄心３１へ進入する磁束の量を増減させコイル３２に起電力を発生させる。

次に、図６に基づき、回転軸２（ロータ５）の回転角と、コイル３２の電圧およびコイル鉄心３１内の磁束との関係を説明する。

図６は、一例として、極数が１２の回転発電機１におけるロータ５の回転角によるコイル鉄心３１内の磁束（図６において、破線Ｍで示す）および起電力（電圧）（図６において、実線Ｅで示す）の変化を示す。ここで、ポールピース５１が、コイル鉄心３１および永久磁石４１と同じ周方向位置に位置するときの回転角を、０度とし、６０度までを示す。

図６に示すように、ポールピース５１が、コイル鉄心３１および永久磁石４１と同じ周方向位置に位置する回転角０、３０および６０度（図６において、符号Ｈで示す）では、コイル鉄心３１内の磁束が最大となる。

一方、ポールピース５１が、極（永久磁石４１）の中間位置に位置する回転角１５、４５度（図６において、符号Ｌで示す）では、コイル鉄心３１内の磁束が最小となる。

以上のように、回転角によりコイル鉄心３１内の磁束が変化し、その変化量に見合った起電力がコイル３２に発生して発電が行われる。

このように、本実施形態では、ポールピース５１を埋め込んだロータ５のみを回転させてコイル３２に起電力を発生させるので、永久磁石４１およびコイル３２のいずれも回転させる必要がなく、コイル側または永久磁石側が破損してしまうという従来の問題点を解決できる。

また、永久磁石４１を回転させないので、例えば、本実施形態のスイッチング装置のように、永久磁石４１およびヨーク４を、回転軸２方向に移動させてコイル鉄心３１より遠ざけ、永久磁石４１からコイル鉄心３１に進入する磁束を減らす構造を容易に採用することができる。これにより、発電不要時のコギングトルクや損失の低減が可能となる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、上述の実施形態では、ロータ５、７に対して径方向の外周側に環状体３（コイル鉄心３１およびコイル３２）、内周側にヨーク４（永久磁石４１）を各々配置したが、環状体３とヨーク４の配置は内外周を反対にしてもよい。

また、回転軸方向に、順に、ヨーク（磁石）、ロータ（ポールピース）および環状体（コイル鉄心およびコイル）を配置するようにしてもよい。

すなわち、環状体に対して軸方向に並べて、リング状のヨークを固定側に設け、それら環状体とヨークとの間に位置させて、非磁性体からなる（或いは、非磁性を有する導体からなる）リング状のロータを回転軸に設けるようにしてもよい。このとき、環状体、ヨークおよびロータは、略同径のリング状に形成することが好ましい。

また、スイッチング装置は、上述したヨーク４を軸方向に移動するものに限定されず、例えば、図１１に示すように、複数の磁石１０１が周方向に沿ってＮ極、Ｓ極が交互になるよう固定されたヨーク１０２を、軸方向に２列配置し、片方のヨーク１０２をエアシリンダ（図示せず）などで周方向に回動させる回転スイッチング機構１１７のようなものでもよい。

図１は、本発明に係る一実施形態による回転発電機の断面図である。図２は、本実施形態の回転発電機の断面図であり、図１からロータが所定角度回転した状態を示す。図３は、本実施形態の回転発電機の部分斜視図である。図４は、本実施形態の回転発電機の作用を説明するための直線モデル図である。図５は、本実施形態の回転発電機の作用を説明するための直線モデル図であり、図４からロータが所定角度回転した状態を示す。図６は、ロータの回転角と、鉄心内の磁束およびコイルの電圧の関係を説明する図である。

符号の説明

１回転発電機
２回転軸
３環状体
３１鉄心（コイル鉄心）
３２コイル
４ヨーク
４１永久磁石
５ロータ
５１ポールピース
５２非磁性体部分

Claims

回転軸に対して同芯的に位置させて固定側に設けられた環状体と、
該環状体に、その周方向に沿って等間隔で設けられた複数の鉄心と、
これら鉄心のそれぞれに巻回された導電性コイルと、
上記環状体の径方向内側または外側に位置させて固定側に設けられたリング状のヨークと、
該ヨークに、一方の磁極が上記鉄心に向き他方の磁極が上記ヨークに当接し、上記ヨークの周方向に沿って上記鉄心に向く磁極がＮ極、Ｓ極交互になるよう、かつ各磁極が上記環状体の各鉄心に対向するよう等間隔で設けられた上記鉄心と同数の永久磁石と、
上記回転軸に、上記環状体と上記ヨークとの間に位置させて設けられた非磁性体からなるリング状のロータと、
該ロータに、上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石に各々対向するよう等間隔で設けられた磁性体からなる上記鉄心及び上記永久磁石と同数のポールピースと、
上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石の間に、上記ロータのポールピースまたは非磁性体部分を位置させることで各鉄心を通る磁束の量を増減させて、上記環状体のコイルに起電力を発生させて発電するための回転軸駆動手段とを備えたことを特徴とする回転発電機。
回転軸に対して同芯的に位置させて固定側に設けられた環状体と、
該環状体に、その周方向に沿って等間隔で設けられた複数の鉄心と、
これら鉄心のそれぞれに巻回された導電性コイルと、
上記環状体に対して軸方向に並べて固定側に設けられたリング状のヨークと、
該ヨークに、一方の磁極が上記鉄心に向き他方の磁極が上記ヨークに当接し、上記ヨークの周方向に沿って上記鉄心に向く磁極がＮ極、Ｓ極交互になるよう、かつ各磁極が上記環状体の各鉄心に対向するよう等間隔で設けられた上記鉄心と同数の永久磁石と、
上記回転軸に、上記環状体と上記ヨークとの間に位置させて設けられた非磁性体からなるリング状のロータと、
該ロータに、上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石に各々対向するよう等間隔で設けられた磁性体からなる上記鉄心及び上記永久磁石と同数のポールピースと、
上記環状体の鉄心および上記ヨークの永久磁石の間に、上記ロータのポールピースまたは非磁性体部分を位置させることで各鉄心を通る磁束の量を増減させて、上記環状体のコイルに起電力を発生させて発電するための回転軸駆動手段とを備えたことを特徴とする回転発電機。