JP5335509B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、磁力によるフリクションを、任意に小さくしたり、大きくしたりすることができる交流発電機に関する。

エンジン等の駆動装置によって駆動される交流発電機として、複数個の永久磁石を環状に配置したロータと、前記永久磁石に対向する複数の突極に巻線を設けたステータと、ロータの回転角度を検出する磁極センサとからなる発電部と、磁極センサで検出されたロータの回転角度に応じて通電相を切り替えるドライバ部とを備えた永久磁石型の発電機が知られている（特許文献１、２）。この型の発電機では、ロータを駆動するエンジンの回転数や負荷の状態によって発電量が過多となった場合、レギュレータを用いて出力電圧を一定の値に制御して電圧の上昇を抑えて安定化させることが必要である。ドライバ部としては、各相巻線毎に上下２段のスイッチング素子（ＦＥＴ）を配置したブリッジ回路を含んでおり、出力電圧の安定化制御はＦＥＴのオン・オフタイミングと通電電流の位相を変化させて行う位相制御方式が知られている（特許文献３、４）。位相制御方式によれば、通電位相を調整して発電フリクションをゼロにすることも可能である。

特開２００８−０８６１８３号公報 特開２００２−１１９０９５号公報 特開２００２−１５９１６４号公報 特開２００２−１３６１９５号公報

永久磁石型の交流発電機は、温度によって永久磁石の磁力が変化することから、安定して発電フリクションをゼロ近くにするためには電流センサ等の検知手段を新たに追加する必要がある。

また、磁極センサのエッジ検知信号に基づいて前記ＦＥＴのオン・オフタイミングが決定される。磁極センサで検知される回転角度の分解能が例えば１０度である場合、ロータが直前の回転角度１０度をどれだけの時間で通過したかをＣＰＵで演算し、この時間に基づき直近のＮ・Ｓ磁極の切り替えから所望の時間が経過した時点でＦＥＴをオン・オフさせる。

しかし、エンジンの膨張行程や圧縮行程のように、ロータの回転速度が短時間で変動する区間では、直前の通過時間の演算時と、実際にＦＥＴのオン・オフが行われる時とでは同時間での回転角度が異なり、所望のタイミングでＦＥＴがオン・オフできないことがある。

本発明の目的は、上記課題に対して、電流センサを必要とせずに永久磁石の温度変化による磁束変化の影響を抑えることができ、かつ所望の時期にＦＥＴをオン・オフすることで、最適の時期に発電フリクションを低減したり、電磁吸引力によるブレーキ作用を生じさせたりすることができる回転電機を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、環状周壁部と円板状底部とでカップ形状に形成されたロータケースと、前記環状周壁部の内周に固定され、周方向で周期的に直径方向の寸法が変化した波形に形成されているロータコアとからなり、例えば、エンジンで駆動されるロータと、該ロータの回転軸方向に整列され、ロータコアの内周面に一端を対向させた２本のティースコアと、該ティースコアにそれぞれ巻かれた巻線（例えば単相巻線）と、前記２本のティースコアの、ロータ軸側他端に配置された永久磁石とからなるステータとを備え、前記ティースコアおよび巻線からなる磁極が、前記ロータコアの波形のピッチと同一間隔で環状に複数配置されている点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記２本１組のティースコアに巻かれた巻線の出力側にそれぞれ接続された整流回路を含むレギュレータを備えた点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記各整流回路の出力経路をそれぞれ開閉する切り替えスイッチと、前記各整流回路の出力を合流したライン上に設けられた最終出力段切り替えスイッチと、前記整流回路を形成する半導体スイッチ、前記切り替えスイッチ、および最終段切り替えスイッチを制御して発電機出力を制御するコントローラとを備えた点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記コントローラが、前記２本の巻線のうち、一方からの出力電圧を検知する手段と、該検知電圧に基づいて、他方の出力を検出するように構成されている点に第４の特徴がある。

また、本発明は、環状周壁部と円板状底部とでカップ形状に形成されたロータケースと、前記環状周壁部の内周に固定され、周方向で周期的に直径方向の寸法が変化した波形に形成されているロータコアとからなるロータと、前記ロータコアの内周面に一端を対向させた複数のティースコアと、該ティースコアのそれぞれに交互に巻かれた２本の巻線と、前記ティースコアの、ロータ軸側他端に配置された永久磁石とからなるステータとを備え、前記ティースコアおよび巻線からなる磁極が、前記ロータコアの波形のピッチと同一間隔で環状に複数配置されている点に第５の特徴がある。

また、本発明は、２本の巻線毎に、個別に通電位相を制御して発電機出力を制御するコントローラを有している点に第６の特徴がある。

さらに、本発明は、互いに巻数および線径の少なくとも一方が異なる巻線を有する点に第７の特徴がある。

第１〜第７の特徴を有する本発明によれば、単一の交流発電機から２系統で出力電力を得ることができる。また、電流センサを用いずに、永久磁石の温度変化による磁束量変化に影響されない発電機出力を得ることができるし、機械的フリクション以外のフリクションを低減することが可能である。

また、第１〜第５の特徴を有する本発明によれば、ロータ側に永久磁石を設けないので、ロータの構造を簡単にすることができ、かつ部品点数を削減することができる。例えば、ロータコアは一般に永久磁石を収容するスペースを設けるため複雑な形状になる従来品と比べて形状を単純化することができる。

第２の特徴を有する本発明によれば、２系統の出力電力を個別に整流およびレギュレートすることができる。

第３の特徴を有する本発明によれば、２系統の出力を選択的に、または合成して出力させることができるし、例えば、各系統の出力端を短絡または開放して発電機の駆動源にブレーキ作用を及ぼすことができる。

また、２系統の出力位相が互いに逆方向になるように整流回路および切り替えスイッチを制御することで互いの出力が相殺し、出力をゼロにすることができる。したがって、発電機の駆動源に対する発電フリクションを容易にゼロにすることができる。例えば、車両のエンジンが駆動源である場合、加速時に発電フリクションをゼロにして加速性能を向上させることもできる。

第４の特徴を有する本発明によれば、一方の巻線に発生する起電圧に基づいて同一の磁路上にある他方の巻線の磁束変化や起電力を検出し、センサとして使用することができる。

第６の特徴を有する本発明によれば、フリクション、発電出力、および電磁ブレーキ作用を、巻線毎に自在に制御可能にできる。第７の特徴を有する本発明によれば、多様な巻線仕様に対応することができる。

本発明の一実施形態に係る交流発電機の正面図である。 図１のＡ−Ａ位置での断面図である。 交流発電機を構成するステータの斜視図である。 エアギャップが小さいときの磁束を示す交流発電機の断面図である。 エアギャップが大きいときの磁束を示す交流発電機の断面図である。 エアギャップと起電力と磁束との関連を示す波形図である。 交流発電機の磁極を示す斜視図である。 交流発電機の磁極の分解図である。 磁極を保持する端部ホルダの斜視図である。 磁極を保持する中間ホルダの要部斜視図である。 交流発電機の出力を制御するレギュレータの回路図である。 パラレル出力時のレギュレータの動作説明図である。 パラレル出力時の出力電圧波形図である。 発電出力の短絡制限制御時のレギュレータの動作説明図である。 発電出力の開放制限制御時のレギュレータの動作説明図である。 発電出力の相殺制限制御時のレギュレータの動作説明図である。 相殺制限制御時の出力電圧波形図である。 一方の巻線の起電圧に基づき他方を制御する場合のレギュレータの動作説明図である。 バッテリの印加電圧により起電圧の位相をずらせる制御を行ったときの波形図である。 本発明の第２実施形態に係る交流発電機の正面図である。 図２０のＢ−Ｂ位置での断面図である。 第２実施形態に係る発電機の出力制御回路図である。 本発明の回転電機を駆動源とする電動車両の右前方から見た斜視図である。 電動車両の駆動部を示す断面図である。 本発明の回転電機を駆動源とするハイブリッド車両の右側面図である。 ハイブリッド車両の電動機駆動部を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る交流発電機を示す正面図、図２は、図１のＡ−Ａ矢視位置での断面図、図３は交流発電機の要部（ステータ）の斜視図である。

交流発電機１は、例えば、車両駆動用エンジンのスタータ兼用発電機である。交流発電機１は、エンジンのクランク軸５０に連結されて回転するアウタロータ（以下、単に「ロータ」と呼ぶ）２と、ロータ２と同心で配置され、例えばエンジンのクランク室の壁部に固定されるステータ３とからなる。

ロータ２は、環状周壁部４１と円板状底部４２とでカップ形状に形成されたロータケース４と、ロータケース４の円板状底部４２の中心部に形成された開口に嵌め込まれ、リベット５でフランジ部分６１が円板状底部４２に接合されたボス６とからなる。ボス６の中心孔６２にはクランク軸５０が挿通固定される。環状周壁部４１の内周には、珪素鋼板の薄板を積層してなるものや、圧粉コアなどからなるロータコア７が嵌め込まれて固定されている。

ロータコア７は、図１に示したように、周方向で周期的に厚み（ロータ２の直径方向の寸法）ｔが変化した波形に形成されている。つまり、ステータ３に対して近接している山部（凸部）７１とステータ３から離隔している谷部（凹部）７２とを有している。山部７１および谷部７２の数はステータ３の磁極２３（図３参照）と同数であり、ステータ３の磁極２３の配置間隔と同じ間隔で配置されている。すなわち、各磁極は常に同じ関係でロータコア７の凹凸と対向している。

ステータ３は、軸方向（クランク軸５０の長手方向）に並んで配置された二つの部分ステータ８、９を有する。つまり部分ステータ８、９が１組となってステータ３を構成している。部分ステータ８、９はそれぞれ１２個のティースコア１０、１１と、ティースコア１０、１１に絶縁体１２、１３を介して巻回された巻線１４、１５と、部分ステータ８、９のティースコア１０、１１で挟み込まれてステータ３の中心寄りに位置している永久磁石１６とからなる。巻線１４、１５はそれぞれ単相である。巻線１４、１５は、必要な仕様に応じて、それらの巻数や線径を同一にしても良いし、互いに巻数および線径のうち、少なくとも一方を異ならせても良い。

ティースコア１０、１１は、ステータ３の中心寄りで部分ステータ８、９の接合面側に屈曲した先端部１０ａ、１１ａを有し、その先端部１０ａ、１１ａの端面間に永久磁石１６が配置されている。ティースコア１０、１１の先端部１０ａ、１１ａは、これら先端部１０ａ、１１ａの屈曲外周側に当接する端部ホルダ１７、１８と、屈曲内周側に当接する中間ホルダ１９とで保持されている。ティースコア１０、１１の外周端部１０ｂ、１１ｂはロータコア７の内周面に対向する。

永久磁石１６はクランク軸５０の長手方向にＮ極およびＳ極が並ぶように配置され、永久磁石１６（Ｎ極）、ティースコア１０、ロータコア７、ティースコア１１、および永久磁石１６（Ｓ極）を通じて磁束（図４、５参照）が形成される。

上記構成において、エンジンが駆動されてクランク軸５０が回転すると、ロータ２が共に回転する。ロータコア７は上述のように波形に形成されているので、山部７１および谷部７２に対するティースコア１０、１１の対向位置が時間毎に移動して、ティースコア１０、１１とロータコア７との間隔（ギャップ）Ｇが変動する。このギャップＧの変動に伴い、前記磁束に変化が生じて、巻線１４、１５に起電力が発生する。磁束量はギャップＧの二乗に反比例するので、ロータコア７の内周形状（クランク軸５０の長手方向から見た形状）を正弦波の逆数の平方根（√（１／ｓｉｎθ））とすることで、正弦波状の磁束変化とそれに伴う起電力つまり巻線１４、１５の出力電力が得られる。

図４は、ギャップＧが小さいとき、つまりティースコア１０、１１がロータコア７の山部７１に対向しているときの交流発電機１の断面図である。図５は、ギャップＧが大きいとき、つまりティースコア１０、１１がロータコア７の谷部７２に対向しているときの交流発電機１の断面図である。図４、図５では、磁束を表す矢印２０の太さを変えて磁束量の大小を表している。つまり、ギャップＧが小さい図４に示した位置の方が、ギャップＧが大きい図５に示した位置より磁束量が多い。

図６は、ギャップＧと、磁束量と、起電力との関連を示す波形図であり、横軸はロータ回転角度、縦軸はギャップ（エアギャップ）Ｇ、磁束量および起電力の大きさを示す。図６に示すように、ギャップＧが大きいときは磁束量が少なくなり、ギャップＧが小さいときは磁束量が多くなる。磁束量の大小に応じて、磁束量の変化が大きいときに起電力のピークが現れ、磁束量の変化が小さいときには起電力が小さくなり、磁束量が増大から減少に変化するとき、および減少から増大に変化するときに起電力はゼロになる。

図７は、磁極の斜視図であり、図８は、磁極の分解図である。図７、図８において、絶縁体１２は、同形状の部分絶縁体１２ａ、１２ｂとからなり、これら部分絶縁体１２ａ、１２ｂには、ティースコア１０の側部が嵌合されるコア通し溝２１、２２が形成されている。これら部分絶縁体１２ａ、１２ｂを、ティースコア１０の側部にコア通し溝２１、２２が沿うようにしてあてがい、ティースコア１０を両側から覆う。こうして組み立てられたティースコア１０と絶縁体１２との組立体に巻線１４を巻き付ける。完成した部分ステータ８の一つの磁極２３を図７に示した。本実施形態では、一つの部分ステータ８に磁極２３が１２個使用される。部分ステータ９の各磁極も同様に製作される。

図９は、磁極２３を保持する端部ホルダの斜視図、図１０は、磁極を保持する中間ホルダの要部斜視図である。これら端部ホルダと中間ホルダとによって、全体として環状をなすように磁極が配列保持される。

図９において、端部ホルダ１７は環状の絶縁体であり、ティースコア１０の先端部１０ａが嵌め込まれるティース保持溝２４を外周面に所定角度間隔（３０度間隔）で備えている。端部ホルダ１７の中心には、前記ボス６とクランク軸５０が貫通可能な軸通し孔２５が形成されている。端部ホルダ１８も端部ホルダ１９と同形状に形成される。

図１０において、中間ホルダ１９は１２個の部分中間ホルダ２６（４個だけ図示してある）を環状に配置して構成される。１２個の部分中間ホルダ２６は、それぞれティースコア１０が通るための凹部２６ａを有し、全体としてアルファベットの「Ｈ」形状に形成されている。部分中間ホルダ２６のそれぞれの中央部内周側（図１０では裏面側）には直方体の永久磁石１６が位置し、永久磁石１６の６面のうち、部分中間ホルダ２６側の面以外の面は端部ホルダ１７、１８のティース保持溝２４とティースコア１０、１１の端面とで保持される。

図１１は、上記交流発電機１の出力を制御するレギュレータを示す回路図である。図１１において、レギュレータ２７は、２組の整流回路２８、２９を有している。整流回路２８は、巻線１４の出力制御用であり、整流回路２９は、巻線１５の出力制御用である。整流回路２８は、ＦＥＴとＦＥＴに並列接続されたダイオードとからなるスイッチ２８１、２８２、２８３、および２８４で形成されたブリッジ回路である。同様に、整流回路２９は、スイッチ２９１、２９２、２９３、２９４からなるブリッジ回路である。整流回路２８の出力側には、巻線１４の出力を選択する第１切替スイッチ（ＭＯＳＦＥＴとダイオードからなる）３０が接続され、整流回路２９の出力側には、巻線１５の出力を選択する第２切替スイッチ（ＭＯＳＦＥＴとダイオードからなる）３１が接続される。

さらに、第１切替スイッチ３０と第２切替スイッチ３１の出力側（ソース）は合流して第３切替スイッチ（ＭＯＳＦＥＴとダイオードからなる）３２の入力側（ソース）に接続される。レギュレータ２７の出力側には平滑用の電解コンデンサ３３とバッテリ３４と負荷３５とが並列に接続されている。なお、各スイッチのダイオードはＭＯＳＦＥＴのドレインソース間に形成される寄生ダイオードを利用できる。

レギュレータ２７の各スイッチ２８１〜２８４、２９１〜２９４と各切替スイッチ３０、３１、３２をオン・オフ制御するコントローラ３６が設けられる。コントローラ３６は、レギュレータ２７の出力電圧Ｖoutの入力ラインを有しており、出力電圧Ｖoutが所定値になるように、制御信号３６ａによってスイッチ２８１〜２８４と２９１〜２９４の切り替えおよび導通角（通電デューティ）を制御する。

巻線１４、１５の出力交流は整流回路２８、２９で整流されるとともに、スイッチ２８１〜２８４、２９１〜２９４の位相制御と切替スイッチ３０〜３２の切替制御により、出力電圧を制御したり、制限したりすることができる。

コントローラ３６は、整流回路２８と整流回路２９との導通角をそれぞれ個別に制御できるように二つの制御部を有することができる。巻線１４、１５毎に制御部を有することにより、巻線１４、１５毎に発電出力、フリクションおよび電磁ブレーキ作用を自在に制御できる。

以下に、コントローラ３６の制御例を説明する。 なお、図１２、図１４、図１５、図１６、図１８においては、ＭＯＳＦＥＴは簡略化した記号で示す。

まず、図１２、図１３を参照して巻線１４、１５の出力を並列で出力する例を説明する。ロータ２が回転すると、巻線１４、１５の両端の電圧は正負に変化する。そこで、ロータ２の角度に応じてレギュレータ２７を制御する。例えば、巻線１４に矢印１４Ａの方向（正方向）に電流が流れる電圧がかかるロータ角度では、整流回路２８の上段のスイッチ２８２と下段のスイッチ２８３をオンにし、かつ第１切替スイッチ３０および第３切替スイッチ３２をオンにする。この結果、巻線１４には、矢印Ａ１に示した電流が流れ、レギュレータ２７の出力端には図１３の符号ａで示した波形の電圧が生じる。

一方、巻線１４に矢印１４Ｂの方向（負方向）に電流が流れ、電圧がかかるロータ角度では、整流回路２８の上段のスイッチ２８１と下段のスイッチ２８４をオンにし、かつ第１切替スイッチ３０および第３切替スイッチ３２をオンにする。この結果、巻線１４には、矢印Ａ２に示した電流が流れ、レギュレータ２７の出力端には図１３の符号ｂで示す電圧が生じる。このように、巻線１４に誘起された電圧は整流されてレギュレータ２７の出力端に現れる。

同様に、巻線１５に矢印１５Ａの方向（正方向）に電流が流れる電圧がかかるロータ角度では、整流回路２９の上段のスイッチ２９２と下段のスイッチ２９３をオンにし、かつ第２切替スイッチ３１および第３切替スイッチ３２をオンにする。この結果、巻線１５には、矢印Ａ３に示した電流が流れ、レギュレータ２７の出力端には図１３の符号ｃで示した波形の電圧が生じる。

一方、巻線１５に矢印１５Ｂの方向（負方向）に電流が流れ、電圧がかかるロータ角度では、整流回路２９の上段のスイッチ２９１と下段のスイッチ２９４をオンにし、かつ第２切替スイッチ３１および第３切替スイッチ３２をオンにする。この結果、巻線１５には、矢印Ａ４に示した電流が流れ、レギュレータ２７の出力端には図１３の符号ｄで示した電圧が生じる。このように、巻線１５に誘起された電圧は整流されてレギュレータ２７の出力端に現れる。

次に、レギュレータ２７の出力を制限する制御例を図１４、図１５、図１６および図１７を参照して説明する。図１４の短絡制限制御の例では、整流回路２８の上段のスイッチ２８１、２８２をオフにし、下段のスイッチ２８３、２８４をオンにする。これにより、巻線１４に矢印１４Ａ、１４Ｂのいずれの方向に流れる電流も矢印Ａ４、Ａ５のように巻線１５の両端を短絡した回路を流れ、レギュレータ２７の出力端には電圧が生じない。つまり出力が制限される。

同様に、巻線１５に関しても、スイッチ２９３、２９４のみをオンとすることで電流が短絡回路を流れるように制御し、出力を制限できる。

ここで、巻線１４、巻線１５について一方のみを短絡して出力制限、他方は短絡しないで、図１２、図１３に示したように出力可能にすることによって、２段階の出力制限をすることができる。

図１５の開放制限制御の例では、図１２に示した例のように、整流回路２８、２９のスイッチ２８１〜２８４、２９１〜２９４の切り替えを行うが、第１切替スイッチ３０および第２切替スイッチ３１はオフに維持する。これによっても、結果的に、レギュレータ２７の出力は制限できる。巻線１４、１５の一方のみの出力を制限する場合は、第１切替スイッチ３０、第２切替スイッチ３１のうち、制限をしない巻線側をオンにし、併せて第３切替スイッチ３２をオンにする。

図１６および図１７では相殺制限制御を説明する。相殺制限制御では、整流回路２８と整流回路２９の出力電圧の正負を互いに逆にすることで、互いに出力を相殺する。図１６では、第３切替スイッチ３２をオフにして、巻線１４、１５の一方を他方と相反する極につながるようにスイッチ２８１〜２８４、２９１〜２９４を切り替える。図１７には、相殺制限制御を行った場合のレギュレータ２７の出力電圧波形を示す。このように、巻線１４の誘起電圧は整流回路２８から正電圧に整流して出力されるし、巻線１５の誘起電圧は整流回路２９から負電圧に整流されて出力される。

図１８は、巻線１４、１５の一方の出力を検知することにより、同一磁路上にある他方の磁束変化や起電力を検出して位相制御に利用する例を示す図である。図１８において、第１切替スイッチ３０と第３切替スイッチ３２をオンにし、第２切替スイッチ３１はオフにする。この状態で、整流回路２８のスイッチ２８１〜２８４と、整流回路２９のスイッチ２９１〜２９４を、ロータ角度に応じてオン・オフ制御する。第２切替スイッチ３１はオフになっているので、整流回路２９に電圧は印加されているが電流は流れない。ここで、整流回路２９の両端の電圧（巻線１５の起電圧）をコントローラ３６で検出できるようにする。

巻線１４から出力される電流と電圧とは位相差を持っている。そこで、バッテリ３４から巻線１４に電圧を印加することによって位相差を解消することができる。また、バッテリ電圧と誘起電力（電圧）との合成波を生成することで、電圧と電流の位相差を任意に変化させることにより、出力や負荷トルクを制御することも可能である。

図１９は、起電圧の位相を変化させるようにバッテリから巻線１４、１５に電圧を印加した場合の波形図である。図１９に示した例では、整流回路２８のスイッチ２８１〜２８４の切り替えとオン・オフタイミングを制御してバッテリ３４からの電圧を交流に変換し、かつ起電圧の位相からずらして巻線１４に印加している。この結果、起電圧と印加電圧との合成電圧の位相を起電圧の位相からずらすことができる。

また、この位相制御により、発電フリクションをゼロにすることに利用することができる。つまり、センサ巻線としての巻線１５の起電圧を検出し、この起電圧がゼロとなるように、巻線１４にバッテリ３４から電圧を印加する。つまり、永久磁石１６の磁束変化に反発して流れる電流と反対方向に、つまりバッテリ３４から巻線１４への印加電圧による電流が逆位相で流れるように整流回路２８を制御する。こうして、交流発電機１のフリクションのうち発電フリクションをゼロにして機械的フリクションのみとすることができる。

逆に、巻線１４に対するバッテリ３４の印加電圧による電流が、永久磁石１６の磁束変化に反発して流れる電流と同位相となるように整流回路２８を制御することによって、発電フリクションを大きくして外力に対する抗力（ブレーキ力）を生じさせることができる。

上述のように、本実施形態によれば、二つの巻線１４、１５の誘起電圧を並列で出力してバッテリ３４を充電し、負荷３５に電力を供給することができるし、巻線１４、１５の双方または一方を短絡して出力制限をすることができる。また、位相制御により、発電フリクションを制御することができる。

このような制御により、例えば交流発電機１を搭載した車両の加速時には、例えば、エンジン回転数が、低回転域では同位相、高回転では逆位相となるように巻線への通電を制御し、発電フリクションゼロ化によって加速性能を向上できる。あた、バッテリ３４や車両の状況により通常充電方式や、位相制御方式によりバッテリ３４を充電することができるし、巻線１４、１５の両方または一方の出力制限をすることができる。さらに、ロータ２と同様、クランク軸５０に連結される変速用Ｖベルトやチェーン等、動力伝達系の回転変動を抑制するためのブレーキ手段として発電フリクションを利用することが容易にできる。

図２０は本発明の第２実施形態に係る交流発電機の正面図、図２１は図２０のＢ−Ｂ矢視位置での断面図であり、図１、図２と同符号は同一または同等部分を示す。この第２実施形態では、交流発電機１００のステータ３８はクランク軸５０の長手方向に１個のみであり、第１実施形態のようにクランク軸５０の長手方向に部分ステータが整列されたものではない。２列の部分ステータを設ける代わりに、１２個の磁極に交互に巻線１４、巻線１５を配置する。そして、ティースコア３９の基部（クランク軸５０寄りには、各ティースコア３９の間に位置させて永久磁石４０を設けている。永久磁石４０によって形成される磁束は符号４３で示している。この磁束４３の量は、磁極の端部つまりティースコア３９の先端と、ロータコア７とのギャップＧによって変化するのは、第１実施形態と同様である。

図２２は、図２０に示した交流発電機１００の巻線１４、巻線１５によって誘起された電圧を制御するレギュレータ４４の例を示す回路図である。この回路では、ツェナーダイオード４５によって電流を制御することで、レギュレータ４４の出力端子電圧を調整する従来から知られているオープン式である。第１実施形態に示したレギュレータ２７のように、多くの制御形態をとることはできないが、この第２実施形態は、ステータ３側に永久磁石４０を備えた発電機を、従来のオープン式レギュレータを使用する交流発電機としても多様に使用できる。

なお、上記２つの実施形態は単相交流発電機の例であるが、本発明はこれに限らず、３相交流発電機に対しても適用可能である。また、本発明は、発電機に限らず電動機（モータ）としても使用できることはもちろんである。

以下に、本発明の回転電機を車両の駆動源として使用した例を説明する。図２３は、本発明を適用した電動車両の右前方からの斜視図、図２４は、電動車両の駆動部を示す断面図である。図２３において、電動車両１０１は前輪ＷＦおよび後輪ＷＲを有する二輪車である。

丸パイプ材で形成されたメインフレーム８０および左右一対のロアフレーム８１は、メインフレーム８０の下端部で車幅方向に延出する補強パイプ８２によって互いに連結されている。左右のロアフレーム８１には、ガセット８３が溶着される。ガセット８３には、ネジ等の締結部材によって固定されている保持部材８４で、高電圧バッテリ８５が保持される。

上部に、図示しないシートが配置される荷室８６が、左右のリヤフレーム８７に挟まれるように配設されており、荷室８６の前方下部に形成された斜面部に近接してＤＣ−ＤＣコンバータ８８およびコンタクタ８９が配置される。ＤＣ−ＤＣコンバータ８８は高電圧バッテリ３１の高電圧（７２Ｖ）を低電圧（１２Ｖ）に変換する。また、車幅方向右側のリヤフレーム８７に対して制御ユニット（ＭＧＵ）９０が取り付けられる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ８８およびコンタクタ８９の車体後方側には、左右のリヤフレーム６を連結するクロスメンバ９１が配設される。クロスメンバ９１には、ＤＣ−ＤＣコンバータ８８を支持する上下対称形状の取付ステー９２と、コンタクタ８９を支持するための取付ステー９４とが取り付けられる。

リヤフレーム８７には、車幅方向に延びた枢軸９３が設けられ、この枢軸９３によって上下方向に揺動自在にスイングアーム（後輪ＷＲの左側に位置するので図示されていない）が支持される。後輪ＷＲと高電圧バッテリ８５の間には、スイングアームで支持されるモータドライバ９５が配置される。

後輪ＷＲの左側には、後輪駆動用のパワーユニット２００が配置される。パワーユニット２００は、上述した交流発電機１、１００と同様の構造を有するモータと減速機（詳細は図２４に関して後述）とを備える。

ヘッドパイプ９６の車幅方向右側には、前照灯や制御装置等の電動補機類に電力を供給する低電圧バッテリ９７（例えば、１２Ｖ）が配設されている。前輪ＷＦはヘッドパイプ９６で支持されたフロントフォーク９８に軸支される。

図２４において、パワーユニット２００は、図示しないスイングアームの車体後方側に集中配置されるモータ１０２、回転駆動力の断接機構としての遠心クラッチ１０３、および減速機１０４を有する。図中のラインＣは車体の車幅方向中心線である。

モータ１０２は、スイングアームの壁部１０５にボルト５８で固定されたステータ３と、ステータ３の外周で回転するアウタ式ロータ２とを有する。ロータ２は、その中心部に設けられた円筒状のハブ６ａの外周に接合され、ハブ６ａは、軸受を介してモータ出力軸５３に回転自在に設けられる。ロータ２の内周面には永久磁石７が取り付けられる。

モータ出力軸５３は、スイングアームの壁部１０５に嵌め込まれた軸受６０とスイングアームケース６５に嵌め込まれた軸受５９とで支持される。なお、出力軸５３の一端（図中左側には、遠心クラッチ１０３のクラッチアウタ１０６が袋ナット６６で締め付けられて結合される。袋ナット６６の頭部は軸受５９の内輪に適合するように小径に形成される。

ハブ６ａの端部（図中左端部）には、クラッチシュー１０６を有するドライブプレート１０７が接合される。

ステータ３は、図２に示したように二つのステータ部分からなり、それぞれに巻線１４、１５が巻回される。壁部１０５には、巻線１４、１５にモータドライバ９５から電流を供給する電線１０８が固定されている。壁部１０５には、モータ回転数センサ１０９が設けられ、ハブ６ａの端部（図中右端部）に取り付けられた磁性体５５に対向して配置される。

減速機１０４は、モータ１０２と後輪ＷＦとの間に設けられ、モータ出力軸５３の端部（図中右端部）に形成されたモータ出力ギヤ４３ａと、第１減速ギヤ４６および第２減速ギヤ４５ａと、第３減速ギヤ４７とからなる。第１および第２減速ギヤ４６、４５ａは、伝動ケース６８に嵌め込まれた軸受７８と減速機ケース６７に嵌め込まれた軸受７９で支持された中間軸４８に固定される。第３減速ギヤ４７は、伝動ケース６８に嵌め込まれた軸受１１０と減速機ケース６７に嵌め込まれた軸受１１１とで支持された最終出力軸４８ａに固定される。最終出力軸４８ａには、軸受８２より内側にオイルシール１１２を有している。

最終出力軸４８ａの図示右側端部には、後輪ＷＲのホイール５６が、カラー６９を介してナット１１３により固定される。ホイール５６の内径側には、ライナー１１４を有するブレーキドラムが形成され、その内側には、アンカピン１１５を軸にしてブレーキカム４９によって駆動される上下一対のブレーキシュー１１６が収納される。

上記構成のパワーユニット２００は、電線１０８を通じてステータ３のコイル１４、１５に電流を供給されると、ロータ２の永久磁石７の磁束を切る磁界が発生して、ロータ２は回転する。ロータ２の回転数が所定回転数以上になると、遠心クラッチ１０３が連結されて、モータ出力軸５３にロータ３の回転が伝達され、減速機１０４で減速された回転数で最終出力軸４８ａが回転し、後輪ＷＲが駆動される。

続いて、本発明の回転電機をハイブリッド車両の駆動源として使用した例を説明する。図２５は、ハイブリッド型自動二輪車の右側面図である。ハイブリッド型自動二輪車３００は、駆動源としてエンジンとモータとを搭載している。自動二輪車３００は、ヘッドパイプ３０２から後方に張り出し、さらに下方に延びたメインフレーム３０３と、ヘッドパイプ３０２から下後方に延びたロアフレーム３０４とを備える。メインフレーム３０３の下部から上後方にはサブフレーム３０５が延びる。また、メインフレーム３０３の上部とサブフレーム３０５の上部とをつなぐリヤフレーム（図示せず）を備える。メインフレーム３０３の上部には、燃料タンク３０６が設けられ、燃料タンク３０６の後方で、図示しないリヤフレームの上部にはシート３０７が設けられる。

メインフレーム３０３とロアフレーム３０４とで囲まれたスペースには単気筒エンジン３０１が設けられる。エンジンの下方にはクランク室３０８が設けられる。

メインフレーム３０３の後部には、ブラケット３０９が接合されており、このブラケット３０９に支持され、車幅方向に延びた枢軸３１０が設けられる。枢軸３１０は、スイングアーム３１１を上下に揺動自在に支持する軸である。スイングアーム３１１の後端近傍には、車軸３１２によって後輪ＷＲが回転自在に支持される。

エンジン３０１の回転は減速機（図示せず）を介して出力され、スプロケット（図示せず）に掛けられるチェーン３１２で後輪ＷＲに伝達される。

ヘッドパイプ３０２には、フロントフォーク３１３が回動自在に支持される。フロントフォーク３１３の上部には、トップブリッジ３１４が設けられ、トップブリッジ３１４には、ステアリングハンドル３１５が取り付けられる。

フロントフォーク３１３の下部には、車軸３１６が固定され、車軸３１６には前輪ＷＦが支持される。前輪ＷＦのホイール３１７内にはモータ３１８が組み込まれる。モータ３１８のカバー３１９には、モータ電力線の中継部材３２０が取り付けられ、中継部材３２０から電力線３２１が引き出される。

図２６は、自動二輪車３００の前輪断面図である。前輪ＷＦは、タイヤ３２２とホイール３１７とからなり、モータ３１８は、車軸３１６に軸受３２３、３２３で支持されたロータハブ３２５を備える。ロータハブ３２５は複数のボルト３３４でロータケース４に連結される。

ホイール３１７のハブ３２６は、車軸３１６に設けられた軸受３２７とロータハブ３２５の外周に設けられた軸受３２８とによって、車軸３１６の周りで回転自在に支持される。軸受３２８はワンウェイクラッチを内蔵する。

モータ３１８のステータ３は、図２に示した発電機と同様の構成であり、２つで１組のコアを有し、各コアに巻線が巻回されている。ロータケース４の内周には永久磁石７が設けられる。ステータ３はボルト５８で、モータカバー３１９に固定される。モータカバー３１９は車軸３１６に固定される。モータカバー３１９の外側には、電力線３２１の中継部材３２０が取り付けられる。電力線３２１はブッシュ３２９で中継部材３２０に保持される。

ハブ３２６の端面には、複数のボルト３３０でブレーキディスク３３１が取り付けられる。フロントフォーク３１３の一方側には、ブレーキディスク３３１を両面から挟み付けることができるブレーキシュー３３２を有するブレーキキャリパ３３３が設けられる。

この構成により、電力線３２１からステータ３の巻線に電流が供給されると、ロータ２の永久磁石７の磁束を切る磁界が発生して、ロータケース４が回転する。ロータケース４の回転は、ロータハブ３２５から軸受３２８のワンウェイクラッチを介してホイール３１７のハブ３２６に伝達され、前輪ＷＦが車軸３１６を軸として回転駆動される。

このように、ハイブリッド型自動二輪車３００は、後輪ＷＲがエンジン３０１の動力で駆動され、前輪ＷＦがモータ３１８の動力で駆動されて、両輪駆動で走行できる。

１…交流発電機、 ２…ロータ、 ３…ステータ、 ４…ロータケース、 ６…ボス、 ７…ロータコア、 １０、１１…ティースコア、 １４、１５…巻線、 １６…永久磁石、 ２０…磁束、 ２３…磁極、 ２７…レギュレータ、 ２８、２９…整流回路、 ３０…第１切替スイッチ、 ３１…第２切替スイッチ、 ３２…第３（最終段）切り替えスイッチ、 ２８１〜２８４、２９１〜２９４…ＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチ）

Claims (8)

1. 環状周壁部（４１）と円板状底部（４２）とでカップ形状に形成されたロータケース（４）と、前記環状周壁部（４１）の内周に固定され、周方向で周期的に直径方向の寸法（ｔ）が変化した波形に形成されているロータコア（７）とからなるロータ（２）と、
   前記ロータ（２）の回転軸方向に整列され、前記ロータコア（７）の内周面に一端を対向させた２本１組のティースコア（１０、１１）と、該ティースコア（１０、１１）にそれぞれ巻かれた巻線（１４、１５）と、前記２本のティースコア（１０、１１）の、ロータ軸側他端に配置された永久磁石（１６）とからなるステータ（３）とを備え、
   前記ティースコア（１０、１１）および巻線（１４、１５）からなる磁極（２３）が、前記ロータコア（７）の波形のピッチと同一間隔で環状に複数配置されており、
   互いに同一の構成とされる２本１組のティースコア（１０，１１）が、回転軸方向視で互いに重なるように、かつ前記環状周壁部（４１）の軸方向寸法の範囲内に収まるように隣接配置されており、
   前記２本１組のティースコア（１０，１１）が、前記ロータ（２）の回転軸方向にＮ極およびＳ極が並ぶように配置された前記永久磁石（１６）を介して連結されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記２本１組のティースコア（１０、１１）に巻かれた巻線（１４、１５）の出力側にそれぞれ接続された整流回路（２８、２９）を含むレギュレータ（２７）を備えたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記各整流回路（２８、２９）の出力経路をそれぞれ開閉する切り替えスイッチ（３０、３１）と、
   前記各整流回路（２８、２９）の出力を合流したライン上に設けられた最終出力段切り替えスイッチ（３２）と、
   前記整流回路（２８、２９）を形成する半導体スイッチ（２８１〜２８４、２９１〜２９４）、前記切り替えスイッチ（３０、３１）、および最終段切り替えスイッチ（３２）を制御して発電機出力を制御するコントローラ（３６）とを備えたことを特徴とする請求項２記載の回転電機。
4. 前記コントローラ（３６）が、前記２本の巻線（１４、１５）のうち、一方（１５）からの出力電圧を検知する手段と、該検知電圧に基づいて、他方（１４）の出力電圧を検出するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の回転電機。
5. 前記コントローラが、２本の巻線毎に、個別に通電位相を制御して発電機出力を制御するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の回転電機。
6. 前記巻線（１４、１５）は単相巻線であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の回転電機。
7. 前記巻線（１４、１５）は、互いに巻数および線径の少なくとも一方が異なるものであることを特徴とする請求項６記載の回転電機。
8. 前記ロータ（２）をエンジンで駆動可能とするように、エンジンの出力軸と連結されるボス（６）を前記ロータケース（４）に設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の回転電機。

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