JP5546224B2 - 磁石式発電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を用いた磁石式発電機に関し、特に、自動二輪車のエンジン等に接続される３相の磁石式発電機に関する。

自動二輪車に搭載される発電機としては、構造が簡単でありながら高出力を得ることができる磁石式発電機が多く用いられている。磁石式発電機は、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ており、回転子をエンジン等によって回転駆動させる。これにより、永久磁石が形成する回転磁界がコイルを切り、固定子側に起電力が生じる。

一方、近年の自動二輪車では、装備の高級化（ＥＴＣやカーナビゲーションシステム等の搭載）や、環境負荷低減のためのデバイス追加（エンジン制御用マイクロコンピュータ等の搭載）に伴い、車両内の電気的負荷が増大し続けている。このため、自動二輪車用の発電機には、より高出力・高効率化が求められており、その要求を満足すべく、磁気回路や構成部品について日々改善が為されている。本出願人もまた、従来の同等品と比較して、より高出力・高効率な磁気回路を採用した特許文献１のような発電機を提案している。

国際公開 WO2003/098781号公報 特開2001-112226号公報

ところが、特許文献１のような磁石式発電機では、次のような問題があり、その改善が求められていた。すなわち、まず第１に、従来の磁石式発電機が磁極数Ｎ（＝２ｐ：ｐは整数）に対して突極数が３ｐであるのに対し、特許文献１の磁石式発電機では、磁極数２ｐに対し突極数が２ｐ−２となっているため、突極数が少なくなる。このため、同体格で磁極数が少ない発電機の場合、特許文献１の構成では、従来構成に比して発電量が少なくなってしまうという問題があった。

また、発電機の電圧レギュレータとして、サイリスタを用いた一般的なものを活用するためには、磁極数Ｎを１６以下とする必要がある。これに対し、特許文献１の磁石式発電機では、前述のように発電量が少ないため、発電量を確保すべく、磁極数を増加させると（例えば、２０極）、高周波数に対応できるＦＥＴタイプの電圧レギュレータが必要となる。ＦＥＴタイプのレギュレータは、サイリスタを用いたものよりも高価であり、その分、システムコストが増大し、製品価格の上昇を招くという問題もあった。

さらに、特許文献１の磁石式発電機では、各相ごとの突極数が異なる場合があり、突極数のアンバランスにより発電効率が低下するおそれがあるという問題もあった。特に、安価な電圧レギュレータを使用できる磁極構成（例えば、Ｎ＝１２,１６）では、突極数のアンバランスにより、相間の発電バランスが崩れ易くなり、結果として、発電効率が悪化する可能性があった。

本発明の目的は、コスト増大を招来することなく発電量を増大させ、発電機の高出力・高効率化を図ることにある。

本発明の磁石式発電機は、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磁石式発電機であって、同一相となる３個の前記突極を周方向に隣接配置し、隣接配置された３個の前記突極により、同一相の前記突極から構成される極対を複数個形成し、前記極対内の隣接する前記突極間の角度θｐ（機械角）と、異相となる隣接した前記突極間の角度θ２（機械角）を異なる値に設定すると共に、前記極対内の隣接する前記突極がそれぞれ異なる極性の前記永久磁石に対向するように、前記角度θｐを３６０°／Ｎ（Ｎ：前記永久磁石の極数）に設定して該極対内の同一相の前記各突極を同一電気角にて配置し、前記角度θ２が前記角度θｐよりも小さくなるように、前記角度θ２（機械角）を、θ１−θ１／相数Ｘ（θ１：前記永久磁石の配置間隔＝θｐ）に設定し、前記永久磁石の磁極数を１６個以下に抑えつつ、前記突極数を１８個とすることを特徴とする。

本発明にあっては、異相隣接突極間角度θ２をθ２＝θ１−θ１／Ｘに設定し、異相の極対間の間隔を詰める構成とすることで、発電機内により多くの突極を配置できるようになる。従って、同じ体格を維持しつつ、発電量を向上させることができ、従来システムのままで発電機の高性能化が図られる。また、磁極数を多くできるため、高回転域における余剰発電電流を削減でき、発電機の高効率化が図られると共に、巻線仕様に依存することなく低回転域の出力電流を向上できる。さらに、発電量を確保しつつ、磁極数を１６個以下に抑えることができ、サイリスタタイプの電圧レギュレータも使用可能となる。

前記磁石式発電機において、前記各相の前記極対を各相ごとにそれぞれ１対ずつ設け、１対をなす２つの前記極対を、各相の突極を均等に配置し相間の発電バランスを取るべく、前記回転子の回転中心Ｏを挟んで対向する位置に配置しても良い。また、前記極対内の隣接する同一相の前記突極においては前記コイルを互いに逆方向に巻装しても良い。

さらに、前記磁石式発電機を自動二輪車用の発電機として使用しても良く、その際、当該磁石式発電機では、サイリスタを用いた電圧レギュレータも使用可能である。

本発明の磁石式発電機によれば、磁石式発電機における異相隣接突極間の角度θ２をθ２＝θ１−θ１／Ｘに設定することにより、従来の発電機よりも多くの突極を発電機内に配置することが可能となる。従って、同じ体格を維持しつつ、発電量を向上させることができ、発電機の高性能化が図られる。また、発電量を確保しつつ、磁極数を１６個以下に抑えることも可能となり、安価なサイリスタタイプの電圧レギュレータの使用により、システムコストの増大を抑えることが可能となる。さらに、各相の突極を均等に配置することが可能となり、相間の発電バランスの崩れによる発電効率の低下を防止することが可能となる。

本発明の一実施例である発電機の構成を示す断面図である。 図１の発電機における突極の配置状態を示す説明図である。 本発明による発電機の一変形例に関する説明図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例である発電機の構成を示す断面図である。図１の発電機１は、いわゆるアウタロータ型の磁石式発電機であり、例えば、自動二輪車のＡＣＧ（交流発電機）として使用される。図１の発電機１は、大きく分けて、回転子２と、固定子３とから構成される。回転子２は、エンジンのクランクシャフト４に取り付けられ、界磁子として機能する。固定子３は、エンジンのハウジング５に取り付けられ、電機子として機能する。回転子２には永久磁石６が取り付けられており、固定子３にはコイル７が取り付けられている。回転子２がコイル７の外側にて回転すると、永久磁石６が形成する回転磁界がコイル７を切り、コイル７に起電力が生じ、発電が行われる。

回転子２は、固定子３の外側に回転自在に配置され、共に鉄等の磁性材料にて形成されたロータヨーク１１とボスロータ１２とを備えている。ロータヨーク１１は、底部１１ａと円筒部１１ｂを備えた有底円筒形状となっており、円筒部１１ｂの内周面には、永久磁石６が周方向に沿って複数個配設されている。永久磁石６は、内面側の極性が交互にＮ極とＳ極になるように２２.５°間隔で１６個等分に配置されている。すなわち、永久磁石６の磁極数Ｎ（＝２ｐ：ｐは整数）は１６（ｐ＝８）となっている。

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とから構成されている。フランジ部１２ａは、ロータヨーク１１の底部１１ａ中央に、ロータヨーク１１と同心状に取り付けられる。フランジ部１２ａの中央には、ボス部１２ｂが突設されている。ボス部１２ｂは、フランジ部１２ａの中心線に沿って延びており、クランクシャフト４の端部にテーパ結合される。クランクシャフト４が回転すると、ボスロータ１２もクランクシャフト４と共に回転し、回転子２がコイル７の外側にて回転する。

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が形成されている。突極１４の周囲には、コイル７が巻装されている。発電機１は、三相の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６本ずつ設けられ、固定子３側の突極数Ｍは１８個となっている。つまり、当該発電機１は、１６極１８ポール構成となっている。

図２は、発電機１における、突極１４の配置状態を示す説明図である。発電機１の突極１４は、全てが等間隔に設けられていない点では、特許文献１の発電機と同様であるが、不等ピッチ部分における突極間角度の設定が特許文献１のものとは異なっている。すなわち、特許文献１の発電機では、異相となる隣接した突極間の角度（機械角）θ２は、θ１＋θ１／Ｘに設定されている（θ１：永久磁石６の極弧角（３６０°÷Ｎ），Ｘ：相数（３相の場合はＸ＝３））。図２で言えば、Ｕ相を形成する突極Ｕ１と、Ｗ相を形成する突極Ｗ６との間（以下、各突極は「Ｕ３」のように符号のみにて示す）の角度θ２が、θ１に、θ１を相数にて除した値を加えた角度に設定されている。これは、巻線スペースを可能な限り広く確保する趣旨に基づくものではあるが、その一方で、異相隣接突極間のスペースが広くなり、その分、突極配置数が制限される。

これに対し、当該発電機１では、異相隣接突極間角度θ２（機械角）が、図２に示すように、θ２＝θ１−θ１／Ｘに設定されている。つまり、Ｕ１とＷ６との間の角度θ２が、θ１から、θ１を相数にて除した値を減じた角度（θ２＝２２.５°−（２２.５°／３）＝１５°）に設定されている。このため、本発明による発電機１では、特許文献１の構成とは逆に、異相隣接突極間のスペースが小さくなり、全体を詰めて配置することにより、さらに突極を配置するスペースを生み出すことができる。図２の突極配置は、このようにして、突極１４を１８個設けたものであり、磁極数Ｎを１６以下に抑えつつ、突極数Ｍ＝１８を確保している。従って、特許文献１の構成よりも突極数を多く設定でき、同体格の場合には発電量を向上させることでき、同発電量を得る場合には発電機の小型化を図ることが可能となる。

また、特許文献１の構成による３相発電機よりも磁極数を多くできるため、高回転域において、消費電流に対する余剰発電電流を削減でき、発電機の高効率化が図られると共に、巻線仕様に依存することなく低回転域の出力電流を向上させることが可能となる。さらに、安価なサイリスタタイプの電圧レギュレータを使用できるため、システムコストを抑えることができ、コストアップを招来することなく発電機の高性能化を図ることが可能となる。

一方、発電機１では、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て極対２１を形成している。例えば、Ｕ相について見ると、Ｕ相を形成する突極Ｕ１,Ｕ２,Ｕ３は隣接して配置され、極対２１Ｕａを形成している。また、同一相内の全ての突極１４は同一の電気角に配置されており、各極対２１内では、隣接する同相の突極１４は、異極性の永久磁石６と同一電気角にて対向している。つまり、極対２１内の各突極１４は、隣接するもの同士が異なる極性の磁極に対向するように、永久磁石６の配置間隔θ１と同じ間隔（角度θｐ（機械角））に設けられている。先の例で言えば、Ｕ１がＮ極、Ｕ２がＳ極、Ｕ３がＮ極というように、それぞれが永久磁石６と中心線上で同時に対向するようになっており、ここでは、発電機１が１６極構成のため、θｐ（＝θ１）は、２２.５°（３６０°／Ｎ；Ｎ＝１６）に設定されている。なお、同一相の隣接する突極１４（例えば、Ｕ１とＵ２、Ｕ２とＵ３）では、コイル７の巻方向が互いに逆方向となっている。

同様に、Ｖ相、Ｗ相を形成するＶ３,Ｖ４とＷ３,Ｗ４もそれぞれ隣接配置され、極対２１Ｖａ,２１Ｗａを形成している。各極対２１Ｖａ,２１Ｗａでは、Ｖ１,Ｖ２,Ｖ３とＷ１,Ｗ２,Ｗ３が異極性の永久磁石６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θｐは２２.５°に設定されている。なお、同一相内の隣接する突極（Ｖ１とＶ２、Ｖ２とＶ３、Ｗ１とＷ２、Ｗ２とＷ３）もまた、それぞれのコイル７は巻方向が逆になっている。

各相の極対２１は一対設けられており、２つの極対２１は、回転中心Ｏを挟んで対向する形で配置されている。極対２１Ｕａに対しては、回転中心Ｏを挟んで対向する位置に極対２１Ｕｂが設けられている。同様に、極対２１Ｖａ,２１Ｗａにも、対向する極対２１Ｖｂ,２１Ｗｂが設けられている。各極対２１Ｕｂ,２１Ｖｂ,２１Ｗｂにも、突極１４が３個ずつ（Ｕ相：Ｕ４,Ｕ５,Ｕ６、Ｖ相：Ｖ４,Ｖ５,Ｖ６、Ｗ相：Ｗ４,Ｗ５,Ｗ６）配置されている。前述のように、特許文献１の発電機では、各相の突極数のアンバランスにより発電効率が低下するおそれがあったが、本発明の発電機１では、各相の突極１４は６個ずつ均等に配置される。従って、サイリスタタイプの電圧レギュレータが使用可能なＮ＝１６の磁極構成においても、相間の発電バランスが崩れることがなく、発電効率の低下を招くこともない。

このように、本発明の発電機１では、異相隣接突極間角度θ２をθ２＝θ１−θ１／Ｘに設定し、異相の極対間の間隔を詰める構成とすることで、より多くの突極１４が配置できるようになる。従って、同じ体格を維持しつつ、発電量を向上させることができ、従来システムのままで発電機の高性能化を図ることが可能となる。また、磁極数を多くできるため、高回転域における余剰発電電流を削減でき、発電機の高効率化が図られると共に、巻線仕様に依存することなく低回転域の出力電流を向上させることが可能となる。さらに、突極数を１８個確保しつつ、磁極数を１６個以下に抑えることができるため、安価なサイリスタタイプの電圧レギュレータを使用することが可能となる。加えて、各相の突極を均等に配置でき、相間の発電バランスの崩れによる発電効率の低下を防止することも可能となる。

本発明は前記実施例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、前述の実施例では、１６極１８ポール構成の発電機を示したが、図３に示すような１６極１２ポール構成も可能である。なお、前述の実施の形態では本発明の発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。さらに、前述の実施の形態では本発明の発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、アウタロータ型の発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発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相の発電機について説明したが、５相等の他の多相発電機にも本発明は適用可能である。

１ 発電機
２ 回転子
３ 固定子
４ クランクシャフト
５ ハウジング
６ 永久磁石
７ コイル
１１ ロータヨーク
１１ａ 底部
１１ｂ 円筒部
１２ ボスロータ
１２ａ フランジ部
１２ｂ ボス部
１３ ステータコア
１４ 突極
２１ 極対
２１Ｕａ,２１Ｕｂ 極対
２１Ｖａ,２１Ｖｂ 極対
２１Ｗａ,２１Ｗｂ 極対
Ｍ 突極数
Ｎ 磁極数
Ｏ 回転中心
Ｕ１〜Ｕ６ Ｕ相突極
Ｖ１〜Ｖ６ Ｖ相突極
Ｗ１〜Ｗ６ Ｕ相突極
θ１ マグネット配置間隔
θ２ 異相隣接突極間角度
θｐ 同相隣接突極間角度

Claims (4)

1. 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磁石式発電機であって、
   同一相となる３個の前記突極を周方向に隣接配置し、隣接配置された３個の前記突極により、同一相の前記突極から構成される極対を複数個形成し、
   前記極対内の隣接する前記突極間の角度θｐ（機械角）と、異相となる隣接した前記突極間の角度θ２（機械角）を異なる値に設定すると共に、
   前記極対内の隣接する前記突極がそれぞれ異なる極性の前記永久磁石に対向するように、前記角度θｐを３６０°／Ｎ（Ｎ：前記永久磁石の極数）に設定して該極対内の同一相の前記各突極を同一電気角にて配置し、
   前記角度θ２が前記角度θｐよりも小さくなるように、前記角度θ２（機械角）を、θ１−θ１／相数Ｘ（θ１：前記永久磁石の配置間隔＝θｐ）に設定し、
   前記永久磁石の磁極数を１６個以下に抑えつつ、前記突極数を１８個とすることを特徴とする磁石式発電機。
2. 請求項１記載の磁石式発電機において、
   前記各相の前記極対は各相ごとにそれぞれ１対ずつ設けられており、１対をなす２つの前記極対は、各相の突極を均等に配置し相間の発電バランスを取るべく、前記回転子の回転中心Ｏを挟んで対向する位置に配置されることを特徴とする磁石式発電機。
3. 請求項１又は２記載の磁石式発電機において、
   前記極対内の隣接する同一相の前記突極は、前記コイルが互いに逆方向に巻装されてなることを特徴とする磁石式発電機。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の磁石式発電機において、
   前記磁石式発電機は自動二輪車用の発電機として使用され、サイリスタを用いた電圧レギュレータが使用可能であることを特徴とする磁石式発電機。

Images