JP5869322B2

JP5869322B2 - 発電機

Info

Publication number: JP5869322B2
Application number: JP2011262790A
Authority: JP
Inventors: 道岡　力; 力道岡
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: JP2013116013A

Description

本発明は、発電機に関し、とくに車両に搭載される交流発電機に関する。

自動車には、エンジンの出力軸の動力を電力に変換するオルタネータが備えられている。オルタネータは、交流発電機および交流発電機から出力される交流電力を直流電力に変換するレクチファイア（整流器）を含む。オルタネータで発生する直流電力は、ヘッドライトなどの電気負荷で消費され、また、バッテリに蓄えられる。

交流発電機には、ロータと、ロータの周囲を取り囲む円環状のステータとが備えられている。

図４は、従来の交流発電機に備えられているロータの模式的な側面図である。

ロータ８１は、シャフト８２に固定されて、シャフト８２と一体的に回転可能に設けられている。ロータ８１は、シャフト８２の周囲に巻回されたロータコイル８３と、ロータコイル８３を回転軸線方向（シャフト８２の軸線方向）の両側から挟み込むように設けられた１対のポールコア８４，８５とを備えている。

ポールコア８４，８５は、それぞれ鉄を用いて一体に形成されている。ポールコア８４，８５には、それぞれ互いに対向する方向に突出する複数の爪状磁極８６，８７が形成されている。爪状磁極８６，８７は、互いに噛み合って、周方向に交互に並んでいる。

シャフト８２の一端部には、２個のスリップリング８８，８９が固定されている。また、２個のブラシ９１，９２がそれぞれスリップリング８８，８９と摺擦可能に設けられている。ブラシ９１，９２は、発電電圧を制御するためのレギュレータを介して、バッテリと電気的に接続されている。バッテリからブラシ９１，９２およびスリップリング８８，８９を通してロータコイル８３に界磁電流が供給されると、一方のポールコア８４の爪状電極８６がＮ極に着磁され、他方のポールコア８５の爪状電極８７がＳ極に着磁される。

そして、エンジンの出力軸の回転がシャフト８２に伝達されて、シャフト８２とともにロータ８１が回転すると、ステータに備えられているステータコイルに電磁誘導による電流が流れる。

特開平９−１５４２６２号公報

図４に示される構成のロータ８１（いわゆるくし型ロータ）では、交流発電機の出力を増大させるためには、ロータ８１を回転径方向および回転軸線方向に大型化しなければならず、その設計に自由度がない。たとえば、オルタネータが配置されるエンジンルーム内のスペースの関係から、交流発電機のサイズを回転径方向に縮小したい場合に、交流発電機の回転径方向のサイズを縮小する一方で、回転軸線方向のサイズを増大させることにより、従来と同出力を得るといったことは容易ではない。なぜなら、ポールコア８４，８５を回転軸線方向につなぐ磁路は、その磁気抵抗の増大を防ぐために、軸長が長くなる分、太くしなければならないからである。

また、ロータ８１を有する交流発電機では、ロータコイル８３への給電のためのスリップリング８８，８９およびブラシ９１，９２が設けられているので、回転軸線方向のサイズが大きく、また、部品点数が多いという問題もある。

本発明の目的は、小型化および部品点数の削減による低コスト化を図ることができる、発電機を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る発電機は、回転軸と、前記回転軸と一体的に回転可能に設けられるロータと、前記ロータの周囲に設けられるステータとを備えている。前記ロータは、前記回転軸が中心部に相対回転不能に挿通されるロータヨークと、前記ロータヨークから回転径方向に突出し、回転軸線を中心に配置される複数のロータ磁極とを有している。前記ステータは、前記ロータの周囲に回転周方向に互いに間隔を空けて配置され、互いに磁気的に独立した複数のステータモジュールからなる。各ステータモジュールは、ステータヨークと、前記ステータヨークから前記ロータに向けて突出する複数のステータ磁極と、各ステータ磁極に集中巻されたステータコイルとを有している。各ステータモジュールにおいて、相数に応じた数の前記ステータ磁極からなるステータ磁極群が複数形成されている。そして、前記発電機は、各ステータモジュールにおける各ステータ磁極群の間で前記ステータヨークに巻回された界磁コイルを含む。

界磁コイルに界磁電流が流れると、界磁コイルの一方側のステータ磁極群がＳ極に着磁され、その他方側のステータ磁極群がＮ極に着磁される。そして、ロータの回転に伴って、ロータ磁極がＮ極に着磁されたステータ磁極と対向し、別のロータ磁極がＳ極に着磁されたステータ磁極と対向すると、磁束がＮ極に着磁されたステータ磁極とＳ極に着磁されたステータ磁極との間をロータ／ステータヨークを経由して通る。その結果、それらのステータ磁極に集中巻されたステータコイルに誘導電流が流れる。

複数のステータモジュールが互いに離れているので、各ステータモジュール間に、空隙部分（ステータヨークが存在しない部分）を形成することができる。よって、ステータヨークが円環状に形成されたステータと比較して、ステータの回転径方向のサイズを縮小することができ、また、ステータの重量を低減することができる。

そして、ロータは、いわゆるくし型ロータではないので、回転径方向のサイズを縮小する一方で、回転軸線方向のサイズを増大させることができる。よって、ロータおよびステータの回転径方向のサイズを縮小し、それらの回転軸線方向のサイズを増大させることにより、従来の発電機と同出力を確保することができる。

また、ロータに界磁コイルが設けられた構成とは異なり、スリップリングおよびブラシが不要である。そのため、ロータの回転軸線方向のサイズを増大させても、そのサイズの増大をスリップリングの配置に必要なスペースの省略で相殺することができ、発電機全体として回転軸線方向のサイズが増大することを防止できる。

よって、発電機が自動車に搭載されるオルタネータに用いられる場合に、オルタネータが配置されるエンジンルーム内のスペースの関係から発電機のサイズを回転径方向に縮小しながら、発電機の出力を確保したいという要望に応えることができる。

さらに、スリップリングおよびブラシが不要であるので、部品点数を削減することができる。その結果、部品点数の削減によるコストの低減を図ることができる。

ステータモジュール間で同相のステータ磁極の電気角がずれるように構成されていることが好ましい。

これにより、相数を増加させた場合と同様に、出力電圧の脈動を抑制することができる。

本発明によれば、ステータの小型化および軽量化により、発電機の小型化および軽量化を図ることができる。また、部品点数の削減により、発電機の低コスト化を図ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る発電機を回転軸線に直交する断面で切断したときの断面図である。図２は、発電機を回転軸線に沿う断面で切断したときの断面図である。図３は、本発明の他の実施形態に係る発電機を回転軸線に直交する断面で切断したときの断面図である。図４は、従来の交流発電機に備えられているロータの模式的な側面図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る発電機を回転軸線に直交する断面で切断したときの断面図である。図２は、発電機を回転軸線に沿う断面で切断したときの断面図である。なお、図１，２では、図面が煩雑になることを回避するため、一部に対するハッチングの付与が省略されている。

発電機１は、３相交流発電機である。発電機１は、回転軸２、ロータ３およびステータ４を備えている。

ロータ３は、積層鋼板からなり、回転軸２と一体的に回転可能に設けられている。ロータ３は、円柱状のロータヨーク５と、ロータヨーク５の周面から回転径方向に突出する１８個のロータ磁極６とを有している。

ロータヨーク５には、その中心軸線上に、断面円形状の軸挿通孔７が貫通して形成されている。軸挿通孔７には、回転軸２が相対回転不能に挿通されている。また、ロータヨーク５には、軸挿通孔７の周囲に、４個の断面円弧状の空洞８が回転軸２の中心軸線（回転軸線）方向に貫通して形成されている。これにより、ロータヨーク５の軽量化が図られている。

１６個のロータ磁極６は、回転軸線を中心に等角度間隔、つまり２２．５°間隔で設けられている。各ロータ磁極６は、回転軸線方向に延びる略直方体形状に形成されている。

ステータ４は、２個のステータモジュール９，１０からなる。

ステータモジュール９は、断面円弧状のステータヨーク１１と、ステータヨーク１１からロータ３に向けて突出する６個のステータ磁極（ティース）１２と、各ステータ磁極１２に集中巻されたステータコイル１３とを備えている。

ステータヨーク１１およびステータ磁極１２は、一体的に形成されている。ステータヨーク１１およびステータ磁極１２からなる構造体は、積層鋼板からなる。

６個のステータ磁極１２は、回転軸線を中心とする１５°間隔で並ぶ３個ずつに分けられて、２つのステータ磁極群１４，１５を構成している。また、ロータ３およびステータ磁極１２で構成される磁路の長さは、異なる相同士でもほぼ同じ長さにされている。各ステータ磁極１２は、ステータヨーク１１からロータ３側に回転径方向に突出し、回転軸線方向に延びる略直方体形状に形成されている。

そして、２つのステータ磁極群１４，１５の間には、ロータ磁極ピッチ分（２２．５°）の間隔が空けられて、界磁コイル１６が設けられている。界磁コイル１６は、ステータヨーク１１に巻回されている。

ステータモジュール１０は、ステータモジュール９に対して回転軸線を中心に１８０°回転対称をなした構成を有している。ステータモジュール１０の各部について、ステータモジュール９の各部に相当する部分については、それらの各部と同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。

界磁コイル１６に界磁電流が流れると、界磁コイル１６の一方側のステータ磁極群１４がＳ極に着磁され、その他方側のステータ磁極群１５がＮ極に着磁される。そして、ロータ３の回転に伴って、ロータ磁極６がＮ極に着磁されたステータ磁極１２と対向し、別のロータ磁極６がＳ極に着磁されたステータ磁極１２と対向すると、磁束がＮ極に着磁されたステータ磁極１２とＳ極に着磁されたステータ磁極１２との間をロータ３／ステータヨーク１１を経由して通る。その結果、それらのステータ磁極１２に集中巻されたステータコイル１３に誘導電流が流れる。
２つのステータモジュール９，１０が互いに離れていることにより、各ステータモジュール９，１０間には、空隙部分、つまりステータヨーク１１が存在しない部分が形成されている。よって、ステータヨークが円環状に形成されたステータと比較して、ステータ４の回転径方向のサイズを縮小することができ、また、ステータ４の重量を低減することができる。

そして、ロータ３は、いわゆるくし型ロータではないので、回転径方向のサイズを縮小する一方で、回転軸線方向のサイズを増大させることができる。よって、ロータ３およびステータ４の回転径方向のサイズを縮小し、それらの回転軸線方向のサイズを増大させることにより、従来の発電機と同出力を確保することができる。

また、ロータ３に界磁コイル１６が設けられた構成とは異なり、スリップリングおよびブラシが不要である。そのため、ロータ３の回転軸線方向のサイズを増大させても、そのサイズの増大をスリップリングの配置に必要なスペースの省略で相殺することができ、発電機１の全体として回転軸線方向のサイズが増大することを防止できる。

よって、発電機１が自動車に搭載されるオルタネータに用いられる場合に、オルタネータが配置されるエンジンルーム内のスペースの関係から発電機のサイズを回転径方向に縮小しながら、発電機１の出力を確保したいという要望に応えることができる。

さらに、スリップリングおよびブラシが不要であるので、部品点数を削減することができる。その結果、部品点数の削減による発電機１のコストの低減を図ることができる。

さらにまた、ロータ３が積層鋼板からなるので、ロータ３の表面での渦電流の発生を抑制することができる。その結果、発電効率を向上させることができる。

図３は、本発明の他の実施形態に係る発電機を回転軸線に直交する断面で切断したときの断面図である。図３では、図１に示される各部に相当する部分には、それらの各部と同一の参照符号が付されている。また、以下では、図３に示される構成について、図１に示される構成との相違点のみを説明する。

図１に示される構成では、ステータモジュール１０は、ステータモジュール９に対して回転軸線を中心に１８０°回転対称をなした構成を有している。

これに対し、図３に示される構成では、ステータモジュール１０は、図１に示される位置に対して回転軸線を中心に３．７５°、つまりステータモジュール１０における同相のステータコイル１３（ステータ磁極１２）のピッチの１／４だけずれた位置に配置されている。

これにより、ステータモジュール１０のＵ’相、Ｖ’相およびＷ’相に対応するステータコイル１３から出力される交流電圧は、それぞれステータモジュール９のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応するステータコイル１３から出力される交流電圧に対して、その３．７５°の位置ずれに対応する電気角だけ位相がずれる。

よって、相数を増加させた場合と同様に、出力電圧の脈動を抑制することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、３個のステータ磁極１２によって各ステータ磁極群１４，１５が構成される場合を例にとったが、各ステータ磁極群１４，１５を構成するステータ磁極１２の数は、相数に応じて変更されるとよい。たとえば、発電機１が２相交流発電機である場合には、各ステータ磁極群１４，１５が２個のステータ磁極１２によって構成されるとよい。

また、２つのステータモジュール９，１０が設けられた構成を取り上げたが、３つ以上のステータモジュールが設けられてもよい。

さらに、ステータモジュール１０の位置は、図１に示される位置に対して回転軸線を中心にステータモジュール１０における同相のステータコイル１３のピッチの３／４だけずれた位置に配置されてもよい。また、ステータモジュール１０の位置は、図１に示される位置に対して回転軸線を中心にステータモジュール１０における同相のステータコイル１３のピッチの５／４だけずれた位置に配置されてもよい。すなわち、ステータモジュール１０の位置は、図１に示される位置に対して回転軸線を中心にステータモジュール１０における同相のステータコイル１３のピッチの（１＋２ｎ）／４（ｎ：０または自然数）だけずれた位置に配置されてもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１発電機
２回転軸
３ロータ
４ステータ
５ロータヨーク
６ロータ磁極
９ステータモジュール
１０ステータモジュール
１１ステータヨーク
１２ステータ磁極
１３ステータコイル
１４ステータ磁極群
１５ステータ磁極群
１６界磁コイル

Claims

回転軸と、前記回転軸と一体的に回転可能に設けられるロータと、前記ロータの周囲に設けられるステータとを備える発電機であって、
前記ロータは、前記回転軸が中心部に相対回転不能に挿通されるロータヨークと、前記ロータヨークから回転径方向に突出し、回転軸線を中心に配置される複数のロータ磁極とを有し、
前記ステータは、前記ロータの周囲に回転周方向に互いに間隔を空けて配置され、互いに磁気的に独立した複数のステータモジュールからなり、
各ステータモジュールは、ステータヨークと、前記ステータヨークから前記ロータに向けて突出する複数のステータ磁極と、各ステータ磁極に集中巻されたステータコイルとを有し、
各ステータモジュールにおいて、相数に応じた数の前記ステータ磁極からなるステータ磁極群が複数形成され、
各ステータモジュールにおける各ステータ磁極群の間で前記ステータヨークに巻回された界磁コイルを含む、発電機。
前記ステータモジュール間で同相の前記ステータ磁極の電気角がずれるように構成されている、請求項１に記載の発電機。