JP6191375B2 - 電動発電機及びそれを備えたエンジンユニット - Google Patents

Description

本発明は、電動発電機及びそれを備えたエンジンユニットに関し、さらに詳しくは、永久磁石を使用する電動発電機及びそれを備えたエンジンユニットに関する。

航空機、自動車などのエンジンは、スタータジェネレータを備えている。スタータジェネレータは、エンジンの始動時に動力をエンジンに供給する。また、航空機のバッテリを充電する必要がある場合、スタータジェネレータは、エンジンの回転に応じて発電する。スタータジェネレータは、上記の機能を実現するために、電動発電機を備える。

スタータジェネレータに用いられる電動発電機として、突極巻線型同期発電機がある。

突極巻線型同期発電機においては、巻線が、回転子及び固定子にそれぞれ巻かれている。回転子の巻線は、界磁巻線として用いられる。起磁力は、回転子の巻線に直流電流（界磁電流）を供給することにより発生する。しかし、突極巻線型同期電動機は、その構造上、スリップリングやブラシ又は回転変圧器などの部品点数が多くなるため、信頼性が低い。また、突極巻線型同期電動機は、回転子に巻線を巻くため小型化が困難である。

これらの問題を解決するために、スタータジェネレータに永久磁石型同期発電機を用いることが提案されている。

永久磁石型同期発電機において、巻線が、固定子のティースに巻かれており、永久磁石が、回転子に設けられる。永久磁石により界磁が形成されるため、界磁電流を供給する必要がない。

しかし、永久磁石型同期発電機は、界磁の調整をすることができない。永久磁石の磁束は、無負荷状態及び負荷状態に関係なく、回転子から漏洩し、固定子と鎖交する。この結果、無負荷状態であっても、エンジンの回転数に応じた電圧が発生し、固定子で鉄損が生じ（所謂ひきつり損）エンジンの効率が低下する。このため、永久磁石型同期発電機をスタータジェネレータとして使用する場合、永久磁石の磁束を無負荷状態において回転子から漏洩しないように、永久磁石の磁束を調整しなければならない。

特許文献１には、永久磁石の磁束を無負荷状態において回転子内で短絡させることができる回転電機が開示されている。この回転電機の回転子には、中心に向かって凸となる２層のフラックスバリアが設けられる。２層のフラックスバリアは、複数組設けられ、各組は、回転対称となる位置に配置される。各フラックスバリア内には、永久磁石が装着される。ブリッジ部が、フラックスバリアの回転子外周側の端部と回転子外周との間に設けられる。無負荷状態においては、永久磁石の磁束は、ブリッジ部を通過し、回転子内で短絡する。負荷状態においては、ブリッジ部は、固定子からの磁束により飽和する。この結果、永久磁石の磁束は、固定子と鎖交する。

特開２００８−１３６２９８号公報

本発明の目的は、無負荷状態において永久磁石の磁束が回転子から漏洩することを防ぐことができる電動発電機を提供することである。

本発明に係る電動発電機は、回転軸を中心に回転する回転子と、前記回転子に対向して配置される固定子と、前記固定子に設けられたティースに巻かれた巻線と、前記回転子内に配置され、前記回転子の半径方向に着磁される第１の永久磁石と、前記巻線に供給される電流を制御するコントローラとを備え、前記回転子は、前記回転子の円周方向において前記第１の永久磁石の一方側に配置され、前記回転子の外周面に達し、前記第１の永久磁石の磁束が前記第１の永久磁石の一方側を通過することを妨げる第１の磁気抵抗部を含み、無負荷状態において、前記第１の永久磁石の磁束は、前記回転子の円周方向において前記第１の永久磁石の他方側で短絡し、前記電動発電機が発電機として動作する場合の負荷状態において、前記コントローラは、前記第１の永久磁石の磁束と前記巻線で発生する磁束との合成磁束が前記回転子の外周面と前記第１の永久磁石における他方側の端との間における前記回転子の領域の飽和磁束以上となるように、前記巻線に供給される電流を制御する。

上記の構成によれば、無負荷状態において、第１の永久磁石の磁束が、前記第１の永久磁石の一方側ではなく、他方側で短絡される。従って、第１の永久磁石の磁束が回転子から漏洩することを防ぐことができる。負荷状態において、合成された磁束は、回転子内で飽和して、固定子と鎖交するため、電動発電機を電動機又は発電機として機能させることができる。さらに、電動発電機が電動機、発電機いずれとして動作する場合でも、マグネットトルクだけでなく、磁気抵抗部の存在により発生するリラクタンストルクを利用することできる。

上記電動発電機は、さらに、前記回転子内の円周方向において前記第１の永久磁石の位置と異なる位置に前記第１の磁気抵抗部を介して配置され、前記回転子の半径方向に着磁される第２の永久磁石を備え、前記回転子は、前記回転子の円周方向において前記第２の永久磁石の一方側に配置され、前記第２の永久磁石の磁束が前記第２の永久磁石の一方側を通過することを妨げる第２の磁気抵抗部を含む。

上記の構成によれば、第１の永久磁石と第２の永久磁石との間に第１の磁気抵抗部が存在するため、第１の永久磁石の磁束は、第２の永久磁石を通過することなく短絡される。無負荷状態において、第１の永久磁石の磁束と、第２の永久磁石の磁束とが合成されないため、回転子内で磁束が飽和することを抑制できる。

上記電動発電機において、第１の磁気抵抗部は、前記回転子の外周に開口するスリット又は切欠きからなる。

上記の構成によれば、簡易な構成で第１の磁気抵抗部を実現することができる。

上記電動発電機において、固定子は、回転子の外周側に配置される。第１の永久磁石において、固定子側の面の面積が固定子と反対側の面の面積以上である。回転子は、さらに、固定子側の面と永久磁石との間に形成され、第１の永久磁石の磁束を通過させるブリッジ部を含む。

上記の構成によれば、回転子の外周から第１の永久磁石までの距離を従来より大きくすることができるため、回転子の強度を増すことができる。

本発明のエンジンユニットは、本発明の電動発電機と、回転子の回転軸に連結された回転軸を含むエンジンとを備える。

上記の構成によれば、エンジンの回転を利用して電動発電機を発電機として動作させたり、電動発電機を電動機として利用することによりエンジンを始動させたりすることができる。

本発明によれば、第１の永久磁石の磁束が、無負荷状態であるときに回転子内で短絡するため、回転子から磁束が漏洩することを防ぐことができる。

本発明の第１の実施の形態に係る電動発電機を備えるスタータジェネレータの構成を示す機能ブロック図である。 図１に示す電動発電機の断面図である。 図１に示す電動発電機のスロットコンビネーションの一例を示すテーブルである。 図２に示す固定子及び回転子の拡大断面図である。 図２に示す回転子内の永久磁石の位置を説明する図である。 図２に示す固定子及び回転子に形成される負荷状態における磁路を示す図である。 図２に示す回転子の他の構成例を示す図である。 図２に示す回転子の他の構成例を示す図である。 図２に示す回転子の他の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電動発電機の断面図である。 図９に示す固定子及び回転子の拡大断面図である。 図９に示す回転子内の永久磁石の位置を説明する図である。 本発明の第３の実施の形態に係る電動発電機の断面図である。 図１２に示す固定子の断面図である。 図１２に示す主巻線及び補助巻線の結線図である。 無負荷状態において、図１２に示す固定子及び回転子において形成される磁路を示す図である。 負荷状態において、図１２に示す固定子及び回転子において形成される磁路を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る電動発電機の断面図である。 図１７に示す電動発電機において、無負荷状態のときに形成される磁路を示す図である。 図１７に示す電動発電機において、負荷状態のときに形成される磁路を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［第１の実施の形態］
｛１．スタータジェネレータの構成｝
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電動発電機２を用いるエンジンユニット２００の構成を示す機能ブロック図である。図１に示すように、エンジンユニット２００は、エンジン１とスタータジェネレータ１００とを備える。スタータジェネレータ１００は、電動発電機２と、コントローラ３と、インバータ４とを備える。スタータジェネレータ１００は、エンジン１に取り付けられる。

エンジン１は、図示しない航空機あるいは自動車の動力源である。電動発電機２の回転軸は、エンジン１の回転軸に連結される。電動発電機２は、エンジン１が駆動を開始する際の動力を供給する。また、電動発電機２は、エンジン１の回転軸の回転に応じて発電し、発電した電力を図示しないバッテリと負荷に供給する。なお、電動発電機２の回転軸は、エンジン１の回転軸にギアなどを介して間接的に連結されてもよい。

コントローラ３は、入力されるトルク指令４１及び速度指令４２に基づいて、電動発電機２の動作を制御する。コントローラ３は、トルク指令４１、速度指令４２、及び後述する回転子の回転位置θに応じた制御信号４３をインバータ４に供給する。また、コントローラ３は、電動発電機２に供給される電流ｉ_ｕ及びｉ_ｗをインバータ４から受け、その受けた電流を用いて、制御信号４３を調整する。

インバータ４は、コントローラ３からの制御信号４３に応じた駆動電流又は励磁電流を電動発電機２に供給する。図１において、電動発電機２に供給される電流を、駆動電流及び励磁電流を区別することなく、ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、及びｉ_ｗと表示する。

｛２．電動発電機の構成｝
図２は、電動発電機２の断面図である。図２に示すように、電動発電機２は、固定子５と、回転子６とを備える。回転子６は、回転軸Ａを中心に回転する。固定子５は、回転子６の外周に配置される。

固定子５は、固定子コア５１と、巻線５２と、２４個のティース５３とを備える。なお、図２において、巻線５２の一部及びティース５３の一部の符号の表示を省略している。

固定子コア５１は、中空の円筒形状であり、電磁鋼板、圧粉材、アモルファスなどの磁性材料により形成される。２４個のティース５３が、固定子コア５１の内周側に設けられる。スロット５４は、互いに隣り合う２つのティース５３，５３の間の空間である。巻線５２は、ティース５３に巻かれる。巻線５２の巻き方は、集中巻及び分布巻のどちらであってもよい。あるいは、リングコイルを用いて巻線５２をティース５３に巻いてもよい。

回転子６は、回転子コア６１と、４つの永久磁石６２ａ〜６２ｄと、４つの磁気抵抗部６３とを含む。回転子コア６１は、円柱形状であり、回転軸Ａを中心に回転する。回転子コア６１は、電磁鋼板、圧粉材、アモルファスなどの磁性材料により形成される。

永久磁石６２ａ〜６２ｄは、回転子コア６１内に配置され、回転子６の半径方向に着磁される。以下、永久磁石６２ａ〜６２ｄを総称する場合、「永久磁石６２」と記載する。

永久磁石６２ａ〜６２ｄ内の矢印は、着磁方向を示す。つまり、永久磁石６２ａ及び６２ｃにおいて、Ｎ極は回転子コア６１の外周側に位置し、Ｓ極は回転子コア６１の内周側に位置する。永久磁石６２ｂ及び６２ｄにおいて、Ｎ極は回転子コア６１の内周側に位置し、Ｓ極は回転子コア６１の外周側に位置する。つまり、周方向に互いに隣り合う２つの永久磁石において、磁極の向きが反対となる。

永久磁石６２の断面形状は、円弧状である。永久磁石６２は、回転子コア６１の外周に沿うように配置される。ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、フェライトコアなどを、永久磁石６２として使用可能である。

磁気抵抗部６３は、回転子６の円周方向における永久磁石６２の一方側に配置され、回転子６の外周に達する。磁気抵抗部６３は、回転子６の外周に設けられた切欠き６４により形成される。回転子６の円周方向における永久磁石６２の一方側の側面が、磁気抵抗部６３により回転子コア６１の外部に露出する。永久磁石６２の他方側には、磁気抵抗部６３は配置されない。従って、永久磁石６２の磁束は、後述するように、無負荷状態において永久磁石６２の他方側で短絡する。

電動発電機２のスロットコンビネーションの一例を図３に示す。図３において、Ｐは、回転子６の極数を示し、２の倍数である。ｑは、毎局毎相スロット数を示し、自然数である。なお、電動発電機２のスロットコンビネーションは、図３に示す例に限定されない。

｛３．電動発電機２の磁路の変化｝
以下、永久磁石６２ａを例にして、図２に示す構成を有する電動発電機２における磁路を、無負荷状態及び負荷状態に分けて説明する。負荷状態は、回転子６が回転しているときに電流が固定子５に供給されている状態である。無負荷状態は、回転子６が回転しているときに電流が固定子５に供給されていない状態である。負荷状態における磁路は、無負荷状態における磁路と異なる。

｛３．１．無負荷状態｝
図４は、永久磁石６２ａ及び磁気抵抗部６３近傍の電動発電機２の拡大断面図である。図４において、固定子５の詳細な構造（巻線５２、ティース５３、スロット５４）の表示を省略している。

無負荷状態では、回転子６がエンジン１の駆動により回転しているが、固定子５が励磁されない。つまり、インバータ４は、電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ及びｉ_ｗを巻線５２に供給しない。この状態では、永久磁石６２ａの磁束は、回転子コア６１内で短絡する。永久磁石６２ａの磁束の磁路を、図４において、矢印６７で示す。以下、矢印６７で示される磁路を、「磁路６７」と呼ぶ。

磁気抵抗部６３の磁気抵抗は、永久磁石６２ａを中心にして磁気抵抗部６３と反対側の領域（以下、「短絡領域」と呼ぶ。）の磁気抵抗よりも大きい。また、エアギャップ（固定子５と回転子６との間の空間）の磁気抵抗は、回転子コア６１の磁気抵抗よりも大きい。従って、永久磁石６２ａの磁束は、Ｎ極から発し、ブリッジ部６５及び短絡領域を通過して、Ｓ極に達する。ブリッジ部６５は、回転子コア６１のうち、永久磁石６２ａの外周面よりも半径方向で外側の部位である。

なお、永久磁石６２ａの左端と回転子コア６１の外周との間の領域６６が、無負荷状態のときに永久磁石６２ａの磁束により飽和しないように、十分な厚みを有することが望ましい。無負荷状態において、Ｎ極から発する全ての磁束は、領域６６に集中するためである。

以下、無負荷状態において、磁気飽和が領域６６で発生しないための永久磁石６２ａの位置について説明する。

図５は、回転子コア６１内の永久磁石６２ａの位置を説明する図である。図５に示すように、永久磁石６２ａの外周面における円周方向の長さを、円弧Ｌｍとする。永久磁石６２ａの円周方向の端から回転子コア６１の外周面までの長さを、通過幅Ｌｃとする。つまり、通過幅Ｌｃは、領域６６の回転子６の半径方向の幅を示す。永久磁石６２ａのＮ極の磁束密度をＢｒとする。また、領域６６における磁束密度をＢＬとする。

永久磁石６２ａの磁束が、領域６６で飽和することなく、回転子コア６１内で短絡するためには、円弧Ｌｍ、通過幅Ｌｃ、磁束密度Ｂｒ及びＢＬが、下記式（１）で示される条件を満たせばよい。

ＢＬ×Ｌｃ≧Ｂｒ×Ｌｍ ・・・（式１）
（式１）において、左辺は、領域６６において磁気飽和が発生する磁束に相当し、右辺は、Ｎ極の磁束に相当する。左辺の値が右辺の値よりも大きい場合、Ｎ極の磁束は、領域６６を通過することができる。（式１）を通過幅Ｌｃについて解くと、通過幅Ｌｃは、（式２）により表される。

Ｌｃ≧（Ｂｒ×Ｌｍ）／ＢＬ ・・・（式２）
なお、磁束密度ＢＬは、回転子コア６１を形成する素材によって変化する値であり、好ましくは、磁束密度ＢＬは、１．４〜１．６（テスラ）である。具体的には、回転子コア６１を形成する素材のＢ−Ｈカーブにおいて、接線の傾きが緩やかに変化する領域の磁束密度を、磁束密度ＢＬとして用いることができる。

通過幅Ｌｃは、回転子コア６１の外周面からの永久磁石６２ａの円周方向の端までの距離であり、永久磁石６２の位置を示すパラメータである。従って、永久磁石６２ａを、回転子コア６１内の（式２）を満たす位置に配置することにより、無負荷状態において、永久磁石６２ａの磁束を回転子６内で短絡させることができる。従って、無負荷状態において、永久磁石６２ａの磁束が、回転子６から漏洩することが防止される。

永久磁石６２ｃに関して、永久磁石６２ａと同様の磁路６７が形成されるため、永久磁石６２ｃの磁束は、無負荷状態において回転子６内で短絡する。永久磁石６２ｂ及び６２ｄに関して、図４に示す磁路６７と逆向きの磁路が形成されるが、永久磁石６２ｂ及び６２ｄの磁束が無負荷状態において回転子６内で短絡される点は、上記と同様である。

また、図２に示すように、互いに隣り合う２つの永久磁石の間には、磁気抵抗部６３が介在する。従って、永久磁石６２の全ての磁束は、図４に示すように、ブリッジ部６５及び短絡領域を通過して短絡し、他の永久磁石６２を通過しない。永久磁石６２の各々の磁束が、回転子６内で合成されないため、無負荷状態において、磁気飽和が回転子６内で発生しない。

｛３．２．負荷状態の磁路｝
図６は、負荷状態における電動発電機２内の磁路を示す図である。インバータ４が巻線５２に電流を供給することにより、電動発電機２は、無負荷状態から負荷状態に移行する。負荷状態への移行により、電動発電機２内の磁路は、図４に示す経路から変化する。以下、永久磁石６２ａを例にして、負荷状態における磁路を説明する。

負荷状態は、上述のように、電流が巻線５２に供給されない状態であり、電動発電機２が電動機として動作する場合と、発電機として動作する場合とを含む。負荷状態において形成される磁路は、両者の場合で共通である。

電動発電機２が電動機として動作する場合、コントローラ３は、インバータ４を用いて、三相交流を従来と同様に固定子５に供給する。すなわち、インバータ４は、電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ及びｉ_ｗを巻線５２に供給する。

電動発電機２が発電機として動作する場合も、コントローラ３は、三相交流を固定子５に供給する。ただし、固定子５に供給される電流の向きは、電動発電機２が電動機として動作するときに供給される電流の向きと反対である。つまり、巻線５２に供給される電流は、−ｉ_ｕ、−ｉ_ｖ及び−ｉ_ｗとなる。固定子５に供給される電流の大きさは、電動発電機２が電動機として動作するときに供給される電流よりも小さい。この理由については、後述する。

コントローラ３は、巻線５２を流れる電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ及びｉ_ｗの量を制御する。インバータ４は、コントローラ３からの制御信号４３に応じた電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ及びｉ_ｗを巻線５２に供給する。インバータ４から供給される電流により、磁束が、固定子５で新たに発生する。新たに発生した磁束は、回転子６において、永久磁石６２ａの磁束と合成される。合成された磁束は、回転子６内の領域６６において飽和する。

領域６６で磁気飽和が発生することにより、エアギャップの磁気抵抗が、領域６６の磁気抵抗よりも小さくなる。この結果、合成された磁束は、エアギャップを通過し、固定子５を通過する。最終的に、合成された磁束は、固定子５及び回転子６を通過し、矢印６８ａで示す磁路を通る。以下、矢印６８ａで示す磁路を「磁路６８ａ」と呼ぶ。

電動発電機２が電動機として動作する場合、回転子６は、マグネットトルク及びリラクタンストルクにより回転する。

磁路６８ａを通過する磁束は、回転子６の回転に応じて、エアギャップ付近で引き伸ばされる。この結果、引き伸ばされた磁束が元の長さに戻るように縮むことにより、リラクタンストルクが発生する。

ティース５３（突極）の磁極は、巻線５２に流れる電流の向きにより変化する。従って、永久磁石６２と突極の磁極との間にはたらく反発力、永久磁石６２ａと突極の磁極との間にはたらく吸引力により、マグネットトルクが発生する。

負荷状態における上記の説明は、永久磁石６２ｃについても同様に成り立つ。また、永久磁石６２ｂ及び６２ｄにおいても、磁路６８ａと向きの異なる磁路６８ｂが形成される点を除き、上記の説明が同様に成り立つ。

このように、電動発電機２は、モータとして動作する場合、リラクタンストルク及びマグネットトルクを利用して回転子６を回転させることができる。その結果、回転子６のトルクを増大させることができるため、モータとしての定格出力を増大させることができる。

一方、電動発電機２が発電機として動作する場合、電動発電機２は、トルクを発生する必要がない。磁路６８ａ及び６８ｂが形成されれば、電動発電機２は、マグネットトルク及びリラクタンストルクを利用して発電する。従って、コントローラ３は、合成された磁束が領域６６の飽和磁束以上になる電流を巻線５２に供給すればよい。この結果、電動発電機２が発電機として動作する場合に巻線５２に供給される電流は、電動発電機２が電動機として動作する場合に巻線５２に供給される電流よりも小さくなる。

以上説明したように、巻線５２に供給する電流を制御することにより、回転子内で磁束を飽和させたり、短絡させたりすることができる。従って、電動発電機２内の磁路を調整することができる。すなわち、無負荷状態において、永久磁石６２の磁束は、回転子コア６１内で他の永久磁石を通過することなく短絡し、負荷状態において、固定子５及び回転子６を通過する。従って、負荷状態及び無負荷状態において、永久磁石６２により発生する界磁を調整することができる。

なお、本実施の形態において、切欠き６４を磁気抵抗部６３として用いる例を説明したが、これに限られない。

例えば、図７Ａに示すように、切欠き６４に代えて、回転子６の円周方向に延びる複数のスリット６９を、回転子６の半径方向に並べてもよい。無負荷時において、永久磁石６２の磁束は、互いに隣接する２つのスリット６９の間の空間を通過する際に、この空間で飽和すればよい。これにより、永久磁石６２の磁束は、短絡領域を通過して短絡する。永久磁石６２の磁束が、回転子コア６１の外周面とスリット６９との間を通過する場合も同様である。

図７Ｂに示すように、切欠き６４に代えて、回転子６の半径方向に延びるスリット６９を回転子コア６１に設けてもよい。この場合、永久磁石６２の磁束が、回転子コア６１の外周面とスリット６９との間の空間を通過する場合、この空間で飽和すればよい。

また、本実施の形態において、永久磁石６２が切欠き６４により露出している例を説明したが、これに限られない。永久磁石６２は、切欠き６４によって回転子コア６１の外側に露出していなくてもよく、磁気抵抗部６３に接触していなくてもよい。具体的には、磁気抵抗部６３は、回転子６の円周方向における永久磁石６２の一方の側に配置されればよい。

例えば、図８に示すように、永久磁石６２と磁気抵抗部６３との間に回転子コア６１が介在してもよい。無負荷時において、永久磁石６２の磁束は、永久磁石６２と磁気抵抗部６３との間の空間を通過するが、この空間で飽和していればよい。これにより、永久磁石６２の磁束は、短絡領域を通過して短絡する。

また、本実施の形態において、永久磁石６２が円弧状の形状であり、回転子コア６１の円周方向に沿って配置される例を説明したが、これに限られない。例えば、永久磁石６２は、平板上の形状でもよい。すなわち、永久磁石６２において、外周面の面積が内周面の面積以上であればよい。この条件を満たす永久磁石６２を使用することにより、回転子コア６１の外周から永久磁石６２までの距離を、特許文献１に記載の回転子の外周からフラックスバリアまでの距離よりも大きくすることができる。この結果、回転子６全体の強度を増すことができ、遠心力による回転子６の破壊を防ぐことができる。

つまり、磁気抵抗部６３は、回転子６の円周方向において永久磁石６２一方側に配置され、永久磁石６２の磁束が永久磁石６２の円周方向の一方側を通過することを妨げるものであればよい。

また、図２、図４及び図５などに示すように、磁気抵抗部６３を、回転子６の円周方向における永久磁石６２の時計回り方向側に配置する例を説明した。しかし、磁気抵抗部６３を、永久磁石６２の反時計まわり方向側に配置してもよい。

［第２の実施の形態］
｛１．電動発電機の構成｝
第２の実施の形態に係る電動発電機２において、回転子の構成が、図２に示す回転子６と異なる。以下、本実施の形態では、回転子の構成を中心に説明する。

図９は、本実施の形態に係る電動発電機２の断面図である。図９に示す電動発電機２は、固定子５と、回転子７とを備える。回転子７は、回転子コア７１と永久磁石６２とを備える。回転子７は、図２に示す回転子６と異なり、磁気抵抗部６３を備えない。つまり、切欠き６４は、回転子コア７１の外周面に形成されない。

｛２．電動発電機２の磁路の変化｝
図１０は、第２の実施の形態における電動発電機２の永久磁石６２ａ付近の拡大断面図である。図１０において、固定子５の詳細な構造（巻線５２、ティース５３、スロット５４）の表示を省略している。

以下、図１０に示す構成を有する電動発電機２における磁路を、永久磁石６２ａを例にして説明する。ただし、負荷状態において、電動発電機２に形成される磁路は、第１の実施の形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

無負荷状態では、電流が固定子５に供給されない。このため、永久磁石６２ａの磁束は、上記実施の形態と同様に、回転子コア６１内で短絡する。永久磁石６２ａの磁束の磁路を、図１０において、矢印７３で示す。以下、矢印７３で示される磁路を、「磁路７３」と呼ぶ。図１０に示すように、磁路７３は、回転子７の円周方向における永久磁石６２ａの両側に形成される。

ここで、永久磁石６２ａの両端と回転子コア７１の外周との間の領域７２ａ，７２ｂは、永久磁石６２ａの磁束が飽和しないように、十分な厚みを有することが望ましい。無負荷状態において、Ｎ極から発する磁束は、領域７２ａ及び７２ｂのいずれか一方を通過するためである。

図１１は、回転子コア６１内の永久磁石６２ａの位置を説明する図である。上記実施の形態と同様に、円弧Ｌｍ、磁束密度Ｂｒ及びＢＬを定義する。また、通過幅Ｌｃ１，Ｌｃ２を定義する。通過幅Ｌｃ１は、回転子７の円周方向における永久磁石６２ａの一方の端から、回転子コア６１の外周面までの距離である。通過幅Ｌｃ２は、他方の端から、回転子コア６１の外周面までの距離である。通過幅Ｌｃ１，Ｌｃ２は、領域７２ａ，７２ｂの半径方向の幅にそれぞれ相当する。

永久磁石６２ａの磁束が、領域７２ａ及び７２ｂで飽和することなく、回転子コア６１内で短絡するためには、円弧Ｌｍ、通過幅Ｌｃ１，Ｌｃ２、磁束密度Ｂｒ，ＢＬが、下記（式３）及び（式４）で示される条件を満たせばよい。

ＢＬ×Ｌｃ１≧Ｂｒ×Ｌｍ×｛Ｌｃ１／（Ｌｃ１＋Ｌｃ２）｝ ・・・（式３）
ＢＬ×Ｌｃ２≧Ｂｒ×Ｌｍ×｛Ｌｃ２／（Ｌｃ１＋Ｌｃ２）｝ ・・・（式４）
（式３）を通過幅Ｌｃ１について解くことにより、通過幅Ｌｃ１は、（式５）により表される。

Ｌｃ１＝｛（Ｂｒ×Ｌｍ）／Ｂｍ｝−Ｌｃ２ ・・・（式５）
（式４）を通過幅Ｌｃ２について解くことにより、通過幅Ｌｃ１は、（式６）により表される。

Ｌｃ２＝｛（Ｂｒ×Ｌｍ）／Ｂｍ｝−Ｌｃ１ ・・・（式６）
このように、通過幅Ｌｃ１，Ｌｃ２が（式５）及び（式６）を満たすように、永久磁石６２ａを回転子コア７１内に配置することにより、無負荷状態において、永久磁石６２ａの磁束を回転子７内で短絡させることができる。従って、永久磁石６２ａの磁束が、無負荷状態において、回転子７から漏洩することを防ぐことができる。上記の説明は、永久磁石６２ｃでも同様に成り立つ。また、永久磁石６２ｂ及び６２ｄについても、磁路の向きが逆になる点を除き、上記の説明が同様に成り立つ。

［第３の実施の形態］
図１２は、第３の実施の形態に係る電動発電機２の断面図である。図１２に示すように、本実施の形態において、電動発電機２は、固定子８と、回転子９とを備える。

回転子９は、回転子コア９１と、４つの永久磁石９２ａ〜９２ｂとを備える。永久磁石９２ａ〜９２ｄ内の矢印は、永久磁石９２ａ〜９２ｄの各々の着磁方向を示す。以下、永久磁石９２ａ〜９２ｄを総称する場合、「永久磁石９２」と呼ぶ。上記実施の形態と異なり、永久磁石９２の磁束は、無負荷状態において、回転子９から漏洩し、固定子８と鎖交する。

図１３は、図１２に示す固定子８の断面図である。固定子８は、無負荷状態において発生する誘起電圧をキャンセルする。図１３に示すように、固定子８は、固定子コア８１と、主ティース８３１〜８３６と、補助ティース８４１〜８４６と、主巻線８５１〜８５６と、補助巻線８６１〜８６６とを備える。

主ティース８３１〜８３６の幅は、補助ティース８４１〜８４６の幅よりも広い。ただし、図１３では、主ティース８３１〜８３６と補助ティース８４１〜８４６との比を誇張して表示し、補助ティース８４１〜８４６の幅を大きく示している。

互いに隣接する主ティースと補助ティースとの間の空間は、スロットとしてカウントされない。補助ティースを介して隣り合う２つの主ティースの間に形成される空間が、１スロットとしてカウントされる。従って、固定子８のスロット数は、６である。

主巻線８５１〜８５６は、集中巻により、主ティース８３１〜８３６の各々に巻かれる。補助巻線８６１〜８６６は、集中巻により、補助ティース８４１〜８４６の各々に巻かれる。補助巻線８６１〜８６６は、主巻線８５１〜８５６と反対向きに巻かれる。

図１４は、図１２に示す固定子８に巻かれる主巻線及び補助巻線の結線図である。固定子８を備える電動発電機２において、並列回路数は、２である。図１４は、２つの並列回路のうち一方の並列回路を示す。

図１４に示す回路は、主巻線８５１，８５３，８５５と、補助巻線８６１〜８６６との結線図である。なお、主巻線８５１，８５３，８５５として複数のコイルが示されているが、これら複数のコイルの各々は、主ティースに巻かれた１巻き分のコイルを示している。

補助巻線８６１と、主巻線８５１と、補助巻線８６２とは直列に接続される。補助巻線８６１は、端子８７１に接続される。電流ｉ_ｕが、インバータ４から端子８７１に供給される。補助巻線８６２は、接地される。

補助巻線８６３と、主巻線８５３と、補助巻線８６４とは直列に接続される。補助巻線８６３は、端子８７２に接続される。電流ｉ_ｖが、インバータ４から端子８７２に供給される。補助巻線８６４は、接地される。

補助巻線８６５と、主巻線８５５と、補助巻線８６６とは直列に接続される。補助巻線８６５は、端子８７３に接続される。電流ｉ_ｗが、インバータ４から端子８７３に供給される。補助巻線８６６は、接地される。

図１５は、無負荷状態において、回転子７から漏洩する磁束（漏洩磁束）が固定子５と鎖交した際に発生する磁路を示す図である。図１５において，主巻線８５１のうち、主ティース８３１に対する１巻きを、主巻線８５１ａ，８５１ｂとし、主巻線８５１ａ，８５１ｂを除く主巻線の表示を省略している。また、補助巻線８６１，８６２は、１巻き分のみを示している。

以下、図１４及び図１５を参照しながら、無負荷状態において、誘起電圧がキャンセルされる理由を、永久磁石９２ａを例にして説明する。

上述のように、永久磁石９２ａの磁束は、無負荷状態において、回転子９から漏洩し、固定子８と鎖交する。漏洩磁束が固定子８と鎖交することにより、固定子８及び回転子９を通過する磁路８７，８８が形成される。磁路８７は、永久磁石９２ａ、主ティース８３１、及び補助ティース８４１を通過する。磁路８８は、永久磁石９２ａ、主ティース８３１、及び補助ティース８４２を通過する。

回転子９は、無負荷状態においても回転を続けている。このため、磁路８７及び８８が形成されることにより、主巻線８５１及び補助巻線８６１，８６２に誘起電圧が発生する。

図１４に示す矢印は、主巻線８５１及び補助巻線８６１，８６２の各々で発生する誘起電圧の向きを示す。補助巻線８６１，８６２は、主巻線８５１と反対方向に巻かれているため、補助巻線８６１，８６２で発生する誘起電圧の向きは、主巻線８５１で発生する誘起電圧の向きと逆である。主巻線８５１及び補助巻線８６１，８６２が直列接続されているため、主巻線８５１で発生する誘起電圧は、補助巻線８６１，８６２で発生する誘起電圧によりキャンセルされる。

発動電動機２の内部が故障により短絡した場合、電動発電機２を無負荷状態に移行させる必要がある。無負荷状態においても、漏れ磁束による誘起電圧を原因とする電流が固定子８で発生することを抑制できるため、電流が、電動発電機２の内部で短絡することがないため、電動発電機２の発熱及び故障を防ぐことができる。

図１６は、負荷状態において、固定子８及び回転子９に形成される磁路を示す図である。負荷状態においては、インバータ４は、主巻線８５１及び補助巻線８６１，８６２に電流を供給する。補助巻線８６１，８６２は、主巻線８５１と反対向きに巻かれているため、補助巻線８６１，８６２で発生する磁束は、主巻線８５１で発生する磁束をキャンセルする方向に作用する。

しかし、補助ティース８４１，８４２の幅は、主ティース８３１の幅より小さいため、補助ティース８４１，８４２は、補助ティース８４１，８４２で発生する磁束により飽和する。従って、負荷状態では、主巻線８５１で発生する磁束と永久磁石９２ａとが合成された磁束は、飽和した補助ティース８４１，８４２を通過することができない。合成された磁束は、磁路８９を通過する。磁路８９を通過する磁束により、電動発電機２は、回転子９を回転させたり、回転子９の回転に応じた発電を行ったりすることが可能である。

以上、主巻線８５１及び補助巻線８６１，８６２を例に、無負荷状態における誘起電圧がキャンセルされる理由を説明したが、直列接続された主巻線８５３及び補助巻線８６３，８６４についても同様である。直列接続された主巻線８５５及び補助巻線８６５，８６６についても同様である。また、永久磁石９２ｂ〜９２ｃについても、同期の説明が同様に成り立つ。また、本実施の形態において、回転子９に代えて回転子６，７を使用してもよい。

［第４の実施の形態］
上記実施の形態では、インナーロータ型の電動発電機２について説明した。しかし、電動発電機２は、アウターロータ型であってもよい。以下、アウターロータ型の電動発電機２について、上記実施の形態と異なる点を中心に説明する。

図１７は、本実施の形態に係る電動発電機２の断面図である。図１７に示す電動発電機２は、アウターロータ型であり、固定子１５と、回転子１６とを備える。固定子１５は、回転軸Ａと同軸に配置される。回転子１６は、固定子１５の外周に配置され、回転軸Ａを中心に回転する。

固定子１５は、固定子コア１５１と、巻線１５２と、２４個のティース１５３とを備える。なお、図１７において、巻線１５２の一部及びティース１５３の一部の符号の表示を省略している。

固定子コア１５１は、円柱形状であり、固定子コア５１と同様の素材により形成される。ティース１５３が、固定子コア１５１の外周側に設けられる。スロット１５４は、互いに隣り合う２つのティース１５３，１５３の間の空間である。巻線１５２は、ティース１５３に巻かれる。巻線１５２の巻き方は、巻線５２と同様である。

回転子１６は、回転子コア１６１と、４つの永久磁石１６２ａ〜１６２ｄと、４つの磁気抵抗部１６３とを含む。回転子コア１６１は、中空の円筒形状であり、回転軸Ａを中心に回転する。回転子コア１６１は、回転子コア６１と同様の素材により形成される。

永久磁石１６２ａ〜１６２ｄは、回転子コア１６１内に配置され、回転子１６の半径方向に着磁される。以下、永久磁石１６２ａ〜１６２ｄを総称する場合、「永久磁石１６２」と記載する。

永久磁石１６２の断面形状は、円弧状である。永久磁石１６２の素材は、永久磁石６２と同様である。永久磁石１６２内の矢印は、着磁方向を示す。周方向に互いに隣り合う２つの永久磁石において、磁極の向きが反対となる。

磁気抵抗部１６３は、回転子１６の円周方向における永久磁石１６２の一方側に配置され、回転子１６の内周に達する。磁気抵抗部１６３は、回転子１６の内周に設けられた切欠き１６４により形成される。回転子１６の円周方向における永久磁石１６２の一方側の側面が、磁気抵抗部１６３により回転子コア１６１の外部に露出する。永久磁石１６２の他方側には、磁気抵抗部１６３は配置されない。

以下、本実施の形態に係る電動発電機２における磁路の変化について説明する。

図１８は、図１７に示す電動発電機２において、無負荷状態のときに形成される磁路を示す図である。図１８に示すように、無負荷状態において、永久磁石１６２の磁束は、回転子コア１６１内で短絡する。矢印１６７ａ〜１６７ｄは、永久磁石１６２ａ〜１６２ｄの各々の磁束により、回転子コア１６１内に形成される磁路を示す。以下、矢印１６７ａ〜１６７ｄを、「磁路１６７ａ〜１６７ｄ」と呼ぶ。

以下、磁路１６７ａについて説明する。なお、磁路１６７ａの説明は、磁路１６７ｂ〜１６７ｃについても同様に成り立つ。

上記第１の実施の形態と同様に、永久磁石１６２ａに接する磁気抵抗部１６３の磁気抵抗は、永久磁石１６２ａを中心にして磁気抵抗部１６３と反対側の領域１６６の磁気抵抗よりも大きい。領域１６６は、第１の実施の形態で説明した領域６６（図４又は図５参照）に対応する。エアギャップ（固定子１５と回転子１６との間の空間）の磁気抵抗は、回転子コア１６１の磁気抵抗よりも大きい。従って、永久磁石１６２ａの磁束は、Ｎ極から発し、領域１６６を通過して、Ｓ極に達する。

この場合、領域１６６が、無負荷状態のときに永久磁石１６２ａの磁束により飽和しないように、十分な厚みを有することが望ましい。この厚みの条件は、上記第１の実施の形態で説明した円弧Ｌｍを、永久磁石１６２ａの内周面における円周方向の長さと定義し、通過幅Ｌｃを、永久磁石１６２ａの内周面における円周方向の端から回転子コア１６１の内周面までの長さと定義すればよい。これにより、磁気飽和が、無負荷状態において回転子コア１６１で発生しない条件を求めることができる。

次に、負荷状態のときに電動発電機２内で形成される磁路について、永久磁石１６２ａを例にして説明する。

図１９は、図１７に示す電動発電機２において、負荷状態のときに形成される磁路を示す図である。負荷状態では、電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ及びｉ_ｗが巻線１５２に供給されるため、磁束が固定子５で発生する。発生した磁束は、エアギャップを通過して回転子１６に流入し、永久磁石１６２ａの磁束と合成される。合成された磁束は、回転子コア１６１内の領域１６６で飽和する。

領域１６６で磁気飽和が発生することにより、合成された磁束は、エアギャップを通過し、固定子５を通過する。最終的に、合成された磁束は、固定子１５及び回転子１６を通過し、矢印１６８ａで示す磁路を通る。

永久磁石１６２ｂ〜１６２ｄの磁束も、永久磁石１６２ａの磁束と同様に、固定子５で発生した磁束と合成される。この結果、図１９に示すように、矢印１６８ｂ〜１６８ｄで示す磁路が形成される。

このように、アウターロータ型の電動発電機２も、上記実施の形態と同様に、無負荷状態において、永久磁石の磁束を回転子コア６１内で他の永久磁石を通過することなく短絡させることができる。また、負荷状態において、永久磁石１６２と合成された磁束は、固定子５で発生した磁束と合成され、固定子５及び回転子６を通過する。従って、負荷状態及び無負荷状態において、永久磁石１６２により発生する界磁を調整することができる。

なお、磁気抵抗部１６３は、上記第１の実施の形態と同様に、回転子１６の半径方向に並べた複数のスリットであってもよく、あるいは、回転子６の半径方向に延びるスリットであってもよい。また、永久磁石１６２は、磁気抵抗部６３に接していなくてもよい。

以上説明したように、電動発電機２は、インナーロータ型でもアウターロータ型であってもよく、回転子に対向して配置されればよい。回転子の半径方向に着磁される永久磁石が、回転子内に配置される。磁気抵抗部は、回転子の円周方向において永久磁石の一方側に配置されることにより、永久磁石の磁束が永久磁石の一方側を通過することを妨げればよい。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

１００ スタータジェネレータ
２００ エンジンユニット
１ エンジン
２ 電動発電機
３ コントローラ
４ インバータ
５，８，１５ 固定子
６，７，９，１６ 回転子
５１，８１，１５１ 固定子コア
５２ 巻線
５３ ティース
５４ スロット
６１，７１，９１，１６１ 回転子コア
６２ａ〜６２ｄ，９２ａ〜９２ｄ，１６２ａ〜１６２ｄ 永久磁石
６３，１６３ 磁気抵抗部
６４，１６４ 切欠き
６５ ブリッジ部
８３１〜８３６ 主ティース
８４１〜８４６ 補助ティース
８５１〜８５６，８５１ａ，８５１ｂ 主巻線
８６１〜８６６ 補助巻線

Claims (5)

1. 電動発電機であって、
   回転軸を中心に回転する回転子と、
   前記回転子に対向して配置される固定子と、
   前記固定子に設けられたティースに巻かれた巻線と、
   前記回転子内に配置され、前記回転子の半径方向に着磁される第１の永久磁石と、
   前記巻線に供給される電流を制御するコントローラとを備え、
   前記回転子は、
   前記回転子の円周方向において前記第１の永久磁石の一方側に配置され、前記回転子の外周面に達し、前記第１の永久磁石の磁束が前記第１の永久磁石の一方側を通過することを妨げる第１の磁気抵抗部を含み、
   無負荷状態において、前記第１の永久磁石の磁束は、前記回転子の円周方向において前記第１の永久磁石の他方側で短絡し、
   前記電動発電機が発電機として動作する場合の負荷状態において、前記コントローラは、前記第１の永久磁石の磁束と前記巻線で発生する磁束との合成磁束が前記回転子の外周面と前記第１の永久磁石における他方側の端との間における前記回転子の領域の飽和磁束以上となるように、前記巻線に供給される電流を制御する電動発電機。
2. 請求項１に記載の電動発電機であって、さらに、
   前記回転子内の円周方向において前記第１の永久磁石の位置と異なる位置に前記第１の磁気抵抗部を介して配置され、前記回転子の半径方向に着磁される第２の永久磁石を備え、
   前記回転子は、
   前記回転子の円周方向において前記第２の永久磁石の一方側に配置され、前記第２の永久磁石の磁束が前記第２の永久磁石の一方側を通過することを妨げる第２の磁気抵抗部を含む電動発電機。
3. 請求項１又は２に記載の電動発電機であって、
   前記第１の磁気抵抗部は、前記回転子の前記固定子側の面に開口するスリット又は切欠きからなる電動発電機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動発電機であって、
   前記固定子は、前記回転子の外周側に配置され、
   前記第１の永久磁石において、前記固定子側の面の面積が前記固定子と反対側の面の面積以上であり、
   前記回転子は、さらに、
   前記固定子側の面と前記永久磁石との間に形成され、前記第１の永久磁石の磁束を通過させるブリッジ部を含む、電動発電機。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動発電機と、
   前記回転子の前記回転軸に連結された回転軸を含むエンジンとを備えるエンジンユニット。

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