JP6502239B2 - 二相回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、二相回転電機に関するものである。

二相回転電機の中には、有底筒状のフライホイール（ロータ）と、エンジンのケースの内側に固定されたステータとを備えたものがある。フライホイールの内周面側には瓦状の永久磁石が設けられている。一方、ステータには複数の電機子コイルが巻回されるティースが周方向に沿って突設されている。
ここで、複数の電機子コイルは、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）で構成されている。そして、回転電機は、各電機子コイルへの通電タイミングを検出するために、ロータの回転位置を検出する素子（例えばホールＩＣ）が３つ設けられている。

特許第５７６６３６３号公報

このように、上述の従来技術にあっては、回転電機の特性を維持しようとすると、ロータの回転位置を検出する素子が４つ必要になる。素子の数が多いと、この素子の防水構造等も考慮する必要があり、部品コスト、製造コストが増大してしまうという課題があった。

そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、部品コスト、製造コストを低減でき、回転電機の特性を維持できる二相回転電機を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係る二相回転電機は、複数のティースが周方向に並んで配置されているステータと、前記ステータに対して回転可能に設けられ、周方向に沿って複数の磁極が設けられているロータと、を備えた二相回転電機において、ｍおよびｎをそれぞれ１以上の自然数としたとき、前記磁極の数Ｐ、および前記ティースの数Ｔは、
Ｐ＝ｍ（４ｎ＋２）
Ｔ＝ｍ・４ｎ
を満たすように設定されており、前記ティースは、第１相のコイルが巻回された第１ティースと、第２相のコイルが巻回された第２ティースと、からなることを特徴とする。

本発明に係る二相回転電機は、複数のティースが周方向に並んで配置されているステータと、前記ステータに対して回転可能に設けられ、周方向に沿って複数の磁極が設けられているロータと、を備えた二相回転電機において、ｍを１以上の自然数とし、ｎを２以上の自然数としたとき、前記磁極の数Ｐ、および前記ティースの数Ｔは、
Ｐ＝ｍ（４ｎ−２）
Ｔ＝ｍ・４ｎ
を満たすように設定されており、前記ティースは、第１相のコイルが巻回された第１ティースと、第２相のコイルが巻回された第２ティースと、からなることを特徴とする。

本発明に係る二相回転電機において、前記ティースは、周方向に連続して並んで配置された複数の前記第１ティースからなる第１ティース群と、周方向に連続して並んで配置された複数の前記第２ティースからなる第２ティース群と、を有し、前記第１ティース群の周方向中心と前記第２ティース群の周方向中心との間の角度は、機械角で９０°／ｍに設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、回転電機を二相構造とすることにより、ロータの回転位置を検出する素子を減少させることができ、製造コストを低減できる。また、二相構造でありながら、コギングトルクを小さくすることができるので、回転電機の特性を維持することができる。

本発明の実施形態における二相回転電機の平面図である。 本発明の実施形態における二相回転電機の断面図である。 本発明の実施形態における位相差を示し、（ａ）は二相回転電機の位相差、（ｂ）はその他の二相回転電機の位相差を示す。 本発明の変形例における二相回転電機を示す概略構成図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（二相回転電機）
図１は、二相回転電機１の平面図、図２は、二相回転電機１の断面図である。
図１、図２に示すように、二相回転電機１は、例えば自動二輪車に用いられるアウタロータ型のもであって、永久磁石を備えた発電機の機能と、スタータモータ機能とが一体化されている。二相回転電機１は、エンジンのクランクシャフト６０と同期回転するフライホイール２と、不図示のエンジンブロックに固定されるステータ４と、を備え、このステータ４に二相からなる電機子コイル１８が巻装されている。

フライホイール２は、略円板状に形成されたベース部５０と、ベース部５０のステータ４側（図２における左側）に固定されたフライホイール本体３と、を備えている。ベース部５０の径方向略中央には、ステータ４側に向かってボス部５１が突出形成されている。ボス部５１の径方向中央部には、クランクシャフト６０が挿入される貫通孔５２が形成されている。

この貫通孔５２には、キー溝５３が形成されている一方、クランクシャフト６０には、キー溝５３と係合する不図示のキーが設けられている。これにより、ベース部５０とクランクシャフト６０は、相対回転不能となる。さらに、クランクシャフト６０の先端にナット等を螺入することにより、クランクシャフト６０にベース部５０が固定される。
また、ベース部５０には、周方向に等間隔で複数の挿通孔５４が形成されている。この挿通孔５４は、ベース部５０を厚さ方向に貫通するように形成されており、フライホイール本体３とベース部５０とを固定するためのリベット２７が挿入される。

フライホイール本体３は、磁性材からなる金属により有底筒状に形成されている。フライホイール本体３の底壁３１には、径方向略中央に貫通孔３１ｂが形成されている。この貫通孔３１ｂには、ベース部５０のボス部５１、およびクランクシャフト６０が挿入される。また、フライホイール本体３の底壁３１には、ベース部５０の挿通孔５４に対応する位置に、厚さ方向に貫通する挿通孔３２が形成されている。
これら挿通孔５４，３２にリベット２７を挿入し、このリベット２７の先端を座屈変形させることにより、フライホイール本体３とベース部５０とが一体化される。

フライホイール本体３の周壁３３には、内周面側に１４極に磁化された永久磁石８が周方向に磁極が順番に変わるように設けられている。永久磁石８としては、例えばフェライト磁石が使用されている。
また、フライホイール本体３の周壁３３には、外周面側にリラクタ７１が突設されている。このリラクタ７１は、エンジンの点火時期などを検出するためのものであって、後述のパルス発生器７２と共に用いられる。

パルス発生器７２は、フライホイール本体３の周壁３３の外周面に形成されたリラクタ７１に対向するように配置されている。そして、リラクタ７１のエッジ部（角部）がパルス発生器７２を横切ることで、このパルス発生器７２からパルス信号（正電圧パルスと負電圧パルス）を発生させ、これを不図示の制御部（ＣＤＩユニットなど）が受信する。これにより、エンジンの回転速度情報やクランクシャフト６０の回転角度情報を得ることができるようになっている。例えば、エンジンの点火時期は、リラクタ７１とパルス発生器７２によって得られたエンジンの回転速度情報やクランクシャフト６０の回転角度情報に基づいて制御される。

（ステータ）
図１に詳示するように、ステータ４は、フライホイール本体３の周壁３３の内側に配置されたステータコア１７を有している。ステータコア１７は、例えば電磁鋼板等の板材を軸線方向に積層して形成されたものであって、略円環状のステータ本体１７ａを有している。

ステータ本体１７ａの径方向略中央には、フライホイール２のボス部５１、およびクランクシャフト６０との干渉を回避するため、逃げ孔１７ｂが形成されている。また、ステータ本体１７ａには、ボルト挿通孔２０が周方向に沿って複数箇所形成されている。これらボルト挿通孔２０は、不図示のボルトが挿通されてステータ４をエンジンブロックに締結固定するためのものである。

ステータ本体１７ａの外周部には、径方向外側に向かって突出する１６個のティース１６が周方向に並んで設けられている。そして、各ティース１６の間には、それぞれ蟻溝状のスロット２１が形成されている。これらスロット２１に電機子コイル１８が通され、ステータコア１７に装着されるインシュレータ４０の上から各ティース１６に電機子コイル１８が巻装される。

ここで、二相回転電機１は、磁極の数をＰとし、ティース１６の数をＴとし、ｍおよびｎを自然数としたとき、磁極の数Ｐ、およびティース１６の数Ｔが、
ｍ≧１ ・・・（１）
ｎ≧１ ・・・（２）
Ｐ＝ｍ（４ｎ＋２）・・・（３）
Ｔ＝ｍ・４ｎ ・・・（４）
の４つの式を満たすように設定されているか、または、
ｍ≧１ ・・・（５）
ｎ≧２ ・・・（６）
Ｐ＝ｍ（４ｎ−２）・・・（７）
Ｔ＝ｍ・４ｎ ・・・（８）
の４つの式を満たすように設定されている。

この実施形態の二相回転電機１は、周方向に磁極が順番となるように永久磁石８が１４極設けられているので磁極の数Ｐは１４となる。また、ティース１６の数Ｔが１６に設定されているので、ｍ＝１、ｎ＝４としたとき、
１４＝４×４−２
１６＝４×４
となり、式（５）〜（８）を満たす。

また、ティース１６は、二相のうちのＡ相が周方向に隣接する４つのティース１６に連続して割り当てられていると共に、二相のうちのＢ相が周方向に隣接する４つのティース１６に連続して割り当てられている。すなわち、ティース１６は、周方向にＡ相、Ａ相、Ａ相、Ａ相、Ｂ相、Ｂ相、Ｂ相、Ｂ相、Ａ相、Ａ相、Ａ相、Ａ相、Ｂ相、Ｂ相、Ｂ相、Ｂ相の順に割り当てられている。なお、以下の説明において、Ａ相のティース１６を、Ａ相ティース１６Ａと称し、Ｂ相のティース１６をＢ相ティース１６Ｂと称する。

ここで、１６個のティース１６は、４つのＡ相ティース１６ＡからなるＡ相ティース群８６Ａが２つ、４つのＢ相ティース１６ＢからなるＢ相ティース群８６Ｂが２つ、となる。そして、ｑを１以上の自然数としたとき、Ａ相ティース群８６ＡとＢ相ティース群８６Ｂは、それぞれの周方向の中心間の角度（中心間の機械角）が、機械角で９０°／ｍ（ｍは１以上の自然数）になる。
この実施形態では、Ａ相ティース群８６Ａの周方向中心とＢ相ティース群８６Ｂの周方向中心との間の角度は、機械角で９０°となり、ｍ＝１に設定されている。

また、ティース１６に巻装されている電機子コイル１８の端末は、ハーネス２６の引き出し位置近傍に導き出され、このハーネス２６に接続されている。ハーネス２６は、電機子コイル１８に電流を供給したり、発電された電流を外部のバッテリ等に供給したりするためのものである。

このような構成のもと、クランクシャフト６０を介してフライホイール２が回転すると、ティース１６を通過する磁束量が変化する。この磁束量の変化が起電力となって電機子コイル１８に電流が発生する。電機子コイル１８に発生する電流は、ハーネス２６を介して不図示のバッテリに蓄電されたり、不図示の付属電機機器に電力供給を行ったりする用途に用いられる。

一方、不図示のエンジンを始動する際は、バッテリに蓄電された電流を、ハーネス２６を介して電機子コイル１８に供給する。このとき、各ティース１６に巻回された電機子コイル１８に、バイポーラ通電する。
すると、同相のティース１６に巻回された電機子コイル１８（例えば、図１における上側に配置されているＡ相ティース群８６Ａを構成する４つのＡ相ティース１６Ａ）は、それぞれ位相がαだけずれた正弦波の逆起電圧を生成する。これにより、形成されるステータ４の磁力と、フライホイール２に設けられている永久磁石８との間で磁気的な吸引力や反発力が生じ、フライホイール２が回転する。さらに、フライホイール２を介してクランクシャフト６０が回転し、エンジンが始動する。

ここで、位相差αが小さければ小さいほど逆起電圧の打ち消し合う区間が短くなるので、合成逆起電圧が高くなる。このため、位相差αが小さいほど二相回転電機１の効率が高くなる。
本実施形態の二相回転電機１は、ｍおよびｎをそれぞれ１以上の自然数としたときの磁極の数Ｐ、およびティース１６の数Ｔが、式（１）〜（４）を満たすか、ｍを１以上の自然数とし、ｎを２以上の自然数ときの磁極の数Ｐ、およびティース１６の数Ｔが、式（５）〜（８）を満たすように設定されているので、位相差αをできる限り「０」に近づけることができる。

より詳述する。まず、永久磁石８の極間角度（機械角）と、周方向に隣接するティース１６間の角度（機械角）を考える。永久磁石８の極間角度θ１、およびティース１６間の角度θ２は、それぞれ
θ１＝３６０／Ｐ・・・（８）
θ２＝３６０／Ｔ・・・（９）
を満たす。

次に、永久磁石８とティース１６との位相差（電気角）を考える。永久磁石８とティース１６との位相差αは、
α＝（θ１−θ２）Ｐ／２＝１８０（１−Ｐ／Ｔ）・・・（１０）
を満たす。

ここで、１つ目のティース１６の周方向中心が永久磁石８の周方向中心と一致しているとき（図１におけるＬ１参照）を角度０°とし、逆起電圧の振幅を１として、図１における上側に配置されているＡ相ティース群８６Ａの電機子コイル１８の逆起電圧を考えると、θを電気角としたとき、合成逆起電圧Ｅは、
Ｅ＝ｓｉｎθ＋ｓｉｎ（θ―α）＋ｓｉｎ（θ−２α）＋ｓｉｎ（θ−３α）＋ｓｉｎ（θ−４α）・・・（１１）
を満たす。

すなわち、位相差α（絶対値）が大きくなると逆起電圧の打ち消しあう区間が長くなり、合成逆起電圧Ｅが低くなることが分かる。逆に、位相差α（絶対値）が小さいと逆起電圧の打ち消しあう区間が短いため、合成逆起電圧Ｅが高くなる。つまり、位相差αは「０」に近いほど効率が良く、かつコギングトルクも低減できることがわかる。さらに換言すると、永久磁石８とティース１６との位相差αは、式（１０）を満たすので、Ｐ／Ｔが「１」に近い値となるのが理想といえる。但し、磁極の数Ｐとティース１６の数Ｔとが同数（Ｐ＝Ｔ）では、二相回転電機１が作動しない（フライホイール２が回転しない）。

ここで、二相回転電機１の場合、相数が「２」であるから、ティース１６の数Ｔは、４の倍数である必要がある。そして、磁極の数Ｐは、２の倍数である必要がある。このことから、磁極の数Ｐ、およびティース１６の数Ｔを、式（１）〜（４）を満たすか、または式（５）〜（８）を満たすように設定することにより、位相差αをできる限り「０」に近づけることができる。

図３は、本実施形態における二相回転電機１（１４極１６スロットの二相回転電機１）の位相差αと、その他の二相回転電機における位相差αとの大きさの違いを示す説明図であって、（ａ）は、本実施形態における二相回転電機１を示し、（ｂ）は、その他の二相回転電機を示す。
なお、その他の二相回転電機とは、磁極の数Ｐ、およびティース１６の数Ｔが、式（１）〜（４）、または式（５）〜（８）の何れも満たさない二相回転電機をいう。図３（ｂ）では、その他の二相回転電機の一例として、磁極の数Ｐが１０極、ティースの数Ｔが「１６」である、１０極１６スロットの二相回転電機を挙げている。
図３（ａ）に示すように、本実施形態における二相回転電機１の位相差αは、その他の二相回転電機の位相差αと比較して値が小さいことが確認できる。

このように、上述の実施形態では、二相構造の回転電機（二相回転電機１）とすることにより、電気角で９０°ごとに相切替えを行う。このため、フライホイール２の回転位置を検出する素子の個数は、相切替え用に２つ、不図示のエンジンのプラグへの点火タイミング判断用に１つ、の合計３つとなる。よって、従来の三相構造の回転電機と比較してフライホイール２の回転位置を検出する素子の個数（従来は合計４つの素子が必要）を、減少することができ、製造コストを低減できる。

また、二相回転電機１の磁極の数Ｐ、およびティース１６の数Ｔを、式（１）〜（４）を満たすか、または式（５）〜（８）を満たすように設定することにより、従来の二相構造の回転電機と比較して位相差αをできる限り「０」に近づけることができる。このため、二相回転電機１の効率を向上させ、かつコギングトルクを低減できる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上述の実施形態では、二相回転電機１は自動二輪車に用いられるものである場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、さまざまな電気機器に用いることが可能である。

また、上述の実施形態では、二相回転電機１として、磁極の数Ｐが「１４」、ティース１６の数Ｔが「１６」、ｍ＝１、ｎ＝４、に設定されている回転電機について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、磁極の数Ｐ、およびティース１６の数Ｔが、式（１）〜（４）を満たすか、または式（５）〜（８）を満たすように設定されていればよい。以下、具体的に、二相回転電機１の変形例を挙げる。

（変形例）
図４は、変形例における二相回転電機１を示す概略構成図である。
この図４では、二相回転電機１の変形例として、６つの形態を示す。
具体的には、磁極の数Ｐが「６」、ティース１６の数Ｔが「８」、ｍ＝１、ｎ＝２に設定されている二相回転電機１（６極８スロットの二相回転電機１）、磁極の数Ｐが「１０」、ティース１６の数Ｔが「１２」、ｍ＝１、ｎ＝３、に設定されている二相回転電機１（１０極１２スロットの二相回転電機１）が挙げられる。これらで構成される二相回転電機１は、式（５）〜（８）を満たしている。

また、二相回転電機１の変形例として、磁極の数Ｐが「１０」、ティース１６の数Ｔが「８」、ｍ＝１、ｎ＝２、に設定されている二相回転電機１（１０極８スロットの二相回転電機１）、磁極の数Ｐが「１４」、ティース１６の数Ｔが「１２」、ｍ＝１、ｎ＝３、に設定されている二相回転電機１（１４極１２スロットの二相回転電機１）、磁極の数Ｐが「１８」、ティース１６の数Ｔが「１６」、ｍ＝１、ｎ＝４、に設定されている二相回転電機１（１８極１６スロットの二相回転電機１）が挙げられる。これらで構成される二相回転電機１は、式（１）〜（４）を満たしている。

さらに、変形例に示す二相回転電機１は、Ａ相ティース１６Ａが周方向に連続して配置されていると共に、Ｂ相ティース１６Ｂが周方向に連続して配置されている。また、連続して配置されたＡ相ティース１６ＡからなるＡ相ティース群８６Ａの周方向中心と、連続して配置されたＢ相ティース１６ＢからなるＢ相ティース群８６Ｂの周方向中心との間の角度が、ｍを１以上の自然数としたとき、機械角で９０°／ｍになっている。
したがって、上述の変形例によれば、前述の実施形態と同様の効果を奏することができる。

１…二相回転電機
２…フライホイール（ロータ）
４…ステータ
８…永久磁石（磁極）
１６…ティース
１６Ａ…Ａ相ティース（第１ティース）
１６Ｂ…Ｂ相ティース（第２ティース）
１８…電機子コイル（コイル）
６０…クランクシャフト
８６Ａ…Ａ相ティース群（第１ティース群）
８６Ｂ…Ｂ相ティース群（第２ティース群）

Claims (3)

1. 複数のティースが周方向に並んで配置されているステータと、
   前記ステータに対して回転可能に設けられ、周方向に沿って複数の磁極が設けられているロータと、
   を備えた二相回転電機において、
   ｍおよびｎをそれぞれ１以上の自然数としたとき、
   前記磁極の数Ｐ、および前記ティースの数Ｔは、
   Ｐ＝ｍ（４ｎ＋２）
   Ｔ＝ｍ・４ｎ
   を満たすように設定されており、
   前記ティースは、
   第１相のコイルが巻回された第１ティースと、
   第２相のコイルが巻回された第２ティースと、
   からなることを特徴とする二相回転電機。
2. 複数のティースが周方向に並んで配置されているステータと、
   前記ステータに対して回転可能に設けられ、周方向に沿って複数の磁極が設けられているロータと、
   を備えた二相回転電機において、
   ｍを１以上の自然数とし、ｎを２以上の自然数としたとき、
   前記磁極の数Ｐ、および前記ティースの数Ｔは、
   Ｐ＝ｍ（４ｎ−２）
   Ｔ＝ｍ・４ｎ
   を満たすように設定されており、
   前記ティースは、
   第１相のコイルが巻回された第１ティースと、
   第２相のコイルが巻回された第２ティースと、
   からなることを特徴とする二相回転電機。
3. 前記ティースは、
   周方向に連続して並んで配置された複数の前記第１ティースからなる第１ティース群と、
   周方向に連続して並んで配置された複数の前記第２ティースからなる第２ティース群と、
   を有し、
   前記第１ティース群の周方向中心と前記第２ティース群の周方向中心との間の角度は、機械角で９０°／ｍに設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二相回転電機。

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