JPH03251067A - 交流発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 発電機に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、特開昭６１−８５０４５号公報に示す如く、複数
の爪型磁極部間に、永久磁石を挿入し、磁極部間に発生
ずる漏洩磁束を、永久磁石の磁力で反発させて、上記漏
洩磁束゛を減少させるものがある。すなわち、界磁巻線
で発生した磁束は、確実に固定子側に向かうことになり
、固定子に作用する有効磁束を増して発電出力を増大さ
せるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来のものでは、永久磁石という重量物を付加
していながら、磁極部間の漏れを防止しているのみであ
り、重量あたりの出力の改善の観点でながめてみると、
その効果は非常に少ないという問題点がある。

そこで、本発明は、永久磁石を単に漏洩磁束の防止のみ
ならず、積極的にこの永久磁石が本来発生しうる磁束を
、界磁巻線で発生した磁束と重ね合わせることで、永久
磁石を有効に使って、重量あたりの出力を増加させるこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、上述の目的を達成するために、本発明は、 シャフトの外周に設けられたボス部と、このボス部の両
端よりそれぞれ外周方向にのびる１対の突出部と、これ
ら１対の突出部の外周より軸方向にのびる複数の爪状磁
極部とを有する回転子と、この回転子の外周に配置され
た固定子巻線を有する固定子と、 上記ボス部の外周に巻かれた界磁巻線と、この界磁巻線
に電流を流した際に、前記突出部に流れる磁束の向きと
同し方向に磁束が流れるように、前記突出部に当接して
設けられた、永久磁石と、 を備えた交流発電機とすることである。

〔作用〕

回転子の突出部に永久磁石を当接させて設け、永久磁石
の磁束を、界磁巻線に発生する磁石に加えることで、多
くの磁束を、固定子に流すことが可能となる。

また、永久磁石の磁束は、回転子のボス部を流れないた
め、ボス部の断面積を小さくすることができ、結果的に
ボス部の外径が小さくなる。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明は固定子に多くの磁石を流すこ
とができ、出力を大幅に向上できると共に、ボス部を小
さくすることで、回転子全体の小型化もしくは、界磁巻
線と爪状磁極部との間の空間を大きくとれ、界磁コイル
の冷却を行なうことができる等の優れた効果がある。

〔実施例〕

第１図は、車両用交流発電機の固定子１と回転子２の断
面を示す。固定子１は、厚さ略０．６謳程度の冷延低炭
素鋼板を後述する回転子磁極数１２極に対応させて、３
６個のスロワｌ−１１１、歯部１１２および背部１１３
を形成して打抜き積層した鉄心１１と、スロワ）１１１
に絶縁して、巻装された３箱型機子巻綿１２とからなる
。回転子２は極数１２の対向爪型磁極回転子であって、
低炭素鋼鋼塊にて形成された１対の爪型磁極２１，２２
からなる。この爪型磁極２１．２２は、回転軸３の外周
に配置される円柱状のボス部２１１，２２１と、このボ
ス部２１１，２２１より外周に拡がってのびる突出部を
なす板状のディスク部２１２．２２２と、このディスク
部２１２，２２２の外周側より、それぞれのボス部２１
１，２２１側にのび、かつ等間隔に設けられた６本の爪
状の磁極部２１−３，２２３とから構成される。

図示しないエンジンの回転をベルトを介して伝えられる
回転軸３の外周には、ローレット部３１が形成され、こ
のローレット部３１に、１対の爪型磁極２１．２２はボ
ス部２１１，２２１を双方対向させて、圧入し、回転軸
３上に固定されている。その際、１対の爪型磁極２１．
２２の磁極部２１３，２２３は、交互に等間隔に配置さ
れている。そして、この爪状の磁極部２１３，２２３の
外周には、円周方向にのびるつぼ部２１４．２２４が、
また、この磁極部２１．３，２２３の軸方向両端には、
第１図に示す如く、ディスク部２１２゜２２２の端面よ
りも突出した第１．第２の突出部２１５．２１６，２２
５，２２６が、それぞれ−体形成されている。

そして、１對の爪型磁極２１．２２のボス部２１１．２
２１の外周には、界磁巻線２３が巻回されている。この
界磁巻線２３の両端は、外部の電源よりブラシを介して
、電流が供給されるように、図示しない整流子に接続さ
れている。

第２図および第３図に示す如く、磁極部２１３゜２２３
は、断面が略矩形状であり、隣接する磁極部２１３，２
２３間には、矩形板状の異方性フェライト系の第１の永
久磁石２４が挿入され、接着材にて固定されている。ま
た、第１の永久磁石２４は、第２図に示す如く、同方向
に着磁され、隣接する磁石２４は、互いに対向する面が
同じ極性となるように配置されている。さらに、第１の
永久磁石２４は、つば部２１４，２２４の内周側に位置
することで、回転子２の回転により、第１の永久磁石２
４が外周に飛び出てしまうことを確実に防止するもので
ある。

２つのドーナツ状の第２、第３の永久磁石２５゜２６は
、厚み方向に着磁して、ディスク部２１２２２２の端面
に抵抗溶接されている。その際、第２の永久磁石２５の
外周面は、それぞれ第１．第２の突出部２１５，２１６
，２２５，２２６の内周面に設けられている。そして、
第２．第３の永久磁石２５．２６は、ディスク部２１２
，２２２のＮ極、Ｓ極に対し、同極対向する向きに着磁
され、配置されている。

第２．第３の永久磁石２５．２６の外周には、第１．第
２の軟鋼製継鉄板２７．２８が配置されている。この継
鉄板２７．２８は、第２の永久磁石２５と同一の大きさ
である円盤部２７１，２８１と、この円盤部２７１，２
８１より外周に拡がり、第１．第２の突出部２１５，２
１６，２２５゜２２６の端面に当接する６つの突部２７
２，２８２とから構成される。また、円盤部２７１，２
８１と突部２７２，２Ｂ２との間には、磁路面積が小さ
くなる狭窄部２７３，２８３が形成されている。そして
、第１の継鉄板２７の突部２７２は、第２の磁極２２の
爪状の磁極部２２３の第１の突出部２２５の端面に、ま
た、第２の継鉄板２８の突部２８２は、第１の磁極２１
の爪状の磁極部２１３の第２の突出部２１６の端面にそ
れぞれ溶接され、固定されている。

フロントファン４１およびリアファン４２は、第１．第
２の継鉄板２７．２８の端面にそれぞれ配置され、第１
の磁極２１の爪状の磁極部２１３の第２の突出部２１６
の端面および第２の磁極２２の爪状の磁極部２２３の第
１の突出部２２５の端面に、溶接され、固定されている
。また、これらファン４１．４２は、３摺電機子巻線１
２を冷却するものである。

上記構成において、界磁回路について説明する。

まず、界磁巻線２３に電流を流すことで、第１の爪型磁
極２１のディスク部２１２．磁極部２１３゜鉄心１１．
第２の爪型磁極２２の磁極部２２３゜ディスク部２２２
．ボス部２２１、および第１の爪型磁極２１のボス部２
１１を介して、ディスク部２１２に流れる第１の界磁回
路を形成する。

この界磁回路は、１極当たりの鉄心の磁路断面積が固定
子１の磁路断面積に対して約６割になっている。具体的
には、１磁極に対向すべき鉄心１１の歯部１１２の３本
分の断面積、又は背部１１３の断面積の２倍（１磁極分
に相当する断面積）に対して、爪型磁極２１．２２のボ
ス部２１１゜２２１の断面積を磁極数で割算したもの（
すなわちＩ磁極部に相当する断面積）は約６割となって
いる。車両用交流発電機については、ランゾル型爪状磁
極を使用することがほとんどであるが、その場合爪状磁
極部２１３，２２３間の漏洩も多く、全発生磁束のうち
約３〜４割も漏洩磁束が生ずる。

それ故に、設計の必然として、鉄心１１の磁路断面積に
おいてその最小部分の１．４倍程度以上にボス部２１１
２２１の断面積を大きく構成することとなる。次に、前
記ディスク部２１２，２２２については、上記ボス部２
１１，２２１につながる根元部における磁路断面積は、
ボス部２１１２２１の断面積と略等しいが、固定子１側
に近づくにつれ、第１図に示す如く、序々に磁路断面積
を増している。すなわち、ディスク部２１２２２２は、
テーバ状となり、肉厚を増す形状となっている。この肉
厚を増す部分は、第２．第３の永久磁石２５．２６を装
着したディスク部２１２２２２に位置している。

そして、界磁巻線２３は、巻数が３３３回で定格運転時
、ｉｉＩ電電流が約３．３Ａとなるように設定しており
、励磁起磁力（Ｆ、）としてＦ、＝３３３　Ｘ　３．３
″−６１１００アンペアターンを与えられるように設定
している。

次に、第１の磁石２４の磁束は、第２の爪型磁極２２の
磁極部２２３．空隙５．鉄心ｉｉ、空隙５、および第１
の爪型磁極２１の磁極部２１３を介して、第１の磁石２
４に戻る第２の磁気回路を形成する。

また、第２の磁石２５の磁束は、第１の継鉄板２７、第
２の爪型磁極２２の磁極部２２３．空隙５、鉄心１１．
空隙５．第１の爪型磁極２１の磁極部２１３およびディ
スク部２２３を介して、第２の磁石２５に戻る第３の磁
気回路を形成する。

さらに、第３の磁石２６の磁束は、第２の爪型磁極２２
のディスク部２２２．磁極部２２３．空隙５、鉄心１１
．空隙５．第１の爪型磁極２１の磁極部２１３および第
２の継鉄板２８を介して、第３の磁石２６に戻る第４の
磁気回路を形成する。

次に、第２ないし第４の界磁回路において、第１ないし
第３の永久磁石は２４，２５．２６フ工ライト系異方性
磁石であり、着磁必要方向に磁化特性良好軸を一致させ
ている。それぞれの永久磁石の板厚および材質、着磁特
性は路間−に設定しており、１磁極あたりについて、各
々の第２、第３、第４の界磁回路をみるときの内部起磁
力（Ｆ、。）は、各々第２ないし第４の界磁回路につい
て動作時略等しくＦ、。−１２００アンペアターンとな
るようにしている。

次に動作時、電機子に負荷電流が流れることによって電
機子反作用が生じるが、この直軸反作用分をＦ　ｒｄと
するとき、定格出力時Ｆ、、−８００アンペアターン程
度になる設計となっている。

次に、第２ないし第４の永久磁石界磁回路の磁気抵抗に
ついては第６図に示すところの１極あたりの等価回路に
描くときの、合成磁気抵抗をＲ。

とじ、一方、空隙５を含む固定子側磁路の磁気抵抗をＲ
８とすると、略Ｒ，＃Ｒ，となるように設計している。

次に、車両用交流発電機としての発電の基本動作は周知
であるので省略し、以下特有の作用・効果について説明
する。

界磁巻線２３の通電により、第１の界磁磁気回路から発
生する磁束は、第１ないし第３の磁石２４．２５．２６
により、第２ないし第４の磁気回路から発生する磁束と
加わり合って、固定子１の鉄心１１へ供給される。従っ
て、従来、固定子１の鉄心１１への磁束は、第２ないし
第４の磁界回路の磁束が加算されるため、界磁巻線２３
の磁束（第１の磁界回路）は少なくて済むことから、第
１、第２の磁極２１．２２のボス部２１１．２２１の断
面積は固定子１の鉄心１１の断面積よりも小さくできる
。そのために、界磁巻線２３は平均巻回径が縮小するの
で、同一抵抗値に設定する場合（すなわち印加電圧は同
一の発電機出力電圧ゆえ同一励磁電流を；ｉＩｌシるよ
うに設定する場合）より多くの巻数を稼くことができる
。すなわち円柱状ボス部２１１，２２１の径を縮小する
と、巻線巻装外径は、同一励磁アンペアターンを与える
設計にしようとするとボス径縮小量以上に縮小する効果
を生む。

また、巻線２３の巻装外径が小さ（できるので、これに
伴ない、爪状磁極部２１３，２２３も巻線２３側に小さ
くでき、回転子２全体の小径化を計ることができる。

さらに、ボス部２１１，２２１の外径を小さくすること
ができるので、界磁巻線２３の外周と、爪状磁極部２１
３，２２３を小型化しないとすれば、この磁極部２１３
，２２３の内周面との間の距離が大きくとれるため、界
磁巻線２３の冷却を行なうこともできる。

第２．第３の永久磁石２５．２６は、冷却ファン４１．
４２に近く、このファンを通して冷却され、かつ界磁巻
線２３による発熱に対し、遠く配置されており、また、
第１の永久磁石２４は比較的熱放散のよい回転子２の外
周面に近いために、第１ないし第３の磁石２４，２５．
２６は、昇温することが少ないので、発電機自体の、又
は運転雰囲気気温の上昇による出力低下の悪影響を受け
ることが少ない。

第２．第３の磁石２５．２６は、爪部２１３゜２２３の
第１．第２の突出部２１５，２１６，２２５．２２６の
内周側に装着しているので、第１゜第２の継鉄板２７．
２８は第３図に示すごとく、単純な板形状で済むことと
なる。

さらに、これら第１．第２の継鉄板２７．２８には、狭
窄部２７３，２８３を設けて、通過磁束の最大値を飽和
制限する構造をとっているので、界磁巻ｖＡ２３に電流
を与えないとき、すなわち軽電気負荷使用時に無用の過
大な磁束を固定子１が受けて、過電圧が発生することを
抑制する作用を奏している。

次に、永久磁石の内部起磁力（Ｆ、。）と、励磁巻線起
磁力（Ｆ、）と、直軸電機子反作用起磁力（Ｆｒｄ）と
、１対の異なる磁極間に対向する固定子１と空隙５を合
せた磁気抵抗（Ｒ５）と、上記永久磁石磁気回路の１極
分についてみた合成磁気抵抗（Ｒ，）とについて、Ｆ、
、＝１２００アンペアターン、Ｆ、”８００アンペアタ
ーン、Ｒ１≠Ｒ５およびＦ、＝１１００アンペアターン
にそれぞれ設定していることについての作用効果を説明
する。

まず、第６図に、回転子２の、１極対あたりの、電機子
を含む等価磁気回路を示す。この図において、点Ｎと点
Ｓ間について次の関係式が成立つ。

但し爪状磁極面間の起磁力差をＦｌとしている。

また簡単のため、Ｒ，はほぼ線形にみなせるものとする
。

φ。＝φ、＋φ。

この関係式をもとに発電機の動作を磁束−Ｆ１座座標面
に表わすと、第７図のようになることを見い出した。

まず、曲線Ｌ１は磁極間起磁力に対する電機子側磁路に
通過する磁束の関係線図を、電機子直軸反作用Ｆｒｄ分
平分秒行移動ものであり、！２゜２！゛はランゾル型界
磁回路の磁束−起磁力の関係線図を、励磁巻線のアンペ
アターンＦ０又はＲ０゛分だけ平行移動して−Ｆ、Ｆｌ
−ルに反転したものである。またｌｌは前記永久磁石界
磁回路について、起磁力Ｆ、と発生磁束の関係線図であ
る。

Ｌ、、Ｌ、°は上述！、と２２又はｆｆｉ、と！、°を
足し合わせたものであり、回転子全体から電機子側へ向
かう磁束とＦ、の関係線図である０以上の線図から、上
述の如く動作点はＦｌ線とり、又はＲ１線とＬｘ’線の
交点Ｐとして与えられることは明らかである。

ここで交点Ｐ、Ｐ’について第７図を参照、吟味すると
、点Ｐの動作においては永久磁石のもてる磁束発生能力
線でもあるｉｔ’ｓより下にあるのでこのときの動作は
、本来電機子へ向うべき磁束の一部がランゾル型界磁鉄
心側へ回路している状態であることが理解される。−力
点Ｐ°については、上述とは逆に、本来永久磁石磁気回
路で発生する磁束に対し、ランゾル型界磁鉄心からの磁
束が加わっている状態と理解される。木本のねらいは永
久磁石と電磁石界磁回路とを双方から磁束を相加わらせ
て発生させて、構成材料の利用率を高め、重量あたりの
出力の向上又は小型コンパクトかつ低コストの発電機を
目指すものである。この観点より上述点ＰとＰｏについ
ていいあられせばＰ°点の如くなる条件で発電機を運転
すればよいことを見い出した。すなわち、該線図よりそ
の加わり合う条件を求めると となる。すなわち、この関係式で定められる太きさの励
磁巻線アンペアターンＦ８を与えれば、磁束が加わり合
うことになる。

この考えに立てば、Ｆ８は大きければ大きいほどよいよ
うに考えられるが、大きすぎると磁石自体の不可逆減磁
が生ずることは言うまでもない。

減磁が発生ずるかどうかは、減磁曲線の屈曲点位置・形
状が関わり合ってくるが少なくとも前記内部起磁力Ｆ１
゜をこえる励磁起磁力を与えると通常の磁石は不可逆減
磁を生ずることはほぼ間違いないことが知られている。

以上の知見・考察に鑑みて、励磁巻線の起磁力Ｆ８は次
の条件で与えるべきであることを知った。

Ｒ，十Ｒ。

以上の説明内容と、その帰結である弐（ロ）を参照しつ
つ前述の「構成（イ）」をあてはめてみると、 Ｒ，Ｆ□＋Ｒ，Ｆや。

Ｒ，＋Ｒ。

Ｒ，（８ｏｏ＋１２ｏＯ） Ｒ，（１−１−１） ＝１０００アンペアターン ・Ｆ７゜＝１２００アンペアターン であり、また一方Ｆ、＝１１００アンペアターンである
ため、式（ロ）の磁束加わえ合せ条件を満足しており、
木本ねらいの効果を発揮した動作をすることが理解され
る。

以上の構成とその作用説明に加え、以下本実施例を実際
に適用して得た実験例を示す。

１２Ｖ１００Ａクラス、重量４．９　ｋｇの車両用交流
発電機において木本構成を適用した結果、１２Ｖ１５６
Ａ、重１ｆｆｉ５．１ｋｇなる結果を得た。すなわち重
量あたり出力ｗ　／　ｋｇ　（Ｉｉ￥で比較すると２４
５Ｗ／ｋｇが３６７ｗ／ｋｇと、従来類をみないほどの
飛躍的な向上を確認した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明交流発電機の要部を示す断面図、第２図
は第１図の■−■線に沿った一部を示す断面図、第３図
は第１図における回転子の要部を示す斜視図、第４図は
第１図にファンを取り付けた状態の要部を示す断面図、
第５図は第４図の要部を示す斜視図、第６図は本発明交
流発電機の等価磁気回路、第７図は爪状磁極部間の起磁
力差Ｆ３に対する磁束を示す特性図である。 １・・・固定子、１１・・・鉄心、１２・・・電機子巻
線。 ２・・・回転子、２１．２２・・・爪型磁極、２１１．
２２１・・・ボス部、２１２，２２２・・・突出部をな
すディスク部、２１３，２２３・・・磁極部、２３・・
・界磁巻線、２４・・・第１の永久磁石、２５．２６・
・・第２、第３の永久磁石、２７．２８・・・第１、第
２の継鉄板、３・・・回転軸、４１．４２・・・ファン
。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）シャフトの外周に設けられたボス部と、このボス
   部の両端よりそれぞれ外周方向にのびる１対の突出部と
   、これら１対の突出部の外周より軸方向にのびる複数の
   爪状磁極部とを有する回転子と、この回転子の外周に配
   置された固定子巻線を有する固定子と、 上記ボス部の外周に巻かれた界磁巻線と、 この界磁巻線に電流を流した際に、前記突出部に流れる
   磁束の向きと同じ方向に磁束が流れるように、前記突出
   部に当接して設けられた、永久磁石と、 を備えた交流発電機。
2. （２）前記永久磁石は、前記回転子の突出部にそれぞれ
   設けられ、かつ板状の第１、第２、または少なくともそ
   の一方の永久磁石からなる請求項１記載の交流発電機。
3. （３）前記回転子の爪状磁極間には、第３の永久磁石が
   挿入されると共に、隣接する第３の永久磁石は、対向す
   る面が同一の極性である請求項２記載の交流発電機。
4. （４）前記第１、または第２の永久磁石の軸方向端面に
   は、これら磁石の磁束を前記回転子の突出部および固定
   子に流すように、第１、または第２の継鉄板が設けられ
   ている請求項２記載の交流発電機。
5. （５）前記回転子の突出部の断面積は外周側に従って、
   大きくなっていることを特徴とする請求項２記載の交流
   発電機。