JPH08322198A - エンジン駆動永久磁石式溶接用発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度上昇の抑制対策を施してネオジム−鉄−
ほう素系希土類磁石を用いるエンジン駆動溶接用発電機
を提供すること。 【構成】 エンジン２００によって駆動され、溶接用出
力および補助電源用出力を形成するエンジン駆動溶接用
発電機において、積層構造の電機子鉄心１１１に電機子
巻線１１２が巻装された固定子１１０と、積層構造の界
磁鉄心１２１の外周面にできるだけ隙間がない状態で、
ネオジム−鉄−ほう素系希土類磁石を主成分とする界磁
磁極数と同数の磁石プレート１２２が設けられ、かつ前
記界磁鉄心の両端面外周寄りの位置には遠心ファン１２
３が設けられ、回転中心寄りの位置には厚み方向に貫通
する複数の貫通通風路１２１ａが設けられており、前記
エンジンに片持ち支持された回転子１２０と、前記エン
ジンに固定され、前記固定子を支持するハウジング１０
１、およびこのハウジングと組み合わされて前記回転子
の反エンジン側の面から前記通風路を通る通風路を形成
するカバー１０３を有するエンクロージャと、をそなえ
たことを特徴とするエンジン駆動溶接用発電機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジン駆動溶接用発
電機に係り、とくに回転界磁を永久磁石により構成した
ものに関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】野外
で溶接作業を行う場合には、発電機と組み合わせられた
可搬型エンジン溶接機が汎用されている。これは、野外
のような電源の得にくい環境では、機械加工器具および
照明器具の電源が必要であっても得られず、これらの電
源も併せて溶接機から供給することが要請されているた
めである。

【０００３】そこで、回転界磁型の同期発電機として構
成され、溶接用出力の他に補助電源用出力を生じる溶接
用発電機が広く利用されている。

【０００４】そして、この種の発電機の殆どは、エンジ
ン回転数に合わせて商用電源周波数の補助電源用出力を
得るために、２極または４極の発電機として３６００ｒ
ｐｍ−２極−６０Ｈｚまたは１８００ｒｐｍ−４極−６
０Ｈｚの構成としており、他方溶接用出力は３相交流出
力を全波整流して直流アーク溶接出力としている。

【０００５】このように２極または４極で回転界磁型と
する結果、図５に示すように、発電機１とエンジン２と
を連結するとかなりの大型機とせざるを得ない。たとえ
ば１５０Ａクラスの溶接機に発電機を設ける場合であっ
ても、回転子鉄心の直径が１４０mmφで約６０mmの積み
重ね厚を必要とし、この鉄心に界磁巻線を施し、かつ固
定子に電機子巻線を施したときのコイルエンドまでを考
慮すると１２０mm超の軸方向長となる。大型になる原因
は、回転子に巻装されている界磁巻線による温度上昇に
対処するためである。このように大型であると可搬性に
欠けるから不都合であり、小型軽量化が求められてい
る。

【０００６】しかし、このように界磁巻線および電機子
巻線をともに備えた発電機では、両巻線の発生熱が作用
し合って発電機内部の温度上昇を招き易く、その結果巻
線の抵抗値を増すので、巻線の発熱を良好に排出できる
ような構造が採られない限り小型化は不可能である。

【０００７】このようなことから、可搬型の溶接用発電
機としては、界磁巻線の代わりに永久磁石を用いるなど
の根本的な変革が必要とされている。

【０００８】そこで、回転電気機械として発電機と共通
要素を有する電動機の分野を参酌すると、界磁巻線の温
度上昇の問題を解決したものとして、永久磁石による回
転界磁を設けた磁石式電動機が商品化されている。そし
て、高い磁気特性を求めて、希土類磁石とくにサマリウ
ムコバルト系磁石が汎用されている。

【０００９】このサマリウムコバルト系磁石は、磁気的
には十分な特性を有するものであり、電動機とか通常の
発電機のような定常的に定出力を生じる場合には問題な
く適したものといえる。

【００１０】これに対して、溶接用発電機の場合は問題
がある。つまり溶接作業は短絡、開放の繰り返しであっ
て反作用磁束が大である上に、駆動源としてのエンジン
から伝わる振動の問題、溶接機特有のほぼ１０分周期の
断続運転の問題、および定常負荷でなく大電流の短絡−
開放の繰り返しによるブレーキおよび振動の問題が加わ
り、磁石にはかなりの機械的強度が要求される。

【００１１】実際に試験したところ、サマリウムコバル
ト系希土類磁石は強度的に不十分で磁石の破損が生じ
た。

【００１２】そこで、機械的強度に優れる他の希土類磁
石としてネオジム−鉄−ほう素系希土類磁石が検討対象
となった。

【００１３】しかしながら、このネオジム−鉄−ほう素
系希土類磁石は、図６に示すように、残留磁束密度の温
度特性がサマリウムコバルト系希土類磁石より悪く、エ
ンジン駆動発電機のようにエンジンからの伝達熱および
輻射熱による温度上昇が大きくて１００°Ｃ以上にもな
る場合には、磁石の磁気特性が回復しなくなるなどの問
題であることが判明した。

【００１４】本発明は上述の点を考慮してなされたもの
で、温度上昇の抑制対策を施してネオジム−鉄−ほう素
系希土類磁石を用いるエンジン駆動溶接用発電機を提供
することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明では、請求項１記載の、エンジンによって駆動さ
れ、溶接用出力および補助電源用出力を形成するエンジ
ン駆動溶接用発電機において、積層構造の電機子鉄心に
電機子巻線が巻装された固定子と、積層構造の界磁鉄心
の外周面に、できるだけ隙間がない状態で、ネオジム−
鉄−ほう素系希土類磁石を主成分とする多極磁石プレー
トが設けられ、かつ前記界磁鉄心の両端面外周寄りの位
置には遠心ファンが設けられ、回転中心寄りの位置には
厚み方向に貫通する複数の貫通通風路が設けられてお
り、前記エンジンに片持ち支持された回転子と、前記エ
ンジンに固定され、前記固定子を支持するハウジング、
およびこのハウジングと組み合わされて前記回転子の反
エンジン側の面から前記通風路を通る通風路を形成する
カバーを有するエンクロージャと、をそなえたことを特
徴とするエンジン駆動溶接用発電機、請求項２記載の、
請求項１記載のエンジン駆動溶接用発電機における前記
固定子および回転子からなる２台の発電機を前記エンジ
ンの軸方向各端それぞれに設け、これら発電機の各出力
の合成出力を生じるようにしたエンジン駆動溶接用発電
機、を提供するものである。

【００１６】

【作用】請求項１記載の構成により、エンジンによって
駆動され回転子が回転すると回転子の外周寄り両端面に
設けられた遠心ファンが回転して回転子の径方向の通風
が行われる。この通風は、エンクロージャに設けられた
カバーを通して発電機内に導入され、回転子の反エンジ
ン側端面に沿って流れカバーの径方向外方に抜ける冷却
風と、回転子の貫通通風路を通ってから回転子のエンジ
ン側端面に沿って流れカバーの径方向外方に抜けるもう
一つの冷却風とに分かれ、それぞれ回転子の界磁鉄心を
冷却する。そして、これら２つの冷却風は、ともに回転
子を冷却したのちに回転子の径方向外方にある固定子の
電機子巻線を冷却してカバー外に抜ける。界磁鉄心の冷
却により、界磁鉄心の外周面に設けられた磁石プレート
の温度上昇が防止される。

【００１７】請求項２記載の構成により、１台のエンジ
ンの駆動によりエンジンの軸方向各端に設けられた２台
の発電機を駆動してそれら両者の合成出力を生じる。

【００１８】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示した縦断面図
である。この図１は、本発明の一実施例であるエンジン
駆動溶接用発電機１００をエンジン２００の出力軸に片
持ち支持させた状態を示したものである。この発電機１
００は、エンジン本体２０１の出力軸側に取り付けられ
たハウジング１０１に対し貫通ボルト１０２によって固
定された固定子１１０と、エンジンの出力軸２０２にボ
ルト２０３によって固定された回転子１２０とを主たる
構成要素とする。ハウジング１０１の開放面側には、ト
ップカバー１０３が取り付けられる。

【００１９】固定子１１０は、後述するように、固定子
鉄心すなわち電機子鉄心１１１と電機子巻線１１２とを
有し、電機子巻線１１２に生じる出力は図示しないイン
バータにより周波数変換されて出力される。電機子鉄心
１１１は、その両端面の外周に、ハウジング１０１と係
合するものと、トップカバー１０３と係合するものとの
２つの突起部１１１ａを有し、ハウジング１０１に対す
る電機子鉄心１１１の固定と、電機子鉄心１１１に対す
るトップカバー１０３の固定とを行う。他方、電機子鉄
心１１１の内周面には、電機子巻線溝１１１ｂが設けら
れており、電機子巻線１１２が装入される。

【００２０】回転子１２０は、界磁鉄心１２１の外周面
に界磁磁極を形成する希土類磁石の磁石プレート１２２
が固定され、かつ両端面外周寄りに遠心ファン１２３が
設けられた永久磁石回転界磁として構成されている。界
磁鉄心１２１には、横断面形状が扇型の４つの通風路１
２１ａが設けられており、この通風路１２１ａの部分で
は界磁鉄心の外周部が内周部と空気によって切り離され
ていて、４つの扇型通風路１２１ａ同士を隔てる４本の
スポーク状部によってのみ界磁鉄心の外周部が内周部と
連結されている。界磁鉄心１２１の外周面には、希土類
磁石の磁石プレート１２２が固着されており、内周面は
エンジン出力軸２０２に固定されている。

【００２１】そして、回転子１２０を構成するには、磁
極数をいかにするかの問題がある。 （１）回転子の磁石プレートを最も効果的に冷却するこ
と、（２）電機子巻線を効果的に冷却すること、（３）
磁気能率の点から磁石プレートを正方形に形成するこ
と、の３点に留意する必要がある。

【００２２】まず、（１）回転子の磁石プレートを最も
効果的に冷却するには、界磁鉄心における磁石プレート
の下に磁束を十分の通すための磁路を形成しながら、磁
路よりも内周側は扇型の通風路として界磁鉄心の磁石プ
レートにできるだけ近い部分を冷却する。このために、
磁路のための界磁鉄心厚はできるだけ薄くできるよう
に、隣合う磁極までの距離が小さくなる多極構成である
ことが望ましい。

【００２３】各種の構成を検討した結果、１４極構成が
最もよく条件に適合した。

【００２４】次に、（２）電機子巻線を効果的に冷却す
るには、電機子巻線に多くの冷却風を当てることが必要
である。このために、電機子巻線の電機子鉄心中にある
部分の長さを少なくするため電機子鉄心の厚みを薄くす
ると、界磁鉄心の厚みも小さくなる。これは、磁石プレ
ートを小型にすることになり、界磁磁界の磁束密度が小
さくなる。この結果、過度に多極化することはできな
い。

【００２５】そして、固定子の鉄心の厚みと電機子巻線
の両側突出長との比を１／３，１／３，１／３に割り振
ると、最も良い結果が得られた。これを前提に各種の構
成を検討した結果、１４極が最もよく条件に適合した。

【００２６】さらに、（３）磁石プレートを正方形に形
成するには、界磁磁極数を適当に選択する必要がある。
これは、発電機外径をエンジン外径と同等にすること、
および磁石をあまり小型化しないことを考慮するためで
ある。

【００２７】各種の構成を検討した結果、１４極とする
と発電機外径がエンジン外径とほぼ同寸にできた。

【００２８】これをまとめたのが下表である。

【００２９】

【表１】 ハウジング１０１の開放面には、電機子鉄心１１１を保
持するための保持部１０１ａが、また外周面には排気孔
１０１ｂが設けられている。そして、ハウジング１０１
とともにエンクロージャを構成して、固定子１１０およ
び回転子１２０を内部に収容するトップカバー１０３に
は、この実施例における反エンジン側端面から吸気を行
うための吸気孔１０３ａが、そして外周面には排気孔１
０３ｂが設けられている。

【００３０】このため、回転子１２０が回転すると、図
に矢印付き曲線で示すように、吸気孔１０３ａから遠心
ファン１２３を経て２つの排気孔１０３ｂ、１０１ａそ
れぞれに到る２つの通風路を形成する。

【００３１】この２つの通風路によって、固定子１１０
および回転子１２０の通風冷却が行われる。このうち固
定子１１０については、主として電機子鉄心１１１から
突出した電機子巻線１１２の部分に冷却風を当てること
により、電機子巻線１１２の発生熱を奪い去る。この
際、電機子巻線１１２による発生熱に比べれば少ないも
のではあるが、電機子鉄心１１１での鉄損による発生熱
も併せて除去される。また、回転子１２０では、界磁鉄
心１２１の両側面に沿って流れる冷却風および扇型通風
路１２１ａを流れる冷却風により、界磁鉄心１２１への
伝達熱を除去する。これにより、界磁鉄心１２１の外周
面に設けられた磁石プレート１２２の温度上昇が防止さ
れ、磁石プレート１２２の磁気特性が熱により劣化する
ことを防止する。

【００３２】このような積極的な排熱冷却の外に、界磁
鉄心１２１では伝導熱の抑制による温度上昇防止が図ら
れている。これは、扇型通風路１２１ａが複数設けられ
た界磁鉄心１２１によりなされるもので、扇型通風路１
２１ａの存在により界磁鉄心１２１の径方向断面積が減
少するから、エンジン出力軸２０２から界磁鉄心１２１
の内周部には熱が伝達しても、さらに外周部までのエン
ジン熱の伝達は大幅に抑制される。そして、通風冷却が
効果的に行われれば、界磁鉄心１２１の外周部は温度上
昇しない。

【００３３】図２は、図１の実施例における回転子１２
０の完成間近の状態を示したものである。この回転子１
２０は、内周部および外周部の各リングからなる二重リ
ングを、扇型通風路１２１ａを間に挟んだ４本のスポー
ク状部で結合してなる鉄心１２１を形成し、この鉄心１
２１の両側面外周に遠心ファン１２３を設け、外周面の
装着部１２４に磁石プレート１２２をはめ込んで、その
外周に巻き付けた樹脂含浸ストリング１２５で固定する
構成を採っている。磁石プレート１２２は、多少の公差
をもって製造されても、遠心ファン１２３と一体的に構
成された内向き突起付き磁石押えにより公差が吸収され
て安定状態で保持される。図２では、この突起が各磁石
プレート１２２の両側に３カ所づつ設けられている。

【００３４】この構成では、鉄心１２１におけるスポー
ク部の周方向両側は、扇型に打ち抜かれた貫通通風路１
２１ａとなっている。この貫通通風路１２１ａは、遠心
ファン１２３による通風が行われたとき、カバー１０３
の中央部から軸方向に導入された冷却風をそのまま通過
させて回転子１２０のエンジン側まで導くために設けら
れている。

【００３５】この結果、鉄心１２１はその両側面および
貫通通風路周りの壁面が冷却風に曝されて冷却され、鉄
心全体が平均的かつ良好に冷却される。

【００３６】図３は、エンジン駆動溶接用発電機１００
がエンジン２００に取り付けられた状態を全体的に示し
たものである。図５に示した従来のエンジン駆動溶接用
発電機はエンジンよりも軸方向長が長いのに対し、この
図３に示した本発明による構成例では、エンジン２００
に比べてエンジン駆動溶接用発電機１００の軸方向厚み
の小さいことが明確である。

【００３７】図４は、本発明の実施例における出力回路
を示している。出力としては、溶接用直流電源と補助交
流電源との２出力を形成する。溶接用出力は、発電機１
００の一方の３相固定子巻線が回転子１２０と協働して
形成した３相出力を、接続線Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１により接
続された３相制御整流器ＣＲに与え、この制御整流器Ｃ
Ｒを溶接電源制御回路によって制御して形成した直流出
力を、出力端子Ｐ，Ｎ間に生じる。また補助電源用出力
は、発電機１００の他方の３相固定子巻線が回転子１２
０と協働して形成した３相出力を、接続線Ｕ３、Ｖ３、
Ｗ３を介して３相整流器ＲＥＣに与え、その整流出力を
トランジスタインバータＩＮＶに与え、補助電源制御回
路によってトランジスタインバータＩＮＶを制御して形
成した単相交流出力を出力端子Ｒ，Ｔ間に生じる。

【００３８】これにより、溶接用電源としての直流出力
と補助電源としての単相出力とが形成される。

【００３９】

【発明の効果】請求項１記載の構成によれば、回転子の
回転により遠心ファンが回転して回転子の径方向の通風
が行われ、この通風によって、カバーを通して発電機内
に導入され、回転子の反エンジン側端面を冷却する冷却
風と、回転子の貫通通風路を通ってから回転子のエンジ
ン側端面を冷却するもう一つの冷却風とが生じて、それ
ぞれ回転子の界磁鉄心を冷却し、さらに回転子の径方向
外方にある固定子の電機子巻線を冷却してカバー外に抜
けるから、界磁鉄心の冷却により界磁鉄心の外周面に設
けられた磁石プレートの温度上昇が防止されるととも
に、電機子巻線の冷却も行われ、温度特性の必ずしも良
好でないネオジム−鉄−ほう素系希土類磁石を主成分と
する希土類磁石を界磁に用いた発電機を良好な状態で運
転することができる。

【００４０】請求項２記載の構成により、１台のエンジ
ンの駆動によりエンジンの軸方向各端に設けられた２台
の発電機を駆動してそれら両者の合成出力を生じるた
め、単位発電機が小出力であっても大出力の発電機を簡
単に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の縦断面図。

【図２】図１の実施例に用いる回転子の完成間近の状態
を示した図。

【図３】図１の実施例をエンジンに連結した状態を示す
外観図。

【図４】図１の実施例を用いた補助電源付き溶接用発電
機の結線図。

【図５】従来のエンジン駆動溶接用発電機の外観図。

【図６】ネオジム−鉄−ほう素系希土類磁石の温度−減
磁率特性を示す図。

【符号の説明】

１００ 発電機 １０１ ハウジング １０３ カバー １１０ 固定子 １１１ 固定子鉄心 １１２ 固定子巻線 １２０ 回転子 １２１ 回転子鉄心 １２２ 磁石プレート １２３ 遠心ファン １２４ 装着部 １２５ 樹脂含浸ストリング ２００ エンジン ２０１ エンジン本体 ２０２ 出力軸 ＲＥＣ 整流器 ＩＮＶ トランジスタインバータ ＣＲ 制御整流器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山 本 弘 孝 東京都中野区上高田４丁目２番２号 デン ヨー株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンによって駆動され、溶接用出力お
   よび補助電源用出力を形成するエンジン駆動溶接用発電
   機において、 積層構造の電機子鉄心に電機子巻線が巻装された固定子
   と、 積層構造の界磁鉄心の外周面に、できるだけ隙間がない
   状態で、ネオジム−鉄−ほう素系希土類磁石を主成分と
   する多極磁石プレートが設けられ、かつ前記界磁鉄心の
   両端面外周寄りの位置には遠心ファンが設けられ、回転
   中心寄りの位置には厚み方向に貫通する複数の貫通通風
   路が設けられており、前記エンジンに片持ち支持された
   回転子と、 前記エンジンに固定され、前記固定子を支持するハウジ
   ング、およびこのハウジングと組み合わされて前記回転
   子の反エンジン側の面から前記通風路を通る通風路を形
   成するカバーを有するエンクロージャと、 をそなえたことを特徴とするエンジン駆動溶接用発電
   機。
2. 【請求項２】請求項１記載のエンジン駆動溶接用発電機
   において、 前記固定子および回転子からなる２台の発電機を前記エ
   ンジンの軸方向各端それぞれに設け、 これら発電機の各出力の合成出力を生じるようにしたエ
   ンジン駆動溶接用発電機。