JPH0898481A - 車両用交流発電機 - Google Patents
車両用交流発電機Info
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- JPH0898481A JPH0898481A JP6212701A JP21270194A JPH0898481A JP H0898481 A JPH0898481 A JP H0898481A JP 6212701 A JP6212701 A JP 6212701A JP 21270194 A JP21270194 A JP 21270194A JP H0898481 A JPH0898481 A JP H0898481A
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Abstract
磁鉄心で爪形磁極間の空隙に永久磁石が介設されたも
の)において、大きな出力電流を発生することが可能な
爪形磁極数P/外径Dの比率を有する車両用交流発電機
を提供する。 【構成】 両発明の車両用交流発電機において、周方向
に隣接する爪形磁極63、63間の間隙に介設される永
久磁石69は、界磁コイル7により形成されて前記間隙
に漏洩する漏れ磁束を低減する。爪部63の側面の60
%以上を囲覆する永久磁石に予め漏れ磁束を低減する方
向に0.25テスラ以上の残留磁束密度を与える場合、
界磁鉄心6の極数/界磁鉄心の外径の比率が、1.6〜
2.0×10-1(1/mm)の範囲内にて、大きな出力
電流が得られた。
Description
心を有する車両用交流発電機に関する。
動軸にランデル型界磁鉄心(爪形磁極付きの界磁鉄心)
に界磁コイルを巻装した同期発電機(以下、オルタネ−
タともいう)が多用されている。本出願人の出願になる
特開昭61−85045号公報は、爪形磁極付きの界磁
鉄心の各爪形磁極間の空隙に永久磁石を介設し、この永
久磁石を爪形磁極間の漏れ磁束と反対方向へ磁化して、
上記漏れ磁束を低減することを開示している。
を磁石型界磁鉄心という。
機には、出力/重量比すなわち出力/体積比を最大とす
ることが強く要求されており、そのために、ランデル型
の(爪形磁極付きの)界磁鉄心には一定の最適形状が存
在する。なお、この界磁鉄心は爪形磁極間に永久磁石を
持たないので、以下において無磁石型界磁鉄心とも呼ば
れる。
線係数などに依存する定数、D2 Lはロータ外径Dとス
テータコア(電機子鉄心)の積層厚さ(軸方向長さ)L
とで決まるエネルギ変換空間容積、Bgは空隙磁束密
度、acは電機子内径部へ印加され得るアンペアコンダ
クターすなわちアンペア回数/πD(A/mm)であ
る。前記Bgは、発生磁束ΦB のうち有効磁束Φgの割
合すなわち磁気効率ηに比例する。また、上記アンペア
コンダクターacは電機子巻線の巻数に主に依存してお
り、極数Pが多いと同一発生電圧を得るのに低巻数でよ
いことから理解されるように極数Pに比例的である。す
なわち、上記出力Iは、
して比例的であることが周知である。したがって、上記
式から考えると同一体格の場合(D2 L、D一定)には
極数Pが多いほど出力向上が期待されることになるが、
実際に磁気効率ηが低下することが影響し、自ずと最適
の極数Pが存在することが定性的、実験的に(図5「磁
石無し」の特性例参照)知られている。
が以下の相互関係をもつことを、発見した。すなわち、
無視できるため、
ピッチにおける磁極弧の締める割合、すなわち磁極占有
割合(アークレシオとも呼ばれる)である。
気効率η=Φg/(Φg+Φl)は、
上、概そ一定とすべきことは周知の通りであり、Uは通
常0.6〜0.7に設定される。従って、まとめると出
力電流Iは、
D)を変数とする極大値を有する関数となるとともに、
漏洩が少ないとき(K2 が小)にはその極大値は(P/
D)の大きい方へ移動し、かつその極大値も向上すると
いう原理があることを発見した。ただし、実際には漏れ
磁束が減少した分、有効磁束が増加するため、有効磁束
により磁極が飽和した点で出力電流は飽和する。従っ
て、極大値は一定の大きさの(P/D)値以上は移動し
ない。
であり、磁石型界磁鉄心(すなわち爪形磁極付きの界磁
鉄心で爪形磁極間の空隙に永久磁石が介設されたもの)
において、最大出力電流を発生することが可能な爪形磁
極数P/外径Dの比率を有する車両用交流発電機を提供
することを、その目的としている。
ハウジングと、該ハウジングに回転自在に嵌挿される駆
動軸と、前記ハウジングの内周面に支持される円筒状の
電機子鉄心と、該電機子鉄心に巻装される電機子コイル
と、前記駆動軸に嵌着される爪形磁極付きの界磁鉄心
と、前記界磁鉄心に巻装される界磁コイルと、前記爪形
磁極の側面間に介設されて前記各爪形磁極間の漏れ磁束
を低減すると共に前記電機子鉄心に磁束を鎖交させる永
久磁石とを備える界磁回転型回転電機において、前記永
久磁石の残留磁束密度は0.25テスラ以上に設定さ
れ、かつ、爪形磁極数/界磁鉄心の外径の比率である
「極数/外径」比率が、1.6〜2.0×10-1(1/
mm)の範囲内に設定されていることを特徴としてい
る。
場合の爪状磁極間の磁束密度が約0.1〜0.2テスラ
であるのでこれを上まわる0.25テスラ以上が得られ
るように磁化されたフェライト系の焼結磁石が適してお
り、爪形磁極の周方向の側面のほぼ全面、全数に配設さ
れ、磁化方向は界磁コイルにより磁化された爪形磁極間
の漏れ磁束を低減する方向である。また、永久磁石の保
磁力は所定の磁極間スペースに収まる厚みにおいて界磁
コイルによる磁化によりこの永久磁石の磁化方向が反転
しないだけの保磁力を有する。
おいて更に、前記界磁鉄心の外径が80〜110mm、
爪形磁極数は16〜20個の範囲内に設定されているこ
とを特徴としている。本発明の第3の構成は、上記第1
または第2の構成において更に、前記永久磁石がフェラ
イト系の焼結磁石からなることを特徴としている。
おいて更に、前記永久磁石の径方向内側面と前記電機子
コイルの径方向外側面との間に、放熱用空間が形成され
ていることを特徴としている。本発明の第5の構成は、
上記第1の構成において更に、前記永久磁石が、前記爪
型磁極が嵌合する溝部を有するとともに、円筒形状に形
成されていることを特徴としている。
おいて更に、前記永久磁石が、樹脂性保持部材中に埋設
された状態で前記爪状磁極間に固定されていることを特
徴としている。
隣接する爪形磁極間の間隙に介設される永久磁石は、界
磁コイルにより形成されて前記間隙に漏洩する漏れ磁束
を低減する。すなわち、上記した原理により爪形磁極の
側面に磁石を介設すれば、永久磁石を介設しない場合に
比べて漏れ磁束ΦLが減少できるので、その分、出力が
増加できるはずである。
率である極数/外径比率は、永久磁石が無い場合におい
て最高出力が得られる無磁石最高出力条件下の極数/外
径比率より大きくなる範囲まで、爪形磁極数Pを増設し
た。実験結果によれば、図5に示すように上記永久磁石
の介設をしたものでは磁石のない従来の場合と全く異な
り、極大値が移動し、永久磁石の残留磁束密度が0.2
5テスラ以上において、P/Dの適切な範囲が0.16
〜0.2の範囲となり、その極大値も上記従来の場合よ
り一層大きくなることが確かめられ、前記の理論が実証
されることを発見した。
極間への永久磁石の介設による漏れ磁束の低減に合わせ
て、無磁石型界磁鉄心よりも極数/外径比率を大きく設
定し、永久磁石の残留磁束密度が0.25テスラ以上に
おいて、1.6〜2.0×10 -1(1/mm)と設定し
たので、従来の無磁石型界磁鉄心を採用する車両用交流
発電機よりも出力増加を実現できるのみならず、永久磁
石を介設した磁石型界磁鉄心を採用する車両用交流発電
機においても優れた出力向上効果を実現することができ
た。
おいて更に、前記永久磁石の径方向内側面と前記電機子
コイルの径方向外側面との間に、放熱用空間が形成され
ているので、冷却性に優れる。本発明の第5の構成は、
上記第1の構成において更に、前記永久磁石が、前記爪
型磁極が嵌合する溝部を有するとともに、円筒形状に形
成されているので、永久磁石と爪形磁極との結合性が向
上する。
おいて更に、前記永久磁石が、樹脂性保持部材中に埋設
された状態で前記爪状磁極間に固定されているので、ロ
ータ製造時に永久磁石組付けが容易となり、かつ、異物
混入時に磁石を保護するという効果を奏する。
1に示す。この発電機は、車両のエンジンル−ム内での
車両用エンジン(図示せず)前面に配装された三相交流
発電機いわゆるオルタネ−タであって、フロントハウジ
ング1とこのフロントハウジング1の後端開口に接合さ
れて内部空間Sを閉成するリヤハウジング2とからなる
ハウジングを有し、フロントハウジング1及びリヤハウ
ジング2には軸受30により駆動軸3が回転自在に支承
されている。
電機子鉄心4が嵌入、固定されており、電機子鉄心4に
は電機子コイル5が巻装されている。駆動軸3には2個
の半界磁鉄心6a、6bを軸方向に密着してなる界磁鉄
心6が一体回転可能に嵌装されており、界磁鉄心6には
界磁コイル7が嵌装されている。
(以下、爪部ともいう)63の間の空隙には永久磁石
(図3、図4参照)69が介設されているが、図1では
その図示は省略されている。駆動軸3のフロントハウジ
ング1の前端部外には車両用エンジン(図示せず)によ
り駆動されるプ−リ31が嵌装されており、爪形磁極付
きの界磁鉄心6の両端柱部62には冷却ファン8が固定
されている。
カバ−9がリヤハウジング2に固定され、リヤカバ−9
の内には界磁コイル7に界磁電流を給電するブラシ91
が設けられ、駆動軸3にはこのブラシ91に接触してス
リップリング92が嵌装されている。また、リヤカバ−
9内には、界磁電流制御により出力を調整する電圧調整
器93及び電機子コイル5からの出力電圧を三相全波整
流する整流器94が配設されている。
動軸3の回転と界磁コイル7への界磁電流の通電により
電機子コイル5に三相交流電圧が生じ、それを整流装置
94により整流するとともに、電圧調整器93により界
磁電流を制御して発電電圧を調節している。半界磁鉄心
6a,6bの詳細を図2〜図4を参照して説明する。
視側面図を示し、図3は界磁鉄心6の正面図で示し、図
4は半界磁鉄心6a,6bの外周面の展開図を示す。半
界磁鉄心6a,6bはそれぞれ、電機子鉄心4の内側に
位置して駆動軸3の中央部に嵌着される円筒状の基筒部
61と、基筒部61の両端からそれぞれ放射方向に延在
する端柱部62と、両端柱部62の先端部から互いに向
かい合うように軸方向に延びる各同数(本実施例では8
個づつ)の爪部(本発明でいう爪形磁極)63とからな
り、半界磁鉄心6aの基筒部61の右端面と半界磁鉄心
6bの基筒部61の左端面とは接合されている。界磁コ
イル7は基筒部61、61に巻装され、爪部63は界磁
コイル7を囲包している。各爪部63は、両端柱部62
から周方向へ所定間隔を隔てて交互に位置し、かつ、そ
れぞれ軸方向へ次第に先細形状となっている。
63は、部分円筒面である外周側の面63aと、部分円
錐面からなる内周側の面63bと、ほぼ径方向に延在す
る平面からなる両側面63c、63dと、軸方向と直角
方向に延在する平面からなる先端面63eとからなり、
端柱部62の互いに対向する側端面の外周部から軸方向
へ延設されている。ただし、互いに対向する両側面63
c、63dは外径方向へいくにしたがい、僅かに周方向
長が減少するように形成されており、これにより両側面
63c、63d間の間隙に収容される永久磁石69は遠
心方向へ離脱しないように爪部63により支持されるよ
うになっている。
部寸法を示す。まず、軸心から爪部63の外周側の面6
3aまでの距離からなる界磁鉄心6の外径(直径)Dは
80mmとした。左向きの爪部63の先端から右向きの
爪部63の先端までの軸方向の距離Aは26mmとし
た。図1からわかるように、電機子鉄心4の軸方向長L
x(図4参照)は距離Aの5%増しとされており、この
電機子鉄心4の内周面にエアギャップ(図示せず)を介
して対向する各爪部63の外周側の面63aが有効な磁
極面となる。なお、図2に示すように、爪部63の外周
側の面63a上において(外径Dの位置において)、爪
部63の根本側の周方向長L1がその全周に占める割合
を100%とし、爪部63の先端の周方向長L2がその
全周に占める割合を32%としている。
部63の先端の直径Di1は76mmとし、爪部63の
根元の直径Di2は60mmとしている。爪部63の内
周側の面63b上で、爪部63の根本の周方向長L3が
その全周に占める割合を80%とし、爪部63の先端の
周方向長L4がその全周に占める割合を32%としてい
る。
次に、永久磁石69について説明する。永久磁石69
は、図4に示すように、爪部63が嵌合する溝部69a
を有する円筒形状に形成され、溝部69aの表面は爪部
63の両側面63c,63d及び先端面63eに接着さ
れている。永久磁石69は、フェライト粉末を含有する
焼結磁石からなり、永久磁石69の外周側の面69aは
爪部63の外周側の面63aとともに円筒面を形成して
いる。永久磁石69の内径は60mmとされている。
爪部63がN極となり、右側の半界磁鉄心6bの爪部6
3がS極となるので、左側の半界磁鉄心6aの爪部63
に接する永久磁石69の溝部表面がN極に磁化され、右
側の半界磁鉄心6aの爪部63に接する永久磁石69の
溝部表面がS極に予め磁化されて、隣接する爪部63、
63間の漏れ磁束ΦLが低減される。永久磁石69は、
TDK株式会社のFB−5H相当の異方性フェライト焼
結磁石からなり、残留磁束は0.4テスラ(20℃)、
保持力は300kA/m(20℃)であった。
例するが、残留磁束密度と保磁力とは比例関係にあるた
め、磁石の起磁力を設定するには、残留磁束密度であっ
ても保磁力であっても良い。従って、他の同等以上の残
留磁束密度または保磁力の性能をもつ永久磁石により、
永久磁石69を構成することは可能である。その他の諸
元を説明する。
子鉄心4の外径は96mm、内径は80.6mm、その
スロット深さは5mm、スロット幅は12極で3.0m
mとし、スロット数は界磁鉄心の3倍とし、スロット数
に応じてスロット幅は比例変化させている。電機子コイ
ルは3相スター接続されている。界磁鉄心6の基筒部6
1の外径は38mm、界磁鉄心6の軸方向全長は46m
mとした。
A、励磁力は1572ATとした。上記のように構成し
た界磁鉄心6を有する車両用交流発電機において、界磁
鉄心6の外径Dを種々変更し、それにともない各部寸法
を比例変化させた各モデルそれぞれについて、爪部63
の個数(極数)を変更した場合の最大出力電流の変化を
図5に点線で示す。なお、実線は、上記各モデルと同じ
形状の従来モデル(永久磁石69無し)の最大出力電流
を示す。
(有効出力電流が生じる回転数)が変化するので、電機
子コイル7の巻回数の調節(コイル断面積の調節)によ
り、図5の各特性線は全て1000rpmにて出力電流
が立ち上がる(14.5Vのバッテリを充電し始める)
ように設計してある。図5から、以下のことが分かる。
極)63の間の間隙に永久磁石69を介設することによ
り、隣接する爪部63間の漏れ磁束ΦLが大幅に低減で
き、その分又はそれ以上に各爪部63の外周側の面63
aから電機子コイル7側へ放出される有効磁束量が増加
し、その分、最大出力電流が増大する。第二に、従来の
永久磁石無しのランデル型回転子では径の変更に関わら
ず、極数/外径D(界磁鉄心の外径)からなる極数/外
径比率が1.2〜1.4×10 -1(1/mm)の範囲で
最大出力電流が得られるものの、本実施例の永久磁石6
9を有するランデル型回転子では、極数/外径比率が
1.6〜2.0×10-1(1/mm)の範囲で最大出力
電流が得られることがわかる。範囲を1.7〜1.9×
10-1(1/m)にすると更に好ましい。
ことは、実質的に爪部63間の間隙長が増大するのに等
しいと考えることができるので、実質的な爪部63間の
間隙長は従来と同じとしたままその分だけ爪部63の数
(極数)を増加することができ、出力電流を増加するこ
とができる。もちろん、本実施例でも極数を増加し過ぎ
ると、漏れ磁束ΦLが増加して却って最大出力電流が低
下してしまう。図5中に本実施例の発電機で、永久磁石
の残留磁束密度を0.25テスラ(20°C)に設定し
た場合の極数を変更した場合の最大出力電流の変化を一
点鎖線で示す。図5より、極数/外径の比率が約1.6
で最大出力電流が得られることがわかる。
ラ以上に設定した場合、有効磁束の増加により、磁極が
飽和してしまい、最大出力電流は増加せず、極数/外径
の比率は、0.4テスラの場合とほぼ同等の値となる。
永久磁石を介設した場合、磁石無しの場合の爪状磁極間
の磁束密度が約0.1〜0.2テスラであるので、これ
を上回る0.25テスラ以上の永久磁石が適している。
その場合の極数/外径比率は、0.25テスラでの最大
出力のピ−ク点である1.6×10-1(1/mm)か
ら、磁束の飽和が生じる0.45テスラ以上で最大値近
傍の大きな出力電流が得られる2.0×10-1(1/m
m)の範囲が好ましい。
0°C)以上であればよいので、安価なフェライト磁石
により容易に達成することができる。さらに、このフェ
ライト磁石は高温で減磁することがないため、高品質な
発電機を提供できる。したがって、永久磁石(上記した
永久磁石69又はそれと同等品)を介設した場合、上記
した極数/外径比率が1.6〜2.0×10-1(1/m
m)の範囲で最大値近傍の出力電流が得られる。
こともできるが、その場合には、製造費用が格段に増大
し、実用性が下がるが、残留磁束密度が0.25テスラ
以上(20℃)のものであれば、フェライト以外のもの
でもよい。また、永久磁石69は爪部63の側面63
c,63dの全部を囲覆する必要はなく、少なくともそ
の60%以上を囲覆した場合でも上記極数/外径比率が
1.6〜2.0×10-1(1/mm)の範囲で最大出力
電流が得られた。
に、複数の棒状磁石691を用い、樹脂からなる樹脂性
保持部材70中に埋設して、全体的に冠形状として、爪
部63間に嵌合するようにしてもよい。
断面図、
る。
率と最大出力電流との関係を示す特性図である。
る。
Claims (6)
- 【請求項1】 ハウジングと、該ハウジングに回転自在
に嵌挿される駆動軸と、前記ハウジングの内周面に支持
される円筒状の電機子鉄心と、該電機子鉄心に巻装され
る電機子コイルと、前記駆動軸に嵌着される爪形磁極付
きの界磁鉄心と、前記界磁鉄心に巻装される界磁コイル
と、前記爪形磁極の側面間に介設されて前記各爪形磁極
間の漏れ磁束を低減すると共に前記電機子鉄心に磁束を
鎖交させる永久磁石とを備える界磁回転型回転電機にお
いて、 前記永久磁石の残留磁束密度は0.25テスラ以上に設
定され、かつ、爪形磁極数/界磁鉄心の外径の比率であ
る「極数/外径」比率は、 1.6〜2.0×10-1(1/mm)の範囲内に設定さ
れていることを特徴とする車両用交流発電機。 - 【請求項2】 前記界磁鉄心の外径は80〜110m
m、爪形磁極数は16〜20個の範囲内に設定されてい
る請求項1記載の車両用交流発電機。 - 【請求項3】 前記永久磁石はフェライト系の焼結磁
石からなる請求項1または2に記載の車両用交流発電
機。 - 【請求項4】 前記永久磁石の径方向内側面と前記電機
子コイルの径方向外側面との間に、放熱用空間が形成さ
れている請求項1記載の車両用交流発電機。 - 【請求項5】 前記永久磁石は、前記爪型磁極が嵌合す
る溝部を有するとともに、円筒形状に形成されている請
求項1記載の車両用交流発電機。 - 【請求項6】 前記永久磁石は、樹脂性保持部材中に埋
設された状態で前記爪状磁極間に固定されている請求項
1記載の車両用交流発電機。
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