JPH11511638A - 永久磁石ロータ交流発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 永久磁石ロータ交流発電機はワンピースのロータハブ／フライホイール／始動ギアを有する。より高い交流発電機効率を可能ににする３つの高残留磁気セラミック永久磁石は１２の交互の磁極の連続したリングを持つロータを有する。磁石はセラミックであり、延ばされたクランクシャフトによって駆動されるロータハブに接着剤で固定されている。ロータは巻回したステータアセンブリ内で回転し、積層したステータコアは交流発電機のフレームアセンブリの部品であり、ロータ磁石が緩んだときにシールドとして機能する。

Description

【発明の詳細な説明】 永久磁石ロータ交流発電機 発明の背景 本発明は、一般に、内燃機関用永久磁石ロータ交流発電機に関し、特に、ロー タハブが内燃機関のフライホイール／始動ギアの一体部品である、永久磁石ロー タ交流発電機に関する。 先行技術の記載 多数の自動車用の交流発電機は巻回したステータとロータのアセンブリ（組立 体）を用いる。電磁力は電流をロータ巻線に流すことによってロータ巻線内およ び周囲に発生される。回転中のロータによって発生された磁界がステータにおけ る巻線と結合すると、電流がステータ巻線に誘起される。このような交流発電機 は、ロータの回転中ロータに必要な電流を流す閉じた回路を維持するために、ブ ラシ、即ち、スリップリングを必要とする。これらの機械的な連結は摩耗と腐食 の損傷を受け易い。また、電気的ノイズも普通であり、最新の自動車に共通な他 の敏感な電子装置に影響を与える恐れがある。 永久磁石ロータ交流発電機は、電流をロータに供給することを要しない。磁性 材料に固有の、また磁性材料によって発生される磁界は、磁石がステータ巻線に 関して移動するにつれて、ステータに電流を誘起させる。電流をロータに供給す る必要がないので、スリップリングおよびブラシの必要がない。この結果、これ らの要素を用いる交流発電機に伴うノイズと摩耗がない。 巻回したロータ装置用の従来の調整手段、例えば、ロータ巻線の界磁電流の制 御装置は永久磁石ロータ発電機に適用できないが、 バイポーラＳＣＲ装置、ブリッジ整流器、および関連する回路を備えた他の手段 が効率的にかつ信頼性をもって用いられてきた。調整は装置の要件事項を越えな いように出力電流を短絡することによって行われるが、同時に、バッテリが短絡 されないようにされる。 永久磁石ロータ交流発電機と磁石発電機は小さい工業用エンジンや船舶用の用 途に長年の間用いられてきており、成功を収めている。ロータは、多くは、フラ イホイール／始動ギアの一体部品であるが、先行技術の装置には２、３の欠点が ある。代表的には、カップ状のロータアセンブリが用いられる。個々の磁石はイ ンナー（内側）リムで「カップ」に固定され、環状ギアは、始動モータによって 駆動できるように、アウター（外側）リムに溶接されるか圧ばめされている。こ のような装置では、ステータはロータアセンブリに対して内側にあり、したがっ て、外側の回転中のロータアセンブリは露呈されたままである。この配列は嵩張 るものであり、高速のｒｐｍで回転しているとき、磁石が緩むような潜在的な危 険がある。磁石が緩むと、装置は動的に不安定になる。付加的なカバーが突出し た磁石を保護するために用いられてもよいが、カバーは容積を増し、コストを増 し、複雑さを増すことになる。特許された先行技術の例が米国特許第４，３４５ ，５５３号（発明者：マグレーン等）、米国特許第３，９５５，５５０号（発明 者：カールソン）、米国特許第３，１４０，４１３号（発明者：テリー等）、米 国特許第２，９７６，４３９号（発明者：キークハーファー）および米国特許第 ２，８５６，５５０号（発明者：フェロン）に開示されている。 発明の要約 したがって、本発明の目的は、改良した永久磁石ロータ交流発 電機を提供することにある。 本発明の他の目的は、ロータハブが内燃機関のフライホイール／始動ギアの一 体部品である、改良した永久磁石ロータ交流発電機を提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、複雑さを減少させた、改良した永久磁石ロータ交 流発電機を提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、固有の安全性が増した、改良した永久磁石ロータ 交流発電機を提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、効率を改善した、改良した永久磁石ロータ交流発 電機を提供することにある。 要約すると、これらの目的およびその他の目的は、永久磁石ロータおよび巻回 したステータと、ワンピースのフライホイール／始動ギアロータアセンブリを備 え、高残留磁気セラミック永久磁石を用いた交流発電機によって達成される。各 磁石は４つの交互の極性に着磁され、１２の交互の極性の連続したリングを形成 するように当接関係でロータハブに接着剤で固定されており、外側の巻回したス テータは内燃機関のエンジンブロックに直接固定されたフレームアセンブリの部 品である積層したコアから成る。 本発明のその他の目的と特徴は好ましい実施例の以下の詳細な説明から明らか である。 図面の簡単な説明 本発明を添付図面を参照してさらに説明する。 図１は、本発明の好ましい実施例に従って構成された永久磁石ロータ交流発電 機を持った小さい内燃機関の背面図である。 図２は、本発明の好ましい実施例の一体成形のロータハブの背面図である。 図３は、本発明の好ましい実施例の一体成形のロータハブの側 面図である。 図４は、本発明の好ましい実施例の永久磁石が接着剤で固定された一体成形の ロータハブの背面図である。 図５は、本発明の好ましい実施例の永久磁石が接着剤で固定された一体成形の ロータハブの側面図である。 図６は、本発明の好ましい実施例のステータアセンブリの図である。 図７は、本発明の好ましい実施例の同心関係にあるロータおよびステータアセ ンブリの図である。 図８は、磁束方向の指示を含む、本発明の好ましい実施例のロータおよび積層 体の図である。 図９は、本発明の好ましい実施例の同心関係にあるロータおよびステータアセ ンブリの断面図である。 図１０は、本発明の好ましい実施例の永久磁石ロータ交流発電機の背面図であ る。 図１１は、本発明の好ましい実施例の永久磁石ロータ交流発電機全体の側面図 である。 好ましい実施例の詳細な説明 図面では、同一の符号が図面を通して同様な要素を示す。特に、図１を参照す ると、永久磁石ロータ交流発電機１０を持つ小さい内燃機関の背面図が示されて いる。他に示されているものには、端部フレーム１２、タブ１４、駆動ボス１６ および始動モータ１８である。交流発電機１０はエンジンブロック（図示せず） に固定されている。交流発電機１０のロータアセンブリはエンジンのクランクシ ャフト（図示せず）によって駆動される。クランクシャフトはロータハブ２０に 係合するようにエンジンから軸線方向に延ばされており、ロータハブ２０はエン ジンのフライホイール ／始動ギアの一体部品である。これらの特徴を図面を参照してさらに詳細に説明 する。 次に、図２、図３を参照すると、ワンピース（一個構成部品）のロータハブ／ フライホイール／始動ギアの背面図と側面図が、それぞれ、描かれている。交流 発電機１０のこの一体部品は、今後、単にハブ２０と言うことにする。ハブ２０ は２つの円筒構造を有し、これらは通常のフライホイール／始動ギアとは区別さ れる。第１に、ハブ２０の突出部２２はフライホイール２４から軸線方向に延び ている。フライホイール２４は始動ギアとして働くようにギア歯２６を有する。 第２に、前述した駆動ボス１６は突出部２２から軸線方向に延びている。用語「 突出部」の使用は製造工程を述べるために意図したものではなく、むしろ、単に 形状関係を意味するためのものである。フライホイール２４、ギア歯２６、突出 部２２および駆動ボス１６は別個に指示されているが、それらはワンピースのハ ブ２０と一体構成である。さらに、それらは、クランクシャフトの延長部と共通 な単一の軸線を中心として対称的であり、その軸線に同心的である。また、ねじ 穴２８が示されているが、これは後述する冷却ファンと連結するためのものであ る。駆動ボス１６は穿孔され、ねじ切られており、多数の工業用途のために荷重 部材をハブ２０に取付け可能にするねじ山付き穴３０を形成している。駆動ボス １６の中心は、位置３２において、図９に示すように座ぐりに形成されている。 突出部２２の深さにわたって、ハブ２０は、テーパ状に形成されかつキー溝が形 成されたクランクシャフトの延長部がハブ２０としっかりと嵌合するように、加 工されている。延長したクランクシャフトの端部はねじ切られており、駆動ボス １６の座ぐり形成部分に嵌入するクランクシャフトのねじ切られた部分にナット でハブ２０を固定できるようになっている。 次に、ロータアセンブリ４０のそれぞれの背面図および側面図を示す図４およ び図５を参照すると、３つの永久磁石４２がハブ２０の周囲に取付けられている のが示されている。特に、磁石はフライホイール２４から離れた面内で、突出部 ２２の周囲に設定されている。ハブ２０は軟鋼から作られ、磁束に対して飽和し ないような十分な質量を有し、したがって、得られた磁界に対して低いリラクタ ンス磁束路を可能にする。この実施例では、磁石４２は、ケンタッキー州エリザ ベスタウン所在のクルーシブル マグネティックス社から市販されているフェリ マグ８Ａセラミック永久磁石であってもよいし、または任意の市販の高残留磁気 磁石であってもよい。高残留磁気磁石は、磁石の磁束強度が減少しにくいので磁 石が過度の振動や衝撃を受け易いところでの用途に適している。磁石４２は構造 用の接着剤でハブ２０に結合されている。この用途に適した接着剤はオハイオ州 ワーシングトン所在のエンジニアリング システム インコーポレーティッド社 から市販されているＥＬＭＳ７０２−９８およびコネチカット州ロッキーヒル所 在のロクタイト コーポレーション社から市販されているロクタイト３３４であ る。接着剤は、際立った強度と、湿気、塩性の霧および化学物質に対する優秀な 抵抗を持つので、用いられている。また、これらの接着剤は高温における熱応力 に負けにくいので、取付けのための強固な手段を与える。より複雑な機械的結合 手段よりも接着剤を用いることは、製造工程を簡略化し、装置内の多数の部品を 減少させ、したがって、コストを下げることになる。 次に、ステータアセンブリ５０の図面である図６を参照すると、ステータアセ ンブリ５０は磁石４２を配置する前の状態で示されている。ステータアセンブリ ５０は、１１個のステータ磁極５２を形成する連続的に巻回した単一のステータ 回路と、積層した円 筒状コア５４を有する。この実施例では、Ｎｏ．１４サイズの磁石ワイヤを用い て１１のステータ磁極の各々の周りに２５回巻回している。巻く方向は、１つの ステータ磁極から次のステータ磁極へ横切るものである。磁石の極性が所定のス テータの磁極に関して変化する瞬間に、隣接のステータ磁極が磁石の極性におい て反対の変化を経験し、したがって、１つのステータ磁極に誘起される電流が隣 接のステータ磁極に誘起される電流とは反対方向であるので、磁極巻線における 反転が必要である。もし、巻線が同一方向であると仮定するならば、対向する電 流が零磁界を発生することになる。電流が適切に加えられる限り巻線方向が任意 であるように２つまたはそれ以上のステータ回路を用いることができることは当 業者にとって明らかなことである。完成した巻線はエポキシコーティングされ、 硬化されて、構造的な一体性と電気的遮断を与え、装置全体の剛性を増す。積層 した円筒状コア５４は３５個の１１９Ｃ５電気鋼から成り、各積層体は２．２２ ｃｍの厚さである。コア５４の他の特徴は１２番目のステータ磁極を犠牲にした 円弧状の凹部５６である。円弧状の凹部５６によって室は、ギア歯２６に係合し てないときには、始動器１８（図示せず）のピニオンギアを収容できる。即ち、 ピニオンギアはこの領域に格納される。 図７は適切な同心関係にあるステータアセンブリ５０とロータアセンブリ４０ を示す図である。磁石４２は、着磁状態を表示するように示されている。即ち、 ３つの磁石４２の各々は、４つの交互の磁極、即ち、ＮＳ−ＳＮ−ＮＳ−ＳＮに 磁化されている。３つに磁石の組み合わせが交互の極性の１２個の磁極を形成し ている。磁束損失を最少にするために、本発明では、０．０７６２ｃｍより大き くない隙間が磁石４２とステータの磁極５２との間に維持されている。また、磁 石４２が交互の極性の連続したリン グを形成するように突出部２２の周りに半径方向に配列されているので、磁束強 度の減少が磁石４２の各々の間には現れず、より高い効率が得られる。先行技術 の装置は各磁石の間に鉄材料を通常持つ別個の個々の磁石を用いている。鉄材料 はいくらかのリラクタンスを有するので、１つの磁石から他の磁石への磁束強度 は極性が変わる前に無視できないほど減少する。図８は、矢印と点線５５で示す ように、ロータアセンブリとステータアセンブリの中の磁束の方向を描くもので ある。 次に、図９を参照すると、ハブ２０の軸線を通る適切な同心関係にあるステー タアセンブリ５０とロータアセンブリ４０が示されている。ハブ２０は前述した ようにテーパ状の、キー溝が設けられ、ねじ山が設けられたクランクシャフト用 に加工されているのがわかる。これらの特徴は箇所５８に全体的に示されている 。また、磁石４２と、ねじ穴２８と、ねじ山付き穴３０が描かれている。 図１０は、交流発電機１０の背面図を示す。端部フレーム１２の部分的な切り 欠きが示されている。８つのファンブレードを持つ冷却ファン６０がハブ２０に 取付けられている。スペーサリング６４は同様に露呈されており、突出部６６を 除いて円形である。スペーサリング６４は換気されており（換気装置は図示せず ）、ファン６０によって交流発電機１０に吸入された空気を排気できる。始動モ ータ１８、ピニオンギア６８、ピニオン保持リング７０、ピニオンシャフト７２ が示されている。ピニオンギア６８は凹部５６と突出部６６の中で位置決めされ ている。始動モータ１８が付勢されると、ピニオン６８はギア歯２６に係合する ように前方に引かれる。ナット７４はロータアセンブリ４０をクランクシャフト に固定するためにクランクシャフト７６のねじ山付き端部７８に固定されている 。 交流発電機１０の側面図を全体的に描く図１１を参照すると、ファン６０、ス テータ５２、端部フレーム１２、スペーサリング６４、前端部フレーム８０が、 輪郭を表すよりも内部部品を一層表すために中心よりずれた位置の断面図で示さ れている。端部フレーム１２は積層したコア５４と嵌合し、積層したコアはスペ ーサリング６４と嵌合し、スペーサリングが前端部フレーム８０と嵌合している 。全体のアセンブリはタブ１４内の穴を通して配置され、前端部フレームのタブ ８２のねじ山付き穴にねじ込まれたボルトによって固定されている。この配列に よって、交流発電機１０は、必要に応じて、迅速にかつ容易に、完全に分解され 、また再組立される。 本発明を、添付図面を参照して、好ましい実施例に関して詳細に説明してきた が、種々の変形および変更が等業者にとって明らかであることに留意すべきであ る。そのような変形および変更は請求の範囲に記載の本発明の範囲内に含まれる ものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．内燃機関で用いる交流発電機において、 ロータアセンブリと、 ステータアセンブリと、 ハウジングと、を有し、 前記ハウジングは前記ロータアセンブリを前記ハウジングに固定しかつ前記 ステータアセンブリを前記ロータアセンブリに整列させる手段を有し、 前記ロータアセンブリは、ディスク部分および前記ディスク部分の周囲に沿 って環状に配列されたギア歯を有するロータハブと、複数の永久磁石と、前記デ ィスクの回転軸線に沿って前記ディスクから長手方向に延びる円筒部分と、を有 し、 前記永久磁石は前記ロータハブに固定されておりかつ前記円筒部分の外側周 囲面に配列されており、 前記ステータアセンブリは円筒状コア内に巻回したステータ回路を有し、 前記ロータアセンブリの前記永久磁石を持った前記円筒部分は前記ステータ アセンブリの前記円筒状コア内で同心的に配置されている、 ことを特徴とする交流発電機 ２．請求の範囲１に記載の交流発電機において、前記永久磁石は少なくとも１対 の交流磁極で着磁されていることを特徴とする交流発電機。 ３．請求の範囲１に記載の交流発電機において、前記永久磁石は高残留磁気セラ ミック永久磁石であることを特徴とする交流発電機。 ４．請求の範囲２に記載の交流発電機において、前記永久磁石は高残留磁気セラ ミック永久磁石であることを特徴とする交流発電機。 ５．請求の範囲１に記載の交流発電機において、前記永久磁石は前記ロータハブ に固定されていることを特徴とする交流発電機。 ６．請求の範囲２に記載の交流発電機において、前記永久磁石は前記ロータハブ に固定されていることを特徴とする交流発電機。 ７．請求の範囲３に記載の交流発電機において、前記永久磁石は前記ロータハブ に固定されていることを特徴とする交流発電機。 ８．請求の範囲１に記載の交流発電機において、前記永久磁石は交互の磁極極性 の連続リングを形成することを特徴とする交流発電機。 ９．請求の範囲１に記載の交流発電機において、前記ロータハブは冷却ファンを 固定する手段を含むことを特徴とする交流発電機。 10．請求の範囲１に記載の交流発電機において、前記ロータハブはクランクシャ フトに連結するための手段を含むことを特徴とする交流発電機。 11．請求の範囲１に記載の交流発電機において、前記ハウジング手段は前記積層 した金属コアを有することを特徴とする交流発電機。 12．永久磁石ロータにおいて、 軸線を中心に回転する金属性ベース手段と、 前記ベースに固定された複数の永久磁石と、 前記複数の永久磁石の各々は互いに当接関係にあり、前記ベースの外側周囲 面を円周方向で囲むように配置されていることを特徴とする永久磁石ロータ。 13．請求の範囲１２に記載の永久磁石ロータにおいて、前記複数 の永久磁石は接着剤で前記ベースに固定されていることを特徴とする永久磁石ロ ータ。 14．請求の範囲１２に記載の永久磁石交流発電機において、前記複数の永久磁石 はセラミック磁石であることを特徴とする永久磁石ロータ。 15．請求の範囲１２に記載の永久磁石ロータにおいて、前記当接永久磁石は交互 磁極極性の連続したリングを形成することを特徴とする永久磁石ロータ。 16．内燃機関と用いる交流発電機において、 ロータアセンブリと、 ステータアセンブリと、を有し、 前記ロータアセンブリは、ディスク部分および前記ディスク部分の周囲に沿 って環状に配列されたギア歯を有するロータハブと、複数の永久磁石と、前記デ ィスクの回転軸線に沿って前記ディスクから長手方向に延びる円筒部分と、を有 し、 前記永久磁石は前記ロータハブに固定されておりかつ前記円筒部分の外側周 囲面に配列されており、 前記ステータアセンブリは円筒状コア内に巻回したステータ回路を有し、 前記ロータアセンブリの前記永久磁石を持った前記円筒部分は前記ステータ アセンブリの前記円筒状コア内で同心的に配置されている、 ことを特徴とする交流発電機。 17．請求の範囲１６に記載の交流発電機において、前記永久磁石は少なくとも一 対の交互の磁極で着磁されていることを特徴とする交流発電機。 18．請求の範囲１６に記載の交流発電機において、前記永久磁石は高残留磁気セ ラミック永久磁石であることを特徴とする交流 発電機。 19．請求の範囲１７に記載の交流発電機において、前記永久磁石は高残留磁気セ ラミック永久磁石であることを特徴とする交流発電機。 20．請求の範囲１６に記載の交流発電機において、前記永久磁石は前記ロータハ ブに固定されていることを特徴とする交流発電機。 21．請求の範囲１７に記載の交流発電機において、前記永久磁石は前記ロータハ ブに固定されていることを特徴とする交流発電機。 22．請求の範囲１８に記載の交流発電機において前記永久磁石は、前記ロータハ ブに固定されていることを特徴とする交流発電機。 23．請求の範囲１６に記載の交流発電機において、前記永久磁石は交互の磁極極 性の連続したリングを形成していることを特徴とする交流発電機。 24．請求の範囲１６記載の交流発電機において、前記ロータハブは冷却ファンを 取付る手段を含むことを特徴とする交流発電機。 25．請求の範囲１６に記載の交流発電機において、前記ロータハブはクランクシ ャフトを連結する手段を含むことを特徴とする交流発電機。 26．請求の範囲１６に記載の交流発電機において、前記ハウジングは前記積層し た金属性コアから成ることを特徴とする交流発電機。