JPS59501691A - 軸方向エア・ギヤツプブラシレス同期発電機 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 軸方向エア・ギャップブラシレス同期発電機発明の背景 本発明は、一般的にはブラシレス同期発電機の界磁に関するものであシ、より詳 しく云えば、定常（静止）界磁と固定子（ｓｔａｔｏｒ）アセンブリよＩ■、界 磁ト固定子アセンブリの間には、駆動軸の回転軸に対して半径方向のエア・ギャ ップがあり、駆動軸は、この半径方向のエア・ギャップ中で固定子と回転子アセ ンブリの間の電磁結合を変化させるように磁気フィンガを回転させるブラシレス 同期発電機に関する。

ブラシレス同期発電機は、回転電気アセンブリに、連続的な接続部を設けるよう に筐体（ハウジング）に固定した固定電気接点（ブラシノ）を必要とするブラシ 型同期発電機とは別のものである。典型的な回転アセンブリは同期発電機の回転 界磁コイル・アセンブリよりなシ、連続的電気接続は、回転スリップ・リングへ の摩擦接点により与えられる。ブラシレス同期発電機において、その構成は、固 定電気接点と回転電気アセンブリの間に、なにも電気的な接続を与える必要がな いようにつくられる。

ブラシレス同期発電機には、一般的な２機種がある。

１機種では、回転界磁アセンブリが設けられ、このアセンブリは電気エネルギー を、固定エネルギー源よシ受けるが、電気エネルギーの受け入れは、ブラシによ るエネルギー源への物理的な電気接続でなく、電磁結合によって電気変圧器型構 造を利用することにょシ達成される、エネルギー源への電気接続である。この種 の同期発電機は、米国特許３，６１４，５９３号に説明され、またこの種同期発 電機用の電圧調整器は、米国特許３．６１７，８５７号および３，６２９，６８ ９号に説明され、これら特許はすべて、本発明と同じ譲受人に譲渡されている。

本発明は、回転界磁コイルアセンブリを有する同期発電機を扱うのではなく、固 定子および、界磁コイルアセンブリが、共に固定式でしかも界磁および、固定子 アセンブリ間で電磁結合を変化させる回転磁気フィンガーを有するブラシレス同 期発電機を扱うものである。このフィンガーは、シャフト軸（軸芯）を中心とし て回転し、固定子と界磁コイルアセンブリ間に配置される半径方向円筒形エア・ ギャップを通過する。今までに供給されたこのようなブラシレス同期発電機のう ち、これら同期発電機の構成は、同期発電機の一定容積当り最高出方電流をめる ため最適化されていない。換言すれば、先行技術のブラシレス同期発′電機の容 積効率は、実質的なものでなかった。さらにこれら同期発電機は非常に多数の、 比較的に高価な磁気回路素子を、典型的に必要とし、またあるいは、その構造的 外形によシ、軸方向長さや直径寸法が、望ましくない程太きかった。また、先行 技術のブラシレス同期発電機の構成は、回転軸軸受用グリス容器（ｒｅｓｅｒｖ ｏｉｒ）に使用される発電機の内部容積量をとくに制限した。なんとならば、同 期発電機軸受の寿命を長くするため、もし大きいグリス容器が設けられると、同 期発電機寸法が、望ましくない程度増大するか、または同期発電機の性能が、臨 界的な磁気回路面積における磁気回路材料の実質量を除くことＫより減少される からである。

要約するに、定常界磁と固定子アセンブリを用いる先行技術のブラシレス同期発 電機は、（１）高容積効率を与えず、（２）そのような構成による同期発電機に 対し、小形化係数（軸方向長さ対直径の比）をあたえず、（３）典型的に多数の 磁気回路部品を要し、（４）磁気回路部品の追加使用のため高価となｊｌ）、（ ５）同期発電機の電気出力を妥協するかあるいは、同期発電機主要寸法を不所望 に増大することなく、容易に、大きい発電機軸軸受グリス容器を用いることは許 容しない。

ここに使用される用語、”磁束エア・キャップ”は、磁気回路部品の間の空間（ ａｌｒ　５ｐａｃｅ）を意味し、実質的な磁束は、他のエア・ギャップに比較し てこのエア・ギャップの比較的低いリラクタンスのためにその間を通過する。た ｙし、ギャップのりラフタンスは、磁気回路部品と、互いにエア・ギャップに面 しているこれら部品の表面積との間の関数である。ここで使用される用語、“１ 次”磁束エア・ギャップは、定常（静止）固定子コアと、回転磁気回路一部材間 の、磁束ギャップを云い、他方２次”磁束エア・ギャップは、定常界磁コアと回 転磁気回路部材間の磁束エア・ギャップを云う。ここで使用される用語、“軸方 向（ａｘｆａｌ）”と、゛半径方向（ｒａｄｉａｌ）　”は、同期発電機シャフ トの回転軸と一致する回転子の回転軸に対する構造上の方向を云う。

定常界磁コイルおよび固定子アセンブリを有する典型的な先行技術のブラシレス 同期発電機は、固定子と磁気フィンガーとの間の２個の１次円筒型半径方向磁束 エア・ギャップを有し、磁気フィンガーは、界磁コアと固定子コアとの円筒型半 径方向ギャップにおいてシャフト（軸）によ・り回転される。これら１電磁束エ ア・ギャップは軸方向に離れているが、互いに隣接して、シャフト（軸）に関し 殆んど同一半径方向位置において固定子と界磁アセンブリとの間の半径方向ギャ ップ内に配置される。これら同期発電機は、典型的に、界磁コイル・コアと回転 磁気フィンガーの延長部との間にある２個の２次半径方向磁束エア・ギャップを 利用している。

先行型の同期発電機のあるものにおいて、少なくとも、１個のこれら２次半径方 向磁束エア・ギャップは、界磁および固定子アセンブリ間の、円筒型ギャップよ り半径方向には離些て位置され、回転軸に対し１次半径方向磁束エア・ギャップ と殆んど同一軸位置に軸方向に配置される。したがって、１次、２次の両磁束エ アーギャップが、半径方向で重な、！ｌｌｌ（ｓｔａｃｋｉｎｇ）　、同期発電 機の外径が不所望に増大する結果となる。

２個の半径方向１次磁束エア・ギャップおよび２個の２次磁束エア・ギャップを 利用する前述の先行技術のブラシレス同期発電機のあるものは、シャフト（軸） に関し軸方向にはなれ、かつ１次ａ束ギャップの両側に軸方向に離隔している２ 次磁束エア・ギャップの両方を位置決めしている。然しこの構成は、回転軸方向 の同期発電機の長さをいちじるしく増大し、これも好ましいものでない。

定常界磁と、固定子コイルを使用する、既知の先行技術ブラシレス同期発電機の あるものでは、軸方向及び半径方向磁束エア・ギャップのノ・イブリッド構成は 、界磁コイル・コアの斜めの延長部（同期発電機の回転軸にそった断面図に示さ れたとおシ）によ９１個の２次磁束エア・ギャップを具え、この延長部は、回転 磁気フィンガーと結合された磁気部材と合致する斜め延長部によυ斜めの磁束エ ア・ギャップを形成する。然しこの構成では、斜めの磁束ギャップは、軸方向で １次磁束ギャップおよび定常界磁コイルと同一軸方向位置に設けられる。それゆ え、界磁コアの斜めの延長部又は界磁コアの斜めの延長部と合致する斜めの磁気 フィンガー延長部の対応位置において磁気飽和を起こさないことを保証するだめ には、同期発電機の直径をかなシ大きくする必要がある。斜めの磁束ギャップの 位置によシ、かなシ高リラクタンスの磁束ギャップが与えられる。何故ならこの ギャップのために、比較的に小さい断面積のみが有効であるからである。

以上検討した斜めのギャップ構成は、その構成が磁気回路素子の飽和を導き、不 質的に同期発電機の出力を制限することを、正しく理解していない。界磁コアが 、同期発電機の低出力レベルにおいて飽和されうる設計を与えることにより他の 同期発電機構成にも、正しい理解は与えられないようである。斜めのギャップの 構成は、また斜めの磁束ギャップ及び界磁コイルと同−軸方向位置内のシャフト 軸に沿って軸方向に配置されるシャフト軸受（ベアリング）を与える。若し、同 期発電機のサイズが増大出来ない場合には、この構成は、磁束を導く斜めの界磁 コアの延長部の寸法を更に縮小する必要が生じ、低い界磁コイルのアンペア・こ れは、軸受、界磁コア斜めの延長部、磁気フィンガーの斜めの延長部、界磁コイ ル２よび１電磁未エア・ギャップが、半径方向に、効果的に積み重なることよシ 生ずる。事災これらの部分は、軸方向にほとんど同一位置にある。

発明の要約 本発明の目的は、先行技術のブラシレス同期発電機の上記欠陥を克服した、改良 型ブラシレス同期発電機を提供することである。

本発明のよシ特定の目的は、回転磁気フィンガーによシ与えられる電磁結合によ って定常界磁および固定子アセンブリを有する改良型ブラシレス同期発電機を提 供することにあシ、同期発電機の容積効率及び小形化係数（ｃｏｍｐａｃｔ　ｆ ｏｒｍ　ｆａｃｔｏｒ）が改良され、交流発電機の一定の容積当シ最太発電機出 力電流が供給される。

本発明の追加目的は、少なくとも一つの定常界磁・固定子アセンブリと回転磁気 フィンガーの間で少なくとも１＠の低リラクタンス磁束エア・ギヤツブ金有し、 この軸方向磁束ギャップは、界磁コイルの有効な軸長を超えて軸方向に与えられ 、それにより、同期発電機の直径寸法を最小にし、他方、交流発電機の軸方向寸 法を僅かに増大させたブラシレス同期発電機を提供することである。

本発明の実施例の一つである交流発電機（同期発電機）の構成は下記のとおりで ある。同期発電機外部源Ｉ−ｋｔへつ、・ンング）二早手方向軸を有し、前記筐 体内で長さ方向に延長し、前記軸のまわりで前記筐体に関し回転可能な回転軸； 前記回転軸に沿って有効な軸方向固定子コイル長さを規定してその上に巻回され た固定子コイルを有する磁気固定子コアを具え、前記筐体に関し内部に固定して 配置される固定子アセンブリ； 前記回転軸に沿って可動軸方向界磁コイル長さを規定してその上に巻回された界 磁コイルを有する磁気界磁コイルを具え、前記筐体に関し内部に固定して配置さ れる界磁アセンブリ：を具備し、 前記固定子コイル及びコアは、前記回転軸に関し、前記界磁コイル及びコアと離 隔し、それによりその間に円筒型半径方向エア・ギャップ＆！定し、少なくとも １個の前記固定子磁気コア及び界磁コアは、その上に巻回された有効コイル長さ を超えて軸方向に延長したコア端部分を有するものであり、 前記回転軸に回転可能に固定され、前記回転軸に固定され、前記円筒状の半径方 向ギャップ内に延長している磁気フィンガーを有する少なくとも第１磁気クロー ポール部材を具え、前記クローポール部材フィンガーと少なくとも１個の前記固 定子界磁コアとの間に低リラクタンスの半径方向磁束エア・ギャップを形成する 回転子（ロータ）アセンブリ；を具える。

不発明の改良は、下記の構成を具える。即ち、前記回転軸に関し半径方向に延長 した磁気部分を有し、前記軸方向に延長したコア端部分を有するコア上に巻回し た有効軸長さのコイルを軸方向に超えた位置において、前記軸方向に延長したコ ア端部分の半径方向延長部端表面と低リラクタンスの軸方向磁束エア・ギャップ を形成する第１クローポール部材を具備踵前記軸方向磁束エア・ギャップは、前 記界磁コアの前記界磁コイルによってつくられる磁束の実質部分を通過させる低 リラクタンスの磁気通過を与える。

本発明の意図する所は次の通シである。即ち、界磁コイルおよび関連磁気コアよ りなる実質的な円筒型定常内部界磁コイル・アセンブリー、固定子コイルおよび 関連コアよシなる定常外部固定子アセンブリー、お二び回転軸のまわシを回転す る軸にょシ駆動され、定常界磁と固定子アセンブリー間に存在する円筒型エアギ ャップに可変磁界（ｖａｒｉａｂｌｅ　ｍａｇｎｅｔｉｅ　ｆｉｅｌｄ）を与え る回転磁気フィンガー、を具えることである。本発明は、軸方向磁束エア・ギャ ップを、界磁コアと回転磁気部材間の２次磁束ギャップとして使用することを指 向し、軸方向磁束ギャップは、゛界磁コイルの軸方向有効長さを超えた回転軸に 沿って軸方向に位置し、その軸方向磁束エア・ギャップは、そのリラクタンスが 低く、界磁コイルによシ発生された磁束の大部分を誘導する。追加的な２次磁束 ギャップは、界磁コアと回転子のボール延長部の間に設けられ、回転子は、クロ ー・ボール・磁気フィンガーと噛み合う（保合する）分離された回転ボール延長 部の磁気フーインガーを持っている。この追加磁気ギャップは、ある実施例では 、軸方向や半径方向、あるいはその両者の組合せであシ、位置的には界磁コイル の有効長さ部分の外側に離隔しておかれる。この構成は、定常界磁と固定子アセ ンブリーをもつブラシレス・同期発電機の容積効率を改善することが見出された 。これは、本来主として本発明に由来するものであるが、界磁コイルの有効長さ を超えて軸方向に離隔した軸方向磁束エア・ギャップを形成するように、界磁コ ア端部を半径方向に延長した部分を用い、１だ同期発電機の内部で界磁コイルと 、安い非磁性材料から構成することを意図した回転軸の問うに十分の空間をあた えることを意図している。界磁コアの半径方向寸法を増加することにょシ、本発 明は、磁束による界磁コアの飽和を効果的に防止１従って同期発電機が最大可能 出方電流を得ることを可能にした。

本発明の他の特色は、先行技術によるある類似のブラシレス同期発電機よシ、不 発明のブラシレス同期発電機は、回転磁気部品が少なく、そのため、組立が容易 で、安価な同期発電機を供給することである。さらに本発明は、回転慣性を減少 し、機械的信頼性を高める。何故なら、先行技術による定常界磁や固定子アセン ブＩＪ　を利用する、ブラシレスの同期発電機では、２次磁束エア・ギャップの 一つは、典型的な磁性材料で回転軸を製造するか、または、界磁コアと、回転軸 と回転フィンガー状の磁性突出物を具えることにより構成された。このような構 成では、いづれも、同期発電機を高価にし、さらに、磁気回路部品の数を増大さ せた。これら先行技術による構成は、回転磁性回路部品の数を増加するとともに 、同期発電機の直径をより太きくしない限り、界磁コアに利用可能な容積を減少 させた。不発明は、２次磁束ギャップを、界磁コイルの有効長さの位置よシ軸方 向で外側に設けること、または同期発電機寸法のかな）の増加をさけるため界磁 コアの半径方向の延長を利用する軸方向磁束ギャップとして、これら磁束ギャッ プのうち少なくとも１個を設けることにより、これら望ましくない特性を除去し た。

不発明の他の特色は、界磁コアを回転軸用軸受の保持器（ｒｅｔａｉｎｅｒ）と して使用することに関するものであり、別個の同期発電機軸受の保持器の必要が なくなる。

さらに、円筒状のリセス（くぼみ：　ｒｅｃｅｓｓ）が、界磁コアの内部に、保 持された軸受に隣接し、界磁コイルの有効長さを超え軸方向に離隔した位置に設 けられる。

このリセスは、界磁コイルの有効長さにそった臨時的位置に界磁コイルの厚さを 減少させることなく、実質的には軸受用グリス容器を与える。軸受グリスの容器 を、増大したことによシ、本発明による、同期発電機の寿命は大巾に延長された 。

本発明の図面は、１個またはそれ以上の２次軸方向磁束ギャップが、内部界磁コ アに関して設けられることを示すが、本発明は、外部界磁コアに対し軸方向磁束 ギャップを設けること、および回転軸に対して、界磁コア、固定子コアの内部、 外部位置を逆転させるように適用出来ることは、注目されるべきである。これら の特徴は、他の特徴とおなじく、図面を参考にし、また、本発明の好ましい実施 例についての以後の説明によシ、よく理解される。

図面の簡単な説明 本発明を完全に理解するに、は、図面を参照すべきである。即ち： 第１図は、本発明によ）構成された、同期発電機の分解した部品の斜視図である 。

第２図は、第１図に図示した組立て同期発電機の好ましい実施例の断面図である 。

第３図、第４図、第５図及び第６図は、第１図、第第２図に示す同期発電機に対 する種々の別実施例の断面図を示す。

好ましい実施例の説明 第１図は、本発明の教示にもとづき製作された、同期発電機ｌＯの分解したアセ ンブリの斜視図を示す。第２図は、本発明の主要実施例を示し、この実施例が最 初に検討される。続いて第３図〜第６図に示す追加実施例が検討される。

同期発１を機１０は、取付ナツト１３によυ発電機の回転軸１４に取シ付けられ る、ベルト駆動用の端部ブーＩＪ−１１及び回転ファン・アセンブリ１２のよう な多くの一般的な、四則発電機部品を含む。第２図は軸１４０回転軸に沿って切 断された同期発電機の断面図であるが、軸１４は図面の明瞭さを保つため断面を 示す斜線を入れてない。発電機ｌＯは、また、発電機の内部構造のための発電機 外部筐体（ｈｏｕｓｉｎｇ）を宮む。発電機筐体は、第２端末部材１６と合致す る第１端末部品１５．および発電機筐体端末部品１５の端末壁１７よシ突出し、 発電機筐体の外側にあるプーリイ１１及びファン・アセンブリ１２に連結する発 電機軸１４よりなる。第１図の端末部品１５の一部分は他の発電機部品の付加的 詳細を示すために取シ除かれている。

筐体端末部品１５　、１６は、適当な据え付は器具によシボルト締めされる。固 定子アセンブリは、筐体の中に設けられ、磁性固定子コア１９上に巻回される固 定子コイル１８ヲ具える。固定子コア１９は、端末部品１５　、１６間に締めら れることによシ発電複筐体に固定されるが、端末部品は２個とも、普通ベルの形 状である。このように、固定子アセンブリは、筐体に対して取付けられる。

固定子アセンブリは、コイル１８．コア１９よシなシ、なるべく安価な非磁性金 属材料より成る回転軸１４に対し固定されている。軸１４は長手方向に軸２ｏが あシ、端末部品１５および１６によシ形成される筐体の中で長手方向にのび、軸 ２０のまわシを筐体に関し回転可能となる。

軸受け、軸１４ｉ支持するため筐体端末部品１５　、１６の両方に量かれる。筐 体端末部品１５の軸受は、参照番号（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｎｕｍｅｒａｌ）　 ２１によシ識別され、筐体端末部品１６の軸受は、参照番号２２にょシ識別され ている。

軸受２１およびｎの構成は、筐体端末部品１６４Ｃ取付けら軸受２１が筐体壁部 の空胴２３に保持される方法は、続いて討論されよう。

同期発電機１０は、定常界磁コイル・アｔンプＩＪ　を具え、このアセンブリは 、発電機の筐体壁１７にネジ・ポル）２７で締めつけ固定された磁性材料の界磁 コア２６に巻回された界磁コイル２５よりｍ来ている。これによシ、コイル部、 コア２６よシなる界磁アセンブリは、回転軸１４に対して固定することを保証し ている。界磁コイル。

界磁磁性コアは、回転軸１４に隣接し、小つそれを殆んど取囲んでおシ、そのま わシに内部円筒型アセンブリを形成している。固定子コイル１８．固定子磁性コ ア１９もまた、回転軸１４のまわシに円筒型に配置され、外部円筒型アセンブリ を形成する。このアセンブリは、回転軸１４より半径方向にかなり離隔しておシ 、それによシ界磁アセンブリと固定子アセンブリ間で円筒型半径方向エア・ギャ ップ２４ヲつくる。界磁コア２６からの磁束は、固定子、界磁の両アセンブリ間 の円筒型ギャップ２４の中に配置される１次半径方向磁束エア・ギャップを通り 、固定子コア１９に達すると考えられる。

界磁コア２６は、筐体壁１７の中の軸受２１に＠接した軸方向末端に円筒型リセ ス２８が作られている。軸受２１に接触し界磁コア２６ヲ有する突出末端２９は 、軸受保持器具として作用し他方、円筒状リセス２８は、ベアリング用グリスで みたされ、軸受２１用のグリス容器としてリセス全利用する。リセス２８は、回 転軸に隣接し、界磁コイルの有効長さよシ軸方向外側に配置されるから、リセス ２８ヲ与えることは、界磁コイル２５が巻かれる界磁コアの部分を減少しない。

“界磁コイル有効軸方向長さ”と云う用ｍｌは、コイル部の比較的＠接して配置 したターンの竺軸方向長さを云い、コイル２５は、コア２６の上に巻回され、こ の軸方向の寸法にそって高磁束密度の地帯が与える。この用語は延密接したター ン巻ｉｔ−具えていないコイル部に対していかなる入力リード線の軸方向長さを も無視している。

同様な定義は、固定子コイルの有効軸方向長さにも適用される。

界磁コア２６は、本質的に円筒型であシ、その長手方向の軸は、軸加と一致する ように方向づけられていることは、注目すべきである。コア２６は、界磁コア巻 線２５がその上に直接巻回される減少した外径部分３０を有するボビン形状であ る。減少した外径部分３０は、界磁コア２６の外径が大きな部分と、界磁コイル 部の軸方向有効長さに実質的に対応する軸方向寸法部分３０との間に軸方向に配 置される。コア２６は、軸１４に隣接しコイル２５の軸方向有効長さの大部分に そって配置される。

界磁コア５用の励磁用入力リード線３１は、筺体壁１７および界磁コア２６の適 当な開口通路を通シ、コイル部に励磁電位（ｅｘｃｉｔａｔｔｏｎ　ｐｏｔｅｎ ｔｉａｌ　）を印加する。

図示されないが、リード線３１は同期発電機用の外部端子に接続することを意図 している。界磁コイル２５は、本質的に、コア２６の減少外径部分３０にそって 、電気的軸方向有効長さを持っている。何となれば、この界磁コイルにより発生 される大部分の磁束が、この面積内のコイルの密接巻線により発生されることは 、界磁コイルのこの軸方向長さに沿っているからである。それ故に、界磁コイル は、当然、部分３０の対向端に第１端部３２と第２端部３３を有する円筒型コイ ル巻線よシなるものと考えられる。界磁コア２６は、その軸方向の円筒端部延長 部３４ｔｌ−有し、この部分は、界磁コイルの端部３２を超え、コイル２５の電 気的軸方向有効長さを超えて延びている。この軸方向延長部あは、軸１４に対し 半径方向に延長している端面３４Ａを有する。延長部あは、減少直径部３０の１ 端においてコア２６の大きい外径部分を形成する。

同期発電機１０は、軸１４に固定され、軸と共に回転する回転子アセンブＩＪ　 ’に含む。回転子アセンブリは、第１磁性クロー・ボール部品４０を具え、この 部品は、直接自転軸１４に取付けられ、半径方向外側に延びる部分４１ヲ含み、 部分４１は、軸方向に延びる磁性材料のフィンガ４２で終端し、フィンガ４２は 、固定子と界磁アセンブリ間に作られた円筒型半径方向ギャップ中に延長してい る。回転子アセンブリはまた、磁性ボール延長部材４５　（ｍａｇｎｅｔｉｃ　 ｐｏｌｅ　ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ　ｍｅｍｂｅｒ）　を含む。この部材部は、フィ ンガ４３を持っており、このフィンガ４３は、半径方向ギャップ２４の中まで軸 方向に延び、第１クロー・ボール磁性フィンガ４２と円周方向に混交されるが、 それとは分離されている。磁性フィンガ招と４３は、非磁性リングＩによシ互い に締付けられる。このリング剃もまた、回転子アセンブリの部材の一部であり、 フィンガ４２と４３に取付はボ／ｌ／−）で結合される。

れ、一般的には、円筒形のボール延長部材４５よシ延びており、このボール延長 部材４５は、界磁コイル部の有効長さ、すなわちコイル末端３３からはなれて軸 方向に配置される。

界磁コイル２５と固定子コイル１８は、有効軸方向長さを回転軸２０に対して殆 んど同一軸方向位置に配置させていることは注目すべきである。また母性界磁コ ア２６は、界磁コイル端部３２の外側に、大外径の軸方向延長部あおよび減少直 径コア部３０を持つのみならず、コア２６は、界磁コイル端部おの外側に大外伝 の軸方向延長部あおよび縮小直径コア部３０を具えていることは、注目すべきで ある。この軸方向延長部あけ、ボール延長磁性部材４５に隣接し、部材４５との 間に、低リラクタンスの半径方向磁束エア・ギャツ、ブを形成する。

第１図、第２図に図示した同期発電機１０の主要な実施例の動作は、界磁コイル 磁束のため作られた磁気回路に関して次に詳細に討論され、また、この磁気回路 が、同期発電機の容積をより有効孔利用することにより、どのようにして改良さ れた同期発電機性態に、帰着するかを検討しよう。

Ｄ、Ｃ，（電池）励磁電圧が、界磁コイルδの人力１７−ド線に加えられると、 これによ多帯域磁束が界磁コア２６に生じ、それは、コア２６の中で減少直径部 ３０に沿って集束される。集束した磁束のこの帯域は、界磁コイル２５の電気的 有効軸方向長さに相当する。磁束は、界磁コイル２５の周囲を回転しようと試み 、界磁コイル２５の周囲に、連続する磁束通路を形成するため、最低リラクタン スの通路を探しめるだろう。必然的に磁束は、界磁コア２６よシ回転フィンガ４ ２に通過し、それから固定子コア１９に、それからボール延長回転フィンガ４３ を介して界磁コア２６へ戻って通過する。通過する間に、２個の１次、２個の２ 次磁束エア・ギャップが横切られる。フィンガ４２および４３の回転により与え られる可変電磁結合は、固定子コア１９の中の磁束の変化を導き、これによシ固 定子コイルに出力電流が発生される。

界磁コイル磁束の大部分は、必然的に１次半径方向磁束エア・ギャップ刃および ５１ヲ通過するだろう。これらのギャップ刃、５１は、夫々第１クロー・ボール 延長フィンガ４２と固定子コア１９の間に、またボール延長フィンガ４３と固定 子コア１９の間に形成される。さらに、界磁コイル磁束の大部分は、界磁コイル ２６の軸方向有長部邸と、ボール延長フィンガ４３が延びている部材４５との間 に与えられる２次半径方向磁束エア・ギャップ５２を通過するであろう。２次磁 束ギャップ５２は、半径方向ギャップでちゃ、軸方向には、界磁コイル２５の軸 方向有効長さを超えてコイル器のコイル端末あの外側に位置されるのは、注目す べきである。

前述した磁束通路に加えて、界磁コイル磁束は、界磁コア２６から、クロー・ボ ール部材４０まで通過する。これは、本発明によれば界磁コア２６の軸方向延長 部３４（端面３４Ａ）とクロー・ボール部材４０の半径方向延長部分４１との間 に、軸方向磁束エア・ギャップ５３ヲ設けることによシ、達成される。軸方向磁 束ギヤツブ団は、界磁コア磁束が界磁コア２６から回転磁性フィンガ４２に、次 に１次磁束ギャップ５ｏを横ぎシ、固定子コア１９に到達するため、低リラクタ ンスの通路となる。この低リラクタンスの軸方向磁束ギャップ５３ヲ、コイルδ の有効軸方向長さを超えた軸方向位置）よび、その界磁コイル％の端末３２よシ 軸方向外側の位置に設けたことによシ、不発明は、界磁コイル部が直接巻回れる 界磁コア（９）の厚さヲ、実質的に減少させる要求がおこることを阻止した。こ れにより、臨界的界磁コア部（ｃｒｉｔｉｃａｌｆｉｅｌｄ　ｃｏｒｅ　）　３ ０に多くの容積があたえられることにな９、次には、コア２６が飽和することな く、界磁コアに対してよシ大きい磁束積載容要（ｆｌｕｘ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　 ｃａｐａ−ｃｉｔｙ）をも−たらすことになる。

さらに本発明は、２次磁束積載用の軸方向エア・ギャップを形成するための部材 讃及び４】の半径方向寸法を利用することにより、同期発電機の容積を実質的に 増加することなく磁束エア・ギャップ５３０リラクタンスを最小にする実質的な 表面積量を提供した。先行技術のブラシレス同期発電機においても、軸方向エア ・ギャップが、同じ位置にあったとしても、かなシの界磁コイル磁束は、このエ ア・ギャップを通過しなかづたので、このエア・ギャップは、磁束積載能力（ｆ ｌｕｘｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｂｔＨｔｙ　）として利用されなかった。こ れは、本発明とは全く反するものであシ、本発明においては、全赤ｉ磁束のかな り（少なくとも２５チ）の部分が、ギャップ５３に相当する軸方向エア・ギャッ プを通過させることを意図している。

第２図に１示された、好ましい実施例においては、クロー・ボール・部材４０と 界磁コア２６との間に、２個の追加２次磁束エア・ギャップが、設けられている ことは注目すべきである。これは、回転軸１４に隣接し、軸方向内側に界磁コイ ル２５に向って延長している磁性材料の階段（ステップ）部分を具え、界磁コイ ルの軸方向有効長さと部分的に重なるようにしているクロー・ボール部材４０に よシ発生する。軸方向に伸びたクロー・ポールの磁性ステップ４６は、追加の軸 方向２次磁束エア・ギヤツブ慣と追加の半径方向２次磁束エア・ギャップ５５ヲ 、界磁コア２６の対応ステップ部５８との間に形成する。本発明の特徴を形成す る理由は、回転軸１４との接続点において、クロー・ボール部材４ｏの寸法を増 加することによシ回転子アセンブリの機械的安定性を付加することである。これ は、界磁コイル部が巻回される界磁コア部分３０の容積（厚さ）にいがなる減少 もおこさずに、達成され、しかも、この部分の界磁コアのいかなる縮小も、減少 された直径部分が低い界磁コイル・アンペア・ターンで飽和され、結局同期発電 機の出力を制限することは、注目さるべきである。

界磁コア２６の飽和は、部分３ｏの軸方向長さの大部分が、なお、軸１４に直接 隣接するので、避けられる。その理由は、重複する部分（ｏｖｅｒｌａ’ｐ）が わずか一部分であ）、コア２６の厚さの大部分は、なお、界磁コイルの軸方向有 効長さの大部分に沿って与えられるからである。

また、追加磁束エア・ギヤツブ舅および５５が設けられているにしても、界磁コ イル磁束のかなシ（少なくとも２５チ）の部分が、軸方向に離隔した軸方向磁束 エア・ギャップ＆を通過し、互に対向する部分あおよび部分４１の半径方向に伸 長した表面により形成された低リラクタンスの磁束エア・ギャップを利用するこ とを意図していることは、注目すべきである。それ故、本発明は、実質的に界磁 コア盛６の飽和を防止している限り、ブラシレス同期発電機に低リラクタンスの 軸方向磁束エア・ギャップを与えるように上述の部品の構成を有利に利用する。

実際、その方向性のためにこのギャップ５５を通ると期待される磁束は、非常に 少ないが、他方、大量の磁束がギャップ５４を通過するものと予期され、その点 で、このギャップ５４及び５３の軸方向の方向性は、界磁コア２６の現存半径方 向の寸法、及びクロー・ボール部材４０の半径方向の部分４１が、同期発電機容 積の実質的な増加を伴わず低リラクタンスの磁束通路を与えるのに利用されうる ことを意味する。

第２図に図示された本発明の実施例において発生する界磁コイル磁束通路を、よ りよく説明するため、典型的磁束通路が、この図の下部に参照矢印ωによシ示さ れる。ここでは界磁コイル磁束通路は、磁束エア・ギャップ５３を通過する界磁 コイル８束の主要部分及び磁束エア・ギャップヌ、５５を通過する界磁コイル磁 束の小部分とを具えて、磁束エア・ギヤツブ犯乃至５２のすべて全通過する。

第３図は、第１図、第２図に図示された同期発電機の別の（ａｌｔｅｒｎａｔｅ ）　’１ｊＬ−施例を示している。この別の実施例においては、磁束ギャップ５ ４および弱は、軸方向磁束ギャップ５３ヲ実質的に拡大し、クロー・ボール部材 ４０の軸方向に伸びた階段（ステップ）部分４６ヲ除去することにより取り除か れている。もし回転子アセンブリの質量が、回転軸１４に取付けられる半径方向 に延長するクロー・ボール部材４１の非軸方向延長部分により適当に支持可能な らば、この設計は、第２図の設計より、望ましいかもしれない。さらに、この構 成（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　）は、界磁コイル２５が直接巻回される界磁 コア部分３０の有効容積の減少も児全に除去し、それによシ、界磁コアの臨界部 分が、飽和になり、同期発電機の出力を制限する可能性を更に減少する。

第４図は、同期発電機ｌＯの更に別の実施例（ａｄｄｉｔｌｏ−ｎａｌ　ａｌｔ ｅｒｎａｔｅ　ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ　）　ｆ示す。同図に於ては、第３図に図 示された実施例の通り、クロー・ボール部材４００階段（ステップ）部分４６ヲ 無くすのみならず、あらたに、追加の２次軸方向磁束エア・ギャップ５６が、半 径方向寸法エア・ギャップ５２に隣接して設けられる。

これら磁束エア・ギャップは両方とも、部品４５と界磁コア２６の間に設けられ 、部品４５の軸方向の延長部は、追加磁性フィンガ４３及び界磁コア２６を形成 する。第４図の実施例について、結合した磁束エア・ギャップ５２゜５６　（ｃ ｏｍｂｉｎｅｄ　ｆｌｕｘａｉｒ　ｇａｐｓ　５２　ａｎｄ　５６　）は、同期 発電機１０内部の近似的に同一空間容積にだいし、より広い表面積の利用によシ 部品ア、４５０間に、低リラクタンスを与えることは、注目すべきである。さら に、クロー・ポール・フィンガ４２の結合した軸方向延長部（ｃｏｍｂｉｎｅｄ 　ａｘｉａｌ　ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）　、追加フィンガ（ａｄｄｉｔｉｏ−ｎａ ｌ　ｆｉｎｇｅｒ）　４３および端末部材（ｅｎｄ　ｍｅｍｂｅｒ　）　４５を 短縮することにより、更に少ない回転質量を与えることにより、回転子アセンブ リに対して、より安定性が与えられる。これによシ、エア・ギャップ５２に与え られる半径方向寸法を縮小可能となし、かくして、この磁束エア・ギャップ５２ ０リラタタンスを減少する。

第５図は、同期発電＄１０の追加の別実施例を図示する。この実施例においては 、２個の２次軸方向エア・ギャップが、界磁コイル２５の両側に１個づつ設けら れる。必然的に、第５図の構成は、第３図に図示する図面とかなシ類似している が、エア・ギャップ力、５１および５３の構成は保持され、しかも、ボール延長 磁性フィンガー４３を１緒に合体しているボール延長磁性材料部材４５は、半径 方向に回転軸１４に向って内側にかつ、前記界磁コイル２５の半径方向の位置を 超えて延長し、界磁コア２６の前記軸方向延長部９謁に於て、界磁コア２６と２ 次軸方向磁束エア・ギャップ５７ヲ形成する。他方、コア２６の反対側の軸方向 延長部分詞は、第１クロー・ポール部材４０の半径方向延長部４１と２次軸方向 磁束エア°ギャップ＆を形成する。この構成に関しては、２個の２次磁束エア・ ギャップは、ともに軸方向であり、界磁コイル２５の軸方向有効長さの外側で軸 方向に、しかも、コイル２５の両側に配置されていることは注目すべきである。

この構成は、同期発電機に必要な全軸方向長さを短縮するが、発電機出力能力（ ａｌｔｅｒｎａｔｏｒｏｕｔｐｕｔ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　）を制限する可能 性がある。

第６図は本発明の追加実施例を図示する。この追加実施例において、第５図の構 成は、支持軸受６１を具えることにより半径方向に内側に延長する部材４５に対 して付加的な支持を与えるように変更され、軸受６１は、半径方向に内側に延長 する磁性材料部材４５ヲ、界磁コア２６の延長部あからさらに軸方向延長した部 分６２に機械的に結合させる。第６図に図示する実施例では、界磁コアの軸方向 延長部６２は、非磁性円筒型スリーブから成り、該スリーブは、界磁コア２６お よび回転軸１４よシ半径方向に離れた位置の筐体壁１７に結合されることは注目 されるべきである。

この構成は、第５図に図示する実施例の２個の軸方向２次磁束エア・ギャップ原 則を使用するが、しかし、回転子アセンブリ用の付加的な機械的支持を与えてい る。

本発明の特定の実施例を、図示説明したが、その他の、変形や改良が商業技術者 に起るであろう。そのような変形は、界磁コアの代りに、−固定子コアに関して 、軸方向磁束エア・ギャップを設けることや、回転可能軸に関し、固定子及び界 磁アセンブリの相対的な内側。

外側位置を切換えることを含むことが可能であ゛る。ここに開示され、請求され た基礎原理を保有するすべての、そのような変形は、本発明の範囲内に含まれる 。

ｌ＝乎２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　同期発電機の外部筺体：該筐体内で軸方向に延長し前記筐体に関し軸の１ わり全回転する長さ方向軸を有する回転軸；前記筐体内に配置されかつ該筐体に 固定され、前記軸に沿う有効軸方向固定子コイル長さを規定する固定子コイルが その上に巻回された磁性固定子コアを有する固定子アセンブリ；前記筐体内に配 置され、かつ該筐体に固定され、前記軸に沿う有効軸方向界磁コイル長さを規定 する界磁コイルがその上に巻回された磁性界磁コアを有する界磁アセンブリ；前 記回転軸に関し前記界磁コイルおよび界磁コアより半径方向に離隔して配置され 、それらの間に円筒型半径方向エア・ギヤツブ全形成する前記固定子コイルおよ びコアを具備し、前記固定子及び界磁コアの少なくとも１つは、巻回されたコイ ルの有効長さをこえ、軸方向にのびたコア端末部を有するものであり：前記軸に 固定され、該軸と共に回転し、前記回転軸に固定される第１磁性クロー・ボール 部材を具え前記円筒型半径方向ギャップ中に延長する磁性フィンガを有し、前記 クロー・ポール部材フィンガと、少なくとも１個の前記固定子および界磁磁性コ アとの間に低リラクタンス半径方向磁束エア・ギャップを形成する回転子アセン ブＩＪ　ｅ具え、前記回転軸に関し、半径方向に延長し、前、記軸方回にのびる コア端末部を有するコア上に巻回されたコイルの軸方向有効長さを超えた軸方向 位置において、前記軸方向にのびるコア端部分の半径方向に延長した端部界面と の間に低リラクタンスの軸方向磁束エア・ギャップを形成する第１クロー・ボー ル部材、金具え、前記軸方向磁束エア・ギャップは、前記界磁コア内の界磁コイ ルによってつくられる磁束のかなりの部分を導通させる低リラクタンスの磁気通 路を与えることを特徴とする交流発電機。 ２　前記交流発電機は、前記界磁コイルおよび界磁磁性コアが、前記回転軸から 半径方向に離隔して配置され、前記固定子コイルおよび固定子コアは、前記回転 軸よりさらに半径方向に離隔して配置されることをさらに特徴とする前記請求の 範囲第１項記載の交流発電機。 入　前記交流発電機は、前記界磁コイルが、その間に限定された前記コイルの前 記有効軸方向長さを有する２個の有効端部を具え、前記界磁コアが一般的に円筒 形であり、前記回転軸のまわシに配置され、前記軸は非磁性で、前記界磁コイル の大部分の有効軸方向長さに沿って前記界磁コアに直接接近して配置されること を、さらに特徴とする前記請求の範囲第２項記載の交流発電機。 ４、　前記交流発電機は、前記回転子アセンブリが、軸方向に延長し、前記第１ クロー・ポール部材磁性フィンガと円周方向に係合するがそれと離隔しており、 非磁性リングによりそれに固定されるポール延長磁性フィンガを具えることを、 さらに特徴とする前記請求の範囲ｇ２項記載の交流発電機。 ５、　前記交流発電機は、前記界磁および固定子コイルが、前記回転軸に関し殆 んど同一軸方向位置に配置されいることを、さらに特徴とする前記請求の範囲第 ４項記載の交流発電機。 ６、　前記交流発電機は、前記界磁磁性コアが、前記界磁コイルの有効長さおよ び両有効端部を超えて軸方向にのび、両延長部の一方は、前記低リラクタンス軸 方向磁束エア・ギャップを形成する軸方向端末部分に相当することを、さらに特 徴とする前記請求の範囲第５項記載の交流発電機。 ７、　前記交流発電機は、前記界磁コイルの有効長さをこえた前記界磁コアの各 前記延属部が、前記回転子アセンブリに関し軸方向磁束エア・ギャップを与える ように利用され、各ギャップが一般的に前記界磁コイルの有効軸方向長さをこえ て配置されることを、さらに特徴とする前記請求の範囲第６項記載の交流発電機 。 ８、　前記交流発電機は、前記回転子アセンブリの前記ポール延長磁性フィンガ が、機械的および磁気的に一体とされ、前記界磁コアの前記軸方向延長部の一つ において、前記界磁コアとかなりの磁束保持の軸方向エア・ギャップを形成する ように前記回転軸に向って内側に、かつ前記界磁コイルの半径方向位置をこえて 半径方向に延長する部分を有するポール延長磁性材料部品から有効に延び、他方 前記第１クロー・ポール部材の半径方向にのびる磁性部分は、前記界磁コアの前 記軸方向延長部の他部との間前記低リンクタンス軸方向磁束エア・ギャップを形 成することを、さらに特徴とする前記請求の範囲第７項記載の交流発電機。 ９　前記交流発電機は、前記回転子アセンブリの前記ポール延長部材の前記半径 方向延長部分は、軸受により前記２個の軸方向延長部のうちの前記１つの延長部 から更に軸方向に延びる前記界磁コアの再延長部に機械的に結合されることを、 さらに特徴とする前記請求の範囲第８項記載の交流発電機。 １０、前記交流発電機は、前記界磁コイルの有効長さを超え、かつ前記低リラク タンスの軸方向磁束エア・ギャップを形成する前記界磁コア軸方向延長部の反対 側の前記界磁コアの延長部が、前記ポール延長フィンガと低リラクタンス半径方 向磁束エア・ギャップを形成し、この半径方向ギャップは、前記界磁コイルによ シ発生された磁束９大部分を導くことを、さ、らに特徴とする前記請求の範囲第 ６項記載の交流発電機。 １１、前記交流発電機は、前記ボール延長フィンガと前記コアの前記軸方向延長 部との間の前記低リラクタンス半径方向磁束エア・ギャップが、前記ボール延長 フィンガと前記界磁コアの前記軸方向延長部の間の低リラクタンス軸方向磁束エ ア・ギャップと隣接していることを１さらに特徴とする前記請求の範囲第１０項 記載の交流発電機。 １２、前記交流発電機は、前記磁性クロー・ポール部材が、前記回転軸に接し、 前記界磁コイルの軸方向有効長さ全部分的に重複させるように、前記界磁コイル に向って軸方向内側に延びる磁性材料のステラフ部分を具え、前記軸方向に延び るクロー・ポール母性ステップ部分は、前記界磁コアの対応ステップ部分と軸方 向及び半径方向の磁束エア・ギャップを形成することを、さらに％徴とする前記 請求の範囲第１項記載の交流発電機。 １３、前記交流発電機は、前記回転軸が、その一端にて前記筐体壁中の軸受によ り支持され、前記界磁コアは、該壁に固定され、前記界磁コアは、前記軸受、前 記回転軸に隣接し、界磁コイルの有効軸方向長さを超えて軸方向に配置される円 筒形リセスを有し、該リセ型グリス容器として作用することを、さらに特徴とす る前記請求の範囲第２項記載の交流発・電機。 １４、前記交流発電機は、前記回転軸が、その一端にて前記筐体壁中の軸受によ シ支持され、前記界磁コアは該壁に固定され、前記界磁コアは、前記軸受、前記 回転軸に隣接し、界磁コイルの有効軸方向長さを超えて軸方向に配置される円筒 型リセス全有し、該リセスは軸受ダリスを貯えそれにより前記軸受の円゛筒型グ リス容器として作用することを、さらに特徴とする前記請求の範囲第６項記載の 交流発電機。 １５、前記交流発電機は、前記界磁コアが、一般的に円筒形であシ、前記回転軸 と一致するその長さ方向の軸に配向され、前記界磁コアは、減少した外径部を有 するボビン状であシ、その上に前記界磁コイルが、前記界磁コアの大きな外径部 分間に軸方向に巻回されることを特徴とする請求 電機。