JPS6377362A - 磁石界磁型交流発電機 - 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〕 本発明は自動車用発電機等に使用される磁石界磁型の交
流発電機に係り、特につめ型（ランデル）磁極を有する
磁石界磁型交流発電機に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、永久磁石材の性能向上に伴い自動車用交流発電機
等においては、回転子の励磁巻線の代りに永久磁石が磁
極に使用されつつある。この種の永久磁石利用の発電機
（磁石界磁型発電機）は、発電機のブラシレス化と軽量
化を図り得る苅点を有するが、磁束量を簡単に変えられ
ず永久磁石を単に使用しただけでは出力電圧を一定に保
つことができない。そのため、従来は例えば特開昭５８
−８６８５０号公報に開示されるように１発電機の回転
数で変化する出力電圧を半導体スイッチのチョッピング
により所定の電圧もしくは電流に制御したり、或いは特
開昭６０−２５７７５１号公報に開示されるように発電
機の固定子側の磁気回路の近傍に磁束を通過させる別の
可動鉄心を設け、この可動鉄心を移動させて発電機内の
磁極の磁束密度を制御して所定の出力電圧が得られるよ
うに配慮されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述したように、従来の磁石界磁型の発電機は、その出
力電圧が発電機の回転数によって変化するのに対応して
、半導体スイッチング素子のスイッチ制御や磁束通路と
なる可動鉄心の位置制御により出力電圧を一定に制御し
ており、いずれも交流発電機の出力電圧を任意に調整す
ることができる。

しかしながら、発電機の本体の他に半導体スイッチング
素子や磁束通路となる可動鉄心部が必要となり、それだ
け部品点数が増加し装置が大形化する傾向にあった。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり。

その目的とするところは１発電機の回転子内の構造を変
えるだけで、発電機の回転数が変動した場合でも出力電
圧をほぼ一定に制御でき、小形軽量化を図り得る磁石界
磁型発電機を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するために、外周に互いに噛み
合うランデル磁極を有して発電機の回転子軸に対向配置
される一対の磁極鉄心と、界磁極となる永久磁石とによ
り回転子を構成してなる磁石界磁型交流発電機において
、次のような手段を溝じたものである。

すなわち、前記永久磁石は回転子軸方向に着磁された環
状磁石からなり、この永久磁石と磁性媒体を封入する環
状の磁性媒体封入部とを前記回転子軸の外周に且つ前記
一対の磁極鉄心間に介在させて固定配置し、更に前記磁
性媒体は前記回転子の回転により生じる回転遠心力が小
さくなる程に前記永久磁石の吸磁力により前記回転子軸
の外周近くに集まるようにして、この回転子軸の外周近
くに集まる前記磁性媒体により前記磁極鉄心及び発電機
の固定子鉄心に前記永久磁石の有効磁束を通す磁路の一
部を構成すると共に、前記回転子の回転遠心力を大きく
なるにつれてこの回転遠心力の働きにより前記磁路の一
部から離脱する前記磁性媒体量を増加させて、前記磁路
を通過する前記永久磁石の有効磁束量が減少するように
設定してなるものである。

〔作用〕

このような構成よりなる本発明によれば１回転子の回転
数が低くなるにつれて、すなわち回転子の回転遠心力が
小さくなるにつれて、永久磁石の磁性媒体に対する磁気
吸引力が前記回転遠心力に勝り、従ってこの場合には、
磁性媒体のほとんどが永久磁石の磁気吸引力により回転
子軸の外周近くに集まって、この磁性媒体を介して永久
磁石の有効磁束を多く通す磁路（回転子側の磁極鉄心か
ら固定子鉄心に磁束を通す回路）の一部が構成される。

また、回転子の回転数が増大するにつれて１回転遠心力
も大きくなり次第に回転遠心力が永久磁石の磁気吸引力
よりも大きくなって、この回転遠心力の大きさに応じて
磁性媒体の回転子外方向への移動量が増加する。このた
め、永久磁石の磁路の一部を構成する磁性媒体（回転子
軸の外周近くに永久磁石の磁気吸引力で集まったもの）
が回転数すなわち回転遠心力の度合に応じて前記磁路の
一部から離脱する量が増える。このため、永久磁石の磁
路の磁路の透磁率が減少して磁気抵抗が大きくなり、前
記磁路を通る永久磁石の有効磁束量が回転子の回転数に
反比例して減少する。

以上のように１本実施例によれば、回転子の回転数が低
い場合には回転子側の磁極鉄心から固定子鉄心側に通す
永久磁石の有効磁束量が増加し、逆に回転子の回転数が
高くなる程に前記永久磁石の有効磁束量が反比例して減
少するため、回転子の回転数が必要以上に上昇する時に
は永久磁石の有効磁束量を減少させて発電機の出力電圧
（或いは電流）が必要以上に上昇することを抑制し、ま
た回転子の回転数が低下する時には、永久磁石の有効磁
束量をその全増大させて所定の出力電圧を保持し、常に
出力電圧をほぼ一定に維持することができる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図ないし第２図に基づき説明す
る。

第１図は本発明の一実施例である自動車用交流発電機の
内部構造を表わす一部切欠断面図、第２図（ａ）〜（ｃ
）は上記実施例の動作を説明するための要部断面図であ
る。

図中、１ａ＊１ｂは交流発電機のハウジングを構成する
フロントブラケット及びリアブラケット、２はフロント
ブラケツ）・１ａとリアブラケット１ｂとの間に固定配
置される固定子鉄心で、固定子鉄心２はスロットを有し
、スロット内には三相巻線（固定子巻線）３が所要の極
数に巻装されている。４は発電機の回転子軸で、軸受５
ａ、５ｂにより支承され、その一端がフロントブラケッ
ト１ａから突出し、突出端にプーリ６が固着されている
。プーリ６には、■ベルト（図示せず）を介してエンジ
ンの回転力が伝送され、このブーＩ７５の駆動力が回転
子軸４に伝達される。回転子軸４は非磁性材で構成され
る。

７ａ、７ｂは回転子軸４に固定状態で対向配置された一
対の磁極鉄心で、磁極鉄心７ａ、７ｂは夫ぞれ本体が円
板状に形成され、本体外周に互いに噛み合ったランデル
ポール型の磁極７′　ａ。

７’　ｂが複数配設されている。また両磁極鉄心７ａ、
７ｂの対向する面内に外径が磁極鉄心７ａ。

７ｂよりも小さい環状の永久磁石８ａ、８ｂが軸方向に
着磁されて、磁極鉄心７ａ、７ｂの内壁面に密着して設
けられている。更に、対向する永久磁石８ａ、８ｂの間
には磁性媒体９を収容するための断面Ｖ形状の外周溝１
１を有する溝付リング１０（分割構造では１０ａ、１０
ｂ）が固定配置されている。溝付リング１０は、磁性材
からなる。

溝付リング１０及び環状永久磁石８ａ、８ｂの外周には
、磁性媒体９が飛散しないように封入するため且つ永久
磁石の強度保護のために、内周面に凹形状の溝を有する
非磁性材のカバーリング１２が嵌装されている。

磁性媒体９は、強磁性体からなる粉体、磁性流体、少く
ともいずれか１種類からなり、また、これらの磁性媒体
９中の磁性媒体要素の比重或いは粒径の大きさを数段階
に異ならせて混在させている。

次に、第２図の（ａ）〜（Ｑ）に基づき本実施例の動作
を説明する。

一般に自動車用の交流発電機は３相交流発電機と３相金
波整流器との組合せであり１発電機１相の無負荷発生電
圧の実効値Ｖは次式で示される。

＝４．４４に、−・ｆ・Φ ニーで、ｋは巻数係数、Φは１極当りの磁束量、ｐは極
数、Ｚは１組直列導体数で（Ｚ／２）は１相直列巻回数
となる。また、Ｎは回転数、ｆは周波数である。

上式で、回転数変化に対して出力電圧を略一定に保つた
めには磁束量Φを変える必要がある。第１図に示した本
実施例の構成は、磁束量Φを回転による遠心力を利用し
て可変調整しようとするものである。第２図（ａ）は、
発電機の回転子を自動車のアイドル回転数Ｎｉに設定し
た場合である。

この場合には、回転数が低い（１０００ｒｐｍ前後）た
めに磁性媒体９は永久磁石８ａ、８ｂからの磁束による
磁気吸引力で、磁性材の溝付リング１０（１０ａ、１０
ｂ）のＶ形溝１１における対向面距離の小さい内周側に
集まる。このため、永久磁石８ａ、８ｂからの磁束は溝
付リング１０ａ。

１０ｂの内周側鉄心部を通過する磁束φ０と磁性媒体９
を通過する磁束φ１との合成した値Φ１となり、この磁
束は磁極鉄心７ｂからの固定子鉄心２に空隙を介して入
り１周方向に磁極ピッチ移動してがら空隙を介して磁極
鉄心７ａに入射した後に永久磁石８ａに入る。第３図は
発電機回転子の回転数Ｎと固定子鉄心２に入射する有効
な磁束量Φの関係を出力電圧一定にするため、両者の積
Ｎ・Φが一定となるようにした時の回転数に対する有効
磁束量の変化を示す。これより、第２図（ａ）の有効磁
束量Φ１はアイドル回転数Ｎ１まで一定となる０次にア
イドル回転数Ｎｌ　を越えると遠心力が増して来て磁性
媒体９の位置が溝付リング１０ａ、１０ｂの最外周側に
移動しこの時の回転数をＮ２とする。なお、ここで磁性
媒体９の中で比重もしくは外径が最も大きい磁性媒体要
素９ａ、中間位の大きさの磁性媒体要素を９ｂおよびさ
らに小さい比重もしくは外径の磁性媒体要素を９０とし
て、各磁性媒体要素を混在させて溝付リング１０の溝１
１中に挿入しておくと、比重もしくは外径の大きい磁性
媒体要素９ａは単位重量当りの磁気吸引力が弱いので、
第２図（ｂ）に示すように回転に伴なう遠心力により磁
性媒体９ａが外周側の非磁性材からなるカバーリング１
２の内周面に集まる。この時、磁性媒体９内の磁束通路
断面は磁性媒体要素９ｂ、９ｃで構成さ九るために断面
積が小さくなり、磁性媒体９の中を通過する磁束量がφ
１からφ２に減少する。この結果、有効磁束量Φ２は（
φ０＋φ２）となり、先のΦＬの（φ０＋φ工）より減
少することになる１次に回転数がさらに上昇してＮ３に
達する磁性媒体９ｂも遠心力によりカバーリング１２の
内周面側に移動し、磁性媒体９ｃの中を通過する磁束は
φ８に減少し、有効磁束がΦＳＣ＝φ０＋φ８）に減少
する。

さらに、回転数が上昇すると磁性媒体９ｃもカバーリン
グ１２の内周面側に集まり有効磁束量はΦ３（＝φ０）
となる、このように、回転子の回転数の変化に伴なって
比重や粒径（球径）の異なる磁性媒体９の中で、重さの
大きい（粒径の大きい）磁性媒体要素から遠心力で回転
子の外側に移動するので、回転数増加に反比例して有効
磁束量を減少させることができ、その結果、第３図に示
すように回転数の変化に応じて出力電圧を定めるＮ・Φ
をほぼ一定に保持することができる。

第４図ないし第６図は他の実施例を示し、第４図は溝付
リング１０の溝形状１１を断面Ｕ形状にした場合、第５
図は溝付リング１０を２つに分割し、永久磁石８ａと８
ｂを磁気的につなぐ鉄心部を除去した構造を示し、第６
図は永久磁石８を１つにし、かつ他の実施例のような溝
付リング１０の溝１１を除去し、一方の面を斜面にして
磁極鉄心７ａとの間に空間１３を設けて磁性媒体を挿入
することにより同様の効果を得ることができる。

なお、磁性媒体の挿入は磁極鉄心７ａ（もしくは７ｂ）
、永久磁石８ａ（もしくは８ｂ）、溝付リングの片側１
０ａ及びカバーリング１２を回転子軸４に取付後に行う
か、または回転子を組立てた後に予め一方の磁極鉄心と
カバーリング１２とが重なる部分に穴もしくはネジ穴を
設けておき、磁性媒体挿入後に穴をうめる方法等で行う
ことができる。

なお、磁性流体と粒状の磁性媒体あるいは磁性粉体と粒
状の磁性媒体を混在させる場合は流体もしくは粉体をカ
バーリング内に充満させてもよい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、永久磁石界磁型の交流発
電機の回転子内の構造を変えるだけで、発電機の回転数
が変化した場合でも出力電圧をほぼ一定に制御できるの
で、従来のこの種発電機に使用された出力電圧制御用ス
イッチ素子、固定子側の可動部材等を必要とせず１発電
機全体の小形軽量化を図り得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の磁石界磁型交流発電機を示
す一部切欠断面図、第２図は（ａ）。 （ｂ）、（ｃ）は上記実施例の動作を説明するための要
部断面図、第３図は上記実施例の発電機の回転数に対す
る永久磁束の有効磁束の変化状態を表わす線図、第４図
ないし第６図は本発明の他の実施例を示す一部省略要部
断面図である。 ２・・・固定子鉄心、３・・・固定子巻線、４・・・回
転子軸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、外周に互いに噛み合うランデル磁極を有して発電機
   の回転子軸に対向配置される一対の磁極鉄心と、界磁極
   となる永久磁石とにより回転子を構成してなる磁石界磁
   型交流発電機において、前記永久磁石は回転子軸方向に
   着磁された環状磁石からなり、該永久磁石と磁性媒体を
   封入する環状の磁性媒体封入部とを前記回転子軸の外周
   に且つ前記一対の磁極鉄心間に介在させて固定配置し、
   更に前記磁性媒体は前記回転子軸の回転により生じる回
   転遠心力が小さくなる程に前記永久磁石の吸磁力により
   前記回転子軸の外周近くに集まるようにして、この回転
   子軸の外周近くに集まる前記磁性媒体により前記磁極鉄
   心及び発電機の固定子鉄心に前記永久磁石の有効磁束を
   通す磁路の一部を構成すると共に、前記回転子軸の回転
   遠心力が大きくなるにつれて前記回転子軸の外周近くに
   集まる前記磁性媒体が次第に回転子の外方向側に移動す
   るようにして、前記磁路を通過する前記永久磁石の有効
   磁束量が減少するように設定してなることを特徴とする
   磁石界磁型交流発電機。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記磁性媒体は、
   強磁性の粉体、粒体、流体のうちの少なくとも１種類よ
   りなる磁性媒体要素の集合体よりなり、且つ集合する磁
   性媒体要素の比重或いは粒径の大きさを幾つかの段階に
   分けて異ならせてなる磁石界磁型交流発電機。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項において、前記永
   久磁石は、前記磁極鉄心間に対向配置された一対の環状
   磁石よりなり、前記磁性媒体封入部は、前記一対の環状
   磁石間に配置され且つ外周に前記磁性媒体を収容する外
   周溝を備えた磁性材の溝付リングと、前記外周溝を覆う
   非磁性のカバーリングとで構成される磁石界磁型交流発
   電機。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記溝付リングは
   、溝形状を断面Ｖ字形、Ｕ字形或いは凹形状としてなる
   磁石界磁型交流発電機。 ５、特許請求の範囲第３項又は第４項において、前記溝
   付リングは、分割して対向配置された一対のリング部材
   よりなり、この分割されたリング部材間を溝として前記
   磁性媒体が収容され、該磁性媒体のみで前記永久磁石の
   有効磁束を通す磁路の一部を構成してなる磁石界磁型交
   流発電機。