JPWO2018070054A1 - 磁石発電機 - Google Patents

Abstract

磁石式発電機において、所望のイナーシャを低下することなく質量を低減させることができ、かつ、振動や衝撃により回転速度の高い領域でのエンジンのロックを防止する。円筒部および天井部を有する椀状のフライホイール、円筒部の内周壁面に設けられた複数の永久磁石および天井部の中心に設けられエンジンの出力軸に取付けられるボスからなる回転子と、永久磁石に対向して前記フライホイールの内側にエンジン側に固定される積層鋼板とコイルからなる固定子を備えた磁石発電機であって、記フライホイールの前記天井部の少なくとも一部が、合成樹脂で形成され、残りの部分が金属で形成される。

Description

本発明は、エンジンなどの原動機によるフライホイールの回転により、永久磁石と発電コイルとの電磁誘導作用により交流電圧を発生する磁石発電機（以下ＡＣＧ）に関する。

この種ＡＣＧとして、例えば自動二輪車などの車両に取付けられて発電する磁石発電機は、一般に、車両エンジン横のクランクケースに収納されている。そして、車両の小型化のために狭いスペースに収められており、回転するフライホイールはクランクケースの内壁との間隔は非常に小さい。

一般に、フライホイールの取り付け方向は、正テーパ取り付けと、逆テーパ取り付けの二種類に分類され、図１７、図１８にそれぞれ示される。図１７の正テーパ取り付けでは、椀型のフライホイール１０２の開放側がエンジン１０１側に向くように配置され、エンジンの回転軸（出力軸）１０３に、フライホイール１０２のボス１０４が連結している。

フライホイール１０２の円筒部１０２ａの内周側には、複数の永久磁石１０５が内周に沿って固定されている。一方、前記永久磁石に対向して前記フライホイールの内側に配置される積層鋼板とコイルからなる固定子１０６が、エンジン１０１側に固定して設けられる。前記フライホイール１０２の外側はクランクケース１０７で囲まれる。

図１８の逆テーパ取り付けでは、椀型のフライホイール１０２の天井部がエンジン１０１側に向くように配置され、エンジンの回転軸（出力軸）１０３に、フライホイール１０２のボス１０４が連結している。図１７の正テーパ取り付けと同様に、フライホイール１０２の円筒部１０２ａの内周側に複数の永久磁石１０５が固定される。また、前記永久磁石１０５に対向する固定子１０６が、前記フライホイールの内側に配置されるように、エンジン１０１と反対側のクランクケース１０７に固定して設けられる。

なお、ボスの締結方法はテーパ以外に、図示はしないが、スプライン、フランジ型でもよい。

いずれにしても、図１７、図１８では、フライホイール１０２の外側はクランクケース１０７で囲まれ、回転するフライホイール１０２とクランクケース１０７の内壁との間隔は非常に小さく設定されている。

従来のＡＣＧを図１９〜図２１に示す。フライホイール１０２は、円筒部１０２ａ、肩部１０２ｂ及び天井部１０２ｃが金属（鉄や鋳物）を用いて絞り加工や切削、鍛造等で製造される。ボス１０４の中心には、エンジンの回転軸１０３を通すためのテーパ孔１０４ａが形成される。フライホイール１０２は、エンジンの回転軸１０３のテーパ部をテーパ孔１０４ａに通し、ボス１０４を通り抜けた回転軸の先端が、図示しないネジ部に螺合したナットの締め付けで回転軸１０３に取り付けられ、回転軸１０３の回転により回転駆動される（特許文献１、特許文献２参照）。

フライホイール１０２の主たる機能として、エンジンの回転脈動を低減するために所望の慣性モーメント(以下イナーシャ)が必要である。近年、車両の低燃費化が求められている中で、フライホイールの質量を低減し、燃費向上を図ることは重要である。しかし、従来のフライホイールはボス、天井部、円筒部とも金属(鉄)で作られているため、発電機の質量が大きくなっていた。

慣性モーメントIは半径rの二乗で効くので、円筒部が支配的で効果的にイナーシャを稼ぐことができる（Ｉ=ｍｒ^２）。そのため、質量あたりのイナーシャが小さい天井部を樹脂化することで、円筒部でイナーシャを保持したまま効率よく軽量化することができる。

図１９は、従来のＡＣＧを、エンジン１０１に正テーパ取り付けした状態を示している。フライホイール１０２は、回転軸１０３の回転により回転駆動され、共に回転する永久磁石１０５の磁束変化により、固定子１０６のコイル１０６ａに交流電圧が発生する。

特開平１０−２２５０３３号公報 特開２００７−１２９８１８号公報

前述のように、フライホイール１０２は、クランクケースなどの放熱の悪い狭いスペースに内蔵され、金属の回転軸１０３を通じて高温のエンジン熱が伝わり易く、常に高温状態にある。また、回転するフライホイール１０２には、常に遠心力が働いている。さらに、山道などのオフロード走行時には、異常振動や異常衝撃が発生し易い状態にある。

このように、高温状態かつ回転で遠心力が働いているフライホイール１０２に対し、激しい振動や衝撃が加わると、フライホイールのボス１０４と、天井部１０２ｃの間に亀裂が入る恐れがある。そして、亀裂が入った状態で回転が続くと、最悪、ボス１０４と天井部１０２ｃの間が破断する恐れがある。

図２２は、この破断した状態を示しており、１０８は、ボス１０４の付近と天井部１０２ｃの間の破断部を示す。この状態では、軸心を失ったフライホイールの天井部１０２ｃと円筒部１０２ａは、裏面に取付けられた永久磁石１０５の磁力により、固定子１０６側に張り付いて回転軸１０３に対して傾いて固定される。

しかし、前述のように、クランクケース内に破断した円筒部１０２ａが安全に退避できるスペースがないため、回転しているボス１０４と、停止しているフライホイールの天井部１０２ｃの接触する頻度が高くなる。この接触頻度が高くなると両者に摩擦熱が生じ、摩擦熱が鉄の融点（約１５００℃、図１２参照）を超えると両者で溶融が始まる恐れがある。

一方、破断による円筒部１０２ａの停止による発電不良や、回転軸１０３の回転角度の検出不能が起こるため、エンジンの回転が低下する。これに伴って、ボス１０４とフライホイールの天井部１０２ｃとの摩擦熱温度が低下し、鉄の融点以下になると、ボス１０４と天井部１０２ｃの接触部分が一体化して凝固する。

このとき、フライホイールの天井部１０２ｃと円筒部１０２ａは、車両に固定された固定子１０６に斜めに吸着しているため、噛み込み固定されたロック状態となっている。従って、ボス１０４と天井部１０２ｃの接触部分が一体化して凝固すると、ボス１０４と共に回転軸１０３もロックし、回転領域（約６０００ｒｐｍ、図１５参照）でエンジンがロックする恐れがある。この現象は、逆テーパ取り付けしたＡＣＧにおいても同様である。

本発明は、上記した従来の問題点にかんがみ、所望のイナーシャを低下することなく質量を低減させることができ、かつ、振動や衝撃により回転速度の高い領域でのエンジンのロックを防止した磁石式発電機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、
円筒部および天井部を有する椀状のフライホイール、前記円筒部の内周壁面に設けられた複数の永久磁石および前記天井部の中心に設けられ原動機の出力軸に取付けられるボスからなる回転子と、前記永久磁石に対向して前記フライホイールの内側に原動機側に固定される鉄芯とコイルからなる固定子を備えた磁石発電機において、
前記フライホイールの前記天井部の少なくとも一部が、合成樹脂で形成され、残りの部分が金属で形成されることを特徴とする。

また、上記において、前記フライホイールは、天井部のボスの外周側が合成樹脂で形成されて残りの部分が金属で形成されてもよい。

一般に、エンジン速度が高い程、車両の速度が高くなり運動エネルギーも高い。したがって、回転でエンジンがロックすると、車両に与える衝撃が大きい。また、車両の速度が上がった状態でロックすると、車両の操作が不能になり、重大な事故につながる恐れがある。逆に低速ではその恐れが少ない。

本願発明の前記構成によれば、フライホイールは金属より耐衝撃性の低い合成樹脂の溶融、固着が低回転領域で起こるため、エンジンロックが起こったとしても安全である。

また、合成樹脂として熱硬化性合成樹脂を用いた場合、所定温度以上で破壊されるが、温度が下がっても再溶融しないため、固着が起こらずエンジンロックが生じないので、安全性が一層高まる。

また、前記フライホイールは、前記天井部が合成樹脂の天井部と、前記ボス及び前記円筒部と一体的に形成された金属製の天井部で構成されても良く、前記フライホイールは、前記金属製の天井部が前記ボス及び前記円筒部を繋ぐ１つ以上のスポークで構成されても良く、前記フライホイールは、前記金属製の天井部が前記ボス及び前記円筒部を繋ぐ薄板で構成されても良い。

この構成によれば、ボスと円筒部の軸心を出すことができ、同時に天井部の強度を向上させることができる。

また、上記において、前記フライホイールは、天井部とこの天井部に連なる前記円筒部の一部が合成樹脂で形成されて前記円筒部の残りの部分が金属で形成されも良く、また、前記フライホイールの円筒部の合成樹脂と金属の境目は、前記永久磁石の前記フライホイールの天井部側の端面付近に位置していても良く、さらに前記フライホイールの合成樹脂と金属は接着材で接着されも良い。

これらの構成によれば、質量あたりのイナーシャが小さい天井部の一部を樹脂化しているので、フライホイール全体を軽くしながら必要なイナーシャを確保でき、また、フライホイールの天井部が、合成樹脂で構成されるので、天井部を通じる永久磁石の磁束漏れを低減して効率低下を防止でき、合成樹脂と金属は接着材で容易に接着できる。

また、上記において、前記フライホイールは、天井と円筒部を覆う合成樹脂で形成され前記永久磁石の外周面に沿って磁性体が配置される筒状のヨークを備えても良く、前記永久磁石、ボス、ヨークおよび磁石カバーを合成樹脂に埋設されてフライホイールに固定されても良く、永久磁石は、その端面が前記合成樹脂から露出するように埋設されても良い。

これらの構成によれば、フライホイール全体を軽くしながら、永久磁石、ボス、ヨークの耐水性が向上するとともに、天井部を通じる永久磁石の磁束漏れを低減でき。フライホイール全体が樹脂で構成されるので、フライホイール自体が錆びることが無いと共に、フライホイールで覆われる固定子の防錆効果が得られる。さらに、永久磁石の外周面から天井部を経由して、永久磁石の内周面に至る磁路が合成樹脂となるので、磁路の磁気抵抗が極めて大きくなって磁束の漏洩を少なくすることができ、効率が低下しない。

また、上記において、前記ヨークは、前記フライホイールに所定のイナーシャを与える質量に設定されることを特徴とする。この構成によれば、フライホイール全体を軽くしながら、ヨークで質量を調整して所定のイナーシャを維持することができる。

また、上記において、前記合成樹脂は、熱硬化性合成樹脂であり、前記合成樹脂は、熱可塑性の非結晶性樹脂であっても良く、熱可塑性の融点が８００℃以下の結晶性樹脂であっても良い。

これらの構成によれば、熱硬化性合成樹脂では所定温度以上で破壊されるが、温度が下がっても再溶融しないため、固着が起こらずエンジンロックが生じないので、一層安全である。熱可塑性樹脂では、フライホイールの破断後の溶融による再固着が低回転領域で起こるため、エンジンロックが起こったとしても低回転領域で発生するので、車両に与える衝撃は小さく、運転者への衝撃も小さいものとなる。

また、上記において、合成樹脂は、不燃性、難燃性または自己消火性の樹脂であり、繊維材を含んでも良い。この構成によれば、車両火災を防止できるとともに、樹脂の強度を強化して、車両に対する衝撃で容易に破壊されないようにすることができる。

本発明によれば、質量あたりのイナーシャが小さい天井部の一部を樹脂化しているので、所望のイナーシャを低下することなく質量を低減させることができ、回転速度の高い領域でのエンジンのロックを防止することができる。

本発明の実施例１のフライホイールの平面図である。 本発明の実施例１のフライホイールの側面断面図である。 本発明の実施例２のフライホイールの平面図である。 本発明の実施例２のフライホイールの側面断面図である。 本発明の実施例３のフライホイールの平面図である。 本発明の実施例３のフライホイールの側面断面図である。 本発明の実施例３のフライホイールの側面断面の一部説明図である。 本発明の実施例３のフライホイールの円筒部の断面の説明図である。 本発明の実施例３のフライホイールの分解斜視図である。 本発明の実施例３のフライホイールの低部側から見た斜視図である。 本発明の実施例の固定子の斜視図である。 本発明の実施例４のフライホイールの平面図である。 本発明の実施例４のフライホイールの側面断面図である。 本発明の実施例５のフライホイールの側面断面図である。 エンジンの回転速度、摩擦温度および溶融温度の関係を示す説明図である。 鉄と樹脂の物理特性を示す説明図である。 フライホイールの正テーパ取り付けの説明図である。 フライホイールの逆テーパ取り付けの説明図である。 従来のＡＧＣのフライホイールの平面図である。 従来のＡＧＣのフライホイールの側面断面図である。 従来のＡＧＣのフライホイールの破断前の説明図である。 従来のＡＧＣのフライホイールの破断後の説明図である。

以下、図１から１４に基づいて、本発明の具体的実施例を説明する。各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示す。

図１は、本発明の実施例１のフライホイールの平面図で、図２は、同じく実施例１のフライホイールの側面断面図であり、フライホイールの内部に固定子を配置した状態を示している。図１、図２では、車両のエンジン（原動機）とその出力軸が図示省略されている。

１は椀状のフライホイールで、筒状の円筒部１ａ、円盤状の天井部１ｂおよびこれら両者をつなぐ肩部１ｃで構成され、金属（鉄）の絞り加工などで形成される。３は天井部１ｂの中央に形成されたボスで、エンジンの回転軸（出力軸）を通すためのテーパ孔３ａが形成されている。

フライホイール１は、エンジンの出力軸のテーパ部（図示せず）をボスのテーパ孔３ａに通し、ボス３を通り抜けた出力軸の先端が図示しないネジ部により出力軸に取り付けられ、出力軸の回転と共に回転する。

４は円筒部１ａの内周面に沿って複数個固着される永久磁石である。２はフライホイール１の内周側に配置される固定子であり、永久磁石４に対向する積層鋼板５と、この積層鋼板に巻回されるコイル６からなる。固定子２はその積層鋼板５の積層面が永久磁石に僅かな隙間を置いて対向するように、エンジン側に静止状態に固定される。この固定子２の周囲を、フライホイール１と共に永久磁石４が回転することにより、電磁誘導作用でコイル６に交流電圧が発生する。

永久磁石４の背面には、隣接する永久磁石４同士の磁路を形成するため、磁性体の筒状のヨークが必要とされる。本実施例１では、円筒部１ａが磁性体（鉄製）であって磁路を形成するためヨークとして兼用される。

８は融点が８００℃以下の熱可塑性の結晶性の合成樹脂であり、円筒部１ａの天井部１ｂに、ボス３を中心とする環状に形成される。この環状の合成樹脂８は、天井部１ｂを内周部１ｄと外周部１ｅに分離する環状孔７（ボス３を中心とする）に嵌合して固定することにより配置される。

前記環状孔７への合成樹脂８の固定は、環状孔７への耐熱性接着剤などで接着するか、天井部１ｂの内周部１ｄと外周部１ｅとを環状孔７を形成した状態で金型に配置して、環状孔７に樹脂を流し込んで固化することで行う。接着剤の場合は作業が容易となる。

このように、フライホイール１は、金属製の天井部１ｂの一部が環状の合成樹脂８で形成され、残りの部分（内周部１ｄ、外周部１ｅ）が金属で形成される。１ｆは、円筒部１ａの外周に周方向に一定間隔で配置される金属製突起状のリラクタで、近接配置される発電素子（図示せず）により位置を検出し、その信号でフライホイール１の回転速度などが検出される。

このように構成されたフライホイール１は、エンジンの出力軸とともに回転し、このイナーシャを利用してエンジンの回転脈動を低減する。この際、フライホイール１のイナーシャに主に寄与する部分は、中心からの距離が長い永久磁石４を含めた円筒部１ａである。本実施例１では、永久磁石４と鉄で構成される円筒部１ａの質量によってイナーシャが支配的となる。

次に、エンジンの出力軸の回転と共に回転するフライホイール１に、激しい振動や衝撃が加わって、フライホイール１に亀裂が入り、その後、ボス３と天井部１ｂの間に破断が起こった場合を想定する。

本実施例１では、フライホイール１で最も機械的に弱い部分は、天井部１ｂの一部に形成された環状の合成樹脂８の部分である。したがって、車両に激しい振動や衝撃が加わったとき、フライホイール１の天井部の合成樹脂８に力が集中して亀裂が入り、その後破断が起こることになる。

合成樹脂８の部分で破断が起きると、フライホイール１の天井部１ｂの外周部１eと円筒部１aは、軸心を失い、永久磁石４の磁力により、その天井部１ｂの外周部１ｅと円筒部１ａが固定子２の積層鋼板５側に張り付き、出力軸（図示せず）に対して傾いて停止する。

一方、天井部１ｂの内周部１ｄは、ボス３と共に回転を続けているので、この回転している内周部１ｄと停止している外周部１ｅの境目となる合成樹脂８の破断部分で、合成樹脂同士又は樹脂と金属が接触して摺動する。この摺動により両者に摩擦熱が生じ、摩擦熱温度が合成樹脂８の融点（約３００℃）を超えると合成樹脂の溶融が始まる。

一方、フライホイール１の天井部１ｂの外周部１ｅの停止により、発電不良やリラクタ１ｆによる回転の検出不能が起こるため、エンジンは回転速度が低下してくる。エンジンの回転速度が低下すると合成樹脂の摩擦熱温度が低下し、この温度が合成樹脂の融点以下になると、合成樹脂の接触部分が再凝固して合成樹脂同士又は樹脂と金属が一体化する。

このとき、フライホイール１の天井部１ｂの外周部１ｅと円筒部１ａは、車両に固定された固定子２に斜めに吸着して、噛み込んだロック状態となっている。従って、天井部１ｂの合成樹脂８が再凝固して一体化することで、ボス３に固定された出力軸もロックし、エンジンがロックする恐れがある。

しかし、鉄の融点と比べて合成樹脂８は、融点がかなり低いため、エンジンの回転速度がかなり低下しないと再凝固しない。従って、合成樹脂が凝固してエンジンロックが起こっても、その時のエンジン回転速度は低く、車両も低速状態にあるため、車両に与える衝撃は小さくなるので、運転者への衝撃も小さいものとなる。

また、前記合成樹脂８は、摩擦熱による火災事故を防ぐために、合成樹脂は、不燃性、難燃性または自己消火性の樹脂がよい。

さらに、前記合成樹脂８は、繊維材を含んでいても良い。フライホイールには振動、遠心荷重などにより、引っ張り、曲げ、ねじりの力が加わる。樹脂の強度は金属に比べて低く、高温で特に低下する。樹脂を金属と同強度にするには樹脂を厚くしなければならず、樹脂部分が厚くなると風切り音が出たりするので、ステータとの距離を広げる必要があり、発電機の体格が大きくなる。これを防ぐには、樹脂に繊維材(ガラス、グラスファイバー)を混ぜることで樹脂強度を向上させることができる。

図１５は、本発明実施例のエンジンの回転速度、摩擦温度および溶融温度の関係を示す説明図である。鉄の溶融温度は約１５００℃であって、この時のエンジン回転速度が６０００回転である。これに対して、結晶性の合成樹脂の溶融温度は約３００℃であり、この時のエンジン回転速度は１０００回転であり、車両速度は十分遅い安全速度となる。

なお、熱可塑性の合成樹脂８として、融点が８００℃以下の樹脂を用いる理由は、以下の通りである。一般に、フライホイールは鉄又はアルミで作られており、この中でアルミの融点が低く約８００℃である。図１５の説明図で、アルミの融点でのエンジン回転速度は４０００回転であり、これよりも低い回転速度であれば車両速度がより安全な速度となる。したがって、フライホイールに樹脂を用いる場合は、アルミより低い融点８００℃以下の樹脂を選ぶ必要がある。

実際、合成樹脂の融点はアルミよりかなり低いため、エンジンの回転数がかなり低下しないと再凝固しない。従って、合成樹脂が凝固してエンジンロックが起こっても、その時のエンジン回転数は低く、車両も低速状態にあるため、車両に与える衝撃は小さくなるので、運転者への衝撃も小さいものとなる。

図１６に鉄と樹脂の摩擦係数と熱伝達率の説明図を示す。この図から明らかなように、合成樹脂は摩擦係数が大きいので、合成樹脂同士又は樹脂と金属の摩擦熱は金属同士の摩擦熱よりも大きい。したがって、合成樹脂同士又は樹脂と金属の接触面は金属同士の摩擦面に比べ小さな回転（摺動）で大きく発熱し易く、また、溶融後は回転速度が十分下がらないと再凝固しづらい。従って、エンジンロックが起こっても、その時のエンジン回転速度は極めて低いものとなるので、運転者への衝撃も小さいものとなる。

また、図１６に示すように、合成樹脂は鉄と比べると、熱伝達率が小さいので、例えばエンジンからの熱が、回転軸とボスを介してフライホイールに伝達された時、永久磁石４への熱伝達が合成樹脂８によって遮断されるため、永久磁石４の熱による出力低下を抑えることができる。

上記では、合成樹脂８として結晶性の熱可塑性樹脂を用いたもので説明しているが、非結晶性の熱可塑性樹脂を用いてもよい。非結晶性の熱可塑性樹脂は、結晶構造が無く融点が存在しないため、破断が起こっても摩擦熱で溶融せず再凝固もしない。従って、破断後にエンジンの回転速度が低下しても、エンジンがロックする恐れがなく、運転者への衝撃も小さいものとなって一層安全性が高まる。

また、合成樹脂８として熱硬化性樹脂を用いた場合は、破断が起こっても、破断したままで、摩擦熱で溶融せず再凝固もしない。従って、熱硬化性樹脂は、非結晶性の熱可塑性樹脂と同様に、破断後にエンジンの回転速度が低下しても、エンジンがロックする恐れがなく、運転者への衝撃も小さいものとなって、安全性が一層高まる。

なお、上記説明では、合成樹脂８としてボス３を中心とする環状のものを説明したが、必ずしも環状（円）である必要はなく、一周繋がっていれば良い。

図３は、本発明の実施例２のフライホイールの平面図で、図４は、同じく実施例２のフライホイールの側面断面図であり、フライホイールの内部に固定子を配置した状態を示している。図３、図４では、車両のエンジンとその出力軸が図示省略されている。

１１は椀状のフライホイールで、筒状の円筒部１１ａ、円盤状の天井部１１ｂおよびこれら両者をつなぐ肩部１１ｃで構成される。１３は天井部１１ｂの中央に形成されたボスで、図示しないエンジンの出力軸を通すためのテーパ孔１３ａが形成される。

フライホイール１１は、エンジンの出力軸のテーパ部（図示せず）をテーパ孔１３ａに通し、ボス１３を通り抜けた出力軸の先端が図示しないネジ部により出力軸に取り付けられ、出力軸と共に回転する。

１４は円筒部１ａの内周面に沿って複数個固着される永久磁石である。１２はフライホイール１１の内周側に配置される固定子であり、永久磁石１４に対向する積層鋼板１５と、この積層鋼板に巻回されるコイル1６からなる。固定子１２はその積層鋼板の積層面が永久磁石に僅かな隙間を置いて対向しており、エンジン側に静止状態に固定される。この固定子１２の周囲を、フライホイール１１と共に永久磁石１４が回転することにより、電磁誘導作用でコイル１６に交流電圧が発生する。

実施例２では、天井部１１ｂ、肩部１１ｃ及びこれに連なる円筒部１１ａの一部１１ｄが、実施例１と同じ結晶性の熱可塑性合成樹脂で一体的に形成される。そして、円筒部１１ａの残りの一部（天井部と反対側）１１ｅとボス１３は金属（鉄）で形成される。

これら合成樹脂部分と金属部分は、接着剤で接着するか、ボス１３及び円筒部１１ａの残りの一部１１ｅを金型（図示せず）に配置して射出成型で合成樹脂を流し込むことにより、天井部１１ｂ、肩部１１ｃ及び円筒部の一部１１ｄを一体成形で固定しても良い。

永久磁石１４の背面には、円筒部１１ａ内で周方向に隣接する永久磁石１４同士の磁路を形成するために、磁性体の筒状のヨークが必要とされる。本実施例２では、磁性体である鉄製の円筒部１１ａの残りの一部（天井部と反対側）１１ｅが、永久磁石同士の磁路を形成するので、ヨークとして兼用される。

円筒部の一部１１ｄと残りの一部（天井部と反対側）１１ｅの境目１１ｇは、永久磁石１４のフライホイール１１の天井部１１ｂ側の端面１４ａ付近に位置するように構成されている。このように構成することにより、永久磁石１４の上端から天井部１１ｂが合成樹脂によって構成されるので、永久磁石１４の外周面（円筒部１１ａ側）から天井部１１ｂを経由して、永久磁石１４の内周面（固定子１２側）に至る磁路（後述の図７の磁路２４ｂ参照）が合成樹脂となる。したがって、上記磁路の磁気抵抗が金属に比べて大きくなって磁束の漏洩を少なくすることができる。

このように構成されたフライホイール１１は、エンジンの出力軸とともに回転し、このイナーシャを利用してエンジンの回転脈動を低減する。この際、フライホイール１１のイナーシャに必要な部分は、質量の大きい永久磁石１４を含めた円筒部の残りの一部１１ｅである。本実施例２では、永久磁石１４と鉄で構成される円筒部の残りの一部１１ｅの質量によって必要なイナーシャが設定される。

次に、エンジンとともに回転するフライホイール１１に、激しい振動や衝撃が加わって、フライホイールに亀裂が入り、さらに、亀裂が入った状態で回転が続いて、両者の間に破断が起こった場合を想定する。

本実施例２では、フライホイール１１で最も機械的に弱い部分は、合成樹脂で形成された部分である。したがって、激しい振動や衝撃が加わったとき、フライホイール１１の天井部１１ｂから円筒部の一部１１ｄに連なる合成樹脂の部分に力が集中し、合成樹脂の何れかの部分で亀裂が入り、その後破断が起こることになる。

仮に、フライホイール１１の天井部１１ｂの合成樹脂の部分で破断が起きたとすると、フライホイール１１の天井部１１ｂの破断部分の外周部は軸心を失い、永久磁石１４の磁力により、天井部１１ｂの破断部分の外周部合成樹脂、肩部１１ｃ合成樹脂及び円筒部の一部１１ｄの合成樹脂部分が、固定子１２の積層鋼板１５側に張り付き、出力軸に対して傾いて停止状態に固定される。

一方、天井部１１ｂの破断部分の内周部（合成樹脂）と金属製のボス１３が共に回転を続けているので、停止している天井部１１ｂの破断した部分で合成樹脂同士が接触しながら摺動して両者に摩擦熱が生じる。摩擦熱が合成樹脂８の融点（約３００℃）を超えると合成樹脂同士で溶融が始まる。

一方、破断によるフライホイール１１の永久磁石１４の停止により、発電不良やリラクタによる回転の検出不能が起こるため、エンジンの回転が低下する。エンジンの回転が低下すると、溶融している合成樹脂同士の摩擦熱温度が低下し、合成樹脂８は融点以下になると合成樹脂同士の接触部分が再凝固して一体化する。

このとき、フライホイールの天井部１１ｂの外周部と円筒部１１ａは、車両に固定された固定子１２に斜めに吸着して、噛み込んだロック状態となっている。従って、天井部１１ｂの合成樹脂が再凝固して一体化することで、ボス１３に固定された図示しない出力軸もロックし、エンジンがロックする恐れがある。

しかし、前述のように図１５から、鉄の溶融温度は約１５００℃であって、この時のエンジン回転速度が６０００回転である。これに対して、結晶性の合成樹脂の溶融温度は約３００℃であり、エンジンロックが起こっても、エンジン回転速度は１０００回転であるため、車両に与える衝撃は小さくて済み、運転者への衝撃も小さいものとなる。

また、実施例１と同様に、図１６に示す鉄と樹脂の摩擦係数から、合成樹脂は摩擦係数が大きいので、合成樹脂同士の小さな回転（摺動）で大きく発熱し易く、また、溶融後は回転速度が十分下がらないと再凝固しづらい。従って、エンジンロックが起こっても、その時のエンジン回転速度は極めて低いものとなるで、車両に与える衝撃は小さくなり、運転者への衝撃も小さいものとなる。

さらに、実施例１と同様に、図１６に示すように、合成樹脂は鉄と比べると、熱伝達率が小さいので、例えばエンジンからの熱が回転軸とボスを介してフライホイールに伝達された時、合成樹脂によって永久磁石１４への熱伝達が遮断されるため、永久磁石１４の熱による劣化を抑えることができる。

また、実施例１と同様に、合成樹脂として非結晶性の熱可塑性樹脂を用いた場合は、結晶構造が無く融点が存在しないため、破断が起こっても摩擦熱で溶融せず再凝固もしない。従って、破断後にエンジンの回転速度が低下しても、エンジンがロックする恐れがない。

さらに、熱硬化性樹脂を用いた場合は、上記と同様に破断が起こっても摩擦熱で溶融せず、再凝固もしない。従って、熱硬化性樹脂は、非結晶性の熱可塑性樹脂と同様に、破断後にエンジンの回転速度が低下しても、エンジンがロックする恐れがなく、安全性が一層高まる。

図５は、本発明の実施例３のフライホイールの平面図で、図６は、同じく実施例３のフライホイールの側面断面図であり、フライホイールの内部に固定子を配置した状態を示している。図５、図６では、車両のエンジンとその出力軸が図示省略されている。

２１は椀状のフライホイールで、筒状の円筒部２１ａ、円盤状の天井部２１ｂおよびこれら両者をつなぐ肩部２１ｃで構成される。２３は天井部２１ｂの中央に形成されたボスで、図示しないエンジンの（出力軸を通すためのテーパ孔２３ａが形成される。

フライホイール２１は、エンジンの出力軸のテーパ部（図示せず）をテーパ孔２３ａに通し、ボス２３を通り抜けた出力軸の先端が図示しないネジ部により出力軸に取り付けられ、出力軸の回転と共に回転する。

２４は円筒部１ａの内周面に沿って複数個固着される永久磁石である。２２はフライホイール２１の内周側に配置される固定子であり、永久磁石２４に対向する積層鋼板２５と、この積層鋼板に巻回されるコイル２６からなる。固定子２２はその積層鋼板の積層面が永久磁石に僅かの隙間を置いて対向しており、エンジン側に静止状態に固定される。この固定子２２の周囲を、フライホイール２１と共に永久磁石２４が回転することにより、電磁誘導作用でコイル２６に交流電圧が発生する。

本実施例３では、円筒部２１ａ、天井部２１ｂ、肩部２１ｃで構成されるフライホイール２１全体が、実施例１と同じ結晶性の熱可塑性の合成樹脂で一体的に形成される。ボス２３は金属（鉄）で形成される。

なお、２７は、円筒部２１ａの内周面と永久磁石の外周面に挟んで固定された磁性体（鉄）からなるヨークである。ヨーク２７は円筒状に形成され、隣接する永久磁石２４同士の磁路を形成する。実施例１、２では、永久磁石の外側の円筒部が磁性体（鉄）であって、ヨークの機能を果たしているが、本実施例３では、フライホイール２１の円筒部２１ａが樹脂で形成されるため、永久磁石１４同士の磁路を形成するヨーク２７が必要となる。

２８は永久磁石２４の内周面に取付けられた薄い金属板からなる環状のマグケースであり、永久磁石２４の内周面を揃えるとともに保護する。なお、実施例１、２でも、永久磁石の内周面にマグケース２８が設けられているが、図示及び説明を省略している。

フライホイール２１（合成樹脂）への各部品の取り付け方としては、金型（図示せず）内に永久磁石２４、ボス２３、ヨーク２７およびマグケース２８を配置して、これに射出成型によって合成樹脂を流し込んで樹脂に埋設する。

この埋設に際しては、各部品が不透明な合成樹脂内に埋設されるので、外見からは各部品の有無が分からなくなる。本実施例３では、永久磁石２４の端面２４ａが前記合成樹脂から外に露出するように埋設する。さらには、ヨーク２７の端面を合成樹脂から外に露出させて埋設してもよい。このように構成することにより、埋設後のフライホイールの外見から永久磁石２４およびヨーク２７を確認することができる。

本実施例３では、フライホイール２１全体が合成樹脂で形成される。このため、永久磁石２４の上端から天井部２１ｂが合成樹脂によって構成されるので、永久磁石２４の外周面（円筒部２１ａ側）から天井部２１ｂを経由して、永久磁石２４の内周面（固定子２２側）に至る磁路２４ｂ（図７参照）が合成樹脂となる。したがって、磁路２４ｂの磁気抵抗が極めて大きくなって磁束の漏洩を少なくすることができる。

図８は、本実施例３のフライホイールの円筒部断面の一部分を拡大して示す説明図である。図７と同一部分を同一符号で示す。円筒部２１ａの内周にヨーク２７が配置され、ヨーク２７の内周に複数個の永久磁石２４が周方向に間隔を置いて配置され、さらにその内周に薄いマグケース２８が取り付けられている。３０は、永久磁石２４同士の隙間に入り込んだ合成樹脂層である。

図９に実施例３のフライホイールの分解斜視図を示す。円筒部２１ａ、ボス２３、ヨーク２７、永久磁石２４及びマグケース２８が順に配置されるように、合成樹脂による一体成型で構成される。

図１０に実施例３のフライホイール２１の天井部２１ｂ側から見た斜視図を示す。図５〜図９と同一部分を同一符号で示す。２１ｆは円筒部２１ａの外周に周方向に一定間隔で配置された金属製の突起状のリラクタで、図示しない発電素子により位置が検出され、その信号でフライホイール２１の回転速度などを検出する。

図１１に実施例３の固定子の斜視図を示す。固定子２２は積層鋼板２５とこの積層鋼板の外周に巻回されるコイル２６からなる。この積層鋼板２５は積層面が永久磁石２４に僅かの隙間を置いて対向するように、エンジン側に静止状態に固定される。そして、固定子２２の周囲を、フライホイール２１と共に永久磁石２４が回転することにより、電磁誘導作用でコイル２６に交流電圧が発生する。なお、図１１に示される固定子２２は、実施例１及び２においても同一構造を有する。

このように構成されたフライホイール２１は、エンジンの出力軸の回転とともに回転し、この回転によるイナーシャを利用してエンジンの回転脈動を低減する。この際、フライホイール２１のイナーシャに必要な部分は、質量の大きい、永久磁石２４と金属製のヨーク２７である。本実施例３では、イナーシャの調整は、磁性体（鉄）で構成されるヨーク２７の質量によって行われ、ヨーク２７の厚さと幅で調整がなされる。

次に、エンジンとともに回転するフライホイール２１に、激しい振動や衝撃が加わって、フライホイールに亀裂が入り、さらに、亀裂が入った状態で回転が続いて、両者の間に破断が起こった場合を想定する。

本実施例３では、フライホイール２１全体が合成樹脂で形成されているため、激しい振動や衝撃が加わったとき、合成樹脂の何れかの部分で亀裂が入り、その後破断が起こることになる。

仮に、フライホイール２１の天井部２１ｂで破断が起きたと想定すると、フライホイール２１は軸心を失い、永久磁石２４の磁力により、天井部２１ｂの破断部分の外周部、肩部２１ｃ及び円筒部２１ａが、固定子２２の積層鋼板２５側に張り付き、出力軸に対して傾いて停止状態に固定される。

一方、天井部２１ｂの破断部分の内周部（合成樹脂）と金属製のボス２３が共に回転を続けているので、停止している天井部２１ｂの破断した部分で合成樹脂同士が接触しながら摺動して両者に摩擦熱が生じる。摩擦熱が合成樹脂８の融点（約３００℃）を超えると合成樹脂同士で溶融が始まる。

一方、破断によるフライホイール２１の永久磁石２４の停止により、発電不良やリラクタによる回転の検出不能が起こるため、エンジンの回転が低下する。エンジンの回転が低下すると、溶融している合成樹脂同士の摩擦熱温度が低下し、合成樹脂８は融点以下になると合成樹脂同士の接触部分が再凝固して一体化する。

このとき、フライホイールの天井部２１ｂの外周部と円筒部２１ａは、車両に固定された固定子２２に斜めに吸着して、噛み込み固定されたロック状態となっている。従って、天井部２１ｂの合成樹脂同士が再凝固して一体化することで、ボス２３に固定された図示しない出力軸もロックし、エンジンがロックする恐れがある。

しかし、前述のように鉄の融点と比べて合成樹脂の融点はかなり低いため、エンジンの回転速度が低下しないと合成樹脂の再凝固が起きない。従って、結晶性の合成樹脂同士が凝固してエンジンロックが起こっても、その時のエンジン回転速度は１０００回転と低く、車両も低速状態にあって、車両に与える衝撃は小さくなるので、運転者への衝撃も小さいものとなる。

また、実施例１、２と同様に、図１６に示す鉄と樹脂の摩擦係数から、合成樹脂は摩擦係数が大きいので、合成樹脂同士の小さな回転（摺動）で大きく発熱し易く、また、溶融後は回転速度が十分下がらないと再凝固しづらい。従って、エンジンロックが起こっても、その時のエンジン回転速度は極めて低いものとなる。

また、図１６に示すように、合成樹脂は鉄と比べると、熱伝達率が小さいので、例えばエンジンからの熱が回転軸とボス２３を介してフライホイール２１に伝達された時、合成樹脂によって永久磁石２４への熱伝達が遮断されるため、永久磁石２４の熱による劣化を極めて有効に抑えることができる。

また、実施例１、２と同様に、合成樹脂として非結晶性の熱可塑性樹脂を用いた場合は、結晶構造が無く融点が存在しないため、破断が起こっても摩擦熱で溶融せず再凝固もしない。従って、破断後にエンジンの回転速度が低下しても、エンジンがロックする恐れがないので、運転者への衝撃がない。

さらに、熱硬化性樹脂を用いた場合は、上記と同様に破断が起こっても摩擦熱で溶融せず、再凝固もしない。従って、熱硬化性樹脂は、非結晶性の熱可塑性樹脂と同様に、破断後にエンジンの回転速度が低下しても、エンジンがロックする恐れがないので、運転者への衝撃がなく安全性が一層高まる。

本実施例３では、フライホイールの天井部２１ｂと肩部２１ｃと円筒部２１ａが樹脂で構成されるので、樹脂で構成された部分が錆びることが無い。

前記実施例１〜３ではボスは金属製としているが、十分な強度があれば樹脂製であっても良い。また、前記実施例１〜３に示されるフライホイールのエンジンへの取り付け方向は、正テーパ取り付け及び逆テーパ取り付けのいずれでも良い。

図１２は、本発明の実施例４のフライホイールの平面図で、図１３は、同じくフライホイールの側面断面図であり、フライホイールの内部の固定子を省略して図示している。

３１は椀状のフライホイールで、金属製（鉄）の筒状の円筒部３１ａと、円盤状の天井部３１ｂ、３１ｄで構成される。３３は天井部３１ｂ、３１ｄの中央に形成される金属製（鉄）のボスで、図示しないエンジンの出力軸を通すためのテーパ孔が形成される。

実施例４では、天井部の少なくとも一部が実施例１と同じ合成樹脂で形成される。すなわち、天井部が合成樹脂製の天井部３１ｂと、この上面に重ねて配置される薄肉の金属製（鉄）の天井部３１ｄで構成される。

金属製の天井部３１ｄは、金属製の円筒部３１ａ及びボス３３と一体的に形成され、図示のように円筒部３１ａ及びボス３３を繋ぐ６本のスポークで形成され、スポークの間が、合成樹脂製の天井部３１ｂで形成される。

このように天井部を金属と合成樹脂で組み合わせて構成することで、ボスと円筒部の軸心を出すことができ、同時に天井部の強度を向上させることができる。天井部の強度はスポークの本数とその板厚で調整することができる。

次に、エンジンとともに回転するフライホイール３１に激しい振動や衝撃で天井部の一部が破断した状態で、回転が続いた場合を想定すると、金属製の天井部３１ｄが溶解しその後凝固によりロックしても、金属の凝固部分の面積が小さく、ロックによる衝撃は小さくなるので、運転者への衝撃も小さいものとなる。なお、合成樹脂製の天井部３１ｂも破断した後、溶解しその後凝固するが、金属が凝固するときは溶解状態なので、ロックによる衝撃には影響しない。

図１４は、本発明の実施例５のフライホイールの側面断面図で、フライホイールの内部の固定子が図示省略されている。

４１は椀状のフライホイールで、合成樹脂製の筒状の円筒部４１ａ、円盤状の天井部４１ｂ、４１ｄで構成される。４３は天井部４１ｂ、４１ｄの中央に形成される金属製（鉄）のボスで、図示しないエンジンの出力軸を通すためのテーパ孔が形成される。

実施例５では、天井部の少なくとも一部が実施例１と同じ合成樹脂で形成される。すなわち、天井部が合成樹脂製の天井部４１ｂと、この中に埋設して構成される薄肉の金属製（鉄）の天井部４１ｄで構成される。

金属製の天井部４１ｄは、一方が円筒部４１ａの内側に伸びて円筒部の一部を構成し、他方がボス４３と一体的に形成される。薄肉の金属製の天井部４１ｄは、複数のスポーク状または、天井部全体を覆う薄板で構成される。

このように天井部を金属と合成樹脂で組み合わせて構成することで、実施例４と同様に、ボスと円筒部の軸心を出すことができ、同時に天井部の強度を向上させることができる。天井部の強度はスポークの本数とその板厚、天井部全体を覆う場合は、金属板の板厚で調整することができる。

また、実施例４と同様に、エンジンとともに回転するフライホイール４１に激しい振動や衝撃で天井部の一部が破断した状態で、回転が続いた場合を想定すると、金属製の天井部４１ｄが溶解しその後凝固によりロックしても、金属の凝固部分の面積が小さく、ロックによる衝撃は小さくなるので、運転者への衝撃も小さいものとなる。なお、合成樹脂製の天井部４１ｂも破断した後、溶解しその後凝固するが、金属が凝固するとき溶解状態なので、ロックによる衝撃には影響しない。

１、１１、２１、３１、４１…フライホイール、
１ａ、１１ａ，２１ａ、３１ａ、４１ａ、１０２ａ…円筒部、
１ｂ、１１ｂ、２１ｂ、３１ｂ、３１ｄ、４１ｂ、４１ｄ、１０２ｃ…天井部、
１ｃ、１１ｃ、２１ｃ…肩部、１ｄ…内周部、１ｅ…外周部、
１ｆ、２１ｆ…リラクタ、２、１２、２２、１０６…固定子、
３、１３、２３、３３、４３、１０４…ボス、
３ａ、１３ａ、２３ａ、１０４ａ…テーパ孔、
４、１４、２４、１０５…永久磁石、７…環状孔、８…合成樹脂、
１１ｄ…円筒部の一部、１１ｅ…円筒部の残りの一部、
１４ａ、２４ａ…永久磁石の端面、２４ｂ…磁路、
５，１５，２５…積層鋼板、６、１６、２６、１０６ａ…コイル、
２７…ヨーク、２８…マグケース、１０１…エンジン、
１０２…フライホイール、１０２ｂ…肩部、
１０３…回転軸（出力軸）、１０７…クランクケース、１０８…破断部。

Claims (17)

1. 円筒部および天井部を有する椀状のフライホイール、前記円筒部の内周壁面に設けられた複数の永久磁石および前記天井部の中心に設けられ原動機の出力軸に取付けられるボスからなる回転子と、前記永久磁石に対向して前記フライホイールの内側に原動機側に固定される鉄芯とコイルからなる固定子を備えた磁石発電機において、
   前記フライホイールの前記天井部の少なくとも一部が、合成樹脂で形成され、残りの部分が金属で形成されることを特徴とする磁石発電機。
2. 請求項１に記載の磁石発電機において、
   前記フライホイールは、前記天井部のボスの外周側が合成樹脂で形成され、残りの部分が金属で形成されることを特徴とする磁石発電機。
3. 請求項１に記載の磁石発電機において、
   前記フライホイールは、前記天井部が合成樹脂の天井部と、前記ボス及び前記円筒部と一体的に形成された金属製の天井部で構成されたことを特徴とする磁石発電機。
4. 請求項３に記載の磁石発電機において、
   前記フライホイールは、前記金属製の天井部が前記ボス及び前記円筒部を繋ぐ1つ以上のスポークで構成されたことを特徴とする磁石発電機。
5. 請求項３に記載の磁石発電機において、
   前記フライホイールは、前記金属製の天井部が前記ボス及び前記円筒部を繋ぐ薄板で構成されたことを特徴とする磁石発電機。
6. 請求項１に記載の磁石発電機において、
   前記フライホイールは、天井部とこの天井部に連なる前記円筒部の一部が合成樹脂で形成され、前記円筒部の残りの部分が金属で形成されたことを特徴とする磁石発電機。
7. 請求項６記載の磁石発電機において、
   前記フライホイールの円筒部の合成樹脂と金属の境目は、前記永久磁石の前記フライホイールの天井部側の端面付近に位置していることを特徴とする磁石発電機。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁石発電機において、
   前記フライホイールの合成樹脂と金属は接着材で接着されたことを特徴とする磁石発電機。
9. 請求項１に記載の磁石発電機において、
   前記フライホイールは、天井と円筒部を覆う合成樹脂で形成され、前記永久磁石の外周面に沿って磁性体が配置される筒状のヨークを備えていることを特徴とする磁石発電機。
10. 請求項９に記載の磁石発電機において、
    前記フライホイールは、前記永久磁石、ボスおよびヨークを合成樹脂に埋設して構成されることを特徴とする磁石発電機。
11. 請求項１０に記載の磁石発電機において、
    前記永久磁石は、その端面が前記合成樹脂から外に露出するように埋設されることを特徴とする磁石発電機。
12. 請求項１１に記載の磁石発電機において、
    前記ヨークは、前記フライホイールに所定のイナーシャを与える質量に設定されることを特徴とする磁石発電機。
13. 請求項１〜１２の何れか一項に記載の磁石発電機において、
    前記合成樹脂は、熱硬化性合成樹脂であることを特徴とする磁石発電機。
14. 請求項１〜１２の何れか一項に記載の磁石発電機において、
    前記合成樹脂は、熱可塑性の非結晶性樹脂であることを特徴とする磁石発電機。
15. 請求項１〜１２の何れか一項に記載の磁石発電機において、
    前記合成樹脂は、熱可塑性の融点が８００℃以下の結晶性樹脂であることを特徴とする磁石発電機。
16. 請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の磁石発電機において、
    前記合成樹脂は、不燃性、難燃性または自己消火性の樹脂であることを特徴とする磁石発電機。
17. 請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の磁石発電機において、
    前記合成樹脂は、繊維材を含むことを特徴とする磁石発電機。

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