(57)【要約】  この発明は、永久磁石の保持の信頼性を高め、無負荷無励磁の誘起電圧を抑制し、固定子スロットによって誘起される高周波磁界による磁石の熱減磁を回避できる回転電機を得る。  この発明による回転電機では、第１および第２永久磁石３１，３３が、第１および第２爪状磁極部２０，２４の先端側の内周面に対向して、第１および第２磁石台座３０，３２を介して第１および第２継鉄部１９，２３に保持されている。そして、第１および第２永久磁石３１，３３は、界磁コイル１４の作る磁界３４の向きと逆向きに着磁配向されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボス部、該ボス部の軸方向両端縁部から径方向外方に延設された一対の継鉄部、および該一対の継鉄部のそれぞれから交互に軸方向に延設され、噛み合って周方向に配列された複数の爪状磁極部を有し、上記ボス部の軸心位置に挿通されたシャフトに固着されたポールコアと、上記ボス部、上記一対の継鉄部、および上記複数の爪状磁極部に囲まれた空間内に収納された界磁コイルと、を有する回転子と、
上記回転子を所定のエアギャップを介して囲繞して配設された固定子と、
を備えた回転電機において、
永久磁石が、上記複数の爪状磁極部のそれぞれの先端側の内周面に対向して、上記一対の継鉄部側に保持されており、
上記永久磁石のそれぞれは、上記界磁コイルの作る磁界の向きと逆向きに着磁配向されていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
上記永久磁石の径方向外周面が、対向する上記爪状磁極部の内周面と略平行に形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
上記永久磁石の径方向内周面が、対向する上記爪状磁極部の内周面と略平行に形成されていることを特徴とする請求項２記載の回転電機。
【請求項４】
上記永久磁石の径方向内周面が、軸方向に関し、上記シャフトの軸心と平行な面に形成されていることを特徴とする請求項２記載の回転電機。
【請求項５】
上記永久磁石の着磁方向が、対向する上記爪状磁極部の内周面に向いていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項６】
上記永久磁石の着磁方向が、対向する上記爪状磁極部の内周面に直交していることを特徴とする請求項５記載の回転電機。
【請求項７】
上記永久磁石の着磁方向が、上記シャフトの軸心を含む断面において対向する上記爪状磁極部の内周面の垂線に対して上記界磁コイル側に傾斜していることを特徴とする請求項５記載の回転電機。
【請求項８】
上記永久磁石と上記爪状磁極部の内壁面との隙間が、上記エアギャップより狭くなっていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項９】
上記永久磁石は、径方向上方から上記爪状磁極部の先端部を上記継鉄部上に投影して得られる投影領域内に位置していることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項１０】
嵌合凹部が上記一対の継鉄部の上記複数の爪状磁極部と対向する部位のそれぞれに軸方向に延設され、上記永久磁石が軸方向外方から上記嵌合凹部に圧入、保持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項１１】
嵌合凹部が上記一対の継鉄部の上記複数の爪状磁極部と対向する部位のそれぞれに軸方向に延設され、磁性材からなる磁石台座が軸方向外方から上記嵌合凹部に圧入、保持され、上記永久磁石が上記磁石台座に保持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項１２】
上記永久磁石は焼結された希土類磁石であり、
上記爪状磁極部に対向する上記永久磁石の上面の面積をＳ１とし、上記永久磁石の上面の軸方向最内部を通り、かつ上記シャフトの軸心と直交する平面における上記爪状磁極部の断面積をＳ２としたときに、上記永久磁石および爪状磁極部がＳ１／Ｓ２≦１．３を満足するように作製されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両用交流発電機などの回転電機に関し、特に永久磁石を搭載したランデル型の回転子構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ランデル型の回転子を用いる車両用交流発電機は、数十年にわたって自動車に使用されてきた。そして、近年の環境問題から車載される電装品の負荷が急増しており、ランデル型の回転子の発電量のより一層の増加が求められている。
この要求に従来の設計範囲で対応しようとすると、発電機が大型化してしまう。発電機の大型化は発電機の重量や配置スペースを増大し、好ましくない。また、発電機の大型化は回転子慣性の増加を招き、エンジンの速度変動と発電機の慣性トルクが相互作用し、ベルトの振動やすべりを招くという新たな課題を発生させることが知られている。
したがって、発電機本体のサイズを現状のままで発電機容量を増大させることが求められている。【０００３】
従来、このような課題を解決するために、ランデル型の回転子の対向する爪状磁極間に永久磁石を配設する手段がとられていた（例えば、特許文献１，２参照）。
さらに、磁石の装着方法としては、Ｕ字状の磁石を爪状磁極の爪先に嵌め込んで爪状磁極に保持させる方法（例えば、特許文献３参照）、あるいは回転子鉄心のボス部に巻き付けられた円筒状の界磁コイルの外周部にリング状の磁石を配設し、爪状磁極で磁石を保持させる方法（例えば、特許文献４参照）がある。【０００４】
このように、従来の車両用交流発電機においては、永久磁石を保持する方法が種々提案されているが、これらの永久磁石保持方法を実用に供するには、（１）永久磁石の保持の信頼性を高めること、（２）無負荷無励磁の誘起電圧を抑制すること、（３）固定子スロットによって誘起される高周波磁界による磁石の熱減磁を回避することが必要となる。
以下、各要因について説明する。【０００５】
（１）永久磁石の保持強度について
ベルトおよびプーリを介して伝達されるエンジンの回転力により駆動される車両用交流発電機では、最大、１８，０００〜２０，０００ｒｐｍ近くの高速で回転する。そのため、１極当たり数ｇ程度の小さな磁石を配設しても、数十Ｋｇｆを超える極めて大きな遠心力が磁石に加わる。【０００６】
これに対し、従来の磁石保持方法では、爪状磁極そのもので磁石に加わる遠心力を保持させようとしていた。この磁石保持方法では、磁石および爪部の双方の接合する面を極めて高精度に仕上げて、両者を面接触状態にする必要がある。つまり、両者が点あたりで接すると、磁石に局所応力が集中し、磁石が破損してしまう。そして、磁石の加工精度を高くすることは量産品では困難であるので、代わりにＳＵＳのプレートや樹脂モールドなどで磁石の外形精度を確保する手立てを講じることも可能であるが、コストの膨大につながる。【０００７】
また、界磁コイルを巻装する都合上、ポールコアは軸方向に２分割されたものを組み合わせているが、その組み合わせ精度も高める必要がある。これらの部品精度を確保することは、現実的には回転子の量産製造時のコストを著しく上昇する。
さらには、このように静的な形状精度を工夫しても、車両用交流発電機では、なお磁石保持が困難である。
すなわち、車両用交流発電機は、エンジンルーム内に配置されるために、摂氏百数十度の高温環境下に置かれ、熱膨脹／収縮によって数十μｍの変位を発生する。【０００８】
また、爪状磁極には、磁石を保持しない状態でも、大きな遠心力が加わり、爪先端部が外周側に５０〜１００μｍ程度膨らむ。そして、エンジン回転速度の増減に伴い、爪状磁極は、はばたくように変位する。爪状磁極は片持ち梁構造のため、その変位は先端部が大きく、爪根元側では小さくなり、隣接する爪状磁極同士の距離も変化する。【０００９】
したがって、このような爪状磁極の熱および遠心力の動的な変位があっても、磁石を均一な面で保持しようとすると、磁石保持構造には多大な工夫を要する。
また、磁石本体あるいは磁石を保護するカバーは爪状磁極の変位により摺動磨耗するので、強度信頼性を長期的に確保する必要がある。【００１０】
これらのことから、磁石に作用する遠心力に抗して爪状磁極に磁石を保持させるには、さらに多くの工夫を要するのが現状であり、磁石を爪状磁極以外に保持させることが望ましい。そこで、磁石保持における磁石と爪状磁極との相対変位による影響を回避するために、径方向に着磁した磁石をランデル型ポールコアの軸端部で継鉄部外周側に配設する従来の改良型の磁石保持構造が提案されている（例えば、特許文献５参照）。【００１１】
（２）無負荷無励磁における誘起電圧について
しかし、上述の従来の改良型の磁石保持構造では、無負荷無励磁における誘起電圧の問題がある。
この従来の改良型の磁石保持構造では、磁石が回転子の表面近傍に配置されているので、磁石の主磁束あるいは漏れ磁束は回転子内で閉じることなく、固定子に直接鎖交する成分を有することになる。【００１２】
漏れ磁束レベルでも、５００ｒｐｍ程度のエンジンアイドリング領域で１〜２Ｖ程度相当の磁束を発生する設計となる。しかし、自動車用エンジンは１：１０程度の可変速範囲を持つため、例えばエンジン最高回転数がアイドリングの１０倍となると、１〜２Ｖの磁石の誘起電圧は車両の系統電圧を超えて、他の車載機器に悪影響を及ぼす。これを抑制するには、界磁の電源を両極性として、高速では界磁電流を逆に流して磁束を弱める、いわゆる逆界磁が必要となる。電流の流れる方向が１方向から２方向となると、単純なチョッパ制御ではなくＨ型ブリッジを組んだ双方回路となり、素子数が増加し、製品コストが上昇するという課題がある。また、この逆界磁は通常界磁と違いエンジン回転数上昇に対応して迅速に立ち上げる必要があるが、界磁は数Ａ程度の少ない電流で制御できるよう数百ターンというインピーダンスの高いコイルであるため、瞬時に逆界磁電流を流すことは難しいという現状がある。これを回避する為に界磁のターン数を減らすと、制御電源の電流値そのものも増加し、制御素子容量が増加し、製品コストが上昇するというあらたな課題を生じる。【００１３】
（３）固定子スロットによって誘起される高周波磁界による磁石の減磁について
スロット高調波磁束は固定子スロット数×回転数／秒の周波数成分を有する為に、２〜３ＫＨｚの高周波磁界である。このような状況で、磁石を爪状磁極間に保持させ、あるいはＵ字状の磁石を爪状磁極の先端に嵌め込んで保持させた場合、磁石あるいは磁石保持金具の一部が固定子側からみて回転子表面に露出する。そして、この露出する磁石あるいは磁石保持金具がスロット高調波による高周波磁界により誘導加熱されてしまう。一部でも誘導加熱されて局所的に高温になると、熱は磁石全体に伝熱して磁石が熱減磁するという課題がある。
同様に、従来の改良型の磁石保持構造においても、磁石あるいは磁石保持金具の一部が固定子側からみて回転子表面に露出しており、磁石の熱減磁の問題がある。【００１４】
【特許文献１】特開昭６１−８５０４５号公報
【特許文献２】米国特許第４９５９５７７号明細書
【特許文献３】米国特許第５５４３６７６号明細書
【特許文献４】特開２００２−１３６００４号公報
【特許文献５】特開２００４−１５３９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
このように、永久磁石をランデル型ポールコアに保持させるには、永久磁石の保持の信頼性を高め、無負荷無励磁の誘起電圧を抑制し、固定子スロットによって誘起される高周波磁界による磁石の熱減磁を回避する、ことが必要となる。
しかし、上述の従来の磁石保持構造は、これらの３つの課題に対する十分な対策ができていないことから、実用に供されていない。【００１６】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、下記の特徴を有する回転電機を得ることを目的とする。
（１）磁石保持が容易であり、特に遠心力に対して大きく変化する爪先端の変位や爪間の相対的な変位が磁石保持に直接影響しない。
（２）温度範囲の広い車載発電機において、軸および回転子の熱膨張に対する爪間の軸方向の変位が磁石保持に直接影響しない。
（３）磁石量を相当ふやしても無負荷無励磁の誘起電圧がでにくい。
（４）固定子スロット高調波磁束の進入によって誘導加熱されにくい。
（５）磁石および磁石保持材の追加による慣性モーメントの増加が小さく、慣性トルクがでにくい。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明による回転電機は、ボス部、該ボス部の軸方向両端縁部から径方向外方に延設された一対の継鉄部、および該一対の継鉄部のそれぞれから交互に軸方向に延設され、噛み合って周方向に配列された複数の爪状磁極部を有し、上記ボス部の軸心位置に挿通されたシャフトに固着されたポールコアと、上記ボス部、上記一対の継鉄部、および上記複数の爪状磁極部に囲まれた空間内に収納された界磁コイルと、を有する回転子と、上記回転子を所定のエアギャップを介して囲繞して配設された固定子と、を備えている。そして、永久磁石が、上記複数の爪状磁極部のそれぞれの先端側の内周面に対向して、上記一対の継鉄部側に保持されている。さらに、上記永久磁石のそれぞれは、上記界磁コイルの作る磁界の向きと逆向きに着磁配向されている。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、永久磁石が継鉄部側に保持されている。そこで、遠心力や熱膨張に起因する爪状磁極の変位が永久磁石に影響しないので、爪状磁極部の変位に起因する永久磁石の割れや欠けの発生が抑制されるとともに、永久磁石の保持が容易となる。また、永久磁石が爪状磁極部の内径側に位置しているので、永久磁石の配設に伴う慣性モーメントの増加が小さくなる。さらに、永久磁石に作用する遠心力も小さくなり、永久磁石の保持が容易となる。
また、永久磁石が爪状磁極部の先端側の内周面に対向して配置されているので、永久磁石が爪状磁極部の内径側に位置し、固定子スロット高調波により直接誘導加熱されず、熱減磁を未然に防止できる。
さらに、永久磁石が界磁コイルの作る磁界の向きと逆向きに着磁配向されているので、永久磁石による磁界回路が回転子内部で閉じるように形成され、無負荷無励磁の誘起電圧の発生が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機を模式的に示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における磁束の流れを説明するための模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における磁束の流れを説明するための模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における界磁アンペアターン（界磁ＡＴ）と固定子鎖交磁束量との関係を表す図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における回転数に対する発電量を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機における永久磁石の着磁方向を説明するための模式図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機における永久磁石の着磁方向の傾斜角度θｍと固定子鎖交磁束Φとの関係を表す図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機における永久磁石の着磁方向の傾斜角度θｍと無負荷無励磁の逆起電力との関係を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態２の実施態様に係る車両用交流発電機における永久磁石の着磁方向を説明するための模式図である。
【図１１】この発明の実施の形態２の実施態様に係る車両用交流発電機における永久磁石の着磁方向の傾斜角度θｍと固定子鎖交磁束Φとの関係を表す図である。
【図１２】この発明の実施の形態２の実施態様に係る車両用交流発電機における永久磁石の着磁方向の傾斜角度θｍと無負荷無励磁の逆起電力との関係を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態３に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す端面図である。
【図１４】この発明の実施の形態４に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す端面図である。
【図１５】この発明の実施の形態５に係る車両用交流発電機に適用される回転子の要部を示す斜視図である。
【図１６】この発明の実施の形態５に係る車両用交流発電機における無負荷無励磁の誘起電圧と（Ｓ１／Ｓ２）との関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機を模式的に示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す斜視図、図３および図４はそれぞれこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機における磁束の流れを説明するための模式図である。【００２１】
図１および図２において、車両用交流発電機１は、それぞれ略椀形状のアルミ製のフロントブラケット２とリヤブラケット３とからなるケース４と、シャフト１６をケース４に軸受５を介して支持されて、ケース４内に回転自在に配設された回転子１３と、ケース４のフロント側に延出するシャフト１６の端部に固着されたプーリ６と、回転子１３の軸方向の両端面に固定されたファン７と、回転子１３に対して一定の空隙を有して、回転子１３の外周を囲繞してケース４に固定された固定子１０と、シャフト１６のリヤ側に固定され、回転子１３に電流を供給する一対のスリップリング８と、各スリップリング８に摺動するようにケース４内に配設された一対のブラシ９と、を備えている。なお、図示していないが、固定子１０で生じた交流を直流に整流する整流器、固定子１０で生じた交流電圧の大きさを調整する電圧調整器などがケース４内に配設されている。【００２２】
固定子１０は、円筒状の固定子鉄心１１と、固定子鉄心１１に巻装され、回転子１３の回転に伴い、後述する界磁コイル１４からの磁束の変化で交流が生じる固定子コイル１２と、を備えている。【００２３】
回転子１３は、励磁電流が流されて磁束を発生する界磁コイル１４と、界磁コイル１４を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成されるポールコア１５と、ポールコア１５の軸心位置に貫装されたシャフト１６と、を備えている。
ポールコア１５は、それぞれ例えばＳ１０Ｃなどの低炭素鋼で冷間鍛造製法により作製された第１および第２ポールコア体１７，２１に分割構成されている。【００２４】
第１ポールコア体１７は、外周面を円筒形状とし、シャフト挿通穴が軸心位置に穿設された第１ボス部１８と、第１ボス部１８の一端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第１継鉄部１９と、第１継鉄部１９の外周部から軸方向他端側に延設された第１爪状磁極部２０とを有している。第１爪状磁極部２０は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成され、第１継鉄部１９の外周部に周方向に等角ピッチで例えば８つ配列されている。【００２５】
第２ポールコア体２１は、外周面を円筒形状とし、シャフト挿通穴が軸心位置に穿設された第２ボス部２２と、第２ボス部２２の他端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第２継鉄部２３と、第２継鉄部２３の外周部から軸方向一端側に延設された第２爪状磁極部２４とを有している。第２爪状磁極部２４は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成され、第２継鉄部２３の外周部に周方向に等角ピッチで例えば８つ配列されている。【００２６】
このように構成された第１および第２ポールコア体１７，２１は、第１および第２爪状磁極部２０，２４を交互に噛み合わせ、かつ、第１ボス部１８の他端面を第２ボス部２２の一端面に突き合わせ、シャフト挿通穴に貫装されたシャフト１６に固着されている。そして、ボビン（図示せず）に巻装された界磁コイル１４が、第１および第２ボス部１８，２２、第１および第２継鉄部１９，２３および第１および第２爪状磁極部２０，２４に囲まれた空間に装着されている。ここで、第１および第２ボス部１８，２２および第１および第２継鉄部１９，２３が、それぞれポールコア１５のボス部および一対の継鉄部に相当する。また、第１および第２爪状磁極部２０，２４の先端部が、軸方向に関して、第２および第１継鉄部２３，１９と重なっている。【００２７】
第１磁石台座３０は、磁性材、例えばＳ１０Ｃなどの低炭素鋼で冷間鍛造製法により作製されている。この第１磁石台座３０が、各第２爪状磁極部２４の先端側内周面と対向する第１継鉄部１９の外周面上に接着剤などにより固着され、磁気的に接続されている。そして、第１磁石台座３０の上面が、第２爪状磁極部２４の内周面と略平行に形成されている。さらに、第１永久磁石３１が、断面平行四辺形に成形され、各第２爪状磁極部２４の先端側内周面に対向して第１磁石台座３０の上面に接着剤などにより固着され、磁気的に接続されている。このとき、各第１永久磁石３１は、第２爪状磁極部２４を径方向上方から第１継鉄部１９上に投影して得られる投影領域内に位置するように配設され、各第１永久磁石３１の上面は、第２爪状磁極部２４の内周面と所定の隙間をもって略平行となっている。【００２８】
第１磁石台座３０と同じものである第２磁石台座３２が、上面を第１爪状磁極部２０の内周面と略平行となるように、各第１爪状磁極部２０の先端側内周面と対向する第２継鉄部２３の外周面上に接着剤などにより固着され、磁気的に接続されている。さらに、第１永久磁石３１と同じものである第２永久磁石３３が、各第１爪状磁極部２０の先端側内周面に対向して第２磁石台座３２に接着剤などにより固着され、磁気的に接続されている。このとき、各第２永久磁石３３は、第１爪状磁極部２０を径方向上方から第２継鉄部２３上に投影して得られる投影領域内に位置するように配設され、各第２永久磁石３３の上面は、第１爪状磁極部２０の内周面と所定の隙間をもって略平行となっている。【００２９】
また、第１および第２永久磁石３１，３３は、着磁方向３５が、界磁コイル１４を流れる界磁電流が回転子１３の軸心と直交する平面において作る磁界３４の向きと反対となるように着磁配向されている。つまり、図１に示されるように、界磁コイル１４に通電され、磁界３４が矢印方向に発生された場合、第１および第２永久磁石３１，３３は、磁界３４と逆向きに着磁配向される。ここでは、第１および第２永久磁石３１，３３の着磁方向３５は、径方向に一致しており、その着磁方向３５の延長線が対向する第１および第２爪状磁極部２０，２４の先端側の内周面に向かっている。なお、界磁コイル１４を流れる界磁電流が作る磁界３４の向きが反転した設計の場合には、第１および第２永久磁石３１，３３も逆向きに着磁配向される。【００３０】
つぎに、このように構成された車両用交流発電機１の動作について説明する。
まず、電流がバッテリ（図示せず）からブラシ９およびスリップリング８を介して回転子１３の界磁コイル１４に供給され、磁束が発生される。この磁束により、第１ポールコア体１７の第１爪状磁極部２０がＮ極に着磁され、第２ポールコア体２１の第２爪状磁極部２４がＳ極に着磁される。
一方、エンジンの回転トルクがベルト（図示せず）およびプーリ６を介してシャフト１６に伝達され、回転子１３が回転される。そこで、回転磁界が固定子１０の固定子コイル１２に与えられ、起電力が固定子コイル１２に発生する。この交流の起電力が、整流器で直流電流に整流され、バッテリが充電され、或いは電気負荷に供給される。【００３１】
つぎに、磁束の動作について図３および図４を参照しつつ説明する。
まず、界磁コイル１４に通電されると、磁束３４ａが発生される。この磁束３４ａは、第１爪状磁極部２０からエアギャップ４０を通って固定子鉄心１１のティース部に入る。そして、磁束３４ａは、固定子鉄心１１のティース部からコアバック部を通って周方向に移動し、隣の第２爪状磁極部２４に対向するティース部からエアギャップ４０を通ってその第２爪状磁極部２４に入る。ついで、第２爪状磁極部２４に入った磁束３４ａは、第２継鉄部２３、第２ボス部２２、第１ボス部１８、第１継鉄部１９を通って第１爪状磁極部２０に至る。ここで、従来のランデル型回転子では、第１および第２ポールコア体は限界設計されているので、界磁コイルの発生する磁界により磁気飽和し、回転子で発生する磁束が減少してしまう。【００３２】
この実施の形態１では、第１および第２永久磁石３１，３３は、界磁コイル１４の発生する磁界３４の向きと反対となるように着磁配向されている。そこで、第１および第２永久磁石３１，３３の発生する磁界の向きは、界磁コイル１４の発生する磁界３４と逆向きである。この第１および第２永久磁石３１，３３から発生した磁束３６が固定子鉄心１１に鎖交するには、大きな磁気抵抗をもつエアギャップ４０を往復する必要がある。また、第１および第２永久磁石３１，３３は、第２および第１爪状磁極部２４，２０の内径側に配設されており、第１および第２爪状磁極部２０，２４の内周面側に対してより短い磁路長で周回するように配設されている。そこで、磁束３６の大部分が、固定子鉄心１１に迂回することなく、回転子内部で閉じた磁気回路を形成する。【００３３】
つまり、第１永久磁石３１から発生する磁束３６は、第１磁石台座３０から第１継鉄部１９、第１ボス部１８、第２ボス部２２、第２継鉄部２３および第２爪状磁極部２４を通り、第１永久磁石３１に戻る。また、第２永久磁石３３から発生する磁束３６は、空隙を介して第１爪状磁極部２０に入り、第１継鉄部１９、第１ボス部１８、第２ボス部２２、第２継鉄部２３および第２磁石台座３２を通り、第２永久磁石３３に戻る。
そこで、第１および第２永久磁石３１，３３の発生する磁束３６は、界磁コイル１４の発生する磁束３４ａと逆向きとなり、第１および第２ポールコア体１７，２１を構成する磁性体の磁束密度を大幅に低減することができ、磁気飽和を解消することができる。【００３４】
ついで、このように構成された車両用交流発電機１を用いて、界磁アンペアターン（界磁ＡＴ）に対する固定子鎖交磁束量および回転数に対する発電量を測定し、その結果を図５および図６に示す。また、比較のために、第１および第２永久磁石３１，３３を省略した従来装置を作製し、界磁アンペアターン（界磁ＡＴ）に対する固定子鎖交磁束量および回転数に対する発電量（直流電流Ａ）を測定し、その結果を図５および図６に示す。なお図５中、実線が本発明品を示し、点線が従来装置を示している。【００３５】
図５から、界磁ＡＴの小さい領域では、車両用交流発電機１と従来装置との差が小さく、磁気飽和が始まる領域を超えると、車両用交流発電機１と従来装置との差が大きくなることがわかる。すなわち、第１および第２永久磁石３１，３３を配設することが、磁気飽和を解消し、固定子１０に鎖交する磁束量を増大させることにつながることがわかる。
同様に、図６から、車両用交流発電機１では、従来装置に対し、特に低速回転域で大きな発電量が得られることが分かる。【００３６】
つまり、従来装置では、磁気飽和に起因して界磁の起磁力のうち３割以上が回転子の磁気回路で消費され、磁束量の増大が困難となっていた。一方、この実施の形態１では、上述の通り、磁気飽和が解消されるので、固定子１０に鎖交する磁束が増加し、発電量が増加したものと推考される。特に、磁気飽和が顕著な低速アイドリング域での発電量を大幅に増大できることが確認された。【００３７】
また、この実施の形態１では、第１および第２永久磁石３１，３３は、第１および第２爪状磁極部２０，２４の内周面に対向するように配設されているので、第１および第２永久磁石３１，３３は、回転子１３の外表面に対して径方向内方に位置している。そこで、固定子スロット高調波は第１および第２爪状磁極部２０，２４の表面部に留まり、第１および第２永久磁石３１，３３を直接誘導加熱するように作用しない。その結果、第１および第２永久磁石３１，３３が加熱されて、熱減磁することが未然に防止される。
また、第１および第２永久磁石３１，３３は、径方向上方から第２および第１爪状磁極部２４，２０の先端部を第１および第２継鉄部１９，２３上に投影して得られる投影領域内に位置しているので、第１および第２永久磁石３１，３３は固定子１０側に露出せず、固定子スロット高調波による誘導加熱が確実に防止される。【００３８】
また、第１および第２永久磁石３１，３３が、第１および第２爪状磁極部２０，２４の内周面に対向するように配設されているので、第１および第２永久磁石３１，３３の磁気回路が回転子内部で閉じた磁気回路となり、固定子１０に鎖交する磁束成分がなくなる。そこで、無負荷無励磁における第１および第２永久磁石３１，３３の誘起電圧の発生が抑制される。その結果、第１および第２永久磁石３１，３３の磁石量を増大させることができる。【００３９】
また、第１および第２永久磁石３１，３３は第１および第２継鉄部１９，２３に取り付けられている。そこで、第１および第２永久磁石３１，３３が第１および第２爪状磁極部２０，２４の内径側に位置しているので、第１および第２永久磁石３１，３３にかかる遠心力が小さくなり、第１および第２永久磁石３１，３３の保持構造を簡略化できる。また、第１および第２永久磁石３１，３３は遠心力に対して大きく変位する第１および第２爪状磁極部２０，２４の影響を受けないので、第１および第２永久磁石３１，３３の保持が容易となる。さらに、温度範囲の広い車載発電機に適用しても、第１および第２永久磁石３１，３３は回転子の熱膨張に起因する爪状磁極部間の軸方向の変位の影響を受けないので、第１および第２永久磁石３１，３３の保持が容易となる。これらのことから、第１および第２永久磁石３１，３３の保持の信頼性が向上される。
また、第１および第２永久磁石３１，３３が第１および第２爪状磁極部２０，２４の内径側に位置しているので、第１および第２永久磁石３１，３３を配設することに起因する慣性モーメントの増加を小さくでき、慣性トルクが大きくなることも抑制できる。【００４０】
また、第１および第２永久磁石３１，３３の上面（径方向外周面）が、第２および第１爪状磁極部２４，２０の内周面の傾斜角と同等の傾斜角に形成されているので、第１および第２永久磁石３１，３３を第２および第１爪状磁極部２４，２０の先端側の内周面に近接して対向させて配設することにより、第１および第２永久磁石３１，３３を第２および第１爪状磁極部２４，２０の先端側の径方向下方に潜み込ませることができる。これにより、回転子１３、ひいては車両用交流発電機の軸方向の小型化を図ることができる。【００４１】
さらに、第１および第２永久磁石３１，３３の下面（径方向内周面）も、第２および第１爪状磁極部２４，２０の内周面の傾斜角と同等の傾斜角に形成されている。即ち、第１および第２永久磁石３１，３３が、第２および第１爪状磁極部２４，２０の内周面の傾斜角と同等の傾斜角の上面および下面を有する断面平行四辺形に形成されている。そこで、第１および第２ポールコア体１７，２１を組み立てた後、第１および第２永久磁石３１，３３を軸方向両側から第１および第２継鉄部１９，２３に挿入可能となり、組立性が向上される。
また、第１および第２永久磁石３１，３３が断面平行四辺形に形成されているので、バルク状の磁石材から切削加工などにより第１および第２永久磁石３１，３３を製作する際の加工工程数を減らすことができる。【００４２】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、第１および第２永久磁石３１，３３の着磁方向３５を径方向に一致させるものとしているが、この実施の形態２では、第１および第２永久磁石３１、３３の着磁方向３５を径方向に対して界磁コイル１４側に傾斜させるものである。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。【００４３】
図７において、第１永久磁石３１は、断面平行四辺形に成形され、第２爪状磁極部２４の先端側内周面に対向して第１磁石台座３０の上面に接着剤などにより固着され、磁気的に接続されている。そして、第１永久磁石３１の上面は、第２爪状磁極部２４の内周面と所定の隙間をもって略平行となっている。また、第１永久磁石３１の着磁方向３５は回転子１３の軸心（シャフト１６の軸心）を含む平面において径方向（回転子１３の軸心と直交する平面）に対して界磁コイル１４側に角度θｍ傾斜している。なお、図示していないが、第２永久磁石３３の着磁方向３５も、径方向に対して界磁コイル１４側に角度θｍだけ傾斜している。【００４４】
まず、第１および第２永久磁石３１，３３の着磁方向３５が回転子１３の軸心を含む平面において回転子１３の軸心と直交する方向（径方向）に対して界磁コイル１４側に角度θｍだけ傾斜することによる効果を説明するために、着磁方向３５が径方向に一致している場合の問題点について説明する。【００４５】
界磁コイル１４が作る磁束３４ａは、図３に示されるように、第１爪状磁極部２０からエアギャップ４０を介して固定子鉄心１１に入り、再度エアギャップ４０を介して第２爪状磁極部２４に入る。この時、磁束３４ａは、第１爪状磁極部２０の根元部から固定子鉄心１１に入りやすく、先端側に行くほど、磁束３４ａの成分は少なくなり、先端部では磁束３４ａの成分はほとんどなくなる。同様に、磁束３４ａは、固定子鉄心１１から第２爪状磁極部２４の根元部に入りやすく、先端側に行くほど、磁束３４ａの成分は少なくなり、先端部では磁束３４ａの成分はほとんどなくなる。【００４６】
このような状況下では、着磁方向３５が径方向に一致していると、第１永久磁石３１が作る磁束３６は第２爪状磁極部２４を根元側から先端側に流れ、その先端部から第１永久磁石３１に入るようになる。また、第２永久磁石３３が作る磁束３６は第２永久磁石３３から第１爪状磁極部２０の先端部に入るようになる。そこで、第１および第２爪状磁極部２０，２４の磁路断面積の小さい先端側を流れる磁束３６は、界磁コイル１４が作る磁束３４ａにより相殺されない。その結果、第１および第２爪状磁極部２０，２４の先端部の磁路が磁気飽和してしまい、第１および第２永久磁石３１，３３から回転子１３に加えられる磁束量が減ってしまう。つまり、第１および第２永久磁石３１，３３の利用率が低下してしまう。【００４７】
また、この磁気飽和により第２爪状磁極部２４の根元部から先端部に向かう磁気抵抗が大きくなり、磁束３６が回転子内部で閉じることができなくなり、固定子１０へ鎖交して周方向に向かう漏れ磁束を生じさせる。この漏れ磁束の発生は、無負荷無励磁での逆起電力の発生をもたらす。そして、磁石の効果を最大限に得ようとして磁石量を増やすと、この逆起電力がさらに増大し、場合によっては１２Ｖを超えることもある。この場合には、界磁電流の方向を反転させた逆励磁回路が必要となる。【００４８】
ここで、第１および第２永久磁石３１，３３の着磁方向３５を径方向に対して界磁コイル１４側に角度θｍだけ傾けることにより、第１永久磁石３１による磁束３６は、第２爪状磁極部２４の先端部に至る前に空間３７を通って第１永久磁石３１に入り込むようになる。また、第２永久磁石３３による磁束３６は、第２永久磁石３３と第１爪状磁極部２０との交差部の界磁コイル１４側の空間を通って、第１爪状磁極部２０の先端部の根元側から第１爪状磁極部２０に入り込むようになる。そこで、第１および第２爪状磁極部２０，２４の先端部の磁路が磁気飽和しなくなり、磁束３６が固定子１０に鎖交せず、回転子内部で閉じて周回できる。
これにより、磁束３６が第１および第２爪状磁極部２０，２４の先端部を通過する場合（着磁方向３５が径方向に一致している場合）に比べ、第１および第２爪状磁極部２０，２４の先端部での磁気飽和が回避されるので、磁石の磁束の利用率を高めることができ、逆起電力の発生も抑制できる。【００４９】
ここで、第１および第２永久磁石３１，３３の着磁方向３５の径方向に対する角度θｍをパラメータとして、界磁を定格で通電した場合の固定子鎖交磁束Φを測定した結果を図８に示す。なお、着磁方向３５が径方向に一致する場合（θｍ＝０）の磁束Φを１として規格化している。但し、第１および第２爪状磁極部２０，２４の内周面と回転子１３の軸心とのなす角度θｐは２２度である。
また、角度θｍをパラメータとして、無負荷無励磁（界磁に通電なし）の場合における逆起電力を測定した結果を図９に示す。なお、着磁方向３５が径方向に一致する場合（θｍ＝０）の逆起電力を１として規格化している。【００５０】
図８から、角度θｍが０度から大きくなるにつれて、磁束Φが大きくなり、角度θｍがθｐより大きくなるにつれて、磁束Φが小さくなることが分かる。つまり、角度θｍがθｐの時、即ち着磁方向３５が第１および第２爪状磁極部２０，２４の内周面と直交する時、磁束Φが最大となる。
また、図９から、角度θｍが０度から大きくなるにつれて、逆起電力が小さくなることが分かる。そして、角度θｍがθｐの時、角度θｍが０度の時に比べ、無負荷無励磁の逆起電力を２割近く低減できることがわかる。【００５１】
このことから、第１および第２永久磁石３１，３３の上面および第１および第２磁石台座３０，３２の上面が第１および第２爪状磁極部２０，２４の内周面と略平行に形成されている場合には、角度θｍを０度以上４２度以下に設定すれば、着磁方向３５を径方向とする磁石を配設した場合と同等以上の磁束Φを得ることができる。
さらに、無負荷無励磁の逆起電力を小さくすることを考慮すれば、角度θｍはθｐ以上４２度以下に設定することが望ましい。【００５２】
つぎに、第１および第２磁石台座３０，３２の上面と回転子１３の軸心方向とのなす角度θ2が角度θｐと異なる場合について説明する。なお、図７は、角度θ2が角度θｐに一致している場合を示し、図１０は、角度θ2が０度の場合を示している。
図７では、角度θ2が角度θｐに一致しているので、第２爪状磁極部２４の内周面と直交して第１永久磁石３１に入った磁束は、そのまま直進し、第１磁石台座３０の上面と直交して第１磁石台座３０に入る。
一方、図１０では、磁束は第２爪状磁極部２４の内周面と直交して第１永久磁石３１に入る。そして、第１永久磁石３１に入った磁束は、磁束方向が第１磁石台座３０の上面に直交する方向に一致するまでその傾きを徐々に変え、第１磁石台座３０の上面と直交して第１磁石台座３０に入る。【００５３】
ここで、永久磁石の作る磁束を最大とするには、永久磁石を挟む爪状磁極部の先端側の内周面と磁石台座の上面との間を最短の経路で結んで磁気抵抗を低減する必要がある。また、磁束の鉄への進入経路、あるいは磁束の鉄からの出射経路は、鉄の表面に対して垂直となっているので、磁石の着磁方向を鉄の表面に対して垂直にすることが望ましい。このことから、磁石の上面では着磁方向を爪状磁極部の内周面に垂直にし、その着磁方向を徐々に変えて磁石の下面での着磁方向を磁石台座の上面に垂直にすることが望ましい。しかし、このように着磁方向を異方性にすると、磁石の製造コストが著しく高くなり、実現的な方法ではない。そこで、磁石の上面と下面との着磁方向の角度の平均をとった角度で着磁することで、性能的に満足でき、かつ製造コストを抑えることができる。つまり、磁石の着磁方向の角度θｍは（θｐ＋θ2）／２に設定することが望ましい。【００５４】
ついで、図１０に示される回転子構成において、第１および第２永久磁石３１，３３の着磁方向３５の径方向に対する角度θｍをパラメータとして、界磁を定格で通電した場合の固定子鎖交磁束Φを測定した結果を図１１に示す。なお、着磁方向３５が径方向に一致する場合（θｍ＝０）の磁束Φを１として規格化している。但し、第１および第２爪状磁極部２０，２４の内周面と回転子の軸心とのなす角度θｐは２２度である。
また、角度θｍをパラメータとして、無負荷無励磁（界磁に通電なし）の場合における逆起電力を測定した結果を図１２に示す。なお、着磁方向３５が径方向に一致する場合（θｍ＝０）の逆起電力を１として規格化している。【００５５】
図１１から、角度θｍが０度から大きくなるにつれて、磁束Φが大きくなり、角度θｍが（θｐ＋θ2）／２より若干大きな角度の時に、磁束Φが最大となり、角度θｍが更に大きくなるにつれて、磁束Φが小さくなることが分かる。
また、図１２から、角度θｍが０度から大きくなるにつれて、逆起電力が小さくなることが分かる。そして、角度θｍが約（θｐ＋θ2）／２の時、角度θｍが０度の時に比べ、無負荷無励磁の逆起電力を１割近く低減できる。【００５６】
このことから、第１および第２永久磁石３１，３３の上面が第１および第２爪状磁極部２０，２４の内周面と略平行に形成され、第１および第２磁石台座３０，３２の上面が回転子１３の軸心に対して角度θ2だけ傾斜している場合には、角度θｍを０度以上３２度以下に設定すれば、着磁方向３５を径方向とする磁石を配設した場合と同等以上の磁束Φを得ることができる。
さらに、無負荷無励磁の逆起電力を小さくすることを考慮すれば、角度θｍは（θｐ＋θ2）／２以上３２度以下に設定することが望ましい。【００５７】
ここで、図１０に示される回転子においても、第１および第２永久磁石３１，３３の上面が、第２および第１爪状磁極部２４，２０の内周面の傾斜角と同等の傾斜角に形成されているので、第１および第２永久磁石３１，３３を第２および第１爪状磁極部２４，２０の先端側の内周面に近接して対向させて配設することにより、第１および第２永久磁石３１，３３を第２および第１爪状磁極部２４，２０の先端側の径方向下方に潜み込ませることができる。これにより、回転子１３、ひいては車両用交流発電機の軸方向の小型化を図ることができる。
また、第１および第２永久磁石３１，３３の上面が第２および第１爪状磁極部２４，２０の内周面の傾斜角と同等の傾斜角に形成され、第１および第２永久磁石３１，３３の下面の軸心方向となす角度がゼロ度であるので、第１および第２永久磁石３１，３３の磁化方向の長さが長くなり、磁石起磁力を増加でき、磁石による磁気飽和緩和の効果をより高めることができる。【００５８】
実施の形態３．
図１３はこの発明の実施の形態３に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す端面図である。【００５９】
図１３において、第２ポールコア体２１の第２爪状磁極部２４間に位置する第２継鉄部２３の外周面には、嵌合凹部としてのテーパ溝５０が、両側壁をハの字状とする内形形状で、軸方向に延設されている。また、第２永久磁石３３が、テーパ溝５０に嵌合する断面台形に形成されている。そして、第２永久磁石３３が、軸方向外方からテーパ溝５０に圧入、保持されている。
図示されていないが、第１ポールコア体１７の第１爪状磁極部２０間に位置する第１継鉄部１９の外周面にも、テーパ溝５０が、軸方向に延設されている。また、第１永久磁石３１が、テーパ溝５０に嵌合する断面台形に形成され、軸方向外方からテーパ溝５０に圧入、保持されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。【００６０】
この実施の形態３では、第１および第２永久磁石３１，３３を軸方向外方から第１および第２継鉄部１９，２３に形成されたテーパ溝５０に圧入して保持させているので、磁石を簡易に取り付けることができるとともに、第１および第２磁石台座３０，３２が不要となり、部品点数を削減できる。【００６１】
ここで、第１および第２ポールコア体１７，２１の工作公差や熱変位、さらには第１および第２爪状磁極部２０，２４の振動の影響を受けないように、第１および第２爪状磁極部２０，２４の内周面と第１および第２永久磁石３１，３３との間のギャップ５１は０．０５ｍｍ以上とすることが望ましい。これにより、第１および第２爪状磁極部２０，２４の変位が第１および第２永久磁石３１，３３に直接伝達されず、焼結体で作製される第１および第２永久磁石３１，３３の割れの発生を抑制することができる。
また、ギャップ５１は、磁気回路上、回転子１３と固定子１０との間のエアギャップ４０以上とすることは好ましくない。そこで、ギャップ５１は、エアギャップ４０より狭くすることが望ましい。これにより、ギャップ５１を設けることに起因する磁気的な影響は無視できる。【００６２】
以上のことから、ポールコアの工作交差や熱変位、および爪状磁極部の振動の影響を回避し、磁気回路上の不具合を解消することから、エアギャップ４０が０．３５ｍｍであるとすれば、ギャップ５１は、０．０５ｍｍ以上、０．３５ｍｍ未満に設定することが望ましい。【００６３】
実施の形態４．
図１４はこの発明の実施の形態４に係る車両用交流発電機に適用される回転子を示す端面図である。【００６４】
図１４において、嵌合凹部としての凹溝５２が第２ポールコア体２１の第２爪状磁極部２４間に位置する第２継鉄部２３の外周面に、軸方向に延設されている。また、磁石台座５３がＳ１０Ｃ等の磁性材料で作製されている。この磁石台座５３は凹溝５２に圧入保持される外形形状に形成され、さらに両側壁をハの字状とする内形形状のテーパ溝５４が上面に形成されている。第２永久磁石３３が、テーパ溝５４に嵌合する断面台形に形成されている。そして、第２永久磁石３３が、テーパ溝５４に圧入されて磁石台座５３に保持されている。その磁石台座５３が凹溝５２に軸方向外方から圧入、保持されている。【００６５】
なお、図示されていないが、凹溝５２が第１継鉄部１９の上面に形成され、磁石台座５３が凹溝に軸方向外方から圧入、保持され、さらに第１永久磁石３１が磁石台座５３のテーパ溝５４に圧入保持されている。【００６６】
この実施の形態４によれば、第１および第２永久磁石３１，３３が磁石台座５３のテーパ溝５４に圧入保持されているので、第１および第２永久磁石３１，３３は磁石台座５３に保持された状態でハンドリングされ、第１および第２永久磁石３１，３３の割れや欠けの発生が抑制される。
また、第１および第２永久磁石３１，３３が保持された状態で磁石台座５３を凹溝５２に軸方向外方から圧入しているので、第１および第２永久磁石３１，３３には外力がかからず、組み付け時における第１および第２永久磁石３１，３３の割れや欠けの発生を抑制することができる。【００６７】
また、磁石台座５３がＳ１０Ｃ等の磁性材料を用いて第１および第２ポールコア体１７，２１と別体に作製されているので、磁石台座５３の加工精度を高めることができる。そこで、永久磁石３１，３３は焼結体であるので、加工精度を高めることができないが、磁石台座５３の加工精度が高いので、永久磁石３１，３３と磁石台座５３との嵌め合い精度を高めることができ、永久磁石３１，３３の割れや欠けの発生が抑制される。また、ポールコア体１７，２１は冷間鍛造後に折り曲げ加工されるので、加工精度を高めるには、切削などの後加工が必要となる。しかし、磁石台座５３の加工精度が高いので、継鉄部１９，２３と磁石台座５３との嵌め合い精度を高めることができ、ポールコア体１７，２１の後加工を省略することができる。【００６８】
実施の形態５．
この実施の形態５では、図１５に示されるように、第１爪状磁極部２０に対向する第２永久磁石３３の上面の面積をＳ１とし、第２永久磁石３３の上面の軸方向最内部を通り、かつシャフト１６の軸心と直交する平面における第１爪状磁極部２０の断面積をＳ２としたときに、第２永久磁石３３および第１爪状磁極部２０がＳ１／Ｓ２≦１．３を満足するように作製されている。また、図示していないが、第２爪状磁極部２４に対向する第１永久磁石３１の上面の面積をＳ１とし、第１永久磁石３１の上面の軸方向最内部を通り、かつシャフト１６の軸心と直交する平面における第２爪状磁極部２４の断面積をＳ２としたときに、第１永久磁石３１および第２爪状磁極部２４が、Ｓ１／Ｓ２≦１．３を満足するように作製されている。なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。【００６９】
以下、説明の便宜上、第１爪状磁極部２０および第２永久磁石３３を例にとって説明する。
ここで、上記実施の形態１で説明した磁気飽和緩和の効果は、第２永久磁石３３で発生する磁束量を大きくすることで大きくできる。しかし、第２永久磁石３３で発生する磁束量を大きくすると、第２永久磁石３３で発生する磁束が第１爪状磁極部２０の先端部に集中するため、第１爪状磁極部２０が第２永久磁石３３で発生する磁束により磁気飽和しやすくなる。第１爪状磁極部２０が磁気飽和すると、第２永久磁石３３から固定子１０に向かう漏れ磁束が増加する。その漏れ磁束が固定子１０に入ると、固定子コイル１２を鎖交するため、無負荷無励磁の誘起電圧が大きくなる。
これを避けるために、第１爪状磁極部２０の先端部を極端に太くすると、回転子１３の高速回転時に、遠心力が増大し、第１爪状磁極部２０が口開き状に湾曲し、第１爪状磁極部２０の先端部が固定子１０と接触するなどの問題を発生する。【００７０】
このように、高速回転時の回転子１３の耐遠心力強度を確保し、無負荷無励磁の誘起電圧の発生を抑制するように、第１および第２爪状磁極部２０，２４の形状を設計すること重要となる。【００７１】
つぎに、面積Ｓ１，Ｓ２と無負荷無励磁の誘起電圧との関係について説明する。
永久磁石と爪状磁極部との間の空隙を通る磁束量φgapは、式（１）で表される。
また、永久磁石の上面の軸方向最内部を通り、かつシャフトの軸心と直交する平面における爪状磁極部の断面を通る磁束量φclawは、式（２）で表される。なお、Ｂgapは空隙部分の磁束密度、Ｂsは爪状磁極部の飽和磁束密度である。
φgap＝Ｂgap×Ｓ１    ・・・（１）
φclaw＝Ｂs×Ｓ２      ・・・（２）
ここで、永久磁石で発生した磁束の全てが爪状磁極部に鎖交するものとすると、φgap＝φclawの関係から式（３）が得られる。
Ｂs＝Ｂgap×（Ｓ１／Ｓ２）      ・・・（３）【００７２】
式（３）から、爪状磁極部が磁気飽和するか否かを、Ｂgapと（Ｓ１／Ｓ２）とにより規定することができる。
例えば、永久磁石に磁束密度が高いネオジウム・鉄・ボロン磁石やサマリウムコバルト磁石などの焼結された希土類磁石を用いると、その時のＢgapは１．１Ｔ程度となる。また、強度と磁気特性を両立させるために、爪状磁極部にはＳ１０Ｃなどの炭素鋼を用いると、その時のＢsは１．８Ｔ程度となる。
このことから、（Ｓ１／Ｓ２）が１．６程度を越えると、爪状磁極部は磁気飽和状態となり、爪状磁極部の先端部の磁気抵抗が徐々に増加し、大量の漏れ磁束を発生する。実際には、磁気飽和に至る前に、徐々に無負荷無励磁の誘起電圧が増加する。【００７３】
そこで、本発明の構成で、（Ｓ１／Ｓ２）をパラメータとして無負荷無励磁の誘起電圧を測定した結果を図１６に示す。
図１６から、（Ｓ１／Ｓ２）が大きくなるほど、無負荷無励磁の誘起電圧が大きくなることがわかる。無負荷無励磁の誘起電圧が系統電圧を超えると、車両機器を損傷させてしまう。そして、車載電源が１２Ｖ系のシステムの場合、車両機器の損傷を回避するために、無負荷無励磁の誘起電圧を１３Ｖ以下に抑える必要がある。
図１６から、（Ｓ１／Ｓ２）を１．３以下とすることで、無負荷無励磁の誘起電圧が車両機器を損傷させない範囲内に抑えられ、発電電流を最も増加させることがわかる。【００７４】
このように、この実施の形態５によれば、爪状磁極部に対向する永久磁石の上面の面積をＳ１とし、永久磁石の上面の軸方向最内部を通り、かつシャフトの軸心と直交する平面における爪状磁極部の断面積をＳ２としたときに、永久磁石および爪状磁極部がＳ１／Ｓ２≦１．３を満足するように作製されているので、本構成の車両用交流発電機を車載電源が１２Ｖ系のシステムに適用しても、車載機器を損傷させるような事態の発生を回避することができる。【００７５】
なお、上記各実施の形態では、車両用交流発電機について説明しているが、この発明は、車両用交流発電機に限らず、車両用電動機や車両用発電電動機などの回転電機に適用しても、同様の効果を奏する。
また、上記各実施の形態では、第１および第２永久磁石３１，３３が、径方向上方から第２および第１爪状磁極部２４，２０の先端部を第１および第２継鉄部１９，２３上に投影して得られる投影領域内に位置しているものとして説明しているが、第１および第２永久磁石３１，３３は、必ずしも投影領域内に位置している必要はない。例えば、永久磁石の上面が回転子の外表面より径方向内方に位置していれば、永久磁石は当該投影領域から周方向にはみ出すように配設されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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