(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線とそれを具備した電機子鉄心よりなる固定子と、前記積層鉄心の内外径のそれぞれにおいて周方向にＮ、Ｓ極を交互に配置した第１、第２の磁極群を具備する回転子と、を有し、かつ前記第１の磁極群の起磁力源は永久磁石であり、前記第２の起磁力源は電磁石であり、前記電機子鉄心は、それぞれの起磁力源の作用による磁束を同一通路に通し、かつ該通路に電機子巻線が巻装されていると共に、
前記第１の磁極群は前記電機子鉄心の外径側に位置し、前記第２の磁極群は前記電機子鉄心の内径側に位置し、周方向に交互にかつこれら磁極群は同一部材に設けられており、
前記電機子鉄心は、継鉄部と径線に対して揃った位置にある内外径側の歯状部とを有し、
前記第１の磁極と第２の磁極も上記径線上にほぼ整列しうる配置関係となっていることを特徴とする両面空隙型回転電機。
【請求項２】
前記第２の磁極群は内央部に筒状鉄心とその外径部に単一の集中界磁巻線により励磁されることを特徴とする請求項１に記載の両面空隙型回転電機。
【請求項３】
前記電機子巻線は、電機子鉄心の周方向継鉄部に巻装されたトロイダル巻線であることを特徴とする請求項１又は２に記載の両面空隙型回転電機。
【請求項４】
前記電機子鉄心は、前記周方向継鉄部の一部においてダブテイル状の係り止め部により相互に円環状に配列、固定されていることを特徴とする請求項３記載の両面空隙型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期回転機一般に適用されるものであるが、とりわけ軸方向薄型化が要求されるエンジン直結型発電電動機に適するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃費向上ニーズより車の電気化がすすみ、低速でエンジンの動力補助や、或いは車両制動時に運動エネルギー回生など、エンジンと連携協調して車両の省エネルギーを図る技術が脚光を浴びている。このような機械・電気ハイブリッドシステムのカギは、エンジンと結ばれる回転機の大きさと性能である。特に、トランスミッションとエンジンの間に挟んで配置するエンジン直結型のものにおいては軸方向が長いと限られた車幅の中での収まりが悪化することのほか、エンジン振動の支持特性の悪化を招くなどの問題があった。これまでに効率の悪い誘導機式から効率のよい同期機式へ、中でも効率や小型化で効果の大きい永久磁石式の技術開発と実用化が図られてきている。
【０００３】
しかしながらこれらのものは従来の回転機と同様に固定子の内径または外径に分布捲きあるいは集中捲きされたものであり、電圧誘導にかかわらないコイルエンド部の長さも長く、軸方向長さにおいて約５０ｍｍ〜１００ｍｍといった長いものであった。そのために、巻線抵抗の大きいことによる銅損も大きく、また軸方向取り付け寸法すなわちコイルトランスミッションとエンジンの間を大きく離間する必要があり、パワトレイン部全体としての体格や支持構造が大きくなってしまう問題もあった。また特に負荷の多いときに効率のよい永久磁石式であっても負荷が少ない時には磁気力を抑制するために固定子巻線に対向する起磁力発生用の電流を流す必要があるなど複雑な特殊な制御技術を必要とするのみならず通常使用の軽負荷では効率が伸びないという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本願は前述のいくつかの問題点を同時解決すべく効率のよい、軸方向寸法の短い回転機を提供しようとするものである。そのために効率の良い同期機を基本として、界磁調整の可能な永久磁石式で、また固定子巻線抵抗も低い構造への工夫を果たすことを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述の課題に対して本願は次のように解決を図るものである。
【０００６】
まず請求項１に示す構成のように、電機子巻線とそれを具備した電機子鉄心よりなる固定子と、前記積層鉄心の内外径もしくは軸方向両端面の二面のそれぞれにおいて周方向にＮ、Ｓ極を交互に配置した第１、第２の磁極群を具備する回転子と、を有し、かつ前記第１の磁極群の起磁力源は永久磁石であり、前記第２の起磁力源は電磁石であり、前記電機子鉄心は、それぞれの起磁力源の作用による磁束を同一通路に通し、かつ該通路に電機子巻線を巻装する。
【０００７】
この構成により、固定子の両面を空隙面としていることで鉄心も電機子巻線も軸方向寸法が短縮し、また出力に必要な界磁のうちの半分について永久磁石を用いているために軸方向厚さ含めてコンパクトで済み、効率もよい。また一つの電機子巻線鎖交磁束通路に永久磁石磁束と電磁石磁束とを作用できるようにしているので、一方の前記界磁巻線の起磁力を調整することで、前記電機子巻線磁束鎖交量の和が制御できることとなる。すなわちインバータにより電機子巻線の電流を流して弱め界磁制御をするなどの複雑な制御を行なうこともなく簡単に発電量の可変が可能となる。
【０００８】
また、請求項２に示す構成では、前記第１の磁極群は前記電機子鉄心の外径側に位置し、前記第２の磁極群は前記電機子鉄心の内径側に位置し、かつ前記第２の磁極群は爪状磁極とその内径側に巻いた界磁巻線よりなる単一集中巻線界磁としている。
【０００９】
これにより、単一の界磁巻線にて大きな起磁力を前記電機子鉄心内径側の第２磁極群に同時に印加することができて、前記第１の磁極群の永久磁石から前記電機子巻線に作用する磁束を簡単にしかも強力に制御できるので、換言すれば磁石も強力なものが使用できることとなり、全体としての性能向上効果を大きくすることができ、同一定格性能の要求に対してより小型化が達成できることとなる。
【００１０】
また、請求項３に示すように、前記固定子鉄心は円環状に連接した継鉄部と、前記両面空隙に向かう歯状部とを有し、前記継鉄部の外周囲にトロイダル巻線を巻装して、これらを多相巻線に結線する。
【００１１】
これにより、一般には電機子巻線のエンドターン部で空間中を這いまわす軸方向の高さを必要とするのに対して、継鉄部の周りを周回する際の実質巻装高さしか必要とせずしかも、その一つのトロイダル巻線で、両空隙面分の巻線をなしたこととなり、両面のにそれぞれ分布巻きや集中巻きをするものと比べると巻線総量を半減することができる。
【００１２】
また、請求項４に示すように、前記固定子鉄心の少なくとも一部において前記継鉄部において係合部を有したセグメント部材となして、該継鉄部に前記トロイダル巻線を個々に装着して、円環状固定子とする。
【００１３】
これにより、一般にはきわめて大量生産困難なトロイダル巻線であるものの、あらかじめ作っておき嵌めこむことができるようになるので、実用化できることとなる。またエンジン直結機として大柄であっても大掛かりの生産設備を必要とせず、また製品使用時の点検補修なども容易となる。すなわち前記の薄型高効率、高性能の製品を実用提供できることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
車両走行用エンジンに直結した発電機に適用した第１の実施例について図１を参照してその構成を説明する。
【００１５】
ハウジング１に、積層鉄板よりなる電機子鉄心２が取り付けられ該鉄心２には電機子巻線３が巻装されるとともに該巻線３は前記ハウジング１に熱的に良好に接触している。またハウジング１に対して電機子巻線３の突出部すなわちエンドターン部が熱的に良好に接触させている。
【００１６】
前記積層鉄心２の内外径の二面には、その外径側の第１の空隙面１２と内径側の第２の空隙面５とは回転界磁鉄心４に支持された第１の外径側の磁極群６と、内径側磁極群１３とが対向配置されている。前記各磁極群および支持体の界磁鉄心は、鉄製ハブ１０と一体部材となっており、トルコン１５，クランクシャフト１６と締結ボルト１１などにより固定されている。
【００１７】
また図２に示す如く、前記第１の磁極群と第２の磁極群とは、周方向に交互にＮ．Ｓ磁気極性となるように配置されており、また前記電機子鉄心の歯状部と継鉄部とは百足虫形状になっており、内外径側の歯状部は径線に対して揃った位置にあり、また前記第１磁極と第２磁極もこの径線上にほぼ整列しうる（回転子の回転角度によっては）ような配置関係となっている。また電機子巻線は細部図示していないが平角断面の銅線であり、前記百足虫状の鉄心の胴体部にあたる継鉄部に、蜜に巻装してなる。
【００１８】
前記固定子歯状部は、内径側外径側とも２磁極ピッチの間に３個配置されており前記トロイダル巻線は２／３π短節巻線（集中巻線）に相当するものとなっている。
【００１９】
次にこの第１実施例の作動について説明する。クランクシャフトの回転にともないハブが回転し、これに固定された界磁鉄心と磁極が回転して電機子鉄心に交番磁界を与えて、電機子巻線に電圧を誘導する。発電された電圧は、前記電機子巻線に接続された図示なき三相整流器に導かれて、直流に変換されて、車両の蓄電池に導かれ充電する。
【００２０】
界磁巻線９と電機子巻線３はともに通電に伴い発熱するが、前記界磁巻線３と、前記電機子巻線とは、ハウジング１に伝熱し前記両巻線は良好に冷却される。また前記のようにハウジング１に対して電機子巻線３の突出部すなわちエンドターン部が熱的に良好に接触させているので、前記電機子巻線は熱伝導によっても良好に冷却される。
【００２１】
前記蓄電池は、その充電量の増加に伴い電池の充電電圧が上昇するが、図示なき界磁電流調整器が、この電圧を検知して、前記界磁巻線の電流量を減少する。これにより前記電機子巻線の発電量が減少する。また前記充電電圧が減少すると、前記界磁巻線の電流を増加して、前記電機子巻線の発電量を増す。
【００２２】
ここでさらに前記界磁電流の増減と、電機子巻線に鎖交する磁束量の増減すなわち発電量の調整について詳細説明する。
【００２３】
図２に示す横断面において電機子巻線３の囲む、鉄心継鉄部に着目して、ここを通過する磁束を説明する。図２において界磁巻線の電流のない時は、永久磁石の磁束が図中破線で示すように隣り合う他の磁石磁極に磁束を流し、前記鉄心継鉄部に通過し、電機子巻線に鎖交する。次に界磁巻線に図中（  ）外に示す極性を生じる電流を流すことにより、図中実線に示すような磁束が前記継鉄部に流れ、前記電機子巻線の鎖交磁束は増加する。また逆に界磁電流を流すと、図中一点鎖線に示すように、磁石磁極の磁束は、電磁石磁極にダイレクトに行き、前記鉄心継鉄部には磁束が鎖交しないようにできる。このように界磁電流の大きさと向きを制御することで、永久磁石を含む磁気回路の発電にかかわる磁束の制御が可能となる。
【００２４】
以上のような構造とすることにより軸方向の寸法が小さくなり搭載が容易となりまた励磁電力が節減できるとともに電機子の銅損が少ないために効率がよく、永久磁石を利用しながら簡単な界磁電流制御で発電制御ができまた簡単な組み立てで大量生産に向く実用的なエンジン直結発電機が提供できることとなった。
【００２５】
本実施例の具体的試作例として、外径φ２８０ｍｍ，全長２０ｍｍにて、１４ｖ−７ｋｗ（６００ｒｐｍ）、効率８２％となり、従来技術でのランデル型鉄心同期機での試作例（外径φ２８０ｍｍ，全長８０ｍｍにて、４２ｖ−６ｋｗ（６００ｒｐｍ）、効率７５％）に対して大幅に薄型かつ高出力、高効率となった。
【００２６】
また前記のようにトロイダル巻線を、平角銅線を後で連接する構造としたから、体格性能向上以外にも大掛かりで実質敷設困難な鍛造設備や、大型電機子鉄心打ちぬき巻き取り設備などを必要としないようになり、簡素な設備にて製造可能という量産性の面での効果も奏することはいうまでもない。
【００２７】
［その他の実施形態］
前記第一実施例では電機子鉄心の内径と外径を空隙面としていたが、軸方向両端面をそれぞれ空隙面としてもよい。軸方向制約がゆるく径方向に制約が厳しいケースにおいては空隙面積がよりおおきく拡大できることから、特に有用である。また図示していないが磁極や電機子鉄心歯状部は部分扇形状となりコイルは第一実施例のように継鉄部ではなくこれら両面の歯状部に扇形状に旋回して巻装してもよい。
【００２８】
また前記第一実施例では、２磁極ピッチに対して電機子鉄心歯状部を３つとして、これらの継鉄部に電機子巻線を施した等価的に２／３π短節巻き（集中巻き）としたが、２磁極ピッチに対して電機子鉄心歯状部を６つとして、これらの継鉄部に電機子巻線を施しさらにこれらを三相結線して、短節巻きの双対結線としてもよい。これによると電機子反作用の大きさと位相が分散できるために磁気騒音が減少できるという効果がある。
【００２９】
また前記実施例では発電機の適用を示したが、整流回路を双方向のインバータとした発電電動機としてもよい。電機子巻線は断面が略矩形状の平角導線としても、丸線としてもよい。トロイダル巻きでなくとも分布巻きとしてもよい。
【００３０】
内径、外径に１磁極一相あたり複数スロットとして、複数の三相回路を形成して第三高調波にもとづく騒音を低減するようにしてもよい。
【００３１】
すなわち、以上のように、電機子巻線や電機子鉄心は適宜その設計の狙い重視点によって変更、工夫できるものである。
【００３２】
また上述の各実施例では磁石磁極を外径側に配置したり、が回転子の表面に磁石を貼りつける仕様としているが、内径側でもよく、また磁石の磁気回路中どこに設けるかは適宜変更できる。また磁束を集中するために全ての磁極には軟鉄磁極片を用いて、内奥部に磁石を配置したり、また回転子表面に磁石を貼りつけるにしても、その外周に遠心力拘束用のナイロン，カーボン繊維を巻装したり、非磁性ステンレス板を張り付けたり、複合磁性材料を用いて構成することも出来る。
【００３３】
また前記実施例では、電磁石界磁子は爪状磁極を有するいわゆるランデル型界磁子としているが、図３に示すように固定界磁鉄心８の一部を構成するである椀状界磁鉄心２０に、界磁巻線９が巻装してあり、また椀状の先端部には磁束漏洩防止磁石リングが介在されている。またこの外径と前記電機子鉄心との間には、磁石内蔵積層第１磁極と磁石内蔵積層第２磁極と、それらの間には磁束漏れを防止するステンレス製の非磁性リングが固着されている。前記第１積層鉄心磁極と第２積層鉄心磁極の内部には、１磁極ピッチ置きに永久磁石が埋め込まれており、永久磁石部と非永久磁石部とでＮＳ交互磁極を形成した内側回転子をなしている。なお前記第１積層磁極と前記第２積層磁極とは、その回転子表面の極性が軸線方向においては揃っており、電機子のある巻線に対しては、同一時刻に略同一の磁束を与えるように構成されており磁束供給効率が最適としていることは言うまでもない。
【００３４】
この実施例においては、内径側も永久磁石の力を利用した励磁が行えるとともにその磁束供給も椀状鉄心内央部に具備した小型界磁巻線により制御が可能となるので、高性能で小型の回転電機が実現できる。さらに前記第１実施例のような大型の爪状磁極鉄心の鍛造を回避することができる。すなわちプレス成形にて前記椀状界磁鉄心が形成できるので特殊設備なくして簡素に製造できるという効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明となる第一実施例の説明図である。
【図２】図１の内部詳細構造説明図である。
【図３】他の実施例の内部詳細構造説明図である。
【符号の説明】
１…ハウジング、
２…電機子鉄心、
３…電機子巻線、
４…回転界磁鉄心、
５…内径空隙面、
６…内径側界磁磁極、
７…界磁鉄心空隙部
８…固定界磁鉄心、
９…固定界磁巻線、
１０…鉄製ハブ、
１１…締結ボルト、
１２…外径側空隙面、
１３…外径側界磁磁極、
１４…永久磁石、
１５…トルコン、
１６…クランクシャフト。
【図１】
0003661634.tif 000002
【図２】
0003661634.tif 000003
【図３】
0003661634.tif 000004