(57)【要約】【課題】  ステータコイルの巻線として平角線を使用したアキシャルギャップ型発電体において、巻線における渦電流損失を低減しステータコイルの温度上昇を抑制する。【解決手段】  複数の磁石が周方向に沿って配列されたロータ（２２）と、コアの周りに平角線を捲回してなる複数のコイルが周方向に沿って配列されたステータ（２３Ａ，２３Ｂ）を備えたアキシャルギャップ型発電体において、平角線からなる巻線（２３４）の端面からのコア（２３３）の突出量が異なる複数のステータ（２３Ａ，２３Ｂ）を用意し、コアの突出量毎に、巻線電流を変化させたときに発電体が発生する直流電圧および発電電力の特性を求め、得られた特性に基づいて、最小限必要とされる直流電圧または発電電力が得られる突出量を見つけ、該突出量に基づいてコア（２３３）の寸法を設定するようにした。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円盤状の基体に複数の磁石が周方向に沿って配列されたロータと、前記磁石と所定の間隔を有して対向配置された磁性体からなるコアの周りに平角線を捲回してなる複数のコイルが周方向に沿って配列されたステータとを備えたアキシャルギャップ型発電体におけるコアの寸法の設定方法であって、
平角線からなる巻線の端面からのコアの突出量が異なる複数のステータを用意し、前記コアの突出量毎に、巻線電流を変化させたときに発電体が発生する直流電圧および発電電力の特性を求め、得られた特性に基づいて、最小限必要とされる直流電圧または発電電力が得られる突出量を見つけ、該突出量に基づいて前記コアの寸法を設定することを特徴とするアキシャルギャップ型発電体におけるコアの寸法の設定方法。
【請求項２】
前記コアの突出量毎の、巻線電流を変化させたときに発電体が発生する直流電圧および発電電力の特性に基づいて、前記巻線に流れる電流が定格電流であるときに最小限必要とされる直流電圧および発電電力が得られる突出量を見つけ、該突出量に基づいてコアの寸法の設定することを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップ型発電体におけるコアの寸法の設定方法。
【請求項３】
円盤状の基体に複数の磁石が周方向に沿って配列されたロータと、前記磁石と所定の間隔を有して対向配置された磁性体からなるコアの周りに平角線を捲回してなる複数のコイルが周方向に沿って配列されたステータとを備えたアキシャルギャップ型発電体であって、
前記コイルのコアは先端が平角線からなる巻線の端面から突出し、該突出端に鍔状の縁部が形成されていることを特徴とするアキシャルギャップ型発電体。
【請求項４】
前記コイルのコアは、前記巻線を構成する材料の導電率よりも低い導電率を有する磁性体材料で形成されていることを特徴とする請求項３に記載のアキシャルギャップ型発電体。
【請求項５】
燃料を燃焼させて動力を出力するエンジン本体と、該エンジン本体の動力を回転力に変換するクランク軸と、該クランク軸に連結された発電体とを備えたエンジン発電機であって、
前記発電体は、請求項３または４に記載のアキシャルギャップ型発電体により構成され、前記エンジン本体が出力する動力によって前記ロータが回転駆動され発電を行うように構成されていることを特徴とするエンジン発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アキシャルギャップ型発電体およびコアの寸法の設定方法に関し、例えばエンジンによって駆動されて発電を行うエンジン発電機の発電体に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、エンジンによってクランク軸に接続された発電体を回転駆動して発電を行うエンジン発電機が知られている。携帯型のエンジン発電機においては、機器の小型化を図るため、アキシャルギャップ型発電体を使用することが提案されている（例えば特許文献１）。アキシャルギャップ型発電体は、複数の磁石が周方向に整列固定された円盤状のロータと、周方向に整列された複数のコイルを有しロータと所定の間隔をおいて対向配置されたステータとを備え薄型化が可能な構成であるためエンジン発電機に適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２１６０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、アキシャルギャップ型発電体においては、ステータコイルのコアに捲回する巻線として平角線を使用することで、占積率を高め、薄型化、高出力化を図ることが行われている。また、従来のアキシャルギャップ型発電体においては、ステータとロータとの間隔を小さくするため、図３（Ａ）に示すように、ステータコアの先端近くまで巻線を捲回するようにしている。
【０００５】
しかしながら、図３（Ａ）に示すように、ステータコアの先端近くまで巻線を捲回したアキシャルギャップ型発電体においては、ロータ側磁石からの磁束のかなりの量が巻線を直角に貫くことになる。そのため、巻線として平角線を使用した場合、丸線の巻線を使用したものに比べて渦電流による損失（渦電流損）が多くなり、ステータコイルの大幅な温度上昇を招くという課題があることが、本発明者らによって明らかにされた。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、ステータコイルの巻線として平角線を使用したアキシャルギャップ型発電体において、巻線における渦電流損失を低減し、ステータコイルの温度上昇を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
アキシャルギャップ型発電体においては、巻線を貫く磁束による渦電流損はコアの巻線端面からの突出量を多くするほど減らすことができるが、コアの突出量を増やすと出力電圧が低下する。従って、コアの突出量は、渦電流損の低減量と出力電圧の低下量とのトレードオフで決めるのが望ましいことを見出した。そこで、本発明者らは、以下のような方法によって、アキシャルギャップ型発電体におけるコアの寸法を設定することを提案する。
【０００８】
すなわち、本出願に係る発明は、
円盤状の基体に複数の磁石が周方向に沿って配列されたロータと、前記磁石と所定の間隔を有して対向配置された磁性体からなるコアの周りに平角線を捲回してなる複数のコイルが周方向に沿って配列されたステータとを備えたアキシャルギャップ型発電体におけるコアの寸法の設定方法において、
平角線からなる巻線の端面からのコアの突出量が異なる複数のステータを用意し、前記コアの突出量毎に、巻線電流を変化させたときに発電体が発生する直流電圧および発電電力の特性を求め、得られた特性に基づいて、最小限必要とされる直流電圧または発電電力が得られる突出量を見つけ、該突出量に基づいて前記コアの寸法を設定するようにしたものである。
【０００９】
ここで、「突出量」や「寸法」には、コアの軸方向への突出量や高さの他、径方向への突出量や高さが含まれる。
上記した手段により設定されたコアを有する発電体にあっては、ロータ側磁石の磁束の多くがコア先端部を貫くようになり、巻線を貫く磁束量を減らして巻線の渦電流損を大幅に減少させ、コイルの温度上昇を抑制することができる。
【００１０】
また、望ましくは、前記コアの突出量毎の、巻線電流を変化させたときに発電体が発生する直流電圧および発電電力の特性に基づいて、前記巻線に流れる電流が定格電流であるときに最小限必要とされる直流電圧および発電電力が得られる突出量を見つけ、該突出量に基づいてコアの寸法を設定するようにする。
定格電流以上の電流を巻線に流すと、電流密度が高くなって巻線の発熱量が急激に増加する。そこで、巻線に流れる電流が定格電流であるときに最小限必要とされる直流電圧および発電電力が得られる突出量を見つけ、該突出量に基づいてコアの寸法を設定することで、最小限の直流電圧および発電電力を保証しつつコイルの温度上昇を抑制することができる。
【００１１】
また、本出願の他の発明は、円盤状の基体に複数の磁石が周方向に沿って配列されたロータと、前記磁石と所定の間隔を有して対向配置された磁性体からなるコアの周りに平角線を捲回してなる複数のコイルが周方向に沿って配列されたステータとを備えたアキシャルギャップ型発電体において、
前記コイルのコアは先端が平角線からなる巻線の端面から突出し、該突出端に鍔状の縁部が形成されているようにしたものである。
上記した手段によれば、ロータ側磁石の磁束の多くがコア先端の鍔状の縁部を貫くようになり、巻線を貫く磁束量を減らして巻線の渦電流損を大幅に減少させ、コイルの温度上昇を抑制することができる。
【００１２】
また、望ましくは、前記コイルのコアは、前記巻線を構成する材料の導電率よりも低い導電率を有する磁性体材料で形成する。
ロータ側磁石の磁束がコア先端部を貫くようになると、コアでの渦電流損が増加することとなるが、コアを導電率の低い磁性体材料で形成することで、コアでの渦電流損の増加を抑制することができる。
【００１３】
さらに、望ましくは、燃料を燃焼させて動力を出力するエンジン本体と、該エンジン本体の動力を回転力に変換するクランク軸と、該クランク軸に連結された発電体とを備えたエンジン発電機において、
前記発電体は、上述したようなアキシャルギャップ型発電体により構成され、前記エンジン本体が出力する動力によって前記ロータが回転駆動され発電を行うように構成する。
エンジン発電機はエンジン本体そのものが熱を発生するので、その近傍に配設される発電体は温度が上昇し易いが、巻線の渦電流損によるコイルの温度上昇を抑制することにより、発電体全体の温度上昇を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ステータコイルの巻線として平角線を使用したアキシャルギャップ型発電体において、巻線における渦電流損を低減し、ステータコイルの温度上昇を抑制することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明を適用して好適なアキシャルギャップ型発電体を備えたエンジン発電機のクランク軸に沿った要部の断面図である。
【図２】図２はアキシャルギャップ型発電体の構成を示す分解斜視図である。
【図３】図３はステータコイルの構成を示すもので、（Ａ）は従来のコイル、（Ｂ）は本発明を適用した実施例におけるコイルの構成を示す断面図である。
【図４】図４はステータコイルの構成例を示す拡大図である。
【図５】図５はステータコイルのコアの高さを変えた場合のコア上端からの距離と磁束密度との関係を示すグラフである。
【図６】図６は従来のステータコイルにおけるコア上端からの距離と磁束密度との関係および磁束量を示すグラフである。
【図７】図７はステータコイルのコア高さを変えた場合のコア高さ増加量と磁束量との関係およびコア高さ増加量と磁束量の二乗の値との関係を示すグラフである。
【図８】図８は本発明を適用したアキシャルギャップ型発電体におけるステータコイルのコアの高さと発電体が発生する直流電圧および発電電力との関係（発電特性）を示すグラフである。
【図９】図９は本発明の実施形態の変形例に係るステータコイルの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、この発明の一実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明を適用して好適なアキシャルギャップ型発電体を備えたエンジン発電機のクランク軸に沿った要部の断面図である。
図１に示すように、本実施形態のエンジン発電機１０は、空冷式ガソリンエンジンのような内燃機関（以下、エンジン本体と称する）と、該エンジン本体により回転駆動され発電を行うアキシャルギャップ型発電体２０とを有する。また、エンジン発電機１０は、エンジンのピストンロッド（図示省略）が結合されるクランクピン１１ａを有するクランク軸１１と、該クランク軸１１を収容するクランクケース１２とを備える。クランク軸１１は、クランクケース１２の側壁に固着された一対のベアリング１３によって回転自在に支承されている。
【００１７】
クランク軸１１は、クランクケース１２の一側方（図では左方）へ突出され、該突出側のクランクケース１２の外側面に、ハウジング２１に収納されたアキシャルギャップ型発電体２０が装着されている。そして、該アキシャルギャップ型発電体２０のハウジング２１の上記クランクケース１２の反対側に、冷却用のブロワファン３０を収納するブロワカバー３１が装着されている。
また、クランク軸１１は、アキシャルギャップ型発電体２０のハウジング２１を貫通してブロワカバー３１内まで突出され、その突出端に冷却用のブロワファン３０が取り付けられる。
【００１８】
アキシャルギャップ型発電体２０は、クランク軸１１に装着された円板状のロータ２２と、該ロータ２２を挟んで該ロータ２２と微小な間隔をおいて対向配設された一対のステータ２３Ａ，２３Ｂとを備えて構成されている。ロータ２２は、円筒状のアダプタ２４によってクランク軸１１に固着され、アダプタ２４には、該冷却用のブロワファン３０が固着され、クランク軸１１によってブロワファン３０とロータ２２が回転駆動される。
ステータ２３Ａ，２３Ｂは、ロータ２２と対向する面に複数のコイルをそれぞれ備え、ハウジング２１の内側面に固着されている。
【００１９】
図２は、アキシャルギャップ型発電体２０の構成例を示す分解斜視図である。
図２に示すように、アキシャルギャップ型発電体２０は、ロータ２２と、該ロータ２２の前方に配置される第１ステータ２３Ａと、後方に配置される第２ステータ２３Ｂと、円筒部を有するアダプタ２４と、ロータ保持リング２５とを備える。ロータ２２は、中央に円形開口を有する平板状の円盤であって、磁性体で形成され、所定のパターンでＮＳ磁極の着磁が両面に施され、アダプタ２４とロータ保持リング２５との間に保持された状態で、クランク軸１１に固着される。
第１ステータ２３Ａと第２ステータ２３Ｂは、中央に円形開口を有する平板状の円盤２３１と、該円盤２３１のロータ２２と対向する面にそれぞれ周方向に沿って配設された複数（例えば１８個）のコイル２３２とにより構成されている。
【００２０】
本実施例における第１ステータ２３Ａの各コイル２３２は、図３（Ｂ）に示すように、円盤２３１の表面より突出するように形成された磁性体からなるコア２３３の外周面に、平角線からなる巻線２３４が捲回されて構成されている。しかも、この実施例では、コア２３３の高さＨ１が、巻線２３４の高さＨ２よりも所定以上高くなるように形成されている。第２ステータ２３Ｂのコイルも同様である。
これにより、本実施例では、ロータ２２の磁石からの磁束の多くが、コア２３３を貫くようになる。そのため、磁石からの磁束により発生する渦電流が、図３（Ａ）に示すようなコアの高さが低いコイルに比べて少なくなり、渦電流損を減らすことができる。なお、図３（Ｂ）に示すような構造の場合、図３（Ａ）に示すような構造に比べて、コアの内部に流れる渦電流は増加することとなるが、コアを導電率の低い磁性体材料で形成することによって、この部分での渦電流の増加は極力抑えることができる。
【００２１】
ところで、コアの高さが高すぎると、ステータスコアのインダクタンス値が上昇して、回路のインピーダンスが増加し、発生電圧（出力直流電圧）が低下することが予想される。そこで、本発明者らは、コアの最適な高さについて検証を行なった。以下に、その検証結果について説明する。
検証対象のアキシャルギャップ型発電体は、周方向に１８個のステータコイルを配列したもので、ステータの径は２１６ｍｍ、コア２３３の大きさは、図４に示すように、外周側の幅Ｗを１８．２６ｍｍ、径方向の長さＬを３３．２ｍｍとした。コア２３３の側壁は、該コアに捲回した巻線２３４の外側面と平行となるようにし、巻線の外側面の角度αはステータの中心Ｏを通る直線と一致させた。
【００２２】
巻線２３４は、幅５．０６ｍｍ、厚み０．６７ｍｍの平角線であり、これを１０巻ずつ２段に捲回したものをステータコイルとした。平角線の材料に依存する巻線２３４の定格電流密度は５．５Ａrms/mm2であり、ステータコアと磁石との間隔は１ｍｍとした。
ステータコアの高さとして、１４．７ｍｍを基準（従来品と同じもの）に、＋２．２５ｍｍ，＋３．０ｍｍ，＋３．２５ｍｍ，＋４．０ｍｍ，＋４．２５ｍｍ，＋５．０ｍｍのように増加させた７種類のものを準備した。そして、それぞれについて、図４に一点鎖線で示すようなコア２３３の側壁から０．２５ｍｍの位置での微小幅△ｌにおける磁束密度を、コアの高さ方向に沿って計測した。なお、巻線２３４の上端は、コア２３３の高さが１４．７ｍｍの場合（従来品）で、コアの先端面から０．７５ｍｍの位置に固定し、コアの高さが高くなるほどコアの先端面から巻線の上端までの距離は長くなるように設定した。磁束密度は、計測によらず、シミュレーションによる計算で得るようにしてもよい。
【００２３】
図５に、上記計測の結果を示す。図５より、コアの高さが高くなるほど磁束密度は小さくなることが分かる。
なお、巻線で発生する渦電流損を見積もる場合、各微小幅△ｌにおける磁束量を知る必要がある。磁束量Ｓは、図６にハッチングで示すように、コアの先端からの距離を変数とする磁束密度の近似曲線ＡとＸ軸とに挟まれた領域の面積と等しい。本発明者らは、磁束密度の近似曲線Ａを６次の多項式（図示省略）で表し、該多項式を積分することで、磁束量Ｓを求めた。図６の近似曲線Ａは、コアの高さが１４．７ｍｍの場合（従来品）ものであり、その磁束量Ｓは０．８１２３８２であった。
【００２４】
同様にして、高さの増加量が＋２．２５ｍｍ，＋３．０ｍｍ，＋３．２５ｍｍ，＋４．０ｍｍ，＋４．２５ｍｍ，＋５．０ｍｍであるコアについて、計測された磁束密度から微小幅△ｌにおける磁束量Ｓをそれぞれ算出した。その結果を、次の表１に示す。また、渦電流損は、理論的には、磁束密度の二乗すなわち磁束の二乗に比例するので、微小幅△ｌにおける磁束の二乗Ｓ2についても計算し、結果を次の表２に示した。
【００２５】
図７（Ａ）は表１の結果を、コアの高さが１４．７ｍｍの場合（増加量が０である従来品）を基準としてグラフで表したもの、図７（Ｂ）は表２の結果を同様にしてグラフで表したものである。
【表１】
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【００２６】
【表２】
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上記表２より、コアの高さを４ｍｍ高くすると渦電流損を従来品に比べて約８０．５％減少でき、コアの高さを５ｍｍ高くすると渦電流損を約８６．６％減少できることが分かる。
【００２７】
さらに、本発明者らは、アキシャルギャップ型発電体おけるステータコイルのコアの高さと発電体が発生する直流電圧および発電電力との関係（発電特性）について検討した。図８にその結果を示す。図８においては、右肩下がりの線が出力直流電圧の特性を示し、右肩上がりの線が発電電力の特性を示している。
なお、図８の特性は、整流回路としてダイオード整流方式の回路を使用し、ロータの回転速度を変化させることで発電量を変化させた場合のものである。また、図８において、破線は、巻線に流すのに適した定格電流（電流密度５．５Ａrms/mm2）に相当する値であり、これを上限電流値Ｉｕとした。定格電流を上限電流値としたのは、巻線にこれ以上の電流を流すと、電流密度が高くなって巻線の発熱量が急激に増加するためである。
【００２８】
図８より、巻線電流が多いほど出力する直流電圧は低くなるが発電電力は多くなることが分かる。ただし、上述したように、定格電流以上の電流を流すと巻線の発熱量が急激に増加して、巻線温度が上昇するので、定格電流以上の電流を流すのは望ましくない。そこで、ステータコイルのコアの高さを変えて、定格電流（電流密度５．５Ａrms/mm2）を流したときに発電体が発生する直流電圧および発電電力を測定した。その結果を、次の表３に示す。
なお、実際の機器では、直流電圧および発電電力が１０％程度低下する可能性があるため、１０％減の値も表３に示した。
【００２９】
【表３】
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上記表３より、定格電流を流したときの出力電圧として約１８０Ｖの電圧を保証するには、コアの高さは４．７５ｍｍ（増加量は４ｍｍ）程度までであることが分かる。そして、コアの高さが４．７５ｍｍであれば、前述したように渦電流損を従来品に比べて約８０．５％減少できる（表２参照）。そこで、コアの高さを１４．７ｍｍ＋４ｍｍに設計して発電体を作成し、評価試験を行なった結果、コアの高さを１４．７ｍｍにしたものに比べて、ロータ３６００ｒｐｍ回転時に巻線の温度を約５０℃低下させることができることを確認することができた。
【００３０】
なお、上記コア高さの最適値は、整流回路としてダイオード整流方式の回路を使用した場合のものであり、インバータその他、他の形式の整流回路を使用する場合には、回路形式に応じて最適なコアの高さが異なることとなる。
また、上記検証では、定格電流（電流密度５．５Ａrms/mm2）を流したときに発電体が発生する直流電圧および発電電力に基づいてコアの高さを決定するとしたが、必要とする直流電圧および発電電力に基づいてコアの高さを決定するようにしてもよい。また、発電体の許容温度を決定し、上記検証結果から発電体の上昇温度を算出して、許容温度を超えないようにするのに必要なコアの高さを決定するようにしてもよい。
【００３１】
（変形例）
図９には、本発明の変形例におけるステータコアの形状を示す。上記実施形態では、コアの高さを調整することで巻線を貫く磁束を減らして巻線の温度を低下させるようにしているのに対し、この変形例は、コア２３３の先端に鍔部２３３ａを形成したものである。コアをこのような形状にすれば、磁束の多くは鍔部２３３ａを通過することになるため、コアの突出量を増加させなくても巻線を貫く磁束を減らして巻線の温度を低下させることができる。
なお、巻線の温度を所定値以下に抑えるのに必要な鍔部２３３ａの高さ（径方向の突出量）や厚みは、コアの高さや材料、巻線の厚み等によって異なるので、実際の設計に際してはそれらのパラメータを考慮して適宜決定するのが望ましい。
【００３２】
なお上記実施形態では、１枚のロータを２枚のステータで挟み込んだ構造の発電体を想定して説明したが、１枚のロータに１枚のステータを対向させた構造の発電体や２枚のロータで１枚のステータを挟み込んだ構造等他の構造の発電体であってもよい。
また、上記実施形態では、巻線の端面からコア先端が0.75mm突出しているものを基準として、コアの突出量を変えた場合の渦電流損を算出したが、巻線の端面からコアが突出していないものを基準として突出量を変えた場合の渦電流損を算出してもよい。
さらに、上記実施形態では、一例として、本発明を、エンジン発電機に使用される発電体に適用した場合について説明したが、本発明はエンジン発電機の発電体に限定されず、アキシャルギャップ型発電体一般に利用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０  エンジン発電機
１１  クランク軸
１２  クランクケース
２０  アキシャルギャップ型発電体
２１  発電体のハウジング
２２  ロータ
２３Ａ，２３Ｂ  ステータ
２３２  ステータコイル
２３３  ステータコイルのコア
２３４  ステータコイルの巻線
２４  アダプタ
２５  ロータ保持リング
３０  ブロワファン
【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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