(57)【要約】【課題】コンパクトに構成できて十分な発電量を得ることのできる発電機能付き軸受を提供する。【解決手段】この発電機能付き軸受Ａは、回転側部材３と非回転側部材４が複数の転動体５で支持されてなり、回転側部材３の回転により発電する発電機２を内蔵している。発電機２は、回転側部材３に固定された多極磁石１４と、非回転側部材４に設置され磁性部材１５に収納された巻回コイル１６とを備える。磁性部材１５に収納された巻回コイル１６は、軸方向に並べて複数個設置する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転側部材と非回転側部材が複数の転動体で支持されてなり、回転側部材に設置された多極磁石と、非回転側部材に設置され磁性部材に収納された巻回コイルとを備え、上記回転側部材の回転により発電し電力を供給する発電機を内蔵した発電機能付き軸受において、上記磁性部材に収納された巻回コイルを複数個設置したことを特徴とする発電機能付き軸受。
【請求項２】
請求項１において、回転側部材と非回転側部材とは互いにいずれか一方が内周側に他方が外周側に位置し、上記複数個の磁性部材に収納された巻回コイルは、軸方向に並べて配置した発電機能付き軸受。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、上記発電機の巻回コイルにおける磁性部材は、上記多極磁石と対面する部分に、互いに対向方向に延びる２組の櫛歯状の爪が形成されたものであって、両組の各爪が隙間を介して円周方向に交互に並ぶものである発電機能付き軸受。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、上記発電機が回転検出と電力供給を兼ねるものである発電機能付き軸受。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、上記磁性部材に収納された巻回コイルが２個であり、かつこれら両巻回コイルを収納した磁性部材は円周方向の相対位置がずれて設置されている発電機能付き軸受。
【請求項６】
請求項５において、上記両巻回コイルを収納した磁性部材は、円周方向の相対位置が９０°ずれて設置されている発電機能付き軸受。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかにおいて、上記多極磁石がスキューして着磁されたものである発電機能付き軸受。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかにおいて、内燃機械のクランク軸を支持する軸受として使用されるものである発電機能付き軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種の機器、例えば汎用内燃機関の駆動伝達系などに設置される発電機能付き軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
汎用エンジンでは、そのクランク軸に、支持軸受とは別に発電機が設置され、各種の負荷の電源として利用される。
一方、従来、自動車の車輪用軸受装置において、発電機を内蔵し、この発電機を回転検出に利用したものが提案されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−０５５１１３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の汎用エンジンにおける支持軸受と発電機とを別置きとした構成では、組立が煩雑になるばかりか、コンパクト性に欠けるという問題点がある。また、発電機の設置空間を十分取れないので、十分な発電量を確保するのが難しいという問題点がある。特許文献１のものでは、軸受装置に発電機を内蔵したため、コパクト化が図れる。しかし、発電量の確保の面で課題が残っている。
【０００５】
この発明の目的は、コンパクトに構成できて十分な発電量を得ることのできる発電機能付き軸受を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明の発電機能付き軸受は、回転側部材と非回転側部材が複数の転動体で支持されてなり、回転側部材に設置された多極磁石と、非回転側部材に設置され磁性部材に収納された巻回コイルとを備え、上記回転側部材の回転時に発電し電力を供給する発電機を内蔵した発電機能付き軸受において、上記磁性部材に収納された巻回コイルを複数個設置したことを特徴とする。すなわち、磁性部材に巻回コイルを収納したものであるステータを複数個設置する。
この構成によると、磁性部材に収納された巻回コイルを複数個に分けて設置したため、これら複数の巻回コイルを合わせた大きさの１個の巻回コイルとしたものに比べて、発電量が増大する。また、軸受に発電機を内蔵したものであるため、上記従来の発電機内蔵の軸受と同じく、内蔵によるコンパクト化の効果が得られる。そのため、全体の構成をコンパクトにできて、かつ十分な発電量を得ることができる。
【０００７】
この発明において、回転側部材と非回転側部材とは互いにいずれか一方が内周側に他方が外周側に位置するものとしても良い。すなわち、ラジアル型の軸受としても良い。その場合に、上記複数個の磁性部材に収納された巻回コイルは、軸方向に並べて配置しても良い。ラジアル型の軸受において、複数個の磁性部材に収納された巻回コイルを軸方向に並べて配置すると、巻回コイルを複数個に分割したことによる発電量の増大効果が得易い。
【０００８】
上記発電機はいわゆるクローポール型発電機であっても良い。すなわち、上記発電機の巻回コイルにおける磁性部材が、上記多極磁石と対面する部分に、互いに対向方向に延びる２組の櫛歯状の爪が形成されたものであって、両組の各爪が隙間を介して円周方向に交互に並ぶものであっても良い。このように発電機の磁性部材をクローポール型とした場合は、多極化、小型化が容易で、磁束の利用効率に優れた効率の良い発電が行える。
【０００９】
上記発電機は、回転検出と電力供給を兼ねるものであっても良い。この兼用により、発電機とは別に回転検出装置を設置する場合に比べて全体の構成をよりコンパクトにできる。また、多極磁石を用いるため、回転検出を精度良く行える。多極磁石と上記クローポール型の磁性部材とを併用した場合は、より一層の多極化が可能で、より高精度の回転検出が可能になる。
【００１０】
発電機が回転検出と電力供給を兼ねるものである場合に、上記磁性部材に収納された巻回コイルが２個であって、かつこれら両巻回コイルを収納した磁性部材が円周方向の相対位置をずらして設置されたものとしても良い。この円周方向の相対位置のずれは、９０°であっても良い。ここで言う相対位置は、磁気的位相を言う。円周方向の相対位置のずれは、例えば２個の巻回コイルを収納した各磁性部材の爪の円周方向位置をずらすことによって実現する。
このように巻回コイルを収納した磁性部材の円周方向の位置をずらせると、各巻回コイルから取り出される信号の位相がずれるため、回転方向の検出が行える。ずれ量が９０°である場合は、９０°異なる２つの交流信号が取り出されるので、回転方向の検出が容易となる。
【００１１】
この発明において、上記多極磁石はスキューして着磁されたものであっても良い。スキューして着磁すれば、コキングトルクを低減することが可能となる。
また、この発明の発電機能付き軸受は、内燃機械のクランク軸を支持する軸受として使用されるものであっても良い。その場合、発電機を軸受と別置きする場合に比べて、組立性が向上すると共に、コンパクトになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態にかかる発電機能付き軸受を図面と共に説明する。図１に示すように、この発電機能付き軸受Ａは、転がり軸受１に発電機２を内蔵したものである。転がり軸受１はラジアル型の軸受であって、回転側部材である内輪３と、固定側部材である外輪４が、複数の転動体５で支持されてなる。転動体５は、保持器６で保持されており、内輪３および外輪４に設けられた対向する転走面３ａ，４ａの間に介在している。転動体５はボールからなる。内外輪３，４間の一端はシール７で密封されている。発電機２は、内輪３に取付けられたロータ１１と、このロータ１１と対向して外輪４に取付けられた複数（図示の例では２つ）のステータ１２，１２とでなる。これら複数のステータ１２，１２は、軸方向に並べられている。
【００１３】
発電機２のロータ１１は、芯金１３を設けた多極磁石１４からなる。多極磁石１４は、図２に示すようなリング状の磁石であって、円周方向に並べて磁極Ｎ，Ｓが等間隔で交互に着磁され、芯金１３の外周に設けられている。各磁極Ｎ，Ｓは、同図（Ｃ）に展開図で示すように、軸方向に平行に形成されているが、同図（Ｄ）のように、軸方向に対して斜めになったもの、つまりスキューして着磁されたものであっても良い。多極磁石１４にはゴム磁石、プラスチック磁石、または焼結合金等が用いられる。ロータ１１は、その芯金１３の一端部を内輪３の外径面に接着または圧入することにより、内輪３の端部に、軸方向外方へ突出した状態に取付けられる。ロータ１１の取付側端は、シール７の設置側とは反対側の端部である。
【００１４】
図３に示すように、各ステータ１２はクローポール型のものとされている。ステータ１２は、詳しくは、鋼板等の磁性材料からなるリング状の磁性部材１５内に巻回コイル１６を収納してなり、巻回コイル１６の引き出し線１７が磁性部材１５の外部に引き出されている。磁性部材１５は、内周側に向くコ字状の断面形状とされ、両側の側板部１５ａ，１５ｂの内周縁から対向側へ折れ曲がった櫛歯状の複数の爪１８ａ，１８ｂを有する。両側の櫛歯状の各爪１８ａ，１８ｂは、互いに所定の隙間をもって周方向に交互に配列されている。磁性部材１５は、この例では一体のものとしてあるが、それぞれが一方の組の櫛歯状の爪１８ａ，１８ｂを持つ２つの磁性部材分割体（図示せず）に外周部で分割されていて、両磁性部材分割体が外周部で互いに重なるように結合されたものであっても良い。
このように構成された２つのステータ１２，１２が、図１のように軸方向に並べた状態でリング状の支持部材１９の内径面に支持されている。これら２つのステータ１２，１２は、互いの位相を概ね９０°ずらせて設置しても良い。これらステータ１２，１２の位相をずらせる場合、爪１８ａ又は爪１８ｂの円周方向位置がずれるように、両磁性部材１５を互いに回転させた位置関係とする。ここで言う位相は、磁気的位相のことであり、例えば爪１８ａのピッチが３６０°となる。この支持部材１９の一端部を外輪４の内径面に接着または圧入することにより、支持部材１９を介して２つのステータ１２，１２が外輪４の端部に、軸方向外方に突出して取付けられる。この取付状態で、両ステータ１２，１２がロータ１１と径方向に対向する。
【００１５】
図４に示すように、発電機２の出力端子は、平滑回路２１を介して負荷２２に接続されると共に、回転信号成分処理回路２４にも接続されている。回転信号成分処理回路２４は、例えば波形成形回路からなり、ＡＣカップラ２５とコンパレータ２６とで構成される。発電機２で発生した電流は、平滑回路２１で平滑化されて負荷２２に供給されると共に、その一部が回転信号成分処理回路２４に入力され、この回路２４からパルス列等による回転信号として出力される。この回転信号は、ＣＰＵ（中央処理回路）等の制御回路２７に入力される。このように発電機２は、発電手段と回転検出手段とに兼用される。回転信号成分処理回路２４は、転がり軸受１の内部に設置しても、外部に設置しても良い。内部に設置する場合、例えば発電機２のステータ１２を構成する磁性部材１５の内部に配置しても良く、またステータ１２の外部に配置しても良い。転がり軸受１の外部に配置する場合、ＣＰＵ等の制御回路２７を備えた制御装置２３の一部として回路信号成分処理回路２４を設けても良い。この発電機能付き軸受Ａは、例えば内燃機関のクランク軸の支持に用いられ、その場合、上記制御回路２７は回転速度に応じて内燃機関を制御する手段等とされる。
【００１６】
この構成の発電機能付き軸受Ａによると、発電機２における磁性部材１５に収納された巻回コイル１６を、軸方向に並べて２個設置したため、１個の大きな巻回コイルを設ける場合に比べて大きな発電量を得ることができる。このことは試験により確認された。
【００１７】
図５は、この発明の有効性を示す比較試験の結果であり、発電機の出力電圧をグラフで示したものである。この比較試験は、次の表１に示す諸元の２つのタイプＩ，ＩＩの発電機の出力電圧を比較したものである。タイプＩ，ＩＩの発電機は、軸長が異なる他は同じ諸元であり、いずれも図３と共に示したクローポール型の磁性部材１５と図２に示す多極磁石１４とを有するものである。タイプＩの発電機では多極磁石およびステータの軸長を１０ｍｍとし、タイプＩＩの発電機では多極磁石およびステータの軸長をタイプＩの例の２倍の２０ｍｍとした。発電量の比較は、負荷抵抗１４Ωの両端に発生する電圧を測定することで行った。その結果を図５に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
図５に示す比較結果から明らかなように、多極磁石やステータの軸長を２倍にしても、発電量は２割程度しか増大しないことがわかる。したがって、軸長２０ｍｍのものを１個使うよりも、軸長１０ｍｍのものを２個並べて使う方が有効であることがわかる。なお、その原因として、軸長を長くすると、磁性部材１５の複数の櫛歯状の爪１８ａ，１８ｂの部分で磁気飽和が発生することが推定される。
【００２０】
このように、この実施形態の発電機能付き軸受によると、同じ大きさの発電機で発電量を増大することができる。また、軸受１に発電機２を内蔵したものであるため、従来の発電機内蔵の軸受と同じく、内蔵によるコンパクト化の効果が得られる。そのため、全体の構成をコンパクトにできて、かつ十分な発電量を得ることができる。発電機２はクローポール型としているので、多極化、小型化が容易で、磁束の利用効率に優れた効率の良い発電が行える。
【００２１】
この実施形態では、上記発電機２が回転検出と電力供給を兼ねるものとしているので、回転センサを別置きする必要がなく、発電機および回転センサの機能を一体にできて、スペースの節約効果が大きい。
また、上記２つのステータ１２，１２は、それらの巻回コイル１６を収納した磁性部材１５が円周方向の相対位置を９０°ずらして設置されているので、各巻回コイル１６からの発電出力である交流信号を回転信号として利用する場合に、両交流信号の位相差から回転方向も検出することができる。
さらに、発電機２のロータ１１である多極磁石１４が磁極Ｎ，Ｓをスキューして着磁したものである場合は、コキングトルクを低減することができる。
【００２２】
図８に示すように、この発電機能付き軸受Ａは、内燃機関３１の駆動伝達系３２における何処か、例えばクランク軸３３の支持に用いられる。転がり軸受１の外輪４は、ケーシング３４に設置され、内輪３をクランク軸３３に嵌合させる。内燃機関３１は、例えば汎用エンジンであり、刈払い機や、芝刈機、小型の農機、小型の土木機械等に装備される。内燃機関３は、自動車に設置されたものであっても良い。
このように、この発電機能付き軸受Ａを内燃機関３１の駆動伝達系３２に用いた場合、図４のように発電機２から回転信号成分処理回路２４を介して得られる回転信号を、制御回路２７において、内燃機関の回転数異常等の検出に使用できる。また、回転数異常の場合に、制御回路２７によって回転数を低減させる制御を行うことで、発電機２の巻回コイル１６の焼損などの故障を未然に防止することが可能となる。
【００２３】
図６は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図１〜図５に示す第１の実施形態において、転がり軸受１の内外輪３，４の軸長を、転走面３ａ，４ａに対して一端側へ長くし、その長くした箇所に発電機２を取付ける。この場合に、発電機２のロータ１１は、芯金１３を省略した多極磁石１４からなるものを用い、内輪３の内径面に直接に取付ける。発電機２の２つのステータ１２，１２は、支持部材１９を介さずに外輪４の内径面に直接に取付ける。内輪３は回転軸８に嵌合している。シール７は省略されているが、シール７が装着されていても良い。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
このように内外輪３，４に直接に発電機２のロータ１１とステータ１２とを取付けた場合、ロータ１１の芯金１３や、ステータ１２を支持する支持部材１９を省略できる。
【００２４】
図７は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、図６に示す実施形態において、発電機２の取付座として、内輪３の端部の外径面に、他の外径面部分よりも小径とした段差面部３ｂを設け、外輪３の端部の内径面に、他の内径面部分より大径とした段差面部４ｂをそれぞれ形成している。これら段差面部３ｂ，４ｂに、ロータ１１である多極磁石１４およびステータ１２をそれぞれ直接に取付けてある。その他の構成は図６の実施形態と同様である。
このように段差面部３ｂ，４ｂを形成した場合、ロータ１１を構成する多極磁石１４の厚みやステータ１２を構成する巻回コイル１６のターン数を大きくすることができ、より大きい発電量を得ることができる。
【００２５】
なお、上記実施形態は、内輪３が回転側部材である場合につき説明したが、この発明は外輪４が回転側部材である場合にも適用できる。その場合、内輪３にステータ１２を設置し、外輪４に多極磁石１４を設置する。また、上記実施形態はステータ１２と多極磁石１４とを径方向に対面させる例を説明したが、ステータ１２と多極磁石１４とは軸方向に対面させても良い。その場合、複数のステータを径方向に並べて同心円状に配置する。さらに、この発明は、ラジアル軸受に限らず、アキシアル軸受に適用することもできる。
【００２６】
【発明の効果】
この発明の発電機能付き軸受は、回転側部材と非回転側部材が複数の転動体で支持されてなり、回転側部材に設置された多極磁石と、非回転側部材に設置され磁性部材に収納された巻回コイルとを備え、上記回転側部材の回転により発電し電力を供給する発電機を内蔵した発電機能付き軸受であって、上記磁性部材に収納された巻回コイルを複数個設置したため、全体の構成をコンパクトにできて十分な発電量を得ることができる。
上記発電機が回転検出と電力供給を兼ねるものである場合は、発電機とは別に回転検出装置を設置する場合に比べて全体の構成をよりコンパクトにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる発電機能付き軸受の断面図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は各々同軸受における発電機ロータの破断側面図および正面図、（Ｃ），（Ｄ）は、各々発電機ロータの着磁状態を示す図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は各々同軸受における発電機ステータの破断側面図および正面図である。
【図４】同発電機と負荷および回転信号成分処理回路との接続関係を示すブロック図である。
【図５】同発電機の有効性を示す比較実験の結果である発電電圧比較グラフである。
【図６】この発明の他の実施形態にかかる発電機能付き軸受の断面図である。
【図７】この発明のさらに他の実施形態にかかる発電機能付き軸受の断面図である。
【図８】この発明の発電機能付き軸受を応用した内燃機関の駆動伝達系を示す断面図である。
【符号の説明】
１…転がり軸受
２…発電機
３…内輪（回転側部材）
４…外輪（非回転側部材）
５…転動体
１４…多極磁石
１５…磁性部材
１６…巻回コイル
【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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