(57)【要約】【課題】回転子の極数の増加に伴う渦電流による温度上昇を抑制し、温度上昇による出力の低下、磁石の減磁、コイルの寿命短縮を防止すること。【解決手段】三相磁石式発電機は、コイル２３が巻かれた極数３ｎ（ｎ：任意の自然数）の固定子２００と、永久磁石１３が固定された極数４ｎの回転子１００とを有し、かつ、固定子２００の積層コア２１を挟んだ状態でコイル２３が巻き付けられる磁性体シート部材２４の鍔部２４ａを、積層コア２１の外周面２１ｂに対し、内方へ段差Ｘをもつよう構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルが巻かれた極数３ｎ（ｎ：任意の自然数）の固定子と、永久磁石が固定された極数２ｎ＋ｍ（ｍ：任意の自然数）の回転子とを有し、かつ、前記固定子の積層コアを挟んだ状態で前記コイルが巻き付けられる磁性体シート部材の鍔部を、前記積層コアの外周面に対し、内方へ段差をもつよう構成したことを特徴とする三相磁石式発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オートバイ（自動二輪車）などに搭載され、バッテリを充電するとともに前照灯など電気負荷に電力を供給する三相磁石式発電機に関する。
【０００２】
【従来ないし前提技術】
近年、オートバイ用の三相磁石式発電機には、小型化が要求されると同時に、電気負荷の増加に伴う低回転側での出力電流の増大が要求されている。
【０００３】
しかし、コイルの巻線スペースの縮小化に伴い大径のコイルを用いることができず、また、低回転側での出力電流の増大に伴い高回転側での出力電流も増大することになり、このため、従来の三相磁石式発電機つまり回転子の極数２ｎ、固定子の極数３ｎ（ｎ：任意の自然数）の三相磁石式発電機では、高回転側の出力電流を抑えることができず、コイル温度が高くなるという問題があった。
【０００４】
そこで、特開２００１−１１２２２６には、回転子の極数を１６極、固定子の極数を１８極とした三相磁石式発電機が開示されている。この三相磁石式発電機によると、回転子の極数が従来の１２極から１６極に増えたことにより周波数が高くなって電圧が高くなり、低回転側の出力電流が増大するとともに、１極当たりの磁石が小さくなって高回転側の出力電流が減少するため、コイル温度を低下させることができるという効果を奏する。また、特願２００２−１５６９１９には、固定子の極数を３ｎ（ｎ：任意の自然数）、回転子の極数を４ｎにしたことを特徴とする三相磁石式発電機が記載されている。この三相磁石式発電機によると、安価で、しかも、低回転側の出力電流の増大により充電性能を向上させるとともに高回転側の出力電流の減少によりコイル温度を低下させることができるという効果を奏する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特願２００２−１５６９１９においては、図１１に示すように、固定子２００の積層コア２１を挟んだ状態でコイル２３が巻き付けられる磁性体シート部材２４の鍔部２４ａが漏れ磁束ループＡを形成し、回転子１００の極数の増加に伴う渦電流による温度上昇を招き、この温度上昇により、出力の低下、最悪の場合磁石１３の減磁を招き、さらに、コイル２３の銅線寿命を短縮させるおそれがあることが判明した。
【０００６】
本発明は、上記のような前提技術の問題点を解決し、回転子の極数を増加させたことに伴う温度上昇を抑制し、出力の向上、コイルの長寿命化などを図ることができる三相磁石式発電機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る三相磁石式発電機は、コイルが巻かれた極数３ｎ（ｎ：任意の自然数）の固定子と、永久磁石が固定された極数２ｎ＋ｍ（ｍ：任意の自然数）の回転子とを有し、かつ、前記固定子の積層コアを挟んだ状態で前記コイルが巻き付けられる磁性体シート部材の鍔部を、前記積層コアの外周面に対し、内方へ段差をもつよう構成したことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に係る三相磁石式発電機によると、磁性体シート部材の鍔部を積層コアの外周面に対し内方へ段差をもつよう構成したため、永久磁石と鍔部とのエアギャップが長くなり、このため、漏れ磁束ループの最大磁束密度が減少し、渦電流による温度上昇を抑制することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は、一実施形態に係る三相磁石式発電機の断面図、図２は、図１図示ＩＩ−ＩＩ線による断面図、図３は、固定子のコイル結線図、図４は、出力電圧のベクトル図、図５は、外部特性グラフ、図６は、出力電流グラフ、図７は、本実施形態の比較例としての従来一般的な三相磁石式発電機の断面図、図８は、同比較例の固定子のコイル結線図、図９は、同比較例の出力電圧のベクトル図、図１０は、実験結果のグラフをそれぞれ示す。
【００１１】
図１及び図２において、本実施形態に係る三相磁石式発電機は、回転子１００と固定子２００とにより構成される。
【００１２】
回転子１００は、磁性体からなるロータ１１を備える。ロータ１１は、熱間鍛造後切削により仕上げ加工されてなる。ロータ１１の中央のボス部１１ａの内側には、図示しないエンジンのクランクシャフトに嵌合されるテーパ部１１ｂが形成されている。その他、ボス部１１ａには、図示しないナット等を用いてロータ１１をクランクシャフトに締め付け固定させたときの締め付け座面となる端面１１ｃ、及び、ロータ１１をクランクシャフトから外す際に利用される抜きねじ部１１ｄが形成されている。ロータ１１の端面部１１ｅには、冷却用の窓穴１１ｆが複数個設けられている。ロータ１１の円筒状の外周部１１ｇはヨークを構成している。ロータ外周部１１ｇの内側に、非磁性体からなるリング状のスペーサ１２、円周方向に等間隔に配置された複数個の永久磁石１３、及び、ロータ外周部１１ｇに圧入された非磁性体からなるリング状の位置決めケース１４が、クランクシャフトの軸方向に沿って順に配設されている。複数個の永久磁石１３は、位置決めケース１４に形成された凸部１４ａによって円周方向に等間隔となるよう位置決めされるとともに、永久磁石１３の内側に磁石保護リング１５を圧入しロータ外周部１１ｇの先端１１ｈを巻きかしめすることによってロータ１１に固定されている。なお、磁石保護リング１５は、ステンレス板をプレス加工して形成されている。
【００１３】
固定子２００は回転子１００の内側に配設されている。固定子２００は積層コア２１を備える。積層コア２１は、鉄板をプレス加工したものを複数枚積層して構成される。積層コア２１は、磁性体シート部材２４で挟まれ、リベット２２をかしめることによって一体化されている。積層コア２１の表面はエポキシ樹脂等で絶縁されている。磁性体シート部材２４には巻線用銅線が巻き付けられ、発電コイル２３が形成されている。固定子２００は、積層コア２１及び磁性体シート部材２４に形成されたねじ締め穴２１ａに図示しない取付ボルトをねじ込むことによって図示しないエンジンケースに固定される。
【００１４】
本実施形態に係る磁性体シート部材２４の鍔部２４ａは、その外周面２４ｂが、積層コア２１の外周面２１ｂに対し、内方へ段差Ｘをもつよう構成されている。これに対し、図１１に示した磁性体シート部材２４の鍔部２４ａは、その外周面２４ｂが積層コア２１の外周面２１ｂと略面一になっている。このため、図１１図示の三相磁石式発電機では、鍔部２４ａと永久磁石１３とのエアギャップが小さいため鍔部２４ａを通る漏れ磁束ループＡの最大磁束密度が大きくなり渦電流による温度上昇が大きくなるのに対し、本実施形態では、鍔部２４ａと永久磁石１３とのエアギャップが大きいため鍔部２４ａを通る漏れ磁束ループＡの最大磁束密度が小さくなり渦電流による温度上昇が抑制される。
【００１５】
次に、図２〜図４に基づき、本実施形態に係る三相磁石式発電機の固定子２００の極数、コイル結線方法及び回転子１００の極数並びに固定子２００の出力電圧について、従来一般的な三相磁石式発電機（図７〜図９）と比較しながら説明する。
【００１６】
本実施形態における固定子２００の極数は、３ｎ（ｎ：任意の自然数）である。これに対し、従来一般的な三相磁石式発電機の固定子２００の極数も３ｎである。したがって、ｎ＝４の場合、図２及び図７を参照すれば明らかなように、本実施形態の固定子２００の極数は、従来の固定子２００の極数と同じ１２となる。
【００１７】
また、本実施形態における固定子２００のコイル２３の結線方法は、図３に示す通りであり、図８に示した従来の固定子２００のコイル２３の結線方法と同じであり、すべての極において巻線方向は同一であり、また、２極飛びで渡り線が配線される。したがって、渡り線は２極分の長さで済むため、従来技術（特開２００１−１１２２２６）と比べ長い渡り線を必要としなくなり、また、従来技術（特開２００１−１１２２２６）と比べコイルの引き出し整形が容易になる。
【００１８】
一方、本実施形態における回転子１００の極数は、４ｎ（ｎ：任意の自然数）である。これに対し、従来一般的な三相磁石式発電機の回転子１００の極数は２ｎである。したがって、ｎ＝４の場合、図２及び図７を参照すれば明らかなように、従来の回転子１００の極数は８であるのに対し、本実施形態における回転子１００の極数は１６となる。
【００１９】
したがって、ｎ＝４の場合、図２及び図７に示すように、従来の固定子２００の機械角は３０°、電気角は１２０°であるのに対し、本実施形態における固定子２００の機械角は３０°、電気角は２４０°となり、また、従来の回転子１００の機械角は４５°、電気角は１８０°であるのに対し、本実施形態における回転子１００の機械角は２２．５°、電気角は１８０°となる。このため、図４及び図９を参照すれば明らかなように、本実施形態における固定子２００の出力電圧は、従来の固定子２００の出力電圧に対し、相の順序は逆になるものの相間位相差は１２０°となり同一相内での位相差は発生しない。したがって、位相差に起因する出力電圧の損失は発生せず、従来技術（特開２００１−１１２２２６）のように損失を補うために永久磁石を大型化する必要が無くなる。
【００２０】
次に、本実施形態による三相磁石式発電機（図１〜図４）の外部特性と従来一般的な三相磁石式発電機（図７〜図９）の外部特性とを比較すると、図５に実験結果として示すように、本実施形態による三相磁石式発電機の場合、従来一般的な三相磁石式発電機と比べ、低回転（１０００ｒｐｍ）から高回転（５０００ｒｐｍ）にわたり電流が減少するとともに電圧が増大する。このような実験結果は、電流については、１極当たりの永久磁石１３を小さくしたことから電流は減少し、また、電圧については、永久磁石１３の小型化により電圧は減少するが、回転子１００の極数を２倍にしたことから周波数が２倍となり、その結果電圧は増大したと考察される。
【００２１】
また、電圧Ｖを一定として出力電流を測定すると、図６に示すように、低回転（１０００ｒｐｍ）では、本実施形態による出力電流が従来技術による出力電流よりも大きくなり、その結果バッテリへの充電電流が増大する。一方、高回転（５０００ｒｐｍ）では、本実施形態による出力電流が従来技術による出力電流よりも小さくなり、その結果コイル温度は大幅に低下する。
【００２２】
図１０は、段差Ｘの大きさと鍔部２４ａの温度との関係を調べるための実験の結果を表したグラスを示す。この実験は、鍔部２４ａの外周面２４ｂに熱電対を貼り、６０００ｒｐｍ一定で５分間運転した後に温度を測定するようにして行なった。その結果、段差Ｘが０ｍｍの前提発電機では、鍔部２４ａの外周面２４ｂの温度が１９６℃（実験途中で減磁が発生したため推定値である。）と高温であったのに対し、段差Ｘを設けた発明発電機では、鍔部２４ａの外周面２４ｂの温度は、段差Ｘが０．４ｍｍのときに１４４℃、段差Ｘが０．９ｍｍのときに１２８℃と測定され、温度上昇抑制効果が証明された。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態に係る三相磁石式発電機は、コイル２３が巻かれた極数３ｎ（ｎ：任意の自然数）の固定子２００と、永久磁石１３が固定された極数４ｎの回転子１００とを有し、かつ、固定子２００の積層コア２１を挟んだ状態でコイル２３が巻き付けられる磁性体シート部材２４の鍔部２４ａを、積層コア２１の外周面２１ｂに対し、内方へ段差Ｘをもつよう構成した。このため、永久磁石１３と鍔部２４ａとのエアギャップが長くなり、このため、漏れ磁束ループＡの最大磁束密度が減少し、渦電流による温度上昇を抑制することができ、温度上昇による出力の低下、磁石１３の減磁、コイル２３の寿命短縮を防止することができる。なお、本実施形態は、極数４ｎの回転子１００に限定されるものではなく、従来の極数２ｎよりも多い２ｎ＋ｍ（ｍ：任意の自然数）の回転子１００を有する三相磁石式発電機に広く適用可能である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の三相磁石式発電機によると、漏れ磁束ループの最大磁束密度の減少により、回転子の極数の増加に伴う渦電流による温度上昇を抑制でき、温度上昇による出力の低下、磁石の減磁、コイルの寿命短縮を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る三相磁石式発電機の断面図である。
【図２】図１図示ＩＩ−ＩＩ線による断面図である。
【図３】固定子のコイル結線図である。
【図４】出力電圧のベクトル図である。
【図５】外部特性グラフである。
【図６】出力電流グラフである。
【図７】本実施形態の比較例としての従来一般的な三相磁石式発電機の断面図である。
【図８】同比較例の固定子のコイル結線図である。
【図９】同比較例の出力電圧のベクトル図である。
【図１０】段差Ｘと温度との関係を表した実験結果のグラフである。
【図１１】本発明の前提となる特願２００２−１５６９１９記載の三相磁石式発電機の断面図である。
【符号の説明】
１００　　回転子
１１　　ロータ
１３　　永久磁石
２００　　固定子
２１　　積層コア
２１ｂ　　外周面
２３　　発電コイル
２４　　磁性体シート部材
２４ａ　　鍔部
２４ｂ　　外周面
Ｘ　　段差
【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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