(57)【要約】【課題】薄型でかつ界磁調整の可能な外転型の回転機磁気回路構造の提供を提供する。【解決手段】回転子外周囲の磁気的凹凸は、軸方向に略二分されており、相互にその周方向の配置位相差が電気的に１８０度反転する関係となっており、また前記電機子鉄心は前記軸方向に磁気的抵抗を大きくするように非磁性領域を介在して軸方向の磁気抵抗を径方向よりも大きくしており、かつ前記電機子鉄心の外径部に磁気的に当接固定する界磁鉄心とそれに巻装された界磁巻線と、を有する構成としている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周囲に磁気的に凹凸を有する誘導子型回転子と、該回転子の内周側に対向配置され略軸方向の巻線スロットを有し該スロットに電機子巻線を収納した軸方向磁気抵抗大なる積層電機子鉄心よりなる固定子と、前記電機子鉄心の内径部に該鉄心と磁気的に当接固定するとともに略同軸状に周回する界磁鉄心と界磁巻線とを有する外転型車両用回転電機。
【請求項２】
前記回転子内周囲の磁気的凹凸は、軸方向に略二分されており、相互にその周方向の配置位相差が電気的に１８０度反転する関係となっており、また前記電機子鉄心は前記軸方向に磁気的抵抗を大きくするように非磁性領域を介在して軸方向の磁気抵抗を径方向よりも大きくしておりかつ前記電機子鉄心の内径部に磁気的に当接固定する界磁鉄心とそれに巻装された界磁巻線とを有する前記請求項１の外転型車両用回転電機。
【請求項３】
前記電機子鉄心非磁性領域または前記界磁鉄心の磁気的非連接領域には永久磁石が設けられ、前記界磁巻線による励磁力に対向する向きの着磁がされていることを特徴とする前記請求項２の外転型車両用回転電機。
【請求項４】
前記電機子巻線は二組の三相よりなり相互に電気的に３０°の位相差をもたせていることを特徴とする前記請求項１乃至４の外転型車両用回転電機。
【請求項５】
前記回転子外周囲の磁気的凹凸において、凹の部分には凸の部分の極性と反対の極性となる永久磁石を貼りつけまたは内蔵し、前記凸部分と凹部分とで極性が交番する磁極を形成することを特徴とする前記請求項１乃至４の外転型車両用回転電機。
【請求項６】
前記界磁巻線の通電電流の極性を反転できるように切り替え手段をもうけたことを特徴とする前記請求項１乃至５の外転型車両用回転電機。
【請求項７】
前記突極磁極あるいは磁石磁極の部分のいずれか一方または両方をいわゆる横軸リラクタンスの大きい逆突極性を有する埋め込み磁石型回転子として構成しインバータにて駆動する車両用発電電動機として構成した請求項１乃至７の外転型車両用回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は産業機器などを含む一般の発電機や電動機に適用出来るものであるが、とりわけ小型軽量高出力であることが重要である車両用交流回転電機に有効であり、中でも特に扁平でありながら高出力・高効率が要求されるエンジン直結型回転電機を提供せんとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年車両燃費向上が叫ばれる中で一方では電気負荷が増大しこの電力を供給するための発電機（時として始動兼発電機）は大電力化しつつある。そのため現在主流である発電機駆動手段であるベルトでは伝達容量的に駆動が困難となるとともに伝達ロスが無視できなくなっている。この解決として最近ではエンジンクランクシャフトに直結のベルトのような伝達容量における制限のない直結型回転電機に注目が集まりつつある。しかしエンジンクランクシャフト直結であることから回転数が低く大きな体格を要し、しかもトランスミッションとの間に挟んだり、あるいはクランクプーリの位置など搭載寸法の制約の厳しい条件下での配置となり、その構造は高出力高効率は前提としつつ特に小型であること、特に扁平であることを必要とする。軸方向を短く扁平型とするにはもう一方の出力容量を決めるところの空隙径を大きく設計する事が考えられる。これらの具体的技術として回転子を電機子の外径側で回転させる外転型としその内径に磁石を貼り付ける外転型回転機とすることが考えられる（例えば、特許文献１参照）。これは椀状の回転子内部に永久磁石磁極を設けその内部に電機子鉄心と巻線をもつものである。このように構成すると前述のように確かに空隙径が大きく出来磁束も供給でき高性能薄型化が達成できる点で優れた技術である。
【０００３】
【特許文献１】
ドイツ国特許公開第１００３３４２４号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来例は前述のように優れたものであるが、電動作動の高回転時や発電作動で軽負荷時には永久磁石の磁束を抑制するためにインバータやコントローラを用いてベクトル電流制御、具体的にはいわゆる弱め磁界制御を要するなど、高価なシステムとなってしまう。したがってたとえば回転機の機能が単に発電機でよい場合、きわめて割高のものとなり実用化は困難であるという問題があった。このような磁束の制御しにくい永久磁石でなく巻線界磁とすることも考えられるが一般には界磁磁極まで磁束を通じるための太い断面積すなわち厚い軸方向寸法を必要とする導磁用鉄心が必要となりどうしても大柄となり元々の小型扁平化が達成できないという問題があった。このような問題点に鑑み本願は薄型でかつ界磁調整の可能な外転型の回転機磁気回路構造の提供を課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の構成では、内周囲に磁気的に凹凸を有する誘導子型回転子と、該回転子の内周側対向配置され略軸方向の巻線スロットを有し該スロットに電機子巻線を収納した軸方向磁気抵抗大なる積層電機子鉄心よりなる固定子と、前記電機子鉄心の内径部に該鉄心と磁気的に当接固定するとともに略同軸状に周回する界磁鉄心と界磁巻線と、を有する構成としている。
【０００６】
これにより、寸法的に混み入った外径側に位置する回転子や電機子巻線などのスペースの苦しい電機子の周辺ではなくて、その収納容積にもゆとりのある電機子鉄心内径部に界磁巻線が巻装でき、電機子鉄心を直接励磁するため前述課題の項で述べた太い断面積すなわち厚い軸方向寸法を要する磁極までの導磁用鉄心も不要となるので、軸方向は扁平になる。
【０００７】
請求項２の構成では、前記回転子外周囲の磁気的凹凸は、軸方向に略二分されており、相互にその周方向の配置位相差が電気的に１８０度反転する関係となっており、また前記電機子鉄心は前記軸方向に非磁性領域を介在して軸方向の磁気的ポテンシャルに磁気遮断しており、かつ前記電機子鉄心の内径部に磁気的に当接固定する界磁鉄心とそれに巻装された界磁巻線と、を有する構成としている。
【０００８】
これにより軸方向に二分された電機子鉄心に大きな起磁力が与えられ、その結果これに対向した回転子にも大きな起磁力が与えられ、また回転子の磁極も軸方向を二分して１８０度反転する関係に設置しているので、電機子から回転子、また回転子から電機子に戻る磁束の流れにおいてもれが少なく、その結果電機子巻線鎖交磁束が大きく出きる。すなわち本発明の課題である薄型構造の磁気回路でも大きな磁束を確保する課題が解決されることとなる。
【０００９】
請求項３の構成では、前記電機子鉄心非磁性領域または前記界磁鉄心の磁気的非連接領域には永久磁石が設けられ、前記界磁巻線による励磁力に対向する向きの着磁がされている。
【００１０】
これにより前記界磁鉄心の内径側での漏れ磁束が減って界磁鉄心が電機子鉄心に与える起磁力が大きく出きる。すなわち本発明の課題である小径回転子での励磁力の確保の課題が解決され、目的とする小径低慣性の回転子にて高性能が発揮できることとなる。
【００１１】
請求項４の構成では、前記電機子巻線は二組の三相よりなり相互に電気的に３０°の位相差をもたせる構成としている。
【００１２】
これにより電機子巻線のスロットの数が通常の分布巻きの場合１極１相あたり３のものが６と２倍となり、巻線の電機子鉄心への伝達や、また電機子巻線の放熱量が増えるため冷却性が良くなるので、これと連接した界磁鉄心の昇温も少なくなり、したがって低抵抗になる。そのため定電圧印加の条件の下で電流の低下、すなわち励磁力低下が少なくなる。すなわち本発明の課題である小径回転子での励磁力の確保の課題が解決され、目的とする小型で薄い回転子でも高性能にできることとなる。
【００１３】
請求項５の構成では前記回転子外周囲の磁気的凹凸において、凹の部分には凸の部分の極性と反対の極性となる永久磁石を貼りつけまたは内蔵し、前記凸部分と凹部分とで極性が交番する磁極を形成する。
【００１４】
これにより電機子鉄心に巻装された電機子巻線には回転子の磁極に誘導される磁束の脈動変動が与えられるだけでなく、磁極と磁極の間の磁石により前記脈動の基底値が逆極性に反転できるので、電機子巻線の鎖交磁束は交番とする事が出きる。すなわち本発明の課題である小径回転子の励磁力を電機子側からみた時の振幅が大きくできるので、目的とする薄型回転子にて高性能が発揮できることとなる。
【００１５】
請求項６の構成では、前記界磁巻線の通電電流の極性を反転できるように切り替え手段をもうけた構成としている。
【００１６】
これにより、前記磁極間に設ける磁石の強さを強くしても、軽負荷時などに必要なときはこれを界磁起磁力により抑制することができる。すなわち界磁起磁力の反転制御手段を持つ事で磁石のアシストにより本発明の課題である小径回転子での励磁力の確保の課題が解決されることとなり、目的とする薄型回転子にて高性能が発揮できることとなる。
【００１７】
請求項７の構成では、前記突極磁極あるいは磁石磁極の部分のいずれか一方または両方をいわゆる横軸リラクタンスの大きい逆突極性を有する埋め込み磁石型回転子として構成しインバータにて駆動する構成としている。これにより電動作動させる場合に大きな出力が得られるため所定の必要出力に対して体格が小さくできる。すなわち薄型とできる。また界磁調整が可能のためインバータとコントローラＩ用いた弱め界磁ができる程度のつまり適度に弱い磁石を選定する制約も外れて、出力がふんだんに出せる強い磁石を選定できる。すなわち換言すれば所定必要出力条件下では非常に薄い回転機とすることが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
本願技術をエンジン直結発電機に適用した例を図１乃至図３を用いて説明する。
【００１９】
磁気的良導体である鉄心よりなる外径φ２８０ｍｍ幅１８ｍｍの回転ヨーク１には、構造部材としての厚さ３ｍｍの鋼鈑製の回転子ハブ２が溶接固定されており、該回転子ハブ２の中心部はエンジンクランクシャフトである回転軸３に締結されている。
【００２０】
前記回転ヨーク１の内径面は軸方向の略半面において、等間隔に台座状に内径部に突出した第一の極性となる突極磁極部４を有する。また周方向に等間隔に設けられた該磁極部４の間には、前記回転ヨーク１に着座するとともに前記第一極性とは逆の第二極性を与える永久磁石磁極５とを有しており、これら両極性の磁極４、５は前記回転ヨーク１内に周方向に交互に並び第一の界磁磁極群を形成している。
【００２１】
また前記回転ヨーク１の内径面における他の軸方向略半面においても、同様に両極性の磁極４、５が周方向に交互に並び第二の界磁磁極群を形成しており、【図２】に示す如くこれら第一第二磁極群は周方向に一磁極ピッチのずれを有している。またその極性については、軸線方向には前記第一磁極群の突極磁極に対応して並んだ第二磁極群の磁石磁極は同極性となる関係に設定している。
【００２２】
前記第一、第二磁極群の内面側には外側に開口部を有するスロットと該スロットに巻線された外径φ２６０、軸方向長さ１８ｍｍの積層電機子鉄心６が配置されている。該電機子鉄心６はほぼその中央に厚さ３ｍｍのアルミ材よりなる非磁性スペーサ８を介在しており電機子鉄心の磁性領域は軸方向中央で遮断され二分されている。
【００２３】
前記積層電機子鉄心６および前記非磁性スペーサ８は欠円セグメント部材を積層方向に図示なき留めピンにて固定してなる。また該電機子鉄心６の磁極のひとつのピッチに対して６個のスロットが設けられており該スロット部には電気的位相差３０°の二組の第１、第２の二組の三相電機子巻線７０１、７０３が巻装されている。これら三相電機子巻線７０１、７０３は、図２に示すようにそれぞれ第１，第２整流器１１１，１１２に接続されて、それらの出力は系外のワイパーモータなどの電気負荷１４やバッテリ１３に接続されている。
【００２４】
前記電機子鉄心６の内径部には、軸方向に沿った略断面「コ」の字で外径約φ１６０内径約φ１００の円環状の鉄心を突き合わせた低炭素電磁用鋼の界磁鉄心９が嵌合しており、該断面「コ」の字の突き当て内径部は磁気的に連接しておりかつ該断面「コ」の字の外径対向部は突き当てておらず、空間すなわち非磁性領域を設けている。
【００２５】
該界磁鉄心９の内央部には界磁巻線１０が約４００回の周回巻装となっており抵抗値は約３Ωである。該巻線１０は図３に示すように発電機直流出力の正極と負極（接地）との間に極性切り替えも兼ねるスイッチ素子１２を介在して接続されており、該素子のゲート制御端子には図示無き発電制御コントローラのＨｉ／Ｌｏ信号出力端子が接続されている。
【００２６】
次に、以上の構成を有する第１実施例の作動について説明する。
【００２７】
まず基本的な発電作用について説明する。
【００２８】
前記界磁鉄心９中に巻装された界磁巻線１０が１４Ｖバッテリ１３の正極と負極との間に極性切り替え用素子１２を介して接続されると、約４Ａの界磁電流が流れて、前記界磁巻線１０には約１６００ＡＴの励磁起磁力が発生する。該起磁力は前記界磁鉄心９と密着した電機子鉄心６に印加され、該起磁力はまたその外径側に離間配置された磁気的導通路である突極磁極部、またその座面である回転ヨーク部に印加されることとなる。このためこの電機子鉄心外径部から回転子の突極磁極部４を経て回転ヨーク１を経て、軸方向反面の他の磁極群にある反対極性突極磁極部を経て電機子鉄心６に戻り、さらに界磁鉄心９にもどり、前記電機子鉄心の二分された他の電機子鉄心部を通り前記界磁鉄心に戻る、という磁束の流れとなる。また、他方前記回転ヨーク１の内径面上には前記突極磁極部４の間に永久磁石磁極５が配置されているのでこの磁束も、前記電機子鉄心６に入り、一部は界磁鉄心９に向かうものもあるが大半は界磁巻線の起磁力に対向して押し返されて、前記永久磁石磁極とは異なる極性の突極磁極部４の方向へと電機子鉄心内にて迂回して電機子巻線７に鎖交する流れとなる。すなわち前記界磁巻線による磁束と、磁石磁極による磁束とか合流して電機子巻線に鎖交する。
【００２９】
エンジンのクランク軸により前記回転子ハブ２が駆動され、これに固定された前記回転ヨーク１が回転すると、前記の磁極を通る磁束の流れも回転するので、前記電機子鉄心にもうけられた固定した電機子巻線の界磁巻線よる磁束と磁石磁束とが合流する鎖交磁束が時間的に交番変化することとなる。このため起電力が発生し前記第１、第２電機子巻線に接続された整流器により直流電力となり、外部の電気負荷１４やバッテリ１３に充電されることとなる。電気負荷１４がない時や消費が少ない時は前記界磁巻線１０の通電電流が図３に示すところの極性切り替えスイッチにより弱まるか逆方向に転換される。すると前記電気子鎖交磁束のうち磁石磁束はそのままの方向であるが界磁巻線による磁束が弱くなり磁石磁束がのみあるいは磁束磁束が界磁巻線による反転磁束により相殺されて総合的に鎖交磁束が減少するので発電力は弱まることとなる。
【００３０】
次に該構成の特徴となる構成を中心に作動を個別に補足説明する。
【００３１】
前記回転子外周囲の磁気的凹凸は、軸方向に略二分されており、相互にその周方向の配置位相差が電気的に１８０度反転する関係となっており、また前記電機子鉄心は前記軸方向に磁気的抵抗を大きくするように非磁性領域を介在して軸方向の磁気抵抗を径方向よりも大きくしており、かつ前記電機子鉄心の外径部に磁気的に当接固定する界磁鉄心とそれに巻装された界磁巻線と、を有する構成としているので、軸方向に二分された電機子鉄心に大きな起磁力が与えられ、その結果これに対向した回転子にも大きな起磁力が与えられ、電機子から回転子、また回転子から電機子に戻る磁束の流れにおいてもれが少なく、その結果電機子巻線鎖交磁束が大きく出きる。すなわち薄型でかつ界磁調整の可能な外転型回転機磁気回路構造となっている。
【００３２】
また前記電機子巻線は二組の三相よりなり相互に電気的に３０°の位相差をもたせる構成としているので、電機子巻線のスロットの数が通常の分布巻きの場合１極１相あたり３のものが６と２倍となり、巻線の電機子鉄心への伝達や、また電機子巻線の放熱量が増えるため冷却性が良くなるので、これと連接した界磁鉄心の昇温も少なくなり、したがって低抵抗になる。そのため定電圧印加の条件の下で電流の低下、すなわち励磁力低下が少なくなる。
【００３３】
以上のように構成した回転機は薄型でありながら従来例の永久磁石式のような出力調整の困難性もなく小電流である界磁電流調整だけで行えるものとなっており本願課題は解決されることとなるのである。
【００３４】
以上のように解決された車両用直結発電機は、従来技術ではΦ３００，Ｌ６０，５ｋｗであるものが、Φ２８０，Ｌ３０，５ｋｗにて実現でき約半減となり、しかも界磁巻線とその通電制御のみで容易に発電力が制御できるというものとなった。
【００３５】
［第２の実施形態］
前記第１実施例では回転子は突極磁極と磁石磁極の混成磁極であったが、図４に示すように突極磁極のみであってもよい。この場合磁石のコストが削減できるメリットと磁石磁束がなくなる分出力低下するデメリットとがあるが、例えばコスト重視の設計目標値の場合にはこの例の方が最適であることもある。
【００３６】
［第３の実施形態］
また第１、第２実施例では電機子鉄心間の非磁性領域にはアルミ材を用いていたが、本第３実施例では図５に示すように当該部分は磁石材を前記界磁巻線による起磁力に対向する向きに着磁して介在している。これにより、電機子鉄心間での軸方向の有効磁束漏れもなく逆に当該部分から発生する磁石磁束が前記界磁鉄心からの磁束に加算されて、有効磁束が増すというメリットがある。
【００３７】
［第４の実施形態］
また第１、第２、第３実施例では回転ヨークに直接磁石を設置し、また突極磁極部を形成していたが、図６に示すように積層鉄心を前記回転ヨークと一体または別体として（図は別体のものを示す）、ここに磁石を飛び飛びに埋設してもよい。すなわち埋め込み磁石型の磁極としてもよい。
【００３８】
［その他の実施形態］
前記第１乃至第４実施例では界磁巻線は分巻構成となっているが直巻構成としてもよい。すなわちバッテリとの間の直流電力を界磁鉄心に巻いた直巻巻線に与えることもできる。これにより、負荷の大きさに対応して大電流が流れて励磁力が高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の要部断面図である。
【図２】第１実施例の回転子の軸方向視図である。
【図３】第１実施例での回路構成説明図である。
【図４（ａ）】第２実施例の要部断面図で左側面図である。
【図４（ｂ）】第２実施例の要部断面図で正面図である。
【図５】第３実施例の回路構成説明図である。
【図６】第４実施例の回路構成説明図である。
【符号の説明】
１・・・・・回転ヨーク
２・・・・・回転子ハブ
３・・・・・回転軸
４・・・・・突極磁極部
４０１・・・第１磁極群
４０２・・・第２磁極群
５・・・・・磁石磁極部
６・・・・・電機子鉄心
７・・・・・電機子巻線
７０１・・・第１電機子三相巻線
７０２・・・第２電機子三相巻線
８・・・・・非磁性スペーサ
９・・・・・界磁鉄心
１０・・・・界磁巻線
１１１・・・第１整流器
１１２・・・第２整流器
１２・・・・極性切り替えスイッチ
１３・・・・バッテリ
１４・・・・電気負荷
１５・・・・回転子積層鉄心
【図１】
2004120931.tif 000003
【図２】
2004120931.tif 000004
【図３】
2004120931.tif 000005
【図４（ａ）】
2004120931.tif 000006
【図４（ｂ）】
2004120931.tif 000007
【図５】
2004120931.tif 000008
【図６】
2004120931.tif 000009