(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子に永久磁石を用い回転子に電圧を誘起させ、ブラシレス発電機の励磁機として用いる永久磁石型回転電機において、
円筒状の固定子鉄心コア部と、
この固定子鉄心コア部の内面に周方向に間隔をおいて配設され、磁極毎に磁性鋼板を積層して構成された固定子鉄心ティース部およびこの固定子鉄心ティース部の軸方向に形成された孔に挿入された永久磁石を備えた固定子と、
この固定子の径方向内側に所定のギャップを介して配設され、周方向に間隔をおいて複数個のスロットが形成された磁性鋼板を軸方向に多数枚積層して構成された回転子鉄心およびこの回転子鉄心の複数のスロット内に収納された電機子巻線を備えた回転子と、
この回転子の回転子鉄心が嵌め合わされたシャフトと、
このシャフトを回転自在に支持する軸受と、
この軸受を介して前記回転子を支持するとともに前記固定子鉄心コア部を支持する軸受取付板とを具備し、
前記固定子は、前記固定子鉄心コア部と前記固定子鉄心ティース部との間に磁性材料からなる薄板状のライナーを複数枚介在させることにより、径方向に移動可能に構成し、かつ前記軸受取付板と前記固定子鉄心コア部との間に、前記固定子鉄心コア部を軸方向に摺動自在に支持する固定子鉄心受けを設けることにより、軸方向に移動可能に構成し前記回転子鉄心と前記固定子鉄心ティース部のギャップおよび対向面積を調整可能な構成としたことを特徴とする永久磁石型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレス発電機の励磁機として用いる固定子に永久磁石を備えた永久磁石型回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的なブラシレス発電機の動作について、図６を参照して説明する。図において、電源１０１は電力を自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０２に供給する。自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０２はケーブル１０３ａを介して励磁機の界磁巻線１０４に直流電流を供給する。自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０２は、図示しない電圧検出器にて発電機の出力電圧を検出しており、負荷の大きさが変化しても発電機の電圧が一定となるように、励磁機の界磁巻線１０４に流す直流電流を調整している。励磁機の電機子巻線１０５は、励磁機の界磁巻線１０４に直流電流が流れることによって作られる磁束により交流電流を流す。整流器１０６は、ケーブル１０３ｂを介して励磁機の電機子巻線１０５から流れてくる交流電流を直流電流に変換する。発電機の界磁巻線１０７は、ケーブル１０３ｃを介して整流器１０６から流れてくる直流電流によって磁束を作る。発電機の電機子巻線１０８は、発電機の界磁巻線１０７に作られる磁束によって交流電流を流し、図示していない負荷に電力を供給する。
【０００３】
このような構成を有するブラシレス発電機において、自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０２は部品点数が多く、複雑で高度な制御システムのため、特に安全機能が要求される設備への適用は困難である。自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０２の使用ができない場合、負荷の大きさに応じて発電機の電圧が一定に制御できないという問題がある。
【０００４】
しかしながら、例えば、重要な機器のバックアップ電源としてブラシレス発電機を使用する時には、発電機に接続している負荷は決まっているため、負荷の大きさは変化しない。従って、自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０２で励磁機の界磁巻線１０４に流す電流を調整する必要がないため、自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０２は不要となる。また、励磁機の界磁巻線１０４に流す電流を調整する必要がないならば、励磁機の界磁巻線１０４の代わりに永久磁石を備えた方が、界磁銅損が無くなるため効率がよくなる。このような要望により、電源１０１および自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０２およびケーブル１０３ａおよび励磁機の界磁巻線１０４の代わりに固定子に永久磁石を備えた永久磁石型回転電機が励磁機として求められ、使用されている。
【０００５】
このような励磁機を備えたブラシレス発電機では接続される特定の負荷を考慮してブラシレス発電機が所定の電圧を発生するように励磁機の出力容量を設計するが、設計誤差や実負荷と組合わせた際の負荷の要件に起因する誤差により発生するブラシレス発電機の出力電圧の設計値との乖離を微調整するために励磁機の出力容量を微細に調整可能であることが要求される。
【０００６】
従来の固定子に永久磁石を備えた永久磁石型回転電機について、図面を参照して説明する。図３は固定子に永久磁石を備えた発電機などの一般的な永久磁石型回転電機の主要部を示す断面図である。
【０００７】
図３において、永久磁石型回転電機は、円筒状に配設された固定子１と、この固定子１の径方向内側に所定のギャップ２を介して配設された回転子３とを備えている。回転子３の軸心にはシャフト４が貫通しており、このシャフト４は、軸受５を介して軸受取付板６に回転自在に支持されている。この軸受取付板６には、固定子１を支持する円筒状の固定子鉄心コア部７が取り付けられている。
【０００８】
固定子１は、磁極毎に磁性鋼板を積層して構成された固定子鉄心ティース部８と、各固定子鉄心ティース部８の軸方向（積層方向）に沿って設けられた孔に挿入された永久磁石９を備えており、各磁極が周方向に間隔をおいて配設されている。
【０００９】
固定子１の内側にギャップ２を介して配設される回転子３は、周方向に間隔をおいて複数個のスロットが形成された磁性鋼板を軸方向に多数枚積層して構成された回転子鉄心１０と、この回転子鉄心１０の複数のスロット内に収納された電機子巻線１１を備えており、回転子鉄心１０がシャフト４に嵌め合わされている。
【００１０】
上述のように構成された永久磁石型回転電機において、図示しない駆動源によりシャフト４を回転させることで、回転子３が固定子１の永久磁石９によって作られる磁束と電磁結合して電機子巻線１１の電気回路をつなぐことで電流を流すことができる。
【００１１】
このような構成を有する永久磁石型回転電機において、回転電機の出力容量を変更するための方法の一つとしてギャップ２の長さｔを調整する方法がある。その方法について説明する。
【００１２】
回転電機の出力容量をＰ、電機子巻線１１に発生する電圧をＶ、電機子巻線１１に電気回路をつなぐことで流れる電流をＩとすると、下記（１）式の関係がある。
【００１３】
Ｐ∝ＶＩ  ………………（１）
永久磁石９が作る磁束をφとすると、電機子巻線１１に発生する電圧Ｖとの間には、下記（２）式の関係がある。
【００１４】
Ｖ∝φ    ………………（２）
ギャップ２の磁束密度をＢ、固定子鉄心ティース部８と回転子鉄心１０の対向する面積をＳとすると、永久磁石９が作る磁束φとの間には、下記（３）式の関係がある。
【００１５】
φ∝ＢＳ  ………………（３）
ギャップ２の透磁率をμ、ギャップ２の磁界をＨとすると、ギャップ２の磁束密度Ｂとの間には、下記（４）式の関係がある。
【００１６】
Ｂ＝μＨ    ……………（４）
ギャップ２の起磁力をＦｍ、ギャップ２の長さをｔとすると、ギャップ２の磁界Ｈとの間には、下記（５）式の関係がある。
【００１７】
Ｆｍ＝ｔＨ  ………………（５）
（１）式から（５）式までの関係から、下記（６）式の関係式を導くことができる。
【００１８】
Ｐ∝μＦｍＳ／ｔ  ………（６）
この（６）式より回転電機の出力容量Ｐとギャップ２の長さｔには、逆比例の関係があることがわかる。そのためギャップ２の長さｔを短くすれば、回転電機の出力容量Ｐは大きくなり、逆にギャップ２の長さｔを長くすれば、回転電機の出力容量Ｐは小さくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００２−２４７８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上述のように、ギャップ２の長さｔを短くすれば、回転電機の出力容量Ｐは大きくなり、逆にギャップ２の長さｔを長くすれば、回転電機の出力容量Ｐは小さくなることから、出力容量Ｐを調整する手段として、例えば特許文献１に記載されているように、固定子を移動させてギャップの長さを可変調整することが考えられている。
【００２１】
この特許文献１に記載のものは、アキシャルギャップ型の回転電機を対象としているが、ラジアルギャップ型の回転電機に対しても同様にギャップの長さｔを可変調整することが考えられる。
【００２２】
その一つの手段として、図４および図５に示すように、円筒状の固定子鉄心コア部７と固定子鉄心ティース部８との間に、薄板状の磁性材料からなるライナー１２を多数枚積層して介在させる方法が考えられる。
【００２３】
図４は、図３に示す永久磁石型回転電機に、固定子を径方向に移動させる手段を設けた一例を示す概略構成図である。図５は、図４のＡ―Ａ線に沿って切断し、矢印の方向にみた断面図である。なお、この回転電機は、磁極数が６の場合を例示している。
【００２４】
この構成において、固定子１を径方向に移動させるために、ライナー１２の枚数を増やしてギャップ２の長さｔを短くすれば、回転電機の出力容量Ｐを大きくすることができ、また逆にライナー１２の枚数を減らしてギャップ２の長さｔを長くすれば、回転電機の出力容量Ｐを小さくすることができる。
【００２５】
しかしながら、この構成におけるギャップ２の長さｔの調整は、ライナー１２の枚数を１枚単位で変更することにより行なうことになるので、１枚のライナー１２の厚みが厚いと、ギャップ２の長さｔの調整幅が大きくなり、一方、ライナー１２の厚みが薄いと、永久磁石９の吸着力によってライナー１２の挿入時および引き抜き時に、ライナー１２の形状が変形して装着に支障を来たしたり、微細な調整が行えなかったりするおそれがある。
【００２６】
そこで本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、回転電機の出力容量を微細に調整することのできる永久磁石型回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成するために本発明による永久磁石型回転電機は、固定子に永久磁石を用い回転子に電圧を誘起させ、ブラシレス発電機の励磁機として用いる永久磁石型回転電機において、円筒状の固定子鉄心コア部と、この固定子鉄心コア部の内面に周方向に間隔をおいて配設され、磁極毎に磁性鋼板を積層して構成された固定子鉄心ティース部およびこの固定子鉄心ティース部の軸方向に形成された孔に挿入された永久磁石を備えた固定子と、この固定子の径方向内側に所定のギャップを介して配設され、周方向に間隔をおいて複数個のスロットが形成された磁性鋼板を軸方向に多数枚積層して構成された回転子鉄心およびこの回転子鉄心の複数のスロット内に収納された電機子巻線を備えた回転子と、この回転子の回転子鉄心が嵌め合わされたシャフトと、このシャフトを回転自在に支持する軸受と、この軸受を介して前記回転子を支持するとともに前記固定子鉄心コア部を支持する軸受取付板とを具備し、前記固定子は、前記固定子鉄心コア部と前記固定子鉄心ティース部との間に磁性材料からなる薄板状のライナーを複数枚介在させることにより、径方向に移動可能に構成し、かつ前記軸受取付板と前記固定子鉄心コア部との間に、前記固定子鉄心コア部を軸方向に摺動自在に支持する固定子鉄心受けを設けることにより、軸方向に移動可能に構成し前記回転子鉄心と前記固定子鉄心ティース部のギャップおよび対向面積を調整可能な構成としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明による永久磁石型回転電機によれば、固定子を、径方向に移動可能に構成するとともに軸方向に移動可能に構成したことにより、固定子と回転子との間のギャップの長さおよび対向面積を可変としてギャップを通る磁束量を微細に調整できるので、回転電機の出力容量を微細に調整することができる。
【００２９】
そして、この永久磁石形回転電機を用いるブラシレス発電機は、励磁機の出力容量を微細に調整できることにより、ブラシレス発電機の出力電圧を微細に調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による永久磁石型回転電機の一実施の形態の主要部を示す断面図である。
【図２】図１に示す永久磁石型回転電機の固定子を軸方向に移動させた状態を示す断面図である。
【図３】固定子に永久磁石を備えた一般的な発電機などの回転電機の主要部を示す概略構成図である。
【図４】図３に示す永久磁石型回転電機に、固定子を径方向に移動させる手段を設けた一例を示す概略構成図である。
【図５】図４のＡ―Ａ線に沿って切断し、矢印の方向にみた断面図である。
【図６】ブラシレス発電機の主要部および動作を説明する概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１はブラシレス発電機の励磁機に用いる本発明による永久磁石型回転電機の一実施の形態の主要部を示す断面図であり、図２は図１に示す回転電機の固定子を移動させた状態を示す断面図である。ブラシレス発電機の主要構成は図６において説明したものと同様であり、界磁巻線１０４の代りに固定子に永久磁石を用いる。
【００３２】
図１および図２において、本実施の形態は、固定子１を、径方向に移動可能に構成するとともに軸方向に移動可能に構成したところに特徴を有する。
【００３３】
回転子３は、周方向に間隔をおいて複数個のスロットが形成された磁性鋼板を軸方向に多数枚積層して構成された回転子鉄心１０と、この回転子鉄心１０の複数のスロット内に収納された電機子巻線１１を備えており、回転子鉄心１０がシャフト４に嵌め合わされている。
【００３４】
この回転子３の径方向外側にギャップ２を介して配設されている固定子１は、磁極毎に磁性鋼板を積層して構成された固定子鉄心ティース部８と、固定子鉄心ティース部８の軸方向に設けられた孔に挿入される永久磁石９とを備えている。
【００３５】
固定子鉄心ティース部８の軸方向両端面には、永久磁石９の飛び出し防止用に設けられた非磁性材料よりなる押さえ板１３が設けられており、この押さえ板１３および固定子鉄心ティース部８は、軸方向に沿って設けられた孔を貫通する複数本のスタッド１４およびこのスタッド１４の両端部に螺合されたナット１５により締め付けられて一体に構成されている。
【００３６】
固定子１を構成する各磁極は、円筒状の固定子鉄心コア部１６の内側に、周方向に間隔をおいて配設されてボルト１７により固定されるが、この固定子鉄心コア部１６と固定子鉄心ティース部８との間には、固定子１を径方向に移動可能に構成する手段として、薄板状の磁性材料からなるライナー１２が複数枚、径方向に積層して介在されている。
【００３７】
したがってこのライナー１２の枚数を増減することにより、固定子１を径方向に移動させ、固定子１を構成する各磁極の固定子鉄心ティース部８と回転子鉄心１０との間のギャップ２の長さｔを可変調整できるようになっている。
【００３８】
一方、固定子１を軸方向に移動可能に構成する手段として、円筒状の固定子鉄心コア部１６は、その内側に設けられた円筒状の固定子鉄心受け１８上を摺動できるように構成されている。
【００３９】
固定子鉄心受け１８の軸方向一端部には、径方向に延びる鍔１８ａが形成されており、この鍔１８ａが軸受取付板６に図示しないボルト、ナットなどの固定手段により固定されている。
【００４０】
固定子鉄心コア部１６にも、軸方向の一端部に径方向外側に延びる鍔１６ａが形成されており、この鍔１６ａが固定子鉄心受け１８の鍔１８ａに固定されたスタッドボルト１９を貫通し、ナット２０ａ乃至２０ｃで所定位置に固定されることにより、固定子鉄心受け１８上を軸方向に移動可能に構成されている。
【００４１】
図２は、図１に示す状態よりも、固定子鉄心コア部１６を軸方向に沿って図示右側に移動させて固定子鉄心ティース部８と回転子鉄心１０との対向面積Ｓを減少させた状態を示している。
【００４２】
対向面積Ｓは、上述の（６）式からわかるように、回転電機の出力容量Ｐと比例の関係にあるので、対向面積Ｓを減少させると、回転電機の出力容量Ｐを小さくすることができる。しかも連続的に微細に調整することができる。
【００４３】
ただし、対向面積Ｓを減少させると、損失に伴う問題が発生する。すなわち対向面積Ｓを減少させた場合、永久磁石９の量は変らないので、永久磁石９の磁束φを一定とすると、（３）式よりギャップ２の磁束密度Ｂが上昇することがわかる。ギャップ２の磁束密度Ｂが上昇すると、それに伴い固定子鉄心ティース部８と回転子鉄心１０の対向する箇所の表面付近での磁束密度Ｂも上昇する。磁束密度Ｂが上昇すると鉄損が大きくなるので、その箇所で局所的に損失が上昇し、温度が上昇する。
【００４４】
温度が上昇しすぎると絶縁に悪影響を及ぼし、回転電機の寿命の減少、破損等になるおそれがある。固定子鉄心ティース部８を軸方向に移動させる長さが大きくなればなるほど（対向面積Ｓが小さくなればなるほど）この傾向が強くなる。
【００４５】
そのため、損失を上昇させないために、固定子鉄心ティース部８の軸方向の移動の長さは、必要最小限となるようにし、径方向に移動させる手段と併用して固定子鉄心ティース部８と回転子鉄心１０との間のギャップ２の長さｔおよび対向面積Ｓを可変としてギャップ２を通る磁束量を微細に調整する。
【００４６】
望ましくは、予め固定子鉄心ティース部８の径方向の移動手段であるライナー１２の枚数を増減して出力容量を調整しておき、次いで固定子鉄心ティース部８の軸方向の移動手段である固定子鉄心コア部１６の軸方向の移動を行なうことにより、作業性を良くして回転電機の出力容量Ｐを微調整することができる。
【００４７】
したがって本発明によれば、固定子１を、径方向および軸方向に移動可能に構成したことにより、回転電機の出力容量Ｐを微細に調整することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１…固定子
２…ギャップ
３…回転子
４…シャフト
５…軸受
６…軸受取付板
７，１６…固定子鉄心コア部
８…固定子鉄心ティース部
９…永久磁石
１０…回転子鉄心
１１…電機子巻線
１２…ライナー
１３…押さえ板
１４…スタッド
１５…ナット
１６ａ，１８ａ…鍔
１７…ボルト
１８…固定子鉄心受け
１９…スタッドボルト
２０ａ乃至２０ｃ…ナット
１０１…電源
１０２…自動電圧調整器（ＡＶＲ）
１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ…ケーブル
１０４…励磁機の界磁巻線
１０５…励磁機の電機子巻線
１０６…整流器
１０７…発電機の界磁巻線
１０８…発電機の電機子巻線
【図１】
0005257818.tif 000002
【図２】
0005257818.tif 000003
【図３】
0005257818.tif 000004
【図４】
0005257818.tif 000005
【図５】
0005257818.tif 000006
【図６】
0005257818.tif 000007