(57)【要約】【課題】回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすく、更には外径寸法の小型化に適した発電機を提供する。【解決手段】回転子４０は、周方向に交互に異なる磁極となる複数の磁石４８を有し、固定子３８は、固定子コア５０と、電機子コイル６０と、を有し、固定子コア５０は、一つの第１溝部５２と、周方向の一方に隣り合う第１溝部５２との間に配置される第１固定子突極部６２Ａと、一つの第１溝部５２と、周方向の他方に隣り合う第１溝部５２との間に配置される第２固定子突極部６２Ｂと、を有する。第１固定子突極部６２Ａ及び第２固定子突極部６２Ｂのそれぞれと対向する磁石４８の磁極が異なる第１状態と、第１固定子突極部６２Ａ及び第２固定子突極部６２Ｂのそれぞれと対向する磁石４８の磁極が第１状態とは反転した磁極となる第２状態とが交互に切り替わる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、
前記固定子の外周側又は内周側に配置される回転子と、を備え、
前記回転子は、前記固定子と対向する磁極が周方向に交互に異なる磁極となる複数の磁石を有し、
前記固定子は、周方向に間隔を空けて複数の第１溝部が形成される固定子コアと、前記複数の第１溝部間に巻き回される電機子コイルと、を有し、
前記固定子コアは、一つの前記第１溝部と、周方向の一方に隣り合う第１溝部との間に配置される第１固定子突極部と、前記一つの第１溝部と、周方向の他方に隣り合う第１溝部との間に配置される第２固定子突極部と、を有し、
前記回転子が回転するとき、前記第１固定子突極部及び前記第２固定子突極部のそれぞれと対向する磁石の磁極が異なる第１状態と、前記第１固定子突極部及び前記第２固定子突極部のそれぞれと対向する磁石の磁極が第１状態とは反転した磁極となる第２状態とが交互に切り替わるように、前記磁石、前記第１固定子突極部及び前記第２固定子突極部の位置が定められることを特徴とする発電機。
【請求項２】
前記第１固定子突極部は、前記一つの第１溝部と、周方向の一方に隣り合う第１溝部との間に少なくとも２つ配置され、
前記第２固定子突極部は、前記一つの第１溝部と、周方向の他方に隣り合う第１溝部との間に少なくとも２つ配置されることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記複数の磁石は、所定の角度λと同等の角度で周方向にずらした位置に配置され、
前記第１固定子突極部は、他の第１固定子突極部に対してλ×２ｎ（ｎは１以上の自然数）と同等の角度で周方向にずらした位置に配置され、
前記第２固定子突極部は、前記第１固定子突極部に対してλ×（２ｎ＋１）と同等の角度で周方向にずらした位置に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の発電機。
【請求項４】
前記固定子コアは、前記回転子の回転中心の軸線方向に複数の金属板を積層して構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発電機。
【請求項５】
本発電機は、自転車の回転部の回転に連動して前記回転子が回転可能な自転車用発電機であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発電機。
【請求項６】
本発電機は、自転車のハブダイナモであることを特徴とする請求項５に記載の発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自転車のハブダイナモ等に用いられる発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
自転車のハブダイナモは、車輪と同程度の速度で回転子が回転するため、ローラーダイナモと比べて回転子の回転速度が遅くなり易く、低速走行時の誘導起電力が不十分になる傾向がある。そこで、ハブダイナモには、回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力が得られるように工夫したものが好適に用いられる。
【０００３】
この一例として、特許文献１には、クローポール型発電機が提案されている。この発電機は、固定子と、固定子の外周側に配置される回転子とを備える。回転子は周方向に並べて配置される複数の磁石を有し、各磁石は固定子と対向する磁極が周方向に交互に異なる磁極となる。固定子は軸方向両側に配置される一対の固定子コアを備える。各固定子コアは互いに近づく側に向けて延びる複数の爪部を有し、別々の固定子コアの爪部が周方向に交互に位置するように設けられる。各固定子コアの爪部は回転子の各磁石の径方向内側に配置され、その磁石により周方向に交互に異なる極性が生じるように励磁される。固定子には磁石から各固定子コアの爪部を介して磁束が通過する位置に電機子コイルが配置される。
【０００４】
この発電機では、回転子の回転により各固定子コアの爪部に対する磁石の相対位置が変わり、これに伴い各爪部の極性が切り替わることで、電機子コイルを鎖交する主磁束の向きが反転し、電機子コイルに誘導起電力が生じる。このとき得られる交流電力は、磁石の極数に比例する大きさの周波数となるため、磁石の極数に応じた高周波数の交流電力を得やすくなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−４９８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、自転車の意匠性の向上を図るため、ハブの外径寸法の小型化が要求されており、これに伴い、ハブダイナモの外径寸法の小型化が望まれている。クローポール型発電機では、異なる極性に励磁される各固定子コアの爪部が周方向に交互に並ぶように構成される。よって、ハブダイナモの外径寸法が小さくなるにつれて、隣り合う爪部間の距離が過度に小さくなる。この結果、異なる極性に励磁された爪部の間に磁束が通り易くなり、電機子コイルを鎖交しない漏れ磁束が増大し易くなる。従って、クローポール型発電機では、外径寸法の低減に伴い漏れ磁束が増大し、十分な誘導起電力を得にくいという問題点があった。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされており、その目的の１つは、回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすく、更には外径寸法の小型化に適した発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様に係る発電機は、固定子と、固定子の外周側又は内周側に配置される回転子と、を備え、回転子は、固定子と対向する磁極が周方向に交互に異なる磁極となる複数の磁石を有し、固定子は、周方向に間隔を空けて複数の第１溝部が形成される固定子コアと、複数の第１溝部間に巻き回される電機子コイルと、を有し、固定子コアは、一つの第１溝部と、周方向の一方に隣り合う第１溝部との間に配置される第１固定子突極部と、一つの第１溝部と、周方向の他方に隣り合う第１溝部との間に配置される第２固定子突極部と、を有し、回転子が回転するとき、第１固定子突極部及び第２固定子突極部のそれぞれと対向する磁石の磁極が異なる第１状態と、第１固定子突極部及び第２固定子突極部のそれぞれと対向する磁石の磁極が第１状態とは反転した磁極となる第２状態とが交互に切り替わるように、磁石、第１固定子突極部及び第２固定子突極部の位置が定められる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすく、更には外径寸法の小型化に適した発電機を得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る自転車用発電機が搭載される自転車を示す部分側面図である。
【図２】第１実施形態に係る自転車のハブや周囲の構成を示す前面図である。
【図３】第１実施形態に係る自転車用発電機を示す断面図である。
【図４】第１実施形態に係る自転車用発電機の電機子コイルを示す断面図である。
【図５】第１実施形態に係る磁石、固定子突極部の位置関係を示す図である。
【図６】第１実施形態に係る発電機の電気角が零である状態を示す図である。
【図７】第１実施形態に係る発電機の電気角がπ／２である状態を示す図である。
【図８】第１実施形態に係る発電機の電気角がπである状態を示す図である。
【図９】第１実施形態に係る発電機の電気角が３π／２である状態を示す図である。
【図１０】第２実施形態に係る発電機の断面図である。
【図１１】第２実施形態に係る発電機の電機子コイルを示す断面図である。
【図１２】第２実施形態に係る発電機の電気角が零である状態を示す図である。
【図１３】第２実施形態に係る発電機の電気角がπ／２である状態を示す図である。
【図１４】第２実施形態に係る発電機の電気角がπである状態を示す図である。
【図１５】第２実施形態に係る発電機の電気角が３π／２である状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、各実施形態の説明では、同一の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面では、説明の便宜のため、構成要素の一部を適宜省略する。
【００１２】
［第１の実施の形態］
図１は第１実施形態に係る自転車用発電機１０（以下、単に発電機１０という）が搭載される自転車１２を示す部分側面図である。自転車１２は、メインフレーム１４のヘッドチューブ１６に回転可能に支持されるフロントフォーク１８と、フロントフォーク１８に取り付けられるハブ軸２０とを備える。ハブ軸２０には車輪としての前輪２２が回転自在に支持される。前輪２２の横側には前照灯２４が設置され、これには発電機１０により得られた電力が供給される。
【００１３】
前輪２２はハブ軸２０に軸受け（図示せず）を介して回転自在に支持される筒状のハブ２６と、ハブ２６の外周部に取り付けられる複数のスポーク２８と、各スポーク２８の外周部に取り付けられるリム３０とを更に有する。リム３０にはタイヤ３２が取り付けられる。
【００１４】
図２は自転車１２のハブ２６や周囲の構成を示す前面図である。ハブ２６以外の構成は二点鎖線で示す。ハブ２６内にはハブダイナモとなる発電機１０が収容される。ハブ軸２０の軸方向の両端部には雄ねじ３４が形成される。ハブ軸２０は、各雄ねじ３４に螺合したナット３６の締め付けにより、ハブ２６とともにフロントフォーク１８に固定される。
【００１５】
図３は発電機１０の断面図である。本図は後述する回転子４０の回転中心の軸線方向に直交する断面図であり、図２のＡ−Ａ線断面でもある。なお、本図ではハブ２６を省略する。また、以下の説明では、後述する固定子３８及び回転子４０の各構成要素の位置関係を説明するうえで、「軸方向」、「周方向」、「径方向」の用語を使うことがある。このうち「軸方向」は回転子４０の回転中心の軸線方向を意味し、「周方向」、「径方向」のそれぞれは回転子４０の回転中心に関して周方向、径方向を意味する。
【００１６】
発電機１０は、ハブ軸２０に対して固定される固定子３８と、ハブ軸２０に対して回転自在に支持される回転子４０とを備える。発電機１０は、固定子３８の外周側に回転子４０が配置されるアウターロータ型発電機である。また、発電機１０は同期発電機である。回転子４０は、前輪２２の一部であるハブ２６と一体に回転可能に設けられる。回転子４０は前輪２２の回転に連動して回転可能となる。
【００１７】
回転子４０は、全体として環状をなす。回転子４０は、環状基部４２を含む回転子コア４６と、回転子４０の周方向に並べて配置される複数の磁石４８とを有する。磁石４８は、固定子３８と対向する側にある環状基部４２の内周面に接着等により接合される。回転子コア４６には、環状基部４２の内周側に複数の突極部が設けられていない。
【００１８】
磁石４８は永久磁石である。磁石４８は後述の電機子コイル６０の界磁に用いる。磁石４８は径方向が着磁方向となる。本図では磁石４８内でＳ極からＮ極に向かう方向を矢印Ｃで示す。磁石４８は周方向に沿って延びる板状に設けられる。磁石４８は、固定子３８と径方向に対向する磁極が周方向に交互に異なる磁極となるように複数設けられる。各磁石４８は、固定子３８と径方向に対向する内周部の周長ｗ１が同等の大きさとなるように構成される。ここでの「同等」とは、完全に同一である場合と、略同一である場合とを含む。「同等」の解釈は以下も同様である。
【００１９】
磁石４８は所定の角度λ（以下、磁極ピッチともいう）と同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。本例では、磁石４８は合計２０個設けられ、固定子３８と対向する磁極も合計２０個設けられる。つまり、これらは偶数個設けられる。また、磁極ピッチλは１８°（＝３６０°／２０）となる。この磁極ピッチλは発電機１０の電気角πに相当し、回転子４０が磁極ピッチλ×２だけ回転すると、後述のように、電機子コイル６０により一周期分の交流電力が生じる。
【００２０】
固定子３８は、全体として環状をなす。固定子３８は、周方向に間隔を空けて複数の第１溝部５２が形成される固定子コア５０を有する。回転子コア４６や固定子コア５０は、回転子４０の軸方向に複数の金属板を積層して構成される。この金属板は電磁鋼板等の軟磁性体を素材とする。
【００２１】
各第１溝部５２は周方向に同等の角度をずらした位置に配置される。本例では、第１溝部５２は合計４個設けられる。第１溝部５２は、回転子４０と対向する側である径方向外側から反対側の径方向内側に窪むように形成される。
【００２２】
固定子３８は、第１溝部５２の他に、各第１溝部５２のそれぞれの底側に隣接する弧状の磁路接続部５４と、第１溝部５２に対して周方向両側に隣接する磁路部５６Ａ、５６Ｂとを有する。磁路接続部５４は各磁路部５６Ａ、５６Ｂを周方向に接続する。磁路部５６Ａ、５６Ｂは、周方向に一つおきに配置される第１溝部５２の周方向の一方（図中時計回り方向）に隣接する第１磁路部５６Ａと、周方向の他方（図中反時計回り方向）に隣接する第２磁路部５６Ｂとを有する。第１磁路部５６Ａと第２磁路部５６Ｂは周方向に交互に配置され、本例では、第１磁路部５６Ａは２個、第２磁路部５６Ｂは２個設けられる。
【００２３】
磁路部５６Ａ、５６Ｂには、回転子４０と対向する側である径方向外側に向けて突出する複数の固定子突極部６２Ａ、６２Ｂが設けられる。各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂは磁石４８に対して所定のギャップを空けて配置される。各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの回転子４０と径方向に対向する先端部の周長ｗ２は、磁石４８の内周部周長ｗ１より小さくなるように構成される。
【００２４】
固定子突極部６２Ａ、６２Ｂは、第１磁路部５６Ａに設けられる２つの第１固定子突極部６２Ａと、第２磁路部５６Ｂに設けられる２つの第２固定子突極部６２Ｂとを有する。第１固定子突極部６２Ａ及び第２固定子突極部６２Ｂは、周方向に１つおきに配置される第１溝部５２（たとえば、図中上側の第１溝部５２と下側の第１溝部５２）に応じた位置に配置される。詳細には、第１固定子突極部６２Ａは、周方向に１つおきに配置される一つの第１溝部５２（たとえば、図中上側の第１溝部５２）と周方向の一方（時計回り方向）に隣り合う第１溝部５２（たとえば、図中右側の第１溝部５２）との間の周方向範囲内に配置される。第２固定子突極部６２Ｂは、一つの第１溝部５２と周方向の他方（反時計回り方向）に隣り合う第１溝部５２（たとえば、図中左側の第１溝部５２）との間の周方向範囲内に配置される。本例では、２つの第１固定子突極部６２Ａと２つの第２固定子突極部６２Ｂが周方向に交互に設けられ、それぞれ合計４個ずつ設けられる。
【００２５】
１つの第１磁路部５６Ａに設けられる複数の第１固定子突極部６２Ａ間や、１つの第２磁路部５６Ｂに設けられる複数の第２固定子突極部６２Ｂ間には第２溝部６４が形成される。第２溝部６４は回転子４０と対向する側である径方向外側から反対側の径方向内側に向けて窪むように形成される。第２溝部６４の径方向寸法は第１溝部５２の径方向寸法より小さくなる。この結果、各磁路部５６Ａ、５６Ｂは第２溝部６４の底側に隣接する部分での径方向寸法が磁路接続部５４より大きくなる。これにより、後述のように、各磁路部５６Ａ、５６Ｂのそれぞれに電機子コイル６０を巻き回すうえで、各磁路部５６Ａ、５６Ｂの強度を確保し易くなる。
【００２６】
また、各磁路部５６Ａ、５６Ｂは、回転子４０と対向する側である径方向外側に向かうにつれて周方向の幅が大きくなるように形成される。これにより、各磁路部５６Ａ、５６Ｂのそれぞれに電機子コイル６０を巻き回すうえで、電機子コイル６０が各磁路部５６Ａ、５６Ｂから径方向外側に外れ難くなる。
【００２７】
なお、第１溝部５２は、第１固定子突極部６２Ａと第２固定子突極部６２Ｂとを周方向に隔てるために設けられる。また、第２溝部６４は、複数の第１固定子突極部６２Ａのそれぞれや、複数の第２固定子突極部６２Ｂのそれぞれを周方向に隔てるために設けられる。
【００２８】
図４は発電機１０の電機子コイル６０を示す断面図である。本図では回転子４０の軸方向の一方（紙面手前側）での電機子コイル６０の巻き方向Ｂを併せて示す。固定子３８は、複数の第１溝部５２間に巻き回される電機子コイル６０を更に有する。電機子コイル６０は、周方向に隣り合う第１溝部５２間に設けられる第１磁路部５６Ａ、第２磁路部５６Ｂの何れかに巻き回される。このとき、電機子コイル６０は、複数の第１固定子突極部６２Ａ、又は、複数の第２固定子突極部６２Ｂを周方向に跨ぐように巻き回される。電機子コイル６０は、このような複数の第１固定子突極部６２Ａ、又は、複数の第２固定子突極部６２Ｂを周方向両側、軸方向両側から取り囲むように巻き回される。
【００２９】
このように第１固定子突極部６２Ａや第２固定子突極部６２Ｂを隔てるために設けられる第１溝部５２の空間を利用して、ここに電機子コイル６０を収めているため、電機子コイル６０の分だけ径方向での厚さ寸法が抑えられる。
【００３０】
電機子コイル６０は周方向に隣り合う第１溝部５２間に集中巻きで巻き回されるが、他の第１溝部５２を経由するように分布巻きで巻き回されてもよい。周方向に隣り合う電機子コイル６０は互いに逆向きの巻き方向Ｂで巻き回されるが、同方向に巻き回されてもよい。
【００３１】
電機子コイル６０には、後述のように、回転子４０が回転するとき、同相の交流電力が生じる。各電機子コイル６０は電気的に並列に接続され、その出力端は図示しない整流回路に接続され、整流回路には単相の交流電力が出力される。整流回路は交流電力を整流、平滑等して直流電力に変換したうえで、これを外部電気機器としての前照灯２４（図１参照）に供給する。なお、各電機子コイル６０は電気的に直列に接続されてもよい。
【００３２】
図５は磁石４８、固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの位置関係を示す図である。本図では、複数の磁石４８、固定子突極部６２Ａ、６２Ｂのうちの一部を区別するため、それぞれの符号の末尾に（ａ）等のアルファベットを付して示す。以下の図でも同様に示す場合がある。
【００３３】
１つの第１磁路部５６Ａに設けられる複数の第１固定子突極部６２Ａは、各磁石４８の磁極ピッチλとの関係で、λ×２と同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。１つの第２磁路部５６Ｂに設けられる複数の第２固定子突極部６２Ｂも、λ×２と同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。また、第１固定子突極部６２Ａの近傍にて周方向に隣り合う他の第２固定子突極部６２Ｂはλ×３と同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。
【００３４】
これにより、第１固定子突極部６２Ａは、ｎを１以上の自然数としたとき、他の第１固定子突極部６２Ａに対して、λ×２ｎと同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。たとえば、第１固定子突極部６２Ａ（ａ）は、その時計方向に隣り合う他の第１固定子突極部６２Ａ（ｂ）に対してλ×２で周方向にずれており、その反時計方向に隣り合う他の第１固定子突極部６２Ａ（ｆ）に対してλ×８（＝λ×３＋λ×２＋λ×３）で周方向にずれている。第２固定子突極部６２Ｂも同様に、他の第２固定子突極部６２Ｂに対して、λ×２ｎと同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。
【００３５】
また、第２固定子突極部６２Ｂは、第１固定子突極部６２Ａに対して、λ×（２ｎ＋１）と同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。たとえば、第２固定子突極部６２Ｂ（ｈ）は、その時計方向に隣り合う第１固定子突極部６２Ａ（ａ）に対してλ×３でずれており、その反時計方向に隣り合う第１固定子突極部６２Ａ（ｆ）に対してλ×５（＝λ×２＋λ×３）でずれている。
【００３６】
以上の発電機１０の動作を図６〜図９を用いて説明する。各図は回転子４０が電気角でπ／２ずつ方向Ｐに回転したときの状態を示す。また、図６、図８では回転子コア４６等を流れる磁束のうち、主磁束の流れを主に示し、漏れ磁束の流れは省略する。また、図７、図９では、漏れ磁束の流れを示す。以下では図６の位置関係にあるときの電気角が零であり、図７〜図９では電気角がπ／２、π、３π／２であるとする。また、便宜的に、一つの磁石４８（ａ）に「○」印を付して示す。
【００３７】
図６に示すように、電気角が零のとき、各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂは、その近傍の磁石４８と径方向に対向し、磁石４８に対して周方向の全幅に亘り重なる位置にある。このとき、第１固定子突極部６２Ａと対向する磁石４８の磁極はＮ極となり、第２固定子突極部６２Ｂと対向する磁石４８の磁極はＳ極となる。つまり、第１固定子突極部６２Ａと第２固定子突極部６２Ｂが対向する磁石４８の磁極は異なるものとなる。
【００３８】
これにより、各第１固定子突極部６２Ａには、径方向外側に対向する磁石４８から径方向内側に向かう磁束が流れ、各第２固定子突極部６２Ｂには、径方向外側に対向する磁石４８に向かう磁束が流れる。この結果、一つの第１溝部５２を挟んだ周方向両側の第１固定子突極部６２Ａ及び第２固定子突極部６２Ｂを通る閉ループの磁路Ｍｐが形成される。たとえば、磁石４８（ｂ）は、第１固定子突極部６２Ａ（ａ）→磁路接続部５４（ａ）→第２固定子突極部６２Ｂ（ｈ）を経由して磁石４８（ｓ）に至り、更に回転子コア４６を経由して元の磁石４８（ｂ）に戻る磁路Ｍｐを形成する。
【００３９】
この磁路Ｍｐは各電機子コイル６０内を径方向に鎖交するように形成される。このとき、周方向に隣り合う第１溝部５２間には複数の第１固定子突極部６２Ａ又は複数の第２固定子突極部６２Ｂの何れかが設けられる。このため、その複数の固定子突極部６２Ａ、６２Ｂを周方向に跨ぐ電機子コイル６０内には別々の磁石４８から生じた磁束を同じ向きにして鎖交させることができる。
【００４０】
図７に示すように、電気角がπ／２のとき、各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂは、その近傍の周方向に隣り合う２つの磁石４８と径方向に対向し、各磁石４８に対して周方向の半幅に亘り重なる位置にある。これら２つの磁石４８の磁極はＮ極、Ｓ極となる。
【００４１】
この結果、周方向に隣り合う一方の磁石４８から他方の磁石４８に向けて、これらに対向する各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂや回転子コア４６を経由して折り返すような閉ループの磁路Ｍｐが形成される。この磁路Ｍｐは各電機子コイル６０を鎖交しないように形成される。
【００４２】
図８に示すように、電気角がπのとき、各固定子突極部６２Ａは、その近傍の磁石４８と径方向に対向し、その磁石４８に対して周方向の全幅に亘り重なる位置にある。このとき、第１固定子突極部６２Ａと対向する磁石４８の磁極はＳ極となり、第２固定子突極部６２Ｂと対向する磁石４８の磁極はＮ極となる。つまり、第１固定子突極部６２Ａと第２固定子突極部６２Ｂが対向する磁石４８の磁極は、電気角が零のときとは反転した磁極となる。
【００４３】
これにより、各第２固定子突極部６２Ｂには、径方向外側に対向する磁石４８から径方向内側に向かう磁束が流れ、各第１固定子突極部６２Ａには、径方向外側に対向する磁石４８に向かう磁束が流れる。この結果、一つの第１溝部５２を挟んだ周方向両側の第１固定子突極部６２Ａ及び第２固定子突極部６２Ｂを通る閉ループの磁路Ｍｐが形成される。たとえば、磁石４８（ｒ）は、第２固定子突極部６２Ｂ（ｈ）→磁路接続部５４（ａ）→第１固定子突極部６２Ａ（ａ）を経由して磁石４８（ａ）に至り、更に回転子コア４６を経由して元の磁石４８（ｒ）に戻る磁路Ｍｐを形成する。
【００４４】
この磁路Ｍｐは各電機子コイル６０内を径方向に鎖交するように形成される。このとき、磁路Ｍｐは、電気角が零のとき（図６参照）と比べて、電機子コイル６０を鎖交する向きが逆向きとなる。
【００４５】
図９に示すように、電気角が３π／２のとき、各固定子突極部６２Ａは、その近傍の周方向に隣り合う２つの磁石４８と径方向に対向し、各磁石４８に対して周方向の半幅に亘り重なる位置にある。これら２つの磁石４８の磁極はＮ極、Ｓ極となる。
【００４６】
以上のような、電気角が零の状態を第１状態とし、πの状態を第２状態とする。この場合、第１固定子突極部６２Ａと対向する磁石４８の磁極と、第２固定子突極部６２Ｂと対向する磁石４８の磁極とは、第１状態、第２状態のいずれのときでも、異なる磁極となる。また、これらの磁極は、第２状態では第１状態とは反転した磁極となる。
【００４７】
図６に示すように、一つの電機子コイル６０（たとえば、電機子コイル６０（ｂ））内では、第１状態のとき、径方向の一方（内側）に向けて鎖交する磁路Ｍｐが形成される。また、図８に示すように、一つの電機子コイル６０内では、第２状態のとき、径方向の他方（外側）に向けて鎖交する磁路Ｍｐが形成される。また、一つの電機子コイル６０に対して周方向に隣り合う他の電機子コイル６０（たとえば、電機子コイル６０（ａ））内では、図６に示すように、第１状態のとき、径方向の他方（外側）に向けて鎖交する磁路Ｍｐが形成される。また、図８に示すように、他の電機子コイル６０内では、第２状態のとき、径方向の一方（内側）に向けて鎖交する磁路Ｍｐが形成される。つまり、第１状態と第２状態との間で切り替わると、各電機子コイル６０内を鎖交する磁束の径方向での向きが反転するように切り替わり、各電機子コイル６０に交流の誘導起電力が生じる。このとき、各電機子コイル６０内で形成される磁路Ｍｐの変化の仕方は同様となり、各電機子コイル６０では同相の交流電力が生じる。このように、発電機１０では、第１状態と第２状態とが交互に切り替わるように、複数の磁石４８、複数の固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの位置が定められる。
【００４８】
以上の発電機１０の作用効果を説明する。
一般に、発電機の周波数ｆ（Ｈｚ）は、回転子の回転速度Ｎ（ｒ／ｍｉｎ）と、発電機の極数Ｐとの間で下記の式（１）の関係を満たす。ここでの発電機の極数Ｐとは、本実施形態では磁石４８の数（２０個）となる。
Ｎ＝１２０×ｆ／Ｐ  ・・・  （１）
【００４９】
本発明者は、図３に示す構造を用いて解析をした。この解析では、回転子４０の回転速度Ｎを１２０（ｒ／ｍｉｎ）とし、各電機子コイル６０により発電される電力の周波数ｆ（Ｈｚ）を求め、磁石４８の数に応じた周波数ｆの電力が得られるか確認した。この結果、周波数ｆは２０（Ｈｚ）であることが求められ、式（１）より、磁石４８の数が発電機の極数となることが確認された。
【００５０】
従って、本実施形態に係る発電機１０では、磁石４８の数が増えるほど誘導起電力の周波数が増大し、回転子４０の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすくなる。なお、誘導起電力の電圧は、電機子コイル６０を鎖交する磁束と周波数の積に比例することから、高周波数の交流電力を得られるということは、それだけ高電圧の交流電力を得られることになる。
【００５１】
また、第１固定子突極部６２Ａや第２固定子突極部６２Ｂが第１溝部５２を挟んだ位置に設けられ、これらの間隔を離し易くなる。よって、磁石４８によりこれらが異なる極性に励磁されても、第１固定子突極部６２Ａと第２固定子突極部６２Ｂの間での漏れ磁束の発生を抑え易くなる。このため、これらの間での漏れ磁束の発生を抑えつつ、発電機１０の回転子４０や固定子３８の外径寸法を小型化し易くなる。なお、このような第１固定子突極部６２Ａや第２固定子突極部６２Ｂの間での漏れ磁束の発生を抑えられるということは、電機子コイル６０を鎖交する磁束の低減を抑えられ、発電機１０により十分な出力の電圧を得やすくなることになる。
【００５２】
このように第１固定子突極部６２Ａや第２固定子突極部６２Ｂを隔てるために設けられる第１溝部５２の空間を利用して、ここに電機子コイル６０を収めているため、電機子コイル６０の分だけ径方向での厚さ寸法が抑えられる。
【００５３】
また、たとえば、特開２０１２−１８２９６１号に記載のような、固定子の複数の突極部のそれぞれに電機子コイルを巻き回す三相交流発電機では、回転子の磁極数の増大に伴い電機子コイルの数が増大し、それだけ高コストや組み立て性の低下を招く。この点、本実施形態では、高周波数の交流電力を得るうえで、電機子コイル６０の数を増やさずに磁石４８の数を増やすだけでよいため、それだけ部品数を削減でき、低コストにしつつ良好な組み立て性を得られる。
【００５４】
また、従来のクローポール型発電機では、回転子の磁石から各固定子コアの爪部に流れる磁束は、爪部内で軸方向に向きを変えたうえで爪部の根元部に向けて流れる。この爪部の磁路方向（軸方向）と直交する磁路断面積は、爪部の径方向の厚みや周長に応じて定まる。ここで、発電機の軸長を変えずに外径寸法を小型化した場合、固定子コアの爪部は、軸長が変わらずに周方向に細くなり、磁石と対向するギャップ面が細くなるうえ、径方向の厚みが小さくなる結果、爪部の根元部での磁路断面積が小さくなる。よって、固定子コアの爪部がギャップ面で受け取った磁束は、磁路断面積が小さい爪部の根元部に集中し易くなり、根元部で磁気飽和が発生し易くなる。この結果、電機子コイルを鎖交する磁束が流れにくくなり、発電機により十分な出力の電圧を得にくくなる。
【００５５】
この点、本実施形態に係る発電機１０では、固定子コア５０の固定子突極部６２Ａ、６２Ｂには、軸方向ではなく径方向に向けて磁束が流れる。この固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの磁路方向（径方向）と直交する磁路断面積は、固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの軸長や周長に応じて定まり、発電機１０の外径寸法を小型化した場合でも変化しにくい。このため、発電機１０の外径寸法を小型化した場合でも、固定子コア５０の軸長を長くすることにより固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの磁路断面積を確保できる。よって、発電機１０の外径寸法を小型化した場合でも、固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの磁気飽和の発生を抑えられ、電機子コイル６０を鎖交する磁束の減少を抑え、発電機１０により十分な出力の電圧を得やすくなる。
【００５６】
また、周方向に隣り合う第１溝部５２間には複数の第１固定子突極部６２Ａ、又は、複数の第２固定子突極部６２Ｂが設けられ、それらを周方向に跨ぐように巻き回される電機子コイル６０内には、その複数の固定子突極部６２Ａ、６２Ｂを通して別々の磁石４８から生じた磁束を同じ向きにして鎖交させることができる。よって、電機子コイル６０内に単数の磁石４８から生じた磁束を鎖交させるよりも、電機子コイル６０内での磁束の変化量を大きくでき、それだけ高電圧の交流電力を得やすくなる。
【００５７】
また、各第１固定子突極部６２Ａは他の第１固定子突極部６２Ａに対してλ×２ｎと同等の角度でずれ、各第２固定子突極部６２Ｂは第１固定子突極部６２Ａに対してλ×（２ｎ＋１）と同等の角度でずれる。よって、磁石４８に対する各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの相対位置が揃えられ、各磁石４８から生じる磁束により形成される磁路Ｍｐの変化の仕方を合わせられ、各電機子コイル６０により同相の交流電力を得やすくできる。
【００５８】
また、固定子コア５０や回転子コア４６を複数の金属板を積層して構成できるため、主磁束が通る部分での渦電流による鉄損を大きく抑えられる。
【００５９】
［第２の実施の形態］
図１０は第２実施形態に係る発電機１０を示す断面図であり、図１１は発電機１０の電機子コイル６０を示す断面図である。回転子４０の磁石４８は、図３の例では、合計２０個設けられたが、本例では合計２２個設けられる。磁極ピッチλは約１６．３６°（＝３６０°／２２）となる。第１固定子突極部６２Ａ、第２固定子突極部６２Ｂは、図３の例では、第１磁路部５６Ａ、第２磁路部５６Ｂに２つずつ設けられたが、本例では５つずつ設けられる。このように、磁石４８、固定子突極部６２Ａ、６２Ｂの数は特に限られない。
【００６０】
以上の発電機１０の動作を図１２〜図１５を用いて説明する。各図は回転子４０が電気角でπ／２ずつ方向Ｐに回転したときの状態を示す。図１２、図１４では、回転子コア４６等を流れる磁束のうち、主磁束の流れを主に示し、漏れ磁束の流れは省略する。また、図１３、図１５では、漏れ磁束の流れを示す。以下では図１２の位置関係にあるときの電気角が零であり、図１３〜図１５では電気角がπ／２、π、３π／２であるとする。
【００６１】
図１２に示すように、電気角が零のとき、各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂは、その近傍の磁石４８と径方向に対向し、その磁石４８に対して周方向の全幅に亘り重なる位置にある。これにより、第１実施形態と同様に、一つの第１溝部５２を挟んだ周方向両側の第１固定子突極部６２Ａ及び第２固定子突極部６２Ｂを通る閉ループの磁路Ｍｐが形成される。
【００６２】
図１３に示すように、電気角がπ／２のとき、各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂは、その近傍の周方向に隣り合う２つの磁石４８と径方向に対向し、各磁石４８に対して周方向の半幅に亘り重なる位置にある。これにより、第１実施形態と同様に、周方向に隣り合う一方の磁石４８から他方の磁石４８に向けて、これらに対向する各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂや回転子コア４６を経由して折り返すような閉ループの磁路Ｍｐが形成される。
【００６３】
図１４に示すように、電気角がπのとき、各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂは、その近傍の磁石４８と径方向に対向し、その磁石４８に対して周方向の全幅に亘り重なる位置にある。これにより、第１実施形態と同様に、一つの第１溝部５２を挟んだ周方向両側の第１固定子突極部６２Ａ及び第２固定子突極部６２Ｂを通る閉ループの磁路Ｍｐが形成される。
【００６４】
図１５に示すように、電気角が３π／２のとき、各固定子突極部６２Ａ、６２Ｂは、その近傍の周方向に隣り合う２つの磁石４８と径方向に対向し、各磁石４８に対して周方向の半幅に亘り重なる位置にある。これにより、電気角がπ／２のときと同様の磁路Ｍｐが形成される。
【００６５】
図１２に示すように、一つの電機子コイル６０（たとえば、電機子コイル６０（ｂ））内では、第１状態のとき、径方向の一方（内側）に向けて鎖交する磁路Ｍｐが形成される。また、図１４に示すように、一つの電機子コイル６０内では、第２状態のとき、径方向の他方（外側）に向けて鎖交する磁路Ｍｐが形成される。また、一つの電機子コイル６０に対して周方向に隣り合う他の電機子コイル６０（たとえば、電機子コイル６０（ａ））内では、図１２に示すように、第１状態のとき、径方向の他方（外側）に向けて鎖交する磁路Ｍｐが形成される。また、図１４に示すように、他の電機子コイル６０内では、第２状態のとき、径方向の一方（内側）に向けて鎖交する磁路Ｍｐが形成される。第１実施形態と同様、第１状態と第２状態との間で切り替わると、各電機子コイル６０内を鎖交する磁束の径方向での向きが反転するように切り替わり、各電機子コイル６０に交流の誘導起電力が生じる。このとき、各電機子コイル６０内で形成される磁路Ｍｐの変化の仕方は同様となり、各電機子コイル６０内では同相の交流電力が生じる。
【００６６】
以上の発電機１０においても、本発明者は、図１０に示す構造を用いて解析をした。この解析では、回転子４０の回転速度Ｎを１２０（ｒ／ｍｉｎ）とし、各電機子コイル６０により発電される電力の周波数ｆ（Ｈｚ）を求め、磁石４８の数（２２個）に応じた周波数ｆの電力が得られるか確認した。この結果、周波数ｆは２２（Ｈｚ）であることが求められ、式（１）より、磁石４８の数が発電機の極数となることが確認された。
【００６７】
従って、本実施形態に係る発電機１０によっても、第１実施形態と同様、磁石４８の数が増えるほど誘導起電力の周波数が増大し、回転子４０の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすくなる。この他の点でも、第１実施形態と同様の作用効果を得られる。
【００６８】
以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。
【００６９】
発電機１０は自転車用発電機を例に説明したが、その用途はこれに限られない。また、発電機１０は、自転車用発電機１０とする場合、自転車１２の回転部の回転に連動して回転子４０が回転可能であればよい。ここでの回転部は、車輪としての前輪２２を例に説明したが、ハブシェル、クランクの他、リアディレイラー（チェーンテンショナー）のプーリー等でもよい。また、発電機１０は、ハブダイナモではなくローラーダイナモ等として構成されてもよい。発電機１０はアウターロータ型発電機を例示したが、固定子３８の内周側に回転子４０が配置されるインナーロータ型発電機でもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１０…発電機、１２…自転車、２２…前輪（回転部）、２６…ハブ、３８…固定子、４０…回転子、４８…磁石、５０…固定子コア、５２…第１溝部、６０…電機子コイル、６２Ａ…第１固定子突極部、６２Ｂ…第２固定子突極部。
【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】
2016146713.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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