(57)【要約】【課題】効率的に小型、高出力化を図ることができる汎用性の高い３相回転電機を提供する。【解決手段】Ｎを１以上の自然数としたとき、３×Ｎ個のティース１６が放射状に配設されたステータ４と、各ティース１６にそれぞれ集中巻き方式にて巻装された３×Ｎ個の電機子コイル１８と、５×Ｎ個の永久磁石８を有するロータ３とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎを１以上の自然数としたとき、
３×Ｎ個のティースが放射状に配設されたステータと、
各ティースにそれぞれ集中巻き方式にて巻装された３×Ｎ個のコイルと、
５×Ｎ個の磁極を有するロータとを備えたことを特徴とする３相回転電機。
【請求項２】
各相のコイルは、
２つ置きに存在する同相同士の各ティースに連続して巻装されると共に、
前記同相同士の各ティースに周方向に沿って巻回方向が順方向、逆方向の順になるように巻装され、
前記同相同士の各ティースは、それぞれ互い違いに異なる磁極に対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載の３相回転電機。
【請求項３】
前記磁極が２０極以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３相回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、自動二輪車に用いられる３相回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電動機として、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相で構成され電動モータや発電機として用いられる３相回転電機が知られている。
この種の回転電機は、ステータと、このステータに対して回転自在に設けられたロータを備えている。ステータは、円環状のステータコアと、このステータコアから径方向に突設された複数のティースと、このティースに巻装されたコイルとを備えている。一方、ロータは、ティースに対向するように配置された永久磁石を備えている。
通常、各相のティースには全て同一巻回方向でコイルが巻装されており、同相同士のティースは、それぞれ同極の永久磁石に対向するように設けられている。
そして、電動モータとして使用する場合には、コイルに給電することにより磁界が形成され、ロータの永久磁石との間に生じる磁気的な吸引力や反発力によってロータが駆動される。一方、磁石発電機として用いる場合には、ロータが回転することによりティースに流れる磁束が変化し、これが起電力となって３相正弦波の電流を得ることができる。
【０００３】
ところで、近年の市場ニーズにより、小型で高出力な３相回転電機が求められている。このため、永久磁石を多極化すると共に、ステータのティース数を増大し、３相回転電機の小型、高出力化を図ることが考えられる。
ここで、同相同士のティースをそれぞれ同極の永久磁石に対向するように配置する構成であって、かつ、３相回転電機の設置スペースが限られている場合にあっては、ただ単に永久磁石を多極化したり、ステータのティース数を増大したりすると、磁極数やステータ数が制約されてしまうので、効果的に高出力化を図り難くなる。このため、同相のティースを周方向に隣接配置すると共に、これら隣接するティースを異極の永久磁石と同一電気角にて対向するように配置して３相回転電機の小型、高出力化を図ろうとしているものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】国際公開第０３／０９８７８１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の従来技術にあっては、同相のティースを周方向に隣接配置すると共に、これら隣接するティースを異極の永久磁石と同一電気角にて対向するように配置するために特殊な形状のステータとなり、汎用性が低いという課題がある。
【０００５】
そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、効率的に小型、高出力化を図ることができる汎用性の高い３相回転電機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、Ｎを１以上の自然数としたとき、３×Ｎ個のティースが放射状に配設されたステータと、各ティースにそれぞれ集中巻き方式にて巻装された３×Ｎ個のコイルと、５×Ｎ個の磁極を有するロータとを備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載した発明は、各相のコイルは、２つ置きに存在する同相同士の各ティースに連続して巻装されると共に、前記同相同士の各ティースに周方向に沿って巻回方向が順方向と逆方向とが順番になるように巻装され、前記同相同士の各ティースは、それぞれ互い違いに異なる磁極に対向配置されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載した発明は、前記磁極が２０極以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、従来の３相回転電機と同様の体格でありながら、ステータを特殊な形状にすることなく、永久磁石の多極化を図ることができる。
しかも、同相のティースに巻装されているコイルが周方向に沿って巻回方向が順方向と逆方向とが順番になるように巻装されており、それぞれ順方向に巻回されているコイルと逆方向に巻回されているコイルが異なる磁極に対向配置されている。このため、３相回転電機を磁石発電機として用いる場合、３相正弦波の電流を得ることができる。
よって、効率的に小型、高出力化を図ることができる汎用性の高い３相回転電機を提供することが可能になる。
【００１０】
とりわけ、磁極数を２０極以上とすると、得られる電流の周波数が高周波数化されるので、コイルのインダクタンスが大きくなる。このため、３相回転電機を磁石発電機として用いる場合、余剰電流を抑制することが可能になり、コイル温度の低減化を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は３相磁石発電機１の平面図、図２は３相磁石発電機１の縦断面図である。
図１、図２に示すように、３相回転電機である３相磁石発電機１は、例えば自動二輪車に用いられるアウターロータ型の発電機であって、エンジンのクランクシャフト２の先端に固定されたロータ３と、エンジンのケース（不図示）に固定されるステータ４とを備えている。
【００１２】
ロータ３は、有底筒状に形成されたものであって、径方向略中央に設けられたロータボス５にクランクシャフト２が取り付けられている。
ロータ３の周壁７には、内周面側に永久磁石８が周方向に磁極が交互となるように３０個設けられている。永久磁石８の個数は、Ｎを１以上の自然数としたとき、５×Ｎを満たすように設定されている。したがって、この実施形態の場合、Ｎ＝６に設定されている。
また、外周面側には、複数の突起９が周方向に等間隔に設けられている。これら突起９は、クランクシャフト２やロータ３の回転位置を検出するためのものである。
【００１３】
ステータ４は、円環状のステータコア１７を有している。ステータコア１７は、磁性材料の板材を軸線方向に積層して形成したものであって、径方向中央にロータボス５が挿通可能なボス孔１５が形成されている。また、ステータコア１７には、ステータ４をエンジンのケースに締結固定するためのネジ孔２０が３箇所周方向に等間隔に形成されている。
さらに、ステータコア１７には、放射状に径方向外側に向かって延出するティース１６が等間隔に１８個設けられている。
すなわち、ティース１６の個数は、Ｎを１以上の自然数としたとき、３×Ｎを満たすように設定されている。したがって、この実施形態の場合、Ｎ＝６に設定されている。
【００１４】
ステータ４の外周には、隣接するティース１６間に蟻溝状のスロット１９が形成されている。このスロット１９は、ティース１６に電機子コイル１８を巻装するためのコイル受け入れ口の役割を有する。スロット１９は軸線方向に沿って延びており、周方向に沿って等間隔に１８個形成されている。また、各ティース１６には、それぞれ絶縁材であるインシュレータ２４が装着されており、インシュレータ２４を介して電機子コイル１８が巻装されている。
【００１５】
ここで、各ティース１６には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相がこの順で割り当てられている。すなわち、同相同士のティース１６が２つ置きに存在している状態になっている。これらティース１６に電機子コイル１８を集中巻き方式にて巻装することで、Ｕ相のコイルＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４，Ｕ５，Ｕ６と、Ｖ相のコイルＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６と、Ｗ相のコイルＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５，Ｗ６が形成されている。
【００１６】
図３は、各相のコイルＵ１〜Ｗ６が巻装されているティース１６と永久磁石８と位置関係を模式的に示した極構成模式図である。なお、図３において、３０個の永久磁石８と１８個のティース１６とに周回り方向に沿ってそれぞれ符号を付して説明する。また、電機子コイル１８の巻回方向が順方向の場合をＣＷ（Ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ；時計方向）、逆方向の場合をＣＣＷ（Ｃｏｕｎｔｅｒ  Ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ；反時計方向）とする。
図１、図３に示すように、同相のコイルＵ１〜Ｕ６、コイルＶ１〜Ｖ６、および、コイルＷ１〜Ｗ６は、それぞれ連続して巻装されると共に、巻回方向が順方向と逆方向とが順番になるように巻装されている。
【００１７】
より詳しくは、例えばＵ相のコイルＵ１〜Ｕ６の場合、コイルＵ１に対応する１番ティース１６に電機子コイル１８を順方向に巻回し、コイルＵ１を形成する。続いて、スロット１９から電機子コイル１８を引き出してコイルＵ２に対応する４番ティース１６に逆方向に巻回し、コイルＵ２を形成する。これを順番に繰り返しながら残りのコイルＵ３〜Ｕ６を形成する。
すなわち、巻装順番が奇数番であるコイルＵ１，Ｕ３，Ｕ５にあっては電機子コイル１８が順方向に巻回され、巻装順番が偶数番であるコイルＵ２，Ｕ４，Ｕ６にあっては電機子コイル１８が逆方向に巻回されている。
【００１８】
Ｖ相のコイルＶ１〜Ｖ６と、Ｗ相のコイルＷ１〜Ｗ６もＵ相のコイルＵ１〜Ｕ６と同様に巻装されている。
すなわち、Ｖ相のコイルＶ１〜Ｖ６は、それぞれ対応する２，５，８，１１，１４，１７番ティース１６に電機子コイル１８が連続して巻装されており、かつ、コイルＶ１，Ｖ３，Ｖ５は電機子コイル１８が順方向に巻回され、コイルＶ２，Ｖ４，Ｖ６は電機子コイル１８が逆方向に巻回されている。また、Ｗ相のコイルＷ１〜Ｗ６は、それぞれ対応する３，６，９，１２，１５，１８番ティース１６に電機子コイル１８が連続して巻装されており、かつ、コイルＷ１，Ｗ３，Ｗ５は電機子コイル１８が順方向に巻回され、コイルＷ２，Ｗ４，Ｗ６は電機子コイル１８が逆方向に巻回されている。
【００１９】
各相のコイルＵ１〜Ｗ６が巻装されたティース１６は、それぞれ周方向に等間隔で配置されながら、同相同士のティース１６がそれぞれ互い違いに異なる磁極の永久磁石８に対向配置されている。
例えば、Ｕ相のコイルＵ１〜Ｕ６が巻装されているティース１６は、コイルＵ１，Ｕ３，Ｕ５の１，７，１３番ティース１６がＳ極の永久磁石８に対向配置した状態になっている。一方、コイルＵ２，Ｕ４，Ｕ６の４，１０，１６番ティース１６は、Ｎ極の永久磁石８に対向配置した状態になっている。
【００２０】
Ｖ相のコイルＶ１〜Ｖ６のティース１６とＷ相のコイルＷ１〜Ｗ６のティース１６も同様である。すなわち、図１、図３においては、Ｖ相のコイルＶ１〜Ｖ６のティース１６とＷ相のコイルＷ１〜Ｗ６のティース１６は磁極毎に永久磁石８と対向した状態になっていないが、これらティース１６のうち何れか１つのティース１６が１つの永久磁石８と対向した状態になると、その対向したティース１６と同相同士のティース１６全てが磁極毎に永久磁石８と対向した状態になる。そして、それぞれ同相同士のティース１６が互い違いに異なる磁極の永久磁石８に対向する。
【００２１】
次に、この実施形態の３相磁石発電機１の作用について説明する。
まず、不図示のエンジンが始動すると、クランクシャフト２を介してロータ３が回転し、ロータ３の周壁７に設けられている永久磁石８が移動する。すると、各永久磁石８の移動による磁束の変化によって各相のコイルＵ１〜Ｗ６に起電力が生じ、各々コイルＵ１〜Ｗ６を形成する電機子コイル１８に電流が流れる。
【００２２】
ここで、Ｕ相のコイルＵ１〜Ｕ６だけをみて説明すると、例えば、図１に状態にあるとき、コイルＵ１，Ｕ３，Ｕ５はそれぞれＳ極の永久磁石８に対向した状態になっている。一方、コイルＵ２，Ｕ４，Ｕ６は、それぞれＮ極の永久磁石８に対向した状態になっている。このため、コイルＵ１，Ｕ３，Ｕ５とコイルＵ２，Ｕ４，Ｕ６に作用する磁束の向きが異なる。しかしながら、コイルＵ１，Ｕ３，Ｕ５とコイルＵ２，Ｕ４，Ｕ６とでは、電機子コイル１８の巻回方向が異なるため、結果的にＵ相のコイルＵ１〜Ｕ６を形成する電機子コイル１８には、各箇所で同一方向に電流が流れる。
【００２３】
Ｖ相のコイルＶ１〜Ｖ６を形成する電機子コイル１８、および、Ｗ相のコイルＷ１〜Ｗ６を形成する電機子コイル１８にもＵ相のコイルＵ１〜Ｕ６を形成する電機子コイル１８と同様に永久磁石８の移動による磁束の変化によって生じる起電力から電流が流れる。
しかしながら、Ｖ相のコイルＶ１〜Ｖ６が巻装されているティース１６、つまり、図３における２，５，８，１１，１４，１７番ティース１６は、Ｕ相のコイルＵ１〜Ｕ６が巻装されているティース１６、つまり、図３における１，４，７，１０，１３，１６番ティース１６に対して周方向にずれた位置に存在している。これと同様に、Ｗ相のコイルＷ１〜Ｗ６が巻装されているティース１６、つまり、図３における３，６，９，１２，１５，１８番ティース１６は、Ｕ相のコイルＵ１〜Ｕ６が巻装されているティース１６に対して周方向にずれた位置に存在している。
このため、このずれている分だけ、それぞれＶ相のコイルＶ１〜Ｖ６、およびＷ相のコイルＷ１〜Ｗ６の電機子コイル１８に流れる電流の位相がずれる。よって、３相磁石発電機１全体としては、３相正弦波の電流を得ることができる。
【００２４】
したがって、上述の実施形態によれば、従来の３相回転電機と同様の体格でありながら、ステータ４を特殊な形状にすることなく、永久磁石８の多極化を図ることができる。
しかも、同相のティース１６に巻装されているコイルＵ１〜Ｕ６、コイルＶ１〜Ｖ６、および、コイルＷ１〜Ｗ６が周方向に沿って巻回方向が順方向と逆方向とが順番になるように巻装されている。また、それぞれ順方向に巻回されているコイルＵ１，Ｕ３，Ｕ５，Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５と、逆方向に巻回されているコイルＵ２，Ｕ４，Ｕ６，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｗ２，Ｗ４，Ｗ６が異なる磁極の永久磁石８に対向配置されている。このため、３相磁石発電機１全体として、３相正弦波の電流を得ることができる。よって、効率的に小型、高出力化を図ることができる汎用性の高い３相磁石発電機１を提供することが可能になる。
【００２５】
とりわけ、この実施形態のように、永久磁石８を３０個設け、磁極数を２０極以上とすると、得られる電流の周波数が高周波数化されるので、コイルＵ１〜Ｗ６のインダクタンスが大きくなる。このため、余剰電流を抑制することが可能になり、コイルＵ１〜Ｗ６の温度の低減化を図ることが可能になる。
【００２６】
なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
また、上述の実施形態では、３相回転電機が３相磁石発電機１である場合について説明したが、これに限られるものではなく、３相回転電機を電動モータとして使用してもよい。この場合、各相のコイルＵ１〜Ｗ６に外部より電流を供給することになるが、それぞれ順方向に巻回されているコイルＵ１，Ｕ３，Ｕ５，Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５と、逆方向に巻回されているコイルＵ２，Ｕ４，Ｕ６，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｗ２，Ｗ４，Ｗ６が異なる磁極の永久磁石８に対向配置されているので、各永久磁石８と各コイルＵ１〜Ｗ６との間に適正な磁気的な吸引力や反発力が作用し、ロータ３を回転させることができる。
【００２７】
さらに、上述の実施形態では、コイルＵ１，Ｕ３，Ｕ５，Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５が順方向に巻回され、コイルＵ２，Ｕ４，Ｕ６，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｗ２，Ｗ４，Ｗ６が逆方向に巻回されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、コイルＵ２，Ｕ４，Ｕ６，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｗ２，Ｗ４，Ｗ６を順方向に巻回し、コイルＵ１，Ｕ３，Ｕ５，Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５を逆方向に巻回してもよい。
また、同相同士のティース１６に連続して、かつ、周方向に順に電機子コイル１８を巻装した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、同相同士のティース１６に電機子コイル１８が周方向に沿って順方向、逆方向の順に巻装されていればよい。
【００２８】
そして、上述の実施形態では、ロータ３に永久磁石８が３０個設けられると共に、ステータ４にティース１６が１８個設けられている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、Ｎを１以上の自然数としたとき、永久磁石８の個数は５×Ｎを満たすように設定され、ティース１６の個数は３×Ｎを満たすように設定されていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態における３相磁石発電機の平面図である。
【図２】本発明の実施形態における３相磁石発電機の縦断面図である。
【図３】本発明の実施形態における極構成模式図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ３相磁石発電機（３相回転電機）
３  ロータ
４  ステータ
５  回転軸
８  永久磁石（磁極）
１６  ティース
１８  電機子コイル（コイル）
Ｕ１〜Ｗ６  コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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