(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相巻線が固定子鉄心に巻装された固定子と、前記固定子鉄心の内径側に配置されて界磁を発生する回転子とを備える回転電機において、
前記回転子は、回転軸に嵌装固定された筒状のボス部と、このボス部の端面より半径方向に広がるディスク部と、このディスク部に連接して回転軸方向に前記ボス部の外径側に配置された複数の爪状部と、前記爪状部の外周側に配置されるとともに径方向に沿って形成された複数のスリットを有する環状積層鉄心と、前記ボス部と前記爪状部との間に配置された界磁巻線とを有し、
前記スリットに対して前記環状積層鉄心の内径側および外径側に前記環状積層鉄心の一部をなす連接余肉部を有することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
多相巻線が固定子鉄心に巻装された固定子と、前記固定子鉄心の内径側に配置されて界磁を発生する回転子とを備える回転電機において、
前記回転子は、回転軸に嵌装固定された筒状のボス部と、このボス部の端面より半径方向に広がるディスク部と、このディスク部に連接して回転軸方向に前記ボス部の外径側に配置された複数の爪状部と、前記爪状部の外周側に配置されるとともに径方向に沿って形成された複数のスリットを有する環状積層鉄心と、前記ボス部と前記爪状部との間に配置された界磁巻線とを有し、
前記スリットは、前記回転軸に沿った方向に開口しており、前記環状積層鉄心の径方向に開口していないことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記スリットは、前記環状積層鉄心の周方向位置において、少なくとも互いに隣接する２つの前記爪状部の間に形成されており、
前記環状積層鉄心と前記爪状部との間に第１の永久磁石を配置するとともに、この第１の永久磁石は、前記環状積層鉄心との当接面において、回転進行方向のほぼ半分の領域を対応する前記爪状部と同極性に、残りの半分の領域を対応する前記爪状磁極部と逆極性に着磁することを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記スリットは、前記環状積層鉄心のほぼ全周にわたって放射状に形成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記スリットの内部に、前記環状積層鉄心の周方向に沿って着磁した第２の永久磁石を配置することを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車や航空機等に搭載される回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の燃費向上のためには、車両用交流発電機には小型軽量高出力であることや高効率であることが望まれる。出力を向上する手法としては、固定子に関する技術と、回転子に関する技術が知られている。例えば、回転子に関する技術としては、回転軸の周りの鉄心に集中的に巻線を巻回すことにより、固定子の各極に大きな起磁力を与える多極単一界磁巻線方式、すなわちいわゆるランデル型界磁回転子の技術が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したランデル型界磁回転子の技術は、ドイツなどで１９３０年代以降より市中の発電所などに用いられ始めた不朽の技術であるが、現在ではそのような用途に用いられることもなく、小型高出力軽量化が要求される車両用などの分野でわずかに重用されているにすぎない。この背景には、ランデル型界磁回転子を用いて発電機を構成した場合に発電効率が低くなるという問題があった。
【０００４】
すなわち、塊状磁極であるために、固定子鉄心との磁束の授受において発生する磁束の変動により磁極に大きな鉄損を生じてしまう、余弦関数曲線に対応した微妙な極面の工作が困難のため円筒磁極面となって台形磁極形状により突極形状効果をもたせても固定子鉄心を横断する磁束成分をふやすことにつながる傾向が強くて損失が減らせない、電機子反作用の軽減に限界性がある、などの欠点が各分野での改善経緯において次第に明らかになったためである。一方、大電力用として高エネルギ密度の高速タービンが出現しており、発電機も多極である必要がなく、少極数で有利な積層鉄板の界磁回転子の採用へと移行してきた。ところが、依然として車両用交流発電機としては、上述したランデル型界磁回転子が有する問題点を継承したままであり、効率の飛躍的改善は半ばあきらめられており、コストを伴う高電圧化や整流器のＭＯＳＦＥＴ化などのシステム変更へと技術開発の方向が向いてきているというのが現状である。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、ランデル型界磁回転子を用いた場合に効率を向上させることができる回転電機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の回転電機は、多相巻線が固定子鉄心に巻装された固定子と、固定子鉄心の内径側に配置されて界磁を発生する回転子とを備えている。この回転子は、回転軸に嵌装固定された筒状のボス部と、このボス部の端面より半径方向に広がるディスク部と、このディスク部に連接して回転軸方向にボス部の外径側に配置された複数の爪状部と、爪状部の外周側に配置されるとともに径方向に沿って形成された複数のスリットを有する環状積層鉄心と、ボス部と爪状部との間に配置された界磁巻線とを有している。鉄損の発生を抑制するために塊状鉄心である爪状部の外径側に環状積層鉄心を配置するとともに、爪状部から授受した磁束の漏れ防止のために環状積層鉄心の半径方向に沿った向きに形成されたスリットを設けている。このため、鉄損の軽減および漏洩磁束の低減が可能になり、ランデル型界磁回転子を用いた回転電機の効率を向上させることができる。
【０００７】
また、上述したスリットは、環状積層鉄心の周方向位置において、少なくとも互いに隣接する２つの爪状部の間に形成されていることが望ましい。また、環状積層鉄心と爪状部との間に第１の永久磁石を配置するとともに、この第１の永久磁石は、環状積層鉄心との当接面において、回転進行方向のほぼ半分の領域を対応する爪状部と同極性に、残りの半分の領域を対応する爪状磁極部と逆極性に着磁することが望ましい。これにより、主磁気回路の磁気抵抗が増すため、電機子反作用を低減することが可能になる。また、多相巻線に流れる電流が形成する電機子反作用磁束については、回転進行方向と逆方向について異なる極性に着磁された磁石を用いることにより、この磁束を打ち消すように対抗磁束を発生させることで、著しく軽減することができるため、出力を増加させることができるとともに、余分のリアクタンス降下がなくなるために内部磁束が少なくてすみ、その分固定子鉄心を含めた全体の鉄損を低減することができる。
【０００８】
また、上述したスリットは、環状積層鉄心のほぼ全周にわたって放射状に形成されていることが望ましい。これにより、環状積層鉄心の周方向に沿って流れる爪状部間の漏れ磁束や電機子反作用磁束を低減することができる。
また、上述したスリットの内部に、環状積層鉄心の周方向に沿って着磁した第２の永久磁石を配置することが望ましい。これにより、環状積層鉄心内の周方向の磁気抵抗を増加させることができ、環状積層鉄心内を通る電機子反作用磁束を著しく低減することができるので環状積層鉄心が磁気変動を受けることもなく、効率をさらに向上させるとともに、電機子反作用磁束に対抗するように第２の永久磁石を配置しているためさらに大きな電機子電流が流れて平衡することとなって、より高出力化を図ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した回転電機の一種である車両用交流発電機について、図面を参照しながら説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態の車両用交流発電機の部分的な構成を示す断面図であり、回転子とこれに組み合わされる固定子を抜き出して示したものである。図２は、図１に示した回転子の部分的な横断面図である。
【００１０】
図１に示すように、固定子２００は、固定子鉄心２１と多相巻線２２とを含んで構成されている。固定子鉄心２１には、内径側に開口したスロット（図示せず）が形成されており、これらのスロットに多相巻線２２が巻装されている。多相巻線２２としては、例えばＸ相、Ｙ相、Ｚ相からなる三相巻線が用いられる。
【００１１】
また、回転子１００は、ランデル型界磁回転子であって、回転子鉄心１、回転軸２、界磁巻線３、環状積層鉄心４、永久磁石５を含んで構成されている。
回転子鉄心１は、回転軸２に嵌挿固定された筒状のボス部１１と、このボス部１１の端面より半径方向に広がるディスク部１２と、このディスク部１２に連接して回転軸２に沿って延びる爪状部としての爪状支持体１３とを有している。爪状支持体１３は、ボス部１１の外周側に配置されて、ボス部１１を包囲するように複数個が配置されている。この回転子鉄心１は、２個が一組となって用いられており、一方の回転子鉄心１の複数の爪状支持体１３の間に、他方の回転子鉄心１の複数の爪状支持体１３を噛み合わせるようにして、それぞれのボス部１１に回転軸２が嵌挿される。
【００１２】
界磁巻線３は、回転子鉄心１のボス部１１の周囲に巻装されており、回転軸２に設けられたスリップリング（図示せず）を介して給電される。
環状積層鉄心４は、２つの回転子鉄心１のそれぞれに含まれる爪状支持体１３の周囲を包囲する環状部材であり、例えば、０．５ｍｍの厚さの円環状の電磁鋼板を積層することにより構成されている。この環状積層鉄心４は、爪状支持体１３の外側に所定の間隔をおいて配置されているとともに、各爪状支持体１３に対向する内周側の所定位置に凹部１４１が形成されている。これらの凹部１４１と爪状支持体１３との間には、永久磁石５が固定された状態で配置されている。
【００１３】
永久磁石５は、環状積層鉄心４と爪状支持体１３の間に配置され、外周部が凹部１４１に収容されて周方向の位置決めが行われる。この永久磁石５は、爪状支持体１３の磁化極性と同極性を回転進行方向半分の領域に与え、残りの回転反進行方向半分の領域には逆極性を与える向きに、混成着磁されている。
【００１４】
また、上述した環状積層鉄心４は、爪状支持体１３の中央において径方向に形成された極央スリット１４２と、隣接する２つの爪状支持体１３間に対応する位置に径方向に形成された極間スリッ１４３とを有している。例えば、極央スリット１４２の幅が約０．５ｍｍに、極間スリット１４３の幅が約１ｍｍに、環状積層鉄心４の径方向の連接余肉部の厚みが約０．５ｍｍにそれぞれ設定されており、環状積層鉄心４を構成する電磁鋼板をプレス打ち抜きにて抜開することにより、これらのスリットの成形が行われる。なお、図２に示した例では、極央スリット１４２の本数が２に、極間スリット１４３の本数が３に設定されているが、これらの本数はこれら以外であってもよい。
【００１５】
本実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子１００および固定子２００はこのような構成を有しており、次にその作動を説明する。
界磁巻線３に電圧調整器（図示せず）によって直流の励磁電流が通電されると、回転子鉄心１のボス部１１には起磁力が生成され、このボス部１１とディスク部１２を介して連接された爪状支持体１３がＮＳ極に磁化される。各爪状支持体１３は、２つの回転子鉄心１に対応するものが交互に軸方向に入り組んでおり、界磁の外側、すなわち固定子鉄心２１から見ると、ＮＳ極が交互に配置されることになる。
【００１６】
Ｎ極に磁化された爪状支持体１３の表面に固設された環状積層鉄心４の部分領域と、隣接してＳ極に磁化された爪状支持体１３の表面に固設された環状積層鉄心４の部分領域は、互いに爪状支持体１３間の対応位置に設けられた極間スリット１４３が磁気バリヤとなってこれらの間の磁気漏れは最小限にとどめられており、一方では、爪状支持体１３の磁化極性が連接伝播して磁化しているので、環状積層鉄心４の表面には、固定子鉄心２１に対向してＮ極とＳ極が交互に繰り返し現れる。
【００１７】
このように表面にＮ極とＳ極とが周方向に交互に現れる回転子１００を回転させることにより、固定子鉄心２１に主磁束が与えられる。すなわち、回転子１００の回転状態に連動した回転磁界が生成されて固定子鉄心２１に与えられるので、固定子鉄心２１に巻装された多相巻線２２には三相の起電力が発生し、整流器によって整流されて外部に出力される。
【００１８】
また、多相巻線２２に図２に示すように電機子電流が流れることで電機子反作用磁束２２１が生じて、この磁束は一つの極の中で横断する通路で流れようとするが、環状積層鉄心４において極央スリット１４２が大きな磁気抵抗となるため、このような磁束の流れを妨げる。そこで、内径側に配置された永久磁石５やさらに内径側に配置された爪状支持体１３を通ろうとするが、これらについては永久磁石５の磁化によって極めて大きな反抗磁界が与えられているので、やはり上述した電機子反作用磁束２２１が通ることができずに、電機子反作用が弱められることになる。
【００１９】
このように、本実施形態の車両用交流発電機では、環状積層鉄心４を用いて回転子１００を構成しているため、回転子１００に形成される磁極が従来のように塊状鉄心ではなく積層磁極となって鉄損が減少するため、発電効率を向上させることができる。また、爪状支持体１３と環状積層鉄心４の間に永久磁石５を配置するとともに、環状積層鉄心４に極央スリット１４２や極間スリット１４３を設けることにより、多相巻線２２の周囲に発生する電機子反作用磁束２２１が回転子１００の磁極内を通ることを有効に低減することが可能になるため、電機子反作用が小さくなってインピーダンス降下や内部磁束が少なくなる。このため、固定子２００を含めた鉄損も減少し、さらに発電効率を高めることとが可能になる。また、インピーダンス降下が少ないため、出力も向上することはいうまでもない。
【００２０】
例えば、固定子鉄心２１の直径が１２８ｍｍで、定格出力電圧が１２Ｖ、定格出力電流が１５０Ａの車両用交流発電機で出力特性を測定したところ、本実施形態の車両用交流発電機では、従来構造の同体格の車両用交流発電機では発電効率が７０％、出力電流が１５３Ａであったものが、発電効率が７６％、出力電流が１７７Ａとなって、出力特性を大きく改善できたことが確かめられている。
【００２１】
〔第２の実施形態〕
図３は、本発明を適用した第２の実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子の部分的な断面構造を示す断面図である。
本実施形態の車両用交流発電機は、第１の実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子１００を回転子１００Ａに置き換えたものである。この回転子１００Ａは、図２に示した永久磁石５を削除するとともに、環状積層鉄心４を環状積層鉄心４Ａに置き換えた点が異なっている。環状積層鉄心４Ａは、ほぼ全周に渡って磁気バリヤとなる放射状の多数のスリット１４４を有している。
【００２２】
このように、多数のスリット１４４を設けることにより、電機子反作用を減らすことが可能になり、永久磁石を省略している。永久磁石を用いないことから、部品点数の低減によるコストダウンが可能となる。
〔第３の実施形態〕
図４は、本発明を適用した第３の実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子の部分的な断面構造を示す図である。
【００２３】
本実施形態の車両用交流発電機は、第２の実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子１００Ａを回転子１００Ｂに置き換えたものである。この回転子１００Ｂは、図３に示した環状積層鉄心４Ａに対して、多数のスリット１４４のそれぞれの内部に、周方向に沿って着磁された２種類の永久磁石５０、５１を嵌装した点が異なっている。具体的には、図４においてＡの範囲に含まれる永久磁石５０は、環状積層鉄心４Ａ内を時計回り方向に通る電機子反作用磁束２２１の流れを妨げる向きに、すなわち、図５に示すように、時計回り方向の上流側がＮ極に下流側がＳ極になるように着磁されている。また、図４においてＢの範囲に含まれる永久磁石５１は、環状積層鉄心４Ａ内を反時計回り方向に通る電機子反作用磁束２２１の流れを妨げる向きに、すなわち、図６に示すように、反時計回り方向の上流側がＮ極に下流側がＳ極になるように着磁されている。また、隣接する２つの爪状支持体１３の間に対応するスリット１４４に嵌装された永久磁石５０は、これら２つの爪状支持体１３の間で漏れる磁束の流れを妨げるためにも用いられる。
【００２４】
このように、環状積層鉄心４Ａ内に永久磁石５０、５１を嵌装することにより、爪状支持体１３の漏れ磁束を積極的に防止するとともに、爪状支持体１３から固定子鉄心２２側に通る磁束を強めることができる。また、電機子反作用磁束２２１のうち環状積層鉄心４Ａを通る横断成分について、固定子鉄心２２に対してより近い位置で反抗磁界をかけるという点で、上述した第１の実施形態の回転子１００と同様に、発電効率の向上およびこれに伴う出力向上を図る上で有効な手法といえる。
【００２５】
例えば、図４においてＮ極に着磁された爪状支持体１３の外周側のスリット１４４に嵌装された永久磁石５２（範囲Ａに含まれる永久磁石５０の一部に対応する）は、図７に示すように、時計回り方向の上流側がＮ極に下流側がＳ極になるように着磁されているため、環状積層鉄心４Ａ内を時計回り方向に通ろうとする電機子反作用磁束２２１を減少させるように作用する。また、図４においてＳ極に着磁された爪状支持体１３の外周側のスリット１４４に嵌装された永久磁石５３（範囲Ｂに含まれる永久磁石５１の一部に対応する）は、図８に示すように、反時計回り方向の上流側がＮ極に下流側がＳ極になるように着磁されているため、環状積層鉄心４Ａ内を反時計回り方向に通ろうとする電機子反作用磁束２２１を減少させるように作用する。
【００２６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、回転電機として車両用交流発電機について説明したが、他の用途に使用される発電機や電動機についても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の車両用交流発電機の部分的な構成を示す断面図である。
【図２】図１に示した回転子の部分的な横断面図である。
【図３】第２の実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子の部分的な断面構造を示す断面図である。
【図４】第３の実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子の部分的な断面構造を示す図である。
【図５】図４に示した一方の永久磁石の着磁状態を示す図である。
【図６】図４に示した他方の永久磁石の着磁状態を示す図である。
【図７】図４に示した一方の永久磁石の着磁状態を示す図である。
【図８】図４に示した他方の永久磁石の着磁状態を示す図である。
【符号の説明】
１  回転子鉄心
２  回転軸
３  界磁巻線
４、４Ａ  環状積層鉄心
５、５０、５１  永久磁石
１１  ボス部
１２  ディスク部
１３  爪状支持体
２１  固定子鉄心
２２  多相巻線
１００、１００Ａ、１００Ｂ  回転子
１４１  凹部
１４２  極央スリット
１４３  極間スリット
１４４  スリット
２００  固定子
２２１  電機子反作用磁束
【図１】
0003785984.tif 000002
【図２】
0003785984.tif 000003
【図３】
0003785984.tif 000004
【図４】
0003785984.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003785984.tif 000008
【図８】
0003785984.tif 000009