(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線が電機子鉄心に装備された電機子と、
前記電機子鉄心と対向配置された回転子鉄心と、前記回転子鉄心に磁束を供給する第１の励磁源とを有する回転子と、
前記電機子および前記回転子を支持する非磁性体材料からなるフレームと、
前記フレームに相対的に固定されており、前記回転子鉄心に磁束を供給する第２の励磁源と、
前記電機子鉄心と前記回転子鉄心とを磁気的に連結するとともに、前記回転子鉄心の極性と対抗する向きに直流起磁力を有し、一部が前記フレームの内壁部に沿って設けられた継鉄部と、
を備え、前記回転子に含まれる第１の励磁源によって磁束を発生した状態で前記回転子を回転させることにより、前記電機子鉄心に対して交番磁束を発生するとともに、前記回転子以外の固定部位に設けられた第２の励磁源によって発生した磁束を前記回転子鉄心に供給した状態で前記回転子を回転させることにより、前記電機子鉄心に対して単方向の脈動磁束を発生することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１および第２の励磁源のいずれか一方を永久磁石で、他方を励磁コイルで形成し、前記励磁コイルへの通電量を低下させたときに、前記永久磁石によって発生する磁束が前記電機子鉄心に鎖交する量が減少するように界磁用の磁気回路が構成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
電機子巻線が電機子鉄心に装備された電機子と、
前記電機子鉄心と対向配置されて爪状磁極部を備えるランデル型の回転子鉄心と、前記回転子鉄心に磁束を供給する第１の励磁源とを有する回転子と、
前記電機子および前記回転子を支持するフレームと、
前記フレームに相対的に固定されており、前記回転子鉄心に磁束を供給する第２の励磁源と、
を備え、前記第１の励磁源は、励磁電流が通電される励磁コイルと、前記爪状磁極部間に配置された永久磁石とによって構成されており、
前記回転子に含まれる第１の励磁源によって磁束を発生した状態で前記回転子を回転させることにより、前記電機子鉄心に対して交番磁束を発生するとともに、前記回転子以外の固定部位に設けられた第２の励磁源によって発生した磁束を前記回転子鉄心に供給した状態で前記回転子を回転させることにより、前記電機子鉄心に対して単方向の脈動磁束を発生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、例えば乗用車や航空機、工具などの小型高性能が重視される分野において電動機や発電機として用いられる回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用として用いられる回転電機としての電動機や発電機には、小型軽量高出力が要求されており、これまでこの要求を満たすために、性能を支配する界磁磁束量を増やすさまざまな方法が提案されている。小型高磁束化を可能とする代表的な従来技術としては、回転軸を嵌装するボス部と、それに連接したディスク部と、更にそれに連接した爪状磁極部とからなるいわゆるランデル型の界磁鉄心を有する回転子が普及している。このランデル型の界磁鉄心では、集中単純巻きによって巻回された界磁巻線によって発生した磁束が、各爪状磁極部を含んで形成される磁気回路に並列に供給されるため、各爪状磁極部の励磁アンペアターンを大きく設定することができ、高出力を得ることができるという特長がある。
【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の回転子を用いた場合には、一定の回転子外径を考えたときに、爪状磁極部の径方向の厚みや必要な界磁巻線量を確保するためには、界磁磁束量を支配するボス部の外径をあまり大きくできないため、このボス部において磁束の飽和が生じやすく、高出力化に限界があるという問題があった。
【０００４】
また、界磁磁束量を増加させる従来技術として、隣接する爪状磁極部間に永久磁石を介在させる方法もあるが、ボス部の外径をできるだけ大きくした上で界磁巻線量を確保しようとするとこの永久磁石の設置スペースを確保することが難しく、しかも爪状磁極部間の隙間が永久磁石によって埋められてしまうことから冷却性が悪化することになる。このように、永久磁石を爪状磁極部間に介在させる方法では、飛躍的な出力増加を図ることが難しい。
【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、高出力化が可能な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、電機子巻線が電機子鉄心に装備された電機子と、電機子鉄心と対向配置された回転子鉄心とこの回転子鉄心に磁束を供給する第１の励磁源とを有する回転子と、電機子および回転子を支持するフレームと、フレームに相対的に固定されて回転子鉄心に磁束を供給する第２の励磁源とを備えている。この回転子に含まれる第１の励磁源によって磁束を発生した状態で回転子を回転させることにより、電機子鉄心に対して交番磁束を発生するとともに、回転子以外の固定部位に設けられた第２の励磁源によって発生した磁束を回転子鉄心に供給した状態で回転子を回転させることにより、電機子鉄心に対して単方向の脈動磁束を発生している。これにより、回転子に含まれる第１の励磁源によって発生する交番磁束に、第２の励磁源によって発生する単方向の脈動磁束が加算されるため、電機子巻線に鎖交する磁束の量を増やすことができ、回転電機の高出力化が可能になる。特に、第２の励磁源は、回転子の外部に設けられているため、回転子内での設置スペース等を考慮する必要がなく、回転電機の小型化も可能になる。なお、交番磁束と脈動磁束とが加算された結果、正負同量の交番磁束でなくなるが、磁束の微分量としての誘導電圧は交流になるため、回転電機としての発電動作や電動動作については特に支障はない。
【０００７】
また、上述した電機子鉄心と回転子鉄心とを磁気的に連結するとともに、回転子鉄心の極性と対抗する向きに直流起磁力を有する継鉄部を有することが望ましい。このような継鉄部を備えることにより、回転子鉄心に対して回転子の外部から磁束を供給することが可能になる。
【０００８】
また、上述した第１および第２の励磁源のいずれか一方を永久磁石で、他方を励磁コイルで形成し、励磁コイルへの通電量を低下させたときに、永久磁石によって発生する磁束が電機子鉄心に鎖交する量が減少するように界磁用の磁気回路が構成されていることが望ましい。これにより、励磁コイルの数を減らすことができるため、励磁電流を供給するための構成および回転電機全体の構造の簡素化が可能になる。また、励磁コイルに対する通電量を減らしたときに回転電機の出力が低下するようになるため、永久磁石を用いた場合であっても回転電機の出力を制御することができる。
【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、フレーム等を抜き出して示したものである。
【００１０】
図１に示す本実施形態の車両用交流発電機１は、電機子２、回転子３、励磁コイル４、フロントフレーム５、リヤフレーム６を含んで構成されている。
電機子２は、電機子鉄心２１と、この電機子鉄心２１に形成された複数個のスロットに所定の間隔で巻き回された三相の電機子巻線２３とを備えている。この電機子巻線２３の出力リード線は、三相全波整流装置（図示せず）に接続されており、電機子巻線２３に誘起された交流電圧がこの三相全波整流装置によって整流されて出力電力が外部に取り出される。
【００１１】
回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した第１の励磁源としての励磁コイル３１を、それぞれが６個の爪状磁極部を有するランデル型の２つのポールコア（回転子鉄心）３２によって、回転軸３３を通して両側から挟み込んだ構造を有している。回転軸３３の一方の端部近傍に設けられたブラシスリップリング（図示せず）を介して励磁コイル３１に励磁電流が供給される。
【００１２】
フロントフレーム５およびリヤフレーム６は、電機子２および回転子３を収容しており、回転子３が回転軸３３を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３のポールコア３２の外周側に所定の隙間を介して配置された電機子２が固定されている。また、フロントフレーム５には、回転子３のポールコア３２のフロント側端面を利用して同極磁極部５１が形成されており、この同極磁極部５１とポールコア３２の端面とが所定の隙間を介して対向している。また、フロントフレーム６は、軟鉄製であり、電機子鉄心２１とフロントフレーム５側の一方のポールコア３２とを磁気的に連結することにより磁束を通す継鉄部として機能する。なお、リヤフレーム６は、アルミニウム等の非磁性体材料を用いて形成されている。
【００１３】
第２の励磁源としての励磁コイル４は、フロントフレーム５の内側であって同極磁極部５１の外径側に固定されている。回転子３に設けられた第１の励磁コイル３１によって発生する磁束が通る磁路と並行して、フロントフレーム５に設けられた第２の励磁コイル４によって発生する磁束が通る磁路が形成されている。例えば、図１に示すように、回転子３に設けられた励磁コイル３１に対する通電が行われたときに、フロントフレーム５側のポールコア３２がＮ極に磁化されるようになっており、フロントフレーム５に設けられた励磁コイル４に対する通電が行われたときに、Ｎ極に磁化されたポールコア３２に対抗する向きに直流起磁力を有するように、継鉄部の一部である同極磁極部５１もＮ極に磁化されるようになっている。
【００１４】
本実施形態の車両用交流発電機１はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。
上述したように、回転子３に設けられた励磁コイル３１に励磁電流が流れると、フロントフレーム５側に配置された一方のポールコア３２がＮ極に磁化され、他方のポールコア３２がＳ極に磁化されるため、Ｎ極に磁化された一方のポールコア３２の各爪状磁極部から流れ出す磁束は、電機子鉄心２１に一旦入った後に、Ｓ極に磁化された他方のポールコア３２の各爪状磁極部に流れ込む。しかも、回転子３は回転しているため、電機子鉄心２１の各スロット間の歯に着目すると、交番磁束が発生する。
【００１５】
また、フロントフレーム５に設けられた励磁コイル４に励磁電流が流れると、フロントフレーム５のＮ極に磁化された同極磁極部５１から流れ出た磁束は、回転子３のフロントフレーム５側のポールコア３２、電機子鉄心２１を経由して再びフロントフレーム５に戻る。しかも、この励磁コイル４の通電によって生じる磁束は単方向磁束となる。
【００１６】
図２は、車両用交流発電機１に含まれる２つの励磁コイル４、３１に励磁電流を流したときに発生する磁束を示す図である。図２に示した磁束は、電機子鉄心２１のスロット間の一の歯に着目し、Ｎ極に磁化された一方のポールコア３２からこの歯に流れ込む磁束の向きを正としている。上述したように、フロントフレーム５側に配置されたＮ極のポールコア３２から電機子鉄心２１の各歯に流れ込む合計磁束には、回転子３に設けられた励磁コイル４によって発生する交番磁束Ａの他に、フロントフレーム５に設けられた励磁コイル４によって発生する単方向の脈動磁束Ｂも含まれる。したがって、図２に示すように、Ｎ極に磁化された一方のポールコア３２から電機子鉄心２１に流れ込む磁束の方が、電機子鉄心２１からＳ極に磁化された他方のポールコアに流れ込む磁束よりも多くなる。
【００１７】
このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、回転子３に含まれる励磁コイル３１によって発生する交番磁束に、励磁コイル４によって発生する単方向の脈動磁束が加算されるため、電機子巻線２３に鎖交する磁束の量を増やすことができ、車両用交流発電機１の高出力化が可能になる。特に、励磁コイル４は、回転子３の外部に設けられているため、回転子３内での設置スペース等を考慮する必要がなく、車両用交流発電機１の小型化も可能になる。また、継鉄部として機能する軟鉄製のフロントフレーム５を用いることにより、ポールコア３２に対して回転子３の外部から磁束を供給することが可能になる。
【００１８】
図３は、本実施形態の車両用交流発電機１を実際に試作して出力特性を測定した結果を示す図である。図３に示すように、フロントフレーム５に第２の励磁コイル４を追加することにより、従来構成の車両用交流発電機に対して約３０％の著しい出力向上を達成することができた。
【００１９】
〔第２の実施形態〕
ところで、上述した第１の実施形態では、２種類の励磁コイル３１、４に励磁電流を流しているが、励磁コイル３１、４のいずれか一方を永久磁石に置き換えるようにしてもよい。
【００２０】
図４は、第２の実施形態の車両用交流発電機１Ａの部分的な構成を示す図であり、回転子とこれに組み合わされる固定子、フレーム等を抜き出して示したものである。
図４に示す車両用交流発電機１Ａは、電機子２、回転子３Ａ、励磁コイル４Ａ、４Ｂ、フロントフレーム５Ａ、リヤフレーム６Ａ、継鉄部７１、７２、７３、７４を含んで構成されている。
【００２１】
電機子２は、第１の実施形態の車両用交流発電機１に含まれるものと基本的に同じ構造を有しており、電機子鉄心２１と電機子巻線２３を備えている。
回転子３Ａは、回転軸１３３方向に沿って磁化された円盤状の永久磁石１３１を、それぞれが６個の爪状磁極部を有するランデル型の２つのポールコア１３２によって、回転軸１３３を通して両側から挟み込んで構造を有している。
【００２２】
フロントフレーム５Ａおよびリヤフレーム６Ａは、電機子２および回転子３Ａを収容しており、回転子３Ａが回転軸１３３を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３Ａのポールコア１３２の外周側に所定の隙間を介して配置された電機子２が固定されている。これらのフロントフレーム５Ａ、６Ａは、アルミニウム等の非磁性体材料によって形成されている。
【００２３】
また、フロントフレーム５Ａの内壁部に沿って継鉄部７１が、この継鉄部７１の端部に継鉄部７２がそれぞれ設けられている。継鉄部７２は、フロントフレーム５Ａ側に配置された回転子３Ａの一方のポールコア１３２と対向しており、この一方のポールコア１３２と同極に磁化される同極磁極部として機能する。また、継鉄部７１、７２によって包含する位置に励磁コイル４Ａが設けられている。同様に、リヤフレーム６Ａの内壁部に沿って継鉄部７３が、この継鉄部７３の端部に継鉄部７４がそれぞれ設けられている。継鉄部７４は、リヤフレーム６Ａ側に配置された回転子３Ａの他方のポールコア１３２と対向しており、この他方のポールコア１３２と同極に磁化される同極磁極部として機能する。また、継鉄部７３、７４によって包含する位置に励磁コイル４Ｂが設けられている。
【００２４】
一方の励磁コイル４Ａは、フロントフレーム５Ａの継鉄部７１、７２によって包含する位置に固定されている。回転子３Ａに設けられた永久磁石１３１によって発生する磁束が通る磁路と並行して、フロントフレーム５Ａに設けられた第２の励磁コイル４Ａによって発生する磁束が通る磁路が形成されている。例えば、図４に示すように、回転子３Ａに設けられた永久磁石１３１によってフロントフレーム５Ａ側のポールコア１３２がＮ極に磁化されるようになっており、フロントフレーム５Ａに設けられた励磁コイル４Ａに対する通電が行われたときに、フロントフレーム５Ａの同極磁極部として機能する継鉄部７２もＮ極に磁化されるようになっている。これにより、回転子３Ａ内のＮ極に磁化された一方のポールコア１３２から電機子鉄心２１に磁束が通る磁路と並行して、継鉄部７２から回転子３Ａ内のＮ極に磁化された一方のポールコア１３２を通って電機子鉄心２１に磁束が通る磁路が形成される。リヤフレーム６Ａ側についても同様である。
【００２５】
このように、回転子３Ａに永久磁石１３１を備えるとともに、フロントフレーム５Ａおよびリヤフレーム６Ａに励磁コイル４Ａ、４Ｂを備えることにより、永久磁石１３１によって発生する交番磁束に、励磁コイル４Ａ、４Ｂによって発生する単方向磁束を加算することができるため、電機子巻線２３に鎖交する磁束を増やすことができ、車両用交流発電機１Ａの出力を向上させることができる。
【００２６】
図５は、本実施形態の車両用交流発電機１Ａの非発電時における磁束の状態を示す図である。２つの励磁コイル４Ａ、４Ｂに対する励磁電流の供給を停止した場合には、図５に示すように、Ｎ極に磁化された一方のポールコア１３２→継鉄部７２→継鉄部７１→電機子鉄心２１→継鉄部７３→継鉄部７４→Ｓ極に磁化された他方のポールコア１３２、という周回した磁路が形成される。したがって、永久磁石１３１によって発生した磁束は、電機子巻線２３と鎖交することなくこの磁路を通って周回するようになり、ブラシレス構造でありながら容易に非発電状態を実現することができる。
【００２７】
このように、励磁コイル４Ａ、４Ｂと永久磁石１３１とを組み合わせることにより、励磁源の全部を励磁コイルで実現する場合に比べて、励磁コイルの数を減らすことができるため、励磁電流を供給するための構成および車両用交流発電機１Ａ全体の構造の簡素化が可能になる。また、励磁コイルに対する通電量を減らしたときに車両用交流発電機１Ａの出力が低下するようになるため、永久磁石を用いた場合であっても車両用交流発電機１Ａの出力を制御することができる。
【００２８】
〔第３の実施形態〕
図６は、第３の実施形態の車両用交流発電機１Ｂの部分的な構成を示す図であり、回転子とこれに組み合わされる固定子、フレーム等を抜き出して示したものである。
【００２９】
図６に示す車両用交流発電機１Ｂは、電機子２、回転子３Ｂ、フロントフレーム５Ｂ、リヤフレーム６Ｂ、永久磁石８１、８２を含んで構成されている。
電機子２は、第１の実施形態の車両用交流発電機１に含まれるものと基本的に同じ構造を有しており、電機子鉄心２１と電機子巻線２３を備えている。
【００３０】
回転子３Ｂは、第１の実施形態の車両用交流発電機１に含まれる回転子３に対して、２つのポールコア３２の各爪状磁極部間に永久磁石３４を追加した構造を有している。
フロントフレーム５Ｂおよびリヤフレーム６Ｂは、電機子２および回転子３Ｂを収容しており、回転子３Ｂが回転軸３３を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３Ｂのポールコア３２の外周側に所定の隙間を介して配置された電機子２が固定されている。これらのフロントフレーム５Ｂ、６Ｂは、軟鉄製であり、磁束を通す継鉄部として機能する。
【００３１】
また、フロントフレーム５Ｂの内壁部の一部には永久磁石８１が設けられている。この永久磁石８１は、フロントフレーム５Ｂ側に配置された回転子３Ｂの一方のポールコア３２と対向しており、これらの対向面が同じ極性となるように配置されている。同様に、リヤフレーム６Ｂの内壁部の一部には永久磁石８２が設けられている。この永久磁石８２は、フロントフレーム６Ｂ側に配置された回転子３Ｂの他方のポールコア３２と対向しており、これらの対向面が同じ極性となるように配置されている。
【００３２】
このように、回転子３Ｂに励磁コイル３１を備えるとともに、フロントフレーム５Ｂおよびリヤフレーム６Ｂに永久磁石８１、８２を備えることにより、励磁コイル３１によって発生する交番磁束に、永久磁石８１、８２によって発生する単方向磁束を加算することができるため、電機子巻線２３に鎖交する磁束を増やすことができ、車両用交流発電機１Ｂの出力を向上させることができる。
【００３３】
図７は、本実施形態の車両用交流発電機１Ｂの非発電時における磁束の状態を示す図である。励磁コイル３１に対する励磁電流の供給を停止した場合には、図７に示すように、Ｎ極に磁化された一方のポールコア３２→Ｓ極に磁化された他方のポールコア３２→永久磁石８２→リヤフレーム６Ｂ→フロントフレーム５Ｂ→永久磁石８１、という周回した第１の磁路と、Ｎ極に磁化された一方のポールコア３２→永久磁石３４→Ｓ極に磁化された他方のポールコア３２、という第２の磁路が形成される。したがって、励磁コイル３１によって発生した磁束は、電機子巻線２３と鎖交することなく、これらの磁路を通って周回するようになり、ブラシレス構造でありながら容易に非発電状態を実現することができる。
【００３４】
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、上述した第１の実施形態では、フロントフレーム５側に励磁コイル４を設けたが、代わりにリヤフレーム６側に、あるいはフロントフレーム５とリヤフレーム６の両方に励磁コイルを設けるとともに、軟鉄製のリヤフレーム６を用いるようにしてもよい。
【００３５】
また、上述した第２の実施形態では、フロントフレームあるいはリヤフレームとは別にその内壁側に継鉄部を形成したが、第１および第３の実施形態で示したように軟鉄製あるいはその他の磁性体材料のフレームを用いるようにしてもよい。あるいは、反対に、第１および第３の実施形態において、非磁性体材料のフレームの内壁側に継鉄部を備えるようにしてもよい。
【００３６】
また、上述した各実施形態では、回転電機の一例として車両用交流発電機について説明したが、その他の発電機あるいは電動機について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】本実施形態の車両用交流発電機に含まれる２つの励磁コイルに励磁電流を流したときに発生する磁束を示す図である。
【図３】本実施形態の車両用交流発電機を実際に試作して出力特性を測定した結果を示す図である。
【図４】第２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５】本実施形態の車両用交流発電機の非発電時における磁束の状態を示す図である。
【図６】第３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７】本実施形態の車両用交流発電機の非発電時における磁束の状態を示す図である。
【符号の説明】
１  車両用交流発電機
２  電機子
３  回転子
４、３１  励磁コイル
５  フロントフレーム
６  リヤフレーム
２１  電機子鉄心
２３  電機子巻線
３２  ポールコア
３３  回転軸
【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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