(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの出力軸に取り付けられたフライホイールを構成する大径回転体，前記大径回転体に一体に設けられた同心円で突出する小径回転部に取り付けられたロータ，及び前記ロータの外周側で前記フライホイールを取り囲むフライホイールハウジングを構成するハウジングに固定されたステータを有し，
前記ロータは，前記小径回転部の外周に取り付けられた透磁性内筒，該透磁性内筒の外周面に周方向に磁極が交互に異なる状態に配置された複数の永久磁石板片を備えた永久磁石部材，該永久磁石部材の外周に配置された透磁性部材，及び該透磁性部材の外周に配置された補強部材から構成され，
前記ステータは，前記ロータ側に位置する透磁性の悪い材料の円形状に形成された帯板状部，該帯板状部の外周に周方向に所定の間隔で隔置して固定された櫛部，及び前記櫛部の外周面に嵌合された磁路を形成するリング状継鉄，及び前記櫛部間に形成されたスロット部に配設された巻線から構成され，
前記帯板状部は，透磁性の悪い材料が前記櫛部に溶接によって固定された時に前記櫛部に溶接された前記帯板状部の溶接部が透磁性に優れた状態に変化し，前記櫛部に溶接されていない前記帯板状部の非溶接部が透磁性の悪い状態を保っていることから成る回転体に設けた永久磁石式発電・電動機。
【請求項２】
前記ロータは前記大径回転体と前記小径回転部とで形成された段部に配設され，また，前記ステータは前記フライホイールハウジングの側面から一体に突出した前記ハウジングに固定されていることから成る請求項１に記載の永久磁石式発電・電動機。
【請求項３】
前記ステータを構成するステータコアは，ケイ素鋼板の圧延方向に配向された透磁性の良い材料から成る前記櫛部と，前記櫛部を継ぐ部分を構成する透磁性が悪い円周方向に加工されたオーステナイトステンレス鋼板から成る前記帯板状部とを積層して断面櫛形状に形成され，前記櫛部を継いだ前記帯板状部が円形状に成形されていることから成る請求項１又は２に記載の永久磁石式発電・電動機。
【請求項４】
前記ステータのステータコアを構成する前記帯板状部と前記櫛部とは，前記帯板状部上に前記櫛部を隔置して接合固定した後に前記櫛部を外周側に位置させて前記帯板状部を円形に曲げて形成されていることから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石式発電・電動機。
【請求項５】
前記ステータは，円形状の前記帯板状部上に固定された前記櫛部間の前記スロット部に予め巻き上げ成形された前記巻線を配置し，前記櫛部の外周面に前記リング状継鉄を嵌合固定して形成されていることから成る請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石式発電・電動機。
【請求項６】
前記ロータを構成する前記永久磁石板片は，プラズマ溶射によって互いに接合され，前記永久磁石板片の溶射部は非磁性になっていることから成る請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石式発電・電動機。
【請求項７】
前記ロータの前記透磁性部材と前記補強部材は，方向性を持つ磁性材で作り，半径方向は透磁性が良く，円周方向は透磁性が悪いようにし，細長い櫛状材を作り，円形に成形したことから成る請求項１に記載の永久磁石式発電・電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，フライホイール等の大径の回転体に取り付けられた永久磁石部材を備えたロータ，及び該ロータの外周に配置されたステータから成る回転体に設けた永久磁石式発電・電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年，永久磁石の性能が向上するに従って永久磁石を発電・電動機のロータとして使用される機会が増加してきた。また，永久磁石をロータに構成した発電・電動機は，高い発電効率又は電動効率が得られることと，簡単な構造で構成できるということから，最近，産業機械，工業用機器等の装置に多く使用されるようになった。そこで，発電・電動機をコンパクト化したり，高性能化，高出力化する技術の開発が盛んになり，それに伴って構成部品の多様化が必要となっている。特に，自動車等に搭載される発電・電動機は，その大きさが出来るだけ小さく，軽量であることが求められている。
【０００３】
また，特開２００１−１５７３９２号公報に開示された発電・電動機のステータの構造は，巻線をステータコアのスロット部に極めて容易に巻き上げ，信頼性に富んだステータを極めて容易に作製するものであり，ステータのステータコアは，内側円筒部上に円周方向に隔置して櫛部が立設して形成された円形櫛状部材と円形櫛状部材の外周に圧入された磁路円筒体とから構成されている。ステータは，円形櫛状部材の櫛部間の開口部から巻線を所定のスロット間に跨がって巻き上げ，次いで巻線を樹脂材で固定し，次いで，円形櫛状部材に磁路円筒体を圧入して固定して作製されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで，自動車に搭載された出力が大きいエンジンについて，発電・電動機をフライホイールに取り付けるような方式では，その大きさが余り大き過ぎると，発電・電動機を取り付けるスペースが無くなってしまう。また，発電・電動機の出力が大きい場合，電流が大きくなるため，巻線の線径が太くなり，ステータコアへの巻線の巻き方が困難になる。即ち，発電・電動機をフライホイールの外側に取り付ける場合には，ステータコアの櫛部の長さが必然的に短くなり，回転するロータの永久磁石部材についても，長手方向即ち軸方向が短く，幅が大きくなる。ステータコアに巻き上げられる巻線は，ステータコアの内側又は外側のいずれの側から巻き上げても巻き易い状態であるが，巻線の巻き上げ状態が大きくなるので，巻線の剛性を大きくしなければ，巻線の巻き上げ形状を維持できない。巻線の巻き上げ形状を維持できなければ，ロータの永久磁石部材とステータの櫛部とのクリアランスを適正に保つことができず，発電・電動機が成立しないことになる。
【０００５】
永久磁石式発電・電動機では，永久磁石の磁束に限度があるため，低速トルクを大きくするためには，電流を大きくし，巻線も増加させ，ステータ側の磁力を増し，そのトルクを大きくしなければならない。ステータコアは，通常，内周側がスロット部で開放されており，外周側が磁路円筒体で閉鎖されているため，その内側の中空部からスロット部へと巻線を通して櫛部に巻き込まなければならない。発電・電動機でトルクを大きくするためには，ステータコアへの巻線の線材の径を太くし，大電流を流し，ステータの磁力を増加させる必要がある。また，ステータコアのスロット内への巻線の線材の径を余り大きくすると，ステータのステータコア間の櫛部間のスロットに線材を通し，線材をステータコアのスロット内に巻き込むことが困難になる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記の問題を解決することであり，フライホイール等の大径の回転体に取り付けた発電・電動機であって，ロータを大径の回転体から軸方向に同心に突出させた小径の突出部に取り付け，ステータコアへの巻線の配設を容易にするため，従来のステータコアの形状とは逆に，内周側を閉鎖した帯板状部上に珪素鋼板を積層した長方形の櫛部を所定間隔で隔置して固定して櫛部間にスロット部を形成し，スロット部の開放部を外周側に設けた外開き型ステータコアに形成し，外側から櫛部に予め成形された巻線を嵌め込み，巻線が配置された櫛部の外周にリング状継鉄を嵌合してステータを容易に作製する永久磁石式発電・電動機を提供することである。
【０００７】
この発明は，エンジンの出力軸に取り付けられたフライホイールを構成する大径回転体，前記大径回転体に一体に設けられた同心円で突出する小径回転部に取り付けられたロータ，及び前記ロータの外周側で前記フライホイールを取り囲むフライホイールハウジングを構成するハウジングに固定されたステータを有し，
前記ロータは，前記小径回転部の外周に取り付けられた透磁性内筒，該透磁性内筒の外周面に周方向に磁極が交互に異なる状態に配置された複数の永久磁石板片を備えた永久磁石部材，該永久磁石部材の外周に配置された透磁性部材，及び該透磁性部材の外周に配置された補強部材から構成され，
前記ステータは，前記ロータ側に位置する透磁性の悪い材料の円形状に形成された帯板状部，該帯板状部の外周に周方向に所定の間隔で隔置して固定された櫛部，及び前記櫛部の外周面に嵌合された磁路を形成するリング状継鉄，及び前記櫛部間に形成されたスロット部に配設された巻線から構成され，前記帯板状部は，透磁性の悪い材料が前記櫛部に溶接によって固定された時に前記櫛部に溶接された前記帯板状部の溶接部が透磁性に優れた状態に変化し，前記櫛部に溶接されていない前記帯板状部の非溶接部が透磁性の悪い状態を保っていることから成る回転体に設けた永久磁石式発電・電動機に関する。
【０００８】
前記ロータは前記大径回転体と前記小径回転部とで形成された段部に配設され，また，前記ステータは前記フライホイールハウジングの側面から一体に突出した前記ハウジングに固定されている。
【０００９】
前記ステータを構成するステータコアは，ケイ素鋼板の圧延方向に配向された透磁性の良い材料から成る前記櫛部と，前記櫛部を継ぐ部分を構成する透磁性が悪い円周方向に加工されたオーステナイトステンレス鋼板から成る前記帯板状部とを積層して断面櫛形状に形成され，前記櫛部を継いだ前記帯板状部が円形状に成形されている。
【００１０】
前記ステータのステータコアを構成する前記帯板状部と前記櫛部とは，前記帯板状部上に前記櫛部を隔置して接合固定した後に前記櫛部を外周側に位置させて前記帯板状部を円形に曲げて形成されている。
【００１１】
前記ステータは，円形状の前記帯板状部上に固定された前記櫛部間の前記スロット部に予め巻き上げ成形された前記巻線を配置し，前記櫛部の外周面に前記リング状継鉄を嵌合固定して形成されている。
【００１２】
前記ロータを構成する前記永久磁石板片は，プラズマ溶射によって互いに接合され，前記永久磁石板片の溶射部は非磁性になっている。
【００１３】
前記ロータの前記透磁性部材と前記補強部材は，方向性を持つ磁性材で作り，半径方向は透磁性が良く，円周方向は透磁性が悪いようにし，細長い櫛状材を作り，円形に成形したものである。
【００１４】
この永久磁石式発電・電動機は，上記のように構成されているので，ロータとステータとの剛性を確保でき，特に，ロータの外周面とステータとの内周面とのクリアランスを適正に可及的に小さく保持でき，高精度に発電制御できる。また，ロータがフライホイール等の大径回転体に一体に設けられた小径回転部に取り付けられており，永久磁石板片の長さ方向が短く且つ幅が大きく，ステータコアの櫛部が短くなり，巻線の線径が大きくなっても，ステータのステータコアが外開き型に形成され，櫛部を内周側を構成する帯板状部上に固定しているので，十分な剛性を高めることができ，巻線を予め成形体に形成しておけば，櫛部間のスロット部に容易に設置でき，ステータコアのスロット部への巻線の挿入による巻き上げをする必要がない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による回転体に設けた永久磁石式発電・電動機の実施例を説明する。この発明による永久磁石式発電・電動機３は，フライホイール等の大径回転体に設けて好ましいものであり，コージェネレーションシステムのエンジンに組み込まれた発電・電動機，ハイブリット自動車のエンジン等の出力軸に取り付けられた発電・電動機，自動車に取り付けられた発電・電動機，或いはエネルギ回収装置等に設けられた発電・電動機として利用できるものである。
【００１６】
この永久磁石式発電・電動機３は，図１に示すように，ハウジング１に固定されたステータ６，及びステータ６の内周側にクリアランス１８を有して小径回転部２に取り付けられたロータ５を有する。大径回転体は，エンジンの出力軸のクランクシャフト２２に取り付けられたフライホイール２３であり，また，ハウジング１は，フライホイール２３を取り囲むフライホイールハウジング２１から突出した一部である。小径回転部２は，フライホイール２３の側面２５から一体構造に突出して設けられ，フライホイール３６の外径よりも小さい外径に形成された同心円に形成された突出部である。従って，フライホイール２３と小径回転部２との外周面には，段部２４が形成されている。ロータ５は，大径回転体のフライホイール２３と小径回転部２とで形成された段部２４に配設され，段部２４に納まるように形成されている。また，ステータ６は，フライホイールハウジング２１の側面のフランジ部１８から一体に突出したハウジング１に支持され固定されている。
【００１７】
ロータ５は，小径回転部２の外周面３３に取り付けられた透磁性内筒７，透磁性内筒７の外周面３２に周方向に磁極が交互に異なる状態に配置された複数の永久磁石板片１０から成る永久磁石部材４，永久磁石部材４の外周面３４に配置された透磁性部材８，及び透磁性部材８の外周に配置された補強部材１２から構成されている。透磁性内筒７は，フライホイール２３に一体構造に構成した小径回転部２の外周面３３に固定された珪素鋼板の積層体から構成されている。また，永久磁石部材４の外側の透磁性部材８は，透磁性の小さいオーステナイトステンレス鋼板と珪素鋼板の複合材を用いて作製するが，この場合に，透磁性が良い圧延方向ＰＤ（図３に矢印）が永久磁石板片１０に垂直方向（概して，半径方向）になるように配向して成形加工する。この場合に，複合材は，透磁性部材８を構成するオーステナイトステンレス鋼板として多孔材を使用し，多孔材の孔部に，打ち抜き円形にした珪素鋼板を嵌め込み，互いに溶着して構成することができる。更に，ロータ５を構成する永久磁石部材４は，永久磁石板片１０が互いにプラズマ溶射によって互いに接合され，永久磁石板片１０の溶射部が非磁性部１１になっている。上記の部材の中で，透磁性部材８と補強部材１２とは，方向性のある軟磁性材，例えば，Ｓｉ鋼板，パーマロイ材で一体的に作り，このカット材を円形に丸めて積層し，溶接すると，剛性が大きく，透磁性の良いロータ３が完成する。
【００１８】
また，ステータ６は，ロータ５側に位置する透磁性の悪い材料の円形状に形成された孔空きの帯板状部１３，帯板状部１３の外周に周方向に所定の間隔で隔置して固定された櫛部１４，及び櫛部１４の外周面２６に嵌合された磁路を形成するリング状継鉄１７，及び櫛部１４間に形成されたスロット部１５に位置して櫛部１４に配置された巻線１６から構成されている。櫛部１４は，半径方向に延び且つ周方向に所定の間隔に配置してスロット部１５を形成する。従って，ステータ６におけるステータコア９は，帯板状部１３，櫛部１４，及びリング状継鉄１７から構成されている。ステータコア９を構成する櫛部１４は，例えば，ケイ素鋼板を積層して断面長方形に形成されている。言い換えれば，櫛部１４は，帯板状部１３で互いに連結されて一体構造に構成されている。また，帯板状部１３は，スロット部１１に巻き上げて成形された巻線１６がロータ５側にはみ出すのを防止すると共に，図示していないが，磁束が飽和して隣接する櫛部１４への磁束の漏れを防止するように絞られた形状に形成されている。
【００１９】
ステータ６は，特に，図４に示すようにして作製できる。まず，ステータ６の櫛部１４の高さサイズと長さサイズの長方形の予め決められた所定のサイズの珪素鋼板を櫛部１４の幅サイズ分だけ複数個積層して櫛部材２７を作製し，これらの櫛部材２７を，図４の（Ａ）に示すように，作業ベース２８上にステータコア９の櫛部１４の数だけ所定の間隔に隔置して位置決めして配置する。次に，多数の孔２９が明いた透磁性の悪い材料材の鋼板から成る帯板状部１３を，隔置して設置された櫛部材２７上に置き，そこで，帯板状部１３と櫛部材２７とを溶接する。帯板状部１３は，例えば，ＳＵＳ３０４のオーステナイトステンレス鋼板で作製されている。
【００２０】
帯板状部１３と櫛部材２７とを溶接して互いに固定した後に，図４の（Ｂ）に示すように，櫛部材２７を外周側に位置させて帯板状部１３を円形に曲げて帯板状部１３の両端を溶接して固定して円形状のステータコア９の内側が形成され，外側に所定の間隔で突出した櫛部材２７が櫛部１４を構成し，櫛部１４間がスロット部１５を構成する。この場合に，ステータコア９については，櫛部材２７は，櫛歯の方向が圧延方向ＰＤ〔図４の（Ａ）で矢印で示す〕と一致する方向に配向されて透磁性が良く，また，櫛部材２７を継ぐ櫛歯の横方向に延びる帯板状部１３は，圧延方向ＰＤに垂直な方向ＰＶＤ〔図４の（Ａ）で矢印で示す〕に配向されて透磁性が悪くなるように切断加工されている。一方，巻線１６は，巻き上げられた線材と該線材を埋めるように充填された非磁性材とによってスロット部１５に跨がってスロット部１５に嵌入するサイズに予め成形されている。そこで，図４の（Ｃ）に示すように，円形状の帯板状部１３上に固定された櫛部１４間のスロット部１５に予め巻き上げ成形された巻線１６を配置する。全ての巻線１６をスロット部１５に配置した後に，図４の（Ｄ）に示すように，櫛部１４の外周面２６にリング状継鉄１７を嵌合固定し，櫛部１４とリング状継鉄１７とを部分的に溶接して両者を固定し，ステータ６が完成する。
【００２１】
ステータ６は，上記のように構成されているので，全体的に一体構造の剛体となって，内周面３０が孔２９付きの帯板状部１３によって形成されることになり，その内側においてロータ５が高速回転したとしても，ロータ５の外周面３１とステータ６の内周面３０とのクリアランスは，適正な値に維持され，発電能力が大きな発電・電動機が構成されることになる。
【００２２】
また，帯板状部１３は，オーステナイトステンレス鋼板から形成されており，帯板状部１３に櫛部１４が溶接によって固定されるので，櫛部１４と帯板状部１３とを溶接した帯板状部１３の溶接部について，オーステナイトステンレス鋼板の特性が崩れて透磁性が良くなることになり，帯板状部１３の非溶接部はオーステナイトステンレス鋼板の特性を有しているので，非溶接部の透磁性は良くない状態である。また，櫛部１４と帯板状部１３とを溶接する際に，溶材として，Ｓｉを添加しておくと，溶接部が強透磁性をもつことになり，ステータコア９として最適な素材を形成することになる。
【００２３】
また，ステータ６は，巻線１６に大きな電流が流れるので，巻線１６の線径が太くなければならない。線径の太い巻線１６がステータ６の内側で回転するロータ５と干渉すると，発電・電動機の破損事故が発生するので，従来では，巻線１６の線材が内側にはみ出さないように，プラスチック製の抜け止め材を取り付けていたが，本発明のステータコア９は，内側部材が帯板状部１３で構成されているので，巻線１６の線材がはみ出す心配はなく，狭い空間のスロット部１５に効率良く巻線１６の成形体を設置することができる。
【００２４】
この実施例では，ステータ６のステータコア９は，外周側に開口部２０を形成するように外開き型に形成された櫛部１４，櫛部１４の外周面２６に圧入されたリング状継鉄１７，及び櫛部１４を連結する帯板状部１３から構成されている。上記のように，ステータコア９にリング状継鉄１７を圧入する前に，線材とアルミニウムや樹脂材等の非磁性材１９から成る成形体の巻線１６をスロット部１５に配設し，次いでリング状継鉄１７を櫛部１４の外周面２６に圧入すれば，ステータコア９に，例えば，三相電流を発生させる複数系統電圧を発生させる巻線１６を集中巻き及び／又は分布巻き等の種々の巻き形式に容易に巻き上げることができる。ステータコア９の櫛部１４間のスロット部１５に配設された成形体の巻線１４の外周面２６を円形に切削加工し，また，リング状継鉄１７の内周面３５を予め決められた内径に切削加工し，次いで，リング状継鉄１７を櫛部１４と透磁性の悪い材料材１９との外周面２６に圧入すれば，ステータ６が完成する。また，透磁性の悪い材料材１９は，巻線１６の発熱によって溶損しない耐熱性材料で構成されている。
【００２５】
【発明の効果】
この発明による回転体に設けた永久磁石式発電・電動機は，上記のように構成されているので，フライホイールのように大径回転体に対して，その側面に小径回転部を一体構造に形成したので，該小径回転部にロータを配設することができ，また，ロータを構成する永久磁石板片の幅該大きく軸方向長さが小さくなるが，それに合わせてステータコアの櫛部の高さと軸方向長さが小さくなるが，ステータコアを帯板状部と櫛部材とで形成することによって剛性の大きい構造体として形成でき，ステータの内周面とロータの外周面とのクリアランスを適正に保持でき，発電力の大きいものに構成することができる。また，ステータコアは，円形外開き型櫛部に形成しているので，櫛部間のスロット部には予め成形された巻線を配設することによって，巻線の巻き上げ形式も，分布巻き，集中巻き，単相巻き，二相巻き，三相巻きの何れかにでも巻き上げた構造に構成でき，生産効率を大幅に向上させることができ，信頼性に富んだステータコアを形成することができる。特に，ステータコアへの分布巻きのように，相毎，極毎の巻線グループが何個かのスロット部に分布して巻き上げたものに構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明による回転体に設けた永久磁石式発電・電動機の一実施例を示す概略断面図である。
【図２】  図１の永久磁石式発電・電動機のＩ−Ｉ断面を示す断面図である。
【図３】  図２の永久磁石式発電・電動機の符号Ａ部分を示す拡大断面図である。
【図４】  図１の永久磁石式発電・電動機におけるステータの製造工程を示す説明図である。
【符号の説明】
１    ハウジング
２    小径回転部
３    永久磁石式発電・電動機
４    永久磁石部材
５    ロータ
６    ステータ
７    透磁性内筒
８    透磁性部材
９    ステータコア
１０  永久磁石板片
１１  非磁性部
１２  補強部材
１３  帯板状部
１４  櫛部
１５  スロット部
１６  巻線
１７  リング状継鉄
１８  クリアランス
２０  ステータコアの外側の開口部
２１  フライホイールハウジング
２２  クランクシャフト（出力軸）
２３  フライホイール（大径回転体）
２４  段部
２５  フライホイールの側面
２６  櫛部と非磁性材との外周面
２７  櫛部材
２９  帯板状部の孔
３０  ステータの内周面
３１  ロータの外周面
３２  内筒の外周面
３３  小径回転部の外周面
３４  永久磁石部材の外周面
３５  リング状継鉄の内周面
３６  フランジ部
【図１】
0003803046.tif 000002
【図２】
0003803046.tif 000003
【図３】
0003803046.tif 000004
【図４】
0003803046.tif 000005