(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相電機子巻線を有する固定子鉄心と、該鉄心と第１のギャップを介して対向して回転するインダクター回転子と、該回転子と前記固定子鉄心を第２のギャップを介して磁気的に連接する界磁磁気回路と、からなる回転磁気回路において、
前記回転子は、前記第１ギャップを外周に、また前記第２ギャップを内周に有しており、かつその内周と外周とを残してその間に磁気誘導通路と非磁気誘導通路を形成すると共に、前記誘導子は２磁極ピッチにて磁束が回転子の中心から外側へ流れるように同極性磁石を収納したスロットを有することを特徴とする円筒型インダクター回転機。
【請求項２】
前記界磁巻線は、前記誘導子の内径側に配置されていることを特徴とする請求項第１項記載の円筒型インダクター回転機。
【請求項３】
前記界磁巻線は、前記電機子巻線の電流の直流変換出力又は交流変換前の直流入力の少なくとも１部が、直列に接続されていることを特徴とする、請求項第１項もしくは第２項記載の円筒型インダクター回転機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転機一般に適用されるものであるがとりわけ車両用交流発電機に適するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両用交流発電機について従来技術を説明する。
【０００３】
電気負荷増加傾向や、エンジン回転数の低下傾向とともに発電機は大容量化の傾向にある。これに伴いエンジンの負担は大きなものとなってきている。一般的に近似的傾向として発電機慣性は容量増加の約１．６乗に比例的であり、例えば出力が２倍になると回転子慣性は３倍にもなる。
【０００４】
そのためエンジンに対する負担として影響が無視できない存在になっている。たとえばエンジンには爆発にともなう回転やトルク変動がつきものであるが、発電機の慣性がおおきいと、ベルトによらない直結駆動の場合にはクランクシャフトへのねじり負担を増すという問題があり、またベルト駆動発電機の場合は、ベルトにおいて大きな張力振動が生じるのでベルト音や他の例えば油圧ステアリングポンプに振動が伝わる問題もあった。この解決のためにエンジン制御速度を上げることや発電機プーリを一方向クラッチを内蔵したものとするなどの工夫もされてきたが前者では燃料の噴射速度や空気流に流れの制御のため応答性に限界があり、また後者ではプーリの複雑化にともなうコストＵＰが問題であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の問題点は、回転子の慣性が従来延長ではどんどん大きくなってしまうことに端を発している点にある。そこで本発明の解決しようとする課題は回転子の慣性を小さくすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
まず、請求項第１項に示す構成では、三相電機子巻線を有する固定子鉄心と、該鉄心と第１のギャップを介して対向して回転するインダクター回転子と、該回転子と前記固定子鉄心を第２のギャップを介して磁気的に連接する界磁磁気回路と、からなる回転磁気回路において、前記回転子は、前記第１ギャップを外周に、また前記第２ギャップを内周に有しており、かつその内周と外周とを残してその間に磁気誘導通路と非磁気誘導通路を形成している。この構成により前記課題が次のように解決される。すなわち回転子は、その内外周がギャップ面となる円筒状のインダクターのみの構成となるので慣性が最も小さくなるが、特にその円筒の内部も打ちぬきつつ、かつ内外径部は連接しトラス構造の回転子に構成しているので、頑丈で軽量の回転子、すなわち薄く低慣性の回転子とすることができる。
【０００７】
また、前記インダクターは２磁極ピッチにて形成したスロットに磁束が回転子の中心から外側へ流れるように同極性磁石を収納している。この構成により前記課題が次のように解決される。
【０００８】
つまり、誘導子だけだと磁束の変化が小さいが磁石を添えることによりその振幅が約２倍となり、出力が大きくなる。したがって同じ出力でよい前提下では回転子を小さくできて、回転慣性が大幅に小さくなる。なおこの場合、磁石はスロットに嵌装するのみでよく磁石を添える為に回転子慣性を重くするような新たな磁気回路構成も必要ない。
【０００９】
また、請求項第２項に示す構成では、前記界磁巻線は、前記インダクターの内径側に配置している。
【００１０】
この構成により前記課題が次のように解決される。つまり、界磁コイルの巻線平均径が小さくなるので、低抵抗となるすなわち同じ抵抗だと巻線回数が稼げることとなる。そのため界磁巻線の起磁力が大きく高出力が発生可能となり、同じ出力でよいとすれば小型回転子でよいこととなり、慣性が小さくできるのである。
【００１１】
また、請求項第３項に示す構成では、前記界磁巻線は、前記電機子巻線の電流の直流変換出力又は交流変換前の直流入力の少なくとも１部を直列に接続している。
【００１２】
この構成により前記課題が次のように解決される。つまり、界磁起磁力がより強化されるので出力が増加し、同じ出力でよいとすれば小型回転子でよいこととなり慣性が小さくできるのである。またモータの場合は内部逆起電力が低いときつまり追従が遅れている時は電源電圧との差異が大きく、多くの励磁電流が流れて出力が増す、つまり追従が遅れると加速するトルクが働くように作用するため、電気系機械系含めた系トータルとして慣性が改善されることとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
第１の実施例として本発明の円筒型インダクター回転機を自動車用交流発電機に適用した例を説明する。
【００１４】
図１には本願発明の第１実施例の基本構造を示す。鉄鋳物からなるフロントフレーム１の内径部には、三相電機子巻線２を具備した固定子鉄心３を嵌装固定してある。該固定子鉄心３の内側には円筒状の積層鉄心よりなるインダクター４が配置されていて、該インダクター４は端面においてリテーナプレート５により、回転軸６と固定されている。前記フロントフレーム１には非磁性体よりなるリヤフレーム７が嵌合し組み合わされて前記固定子鉄心３などを囲包している。
【００１５】
前記インダクター４とそれを固定した回転軸６は、前記フロントフレーム１とリヤフレーム７に設けた軸受け８，９により、回転自在に支承されている。
【００１６】
前記フロントフレーム１の内部の一部は軸方向に突出し円筒状インダクター４の内径部に突出しており、その内径には前記回転軸６が回転自在に貫通し、またその外部には界磁巻線１０が巻装されている。
【００１７】
以上の基本構造の説明を踏まえ更に詳細構造を説明する。
【００１８】
図２及び図３を参照して本願のポイントとなる詳細な磁気回路の構造について説明する。前記固定子鉄心３は、図２に示すように内側を向いた六つのティースを具備しておりそれぞれに電機子巻線が巻かれており、該巻線は図３のように星型結線され、整流器１１に接続されている。整流器１１により整流された直流出力は、出力端子１２を経て外部に取り出されるととともに、界磁調整器１３を経て界磁巻線１０につながれている。
【００１９】
また、前記回転子インダクター４は図２に示すように、内外周が略円筒面で、その内側は蜂の巣状にスロット部１４を形成されたインダクター４となっている。該インダクター４の外周と内周部は前記スロットの打ち抜きの残り部として連接されており、殆ど磁気回路を形成しないように細めた外周の連接部の幅よりも、内周連接部の幅の方が広くなっており磁気回路の１部を構成している。前記インダクター４の前記スロット部には回転周方向に対して２磁極ピッチにて同極性の磁石１５が嵌装されている。
【００２０】
次に作動について説明する。
【００２１】
図示なき車両エンジンのクランクプーリとベルトとプーリを介して駆動される前記回転軸６は、リテーナプレート５を介してインダクター回転子４を回転する。図示なき外部蓄電池に接続された出力端子１２を経由して直流電流が界磁巻線１０に流れるように界磁調整器１３は通電をオンしている。界磁巻線１０は図１に示すように、固定子鉄心３とフロントフレーム１とインダクター４とを流れる界磁磁束を形成する。前記インダクター４には回転方向に関して磁気的に良好に連接する部分と遮断する部分が形成されているので、前記界磁磁束はこのインダクター４と、固定子３の部分とにおいて変動する。このため、該固定子鉄心３に設けた電機子巻線２には交流電圧を誘導する。更に前記インダクター４には２磁極ピッチで磁石１５を配置しており、この極性は前記良好に連接する部分とは逆の極性を固定子鉄心３に対向することとなるため、前記界磁磁束の変動、またそれによる交流電圧は更に大きくなる。電機子巻線２に誘導された電圧は図３に示す整流器１１にて直流に整流され出力されることとなる。
【００２２】
上述のように回転子は、その内外周がギャップ面となる円筒状のインダクター４のみの構成となるので慣性が最も小さくなるが、特にその円筒の内部も打ちぬきつつ、かつ内外径部は連接しトラス構造の回転子に構成しているので、頑丈で軽量の回転子、すなわち薄く低慣性の回転子となっている。また前記インダクター４は２磁極ピッチにて形成したスロットに同極性磁石を収納しているので、誘導子だけだと磁束の変化が小さいが磁石を添えることによりその振幅が約２倍となり、出力が大きくなる。したがって同じ出力でよい前提下では回転子を小さくできて、回転慣性が大幅に小さくなる。なおこの場合、磁石はスロットに嵌装するのみでよく磁石を添える為に回転子慣性を重くするような新たな磁気回路構成も必要ない。
【００２３】
実際に従来技術により製作した１００Ａクラスの車両用交流発電機と、本願技術による同クラスの発電機との回転モーメントを比較すると約２８ｋｇｃｍ2が７ｋｇｃｍ2と約１／４に減った。換言すればエンジンに同じ回転慣性によるストレスが許容できるとすると４倍の大容量化が可能という効果を奏するものとなる。
【００２４】
［第２の実施形態］
次に第２の実施例を図４，図５及び図６に示す。前記第１実施例ではベルト駆動発電機としたが、ここに示すものではエンジン直結駆動の電動機能付発電機への適用例である。前記第１実施例では界磁巻線をインダクターと同等以上の径に配置したが本願ではインダクターの径よりも小さな径として内奥部に配置している。これにより界磁巻線の起磁力が大きく高出力が発生可能となり、同じ出力でよいとすれば小型回転子でよいこととなり、慣性が小さくできるのである。インダクターの外周連接部の幅λは、積層鉄心の板厚と同程度に狭く実質磁気回路を形成させていないが、内周の連接部の幅εはインダクターの内外径差すなわち帯幅の約１／６と前記λに対して非常大きくとってあり、磁石の反極性を他の非磁石部、すなわちインダクター磁気通路部に磁気的に連接する役割を果たしている点は前記第１実施例と同様であるが、インダクター帯幅は回転子の径に対して第１実施例よりも狭い特徴がある。
【００２５】
また、前記第１実施例では界磁巻線は分巻構成としていたが、本第２実施例では直巻構成としている点がことなる。このようにすると、つまり界磁起磁力がより強化されるので出力が増加し、同じ出力でよいとすれば小型回転子でよいこととなり慣性が小さくできるのである。また特にモータの場合は内部逆起電力が低いとき、例えば始動用電動機として用いる場合に、始動初期の低回転において内部逆起電力が低いとき、大きな励磁がかけられる。つまり追従が遅れている時は電源電圧との差異がおおきく沢山の励磁電流が流れて出力が増すつまり追従が遅れると加速するトルクが働くように作用するため、電気系機械系含めた系トータルとして慣性が改善されることとなる。
【００２６】
［第３の実施形態］
図７に第３実施例を示し、このものは、図１に示すものが前後に二つ組み合わされているものである。すなわち、磁性体よりなるフロントフレーム１と、同じく磁性体であるリヤフレーム７とが三相電機子巻線２を巻装した固定子鉄心３を嵌装しており、該固定子鉄心の内側には軸受け８，９で軸承された回転軸６にリテーナプレート５を介して固定されたインダクター４と、該インダクタ４の空心部に嵌装された永久磁石１５と、からなる回転子が配置されている。前記フロントフレーム１とリヤフレーム７は前記インダクター４の内部まで延在しており、インダクターの外径部と内径部とがギャップを有している。前記延在部には界磁巻線１０ａと１０ｂとが巻装されており、これら両者はともに対向する向きに協働して起磁力を与えるように通電するように構成されている。
【００２７】
以上の構成の基本作動は、前述第１実施例と同様であるが、ただ単一の固定子鉄心に対面してこれに磁束を与える界磁磁気回路が前後に２分される、すなわち前記インダクター内径部へ延在する磁性体フレームよりなる界磁磁束供給部が第１実施例の構成と異なり２分されるので、その分この界磁磁束供給通路の磁気回路断面が少なくてすみ、従ってインダクターの内径も小さくでき、外径も小さくでき、以って回転子の慣性が第１実施例の構成よりも小さくできる効果がある。ただし磁性フレームや界磁巻線を余分に必要とする点で、コスト的なデメリットも生じることは言うまでもない。よって、設計の目的に応じて第１実施例のようなシングル界磁磁気回路構成をとるか、第３実施例のようなダブル界磁磁気回路構成をとるかは設計選択すべきであるが、慣性を小さくすると言う観点だけでいうと第３実施例の方が優れている。
【００２８】
［その他の実施形態］
前記の各実施例ではインダクターを全磁性材で構成したが、外周の円環状連接部を非磁性で構成することももちろん可能である。例えば全体を非磁性体ＳＵＳで形成しておき、部分的に加工歪みを与えて磁性ＳＵＳにするなどの方法もある。また開スロット形状で形成しておき、溶接などにより塞いでトラス構造化して剛性向上をはかるという方法もある。
【００２９】
また前記各実施例にはスロット部には何も嵌装しないもの、また磁石を嵌装したものを示しているが、該空心部にはアルミなどの軽量高強度の非磁性体を嵌装して、より機械剛性を増し、相対的に薄く低慣性の回転子とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明となる第一実施例の要部断面図である。
【図２】図１に示す第１実施例の主要断面図である。
【図３】第１実施例の回路図である。
【図４】第２実施例の主要構造説明図である。
【図５】第２実施例の回転子断面図である。
【図６】第２実施例の回路図である。
【図７】第３実施例の主要構造説明図である。
【符号の説明】
１  フロントフレーム
２  三相電機子巻線
３  固定子鉄心
４  インダクター
５  リテーナプレート
６  回転軸
１０  界磁巻線
１５  永久磁石
【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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