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平成 29 年電気学会全国大会

二輪車用発電機の高効率化に関する検討
紅林 裕貴*
刑部 鉄也

野口 季彦（静岡大学）

高木 俊尚（スズキ株式会社）

Study on High-Efficiency Design of Motorcycle Generator
Yuki Kurebayashi , Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)
Tetsuya Osakabe , Toshihisa Takagi (SUZUKI Motor Corporation)

１．まえがき従来，二輪車はエンジンの効率改善を図ることで燃費向上を行ってきた。しかし，近年は発電機をはじめとする補機の高効率化による総合的な燃費向上が注目されている。

SPCC

本稿では電磁界解析ソフト JMAG-Designer 15.1 を使用し二輪車用発電機の高効率化について検討したので報告する。

２．既存発電機

EMSP

図 1 と表 1 に既存発電機の断面図と主要諸元を示す。三図 1 既存発電機
Fig. 1. Conventional generator.

相 12 極 18 スロット集中巻のアウターロータ形発電機である。ステータには電磁鋼板（EMSP）と圧延鋼板（SPCC）
向に 90 度折り曲げることによって磁束回収量を増やして

表 1 既存発電機諸元
Table 1. Specifications of conventional generator.
Normalized rotor diameter
1いる。発電機の出力電流はレクティファイアによって整流Normalized stator diameter

され，バッテリーの充電やランプ類の負荷電力供給に使用

Normalized axial length of stator coreが使用されている。SPCC のティース先端をアキシャル方

0.828
0.144

Number of coil-turns per pole

3.821030.30 Ω42

Normalized thickness of iron core plate

3.82 103 (EMSP)

Normalized thickness of iron core plate

9.16103 (SPCC)

Normalized air gap length

される。

Winding resistance for one phase

図 2 に車両の電装回路図を示す。サイリスタを用いたオープン式レクティファイアを使用するため，このレクティファイアと発電機を組み合わせ，所定の動作点で発電機損失を低減することを目標とした。この場合，発電機は 2 つの動作状態で運転される。即ち，バッテリー満充電時はレGenerator

Rectifierクティファイアが常にオフし，充電時は全波整流を行う
が，点弧角制御は行われず，これら 2 状態を切り換えるこ

BatteryLoadとによって平均的な出力電流を調整する。図 3 に既存発電機の 2 状態における諸損失を示す。ここで 3000 r/min はモード運転中の比較的使用頻度の高い回転数である。実験で
図 2 電装回路図
Fig. 2. Electric circuit diagram.

はバッテリー電圧が 13 V 一定となるように電子負荷で制御を行った。レクティファイアがオンのとき，電機子反作用磁束によってステータティース内の磁束密度が減少すLoss (W)るため無負荷時よりも発電機の鉄損が低下する。

３． 設計仕様
車両との取り付け互換性を考慮し，新規設計発電機では既存発電機のロータバックヨークをそのまま使用することとした。磁石については既存の型の中から選定し，磁石材料のみを変更する。ステータも同様に車両との取り付け互換性を考慮しながら設計を行い，後述の方策に基づいて-25富山

Copper loss (Measured)
Iron loss (Measured)

Rectifire off

Rectifire on

図 3 既存発電機の損失割合（3000 r/min）Fig. 3. Losses of conventional generator（3000 r/min）.

高効率化を目指した。

2017/3/15～17220200
180160140120100806040200( 第 5 分冊 )©2017 IEE Japan5-014

平成 29 年電気学会全国大会

本発電機では次の出力条件を満たす必要がある。
(1)10500 r/min で無負荷線間電圧 Vpp 400 V 以下

表 2 新規設計発電機諸元
Table 2. Specifications of improved generator.
Normalized rotor diameter
1(2)1300 r/min でバッテリー入力電流 18.5 A 以上

Normalized stator diameter(3)10500 r/min でバッテリー入力電流 35 A 以下

Normalized axial length of iron core

４． 新規設計発電機

0.832
0.153

す。本発電機では磁石カバー(SUS)が追加されている。図Number of coil-turns per pole

3.82  1030.20 Ω
375 に電磁界解析により無負荷状態における既存発電機の鉄Normalized thickness of iron core plate

3.82 103 (EMSP)

Normalized air gap length

図 4 と表 2 に新規設計発電機の断面図と主要諸元を示

Winding resistance

損を求めた結果を示す。この結果から，ステータに使用している SPCC の渦電流損が大きな損失要因となっているこLoss (W)とが判明したため，新規設計発電機では SPCC を廃止した。
さらに，EMSP での鉄損を減らすため，既存発電機に使用していた電磁鋼板よりも鉄損が 40 %小さなものに変更した。レクティファイアがオンのとき，発電機での損失は銅損が支配的となるため，コイル径を太くし銅損を抑える必要がある。そのため，既存発電機に比べスロットの深さを

220
200
180160140120

All iron loss (Measured)
Other iron loss (Simulated)
SPCC iron loss (Simulated)

100
8060
40200

1300

3000

4500

6000

Rotating speed (r/min)

変更し，スロット面積を 8.7 %拡大した。SPCC 廃止による

図 5 既存発電機無負荷鉄損分離結果
Fig. 5. No-load iron losses of conventional generator.

コイル鎖交磁束の減少を補うため，EMSP の積厚を 21.2 %増やし，コイル巻数を 42 T から 37 T に減らした。スロット面積の拡大とコイル巻数の減少により，コイル直径を既Loss (W)存発電機に比べ 0.1 mm 太くし一相巻線抵抗を 0.3 Ω から0.2 Ω に低減することができた。
既存発電機の磁石はオーバーハングが大きく，発電に寄与していない部分が多い。このため，既存発電機よりも軸方向の長さが短い型を使用した。最後にスロット開口幅を調整し，出力使用を満たすようにした。

220200180160140120100806040200

Copper loss (Simulated)
Iron loss (Simulated)

Rectifire off

Rectifire on

図 6 新規設計発電機損失割合（3000 r/min）Fig. 6. Losses of improved generator（3000 r/min）.

図 6 に新規設計発電機の 2 状態における損失解析結果を示す。この結果から既存発電機に比べ，両状態において損40失を低減することができると予想される。図 7 にバッテリ

Output current (A)35ー電圧を 13 V とした場合の出力電流特性と図 8 に 10500r/min での無負荷線間電圧波形を示す。これらの図から，新規設計発電機が要求仕様を満たすことが確認できる。

５．まとめ3025201510500.0

本稿では，既存発電機に対してステータの SPCC 廃止と1.5

3.0

4.5

6.0

7.5

9.0

10.5 12.0

Rotating speed ×103 (r/min)

電磁鋼板の変更，ステータ形状変更によって損失低減を図

図 7 新規設計発電機出力電流特性
Fig. 7. Output current characteristic of improved generator.

った。電磁界解析の結果，新規設計発電機において 3000r/min での動作状態における損失を無負荷状態で 61.7 %（－200Line voltage (V)39.6 W），レクティファイア動作時で 15.1 %（－25.7 W）低減することができた。
今後は新規設計発電機の実機試作を行い，実験的に解析結果と運転特性の比較，評価を行う所存である。

1000-100-2000.2 (ms/div)

図 8 新規設計発電機の無負荷線間電圧波形（10500 r/min）Fig. 8. No-load line-to-line voltage waveform of improved generator(10500 r/min).
EMSP

SUS

図 4 新規設計発電機
Fig. 4. Improved generator.

2017/3/15～17(1)-26富山( 第 5 分冊 )文献竹内・野口・刑部・佐光・高木 ： 「二輪車用小形発電機の高効率化に関する検討」電学産応大，vol.Ⅲ，pp.211-212(2013)©2017 IEE Japan