JP2007006638A

JP2007006638A - 交流回転電機

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Publication number: JP2007006638A
Application number: JP2005184779A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Fujita; 暢彦藤田; Toshiyuki Yoshizawa; 敏行吉澤; Haruyuki Yonetani; 晴之米谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: US20060290232A1; US20100231080A1; US7781934B2; US7893594B2; US7420314B2; JP4410159B2; US20090009025A1

Abstract

【課題】この発明は、永久磁石の体積を増やすことなく、出力を向上させることができる交流発電電動機を得る。
【解決手段】この発明の交流発電電動機では、内周側に軸線方向に延びたスロットが形成された固定子鉄心、前記スロットに導線が巻回されて固定子鉄心に装着された固定子巻線を含む固定子と、この固定子の内側に設けられた界磁巻線、この界磁巻線を覆って設けられ交互に噛み合った爪形状の爪状磁極１８、１９をそれぞれ有する第１のポールコア及び第２のポールコアから構成された回転子鉄心、及び隣り合う各爪状磁極１８、１９の対向した両方の側面にそれぞれ配設されこれらの爪状磁極１８、１９間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された永久磁石２０を含む回転自在な回転子とを備え、一対の永久磁石２０間に磁性体３０が設けられている。
【選択図】図２

Description

この発明は、隣り合う各爪状磁極間に永久磁石が配設された回転子を有する交流回転電機に関するものである。

従来、隣り合う各爪状磁極間に永久磁石が配置された回転子を有する車両用交流発電電動機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この場合、永久磁石は、爪状磁極間の漏洩磁束と反対方向に着磁されることで、その爪状磁極間の漏洩磁束を低減する、あるいは界磁主磁束による磁気飽和を緩和し、固定子鉄心に磁束を鎖交させて発電あるいはトルク発生に寄与する有効磁束を増大することにより、発電、トルク出力を向上させることができる。

特許３１４４５６７号公報（図２）

車両用交流発電電動機では、発生トルクの向上が課題であり、特にアイドルストップ機能を目的とする車両用発電電動機では、エンジンスタートのための発生トルク、即ち電動機の始動トルクを大きくすることが必要である。
また、最近の車載電装品の増加により、発電の出力を大きくすることも必要である。
このため、使用する永久磁石の体積（磁石量）を増やすことで、発生トルクおよび発電量を向上させることができる。
しかしながら、高価な永久磁石の体積の増加は、製造コストの増大につながり、また高速回転における遠心力で永久磁石が飛散する恐れがある等の問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、永久磁石の体積を増やすことなく、出力を向上させることができる交流回転電機を得ることを目的とするものである。

この発明に係る交流回転電機は、内周側に軸線方向に延びたスロットが形成された固定子鉄心、前記スロットに導線が巻回されて固定子鉄心に装着された固定子巻線を含む固定子と、この固定子の内側に設けられた界磁巻線、この界磁巻線を覆って設けられ交互に噛み合った爪形状の爪状磁極をそれぞれ有する第１のポールコア及び第２のポールコアから構成された回転子鉄心、及び隣り合う各前記爪状磁極の対向した両方の側面にそれぞれ配設されこれらの爪状磁極間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された永久磁石を含む回転自在な回転子とを備えた交流回転電機において、一対の前記永久磁石間に磁性体が設けられている。

また、この発明に係る交流回転電機は、内周側に軸線方向に延びたスロットが形成された固定子鉄心、前記スロットに導線が巻回されて固定子鉄心に装着された固定子巻線を含む固定子と、この固定子の内側に設けられた界磁巻線、この界磁巻線を覆って設けられ交互に噛み合った爪形状の爪状磁極をそれぞれ有する第１のポールコア及び第２のポールコアから構成された回転子鉄心、及び隣り合う各前記爪状磁極の対向した両方の側面間に配設されこれらの爪状磁極間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された永久磁石を含む回転自在な回転子とを備えた交流回転電機において、前記永久磁石の周方向の両側面にそれぞれ磁性体が設けられている。

また、この発明に係る交流回転電機は、内周側に軸線方向に延びたスロットが形成された固定子鉄心、前記スロットに導線が巻回されて固定子鉄心に装着された固定子巻線を含む固定子と、この固定子の内側に設けられた界磁巻線、この界磁巻線を覆って設けられ交互に噛み合った爪形状の爪状磁極をそれぞれ有する第１のポールコア及び第２のポールコアから構成された回転子鉄心、及び隣り合う各前記爪状磁極の対向した側面間に配設されこれらの爪状磁極間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された永久磁石を含む回転自在な回転子とを備えた交流回転電機において、一方の前記側面に前記永久磁石が設けられ、他方の前記側面に磁性体が設けられている。

また、この発明に係る交流回転電機は、内周側に軸線方向に延びたスロットが形成された固定子鉄心、前記スロットに導線が巻回されて固定子鉄心に装着された固定子巻線を含む固定子と、この固定子の内側に設けられた界磁巻線、この界磁巻線を覆って設けられ交互に噛み合った爪形状の爪状磁極をそれぞれ有する第１のポールコア及び第２のポールコアから構成された回転子鉄心、及び隣り合う各前記爪状磁極の対向した両方の側面にそれぞれ配設されこれらの爪状磁極間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された永久磁石を含む回転自在な回転子とを備えた交流回転電機において、前記爪状磁極の周方向の両側に配置された前記永久磁石は、爪状磁極とともに囲った、磁性体を有する断面コ字状の保持部材で保持されている。

この発明に係る交流回転電機によれば、永久磁石の体積を増やすことなく、出力を向上させることができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
なお、各実施の形態では、交流回転電機として、車両用交流発電電動機の場合について説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の車両用交流発電電動機を示す側断面図、図２は図１の要部を径方向から視たときの図である。
この回転電機である車両用交流発電電動機（以下、発電電動機と略称する）では、アルミニウム製のフロントブラケット１及びリヤブラケット２から構成されたケース３内に、一端部にプーリ４が固定されたシャフト６が回転可能に設けられている。このシャフト６にはランデル型の回転子７が固定されている。この回転子７の両側面にはファン５が固定されている。
ケース３の内壁面には固定子８が固定されている。シャフト６の他端部には回転子７に電流を供給するスリップリング９が固定されている。このスリップリング９の表面には、ブラシホルダ１１に収納された一対のブラシ１０が摺動するようになっている。フロントブラケット１には、配線基板１３に接続されているとともに、インバータ回路（図示せず）に接続される端子１２が設けられている。

回転子７は、電流を流して磁束を発生する界磁巻線１４と、この界磁巻線１４を覆って設けられその磁束によって磁極が形成される回転子鉄心１５とを備えている。回転子鉄心１５は、一対の交互に噛み合った第１のポールコア１６及び第２のポールコア１７とから構成されている。第１のポールコア１６及び第２のポールコア１７は、鉄製で、かつ爪形状の爪状磁極１８、１９をそれぞれ有している。
また、回転子７は、隣り合う爪状磁極１８、１９の対向した両側面のそれぞれに接着され、爪状磁極１８、１９間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された永久磁石２０と、一対の永久磁石２０間に設けられた磁性体３０とを備えている。
固定子８は、固定子鉄心２１と、この固定子鉄心２１に導線が巻回され回転子７の回転に伴い界磁巻線１４からの磁束の変化で交流が生じる固定子巻線２２とを備えている。

次に、上記構成の発電電動機を発電機として使用した場合の動作について説明する。
バッテリ（図示せず）からブラシ１０、スリップリング９を通じて界磁巻線１４に電流が供給されて磁束が発生し、第１のポールコア１６の爪状磁極１８にはＮ極が着磁され、第２のポールコア１７の爪状磁極１９にはＳ極が着磁される。一方、エンジンによってプーリ４は駆動され、シャフト６によって回転子７が回転するため、固定子巻線２２には回転磁界が与えられ、固定子巻線２２には起電力が生じる。この交流の起電力は、整流器（図示せず）を通って直流に整流されるとともに、レギュレータ（図示せず）によりその大きさが調整されて、バッテリに充電される。

次に、上記構成の発電電動機を電動機として使用した場合の動作について説明する。
エンジンの始動時には、交流電流が固定子巻線２２に供給される。また、電流がブラシ１０、スリップリング９を介して界磁巻線１４に供給されて磁束が発生し、第１のポールコア１６の爪状磁極１８にはＮ極が着磁され、第２のポールコア１７の爪状磁極１９にはＳ極が着磁される。そして、固定子巻線２２及び回転子７が電磁石として作用し、回転子７がシャフト６とともに固定子８内で回転する。このシャフト６の回転力がプーリ４を介してエンジンの出力軸に伝達され、エンジンが始動される。

ところで、本願発明者は、爪状磁極間に装着された磁性体によるトルクアップ量を三次元電磁界解析により求めた。
図３、図４はその結果を示す図である。
図３において、横軸は、隣接した爪状磁極間に設けられた永久磁石の割合を示しており、例えば「０％」永久磁石が無い場合であり、「１００％」は爪状磁極間が永久磁石で占められ、磁性体が無い場合である。
縦軸は、永久磁石が無いときと比較してのトルクアップ量（％）を示している。
図中、点線は、磁性体が「無」のときのトルクアップ量を示しており、実線は、磁性体が「有」のときのトルクアップ量を示している。
この図から、爪状磁極間に永久磁石が占める割合が大きくなるに比例してトルク値は増大し、さらに磁性体を装着することでトルク値はさらに増大することが分かる。

図４は、磁性体が有るときのトルク値と、無いときのトルク値との差を示す図である。この図４において、横軸は、図３の横軸と同じく隣接した爪状磁極間に設けられた永久磁石の割合を示しており、縦軸は、磁性体が「有」の場合のトルク値と、「無」の場合のトルク値との差であり、磁性体が「有」の場合のトルクアップ量（％）を示している。
この図から、爪状磁極間の永久磁石が占める割合が２５％から１００％未満までは、磁性体によりトルクが増加し、爪状磁極間で永久磁石と磁性体とが占める割合がそれぞれ５０％ずつのときが最大であることが分かる。

なお、図３、図４において、トルクとは、界磁電流を流した状態での始動トルクであり、界磁電流には短時間流し得る最大の電流を流した場合を想定している。また、電機子電流にも短時間最大電流値流した場合を想定し、界磁起磁力と電機子起磁力のなす位相角も最大トルクが発生する位相角で始動トルクを設定している。ただし、バッテリによって電源電圧に制限があるため、この電圧制限内での最大トルクということになる。

このように、実施の形態１の発電電動機によれば、対向した永久磁石２０間に磁性体３０を設けたことにより、永久磁石２０の磁束が強められ、電動機として使用された場合には、本願発明者による三次元電磁界解析からも分かるように、全体の永久磁石２０の量が一定のまま、発生トルクを向上させることができる。
また、発電機として使用された場合には、発電量を向上させることができる。
特に、爪状磁極１８、１９間の永久磁石２０と磁性体３０とが占める割合がそれぞれ５０％ずつのとき、発生トルク、発電量が最大となる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２の発電電動機の要部を径方向から視たときの図であり、磁性体３０は、側面に沿って延びた隙間３１を介して２分割された第１の磁性体部３０ａ、第２の磁性体部３０ｂで構成されている。
他の構成は、実施の形態１の発電電動機と同様である。

この実施の形態では、対向した永久磁石２０間に磁性体３０を設けたことにより、永久磁石２０の磁束が強められ、発生トルクを向上させることができる。
また、磁性体３０には、隙間３１が設けられているので、ファン５の回転により生じた、回転子７の軸線方向に向かう冷却空気の一部は、隙間３１を冷却通路として流れ、磁性体３０及び永久磁石２０が冷却され、磁性体３０及び永久磁石２０の温度上昇が抑制される。そのため、永久磁石２０の磁束量の温度勾配が負で、温度低減によって磁束が強められ、また永久磁石２０の温度上昇による不可逆減磁も防止されるので、発生トルク、発電量をさらに向上させることができる。
また、回転子７全体も温度が低下し、界磁巻線１４のボビンに使用される樹脂材料の熱害を防ぐこともできる。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３の発電電動機の要部を径方向から視たときの図であり、磁性体３０は、対向した一対の永久磁石２０のうち、一方の永久磁石２０の側面に接着されている。この磁性体３０と他方の永久磁石２０との間には、回転子７の軸線方向に沿って延びた隙間３１が形成されている。
他の構成は、実施の形態１の発電電動機と同様であり、実施の形態２の発電電動機と同様の効果を有する。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４の発電電動機の要部を径方向から視たときの図であり、
隣接した爪状磁極１８、１９間には、永久磁石３３が設けられている。この永久磁石３３の周方向の両側面には、それぞれ磁性体３２が設けられている。
他の構成は、実施の形態１の発電電動機と同様であり、実施の形態１の発電電動機と同様の効果を有する。

実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５の発電電動機の要部を径方向から視たときの図であり、
一対の磁性体３２のうち、一方の磁性体３２に永久磁石３３が接着され、この永久磁石３３と他方の磁性体３２との間には、回転子７の軸線方向に沿って延びた隙間３４がある。
他の構成は、実施の形態４の発電電動機と同様であり、実施の形態２の発電電動機と同様の効果を有する。

実施の形態６．
図９、図１０はこの発明の実施の形態６の発電電動機の要部を径方向から視たときの図であり、爪状磁極１８、１９の一方の側面に永久磁石３５が設けられ、他方の側面に磁性体３６が設けられ、隣接した爪状磁極１８、１９間には、永久磁石３５及び磁性体３６が介在している。
他の構成は、実施の形態１の発電電動機と同様であり、実施の形態１の発電電動機と同様の効果を有する。

実施の形態７．
図１１はこの発明の実施の形態７の発電電動機の要部を径方向から視たときの図であり、永久磁石３５と磁性体３６との間には、回転子７の軸線方向に沿って延びた隙間３７がある。
他の構成は、実施の形態６の発電電動機と同様であり、実施の形態２の発電電動機と同様の効果を有する。

実施の形態８．
図１２はこの発明の実施の形態８の発電電動機の要部を径方向から視たときの図であり、図１３は図１２のＡ−Ａ線に沿った矢視断面図である。
この実施の形態では、各爪状磁極１８、１９の周方向の両側には永久磁石４１が設けられている。この永久磁石４１は、爪状磁極１８、１９とともに囲った、磁性体からなる断面コ字状の保持部材４０で保持されている。隣接した保持部材４０間には隙間４２がある。
他の構成は、実施の形態２の発電電動機と同様であり、実施の形態２の発電電動機と同様の効果を有する。

実施の形態９．
図１４はこの発明の実施の形態９の発電電動機の要部を径方向から視たときの図である。
この実施の形態では、各爪状磁極１８、１９の周方向の両側には永久磁石４１が設けられている。この永久磁石４１は、爪状磁極１８、１９とともに囲った、断面コ字状の保持部材４３で保持されている。隣接した保持部材４３間には隙間４２がある。保持部材４３のうち、永久磁石４１に当接した当接部４４は磁性体で構成されている。
他の構成は、実施の形態８の発電電動機と同様であり、実施の形態８の発電電動機と同様の効果を有する。

実施の形態１０．
図１５はこの発明の実施の形態１０の発電電動機の要部側断面図である。
この実施の形態では、断面コ字状の保持部材４０のうち、永久磁石４１の周方向の側面と当接する部位に穴４５が形成されている。
他の構成は、実施の形態８の発電電動機と同様であり、実施の形態８の発電電動機と同様に、永久磁石４１の側面に磁性体からなる保持部材４０があるので、発生トルクが向上し、また爪状磁極１８、１９間を通る冷却空気が穴４５を通じて永久磁石４１に直接当たるので、永久磁石４１が直接冷却され、発生トルクがさらに向上する。

なお、上記各実施の形態は、回転電機として車両用発電電動機の例について説明したが、勿論この発明は、このものに限定されるものではなく、回転電機として車両用交流発電機にも適用することができる。また、車両に限定されるものではなく、例えば船外機にも適用することができ、また電動機にも適用することができる。

この発明の実施の形態１の車両用交流発電電動機を示す側断面図である。図１の発電電動機の要部を径方向から視たときの図である。爪状磁極間の永久磁石割合とトルクアップ量との関係を示す特性図である。爪状磁極間の永久磁石割合とトルクアップ量との関係を示す特性図である。この発明の実施の形態２の車両用交流発電電動機の要部を径方向から視たときの図である。この発明の実施の形態３の車両用交流発電電動機の要部を径方向から視たときの図である。この発明の実施の形態４の車両用交流発電電動機の要部を径方向から視たときの図である。この発明の実施の形態５の車両用交流発電電動機の要部を径方向から視たときの図である。この発明の実施の形態６の車両用交流発電電動機の要部を径方向から視たときの図である。この発明の実施の形態６の車両用交流発電電動機の他の例の要部を径方向から視たときの図である。この発明の実施の形態７の車両用交流発電電動機の要部を径方向から視たときの図である。この発明の実施の形態８の車両用交流発電電動機の要部を径方向から視たときの図である。図１２のＡ−Ａ線に沿った矢視断面図である。この発明の実施の形態９の車両用交流発電電動機の要部断面図である。この発明の実施の形態１０の車両用交流発電電動機の要部側断面図である。

符号の説明

７回転子、８固定子、１４界磁巻線、１５固定子鉄心、１６第１のポールコア、１７第２のポールコア、１８爪状磁極、１９爪状磁極、２０，３３，３５，４１永久磁石、２１固定子鉄心、２２固定子巻線、３０，３２，３６磁性体、３１，３４，３７，４２隙間、４０，４３保持部材、４４当接部、４５穴。

Claims

内周側に軸線方向に延びたスロットが形成された固定子鉄心、前記スロットに導線が巻回されて固定子鉄心に装着された固定子巻線を含む固定子と、
この固定子の内側に設けられた界磁巻線、この界磁巻線を覆って設けられ交互に噛み合った爪形状の爪状磁極をそれぞれ有する第１のポールコア及び第２のポールコアから構成された回転子鉄心、及び隣り合う各前記爪状磁極の対向した両方の側面にそれぞれ配設されこれらの爪状磁極間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された永久磁石を含む回転自在な回転子と
を備えた交流回転電機において、
一対の前記永久磁石間に磁性体が設けられていることを特徴とする交流回転電機。
前記磁性体は、前記側面に沿って延びた隙間を介して２分割されている請求項１に記載の交流回転電機。
前記磁性体は、一方の前記永久磁石との間で前記側面に沿って延びた隙間が生じるように、他方の前記永久磁石に設けられている請求項１に記載の交流回転電機。
内周側に軸線方向に延びたスロットが形成された固定子鉄心、前記スロットに導線が巻回されて固定子鉄心に装着された固定子巻線を含む固定子と、
この固定子の内側に設けられた界磁巻線、この界磁巻線を覆って設けられ交互に噛み合った爪形状の爪状磁極をそれぞれ有する第１のポールコア及び第２のポールコアから構成された回転子鉄心、及び隣り合う各前記爪状磁極の対向した両方の側面間に配設されこれらの爪状磁極間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された永久磁石を含む回転自在な回転子と
を備えた交流回転電機において、
前記永久磁石の周方向の両側面にそれぞれ磁性体が設けられていることを特徴とする交流回転電機。
前記永久磁石は、一方の前記磁性体との間で前記側面に沿って延びた隙間が生じるように、他方の前記磁性体に設けられている請求項４に記載の交流回転電機。
内周側に軸線方向に延びたスロットが形成された固定子鉄心、前記スロットに導線が巻回されて固定子鉄心に装着された固定子巻線を含む固定子と、
この固定子の内側に設けられた界磁巻線、この界磁巻線を覆って設けられ交互に噛み合った爪形状の爪状磁極をそれぞれ有する第１のポールコア及び第２のポールコアから構成された回転子鉄心、及び隣り合う各前記爪状磁極の対向した側面間に配設されこれらの爪状磁極間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された永久磁石を含む回転自在な回転子と
を備えた交流回転電機において、
一方の前記側面に前記永久磁石が設けられ、他方の前記側面に磁性体が設けられていることを特徴とする交流回転電機。
前記永久磁石と前記磁性体との間に、前記側面に沿って隙間が設けられている請求項６に記載の交流回転電機。
内周側に軸線方向に延びたスロットが形成された固定子鉄心、前記スロットに導線が巻回されて固定子鉄心に装着された固定子巻線を含む固定子と、
この固定子の内側に設けられた界磁巻線、この界磁巻線を覆って設けられ交互に噛み合った爪形状の爪状磁極をそれぞれ有する第１のポールコア及び第２のポールコアから構成された回転子鉄心、及び隣り合う各前記爪状磁極の対向した両方の側面にそれぞれ配設されこれらの爪状磁極間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された永久磁石を含む回転自在な回転子と
を備えた交流回転電機において、
前記爪状磁極の周方向の両側に配置された前記永久磁石は、爪状磁極とともに囲った、磁性体を有する断面コ字状の保持部材で保持されていることを特徴とする交流回転電機。
前記保持部材は、前記永久磁石に当接した当接部が前記磁性体で構成されている請求項８に記載の交流回転電機。
前記当接部には、前記永久磁石に達する穴が形成されている請求項９に記載の交流回転電機。