JP5752177B2

JP5752177B2 - 磁石式回転電機

Info

Publication number: JP5752177B2
Application number: JP2013099144A
Authority: JP
Inventors: 慎吾赤松; 信二馬場
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: JP2014220930A; US9735637B2; US20140333167A1

Description

この発明は、永久磁石を配置した回転子を有する回転電機に関するものである。

従来、磁石式回転電機として、椀状のフライホイールの内壁面に、隣接する永久磁石が互いに逆極性に着磁されて配列された車両用交流発電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この車両用交流発電機では、内燃機関により回転駆動される回転軸に連動してフライホイールが回転し、その際に永久磁石により生じる交番磁界により、フライホイールの内側に設けられた発電コイルに電力が生じるようになっている。

特開２００８−１９３７８５号公報（図１、図２）

この種の磁石式回転電機では、永久磁石の使用量を増加させること、または磁石特性の優れた磁石を用いることで高出力化を図ることができるが、これらを採用した場合には、大型化してしまい、またコストが嵩むといった問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、大型化、高コストを招くことなく出力を向上させることができる磁石式回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る磁石式回転電機では、シャフトとともに回転する内周壁面を有する回転体、及び前記内周壁面の周方向に沿って交互に配置された、主磁石及び補助磁石を有する回転子と、
この回転子の内径側に設けられ、前記回転子と協同して磁気回路を形成する固定子と、を備え、
各前記主磁石は、径方向においてＮ極、Ｓ極に着磁されているとともに、隣接した前記補助磁石を飛び越えた主磁石とは互いに逆磁性に着磁されて配列されており、
各前記補助磁石は、周方向においてＮ極、Ｓ極に着磁されているとともに、隣接した前記主磁石を飛び越えた補助磁石とは互いに逆磁性に着磁されて配列されている。
シャフトとともに回転する内周壁面を有する回転体、及び前記内周壁面の周方向に沿って交互に配置された、主磁石及び補助磁石を有する回転子と、
この回転子の内径側に設けられ、前記回転子と協同して磁気回路を形成する固定子と、を備え、
各前記主磁石は、径方向においてＮ極、Ｓ極に着磁されているとともに、周方向において隣接した前記補助磁石を飛び越えた主磁石とは互いに逆磁性に着磁されて配列されており、
各前記補助磁石は、周方向においてＮ極、Ｓ極に着磁されているとともに、周方向において隣接した前記主磁石を飛び越えた補助磁石とは互いに逆磁性に着磁されて配列されており、
前記主磁石は、前記回転体の前記内周壁面に密接しており、前記補助磁石は、前記回転体の前記内周壁面と空隙を介して対面している。

この発明に係る磁石式回転電機によれば、各主磁石は、径方向においてＮ極、Ｓ極に着磁されているとともに、隣接した補助磁石を飛び越えた主磁石とは互いに逆磁性に着磁されて配列されており、また各前記補助磁石は、周方向においてＮ極、Ｓ極に着磁されているとともに、隣接した前記主磁石を飛び越えた補助磁石とは互いに逆磁性に着磁されて配列されている。
従って、補助磁石を有しない主磁石のみの磁石式回転電機と比較して、大型化、高コストを招くことなく出力を向上させることができる。

この発明の実施の形態１の車両用交流発電機を示す正断面図である。図１の回転子を示す部分拡大図である。車両用交流発電機の参考例を示す部分断面図である。図１の車両用交流発電機を示す部分拡大図である。図１の回転子を示す部分拡大図である。この発明の実施の形態２の車両用交流発電機の回転子を示す部分断面図である。この発明の実施の形態３の車両用交流発電機の回転子を示す部分断面図である。図７の車両用交流発電機における、主磁石と補助磁石の周方向幅比（ｂ／ａ）と発電出力との関係を示す図である。

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。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の磁石式発電機である車両用交流発電機（交流発電機と略称する。）を示す正断面図、図２は図１の回転子１を示す部分拡大図、図３は参考例である交流発電機を示す部分断面図、図４は図１の交流発電機を示す部分拡大図、図５は図１の回転子１を示す部分拡大図である。
磁石式回転電機である、この交流発電機は、内燃機関とシャフト（図示せず）を介して連結された回転子１と、この回転子１の内側に設けられた電機子である固定子２とを備えている。
回転子１は、回転体である椀状であって非磁性のアルミニウム製のフライホイール３と、このフライホイール３の内周壁面の周方向に沿って交互に配列された複数の主磁石４及び補助磁石５と、主磁石４及び補助磁石５の内周面に設けられ主磁石４及び補助磁石５を支持した円筒形状であって非磁性ステンレス鋼からなるポールチップ１１と、を備えている。

固定子２は、磁性薄板鋼板を複数枚積層して構成された、中空円柱状の固定子鉄心６と、発電コイル７とを有している。
表面全体が絶縁膜で覆われた固定子鉄心６は、円環状の鉄心本体１２と、この鉄心本体１２から周方向に等分間隔で径外側方向に放射状に突出した複数個のティース８と、を有している。
発電コイル７は、各ティース８に導線であるエナメル線が巻回された三相巻線で構成されている。

各主磁石４は、図２に示すように径方向においてＮ極、Ｓ極に着磁されており、また隣接した補助磁石５を飛び越えた主磁石４とは互いに逆磁性に着磁されて配列されている。
各補助磁石５は、図２に示すように周方向においてＮ極、Ｓ極に着磁されており、また隣接した主磁石４を飛び越えた補助磁石５とは互いに逆磁性に着磁されて配列されている。
主磁石４は、フェライト永久磁石、補助磁石５は、希土類磁石である。
また、断面形状が台形形状の補助磁石５とフライホイール３の間には、図５に示すように空隙９が形成されている。

図３は、隣接した主磁石４間に補助磁石５が無い参考例を示しており、この例では、磁束は、点線で示した矢印Ａに示すように、ティース８から主磁石４、フライホイール３を介して径方向に隣接した主磁石４に流れ、引き続き径方向に隣接したティース８、鉄心本体１２、ティース８に流れ、回転子１と固定子２との間では磁気回路が形成されている。
一方、この実施の形態では、図４に示すように、磁束は、点線で示した矢印Ｂに示すように、主にティース８から主磁石４、補助磁石５、主磁石４に流れ、引き続き径方向に隣接したティース８、鉄心本体１２、ティース８に流れ、回転子１と固定子２との間では磁気回路が形成されている。
即ち、この実施の形態の交流発電機では、補助磁石５が主磁石４間に介在するので、ティース８から主磁石４に流れる磁束は、補助磁石５の周方向の磁性により、フライホイール３に達する前に磁束のベクトルが径方向から周方向に流れ方向が変更される。

この実施の形態による交流発電機では、内燃機関により回転駆動されるシャフトに連動してフライホイ−ル３が回転し、その際に主磁石４及び補助磁石５により生じる交番磁界により、発電コイル７には電力が生じる。
この際の交流出力は、整流器（図示せず）で整流され、車載バッテリ（図示せず）及び電気負荷（図示せず）に給電される。

この実施の形態による交流発電機によれば、各主磁石４は、径方向においてＮ極、Ｓ極に着磁されているとともに、隣接した補助磁石５を飛び越えた主磁石４とは互いに逆磁性に着磁されて配列されており、また補助磁石５は、周方向においてＮ極、Ｓ極に着磁されているとともに、隣接した主磁石４を飛び越えた補助磁石５とは互いに逆磁性に着磁されて配列されている。
従って、この実施の形態の磁束の経路は、図３のものと比較して、主に、図４の矢印Ｂに示すように、フライホイール３まで迂回することのない、短い磁気経路であり、磁気経路での磁気抵抗が小さくなるとともに、回転子１での磁気経路と固定子２との径方向における距離が接近している。
因って、補助磁石５及び主磁石４による、高密度の磁束が発電コイル７に鎖交するので、交流発電機全体の体格を大きくすることなく、発電出力が向上する。

また、従来は、出力電流に応じて、磁気経路を確保するために、フライホイール３の径方向に所定の厚さを必要とした。
これに対して、この実施の形態の交流発電機では、機械的強度に問題のない範囲で薄厚化することができ、軽量かつ放熱性能に優れた非磁性のアルミニウムを用いることができる。

また、主磁石４は、回転体であるフライホイール３の内周壁面に密接しており、補助磁石５は、フライホイール３の内周壁面と空隙９を介して対面している。
従って、空隙９が磁気抵抗体として寄与し、主磁石４から補助磁石５に流れる磁束のうちフライホイ−ル３に漏れる量が低減され、フライホイール３のさらなる薄型化、軽量化を図ることができ、さらには交流発電機の出力が向上する。

なお、この実施の形態の空隙９に、熱伝導部材である熱伝導性、電気絶縁性、柔軟性、密着性、耐熱性、難燃性等の特性を有するシリコーン材、アクリル樹脂、グラファイトといった材料から成る熱伝導部材を設けるようにしてもよい。
これにより、主磁石４及び補助磁石５での各発熱がフライホイール３に伝導され、主磁石４及び補助磁石５の温度上昇が抑制され、温度上昇によるＢＨ特性の低下がもたらす減磁を防止することができる。

さらに、補助磁石５は、シャフトの軸線に対して垂直方向に切断したときの形状が、径方向の外側に向かって周方向に拡大した台形形状である。
これにより、補助磁石５の磁束は、図５の矢印Ｃに示すように円弧状であり、主磁石４での径方向に指向した磁束のベクトル方向は、隣接した補助磁石５側、即ち周方向に円滑に変化する。
従って、径方向の外側に向かう主磁石４での磁束は、周方向の隣接した補助磁石５に円滑に導かれ、そのまま補助磁石５、主磁石４、ティース８に流れるので、交流発電機の体格を大きくすることなく発電出力が向上する。

また、主磁石４及び補助磁石５は、互いに密接しており、全周にわたって磁極が形成されているので、電気角１８０°の範囲にある主磁石４に加え、補助磁石５から径内側方向に向かう洩れ磁束も固定子２の固定子鉄心６の各ティース８に侵入できるため、有効磁束を増加させることができる。

また、主磁石４及び補助磁石５の曲率半径は等しい、即ち回転子１の内周面と固定子２の外周面との隙間は、全周にわたって等しい。
従って、回転子１と固定子２との間の隙間寸法を全周にわたって等しく小さくすることができるので、回転子１と固定子２との間の磁気抵抗が小さくなるとともに、磁石回路も最短化でき、交流発電機の体格を大きくすることなく発電出力が向上する。

また、この実施の形態では、補助磁石５は、フェライト永久磁石と比較して高磁束密度の希土類磁石である。補助磁石５は、フェライト永久磁石と比較して高コストの希土類磁石であるが、高磁束密度であるので、径方向及び周方向の寸法は小さくてよく、コストが嵩むのを避けることができる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２の交流発電機の回転子１の要部正断面図である。
この実施の形態では、隣接した主磁石４Ａ間の外周側に凹部１０が形成されており、この凹部１０に補助磁石５が嵌入している。
他の構成は実施の形態１の交流発電機と同じである。

補助磁石５Ａと主磁石４Ａとは、相互に強い力で反発するものの、この実施の形態では、補助磁石５Ａは凹部１０に嵌入されているので、例えば回転子１の回転中に補助磁石５が位置ずれして回転子１の回転バランスが崩れるのを防止することができる。
なお、隣接した主磁石４Ａ間の内周側に凹部を形成し、この凹部に補助磁石を嵌入させるようにしてもよい。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３の交流発電機の回転子１の要部正断面図である。
この実施の形態では、補助磁石５Ｂの周方向の幅ｂは、主磁石４Ｂの周方向の幅ａと比較して、（ｂ／ａ）が１／１０〜１／２の範囲である。
他の構成は、実施の形態１の交流発電機と同じである。

補助磁石５Ｂを設けることは、主磁石４Ｂの体積を減少させることになる。このため、補助磁石５Ｂの周方向幅を極端に大きく設定した場合、主磁石４Ｂの体積減による発電コイル７に鎖交する主磁石４Ｂの磁束量の減少を招くことになる。

本願発明者は、主磁石４Ｂと補助磁石５Ｂとの周方向幅比と、交流発電機の発電出力との関係に着目し、その関係について磁界解析を行なった。
図８はそのときの磁界解析結果を示す図である。
この結果より、補助磁石５Ｂの周方向の幅ｂ、主磁石４Ｂの周方向の幅ａとしたときに（ｂ／ａ）は、１/１０以上かつ１/２以下とすることで効率的に出力を向上させることができることが分かった。

なお、上記各実施の形態では、磁石式回転電機として車両用交流発電機について説明したが、この発明は、車両用に限定されるものではなく、また電動機にも適用できる。
また、回転体として用いたフライホイール３の材料として、非磁性のアルミニウムを用いたが、非磁性のステンレス鋼であってもよいし、また磁性の鋼材であってもよい。

１回転子、２固定子、３フライホイール（回転体）、４，４Ａ，４Ｂ主磁石、５，５Ａ，５Ｂ補助磁石、６固定子鉄心、７発電コイル、８ティース、９空隙、１０凹部、１１ポールチップ、１２鉄心本体。

Claims

シャフトとともに回転する内周壁面を有する回転体、及び前記内周壁面の周方向に沿って交互に配置された、主磁石及び補助磁石を有する回転子と、
この回転子の内径側に設けられ、前記回転子と協同して磁気回路を形成する固定子と、を備え、
各前記主磁石は、径方向においてＮ極、Ｓ極に着磁されているとともに、周方向において隣接した前記補助磁石を飛び越えた主磁石とは互いに逆磁性に着磁されて配列されており、
各前記補助磁石は、周方向においてＮ極、Ｓ極に着磁されているとともに、周方向において隣接した前記主磁石を飛び越えた補助磁石とは互いに逆磁性に着磁されて配列されており、
前記主磁石は、前記回転体の前記内周壁面に密接しており、前記補助磁石は、前記回転体の前記内周壁面と空隙を介して対面している磁石式回転電機。
前記主磁石及び前記補助磁石は、互いに周方向において密接している請求項１に記載の磁石式回転電機。
前記主磁石及び前記補助磁石の曲率半径は等しい請求項１または２に記載の磁石式回転電機。
前記補助磁石は、前記シャフトの軸線に対して垂直方向に切断したときの形状が、径方向の外側に向かって周方向に拡大した台形形状である請求項１〜３の何れか１項に記載の磁石式回転電機。
隣接した主磁石間の外周側、または内周側に凹部が形成されており、この凹部に前記補助磁石が設けられている請求項１〜４の何れか１項に記載の磁石式回転電機。
前記補助磁石の周方向の幅は、前記主磁石の周方向の幅に対して、１／１０〜１／２の範囲である請求項１〜５の何れか１項に記載の磁石式回転電機。
前記主磁石は、フェライト永久磁石であり、前記補助磁石は、希土類磁石である請求項１〜６の何れか１項に記載の磁石式回転電機。
前記回転体は、アルミニウムで構成されている請求項１〜７の何れか１項に記載の磁石式回転電機。
前記固定子は、等分間隔で径外側方向に放射状に突出した複数個のティースを有する固定子鉄心と、前記ティースに導線が巻回されて巻装された発電コイルと、を備えた請求項１〜８の何れか１項に記載の磁石式回転電機。
前記回転体は、フライホイールであり、前記磁石式回転電機は、車両用交流発電機である請求項９に記載の磁石式回転電機。