JP5924913B2

JP5924913B2 - 発電機

Info

Publication number: JP5924913B2
Application number: JP2011262789A
Authority: JP
Inventors: 道岡　力; 力道岡
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: JP2013116012A

Description

本発明は、発電機に関し、とくに車両に搭載される交流発電機に関する。

自動車には、エンジンの出力軸の動力を電力に変換するオルタネータが備えられている。オルタネータは、交流発電機および交流発電機から出力される交流電力を直流電力に変換するレクチファイア（整流器）を含む。オルタネータで発生する直流電力は、ヘッドライトなどの電気負荷で消費され、また、バッテリに蓄えられる。

交流発電機には、ロータと、ロータの周囲を取り囲む円環状のステータとが備えられている。

図３は、従来の交流発電機に備えられているロータの模式的な側面図である。

ロータ８１は、シャフト８２に固定されて、シャフト８２と一体的に回転可能に設けられている。ロータ８１は、シャフト８２の周囲に巻回されたロータコイル８３と、ロータコイル８３を回転軸線方向（シャフト８２の軸線方向）の両側から挟み込むように設けられた１対のポールコア８４，８５とを備えている。

ポールコア８４，８５は、それぞれ鉄を用いて一体に形成されている。ポールコア８４，８５には、それぞれ互いに対向する方向に突出する複数の爪状磁極８６，８７が形成されている。爪状磁極８６，８７は、互いに噛み合って、周方向に交互に並んでいる。

シャフト８２の一端部には、２個のスリップリング８８，８９が固定されている。また、２個のブラシ９１，９２がそれぞれスリップリング８８，８９と摺擦可能に設けられている。ブラシ９１，９２は、発電電圧を制御するためのレギュレータを介して、バッテリと電気的に接続されている。バッテリからブラシ９１，９２およびスリップリング８８，８９を通してロータコイル８３に界磁電流が供給されると、一方のポールコア８４の爪状電極８６がＮ極に着磁され、他方のポールコア８５の爪状電極８７がＳ極に着磁される。

そして、エンジンの出力軸の回転がシャフト８２に伝達されて、シャフト８２とともにロータ８１が回転すると、ステータに備えられているステータコイルに電磁誘導による電流が流れる。

特開平９−１５４２６２号公報

図３に示される構成のロータ８１（いわゆるくし型ロータ）では、交流発電機の出力を増大させるためには、ロータ８１を回転径方向および回転軸線方向に大型化しなければならず、その設計に自由度がない。たとえば、オルタネータが配置されるエンジンルーム内のスペースの関係から、交流発電機のサイズを回転径方向に縮小したい場合に、交流発電機の回転径方向のサイズを縮小する一方で、回転軸線方向のサイズを増大させることにより、従来と同出力を得るといったことは容易ではない。なぜなら、ポールコア８４，８５を回転軸線方向につなぐ磁路は、その磁気抵抗の増大を防ぐために、軸長が長くなる分、太くしなければならないからである。

また、ロータ８１を有する交流発電機では、ロータコイル８３への給電のためのスリップリング８８，８９およびブラシ９１，９２が設けられているので、回転軸線方向のサイズが大きく、また、部品点数が多いという問題もある。

本発明の目的は、小型化および部品点数の削減による低コスト化を図ることができる、発電機を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る発電機は、回転軸と、前記回転軸と一体的に回転可能に設けられるロータと、前記ロータの周囲に設けられるステータとを備えている。前記ロータには、前記回転軸が中心部に相対回転不能に挿通されるロータヨークおよび前記ロータヨークから回転径方向に突出する複数のロータ磁極が形成されている。前記ステータは、前記ロータを回転周方向に取り囲む環状のステータヨークおよび前記ステータヨークの内側に突出する複数のステータ磁極が形成されたステータコアと、各ステータ磁極に集中巻されたステータコイルとを有している。前記複数のステータ磁極は、複数のステータ磁極群を互いに離れた位置で構成している。各ステータ磁極群は、相数に応じた数の前記ステータ磁極からなる。各ステータ磁極群を構成するステータ磁極は、所定間隔で設けられ、複数のステータ磁極群は、互いに所定間隔よりも離れている。そして、前記発電機は、前記ステータ磁極群をＮ極に着磁させるための第１界磁コイルと、Ｎ極に着磁される前記ステータ磁極群とは別の前記ステータ磁極群をＳ極に着磁させるための第２界磁コイルとを含む。

第１界磁コイルおよび第２界磁コイルに界磁電流が流れると、ステータ磁極群がＮ極に着磁され、それとは別のステータ磁極群がＳ極に着磁される。そして、ロータの回転に伴って、ロータ磁極がＮ極に着磁されたステータ磁極と対向し、別のロータ磁極がＳ極に着磁されたステータ磁極と対向すると、磁束がＮ極に着磁されたステータ磁極とＳ極に着磁されたステータ磁極との間をロータ／ステータヨークを経由して通る。その結果、それらのステータ磁極に集中巻されたステータコイルに誘導電流が流れる。

複数のステータ磁極群が互いに離れているので、各ステータ磁極群間において、ステータヨークを直線状に形成することができる。たとえば、ステータ磁極群が２つである場合、その２つのステータ磁極群間でステータヨークを直線状に形成することができる。よって、ステータヨークが円環状に形成されたステータと比較して、ステータの回転径方向のサイズを縮小することができる。

そして、ロータは、いわゆるくし型ロータではないので、回転径方向のサイズを縮小する一方で、回転軸線方向のサイズを増大させることができる。よって、ロータおよびステータの回転径方向のサイズを縮小し、それらの回転軸線方向のサイズを増大させることにより、従来の発電機と同出力を確保することができる。

また、ロータに界磁コイルが設けられた構成とは異なり、スリップリングおよびブラシが不要である。そのため、ロータの回転軸線方向のサイズを増大させても、そのサイズの増大をスリップリングの配置に必要なスペースの省略で相殺することができ、発電機全体として回転軸線方向のサイズが増大することを防止できる。

よって、発電機が自動車に搭載されるオルタネータに用いられる場合に、オルタネータが配置されるエンジンルーム内のスペースの関係から発電機のサイズを回転径方向に縮小しながら、発電機の出力を確保したいという要望に応えることができる。

さらに、スリップリングおよびブラシが不要であるので、部品点数を削減することができる。その結果、部品点数の削減によるコストの低減を図ることができる。

また、Ｎ極に着磁されたステータ磁極群とＳ極に着磁されたステータ磁極群との間でステータヨークを通る磁束は、ステータヨークの一方側部分と他方側部分とに分散される。そのため、ステータヨークの厚さを小さくすることができる。その結果、ステータの重量を小さくすることができる。

本発明によれば、ステータの小型化および軽量化により、発電機の小型化および軽量化を図ることができる。また、部品点数の削減により、発電機の低コスト化を図ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る発電機を回転軸線に直交する断面で切断したときの断面図である。図２は、発電機を回転軸線に沿う断面で切断したときの断面図である。図３は、従来の交流発電機に備えられているロータの模式的な側面図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る発電機を回転軸線に直交する断面で切断したときの断面図である。図２は、発電機を回転軸線に沿う断面で切断したときの断面図である。なお、図１，２では、図面が煩雑になることを回避するため、一部に対するハッチングの付与が省略されている。

発電機１は、３相交流発電機である。発電機１は、回転軸２、ロータ３およびステータ４を備えている。

ロータ３は、積層鋼板からなり、回転軸２と一体的に回転可能に設けられている。ロータ３は、円柱状のロータヨーク５と、ロータヨーク５の周面から回転径方向に突出する８個のロータ磁極６とを有している。

ロータヨーク５には、その中心軸線上に、断面円形状の軸挿通孔７が貫通して形成されている。軸挿通孔７には、回転軸２が相対回転不能に挿通されている。また、ロータヨーク５には、軸挿通孔７の周囲に、８個の断面略扇形状の空洞８が回転軸２の中心軸線（回転軸線）方向に貫通して形成されている。これにより、ロータヨーク５の軽量化が図られている。

８個のロータ磁極６は、回転軸線を中心に等角度間隔、つまり４５°間隔で設けられている。各ロータ磁極６は、回転軸線方向に延びる略直方体形状に形成されている。

ステータ４は、ステータコア９およびステータコイル１０を備えている。

ステータコア９は、積層鋼板からなる。ステータコア９は、ロータ３を回転周方向に取り囲む略四角筒状のステータヨーク１１と、ステータヨーク１１の内側に突出する６個のステータ磁極（ティース）１２とを有している。

ステータヨーク１１は、回転軸線を中心に１８０°回転対称な形状をなしている。

具体的には、ステータヨーク１１は、回転軸線を中心に１８０°離れた２つの位置に形成された１対の磁極形成部１３と、１対の磁極形成部１３の回転軸線と直交する方向の両端部を連結する１対の連結部１４とを一体的に有している。磁極形成部１３は、回転軸線と直交する平面で切断したときの断面形状が回転径方向に膨出する円弧状に形成されている。連結部１４は、回転軸線と直交する平面で切断したときの断面形状が略コ字状に形成されている。

６個のステータ磁極１２は、３個ずつに分けられて、２つのステータ磁極群１５，１６を構成している。一方のステータ磁極群１５は、一方の磁極形成部１３と一体的に形成されている。ステータ磁極群１５を構成する３個のステータ磁極１２は、回転軸線を中心とする３０°間隔で設けられている。他方のステータ磁極群１６は、他方の磁極形成部１３と一体的に形成されている。ステータ磁極群１６を構成する３個のステータ磁極１２は、回転軸線を中心とする３０°間隔で設けられている。そして、各ステータ磁極１２は、磁極形成部１３の内面から回転軸線に向かって突出し、回転軸線方向に延びる略直方体形状に形成されている。

ステータコイル１０は、各ステータ磁極１２に集中巻されている。

ステータ磁極群１５の両端のステータ磁極１２と各連結部１４との間には、空間１７が形成されている。この空間１７を利用して、ステータ磁極群１５をＮ極に着磁させるための第１界磁コイル１８が配置されている。第１界磁コイル１８は、一方の空間１７を通されて、連結部１４よりも回転軸線方向の外側まで延び、回転軸２側と反対側に屈曲し、１対の連結部１４の対向方向に屈曲して延び、回転軸２側に屈曲して他方の空間１７に向けて延び、回転軸線方向に屈曲して、他方の空間１７を通されて、連結部１４よりも回転軸線方向の外側まで延び、回転軸２側と反対側に屈曲し、１対の連結部１４の対向方向に屈曲して延び、回転軸２側に屈曲して一方の空間１７に向けて延び、回転軸線方向に屈曲して、一方の空間１７を通されるというようにして巻回されている。これにより、第１界磁コイル１８の一部をステータ磁極群１５のステータ磁極１２に集中巻されたステータコイル１０と回転軸線方向に対向する位置から逃がすことができる。

ステータ磁極群１６の両端のステータ磁極１２と各連結部１４との間には、空間１９が形成されている。この空間１９を利用して、ステータ磁極群１６をＳ極に着磁させるための第２界磁コイル２０が配置されている。第２界磁コイル２０は、一方の空間１９を通されて、連結部１４よりも回転軸線方向の外側まで延び、回転軸２側と反対側に屈曲し、１対の連結部１４の対向方向に屈曲して延び、回転軸２側に屈曲して他方の空間１９に向けて延び、回転軸線方向に屈曲して、他方の空間１９を通されて、連結部１４よりも回転軸線方向の外側まで延び、回転軸２側と反対側に屈曲し、１対の連結部１４の対向方向に屈曲して延び、回転軸２側に屈曲して一方の空間１９に向けて延び、回転軸線方向に屈曲して、一方の空間１９を通されるというようにして巻回されている。これにより、第２界磁コイル２０の一部をステータ磁極群１６のステータ磁極１２に集中巻されたステータコイル１０と回転軸線方向に対向する位置から逃がすことができる。

第１界磁コイル１８および第２界磁コイル２０に界磁電流が流れると、ステータ磁極群１５がＮ極に着磁され、ステータ磁極群１６がＳ極に着磁される。そして、ロータ３の回転に伴って、ロータ磁極６がＮ極に着磁されたステータ磁極１２と対向し、別のロータ磁極６がＳ極に着磁されたステータ磁極１２と対向すると、磁束がＮ極に着磁されたステータ磁極１２とＳ極に着磁されたステータ磁極１２との間をロータ３／ステータヨーク１１を経由して通る。その結果、それらのステータ磁極１２に集中巻されたステータコイル１０に誘導電流が流れる。

２つのステータ磁極群１５，１６が互いに離れているので、各ステータ磁極群１５，１６間において、図１に示されるように、ステータヨーク１１を直線状に形成することができる。よって、ステータヨーク１１が円環状に形成されたステータ４と比較して、ステータ４の回転径方向のサイズを縮小することができる。

そして、ロータ３は、いわゆるくし型ロータ３ではないので、回転径方向のサイズを縮小する一方で、回転軸線方向のサイズを増大させることができる。よって、ロータ３およびステータ４の回転径方向のサイズを縮小し、それらの回転軸線方向のサイズを増大させることにより、従来の発電機と同出力を確保することができる。

また、ロータ３に界磁コイルが設けられた構成とは異なり、スリップリングおよびブラシが不要である。そのため、ロータ３の回転軸線方向のサイズを増大させても、そのサイズの増大をスリップリングの配置に必要なスペースの省略で相殺することができ、発電機１の全体として回転軸線方向のサイズが増大することを防止できる。

よって、発電機１が自動車に搭載されるオルタネータに用いられる場合に、オルタネータが配置されるエンジンルーム内のスペースの関係から発電機のサイズを回転径方向に縮小しながら、発電機１の出力を確保したいという要望に応えることができる。

さらに、スリップリングおよびブラシが不要であるので、部品点数を削減することができる。その結果、部品点数の削減による発電機１のコストの低減を図ることができる。

また、Ｎ極に着磁されたステータ磁極群１５とＳ極に着磁されたステータ磁極群１６との間を磁束が通るときに、ステータヨーク１１を通る磁束は、ステータヨーク１１の一方の連結部１４と他方の連結部１４とに分散される。そのため、ステータヨーク１１の厚さを小さくすることができる。その結果、ステータ４の重量を小さくすることができる。

さらにまた、ロータ３が積層鋼板からなるので、ロータ３の表面での渦電流の発生を抑制することができる。その結果、発電効率を向上させることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、３個のステータ磁極１２によって各ステータ磁極群１５，１６が構成される場合を例にとったが、各ステータ磁極群１５，１６を構成するステータ磁極１２の数は、相数に応じて変更されるとよい。たとえば、発電機１が２相交流発電機である場合には、各ステータ磁極群１５，１６が２個のステータ磁極１２によって構成されるとよい。

また、２つのステータ磁極群１５，１６が設けられた構成を取り上げたが、３つ以上のステータ磁極群が設けられてもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１発電機
２回転軸
３ロータ
４ステータ
５ロータヨーク
６ロータ磁極
９ステータコア
１０ステータコイル
１１ステータヨーク
１５ステータ磁極群
１６ステータ磁極群
１８第１界磁コイル
２０第２界磁コイル

Claims

回転軸と、前記回転軸と一体的に回転可能に設けられるロータと、前記ロータの周囲に設けられるステータとを備える発電機であって、
前記ロータには、前記回転軸が中心部に相対回転不能に挿通されるロータヨークおよび前記ロータヨークから回転径方向に突出する複数のロータ磁極が形成され、
前記ステータは、前記ロータを回転周方向に取り囲む環状のステータヨークおよび前記ステータヨークの内側に突出する複数のステータ磁極が形成されたステータコアと、各ステータ磁極に集中巻されたステータコイルとを有し、
前記複数のステータ磁極は、複数のステータ磁極群を互いに離れた位置で構成し、
各ステータ磁極群は、相数に応じた数の前記ステータ磁極からなり、
各ステータ磁極群を構成する前記ステータ磁極は、所定間隔で設けられ、
前記複数のステータ磁極群は、互いに前記所定間隔よりも離れており、
前記ステータ磁極群をＮ極に着磁させるための第１界磁コイルと、
Ｎ極に着磁される前記ステータ磁極群とは別の前記ステータ磁極群をＳ極に着磁させるための第２界磁コイルとを含む、発電機。