JPH03265451A

JPH03265451A - 発電装置

Info

Publication number: JPH03265451A
Application number: JP2063482A
Authority: JP
Inventors: Arata Kusase; 新草瀬
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1990-03-14
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 1991-11-26
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JP3063106B2; DE4107867A1; DE4107867C2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、特に車両用交流発電機に用いられ、好適な発
電装置に関する。

〔従来の技術］小型軽量高出力化を達成するには、小型回転子にて高磁
束を発生することが必要である。そのために、界磁巻線
に併用し、永久磁石を用いて、高磁束を稼ぐ方法が知ら
れているが、この場合界磁力制御が行えないという難点
がある。そこで、界磁力制御の方法として、特開昭６３
−７７３６２号公報に示す如（、例えば遠心力を利用し
て磁路の一部を変位させて磁束量を調整するものがある
。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上述した従来のものでは、回転数に対しては
、永久磁石の出力を一定界磁力に調整して過電圧に保つ
ことができるものの、負荷需要が変動するとき発電機の
出力電圧が変動するという問題点がある。

そこで、本発明は発電電圧の調整可能な発電機を提供す
るものである。

〔課題を解決するための手段〕そこで、本発明は、界磁巻線、永久磁石および、電流を流すことで前記界磁
巻線に発生する磁束および前記永久磁石の磁束を流す磁
極とを有する回転子と、この回転子に対向し、配置され
、前記回転子の回転により磁束が作用することで、出力
を発生する電機子巻線を有する固定子と、前記回転子の永久磁石の磁束により、前記固定子の電機
子＠線に発生する出力を抑制する抑制手段と、を備えた発電装置とするものである。

〔作用〕

永久磁石の磁束により、永久磁石により発生する磁束が
作用し、電機子巻線に発生ずる出力以下の出力が必要な
時は、固定子の電機子巻線に発生する出力を抑制するこ
とで、出力の発生を抑制するものである。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明は、永久磁石を有する回転子を
有していても、発電出力を抑制することができるという
効果がある。

また、界磁巻線に流れる電流を変えることで、永久磁石
が発生する磁束を打ち消すことで、確実に、永久磁石が
電機子巻線に対し作用する磁束を押さえることができる
。

〔実施例〕

第１図は本発明発電機の第１実施例の要部を示す断面図
であり、第１ないし第３のランゾル型回転子１．２．３
、これら回転子１．２．３を支持するシャフト４および
これら回転子１．２．３の外周に配置された固定子５か
らなる。

第１の回転子１はシャフト４の外周に固定された筒状の
ボス部１１と、この筒部１１の両側に配置された、第１
、第２の爪状磁極１２．１３および上記円筒部１１の外
周に配置された界磁巻線１４とから構成される。そして
、第１、第２の爪状磁極１２．１３には、第２図に示す
如く、それぞれボス部ｌｌ側にのび、交互に配置される
第１、第２の爪部１２ａ、１３ａが一体に形成されてい
る。また、第１、第２の爪部１２ａ、１３ａは台形形状
である。

第２および第３の回転子２．３は、第１の回転子１と同
様に、第３、第４の爪状磁極２１．２２、第５、第６の
爪状磁極３１．３２からなる。また、これら第３ないし
第６の爪状磁極２１．２２．３１．３２には、第２図に
示す如く、交互に配置される第３ないし第６の爪部２１
ａ、２２ａ、３１ａ、３２ａが形成されている。そして
、第１の円盤状の磁石２３が、第３、第４の爪状磁極２
１．２２間に挿入され、また、第２の円盤状の磁石３３
が第５、第６の爪状磁極３１．３２間に挿入されている
。さらに、第１、第２の磁石２３．３３は、対向する面
がＮ極となるように、軸方向に着磁され、配置されてい
る。

そして、第１ないし第３の回転子１．２．３の外周は、
はぼ同一径としている。

シャフト４は、図示せぬエンジンにより、ベルトを介し
て、回転させられるもので、一端に界磁巻線１４が接続
される図示せぬ整流子が設けられている。

固定子５は、固定子コア５１と、このコア５１内に巻装
された３相集中固定子巻線５２とから構成される。そし
て、コア５１には、第１の回転子１の第１および第２の
爪部１２ａ、１３ａの極数に対して、３倍となる数のス
ロットを有している。

６は非磁性体からなるスリーブで、第１図に示す如く、
シャフト４の外周に固定され、このスリーブ６の外周に
、第２の回転子２の第１の磁石２３、第４の爪状磁極２
２、第３の回転子３の第５、第６の爪状磁極３１．３２
および第２の磁石３３が配置されている。

そして、第１ないし第３の回転子ｌ、２．３の第１ない
し第６の爪部１２ａ、１３ａ、２１ａ、２２ａ、３１ａ
、３２ａは、それぞれ同一の磁極数であって、各々の磁
極位置（つまり、爪部の位置）は、第２図に示すように
、略同−角度位置ではあるがわずかに互いにずれている
。すなわち、第１の回転子１の爪部１２ａは、隣接する
第２の回転子２の第４の爪部２２ａに対しλ／４だけず
れており、第３の回転子３の第５の爪部３１ａは、第４
の爪部２２ａに対し、λ／２だけずれている。

ここで、λとはいわゆるスロットリップル波長である。

このスロットリップルとは、第３図に示す如く、固定子
５のコア５１のスロットと、第１ないし第３の回転子１
．２．３の第１ないし第６の爪部との間に生じる磁気抵
抗むらであり、スロットリップル波長とはコア５１のス
ロットのピッチに等しい。

次に、第４図に示すスイッチング手段７について説明す
る。このスイッチング手段７は、トランジスタ７１．７
２．７３．７４からなり、［・ランジスタフ１．７２と
トランジスタ７３．７４が互いに並列接続されている。

また、トランジスタ７１．７２間と、トランジスタ７３
．７４間との間に、界磁巻線１４が接続されている。

そして、これらトランジスタ７１〜７４のベースに、第
５図に示す如く、信号を送ることで、界磁巻線１４に流
れる電流の向きを変えると共に、界磁巻線１４に流れる
電流を制御するものである。

以上の基本構成において、第１の回転子１の磁束発生（
固定子コア５１に対する）能力は、第２の回転子２と第
３の回転子３とを加えた磁束発生能力に対して、はぼ同
等に設定している。つまり、固定子５例の１磁極ピッチ
分磁路断面に対応する、第２図に示すところの第１ない
し第６の爪部１２ａ、１３ａ、２１ａ、２２ａ、３１ａ
、３２ａの外周面積に関して、（第１、第２の爪部１２
ａ、１３ａの外周面積）−（第３、第４の爪部２１ａ、
２２ａの外周面積）」−（第５、第６の爪部３１ａ、３
２ａの外周面積）の関係になっている。

次に、上記構成においてその作動を説明する。

負荷が多く、発電機自体の出力が要求される場合には、
第２、第３の回転子２．３の永久磁石２３．３３が発生
する磁束が、固定子コア５１に流れると共に、永久磁石
２３．３３の磁束がコア５１に対して流れる方向と、同
一の方向となるように、スイッチング手段７を介して、
界磁巻線１４に電流を流す。つまり、スイッチング手段
７のトランジスタ７２．７３をオフさせ、トランジスタ
７１．７４をオンさせる。

そして、固定子巻線５２には、第２、第３の回転子２．
３の永久磁石２３．３３による磁束と、第１の回転子１
の界磁巻線１４による磁束とが加えられることで、大き
な磁束が影響することになる。

また、スイッチング手段７は、バッテリが所定電圧にな
るように、界磁巻線１４に流れる電流を制御する。

つまり、界磁巻線１４には、第２、第３の回転子２．３
の永久磁石２３．３３の磁束以上に磁束を必要とする際
に、上記永久磁石２３．３３の磁束と同方向の磁束が流
れるように、界磁巻線１４に電流を流すものである。

次に、負荷が少なく、第２、第３の回転子２．３の永久
磁石２３．３３の磁束で、発電機の出力が十分足りる場
合には、バッテリが過充電もしくは、発電機がエンジン
の負荷とならないためにも、第１の回転子１の界磁巻線
１４には、永久磁石２３．３３のコア５１への磁束方向
と反対方向の磁束を流すべく、界磁電流を、上述に対し
て反転させる。つまり、スイッチング手段７のトランジ
スタ７１，７４をオフさせて、トランジスタ７２．７３
をオンさせる。

従って、永久磁石２３．３３から発生する所定の磁束を
、第１の回転子１の界磁巻線１４にて発生ずる磁束で打
ち消すものである。また、バッテリ電圧を所定値に制御
するように、スイッチング手段７にて、界磁巻線１４に
流す電流を制御することで、負荷が小さい程、バッテリ
ー・の充電量は少なくてよいため、界磁巻線１４に流す
電流を大きくして、永久磁石２３．３３の磁束を大きく
打ち消すようにしている。

上述の如く、永久磁石２３．３３の発生磁束総量を打ち
消しうる逆磁束発生能力を有する第１の回転子１でなけ
ればならないから、設計の理としてこれら両種の界磁子
の磁束発生能力はほぼ等しく選ぶ必要があり、かつ空隙
磁束密度の値が一般に８ＫＧａｕｓｓ程度の一定普遍上
限値となる電機設計原理とから、（第１、第２の爪部１
２ａ、１３ａの面積）−（第３、第４の爪部２１ａ、２
２ａの面積）＋（第５、第６の爪部３１ａ、３２ａの面
積）と設定しているのである。

次に、第２回で説明した爪部のわずかなずれについて、
作用説明する。発を機に限らず、回転電機を運転すると
電磁騒音が発生ずることは周知の通りであり、その起振
源の１つに固定子鉄心と回転子の磁極の互いに対向上る
位置に関する磁気抵抗むらによるものが存在することも
周知の通りである。この磁気抵抗むらによって、インダ
クタンスエネルギーの脈動が生じひいては固定子と回転
子間の平均トルクに重畳してこれを脈動させるトルクを
生ずる。これを、第３図に示すスロットリップルトルク
（又はデイテントトルク等称する）と称し、電磁騒音の
起振源として支配的な成分であることも周知の通りであ
る。本案は、かかるトルクむらをなくすために、電機子
鉄心の前記（図示はないが）歯、又はスロットに対し回
転子の磁極を相互にずらして上述磁気抵抗むら（スロッ
トリップルトルク）が、回転子を回転するときに最小で
あるようにするものである。一般にそのずらす巾として
は、スロットリップル波長λに対してλ／２に選べば互
いに山、谷が相殺してスロットリップルは最小となる。

通常、発電機の実車両使用時の発電が全負荷状態は少な
く、半負荷程度の状態が多いことに鑑みて、この時、磁
化されているべき永久磁石磁極２３．３３とを互いにλ
／２ずらしている。負荷がさらに要求されると、或はほ
とんど要求されない場合には、いずれにしても、第１の
回転子１の爪部１２ａ、１３ａが磁化されるわけである
が、この時いずれにしても、第２、第３の回転子の爪部
２１ａ、２２ａ、３１ａ、３２ａとのスロットリップル
の重畳が少なくなるようにするためには、第１の爪部１
２ａは、第４の爪部２２ａと第５の爪部３１ａとの間に
位置されるべきである。

以上の構成によって励磁電流調整により発電電力が調整
可能となる。２箇所の界磁に各々長い磁路をもった重量
大なる鉄心に重量的に大なる銅巻線を施しそれぞれに励
磁電流を与えねばならないものが永久磁石化により磁路
と励磁部ともに簡素化して軽量となり、また回転子での
発熱量、電力消費もおさえられ冷却手段も簡素でよくな
り、ひいては小型軽量低コストなる発電機の回転子を提
供可能となることはいうまでもない。

第６図および第７図は発電機の第２実施例であり、第２
、第３の回転子２．３の代わりに、第４の回転子８を示
している。

この第４の回転子８は、第１の回転子ｌの第２の爪状磁
極１３の端面に固定された継鉄円筒部８１と、第７図に
示す如く、この円筒部８１の外周に一体形成され、等間
隔に配置された６個の台形形状の突出部８２と、これら
突出部８２間に固定された６個の台形形状の永久磁石８
３とから構成される。そして、突出部８２と永久磁石８
３とは、第１の回転子１の第１、第２の爪部１２ａ、１
３ａの配置と同様に、交互に配置されている。

また、リング状の非磁性材のバンド８４は、永久磁石８
３の外周に設けられ、永久磁石８３の径方向外周側への
飛散を防止するものである。

そして、第４の回転子８の突出部８２は、第１実施例と
同様に、第１の回転子１の第１の爪部１２ａとλ／２ず
れている。

また、円筒部８１の内周側には、空間が形成されること
で、この空間内で、かつシャフト４上に固定された樹脂
成形の遠心、軸流混合ファン８５を設けることができる
。シャフト４に固定されたファン８５は、第４の回転子
８の端面に突出しており、界磁巻線１４、固定子巻線５
２を冷却することができる。

第８図および第９図は発電機の第３実施例であり、第５
の回転子９は、複数個の長方体の永久磁石９１と、これ
ら永久磁石９１間に配置され、シャフト４側に先細りと
なる冷鍛成形軟鋼製磁極片９２とからなる。そして、磁
石９１と磁極片９２とを組み合わせることで、円筒形状
に構成される。

９３はプレス絞り成形された非磁性体の金属板であり、
シャフト４上に固定される筒部９３ａと、永久磁石９１
と磁極片９２との端面に配置された１対の円盤部９３ｂ
とからなる。また、この円盤部９３ｂには、第４図に示
す如く、永久磁石９１の軸方向端面に形成された突部９
１ａが保合する孔部９３ｃが設けられている。

そして、永久磁石９１の突部９１ａが金属板９３の円盤
部９３ｂの孔部９３ｃに係合することで、永久磁石９１
の径方向外周側への飛散を防止することができる。

また、金属板９３０円盤部９３ｂと、磁極片９２の端面
とをプレス溶接して、磁極片９２を金属板９３に固定し
ている。

さらに、所定間隔σ（δは必要磁気力、工作精度等より
適宜決定される）をおいて、シャフト４に対して回転自
在に固定された磁性体部１０ａを有する冷却ファン１０
が配設されている。該ファン１０は第５の回転子９の磁
石９１の漏洩磁束を受けて、磁気力で追随回転するが、
回転速度が高まると、ファン羽根の風圧力とつり合って
所定回転以上は追随しない構成となっている。すなわち
、羽根にむやみに大きな遠心力がかからぬため、ファン
は思いきって大きく設計でき、冷却効果を格段に高める
ことができ、もっと発電機の小型化が容易に実現できる
礎となる効果を奏すること止なる。

以上の構成においては、永久磁石を有する回転子と界磁
巻線を有する回転子とをシャフトに対ｊ７て前、後どち
らに配するべきかについて言及していないが、双方の昇
温が極力おさえられるような配置におくべきことは言う
までもない。例えばレクチファイヤ配置側又はエンジン
被熱大側は−Ｃに温度が高いため、永久磁石を有する回
転子はこれと反対側に設けるのが好適である。

次に、第１０図および第１１図に基づいて、本発明発電
装置の第４実施例を示す。

第５の回転子１００は、エンジンにより駆動されるシ＋
フｌ−１０１、このシャフト１０１の外周に設けられた
磁極１０２、界磁巻線１０３および永久磁石１０４とか
らなる。磁極１０２は、径方向外周側で、かつ等間隔に
設けられた突出部１０２ａと、この突出部１０２ａの先
端で、かつ周方向側に設けられたフランジ部１０２ｂと
が形成される。

また、界磁巻ｌｌＡｌＯ３は、隣接する突出部１゜２ａ
間に、それぞれ、界磁巻線１０３に流れる電流の方向が
交互に異なるように巻かれている。

さらに、円弧形状の永久磁石１０４は、１磁巻線１０３
の外周側に配置されると共に、隣接する磁石が周方向端
面が同一の極性となるようにしている。

電機子１１０は、上記第１実施例と同様に、回転子１０
０の外周に対向しており、これに３相Ｙ結線の巻線を施
しており、このｔ機子巻線ｌエエの交流出力は、整流器
１２０に結線されている。

整流器１２０は、三相全波整流器をなしており、正極側
放熱フィン１２１と負極側放熱フィン１２２とを有し、
該負極側放熱フィン１２２は図示しない発電機ハウジン
グに接して良好な放熱性を有している。そして、上記負
極側放熱フィン１２２には、ツェナーダイオード１３１
．１３２．１３３．１３４が固設され、これらは各々、
ノ＼ツテリー電圧の最大値１５．３　Ｖ及び出力ワイヤ
ノ＼−ネスドロップ０．５　Ｖに対１７約１６Ｖに選ば
れている。

上記正極側放熱フィン１２１には、アバランシェ型では
あるが車両用としては通常用いられてきたダイオード１
３５．１３６．１３７を固設し、これらのツェナー電圧
（降伏電圧）は約３００■となっている。車両の負荷１
４０の需要が減ると、発電機出力電圧は上昇するので、
界磁を弱める必要があり、従来、周知の電圧制御装置に
より、界磁巻線１０３の電流を減らすこととなる。極度
に負荷需要が減ると、界磁巻線１０３のｉｌ流をＯＦＦ
にしても、永久磁石１０４の起磁力により、発電機電圧
はバッテリ１５０の適正充電電圧（例えば１５．３Ｖ）
より高く、過充電を招く恐れがあるが、本構成では負極
側ツェナーダイオード１３１．１３２．１３３により１
６Ｖにて電圧カットされる。ダイオード１３５．１３６
．１３７は順方向電圧降下が約０．８■であり、そして
、出力電圧は１６　Ｖ−０，８Ｖ　＝　１５．２　Ｖと
なって適正電圧となる。

この作動により、ツェナーダイオード１３１．１３２．
１３３には短絡電流が流れ損失が発生するが、負極側フ
ィン１２２は図示しないハウジングに放熱性を良好にし
ているから、過度の昇温を招くことはない。

以上のように、永久磁石１０４の出力により、バッテリ
１５０の過充電を招くことはないので、逆に、永久磁石
１０４の比率を高められ、すなわち巻線電磁石の比率は
低められ、小型軽量廉価なる発電機の提供が可能となる
。

尚、ツェナーダイオード１３１．１３２．１３３．１３
４の短絡電流の負担について述べる。ずなわち、ダイオ
ード１３５．１３６．１３７の順方向電圧降下の存在に
より、１３１．１３２．１３３は１３４よりも降伏が早
く、発電機の永久磁石による出力を、ツェナーダイオー
ド１３４単独で受けて短絡するような不都合な動作は生
じない。

以上の効果の他、発電機出力端の転流スパイク電圧を吸
収するツェナーダイオード１３４は整流用ツェナーダイ
オード１３１．１３２．１３３と同じ素子でよいため、
製造上同一放熱フィン１２２に同じ素子を４つならべる
ことですみ製造コストも少なくてすむというメリットも
生じる。

なお、第１実施例ないし第４実施例に永久磁石を用いた
種々の第２、第３、第４および第５の回転子２．３．８
．１００を示したが、これら永久磁石および磁極の配置
に限定されることはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明発電装置の第１実施例の要部を示す断面
図、第２図は第１実施例の回転子の要部を示す平面図、
第３図は回転角に対するトルクむらを示す特性図、第４
図は第１実施例における電気回路図、第５図は制御装置
への入力波形を示す入力信号、第６図は本発明発電装置
の第２実施例の要部を示す断面図、第７図は第２実施例
の回転子の要部を示す正面図、第８図は本発明発電装置
の第３実施例の要部を示す断面図、第９図は第３実施例
の回転子の要部を示す正面図、第１０図は本発明発電装
置の第４実施例の要部を示す電気回路図、第１１図は第
４実施例における回転子を示す断面図である。１．２．３・・・第１ないし第３の回転子、１１・・・
ボス部、１２．１３・・・第１、第２の爪状磁極、１４
・・・界磁巻線、２１．２２・・・第３、第４の爪状磁
極、３１．３２・・・第５、第６の爪状磁極、２３・・
・第１の磁石、３３・・・第２の磁石、５・・・固定子
、５２・・・固定子巻線、７・・・スインチング手段、
１３１〜１３４・・・ツェナーダイオード。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）界磁巻線、永久磁石および、電流を流すことで前
記界磁巻線に発生する磁束および前記永久磁石の磁束を
流す磁極とを有する回転子と、この回転子に対向し、配置され、前記回転子の回転によ
り磁束が作用することで、出力を発生する電機子巻線を
有する固定子と、前記回転子の永久磁石の磁束により、前記固定子の電機
子巻線に発生する出力を抑制する抑制手段と、を備えた発電装置。
（２）前記抑制手段は、前記永久磁石の磁束が前記電機
子巻線に作用する方向と逆方向の磁束が前記電機子巻線
に作用するように前記界磁巻線に電流を流すようにした
ことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
（３）前記抑制手段は、前記電機子巻線に接続され、こ
の巻線に発生する出力が所定値以上の時に導通するツェ
ナーダイオードである請求項１記載の発電装置。
（４）界磁巻線が巻かれた磁極と、永久磁石が設けられ
た磁極とを有する回転子と、この回転子の外周に配置され、前記界磁巻線により発生
する磁束および永久磁石の磁束が作用することで、出力
を発生する電機子巻線を有する固定子と、前記永久磁石
により発生する磁束が作用し、前記電機子巻線に発生す
る出力以上に、出力が必要な時に、前記界磁巻線により
発生する磁束が、前記永久磁石の磁束と同方向となるよ
うに、前記界磁巻線に電流を流すと共に、前記出力以下
の出力を必要な時は、前記界磁巻線に流れる電流を逆方
向とする制御部と、を備えた発電装置。