JP2946604B2

JP2946604B2 - 交流発電機

Info

Publication number: JP2946604B2
Application number: JP2045270A
Authority: JP
Inventors: 草瀬　　新
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1990-02-26
Filing date: 1990-02-26
Publication date: 1999-09-06
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: JPH03251067A; US5132581A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、自動車等に用いられる発電機に関し、特に
複数の爪型磁極部を回転子として有する交流発電機に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来、特開昭61−85045号公報に示す如く、複数の爪
型磁極部間に、永久磁石を挿入し、磁極部間に発生する
漏洩磁束を、永久磁石の磁力で反発させて、上記漏洩磁
束を減少させるものがある。すなわち、界磁巻線で発生
した磁束は、確実に固定子側に向かうことになり、固定
子に作用する有効磁束を増して発電出力を増大させるも
のである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来のものでは、永久磁石という重量物を付
加していながら、磁極部間の漏れを防止しているのみで
あり、重量あたりの出力の改善の観点でながめてみる
と、その効果は非常に少ないという問題点がある。

そこで本発明は、界磁巻線に加えて永久磁石を利用し
て交流発電機の出力を増加させることを目的とする。

また本発明は、回転子に界磁巻線の磁束と永久磁束の
磁束との両方を供給して交流発電機の出力を増加させる
ことを目的とする。

また本発明は、漏洩磁束の低減によるものを上回る出
力の増加を永久磁石により実現することを目的とする。

また本発明は、磁極部間の漏洩磁束を永久磁石によっ
て低減し出力の向上を図るとともに、界磁巻線の同様に
磁束を供給する永久磁石を設けることで、漏洩磁束の低
減とさらなる出力の増加を図ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕上記目的を達成するために請求項１記載の本発明で
は、ボス部と、このボス部の両端から外周方向に拡がっ
てのびる突出部と、この突出部外周より軸方向に延びる
複数の爪状磁極部とを有し、エンジンにより回転駆動さ
れる回転子と、前記回転子の復複数の前記爪状磁極部と
対向して配置された固定子と、前記回転子の前記ボス部
の外周に配置され前記回転子の複数の前記爪状磁極部に
磁束を供給する界磁巻線と、前記界磁巻線に電流を流し
た際に複数の前記爪状磁極部に流れる磁束の向きと同じ
方向の磁束を、前記回転子の軸方向端面から前記爪状磁
極部に流すように配置された永久磁石とを備えたことを
特徴とする交流発電機という技術的手段が採用される。

なお、永久磁石は、板状であって、回転子の突出部の
軸方向端面に設けられている構成を採用することができ
る。また、永久磁石は複数の永久磁石で構成することも
でき、例えば後述する実施例の第２、第３の永久磁石2
5、26とすることができる。

また、永久磁石の軸方向端面には、永久磁石の磁束を
流す継鉄板が設けられている構成を採用してもよい。

また、回転子の突出部の断面積は外周側に従って、大
きくなっている構成を採用してもよい。

また、回転子の磁極間に設けられた永久磁石を備える
構成を採用してもよい。例えば、後述する実施例の第１
の永久磁石24を設けることができる。

上記目的を達成するために請求項６記載の本発明で
は、複数の磁極部を有し、エンジンにより回転駆動され
る回転子と、前記回転子の磁極部と対向して配置された
固定子とを有する交流発電機において、前記回転子の前
記磁極部に磁束を供給する界磁巻線（23）と、前記回転
子の前記磁極部間に配置され、前記磁極部間の漏洩磁束
と対向する方向に配置された磁極部間永久磁石（24）
と、前記界磁巻線に電流を流した際に前記磁極部に流れ
る磁束の向きと同じ方向に磁束を流すように配置された
他の永久磁石（25、26）とを備えることを特徴とする交流発電機という技術的手段
を採用する。

なお、前記回転子は、回転方向に沿って配置された複
数のＮ極磁極部（223）と、前記Ｎ極磁極部と回転方向
に沿って交互に配置された複数のＳ極磁極部（213）
と、複数の前記Ｎ極磁極部が共通に接続されたＮ極突出
部（222）と、複数の前記Ｓ極磁極部が共通に接続され
たＳ極突出部（212）とを備え、前記他の永久磁石は、
互いに極性の異なる前記磁極部と前記突出部との間に配
置されているという技術的手段を採用してもよい。

また、前記回転子は、同じ極性の複数の前記磁極部の
先端に接続される継鉄部（27、28）を備え、前記他の永
久磁石は、前記継鉄部と前記突出部との間に配置されて
いるという技術的手段を採用してもよい。

〔作用および発明の効果〕

請求項１記載の発明によると、回転子の軸方向端面か
ら爪状磁極に磁束を流すように配置された永久磁石を備
えており、この永久磁石の磁束を界磁巻線に発生する磁
束に加えることで多くの磁束を回転子から固定子に流す
ことが可能となる。このため、出力を増加させることが
できる。また、永久磁石が回転子の軸方向端面から磁束
を供給するため、界磁巻線をボス部外周に配置した構成
において、ボス部の外形を小さくすることができ、交流
発電機としての体格を小型化できる。また、界磁巻線と
磁極部との間の空間を大きくして界磁巻線の冷却を行う
こともできる。

請求項６記載の発明によると、回転子の磁極部間に永
久磁石を配置しているので、界磁巻線から供給される磁
束の漏洩が低減され有効磁束が増加して出力を増加させ
ることができる。しかも、界磁巻線が発生する磁束に加
えるように他の永久磁石から磁極部に磁束が供給される
ため、漏洩磁束の低減に加えて界磁巻線による出力を上
回る出力を得ることができる。

〔実施例〕

第１図は、車両用交流発電機の固定子１と回転子２の
断面を示す。固定子１は、厚さ略0.6mm程度の冷却低炭
素鋼板を後述する回転子磁極数12極に対応させて、36個
のスロット111、歯部112および背部113を形成して打抜
き積層した鉄心11と、スロット111に絶縁して、巻装さ
れた３相電機子巻線12とからなる。回転子２は極数12の
対向爪型磁極回転子であって、低炭素鋼鋼塊にて形成さ
れた１対の爪型磁極21,22からなる。この爪型磁極21,22
は、回転軸３の外周に配置される円柱状のボス部211,22
1と、このボス部211,221より外周に拡がってのびる突出
部をなす板状のディスク部212,222と、このディスク部2
12,222の外周側より、それぞれのボス部211,221側にの
び、かつ等間隔に設けられた６本の爪状の磁極部213,22
3とから構成される。

図示しないエンジンの回転をベルトを介して伝えられ
る回転軸３の外周には、ローレット部31が形成され、こ
のローレット部31に、１対の爪型磁極21,22はボス部21
1,221を双方対向させて、圧入し、回転軸３上に固定さ
れている。その際、１対の爪型磁極21,22の磁極部213,2
23は、交互に等間隔に配置されている。そして、この爪
状の磁極部213,223の外周には、円周方向にのびるつば
部214,224が、また、この磁極部213,223の軸方向両端に
は、第１図に示す如く、ディスク部212,222の端面より
も突出した第1,第２の突出部215,216,225,226が、それ
ぞれ一体形成されている。

そして、１対の爪型磁極21,22のボス部211,221の外周
には、界磁巻線23が巻回されている。この界磁巻線23の
両端は、外部の電源よりブラシを介して、電流が供給さ
れるように、図示しない整流子に接続されている。

第２図および第３図に示す如く、磁極部213,223は、
断面が略矩形状であり、隣接する磁極部213,223間に
は、矩形板状の異方性フェライト系の第１の永久磁石24
が挿入され、接着材にて固定されている。また、第１の
永久磁石24は、第２図に示す如く、同方向に着磁され、
隣接する磁石24は、互いに対向する面が同じ極性となる
ように配置されている。さらに、第１の永久磁石24は、
つば部214,224の内周側に位置することで、回転子２の
回転により、第１の永久磁石24が外周に飛び出てしまう
ことを確実に防止するものである。

２つのドーナツ状の第２、第３の永久磁石25,26は、
厚み方向に着磁して、ディスク部212,222の端面に抵抗
溶接されている。その際、第２の永久磁石25の外周面
は、それぞれ第1,第２の突出部215,216,225,226の内周
面に設けられている。そして、第2,第３の永久磁石25,2
6は、ディスク部212,222のＮ極,S極に対し、同極対向す
る向きに着磁され、配置されている。

第2,第３の永久磁石25,26の外周には、第1,第２の軟
鋼製継鉄板27,28が配置されている。この継鉄板27,28
は、第２の永久磁石25と同一の大きさである円盤部271,
281と、この円盤部271,281より外周に拡がり、第1,第２
の突出部215,216,225,226の端面に当接する６つの突部2
72,282とから構成される。また、円盤部271,281と突部2
72,282との間には、磁路面積が小さくなる狭窄部273,28
3が形成されている。そして、第１の継鉄板27の突部272
は、第２の磁極22の爪状の磁極部223の第１の突出部225
の端面に、また、第２の継鉄板28の突部282は、第１の
磁極21の爪状の磁極部213の第２の突出部216の端面にそ
れぞれ溶接され、固定されている。

フロントファン41およびリアファン42は、第1,第２の
継鉄板27、28の端面にそれぞれ配置され、第１の磁極21
の爪状の磁極部213の第２の突出部216の端面および第２
の磁極22の爪状の磁極部223の第１の突出部225の端面
に、溶接され、固定されている。また、これらファン4
1,42は、３相電機子巻線12を冷却するものである。

上記構成において、界磁回路について説明する。ま
ず、界磁巻線23に電流を流すことで、第１の爪型磁極21
のディスク部212,磁極部213,鉄心11,第２の爪型磁極22
の磁極部223,ディスク部222,ボス部221、および第１の
爪型磁極21のボス部211を介して、ディスク部212に流れ
る第１の界磁回路を形成する。

この界磁回路は、１極当たりの鉄心の磁路断面積が固
定子１の磁路断面積に対して約６割になっている。具体
的には、１磁極に対向すべき鉄心11の歯部112の３本分
の断面積、又は背部113の断面積の２倍（１磁極分に相
当する断面積）に対して、爪型磁極21,22のボス部211,2
21の断面積を磁極数で割算したもの（すなわち１磁極分
に相当する断面積）は約６割となっている。車両用交流
発電機については、ランデル型爪状磁極を使用すること
がほとんどであるが、その場合爪状磁極部213,223間の
漏洩も多く、全発生磁束のうち約３〜４割も漏洩磁束が
生ずる。それ故に、設計の必然として、鉄心11の磁路断
面積においてその最小部分の1.4倍程度以上にボス部21
1,221の断面積を大きく構成することとなる。次に、前
記ディスク部212,222については、上記ボス部211,221に
つながる根元部における磁路断面積は、ボス部211,221
と断面積と略等しいが、固定子１側に近づくにつれ、第
１図に示す如く、序々に磁路断面積を増している。すな
わち、ディスク部212,222は、テーパ状となり、肉厚を
増す形状となっている。この肉厚を増す部分は、第2,第
３の永久磁石25,26を装着したディスク部212,222に位置
している。

そして、界磁巻線23は、巻数が333回で定格運転時、
通電電流が約3.3Aとなるように設定しており、励磁起磁
力（F_e）としてFe＝333×3.3≒1100アンペアターンを与
えられるように設定している。

次に、第１の磁石24の磁束は、第２の爪型磁極22の磁
極部223,空隙5,鉄心11,空隙５、および第１の爪型磁極2
1の磁極部213を介して、第１の磁石24に戻る第２の磁気
回路を形成する。

また、第２の磁石25の磁束は、第１の継鉄板27,第２
の爪型磁極22の磁極部223,空隙5,鉄心11,空隙5,第１の
爪型磁極21の磁極部213およびディスク部223を介して、
第２の磁石25に戻る第３の磁気回路を形成する。さら
に、第３の磁石26の磁束は、第２の爪型磁極22のディス
ク部222,磁極部223,空隙5,鉄心11,空隙5,第１の爪型磁
極21の磁極部213および第２の継鉄板28を介して、第３
の磁石26に戻る第４の磁気回路を形成する。次に、第２
ないし第４の界磁回路において、第１ないし第３の永久
磁石は24,25,26フェライト系異方性磁石であり、着磁必
要方向に磁化特性良好軸を一致させている。それぞれの
永久磁石の板厚および材質、着磁特性は略同一に設定し
ており、１磁極あたりについて、各々の第２、第３、第
４の界磁回路をみるときの内部起磁力（F_mo）は、各々
第２ないし第４の界磁回路について動作時略等しくF_mo
＝1200アンペアターンとなるようにしている。

次に動作時、電機子に負荷電流が流れることによって
電機子反作用が生じるが、この直軸反作用分をF_rdとす
るとき、定格出力時F_rd＝800アンペアターン程度になる
設計となっている。

次に、第２ないし第４の永久磁石界磁回路の磁気抵抗
については第６図に示すところの１極あたりの等価回路
に描くときの、合成磁気抵抗をR_mとし、一方、空隙５を
含む固定子側磁路の磁気抵抗をR_sとすると、略R_m≒R_sと
なるように設計している。

次に、車両用交流発電機としての発電の基本動作は周
知であるので、省略し、以下特有の作用・効果について
説明する。

界磁巻線23の通電により、第１の界磁磁気回路から発
生する磁束は、第１ないし第３の磁石24,25,26により、
第２ないし第４の磁気回路から発生する磁束と加わり合
って、固定子１の鉄心11へ供給される。従って、固定子
１の鉄心11への磁束は、第２ないし第４の磁界回路の磁
束が加算されるため、界磁巻線23の磁束（第１の磁界回
路）は少なくて済むことから、第1,第２の磁極21,22の
ボス部211,221の断面積は固定子１の鉄心11の断面積よ
りも小さくできる。そのために、界磁巻線23は平均巻回
径が縮小するので、同一抵抗値に設定する場合（すなわ
ち印加電圧は同一の発電機出力電圧ゆえ同一励磁電流を
通じるように設定する場合）より多くの巻数を稼ぐこと
ができる。すなわち円柱状ボス部211,221の径を縮小す
ると、巻線巻装外径は、同一励磁アンペアターンを与え
る設計にしようとするとボス径縮小量以上に縮小する効
果を生む。

また、巻線23の巻線外径が小さくできるので、これに
伴ない、爪状磁極部213,223も巻線23側に小さくでき、
回転子２全体の小径化を計ることができる。

さらに、ボス部211,221の外径を小さくすることがで
きるので、界磁巻線23の外周と、爪状磁極部213,223を
小型化しないとすれば、この磁極部213,223の内周面と
の間の距離が大きくとれるため、界磁巻線23の冷却を行
なうことができる。

第2,第３の永久磁石25,26は、冷却ファン41,43に近
く、このファンを通して冷却され、かつ界磁巻線23によ
る発熱に対し、遠く配置されており、また、第１の永久
磁石24は比較的熱放散のよい回転子２の外周面に近いた
めに、第１ないし第３の磁石24,25,26は、昇温すること
が少ないので、発電機自体の、又は運転雰囲気気温の上
昇による出力低下の悪影響を受けることが少ない。

第2,第３の磁石25,26は、爪部213,223の第1,第２の突
出部215,216,225,226の内周側に装着しているので、第
1,第２の継鉄板27,28は第３図に示すごとく、単純な板
形状で済むこととなる。

さらに、これら第1,第２の継鉄板27,28には、狭窄部2
73,283を設けて、通過磁束の最大値を飽和制限する構造
をとっているので、界磁巻線23に電流を与えないとき、
すなわち軽電気負荷使用時に無用の過大な磁束を固定子
１が受けて、過電圧が発生することを抑制する作用を奏
している。

次に、永久磁石の内部起磁力（F_mo）と、励磁巻線起
磁力（F_e）と、直軸電機子反作用起磁力（F_rd）と、１
対の異なる磁極間に対向する固定子１と空隙５を合せた
磁気抵抗（R_s）と、上記永久磁石磁気回路の１極分につ
いてみた合成磁気抵抗（R_m）とについて、F_mo＝1200ア
ンペアターン、F_rd＝800アンペアターン、R_m≠R_sおよび
F_e＝1100アンペアターンにそれぞれ設定していることに
ついての作用効果を説明する。

まず、第６図に、回転子２の、１極対あたりの、電機
子を含む等価磁気回路を示す。この図において、点Ｎと
点Ｓ間について次の関係式が成立つ。但し爪状磁極面間
の起磁力差をF_aとしている。また簡単のため、R_mはほぼ
線形にみなせるものとする。

この関係式のもとに発電機の動作を磁束−F_a座標平面
に表わすと、第７図のようになることを見い出した。

まず、曲線L₁は磁極間起磁力に対する電機子側磁路に
通過する磁束の関係線図を、電機子直軸反作用F_rd分平
行移動したものであり、l₂,l₂′はランデル型界磁回路
の磁束−起磁力の関係線図を、励磁巻線のアンペアター
ンF_e又はF_e′分だけ平行移動して−F_aスケールに反転し
たものである。またl₁は前記永久磁石界磁回路につい
て、起磁力F_aと発生磁束の関係線図である。L₂,L₂′は
上述l₁とl₂又はl₁とl₂′を足し合せたものであり、回転
子全体から電機子側へ向かう磁束とF_aの関係線図であ
る。以上の線図から、上述の如く動作点はL₁線とL₂又は
L₁線とL₂′線の交点Ｐとして与えられることは明らかで
ある。

ここで交点Ｐ、Ｐ′について第７図を参照、吟味する
と、点Ｐの動作においては永久磁石のもてる磁束発生能
力線であるl₁線より下にあるのでこのときの動作は、本
来電子機へ向うべき磁束の一部がランデル型界磁鉄心側
へ回路している状態であることが理解される。一方点
Ｐ′については、上述とは逆に、本来永久磁石磁気回路
で発生する磁束に対し、ランデル型界磁鉄心からの磁束
が加わっている状態と理解される。本案のねらいは永久
磁石と電磁石界磁回路とを双方から磁束を相加わらせて
発生させて、構成材料の利用率を高め、重量あたりの出
力の向上又は小型コンパクトかつ低コストの発電機を目
指すものである。この観点より上述点ＰとＰ′について
いいあらわせばＰ′点の如くなる条件で発電機を運転す
ればよいことを見出した。すなわち、該線図よりその加
わり合う条件を求めるととなる。すなわち、この関係式で定められる大きさの励
磁巻線アンペアターンF_eを与えれば、磁束が加わり合う
ことになる。

この考えに立てば、F_eは大きければ大きいほどよいよ
うに考えられるが、大きすぎると磁石自体の不可逆減磁
が生ずることは言うまでもない。減磁が発生するかどう
かは、減磁曲線の屈曲点位置・形状が関わり合ってくる
が少なくとも前記内部起磁力F_moをこえる励磁起磁力を
与えると通常の磁石は不可逆減磁を生ずることはほぼ間
違いないことが知られている。以上の知見・考察に鑑み
て、励磁巻線の起磁力F_eは次の条件で与えるべきである
ことを知った。

以上の説明内容と、その帰結である式（ロ）を参照し
つつ前述の「構成（イ）」をあてはめてみると、であり、また一方F_e＝1100アンペアターンであるため、
式（ロ）の磁束加わえ合せ条件を満足しており、本案ね
らいの効果を発揮した動作をすることが理解される。

以上の構成とその作用説明に加え、以下本実施例を実
際に適用して得た実験例を示す。

12V100Aクラス、重量4.9kgの車両用交流発電機におい
て本案構成を適用した結果、12V156A、重量5.1kgとなる
結果を得た。すなわち重量あたり出力w/kg値で比較する
と245w/kgが367w/kgと、従来類をみないほどの飛躍的な
向上を確認した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明交流発電機の要部を示す断面図、第２図
は第１図のII−II線に沿った一部を示す断面図、第３図
は第１図における回転子の要部を示す斜視図、第４図は
第１図にファンを取り付けた状態の要部を示す断面図、
第５図は第４図の要部を示す斜視図、第６図は本発明交
流発電機の等価磁気回路、第７図は爪状磁極部間の起磁
力差F_aに対する磁束を示す特性図である。１……固定子,11……鉄心,12……電機子巻線,2……回転
子,21,22……爪型磁極,211,221……ボス部,212,222……
突出部をなすディスク部,213,223……磁極部,23……界
磁巻線,24……第１の永久磁石,25,26……第２、第３の
永久磁石,27,28……第１、第２の継鉄板,3……回転軸,4
1,42……ファン。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ボス部と、このボス部の両端から外周方向
に拡がってのびる突出部と、この突出部外周より軸方向
に延びる複数の爪状磁極部とを有し、エンジンにより回
転駆動される回転子と、前記回転子の複数の前記爪状磁極部と対向して配置され
た固定子と、前記回転子の前記ボス部の外周に配置され前記回転子の
複数の前記爪状磁極部に磁束を供給する界磁巻線と、前記界磁巻線に電流を流した際に複数の前記爪状磁極部
に流れる磁束の向きと同じ方向の磁束を、前記回転子の
軸方向端面から前記爪状磁極に流すように配置された永
久磁石とを備えたことを特徴とする交流発電機。
【請求項２】前記永久磁石は、板状であって、前記回転
子の前記突出部の軸方向端面に設けられていることを特
徴とする請求項１記載の交流発電機。
【請求項３】前記永久磁石の軸方向端面には、前記永久
磁石の磁束を流す継鉄板が設けられていることを特徴と
する請求項２記載の交流発電機。
【請求項４】前記回転子の前記突出部の断面積は外周側
に従って、大きくなっていることを特徴とする請求項１
から３のいずれかに記載の交流発電機。
【請求項５】前記回転子の磁極間に設けられた永久磁石
を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに
記載の交流発電機。
【請求項６】複数の磁極部を有し、エンジンにより回転
駆動される回転子と、前記回転子の磁極部と対向して配
置された固定子とを有する交流発電機において、前記回転子の前記磁極部に磁束を供給する界磁巻線（2
3）と、前記回転子の前記磁極部間に配置され、前記磁極部間の
漏洩磁束と対向する方向に配置された磁極部間永久磁石
（24）と、前記界磁巻線に電流を流した際に前記磁極部に流れる磁
束の向きと同じ方向に磁束を流すように配置された他の
永久磁石（25、26）とを備えることを特徴とする交流発電機。
【請求項７】前記回転子は、回転方向に沿って配置され
た複数のＮ極磁極部（223）と、前記Ｎ極磁極部と回転
方向に沿って交互に配置された複数のＳ極磁極部（21
3）と、複数の前記Ｎ極磁極部が共通に接続されたＮ極
突出部（222）と、複数の前記Ｓ極磁極部が共通に接続
されたＳ極突出部（212）とを備え、前記他の永久磁石は、互いに極性の異なる前記磁極部と
前記突出部との間に配置されていることを特徴とする請
求項６記載の交流発電機。
【請求項８】前記回転子は、同じ極性の複数の前記磁極
部の先端に接続される継鉄部（27、28）を備え、前記他
の永久磁石は、前記継鉄部と前記突出部との間に配置さ
れていることを特徴とする請求項６記載の交流発電機。