JP3363682B2 - 磁石発電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、磁石発電機に関
し、例えば、オートバイ等の軽自動車のエンジンや汎用
エンジンに連携するものに利用して有効な技術に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】一般に、発電機がオートバイ等の軽自動
車のエンジンに連携される場合には、構造簡単にして所
望の出力が得られるため、磁石発電機が広く使用されて
いる。従来のこの種の磁石発電機は、発電子コイルが巻
装された固定子と、固定子の外側にて回転自在に支持さ
れた磁性材料からなるヨークに永久磁石が周方向に間隔
を置かれて同心円に配設されている回転子とを備えてお
り、回転子の永久磁石の回転によって発電子コイルにて
発電されているように構成されている。 【０００３】ところで、四輪自動車に搭載されているオ
ルタネータ等の界磁コイルを有する発電機においては、
界磁コイルに流れる界磁電流を制御することにより、回
転数や負荷の変動に対し出力電圧を一定に維持すること
ができる。これに対して、磁石発電機においては界磁が
永久磁石によって形成されるため界磁の制御が不可能で
ある。そこで、磁石発電機においては出力側に電圧調整
器を介設して発電コイルを短絡することにより、電圧を
一定に維持することが実施されている。 【０００４】しかしながら、従来の磁石発電機において
は、軽自動車側から要求される最大出力値に見合う能力
を有する磁石発電機が軽自動車に搭載された場合には、
磁石発電機の最大能力にて発電され、その最大電力のう
ち余分の電力が短絡制御される電圧調整器によって熱と
して廃棄されることになるため、発電効率が低下し、そ
の結果、エンジンの出力損失や燃費が低下といった問題
がある。 【０００５】ここで、特開平７−５９３１４号公報にお
いては、回転子に各永久磁石との間に磁性材料からなる
各制御磁極がそれぞれ介設され、固定子とヨーク底部と
の空間に界磁制御コイルが、それへの通電により発生す
る磁束が回転子のヨークおよび制御磁極を通る閉磁路を
形成するように配設されている磁石発電機が提案されて
いる。この磁石発電機によれば、界磁制御コイルに通電
する電流の方向と大きさとを制御することによって界磁
力を適正化して発電電力を調整することができる。すな
わち、強力な磁束が必要な磁石発電機と、磁束が弱くて
済む磁石発電機との間の異なる条件を、界磁制御コイル
への通電による磁力の増減制御によって所望に調整する
ことができる。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た磁石発電機においては、単に永久磁石と同じ極孤角の
制御磁極が介設されているに過ぎないため、界磁極を全
て永久磁石で構成したものよりも、同一の体格で比較し
て出力が若干低くなる問題点がある。そこで、界磁極を
全て永久磁石で構成したものと同一の体格で同等の出力
が得られる出力調整可能な磁石発電機の開発が望まれて
いる。 【０００７】本発明の目的は、回転子の界磁極を全て永
久磁石で構成したものと同等の体格で同等の出力が得ら
れる出力調整可能な磁石発電機を提供することにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明に係る磁石発電機
は、交互に配列された永久磁石の極弧角θｍと制御磁極
の極弧角θｐとを相異なる値に設定し、両者の極弧角に
対する永久磁石の極弧角θｍの比率を０．５５≦θｍ／
（θｍ＋θｐ）≦０．７としたことを特徴とする。 【０００９】前記した手段において、永久磁石の極弧角
θｍはバッテリーの充放電バランスを考慮して、エンジ
ンアイドリング回転時の磁石発電機の出力が等角（永久
磁石の極弧角θｍと制御磁極の極弧角θｐとが等しい角
度）の２０％アップとなる点を下限として設定し、その
設定におけるエンジン定格出力時の発電機出力と同等の
出力をエンジン定格出力時に得られる点を上限として設
定されているので、永久磁石の極弧角θｍと制御磁極の
極弧角θｐとが等しいときよりも発電出力を高めること
ができる。 【００１０】 【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態である
磁石発電機を示しており、（ａ）は一部省略正面図、
（ｂ）はその側面断面図である。図２は図１に示す磁石
発電機の極弧角別出力特性線図である。図３は磁石発電
機の極弧角と出力との関係を示す特性線図であり、
（ａ）はエンジンアイドリング回転数相当の１０００
（ｒｐｍ）時の特性線図、（ｂ）はエンジン定格出力回
転数相当の５０００（ｒｐｍ）時の特性線図である。図
４は極弧角と出力制御幅との関係を示す特性線図であ
る。図５は極弧角を変化させたときの静的有効磁束を示
す特性線図である。 【００１１】本実施形態において、本発明に係る磁石発
電機は、二輪車等の軽自動車に搭載するのに好適なもの
として構成されている。この磁石発電機３はエンジンの
エンジンケース（図示せず）に配されて固定される固定
子と、エンジンのクランク軸（図示せず）に連結される
回転子とを備えている。そして、磁石発電機はクランク
軸を介してエンジンに駆動されて発電し得るように構成
されている。 【００１２】この磁石発電機３の回転子４は発電機の界
磁子とエンジンのフライホイールとを兼ねるように構成
されている。回転子４は鉄等の磁性材料が用いられて有
底の短尺円筒形状に形成されているヨーク５と、このヨ
ーク５の底壁の内面に同心的に配されて一体的に突設さ
れている円筒形状のボス部材６とを備えている。ボス部
材６がクランク軸にテーパ結合されてボルト等の締結手
段（図示せず）によって締結されることにより、回転子
４はクランク軸に一体回転されるように固定されてい
る。 【００１３】ヨーク５の底部内周には樹脂等の非磁性材
料が用いられて形成された支持リング７が嵌入されて固
定されている。この支持リング７の上には界磁極を構成
するための永久磁石８と、鉄等の磁性材料（透磁率が大
きい材料）が用いられて形成された制御磁極９とが複数
個同数個宛、周方向において交互に配されて固定されて
いる。これらの永久磁石８と制御磁石９とは極孤角θｍ
とθｐとが互いに相異なる大きさの円弧形の直方体形状
に形成されており、永久磁石８の極孤角θｍおよび制御
磁極９の極弧角θｐは後述する所定の値を満足するよう
にそれぞれ設定されている。また、隣合う永久磁石８、
８同士は同極に配置されており、対極はその間の制御磁
極９によって形成されるようになっている。 【００１４】この磁石発電機３の電機子としての固定子
１１は鉄等の磁性材料が用いられて大略星形の短尺円盤
形状に形成されているコア１３を備えている。コア１３
はエンジンケースの外面にクランク軸と同心的に配され
て当接され、締結手段としてのボルト１２によって締結
されて固定されている。そして、エンジンケースに固定
された固定子１１の外側には回転子４が、その外周を取
り囲むように配された状態になっており、回転子４はク
ランク軸の駆動によって固定子１１の周囲を回転するよ
うになっている。 【００１５】コア１３は鉄等の磁性材料からなる薄板が
多数枚積層されて一体化されており、ドーナツ形状に形
成された本体１４を備えている。コア本体１４の外周に
は複数本の突極１５が放射状に突設されている。各突極
１５には発電子コイル１６が三相でかつデルタ結線また
はスター結線巻きにそれぞれ捲線されており、この発電
子コイル１６は整流器、電圧調整器を介してバッテリー
や負荷（いずれも図示せず）に接続されている。なお、
図１（ａ）においては、便宜上、発電子コイル１６の図
示が省略されている。 【００１６】コア本体１４におけるエンジンケースと反
対側の端面には、界磁磁束を制御するための界磁制御コ
イル１７が円筒形状に形成され、かつ、同心的に配され
てボルト１２によって固定されている。界磁制御コイル
１７の捲線方法は固定子１１および回転子４に対して同
心円になっている。したがって、界磁制御コイル１７の
磁束Ｆは、その大部分がコア１３の本体１４、制御磁極
９に対向する突極１５、回転子４の制御磁極９、ヨーク
５、ボス部材６およびコア１３を経由する閉磁路をそれ
ぞれ形成することになる。 【００１７】次に、永久磁石８の極孤角θｍおよび制御
磁極９の極孤角θｐの設定について詳細に説明する。制
御磁極を有し界磁制御コイルによって出力を調整する磁
石発電機の出力を永久磁石だけで界磁極が構成された磁
石発電機と同等の体格で増加させるために種々の研究を
したところ、永久磁石８の極孤角θｍおよび制御磁極９
の極孤角θｐと出力との間に以下の関係があることが本
発明者によって究明された。本発明はこの究明に基づい
て創作されたものである。 【００１８】永久磁石８の極弧角θｍと制御磁極９の極
弧角θｐとの比を種々に変えて、磁石発電機３の回転数
Ｎ（ｒｐｍ）と出力電流Ｉ（Ａ）との関係を測定したと
ころ、図２に示されている各出力特性曲線が得られた。
ここで、各出力特性曲線は磁石発電機３が５分間暖機運
転された後に、磁石発電機３を１４Ｖの一定電圧に保
ち、界磁制御コイル１７に直流電流が流されたときの特
性曲線をそれぞれ示している。図２において、特性曲線
Ａは「永久磁石８の極弧角θｍ：制御磁極９の極弧角θ
ｐ＝５０：５０」の場合を示し、以下、特性曲線Ｂは
「θｍ：θｐ＝５３：４７」、特性曲線Ｃは「θｍ：θ
ｐ＝５８：４２」、特性曲線Ｄは「θｍ：θｐ＝６２：
３８」、特性曲線Ｅは「θｍ：θｐ＝６７：３３」、特
性曲線Ｆは「θｍ：θｐ＝７１：２９」の場合をそれぞ
れ示している。 【００１９】図２によれば、界磁制御コイル１７に流す
電流Ｉｆとして、電流Ｉｆ＝−２Ａのときよりも電流Ｉ
ｆ＝０Ａとしたときの方が出力電流が高くなり、さら
に、電流Ｉｆ＝０Ａのときよりも、電流Ｉｆ＝＋２Ａと
したときの方が出力電流が高くなっていることが理解さ
れる。ここで、電流Ｉｆの正負符号は、発電機の有効磁
束を増加させる方向、すなわち、制御磁極９に永久磁石
８と異極を発生させる方向がプラスである。 【００２０】また、どの電流Ｉｆの値においても、低回
転数から高回転数の領域にわたって特性曲線Ａよりも他
の特性曲線、特に、特性曲線Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆが高い値を
示していることが理解される。すなわち、永久磁石８の
極弧角θｍと制御磁極９の極弧角θｐとを等しく設定す
るよりも、永久磁石８の極弧角θｍを制御磁極９の極弧
角θｐよりも大きくした方が出力電流が高くなることが
究明されたことになる。 【００２１】そこで、極孤角と出力との関係を究明した
ところ、図３（ａ）、（ｂ）の各特性曲線が得られた。
図３（ａ）によれば、磁石発電機３がアイドリング状態
（約１０００ｒｐｍ）で運転された場合に、永久磁石８
の極弧角θｍの比率を上げて行くにしたがって出力電流
が増加し、極弧角θｍが６０％を越えたところから出力
電流が飽和することが理解される。なお、電流Ｉｆは２
Ａ、電圧は１４Ｖである。 【００２２】また、図３（ｂ）によれば、磁石発電機３
が定格（５０００ｒｐｍ）で運転された場合には、永久
磁石８の極弧角θｍの比率を上げて行くにしたがって出
力電流Ｉが増加し、極弧角θｍが６２％付近でピークと
なり、極弧角θｍのそれ以上の増加にしたがって今度は
出力電流が低下することが理解される。 【００２３】次に、定格（５０００ｒｐｍ）出力時の出
力制御幅、すなわち、最大出力と最小出力との差を極弧
角θｍ毎に測定したところ、図４に示されている特性曲
線が得られた。 【００２４】図４によれば、最高出力という観点および
出力制御幅という観点から永久磁石８の極弧角θｍにつ
いて評価すると、極弧角θｍの値は６０％前後が最適で
あることが究明されたことになる。 【００２５】次に、永久磁石８の極弧角θｍを変化させ
たときの静的有効磁束を測定したところ、図５に示され
ている測定結果が得られた。 【００２６】図５によれば、有効磁束の値は永久磁石８
の極弧角θｍの値が６０〜７０％の間にピークを有する
ことが分かる。この理由は、永久磁石８と制御磁極９と
を隣接させると、永久磁石８の端部は制御磁極９により
磁気的に短絡され、永久磁石８の大きさが実質的に小さ
くなるためであると考えられる。つまり、この磁気的短
絡分を見込んで、永久磁石８の極弧角θｍの値を制御磁
極９の極孤角θｐの値よりも大きく設定する方が永久磁
石８の有効磁束に対する寄与率が大きくなる。 【００２７】さらに、制御磁極９は永久磁石８よりも飽
和磁束密度の値が高いので、制御磁極９は相対的に永久
磁石８よりも磁極面積すなわち極弧角が小さくても済む
ことになる。これに対して、永久磁石８は磁束量を増や
すためには磁極面積を大きくしなければならない。これ
らの理由により、永久磁石８の極弧角θｍを制御磁極９
の極弧角θｐよりも大きくする方が界磁力のバランス
（永久磁石８からの磁束と界磁制御コイル１７からの磁
束とのバランス）が良好になり、結果的に高出力となる
ことが究明された。 【００２８】図２〜図５に示されている実験結果から、
本発明においては、永久磁石８の極弧角θｍと制御磁極
９の極弧角θｐの比率は以下の点が考慮されて設定され
る。まず、バッテリーの充放電バランスを考慮し（放電
しやすい条件）、アイドリング時（１０００ｒｐｍ）の
出力が等角（θｍ＝θｐ）の２０％アップとなるポイン
トを下限すると、極弧角θｍは５５％となる。一方、定
格出力（５０００ｒｐｍ）時の出力（実質的には磁石発
電機３の最高出力）が極弧角θｍが５５％のときと同等
の出力となるポイントを上限とすると、極弧角θｍは７
０％となる。つまり、永久磁石８の極弧角θｍと制御磁
極９の極弧角θｐとは次の式（１）を満足するように設
定することが望ましい。 ０．５５≦θｍ／（θｍ＋θｐ）≦０．７・・・（１） 【００２９】次に作用を説明する。エンジンによってク
ランク軸が回転されると、回転子４は回転される。そし
て、回転子４の回転に伴って、発電子コイル１６に起電
力が発生し、この起電力が発電電力としてバッテリーや
負荷に供給される。ここで、界磁制御コイル１７がバッ
テリーに電気的に接続されていない場合には、界磁制御
コイル１７による磁束が界磁に作用しないため、回転子
４における磁束量は各永久磁石８の磁束量に依存した状
態になっている。 【００３０】次に、制御磁極９が永久磁石８と異極にな
るように界磁制御コイル１７が通電されると、前述した
ように、界磁制御コイル１７による磁束Ｆは大部分が制
御磁極９を通る閉磁路を形成する。したがって、発電子
コイル１６に鎖交する磁束は永久磁石８による磁束に界
磁制御コイル１７による磁束Ｆが重畳されたものとな
り、界磁制御コイル１７に通電する電流に応じて磁束が
増えた分だけ磁束変化が大きくなり、発電子コイル１６
に生じる発電電流が増加されることになる。 【００３１】一方、制御磁極９が永久磁石８と同極にな
るように（前述とは逆方向に）界磁制御コイル１７に通
電されると、発電子コイル１６には永久磁石８による磁
束と界磁制御コイル１７による磁束Ｆ’とが差動的に鎖
交することになり、界磁制御コイル１７に通電される電
流に応じて磁束が減少する分磁束変化が小さくなり、発
電子コイル１６に生じる発電電流が減少されることにな
る。 【００３２】このように、磁石発電機３の出力は界磁制
御コイル１７に通電される電流の方向と大きさによって
増減調整することができる。この出力の増減調整技術に
よれば、従来のように磁石発電機３を最大要求電力に合
わせた設定としなくても済むため、その最大電力のうち
余分の電力を電圧調整器によって熱として廃棄するのを
抑止ないしは抑制するとができる。その結果、磁石発電
機としての発電効率を高めることができ、その分エンジ
ンのパワーを上げられ、ひいては軽自動車の燃費を高め
ることができる。しかも、永久磁石８の極弧角θｍが制
御磁極９の極弧角θｐよりも大きく設定されている磁石
発電機は、回転子４の界磁極を全て永久磁石で構成した
ものと同等の体格であって、永久磁石８の極弧角θｍと
制御磁極９の極弧角θｐとが等しい磁石発電機よりも大
幅に出力を大きくすることができる。 【００３３】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
永久磁石の極弧角θｍと制御磁極の極弧角θｐとの和に
対する永久磁石の極弧角θｍが占める割合の範囲を０．
５５〜０．７に設定することにより、界磁極を全て永久
磁石で構成したものと同一の体格であって、永久磁石の
極弧角と制御磁極の極弧角がともに等しい磁石発電機よ
りも大幅に出力を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施形態である磁石発電機を示して
おり、（ａ）は一部省略正面図、（ｂ）はその側面断面
図である。 【図２】最適値を求めるための極弧角別出力特性線図で
ある。 【図３】同じく極弧角と出力との関係を示す特性線図で
あり、（ａ）はアイドリング時の特性線図、（ｂ）は定
格出力時の特性線図である。 【図４】同じく極弧角と出力制御幅との関係を示す特性
線図である。 【図５】同じく極弧角を変化させたときの静的有効磁束
を示す特性線図である。 【符号の説明】 ３…磁石発電機、４…回転子、５…ヨーク、６…ボス部
材、７…支持リング、８…永久磁石、９…制御磁極、１
１…固定子、１２…ボルト、１３…コア、１４…コア本
体、１５…突極、１６…発電子コイル、１７…界磁制御
コイル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 21/22 H02K 1/27 502

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 発電子コイルが巻装されている固定子
   と、固定子の外側にて回転自在に支持された磁性材料か
   らなる有底円筒形状のヨークに永久磁石が周方向に間隔
   を置かれて同心円に配設されている回転子とを備えてお
   り、回転子の永久磁石の回転により発電子コイルにて発
   電されるように構成され、回転子には各永久磁石の間に
   磁性材料からなる各制御磁極がそれぞれ介設されてお
   り、他方、固定子とヨーク底部との空間には界磁制御コ
   イルがそれへの通電により発生する磁束が回転子のヨー
   クおよび制御磁極を通る閉磁路を形成するように配設さ
   れている磁石発電機において、 前記永久磁石の極弧角θｍと前記制御磁極の極弧角θｐ
   とが相異なる値に設定され、両者の極弧角に対する前記
   永久磁石の極弧角θｍの比率が０．５５≦θｍ／（θｍ
   ＋θｐ）≦０．７に設定されていることを特徴とする磁
   石発電機。