JP4236054B2 - 磁石発電機 - Google Patents

Description

この発明は、フライホイールの回転により、磁石と発電コイルとの電磁誘導作用で発電する磁石発電機に関するものである。

従来の磁石発電機として、渦電流による発熱を抑制するために薄板鋼板を複数枚積層した固定子鉄心の各ティースに発電コイルが巻装され、この発電コイルの外周側には、フライホイールの外周縁の内面に周方向に沿って互いに間隔を隔てて固定された複数個の永久磁石が配置された磁石発電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１３５３８２号公報（図１）

上記構成の磁石発電機では、フライホイ−ルが回転する際に永久磁石により生じる交番磁界により、固定子鉄心にはヒステリシス損、及び渦電流損による発熱が生じ、固定子鉄心の温度が高くなり、その温度上昇に伴い発電コイルの温度も上昇するので、発電コイルの抵抗値が高くなる。その結果、発電コイルの抵抗値に比例する銅損による発電コイルの温度も上昇するとともに発電効率が低下してしまうという問題点があった。
また、発電コイルに使用される銅線は、高分子材料で絶縁被膜が施されており、発電コイルの温度が上昇し、高温状態が長時間続くことで、発電コイルの寿命、信頼性が低下してしまうという問題点もあった。
特に、近年、磁石発電機では、高出力化の傾向にあり、磁石（磁極）の多極化により高周波化しており、固定子鉄心におけるヒステリシス損、及び渦電流損による発熱がより大となり、上記問題点もより大きな問題点になっていた。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、固定子鉄心自体の冷却効率を高めることで、発電コイルの温度上昇を抑制して発電効率を向上させることができるとともに、発電コイルの寿命・信頼性が向上した磁石発電機を得ることを目的とする。

この発明に係る磁石発電機は、回転軸が圧入されるボス部を有し、回転軸線の回りを回転するフライホイールと、このフライホイールの内周面に設けられフライホイールととともに回転する複数個の磁石と、この磁石の内径側に設けられ、複数の薄板鋼板を積層して構成されているとともに円環部及び円環部から径方向外側に突出した複数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構成された発電コイルとを備えた磁石発電機において、前記円環部には、前記薄板鋼板の積層方向に貫通し冷媒が通る冷媒孔が形成されているとともに、内周壁面から径方向に延び、前記ボス部に対向した窪みが形成されている。

この発明による磁石発電機によれば、固定子鉄心の円環部に冷媒が通る冷媒孔を形成したので、積層鉄心自体の冷却効率が向上し、発電コイルの温度上昇が抑制され、発電効率が向上するとともに、発電コイルの寿命、信頼性も向上する。

以下、この発明の各実施の形態について説明するが、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はこの発明による磁石発電機の実施の形態１を示す正面図、図２は図１の側断面図である。

この磁石発電機は、内燃機関と連結された回転子１と、この回転子１と外径側で対面した固定子２を備えている。
回転子１は、椀状のフライホイール３とフライホイール３に固定された永久磁石７とを有している。このフライホイール３は、外周の筒状部４と、内燃機関により回転駆動される回転軸５０が圧入されるボス部５と、筒状部４とボス部５とをつなぐ底部６とを含んでいる。底部６には複数個の孔７０が形成されている。このフライホイール３は、回転軸線Ａ−Ａを中心として回転する。

永久磁石７は、フライホイール３の筒状部４の内周面に、回転軸線Ａ−Ａの周りに、互いに等角度間隔で固定されている。複数個の永久磁石７は、隣接する永久磁石７が互いに逆極性に着磁されており、永久磁石７の内周側空間では、交互に方向が変化する磁界を発生するようになっている。
各永久磁石７の各内周面には、筒状の保護環８が密着して嵌め込まれている。各永久磁石７の回転軸線Ａ−Ａ方向の両端部と、各永久磁石７の周方向の相互間隙には、モールド成形材９が充填されている。このモールド成形材９によって、複数個の永久磁石７と保護環８とがフライホイール３の筒状部４の内周面に固定されている。

固定子２は、固定部材である取付ボルト５２によりブラケット５１に固定される。
この固定子２は、中空円柱状の固定子鉄心１０と発電コイル１１とを有している。表面全体が絶縁樹脂膜５４で覆われて構成された固定子鉄心１０は、図３に示すように、円環部５３と、この円環部５３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１２とを有している。

発電コイル１１は、各ティース１２の周側面にそれぞれ導線である銅線が巻回されて構成されている。各発電コイル１１は、接続リード１４により互いに接続されている。

固定子鉄心１０は、冷間圧延鋼板であるドーナツ形状の磁性薄板鋼板（例えばＳＰＣＣ等の冷間圧延鋼板）を回転軸線Ａ−Ａの方向に多数枚積層して構成された積層鉄心１５と、この積層鉄心１５の両側面にそれぞれ密着して重ねられた第１の端板１６、第２の端板１７とを有している。
第１の端板１６、第２の端板１７の外周縁部は、発電コイルの径方向への崩れを防止するため、及び積層鉄心１５の各ティース１２に磁束を誘導させるために、発電コイル１１側に折曲している。第１の端板１６、第２の端板１７は、積層鉄心１５を構成する磁性薄板鋼板よりも引っ張り強度が約２倍である合金鋼材（例えばＳＵＳ３０４）で構成されている。

固定子鉄心１０の円環部５３では、回転軸線Ａ−Ａと平行で同一方向に貫通した取付孔１８が周方向に等分間隔で三箇所に形成されている。この取付孔１８に貫通した取付ボルト５２の端部がブラケット５１に螺着されることで、固定子２は、ブラケット５１に固定される。

また、円環部５３では、回転軸線Ａ−Ａと平行で同一方向に貫通し取付孔１８よりも小径の冷媒孔である通気孔５６が二箇所に形成されている。
さらに、円環部５３では、回転軸線Ａ−Ａと平行に通気孔５６よりも小径のリベット孔５７が周方向に等分間隔で三箇所に形成されている。このリベット孔５７にリベット（図示せず）が貫通し、締結することで、積層鉄心１５と、その両側面にそれぞれ密着して重ねられた第１の端板１６、第２の端板１７とが一体化される。
さらにまた、円環部５３では、回転軸線Ａ−Ａと平行にリベット孔５７よりも小径の基準孔５８が形成されている。この基準孔５８では、ティース１２に導線を巻回して発電コイル１１を製造する巻線工程において、この基準孔５８にピンを立設し、巻線機に対する位置決め機能を果たすものである。

また、円環部５３のうち第２の端板側の中央部の表面では、絶縁樹脂膜５４の肉厚が周囲よりも若干厚くなっている。この絶縁樹脂膜５４の取付孔１８の外側では、径方向に突出した突出部６０が形成されている。この突出部６０により、固定子鉄心１０において取付ボルト５２が挿入される側の面及び取付孔１８が認識される。

上記構成の磁石発電機では、内燃機関により回転駆動される回転軸５０に連動してフライホイ−ル３が回転し、その際に永久磁石７により生じる交番磁界により、発電コイル１１には電力が生じる。この際の交流出力は、図示しない整流用ダイオードにより整流され、車載バッテリなどの負荷に給電される。
フライホイール３の回転に伴い、外気が図２の矢印で示すように主に通気孔５６、孔７０を通過して磁石発電機の外部に流れる。

以上説明したように、この実施の形態の磁石発電機によれば、円環部５３に薄板鋼板の積層方向に貫通した通気孔５６が形成されているので、空気が円環部５３を通過し、固定子鉄心１０の温度上昇が抑制される。
本願発明者は、固定子鉄心１０での通気孔５６の有無における、固定子鉄心１０の温度及び発電コイル１１の出力電流の影響を実験により求めた。
図４は、そのときの実験結果を示す図である。
図４において、横軸は磁石発電機の駆動回転数（ｒ／ｍｉｎ）であり、縦軸は左側に固定子鉄心１０の温度（℃）を、また右側に発電コイル１１の出力電流（Ａ）を示す。
通気孔５６が形成された固定子鉄心１０において、固定子鉄心１０の温度特性曲線がＴ１であり、発電コイル１１の出力電流特性曲線がＧ１である。
また、通気孔５６が形成されていない固定子鉄心１０において、固定子鉄心１０の温度特性曲線がＴ２であり、発電コイル１１の出力電流特性曲線がＧ２である。
各回転数での発熱（鉄損＋銅損）温度は飽和温度を示し、固定子鉄心１０の冷却効率によっては絶対値に多少の変化はあるものの、固定子鉄心１０における通気孔５６の有無により、明らかな温度差（冷却効果よる温度低減）が見られる。
また、通気孔５６を形成した分だけ、固定子鉄心１０における磁界回路を構成する鉄心領域が減少する、即ち発電効率が低下するにも関わらず、固定子鉄心１０の温度上昇が低減されたことにより、発電コイル１１の発電量が多くなっていることが分かる。

また、固定子鉄心１０の温度上昇の抑制とともに、発電コイル１１の温度上昇も抑制されるので、被覆された発電コイル１１の絶縁被膜に対する熱の影響を低く抑えることができ、発電コイル１１の寿命、信頼性が向上する。

なお、固定子鉄心１０に通気孔５６を形成したことで、磁性薄板鋼板、合金鋼材の使用重量が低減され、プレス加工後の材料リサイクル率（スクラップ量のＵＰ）によってコスト的にも有利である。

また、生産性の向上に寄与する、円環部５３に形成された基準孔５８については、径が通気孔５６と比較して小さいものの、通気孔５６と同様に冷媒孔として機能し、固定子鉄心１０の温度上昇の抑制に寄与している。

また、取付孔１８の近傍に突出部６０が形成されているので、取付ボルト５２を誤って通気孔５６に挿入することを防止することができる。

また、第１の端板１６、第２の端板１７は、積層鉄心１５を構成する磁性薄板鋼板よりも引っ張り強度が約２倍である合金鋼材（例えばＳＵＳ３０４）で構成されているので、第１の端板１６、第２の端板１７の材料として磁性薄板鋼板を用いた場合と比較して、単一面積当たり２倍の押圧力が可能となる、即ち取付ボルト５２の取付座の面積が約１／２で済み、その分多くの通気孔５６を形成することが可能となる。

なお、積層鉄心１５では磁性薄板鋼板を用いているが、例えば引張強度が磁性鋼板よりも強度の大きな電磁鋼板を用いた場合でも、同様により多くの通気孔を形成することが可能となる。

また、通気孔を多数形成することで、固定子鉄心の剛性の低下に対しては、高強度材料への変更の他に、薄板鋼板の板厚、リベット孔を貫通するリベットの押圧増大等により対処することができる。

実施の形態２．
図５はこの発明による磁石発電機の実施の形態２における固定子鉄心１０を示す正面図、図６は図５の側断面図である。
この実施の形態では、円環部５３のブラケット５１側の内径側に窪み５９が形成されている。また、通気孔６１が周方向に傾斜して形成されている。
他の構成は実施の形態１の磁石発電機と同じである。

この磁石発電機によれば、円環部５３のブラケット５１側の内径側で窪み５９が形成されているので、ブラケット５１に対面しており、内燃機関からの発熱を受け、また通気性が悪い固定子鉄心１０の領域において、空気との接触面積が増大しており、それだけ固定子鉄心１０の冷却効率が向上する。
また、通気孔６１が周方向に傾斜して形成されているので、実施の形態１の通気孔５６と比較して通気孔６１内での空気との接触面積が増大しており、それだけ固定子鉄心１０の冷却効率が向上する。

なお、上記各実施の形態では、冷媒が空気であり、冷媒孔である各通気孔５６、６１に空気が通過して、固定子鉄心１０を冷却する場合について説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、冷媒がエンジンオイルであってもよい。

この発明の実施の形態１の磁石発電機を示す正面図である。 図１の側断面図である。 図１における積層鉄心の両面に第１の端板及び第２の端板が重ねられた状態を示す正面図である。 図１の磁石発電機における固定子鉄心の温度特性曲線、発電コイルの出力電流特性曲線を示す図である。 実施の形態２の磁石発電機における積層鉄心の両面に第１の端板及び第２の端板が重ねられた状態を示す正面図である。 図５の側断面図である。

符号の説明

１ 回転子、２ 固定子、３ フライホイール、４ 筒状部、７ 永久磁石、１０ 固定子鉄心、１１ 発電コイル、１２ ティース、１５ 積層鉄心、１６ 第１の端板、１７ 第２の端板、１８ 取付孔、５０ 回転軸、５１ ブラケット、５２ 取付ボルト、５３ 円環部、５６，６１ 通気孔（冷媒孔）、５７ リベット孔、５８ 基準孔、５９ 窪み、６０ 突出部。

Claims (3)

1. 回転軸が圧入されるボス部を有し、回転軸線の回りを回転するフライホイールと、
   このフライホイールの内周面に設けられフライホイールととともに回転する複数個の磁石と、
   この磁石の内径側に設けられ、複数の薄板鋼板を積層して構成されているとともに円環部及び円環部から径方向外側に突出した複数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構成された発電コイルとを備えた磁石発電機において、
   前記円環部には、前記薄板鋼板の積層方向に貫通し冷媒が通る冷媒孔が形成されているとともに、内周壁面から径方向に延び、前記ボス部に対向した窪みが形成されている
   ことを特徴とする磁石発電機。
2. 前記冷媒孔は、前記回転軸線と平行で同一方向に延びて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁石発電機。
3. 前記冷媒孔は、周方向に傾斜して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁石発電機。

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