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JP5189615B2 - 磁石発電機 - Google Patents

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JP5189615B2 JP2010085995A JP2010085995A JP5189615B2 JP 5189615 B2 JP5189615 B2 JP 5189615B2 JP 2010085995 A JP2010085995 A JP 2010085995A JP 2010085995 A JP2010085995 A JP 2010085995A JP 5189615 B2 JP5189615 B2 JP 5189615B2
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Description

この発明は、フライホイールの回転により磁石と電機子巻線との電磁誘導作用により発電する磁石発電機に関するものである。
図16〜図18は従来のフライホイール形磁石発電機の一例を示すもので、図16(a)は側面断面図、図16(b)は平面断面図、図17は磁石発電機の積層鉄心が内燃機関等の回転軸にフランジボルトを用いて、締付(装着)されたときの状態を示す図、図18は従来の積層鉄心の一例を示す図である。
図16〜図18において、1は椀状輪郭を成し、通気穴1aと内燃機関軸等に嵌合させるためのテーパボス1bを備えた回転子であるフライホイール、2はフライホイール1の筒状の内壁部に周方向に配置される複数個の磁石、3は磁石2の飛散防止を含む筒状の保護環、4は後述の積層鉄心8と発電コイル9の絶縁部材(樹脂)、5は積層鉄心8を締付固定するための取付穴、8は積層鉄心で、図18に示すように、複数枚の薄板鋼板(中板)6aと両側面に備えた単板(端板)7aと7bが複数のカシメ部材(例えば、リベット)104により、一体化されて形成されている。9は積層鉄心8に巻回された発電コイル、10は積層鉄心8と絶縁部材4および発電コイル9から構成される固定子であるステータ、20は発電コイル9と磁石発電機の電流を取り出すための出力リード線30との接続部である。
以上のように構成されたフライホイール形の磁石発電機は、図17に示すように、積層鉄心8が内燃機関等の回転軸101にフランジボルト102を用いて締付(装着)され、固定子10はエンジンケースカバー(もしくはエンジンブロック)201に取付ボルト103を用いて固定される。
特開2003−333801号公報
従来の磁石発電機における固定子の積層鉄心8においては、渦電流による発熱を抑制するため薄板鋼板6aを複数枚積層して鉄損(積層鉄心の発熱)の低減を図って来た。さらに回転子のフライホイール1には、回転時の換気対流や撹拌対流を有効的に活用するため、可能な限り大きな通気穴1aや樹脂部材によるフィンの設置などを検討して来た。
しかしながら、上述した従来の固定子構造では、発熱抑制の手段として鉄心材料の変更(鉄損の低減)や発電コイルの線径アップ(抵抗値の低減)の手段しかなく、これまでの多くが回転子側にて冷却性および放熱性向上のための工夫がされてきている。
また、ヒステリシス損と渦電流損により鉄心温度が高くなり、発電コイルの温度も上昇するため、コイルの抵抗値の上昇に伴い銅損によるコイル温度も上昇し、発電コイルに使用される高分子材料の寿命や信頼性が低下するという弊害があった。
現状の内燃機関において、磁石発電機への噴霧状オイル冷却等の措置は採られているものの、ステータで熱のこもりやすい出力整線部(発電コイルとリード線の接続部)へ効率的にオイル冷却が向けられることは、オイル循環通路のレイアウト上からも制約があった。
一方、近年、磁石発電機は高出力化の傾向にあり、鉄心磁極や磁石磁極の多極化が進むと同時に、発電による発熱低減が急務となっている。
さらに、現状の磁石発電機における積層鉄心(固定子)においては、取付スペースの縮小化(薄型化)が進んだことで、複雑な冷却構造が困難となっている。
この発明は上記のような従来の問題点を解消するためになされたもので、回転子であるフライホイールが回転し、固定子側の発電コイルで発電する磁石発電機において、従来の積層鉄心の機能を満足しつつ、生産性を維持したまま、積層鉄心自身の冷却性や放熱性を向上させることで鉄心温度の上昇を抑制し、発電コイルの発熱をも低減させることで、発電効率や信頼性を向上させた磁石発電機を得ることを目的とするものである。
この発明に係わる磁石発電機は、椀状の回転子であるフライホイールと、このフライホイールの筒状部内周面に設けられた複数個の磁石と、前記フライホイール内に前記磁石と対向して設置され、該磁石との電磁誘導作用により発電するための積層鉄心と該積層鉄心に巻回された発電コイルとを備えたステータである固定子、とを有する磁石発電機において、磁気回路を構成する前記積層鉄心の容積を削減して形成したスペースに嵌入された磁気回路とは無関係の放熱性向上部材を備え、この放熱性向上部材を、積層鉄心の端板間に設け、積層鉄心の厚みと同等の厚みを有するように構成したものである。
また、磁気回路を構成する前記積層鉄心の容積を削減して形成したスペースに嵌入された磁気回路とは無関係の放熱性向上部材を備え、この放熱性向上部材を、積層鉄心の中板間内に設け、積層鉄心の厚みより少ない厚みとしたものである。
また、磁気回路を構成する前記積層鉄心の容積を削減して形成したスペースに嵌入された磁気回路とは無関係の放熱性向上部材を備え、この放熱性向上部材を、積層鉄心の片側面で発電コイル近傍まで拡大して設けたものである。
この発明の磁石発電機によれば、固定子を構成する積層鉄心に備えた温度上昇抑制部品である冷却管に冷却媒体を循環させることによって、低コストの冷却構造で、積層鉄心自体の冷却性(放熱性)を向上させ、鉄心温度の上昇抑制や、発電コイル温度上昇による銅損を低減することができる。
また、磁界回路を構成する鉄心(バックヨーク)は従来構造に比べて、若干少なくなるものの同一積層厚みの積層鉄心と比べて、鉄心温度が低く銅損(発電コイルの温度)も低減されるため、同等以上の発電(出力電流)能力を得ることができる等、発電効率や信頼性を大幅に向上させた磁石発電機を得ることができる。
上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。
この発明の実施の形態1の磁石発電機における固定子部分を示す概略断面図である この発明の実施の形態1における積層鉄心の製造工程の一例を説明する図である。 実施の形態1における磁石発電機が内燃機関等の回転軸に装着されたときの状態を示す図で、冷却管を循環する冷却媒体の供給方法についての説明図である。 この発明の実施の形態1における磁石発電機の、回転数と、温度(発熱)特性および発電(出力電流)特性を示す図である。 この発明の実施の形態2の磁石発電機の固定子部分を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態3の磁石発電機の固定子部分の一例を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態3の磁石発電機の固定子部分の他の一例を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態3の磁石発電機の固定子部分の他の一例を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態3の磁石発電機の固定子部分の他の一例を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態4の磁石発電機の固定子部分の一例を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態4の磁石発電機の固定子部分の他の一例を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態4の磁石発電機の固定子部分の他の一例を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態4の磁石発電機の固定子部分の他の一例を示す概略図である。 この発明の実施の形態5における磁石発電機の固定子部分を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態6を示すもので、磁石発電機に用いられる放熱部材の種々の形状例を示す概略図である。 従来のフライホイール形磁石発電機の一例を示す概略断面図である。 従来の磁石発電機が内燃機関等の回転軸に装着されたときの状態を示す図である。 従来の従来の積層鉄心の一例を示す図である。
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1の磁石発電機における固定子部分を示すもので、図1(a)は、側面断面図、同(b)は平面断面図である。図1において、12aは、磁石発電機の固定子であって、後述の図2で詳述するように、磁界回路を構成する鉄心(薄板鋼板)6bの容積を削減して形成したスペースに放熱性向上部材(以下、単に放熱部材ともいう)31bを嵌め込み、両側面を単板7a、7bで閉塞して構成した積層鉄心に、冷却管32を貫通させ、更に冷却管32を発電コイル9付近まで自由に分配することで、固定子の積層鉄心自体の放熱性、冷却性を向上し、発電コイル9の温度上昇をも抑制したものである。また、冷却管32に固定子側に向けて複数(略、シャワーヘッド状)の穴を備えることで、従来の固定子において熱のこもりやすい出力整線部(発電コイルとリード線の
接続部)や、取付姿勢上、高温となる上方部の発電コイル9を積極的に冷却することも可
能となる。
図2(a)〜(d)は、上述した実施の形態1における積層鉄心の製造工程の一例を説明する図である。図18で説明したように、従来の積層鉄心をなす薄板鋼板6aや両側面の単板7a、7bは磁性材(例えばSPCCなどの冷間圧延鋼板)が主であったが、実施の形態1においては、図2に示すように、磁気回路を構成する積層鉄心の取り付け穴部5以外の(剛性低下(ボルト締付け時の軸力)や発電特性の影響を受けない)鉄心部を削減した薄板鋼板(中板)6bのスペースSに、アルミ系の放熱部材31a(1)〜31a(5)を嵌
め込み、従来と同様の単板(端板)7aと7bで閉塞して、積層鉄心80を形成する。
このように、単板(端板)7a、7b間に放熱部材31aを嵌め込んで構成された積層鉄心80によれば、積層鉄心の製造工程を変えることなく放熱部材31aを追加でき、比重係数が7.8g/cm3(鉄系)から2.8g/cm3(アルミ系)に減少することにより、同一容積あたりの鉄心重量も減少するため軽量化の手段にもなる。
なお、図2の積層鉄心80では放熱部材31aの容積を可能な限り確保するため、図18に示す従来の複数のカシメ部材104を使用せず、薄板鋼板6bや両側面の単板7a、7b自身での凹凸積層による嵌合としている。
また、放熱部材31a(1)に示すように、内周側の弧L1<外周側の弧L2とすることで、装着姿勢(縦置き)により積層鉄心から脱落するのを防止できる。当然ながら、横置きの場合には両側面の単板7aと7b間に収まっているため積層鉄心より、外に飛び出すことはない。
次に、冷却管32を循環する冷却媒体の供給方法について図3を参照して説明する。
図3は磁石発電機の固定子12aが内燃機関等の回転軸101にフランジボルト102を用いて、締付(装着)されたときの状態を示す図である。
内燃機関内で循環される冷却水やエンジンオイルは、エンジンケースカバーやエンジンブロック202に構成された循環通路と冷却管32とを、(管圧入やシール部材を用いて)接続することで冷却管32に循環供給することができる。当然ながら、エンジンケースカバーはエンジン本体にガスケットなどでシールされているため、オイル循環通路と冷却管32の接続部よりオイル漏れが発生したとしても何の問題もない。また、冷却効果は冷却媒体の流量や冷却管の分配数、位置によりコントロール可能となる。冷却管32の材質は、放熱性・分配輪郭の加工性・非磁性(磁回路に影響を与えない)を考慮したものとなるため、本発明においてはアルミ材やステンレス材を用いた。冷却管と積層鉄心の固定(位置決め)は、圧入もしくは積層鉄心の両側面の単板(端板)付近でのコーキング等により可能となる。
図4に、実施の形態1の磁石発電機の回転数と、温度(発熱)および発電(出力電流)特性を示す。図において、横軸は磁石発電機の駆動回転数(r/min)であり、縦軸は
左側に磁石発電機の発熱(鉄損+銅損)による飽和温度(℃)を、右側に発電コイルの出力電流(A)を示している。また、実線T1、G1は実施の形態1の温度特性および発電特性、破線T2、G2は従来装置の温度特性および発電特性をそれぞれ示している。
図から明らかなように、積層鉄心に備えた冷却構造(冷却管と放熱部材)により明らかな温度差(冷却効果による温度低減)が見られる。
また、同一積層厚みで磁界回路を構成する鉄心量が少ない(バックヨーク減=磁束通過面積が低下する)にも関わらず、温度(発熱)上昇が低減されているため、図4のとおり発電量も多くなっている。
以上のように、この発明の実施の形態1の磁石発電機によれば、磁気回路を構成する積層鉄心の容積を減らして形成したスペース部分に、積層鉄心(磁気回路)とは別部材の放熱性向上部材を嵌め込み、さらに放熱性向上部材に冷却管を通すことで、従来の積層鉄心の製造方法を変えず、かつ積層鉄心としての機能を維持しつつ、低コストの冷却構造を有する固定子を構成することができ、積層鉄心および発電コイルの冷却作用ひいては積層鉄心の放熱性をも大きく向上させることができる。
実施の形態2.
図5はこの発明の実施の形態2の磁石発電機の固定子部分を示すもので、図5(a)は側面断面図、同(b)は、平面断面図である。
図5で示すこの発明の実施の形態2は、発電コイル9とフライホイール(図示せず)の底
部内側にクリアランスが十分になく、冷却管を発電コイル9側に分配できない場合の磁石発電機の固定子12bを示すものである。
この実施の形態2においては、積層鉄心の構成は実施の形態1と同様であるが、発電コイル9付近まで冷却管を分配するために、放熱部材に貫通穴を設けてある実施の形態1の放熱部材31bとは異なり、閉塞穴としている放熱部材31c内で折返された(あるいは放熱部材31c内に挿入された)冷却管33により、積層鉄心の放熱性、冷却性向上を実施したものである。
実施の形態3.
図6〜図9はこの発明の実施の形態3の磁石発電機の固定子部分を示すもので、図6(a)〜図9(a)は側面断面図、同(b)は、平面断面図である。
図6〜図9で示すこの発明の実施の形態3は、エンジンの構造上、あるいはレイアウト上、冷却管を設置できない場合の実施の形態を示すものである。
図6は、磁石発電機が内燃機関軸101にフランジボルト102を用いて装着された状態を示すもので、この図5に示す磁石発電機は、冷却媒体の通路を持たない従来のエンジンケースカバー(エンジンブロック)201に、本発明による固定子11aが取付ボルト103により締付固定される。固定子11aには、アルミ部材のような放熱部材31Aのみが積層鉄心の端板間に備えられている。図1の構成とは異なり冷却媒体の循環が困難な場合には、エンジンケースカバー(エンジンブロック)201からの受熱と発電コイル9による温度上昇を、放熱部材31Aによって積層鉄心から積極的に放熱することで発熱を抑制することができる。
図7は、図6の磁石発電機の変形例を示すもので、図7の固定子11bでは、積層鉄心の薄板鋼板6b内(中板間)のみに放熱部材31Bを備えたことを特徴とし、積層鉄心の鉄心容積の低減に伴う剛性低下の懸念を解消しつつ放熱性を向上させたものである。
また、図8の固定子11cでは、積層鉄心の片側のみ鉄心量を削減し、片側面のみに放熱部材31Cを備えたことを特徴とし、磁回路の影響を最小限にしつつ放熱性を向上させたものである。
さらに、図9の固定子11dでは、図8の固定子11cの実施例をベースに、発電コイル9付近まで容積を拡大した(積層鉄心の片側面およびステータ磁極間に備えられた、略クローポール形の)放熱部材31Dを備えたことを特徴とし、最大限に放熱性を向上させたものである。
実施の形態4.
図10〜図13はこの発明の実施の形態4の磁石発電機の固定子部分を示すもので、図10(a)、図11(a)は側面断面図、同(b)は、平面断面図、図12、図13は冷却管の配置説明図である。
この発明の実施の形態4の磁石発電機は、従来の積層鉄心のままで冷却管のみ備えたものである。
図10の固定子10aは、積層鉄心に冷却管32を貫通させ、冷却管32を発電コイル9付近まで分配したことを特徴とし、積層鉄心および発電コイルの冷却性を向上させたものである。
図11の固定子10bは、発電コイル9付近に十分なスペースがない場合に、冷却管33を積層鉄心の積層厚み内で折返した、あるいは積層鉄心内に挿入したことを特徴とし、これによって固定子の冷却性を向上させたものである
また、図12では、従来の積層鉄心に冷却管のみを備えた固定子10cにおいて、積層鉄心の両側に冷却管35aと35bを配置し、同様に発電コイル9の発熱を抑制したものである。
さらに、図13の固定子10dでは、従来の固定子に対して、各磁極(ポール)間を略S状に表側と裏側を交互に分配した冷却管36を備えたことを特徴とし、固定子の冷却性を向上させたものである。
実施の形態5.
図14はこの発明の実施の形態5の磁石発電機の固定子部分を示すもので、図14(a)は側面断面図、同(b)は、平面断面図である。
この発明の実施の形態5の磁石発電機は、レイアウトやスペース上の制約がない場合の一例を示すもので、図14に示すように、実施の形態5の固定子12cは、積層鉄心内に備えられた放熱部材31bと、積層鉄心を貫通し発電コイルを覆うよう(略、熊手状)に分配された冷却管34を備えたことを特徴とし、これによって、発電コイル9の発熱を抑制したものである。
実施の形態6.
図15はこの発明の実施の形態6を示すもので、この発明の磁石発電機に用いられる放熱部材の種々の形状例を示すものである。
前述したようにこの発明の磁石発電機に用いられる放熱部材は、鉄心部を削減してスペースを形成した薄板鋼板(中板)6bが積層されて形成されたスペースに放熱部材を嵌め込み、両側面を単板7a、7bで閉塞して積層鉄心に装着されているが、積層鉄心のカシメ後や凹凸積層による嵌合後の積層厚みのバラツキによっては、積層方向に凹凸隙間が発生するため、放熱部材の厚み寸法の設定が難しくなる。そこで、本発明では、放熱部材の形状により積層厚みの影響を著しく受けず、積層鉄心内に備えられる工夫がなされている。
図15(a)に示す放熱部材31eでは、積層厚みを最大値に設定した放熱部材において、厚み方向の中央部にクサビ状の空間(カシメや嵌合部位側に口開き)を作り、積層鉄心の端板7a、7bに積層荷重を印加した際、結合部の厚みに順応して高さが変わるようにしたものである。当然、結合部と反対側の厚みは最大値のまま(湾曲平面)となるが結合部に積層隙間を設けないことに積層剛性上の重要性がある。
図15(b)の放熱部材31fも同様に、鉄心にカシメのための積層荷重を印加した際、結合部の厚みに順応して高さが変わる形状例を示すものである。
一方、図15(c)、(d)は、積層鉄心の耐振性、取付平面の精度の観点より放熱部材の厚みと積層鉄心の厚みを同等にする必要がある場合の形状例を示す。
図15(c)の放熱部材31gは、放熱部材の中央部に貫通穴もしくは気泡状の隙間を作っておき、積層荷重を印加した際、結合部の厚みに順応して隙間が円形から楕円形に変化することで高さが変わるようにしたものである。
逆に、図15(d)の放熱部材31hは、変形部位を両端面に設定した場合の事例を示すもので、両側端面の形状をねじ山状(ローレット目)に作っておき、積層荷重を印加した際、強度的に弱い頂部が変形することで結合部の厚みに順応して高さが変わるようにしたものである。
なお、図15(e)の放熱部材31jは、内燃機関(エンジンケースカバー)等に取り付けられ受熱の多い面を略ヒートシンク状に作り表面積アップによる放熱性向上を合わせ持つ形状例を示すものである。
以上、実施の形態1〜6で詳述したように、この発明の磁石発電機によれば、椀状の回転子であるフライホイールと、このフライホイールの筒状部内周面に設けられた複数個の磁石と、フライホイール内に前記磁石と対向して設置され、該磁石との電磁誘導作用により発電するための積層鉄心と該積層鉄心に巻回された発電コイルとを備えたステータである固定子、を有する磁石発電機において、固定子に冷却管や放熱性向上部材等の温度上昇抑制部品を配設し、該温度上昇抑制部品によって積層鉄心および発電コイルの発熱を抑制するよう構成したので、低コストの冷却構造を有する固定子により、積層鉄心および発電コイルの冷却作用、ひいては積層鉄心の放熱性をも向上させ、発電効率や信頼性を大幅に向上させた磁石発電機を得ることができる。
1 フライホイール(回転子)
2 磁石
5 ボルト挿入穴
6a、6b 薄板鋼板(中板)
7a、7b 単板(端板)
8、80 積層鉄心
9 発電コイル
10a 固定子(冷却管を貫通させた積層鉄心)
10b 固定子(冷却管を積層厚み内で折り返した積層鉄心)
10c 固定子(冷却管を両側に配置させた積層鉄心)
10d 固定子(冷却管を表裏交互に分配した積層鉄心)
11a 固定子(放熱部材を端板間に備えた積層鉄心)
11b 固定子(放熱部材を中板間に備えた積層鉄心)
11c 固定子(放熱部材を片側寄りに備えた積層鉄心)
11d 固定子(放熱部材を片側寄りでステータ磁極(ポール)間に備えた積層鉄心)
12a 固定子(放熱部材を備え冷却管を貫通させた積層鉄心)
12b 固定子(放熱部材を備え冷却管を挿入させた積層鉄心)
12c 固定子(放熱部材を備え冷却管を巻きつけた積層鉄心)
31a、31b、31e〜31h、31J 放熱性向上部材
31A〜31D 放熱性向上部材
32〜34、35a、35b、36 冷却管
101 内燃機関等の回転軸
102 フランジボルト
103 取付ボルト
201、202 エンジンケースカバー(エンジンブロック)

Claims (9)

  1. 椀状の回転子であるフライホイールと、このフライホイールの筒状部内周面に設けられた複数個の磁石と、前記フライホイール内に前記磁石と対向して設置され、該磁石との電磁誘導作用により発電するための積層鉄心と該積層鉄心に巻回された発電コイルとを備えたステータである固定子、とを有する磁石発電機において、磁気回路を構成する前記積層鉄心の容積を削減して形成したスペースに嵌入された磁気回路とは無関係の放熱性向上部材を備え、この放熱性向上部材を、積層鉄心の端板間に設け、積層鉄心の厚みと同等の厚みを有するようにしたことを特徴とする磁石発電機。
  2. 椀状の回転子であるフライホイールと、このフライホイールの筒状部内周面に設けられた複数個の磁石と、前記フライホイール内に前記磁石と対向して設置され、該磁石との電磁誘導作用により発電するための積層鉄心と該積層鉄心に巻回された発電コイルとを備えたステータである固定子、とを有する磁石発電機において、磁気回路を構成する前記積層鉄心の容積を削減して形成したスペースに嵌入された磁気回路とは無関係の放熱性向上部材を備え、この放熱性向上部材を、積層鉄心の中板間内に設け、積層鉄心の厚みより少ない厚みとしたことを特徴とする磁石発電機。
  3. 椀状の回転子であるフライホイールと、このフライホイールの筒状部内周面に設けられた複数個の磁石と、前記フライホイール内に前記磁石と対向して設置され、該磁石との電磁誘導作用により発電するための積層鉄心と該積層鉄心に巻回された発電コイルとを備えたステータである固定子、とを有する磁石発電機において、磁気回路を構成する前記積層鉄心の容積を削減して形成したスペースに嵌入された磁気回路とは無関係の放熱性向上部材を備え、この放熱性向上部材を、積層鉄心の片側面で発電コイル近傍まで拡大して設けたことを特徴とする磁石発電機。
  4. 前記放熱性向上部材は、アルミ部材であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の磁石発電機。
  5. 前記放熱性向上部材に挿入もしくは貫通して設けられた冷却菅を備え、前記冷却管に冷却媒体を供給することによって、固定子の冷却性を向上させたことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の磁石発電機。
  6. 前記積層鉄心に冷却管を貫通させ、該冷却管を発電コイル近傍まで分配したことを特徴
    とする請求項4に記載の磁石発電機。
  7. 前記冷却管を、前記積層鉄心の積層厚み内で折り返したことを特徴とする請求項4に記載の磁石発電機。
  8. 前記冷却管を、前記積層鉄心の両側に配置したことを特徴とする請求項4に記載の磁石発電機。
  9. 前記冷却管を、固定子の各磁極間の表側と裏側を交互にS状に分配したことを特徴とする請求項に記載の磁石発電機。
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