回転電機
【課題】 低中速回転域では発電電力を増加し、高速回転域では過電圧の発生を有効に防止した、小型、安価でかつ高出力の回転電機を提供する。
【解決手段】 回転子８と電機子２３とを有し、回転子８は界磁巻線１６を有する円筒部１８ａ，１９ａと、クローポール形の磁極部１８ｂ，１９ｂとを備えた回転子鉄心１８，１９を有し、この回転子鉄心１８，１９の周方向において互いに隣接する各磁極部１８ｂ，１９ｂの間には、回転子８の回転に伴って作用する遠心力により、高透磁率の材料からなる磁性板３７が回転子鉄心１８，１９の径方向に向けて可動して界磁巻線１６と共に電機子鉄心２４に磁束を供給する永久磁石３６のＮ極とＳ極間を短絡させる磁気短絡機構３２が設けられている。
【解決手段】 回転子８と電機子２３とを有し、回転子８は界磁巻線１６を有する円筒部１８ａ，１９ａと、クローポール形の磁極部１８ｂ，１９ｂとを備えた回転子鉄心１８，１９を有し、この回転子鉄心１８，１９の周方向において互いに隣接する各磁極部１８ｂ，１９ｂの間には、回転子８の回転に伴って作用する遠心力により、高透磁率の材料からなる磁性板３７が回転子鉄心１８，１９の径方向に向けて可動して界磁巻線１６と共に電機子鉄心２４に磁束を供給する永久磁石３６のＮ極とＳ極間を短絡させる磁気短絡機構３２が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子内に界磁巻線と協働して電機子鉄心に磁束を供給する永久磁石が設けられている回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、車両用の充電発電機において、車両に必要とされる電気負荷の増大や燃費の向上のために、高出力化と小型軽量化とが求められている。このような要求に対処するものとして、発電機の界磁に永久磁石による磁化力を付加することにより、磁極間の漏洩磁束を低減し、有効磁束を増大して出力を向上させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、このような構成の発電機では、界磁電流を流さず永久磁石の磁束のみで発電しても電気負荷が小さい状態で高速で回転される時には、電気負荷を超える発電量となり、このためバッテリが過充電状態となって破損したり、電気負荷に異常電圧が印加されて破損に至ることがあった。
【０００４】
この対策のため、従来技術では、界磁巻線を備えた第１の回転子と、永久磁石を備えた第２の回転子との少なくとも２種類の回転子を設けるとともに、負荷の大小に応じて上記界磁巻線に流れる界磁電流値とその流れる向きを変えるスイッチング手段を備えた構成とし、負荷が大きいときには、界磁巻線に対して永久磁石の磁束と同方向に所定の磁束が発生するようにスイッチング手段によって電流値とその流れる向きを制御する一方、負荷が小さくて永久磁石の磁束だけで出力が足りるときには、永久磁石で発生する磁束を界磁巻線で発生する磁束で打ち消すようにスイッチング手段によって電流値とその流れる向きを制御することで出力電圧を適正値に調整し、これによって過電圧の発生を防止するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特許第２８６５０９１号公報
【特許文献２】特許第３０６３１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の特許文献２に開示された技術では、界磁巻線を備えた第１の回転子と永久磁石を備えた第２の回転子との少なくとも２種類の回転子を備える必要があるので、全体構造が複雑になるとともに、重量増加やコストアップの要因にもなっていた。
【０００７】
また、負荷の大小に応じて上記界磁巻線に流れる界磁電流の値とその電流の向きを切り換えるためのスイッチング手段を別途追加することが必要であり、この点でもコストアップの要因となっていた。
【０００８】
しかも、回転子が高速回転で駆動され、かつ、電気負荷が小さいときには、過電圧発生を抑えるために永久磁石で発生する磁束を減ずる向きの電流を界磁巻線に流し続けなければならず、電力消費量が増大するという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、比較的簡単な構成であり、かつ、余分なコストアップを招来することなく、低中速回転域では発電電力を増加し、高速回転域では過電圧の発生を有効に防止できるようにして、小型、安価でかつ高出力の回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は、電機子鉄心に電機子巻線が巻回されてなる電機子と、上記電機子の内径側に所定の空隙を介して回転自在に支承された回転子とを有し、上記回転子は、外周部に界磁巻線が巻回された円筒部と、周方向において互いに隣接する磁極が異極をなすように磁化されるクローポール形の磁極部とからなる回転子鉄心を有し、上記磁極部には、上記界磁巻線と協働して上記電機子鉄心に磁束を供給する永久磁石が設けられている回転電機において、次の構成を採用している。
【００１１】
すなわち、本発明の回転電機は、上記回転子鉄心の周方向において互いに隣接する磁極部の間に、上記回転子の回転に伴って作用する遠心力により、高透磁率の材料からなる磁性板が上記回転子鉄心の径方向に向けて可動して上記永久磁石のＮ極とＳ極間を短絡させる磁気短絡機構が設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低中速回転域では、磁気短絡機構の磁性板が永久磁石から離間しているので、永久磁石による磁束と界磁巻線の界磁による磁束とで有効磁束を増加して発電電力を増加することができる。一方、高速回転域では、遠心力によって磁性板が永久磁石に当接して永久磁石のＮ極とＳ極を短絡させるので、永久磁石から電機子鉄心に供給される磁束を減少し、軽負荷高速回転時における過電圧の発生を有効に防止することができる。
【００１３】
このため、磁化力の大きな永久磁石を装着することができ、発電出力特性あるいはトルク特性を大幅に改善することができる。しかも、回転子の回転により生じる遠心力を利用して磁気短絡機構を動作させるため、過電圧発生防止のために、従来のような逆励磁するための界磁巻線を設けた回転子や界磁電流の向きを切り換えるスイッチング手段を設ける必要がない。したがって、小型、安価でかつ高出力の回転電機を得ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における回転電機の構成を示す断面図、図２は同回転電機の回転子の詳細構造を示す斜視図、図３は同回転電機の回転子を上部から見た一部を示す平面図、図４は回転子が備える磁気短絡機構を示す断面図である。
【００１５】
この実施の形態１における回転電機は、充電発電機として機能するものであって、ケース１を有し、このケース１は、フロントブラケット２およびリアブラケット３がボルト４により一体化されて構成されている。そして、このケース１内には左右の軸受５，６によって回転軸７が回転自在に支承されており、この回転軸７にはクローポール形の回転子８が固定されている。
【００１６】
また、回転軸７には、その一端側に図示しないエンジンにより駆動されるタイミングベルトが懸架されるプーリ９がナット１０で固定され、他端側にはスリップリング１３が嵌着されている。そして、このスリップリング１３には一対のブラシ１４が摺接するとともに、スリップリング１３は電線１５を介して回転子８の後述する界磁巻線１６に電気的に接続されている。これにより、ブラシ１４からスリップリング１３および電線１５を介して界磁巻線１６に界磁電流が供給されるようになっている。
【００１７】
上記の回転子８は、磁束を発生する界磁巻線１６、およびこの界磁巻線１６が巻回されたボビン１７を備えるとともに、界磁巻線１６の磁束によって磁極が形成される一対の回転子鉄心１８，１９が界磁巻線１６を覆うように設けられている。そして、各回転子鉄心１８，１９の各側面に冷却ファン２１，２２が固定されている。
【００１８】
回転子８の径方向外方には、ケース１の内周面に固定された電機子２３が同心状に配置されている。この電機子２３は、回転子８による回転磁界が通る電機子鉄心２４と、この電機子鉄心２４に巻回された電機子巻線２５とから構成されている。
【００１９】
また、ケース１内のリアブラケット３側には、電機子２３の出力電流を整流する整流器２６、および電機子２３の出力電圧を制御する電圧制御手段としての電圧制御ユニット２７が設けられており、整流器２６は電線２８を介して電機子巻線２５に電気的に接続され、また、整流器２６も同様に電圧制御ユニット２７に電気的に接続されている。
【００２０】
上記の回転子８を構成する各回転子鉄心１８，１９は、円筒部１８ａ，１９ａと、爪状の磁極部１８ｂ，１９ｂとを有する。そして、円筒部１８ａ，１９ａの外周部分に上記の界磁巻線１６およびボビン１７が収容されている。また上記の各磁極部１８ｂ，１９ｂは、それぞれ所定の極数分だけ形成されるとともに、界磁巻線１６の外径側を覆うように交互に交差している。互いに隣接する磁極部１８ｂ，１９ｂは、周方向に所定の間隔を介して一定のピッチで配列されており、界磁巻線１６により交互に極性が異なるように磁化されている。
【００２１】
そして、互いに隣接する各磁極部１８ｂ，１９ｂの間には、後述の永久磁石３６を内蔵した磁気短絡機構３２が設けられている。この磁気短絡機構３２は、永久磁石３６によって磁極部１８ｂ，１９ｂ間の漏洩磁束を低減すると共に、回転子８の回転数に対応して永久磁石３６のＮ極とＳ極を磁気短絡するものであって、この磁気短絡機構３２の詳細について次に説明する。
【００２２】
磁気短絡機構３２は、図４に示すように、ステンレス鋼等からなる非磁性のケース３３を備え、このケース３３は、断面逆Ｕ字形のケース本体３４と、このケース本体３４の下側の開口部を液密に塞ぐ蓋プレート３５とからなる。そして、ケース３３内に、永久磁石３６、鋼板等からなる高透磁率の磁性板３７、および、回転子８の径方向に伸縮して磁性板３７を押圧するばね部材としての一対のコイルばね３８が収納されている。
【００２３】
そして、永久磁石３６は、互いに隣接する磁極部１８ｂ，１９ｂの極性に合致するように磁極部１８ｂ，１９ｂとの対向する面がそれぞれＮ極とＳ極に着磁されており、また、磁極板３７は、回転子８が回転せずに静止状態あるいは低速回転時の場合には、図示のごとくコイルばね３８のばね力によって永久磁石３６から所定間隔だけ離間した状態に保持されている。
【００２４】
このように、磁気短絡機構３２は、ケース３３、永久磁石３６、磁性板３７、およびバネ部材３８のみで構成できるので、全体構造が簡単であり、かつ回転子鉄心１８，１９とは独立してユニット化できるので、回転子８の組立を効率化することができる。また、磁気短絡機構３２を互いに隣接する各磁極部１８ｂ，１９ｂの間に介設しているので、磁気短絡機構３２の取り付けスペースを容易に確保することができる。
【００２５】
なお、コイルばね３８は、永久磁石３６の磁束の影響を受けないようにステンレス鋼等からなる非磁性のものであることが好ましい。また、この実施の形態１のようにケース３３内を液密になるように構成すれば、外部からの塩水、泥水、塵埃の浸入を防止することができるので、ケース３３内部の永久磁石３６、磁性板３７、コイルばね３８等が錆びたり動作不良になることを防ぐことができる。特に、ケース３３内に潤滑および防錆を兼ねたグリース等を封入すると一層好ましい。
【００２６】
次に、上記構成を有する回転電機における充電発電機としての動作について、上記の図４、図５、および図６を参照して説明する。なお、図６は、磁性板３７が可動せずに永久磁石３６のＮＳ磁極間を短絡していない状態において、永久磁石３６と界磁巻線１６とによって発生する磁束の流れをそれぞれ示した模式図である。
【００２７】
いま、回転子８が低中速回転しているときには、遠心力があまり大きくないので、図４に示すように、磁気短絡機構３２の磁性板３７は、コイルばね３８のばね力によって永久磁石３６とは所定の間隔だけ離間した状態に保たれており、永久磁石３６と磁極部１８ｂ，１９ｂの間は空気層が介在するために磁気抵抗が大きい状態となっている。
【００２８】
この場合には互いに隣接する磁極部１８ｂ，１９ｂ間での磁束の漏れが少なくなると共に、永久磁石３６によって発生する磁束は、図６の矢印Ａで示されるように、永久磁石３６のＮ極→磁極部（Ｎ極）１９ｂ→空隙→電機子鉄心２４→空隙→磁極部（Ｓ極）１８ｂ→永久磁石３６のＳ極→永久磁石３６のＮ極という磁束Ａの流れを形成する。
【００２９】
また、図６の矢印Ｂで示されるように、永久磁石３６のＮ極→磁極部（Ｎ極）１９ｂ→円筒部１９ａ→円筒部１８ａ→磁極部（Ｓ極）１８ｂ→永久磁石３６のＳ極→永久磁石３６のＮ極という磁束Ｂの流れを形成する。
【００３０】
さらに、界磁巻線１６への通電によって発生する主磁束は、図６の矢印Ｃで示されるように、磁極部（Ｎ極）１９ｂ→空隙→電機子鉄心２４→空隙→磁極部（Ｓ極）１８ｂ→円筒部１８ａ→円筒部１９ａ→磁極部（Ｎ極）１９ｂという流れになる。
【００３１】
したがって、電機子鉄心２４を通る有効磁束は、永久磁石３６による磁束Ａと界磁巻線１６による主磁束Ｃとを合算したものになり、界磁巻線１６による主磁束Ｃだけの場合より大きくなる。
【００３２】
次に、回転子８の回転が上昇して遠心力の大きさが次第に大きくなると、図５に示すように、磁性板３７がコイルばね３８のばね力に抗して回転子８の径方向外方に向けて移動し、第１の所定回転速度Ｎ１以上の高速回転で永久磁石３６の内周面に接して押圧され、永久磁石３６のＮ極とＳ極は、磁性板３７を介して磁気回路的に短絡した状態となる（図５（ｂ）参照）。その結果、図６の矢印Ａで示す磁束Ａが減少する。
【００３３】
そして、次に、回転子８の回転速度が次第に低下してくると、遠心力が小さくなって第２の所定回転速度Ｎ２以下まで低下した時に、コイルばね３８のばね力によって磁性板３７は図４に示したように永久磁石３６と所定の間隔だけ離れた元の位置に戻る。
【００３４】
このように、この実施の形態１の充電発電機によれば、たとえ磁化力の強い永久磁石３６を装着した場合でも、高速回転時には磁気短絡機構３２が動作して永久磁石３６のＮ極とＳ極との間を短絡し、永久磁石３６の磁化力によって発生する電機子鉄心２４を通る磁束Ａを減少させる。このため、従来の充電発電機の課題であった軽負荷高速回転時の過電圧の発生を有効に防止することができる。
【００３５】
一方、上記のように過電圧発生の問題なしに磁化力の強い永久磁石３６を装着できることから、磁気短絡機構３２が動作していない低中速回転時には、永久磁石３６の磁化力による磁束によって電機子鉄心２４を通る有効磁束を増加させることができ、出力電力を大幅に増加させることが可能になる。
【００３６】
また、回転子８の回転速度に伴う遠心力を利用して磁気短絡機構３２を動作させて永久磁石３６のＮ極とＳ極を短絡することで高速回転時の過電圧発生を有効に防止できるので、従来技術のように、逆励磁するために特別な界磁巻線や界磁電流の向きを切り換えるためのスイッチング手段を設ける必要がない。このため、界磁巻線およびその付属装置の設計が容易となり、製造コストの低減を図ることができる。
【００３７】
図７は、本発明の実施の形態１における充電発電機と従来の充電発電機との発電出力を比較して示す特性図である。なお、同図において、横軸は充電発電機の回転速度［ｒ／ｍｉｎ］、縦軸は出力電流［Ａ］である。
【００３８】
ここで、カーブＡ（実線）は電機子巻線の仕様が３ＴＹ（３ターンのスター結線）で磁石無しの場合の従来装置を示し、カーブＢ（一点鎖線）は電機子巻線の仕様が４ＴΔ（４ターンのデルタ結線）（＝２．３ターンのスター結線相当）で磁化力の弱い磁石付きの場合の従来装置を示し、カーブＣ（破線）はこの実施の形態１の充電発電機の場合であり、電機子巻線の仕様が４ＴΔ（４ターンのデルタ結線）（＝２．３ターンのスター結線相当）で磁化力の強い磁石付きの場合を示している。
【００３９】
図７から分かるように、本発明の実施の形態１における充電発電機は、発電の立ち上がり回転速度は従来装置と同等以上を確保し、かつ低速回転から高速回転まで従来装置よりも大幅に大きい発電出力を発生させていることが理解される。
【００４０】
実施の形態２．
図８，図９は本発明の実施の形態２における回転電機に使用される磁気短絡機構の詳細構造を示す断面図であり、図８は回転子が低中速回転しているときの状態を、図９は回転子が高速回転しているときの状態をそれぞれ示している。なお、図８および図９において、図４および図５に示した実施の形態１と対応もしくは相当する部分に同一の符号を付す。
【００４１】
上記の実施の形態１では、磁気短絡機構３２において磁性板３７の復帰用としてコイルばね３８を使用しているが、この実施の形態２では、コイルばね３８に代えて板ばね３９を使用している。なお、この場合の板ばね３９は、永久磁石３６の磁束の影響を受けないようにステンレス鋼等からなる非磁性のものを使用するのが好ましい。
【００４２】
このような板ばね３９を使用する場合には、コイルばね３８を使用する場合よりも構造が簡単であり、また、ケース３３内のスペースも少なくて済み、コスト的に有利である。
【００４３】
その他の構成、および作用効果は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【００４４】
実施の形態３．
図１０，図１１は本発明の実施の形態３における回転電機に使用される磁気短絡機構の詳細構造を示す図であり、図１０は回転子が低中速回転しているときの状態を、図１１は回転子が高速回転しているときの状態をそれぞれ示している。なお、図１０および図１１において、図４および図５に示した実施の形態１と対応もしくは相当する部分に同一の符号を付す。
【００４５】
上記の実施の形態１では磁気短絡機構３２において、磁性板３７の復帰用としてコイルばね３８を使用し、また、実施の形態２では板ばね３９を使用しているが、この実施の形態３では、コイルばね３８と板ばね３９とを組み合わせて使用している。
【００４６】
このように、コイルばね３８と板ばね３９とを組み合わせて使用する場合には、各ばねのばね定数を組み合わせて選定することができるので、磁性板３７が永久磁石３６の内周面に接する場合の回転子の回転速度Ｎ１と、磁性板３７が永久磁石３６から離間する場合の回転子の回転速度Ｎ２とを任意に設定し易くなり、設計の自由度が増す。
【００４７】
その他の構成、および作用効果は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【００４８】
実施の形態４．
図１２は本発明の実施の形態４における回転電機に使用される磁気短絡機構の詳細構造を示す断面図であり、図４および図５に示した実施の形態１と対応もしくは相当する部分に同一の符号を付す。
【００４９】
この実施の形態４において、磁気短絡機構３２は、鋼板等からなる高透磁率の磁性金属板４０を左右一対の永久磁石３６により一体的に挟着固定してなる永久磁石ユニット４１を備えている。この場合の左右の各永久磁石３６は、磁性金属板４０を挟んで互いに対向する面がそれぞれＮ極とＳ極とになるように着磁されている。
【００５０】
そして、磁気短絡機構３２は、ケース３３内に上記の永久磁石ユニット４１、磁極板３７、および磁極板３７を永久磁石ユニット４１に対して近接離間するように伸縮するコイルばね３８が収納されて構成されている。
【００５１】
このように、一対の永久磁石３６の間に磁性金属板４０を介在させると、一般的に透磁率が低い永久磁石３６を単独で使用する場合よりも磁気抵抗が格段に小さくなり、これによって磁束も増加するため、発電出力特性が向上する。
【００５２】
その他の構成、および作用効果は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。なお、一対の永久磁石３６の間に磁性金属板４０を介在させた永久磁石ユニット４１は、この実施の形態４だけでなく、実施の形態１〜３の磁気短絡機構３２においても同様に適用することができる。
【００５３】
上記の実施の形態１〜４は、本発明を充電発電機に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、充電発電機と始動電動機とを兼ねた回転電機についても適用できるのは勿論である。この場合、充電発電機として動作する場合の出力特性だけでなく、始動電動機として動作する場合のトルク特性も従来のものに比べて、低速回転領域から高速回転領域にわたって大幅に改善することができる。
【００５４】
実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５における回転電機の断面図であり、図１に示した実施の形態１の構成と対応もしくは相当する部分には同一の符号を付す。
【００５５】
この実施の形態５における回転電機は、充電発電機として機能するだけでなく、始動電動機としても機能するものであって、実施の形態１の充電発電機の構成と比べて、特有な構成要素として、回転子８の回転位置を検出する回転位置検出器４３と、電機子巻線２５に電気的に接続された三相端子４４とを備えている。その他の部分については、磁気短絡機構３２を含め実質的に同じ構成であるので、詳しい説明は省略する。
【００５６】
図１４は、図１３に示した充電発電機と始動電動機とを兼ねた回転電機のシステム全体を示す回路図である。
【００５７】
図１４において、このシステムは、インバータユニット４５、平滑用コンデンサ４６、バッテリ４７、コントローラ４８、界磁電流制御装置４９、およびコントローラ４８に必要な情報を入力する図示していないＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を含む。そして、三相の電機子巻線２５にインバータユニット４５が接続され、このインバータユニット４５は平滑コンデンサ４６を介してバッテリ４７に接続されている。また、界磁電流制御装置４９は界磁巻線１６を介してバッテリ４７に接続されている。
【００５８】
インバータユニット４５は、並列接続されたスイッチング素子５１およびダイオード５２の組を２組直列に接続したものを並列に３つ配置して構成されている。そして、電機子巻線２５の各Ｙ結線（スター結線）の端部が、交流配線を介して直列に接続されたスイッチング素子５１の中間接続点ｘ、ｙ、ｚにそれぞれ接続されており、コントローラ４８によって各スイッチング素子５１のスイッチング動作が制御される。
【００５９】
界磁電流制御装置４９は、コントローラ４８からの指令に応じて界磁巻線１６に流れる界磁電流を制御するもので、例えばトランジスタ等の素子で構成されている。また、コントローラ４８は、始動電動機として動作する場合には、インバータユニット４５の各スイッチング素子５１をオン／オフ制御してバッテリ４７からの直流電力を三相交流電力に変換して電機子２３の電機子巻線２５に供給し、また、充電発電機として動作する場合には、出力電圧を制御する電圧制御手段として作用し、電機子巻線２５の出力電圧の値に基づいて界磁電流制御装置４９を制御して、界磁巻線１６に流れる界磁電流の大きさを調整すると共に、各スイッチング素子５１をオン／オフすることで電機子巻線２５に誘起された三相交流電力を直流電力に変換してバッテリ４７を充電するようになっている。
【００６０】
次に、上記構成の回転電機の動作について説明する。この回転電機は、例えば、ハイブリッド自動車のアイドリングストップなどに使用される。ここでは、回転電機の動作をこのアイドリングストップにおける動作を通して説明する。
【００６１】
まず、アイドリングストップを開始するための条件が成立すると、図示しないエンジンが停止され、そしてエンジンを再始動する条件が揃うと、バッテリ４７から直流電力がインバータユニット４５に給電される。そこで、コントローラ４８がインバータユニット４５の各スイッチング素子５１をオン／オフ制御し、直流電力が三相交流電力に変換され、この三相交流電力が三相端子４４および交流配線を介して電機子２３の電機子巻線２５に供給される。
【００６２】
一方、回転子８の界磁巻線１６には、予め界磁電流制御装置４９からブラシ１４、スリップリング１３、および電線１５を介して界磁電流が供給されて界磁巻線１６の周囲に回転磁界が与えられているので、電機子２３の電機子巻線２５に流れる誘導電流との相互作用によって回転子８が回転駆動される。そして、この回転子８の回転動力がプーリ９から図示しない動力伝達装置を介してエンジンに伝達されて、エンジンが始動される。
【００６３】
そして、エンジンが始動されると、逆にエンジンの回転動力が図外の動力伝達装置およびプーリ９を介して回転子８に伝達される。これにより、回転子８が回転駆動して電機子巻線２５に三相交流電圧が誘起される。
【００６４】
そこで、コントローラ４８は、インバータユニット４５の各スイッチング素子５１をオン／オフ制御し、電機子巻線２５に誘起された三相交流電力を直流電力に変換してバッテリ４７を充電する。この場合の充電発電機としての制御動作および作用効果は、実施の形態１で説明した内容と同様であるので、ここでは詳しい説明は省略する。
【００６５】
図１５は、本発明の実施の形態５による回転電機と、従来の回転電機のトルク特性とを比較して示す特性図である。なお、図において、横軸は発電電動機回転速度［ｒ／ｍｉｎ］、縦軸は出力トルク［Ｎｍ］である。
【００６６】
ここで、カーブＡ（実線）は電機子巻線２５の仕様が３ＴＹ（３ターンのスター結線）で磁石無しの場合の従来装置を示し、カーブＢ（一点鎖線）は電機子巻線２５の仕様が４ＴΔ（４ターンのデルタ結線）（＝２．３ターンのスター結線相当）で磁化力の弱い磁石付きの場合の従来装置を示し、カーブＣ（破線）はこの実施の形態５の充電発電機の場合であり、電機子巻線２５の仕様が４ＴΔ（４ターンのデルタ結線）（＝２．３ターンのスター結線相当）で磁化力の強い磁石付きの場合を示している。
【００６７】
図１５から分かるように、この実施の形態５における回転電機は、同じ回転速度の場合には大きなトルクが得られると共に、高回転速度までトルクを発生させることができることが理解される。
【００６８】
このように、本発明の実施の形態５における回転電機によれば、磁気短絡機構３２を適用することにより、充電発電機として動作させる場合には、軽負荷高速回転時の過電圧防止のための弱め界磁を行う必要がなくなり、低速から高速回転までの全回転域での発電出力特性が向上する。また、始動電動機として動作させる場合には、インバータの許容電流容量を下げることができるので、低速時のトルク特性が向上してエンジンをスムーズに始動できるだけでなく、従来よりも高い回転数まで回転させることができて、加速レスポンスが向上する。
【００６９】
実施の形態６．
図１６は、本発明の実施の形態６における回転電機の断面図であり、図１３に示した実施の形態５の構成と対応もしくは相当する部分には同一の符号を付す。
【００７０】
この実施の形態６における回転電機は、充電発電機として機能するとともに、始動電動機としても機能するものであって、上記の実施の形態５においては、図１４に示したシステムのインバータユニット４５や平滑用コンデンサ４６は、回転電機とは別の箇所に設けているが、この実施の形態６では、インバータユニット４５および平滑用コンデンサ４６を含む回路部分が回路基板５４に集約して搭載され、この回路基板５４がリアブラケット３の端面に一体的に装着されている。
【００７１】
すなわち、図１６において、絶縁性樹脂からなる略円筒状のケース５５に円筒状のヒートシンク５６が一体形成されており、このヒートシンク５６が軸受６および回転位置検出器４３が設けられたベアリングボックス５７を外囲するように、リブラケット３の端面に直接取り付けられている。
【００７２】
上記のヒートシンク５６は、銅、アルミニウム等の熱伝導性の良好な金属を用いて軸方向から見てＣ形状に形成されたもので、このヒートシンク５６の内周面には、軸方向に延びるフィン５６ａが周方向に等角ピッチで立設されている。また、ヒートシンク５６の外周面上には、回路基板５４が電気絶縁状態に配設されてケース５５内に収納されている。そして、この回路基板５４に前述のインバータユニット４５を構成するスイッチング素子５１とダイオード５２、および平滑用コンデンサ４６が、図１４に示した回路を構成するように実装されている。
【００７３】
そして、電機子巻線２５のＹ結線端部から延びる三相の電線２８がインバータユニット４５に電気的に接続されている。このため、実施の形態５のような電機子巻線２５に接続された三相端子４４は省略され、その代わりに、バッテリ４７に接続するための電源端子５９が設けられている。
【００７４】
その他の磁気短絡機構３２を含めた構成、および作用効果については、実施の形態５の場合と同様であるので、ここでは詳しい説明は省略する。
【００７５】
以上のように、この実施の形態６における回転電機は、実施の形態５で述べた効果に加えて、軽負荷高速回転時の過電圧防止のための弱め界磁を行う必要がなくなり、インバータの許容電流容量を下げることができることと相俟って、インバータユニット４５等の設置や接続がコンパクトに達成でき、小型化とコスト低減を実現することができる。
【００７６】
なお、この実施の形態６では、インバータユニット４５や平滑用コンデンサ４６を回路基板５４に搭載してリアブラケット３の端面に一体的に装着しているが、さらに、図１４に示したシステムのコントローラ４８や界磁電流制御装置４９も同時に回路基板５４に搭載してリアブラケット３の端面に一体的に装着した構成とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は上記の実施の形態１〜６に限定されるものではなく、遠心力により駆動される磁気短絡機構３２により永久磁石３６のＮ極とＳ極間を短絡させることによって永久磁石３６による磁束を減少させるという本発明の趣旨を逸脱しない範囲において各種の変形を加えることが可能である。また、本発明は、充電発電機や始動電動機に限定されるものではなく、他の発電機、電動機、および発電電動機のあらゆる回転電機に対して適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態１において、充電発電機として機能する回転電機の構成を示す断面図である。
【図２】同回転電機の回転子の詳細構造を示す斜視図である。
【図３】同回転電機の回転子を上部から見た一部を示す平面図である。
【図４】回転子が備える磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板がコイルばねのばね力によって永久磁石から離間されている状態を示している。
【図５】同磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板がコイルばねのばね力に抗して永久磁石の内周面に押圧された状態を示している。
【図６】永久磁石と界磁巻線によって発生する磁束の流れをそれぞれ示した模式図である。
【図７】本発明の実施の形態１における充電発電機として機能する回転電機の発電出力を、従来の充電発電機の発電出力と比較して示す特性図である。
【図８】本発明の実施の形態２における磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板が板ばねのばね力によって永久磁石から離間されている状態を示している。
【図９】同磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板が板ばねのばね力に抗して永久磁石の内周面に押圧された状態を示している。
【図１０】本発明の実施の形態３における磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板が板ばねとコイルばねとのばね力によって永久磁石から離間されている状態を示している。
【図１１】同磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板が板ばねとコイルばねとのばね力に抗して永久磁石の内周面に押圧された状態を示している。
【図１２】本発明の実施の形態４における磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板がコイルばねのばね力によって永久磁石から離間されている状態を示している。
【図１３】本発明の実施の形態５において、充電発電機および始動電動機として機能する回転電機の構成を示す断面図である。
【図１４】同回転電機のシステム全体を示す回路図である。
【図１５】同回転電機と従来の回転電機とのトルク特性を比較して示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態６において、充電発電機および始動電動機として機能する回転電機の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
７ 回転軸、８ 回転子、１６ 界磁巻線、１８，１９ 回転子鉄心、
１８ａ，１９ａ 円筒部、１８ｂ，１９ｂ 磁極部、２３ 電機子、２４ 電機子鉄心、
２５ 電機子巻線、２７ 電圧制御ユニット（電圧制御手段）、３２ 磁気短絡機構、
３３ ケース、３６ 永久磁石、３７ 磁性板、３８ コイルばね（ばね部材）、
３９ 板ばね（ばね部材）、４０ 磁性金属板、４１ 永久磁性ユニット、
４５ インバータユニット、４８ コントローラ（電圧制御手段）、
４９ 界磁電流制御装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子内に界磁巻線と協働して電機子鉄心に磁束を供給する永久磁石が設けられている回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、車両用の充電発電機において、車両に必要とされる電気負荷の増大や燃費の向上のために、高出力化と小型軽量化とが求められている。このような要求に対処するものとして、発電機の界磁に永久磁石による磁化力を付加することにより、磁極間の漏洩磁束を低減し、有効磁束を増大して出力を向上させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、このような構成の発電機では、界磁電流を流さず永久磁石の磁束のみで発電しても電気負荷が小さい状態で高速で回転される時には、電気負荷を超える発電量となり、このためバッテリが過充電状態となって破損したり、電気負荷に異常電圧が印加されて破損に至ることがあった。
【０００４】
この対策のため、従来技術では、界磁巻線を備えた第１の回転子と、永久磁石を備えた第２の回転子との少なくとも２種類の回転子を設けるとともに、負荷の大小に応じて上記界磁巻線に流れる界磁電流値とその流れる向きを変えるスイッチング手段を備えた構成とし、負荷が大きいときには、界磁巻線に対して永久磁石の磁束と同方向に所定の磁束が発生するようにスイッチング手段によって電流値とその流れる向きを制御する一方、負荷が小さくて永久磁石の磁束だけで出力が足りるときには、永久磁石で発生する磁束を界磁巻線で発生する磁束で打ち消すようにスイッチング手段によって電流値とその流れる向きを制御することで出力電圧を適正値に調整し、これによって過電圧の発生を防止するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特許第２８６５０９１号公報
【特許文献２】特許第３０６３１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の特許文献２に開示された技術では、界磁巻線を備えた第１の回転子と永久磁石を備えた第２の回転子との少なくとも２種類の回転子を備える必要があるので、全体構造が複雑になるとともに、重量増加やコストアップの要因にもなっていた。
【０００７】
また、負荷の大小に応じて上記界磁巻線に流れる界磁電流の値とその電流の向きを切り換えるためのスイッチング手段を別途追加することが必要であり、この点でもコストアップの要因となっていた。
【０００８】
しかも、回転子が高速回転で駆動され、かつ、電気負荷が小さいときには、過電圧発生を抑えるために永久磁石で発生する磁束を減ずる向きの電流を界磁巻線に流し続けなければならず、電力消費量が増大するという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、比較的簡単な構成であり、かつ、余分なコストアップを招来することなく、低中速回転域では発電電力を増加し、高速回転域では過電圧の発生を有効に防止できるようにして、小型、安価でかつ高出力の回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は、電機子鉄心に電機子巻線が巻回されてなる電機子と、上記電機子の内径側に所定の空隙を介して回転自在に支承された回転子とを有し、上記回転子は、外周部に界磁巻線が巻回された円筒部と、周方向において互いに隣接する磁極が異極をなすように磁化されるクローポール形の磁極部とからなる回転子鉄心を有し、上記磁極部には、上記界磁巻線と協働して上記電機子鉄心に磁束を供給する永久磁石が設けられている回転電機において、次の構成を採用している。
【００１１】
すなわち、本発明の回転電機は、上記回転子鉄心の周方向において互いに隣接する磁極部の間に、上記回転子の回転に伴って作用する遠心力により、高透磁率の材料からなる磁性板が上記回転子鉄心の径方向に向けて可動して上記永久磁石のＮ極とＳ極間を短絡させる磁気短絡機構が設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低中速回転域では、磁気短絡機構の磁性板が永久磁石から離間しているので、永久磁石による磁束と界磁巻線の界磁による磁束とで有効磁束を増加して発電電力を増加することができる。一方、高速回転域では、遠心力によって磁性板が永久磁石に当接して永久磁石のＮ極とＳ極を短絡させるので、永久磁石から電機子鉄心に供給される磁束を減少し、軽負荷高速回転時における過電圧の発生を有効に防止することができる。
【００１３】
このため、磁化力の大きな永久磁石を装着することができ、発電出力特性あるいはトルク特性を大幅に改善することができる。しかも、回転子の回転により生じる遠心力を利用して磁気短絡機構を動作させるため、過電圧発生防止のために、従来のような逆励磁するための界磁巻線を設けた回転子や界磁電流の向きを切り換えるスイッチング手段を設ける必要がない。したがって、小型、安価でかつ高出力の回転電機を得ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における回転電機の構成を示す断面図、図２は同回転電機の回転子の詳細構造を示す斜視図、図３は同回転電機の回転子を上部から見た一部を示す平面図、図４は回転子が備える磁気短絡機構を示す断面図である。
【００１５】
この実施の形態１における回転電機は、充電発電機として機能するものであって、ケース１を有し、このケース１は、フロントブラケット２およびリアブラケット３がボルト４により一体化されて構成されている。そして、このケース１内には左右の軸受５，６によって回転軸７が回転自在に支承されており、この回転軸７にはクローポール形の回転子８が固定されている。
【００１６】
また、回転軸７には、その一端側に図示しないエンジンにより駆動されるタイミングベルトが懸架されるプーリ９がナット１０で固定され、他端側にはスリップリング１３が嵌着されている。そして、このスリップリング１３には一対のブラシ１４が摺接するとともに、スリップリング１３は電線１５を介して回転子８の後述する界磁巻線１６に電気的に接続されている。これにより、ブラシ１４からスリップリング１３および電線１５を介して界磁巻線１６に界磁電流が供給されるようになっている。
【００１７】
上記の回転子８は、磁束を発生する界磁巻線１６、およびこの界磁巻線１６が巻回されたボビン１７を備えるとともに、界磁巻線１６の磁束によって磁極が形成される一対の回転子鉄心１８，１９が界磁巻線１６を覆うように設けられている。そして、各回転子鉄心１８，１９の各側面に冷却ファン２１，２２が固定されている。
【００１８】
回転子８の径方向外方には、ケース１の内周面に固定された電機子２３が同心状に配置されている。この電機子２３は、回転子８による回転磁界が通る電機子鉄心２４と、この電機子鉄心２４に巻回された電機子巻線２５とから構成されている。
【００１９】
また、ケース１内のリアブラケット３側には、電機子２３の出力電流を整流する整流器２６、および電機子２３の出力電圧を制御する電圧制御手段としての電圧制御ユニット２７が設けられており、整流器２６は電線２８を介して電機子巻線２５に電気的に接続され、また、整流器２６も同様に電圧制御ユニット２７に電気的に接続されている。
【００２０】
上記の回転子８を構成する各回転子鉄心１８，１９は、円筒部１８ａ，１９ａと、爪状の磁極部１８ｂ，１９ｂとを有する。そして、円筒部１８ａ，１９ａの外周部分に上記の界磁巻線１６およびボビン１７が収容されている。また上記の各磁極部１８ｂ，１９ｂは、それぞれ所定の極数分だけ形成されるとともに、界磁巻線１６の外径側を覆うように交互に交差している。互いに隣接する磁極部１８ｂ，１９ｂは、周方向に所定の間隔を介して一定のピッチで配列されており、界磁巻線１６により交互に極性が異なるように磁化されている。
【００２１】
そして、互いに隣接する各磁極部１８ｂ，１９ｂの間には、後述の永久磁石３６を内蔵した磁気短絡機構３２が設けられている。この磁気短絡機構３２は、永久磁石３６によって磁極部１８ｂ，１９ｂ間の漏洩磁束を低減すると共に、回転子８の回転数に対応して永久磁石３６のＮ極とＳ極を磁気短絡するものであって、この磁気短絡機構３２の詳細について次に説明する。
【００２２】
磁気短絡機構３２は、図４に示すように、ステンレス鋼等からなる非磁性のケース３３を備え、このケース３３は、断面逆Ｕ字形のケース本体３４と、このケース本体３４の下側の開口部を液密に塞ぐ蓋プレート３５とからなる。そして、ケース３３内に、永久磁石３６、鋼板等からなる高透磁率の磁性板３７、および、回転子８の径方向に伸縮して磁性板３７を押圧するばね部材としての一対のコイルばね３８が収納されている。
【００２３】
そして、永久磁石３６は、互いに隣接する磁極部１８ｂ，１９ｂの極性に合致するように磁極部１８ｂ，１９ｂとの対向する面がそれぞれＮ極とＳ極に着磁されており、また、磁極板３７は、回転子８が回転せずに静止状態あるいは低速回転時の場合には、図示のごとくコイルばね３８のばね力によって永久磁石３６から所定間隔だけ離間した状態に保持されている。
【００２４】
このように、磁気短絡機構３２は、ケース３３、永久磁石３６、磁性板３７、およびバネ部材３８のみで構成できるので、全体構造が簡単であり、かつ回転子鉄心１８，１９とは独立してユニット化できるので、回転子８の組立を効率化することができる。また、磁気短絡機構３２を互いに隣接する各磁極部１８ｂ，１９ｂの間に介設しているので、磁気短絡機構３２の取り付けスペースを容易に確保することができる。
【００２５】
なお、コイルばね３８は、永久磁石３６の磁束の影響を受けないようにステンレス鋼等からなる非磁性のものであることが好ましい。また、この実施の形態１のようにケース３３内を液密になるように構成すれば、外部からの塩水、泥水、塵埃の浸入を防止することができるので、ケース３３内部の永久磁石３６、磁性板３７、コイルばね３８等が錆びたり動作不良になることを防ぐことができる。特に、ケース３３内に潤滑および防錆を兼ねたグリース等を封入すると一層好ましい。
【００２６】
次に、上記構成を有する回転電機における充電発電機としての動作について、上記の図４、図５、および図６を参照して説明する。なお、図６は、磁性板３７が可動せずに永久磁石３６のＮＳ磁極間を短絡していない状態において、永久磁石３６と界磁巻線１６とによって発生する磁束の流れをそれぞれ示した模式図である。
【００２７】
いま、回転子８が低中速回転しているときには、遠心力があまり大きくないので、図４に示すように、磁気短絡機構３２の磁性板３７は、コイルばね３８のばね力によって永久磁石３６とは所定の間隔だけ離間した状態に保たれており、永久磁石３６と磁極部１８ｂ，１９ｂの間は空気層が介在するために磁気抵抗が大きい状態となっている。
【００２８】
この場合には互いに隣接する磁極部１８ｂ，１９ｂ間での磁束の漏れが少なくなると共に、永久磁石３６によって発生する磁束は、図６の矢印Ａで示されるように、永久磁石３６のＮ極→磁極部（Ｎ極）１９ｂ→空隙→電機子鉄心２４→空隙→磁極部（Ｓ極）１８ｂ→永久磁石３６のＳ極→永久磁石３６のＮ極という磁束Ａの流れを形成する。
【００２９】
また、図６の矢印Ｂで示されるように、永久磁石３６のＮ極→磁極部（Ｎ極）１９ｂ→円筒部１９ａ→円筒部１８ａ→磁極部（Ｓ極）１８ｂ→永久磁石３６のＳ極→永久磁石３６のＮ極という磁束Ｂの流れを形成する。
【００３０】
さらに、界磁巻線１６への通電によって発生する主磁束は、図６の矢印Ｃで示されるように、磁極部（Ｎ極）１９ｂ→空隙→電機子鉄心２４→空隙→磁極部（Ｓ極）１８ｂ→円筒部１８ａ→円筒部１９ａ→磁極部（Ｎ極）１９ｂという流れになる。
【００３１】
したがって、電機子鉄心２４を通る有効磁束は、永久磁石３６による磁束Ａと界磁巻線１６による主磁束Ｃとを合算したものになり、界磁巻線１６による主磁束Ｃだけの場合より大きくなる。
【００３２】
次に、回転子８の回転が上昇して遠心力の大きさが次第に大きくなると、図５に示すように、磁性板３７がコイルばね３８のばね力に抗して回転子８の径方向外方に向けて移動し、第１の所定回転速度Ｎ１以上の高速回転で永久磁石３６の内周面に接して押圧され、永久磁石３６のＮ極とＳ極は、磁性板３７を介して磁気回路的に短絡した状態となる（図５（ｂ）参照）。その結果、図６の矢印Ａで示す磁束Ａが減少する。
【００３３】
そして、次に、回転子８の回転速度が次第に低下してくると、遠心力が小さくなって第２の所定回転速度Ｎ２以下まで低下した時に、コイルばね３８のばね力によって磁性板３７は図４に示したように永久磁石３６と所定の間隔だけ離れた元の位置に戻る。
【００３４】
このように、この実施の形態１の充電発電機によれば、たとえ磁化力の強い永久磁石３６を装着した場合でも、高速回転時には磁気短絡機構３２が動作して永久磁石３６のＮ極とＳ極との間を短絡し、永久磁石３６の磁化力によって発生する電機子鉄心２４を通る磁束Ａを減少させる。このため、従来の充電発電機の課題であった軽負荷高速回転時の過電圧の発生を有効に防止することができる。
【００３５】
一方、上記のように過電圧発生の問題なしに磁化力の強い永久磁石３６を装着できることから、磁気短絡機構３２が動作していない低中速回転時には、永久磁石３６の磁化力による磁束によって電機子鉄心２４を通る有効磁束を増加させることができ、出力電力を大幅に増加させることが可能になる。
【００３６】
また、回転子８の回転速度に伴う遠心力を利用して磁気短絡機構３２を動作させて永久磁石３６のＮ極とＳ極を短絡することで高速回転時の過電圧発生を有効に防止できるので、従来技術のように、逆励磁するために特別な界磁巻線や界磁電流の向きを切り換えるためのスイッチング手段を設ける必要がない。このため、界磁巻線およびその付属装置の設計が容易となり、製造コストの低減を図ることができる。
【００３７】
図７は、本発明の実施の形態１における充電発電機と従来の充電発電機との発電出力を比較して示す特性図である。なお、同図において、横軸は充電発電機の回転速度［ｒ／ｍｉｎ］、縦軸は出力電流［Ａ］である。
【００３８】
ここで、カーブＡ（実線）は電機子巻線の仕様が３ＴＹ（３ターンのスター結線）で磁石無しの場合の従来装置を示し、カーブＢ（一点鎖線）は電機子巻線の仕様が４ＴΔ（４ターンのデルタ結線）（＝２．３ターンのスター結線相当）で磁化力の弱い磁石付きの場合の従来装置を示し、カーブＣ（破線）はこの実施の形態１の充電発電機の場合であり、電機子巻線の仕様が４ＴΔ（４ターンのデルタ結線）（＝２．３ターンのスター結線相当）で磁化力の強い磁石付きの場合を示している。
【００３９】
図７から分かるように、本発明の実施の形態１における充電発電機は、発電の立ち上がり回転速度は従来装置と同等以上を確保し、かつ低速回転から高速回転まで従来装置よりも大幅に大きい発電出力を発生させていることが理解される。
【００４０】
実施の形態２．
図８，図９は本発明の実施の形態２における回転電機に使用される磁気短絡機構の詳細構造を示す断面図であり、図８は回転子が低中速回転しているときの状態を、図９は回転子が高速回転しているときの状態をそれぞれ示している。なお、図８および図９において、図４および図５に示した実施の形態１と対応もしくは相当する部分に同一の符号を付す。
【００４１】
上記の実施の形態１では、磁気短絡機構３２において磁性板３７の復帰用としてコイルばね３８を使用しているが、この実施の形態２では、コイルばね３８に代えて板ばね３９を使用している。なお、この場合の板ばね３９は、永久磁石３６の磁束の影響を受けないようにステンレス鋼等からなる非磁性のものを使用するのが好ましい。
【００４２】
このような板ばね３９を使用する場合には、コイルばね３８を使用する場合よりも構造が簡単であり、また、ケース３３内のスペースも少なくて済み、コスト的に有利である。
【００４３】
その他の構成、および作用効果は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【００４４】
実施の形態３．
図１０，図１１は本発明の実施の形態３における回転電機に使用される磁気短絡機構の詳細構造を示す図であり、図１０は回転子が低中速回転しているときの状態を、図１１は回転子が高速回転しているときの状態をそれぞれ示している。なお、図１０および図１１において、図４および図５に示した実施の形態１と対応もしくは相当する部分に同一の符号を付す。
【００４５】
上記の実施の形態１では磁気短絡機構３２において、磁性板３７の復帰用としてコイルばね３８を使用し、また、実施の形態２では板ばね３９を使用しているが、この実施の形態３では、コイルばね３８と板ばね３９とを組み合わせて使用している。
【００４６】
このように、コイルばね３８と板ばね３９とを組み合わせて使用する場合には、各ばねのばね定数を組み合わせて選定することができるので、磁性板３７が永久磁石３６の内周面に接する場合の回転子の回転速度Ｎ１と、磁性板３７が永久磁石３６から離間する場合の回転子の回転速度Ｎ２とを任意に設定し易くなり、設計の自由度が増す。
【００４７】
その他の構成、および作用効果は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【００４８】
実施の形態４．
図１２は本発明の実施の形態４における回転電機に使用される磁気短絡機構の詳細構造を示す断面図であり、図４および図５に示した実施の形態１と対応もしくは相当する部分に同一の符号を付す。
【００４９】
この実施の形態４において、磁気短絡機構３２は、鋼板等からなる高透磁率の磁性金属板４０を左右一対の永久磁石３６により一体的に挟着固定してなる永久磁石ユニット４１を備えている。この場合の左右の各永久磁石３６は、磁性金属板４０を挟んで互いに対向する面がそれぞれＮ極とＳ極とになるように着磁されている。
【００５０】
そして、磁気短絡機構３２は、ケース３３内に上記の永久磁石ユニット４１、磁極板３７、および磁極板３７を永久磁石ユニット４１に対して近接離間するように伸縮するコイルばね３８が収納されて構成されている。
【００５１】
このように、一対の永久磁石３６の間に磁性金属板４０を介在させると、一般的に透磁率が低い永久磁石３６を単独で使用する場合よりも磁気抵抗が格段に小さくなり、これによって磁束も増加するため、発電出力特性が向上する。
【００５２】
その他の構成、および作用効果は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。なお、一対の永久磁石３６の間に磁性金属板４０を介在させた永久磁石ユニット４１は、この実施の形態４だけでなく、実施の形態１〜３の磁気短絡機構３２においても同様に適用することができる。
【００５３】
上記の実施の形態１〜４は、本発明を充電発電機に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、充電発電機と始動電動機とを兼ねた回転電機についても適用できるのは勿論である。この場合、充電発電機として動作する場合の出力特性だけでなく、始動電動機として動作する場合のトルク特性も従来のものに比べて、低速回転領域から高速回転領域にわたって大幅に改善することができる。
【００５４】
実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５における回転電機の断面図であり、図１に示した実施の形態１の構成と対応もしくは相当する部分には同一の符号を付す。
【００５５】
この実施の形態５における回転電機は、充電発電機として機能するだけでなく、始動電動機としても機能するものであって、実施の形態１の充電発電機の構成と比べて、特有な構成要素として、回転子８の回転位置を検出する回転位置検出器４３と、電機子巻線２５に電気的に接続された三相端子４４とを備えている。その他の部分については、磁気短絡機構３２を含め実質的に同じ構成であるので、詳しい説明は省略する。
【００５６】
図１４は、図１３に示した充電発電機と始動電動機とを兼ねた回転電機のシステム全体を示す回路図である。
【００５７】
図１４において、このシステムは、インバータユニット４５、平滑用コンデンサ４６、バッテリ４７、コントローラ４８、界磁電流制御装置４９、およびコントローラ４８に必要な情報を入力する図示していないＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を含む。そして、三相の電機子巻線２５にインバータユニット４５が接続され、このインバータユニット４５は平滑コンデンサ４６を介してバッテリ４７に接続されている。また、界磁電流制御装置４９は界磁巻線１６を介してバッテリ４７に接続されている。
【００５８】
インバータユニット４５は、並列接続されたスイッチング素子５１およびダイオード５２の組を２組直列に接続したものを並列に３つ配置して構成されている。そして、電機子巻線２５の各Ｙ結線（スター結線）の端部が、交流配線を介して直列に接続されたスイッチング素子５１の中間接続点ｘ、ｙ、ｚにそれぞれ接続されており、コントローラ４８によって各スイッチング素子５１のスイッチング動作が制御される。
【００５９】
界磁電流制御装置４９は、コントローラ４８からの指令に応じて界磁巻線１６に流れる界磁電流を制御するもので、例えばトランジスタ等の素子で構成されている。また、コントローラ４８は、始動電動機として動作する場合には、インバータユニット４５の各スイッチング素子５１をオン／オフ制御してバッテリ４７からの直流電力を三相交流電力に変換して電機子２３の電機子巻線２５に供給し、また、充電発電機として動作する場合には、出力電圧を制御する電圧制御手段として作用し、電機子巻線２５の出力電圧の値に基づいて界磁電流制御装置４９を制御して、界磁巻線１６に流れる界磁電流の大きさを調整すると共に、各スイッチング素子５１をオン／オフすることで電機子巻線２５に誘起された三相交流電力を直流電力に変換してバッテリ４７を充電するようになっている。
【００６０】
次に、上記構成の回転電機の動作について説明する。この回転電機は、例えば、ハイブリッド自動車のアイドリングストップなどに使用される。ここでは、回転電機の動作をこのアイドリングストップにおける動作を通して説明する。
【００６１】
まず、アイドリングストップを開始するための条件が成立すると、図示しないエンジンが停止され、そしてエンジンを再始動する条件が揃うと、バッテリ４７から直流電力がインバータユニット４５に給電される。そこで、コントローラ４８がインバータユニット４５の各スイッチング素子５１をオン／オフ制御し、直流電力が三相交流電力に変換され、この三相交流電力が三相端子４４および交流配線を介して電機子２３の電機子巻線２５に供給される。
【００６２】
一方、回転子８の界磁巻線１６には、予め界磁電流制御装置４９からブラシ１４、スリップリング１３、および電線１５を介して界磁電流が供給されて界磁巻線１６の周囲に回転磁界が与えられているので、電機子２３の電機子巻線２５に流れる誘導電流との相互作用によって回転子８が回転駆動される。そして、この回転子８の回転動力がプーリ９から図示しない動力伝達装置を介してエンジンに伝達されて、エンジンが始動される。
【００６３】
そして、エンジンが始動されると、逆にエンジンの回転動力が図外の動力伝達装置およびプーリ９を介して回転子８に伝達される。これにより、回転子８が回転駆動して電機子巻線２５に三相交流電圧が誘起される。
【００６４】
そこで、コントローラ４８は、インバータユニット４５の各スイッチング素子５１をオン／オフ制御し、電機子巻線２５に誘起された三相交流電力を直流電力に変換してバッテリ４７を充電する。この場合の充電発電機としての制御動作および作用効果は、実施の形態１で説明した内容と同様であるので、ここでは詳しい説明は省略する。
【００６５】
図１５は、本発明の実施の形態５による回転電機と、従来の回転電機のトルク特性とを比較して示す特性図である。なお、図において、横軸は発電電動機回転速度［ｒ／ｍｉｎ］、縦軸は出力トルク［Ｎｍ］である。
【００６６】
ここで、カーブＡ（実線）は電機子巻線２５の仕様が３ＴＹ（３ターンのスター結線）で磁石無しの場合の従来装置を示し、カーブＢ（一点鎖線）は電機子巻線２５の仕様が４ＴΔ（４ターンのデルタ結線）（＝２．３ターンのスター結線相当）で磁化力の弱い磁石付きの場合の従来装置を示し、カーブＣ（破線）はこの実施の形態５の充電発電機の場合であり、電機子巻線２５の仕様が４ＴΔ（４ターンのデルタ結線）（＝２．３ターンのスター結線相当）で磁化力の強い磁石付きの場合を示している。
【００６７】
図１５から分かるように、この実施の形態５における回転電機は、同じ回転速度の場合には大きなトルクが得られると共に、高回転速度までトルクを発生させることができることが理解される。
【００６８】
このように、本発明の実施の形態５における回転電機によれば、磁気短絡機構３２を適用することにより、充電発電機として動作させる場合には、軽負荷高速回転時の過電圧防止のための弱め界磁を行う必要がなくなり、低速から高速回転までの全回転域での発電出力特性が向上する。また、始動電動機として動作させる場合には、インバータの許容電流容量を下げることができるので、低速時のトルク特性が向上してエンジンをスムーズに始動できるだけでなく、従来よりも高い回転数まで回転させることができて、加速レスポンスが向上する。
【００６９】
実施の形態６．
図１６は、本発明の実施の形態６における回転電機の断面図であり、図１３に示した実施の形態５の構成と対応もしくは相当する部分には同一の符号を付す。
【００７０】
この実施の形態６における回転電機は、充電発電機として機能するとともに、始動電動機としても機能するものであって、上記の実施の形態５においては、図１４に示したシステムのインバータユニット４５や平滑用コンデンサ４６は、回転電機とは別の箇所に設けているが、この実施の形態６では、インバータユニット４５および平滑用コンデンサ４６を含む回路部分が回路基板５４に集約して搭載され、この回路基板５４がリアブラケット３の端面に一体的に装着されている。
【００７１】
すなわち、図１６において、絶縁性樹脂からなる略円筒状のケース５５に円筒状のヒートシンク５６が一体形成されており、このヒートシンク５６が軸受６および回転位置検出器４３が設けられたベアリングボックス５７を外囲するように、リブラケット３の端面に直接取り付けられている。
【００７２】
上記のヒートシンク５６は、銅、アルミニウム等の熱伝導性の良好な金属を用いて軸方向から見てＣ形状に形成されたもので、このヒートシンク５６の内周面には、軸方向に延びるフィン５６ａが周方向に等角ピッチで立設されている。また、ヒートシンク５６の外周面上には、回路基板５４が電気絶縁状態に配設されてケース５５内に収納されている。そして、この回路基板５４に前述のインバータユニット４５を構成するスイッチング素子５１とダイオード５２、および平滑用コンデンサ４６が、図１４に示した回路を構成するように実装されている。
【００７３】
そして、電機子巻線２５のＹ結線端部から延びる三相の電線２８がインバータユニット４５に電気的に接続されている。このため、実施の形態５のような電機子巻線２５に接続された三相端子４４は省略され、その代わりに、バッテリ４７に接続するための電源端子５９が設けられている。
【００７４】
その他の磁気短絡機構３２を含めた構成、および作用効果については、実施の形態５の場合と同様であるので、ここでは詳しい説明は省略する。
【００７５】
以上のように、この実施の形態６における回転電機は、実施の形態５で述べた効果に加えて、軽負荷高速回転時の過電圧防止のための弱め界磁を行う必要がなくなり、インバータの許容電流容量を下げることができることと相俟って、インバータユニット４５等の設置や接続がコンパクトに達成でき、小型化とコスト低減を実現することができる。
【００７６】
なお、この実施の形態６では、インバータユニット４５や平滑用コンデンサ４６を回路基板５４に搭載してリアブラケット３の端面に一体的に装着しているが、さらに、図１４に示したシステムのコントローラ４８や界磁電流制御装置４９も同時に回路基板５４に搭載してリアブラケット３の端面に一体的に装着した構成とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は上記の実施の形態１〜６に限定されるものではなく、遠心力により駆動される磁気短絡機構３２により永久磁石３６のＮ極とＳ極間を短絡させることによって永久磁石３６による磁束を減少させるという本発明の趣旨を逸脱しない範囲において各種の変形を加えることが可能である。また、本発明は、充電発電機や始動電動機に限定されるものではなく、他の発電機、電動機、および発電電動機のあらゆる回転電機に対して適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態１において、充電発電機として機能する回転電機の構成を示す断面図である。
【図２】同回転電機の回転子の詳細構造を示す斜視図である。
【図３】同回転電機の回転子を上部から見た一部を示す平面図である。
【図４】回転子が備える磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板がコイルばねのばね力によって永久磁石から離間されている状態を示している。
【図５】同磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板がコイルばねのばね力に抗して永久磁石の内周面に押圧された状態を示している。
【図６】永久磁石と界磁巻線によって発生する磁束の流れをそれぞれ示した模式図である。
【図７】本発明の実施の形態１における充電発電機として機能する回転電機の発電出力を、従来の充電発電機の発電出力と比較して示す特性図である。
【図８】本発明の実施の形態２における磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板が板ばねのばね力によって永久磁石から離間されている状態を示している。
【図９】同磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板が板ばねのばね力に抗して永久磁石の内周面に押圧された状態を示している。
【図１０】本発明の実施の形態３における磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板が板ばねとコイルばねとのばね力によって永久磁石から離間されている状態を示している。
【図１１】同磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板が板ばねとコイルばねとのばね力に抗して永久磁石の内周面に押圧された状態を示している。
【図１２】本発明の実施の形態４における磁気短絡機構を示す断面図であり、磁性板がコイルばねのばね力によって永久磁石から離間されている状態を示している。
【図１３】本発明の実施の形態５において、充電発電機および始動電動機として機能する回転電機の構成を示す断面図である。
【図１４】同回転電機のシステム全体を示す回路図である。
【図１５】同回転電機と従来の回転電機とのトルク特性を比較して示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態６において、充電発電機および始動電動機として機能する回転電機の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
７ 回転軸、８ 回転子、１６ 界磁巻線、１８，１９ 回転子鉄心、
１８ａ，１９ａ 円筒部、１８ｂ，１９ｂ 磁極部、２３ 電機子、２４ 電機子鉄心、
２５ 電機子巻線、２７ 電圧制御ユニット（電圧制御手段）、３２ 磁気短絡機構、
３３ ケース、３６ 永久磁石、３７ 磁性板、３８ コイルばね（ばね部材）、
３９ 板ばね（ばね部材）、４０ 磁性金属板、４１ 永久磁性ユニット、
４５ インバータユニット、４８ コントローラ（電圧制御手段）、
４９ 界磁電流制御装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子鉄心に電機子巻線が巻回されてなる電機子と、上記電機子の内径側に所定の空隙を介して回転自在に支承された回転子とを有し、上記回転子は、外周部に界磁巻線が巻回された円筒部と、周方向において互いに隣接する磁極が異極をなすように磁化されるクローポール形の磁極部とからなる回転子鉄心を有し、上記磁極部には、上記界磁巻線と協働して上記電機子鉄心に磁束を供給する永久磁石が設けられている回転電機において、
上記回転子鉄心の周方向において互いに隣接する磁極部の間には、上記回転子の回転に伴って作用する遠心力により、高透磁率の材料からなる磁性板が上記回転子鉄心の径方向に向けて可動して上記永久磁石のＮ極とＳ極間を短絡させる磁気短絡機構が設けられていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
上記磁気短絡機構は、非磁性のケースを有し、このケース内に、上記永久磁石、上記磁極板、および磁極板を永久磁石に対して近接離間するように伸縮するバネ部材が収納されて構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
上記磁気短絡機構は、非磁性のケースを有し、このケース内に、透磁率の高い磁性金属板を一対の上記永久磁石で挟んで固着してなる永久磁石ユニット、上記磁極板、および磁極板を永久磁石ユニットに対して近接離間するように伸縮するバネ部材が収納されて構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項４】
上記ばね部材は、コイル状のばね部材、および板状のバネ部材の少なくとも一方からなることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回転電機。
【請求項５】
上記ケースは、その内部が液密になるように構成されていることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項６】
上記回転子鉄心の所定回転数Ｎ１以上への加速により上記磁極板が永久磁石側に押圧され、上記回転子鉄心の所定回転数Ｎ２以下への減速により上記磁極板が永久磁石から離間するように、上記ばね部材のばね定数が設定されていることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項７】
上記電機子巻線の出力電圧の値に基づいて上記界磁巻線に流れる界磁電流を制御して上記出力電圧を制御する電圧制御手段を備えることにより、充電発電機として構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項８】
バッテリの電力を変換するインバータユニットと、上記界磁巻線に流れる電流を制御する界磁電流制御装置と、上記インバータユニットおよび界磁電流制御装置を制御する制御手段とを備えることにより、充電発電機と始動電動機とを兼用するものとして構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項９】
上記電機子および回転子を覆うケースの端面あるいは周面上には、少なくとも上記インバータユニットが装着されていることを特徴とする請求項８記載の回転電機。
【請求項１】
電機子鉄心に電機子巻線が巻回されてなる電機子と、上記電機子の内径側に所定の空隙を介して回転自在に支承された回転子とを有し、上記回転子は、外周部に界磁巻線が巻回された円筒部と、周方向において互いに隣接する磁極が異極をなすように磁化されるクローポール形の磁極部とからなる回転子鉄心を有し、上記磁極部には、上記界磁巻線と協働して上記電機子鉄心に磁束を供給する永久磁石が設けられている回転電機において、
上記回転子鉄心の周方向において互いに隣接する磁極部の間には、上記回転子の回転に伴って作用する遠心力により、高透磁率の材料からなる磁性板が上記回転子鉄心の径方向に向けて可動して上記永久磁石のＮ極とＳ極間を短絡させる磁気短絡機構が設けられていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
上記磁気短絡機構は、非磁性のケースを有し、このケース内に、上記永久磁石、上記磁極板、および磁極板を永久磁石に対して近接離間するように伸縮するバネ部材が収納されて構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
上記磁気短絡機構は、非磁性のケースを有し、このケース内に、透磁率の高い磁性金属板を一対の上記永久磁石で挟んで固着してなる永久磁石ユニット、上記磁極板、および磁極板を永久磁石ユニットに対して近接離間するように伸縮するバネ部材が収納されて構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項４】
上記ばね部材は、コイル状のばね部材、および板状のバネ部材の少なくとも一方からなることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回転電機。
【請求項５】
上記ケースは、その内部が液密になるように構成されていることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項６】
上記回転子鉄心の所定回転数Ｎ１以上への加速により上記磁極板が永久磁石側に押圧され、上記回転子鉄心の所定回転数Ｎ２以下への減速により上記磁極板が永久磁石から離間するように、上記ばね部材のばね定数が設定されていることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項７】
上記電機子巻線の出力電圧の値に基づいて上記界磁巻線に流れる界磁電流を制御して上記出力電圧を制御する電圧制御手段を備えることにより、充電発電機として構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項８】
バッテリの電力を変換するインバータユニットと、上記界磁巻線に流れる電流を制御する界磁電流制御装置と、上記インバータユニットおよび界磁電流制御装置を制御する制御手段とを備えることにより、充電発電機と始動電動機とを兼用するものとして構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項９】
上記電機子および回転子を覆うケースの端面あるいは周面上には、少なくとも上記インバータユニットが装着されていることを特徴とする請求項８記載の回転電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００６−３２０１１６（Ｐ２００６−３２０１１６Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１４０４５８（Ｐ２００５−１４０４５８）
【出願日】平成１７年５月１３日（２００５．５．１３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１３日（２００５．５．１３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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