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技術 発電機

出願人 株式会社シマノ
発明者 島和男深見正藤原岳志神部拓郎
出願日 2015年2月9日 (6年9ヶ月経過) 出願番号 2015-023223
公開日 2016年8月12日 (5年3ヶ月経過) 公開番号 2016-146713
状態 特許登録済
技術分野 永久磁石型同期機
主要キーワード 部周長 ローラーダイ 外部電気機器 周方向範囲 溝部間 本発電機 自転車用発電機 チェーンテンショナー
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年8月12日)のものです。
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図面 (16)

課題

回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数交流電力を得やすく、更には外径寸法の小型化に適した発電機を提供する。

解決手段

回転子40は、周方向に交互に異なる磁極となる複数の磁石48を有し、固定子38は、固定子コア50と、電機子コイル60と、を有し、固定子コア50は、一つの第1溝部52と、周方向の一方に隣り合う第1溝部52との間に配置される第1固定子突極部62Aと、一つの第1溝部52と、周方向の他方に隣り合う第1溝部52との間に配置される第2固定子突極部62Bと、を有する。第1固定子突極部62A及び第2固定子突極部62Bのそれぞれと対向する磁石48の磁極が異なる第1状態と、第1固定子突極部62A及び第2固定子突極部62Bのそれぞれと対向する磁石48の磁極が第1状態とは反転した磁極となる第2状態とが交互に切り替わる。

概要

背景

自転車ハブダイナモは、車輪と同程度の速度で回転子が回転するため、ローラーダイナモと比べて回転子の回転速度が遅くなり易く、低速走行時の誘導起電力が不十分になる傾向がある。そこで、ハブダイナモには、回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数交流電力が得られるように工夫したものが好適に用いられる。

この一例として、特許文献1には、クローポール型発電機が提案されている。この発電機は、固定子と、固定子の外周側に配置される回転子とを備える。回転子は周方向に並べて配置される複数の磁石を有し、各磁石は固定子と対向する磁極が周方向に交互に異なる磁極となる。固定子は軸方向両側に配置される一対の固定子コアを備える。各固定子コアは互いに近づく側に向けて延びる複数の爪部を有し、別々の固定子コアの爪部が周方向に交互に位置するように設けられる。各固定子コアの爪部は回転子の各磁石の径方向内側に配置され、その磁石により周方向に交互に異なる極性が生じるように励磁される。固定子には磁石から各固定子コアの爪部を介して磁束が通過する位置に電機子コイルが配置される。

この発電機では、回転子の回転により各固定子コアの爪部に対する磁石の相対位置が変わり、これに伴い各爪部の極性が切り替わることで、電機子コイルを鎖交する主磁束の向きが反転し、電機子コイルに誘導起電力が生じる。このとき得られる交流電力は、磁石の極数に比例する大きさの周波数となるため、磁石の極数に応じた高周波数の交流電力を得やすくなっている。

概要

回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすく、更には外径寸法の小型化に適した発電機を提供する。回転子40は、周方向に交互に異なる磁極となる複数の磁石48を有し、固定子38は、固定子コア50と、電機子コイル60と、を有し、固定子コア50は、一つの第1溝部52と、周方向の一方に隣り合う第1溝部52との間に配置される第1固定子突極部62Aと、一つの第1溝部52と、周方向の他方に隣り合う第1溝部52との間に配置される第2固定子突極部62Bと、を有する。第1固定子突極部62A及び第2固定子突極部62Bのそれぞれと対向する磁石48の磁極が異なる第1状態と、第1固定子突極部62A及び第2固定子突極部62Bのそれぞれと対向する磁石48の磁極が第1状態とは反転した磁極となる第2状態とが交互に切り替わる。

目的

特開2007−49839号公報






近年、自転車の意匠性の向上を図るため、ハブの外径寸法の小型化が要求されており、これに伴い、ハブダイナモの外径寸法の小型化が望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

固定子と、前記固定子の外周側又は内周側に配置される回転子と、を備え、前記回転子は、前記固定子と対向する磁極周方向に交互に異なる磁極となる複数の磁石を有し、前記固定子は、周方向に間隔を空けて複数の第1溝部が形成される固定子コアと、前記複数の第1溝部間に巻き回される電機子コイルと、を有し、前記固定子コアは、一つの前記第1溝部と、周方向の一方に隣り合う第1溝部との間に配置される第1固定子突極部と、前記一つの第1溝部と、周方向の他方に隣り合う第1溝部との間に配置される第2固定子突極部と、を有し、前記回転子が回転するとき、前記第1固定子突極部及び前記第2固定子突極部のそれぞれと対向する磁石の磁極が異なる第1状態と、前記第1固定子突極部及び前記第2固定子突極部のそれぞれと対向する磁石の磁極が第1状態とは反転した磁極となる第2状態とが交互に切り替わるように、前記磁石、前記第1固定子突極部及び前記第2固定子突極部の位置が定められることを特徴とする発電機。

請求項2

前記第1固定子突極部は、前記一つの第1溝部と、周方向の一方に隣り合う第1溝部との間に少なくとも2つ配置され、前記第2固定子突極部は、前記一つの第1溝部と、周方向の他方に隣り合う第1溝部との間に少なくとも2つ配置されることを特徴とする請求項1に記載の発電機。

請求項3

前記複数の磁石は、所定の角度λと同等の角度で周方向にずらした位置に配置され、前記第1固定子突極部は、他の第1固定子突極部に対してλ×2n(nは1以上の自然数)と同等の角度で周方向にずらした位置に配置され、前記第2固定子突極部は、前記第1固定子突極部に対してλ×(2n+1)と同等の角度で周方向にずらした位置に配置されることを特徴とする請求項1または2に記載の発電機。

請求項4

前記固定子コアは、前記回転子の回転中心軸線方向に複数の金属板を積層して構成され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発電機。

請求項5

本発電機は、自転車の回転部の回転に連動して前記回転子が回転可能な自転車用発電機であ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発電機。

請求項6

本発電機は、自転車のハブダイナモであることを特徴とする請求項5に記載の発電機。

技術分野

0001

本発明は、自転車ハブダイナモ等に用いられる発電機に関する。

背景技術

0002

自転車のハブダイナモは、車輪と同程度の速度で回転子が回転するため、ローラーダイナモと比べて回転子の回転速度が遅くなり易く、低速走行時の誘導起電力が不十分になる傾向がある。そこで、ハブダイナモには、回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数交流電力が得られるように工夫したものが好適に用いられる。

0003

この一例として、特許文献1には、クローポール型発電機が提案されている。この発電機は、固定子と、固定子の外周側に配置される回転子とを備える。回転子は周方向に並べて配置される複数の磁石を有し、各磁石は固定子と対向する磁極が周方向に交互に異なる磁極となる。固定子は軸方向両側に配置される一対の固定子コアを備える。各固定子コアは互いに近づく側に向けて延びる複数の爪部を有し、別々の固定子コアの爪部が周方向に交互に位置するように設けられる。各固定子コアの爪部は回転子の各磁石の径方向内側に配置され、その磁石により周方向に交互に異なる極性が生じるように励磁される。固定子には磁石から各固定子コアの爪部を介して磁束が通過する位置に電機子コイルが配置される。

0004

この発電機では、回転子の回転により各固定子コアの爪部に対する磁石の相対位置が変わり、これに伴い各爪部の極性が切り替わることで、電機子コイルを鎖交する主磁束の向きが反転し、電機子コイルに誘導起電力が生じる。このとき得られる交流電力は、磁石の極数に比例する大きさの周波数となるため、磁石の極数に応じた高周波数の交流電力を得やすくなっている。

先行技術

0005

特開2007−49839号公報

発明が解決しようとする課題

0006

近年、自転車の意匠性の向上を図るため、ハブの外径寸法の小型化が要求されており、これに伴い、ハブダイナモの外径寸法の小型化が望まれている。クローポール型発電機では、異なる極性に励磁される各固定子コアの爪部が周方向に交互に並ぶように構成される。よって、ハブダイナモの外径寸法が小さくなるにつれて、隣り合う爪部間の距離が過度に小さくなる。この結果、異なる極性に励磁された爪部の間に磁束が通り易くなり、電機子コイルを鎖交しない漏れ磁束が増大し易くなる。従って、クローポール型発電機では、外径寸法の低減に伴い漏れ磁束が増大し、十分な誘導起電力を得にくいという問題点があった。

0007

本発明は、このような課題に鑑みてなされており、その目的の1つは、回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすく、更には外径寸法の小型化に適した発電機を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

本発明のある態様に係る発電機は、固定子と、固定子の外周側又は内周側に配置される回転子と、を備え、回転子は、固定子と対向する磁極が周方向に交互に異なる磁極となる複数の磁石を有し、固定子は、周方向に間隔を空けて複数の第1溝部が形成される固定子コアと、複数の第1溝部間に巻き回される電機子コイルと、を有し、固定子コアは、一つの第1溝部と、周方向の一方に隣り合う第1溝部との間に配置される第1固定子突極部と、一つの第1溝部と、周方向の他方に隣り合う第1溝部との間に配置される第2固定子突極部と、を有し、回転子が回転するとき、第1固定子突極部及び第2固定子突極部のそれぞれと対向する磁石の磁極が異なる第1状態と、第1固定子突極部及び第2固定子突極部のそれぞれと対向する磁石の磁極が第1状態とは反転した磁極となる第2状態とが交互に切り替わるように、磁石、第1固定子突極部及び第2固定子突極部の位置が定められる。

発明の効果

0009

本発明によれば、回転子の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすく、更には外径寸法の小型化に適した発電機を得られる。

図面の簡単な説明

0010

第1実施形態に係る自転車用発電機が搭載される自転車を示す部分側面図である。
第1実施形態に係る自転車のハブや周囲の構成を示す前面図である。
第1実施形態に係る自転車用発電機を示す断面図である。
第1実施形態に係る自転車用発電機の電機子コイルを示す断面図である。
第1実施形態に係る磁石、固定子突極部の位置関係を示す図である。
第1実施形態に係る発電機の電気角である状態を示す図である。
第1実施形態に係る発電機の電気角がπ/2である状態を示す図である。
第1実施形態に係る発電機の電気角がπである状態を示す図である。
第1実施形態に係る発電機の電気角が3π/2である状態を示す図である。
第2実施形態に係る発電機の断面図である。
第2実施形態に係る発電機の電機子コイルを示す断面図である。
第2実施形態に係る発電機の電気角が零である状態を示す図である。
第2実施形態に係る発電機の電気角がπ/2である状態を示す図である。
第2実施形態に係る発電機の電気角がπである状態を示す図である。
第2実施形態に係る発電機の電気角が3π/2である状態を示す図である。

実施例

0011

以下、各実施形態の説明では、同一の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面では、説明の便宜のため、構成要素の一部を適宜省略する。

0012

[第1の実施の形態]
図1は第1実施形態に係る自転車用発電機10(以下、単に発電機10という)が搭載される自転車12を示す部分側面図である。自転車12は、メインフレーム14のヘッドチューブ16に回転可能に支持されるフロントフォーク18と、フロントフォーク18に取り付けられるハブ軸20とを備える。ハブ軸20には車輪としての前輪22が回転自在に支持される。前輪22の横側には前照灯24が設置され、これには発電機10により得られた電力が供給される。

0013

前輪22はハブ軸20に軸受け(図示せず)を介して回転自在に支持される筒状のハブ26と、ハブ26の外周部に取り付けられる複数のスポーク28と、各スポーク28の外周部に取り付けられるリム30とを更に有する。リム30にはタイヤ32が取り付けられる。

0014

図2は自転車12のハブ26や周囲の構成を示す前面図である。ハブ26以外の構成は二点鎖線で示す。ハブ26内にはハブダイナモとなる発電機10が収容される。ハブ軸20の軸方向の両端部には雄ねじ34が形成される。ハブ軸20は、各雄ねじ34に螺合したナット36の締め付けにより、ハブ26とともにフロントフォーク18に固定される。

0015

図3は発電機10の断面図である。本図は後述する回転子40の回転中心軸線方向に直交する断面図であり、図2のA−A線断面でもある。なお、本図ではハブ26を省略する。また、以下の説明では、後述する固定子38及び回転子40の各構成要素の位置関係を説明するうえで、「軸方向」、「周方向」、「径方向」の用語を使うことがある。このうち「軸方向」は回転子40の回転中心の軸線方向を意味し、「周方向」、「径方向」のそれぞれは回転子40の回転中心に関して周方向、径方向を意味する。

0016

発電機10は、ハブ軸20に対して固定される固定子38と、ハブ軸20に対して回転自在に支持される回転子40とを備える。発電機10は、固定子38の外周側に回転子40が配置されるアウターロータ型発電機である。また、発電機10は同期発電機である。回転子40は、前輪22の一部であるハブ26と一体に回転可能に設けられる。回転子40は前輪22の回転に連動して回転可能となる。

0017

回転子40は、全体として環状をなす。回転子40は、環状基部42を含む回転子コア46と、回転子40の周方向に並べて配置される複数の磁石48とを有する。磁石48は、固定子38と対向する側にある環状基部42の内周面接着等により接合される。回転子コア46には、環状基部42の内周側に複数の突極部が設けられていない。

0018

磁石48は永久磁石である。磁石48は後述の電機子コイル60の界磁に用いる。磁石48は径方向が着磁方向となる。本図では磁石48内でS極からN極に向かう方向を矢印Cで示す。磁石48は周方向に沿って延びる板状に設けられる。磁石48は、固定子38と径方向に対向する磁極が周方向に交互に異なる磁極となるように複数設けられる。各磁石48は、固定子38と径方向に対向する内周部の周長w1が同等の大きさとなるように構成される。ここでの「同等」とは、完全に同一である場合と、略同一である場合とを含む。「同等」の解釈は以下も同様である。

0019

磁石48は所定の角度λ(以下、磁極ピッチともいう)と同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。本例では、磁石48は合計20個設けられ、固定子38と対向する磁極も合計20個設けられる。つまり、これらは偶数個設けられる。また、磁極ピッチλは18°(=360°/20)となる。この磁極ピッチλは発電機10の電気角πに相当し、回転子40が磁極ピッチλ×2だけ回転すると、後述のように、電機子コイル60により一周期分の交流電力が生じる。

0020

固定子38は、全体として環状をなす。固定子38は、周方向に間隔を空けて複数の第1溝部52が形成される固定子コア50を有する。回転子コア46や固定子コア50は、回転子40の軸方向に複数の金属板を積層して構成される。この金属板は電磁鋼板等の軟磁性体素材とする。

0021

各第1溝部52は周方向に同等の角度をずらした位置に配置される。本例では、第1溝部52は合計4個設けられる。第1溝部52は、回転子40と対向する側である径方向外側から反対側の径方向内側に窪むように形成される。

0022

固定子38は、第1溝部52の他に、各第1溝部52のそれぞれの底側に隣接する弧状の磁路接続部54と、第1溝部52に対して周方向両側に隣接する磁路部56A、56Bとを有する。磁路接続部54は各磁路部56A、56Bを周方向に接続する。磁路部56A、56Bは、周方向に一つおきに配置される第1溝部52の周方向の一方(図中時計回り方向)に隣接する第1磁路部56Aと、周方向の他方(図中反時計回り方向)に隣接する第2磁路部56Bとを有する。第1磁路部56Aと第2磁路部56Bは周方向に交互に配置され、本例では、第1磁路部56Aは2個、第2磁路部56Bは2個設けられる。

0023

磁路部56A、56Bには、回転子40と対向する側である径方向外側に向けて突出する複数の固定子突極部62A、62Bが設けられる。各固定子突極部62A、62Bは磁石48に対して所定のギャップを空けて配置される。各固定子突極部62A、62Bの回転子40と径方向に対向する先端部の周長w2は、磁石48の内周部周長w1より小さくなるように構成される。

0024

固定子突極部62A、62Bは、第1磁路部56Aに設けられる2つの第1固定子突極部62Aと、第2磁路部56Bに設けられる2つの第2固定子突極部62Bとを有する。第1固定子突極部62A及び第2固定子突極部62Bは、周方向に1つおきに配置される第1溝部52(たとえば、図中上側の第1溝部52と下側の第1溝部52)に応じた位置に配置される。詳細には、第1固定子突極部62Aは、周方向に1つおきに配置される一つの第1溝部52(たとえば、図中上側の第1溝部52)と周方向の一方(時計回り方向)に隣り合う第1溝部52(たとえば、図中右側の第1溝部52)との間の周方向範囲内に配置される。第2固定子突極部62Bは、一つの第1溝部52と周方向の他方(反時計回り方向)に隣り合う第1溝部52(たとえば、図中左側の第1溝部52)との間の周方向範囲内に配置される。本例では、2つの第1固定子突極部62Aと2つの第2固定子突極部62Bが周方向に交互に設けられ、それぞれ合計4個ずつ設けられる。

0025

1つの第1磁路部56Aに設けられる複数の第1固定子突極部62A間や、1つの第2磁路部56Bに設けられる複数の第2固定子突極部62B間には第2溝部64が形成される。第2溝部64は回転子40と対向する側である径方向外側から反対側の径方向内側に向けて窪むように形成される。第2溝部64の径方向寸法は第1溝部52の径方向寸法より小さくなる。この結果、各磁路部56A、56Bは第2溝部64の底側に隣接する部分での径方向寸法が磁路接続部54より大きくなる。これにより、後述のように、各磁路部56A、56Bのそれぞれに電機子コイル60を巻き回すうえで、各磁路部56A、56Bの強度を確保し易くなる。

0026

また、各磁路部56A、56Bは、回転子40と対向する側である径方向外側に向かうにつれて周方向の幅が大きくなるように形成される。これにより、各磁路部56A、56Bのそれぞれに電機子コイル60を巻き回すうえで、電機子コイル60が各磁路部56A、56Bから径方向外側に外れ難くなる。

0027

なお、第1溝部52は、第1固定子突極部62Aと第2固定子突極部62Bとを周方向に隔てるために設けられる。また、第2溝部64は、複数の第1固定子突極部62Aのそれぞれや、複数の第2固定子突極部62Bのそれぞれを周方向に隔てるために設けられる。

0028

図4は発電機10の電機子コイル60を示す断面図である。本図では回転子40の軸方向の一方(紙面手前側)での電機子コイル60の巻き方向Bを併せて示す。固定子38は、複数の第1溝部52間に巻き回される電機子コイル60を更に有する。電機子コイル60は、周方向に隣り合う第1溝部52間に設けられる第1磁路部56A、第2磁路部56Bの何れかに巻き回される。このとき、電機子コイル60は、複数の第1固定子突極部62A、又は、複数の第2固定子突極部62Bを周方向に跨ぐように巻き回される。電機子コイル60は、このような複数の第1固定子突極部62A、又は、複数の第2固定子突極部62Bを周方向両側、軸方向両側から取り囲むように巻き回される。

0029

このように第1固定子突極部62Aや第2固定子突極部62Bを隔てるために設けられる第1溝部52の空間を利用して、ここに電機子コイル60を収めているため、電機子コイル60の分だけ径方向での厚さ寸法が抑えられる。

0030

電機子コイル60は周方向に隣り合う第1溝部52間に集中巻きで巻き回されるが、他の第1溝部52を経由するように分布巻きで巻き回されてもよい。周方向に隣り合う電機子コイル60は互いに逆向きの巻き方向Bで巻き回されるが、同方向に巻き回されてもよい。

0031

電機子コイル60には、後述のように、回転子40が回転するとき、同相の交流電力が生じる。各電機子コイル60は電気的に並列に接続され、その出力端は図示しない整流回路に接続され、整流回路には単相の交流電力が出力される。整流回路は交流電力を整流、平滑等して直流電力に変換したうえで、これを外部電気機器としての前照灯24(図1参照)に供給する。なお、各電機子コイル60は電気的に直列に接続されてもよい。

0032

図5は磁石48、固定子突極部62A、62Bの位置関係を示す図である。本図では、複数の磁石48、固定子突極部62A、62Bのうちの一部を区別するため、それぞれの符号の末尾に(a)等のアルファベットを付して示す。以下の図でも同様に示す場合がある。

0033

1つの第1磁路部56Aに設けられる複数の第1固定子突極部62Aは、各磁石48の磁極ピッチλとの関係で、λ×2と同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。1つの第2磁路部56Bに設けられる複数の第2固定子突極部62Bも、λ×2と同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。また、第1固定子突極部62Aの近傍にて周方向に隣り合う他の第2固定子突極部62Bはλ×3と同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。

0034

これにより、第1固定子突極部62Aは、nを1以上の自然数としたとき、他の第1固定子突極部62Aに対して、λ×2nと同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。たとえば、第1固定子突極部62A(a)は、その時計方向に隣り合う他の第1固定子突極部62A(b)に対してλ×2で周方向にずれており、その反時計方向に隣り合う他の第1固定子突極部62A(f)に対してλ×8(=λ×3+λ×2+λ×3)で周方向にずれている。第2固定子突極部62Bも同様に、他の第2固定子突極部62Bに対して、λ×2nと同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。

0035

また、第2固定子突極部62Bは、第1固定子突極部62Aに対して、λ×(2n+1)と同等の角度で周方向にずらした位置に配置される。たとえば、第2固定子突極部62B(h)は、その時計方向に隣り合う第1固定子突極部62A(a)に対してλ×3でずれており、その反時計方向に隣り合う第1固定子突極部62A(f)に対してλ×5(=λ×2+λ×3)でずれている。

0036

以上の発電機10の動作を図6図9を用いて説明する。各図は回転子40が電気角でπ/2ずつ方向Pに回転したときの状態を示す。また、図6図8では回転子コア46等を流れる磁束のうち、主磁束の流れを主に示し、漏れ磁束の流れは省略する。また、図7図9では、漏れ磁束の流れを示す。以下では図6の位置関係にあるときの電気角が零であり、図7図9では電気角がπ/2、π、3π/2であるとする。また、便宜的に、一つの磁石48(a)に「○」印を付して示す。

0037

図6に示すように、電気角が零のとき、各固定子突極部62A、62Bは、その近傍の磁石48と径方向に対向し、磁石48に対して周方向の全幅に亘り重なる位置にある。このとき、第1固定子突極部62Aと対向する磁石48の磁極はN極となり、第2固定子突極部62Bと対向する磁石48の磁極はS極となる。つまり、第1固定子突極部62Aと第2固定子突極部62Bが対向する磁石48の磁極は異なるものとなる。

0038

これにより、各第1固定子突極部62Aには、径方向外側に対向する磁石48から径方向内側に向かう磁束が流れ、各第2固定子突極部62Bには、径方向外側に対向する磁石48に向かう磁束が流れる。この結果、一つの第1溝部52を挟んだ周方向両側の第1固定子突極部62A及び第2固定子突極部62Bを通る閉ループの磁路Mpが形成される。たとえば、磁石48(b)は、第1固定子突極部62A(a)→磁路接続部54(a)→第2固定子突極部62B(h)を経由して磁石48(s)に至り、更に回転子コア46を経由して元の磁石48(b)に戻る磁路Mpを形成する。

0039

この磁路Mpは各電機子コイル60内を径方向に鎖交するように形成される。このとき、周方向に隣り合う第1溝部52間には複数の第1固定子突極部62A又は複数の第2固定子突極部62Bの何れかが設けられる。このため、その複数の固定子突極部62A、62Bを周方向に跨ぐ電機子コイル60内には別々の磁石48から生じた磁束を同じ向きにして鎖交させることができる。

0040

図7に示すように、電気角がπ/2のとき、各固定子突極部62A、62Bは、その近傍の周方向に隣り合う2つの磁石48と径方向に対向し、各磁石48に対して周方向の半幅に亘り重なる位置にある。これら2つの磁石48の磁極はN極、S極となる。

0041

この結果、周方向に隣り合う一方の磁石48から他方の磁石48に向けて、これらに対向する各固定子突極部62A、62Bや回転子コア46を経由して折り返すような閉ループの磁路Mpが形成される。この磁路Mpは各電機子コイル60を鎖交しないように形成される。

0042

図8に示すように、電気角がπのとき、各固定子突極部62Aは、その近傍の磁石48と径方向に対向し、その磁石48に対して周方向の全幅に亘り重なる位置にある。このとき、第1固定子突極部62Aと対向する磁石48の磁極はS極となり、第2固定子突極部62Bと対向する磁石48の磁極はN極となる。つまり、第1固定子突極部62Aと第2固定子突極部62Bが対向する磁石48の磁極は、電気角が零のときとは反転した磁極となる。

0043

これにより、各第2固定子突極部62Bには、径方向外側に対向する磁石48から径方向内側に向かう磁束が流れ、各第1固定子突極部62Aには、径方向外側に対向する磁石48に向かう磁束が流れる。この結果、一つの第1溝部52を挟んだ周方向両側の第1固定子突極部62A及び第2固定子突極部62Bを通る閉ループの磁路Mpが形成される。たとえば、磁石48(r)は、第2固定子突極部62B(h)→磁路接続部54(a)→第1固定子突極部62A(a)を経由して磁石48(a)に至り、更に回転子コア46を経由して元の磁石48(r)に戻る磁路Mpを形成する。

0044

この磁路Mpは各電機子コイル60内を径方向に鎖交するように形成される。このとき、磁路Mpは、電気角が零のとき(図6参照)と比べて、電機子コイル60を鎖交する向きが逆向きとなる。

0045

図9に示すように、電気角が3π/2のとき、各固定子突極部62Aは、その近傍の周方向に隣り合う2つの磁石48と径方向に対向し、各磁石48に対して周方向の半幅に亘り重なる位置にある。これら2つの磁石48の磁極はN極、S極となる。

0046

以上のような、電気角が零の状態を第1状態とし、πの状態を第2状態とする。この場合、第1固定子突極部62Aと対向する磁石48の磁極と、第2固定子突極部62Bと対向する磁石48の磁極とは、第1状態、第2状態のいずれのときでも、異なる磁極となる。また、これらの磁極は、第2状態では第1状態とは反転した磁極となる。

0047

図6に示すように、一つの電機子コイル60(たとえば、電機子コイル60(b))内では、第1状態のとき、径方向の一方(内側)に向けて鎖交する磁路Mpが形成される。また、図8に示すように、一つの電機子コイル60内では、第2状態のとき、径方向の他方(外側)に向けて鎖交する磁路Mpが形成される。また、一つの電機子コイル60に対して周方向に隣り合う他の電機子コイル60(たとえば、電機子コイル60(a))内では、図6に示すように、第1状態のとき、径方向の他方(外側)に向けて鎖交する磁路Mpが形成される。また、図8に示すように、他の電機子コイル60内では、第2状態のとき、径方向の一方(内側)に向けて鎖交する磁路Mpが形成される。つまり、第1状態と第2状態との間で切り替わると、各電機子コイル60内を鎖交する磁束の径方向での向きが反転するように切り替わり、各電機子コイル60に交流の誘導起電力が生じる。このとき、各電機子コイル60内で形成される磁路Mpの変化の仕方は同様となり、各電機子コイル60では同相の交流電力が生じる。このように、発電機10では、第1状態と第2状態とが交互に切り替わるように、複数の磁石48、複数の固定子突極部62A、62Bの位置が定められる。

0048

以上の発電機10の作用効果を説明する。
一般に、発電機の周波数f(Hz)は、回転子の回転速度N(r/min)と、発電機の極数Pとの間で下記の式(1)の関係を満たす。ここでの発電機の極数Pとは、本実施形態では磁石48の数(20個)となる。
N=120×f/P ・・・ (1)

0049

本発明者は、図3に示す構造を用いて解析をした。この解析では、回転子40の回転速度Nを120(r/min)とし、各電機子コイル60により発電される電力の周波数f(Hz)を求め、磁石48の数に応じた周波数fの電力が得られるか確認した。この結果、周波数fは20(Hz)であることが求められ、式(1)より、磁石48の数が発電機の極数となることが確認された。

0050

従って、本実施形態に係る発電機10では、磁石48の数が増えるほど誘導起電力の周波数が増大し、回転子40の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすくなる。なお、誘導起電力の電圧は、電機子コイル60を鎖交する磁束と周波数の積に比例することから、高周波数の交流電力を得られるということは、それだけ高電圧の交流電力を得られることになる。

0051

また、第1固定子突極部62Aや第2固定子突極部62Bが第1溝部52を挟んだ位置に設けられ、これらの間隔を離し易くなる。よって、磁石48によりこれらが異なる極性に励磁されても、第1固定子突極部62Aと第2固定子突極部62Bの間での漏れ磁束の発生を抑え易くなる。このため、これらの間での漏れ磁束の発生を抑えつつ、発電機10の回転子40や固定子38の外径寸法を小型化し易くなる。なお、このような第1固定子突極部62Aや第2固定子突極部62Bの間での漏れ磁束の発生を抑えられるということは、電機子コイル60を鎖交する磁束の低減を抑えられ、発電機10により十分な出力の電圧を得やすくなることになる。

0052

このように第1固定子突極部62Aや第2固定子突極部62Bを隔てるために設けられる第1溝部52の空間を利用して、ここに電機子コイル60を収めているため、電機子コイル60の分だけ径方向での厚さ寸法が抑えられる。

0053

また、たとえば、特開2012−182961号に記載のような、固定子の複数の突極部のそれぞれに電機子コイルを巻き回す三相交流発電機では、回転子の磁極数の増大に伴い電機子コイルの数が増大し、それだけ高コスト組み立て性の低下を招く。この点、本実施形態では、高周波数の交流電力を得るうえで、電機子コイル60の数を増やさずに磁石48の数を増やすだけでよいため、それだけ部品数を削減でき、低コストにしつつ良好な組み立て性を得られる。

0054

また、従来のクローポール型発電機では、回転子の磁石から各固定子コアの爪部に流れる磁束は、爪部内で軸方向に向きを変えたうえで爪部の根元部に向けて流れる。この爪部の磁路方向(軸方向)と直交する磁路断面積は、爪部の径方向の厚みや周長に応じて定まる。ここで、発電機の軸長を変えずに外径寸法を小型化した場合、固定子コアの爪部は、軸長が変わらずに周方向に細くなり、磁石と対向するギャップ面が細くなるうえ、径方向の厚みが小さくなる結果、爪部の根元部での磁路断面積が小さくなる。よって、固定子コアの爪部がギャップ面で受け取った磁束は、磁路断面積が小さい爪部の根元部に集中し易くなり、根元部で磁気飽和が発生し易くなる。この結果、電機子コイルを鎖交する磁束が流れにくくなり、発電機により十分な出力の電圧を得にくくなる。

0055

この点、本実施形態に係る発電機10では、固定子コア50の固定子突極部62A、62Bには、軸方向ではなく径方向に向けて磁束が流れる。この固定子突極部62A、62Bの磁路方向(径方向)と直交する磁路断面積は、固定子突極部62A、62Bの軸長や周長に応じて定まり、発電機10の外径寸法を小型化した場合でも変化しにくい。このため、発電機10の外径寸法を小型化した場合でも、固定子コア50の軸長を長くすることにより固定子突極部62A、62Bの磁路断面積を確保できる。よって、発電機10の外径寸法を小型化した場合でも、固定子突極部62A、62Bの磁気飽和の発生を抑えられ、電機子コイル60を鎖交する磁束の減少を抑え、発電機10により十分な出力の電圧を得やすくなる。

0056

また、周方向に隣り合う第1溝部52間には複数の第1固定子突極部62A、又は、複数の第2固定子突極部62Bが設けられ、それらを周方向に跨ぐように巻き回される電機子コイル60内には、その複数の固定子突極部62A、62Bを通して別々の磁石48から生じた磁束を同じ向きにして鎖交させることができる。よって、電機子コイル60内に単数の磁石48から生じた磁束を鎖交させるよりも、電機子コイル60内での磁束の変化量を大きくでき、それだけ高電圧の交流電力を得やすくなる。

0057

また、各第1固定子突極部62Aは他の第1固定子突極部62Aに対してλ×2nと同等の角度でずれ、各第2固定子突極部62Bは第1固定子突極部62Aに対してλ×(2n+1)と同等の角度でずれる。よって、磁石48に対する各固定子突極部62A、62Bの相対位置が揃えられ、各磁石48から生じる磁束により形成される磁路Mpの変化の仕方を合わせられ、各電機子コイル60により同相の交流電力を得やすくできる。

0058

また、固定子コア50や回転子コア46を複数の金属板を積層して構成できるため、主磁束が通る部分での渦電流による鉄損を大きく抑えられる。

0059

[第2の実施の形態]
図10は第2実施形態に係る発電機10を示す断面図であり、図11は発電機10の電機子コイル60を示す断面図である。回転子40の磁石48は、図3の例では、合計20個設けられたが、本例では合計22個設けられる。磁極ピッチλは約16.36°(=360°/22)となる。第1固定子突極部62A、第2固定子突極部62Bは、図3の例では、第1磁路部56A、第2磁路部56Bに2つずつ設けられたが、本例では5つずつ設けられる。このように、磁石48、固定子突極部62A、62Bの数は特に限られない。

0060

以上の発電機10の動作を図12図15を用いて説明する。各図は回転子40が電気角でπ/2ずつ方向Pに回転したときの状態を示す。図12図14では、回転子コア46等を流れる磁束のうち、主磁束の流れを主に示し、漏れ磁束の流れは省略する。また、図13図15では、漏れ磁束の流れを示す。以下では図12の位置関係にあるときの電気角が零であり、図13図15では電気角がπ/2、π、3π/2であるとする。

0061

図12に示すように、電気角が零のとき、各固定子突極部62A、62Bは、その近傍の磁石48と径方向に対向し、その磁石48に対して周方向の全幅に亘り重なる位置にある。これにより、第1実施形態と同様に、一つの第1溝部52を挟んだ周方向両側の第1固定子突極部62A及び第2固定子突極部62Bを通る閉ループの磁路Mpが形成される。

0062

図13に示すように、電気角がπ/2のとき、各固定子突極部62A、62Bは、その近傍の周方向に隣り合う2つの磁石48と径方向に対向し、各磁石48に対して周方向の半幅に亘り重なる位置にある。これにより、第1実施形態と同様に、周方向に隣り合う一方の磁石48から他方の磁石48に向けて、これらに対向する各固定子突極部62A、62Bや回転子コア46を経由して折り返すような閉ループの磁路Mpが形成される。

0063

図14に示すように、電気角がπのとき、各固定子突極部62A、62Bは、その近傍の磁石48と径方向に対向し、その磁石48に対して周方向の全幅に亘り重なる位置にある。これにより、第1実施形態と同様に、一つの第1溝部52を挟んだ周方向両側の第1固定子突極部62A及び第2固定子突極部62Bを通る閉ループの磁路Mpが形成される。

0064

図15に示すように、電気角が3π/2のとき、各固定子突極部62A、62Bは、その近傍の周方向に隣り合う2つの磁石48と径方向に対向し、各磁石48に対して周方向の半幅に亘り重なる位置にある。これにより、電気角がπ/2のときと同様の磁路Mpが形成される。

0065

図12に示すように、一つの電機子コイル60(たとえば、電機子コイル60(b))内では、第1状態のとき、径方向の一方(内側)に向けて鎖交する磁路Mpが形成される。また、図14に示すように、一つの電機子コイル60内では、第2状態のとき、径方向の他方(外側)に向けて鎖交する磁路Mpが形成される。また、一つの電機子コイル60に対して周方向に隣り合う他の電機子コイル60(たとえば、電機子コイル60(a))内では、図12に示すように、第1状態のとき、径方向の他方(外側)に向けて鎖交する磁路Mpが形成される。また、図14に示すように、他の電機子コイル60内では、第2状態のとき、径方向の一方(内側)に向けて鎖交する磁路Mpが形成される。第1実施形態と同様、第1状態と第2状態との間で切り替わると、各電機子コイル60内を鎖交する磁束の径方向での向きが反転するように切り替わり、各電機子コイル60に交流の誘導起電力が生じる。このとき、各電機子コイル60内で形成される磁路Mpの変化の仕方は同様となり、各電機子コイル60内では同相の交流電力が生じる。

0066

以上の発電機10においても、本発明者は、図10に示す構造を用いて解析をした。この解析では、回転子40の回転速度Nを120(r/min)とし、各電機子コイル60により発電される電力の周波数f(Hz)を求め、磁石48の数(22個)に応じた周波数fの電力が得られるか確認した。この結果、周波数fは22(Hz)であることが求められ、式(1)より、磁石48の数が発電機の極数となることが確認された。

0067

従って、本実施形態に係る発電機10によっても、第1実施形態と同様、磁石48の数が増えるほど誘導起電力の周波数が増大し、回転子40の回転速度が小さい場合でも高周波数の交流電力を得やすくなる。この他の点でも、第1実施形態と同様の作用効果を得られる。

0068

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

0069

発電機10は自転車用発電機を例に説明したが、その用途はこれに限られない。また、発電機10は、自転車用発電機10とする場合、自転車12の回転部の回転に連動して回転子40が回転可能であればよい。ここでの回転部は、車輪としての前輪22を例に説明したが、ハブシェルクランクの他、リアディレイラーチェーンテンショナー)のプーリー等でもよい。また、発電機10は、ハブダイナモではなくローラーダイナモ等として構成されてもよい。発電機10はアウターロータ型発電機を例示したが、固定子38の内周側に回転子40が配置されるインナーロータ型発電機でもよい。

0070

10…発電機、12…自転車、22…前輪(回転部)、26…ハブ、38…固定子、40…回転子、48…磁石、50…固定子コア、52…第1溝部、60…電機子コイル、62A…第1固定子突極部、62B…第2固定子突極部。

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