JPH08308192A - 交流発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 第１に交流発電機の出力を制御して発電効率
を向上させ駆動側の負荷を軽減すること、第２に製造時
のロータの慣性モーメントの調整を容易にすること、第
３に製造コストの大幅低減を可能とすることを解決すべ
き課題とする。 【構成】 ロータ１と軟磁性のステータコア２とをもつ
交流発電機において、ロータ１は、非磁性のベース部材
１２とその外周縁付近に固定保持された軟磁性の複数の
誘導子とを有し、ステータコア２は、複数の界磁磁石３
および発電用突極部２４とこれらの間を連結するヨーク
２０とを有し、間隔を空けて隣合う界磁磁石３同士で交
番に磁極性が異なり、間隔を空けて隣合う発電用突極部
２４同士で交番に巻き方向が交代する発電用コイル４が
形成されていることを特徴とする。界磁磁石３が電磁石
であれば、界磁を調整して常に高い発電効率が得られ
る。積層板でロータ１が形成されていれば、容易に慣性
モーメントを調整できる。ロータ１に電気部材が無いの
で、安価に製造できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流発電機に関し、特
に自動車やオートバイなどの回転数変動の激しい内燃機
関に駆動されるのに好適な交流発電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、通常の二輪車用の交流発電機のよ
うに、小型で比較的発電出力が小さい発電機には、磁石
界磁式の交流発電機が使用されてきた。これは、一例と
して図１２（ａ）に示すように、複数個の永久磁石１０
２を鉄わん状のヨーク１０１の内周面に配設したロータ
１００と、ステータ２００とを有する構成をとる。ステ
ータ２００は、ロータ１００の内周面に回転中心側から
対向するＳＵＳポールとその回りに形成された発電コイ
ルとを有し、発電端子４０１，４０２から交流電気を供
給する。すなわち、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すよう
に、ロータ１００が矢印Ａとともに回転移動するに連
れ、磁場が変化してステータ２００の発電コイルに誘導
電流が生じて発電作用が得られている。

【０００３】一方、自動車では、バッテリー電源と界磁
コイルによる直流励磁の界磁方式をとったオルタネータ
（交流発電機）が、従来から採用されている。このオル
タネータでは、界磁コイルはロータ側に設けられ、バッ
テリー電源とブラシを介して接続されているのが普通で
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の二輪
車用の交流発電機には、次の三点の不都合があった。第
１に、高回転時にエネルギーの損失が大きく、発電効率
が非常に低下する点である。すなわち、磁石界磁式であ
るため、発電出力は回転数だけで決まり、その制御を自
由に行うことは困難である。

【０００５】したがって、発電機を駆動するエンジンの
回転数が高く、発電過多の状態になった際には、発電出
力を短絡制御して過電圧から電装品やバッテリーを保護
している。その結果、発電機を駆動するエンジン出力
は、発電コイルの発熱（銅損）に費やされ、発電に有効
に使用されないので、発電効率（電気負荷用出力／発電
用機械入力）は極端に低下する。

【０００６】この損失を低減する一手段として、発電機
に連なる回路を開き、発電負荷を低減するオープン制御
も考えられる。それでもなお、ステータコア内の交番磁
界による鉄損や、これと関連して磁石とステータとの吸
引力に起因する回転負荷が残存するので、エンジンの負
担となる。このように、磁石界磁式の交流発電機では、
発電の有無に係わらず常に回転負荷が存在し、特に高回
転時の余剰発電時の回転負荷は明らかに発電効率の大幅
な低下をもたらしている。その結果、発電機を積んだ装
置の性能を落とすばかりでなく、燃費等の運用費の増大
にもつながるので、好ましくない。

【０００７】第２に、ロータの慣性モーメントを自由に
設定したり、任意に調整したりすることが困難な点であ
る。すなわち、二輪車の交流発電機では、ロータはフラ
イホイールの役目を兼用するが、この慣性モーメントが
過大であるとエンジンの加速性が悪くなって応答性に問
題を生じる。そこで、ロータは、フライホイールとして
必要最低限の慣性モーメントを持つように設計されてい
ることが望ましい。

【０００８】ところが、慣性モーメントを設定するのに
あたって、必要とされる発電出力を変更する訳には行か
ないので、ロータの磁石の寸法の大幅な変更をすること
はできない。いきおい、鉄わん状のヨークやこれをシャ
フトに締結固定する取付けボス部の肉厚や外形の変更を
して、慣性モーメントの調整をすることになる。その結
果、強度への影響の把握や、プレス型等のツールに掛か
る費用や、標準化メリットなどの製造コストを調査し、
綿密に検討した上でのトレードオフが必要であった。そ
れゆえ、エンジン側の要求どおりに慣性モーメントを自
在に変更することは、甚だ困難であった。

【０００９】第３に、製造コストの高騰である。例えば
オートバイのように高温かつ高振動の使用環境にある交
流発電機には、耐熱性および耐振動性を保証する構造に
設計されることが必要である。従来のオートバイ用交流
発電機の製造工程においては、振動に耐える磁石の固定
のために必要な部品点数および作業工程が少なからずあ
り、交流発電機の製造コストに大きなウエイトを占めて
いる。したがって、磁石の固定を容易にしたり廃止した
りできれば、それだけでも製造コストの大幅な削減が期
待できる。

【００１０】一方、前述の自動車用オルタネータにして
も、界磁コイルがロータにあるため、ロータの慣性モー
メントの調整がやはり困難である。また、同様の理由で
界磁コイルへの接続にブラシを使用しているので、構造
が複雑化し、その結果、製造コストが高くなったり、故
障の原因になったりする不都合を生じる。本発明は、上
記従来技術の持つ問題点に鑑みて、それらを解決するた
めに成されたものである。

【００１１】すなわち、本発明の交流発電機は、第１に
交流発電機の出力を制御して発電効率を向上させ駆動側
の負荷を軽減すること、第２に製造時のロータの慣性モ
ーメントの調整を容易にすること、第３に製造コストの
大幅低減を可能とすることを解決すべき課題とする。あ
わせて、ロータにコイルやブラシを必要としない、簡素
かつ堅牢な構造の交流発電機を提供することも、その課
題に加える。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の交流発電機の第
１構成は、回動自在に軸支されたロータおよび該ロータ
に近接して対向する軟磁性材料からなるステータコアを
有する交流発電機において、前記ロータは、略軸対称な
形状の非磁性材料からなるベース部材と、該ベース部材
の外周縁付近に沿い円周方向に等間隔をおいて該ベース
部材に固定保持された軟磁性材料からなる複数個の誘導
子とを有し、前記ステータコアは、該誘導子に対面する
複数個の界磁磁石と、該誘導子に対面する複数個の発電
用突極部と、該界磁磁石と該突極部間との間を連結する
略円周状のヨークとを有し、前記界磁磁石は、間隔を空
けて隣合う該界磁磁石同士で交番に磁極性が異なってお
り、前記発電用突極部には、間隔を空けて隣合う該発電
用突極部同士で交番に巻き方向が交代している発電用コ
イルが形成されていることを特徴とする。

【００１３】ここで、ロータとステータコアとの位置関
係については、限定されていないので、設計上の必要に
応じて自由に選択することができる。例えば、第１に、
誘導子がロータの外周面を形成し、ステータコアはロー
タの外周側から近接して対向する場合がある。第２に、
誘導子がロータの外周部の端面を形成し、これに軸長方
向からステータが対向する場合があり、第３に、中空な
略円筒部分を有するロータの内周面を誘導子が形成し、
その内周側からステータコアがロータに対向する場合も
ある。その外にも、斜めに対向する場合もあり得る。

【００１４】また、界磁磁石と発電用突極部とについ
て、相互の位置関係や個数の対応についての限定もされ
ていないので、設計上の必要に応じて自由に選択するこ
とができる。例えば、同数の界磁磁石と発電用突極部と
を、各１個を一組として軸長方向または半径方向に並べ
てヨークで固定し、対向して回転通過する誘導子によっ
て生じる誘導磁場の変化で発電する構成も可能である。

【００１５】同様に、誘導子の個数や形状にも限定がな
いから、設計上の必要に応じて自由に選択することがで
きる。したがって、界磁磁石の個数や発電用突極部の個
数とは、必ずしも一致している必要はない。また、誘導
子の形状も、円周方向へ伸びる形状だけではなく、界磁
磁石および発電用突極部を一組として軸長方向または半
径方向に並べた場合に対応して、軸長方向または半径方
向に伸びる形状を取ることも可能である。

【００１６】以上のように、本発明の第１構成では、誘
導子１１、界磁磁石および発電用突極部について相互の
位置関係および個数の限定がないので、このうちいずれ
かを奇数個としたり、別個の個数として構成することも
可能である。なお、本構成と異なって、隣合う界磁磁石
同士で交番に磁極性が異なっていない構成や、発電用コ
イルの巻き方向が交番に交代していない構成を取ること
も可能ではある。しかし、かような構成では、発電効率
や発電波形などの点に一抹の不安が残るので、なお検討
を重ねる余地がある。

【００１７】本発明の第２構成は、上記第１構成におい
て更に、前記界磁磁石の個数は、偶数個であり、前記発
電用コイルの個数も、該界磁磁石と同数の偶数個であっ
て、該界磁磁石および該発電用コイルは、同一円周上に
交互に等間隔で配設されており、前記誘導子の個数は、
該界磁磁石または該発電用コイルの個数と同数の偶数個
であって、該誘導子は、他の同一円周上に等間隔で配設
されていることを特徴とする。

【００１８】本発明の第３構成は、上記第１構成におい
て更に、前記界磁磁石の一部または全てが、永久磁石で
あることを特徴とする。ここで、永久磁石としては、フ
ェライト系の磁石のほか、希土類の磁石など、設計上の
必要に応じて自由に選択することができる。同様に、永
久磁石の形状も自由に設計するを得る。なお、第１構成
に記載があるとおり、隣合う界磁磁石同士で交番に極性
が異なるよう、永久磁石は配設されるものとする。

【００１９】本発明の第４構成は、上記第１構成におい
て更に、前記界磁磁石の一部または全てが、前記ヨーク
から突起した軟磁性体からなる界磁用突極部と、該界磁
用突極部およびまたは該界磁用突極部に隣接するヨーク
を鉄心にして形成された界磁用コイルとからなる電磁石
であることを特徴とする。ここで、第１構成に記載があ
るとおり、隣合う界磁磁石同士で交番に極性が異なるよ
うに、界磁用コイルの巻き方向が設定される。

【００２０】本発明の第５構成は、上記第１構成におい
て更に、前記界磁磁石の一部または全てが、前記ヨーク
から突起した永久磁石と、該永久磁石およびまたは該永
久磁石に隣接するヨークを鉄心にして形成された界磁用
コイルとからなる複合磁石であることを特徴とする。本
発明の第６構成は、上記第１構成において更に、前記ロ
ータは、外周面に前記誘導子を有し、前記ステータコア
は、該ロータの外周から該誘導子に対向することを特徴
とする。

【００２１】本発明の第７構成は、上記第１構成におい
て更に、前記ロータは、当初は同一の材料から一体に形
成された前記ベース部材および前記誘導子からなり、該
誘導子は、当該部分を所定の処理により軟磁性体化して
形成されているか、または、該ベース部材は、当該部分
を他の所定の処理により非磁性体化して形成されている
かのいずれかであることを特徴とする。

【００２２】本発明の第８構成は、上記第７構成におい
て更に、前記ロータは、ステンレス鋼により当初から一
体に形成された前記ベース部材および前記誘導子からな
り、該ベース部材は、オーステナイト系の非磁性ステン
レス鋼によって形成され、該誘導子は、マルテンサイト
相の軟磁性ステンレス鋼によって形成されていることを
特徴とする。

【００２３】本発明の第９構成の交流発電機は、回動自
在に軸支されたロータおよび該ロータに近接して対向す
るステータを有する交流発電機において、前記ステータ
は、円周方向に等間隔に配設された軟磁性材料からなる
複数個の誘導子と、該誘導子を前記ロータに対向して固
定保持する非磁性材料からなるベース部材とを有し、前
記ロータは、前記誘導子に対面する複数個の界磁磁石
と、該誘導子に対面する軟磁性材料からなる複数個の発
電用突極部と、該界磁磁石と該突極部間とを固定保持し
該界磁磁石と該突極部間との間を連結する軟磁材料から
なるロータコアとを有し、前記界磁磁石は、間隔を空け
て隣合う該界磁磁石同士で交番に磁極性が異なってお
り、 前記発電用突極部には、間隔を空けて隣合う該発
電用突極部同士で交番に巻き方向が交代している発電用
コイルが形成されており、前記ロータの発電およびまた
は界磁の作用に係わる外部回路と該ロータとを電気的に
接続する接続手段を備えたことを特徴とする。

【００２４】本構成は、第１構成のロータとステータコ
アを逆転した構成であって、誘導子をもつステータと、
界磁磁石および発電用コイルをもつロータとを主要構成
要素としている。したがって、前述の第１構成に対して
第２構成〜第８構成のバリエーションがあったのと同様
に、本構成に対しても、第２構成〜第８構成に相当する
バリエーションが可能である。

【００２５】なお、以上のいずれの構成においても、適
当な駆動回路を接続すれば電動機としても使用できるこ
とは言うまでもない。その際、必要に応じてロータ角度
を検出する回転角検出手段（ロータリ・エンコーダ等）
を使用してもよい。

【００２６】

【発明の作用および効果】本発明の第１構成では、ロー
タの外周付近を回転移動する軟磁性の誘導子が、対面す
る界磁磁石および発電用突極部の近傍をよぎるにつれ
て、界磁磁石が作る界磁を誘導して変化を与える。界磁
の変化は、界磁磁石、発電用突極部およびヨークの内部
を透過する磁束に変化を与える。その結果、発電用突極
部に形成された発電用コイルに起電力が生じて誘導電流
が流れ、発電作用が発揮される。

【００２７】したがって、本構成によれば、ロータには
誘導子が設けられるだけで、界磁磁石および発電用コイ
ルは、ステータコアに設けられる。ロータは、回転体で
あるので、遠心力による応力が発生しダイナミック・バ
ランスに敏感であるが、その構成が簡素になれば、次の
２点の効果がある。第１に、ロータの構造が簡素で製造
しやすいので、ロータの慣性モーメントの設計が自由に
なり、その調整も比較的自由にできるという効果があ
る。第２に、同じ理由で、ロータの製造コストが低廉に
なるという効果がある。

【００２８】同時に、発電用コイルがステータ側にある
ので、電力の取り出しにスリップ・リングやブラシなど
の接続手段を要せず、シンプルで故障が起こりくい。ま
た、界磁磁石および発電用コイルが遠心力を受けること
がなく、これらのダイナミック・バランスを取る必要も
ないので、堅牢なステータを安価に製造することができ
るという効果もある。

【００２９】本発明の第２構成では、偶数個の界磁磁石
と発電用コイルとが交互に等間隔で同一円周上に並び、
これらに対面して同数の誘導子が回転移動する。したが
って、本構成によれば、交番に極性を交代する界磁磁石
と発電用コイルとを、これらに対応した誘導子が交番に
よぎるので、発電がより効率的に成される。さらに、同
様の理由で、交流発電の波形が正弦関数に近い綺麗な波
形で得られるという効果もある。

【００３０】本発明の第３構成では、界磁磁石の一部ま
たは全てが永久磁石であるから、界磁を形成するための
界磁電力を低減または廃止することができる。また、同
様の理由で、発電用コイルの数を低減または廃止するこ
とができる。したがって、本構成によれば、界磁電力を
節約できるので、過剰発電にならない回転数では発電効
率が高いという効果がある。同時に、加工工数を要する
発電用コイルを削減または撤廃することができるので、
ステータの製造コストを低減し、より安価な交流発電機
を提供することができる。

【００３１】本発明の第４構成では、界磁磁石の一部ま
たは全てが電磁石であるから、界磁電流の多寡によって
界磁の強度を自在に制御することが可能になる。それゆ
え、界磁電流を適正に制御する回路を設ければ、例え
ば、低速回転時にも高速回転時にも一定した出力の発電
を行うことなどもできる。したがって、本構成によれ
ば、回転数に関係なく高い発電効率で交流発電機が運転
されるので、駆動側に無用な負荷を与えることがないと
いう効果がある。

【００３２】本発明の第５構成では、界磁磁石の一部ま
たは全てが、永久磁石と界磁用コイルとからなる複合磁
石であるので、より強力な界磁が形成されるとともに、
界磁強度を界磁電流によって制御することも可能であ
る。したがって、本構成によれば、より強力な界磁が形
成されるので、より強力な発電が可能になると共に、上
記の第３構成および第４構成の長所を併せ持つ交流発電
機を提供することができる。

【００３３】すなわち、低速回転時には、界磁電流を十
分に供給して永久磁石と協力し強力な界磁を形成するこ
とにより、所定の発電出力を得ることができる。反対
に、高速回転時には、界磁電流を低減または停止し、主
として永久磁石が形成する界磁によって発電し、余剰発
電による効率の低下を避けることができる。さらに高速
回転時には、通常と逆向きに界磁電流を流し、永久磁石
が形成する界磁を弱めて過剰発電による発電効率の低下
を防ぐこともできる。この場合には、永久磁石と複合し
た界磁用コイルから電力を取り出すことも可能である。
その結果、本構成によれば、界磁電流を節減できると同
時に、いかなる回転数でも高い効率で所定の発電を行え
る交流発電機を提供することができる。

【００３４】本発明の第６構成では、ロータの外周面に
誘導子が設けられ、ステータコアはその外周から対向し
ている。つまり、高速回転するロータが中心部に収ま
り、その周囲から界磁磁石および発電用コイルが対面し
ており、さらにその周囲をヨークが包んでケーシングを
兼ねた構成になっている。したがって、本構成によれ
ば、ロータの直径が小さいので不必要に慣性モーメント
が大きくなることがない。その結果、本構成の交流発電
機を駆動するエンジンの加速応答性が良くなるという効
果がある。また、必要に応じてロータの軸長方向の厚み
を変えるなどして、慣性モーメントを自在に調整するこ
とができるという効果もある。

【００３５】本発明の第７構成は、上記第１構成におい
て更に、ロータは、当初は同一の材料から一体に形成さ
れたベース部材および誘導子からなっている。そして、
一体に形成されたのち、ベース部材または誘導子が、所
定の処理により磁性を変化させられている。それゆえ、
本構成では、ベース部材に複数の誘導子を組付ける組み
立て工数を要せずに、ロータが一体で形成されている。

【００３６】したがって、本構成によれば、より少ない
組み立て工数で、より堅牢なロータが製造されるので、
本発明の交流発電機の価格が下がり信頼性が向上すると
いう効果がある。本発明の第８構成では、上記第７構成
において更に、ベース部材はオーステナイト系の非磁性
ステンレス鋼、誘導子はマルテンサイト相の軟磁性ステ
ンレス鋼で形成されている。すなわち、本構成は、ベー
ス部材・誘導子一体のロータを、加工誘起処理および加
熱処理などの容易に実施できる処理で、部分的に磁性変
態または逆変態を起こして望ましい磁気特性を与えたも
のである。また、一般にステンレス鋼は、錆びにくく変
質しにくく、比較的安価な割りには安定性のよい金属材
料であり、防錆処理も通常は不要である。

【００３７】したがって、本構成によれば、第７構成の
効果に加えて、より容易かつ安価に一体のロータを生産
することができ、さらに長寿命を期待することができる
という効果がある。本発明の第９構成では、ステータ
は、複数個の誘導子と、これを固定保持する非磁性材料
からなるベース部材とを有し、一方、ロータは、複数個
の界磁磁石と複数個の発電用突極部とこれらを連結する
軟磁材料からなるロータコアとを有する。それゆえ、ロ
ータの発電用コイル等と外部回路とを接続する接続手段
を必要とする。

【００３８】すなわち、本構成は、第１構成のロータと
ステータコアとを逆転した交流発電機である。第１構成
に対して第２構成から第８構成にいたる限定が可能であ
り、各構成に特有の効果を本構成でも上げることができ
る。したがって、本構成によれば、何らかの理由で誘導
子側を固定せざるを得ない（すなわちステータに誘導子
を備えざるを得ない）場合にも、界磁磁石と発電用コイ
ルとをもつロータを備えて、本発明の交流発電機を実現
することができる。その結果、第１構成に相当する効果
ばかりなく、第２構成から第８構成に相当する効果をも
発揮することができる。

【００３９】

【実施例】以下、本発明の交流発電機の実施例１につい
て図１〜図５を、その変形態様１〜６については図６〜
図１０を、実施例２については図１１を、それぞれ参照
して具体的に説明する。 〔実施例１：ステータコアに界磁用コイルと発電用コイ
ルとをもつ例〕本発明の実施例１としての交流発電機
は、図１に示すように、回動自在に軸支されたロータ１
と、ロータ１に近接して対向する軟磁性材料からなるス
テータコア２とを有する。

【００４０】すなわち、ロータ１は、中央の軸孔１０に
通された回転軸（図示せず）と、この回転軸をロータ１
の軸長方向の両側で軸支する軸受け（図示せず）とを介
して、ケーシング（図示せず）内の空間に回動自在に保
持されている。このケーシングの胴部はステータコア２
によって形成されている。以上のようにして、ロータ１
は、その外周面をステータコア２の内周面に対面させ
て、ステータコア２と同軸に軸支されている。なお、上
記回転軸は、エンジンなどの動力供給装置によって、ロ
ータ１とともに回転駆動されるものとする。

【００４１】ここで、ロータ１は、外周面に軟磁性体か
らなる複数の誘導子１１を有している。一方、ステータ
コア２は、求心方向に突出した複数の発電用コイル４と
界磁磁石としての界磁用コイル３とを有して、ロータ１
の外周側からその誘導子１１に対向している。以下、ロ
ータ１とステータコア２との両者について、それぞれの
構成を説明する。

【００４２】（実施例１のロータの構成）ロータ１は、
図２に示すように、非磁性材料からなるベース部材１２
と、ベース部材１２の外周縁付近に固定保持された軟磁
性材料からなる複数個の誘導子１１とからなる、略円盤
状の部材である。すなわち、ベース部材１２は、略軸対
称な形状の非磁性材料からなり、その外周縁付近には円
周方向に等間隔をおいて複数（６個）の切り欠きが設け
られている。この切り欠きには、軟磁性材料からなる複
数個（６個）の誘導子１１が嵌合して、ベース部材１２
に図示しない固定手段により固定保持される。（固定手
段は、ネジ・ピン・接着・ロウ付け・溶着・溶接など従
来技術の適用でよい。）誘導子１１は、略扇形の平面形
状をしており、外周縁と内周縁、および半径に沿った両
側縁で略扇形を形成している。ロータ１は、このように
ベース部材１２と６個の誘導子１１とが係合して、円盤
状に形成されている。

【００４３】ここで、誘導子１１の個数（６個）は、界
磁磁石としての界磁用コイル３（６個）または発電用コ
イル４（６個）の個数と同数の偶数個である。また、誘
導子１１は、ロータ１の外周面の一部を形成して、同一
円周上に等間隔で配設されている。なお、ベース部材１
２は、非磁性材料からなる板を軸長方向に接着し積層し
た積層体であり、誘導子１１は、絶縁処理された軟磁性
の鋼板を軸長方向に接着し積層した積層体である。誘導
子１１が積層体で形成されているのは、渦電流の発生に
伴う損失を低減するためである。あわせて、ヒステリシ
スによる損失を低減するため、誘導子１１の材料にはヒ
ステリシスの小さいものが使用されている。このよう
に、本実施例のロータ１では、誘導子１１内での鉄損を
低減する努力が払われている。

【００４４】誘導子１１およびベース部材１２が積層体
で形成されているので、ロータ１の慣性モーメントは、
誘導子１１およびベース部材１２の積層枚数を変えるこ
とにより、容易に調整することができる。別案として
は、誘導子１１およびベース部材１２はともにブロック
状の材料で形成され、組み立て前かあるいはロータ１に
組み立て後かに、適切な厚みに切削等で形成されるとい
う手段もある。

【００４５】いずれの構成または手段を取る場合におい
ても、ロータ１の慣性モーメントを自由に設定し、任意
に調整したりすることは容易である。したがって、本発
明の第２の課題（慣性モーメントの調整変更の容易化）
は、本実施例のロータ１で達成することができる。 （実施例１のステータの構成）ステータは、図３に示す
ように、ステータコア２と界磁用コイル２３および発電
用コイル２４とから構成されている。

【００４６】すなわち、ステータコア２は、前述の誘導
子１１に対面して突出する複数個の界磁用突極部２３お
よび発電用突極部２４と、両突極部２３，２４の間を連
結する略円周状のヨーク２０とをもつ、軟磁性の合金部
材である。界磁用突極部２３および発電用突極部２４
は、それぞれ同数の偶数個（６個）あり、同一円周上に
交互に等間隔で配設されている。全ての突極部２３，２
４は、ヨーク２０によって固定保持されて求心方向に突
出しており、根元部ではヨーク２０を介して互いに磁気
的に連結されている。

【００４７】ここで、両突極部２３，２４の形状および
材料は共通であって、製造コストの低減が図られてい
る。ただし、設計上の要求等によって、二種類の突極部
２３，２４の形状を互いに異なったものとすることは可
能である。界磁用突極部２３には、それぞれその周囲に
界磁用コイル３が巻かれて、界磁用突極部２３を鉄心に
した電磁石が形成されている。各電磁石は、両側の電磁
石とは逆の磁極性をもつよう、界磁用コイル３が交番に
巻き方向を変えて巻かれている。

【００４８】これらの電磁石（界磁用突極部２３および
界磁用コイル３）は、発電に必要な界磁を形成する界磁
磁石であり、本実施例の交流発電機は直流励磁による界
磁方式を取っている。これら界磁磁石は、間隔を空けて
隣合う界磁磁石同士で交番に磁極性が異なっている。一
方、発電用突極部２４には、それぞれその周囲に発電用
突極部２４を鉄心にした発電用コイル４が巻かれてい
る。発電用コイル４は、間隔を空けて隣合う発電用突極
部２４同士で交番に巻き方向が交代している。

【００４９】界磁用コイル２３は、界磁入力端子３１，
３２を介して外部の可変電圧電源３０に、発電用コイル
２４は、発電出力端子４１，４２を介して外部回路（図
示せず）に、それぞれ接続されている。 （実施例１の作用）以上のように構成された本実施例の
交流発電機では、ロータ１の回転移動に伴い、以下のよ
うにして発電作用が営まれる。

【００５０】前提として、図４（ａ）に示すように、界
磁入力端子３１，３２に外部から電圧が加えられ、界磁
用コイル３−１および３−２に界磁電流が流れて、電磁
石による界磁が形成される。その際、界磁用突極部２３
の求心方向の先端には、界磁用コイル３−１ではＳ極
が、これと間隔を隔てて隣合う界磁用コイル３−２では
Ｎ極が、それぞれ形成されている。

【００５１】かようなステータコア２中を、ロータ１が
回転を示す矢印Ｒの方向（時計回り）に回転すると、ロ
ータ１の外周部に保持された誘導子１１も、回転移動す
る。誘導子１１は、移動しながら界磁を誘導するので、
発電用突極部４２に誘導される磁束の量に時間的な変化
が生じる。その結果、発電用コイル４−１では誘導電流
が生じ、発電作用が生起する。

【００５２】すなわち、まず、図４（ａ）に示すよう
に、誘導子１１が界磁用コイル３−１から発電用コイル
４−１に跨がる位置にある時点では、磁場は誘導子１１
内を磁束の向きを表す矢印Ｍの方向に誘導されている。
磁束は、界磁用コイル３−１の外周側にあたるＮ極から
出て、ヨーク２０内および発電用突極部２４内を透過し
たうえで、誘導子１１内を矢印Ｍの方向に誘導され、界
磁用コイル３−１の求心側にあたるＳ極に貫流する磁気
回路を形成している。この時点では、発電用コイル４−
１内を通る磁束はすでに最大値付近に達しており、変化
率が少ないので発電作用はほとんどない。

【００５３】次に、図４（ｂ）に示すように、誘導子１
１が界磁用コイル３−１および３−２のちょうど中間、
すなわち発電用コイル４−１と正対する位置にある時点
では、誘導子１１内には強い磁束は存在しなくなる。こ
れは、誘導子１１が、界磁用コイル３−１および３−２
のいずれからも遠ざかった位置にあるからである。この
時点では、発電用コイル４−１内に導入される磁束の絶
対量はゼロに近いが、変化率は極めて大きく、大きな誘
導起電力が生じる。したがって、発電用コイル４−１に
は大きな発電作用が生起し、発電出力端子４１（＋），
４２（−）から電力を取り出すことができる。

【００５４】そして、図４（ｃ）に示すように、誘導子
１１がさらに回転移動して、発電用コイル４−１から界
磁用コイル３−２へやや掛かった時点では、誘導子１１
内には、先程とは逆方向の矢印Ｍ方向に磁束が誘導され
ている。この時点では、発電用コイル４−１内に流入す
る磁束は、図４（ａ）の時点から向きを転換してピーク
を迎える途上にある。したがって、図４（ｂ）の時点よ
りは落ちるものの図４（ｂ）と同方向に発電作用が生じ
る。

【００５５】ここで、界磁用コイル３−１と界磁用コイ
ル３−２とは、互いに異極になるよう巻き方向が設定さ
れている。したがって、ロータ１がさらに回転し誘導子
１１が移動するにつれて、発電用コイル４−１には交番
に変動する磁界がかかり、発電出力端子４１，４２から
は交流発電出力が得られる。ところで、前述のように、
界磁用コイル３は、間隔を空けて隣合う界磁磁石同士で
交番に磁極性が異なっており、一方、発電用コイル４
は、間隔を空けて隣合う発電用突極部２４同士で交番に
巻き方向が交代している。また、界磁用コイル３および
発電用コイル４の一組について一つの誘導子１１が、ロ
ータ１に形成されている。

【００５６】したがって、図４（ａ）〜（ｃ）を参照し
て説明した作用と同様の現象が、図１〜図３を参照して
説明した全ての誘導子１１、界磁用コイル３および発電
用コイル４について起こる。すなわち、ロータ１が回転
し誘導子１１が移動するにつれて、各発電用コイル４に
は交番に変動する磁界がかかり、発電出力端子４１，４
２からは交流発電出力が得られる。

【００５７】ここで、この交流発電出力は界磁の強さに
比例するので、界磁入力端子３１，３２を介して供給さ
れる界磁電流（すなわち可変電圧電源３０）を制御する
ことにより、本実施例の交流発電機の出力は容易に制御
され得る。その際、オープン制御による鉄損や短絡制御
による銅損など、従来の交流発電機で起きる損失が極め
て小さいので、極めて高い効率で発電が行われる。ま
た、適正な界磁電流を界磁用コイル３に供給することに
より、低回転から高回転まで極めて広い回転数の範囲で
適正な発電出力を得ることができる。したがって、運用
可能な回転数の範囲が広いという長所もある。

【００５８】（実施例１に接続される外部回路の構成）
本実施例の交流発電機は、前述のように界磁電流を制御
することにより、低回転時にも高回転時にも適応して、
発電効率を低めることなく交流発電出力を調整すること
ができる。ここでは、本発明の交流発電機の実施に便宜
を供するため、発電出力の調整に適当な外部回路を例示
する。なお、これは図１に示した可変電圧電源３０をも
含むものであり、逆に可変電圧電源３０の一例でもあ
る。

【００５９】本実施例の交流発電機に接続される外部回
路は、図５に示すように、簡素な構成であり、出力端子
５１，５２から各種電装品（図示せず）に安定した直流
電力を供給している。先ず、ロータ１の回転が所定の回
転数を越えない通常の運転では、バッテリ５の放電また
は発電用コイル４の発電出力により、界磁用コイル３に
界磁電流が供給されている。

【００６０】すなわち、発電用コイル４の発電電圧がツ
ェナー・ダイオード６の降伏電圧に達しない範囲におい
ては、トランジスタ７にベース電圧が掛からないので、
トランジスタ８にベース電圧が生じてトランジスタ８は
導通する。その結果、バッテリ５の負極は界磁入力端子
３２と導通し、バッテリ５の正極−界磁入力端子３１−
界磁用コイル３−界磁入力端子３２−トランジスタ８−
バッテリ５の負極によって形成される回路が閉じる。

【００６１】一方、発電用コイル４からの発電出力は、
発電出力端子４１，４２を介して本外部回路に取り出さ
れる。交流発電出力は、ダイオードスタック９により全
波整流されて直流に変換（必要に応じてコンデンサによ
り電圧変動を均すを得る）され、バッテリ５と並列に入
力される。発電により得られた直流電圧がバッテリ５の
電圧よりも高い場合には、バッテリ５は充電される。そ
の逆の場合には、バッテリ５は放電して発電出力の不足
を補う。

【００６２】次に、ロータ１の回転が所定の回転数を越
え、発電用コイル４で過剰発電が行われてダイオードス
タック９からの直流出力が規定電圧を越えようとする場
合には、界磁電流が制御されて発電出力が減少する。す
なわち、過回転により発電電圧が過剰になり、ツェナー
・ダイオード６の降伏電圧を越えると、ツェナー・ダイ
オード６が降伏して導通し、トランジスタ７が導通する
とトランジスタ８の導通がなくなる。その結果、界磁入
力端子３２を介して界磁用コイル３に加えられる界磁電
流が途絶し、界磁がなくなるので発電が行われなくな
る。このようにして過回転時の発電電圧過多は防がれる
が、オン−オフの繰り返しによる制御を嫌う場合には、
本回路に適当なコンデンサやローパス・フィルタ等を付
加して適正量の界磁電流に調整することも可能である。

【００６３】ここで、ツェナー・ダイオード６の降伏電
圧は、バッテリ５の最大電圧より高く、バッテリ５や出
力端子５１，５２に接続される各種電装品を傷めない範
囲に予め設定されている。したがって、上記の外部回路
等を接続することにより、界磁電流は自動的に調整され
て、本実施例の交流発電機から適正な電圧の発電出力を
得ることが可能になる。

【００６４】なお、外部回路とはいうものの、本外部回
路の全てまたは一部が、本実施例の交流発電機に付属し
て設けられることを妨げるものではない。 （実施例１の効果）本実施例の交流発電機は、前述のよ
うに構成されて発電作用をするので、次の３点の効果を
奏する。

【００６５】第１に、広い回転数範囲で高効率の発電が
できるという効果がある。すなわち、本実施例の交流発
電機では、界磁電流の制御により発電出力を制御できる
ので、高速回転時にも駆動トルクが小さくて済み、高い
発電効率を維持することができる。その結果、エンジン
などの駆動側の負荷が軽減されるという効果がある。

【００６６】同時に、低速回転時にも、界磁電流を増す
ことにより（必要とされる駆動トルクは増すものの）、
必要な起電力を発揮して適正な発電作用を維持すること
ができる。したがって、本実施例の交流発電機は、運用
できる回転数の範囲が極めて広く、かつ、いずれの回転
数においても高い発電効率を維持しうるという長所を有
する。

【００６７】第２に、製造時に、ロータ１の慣性モーメ
ントの調整が容易であるという効果がある。すなわち、
ロータ１を構成する誘導子１１およびベース部材１２が
積層板で形成されているので、設計上の必要（エンジン
とのマッチング等）により、積層枚数を調整する等の手
段で容易にその慣性モーメントを調整することができ
る。

【００６８】第３に、製造コストを大幅に低減すること
ができるという効果がある。すなわち、少なからぬ遠心
力や振動がかかるロータ１にはコイルなどの電装部材が
なく、ロータ１の構成は極めて簡素である。したがっ
て、ダイナミック・バランスを取るための努力は不要も
しくは僅少である。その結果、遠心力や振動に耐えるロ
ータ１を設計製造するために特に努力を要しないので、
その製造コストは極めて安価である。

【００６９】一方、ステータコア２には界磁用コイル３
および発電用コイル４が形成されているが、回転部分が
ないのでダイナミック・バランスなどに配慮して設計製
造する必要がない。したがって、その製造コストは安価
である。あわせて、ロータ１に接続するスリップリング
やブラシを必要としないので、本実施例の交流発電機
は、安価にして簡素かつ堅牢であるという長所を有す
る。

【００７０】〔実施例１のロータに関する変形態様〕ま
ず、実施例１の変形態様として、前述のロータ１に改変
を加えた交流発電機を以下に幾つか例示する。 （変形態様１：誘導子の固定手段）本変形態様の交流発
電機は、図６に示すように、ベース部材１２Ａと、その
外周部付近に等間隔に保持固定された６個の誘導子１１
Ａとからなるロータ１Ａを有する。実施例１のロータ１
と同様に、ベース部材１２Ａは、非磁性材料からなる板
を積層して形成され、各誘導子１１Ａは、軟磁性の鋼板
を積層して形成されている。

【００７１】実施例１と異なる点は、各誘導子１１の求
心方向に突起が設けられ、その突起が円周方向の両側に
張り出した張出部１１ａをもつことである。これに伴
い、ベース部材１２に６方の外周から設けられた各誘導
子１１が嵌合する切れ込みにも、各誘導子１１の両側の
張出部１１ａと嵌合する凹凸が設けられている。したが
って、各誘導子１１の張出部１１ａとベース部材１２の
凹凸とが互いに嵌合するので、各誘導子１１はベース部
材１２により強力に固定保持される。その結果、より強
い遠心力に耐えられるので、ロータ１Ａの強度に起因す
る回転数制限は大幅に緩和され、高速回転で本変形態様
の交流発電機を運転することが可能になる。

【００７２】同時に、本変形態様のロータ１Ａによれ
ば、各誘導子１１をベース部材１２に固定保持させるた
めの部品点数や加工工数が減るので、製造コストがより
安価になるという効果もある。なお、本変形態様の思想
をさらに伸展させ、複数段の張出部をもってベース部材
に嵌合する誘導子を使用することもできる。これを極限
まで押し進め、ガスタービン機関のタービンにおいてブ
レードをディスクに固定するクリスマス・ツリー構造
で、各誘導子をベース部材に固定してもよい。これらの
変形態様の誘導子では、円周方向の両側が対称形である
必要は特にない。

【００７３】（変形態様１−１：誘導子の簡便な固定手
段１）逆に、より容易なロータの構成としては、円筒状
または円盤状のベース部材と、その外周面に等間隔を開
けて固定保持された６個の弧状の誘導子とからなるもの
も可能である。ベース部材は、円盤状の薄板が積層され
た積層板か、中空または中実なブロック材で形成されて
いる。誘導子は、鉄損の軽減のため軟磁性金属板の積層
構造で形成されていることが望ましいが、中実なブロッ
ク材で形成されていてもよい。ロータ外周面に対する誘
導子の固定手段は、ネジ等の係止手段でよい。

【００７４】本構成のロータは、外周面に凹凸ができる
ので空気抵抗が大きいという欠点があるものの、製造設
備に特別な装置を用意する必要がないので、少量生産を
する場合に適する。 （変形態様１−２：誘導子の簡便な固定手段２）さら
に、別の容易なロータの構成として、等間隔を開けて円
周上に配設された６個の弧状の誘導子と、これらを挟持
固定する二枚の円盤状のベース部材とからなるものも可
能である。すなわち、本ロータは、ベース部材である二
枚の円盤の間に各誘導子を挟み、両ベース部材の対向す
る外周縁部に各誘導子を固定保持して製造されている。

【００７５】このような構成のロータであれば、軟磁性
鋼板を積層した各誘導子と、これらを軸長方向両側から
挟持する二枚の非磁性鋼板とを、軸長方向に貫通する複
数の孔を通るボルトとナットで強固に固定することがで
きる。固定に際し、接着剤も援用すれば、より強固に各
誘導子を固定保持することができる。本構成のロータ
も、製造設備に特別な装置を用意する必要がないので、
少量生産をする場合にも適する。

【００７６】なお、前述の変形態様１−１および１−２
のロータでは、隣合う誘導子の間の隙間を詰めるスペー
サや、ロータ外周面を覆う薄い円筒板などを備えること
により、回転時の空気抵抗を軽減することができる。 （変形態様２：磁性変態を利用した一体成形型ロータ）
本変形態様の交流発電機は、図７に示すように、ベース
部材部分１２Ｂとその外周部付近に等間隔に形成された
６カ所の誘導子部分１１Ｂとをもつロータ１Ｂを有す
る。

【００７７】実施例１と異なる点は、各誘導子部分１１
Ｂおよびベース部材部分１２Ｂからなるロータ１Ｂが、
同一の金属円盤の薄板を接着剤で互いに絶縁の上で積層
することによって形成されている点である。この金属円
盤は、各誘導子部分１１Ｂにあたる部分が軟磁性金属で
形成され、ベース部材部分１２Ｂにあたる部分が非磁性
金属で形成されている。

【００７８】すなわち、ロータ１Ｂは、ステンレス鋼に
より当初から一体に形成されたベース部材部分１２Ｂお
よび各誘導子部分１１Ｂをもつ金属円盤を積層して構成
されている。ベース部材部分１１Ｂは、オーステナイト
系の非磁性ステンレス鋼によって形成されており、各誘
導子部分１１Ｂは、マルテンサイト相の軟磁性ステンレ
ス鋼によって形成されている。

【００７９】このようなロータ１Ｂは、ステンレス鋼を
部分的に磁性体に変態させたり、逆に部分的に逆変態さ
せて非磁性化させたりすることによって、製造すること
ができる。例えば、本変形態様のロータ１Ｂは、次のよ
うにして製造されている。まず、不安定なオーステナイ
ト系ステンレス鋼（非磁性体）であるＳＵＳ３９（１７
−７ステンレス）鋼板を材料とし、６０％程度の変形率
の冷間加工（圧延やプレス加工等）を施して加工誘起処
理を行う。すると、ステンレス鋼は磁性変態し、全体が
マルテンサイト組織（軟磁性体）に変態した円盤が製造
される。

【００８０】次に、ベース部材部分１２Ｂにあたる部分
にだけ、高周波加熱処理を施して変態点温度を越えるま
で加熱する。すると、ベース部材部分１２Ｂだけが、逆
変態してもとのオーステナイト系ステンレス鋼に戻って
非磁性化される。こうして、誘導子部分１１Ｂだけが軟
磁性体であるステンレス鋼の円盤が製造されるので、誘
導子部分１１Ｂを合わせてこの円盤を複数枚積層するこ
とによって、本変形態様のロータ１Ｂを製造することが
できる。

【００８１】したがって、ロータ１Ｂは、当初は同一の
材料から一体に形成されたベース部材部分１２Ｂおよび
各誘導子１１Ｂからなる。各誘導子部分１１Ｂは、当該
部分を加工誘起処理により軟磁性体化して形成されてお
り、一方、ベース部材部分１２Ｂは、当該部分を高周波
加熱処理により非磁性体化して形成されている。以上の
ように構成された本変形態様のロータ１Ｂを使用すれ
ば、ロータの構成がいっそう簡素かつ堅牢になる。ま
た、組み立てに要する部品点数や組み立て工数がさらに
節減されるので、より安価に故障の少ないロータを製造
することができる。

【００８２】その結果、本変形態様の交流発電機は、よ
り安価でありながら高い信頼性を発揮するばかりでな
く、変形態様１よりもさらに高速回転での運用に耐える
ことができる。なお、前述のロータ１，１Ａ，１Ｂの中
央部に設けられた軸孔１０は、それぞれ前述の実施例１
および変形態様１，２において共通である。軸孔１０
は、丸孔として形成されるが、多角形の孔で形成されて
いてもよい。あるいは、強度上の要求や回転振れ防止の
目的で、テーパ嵌合のための金属ボスを軸孔１０の内径
部分に設けてもよい。

【００８３】〔実施例１のステータコアに関する変形態
様〕次に、実施例１の別の変形態様として、前述のステ
ータコア２に改変を加えた交流発電機を以下に幾つか例
示する。 （変形態様３：界磁磁石は電磁石でヨークにも界磁用コ
イル）本変形態様の交流発電機のステータコア２には、
図８に示すように、界磁磁石として、界磁用コイル３に
加えて、一対の界磁用コイル３Ｙが形成されている。す
なわち、実施例１と同様の界磁用突極部２３を鉄心とす
る界磁用コイル３だけではなく、各界磁用突極部２３の
円周方向両側のヨーク２０にも、ヨーク２０を鉄心とす
る一対の界磁用コイル３Ｙが形成されている。各コイル
３，３Ｙを形成する銅線は、両端でそれぞれ界磁入力端
子３１，３２に直接または間接的に接続されて、適正な
界磁電流の供給を受けている。

【００８４】一対の界磁用コイル３Ｙの捲線の向きは、
当然、互いに対向または背向した磁束Ｍを生成するよ
う、互いに逆向きに巻かれている。さらに、一対の界磁
用コイル３Ｙは、界磁用コイル３の形成する磁界を助長
する向きに巻かれている。したがって、両界磁用コイル
３Ｙがヨーク２０内に生起した磁束Ｍは、界磁用コイル
３内の界磁用突極部２３内を通ってその先端から放出さ
れ、ステータコア２内の空間に界磁を形成する。磁束Ｍ
は、界磁用コイル３内を通る際に、界磁用コイル３が生
起する磁場によりいっそう強められて界磁を形成する。

【００８５】ここで、図８には、界磁用突極部２３の先
端がＮ極を形成している部分が例示されている。しか
し、実施例１と同様、間隔を開けて隣合う界磁用突極部
２３は交番に極性を交代するので、言うまでもなく、先
端にＳ極が形成されている界磁用突極部２３も、Ｎ極が
形成された界磁用突極部２３と同数存在している。さ
て、以上のように構成された界磁磁石をもつ交流発電機
では、界磁用コイル３が形成する界磁を、ヨーク２０に
巻かれた一対の界磁用コイル３Ｙが付勢強化するので、
極めて強い界磁が形成される。したがって、本変形態様
の交流発電機は、実施例１のもつ全ての効果を有しなが
ら、いっそう強力な発電ができるという効果を併せ持っ
ている。また、逆に発電能力を増やす必要が無い場合に
は、より小型に交流発電機を製造できるという効果が発
揮される。

【００８６】（変形態様４：界磁磁石は永久磁石）本変
形態様の交流発電機のステータコア２Ａは、図９に示す
ように、その内周面に界磁磁石として永久磁石３Ｍを保
持している。すなわち、本変形態様は、実施例１の界磁
用突極部２３および界磁用コイル３からなる電磁石の界
磁磁石に代えて、永久磁石３Ｍを使用した交流発電機で
ある。永久磁石３Ｍは、実施例１の界磁用突極部２３と
同様に、発電用突極部２４を挟んでヨーク２０内周面に
沿って６個配設されている。間隔を隔てて隣合う永久磁
石３Ｍは、これも実施例１の界磁磁石と同様に、交番に
極性を変えている。

【００８７】永久磁石３Ｍをヨーク２０の内周面に固定
保持する手段としては、ネジ止め等の従来からの手段で
よい。あるいは、非磁性材料からなる薄肉の内筒を用い
て永久磁石３Ｍをヨーク２０の内周面に押圧付勢したう
えで接着により固定する手段を取ってもよい。この内筒
を備えた構成では、ロータの回転に伴う空気抵抗による
損失が軽減されるという効果も生じる。

【００８８】本変形態様の交流発電機では、界磁の強さ
を運転中に調整できないので、実施例１のもつ第１の効
果（回転数に係わらず高い発電効率を発揮）は損なわれ
るものの、他の効果は損なわれることがない。すなわ
ち、第２の効果（製造時に調整自由なロータの慣性モー
メント）および第３の効果（低廉な製造コスト）は、実
施例１そのままに引き継がれている。

【００８９】さらに本変形態様の交流発電機では、界磁
電流を必要としないので、実施例１では界磁用コイル３
で消費されている電気エネルギ（銅損）を節約できると
いう効果も有する。 （変形態様５：界磁磁石は永久磁石および電磁石の混
成）本変形態様の交流発電機では、界磁磁石の半数（３
個）が永久磁石３Ｍ（変形態様４参照）であり、他の半
数（３個）が電磁石（実施例１または変形態様３参照）
であって、界磁磁石が永久磁石３Ｍおよび電磁石の混成
になっている。

【００９０】ここで、永久磁石３Ｍと電磁石とは、発電
用コイル４を挟んで交番に配設されている。したがっ
て、ヨーク２０から求心方向に突出した界磁磁石のう
ち、全ての永久磁石３Ｍの先端にはＮ極およびＳ極の一
方が形成され、全ての電磁石の先端にはＮ極およびＳ極
の他方が形成されている。本変形態様の交流発電機で
は、界磁磁石の半数が永久磁石３Ｍであるから、その分
界磁電流が節約でき、実施例１に比べて銅損を半減する
ことができる。さらに、界磁磁石の残りの半数が電磁石
であるから、界磁電流を増減させることにより、回転数
の変化に応じて界磁の強さを適正に調整することができ
る。

【００９１】したがって、本変形態様の交流発電機によ
れば、実施例１の全ての効果を失うことなく界磁電流に
よる銅損を半減することができ、より高い発電効率が得
られるという効果が発揮される。なお、界磁磁石として
の永久磁石３Ｍの個数と電磁石の個数とは、必ずしも同
数である必要はない。したがって、設計上の必要に応じ
て、永久磁石３Ｍおよび電磁石の一方が多く他方が少な
い構成も可能である。また、必ずしも永久磁石３Ｍと電
磁石とが交番に配設されている必要もなく、どちらかに
永久磁石３Ｍまたは電磁石が偏った構成をとることもで
きる。

【００９２】（変形態様６：界磁磁石は永久磁石および
電磁石の複合磁石）本変形態様の交流発電機では、図１
０に示すように、界磁磁石は永久磁石３Ｍおよび電磁石
の複合磁石３Ｃで形成されている。すなわち、界磁磁石
の全てが、ヨーク２０から求心方向に突起した永久磁石
３Ｍと、永久磁石３Ｍに巻かれた界磁用コイル３で形成
された電磁石とからなる複合磁石３Ｃで形成されてい
る。

【００９３】ここで、電磁石は、変形態様３と同様の形
態をとることもできる。すなわち、永久磁石３Ｍを鉄心
とする界磁用コイル３と、両側のヨーク２０をそれぞれ
鉄心とする一対の界磁用コイル３Ｙとで、複合磁石３Ｃ
を形成することが可能である。本構成によれば、いっそ
う強力な界磁を形成することができ、さらなる高出力が
期待できる。

【００９４】さて、以上のような変形態様６によれば、
界磁磁石は永久磁石３Ｍおよび電磁石の複合磁石３Ｃで
あるから、極めて強力な界磁を形成することができ、そ
の結果、小型でも大容量の交流発電機を提供することが
できるようになる。そればかりではなく、本変形態様の
交流発電機では、実施例１の有する効果が全て失われる
ことがないので、きわめて大きなメリットがある。

【００９５】なお、変形態様５のように、複数個ある界
磁磁石の一部に本変形態様で使用している複合磁石３Ｃ
を用いる構成も可能である。 〔実施例２：実施例１のロータとステータとが逆転した
例〕 （実施例２の構成）本実施例の交流発電機は、図１１に
示すように、実施例１の交流発電機（図１参照）のロー
タ１を固定してステータ１Ｓとし、ステータコア２を回
転駆動してロータ２Ｒとしたものである。ロータコア２
Ｒを駆動する回転軸（図示せず）には、外部回路（図示
せず）と接続する接続手段としてのスリップリング（図
示せず）が備わっている。

【００９６】すなわち、本実施例の交流発電機は、回動
自在に軸支されたロータ２Ｒと、ロータ２Ｒに近接して
対向するステータ１Ｓとを主要構成要素とする。ステー
タ１Ｓは、実施例１のロータ１と同様に６個の誘導子１
１とベース部材１２とから構成されており、軸孔１０で
図示しない固定軸に接合固定されている。

【００９７】一方、ロータ２Ｒは、実施例１のステータ
コア２と同様に、略中空円筒状のヨーク２０と、ヨーク
２０の内周面から求心方向に突出したそれぞれ６個の界
磁用突極部２３および発電用突極部２４とからなるロー
タコアを有する。界磁用突極部２３および発電用突極部
２４は、実施例１同様に配設され、その周囲にそれぞれ
界磁用コイル３および発電用コイル４が形成されてい
る。界磁用コイル３および発電用コイル４の巻き方向
も、実施例１と同様である。

【００９８】ロータ２Ｒには、図示しない回転軸が回転
中心に接合されてロータ２Ｒを回転駆動している。ま
た、ロータ２Ｒには、外部回路（図示せず）と接続する
スリップリング（図示せず）が、界磁電流用に２個、発
電電流用に２個備わっている。ただし、スリップリング
は、共通アース極を使うことにより３個に減らすことも
できる。

【００９９】（実施例２の作用効果）以上のように構成
された実施例２の交流発電機は、実施例１と同様な発電
作用をもつ。つまり、実施例１のロータ１に固定した回
転座標系でそのステータコア２の発電作用を観測して記
述すると、そのまま本実施例の交流発電機の発電作用の
記述になる。

【０１００】したがって、本実施例の交流発電機でも実
施例１と同様に、可変電圧電源３０の界磁電圧を調整し
て適正な界磁電流を流すことにより、回転数に係わりな
く高い効率で発電を行うことができる。すなわち、実施
例１の第１の効果（高い発電効率）は、本実施例の交流
発電機でも同様に発揮される。しかしながら、界磁用コ
イル３および発電用コイル４がロータ２Ｒの一部である
ので、慣性モーメントは大きく、かつ、その調整は容易
ではない。また、同様の理由で、ダイナミック・バラン
スをとる工数を要し、両コイル３，４およびその配線が
大きな遠心力や振動に耐えるように設計製造するには、
それなりの製造コストを覚悟しなければならない。した
がって、実施例１の第２の効果（調整容易な慣性モーメ
ント）および第３の効果（製造コストの大幅低減）は、
本実施例の交流発電機では期待できない。

【０１０１】（実施例２の変形態様：内側にロータ、外
側にステータを有する構成）実施例２の交流発電機（図
１１参照）の変形態様として、界磁用コイルおよび発電
用コイルをもつロータを内側に備え、その外側に複数の
誘導子を所定の間隔を開けて円周上に固定保持したステ
ータを備えた構成が可能である。つまり、本変形態様の
構成は、実施例２の交流発電機の内周側と外周側とを裏
返した構成である。

【０１０２】したがって、ロータは、回転軸に接合され
た軟磁性体からなるロータコアと、界磁用コイルおよび
発電用コイルと、スリップリングとから構成されてい
る。ロータコアは、回転軸を中心として同一円周上で放
射状に突出したそれぞれ６本の界磁用突極部および発電
用突極部と、これらを連絡し回転軸に接続固定する中心
部（実施例２のヨーク２０に相当）とから形成されてい
る。各界磁用突極部および各発電用突極部には、それぞ
れ界磁用コイルおよび発電用コイルが巻かれている。各
コイルの巻き方向は、実施例２と同様である。

【０１０３】一方、ステータは、上記各突極部に外側か
ら対向する６個の誘導子と、各誘導子を円周方向に一定
の間隔を開けて保持する中空円筒状のベース部材からな
る。誘導子は、断面円弧形の軟磁性鋼板を積層したブロ
ックで、その内周面は上記ロータの各突極部に僅かの隙
間を開けて対面し、その外周面は上記ベース部材の内周
面に当接している。誘導子は、接着またはネジ止め等の
手段で上記ベース部材に固定保持されている。なお、ベ
ース部材は、本変形態様の交流発電機のケーシングの一
部も兼ねている。

【０１０４】本変形態様の交流発電機は、実施例２の内
側と外側が裏返しになっただけの構成であるから、実施
例２と同様に発電作用を発揮する。本変形態様の交流発
電機では、実施例２よりもロータの慣性モーメントがず
っと小さくなることや、製造コストが若干下がることの
他には、効果の面で実施例２と際立った違いはない。

【０１０５】（実施例２のその他の変形態様）実施例２
の交流発電機またはその変形態様に対しても、実施例１
に対して変形態様１〜６があったのと同様な変形態様が
存在しうる。例えば、前述の実施例２の変形態様に対
し、ステータの６個の誘導子を固定保持するベース部材
を二枚の円盤で形成し、軸長方向から全誘導子を挟持す
る変形態様がある（変形態様１Ｂに対応）。本変形態様
では、ロータは、誘導子の軸長方向の厚みの中で回転す
ることになる。

【０１０６】このような各種変形態様においても、実施
例１の変形態様で得られた効果と同様の効果が、多くの
場合得られるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の交流発電機の構成を示す軸長方向
から見た模式図

【図２】 実施例１の交流発電機のロータの構成を示す
模式図

【図３】 実施例１の交流発電機のステータコアの構成
を示す模式図

【図４】 実施例１の交流発電機の作用を示す部分組図 （ａ）〜（ｃ）の順でロータの回転につれて変化する状
態遷移図

【図５】 実施例１の交流発電機の外部回路図

【図６】 実施例１の変形態様１のロータの構成を示す
模式図

【図７】 実施例１の変形態様２のロータの構成を示す
模式図

【図８】 実施例１の変形態様３のステータの構成を示
す部分模式図

【図９】 実施例１の変形態様４のステータの構成を示
す部分模式図

【図１０】実施例１の変形態様６のステータの構成を示
す部分模式図

【図１１】実施例２の交流発電機の構成を示す軸長方向
から見た模式図

【図１２】従来の磁石界磁式交流発電機の構成を示す模
式図

【符号の説明】

１：ロータ １０：軸孔 １１，１１Ａ，１１Ｂ：誘導子 １２，１２Ａ，１２
Ｂ：ベース部材 ２：ステータコア ２０：ヨーク ２１：界磁用コイル ２２：電磁石 ２３：界磁用
突極部 ２４：発電用コイル ３Ｍ：永久磁石 ３Ｃ：複合
磁石 ３：界磁用コイル ３０：可変電圧電源 ３１，３
２：界磁入力端子 ４：発電用コイル ４１，４２：発電出力端子 Ｍ：磁束の方向 Ｒ：回転方向 １Ｓ：ステータ ２Ｒ：ロータ （両者とも実施例
２のみ）

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回動自在に軸支されたロータおよび該ロ
   ータに近接して対向する軟磁性材料からなるステータコ
   アを有する交流発電機において、 前記ロータは、略軸対称な形状の非磁性材料からなるベ
   ース部材と、該ベース部材の外周縁付近に沿い円周方向
   に等間隔をおいて該ベース部材に固定保持された軟磁性
   材料からなる複数個の誘導子とを有し、 前記ステータコアは、該誘導子に対面する複数個の界磁
   磁石と、該誘導子に対面する複数個の発電用突極部と、
   該界磁磁石と該突極部間との間を連結する略円周状のヨ
   ークとを有し、 前記界磁磁石は、間隔を空けて隣合う該界磁磁石同士で
   交番に磁極性が異なっており、 前記発電用突極部には、間隔を空けて隣合う該発電用突
   極部同士で交番に巻き方向が交代している発電用コイル
   が形成されていることを特徴とする交流発電機。
2. 【請求項２】 前記界磁磁石の個数は偶数個であり、前
   記発電用コイルの個数も該界磁磁石と同数の偶数個であ
   って、該界磁磁石および該発電用コイルは、同一円周上
   に交互に等間隔で配設されており、 前記誘導子の個数は、該界磁磁石または該発電用コイル
   の個数と同数の偶数個であって、該誘導子は、他の同一
   円周上に等間隔で配設されている請求項１記載の交流発
   電機。
3. 【請求項３】 前記界磁磁石の一部または全てが、永久
   磁石である請求項１記載の交流発電機。
4. 【請求項４】 前記界磁磁石の一部または全てが、前記
   ヨークから突起した軟磁性体からなる界磁用突極部と、
   該界磁用突極部およびまたは該界磁用突極部に隣接する
   ヨークを鉄心にして形成された界磁用コイルとからなる
   電磁石である請求項１記載の交流発電機。
5. 【請求項５】 前記界磁磁石の一部または全てが、前記
   ヨークから突起した永久磁石と、該永久磁石およびまた
   は該永久磁石に隣接するヨークを鉄心にして形成された
   界磁用コイルとからなる複合磁石である請求項１記載の
   交流発電機。
6. 【請求項６】 前記ロータは、外周面に前記誘導子を有
   し、 前記ステータコアは、該ロータの外周から該誘導子に対
   向する請求項１記載の交流発電機。
7. 【請求項７】 前記ロータは、当初は同一の材料から一
   体に形成された前記ベース部材および前記誘導子からな
   り、 該誘導子は、当該部分を所定の処理により軟磁性体化し
   て形成されているか、または、該ベース部材は、当該部
   分を他の所定の処理により非磁性体化して形成されてい
   るかのいずれかである請求項１記載の交流発電機。
8. 【請求項８】 前記ロータは、ステンレス鋼により当初
   から一体に形成された前記ベース部材および前記誘導子
   からなり、 該ベース部材は、オーステナイト系の非磁性ステンレス
   鋼によって形成され、該誘導子は、マルテンサイト相の
   軟磁性ステンレス鋼によって形成されている請求項７記
   載の交流発電機。
9. 【請求項９】 回動自在に軸支されたロータおよび該ロ
   ータに近接して対向するステータを有する交流発電機に
   おいて、 前記ステータは、円周方向に等間隔に配設された軟磁性
   材料からなる複数個の誘導子と、該誘導子を前記ロータ
   に対向して固定保持する非磁性材料からなるベース部材
   とを有し、 前記ロータは、前記誘導子に対面する複数個の界磁磁石
   と、該誘導子に対面する軟磁性材料からなる複数個の発
   電用突極部と、該界磁磁石と該突極部間とを固定保持し
   該界磁磁石と該突極部間との間を連結する軟磁材料から
   なるロータコアとを有し、 前記界磁磁石は、間隔を空けて隣合う該界磁磁石同士で
   交番に磁極性が異なっており、 前記発電用突極部には、間隔を空けて隣合う該発電用突
   極部同士で交番に巻き方向が交代している発電用コイル
   が形成されており、 前記ロータの発電およびまたは界磁の作用に係わる外部
   回路と該ロータとを電気的に接続する接続手段を備えた
   ことを特徴とする交流発電機。