JPH09238455A - 交流発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁束の有効活用によってより高出力の交流発
電機を提供する。 【解決手段】 ロータ１００を、外周に異なる磁極を交
互に有する２つの回転体（外周に異なる磁極を交互に着
磁した２つの環状の磁石）１０２ａ，１０２ｂを所定の
間隔をとって駆動軸１０１に取り付けて形成する。ステ
ータ２００を、２つの回転体の異なる磁極間に独立の磁
路を形成する２×Ｎ（整数）個の電機子鉄心２０１ａ〜
２０１ｄを所定の間隔をとって配置して形成する。電機
子鉄心に該電機子鉄心に流れる磁束に交鎖するように巻
線２０２ａ，２０２ｂをそれぞれ巻回し、各巻線に誘起
される逆相の起電力が順相になるように巻線を相互接続
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は交流発電機にかかり、より詳細に
は、磁石をロータ、電機子をステータとする特に自転車
灯火用などに適した交流発電機に関するものである。

【発明の属する技術分野】

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の交流発電機として、図６
に示すようなものが一般に使用されている。同図におい
て、１は駆動軸１ａにより回転自在に支持されたロータ
であり、駆動軸１ａに磁石１ｂを固定して一体化した構
成となっており、磁石１ｂの外周にはＮ極、Ｓ極が９０
°の等間隔で交互に着磁されている。２は電機子鉄心２
ａと巻線２ｂとを有する固定されたステータである。電
機子鉄心２ａは、一端で互いに連結された４つの鉄心片
２ａ１〜２ａ４を有し、鉄心片２ａ１及び２ａ３と鉄心
片２ａ２及び２ａ４の自由端が互いに等しい間隔で互い
に対向されている。これらの互いに対向している鉄心片
２ａ１〜２ａ４は磁石１ｂを回転自在に収容する空所を
形成し、この空所に収容された磁石１ｂの外周に９０°
の等間隔で着磁された磁極に沿って延長されている。な
お、鉄心片２ａ１及び２ａ３についてはそれらの基部が
互いに接近されて巻線２ｂの巻回部２ｃが形成されてい
る。

【０００３】この従来の交流発電機の原理は、鉄心片２
ａ１及び２ａ４のみを部分的に示す図７に見られるよう
に、磁石１ｂの外周のＮ極及びＳ極の磁極を短絡する短
絡磁路を形成するように配置されている。電機子鉄心２
ａに巻回された巻線２ｂには、磁極の短絡によって電機
子鉄心２ａに流れる磁束が交鎖し、このことによって、
磁石１ｂが回転して電機子鉄心２ａを通じて流れる磁束
が変化すると、ファラデーの法則に従った誘起起電力が
巻線２ｂに発生されるようになる。

【０００４】なお、図示の例では、４極構造となってい
るが、実際には、８極、１６極、３２極などが実用化さ
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図６について
上述した従来の発電機では、一対の磁極だけでその磁束
分布を見ると、図８のように、磁石１ｂの中央部の磁束
が両端に比べて小さく、磁石１ｂの体積を十分な誘起起
電力に活用できていないため、大きな出力を得ることが
難しく、電気出力／機械入力で定義される電力効率も３
０％前後と低いものであった。

【０００６】よって本発明は、上述した従来の問題点に
鑑み、磁束の有効活用によってより高出力の交流発電機
を提供することを課題としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明により成された請求項１に記載の交流発電機は、
外周に異なる磁極を交互に有する２つの回転体を所定の
間隔をとって駆動軸に取り付けて形成したロータと、前
記２つの回転体の異なる磁極間に独立の磁路を形成する
２×Ｎ（整数）個の電機子鉄心を所定の間隔をとって配
置して形成したステータとを備え、前記電機子鉄心に該
電機子鉄心に流れる磁束に交鎖するように巻線をそれぞ
れ巻回し、各巻線に誘起される逆相の起電力が順相にな
るように前記巻線を相互接続したことを特徴としてい
る。

【０００８】上記構成において、外周に異なる磁極を交
互に有する２つの回転体を所定の間隔をとって駆動軸に
取り付け、２つの回転体の異なる磁極間に独立の磁路を
形成する２×Ｎ（整数）個の電機子鉄心を所定の間隔を
とって配置している。そして、電機子鉄心には該電機子
鉄心に流れる磁束に交鎖するように巻線をそれぞれ巻回
し、各巻線に誘起される逆相の起電力が順相になるよう
に巻線を相互接続している。

【０００９】従って、巻線の巻回される電機子鉄心が２
つの回転体の異なる磁極間にそれぞれ独立に配置され、
回転体の発する磁束が電機子鉄心により有効に利用され
て大きな起電力が巻線によって発生されるとともに、巻
線によって発生された起電力が合成されて高出力を生じ
るようになる。

【００１０】上記課題を解決するため本発明により成さ
れた請求項２に記載の交流発電機は、外周に異なる磁極
を交互に有する２つの回転体を所定の間隔をとって駆動
軸に取り付けて形成したロータと、前記２つの回転体の
異なる磁極間に独立の磁路を形成する２×Ｎ（２以上の
整数）個の電機子鉄心を所定の間隔をとって配置して形
成したステータとを備え、同一方向の磁束が流れる複数
の前記電機子鉄心に該電機子鉄心に流れる磁束に交鎖す
るように共通の巻線をそれぞれ巻回し、各巻線に誘起さ
れる逆相の起電力が順相になるように前記巻線を相互接
続したことを特徴としている。

【００１１】上記構成において、外周に異なる磁極を交
互に有する２つの回転体を所定の間隔をとって駆動軸に
取り付け、２つの回転体の異なる磁極間に独立の磁路を
形成する２×Ｎ（２以上の整数）個の電機子鉄心を所定
の間隔をとって配置し、同一方向の磁束が流れる複数の
電機子鉄心に該電機子鉄心に流れる磁束に交鎖するよう
に共通の巻線をそれぞれ巻回し、各巻線に誘起される逆
相の起電力が順相になるように前記巻線を相互接続して
いるので、各巻線が発生する起電力が大きくなり、これ
らの起電力を合成して得られる起電力も大きなものとな
る。

【００１２】請求項３に記載の交流発電機は、請求項２
に記載の交流発電機において、前記複数の電機子鉄心を
前記２つの回転体間の異なる位置で部分的に相互に接近
させて巻回部を形成し、該巻回部に巻線を巻回したこと
を特徴としている。

【００１３】上記構成において、複数の電機子鉄心を２
つの回転体間の異なる位置で部分的に相互に接近させて
形成した巻回部に巻線を巻回しているので、回転体間の
スペースを有効に利用できる。

【００１４】請求項４に記載の交流発電機は、請求項２
又は３に記載の交流発電機において、前記回転体が、外
周に異なる磁極を交互に着磁した２つの環状の磁石から
なることを特徴としている。

【００１５】上記構成において、回転体が磁石からなる
ので、電磁石に比べて発生する磁束は小さいが給電が必
要ない分構成が単純である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は本発明によ
る交流発電機の一実施の形態を示し、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は側断面図、（ｃ）は右側面図であり、交流発電
機はロータ１００とステータ２００とからなっている。

【００１７】ロータ１００はステンレスのような非磁性
材料からなる駆動軸１０１に固着された２つの薄い磁石
１０２ａ及び１０２ｂを有する。駆動軸１０１に対する
磁石１０２ａ及び１０２ｂの固着は、所定の間隔をあけ
て行われている。各磁石はＮ極とＳ極が機械角９０°の
等間隔で交互に位置するように、周面に沿って図２に示
すような磁束密度を呈するように着磁されているので、
図３に示すような閉磁路を形成する。なお、駆動軸１０
１に対する磁石１０２ａ及び１０２ｂの取付は、対応す
る機械角位置において互いに異なる磁極が位置するよう
に行われている。

【００１８】ステータ２００は、４つの電機子鉄心２０
１ａ〜２０１ｄと、電機子鉄心２０１ａ及び２０１ｃと
電機子鉄心２０１ｂ及び２０１ｄとにそれぞれ巻回した
巻線２０２ａ及び２０２ｂとからなっている。４つの電
機子鉄心２０１ａ〜２０１ｄは、軸方向において離間し
て駆動軸１０１に取り付けられた磁石１０２ａ及び１０
２ｂの同一機械角にある異なる磁極間にそれぞれ独立の
磁路を形成するように、機械角９０°の等間隔で互いに
離間して駆動軸１０１の長手方向に配置されている。ま
た、電機子鉄心２０１ａ及び２０１ｃは、磁石１０２ａ
及び１０２ｂを回避した位置で部分的に互いに近接され
て巻線２０２ａを巻回するための巻回部２０１ｅが形成
されている。電機子鉄心２０１ｂ及び２０１ｄは、磁石
１０２ａ及び１０２ｂと巻回部２０１ｅとを回避した位
置で部分的に互いに近接されて巻線２０２ｂを巻回する
ための巻回部２０１ｆが形成されている。

【００１９】なお、これらの電機子鉄心は図示しない非
磁性体からなる取付枠にそれぞれ固定されて相互の位置
関係が保持されて一体化されるようになっており、また
ロータ１００の駆動軸１０１を回転自在に支持する軸受
けも取付枠に取付られる。また、各電機子鉄心２０１ａ
〜２０１ｄは、渦電流損をできるだけ少なくするよう
に、打ち抜き成形した磁性材料からなる薄板を多数積層
しかつスポット溶接などによって一体化して形成されて
いる。

【００２０】ステータ２００の電機子鉄心２０１ａ及び
２０１ｃに流れる磁束は同一方向、電機子鉄心２０１ｂ
及び２０１ｄに流れる磁束も同一方向であるが、電機子
鉄心２０１ａ及び２０１ｃと電機子鉄心２０１ｂ及び２
０１ｄに流れる磁束の方向は互いに逆方向である。

【００２１】よって、この交流発電機の原理は、電機子
鉄心２０１ａ及び電機子鉄心２０１ｄのみを部分的に示
す図４について検討することによって理解できる。電機
子鉄心２０１ａ及び２０１ｄは磁石１０２ａ及び１０２
ｂの外周のＮ極及びＳ極の異なる磁極間をそれぞれ短絡
する短絡磁路を形成するように配置されている。電機子
鉄心２０１ａ及び２０１ｄに巻回された巻線２０２ａ及
び１０２ｂには、磁極の短絡によって電機子鉄心２０１
ａ及び２０１ｄに流れる磁束が交鎖し、このことによっ
て、磁石１０２ａ及び１０２ｂが回転して電機子鉄心２
０１ａ及び２０１ｄを通じて流れる磁束が変化すると、
ファラデーの法則に従った誘起起電力が巻線２０２ａ及
び２０２ｂｂに発生されるようになる。この様子を模式
化して示すと図５に示すようになる。

【００２２】同図において、磁石１０２ａのＮ極からで
た磁束は電機子鉄心２０１ａにその一端から入り、磁石
１０２ｂのＳ極と対向している他端まで流れてＳ極に至
る。Ｓ極に入った磁束は磁石１０２ｂ内を伝わって磁石
２０１ｂのＮ極から導出されて電機子鉄心２０１ｄにそ
の他端から入り、磁石１０２ａのＳ極と対向している他
端まで流れてＳ極に至る。そして、磁石１０２ａ内を伝
わって磁石１０２ａの元のＮ極から導出されるようにな
り、閉磁路が形成される。

【００２３】上述のように磁束が閉磁路の電機子鉄心２
０１ａ及び２０１ｄを流れている過程で巻線２０２ａ及
び２０２ｂを交鎖するが、電機子鉄心２０１ａ及び２０
１ｄを通じて流れる磁束の方向が互いに逆向きとなって
いるので、巻線２０２ａ及び２０２ｂは逆相の起電力を
発生するようになる。そこで、巻線２０２ａ及び２０２
ｂの接続を図示のように行い、逆相が順相になるように
行うことにより、負荷ＲＬを閉回路に各巻線が誘起する
起電力の電圧の略２倍の電圧を供給することができるよ
うになる。

【００２４】特に、複数の電機子鉄心２０１ａ及び２０
１ｃ、２０１ｂ及び２０１ｄに流れる磁束に応じて１つ
の巻線２０２ａ、２０２ｂが起電力を生じるようになっ
ているので、各巻線は１つの電機子鉄心に流れる磁束に
より生じるものよりも大きな起電力を生じることができ
る。

【００２５】以上要するに、外周に異なる磁極を交互に
着磁した２つの環状の磁石１０２ａ及び１０２ｂを所定
の間隔をとって駆動軸１０１に取り付け、この２つの回
転体の異なる磁極間に独立の磁路を形成する２×Ｎ（整
数）個の電機子鉄心２０１ａ〜２０１ｄを所定の間隔を
とって配置しているので、電機子鉄心２０２ａ〜２０２
ｄに該電機子鉄心に流れる磁束に交鎖するように巻線２
０２ａ、２０２ｂを巻回することで、各巻線に誘起され
る逆相の起電力を取り出すことができ、磁石の発する磁
束を有効に用いることができ、より高い出力電圧が得ら
れるようになるとともに、駆動軸１０１の低速回転時に
おいても高出力を得ることができる。

【００２６】なお、ロータ１００の磁石１０２ａ及び１
０２ｂは、外周に異なる磁極を交互に有する２つの回転
体であればよく、永久磁石の代わりにスリップリングな
どを介して電源供給される電磁石構造とすることも可能
である。

【００２７】また、実施の形態では、磁石は４極構造を
もっているが、２の整数倍の数の磁極ををもった磁石を
使用することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように請求項１に記載の発
明によれば、外周に異なる磁極を交互に有する２つの回
転体を所定の間隔をとって駆動軸に取り付け、２つの回
転体の異なる磁極間に独立の磁路を形成する２×Ｎ（整
数）個の電機子鉄心を所定の間隔をとって配置してい
る。そして、電機子鉄心には該電機子鉄心に流れる磁束
に交鎖するように巻線をそれぞれ巻回し、各巻線に誘起
される逆相の起電力が順相になるように巻線を相互接続
しているので、巻線の巻回される電機子鉄心が２つの回
転体の異なる磁極間にそれぞれ独立に配置され、回転体
の発する磁束が電機子鉄心により有効に利用されて大き
な起電力が巻線によって発生されるとともに、巻線によ
って発生された起電力が合成されて高出力を生じるよう
になり、小型化を図ることも可能になる。

【００２９】また、請求項２に記載の発明によれば、外
周に異なる磁極を交互に有する２つの回転体を所定の間
隔をとって駆動軸に取り付け、２つの回転体の異なる磁
極間に独立の磁路を形成する２×Ｎ（２以上の整数）個
の電機子鉄心を所定の間隔をとって配置し、同一方向の
磁束が流れる複数の電機子鉄心に該電機子鉄心に流れる
磁束に交鎖するように共通の巻線をそれぞれ巻回し、各
巻線に誘起される逆相の起電力が順相になるように前記
巻線を相互接続しているので、各巻線が発生する起電力
が大きくなり、これらの起電力を合成して得られる起電
力も大きなものとなり、小型化も可能になる。

【００３０】請求項３に記載の発明によれば、複数の電
機子鉄心を２つの回転体間の異なる位置で部分的に相互
に接近させて形成した巻回部に巻線を巻回しているの
で、回転体間のスペースを有効に利用でき、小型化にも
有効である。

【００３１】請求項４に記載の発明によれば、回転体が
磁石からなるので、電磁石に比べて発生する磁束は小さ
いが給電が必要ない分構成が単純で、低価格化及び小型
化が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による単相交流発電機の一実施の形態を
示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は右
側面図である。

【図２】図１中の磁石の着磁特性を示すグラフである。

【図３】図１中の環状の磁石の着磁の様子を閉磁路とと
もに示す図である。

【図４】図１の交流発電機の原理を説明するための図で
ある。

【図５】図１の交流発電機の原理を説明するための模式
化図である

【図６】従来の発電機の他の例を示し、（ａ）は斜視
図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は右側面図である。

【図７】図６の交流発電機の原理を説明するための図で
ある。

【図８】図６の交流発電機の問題点を説明するための図
である。

【符号の説明】

１００ ロータ １０１ 駆動軸 １０２ａ，１０２ｂ 回転体（環状の磁石） ２００ ステータ ２０１ａ〜２０１ｄ 電機子鉄心 ２０２ａ，２０２ｂ 巻線 ２０１ｅ，２０１ｆ 巻回部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周に異なる磁極を交互に有する２つの
   回転体を所定の間隔をとって駆動軸に取り付けて形成し
   たロータと、 前記２つの回転体の異なる磁極間に独立の磁路を形成す
   る２×Ｎ（整数）個の電機子鉄心を所定の間隔をとって
   配置して形成したステータとを備え、 前記電機子鉄心に該電機子鉄心に流れる磁束に交鎖する
   ように巻線をそれぞれ巻回し、 各巻線に誘起される逆相の起電力が順相になるように前
   記巻線を相互接続したことを特徴とする交流発電機。
2. 【請求項２】 外周に異なる磁極を交互に有する２つの
   回転体を所定の間隔をとって駆動軸に取り付けて形成し
   たロータと、 前記２つの回転体の異なる磁極間に独立の磁路を形成す
   る２×Ｎ（２以上の整数）個の電機子鉄心を所定の間隔
   をとって配置して形成したステータとを備え、 同一方向の磁束が流れる複数の前記電機子鉄心に該電機
   子鉄心に流れる磁束に交鎖するように共通の巻線をそれ
   ぞれ巻回し、 各巻線に誘起される逆相の起電力が順相になるように前
   記巻線を相互接続したことを特徴とする交流発電機。
3. 【請求項３】 前記複数の電機子鉄心を前記２つの回転
   体間の異なる位置で部分的に相互に接近させて巻回部を
   形成し、該巻回部に巻線を巻回したことを特徴とする請
   求項２に記載の交流発電機。
4. 【請求項４】 前記回転体が、外周に異なる磁極を交互
   に着磁した２つの環状の磁石からなることを特徴とする
   請求項２又は３に記載の交流発電機。