永磁交流发电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具备安装在壳体上的定子以及相对定子旋转的具有永磁部件的转子的永磁发电机的定子的绕组。
【背景技术】
[0002]以往，为了提高发电机的效率，在发电机的转子上使用永久磁铁的方法已得到广泛的普及。因为永磁发电机的特长是磁力大，所以即使转速小也可得到较大的输出功率。然而，因为永久磁铁的磁力是恒定的，所以如果转速增加，具有因磁力大而使电压过于上升的倾向，并且对电压上升很难进行控制。然而，近年来，由于本发明人的研宄成果，对电压进行控制变得简单方便(专利文献1、2、3)，因此发电机的小型化成为下一个课题。
[0003]例如，在汽车用发电机中其尺寸越小搭载性越好，且更加方便。而且，近年来汽车对电功率的需求在不断地增加，而且要求发电机小型化和提高输出功率。
[0004]一方面，以往作为汽车用发电机使用的电磁式发电机在转子上产生电磁力，并且使配置在其外周的定子的绕组产生电动势，以此发电。然而存在电磁铁的磁力过小，尤其在低速度无法得到较大的发电功率的问题。于是，利用加速器使转速变大以增加发电功率，可是该方法也有限度，只好将发电机的尺寸增大以满足电功率的需求。然而，增加尺寸也有限度，因此发电功率的不足引起电瓶电力耗尽，目前已成了驾驶员的烦恼之事。
[0005]另一方面，人们多次探讨过利用永磁发电机作为汽车用发电机，可是为确保必要的性能需要较大的体积，无法实现特别小型的汽车用发电机，因此只好放弃了搭载在车体的念头。然而，近年来，有人提出在电动机中用磁性材料制作转子并将永久磁铁内置于其中的 IPMSM(Inter1r Permanent Magnet Synchronous Motor:永磁同步电动机)的方法(非专利文献I)，以此提高电动机的低速度转矩。该IPMSM除了永久磁铁的磁力之外还产生电流磁场，并使其流入磁性材料，与永久磁铁的磁场相加而使整个磁力增加。于是，作为与以往的感应式电动机相比可实现高效率、小型轻量化的同步电动机，已适用于混合动力汽车用电动机。该IPMSM也可适用于发电机。
[0006]在先技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本特许第4463872号公报
[0009]专利文献2:日本特许第4712896号公报
[0010]专利文献3:日本特许第4913234号公报
[0011]非专利文献1:0hmsha “内置式磁铁同步电动机的设计和控制”武田洋次等著
【发明内容】
[0012]发明所要解决的课题
[0013]然而，以简单的方法用小型的永磁发电机增加输出功率非常困难，不存在划时代的实用性技术。另一方面，IPMSM方式虽然也能够应用于发电机，但是存在控制装置复杂且零部件数较多、成本昂贵的缺点。尤其是使用稀土元素的IPMSM成了高价产品。
[0014]在此，有关永磁发电机的发电功率，通过理论公式对不增大发电机尺寸就难以提高输出功率的问题进行说明。
[0015]首先，发电机的输出功率取决于磁力的强度、频率、定子的绕组数量等的特性。也就是说，用下面的数学式I以及数学式2所表示的电压和规定电压中的电流值的乘积来决定输出功率。
[0016](数学式I)
[0017]E = 4.44X Φ XfXffs
[0018]式中，E:电动势电压
[0019]Φ:磁力的大小
[0020]f:频率
[0021]Ws:绕组的匝数
[0022](数学式2)
[0023]E=IX (R2+ (2 π fL/1000)2)1/2
[0024]式中，1:电流
[0025]R:绕组的电阻
[0026]L:绕组的电感
[0027]因此，若匝数大电压就变大，绕组的匝数的函数即阻抗越小电流I越大，从而输出功率变大。然而，从上述的数学式I中可明显地看出用一般的绕组无论怎么改变绕组也无法增加电动势。当然，通过改变磁路的磁阻，磁力强度Φ的磁导系数变大。于是，虽然对定子的齿的材质、形状、绕组的形状等绞尽脑汁想办法来提高输出功率，但是其效果甚微。而且，即使增加绕组的匝数，虽然绕组电阻变小，但是绕组的电感不变，因此产生的电压不变。
[0028]还有，如上述的数学式2所示，相对于对电动势想要增大产生的电流需要使绕组的电感变小。电感由下面的数学式3表示。
[0029](数学式3)
[0030]L = A* μ.N2/1
[0031]式中，Α:卷绕有绕组的铁心面积
[0032]μ:导磁率
[0033]N:匝数
[0034]1:磁场的通道长度
[0035]只要验证数学式3就可容易得知在不改变绕组的情况下不存在将电感L大幅度地减小的方法，因此在不增大发电机的尺寸的情况下无法提高输出功率。
[0036]本发明的目的在于提供一种用简单的方法保持原有的小尺寸而增加功率的永磁交流发电机。
[0037]用于解决课题的手段
[0038]为实现上述目的，本发明人进行了种种实验和研宄。最初用同相位卷绕2个绕组，对电流是否变为2倍以及输出功率是否变为2倍做了试验。当在同一个齿上卷绕2个绕组时，虽然匝数增加绕组的电阻变小，但是绕组的电感不变，因此产生的电压不变。在该绕组中匝数相等电感也相同，因此无法使电流变为2倍。可是通过试验得知，若错开绕组的相位卷绕2个绕组，则因为磁通量的通过时刻错开(通过该绕组的磁力的通过模式发生变化)，所以具有在每个绕组产生电压的特性。而且，当将这些电力相加时可得到大致两倍的电力。
[0039]本发明是基于上述的见解而提出的。本发明所涉及的永磁交流发电机，具有旋转自如地支撑于壳体的转子轴、固定于转子轴上且外周侧安装有多个永磁部件的转子、配置在转子的外侧并卷绕有绕组的定子、以及使电压恒定的切换机构，其中，将与转子的磁极相对应的定子的齿设置为3以上且相数的2以上的整数倍，并且，与转子的磁极相对应的定子的绕组由卷绕成短节距的多个绕组组成，且以将卷绕多个绕组的齿错开而卷绕成短节距的多个绕组所占的卷绕角度与磁极角相对应的方式进行卷绕。
[0040]在此优选为，当发电机为多相发电机时，与转子的磁极相对应的定子的齿的数量为相数的2以上的整数倍，并且，与转子的磁极相对应的定子的绕组由卷绕成短节距的多个绕组组成，且以将卷绕多个绕组的齿错开而多个绕组所占的卷绕角度与磁极角相对应的方式进行卷绕，相对于与第一相相对应的绕组之后各相的定子的绕组依次配置于电角度各滞后360度除以相数所得到的角度的位置。
[0041]尤其优选为，与转子的磁极相对应的定子的齿的数量为相数的2以上的整数倍，与I个磁极相对应的定子的绕组由与整数相同数的绕组组成，且跨越从与转子的磁极相对应的齿的数量减去比整数少I的数所得到的数量的齿进行短节距卷绕，并以将错开I个齿而卷绕成短节距的多个绕组所占的卷绕角度与磁极角相对应的方式进行卷绕，相对于与第一相相对应的绕组之后各相的定子的绕组依次从电角度各滞后360度除以相数所得到的角度的位置开始配置。
[0042]其中尤其优选为，当发电机为三相发电机时，与转子的磁极相对应的定子的齿为6个，并且与I个磁极相对应的定子的绕组由第一以及第二的两种绕组组成，通过错开I个齿分别卷绕5个齿的短节距卷绕，以第一以及第二绕组所占的卷绕角度与磁极角相对应的方式进行卷绕，相对于U相的第一以及第二绕组从电角度滞后120度的位置开始配置V相的第一以及第二绕组，再从V相滞后120度配置W相的第一以及第二绕组。
[0043]还有，优选为，当发电机为三相发电机时，与转子的磁极相对应的定子的齿为9个，并且，与I个磁极相对应的定子的绕组由第一、第二以及第三的三种绕组组成，通过错开I个齿分别卷绕7个齿的短节距卷绕，以第一、第二以及第三绕组占据的卷绕角度与磁极角相对应的方式进行卷绕，相对于U相的第一、第二以及第三绕组从电角度滞后120度的位置开始配置V