专利名称：磁控制同性磁极感应发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用电磁感应原理的发电机，特别是适合于自行车灯用的发电机。
发电机的发电原理大致有两种，一种是利用弗莱明右手定则，另一种是利用根据楞次定律的电磁感应。
把利用上述电磁感应原理的发电机作为适用于自行车发电机的一个例子，提出了直流发电机(特公昭29-4364号公报)，这种直流发电机具有由转子5和定子10构成的基本结构，转子5包括转轴4和以该转轴4为中心排列成圆周状的多个磁极1;定子10包括基板8、从该基板8延伸设置并与上述磁极1相对形成的圆周状极靴7和绕在上述基板8上的励磁线圈9。
另外，还提出了磁控制同性磁极感应发电机(特公昭59-49784号公报和特公昭62-45787号公报)，该磁控制同性磁极感应发电机具有由在圆周上等间隔设置的4个磁性体构成的定子，还具有把以与上述磁性体相同的角度间隔设置的铁氧体永久磁铁在圆周上、以同极性排列开来的磁极、同时，把上述磁极夹在转轴上、定子的螺旋管发电线圈分别以滑动状态缠绕的转子组成的基本结构，在该磁控制同性磁极感应发电机中，设置有辅助磁极和反向励磁用的小永久磁铁，该辅助磁极在定子的磁性体与该转子的磁极结束相对、离开的一瞬间接触，反向励磁用的小永久磁铁在该辅助磁极相互接触时在磁路中产生和该转子的永久磁铁的磁通方向相反的磁通，用以积极地减小上述磁性体的剩磁;或者，不使用上述辅助磁极和小永久磁铁，而使用没有剩磁的材料来制作上述磁性体。
但是，上述特公昭29-4364号公报和特公昭59-49784号公报记载的发电机，结构非常复杂，使得体积庞大，难以适用于像自行车用灯对于体积小、重量轻以及振动等耐久性的要求。另外，特公昭62-45787号公报记载的发电机要求选用没有剩磁的材料乃至制造操作和高难度的技术，从而招致成本很高。
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供具有简易的定子和转子结构、电动势大、小型化、耐久和耐震性优良，同时，廉价的磁控制同性磁极感应发电机。
本发明的磁控制同性磁极感应发电机包括定子、转子、线圈和转轴，定子由在圆周上以相同的角度等间隔接连配置的4个磁性体构成;转子具有第1磁极和第2磁极，第1磁极由以与该磁性体相同的角度间隔设置在圆周上、以相互反极性排列开来的磁铁构成，第2磁极由在与该第1磁极相同的角度位置上、并且，在轴线方向上相距指定间隔、与第1磁极反极性排列开来的磁铁构成;线圈是利用该转子的转动增减磁通密度的上述磁性体的一部分，使该线圈在上述第1、第2磁极之间的位置上与该磁通交链;转轴由旋转支持上述转子的非磁性体构成。
按照本发明，转子转动后，第1、第2磁极转向与定子的某一磁性体相对的位置上，由于第1、第2磁极是反极性排列的，所以，形成了第1磁极、上述那一磁性体、第2磁极、与上述那一磁性体相对的另一磁性体和第1磁极这样的磁路。该磁路的磁通随时间而增大。因此，这时，绕在上述那一磁性体和与之相对的磁性体上的线圈中，由于电磁感应而有电流流通。并且，当第1、第2磁极继续旋转，离开上述那一磁性体和与之相对的磁性体时，磁通量随时间从其最大值减小下去。所以，这时，在上述同一磁路中，在同一线圈中感应电流沿反方向流通。这种现象使得磁极每转动90°。便顺序与相邻的磁性体相对、形成新的磁路，产生电流。由于相邻线圈中产生的电流方向相反，所以，若将这样的线圈相互反向连接，所产生的电流便可叠加。或者，把各个线圈并联连接时，所产生的电压便可叠加。总之，不论用哪一种方式连接，都能获得相同的电动势。并且，可将该电动势直接或滤波后供给自行车的电灯泡等使用。
图1是本发明发电机的结构简图，图(a)是定子，图(b)是转子;
图2是构成定子的磁性体的详细结构图;
图3是支持转轴22及定子各磁性体1-4的支持部件的斜视图，图(a)是其一端的支持部件，图(b)是另一端的支持部件，转轴22从其中穿过;
图4是定子和转子安装在一起的侧剖面图;
图5是轴向剖面图，图(a)是转子位于图4所示状态下的情况，图(b)是从图(a)状态转动了90°时的状态;
图6是磁性体、辅助磁性体的磁滞特性曲线。
1～4-磁性体11～14-线圈1a～4a-辅助磁性体11a～14a-线圈骨架20，21-基部
20a～21b-磁铁22-转轴23-圆筒部件24-转矩作用部件4，5-支持部件6-磁路图1是本发明的发电机的结构简图，图(a)是定子，图(b)是转子。
在图(a)中，定子由相同的板状磁性体1～4构成。各磁性体在宽度方向上，呈1/4圆弧状，在轴线方向上，具有指定的长度，在大约中央位置上，分别绕有线圈11～14。如图所示，把定子的4个磁性体1～4在圆周上以等间隔排列固定，如后所述，它们之间具有一个小间隙。
在图(b)中，转子由第1、第2磁极、转轴22和支持圆筒23构成。把第1、第2磁极在其轴线方向上相距指定的距离固定在转轴22上，把上述定子安装在其周围时，使线圈11～14落到第1、第2磁极之间，这样便可减小径向尺寸。
第1磁极在由磁性材料构成的圆筒状基部20及该基部20的周面上，把以与上述磁性体1～4相同的角度间隔设置的磁铁20a和20b在圆周上以反极性排列开来。例如，设磁体20a的外表面为N极(内表面为S极)，则磁极20b的外表面就是S极(内表面为N极)。
第2磁极在由磁性材料构成的圆筒状基部21及该基部21的周面上，把以与上述第1磁极相同的角度位置上设置的磁铁21a和21b以与第1磁极极性相反排列开来。即，当磁铁20a的外表面如上所述为N极(内表面为S极)时，则磁铁21a的外表面为S极(内表面为N极)，而磁铁21b的外表面为N极(内表面为S极)。
转轴22为非磁性材料，例如，可由不锈钢等构成，以便不会通过轴形成磁通回路。23上由非磁性材料构成的支持圆筒，用来使第1、第2磁极相距指定的距离固定在指定位置上。24是圆筒状的外力作用部件，发电机安装在自行车上时，与轮胎相接触，随该轮胎的转动而从动转动，使转轴22转动。
图2是构成定子的磁性体的详细结构图，以磁性体1为例进行说明，其它磁性体2～4也具有相同的形状。
磁性体1在轴线方向大约中央部位上、从宽度方向的两侧，切割指定尺寸的缺口，把由树脂等构成的线圈骨架11a嵌入该缺口内。1a是设置在磁性体1和该线圈骨架11a之间的辅助磁性体。该辅助磁性体1a由和磁性体1相同的材料构成，具有和该磁性体1相似的形状或四角形。并且，在该状态下，把铜线绕在线圈骨架11a上，形成线圈11。辅助磁性体1a通过减小线圈11位置上的磁阻，用以增大感应电流。另外，在磁性体2、磁性体3和磁性体4上，分别以相同形状设置有线圈骨架12a和辅助磁性体2a、线圈骨架13a和辅助磁性体3a、以及线圈骨架14a和辅助磁性体4a。
表1是磁性体1～4、辅助磁性体1a～4a、基部20、21中各种成分的分析结果。
(％)磁性体1～4、辅助磁性体1a～4a是例如SUYP(JISC2504)的电磁软铁板，图6是其磁滞特性曲线。即，根据图6，最大磁感应强度Bm为14(KG千高斯)，剩余磁感应强度Br为6.2(KG)，Br/Bm约为0.4。
图3是支持转轴22和定子各磁性体1～4的支持部件的斜视图，图(a)为其一端的支持部件，图(b)是另一端的支持部件，转轴22从其中穿过。
在图(a)中，支持部件4由树脂等构成，呈圆形，同时，在其内侧面的中央嵌入不锈钢等轴承40，另外，在支持部件4的内侧面指定的半径上，形成圆形突起部41，上述定子的磁性体1～4沿其外圆周等间隔地设置。设定该圆形突起部41外圆半径的尺寸，使上述定子的磁极具有小的间隙，可以转动。
42～45是三角柱形的定位部件，设在上述圆形突起部41的外圆周处，分别相隔90°。即，通过将各磁性体1～4的一端分别配置在各定位部件之间，可将磁性体1～4的配置位置固定。另外，绕在各磁性体上的线圈的一端(例如，各个线圈串联连接后的一端)穿过定位部件42上的孔42a，与用于和电灯泡(图中未示出)连接的配线的外部接线端子42b连接。46是为了往发电机机壳上固定用的螺孔。
在图(b)中，支持部件5由树脂等构成，呈圆形，同时在每隔90°的位置上具有相反的曲率、切割成圆弧状(成为波浪形)，形成相对的突起部52～55。另外，在支持部件5的内侧面的中央设有可使转轴22滑动地穿过的孔50，在其周围形成具有和上述圆形突起部41相等的外圆半径的圆形突起部51。
56～59是三角柱形的定位部件，设在上述圆形突起部51的外圆周处，分别相隔90°，具有和上述定位部件42～45相同的位置关系。即，通过将各磁性体1～4的另一端分别配置在各定位部件之间，可将磁性体1～4的配置位置固定。
另外，图中未示出的机壳，其内表面具有和上述支持部件5形状一致的波浪形，因此，可以限制该支持部件5相对于机壳的转动。
下面利用图4和图5说明在上述结构中的发电动作。图4是定子和转子安装在一起的侧剖面图，图5是轴向剖面图，图(a)是转子位于图4所示状态下的情况，图(b)是从图(a)状态转动了90°时的状态。
转子转动后，磁铁20a，21a和20b，21b转向与磁性体1及3相对的位置上，一直到到达图4即图5(a)所示位置时，如果注意磁性体1和3，这时形成了由磁铁20a、磁性体1、磁铁21a、基部21、磁铁21b、磁性体3、磁铁20b、基部20这样的磁通磁路6。并且，在此期间，磁铁和磁性体1及3相对的面积增加，即处于磁通量增加的方向上，所以，绕在磁性体1和3上的线圈11、13中将感应出正方向的电流。另一方面，在此期间，如果同样注意到磁性体4和2，因为磁铁离开了，所以，绕在磁性体4和2上的线圈14、12中将感应出负方向的电流。因此，若将各线圈相互以相反的极性连接起来，便可使全部感应电流在同一方向上叠加。另外，如现有技术那样，转轴22和圆筒部件23部分不会构成磁路的一部分，只由绕着线圈11～14的磁性体1～4构成磁路，所以，通过缩短磁路长度可以减小磁阻，从而提高发电效率。
另外，一直到转轴22转动到图5(b)所示的状态时，在磁性体4和2中产生的磁通增大，所以，与上述相反，绕在磁性体4和2上的线圈14和12中感应出正方向的电流，而绕在磁性体1和3上的线圈11和13中感应出负方向的电流，把这些电流在同一方向上叠加后，可以供给图中未示出的电灯泡。并且，这样的感应电流的波形，转子每转动1圈，产生2个脉冲。由于是利用电磁感应发电，又没有反向电动势的影响，所以，可以实现小的转矩。
下表2是本实施例中这样的发电机的电功率和市售自行车发电机性能的比较。
资料1～4使用1100高斯的磁铁，资料5、6使用700～750高斯的磁铁。
由表2可知，在自行车通常转速3000rpm的情况下进行比较，市售品1、2为1～2.7(W瓦特)，相反，资料1～4可获得3(W)这样的适用值，资料5、6可获得2.6～2.7(W)。另外，再比较转速上升时的电功率可知，在转速为5000～6000rpm时，资料1～6几乎全超过4(W)，相反，任何一种市售品均未超过4(W)。
如上所述，按照本发明，由于将定子和转子设计为简单结构，设置多个磁极，还将线圈配置在磁极之间，所以，既可获得较大的电功率，又可减小径向尺寸，特别是对于自行车用那样的发电机要求体积小、重量轻、耐震和耐久，非常适用。
另外，由于把辅助磁性体嵌入线圈内，所以，可以增大磁通量，从而可以获得大的磁通量变化量，增大电功率。
权利要求
1.一种磁控制同性磁极感应发电机，其特征在于，包括定子、转子、线圈和转轴，定子由在圆周上以相同的角度等间隔接连配置的4个磁性体构成；转子具有第1磁极和第2磁极，第1磁极由以与该磁性体相同的角度间隔设置在圆周上、以相互反极性排列开来的磁铁构成，第2磁极由在与该第1磁极以相同的角度位置上、并且，在轴线方向上相距指定间隔、与第1磁极反极性排列开来的磁铁构成；线圈是利用该转子的转动增减磁通密度的上述磁性体的一部分，使该线圈在上述第1、第2磁极之间的位置上向与该磁通交链；转轴由旋转支持上述转子的非磁性体构成。
2.按照权利要求1所述的磁控制同性磁极感应发电机，其特征在于，将辅助磁性体设置在上述定子中磁性体和上述螺旋管发电线圈之间。
全文摘要
一种磁控制同性磁极感应发电机包括定子、转子、线圈和转轴，定子由在圆周上以相同的角度等间隔接连配置的4个磁性体构成；转子具有第1磁极和第2磁极，第1磁极由以与该磁性体相同的角度间隔设置在圆周上、以相互反极性排列开来的磁铁构成，第2磁极由在与该第1磁极相同的角度位置上、并且，在轴线方向上相距指定间隔、与第1磁极反极性排列开来的磁铁构成；线圈是利用该转子的转动增加减磁通密度的上述磁性体的一部分，使该线圈在上述第1、第2磁极之间的位置上与该磁通交链。
文档编号H02K17/42GK1073555SQ9211364
公开日1993年6月23日 申请日期1992年12月1日 优先权日1991年12月18日
发明者山崎光信, 大场胜 申请人:株式会社山崎剪切