爪极式发电机及自行车用轮毂发电机

摘要

爪极式发电机及自行车用轮毂发电机,在爪极式发电机中，抑制发电时产生的涡流电流，并且提高发电效率。该发电机的磁轭(21)具有设置在绕组(20)的轴向方向的两侧的各多个板状叠层片(32)构成的多组第一及第二叠层磁轭(30)，(31)。同时，多个板状叠层片(32)的每一个具有从轴向方向的一侧或另一侧向相反侧延伸、配置在永磁铁(9)和绕组(20)之间的磁轭外周部(32a)，与磁轭(32a)磁性结合、配置在轴向方向的一侧或另一侧的磁轭的内周部(32b)。此外，多组第一及第二叠层磁轭(30)，(31)，各个的磁轭内周部(32b)在轴向方向对向、其轴向方向端部接触，且磁轭外周部(32a)交替地沿圆周方向设置。

说明书

【技术领域】

本发明涉及爪极式发电机及自行车用轮毂发电机，特别是，涉及具有将板状构件叠层形成的(轭)磁轭的爪极式发电机以及自行车轮毂发电机。

【背景技术】

现有技术的爪极式发电机，考虑到形状和成本，一般在大多数情况下通过板金压力加工形成磁轭部分。但是，现有技术中这种发电机，存在着因产生涡流造成效率降低的问题。

因此，如特开2001-37108号公报所述，利用薄板的叠层结构构成磁轭部分，可以抑制涡流的发生。该公报所述的发电机，具有固定在轮毂轴上的发电绕组，以及相对于轮毂轴可自由旋转地设置的在内周面上配置磁铁的外壳。同时，容纳发电绕组的磁轭，通过将多个板状构件叠层构成。

通过采用利用薄板的叠层结构，可以抑制涡流电流的发生。但是，在爪极式发电机的情况下，由于是磁轭的外周部沿从轴向方向的两端相互靠近的方向延伸的结构，所以，很难高效率地制成叠层结构。在前述公报所述的发电机中，在圆周方向交替地配置的磁轭的连接部分上需要另外的磁性材料。在这种设置另外的磁性材料的情况下，增加磁阻，降低效率。此外，由于需要新制作另外的磁性材料，所以提高成本。

【发明内容】

本发明的课题是，在爪极式发电机中，抑制发电时的涡流电流，提高发电效率。

根据方案1的爪极式发电机，配备有配置成圆周状的永磁铁，配置在永磁铁内周侧的环形绕组，以围绕在绕组周围的方式配置的磁轭。磁轭具有设置在绕组的轴向方向的一侧的分别由多个板状叠层片构成的多组第一叠层磁轭，设置在绕组的轴向方向的另一侧的分别由多个板状叠层片构成的多组第二叠层磁轭。

同时，多个板状叠层片的每一个，具有从轴向的一侧或另一侧向相反侧延伸而配置在永磁铁与绕组之间的磁轭的外周部，与磁轭的外周部磁性结合、配置在绕组内周的轴向的一侧或者另一侧的磁轭的内周部。此外，多组的第一和第二叠层磁轭，各个磁轭的内周部在轴向方向对向，并且磁轭的外周部沿圆周方向交替地设置。

在这种发电机中，永磁铁与磁轭外周部对向，它们通过相对旋转，在磁轭的内周部产生交变磁通。借此，电流流过绕组，进行发电。具体地说，在第一叠层磁轭的磁轭外周部为N极，第二叠层磁轭的磁轭外周部为S极的状态，以及第一叠层的磁轭的磁轭外周部为S极、第二叠层的磁轭的磁轭外周部为N极的状态交替地更换，使之产生交变磁通。在这样进行发电时，除产生交变磁通外，也产生涡流电流。

这种涡流电流使发电效率降低，在本发明的发电机中，由于磁轭由多个板状的叠层片构成，所以，可以抑制涡流电流的发生。即，在这种发电机中，已知涡流电流的发生与磁轭的厚度(板厚)的平方成反比地减少，通过用板状叠层片构成磁轭减薄其厚度，可以抑制涡流电流的发生。此外，这里，由于磁轭的内周部沿轴向方向对向配置，所以，第一叠层磁轭和第二叠层磁轭分别由各个磁轭的内周部直接进行磁性连接，不需要连接两个叠层磁轭用的另外的磁性体。而且，可以充分确保两个叠层磁轭之间磁通通过的磁路的截面面积，避免磁饱和。从而，可以大幅度降低磁阻等耗损，提高输出和效率，降低无负荷转矩。

根据方案2的爪极式发电机，在权利要求1所述的发电机中，具有沿轴向方向延伸的筒状部，设置在筒状部的轴向方向两端的一对凸缘部，在筒状部的外周上进一步备有卷绕绕组的线圈架。

根据方案3的爪极式发电机，在方案2的发电机中，在构成线圈架的一对凸缘上的轴向方向外侧的侧面上，在圆周方向排列地形成基本上沿放射状延伸的多个槽，同时，在一对凸缘的外周部上形成对应于前述多个槽的多个切口，构成各叠层磁轭的多个板状叠层片进一步具有连接磁轭外周部和磁轭内周部的连接部。并且，板状叠层片，连接部配合到一对凸缘的槽上，磁轭的外周部的一部分配合到一对凸缘的切口内。

这里，能够可靠地保持构成各叠层磁轭的多个板状叠层片。

根据方案4的爪极式发电机，在方案3的发电机中，在构成线圈架的一对凸缘的外周部上，在与形成在另外一个凸缘的外周部上的切口对向的位置上，形成多个凹部，将设置在另一个凸缘侧的叠层磁轭的磁轭外周部的顶端保持在该凹部内。

这里，能够可靠地将构成各叠层磁轭的板状叠层片保持在半径方向。

根据方案5的爪极式发电机，在方案1的至4的发电机中，构成各叠层磁轭的板状叠层片，沿轴向方向观察，形成磁轭内周部和磁轭外周部在不同的放射线的位置上。

根据方案6的自行车用轮毂发电机，设于自行车的车轮中央部，包括：安装在自行车车架上的轮毂轴，外壳，一对轴承，永磁铁，内侧固定单元。外壳具有沿轮毂轴的轴向方向延伸的筒状壳主体，设置在壳主体的轴向方向两端部上的一对轮毂凸缘。一对轴承回转自如地将外壳支承在轮毂轴上。永磁铁以圆周状的方式设置在壳主体的内周面上。内周侧固定单元配置在永磁铁的内周侧，固定到轮毂轴上。

同时，内周侧固定单元备有配置在永磁铁的内周侧的环形绕组，以围绕绕组的周围的方式配置的磁轭。磁轭具有设置在绕组的轴向方向一侧的分别由多个板状叠层片构成的多组第一叠层磁轭，设置在绕组的轴向方向的另一侧的分别由多个板状叠层片构成的多组的第二叠层磁轭。此外，多个板状叠层片分别具有从轴向方向的一侧或另一侧向反向侧延伸的永磁铁与绕组之间配置的磁轭外周部，以及配置在与磁轭外周部磁性结合、配置在绕组内周的轴向方向的一侧或另一侧的磁轭内周部。同时，多组第一及第二叠层磁轭，各自的磁轭内周部在轴向方向对向，并且磁轭外周部设置在沿圆周方向交替的位置上。

【附图的简单说明】

图1、是作为本发明的一种实施形式的轮毂发电机的一侧的纵剖面图。

图2、前述轮毂发电机的侧视图。

图3、线圈架的剖面侧视图及正视图。

图4、图3的部分放大图。

图5、线圈架及磁轭的部分透视图。

图6、线圈架及磁轭的正视图。

图7、叠层片的侧视图。

图8、叠层片的正视图。

图9、表示现有技术及根据本发明的实施例轮毂发电机的输出电力特性的图示。

图10、表示表示现有技术及根据本发明的实施例轮毂发电机的无负荷转矩特性的图示。

【符号说明】

1                   轮毂发电机(爪极式发电机)

2a，2b              前叉

5                   轮毂轴

8                   外壳

11                  壳主体

12，13              轮毂凸缘

20                  绕组

21                  磁轭

25                  线圈架

27，28              凸缘

27a，28a            槽

27c，28c            凹部

30，31              第一及第二叠层片

32                  叠层片

32a                 磁轭外周部

32b                 磁轭内周部

【发明的实施形式】

作为利用本发明的一种实施形式的爪极式发电机的轮毂发电机，示于图1和图2。图1是轮毂发电机1的一侧的纵剖面图，图2是其侧视图。

图1所示的轮毂发电机1，和自行车的前轮一起安装在左右前叉2a，2b的顶端上。该轮毂发电机1配备有：两个端部固定到前叉2a，2b上的轮毂轴5，利用一对轴承6，7相对于轮毂轴5可自由旋转地支承的外壳8，永磁铁9，固定到轮毂轴5上的内侧固定单元10。

外壳8具有壳主体11，一对轮毂凸缘12，13。壳主体11是沿轮毂轴5的轴向方向延伸形成的筒状构件，在轴向方向的中央部上，具有与两端比较向外周侧隆起的隆起部11a。一对轮毂凸缘12，13固定在壳主体11的轴向方向两个端部的外周面上，在这些轮毂凸缘12，13上，分别沿圆周方向以等角度的间隔形成分别安装辐条(图中未示出)的内侧端部用的多个安装孔11a，12a。此外，在外壳8的轴向方向的两个端部上，为了防止尘埃、灰土水等异物加入外壳的内部，在轴承6，7之间设置密封构件14，15。

永磁铁9固定到外壳8的隆起部11a的内表面上，构成沿圆周方向等间隔地划分成的四个磁体。在该永磁铁9上，将等间隔交替的N极和S极磁化，分别与后面所述的磁轭外周部对向。

内侧固定单元10，具有环形绕组20，以包围绕组20的周围的方式设置的磁轭21。同时，这些绕组20及磁轭21，利用螺纹配合到形成在轮毂轴5的外周上的螺纹部上的一对螺母22a，22b夹持的方式固定到轮毂轴5上，并且，在轴向方向以容纳到隆起部11a内的位置关系进行定位。

绕组20卷绕到图3所述的线圈架25上。线圈架25，如图3及作为图3的放大部分的图4所示(在图3和图4中，均表示出卸下磁轭的状态)，在外周上具有卷绕绕组20的筒状的筒部26，形成在筒部26的轴向方向的两个端部上的第一凸缘27及第二凸缘28。在第一及第二凸缘27，28上，在轴向方向外侧的侧面上，形成基本上呈放射状延伸的多个槽27a，28a。这些槽27a，28a，在外周侧，以在轴向方向观察时相互错开的方式形成，即第二凸缘28的槽28a位于第一凸缘27的相邻的两个槽27a之间的方式形成，并且，以在半径方向的大致中间部，两个槽27a，28a在轴向方向观察时部分重叠的方式形成，进一步，在内周侧，两槽27a，28a在轴向方向观察时基本全部重叠。同时，各槽27a，28a的外周侧的一部分被切口，形成缺口部27b，28b。此外，在各凸缘27，28的外周面上，在不形成槽27a，28a的部分上，如图4和作为图4的透视部分图的图5所示，从轴向方向的内侧到外侧形成规定长度的凹部27c，28c。此外，在图5中，为了说明方便起见，卸下一部分磁轭。

图6中表示安装在线圈架25上的磁轭21，图7及图8只表示卸下的磁轭。如图5及图6所示，该磁轭21具有嵌入安装到线圈架25的第一凸缘27的槽27a的多组第一叠层磁轭30，以及同样嵌入安装到线圈架25的第二凸缘28的槽28a的多组第二叠层磁轭31。

各叠层磁轭30，31，通过叠层如图7及图8所示的多个板状叠层片32构成。各叠层片32用表面上形成氧化覆膜的硅钢片(更详细地说，无方向性的硅钢片)形成。各叠层片32的基本形状相同，具有铁心外周部32a，铁心内周部32b，连接部32c。铁心外周部32a，从连接部32c的一个端部沿轮毂轴5的轴向方向(图7中的O-O方向)延伸设置，随着向顶端侧前进逐渐变细。此外，铁心内周部32b从连接部32c的另一个端部同样地沿轴向方向延伸设置。如图8所示，这些叠层片32在轴向方向视图中，以磁轭外周部32a和磁轭内周部32b位于不同的放射线的位置上的方式形成。

此外，各叠层片32的厚度在0.25～1mm的范围内，厚度为0.5mm叠层片从成本的角度和从性能的角度考虑，利用价值高。各叠层片32的长度不同。即，各叠层磁轭30，31，通过将八个叠层片32叠层构成，在各叠层磁轭30，31中，如图8所示，最外侧的一对叠层片321，328，其内周侧的长度最短，其内侧的一对叠层片322，327第二短，再靠近其内侧的一对叠层片323，326第三短，最内侧的一对叠层片324，325的长度最长。通过这样设定的长度，可以制成在圆周方向邻接的叠层磁轭的内周部相互不接触，并且可以使磁路的截面面积面积最大，效率高的结构。

进而，如从图5可以看出的，在构成各叠层磁轭30，31的叠层片32中，位于圆周方向的两个外侧的叠层片321，328，铁心外周部32a的长度比其它叠层片大致短1/2左右。这是为了在圆周方向相邻的叠层片321，328彼此靠近，抑制两者之间磁通泄漏。

进而，如从图7可以看出的，各叠层片32，连接铁心外周部32a和连接部32c的部分的外侧(图7中的P部分)不是圆弧状，形成锐角。从而，在该部分，与永磁铁9的距离接近，与利用现有技术的板金压力加工形成的磁轭相比，磁通量增加。

此外，上面所述的各叠层片32，第一叠层磁轭30和第二叠层磁轭31可以通用。

将这种叠层片32叠层嵌入到形成在线圈架25的各凸缘27，28上的槽27a，28a内。此外，各叠层片32的磁轭的外周部32a的顶端部，嵌入保持在形成于线圈架25的对向侧的凸缘27，28上的凹部27c，28c内。

利用这种磁轭21，如图1所示，将第一及第二叠层磁轭30，31的磁轭内周部32b位于绕组20的内周侧，磁轭外周部32a位于绕组20与永磁铁9之间。此外，如从图6及图1可以看出的，第一叠层磁轭30和第二磁轭31的磁轭内周部32b相互直接连接。从而，无需连接第一叠层磁轭30与第二叠层磁轭31的其它磁性材料，可以将磁阻抑制得非常小。

此外，如图1所示，在固定绕组20及磁轭21用的螺母22b上，沿轮毂轴5设置将发电的电力取出到外部用的连接片35。该连接片35，其一端与螺母22b的侧面接触，另一端通过轴承7的内周被引出到外壳8的外部，连接到设置在外部的提取端子36上。

其次，对利用轮毂发电机1的发电进行说明。

随着自行车的行进，当前轮、即外壳8相对于轮毂轴5旋转时，永磁铁9相对于固定在轮毂轴5上的内侧固定单元10旋转。借此，永磁铁9在绕组20及磁轭21的磁轭外周部32a的外周侧旋转。

这里，第一叠层磁轭30的磁轭外周部32a和第二叠层磁轭31的外周部32a，当其中的一个接受到由永磁铁9提供的N极磁通时，另一个接受S极提供的磁通；当其中的一个接受永磁铁9提供的S极磁通时，另一个接受N极提供的磁通。即，通过永磁铁9在第一及第二叠层磁轭30，31的磁轭外周部32a的外周侧旋转，在第一叠层磁轭30为N极、第二叠层磁轭31为S极的第一状态，及第一叠层磁轭30为S极、第二叠层磁轭31为N极的第二状态之间反复，在磁性连接两者30，31的两个叠层磁轭30，31的磁轭内周部32b上产生交变磁通。通过在这些绕组20内侧产生的交变磁通，在绕组20产生电流而发电。

在根据该实施形式的轮毂发电机中，由于叠层板状叠层片32构成磁轭，所以，与现有技术中的板金成形构成的磁轭相比，可以抑制涡流电流的发生。

此外，如本实施形式所述，在爪极结构中，如果只通过简单地将磁轭部分置换成叠层结构，如现有技术所示的前面提及的公报中所描述的那样，需要将对向的磁轭彼此连接起来用的另外的磁性材料，因此，会增加磁阻，降低效率。但是，在本实施形式中，通过对磁轭的形状采取措施，可以将对向的第一及第二叠层磁轭的内周侧部分相互直接连接，所以，无需连接第一及第二叠层磁轭用的其它构件，而且可以确保磁通通过所必需的足够的截面面积。从而，可以将磁阻降低得非常低，提高效率。

【实施例】

图9和图10表示根据现有技术和本发明的实施例的轮毂发电机的输出电力特性和无负荷转矩特性。作为现有技术的轮毂发电机，其磁轭采用特开2000-069731号公报所述结构的压力加工成形品的磁轭，并且材料为电磁软铁。此外，实施例的结构和前述实施形式相同，采用硅钢片叠层型的磁轭。此外，作为永磁铁，采用铁氧体磁铁。

在图9及图10中，◆表示实施例，■表示现有技术的产品。如从它们的实验结果可以看出的，对于输出电力特性和无负荷转矩特性，自行车的车速越高，效果越大。

【其它实施形式】

在前述实施形式中，采用铁心外周部32a，铁心内周部32b及连接部32c整体形成的叠层片32，但叠层片32的形状等并不局限于前述实施形式，例如，铁心外周部，铁心内周部以及连接部也可以分割开单独形成。通过采用这种分割的叠层片，在利用硅钢片制作叠层片时，可以提高成品率。

【发明的效果】

在本发明中，由于利用多个板状叠层片构成爪极式发电机中的磁轭，所以，可以抑制涡流电流的发生。而且，由于将相互对向的第一叠层磁轭和第二叠层磁轭以磁轭的内周部沿轴向方向对向地配置，所以，可以将第一叠层磁轭和第二叠层磁轭直接连接，大幅度降低磁阻，提高输出和效率。