永磁交流發(fā)電機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具備安裝在殼體上的定子以及相對定子旋轉的具有永磁部件的轉子的永磁發(fā)電機的定子的繞組。
【背景技術】
[0002]以往，為了提高發(fā)電機的效率，在發(fā)電機的轉子上使用永久磁鐵的方法已得到廣泛的普及。因為永磁發(fā)電機的特長是磁力大，所以即使轉速小也可得到較大的輸出功率。然而，因為永久磁鐵的磁力是恒定的，所以如果轉速增加，具有因磁力大而使電壓過于上升的傾向，并且對電壓上升很難進行控制。然而，近年來，由于本發(fā)明人的研宄成果，對電壓進行控制變得簡單方便(專利文獻1、2、3)，因此發(fā)電機的小型化成為下一個課題。
[0003]例如，在汽車用發(fā)電機中其尺寸越小搭載性越好，且更加方便。而且，近年來汽車對電功率的需求在不斷地增加，而且要求發(fā)電機小型化和提高輸出功率。
[0004]一方面，以往作為汽車用發(fā)電機使用的電磁式發(fā)電機在轉子上產生電磁力，并且使配置在其外周的定子的繞組產生電動勢，以此發(fā)電。然而存在電磁鐵的磁力過小，尤其在低速度無法得到較大的發(fā)電功率的問題。于是，利用加速器使轉速變大以增加發(fā)電功率，可是該方法也有限度，只好將發(fā)電機的尺寸增大以滿足電功率的需求。然而，增加尺寸也有限度，因此發(fā)電功率的不足引起電瓶電力耗盡，目前已成了駕駛員的煩惱之事。
[0005]另一方面，人們多次探討過利用永磁發(fā)電機作為汽車用發(fā)電機，可是為確保必要的性能需要較大的體積，無法實現特別小型的汽車用發(fā)電機，因此只好放棄了搭載在車體的念頭。然而，近年來，有人提出在電動機中用磁性材料制作轉子并將永久磁鐵內置于其中的 IPMSM(Inter1r Permanent Magnet Synchronous Motor:永磁同步電動機)的方法(非專利文獻I)，以此提高電動機的低速度轉矩。該IPMSM除了永久磁鐵的磁力之外還產生電流磁場，并使其流入磁性材料，與永久磁鐵的磁場相加而使整個磁力增加。于是，作為與以往的感應式電動機相比可實現高效率、小型輕量化的同步電動機，已適用于混合動力汽車用電動機。該IPMSM也可適用于發(fā)電機。
[0006]在先技術文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻1:日本特許第4463872號公報
[0009]專利文獻2:日本特許第4712896號公報
[0010]專利文獻3:日本特許第4913234號公報
[0011]非專利文獻1:0hmsha “內置式磁鐵同步電動機的設計和控制”武田洋次等著

【發(fā)明內容】

[0012]發(fā)明所要解決的課題
[0013]然而，以簡單的方法用小型的永磁發(fā)電機增加輸出功率非常困難，不存在劃時代的實用性技術。另一方面，IPMSM方式雖然也能夠應用于發(fā)電機，但是存在控制裝置復雜且零部件數較多、成本昂貴的缺點。尤其是使用稀土元素的IPMSM成了高價產品。
[0014]在此，有關永磁發(fā)電機的發(fā)電功率，通過理論公式對不增大發(fā)電機尺寸就難以提高輸出功率的問題進行說明。
[0015]首先，發(fā)電機的輸出功率取決于磁力的強度、頻率、定子的繞組數量等的特性。也就是說，用下面的數學式I以及數學式2所表示的電壓和規(guī)定電壓中的電流值的乘積來決定輸出功率。
[0016](數學式I)
[0017]E = 4.44X Φ XfXffs
[0018]式中，E:電動勢電壓
[0019]Φ:磁力的大小
[0020]f:頻率
[0021]Ws:繞組的匝數
[0022](數學式2)
[0023]E=IX (R2+ (2 π fL/1000)2)1/2
[0024]式中，1:電流
[0025]R:繞組的電阻
[0026]L:繞組的電感
[0027]因此，若匝數大電壓就變大，繞組的匝數的函數即阻抗越小電流I越大，從而輸出功率變大。然而，從上述的數學式I中可明顯地看出用一般的繞組無論怎么改變繞組也無法增加電動勢。當然，通過改變磁路的磁阻，磁力強度Φ的磁導系數變大。于是，雖然對定子的齒的材質、形狀、繞組的形狀等絞盡腦汁想辦法來提高輸出功率，但是其效果甚微。而且，即使增加繞組的匝數，雖然繞組電阻變小，但是繞組的電感不變，因此產生的電壓不變。
[0028]還有，如上述的數學式2所示，相對于對電動勢想要增大產生的電流需要使繞組的電感變小。電感由下面的數學式3表示。
[0029](數學式3)
[0030]L = A* μ.N2/1
[0031]式中，Α:卷繞有繞組的鐵心面積
[0032]μ:導磁率
[0033]N:匝數
[0034]1:磁場的通道長度
[0035]只要驗證數學式3就可容易得知在不改變繞組的情況下不存在將電感L大幅度地減小的方法，因此在不增大發(fā)電機的尺寸的情況下無法提高輸出功率。
[0036]本發(fā)明的目的在于提供一種用簡單的方法保持原有的小尺寸而增加功率的永磁交流發(fā)電機。
[0037]用于解決課題的手段
[0038]為實現上述目的，本發(fā)明人進行了種種實驗和研宄。最初用同相位卷繞2個繞組，對電流是否變?yōu)?倍以及輸出功率是否變?yōu)?倍做了試驗。當在同一個齒上卷繞2個繞組時，雖然匝數增加繞組的電阻變小，但是繞組的電感不變，因此產生的電壓不變。在該繞組中匝數相等電感也相同，因此無法使電流變?yōu)?倍?？墒峭ㄟ^試驗得知，若錯開繞組的相位卷繞2個繞組，則因為磁通量的通過時刻錯開(通過該繞組的磁力的通過模式發(fā)生變化)，所以具有在每個繞組產生電壓的特性。而且，當將這些電力相加時可得到大致兩倍的電力。
[0039]本發(fā)明是基于上述的見解而提出的。本發(fā)明所涉及的永磁交流發(fā)電機，具有旋轉自如地支撐于殼體的轉子軸、固定于轉子軸上且外周側安裝有多個永磁部件的轉子、配置在轉子的外側并卷繞有繞組的定子、以及使電壓恒定的切換機構，其中，將與轉子的磁極相對應的定子的齒設置為3以上且相數的2以上的整數倍，并且，與轉子的磁極相對應的定子的繞組由卷繞成短節(jié)距的多個繞組組成，且以將卷繞多個繞組的齒錯開而卷繞成短節(jié)距的多個繞組所占的卷繞角度與磁極角相對應的方式進行卷繞。
[0040]在此優(yōu)選為，當發(fā)電機為多相發(fā)電機時，與轉子的磁極相對應的定子的齒的數量為相數的2以上的整數倍，并且，與轉子的磁極相對應的定子的繞組由卷繞成短節(jié)距的多個繞組組成，且以將卷繞多個繞組的齒錯開而多個繞組所占的卷繞角度與磁極角相對應的方式進行卷繞，相對于與第一相相對應的繞組之后各相的定子的繞組依次配置于電角度各滯后360度除以相數所得到的角度的位置。
[0041]尤其優(yōu)選為，與轉子的磁極相對應的定子的齒的數量為相數的2以上的整數倍，與I個磁極相對應的定子的繞組由與整數相同數的繞組組成，且跨越從與轉子的磁極相對應的齒的數量減去比整數少I的數所得到的數量的齒進行短節(jié)距卷繞，并以將錯開I個齒而卷繞成短節(jié)距的多個繞組所占的卷繞角度與磁極角相對應的方式進行卷繞，相對于與第一相相對應的繞組之后各相的定子的繞組依次從電角度各滯后360度除以相數所得到的角度的位置開始配置。
[0042]其中尤其優(yōu)選為，當發(fā)電機為三相發(fā)電機時，與轉子的磁極相對應的定子的齒為6個，并且與I個磁極相對應的定子的繞組由第一以及第二的兩種繞組組成，通過錯開I個齒分別卷繞5個齒的短節(jié)距卷繞，以第一以及第二繞組所占的卷繞角度與磁極角相對應的方式進行卷繞，相對于U相的第一以及第二繞組從電角度滯后120度的位置開始配置V相的第一以及第二繞組，再從V相滯后120度配置W相的第一以及第二繞組。
[0043]還有，優(yōu)選為，當發(fā)電機為三相發(fā)電機時，與轉子的磁極相對應的定子的齒為9個，并且，與I個磁極相對應的定子的繞組由第一、第二以及第三的三種繞組組成，通過錯開I個齒分別卷繞7個齒的短節(jié)距卷繞，以第一、第二以及第三繞組占據的卷繞角度與磁極角相對應的方式進行卷繞，相對于U相的第一、第二以及第三繞組從電角度滯后120度的位置開始配置V