JP6806605B2

JP6806605B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP6806605B2
Application number: JP2017054933A
Authority: JP
Inventors: 竜司櫻井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2037-03-21
Also published as: CN108631511A; JP2018157732A; CN108631511B

Description

本発明は、発電装置に係り、特に、ステータの放熱を行うことを可能とした発電装置に関するものである。

従来から、エンジンのクランク軸の回転により発電を行う発電装置が知られている。
このような発電装置として、従来、例えば、面状に重ね合わされて配置された複数の薄板片と、該薄板片に面状に配置された少なくとも１つの熱伝導層が設けられ、該熱伝導層の熱伝導率が、薄板片の熱伝導率よりも大きく形成するようにした技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
また、その他の技術として、従来、例えば、マグネトのステータが互いに面接触するよう重ね合わされた複数枚の金属板と、これら金属板群に巻かれるコイルとを備え、各金属板の重ね合わせ方向における一端部のアルミ金属からなる金属板の外面を内燃機関の静止側部材に面接触させて金属板群を静止側部材に固着するようにした技術が開示されている（例えば、特許文献２を参照）。

特表２００４−５１２７９２号公報特開２００２−１５３０３４号公報

前記従来の技術では、いずれも放熱を図ることができるものである。しかしながら、発電装置の小型軽量化を進めていくと、コイルの発熱量が大きくなり、より効率のよい放熱対策が必要となる。
特に、コイルを構成する巻線の使用上限温度での使用が継続されると、巻線の寿命の低下を招き、発電効率も低下してしまうという問題がある。また、巻線の温度を下げるために、ステータコアの電磁鋼板量を増やす方法も考えられるが、ステータの重量が増えてしまうという問題もある。
本発明は、前記した点に鑑みてなされたものであり、コイル部分における放熱を効率よく行うことのできる発電装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、エンジンのクランク軸により回転駆動され、ロータヨークの内周面に永久磁石を配置してなるロータと、複数枚の電磁鋼板を積層してなり、前記ロータの前記永久磁石に対向する複数のステータコアに巻線を巻回してなるコイルを備えたステータと、前記ステータの内周に配置されたベース部材とを備え、前記ステータコアの厚み方向略中央部分に、前記ステータの内周面から前記ステータコアの外周面に至り、前記電磁鋼板に挟まれるように配置されたヒートシンクを備え、前記ヒートシンクの内周端は、前記ベース部材の外周面と一体に形成され、前記ベース部材および前記ヒートシンクを前記電磁鋼板より熱伝導率の高い材料により構成したことを特徴とする。

本発明によれば、ステータを構成する電磁鋼板より熱伝導率の高い材料のヒートシンクおよびベース部材を設けることで、ステータコアおよびコイルに発生する熱をヒートシンクおよびベース部材に伝達させることができ、ステータコアおよびコイルに熱がこもることを防止して、効率よく放熱を行うことができる。

前記構成において、前記ベース部材に、前記クランク軸の軸方向に貫通する通風孔を形成したことを特徴とする。
本発明によれば、ステータに冷却風が当たった場合に、通風孔を流れる冷却風により、ベース部材に伝達される熱を効率よく放熱することができる。

前記構成において、前記ベース部材の内周面に放熱用スリットを形成したことを特徴とする。
本発明によれば、放熱用スリットを形成することで、ベース部材と空気との接触面積を増加させることができ、ベース部材による放熱効果を高めることが可能となる。

前記構成において、前記ヒートシンクの外周端に放熱用溝を形成したことを特徴とする。
本発明によれば、放熱用溝を形成することで、ヒートシンクと空気との接触面積を増加させることができ、ヒートシンクによる放熱効果を高めることが可能となる。

前記構成において、前記ヒートシンクおよび前記ベース部材と、前記電磁鋼板との間に絶縁層が形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、ヒートシンクおよびベース部材と、電磁鋼板との間におけるイオン化傾向の傾きを低減させることができ、電蝕の発生を低減させることができる。

本発明によれば、ステータコアおよびコイルに発生する熱をヒートシンクおよびベース部材に伝達させることができ、ステータコアおよびコイルに熱がこもることを防止して、効率よく放熱を行うことができる。その結果、コイルの巻線の温度上昇を抑制することができ、巻線の耐熱上限温度で使用することを防止することができ、巻線の寿命を延ばすことが可能となる。また、ヒートシンクおよびベース部材にアルミニウムなどを使用することにより、軽量化を図ることができる。

本発明に係る発電装置の実施形態を示す外観図である。本実施形態の発電装置の断面図である。本実施形態のステータの斜視図である。本実施形態におけるステータの放熱状態を示す説明図である。図５は、エンジンのクランク軸の回転数に対するステータの温度変化を測定した結果を示すグラフである。本発明のステータの変形例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る発電装置の外観を示す斜視図である。図２は発電装置の断面図である。
図１に示すように、発電装置１は、略直方体の筐体１０を備えており、図２に示すように、筐体１０の内部に下方には、エンジン１１が収容されている。

エンジン１１は、シリンダ、燃焼室およびクランク室（いずれも図示せず）を備えており、シリンダには図示しないピストンが往復動可能に収容され、クランク室には、クランク軸１２が回転可能に収容されている。ピストンとクランク軸１２とは、図示しないコンロッドによって互いに連結されている。そして、エンジン１１を駆動することによりクランク軸１２を回転駆動させることができるように構成されており、エンジン１１の一側には、クランク軸１２の一端が突出されている。クランク軸１２は、軸受１３によって回転可能に支持されている。
エンジン１１のクランク軸１２側には、カバー部材１４が取り付けられており、カバー部材１４の内部には、オルタネータ１５が収容されている。

また、筐体１０の内部上方には、燃料タンク２０が収容されており、筐体１０の内部であって燃料タンク２０の下方には、インバータ２１が収容されている。
筐体１０の一側面には、電源コンセント２２や操作ボタン２３などが配置されたコントロールパネル２４が装着されている。
さらに、筐体１０の上面には、取っ手２５が設けられており、筐体１０の下面には、筐体１０を支持する複数の脚２６が取り付けられている。

次に、オルタネータ１５について説明する。
図２に示すように、オルタネータ１５は、エンジン１１のクランク軸１２の外周側に設置されたステータ３０を備えている。
図３はステータ３０の斜視図である。
ステータ３０は、複数枚の電磁鋼板を積層して構成されており、図３に示すように、ステータ３０の外周には、放射状に突出する複数のステータコア３１が周方向に沿って所定間隔で設けられている。各ステータコア３１の外周には、例えば、樹脂などからなるコイルボビン３２が装着されている。コイルボビン３２の外周には、巻線を巻回してなるコイル３３が設けられている。
ステータ３０の中心には、円筒状のベース部材３４が設けられている。ベース部材３４は、熱伝導率の高い材料から構成されており、本実施形態においては、ベース部材３４は、例えば、アルミニウムにより構成されている。また、ベース部材３４には、クランク軸１２の軸方向に貫通する複数の通風孔３５が形成されている。

また、ステータ３０の厚さ方向における中央部分には、熱伝導率の高い材料からなるヒートシンク３６が設けられている。本実施形態においては、ヒートシンク３６は、例えば、アルミニウムにより構成されている。
ヒートシンク３６は、ステータ３０の内周面からステータコア３１の外周面に至り、ステータ３０を構成する電磁鋼板により両側を挟み込まれるように一体に形成されている。そして、ヒートシンク３６の外周端は、ステータコア３１の外周面に露出されており、ヒートシンク３６の内周端は、ベース部材３４の外周面と一体に形成されている。

また、ヒートシンク３６およびベース部材３４の表面には、アルマイト処理が施されている。また、ベース部材３４の外周面と電磁鋼板との間には、樹脂層３７が形成されている。本実施形態においては、樹脂層３７は、樹脂材料をインサート成形することにより形成されている。そして、ヒートシンク３６およびベース部材３４の表面に形成されたアルマイト層および樹脂層３７により、本発明の絶縁層が構成される。
このようにヒートシンク３６およびベース部材３４の表面にアルマイト処理を施すとともに、ヒートシンク３６およびベース部材３４と、電磁鋼板との間に樹脂層３７を形成することにより、イオン化傾向の傾きを低減させることができ、電蝕の発生を低減させることができる。

また、図２に示すように、オルタネータ１５は、エンジン１１のクランク軸１２に取付けられたロータ４０を備えている。
ロータ４０は、ステータ３０の側面に対向する略円板状の基部４１と、基部４１の外周縁からステータコア３１の外周面に沿って延在するロータヨーク４２とを備えている。ロータ４０は、基部４１とロータヨーク４２とにより、ステータ３０を被覆するように断面形状略コ字状に形成されている。
ロータヨーク４２の内周面には、ステータコア３１の外周面に対向する複数の永久磁石４３が、ロータヨーク４２の周方向に沿って略等間隔に配置されている。

そして、エンジン１１を駆動してクランク軸１２を回転させ、永久磁石４３が取り付けられたロータ４０をステータ３０の外周で回転させることにより、各コイル３３に電流が誘起され、これが電力として出力され、発電が行われる。
また、ロータ４０の基部４１には、冷却ファン４４が取り付けられている。クランク軸１２の回転によりロータ４０が回転駆動されると、冷却ファン４４も同時に回転駆動され、これにより、ステータ３０に対してクランク軸１２に沿った方向の気流を発生させることが可能となる。

次に、本実施形態の作用について説明する。
本実施形態においては、エンジン１１を駆動してクランク軸１２を回転させ、ロータ４０をステータ３０の外周で回転させることにより、各コイル３３に電流が誘起され、これが電力として出力され、発電が行われる。
このとき、コイル３３に電流が誘起されると、コイル３３が発熱し、この熱はステータコア３１を加熱するとともに、コイル３３の内部にこもって、ステータコア３１やコイル３３が高温になってしまう。

図４は、ステータ３０の放熱状態を示す説明図である。
本実施形態においては、クランク軸１２が回転駆動されると、放熱ファンも同時に回転駆動され、これにより、ステータ３０に対してクランク軸１２に沿った方向の気流が発生される。
このように気流が発生すると、図４に矢印で示すように、冷却風がステータ３０の一面側に当たり、このうちステータコア３１およびコイル３３に冷却風が当たると、ステータコア３１およびコイル３３を冷却し、冷却風が当たった面と反対側の面からの排風として放熱される。
また、本実施形態においては、ヒートシンク３６を設けているので、ステータコア３１を構成する電磁鋼板に蓄積された熱が、熱伝導率の高い材料からなるヒートシンク３６を介してベース部材３４に伝達されることになる。

そのため、冷却風がベース部材３４に当たった場合、冷却風は、ベース部材３４とクランク軸１２との隙間およびベース部材３４の通風孔３５を通るため、冷却風によりベース部材３４に伝達された熱を効率よく放熱することができる。
このとき、図４に矢印で示してはいないが、電磁鋼板からヒートシンク３６に伝達される熱の一部は、ヒートシンク３６の外周端からも放熱される。

図５は、エンジン１１のクランク軸１２の回転数に対するステータ３０の温度変化を測定した結果を示すグラフである。
図５に示すように、エンジン１１のクランク軸１２の回転数が上昇するに従って、ステータ３０の温度は、上昇していく。この場合に、電磁鋼板のみで構成されたステータ３０を用いた場合に比較して、アルミニウムで構成されたベース部材３４およびヒートシンク３６を用いた場合の方が、ステータ３０の温度が低下していることが確認できた。

以上述べたように、本実施形態においては、エンジン１１のクランク軸１２により回転駆動され、ロータヨーク４２の内周面に永久磁石４３を配置してなるロータ４０と、複数枚の電磁鋼板を積層してなり、ロータ４０の永久磁石４３に対向する複数のステータコア３１に巻線を巻回してなるコイル３３を備えたステータ３０と、ステータ３０の内周に配置されたベース部材３４とを備え、ステータコア３１の厚み方向略中央部分に、電磁鋼板に挟まれるように配置されたヒートシンク３６を備え、ベース部材３４およびヒートシンク３６を熱伝導率の高い材料により構成した。

これにより、ステータ３０を構成する電磁鋼板より熱伝導率の高い材料のヒートシンク３６およびベース部材３４を設けることで、ステータコア３１およびコイル３３に発生する熱をヒートシンク３６およびベース部材３４に伝達させることができ、ステータコア３１およびコイル３３に熱がこもることを防止して、効率よく放熱を行うことができる。
その結果、コイル３３の巻線の温度上昇を抑制することができ、巻線の耐熱上限温度で使用することを防止することができ、巻線の寿命を延ばすことが可能となる。また、ヒートシンク３６およびベース部材３４にアルミニウムなどを使用することにより、軽量化を図ることができる。

また、本実施形態においては、ベース部材３４に、クランク軸１２の軸方向に貫通する通風孔を形成した。
これにより、ステータ３０に冷却風が当たった場合に、通風孔を流れる冷却風により、ベース部材３４に伝達される熱を効率よく放熱することができる。

また、本実施形態においては、ヒートシンク３６およびベース部材３４と、電磁鋼板との間に樹脂層３７（絶縁層）が形成されている。
これにより、ヒートシンク３６およびベース部材３４と、電磁鋼板との間におけるイオン化傾向の傾きを低減させることができ、電蝕の発生を低減させることができる。

図６は、本発明の変形例を示す斜視図である。
本変形例によれば、ベース部材３４の内周面に、クランク軸１２の軸方向に沿った放熱用スリット５０を形成するようにしている。このように、放熱用スリット５０を形成することにより、ベース部材３４に冷却風が流れる際に、ベース部材３４と空気との接触面積を増加させることができ、ベース部材３４による放熱効果を高めることが可能となる。
また、ヒートシンク３６の外周端には、電磁鋼板に接触する辺を一部切欠いてなる放熱用溝５１が形成されている。このように、放熱用溝５１を形成することにより、ヒートシンク３６の外周端における空気との接触面積を増加させることができ、ヒートシンク３６による放熱効果を高めることが可能となる。

なお、本変形例においては、放熱用溝５１をヒートシンク３６の一側辺を切欠いて形成するようにしたが、これに限定されものではない。例えば、放熱用溝５１を周方向にあるいは周方向に直交する方向に延在する溝状に形成するようにしてもよいし、複数の放熱用溝５１を形成するようにしてもよい。

本変形例によれば、ベース部材３４の内周面に放熱用スリット５０を形成した。
これにより、放熱用スリット５０を形成することで、ベース部材３４と空気との接触面積を増加させることができ、ベース部材３４による放熱効果を高めることが可能となる。

また、本実施形態においては、ヒートシンク３６の外周端に放熱用溝５１を形成した。
これにより、放熱用溝５１を形成することで、ヒートシンク３６と空気との接触面積を増加させることができ、ヒートシンク３６による放熱効果を高めることが可能となる。

なお、本発明は前記実施形態に記載のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能である。

１発電装置
１０筐体
１１エンジン
１２クランク軸
１３軸受
１４カバー部材
１５オルタネータ
３０ステータ
３１ステータコア
３３コイル
３４ベース部材
３５通風孔
３６ヒートシンク
３７樹脂層
４０ロータ
４１基部
４２ロータヨーク
４３永久磁石
４４冷却ファン
５０放熱用スリット
５１放熱用溝

Claims

エンジンのクランク軸により回転駆動され、ロータヨークの内周面に永久磁石を配置してなるロータと、
複数枚の電磁鋼板を積層してなり、前記ロータの前記永久磁石に対向する複数のステータコアに巻線を巻回してなるコイルを備えたステータと、
前記ステータの内周に配置されたベース部材とを備え、
前記ステータコアの厚み方向略中央部分に、前記ステータの内周面から前記ステータコアの外周面に至り、前記電磁鋼板に挟まれるように配置されたヒートシンクを備え、
前記ヒートシンクの内周端は、前記ベース部材の外周面と一体に形成され、
前記ベース部材および前記ヒートシンクを前記電磁鋼板より熱伝導率の高い材料により構成したことを特徴とする発電装置。
前記ベース部材に、前記クランク軸の軸方向に貫通する通風孔を形成したことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記ベース部材の内周面に放熱用スリットを形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電装置。
前記ヒートシンクの外周端に放熱用溝を形成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発電装置。
前記ヒートシンクおよび前記ベース部材と、前記電磁鋼板との間に絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電装置。