JP6444676B2 - 発電機 - Google Patents

Description

この発明は、自動車や、小型風力発電機、流水利用小型発電機などに用いられる永久磁石レスの発電機に関する。

回転により発電を行う発電機として、誘導発電機や同期発電機があり、誘導発電機はロータの巻線に励磁を必要としないが、系統連係させかつ高い回転速度で回転させる必要があって小型の発電機には適さない。そのため、小型風力発電機等では、同期発電機が用いられることが多い。
しかし、通常の同期発電機は、界磁の生成に永久磁石を用いるため、永久磁石の成分となるレアメタルが高価で発電機全体が高額になるうえ、始動時にコギングが発生し、コギングトルクによって始動トルクが大きくなる。このため、小型風力発電機等の僅かな自然力で発電させる発電機には適さない。永久磁石の代わりに電磁石を用いる他励式の同期発電機もあるが、電磁石への外部からの給電の構成が必要で、外部電源により構成が複雑となる。

これらの課題を解消し、永久磁石および外部からの給電が不必要な自励式の同期発電機が提案されている（特許文献１）。この発電機は、鉄心の残留磁気を利用して、自己励磁により界磁巻線に流れる電流を増加させて行くことで、発電に必要な磁束を、高価な永久磁石や励磁用の外部電源を必要とせずに作り出している。

特開２００６−１４９１４８号公報

自動車で使用される発電機、例えば電動ブレーキや補機を駆動するために、バッテリーの電力とは別に補助的な電源に発電機を用いることが試みられている。このような自動車用発電機や、家庭、小規模施設等に設けられる小型風力発電機、流水利用小型発電機等では、小型で軽量なものが求められている。前述の自励磁式の発電機は他励発電機に比べ効率は良いが出力密度（単位体積当たりの出力を言う）が小さく、出力密度改善に課題がある。

この発明の目的は、自励式でありながら、出力密度が高い発電機を提供することを目的とする。

この発明の発電機は、出力巻線が巻かれた出力鉄心と、主界磁巻線および副界磁巻線が巻かれた界磁鉄心とを備え、前記出力鉄心と前記界磁鉄心のいずれか一方がステータとなり、他方がロータとなり、前記ステータとロータとの相対回転により発電電力を得る自励式の発電機において、
前記主界磁巻線に並列に整流素子が接続され、前記副界磁巻線に直列に整流素子が接続され、この副界磁巻線と整流素子が直列に接続された回路が、前記主界磁巻線と並列に接続されていて、前記主界磁巻線に流れる電流と同じ方向の電流のみが前記副界磁巻線に流れ、
前記ロータの回転中心に対して垂直な断面の断面積につき、前記界磁鉄心に設けられて前記副界磁巻線が収められる副界磁巻線スロットの断面積が、前記界磁鉄心に設けられて前記主界磁巻線が収められる主界磁巻線スロットの断面積よりも小さいことを特徴とする。
なお、各界磁巻線スロットには隙間なく各界磁巻線が収められ、この界磁巻線が収められる範囲の断面積を上記各スロットの断面積とする。
前記副界磁巻線スロットの断面積を、前記主界磁巻線スロットの断面積の７〜４０％とすることがより好ましい。

この構成によると、主界磁巻線を用いて励磁を行う自励式であるため、永久磁石や、外部からの他励のための給電を行う外部電源を必要とせずに発電が行える。永久磁石を用いないため、コギングトルクが発生せず、小さなトルクでロータを回転させることができる。そのため、小型軽量の発電機の場合に、わずかな外力が作用することで発電でき、効果的に使用できる。

この自励式の発電機において、副界磁巻線スロットの断面積を大きくすると、線径を太くして副界磁巻線の電気抵抗値を小さくすることができるが、界磁鉄心の磁気抵抗が大きくなる。逆に副界磁巻線スロットの断面積を小さくすると磁気抵抗は小さくなるが、副界磁巻線の線径が細くなって電気抵抗値が大きくなる。磁気抵抗値と電気抵抗値のバランスにより界磁の強さが変化する。界磁の強さによって発電される出力が変化する。出力を大きくできる最適な主界磁巻線と副界磁巻線のスロット面積の比率を求めるため、磁場解析を実施した。その結果、副界磁巻線スロットの断面積を、主界磁巻線スロットの断面積より小さくすることで、出力が大きくなることが分かった。すなわち、出力密度が高くなることが分かった。また、前記副界磁巻線スロットの断面積を、前記主界磁巻線スロットの断面積の７〜４０％としたときに最も出力が高くなることが判明した。

この発明において、発電の初期励磁に必要な程度に、前記出力鉄心および界磁鉄心のいずれか一方または両方に磁力を付与する初期励磁手段を設けても良い。前記初期励磁手段は、着磁手段であっても、永久磁石であっても良い。
初期励磁手段を設けた場合、回転の長期停止後や分解保守の後であって残留磁気が減り過ぎていても、また低速回転であっても、確実に発電を開始することができる。自励式の発電機では、回転するに従って磁束が増大するため、初期励磁に必要な磁力は極小さな磁力で済む。このため、初期励磁手段が着磁手段であれ、また永久磁石であれ、軽微なもので済む。なお、上記の「着磁」とは、磁化処理の終了後に残留磁気が生じるように磁化することを言う。着磁手段が簡単な構成で済む。

この発明の発電機は、出力巻線が巻かれた出力鉄心と、主界磁巻線および副界磁巻線が巻かれた界磁鉄心とを備え、前記出力鉄心と前記界磁鉄心のいずれか一方がステータとなり、他方がロータとなり、前記ステータとロータとの相対回転により発電電力を得る自励式の発電機において、
前記主界磁巻線に並列に整流素子が接続され、前記副界磁巻線に直列に整流素子が接続され、この副界磁巻線と整流素子が直列に接続された回路が、前記主界磁巻線と並列に接続されていて、前記主界磁巻線に流れる電流と同じ方向の電流のみが前記副界磁巻線に流れ、
前記ロータの回転中心に対して垂直な断面の断面積につき、前記界磁鉄心に設けられて前記副界磁巻線が収められる副界磁巻線スロットの断面積が、前記界磁鉄心に設けられて前記主界磁巻線が収められる主界磁巻線スロットの断面積よりも小さいため、自励式でありながら、高い出力密度が得られる。

この発明の第１の実施形態にかかる発電機の発電機本体を示す破断正面図である。 同発電機の発電機本体を直線状に展開して示す説明図である。 同発電機の電気回路構成を示す回路図である。 同発電機の主界磁巻線スロットおよび副界磁巻線スロットを示す部分拡大断面図である。 同発電機の磁場解析を行ったモデルの説明図である。 同発電機の磁場解析の結果を示すグラフである。 この発明の他の実施形態にかかる発電機の発電機本体を示す破断正面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる発電機の発電機本体を示す破断正面図である。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１はこの発電機の発電機本体の破断正面図、および外部負荷の電気回路図を組み合わせた説明図、図２は同図の発電機本体１の磁極の一極対を直線状に描いた模式図、図３は同発電機本体の電気回路である。

図１おいて、この発電機は、発電機本体１が、環状のステータ４と、このステータ４の内側にステータ４の中心周りで回転自在に設置されたロータ５とで構成される。ステータ４は出力鉄心６と出力巻線７とからなる。この実施形態は８極発電機に適用した例であり、出力鉄心６は、円環状のヨーク部６ａの円周方向８箇所に、内側へ突出する歯状の磁極部６ｂが形成されている。各磁極部６ｂに前記出力巻線７が巻かれている。各磁極部６ｂの出力巻線７は、図２に示すように、出力鉄心６の隣り合う磁極部６ｂの内径側を向く磁極面に互いに異なる磁極Ｎ，Ｓが現れるように、隣合う磁極部６ｂの巻線が直列に接続されている。出力巻線７の両端が端子７ａ，７ｂとなり、これら端子７ａ，７ｂに図１のように外部負荷３を接続し、発電機から電流を外部に取り出す。

ロータ５は、界磁鉄心８と、この界磁鉄心８に巻かれた主界磁巻線９および副界磁巻線１０とからなる。界磁鉄心８は、中心孔を有する鉄心本体８ａの外周に、外径側へ突出する複数の歯状の磁極部８ｂが円周方向に並んで設けられている。主界磁巻線９と副界磁巻線１０も、出力巻線７と同様に、隣合う磁極面に異なる磁極Ｎ，Ｓが現れるように直列に接続されている。副界磁巻線１０は、主界磁巻線９に対して位相を進ませた位置に巻かれている。主界磁巻線９および副界磁巻線１０の各直列接続体の両端の端子を、それぞれ符号９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂで図２に示す。

図３に示すように、主界磁巻線９には並列に整流素子１１が接続される。主界磁巻線９には整流素子１１が流すことができる向きの電流が流れる。そのため、主界磁巻線９では巻線に流すことができる電流によって決まる向きのみの磁束が発生する。また、電磁誘導により、電流がつくる磁束と同方向の磁束の減少を妨げる向きには電流が流れるが、磁束が増えるのを阻止する向きには電流が流れない。そのため磁束の減少は妨げられるが、磁束の増加は妨げられない。副界磁巻線１０は上記のように主界磁巻線９と位相をずらして巻かれている。副界磁巻線１０は直列に整流素子１２が接続され、主界磁巻線９に流れる電流と同じ方向の電流のみが流れるようになっている。図中の矢印は電流の流れる方向を示す。

図４に拡大して示すように、界磁鉄心８における主界磁巻線９が巻かれる磁極部８ｂ，８ｂ間の部分が主界磁巻線スロット９Ａであり、副界磁巻線１０が巻かれる磁極部８ｂ，８ｂ間の部分が副界磁巻線スロット１０Ａである。主界磁巻線スロット９Ａには主界磁巻線９が隙間なく収められ、副界磁巻線スロット１０Ａには副界磁巻線１０が隙間なく収められる。

上記構成において、この発電機では、副界磁巻線スロット１０Ａの断面積（ハッチングで示す範囲の面積）は、主界磁巻線スロット９Ａの断面積（上記と逆方向のハッチングで示す範囲の面積）よりも小さくしている。この実施形態では、副界磁巻線スロット１０Ａの断面積を、主界磁巻線スロット９Ａの断面積の７〜４０％としている。

上記構成の動作を説明する。出力鉄心６または界磁鉄心８の残留磁気により主界磁巻線９に電流が流れる。この電流による主界磁巻線９がつくる磁束により副界磁巻線１０に鎖交する磁束が変化して、副界磁巻線１０に電圧が発生する。この電圧で副界磁巻線１０が主界磁巻線９に整流素子１２を介して電流を供給して、主界磁巻線９に流れる電流を増加させる。副界磁巻線１０に電圧が誘起されずに電流を供給していない時、主界磁巻線９には整流素子１１を通して還流電流が流れ、主界磁巻線９の磁束を維持する。主界磁巻線９に電流が供給され、主界磁巻線９がつくる磁束が大きくなるので、副界磁巻線１０に鎖交する磁束も大きくなり、さらに大きい電流が主界磁巻線９に供給される。このように主界磁巻線９の電流が次第に増加し、発電に必要な界磁磁束がつくられる。

出力鉄心６と界磁鉄心８の相対運動により出力巻線７の鎖交磁束が変化して、出力巻線７に電圧が発生する。この場合に、副界磁巻線スロット１０Ａの断面積を大きくすると、線径を太くして副界磁巻線１０の電気抵抗値を小さくすることができるが、界磁鉄心８の磁気抵抗が大きくなる。逆に副界磁巻線スロット１０Ａの断面積を小さくすると磁気抵抗は小さくなるが、副界磁巻線１０の線径が細くなって電気抵抗値が大きくなる。磁気抵抗値と電気抵抗値のバランスにより界磁の強さが変化する。界磁の強さによって発電される出力が変化する。

この実施形態では、上記のように副界磁巻線スロット１０Ａの断面積は、主界磁巻線スロット９Ａの断面積よりも小さくしている。そのため、副界磁巻線スロット１０Ａの断面積の方が大きい場合よりも高い出力が得られた。特に、副界磁巻線スロット１０Ａの断面積を、主界磁巻線スロット９Ａの断面積の７〜４０％とした場合に、最も高い出力が得られ、他励磁発電機よりも効率が良く、高い出力密度を得ることができる。

上記のスロット断面積の比率による出力の違いを確認するため、図５に示す解析モデルで磁場解析を実施した。この解析モデルは、図１に示す実施形態をモデル化したものである。外径φ３２３mm、積厚８５mm、出力鉄心６及び界磁鉄心８の材質は電磁鋼板とする。副界磁巻線１０が位相を進ませた位置に巻かれている。各界磁巻線９，１０には図２の様に整流素子１１，１２が接続されている。出力巻線７ には外部負荷３となる抵抗が接続されている。

主界磁巻線９と副界磁巻線１０の巻き数を一定にして、副界磁巻線スロット１０Ａの断面積を変えて発電機の出力と効率を計算した。その結果を図５に示す。同図に示すように、副界磁巻線スロット１０Ａの断面積が主界磁巻線スロット９Ａの断面積に対し７〜４０％のときに、最も出力が高くなった。

図７は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図１〜図６に示す第１の実施形態において、初期励磁手段として、発電の初期励磁が必要な磁力を発生することが可能な程度に、前記出力鉄心６および界磁鉄心８のいずれか一方または両方の鉄心６，８を着磁する着磁手段２を設けたものである。図示の例では、出力鉄心６を着磁するように前記着磁手段２を設けている。

具体的には、出力巻線７に、スイッチング手段１３を介して着磁用電源１４が外部負荷３と並列に接続してある。前記着磁用電源１４とスイッチング手段１３とで前記着磁手段２が構成される。スイッチング手段１３は、半導体スイッチッング素子または有接点のスイッチが用いられる。着磁用電源１４は２次電池またはコンデンサ等の蓄電手段である。外部負荷３が２次電池の場合は、それを着磁用電源として用いても良い。

着磁をするには、所定の大きさの電流を極短時間流せば良い。着磁の程度は、発電の開始のための初期励磁に必要な残留磁気が得られる程度で良く、電流の大きさとスイッチング手段１３のオン時間とで定められる。スイッチング手段１３の開閉操作は、開閉制御手段１５によって行われる。開閉制御手段１５は、例えば、ロータ５の回転を検出する回転検出手段１６の検出信号を監視し、ロータ５が静止状態から回転を開始したことが検出されると、スイッチング手段１３を着磁に必要な設定時間だけオンさせる。なお、ロータ５の回転の停止時間が短い場合は残留磁気が十分に残っているため、開閉制御手段１５は、設定時間以上のロータ５の停止の後に回転を開始した場合のみスイッチング手段１３をオンさせるなど、設定条件に従ってスイッチング手段１３をオンさせるように制御としても良い。また、所定の回転数になっても発電を開始しない時だけ着磁をするようにしてもよいし、所定の時間ごとに発電機の回転が停止しているときに着磁をしてもよい。

上記のように、ロータ５が回転を行っている間に発電を行うが、ロータ５がある程度長い時間を停止していると、出力鉄心６および界磁鉄心８のいずれにも残留磁気がなく、または残留磁気が不十分であって、発電を開始できない。そこで、この実施形態では、ロータ５の停止後の回転の開始時に、着磁手段２のスイッチング手段１３をオンにして着磁用電源１４から出力巻線７に着磁電流を流し、出力鉄心６を着磁する。磁束は前記のように回転を続けると次第に大きくなるため、着磁の程度は、発電の開始のための初期励磁に必要な残留磁気が得られる程度で良い。そのため、着磁をするには、所定の大きさの電流を極短時間流せば良い。この着磁により、ロータ５の長時間の停止後にも、回転の再開により発電が確実に開始される。

図８は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、図１ないし図６に示す第１の実施形態において、初期励磁手段として、初期励磁用磁石３１を設けた例である。初期励磁用磁石３１は、同図に示すように、界磁鉄心８に初期励磁用磁石３１を埋め込んだものである。初期励磁用磁石３１は、発電の初期励磁に必要な磁力を発生させる永久磁石であり、初期励磁に必要な磁力を確実に発生できるように余裕を考慮した範囲で、出来るだけ小さな物が用いられる。また、初期励磁用磁石３１には希土類磁石に比べて安価なフェライト磁石が用いられる。この初期励磁用磁石３１は、発生する磁束の向きが、前記主界磁巻線９に流れる励磁電流がつくる磁束の向きと同じとなる向きとされる。初期励磁用磁石３１の個数は任意でよく、一つであっても良い。また、出力鉄心６の磁極数に応じた個数としても良い。

初期励磁用磁石３１は、界磁鉄心８の突出した磁極部８ｂの軸方向厚さの全体に渡るものとしている。初期励磁用磁石３１は、この他に、界磁鉄心８の磁極部８ｂにおける前記出力鉄心６と対向する面間に埋め込んだものであっても良い。

この実施形態の場合、長時間の発電停止等によって出力鉄心６および界磁鉄心８のいずれにも残留磁気がなくなり、または残留磁気が不十分となっても、初期励磁用磁石３１の発生する磁束により、回転の再開により発電が確実に開始される。初期励磁用磁石３１は、初期励磁に必要な磁力を発生する永久磁石であるため、通常の発電電力を得る永久磁石に比べて極弱い磁力を発生する磁石で済む。そのため、高価なレアメタルは不用で、フェライト磁石等の安価な材料で済み、また小さな磁石で済み、コギングトルクも実用上で問題とならない程度となる。

なお、上記各実施形態の発電機によると、次の利点も得られる。主界磁巻線９を用いて励磁を行う自励式であるため、永久磁石や、外部からの他励のための給電を行う外部電源を必要とせずに発電が行える。永久磁石を用いないため、コギングトルクが発生せず、小さなトルクでロータ５を回転させることができる。

また、上記各実施形態では、ステータ４側を出力鉄心６、ロータ５側を界磁鉄心８としたが、これとは逆にステータ４側を界磁鉄心８とし、ロータ５側を出力鉄心６としても良い。また上記実施形態では８極発電機としたが、２極、４極、６極、１６極など、２の倍数の多極の発電機としても良い。

１…発電機本体
２…着磁手段（初期励磁手段）
３…外部負荷
４…ステータ
５…ロータ
６…出力鉄心
６ａ…ヨーク部
６ｂ…磁極部
７…出力巻線
８…界磁鉄心
８ａ…鉄心本体
８ｂ…磁極部
９…主界磁巻線
９Ａ…主界磁巻線スロット
１０…副界磁巻線
１０Ａ…副界磁巻線スロット
１１…整流素子
１２…整流素子
３１…初期励磁用磁石（初期励磁手段）

Claims (3)

1. 出力巻線が巻かれた出力鉄心と、主界磁巻線および副界磁巻線が巻かれた界磁鉄心とを備え、前記出力鉄心と前記界磁鉄心のいずれか一方がステータとなり、他方がロータとなり、前記ステータとロータとの相対回転により発電電力を得る自励式の発電機において、
   前記主界磁巻線に並列に整流素子が接続され、前記副界磁巻線に直列に整流素子が接続され、この副界磁巻線と整流素子が直列に接続された回路が、前記主界磁巻線と並列に接続されていて、前記主界磁巻線に流れる電流と同じ方向の電流のみが前記副界磁巻線に流れ、
   前記ロータの回転中心に対して垂直な断面の断面積につき、前記界磁鉄心に設けられて前記副界磁巻線が収められる副界磁巻線スロットの断面積が、前記界磁鉄心に設けられて前記主界磁巻線が収められる主界磁巻線スロットの断面積よりも小さいことを特徴とする発電機。
2. 請求項１に記載の発電機において、前記副界磁巻線スロットの断面積を、前記主界磁巻線スロットの断面積の７〜４０％とした発電機。
3. 請求項１または請求項２に記載の発電機において、発電の初期励磁に必要な程度に、前記出力鉄心および界磁鉄心のいずれか一方または両方に磁力を付与する初期励磁手段を設けた発電機。

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