JPH01103143A - 自励ブラシレス同期発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は自励ブラシレス発電機に係わり、特に界磁磁極
に励磁用電機子巻線を設けてなるものに関する。

〔従来の技術およびその問題点〕

従来のブラシレス交流発電機は主発電機の回転軸に界磁
巻線の励磁専用の励磁機を直結したものと小容量の機械
に利用されるコンデンサ励磁方式のブラシレス発電機と
がある。

しかしながら、このように構成すると同一シャフト上に
主発電機と励磁専用の励磁機とを設置するため機械の寸
法、重量の点で問題がある。またコンデンサ励磁方式の
場゛合はコンデンサの容量が大きくなり機械の寸法、重
量の問題がありかつ電圧の立上がりの問題もある。

また野外作業用の携帯用発電機にあっては長時間装置さ
れていて発電機の残留電圧がなくなっていることがあ−
るから界磁鉄心に永久磁石を埋め込むとかエンジン始動
用のダイナモ回路を利用し初期励磁を与えて解決してい
る。

しかし、前者は加工上の問題があり、後者は励磁立上が
り時に初期励磁回路を切離す必要がある。

さらに従来、波形改善の目的で、固定子か回転子の鉄心
をスキューさせている。これは小形の電動工具に多用さ
れている電子制御回路に悪影響を及ぼし、電動工具の誤
動作を招く高調渡分を除去するために行われている。

しかし、このスキューを施すにはシャフトおよび積層鉄
板のキー溝もスキューさせる必要があり加工上の問題や
巻線の自動化困難などの問題がある。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、主ａ電機
を励磁するための励磁機とかコンデンサを必要とせずに
電圧立ち上がりが可能な自励ブラシレス発電機を提供す
ることである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的達成のため、本発明では、 固定子に主電機子巻線が、回転子に主界磁巻線がそれぞ
れ巻装された同期発電機において、前記固定子側のダミ
ースロットに立上げ兼用の励磁用界磁巻線を巻装し、一
方前記回転子の主界磁磁極面に電圧補償兼用の励磁用電
機子巻線を巻装し、稜励磁用電機子巻線に整流子を介し
て主界磁巻線を接続したことを特徴とする自励ブラシレ
ス同期発電機を提供するものである。

〔作　用〕

このような構成による動作は次の通りである。

始動に際しては残留磁束が自己確立しにくい。そこで固
定子側のダミースロットに巻装された励磁用界磁巻線に
初期励磁用電源から他励磁で電力を供給して該他励磁用
界磁巻線に微量の磁束を発生させ、回転子の励磁用電機
子巻線に微弱な電流を発生させる。この電力は回転子の
整流器で整流され界磁巻線に供給され界磁鉄心を磁化す
る。界磁鉄心に発生した磁束はまた固定子側の励磁用界
磁巻線に鎖交して該巻線に各位相差分だけの環流電流が
流れ、これが漸次増幅されていき無負荷電圧が確立され
る。

次いで、出力巻線に負荷を接続すると、前記主界磁磁極
面に巻装された電圧補償兼用の励磁用電機子巻線に、負
荷電流に比例した電機子反作用により負荷電流に比例し
た起電力が誘起され、この起電力が前記整流器を介して
界磁巻線に供給され出力端子電圧を補償するように作動
する。

またこの補償によって固定子の励磁用界磁巻線に発生す
る起電力の増大を押えるために該巻線をオーブンクロス
結線している。さらに機械的には主界磁鉄心をスキュー
することにより出力電圧波形が改善され、しかも回転子
の励磁用電機子巻線に対してはスキューされていないた
め規定の電圧を発生する。

（発明の効果〕 本発明は上述のように、固定子に主電機子巻線が、回転
子に主界磁巻線がそれぞれ巻装された同期発電機におけ
る固定子のダミースロットに立ち上げ専用の励磁用界磁
巻線を巻装し、一方回転子の主界磁磁極面に電圧補償兼
用の励磁用電機子巻線を巻装し、該励磁用電機子巻線に
整流器を介して主界磁巻線を接続したため、従来のよう
に励磁専用の励磁機を設ける必要がなく、簡単かつ小形
でありながら電圧を自己確立できる自励ブラシレス発電
機を提供することができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例の固定子および回転子を軸方
向から見た状態を示したもので、同一において、１は固
定子鉄心、２は回転子鉄心である。

固定子鉄心１にはスロット３を有し、該スロット３に主
電機子巻線４を巻装する。３ａはダミースロットである
。一方、回転子鉄心２には、軸心を中心にして対向する
位置に収嵌凹部５゛を有し、該収嵌凹部５に主界磁巻線
６を巻装する。主界磁巻線６の磁極数は、２極となって
おり、又回転にはエンジンによって回転させるようにな
っている。

上記ダミースロット３ａには、立上げ兼用の励磁用界磁
巻線７を巻装する。又、回転子鉄心２の各磁極面２ａに
もスロット８を形成する。スロット８は各磁極の中心の
仮想線りを中心にして所定の角度θを持たせた左右対称
の位置に形成する。第２図は、スロット８に電圧補償兼
用の励磁用電機子巻線９をどのように巻装するかを示し
たものである。

第３図（ａ）、（ｂ）は励磁用界磁巻線７の結線方法を
示したものである。上記励磁用界磁巻線７は、第１図に
示す左右のそれぞれにつき、中央で２分割し、分割した
各々の巻線７ａ〜７ｄにつき、第３図（ａ）に余す如く
、相互間でオーブンクロス形式にそれぞれ接続し、オー
ブンクロス形式に接続したものをそれぞれ初期励磁用電
源１０に対して並列に接続する。

初期励磁用電源１０は、エンジン始動用バッテリやエン
ジンダイナモなどの直流電源を利用する。

電圧補償兼用の励磁用電機子巻線９は、第３図（ｂ）に
示すように整流器１１を介して主界磁巻線６に接続する
。

第４図は本発明に係る発電機全体の回路構成を示したも
ので、第３図（ｂ）に結線が示された主界磁巻線６と磁
気作用する主電機子巻線４は、出力端子１２を介して負
荷に接続するようになっている。

次に、上記構成の初期励磁回路付き自励単相ブラシレス
同期発電機の動作について説明する。まず、図示しない
エンジンにより上記単相ブラシレス同期発電機の回転子
を回転させると、始動時には発電機自体の残留磁束量が
少ないため、このままでは出力電圧が確立されない。こ
のため、ダミースロット３ａに巻装された励磁用界磁巻
線７に初期励磁用電源１０で通電させ、これにより励磁
用界磁巻線７からΦＳなる磁束が生ずる。つまり、初期
励磁用電源１０から引出し端子１３．１４間に通電させ
れば、まず巻線７ａに電流が流れて磁束ΦＳが発生し、
これによりＳ極となり、更に巻線７ａから巻線７ｂにも
電流が供与されて、この巻線７ｂによりＮ極の磁極が生
ずる。従って、上記Ｎ極から磁束ΦＳが出てＳ極に入る
ような状態となる。他方の巻線７ｃ、７ｄも、同様に初
期励磁用電源１０により通電され、巻線７ＣがＮ極とな
って磁束ΦＳが出て、巻線７ｄによってＳ極となった磁
極に入るような状態となる。上記各巻線７ａ〜７ｄから
生じた磁束ΦＳは、励磁用電機子巻線９と鎖交して、励
磁用電機子巻線９に微小な起電力を誘起せしめる。励磁
用電機子巻線９に生じた起電力は、整流器１１を介して
主界磁巻線６に供与されて、該主界磁巻線６を励磁する
。主界磁巻線６が励磁されると、主電機子巻線４に微小
な起電力が誘起し、又主界磁巻線６が励磁されると、ダ
ミースロット３ａに巻装された励磁用界磁巻線７にも起
電力が誘起され、この繰返しによって発電機出力が定格
電圧に確立される。上記の如く電圧が確立された後にお
いては、励磁用界磁巻線７に、基本波成分と高周波成分
の起電力が誘起される。基本波成分の起電力は、主界磁
巻線６により形成された界磁極に対応して誘起される。

−方、高周波成分の起電力は、回転子鉄心２の形状や各
磁極面に有するスロット８の存在によって誘起される。

励磁用界磁巻線７の各巻線７ａ〜７ｄは、オーブンクロ
スに結線しであるから、各巻線７ａ〜７ｄに誘起された
基本波成分の起電力が互いに打ち消し合って流れない。

一方、高周波成分の起電力は、磁極の形状やスロット３
などによる歪波の位相にずれが生じて互いに打ち消され
ずに残留し、これにより各巻線７ａ〜７ｄ間に還流電流
が生じ、高周波の交番磁極を形成し励磁する。

つまり、各巻線７ａ〜７ｄには上記ΦＳに還流電流によ
り生ずる磁束ΔΦＳが加わり、この磁束ΦＳ＋ΔΦＳを
電圧補償兼用の励磁用電機子９が鎖交して、電圧補償兼
用の励磁用電機子９にそれぞれΦＳ十ΔΦＳに対応する
誘起電圧Ｅ＋Δｅが生じて、更に主界磁巻線６に供与し
、定格出力を得ると共に、各巻線７ａ〜７ｄ間に定格出
力に見合う還流電流が流れる。従って、励磁用電源１９
を励磁用界磁巻線７から切離しても各巻線７ａ〜７ｄ間
に定格出力を得るのに充分な還流電流が流れ続ける。

次に出力端子１２に負荷を接続すると負荷電流が出力巻
線４を流れ第４図（ｂ）に示すように反作用磁束φａが
固定子鉄心１から回転子鉄心２を通って流れる。なおφ
０は界磁磁束である。単相の場合、電機子佳作用磁束φ
ａは出力周波数と同じ周波数で出力巻線４の巻線位置に
より一定の所で増減をくり返し出力巻線４の上記一定の
所は電機子反作用磁束の発生部として一種の磁極とにる
。

この見かけの界磁極に対応し回転子鉄心２の磁極面にス
ロットを設けて施すようにしたので、負荷電流に比例し
た反作用磁束により、この巻線に誘起する起電力もまた
負荷電流に比例して発生し、この起電力は正隆起１１を
介して界磁巻線６に供給され出力端子電圧を補償するよ
うに作動する。

第５図は励磁用界磁巻線の他の接続方法による不具合を
示したものである。すなわち、仮りに、上記巻線７ａ〜
７ｄをオーブンクロス形式とせずに、第５図に示す如く
、単に直列に接続すれば、矢印に示す如く、主界磁巻線
６による界磁・磁束で各巻線７ａ〜７ｄに起電力ｅが誘
起し、この起電力ｅが各巻線７ａ〜７ｄ間に大きな値の
還流電流として流れて、各巻線７ａ〜７ｄを焼損すると
いった事態が発生する。しかし、各巻線７ａ〜７ｄをオ
ープンクロス形式に結線したことで、上記の如く各巻線
７ａ〜７ｄに誘起された起電力が高周波成分を除いて互
いに打ち消し合うので大きな値の還流電流が流れるとい
ったことははない。

第６図は２極機に本発明を適用した場合の実施例を示し
ており、１００は本発明にかかる２極機の界磁鉄心の正
面形状を示している。この界磁鉄心は２つの磁極頭を有
しており、各磁極頭には図における上下各方向端部に磁
極面を有する。各磁極面には２つづつのスロット１０１
が設けられており、また磁極面近傍には重量バランス：
Ｊ３ｇｌ用の穴１０２ａ、１０２ｂが設けられている。

そして、図における左右方向に磁極頭縁部を有する。こ
れら磁極頭縁部は図における左右方向への突出長がそれ
ぞれ異なっており、最も大きな突出長を有する磁極頭縁
部がａで、以下す、ｃ、ｄの順に突出長が小さくなる。

突出長はこの場合４段階に変化している。そしてこの４
段階は次のように設定されている。

すなわち図における４つの磁極頭縁部における磁極面端
部と界磁鉄心の中心部とを結んで延長した８本の線Ａ−
Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ，Ｄ−ＤおよびＡ’　−Ａ’　、Ｂ
’　−Ｂ’　、Ｃ’　−Ｃ’　、Ｄ’　−Ｄ′を考えた
とき、これら８本の線は４本づつ等角度αの間隔で配置
されている。磁極頭縁部における磁極面端部とは、磁極
面が途切れる点をいい、磁極面の円弧と磁極縁部の図に
おけるＹ−Ｙ方向に平行な線との交わる点を指す。

このように磁極頭縁部が各別に切取られる結果、界磁鉄
心の正面形状は非対称になる。そしてこの非対称に応じ
た重量アンバランスを調整するために界磁鉄板１００に
は孔１０２ａ、１０２ｂが明けられている。この孔は重
量バランスを取り得る限りどのようなものでもよい。

第７図は第６図に示した界磁鉄板１００を用いて構成し
た界磁鉄心を第６図におけるＡ−Ａ線方向から見たもの
である。この第７図から見て取れるように界磁鉄板の総
積み厚をＬとした場合、４ブロツクに分けて各ブロック
をＬｌ、Ｌ２．Ｌ３゜Ｌ４づつ櫃み上げる。そしてこれ
ら４ブロツクの各々は界磁鉄板１００の一方の磁極面を
用いたものが２ブロツク、他方の磁極面を用いたものが
２ブロツクである。すなわち一方の磁極面は磁極縁部ａ
およびｄを有し、他方の磁極面は磁極縁部すおよびＣを
有する。そして縁部ａ、ｄを有する磁極面については一
つのブロックは縁部ａが右側、もう一つのブロックは縁
部ｄが右側となるように配し、縁部す、　　ｃを有する
磁極面については一つのブロックは縁部すが右側、もう
一つのブロックは縁部Ｃが右側となるように配する。

これ力木発明の界磁鉄板を用いると簡単に実現できる。

すなわち第６図の位置で界磁鉄板を積層と、ブロックＬ
Ｌとなし、次に積層する界磁鉄板を第６図の位置からＸ
軸を中心にして１８０度回転して積層し、ブロックし２
とする。次に積層する界磁鉄板を第６図の位置からＸ軸
を中心にして１８０度回転し、更にＹ軸を中心にして１
８０度回転して積層しブロックし３とする。最後にＹ軸
を中心にして１８０度回転して積層し、プロッりＬ４と
すれば第７図のごとく積層し、全ブロックＬが得られ、
最上部のブロックから最下部のブロックまでで１スロッ
ト分のスキューＰが得られる。つまり１スロット分のス
キューが得られるように磁極頭縁部を設定する。

これを第８図に示す従来の界磁鉄心のスキニー方法と比
べるとその簡便性が容易に理解されるであろう。第８図
の界磁鉄心では、第６図における角度αに相当するθを
各界磁鉄板毎に異ならせて磁極頭縁部を順次具なる位置
で切落としてスキューを達成する訳であるが、このよう
に磁極頭縁部を切り揃えることは非常に煩雑である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に一実施例を示す軸方向から見た正面図
、第２図は同実施例における回転子の励磁用電機子巻線
の巻装状態を示す結線図、第３図は第１図に示した各巻
線の結線状態を示す図、第４図（ａ）は上記実施例の凹
路図、（ｂ）は電機子反作用磁束による出力端子電圧補
償説明図、第５図は同実施例における励磁用界磁巻線を
直列接続した場合の不具合を説明する図、第６図は本発
明の一実施例に用いる界磁鉄板の正面図、第７図は第６
図の界磁鉄板を用いて構成した本発明の一実施例におけ
る一界磁極の平面図、第８図は従来の方法で界磁鉄心の
スキューを施した場合の第７図と同様な平面図である。 １・・・固定子鉄心、２・・・回転子鉄心、３＋３ａ。 ８・・・スロット、４・・・主電機子巻線、６・・・主
界磁巻線、７．７ａ〜７ｄ・・・励磁用界磁巻線、９・
・・電圧補償兼用の励磁用電機子巻線、１０・・・初期
励磁用電源、１１・・・整流器、１００・・・界磁鉄板
、１０１・・・スロット、　１０２・・・穴、ａ、ｂ、
ｃ、ｄ・・・磁極頭縁部。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　固定子に主電機子巻線が、回転子に主界磁巻線がそ
   れぞれ巻装された同期発電機において、前記固定子側の
   ダミースロットに立上げ兼用の励磁用界磁巻線を巻装し
   、一方前記回転子の主界磁磁極面に電圧補償兼用の励磁
   用電機子巻線を巻装し、該励磁用電機子巻線に整流子を
   介して主界磁巻線を接続したことを特徴とする自励ブラ
   シレス同期発電機。 ２　特許請求の範囲第１項記載の発電機において、 前記主界磁巻線は、磁極頭の縁部突出長が４段階に異な
   って設定された非対称形状に打ち抜かれた界磁鉄板を、
   この界磁鉄板の中心を含む面におけるＸ軸、Ｙ軸に関し
   て反転しつつ積層することによりスキュー効果をもたせ
   た界磁極に巻装された自励ブラシレス同期発電機。