JPH06269151A - ブラシレス同期発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 直流励磁のためのブラシ構成も、特別の励磁
回路構成をも必要とせず、発電機の出力電圧の制御が簡
単に行えるブラシレス同期発電機を得る。 【構成】 三相スター結線した電機子巻線３の端子間に
コンデンサＣと接続し、三相の補助巻線４とサイリスタ
ＳＣＲを直列接続した補助回路５とから構成する固定子
側１と、回転子巻線６を設けて三相スター結線に接続す
ると共に該回転子巻線６の線間に並列にダイオード
Ｄ_２，Ｄ_３を接続した回転子側２とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自己励磁式同期発電機に
関し、スリップリング等を介した外部からの励磁電流を
必要とせず、また特別の励磁回路を設けることなく負荷
に対応可能としたブラシレス同期発電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に同期発電機の固定子に負荷として
コンデンサを接続した、無励磁同期発電機の容量負荷に
よる自励発電がある。図１にこの例を示す。図１におい
て無励磁の回転子１と、出力端子ａ，ｂ，ｃ間にスイッ
チＳを介し、コンデンサＣを接続した固定子２とによっ
て同期発電機３を構成した場合、たとえ回転子が無励磁
であっても、回転子を回転させると回転子の残留磁気に
よってきわめて低い起電力が固定子の電機子巻線に誘導
される。この時の電機子進み電流Ｉに対する端子電圧Ｖ
の関係は図２の直線Ａ´のようになる。ただし、これは
飽和を無視した場合であり、実際の発電機では磁路の飽
和が起こるため、発電機のＶ−Ｉ特性はＡで示す飽和曲
線となる。

【０００３】更にコンデンサＣを負荷として接続した場
合の自励発電について説明する。負荷として接続したコ
ンデンサＣの端子電圧Ｖとその充電電流Ｉとの間には、
周波数をｆとすれば次の関係が明らかである。

【０００４】

【数１】Ｉ＝２πｆｃＶ この関係を図２に示すと直線Ｂの充電特性曲線となる。
自励発電では残留磁気による起電力でコンデンサＣに９
０°の進み電流が流れ、これによって固定子の電機子端
子電圧Ｖが上昇し、更にそれに応じて充電電流が増加す
るというくり返しで飽和曲線Ａと充電特性曲線Ｂとの交
点Ｐで電圧と電流は安定して、発電を持続していくこと
になる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ここで発電機の出力端
子ａ，ｂ，ｃに負荷を接続すると電圧降下が発生する。
この電圧降下は負荷が大きく負荷力率が低いほど大き
い。ここでこの電圧降下を補償することが必要となる。
これは回転子の残留磁気による自励発電になっているた
めで、このままでは通常の使用に耐えることはできな
い。一般に同期発電機は直流機と同様に界磁磁束を作る
ため磁極をもっている。この磁極は小型の同期発電機で
は永久磁石を使用することもあるが直流励磁を行うのが
一般的となっており、この直流励磁のために別の励磁機
を必要としている。この励磁装置としては直流電源から
直接供給するもの、あるいは交流を供給して整流するも
の、更に交流電源と整流器とにより直流を供給するもの
など様々であるが、いずれも装置が大型になるというこ
とと、回転子に磁界を形成するためにブラシを介して回
転子に電流を流すという構成を必要とし、保守が容易で
ないという欠点を有するものであった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような従来技術の欠
点を解決するために、回転子コアに三相の回転子巻線を
設けて三相スター結線すると共に該回転子巻線の２つの
巻線間に整流素子を接続した回転子と、前記回転子コア
に対向して周設した固定子コアを有し、該固定子に三相
スター結線にした電機子巻線を巻装しその出力端子間に
静電容量を接続した固定子と、前記固定子の電機子巻線
の同一相にそれぞれ巻線を設け該巻線に誘起する電圧の
総和が零にならないように直列結線して補助巻線とし該
補助巻線の端子をサイリスタ素子を介して接続した補助
回路とにより同期発電機を構成した。

【０００７】

【作用】本発明の同期発電機は、三相スター結線した回
転子巻線の２つの線間にダイオードを接続した回転子
と、三相スター結線にした電機子巻線とその出力端子間
に静電容量を接続した固定子及び固定子の電機子巻線の
同一相に補助巻線を設け該補助巻線に誘起する電圧の総
和が零にならないように直列結線してその端子をサイリ
スタを介して接続した補助回路とにより構成している。

【０００８】以上の構成において、回転子を他の電動
機、あるいは原動機で回転駆動すると回転子の残留磁気
により電機子巻線に電圧を誘起する。この電圧で静電容
量には９０°の進み電流が流れ、この進み電流によって
固定子の電機子端子電圧Ｖが上昇し、更にそれに応じて
充電電流が増加するというくり返しで電機子巻線の電圧
は大きくなる。最終的には電機子巻線の飽和曲線と静電
容量の充電特性との交点の電圧と電流に落ちつくことに
なる。これまでは従来の自励式同期発電機と同じ作用と
なる。

【０００９】さて、本発明においては固定子に電機子巻
線の他に補助巻線を設けてある。この補助巻線には、電
機子巻線に誘起した電圧による三相電機子電流により電
圧を誘起している。この電圧により補助回路の補助巻線
には、その回路のサイリスタ素子を介して整流電流が流
れるようになる。この整流電流には直流分と交流分が含
まれている。

【００１０】まず直流分は静止磁界を作り、回転子はこ
の静止磁界によって電圧を誘起するが、回転子には線間
に整流素子が設けてあるのでこの整流素子によって回転
子巻線には整流電流が流れ磁極を形成し、固定子の電機
子巻線の誘起電圧が大きくなるように作用するものであ
る。

【００１１】一方交流分は正相分と逆相分が存在する。
まず正相分は発電機の同期インピーダンスにより電圧を
降下させる作用をするが、逆相分は回転子の回転磁界と
は逆回転の磁界を作り、この回転磁界によって回転子に
電圧を誘起して回転子の線間に設けた整流素子によって
整流電流が流れて回転子の磁極を強くするように作用す
る。回転子の磁界が強くなると固定子電機子巻線の誘起
電圧が更に大きくなる。

【００１２】ここで補助回路にサイリスタ素子を設けて
おくと、サイリスタ素子の点弧角により整流電流を制御
することが可能で、このことによって電機子巻線の出力
端子からの出力電圧を制御することが可能となる。

【００１３】以上のように、ブラシレスの構成で自励式
の同期発電機を、固定子に補助巻線を巻装してサイリス
タ素子で接続した補助回路を設け、回転子巻線の線間に
整流素子を設けるという簡単な構成で実現可能となっ
た。

【００１４】

【実施例】図３により本発明の実施例を説明する。図３
に示すものは本発明のブラシレス同期発電機における固
定子と回転子の巻線部分だけを抜き出したものである。
まず符号１は同期発電機の固定子側を示し、符号２は同
じく回転子側を示している。

【００１５】まず固定子側１は、固定子コア（省略）に
スター結線の電機子巻線３を設けてある。該電機子巻線
３の出力端子ａ，ｂ，ｃのそれぞれの端子間には容量負
荷のコンデンサＣが設けてある。また前記電機子巻線３
の同一相にそれぞれ補助巻線４を設けサイリスタＳＣＲ
を介して直列に接続してあり補助回路５としてある。こ
の補助回路５の直列接続した補助巻線４は、同一相の電
機子巻線３の作用によって補助巻線４に誘起される電圧
の総和が常に零にならないような直列接続としてある。

【００１６】一方回転子側２は、回転子コア（省略）に
回転子巻線６を設け、この回転子巻線６をスターに接続
すると共に、該回転子巻線６の線間に並列に整粒素子と
してダイオ−ドＤ_２，Ｄ_３が接続してある。

【００１７】また説明の都合上各巻線に誘起する電圧を
次のように規定する。固定子の電機子巻線３に誘起する
電圧をＥ_１、電機子巻線の電圧によって補助巻線４に誘
起する電圧をＥ_２とする。また補助巻線６の電圧Ｅ_２に
よって回転子巻線６に誘起する電圧をｅとする。

【００１８】以上のように構成した本発明の同期電動機
は、前記回転子側２を他の電動機あるいは原動機によっ
て回転駆動することにより発電作用を行うものである。

【００１９】回転子側２を回転駆動すると回転子の残留
磁気により電機子巻線３にわずかの電圧を誘起する。こ
の電圧Ｖにより静電容量負荷のコンデンサＣには９０°
の進み電流が流れ、この進み電流によって固定子の電機
子電圧Ｖが上昇し、更にそれに応じて充電電流が増加す
るというくり返しで電機子巻線３の電圧Ｖは大きくな
り、最終的には電機子巻線の飽和曲線と静電容量の充電
特性との交点Ｐ（図２参照）に落ちつくことになる。

【００２０】本発明においては、その特徴として固定子
の電機子巻線３と同一相に補助巻線４を設けてある。ま
たこの補助巻線４は、それぞれの相の補助巻線４に誘起
する電圧の総和が零にならないように直列に接続すると
共に接続した補助巻線の端子をサイリスタＳＣＲを介し
て接続した補助回路５にしてあることに特徴を有するも
のである。

【００２１】この補助巻線４には、前述の電機子巻線３
に起動初期に誘起する電圧Ｖによって流れる電機子電流
により電圧Ｅ_２が誘起される。この電圧Ｅ_２により補助
回路５の補助巻線４にはその回路５のサイリスタＳＣＲ
を介して整流電流が流れるようになる。この整流電流に
は直流分と交流分とが含まれている。以下この直流と交
流に別けて説明する。

【００２２】まず整流電流の直流分は固定子側１に静止
磁界を作ることとなり、この静止磁界と、転駆動される
回転子の回転子巻線６とが鎖交し、補助回路５の静止磁
界による電圧ｅを誘起することになる。回転子巻線６の
線間にはダイオードＤ_２，Ｄ_３が設けてあるのでこの電
圧ｅによる電流は整流されることになり、結果として回
転子巻線６には整流電流が流れ、回転子に磁極を形成す
ることになる。この回転子に形成した磁極は固定子に対
して電圧を誘起するもので、起動初期に発生する固定子
の電圧Ｖに加わり、固定子の電機子巻線３全体の誘起電
圧Ｅ_１を更に高めるように作用するものである。このよ
うに電機子巻線３の誘起電圧Ｅ_１が大きくなればそれに
よって誘起される補助巻線４の電圧Ｅ_２も大きくなり、
この作用のくり返しにより電機子電圧Ｅ_１は実用可能な
電力を発生するものとなる。

【００２３】さて一方の整流電流の交流分の正相分と逆
相分とが存在する。まず正相分は発電機の同期インピー
ダンスにより電圧を降下させる作用をする。逆相分は回
転子の回転磁界とは逆回転の磁界を作っているので、回
転子巻線６はこの逆回転の磁界と鎖交することになり回
転子に電圧を誘起するように作用し、回転子には補助回
路５による整流電流の交流分のうち逆相分によっても電
圧を誘起して整流電流が流れるようになり、回転子の界
磁極を強くするように作用する。

【００２４】このように補助回路５の直流分と交流の逆
相分とによって、回転子の界磁が強められると固定子の
電機子巻線３の誘起電圧Ｅ_１は更に大きくなる。

【００２５】ところで、前述の補助回路５の補助巻線４
のように、巻線４のそれぞれに誘起する電圧の総和が零
にならないように補助巻線４を接続しておくと、補助巻
線４に流れる整流電流の交流分による電機子巻線３への
影響が無くなる。つまり、図３のサイリスタＳＣＲに流
れる整流電流の交流分の一方について見ると、この交流
分をｉとするとｉは図４のように流れている。このよう
に励磁巻線４に流れる交流電流がｉが主巻線３に補償電
流ｉ’を流すと仮定すると、中性点０においてキルヒホ
ツフの電流則が

【００２６】

【数２】ｉ≠２ｉ となって成立しない。したがって主巻線３には励磁巻線
４に流れる交流分ｉの補償電流ｉ’は流れないことにな
る。すなわち主巻線３と励磁巻線４の間の交流電流によ
る干渉はないということになる。結果的に励磁巻線４
は、大きい励磁インダクタンスを仮想的に有しこの仮想
励磁インダクタンスを通じて交流分ｉが流れるように作
用していることになる。

【００２７】ところで補助回路５のサイリスタＳＣＲ
は、その点孤角を制御するもので、この制御によるとこ
ろは、補助回路５を流れる整流電流を制御することで、
回転子巻線に誘起する電圧ｅを制御することになる。結
果として回転子の界磁をブラシレスで制御できるから、
発電機の出力、つまり電機子巻線３の誘起電圧を制御可
能となる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によると、固定子に
補助巻線を設けて、ここに誘起して流れる電流をサイリ
スタで制御するという補助回路を設け、回転子巻線の線
間にダイオードを接続するという、固定子への単純な巻
線の追加と、ありふれた制御素子の追加組み合せによ
り、直流電源を必要とせず、励磁用発電機も必要とせ
ず、保守のめんどうなスリップリングなども省略した、
簡単なブラシレス自励式同期電動機を提供可能とした。

【図面の簡単な説明】

【図１】無励磁同期発電機の容量負荷による自励発電を
示す回路図。

【図２】容量負荷における電機子の飽和曲線と容量負荷
の充電特性を示す図。

【図３】本発明のブラシレス同期発電機の巻線部分を抜
き出した回路図。

【図４】補助回路の交流分電流と電機子巻線の補償電流
を示す固定子の巻線部分だけを抜き出した図。

【符号の説明】

１ 固定子側 ２ 回転子側 ３ 電機子巻線 ４ 補助巻線 ５ 補助回路 ６ 回転子巻線 ＳＣＲ サイリスタ Ｄ_２ ダイオード Ｄ_３ ダイオード

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転子コアに三相の回転子巻線を設けて
   三相スター結線すると共に該回転子巻線の２つの線間に
   整流素子を接続した回転子と、前記回転子コアに対向し
   て周設した固定子コアを有し、該固定子コアに三相スタ
   ー結線にした電機子巻線を巻装しその出力端子間に静電
   容量を接続した固定子と、前記固定子の電機子巻線の同
   一相にそれぞれ巻線を設け該巻線に誘起する電圧の総和
   が零にならないように直列結線して補助巻線とし該補助
   巻線の端子をサイリスタ素子を介して接続した補助回路
   とにより構成したことを特徴とするブラシレス同期発電
   機。