JPH0641376U - 自励式界磁回転形交流発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】出力電圧波形の歪みが少なく、磁音の発生が少
ない自励式界磁回転形交流発電機を提供する。 【構成】回転子鉄心Ｒc の磁極部Ｒa 及びＲb の回転方
向に対して位相が遅れた位置で磁極部Ｒa 及びＲb の翼
部Ｒa1及びＲb1をそれぞれ取り囲む短絡巻線Ｗs及びＷs
´を設ける。これらの短絡巻線は、その固定子鉄心に
対向する部分Ｗsa及びＷsa´を、固定子鉄心のスロット
の長手方向に対して傾斜させた状態で設ける。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は自励式界磁回転形交流発電機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

自励式界磁回転形交流発電機の一種として、２相電機子巻線の一方を出力巻線 、他方をコンデンサ励磁巻線とした固定子と、突極形回転子鉄心に巻装した界磁 巻線の両端間に整流器を接続してなる回転子とを備えたブラシレス突極自励式の 同期電動機が知られている。

【０００３】 図７は従来のこの種の交流発電機の回路を示したのもので、同図においてＷL 及びＷc はそれぞれ出力巻線及びコンデンサ励磁巻線で、これら両巻線は同一の 固定子鉄心のスロット内に互いに電気角で９０度の位相差をもってそれぞれ同心 巻きで巻装されている。出力巻線ＷL の両端は負荷スイッチＳＷを介して負荷Ｌ に接続される。コンデンサ励磁巻線Ｗc の両端間にはコンデンサＣが接続されて いる。Ｗf は固定子の磁極面に対向する磁極部を両端に有する回転子鉄心Ｋに巻 装された界磁巻線で、該界磁巻線の両端間には整流器Ｄが接続されている。

【０００４】 この発電機の電圧確立の過程は次の通りである。先ず回転子鉄心Ｋの残留磁気 によりコンデンサ励磁巻線Ｗc に生ずるきわめて低い誘導起電力によって該コン デンサ励磁巻線Ｗc に進相電流Ｉc が流れ、この進相電流Ｉc による増磁作用に より自己励磁現象が生じて進相電流Ｉc が増大するとともに、コンデンサ励磁巻 線Ｅc の電機子反作用により界磁巻線Ｗf に逆相誘導起電力が生ずる。この逆相 誘導起電力が整流器Ｄにより半波整流されて界磁巻線Ｗf に界磁電流Ｉf が流れ る。これにより回転子鉄心Ｋが励磁されて出力巻線ＷL 及びコンデンサ励磁巻線 Ｗc に電圧が確立される。

【０００５】 この発電機では、負荷スイッチＳＷを閉じて負荷Ｌを接続すると、負荷電流Ｉ L と進相電流Ｉc との合成電機子反作用により界磁逆相誘導起電力が増加し、負 荷に対して複巻特性が顕著に現われて負荷端子電圧ＶL を一定に維持することが できる。そのため、ブラシレスであるという利点に加えて出力電圧の変動率が小 さいという利点があるので、この種の発電機は内燃機関により駆動される携帯用 エンジン・ジェネレータ等に多く用いられるようになってきた。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

近年携帯用エンジン・ジェネレータ等の発電機では、その負荷の多様化に伴っ て出力電圧の波形の歪み率が問題にされるようになってきた。この種の発電機に おいては、回転子を円筒形にするとともに固定子巻線を分布巻きにすれば、出力 電圧の波形を商用電源に匹敵し得る程度の正弦波形にすることができるが、回転 子を円筒形にしたり固定子巻線を分布巻きにしたりすると、量産性が低下して製 造コストが高くなるのを避けられない。

【０００７】 そのため従来のこの種の発電機では、両端に磁極部を有する突極形の回転子鉄 心を用いるとともに、固定子巻線を同心巻きしている。しかしながらこの場合に は、無負荷時及び負荷時の出力電圧波形がそれぞれ図８（Ａ）及び（Ｂ）に示す ように歪み、特に図８（Ａ）に示す無負荷時の出力電圧波形にはパルス状の電圧 の切り込みｅが生ずるという問題があった。これは界磁巻線に流れる界磁電流Ｉ f が実質的に零になる期間に界磁巻線が開路状態になって界磁束に変化が生じ、 これにより界磁巻線にパルス状の逆電圧が生じることによるものと思われる。

【０００８】 上記の出力電圧波形の歪みを改善する手段として、回転子鉄心の各磁極部の回 転方向に対して位相が遅れた位置に、固定子鉄心のスロットの長手方向に平行し た状態で溝を形成して、この溝内に銅線からなる短絡巻線を設けることが行われ ており、これにより出力電圧波形の歪みが改善されることが実測により確認され ている。これは、短絡巻線の作用により磁束波形及び電機子反作用の影響が変化 することによるものと考えられている。

【０００９】 しかしながら、短絡巻線を挿入する溝を固定子鉄心のスロットの長手方向と平 行に設けると、回転子の回転中に該溝と固定子鉄心のスロットの開口部とが軸線 方向の全域にわたって対向する状態が断続的に繰り返されるため、該溝の開口部 付近及び固定子鉄心の歯部の端部付近の磁束に脈動が生じて磁音が発生するとい う問題があった。

【００１０】 本考案の目的は、出力電圧の波形歪みを小さくできる上に、回転子の回転時に 生ずる磁音を小さくすることができる自励式界磁回転形交流発電機を提供するこ とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

本考案は、コンデンサ励磁巻線と出力巻線とを固定子鉄心のスロット内に巻装 してなる固定子と、この固定子の磁極面に対向する磁極部を両端に有する回転子 鉄心に界磁巻線を巻装して該界磁巻線の両端に整流器を接続してなる回転子とを 備えていて、出力巻線の出力電圧の波形歪みを減少させるために、回転子鉄心の 各磁極部の回転方向に対して位相が遅れた位置に形成された溝内に短絡巻線を設 けた自励式界磁回転形交流発電機に係わるものである。

【００１２】 本考案では、前記溝に起因して回転子の回転時に生ずる磁音を小さくするため に、短絡巻線の固定子鉄心に対向する部分を該固定子鉄心のスロットの長手方向 に対して傾斜させた状態で設けた。

【００１３】

【作用】

上記のように、回転子鉄心の各磁極部に形成された溝内に設けられる短絡巻線 の固定子鉄心と対向する部分を固定子鉄心のスロットの長手方向に対して傾斜し た状態で設けると、短絡巻線が設けられた溝と固定子鉄心のスロットの開口部と が長手方向の全域に亘って同時に対向する状態が生じることがないので、この溝 によって生ずる磁束の脈動を小さくすることができる。従って、発電機の量産性 を損なう構造とすることなく出力電圧の波形歪みを小さくできる上に、磁音の発 生を少なくすることができる。

【００１４】

【実施例】

図１は本考案の交流発電機の実施例を示したものである。同図においてＳは固 定子、Ｒは固定子Ｓの内側に配置されて回転する２極の回転子で、固定子Ｓと回 転子Ｒとにより自励式界磁回転形交流発電機が構成されている。

【００１５】 固定子Ｓは、環状の継鉄部３の内周側に多数（この例では３２個）のスロット Ｓt ，Ｓt ，…を形成した固定子鉄心Ｓc と、スロットＳt ，Ｓt ，…の一部（ この例ではスロット番号３２，１，１６，１７のスロット）を除く他のスロット 内に巻装された固定子巻線Ｗとからなっている。固定子鉄心Ｓc は所定の形状に 打抜かれた鋼板を積層したものからなっている。

【００１６】 固定子巻線Ｗは、出力巻線ＷL と、コンデンサ励磁巻線Ｗc とからなっている 。出力巻線ＷL は、図２の巻線図に示されているように、スロット番号が４−２ ９，５−２８，６−２７，７−２６及び８−２５の各対のスロット内にそれぞれ 同心的に巻装されたコイルからなる巻線ｗL1と、スロット番号が１３−２０，１ ２−２１，１１−２２，１０−２３及び９−２４の各対のスロット内にそれぞれ 同心的に巻装されたコイルからなる巻線ＷL2とを直列に接続したものからなって いる。またコンデンサ励磁巻線Ｗc は、スロット番号が３−１４及び２−１５の スロット内にそれぞれ同心的に巻装されたコイルからなる巻線Ｗc1と、スロット 番号が１９−３０及び１８−３１のスロット内にそれぞれ同心的に巻装されたコ イルからなる巻線Ｗc2とを直列に接続したものからなっている。

【００１７】 図１及び図２から分かるように、出力巻線ＷL とコンデンサ励磁巻線Ｗc とは 互いに機械角で９０度（電気角で９０度）の位相差をもって巻装されている。出 力巻線ＷL の出力端子間には負荷スイッチＳw を介して負荷Ｌが接続され、コン デンサ励磁巻線Ｗc の両端間にはコンデンサＣが接続されている。

【００１８】 回転子Ｒは、固定子Ｓの磁極面に対向する磁極部Ｒa ，Ｒb を両端に有する回 転子鉄心Ｒc に界磁巻線Ｗf を巻装して、該界磁巻線Ｗf の両端間にシリコンダ イオードからなる整流器Ｄを接続したものからなり、磁極部Ｒa 及びＲb の回転 方向（図示矢印方向）に対して位相が遅れた位置にそれぞれ設けられた溝Ｇ及び Ｇ´内に短絡巻線Ｗs 及びＷs ´が設けられている。

【００１９】 回転子鉄心Ｒc は所定の形状に打抜いて形成された鉄心片を積層したものから なっていて、図３に示すように中央部に回転軸取付け孔Ｈを有するほぼ王字形に 形成され、両端の磁極部Ｒa 及びＲb と回転軸取付け孔Ｈとの間にそれぞれコイ ル巻装部Ｒd ，Ｒe が形成されている。

【００２０】 界磁巻線Ｗf は、コイル巻装部Ｒd 及びＲe に合成樹脂からなるボビンＢを介 してそれぞれ巻装したコイルＷf1及びＷf2を直列に接続したものからなり、コイ ルＷf1及びＷf2の直列回路の両端にシリコンダイオードＤが接続されている。こ のダイオードＤはボビンＢに固定されている。

【００２１】 短絡巻線Ｗs 及びＷs ´は単線の銅線からなっていて、図３に示すように、磁 極部Ｒa 及びＲb の回転方向に対して位相が遅れた位置で該磁極部Ｒa 及びＲb の翼部Ｒa1及びＲb1をそれぞれ取り囲み、かつ固定子鉄心Ｓc に対向する部分Ｗ sa及びＷsa´が固定子鉄心のスロットの長手方向（回転子の軸線方向）に対して 傾斜した状態で設けられている。

【００２２】 図４（Ａ），（Ｂ）は短絡巻線を挿入するために回転子鉄心Ｒの磁極部に形成 された溝を示したものである。同図には短絡巻線Ｗs ´を挿入するために磁極部 Ｒb に設けられた溝Ｇ´が示されているが、磁極部Ｒa 側にも同様の溝Ｇが形成 されている。図４に示された溝Ｇ´は、磁極部Ｒb の外周面に形成された外側溝 部Ｇa ´と、磁極部Ｒb のコイル巻装部Ｒe 側の面に形成された内側溝部Ｇb ´ とからなり、内側溝部Ｇa ´と外側溝部Ｇb ´とは、両溝部を結ぶ直線が回転子 の磁極部Ｒa ，Ｒb の対向方向に対して角度θ1 を成すように設けられている。 また外側溝部Ｇa ´は、回転子の軸線方向に対して傾斜角θ2 をもって設けられ ている。外側溝部Ｇa ´の深さは短絡巻線を構成する銅線の直径よりやや大きく 選定されている。同図における溝部の傾斜角θ1 及びθ2 の大きさは、出力電圧 ＶL の波形歪み及び磁音が最小になるように、個々の形式の発電機について行っ た実験の結果に基づいて選定する。

【００２３】 上記の発電機の固定子Ｓは内燃機関のクランクケースに取り付けられ、回転子 Ｒは回転軸取付け孔Ｈを内燃機関の回転軸に嵌着することにより該機関に取り付 けられ、例えば回転子Ｒが３０００rpm （または３６００rpm ）で回転したとき に出力巻線ＷL に５０Ｈz （または６０Ｈz ）の交流電圧を出力する。

【００２４】 図５（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ上記発電機の無負荷時及び負荷時の出力電 圧ＶL の波形の一例を示したものである。これらの波形図から、本考案の発電機 では、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示した短絡巻線を有しない従来の発電機の出力電 圧波形に比べて波形歪みが著しく小さくなっていることが分かる。

【００２５】 また上記のように、短絡巻線Ｗs ，Ｗs ´の固定子の磁極面と対向する部分Ｗ sa，Ｗsa´を挿入する溝部Ｇa ，Ｇa ´を、固定子鉄心Ｓc のスロットＳt の長 手方向に対して角度θ2 だけ傾斜した状態で設けると、回転子Ｒが回転したとき に該溝部Ｇa ，Ｇa ´の長手方向の全域と固定子鉄心Ｓc のスロットの開口部の 長手方向の全域とが同時に対向することがないので、該溝Ｇa ，Ｇa ´及びスロ ットの開口部の近傍の磁束の脈動を小さくして磁音を小さくすることができる。 図６は短絡巻線を挿入する溝の変形例を示したもので、この変形例では、磁極 部の外周面側に設ける溝部Ｇa ，Ｇa ´のそれぞれの深さ方向を回転子の磁極部 Ｒa ，Ｒb の対向方向に対して大きく傾斜させてある。このように溝部Ｇa ，Ｇ a ´を形成すると、短絡巻線の溝部Ｇa ，Ｇa ´内に挿入された部分が、溝部Ｇ a ，Ｇa ´の外側壁部ｇにより押えられた形になるため、短絡巻線の溝部Ｇa ， Ｇa ´に挿入された部分が高速回転時に遠心力で回転子の径方向の外側に飛び出 す恐れをなくすことができる。

【００２６】 以上の実施例では、固定子Ｓ及び回転子Ｒを内燃機関に直接取り付ける構造と したが、固定子をハウジング内に固定するとともに、回転子の回転軸を該ハウジ ングに設けた１対の軸受けにより支承する構造として、回転子の回転軸の一端側 を内燃機関等の原動機により駆動するようにしてもよいのは勿論である。

【００２７】

【考案の効果】

以上のように、本考案によれば、回転子鉄心の各磁極部の回転方向に対して位 相が遅れた位置に形成された溝内に短絡巻線を設け、この短絡巻線の固定子鉄心 に対向する部分を固定子鉄心のスロットの長手方向に対して傾斜した状態で設け たので、回転子を円筒形にしたり固定子巻線を分布巻きにしたりすることなく出 力巻線の出力電圧の波形歪みを少なくし、回転時に生ずる磁音を小さくすること ができる。従って本考案によれば、出力電圧の波形歪みが少なく、回転時の磁音 の発生が少ない自励式界磁回転形交流発電機を安価に提供できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例の構成を示したものである。

【図２】図１における固定子の巻線の結線を示した巻線
図である。

【図３】図１の実施例で用いる回転子鉄心の、短絡巻線
が設けられた状態における外形を示したもので、（Ａ）
は正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ方向矢視図、（Ｃ）は
（Ａ）のＹ方向矢視図である。

【図４】図３の回転子鉄心の短絡巻線が挿入される溝の
形状及び位置を示したもので、（Ａ）は要部の正面図、
（Ｂ）は（Ａ）の下面図である。

【図５】図１の実施例により得られる出力電圧波形の一
例を示したもので、（Ａ）は無負荷時の電圧波形を示し
た波形図、（Ｂ）は負荷時の電圧波形を示した波形図で
ある。

【図６】本考案の実施例で用いる回転子鉄心の短絡巻線
挿入用の溝の変形例を示した断面図である。

【図７】従来例の電気的構成を示した回路図である。

【図８】従来例により得られる出力電圧波形の一例を示
したもので、（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ無負荷時の電
圧波形及び負荷時の電圧波形を示した波形図である。

【符号の説明】

Ｓ 固定子 Ｒ 回転子 Ｓt スロット Ｓc 固定子鉄心 Ｒc 回転子鉄心 Ｒa ，Ｒb 磁極部 Ｇ，Ｇ´ 溝 ＷL 出力巻線 Ｗc コンデンサ励磁巻線 Ｗf 界磁巻線 Ｗs ，Ｗs ´ 短絡巻線 Ｄ 整流器 Ｃ コンデンサ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】コンデンサ励磁巻線と出力巻線とを固定子
   鉄心のスロット内に巻装してなる固定子と、前記固定子
   の磁極面に対向する磁極部を両端に有する回転子鉄心に
   界磁巻線を巻装して該界磁巻線の両端に整流器を接続し
   てなる回転子とを備え、前記回転子鉄心の各磁極部の回
   転方向に対して位相が遅れた位置に形成された溝内に短
   絡巻線が設けられている自励式界磁回転形交流発電機に
   おいて、前記短絡巻線は、前記固定子鉄心に対向する部
   分が該固定子鉄心のスロットの長手方向に対して傾斜し
   た状態で設けられていることを特徴とする自励式界磁回
   転形交流発電機。