(57)【要約】【課題】１回転当たりの発生電圧及び周波数が大きく，かつ，外部よりその出力電圧を制御できる他励式可変リラクタンス発電機を提供する。【解決手段】回転子の両端外周および固定子の内周の対向面に，多数の小磁極歯を配設し，１回転当たりの電圧および周波数を大きくた多極型可変リラクタンス発電機において，両極の固定子の中央部に外部より制御できる励磁巻線を配置して，その磁束を制御可能にし，外部よりその出力電圧を制御できる様にするとともに，起動時のコキングトルクを小さくできるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子の両端部の固定子対向内面に，円周方向に沿って複数個の回転子小磁極歯が等分に配設され，その両端の小磁極歯の相互間の位相を，同相または（π／相数）ラジアン移相した一対の回転子鉄心において，その外周に，それぞれに巻線を巻回された固定子が放射状に配設され，その各回転子との対向内周面に，それぞれ１個以上の小磁極歯が形成された複数対の固定子小磁極を有する可変リラクタンス発電機において，そのＳ及びＮ両固定子環間の軸方向中央部に，外周にリング状の継鉄を有する励磁巻線を巻回して，外部より励磁することにより，発生電圧の制御を可能した他励式可変リラクタンス発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】１回転当たりの発生電圧及び周波数が大きく，かつ，外部よりその出力を制御できる励磁式可変リラクタンス発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】比較的小形の数１０ｒｐｍ程度の低速域で使用する水車又は風車などで駆動される既存の発電機などでは，蓄電池の充電器などに必要な安定した１０Ｖ以上の電圧を発生するために，増速機で増速などするする必要があった。【０００３】これにより発電装置全体の重量が増加するとともに増速機による効率の低下と価格の高騰を招き，また，直流発電機では，その刷子の寿命が短く，またその摩擦のために効率が低下するので，小形の水車又は風車などでの使用は困難であった。【０００４】また，数ｋＷ程度の小型の高周波加熱機器の高周波電源などとして使用されている半導体式インバータは，装置が大きく，高価であり，また，スイッチィングノイズによる電磁波障害が発生する恐れがあった。【０００５】これらの問題に対処するために，ステッピングモーターを外部より駆動して発電機として利用されることがあるが，回転子が永久磁石で励磁されているので，発生電圧の制御が不可能であり，高速時に必要以上の電圧が発生したり，起動時のコキングトルクが大きく，さらに，大形化するにしたがって発電機の全価格に占める永久磁石の価格比が高くなり入手も困難になる欠点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３１３４７３号公報
【特許文献２】特開２０００−６００９２号公報
【特許文献３】特開２０１１−２５９６３３号公報
【非特許文献】
【０００７】なし
【発明の概要】
【課題を解決するための課題】
【０００８】従来の直流及び交流発電機では，１回転当たりの極数が少なく，数１０ｒｐｍ程度の低速域での発生電圧および周波数が低く，増速機により増速または多極発電機によって，目的とする電圧を得ていたが，増速機の大きさは，外寸の大型化とともに重量の増加と，価格の高騰を招き，さらに増速機による効率の低下と騒音の発生を避けることができなかった。
【０００９】また，小形の水車または風車で駆動されるこの種の小形の発電機は，これを駆動する水車又は風車の回転速度は２〜５倍の範囲で大きく変化する。他方，充電器などの許容入力電圧範囲は，通常１．５倍程度なので，この必要な最高電圧を超える場合には，折角，発電した電力を有効に利用できないのみでなく，充電器などを破損する恐れがあった。
【００１０】小形の発電機として［特許文献１］のごときステッピングモーターおよび市販のＰＭ又はＨＢ型ステッピングモーターを外部より駆動して発電することもあるが，これらは永久磁石で励磁しているので発生電圧の制御が困難であり，また，コキングによる起動トルクが大きく，風車などに利用する場合には，起動風速（カットイン風速）が大きくなり，  さらに，ステッピングモーターを大形化する場合には，大きな永久磁石が必要であり，これの入手の困難さと価格が上昇する欠点があった。
【００１１】また，［特許文献２］のごとき多極式発電機では，永久磁石及び巻線の極数が多く，構造が複雑で，外径が大きくなるために，発電装置全体の外形および重量も増大し，大形化と価格の上昇の原因となっていた。
【００１２】［特許文献３］のリラクタンス発電機は，構造上，極数を増やすことが困難で，また磁場の強さが一定なために，コキングトルクすなわち起動トルクが大きく，風力発電などに利用する場合には，起動風速（カットイン風速）が大きくなる欠点があった。
【００１３】さらに，これでも，まだ極数が少ないために，低速回転時の電圧及び周波数が低く，蓄電池などを充電するための風力及び水力発電装置などには，増速が必要であった。
【００１４】また，前述の［００１０］〜［００１２］の発電機は，励磁が永久磁石のみで，出力電圧は，ほぼ回転数に比例するので，充電器の許容最高電圧を超えるような，必要以上の高い回転速度時に発生する無駄な電力を抑制できず，エネルギーの利用効率の低下を招くとともに，蓄電池などを充電するためには，広い入力電圧範囲の充電器が必要であった。
【００１５】また，上記の特許文献以外にも，焼入れ，焼戻し，ろー付，はんだ付，樹脂コーティング用など数ｋＷ程度の高周波加熱機器の高周波電源としては，半導体式インバータが使用されているが，装置が大きく，高価であり，また，スイッチィングノイズによる電磁波障害が発生する恐れがあった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】本発明は，これらの問題点を解決するために，回転子の両端部の固定子対向内面に，円周方向に沿って複数個の回転子小磁極歯が等分に配設され，その両端の小磁極歯の相互間の位相を，同相または（π／相数）ラジアン移相し，その外周に，それぞれに巻線を巻回された固定子が放射状に配設され，その各回転子との対向内周面に，それぞれ１個以上の小磁極歯が形成された複数対の固定子を有する可変リラクタンス発電機において，そのＳ及びＮ両固定子環間の軸方向中央部に，外周にリング状の継鉄を有する励磁巻線を巻回して，外部より励磁することにより，発生電圧の制御を可能した。
【発明の効果】
【００１７】本発明の発電機は，発電機の極数を非常に多くして磁束の変化率を高めることにより，発生する電圧および周波数を高くすることが出来る。
【００１８】さらに，上記の発電機を電圧制御装置より励磁して励磁式発電機とすることにより発生電力を任意の値に制御できるとともに，起動時の励磁電流を小さくことによりコキングトルクを小さくできるので，小さい起動トルクでの起動を実現できる。
【００１９】このことは，小形の風力および水力用の発電機として，構造が簡単で，かつ小型・軽量で，起動トルクが小さく，低速から高速まで，安定した出力制御の容易な発電機を提供することができる。
【００２０】また，上述の発電機を高速で駆動することにより，焼入れ，焼戻し，ろー付，はんだ付，樹脂コーティング用などに，電磁波障害がなく，外部より電力制御のできる高周波加熱機器などの高周波発電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の発電機の８極２相の場合の断面図
【図２】図１の発電機の回転子部の磁極の関係を示す詳細図
【図３】図１の発電機のＥ−Ｅ断面の回転子と固定子の磁極歯の位置関係を示す拡大図
【図４】図１の発電機のＦ−Ｆ断面の回転子と固定子の磁極歯の位置関係を示す拡大図
【図５】２相の場合の出力制御の可能な発電機の接続図例
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２２】一般の発電機において，発生する電圧は，コイル巻数と，そのコイルと交差する磁束の変化量とその時間的変化率とに比例し，周波数は，回転速度と全周に配設された極極数との積に比例する。【００２３】本発明は，軸方向に分離された回転子の両端に，外周に複数個の小さい磁極歯を有するリング状の磁極と，該磁極歯に当接され固定子対向内周面に，それぞれ複数個の小磁極歯が形成された複数対の固定子磁極と，該固定子磁極の個々に巻かれた巻線とを有する固定子とを備えて，実質的な極数を多くすることにより，磁束の時間的変化率を大きくして，駆動軸の１回転に対する発生電圧およびその周波数を大きくした可変リラクタンス発電機において，固定子の軸方向中央部内周にリング状の励磁巻線を設けることにより，回転子を軸方向に外部より励磁して磁束の強さの制御を可能にする。【００２４】図１は，本発明の８極４対２相の場合の発電機例の断面図で，各固定子に巻線が巻設された場合の例を示した基本形式の断面図で，図１（ａ）に示す如く，ハウジング３に軸受け２を介して回転自由に支持された駆動軸１に取り付けられた比較的導電率の小さい高透磁率の磁性体製の回転子鉄心４の両端部外周に図２（図の場合３６枚）に示す如く小磁歯１０および１１を配設する。【００２５】なお，この場合，回転子両極の磁極歯の相互角度は，図２に示すごとく，機械的角の
位相角の（π／相数）ラジアン移相されている。【００２６】他方，この両端の回転子磁極歯と対応する固定子の内周面に，回転子の磁極歯と同一ピッチの複数個の磁極歯を有する複数対の固定子鉄心６〜９が配置されている。なお，この場合の固定子鉄心内周の磁極歯数は，１位以上で，回転子磁極歯数を固定子極数で除した整数値より１枚以上少なくする。【００２７】さらに，各相両極の各固定子間を軸方向に２分して，その中央部に，外周に継鉄５を有する励磁巻線１８が組み込まれており，この励磁巻線に外部より制御された励磁電流を流すことにより，回転子鉄心４は，軸方向に，例えば図１（ａ）に示す如く，図の右側はＮ極に，左側はＳ極に，励磁電流にほぼ比例した強さで磁化される。【００２８】図３及び図４は，回転子両端の磁極歯１０と１１間の角度を１／２ピッチずらした場合の発電機の同一の回転角度位置での磁極の位置関係を示す拡大図で，図３のＥ−Ｅ断面図に示す如くＳ極に於いては，円周を等分する位置に配置されている４個のＳ極Ａ相固定子鉄心６の磁極歯１２とＳ極回転子磁極歯１０とは，位相ずれがなく，したがって，Ａ相の磁気抵抗は最小となり，他方，４個のＳ極Ｂ相固定子鉄心８のＳ極Ｂ相固定子磁極歯１４とＳ極回転子磁極歯１０とは，機械的位相が１／２ピッチずれているので，Ｂ相の磁気抵抗は最大となる。【００２９】この回転位置のとき，図４のＦ−Ｆ断面図に示すごとく，Ｎ極では，４個のＮ極Ｂ相固定子鉄心９の磁極歯１５とＮ極回転子磁極歯１１とは，位相ずれがなく，Ｂ相の磁気抵抗は最小となり，他方，４個のＮ極Ａ相固定子鉄心７のＮ極Ａ相固定子磁極歯１３とＮ極回転子磁極歯１１とは，機械的位相が１／２ピッチずれているので，Ａ相の磁気抵抗は最大となる。【００３０】したがって，この回転位置において，図１（ａ）の回転子鉄心４−Ｎ極回転子磁極歯１１→Ｎ極Ｂ相固定子磁極歯１５→Ｎ極Ｂ相固定子鉄心９→継鉄５→Ｓ極Ａ相固定子鉄心６→Ｓ極Ａ相固定子磁極歯１２→Ｓ極回転子磁極歯１→回転子鉄心４へと流れる磁束は最大となり，他方，Ｎ極Ａ相固定子鉄心７及びＳ極Ｂ相固定子磁極歯１４に流れる磁束は最小となる。【００３１】図示していないが，この状態から，回転子が機械的位相で１／２ピッチ回転すると，Ｓ極側においては，Ａ相の磁極歯は，１／２ピッチずれて磁気抵抗は最大となり，Ｂ相の磁極歯は，ずれが無くなるので磁気抵抗は最小となる。したがって，Ｓ極Ａ相固定子鉄心６に流れる磁束は最小となり，Ｓ極Ｂ相固定子鉄心８に流れる磁束は最大となる。【００３２】他方，Ｎ極側においては，Ａ相の磁極歯は，位相ずれがなく，Ｂ相の磁極歯は，機械的位相が１／２ピッチずれるので，Ａ相の磁気抵抗は最小となり，Ｂ相の磁気抵抗は最大となる。したがって，Ｎ極Ａ相固定子鉄心７に流れる磁束は最大となり，Ｎ極Ｂ相固定子鉄心９に流れる磁束は最小となり，各固定子に流れる磁束の最大値と最小値は，すなわち，この変化の間の磁束の増減の方向は，前述の［００３０］と逆方向となる。【００３３】このようにして，回転子が１回転すると，各相の固定子磁極を通る磁束の変化は，最大値と最小値の間を，回転子磁極歯の歯数だけ繰り返すことになり，各固定子鉄心に巻かれている固定子巻線には，Ａ���とＢ相には，逆相の交番電圧が発生し，個々の固定子巻線に発生する交番電圧の大きさは，回転子４の磁束が一定の場合，固定子内の（磁束の変化量）×（磁束の時間的変化率）×（固定子巻線の巻数）即ち（磁束の変化量）×（回転子磁極歯の歯数）×（固定子巻線の全巻数）に比例し，その周波数も，（回転子磁極歯の歯数）×（回転数）に比例する。例えば，１００ｒｐｍの低速でも商用周波数に近い比較的高い周波数（図の場合３０Ｈｚ）で，１０Ｖ以上の高いＡ相，Ｂ相が逆相の交番電圧を発生させることが出来るし，また，２０００ｒｐｍで駆動する場合には６００Ｈｚの周波数の電力を得ることが出来き，磁極歯の枚数を増やせば，さらに高い周波数の電力を得ることが出来る。【００３４】また，図２と異なり，回転子両極の磁極歯の相互角度にずれがなく同相の場合には，両極における磁極歯の位相関係は同一，すなわち，図１の回転位値の時のＥ−Ｅ断面の位相関係は，Ｓ極及びＮ極ともに図３のごとく同一となり，この場合，Ｓ極Ａ相固定子鉄心６の磁極歯１２とＳ極回転子磁極歯１０及び，Ｎ極Ａ相固定子鉄心７の磁極歯１３とＮ極回転子磁極歯１１とも，位相ずれがないので，すべてのＡ相の磁気抵抗は最小となり，他方，Ｓ極Ｂ相固定子鉄心８の磁極歯１４とＳ極回転子磁極歯１０及びＮ極Ｂ相固定子鉄心９の磁極歯１５とＮ極回転子磁極歯１１とは，位相ずれが１／２ピッチとなり，すべてのＢ相の磁気抵抗は最大となる。この状態から，回転子が１／２ピッチ回転すると，すべてのＡ相の磁気抵抗は最大となり，他方，すべてのＢ相の磁気抵抗は最大となる。【００３５】この状態から回転子が１回転すると，同一相のＮ，Ｓ両極の固定子に巻線には，［００３３］と同じく，すべて磁束の変化率に比例するＡ相とＢ相が逆相の交番電圧が誘起される。したがって，これらＡ相およびＢ相の巻線を，逆相に接続することにより低速回転でも高い電圧を得ることができる。【００３６】以上，［００２４］〜［００３５］に記述した８極４対２相の場合の発電機例についての動作及び効果は，回転子の両端の小磁極歯の相互間の位相を，同相または（π／相数）ラジアン移相するか，相数の偶数倍の２倍すなわち相数と同じ極対数で，それぞれに巻線を巻回された固定子が放射状に配設することにより，相数及び極対数に関係なく発揮できる。【００３７】また，コキングトルクは，磁極間の吸引力に起因するので，起動時のみに影響し，一旦起動した後は，反発力と吸引力とが相殺してコキングの影響は無くなる。風力発電などの場合，できるだけ低風速でも起動できる必要があるが，本発明の場合は，起動時は，残留磁束のみで励磁されて，励磁電流が少ないので，起動時のコキングトルクを小さく出来る特長がある。【００３８】図５は，出力電圧を一定に安定させるための接続図例であり，整流器２５により整流された直流出力電圧と，電圧設定器２４による設定電圧とを電圧調整器２３で比較した励磁電流により，設定電圧を制御する回路であり，電圧調整器２３内の制御特性を変更することにより，定電圧制御又は定電流制御のみでなく，種々の負荷特性の要求に対応した出力が得られ，起動時に励磁電流の立ち上がりを遅くすることによりコキングトルクも小さくでき，起動トルクを小さ���できる。【００３９】また，上述の電圧制御を行うことにより，必要以上の電圧時のエネルギー損の発生を防止できるので，その分，駆動源の動力を有効に利用できる。【００４０】以上は，主として直流出力を利用する場合について記述したが，同様の励磁回路を使用して，発電機の交流出力をそのまま利用して，高周波発電機などとして使用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】通常，小形の水力発電装置，風力発電装置などでは回転速度が数６０ｒｐｍ程度で，また回転速度の変化範囲も大きく，他方これに使用する発電機としては，蓄電池の充電など１０Ｖ以上の電圧を安定して発生する必要があった。このために，増速機を組合せたり，極数の極端に多い特別な発電機，または数台の発電機を直列に直結することが必要であったが，大型で，重量も大きく，高価であり，特に自己浮上形の水力発電機，柱上設置形風力発電機など使用が困難であった。【００４２】本発明の発電機によれば，これらの弊害がなく，また，小型軽量で，安価な，低回転速度でも，商用周波数に近い周波数の十分な電圧を得ることができるので平滑回路も簡単にでき，小形の水車又は風車への利用価値が高い。【００４３】また，本発明の発電機を電動機または発動機で，高速回転で駆動することにより，高い周波数の交流電力が得られ，これを焼入れ，焼戻し，ろー付，はんだ付，樹脂コーティング用など高周波加熱機器のインバータ式高周波電源に代わって高周波電源として使用することができる。
【符号の説明】
【００４４】  １  駆動軸    ２  軸受け    ３  ハウジング    ４  回転子鉄心    ５  継鉄
６  Ｓ極Ａ相固定子鉄心      ７  Ｎ極Ａ相固定子鉄心    ８  Ｓ極Ｂ相固定子鉄心
９  Ｎ極Ｂ相固定子鉄心    １０  Ｓ極回転子磁極歯    １１  Ｎ極回転子磁極歯
１２Ｓ極Ａ相固定子磁極歯  １３Ｎ極Ａ相固定子磁極歯  １４Ｓ極Ｂ相固定子磁極歯
１５Ｎ極Ｂ相固定子磁極歯  １６  Ａ相巻線            １７  Ｂ相巻線
１８  励磁巻線              １９  Ｓ極Ａ相巻線        ２０  Ｎ極Ａ相巻線
２１  Ｓ極Ｂ相巻線          ２２  Ｎ極Ｂ相巻線
２３  電圧調整器            ２４  電圧設定器          ２５  整流器
２６  コンデンサ            ２７  放電抵抗            ２８  負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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