(57)【要約】  交流発電機は、回転磁界を発生させる永久磁石手段と、永久磁界に隣接し且つ回転磁界内にある少なくとも２つの界磁巻線を含む電機子手段と、負荷に接続される電機子手段の１次巻線と、電機子上の１次巻線からオフセットされ且つ容量性負荷に接続された２次巻線とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．回転磁界を発生させる永久磁石手段と、
ｂ．前記永久磁石磁界に隣接し且つ前記回転磁界内にある少なくとも２つの界磁巻線を含む電機子手段と、
ｃ．負荷に接続される前記電機子手段の１次巻線と、
ｄ．前記電機子上で前記１次巻線からオフセットされ、容量性負荷に接続された２次巻線と、
を備える交流発電機。
【請求項２】
全負荷が前記１次巻線の両端に加えられた場合、前記容量性負荷の電機子リアクタンスは、前記１次巻線の電機子リアクタンスに等しい、
ことを特徴とする請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
全負荷が前記１次巻線の両端に加えられ且つ前記オフセットが約９０度である場合、前記容量性負荷の電機子リアクタンスは、前記１次巻線の電機子リアクタンスに等しい、
ことを特徴とする請求項１に記載の発電機。
【請求項４】
全負荷が前記１次巻線の両端に加えられ、前記オフセットが約９０度であり、及び前記磁界の回転が一定の角速度である場合、前記容量性負荷の電機子リアクタンスは、前記１次巻線の電機子リアクタンスに等しい、
ことを特徴とする請求項１に記載の発電機。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
電磁誘導の発見は、１８３１年１１月２４日、ファラデーにより英国学士院の面前で口頭発表をした論文において公表された。発明者らは、各種の設計の電気磁気機械の開発を直ちに開始した。その結果、１８３２年、電流が導体を通過すると磁界を発生させることが分かった。力線の概念が既に確立されており、永久磁石の場の中で導線コイルが回転することにより導線内に電圧が発生することは公知であった。
【０００２】
発電機は、次の２つの部品、すなわち、初期の機械では簡単な又は複合の永久磁石からなっていた磁場システムと、電気を発生させるコイルシステム又は巻線とを含むことは一般的に知られている。２つのシステムの相対的運動は必須であるが、磁石又はコイルのいずれが移動するかは重要ではなく、実際には、両タイプの構造が使用されている。
【０００３】
ファラデーによる実験室での実証の後、一般に公開された最初の電気磁気機械は、１８３２年にパリでＨｉｐｐｏｌｙｔｅ  Ｐｉｘｉｉにより発表された。この機械では、界磁石はコイルに対して回転した。該機械は手動式であり、実用模型に過ぎなかったが、ファラデーの原理に基づいて構築された最初の実用的な発電機であった。
【０００４】
最初の商業規模での発電機の製造は、Ｅ．Ｍ．Ｃｌａｒｋｅによるものであった。彼は、１８３０年代、ロンドンで科学機器のメーカーとして事業を営んでいた。Ｃｌａｒｋｅの設計は、コイルが磁石の両側面と平行な面で回転する点でそれまでのものとは異なっていた。Ｃｌａｒｋｅは、各種のタイプの巻線を使用して実験を行った最初の人物であったと思われ、間もなく、ユーザの要件に適合するように出力を変えることができることを見出した。
【０００５】
１８５５年４月１１日、「改良された電磁気バッテリー」に対しデンマークのＳｏｒｅｎ  Ｈｊｏｒｔｈに英国特許第８０６号が付与された。記載される当該機械は、主励磁が電磁石から得られる発電機である。Ｈｊｏｒｔｈは、電磁石磁場システムから得られる利点、すなわち、磁界の界磁強度は変化させることができることを認識していた。彼の特許の添付図面では、一連のコイルを支持する回転ディスクが２列の電磁石の間を回転するように作られ、初期励磁を供給するための永久磁石が付加された機械を示していた。
【０００６】
１８６６年１２月、Ｅ．Ｗ．Ｖｏｎ  Ｓｉｅｍｅｎｓは、永久磁石を使用しない機械的エネルギーから電気的エネルギーへの変換に関して記載した論文をベルリン科学アカデミーに提出した。１８６７年２月１４日、彼の兄弟のＣｈａｒｌｅｓ  Ｓｉｅｍｅｎｓは、ロンドンの英国学士院に論文の内容を通知し、自己励磁原理を実証する手動式の模型発電機を提示した。
【０００７】
今日では、Ｚｅｎｏｂｅ  Ｇｒａｍｍｅが真に連続電流を生成できる最初の発電機を構築したと一般的に考えられている。Ｇｒａｍｍｅ社は、１８７３年までには、英国ウエストミンスターの時計塔における公判用の機械を提供していた。Ｇｒａｍｍｅの発電機は、１８７４年までにフランス海軍の少なくとも２隻の主力艦及びロシア海軍の一部の艦船に使用されていた。
【０００８】
【特許文献１】英国特許８０６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、発電技術の歴史全体は、永久磁石界磁システムから電磁気自励式発電機への進歩である。この発展の理由は、同期発電機、すなわち永久磁石の界磁により励磁される定速回転交流発電機は、該発電機に掛かる負荷に反比例する電圧を発生することによる。負荷が増大するに従って出力電圧は低下する。この永久磁石交流発電機の欠点は、これまで商業的に使用することを妨げてきた。従来技術により教示される全ての従来の発電機、すなわち界磁励磁用に電磁石を使用する発電機は、スリップリング又は整流子により電気的に接続されたこれらの回転巻線を有する必要がある。これらのスリップリング又は整流子、及びこれらの関連ブラシは、摩損による故障を生じやすい。このようなリング及び整流子は交換又はメンテナンスを行う必要がある。これらは、本発明より以前においては従来技術が克服していない問題を提起する。
【００１０】
交流電力は一定の回転速度で作動する発電機により生成される。これらの発電機は、磁界を通して巻線を運動させ、ファラデーの法則に従って電流の流れを誘起する。電流の流れを誘起する磁界が一定であり、磁界を通る導体速度も一定の場合には、発電機により発生する電圧は、発電機に加わる負荷の一次関数となる。負荷が増加するに従って、出力電圧は、交流回路の動作を予測する公知の電気法則に従って減少する。
【００１１】
一定で作動する交流発電機の磁界が永久磁石の運動により発生する場合には、主磁界の磁界強度は一定であり、従って、発電機の電圧出力は、発電機出力の両端に加わる負荷に反比例することになる。負荷に対する電圧出力のこの反比例の関係により、これまで永久磁石を同期交流発電機の主磁界として使用することができなかった。永久磁石発電機は、主磁界をもたらす永久磁石を保持する発電機の回転部分に対する電気的接続を必要としないので、簡単且つ信頼性がある。
【００１２】
本発明者は、変動する電気負荷の下で一定速度で作動し、負荷の増加に伴って発電機の電圧低下を生じるこの長年の問題を回避する永久磁石交流発電機を教示した従来技術については全く認識していない。
【００１３】
大部分の電気負荷は、適切な作動を行うために電圧調整を必要とする電子機器を備える。永久磁石交流発電機は、本質的に固定磁界であるので定電圧出力を供給する能力がない。従来技術では定電圧巻線界磁発電機の利用を教示しており、ここで、磁界を発生させるのに使用される発電機部分は電磁石であり、その磁界強度は主発電機に加わる負荷条件に応じて電子又的は磁気的フィードバック回路を使用して変えることができる。
【００１４】
これらの巻線型界磁発電機は種々の電圧調整手段に依存する。例えば、交流発電機は、発電機の主磁界を発生する電磁巻線の磁界強度を変えることにより電圧調整を行い、発電機の出力両端に負荷を加えることにより生ずる電機子反作用を補償することができる。このことは、外部の電子又は磁気電圧レギュレータを使用しフィードバック回路を介して達成することができる。これらの電圧制御手段は、電気機械設計の当業者には周知である。代替的に、従来技術はまた、主巻線から約９０度に配置される別個の励磁巻線の使用についても教示している。これらの励磁巻線は、電圧の増加により主負荷に反作用し、主磁界を増大させることで、発電機出力の両端の負荷を増大させることにより生ずるリアクタンスを補償する。従来技術ではまた、主巻線を外側のブラシレス発電機磁界に通すことは周知であり、これは主磁界強度を増加さて増加した負荷を補償する効果がある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、主回転磁界が永久磁石により提供される永久磁石発電機である。負荷は、電機子の周囲に巻かれた主巻線に接続され、該電機子は更に、１次巻線から９０度だけオフセットされた２次巻線を備え、容量性負荷に接続される。容量性負荷の値は、全負荷が１次巻線の両端に加えられたときに１次巻線のリアクタンスを相殺するように選択される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
永久磁石１０１は、矢印１０５で示される方向に軸１０３を中心に回転する。環状電機子１０７は、永久磁石１０１を円筒状に囲む。電機子１０７及び永久磁石１０１は環状１０９を定める。
【００１７】
電機子１０７は、１次巻線１１３を収容する１次巻線スロット１１１に取り付けられる。１次巻線１１３は、電気負荷である負荷１１５に並列接続される。
【００１８】
電気負荷１１５は、適切に作動するため制御された電圧を必要とするあらゆる装置とすることができる。
【００１９】
電気子１０７は更に、１次巻線から９０度オフセットされた２次巻線チャネル１１７を備え、２次巻線１１９を収容する。２次巻線１１９は容量性負荷１２１に並列接続される。
【００２０】
容量性負荷１２１の値は、容量性負荷１２１及び２次巻線１１９により発生するリアクタンスが、抵抗負荷１１５及び１次巻線１１３から形成される回路によって発生するリアクタンスに正比例するように選択される。
【００２１】
本発明の１次及び２次巻線は、単相巻又は多相巻とすることができる。２次巻線が多相巻である場合、容量性負荷１２１は多相容量性負荷になる。
【００２２】
永久磁石１０１により発生する永久磁界（図示せず）は、電機子の周囲を回転して、１次巻線１１３及び２次巻線１１９に電圧を誘起する。容量性負荷１２１は、全負荷で負荷１１５からの電機子リアクタンスに等しくなるに必要な電機子リアクタンスを提供する十分な容量のものである。
【００２３】
機能上無負荷の状態では、本発明において、回転する永久磁石１０１により生成される励磁と、容量性負荷１２１に接続される２次電気巻線１１９とのベクトル和は、１次巻線１１３の両端に発電機の公称出力電圧を生成する。
【００２４】
負荷１１５が１次巻線１１３に接続された場合、１次巻線のリアクタンスは、２次巻線１１９及び容量性負荷１２１のリアクタンスにより相殺されることになる。２次巻線１１９は、１次巻線１１３から約９０度にあり、従って、巻線１１９のリアクタンスは、巻線１１３上の負荷に正比例する。
【００２５】
その結果、本発明により教示される永久磁石交流発電機の電圧出力は、無負荷から全負荷まで相対的に一定である。従って、これにより本発明は、何らかの巻線型界磁に接続される外部レギュレータを使用することなく、永久磁石同期交流定速発電機の電圧調整を達成する。
【００２６】
発明者は、本発明が、交流定電圧発電機技術における全般的な進歩であると考える。本発明者の考えでは、その新規性により、巻線型界磁を使用することなく定速永久磁石発電機から調整された出力電圧を提供する能力がもたらされる。従って、上記の概略的な実施例は、本発明の好ましい実施形態の一般的な場合を示しているが、本発明は、この特定の実施形態に限定されるべきではなく、添付の請求項の範囲及びこれらの均等物によってもの限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の好ましい実施形態に従って構築された発電機の概略断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１  永久磁石
１０３  軸
１０７  電機子
１０９  間隙
１１１  １次巻線スロット
１１３  １次巻線
１１５  電気負荷
１１７  ２次巻線スロット
１１９  ２次巻線
１２１  容量性負荷
【図１】
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【国際調査報告】
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