(57)【要約】【課題】  交流励磁機用発電機の取り付けには回転軸のオーバーハングが必要となり、軸長が長くなる。このオーバーハングは軸振動の原因ともなる。【解決手段】  界磁巻線が配置された回転子と、回転軸から一体の削り出しのカップリングと、回転子に配置された永久磁石と前記永久磁石の界磁により電流を発生させる副励磁機と前記副励磁機が発生した電流により回転子の界磁巻線に電流を供給する励磁機とを備え、励磁機取り付け位置をカップリングとは逆側の軸端部としたタービン発電機において、タービン発電機回転軸から削り出しにより形成した台座、あるいは別に磁性金属から形成し回転軸上に取り付けた台座を励磁機よりもカップリング側の任意の位置に設け、副励磁機の界磁源となる永久磁石を前記台座に取り付けた構成とする。【選択図】図１
2006271138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を備え回転可能に支持された回転子と、界磁コイルが巻かれた固定子とを備え、前記回転子は前記永久磁石の径方向内側に前記永久磁石を支持する磁性体からなる台座及び前記永久磁石の径方向外側に磁性体からなるポールシューとを備えることを特徴とする発電機。
【請求項２】
請求項１において、前記台座の周方向の幅よりも前記永久磁石の周方向の幅の方が大きいことを特徴とする発電機。
【請求項３】
請求項１において、前記永久磁石の軸方向の幅よりも前記台座の軸方向の幅の方が大きいことを特徴とする発電機。
【請求項４】
請求項１において、前記永久磁石の表面にカバーを有し、前記カバーは凸部または凹部を有し、前記台座は凹部または凸部を有し、前記カバーの凸部または凹部が前記台座の凹部または凸部とはめ合わさることを特徴とする発電機。
【請求項５】
請求項１において、前記回転子は前記永久磁石の径方向外側にポールシューを有し、前記永久磁石の表面にカバーを有し、前記カバーは凸部または凹部を有し、前記台座は凹部または凸部を有し、前記カバーの凸部または凹部が前記台座の凹部または凸部にはめ合わさることを特徴とする発電機。
【請求項６】
請求項１において、前記回転子は前記永久磁石の径方向外側にポールシューを有し、前記ポールシューと前記固定子との間のギャップの最小値に対するギャップの最大値の比が１.２５ 以上であることを特徴とする発電機。
【請求項７】
永久磁石を備え回転可能に支持された回転子と、界磁コイルが巻かれた固定子とを備え、前記回転子は永久磁石を支持する台座を有し、前記ポールシューの弧部の半径が前記回転子の半径よりも小さいことを特徴とする発電機。
【請求項８】
請求項６において、前記ポールシューと前記固定子との間のギャップの最小値に対する最大値の比が１.２ 以上であることを特徴とする発電機。
【請求項９】
請求項６において、前記ポールシューと前記固定子との間のギャップの最小値に対する最大値の比が１.３３ 以上であることを特徴とする発電機。
【請求項１０】
請求項１において、永久磁石を備え回転可能に支持された回転子と、界磁巻線が巻かれた固定子とを備え、前記固定子が分割されて構成され、前記固定子に巻かれた界磁巻線の並列回路数と前記界磁巻線の積が前記固定子の分割数と等しいことを特徴とする発電機。
【請求項１１】
請求項９において、前記固定子の分割数及び前記固定子に巻かれた界磁巻線の並列回路数が２であることを特徴とする発電機。
【請求項１２】
永久磁石を備え回転可能に支持された回転子と、界磁コイルが巻かれた固定子とを備え、前記回転子は前記永久磁石の径方向内側に前記永久磁石を支持する磁性体からなる台座及び前記永久磁石の径方向外側に磁性体からなるポールシューとを備え、前記回転子はタービンにより発生した回転力により回転することを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は励磁に永久磁石を用いた発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の発電機の例としては、特開平５−１４６１０３号公報に、界磁用永久磁石がスロットに挿入された発電機が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１４６１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献１のような界磁に永久磁石を用いた発電機では、永久磁石を回転子に軸方向から挿入する方式のため、軸方向に発電システムのタービンなどの障害物がある場合、永久磁石を挿入することが困難であるという課題が生じる。本発明の目的は、発電機の回転子の軸方向にタービンなどの障害物がある場合でも容易に組み立てられる発電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一つの特徴は、発電機を台座とポールシューの間に永久磁石が配置された回転子を備えたものとした点にある。
【０００６】
また、本発明の他の特徴は、上記の永久磁石の幅を台座の幅よりも大きくした点にある。
【０００７】
また、本発明の他の特徴は、永久磁石を備え回転可能に支持された回転子と、界磁巻線が巻かれた固定子とを備え、回転子は永久磁石を支持する台座を有し、ポールシューの弧部の半径が前記回転子の半径よりも小さい点にある。
【０００８】
また、本発明の他の特徴は、永久磁石を備え回転可能に支持された回転子と、界磁巻線が巻かれた固定子とを備え、固定子が分割されて構成され、固定子の分割数が固定子に巻かれた界磁巻線の並列回路数が等しい点にある。
【０００９】
本発明のその他の特徴は、発明を実施するための最良の形態の欄で説明する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、永久磁石をポールシューと台座の間に配置することにより、容易に組み立て可能な発電機及び発電システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１０に本発明の効果を説明するための、比較例のブラシレス励磁方式励磁装置を有するタービン発電機の例を示す。前記タービン発電機は、交流励磁機４と副励磁機５とをタービン発電機回転子軸端のオーバーハング部に有している。副励磁機５は永久磁石１３を回転子磁極に有しており、永久磁石１３は副励磁機の電機子巻線８に直交する界磁を作る。一方、回転軸１には、タービンによりカップリング３を介して回転力が加わり、回転する。したがって、前記副励磁機の電機子コイル８には、電磁誘導作用により交流電流Ｉa1が誘起される。整流機能を有する自動電圧調整装置１６は、発電機電圧を検出し、この交流電流Ｉa1を直流電流Ｉd1に変換して、交流励磁機の界磁コイル１８に供給する。交流励磁機の界磁コイル１９は交流励磁機の回転子２０に取り付けられており、回転軸１の回転により、前記電機子巻線１９に交流電流Ｉa2が誘起される。交流電流Ｉa2は回転整流装置１７を介して直流に変換され、タービン発電機界磁コイル２２に供給される。回転軸の回転により、タービン発電機電機子コイル２１に交流電流が誘起され、外部へ電力を供給することが出来る。図１１には、比較例のブラシレス励磁方式を示す回路構成図の例を示す。副励磁機１２０１から発生した交流電圧の大きさは、自動電圧調整器１２０３により調整される。この交流電圧は整流器で直流電圧に変換され、副励磁機の出力側に直流電流が流れる。この直流電流が発生する直流磁界の電磁誘導作用によって回転部１２０５の交流励磁機１２０２に交流電流が発生する。この交流電流は、回転部の整流器により直流電流に変換され、回転部の界磁コイルに直流電流を供給する。回転部がタービンの機械力により回転すると、界磁コイルに流された直流電流による磁界の電磁誘導により、タービン発電機固定子側の電機子コイル（図示せず）に交流電圧が発生する。図１０の構成では、図１０の通りオーバーハング部に副励磁機４と交流励磁機５を有するので、オーバーハング部が長くなるという課題がある。
【実施例１】
【００１２】
そこで本発明の第１の実施例では、図１２のようにカップリング３と発電機回転子との空間を利用して、この空間に副励磁機５を設置する。この実施例によれば、比較例でオーバーハング部に有った副励磁機がオーバーハング部からなくなるので、オーバーハング部を短くすることができる。
【００１３】
ここで、副励磁機５の回転子の構造が特許文献１のように磁石のスロットに挿入する方式の場合、矢印２３の方向から磁石を挿入することになるが、カップリング３が邪魔になり磁石を挿入できない。したがって、本実施例では、図１３に示すように、永久磁石1102をポールシュー１１０９と、永久磁石１１０２を取り付ける台座１１０４によって挟み込む構造としている。この構造であれば、永久磁石を径方向３１から台座１１０４に設置することができるので、回転子の軸方向にタービンなどが有り軸方向から永久磁石を挿入できない場合でも、励磁用発電機を設置することができる。図１３の構造についてさらに詳しく説明する。台座１１０４は磁性体からなり、永久磁石１１０２の径方向内側（回転軸側）に配置され、永久磁石１１０２を支持している。また、ポールシュー１１０９は永久磁石１１０２の外側に配置され、磁性体で構成される。１１０６は固定子、１１０７は回転子であり回転可能に支持される。固定子１１０６にはコイル１１０５が巻かれ、回転子１１０７には永久磁石１１０４が配置されている。回転子１１０７が周方向１１０８に回転することにより、永久磁石１１０２が発生する磁束がコイル１１０５を横切り電磁誘導の作用により、コイル１１０５に電圧が発生する。本実施例では、ポールシュー１１０９および回転子１はボルト締め又はバインドによる締め付けで固定しているが、ポールシュー１１０９,永久磁石１１０２,台座１１０４及び回転子をボルトで一体で固定してもよい。また、本実施例のポールシュー１１０９，永久磁石１１０２及び台座及び台座１１０４の径方向の形状は長方形であるが、機械的強度を高めるために円形又は楕円形としても構わない。
【００１４】
本実施例では、発電機を容易に組み立てられるという大きな利点があるが、永久磁石
１１０２の発生する磁束のうち、磁束１１０３は有効に固定子１１０６を通過するが、永久磁石１１０２の端部が発生する磁束１１０４は永久磁石１１０４の横を通過して固定子１１０６を通過せずに永久磁石１１０２に戻るため、この磁束１１０４は発電には寄与しないという課題もある。
【実施例２】
【００１５】
そこで、本発明の第２の実施例では、図１及び図２に示すように、永久磁石の周方向の幅よりも台座２４の周方向の幅Ｗｂの方を大きくしている。この構成によれば、永久磁石１３の端部から発生する磁束が、永久磁石１３の横を通って台座２４に入る経路３２の磁気抵抗が大きいので、この経路はほとんど磁束が通らず、漏れ磁束を低減することができる。図１および図２で本発明の第２の実施形態をさらに詳しく説明する。図１は本実施例の発電機の磁極の軸方向断面を示す。回転子軸１の任意の軸方向位置に永久磁石１３を取り付けるための台座２４が設けられている。台座２４は回転軸１と一体の削り出し、あるいは別に磁性金属より形成し回転軸１に設けられている。永久磁石１３は飛散防止のため、非磁性材料を用いたカバー１４で覆われている。永久磁石１３の周方向長さＷｍを台座
２４の周方向長さＷｂより大きくしてあり、ポールシュー１２と台座２４との距離を広げてポールシュー１２から台座２４への磁束漏れを防いでいる。これにより、発電電圧低下を防ぐ。
【００１６】
図２は本実施例の発電機に備えられた発電機磁極の周方向断面図である。永久磁石１３の軸方向長さＷｍを台座２４の軸方向長さＷｂよりも大きくし、ポールシュー１２から台座２４への磁束漏れを防いでいる。
【実施例３】
【００１７】
図３に本発明の第３の実施の形態を示す。図３は本発明のタービン発電機に備えられた副励磁機磁極の軸方向断面を示す。回転子軸１とポールシュー１２との間に永久磁石１３が取り付けられており、永久磁石１３は飛散防止のため、非磁性材料を用いたカバー１４で覆われている。カバー１４に凸部を設け、ポールシュー１２に凹部を設けてある。磁石設置時にこれらをはめ合わせることで、回転時に永久磁石１３を保持するとともに、永久磁石１３およびポールシュー１２の取り付け，取り外しの際の周方向の位置合わせを容易にしている。
【００１８】
また、カバー１４の凸部をはめ合わせないポールシュー１２および台座２４の凹部２５を設け、磁石の取り外しを容易にしている。
【００１９】
なお、図中で凹凸は四角形で表現しているが、三角形あるいは円形の断面であっても構わない。
【実施例４】
【００２０】
図４に本発明の第４の実施の形態を示す。図４は本実施例の発電機に備えられた発電機磁極の軸方向断面を示す。回転子軸１とポールシュー１２との間に永久磁石１３が取り付けられており、永久磁石１３は飛散防止のため、非磁性材料を用いたカバー１４で覆われている。実施例２に示したカバー１４の凸部，ポールシュー１２の凹部に加え、永久磁石１３に凸部、台座２４に凹部を設けてある。磁石設置時にこれらをはめ合わせることで、回転時に磁石を保持するとともに、磁石の取り付け，取り外しを容易にしている。
【００２１】
また、カバーの凸部をはめ合わせないポールシュー１２および台座２４の凹部２５を設け、磁石の取り外しを容易にしている。メンテナンス時にポールシュー１２を磁石から引き剥がす際には、凹部２５につめを引っ掛けて引き剥がせばよい。
【００２２】
なお、図中で凹凸は四角形で表現しているが、三角形あるいは円形の断面であっても構わない。
【実施例５】
【００２３】
図５および図６に本発明の第５の実施の形態を示す。本実施例の発電機に備えられた発電機磁極の軸方向断面を示す。実施例３において、永久磁石１３に接するポールシュー
１２の凹部を周方向両端にして軸方向断面を凸状とし、永久磁石１３の周方向長さＷｍを、ポールシュー１２の凸部の周方向長さＷｐより大きくしてある。カバー１４に設けた凸部とはめ合わせて永久磁石１３を保持するとともに、ポールシュー１２と台座２４との距離を広げてポールシュー１２から台座２４への磁束漏れを低減し、発電機の発電電圧低下を防いでいる。
【００２４】
図６は本実施例の発電機に備えられた発電機磁極の周方向断面図である。永久磁石１３に接するポールシュー１２の凹部を軸方向両端にして周方向断面を凸状とし、永久磁石
１３の周方向長さＷｍを、ポールシュー１２の凸部の周方向長さＷｐより大きくしてある。これにより、ポールシュー１２と台座２４との距離を広げてポールシュー１２から台座２４への磁束漏れを低減し、発電機の発電電圧低下を防いでいる。
【実施例６】
【００２５】
図７に本発明の第６の実施の形態を示す。本発明のタービン発電機に備えられた発電機磁極の軸方向断面を示す。ポールシュー１２の弧部の半径Ｒ２を回転子の半径Ｒ１よりも小さくすることにより、回転子外径と固定子との最大ギャップＧmaxと最小ギャップＧminとの比Ｇmax／Ｇminを１.３３以上としてある。
【００２６】
図８には、Ｇminが１０mmの時の、Ｇmax／Ｇmin と発電機の電機子巻線に誘起される電圧のひずみ率との関係を示す解析結果を示した。図８によれば、Ｇmax／Ｇminを１.２ 以上とすると電圧ひずみ率が顕著に低減されることが分かる。これによれば、Ｇmax／Ｇminを１.３３ 以上とすれば、電圧のひずみ率を５％以下と低く抑えることができる。
【実施例７】
【００２７】
図９に本発明の第７の実施の形態を示す。図９は本実施例の発電機であり、単相，並列回路数２の固定子を示す。スロット１１にコイルＣ１からＣ２４が収められており、ティース１０に巻きつけられている。コイルＣ１からＣ１２までが直列に巻き通されおり、ティースを挟まないコイル、例えば、Ｃ２とＣ３は渡り部でつながっている。同様にコイルＣ１３からＣ２４までが直列に巻き通されている。巻線の接続部はＣ１とＣ２４との一箇所のみで、結線が容易であり、取り付け，取り外しも容易にすることができる。本実施例によれば、固定子を２分割し、並列回路数を２とすることにより、固定子を分割した状態で各並列回路のコイルを各分割固定子に巻いた後に組み立て可能であり、固定子を容易に組み立てることができる。この本実施例の効果は、コイルを集中巻きとして、相数×並列回路数＝固定子分割数とすれば得られる。
【００２８】
また、固定子鉄心２６は、ティースを挟まない２つのスロット間に鉄心部２７を有し、ａ−ａ′，ｂ−ｂ′間で二分割されている。分割部を鉄心部２７とすることで分割しても巻線の保持を可能にしている。これにより、副励磁機固定子の取り付け，取り外し時に接触などによりコイルや絶縁物等が損傷を受けることを防ぐことができる。
【実施例８】
【００２９】
図１４および図１５に本発明の第８の実施の形態を示す。図１４は本実施例の発電機磁極の軸方向断面図、図１５は同径方向断面であり、回転軸１４０１に設けられた台座1424と円錐形状のポールシュー１４１２との間にリング状の永久磁石１４１３が挟まれている。ポールシュー１４１２には非磁性ボルト１４２６により固定されるよう２段階の穴が径方向中心に設けてある。また、永久磁石１４１３の径方向断面中心にも非磁性ボルトを
１４２６を通す穴が設けられている。非磁性ボルト１４２６は回転軸１４０１および台座１４２４に切られた螺子穴にねじ込むことによりポールシュー１４１２と永久磁石1413を固定する。
【００３０】
複数のボルトによってポールシューおよび永久磁石を保持しようとすると、特定のボルトに荷重がかかり、ボルトあるいはボルト穴が破断する可能性がある。本形態では、ボルト１本によってポールシューおよび永久磁石を保持することにより、こうした荷重のアンバランスを防ぐことが出来る。
【００３１】
さらに、角型の径方向断面を有するポールシューおよび永久磁石１本のボルトで締付けを行うと、締付け位置から遠い角において、めくれあがりが顕著になる。また、ポールシューの径方向厚みが均一な場合、締付けの際や、回転時に両端でのめくれあがりが顕著になる。本実施の形態では、これを防ぐため、ポールシューを円錐形、永久磁石をリング型とした。これにより、端での極端なめくれあがりを防ぐことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例２の発電機の断面図。
【図２】本発明の実施例２の発電機の断面図。
【図３】本発明の実施例３の断面図。
【図４】本発明の実施例４の断面図。
【図５】本発明の実施例５の断面図。
【図６】本発明の実施例５の断面図。
【図７】本発明の実施例６の断面図。
【図８】本発明の実施例６のＧmax／Ｇminとひずみ率の関係を示す図。
【図９】本発明の実施例７の固定子の断面図。
【図１０】比較例のタービン発電システムの断面図。
【図１１】比較例のタービン発電機の回路構成図。
【図１２】本発明の実施例１のタービン発電システムの断面図。
【図１３】本発明の実施例１の発電機の断面図。
【図１４】本発明の実施例８の断面図。
【図１５】本発明の実施例８の断面図。
【符号の説明】
【００３３】
１０…ティース、１１…スロット、１２…ポールシュー、１３…永久磁石、１４…磁石カバー、２４…台座、２５…凹部。
【図１】
2006271138.tif 000003
【図２】
2006271138.tif 000004
【図３】
2006271138.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2006271138.tif 000014
【図１３】
2006271138.tif 000015
【図１４】
2006271138.tif 000016
【図１５】
2006271138.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成18年2月20日(2006.2.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を備え回転可能に支持された回転子と、界磁コイルが巻かれた固定子とを備え
、前記回転子は前記永久磁石の径方向内側に前記永久磁石を支持する磁性体からなる台座
及び前記永久磁石の径方向外側に磁性体からなるポールシューとを備えることを特徴とす
る発電機。
【請求項２】
請求項１において、前記永久磁石の周方向の幅は前記台座の周方向の幅よりも大きいこ
とを特徴とする発電機。
【請求項３】
請求項１において、前記台座の軸方向の幅は前記永久磁石の軸方向の幅よりも大きいこ
とを特徴とする発電機。
【請求項４】
請求項１において、前記永久磁石の表面にカバーを有し、前記カバーは凸部または凹部
を有し、前記台座は凹部または凸部を有し、前記カバーの凸部または凹部が前記台座の凹
部または凸部とはめ合わさることを特徴とする発電機。
【請求項５】
請求項１において、前記回転子は前記永久磁石の径方向外側にポールシューを有し、前
記永久磁石の表面にカバーを有し、前記カバーは凸部または凹部を有し、前記台座は凹部
または凸部を有し、前記カバーの凸部または凹部が前記台座の凹部または凸部にはめ合わ
さることを特徴とする発電機。
【請求項６】
請求項１において、前記回転子は前記永久磁石の径方向外側にポールシューを有し、前
記ポールシューと前記固定子との間のギャップの最小値に対するギャップの最大値の比が
１.２５ 以上であることを特徴とする発電機。
【請求項７】
永久磁石を備え回転可能に支持された回転子と、界磁コイルが巻かれた固定子とを備え
、前記回転子は永久磁石を支持する台座を有し、前記ポールシューの弧部の半径が前記回
転子の半径よりも小さいことを特徴とする発電機。
【請求項８】
請求項６において、前記ポールシューと前記固定子との間のギャップの最小値に対する
最大値の比が１.２ 以上であることを特徴とする発電機。
【請求項９】
請求項６において、前記ポールシューと前記固定子との間のギャップの最小値に対する
最大値の比が１.３３ 以上であることを特徴とする発電機。
【請求項１０】
請求項１において、永久磁石を備え回転可能に支持された回転子と、界磁巻線が巻かれ
た固定子とを備え、前記固定子が分割されて構成され、前記固定子に巻かれた界磁巻線の
並列回路数と前記界磁巻線の積が前記固定子の分割数と等しいことを特徴とする発電機。
【請求項１１】
請求項１０において、前記固定子の分割数及び前記固定子に巻かれた界磁巻線の並列回路数が２であることを特徴とする発電機。
【請求項１２】
永久磁石を備え回転可能に支持された回転子と、界磁コイルが巻かれた固定子とを備え
、前記回転子は前記永久磁石の径方向内側に前記永久磁石を支持する磁性体からなる台座
及び前記永久磁石の径方向外側に磁性体からなるポールシューとを備え、前記回転子はタ
ービンにより発生した回転力により回転することを特徴とする発電システム。
【請求項１３】
発電機と、励磁機と、カップリングを有する発電システムにおいて、
前記発電機の回転子とカップリングの間に、励磁機を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項１４】
請求項１３において、前記発電機の回転子とカップリングの間に備える励磁機は副励磁機であることを特徴とする発電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は励磁に永久磁石を用いた発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の発電機の例としては、特開平５−１４６１０３号公報に、界磁用永久磁石がスロットに挿入された発電機が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１４６１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献１のような界磁に永久磁石を用いた発電機では、永久磁石を回転子に軸
方向から挿入する方式のため、軸方向に発電システムのタービンなどの障害物がある場合
、永久磁石を挿入することが困難であるという課題が生じる。本発明の目的は、発電機の
回転子の軸方向にタービンなどの障害物がある場合でも容易に組み立てられる発電機を提
供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一つの特徴は、発電機を台座とポールシューの間に永久磁石が配置された回転
子を備えたものとした点にある。
【０００６】
また、本発明の他の特徴は、発電機に上記の永久磁石の幅を台座の幅よりも大きくした点にある。
【０００７】
また、本発明の他の特徴は、発電機に永久磁石を備え回転可能に支持された回転子と、界磁巻線が巻かれた固定子とを備え、回転子は永久磁石を支持する台座を有し、ポールシューの弧部の半径が前記回転子の半径よりも小さい点にある。
【０００８】
また、本発明の他の特徴は、発電機に永久磁石を備え回転可能に支持された回転子と、界磁巻線が巻かれた固定子とを備え、固定子が分割されて構成され、固定子の分割数が固定子に巻かれた界磁巻線の並列回路数が等しい点にある。
【０００９】
本発明のその他の特徴は、発明を実施するための最良の形態の欄で説明する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、永久磁石をポールシューと台座の間に配置することにより、容易に組
み立て可能な発電機及び発電システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１０に本発明の効果を説明するための、比較例のブラシレス励磁方式励磁装置を有す
るタービン発電機の例を示す。前記タービン発電機は、交流励磁機４と副励磁機５とをタ
ービン発電機回転子軸端のオーバーハング部に有している。副励磁機５は永久磁石１３を
回転子磁極に有しており、永久磁石１３は副励磁機の電機子巻線８に直交する界磁を作る
。一方、回転軸１には、タービンによりカップリング３を介して回転力が加わり、回転す
る。したがって、前記副励磁機の電機子コイル８には、電磁誘導作用により交流電流Ｉa1
が誘起される。整流機能を有する自動電圧調整装置１６は、発電機電圧を検出し、この交
流電流Ｉa1を直流電流Ｉd1に変換して、交流励磁機の界磁コイル１８に供給する。交流励
磁機の界磁コイル１８は交流励磁機の回転子２０に取り付けられており、回転軸１の回転
により、電機子巻線１９に交流電流Ｉa2が誘起される。交流電流Ｉa2は回転整流装置１７を介して直流に変換され、タービン発電機界磁コイル２２に供給される。回転軸の回転により、タービン発電機電機子コイル２１に交流電流が誘起され、外部へ電力を供給することが出来る。図１１には、比較例のブラシレス励磁方式を示す回路構成図の例を示す。副励磁機１２０１から発生した交流電圧の大きさは、自動電圧調整器１２０３により調整される。この交流電圧は整流器で直流電圧に変換され、副励磁機の出力側に直流電流が流れる。この直流電流が発生する直流磁界の電磁誘導作用によって回転部１２０５の交流励磁機１２０２に交流電流が発生する。この交流電流は、回転部の整流器により直流電流に変換され、回転部の界磁コイルに直流電流を供給する。回転部がタービンの機械力により回転すると、界磁コイルに流された直流電流による磁界の電磁誘導により、タービン発電機固定子側の電機子コイル（図示せず）に交流電圧が発生する。図１０の構成では、図１０の通りオーバーハング部に副励磁機４と交流励磁機５を有するので、オーバーハング部が長くなるという課題がある。
【００１２】
ここで、副励磁機５の回転子の構造が特許文献１のように磁石のスロットに挿入する方
式の場合、矢印２３の方向から磁石を挿入することになるが、カップリング３が邪魔にな
り磁石を挿入できない。したがって、本実施例では、図１３に示すように、永久磁石1102
をポールシュー１１０９と、永久磁石１１０２を取り付ける台座１１０４によって挟み込
む構造としている。この構造であれば、永久磁石を径方向３１から台座１１０４に設置す
ることができるので、回転子の軸方向にタービンなどが有り軸方向から永久磁石を挿入で
きない場合でも、励磁用発電機を設置することができる。図１３の構造についてさらに詳
しく説明する。台座１１０４は磁性体からなり、永久磁石１１０２の径方向内側（回転軸
側）に配置され、永久磁石１１０２を支持している。また、ポールシュー１１０９は永久
磁石１１０２の外側に配置され、磁性体で構成される。１１０６は固定子、１１０７は回
転子であり回転可能に支持される。固定子１１０６にはコイル１１０５が巻かれ、回転子
１１０７には永久磁石１１０２が配置されている。回転子１１０７が周方向１１０８に回
転することにより、永久磁石１１０２が発生する磁束がコイル１１０５を横切り電磁誘導
の作用により、コイル１１０５に電圧が発生する。本実施例では、ポールシュー１１０９
および回転子１１０７はボルト締め又はバインドによる締め付けで固定しているが、ポールシュー１１０９,永久磁石１１０２,台座１１０４及び回転子１１０７をボルトで一体で固定してもよい。また、本実施例のポールシュー１１０９，永久磁石１１０２及び台座
１１０４の径方向の形状は長方形であるが、機械的強度を高めるために円形又は楕円形としても構わない。
【００１３】
本実施例では、発電機を容易に組み立てられるという大きな利点があるが、永久磁石
１１０２の発生する磁束のうち、磁束１１０３は有効に固定子１１０６を通過するが、永
久磁石１１０２の端部が発生する磁束１２０４は永久磁石１１０４の横を通過して固定子
１１０６を通過せずに永久磁石１１０２に戻るため、この磁束１１０４は発電には寄与し
ないという課題もある。
【００１４】
そこで、本発明の第２の実施例では、図１及び図２に示すように、台座２４の周方向の
幅Ｗｂよりも永久磁石１３の周方向の幅Ｗｍの方を大きくしている。この構成によれば、
永久磁石１３の端部から発生する磁束が、永久磁石１３の横を通って台座２４に入る経路
３２の磁気抵抗が大きいので、この経路はほとんど磁束が通らず、漏れ磁束を低減するこ
とができる。図１および図２で本発明の第２の実施形態をさらに詳しく説明する。図１は
本実施例の発電機の磁極の周方向断面を示す。回転子軸１の任意の周方向位置に永久磁石
１３を取り付けるための台座２４が設けられている。台座２４は回転軸１と一体の削り出
し、あるいは別に磁性金属より形成し回転軸１に設けられている。永久磁石１３は飛散防
止のため、非磁性材料を用いたカバー１４で覆われている。永久磁石１３の周方向長さ
Ｗｍを台座２４の周方向長さＷｂより大きくしてあり、ポールシュー１２と台座２４との
距離を広げてポールシュー１２から台座２４への磁束漏れを防いでいる。これにより、発
電電圧の低下を防ぐ。
【００１５】
図２は本実施例の発電機に備えられた発電機磁極の軸方向断面図である。永久磁石１３
の軸方向長さＷｍ′を台座２４の軸方向長さＷｂ′よりも大きくし、ポールシュー１２から台座２４への磁束漏れを防いでいる。
【００１６】
図３に本発明の第３の実施の形態を示す。図３は本発明のタービン発電機に備えられた
副励磁機磁極の周方向断面を示す。回転子軸１とポールシュー１２との間に永久磁石１３
が取り付けられており、永久磁石１３は飛散防止のため、非磁性材料を用いたカバー１４
で覆われている。カバー１４に凸部を設け、ポールシュー１２に凹部を設けてある。磁石
設置時にこれらの凸部と凹部をはめ合わせることで、回転時に永久磁石１３を保持すると
ともに、永久磁石１３およびポールシュー１２の取り付け，取り外しの際の周方向の位置
合わせを容易にしている。
【００１７】
また、カバー１４の凸部をはめ合わせない凹部２５をポールシュー１２および台座２４に設けて、永久磁石１３の取り外しを容易にしている。
【００１８】
なお、図中で前記凹凸の形状は四角形で表現しているが、三角形あるいは円形の断面であっても構わない。
【実施例１】
【００１９】
図４に本発明の第４の実施の形態を示す。図４は本実施例の発電機に備えられた発電機
磁極の周方向断面を示す。回転子軸１とポールシュー１２との間に永久磁石１３が取り付
けられており、永久磁石１３は飛散防止のため、非磁性材料を用いたカバー１４で覆われ
ている。実施例２に示したカバー１４の凸部，ポールシュー１２の凹部に加え、永久磁石
１３に凸部、台座２４に凹部を設けてある。永久磁石１３の設置時にこれらの凸部と凹部
をはめ合わせることで、回転時に永久磁石１３を保持するとともに、永久磁石１３の取り
付け，取り外しを容易にしている。
【００２０】
また、カバーの凸部をはめ合わせないポールシュー１２および台座２４の凹部２５を設
け、磁石の取り外しを容易にしている。メンテナンス時にポールシュー１２を磁石から引
き剥がす際には、凹部２５につめを引っ掛けて引き剥がせばよい。
【００２１】
なお、図中で凹凸は四角形で表現しているが、三角形あるいは円形の断面であっても構
わない。
【実施例２】
【００２２】
図５および図６に本発明の第５の実施の形態を示す。図５は本実施例の発電機に備えら
れた発電機磁極の周方向断面を示す。実施例３において、永久磁石１３に接するポールシ
ュー１２の周方向両端に凹部を設けてその周方向断面を凸状に形成し、永久磁石１３の周方向長さＷｍを、ポールシュー１２の凸部の周方向長さＷｐより大きくしてある。カバー１４に設けた凸部を台座２４に設けた凹部とはめ合わせて永久磁石１３を保持するとともに、ポールシュー１２と台座２４との距離を広げてポールシュー１２から台座２４への磁束漏れを低減し、発電機の発電電圧の低下を防いでいる。
【００２３】
図６は本実施例の発電機に備えられた発電機磁極の軸方向断面図である。永久磁石１３
に接するポールシュー１２の軸方向両端に凹部を設けてその軸方向断面を凸状に形成し、
永久磁石１３の軸方向長さＷｍ′を、ポールシュー１２の凸部の軸方向長さＷｐ′より大きくしてある。これにより、ポールシュー１２と台座２４との距離を広げてポールシュー１２から台座２４への磁束漏れを低減し、発電機の発電電圧の低下を防いでいる。
【実施例３】
【００２４】
図７に本発明の第６の実施の形態を示す。本発明のタービン発電機に備えられた発電機
磁極の周方向断面を示す。ポールシュー１２の弧部の半径Ｒ２を回転子１の半径Ｒ１よりも小さくすることにより、回転子１の外径端と固定子７の内面との最大ギャップＧmax と最小ギャップＧminとの比Ｇmax／Ｇminを１.３３以上としてある。
【００２５】
図８には、Ｇminが１０mmの時の、Ｇmax／Ｇmin と発電機の電機子巻線に誘起される電圧のひずみ率との関係を示す解析結果を示した。図８によれば、Ｇmax／Ｇminを１.２ 以上とすると電圧ひずみ率が顕著に低減されることが分かる。これによれば、Ｇmax／Ｇmin
を１.３３ 以上とすれば、電圧のひずみ率を５％以下と低く抑えることができる。
【実施例４】
【００２６】
図９に本発明の第７の実施の形態を示す。図９は本実施例の発電機であり、単相，並列
回路数２の固定子を示す。スロット１１にコイルＣ１からＣ２４が収められており、ティ
ース１０に巻きつけられている。コイルＣ１からＣ１２までが直列に巻き通されおり、テ
ィースを挟まないコイル、例えば、Ｃ２とＣ３は渡り部でつながっている。同様にコイル
Ｃ１３からＣ２４までが直列に巻き通されている。巻線の接続部はＣ１とＣ２４との一箇
所のみで、結線が容易であり、取り付け，取り外しも容易にすることができる。本実施例
によれば、固定子を２分割し、並列回路数を２とすることにより、固定子を分割した状態
で各並列回路のコイルを各分割固定子に巻いた後に組み立て可能であり、固定子を容易に
組み立てることができる。この本実施例の効果は、コイルを集中巻きとして、相数×並列
回路数＝固定子分割数とすれば得られる。
【００２７】
また、固定子７の鉄心２６は、ティース１０を挟まない２つのスロット間に鉄心部２７を有し、ａ−ａ′，ｂ−ｂ′間で二分割されている。分割部を鉄心部２７とすることで分割しても巻線の保持を可能にしている。これにより、副励磁機５の固定子の取り付け，取り外し時に接触などによりコイルや絶縁物等が損傷を受けることを防ぐことができる。
【実施例５】
【００２８】
図１４および図１５に本発明の第８の実施の形態を示す。図１４は本実施例の発電機磁
極の軸方向断面図、図１５は同径方向断面であり、回転軸１４０１に設けられた台座1424
と円錐形状のポールシュー１４１２との間にリング状の永久磁石１４１３が挟まれている
。ポールシュー１４１２には非磁性ボルト１４２６により固定されるよう２段階の穴が径
方向中心に設けてある。また、永久磁石１４１３の径方向断面中心にも非磁性ボルト1426
を通す穴が設けられている。非磁性ボルト１４２６は回転軸１４０１および台座１４２４に切られた螺子穴にねじ込むことによりポールシュー１４１２と永久磁石１４１３を固定する。
【００２９】
複数のボルトによってポールシュー１４１２および永久磁石１４１３を保持しようとすると、特定のボルトに荷重がかかり、ボルトあるいはボルト穴が破断する可能性がある。本形態では、１本の非磁性ボルト１４２６によってポールシュー１４１２および永久磁石１４１３を保持することにより、こうした荷重のアンバランスを防ぐことが出来る。
【００３０】
さらに、角型の径方向断面を有するポールシューおよび永久磁石をボルトで締付けを行うと、締付け位置から遠い角において、めくれあがりが顕著になる。また、ポールシューの径方向厚みが均一な場合、締付けの際や、回転時に両端でのめくれあがりが顕著になる。本実施の形態では、これを防ぐため、ポールシュー１４１２を円錐形、永久磁石1413をリング型とした。これにより、端での極端なめくれあがりを防ぐことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例２の発電機の周方向の部分断面図。
【図２】本発明の実施例２の発電機の軸方向の部分断面図。
【図３】本発明の実施例３の周方向の部分断面図。
【図４】本発明の実施例４の周方向の部分断面図。
【図５】本発明の実施例５の周方向の部分断面図。
【図６】本発明の実施例５の軸方向の部分断面図。
【図７】本発明の実施例６の周方向の部分断面図。
【図８】本発明の実施例６のＧmax／Ｇminとひずみ率の関係を示す図。
【図９】本発明の実施例７の固定子の断面図。
【図１０】比較例のタービン発電システムの断面図。
【図１１】比較例のタービン発電機の回路構成図。
【図１２】本発明の実施例１のタービン発電システムの断面図。
【図１３】本発明の実施例１の発電機の周方向の部分断面図。
【図１４】本発明の実施例８の周方向の部分断面図。
【図１５】本発明の実施例８の垂直方向の部分断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１０…ティース、１１…スロット、１２…ポールシュー、１３…永久磁石、１４…磁石カバー、２４…台座、２５…凹部。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2006271138.tif 000018
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2006271138.tif 000019
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１３】
2006271138.tif 000020
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４】
2006271138.tif 000021
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１５】
2006271138.tif 000022