(57)【要約】【課題】  回転子の巻線に外部から電流を供給するための給電機構を必要としない発電機を提供する。【解決手段】  発電機１は出力巻線Ｌ１１を有する固定子１０と励磁巻線Ｌ２１を有する回転子１１とを備え、回転子１１には巻線Ｌ２１と並列に接続されるダイオードＤ１が配設される。回転子１１が回転し磁束が変化すると固定子１０及び回転子１１に起磁力が生じ、巻線Ｌ１１、巻線Ｌ２１に電流が流れる。この電流により固定子１０及び回転子１１に磁束が発生し、両者間の吸引力もしくは反発力が生じる。吸引力もしくは反発力に反して回転子１１が移動するとき固定子１０及び回転子１１に起磁力が生じ、巻線Ｌ１１、巻線Ｌ２１に発電として作用する電流が流れる。巻線Ｌ２１を過ぎる磁束の変化によって巻線Ｌ２１に起電力が生じ、ダイオードＤ１のカソード側から巻線Ｌ２１に向かう電流が流れ、この電流により生じる磁束は巻線Ｌ１１に発電電流を流すよう作用する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力巻線を有する固定子と、
励磁巻線を有する回転子と、
前記回転子に配設され、かつ前記励磁巻線と並列に接続される整流手段と、
前記回転子が生成する回転磁界によって前記出力巻線に誘導される起電力を出力する出力端と、
を備え、
前記回転子は、励磁用電流路として、前記励磁巻線と前記整流手段とを並列に接続した一方向性の電流路を含むこと、
を特徴とする発電機。
【請求項２】
前記回転子は、前記励磁用電流路として、第１の巻線と第１の整流手段とを並列に接続した一方向性の第１の電流路と、第２の巻線と第２の整流手段とを直列接続した一方向性の第２の電流路とを含み、
前記第２の電流路は、前記第１の電流路内の前記第１の巻線に対し、前記第１の電流路の電流と同一方向の電流を供給すること、
を特徴とする、請求項１記載の発電機。
【請求項３】
前記第２の巻線は、前記第１の巻線に対し、所定の電気角遅相した位置に配設されることを特徴とする請求項２記載の発電機。
【請求項４】
前記第２の巻線は、前記第１の巻線に対し電気角にして略１２０度遅相した位置に配設されることを特徴とする請求項３記載の発電機。
【請求項５】
前記回転子は、励磁用電流路として、更に第３の巻線と第３の整流手段とを直列接続した一方向性の第３の電流路を含み、
前記第３の電流路は、前記第１の電流路内の前記第１の巻線に対し、前記第１の電流路の電流と同一方向の電流を供給すること、
を特徴とする請求項２記載の発電機。
【請求項６】
前記第２の巻線及び第３の巻線は、前記第１の巻線に対し、異なる所定の電気角遅相した位置にそれぞれ配設されることを特徴とする請求項５記載の発電機。
【請求項７】
前記第２の巻線は、前記第１の巻線に対し電気角にして略１２０度遅相した位置に、前記第３の巻線は、前記第１の巻線に対し電気角にして略６０度遅相した位置に、それぞれ配設されることを特徴とする請求項６記載の発電機。
【請求項８】
前記回転子は、励磁電流路として、第１の巻線と第１の整流手段とを並列に接続した一方向性の第１の電流路と、巻線と整流手段とを直列接続した一方向性の電流路でそれぞれ構成される第２〜第ｎの電流路とを含み、
前記第２〜第ｎの電流路の各々は、前記第１の電流路内の前記第１の巻線に対し、前記第１の電流路の電流と同一方向の電流を供給すること、
を特徴とする、請求項１記載の発電機。
ここで、ｎはｎ≧４の整数である。
【請求項９】
前記第２〜第ｎの電流路に含まれる巻線は、前記第１の巻線に対し、異なる所定の電気角遅相した位置にそれぞれ配設されることを特徴とする請求項８記載の発電機。
【請求項１０】
前記第２〜第ｎの電流路に含まれる第ｉの巻線（ｉ＝２，・・・ｎ）は、前記第１の巻線に対し、電気角にして略（（１８０／ｎ）×（ｉ−１））度遅相した位置にそれぞれ配設されることを特徴とする請求項９記載の発電機。
【請求項１１】
前記出力端と並列に、誘導成分、容量成分、又は誘導成分及び容量成分を直列若しくは並列に接続した合成成分を接続したことを特徴とする請求項１，２，５又は８のいずれかに記載の発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力を発生する発電機に関し、特に回転子の巻線に外部から電流を供給するための特別な供給機構を必要としない発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転子が生成する回転磁界によって、固定子に配設される巻線に誘導起電力を生じさせ、出力電圧を得る発電機が知られている。このような発電機においては、回転子に設けられた巻線に対し外部から直流電流を供給することにより励磁するか、回転子に永久磁石を使用することで、回転磁界を生成している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２８５１４４号公報
【０００４】
特許文献１の発電機は、自励式発電機として知られるもので、固定子側に出力巻線とは別に設けられている巻線から、スリップリングとスリップリングに接触するブラシとを有する給電機構を介して、回転子の巻線に励磁電流が供給されるようになっている。
【０００５】
特許文献１の自励式発電機においては、固定子側の巻線から回転子側の巻線に給電するための、電気的接触機構（スリップリングとブラシ）を含む給電機構が必要であり、回転子の励磁のための電気回路機構が複雑となる。また、発電機の寿命も、電気的接触機構によって制限を受ける。
【０００６】
一方、回転子に永久磁石を使用する発電機は、一般に回転始動が重くなるため、少ない始動トルクが望まれる発電機（例えば風力発電用の発電機）としては不向きであると考えられている。
【０００７】
ところで、従来の発電機のうち誘導発電機は、回転子の巻線に励磁を必要としないが、系統連係させ、かつ、同期回転を上回る速度で回転子を回転させなければ発電しないという特性を持つ。
また、従来の発電機においては、発電機の回転子が回転駆動されていると、出力端子に負荷が接続されているか否かにかかわらず、出力電圧が常時出力端子に出力される。従って、発電機の回転駆動中に、使用者が開放出力端子を通して感電することがないようその取り扱いに十分な注意が払われなければならない。
さらに、従来の発電機においては、過大な重負荷が与えられると、回転子を支持する回転軸が極度の重トルク状態となる。このため、駆動系から伝達される回転駆動力によって回転軸が捻じ切られる、固定子及び回転子の巻線が過大な電流によって焼損するといった重大な故障に至るおそれがある。
【０００８】
また、従来の発電機においては、定速運転時に、負荷を軽負荷から重負荷に急に変化させた際の出力電圧を一定に維持するためには、駆動系から発電機の回転子を支持する回転軸に伝達される回転トルクを上昇させることにより発電電力を増加させることが必要である。発電電力は、回転子の励磁作用をより強力にすることにより、増加させることができる。しかしながら、この対策のために、例えば特許文献１に記載されているように、回転子の巻線に流れる電流を増やすための別の給電機構を固定子側に設けなければならない。
【０００９】
回転子に永久磁石を使用する発電機においては、接続される負荷の状態に応じて回転子が発生する磁束の強度を変化させることができない。従って、定速運転時に負荷を軽負荷から重負荷に変化させると、発電機の出力電圧は不可避的に低下し、この電圧低下は発電機の回転トルクを上昇させることによっても対処することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のとおり、従来の自励式発電機においては、固定子側から回転子の巻線に励磁電流を供給するための、固定子と回転子との間の電気的接触機構を含む給電機構が必須であった。また、無負荷時（出力端子解放時）、重負荷時の発電機の安全性に関し相当な配慮を必要としていた。また、負荷急変時に出力電圧を一定に維持するためには、回転子の巻線に流れる電流を増やすための特別の給電機構を固定子側に設ける必要があった。さらに、回転子に永久磁石を使用する発電機においては、回転始動が重いという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、回転子の巻線に外部から電流を供給するための給電機構を必要としない発電機を提供することを目的とする。
本発明は、系統連係させない単独運転において、外部から電流を供給する励磁を必要とせず、かつ、回転速度にかかわらず発電する発電機を提供することを目的とする。
また、本発明は、無負荷時、重負荷時の安全性が大幅に改善された発電機を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、負荷の急変に速やかに追随する、あるいは負荷の急変の影響を受けにくい、安定した出力電圧を得ることのできる発電機を提供することを目的とする。
また、本発明は、回転始動の容易な発電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１記載の発明は、出力巻線を有する固定子と、励磁巻線を有する回転子と、前記回転子に配設され、かつ前記励磁巻線と並列に接続される整流手段と、前記回転子が生成する回転磁界によって前記出力巻線に誘導される起電力を出力する出力端とを備え、前記回転子は、励磁用電流路として、前記励磁巻線と前記整流手段とを並列に接続した一方向性の電流路を含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発電機において、前記回転子は、前記励磁用電流路として、第１の巻線と第１の整流手段とを並列に接続した一方向性の第１の電流路と、第２の巻線と第２の整流手段とを直列接続した一方向性の第２の電流路とを含み、前記第２の電流路は、前記第１の電流路内の前記第１の巻線に対し、前記第１の電流路の電流と同一方向の電流を供給することを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発電機において、前記第２の巻線は、前記第１の巻線に対し、所定の電気角遅相した位置に配設されることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発電機において、前記第２の巻線は、前記第１の巻線に対し電気角にして略１２０度遅相した位置に配設されることを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項２記載の発電機において、前記回転子は、励磁用電流路として、更に第３の巻線と第３の整流手段とを直列接続した一方向性の第３の電流路を含み、前記第３の電流路は、前記第１の電流路内の前記第１の巻線に対し、前記第１の電流路の電流と同一方向の電流を供給することを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発電機において、前記第２の巻線及び第３の巻線は、前記第１の巻線に対し、異なる所定の電気角遅相した位置にそれぞれ配設されることを特徴とする。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発電機において、前記第２の巻線は、前記第１の巻線に対し電気角にして略１２０度遅相した位置に、前記第３の巻線は、前記第１の巻線に対し電気角にして略６０度遅相した位置に、それぞれ配設されることを特徴とする。
【００１９】
請求項８記載の発明は、請求項１記載の発電機において、前記回転子は、励磁電流路として、第１の巻線と第１の整流手段とを並列に接続した一方向性の第１の電流路と、巻線と整流手段とを直列接続した一方向性の電流路でそれぞれ構成される第２〜第ｎの電流路とを含み、前記第２〜第ｎの電流路の各々は、前記第１の電流路内の前記第１の巻線に対し、前記第１の電流路の電流と同一方向の電流を供給することを特徴とする。ここで、ｎはｎ≧４の整数である。
【００２０】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の発電機において、前記第２〜第ｎの電流路に含まれる巻線は、前記第１の巻線に対し、異なる所定の電気角遅相した位置にそれぞれ配設されることを特徴とする。
【００２１】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の発電機において、前記第２〜第ｎの電流路に含まれる第ｉの巻線（ｉ＝２，・・・ｎ）は、前記第１の巻線に対し、電気角にして略（（１８０／ｎ）×（ｉ−１））度遅相した位置にそれぞれ配設されることを特徴とする。
【００２２】
請求項１１記載の発明は、請求項１，２，５又は８のいずれかに記載の発電機において、前記出力端と並列に、誘導成分、容量成分、又は誘導成分及び容量成分を直列若しくは並列に接続した合成成分を接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の発電機によれば、出力巻線を有する固定子と、励磁巻線を有する回転子と、回転子に配設され、かつ励磁巻線と並列に接続される整流手段と、回転子が生成する回転磁界によって出力巻線に誘導される起電力を出力する出力端とを備え、回転子は、励磁用電流路として、励磁巻線と整流手段とを並列に接続した一方向性の電流路を含む構成としたので、励磁巻線には整流手段の一方側の端子から励磁巻線に向かう一方向の電流のみが流れる。従って、回転子の励磁巻線は、整流手段の逆方向に相当する誘導起電力を生じさせるような磁束の変化に対してそれを妨げる作用をしないため、固定子の一方の極から回転子に向かう磁束は固定子を容易に通過し、回転子が磁化される。また、回転子の励磁巻線においては、整流手段の一方側の端子を正、他方側の端子を負とする誘導起電力を生じさせるような磁束の変化に対しては、その誘導起電力が整流手段の順方向に相当するため、整流手段の一方側の端子から励磁巻線に向かう方向に電流が流れ、回転子には固定子の一方の極から回転子に向かう方向の磁束が発生する。この結果、回転子には、一方をＳ極、他方をＮ極とする一方向の磁束のみが発生する。
【００２４】
このようにして回転子は、回転子の励磁巻線に電流を供給しなくても、一方向の磁束を発生する。従って、回転子が回転することによる磁束の変化に起因して、固定子、回転子にはそれぞれ起磁力が生じる。この起磁力により固定子の巻線及び回転子の励磁巻線に電流が流れ、固定子及び回転子に磁束が発生することにより、固定子と回転子との間に吸引力もしくは反発力が生じる。
【００２５】
回転子が回転により移動し、固定子と回転子と間の吸引力に反して回転子が固定子の一方の極から離れようとすると、当該固定子及び回転子に起磁力が生じる。また、固定子と回転子と間の反発力に反して回転子が固定子の他方の極に接近すると、当該固定子及び回転子に起磁力が生じる。固定子の一対の極の中間的領域では、回転子が固定子の一方の極から離れる一方、他方の極に近づく。この中間的領域では、回転子の励磁巻線を過ぎる磁束の変化率（固定子の磁束によって回転子の励磁巻線が受ける磁束の変化率）が、極付近に比べて相対的に大きいため、励磁巻線に大きな起電力が生じて整流手段の一方側の端子から励磁巻線に向かう方向に電流が流れる。回転子の励磁巻線にこの電流が流れることにより生じる磁束は、固定子に作用し、固定子の出力巻線の磁束の変化（減少）を妨げる方向の起磁力を発生させ、固定子の出力巻線に発電として作用する電流を流す。また、回転子が固定子の他方の極に接近する（このとき回転子の磁束と固定子の磁束とは反発する関係にある）ことによる、固定子及び回転子の磁束の変化（減少）を妨げる方向の起磁力が発生する。この起磁力により、なおも発電として作用する方向の電流が固定子の出力巻線及び回転子の励磁巻線に流れる。固定子と回転子が離隔する場合、固定子と回転子とが吸引するが、離隔することによる固定子及び回転子の磁束の変化（減少）を妨げる方向の起磁力が生じ、この起磁力により固定子の出力巻線及び回転子の励磁巻線に電流が流れ、この電流が磁束の減少を妨げる方向の磁束を発生するが、この電流の流れる方向は発電電流となる。
【００２６】
また、本発明の発電機において、回転子は、励磁用電流路として、第１の巻線と第１の整流手段とを並列に接続した一方向性の第１の電流路と、第２の巻線と第２の整流手段とを直列接続した一方向性の第２の電流路とを含み、第２の電流路は、第１の電流路内の第１の巻線に対し、第１の電流路の電流と同一方向の電流を供給する構成とした場合、第２の巻線を流れる電流も回転子の第１の巻線（励磁巻線）に供給されるので、励磁が強化され、発電出力を向上させることができる。
【００２７】
第２の巻線を、第１の巻線に対し所定の電気角遅相した位置に配設すると、回転子の回転移動に伴い固定子の一対の極の中間的領域を第２の巻線が移動するときに、第２の巻線を過ぎる磁束の変化（固定子の磁束によって第２の巻線が受ける磁束の変化）により、第２の巻線に起電力が生じて第２の巻線から第１の巻線に電流が供給されるので、発電性能を向上するうえで有利である。特に、第２の巻線が、第１の巻線に対し電気角にして略１２０度遅相した位置に配設される構成とした場合、移動する回転子の励磁巻線が固定子の一対の極の近傍に位置するときでも、第１の巻線に電流が供給されるので、励磁がより強化され、発電出力をより向上させることができる。
【００２８】
さらに、本発明の発電機において、回転子は、励磁用電流路として、更に第３の巻線と第３の整流手段とを直列接続した一方向性の第３の電流路を含み、第３の電流路は、第１の電流路内の第１の巻線に対し、第１の電流路の電流と同一方向の電流を供給する構成とした場合、第２の巻線を流れる電流に加えて第３の巻線を流れる電流も回転子の第１の巻線（励磁巻線）に供給されるので、励磁がより強化され、発電出力をさらに向上させることができる。
【００２９】
第２の巻線及び第３の巻線を、第１の巻線に対し異なる所定の電気角遅相した位置にそれぞれ配設すると、回転子の回転移動に伴い、第２の巻線と第３の巻線のそれぞれが固定子の一対の極の中間的領域を移動するときに、第２の巻線または第３の巻線を過ぎる磁束の変化（固定子の磁束によって第２の巻線、第３の巻線が受ける磁束の変化）によって、第２の巻線、第３の巻線にそれぞれ起電力が生じて、これらの巻線から第１の巻線に電流が供給されるので、発電性能を向上するうえでさらに有利である。特に、第２の巻線が、第１の巻線に対し電気角にして略１２０度遅相した位置に、第３の巻線が、第１の巻線に対し電気角にして略６０度遅相した位置に、それぞれ配設される構成とした場合、移動する回転子の励磁巻線が固定子の一対の極の中間的領域に位置しないとき、さらには極の近傍に位置するときでも、これらの巻線から第１の巻線に電流が供給されるので、励磁がよりいっそう強化され、発電出力をよりいっそう向上させることができる。
【００３０】
本発明の発電機において、回転子は、励磁電流路として、第１の巻線と第１の整流手段とを並列に接続した一方向性の第１の電流路と、巻線と整流手段とを直列接続した一方向性の電流路でそれぞれ構成される第２〜第ｎの電流路とを含み、第２〜第ｎの電流路の各々は、第１の電流路内の第１の巻線に対し、第１の電流路の電流と同一方向の電流を供給する構成としてもよい（ここで、ｎはｎ≧４の整数である）。この場合、第２〜第ｎの電流路に含まれる各巻線を流れる電流も回転子の第１の巻線（励磁巻線）に供給されるので、励磁がより強化され、発電出力をさらに向上させることができる。
【００３１】
ここで、第２〜第ｎの電流路に含まれる巻線を、第１の巻線に対し、異なる所定の電気角遅相した位置にそれぞれ配設すると、回転子の回転移動に伴い、第２〜第ｎの巻線のそれぞれが固定子の一対の極の中間的領域を移動するときに、各巻線を過ぎる磁束の変化（固定子の磁束によって各巻線が受ける磁束の変化）によって各巻線に起電力が生じて各巻線から第１の巻線に電流が供給されるので、発電性能を向上するうえでさらに有利である。特に、前記第２〜第ｎの電流路に含まれる第ｉの巻線（ｉ＝２，・・・ｎ）は、前記第１の巻線に対し、電気角にして略（（１８０／ｎ）×（ｉ−１））度遅相した位置にそれぞれ配設される構成とした場合、移動する回転子の励磁巻線が固定子の一対の極の中間的領域に位置しないとき、さらには極の近傍に位置するときでも、これらの多数の巻線から第１の巻線（励磁巻線）に電流が供給されるので、励磁がよりいっそう強化され、発電出力をよりいっそう向上させることができる。
【００３２】
本発明の発電機において、その出力端と並列に、誘導成分、容量成分、又は誘導成分及び容量成分を直列若しくは並列に接続した合成成分を接続した構成とした場合、負荷の変動に応じて、発電機の出力電流の位相に適度な遅れまたは進みを生じさせることができる。これにより、発電機において負荷が急増もしくは急減しても出力電圧（負荷電圧）が変動しにくい特性を得ることができる。
【００３３】
本発明の上記した利点及び他の利点は、添付図面及び以下に説明する本発明を適用した発電機の実施の形態の説明を通じて、詳しく開示されるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００３５】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明を適用した第１の実施の形態における発電機１の概略構成を示す模式図である。図１に示すように発電機１は、固定子１０と回転子１１とを備える。
固定子１０は、出力巻線Ｌ１１と鉄心１２とから構成されており、出力巻線Ｌ１１が鉄心１２の周囲に所定方向に巻装されることにより、電気角０°、電気角１８０°に相当する位置に固定された、１対の極を形成している。
回転子１１は、鉄心１３と励磁巻線Ｌ２１とダイオードＤ１とを有している。回転子１１は、回転子１１の鉄心１３の極が固定子１０の鉄心１２の極に対向するような配置関係において、固定子１０に対し回転自在に支持されている。励磁巻線Ｌ２１は、鉄心１３に巻線導体を巻装することにより構成されており、励磁巻線Ｌ２１の両端にはダイオードＤ１が並列に接続されて励磁用電気回路を構成している。
なお、図１は、固定子１０について、便宜上、一対の極が同一方向（下方）を向くように図示しているが、実際の発電機においては、一対の極が、電気角にして１８０°に相当する所定の物理角（例えば２極であれば１８０°）を形成して円筒状の発電機内部に配設されるものである。また、回転子１１について、一対の極を構成している鉄心１３の一方の極のみを簡略的に示し、他方の極は図示を省略している。さらに、本実施の形態において回転子１１の鉄心１３は、後述するように櫛歯状に構成され、所定の物理角の間隔をおいて、回転子の回転軸の周囲に放射状に配設されるものである。
【００３６】
図２は、発電機１の回転子１１に配設される励磁用電気回路２１の概略構成を示す回路図である。図２に示す電気回路２１において、励磁巻線Ｌ２１の一端（巻き始め）には、ダイオードＤ１のカソード側端子が接続され、励磁巻線Ｌ２１の他端（巻終わり）には、ダイオードＤ１のアノード側端子が接続されている。
【００３７】
以上のように構成される電気回路２１においては、励磁巻線Ｌ２１には、励磁巻線Ｌ２１の巻き終わりからダイオードＤ１を通して、励磁巻線Ｌ２１の巻き始めの方向に（ダイオードＤ１の順方向に）電流が流れるが、それとは逆向きに電流は流れない（励磁巻線Ｌ２１の内部では、巻き始めから巻終わりの方向にのみ電流が流れる）。つまり、回転子１１の電気回路２１は、ダイオードＤ１のカソード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう一方向の電流路を備えている。従って、電気回路２１が配設されている回転子１１の鉄心に沿って、一方の磁極面（上側）をＳ極、他方の磁極面（下側）をＮ極とする一方向の磁束が発生するが、励磁巻線Ｌ２１を流れる電流方向は常に一方向のみであるため、逆向きの磁束が発生して極が反転するようなことはない。
【００３８】
図３は、本発明を適用した第１の実施の形態における発電機１において、固定子１０側の出力巻線Ｌ１１の巻装状態を拡大して示す模式図である。固定子１０は、上記のとおり鉄心１２により電気角にして１８０°異なる位置に配設される一対の極を形成している。一対の極は、図３に示すように、一本の巻線導体を用いて、一方で鉄心１２の周囲に右巻き（時計方向）に巻装し、他方で鉄心１２の周囲に左巻き（反時計方向）に巻装することにより構成することができる。なお、図３において、固定子１０として一対の極のみを示しているが、通常の発電機と同様に多極（例えば４極、６極）の固定子を備える発電機の構成としてもよい。
【００３９】
図４は、本発明を適用した第１の実施の形態における発電機１において、回転子１１側の鉄心１３に対する励磁巻線Ｌ２１の巻装状態を拡大して示す模式図である。回転子１１は、櫛歯状の鉄心１３を有しており、鉄心１３間にはスロット１４が形成されている。巻線導体が、スロット１４内に収納するようにして複数本の櫛歯状の鉄心１３の周囲に巻装されることにより、励磁巻線Ｌ２１が形成されている。具体的には、励磁巻線Ｌ２１を構成している１本の巻線導体は、一方の磁極を巻き始め１５側として、鉄心１３の周囲に右巻き（時計方向）に巻装され、当該一方の磁極から電気角にして１８０°遅相する位置に配置される他方の極を巻終わり１６側として、鉄心１３の周囲に左巻き（反時計方向）に巻装されている。従って、励磁巻線Ｌ２１に巻き始め１５から巻終わり１６の方向に電流が流れると、回転子１１が励磁され、励磁巻線Ｌ２１の巻き始め側の磁極面をＳ極、巻終わり側の磁極面をＮ極とする方向の磁束が発生する。
【００４０】
以上のように構成される発電機１の動作について、その概略を以下に説明する。
発電機１において、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１には、これと並列にダイオードＤ１が接続されているため、ダイオードＤ１のカソード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう電流（順方向電流）は流れるが、ダイオードＤ１のアノード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう電流は流れない。つまり、励磁巻線Ｌ２１にはダイオードＤ１のカソード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう一方向の電流のみが流れる。従って、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１は、ダイオードＤ１のカソード側端子を正、アノード側端子を負とする誘導起電力を生じさせるような磁束の変化に対しては、励磁巻線Ｌ２１の両端がいわば開放状態にあり、そのような磁束の変化を妨げる作用をしないため、固定子１０の一方の極から回転子１１に向かう磁束は、励磁巻線Ｌ２１が巻装された鉄心１３を容易に通過し、回転子１１が磁化される。また、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１においては、ダイオードＤ１のカソード側端子を負、アノード側端子を正とする誘導起電力を生じさせるような磁束の変化に対しては、その誘導起電力がダイオードＤ１の順方向に相当するため、ダイオードＤ１のカソード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう方向に電流が流れ、回転子１１には上記と同一の方向（図１に示す出力巻線Ｌ１１、励磁巻線Ｌ２１の巻装例においては、固定子１０の一方の極から回転子１１に向かう方向）の磁束が発生する。この結果、回転子１１には、一方の磁極面（上側）をＳ極、他方の磁極面（下側）をＮ極とする一方向の磁束のみが発生する。
【００４１】
このようにして回転子１１は、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１に電流を供給しなくても、一方向の磁束を発生する。従って、回転子１１が回転することによる磁束の変化に起因して、固定子１０、回転子１１にはそれぞれ起磁力が生じる。この起磁力により固定子１０の出力巻線Ｌ１１及び回転子１１の励磁巻線Ｌ２１に電流が流れ、固定子１０及び回転子１１に磁束が発生することにより、固定子１０と回転子１１との間に吸引力もしくは反発力が生じる。
【００４２】
回転子１１が回転により移動し、固定子１０と回転子１１と間の吸引力に反して回転子１１が固定子１０の一方の極から離れようとすると、当該固定子１０及び回転子１１に起磁力が生じる。また、固定子１０と回転子１１と間の反発力に反して回転子１１が固定子１０の他方の極に接近すると、固定子１０及び回転子１１に起磁力が生じる。回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が固定子１０の一対の極の中間的領域を移動するとき、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１を過ぎる磁束の変化率（固定子１０の磁束によって回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が受ける磁束の変化率）は、前記一対の極付近に比べて相対的に大きい。従って、この中間的領域を回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が移動する場合、回転子１１にはこの磁束の変化を妨げる方向の起磁力が生じ、この起磁力によって生じる起電力によって、電気回路２１をダイオードＤ１のカソード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう方向に電流が流れる。回転子１１の励磁巻線Ｌ２１にこの電流が流れることにより生じる磁束は、固定子１０に作用し、固定子１０の出力巻線Ｌ１１の磁束の変化（減少）を妨げる方向の起磁力を発生させ、固定子１０の出力巻線Ｌ１１に発電として作用する電流を流す。また、回転子１１が固定子１０の他方の極に接近することによる、固定子及び回転子の磁束の変化（減少）を妨げる方向の起磁力が発生する。この起磁力により、なおも発電として作用する方向の電流が固定子１０の出力巻線Ｌ１１及び回転子１１の励磁巻線Ｌ２１に流れる。固定子１０と回転子１１が離隔する場合、固定子１０と回転子１１が吸引するが、離隔することによる固定子１０及び回転子１１の磁束の変化（減少）を妨げる方向の起磁力が生じ、この起磁力により固定子１０の出力巻線Ｌ１１及び回転子１１の励磁巻線Ｌ２１に電流が流れ、この電流が磁束の減少を妨げる方向の磁束を発生するが、この電流の流れる方向は発電電流となる。このようにして出力巻線Ｌ１１を流れる発電電流が、出力端子１９，２０に接続された負荷Ｌに出力電流として流れる。
【００４３】
［第２の実施の形態］
図５は、本発明を適用した第２の実施の形態における発電機２の概略構成を示す模式図である。
図５に示す発電機２は、図１に示す発電機１において回転子１１に配設される励磁用電気回路として図６に示す電気回路２２を適用したものである。従って、図１の発電機１と同様に構成される回路要素等については、同符号を付して説明を省略する。
【００４４】
図６は、発電機２の回転子１１に配設される励磁用電気回路２２の概略構成を示す回路図である。図６に示す電気回路２２は、図２に示す電気回路２１に、ダイオードＤ３と巻線Ｌ２３との直列回路を並列に接続したものである。従って、図２の電気回路２１と同様に構成される回路素子等については、同符号を付して説明を省略する。
【００４５】
電気回路２２において、図２に示す電気回路２１におけるダイオードＤ１のカソード側端子にさらにダイオードＤ３のカソード側端子が接続され、ダイオードＤ３のアノード側端子には巻線Ｌ２３の一端（巻き始め）が接続され、巻線Ｌ２３の他端（巻終わり）は、ダイオードＤ１のアノード側端子に接続されている。ここで、巻線Ｌ２３は、励磁巻線Ｌ２１に対し、電気角して１２０°遅相した位置に配設されている。なお、励磁巻線Ｌ２１、巻線Ｌ２３の配置関係は、例えば、後述する第３の実施の形態の説明中で引用する図９に示すものとすることができる。
【００４６】
以上のように構成される電気回路２２においては、励磁巻線Ｌ２１には、励磁巻線Ｌ２１の巻終わりからダイオードＤ１を通して巻き始めの方向に（ダイオードＤ１の順方向に）電流が流れるが、逆方向には流れない（励磁巻線Ｌ２１の内部では、巻き始めから巻終わりの方向にのみ電流が流れる）。また、ダイオードＤ３及び巻線Ｌ２３の直列回路には、巻線Ｌ２３の巻き始めからダイオードＤ３を通して巻終わりの方向に（ダイオードＤ３の順方向に）電流が流れるが、それとは逆向きに電流は流れない（巻線Ｌ２３の内部では、巻終わりから巻き始めの方向にのみ電流が流れる）。つまり、回転子１１の電気回路２２は、ダイオードＤ１のカソード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう一方向の電流路と、巻線Ｌ２３からダイオードＤ３を通して励磁巻線Ｌ２１に向かう一方向の電流路とを備えている。
従って、巻線Ｌ２３を流れる電流は、ダイオードＤ１を通して励磁巻線Ｌ２１を流れる一方向の電流と同一の方向の電流として、励磁巻線Ｌ２１に供給される。
【００４７】
以上のように構成される発電機２の動作について、その概略を以下に説明する。
発電機２において、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１には、これと並列にダイオードＤ１が接続されているため、ダイオードＤ１のアノード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう電流は流れない。このため、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１は、ダイオードＤ１のカソード側端子を正、アノード側端子を負とする誘導起電力を生じさせるような磁束の変化に対しては、励磁巻線Ｌ２１の両端がいわば開放状態にあり、そのような磁束の変化を妨げる作用をしないため、固定子１０の一方の極から回転子１１の極に向かう磁束は、励磁巻線Ｌ２１が巻装された鉄心１３を容易に通過し、回転子１１が磁化される。また、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１には、ダイオードＤ１のカソード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう方向に電流が流れ、かつ、巻線Ｌ２３を流れる電流が、上記のダイオードＤ１のカソード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう電流と同一方向に供給される。これらの一方向の電流により回転子１１の極が励磁されるので、回転子１１には上記と同一の方向（図５に示す出力巻線Ｌ１１、励磁巻線Ｌ２１の巻装例においては、固定子１０の一方の極から回転子１１に向かう方向）の磁束が発生する。この結果、回転子１１の極には、一方の磁極面（上側）をＳ極、他方の磁極面（下側）をＮ極とする一方向の磁束のみが発生する。
【００４８】
以上のことから、発電機２においても、図１に示す発電機１と同様に、回転子１１は、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１に電流を供給しなくても、一方向の磁束を発生するものである。
【００４９】
発電機２においては、巻線Ｌ２３を流れる電流も回転子１１の励磁巻線Ｌ２１に供給されるため、発電機２は発電機１に比べ発電性能上有利である。すなわち、巻線Ｌ２３は、励磁巻線Ｌ２１に対し、所定の電気角（ここでは電気角１２０°）遅相した位置に配設されているため、固定子１０の一対の極の中間的領域を巻線Ｌ２３が移動するときに、巻線Ｌ２３を過ぎる磁束の変化率（固定子１０の磁束によって巻線Ｌ２３が受ける磁束の変化率）が大きいために、巻線Ｌ２３に起電力が生じて巻線Ｌ２３から励磁巻線Ｌ２１に電流が供給される。従って、移動する回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が固定子１０の一対の極の中間領域に位置しないとき、さらには極の近傍に位置するときでも、励磁巻線Ｌ２１に電流が供給されるので、励磁が強化される。この結果、発電出力を向上させることができる。
上記を除き、発電機２の動作の概略は、図１に示す発電機１の動作と同様であるので、説明を省略する。
【００５０】
［第３の実施の形態］
図７は、本発明を適用した第３の実施の形態における発電機３の概略構成を示す模式図である。
図７に示す発電機３は、図１に示す発電機１において回転子１１に配設される励磁用電気回路として図８に示す電気回路２３を適用したものである。従って、図１の発電機１と同様に構成される回路要素等については、同符号を付して説明を省略する。
【００５１】
図８は、発電機３の回転子１１に配設される励磁用電気回路２３の概略構成を示す回路図である。図８に示す電気回路２３は、図６に示す電気回路２２に、さらにダイオードＤ２と巻線Ｌ２２との直列回路を設けたものである。従って、図６の電気回路２２と同様に構成される回路素子等については、同符号を付して説明を省略する。
【００５２】
電気回路２３において、図６に示す電気回路２２におけるダイオードＤ１のカソード側端子とダイオードＤ３のカソード側端子との接続点に、ダイオードＤ２のカソード側端子がさらに接続され、ダイオードＤ２のアノード側端子には巻線Ｌ２２の一端（巻終わり）が接続され、巻線Ｌ２２の他端（巻き始め）は、ダイオードＤ１のアノード側端子と巻線Ｌ２３の他端（巻終わり）との間に接続されている。ここで、巻線Ｌ２２は、励磁巻線Ｌ２１に対し、電気角にして６０°遅相した位置に配設されている。
【００５３】
以上のように構成される電気回路２３において、ダイオードＤ２と巻線Ｌ２２との直列回路には、巻線Ｌ２２の巻終わりからダイオードＤ２を通して巻線Ｌ２２の巻き始めの方向に（ダイオードＤ２の順方向に）電流が流れるが、それとは逆向きに電流は流れない（巻線Ｌ２２の内部では、巻き始めから巻終わりの方向にのみ電流が流れる）。つまり、回転子１１の電気回路２３は、ダイオードＤ１のカソード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう一方向の電流路と、巻線Ｌ２３からダイオードＤ３を通して励磁巻線Ｌ２１に向かう一方向の電流路と、巻線Ｌ２２からダイオードＤ２を通して励磁巻線に向かう一方向の電流路とを備えている。
従って、電気回路２３では、巻線Ｌ２３を流れる電流と、巻線Ｌ２２を流れる電流とが、ダイオードＤ１を通して励磁巻線Ｌ２１を流れる一方向の電流と同一の方向の電流として、それぞれ励磁巻線Ｌ２１に供給される。
【００５４】
図９は、発電機３において、励磁巻線Ｌ２１、巻線Ｌ２２、巻線Ｌ２３の配置関係を、固定子１０の鉄心１２及び回転子１１の鉄心１３と共に概略的に示した模式図である。なお、図９において、固定子１０の鉄心１２で構成される一対の極と、回転子１１の櫛歯状の鉄心１３とを、説明の便宜上いずれも水平方向に配列して示しているが、実際の発電機においては、固定子１０の一対の極は、電気角にして１８０°異なる位置に対応するように所定の物理角（例えば２極であれば１８０°）を形成して円筒状の発電機の内部に配設され、また回転子１１の櫛歯状の鉄心１３は、所定の物理角の間隔をおいて、回転子の回転軸の周囲に放射状に配設されるものである。
【００５５】
励磁巻線Ｌ２１、巻線Ｌ２２、巻線Ｌ２３は、回転子１１の櫛歯状の鉄心１３の周囲に、電気角にして６０°毎ずらして巻装されている。すなわち、巻線Ｌ２２は、励磁巻線Ｌ２１に対し電気角にして６０°遅相した位置に配設させ、巻線Ｌ２３は、励磁巻線Ｌ２１に対し電気角にして１２０°（巻線Ｌ２２に対し電気角にして６０°）遅相した位置に配設される。
励磁巻線Ｌ２１、巻線Ｌ２２、巻線Ｌ２３各々の鉄心１３に対する巻装状態は、図４に示すものと同様である。すなわち、各巻線を構成している１本の巻線導体は、一方の極を巻き始め側として、鉄心１３の周囲に右巻き（時計方向）に巻装され、当該一方の極から電気角にして１８０°遅相する位置に配置される他方の極を巻終わり側として、鉄心１３の周囲に左巻き（反時計方向）に巻装されている。なお、固定子１０に関し、鉄心１２に対する出力巻線Ｌ１１の巻装状態は、図３に示すものと同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００５６】
以上のように構成される発電機３の動作について、その概略を以下に説明する。
発電機３において、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１には、これと並列にダイオードＤ１が接続されているため、ダイオードＤ１のアノード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう電流は流れない。このため、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１は、ダイオードＤ１のカソード側端子を正、アノード側端子を負とする誘導起電力を生じさせるような磁束の変化に対しては、励磁巻線Ｌ２１の両端がいわば開放状態にあり、そのような磁束の変化を妨げる作用をしないため、固定子１０の一方の極から回転子１１に向かう磁束は、励磁巻線Ｌ２１が巻装された鉄心１３を容易に通過し、回転子１１が磁化される。また、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１には、ダイオードＤ１のカソード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう方向に電流が流れ、かつ、巻線Ｌ２３を流れる電流及び巻線Ｌ２２を流れる電流が、上記のダイオードＤ１のカソード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう電流と同一方向に供給される。これらの一方向の電流により回転子１１が励磁されるので、回転子１１には上記と同一の方向（図７に示す出力巻線Ｌ１１、励磁巻線Ｌ２１の巻装例においては、固定子１０の一方の極から回転子１１に向かう方向）の磁束が発生する。この結果、回転子１１には、一方の磁極面（上側）をＳ極、他方の磁極面（下側）をＮ極とする一方向の磁束が発生する。
【００５７】
以上のことから、発電機３においても、図１に示す発電機１と同様に、回転子１１は、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１に電流を供給しなくても、一方向の磁束を発生するものである。
【００５８】
発電機３においては、巻線Ｌ２３を流れる電流に加えて巻線Ｌ２２を流れる電流も回転子１１の励磁巻線Ｌ２１に供給されるため、発電機２は発電機１に比べ発電性能上さらに有利である。すなわち、２つの異なる所定の電気角だけ遅相した位置に配設される巻線Ｌ２３，Ｌ２２は、それぞれが固定子１０の一対の極の中間的領域を移動するときに、巻線Ｌ２３，Ｌ２２を過ぎる磁束の変化率（固定子１０の磁束によって巻線Ｌ２３，Ｌ２２が受ける磁束の変化率）が大きいために、巻線Ｌ２３，Ｌ２２にそれぞれ起電力が生じて巻線Ｌ２３，Ｌ２２から励磁巻線Ｌ２１に電流が供給される。従って、移動する回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が固定子１０の一対の極の中間的領域に位置しないとき、さらには極の近傍に位置するときでも、これらの巻線から励磁巻線Ｌ２１に電流が供給されるので、励磁がよりいっそう強化される。この結果、発電出力をよりいっそう向上させることができる。
上記を除き、発電機３の動作の概略は、図１に示す発電機１の動作と同様であるので、説明を省略する。
【００５９】
［第４の実施の形態］
回転子１１に配設される励磁用電気回路として、図２、図６及び図８に示す電気回路を使用した発電機１，２，３を説明したが、巻線及びダイオードの直列回路の数をさらに増やした別の電気回路の構成とすることももちろん可能である。すなわち、図２に示す励磁巻線Ｌ２１とダイオードＤ１とを並列接続した電気回路におけるダイオードＤ１と並列に、３つ以上の巻線及びダイオードの直列回路を接続した構成としてもよい。
【００６０】
図１０は、回転子に配設される別の励磁用電気回路２４の概略構成を示す回路図である。図１０に示す電気回路２４は、図２に示す電気回路２１に、ダイオードＤ２と巻線Ｌ２２との直列回路、ダイオードＤ３と巻線Ｌ２３との直列回路、ダイオードＤ４と巻線Ｌ２４との直列回路、ダイオードＤ５と巻線Ｌ２５との直列回路、ダイオードＤ６と巻線Ｌ２６との直列回路、ダイオードＤ７と巻線Ｌ２７との直列回路、及びダイオードＤ８と巻線Ｌ２８との直列回路とを並列に接続したものである。従って、図２の電気回路２１と同様に構成される回路素子等については、同符号を付して説明を省略する。
【００６１】
電気回路２４において、ダイオードＤ２のアノード側端子には巻線Ｌ２２の一端（巻終わり）が接続されている。同様にして、ダイオードＤ３，Ｄ４，Ｄ５のアノード側端子にも巻線Ｌ２３，Ｌ２４，Ｌ２５の一端（巻終わり）がそれぞれ接続されている。ダイオードＤ６のアノード側端子には、巻線Ｌ２６の一端（巻き始め）が接続され、同様に、ダイオードＤ７，Ｄ８のアノード側端子にも巻線Ｌ２７，Ｌ２８の一端（巻き始め）がそれぞれ接続されている。このように構成されるダイオードと巻線との直列回路は、ダイオードのカソード側端子がダイオードＤ１のカソード側端子に接続され、巻線の他端（巻き始め又は巻終わり）がダイオードＤ１のアノード側端子に接続されている。ここで、巻線Ｌ２２は、励磁巻線Ｌ２１に対し電気角にして２２．５°遅相した位置に配設され、巻線Ｌ２３は巻線Ｌ２２に対し電気角にして２２．５°遅相した位置に配設され、以下同様に巻線Ｌ２４、Ｌ２５、Ｌ２６、Ｌ２７、Ｌ２８は、隣り合う巻線Ｌ２３、Ｌ２４、Ｌ２５、Ｌ２６、Ｌ２７に対しそれぞれ２２．５°遅相した位置に配設される。
【００６２】
以上のように構成される電気回路２４において、ダイオードＤ２及び巻線Ｌ２２の直列回路には、巻線Ｌ２２の巻終わりからダイオードＤ２を通して巻線Ｌ２２の巻き始めの方向に（ダイオードＤ２の順方向に）電流が流れるが、それとは逆向きに電流は流れない（巻線Ｌ２２の内部では、巻き始めから巻終わりの方向にのみ電流が流れる）。この電流の向きは、ダイオードＤ３と巻線Ｌ２３との直列回路、ダイオードＤ４と巻線Ｌ２４との直列回路、ダイオードＤ５と巻線Ｌ２５との直列回路についても同様である。
また、ダイオードＤ６と巻線Ｌ２６との直列回路には、巻線Ｌ２６の巻き始めからダイオードＤ６を通して巻線Ｌ２６の巻終わりの方向に（ダイオードＤ６の順方向に）電流が流れるが、それとは逆向きに電流は流れない（巻線Ｌ２６の内部では、巻終わりから巻き始めの方向にのみ電流が流れる）。この電流の向きは、ダイオードＤ７と巻線Ｌ２７との直列回路、ダイオードＤ８と巻線Ｌ２８との直列回路についても同様である。
つまり、回転子１１の電気回路２４は、ダイオードＤ１のカソード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう一方向の電流路と、巻線Ｌ２２からダイオードＤ２を通して励磁巻線Ｌ２１に向かう一方向の電流路と、以下同様にして、巻線Ｌ２８からダイオードＤ８を通して励磁巻線Ｌ２１に向かう一方向の電流路の、計８つの電流路を備えている。
従って、電気回路２４では、巻線Ｌ２２〜Ｌ２８を流れる電流が、ダイオードＤ１を通して励磁巻線Ｌ２１を流れる一方向の電流と同一の方向の電流として、それぞれ励磁巻線Ｌ２１に供給される。
【００６３】
回転子１１に配設される励磁用電気回路として電気回路２４を使用した場合においても、回転子１１は、ダイオードＤ１のカソード側端子から励磁巻線Ｌ２１に向かう電流と、当該電流と同一方向に供給される巻線Ｌ２２〜Ｌ２８をそれぞれ流れる電流とによって励磁される。この結果、回転子１１には、一方をＳ極、他方をＮ極とする一方向の磁束のみが発生する。
【００６４】
以上のことから、回転子１１に配設される励磁用電気回路をさらに一般化して、第１のダイオード（ダイオードＤ１）のカソード側端子から第１の巻線（励磁巻線Ｌ２１）に向かう一方向性の第１の電流路と、第２の巻線（巻線Ｌ２２）から第２のダイオード（ダイオードＤ２）を通して第１の巻線（励磁巻線Ｌ２１）に向かう一方向性の第２の電流路と、以下同様にして、第ｎの巻線から第ｎのダイオードを通して第１の巻線（励磁巻線Ｌ２１）に向かう一方向性の第ｎの電流路を備えた構成とすることができることは明らかである。だだし、ここでｎはｎ≧４の整数である。
【００６５】
実験により、発電機の回転子１１に配設される励磁用電気回路の巻線の数を増やすほど、より滑らかな出力電流（交流波形）が得られることが確認された。
【００６６】
なお、上記の一般化された励磁用電気回路において、第２〜第ｎの電流路に含まれる第ｉの巻線（ｉ＝２，・・・ｎ）は、第１の巻線に対し、電気角にして略（（１８０／ｎ）×（ｉ−１））度遅相した位置にそれぞれ配設されると、発電性能を向上するうえで極めて有利である。
【００６７】
以上の第１〜第４の実施の形態に基づいて本発明を適用した発電機の構成及び動作の概要を説明したが、以下に詳しく説明する本発明を適用した発電機の発電原理によって、本発明の作用はよりいっそう明確に理解されるであろう。
【００６８】
［系統連係させた発電機の発電原理］
本発明を適用した発電機の発電原理について、図５に示す発電機２を系統連係させた場合を例として、図１１から図１５を参照し詳細に説明する。ここで系統連係とは、発電機を電力会社の電力系統に接続した運用方法であって、発電機は商用電力と電気的に接続され、通常は発電機が発電した電力を負荷に供給し自家消費するが、もし負荷に供給する電力が不足する場合には、電力系統から電力の供給を受け、また発電機から電力系統に電力を供給することもできるという運用形態である。
【００６９】
図１１は、固定子１０の一方の極の電気角を基準（電気角０°）として、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角−３０°付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
発電機２は、その出力端子１９，２０に商用電力２５が接続されており、系統連係されている。従って、発電機２の出力端子１９，２０間には、商用電力２５から所定の周波数及び位相の系統電圧が与えられており、発電機２の発電状態に応じて、適宜商用電力２５から所定の系統電流が、固定子１０側の出力巻線Ｌ１１に供給されるように構成されている。なお、発電機２が系統連係されているときには、商用電力２５に同期した出力電圧を発生するように回転軸の回転速度が調整されている。
【００７０】
回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角−３０°付近にあるとき、図示の例にように系統電流ｉｓが図示する方向に出力巻線Ｌ１１を流れると、この電流によって固定子１０の一対の極には、一点鎖線で表す矢印の方向に磁束が発生する。この磁束は、回転子１１の回転による移動に従い（すなわち系統電圧の時間による変化に従い）減少する過程にあるが、固定子１０の一方の極から回転子１１に向かってＮ極を発生している。
回転子１１に配設される巻線Ｌ２３は、励磁巻線Ｌ２１に対し電気角にして１２０°遅相した位置に配設されている。このため、励磁巻線Ｌ２１が電気角−３０°付近にあるとき、巻線Ｌ２３は電気角−１５０°の位置にある。巻線Ｌ２３を過ぎる磁束の変化によって巻線Ｌ２３に誘導起電力が生じ、この誘導起電力によって巻線Ｌ２３からダイオードＤ３を通して励磁巻線Ｌ２１に電流ｉ３が供給される。この励磁巻線Ｌ２１を流れる電流ｉ３よって、回転子１１の鉄心１３（図示のとおり、その周囲に励磁巻線Ｌ２１が巻装されている鉄心部分をいい、以下において「回転子１１の極」ともいう。）には、破線で表す方向の磁束が発生し、固定子１０の一方の極に対向する回転子１１の極（図１１において上面）にＳ極が発生する。これは、発電機の回転子に配設される巻線の励磁に相当する。
一方、固定子１０の鉄心１２にも、回転子１１に発生する磁束の影響により、その磁束と同一方向の磁束が発生する。固定子１０と回転子１１に発生するこれらの磁束の変化する方向に対し、その変化を妨げる方向（図１１において白抜き矢印で表す方向）に起磁力が生じるので、ここでの回転子の励磁は、固定子１０と回転子１１との間の吸引力となる。従って、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角−３０°付近にあるときは、回転子１１の回転による移動にともない、この吸引力に従うように回転子１１が固定子１０に接近するので、発電機２は「電動機」として機能しており、この状態は、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角０°に至るまで継続する。
【００７１】
図１２は、固定子１０の一方の極の電気角を基準（電気角０°）として、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角０°超付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角０°超付近にあるとき、系統電圧はほぼゼロの状態にあるが位相（電圧の極性）は既に逆転している。この状態において巻線Ｌ２３から励磁巻線Ｌ２１への電流ｉ３の供給は依然として継続しており、従って回転子１１における磁束（図１２において破線で示す矢印の方向の磁束）の発生（すなわち励磁巻線Ｌ２１の励磁）も継続し、かつ、当該磁束は固定子１０を通過している。
回転子１１の回転による移動にともない、回転子１１の極が固定子１０の一方の極から離れようとするため、固定子１０には、回転子１１の磁束による自己を通過する磁束の減少を妨げようとして、その磁束と同じ向き（図１３において白抜き矢印で表す方向）の起磁力が発生する。この起磁力によって、固定子１０の出力巻線Ｌ１１に起電力が生じ、電流ｉｇが流れる。電流ｉｇの向きは、系統電圧の位相が逆転したため電力系統に逆流する方向となっており、従ってこの電流ｉｇは発電電流である。
【００７２】
以上のようにして、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角０°超付近にあるときは、回転子１１の回転よる移動によって回転子１１の極が固定子１０の一方の極から離れようとすることによって、固定子１０に起磁力が生じる。この起磁力によって固定子１０の出力巻線Ｌ１１に起電力が発生し、系統に向かって電流が流れるという作用によって、発電機２が発電する。
【００７３】
回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角０°超付近にあるときの、固定子１０に発生する起磁力の向きと、回転子１１に発生する起磁力の向きは図示のとおりである。すなわち、両起磁力が固定子１０と回転子１１と間の吸引力として作用するが、回転子１１の回転による移動にともない、この吸引力に反して回転子１１の極が固定子１０の一方の極から離れようとする。この吸引力に反して回転子１１が離れようとする運動エネルギーが、固定子１０及び回転子１１に発生する起磁力と、固定子１０の出力巻線Ｌ１１と回転子１１の励磁巻線Ｌ２１の相互誘導作用による起電力という電磁エネルギーに変換されるので、固定子１０の出力巻線Ｌ１１に系統とは逆相の電流が流れ、発電機２が電動機ではなく「発電機」として機能しているということができる。
【００７４】
図１３は、固定子１０の一方の極の電気角を基準（電気角０°）として、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角３０°付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角３０°付近にあるとき、回転子１１の回転による移動にともない、回転子１１の極が固定子１０の一方の極からさらに離れようとするため、固定子１０を通過する磁束が更に減少するように変化する。この磁束の変化を妨げようとして、図１２に示す状態と同じ向きの起磁力が継続して発生し、この起磁力によって固定子１０の出力巻線Ｌ１１に発生する起電力により、電力系統に向かって電流が流れ、発電機２が発電を継続する。特に回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が、電気角３０°付近のとき、巻線Ｌ２３は、電気角にして３０°−１２０°＝−９０°であり、固定子１０の磁束によって巻線Ｌ２３が受ける磁束の変化率は最大となり、大きな電流を励磁巻線Ｌ２１に供給することがきる。また、励磁巻線Ｌ２１と巻線Ｌ２３の電気角は逆相であり、励磁巻線Ｌ２１と巻線Ｌ２３内部を流れる電流も逆相であるから、励磁巻線Ｌ２１の内部を流れる電流と同相の励磁電流を供給することができる。このため、固定子１０の一方の極と回転子１１との間に作用する吸引力が強力となる。
つまり、起磁力に着目すると、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角にして３０°付近にあるときは、固定子１０の一方の極と回転子１１の極との間に作用する吸引力に反して、回転子１１の極がさらに移動する。この吸引力に反して回転子１１の極がさらに離れようとする運動エネルギーが、固定子１０及び回転子１１に発生する起磁力と、固定子１０の出力巻線Ｌ１１と回転子１１の励磁巻線Ｌ２１の相互誘導作用による起電力という電磁エネルギーに変換されるので、固定子１０の出力巻線Ｌ１１に系統とは逆相の電流が流れ、ここでも発電機２がまさに「発電機」として機能しているということができる。
巻線Ｌ２３から巻線Ｌ２１に供給される電流ｉ３は、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角３０°付近で減少し始め、消滅過程に移る。実験によれば、電流ｉ３は、電気角４５°付近まで継続して流れ、消滅した。しかしながら、電気角３０°付近にある励磁巻線Ｌ２１が、回転子１１の回転による移動にともない固定子１０から離れるため、回転子１１の磁束の減少を妨げる方向に起磁力が生じる。この起磁力によって励磁巻線Ｌ２１に起電力が生じ、ダイオードＤ１を通して電流ｉ１が、電気角３０°付近から流れ始める。この電流ｉ１が励磁巻線Ｌ２１を流れることによって回転子１１が励磁されるので、回転子１１に生じる磁束は、上記電流ｉ３の減少にかかわらず、消滅することなく維持される。
【００７５】
図１４は、固定子１０の一方の極の電気角を基準（電気角０°）として、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角９０°超付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角９０°超付近にあるとき、励磁巻線Ｌ２１は固定子１０の一対の極のほぼ中間に位置する。既に述べたとおり、この位置において固定子１０の一対の極が発生する磁束によって励磁巻線Ｌ２１が受ける磁束の変化率は最大となり、励磁巻線Ｌ２１に大きな誘導起電力が生じ、この誘導起電力によってダイオードＤ１を通して励磁巻線Ｌ２１に流れる電流ｉ１は、ほぼピークとなる。この励磁巻線Ｌ２１を流れる電流ｉ１によって、回転子１１には、破線で表す方向の磁束が発生する。この磁束が、回転子１１の回転による移動にともない接近する固定子１０の他方の極（電気角１８０°）を通過することによって、固定子１０に図示する方向（図１４において白抜きの矢印で表す方向）に起磁力が生じる。この起磁力によって、出力巻線Ｌ１１に電流ｉｇが流れ、発電機２が発電する。
つまり、起磁力に着目すると、励磁巻線Ｌ２１が電気角９０°超付近にあるときは、固定子１０の他方の極（電気角１８０°）と回転子１１の極との間に作用する反発力に反して、回転子１１が移動する。この反発力に反して回転子１１の極が接近しようとする運動エネルギーが、固定子１０及び回転子１１に発生する起磁力と、固定子１０の出力巻線Ｌ１１と回転子１１の励磁巻線Ｌ２１の相互誘導作用による起電力という電磁エネルギーに変換されるので、固定子１０の出力巻線Ｌ１１に系統とは逆相の電流が流れ、発電機２がまさに「発電機」として機能しているということができる。
なお、実験によれば、ダイオードＤ１を通して励磁巻線Ｌ２１に流れる電流ｉ１は、電気角６５°付近でピークを迎え、その後減少に転じ、１１０°付近で消失した。
【００７６】
図１５は、固定子１０の一方の極の電気角を基準（電気角０°）として、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１５０°付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１５０°付近にあるとき、系統電流ｉｓが図示する方向に出力巻線Ｌ１１を流れ、この電流によって固定子１０の一対の極には、一点鎖線で表す矢印の方向に磁束が発生する。このとき、固定子１０の他方の極（電気角１８０°）に発生する磁束の向きは、図１１に示す電気角にして−３０°付近にあるときの固定子１０の一方の極（電気角０°）に発生する磁束の向きと同方向である。従って、固定子１０の他方の極（電気角１８０°）から回転子１１に向かってＮ極を発生している。
一方、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１５０°付近にあるとき、巻線Ｌ２３を過ぎる磁束の変化によって巻線Ｌ２３に誘導起電力が生じ、この誘導起電力によって巻線Ｌ２３からダイオードＤ３を通して励磁巻線Ｌ２１に電流ｉ３が供給される。この励磁巻線Ｌ２１を流れる電流ｉ３によって、回転子１１の鉄心１３には、破線で表す方向の磁束が発生し、固定子１０の他方の極（電気角１８０°）に対向する回転子１１の極（図１５において上面）にＳ極が発生する。
固定子１０の鉄心１２にも、回転子１１に発生する磁束の影響により、その磁束と同一方向（図１５において破線で表す方向）の磁束が発生する。固定子１０と回転子１１に発生するこれらの磁束の変化する方向に対し、その変化を妨げる方向（図１１において白抜き矢印で表す方向）に起磁力が生じるので、ここでの回転子の励磁は、固定子１０の他方の極と回転子１１の極との間の吸引力となる。従って、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１５０°付近にあるときは、電気角−３０°付近にあるとき（図１１）と同様の原理により、発電機２は電動機として機能しており、この状態は、電気角１８０°に至るまで継続する。
【００７７】
以降、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１８０°超から３６０°未満にあるときも、それが電気角０°超から１８０°未満にあるときと同様の原理により発電し、図１２から図１５における系統電圧の向きが反転していることを考慮すれば、発電電流ｉｇと系統電流ｉｓの流れる向きが反転することは自明であるので、ここでの詳しい説明を省略する。
【００７８】
［単独運転発電機の発電原理］
次に、本発明を適用した発電機の発電原理について、図５に示す発電機２を単独運転させた場合を例として、図１６から図２０を参照し詳細に説明する。ここで単独運転とは、発電機に負荷のみを接続し、系統連係させない運用形態である。
【００７９】
図１６は、固定子１０の一方の極の電気角を基準（電気角０°）として、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角０°付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
発電機２は、その出力端子１９，２０に負荷Ｌが接続されている。また、発電機２の出力端子１９，２０には、励磁インパルス印加用の直流電源３１が、スイッチ３２を介して接続されている。
直流電源３１は、出力端子１９側を正、出力端子２０側を負とする向きに接続されている。従って、スイッチ３２のオン／オフを瞬時に行うことによって、直流電源３１は出力端子１９側を正とする直流インパルスを出力端子間に与える。
【００８０】
直流電源３１が発生する直流インパルスが固定子１０の出力巻線Ｌ１１に印加されると、固定子１０の一方の極（電気角０°）の巻線導体から他方の極（電気角１８０°）の巻線導体に至る経路に電流が流れ、この電流によって固定子１０の一対の極には、一点鎖線で表す矢印の方向に磁束が発生する。この磁束は、固定子１０の一方の極から回転子１１に向かってＮ極を発生する。
【００８１】
回転子１１には、励磁用電気回路として図６に示す電気回路が配設されているため、直流インパルスを起因として固定子１０で発生した磁束は、何らの障害なく回転子１１の鉄心１３を通過することができる。固定子１０で発生した磁束により、固定子１０にはこの磁束と反対方向（図１６において白抜き矢印で表す方向）に起磁力が生じ、また回転子１１にも、固定子に発生した起磁力と同一方向の起磁力が生じる。回転子１１では、この起磁力によって回転子１１に配設される励磁巻線Ｌ２１に誘導起電力が発生するが、この誘導起電力の向きは、ダイオードＤ１及びダイオードＤ３の逆方向に相当する。従って、励磁巻線Ｌ２１からダイオードＤ１に至る経路、励磁巻線Ｌ２１から巻線Ｌ２３を通してダイオードＤ３に至る経路のいずれにも電流が流れないため、回転子１１の鉄心１３を通過する磁束の増加が全く妨げられない。
以上のようにして、固定子１０で発生した磁束が回転子１１の鉄心１３を通過する結果、回転子１１では、固定子１０の一方の極に対向する回転子１１の極（図１６において上面）にＳ極が発生する。すなわち、回転子１１の鉄心１３が磁化される。
【００８２】
上記の直流インパルスの印加は、好ましくは回転子１１が回転により移動している状態で行われる。回転子１１の静止状態から起動させようとしたとき、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角０°付近にあるとは限らないため、直流インパルスを起因として固定子１０で発生した磁束が回転子１１をうまく通過しない可能性があるのに対し、回転子１１が回転移動していれば、固定子１０で発生した磁束が回転子１１を通過する確率がより高くなるからである。ただし、回転子１１が回転しているかどうかは問題ではなく、要するに初期条件として、固定子１０、回転子１１が一方向に磁化されることが重要であり、それが残留磁気の存在によって行われるものであってもよい。
【００８３】
図１７は、固定子１０の一方の極の電気角を基準（電気角０°）として、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角０°超付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
回転子１１の回転による移動にともない、回転子１１の極が固定子１０の一方の極から離れようとするため、固定子１０の鉄心１２及び回転子１１の鉄心１３を通過する磁束（直流インパルスにより磁化されたものによる磁束）が減少しようとする。この磁束の減少を妨げようとして、固定子１０の鉄心１２と回転子１１の鉄心１３ではその磁束と同じ向き（図１７において白抜き矢印で表す方向）の起磁力が発生する。この起磁力によって、固定子１０の出力巻線Ｌ１１に起電力が生じ、負荷を通して電流ｉｇが流れる。なお電流ｉｇの向きは、電気角０°付近（図１６）で直流インパルスが印加された際の電流の方向と同じ方向であり、発電が開始される。
【００８４】
一方、回転子１１の鉄心１３では、固定子１０におけるものと同じ向き（図１７において白抜き矢印で表す方向）の起磁力が発生するため、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１には、この起磁力の方向によって生じる向きの誘導起電力が生じる。この誘導起電力の向きは、ダイオードＤ１及びダイオードＤ３の順方向に相当する。従って、励磁巻線Ｌ２１からダイオードＤ１に至る経路に電流ｉ１が流れ、励磁巻線Ｌ２１から巻線Ｌ２３を通してダイオードＤ３に至る経路に電流ｉ３が流れる。
【００８５】
また、励磁巻線Ｌ２１を流れる電流ｉ１，ｉ３は、回転子１１の鉄心１３を通過する磁束の減少を妨げる（破線で表す方向の磁束を発生させる）よう作用し、また、固定子１０でも、出力巻線Ｌ１１を流れる電流ｉｇが、固定子１０の鉄心１２を通過する磁束の減少を妨げる（破線で表す方向の磁束を発生させる）よう作用し、固定子１０と回転子１１との間の吸引がさらに発生する。換言すると、起磁力は、固定子１０と回転子１１との間の吸引力を更に強めるよう作用し、吸引関係を維持する。
以上のようにしていわば増幅された起磁力によって固定子１０の出力巻線Ｌ１１に起電力が発生し、発電機２が発電する。
【００８６】
換言すれば、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角０°超付近にあるときは、発電機２において、固定子１０の一方の極と回転子１１の極と間の吸引力に反して回転子１１の極が離れようとする運動エネルギーが、固定子１０及び回転子１１に発生する起磁力と、固定子１０の出力巻線Ｌ１１と回転子１１の励磁巻線Ｌ２１の相互誘導作用による起電力という電磁エネルギーに変換されることで、発電機２が発電する。
【００８７】
図１８は、固定子１０の一方の極の電気角を基準（電気角０°）として、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角９０°超付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角９０°超付近にあるとき、励磁巻線Ｌ２１は固定子１０の一対の極のほぼ中間に位置する。励磁巻線Ｌ２１を過ぎる磁束の変化率（固定子１０の磁束によって励磁巻線Ｌ２１が受ける磁束の変化率）が最大となり、励磁巻線Ｌ２１に最大の誘導起電力が生じ、この誘導起電力によってダイオードＤ１を通して励磁巻線Ｌ２１に電流ｉ１が流れる。この励磁巻線Ｌ２１を流れる電流ｉ１によって、回転子１１には、破線で表す方向の磁束が発生する。この磁束が、回転子１１の回転による移動にともない接近する固定子１０の他方の極（電気角１８０°）を通過することによって、固定子１０には図示する方向（図１８において白抜きの矢印で表す方向）の起磁力が生じる。
【００８８】
一方、回転子１１では、固定子１０の他方の極（電気角１８０°）の鉄心１２を元々通過していた磁束（図１８において一点鎖線で表す矢印の方向の磁束）の影響により、その磁束の影響を打ち消そうとする方向（図１８において白抜き矢印で表す方向）の起磁力が生じる。固定子１０でも、出力巻線Ｌ１１を流れる電流ｉｇが、回転子１１の接近により、回転子１１の磁束の影響による固定子１０の磁束の減少（破線で表す方向の磁束の発生により、元々あった磁束が減ろうとする）を妨げるよう作用するので、固定子１０には、この磁束の減少方向とは逆の方向（白抜き矢印で表す方向）の起磁力が発生するため、この起磁力の方向によって発生する起電力によって固定子１０の出力巻線Ｌ１１に電流が流れるが、この電流の方向は発電電流ｉｇと同一方向であり、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１は電気角９０°超付近であるため、発電出力電力は最大となる。また、電流ｉ１及び電流ｉｇが流れることにより、さらに反発作用が増大する。また、起磁力も最大となる。
以上のようにしていわば増幅された起磁力によって固定子１０の出力巻線Ｌ１１に起電力が発生し、発電機２が発電する。
【００８９】
換言すれば、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角９０°超付近にあるときは、固定子１０と回転子１１との間の吸引反発関係が吸引から反発に転換して回転子１１の極が固定子１０の他方の極に接近しようとする運動エネルギーが、固定子１０及び回転子１１に発生する起磁力と、固定子１０の出力巻線Ｌ１１と回転子１１の励磁巻線Ｌ２１の相互誘導作用による起電力という電磁エネルギーに変換されることで、発電機２が発電する。この発電状態は、電気角１８０°に至るまで継続する。
【００９０】
図１９は、固定子１０の一方の極の電気角を基準（電気角０°）として、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１８０°丁度にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１８０°丁度にあるとき、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１には、巻線Ｌ２３からダイオードＤ３を通じて電流ｉ３が流れる。特に巻線Ｌ２３は電気角−１２０°に位置するため、励磁巻線Ｌ２１とは逆相の起電力が生じるが、巻線Ｌ２３の巻き始めがダイオードＤ３を通して励磁巻線Ｌ２１の巻き始めに接続されているため、励磁巻線Ｌ２１に流れる電流と同相の電流を供給でき、この電流ｉ３により回転子１１の極に磁束が発生する。このため、回転子１１の極に発生する磁束は、消耗することなく維持される。この磁束はそのまま固定子１０の他方の極（電気角１８０°）鉄心１２を通過するが、電気角１８０°丁度では、この通過する磁束に変化が生じないため、固定子１０に起磁力は生じない。従って固定子１０の出力巻線Ｌ１１に起電力が生じないため、出力電圧はゼロ、負荷Ｌを流れる発電電流もゼロである。
【００９１】
図２０は、固定子１０の一方の極の電気角を基準（電気角０°）として、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１８０°超付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
回転子１１の回転による移動にともない、回転子１１の極が固定子１０の他方の極（電気角１８０°）から離れようとするため、固定子１０の鉄心１２及び回転子１１の鉄心１３を元々通過している磁束（図２０において一点鎖線で表す方向の磁束）が減少しようとする。この磁束の減少を妨げようとして、固定子１０の鉄心１２と回転子１１の鉄心１３ではその磁束と同じ向き（図２０において白抜き矢印で表す方向）の起磁力が発生する。この起磁力によって、固定子１０の出力巻線Ｌ１１に起電力が生じ、負荷を通して電流ｉｇが流れる。なお、固定子１０の一方の極（電気角０°）と他方の極（電気角１８０°）とでは鉄心１２に対する巻線導体の巻装方向が逆であるため、ここでの電流ｉｇの向きは、電気角０°付近から１８０°直前までの電流の方向とは逆向きとなる。
【００９２】
一方、回転子１１の鉄心１３では、固定子１０の鉄心１２におけるものと同じ向き（図２０において白抜き矢印で表す方向）の起磁力が発生し、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１には、起磁力の方向によって生じる向きの誘導起電力が生じる。この誘導起電力の向きは、ダイオードＤ１の順方向に相当する。従って、励磁巻線Ｌ２１の巻終わりからダイオードＤ１のアノードに至る経路に電流ｉ１が流れる。また、巻線Ｌ２３は電気角−１２０°超に位置するため、励磁巻線Ｌ２１とは逆相の起電力が発生するが、巻線Ｌ２３の巻き始めがダイオードＤ３を通して励磁巻線Ｌ２１の巻き始めに接続されているため、励磁巻線Ｌ２１に流れる電流と同相の電流を供給することができる。
【００９３】
また、励磁巻線Ｌ２１を流れる電流ｉ１，ｉ３は、回転子１１の鉄心１３を通過する磁束の減少を妨げる（破線で表す方向の磁束を発生させる）よう作用する。固定子１０でも、出力巻線Ｌ１１を流れる電流ｉｇが、固定子１０の鉄心１２を通過する磁束の減少を妨げる（破線で表す方向の磁束を発生させる）よう作用する。上記の起磁力は、固定子１０と回転子１１との間の吸引力を更に強めるよう作用する。
以上のようにしていわば増幅された起磁力によって固定子１０の出力巻線Ｌ１１に起電力が発生し、発電機２が発電する。
【００９４】
換言すれば、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１８０°超付近にあるときは、発電機２において、固定子１０と回転子１１と間の吸引力に反して回転子１１が離れようとする運動エネルギーが、固定子１０及び回転子１１に発生する起磁力と、固定子１０の出力巻線Ｌ１１と回転子１１の励磁巻線Ｌ２１の相互誘導作用による起電力という電磁エネルギーに変換されることで、発電機２が発電する。
【００９５】
以降、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１８０°超から３６０°未満にあるときも、それが電気角０°超から１８０°未満にあるときと同様の原理により発電し、単に発電電流ｉｇの流れる向きが反転するにすぎないことは自明であるので、ここでの詳しい説明を省略する。
【００９６】
図２１は、図７に示す発電機３を商用電力に接続し系統連係させたときの、固定子１０の出力巻線Ｌ１１を流れる電流と、回転子１１に配設される巻線Ｌ２３を流れる電流とを測定した結果を示す電圧・電流波形である。ここで、接続した商用電力は周波数５０Ｈｚとした。
【００９７】
回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角−３０°付近にあるとき巻線Ｌ２３を電流が流れ始め、電気角３０°付近において電流値はピークを示した。これは、巻線Ｌ２３が、励磁巻線Ｌ２１に対し電気角にして１２０°遅相した位置に配設されているため、励磁巻線Ｌ２１が電気角−３０°付近にあるとき、巻線Ｌ２３は、固定子１０の一対の極の中間的領域（電気角−１５０°付近）にあり、巻線Ｌ２３を過ぎる磁束の変化（固定子１０の磁束によって回転子１１の巻線Ｌ２３が受ける磁束の変化）によって巻線Ｌ２３に誘導起電力が生じ、この誘導起電力によって巻線Ｌ２３からダイオードＤ３を通して電流が流れ、この電流が励磁巻線Ｌ２１に供給されるためである。
その後、電気角が進むに従い巻線Ｌ２３を流れる電流は、励磁巻線Ｌ２１が電気角３０°付近まで増加し、電気角３０°付近で最大となる（励磁巻線Ｌ２１が電気角３０°付近では、巻線Ｌ２３は電気角３０°−１２０°＝−９０°付近にあるため）。励磁巻線Ｌ２１が電気角３０°付近を超えてさらに進むと、巻線Ｌ２３の電流は急激に減少し、４５°付近において消失した。なお、同様の現象が、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１５０°付近から２２５°付近においても観測された。
【００９８】
図２２は、図７に示す発電機３を商用電力に接続し系統連係させたときの、固定子１０の出力巻線Ｌ１１を流れる電流と、回転子１１に配設されるダイオードＤ１を流れる電流とを測定した結果を示す電圧・電流波形である。
【００９９】
回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角０°付近から３０°付近まで、電気角１１０°付近から１８０°までの間、ダイオードＤ１に電流が流れないことがわかる。
【０１００】
電気角３０°付近において、ダイオードＤ１を電流が急激に流れ始め、この電流は電気角約１１０°付近まで継続した。なお、同様の電流は、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角２１０°付近から約２９０°付近においても観測された。この電流は、励磁巻線Ｌ２１自体に誘起される起電力により流れる。
【０１０１】
図２３は、図７に示す発電機３を商用電力に接続し系統連係させたときの、固定子１０の出力巻線Ｌ１１を流れる電流と、回転子１１に配設される巻線Ｌ２２を流れる電流とを測定した結果を示す電圧・電流波形である。
【０１０２】
回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角６０°付近において、巻線Ｌ２２に電流が流れ始め、この電流は電気角１４０°付近まで継続した。この電流も励磁巻線Ｌ２１に給電される。この場合、巻線Ｌ２２の位置する電気角は、励磁巻線Ｌ２１の位置する電気角と同相であるから、巻線Ｌ２３とは異なり、巻線Ｌ２２の電流はダイオードＤ２を通して、励磁巻線Ｌ２１と巻線Ｌ２２と同相になるよう励磁巻線Ｌ２１に給電される。
【０１０３】
図２４は、図７に示す発電機３を商用電力に接続し系統連係させたときの、固定子１０の出力巻線Ｌ１１を流れる電流と、回転子１１に配設される励磁巻線Ｌ２１を流れる電流とを測定した結果を示す電圧・電流波形である。
【０１０４】
図７及び図８に示す電気回路２３の構成から明らかなとおり、ダイオードＤ１を流れる電流と、巻線Ｌ２２を流れる電流と、巻線Ｌ２３を流れる電流の和が、励磁巻線Ｌ２１を流れるものであるが、図２４に示すとおり、励磁巻線Ｌ２１には正弦波形の半周期波形に近似した波形の電流が流れることがわかる。つまり、発電機３によれば、ダイオードＤ１を通して励磁巻線Ｌ２１に電流が流れない電気角の領域において、電気角−３０°付近から４５°付近では巻線Ｌ２３が励磁巻線Ｌ２１に電流を供給し（図２１）、電気角６０°付近から１４０°付近では巻線Ｌ２２が励磁巻線Ｌ２１に電流を供給する（図２３）ので、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が効率よく励磁されるものである。そして、固定子１０の出力巻線Ｌ１１には、励磁巻線Ｌ２１を流れる電流波形にほぼ一致する波形の出力電流が得られる。
【０１０５】
なお、電気角−３０°付近から０°丁度、及び電気角１４０°付近から１８０°丁度では、出力電流と商用電流とは同相（極性が同じ）であるため、発電機３は「電動機」として機能しているが、電気角０°超から１４０°付近では、出力電流と商用電流とは逆相（極性が逆）であるため、発電機３はまさに「発電機」として機能していることがわかる。
【０１０６】
以上の発電原理からもわかるように、本発明を適用した発電機によれば、以下に特記する構造上、動作上、及び運用上の特徴がある。
（１）回転子の巻線に励磁電流を供給しなくとも、回転子１１が励磁される。従って、従来の自励式発電機のような固定子と回転子との間の電気的接触機構を含む特別な給電機構を必要とせず、シンプルな構成とすることができる。
（２）誘導発電機は回転子の巻線に励磁を必要としないが、系統連係させ、かつ、同期回転を上回る速度で回転子を回転させなければ発電しないのに対し、本発明を適用した発電機によれば、同期回転で発電する。また、単独運転の場合、励磁巻線に外部から電流を供給する必要がない。励磁を必要とせず、かつ、同期回転という概念が存在しないため、回転速度にかかわらず発電する。
（３）単独運転の場合、負荷が接続されていないと固定子の出力巻線に電流が流れないため、固定子と回転子と間の吸引力もしくは反発力が発生せず、出力電圧がゼロとなって発電しない。従って、従来の発電機のように開放出力端子を通して使用者が感電する危険性が無く、より安全である。
（４）過度の重負荷になると、発電出力電圧がゼロ（０Ｖ）となる。つまり発電を停止する。このため、回転子の回転軸が捻じ切られたり、回転子の巻線、固定子の巻線が過大電流により発熱し、焼損したりすることがない。
（５）回転子の回転速度及び回転軸のトルクに対応した磁束が回転子に発生し、また回転子の磁束は発電機の発電出力に応じて変化するため、回転始動時では固定子と回転子と間の吸引力もしくは反発力が弱い。従って、回転子に永久磁石を使用する発電機に比べ、回転始動が容易であり、少ない始動トルクが望まれる発電機に好適である。
【０１０７】
［第５〜第８の実施の形態］
図２５〜図２８は、本発明を適用した第５〜第８の実施の形態における発電機１００，１１０，１２０，１３０の概略構成を示す回路図である。
【０１０８】
図２５に示す発電機１００は、発電機Ｇ（図１、図５、図７に示す第１の実施の形態ないし第３の実施の形態における発電機１，２，３、さらには図１０に示す励磁用電気回路２４を備える第４の実施の形態における発電機のいずれでもよい。以下同様である。）の出力端子１９，２０間に誘導成分としてコイルＬ３１を並列に接続したもの、図２６に示す発電機１１０は、発電機Ｇの出力端子１９，２０間に容量成分としてコンデンサＣ３１を並列に接続したもの、図２７に示す発電機１２０は、発電機Ｇの出力端子１９，２０間に、誘導成分としてのコイルＬ３２と容量成分としてのコンデンサＣ３２との並列回路を、並列に接続したもの、図２８に示す発電機１３０は、発電機Ｇの出力端子１９，２０間に、誘導成分としてのコイルＬ３３と容量成分としてのコンデンサＣ３３との直列回路を、並列に接続したものである。また、図示のとおり、発電機Ｇの出力端子１９，２０には負荷Ｌが接続されている。
【０１０９】
以上のように構成される発電機１００，１１０，１２０，１３０においては、発電機Ｇの出力端子１９，２０間に接続される誘導成分、容量成分、または誘導成分と容量成分との並列回路もしくは誘導成分と容量成分との直列回路が、負荷Ｌの変動に応じて、発電機Ｇの出力電流（負荷電流）の位相に適度な遅れまたは進みを生じさせる。これにより、発電機１００，１１０，１２０，１３０においては、負荷Ｌが急増もしくは急減しても出力電圧（負荷電圧）が変動しにくい特性を得ることができる。
【０１１０】
図２９は、図２５に示す発電機１００の構成において、出力端子１９，２０に所定の負荷Ｌを接続し、負荷電圧（ＣＨ１）、発電機Ｇの出力電圧（ＣＨ５）、発電機Ｇの出力電流（ＣＨ７）を測定したときの回路図を示す。ここで、発電機Ｇとして図５に示す発電機２を使用し、当該発電機を定速回転させた。また、コイルＬ３１には可変インダクタンスのコイルを使用した。
【０１１１】
図３０は、図２９に示す測定回路において１００Ｗの負荷Ｌを接続したときの負荷電圧と、発電機Ｇの出力電圧と、発電機Ｇの出力電流、並びに励磁巻線Ｌ２１を流れる電流の測定値を示す電圧・電流波形である。また、図３１は、２００Ｗの負荷Ｌを接続したときの、同様の測定値を示す。
さらに、図３２は、図２９に示す測定回路からコイルＬ３１の接続を外したものにおいて、１００Ｗの負荷Ｌを接続したときの同様の測定値、図３３は、同じくコイルＬ３１の接続を外したものにおいて、２００Ｗの負荷Ｌを接続したときの同様の測定値を示す。
【０１１２】
図３０及び図３１を参照すると、負荷Ｌが１００Ｗのときは、発電機Ｇの出力電圧に対し、発電機Ｇの出力電流は位相が遅れているが、負荷Ｌが２００Ｗになると、発電機Ｇの出力電流の位相遅れが少なくなり、出力電圧の位相に接近していることがわかる。また、このような負荷Ｌの変動に対して、負荷電圧はほとんど変化していないことがわかる。
【０１１３】
一方、図３２及び図３３を参照すると、コイルＬ３１の誘導成分が無いときには、負荷Ｌの変動と関係なく、発電機電流の位相と発電機電圧の位相とがほぼ一致している（つまり力率が１）。しかしながら、図３０及び図３１のときとは対照的に、負荷Ｌが増えると負荷電圧が低下している。
【０１１４】
つまり、図２５に示す発電機１００の構成によれば、軽負荷のときは、出力電流の位相に遅れが生じるため、無効電流が発生した状態にあるが、負荷が増加するに従い、出力電流の位相遅れが少なくなり、有効電流が増えることによって出力電力が増加する。このため、負荷が変動しても、負荷電圧がほぼ一定に維持される。
【０１１５】
図３４は、図２５に示す発電機１００の構成において、出力端子１９，２０間に負荷Ｌが接続されていないとき（無負荷時）、及び異なる負荷Ｌを接続したときにそれぞれ測定された、出力電圧、出力電流、及び力率の値を示す表である。
負荷Ｌが接続されていないときは、発電機１００の出力電圧は実際上ゼロ、出力電流はゼロであった。負荷Ｌが接続されると電圧及び電流が出力されるが、負荷Ｌによって８７Ｗが消費されるときと３１１Ｗが消費されるときとを比較すると、出力電流が大幅に増えているが、出力電圧はほぼ一定であることがわかる。また、負荷の増加によって力率が増加していることがわかる。つまり、発電機１００は、負荷が重くなるほど力率が増加（改善）する特性を有することがわかる。
【０１１６】
図３５は、６極の発電機を構成した場合の、入力動力、出力電力、出力電圧、及び発電機の効率（出力電力／入力動力）を、出力電力をＹ軸にとり描いた線図である。なお、発電機は定速回転（１０００ｒｐｍ）にて単独運転させた。また、発電機の等速回転で通常行われるように、負荷が重くなるにつれて発電機の軸トルクを増大させ、発電機の回転軸の回転速度を一定に保つようにした。
図３５によれば、出力電力（負荷により消費される電力）が３倍を超えて変化しても、発電機の出力電圧、効率がともにほぼ一定に保たれていることがわかる。
【０１１７】
図３６〜図３９は、図２９に示す測定回路（図２５に示す発電機１００の構成を備えるもの）において、出力電圧と出力電流の測定値を示す電圧・電流波形である。ここで、図３６は、負荷Ｌを接続しない（無負荷）状態から３００Ｗに急増させたときの電圧・電流波形、図３７は、負荷Ｌを１００Ｗから３００Ｗに急増させたときの電圧・電流波形、図３８は、負荷Ｌを５００Ｗから接続しない（無負荷）状態に急減させたときの電圧・電流波形、図３９は、負荷Ｌを５００Ｗから１００Ｗに急減させたときの電圧・電流波形を示す。
【０１１８】
図３６を参照すると、負荷を接続すると約０．５秒で出力電圧が確認され、約０．６秒には定常の電圧が得られることがわかる。また、負荷を接続しない状態では、電圧が出力されていないことがわかる。また、図３８によれば、負荷を外すと出力電圧が低下し、約０．４秒で消失することがわかる。
さらに、図３７及び図３９によれば、負荷を急増ないし急減させると、出力電流は直ちに増大ないし減少するが、出力電圧は負荷の急変にかかわらずほぼ一定に保たれることがわかる。
【０１１９】
以上のように、本発明を適用した第５〜第８の実施の形態における発電機によれば、発電機の定速回転時に負荷が急変しても、出力電圧（負荷電圧）、発電効率がほぼ一定に保たれることがわかる。また、負荷を接続しないときには出力電圧がゼロであり、負荷を接続すると速やかに発電を開始し、負荷を接続した状態から負荷を外すと発電を停止することがわかる。
【０１２０】
なお、上記第１〜第３の実施の形態において、固定子１０及び回転子１１に使用する鉄心の構造、巻線Ｌ１１、Ｌ２１〜Ｌ２３の鉄心１２，１３への巻装方法は、これらに限定するものではなく、適宜変更することが可能である。
また、固定子１０、回転子１１の極数も特に限定されるものではなく、任意である。
さらに、上記第５〜第８の実施の形態において、誘導成分、容量成分はそれぞれ可変のものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明の発電機は、回転子の巻線に外部から電流を供給するための電気的接触機構を含む特別な給電機構を必要とせず構成がシンプルである、系統連係させたときに同期回転で発電し、単独運転の場合に無励磁で回転速度にかかわらず発電する、単独運転の場合に負荷（系統連係の場合に電力系統）が接続されていないと出力電圧がゼロとなって発電しない、過度の重負荷になると出力電圧がゼロとなり発電を停止する、回転始動が容易である、発電機の定速回転時に負荷が急変しても出力電圧及び発電効率がほぼ一定に保たれる、といった多くの利点を有することから、車両用、一般家庭用等の小型発電機、工場、ビルディング等で使用される業務用の発電機、風力、水力、火力等の各種発電所で使用される大型発電機等、広範な用途に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明を適用した第１の実施の形態における発電機１の概略構成を示す模式図である。
【図２】発電機１の回転子１１に配設される励磁用電気回路２１の概略構成を示す回路図である。
【図３】固定子１０側の出力巻線Ｌ１１の巻装状態を拡大して示す模式図である。
【図４】回転子１１側の鉄心１３に対する励磁巻線Ｌ２１の巻装状態を拡大して示す模式図である。
【図５】本発明を適用した第２の実施の形態における発電機２の概略構成を示す模式図である。
【図６】発電機２の回転子１１に配設される励磁用電気回路２２の概略構成を示す回路図である。
【図７】本発明を適用した第３の実施の形態における発電機３の概略構成を示す模式図である。
【図８】発電機３の回転子１１に配設される励磁用電気回路２３の概略構成を示す回路図である。
【図９】発電機２において、励磁巻線Ｌ２１、巻線Ｌ２２、巻線Ｌ２３の配置関係を、固定子１０の鉄心１２及び回転子１１の鉄心１３と共に概略的に示した模式図である。
【図１０】本発明を適用した第４の実施の形態における発電機の、回転子に配設される別の励磁用電気回路２４の概略構成を示す回路図である。
【図１１】発電機２を系統連係させた場合において、固定子１０の一方の極の電気角を基準（電気角０°）として、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角−３０°付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
【図１２】発電機２を系統連係させた場合において、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角０°超付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
【図１３】発電機２を系統連係させた場合において、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角３０°付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
【図１４】発電機２を系統連係させた場合において、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角９０°超付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
【図１５】発電機２を系統連係させた場合において、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１５０°付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
【図１６】発電機２を単独運転させた場合において、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角０°付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
【図１７】発電機２を単独運転させた場合において、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角０°超付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
【図１８】発電機２を単独運転させた場合において、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角９０°超付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
【図１９】発電機２を単独運転させた場合において、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１８０°丁度にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
【図２０】発電機２を単独運転させた場合において、回転子１１の励磁巻線Ｌ２１が電気角１８０°超付近にあるときの、発電機２の状態を示した模式図である。
【図２１】発電機３を系統連係させたときの、固定子１０の出力巻線Ｌ１１を流れる電流と、回転子１１に配設される巻線Ｌ２３を流れる電流とを測定した結果を示す電圧・電流波形である。
【図２２】発電機３を系統連係させたときの、固定子１０の出力巻線Ｌ１１を流れる電流と、回転子１１に配設されるダイオードＤ１を流れる電流とを測定した結果を示す電圧・電流波形である。
【図２３】発電機３を系統連係させたときの、固定子１０の出力巻線Ｌ１１を流れる電流と、回転子１１に配設される巻線Ｌ２２を流れる電流とを測定した結果を示す電圧・電流波形である。
【図２４】発電機３を系統連係させたときの、固定子１０の出力巻線Ｌ１１を流れる電流と、回転子１１に配設される励磁巻線Ｌ２１を流れる電流とを測定した結果を示す電圧・電流波形である。
【図２５】本発明を適用した第５の実施の形態における発電機１００の概略構成を示す回路図である。
【図２６】本発明を適用した第６の実施の形態における発電機１１０の概略構成を示す回路図である。
【図２７】本発明を適用した第７の実施の形態における発電機１２０の概略構成を示す回路図である。
【図２８】本発明を適用した第８の実施の形態における発電機１３０の概略構成を示す回路図である。
【図２９】図２５に示す発電機１００の構成において、出力端子１９，２０に所定の負荷Ｌを接続し、負荷電圧（ＣＨ１）、発電機Ｇの出力電圧（ＣＨ５）、及び発電機Ｇの出力電流（ＣＨ７）を測定したときの回路図である。
【図３０】図２９に示す測定回路において、１００Ｗの負荷Ｌを接続したときの負荷電圧と、発電機Ｇの出力電圧と、発電機Ｇの出力電流、並びに励磁巻線Ｌ２１を流れる電流の測定値を示す電圧・電流波形である。
【図３１】図２９に示す測定回路において、２００Ｗの負荷Ｌを接続したときの同様の測定値を示す電圧・電流波形である。
【図３２】図２９に示す測定回路からコイルＬ３１の接続を外したものにおいて、１００Ｗの負荷Ｌを接続したときの同様の測定値を示す電圧・電流波形である。
【図３３】図２９に示す測定回路コイルＬ３１の接続を外したものにおいて、２００Ｗの負荷Ｌを接続したときの同様の測定値を示す
【図３４】発電機１００の構成において、出力端子１９，２０間に負荷Ｌが接続されていないとき（無負荷時）、及び異なる負荷Ｌを接続したときにそれぞれ測定された、出力電圧、出力電流、及び力率の値を示す表である。
【図３５】６極の発電機を構成した場合の、入力動力、出力電力、出力電圧、及び発電機の効率（出力電力／入力動力）を、出力電力をＹ軸にとり描いた線図である。
【図３６】図２９に示す測定回路において、負荷Ｌを接続しない状態から３００Ｗに急増させたときの出力電圧と出力電流の測定値を示す電圧・電流波形である。
【図３７】図２９に示す測定回路において、負荷Ｌを１００Ｗから３００Ｗに急増させたときの同様の電圧・電流波形である。
【図３８】図２９に示す測定回路において、負荷Ｌを５００Ｗから接続しない状態に急減させたときの同様の電圧・電流波形である。
【図３９】図２９に示す測定回路において、負荷Ｌを５００Ｗから１００Ｗに急減させたときの同様の電圧・電流波形である。
【符号の説明】
【０１２３】
１，２，３，１００，１１０，１２０，１３０    発電機
１０    固定子
１１    回転子
１２，１３    鉄心
１９，２０    出力端子
２１，２２，２３，２４    励磁用電気回路
Ｌ１１    出力巻線
Ｌ２１    励磁巻線
Ｌ２２〜Ｌ２８    巻線
Ｄ１〜Ｄ８    ダイオード
Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３    コイル
Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ３３    コンデンサ
【図１】
2006149148.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【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】
2006149148.tif 000010
【図９】
2006149148.tif 000011
【図１０】
2006149148.tif 000012
【図１１】
2006149148.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2006149148.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2006149148.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2006149148.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2006149148.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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