(57)【要約】【課題】出力電圧を所定の電圧に保ちつつ、不必要な電圧の発生を防ぐことで、幅広い用途に活用できる発電システムを提供する。【解決手段】発電システム１０は、ステータに巻き上げられたステータコイル２５ｂと直列に接続された出力用ソレノイドコイル３１と、出力用ソレノイドコイル３１と直列に接続され、出力用ソレノイドコイル３１との間に負荷Ｌへ出力するための出力線が配線される制御用ソレノイドコイル３２と、出力用ソレノイドコイル３１および制御用ソレノイドコイル３２の間に設けられたスイッチ３３と、発電電圧を検出するセンサからの検出信号に応答してスイッチ３３のＯＮ／ＯＦＦを制御するコントローラ５０と備えている。出力用ソレノイドコイル３１と制御用ソレノイドコイル３２とは、互いが磁気的に結合されていると共に、それぞれがステータコイル２５ｂの磁束と鎖交しないようにソレノイドユニット３０として収納されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石式発電機のハウジングに回転自在に支持されたロータシャフトと、
前記ロータシャフトに固定され、かつ外周側に複数の永久磁石部材を取り付けたロータと、
前記ロータの外側に配置され、発電機巻線が巻き上げられたステータと、
前記発電機巻線と直列に接続された出力巻線と、
前記出力巻線と直列に接続され、前記発電機巻線の磁束と鎖交しない位置に配置され、前記出力巻線との間に負荷へ出力するための出力線が配線された制御巻線と、
前記発電機巻線にて発生し、前記出力巻線を介して流れる電流の一部を前記制御巻線に流すためのスイッチと、
前記出力巻線による発電電圧を検出するセンサからの検出信号に応答して前記発電電圧を予め設定された電圧に制御するように前記スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御して前記制御巻線に流れる電流量を制御するコントローラとを備えたことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記出力巻線は、前記発電機巻線の磁束と鎖交しない位置に配置され、前記制御巻線と磁気的に結合されている請求項１記載の発電システム。
【請求項３】
前記永久磁石式発電機は、三相交流発電機として前記発電巻線がスター結線され、
前記出力巻線と前記制御巻線とは、前記発電巻線にそれぞれ直列接続され、
前記制御巻線の端部は、短絡配線によるスター結線にそれぞれ接続され、
前記発電巻線の中性点と、前記短絡配線による中性点とが、短絡接続されている請求項１または２記載の発電システム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記スイッチのＯＮ／ＯＦＦをＰＷＭ制御して電流量を調整する請求項１から３のいずれかの項に記載の発電システム。
【請求項５】
前記センサは、負荷に並列に接続され、発電電圧を検出信号として前記コントローラへ通知するものである請求項１から４のいずれかの項に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式発電機の回転数が上がっても、負荷に対して過度な電圧の出力を抑えることができる発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石式発電機は、ロータに永久磁石を用いているので、構造が簡単で大きな発電電力を得ることができ、電磁石に流す電流が不要となるため高い効率を図ることができる。しかし、発電機の回転が変化すると電圧が大幅に変化してしまう。このような問題に対処した従来の発電システムが特許文献１として知られている。
【０００３】
この特許文献１に記載の永久磁石式発電機の制御装置は、ステータの出力コイルと制御コイルとの間に、制御コイルに接続された制御スイッチと、負荷に接続された出力スイッチとを設け、制御コイルの先端にソレノイドコイルが接続され、コントローラが出力コイルの発電電圧を検出するセンサの検出信号に応答して制御スイッチと出力スイッチとをＯＮ−ＯＦＦ制御して発電電圧を所定の電圧に制御するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許４２２７１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この特許文献１に記載の永久磁石式発電機の制御装置では、発電電圧が所定の電圧以上となったときに、出力電流の一部を制御コイルに流すことで、負荷への出力電圧が抑制されるという垂下特性を利用している。この場合、制御コイルとしては、出力インピーダンスを大きくするために巻数の大きなものが必要である。しかし、出力コイルと制御コイルとがステータとして巻き上げられているため、例えば、制御コイルの巻数が出力コイルのＮ倍とすれば、制御コイルに出力コイルのＮ倍の電圧が発生する。回路の電圧が高くなれば使用する部品の耐電圧を高くする必要があることからコストが増加する。従って、特許文献１に記載の永久磁石式発電機の制御装置では、自動車用発電機や風力用発電機として利用しにくい面がある。
【０００６】
そこで本発明は、出力電圧を所定の電圧に保ちつつ、不必要な電圧の発生を防ぐことで、幅広い用途に活用できる発電システム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】
【０００７】
本発明の発電システムは、永久磁石式発電機のハウジングに回転自在に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトに固定され、かつ外周側に複数の永久磁石部材を取り付けたロータと、前記ロータの外側に配置され、発電機巻線が巻き上げられたステータと、前記発電機巻線と直列に接続された出力巻線と、前記出力巻線と直列に接続され、前記発電機巻線の磁束と鎖交しない位置に配置され、前記出力巻線との間に負荷へ出力するための出力線が配線された制御巻線と、少なくとも前記出力巻線と前記制御巻線との間に設けられた出力端子と、前記発電機巻線にて発生し、前記出力巻線を介して流れる電流の一部を前記制御巻線に流すためのスイッチと、前記出力巻線による発電電圧を検出するセンサからの検出信号に応答して前記発電電圧を予め設定された電圧に制御するように前記スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御して前記制御巻線に流れる電流量を制御するコントローラとを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の発電システムによれば、予め設定された電圧より高くなったときに、コントローラがセンサからの発電電圧の検出信号に応答してスイッチをＯＮとすることで、出力巻線からの電流を出力線から負荷側へ流すだけでなく、制御巻線へも電流が流れるので出力電圧を抑制することができる。制御巻線は、ロータの磁束と鎖交しない位置に配置されているので、磁束の影響を受けることがないため、制御巻線から発電電圧が発生してしまうことが防止できる。従って、出力電圧を所定の電圧に保ちつつ、過度な電流の発生を抑えることができる。
【０００９】
前記出力巻線は、前記発電機巻線の磁束と鎖交しない位置に配置され、前記制御巻線と磁気的に結合されているのが望ましい。発電機巻線の磁束と鎖交しない位置に配置された出力巻線が制御巻線と磁気的に結合されていれば、相互インダクタンスの作用により、スイッチがＯＦＦである場合に出力巻線の電圧降下に比べ、スイッチがＯＮとなって制御巻線へ電流が流れたときの出力巻線の電圧降下の方が大きくなる。従って、小さな電流で大きな電圧降下を得ることができる。
【００１０】
前記永久磁石式発電機は、三相交流発電機として前記発電巻線がスター結線され、前記出力巻線と前記制御巻線とは、前記発電巻線にそれぞれ直列接続され、前記制御巻線の端部は、短絡配線によるスター結線にそれぞれ接続され、前記発電巻線の中性点と、前記短絡配線による中性点とが、短絡接続されているのが望ましい。永久磁石式発電機が三相交流発電機であるときには、上記のように構成することができる。
【００１１】
前記コントローラは、前記スイッチのＯＮ／ＯＦＦをＰＷＭ制御して電流量を調整するのが望ましい。コントローラがスイッチをＰＷＭ制御によりＯＮ／ＯＦＦすることで、制御巻線に流れる電流量を容易、かつ正確に制御することができる。
【００１２】
更に、前記センサは、負荷に並列に接続され、発電電圧を検出信号として前記コントローラへ通知するものであると、負荷へ印加される電圧をコントローラへ正確に検出信号として通知することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、制御巻線が磁束の影響を受けることがないため、制御巻線から発電電圧が発生してしまうことが防止できるので、発電電圧が出力電圧を所定の電圧に保ちつつ、過度な電流の発生を抑えることができる。従って、本発明の発電システムは、幅広い用途に活用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る発電システムの全体構成を示す図である。
【図２】図１に示す発電システムの永久磁石式発電機を示す断面図である。
【図３】図１に示す発電システムを示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態に係る発電システムについて、図面に基づいて説明する。図１に示すように発電システム１０は、負荷Ｌに対して所定の電力を供給するものである。発電システム１０は、発電機２０と、ソレノイドユニット３０と、整流器４０と、コントローラ５０とを備えている。
【００１６】
発電機２０は、三相交流を出力する。図２に示すように、発電機２０は、フロントハウジング２１ａとリアハウジング２１ｂから形成されたハウジング２１に、ロータシャフト２２が一対の軸受２３を介して回転可能にそれぞれ支持されている。ロータシャフト２２には、その一端部に、駆動源からの駆動力が入力する入力プーリ等の入力手段（図示せず）が設けられている。ロータシャフト２２には、回転子であるロータ２４が固定されている。
【００１７】
ロータ２４は、ロータシャフト２２の外周に配設された透磁性部材２４ａと、透磁性部材２４ａの外周面に配置された複数の永久磁石片により形成された永久磁石部材２４ｂと、永久磁石部材２４ｂの外周面に固定された円筒状のスリーブ２４ｃとを備えている。透磁性部材２４ａと永久磁石部材２４ｂとの両端面には、端板２４ｄがそれぞれ配置されている。端板２４ｄは、ナット、フランジ等の固着手段でロータシャフト２２に一体に固定されている。
【００１８】
このロータ２４の外周側には、ハウジング２１に固定された固定子であるステータ２５が配置されている。ステータ２５は、ステータコア２５ａと、ステータコア２５ａに巻き上げられた発電巻線であるステータコイル２５ｂとを備えている。
【００１９】
ステータコイル２５ｂは、ステータコア２５ａの櫛部間に形成されたスロット部に位置し、三相交流の中性点Ｏ１（図３参照）を始点として巻き上げられている。ステータコイル２５ｂをステータコア２５ａに成形固定するためスロット部内に非磁性材が充填されている。
【００２０】
３つのソレノイドユニット３０のそれぞれには、出力巻線である出力用ソレノイドコイル３１と、制御巻線である制御用ソレノイドコイル３２と、スイッチ３３とが設けられている。制御用ソレノイドコイル３２は、出力用ソレノイドコイル３１より巻数が少ないコイルである。
【００２１】
出力用ソレノイドコイル３１の一端側は、発電機２０のステータコイル２５ｂのそれぞれに、配線ａ１〜ａ３により直列接続されている。出力用ソレノイドコイル３１の他端側は、スイッチ３３の一端側が接続されていると共に、出力線である配線ｂ１〜ｂ３により整流器４０と接続されている。スイッチ３３の他端側は、制御用ソレノイドコイル３２の一端側が接続されている。制御用ソレノイドコイル３２の他端側は、短絡線である配線ｃ１〜ｃ３によりスター結線により短絡接続されている。そして、配線ｃ１〜３によるスター結線の中性点Ｏ２は、ステータコイル２５ｂの中性点Ｏ１と配線ｄにより接続されている。
【００２２】
出力用ソレノイドコイル３１は、ソレノイドユニット３０にそれぞれ収納されているため、ロータ２４とは磁束と鎖交していない。また、制御用ソレノイドコイル３２は、同様に、ソレノイドユニット３０にそれぞれ収納されているため、ロータ２４の磁束と鎖交しないだけでなく、出力用ソレノイドコイル３１と磁気的に結合される位置に配置されている。例えば、円形状（楕円状を含む）に形成されたコアに、出力用ソレノイドコイル３１と、制御用ソレノイドコイル３２とを、それぞれ巻き付けることにより磁気的に結合させることができ、コンパクトに配置できる。また、出力用ソレノイドコイル３１と制御用ソレノイドコイル３２とをコアに重ね合わせて巻き付けるようにしてもよい。更に、出力用ソレノイドコイル３１と制御用ソレノイドコイル３２とを一次巻線および二次巻線としたトランスとしてもよい。
【００２３】
整流器４０は、配線ｂ１〜ｂ３により入力される三相交流Ｕ，Ｖ，Ｗ相を全波整流して負荷Ｌに供給するもので、２本の直列接続されたダイオード４１を３つ並列接続されている。この整流器４０には、センサとして機能する電圧比較器４２が負荷Ｌと並列接続され、電圧比較器４２の出力がコントローラ５０へ配線ｅにより接続されている。
【００２４】
コントローラ５０は、電圧比較器４２からの発電電圧の検出信号に基づいて、スイッチ３３の開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）をＰＷＭ制御する機能を備えている。
【００２５】
以上のように構成された本発明の実施の形態に係る発電システムの動作について、図面に基づいて説明する。なお、始動前では、コントローラ５０は、それぞれのスイッチ３３を開放状態としている。
【００２６】
発電機２０は、駆動源からの駆動力によりロータシャフト２２が回転することで、それぞれのステータコイル２５ｂに発電電流が発生する。この発電電流は、ステータコイル２５ｂから出力用ソレノイドコイル３１へ流れる。そして発電電流は、出力用ソレノイドコイル３１から整流器４０へ、そして負荷Ｌへ流れる。
【００２７】
ロータ２４の回転数が上がっていくと発電電圧が上昇するが、電圧比較器４２からの発電電圧の検出信号と、予め設定された電圧（第１の閾値電圧）とを比較していたコントローラ５０が、所定の電圧より高くなったと判定すると、スイッチ３３をＯＮとする。
そうすることで、出力用ソレノイドコイル３１からの電流を出力線である配線ｂ１〜ｂ３により整流器４０を介して負荷Ｌへ流すだけでなく、制御用ソレノイドコイル３２へも電流が流れるので出力電圧を抑制することができる。
【００２８】
制御用ソレノイドコイル３２は、ステータコイル２５ｂの磁束と鎖交しない位置となるソレノイドユニット３０に収納されているので、ステータコイル２５ｂからの磁束の影響を受けることがないため、制御用ソレノイドコイル３２にスイッチ３３をＯＮして電流を流しても、制御用ソレノイドコイル３２から発電電圧が発生してしまうことが防止できる。従って、配線ｂ１〜ｂ３により整流器４０に印加され、整流器４０により整流されて負荷Ｌに印加される出力電圧を所定の電圧に保ちつつ、過度な電流の発生を抑えることができる。
【００２９】
また、出力用ソレノイドコイル３１は、ステータコイル２５ｂの磁束と鎖交しない位置に配置され、制御用ソレノイドコイル３２と磁気的に結合されているため、相互インダクタンスの作用により、スイッチ３３がＯＦＦである場合に、出力用ソレノイドコイル３１の電圧降下に比べ、スイッチ３３がＯＮとなって制御用ソレノイドコイル３２へ電流が流れたときの出力用ソレノイドコイル３１の電圧降下の方が大きくなる。従って、小さな電流で大きな電圧降下を得ることができる。
また、ステータコイル２５ｂに、出力用ソレノイドコイルと制御用ソレノイドコイルとが磁気的結合している場合と比較して、本実施の形態に係る制御用ソレノイドコイル３２を巻数の少ないものとすることができる。従って、スイッチ３３をＯＮして制御用ソレノイドコイル３２へ電流を流した場合でも、発電機２０に対して大きな負荷とならない。
【００３０】
発電機２０の回転数が低減し、負荷Ｌへの電力が不足するようであれば、電圧比較器４２からの発電電圧の検出信号と、予め設定された電圧とを比較していたコントローラ５０が、スイッチ３３をＯＮとした所定の電圧より低く設定された電圧（第２の閾値電圧）より低くなったと判定すると、スイッチ３３をＯＦＦとする。コントローラ５０は、このようにスイッチ３３のＯＮ／ＯＦＦをＰＷＭ制御により調整して、負荷Ｌへの出力電圧を一定に保つ。
【００３１】
このように、発電システム１０は、出力電圧を所定の電圧に保ちつつ、過度な電流の発生を抑えることができる。また、発電システム１０は、小さな電流で大きな電圧降下を得ることができるので、出力用ソレノイドコイル３１や制御用ソレノイドコイル３２、スイッチ３３など、低い耐電圧の部品を使用することができる。従って、部品のコストを抑制することができ、小型化を図ることができる。また、発電機２０に対して制御用ソレノイドコイル３２が不必要な負荷とならない。
よって、本実施の形態に係る発電システム１０は、自動車用発電機や風力用発電機など幅広い用途に活用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の発電システムは、自動車用発電機や風力用発電機など、永久磁石式発電機が用いられる用途に幅広く活用できる。
【符号の説明】
【００３３】
１０  発電システム
２０  発電機
２１  ハウジング
２１ａ  フロントハウジング
２１ｂ  リアハウジング
２２  ロータシャフト
２３  軸受
２４  ロータ
２４ａ  透磁性部材
２４ｂ  永久磁石部材
２４ｃ  スリーブ
２４ｄ  端板
２５  ステータ
２５ａ  ステータコア
２５ｂ  ステータコイル
３０  ソレノイドユニット
３１  出力用ソレノイドコイル
３２  制御用ソレノイドコイル
３３  スイッチ
４０  整流器
４１  ダイオード
４２  電圧比較器
５０  コントローラ
ａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３，ｄ，ｅ  配線
Ｏ１，Ｏ２  中性点
Ｌ  負荷
【図１】
2011244654.tif 000003
【図２】
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【図３】
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