(57)【要約】【課題】出力巻線及び制御巻線の巻き数を大きくすることなく、外巻きソレノイドコイルを用い、インダクタンスを大きくして、小さな垂下電流を制御できるようにする。【解決手段】永久磁石部材をロータとし、該ロータの外側に巻線が巻き上げられたステータを備える永久磁石式発電機の制御装置において、ステータ内に巻き上げられる出力巻線１０、１１とステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイル１４１とを含む出力側巻線と、該出力側巻線と直列に接続されステータ外に配置された制御側ソレノイドコイル１４２とを備え、出力側巻線と制御側ソレノイドコイル１４２の間に配設され出力巻線１０、１１に発生した電流の一部を制御側ソレノイドコイル１４２に流すための制御スイッチ１２及び出力巻線１０、１１による発電電圧を検出するセンサ１６からの検出信号に応答して制御スイッチ１２を制御するコントローラ１８を備えるようにしている。【選択図】図３
2011155818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングに回転自在に支持されたロータシャフト、前記ロータシャフトに固定され且つ外周側に複数の永久磁石部材を取り付けたロータ、及び前記ロータの外側に巻線が巻き上げられたステータから成る永久磁石式発電機の制御装置において、前記ステータ内に巻き上げられる出力巻線と、前記ステータ外に配置され前記出力巻線と直列に接続された出力巻線側ソレノイドコイルと、該出力側ソレノイドコイルと直列に接続されて前記ステータ外に配置される制御側ソレノイドコイルと、前記出力巻線側ソレノイドコイルと前記制御側ソレノイドコイルとの間に配設されて前記制御側ソレノイドコイルへ前記出力巻線に発生した電流の一部を流しかつその電流を増減させる制御スイッチと、前記出力巻線に発生す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制御スイッチを制御することにより発電電圧を設定電圧に制御するコントローラとを備えることを特徴とする永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項２】
前記出力巻線の巻き数の途中または巻き始めの部分に選択的に中性点の位置を変更できる中性点端子を設けると共に、該中性点端子に前記中性点に流れる電流を断続できる中性点スイッチをそれぞれ配置し、かつ前記ロータシャフトの回転数を回転数センサで検出し、前記コントローラで前記ローターシャフトの回転数に応じて前記中性点スイッチを選択的に断続して中性点位置を変換するようにしたものである請求項１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項３】
前記出力巻線の一端は三相交流発電機としてスター結線され、前記制御側ソレノイドコイルの端部はスター状に結線されるものである請求項１または２記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項４】
前記コントローラは、前記電圧センサによる検出信号に応答して前記制御スイッチをＯＮ−ＯＦＦ制御し、前記発電電圧が高いことに応答して前記制御側ソレノイドコイルに流れる前記電流を増し、前記発電電圧が低いことに応答して前記制御側ソレノイドコイルに流れる前記電流を減少させて前記設定電圧を一定電圧に制御するものである請求項１から３のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項５】
前記コントローラは前記回転数センサからの信号により、所定回転数の以上の時、前記出力巻線の巻き数が小さな方の前記中性点スイッチをＯＮさせ、所定回転数以下の時、出力巻線の巻き数が大きい側の前記中性点スイッチをＯＮさせ、高速時の大幅な電圧の上昇を防止させるものである請求項２から４のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項６】
前記コントローラは前記回転センサからの信号により、所定回転以下のとき、前記出力巻線の巻き数の大きな側の前記中性点スイッチをＯＮさせ、極低速時の電圧を上昇させ、発電出力させるものである請求項２から４のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項７】
前記出力巻線側ソレノイドコイルに接続した出力端子部から引き出された交流電圧を３相交流の電圧変換圧トランスにより電圧を替えられた２次巻線の電力を整流器により直流電圧に変換し、別電圧の蓄電池に接続する請求項１から６のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項８】
前記出力巻線の端子に主発電スイッチを、前記蓄電池側に蓄電地スイッチを設け、前記コントローラは、負荷状況に応じて前記主発電スイッチと前記蓄電池スイッチをＯＮ、ＯＦＦ制御する請求項７記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項９】
前記コントローラは前記出力巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合、前記中性点スイッチの全てをＯＦＦさせる制御を行なう請求項２から８のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項１０】
前記出力巻線と前記出力巻線側ソレノイドコイルとの間に配置される出力端子部に電動機切替用スイッチを設け、該電動機切替用スイッチの一方を前記出力巻線側の前記出力端子部に、他端部を前記コントローラを介してバッテリに接続し、前記コントローラによりモータ駆動できる位相タイミングに合わせ、前記出力巻線側に電流を供給することにより、電動機として運転可能とするものである請求項１から９のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項１１】
電動機運転時には前記コントローラは回転センサにより回転数を検出し、回転数が小さな時には巻き数の大きな中性点を接続し、回転数が大きな時には巻き数が小さな方の中性点スイッチを接続するように中性点スイッチをＯＮ、ＯＦＦ制御すると共に、電動機切替用スイッチをＯＮ，ＯＦＦ制御する請求項１０記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は，ハウジングに取り付けられたステータとステータに対して回転する永久磁石部材を備えたロータを備えた永久磁石式発電機の巻線とスイッチを用い一定電圧化させる制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電機について、省エネルギー化が要求される中で発電機の効率向上は大きな課題である。発電機の構造は、従来、回転子を電磁石とし、電流を用いて磁界を作り発電させる方式が主であった。しかし、発電機において、永久磁石を用いると、電磁石に流す電流が不要なので効率が向上することが判っていた。ところが、永久磁石を用いた発電機では、永久磁石の磁力が変化せず、発電機の回転が変化すると電圧が大幅に変化するので、一定電圧により各種電気装置を駆動する自動車などの発電機には使えないでいた。永久磁石式発電機は、ロータに永久磁石を用いるので、構造が簡単で大きな発電電力を得ることができ、近年、それを組み込みＤＣ-ＤＣコンバーターを用いたシステムが自動車用発電機、風力発電機等として利用されることが多くなってきた。永久磁石式発電機は、例えば、発電した電力を電動機に送る場合に、電圧が変動してもその機能が十分に発揮できるが、この電力を各種の電気機器を駆動しているバッテリの電圧に合わせる場合に、電圧変動を一定の電圧に揃える操作をしなければならない。永久磁石を用いた発電機の研究について多くの研究者たちが研究を行い、永久磁石発電機の発電電力を一旦直流に変換し、その電力をレギュレターを用いてスイッチングの時間制御により一定電圧にするＤＣ―ＤＣコンバーター方式が開発されたが、発電電力全てをスイッチングする必要があるため、高電圧、大電流の大きな電力をスイッチングするパワートランジスタが必要であり、制御装置が巨大となり、高価格で効率が悪くなるなどの問題がある。即ち、永久磁石式発電機は、自動車、風力等で発電した電圧を一定にするためには、スイッチング  レギュレター等を用いて電力を切り刻む操作をしなければならないが、高電圧、大電流をオン・オフするためには大型のパワートランジスタを要し、装置が大型になり、冷却ロスが大きくなり、極めて高価になる。パワートランジスタは通過電流が大きいほど、スイッチ抵抗に発生する熱の影響で破壊されやすく、また、電圧が高すぎるとエミッターコレクタ間の絶縁が破壊される等の問題が有るので電圧、電流は小さいほど耐久性が有り、安価である。
【０００３】
例えばハイブリット車、電気自動車などに使用する永久磁石発電機は高速時では発電電圧を下げなければならないが、極低速時には発電電圧を上昇させなければならない。これをコンバーターで電圧調整させる場合、電圧降下させるためには降圧回路、電圧上昇させる場合には昇圧回路を用いなければならず、制御装置が複雑、高価になる。
【０００４】
また、発電電圧を一定にするために、電流を切り刻む時に、発生するサージ電圧、電流は電波障害の引き金になり、そのノイズ対策に必要なスナーバーの処置等が高電圧、大電流ほど大変である。
【０００５】
また、その後、永久磁石の磁力を弱める方式が盛んに研究され、いろいろと発表された。例えば、永久磁石回転電機として、大きな変換機やリアクトルが必要な無効電流調整機や機械的変位機構等を必要とせず、簡素で部品点数が少なく小型で、信頼性に優れた電機子巻線電圧が調整可能なものが知られている。該永久磁石回転発電機は、電機子巻線群を有する固定子と、永久磁石による界磁極を有する回転子と、別個に設定した制御電流が供給され、永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群と、制御巻線群に流れる制御電流を制御することによって、電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御回路とを備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、高効率の発電機を実現するものが提案されている。該発電機は、巻線を有する第１の物体と、鉄心と永久磁石を有する第２の物体を設け、インダクタンスは直軸に対して非対称とすることによってリラクタンス力を有効に利用し、高効率を実現したものである（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
また、従来知られている交流発電機として作動可能な電気機械として、回転子と固定子と、この固定子内に導電するように設けた少なくとも一つの巻線と、この第１の巻線とは電気的に絶縁して第１の巻線に誘導結合した二次巻線とを有し、二次巻線を第１の巻線の出力電圧と電流のうち少なくとも一方の制御に用いることができる方式が提案されている。しかし、上記のような種々の方法では発電機に用いられた磁力を弱めることは至難の業で中々実用化されないでいる。（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
また、永久磁石で構成される回転子とその外側に設けたステータ内に巻かれた巻線を巻き数の小さな出力巻線と、大きな巻き数を有する制御巻線、ソレノイドを直列に結線し、その中間にトランジスタースイッチを置き、出力巻線の電圧が高い時、これらの系に流れる電流を大きくし、出力巻線の電圧が低い時、電流を小さくする方式がある（例えば、特許文献４参照）。
【０００９】
一方、ハイブリット車ではＤＣ-ＤＣ コンバーターまたは位相制御方式が用いられ、発電により整流された電力を必要に応じてその電力を切り刻み、主として降圧により一定電圧を持つ直流に変換し、必要に応じてインバーターによりＡＣに変換し、モータ駆動させるシステムが実用化されたが、高電圧、大電流の電力をそのままスイッチングするため、その装置の大きさがハイブリット車の小型化への普及を妨げている。位相制御方式では電圧を降下させると出力の力率が大きく下がる問題が有る。一方、自動車の電気使用量はうなぎのぼりに増加し、エネルギー問題が益々深刻となり、現在用いられているランデル式発電機の効率５０％は許容できない事態となった。自動車用発電機のこの様な状況の下で構造が簡素で確実な制御性を持つ発電機構の出現が求められている。
【００１０】
一般に磁束制御を電気的に行うためには、発電機の巻線に種類の異なる複数の巻線を巻き込み、インバーターにより同期された電流を１つの巻線に流し、永久磁石の磁力の方向に対抗する電磁力を与えることが提案され、多くの技術者が研究を試みた。しかし、この方法だと永久磁石の磁力に対し、逆向きの電磁力を加えるため、永久磁石により発生する発生電圧と相似で反対向きの電流、電圧をインバーターにより作らなければ成らないが、その方式は制御系の困難さが益々大きくなった。また、この方法だと別回路で作成した電磁石による磁力が永久磁石の磁力を消滅させることになり、成功しなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−３２０９７２号公報
【特許文献２】特開２００３−２４５０００号公報
【特許文献３】特表２００６−５２９０７６号公報
【特許文献４】特許第４２２７１８９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明者等は、特許文献４記載の発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置を開発・製作し、神奈川県立の研究所において実験を重ねた結果、磁束制御装置を用いることなく且つ少ない電流で出力電圧を一定の範囲に維持して常に所望の電圧に制御すると共に永久磁石の磁力の減磁を生じさせないという効果が達成されることを確認した。特に、定格電圧が例えば１４Ｖ、２４Ｖの比較的低電圧では優位な効果を奏することを確認した。
【００１３】
しかしながら、発電電圧が高くなる場合、例えば２００Ｖ―ＡＣ発電機では高速での電圧が非常に高くなり、高耐圧性のスイッチング素子（ＦＥＴ）を使わざるを得ないという問題が発生した。つまり、特許文献４記載の特許発明は、ステータに巻き上げた巻線を巻き数の小さな出力巻線と巻き数の大きな制御巻線とで構成すると共に両巻線間に制御スイッチを設け、負荷の変動に応答して制御スイッチをデューティ制御し、巻線切り換え時の電圧の上昇に対応して電圧制御巻線に微小電流を流して電圧を瞬間的に降下させて一定電圧を維持し、瞬間的な電圧の上昇又は降下を抑えて常に所望の電圧に制御することを特徴とするものである。したがって、特許文献４記載の特許発明によると、巻線の巻き数を大きくすると電圧が上がり、その反面、巻き数を有る程度大きくしないとインダクタンスが大きくならず、垂下特性の電流が小さくならないという二律背反の関係にあり、発電電圧が高くなるＡＣ発電機に適用する場合には高速での電圧が非常に高くなることを回避できないものである。例えば、電圧の値は出力側電力では２２０Ｖ（ＡＣ）/２０００ｒｐｍ、４４０Ｖ/４０００ｒｐｍ、６６０Ｖ/６０００ｒｐｍである。この値は実効値であるので、ピーク電圧ではその１．４倍にもなる。しかも、制御巻線の巻き数を出力巻線の４倍にすると、電圧は４倍になり、６０００ｒｐｍでは２６４０Ｖになる。この電圧はスイッチング素子・ＦＥＴ、またはＩＧＢＴにとって非常に大きな値で一般に市販されているＦＥＴ、ＩＧＢＴの耐圧６００Ｖを遥かにオーバーしてしまう。このため、発電電圧を高くする場合には、非常に高価（現在、一般的な１０００Ｖ耐圧のＦＥＴの約１００倍程度）な高耐圧性のスイッチング素子を使わざるを得ず、発電機のコストを押し上げてしまう問題が生ずる。
【００１４】
本発明は、出力巻線と出力巻線側ソレノイドコイル及び制御側ソレノイドコイルの組み合わせで装置の簡素化をはかると共に巻線の巻き数を大きくすることなく、インダクタンスを大きくして、垂下電流を制御できる永久磁石式発電機の制御装置を提供すること、及び回転数が小さくても大きくても電圧一定化ができる発電機を提供することを目的とする。即ち、本発明は、発電機の回転領域を大幅に増加させ、極低速から、超高速まで一定電圧を維持できる永久磁石式発電機の制御装置を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、ハウジングに回転自在に支持されたロータシャフト、前記ロータシャフトに固定され且つ外周側に複数の永久磁石部材を取り付けたロータ、及び前記ロータの外側に巻線が巻き上げられたステータから成る永久磁石式発電機の制御装置において、前記ステータ内に巻き上げられる出力巻線と、前記ステータ外に配置され前記出力巻線と直列に接続された出力巻線側ソレノイドコイルと、該出力側ソレノイドコイルと直列に接続されて前記ステータ外に配置される制御側ソレノイドコイルと、前記出力巻線側ソレノイドコイルと前記制御側ソレノイドコイルとの間に配設されて前記制御側ソレノイドコイルへ前記出力巻線に発生した電流の一部を流しかつその電流を増減させる制御スイッチと、前記出力巻線に発生す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制御スイッチを制御することにより発電電圧を設定電圧に制御するコントローラとを備えるようにしている。
【００１６】
ここで、  出力巻線の巻き数の途中または巻き始めの部分に選択的に中性点の位置を変更できる中性点端子を設けると共に、該中性点端子に中性点に流れる電流を断続できる中性点スイッチをそれぞれ配置し、かつロータシャフトの回転数を回転数センサで検出し、コントローラでローターシャフトの回転数に応じて中性点スイッチを選択的に断続して中性点位置を変換することが好ましい。
【００１７】
また、出力巻線の一端は、三相交流発電機としてスター結線され、制御側ソレノイドコイルの端部はスター状に結線されることが好ましい。
【００１８】
また、コントローラは、電圧センサによる検出信号に応答して制御スイッチをＯＮ−ＯＦＦ制御し、発電電圧が高いことに応答して制御側ソレノイドコイルに流れる電流を増し、発電電圧が低いことに応答して制御側ソレノイドコイルに流れる電流を減少させて設定電圧を一定電圧に制御するものであることが好ましい。
【００１９】
また、コントローラはロータシャフトの回転数を検出する回転数センサからの信号により、所定回転数の以上の時、出力巻線の巻き数が小さな方の中性点スイッチをＯＮさせ、所定回転数以下の時、出力巻線の巻き数が大きい側の中性点スイッチをＯＮさせ、高速時の大幅な電圧の上昇を防止させるものであることが好ましい。
【００２０】
また、コントローラはロータシャフトの回転数を検出する回転センサからの信号により、所定回転以下のとき、前記出力巻線の巻き数の大きな側の中性点スイッチをＯＮさせ、極低速時の電圧を上昇させ、発電出力させるものであることが好ましい。
【００２１】
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置は、出力巻線側ソレノイドコイルに接続した端子部から引き出された交流電圧を３相交流の電圧変換圧トランスにより電圧を替えられた２次巻線の電力を整流器により直流電圧に変換し、別電圧の蓄電池に接続することが好ましい。
【００２２】
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置は、出力巻線の端子に主発電スイッチを、蓄電池側に蓄電地スイッチを設け、コントローラは、負荷状況に応じて主発電スイッチと蓄電池スイッチをＯＮ、ＯＦＦ制御することが好ましい。
【００２３】
さらに、コントローラは出力巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合、中性点スイッチの全てをＯＦＦさせる制御を行なうことが好ましい。
【００２４】
さらに、出力巻線側ソレノイドコイルと出力巻線との間に配置される出力端子部に電動機切替用スイッチを設け、該電動機切替用スイッチの一方を出力巻線側の出力端子部に、他端部をコントローラを介してバッテリに接続し、コントローラによりモータ駆動できる位相タイミングに合わせ、出力巻線側に電流を供給することにより、電動機として運転可能とすることが好ましい。
【００２５】
ここで、コントローラは回転センサにより回転数を検出し、回転数が小さな時には巻き数の大きな中性点を接続し、回転数が大きな時には巻き数が小さな方の中性点スイッチを接続するように中性点スイッチをＯＮ、ＯＦＦ制御すると共に、電動機切替用スイッチをＯＮ，ＯＦＦ制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の永久磁石式発電機の制御装置によれば、極めて簡単な構造を持つ発電機の巻線（ステータコイル）をステータ内に巻き上げられた出力巻線とステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルとを接続して、出力巻線と出力巻線側ソレノイドコイルとで出力側巻線を、さらに制御側ソレノイドコイルで制御側巻線を構成し、それら出力側巻線と制御側巻線とを直列に繋ぎ、その全体巻き数の垂下特性を用いて少ない電流で出力電圧を一定に制御するようにしているので、出力側巻線及び制御側巻線の巻き数を大きくすることなく、インダクタンスを大きくして、垂下電流を制御できる。本願発明の発電機は、従来の発電機と大幅に異なり、出力巻線で出力しているとき、垂下特性は、図２に示すように、電流が大きく、電圧が小さくなるように変化するが、出力側巻線に制御側巻線が加わった全体巻線が大きいと電圧は大きくなるが電流は極めて小さい状態で垂下する。全体巻線とこれに対し巻き数が少ない出力巻線とでは、無負荷電圧特性は非常に大きな差が有り、出力側巻線及び制御側巻線の２つの巻線を直列に接続し、全体巻線の大きな巻き数の逆起電力による電圧制御性を利用し、この巻線系に微少の電流を流すと、この垂下特性により出力側巻線端子の電圧が低下し、制御スイッチのＯＮ,ＯＦＦにより電流を調節すると出力端子の電圧を一定にすることができる。つまり、負荷の変動に応答して制御スイッチをＯＮ−ＯＦＦ制御し、出力巻線側ソレノイドコイルの端部に配置した出力端子の電圧即ち出力側巻線の電圧の上昇に対応して全体巻線に微小電流を流して電圧を瞬間的に降下させて一定電圧を維持し、瞬間的な電圧の上昇又は降下を抑えて常に所望の電圧（設定電圧）に制御することができる。
【００２７】
即ち、出力巻線側ソレノイドコイルの巻き数Ｎ１と制御側ソレノイドコイルの巻き数Ｎ２とすると、出力巻線側ソレノイドコイルを単独で用いる場合、インダクタンスＬ１＝μ・Ａ・Ｎ１２/ｌ、制御側ソレノイドコイルを単独で用いる場合、Ｌ２＝μ・Ａ・Ｎ２２/ｌ、ところが直列に接続するとＬ３＝μ・Ａ・（Ｎ１＋Ｎ２）２/ｌとなりＬ１の２倍以上の値になる。直列に繋がれた二つのソレノイドコイルに電圧を掛ければＥ＝Ｉ・２π・ｆ・Ｌ３／１０００となり、電流は出力巻線側ソレノイドコイル単独に流す場合の１／２〜１／５以下に低減する。ここでｌは各ソレノイドコイルコアの磁路長さ、Ａはソレノイドコアの断面積、μは透磁率である。この効果はステータ巻線でも同様である。
【００２８】
発電電圧は出力巻線の巻き数に比例して上昇するが、この電圧は巻線のインピーダンスと電流の積および出力巻線側ソレノイドコイルのインピーダンスと電流の積の和にしたがって降下する。従って、所定電圧になるように制御側巻線即ち制御側ソレノイドコイルへの電流を増すと出力巻線側ソレノイドコイル端子の電圧が減少し、電流を減少すると出力巻線側ソレノイドコイル、即ち出力電圧は一定になる。出力が小さい時には制御側に流れる電流により電圧は制御される。下記に計算式を示す。
計算式Ｖ−Ａ特性
（１）起電力Ｅｏについて
Ｅｏ＝４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ  --------（１）
（２）端子電圧Ｅについて
Ｅ＝Ｅｏ−Ｅ１−Ｅ２
＝４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ−Ｉ1 （Ｒ１２＋（２πｆＬ１1／１０００）２）１／２
−Ｉ２（Ｒ２２  +（２πｆ・Ｌ３１／１０００）２）１／２  --------（２）
（３）制御側へ流れる電流、即ち制御スイッチに流れる電流
Ｉ２＝〔４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ−Ｉ1・(Ｒ1２＋(２πｆ・Ｌ11／１０００)２)１／２−Ｅ〕／〔Ｒ２２＋（２πｆ・Ｌ３１／１０００））２〕１／２  --------（３）
ただし、式中の記号は以下の通りである。
Ｅｏ:出力巻線の起電電圧、Ｅ：希望する所定電圧（設定電圧）、Ｅ１：出力側巻線への電流Ｉ１の時の降下電圧、Ｅ２：出力巻線＋出力巻線側ソレノイドコイル＋制御側ソレノイドコイル全体に流れる平均電流Ｉ２の時の降下電圧、Ｒ１：出力巻線＋出力巻線側ソレノイドコイルの抵抗、Φ：磁力の強さ、Ｒ２：出力巻線＋出力巻線側ソレノイドコイル＋制御側ソレノイドコイルの合計抵抗値、ｆ：周波数、Ｌ１１：出力巻線＋出力巻線側ソレノイドコイルの合計インダクタンス、Ｗｓ：巻線数、Ｉ１：出力巻線端子に流れる電流、Ｉ２:制御側ソレノイドコイル側に流れる電流、L３１：出力巻線のインダクタンス＋出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルの相互インダクタンス。
【００２９】
ここで、巻線の電流は巻線数が大きいほど小さくなるが、その反面巻線の巻き数が大きくなるほど永久磁石による起電電圧が大きくなるので、起電電圧を制限した状態で制御電流を小さくし、電圧制御できることが望ましい。上式で出力側巻線及び制御側巻線の各インダクタンスＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ１１の値を大きく出来れば制御電流値Ｉ２を更に小さくできる。したがって、大電流を必要とする発電機ではステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルとを加える効果が極めて有効である。しかし、Ｌ１１を余り大きくしすぎると出力側の電圧降下をもたらすので、ソレノイドコイルの相互インダクタンス効果が重要である。
【００３０】
また、上式に示すように出力側巻線、制御側巻線の端子電圧は、起電電圧からそれぞれの巻線に流れた電流とインダクタンスの積を差し引いた電圧で決まるが、巻き数が大きくなるほど起電電圧は大きくなるので電圧を降下させる為には大きなインダクタンスが必要になる。そこで、起電電圧を大きくしないで電圧制御させる為には、ステータ内に巻き上げられた巻線を増加させることなく、ロータの磁束と鎖交しない位置例えばステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルとを加えることにより、インダクタンスを大きくして垂下電流を制御できるようにすることが効果的である。
【００３１】
さらに、出力巻線の巻き数の途中または巻き始めの部分に中性点に流れる電流を断続できる中性点スイッチを接続して選択的に中性点の位置を変更できるようにし、ローターシャフトの回転数に応じてコントローラで中性点スイッチを選択的に断続して中性点位置を変更するようにすれば、回転速度の高速化と共に上昇する電圧を中性点の位置の変更により出力巻線の巻き数を変えて抑制することができるので、回転速度に制限を受けず適用回転数の領域を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明による制御装置を適用する永久磁石式発電機を示しており、（Ａ）は正面図、及び（Ｂ）は側面図である。
【図２】出力巻線と全体巻線の垂下特性を示すグラフである。
【図３】この発明による永久磁石式発電機の制御装置の一実施例を示す回路図である。
【図４】図３の永久磁石式発電機の制御装置の作動を示す処理フロー図である。
【図５】ソレノイドコイルの構成を示す図である。
【図６】この発明による永久磁石式発電機を電動機として用いる回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３４】
この実施形態にかかる制御装置が組み込まれた永久磁石式発電機は、図１に示すように、フロントハウジング３とリアハウジング５から成るハウジング３４、ハウジング３４に一対の軸受４を介して回転可能にそれぞれ支持されたロータシャフト１、ロータシャフト１に固定された永久磁石部材７から成る回転子即ちロータ３５、及びロータ３５の外周側に配置され且つハウジング３４に固定された固定子即ちステータ２から構成されている。ステータ２は、ステータコア３６とステータコア３６に巻き上げられたステータコイル８から構成されている。また、ロータシャフト１には、その一端部に、エンジン、風車等の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。この発電機は、ロータ３５を構成するロータシャフト１の両端が軸受４でハウジング３４に回転可能に支持されている。ロータ３５は、ロータシャフト１の外周に配設された透磁性部材３７、透磁性部材３７の外周面に配置された複数の永久磁石片から成る永久磁石部材７、及び永久磁石部材７の外周面に固定された非磁性材からなる円筒状スリーブ４０を備えている。ロータ３５を構成する永久磁石部材７と透磁部材３７との両端面には、非磁性材からなる端板３８がそれぞれ配置され、ナット、フランジ等の固着手段でロータシャフト１に一体に固定されている。また、リアハウジング５には、整流器１５、２１を覆ったカバー６が取り付けられ、カバー６には出力端子９が配設され、また、フロントハウジング３の外側にはソレノイドコイル１４１及び１４２が配設されている。ここで、ソレノイドコイル１４１及び１４２はステータ外に配置されているが、本明細書においてソレノイドコイルに関しステータ外に配置されたとは、ロータの磁束と鎖交しない状況に配置されていることを意味するものである。つまり、ロータの磁束と鎖交しない状況にあれば良く、その設置位置には特に限定されない。例えば、前述のロータの磁束が鎖交しないように磁気遮蔽されているのであればハウジング内に設置しても良いし、あるいはモータケーシングの外に配設しても良い。また、ステータコイル８は、ステータコア３６の櫛部間に形成されたスロット部に位置して巻き上げられ、ステータコイル８をステータコア３６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。また、本明細書において、ステータコイル８を構成する出力巻線は、複数の巻線即ち出力巻線１０，１１を含み、さらにその出力巻線に出力巻線側ソレノイド１４１を加えたものを出力側巻線という。また、制御側巻線は制御側ソレノイドコイル１４２によって構成されている。そして、これら出力側巻線と制御側巻線とを含む概念を、全体巻線あるいは巻線系と呼ぶものとしている。尚、図中の符号１４３は制御側ソレノイドコイル１４２側の中性点を示す。
【００３５】
この発明による永久磁石式発電機の制御装置の一実施例について、図３の回路図を参照して説明する。ステータコイル８を構成する巻線１０、１１は、例えば、ステータ２のステータコア３６の櫛部に巻き上げられており、三相交流の中性点には第一の中性点スイッチ３９１が設けられてＵ、Ｖ、Ｗの３相がそれぞれ結線されると共に、出力コイル即ち出力巻線１０及び１１が直列に接続されその直後に出力巻線側ソレノイドコイル１４１が接続され、ソレノイドコイル１４１の他端には出力ライン４１と制御スイッチ１２が接続され、更に制御側ソレノイドコイル１４２とが接続されている。そして出力巻線１０の端子にはもう一つの巻き数を持つ出力巻線１１を持ち、出力巻線１０と１１の間には３相を夫々連結する第二の中性点スイッチ３９２が存在する。本実施形態の場合、出力巻線１０、１１と出力巻線側ソレノイドコイル１４１とで構成される出力側巻線と制御側ソレノイドコイル１４２で構成される制御側との間には、制御スイッチ１２が介在され、出力巻線側ソレノイド１４１の端子には出力ライン４１が接続され、出力ライン４１は整流器１５を介して負荷１７に接続されている。負荷１７に対して、電圧検出比較器１６が並列に設けられている。また、出力巻線１０、１１には、回転数と極位置を検出するセンサ２８が設けられている。電圧検出比較器１６及びセンサ２８からの検出信号は、コントローラ１８に入力される。コントローラ１８は、これらに検出信号に応答して、制御スイッチ１２及び中性点スイッチ３９１、３９２のＯＮ／ＯＦＦを制御するように構成されている。第一中性点スイッチ３９１あるいは第二の中性点スイッチ３９２のいずれかの接続によって出力巻線側の中性点が構成される。さらに、出力巻線１０、１１の端子には主発電スイッチ５３が、蓄電池２５側には蓄電地スイッチ５２が設けられ、これら主発電スイッチ５３と蓄電池スイッチ５２が負荷状況に応じてコントローラ１８によってＯＮ、ＯＦＦ制御されるようにしている。また、出力側には場合によってはバッテリー５４を設けることがある。尚、本実施形態では、出力巻線は巻数の異なる２種類の巻線１０、１１で構成され、出力巻線１０は出力巻線１１よりも巻数が大きいものとされている。
【００３６】
この永久磁石式発電機の制御装置では、複数の巻線１０、１１を持つ発電機の出力の利用領域を回転数と負荷により規定し、発電機の制御を限定することにより、制御装置の簡素化ができる。ロータ３５の回転と負荷１７の変動に対し、領域を指定することにより、迅速に適応される。ところが、巻線系の経路に設けた制御スイッチ１２により制御側ソレノイドコイル１４２側に流れる電流を制御する場合に、制御スイッチ１２がＯＮ−ＯＦＦされた時、電圧が大きく振れると電圧を平滑させる制御機構が複雑になる。そこで、出力巻線１０、１１には出力巻線側ソレノイドコイル１４１を、出力巻線１１の端子側には制御側ソレノイドコイル１４２をそれぞれ配置し、巻線系に流れる電流の減少及びその大きな無効抵抗を用いることにより電圧変動が少なくなるようにしている。出力巻線側ソレノイドコイル１４１の端部の出力ライン４１部では出力電圧が制御側ソレノイドコイル１４２に電流が流れる事により大幅に降下するため出力巻線側ソレノイドコイル１４１並びに制御側ソレノイドコイル１４２を配設することは重要な技術的特徴となる。電圧の安定のため出力端にコンデンサ（図示せず）を並列に挟むことが有効である。一方、３相発電機の出力線間にコンデンサ（図示せず）を挟むことにより、電圧が上昇し、結果的に出力が増加する。従って、出力側ソレノイドコイル１４１による電圧降下を補う効果がある。なお、出力巻線１０の一端は、三相交流発電機としてスター結線され、中性点スイッチ３９１、３９２に接続している。制御側ソレノイドコイル１４２の端部はスター状に結線されると共に、出力巻線１０、１１により回転数の変化に対応し、極低速から超高速まで一定電圧が保持出来るように設定されている。また、出力ライン４１には夫々電圧降下用トランス４５の巻線４２に繋がる低電圧用端子線５１が接続され、降下電圧を出力する二次巻線４３を介してもう一つの整流器２１に接続される。即ち、出力ライン４１は常に一定の電圧に制御された交流であるため、この電力を用いて他の電圧を得る様、制御すれば常に安定した異なる電圧の電源２５を得ることができる。
【００３７】
この永久磁石式発電機の制御装置は、制御側ソレノイドコイル１４２への電流を開閉時間が可変にできる制御スイッチ１２を介して電流を増減させ電圧一定の制御をするが、ソレノイドコイル１４１、１４２を用いるので、これらのソレノイドコイル１４１、１４２を図５に示すように同一のコア５５に巻き上げるとインダクタンスの相乗効果が作用し、周波数の大きい場合にはインダクタンスが大きくなって抵抗が比例的に大きくなり、この系に流れる電流が小さくなり、発電機の発電電圧が相当大きくなってもインピーダンスと電流の積が電圧降下作用させ、出力ライン４１の電圧を一定に保持させる。制御系に流れる電流は無効電力負荷となるので、流れる電流が小さく銅損が少なくなる。図２に示したように、破線で示される制御特性によると、制御側ソレノイドコイル１４２側に流れる電流はＡ１電流を流すと電圧が０となるので、最大に流してもＡ１アンペアである。設定電圧Ｖ１を得るためには、制御スイッチ１２のＯＮ時間をデューティ制御して、２０００ｒｐｍではＡ21アンペア、４０００ｒｐｍではＡ22アンペアの電流を流せばよい。
【００３８】
この永久磁石式発電機の制御装置は、電圧調整スイッチ即ち制御スイッチ１２を出力巻線１０、１１に接続された出力巻線側ソレノイドコイル１４１の後流に設定される出力端子４１と制御用ソレノイドコイル１４２の中間に配置することを特徴とした巻線構造であって、特に、制御スイッチ１２の配置は重要な構成要因である。この永久磁石式発電機の制御装置の特徴は、出力巻線１０、１１を用いているので、発電機の発生電圧は、出力巻線１１の端子では６００Ｖ以上になる。制御スイッチ１２がＯＦＦの状態では、電流が０アンペアになるので、電圧は無負荷状況の６００Ｖになり、ＯＮ状態では出力巻線側ソレノイドコイル１４１によって降下した電圧になり、その平均値が所定電圧になるので、出力巻線１０、１１の電圧を一定に制御ができる。一方、発電機の回転数が非常に大きくなる場合、極低速の状態では出力巻線１０、１１の中性点スイッチ３９１、３９２を用いて変える事により、一つの負荷電圧に対して複数の出力巻線１０、１１を使って極低速から高速まで出力を得ることが可能になる。この方法は電気自動車などのブレーキエネルギーの回生に役立つ。
【００３９】
図４の処理フロー図を参照して、図３の回路図による永久磁石式発電機の制御装置の説明をする。発電機の回転数が非常に大きくなった場合、出力巻線１１の端子部では１０００Ｖに達する。そこで、回転数が非常に大きな場合でも制御系に問題ない電圧にて、制御させるため、出力巻線１０、１１の中間に第二の中性点スイッチ３９２を置き、出力巻線１０の端部に有る第一の中性点スイッチ３９１をＯＦＦとし、第二の中性点スイッチ３９２をＯＮさせることにより、中性点位置を変更して出力巻線１１のみが中性点に接続されて発電電圧が低く抑えられる。一方、ロータの磁束と鎖交しない位置に配置される外置きの出力巻線側ソレノイド１４１と制御側ソレノイドコイル１４２が加わった場合、制御スイッチ１２がＯＮ状態になると相互インダクタンスの効果で電流が小さくなると共に出力巻線側ソレノイド１４１の端部、即ち、出力ライン４１では出力巻線側ソレノイドコイル１４１の電圧降下作用により、１００Ｖ以下の電圧に止まり、この状態で制御スイッチ１２を断続させても大きなサージ電圧は発生しない。一般に、出力巻線１１の先端で制御スイッチ１２を断続させた場合、電圧が高いので、制御スイッチ１２の損傷、サージ電圧による火花の発生などの大きなトラブル要因となる。これに対して、この永久磁石式発電機の制御装置は、制御スイッチ１２を出力巻線側ソレノイドコイル１４１の後流となる位置に設定されるので制御スイッチ１２をＯＮからＯＦＦに切り替えても、制御スイッチ１２の端子で発生する電圧は低いので、大きな損傷原因とはならない。また、制御スイッチ１２は、負荷端子に置かれた一定電圧を保持するための電圧検出比較器( コンパレータ)１６からの入力により、もし電圧が高くなれば、電流を大きくするように、制御スイッチ１２の開放時間を長く取り、電圧が低くなれば、開放時間を短くすることにより、端子電圧を一定に保持するように制御する。制御スイッチ１２は出力巻線側ソレノイドコイル１４１と制御側ソレノイドコイル１４２との中間に配置されているので、制御スイッチ１２のＯＮ−ＯＦＦによる出力巻線１１に発生した電流の一部が制御側ソレノイドコイル１４２に流される電流の断続が平均化され、あたかも電流量が変化するように作用する。回転数が低くなれば、中性点スイッチ３９１、３９２の切り替えにより、また元の２つの巻線１０、１１で構成される巻数の出力巻線に戻す。一方、出力巻線１１側を通常の出力巻線として使い、エンジンの回転速度が極低速例えば４５０ｒｐｍ〜８００ｒｐｍ程度になった時、２つの出力巻線１０、１１を使うことにより極低速での電圧を上昇させることができる。
【００４０】
起動スイッチがＯＮし、スタートが指令されると、回転速度Ｎを検出するセンサ２８並びに電圧Ｖを検出するコンパレータ１６の信号を得て（ステップＳ３０）、回転速度Ｎが所定の速度Ｎ１より小さいか否かを判断し（ステップＳ３１）、回転速度Ｎが所定の速度Ｎ１より小さければ、出力巻線１０と１１を利用するため、中性点スイッチ３９２をＯＦＦし、中性点スイッチ３９１をＯＮさせる（ステップＳ３２）。回転速度Ｎが所定の速度Ｎ１より大きければ、出力巻線のうち巻き数の小さい方の出力巻線１１を利用するため、中性点スイッチ３９２をＯＮし、中性点スイッチ３９１をＯＦＦさせる（ステップＳ３３）。次いで、電圧検出器１６により検出した出力電圧Ｖが予め設定された電圧（設定電圧Ｖ１と呼ぶ。例えば、３００Ｖ）の上限値（Ｖ１＋α、αは許容幅を示す）より大きいか否かを判断し（ステップＳ３４）、設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より大きい時には、制御スイッチ１２のＯＮ時間を長くし、制御側ソレノイドコイル１４２に流れる電流を大きくし（ステップＳ３５）、出力ライン４１の電圧を小さくする。出力巻線１０，１１の出力電圧は負荷による出力ライン４１側に流れる電流と出力側インピーダンスの降下電圧、制御スイッチ１２のＯＮ状態で制御側ソレノイドコイル１４２に流れる電流とインピーダンスの降下電圧により大幅に降下する。ステップＳ３４で検出電圧Ｖが設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より大きくない時には、設定電圧の下限値（Ｖ１−α）よりは大きいか否かを判断し（ステップＳ３９）、検出電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きければ、そのまま△ｔ時間保持させておく（ステップＳ４０）。他方、検出電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さければ、制御側ソレノイドコイル１４２側に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる（ステップＳ４１）。次いで、出力電圧Ｖが設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さくなったか否かを判断し（ステップＳ３６）、出力電圧Ｖが設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さくならない時には、ステップＳ３５に戻り、出力巻線１１に流れる電流を大きくする処理、即ち電圧を小さくする処理を繰り返す。他方、出力電圧Ｖが設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さくなった時には、出力電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ３７）。出力電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きい場合には、そのまま△ｔ時間保持させておく（ステップＳ３８）。また、ステップＳ３７で出力電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きくない場合には、即ち電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さい場合には、出力巻線１１に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる（ステップＳ４１）。次いで、出力電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ４２）、検出電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きければ、そのまま△ｔ時間保持させておく（ステップＳ４３）。反対に、検出電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さければ、出力巻線１１に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる（ステップＳ４１）。尚、スタート後に行われる、発電機の制御装置が一般に備える診断機能による診断で発電機の巻線に��常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合には、コントローラ１８は中性点スイッチ３９１、３９２の全てをＯＦＦさせる制御を行なう。
【００４１】
この発明にかかる永久磁石式発電機は回転電機として当然の如く電動機としても利用できる。そこで、本発明による発電機を電動機として使用する場合の制御装置の実施形態を図６に示す。この制御装置は、発電機をモータとして使用するために、発電機のステータコイル８を構成する出力巻線１０，１１と出力巻線側ソレノイドコイル１４１との間に配置される出力端子部に電動機切替用スイッチ５６をそれぞれ設け、該電動機切替用スイッチ５６の一方を出力巻線１０，１１側の出力端子部に、他端部をコントローラ１８を介してバッテリ５４に接続し、コントローラ１８によりモータ駆動できる位相タイミングに合わせ、出力巻線１０，１１側に電流を供給することにより、電動機として運転可能とするようにしている。即ち、センサ２８によりロータの永久磁石の位置を検出し、その位置より前側に永久磁石の極と異なる極を作るように設定したコミュテーターからの電流を送るようにしている。即ち、コントローラ１８からの信号により電動機切替用スイッチ５６をＯＮし、主発電スイッチ５３をＯＦＦし、コントローラ１８により、ロータ電磁石７を吸引する位置に磁界を作るようにステータコイル８の巻線に電流を送り、電動機運転する。ここで、コントローラ１８は回転センサ２８により回転数を検出し、回転数が小さな時には巻き数の大きな中性点を接続し、回転数が大きな時には巻き数が小さな方の中性点スイッチを接続するように中性点スイッチをＯＮ、ＯＦＦ制御すると共に、電動機切替用スイッチ５６をＯＮ，ＯＦＦ制御する。２つの中性点スイッチ３９１，３９２を備える本実施形態では、回転センサ２８の信号により回転数が所定値より小さな時、第二の中性点スイッチ３９２をＯＦＦ、第一の中性点スイッチ３９１をＯＮさせ、回転数が大きな時には、第一の中性点スイッチ３９１をＯＦＦさせ、第二の中性点スイッチ３９２をＯＮさせることにより、駆動力を低速では大きく、高速では小さくすることが出来る。尚、本実施形態の場合、発電機を電動機として使用ための電源となるバッテリ５４を発電機の出力を蓄えるバッテリー５４と共用しているが、場合によっては別のバッテリーとしても良い。
【００４２】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、ステータコイル８を構成する出力巻線として２つの巻線１０、１１を直列に接続した構造とし、２つの巻線１０、１１の間即ち出力巻線の巻き数の途中に中性点端子を設けてそれぞれ第二の中性点スイッチ３９２に接続すると共に、巻線１０の端部即ち出力巻線の巻き始めの部分に中性点端子を設けて第二の中性点スイッチ３９２にそれぞれ接続することにより、選択的に中性点端子を引き出し可能としているが、これに特に限られず、３つ以上の巻線で出力巻線即ちステータコイル８を構成し、各巻線の間並びに巻始めに選択的に中性点端子を引き出せるようにすること、即ち３つ以上の中性点スイッチを設けて選択的に中性点端子を引き出し可能としても良い。この場合には、回転速度の高速化と共に上昇する電圧を中性点の位置の変更により出力巻線の巻き数を変えて抑制することができるので、回転速度に制限を受けず適用回転数の領域を広げることができる。もっとも、選択的に中性点端子を引き出し可能とする中性点スイッチを設けなくとも、本発明者等の実験によれば、６０００ｒｐｍ程度の高速回転でも発電電圧を設定電圧に制御可能であった。
【００４３】
また、本実施形態では、出力巻線１０は出力巻線１１よりも巻数が大きいものとしているが、ステータコイル８を構成する複数の出力巻線の間の巻数の関係には特に限られるものではなく、同じ巻数でも、場合によっては出力巻線１１の巻数の方が出力巻線１０よりも大きくしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
この発明による発電機の制御装置は、例えば、自動車の発電機、風力発電機、ハイブリット車、電気自動車の発電機、エレベーターのエネルギー回生発電機として使用して好ましく、発電された一定電圧の電力は、各種機器の駆動、電灯、照明等の一般消費電力として、或いは電子機器等で消費するのに適用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１  ロータシャフト
２  ステータ
７  永久磁石部材
８  巻線
９  出力端子
１０  出力巻線
１１  出力巻線
１２  制御スイッチ（デューティ制御）
１４１  出力巻線側ソレノイドコイル
１４２  制御側ソレノイドコイル
１５、２１  整流器
１６  電圧検出比較器
１７  負荷
１８  コントローラ
２５  バッテリ
２８  回転数と極位置の検出センサ
３４  ハウジング
３５  ロータ
４１  出力端子線
４２  低圧用トランス１次コイル
４３  低電圧トランス２次コイル
４５  トランスコア
５１  低電圧用端子線
５２  蓄電地スイッチ
５３  主発電スイッチ
５４  バッテリ
５５  ソレノイドコイル１４１，１４２のコア
５６  電動機切替用スイッチ
３９１  第一の中性点スイッチ
３９２  第二の中性点スイッチ
【図１】
2011155818.tif 000003
【図２】
2011155818.tif 000004
【図３】
2011155818.tif 000005
【図４】
2011155818.tif 000006
【図５】
2011155818.tif 000007
【図６】
2011155818.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月28日(2011.1.28)
【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】
ハウジングに回転自在に支持されたロータシャフト、前記ロータシャフトに固定され且つ外周側に複数の永久磁石部材を取り付けたロータ、及び前記ロータの外側に巻線が巻き上げられたステータから成る永久磁石式発電機の制御装置において、前記ステータ内に巻き上げられる出力巻線と、前記ステータ外に配置され前記出力巻線と直列に接続された出力巻線側ソレノイドコイルと、該出力側ソレノイドコイルと直列に接続されて前記ステータ外に配置される制御側ソレノイドコイルと、前記出力巻線側ソレノイドコイルと前記制御側ソレノイドコイルとの間に配設されて前記制御側ソレノイドコイルへ前記出力巻線に発生した電流の一部を流しかつその電流を増減させる制御スイッチと、前記出力巻線側ソレノイドコイルと前記制御スイッチとの間に設定される出力端子と、前記出力巻線に発生す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制御スイッチを制御することにより発電電圧を設定電圧に制御するコントローラとを備えることを特徴とする永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項２】
前記出力巻線の一端は三相交流発電機としてスター結線され、前記制御側ソレノイドコイルの端部はスター状に結線されるものである請求項１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項３】
前記コントローラは、前記電圧センサによる検出信号に応答して前記制御スイッチをＯＮ−ＯＦＦ制御し、前記発電電圧が高いことに応答して前記制御側ソレノイドコイルに流れる前記電流を増し、前記発電電圧が低いことに応答して前記制御側ソレノイドコイルに流れる前記電流を減少させて前記設定電圧を一定電圧に制御するものである請求項１または２記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項４】
前記出力巻線の巻き数の途中または巻き始めの部分に選択的に中性点の位置を変更できる中性点端子を設けると共に、該中性点端子に前記中性点に流れる電流を断続できる中性点スイッチをそれぞれ配置し、かつ前記ロータシャフトの回転数を回転数センサで検出し、前記コントローラで前記ローターシャフトの回転数に応じて前記中性点スイッチを選択的に断続して中性点位置を変換するようにしたものである請求項１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項５】
前記コントローラは前記回転数センサからの信号により、所定回転数以上の時、前記出力巻線の巻き数が小さな方の前記中性点スイッチをＯＮさせ、所定回転数以下の時、出力巻線の巻き数が大きい側の前記中性点スイッチをＯＮさせ、高速時の大幅な電圧の上昇を防止させるものである請求項４記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項６】
前記コントローラは前記回転センサからの信号により、所定回転以下のとき、前記出力巻線の巻き数の大きな側の前記中性点スイッチをＯＮさせ、極低速時の電圧を上昇させ、発電出力させるものである請求項４記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項７】
前記コントローラは前記出力巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合、前記中性点スイッチの全てをＯＦＦさせる制御を行なう請求項４から６のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項８】
前記出力端子に接続される出力ラインから引き出された３相交流を電圧変換トランスにより電圧変換すると共に整流器により直流電圧に変換し、前記出力ラインの電流とは別電圧の蓄電池に接続する請求項１から７のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項９】
前記出力ラインに主発電スイッチを、前記蓄電池側に蓄電池スイッチを設け、前記コントローラは、負荷状況に応じて前記主発電スイッチと前記蓄電池スイッチをＯＮ、ＯＦＦ制御する請求項８記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項１０】
前記出力巻線と前記出力巻線側ソレノイドコイルとの間に配置される出力端子部に電動機切替用スイッチを設け、該電動機切替用スイッチの一方を前記出力巻線側の前記出力端子部に、他端部を前記コントローラを介してバッテリに接続し、前記コントローラによりモータ駆動できる位相タイミングに合わせ、前記出力巻線側に電流を供給することにより、電動機として運転可能とするものである請求項１から９のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項１１】
前記出力巻線と前記出力巻線側ソレノイドコイルとの間に配置される出力端子部に電動機切替用スイッチを設け、該電動機切替用スイッチの一方を前記出力巻線側の前記出力端子部に、他端部を前記コントローラを介してバッテリに接続し、前記コントローラによりモータ駆動できる位相タイミングに合わせ、前記出力巻線側に電流を供給することにより、電動機として運転可能とすると共に、電動機運転時には前記コントローラは前記回転センサにより回転数を検出し、回転数が小さな時には巻き数の大きな中性点スイッチを接続し、回転数が大きな時には巻き数が小さな方の中性点スイッチを接続するように前記中性点スイッチをＯＮ、ＯＦＦ制御すると共に、電動機切替用スイッチをＯＮ，ＯＦＦ制御する請求項４から７のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、ハウジングに回転自在に支持されたロータシャフト、前記ロータシャフトに固定され且つ外周側に複数の永久磁石部材を取り付けたロータ、及び前記ロータの外側に巻線が巻き上げられたステータから成る永久磁石式発電機の制御装置において、前記ステータ内に巻き上げられる出力巻線と、前記ステータ外に配置され前記出力巻線と直列に接続された出力巻線側ソレノイドコイルと、該出力側ソレノイドコイルと直列に接続されて前記ステータ外に配置される制御側ソレノイドコイルと、前記出力巻線側ソレノイドコイルと前記制御側ソレノイドコイルとの間に配設されて前記制御側ソレノイドコイルへ前記出力巻線に発生した電流の一部を流しかつその電流を増減させる制御スイッチと、前記出力巻線側ソレノイドコイルと前記制御スイッチとの間に設定される出力端子と、前記出力巻線に発生す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制御スイッチを制御することにより発電電圧を設定電圧に制御するコントローラとを備えるようにしている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
また、コントローラはロータシャフトの回転数を検出する回転数センサからの信号により、所定回転数以上の時、出力巻線の巻き数が小さな方の中性点スイッチをＯＮさせ、所定回転数以下の時、出力巻線の巻き数が大きい側の中性点スイッチをＯＮさせ、高速時の大幅な電圧の上昇を防止させるものであることが好ましい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置は、出力端子に接続される出力ラインから引き出された３相交流を電圧変換トランスにより電圧変換すると共に整流器により直流電圧に変換し、出力ラインの電流とは別電圧の蓄電池に接続することが好ましい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置は、出力ラインに主発電スイッチを、蓄電池側に蓄電池スイッチを設け、コントローラは、負荷状況に応じて主発電スイッチと蓄電池スイッチをＯＮ、ＯＦＦ制御することが好ましい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
さらに、コントローラは出力巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合、中性点スイッチの全てをＯＦＦさせる制御を行なうことが好ましい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
ここで、出力巻線と前記出力巻線側ソレノイドコイルとの間に配置される出力端子部に電動機切替用スイッチを設け、該電動機切替用スイッチの一方を出力巻線側の出力端子部に、他端部をコントローラを介してバッテリに接続し、コントローラによりモータ駆動できる位相タイミングに合わせ、出力巻線側に電流を供給することにより、電動機として運転可能とすると共に、電動機運転時には前記コントローラは回転センサにより回転数を検出し、回転数が小さな時には巻き数の大きな中性点スイッチを接続し、回転数が大きな時には巻き数が小さな方の中性点スイッチを接続するように中性点スイッチをＯＮ、ＯＦＦ制御すると共に、電動機切替用スイッチをＯＮ，ＯＦＦ制御することが好ましい。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
この発明による永久磁石式発電機の制御装置の一実施例について、図３の回路図を参照して説明する。ステータコイル８を構成する巻線１０、１１は、例えば、ステータ２のステータコア３６の櫛部に巻き上げられており、三相交流の中性点には第一の中性点スイッチ３９１が設けられてＵ、Ｖ、Ｗの３相がそれぞれ結線されると共に、出力コイル即ち出力巻線１０及び１１が直列に接続されその直後に出力巻線側ソレノイドコイル１４１が接続され、ソレノイドコイル１４１の他端には出力端子９を介して出力ライン４１と制御スイッチ１２が接続され、更に制御側ソレノイドコイル１４２とが接続されている。即ち、出力巻線側ソレノイドコイル１４１と制御スイッチ１２との間に設定される出力端子９が設けられている。そして出力巻線１０の反対側の端子にはもう一つの巻き数を持つ出力巻線１１を持ち、出力巻線１０と１１の間には３相を夫々連結する第二の中性点スイッチ３９２が存在する。本実施形態の場合、出力巻線１０、１１と出力巻線側ソレノイドコイル１４１とで構成される出力側巻線と、制御側ソレノイドコイル１４２で構成される制御側との間には、制御スイッチ１２が介在され、出力巻線側ソレノイド１４１の端子・出力端子９には出力ライン４１が接続され、出力ライン４１は整流器１５を介して負荷１７に接続されている。負荷１７に対して、電圧検出比較器１６が並列に設けられている。また、出力巻線１０、１１には、回転数と極位置を検出するセンサ２８が設けられている。電圧検出比較器１６及びセンサ２８からの検出信号は、コントローラ１８に入力される。コントローラ１８は、これらに検出信号に応答して、制御スイッチ１２及び中性点スイッチ３９１、３９２のＯＮ／ＯＦＦを制御するように構成されている。第一中性点スイッチ３９１あるいは第二の中性点スイッチ３９２のいずれかの接続によって出力巻線側の中性点が構成される。さらに、出力巻線１０、１１の出力端子９に接続された出力ライン４１には主発電スイッチ５３が、蓄電池２５側には蓄電池スイッチ５２が設けられ、これら主発電スイッチ５３と蓄電池スイッチ５２が負荷状況に応じてコントローラ１８によってＯＮ、ＯＦＦ制御されるようにしている。また、出力側には場合によってはバッテリー５４を設けることがある。尚、本実施形態では、出力巻線は巻数の異なる２種類の巻線１０、１１で構成され、出力巻線１０は出力巻線１１よりも巻数が大きいものとされている。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
この永久磁石式発電機の制御装置は、電圧調整スイッチ即ち制御スイッチ１２を出力巻線１０、１１に接続された出力巻線側ソレノイドコイル１４１の後流に設定される出力端子９と制御用ソレノイドコイル１４２の中間に配置することを特徴とした巻線構造であって、特に、制御スイッチ１２の配置は重要な構成要因である。この永久磁石式発電機の制御装置の特徴は、出力巻線１０、１１を用いているので、発電機の発生電圧は、出力巻線１１の端子では６００Ｖ以上になる。制御スイッチ１２がＯＦＦの状態では、電流が０アンペアになるので、電圧は無負荷状況の６００Ｖになり、ＯＮ状態では出力巻線側ソレノイドコイル１４１によって降下した電圧になり、その平均値が所定電圧になるので、出力巻線１０、１１の電圧を一定に制御ができる。一方、発電機の回転数が非常に大きくなる場合、極低速の状態では出力巻線１０、１１の中性点スイッチ３９１、３９２を用いて変える事により、一つの負荷電圧に対して複数の出力巻線１０、１１を使って極低速から高速まで出力を得ることが可能になる。この方法は電気自動車などのブレーキエネルギーの回生に役立つ。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
この発明にかかる永久磁石式発電機は回転電機として当然の如く電動機としても利用できる。そこで、本発明による発電機を電動機として使用する場合の制御装置の実施形態を図６に示す。この制御装置は、発電機をモータとして使用するために、発電機のステータコイル８を構成する出力巻線１０，１１と出力巻線側ソレノイドコイル１４１との間に配置される出力端子部１３に電動機切替用スイッチ５６をそれぞれ設け、該電動機切替用スイッチ５６の一方を出力巻線１０，１１側の出力端子部１３に、他端部をコントローラ１８を介してバッテリ５４に接続し、コントローラ１８によりモータ駆動できる位相タイミングに合わせ、出力巻線１０，１１側に電流を供給することにより、電動機として運転可能とするようにしている。即ち、センサ２８によりロータの永久磁石の位置を検出し、その位置より前側に永久磁石の極と異なる極を作るように設定したコミュテーターからの電流を送るようにしている。即ち、コントローラ１８からの信号により電動機切替用スイッチ５６をＯＮし、主発電スイッチ５３をＯＦＦし、コントローラ１８により、ロータ電磁石７を吸引する位置に磁界を作るようにステータコイル８の巻線に電流を送り、電動機運転する。ここで、コントローラ１８は回転センサ２８により回転数を検出し、回転数が小さな時には出力巻線の巻き数の大きな中性点スイッチを接続し、回転数が大きな時には出力巻線の巻き数が小さな方の中性点スイッチを接続するように中性点スイッチ３９１，３９２をＯＮ、ＯＦＦ制御すると共に、電動機切替用スイッチ５６をＯＮ，ＯＦＦ制御する。２つの中性点スイッチ３９１，３９２を備える本実施形態では、回転センサ２８の信号により回転数が所定値より小さな時、第二の中性点スイッチ３９２をＯＦＦ、第一の中性点スイッチ３９１をＯＮさせ、回転数が大きな時には、第一の中性点スイッチ３９１をＯＦＦさせ、第二の中性点スイッチ３９２をＯＮさせることにより、駆動力を低速では大きく、高速では小さくすることが出来る。尚、本実施形態の場合、発電機を電動機として使用ための電源となるバッテリ５４を発電機の出力を蓄えるバッテリー５４と共用しているが、場合によっては別のバッテリーとしても良い。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
１  ロータシャフト
２  ステータ
７  永久磁石部材
８  巻線
９  出力端子
１０  出力巻線
１１  出力巻線
１２  制御スイッチ（デューティ制御）
１４１  出力巻線側ソレノイドコイル
１４２  制御側ソレノイドコイル
１５、２１  整流器
１６  電圧検出比較器
１７  負荷
１８  コントローラ
２５  バッテリ
２８  回転数と極位置の検出センサ
３４  ハウジング
３５  ロータ
４１  出力ライン
４２  低圧用トランス１次コイル
４３  低電圧トランス２次コイル
４５  トランスコア
５１  低電圧用端子線
５２  蓄電池スイッチ
５３  主発電スイッチ
５４  バッテリ
５５  ソレノイドコイル１４１，１４２のコア
５６  電動機切替用スイッチ
３９１  第一の中性点スイッチ
３９２  第二の中性点スイッチ
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2011155818.tif 000009
【手続補正１３】
【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】
2011155818.tif 000010