(57)【要約】【課題】永久磁石式同期発電機において、夫々の電機子を三分割して夫々の極をずらして形成した三相のローターを設け、またこれに加えて電機子鉄心の体積を少なくして、起動時に必要とされる回転トルクを減少させた、起動時のトルクが小さい同期発電機を提供する。【解決手段】永久磁石式同期発電機において、磁性体から成るドラム１の内側で複数の電機子４をシャフト２に等間隔で放射状に設けてローターを形成し、ドラム１の内周壁に電機子４の数量の整数倍の数量のセグメント磁石６を円周方向に異極で交互に設け、上記ローターの各電機子４をシャフト２の軸方向に三分割して第一ローターＡ，第二ローターＢ，第三ローターＣの三相とし、各ローターＡ、Ｂ、Ｃの各電機子４の極を回転方向に一定距離ずつずらして設けた起動時のトルクが小さい永久磁石式同期発電機とした。【選択図】図１
2004032834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石式同期発電機において、
磁性体から成るドラムの内側で複数の電機子をシャフトに等間隔で放射状に設けてローターを形成し、上記ドラムの内周壁に上記電機子の数量の整数倍の数量の永久磁石を円周方向に異極で交互に設け、上記ローターの各電機子をシャフトの軸方向に三分割して第一ローター，第二ローター，第三ローターの三相とし、各ローターの各電機子の極を回転方向に一定距離ずつずらして設けたことを特徴とする、起動時のトルクが小さい永久磁石式同期発電機。
【請求項２】
上記各ローターの電機子の数量を８とし、上記永久磁石の数量を２４としたことを特徴とする、上記請求項１に記載の起動時のトルクが小さい永久磁石式同期発電機。
【請求項３】
上記電機子をシャフトに放射状に設けてローターを形成するのに、上記シャフトに自体の中心孔を貫通させた非磁性体から成る円板を設け、この円板の円周面に放射状に、コイルを巻いた電機子鉄心を設けて、電機子鉄心の体積を小さくしたことを特徴とする、上記請求項１又は２の何れかに記載された起動時のトルクが小さい永久磁石式同期発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、永久磁石式同期発電機を起動する場合、一般的に一定以上の大きな回転トルクを必要とするが、その様なトルクを必要としない、起動時のトルクが小さい永久磁石式同期発電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電機子と界磁極の相対運動によって誘導起電力を生じさせて発電する同期発電機において、一般的には電機子を固定子とし、界磁極を回転子とした回転界磁形のものが多く採用されている。この様な回転界磁形の同期発電機の中には、界磁極として永久磁石を使用した永久磁石式同期発電機がある。この永久磁石式同期発電機は、一般的にエンジン発電機に代表される、横軸の回転界磁形構造で、低速度かつ小容量のものが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低速度で小容量の永久磁石式同期発電機であっても、起動時には、相互に引き合って安定している夫々の電機子と永久磁石の引き合う力を超える大きな回転トルクを必要とするのが通常である。この様な起動時の大きな回転トルクは、一度回転が始まり、回転が安定してしまえば、その後は必要とされない。
【０００４】
また電機子の電機子鉄心は、けい素鋼板で出来ており、回転子である電機子の極が界磁極である永久磁石の極に近接して磁化する際、電機子鉄心においてコイルを巻いた部分以外の部分も磁化される。このことが回転トルクを大きくする一因ともなっている（いわゆる「鉄損」を言う）。
【０００５】
よって、起動時の大きな回転トルクを減少させることができれば、また上記鉄損の原因ともなる電機子鉄心の体積を小さく出来れば、永久磁石式同期発電機が起動時に必要とするエネルギーの大きな省力化が出来、永久磁石式同期発電機の用途の拡大となる。
【０００６】
この発明は、これらの点に鑑みて為されたもので、永久磁石式同期発電機において、夫々の電機子を三分割して夫々の極をずらして形成した三相のローターを設け、またこれに加えて電機子鉄心の体積を少なくして、起動時に必要とされる回転トルクを減少させた、起動時のトルクが小さい同期発電機を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、永久磁石式同期発電機において、磁性体から成るドラムの内側で複数の電機子をシャフトに等間隔で放射状に設けてローターを形成し、上記ドラムの内周壁に上記電機子の数量の整数倍の数量の永久磁石を円周方向に異極で交互に設け、上記ローターの各電機子をシャフトの軸方向に三分割して第一ローター，第二ローター，第三ローターの三相とし、各ローターの各電機子の極を回転方向に一定距離ずつずらして設けた起動時のトルクが小さい永久磁石式同期発電機とした。
【０００８】
請求項２の発明は、上記各ローターの電機子の数量を８とし、上記永久磁石の数量を２４とした上記請求項１に記載の起動時のトルクが小さい永久磁石式同期発電機とした。
【０００９】
請求項３の発明は、上記電機子をシャフトに放射状に設けてローターを形成するのに、上記シャフトに自体の中心孔を貫通させた非磁性体から成る円板を設け、この円板の円周面に放射状に、コイルを巻いた電機子鉄心を設けて、電機子鉄心の体積を小さくした上記請求項１又は２の何れかに記載された起動時のトルクが小さい永久磁石式同期発電機とした。
【００１０】
【実施の形態】
以下この発明の実施の形態例を図に基づいて説明する。
この実施の形態例の永久磁石式同期発電機（以下、単に「同期発電機」という）は、図１に示すように、鉄製のドラム１の内側の中心軸位置に設けたシャフト２の外周に、電機子４を設けてローターを形成している。
【００１１】
ローターは、非磁性体から成る一定厚の円板状の取付金具３をその中心を上記シャフト２で貫通して設け、この取付金具３の円周面に各電機子４を設けて形成している。電機子４は、放射状に等間隔で８個、取り付けピン５により取付金具３に取付けられている。電機子４は、電機子鉄心と電機子巻線から成り、電機子鉄心は、極薄のけい素鋼板を積層したものの外周に電機子巻線のコイルを巻いて形成される。
【００１２】
そして各電機子４をシャフト２の軸方向に、図１及び図２に示すように、夫々三分割し、さらに夫々の各電機子４の極を回転方向に５度ずつずらして第一ローターＡ、第二ローターＢ、第三ローターＣを設けている。これらの第一ローターＡ、第二ローターＢ、第三ローターＣは、同じシャフト２に固定されており、一体となって回転する。
【００１３】
第一ローターＡ、第二ローターＢ、第三ローターＣが回転し、図１に示すように、第一ローターＡの電機子４ａがドラム１内周壁のセグメント磁石６と向き合い、最も引き合う位置にある時、第二ローターＢの電機子４ｂは、上記セグメント磁石６とは回転方向に５度ずれた位置にあり、第三ローターＣの電機子４ｃは、上記セグメント磁石６とは回転方向に１０度ずれた位置にある。この時第二ローターＢの電機子４ｂは、セグメント磁石６と引き合う状態にあり、第三ローターＣの電機子４ｃは、セグメント磁石６と隣接するセグメント磁石６ａと引き合う状態にあり、電機子４ｂとセグメント磁石６の位置関係と、電機子４ｃとセグメント磁石６ａの位置関係は、同じ関係にある。
【００１４】
この様にセグメント磁石６に対して、三分割して夫々の電機子の極の位置が回転方向にずれた第一ローターＡ、第二ローターＢ、第三ローターＣの各電機子４ａ，４ｂ，４ｃにより、分散されたかたちで引き合う力が発生し、電機子４ｂがセグメント磁石６と引き合う力と、電機子４ｃがセグメント磁石６ａと引き合う力とが相殺され、電機子４ａがセグメント磁石６と引き合う力が残り、各ローターＡ、Ｂ、Ｃとセグメント磁石６とが引き合う力は、ローターを分割しないものと比べて１／３となり、各ローターＡ、Ｂ、Ｃは、回転し易い状態になる。その結果、起動時の各ローターＡ、Ｂ、Ｃを回転させる回転トルクを軽減し、かつ補うこととなる。
【００１５】
ドラム１の内周壁面には、界磁極として長細形状のセグメント磁石６を、円周方向に２４個、ドラム１の側面に沿ってその磁力により貼り付けて設けている。また互いに隣接するセグメント磁石６，６ａなどは、ドラム１の中心に向いた面がＳ極、Ｎ極と交互に異極になるように配している。セグメント磁石６，６ａなどの磁力線は、図３に示すように隣接する異極のセグメント磁石に向かって、ドラム１の内側方向に伸びている（図３では矢印で示す。）。
【００１６】
ここで電機子４の数を８とし、界磁極の数を２４としたのは、比較的小型の発電機において、誘導起電力の発生を促進するために、回転のためのバランスや効率などを考えた場合の最適な数値である。また界磁極は異極で交互に配置することから、その数は偶数となっており、さらに設けられる電機子の数量の整数倍の数値となっている。
【００１７】
次にこの実施の形態例の同期発電機を使用した例を図４に基づいて説明する。この同期発電機においては、シャフト２に軸支された第一ローターＡ、第二ローターＢ、第三ローターＣに加えて、界磁極としてのセグメント磁石６を取り付けたドラム１も回転する。ただし各ローターＡ、Ｂ、Ｃとドラム１は相互に逆回転する構成となっている。
【００１８】
この同期発電機は、図４に示すように、ドラム１を軸支するシャフトは、内外の二重構造に成っており、外シャフト２ａは、ドラム１の一方の側面１ａと円周面１ｂと一体に設けられており、ドラム１の他方の側面１ｃは、取外し自在な蓋体と成っている。そして内シャフト２の外周に設けた円板状の取付金具３の円周面に放射状に各電機子４を設けて第一ローターＡ、第二ローターＢ、第三ローターＣを形成している。内シャフト２は、その一方の端部をドラム１内の一方の側面１ａに設けられた外シャフト２ａの内部に穿った中心孔で支持されており、内シャフト２の他方の端部はドラム１の他方の側面１ｃの中央の軸受部１ｄにおいて軸支されている。
【００１９】
ドラム１の内周壁面には、上記の通り、界磁極として長細形状のセグメント磁石６を、円周方向に２４個、ドラム１の側面に沿ってその磁力により等間隔で貼り付けて設けている。
【００２０】
そして別設の動力（図示省略）により、内シャフト２が時計方向の回転をしたならば、外シャフト２ａは反時計方向の回転をするようになっている。これにより内シャフト２に設けられた第一ローターＡ、第二ローターＢ、第三ローターＣの放射状の各電機子４も時計方向の回転をし、外シャフト２ａの内周壁面に設けたセグメント磁石６は反時計方向の回転をする。これにより電機子４又は界磁極（セグメント磁石６）のどちらか一方しか回転しない発電機に比べ、二倍の回転数が得られることになる。
【００２１】
第一ローターＡ、第二ローターＢ、第三ローターＣが回転し、図１に示すように、第一ローターＡの電機子４ａがドラム１内周壁のセグメント磁石６と向き合い、最も引き合う位置にある時、第二ローターＢの電機子４ｂは、上記セグメント磁石６とは回転方向に５度ずれた位置にあり、第三ローターＣの電機子４ｃは、上記セグメント磁石６とは回転方向に１０度ずれた位置にある。この時第二ローターＢの電機子４ｂは、セグメント磁石６と引き合う状態にあり、第三ローターＣの電機子４ｃは、セグメント磁石６と隣接するセグメント磁石６ａと引き合う状態にあり、電機子４ｂとセグメント磁石６の位置関係と、電機子４ｃとセグメント磁石６ａの位置関係は、同じ関係にある。
【００２２】
この様にセグメント磁石６に対して、三分割して夫々の電機子の極の位置が回転方向にずれた第一ローターＡ、第二ローターＢ、第三ローターＣの各電機子４ａ，４ｂ，４ｃにより、分散されたかたちで引き合う力が発生し、電機子４ｂがセグメント磁石６と引き合う力と、電機子４ｃがセグメント磁石６ａと引き合う力とが相殺され、電機子４ａがセグメント磁石６と引き合う力が残り、各ローターＡ、Ｂ、Ｃとセグメント磁石６とが引き合う力は、ローターを分割しないものと比べて１／３となり、各ローターＡ、Ｂ、Ｃは、回転し易い状態になる。その結果、起動時の各ローターＡ、Ｂ、Ｃを回転させる回転トルクを軽減し、かつ補うこととなる。
【００２３】
上記の実施例の形態例では、各ローターＡ、Ｂ、Ｃの各電機子の極を回転方向に５度ずつずらして設けているが、回転方向にずらす幅は、これに限定するものではない。また各ローターＡ、Ｂ、Ｃの各取付金具３に設ける電機子４の数量を８とし、セグメント磁石６の数量を２４としたが、電機子４やセグメント磁石６の数量は、これらの数量に限定するものではない。さらに電機子４及び界磁極の双方が回転する構成としたが、これらの構成は、この発明の必須要件ではない。また非磁性体の取付金具３としては、具体的に例示しているものではないが、アルミニウムや真鍮などでよく、またこれらに限定するものではない。
【００２４】
磁性体のドラム１として、鉄製のものを使用しているが、ドラム１は、磁性体ならば鉄製に限定するものではなく、さらに永久磁石としてセグメント磁石６を使用しているが、永久磁石としては、セグメント磁石６に限定するものではなく、またドラム１が磁性体のため各セグメント磁石６から出る磁力線が多くなっている。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１乃至請求項３の各発明によれば、磁性体から成るドラムの内側で複数の電機子をシャフトに等間隔で放射状に設けてローターを形成し、上記ローターの電機子をシャフトの軸方向に三分割して第一ローター，第二ローター，第三ローターの三相とし、各ローターの各電機子の極を回転方向に一定距離ずつずらした位置に設けたので、ドラムに設けられた一の永久磁石に対して、三分割されて位置がずれた極の電機子と引き合うこととなる。その結果、分散されたかたちで引き合う力が発生することにより、回転し易い状態となり、起動時の各電機子を回転させる回転トルクを軽減し、補うこととなる。これにより従来の永久磁石式同期発電機のように起動時に大きな回転トルクは、不要と成り、もっと手軽に使用できるので、永久磁石式同期発電機の用途の拡大に大きく貢献するものである。
【００２６】
また請求項２の発明によれば、上記各ローターの電機子の数量を８とし、上記永久磁石の数量を２４としたので、上記の効果に加えて、小型の発電機の場合、発電機の回転のバランスが良い効率的で回転し易いものとなり、回転トルクの軽減により貢献する。さらに請求項３の発明によれば、上記の効果に加えて、電機子をシャフトに放射状に設けるのに、非磁性体から成る円板の円周面に設けて従来のものより電機子鉄心の体積を小さくし、起動時の鉄損を減少させることが出来るので、さらに起動時の回転トルクの減少が出来るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態例における同期発電機の側面の断面説明図である。
【図２】この発明の実施の形態例におけるローターの電機子を三分割し、さらに回転方向に電機子の極を５度ずつずらして形成した第一ローター、第二ローター、第三ローターの説明図である。
【図３】この発明の実施の形態例において、ドラムの内周壁に隣接して設けたセグメント磁石の磁力線の流れを示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態例における使用例としての同期発電機の正面の一部断面図である。
【符号の説明】
Ａ　　第一ローター　　　　　　　Ｂ　　第二ローター
Ｃ　　第三ローター
１　　ドラム　　　　　　　　　　２　　シャフト
３　　取付金具　　　　　　　　　４　　電機子
４ａ　第一ローターの電機子　　　４ｂ　第二ローターの電機子
４ｃ　第三ローターの電機子　　　６　　セグメント磁石
【図１】
2004032834.tif 000003
【図２】
2004032834.tif 000004
【図３】
2004032834.tif 000005
【図４】
2004032834.tif 000006