(57)【要約】【課題】  この永久磁石式発電機は，ロータの回転変動に応答してコイルの接続状態を切り換え，磁束制御籠で磁束を制御して所定の一定電圧を発電する。【解決手段】コイル１４は，Ｎ極に対抗する３相のＮコイル（Ｎ１〜Ｎ３）とＳ極に対抗する３相のＳコイル（Ｓ１〜Ｓ３）とが並列結線された常用コイル３７〜３９と常用コイルに第１スイッチ２７〜２９を介して接続された低速コイル４０〜４２とを有する。低速コイルは及び常用コイルはそれぞれ負荷に接続される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングに固定され且つ櫛部間にコイルを巻き上げる複数のスロットを備えたステータ，前記ハウジングに回転可能に支持され且つ周方向に隔置して配置された複数個の永久磁石部材を備えた回転変動するロータ，前記ステータと前記ロータとの間の空隙に配置され且つ前記ステータに対して相対移動して磁束を制御する磁束制御籠，及び前記磁束制御籠を前記ステータに対して回転移動させるアクチュエータを有し，
前記ステータの前記櫛部に巻き上げられた前記コイルは，前記永久磁石部材のＮ極に対抗するＵ，Ｖ及びＷ相の３つのＮコイルと該Ｎコイルとは巻線の巻回方向が逆に巻回された前記永久磁石部材のＳ極に対抗するＵ，Ｖ及びＷ相の３つのＳコイルとがそれぞれ並列結線された常用コイル，並びに前記永久磁石部材のＮ極に対抗するＵ，Ｖ及びＷ相の３つのＮコイルと該Ｎコイルとは巻線の巻回方向が逆に巻回された前記永久磁石部材のＳ極に対抗するＵ，Ｖ及びＷ相の３つのＳコイルとがそれぞれ並列結線された低速コイルを有し，前記低速コイルは前記常用コイルに第１スイッチを介してそれぞれ接続され，前記低速コイルの出力端子が負荷にそれぞれ接続され，前記常用コイルの出力端子が第２スイッチを介して前記負荷にそれぞれ接続されていることから成る永久磁石式発電機。
【請求項２】
前記常用コイルと前記低速コイルとの前記Ｕ，Ｖ及びＷ相の前記Ｎコイルと前記Ｓコイルは，電気角で１２０度ずらして前記ステータの前記櫛部間にそれぞれ巻き上げられていることから成る請求項１に記載の永久磁石式発電機。
【請求項３】
コントローラは，前記ロータを回転駆動するエンジン等の駆動源がアイドリング等の低速運転していることに応答して，３個の前記第１スイッチをＯＮにし，３個の前記第２スイッチをＯＦＦにする制御を行うことから成る請求項１又は２に記載の永久磁石式発電機。
【請求項４】
前記コントローラは，前記駆動源が中速運転していることに応答して，３個の前記第１スイッチをＯＦＦにし，３個の前記第２スイッチをＯＮにする制御を行うことから成る請求項３に記載の永久磁石式発電機。
【請求項５】
前記コントローラは，前記駆動源が高速運転していることに応答して，３個の前記第１スイッチをＯＦＦにし，前記第２スイッチのいずれか１個をＯＮにして他をＯＦＦにする制御を行うことから成る請求項４に記載の永久磁石式発電機。
【請求項６】
前記磁束制御籠は，周方向に隔置して配置され且つ前記ステータの前記櫛部間の前記スロットの幅より小さい幅を有する断面四角形状の櫛状歯部と，隣接する前記櫛状歯部を連繋するブリッジ部に形成された非透磁部の凹部とが交互に配列されて全体として円筒状に形成されていることから成る請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機。
【請求項７】
前記磁束制御籠は，周方向に隔置して配置され且つ前記ステータの前記櫛部と相対する突起した歯部の角部にチャンファ部が設けられると共に前記歯部の底部間に前記チャンファ部間の空隙より小さい空隙を設けたことから成る請求項１〜６のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機。
【請求項８】
前記ステータの前記櫛部のチャンファ部と前記磁束制御籠の歯部のチャンファ部との間の空隙をｔ１，前記ステータの前記櫛部の先端と前記歯部の底部との間の空隙をｔ２，前記歯部の前記底部の突起間の空隙をｔ３，及び前記磁束制御籠の前記歯部の先端と前記ステータのブリッジ部との間の空隙をｔ４とすると，ｔ３＜ｔ１＜ｔ２，ｔ４になる関係を有することから成る請求項１〜７のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機。
【請求項９】
前記ステータを構成するステータコアは，スロットを形成するように周方向に隔置した櫛部，隣接する前記櫛部を連繋するブリッジ部，及び前記ブリッジ部より内向きに延びる周方向に隔置した櫛状集合部から成るインナステータコアと，前記インナステータコアの外側に嵌挿して磁路を形成するアウタステータコアとから構成されていることから成る請求項１〜８のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機。
【請求項１０】
前記磁束制御籠の櫛状歯部の両角部に形成された第１チャンファ部と，前記櫛状歯部に対向して位置する前記ステータの櫛状集合部の両角部に形成された第２チャンファ部との間に，コントローラによって制御される磁路空隙となるクリアランスが形成されることから成る請求項１〜９のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は，ハウジングに固定され且つ櫛部間のスロットに通して櫛部に複数のコイルを巻き上げたステータ，ハウジングに回転可能に支持され且つ周方向に隔置して配置された永久磁石部材を備えた回転変動するロータ，及びステータとロータとの間の空隙に配置され且つ前記ステータに対して回転移動して磁束を制御する磁束制御籠を有する永久磁石式発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，アメリカでは，自動車の電気使用量が増加し，バッテリー上がりが頻繁し，バッテリー破裂事故が報告されており，国内でも同様に，バッテリーによる事故が頻繁し，今後益々増加するものと警戒されている。また，自動車のパワーステアリング，ブレーキ装置，ナビゲーション，オーディオ，ＩＴ機器等の各装置が普及し，自動車等の移動体の発電電力が不足している。従来型の自動車用発電機は，１２Ｖ，８０〜１００Ａが一般的であり，その出力は１〜１．２ｋｗであり，現状必要とされる消費電力２ｋｗに満たないのが現状である。また，自動車では，極近い将来必要となる消費電力は，２．５ｋｗ〜４ｋｗと見込まれているが，今日までの対応では難しいのが現状である。
【０００３】
また，従来の永久磁石をロータに用いた発電機は，その磁力が変化しないので，エンジン等の駆動源の回転が変動すると，発電機のロータの回転数が変化し，発電機の発電電圧が変化し，その発電電力をそのまま機器に用いることは不可能である。例えば，自動車用発電機では，その電圧が１２Ｖ又は２４Ｖに定められているにもかかわらず，自動車用エンジンでは，回転数が６００ｒｐｍから６０００ｒｐｍまで大幅に変化する。従って，６００ｒｐｍで１２Ｖにセットされた発電電圧では，６０００ｒｐｍでは１２０Ｖにまで変化し，殆どの電気機器は高電圧のため破壊されてしまう。また，自動車用発電機は，エンジン回転数が常に変動するにもかかわらず，出力電圧を一定にする必要がある。そこで，従来の自動車用発電機では，電流を増減させて出力電圧を一定にするため，ランデル式と称する電磁石を用い，電流の増減を制御する方法が用いられてきた。ランデル式発電機は，電圧を一定にすることができるが，発電効率が悪くなり，例えば，４０％程度である。即ち，鉄ネオジ磁石を使った効率の良い永久磁石式発電機は，磁石の磁力を変えることができないので，電圧を一定にすることが困難であり，回転と共に上昇する電力を切り刻み，平均化するパワーエレクトロニクスの技術により電圧を一定化にするものである。しかしながら，電圧一定化制御装置を備えた発電機は，高価なパワートランジスタを多数使用せざるを得ないため，装置全体のコストが従来型発電機の３倍になる上，損失が多く，発電効率も従来型ランデル式発電機の５５％から７０％に改善されたに過ぎなかった。
【０００４】
本発明者は，空気が鉄より２０００倍の磁路抵抗があることを利用して，発電機の磁路の途中に空隙を設け，該空隙を増減する磁束制御機構を設け，磁力の大きさを加減する簡単な機構を取り入れた永久磁石式発電機を開発した。該永久磁石式発電機は，磁束制御機構により，回転変動，負荷変動に応じ，空隙を増減し，出力電圧を一定にするものである。例えば，本発明者が開発した永久磁石式発電機は，磁束制御装置としてロータとステータとの間に磁束制御籠を配置されたものである。該磁束制御装置は，筒部材の内周面が切り欠かれた長手方向に延びる磁路制御用凹溝が周方向に等間隔に隔置して形成され，凹溝間の凸部の内周面がステータの外周面に密接して摺動移動する面を形成している。ステータに巻き上げられた巻線は，櫛部に異なった巻数で巻き上げられた複数個の巻線群は，例えば，３群の巻線群１Ｕ−１Ｖ−１Ｗ，２Ｕ−２Ｖ−２Ｗ，及び３Ｕ−３Ｖ−３Ｗに分けられている。コントローラは，ロータ３の回転数に応答して筒部材のステータに対する位置制御と巻線群の直列及び／又は並列の結線の制御を行なう。コントローラは，例えば，高い電圧側は，巻線群を直列に結線して高電圧を発生させ，また，低い電圧で電流の多い側は巻線群を並列に結線して低電圧で大電流を発生させることができる。上記永久磁石式発電機は，ステータに巻き上げられた分割型の巻線を持ち，コントローラは，高電圧を得る場合には分割型の巻線の途中から引き出したラインから出力するように構成され，ロータの回転数の増加に従って巻線の巻数が減少するように制御する（例えば，特許文献１参照）。
【０００５】
更に，本発明者は，永久磁石式発電・電動機の電圧安定装置として，回転子，ステータ及び回転子の両端に対応し且つステータの両端側のハウジングにそれぞれ固定された電磁石コイルを有するものを開発した。該電圧安定装置は，回転子が電磁石コイルに対応する位置まで軸方向に延びている円筒磁路部材，その外周に配置された透磁部材及び前記透磁部材の外周に配置されて軸方向に延び且つ周方向に非磁性材を介在して複数配置されたＮ極とＳ極に交互に着磁された永久磁石板状片から成る永久磁石部材から構成されている。また，円筒磁路部材は，一方の電磁石コイルに対応して配設されたＮ極用円筒部から永久磁石板状片のＮ極に対応して軸方向に延びるＮ極用電磁石磁路部と，他方の電磁石コイルに対応して配設されたＳ極用円筒部から永久磁石板状片のＳ極に対応して軸方向に延びるＳ極用電磁石磁路部とから成り，Ｎ極用電磁石磁路部とＳ極用電磁石磁路部とは周方向に交互に非磁性材を介在して配置されている。巻線は，ステータを周方向に複数の巻線群１Ｕ−１Ｖ−１Ｗ，２Ｕ−２Ｖ−２Ｗ，及び３Ｕ−３Ｖ−３Ｗに分割され，スロット毎にずらして直列に接続可能に三相スター結線に巻き上げられている。この永久磁石式発電・電動機は，巻線群毎の巻線の端子のそれぞれの結線部は，出力端子が結線され，コントローラによって切り換え制御し，ロータの回転数に応じて種類の異なる所定の出力電圧を出力させる（例えば，特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−２０４５５６号公報
【特許文献２】特開２００２−２４７８１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本出願人は，上記のように，鉄ネオジ磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石：永久磁石）を用いた高効率でコンパクトな発電機を開発した。一般に，乗用車，トラック等の車両に搭載可能な発電機は，２〜５．５ｋｗ（２００Ｖ），１〜３．５ｋｗ（２４Ｖ）の各タイプがある。本出願人が開発した永久磁石式発電機は，まず，変速・変換システムの不要な高効率風力発電機として開発したものであり，回転変動，負荷変動に対し，空隙調整による磁束制御方式により，出力電圧を一定にした高効率な発電機であり，発電効率は，従来のランデル型発電機の５０％に対し，９０％の高効率を得ることができた。この永久磁石式発電機は，その高効率により，電力供給量の増大が要求されている乗用車，冷凍車，ハイブリット車等への応用ができ，その燃費改善の効果が大きいものであり，この技術を風力用発電機，産業用発電機，自動車用発電機等の効率向上に貢献できるものである。
【０００７】
本発明者が開発した発電機は，エンジンの駆動力が効率良く電気に変えられるので，ガソリン消費量の削減が可能になる。一方，近年一般貨物車等の保有台数が減少する中で，生鮮食品貨物の輸送需要の増加により保冷車，冷凍車等の保有台数が増加している。しかしながら，トラックの速度規制が生鮮食料品の品質低下をもたらすとの懸念がある。これは，保冷車，冷凍車の冷凍能力が不足しているためであり，上記の永久磁石式発電機の採用によって食品の品質改善が図れるばかりでなく，省燃費効果は多大なものとなる。また，本発明の発電機は，風力発電用発電機にも応用できるものであり，風向，風速が変動する風力発電にでも，磁束制御方式により，一定の電圧出力を得ることが可能である。
【０００８】
我国の風力発電の目標は，２０１０年までに３００万ｋｗ，２０３０年に６０００万ｋｗ，２０５０年に６００００万ｋｗと１次エネルギーの２０％の導入を計画している。しかしながら，風力発電の普及は，５００ｋｗクラス以上の大型機を中心に策定され，平均風速６ｍ／ｓ以上の地域への設置を中心とし，約２２０万ｋｗと見積もられ，平均風速を５ｍ／ｓ以上の地域に条件を広げた場合でも，約２５０万ｋｗと算出されている。大型機を中心とした風力発電機の導入では，その電力量を２０１０年の目標値に到達させることが不可能である。また，小型風力発電機を必要とするユーザーは，オランダと同様に，山間部の農家，海岸沿いに家を構える一般家庭，都市部では規模の小さい１０階建てほどのビルオーナーであり，その電力消費量は１日当たり２０〜３０ｋｗｈ，維持電力０．５ｋｗ程であり，必要となる発電出力は約４〜５ｋｗである。風速１０ｍ／ｓで４ｋｗ以上発電できる翼径は従来型ランデル型発電機では７．５ｍ以上を必要とする。本発明の高効率発電機では５ｍ程で同出力を得ることが可能である。小型発電機は大型発電機の設置に要する配線／配電の費用が少ないので，インフラが困難である中国，東南アジア地区への普及も進展すると予想される。
【０００９】
発電，電動機等のエネルギー関連機器の変革を期待して開発された鉄ネオジ磁石を用いた電動機は，既に実用化されている。しかしながら，自家発電（コージェネレーション）の重要度は世界的に大きくなっているが，発電機への永久磁石の応用は，遅々として進まず，現在に至っている。発電機に出力電圧を一定にする磁束制御技術を導入した永久磁石式発電機は，風力等のエネルギーを効率良く電気に変換することができるので，自動車市場，風力発電市場において革新的変革をもらたらすものとなり，この要望に応えることができるものである。
【００１０】
この発明の目的は，上記の問題を解決するため，ロータに永久磁石部材を配設し，その永久磁石のＮ極，Ｓ極をカバーするステータの櫛部にそれぞれ巻線を巻回し，Ｎ極とＳ極に対応する巻線の巻回方向を互いに逆に巻回し，ステータと回転変動するロータとの間にステータに対して回転移動する磁束制御籠を配置すると共に，ステータにＵ，Ｖ及びＷ相から成る複数のコイルを巻き上げ，これらのコイルを並列結線した２種のコイル群を常用コイルと低速コイルに構成し，常用コイルと低速コイルとをスイッチを介して直列に結線し，エンジンのアイドリング等の低速時，中速時及び高速時に応答してスイッチのＯＮ・ＯＦＦを制御して予め決められた所定の発電電圧を得るように制御し，また，磁束制御籠をステータに対して回転移動させて磁束制御籠とステータとの間の空隙量を制御し，予め決められた一定の発電電圧を得るように制御することから成る永久磁石式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】
【００１１】
この発明は，ハウジングに固定され且つ櫛部間にコイルを巻き上げる複数のスロットを備えたステータ，前記ハウジングに回転可能に支持され且つ周方向に隔置して配置された複数個の永久磁石部材を備えた回転変動するロータ，前記ステータと前記ロータとの間の空隙に配置され且つ前記ステータに対して相対移動して磁束を制御する磁束制御籠，及び前記磁束制御籠を前記ステータに対して回転移動させるアクチュエータを有し，前記ステータの前記櫛部に巻き上げられた前記コイルは，前記永久磁石部材のＮ極に対抗するＵ，Ｖ及びＷ相の３つのＮコイルと該Ｎコイルとは巻線の巻回方向が逆に巻回された前記永久磁石部材のＳ極に対抗するＵ，Ｖ及びＷ相の３つのＳコイルとがそれぞれ並列結線された常用コイル，並びに前記永久磁石部材のＮ極に対抗するＵ，Ｖ及びＷ相の３つのＮコイルと該Ｎコイルとは巻線の巻回方向が逆に巻回された前記永久磁石部材のＳ極に対抗するＵ，Ｖ及びＷ相の３つのＳコイルとがそれぞれ並列結線された低速コイルを有し，前記低速コイルは前記常用コイルに第１スイッチを介してそれぞれ接続され，前記低速コイルの出力端子が負荷にそれぞれ接続され，前記常用コイルの出力端子が第２スイッチを介して前記負荷にそれぞれ接続されていることから成る永久磁石式発電機に関する。
【００１２】
前記常用コイルと前記低速コイルとの前記Ｕ，Ｖ及びＷ相の前記Ｎコイルと前記Ｓコイルは，電気角で１２０度ずらして前記ステータの前記櫛部間にそれぞれ巻き上げられている。
【００１３】
コントローラは，前記ロータを回転駆動するエンジン等の駆動源がアイドリング等の低速運転していることに応答して，３個の前記第１スイッチをＯＮにし，３個の前記第２スイッチをＯＦＦにする制御を行うことから成る請求項１又は２に記載の永久磁石式発電機。また，前記コントローラは，前記駆動源が中速運転していることに応答して，３個の前記第１スイッチをＯＦＦにし，３個の前記第２スイッチをＯＮにする制御を行う。更に，前記コントローラは，前記駆動源が高速運転していることに応答して，３個の前記第１スイッチをＯＦＦにし，前記第２スイッチのいずれか１個をＯＮにして他をＯＦＦにする制御を行う。
【００１４】
前記磁束制御籠は，周方向に隔置して配置され且つ前記ステータの前記櫛部間の前記スロットの幅より小さい幅を有する断面四角形状の櫛状歯部と，隣接する前記櫛状歯部を連繋するブリッジ部に形成された非透磁部の凹部とが交互に配列されて全体として円筒状に形成されている。
【００１５】
また，前記磁束制御籠は，周方向に隔置して配置され且つ前記ステータの前記櫛部と相対する突起した歯部の角部にチャンファ部が設けられると共に前記歯部の底部間に前記チャンファ部間の空隙より小さい空隙を設けたものである。
【００１６】
この永久磁石式発電機は，前記ステータの前記櫛部のチャンファ部と前記磁束制御籠の歯部のチャンファ部との間の空隙をｔ１，前記ステータの前記櫛部の先端と前記歯部の底部との間の空隙をｔ２，前記歯部の前記底部の突起間の空隙をｔ３，及び前記磁束制御籠の前記歯部の先端と前記ステータのブリッジ部との間の空隙をｔ４とすると，次の関係を有している。即ち，ｔ３＜ｔ１＜ｔ２，ｔ３＜ｔ１＜ｔ４の関係である。
【００１７】
前記ステータを構成するステータコアは，スロットを形成するように周方向に隔置した櫛部，隣接する前記櫛部を連繋するブリッジ部，及び前記ブリッジ部より内向きに延びる周方向に隔置した櫛状集合部から成るインナステータコアと，前記インナステータコアの外側に嵌合して磁路を形成するアウタステータコアとから構成されている。
【００１８】
前記磁束制御籠の櫛状歯部の両角部に形成された第１チャンファ部と，前記櫛状歯部に対向して位置する前記ステータの櫛状集合部の両角部に形成された第２チャンファ部との間に，コントローラによって制御される磁路空隙となるクリアランスが形成される。
【発明の効果】
【００１９】
この永久磁石式発電機は，上記のように構成されているので，エンジンの回転数が少ないアイドリング等の低速運転時には常用コイルと低速コイルとに電流が流れるようにして出力を得て所定の電力を確保し，エンジンの回転数が中速運転時には常用コイルに電流が流れるようにして出力を得て所定の電力を確保し，また，エンジンの回転数が高速運転時には常用コイルの何れか１つのみに電流が流れるようにして出力を得て電力を確保し，更に，発電電圧を予め決められた所定の一定電圧にするため，磁束制御籠を作動して磁束の制御を行うことができる。即ち，この永久磁石式発電機は，ステータに複数巻き上げられた巻線（コイル）の接続状態をロータの回転数に応答して切り換えて所定の電圧を発電し，更に，電圧センサの検出値に応答して磁束制御籠のステータに対する回転角度を変更して予め決められた一定電圧を確保するものである。また，この永久磁石式発電機は，上記のように，空隙についてｔ３＜ｔ１＜ｔ２，ｔ４になる関係を有するので，磁束制御籠が移動した時に，磁力が空隙ｔ３に流れてＮ極からＳ極に漏れることになり，磁束制御効果が向上することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下，図面を参照して，この発明による永久磁石式発電機の一実施例を説明する。この永久磁石式発電機は，例えば，回転軸２をコージェネレーションシステムのエンジン，風力発電機の風車，自動車のエンジン，排気タービン，蒸気タービン，燃焼器等の駆動源に連結し，回転軸２に固定してロータ３を回転駆動して発電するものである。この永久磁石式発電機は，発電された電力をヒータ，自動車等の電子機器，補機等で消費するのに適用できる。
【００２１】
この永久磁石式発電機は，図１に示すように，回転子のロータ３と固定子のステータ４とを収容すると共に磁路の一部を構成するハウジング１，ハウジング１に一対の軸受１３を介して回転可能にそれぞれ支持されている回転軸２，回転軸２に固定されている永久磁石部材５から成るロータ３，ロータ３の外周から隔置してハウジング１に固定されているステータ４，及びステータ４の内周側にステータ４に対して相対回転可能にハウジング１に軸受（図示せず）を介して回転可能に取り付けられた磁束制御籠７，及び磁束制御籠７をロータ３の駆動状態に応じてステータ４に対して相対移動させる電磁弁又はモータ等のアクチュエータ２５から構成されている。ステータ４は，ハウジング１に固定され，櫛部１０間にコイル１４を巻き上げるスロット１１を備えている。ロータ３は，ハウジング１に回転可能に支持され，周方向に隔置して配置された永久磁石部材５を備えている。磁束制御籠７は，ステータ４とロータ３との間の隙間２３に配置され，ステータ４に対して相対回転して磁束を制御することができる。ハウジング１は，例えば，図示のように，両側の一対の本体部１Ａ，１Ｂとこれらを連結するボルト３６から成り，本体部１Ａと１Ｂとの間には，アウタステータコアを構成するリング状継鉄部材１７が配設されている。また，リング状継鉄部材１７は，両側からハウジング１の本体部１Ａ，１Ｂによって支持されている。磁束制御籠７は，例えば，図示していないが，軸受を介してハウジング１に回転自在に支持され，ステータ４に対して回転移動可能に支持されている。
【００２２】
ステータ４は，ステータコア１５とステータコア１５に巻き上げられたコイル１４とから構成されている。ステータコア１５は，積層薄板等から形成されたインナステータコアを構成する櫛状円筒部材２０と，櫛状円筒部材２０の櫛部１０が凹部に位置して嵌合固定されたアウタステータコアを構成するリング状継鉄部材１７とから構成されている。櫛状円筒部材２０は，外周部に櫛歯状に周方向に隔置状態で位置する櫛部１０，櫛部１０間に形成されたスロット１１，隣接する櫛部１０を連結するため周方向に延びるブリッジ部５８，及び内周部に内向きに延びる周方向に隔置した櫛状集合部２１から形成されている。更に，磁束制御籠７は，周方向に隔置して配置され且つステータ４の櫛部１０と相対する突起した歯部８の角部にチャンファ部５６が設けられると共に，歯部８の凹部１２の底部間にチャンファ部５６間の空隙より小さい空隙が設けられている。また，この永久磁石式発電機は，ステータ４の櫛部１０のチャンファ部５７と磁束制御籠７の歯部８のチャンファ部５６との間の空隙をｔ１，ステータ４の櫛部１０の先端と歯部８の底部との間の空隙をｔ２，歯部８の底部の突起５９間の空隙をｔ３，及び磁束制御籠７の歯部８の先端とステータ４のブリッジ部５８との間の空隙をｔ４とすると，ｔ３＜ｔ１＜ｔ２，ｔ３＜ｔ１＜ｔ４になる関係，即ち，ｔ３＜ｔ１＜ｔ２，ｔ４の関係を有するものである。また，これらの空隙ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４は，磁路空隙を形成するものである。
【００２３】
ロータ３は，例えば，回転軸２の外周に配置された透磁部材６，透磁部材６の外周面に配置された永久磁石部材５，及び永久磁石部材５の外周面に固定された非磁性の保持パイプ１６を備えている。永久磁石部材５は，周方向に隔置状態に配置され且つ軸方向に延びる永久磁石片１９と，隣接する永久磁石片１９間に介在された非磁性部材２２とから構成されている。また，ロータ３の永久磁石部材５は，６個の円弧状の永久磁石片１９を備えており，６０°に相当している。ロータ３の永久磁石部材５を構成する永久磁石片１９は，周方向に隣接する永久磁石片１９が交互に異なった磁極即ちＮ極とＳ極とが交互に配置されるように配列されている。
【００２４】
ロータ３の一端には，押さえ板５１を介して回転軸２に設けられたねじ５０に固定ナット５２が螺入され，他端には押さえ板４５とスペーサ４６が介在され，固定ナット５２を締め付けることによってロータ３が回転軸２の所定位置に固定されている。また，回転軸２は，例えば，一端がスペーサ４３を介して回転軸２のねじ４９にナット４４を螺入することによってハウジング１に軸受１３を介して回転自在に支持されている。回転軸２の端部に位置する入力となるベルトプーリ４７は，ナット４８が回転軸２のねじ４９に螺入して固定され，ベルトプーリ４７にエンジンの出力軸に取り付けたベルトが掛けられる。磁束制御籠７とロータ３との間には，隙間２３が形成されている。
【００２５】
この永久磁石式発電機では，図４に示すように，ステータ４の櫛部１０に巻き上げられたコイル１４は，Ｕ，Ｖ及びＷ相の３相電流を通電できる複数のコイルＮ１〜Ｎ３，Ｓ１〜Ｓ３から構成されている。Ｕ相用コイルは，Ｎ１−Ｕ，Ｎ２−Ｕ，Ｎ３−Ｕ，Ｓ１−Ｕ，Ｓ２−Ｕ，及びＳ３−Ｕで示す。Ｖ相用コイルは，Ｎ１−Ｖ，Ｎ２−Ｖ，Ｎ３−Ｖ，Ｓ１−Ｖ，Ｓ２−Ｖ，及びＳ３−Ｖで示す。Ｗ相用コイルは，Ｎ１−Ｗ，Ｎ２−Ｗ，Ｎ３−Ｗ，Ｓ１−Ｗ，Ｓ２−Ｗ，及びＳ３−Ｗで示す。これらのコイルＮ１〜Ｎ３，Ｓ１〜Ｓ３は，図５に示すように，並列に結線された２種のコイル群である常用コイル３７，３８，３９と低速コイル４０，４１，４２とを構成している。また，常用コイル３７，３８，３９と低速コイル４０，４１，４２とは，図５に示すように，第１スイッチ２７，２８，２９を介してライン２４で直列に結線されている。第１スイッチ２７，２８，２９は，図５において，ライン５３に点線で示す位置にある２７’，２８’，２９’に設けても同様であることは勿論である。常用コイル３７，３８，３９は，低速コイル４０，４１，４２の反対側の端子がライン１８を通じて中性点３５にそれぞれ接続されている。低速コイル４０，４１，４２は，低速側の負荷３３にライン５３を通じて接続され，また，常用コイル３７，３８，３９は，第２スイッチ３０，３１，３２を介して高速側の負荷３４にライン５４を通じて接続されている。ここで，便宜上，負荷を低速側の負荷３３と高速側の負荷３４とに分けて示しているが，これらの負荷は同じ負荷である。更に，この永久磁石式発電機に設けられたコントローラは，エンジン，燃焼器等の駆動源がアイドリング等の低速運転時，中速運転時及び高速運転時に応答して，第１と第２のスイッチ２７〜３２のＯＮ・ＯＦＦを制御し，永久磁石式発電機が予め決められた所定の一定電圧を発電できるように制御する。
【００２６】
この永久磁石式発電機では，ステータ４の櫛部１０に巻き上げられたコイルは，図５に示すように，Ｎ極とＳ極では互いに逆方向に巻回されており，Ｎ極とＳ極とのコイルは並列に結線されているので，電流は同一方向に流れることになる。また，この永久磁石式発電機では，例えば，常用コイル３７〜３９と低速コイル４０〜４２とは，図５に示すように，ロータ３の永久磁石部材５の永久磁石片１９のＮ極に対抗してＵ，Ｖ及びＷ相の３相のＮコイルであるＮ１，Ｎ２，Ｎ３と，永久磁石部材５の永久磁石片１９のＳ極に対抗して巻き上げられたＵ，Ｖ及びＷ相の３相のＳコイルであるＳ１，Ｓ２，Ｓ３とがそれぞれ並列に結線されている。常用コイル３７〜３９と低速コイル４０〜４２とのＵ，Ｖ及びＷ相のＮコイル（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３）とＳコイル（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）は，図４に示すように，電気角で１２０度（１２０°）ずらしてステータ４の櫛部１０間にそれぞれ巻き上げられている。図４では，Ｎコイル（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３）とＳコイル（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）は，説明のため，それぞれの長さが異なっているが，巻線そのものは具体的にはほぼ同一長さになっており，電気角でそれぞれ１２０°ずれているものである。具体的には，ステータ４のステータコア１５は，周方向に隔置して設けられた３６個の櫛部１０と櫛部１０間の３６個のスロット１１とを備えている。
【００２７】
この永久磁石式発電機では，図６に示すように，コントローラは，ロータ３を回転駆動するエンジン等の駆動源がアイドリング等の低速運転していることに応答して，３個の第１スイッチ２７〜２９をＯＮにし，３個の第２スイッチ３０〜３２をＯＦＦにする制御を行う。また，コントローラは，エンジン等の駆動源が中速運転していることに応答して，３個の第１スイッチ２７〜２９をＯＦＦにし，３個の第２スイッチ３０〜３２をＯＮにする制御を行う。更に，コントローラは，エンジン等の駆動源が高速運転していることに応答して，３個の第１スイッチ２７〜２９をＯＦＦにし，第２スイッチ３０〜３２のいずれか１個（即ち，３０，３１又は３２）をＯＮにして他の２個をＯＦＦにする制御を行うものである。
【００２８】
また，この永久磁石式発電機は，磁束制御籠７をステータ４に対して回転移動させて磁束制御籠７とステータ４との間の空隙量を制御し，予め決められた一定の発電電圧を得るように制御できることを特徴としている。磁束制御籠７を回転駆動するアクチュエータ２５は，磁束制御籠７の端部に固定されたロッド２６を備えた電磁弁又はモータ等から構成されている。例えば，アクチュエータ２５をモータに形成した場合には，ロッド２６の先端に形成したウォームを磁束制御籠７の一端から延出したバー５５にウォームホイールに噛み合わせ，アクチュエータ２５を作動してロッド２６を回転させてバー５５を介して磁束制御籠７を回転移動させればよい。又は，アクチュエータ２５を電磁弁に形成した場合には，ロッド２６の先端を磁束制御籠７の一端から延出したバー５５に固定し，アクチュエータ２５を作動してロッド２６を進退させ，バー５５を介して磁束制御籠７を回転移動させればよいが，この場合には，リターンスプリングを設けて電磁弁の付勢が解除されると磁束制御籠７を元の位置に復帰させるように構成することが好ましい。コントローラは，ポジションセンサによって磁束制御籠７の複数位置を選定し，電磁弁のロッド２６を移動させて磁束制御籠７を僅かな回転移動させる制御をするように構成できる。アクチュエータ２５は，磁束制御籠７に一端を固定したロッド２６は，他端が電磁弁に挿通されているので，電磁弁のコイルへの電流を制御することによってロッド２６が出入し，磁束制御籠７が僅かな正転又は逆転をし，櫛状歯部８と非透磁部の凹部１２との位置がステータ４の櫛部１０に対して移動するものであり，例えば，ポジションセンサによってロッド２６の位置を確かめ，電磁弁に負荷する電圧を変化させる。電磁弁に大きな電圧を加えると，移動が進み駆動力が増加するので，そこで，電圧を小さくするというような電圧制御を行なうことによって，磁束制御籠７を所望の位置に停止させることができる。また，磁束制御籠７には，リターンスプリングが設けられているので，磁束制御籠７は電磁弁の付勢や不付勢に応じて常にステータ４に対する位置が定まる状態になる。
【００２９】
磁束制御籠７は，周方向に隔置して配置され，ステータ４の櫛部１０間のスロット１１の幅より小さい幅を有する断面四角形状の櫛状歯部８，隣接する櫛状歯部８を連繋するブリッジ部９，櫛状歯部８間に形成された非透磁部の凹部１２が周方向に順次配置され，全体として円筒状に形成されている。磁束制御籠７の櫛状歯部８の周方向の幅は，ステータ４を構成するステータコア１５の櫛部１０間のスロット１１の幅より小さい幅に設定されている。櫛状歯部８は，断面四角形の半径方向外周側の両角部にチャンファ部５６が形成され，櫛状歯部８がステータ４のスロット１１に対応する位置ではチャンファ部５６によってステータ４の櫛部１０の半径方向内周側の両角部との間に予め決められた所定量のクリアランス即ち上記の空隙ｔ１が形成される。また，ステータ４の櫛部１０の両角部には，チャンファ部５７が形成され，空隙ｔ１は，櫛状歯部８のチャンファ部５６とステータ４の櫛部１０のチャンファ部５７との間に形成される磁路空隙となっている。磁束制御籠７は，アクチュエータ２５によって回転移動が制御される時には，磁束制御籠７に移動方向の上下流の一方のクリアランスと他方のクリアランスとは同程度のクリアランス量に制御される。
【００３０】
この磁束制御装置では，磁束制御籠７の外周面は，ステータ４の櫛部１０の内周面に密接して摺動可能であり，ステータ４に対して相対回転可能に配置され，磁束制御籠７をアクチュエータ２５によってステータ４に対して相対的に僅かに回転させて磁束制御籠７のステータ４に対する位置を変更させて櫛部１０を通過する磁束を変化させ，発電電力を制御するものである。磁束制御籠７の櫛状歯部８のチャンファ部５６とステータコア１５のチャンファ部５７との間に形成されるクリアランスは，アクチュエータ２５によって磁束制御籠７の櫛状歯部８をステータコア１５の櫛部１０に対して相対移動させることによって形成される。
【００３１】
この永久磁石式発電機は，図７に示すように，エンジン等の駆動源が低速運転時には，第１スイッチ２７〜２９をＯＮにし且つ第２スイッチ３０〜３２をＯＦＦにして低速コイル４０〜４２と常用コイル３７〜３９を通電し，直線Ａの電力を発電し，一定電圧を得るため磁束制御籠７を制御して一定電圧（例えば，２５Ｖ）に得る。また，エンジン等の駆動源が中速運転時には，第１スイッチ２７〜２９をＯＦＦにし且つ第２スイッチ３０〜３２をＯＮにして常用コイル３７〜３９を通電し，直線Ｂの電力を発電し，一定電圧を得るため磁束制御籠７を制御して一定電圧（例えば，２５Ｖ）に得る。更に，エンジン等の駆動源が高速運転時には，第１スイッチ２７〜２９をＯＦＦにし且つ第２スイッチ３０〜３２の何れか１個をＯＮにし，他の２個をＯＦＦにし，常用コイル３７〜３９の何れか１個を通電し，他の２個を非通電にし，直線Ｃの電力を発電し，一定電圧を得るため磁束制御籠７を制御して一定電圧（例えば，２５Ｖ）を得る。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
この発明による永久磁石式発電機は，例えば，風力発電機，自動車用発電機，産業用発電機等の発電機として使用して好ましく，また，乗用車，冷凍車，ハイブリッド車等の移動体等の出力軸が回転変動するエンジンに適用して好ましいものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明による永久磁石式発電機の一実施例を示す軸方向の断面図である。
【図２】図１の永久磁石式発電機におけるＡ−Ａ断面における断面を示し，磁束を絞らない位置に円筒部材が移動した場合を示す断面図である。
【図３】図１の永久磁石式発電機において，磁束を絞る位置に磁束制御籠が回転移動した場合を示す説明図である。
【図４】ステータコアに巻き上げたコイルを示す説明図である。
【図５】コイルの接続態様を示す回路図である。
【図６】エンジンの駆動状態に応答してコイルの結線を切り換えるスイッチのＯＮ・ＯＦＦを説明する説明図である。
【図７】永久磁石式発電機によって発電される電圧を説明するグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１    ハウジング
２    回転軸
３    ロータ
４    ステータ
５    永久磁石部材
７    磁束制御籠
８    歯部
９    ブリッジ部
１０  櫛部
１１  スロット
１２  凹部
１４  コイル
１５  ステータコア
１７  リング状継鉄部材
１９  永久磁石片
２０  櫛状円筒部材
２１  櫛状集合部
２３  隙間
２５  アクチュエータ
２７  第１スイッチ（Ｕ相）
２８  第１スイッチ（Ｖ相）
２９  第１スイッチ（Ｗ相）
３０  第２スイッチ（Ｕ相）
３１  第２スイッチ（Ｖ相）
３２  第２スイッチ（Ｗ相）
３３，３４  負荷
３７  常用コイル（Ｕ相）
３８  常用コイル（Ｖ相）
３９  常用コイル（Ｗ相）
４０  低速コイル（Ｕ相）
４１  低速コイル（Ｖ相）
４２  低速コイル（Ｗ相）
５６，５７  チャンファ部
５８  ブリッジ部（ステータ）
５９  突起
ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４  空隙
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３  永久磁石片のＮ極側コイル
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３  永久磁石片のＳ極側コイル
【図１】
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【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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