(57)【要約】      （修正有）【課題】自動車用発電機で簡素で確実な制御性を持つ永久磁石式発電機の制御装置機構を提供する。【解決手段】回転子の外側に永久磁石を取り付けた回転子とその外側に発電巻き線を旋回させるステーターを配置した発電機において、ステーターの巻き線の出力巻き線１０と、その巻き線１０と直列に接続され前記ステーターには巻きつけられておらず前記出力巻き線１０よりもインダクタンスの小さなソレノイドコイル１４を配置し、ステーターの出力巻き線１０の端部に出力端子２６を設け、出力端子２６の後流で出力端子２６とソレノイドコイル１４の間に電流を増減させるスイッチ１３を配設し、出力電圧を検出する検出器１６の信号により上記スイッチ１３をＯＮ／ＯＦＦさせる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子の外側に永久磁石を取り付けた回転子とその外側に発電巻き線を旋回させるステーターを配置した発電機において、ステーターの巻き線の出力巻き線と、その巻き線と直列に接続され前記ステーターには巻きつけられておらず前記出力巻き線よりもインダクタンスの小さなソレノイドコイルを配置し、ステーターの出力巻き線の端部に出力端子を設け、出力端子の後流で出力端子とソレノイドコイルの間に電流を増減させるスイッチを配設し、出力端子部の電圧を検出する検出器の信号により上記スイッチをＯＮ／ＯＦＦさせることを特徴とする永久磁石式発電機の制御装置機構。
【請求項２】
前記発電機の出力巻き線は３相交流発電機としてスター、デルタ結線され、ソレノイド巻き線は出力巻き線と直列に結線され、スター状に結線されると共に出力巻き線では中途から複数の中性点端子を引き出し、中性点を構成し、それぞれの中性点にスイッチを配置したことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式発電機の制御装置機構。
【請求項３】
前記スイッチは出力側と制御用ソレノイドコイルの間に設置され、スイッチのＯＮ−ＯＦＦ動作により、電流を加減させることにより電圧を一定にさせる請求項２に記載の永久磁石式発電機の制御装置機構。
【請求項４】
前記スイッチによる電流の増減は出力側巻き線の所定電圧をセンスし、信号を出すコンパレーターにより、電圧が高くなったら電流を増し、電圧が低くなったら電流を減少させる事により、一定電圧化を図ることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石式発電機の制御装置機構。
【請求項５】
前記発電機には回転計を備え、回転の低い時には前記中性点スイッチの基となる第１の中性点スイッチをＯＮとし、巻き線の中途に設けられた第２、第３の中性点スイッチはＯＦＦとし、回転が上昇した時、第１の中性点はＯＦＦとし、第２、第３の中性点をＯＮとし、更に回転が上昇した時、第１、第２の中性点スイッチはＯＦＦ、第３の中性点スイッチはＯＮとする事により、回転速度により出力電圧特性を変える事が出来る事を特徴とする請求項４に記載の永久磁石式発電機の制御装置機構。
【請求項６】
前記ステーターの長さ方向寸法より、前記ローターの長さが大幅に小さな事を特徴とする請求項１に記載の永久磁石式発電機の制御装置機構。
【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制御装置機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許第４２２７１８９号ではステーター巻き線が出力巻き線と出力巻き線よりも巻き数の大きな制御巻き線が直列に接続され、その両巻き線の中間に出力端子が設けられ、出力巻き線と制御巻き線の中間で出力端子の後流に設けられたスイッチにより、制御巻き線の側に流れる電流を出力電圧の電圧を検出する信号に応じてスイッチをＯＮ／ＯＦＦさせ、出力電圧をあらかじめ設定された電圧に制御する事を目的として出願された。
【０００３】
しかるに、その後の実験により、「制御側巻き線の巻き数の大きな構成要因」が重大な障害になる事が判明した。即ち、ステーター巻き線の巻き数が大きければローターシャフトの永久磁石の磁束の影響により、電圧が上昇し、巻き線によるインダクタンスの増加による電圧降下の効果より、電圧制御の可能性はあるがその効果は十分ではない事が判明した。そこで、この問題点を解決する新技術を特許出願する事にした。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２２７１８９号公報
【特許文献２】特開２００４−３２０９７２号公報
【特許文献３】特開２００３−２４５０００号公報
【特許文献４】特表２００６−５２９０７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
自然エネルギーを最大に利用するため、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、電流を用いて発電させる方式が主であった。しかし、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しないので発電機の回転が変化すると電圧が大幅に変化し、この電圧不安定な発電電力を用いるためには複雑な制御装置を必要とし、各種電気装置を駆動する自動車などの発電機では使えないで居た。
【０００６】
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スイッチングレギュレターを用いて一定電圧にする方式（Ｍ  Ｎｕｉｄｕ  Ｒ  Ｈｅｎｒｙ：Ｄｅｌｐｈｉ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｌａｂｓ．  ２０００  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒ  Ｉｎｃ．  ００ＦＴＴ−６３）が開発されたが制御装置の巨大さ、高価格、効率の悪さ等で開発を主導したＧＭはこれの実用化を諦めた。その後、永久磁石の磁力を弱める方式が盛んに研究され、特開２００４−３２０９７２、特開２００３−２４５０００、特表２００６−５２９０７６などが発表された。しかし、これら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居る。一方、ハイブリット車ではＤＣ−ＤＣコンバーターが用いられ、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、昇圧、降圧により一定電圧を持つ直流に変換し、必要に応じてＡＣに変換するシステムが実用化されたが大きな６個のパワートランジスターを用い、発電された全ての電力がこのトランジスターに流れるため、導通損失、スイッチング損などが大きく、その装置と冷却装置の大きさがハイブリット車の普及を妨げている。一方、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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
回転子の外側に永久磁石を取り付けた回転子とその外側に発電巻き線を旋回させるステーターを配置した発電機において、ステーターの巻き線の出力巻き線と、その巻き線と直列に接続され前記ステーターには巻きつけられておらず前記出力巻き線よりもインダクタンスの小さなソレノイドコイルを配置し、ステーターの出力巻き線の端部に出力端子を設け、出力端子の後流で出力端子とソレノイドコイルの間に電流を増減させるスイッチを配設し、出力端子部の電圧を検出する検出器の信号により上記スイッチをＯＮ／ＯＦＦさせることを特徴とする永久磁石式発電機の制御装置機構を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】発電機の構造
【図２】巻き数の異なる二つの巻き線の垂下特性
【図３】回路、結線図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
一般に磁束制御を電気的に行うためには発電機の巻き線に巻き方向が逆の種類の異なる巻き線を巻き込み、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、逆向きの磁力を加えるため、永久磁石が発生する発生電圧と相似の電流、電圧を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る。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、耐久性が保証されない。
【００１０】
本方式は極めて簡単な構造を持つ発電機（図１）のステーター巻き線とチョークコイルを直列に繋ぎ、その中間に出力を伝達する出力端子を設け、３相交流の場合、出力端子を３相の整流器に接続し、直流電源として、出力させる。上記、出力端子の交流にチョークコイル端子を設け、この回路中間に電流をＯＮ／ＯＦＦするスイッチを設ける。出力巻き線の巻き数の多い場合、巻き線のインダクタンスが大きいので発電電圧はこのインダクタンスにより、降下する。負荷電流が小さな時には制御側チョークコイル側に電流を流し、巻き線インダクタンスによる電圧降下の割合を大きくする。この様にすると、少ない電流で出力電圧を一定に制御することが出来、従来のものと大幅に異なる。図２では磁路長よりステーター長さを大きくした場合、即ち図１の２３が大きな場合、巻き線インダクタンスが大きいので垂下特性は実線の様になる。磁路長とステーター長が同じ場合は点線の垂下特性となる。制御回路側のスイッチ１３をＯＮとすると例えば６０００ｒｐｍではＡ点の電流で所定電圧に制御される。従って、部分負荷時でも制御側にＡ電流を流せば電圧は所定電圧になる。２０００回転ではＢ点が最大電流でこの電流を流せば所定電圧となるので制御側にこのＢ電流を流せば、どの様な状態でも所定電圧に制御できる。部分負荷でＣ点の場合にはＢ−Ｃの電流を流せば、所定電圧が得られる。
【００１１】
ステーター巻き線の長さ方向寸法がローターの磁石寸法より大幅に大きいので、ステーターのインダクタンスは大きくなるが、出力電圧は磁石の長さが少ないので、余り大きくならない。
【００１２】
即ち、少ない巻き線で出力しているとき、垂下特性では図２の様に垂下電流が大きく、電圧はなだらかに変化するが、巻き線が大きいか又は大きなインダクタンスを持つ巻き線では出力電圧は同じだが垂下電流は極めて小さい。そこで、図２に示すように巻き線の巻き数を余り大きくせず、巻き線の巻き断面積を大きく取れば、無負荷電圧は余り大きくならないが、垂下電流も余り大きくならない。出力側では巻き線を通してそのまま、出力電流が流れるが制御側ではチョークコイルが直列に接続されているので制御側に流れる電流は巻き線、ソレノイドコイルのトータルインダクタンスにより大幅に抑制され、小さな電流となる。
【００１３】
出力端子での電圧抑制は巻き線のインダクタンスによるのでステーター巻き線の面積を大きく取るために、ローターの磁石長さより、長くして巻き込めば、磁力の及ばない部分が出来、電圧は余り上昇しないが、インダクタンスは大きくなる。因みにインダクタンスはＬ＝μ０ＳＮ２／ｌ（Ｌ：インダクタンス、μ０  ：透磁率  Ｓ：面積  Ｎ：巻き数、ｌ：磁路長さ）で表わされる。
【００１４】
計算式  Ｖ−Ａ特性
（１）起電力  Ｅ０＝４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ
（２）分岐点端子電圧  Ｅ＝Ｅ０−Ｅ２＝４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ
−Ｉ１（Ｒ１２＋（２πｆＬ１／１０００）２）１／２
−Ｉ２（Ｒ１２＋（２πｆ・Ｌ１／１０００）２）１／２
（３）制御側チョークコイルに流れる電流
Ｉs＝（4.44・Φ・ｆ・Ｗs−（Ｉ1＋Ｉ2）・（Ｒ12＋（２πｆ・Ｌ1／1000）1/2）
（（Ｒ１＋Ｒ２）２＋（２πｆ・（Ｌ２＋Ｌ１）／１０００）２）１／２
Ｅ０：  起電電圧    Ｅ２：電流Ｉの時の降下電圧      Ｒ１：巻き線の抵抗
Φ：  磁力の強さ    Ｒ２：チョークコイルの抵抗値
ｆ：    周波数      Ｌ１：巻き線のインダクタンス
Ｌ２：チョークコイルのインダクタンス
Ｗｓ：巻き線数      Ｉ１：出力電流                  Ｉ２：制御側の電流
【００１５】
上式に示すように出力側、制御側の端子電圧は起電電圧からそれぞれの巻き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。
【００１６】
発電機の出力の利用領域を回転数と負荷により規定し、発電機の制御を負荷の大きな時には電流が多く流れるので、端子電圧が下がり、負荷の小さな時には制御側に電流を流し、端子電圧を下げることにより、電圧の一定化を図れば、制御装置の簡素化が出来る。回転、負荷の変動に対し、制御電流を増減することにより、迅速に一定電圧化される。回路図を図３に示す。巻き線に出力電流に応じてある程度の電流が流れれば巻き線のインダクタンスにより電圧が降下するが、微少電流の場合、電圧が降下しない。そこで制御側に電流を流せば、電圧降下は大きくなる。そこで制御経路に設けたスイッチにより制御系の電流を制御する事により、電圧降下の割合を大きくする。一方、電流量の抑制のため設けられたチョークコイルは、スイッチがＯＮ−ＯＦＦされたとき、電圧が大きく振れると制御機構が複雑になる。そこで制御巻き線の端子にソレノイドコイルを配置し、その大きな無効抵抗を用いることにより電圧変化が少なくなる。そのためチョークコイルを配設することは重要な技術的特徴となる。
【００１７】
電圧の安定の為出力端にコンデンサー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ー又はバッテリーを挟むことにより、電圧が安定し、結果的に出力が安定する。一方、この使用領域ではコンデンサーを挟む場合、垂下電圧を持ちあげる効果があるため、スイッチをＯＮさせ、高出力にさせるよう制御することも可能である。
【００１８】
１項で述べた電圧制御巻き線への電流は開閉時間を可変に出来るスイッチを介して電流を増減させ電圧一定の制御をするがその先端にはチョークコイルを用いるので、周波数の大きい場合にはインダクタンスが大きくなり抵抗が大きくなり、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無効電力負荷となるので大きな電流が小さく、銅損がすくない。
【００１９】
上記電圧制御用スイッチは負荷端子に置かれた一定電圧を保持する為の比較器（コンパレーター）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スイッチの解放時間を長く取り、電圧が低くなれば解放時間を短くする事により、端子電圧を一定に保持する様に制御する。この電流制御スイッチは大きなインダクタンスを持つチョークコイルの後流に配置されているのでＯＮ時の電圧がほぼゼロとなり、スイッチのＯＮ−ＯＦＦによる電圧の振れが抑制され、電流量のみが変化するように作用する。
【００２０】
また、このシステムでは中性点に１５，１９，２７の中性点スイッチを配置する事により、巻き線の巻き数を変える事が出来るため、回転が大きな場合、巻き線を小さくするように１９をＯＦＦとし、２７をＯＮするようにする。回転の小さな時にはスイッチ１９をＯＮとし、２７をＯＦＦとする。中性点スイッチ１５は巻き線系をすべてＯＦＦにする場合、ＯＦＦとする。
【符号の説明】
【００２１】
１  ローターシャフト
２  ステーター
３  発電機フロントハウジング
４  支持ベアリング
５  リアーハウジング
６  ソレノイドコイルボックス
７  永久磁石
８  ステーターコイル
９  整流器
１０  第一の出力コイル
１１  回転センサー
１２  出力側のスイッチ
１３  ＩＧＢＴ又はＦＥＴ制御スイッチ（デューティー制御）
１４  チョークコイル
１５  第１の中性点スイッチ
１６  電圧検出比較器
１７  負荷
１８  制御装置
１９第２の中性点スイッチ
２０  ローターコイルのコア
２１  ローターのサイドプレート
２２  ローターの固定ナット
２３  磁力の通過しない場所
２４  インバーター
２５  バッテリー
２６  出力取り出し点
２７  中性点スイッチ
２８  中性点切り替え端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013169115.tif 000005