(57)【要約】【課題】  自励式でありながら、出力密度が高い発電機を提供する。【解決手段】  出力巻線３が巻かれた出力鉄心１と、主界磁巻線８および副界磁巻線９が巻かれた界磁鉄心２とのいずれか一方がステータ４となり、他方がロータ５となる。前記各界磁巻線８，９に整流手段６，７が接続される。運転中に前記主界磁巻線８および副界磁巻線９のいずれか一方または両方に、巻線数を変化させる巻線数変更手段１８，１９を設ける。巻線数変更手段１８，１９は、例えば中間タップ１０，１１とスイッチ１２，１３とで構成する。前記巻線数変更手段１８，１９は、主界磁巻線８同士、および副界磁巻線９同士のいずれか一方または両方の接続形態を直列と並列とに切り替える構成であっても良い。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力巻線が巻かれた出力鉄心と、主界磁巻線および副界磁巻線が巻かれた界磁鉄心と、前記各界磁巻線に接続された整流手段とを備え、前記出力鉄心と前記界磁鉄心のいずれか一方がステータとなり、他方がロータとなり、前記ステータとロータとの相対回転により発電電力を得る自励式の発電機において、
運転中に前記主界磁巻線および前記副界磁巻線のいずれか一方または両方に、巻線数を変化させる巻線数変更手段を設けたことを特徴とする発電機。
【請求項２】
請求項１に記載の発電機おいて、前記巻線数変更手段が、前記主界磁巻線および前記副界磁巻線のいずれか一方または両方に中間タップを設けることにより巻き線数を変化させるようにした構成である発電機。
【請求項３】
請求項２に記載の発電機おいて、前記中間タップの接続を切り替える中間タップ接続切り替え手段を設け、この中間タップ接続切り替え手段をリレーまたは電子スイッチとした発電機。
【請求項４】
請求項２に記載の発電機おいて、前記中間タップの接続を切り替える中間タップ接続切り替え手段を設け、この中間タップ接続切り替え手段を手動スイッチとした発電機。
【請求項５】
請求項１に記載の発電機において、前記巻線数変更手段が、それぞれ複数設けられる前記主界磁巻線同士、および前記副界磁巻線同士のいずれか一方または両方の接続形態を直列と並列とに切り替える構成である発電機。
【請求項６】
請求項５に記載の発電機において、前記巻線数変更手段をリレーまたは電子スイッチとした発電機。
【請求項７】
請求項５に記載の発電機において、前記巻線数変更手段を手動スイッチとした発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車や、小型風力発電機、流水利用小型発電機などに用いられる永久磁石レスの発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転により発電を行う発電機として、誘導発電機や同期発電機があり、誘導発電機はロータの巻線に励磁を必要としないが、系統連係させかつ高い回転速度で回転させる必要があって小型の発電機には適さない。そのため、小型風力発電機等では、同期発電機が用いられることが多い。
しかし、通常の同期発電機は、界磁の生成に永久磁石を用いるため、永久磁石の成分となるレアメタルが高価で発電機全体が高額になるうえ、始動時にコギングが発生し、コギングトルクによって始動トルクが大きくなる。このため、小型風力発電機等の僅かな自然力で発電させる発電機には適さない。永久磁石の代わりに電磁石を用いる他励式の同期発電機もあるが、電磁石への外部からの給電の構成が必要で、外部電源により構成が複雑となる。
【０００３】
これらの課題を解消し、永久磁石および外部からの給電が不必要な自励式の同期発電機が提案されている（特許文献１）。この発電機は、鉄心の残留磁気を利用して、自己励磁により界磁巻線に流れる電流を増加させて行くことで、発電に必要な磁束を、高価な永久磁石や励磁用の外部電源を必要とせずに作り出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１４９１４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発電機は、出力電圧や、出力電力、トルクを、状況に応じて制御する必要がある。例えば自動車のオルタネータでは、バッテリーの充電状態に応じて外部からオルタネータの界磁コイルに流す電流を変化させて界磁磁束を制御し、発電機の出力電圧、電力、トルクを制御している。しかし、自励式発電機では、界磁磁束は自己励磁によりつくられるため、状況に応じて界磁磁界を外部から変化させて発電機の特性を制御するのが困難である。そのため、発電機の用途が一定の用途に限られる。
【０００６】
この発明の目的は、自励式でありながら、発電特性を運転中に外部から制御することができて、用途を広げることができる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】
【０００７】
この発明の発電機は、出力巻線が巻かれた出力鉄心と、主界磁巻線および副界磁巻線が巻かれた界磁鉄心と、前記各界磁巻線に接続された整流手段とを備え、前記出力鉄心と前記界磁鉄心のいずれか一方がステータとなり、他方がロータとなり、前記ステータとロータとの相対回転により発電電力を得る自励式の発電機において、
運転中に前記主界磁巻線および前記副界磁巻線のいずれか一方または両方に、巻線数を変化させる巻線数変更手段を設けたことを特徴とする。
【０００８】
この構成によると、主界磁巻線を用いて励磁を行う自励式であるため、永久磁石や、外部からの他励のための給電を行う外部電源を必要とせずに発電が行える。永久磁石を用いないため、コギングトルクが発生せず、小さなトルクでロータを回転させることができる。そのため、小型軽量の発電機の場合に、わずかな外力が作用することで発電でき、効果的に使用できる。
【０００９】
この自励式の発電機において、運転中に前記主界磁巻線および前記副界磁巻線のいずれか一方または両方に、巻線数を変化させる巻線数変更手段を設けたため、発電機の回転数に関わらず発電機の界磁磁束を制御することができ、そのため発電機の特性を運転中に外部から制御することができるようになり、発電機の用途を広げることができる。
【００１０】
この発明の発電機おいて、前記巻線数変更手段が、前記主界磁巻線および前記副界磁巻線のいずれか一方または両方に中間タップを設けることにより巻き線数を変化させるようにした構成であっても良い。
この構成の場合、主または副の界磁巻線に中間タップを設けたので、中間タップをつなぎ変えることで、界磁巻線の巻き線数を変化させて界磁磁束を制御し、発電機の特性を変えることができる。そのため、簡単な構成で容易に発電機の特性を変えることができる。
【００１１】
前記中間タップを設ける場合に、前記中間タップの接続を切り替える中間タップ接続切り替え手段を設け、この中間タップ接続切り替え手段をリレーまたは電子スイッチとしても良い。
リレーまたは電子スイッチで中間タップの接続を切り替える構成であると、発電機に対する外部機器から電子制御で切り替えることができ、前記外部機器から発電機の特性を運転中に自動的に制御することができる。
【００１２】
前記中間タップを設ける場合に、前記中間タップの接続を切り替える中間タップ接続切り替え手段を設け、この中間タップ接続切り替え手段を手動スイッチとしても良い。
手動スイッチで中間タップの接続を切り替える構成であると、簡単な構成で発電機の特性を用途等に応じて手動で切り替えることができる。
【００１３】
この発明の発電機において、前記巻線数変更手段が、それぞれ複数設けられる前記主界磁巻線同士、および前記副界磁巻線同士のいずれか一方または両方の接続形態を直列と並列とに切り替える構成であっても良い。
主または副の界磁巻線の接続形態を直列と並列とに切り替える構成であると、中間タップを設けることなく、より簡単な構成で、発電特性を運転中に外部から制御することができる。
【００１４】
このように直列と並列とに切り替える構成とに切り替える構成とする場合に、前記巻線数変更手段をリレーまたは電子スイッチとしても良い。
この構成の場合、発電機に対する外部機器から電子制御で切り替えることができ、前記外部機器から発電機の特性を運転中に自動的に制御することができる。
【００１５】
また、上記のように直列と並列とに切り替える構成とに切り替える構成とする場合に、前記巻線数変更手段を手動スイッチとしても良い。
この構成の場合、簡単な構成で発電機の特性を、用途等に応じて手動で切り替えることができる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の発電機は、出力巻線が巻かれた出力鉄心と、主界磁巻線および副界磁巻線が巻かれた界磁鉄心と、前記各界磁巻線に接続された整流手段とを備え、前記出力鉄心と前記界磁鉄心のいずれか一方がステータとなり、他方がロータとなり、前記ステータとロータとの相対回転により発電電力を得る自励式の発電機において、運転中に前記主界磁巻線および前記副界磁巻線のいずれか一方または両方に、巻線数を変化させる巻線数変更手段を設けたため、自励式でありながら、発電特性を運転中に外部から制御することができて、用途を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる発電機を示す破断正面図である。
【図２】同発電機の電気回路構成を示す回路図である。
【図３】同発電機の基礎となる構成の一部を直線状に展開して示す説明図である。
【図４】同発電機の基礎となる構成の電気回路構成を示す回路図である。
【図５】この発明の第２の実施形態にかかる発電機を示す破断正面図である。
【図６】同発電機の電気回路構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
この発明の第１の実施形態に係る発電機を図１および図２に示す。実施形態の説明の前に、その基礎となる構成の発電機を図３，図４と共に説明する。
【００１９】
図３は、上記基礎となる構成の発電機の磁極の一極対を直線状に描いた図である。実際の発電機は円柱状で、磁極が回転軸に対して放射状に形成されている。出力鉄心１に出力巻線３が巻かれており、界磁鉄心２に主界磁巻線８と副界磁巻線９が巻かれている。出力巻線３は、出力鉄心１の磁極面に異なる磁極Ｎ，Ｓが現れるように隣同士の磁極Ｎ，Ｓの巻き線が直列に接続されている。この出力巻線３に外部負荷を接続して、発電機から電流を外部に取り出す。主界磁巻線８と副界磁巻線９も、上記と同様に隣同士の磁極面に異なる磁極Ｎ，Ｓが現れるように直列に接続されている。
【００２０】
図４に示すように、主界磁巻線８には並列に整流素子６が接続される。主界磁巻線８には整流素子６が流すことができる向きの電流（矢印ａ）が流れる。そのため、主界磁巻線８では巻線に流すことができる電流によって決まる向きのみの磁束が発生する。また、電磁誘導により、電流がつくる磁束と同方向の磁束の減少を妨げる向きには電流が流れるが、磁束が増えるのを阻止する向きには電流が流れない。そのため磁束の減少は妨げられるが、磁束の増加は妨げられない。副界磁巻線９は主界磁巻線８と位相をずらして巻かれている。副界磁巻線９は直列に整流素子７が接続され、主界磁巻線８に流れる電流と同じ方向の電流（矢印ｂ）のみが流れるようになっている。
【００２１】
出力鉄心１または界磁鉄心２の残留磁気により主界磁巻線８に電流が流れる。この電流による主界磁巻線がつくる磁束により副界磁巻線９に鎖交する磁束が変化して、副界磁巻線９に電圧が発生する。この電圧で副界磁巻線９が主界磁巻線８に整流素子７を介して電流を供給して、主界磁巻線８に流れる電流を増加させる。副界磁巻線９に電圧が誘起されずに電流を供給していない時、主界磁巻線８には整流素子６を通して還流電流が流れ、主界磁巻線８の磁束を維持する。主界磁巻線８に電流が供給され、主界磁巻線８がつくる磁束が大きくなるので、副界磁巻線９に鎖交する磁束も大きくなり、さらに大きい電流が主界磁巻線に供給される。このように主界磁巻線８の電流が次第に増加し、発電に必要な界磁磁束がつくられる。
【００２２】
出力鉄心１と界磁鉄心２の相対運動により出力巻線３の鎖交磁束が変化して、出力巻線３に電圧が発生する。
【００２３】
この実施形態では、図３、図４に示す構成に加えて、図２に回路図を示すように、発電機の励磁磁束を制御するために、主界磁巻線８および副界磁巻線９のいずれか一方または両方に中間タップ１０，１１を設ける。図示の例では、主界磁巻線８および副界磁巻線９の両方に中間タップ１０，１１を設けている。そして中間タップ１０，１１の接続を、スイッチ１２，１３で切り替えて巻き数を変化させる。これら中間タップ１０とスイッチ１２、および中間タップ１１とスイッチ１３により、それぞれ巻線数変更手段１８，１９が構成される。
【００２４】
前記スイッチ１２，１３は、リレーまたは電子スイッチとし、外部機器２１等により自動的に切り変えるようにしてもよい。スイッチ１２，１３をリレーとする場合は、図２の回路中に示された部分は、そのリレー接点となる。また、前記スイッチ１２，１３は手動スイッチとし、用途に応じて手動で切り換えるようにしてもよい。なお、この明細書で言う「リレー」には、半導体リレーや、電磁接触器等のリレー類を含む。前記電子スイッチは、半導体スイッチング素子等である。
【００２５】
この構成によると、主界磁巻線８および副界磁巻線９のいずれか一方または両方の巻き数が変わるので、界磁磁束の大きさを変化させることができ、発電機の発電電圧、電力およびトルクを制御することができる。
【００２６】
図１と共に、第１の実施形態に係る発電機を具体的に説明する。この発電機は、発電機本体が、環状のステータ４と、このステータ４の内側にステータ４の中心周りで回転自在に設置されたロータ５とで構成される。ステータ４は出力鉄心１と出力巻線３とからなる。この実施形態は８極発電機に適用した例であり、出力鉄心１は、円環状のヨーク部１ａの円周方向８箇所に、内側へ突出する歯状の磁極部１ｂが形成されている。各磁極部１ｂに前記出力巻線３が巻かれている。各磁極部１ｂの出力巻線３は、図２に示すように、出力鉄心１の隣り合う磁極部１ｂの内径側を向く磁極面に互いに異なる磁極Ｎ，Ｓが現れるように、隣合う磁極部１ｂの巻線が直列に接続されている。出力巻線３の両端が端子３１，３２となり、これら端子３１，３２に図１のように外部負荷２０を接続し、発電機から電流を外部に取り出す。
【００２７】
ロータ５は、界磁鉄心２と、この界磁鉄心２に巻かれた主界磁巻線８および副界磁巻線９とからなる。界磁鉄心２は、中心孔を有する鉄心本体２ａの外周に、外径側へ突出する複数の歯状の磁極部２ｂが円周方向に並んで設けられている。主界磁巻線８と副界磁巻線９も、出力巻線３と同様に、隣合う磁極面に異なる磁極Ｎ，Ｓが現れるように直列に接続されている。副界磁巻線９は、主界磁巻線８に対して位相を進ませた位置に巻かれている。電気角の１８０°は、界磁鉄心２の一組の異なる磁極Ｎ，Ｓの切り替わる角度であり、図３に、電気角の１８０°を成す範囲αと、副界磁巻線９の主界磁巻線８に対する進相した位相差θを示す。主界磁巻線８および副界磁巻線９の各直列接続体の両端の端子を、それぞれ符号８１，８２，９１，９２で図１〜図３に示す。
【００２８】
図４と共に前述したと同様に、主界磁巻線８には並列にダイオードからなる整流素子６が接続される。主界磁巻線８には整流素子６が流すことができる向きの電流が流れる。そのため、主界磁巻線８では巻線に流すことができる電流によって決まる向きのみの磁束が発生する。また、電磁誘導により、電流がつくる磁束と同方向の磁束の減少を妨げる向きには電流が流れるが、磁束が増えるのを阻止する向きには電流が流れない。そのため磁束の減少は妨げられるが、磁束の増加は妨げられない。副界磁巻線９は上記のように主界磁巻線８と位相をずらして巻かれている。副界磁巻線９は直列にダイオードからなる整流素子７が接続され、主界磁巻線７に流れる電流と同じ方向の電流のみが流れるようになっている。
【００２９】
この構成において、図２と共に前述したように、発電機の励磁磁束を制御するために、主界磁巻線８および副界磁巻線９のいずれか一方または両方に中間タップ１０，１１を設ける。図示の例では、主界磁巻線８および副界磁巻線９の両方に中間タップ１０，１１を設けている。そして中間タップ１０，１１の接続を、スイッチ１２，１３で切り替えて巻き数を変化させる。これら中間タップ１０とスイッチ１２、および中間タップ１１とスイッチ１３により、それぞれ巻線数変更手段１８，１９が構成される。
【００３０】
この構成の発電機によると、前述のように主界磁巻線８および副界磁巻線９のいずれか一方または両方の巻き数が変わるので、界磁磁束の大きさを変化させることができ、発電機の発電電圧、電力およびトルクを制御することができる。この場合に、発電機の回転数に関わらずに発電機の界磁磁束を制御することができ、そのため発電機の特性を運転中に外部から制御することができるようになり、発電機の用途を広げることができる。
【００３１】
図５、図６は、この発明における第２の実施形態を示す。この実施形態において、特に説明した事項の他は、第１の実施形態と同様である。この実施形態は、界磁巻線を直列と並列に切り替える例である。第１の実施形態のように中間タップを設けてスイッチで巻き数を変化させる場合、使われないコイルが出てくることがある。例えばコイル８ａのみを使用する場合、コイル８ｂ，８ｃは全く使われないことになる。これは占積率が低い状態と同じなので、発電機の性能の低下は避けられない。そこで、この実施形態では、コイルを直列や並列に切り替える構成としている。
【００３２】
この実施形態では、図６に示すように主界磁巻線８を複数のコイル８ｄ，８ｅで構成し、副界磁巻線９を複数のコイルコイル８ｄ，８ｅで構成し、これらのコイル８ｄ，８ｅ、コイル８ｄ，８ｅを並列に巻線し、巻線の巻始め、巻終わりに設けたスイッチ１４，１５およびスイッチ１６，１７を切り替えることで、主界磁巻線８のコイル８ｄ，８ｅ、副界磁巻線９のコイル９ｄ，９ｅを、それぞれ直列、並列の切り替えを行うことが出来るようにしている。前記主界磁巻線８および副界磁巻線９をそれぞれ複数のコイル８ｄ，８ｅ、コイル９ｄ，９ｅとした構成、および前記スイッチ１４，１５、スイッチ１６，１７を設けた構成により、巻線数変更手段１８，１９がそれぞれ構成される。
【００３３】
これにより、直列時は界磁磁化の大きさを大きくし、発電機の出力密度を上げることができ、並列時は銅損を小さくすることで発電機の効率を上げることが出来る。例えば風力発電に使用する際、風速が遅いときは効率を良く発電し、風速が速く風車の速度を落としたいときなどは出力密度を上げることができる。図６では主界磁巻線８、副界磁巻線９にそれぞれ２つずつのコイルを使用した例を示したが、どちらか一方のみでもよく、また、並列コイルも３つ以上使用しても構わない。スイッチ１６，１７は、上記と同様にリレーや電子スイッチで自動的に切り変えてもよい。また用途に応じて手動スイッチで切り換えてもよい。
【００３４】
図５は具体例を示す。主界磁巻線８は２つのコイル８ｄ，８ｅが巻かれ、副界磁巻線９も同様に２つのコイル９ｄ，９ｅが巻かれている。図１，図２の説明と同様に、中間タップのスイッチ１４，１５、およびスイッチ１６，１７を切り替えることで２つのコイルを直列、並列に切り替え、界磁磁化の大きさを変化させることができる。
【００３５】
なお、上記各実施形態の発電機によると、次の利点も得られる。主界磁巻線８を用いて励磁を行う自励式であるため、永久磁石や、外部からの他励のための給電を行う外部電源を必要とせずに発電が行える。永久磁石を用いないため、コギングトルクが発生せず、小さなトルクでロータ５を回転させることができる。
【００３６】
また、上記各実施形態では、ステータ４側を出力鉄心１、ロータ５側を界磁鉄心２としたが、これとは逆にステータ４側を界磁鉄心２とし、ロータ５側を出力鉄心１としても良い。また上記実施形態では８極発電機としたが、２極、４極、６極、１６極など、２の倍数の多極の発電機としても良い。
【００３７】
以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３８】
１…出力鉄心
２…界磁鉄心
３…出力巻線
４…ステータ
５…ロータ
６，７…整流素子
８…主界磁巻線
８ａ，８ｂ，８ｃ…コイル
８ｄ，８ｅ…コイル
９…副界磁巻線
９ａ，９ｂ，９ｃ…コイル
９ｄ，９ｅ…コイル
１０，１１…中間タップ
１２，１３…スイッチ（中間タップ接続切り替え手段）
１４〜１７…スイッチ
１８，１９…巻線数変更手段
【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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