(57)【要約】【課題】  通常の発電電力を得るための永久磁石、および外部からの他励のための給電が不必要で、かつ回転停止後にも回転の再開により確実に発電を開始できる発電機を提供する。【解決手段】  出力巻線７が巻かれた出力鉄心６と、主界磁巻線９および副界磁巻線１０が巻かれた界磁鉄心８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９，１０に整流手段１１，１２が接続される。このステータ４とロータ６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、発電の初期励磁に必要な磁力を発生する永久磁石からなる初期励磁用磁石３１を前記界磁鉄心８に設ける。前記初期励磁用磁石３１の発生する磁束の向きは、前記主界磁巻線９に流れる励磁電流がつくる磁束の向きと同じとする。【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、前記各界磁巻線に整流手段が接続され、前記ステータとロータとの相対回転によって発電電力を得る自励式の発電機において、
発電の初期励磁に必要な磁力を発生する永久磁石からなる初期励磁用磁石を前記界磁鉄心に設けたことを特徴とする発電機。
【請求項２】
請求項１に記載の発電機において、前記界磁鉄心の磁極における、前記出力鉄心と対向する面に前記初期励磁用磁石を埋め込んだ発電機。
【請求項３】
請求項１に記載の発電機において、前記界磁鉄心における隣合う磁極の間に前記初期励磁用磁石を埋め込んだ発電機。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発電機において、前記界磁鉄心に設けた初期励磁用磁石の発生する磁束の向きが、前記主界磁巻線に流れる励磁電流がつくる磁束の向きと同じである発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、小型風力発電機や、流水を利用する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。
【０００４】
この他に、上記課題を解消する発電機として、リラクタンス（磁気抵抗）を利用し、ステータ鉄心に出力巻線および界磁巻線を巻き付け、ロータにはコイルを用いないリラクタンス発電機において、ステータ突極間を磁気的に短絡させるフェライト磁石を設けたものが提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１４９１４８号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５９６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の自励式の発電機は、上記のように優れた利点があるが、発電を停止したり、発電機を分解したりすると、発電機鉄心の残留磁気が弱くなる。発電機鉄心の残留磁気が弱いと、初期励磁に必要な磁力が不足し、発電を開始しないか、または発電を開始する回転速度がある程度高いことが必要となる。そのため、風力発電や、流水を利用する発電のように停止する期間が生じたり、低速で発電させることが必要な発電機では、前記自励式の発電機においても、発電開始の確実性が不十分となる。
【０００７】
特許文献２の発電機は、回転停止後の回転再開時における発電開始の確実性も得られるが、リラクタンス発電機は実用の実績が少なく、実用化において、今一つ不明な懸念がある。
【０００８】
この発明の目的は、通常の発電電力を得るための磁束をつくる永久磁石、および外部からの他励のための給電が不必要で、かつ回転停止後にも回転の再開により確実に発電を開始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】
【０００９】
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、前記各界磁巻線に整流手段が接続され、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、
発電の初期励磁に必要な磁力を発生する永久磁石からなる初期励磁用磁石を前記界磁鉄心に設けたことを特徴とする。
【００１０】
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、発電用の永久磁石や、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。発電用の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。自励式であるが、初期励磁用磁石を前記界磁鉄心に設けるため、回転の停止後や分解保守の後であっても、また低速回転であっても、確実に発電を開始することができる。
初期励磁用磁石は設けるが、自励式の発電機では、回転するに従って磁束が増大するため、初期励磁に必要な磁力は極小さな磁力で済む。前記初期励磁用磁石は、このような初期励磁に必要な磁力を発生する永久磁石であるため、通常の、つまり常時の発電電力を得るための永久磁石に比べて極弱い磁力を発生する磁石で済む。そのため、高価なレアメタルは不用で、フェライト磁石等の安価な材料で済み、また小さな磁石で済み、コギングトルクも実用上で問題とならない程度となる。
また、リラクタンス発電機と異なり、自励式の発電機の改良であるため、実用化も行い易い。
【００１１】
この発明において、前記初期励磁用磁石は、前記界磁鉄心の磁極における前記出力鉄心と対向する面に埋め込んでも良く、また前記界磁鉄心における隣合う磁極の間に埋め込んでも良い。これらのように初期励磁用磁石を出力鉄心との対向面、または磁極間で界磁鉄心埋め込むことで、初期励磁用磁石が発生する磁力が、回転始動時の初期励磁に効果的に利用される。
【００１２】
この発明において、前記界磁鉄心に設けた初期励磁用磁石の発生する磁束の向きは、前記主界磁巻線に流れる励磁電流がつくる磁束の向きと同じであることが好ましい。
このように磁束の向きを揃えることで、初期励磁用磁石が発生する磁力が、回転始動時の初期励磁に効果的に利用される。
【発明の効果】
【００１３】
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、前記各界磁巻線に整流手段が接続され、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、発電の初期励磁に必要な磁力を発生する永久磁石からなる初期励磁用磁石を前記界磁鉄心に設けたため、通常の発電電力を得るための磁束をつくるほどの大きな磁力の永久磁石、および外部からの他励のための給電が不必要で、かつ回転停止後にも回転の再開により確実に発電を開始できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる発電機の発電機本体の破断正面図と外部負荷の回路図とを組み合わせた説明図である。
【図２】同発電機発の電機本体を直線状に展開して示す説明図である。
【図３】同発電機の等価電気回路図である。
【図４】同発電機の界磁鉄心の斜視図である。
【図５】同発電機の界磁鉄心の変形例の斜視図である。
【図６】この発明のさらに他の実施形態にかかる発電機の発電機本体の破断正面図と整流手段の回路とを示す説明図である。
【図７】同発電機の破断側面図である。
【図８】図６，図７の発電機についての磁場解析によるコイル電圧、鎖交磁束の立ち上がり波形を示すグラフである。
【図９】同発電機の磁場解析による磁束の状態の説明図である。
【図１０】同磁場解析による図９とは異なる回転位相時の状態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１は、この発電機の発電機本体１の破断正面図、図２は発電機本体１を直線状に描いた模式図、図３は発電機の界磁部の回路図である。
【００１６】
図１おいて、この発電機は、発電機本体１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６と出力巻線７とからなる。この実施形態は２極発電機に適用した例であり、出力鉄心６は、円環状のヨーク部６ａの円周方向２箇所に、内側へ突出する歯状の磁極部６ｂが形成されている。各磁極部６ｂに前記出力巻線７が巻かれている。各磁極部６ｂの出力巻線７は、図２に示すように、出力鉄心６の隣り合う磁極部６ｂの内径側を向く磁極面に互いに異なる磁極が現れるように直列に接続されている。出力巻線７の両端が端子７ａ，７ｂとなり、これら端子７ａ，７ｂに図１のように外部負荷３を接続し、発電機から電流を外部に取り出す。
【００１７】
ロータ５は、界磁鉄心８と、この界磁鉄心８に巻かれた主界磁巻線９および副界磁巻線１０とからなる。界磁鉄心８は、中心孔を有する鉄心本体８ａの外周に、外径側へ突出する複数の歯状の磁極部８ｂが円周方向に並んで設けられている。この磁極部８ｂは、出力鉄心６の一つの磁極部６ｂに対してそれぞれ３つずつ設けられている。主界磁巻線９は、隣合う２つの磁極部８ｂ，８ｂに渡って巻かれ、この２つの磁極部８ｂ，８ｂに渡って巻かれた各主界磁巻線９は、２つ一組となった隣合う磁極組同士の磁極面に異なる磁極が現れるように直列に接続されている。副界磁巻線１０は、主界磁巻線９と一つの磁極部８ｂの分だけ位相をずらせて、主界磁巻線９と同様に、隣合う２つの磁極部８ｂ，８ｂに渡って巻かれている。この２つの磁極部８ｂ，８ｂに渡って巻かれた各副界磁巻線１０は、２つ一組となった隣合う磁極組同士の磁極面に異なる磁極が現れるように直列に接続されている。主界磁巻線９および副界磁巻線１０の各直列接続体の両端の端子を、それぞれ符号９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂで図２に示す。
【００１８】
図３に示すように、主界磁巻線９には並列に整流素子１１が接続され、主界磁巻線９には整流素子１１が流すことができる向きの電流が流れる。副界磁巻線１０は主界磁巻線９と直列に接続され、かつ直列に整流素子１２が接続され、副界磁巻線１０には主界磁巻線９と同じ方向の電流のみが流れる。図中の矢印は電流の流れる方向を示す。
【００１９】
この発電機は、このような副界磁巻線１０を有する自励型の発電機において、図１に示すように、界磁鉄心８に初期励磁用磁石３１を埋め込んだものである。初期励磁用磁石３１は、発電の初期励磁に必要な磁力を発生させる永久磁石であり、初期励磁に必要な磁力を確実に発生できるように余裕を考慮した範囲で、出来るだけ小さな物が用いられる。また、初期励磁用磁石３１には希土類磁石に比べて安価なフェライト磁石を用いてもよい。この初期励磁用磁石３１は、発生する磁束の向きが、前記主界磁巻線９に流れる励磁電流がつくる磁束の向きと同じとなる向きとされる。初期励磁用磁石３１の個数は、この例では出力鉄心６の磁極６ａの個数と同じであり、２個とされているが、一つであっても良い。また、出力鉄心６の磁極６ａを４極や８極，１６極とする場合に、２個であっても、磁極数に応じた個数としても良い。
【００２０】
初期励磁用磁石３１は、図４の例のように、界磁鉄心８の突出した磁極部８ｂの軸方向厚さの全体に渡るもの、換言すれば界磁鉄心８の磁極８ｂを円周方向に並ぶ２つの分割磁極部８ｂａ，８ｂａに分割してその２つの磁極部８ｂａ，８ｂａ間に介在させたものとしてある。
初期励磁用磁石３１は、この他に、図５に示すように、界磁鉄心８の磁極部８ｂにおける前記出力鉄心６と対向する面８ｂｂに埋め込んだものであっても良い。同図の例では磁極８ｂの前記対向面８ｂｂの中央に埋め込んでいる。
【００２１】
第１の実施形態の動作を説明する。ロータ５が回転し発電を行っている場合の動作を説明する。図３に示すように、主界磁巻線９には並列に整流素子１１が接続されているため、主界磁巻線９には整流素子１１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９に流すことができる電流によって決まる向きの磁束が発生する。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は流れない。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１０には直列に整流素子１２が接続され、主界磁巻線９と同じ方向の電流のみが流れる。
【００２２】
出力鉄心６または界磁鉄心８の残留磁気により、主界磁巻線９に電流が流れる。この電流により主界磁巻線９がつくる磁束により副界磁巻線１０に鎖交する磁束が変化して、副界磁巻線１０に電圧が発生する。この電圧で副界磁巻線１０が主界磁巻線９を介して電流を供給し、主界磁巻線９に流れる電流を増加させる。副界磁巻線１０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９には整流子１１を通して還流電流が流れ、主界磁巻線９の磁束を維持する。主界磁巻線９に電流が供給され、主界磁巻線９がつくる磁束が大きくなるので、副界磁巻線１０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９に供給される。このように、主界磁巻線９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。出力鉄心６と界磁鉄心８の相対運動により、出力巻線７の鎖交磁束が変化して電圧が発生する。
【００２３】
上記のように、ロータ５が回転を行っている間に発電を行うが、ロータ５がある程度長い時間を停止していると、出力鉄心６および界磁鉄心８のいずれにも残留磁気がなく、または残留磁気が不十分であって、発電を開始できない。そこで、この実施形態では、初期励磁用磁石３１を設けており、この初期励磁用磁石３１の発生する磁束により、ロータ５の長時間の停止後にも、回転の再開により発電が確実に開始される。
【００２４】
この構成の発電機によると、次の利点が得られる。主界磁巻線９を用いて励磁を行う自励式であるため、発電用の永久磁石や、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。発電用の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。自励式であるが、初期励磁用磁石３１を前記界磁鉄心８に設けたため、回転の停止後や分解保守の後であっても、また低速回転であっても、確実に発電を開始することができる。
初期励磁用磁石３１は設けるが、自励式の発電機では、前述のように回転するに従って磁束が増大するため、初期励磁に必要な磁力は極小さな磁力で済む。初期励磁用磁石３１は、この程度の小さな初期励磁に必要な磁力を発生する永久磁石であるため、通常の発電電力を得る永久磁石に比べて極弱い磁力を発生する磁石で済む。そのため、高価なレアメタルは不用で、フェライト磁石等の安価な材料で済み、また小さな磁石で済み、コギングトルクも実用上で問題とならない程度となる。
また、リラクタンス発電機と異なり、自励式の発電機の改良であるため、実用化も行い易い。
【００２５】
なお、上記実施形態では、ステータ４側を出力鉄心６、ロータ５側を界磁鉄心８としたが、これとは逆にステータ４側を界磁鉄心９，１０とし、ロータ５側を出力鉄心６としても良い。また上記実施形態では２極発電機としたが、４極、８極、１６極など、多極の発電機としても良い。
【００２６】
図６は、ステータ４側を界磁鉄心８とし、ロータ５側を出力鉄心６とし、４極発電機とした例を示す。原理は第１の実施形態と同様であるため、対応部分に同一符号を付してその説明を省略する。ステータ４側の界磁鉄心８に初期励磁用磁石３１を設けるが、同図では図示を省略している。
図７に示すように、ロータ５は、シャフト２１に取付けられ、シャフト２１と共にフレーム２２に対して軸受２３により回転自在に支持されている。ステータ４はフレーム２２に固定されている。ロータ５の出力巻線は、スリップリング２４とブラシ２５とを介して固定側に取り出されている。
【００２７】
図８〜図１０に、図６，図７の構成の発電機について試作および磁場解析を行った結果を示す。
図８は、磁場解析によるコイル電圧、鎖交磁束の立ち上がり波形を示す。同図から、メインコイルの鎖交磁束が徐々に増加していく状態が分かる。なお、同図における「メインコイル」は、実施形態で言う「主界磁巻線９」であり、「サブコイル」は実施形態で言う「副界磁巻線１０」である。また、「ロータコイル」は「出力巻線７」である。
図９，図１０から、ロータ５の回転による各部の磁束密度の変化が分かる。
【符号の説明】
【００２８】
１…発電機本体
２…着磁手段
３…外部負荷
４…ステータ
５…ロータ
６…出力鉄心
６ａ…ヨーク部
６ｂ…磁極部
７…出力巻線
８…界磁鉄心
８ａ…鉄心本体
８ｂ…磁極部
９…主界磁巻線
１０…副界磁巻線
１１…整流素子
１２…整流素子
３１…初期励磁用磁石
【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】
2016025815.tif 000009
【図８】
2016025815.tif 000010
【図９】
2016025815.tif 000011
【図１０】
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