(57)【要約】【課題】この発電機の制御装置は，複数の巻線を直列に巻き上げたステータと永久磁石を保持したロータと間に磁路空隙を調節する磁束制御籠を設け，各巻線に出力端子を出し，巻線の垂下特性を用いて巻線出力を所定値の電圧に制御する。【解決手段】この発電機の制御装置は，ステータ４の巻線１４に出力端子５５〜５７を出し，巻線１４の最大の出力端から出された出力端子５７にデューティ制御スイッチＳＲ１〜ＳＲ６を介して電圧制御巻線５４を接続し，速度の変化に応じて出力端子５５〜５７に接続したスイッチＳ１１〜１６，Ｓ２１〜２６，Ｓ３１〜３６を切り換えて低速から高速まで常に一定電圧に保持し，速度と負荷５８の急変に応答して電圧制御巻線５４を付勢して巻線１４の垂下特性を用いて巻線出力を所定の一定電圧に保持する。【選択図】図１
2009081977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングに回転可能に支持された回転軸，前記回転軸に固定され且つ外周に永久磁石を複数取り付けたロータ，前記ロータの外周側に配置され且つ前記ハウジングに固定された櫛歯を備えたステータ，前記ステータと前記ロータとの間に配設されて前記ステータに対して円周方向に相対揺動可能に取り付けられた歯車状の歯部を備えた磁束制御籠を有し，前記磁束制御籠の円周方向揺動によって前記ステータの前記櫛歯と前記磁束制御籠の前記歯部との間の磁路空隙を調整して前記ステータ側に流れる前記永久磁石の磁力を調節し，前記ステータに巻き込んだ巻線の起電電圧を制御することから成る発電機の制御装置において，
前記ステータに巻き込んだ前記巻線に複数の出力端子を出し，前記巻線の最大の出力端から出された前記出力端子にデューティ制御スイッチを介して電圧制御巻線を接続し，前記発電機の速度の変化に応じて前記出力端子にそれぞれ接続したスイッチを切り換えて低速から高速まで予め決められた一定電圧に保持し，前記速度と負荷の急変に応答して前記巻線の垂下特性を用いて巻線出力の電圧を予め決められた所定値に保持することを特徴とする発電機の制御装置。
【請求項２】
前記巻線の巻き数による出力と回転数に応じた出力領域を規定し，前記巻線に応じた出力と前記回転数での負荷を検出し，前記負荷に適用する前記巻線の前記出力領域で作動させることを特徴とする請求項１に記載の発電機の制御装置。
【請求項３】
前記巻線による前記出力領域とは別に前記発電機の３相出力端子にコンデンサをそれぞれ接続し，前記出力を増大させる場合にはその負荷領域に応じて前記コンデンサの接続をＯＮ・ＯＦＦさせる領域を選定した出力指定を行うことを特徴とする請求項２に記載の発電機の制御装置。
【請求項４】
前記出力及び／又は前記回転数が急変動する場合に，前記磁束制御籠の揺動を機械的に制御すると共に，急変動期間中に前記デューティ制御スイッチをＯＮさせ前記電圧制御巻線を付勢し，前記デューティ制御スイッチのデューティ制御によって前記出力端子の前記電圧が高いときには電流を増加させ，電圧が低いときには電流を減少させる制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の発電機の制御装置。
【請求項５】
前記デューティ制御スイッチのＯＮ状態でも前記磁束制御籠を作動させ，前記磁束制御籠の作動による前記出力が所定値に到達するまで，前記デューティ制御スイッチの作動によって所定の電圧を維持するように制御することを特徴とする請求項４に記載の発電機の制御装置。
【請求項６】
回転が超高速になる場合には，前記磁束制御籠による前記磁路空隙を最大にすると共に，前記デューティ制御スイッチをＯＮさせて電圧制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の発電機の制御装置。
【請求項７】
前記発電機の電圧制御回路は，前記磁束制御籠の移動により電圧一定化を計ると共に，前記負荷及び／又は前記速度の急変時，高速時の磁束制御の及ばない条件時には，補助的に前記デューティ制御スイッチの付勢により電圧一定化を行うことを特徴とする請求項４に記載の発電機の制御装置。
【請求項８】
前記磁束制御籠を作動させない場合，前記巻き数の大きい前記巻線の中間に出力端子を設け，前記巻き数の大きい前記巻線に電流を流し，前記巻線の電圧を制御することにより前記巻き数の小さい前記巻線の電圧を一定に制御することを特徴とする請求項２に記載の発電機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は，ハウジングに取り付けられたステータ，ステータに対して回転する永久磁石部材を備えたロータ，及びステータに対して回転移動して磁路空隙を増減して磁束を制御する磁束制御機構を備えた発電機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来，永久磁石式発電機は，ロータに永久磁石を用いるので，構造が簡単で大きな発電電力を得ることができ，近年，それを組み込んだシステムが自動車用発電機，風力発電機等として利用されることが多くなってきた。永久磁石式発電機は，例えば，発電した電力を電動機に送る場合に，電圧が変動してもその機能が十分に発揮できるが，この電力を各種の電気機器を駆動しているバッテリの電圧に合わせる場合に，電圧変動を一定の電圧に揃える操作をしなければならない。永久磁石式発電機は，風力等で発電した電圧を一定にするためには，スイッチングレギュレタ等を用いて電力を切り刻む操作をしなければならないが，大電流をオン・オフするためには大型のパワートランジスタを要し，装置が大型になり，冷却ロスが大きくなり，高価になったり，また，発電電圧を一定にするために，電流を切り刻む時に，発生するリプルは電波障害の引き金になり，そのノイズ対策が極めて大変である。
【０００３】
従来，永久磁石式発電機として，永久磁石部材を保持する保持パイプを透磁性金属板と非透磁性金属板とで構成し，透磁性金属板によって磁束を集合させて磁束の漏れを抑制するものが知られている。該永久磁石式発電機は，ロータ，巻線を備えたステータ及び磁束を制御する磁束制御リングを有している。ロータは，回転軸，透磁性部材，外周面が円弧面に形成された永久磁石部材及び永久磁石部材に嵌合固定された保持パイプを有している。保持パイプは，透磁性金属板と非透磁性金属板とが周方向に交互に順次長手方向に接合されて配設され，非透磁性金属板は隣接して配置された永久磁石の隣接境界部にそれぞれ位置されている（例えば，特許文献１参照）。
【０００４】
また，本発明者が開発したコギング防止装置を備えたは発電・電動機が知られている。該発電・電動機は，簡単で安価な機械的装置によってコギングの発生を防止し，電動機と発電機との機能を発揮し，常に所定の一定電圧を発電するものであり，ロータの永久磁石部材の外周面に設けた補強部材は，円弧状磁性板材と非磁性材とを周方向に交互に配設して構成し，補強部材の端部に磁性材でなる磁力漏洩リングを接離可能に配設し，ロータの回転速度に応答して磁力漏洩リングを補強部材に対して接離させてコギングの発生を防止するものである（例えば，特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−２４２３６９号公報
【特許文献２】特開２００６−６０２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら，磁束制御装置を組み込んだ永久磁石式発電機は，磁束制御装置の応答性が鈍く，巻線を別の巻線に切り換えたときに，電圧が瞬間的に上昇し，一定電圧に保持できないという問題を有していた。それ故に，永久磁石式発電機において，上記状態が発生するのを防止して巻線を切り換えるときにも所望の一定電圧に維持する必要がある。また，一般に，発電機において，磁束制御を電気的に行うためには，発電機の巻線に種類の異なる巻線を巻き込み，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。しかしながら，この方法だと，永久磁石に逆向きの磁力を加えるため永久磁石の磁力を消滅させることになり，発電機そのものを損傷し成功しない。
【０００６】
そこで，本出願人は，永久磁石式発電機において，上記の状態の発生を防止するため，例えば，ステータに巻き上げる巻線を複数直列に結線し，最大巻き数の巻線に出力端子に電圧制御巻線を設け，最も大きな巻き数の巻線である７７ターンのスイッチをＯＮにし，磁束制御巻線に，例えば，３Ａの電流を流すと，４０００ｒｐｍ時に電圧は２５０Ｖになる。７７ターンの巻線の端子が２５０Ｖになると，４０ターンの巻線では電圧が降下し，１３０Ｖ〔２５０×４０／７７＝１３０〕になって瞬間的に電圧が降下する。この状態で磁束制御装置の磁束制御籠を揺動させて磁路空隙を変更すると，４０００ｒｐｍの線が移動し，制御電流は１．７Ａに減少する。このことは，非常に少ない電流で電圧を制御できることになるので，制御装置が簡単化することになることを確認した。
【０００７】
この発明の目的は，上記の課題を解決することであり，磁束制御装置を備えた発電機において，磁束制御装置の応答性の鈍いことによる巻線の切り換えのときの瞬間的な電圧の上昇を抑えて常に所望の一定電圧を維持するため，ステータの外部に位置してステータの巻線に接続された電圧制御巻線を設け，巻線切り換え時の電圧の上昇に対応して電圧制御巻線に微小電流を流して電圧を瞬間的に降下させて一定電圧を維持し，磁束制御装置による電圧制御が定常状態になると，電圧制御巻線へ電流を流すのを直ちに停止して損失を無くし，常に一定電圧に制御することを可能にした発電機の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は，ハウジングに回転可能に支持された回転軸，前記回転軸に固定され且つ外周に永久磁石を複数取り付けたロータ，前記ロータの外周側に配置され且つ前記ハウジングに固定された櫛歯を備えたステータ，前記ステータと前記ロータとの間に配設されて前記ステータに対して円周方向に相対揺動可能に取り付けられた歯車状の歯部を備えた磁束制御籠を有し，前記磁束制御籠の円周方向揺動によって前記ステータの前記櫛歯と前記磁束制御籠の前記歯部との間の磁路空隙を調整して前記ステータ側に流れる前記永久磁石の磁力を調節し，前記ステータに巻き込んだ巻線の起電電圧を制御することから成る発電機の制御装置において，
前記ステータに巻き込んだ前記巻線に複数の出力端子を出し，前記巻線の最大の出力端から出された前記出力端子にデューティ制御スイッチを介して電圧制御巻線を接続し，前記発電機の速度の変化に応じて前記出力端子にそれぞれ接続したスイッチを切り換えて低速から高速まで予め決められた一定電圧に保持し，前記速度と負荷の急変に応答して前記巻線の垂下特性を用いて巻線出力の電圧を予め決められた所定値に保持することを特徴とする発電機の制御装置に関する。
【０００９】
また，この発電機の制御装置は，前記巻線の巻き数による出力と回転数に応じた出力領域を規定し，前記巻線に応じた出力と前記回転数での負荷を検出し，前記負荷に適用する前記巻線の前記出力領域で作動させるものである。
【００１０】
また，この発電機の制御装置は，前記巻線による前記出力領域とは別に前記発電機の３相出力端子にコンデンサをそれぞれ接続し，前記出力を増大させる場合にはその負荷領域に応じて前記コンデンサの接続をＯＮ・ＯＦＦさせる領域を選定した出力指定を行うものである。
【００１１】
また，この発電機の制御装置は，前記出力及び／又は前記回転数が急変動する場合に，前記磁束制御籠の揺動を機械的に制御すると共に，急変動期間中に前記デューティ制御スイッチをＯＮさせ前記電圧制御巻線を付勢し，前記デューティ制御スイッチのデューティ制御によって前記出力端子の前記電圧が高いときには電流を増加させ，電圧が低いときには電流を減少させる制御を行うものである。
【００１２】
また，この発電機の制御装置は，前記デューティ制御スイッチのＯＮ状態でも前記磁束制御籠を作動させ，前記磁束制御籠の作動による前記出力が所定値に到達するまで，前記デューティ制御スイッチの作動によって所定の電圧を維持する制御をするものである。
【００１３】
また，この発電機の制御装置は，回転が超高速になる場合には，前記磁束制御籠による前記磁路空隙を最大にすると共に，前記デューティ制御スイッチをＯＮさせて電圧制御を行うものである。この場合には，前記磁束制御籠により最大巻き数の巻線の垂下電流が数アンペアと小さいので，極めて小さい電流で電圧制御でき，損失電流が少なくなる。
【００１４】
また，前記発電機の電圧制御回路は，前記磁束制御籠の移動により電圧一定化を計ると共に，前記負荷及び／又は前記速度の急変時，高速時の磁束制御の及ばない条件時には，補助的に前記デューティ制御スイッチの付勢により電圧一定化を行うものである。
【００１５】
また，この発電機の制御装置は，前記磁束制御籠を作動させない場合，前記巻き数の大きい前記巻線の中間に出力端子を設け，前記巻き数の大きい前記巻線に電流を流し，前記巻線の電圧を制御することにより前記巻き数の小さい前記巻線の電圧を一定に制御するものである。巻線の大きい巻き数をＮ１，出力巻線の巻き数をＮ２とし，大きい巻き数の巻線の電圧をＶ１，出力電圧をＶ２とすると，Ｖ１＝Ｖ２×Ｎ１／Ｎ２となり，この電圧になるように電流を制御すれば，出力端の電圧は常に所定の一定電圧になる。
【発明の効果】
【００１６】
この発電機の制御装置は，上記のように構成されているので，発電機の巻線を沢山の巻き数の巻線，少ない巻き数の巻線を直列に繋ぎ，その垂下特性を用い，電圧制御巻線への電流を少ない電流で要求電圧を常に一定電圧に制御することができ，少ない巻き数の巻線で出力しているとき，垂下特性は電流が大きくなるように変化するが，巻線の巻き数が大きいと，電流が極めて小さい状態で垂下するので，２つの巻線の上部に逆起電力による電圧制御巻線を加え，この電圧制御巻線に微小の電流を流すと，この垂下特性により電圧が低下し，出力端子の電圧を常に一定にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下，図面を参照して，この発明による制御装置を備えた発電機について説明する。この発電機は，図７〜図１０に示すように，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た回転軸２，回転軸２に固定された永久磁石部材５から成る回転子即ちロータ３，ロータ３の外周側に配置され且つハウジング１に固定された固定子即ちステータ４，ステータ４とロータ３との間に配設してステータ４に対して相対移動可能に取り付けられたリング状の磁束制御籠７，及び磁束制御籠７をロータ３の回転速度に対応させてステータ４に対して相対移動させるアクチュエータ２５から構成されている。ステータコア１５のアウタステータコア即ち円筒部材のリング状継鉄部材１７は，ハウジング１の一部を構成してヨークを構成している。また，回転軸２には，その一端部に，エンジン，風車等の駆動源からの駆動力が入力する入力歯車４７が固定されている。この発電機は，ロータ３を構成する回転軸２の両端が軸受１３でハウジング１に回転可能に支持されている。ロータ３は，回転軸２の外周に取り付けられた透磁部材６，透磁性部材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２７に固定された円筒状スリーブ１６を備えている。また，磁束制御籠７とロータ３との間には，相対回転を可能にするように可及的に小さい隙間２２が形成されている。永久磁石１９は，外周面２７が円弧面に形成され，永久磁石１９間の隙間に相当する領域に非磁性材３５を介在させて周方向の複数個配設されている。
【００１８】
ステータ４は，例えば，周方向に所定間隔のスロット部１１を形成するように隔置されたインナステータコアである櫛状円筒部材３０とアウタステータコアであるリング状継鉄部１７とから成る薄板積層形のステータコア１５，及びステータコア１５に巻き上げられた巻線１４から構成されている。櫛状円筒部材３０は，例えば，内側櫛部３２と外側櫛部３３とから成る櫛部１０と，内側櫛部３２と外側櫛部３３との間にあって櫛部１０を連繋するブリッジ部３１から構成されている。巻線１４は，櫛部１０における外側櫛部３３間に形成されたスロット部１１に位置して外側櫛部３３に巻き上げられ，巻線１４を成形固定するためスロット部１１内に非磁性材３６が充填されている。巻線１４は，例えば，ステータ４のステータコア１５の櫛部１０に巻き上げられており，中性点５９（図１）から第１巻線（４０ターン），第２巻線（２０ターン）及び第３巻線（１７ターン）が直列に結線され，第１巻線の端部から出力端子５５を引き出して４０ターンの巻線を構成し，第２巻線の端部から出力端子５６を引き出して６０ターンの巻線を構成し，第３巻線の端部から出力端子５７を引き出して７７ターンの巻線を構成している。ステータコア１５におけるスロット部１１と櫛部１０との内周側には，磁束制御籠７が接触状態に且つステータ４に対して揺動可能に配置されている。磁束制御籠７は，例えば，ハウジング１に軸受（図示せず）を介して回転又は揺動自在に取り付けられている。ステータ４を構成するステータコア１５は，例えば，巻線１４の占積率をアップさせるため，内側櫛部３２と外側櫛部３３を持つようにブリッジ部３１で互いに接続された櫛状円筒部材３０に形成され，櫛状円筒部材３０の櫛部１０間に外側の開口即ち外開きの外側開口５３から巻線１４を巻き上げた後に，櫛状円筒部材３０のインナステータコアの外周面に外筒部材でなるリング状継鉄部材１７のアウタステータコアを嵌合して構成されている。
【００１９】
この発電機は，ステータ４とロータ３との間でステータ４に対して相対回転移動即ち揺動可能に配置された磁束密度を調整して電圧を制御する磁束制御籠７，磁束制御籠７をステータ４に対して揺動させるアクチュエータ２５，及びロータ３の回転速度即ち回転数に応答して磁束制御籠７の揺動量を制御するコントローラ（図示せず）を有する。磁束制御籠７は，外周側がステータ４の櫛部１０と同数であって凹部１２で隔置され且つ櫛部１０に接触可能な透磁性突起部である透磁部即ち歯部８と，内周側で歯部８を互いに連繋する円筒部９とから構成されたリング状連続体に形成されている。また，磁束制御籠７は，図９及び図１０に示すように，ステータ４の櫛部１０側に位置する周方向に順次配列された歯部８と，ロータ３側に位置して歯部８が一体に構成された連続体の円筒部９とから形成されている。櫛部１０には周方向両端に実質的に４５°のチャンファ５１が施され，また，歯部８には周方向両端に実質的に４５°のチャンファ５０が施されている。また，ステータコア１５の櫛部１０には，その内周端面の角部にチャンファ５１が形成されており，また，磁束制御籠７の歯部８には，その外周端面の角部にチャンファ５０が形成されている。更に，磁束制御籠７の円筒部９は，永久磁石部材５からの磁束の流れをスムーズにして磁束の漏れを低減する集磁部として機能する。コントローラは，磁束制御籠７のステータ４に対する揺動によって，歯部８の外面２３と，櫛部１０の内面２４との対向面積即ち接触面積との量を制御するように構成されている。コントローラの指令によってアクチュエータ２５を作動して磁束制御籠７に設けたラックが揺動し，磁束制御籠７がステータ４に対して相対揺動すると，歯部８の外面２３と櫛部１０の内面２４との密接状態は調整され，磁束制御籠７の歯部８からステータコア１５の櫛部１０へ流れる磁束が制御されることになる。例えば，コントローラは，ロータ３の低速時には，図９に示すように，アクチュエータ２５を作動して歯部８と櫛部１０との合口が整合状態になる制御を行う。また，ロータ３の高速時には，図１０に示すように，アクチュエータ２５を作動して歯部８を櫛部１０間のスロット部１１へと移動させ，櫛部１０との対向面積を低減させる制御を行う。コントローラの制御によって磁束制御籠７が移動して磁束制御籠７の歯部８がステータコア１５の櫛部１０間に位置した状態では，図１０に示すように，櫛部１０のチャンファ５１と歯部８のチャンファ５０との間には，高精度に隙間Ｓが形成されことになり，ロータ３からステータ４へ流れる磁束は最も抑制される状態になる。
【００２０】
次に，図１〜図３及び表１を参照して，この発明による発電機の制御装置について説明する。この発電機の制御装置は，概して，ロータ３の外周に永久磁石１９を複数個取り付けた永久磁石部材５を備えたロータ３とその外周にステータ４の櫛歯１０と歯の数が合致し，永久磁石１９の磁力を集合させる歯車状の磁束制御籠７が配置され，磁束制御籠７が円周方向に揺動し，ステータ４の櫛歯１０と磁束制御籠７の間に隙間ができるようにし，永久磁石１９の磁力がステータ４側に流れることを抑制し，ステータ４に巻き込んだ巻線１４の起電電圧を制御するものであり，特に，ステータ４に巻き込んだ巻線１４に複数の出力端子５５〜５７を出し，発電機の速度の変化に応じて出力端子５５〜５７に接続したスイッチＳ１１〜Ｓ１６，スイッチＳ２１〜Ｓ２６，スイッチＳ３１〜Ｓ３６を切り替えて低速から高速まで一定の電圧を保持し，速度と負荷の急変に対し，最高の前記巻線の垂下特性を用いて巻線１４の出力の電圧を予め決められた所定値に保持することを特徴とするものである。
【００２１】
図１には，この発電機の制御装置に組み込まれた配線図６０の一実施例が示されている。配線図６０は，三相の巻線１４が負荷５８を中心にして左右対称の同一のものが設けられている。三相の巻線１４の中性点５９から３方に４０ターンの巻線１４，６０ターンの巻線１４，及び７７ターンの巻線１４の各巻線１４が直列に結線されている。４０ターン，６０ターン，及び７７ターンの各巻線１４には出力端子５５，５６，５７が結線され，出力端子５１にはスイッチＳ１１〜Ｓ１３，Ｓ１４〜Ｓ１６，出力端子５６にはスイッチＳ２１〜Ｓ２３，Ｓ２４〜Ｓ２６，及び出力端子５７にはスイッチＳ３１〜Ｓ３３，Ｓ３４〜Ｓ３６が設けられている。また，巻線１４の最大の出力端即ち７７ターンの巻線１４の出力端子５７からもう１つの端子６１〜６６を出し，それらの端子６１〜６６にデューティ制御スイッチＳＲ１〜ＳＲ６を介して，ステータ４の外部に設けたソレノイドコイルＬ１，Ｌ２から成る電圧制御巻線５４が接続されている。また，巻線１４による出力領域とは別に，３相の出力端子５１〜５３にコンデンサＣ１〜Ｃ６が接続されており，３相の出力端子５５〜５７には整流器６７，６８を介して負荷５８に結線されている。更に，コンデンサＣ１〜Ｃ６には，コンデンサスイッチＳＣ1 〜ＳＣ６がそれぞれ設けられている。
【００２２】
この発電機の制御装置は，発電機の巻線１４を多い巻線１４，中間巻数の巻線１４，少ない巻線１４を直列に繋ぎ，その垂下特性を用い，少ない電流で電圧を一定に制御することが特徴であり，少ない巻線１４で出力しているとき，垂下特性は，図２のように電流が大きくなるように変化するが，巻線が大きいと，電流は極めて小さい状態で垂下する。図２に示すように，多い巻数である巻線１４と少ない巻数である巻線１４では，無負荷電圧特性は非常に大きな差があり，これらの巻線１４を用いて電圧の一定化はできない。ところが，２つの巻線の上部に逆起電力によるソレノイドコイルＬ１．Ｌ２即ち電圧制御巻線５４を加え，この電圧制御巻線５４に微小の電流を流すと，この垂下特性により電圧は低下し，出力端子６９の電圧を一定にすることができる。即ち，少巻線の巻き数をＮ３とし，電圧制御巻線５４の巻き数をＮ４とすると，所定の電圧Ｖ２を得るためには，Ｖ２×Ｎ３／Ｎ４＝Ｖ1 となるように電流を制御すると，常に一定電圧が得られる。この発電機の制御装置は，巻線１４の出力，回転に応じた出力領域を規定し，巻線１４に応じた出力，回転数での負荷を検出し，負荷５８に適用する巻線領域で作動させるものである。複数の巻線１４を持つ発電機の出力の利用範囲を回転数と負荷５８により規定し，発電機の制御を限定することにより，制御装置の簡素化ができる。発電機の回転及び／又は負荷変動に対し，領域を指定することにより，迅速に適応できる。
【００２３】
また，この発電機の制御装置は，巻線１４による出力領域とは別に発電機の３相出力端子６１〜６６にコンデンサＣ1 〜Ｃ6 を接続し，出力を増大させる場合には，その負荷領域に応じてコンデンサＣ1 〜Ｃ6 の接続をＯＮ−ＯＦＦさせる領域を選定した出力指定を行うものである。３相発電機の出力線間にコンデンサＣ1 〜Ｃ6 を挟むことにより，電圧が上昇し，結果的に出力が増加する。従って，この使用領域では，コンデンサＣ1 〜Ｃ6 を通電させるようにコンデンサスイッチＳＣ1 〜ＳＣ6 をＯＮさせ，高出力にさせるように制御する。また，この発電機の制御装置は，出力，回転数が急変する場合，磁束制御籠７の揺動を機械的に実施し，変動期間中の巻線１４の最大の出力端５３からもう１つの端子６１〜６６を出し，それらの端子６１〜６６にデューティ制御スイッチＳＲ１〜ＳＲ６を介してソレノイドコイル即ち電圧制御巻線５４を接続し，デューティ制御スイッチＳＲ１〜ＳＲ６をＯＮさせ，デューティ制御スイッチＳＲ1 〜ＳＲ6 はデューティ制御されるようになっていて出力端子６９の電圧に応じて電圧が高いときには電流を増加させ，電圧が低いときには電流を減少させるものである。この発電機の制御装置は，電圧制御巻線５４への電流は，開閉時間を可変にできるデューティ制御スイッチＳＲ1 〜ＳＲ6 を介して電流を増減させ，電圧一定の制御をするが，その先端にはソレノイドコイルＬ１，Ｌ２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，発電機の発電電圧大きくなっても無効電力負荷となるので，大きな電流が流れない。
【００２４】
また，この発電機の制御装置は，デューティ制御スイッチＳＲ1 〜ＳＲ6 のＯＮ状態でも磁束制御籠７を作動させ，磁束制御籠７の作動による出力が所定値に到達するまで，デューティ制御スイッチＳＲ1 〜ＳＲ6 が所定の電圧を維持するように動作させるものである。また，この発電機の制御装置は，回転が超高速になる場合には，磁束制御籠７を空隙最大とし，更に，デューティ制御スイッチＳＲ1 〜ＳＲ6 をＯＮさせ，この場合には磁束制御籠７により，最大巻き数の巻線１４の垂下電流が数アンペアと小さいので，極めて小さい電流で電圧制御ができるものである。電圧制御巻線５４に磁束制御籠７から成る磁束制御装置を付加すると，電圧制御巻線５４の垂下特性は極めて小電流の方に移動し，微小に電流を流すだけで電圧が降下し，一定電圧を保持できる。電圧制御巻線５４に流れる電流は，損失となるので，磁束制御籠７による電圧降下により発電効率を２０％〜１０％向上できる。従って，発電機の電圧制御回路は，記磁束制御籠７の移動により電圧一定化を計るが，負荷の急変，速度の急変時，高速時の磁束制御の及ばない条件時には補助的にデューティ制御スイッチＳＲ1 〜ＳＲ6 により電圧一定化を行うものである。
【００２５】
また，この発電機の制御装置は，磁束制御籠７を作動させない場合，巻線数の大きい巻線１４の中間に出力端子を設け，大きい巻線１４に電流を流し，その電圧を制御することにより巻線数の小さい巻線１４の電圧を一定に制御するものである。特に，この発電機の制御装置は，大きい巻線１４の数をＮ１，出力巻線数をＮ２，大きい巻線１４の電圧をＶ１，出力電圧をＶ２とすると，Ｖ１＝Ｖ２×Ｎ1/Ｎ２となり，この電圧になるように電流を変えれば，出力端は常に一定電圧になるものである。また，電圧制御巻線５４の電流は，Ａ１アンペアを流すと，電圧が０となるので，最大に流してもＡ１アンペアである。しかし，Ａ２アンペアを流すと，電圧は，Ｖ２×Ｎ２／Ｎ１×Ｖ２になるため，０アンペアからＡ１アンペアまで所定の電圧を制御するようにデューティ制御する。また，磁束制御籠７を持つ発電機では，磁束制御籠７を機械装置で駆動するため，磁束制御籠７を移動させる移動時間を要する。そのため，急激な負荷，速度のい変動時には電圧が安定しないので，本願発明は電圧制御巻線５４を併用することにより，急激な負荷条件でも一定電圧にすることができる。
【００２６】
また，図２には，この発電機の制御装置における回転数に対する要求出力Ｗの関係の出力特性図を示すグラフが示されている。図２において，点線ａは，要求出力Ｗがａ10・Ｎ＋Ｗ10の線図を示し，点線ａの左側では巻線の巻き数として７７ターンを用いると共にコンデンサＣ１〜Ｃ６を付勢するようにスイッチを切り換える。点線ｂは，要求出力Ｗが
ａ1 ・Ｎ＋Ｗ11の線図を示し，点線ｂの左側では巻線１４の巻き数として７７ターンを用いるようにスイッチを切り換える。点線ｃは，要求出力Ｗがａ20・Ｎ＋Ｗ20の線図を示し，点線ｃの左側では巻線１４の巻き数として６０ターンを用いると共にコンデンサＣ１〜Ｃ６を付勢するようにスイッチを切り換える。点線ｄは，要求出力Ｗがａ2 ・Ｎ＋Ｗ22の線図を示し，点線ｄの左側では巻線１４の巻き数として６０ターンを用いるようにスイッチを切り換え，右側では巻線を４０ターンを用いるようにスイッチを切り換える。この発電機の制御装置は，発電機の出力が図２のどの領域に位置するかを検出して，それに応答して要求出力Ｗを所望の一定電圧を得るために制御するものであり，後述の図４〜図６の処理フロー図の説明に反映されている。即ち，この発電機では，ロータ３の回転数，負荷状態に応じて使用する巻線１４の巻き数を切り換え，更に発電機の三相巻線１４間にコンデンサＣ１〜Ｃ６（図１）を加えることにより出力を向上させている。発電電力を用いて駆動する電動機器類の負荷に応じてその使用状況を変化させる本制御装置においては，例えば，７７ターンの領域で出力させる部分では，巻線１４で発電できる状態に，より大きな発電量が必要な領域ではコンデンサＣ１〜Ｃ６を加える領域を選択することが指示される。コンデンサＣ１〜Ｃ６を加えた場合，巻線１４の巻き数（７７ターン，６０ターン，４０ターン）を換えた場合，共にその出力特性はほぼ直線的に変化するので，近似式，例えば，ａ10・Ｎ＋Ｗ10を作り，その式に応じて使用領域を選択することにした。抗することによって，発電機の特性を最適状態で作動させることができる。
【００２７】
図３には，この発電機の制御装置における相電流に対する相電圧の関係によって巻線の垂下特性を示すグラフが示されている。図３では，巻線１４が４０ターンの場合に回転数２０００ｒｐｍ，３０００ｒｐｍ，４０００ｒｐｍの時の垂下特性が示され，巻線１４が６０ターンの場合の回転数２０００ｒｐｍ，３０００ｒｐｍ，４０００ｒｐｍの時の垂下特性が示され，また，巻線１４が７７ターンの場合の回転数１０００ｒｐｍ，２０００ｒｐｍ，３０００ｒｐｍ，４０００ｒｐｍ，５０００ｒｐｍ，６０００ｒｐｍの時の垂下特性が示されている。また，電圧制御巻線５４の場合の回転数２０００ｒｐｍ，３０００ｒｐｍ，４０００ｒｐｍの時の垂下特性が示されている。この発電機の制御装置は，一定電圧を得るため，これらの巻線の４０ターン，６０ターン，７７ターンの垂下特性を参照してスイッチを切り換え，最適の巻き数に制御すると共に，磁束制御籠７の移動量を制御することによって確保されるものである。この発電機は，負荷，速度が急変する時，一定電圧を保持させるため，磁束制御の磁束制御籠７を移動させる制御をするが，磁束制御籠７を機械式に移動させるため，磁束制御籠７の磁路空隙ゼロを，例えば，５ｍｍほど空け，ステータ４への磁力を減少させるためには０．４秒ほど時間がかかる。そのため，その期間では電圧が変動し，所定値より大きい電圧になったり，小さい電圧になったりする。一方，発電機には，垂下特性があり，発電電流が大きくなるほどその電流の逆磁界制御の効果が現れ，電圧が小さくなる。この効果は，磁力の通過時間とのずれがあるため，永久磁石１９の磁力を減少させることなく，また，外部から電流を投入することなく，ステータ４を通過する磁力を減少させる効果がある。この原理を用いて発電機の磁束制御を行えば，瞬時に電圧制御ができる。即ち，磁力の抑制効果は，巻線の巻き数Ｗｓ×Ａ（アンペア）であるので，巻線の巻き数の大きい，例えば，７７ターンの端部にスイッチを設け，４０ターンの使用中にその端部のスイッチを開放すると電流が流れ，磁束制御効果が発生する。図３で示されている７７ターンでは３〜４アンペア流すだけで，電圧が相当に低下する。４０ターンでの電圧を抑制するために，７７ターンの電圧を（４０／７７）×２５０Ｖ＝１２０Ｖにする。この２５０Ｖを維持させるだけで，速度，負荷が如何に変動しても，流れる電流を３〜５アンペアに移動させるだけで電圧の一定化ができる。すると，どのように速度，負荷が変化しても端部の電流スイッチをオン（ＯＮ）させるだけで４０ターン側の電圧を一定にできる。この状態で磁束制御籠７を空隙側に移動させると，垂下特性は，磁束制御側に移動するので，図３に示されるように，垂下特性は，例えば．３．５Ａでゼロになる。３０００ｒｐｍでは０．２Ａであって２５０Ｖであり，４０００ｒｐｍでは１．８Ａの電流を流せば，電圧は２５０Ｖになり，４０ターン側の電圧を一定にできる。電流を７７ターン側の上端のスイッチによって変化させ，その下流にはソレノイドコイルＬ１，Ｌ２（電圧制御巻線５４）を接続し，無効電力効果によって損失電流を減少させる。この制御は，巻線が６０ターンの場合は，（６０／７７〕×１６７Ｖ＝１３０Ｖとなるので，１６７Ｖになるように電流を制御する。磁束制御装置が磁路空隙側からゼロ側に移動させる時にも，同じ原理で一定電圧にできる。
【００２８】
次に，図４〜図６に示された処理フロー図を参照して，この発電機の制御装置を説明する。この発電機の制御装置の実施例では，所望の一定電圧Ｖ0 を，例えば，１３０Ｖと１２０Ｖとの間の電圧に制御する場合の実施例を説明するが，その他の電圧であっても良いことは勿論である。この発電機の制御装置を作動する場合に，巻線が７７ターン，６０ターン及び４０ターンにおけるスイッチのＯＮ・ＯＦＦの関係が表１に示されている。
【００２９】
【表１】
2009081977.tif 000003
【００３０】
この発電機の制御装置について，まず，回転数Ｎ，電圧Ｖ，及び出力Ｗを測定する（ステップＳ１）。要求出力Ｗが図２に示すａ1 ・Ｎ＋Ｗ11線より大きいか否かを判断し（ステップＳ２），大きい場合には，要求出力ＷがＷ01  より小さいか否かを判断し（ステップＳ３），更に要求出力ＷがＷ01より小さい場合には，表１に示すスイッチＳ３１〜Ｓ３３，スイッチＳ３４〜Ｓ３６をＯＮして巻線７７ターンに切り換え（ステップＳ５），要求出力ＷがＷ01より大きい場合には，要求出力Ｗを低減して（ステップＳ４），再度，要求出力ＷがＷ01より小さいか否かを判断する（ステップＳ３）。ステップＳ５で巻線７７ターンに切り換えると，要求出力Ｗが，ａ10・Ｎ＋Ｗ10より大きいか否かを判断し（ステップＳ６），大きい場合にはコンデンサスイッチＳＣ1 〜ＳＣ６をＯＮし，小さい場合にはコンデンサスイッチＳＣ１〜ＳＣ６をＯＮすることなく，ステップＳ８に進む。ステップＳ８では，速度変化の度合い（ｄＮ／ｄｔ）がＵｃより大きく，負荷変動の度合い（ｄＬ／ｄｔ）がＬｃより大きいか否かを判断する（ステップＳ８）。
【００３１】
ステップＳ２で要求出力Ｗがａ1 ・Ｎ＋Ｗ11より小さい場合には，要求出力Ｗが
ａ2 ・Ｎ＋Ｗ22より大きいか否かを判断し（ステップＳ１１），要求出力Ｗが
ａ2 ・Ｎ＋Ｗ22より大きい場合には，要求出力ＷがＷ02より小さいか否かを判断する（ステップＳ１２）。出力ＷがＷ02より大きい場合は，要求出力Ｗを減少させる信号を送る。また，要求出力Ｗがａ2 ・Ｎ＋Ｗ22より大きく，Ｗ02より小さい場合にはスイッチＳ２１〜Ｓ２３，スイッチＳ２４〜Ｓ２６をＯＮして巻線６０ターンに切り換える（ステップＳ１４）。次いで，要求出力Ｗがａ20・Ｎ＋Ｗ20より大きいか否かを判断し（ステップＳ１５），要求出力Ｗが大きい場合にはコンデンサスイッチＳＣ２１〜ＳＣ２６をＯＮし（ステップＳ１６），処理はステップＳ８に進み，また，要求出力Ｗが小さい場合にはコンデンサスイッチＳＣ２１〜ＳＣ２６をＯＮすることなく，処理はステップＳ８に進む。また，処理ステップＳ１１において，要求出力Ｗがａ2 ・Ｎ＋Ｗ22より大きくない場合には，要求出力ＷがＷ03より小さいか否かを判断し（ステップＳ１８），出力ＷがＷ03より大きい場合には，要求出力Ｗを減少させる。また，要求出力ＷがＷ03より小さい場合には，スイッチＳ１１〜Ｓ１３，スイッチＳ１４〜Ｓ１６のＯＮして巻線４０ターンに切り換え，次いで処理はステップＳ８に進み，また，要求出力ＷがＷ03より小さくない場合には，出力絞り信号を出して要求出力Ｗを絞り（ステップＳ１７），再度，要求要求出力ＷがＷ03より小さいか否かを判断する（ステップＳ１８）。
【００３２】
ステップＳ８において，（ｄＮ／ｄｔ）がＵｃより大きく，（ｄＬ／ｄｔ）がＬｃより大きい場合には，デューティ制御スイッチＳＲ１〜ＳＲ６をＯＮし（ステップＳ９），次いで，電流約３Ａを流す（ステップＳ１０）。また，ステップＳ８において，（ｄＮ／ｄｔ）がＵｃより大きくなく，（ｄＬ／ｄｔ）がＬｃより大きくない場合には，処理はステップＳ２７に進んで弱めスイッチ即ちデューティ制御スイッチＳＲ１〜ＳＲ６をＯＦＦにする。ステップＳ１０において，電流を３Ａ流した後に，電圧Ｖが１３０Ｖより大きいか否かを判断し（ステップＳ２０），電圧Ｖが１３０Ｖより大きい場合には，電流Ｉｃを増加させ（ステップＳ２１），次いで，電圧Ｖが１３０Ｖより小さいか否かを判断し（ステップＳ２２），電圧Ｖが１３０Ｖより小さい場合には，電圧Ｖが１２０Ｖより大きいか否かを判断する（ステップＳ２３）。ステップＳ２２において，電圧Ｖが１３０Ｖより小さくない場合には，電流Ｉｃを増加させて電圧Ｗを低減し（ステップＳ２１），再度，電圧Ｖが１３０Ｖより小さいか否かを判断する（ステップＳ２２）。ステップＳ２３において，電圧Ｖが１２０Ｖより大きくない場合には，電流Ｉｃを減少させ（ステップＳ２４），再度，電圧Ｖが１２０Ｖより大きいか否かを判断する（ステップＳ２３）。ステップＳ２３において，電圧Ｖが１２０Ｖより大きい場合には，電圧Ｖは１３０Ｖと１２０Ｖの間の所望の一定電圧であるとして，その電圧Ｖの状態をΔｔ秒だけ固定する（ステップＳ２５）。次いで，処理は最初のステップＳ１に戻って上記の処理を繰り返す。
【００３３】
ステップＳ２５において，一定電圧Ｖとして，１３０Ｖ＞電圧Ｖ＞１２０Ｖの状態をΔｔ秒だけ固定した後に，速度変化の度合い（ｄＮ／ｄｔ）がＵｃより小さく，負荷変動の度合い（ｄＬ／ｄｔ）がＬｃより小さいか否かを判断し，小さい場合には，弱めスイッチ即ちデューティ制御スイッチＳＲ１〜ＳＲ６をＯＦＦし（ステップＳ２７），小さくない場合には，ステップＳ９に進んで，弱めスイッチＳＲ１〜ＳＲ６をＯＮする。ステップＳ２７において，デューティ制御スイッチＳＲ１〜ＳＲ６をＯＦＦし，次いで，電圧Ｖが１３０Ｖより大きいか否かを判断し（ステップＳ２８），電圧Ｖが１３０Ｖより大きい場合には，電圧Ｖを減じるため磁束制御籠７を１０°方向に移動させてステータに対する磁路空隙を大きくする（ステップＳ２９）。ステップＳ２８において，電圧Ｖが１３０Ｖより大きくない場合には，電圧Ｖが１２０Ｖより小さいか否かを判断する（ステップＳ３８）。ステップＳ２９で磁束制御籠７を１０°方向に移動させた後に，磁束制御籠７が移動距離１０°に到達したか否かを判断し（ステップＳ３０），磁束制御籠７が移動距離１０°に到達していない場合には，電圧Ｖが１３０Ｖより小さいか否かを判断し（ステップＳ３１），電圧Ｖが１３０Ｖより小さくない場合には，ステップＳ２９に進んで，磁束制御籠７を１０°方向に移動させる制御をする。
【００３４】
ステップＳ３０において，磁束制御籠７が移動距離１０°に到達し，なお電圧Ｖが高い場合には，デューティ制御スイッチＳＲ１〜ＳＲ６をＯＮし（ステップＳ３２），次いで，電圧Ｖが１３０Ｖより大きいか否かを判断する（ステップＳ３３）。電圧Ｖが１３０Ｖより大きい場合には，電流Ｉｃを増大させて電圧Ｖを低減する（ステップＳ３４）。次いで，電圧Ｖが１２０Ｖより大きいか否かを判断し（ステップＳ３５），電圧Ｖが１２０Ｖより大きい場合には，ステップＳ２６に進み，電圧Ｖが１２０Ｖより大きくない場合には，電流Ｉｃを減じて電圧Ｖを上げる処理をし（ステップＳ３６），次いで，電圧Ｖが１２０Ｖより大きいか否かを判断し（ステップＳ３７），電圧Ｖが１２０Ｖより大きくない場合には，ステップＳ３６の電流Ｉｃを減じる処理を繰返し，電圧Ｖが１２０Ｖより大きくなると，ステップＳ２６に進む。
【００３５】
ステップＳ３１において，電圧Ｖが１３０Ｖより小さい場合には，電圧Ｖが１２０Ｖより大きいか否かを判断し（ステップＳ４６），電圧Ｖが１２０Ｖより大きくない場合には，磁束制御籠７の移動量を１０°よりも小さい方向に低減する処理をし（ステップＳ４７），電圧Ｖが１２０Ｖより大きくなるまで処理を繰り返す。電圧Ｖが１２０Ｖより大きい場合には，電圧Ｖは，１３０Ｖと１２０Ｖの間の所望の一定電圧であるとして，その電圧Ｖの状態をΔｔ秒だけ固定する（ステップＳ４５）。次いで，処理は最初のステップＳ１に戻って上記の処理を繰り返す。
【００３６】
ステップＳ２８において，電圧Ｖが１３０Ｖより大きくない場合には，電圧Ｖが１２０Ｖより小さいか否かを判断する（ステップＳ３８）。電圧Ｖが１２０Ｖより小さくない場合には，電圧Ｖは，１３０Ｖと１２０Ｖの間の所望の一定電圧であるとして，その電圧Ｖの状態をΔｔ秒だけ固定する（ステップＳ４１）。電圧Ｖが１２０Ｖより小さい場合には，磁束制御籠７を０°側に移動させ，ステータとの間の磁路空隙を低減する方向に磁束制御籠７を移動させる（ステップＳ３９）。次いで，電圧Ｖが１２０Ｖより大きいか否かを判断し（ステップＳ４０），電圧Ｖが１２０Ｖより大きい場合には，電圧Ｖは，１３０Ｖと１２０Ｖの間の所望の一定電圧であるとして，その電圧Ｖの状態をΔｔ秒だけ固定する（ステップＳ４１）。電圧Ｖが１２０Ｖより大きくない場合には，磁束制御籠７をステータに対して磁路空隙が最小となる移動距離０°に到達したか否かを判断し（ステップＳ４２），磁束制御籠７が移動距離０°に到達しているのであれば，発電機の負荷を減少さする（ステップＳ４３）。磁束制御籠７が移動距離０°に到達していないのであれは，ステータ３９に戻って磁束制御籠７を移動距離０°側に移動させる処理を繰り返す。ステップＳ４３において，発電機の負荷を減少させた後に，電圧Ｖが１２０Ｖより大きくなったか否かを判断し（ステップＳ４４），電圧Ｖが１２０Ｖより大きくなっていなければ，ステップＳ４３に戻って発電機の負荷を減少させす処理をし，また，電圧Ｖが１２０Ｖより大きくなっていれば，電圧Ｖは，１３０Ｖと１２０Ｖの間の所望の一定電圧であるとして，その電圧Ｖの状態をΔｔ秒だけ固定する（ステップＳ４５）。次いで，処理は最初のステップＳ１に戻って上記の処理を繰り返す。この発電機の制御装置は，上記のように制御することによって，予め決められた一定の要求出力Ｗを得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
この発明による発電機の制御装置は，例えば，自動車の発電機，風力発電機として使用して好ましく，発電された電力は，各種機器の駆動，電灯，照明等の一般消費電力として，或いは電子機器等で消費するのに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明による発電機の制御装置の一実施例を示す概略回路図である。
【図２】この発電機の制御装置における各巻線における回転数に対する要求出力Ｗの関係の出力特性図を示すグラフである。
【図３】この発電機の制御装置における巻線の垂下特性を示すグラフである。
【図４】この発電機の制御装置の作動を示す処理フロー図である。
【図５】この発電機の制御装置の作動を示す処理フロー図である。
【図６】この発電機の制御装置の作動を示す処理フロー図である。
【図７】この発明による制御装置を備えた発電機を示す概略図である。
【図８】図１の発電機のＡ−Ａ断面を示し，磁束制御籠の歯部をステータの櫛部に整合させた状態を示す断面図である。
【図９】図７の発電機における磁束制御籠の作動状態を示し，ステータの櫛部と磁束制御籠の歯部とが整合した磁束を抑制しない状態を示す拡大説明図である。
【図１０】図７の発電機における磁束制御籠の作動状態を示し，ステータの櫛部と磁束制御籠の歯部とが非整合した磁束を抑制する状態を示す拡大説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
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
１０  櫛部
１４  巻線
１９  永久磁石
５３  開口
５４  電圧制御巻線
５５〜５７，６９  出力端子
５８  負荷
５９  中性点
６０  配線図
６１〜６６  端子
Ｃ１〜Ｃ６  コンデンサ
ＳＲ１〜ＳＲ６  デューティ制御スイッチ
ＳＣ1 〜ＳＣ６  コンデンサスイッチ
Ｓ１１〜１６，Ｓ２１〜２６，Ｓ３１〜３６  スイッチ
Ｗ    出力
【図１】
2009081977.tif 000004
【図２】
2009081977.tif 000005
【図３】
2009081977.tif 000006
【図４】
2009081977.tif 000007
【図５】
2009081977.tif 000008
【図６】
2009081977.tif 000009
【図７】
2009081977.tif 000010
【図８】
2009081977.tif 000011
【図９】
2009081977.tif 000012
【図１０】
2009081977.tif 000013