(57)【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永久磁石部材を備えたロータ，前記ロータの外周側で前記ハウジングに固定され且つ周方向に隔置して櫛部間のスロット部に配設された巻数の異なる二種類の巻線を備えたステータ，前記ロータと前記ステータとの間に介在された磁束制御装置，及び前記磁束制御装置をアクチュエータを作動して前記ステータに対して移動させて前記ロータの永久磁石部材から前記ステータの前記櫛部へ流れる磁束を制御するコントローラを有する永久磁石式発電機において，
前記巻数の多い高電圧側巻線によって三相交流を発生させるそれぞれのＵ相，Ｖ相及びＷ相の端子には前記ロータと同様の永久磁石部材を備えたロータを持つ電動機を接続し，  前記巻数の少ない低電圧側巻線によって三相交流を発生させるそれぞれのＵ相，Ｖ相及びＷ相の端子にはそれぞれ発生する発電電圧を抑制させるための別の巻線を構成するコイルを接続し，前記コイルは変圧器を構成する継鉄に二種類の巻線がそれぞれ逆方向に巻き上げられた一次側を構成し，前記変圧器の前記継鉄に巻き上げられた二次側を構成する巻線の端子が一定電圧を出力する出力端子を構成していることを特徴とする自己電圧制御型永久磁石式発電機。
【請求項２】
前記ステータに巻き上げられた二種類の前記巻線のうち，一方の前記巻線は前記電圧を一定にする装置を介して出力し且つ各種機器類に同時に一定電圧の電力を送るように構成され，他方の前記巻線は出力電圧をそのまま用いて駆動モータに直接送電し，それぞれの前記巻線への電流の供給をスイッチのＯＮ−ＯＦＦにより駆動制御することを特徴とする請求項１に記載の自己電圧制御型永久磁石式発電機。
【請求項３】
前記発電機の前記ロータの回転数の上昇に従って上昇する出力電圧に対応して前記変圧器の前記コイルに発生するリアクタンスによって前記出力電圧にブレーキをかけて予め決められた一定電圧を発電させると共に，更に高速回転時には変圧器コアに一方の前記巻線と逆向きに巻き上げられた他方の前記巻線によって変圧器磁束を減少させることを特徴とする請求項１又は２に記載の自己電圧制御型永久磁石式発電機。
【請求項４】
前記低電圧側巻線は一定電圧になるように前記ステータの前記櫛部に巻き上げられた前記巻線と前記変圧器の前記巻線の前記コイルにより電圧制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の自己電圧制御型永久磁石式発電機。
【請求項５】
前記一定電圧側の前記出力端子には，前記変圧器の主巻線とサブ巻線から成る二種類の前記巻線に接続し，前記サブ巻線は前記主巻線の巻方向と逆向きに巻き上げられ，低速では前記主巻線により変圧器コアに磁力を発生せしめ，高速ではスイッチをＯＮとして前記変圧器内に逆向きで同波長で同周期の電流を前記サブ巻線に流し，前記変圧器コア内の磁束を減少せしめることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の自己電圧制御型永久磁石式発電機。
【請求項６】
前記変圧器の主巻線とサブ巻線から成る二種類の前記巻線にＯＮ−ＯＦＦのスイッチを取り付け，前記スイッチによって発電機速度がごく低速の時は二種類の前記巻線が同一巻き方向になるように切り換え，中速の時は前記主巻線のみをＯＮし，また，高速の時は前記主巻線に対して前記サブ巻線が逆方向に電流が流れるようにスイッチを切り換えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の自己電圧制御型永久磁石式発電機。
【請求項７】
前記変圧器の前記出力端子は整流器に接続し，前記整流器で整流した電力はバッテリーに接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の自己電圧制御型永久磁石式発電機。
【請求項８】
前記変圧器に一次巻線の前記サブ巻線の径路に可変抵抗器を挟み，逆電流を制御することにより二次巻線の電圧を一定にする制御をすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の自己電圧制御型永久磁石式発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，永久磁石式ロータと該ロータの外周に配置されたステータとから成る自己電圧制御型永久磁石式発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，永久磁石式発電機は，発電機の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る。そのため，永久磁石式発電機は，従来のハイブリッド車の発電機や電動機として用いられ，近年，永久磁石式発電機を用いたシステムが自動車用として利用されることが多くなってきた。発電機と電動機とを備えたハイブリッド車に上記システムを設け，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は十分に発揮できるが，この電力を自動車の全ての装置を駆動しているバッテリ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。発電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，高価になる。しかも，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】
特開平７−２３６２６０号公報に開示された高出力交流発電・電動機は，回転速度に応じて磁束密度を制御して発電量を適正に制御するものであり，ロータとステータとの間に制御リングを相対回転可能に配置し，制御リングに接離可能な透磁性体を設けたものである。
【０００４】
しかしながら，自動車用発電機では，その電力発電特性は，通常，自動車機器類用は１２Ｖと２４Ｖが用いられ，産業機器駆動用は１００Ｖ又は２００Ｖが用いられているので，この電力に合致した電力を供給する必要がある。また，永久磁石を用いた高出力発電・電動機では，永久磁石の磁束が決まっているので，低速出力又は低速トルクを大きくするには，永久磁石を大きくするか又は周波数を大きくするか，巻線の巻き数を増加させ，ステータ側の磁力を増し，そのトルクを大きくしなければならない。また，発電・電動機で出力又はトルクを大きくするためには，ステータコアへの巻線の線材の線径を太くし，大電流を流し，ステータの磁力を増加させる必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで，本発明者は，上記のような不具合を解消するため，発電機の永久磁石式のロータとステータとの間即ちロータの外側にステータの一部を切り取った短冊状の透磁部を持つ磁束制御円筒を配置し，発電機の発電量が必要な時にはステータの櫛部に円筒の透磁部を重なり合う状態に移動させ，ステータの櫛部に磁束が十分に流れるようにし，発電電圧が多過ぎる時にはステータの櫛部と円筒の透磁部をずらした状態に移動させ，ステータの櫛部と磁束制御円筒の歯即ち透磁部の間に空隙を設け，ステータの櫛部に流れる磁力を減少させる。このような方法によって，発電機が常に一定の電圧を発電するものを先に出願した（例えば，特願２００１−２８６１０３号参照）。
【０００６】
ところで，自動車には，二つの電力機能がある。自動車の動力を駆動する動力駆動と自動車が備えている機器を駆動する低電圧機能であり，これらの二種類の電力を出力できる装置が必要である。また，発電機の回転変動が大きい自動車用では，最高回転数と最低回転時の速度の差が６〜７倍と大きく，一定電圧を必要とする側では，上記の磁束制御だけでは，必ずしも一定の発電電圧を発生させることができない。しかし，永久磁石式発電機では，ロータの回転数が大きくなると，発電機のステータに巻いた巻線にリアクタンス抵抗が発生し，電流の流れを減少させる。そこで，本発明者は，交流電流では巻線のリアクタンス抵抗は線材の抵抗と異なり，無効電力と呼ばれるように，発熱等の実害が無いので，むしろこのリアクタンス抵抗を利用して電圧の制御を行えば，効果的に電圧の上昇を抑制できると考えた。
発電機の出力電圧Ｅは次式で表される。
Ｅ＝φ×ｆ×Ｗｓ                        ・・・（１）
但し，φ：巻線を通過する磁力，ｆ；周波数，Ｗｓ；巻線の数
発電機の巻線部に発生するインピーダンスＺは次式となる。
Ｚ＝〔Ｒ2 ＋（ｆ×Ｌ）2 〕1 / 2         ・・・（２）
但し，Ｚ：インピーダンス，Ｒ：線抵抗，Ｌ：リアクタンス
（ｆ×Ｌ）2 の項は，無効電力となるので，実質的には熱発生等の抵抗にはならない。従って，周波数が大きくなるに従って，実質抵抗値は極端に大きくなり，端子電圧は小さくなる。即ち，発電機の出力電圧と端子電圧の関係は次式となる。  Ｅｓ＝Ｖｓ＋Ｉ×Ｚ                        ・・・（３）
但し，Ｅｓ：発電起電電圧，Ｖｓ：端子電圧，Ｚ：インピーダンス，Ｉ：電流
上記の式から判るように，発電機の回転が大きくなり，出力電圧が増加すると，それと同時にリアクタンスが大きくなり，出力電圧は抑制され，ほぼ一定値になる。この傾向は巻線の巻き数が大きくなるほど顕著になり，発電量にブレーキが掛かることになる。本発明者は，上記のような原理を用い巻線の巻き方を変え，自己制御型発電機を開発した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，三相の巻線の端子に変圧器を置き，その変圧器の巻線を用いて発電電圧の増加にブレーキをかけるようにコイルをそれぞれ接続し，ロータの回転数即ち周波数が増大しても，それに応じてコイルにブレーキ電圧を発生させて，常に予め設定された一定の発電電圧を発生させ，更に出力端子部に置いた変圧器に二種類の巻線を置き，三相電流から分岐した二つの電流を逆方向に流し，その干渉効果により高速時の電圧上昇を抑制させることを特徴とする自己電圧制御型永久磁石式発電機を提供することである。
【０００８】
この発明は，ハウジングに回転可能に支持された永久磁石部材を備えたロータ，前記ロータの外周側で前記ハウジングに固定され且つ周方向に隔置して櫛部間のスロット部に配設された巻数の異なる二種類の巻線を備えたステータ，前記ロータと前記ステータとの間に介在された磁束制御装置，及び前記磁束制御装置をアクチュエータを作動して前記ステータに対して移動させて前記ロータの永久磁石部材から前記ステータの前記櫛部へ流れる磁束を制御するコントローラを有する永久磁石式発電機において，
前記巻数の多い高電圧側巻線によって三相交流を発生させるそれぞれのＵ相，Ｖ相及びＷ相の端子には前記ロータと同様の永久磁石部材を備えたロータを持つ電動機を接続し，  前記巻数の少ない低電圧側巻線によって三相交流を発生させるそれぞれのＵ相，Ｖ相及びＷ相の端子にはそれぞれ発生する発電電圧を抑制させるための別の巻線を構成するコイルを接続し，前記コイルは変圧器を構成する継鉄に二種類の巻線がそれぞれ逆方向に巻き上げられた一次側を構成し，前記変圧器の前記継鉄に巻き上げられた二次側を構成する巻線の端子が一定電圧を出力する出力端子を構成していることを特徴とする自己電圧制御型永久磁石式発電機に関する。
【０００９】
この永久磁石式発電機は，前記ステータに巻き上げられた二種類の前記巻線のうち，一方の前記巻線は前記電圧を一定にする装置を介して出力し且つ各種機器類に同時に一定電圧の電力を送るように構成され，他方の前記巻線は出力電圧をそのまま用いて駆動モータに直接送電し，それぞれの前記巻線への電流の供給をスイッチのＯＮ−ＯＦＦにより駆動制御するものである。
【００１０】
この永久磁石式発電機は，前記発電機の前記ロータの回転数の上昇に従って上昇する出力電圧に対応して前記変圧器の前記コイルに発生するリアクタンスによって前記出力電圧にブレーキをかけて予め決められた一定電圧を発電させると共に，更に高速回転時には変圧器コアに一方の前記巻線と逆向きに巻き上げられた他方の前記巻線によって変圧器磁束を減少させるものである。
【００１１】
この永久磁石式発電機において，前記低電圧側巻線は一定電圧になるように前記ステータの前記櫛部に巻き上げられた前記巻線と前記変圧器の前記巻線の前記コイルにより電圧制御される。
【００１２】
この永久磁石式発電機は，前記一定電圧側の前記出力端子には，前記変圧器の主巻線とサブ巻線から成る二種類の前記巻線に接続し，前記サブ巻線は前記主巻線の巻方向と逆向きに巻き上げられ，低速では前記主巻線により変圧器コアに磁力を発生せしめ，高速ではスイッチをＯＮとして前記変圧器内に逆向きで同波長で同周期の電流を前記サブ巻線に流し，前記変圧器コア内の磁束を減少させるものである。
【００１３】
この永久磁石式発電機は，前記変圧器の主巻線とサブ巻線から成る二種類の前記巻線にＯＮ−ＯＦＦのスイッチを取り付け，前記スイッチによって発電機速度がごく低速の時は二種類の前記巻線が同一巻き方向になるように切り換え，中速の時は前記主巻線のみをＯＮし，また，高速の時は前記主巻線に対して前記サブ巻線が逆方向に電流が流れるようにスイッチを切り換えるものである。
【００１４】
前記変圧器の前記出力端子は整流器に接続し，前記整流器で整流した電力はバッテリーに接続されている。
【００１５】
この永久磁石式発電機は，前記変圧器に一次巻線の前記サブ巻線の径路に可変抵抗器を挟み，逆電流を制御することにより二次巻線の電圧を一定にする制御をするものである。
【００１６】
この永久磁石式発電機は，上記のように，高電圧側の三相交流の巻線を作動モータにスイッチを介して直接連結し，低電圧側の三相交流の巻線を変圧器の一次側の二種類の巻線にそれぞれ接続し，二種類の巻線の巻き数を交流発電機の発電電圧を抑制させる巻き数に選び，発電機側の巻線の巻き数を変圧器の巻線より多くして低速回転時に所定の電圧が出るようにし，変圧器の巻線を巻数の大きい主巻線と巻数の小さいサブ巻線とし，低速時には変圧側のインピーダンスは小さいので，変圧器の変圧効果によって所定の電圧が出るようにし，ロータの回転数即ち周波数が増大すると，変圧器の二種類の巻線によってインピーダンスによる電流抑制効果を発生させ，電圧の上昇を抑える。このように構成した発電機では，周波数が増加すると，サブ巻線側に電流を流し，逆方向に磁界を作り，電圧を降下させる方法により，低速時には周波数が小さいので磁力が支配的となり，大きな電力が発生するが，巻線の数が比較的少ないので，発電機の抵抗は巻線抵抗のみであり，発電電力は変圧器の巻線比によって昇圧される。
【００１７】
この永久磁石式発電機は，発電機の回転の増加と共に発電電圧が比例的に上昇するが，中速時には発電機の巻線によるリアクタンスと変圧器の巻線によるリアクタンスによって無効電力が増大し，電圧上昇を抑制することができる。例えば，トラック用エンジンのようにアイドリング回転が極端に低い状態で運転される場合には，発電機の巻線の多い方が発生電圧を増加させるので，その状態では発電機の電圧は巻線効果だけで電圧が高くなる。しかし，この永久磁石式発電機は，中速時に交流発電機の電圧制御効果を発電機の巻線とその出力端子に設けた変圧器の巻線に発生するリアクタンスの無効電力により抑制するものであるが，電流が小さい時には電圧が上昇するので，磁束制御装置即ち電圧制御装置によって電圧を制御し，発電出力を直接整流器を通してバッテリーに入力させる。バッテリーは，電圧調整機能を持つので，更に安定した電圧の電力を供給できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による自己電圧制御型永久磁石式発電機の実施例を説明する。この自己電圧制御型永久磁石式発電機は，例えば，自動車等の車両に搭載されたエンジンに設けた発電機，コージェネレーションシステムのエンジンに組み込まれた発電機，ハイブリット自動車のエンジン等の出力軸に取り付けられた発電機，排気ガスエネルギを回収するターボチャージャに組み込まれた発電機，或いはエネルギ回収装置に設けた発電機が車両に搭載された補機や冷凍機等の機器等を駆動するのに適用したり，或いはハイブリット車の電動機を駆動するのに適用して好ましいものである。
【００１９】
自己電圧制御型永久磁石式発電機には，ステータ４の櫛部１０を流れる磁束を制御する磁束制御装置７が設けられたものがある。この実施例では，永久磁石式発電機は，図７〜図１０に示すように，ステータ４が取り付けられたハウジング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の外周側に配置され且つハウジング１に固定されているステータ４，ステータ４の内周側にステータ４に対して揺動可能に取り付けられた磁束制御装置７，及び磁束制御装置７をロータ３の回転速度に応じてステータ４に対して揺動移動させるアクチュエータ２５から構成されている。ハウジング１は，例えば，両側の一対のハウジング本体３０と両ハウジング本体３０を連結する中間部のボルト３１とから構成されている。また，回転軸２には，例えば，回転軸２の一端部に入力となるベルトプーリ４５が固定され，ベルトプーリ４５にエンジンの出力軸に取り付けたベルトが掛けられている。また，回転軸２の他端部には，ロータ３やステータ４で発生する熱を放熱するため冷却ファン４６が取り付けられている。ロータ３の透磁部材６とハウジング１には，冷却ファン４６で発生する冷却風が流れる通風孔２８，４７が形成されている。ステータ４は，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櫛歯状の櫛部１０と外周部を形成するリング状継鉄部１７から成る薄板積層形のステータコア１５，櫛部１０に巻き上げられるようにスロット部１１内に配設された巻線１４，及び巻線１４を成形固定するためスロット部１１内に配設された非磁性材から構成されている。
【００２０】
この永久磁石式発電機において，巻線１４は，例えば，ステータ４のステータコア１５の櫛部１０に巻き上げられた巻数の多い高電圧側巻線１８と，櫛部１０に巻き上げられた巻数の少ない低電圧側巻線１９とから構成されている（図１，図４）。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，磁束制御装置７が接触状態に且つステータ４に対して揺動移動可能に配置されている。磁束制御装置７は，ハウジング１に軸受を介して回転又は揺動自在に取り付けるか，又は軸受を使用することなく，ステータコア１５に回転自在に接触状態に嵌合させることによってステータコア１５に対して回転可能に取り付けることができる。
【００２１】
ロータ３は，図７に示すように，回転軸２の外周に取り付けられた冷却用の通風孔２８を備えた透磁部材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補強部材１６を備えている。永久磁石部材５は，周方向に隔置して極性が交互に異なる状態に配置され且つ軸方向に延びる永久磁石板片２０と，隣接する永久磁石板片２０間に介在された非磁性材２１とから構成されている。また，非磁性材２１は，巻線１４の発熱によって溶損しない耐熱性材料で構成されている。また，透磁部材６は，例えば，透磁材と非磁性材が周方向に交互に配置して軸方向に延びて円筒状に形成されている。この永久磁石式発電機は，ロータ３の一端には，回転軸２に設けられたねじ３２に押さえ板３４を介して固定ナット３３が螺入され，他端には回転軸２に固定された押さえ板３５とスペーサ２９が設けられ，固定ナット３３で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，磁束制御装置７とロータ３との間には，可及的に小さい隙間２２が形成されている。
【００２２】
この永久磁石式発電機は，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装置７，磁束制御装置７をステータ４に対してロッド２６を介して揺動させるアクチュエータ２５，及びロータ３の回転速度に応答して磁束制御装置７の揺動量を制御するコントローラ４０（図１）を有する。磁束制御装置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で隔置された櫛部１０に接触可能な透磁性突起部である透磁部８と，内周側が透磁部８を互いに連繋するブリッジ部９とから構成されたリング状連続体に形成されている。
【００２３】
また，磁束制御装置７の透磁部８は，周方向に隔置して配置され且つステータ４の櫛部１０間のスロット部１１の幅より小さい幅を有する概略断面四角形状に形成され，その外面２３が櫛部１０の内面２４に対向状態に接触可能に構成されている。また，図９及び図１０に示すように，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６７が形成されており，また，磁束制御装置７の透磁部８には，その外周端面の角部にチャンファ６８が形成されている。更に，磁束制御装置７は，透磁部８とブリッジ部９との境界における磁束の流れをスムースにするため，透磁部８に形成された凹部１２の角部がＲ部４２に形成されている。磁束制御装置７の透磁部８は，ロータ３側の内側部が周方向に幅広になる張り出し部となるＲ部４２に形成されている。従って，磁束制御装置７のブリッジ部９は，永久磁石部材５からの磁束の流れをスムースにして磁束の漏れを低減する集磁部として機能する。
【００２４】
コントローラ４０（図１）は，磁束制御装置７のステータ４に対する揺動によって，透磁部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４０の指令によって磁束制御装置７がステータ４に対して相対揺動すると，透磁部８の外面２３と櫛部１０の内面２４との密接状態は調整され，磁束制御装置７の透磁部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４０は，ロータ３の低速時にはアクチュエータ２５を作動して透磁部８と櫛部１０との合口が整合状態になる制御を行い（図８，図９），また，ロータ３の高速時には，アクチュエータ２５を作動して透磁部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（図１０）。また，コントローラ４０は，ロータ３のステータ４に対する回転速度，即ち，周波数ｆとステータ４の櫛部１０を流れる磁束φとの積（＝ｆ×φ）が一定になるように，アクチュエータ２５によって磁束制御装置７を揺動させて予め決められた所定の一定の電圧を発電させる制御を行う。即ち，図１０に示すように，コントローラ４０の制御によって磁束制御装置７が移動して磁束制御装置７の透磁部８がステータコア１５の櫛部１０間に位置した状態では，櫛部１０のチャンファ６７と透磁部８のチャンファ６８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。しかるに，このような磁束制御形発電機で，電圧を一定にし，インバータを用いて駆動に必要な周波数の電流を作るより，直接，永久磁石式電動機を作動させた方が効率的であることが多い。しかし，この発電機の出力として一定電圧の出力も必要である。
【００２５】
次に，図１を参照して，この永久磁石式発電機を組み込んだシステムについて説明する。この永久磁石式発電機は，発電機の三相の巻線１４の高電圧側巻線１８の端子３６が電動機２７に接続され，また，低電圧側巻線１９の端子３７が変圧器４１の一次側の継鉄４８の巻き上げられたコイル３８，３９を接続されていることを特徴とする。即ち，この永久磁石式発電機では，ステータ４のスロット部１１に配設された巻線１４は，巻き数の多い高電圧巻線１８と巻き数の少ない低電圧巻線１９とから成り，高電圧巻線１８と低電圧巻線１９が三相交流をそれぞれ発生させるようにステータ４の櫛部１０に巻き上げられている。
【００２６】
この永久磁石式発電機では，巻線１４の低電圧側巻線１９によって三相交流を発生させるそれぞれのＵ相，Ｖ相及びＷ相の端子３７に，巻線１４にそれぞれ発生する発電電圧を抑制させる巻き数に設定されたコイル３８，３９が接続されている。コイル３８，３９は，変圧器４１を構成する継鉄４８に巻き上げられた一次側５０のコイル３８，３９を構成し，また，変圧器４１の継鉄４８に巻き上げられた二次側５１を構成する巻線５９が一定電圧を出力する出力端子５３を構成している。更に，サブコイル３９の入力側には抵抗値の小さい可変抵抗器５４が介在している。更に，変圧器４１の二次側５１の巻線５９の出力端子５３は整流器４３に接続され，整流器４３の出力側は，バッテリ４９に接続されている。また，二次側５１の巻線５９間には，電圧測定器５２が設けられている。低電圧側巻線１９の中性点５７は，主コイル３８とサブコイル３９との他端に接続されている。変圧器４１の一次側５０のコイル３８，３９は，符号３９が主コイル及び符号３８がサブコイルであり，主コイル３８とサブコイル３９の間にはスイッチ５５が組み込まれている。特に，主コイル３８とサブコイル３９とは，巻線の巻方向が逆になっている。コントローラ４０の指令によってスイッチ５５をＯＮ−ＯＦＦ制御し，低速時には主コイル３８が作動し，また，高速時にはサブコイル３９に電流を流し，主コイル３８の作る磁界と逆方向の磁界を作り出す。
【００２７】
また，この永久磁石式発電機では，巻線１４の高電圧側巻線１８によって三相交流を発生させるそれぞれのＵ相，Ｖ相及びＷ相の端子３６に，電動機２７のそれぞれのＵ相，Ｖ相及びＷ相の巻線６０がスイッチ４４を介して接続されている。高電圧側巻線１８における三相の中性点５６は，電動機２の三相の巻線６０の中性点６１に接続されている。スイッチ４４は，コントローラ４０の指令でＯＮ−ＯＦＦ制御するように構成されている。
【００２８】
コントローラ４０は，回転速度に応じてスイッチ５５を作動して低速回転時には主コイル３８を通電させて必要電圧を確保し，また，高速回転時には変圧器４１の磁束を低減させるよう逆方向に電流を流すようにサブコイル３９に電流を流し，継鉄４８を通る磁束を低減する制御をし，更に，サブコイル３９に取り付けた可変抵抗器５４によりサブコイル３９の電流を増減させることにより二次側コイル即ち巻線５９の電圧を一定にする制御をする。また，コントローラ４０は，低速回転時には高電圧巻線１８を有効にし，高速回転時には低電圧巻線１９を有効にして所定の一定電圧を発電させる制御をする。
【００２９】
次に，この永久磁石式発電機における変圧器の別の実施例を図５及び図６を参照して説明する。変圧器５８については，変圧器４１と同様な機能を有する部品には同一符号を付している。変圧器５８は，変圧器４１と比較して，一次側５０の巻線に接続する回路に設けたスイッチ６４，６５及び６６を設けた点が異なる以外は，同一の構成を有するものであり，コントローラ４０の指令によるスイッチ６４，６５及び６６の切り換え制御によって異なった機能を達成できるものである。
【００３０】
図５及び図６に示すように，変圧器５９の一次側５０に主コイル６２とサブコイル６３を設けられている。発電機のロータ３の低速度時には，インピーダンスが小さいので，コントローラ４０の指令によってスイッチ６４をＯＦＦし，スイッチ６５をＯＮし，またスイッチ６６をＯＦＦにする制御を行い，それによって両方の主コイル６２とサブコイル６３を同一方向に作用させ，電圧即ち出力を大きくする。また，ロータ３の中速度時では，コントローラ４０の指令によってスイッチ６４，６５をＯＦＦし，スイッチ６６をＯＮにすると，主コイル６２のみが作用し，サブコイル６３への電流が遮断される。更に，ロータ３の高速度時では，コントローラ４０の指令によってスイッチ６４，６６をＯＮし，スイッチ６５をＯＦＦにすると，主コイル６２に対してサブコイル６３に逆電流が流れ，継鉄４８を流れる磁束を小さくし，二次側５１のコイル５９には所望の一定電圧を出力できるように制御される。
【００３１】
上記に説明したように，発電機のステータ４に巻いてある巻線１４の巻き数を大きくすると，発電電圧が大きくなるが，一方ではリアクタンスの増大によるインピーダンスも増大する。この状態で周波数が大きくなった時に，発電電圧を一定の値に押さえることはかなり難しいので，そこで，この自己電圧制御型永久磁石式発電機は，コイル３８，３９によるインピーダンスを発電機の巻線１４の外部に持たせることによって効果的に，確実に発電電圧を一定に保たせることができるようになった。即ち，この永久磁石式発電機は，三相交流の巻線１４のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の端子３７にそれぞれ変圧器４１のコイル３８，３９を置き，コイル３８，３９の巻き数を交流発電機の発電電圧を抑制させる巻き数に選んで設定する。発電機側のコイル３８，３９はその巻き数を逆方向に選定し，低速回転時に所定の電圧が出るようにし，変圧側のインピーダンスは小さいので，変圧器４１の変圧効果によって所定の一定電圧が出るようにし，周波数が増大すると，変圧器４１の巻線即ちコイル３８，３９にはインピーダンスによる電流抑制効果が発生し，電圧の上昇を抑える。
【００３２】
このように構成した永久磁石式発電機では，低速時には，上記（１）式で表されるように，周波数ｆが小さいので磁力が支配的となり，大きな電力が発生するが，コイル３８，３９の数が比較的少ないので，発電機の抵抗は巻線抵抗のみであり，変圧器４１の二次側５１の出力端子５３からの発電電力は，変圧器４１の巻線比によって昇圧又は降圧される。発電機の回転の増加と共に発電電圧は比例的に上昇するが，発電機の巻線１９によるリアクタンスと変圧器４１のコイル３８，３９によるリアクタンスによって無効電力が増大し，電圧上昇を抑制することができる。例えば，トラック用エンジンのようにアイドリング回転が極端に低い状態で運転される場合には，発電機の巻線１８の多い方が発生電圧を増加させるので，その状態では発電機の電圧は巻線効果だけで電圧が高くなる。
【００３３】
上記のように，この永久磁石式発電機は，交流発電機の電圧制御効果を発電機の巻線１８，１９とその出力端子３７に設けた変圧器４１のコイル３９に発生するリアクタンスの無効電力により抑制することを特徴とする。勿論，この発電機は，電流が小さい時には，電圧が上昇するので，発電機のステータ部に取り付けられた磁束制御装置７によってその電圧上昇を抑制する。即ち，磁束制御装置７は，例えば，エンジン回転数が小さい時には，変圧器４１の巻線３８側に切り換えてステータ４の巻線１９側を流れる磁束を増加させて一定の発電電力を出力させ，エンジン回転数が大きい時には，巻線３９側に電流を流すようにスイッチ５５を切り換えて変圧器４１を流れる磁束を抑制して，二次側コイル５１に一定の発電電圧を出力させる。
【００３４】
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，ロータ３の回転数ｆが多くなれば，それに従って無負荷電圧ＮＶが上昇するが，それに伴ってインピーダンス〔Ｒ2 ＋（ｆＬ）2 〕1 / 2 が増大し，電圧上昇を抑制するが，端子電圧ＥＶはそれに伴って上昇する。また，コイル３９によるリアクタンスは，図２に示すように，電流Ｉが大きい場合にはＩＶＬ，中間ではＩＶＭ，及び小さい時にはＩＶＳになる。しかしながら，発電機と変圧器４１のリアクタンスは，回転数即ち周波数ｆのみによって変化するので，流れる電流は周波数ｆによらず一定となり，周波数ｆの増大に伴って端子電圧ＥＶが増大するので，一定の出力電圧を得ることはできない。また，この永久磁石式発電機では，三相電源の端子３７にコイル３８，３９が配置されているので，ロータ３の回転数即ち周波数ｆが多くなれば，それに伴ってコイル３９によるリアクタンスが増大し，インピーダンスが増大する。しかし，この状態では，変圧器４１の二次側５１の電圧を一定にすることができないので，一次側５０のコイルとして逆方向に巻き上げられた二種類のコイル３８，３９を配設し，主コイル３８に対向して逆磁界が流れるよう，サブコイル３９を設け，高速時に逆電流を流し，変圧器４１の磁束を減少させる。すると，二次側５１の巻線即ちコイル５９には誘導電流が流れないようになり，電圧が降下し，図３のように，一定電圧を得ることができる。
【００３５】
この永久磁石式発電機は，上記のように，高電圧側巻線１８の出力端子３６には発電電圧がかかり，低電圧側巻線１９の出力端子３７には電圧抑制機構が作用し，コントローラ４０は，高速時に磁束制御用スイッチ５５の作動に応答して変圧器４１の磁束を小さくさせ，二次側５１に一定電圧の電力提供する。
【００３６】
【発明の効果】
この発明による自己電圧制御型永久磁石式発電機は，上記のように構成されているので，発電機の端子に接続されたコイルがブレーキ電圧を発生させ，従って，変圧器の二次側の巻線の出力端子から常に一定の電圧を出力することができる。また，ステータには，高電圧用巻線と低電圧用巻線が巻き上げられているので，ロータの低速時には高電圧用巻線を付勢し，ロータの高速時には低電圧用巻線を付勢することによって，常に一定の電圧を発電させることができる。更に，ステータとロータとの間には，磁束制御装置が配置されているので，ロータの永久磁石部材からステータの櫛部へ流れる磁束は調整され，一定電圧を出力するように制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による自己電圧制御型永久磁石式発電機の一実施例を示す配線図である。
【図２】この永久磁石式発電機における発電電圧及び端子電圧に対する周波数と電圧との関係を示すグラフである。
【図３】この永久磁石式発電機における変圧器の一次側と二次側の端子電圧に対する周波数と電圧との関係を示すグラフである。
【図４】この発明による自己電圧制御型永久磁石式発電機のステータに巻き上げた高電圧用巻線と高電圧用巻線の巻き上げ状態を示す説明図である。
【図５】この発明による自己電圧制御型永久磁石式発電機における変圧器の別の実施例を示す配線図である。
【図６】図５の変圧器の符号Ａ部分を示す拡大図である。
【図７】この発明による自己電圧制御型永久磁石式発電機を示す概略断面図である。
【図８】図７に示すこの永久磁石式発電機のＩ−Ｉ断面であって磁束を絞らない位置に磁束制御装置が揺動した状態を示す断面図である。
【図９】図７に示す磁束制御装置によって磁束が絞られない状態を示す要部を拡大した一部断面図である。
【図１０】図７に示す磁束制御装置によって磁束が絞られた状態を示す要部を拡大した一部断面図である。
【符号の説明】
１    ハウジング
３    ロータ
４    ステータ
５    永久磁石部材
７    磁束制御装置
１０  櫛部
１１  スロット部
１４  巻線
１８  高電圧側巻線
１９  低電圧側巻線
２７  電動機
３６  発電機の出力端子（高電圧側）
３７  発電機の出力端子（低電圧側）
３８，６２  主コイル（一次側）
３９，６３  サブコイル（一次側）
４０  コントローラ
４１，５８  変圧器
４３  整流器
４４  スイッチ（電動機側）
４８  変圧器の継鉄
４９  バッテリ
５０  一次側
５１  二次側
５３  出力端子
５４  可変抵抗器
５５，６４，６５，６６  スイッチ（変圧器の一次側）
５９  変圧器の二次側巻線
６０  電動機の巻線
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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