(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且つ前記ステータの前記櫛部と対応する櫛状の透磁部を備えた磁束制御装置，前記磁束制御装置を前記ステータの円周方向に対して移動させるアクチュエータ，前記巻線によって三相交流を発生させるそれぞれの端子に接続され且つ前記巻線にそれぞれ発生する発電電圧を減少させ且つ前記ロータの回転数の上昇に従って上昇する発電電圧をコイルリアクタンスによる無効電力によって出力電圧にブレーキをかけて予め決められた一定電圧で可変出力を発電させるように予め決められた巻き数を設定された電圧制御用ソレノイドコイル，前記ステータに巻き上げられた前記巻線の前記端子と前記ソレノイドコイルとの間に組み込まれているコンデンサ，及び前記アクチュエータを作動して前記磁束制御装置を前記ステータに対して移動させて前記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し，
前記コントローラは前記アクチュエータを作動して負荷電流の小さい時には前記磁束制御装置を移動させて前記透磁部と前記櫛部とをずらし且つ高速回転時には前記磁束制御装置を更に移動させて前記透磁部を前記櫛部の中間に配置し，前記櫛部に流れる磁束を調整して発電電圧を予め決められた一定電圧に制御することから成る自己電圧制御型永久磁石式発電機。
【請求項２】
前記ステータの前記スロット部に配設された前記巻線は，巻き数の多い高電圧巻線と巻き数の少ない低電圧巻線とから成ると共に前記高電圧巻線と前記低電圧巻線が三相交流をそれぞれ発生させるように前記ステータの前記櫛部に巻き上げられていることから成る請求項１に記載の自己電圧制御型永久磁石式発電機。
【請求項３】
前記電圧制御用ソレノイドコイルの一端は前記ステータに巻き上げられた前記巻線の前記出力端子にそれぞれ接続され，前記電圧制御用ソレノイドコイルの他端は整流器に接続され，前記電圧制御用ソレノイドコイルの入口側の前記出力端子間に並列にコンデンサが接続されていることから成る請求項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】
前記高電圧側巻線と前記低電圧側巻線とは，周方向に電気角１２０°ずつ位相がずれた三相にそれぞれ巻き上げられ，前記コントローラは，前記整流器の端子に設けられた電圧計で測定された出力に応じて前記磁束制御装置を作動させて前記高電圧側巻線の電圧を低減させるため前記ステータの前記櫛部と前記磁束制御装置の前記透磁部をずらす動作を行い，前記ステータの磁路における磁力を適正化して出力電圧を一定に維持することから成る請求項３に記載の自己電圧制御型永久磁石式発電機。
【請求項５】
前記磁束制御装置は，前記ステータの前記スロット部の幅より小さい幅を有する前記櫛部に接触可能な前記透磁部と前記透磁部間が凹部に形成され且つ隣接する前記透磁部を互いに連繋する透磁性のブリッジ部とからリング状に形成され，前記コントローラは，前記アクチュエータを作動して前記透磁部の前記櫛部に対する揺動量を制御して前記透磁部から前記櫛部へと流れる磁束を制御することから成る請求項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】
前記電圧制御用ソレノイドコイルの巻線抵抗は，前記ステータの前記巻線コイルの抵抗より小さく，また，前記電圧制御用ソレノイドコイルのインダスタンスは，前記巻線コイルと同等以下に設定され，定格出力時に低速から高速まで予め決められた一定電圧になるように構成されていることから成る請求項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。
【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，及び該ロータの外周に配置されたステータ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，複数の補機類を同時に駆動する場合，又は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，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同一発電機で同時に供給する必要がある。また，永久磁石を用いた高出力電動機では，永久磁石の磁束が決まっているので，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電流を大きくし，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，電動機で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。また，永久磁石を組み込んだ回転子を回転させた発電機で大電力を発生させ，電動機で装置を駆動させるシステムにおいて，電圧を一定にするような仕組みを用いると，発電機に対して種々の機器を設けなければ成らない。
【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】
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，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。また，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，巻線のリアクタンス抵抗は線材の抵抗と異なり，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 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，それと同時にインピーダ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。しかし，発電機の巻線を増加させると，出力電圧も増加し，高速度では，８００Ｖ〜１０００Ｖにも到達し，制御できなくなる。そこで，発電機の外に，無効電力を発生するようなリアクタンスシステムを加えれば，電力のロスを小さくして電圧を制御できる。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，発電機の巻線の端子に発電電圧上昇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た時，それに対応したブレーキ電圧をコイルに発生させて，常に予め設定された一定の発電電圧を発生させ，更に，透磁部と非透磁部とを交互に配置した磁束制御円筒をロータとステータとの間に配置し，磁束制御円筒をステータに対して揺動移動させ，透磁部とステータの櫛部とをずらすことによってロータからステータへの磁束密度を変化させて電流が減少した時，上昇する電圧を一定電圧に制御し，一定の発電電圧を発生させ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且つ前記ステータの前記櫛部と対応する櫛状の透磁部を備えた磁束制御装置，前記磁束制御装置を前記ステータの円周方向に対して移動させるアクチュエータ，前記巻線によって三相交流を発生させるそれぞれの端子に接続され且つ前記巻線にそれぞれ発生する発電電圧を減少させ且つ前記ロータの回転数の上昇に従って上昇する発電電圧をコイルリアクタンスによる無効電力によって出力電圧にブレーキをかけて予め決められた一定電圧で可変出力を発電させるように予め決められた巻き数を設定された電圧制御用ソレノイドコイル，前記ステータに巻き上げられた前記巻線の前記端子と前記ソレノイドコイルとの間に組み込まれているコンデンサ，及び前記アクチュエータを作動して前記磁束制御装置を前記ステータに対して移動させて前記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し，前記コントローラは前記アクチュエータを作動して負荷電流の小さい時には前記磁束制御装置を移動させて前記透磁部と前記櫛部とをずらし且つ高速回転時には前記磁束制御装置を更に移動させて前記透磁部を前記櫛部の中間に配置し，前記櫛部に流れる磁束を調整して発電電圧を予め決められた一定電圧に制御することから成る自己電圧制御型永久磁石式発電機に関する。
【０００９】
前記ステータの前記スロット部に配設された前記巻線は，巻き数の多い高電圧巻線と巻き数の少ない低電圧巻線とから成ると共に前記高電圧巻線と前記低電圧巻線が三相交流をそれぞれ発生させるように前記ステータの前記櫛部に巻き上げられている。
【００１０】
この自己電圧制御型永久磁石式発電機は，前記電圧制御用ソレノイドコイルの一端は前記ステータに巻き上げられた前記巻線の前記出力端子にそれぞれ接続され，前記電圧制御用ソレノイドコイルの他端は整流器に接続され，前記電圧制御用ソレノイドコイルの入口側の前記出力端子間に並列にコンデンサが接続されているものである。
【００１１】
前記高電圧側巻線と前記低電圧側巻線とは，周方向に電気角１２０°ずつ位相がずれた三相にそれぞれ巻き上げられ，前記コントローラは，前記整流器の端子に設けられた電圧計で測定された出力に応じて前記磁束制御装置を作動させて前記高電圧側巻線の電圧を低減させるため前記ステータの前記櫛部と前記磁束制御装置の前記透磁部をずらす動作を行い，前記ステータの磁路における磁力を適正化して出力電圧を一定に維持するものである。
【００１２】
前記磁束制御装置は，前記ステータの前記スロット部の幅より小さい幅を有する前記櫛部に接触可能な透磁部と該透磁部間が凹部に形成され且つ隣接する前記透磁部を互いに連繋する透磁性のブリッジ部とからリング状に形成され，前記コントローラは，前記アクチュエータを作動して前記透磁部の前記櫛部に対する揺動量を制御して前記透磁部から前記櫛部へと流れる磁束を制御する。
【００１３】
この自己電圧制御型永久磁石式発電機では，前記電圧制御用ソレノイドコイルの巻線抵抗は，前記ステータの前記巻線コイルの抵抗より小さく，また，前記電圧制御用ソレノイドコイルのインダスタンスは，前記巻線コイルと同等以下に設定され，定格出力時に低速から高速まで予め決められた一定電圧になるように構成されている。
【００１４】
永久磁石式発電機において，発電電圧が一定にならないので，電圧を変動させ，永久磁石式ロータとステータとの間に磁束制御装置を設けてステータを流れる磁束を制御することができるが，この方法だけでは高速領域では電圧を抑制することができず，徐々に電圧が増加する。高速領域での電圧を抑制するためには巻線の巻き数を増加させれば良いが巻線の巻き数を増加させれば，発電電圧を増加させることにもなり，高速では巻線の無効電力により電圧が大幅に下がってしまうので，あまり巻き数を増加させたくはない。そこで，この自己電圧制御型永久磁石式発電機では，発電電圧に関係しない無効電力を発生させるように，発電機の外に設けられたコイルリアクタンスによって無効電力を発生させ，電圧制御を行う方法が最も良い電圧制御方法であるので，発電機の外に電圧制御用ソレノイドコイルを配置すると，そのソレノイド部にコイルリアクタンスが発生し，電圧上昇のブレーキになる。
【００１５】
ステータにおいて，例えば，３６スロット部を形成し，１２ポールを持つ発電機で巻き数を１コイル２０ターンとすると，総計で２２０回の巻線がＵ，Ｖ，Ｗ相の三相にできる。コイルのリアクタンスが４ｍＨ位とすると，コイルに発生する発電電力は，発電機のロータの回転数の増大と共に，大きくなり，６００Ｖ〜７００Ｖにも到達する。巻線を多くして磁石の磁力を小さくすれば低中速時に電圧が一定になるが，高速ではコイルリアクタンスに負けて発生電圧は小さい。そこで，磁力を大きくして電圧を大きくすれば，電圧が上昇し過ぎ制御が利かない。上記の事例でいえば発電電力を発電機の巻線で制御できないので，無効電力発生用のソレノイドコイルを出力端子に連結し，そのリアクタンスを２ｍＨ〜１ｍＨとすれば，発電機の回転数が増すに従いソレノイド部に発電機の周波数上昇と共に，大きなリアクタンス抵抗が発生し，発電機とソレノイドコイルに大きな無効電力が発生する。
【００１６】
上記の無効電力は，巻線の抵抗熱にはならないので，無効電力によって電圧を制御すれば，発電機での発熱の問題等で苦しまなくて良い。ブレーキ用コイルは，３相交流の電力端子部分に３極纏めて継鉄に巻き込めば，効率的に，小スペース上に収めることができる。このような構造を用いた発電機は，巻線が発電機の回転が最低速で必要な発電ができるようにし，高速になるに従って巻線リアクタンスの効果により，ブレーキが掛かるので高速になっても一定の出力電圧にすることができる。この現象を，定格出力即ち電流が一定の場合に作り出せば良い。部分負荷領域では垂下特性として電圧が上昇するので，その場合は電圧制御籠即ち磁束制御装置をステータに対して移動させて電圧を一定にすることができ，システムが簡単で廉価な発電機が完成する。
【００１７】
【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，車両に搭載された補機や冷凍機等の機器等を駆動するための発電機に適用して好ましいものである。
【００１８】
この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が設けられているので，まず，磁束制御装置７について説明する。この永久磁石式発電機は，図５〜図８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。
【００１９】
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。巻線１４は，図１及び図４に示すように，例えば，櫛部１０に巻き上げられた巻数の多い高電圧側巻線１８と，同一の櫛部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，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。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。
【００２０】
ロータ３は，図５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。
【００２１】
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６０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。また，アクチュエータ２５は，例えば，直流モータ又はステッピングモータで構成されている。透磁部８は，ステータ４のスロット部１１の幅より小さい幅を有する。コントローラ６０は，アクチュエータ２５を作動して磁束制御装置７の透磁部８のステータ４の櫛部１０に対する揺動量を制御して透磁部８から櫛部１０へと流れる磁束を制御する。即ち，コントローラ６０は，アクチュエータ２５を作動して低速回転時には磁束制御装置７を移動させて透磁部８と櫛部１０とを整合させ，また，高速回転時には磁束制御装置７を移動させて透磁部８を櫛部１０からずらして櫛部１０に流れる磁束を低減する制御をし，また，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。
【００２２】
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７及び図８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。
【００２３】
コントローラ６０は，磁束制御装置７のステータ４に対する揺動移動によって，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６０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６０は，図６及び図７に示すように，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，また，ロータ３の高速時には，図８に示すように，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８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，高精度に隙間即ち空隙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。また，コントローラ６０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。しかし，回転数が大きくなると，φを余り小さくできないので，本発明のソレノイドコイルによる電圧制御が必要になる。
【００２４】
次に，この自己電圧制御型永久磁石式発電機について，発電機の三相の巻線１４の端子３６，３７に電圧制御用ソレノイドコイル３８，３９を配置した構成について説明する。この永久磁石式発電機は，特に，巻線１４（１８，１９）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３６，３７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電圧制御用ソレノイドコイル３８，３９がそれぞれ接続されている。電圧制御用ソレノイドコイル３８，３９は，継鉄４８，４９に巻き上げられ，その出力端子５２，５３に接続されている。更に，高電圧側巻線１８と電圧制御用ソレノイドコイル３８との間のラインでは，Ｕ相とＶ相との間，Ｖ相とＷ相との間，Ｕ相とＷ相との間にはコンデンサ６５が組み込まれている。また，低電圧側巻線１９と電圧制御用ソレノイドコイル３９との間のラインでは，Ｕ相とＶ相との間，Ｖ相とＷ相との間，Ｕ相とＷ相との間にはコンデンサ６６が組み込まれている。
【００２５】
Ｕ相，Ｖ相及びＷ相から成る高電圧側巻線１８に接続された電圧制御用ソレノイドコイル３８の出力端子５２は，整流器６１にそれぞれ接続されている。更に，電圧制御用ソレノイドコイル３８と整流器６１との間には，電圧計６７が組み込まれている。従って，高電圧側巻線１８で発生する電力は，整流器６１を通って出力端子６３から一定電圧を出力するものであり，ロータ３の回転数の上昇に従って上昇する発電電圧を電圧制御用ソレノイドコイル３８に発生するコイルリアクタンスによる無効電力によって出力電圧にブレーキをかけて予め決められた一定電圧で可変出力を発電させることになる。また，Ｕ相，Ｖ相及びＷ相から成る低電圧側巻線１９に接続された電圧制御用ソレノイドコイル３９の出力端子５３は，整流器６２にそれぞれ接続されている。従って，低電圧側巻線１９で発生する電力は，整流器６２を通ってバッテリー６４に蓄電されるものであり，ロータ３の回転数の上昇に従って上昇する発電電圧を電圧制御用ソレノイドコイル３９に発生するコイルリアクタンスによる無効電力によって出力電圧にブレーキをかけて予め決められた一定電圧で可変出力を発電させることになる。
【００２６】
永久磁石式発電機の出力性能は，発電機のロータ３に取り付けられた永久磁石の磁力によって起磁力が発生し，ステータ４の巻線１４に電流が流れ，電力となる。無負荷電圧で示される電圧を式であらわすと次式のようになる。
Ｅｓ＝φ×Ｆ×Ｗｓ＝Ｈｓ＋Ｚ×Ｉ
但し，Ｅｓ：無負荷電圧，φ：磁束の強さ，Ｆ：周波数，Ｗｓ：コイルの巻き数，Ｈｓ：端子電圧，Ｚ：インピーダンス，Ｉ：電流である。
従って，無負荷電圧Ｅｓは，ロータ３の回転数の増加と共に増大する。回転数の増加と共に，比例的に電圧が増大するのは無負荷電圧であるが，発電機系にはリアクタンスが作用していて電流が流れると，リアクタンスによって電圧が消費されるので，出力端子５２，５３には，式中のＨｓのみが出てくる。
ここで，巻線を増減してインピーダンスＺを大きくし，出力電圧を一定にできればよいが，発電機の巻き数を増せば，電圧が上昇し，インピーダンスも増大するがなかなか電圧が一定になるような電圧調整ができない。そこで，発電機の出力端子部にブレーキコイルを置き，ここでのインピーダンスＺによって電圧を一定にする。インピーダンスＺは次式で表される。
Ｚ＝〔Ｒ2 ＋（２πＦ×Ｌ）2 〕1 / 2 で表され，周波数の増大と共に大きくなるので，所定の回転数以上でこのブレーキ効果がでるようにコイル３８，３９のリアクタンスを決定すればよい。
例えば，３相交流の出力端子３６，３７に電圧制御用ソレノイドコイル３８，３９を継鉄４８，４９に三相に対応して３個巻き，他端を出力端子５２，５３に接続する。ブレーキコイル３８，３９では，やはり回転数の増大と共に，リアクタンスが増大し，出力端子部の電圧がほぼ一定になる。この方法を用いれば，ステータ４に巻き数の異なる２種類の電圧が出る発電機でもブレーキ用コイル３８，３９の巻線１４の選定によって自由自在に電圧レベルを一定にすることができる。ここで，負荷が小さくなると，垂下特性によって電圧が上昇するので，その場合，電圧調整籠即ち磁束制御装置の揺動によって電圧を下げることによりいかなる回転，負荷でも一定電圧を得ることができる。即ち，この永久磁石式発電機は，ロータ３の回転数の上昇に従って上昇する出力電圧に対応して，コイル３８，３９に発生するリアクタンスによって出力電圧にブレーキをかけて予め決められた一定電圧の出力電圧を発生させる。
【００２７】
また，電圧制御用ソレノイドコイル３８，３９の一端はステータ４に巻き上げられた巻線１８，１９の端子３６，３７に接続され，他端は出力端子５２，５３に接続されている。また，高電圧側巻線１８と低電圧側巻線１９とは，周方向に電気角１２０°ずつ位相がずれたＵ相，Ｖ相及びＷ相の三相にそれぞれ巻き上げられ，コントローラ６０は，磁束制御装置７の作動に応答して高電圧側巻線１８の電力に同期してスイッチを切り換えて低電圧側巻線１９へと切り換えを行い（或いは逆に低電圧側巻線１９から高電圧側巻線１８への切り換え），ステータ４の磁路における磁力を適正化して出力電圧を一定電圧に維持する。
【００２８】
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，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，電圧制御用ソレノイドコイル３８，３９によるリアクタンスを発電機の巻線１４（１８，１９）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。この自己電圧制御型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３６，３７に電圧制御用ソレノイドコイル３８，３９を接続し，電圧制御用ソレノイドコイル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。発電機側の電圧制御用ソレノイドコイル３８，３９は，その巻き数を多くし，低速回転時に所定の電圧が出るようにする。
【００２９】
このように構成した発電機では，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，電圧制御用ソレノイドコイル３８，３９の巻き数が比較的少ないので，この発電機の抵抗は巻線抵抗のみである。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，発電機の巻線によるリアクタンスと電圧制御用ソレノイドコイル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。また，制御コイルの前側にコンデンサ６５を挟み，電圧を上昇させると低速での出力を増加させることができる。
【００３０】
以上述べたように，この自己電圧制御型永久磁石式発電機は，定格出力の場合，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３６，３７に設けた電圧制御用ソレノイドコイル３８，３９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４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，高電圧側巻線１８側に切り換えてステータ４の櫛部１０を流れる磁束を増加させ，一定の発電電圧を出力させ，一定の発電電圧を機器類で直接消費させることができる。また，エンジン回転数が大きい時には，低電圧側巻線１９側に切り換えてステータ４の櫛部１０を流れる磁束を抑制して，一定の発電電圧を出力させ，バッテリー６４に蓄電させたり，バッテリー６４から一定電圧の電力を機器類で消費させることができる。
【００３１】
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，図２及び図３に示すように，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，端子電圧ＥＶはそれに伴って上昇する。コイル３８，３９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。また，この永久磁石式発電機は，図３に示すように，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。しかしながら，これでは周波数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，この自己電圧制御型永久磁石式発電機では，三相電源の端子３６，３７にコイル３８，３９が配置されているので，ロータ３の回転数ｆが多くなれば，それに伴ってコイル３８，３９によるリアクタンスが増大し，図２の点線で示すように，インピーダンスが増大する。そこで，コイル３８，３９の巻き数をステータ４に巻き上げられた巻線１４に対応させて設定しておくと，コイル３８，３９によるリアクタンスの増大は，ステータ４に巻き上げられている巻線１４の増大に伴って増大することになるので，無負荷電圧ＮＶからコイル３８，３９によるリアクタンスを差し引いた電圧が端子電圧ＣＥＶになり，出力端子５２，５３が一定の端子電圧ＣＥＶになることになる。従って，この自己電圧制御型永久磁石式発電機は，常に一定の電圧ＣＥＶを端子５２，５３から出力できることになる。
【００３２】
磁束制御装置７の作動によって透磁部８の外面２３が櫛部１０の内面２４に対向した密接整合状態から非整合状態に制御され，透磁部８から櫛部１０への磁束が制御される。又は，図示していないが，透磁部をスロット部内に位置させ，透磁部の側面が櫛部の側面に密接状態から離間状態に制御し，透磁部から櫛部への磁束を制御するように構成することもできる。
【００３３】
コントローラ６０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とを密接状態にする制御を行い，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へと移動させて櫛部１０との接触面積を低減させる制御，或いは接触状態から離間させて空隙量によって磁束の流れ量の制御を行う。また，コントローラ６０は，ロータ３のステータ４に対する回転速度とステータ４の櫛部１０を流れる磁束との積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ものである。
【００３４】
【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，コイル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設されているので，磁束制御装置を移動させてロータの永久磁石からステータの櫛部へ流れる磁束を制御し，常に一定の電圧を発電させることができる。
【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基本原理を説明する配線図である。
【図２】  この発明による自己電圧制御型永久磁石式発電機の出力電圧を説明するグラフである。
【図３】  この発明による自己電圧制御型永久磁石式発電機の出力電圧を別の観点から説明するグラフである。
【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】  この自己電圧制御型永久磁石式発電機を示す概略が断面図である。
【図６】  図５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７】  図５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８】  図５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
２    回転軸
３    ロータ
４    ステータ
５    永久磁石部材
７    磁束制御装置
８    透磁部
９    ブリッジ部
１０  櫛部
１１  スロット部
１２  凹部
１４  巻線
１８  高電圧側巻線
１９  低電圧側巻線
２０  永久磁石板片
２３  透磁部の外面
２４  櫛部の内面
２５  アクチュエータ
３６，３７  出力端子
３８，３９  電圧制御用ソレノイドコイル
５２，５３  出力端子
６１，６２  整流器
６５，６６  コンデンサ
６７  電圧計
【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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