JP2005237048A - 交流発電機及び発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、回転駆動されて周方向に配置した磁石１１により回転磁界を発生させるロータ１０と、回転磁界が作用して周方向に配置した電機子２１により交流電力を発電するステータ２０とを備えた交流発電機１及びそれを備えた発電装置に関し、その目的は、簡単な構造でロータ１０からステータ２０への磁束を調整可能とすることで、発電電圧を安定化させることができる技術を提供する点にある。
【解決手段】 磁石１１と電機子２１との実効距離を制御して発電電圧を安定化させる実効距離制御手段Ｘを備えた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、回転駆動されて周方向に配置した磁石により回転磁界を発生させるロータと、前記回転磁界が作用して周方向に配置した電機子により交流電力を発電するステータとを備えた交流発電機及びそれを備えた発電装置に関する。

従来の交流発電機は、磁石が周方向に配置されたロータを、電機子としてのコイルが周方向に配置されたステータの外周側又は内周側で回転させることにより、回転する磁石が作る回転磁界の作用により、電機子において交流電力を発生させるように構成されており、このような交流発電機として永久磁石同期発電機がある。

また、上記のような交流発電機を備えた発電装置は、エンジンなどの原動機により交流発電機のロータを回転駆動し、コンバータによりステータで発生された交流電力を一端直流電力に変換した後に、インバータによりその直流電力を例えば商用電力系統に連系する形態で所望の目標周波数の交流電力に変換するように構成されており、このような発電装置は、例えば電力に加えて熱をも発生するコージェネレーションシステムなどに応用されている。

そして、発電電力量が１ｋＷ程度の比較的小型な家庭用コージェネレーションシステムなどでは、小型の単気筒エンジンを交流発電機のロータを回転駆動するための原動機として利用する場合がある。そして、このような小型の単気筒エンジンは多気筒エンジンと比較して回転数を安定させることが困難であることから、ロータの回転数が不安定になり、交流発電機において発電電力が不安定になる場合がある。

そこで、ロータの回転数に応じて発電電圧を適正に制御し安定化させることができる交流発電機が知られている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。
この交流発電機は、透磁性体と非透磁性体とを周方向に積層してリング状に形成され且つステータに対して相対揺動可能な状態でステータとロータとの間に配置された磁束制御リングと、該磁束制御リングをステータに対して相対揺動させるアクチュエータとを備え、ロータの回転数に応じてアクチュエータの作動を制御することにより、ロータからステータへの流れる磁束を調整し、発電電圧を制御するように構成されている。

特開２００３−９２８９９号公報 特開２００３−３７９６６号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２に記載の交流発電機では、ロータの回転数に応じて発電電圧を適正に制御するために、ロータやステータとは別に、比較的煩雑な構成の磁束制御リング及びそれを揺動させるアクチュエータ等を設ける必要があるため、コスト高及び大型化を招く恐れがある。
また、家庭用コージェネレーションシステムでは、設置箇所や費用の制限により、安価且つ小型なものが要求されている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構造でロータからステータへの磁束を調整可能とすることで発電電圧を安定化させることができる交流発電機及びそれを備えた発電装置を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る交流発電機は、回転駆動されて周方向に配置した磁石により回転磁界を発生させるロータと、前記回転磁界が作用して周方向に配置した電機子により交流電力を発電するステータとを備えた交流発電機であって、その第１特徴構成は、前記磁石と前記電機子との実効距離を制御して発電電圧を安定化させる実効距離制御手段を備えた点にある。

尚、本願において、磁石と電機子との実効距離とは、磁石と電機子との遠心方向における相対的な離間幅や軸心方向における相対的なずれ幅等のように、磁石から電機子へ作用する磁束に影響を与える距離を示す。

上記特徴構成によれば、交流発電機において、磁石と電機子との上記実効距離を調整自在に構成すると共に、上記実効距離制御手段により、上記実効距離を制御することにより、磁石から電機子へ作用する磁束を調整して、ステータにより発生した交流電力、更には、発電装置においてインバータにより発生した交流電力の発電電圧を安定化させることができる。

従って、本発明により、磁石と電機子との実効距離を制御するという簡単な構造で、ロータからステータへの磁束を調整可能として発電電圧を安定化させることができる交流発電機及び発電装置を実現することができる。

本発明に係る交流発電機の第２特徴構成は、発電電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記実効距離制御手段が、前記電圧検出手段で検出される前記発電電圧に基づいて前記実効距離を制御するように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、上記実効距離制御手段により、例えば、発電電圧が目標電圧範囲を超える場合には磁石と電機子との実効距離を増加させ、逆に、上記電圧検出手段で検出される発電電圧が目標電圧範囲を下回る場合には該実行距離を減少させることで、発電電圧が目標電圧範囲内に安定する形態で、磁石と電機子との実効距離を上記電圧検出手段の検出結果に基づいて所謂フィードバック制御することで、発電電圧を確実に安定化させることができる。

上記目的を達成するための本発明に係る交流発電機は、回転駆動されて周方向に配置した磁石により回転磁界を発生させるロータと、前記回転磁界が作用して周方向に配置した電機子により交流電力を発電するステータとを備えた交流発電機であって、その第３特徴構成は、前記ロータの回転数が増加するほど前記実効距離を増加させる形態で前記実行距離を制御する実行距離制御手段を備えた点にある。

上記特徴構成によれば、上記実効距離制御手段により、ロータの回転数が増加して発電電圧が上昇すると判断できる場合には、磁石と電機子との遠心方向における相対的な離間幅や軸心方向における相対的なずれ幅等の実効距離を増加させて、その発電電圧の上昇を抑制し、逆に、ロータの回転数が減少して発電電圧が低下すると判断できる場合には、磁石と電機子との実効距離を減少させて、その発電電圧の低下を抑制する形態で、磁石と電機子との実効距離を制御して、発電電圧を安定化させることができる。

本発明に係る交流発電機の第４特徴構成は、上記第３特徴構成において、前記ロータを前記ステータの外周側に配置すると共に、前記実効距離制御手段が、前記ロータにおいて前記磁石を遠心方向に弾性的に変位するように支持する弾性支持手段で構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、上記実効距離制御手段を上記弾性支持手段により構成することで、ロータの回転数を検出することなく、磁石と電機子との遠心方向における相対的な離間幅である実効距離がロータの回転数に追従して変動するように構成して、発電電圧を安定化させることができる。
即ち、ロータの回転数が増加する場合には、磁石に付与される遠心力が増加して、弾性支持手段が磁石に付与する弾性力を遠心力の増加に伴って増加させるべく、磁石が遠心方向に変位して磁石と電機子との離間幅が増加するので、ロータの回転数の増加による発電電圧の上昇を抑制することができる。逆に、ロータの回転数が減少する場合には、磁石に付与される遠心力が減少して、弾性支持手段が磁石に付与する弾性反力を遠心力の減少に伴って減少させるべく、磁石が遠心方向とは逆の求心方向に変位して磁石と電機子との離間幅が減少するので、ロータ回転数の減少による発電電圧の低下を抑制することができる。

本発明に係る交流発電機の第５特徴構成は、前記ステータを軸心方向に変位させて、前記磁石と前記電機子との軸心方向における相対的なずれ幅を前記実行距離として調整可能なステータ変位手段を備えた点にある。

上記特徴構成によれば、上記実効距離制御手段が、例えば電圧検出手段により検出される発電電圧やロータの回転数に基づいて、上記ステータ変位手段を作動させて、ステータの軸心方向における位置に変位させることにより、磁石と電機子との軸心方向における相対的なずれ幅を実効距離として調整することで、発電電力を安定化させることができる。

また、上記目的を達成するための本発明に係る発電装置は、これまで説明してきた本発明に係る交流発電機の性質を専ら利用する発電装置であり、その特徴構成は、本発明に係る交流発電機を備え、前記交流発電機を回転駆動する原動機と、前記交流発電機で発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータで変換された直流電力を目標周波数の交流電力に変換するインバータとを備えた点にある。
そして、かかる発電機装置により、実効距離制御手段を備えた交流発電機により発電された安定した電力を、コンバータにより一旦直流電力に変換した後に、インバータにより所望の目標周波数の交流電力に変換することができる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１に示す発電装置５０は、商用電力系統７に連系する形態で商用電力系統７から受電した交流電力の周波数に合わせて交流電力を発生し、所定の負荷８に交流電力を供給するものである。詳しくは、発電装置５０には、交流電力を発電する交流発電機１と、交流発電機１を回転駆動する原動機としてのエンジン２と、交流発電機１で発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータ３と、コンバータ３で変換された直流電力を目標周波数の交流電力に変換するインバータ４とが設けられ、更に、コンバータ３及びインバータ４のＰＷＭ制御等を行うコンピュータからなる制御装置５が設けられている。

また、この発電装置５０に設けられる交流発電機１は、所謂永久磁石三相同期発電機として構成されている。詳しくは、交流発電機１には、図２−４を参照して、シャフト１８に連結され周方向に永久磁石１１を配置したロータ１０と、ロータ１０の内周側で固定され鉄心にコイルを巻いて構成された電機子２１を上記永久磁石１１と対向する形態で周方向に配置したステータ２０とが設けられ、エンジン２によりシャフト１８を介してロータ１０を回転駆動させることにより、ロータ１０の周方向に配置された永久磁石１１が回転磁界を発生させ、その回転磁界が電機子２１に作用して交流電力を発電するように構成されている。

更に、この交流発電機１は、永久磁石１１と電機子２１との遠心方向における相対的な離間幅や軸心方向における相対的なずれ幅等の実効距離を調整して商用電力系統に連系される発電電圧を安定化させる実効距離制御手段Ｘを備え、この実効距離制御手段Ｘにより、ロータ１０からステータ２０への磁束を調整可能として発電電圧を安定化させることができるように構成されている。
以下、交流発電機１の実効距離制御手段Ｘについての実施形態ついて説明する。

〔交流発電機１の第１実施形態〕
第１実施形態の交流発電機１は、図２，３に示すように、実効距離制御手段Ｘが、ロータ１０の回転数が増加するほど永久磁石１１と電機子２１との実効距離を増加させることで発電電圧を安定化させるように構成されている。

即ち、ロータ１０において、永久磁石１１は、ロータ１０の内面に放射状に形成された磁石収容溝１２内において、遠心方向（シャフト１８の軸心からの径外方向）に変位自在に収容されている。

更に、磁石収容溝１２内には、弾性支持手段として、ロータ１０において永久磁石１１を遠心方向に弾性的に変位するように支持するばね部材１５が、一端側が永久磁石１１の基端（永久磁石１１の電機子２１に対向する端部とは反対側の端部）側に固定され他端側が磁石収容溝１２の底部に固定された状態で設けられている。

そして、エンジン２の回転数即ちロータ１０の回転数が増加すると、図３（ｂ）に示すように、永久磁石１１に付与される遠心力が増加するので、上記ばね部材１５の長さが短くなって、永久磁石１１が遠心方向に変位して、永久磁石１１と電機子２１との実効距離としての遠心方向における相対的な離間幅が増加し、逆に、ロータ１０の回転数が減少すると、図３（ａ）に示すように、永久磁石１１に付与される遠心力が減少するので、上記ばね部材１５の長さが長くなって、永久磁石１１が遠心方向とは逆の求心方向に変位して、永久磁石１１と電機子２１との上記離間幅が減少することになる。

従って、上記のようなばね部材１５が、ロータ１０の回転数が増加して発電電圧が上昇する恐れがあるときには、永久磁石１１と電機子２１との離間幅を増加させることでその発電電圧の上昇を抑制し、逆に、ロータ１０の回転数が減少して発電電圧が低下する恐れがあるときには、永久磁石１１と電機子２１との離間幅を減少させることでその発電電圧の低下を抑制して、発電電圧を安定化させる実効距離制御手段Ｘとして機能するのである。

また、永久磁石１１と電機子２１との離間幅を変化させることなく、ロータ１０の回転数を増加させると、発電電圧は上昇する。
一方、発電電圧は、ロータ１０の回転数を変化させることなく、ばね部材１５が短くなって永久磁石１１と電機子２１との離間幅が増加すると、電機子２１に影響を与える磁束が弱くなり、発電電圧が低下する。

そして、上記のことを考慮して、ロータ１０の回転数が増加した場合に、ロータ１０の回転数増加に起因する発電電圧の上昇と離間幅の増加に起因する発電電圧の低下とが適度に相殺しあうように、上記ばね部材１５のばね係数、ばね部材１５を圧縮状態で設ける場合の初期長、永久磁石１１と電機子２１との離間幅の初期幅等を適切に設定することができる。

また、図３に示すように、磁石収容溝１２に、永久磁石１１がある一定以上電機子２１側に変位することを規制する段部１２ａを形成し、更に、ばね部材１５を、ロータ１０が停止して遠心力がかかっていないときに一定の弾性力を永久磁石１１側に付加するように、圧縮状態で永久磁石１１の基端側と磁石収容溝１２の底部との間に収容することで、ロータ１０の回転数がある一定以上増加した場合の発電電圧の上昇を抑制することができる。

即ち、ロータ１０の停止時に、上記のようにばね部材１１を自然長ではなく圧縮状態で設けることで、ロータ１０の回転数がある一定以上増加して初めて永久磁石１１と電機子２１との離間幅を増加させることで、ロータ１０の回転数が一定以上増加した時に、発電電圧の低下を抑制することができる。

そして、比較的回転数変動が大きい単気筒エンジン２を原動機として利用した実験により、従来の永久磁石１１を固定した交流発電機においては、発電電圧が１０％程度の変動したことと比較して、これまで説明してきたように、永久磁石１１をばね部材１５で支持した交流発電機１においては、発電電圧の変動を３％程度に低減することができ、発電電圧の安定化を実現したことを確認できた。

〔交流発電機１の第２実施形態〕
第２実施形態の交流発電機１は、図４に示すように、発電電圧を検出する電圧検出器６（電圧検出手段）が設けられ、実効距離制御手段Ｘが、電圧検出器６で検出される発電電圧が安定するように、永久磁石１１と電機子２１との実効距離を制御するように構成されている。

即ち、制御装置５が上記実効距離制御手段Ｘとして機能し、電圧検出器６で検出される発電電圧が予め設定された目標電圧範囲を超えた場合には、図４（ｂ）に示すように、永久磁石１１と電機子２１との実効距離を増加させ、逆に、電圧検出器６で検出される発電電圧が目標電圧範囲を下回った場合には、図４（ａ）に示すように、永久磁石１１と電機子２１との実効距離を減少させる所謂フィードバック制御を行うことで、発電電圧を目標電圧範囲内に維持して安定化させることができる。

更に、上記実効距離制御手段Ｘとして機能する制御装置５は、永久磁石１１と電機子２１とのシャフト１８の軸心方向における相対的なずれ幅を実効距離として調整するように構成されている。

即ち、ステータ２０を軸心方向に変位させるステータ変位手段Ｙとして、ステッピングモータ２８によりピニオン２６を回転変位させることでステータ２０に固定されたラック２３が上記軸心方向に変位する所謂ラックアンドピニオン装置を備え、制御手段５は、上記ステータ変位手段Ｙにおけるステッピングモータ２８を作動させて、永久磁石１１と電機子２１との上記実効距離としての軸心方向における相対的なずれ幅を調整することができる。

そして、制御装置５は、電圧検出器６の検出結果に基づいて上記ステータ変位手段Ｙにおけるステッピングモータ２８の回転変位量をフィードバック制御することで、電圧検出器６で検出される発電電圧が予め設定された目標電圧範囲を超えた場合には、永久磁石１１と電機子２１との軸心方向におけるずれ幅を増加させ、逆に、電圧検出器６で検出される発電電圧が目標電圧範囲を下回った場合には、永久磁石１１と電機子２１との軸心方向におけるずれ幅を減少させて、発電電圧を目標電圧範囲内に維持して安定化させることができる。

また、このようにステータ変位手段Ｙを設けて、ステータ２１を軸心方向に変位させる場合には、電圧検出器６の代わりに、ロータ１０の回転数を検出する回転数検出手段を設け、実効距離制御手段Ｘとしての制御装置５が、その回転数検出手段の検出結果に基づいて、上記ステータ変位手段Ｙを作動させて、永久磁石１１と電機子２１とのずれ幅を制御するように構成しても構わない。
即ち、制御手段５は、ロータ１０の回転数が増加して発電電圧が上昇する恐れがあるときには、図４（ｂ）に示すように、永久磁石１１と電機子２１との軸心方向におけるずれ幅を増加させることでその発電電圧の上昇を抑制し、逆に、ロータ１０の回転数が減少して発電電圧が低下する恐れがあるときには、図４（ａ）に示すように、永久磁石１１と電機子２１との軸心方向におけるずれ幅を減少させることでその発電電圧の低下を抑制するように、ステータ変位手段Ｙを作動させて、発電電圧を安定化させることができる。

また、この実施形態においても、上記ステータ２０を軸心方向において変位させるためのステータ変位手段Ｙの代わりに、ロータ１０の回転数が増加するほど、その遠心力を利用して、永久磁石１１と電機子２１とのずれ幅を増加させるように、ステータ２０を変位させる機構を備え、上述の第１実施形態と同様に、発電電圧を検出することなく、実効距離制御手段Ｘが、その機構により、ロータ１０の回転数が増加するほど永久磁石１１と電機子２１との実効距離としてのずれ幅を増加させて発電電圧を安定化させるように構成しても構わない。

また、上記実施の形態では、交流発電機１１を、商用電力系統７に連系する形態で商用電力系統７から受電した交流電力の周波数に合わせて交流電力を発生する発電装置５０に適用した例を示したが、別に、他の構成の発電装置５０又はその他の発電電力の安定化が望まれる装置に適用しても構わない。

発電装置の系統連系状態を示す概略図 第１実施形態の交流発電機の側断面概略図 第１実施形態の交流発電機の立断面概略図 第２実施形態の交流発電機の側断面概略図

符号の説明

１：交流発電機
２：エンジン
３：コンバータ
４：インバータ
５：制御装置
６：電圧検出器（電圧検出手段）
７：商用電力系統
８：負荷
１０：ロータ
１１：永久磁石（磁石）
１２：磁石収容溝
１５：ばね部材（弾性支持手段）
２０：ステータ
２１：電機子
２５：ラック
２６：ピニオン
２７：ステッピングモータ
Ｘ：実効距離制御手段

Claims (6)

1. 回転駆動されて周方向に配置した磁石により回転磁界を発生させるロータと、前記回転磁界が作用して周方向に配置した電機子により交流電力を発電するステータとを備えた交流発電機であって、
   前記磁石と前記電機子との実効距離を制御して発電電圧を安定化させる実効距離制御手段を備えた交流発電機。
2. 発電電圧を検出する電圧検出手段を備え、
   前記実効距離制御手段が、前記電圧検出手段で検出される前記発電電圧に基づいて前記実効距離を制御するように構成されている請求項１に記載の交流発電機。
3. 回転駆動されて周方向に配置した磁石により回転磁界を発生させるロータと、前記回転磁界が作用して周方向に配置した電機子により交流電力を発電するステータとを備えた交流発電機であって、
   前記ロータの回転数が増加するほど前記実効距離を増加させる形態で前記実行距離を制御する実行距離制御手段を備えた交流発電機。
4. 前記ロータを前記ステータの外周側に配置すると共に、
   前記実効距離制御手段が、前記ロータにおいて前記磁石を遠心方向に弾性的に変位するように支持する弾性支持手段で構成されている請求項３に記載の交流発電機。
5. 前記ステータを軸心方向に変位させて、前記磁石と前記電機子との軸心方向における相対的なずれ幅を前記実行距離として調整可能なステータ変位手段を備えた請求項１から３の何れか１項に記載の交流発電機。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載の交流発電機を備え、
   前記交流発電機を回転駆動する原動機と、
   前記交流発電機で発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータで変換された直流電力を目標周波数の交流電力に変換するインバータとを備えた発電装置。
   

Images