JP4029990B2 - 複合発電機 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合発電機に関するものであり、詳細に説明すると、励磁極にコイルを巻きこれに電流を流して起磁力を起こすＮＩ＝Ｈｌ（ＡＴ）、コイル数Ｎ（巻数）と入力電流Ｉ（Ａ）との積は磁界の強さＨと磁路の長さｌ（ｍ）に等しくなり。磁界中の磁荷に働く力Ｆ＝ｍＨ（Ｎ）で励磁極の磁界の強さＨ（Ａ／ｍ）と界磁子のｍ（磁荷）（Ｗｂ）の式により界磁子の回転を促す。そして、励磁極内には双方の磁束の和が通過する。この量をファラデーの法則ｅ＝Ｂｌ▲イプシロン▼（Ｖ）に則り、この式を変圧器の誘導起電力の式に変換し、変換誘導起電力Ｅ＝４．４４ｆｎ▲ファイ▼_０（Ｖ）で発電電圧の式にする。この式の活用で発電機として利用するものである。Ｎ：巻数（ターン）、ｌ：距離（ｍ）、▲イプシロン▼：磁束を切る速度（ｍ／ｓ）、ｆ：周波数（Ｈｚ）、ｎ：電機子コイル数（ターン）、▲ファイ▼_０：コア通過磁束（Ｗｂ）とする。
【０００２】
尚、上記ｌは、筆記体の「エル」であり、距離を表す。以下同じ。
【背景技術】
【０００３】
従来の発電機は、磁界の中を電機子コイルが回転して磁界をコイルが切ることで誘導発電機としている。この電機子コイルはスロットを作り、その中にコイルを捲装して収納する構造であり、この電機子と磁極の間にコイルを捲装した構造を利用して発電している。この構造では、電機子と磁極のどちらか一方を固定し、もう片方を回転さす方法で誘導起電力を発生させている。
【０００４】
尚、先行文献として、特開２００３−２８４３０３、発明の名称「回転電機」とする発明がある。この発明の車両用交流発電機は、電機子と、回転子と、励磁コイルと、フロントフレーム及び／又はリヤフレームを備える。この軟鉄製のフロントフレームには、回転子のポールコアのフロント側端面を利用して同極磁極部が形成されており、この同極磁極部の外周に励磁コイルが設けられている。前記回転子の励磁コイルによって発生する交番磁束に、フロントフレームの励磁コイルによって発生する単方向磁束が加算されるため、電機子巻線に鎖交する磁束が増す構造であって、高出力化が可能な回転電機を提供できる。
【０００５】
しかし、この発明には、回転子のポールコアの制御を司る構造に関しての開示がなく、いかなる制御機構を採用し、各磁束及び／又は磁化の発生を図るのかが不明瞭と考えられる。またこの発明には、励磁極(励磁コイル)に励磁電流を流すとコイルによる磁化の遅れが発生することがある。この磁化の遅れがコイルの材料が持つ保磁力によると架たいした場合には、この弊害を解消するための位相調整装置が必要であるが、この位相調整装置に関する構成の開示がなく、汎用性に欠けるものと考えられる。
【発明の開示】
一般的に発電機は、電機子と界磁子や励磁極との組み合わせで構成されている。そして、磁界の中を電機子コイルが通過して磁界を切ることで誘導発電しようとするものである。磁界の中のコイルを回転さす場合、必ず磁界の反発を受け、また反起電力で回転方向に反して引き戻す作用が発生する。これに打ち勝つ回転動力で回転して発電しており効率が悪い。そこで、本発明は、この入力を減少させ得る発電機を提供する。
【０００６】
また従来は、電機子コイルの設置場所で発電機としての効果が違う、励磁極の先端にスロットを作成し、その中に電機子コイルを捲装し負荷を掛けた場合は、回転入力を維持するに必要な動力負担が増加する。さらにスロットを作成することで磁束の通過量が減少する。また電機子コイルを設置する場所の選択が必要である。そこで、本発明は、電機子コイルを収納するスロットをわざわざ作成しなくても、発電できる構造(形状)を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
請求の範囲第１項は、中心に回転する永久磁石を備えた界磁子を設け、この周囲に励磁極を配置し、またこの励磁極は界磁子と近接する直線部分にコイルを捲装した構成であり、この励磁極コイルを界磁子に近いところで捲装することで界磁子の磁束との相互作用の関係で有利であるため、この励磁極コイルを界磁子の近くの最適な箇所に捲装した。
【０００８】
請求の範囲第１項は、励磁コイルに電流を流して励磁極を励磁することで、界磁子との間で回転トルクを生じさせ、循環磁束の通過するコアに捲装された電機子コイル内に生じる交番磁束を電磁誘導により発電する構成とした構造である。
【０００９】
請求の範囲第１項は、励磁極間のコア内を循環する交番磁束を電力として取り出す電機子コイルであって、励磁コイルの上に重ね巻きしてもよいが、そこは励磁極コイル数を巻き収め収納する場所で、重ね巻きするスペースが無いので、循環磁束の通過するコア部分に電機子コイルを捲装する構造である。
【００１０】
請求の範囲第１項は、励磁コイルの巻数が多いのは起磁力を多くするためである。コイル数と電流の積で起磁力の値が算出される。投入電流を抑制する目的でコイル数をできるだけ数多く捲装することを意図する構造である。
【００１１】
請求の範囲第１項には、▲ファイ▼・Ｒ＝Ｈ・ｌ＝Ｎ_２１．Ｉの関係式がある。コアの上に巻く、電機子コイルの通過磁束を向上さすには、Ｒの磁気抵抗を減少さすか、Ｎ２１を多く巻く必要がある。この磁気抵抗Ｒを減少さすには磁気経路を短くすることが必要である。その形状を考えると、コアの形状は曲線形状にして励磁極間に、分割方式でかつアーチ式に差し渡し設けるように接続すると磁気抵抗を小さくできること、また回路に配置する電機子コイルも簡易に装着できること等の構造を採用できる。
【００１２】
請求の範囲第１項は、コアに電機子コイルを捲装したことで発生する電圧と、負荷電力の使用に対して表れる電圧降下が少ない。その原因と考えられるのは起磁力の経路である。３極（ヨーク、電機子コイル、励磁コイルの三箇所）で励磁した起磁力は、その内の少なくとも２極（二箇所）が同極でコアに流れ無く滞留していたが、負荷電力を使用して流れを変えることで、起磁力不足で起きる負荷電力の使用時の電圧降下が低減され、かつこの電圧降下で起きると考えられる負荷電力使用時の不足起磁力を補完できる。またこの電圧降下が表れる率が少ないことになり、回転速度の不足分を賄えるだけの起磁力を前記の流れを変えることで補うから、電圧降下の減少が少なく、もって本発明の発電機は、同期発電機で云う、短絡比が大きく、また負荷変動に強い構造である。
【００１３】
請求の範囲第１項は、電機子コイルを巻き収める従来式のスロット部分を無くすことを目的とする。従来は、界磁子（励磁極）から出る磁界は、固定子側に放出され電機子を通過する。この磁界を電機子コイルが捉えようとすると双方の中間にコイルを巻く必要が生じる。この結果、電圧を発生さすとともに、電流を流す。そこに、フレーミング左手の法則が成立して、コイルの回転を逆に回転さす力が働くので、負荷容量を多くすると逆回転する力も多くなり、界磁子を逆回転さす力が多く働くことになり、外部動力もその量に比例して多くする必要が生じて来る。その結果、電機子のコイルを巻くスロットそのものを無くする構造にする。
【００１４】
請求の範囲第１項は、別々に製作した励磁極、励磁コイル、強磁性体のコア、電機子コイルとを組み立て回転時のセンターを出し、循環磁気回路を構成できるようにして機能するように組み立てることができる構造である。
【００１５】
請求の範囲第１項は、励磁極に巻く励磁コイル部分は直線形状として、励磁コイルを巻き完成したコイルを挿入できる構成にした構造である。
【００１６】
請求の範囲第１項は、強磁性体のコアに曲線を持たし、電機子コイルにも同じ曲線形状にすることでコイルの捲装を完成した後にコアに挿入できるようにし、その後、励磁極との接続も可能となる構造である。
【００１７】
請求の範囲第１項は、励磁極の強磁性体に保磁力があり、極が反転するとき磁壁に残存磁束がある関係で反転磁化を遅らせるので、界磁子との回転角度検出位置を調整して、回転駆動位置を速めることで反転位置を時間の関係で調整する装置である。
【００１８】
請求の範囲第１項は、励磁極を励磁する方式では、界磁子の回転トルクが低いので、界磁子の回転位置検出装置は接触抵抗を極力低減し、検出装置は無接触で高速検出が可能なフォトセンサで位置感知し、また励磁コイルの投入電流の入り切りには大電流の遮断と高速応答を兼ねたパワー回路のＩＧＢＴを採用した制御回路を作り上げてこれに対応できる構造である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
最初に図面の説明をする。第１図は、界磁子（回転子である）と励磁極（固定子であって、「励磁コイル１０及び電機子コイル１１「誘導起電圧発生用のコイル」とで構成する」を示し、この界磁子の回転と同期した検出板１６とフォトセンサ１７の感知位置の関係を示した模式図、第２図は第１図のＸ−Ｘ線断面図で外部の動力をＶプーリ２０で受けて回転する界磁子のシャフト５(主軸)で、この回転で界磁子を回転さす構造全体を示した側面模式図、第３図は本発明の核になる界磁子と励磁極の支持側板６の上に励磁極の長短板８０、８を積み重ねて励磁極を構成し、この励磁極に励磁コイル１０を挿入した模式図、第４図はコアの短板９とコアの長板９０のコア構成材を交互に積み重ね、その上に励磁コイル１０を設け、この励磁コイル１０間に電機子コイル１１を挿入し、励磁極に嵌め込みをする模式図、第５図は励磁極とコアにそれぞれ励磁コイル１０・電機子コイル１１を装着して、界磁子の回転位置で励磁極のコイルの励磁を行うポイントを調整用の位相調整板の基盤１２に位相調整ボルト１４の位相調整ボルト１５に位相調整ナット１３を装置する模式図である。また第６図は位相調整板１２の基盤にフォトセンサ１７と検出板１６を取付けた模式図、次に第７図は界磁子、励磁極の各電機子コイル１１(ＮＯ１〜３のコア)と、各励磁コイル１０(ＮＯ１〜３の励磁極)との間に発生する磁束の関係において、図中の頂上Ｃを基準点の０°とし、この０°からの時計回りを進行方向とし、基点は回転角−３０°で表し、励磁極の極の方向を外周より中心方向へ磁束が通過する方向を正極（Ｎ極）、また逆の場合を負極（Ｓ極）と決めて、この界磁子の極は図面にＮ極とＳ極と示し、この界磁子の１回転のようすを説明する模式図である。そして、現在の回転角の場合をｂ点とし、界磁子のＳ極が回転してきていることを示している。界磁子の回転と励磁極で起きるコア内の磁束の流れを、内側から外側に見た方向として矢印で明記する。また界磁子の回転角に対して逆方向を正極とする。そして、第８図〜第１３図は界磁子（各電機子コイル１１をＮＯ１〜３のコアとする）と、励磁極（各励磁コイル１０をＮＯ１〜３の励磁極とする）との間に発生する磁束の関係を、界磁子のＳＮ極の回転との関係を説明する模式図であり、：第８図はｃ点に界磁子のＳ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すように、ＮＯ２の励磁極の方向を負極に励磁し、ＮＯ３の励磁極は、正極に励磁し、ＮＯ１の励磁極は負極に励磁した状態を示した模式図、：第９図はｄ点に界磁子のＳ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を負極に励磁し、ＮＯ３の励磁極とＮＯ１の励磁極は正極に励磁した状態を示した模式図、：第１０図はｅ点に界磁子のＳ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を負極に励磁し、ＮＯ３の励磁極は負極に励磁し、ＮＯ１の励磁極は正極に励磁した状態を示した模式図、：第１１図はｆ点に界磁子Ｓ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を正極に励磁し、ＮＯ３の励磁極は負極に励磁し、ＮＯ１の励磁極は正極に励磁した状態を示した模式図、：第１２図はｇ点に界磁子Ｓ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を正極に励磁し、ＮＯ３の励磁極は負極に励磁し、ＮＯ１の励磁極も負極に励磁した状態を示した模式図、：第１３図はａ点に界磁子Ｓ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を正極に励磁し、ＮＯ３の励磁極は正極に励磁し、ＮＯ１の励磁極は負極に励磁した状態を示した模式図である。尚、第１４−１図〜第１４−６図と、第１５図、第１６図は検出板１６の回転とフォトセンサ１７の動作関係図等を示した模式図であり、：第１４−１図は検出板１６の回転角度が１°〜６０°の状態を、：第１４−２図は検出板１６の回転角度が６１°〜１２０°の状態を、：第１４−３図は検出板１６の回転角度が１２１°〜１８０°の状態を、：第１４−４図は検出板１６の回転角度が１８１°〜２４０°の状態を、：第１４−５図は検出板１６の回転角度が２４１°〜３００°の状態を、：第１４−６図は検出板１６の回転角度が３０１°〜３６０°の状態をそれぞれ示した、また第１５図、第１６図は界磁子の回転に同期した検出板１６が回転し、この検出板１６の周囲に設けた欠落部分より、光がフォトセンサ１７に入光し、界磁子の回転角度に合わせた励磁極を励磁する状態を示した模式図である。第１７図は本発明の動作を司る電子回路の配線図、第１８図は第１図の背面図を示した模式図である。また第１９図は励磁極の長短板８０、８とコアの長短板９０、９との要部を分解して示した拡大斜視図である。
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
第１図、第２図に示すように界磁子と励磁極の支持側板６、７間に、励磁極の長短板８０、８とコアの長短板９０、９とを止め具２１、２２で組み付け、第１図の正面模式図において、略Ｙ状の励磁極と略環状のコア(電機子コイル)が形成される。そして、この例では三分割されたコアの長短板９０、９を交互に配置し、芯となる励磁極の短長板８、８０の間に挿入し、この各コアの長板９０を各励磁極の短板８間でそれぞれ接合し、またこの各コアの短板９を各励磁極の長板８０の両端に接合し、この両接合状態(係止状態)を止め具２２で固止するとともに、前記界磁子と励磁極の支持側板６、７間に設けた止め具２１で固止することで、この界磁子と励磁極の支持側板６、７及び／又は止め具２１、２２とを利用し、このコアの長短板９０、９と芯となる励磁極の短長板８、８０とが図示のように固止し励磁極の全体の組み付けをする。この励磁極を、発電機の基盤１９に垂設した複数の支持板１８に介在させ、この支持板１８と前記励磁極の長短板８０、８及び／又はコアの長短板９０、９とを止め具２３で固止し、本発明の発電機の外郭体を構成する。尚、第４図、第１９図に示した如く、コアの長板９０の接合端面を、楔形状の切り欠き端面とする構造とし、コアの長板９０及び／又は励磁極の長板８０との接合の強化と、磁性の効率化、部品の共通性の向上等を図る。また構成された外郭体の支持側板６、７間には、界磁子のシャフト５が複数のベアリング２４を介在して貫設されており、この界磁子のシャフト５には、動力を受け入れるＶプーリ２０と検出板１６とを対峙関係に設ける。そして、この界磁子のシャフト５には、永久磁石１の支持体２、３を套嵌固止し、この磁性体の永久磁石の支持体２、３の中心部には永久磁石１と、この永久磁石１を固止する磁性体の界磁子のヨーク４とを設け、永久磁石１(界磁子「回転子」)が界磁子のシャフト５の回転に付随して回転するとともに、所定の回転速度で自転する構造である。そして、この検出板１６には、周囲に設けた欠落部分１６０より入る光が、基盤１２に設けたフォトセンサ１７に入光し、界磁子の回転角度に合わせた励磁極を励磁する。尚、この例では、フォトセンサ１７は六箇所のポジションに設けられており、後述する各励磁コイル１０の個数に対応する。前記角隅を有する略環状の基盤１２は、界磁子の回転位置で励磁極(各励磁コイル１０)のコイルの励磁を行うポイント(前記六箇所のポジション)を調整する。この基盤１２によるポイントの調整の一例を説明すると、この基盤１２に設けた曲面形状の長孔１２０に挿入した界磁子と励磁極の支持側板６の止め具２５と、またこの基盤１２の何れかの直線形状の長孔１２０ａに挿入した角隅に設けた位相調整ボルト１４と、この位置調整ボルト１４に対峙して基盤１２に固止した位相調整ボルト１５と、この位置調整ボルト１４と位相位置調整ボルト１５とを連繋する位相調整ナット１３とで行う。即ち、位相調整ボルト１５を螺入(螺戻)し、位相調整板１３及び／又は位相調整ボルト１４を略垂直方向に移動(前後動)させることで、界磁子と励磁極の支持側板６に固止した止め具２５と各長孔１２０との関係を利用し、この基盤１２及び／又は界磁子が環状方向に可動し、この界磁子と励磁極の支持側板６に固止したフォトセンサ１７の位置を変更する(時計方向「第１図の矢印」の如く、前後動する)。尚、永久磁石１は電磁石に置換しても同じ機構と作用等が可能であり、採用できる。
【００２２】
図中１０は励磁コイルで、この励磁コイル１０は励磁極の長短板８０、８の数箇所に捲装して設ける。この例では、励磁極の短長板８、８０間であり、三箇所に設ける一例である。発電機の大きさ、必要とする容量、寸法等に対応して増減するが、この例の如く、三箇所に設ける一例が、磁性の効率化、汎用性等の面で有利である。また１１は電機子コイルで、この電機子コイル１１はコアの長短板９０、９に捲装するとともに、前記励磁コイル１０間に設ける。従って、この例では、三箇所に設ける。これにより、励磁（磁界）の発生と、磁性の効率化と、汎用性の向上等を図る。
【００２３】
次に、各構成の要部を個別に説明する。
【００２４】
第７図〜第１３図を基にして、本発明の界磁子の回転と磁束の方向（循環経路）及び／又は検出板１６と、フォトセンサ１７との関係（発電状況）を説明する。
【００２５】
第７図は、界磁子と励磁極の状態でｃを基準点にしている。そこを０°とする。０°からの時計回りを進行方向とし、図面は回転角−３０°を表している。励磁極の極の方向をまず決めると、外周より中心方向へ磁束が通過する方向を正極（Ｎ極）とし、逆の場合を負極（Ｓ極）とする。界磁子の極は図に示したＮ極とＳ極で表示する。界磁子の１回転のようすを説明すると、現在の回転角の場合はｂ点に界磁子のＳ極が回転してきていることを示している。界磁子の回転と励磁極で起きるコア内の磁束の流れを、内側から外側に見た方向として矢印で明記する。また、界磁子の回転角に対して逆方向を正極と云う。
【００２６】
第８図は検出板１６の回転角度１°〜６０°の動作の説明であり、ｃ点に界磁子のＳ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すように、ＮＯ２の励磁極の方向を負極に励磁し、ＮＯ３の励磁極は、正極に励磁する。ＮＯ１の励磁極は負極に励磁する。この励磁方向で界磁子の極との関係により、吸引力と反発力の力関係になり回転力としてのトルクが判明する。その時のコア内を流れる磁束の方向も判明する。その動作を下記の表に示す。
【００２７】
表−１

第９図は検出板１６の回転角度６１°〜１２０°の動作の説明であり、ｄ点に界磁子のＳ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を負極に励磁する。ＮＯ３の励磁極とＮＯ１の励磁極を正極に励磁すると、その励磁方向で界磁子の極との関係により、吸引力と反発力の力になり回転力としてのトルクが判明する。その動作を下記の表に示す。
【００２８】
表−２

第１０図は検出板１６の回転角度１２１°〜１８０°の動作の説明であり、ｅ点に界磁子のＳ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を負極に励磁する。ＮＯ３の励磁極を負極に励磁し、ＮＯ１の励磁極は正極に励磁する。この励磁方向で界磁子の極との関係により、吸引力と反発力の力関係になり回転力としてのトルクが判明する。またその時のコア内を流れる磁束の方向も判明する。その動作を下記の表に示す。
【００２９】
表−３

第１１図は検出板１６の回転角度１８１°〜２４０°の動作の説明であり、ｆ点に界磁子Ｓ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を正極に励磁する。ＮＯ３の励磁極を負極に励磁し、ＮＯ１の励磁極は正極に励磁する。この励磁方向で界磁子の極との関係により、吸引力と反発力の力関係になり回転力としてのトルクが判明する。その時のコア内を流れる磁束の方向も判明する。その動作を下記の表に示す。
【００３０】
表−４

第１２図は検出板１６の回転角度２４１°〜３００°の動作の説明であり、ｇ点に界磁子Ｓ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を正極に励磁する。ＮＯ３の励磁極を負極に励磁し、ＮＯ１の励磁極も負極に励磁する。この励磁方向で界磁子の極との関係により、吸引力と反発力の力関係になり回転力としてのトルクが判明する。きたその時のコア内を流れる磁束の方向も判明する。その動作を下記の表に示す。
【００３１】
表−５

第１３図は検出板１６の回転角度３０１°〜３６０°の動作の説明であり、ａ点に界磁子Ｓ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を正極に励磁する。ＮＯ３の励磁極を正極に励磁し、ＮＯ１の励磁極を負極に励磁すると、この励磁方向で界磁子の極との関係により、吸引力と反発力の力関係になり回転力としてのトルクが判明する。またその時のコア内を流れる磁束の方向も判明する。その動作を下記の表に示す。
【００３２】
表−６

また発電機の磁束と誘導起電圧等に関して個別に説明する。
【００３３】
回転によるコア内の磁束の状態を示すと、このコアに流れる磁束は、界磁子の回転方向の反対回転を正とする。そして内側から外側に見て表示する。表の左矢印は正方向で右矢印は負方向を表示する。回転角度による集計で表す。
【００３４】
表−７

界磁子を回転させる際に起きるコア内の磁束には間欠交番磁束が通過発生する。
【００３５】
また以下にコアを通過する磁束を求めるため、本発明の回転子の回転で起きる電圧を発生させる計算を図面に基づき説明する。
【００３６】
先ず第７図では、励磁極を励磁する電流を流して、界磁子の回転の時に起きるコア内を流れる磁束を計算する。そして、外部動力で界磁子を回転さすと周波数と回転数が出る。それをもってコアに巻いたコイルで誘導される発生電圧を計算する。次に界磁子の回転トルクを計算する。そして、界磁子自体が持つ回転トルクを計算する。外部の動力で界磁子のトルクから自己回転トルクを差し引きして、外部動力の容量を導き出す。界磁子の回転方向は時計の針の進行方向とする。ある角度▲シータ▼による力Ｆの実効値は、個々の角度▲シータ▼のひずみ波である。よってその全体の実効値は瞬時値／▲ルート▼２の２乗の和の平均の平方根であるが、計算式が長く複雑になるので略式で計算する。そして、この値を寄せ集めて全体の状況を判断する。この図はセンターから−３０°の回転位置にある状態で計算する。界磁子と励磁極とを循環する循環磁束の内、コア内を通過する磁束を算出するために、循環磁磁気抵抗を（ＡＴ／Ｗｂ）を算出する。

上記の（４）式及び（５）式を角度▲シータ▼の関連式に変換すると、

装置の発電に対する循環磁気回路Ｒは、（１）式、（２）式、（３）式、（７）式、（９）式の和である。Ｒ＝Ｒ_０Ｓ＋Ｒ_０Ｎ＋Ｒ_１＋２Ｒ_２１＋Ｒ_２２

励磁極のコイル巻数(励磁コイルの巻数)をＮ_２１、電流をＩとすると、起磁力は、Ｎ_２１・Ｉ（ＡＴ）であるから、磁束▲ファイ▼は、

循環磁束の回路は一周の１／６ではあるが循環磁気回路を構成している起磁力は２／３ｘＮ_２１と２／３ｘＩである。

これに、界磁子の磁荷を加えたものとなる。
界磁子の磁荷はＢｘＳ_２１＝ｍ ｍ：は界磁子の磁荷（ｗｂ）
Ｂ：磁束密度（Ｗｂ／ｍ^２） Ｓ：断面積（ｍ^２） ・・・（１３）式
全体の循環磁束▲ファイ▼_０は電磁の起磁力で生じる▲ファイ▼と界磁子の磁荷ｍとの和が通過するので、
▲ファイ▼_０＝▲ファイ▼＋ｍ となる。 （Ｗｂ） ・・・（１４）式
ここで、誘導起電圧を算出すると、
変圧方式による誘導起電圧ｅは、
瞬時誘導起電圧ｅ＝４．４４ｆＮ_２▲ファイ▼_０（Ｖ） ・・・（１５）式
ｆ：周波数（Ｈｚ）この周波数は、界磁子の回転で起きる周波数である。
【００３７】
Ｎ２：変圧方式のコイル巻数（ターン）
発電容量は、電気装荷Ａと循環磁気磁束▲ファイ▼と交番磁束の周波数ｆとの関連式となる。そして電機子コイルに流れる電流Ｉ_２とコイルの抵抗で生じる損失がコイルの温度上昇の限界を示し、コイルの絶縁温度上昇限界で、最終的に容量を決定することになる。励磁極を励磁コイルで励磁することにより界磁子が回転し、その動作及び／又は回転で誘導された磁束がコアを通過して、界磁子の１回転で発生する電圧波形を下記のグラフにする。
【００３８】
表−８

次に界磁子の回転トルクを求める。励磁極の磁界の強さＨ_２１（Ａ／ｍ）を求める。（１５）式を変形し活用する。

電磁力で、界磁子の回転トルクＴ_２１（Ｎ・ｍ）は磁界の中に磁荷を置いたときの回転力となるので、
ｌ_１：界磁子の直径（ｍ） ｓｉｎ▲シータ▼_１：界磁子の角度 ｓｉｎ▲シータ▼_２：界磁子の角度
発電の電圧に関する周波数は界磁子の回転で決定する。界磁子を回転さす動力は、界磁子の重量と半径と回転数で決定される。よってこの回転に必要なエネルギーＷは、

界磁子は励磁極に励磁することで自ら回転を起こそうとする自転が働く。そこで界磁子の回転力はこの自転のトルクＴ_２１を差し引きしたものが外部入力として必要なエネルギーである。

よって、このＷ（２２）式は、発電するに必要な外部動力として、最少の入力のトルクである。
【００３９】
尚、第１４−１図〜第１４−６図を基に励磁極の励磁方向で界磁子の回転を説明すると、界磁子の回転と同じくして、検出板１６を回転さす。その位置をフォトセンサ１７で検出して、励磁極の励磁を正極及び負極に励磁する方向の指示回路を作る。即ち、界磁子の磁束の流れを励磁極とコアで一巡できる方向に回路を作る。尚、この界磁子の回転が継続できるように励磁極を励磁する。この制御回路を説明するために、界磁子の回転と励磁極の励磁方向を表にする。
【００４０】
表−９

界磁子の回転とフォトセンサ１７の感知で、励磁極の励磁を正極及び負極に励磁する方向の指示を出す制御回路を作成する。例えば界磁子の回転角度１８１°〜２４０°の角度に界磁子が回転してきた時は、フォトセンサ１７の１−Ｎが感知してＮＯ１の励磁極を正極に励磁する。それと同時に、フォトセンサ１７の２−Ｎも感知してＮＯ２の励磁極を正極に励磁する。またその時には、フォトセンサ１７の３−Ｓも感知してＮＯ３の励磁極を負極に励磁する。この表−９は、検出板１６の回転に対するフォトセンサ１７の角度に対して一連の動作を示している。
【００４１】
また第１７図を基に励磁極の制御回路を説明すると、界磁子の回転と同じくして、検出板を回転さす。その位置をフォトセンサ１７の感知で認識して、励磁極コイル１０を正、負極に励磁する方向にＩＧＢＴを働かす電流を流す回路である。
【００４２】
この第１７図において、励磁コイル１０のＮＯ１の正極又は、負極に励磁する回路である。ＩＧＢＴの４個（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、）に流れる電流方向を制御することで、励磁コイルを正極及び負極に励磁する指示回路を形成するＤＣチョッパ４現象の状態を作成して制御している。
【００４３】
この第１７図において左上部のＤＣ−ＤＣ（Ａ）コンバータに直流電源を入力して、直流の振幅周波数波形をフォトセンサ１７の１−Ｎに入力する。フォトセンサ１７の１−Ｎは、界磁子の回転と同じ回転をする検出板１６の回転位置で感知する。この感知信号をＨＩＣ（１−Ａ）に入力伝達する。この信号を受けたＨＩＣは、その後、電源部＋より出た電流は端子ｎｏ２から入り、内部で信号を受けて、端子ｎｏ３からＩＧＢＴ（Ａ）のＧ（ゲート）へと流れた後、Ｅ（エミッタ）へと電流が流れる。そして、ＨＩＣの端子ｎｏ１と流れた後、内部端子ｎｏ９より電源部の−端子と帰還する回路に電流が流れ、ＩＧＢＴ（Ａ）は導通となる。この同じフォトセンサ１７の感知信号を受けて、ＩＧＢＴ（Ｄ）も同時動作を行う。フォトセンサ１７の信号が途絶えた時はＨＩＣ内部の端子ｎｏ１とｎｏ３が変換して電流が流れ、ＩＧＢＴ（Ａ）のＥ（エミッタ）からＧ（ゲート）へと逆に電流が流れＩＧＢＴ（Ａ）は遮断する。フォトセンサ１７の１−Ｓの感知信号の場合も同じでＩＧＢＴ（Ｃ）とＩＧＢＴ（Ｂ）も同じ動作を行い導通する。フォトセンサ１７が感知しない場合はＩＧＢＴに逆方向に電流が流れ、上記と同じ動作で遮断される。このように励磁コイル１０に流れる電流の方向により励磁方向が決まる。
【００４４】
第１７図は、ＩＧＢＴ（Ｅ）とＩＧＢＴ（Ｈ）、ＩＧＢＴ（Ｇ）とＩＧＢＴ（Ｆ）、ＩＧＢＴ（Ｉ）とＩＧＢＴ（Ｌ）、ＩＧＢＴ（Ｋ）とＩＧＢＴ（Ｊ）のこれらの動作による励磁極の励磁を、フォトセンサ１７で感知する。この感知は表−９のような動作となる。
【００４５】
尚、第１６図に示した検出板１６の形状に対応したフォトセンサ１７の作用を各ポイントを例に説明すると、検出板１６の形状は、半円の半径が違う周囲に設けた欠落部分１６０を有する形状になっており、半径ｒ１と半径ｒ２との違いでできる。その半径に対する円周はｒ１＜ｒ２の対比にしている。これは制御回路の構成上、２点のフォトセンサ１７が同時に感知して、回路が短絡することを防止する。第１４図は、検出板１６の検出位置印▲がａ、ｃ間に回転して来た時はフォトセンサ１７（１−Ｓ、２−Ｎ、３−Ｎ）が感知している状態である。次に▲が回転位置ｃ、ｄ、間に回転して来た時はフォトセンサ１７（１−Ｓ、２−Ｓ、３−Ｎ）が感知している状態である。次に▲が回転位置ｄ、ｅ、間に回転して来た時はフォトセンサ１７（１−Ｎ、２−Ｓ、３−Ｎ）が感知している状態である。次に▲が回転位置ｅ，ｆ、間に回転して来た時はフォトセンサ１７（１−Ｎ、２−Ｓ、３−Ｓ）が感知している状態である。次に▲が回転位置ｆ、ｇ、間に回転して来た時はフォトセンサ１７（１−Ｎ、２−Ｎ、３−Ｓ）が感知している状態である。次に▲が回転位置ｇ、ａ、間に回転してきた時は、フォトセンサ１７（１−Ｓ、２−Ｎ、３−Ｓ）が感知している制御関係を示す。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
第１図は界磁子（回転子）と励磁極（固定子）を示し、この界磁子の回転と同期した検出板とフォトセンサの感知位置の関係を示した模式図であり、第２図は前記第１図のＸ−Ｘ線断面図で外部の動力をＶプーリで受けて回転する界磁子のシャフト(主軸)で、この回転で界磁子を回転さす構造全体を示した側面模式図である。そして、第３図は本発明の核になる界磁子と励磁極の支持側板の上に励磁極の長短板を積み重ねて励磁極を構成し、この励磁極に励磁コイルを挿入した模式図であって、第４図は前記コアの短板とコアの長板のコア構成材を交互に積み重ね、その上に励磁コイルを設け、この励磁コイル間に電機子コイルを挿入し、励磁極に嵌め込みをする模式図であり、第５図はこの励磁極とコアにそれぞれ励磁コイル・電機子コイルを装着して、界磁子の回転位置で励磁極のコイルの励磁を行うポイントを調整用の位相調整板の基盤に位相調整ボルトの位相調整ボルトに調整ナットを装置する模式図である。次に第６図は位相調整板の基盤にフォトセンサと検出板を取付けた模式図であり、この位相調整板を利用し、界磁子、励磁極の各電機子コイルを制御する。第７図はこの位相調整板を利用し、界磁子、励磁極の各電機子コイル(ＮＯ１〜３のコア)と、各励磁コイル(ＮＯ１〜３の励磁極)との間に発生する磁束の関係を示した模式図であり、第８図〜第１３図において、順次その過程を示す。即ち、第８図はｃ点に界磁子のＳ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すように、ＮＯ２の励磁極の方向を負極に励磁し、ＮＯ３の励磁極は、正極に励磁し、ＮＯ１の励磁極は負極に励磁した状態を示した模式図、第９図はｄ点に界磁子のＳ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を負極に励磁し、ＮＯ３の励磁極とＮＯ１の励磁極は正極に励磁した状態を示した模式図、第１０図はｅ点に界磁子のＳ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を負極に励磁し、ＮＯ３の励磁極は負極に励磁し、ＮＯ１の励磁極は正極に励磁した状態を示した模式図、第１１図はｆ点に界磁子Ｓ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を正極に励磁し、ＮＯ３の励磁極は負極に励磁し、ＮＯ１の励磁極は正極に励磁した状態を示した模式図、第１２図はｇ点に界磁子Ｓ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を正極に励磁し、ＮＯ３の励磁極は負極に励磁し、ＮＯ１の励磁極も負極に励磁した状態を示した模式図、第１３図はａ点に界磁子Ｓ極が回転してきた状態から、さらに界磁子の回転を促すようにＮＯ２の励磁極の方向を正極に励磁し、ＮＯ３の励磁極は正極に励磁し、ＮＯ１の励磁極は負極に励磁した状態を示した模式図である。第１４−１図〜第１４−６図は、検出板の回転とフォトセンサの動作関係図を示した模式図であり、第１４−１図は検出板の回転角度が１°〜６０°の状態を示し、第１４−２図は検出板の回転角度が６１°〜１２０°の状態を示し、第１４−３図は検出板の回転角度が１２１°〜１８０°の状態を示し、第１４−４図は検出板の回転角度が１８１°〜２４０°の状態を示し、第１４−５図は検出板の回転とフォトセンサの動作関係図を示した模式図であり検出板の回転角度が２４１°〜３００°の状態を示し、第１４−６図は検出板の回転角度が３０１°〜３６０°の状態を示したものである。そして、第１５図は検出板の回転とフォトセンサの動作関係図を示した模式図、第１６図は界磁子の回転に同期した検出板が回転し、この検出板の周囲に設けた欠落部分より、光がフォトセンサに入光し、界磁子の回転角度に合わせた励磁極を励磁する状態を示した模式図をそれぞれ示す。また第１７図は本発明の動作を司る電子回路の配線図であり好ましい一例である。さらに第１８図においては、第１図の背面図を示した模式図であり、また第１９図は、前記第４図に示した励磁極の長短板とコアの長短板との要部を分解して示した拡大斜視図である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のように、本発明は、コアを通過する循環磁束を活用したことで、従来式のスロット形状の難点を解消し、発生する磁極に対する電機子反作用が極端に少ない発電機である。また本発明の発電機では、コアを通過する磁束はコイル数と投入電流の積で起こり、循環磁気抵抗を極力小さい形状にすることで通過磁束の減少を抑え得る特徴がある。そして、本発明は、部品点数が少なく量産体制が可能である。次に何よりも電機製品で云う、電気装荷と磁気装荷の関係から、銅機械なのに電圧降下が極端に少ない構造であり、安価な製品を作ることができる構成になっている。
【符号の説明】
【００４８】
１ 永久磁石
２ 永久磁石の支持体
３ 永久磁石の支持体
４ 界磁子のヨーク
５ 界磁子のシャフト
６ 界磁子と励磁極の支持側板
７ 界磁子と励磁極の支持側板
８ 励磁極の短板
８０ 励磁極の長板
９ コアの短板
９０ コアの長板
１０ 励磁コイル
１１ 電機子コイル
１２ 基盤
１２０ 長孔
１２０ａ 長孔
１３ 位相調整ナット
１４ 位相調整ボルト
１５ 位相調整ボルト
１６ 検出板
１６０ 欠落部分
１７ フォトセンサ
１８ 支持板
１９ 発電機の基盤
２０ Ｖプーリ
２１ 止め具
２２ 止め具
２３ 止め具
２４ ベアリング
２５ 止め具

Claims (1)

1. 励磁極用の支持側板（６）、（７）間に励磁極の長板（８０）、短板（８）とコアの長板（９０）、短板（９）とを止め具（２１）、（２２）で組み付け、略Ｙ状の励磁極と略環状のコアを形成し、この励磁極の長板（８０）、短板（８）及び／又はコアの長板（９０）、短板（９）を、止め具（２３）を介して、発電機の基盤（１９）に垂設した複数の支持板（１８）に固止し、界磁子のシャフト（５）を備えた外郭体を構成し、
   前記励磁極は、前記支持側板（６）、（７）間に、略Ｙ状に設けた長板（８０）、短板（８）と、この略Ｙ状に設けた長板（８０）、短板（８）に捲装した励磁コイル（１０）とで構成し、
   また前記界磁子は、前記支持側板（６）、（７）間に回転可能に設けた界磁子のシャフト（５）に設けた永久磁石（１）、及び界磁子のヨーク（４）とで構成し、
   さらに前記コアの長板（９０）、短板（９）を、略環状に設け、この略環状に設けた長板（９０）、短板（９）に、電機子コイル（１１）を捲装する構成とし、
   前記界磁子のシャフト（５）に、検出板（１６）と、基盤（１２）、及びフォトセンサ（１７）を設け、この検出板（１６）とフォトセンサ（１７）を介して、前記界磁子の回転角度に対応して、励磁極を励磁する構成とし、
   また前記励磁コイル（１０）に電流を流して励磁極を励磁し、この励磁極と前記界磁子との間で回転トルクを発生し、前記界磁子と励磁極とを循環する循環磁束の通過するコアに捲装された電機子コイル（１１）内に生じる交番磁束を、電磁誘導により発電する構成とした複合発電機。

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