JP4029990B2 - 複合発電機 - Google Patents
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Description
【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=N21.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=R0S+R0N+R1+2R21+R22
励磁極のコイル巻数(励磁コイルの巻数)をN21、電流をIとすると、起磁力は、N21・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2/3xN21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BxS21=m m:は界磁子の磁荷(wb)
B:磁束密度(Wb/m2) S:断面積(m2) ・・・(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=4.44fN2▲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I2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H21(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T21(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、
l1: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T21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)
- 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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