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JP3811181B2 - 発電機 - Google Patents

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Description

本発明は、略相数倍の電流を取り出す発電をする発電機に関する。
従来、多相交流変換形の直流電力を発電する発電機(以下、単に「在来機」とする)は、等分間隔の相間電気角(電気角360°/相数)になる様に配設された個々独立したステータ極、又は各極のステータコイルによって、順次各相で交流起電力を発生する。各相の交流波形は、いわゆるブリッジ形多相又は単相形全波整流回路(以下、単に全波整流回路とする)等で全波整流される。そして、各相の単相全波整流波形(電気角360°に2山波形を形成)を形成する「脈流直流」は、綾状になって多相連山波形を形成し、負荷回路(集合回路)へ集電される。前記多相連山波形は、「不完全直流」を示している。そして、前記「不完全直流」は、全波整流回路の出力端と負荷回路との間に設けた平滑用コンデンサーで「完全に近い直流」に平滑される。
例えば、特許文献1に記載されたタンデム・ロータ機構のタンデム式三相交流発電機は、2系統をもって発電しているので、上記電気回路を2組組み込んで構成されている。各系統の各相の電力波形は、ブリッジ形三相全波整流回路で全波整流されて、電気角360°の間に6個の山が等間隔で綾状の連山波形の「不完全直流」となる。その後、この連山波形の「不完全直流」は、各系統毎に1個設けられた平滑用コンデンサーで「完全に近い直流」となる。
又、特許文献2に記載された直流発電機は、個々独立したステータの設置総数(極数)を12個(12極)として構成されている。そして、全波整流回路で整流された電圧重合波形は、図26に示す様に、山頂部に電気角360°(Pr)間で12個(1相当り2個)の小山(m1間)を有する綾状の12相連山波形となる。この12相連山波形の「不完全直流」は、負荷回路に1個設けられている平滑用コンデンサーで「完全に近い直流」となる。
更に、特許文献3に記載された直流発電機の整流波形(電圧波形)は、図27に示す様に、Pr間で7極の7相連山波形(m2幅の小山×14山)となる。この7相連山波形の「不完全直流」は、1個の平滑用コンデンサーで「完全に近い直流」となる。
そして、特許文献4に記載された分散電源用発電装置の整流回路において、各相毎に設けられた上側コンデンサーの正側線端は、正側集合回線を介して正側出力端子に直接的に集合接続されている。よって、各相個々に発生する電力は、自相の上側コンデンサーと同時に他相の上側コンデンサーにも影響を与えていた。従って、全相の上側コンデンサーが同時に働くため、その作用は、特許文献2、及び3に示す負荷回路(出力集合回線)に1個設けた平滑用コンデンサーの平滑作用と類似する。すなわち、この場合も「不完全直流」は、1個の平滑用コンデンサーと略同等の作用で「完全に近い直流」になるといえる。尚、当文献5の目的は、低出力時の電圧ドロップによる損失を減少させることを目的としている。
ここで、上記夫々の「不完全直流」について、その発生と「完全に近い直流」への変換を図28の一例回路で説明する。この一例回路は、同種形の在来機と同様に発生させた三相交流を直流に変換するものである。すなわち、ブリッジ形三相全波整流回路で三相交流各相の起電力が整流されると、各相の出力波形は単相全波整流波形(電気角360°(Pr)に2山の電圧波形)となる。前記各単相全波整流波形は、電気角360°(Pr)÷(3相×2山)の電気角をもって順次ずれて綾状の三相連山波形(Pr間で6山波形)となる。この段階で、三相連山波形の「不完全直流」が出来る。前記三相連山波形の各山頂部にできる小谷と小谷との間の小山m3において、各小山毎に出力電流が負荷回路に流れる。従って、1相当りの出力電流発生量は、小山毎の小電流となる。この状態の「不完全直流」は、平滑用コンデンサーへ送られて「完全に近い直流」になる。この時点の1相当りの取り出し直流電流発生量は、全相の直流電流発生総量に対して略「100/相数」%の小電流(Pr間でm3が2個)となる。よって、この一例回路では、相数を増減しても全相の直流電流発生総量の上限は変化せず略同じであるため、その増量はゼロ又は極微量にとどまる。
この一例回路と同様に、上記4者の在来機においても、順次各相で発生する「不完全直流」の各脈流波形は、綾状の多相連山波形になり、波形の高い所、つまり各相の電圧の高い所(m1〜m3)に限り、各相の限られた電流が出力側へ流れるため、1相当りの出力側の直流電流発生量は略「1/相数」になるだけである。すなわち、相数を総合計すると相数の増減に対して直流電流発生総量の変化は極少である。よって、この時に生じる出力直流電流の発生総量は、上限が常に所定の限界(飽和)レベルで略一定(飽和)量となる。
又、在来機は、[磁極ロータの磁極の設置総数X÷ステータコア部の設置総数Y]、又は、[ステータコア部の設置総数Y÷磁極の設置総数X]の両者の値が整数にならない様にし、且つ、ステータ極を全て等分割間隔で配設して構成されていた。例えば、特許文献3においては、360°を等分割した等間隔角度(51.43度)で7個(7極)の個々独立したステータ(14個のコア)を配設して構成されている。磁極ロータの磁極の設置総数16極によって、7相(電気角360°(Pr)の間に14山の整流波形)の発電をしていた。また、特許文献5においては、磁極ロータの界磁極の設置総数とステータ極の設置総極数(相数の整数倍)との比は、2:3となる。よって、界磁極が16極であれば、ステータ極は等分割間隔の24極としていた。このように、在来機は、各相間が等分割位相間隔(全て同じずれ間隔波形)をもった発電を行うことで、各相の小山のピーク値を等間隔で発生させていた。すなわち、在来機は、各相の小山の発生位置に偏りの無い綾状の多相連山波形を「不完全直流」の段階で得ることによって、波形の変動幅を小さく抑えると共に変動周期を単一化し、「完全に近い直流」を得やすくしていた。
特開平5−308751号公報 特開2001−95220号公報 特開2002−262531号公報 特開2004−248391号公報 特開平5−146125号公報
しかし、これらの同種形の在来機では、磁極の設置総数とステータ極の設置極総数との比を調整したり、又は相総数をいくら増やしたとしても、出力直流電流の発生総量を所定の限界レベル以上に増加させることはできず、少しでも多くの発電電流を取り出すことのできる発電機の実現が切望されていた。
また、同在来機では、各相間が等分割位相間隔をもった発電を行うため、[磁極ロータの磁極の設置総数X÷ステータコア部の設置総数Y]、又は、[ステータコア部の設置総数Y÷磁極の設置総数X]の両者の値を整数にならないようにしなければならず、設置総数X,Yの組み合わせ自由度が制限される問題があった。
上記課題を解決するため、請求項1の発明に係る発電機は、回転可能に軸支されたロータ軸に、界磁極を形成するN磁極とS磁極を夫々等しい磁極間隔で交互に複数個配設されて成る磁極ロータと、ステータ鉄心にステータコイルを巻装して形成され、磁極ロータの磁極対向側に、所定の間隔で複数個配設されたステータ極と、前記各ステータ極のステータコイル毎、又は、磁極ロータの回転に伴いステータ極で交流起電力波形が同位相で発生するステータコイル群毎、の少なくとも一方に設けた整流回路と、個々の整流回路の出力側に接続された個々独立した平滑回路と、個々の平滑回路の出力側における正(+)極の線端に入力側が接続された個々独立した整流器と、を備え、2相以上複数相をもって1系統とし、前記系統を少なくとも1つ設け、前記整流器の出力側(+)線端を前記系統毎の(+)集結回線に集合結線してなるように構成される。
これに対して、例えば特許文献1〜3に記載された同種形の在来機の電気回路では、三者共に、平滑用コンデンサーが負荷回路(集合回路)に1個のみ設置されているだけである。又、特許文献4の実施の形態による電気回路では、各相毎に設けられたコンデンサーの正側線端と正側出力端子との間に夫々独立した整流器(各相毎)が設けられていない。そのために、各相個々に発生する電力は、自相の上側コンデンサーと同時に他相の上側コンデンサーにも影響を与えていた。
図1の説明図をもって本発明機を説明すると、先ずその構成は、各ステータコイル極部毎又は各相毎に全波整流回路(3個)及び平滑回路(3個)と整流器(シリコン・ダイオード等)(3個)をいずれも個々独立に設けてなる。前記の結線については、前記整流器の出力側(+)線端が負荷回路(集合回路)の(+)集合回線に集合接続されている。この回路によって、ステータの各ステータコイル極部で発生する交流起電力は、各ステータコイル極部毎、又は各相毎に個々独立に設けた全波整流回路で整流され、単相全波整流の「脈流直流」(電気角360°(Pr)に(+)方向へ2山波形が形成)が生成される。
そして、この「脈流直流」(Pr間に2山波形)は、個々独立に設けた平滑回路を通過すると「完全に近い直流」になる。ここでの電圧と電流の波形は、図8と同様の高原形波形になる。前記の「完全に近い直流」の(+)側は、個々独立の整流器(シリコーン・ダイオード等)(逆止め、一方向整流)を一方向へ通過(他相の平滑回路に影響を与えない)させる。負荷回路(集合回路)の(+)回線に集電した各相電力は、ここで三相重合するので図9と同様の「完全な直流」になり、同時に各相毎に、単相交流と同じ様に、1相当り100%に近い、又は100%の電流を取り出した略三相倍の直流電流を発生させる。
前記の発電総電流の算出計算式(本発明機)は、
I=Ia×(Sn÷Pn)×Pn=Ia×Sn
となる。
ここで、I・・・発電総電流、Ia・・・ステータ1極当りの交流発生電流(実効値)、Sn・・・ステータの極数、Pn・・・相数、である。
ところが、同種形の在来機の発電電流の算出計算式は、
I=Ia×(Sn÷Pn)
となる。
上記構成の本発明機においては、2相以上複数相の多相交流を「完全な直流」に変換し、しかも、単相交流の電流を取り出す場合と同様に、各相電流を100%近く、又は100%取り出すことができる。よって、本発明機は、その出力電流について、在来機の所定限界レベル以上の発生総量を得ることができる。すなわち、1相当りの最大発生電流量の略相数倍の電流を取り出すことが出来る。よって、相数を多くするほど、多くの電流を取り出し、出力負荷へ流すことができ、相数を設定限界まで多くすることによって同種形の在来機より高効率、高出力電力の発電ができる。
また、請求項2の発明に係る発電機は、ステータ極が、磁気絶縁して個々独立して形成され、磁極ロータの同一磁極間の磁極間隔が、前記磁極に対向するステータ極間のステータ極間隔と異なるものであるように構成される。
また、請求項3の発明に係る発電機は、磁極ロータが、ロータ軸の回転方向にN磁極とS磁極を交互に配置し、且つ、ロータ軸方向にほぼ同位相で、N磁極とS磁極を向かい合わせて一対としたツイン磁極部を備えるように形成され、ステータ鉄心は、一対のコア部を突設するように断面略コ字状に形成され、一方のコア部の突端をツイン磁極部の一方の磁極に対向させ、他方のコア部の突端をツイン磁極部の他方の磁極に対向させ、一対のコア部をロータ軸の軸方向に沿うように配置されるように構成される。
また、請求項4の発明に係る発電機は、磁極ロータが、ロータ軸の回転方向にN磁極とS磁極を交互に配置して形成され、ステータ鉄心が、一対のコア部を突設するように断面略コ字状に形成され、コア部の両突端を磁極ロータの磁極に対向させて、一対のコア部をロータ軸の回転方向に沿うように配置されるように構成される。
また、請求項5の発明に係る発電機は、磁極ロータの磁極の設置総数Xに対し、ステータ極の設置総極数Sn個の夫々取付位置におけるピッチ角度θnが、
θn={360°−(360°÷X)}÷Sn
であり、前記ステータ極間の間隔角度が、1箇所のみ広いものであるように構成される。
ところで、同種形の在来機で多相発電させるには[磁極ロータの磁極の設置総数X÷ステータコア部の設置総数Y]の値が整数にならない様な個数を組み合わせなければならない。これに対して、請求項5の発明に係る発電機は、前記の値が整数になっても、又、整数にならない値になっても、多相発電が出来得る様に構成される。よって、設置総数の組み合わせ自由度を高めることができる。またステータ極の設置総数Snは、相の総数と絶対的に同数となる。しかも、ステータ極の取付配置ピッチ角度θnは、磁極ロータのN磁極間ピッチ角度(Pr間)とは絶対的に異なった角度となる。よって、ステータ極がいかなる設置総数Snであっても多相発電ができるため、より高効率、高出力発電に助勢する。
請求項1の発明によれば、出力定格電圧における出力負荷電流100%時では、1相当り100%に近い、又は100%の電流を取り出すことが出来るので、1相当り最大発生電流量の略相数倍の電流を取り出すことができ、ステータ極の設定限度まで多相にするほど高効率、高出力電力の発電ができる。
請求項2,3,4の発明によれば、磁極ロータの励磁磁力とステータ鉄心の磁界磁力の反発作用又は吸引作用から生ずる磁極ロータの回転方向に作用するプラストルクとマイナストルクを各磁極部とステータ鉄心との間において全体でバランスさせてゼロに近づけることができる。また、磁極ロータの励磁磁力は、ステータ鉄心に磁界が生じていない場合でも、ステータ鉄心に対して吸着力を及ぼしているが、この吸着力はロータの回転方向へ引っ張る作用と、回転方向とは逆方向へ引っ張る作用とが拮抗して全体としてバランスがとれてロータの回転負荷トルクを減少させることとなる。このため、吸着力による動力損失に対する影響は、ロータのいかなる位相においても極めて少ない。従って、機械的動力エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を高めることができる。
請求項5の発明によれば、如何なる磁極設置総数(偶数でも良い)個をもつ磁極ロータに対して、ステータ極の設置総数Snが如何なる個数であっても高出力で多相発電ができ、設置総数の組み合わせ自由度を高めると共に、より高効率、高出力発電を助勢する。
以下、本発明に係る発電機の実施の一形態を図面に基づいて説明する。図2は、本発明に係る発電機の第1実施形態を示す要部断面正面図である。図3は、図2の発電機のA−A線断面図である。図4は、図2の発電機の発電原理を説明する模式図である。
1は本発明に係る発電機、2はアルミニューム等の非磁性体材質のケーシング、3,4は非磁性体材質の左右のエンドフレーム、5,6は軸受け部である。磁極ロータ7は、界磁主磁束を伝受するN磁極8のN磁束伝受部8aをもつ8個の円筒櫛状のN極ポールコア8bと、S磁極9のS磁束伝受部9aをもつ8個の円筒櫛状のS極ポールコア9bとを、互いに軸方向で向き合わせると共に噛み合わせる様にして、合計16個のN極ポールコア8bとS極ポールコア9bを等しい磁極間隔で交互に配設して構成されている。そして、磁極ロータ7は、N極ポールコア8bとS極ポールコア9bとを非磁性体金属のジョイント・リング10で接合して円筒ロータ状に形成されている。更にN磁極8の一端(左側)は、磁極ロータ7を回転可能とするように、非磁性体金属のロータ軸11の軸鍔11aにボルトにて一体的に接合されている。
磁極ロータ7の円筒内側には、軸心に電線穴12dを開けた励磁鉄芯軸12が設けられている。磁極ロータ7は、前記励磁鉄芯軸12の軸方向左鍔部12aとN極ポールコア8bの内周面との隙間(ギャップ)を僅かに開け、又、同右鍔部12bとS極ポールコア9bの内周面との隙間(ギャップ)を僅かに開けて、回転可能に形成されている。そして、励磁鉄芯軸12の中央部のリング状溝部12cに励磁コイル13を巻き、前記コイルの巻装線端13a,13bは直流電源制御装置14の(+),(−)端子に接続されている。
磁極ロータ7のN磁極8及びS磁極9の磁極外周対向側には、磁極ロータ7の回転方向に沿って、8個のステータ極17が所定間隔で配設されている。各ステータ極17は、ステータ鉄心15にステータコイル16を巻装して形成されている。ステータ鉄心15は、連結梁の両端から一対のコア部15a,15bが突設されるように断面略コ字状に形成されている。ステータコイル16を巻装したコア部15a,15bの両突端は、磁極ロータ7の回転方向に沿って配置されている。またコア部15a,15bは、その両突端を、磁極ロータ7が回転できるように、N極ポールコア8b及びS極ポールコア9bの外周面に対向させて隙間(ギャップ)を僅かに開けて対応させている。各ステータ極17は、磁気絶縁して個々独立するように、ステータ鉄心15を介してボルトでケーシング2の内周面に取り付けられている。
また、ステータ極17の取付け配置ピッチ(所定間隔)角度θnは、磁極ロータ7のN磁極8とS磁極9の設置総数Xに対し、ステータ極17の設置総数(極数)Sn個として、計算式{360°−(360°÷X)}÷Sn=θnに当て嵌めて計算される。ここで、図3から、X=16、Sn=8となる。
よって、
ピッチ角度θn={360°−(360°÷16)}÷8=42.19°
と成る。但し、1個所のみピッチ角度は64.67°となって広くなる。また、本発電機1において、磁極8,9の設置総数Xとステータ極17の設置総数Snの関係は、X/Snの値(=16/8)が整数となるものになっている。
図4に示すように、各ステータコイル16のステータコイル両線端16a,16bは、個々独立した8個の全波整流回路18の入力側端子18a,18bに接続されている。尚、前記全波整流回路18は、4個の整流器(シリコン・ダイオード等)18eで構成されている。前記全波整流回路18の出力側(+)線端18cは、各ステータ極17毎に設けた個々独立した8個の平滑回路49の入力側(+)端子49aに接続されている。又、前記全波整流回路18の(O)線端18dは、前記平滑回路49の(O)端子49bに接続されている。
平滑回路49の出力側(+)線端49cは、各ステータ極17毎に設けた8個の整流器(シリコン・ダイオード等)40の入力側に接続されている。更に、前記整流器40の出力側(+)線端40aは、(+)集結回線45aに集合(並列)結線され、(+)集結回線45aを介して(+)出力部端子43aに接続されている。そして、前記(+)出力部端子43aは、負荷回路41の(+)線端に接続されている。他方、前記平滑回路49の(O)線端49dは、(O)集結回線45bに集合結線され、前記(O)集結回線45bを介して(O)出力部端子43bに接続されている。そして、前記(O)出力部端子43bは、負荷回路41の(O)線端に接続されている。尚、平滑回路49は、平滑用コンデンサー49e,49fの(+)側にコイル49gを設け形成されている。又、平滑回路49と整流器40とを合わせて相回路42とする。本発電機1は、この相回路42を8回路備えている。又、(+)出力部端子43a及び(O)出力部端子43bとは、一対の電力出力部43を形成している。
尚、ステータ極17のコア部15aの鉄心幅W1は、他方のコア部15bの鉄心幅W2と略同じとする。コア部15aとコア部15bとのコア間隔Psは、磁極ロータ7のN極ポールコア8b、又はS極ポールコア9bの磁極幅Ppと略同じとする。同一磁極間のピッチ間隔Prは電気角360°とし、磁極幅Ppの2倍とする。またピッチ間隔Prは、磁極に対向する2つのステータ極17間のステータ極間隔Ptと異なるものとする。
次に、第1実施形態の発電機1の諸作用について説明する。
図2と図3において、励磁鉄芯軸12の励磁コイル13に、電源制御装置14より直流電流を送電して印加し、左鍔部12aにN極の界磁主磁束をつくり、右鍔部12bではS極をつくる。前記のN極の界磁主磁束は、左鍔部12aの外周面から僅かな隙間(ギャップ)を渡って磁極ロータ7のN磁極8のN磁束伝受部8aへ伝導し、N極ポールコア8bへ伝送される。他方、S極の界磁主磁束は、右鍔部12bの外周面から僅かな隙間を渡ってS磁極9のS磁束伝受部9aへ伝導し、S極ポールコア9bへ伝送される。
磁極ロータ7が回転すると、N極ポールコア8bのN極の界磁主磁束は、ステータ極17のコア部15a,15bの突端内周面へ、隙間(ギャップ)を渡ってN界磁が交互に伝導する。前記コア部15a、又は15bの一方に伝受したN極の界磁主磁束は、各ステータ鉄心15を順次伝って、逆側コア部のS磁極側方向へ流れる。この間、各ステータコイル16に順次単相の交流起電力が発生する。この時の交流起電力における電圧発生位相と電流発生位相は、本第1実施形態の場合、全波整流回路18がステータコイル16の巻装両端に直接的に接続されている故に、交流起電力が全波整流回路18を通過して直流になるので力率1(常時)になる。従って、図5の各相の単相交流波形で示すように、電圧は、電流と同位相になる。
上記ステータ極17の取付ピッチ(間隔)角度θnは、前述したように、{360°−(360°÷X)}÷Sn=θnの計算式で計算され、42.19°になる。また、1個所のみ広い間隔(角度)64.67°となる。この様に変則的な配置にすることにより、磁極8,9の設置総数X(16個)と全ステータ極17のコア部15a,15bの設置総数Y(16個)とが同数、あるいは、ステータ極17の設置総数(極数)Snが如何なる個数であっても、多相の交流起電力は、各相間が等分割位相間隔となるように各ステータ極17で順次発生する。
図6のように、上記8極八相交流起電力の各相の交流波形(位相を異にした波形)は、発生順に1相ずつ順次並べると八相交流波形となる。前記電圧、電流は、1相ずつ単独に流れる。各相の電流は、電力出力部43(43a,43b)で8相重合され「完全な直流」となり、それぞれ略100%取り出される。
この電流の取り出し作用を詳細に説明する。図4に示す様に、各ステータ極17で発生した各交流起電力は、ステータコイル両線端16a,16bから、各全波整流回路18の入力側端子18a,18bを通って整流回路18に入る。ここで各交流起電力は、図7の様な単相全波整流の脈流波形(Pr間に2山)を各相毎に形成する単相全波整流の「脈流直流」(不完全直流)となる。
そして、各相の全波整流回路18において、整流された「脈流直流」(直流成分)は全波整流回路18の出力側(+)線端18cから個々独立した平滑回路49の入力側(+)端子49aを通って平滑回路49に入る。尚、平滑用コンデンサー49eでは全波整流回路18から入力された「脈流直流」を不完全ながら「略直流」にする。コイル49gは、この「略直流」の直流成分を通す。更に平滑用コンデンサー49fによって、より磨きをかけられ、図8のような各相毎に「完全に近い直流」になる。この時点でも、各相では、独立した直流であるから1相毎に単相交流と同じ様に1相当り100%に近い、又は100%の電流を取り出すことが出来ている。
各相毎の「完全に近い直流」の(+)側の電圧、電流は、全相、略同電圧、略同電流量となるように予め設定されており、各平滑回路49の出力側(+)線端49cから各整流器40の入力側に流れて、逆止弁の役目をする整流器40を一方向へ通過する。そして、負荷回路41の(+)線端に接続された(+)集結回線45aに流れる。上記の各整流器40は、各相回路42の自己の(+)直流だけ通過させ、他の(+)直流は通さない様にブロックして、他の直流電力が自己の平滑回路49へ回り込まない様にし、他の影響を受けない様にする。この整流器40の働きによって、各相夫々の「完全に近い(+)直流」は、(+)集結回線45aを介して(+)出力部端子43aに集結し、重合して「完全な直流」になる。尚、仮に全ての整流器40がない場合は、各相で順次発生する電力が他の全ての平滑用コンデンサー49e、49fに影響を与え、結果は同種形の在来機と略同じ事(作動)となり、1相分の限界レベルまでの電流しか取り出すことはできない。
他方、(O)成分は、各ステータコイル16に交流が発生すると、負荷回路41の(O)線端に接続された(O)集結回線45bから各平滑回路49の(O)端子49bを通り、更に全波整流回路18を通ってステータコイル線端16a、又は16bへ交互に(O)極の作用をする。
上記の各相の「完全に近い直流」の(+)側の電圧、電流は、上記夫々整流器40を等間隔の位相差をもって順次通過する。そして(+)集結回線45aへ流れて(+)出力部端子43aで集電すると、ここで8相の「完全に近い直流」が重合する。すなわち、図9に示す8相重合の「完全な直流」が出来る。尚、上記各相の「完全に近い直流」でも、全て略同電圧、略同電流量である。
また、図8に示すように、8個(8極)のステータ極17(8相)の電圧は少し高い所が2ヶ所あり、出力負荷が少ない場合は少しでも電圧が高い相の所から電流が流れる。又、力率1、あるいは遅れ力率の無負荷電圧は出力負荷100%時の定格電圧より高いので、図10の様に、出力負荷電流が100%に近づくにつれて電圧は下がって定格電圧に近づく。定格電圧へ下がるまでの間に全相の電流を略100%引き出すことが出来る。
仮に図10の様に狭い範囲で各ステータ極17の電圧が全てバラバラの電圧差があった場合でも、本発明機の全ステータ極17の交流起電力は、略力率1(略100%力率)であるので、各電圧対電流の特性曲線は図10の様になり、無負荷電圧時より出力負荷電流が多くなるほど、8個(8極)のステータ極17(8相)の電圧は定格電圧(出力負荷100%)に近づき、更に、負荷電流100%になれば定格電圧まで下がる。
従って、前記の様に8個(8極)のステータ極17の発生電圧がバラバラであっても、図10の(a)間においては、8極(8相)夫々から電流を取り出すことが出来る。そして、出力負荷電流は100%に達し、電圧は定格電圧になった時、8個(8極)全てのステータ極17(8相)より、単相交流と同じ様に、1相当り100%に近い、又は100%の直流電流を取り出すことが出来る。
よって、以上詳述したように、第1実施形態の発電機1によれば、1相当り最大発生電流量の略相数倍の電流を取り出すことができるので、相数が多い(設定限度まで)ほど多くの直流電流を取り出すことが出来、高効率、高出力の直流電力の発電ができる。また、如何なる磁極設置総数(偶数でも良い)個をもつ磁極ロータ7に対して、ステータ極17の設置総数Snが如何なる個数であっても高出力で多相発電ができ、設置総数の組み合わせ自由度を高めると共に、より高効率、高出力発電を助勢する。
次に、本発明に係る発電機の第2実施形態を説明する。図11に示すように、本発電機50において、ステータ極17の取付ピッチ(間隔)角度は、{360°−(360°÷X)}÷Sn=θnの計算式で計算すると、磁極8,9の設置総数Xの14個に対して、ステータ極17の設置総数(極数)Snが6個(6極)となることから、θnは55.7°のピッチ角度になり、1個所のみ広い間隔(角度)81.5°となっている。また、本発電機50において、磁極8,9の設置総数Xとステータ極17の設置総数Snの関係は、X/Snの値(=14/6)が整数とならないものとなっている。また磁極ロータ7の同一磁極間のピッチ間隔Prは、磁極に対向する2つのステータ極17間のステータ極間隔Ptと異なるものである。その他の構成については、第1実施形態の発電機1と同様であり省略する。この第2実施形態の発電機50によれば、第1実施形態の発電機1と同様の作用効果を得ることができる。
次に、本発明に係る発電機の第3実施形態を説明する。本発電機100は、図12に示すように、8組の相回路42を2組の相回路42と残りの6組の相回路42との2系統に分割し、夫々別々の負荷回路121、221(2回路)に集合結線して構成されている。即ち、本発電機100では、2組の相回路42を第1系統、残りの6組の相回路42を第2系統として2系統に組み分けして構成されている。そして、第1及び第2系統毎に、各整流器40の出力端の正(+)極を集合接続して形成された(+)出力部端子123a、223aと、各平滑回路49における出力側の(O)極を集合接続して形成された出力部端子123b、223bとからなる2対の電力出力部123、223を備えるように構成されている。そして、第1系統の電力出力部123は負荷回路121に、又第2系統の電力出力部223は負荷回路221に接続されている。また、ステータ極17のコア部15a,15b毎に独立して巻装されたステータコイル16は、対応する両端を互いに接続して、整流回路18の入力側に並列接続されている。その他の構成については、第1実施形態のものと同様であるため、その説明を省略する。
このような発電機100の場合には、発電機1と同様の作用効果を得ることができ、加えて、第1及び第2系統毎に各一対の電力出力部123、223を設けたので、使用目的に合った個々の負荷回路121,221を電力出力部123,223に接続ができる。更に、電力出力部123,223の間にスイッチ24a,24bを設けて、接続、又は分離(分割使用)させることも出来るので、多目的に使用できる。そして、負荷回路121、221の夫々に対して、直流電力を、高効率、高出力で供給することができる。
次に、図13は本発明に係る発電機の第4実施形態を示す正面図であり、上半分を断面図で示している。図14は図13の断面図を示し、右半分がB−B矢示断面図、左半分がC−C矢示断面図である。また、図16は原理を示す模式図を示している。そして、図15は第5実施形態を示し、図14と同様の位置での断面図である。
本発電機201のケーシング2を構成する左右のエンドフレーム203,204には、軸承部205,206が形成されている。該軸承部205,206により2組のランデル形の磁極ロータ207a,207bを一対とするロータ207が支承されている。ロータ207のロータ軸208の外周には、2対の巻線枠209(209a,209b,209c,209d)が嵌着されている。該巻線枠209には励磁コイル210が右巻に巻装されている。そして、励磁コイル210の巻装端部210a,210bは、ロータ軸208の一端部に嵌着した一対のスリップリング211a,211bに接続されている。スリップリング211a,211bには、付勢バネ212a,212bの付勢力により弾出するブラシ213a,213bが摺接している。
ロータ軸208に嵌着した2対の巻線枠209は軸方向左右外周にN極,S極が交互に計14個づつの歯形部214(214a,214b,214c,214d)として、等角度間隔で、配置されて左右の磁極ロータ207a,207bを形成している。各歯形部214には、先端部を軸方向内向きに屈曲させて左右異極を対向させたツイン磁極部215を形成する磁極部のポールコア215a,215bと、先端部を軸方向外向きに屈曲させたポールコア215c,215dが交互に略同位相で形成されている。これにより、2対のポールコア215a,215bと215c,215dからなるツイン磁極部215が14組形成され、一対の界磁極を有するロータ207が形成される。また、左右のエンドフレーム203,204間には、円筒状の固定フレーム216が配設されケーシング202を構成し、固定フレーム216の内周には、等角度間隔に12個のステータ鉄心217を設けたステータ極218が形成されている。
尚、各ステータ極218が独立した電機子電流を発生させるため、また、磁界を独立に作用させて発電効率を高めるために、ステータ極218と固定フレーム216の間を磁気絶縁する必要があり、固定フレーム216の材質をアルミ等の非磁性材料で形成している。また、ポールコア215a,215bの個数Xとステータ極218の設置総数Snの関係は、上記の場合、X=14、Sn=12であり、X/Sn若しくはSn/Xの値がいずれも整数とならないようにしたX>Snであるが、X<Snであっても良い。この時、同一磁極のポールコア215a間のピッチ間隔は、磁極に対向する2つのステータ極218間のステータ極間隔と異なるものになる。
ステータ鉄心217は、連結梁の両端から一対の分割コア部217a,217bが突設され、断面略コ字状に形成されている。分割コア部217a,217bは、ステータ鉄心217が一対の磁極ロータ207a,207bを跨ぐように、ロータ軸の軸方向に沿って配置されている。すなわち、一方の分割コア部217aは、突端をポールコア215a,215cの外周に空隙を介して対向させて配置されている。また、他方の分割コア部217bは、突端をポールコア215b,215dの外周に空隙を介して対向させて配置されている。
各分割コア部217a,217bには、ステータコイル219が巻装される。ステータコイル219は、分割コア部217bに対してはポールコア215b側から見て右巻に巻装されている。そして、右巻に巻装したステータコイル219は、分割コア部217aに対しては、ポールコア215aに向かって右巻の延長に巻装されている。
図16に示すように、各ステータコイル219の巻装両端219a,219bは、それぞれ4個のダイオードからなる全波整流回路18の入力端子に接続されている。全波整流回路18の出力側(+)線端は、各ステータ極218毎に設けた個々独立した12個の平滑回路49の入力側(+)端子49aに接続されている。又、前記全波整流回路18の(O)線端は、前記平滑回路49の(O)端子49bに接続されている。
第1実施形態の発電機1と同様に、平滑回路49の出力側(+)線端49cは、各ステータ極218毎に設けた12個の整流器40の入力側に接続されている。更に、前記整流器40の出力側(+)線端40aは、(+)集結回線45aに集合(並列)結線され、(+)集結回線45aを介して(+)出力部端子43aに接続されている。そして、前記(+)出力部端子43aは、負荷回路41の(+)線端に接続されている。尚、全波整流回路18と負荷回路41との間の回路については、第1実施形態のものと同様の構成であるため、その他の結線の説明を省略する。
また、上記ブラシ213aは直流電源回路223のプラス側端子に、ブラシ213bはマイナス側端子にそれぞれ接続される。直流電源回路223は、開閉スイッチ224及び可変抵抗器225が直列に介装されている。
上記構成の発電機201の作用について説明する。直流電源回路223の開閉スイッチ224を閉じるとともに、可変抵抗器225を調節して所定の直流電源を励磁コイル210に印加する。そして、ロータ207を回転させる。励磁コイル210は右巻に巻装されているため、右ねじの法則に基づきポールコア215a,215d側がS極となりポールコア215b、215c側がN極となって、界磁主磁束Φは図16に示す方向に生じる。この界磁主磁束Φは、ステータ極218の分割コア部217a,217bを順次サークルで交差する。
そして、ポールコア215a,215b,215c,215dが回転して、磁力線がステータ鉄心217に対して増大方向へ変化すると共に、ほぼ同時に回転方向前方の異極ポールコアによる磁力線が反比例して減少方向へ変化する場合は、ファラデーの電磁誘導の法則及びレンツの法則に基づき、両極複合による相互誘導作用によりステータコイル219に複合効果のプラスの起電力が発生する。
また、磁力線がステータ鉄心217に対して、減少方向へ変化すると共に、ほぼ同時に回転方向後方の異極ポールコアによる磁力線が入って、反比例して増加方向へ変化する場合は、両極複合による相互誘導作用によりステータコイル219に複合効果のマイナスの起電力が発生する。このように、ポールコア215a,215b,215c,215dが個々独立したステータ鉄心217を通過する毎に、ステータコイル219に個々独立した誘導起電力が誘起され交流電流が発生する。発生した交流電流は、各々ステータ極218毎に全波整流回路18により整流されて相回路42を介して負荷回路41に流れる。
個々独立したステータ極218のステータコイル219に交流電流が誘起されると、この交流電流により、ステータ鉄心217には、N極とS極の界磁主磁束Φの流れ方向に対して、逆方向へ磁界磁力が生じる。この磁界磁力と、ポールコア215a,215b,215c,215dの励磁磁力との間で、反発作用をする誘起反発磁力が生じ、また逆に吸引作用をする誘起吸引磁力(合成磁力)が発生する。この両磁力は、ロータ207の回転方向へ作用するプラス誘起反発磁力及びプラス誘起吸引磁力(モーター作用)と、逆回転方向へ作用するマイナス誘起反発磁力及びマイナス誘起吸引磁力(ブレーキ作用)とに分かれる。
しかしながら、本発電機201では、常に略力率1でそれぞれのステータコイル219に交流電流を誘起させることによって、プラス誘起反発磁力及びプラス誘起吸引磁力を、マイナス誘起反発磁力及びマイナス誘起吸引磁力よりも大きくさせている。
また、ポールコア215a,215b,215c,215dの励磁磁力は、ステータ鉄心217に磁界が生じていない場合でも、ステータ鉄心217の分割コア部217a,217bに対して、ロータ207の回転方向へ吸着作用をするプラス吸着磁力及びロータ逆回転方向へ吸着作用をするマイナス吸着磁力を及ぼしている。
しかしながら、本発電機201では、ツイン磁極部215の一方磁極部における磁極の設置総数Xとステータ極218の設置総数Snとの関係が、X>Sn又はX<Snであって、X/Sn若しくはSn/Xの値がいずれも整数とならないようにし、ロータ207の同一極性の磁極間の磁極間隔を、ツイン磁極部215に対向するステータ極218間のステータ極間隔と異なるものとすることによって、上記プラス吸着磁力とマイナス吸着磁力とは、互いに拮抗してバランスをとり、ロータ207がいかなる位相でも打ち消し合う。
すなわち、本発電機201が発電する際、ロータ207には、プラス誘起反発磁力、プラス誘起吸引磁力及びプラス吸着磁力を足し合わせてなる回転方向へのプラストルクと、マイナス誘起反発磁力、マイナス誘起吸引磁力及びマイナス吸着磁力を足し合わせてなる逆回転方向へのマイナストルクとが所定の比率で作用するが、総合作用によって、マイナストルクを大幅に減少させプラストルクの比率を増大させることができる。よって、機械的動力エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を高めることができる。尚、本発電機201では、第1実施形態の発電機1と同様に1相当り最大発生電流量の略相数倍の電流を取り出すことができる。
図17,図18は第6,7実施形態を示し、上記第4,第5実施形態の変形例である。図17の磁極ロータ207は、ポールコア215g,215h,215i,215jを永久磁石としている。また図18のステータ極218は、ステータ鉄心217の一対の両突端217e,217fをロータ軸に並行に軸方向に沿って形成されステータコイル219を巻装して構成されている。また、磁極ロータ207は、ロータ軸208に直交する2枚の円盤の対向面側から内側へポールコア215k,215l、及び215m,215nを突設して構成されている。そして、磁極ロータ207は、ステータ鉄心217を左右から挟む形で配置されている。この時、ステータ鉄心217の一対の両突端217e,217fは、ポールコア215k,215l、及び215m,215nに対向するように配置されている。図18の215k,215l,215m,215nは、図17と同様に永久磁石としているが、励磁コイル式でもよい。この第6,7実施形態の場合も、第4,第5実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
次に、図19は、本発明に係る発電機の第8実施形態を示す正面図であり、上半分を断面図で示している。図20は、図19のD−D矢示断面図である。図21は、図19の発電機の発電原理を説明する模式図である。本発電機301のケーシング2を構成する左右のエンドフレーム303,304には軸承部305,306が形成されている。該軸承部305,306によりランデル形の磁極ロータ307が支承されている。磁極ロータ307のロータ軸308の外周には巻線枠309(309a,309b)が嵌着されている。該巻線枠309には励磁コイル310が巻装されている。そして、励磁コイル310の巻装両端310a,310bは、ロータ軸308の一端部に嵌着した一対のスリップリング311a,311bに接続されている。スリップリング311a,311bには、付勢バネ312a,312bの付勢力により弾出するブラシ313a,313bが摺接している。
ロータ軸308に嵌着した巻線枠309には、軸方向左右外周に磁束が流れやすい金属でできた磁極314のS極ポールコア314aとN極ポールコア314bが計16個設けられている。前記各コアは、先端部を軸方向内向きにして、各々交互に等角度間隔で、歯車状に配設した界磁極を有する磁極ロータ307を形成している。そして、左右のエンドフレーム303,304間には円筒状の固定フレーム315が配設されてケーシングを構成している。固定フレーム315の内周には、略等角度間隔でステータ極318が配設されている。ステータ極318は、ロータ回転方向で前後に一対の前側コア部316aと後側コア部316bとを突設するように断面略C状溝形鉄心をもって形成したステータ鉄心316と、そのステータ鉄心316の前側コア部316aと後側コア部316bに巻装したステータコイル317とから形成されている。ステータ鉄心316は、ケイ素綱板を積層して構成されている。前側コア部316aと後側コア部316bとのロータ回転方向の鉄心幅W1,W2はコア間隔Psより狭くして形成されている。かかるステータ極318は、前側コア部316a・後側コア部316bの両突端をS極ポールコア314a及びN極ポールコア314bの外周に僅かな空隙をあけて対向させて、一対のコア部をロータ軸の回転方向に沿うように配置されている。尚、磁極314は、その同一磁極間のピッチ間隔Prの1/2ピッチである磁極幅Ppが前側コア部316aと後側コア部316b間のコア間隔Psと略同寸となるよう配設されている。
ステータコイル317は、後側コア部316bに対しては磁極ロータ307の磁極314側から見て右巻に巻装されている。そして、右巻に巻装したステータコイル317は前側コア部316aに対しては、磁極ロータ307の磁極314に向かって右巻の延長に巻装されている。
尚、固定フレーム315は非磁性体材料であるアルミで形成されており、これによって各ステータ鉄心316間が磁気絶縁され、ステータ鉄心316毎に独立した電機子電流が発生し、磁界が独立に作用する。また、S極ポールコア314aとN極ポールコア314bとの設置総数Xと、ステータ極318の設置総数Snとの関係は、X/Snの値が整数とならないようになっている。すなわち、磁極ロータ307の同一極性の磁極間の磁極間隔は、磁極314に対向するステータ極318間のステータ極間隔と異なるものとなっている。本発電機301では、X=16,Sn=7である。
図21に示すように、各ステータコイル317の巻装両端317a,317bは、それぞれ4個のダイオードからなる全波整流回路18の入力端子に接続されている。全波整流回路18の出力側(+)線端は、各ステータ極318毎に設けた個々独立した7個の平滑回路49の入力側(+)端子49aに接続されている。又、前記全波整流回路18の(O)線端は、前記平滑回路49の(O)端子49bに接続されている。
第1実施形態の発電機1と同様に、平滑回路49の出力側(+)線端49cは、各ステータ極318毎に設けた7個の整流器40の入力側に接続されている。更に、前記整流器40の出力側(+)線端40aは、(+)集結回線45aに集合(並列)結線され、(+)集結回線45aを介して(+)出力部端子43aに接続されている。そして、前記(+)出力部端子43aは、負荷回路41の(+)線端に接続されている。尚、全波整流回路18と負荷回路41との間の回路については、第1実施形態のものと同様の構成であるため、その他の結線の説明を省略する。
また、図19に示すように、励磁用直流電源回線322の一方は、ブラシ313aからプラス接続電線323と開閉スイッチ324を介して直流電源制御装置325のプラス側端子に接続されている。そして、他方は、ブラシ313bからマイナス接続電線326を介して直流電源制御装置325のマイナス側端子に接続されている。
次に、かかる発電機301の作用について説明する。励磁用直流電源回線322の開閉スイッチ324を閉じ、直流電源制御装置325で自動または手動で調節して所定の直流電源を励磁コイル310に印加する。そして、駆動モータ等の外部の機械的動力で磁極ロータ307を回転させる。励磁コイル310は右巻に巻装されているため、右ねじの法則に基づきS極ポールコア314a側はS極となり、N極ポールコア314b側はN極となる。そのS極とN極とによって発生する界磁主磁束φは図21に示す方向へ生じる。磁極ロータ307が回転すると、ポールコア314a及び314bは、ステータ極318の前側コア部316aと後側コア部316bに対して、N極とS極とが交互に変わる。よって界磁主磁束φの流れ方向は、各ステータ鉄心316の前側コア部316aと後側コア部316bとの間で円周方向(磁極ロータ307の回転方向に対して前後方向)へ交互に変わって往来する。
そして、S極ポールコア314aとN極ポールコア314bが回転移動して、界磁主磁束φの磁力線がステータ鉄心316の前側コア部316aと後側コア部316bに対して増大方向へ変化する。同時に、平行作用する前方(ロータ回転方向に対して・以下同様)の異極ポールコアの磁力線が反比例して減少方向へ変化する場合は、ファラデーの電磁誘導の法則及びレンツの法則に基づき、両極複合による相互誘導作用によりステータコイル317に複合効果のプラス,マイナス交互(交流)の起電力が発生する。
また、プラスまたはマイナス起電力の発生がピークになる位置から、S極ポールコア314a,N極ポールコア314bがさらに回転移動して、前側コア部316a、後側コア部316bに対して磁力線が減少方向へ変化する。その変化と共に、後方の異極ポールコアによる磁力線が同時に入り、反比例して増加方向へ変化する場合は、両極複合による相互誘導作用によりステータコイル317にプラス(ピーク)から0を通過してマイナス(ピーク)へ、またはマイナス(ピーク)から0を通過してプラス(ピーク)へと交互にサイクルで移り、誘導起電力が発生する。このように、S極ポールコア314aとN極ポールコア314bとが交互に各コア部316a,316bを通過する毎に、ステータコイル317に個々独立した交流が発生する。その発生した交流は、各々ステータ極318毎に設けられた全波整流回路18により整流され、相回路42を介して直流電力となり負荷回路41に流れる。
磁極ロータ307が回転することで、ステータコイル317には、相互誘導作用により誘導交流起電力が誘起し、交流電流(プラス電流とマイナス電流とが交互に流れる)が発生すると同時に磁界が発生する。その磁界は、界磁主磁束φの正逆交互への流れ方向に対してそれぞれ逆らう方向へ磁界磁力を発生させる。そして、ステータ鉄心316の前側コア部316a、後側コア部316bで発生する磁界磁力と、磁極314のN極ポールコア314b、S極ポールコア314aで生ずる界磁主磁束φによる励磁磁力との間には、反発作用をする誘起反発磁力と、逆に吸引作用をする誘起吸引磁力とが発生する。この両磁力は、磁極ロータ307の回転方向へ作用するプラス誘起反発磁力及びプラス誘起吸引磁力(モーター作用)と、逆方向へ作用するマイナス誘起反発磁力及びマイナス誘起吸引磁力(ブレーキ作用)とに分かれる。
しかしながら、本発電機301では、常に略力率1でそれぞれのステータコイル317に交流電流を誘起させることによって、プラス誘起反発磁力及びプラス誘起吸引磁力を、マイナス誘起反発磁力及びマイナス誘起吸引磁力よりも大きくさせている。
一方、S極ポールコア314a,N極ポールコア314bの励磁磁力は、ステータ鉄心316に磁界が生じていない場合でも、ステータ鉄心316のコア部316a,316bに対して吸着磁力を及ぼしている。しかしながら、ポールコア314a,314bの総計個数Xとステータ極318の設置総数Snとの関係を、X/Snの値が整数とならないようにし、磁極ロータ307の同一極性の磁極間の磁極間隔を、磁極314に対向するステータ極218間のステータ極間隔と異なるものとしたため、この吸着磁力は、全ポールコア314a,314bと全ステータ鉄心316のコア部316a,316bとの間で磁極ロータ307の回転方向へ引っ張るプラス吸着磁力と、回転方向とは逆方向へ引っ張るマイナス吸着磁力とが拮抗して、磁極ロータ307がいかなる位相でも打ち消し合い、実質上ロータの回転負荷トルクを減少させることとなる。このため、吸着磁力による動力損失に対する影響は、磁極ロータ307のいかなる位相でも低減される。
すなわち、本発電機301が発電する際、磁極ロータ307には、プラス誘起反発磁力、プラス誘起吸引磁力及びプラス吸着磁力を足し合わせてなる回転方向へのプラストルクと、マイナス誘起反発磁力、マイナス誘起吸引磁力及びマイナス吸着磁力を足し合わせてなる逆回転方向へのマイナストルクとが所定の比率で作用するが、総合作用によって、マイナストルクを大幅に減少させプラストルクの比率を増大させることができる。よって、第8実施形態の発電機301によれば、機械的動力エネルギーから電気エネルギーへの変換効率をより一層高めることができる。尚、本発電機301では、第1実施形態の発電機1と同様に1相当り最大発生電流量の略相数倍の電流を取り出すことができる。また、上述のように、この本発電機301の作用効果は、第2実施形態の発電機201の作用効果と同様となる。加えて、第1実施形態の発電機1についても、発電機201,301と同様の作用効果を得ることができる。
次に、図22は本発明に係る発電機の第9実施形態を示し、図19のD−D矢示断面図である。本第9実施形態の発電機350は、第8実施形態の発電機301と比較して、ステータ極358のステータ鉄心356の形状が異なっている。すなわち、第9実施形態では、第1実施形態の発電機1と同様にステータ鉄心356が断面略コ字状に形成されているのに対して、第8実施形態では、ステータ鉄心316が断面略コ字状の両突端を内側へ曲げた断面略C字状となるように形成されている。その他の構成や作用効果は、第8実施形態の発電機301と同様である。
次に、本発明に係る発電機の発電出力特性について説明する。
本発電機の発電出力特性を得るため、発電機のロータ軸と駆動モータ(200V、1.5kW、4P、定格電流6A、三相交流モータ、図示略)のモータ軸とをカップリングにてジョイントして、磁極ロータを駆動回転(1798〜1714rpm)させ、直流電力を発電させる実験を、信頼できる第三者に委託して行った。
本実験では、図11の第2実施形態として記載した発電機50を使用した。また発電機50の磁極ロータは外径φ174となるように形成した。そして、磁極ロータには、励磁鉄芯軸に巻いた励磁コイルに直流電圧を50.3V〜53.9Vの間で印加し、一定の電流3Aを流すことで、両磁極に生ずる励磁磁力について所定量を確保した。またステータ極では、各コア部にステータコイル(径φ1)を290回巻きして、所定量の磁界磁力を確保した。
本実験では、6個のステータ極毎に発電した出力電力に対して略100%の出力負荷を与え、各ステータ極の出力を1個(1相)ずつ加算した。そして、加算する毎に、発電機50の電力出力部43における発電出力の電流と電圧とを測定した。同時に駆動モータにおける負荷電流と回転数とを測定した。
図23上段のグラフは、発電機50における出力電圧の実測結果である。この結果から、ステータ極の出力を加算することによって、出力電圧は292.6V〜314.6Vの間で増減することがわかる。
図23下段のグラフは、発電機50における出力電流の実測結果である。この結果から、相数が多くなるに連れて直流電流が一次関数的に増加していることがわかる。
図24上段のグラフは、駆動モータにおける回転数の実測結果である。この結果から、磁極ロータの有励磁(励磁電流3A一定)において、出力無負荷時より出力負荷が大きく(6相まで)なるに連れてモータ回転数は比例して上がることがわかる。同時に磁極ロータを回転させる駆動トルクは反比例して下がることがわかる。ここで、駆動トルクの特性はモータ回転数と同様に変化する。
図24下段のグラフは、駆動モータにおける負荷電流の実測結果である。この結果から、励磁ロータの有励磁(電流3A一定)において、発電出力無負荷時より出力負荷が大きく(6相まで)なるに連れてモータの負荷電流値が反比例して小さくなって行く(8.4A→5.1A)ことがわかる。
次に、発電機50の発電実験から得た発電出力特性について考察する。
在来発電機の場合、負荷回路へ取り出すことができる出力電流は、ステータ極で誘起される交流波形の相数に関わらず1相当りの最大発生電流量一定となっていた。これに対して、本発電機50では、1相当りの最大発生電流量の略6倍(6相分)の電流を取り出すことができている。これは、他の相回路43から回り込む出力電流を整流器40によって阻止させたことによるものと思われる。また、在来発電機の場合、発電電力に対する出力負荷が多くなるほど、比例して磁極ロータ側に大きなロータ回転駆動負荷が掛かっていた。よって、モータの負荷電流値においては、ステータ発電側の出力負荷が大きくなるに連れて、前記出力負荷に比例してモータ負荷電流値は上がり、図24の破線で描くように右上がりとなった。又、モータ回転数とロータ駆動トルクにおいては、ステータ発電側の出力負荷が大きく(6相まで)なるに連れて、前記出力負荷の増加と反比例して回転数は徐々に減少し、ロータ駆動トルク値は逆に上がっていた。これに対して、本発電機50では、駆動モータ負荷電流及び回転駆動負荷を減少できている。これは、1相当り最大発生電流量に対して略6倍(6相分)の電流量を取り出したことによって発生する強力な磁界磁力が、略力率1において、磁極ロータに対し、プラストルクを増加させ、マイナストルクを低減させたことによるものと思われる。なお、本発明に係る他の発電機の発電出力特性が上記発電出力特性と同等の変化傾向を示すことは、他の検証実験によって確認済みである。
すなわち、実験的事実としての上記発電出力特性から、本発明に係る発電機は、1相当りの最大発生電流量の略相数倍の電流を取り出すことができ、在来発電機より高効率で高出力発電するものであると言える。
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下列挙するように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の形状並びに構成を適宜に変更して実施することも可能である。
(1)磁極ロータの配置・設置数、ステータ極の形状・配置・設置数、並びにステータコイル、全波整流回路と平滑回路等の回路構成、及び整流器の種類等は適宜変更可能である。例えば、磁極ロータにあっては、ランデル形の他、セーレント形、風車形、タンデム形あるいは永久磁石を用いたロータ形(図17の第6実施形態の磁極ロータ207を参照)、2枚等の円盤形(図18の第7実施形態の磁極ロータ207を参照)、椀形等の回転体とすることができる。
(2)本発明において、整流器40は、逆止弁の役目をするものであれば、シリコン・ダイオード等の整流素子単体に限らず、サイリスタ等の多数素子から構成しても良い。
(3)電力出力部は、1対や2対に限らず、相回路の設定総数の限度以内で、複数対設けることができる。そして、ステータ極の設定総数の限度以内で、少なくとも1つの系統の外に少なくとも1つの在来形の交流を直流に変換する回路(個々独立に整流回路と平滑回路を備えた回路)を組入れることも可能である。
(4)ステータ極は、磁極ロータの磁極外面対向側に限らず、磁極ロータの内側にステータ極が配置されてなる発電機の場合には、磁極内面対向側に配設しても良い。
(5)平滑回路は、公知(図示)の回路構成を必ずしも使用する必要はなく、例えば平滑回路の中のコイルは(+)側1個(図示)のみでなくて(+)側と(O)側共に各1個を使用しても良く、又、コイルの代りにダイオード等を使用しても良い。又、1個のコンデンサーでも良い。
(6)整流回路は、全波整流回路に限らず、半波整流回路に変えて構成することも可能である。
(7)ステータコイルと整流回路との間には、力率改善用リアクトル、又は力率改善用コンデンサーを設けても良い。この場合、力率を改善させ変換効率を向上可能である。
(8)全波整流回路18及び相回路42は、例えば図25に示すように、9極ステータコイルを有して三相交流電力をつくる第10実施形態の発電機400のように、同位相に属するステータコイル群Iのみについて、これに含まれるステータコイル毎に1回路ずつ計3回路を組み込むと共に、同位相に属するステータコイル群II,III毎に1回路ずつ計2回路を組み込んで、総計5回路を設けて構成する等、任意のステータコイル群に含まれるステータコイル毎に1回路ずつ組み込んで構成しても良い。これらの場合も、第1〜第9実施形態の発電機と同様の作用効果を得ることができる。
(9)磁極ロータの励磁回路は、他励式のみならず自励式を採用しても良い。
(10)ステータ極の磁気絶縁手段にあっては、ステータ鉄心とフレームとの間に磁気絶縁材の間座を設けた構成とすることも可能である。
(11)電力出力部と負荷回路(出力電気負荷)との間に、サーボアンプ等を設けることもできる。
(12)本発電機は、整流器40において、逆止弁の役目も果たすサイリスタ形、又は出力側に相互インダクタンス(変圧器)付の同期周波数式インバータ等を、ダイオードの換わりに組み入れて構成することもできる。或いは、電圧形等の同期周波数式インバータ等を、系統毎の(+)集結回線と個々の整流器の出力側(+)線端との間にそれぞれ設けて構成しても良い。前記2者の同期周波数式インバータにおいては、各ステータ極毎、又は各相毎に発生する交流発電電力を直流電力に変換した後、その直流電力を、全ての同期周波数式インバータに対して単一パルス信号(電流)発生装置より所定の同期パルス信号を送ることによって、所定の同期周波数の交流電力に変換できる。したがって、各電力出力部では、出力定格電圧における出力負荷電流100%時で取り出された1相当り100%に近い、又は100%の直流電流に基づき、1相当り最大発生電流量の略相数倍の交流電流を系統毎に取り出すことができ、ステータ極の設定限度まで多相にするほど高効率、高出力の交流電力の発電ができる。
(13)整流回路及び相回路は、第1実施形態の発電機等に限らず、同期発電機や誘導発電機等の他の発電機について、ステータコイル毎、又はステータコイル群毎に相当する個所に設けても良い。この場合も、本発明の効果と同様に、1相当り最大発生電流量の略相数倍の直流電流または交流電流の少なくとも一方を取り出すことが可能となる。
本発明に係る発電機の基本回路構成と各部の波形を示す説明図である。 本発明に係る発電機の第1実施形態を示す要部断面正面図である。 図2の発電機のA−A線断面図である。 図2の発電機の回路図である。 全波整流回路を通過後の電圧と電流の発生位相を示す説明図である。 各ステータ極で発生した直後における交流起電力の各単相交流波形を示す説明図である。 単相全波整流の脈流波形を示す説明図である。 平滑回路により平滑された脈流波形を示す説明図である。 集電後の波形を示す説明図である。 力率1の場合の負荷時における各相の特性曲線を示す説明図である。 本発明に係る第2実施形態を示す断面図である。 本発明に係る第3実施形態を示す回路図である。 本発明に係る発電機の第4実施形態を示す正面図説明で、上半分を断面図で示している。 図13を正面図とする第4実施形態を示す縦断面図で、右半分はB−B矢示断面図、左半分はC−C矢示断面図である。 図13を正面図とする第5実施形態を示す縦断面図で、右半分はB−B矢示断面図、左半分はC−C矢示断面図である。 図13の発電機の発電原理を説明する模式図である。 本発明の第6実施形態を示す概略説明図である。 本発明の第7実施形態を示す概略説明図である。 本発明の第8実施形態を示す発電機の正面一部断面図である。 図19におけるD−D線断面図である。 図20に示すステータ鉄心及び磁極の展開図である。 本発明に係る発電機の第9実施形態を示す断面図である。 図11の発電機の出力電圧及び出力電流の実測結果を示す特性図である。 駆動モータの回転数及び負荷電流の実測結果を示す特性図である。 本発明に係る発電機の第10実施形態を示す説明図である。 従来の発電機における整流波形の電圧波形図である。 従来の発電機における整流波形の電圧波形図である。 従来の回路構成と各部の波形を示す説明図である。
符号の説明
1,50,100,201,301,350,400・・発電機、2・・ケーシング、3,4・・エンドフレーム、5,6・・軸受け部、7,207a,207b,307・・磁極ロータ、8・・N磁極、8a・・N磁束伝受部、8b,314b・・N極ポールコア、9・・S磁極、9a・・S磁束伝受部、9b,314a・・S極ポールコア、10・・ジョイント・リング、11・・ロータ軸、11a・・軸鍔、12・・励磁鉄芯軸、12a・・左鍔部、12b・・右鍔部、12c・・リング状溝部、12d・・電線穴、13・・励磁コイル、13a,13b・・巻装線端、14・・直流電源制御装置、15・・ステータ鉄心、15a,15b・・コア部、16・・ステータコイル、16a,16b・・ステータコイル両線端、17・・ステータ極、18・・単相形全波整流回路、18a,18b・・入力側端子、18c・・出力側(+)線端、18d・・(O)線端、18e・・整流器、49・・平滑回路、49a・・入力側(+)端子、49b・・(O)端子、49c・・出力側(+)線端、49d・・(O)線端、49e,49f・・平滑用コンデンサー、49g・・コイル、40・・整流器、40a・・出力側(+)線端、41,121,221・・負荷回路、45a・・(+)集結回線、45b・・(O)集結回線、42・・相回路、43,123,223・・電力出力部、43a,123a,223a・・(+)出力部端子、43b,123b,223b・・(O)出力部端子、24a,24b・・スイッチ、215a,215b,215c,215d・・ポールコア、Pp・・磁極幅、Pr・・N磁極ピッチ間隔(電気角360°)、Ps・・コア間隔、Pt・・ステータ極間隔、Sn・・ステータ極の設置総数、W1・・鉄心幅、W2・・鉄心幅、X・・磁極の設置総数、Y・・ステータコア部の設置総数、θn・・ピッチ角。

Claims (5)

  1. 回転可能に軸支されたロータ軸に、界磁極を形成するN磁極とS磁極を夫々等しい磁極間隔で交互に複数個配設されて成る磁極ロータと、
    ステータ鉄心にステータコイルを巻装して形成され、磁極ロータの磁極対向側に、所定の間隔で複数個配設されたステータ極と、
    前記各ステータ極のステータコイル毎、又は、磁極ロータの回転に伴いステータ極で交流起電力波形が同位相で発生するステータコイル群毎、の少なくとも一方に設けた整流回路と、
    個々の整流回路の出力側に接続された個々独立した平滑回路と、
    個々の平滑回路の出力側における正(+)極の線端に入力側が接続された個々独立した整流器と、を備え、
    2相以上複数相をもって1系統とし、前記系統を少なくとも1つ設け、前記整流器の出力側(+)線端を前記系統毎の(+)集結回線に集合結線してなる、
    ことを特徴とする発電機。
  2. ステータ極は、磁気絶縁して個々独立して形成され、
    磁極ロータの同一磁極間の磁極間隔は、前記磁極に対向するステータ極間のステータ極間隔と異なるものである、
    ことを特徴とする請求項1に記載の発電機。
  3. 磁極ロータは、ロータ軸の回転方向にN磁極とS磁極を交互に配置し、且つ、ロータ軸方向にほぼ同位相で、N磁極とS磁極を向かい合わせて一対としたツイン磁極部を備えるように形成され、
    ステータ鉄心は、一対のコア部を突設するように断面略コ字状に形成され、
    一方のコア部の突端をツイン磁極部の一方の磁極に対向させ、他方のコア部の突端をツイン磁極部の他方の磁極に対向させ、一対のコア部をロータ軸の軸方向に沿うように配置される、
    ことを特徴とする請求項2に記載の発電機。
  4. 磁極ロータは、ロータ軸の回転方向にN磁極とS磁極を交互に配置して形成され、
    ステータ鉄心は、一対のコア部を突設するように断面略コ字状に形成され、
    コア部の両突端を磁極ロータの磁極に対向させて、一対のコア部をロータ軸の回転方向に沿うように配置される、
    ことを特徴とする請求項2に記載の発電機。
  5. 磁極ロータの磁極の設置総数Xに対し、ステータ極の設置総極数Sn個の夫々取付位置におけるピッチ角度θnは、
    θn={360°−(360°÷X)}÷Sn
    であり、
    前記ステータ極間の間隔角度は、1箇所のみ広いものである、
    ことを特徴とする請求項2乃至4のいずれかに記載の発電機。
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