JP3826785B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転機一般に適用されるものであるが、とりわけ発電と電動の両モードを必要とする回転電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電機と電動機を兼用する回転機としては旧くは整流子付き直流機があったが、ブラシの損耗による寿命が短い問題があるため、最近では殆どトランジスタと、それと並列のダイオードを、セットにグレエツ結線した双方向電力変換器、いわゆるインバータを有する交流機へと変遷している。
【０００３】
ところがこれらインバータは回転磁界を形成するのに多相で大電流を制御する必要から大容量のトランジスタを多数要し、また制御装置も複雑であるために、きわめて高価であるという問題がある。そこで例えば高電圧（小電流）仕様として、トランジスタ通電容量を減らして低コスト化をはかるなどのアプローチがおこなわれてきたが、システムの電圧の制限（例えば一般乗用車用としては５０ｖ未満に押さえる必要があるなど）により、それにも限界があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述した高価格の原因の一つは、電動作動において多相の大きな電流の制御を行うためにインバータを用いるところにある。そこで、本発明は安価でハイパワーの発電電動機を提供することを目的として、従来のような電機子通電による回転磁界の生成を回転原理とする方式を脱却するものである。しかもそれを発電機の構成部品を用いて実現し、発電機と電動機の両機能を併有させることを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述課題に対して次のように解決を図るものである。
【０００６】
まず、請求項１に示す構成では、可動鉄心と、起磁力源と、電機子巻線を有する磁気回路において、前記可動鉄心により磁束変動与える発電機の構造として、また電動作用においては前記前記起磁力源の起磁力を周期的に変動させることにより可動鉄心の運動を作り出すようにしている。
【０００７】
この構成により前記課題が次のように解決される。
【０００８】
発電に付いては磁束スイッチによる発電、すなわち誘導子型発電機として作用する。この構造においては、可動鉄心が固定鉄心と対向するときに位置を関数とする磁気抵抗を有するので、その関数に対応して起磁力の強さを変化することにより、可動鉄心に電磁力を働かせることが出来る。すなわち単一の小電流起磁力源であってもこれをタイミングよく制御することで電動動作をさせることが出来るようになるのである。
【０００９】
また請求項２に示す構成では、前記電動モードにおいて、前記電機子巻線にも通電して、前記可動鉄心の運動力を付勢している。
【００１０】
この構成により前記課題が次のように解決される。すなわち可動鉄心の磁気抵抗に基づく電磁力を電機子にも通電することによりより強化できることのほか、前記電磁力は断続的な吸着力であるが、この構成により回転磁界などの移動磁界を生成することができるので、より可動鉄心の運動力を高めることが出来るのである。
【００１１】
また請求項３に示す構成では、前記起磁力源は界磁巻線であり、前記電機子巻線とともに積層電機子鉄心に巻装され、前記可動鉄心は磁気的突極性を有する回転誘導子としている。
【００１２】
この構成により前記課題が次のように解決される。すなわち単一積層電機子に巻装するので界磁磁束の通路が短くなり、磁気回路構造が簡素になるばかりか、時定数が極めて小さくできる。そのため起磁力印加の応答性がよくなる。すなわち前記の如く電動モードにおける起磁力の変動を与えるのが容易となり大きな電動力が発揮できるようになる。換言すれば同一所要電動力に対して、通電制御のための装置が小容量化できて安価に出来るのである。
【００１３】
また請求項第４項に示す構成では、前記可動鉄心或いは前記固定鉄心を磁気履歴材料としている。
【００１４】
この構成により前記課題が次のように解決される。すなわち、印加起磁力に対して、固定磁気回路と可動磁気回路とに磁化位相差が生じるので、そのために前記リラクタンス電磁力に加えて磁荷電磁力も発生できることとなり、双方の力により運動力が高まる。すなわち所定運動力の下では、電気的な起磁力変動の電力が低く出来、ひいては通電制御のための装置が小容量化できて安価に出来るのである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
【００１６】
［第１の実施形態］
まず本発明となる第１の実施例の構成について図１乃至図２を参照して説明する。図１に示すように、六つのティース部ＴＸ、ＴＹ、ＴＺ、ＴＵ、ＴＶ、ＴＷを有する電機子鉄心２に、端子Ｘ１，Ｘ２などを有する、Ｘ相巻線などの電機子巻線１が巻装されている。該電機子巻線は７ターンの少巻数となっていて、その結線は図２に示すように星型三相結線されて、その三相端子はダイオードをいわゆるグレエツ結線した三相前場整流器６に接続されている。前記電機子巻線の収納されたティースの間、すなわち六つのスロットにおいて、そのうち電機子中心を中心として互いに対称な位置関係にある二のスロットには２００ターンの多巻数の界磁巻線２が収納されている。該界磁巻線２はレギュレータ７の内部において、Ｈブリッジ結線されたスイッチ素子８に接続されている。また前記電機子巻線１のＸ相と、Ｚ相とは、開閉手段を有する短絡用スイッチ９を介して結ばれており、該スイッチ９および前記レギュレータ７内のスイッチ素子８は、発電電動切り換えおよび界磁通電量制御装置１０より指令を受ける回路構成としている。
【００１７】
次にこの図１，図２のように構成された技術の作動、効果を図３乃至図５を援用して説明する。
【００１８】
まず発電機の動作であるが、前記界磁巻線２に通電した状態で前記誘導子５が回転すると、前記電機子鉄心３のティースには図３の棒グラフおよびその包絡実線に示す如く変化する磁束が誘導される。この磁束変化の微分量に対応した電圧が同図中破線のように電機子巻線各相に誘起される。これが前記整流器５に接続されて、直流の発電機出力として系外に供給され、一部は前記界磁電流として、前記レギュレータ７の内部のスイッチング素子８を通して、直流にて前記界磁巻線２に供給され、前述の磁束の発生や電圧の誘起、すなわち発電作用を維持することとなる。
【００１９】
また一方の電動動作について説明する。発電電動切り換えおよび界磁通電量制御装置１０より指令を前記レギュレータ７内のスイッチ素子８に与えて前記界磁電流を前記スイッチ素子８で交番する。また前記電機子巻線１のＸ相とＺ相の短絡用スイッチ９を短絡するように指令を出す。これにより電動作動することとなる。すなわち図４に示す等価的磁気回路において、前記界磁巻線２の交番起磁力により交番磁束φ１が発生して、電機子巻線１を短絡してないＸ相にはこれがそのまま貫通交番する。 またＹ相とＺ相は電機子巻線１が短絡巻線となっているために、いわゆる隈取りコイル作用によりこのφ１に対して９０°遅れの磁束φ２が発生することになる。これらの界磁電流Ｉｆと、磁束φ１とφ２の関係を示すと例えば図５の波形のようになり、この代表的時刻での前記電機子鉄心３が形成する磁場を図示すると、同図中上方に回転の模様とともに示している太い矢印の向きが、合成磁界となっている。すなわちこれらを時間経過毎に追ってみていくと電機子鉄心３が回転磁界を誘導子５に与えていることがわかる。このため磁気的突極性を有する誘導子５は、回転子として電磁的に運動力を得て、電動回転することとなる。
【００２０】
前記界磁巻線は電機子巻線に対して非常に巻数が多く小電流でも大きな起磁力が与えられるから前記Ｈブリッジのトランジスタも小型ですみレギュレータ内部に仕込むことが出来る。
【００２１】
このようにして前述の本発明の課題である、従来のような電機子通電による回転磁界の生成を回転原理とする方式を脱却し、しかもそれを発電機の構成部品を用いて実現し、発電機と電動機の両機能を併有させること、が達成された。
【００２２】
その結果発明の目的とする、三相の電機子の大電流を転流制御するインバータを要することもなく、安価な発電電動機が提供できることとなった。
【００２３】
［その他の実施形態］
前記界磁巻線への電圧印加は発電機作動の際の出力電圧そのものから配線しているが、他に、外部の他の装置からひいてもよく、またその電圧も異なる高電圧とすれば、より回転起磁力を高めることが出来、またトランジスタも小電流化できるので本発明の課題を高レベルで達成できることはいうまでもない。その昇圧は前記レギュレータ内部でも行うことができ、また昇圧電圧をキャパシタや第二電池に蓄電して、前記スイッチ阻止に印加する構成とすれば、全体として高電圧系が回転機システム付属品として系内にとどまることで、安全性、信頼性を増すことが出来る。
【００２４】
また前記実施例では誘導子の突状部の数は電機子歯状部６に対して４であったが、２つでもよい。電機子と誘導子の歯状部突状部の数は適宜選択しうる。
【００２５】
また前記実施例では界磁巻線に交番電流を流したが、可動鉄心である回転子と固定鉄心である電機子鉄心の突極性に依拠して、リラクタンストルク、またはパラメータ励振トルクを発生するように単一方向に周期的脈動を与えることで、連続的運動力を与え得ることはいうまでもない。
【００２６】
また前記実施例では短節巻きとしたが、分布巻きであっても良い。
【００２７】
また前記実施例では電動作動のときに電機子巻線を短絡したが、短絡でなくとも電圧印加して、直流磁界を生成させても良く、また電流を流して回転磁界を生成して界磁の作り出す電動力を付勢させてもよい。
【００２８】
また前記実施例では、回転子を誘導子としたが、２次導体を有する回転子でもよく、また磁石を有する回転子でもよい。要するに可動鉄心を有し、電機子固定鉄心からの磁気作用で運動できる構成になっていれば良い。
【００２９】
また前記実施例では可動鉄心は回転型であったが、リニヤ運動型でもよく、また可撓性金属ベルトなどよりなる無限軌道型の運動体であってもよい。
【００３０】
また前記実施例では固定子鉄心、可動鉄心ともに文字通りの鉄心材を意味させて説明したが、磁性を帯びた非金属材との混合材でも、また磁性流体であっても、液体状の金属であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明となる第一実施例の説明図である。
【図２】図１に示す第１実施例の回路説明図である。
【図３】図１に示す第１実施例の発電動作説明図である。
【図４】第１実施例の電動動作時の磁束の説明図である。
【図５】第１実施例の電動動作時の界磁電流と各磁束の説明図である。
【符号の説明】
１…三相電機子巻線、
２…界磁巻線、
３…電機子鉄心、
４…突極の歯状部、
５…誘導子、
Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２、Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２…端子、
ＴＸ、ＴＹ、ＴＺ、ＴＵ、ＴＶ、ＴＷ…ティース部。

Claims (4)

1. 電機子巻線を有する固定鉄心と、界磁巻線からなる起磁力源と、可動鉄心と、を有する磁気回路において、前記可動鉄心の運動により前記電機子巻線に発電起電力を得る発電モードと、前記起磁力源の起磁力を周期的に変動させて前記可動鉄心に運動力を得る電動モードと、を併有する回転電機。
2. 前記電動モードにおいて、前記電機子巻線に自己短絡または電圧印加することにより通電を行い、前記可動鉄心の運動力を付勢することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記起磁力源は界磁巻線であり、前記電機子巻線とともに積層電機子鉄心に巻装され、前記可動鉄心は磁気的突極性を有する回転誘導子であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記可動鉄心或いは前記固定鉄心を磁気履歴材料とし、前記可動鉄心を磁化吸着力と磁化反発力の双方を作用させて運動させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電機。

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