JP4981597B2 - 同期発電機 - Google Patents

Description

本発明は、外部の動力源によって回転される回転子と、その回転子を回転軸周りに取り囲む固定子と、回転子及び固定子の何れか一方に設けられた励磁用の永久磁石と、他方に設けられた電機子巻線とを備える同期発電機に関する。

外部の動力源によって回転される回転子と、その回転子を回転軸周りに取り囲む固定子と、回転子及び固定子の何れか一方に設けられた励磁用の永久磁石と、他方に設けられた電機子巻線とを備える同期発電機がある。励磁用の永久磁石の代わりに電磁石を用いた同期発電機もある。励磁用の電磁石を用いた場合、電磁石が備える巻線への通電電流を変えることで電磁石からの磁束を制御できる、即ち、同期発電機の発電電圧を制御できるという利点がある。
但し、電磁石を励磁用に用いた場合、電流を消費するため、それがロスとなり、特に小型の同期発電機になるほど発電効率にマイナスの影響を与える。そのため、永久磁石を励磁用として用いた同期発電機が望まれることもある。

特許文献１には、固定子の透磁率を調節することが記載されている。具体的には、特許文献１には、固定子の透磁率が装置に要求される励磁状態に応じて変化するように、ポンプで輸送し得る液体中に分散した鉄粒子を空洞に注入したり空洞から排出したりする手段を設けてある。つまり、特許文献１に記載の発明では、磁性体としての鉄粒子の存在量によって透磁率を調節することで、電機子巻線の鎖交磁束の大きさを調節できる。

特許第３４７９５３４号公報（請求項１）

同期発電機の発電電圧は電機子巻線の鎖交磁束によって決定されるのだが、その磁束（即ち、永久磁石からの磁束）が通る固定子や回転子を構成する部材の透磁率は温度によって変化するという問題がある。特に、同期発電機を運転することによる発熱により、固定子や回転子を構成する部材の温度が上昇するため、その問題は顕著になる。そのため、同期発電機の発電電圧が意図せずに変化してしまう可能性がある。
特許文献１に記載の装置には、透磁率を調節することは記載されているものの、温度によって透磁率が意図せずに変化することに対する解決策は記載されていない。そのため、特許文献１に記載の装置では、発電電圧を適正に制御できない場合が発生することになる。

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、励磁用に永久磁石を用いながら、発電電圧を制御可能な同期発電機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同期発電機の特徴構成は、外部の動力源によって回転される回転子と、当該回転子を回転軸周りに取り囲む固定子と、前記回転子及び前記固定子の何れか一方に設けられた励磁用の永久磁石と、他方に設けられた電機子巻線とを備える同期発電機であって、
前記電機子巻線からの出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記回転子及び前記固定子の少なくとも一方の温度を調節する温度調節手段と、
前記電機子巻線からの出力電圧が所定電圧になるように、前記電圧検出手段の検出結果に基づいて前記温度調節手段の作動を制御する制御手段とを備える点にある。

上記特徴構成によれば、温度調節手段が作動することで回転子及び固定子の少なくとも一方の温度が調節される。つまり、温度調節手段が作動することで回転子及び固定子の少なくとも一方の透磁率が調節される。従って、磁束が通るその固定子及び回転子の少なくとも一方の磁気抵抗が変化し、結果として、電機子巻線の鎖交磁束が調節されることになる。よって、制御手段が、電圧検出手段の検出結果に基づいて温度調節手段の作動を制御することで、電機子巻線からの出力電圧（即ち、発電電圧）を所定電圧とすることができる。
従って、励磁用に永久磁石を用いながら、発電電圧を制御可能な同期発電機を提供できる。

本発明に係る同期発電機の別の特徴構成は、前記制御手段は、前記電圧検出手段が検出した前記電機子巻線からの出力電圧が前記所定電圧よりも低いとき、前記温度調節手段によって温度が調節される前記回転子及び前記固定子の少なくとも一方の透磁率が大きくなるように前記温度調節手段を作動させ、前記電圧検出手段が検出した前記電機子巻線からの出力電圧が前記所定電圧よりも高いとき、前記温度調節手段によって温度が調節される前記回転子及び前記固定子の少なくとも一方の透磁率が小さくなるように前記温度調節手段を作動させ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、制御手段は、電機子巻線からの出力電圧が所定電圧よりも低いとき、温度調節手段によって温度が調節される回転子及び固定子の少なくとも一方の透磁率が大きくなるように温度調節手段を作動させ、電圧検出手段が検出した電機子巻線からの出力電圧が所定電圧よりも高いとき、温度調節手段によって温度が調節される回転子及び固定子の少なくとも一方の透磁率が小さくなるように温度調節手段を作動させる。つまり、制御手段は、同期発電機の発電電圧が所定電圧より高くても或いは低くても、所定電圧になるように制御を行う。その結果、同期発電機の出力電圧を所望の電圧に制御できる。

本発明に係る同期発電機の別の特徴構成は、前記温度調節手段は、前記回転子及び前記固定子の少なくとも一方に向けて風を送る送風装置を用いて構成される点にある。

上記特徴構成によれば、送風装置によって風を当てることで、回転子及び固定子の少なくとも一方を冷却することができる。更に、送風装置から回転子及び固定子の少なくとも一方に向けて当てられる風量を調節することで、送風装置による冷却能力を調節することができる。よって、温度調節手段としての送風装置を用いることで、回転子及び固定子の少なくとも一方の温度を調節して、回転子及び固定子の少なくとも一方の透磁率を調節できる。

本発明に係る同期発電機の別の特徴構成は、前記回転子の回転軸が前記送風装置の回転軸とされ、前記送風装置のファンの角度が可変とされ、前記制御手段により前記ファンの角度が制御される点にある。

上記特徴構成によれば、制御手段が送風装置のファンの角度を制御することで、送風装置から送出される風量が調節される。その結果、送風装置による、回転子及び固定子の少なくとも一方に対する冷却能力を調節することができる。

本発明に係る同期発電機の別の特徴構成は、前記回転子の回転軸が前記送風装置の回転軸とされ、前記送風装置のファンが前記回転軸に対して変速部を介して接続され、前記制御手段が前記変速部の作動を制御して前記ファンの回転速度が制御される点にある。

上記特徴構成によれば、制御手段が送風装置のファンの回転速度を調節することで、送風装置から送出される風量が調節される。その結果、送風装置による、回転子及び固定子の少なくとも一方に対する冷却能力を調節することができる。

本発明に係る同期発電機の別の特徴構成は、前記温度調節手段は、前記回転子及び前記固定子の少なくとも一方と熱交換を行う熱媒を流通させる熱媒流通装置を用いて構成される点にある。

上記特徴構成によれば、熱媒流通装置によって熱媒を流通させることで、回転子及び固定子の少なくとも一方を冷却又は加熱することができる。更に、熱媒流通装置から回転子及び固定子の少なくとも一方に向けて流される熱媒量を調節することで、熱媒流通装置による冷却能力又は加熱能力を調節することができる。よって、温度調節手段としての熱媒流通装置を用いることで、回転子及び固定子の少なくとも一方の温度を調節して、回転子及び固定子の少なくとも一方の透磁率を調節できる。

＜第１実施形態＞
以下に第１実施形態の同期発電機１００の構成について説明する。
図１は、第１実施形態の同期発電機１００の概略的な構成図である。本実施形態の同期発電機１００は、外部の動力源１によって回転される回転子４と、当該回転子４を回転軸周りに取り囲む固定子３と、前記回転子４及び前記固定子３の何れか一方に設けられた励磁用の永久磁石６と、他方に設けられた電機子巻線５とを備える。具体的には、同期発電機１００は、エンジン、風車、水車など、回転軸２を回転させる様々な動力源１から駆動力を得ている。回転軸２には回転子４が設けられ、その周囲には固定子３が設けられている。本実施形態では、回転子４に励磁用の永久磁石６が設けられ、固定子３に電機子巻線５が設けられている。よって、回転子４が回転すると、同時に回転する永久磁石６からの磁束によって電機子巻線５の鎖交磁束が変化して、起電力が発生する。そして、電機子巻線５に誘導された電力は、出力線７から出力される。尚、回転子４に電機子巻線５を設け、固定子３に励磁用の永久磁石６を設けてもよい。

図１に示した同期発電機１００の発電電圧は、永久磁石６からの磁束が通過する固定子３や回転子４を構成する部材の透磁率によって変化し、その透磁率は温度によって変化する。図２は、ある磁性部材の温度と透磁率との関係を模式的に描いたグラフである。図示するように、この磁性部材では、温度Ｔｐをピークとして、温度Ｔｐ以下では、温度が上昇するにつれて透磁率が徐々に大きくなり、温度Ｔｐ以上では、温度が上昇するにつれて透磁率が徐々に小さくなる。
よって、回転子４や固定子３にこのような磁性部材を用いた場合、様々な要因（例えば、同期発電機１００を運転することによる発熱など）による温度変化に伴って回転子４や固定子３の透磁率が変化し（つまり、温度変化に伴って回転子４や固定子３の磁気抵抗が変化し）、結果として、電機子巻線５の鎖交磁束が変化する可能性がある。そして、電機子巻線５の鎖交磁束が変化すれば、同期発電機１００の発電電圧が変化する。

そこで、本実施形態の同期発電機１００は、温度変化による透磁率の変化を適切に制御するべく、電機子巻線５からの出力電圧を検出する電圧検出手段８と、回転子４及び固定子３の少なくとも一方の温度を調節する温度調節手段Ｔと、電機子巻線５からの出力電圧が所定電圧になるように、電圧検出手段８の検出結果に基づいて温度調節手段Ｔの作動を制御する制御手段９とを備える。

電圧検出手段８は、電機子巻線５からの出力電圧（同期発電機１００の発電電圧）、即ち、出力線７の電圧を検出する。本発明における温度調節手段Ｔとして機能する送風装置１０は、モータからなる駆動部１１と、駆動部１１に連結されるファン１２とを有する。そして、ファン１２から固定子３、回転子４及びそれらのギャップ部分に対して風が吹き付けられる構成となっている。制御手段９は、同期発電機１００が出力するべき所定電圧を記憶しており、その所定電圧と電圧検出手段８の検出結果とを比較する。また、制御手段９は、出力線７から引き込んだ電力を、送風装置１０の駆動部１１の作動に適した電力に変換して供給するための電力変換部９ａを有する。

制御手段９は、同期発電機１００が出力するべき所定電圧と電圧検出手段８の検出結果（即ち、電機子巻線５の出力電圧）とを所定のタイミングで比較し、それらが同じになるように電力変換部９ａから電力を供給して送風装置１０の作動を制御する。
具体的には、制御手段９は、電圧検出手段８が検出した電機子巻線５からの出力電圧が所定電圧よりも低いとき、送風装置１０によって温度が調節される回転子４及び固定子３の少なくとも一方の透磁率が大きくなるように送風装置１０を作動させ、電圧検出手段８が検出した電機子巻線５からの出力電圧が所定電圧よりも高いとき、送風装置１０によって温度が調節される回転子４及び固定子３の少なくとも一方の透磁率が小さくなるように送風装置１０を作動させる。
例えば、回転子３及び固定子３の温度が、図２に示した温度Ｔｐ以下の温度域に存在している場合、制御手段９が、送風量が少なくなるように送風装置１０を制御すると、回転子３及び固定子３の少なくとも一方の温度の上昇に伴ってそこの透磁率が大きくなり、磁気抵抗が小さくなる。そして、電機子巻線５の鎖交磁束が大きくなり、電機子巻線５からの出力電圧が高くなる。また、制御手段９が、送風量が多くなるように送風装置１０を制御すると、回転子３及び固定子３の少なくとも一方の温度の低下に伴ってそこの透磁率が小さくなり、磁気抵抗が大きくなる。そして、電機子巻線５の鎖交磁束が小さくなり、電機子巻線５からの出力電圧が低くなる。

本実施形態において、制御手段９は、図２に示したような温度と透磁率との関係を記憶している。よって、制御手段９は、電機子巻線５からの出力電圧を、同期発電機１００が出力するべき所定電圧と同じにするために、回転子４及び固定子３の少なくとも一方の透磁率を変化させるとき、どれだけの温度変化を磁性部材としての回転子４及び固定子３の少なくとも一方に与えればよいのかを見積もることができる。よって、制御手段９は、送風装置１０の出力を適切に制御できる。

以上のように、制御手段９が、電圧検出手段８の検出結果に基づいて温度調節手段Ｔの作動を制御することで、電機子巻線５からの出力電圧（即ち、発電電圧）を所望の電圧に制御できる。ここで、出力線７が商用電力系統に連系されているときには、無効電圧を制御することになり、出力線７が電力負荷に接続されているときには、有効電圧を制御することになる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の同期発電機は、送風装置及び制御手段の構成が第１実施形態の同期発電機と異なっている。以下に第２実施形態の同期発電機２００の構成について説明するが、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図３は、第２実施形態の同期発電機２００の概略的な構成図である。本実施形態では、回転子４の回転軸２が送風装置２０の回転軸とされている。そして、送風装置２０は、上記回転軸２に対して、変速部２１を介してファン２２を設けている。この変速部２１は、複数のギアを組み合わせて構成される一般的な変速機構によって実現可能である。

本実施形態において、制御手段９は、同期発電機２００が出力するべき所定電圧と電圧検出手段８の検出結果（即ち、電機子巻線５の出力電圧）とを所定のタイミングで比較し、それらが同じになるように、送風装置２０の変速部２１の作動を制御する。具体的には、制御手段９は、送風装置２０のファン２２がより高回転で回転するように変速部２１を制御すると、回転子４及び固定子３の少なくとも一方の温度を低下させることができる。また、制御手段９は、送風装置２０のファン２２がより低回転で回転するように変速部２１を制御すると、回転子４及び固定子３の少なくとも一方の温度を上昇させることができる。

以上のように、本実施形態においても、制御手段９が、電圧検出手段８の検出結果に基づいて温度調節手段Ｔとしての送風装置２０の作動を制御することで、電機子巻線５からの出力電圧（即ち、発電電圧）を所定電圧とすることができる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の同期発電機は、送風装置の構成が第２実施形態の同期発電機と異なっている。以下に第３実施形態の同期発電機３００の構成について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図４は、第３実施形態の同期発電機３００の概略的な構成図である。本実施形態では、回転子４の回転軸２が送風装置３０の回転軸とされている。そして、送風装置３０は、上記回転軸２に対して、ファン角度調節部３１を介して、ファン３２を回転軸２に対して角度が可変となるように設けている。このファン角度調節部３１は、回転軸２に対するファン３２の角度を調節する機構を有している。

本実施形態において、制御手段９は、同期発電機３００が出力するべき所定電圧と電圧検出手段８の検出結果（即ち、電機子巻線５の出力電圧）とを所定のタイミングで比較し、それらが同じになるように、送風装置３０のファン角度調節部３１の作動を制御する。具体的には、制御手段９は、送風装置３０のファン３２が回転軸２に対してより軸水平になるように（即ち、ファン３２の角度が回転面に対して、より大きな角度を有するように）ファン角度調節部３１を制御すると、ファン３２から回転子４、固定子３及びそれらのギャップ部分に吹き付けられる風量が多くなって回転子４及び固定子３の少なくとも一方の温度を低下させることができる。また、制御手段９は、送風装置３０のファン３２がより軸垂直になるように（即ち、ファン３２の角度が回転面に対して、より小さな角度を有するように）ファン角度調節部３１を制御すると、ファン３２から回転子４、固定子３及びそれらのギャップ部分に吹き付けられる風量が少なくなって回転子４及び固定子３の少なくとも一方の温度を上昇させることができる。

以上のように、本実施形態においても、制御手段９が、電圧検出手段８の検出結果に基づいて温度調節手段Ｔとしての送風装置３０の作動を制御することで、電機子巻線５からの出力電圧（即ち、発電電圧）を所定電圧とすることができる。

＜第４実施形態＞
第４実施形態の同期発電機は、温度調節手段の構成が上記実施形態と異なっている。以下に第４実施形態の同期発電機４００の構成について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図５は、第４実施形態の同期発電機４００の概略的な構成図である。本実施形態の同期発電機４００では、固定子３に励磁用の永久磁石６が設けられ、回転子４に電機子巻線５が設けられている。回転子４の回転軸２には、この回転軸２と一体に回転するファン１３が設けられており、回転軸２の回転に伴って固定子３、回転子４及びそれらのギャップ部分に風を吹き付ける構成となっている。

また、本実施形態において、回転子４及び固定子３の少なくとも一方の温度を調節する温度調節手段Ｔは、回転子４及び固定子３の少なくとも一方と熱交換を行う熱媒を流通させる熱媒流通装置４０を用いて構成される。具体的には、本実施形態の熱媒流通装置４０は、熱媒としての冷却水が流通する配管４１が固定子３の内部を通るように設けられている。そして、制御手段９が、配管４１を流れる冷却水の流量を調節するための流量制御弁４２の開度を制御する。尚、配管４１を固定子３の表面に装着することで、固定子３と冷却水との熱交換を行うようにしてもよい。

つまり、本実施形態において、制御手段９は、同期発電機４００が出力するべき所定電圧と電圧検出手段８の検出結果（即ち、電機子巻線５の出力電圧）とを所定のタイミングで比較し、それらが同じになるように、流量制御弁４２の開度を制御して配管４１を流れ冷却水の流量を調節する。具体的には、制御手段９は、冷却水の流量が多くなるように流量制御弁４２を制御すると、固定子３の温度を低下させることができる。また、制御手段９は、冷却水の流量が少なくなるように流量制御弁４２を制御すると、固定子３の温度を上昇させることができる。

以上のように、本実施形態においても、制御手段９が、電圧検出手段８の検出結果に基づいて温度調節手段Ｔとしての熱媒流通装置４０の作動を制御することで、電機子巻線５からの出力電圧（即ち、発電電圧）を所定電圧とすることができる。

＜第５実施形態＞
第５実施形態の同期発電機は、温度調節手段としての熱媒流通装置の構成が第４実施形態と異なっている。以下に第５実施形態の同期発電機５００の構成について説明するが、第４実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図６は、第５実施形態の同期発電機５００の概略的な構成図である。本実施形態の温度調節手段Ｔとしての熱媒流通装置５０は、熱伝導の良好な熱伝導体５３が固定子３の一部として埋め込まれている。この熱伝導体５３の外部形状は、表面積が大きくなる放熱フィンのような形状である。そして、固定子３の一部を形成している熱伝導体５３が、配管５１を流れる冷却水と熱交換を行うように構成されている。本実施形態では、図６に示すように、熱伝導体５３の一部が配管５１の内部に挿入され、配管５１の内部を流通する冷却水と直接接触する形態となっている。尚、熱伝導体５３が固定子３の内部に埋め込まれるのではなく、熱伝導体５３が固定子３の表面に装着されるだけでもよい。また、熱伝導体５３の一部が配管５１の内部に挿入されるのではなく、熱伝導体５３が配管５１の外部に装着されるだけでもよい。何れにしても、熱伝導体５３と配管５１を流通する冷却水との熱交換が行われる形態となっていればよい。
そして、制御手段９は、配管５１を流れる冷却水の流量を調節するための流量制御弁５２の開度を制御する。

つまり、本実施形態において、制御手段９は、同期発電機５００が出力するべき所定電圧と電圧検出手段８の検出結果（即ち、電機子巻線５の出力電圧）とを所定のタイミングで比較し、それらが同じになるように、流量制御弁５２の開度を制御して配管５１を流れ冷却水の流量を調節する。具体的には、制御手段９は、冷却水の流量が多くなるように流量制御弁５２を制御すると、固定子３の温度をより低下させることができる。また、制御手段９は、冷却水の流量が少なくなるように流量制御弁５２を制御すると、固定子３の温度をより上昇させることができる。

以上のように、本実施形態においても、制御手段９が、電圧検出手段８の検出結果に基づいて温度調節手段Ｔとしての熱媒流通装置５０の作動を制御することで、電機子巻線５からの出力電圧（即ち、発電電圧）を所定電圧とすることができる。

＜別実施形態＞
上記実施形態では、温度調節手段Ｔとしての送風装置及び熱媒流通装置の何れか一つが同期発電機に設けられる形態について説明したが、一つの同期発電機に上記送風装置及び上記熱媒流通装置の両方を設けてもよい。

本発明の同期発電機は、永久磁石を励磁用に用いて装置を小型化する必要があり、且つ、発電電圧を所望の電圧に制御する必要がある場合に有用である。

第１実施形態の同期発電機の概略的な構成図 磁性部材の温度と透磁率との関係を模式的に描いたグラフ 第２実施形態の同期発電機の概略的な構成図 第３実施形態の同期発電機の概略的な構成図 第４実施形態の同期発電機の概略的な構成図 第５実施形態の同期発電機の概略的な構成図

符号の説明

１ 動力源
２ 回転軸
３ 固定子
４ 回転子
５ 電機子巻線
６ 永久磁石
７ 出力線
８ 電圧検出手段
９ 制御手段
１０、２０、３０ 送風装置
１２、２２、３２ ファン
２１ 変速部
４０、５０ 熱媒流通装置
１００、２００、３００、４００、５００ 同期発電機
Ｔ 温度調節手段

Claims (6)

1. 外部の動力源によって回転される回転子と、当該回転子を回転軸周りに取り囲む固定子と、前記回転子及び前記固定子の何れか一方に設けられた励磁用の永久磁石と、他方に設けられた電機子巻線とを備える同期発電機であって、
   前記電機子巻線からの出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記回転子及び前記固定子の少なくとも一方の温度を調節する温度調節手段と、
   前記電機子巻線からの出力電圧が所定電圧になるように、前記電圧検出手段の検出結果に基づいて前記温度調節手段の作動を制御する制御手段とを備える同期発電機。
2. 前記制御手段は、前記電圧検出手段が検出した前記電機子巻線からの出力電圧が前記所定電圧よりも低いとき、前記温度調節手段によって温度が調節される前記回転子及び前記固定子の少なくとも一方の透磁率が大きくなるように前記温度調節手段を作動させ、前記電圧検出手段が検出した前記電機子巻線からの出力電圧が前記所定電圧よりも高いとき、前記温度調節手段によって温度が調節される前記回転子及び前記固定子の少なくとも一方の透磁率が小さくなるように前記温度調節手段を作動させるように構成されている請求項１記載の同期発電機。
3. 前記温度調節手段は、前記回転子及び前記固定子の少なくとも一方に向けて風を送る送風装置を用いて構成される請求項１又は２記載の同期発電機。
4. 前記回転子の回転軸が前記送風装置の回転軸とされ、前記送風装置のファンの角度が可変とされ、前記制御手段により前記ファンの角度が制御される請求項３記載の同期発電機。
5. 前記回転子の回転軸が前記送風装置の回転軸とされ、前記送風装置のファンが前記回転軸に対して変速部を介して接続され、前記制御手段が前記変速部の作動を制御して前記ファンの回転速度が制御される請求項３記載の同期発電機。
6. 前記温度調節手段は、前記回転子及び前記固定子の少なくとも一方と熱交換を行う熱媒を流通させる熱媒流通装置を用いて構成される請求項１〜５の何れか一項に記載の同期発電機。

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