JP2002171734A

JP2002171734A - 複数系統の電力発電特性を持つ多極永久磁石式発電機

Info

Publication number: JP2002171734A
Application number: JP2000368093A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kawamura; 英男河村
Original assignee: Apex Corp Japan
Current assignee: Apex Corp Japan
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2002-06-14

Abstract

(57)【要約】【課題】この発電装置は，巻線群の直列の結線数を変
更することによって複数系統の電力を発電でき，電力を
ロータの回転数に応答して変更する。【解決手段】ステータは，スロット部を形成したステ
ータコアとスロット部間に巻き上げられた巻線Ｕ１〜
３，Ｖ１〜３，Ｗ１〜３から構成され，各巻線はステー
タコアに一種類で出力波形が重なるように複数の三相巻
線群Ｕ１−Ｖ１−Ｗ１，Ｕ２−Ｖ２−Ｗ２，Ｕ３−Ｖ３
−Ｗ３に巻き上げられ，各巻線の端子はスイッチングリ
レー１Ｒ〜１２Ｒを介してそれぞれ独立的に分離されて
いる。コントローラは，回転速度に応答してスイッチン
グリレーをオン・オフ制御し，例えば，低速回転時に全
ての三相巻線群を直列に接続し，ロータの回転速度が大
きくなるに従って三相巻線群の直列に接続する数を減少
させる制御をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は，ハウジングに回
転可能に支持された回転軸に取り付けられた永久磁石板
材から成るロータと該ロータの外周に配置されたステー
タとから成る複数系統の電力発電特性を持つ多極永久磁
石式発電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年，永久磁石の性能が向上するに従っ
て永久磁石を発電・電動機の回転子即ちロータとして使
用される機会が増加してきた。また，永久磁石をロータ
とした発電・電動機は，高い発電効率又は電動効率が得
られることと，簡単な構造で構成できるということか
ら，最近，工業用機器に多く使用されるようになった。
そこで，発電・電動機についてコンパクト化したり，高
性能化，高出力化する技術の開発が盛んになり，それに
伴って構成部品の多様化が必要となっている。

【０００３】従来，電動機は，その低速トルクを増加さ
せるため，ロータに対してその外周に配置されるステー
タの磁力を増大させ，回転トルクを増大させることが有
効である。電動機について，回転トルクを増大させるこ
とができれば，低速での起動力を増すことができ，機械
動力源としての役割を増すことができる。永久磁石をロ
ータとした電動機としては，例えば，特開昭６２−２７
２８５０号公報に開示された永久磁石式回転機が知られ
ている。該公報に開示された永久磁石式回転機は，ロー
タに永久磁石が配置され，可動磁性体が封入されたロー
タの回転で径方向へ可動磁性体を案内する磁極片形成用
の容器をロータに設けたものである。

【０００４】また，特開平７−２３６２６０号公報に開
示された高出力交流発電・電動機は，回転速度に応じて
磁束密度を制御して発電量を適正に制御するものであ
り，ロータとステータとの間に制御リングを相対回転可
能に配置し，制御リングに接離可能な透磁性体を設けた
ものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで，永久磁石を
発電機の回転子即ちロータとした場合に，その磁束密度
が大きいので，低速時の発電能力は大きい。しかし，電
力発電特性は，発電機が高速になると，逆に電圧が急速
に上昇する。発電機では，高速時の高電圧を抑制するこ
とが大変困難である。一般に，発電機の発電電圧を降下
させるため，スイッチング素子として，ダイオード，ト
ランジスタを使って交流変換をさせるが，スイッチング
の際，リアクタンスが大きいと，逆起電力のピークが立
ち上がり，制御系のトランジスタ等，ＩＣ素子等を破壊
させる。そこで，回路系の素子類を保護するために，コ
ンデンサ，フィルタ等を用いるが，その発電起電力が大
きいので，これらのフィルタ等でピーク電力をカットす
ることはほとんどできない。また，これたの電力をヒー
タ等の発熱源として用いる場合，電圧が高くなり過ぎ，
優れた温度センサが存在しなければ，負荷であるヒータ
は直ちに破損する。また，スイッチング素子で電圧降下
させる場合，それぞれの素子が大型になり，価格が上昇
すると共に，一般的には６５％程度の効率の低下をもた
らす。

【０００６】また，従来の車両用として必要な電力が１
２Ｖ〜２８Ｖであり，０．５ＫＷ〜１ＫＷ程度であり，
車両に設けられた補機類用又は補助機械用としては２Ｋ
Ｗ〜３ＫＷの電力が必要である。そこで，車両用として
必要な電圧が１２Ｖ〜２８Ｖを用いて３ＫＷの電力を供
給すると，電圧が低過ぎ，電流値が大きくなり，ロスに
よる発熱が大きくなる。そこで，自動車等の車両に用い
る電力と，配線の途中でのロスを低減して巻線等の配線
の線径を細く構成してコンパクトに構成した補機類や補
助機械に用いられる電力と，を発電する構造のものが望
まれている。

【０００７】また，永久磁石を用いた高出力の発電・電
動機では，永久磁石の磁束が決まっているので，低速ト
ルクを大きくするためには，永久磁石を大きくするか又
は電流を大きくし，巻線の巻き数を増加させ，ステータ
側の磁力を増し，そのトルクを大きくしなければならな
い。また，発電・電動機でトルクを大きくするために
は，ステータコアへの巻線の線材の線径を太くし，大電
流を流し，ステータの磁力を増加させる必要がある。ま
た，ステータコアのスロット内への巻線の線径を余り大
きくすると，ステータのステータコア間の櫛部間のスロ
ットに線材を通し，線材をステータコアのスロット内に
巻き込むことが困難になる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の目的は，上記
の問題を解決することであり，ロータの回転数が低い時
には，ステータの巻線を増加させるため複数群の三相電
流用に巻き上げられた巻線を直列に接続し，回転数が増
加するに従って直列接続の数を減少させる制御を可能に
し，高速時の急激な高電圧を抑制し，低速から高速まで
の領域で常に適正な発電電力を確保することができ，例
えば，ディーゼルパティキュレートフィルタでの捕集さ
れたパティキュレート物質を加熱焼却するのに適用でき
る複数系統の電力発電特性を持つ多極永久磁石式発電機
を提供することである。

【０００９】この発明は，ハウジングに回転可能に支持
された回転軸に取り付けられ且つ永久磁石が周方向に複
数配置されたロータ，及び前記ロータの外周に隙間を介
して配置され且つ前記ハウジングに固定されたステータ
を有し，前記ステータはスロット部を形成したステータ
コアと前記スロット部間に巻き上げられた巻線から構成
され，前記巻線は前記ステータコアに一種類で出力波形
が重なるように複数の三相巻線群に巻き上げられ，それ
ぞれの前記巻線の端子はスイッチングリレーを介してそ
れぞれ独立的に分離され，前記ロータの回転速度に応答
して前記スイッチングリレーをオン・オフ制御するコン
トローラは，低速回転時に全ての前記三相巻線群を直列
に接続し且つ前記ロータの回転速度が大きくなるに従っ
て前記三相巻線群の直列に接続する数を減少させる制御
をすることを特徴とする複数系統の電力発電特性を持つ
多極永久磁石式発電機に関する。

【００１０】前記巻線は，三相電源を得るように前記ス
テータコアに電気角１２０°ずらして三相巻線にそれぞ
れ巻き上げられている。

【００１１】また，前記三相巻線群は，スター結線に構
成されている。更に，前記ステータコアの前記巻線の結
線における前記三相巻線群間を結ぶ前記スイッチングリ
レーは大容量に構成され，それぞれの前記巻線を結ぶ中
性点を形成する前記スイッチングリレーは小容量に構成
され，前記コントローラは，要求される電力に応じて前
記スイッチングリレーを断続して電圧制御を行う。

【００１２】前記三相巻線の出力端子に取り付けられた
前記スイッチングリレーは，負荷の大きさ又は回転領域
によってオン・オフさせて必要な電力を供給させる。

【００１３】前記三相巻線に接続するヒータ等の負荷装
置は，インピーダンスを持つ三相負荷に構成され，前記
三相負荷に対する電力のオン・オフは，前記スイッチン
グリレーによって行う。

【００１４】前記三相巻線群は，３連から成り，前記コ
ントローラは，低速回転領域では３連の前記三相巻線を
それぞれ直列に結線して前記負荷装置に接続し，中回転
領域では２連の前記三相巻線をそれぞれ直列に結線して
前記負荷装置に接続し，高回転領域では１連の前記三相
巻線を前記負荷装置に接続する制御を行う。

【００１５】前記三相巻線の巻数は，前記三相巻線群に
おいて差異はなく，等価に構成されている。

【００１６】この多極永久磁石式発電機では，それぞれ
の前記三相巻線群は全周にわたって巻き上げられ，前記
三相巻線群は前記永久磁石のＮ極とＳ極間のポール分だ
けずれた位置で巻き始められている。

【００１７】この多極永久磁石式発電機は，エンジンか
らの排気ガスに含まれているパティキュレート物質をフ
ィルタで捕集して加熱焼却するディーゼルパティキュレ
ートフィルタ装置に適用され，前記フィルタに設けた三
相負荷に構成されヒータに通電する電力に利用される。

【００１８】前記フィルタは，前記排気ガスの流れの上
流側に配置された前記ヒータを構成するヒータ線，前記
ヒータ線に接して配置された耐熱性を有するセラミック
繊維がランダムに積層された第１不織布，前記第１不織
布に接して配置された燃焼温度を低減させる触媒を担持
した金属部材から成る触媒層，前記触媒層に接して配置
された耐熱性を有するセラミック繊維がランダムに積層
された第２不織布，及び前記第２不織布に接して配置さ
れた耐熱金属線を網み込んだ金網から構成されている。
また，前記ヒータの前記三相負荷は，前記ヒータ線，前
記触媒層及び前記金網，或いは前記ヒータ線及び／又は
前記触媒層を複列の複数極に構成したものである。

【００１９】前記コントローラは，前記フィルタに設け
た前記ヒータを急加熱する時には前記三相巻線群の３連
を直列に接続し，また，前記ヒータへ通電する電流を絞
って加熱を行う時には前記三相巻線群の１連を接続し，
前記ヒータに通電する電力を前記三相巻線群の直列の接
続数によって前記ヒータへ通電する電流を制御し，常に
適正にして前記フィルタに捕集された前記パティキュレ
ート物質を加熱焼却する制御を行う。

【００２０】この複数系統の電力発電特性を持つ多極永
久磁石式発電機は，上記のように構成されているので，
高速時の急激な高電圧を抑制し，低速から高速までの領
域で常に適正な発電電力を確保することができ，また，
ディーゼルパティキュレートフィルタ装置に適用した場
合に，フィルタに設けたヒータを急加熱する時には３連
を直列にし，また，ヒータへの電流を絞って加熱を行う
時には１連の加熱で済み，ヒータに通電する電力を常に
適正にしてフィルタに捕集されたパティキュレート物質
をスムースに適正に加熱焼却できる。また，三相巻線の
それぞれにはスイッチングリレーを取り付けているが，
それぞれの部分での電流，電圧値は小さいので，スイッ
チングによる逆起電力は余り大きくなく，小容量のスイ
ッチング素子で十分である。この多極永久磁石式発電機
をディーゼルパティキュレートフィルタ装置に用いる
と，負荷はフィルタに設けたヒータであるが，該ヒータ
を三相負荷に構成し，発電機の三相電流と接続すると，
スイッチングリレー以外には多くの素子を必要とせず，
極めて簡単なシステムに構成することができる。また，
この多極永久磁石式発電機は，補機類や補助機械に対し
て１００Ｖ〜２００Ｖの高い電圧を供給でき，電圧が高
い方が配線上の問題が少なくなり，例えば，巻線につい
て１２Ｖ〜２８Ｖに対比して巻線の線径を小さく形成で
き，小型に且つ軽量に形成でき，また，リレー等を用い
る場合には電圧が大きくなるので，電流が小さくなり，
接点の溶着等が発生しない。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下，図面を参照して，この発明
による複数系統の電力発電特性を持つ多極永久磁石式発
電機の実施例を説明する。図１はこの発明による複数系
統の電力発電特性を持つ多極永久磁石式発電機の一実施
例の配線を説明するための概略説明図，図２は分割され
た巻線の接続状態に対応して変化する回転数に対する出
力電圧の関係を示すグラフ，図３は分割された巻線の接
続状態を示す概略説明図，図４はこの発明による多極永
久磁石式発電機に適用されたディーゼルパティキュレー
トフィルタ装置の具体的を示す概略断面図，図５は図４
のディーゼルパティキュレートフィルタ装置におけるフ
ィルタを示す拡大斜視図，及び図６は図５の符号Ａ部分
の拡大分解図である。

【００２２】この発明による複数系統の電力発電特性を
持つ多極永久磁石式発電機は，例えば，自動車等の車両
に搭載されたエンジンに設けた発電機，コージェネレー
ションシステムのエンジンに組み込まれた発電機，ハイ
ブリット自動車のエンジン等の出力軸に取り付けられた
発電機，排気ガスエネルギを回収するターボチャージャ
に組み込まれた発電機，或いはエネルギ回収装置に設け
た発電機に適用して好ましく，特に，発電機で発生した
電力を車両に設けたディーゼルパティキュレートフィル
タ装置におけるヒータへ供給するのに適したものであ
る。

【００２３】図１及び図３に示すように，この発電機
は，多極永久磁石式タイプであるが，構造が極めてシン
プルに構成でき，複雑になることはない。また，この多
極永久磁石式発電機は，三相交流を発電するように構成
され，極めて効率が良いものである。この多極永久磁石
式発電機は，３種類の巻線を用意し，その位相を合致さ
せ，以下に説明するようにして，コントローラ１０（図
４）によってスイッチングリレー１Ｒ〜１２Ｒをそれぞ
れ切り換え制御して電圧を切り換えることができる。図
１に示すように，巻線Ｕ１−Ｖ１−Ｗ１，巻線Ｕ２−Ｖ
２−Ｗ２，及び巻線Ｕ３−Ｖ３−Ｗ３のそれぞれは，位
相が重なるように構成されているので，これらの巻線を
直列又は並列に接続しても何ら支障は起こらない。

【００２４】この多極永久磁石式発電機は，ハウジング
に固定されたステータ４２と，ステータ４２に隙間を形
成してハウジングに回転可能に支持された回転軸を構
成するロータ４１とから構成され，特に，ステータ４２
の構成に特徴を有している。ステータ４２のステータコ
ア４３には，図３に示すように，巻線群Ｕ１−Ｖ１−Ｗ
１，巻線群Ｕ２−Ｖ２−Ｗ２，及び巻線群Ｕ３−Ｖ３−
Ｗ３が分割されて巻き上げられている。各巻線の引出し
ラインに対応して中性点２６Ｎの引出しラインが形成さ
れている。これらの引出しラインは，スイッチングリレ
ー１Ｒ〜１２Ｒがそれぞれ組み込まれ，コントローラ１
０に接続している。

【００２５】図１に示すように，位相が重なる巻線群Ｕ
１−Ｖ１−Ｗ１，巻線群Ｕ２−Ｖ２−Ｗ２，及び巻線群
Ｕ３−Ｖ３−Ｗ３の結線については次のとおりである。
巻線Ｕ３と巻線Ｕ２とを接続するライン１Ｌには大容量
即ち大型のスイッチングリレー１Ｒが組み込まれ，巻線
Ｕ２と巻線Ｕ１とを接続するライン２Ｌには大型のスイ
ッチングリレー２Ｒが組み込まれ，巻線Ｕ１，巻線Ｕ２
及び巻線Ｕ３は互いに直列に結線されている。また，巻
線Ｖ３と巻線Ｖ２とを接続するライン５Ｌには大型のス
イッチングリレー５Ｒが組み込まれ，巻線Ｖ２と巻線Ｖ
１とを接続するライン６Ｌには大型のスイッチングリレ
ー６Ｒが組み込まれ，巻線Ｖ１，Ｖ２及びＶ３は互いに
直列に結線されている。更に，巻線Ｗ３と巻線Ｗ２とを
接続するライン９Ｌには大型のスイッチングリレー９Ｒ
が組み込まれ，巻線Ｗ２と巻線Ｗ１とを接続するライン
１０Ｌには大型のスイッチングリレー１０Ｒが組み込ま
れ，巻線Ｗ１，Ｗ２及びＷ３は互いに直列に結線されて
いる。

【００２６】また，巻線Ｕ３と中性点２６Ｎとを接続す
るライン３Ｌには小容量即ち小型のスイッチングリレー
３Ｒが組み込まれ，また，巻線Ｕ２と中性点２６Ｎとを
接続するライン４Ｌには小容量即ち小型のスイッチング
リレー４Ｒが組み込まれている。巻線Ｖ３と中性点２６
Ｎとを接続するライン７Ｌには小容量即ち小型のスイッ
チングリレー７Ｒが組み込まれ，また，巻線Ｖ２と中性
点２６Ｎとを接続するライン８Ｌには小容量即ち小型の
スイッチングリレー８Ｒが組み込まれている。更に，巻
線Ｗ３と中性点２６Ｎとを接続するライン１１Ｌには小
容量即ち小型のスイッチングリレー１１Ｒが組み込ま
れ，また，巻線Ｗ２と中性点２６Ｎとを接続するライン
１２Ｌには小容量即ち小型のスイッチングリレー１２Ｒ
が組み込まれている。

【００２７】上記のように，巻線群Ｕ１−Ｖ１−Ｗ１，
巻線群Ｕ２−Ｖ２−Ｗ２，及び巻線群Ｕ３−Ｖ３−Ｗ３
が結線されているので，表１に示すように，コントロー
ラ１０によってスイッチングリレー１Ｒ〜１２ＲのＯＮ
−ＯＦＦの制御を行うと，低回転領域では，三相巻線群
の３連が直列に接続され，即ち，３巻線群の巻線Ｕ１，
巻線Ｕ２及び巻線Ｕ３，３巻線群の巻線Ｖ１，巻線Ｖ２
及び巻線Ｖ３，並びに３巻線群の巻線Ｗ１，巻線Ｗ２及
び巻線Ｗ３がそれぞれ直列に接続され，図２に示すよう
に，回転数（ＲＰＭ）が小さくても所定の出力電圧を発
電することができる。また，中回転領域では，三相巻線
群の２連が直列に接続され，即ち，２巻線群の巻線Ｕ２
及び巻線Ｕ３，２巻線群の巻線Ｖ２及び巻線Ｖ３，並び
に３巻線群の巻線Ｗ２及び巻線Ｗ３がそれぞれ直列に接
続され，図２に示すように，回転数（ＲＰＭ）が中程度
でも所定の出力電圧を発電することができる。更に，高
回転領域では，三相巻線群の１連が接続され，即ち，巻
線Ｕ３，巻線Ｖ３，及び巻線Ｗ３が接続され，図２に示
すように，回転数（ＲＰＭ）が高速でも所定の出力電圧
を発電するようになる。

【表１】

【００２８】この多極永久磁石式発電機では，図２に示
すように，低速では３連に重ねると，電圧はほぼ３倍に
なるが，リアクタンス効果で若干低下する。そこで，２
連にすると，リアクタンスが減少した分として電圧が上
がるので，Ａ１点からＡ２点に移動する。コントローラ
１０によってスイッチングリレー１Ｒ〜１２Ｒのスイッ
チング制御を行うことによって，図２に示すような出力
電圧（Ｖ）を得ることができる。

【００２９】発電機の特性Ｇ₁は，次式で示される。Ｇ₁＝〔（３）^1/2・２πｆ／（２）^1/2〕・φ₁・Ｗ
₁・ｋｗ₁ 但し：ｆ：周波数，φ₁：磁束，Ｗ₁：コイル巻数，
ｋ：スロット数，ｗ₁：極数を示す。従って，発電機の
特性Ｇ１は，巻数Ｗ₁が多いと，回転数の増加に従って
出力電圧は上昇する。そこで，低速，中速及び高速で
は，表１に示すように，コントローラ１０によってスイ
ッチングリレー１Ｒ〜１２ＲのＯＮ−ＯＦＦ制御を行う
ことによって適正な出力電圧を得ることができるので，
複雑な構造，即ち，整流回路や昇降圧回路を必要としな
い。図１に示すスイッチングリレー１Ｒ，５Ｒ及び９Ｒ
は必ずしも必要ではないが，切り換え制御の安全性の確
保のために設けている。

【００３０】次に，図４，図５及び図６を参照して，こ
の多極永久磁石式発電機をディーゼルパティキュレート
フィルタ装置（以下，ＤＰＦ装置という）に適用した場
合の実施例を説明する。ＤＰＦ装置は，排気ガスに含ま
れるカーボン，すす，ＨＣ，ＳＯ_X等から成るパティキ
ュレート物質をフィルタ３で捕集し，フィルタ３に捕集
されたパティキュレート物質をフィルタ３に設けたヒー
タで加熱焼却し，フィルタ３を再生するものである。Ｄ
ＰＦ装置は，入口側排気管５と出口側排気管６がエンジ
ンで発生した排気ガスＥＧが排出される排気管に接続さ
れて組み込まれている。フィルタ３に設けたヒータを急
加熱する時には３連を直列にし，また，絞り加熱を行う
時には１連の加熱で済み，ヒータに通電する電力を常に
適正にしてフィルタ３に捕集されたパティキュレート物
質をスムースに適正に加熱焼却できる。

【００３１】フィルタ３を配設するハウジング１は，箱
状の方形に形成され，車両のボディやフレームに対して
ブラケット等で簡単に取り付けることができると共に，
ハウジングの外面を容易に遮熱できる構造に構成されて
いる。ハウジング１には，フィルタ３が配設された排気
ガス浄化室３１を形成し且つ出口側排気管６が接続され
たハウジング本体２Ａ，開閉弁１５，１６が配設された
排気ガス流入室４を形成し且つ入口側排気管５が接続さ
れたハウジングカバー２Ｂ，及び排気ガス流入室４と排
気ガス浄化室３１とを区画する区画プレート２Ｃから構
成されている。区画プレート２Ｃには，フィルタ３をフ
ィルタハーフ部３Ａ，３Ｂに二分する位置に対応して排
気ガス流入口１１，１２が形成されている。

【００３２】フィルタ３は，ハウジング１に排気ガスＥ
Ｇの流れに交差する方向に指向してハウジング１の一側
から対向する他側へ延びるように配設されている。フィ
ルタ３は，排気ガスＥＧに接する表面積を大きくするた
め，全体として，蛇腹状に折り曲げられ，長手方向に延
びて，ハウジング１内の排気ガス浄化室３１に配設され
ている。フィルタ３は，蛇腹の襞の山部が排気ガスＥＧ
の流れの上流側に同一方向に向かって平行に指向され，
また，蛇腹の襞の谷部が排気ガスＥＧの流れに沿って同
一方向に向かって平行に指向されている。フィルタ３
は，その両端部の縁部３４がハウジング本体２Ａの周縁
部３５の一部と，区画プレート２Ｃの両端部の縁部３６
及びハウジングカバー２Ｂの周縁部３２一部とで挟持さ
れた状態で密封状態に固定されて排気ガス浄化室３１に
配設されている。また，フィルタ３は，フィルタハーフ
部３Ａ，３Ｂとの境界の蛇腹の襞の山部が固着具３７に
よって区画プレート２Ｃに固定されている。更に，フィ
ルタ３は，その両側或いは中心部等の適宜の位置に，蛇
腹形状の上流側から蛇腹形状に対応した形状の上流側支
持板２９Ｕと，蛇腹形状の下流側から蛇腹形状に対応し
た形状の下流側支持板２９Ｌとが嵌め込まれており，フ
ィルタ３の蛇腹形状が熱等で変形しないように保持され
ている。

【００３３】ＤＰＦ装置は，主として，排気ガスＥＧを
フィルタ３が配設された排気ガス浄化室３１に流入させ
るためフィルタ３の上流側でフィルタ３を二分する領域
に対向して設けられた一対の排気ガス流入口１１，１
２，排気ガス流入口１１，１２に設けられたアクチュエ
ータ１３，１４によってそれぞれ開閉する開閉弁１５，
１６，フィルタ３に捕集されたパティキュレート物質を
加熱焼却するためフィルタ３に設けられたヒータ線２
１，エンジンによって駆動される発電機７を有する。発
電機７は，例えば，三相交流を発電するように構成で
き，また，フィルタ３に設けたヒータを，ヒータ線２１
の他に触媒層２３や保持金網２５をヒータに構成して三
相負荷に構成することができる。コントローラ１０は，
フィルタ３へのパティキュレート物質の堆積量及びフィ
ルタ３の温度に応答して，アクチュエータ１３，１４に
よって開閉弁１５，１６を開閉制御すると共に，例え
ば，発電機７からの三相交流をＯＮ−ＯＦＦのスイッチ
ングを制御してヒータに供給するように構成できる。

【００３４】排気ガスＥＧは，入口側排気管５から排気
ガス流入口１１及び／又は排気ガス流入口１２を通じて
排気ガス浄化室３１内のフィルタ３に送り込まれ，フィ
ルタ３を通過する際に，排気ガスＥＧに含まれているパ
ティキュレート物質がフィルタ３に捕集される。パティ
キュレート物質が焼却されて浄化された排気ガスＥＧ
は，出口側排気管６から外部に排出される。また，空気
ポンプ１７は，空気管１８を通じて排気ガス流入口１
１，１２に対応する排気ガス浄化室３１に開口する空気
供給口３３からフィルタハーフ部３Ａ，３Ｂへと空気を
送り込むように構成されている。空気ポンプ１７は，フ
ィルタハーフ部３Ａ，３Ｂの再生時に，コントローラ１
０の指令によってフィルタハーフ部３Ａ，３Ｂが位置す
る排気ガス浄化室３１に空気を供給するように制御され
る。図１では，空気ポンプ１７は，フィルタハーフ部３
Ａ，３Ｂにそれぞれ対応して設けられているが，その構
成に限らず，１台の空気ポンプ１７によって空気管１８
に設けた調整弁を作動して一方又は両方のフィルタハー
フ部３Ａ，３Ｂへ空気を送り込むように構成することも
できる。

【００３５】フィルタ３は，排気ガス浄化室３１内で，
排気ガス流入口１１，１２に対応してフィルタハーフ部
３Ａ，３Ｂに二分されている。即ち，フィルタ３は，排
気ガス流入口１１，１２に対応する領域に配設された一
対のフィルタハーフ部３Ａ，３Ｂから構成されている。
フィルタハーフ部３Ａ，３Ｂは，区画プレート等では区
分されていないが，排気ガス流入口１１及び／又は排気
ガス流入口１２を通じて流入する排気ガスＥＧの流れに
よって必然的に区分される。フィルタ３は，図３に示す
ように，排気ガスＥＧの流れの上流側に平行に延びるよ
うに配置されたヒータを構成するヒータ線２１，ヒータ
線２１に接して配置された耐熱性を有するセラミック繊
維がランダムに積層された第１不織布２２，第１不織布
２２に接して配置された燃焼温度を低減させる触媒を担
持した金属部材から成る触媒層２３，触媒層２３に接し
て配置された耐熱性を有するセラミック繊維がランダム
に積層された第２不織布２４，及び第２不織布２４に接
して配置された耐熱金属線を網み込んだ保持金網２５か
ら順次積層した積層構造に構成されている。保持金網２
５は，第１不織布２２や第１不織布２２の繊維或いは触
媒層２３の線や粒子等が飛散することを防止し，フィル
タ３の形状を保持する機能を有する。

【００３６】この実施例では，例えば，図６に示すよう
に，フィルタ３におけるヒータを構成する三相負荷がヒ
ータ線２１，触媒層２３及び保持金網２５で構成され，
発電機７の三相交流の線３６Ｒは，ヒータ線２１の端子
１９Ｈ，触媒層２３の端子１９Ｃ及び保持金網２５の端
子１９Ｎにそれぞれ接続されている。また，発電機７の
三相電源の電圧は，コントローラ１０によって整流又は
昇降圧制御を行うことなく，所定電圧をベースにして変
動制御される。

【００３７】第１不織布２２を構成するセラミック繊維
材は，炭化ケイ素（ＳｉＣ），窒化ケイ素（Ｓｉ
₃Ｎ₄），アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃），フォルステライト
等の耐熱性セラミックスであり，３０ｍｍ〜１００ｍｍ
程度の長さの繊維材が好ましい。また，第２不織布２４
は，第１不織布２２と同様のセラミック繊維材を使用で
き，第１不織布２２に比較して密度が大きい構造又は厚
さが厚い構造に構成されている。また，触媒層２３は，
ＨＣの酸化を促し且つＣの燃焼温度を低減する触媒，例
えば，白金（Ｐｔ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃ
ｒ），パラジウム（Ｐｄ）及び／又はコバルト（Ｃｏ）
を含んでいる材料から形成されている。触媒層２３は，
例えば，ＮｉとＣｒとをベースにした金属線，金網，金
属薄板等の金属材に，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｄ及び／又
はＣｏから成る粒子を分散させた状態で担持させた材料
から構成されている。

【００３８】ＤＰＦ装置は，フィルタ３へのパティキュ
レート物質の堆積量によって変化するフィルタ３中の隔
置した二面間の電気抵抗値を検出してフィルタ３へのパ
ティキュレート物質の捕集量を検出する捕集量検出装置
４０を有する。この実施例では，捕集量検出装置４０
は，フィルタ３中に設けられた触媒層２３を構成する耐
熱金属線に設けた第１電極とその下流側に配置された保
持金網２５の耐熱金属線に設けた第２電極との間の電気
抵抗値を，比較器とブリッジ回路とから成る抵抗検出器
で検出するように構成されている。捕集量検出装置４０
は，フィルタ３に堆積されたパティキュレート物質のカ
ーボンの堆積量と電気抵抗値とが実質的に比例する特性
を有することを利用してフィルタ３へのパティキュレー
ト物質の捕集量即ち堆積量を検出するものである。

【００３９】また，ＤＰＦ装置は，フィルタ３の再生時
に，フィルタ３の温度を検出するためフィルタ３を縦断
する方向に延びる温度センサ８，９を備えている。コン
トローラ１０は，温度センサ８，９で検出された温度に
応答して発電機７の出力を制御し，フィルタ３の温度を
予め決められた所定の温度に制御する。即ち，コントロ
ーラ１０は，温度センサ８，９によって検出されたフィ
ルタ３のフィルタハーフ部３Ａ，３Ｂの温度及びそれら
の雰囲気温度に応答してヒータへの通電を制御し，フィ
ルタ３の過熱を防止する。温度センサ８，９は，例え
ば，抵抗温度係数の大きいニッケル等から成る金属線３
８と，金属線３８の外側全面を覆うアルミナ等の耐熱性
で耐腐食性のセラミックスから成る外管３９から構成さ
れている。温度センサ８，９は，例えば，フィルタ３の
フィルタハーフ部３Ａ，３Ｂの蛇腹の折り曲げ部の高温
領域に沿って配置されている。温度センサ８，９は，例
えば，ブリッジ回路と比較器を備えた回路から構成され
ている。温度センサ８，９は，通電された時に，金属線
３８が大きい正の抵抗温度係数を有するので，フィルタ
３の温度が上昇すると，金属線３８の抵抗が増大し，温
度センサ８，９を流れる電流が小さくなる。そこで，温
度センサ８，９を流れる電流の変化を上記回路で検出
し，フィルタ３のフィルタハーフ部３Ａ，３Ｂの温度を
それぞれ検出することができる。

【００４０】コントローラ１０は，フィルタ３の過熱を
防止するため，温度センサ８，９からの検出温度に応答
してヒータへの通電を制御すると共に，空気ポンプ１７
を駆動するモータの作動を制御して排気ガス浄化室３１
内への排気ガスＥＧ又は空気の供給量を調節する。コン
トローラ１０は，フィルタ３のフィルタハーフ部３Ａ，
３Ｂの再生時に，例えば，エンジンの負荷が高い時に，
モータの回転数を上昇させてフィルタ３に多量の排気ガ
スＥＧ又は空気のガスを送り込み，低い時に，モータの
回転数を低減してフィルタ３に少量のガスを送り込む制
御をする。

【００４１】コントローラ１０は，捕集量検出装置４０
によって検出されたフィルタ３の電気抵抗値を検出し，
予め決められた所定の電気抵抗値より小さくなれば，フ
ィルタ３に捕集されたパティキュレート物質が予め決め
られた捕集量に達したと認識し，その電気抵抗値に応答
して再生の開始を始め，次いで，フィルタ３に堆積され
たパティキュレート物質を加熱焼却するため，ヒータ線
２１へ通電する制御を行う。また，コントローラ１０
は，フィルタ３の再生に応答して空気ポンプ１７の作動
と，開閉弁１５，１６の開閉作動を行うアクチュエータ
１３，１４の作動を制御する。

【００４２】更に，コントローラ１０は，回転センサで
検出されたエンジン回転数，負荷センサで検出されたエ
ンジン負荷等のエンジンの作動状態に応答して空気ポン
プ１７の作動状態を制御する。また，コントローラ１０
は，捕集量検出装置４０の電気抵抗値を検出し，適正な
パティキュレート物質の捕集量を演算し，開閉弁１５，
１６の開閉時を制御し，更に，排気ガス浄化室３１内へ
送り込む排気ガスＥＧ又は空気の流量を調整するため空
気ポンプ１７の作動を制御する。特に，コントローラ１
０は，巻線群Ｕ１−Ｖ１−Ｗ１，巻線群Ｕ２−Ｖ２−Ｗ
２，及び巻線群Ｕ３−Ｖ３−Ｗ３をエンジン回転に応じ
てスイッチングリレーのＯＮ−ＯＦＦを制御し，巻線群
を３連直列，２連直列，１連のみを利用するように制御
する。例えば，表１に示すように，コントローラ１０
は，低回転領域に応答してスイッチングリレー１Ｒ，２
Ｒ，５Ｒ，６Ｒ，９Ｒ及び１０ＲをＯＮにし，巻線群Ｕ
１−Ｖ１−Ｗ１，巻線群Ｕ２−Ｖ２−Ｗ２，及び巻線群
Ｕ３−Ｖ３−Ｗ３を直列，即ち，巻線Ｕ１，Ｕ２及びＵ
３を直列に，巻線Ｖ１，Ｖ２及びＶ３を直列に，及び巻
線Ｗ１，Ｗ２及びＷ３を直列に結線する制御を行う。ま
た，コントローラ１０は，中回転領域に応答してスイッ
チングリレー１Ｒ，４Ｒ，５Ｒ，８Ｒ，９Ｒ及び１２Ｒ
をＯＮにし，巻線群Ｕ２−Ｖ２−Ｗ２と巻線群Ｕ３−Ｖ
３−Ｗ３を直列，即ち，巻線Ｕ２とＵ３を直列に，巻線
Ｖ２とＶ３を直列に，及び巻線Ｗ２とＷ３を直列に結線
する制御を行う。更に，また，コントローラ１０は，高
回転領域に応答してスイッチングリレー３Ｒ，７Ｒ及び
１１ＲをＯＮにし，巻線群巻線群Ｕ３−Ｖ３−Ｗ３を結
線する制御を行う。

【００４３】また，ＤＰＦ装置は，概して次のように作
動するものであり，エンジンで発生した排気ガスＥＧ
は，入口側排気管５を通じて排気ガス流入室４へ流入す
る。排気ガス流入室４において，例えば，図４に示すよ
うに，開閉弁１６が排気ガス流入口１２を開放し，開閉
弁１５が排気ガス流入口１１を閉鎖した状態であるとす
ると，排気ガスＥＧは，矢印のように，排気ガス流入室
４から排気ガス流入口１２を通じて排気ガス浄化室３１
へ送り込まれる。排気ガス浄化室３１内にはフィルタ３
のフィルタハーフ部３Ｂが対応しているので，排気ガス
ＥＧは，フィルタハーフ部３Ｂを通過して浄化され，出
口側排気管６から外部へ排出される。また，フィルタハ
ーフ部３Ａとフィルタハーフ部３Ｂとの間には，仕切板
等は設けられていないが，排気ガスＥＧがフィルタハー
フ部３Ａが配置されている排気ガス浄化室３１に流入す
る現象は流体の流れ現象から発生しない。また，排気ガ
スＥＧがフィルタハーフ部３Ｂを通過する際に，排気ガ
スＥＧに含まれるパティキュレート物質はフィルタ３に
よって捕集される。

【００４４】コントローラ１０は，パティキュレート物
質がフィルタ３に捕集されて堆積すると，捕集量検出装
置４０の電気抵抗値が低下し，電気抵抗値が予め決めら
れた所定値以下になると，フィルタ３に所定量のパティ
キュレート物質が捕集された状態であるとして，次のよ
うな処理の指令を発する。コントローラ１０は，アクチ
ュエータ１４を駆動して開閉弁１６で排気ガス流入口１
２を閉鎖し，アクチュエータ１３を駆動して開閉弁１５
を作動して排気ガス流入口１１を開放する。入口側排気
管５から排気ガス流入室４に流入した排気ガスＥＧは，
排気ガス流入室４から排気ガス流入口１１を通じて排気
ガス浄化室３１へ送り込まれる。

【００４５】上記の処理と共に，コントローラ１０は，
空気ポンプ１７を作動する制御を行い，空気ポンプ１７
の作動によって，排気ガスＥＧ又は空気管１８を通じて
空気供給口３３からフィルタハーフ部３Ｂが配置された
排気ガス浄化室３１に供給し，パティキュレート物質の
燃焼に必要な酸素を供給し，パティキュレート物質を加
熱焼却する。即ち，排気ガス浄化室３１に供給された空
気は，フィルタハーフ部３Ｂに捕集されているパティキ
ュレート物質を加熱焼却するのに消費され，フィルタハ
ーフ部３Ｂが浄化される。この時，フィルタ３に設けら
れた触媒層２３によってパティキュレート物質の燃焼温
度は低く抑制されると共に，フィルタ３及びその雰囲気
は，温度センサ９（８）によって検出され，所定温度以
上になると，ヒータを切り，ヒータによる加熱を停止し
てパティキュレート物質の燃焼伝播によって加熱焼却す
る。フィルタ３は，パティキュレート物質が加熱焼却さ
れて再生され，次のパティキュレート物質の捕集処理の
待機状態になる。

【００４６】一方，排気ガス浄化室３１内にはフィルタ
３のフィルタハーフ部３Ａが対応しているので，排気ガ
スＥＧは，フィルタハーフ部３Ａを通過して浄化され，
出口側排気管６から外部へ排出される。排気ガスＥＧが
フィルタハーフ部３Ａを通過する際に，排気ガスＥＧに
含まれるパティキュレート物質はフィルタ３によって捕
集される。コントローラ１０は，パティキュレート物質
がフィルタ３に捕集されて堆積すると，捕集量検出装置
４０の電気抵抗値が低下し，電気抵抗値が予め決められ
た所定値以下になると，フィルタ３に所定量のパティキ
ュレート物質が捕集された状態であるとして再び排気ガ
ス浄化処理が繰り返される。

【００４７】コントローラ１０は，フィルタ３に設けた
ヒータ（ヒータ線２１，触媒層２３及び／又は保持金網
２５）を急加熱する時には三相巻線群（巻線群Ｕ１−Ｖ
１−Ｗ１，巻線群Ｕ２−Ｖ２−Ｗ２，及び巻線群Ｕ３−
Ｖ３−Ｗ３）の３連を直列に接続し，また，ヒータへ通
電する電流を絞って加熱を行う時には三相巻線群の１連
を接続し，ヒータに通電する電力を三相巻線群の直列の
接続数によってヒータへ通電する電流を制御し，常に適
正にしてフィルタ３に捕集されたパティキュレート物質
を加熱焼却する制御を行う。

【００４８】

【発明の効果】この発明による発電機は，上記のように
構成されており，三相巻線間にはスイッチングリレーが
設けられ，これらのスイッチングリレーをコントローラ
でＯＮ−ＯＦＦ制御するのみであり，それぞれの部分で
の電流値と電圧値は小さいので，スイッチングリレーの
ＯＮ−ＯＦＦでは逆起電力は余り大きくなく，小容量の
スイッチングリレーで十分である。しかも，フィルタに
設けたヒータを三相負荷（２条列のヒータ線と触媒層，
又はヒータ線，触媒層及び保持金網）に構成すると，発
電側の三相交流をヒータ側の三相負荷にそれぞれ接続す
ることで多くの素子を必要とせず，極めて簡単なシステ
ムを構成することができる。また，エンジンが高速にな
った時に高電圧になることを抑制して適正な電圧の電力
をフィルタのヒータに供給でき，エンジンの回転領域に
応じて適正な出力電圧の電力をヒータに常に供給でき，
パティキュレート物質の加熱焼却を有効に効率的に達成
でき，無駄な電力を消費することなく，また，安価なシ
ステムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による複数系統の電力発電特性を持つ
多極永久磁石式発電機の一実施例の配線を説明するため
の概略説明図である。

【図２】分割された巻線の接続状態に対応して変化する
回転数に対する出力電圧の関係を示すグラフである。

【図３】分割された巻線の接続状態を示す概略説明図で
ある。

【図４】この発明による多極永久磁石式発電機に適用さ
れたディーゼルパティキュレートフィルタ装置の具体的
な実施例を示す概略断面図である。

【図５】図４のディーゼルパティキュレートフィルタ装
置におけるフィルタを示す拡大斜視図である。

【図６】図５の符号Ａ部分の拡大分解図である。

【符号の説明】

１ハウジング３フィルタ３Ａ，３Ｂフィルタハーフ部７発電機１０コントローラ１５，１６開閉弁１７空気ポンプ１９Ｈ，１９Ｃ，１９Ｎ端子２０三相負荷２１ヒータ線２２第１不織布２３触媒層２４第２不織布２５保持金網２６Ｎ中性点４１ロータ４２ステータ４３ステータコア１Ｒ〜１２Ｒスイッチングリレー１Ｌ〜１２ＬラインＥＧ排気ガスＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ
３巻線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジングに回転可能に支持された回転
軸に取り付けられ且つ永久磁石が周方向に複数配置され
たロータ，及び前記ロータの外周に隙間を介して配置さ
れ且つ前記ハウジングに固定されたステータを有し，前
記ステータはスロット部を形成したステータコアと前記
スロット部間に巻き上げられた巻線から構成され，前記
巻線は前記ステータコアに一種類で出力波形が重なるよ
うに複数の三相巻線群に巻き上げられ，それぞれの前記
巻線の端子はスイッチングリレーを介してそれぞれ独立
的に分離され，前記ロータの回転速度に応答して前記ス
イッチングリレーをオン・オフ制御するコントローラ
は，低速回転時に全ての前記三相巻線群を直列に接続し
且つ前記ロータの回転速度が大きくなるに従って前記三
相巻線群の直列に接続する数を減少させる制御をするこ
とを特徴とする複数系統の電力発電特性を持つ多極永久
磁石式発電機。
【請求項２】前記巻線は三相電源を得るように前記ス
テータコアに電気角１２０°ずらして三相巻線にそれぞ
れ巻き上げられていることを特徴とする請求項１に記載
の複数系統の電力発電特性を持つ多極永久磁石式発電
機。
【請求項３】前記三相巻線群はスター結線に構成さ
れ，前記ステータコアの前記巻線の結線における前記三
相巻線群間を結ぶ前記スイッチングリレーは大容量に構
成され，それぞれの前記巻線を結ぶ中性点を形成する前
記スイッチングリレーは小容量に構成され，前記コント
ローラは，要求される電力に応じて前記スイッチングリ
レーを断続して電圧制御を行うことを特徴とする請求項
１又は２に記載の複数系統の電力発電特性を持つ多極永
久磁石式発電機。
【請求項４】前記三相巻線の出力端子に取り付けられ
た前記スイッチングリレーは，負荷の大きさ又は回転領
域によってオン・オフさせて必要な電力を供給させるこ
とを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の複
数系統の電力発電特性を持つ多極永久磁石式発電機。
【請求項５】前記三相巻線に接続するヒータ等の負荷
装置は，インピーダンスを持つ三相負荷に構成され，前
記三相負荷に対する電力のオン・オフは，前記スイッチ
ングリレーによって行うことを特徴とする請求項１〜４
のいずれか１項に記載の複数系統の電力発電特性を持つ
多極永久磁石式発電機。
【請求項６】前記三相巻線群は３連から成り，前記コ
ントローラは，低速回転領域では３連の前記三相巻線を
それぞれ直列に結線して前記負荷装置に接続し，中回転
領域では２連の前記三相巻線をそれぞれ直列に結線して
前記負荷装置に接続し，高回転領域では１連の前記三相
巻線を前記負荷装置に接続する制御を行うことを特徴と
する請求項５に記載の複数系統の電力発電特性を持つ多
極永久磁石式発電機。
【請求項７】前記三相巻線の巻数は，前記三相巻線群
において差異はなく，等価に構成されていることを特徴
とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の複数系統の
電力発電特性を持つ多極永久磁石式発電機。
【請求項８】それぞれの前記三相巻線群は全周にわた
って巻き上げられ，前記三相巻線群は前記永久磁石のＮ
極とＳ極間のポール分だけずれた位置で巻き始められて
いることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記
載の複数系統の電力発電特性を持つ多極永久磁石式発電
機。
【請求項９】エンジンからの排気ガスに含まれている
パティキュレート物質をフィルタで捕集して加熱焼却す
るディーゼルパティキュレートフィルタ装置に適用さ
れ，前記フィルタに設けた三相負荷に構成されヒータに
通電する電力に利用されることを特徴とする請求項１〜
８のいずれか１項に記載の複数系統の電力発電特性を持
つ多極永久磁石式発電機。
【請求項１０】前記フィルタは前記排気ガスの流れの
上流側に配置された前記ヒータを構成するヒータ線，前
記ヒータ線に接して配置された耐熱性を有するセラミッ
ク繊維がランダムに積層された第１不織布，前記第１不
織布に接して配置された燃焼温度を低減させる触媒を担
持した金属部材から成る触媒層，前記触媒層に接して配
置された耐熱性を有するセラミック繊維がランダムに積
層された第２不織布，及び前記第２不織布に接して配置
された耐熱金属線を網み込んだ金網から構成されてお
り，前記ヒータの前記三相負荷は，前記ヒータ線，前記
触媒層及び前記金網，或いは前記ヒータ線及び／又は前
記触媒層を複列の複数極に構成したことから成る請求項
９に記載の複数系統の電力発電特性を持つ多極永久磁石
式発電機。
【請求項１１】前記コントローラは，前記フィルタに
設けた前記ヒータを急加熱する時には前記三相巻線群の
３連を直列に接続し，また，前記ヒータへ通電する電流
を絞って加熱を行う時には前記三相巻線群の１連を接続
し，前記ヒータに通電する電力を前記三相巻線群の直列
の接続数によって前記ヒータへ通電する電流を制御し，
常に適正にして前記フィルタに捕集された前記パティキ
ュレート物質を加熱焼却する制御を行うことから成る請
求項９又は１０に記載の複数系統の電力発電特性を持つ
多極永久磁石式発電機。