JP2007267554A

JP2007267554A - 磁石式ブラシレス発電機及び磁石式ブラシレススタータ

Info

Publication number: JP2007267554A
Application number: JP2006092369A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Nakanishi; 和雅中西; Manabu Seta; 学瀬田; Masaya Wakita; 真弥脇田
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-11
Also published as: WO2007114303A1; EP2006983A2; EP2006983A9; US20090295250A1

Abstract

【課題】主として、低速回転から高速回転まで可変の回転数で駆動された場合でも、出力電圧を一定にコントロールできる磁石式ブラシレス発電機を提供する。
【解決手段】回転磁界を発生するための巻線が巻回された複数の固定子磁極を有する固定子２０と、第１の界磁用磁石３２と、この第１の界磁用磁石３２と同軸上に相対回転可能に対向配置される第２の界磁用磁石３４とを有する回転子３０と、第１の界磁用磁石３２と第２の界磁用磁石３４との相対回転位置を制御する遊星ギヤ機構４０とを備え、第１の界磁用磁石３２と第２の界磁用磁石３４との相対回転位置が制御可能とした構成とした。
この場合、遊星ギヤ機構４０は、第１の界磁用磁石３２に連結される遊星ギヤ４２と、第２の界磁用磁石３４に連結される遊星ギヤ４４とを備えた２段構造の遊星ギヤ機構４０とし、この遊星ギヤ機構４０のいずれか一方（図示のものは１段目）の遊星ギヤ４２のインターナルギヤ４８に、サーボモータ等の外部動力機構を取り付けた構成とすればよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、航空機用エンジンに直結される発電機及びエンジンスタータに用いる磁石式ブラシレス発電機及び磁石式ブラシレススタータに係り、回転機の出力、特に、出力電圧を一定にコントロールできる磁石式ブラシレス発電機及び磁石式ブラシレススタータに関する。

磁石式ブラシレス電動機は、低速回転域では高いトルクが得られるが、回転数の可変範囲が狭いために高速回転することが困難であるという問題を備えている。
そこで、高速回転時には、弱め界磁方式により、総磁束を下げることによって高い回転数を得るようにしている。

しかし、この弱め界磁方式は、トルクと回転数等の数値を常に監視し、それらの数値を元に複雑な計算を行って、固定子巻線に供給する電流の大きさと位相とを制御しなければならず、高速なコンピュータを含む複雑で高価な制御回路が必要になるという問題を備えている。

そこで、低い回転数のときは従来のものと同じように高いトルクが得られるとともに、この従来のものに比較して３倍近い高い回転数まで高いトルクで変換効率よく使用できる、簡単な構成の磁石式ブラシレス電動機が、特許文献１に開示されている。

以下、この従来の磁石式ブラシレス電動機について、図９及び図１０を用いて説明する。
図９は従来の磁石式ブラシレス電動機の構成を示す分解斜視図である。
図１０は、従来の磁石式ブラシレス電動機の一部構成の拡大斜視図である。

図９及び図１０に示すように、従来の磁石式ブラシレス電動機１００は、複数の固定子磁極１１２に回転磁界を発生するための界磁用巻線１１４が巻かれた固定子１１０、第１の界磁用磁石１２４と、この第１の界磁用磁石１２４に相対回転できるようにされている第２の界磁用磁石１２２を有する回転子１２０を備えている。
なお、図９及び図１０において、１３０は回転軸、１４０はセンサ磁石である。

以上の構成で、従来の磁石式ブラシレス電動機１００では、図９に示すように、回転子１２０の回転数が低いときには第１と第２の界磁用磁石１２４、１２２の同じ磁極が並ぶようにすることで、鎖交磁束量が最大となるようにする。
一方、回転数が高いときには、図１０に示すように、第１と第２の界磁用磁石１２４、１２２の磁極がずれて、固定子１１０側の界磁用巻線１１４と鎖交する磁束の有効量が減少するようにする。
これにより、従来の磁石式ブラシレス電動機１００では、高い回転数が得られるようにしている。

特開平１０−１５５２６２

ところで、特許文献１記載の従来の磁石式ブラシレス電動機では、第１の界磁用磁石の磁極に対して回転子の回転に伴い変化させる機構としては、特許文献１の図３に示すガバナが用いられている。

このガバナによって、回転子の回転数が低いときには、第２の界磁用磁石と第１の界磁用磁石の同磁極が並ぶように調整され、回転子の回転数が大きくなってくると遠心力によりガバナは開き、第２の界磁用磁石が第１の界磁用磁石に対して回転し、第１と第２の界磁用磁石の磁極がずれる。
一方、回転子２の回転数が低くなってくると遠心力が小さくなるのでばねの張力でガバナが閉じて第１、第２の界磁用磁石の同磁極が並ぶ位置に戻る。

従って、従来の磁石式ブラシレス電動機では、回転子による遠心力のみで動作されているので、簡単な機構で容易かつ安価に磁石式ブラシレス電動機の鎖交磁束量の制御方式を提供するものであるが、この従来の磁石式ブラシレス電動機は以下のような問題を有している。
（１）先ず、第１、第２の界磁用磁石による界磁を無くすことができない。
（２）遠心力で調整している関係上、高速回転時は高速領域の界磁、低速回転時は低速領域の界磁にしか制御できない。
（３）回転子の回転数が変動し、負荷も変動する発電機として用いた場合、出力コントロールができない。

本発明は、上記課題（問題点）を解決し、低速回転から高速回転まで可変の回転数で駆動された場合でも、特に出力電圧を一定にコントロールできる磁石式ブラシレス発電機及び磁石式ブラシレススタータを提供することを目的とする。

本発明の磁石式ブラシレス発電機は、請求項１に記載のものは、回転磁界を発生するための巻線が巻回された複数の固定子磁極を有する固定子と、第１の界磁用磁石と、この第１の界磁用磁石と同軸上に相対回転可能に対向配置される第２の界磁用磁石とを有する回転子と、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との相対回転位置を制御する遊星ギヤ機構とを備え、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との相対回転位置が制御可能とした構成とした。

請求項２に記載の磁石式ブラシレス発電機は、前記遊星ギヤ機構は、前記第１の界磁用磁石に連結される遊星ギヤと、前記第２の界磁用磁石に連結される遊星ギヤとを備えた２段構造の遊星ギヤ機構である構成とした。

請求項３に記載の磁石式ブラシレス発電機は、前記２段構造の遊星ギヤ機構のいずれか一方の遊星ギヤのインターナルギヤに、サーボモータ等の外部動力機構を取り付けた構成とした。

本発明の磁石式ブラシレススタータは、請求項４に記載のものは、回転磁界を発生するための巻線が巻回された複数の固定子磁極を有する固定子と、第１の界磁用磁石と、この第１の界磁用磁石と同軸上に相対回転可能に対向配置される第２の界磁用磁石とを有する回転子と、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との相対回転位置を制御する遊星ギヤ機構とを備え、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との相対回転位置が制御可能とした構成とした。

請求項５に記載の磁石式ブラシレススタータは、前記遊星ギヤ機構は、前記第１の界磁用磁石に連結される遊星ギヤと、前記第２の界磁用磁石に連結される遊星ギヤとを備えた２段構造の遊星ギヤ機構である構成とした。

請求項６に記載の磁石式ブラシレススタータは、前記２段構造の遊星ギヤ機構のいずれか一方の遊星ギヤのインターナルギヤに、サーボモータ等の外部動力機構を取り付けた構成とした。

本発明の磁石式ブラシレス発電機は、上記のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように構成すると、従来の磁石式ブラシレス電動機では、高速回転時は高速領域の界磁、低速回転時は低速領域の界磁にしかできない問題があったが、本発明の磁石式ブラシレス発電機では、回転数に関わりなく、界磁を自在にコントロールすることができる。
（２）その結果、回転子の低速から高速までの可変の回転数で駆動された場合でも、発電機としての出力電圧を一定にコントロールできるし、回転中の発電中止も可能になる。

（３）具体的には、第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との相対回転位置の制御機構を請求項２及び３記載のように構成すれば良い。

本発明の磁石式ブラシレススタータは、上記のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（４）請求項４に記載したように構成すると、従来の磁石式ブラシレス電動機では、高速回転時は高速領域の界磁、低速回転時は低速領域の界磁にしかできない問題があったが、本発明の磁石式ブラシレススタータでは、回転数に関わりなく、界磁を自在にコントロールすることができる。
（５）その結果、回転子の起動から高速まで、スタータとしてのトルク−回転数（Ｔ−Ｎ）特性を自在にコントロールできる。

（６）具体的には、第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との相対回転位置の制御機構を請求項２及び３記載のように構成すれば良い。

以下、本発明の磁石式ブラシレス発電機の一実施の形態について、図１乃至図８を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態の磁石式ブラシレス発電機の構成を示す縦断側面図である。
図２は、本発明の一実施の形態の磁石式ブラシレス発電機の制御系を示す回路図である。
図３は、本発明の一実施の形態の磁石式ブラシレス発電機の一部構成を示す側面図である。
図４は、本発明の一実施の形態の磁石式ブラシレス発電機の弱め界磁方式を説明するための斜視図である。
図５は、本発明の一実施の形態の磁石式ブラシレス発電機をスタータとした場合のＴ−Ｎ特性図である。

図６は、従来のブラシ付き発電機の制御系を示す回路図である。
図７は、従来のブラシ付き発電機の弱め界磁方式を説明するための回路図である。
図８は、従来のブラシ付き発電機をスタータとした場合のＴ−Ｎ特性図である。

先ず、本実施の形態の磁石式ブラシレス発電機の基本構成について、図１及び図３を用いて説明する。
本実施の形態の磁石式ブラシレス発電機１０では、固定子２０は、従来同様、回転磁界を発生するための巻線が巻回された複数の固定子磁極（図示せず）を有する。
次に、回転子３０は、従来同様、回転方向に順次極性の異なった磁極が並んで配置される第１の界磁用磁石３２と、この第１の界磁用磁石３２と同軸上に相対回転可能に対向配置される第２の界磁用磁石３４とを有する。

一方、本実施の形態の磁石式ブラシレス発電機１０は、第１の界磁用磁石３２と第２の界磁用磁石３４との相対回転位置を制御する遊星ギヤ機構４０を備え、この遊星ギヤ機構４０により、第１の界磁用磁石３２と第２の界磁用磁石３４との相対回転位置が制御可能である点にその構成上の特徴を有している。

その遊星ギヤ機構４０は、具体的には、第１の界磁用磁石３２に連結される１段目の遊星ギヤ４２と、第２の界磁用磁石３４に連結される２段目の遊星ギヤ４４とを備えた２段構造である。
また、２段構造の遊星ギヤ機構４０のいずれか一方（図示のものは１段目）の遊星ギヤ４２のインターナルギヤ４８に、図示しないサーボモータ等の外部動力機構を取り付け、第２の界磁用磁石３４に対して第１の界磁用磁石３２を必要な回転範囲（０〜θ）で相対回転位置可能に制御する。

次に、本実施の形態の磁石式ブラシレス発電機１０の制御方式について、図２乃至図５を用いて説明する。
なお、対比のため、従来のブラシ付き発電機の制御方式を図６乃至図８に示す。

例えば、従来のブラシ付き発電機の固定子の制御系６０は、図６に示すように、機上負荷６２、直流電源６４、界磁制御器６５と固定子巻線６６、回転子６８とブラシ６７とをそれぞれ並列に配置した構成である。
一方、本実施の形態の磁石式ブラシレス発電機１０の制御系５０は、図２に示すように、機上負荷５２、直流電源５４、インバータ５６、固定子巻線５８とをそれぞれ並列に配置した構成である。

また、弱め界磁の制御方式では、従来のブラシ付き発電機では、図７に示すように、パルス幅変調器６９を用いた電気的界磁制御方式により、図８のＴ−Ｎ特性図に示すように界磁強度を制御する。
一方、本実施の形態の磁石式ブラシレス発電機１０では、上記したように、外部動力機構で、１段目の遊星ギヤ４２のインターナルギヤ４８を機械的に制御する。
これにより、図４に示すように第１の界磁用磁石３２に対して、第２の界磁用磁石３４の位相差を生じさせる機械的界磁制御方式により、スタータとした場合図５のＴ−Ｎ特性図に示すように界磁強度を制御する。

なお、図８のＴ−Ｎ特性図において、従来のブラシ付き発電機では、フル界磁の特性曲線は実線で、弱め界磁の特性曲線は破線で示してある。
同様に、図５のＴ−Ｎ特性図において、本実施の形態の磁石式ブラシレス発電機では、第２の界磁用磁石３４と第１の界磁用磁石３２との位相差が無しの場合の特性曲線は実線で、位相差がθの弱い界磁の特性曲線は破線で示してある。

以上の構成で、次に、本実施の形態の磁石式ブラシレス発電機１０の基本動作について、図１を用いて説明する。
本実施の形態の磁石式ブラシレス発電機１０では、外部動力機構により、１段目の遊星ギヤ４２のインターナルギヤ４８により、第１の界磁用磁石３２に対して第２の界磁用磁石３４を相対回転位置制御を行う。

即ち、本実施の形態の磁石式ブラシレス発電機１０では、外部動力機構により、回転子３０の回転数に関わりなく、第１の界磁用磁石３２に対して第２の界磁用磁石３４を必要な回転範囲（０〜θ）で相対回転位置可能に制御することが可能である。
これにより、従来の磁石式ブラシレス電動機では、高速回転時は高速領域の界磁、低速回転時は低速領域の界磁にしかできない問題があったが、本実施の形態の磁石式ブラシレス発電機１０では、回転数に関わりなく、界磁を自在にコントロールすることができる。

また、第１と第２の界磁用磁石３２、３４の磁極をずらして、反対の磁極同士が発生する磁束の有効量が無しになるように、θを設定することにより、第１、第２の界磁用磁石３２、３４の界磁を無くすことが可能となる。
これにより、第１、第２の界磁用磁石の界磁を無くすことができないという従来の磁石式ブラシレス電動機の問題を解決することができる。

また、本実施の形態の磁石式ブラシレス発電機では、回転子３０の低速から高速までの可変の回転数で駆動された場合でも、第１の界磁用磁石３２に対して第２の界磁用磁石３４を必要な回転範囲（０〜θ）で相対回転位置を制御することにより、発電機としての出力電圧を一定にコントロールできるし、回転中の発電中止も可能になる。

ところで、上記実施の形態では、磁石式ブラシレス発電機の例を用いて説明したが、同様の構成で、磁石式ブラシレススタータとして用いても、同様の効果があることはいうまでもない。
また、上記実施の形態では、第２の界磁用磁石を位相制御用のパラレルロータとして使用し、１段目の遊星ギヤのインターナルギヤを制御する例で説明したが、この例に限定されないのは勿論のことである。

本発明の一実施の形態の磁石式ブラシレス発電機の構成を示す縦断側面図である。本発明の一実施の形態の磁石式ブラシレス発電機の制御系を示す回路図である。本発明の一実施の形態の磁石式ブラシレス発電機の一部構成を示す側面図である。本発明の一実施の形態の磁石式ブラシレス発電機の弱め界磁方式を説明するための斜視図である。本発明の一実施の形態の磁石式ブラシレス発電機をスタータとした場合のＴ−Ｎ特性図である。従来のブラシ付き発電機の制御系を示す回路図である。従来のブラシ付き発電機の弱め界磁方式を説明するための回路図である。従来のブラシ付き発電機をスタータとした場合のＴ−Ｎ特性図である。従来の磁石式ブラシレス電動機の構成を示す分解斜視図である。従来の磁石式ブラシレス電動機の一部構成の拡大斜視図である。

符号の説明

１０：磁石式ブラシレス発電機
２０：固定子
３０：回転子
３２：第１の界磁用磁石
３４：第２の界磁用磁石
４０：遊星ギヤ機構
４２：１段目の遊星ギヤ
４４：２段目の遊星ギヤ
４８：インターナルギヤ

Claims

回転磁界を発生するための巻線が巻回された複数の固定子磁極を有する固定子と、
第１の界磁用磁石と、この第１の界磁用磁石と同軸上に相対回転可能に対向配置される第２の界磁用磁石とを有する回転子と、
前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との相対回転位置を制御する遊星ギヤ機構とを備え、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との相対回転位置が制御可能としたことを特徴とする磁石式ブラシレス発電機。
前記遊星ギヤ機構は、前記第１の界磁用磁石に連結される遊星ギヤと、前記第２の界磁用磁石に連結される遊星ギヤとを備えた２段構造の遊星ギヤ機構であることを特徴とする請求項１に記載の磁石式ブラシレス発電機。
前記２段構造の遊星ギヤ機構のいずれか一方の遊星ギヤのインターナルギヤに、サーボモータ等の外部動力機構を取り付けたことを特徴とする請求項２に記載の磁石式ブラシレス発電機。
回転磁界を発生するための巻線が巻回された複数の固定子磁極を有する固定子と、
第１の界磁用磁石と、この第１の界磁用磁石と同軸上に相対回転可能に対向配置される第２の界磁用磁石とを有する回転子と、
前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との相対回転位置を制御する遊星ギヤ機構とを備え、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との相対回転位置が制御可能としたことを特徴とする磁石式ブラシレススタータ。
前記遊星ギヤ機構は、前記第１の界磁用磁石に連結される遊星ギヤと、前記第２の界磁用磁石に連結される遊星ギヤとを備えた２段構造の遊星ギヤ機構であることを特徴とする請求項１に記載の磁石式ブラシレススタータ。
前記２段構造の遊星ギヤ機構のいずれか一方の遊星ギヤのインターナルギヤに、サーボモータ等の外部動力機構を取り付けたことを特徴とする請求項２に記載の磁石式ブラシレススタータ。