JP2008125177A

JP2008125177A - 発電装置

Info

Publication number: JP2008125177A
Application number: JP2006303749A
Authority: JP
Inventors: Hisatoshi Tsuchiya; 久利土屋
Original assignee: Toyo Densan Co Ltd
Current assignee: Toyo Densan Co Ltd
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2008-05-29

Abstract

【課題】小型軽量の基本構造のままロータの回転数を上げることなく、高い発電能力を発揮できる発電装置を提供する。
【解決手段】発電機のロータ１２へ３相交流を供給し、一次側コイル１２ａによって発生する磁界Ｗがロータ１２の回転方向と同じ方向へ移動して行く回転磁界を発生させることにより、シャフト１４の回転に伴うロータ１２の一次側コイル１２ａの回転速度ｖ1に、回転磁界の回転速度ｖ2を重畳した速度を、見かけ上のロータ１２の回転速度Ｖとし、シャフト１４の駆動源であるエンジンの回転速度を上げることなく、実質的にロータ１２の回転速度を上げてステータ１３の二次側コイル１３ａに磁界を作用させ、発電機１の発電能力（ロータ回転速度に対する発電量）を向上させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、小型軽量で高出力の発電能力を実現できる発電装置に関し、エンジンの駆動力を使って商用交流１００Ｖの発電を行う自動車用発電装置を含め、発電機全般に利用可能な技術である。

従来、エンジンの駆動力を使って商用交流１００Ｖの発電を行う自動車用発電装置においては、磁極部に電磁石又は永久磁石を採用し、Ｎ極、Ｓ極の磁極がローターの回転数と同一速度で回転する方式の発電機（いわゆる同期発電機）が用いられていた（例えば、特許文献１を参照）。

特開平９−９４６６１号公報

しかしながら、近来は車載用発電装置に接続する負荷の増大に伴って、電力の安定供給のために高い発電能力が要望されているものの、上記特許文献１に記載の発電装置等においては、発電能力を増やすには発電機の寸法を大きくするか、ロータの回転速度を高めるしかないが、車載用発電装置の場合、発電機の寸法を大きくすることは取り付けスペース（特にエンジンルーム内）の制約があるために、大型の発電機を採用することは出来ないし、エンジン回転数を上げてロータの回転速度を高めると、騒音が大きくなる上に燃料消費が多くなると言う問題がある。よって、車載用発電装置の発電能力を上げることは、困難であった。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたもので、小型軽量の基本構造のままロータの回転数を上げることもなく、高い発電能力を発揮できる発電装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、界磁電流を供給する界磁コイルを巻装したロータを回転させることで、発電用コイルを巻装したステータに誘起電力を発生させ、外部負荷へ供給する電力を生成する発電装置において、前記ロータには多相交流を供給することによりロータの回転方向と同方向へ回転する回転磁界を生ぜしめ、ロータの回転速度に回転磁界の回転速度を重畳した速度でステータに磁束を作用させるようにしたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載の発電装置において、前記ステータを介して得られた発電電圧が基準値より高い場合は、ロータに供給する多相交流の周波数を下げ、一方、発電電圧が基準値より低い場合は、ロータに供給する多相交流の周波数を上げるフィードバック制御を行うようにしたことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の発電装置において、前記ロータの回転軸を支承する軸受を保持するケーシング側に固設された一次側トランスと、前記一次側トランスとギャップを介してロータの回転軸側に固設された二次側トランスと、を設け、一次側トランスから二次側トランスへ非接触で回転磁界生成用の多相交流を供給するようにしたことを特徴とする。

請求項１に係る発電装置によれば、ロータには多相交流を供給することによりロータの回転方向と同方向へ回転する回転磁界を生ぜしめ、ロータの回転速度に回転磁界の回転速度を重畳した速度でステータに磁束を作用させるので、ロータの回転速度を上げたのと同様に発電能力を高めることが可能となる。すなわち、従来の同期発電機と同じロータ回転数で稼働した場合には、回転磁界の回転速度に応じた高い発電能力を得ることができる。

また、請求項２に係る発電装置によれば、前記ステータを介して得られた発電電圧が基準値より高い場合は、ロータに供給する多相交流の周波数を下げ、一方、発電電圧が基準値より低い場合は、ロータに供給する多相交流の周波数を上げるフィードバック制御を行うようにしたので、発電能力制御を円滑に行うことができる。

また、請求項３に係る発電装置によれば、前記ロータの回転軸を支承する軸受を保持するブラケット側に固設された一次側トランスと、前記一次側トランスとギャップを介してロータの回転軸側に固設された二次側トランスと、を設け、一次側トランスから二次側トランスへ非接触で回転磁界生成用の多相交流を供給するようにしたので、ブラシレス給電が可能になると共に、回転磁界生成用の多相交流をロータへ供給するのに適した給電手法である。

次に、添付図面に基づいて、本発明に係る発電装置の好ましい実施形態につき説明する。

図１は、発電機１とコントローラ２からなる発電装置を自動車搭載用に構成したもので、車のエンジン３により回転するクランクプーリ４１の回転駆動力を、第１連結ベルト４２を介してプーリ４３で受けることにより、発電機１のロータが駆動する。この発電機１は、回転磁界重畳式（後に詳述）の特殊なもので、コントローラ２から３相励磁供給線Ｌinを介してロータ励磁用の３相交流が供給され、３相発電出力線Ｌoutを介して３相発電出力がコントローラ２へ入力される。

また、エンジン３の駆動力は、例えば、第２連結ベルト４４を介してオルタネータ５のプーリ４５へ伝達され、オルタネータ５によって直流１２Ｖが生成され、バッテリー６の充電に供されると共に、上記コントローラ２にも給電される。

上記オルタネータ５またはバッテリー６から直流１２Ｖの供給を受けて動作するコントローラ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１によって直流１００Ｖを生成し、これを受けた三相インバータ２２が所要周波数の三相交流を生成して発電機１へ供給する。一方、発電機１からの三相発電出力は、コントローラ２の整流器２３にて直流に変換され、インバータ２４にて１００Ｖ商用交流に変換され、外部接続の負荷７へ供給される。なお、整流器２３からの出力電圧は、制御電圧検出器２５にて常時検出され、その検知電圧に基づいて３相インバータ２２は、発電機１への励磁供給制御（３相交流の供給・停止制御もしくは３相交流の周波数制御）を行うことで、インバータ２４へ供給する直流電圧がほぼ一定になるよう、フィードバック制御する。

上記コントローラ２により制御される発電機１の概略構造は、図２に示すように、適宜なケーシング１１内にロータ１２，ステータ１３等を封入したものである。シャフト１４を回転軸として回転するロータ１２は、励磁受給部１５を介してコントローラ２からの３相交流を受ける。なお、本構成例の励磁受給部１５は、３組のブラシ１５ａおよびスリップリング１５ｂを介して、３相交流を受けるものである。また、シャフト１４は、一対のベアリング１６，１６にて回動自在に支承され、ケーシング１１から突出する端部にプーリ４３が固着さる。すなわち、エンジン３の駆動力を受けてプーリ４３が回転することで、シャフト１４とロータ１２が一定方向へ回転するのである。

上記ロータ１２は、適宜に設けた磁極部（コア）に一次側コイル１２ａ（３相）を巻線し、該ロータ１２の外周に適宜なギャップを介して相対するステータ１３は、適宜に設けた磁極部（コア）に二次側コイル１３ａ（３相）を巻線したものである（図３を参照）。そして、発電に必要な励磁電流（３相交流）がロータ１２の一次側コイル１２ａに供給されると、ロータ１２の回転方向と同一方向へ極性が変化して行く回転磁界が発生し、この一次側コイル１２ａへの給電により発生した回転磁界がステータ１３の二次側コイル１３ａに作用した結果、３相誘起電圧が発生する。

すなわち、本実施形態に係る発電装置においては、発電機１に３相交流を供給すると、ロータ１２を定方向へ回転させた場合と同様に、一次側コイル１２ａによって発生する磁界Ｗがロータ１２の回転方向と同じ方向へ移動して行くので、この回転磁界により発生させた発電量をロータ１２の回転による発電量に重畳して得ることができる、回転磁界重畳式発電装置を実現できるのである。例えば、シャフト１４の回転に伴うロータ１２の一次側コイル１２ａの回転速度がｖ1で、回転磁界の回転速度がｖ2であれば、見かけ上のロータ１２の回転速度Ｖ＝ｖ1＋ｖ2となり、エンジン３の回転速度を上げることなく、実質的にロータ１２の回転速度を上げたのと同じ効果が得られ、発電機１の発電能力を向上させることが可能となる。

なお、ロータ１２において回転磁界を発生させるため、ロータ１２のコアは３相巻線可能なスロット形状のものを用いる必要があり、また、発生する回転磁界の回転方向がロータ１２の回転方向と同じになる極性にして３相交流電圧を印加する点に注意を要する。また、本実施形態では、３相交流によって回転磁界を発生させるものとしたが、これに限らず、４相以上の多相交流によって回転磁界を発生させても構わない。また、ロータの巻線を、単相誘導電動機のステータ巻線のように主巻線と補助巻線を施す構成とし、補助巻線にはコンデンサを接続することで、主巻線と補助巻線にあたかも２相交流電圧を印加させるようにし、ロータに回転磁界を発生させるようにしても構わない。

図４に示すのは、回転磁界の回転速度を２０００ｒｐｍとした場合における、ロータ１２の回転速度と発電量との関係で示した発電能力特性図である。図４中、上述した発電機１とコントローラ２より構成した回転磁界重畳式発電装置の発電能力特性を実線で、従来の同期発電機の発電能力特性を一点鎖線で各々示す。本図において、従来の同期発電機では４０００ｒｐｍのロータ回転速度でなければ得られなかった発電量を、本発明に係る回転磁界重畳式発電装置であれば２０００ｒｐｍのロータ回転速度で得ることができ、ロータ１２の回転駆動力を供給するエンジン３の回転数を上げることなく、回転磁界の回転速度が重畳されて高い発電能力を実現できる。

また、本発明に係る回転磁界重畳式発電装置においては、発電機１のロータ１２へコントローラ２の３相インバータ２２より３相交流を供給して発電することから、従来の同期発電機と同様な励磁回路のＯＮ／ＯＦＦ制御（発電電圧が規定値より上昇した場合はコントローラ２から発電機１への３相交流の供給を停止して出力電圧を低下させ、発電電圧が規定値より低くなった場合は再び３相交流の供給を開始して発電状態を回復させ、出力電圧を上昇させるような制御）のほかに、コントローラ２から発電機１へ供給する３相交流の周波数を変化させる制御により発電電圧を規定値に保持することも可能である。

例えば、コントローラ２において、制御電圧検出器２５の検知電圧が規定値より上昇した場合は、３相インバータ２２により生成する３相交流の周波数を低くすることで、発電機１のロータ１２に生ずる回転磁界の回転速度ｖ2を低下させ、見かけ上のロータ１２の回転速度Ｖを下げることにより、ステータ１３から得られる３相発電出力を低下させるのである。逆に、コントローラ２の制御電圧検出器２５の検知電圧が規定値より低くなった場合は、３相インバータ２２により生成する３相交流の周波数を高くすることで、発電機１のロータ１２に生ずる回転磁界の回転速度ｖ2を高くし、見かけ上のロータ１２の回転速度Ｖを上げることにより、ステータ１３から得られる３相発電出力を上昇させるのである。

このように、コントローラ２から発電機１へ供給する３相交流の周波数制御により出力電圧の制御を行えば、励磁回路のＯＮ／ＯＦＦ制御よりも円滑で微調整可能な発電能力の制御を実現できる。また、ロータ１２の回転速度が高すぎるような場合に、ロータ１２の一次コイル１２ａへ供給する３相交流の極性を反転させることで、ロータ１２に生ぜしめる回転磁界の回転方向をロータ１２の回転方向と逆方向に変えれば、見かけ上のロータ１２の回転速度Ｖ＝ｖ1−ｖ2となって、本来のロータ回転速度よりも低い発電量に調整することも可能である。

上述した発電機１においては、３組のブラシ１５ａおよびスリップリング１５ｂを介して３相交流を受ける励磁受給部１５としたが、これをブラシレス構造としても良い。例えば、図５に示す励磁受給部１５′は、略円筒状の回転側コア１５ｃをシャフト１４に固定し、回転側コア１５ｃの外周と適宜なギャップを介して内周面が相対する内空筒状の固定側コア１５ｄをケーシング１１側に固設したもので、３相励磁供給線Ｌinに接続される３つの一次コイル１５ｅを固定側コア１５ｄに設けて一次側トランスを構成し、ロータ１２の励磁コイルに各々接続される３つの二次コイル１５ｆを回転側コア１５ｃに設けて二次側トランスを構成し、円環状の一次コイル１５ｅと二次コイル１５ｆが夫々ギャップを介して対峙させ、一次側トランスと二次側トランスの磁気結合を可能とした構造である。

上記回転側コア１５ｃと固定側コア１５ｄは透磁率の高いフェライト等により形成することで、一次コイル１５ｅにより生じた磁束を二次コイル１５ｆに対して効率良く作用させ、二次コイル１５ｆに３相交流を誘起させる。しかも、シャフト１４と共に回転側コア１５ｃが回転しても、二次コイル１５ｆに作用する磁束の磁路は変化しないので、ロータ１２への励磁用３相交流の供給が影響を受けることはない。しかも、励磁受給部１５′のようなブラシレス構造によれば、給電する交流の相数を増やす場合、一次コイル１５ｅと二次コイル１５ｆの並設数を増やせば良いので、多相交流の給電に適した構造である。

以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態は例示であって、開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、上記の実施形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものではなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内での全ての変更が含まれる。

車載用に構成した実施形態に係る発電装置の概略構成図である。発電機の概略構成図である。回転磁界重畳式発電装置の原理説明図である。回転磁界重畳式発電装置と従来の豪気発電機の発電能力特性図である。３相交流の給電が可能なブラシレス構造の概略説明図である。

符号の説明

１発電機
１１ケーシング
１２ロータ
１２ａ一次側コイル
１３ステータ
１３ａ二次側コイル
２コントローラ

Claims

界磁電流を供給する界磁コイルを巻装したロータを回転させることで、発電用コイルを巻装したステータに誘起電力を発生させ、外部負荷へ供給する電力を生成する発電装置において、
前記ロータには多相交流を供給することによりロータの回転方向と同方向へ回転する回転磁界を生ぜしめ、ロータの回転速度に回転磁界の回転速度を重畳した速度でステータに磁束を作用させるようにしたことを特徴とする発電装置。
前記ステータを介して得られた発電電圧が基準値より高い場合は、ロータに供給する多相交流の周波数を下げ、一方、発電電圧が基準値より低い場合は、ロータに供給する多相交流の周波数を上げるフィードバック制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記ロータの回転軸を支承する軸受を保持するブラケット側に固設された一次側トランスと、
前記一次側トランスとギャップを介してロータの回転軸側に固設された二次側トランスと、
を設け、一次側トランスから二次側トランスへ非接触で回転磁界生成用の多相交流を供給するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電装置。