JP2008182813A - 永久磁石式発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石式発電機に関し、発電時の電圧を安定させて確実に発電を実施することができるようにして発電電力不足やバッテリ上がりを防止し磁束制御籠の駆動用モータの高寿命化を実現する。
【解決手段】永久磁石部材を備えたロータと、複数の櫛部及び櫛部間のスロット部に配設され、主巻線及び主巻線とは逆向きに巻き上げられ有効巻き数が可変の弱め界磁用副巻線を備えたステータと、永久磁石部材からステータの櫛部へ流れる磁束を制御する磁束制御籠と、磁束制御籠を回転移動させるアクチュエータと、アクチュエータの作動を制御して磁束を制御するコントローラと、を有し、コントローラは、ロータの回転速度が所定速度を超えた場合には、主巻線に通電してロータの回転速度が高いほど櫛部へ流れる磁束が減少するように磁束制御籠の位置を制御すると共に弱め界磁用副巻線の有効巻き数を増大させて発電電圧を基準電圧の領域に一定に保持するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、永久磁石板式ロータ，該ロータの外周に配置されたステータ及び前記ロータから前記ステータへの磁束密度を制御する磁束制御装置から成る磁束制御装置を有し、車両用のスタータジェネレータとして用いて好適の永久磁石式発電機に関するものである。

近年、自動車において、例えば、電動パワーステアリングやナビゲーションシステムやオーディオ類やＩＴ機器等の電力を使用して作動する各装置が搭載されるようになってきており、これらの機器類の普及に伴い自動車の電力消費も増大している。このため、従来型の自動車用発電機ではこの増大する電力消費に応じた電力を発電することは困難になってきており、より大きな発電電力を発生しうる自動車用発電機の開発が要望されている。

永久磁石をロータに用いた永久磁石式発電機があり、この永久磁石式発電機はロータに永久磁石を用いるので、構造が簡単で大きな発電電力を得ることができる。このため、これを自動車用発電機に適用して発電電力の不足を解消することが考えられる。しかし、永久磁石式発電機は、その磁力が変化しないので、エンジン等の駆動源の回転が変動すると、発電機のロータの回転数が変化し、発電機の発電電圧が変化してしまうため、その発電電力をそのまま機器に用いることは不可能である。

自動車用発電機では、その電圧が１２Ｖ又は２４Ｖに定められているが、自動車用エンジンでは、回転数が数百回転（ｒｐｍ）から数千回転（ｒｐｍ）まで大幅に変化するため、数百回転（ｒｐｍ）で１２Ｖにセットされた発電電圧では、数千回転（ｒｐｍ）では１２０Ｖにまで変化してしまい、１２Ｖ対応の電気機器には使用できない。
永久磁石式発電機を自動車用発電機に適用するためには、エンジン回転数が常に変動するにもかかわらず、発電電圧は略一定となるようにする必要がある。

そこで、特許文献１には、発電効率が高く且つ小型で装置コストを抑えることができるようにした、永久磁石式発電機が提案されている。
この永久磁石式発電機は、ロータに永久磁石部材を配設し、その永久磁石のＮ極，Ｓ極をカバーするステータの櫛部にそれぞれ巻線を巻回し、Ｎ極とＳ極に対応する巻線の巻回方向を互いに逆に巻回し、ステータと回転変動するロータとの間にステータに対して回転移動する磁束制御籠を配置すると共に、ステータにＵ，Ｖ及びＷ相から成る複数のコイルを巻き上げ、これらのコイルを並列結線した２種のコイル群を常用コイルと低速コイルに構成し、常用コイルと低速コイルとをスイッチを介して直列に結線し、エンジンのアイドリング等の低速時、中速時及び高速時に応答してスイッチのＯＮ・ＯＦＦを制御して予め決められた所定の発電電圧を得るように制御し、また、磁束制御籠をステータに対して回転移動させて磁束制御籠とステータとの間の空隙量を制御し、予め決められた一定の発電電圧を得るように制御するものである。
特開２００５−１８４９４８号公報

ところで、上述の特許文献１の技術にかかる永久磁石式発電機において、一定の発電電圧を得る手法として、図７に示すような制御が考えられている。
つまり、永久磁石式発電機には、ステータの櫛部に巻回した巻数がＮ１の巻線（以下、Ｎ１ターンという）と、このＮ１ターンとは逆向きに巻き上げられた弱め界磁用の巻線と、ステータの櫛部に巻回した巻数がＮ１よりも少ないＮ２の巻線（以下、Ｎ２ターンという）と、このＮ２ターンとは逆向きに巻き上げられた弱め界磁用の巻線と、ステータに対して回転移動可能でこの移動により櫛部へ流れる磁束を制御しうる磁束制御籠を設ける。

そして、ロータの回転数が所定回転数ｒ１に達するまでの低速回転域では、磁束制御籠を櫛部へ流れる磁束が最大となる位置にすると共にＮ１ターンの弱め界磁用の巻線には通電しない状態とし、Ｎ１ターンの界磁により発電を行なう。このときには、ロータの回転数に比例した発電電圧が発生する。発電電圧が規定電圧に達したら、ロータの回転数の増加に応じて磁束制御籠を移動させながら櫛部へ流れる磁束を減少させていくことにより、ロータの回転数が変化しても発電電圧は規定電圧を保持するようにする。

そして、磁束制御籠の移動による櫛部へ流れる磁束の減少が限界に達したら（ロータ回転数ｒ２）、弱め界磁用の巻線に通電し、弱め界磁を作用させてＮ１ターンの界磁を弱め、磁束制御籠を櫛部へ流れる磁束が最小となる位置に保持する。これにより、Ｎ１ターンの界磁は弱め界磁により弱められるため、発電電圧はロータ回転数の増加によって上昇するもののその上昇は僅かなものに抑えられる。

さらにロータ回転数が増加して、発電電圧が規定電圧近傍の許容領域の上限に達したら（ロータ回転数ｒ３）、使用する巻線をＮ１ターンからＮ１よりも少ない巻数Ｎ２のＮ２ターンに切り替えるとともに、磁束制御籠を、櫛部へ流れる磁束が最小となる位置から最大となる位置へと即座に移動させる。
その後は、ロータの回転数の増加に応じて磁束制御籠を移動させながら櫛部へ流れる磁束を減少させていくことにより、ロータの回転数が変化しても発電電圧は規定電圧を保持するようにする。そして、磁束制御籠の移動による櫛部へ流れる磁束の減少が限界に達したら（ロータ回転数ｒ４）、弱め界磁用の巻線に通電し、弱め界磁を作用させてＮ２ターンの界磁を弱め、磁束制御籠を櫛部へ流れる磁束が最小となる位置に保持する。これにより、Ｎ２ターンの界磁は弱め界磁により弱められるため、発電電圧はロータ回転数の増加によって上昇するもののその上昇は僅かなものに抑えられる。

しかしながら、使用する巻線をＮ１ターンとＮ２ターンとの間で切り替える際に、磁束制御籠を、櫛部へ流れる磁束が最小となる位置から最大となる位置へ切り替えたり、或いは、櫛部へ流れる磁束が最大となる位置から最小となる位置へ切り替えたりするため、自動車用発電機のように、ロータを走行用エンジンで回転駆動する場合、ロータ回転数がこの切り替え点（ロータ回転数ｒ３）の付近で頻繁に変動することもあり、Ｎ１ターンとＮ２ターンとの切り替えと、磁束制御籠の磁束最小位置と磁束最大位置との間での移動と、が頻繁に行なわれることになる。

このような磁束制御籠の移動には、どうしても時間を要するため、Ｎ２ターンからＮ１ターンへ切り替えられても、磁束制御籠の移動が遅れて櫛部へ流れる磁束が最大のままとなる状況が発生し、発電電圧が規定電圧近傍の許容領域の上限を超えてしまうことがある。この場合、電気機器類に過剰な電圧が送電されないようにフェイルセーフ機構が働き、発電がカットされることになり、電力不足を招き、自動車用発電機のように発電電力をバッテリに充電するものにおいては、充電が行なわれないことになるため、いわゆるバッテリ上がりを招くことになる。
また、磁束制御籠の大きな移動を頻繁に行なうことは、磁束制御籠の駆動用モータの寿命低下を招くことにもなる。

本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、発電時の電圧を安定させて確実に発電を実施することができるようにして発電電力不足やバッテリ上がりを防止することや磁束制御籠の駆動用モータの高寿命化を実現することができるようにした、永久磁石式発電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の永久磁石式発電機（請求項１）は、ハウジングに回転可能に支持された永久磁石部材を備えたロータと、前記ロータの外周側で前記ハウジングに固定されるとともに、周方向に離隔して形成された複数の櫛部及び該櫛部間のスロット部に配設された巻線を備えたステータと、前記ステータと前記ロータとの間に配置され前記ステータに対して相対移動して前記永久磁石部材から前記ステータの前記櫛部へ流れる磁束を制御する磁束制御籠と、前記磁束制御籠を前記ステータに対して回転移動させるアクチュエータと、前記アクチュエータの作動を制御して前記磁束制御籠を前記ステータに対して移動させることにより前記磁束を制御するコントローラと、を有し、前記スロット部に配設された前記巻線は、第１の巻き数だけ巻き上げられた第１の主巻線と、該第１の主巻線の界磁を弱めるように該第１の主巻線とは逆向きに巻き上げられ有効巻き数が可変の第１の弱め界磁用副巻線と、を有し、前記コントローラは、前記ロータの回転速度が低速領域にある場合には、前記第１の主巻線に通電して前記磁束制御籠を前記櫛部へ流れる磁束が最大となる位置にすると共に前記第１の弱め界磁用副巻線を有効巻き数０の状態とし、前記ロータの回転速度が前記低速領域よりも高速の第１の速度領域にある場合には、前記第１の主巻線に通電して前記ロータの回転速度に応じて該回転速度が高いほど前記櫛部へ流れる磁束が減少するように前記磁束制御籠の位置を制御すると共に前記第１の弱め界磁用副巻線を有効巻き数０の状態とし、前記ロータの回転速度が前記第１の速度領域よりも高速の第２の速度領域にある場合には、前記第１の主巻線に通電して前記ロータの回転速度に応じて該回転速度が高いほど前記櫛部へ流れる磁束が増大するように前記磁束制御籠の位置を制御すると共に前記第１の弱め界磁用副巻線の有効巻き数を増大させて発電電圧を基準電圧の領域に一定に保持させることを特徴としている。

前記第２の速度領域の最大速度である第１の基準速度は、前記第１の主巻線に通電して前記磁束制御籠を前記櫛部へ流れる磁束が最大となる位置にすると共に前記第１の弱め界磁用副巻線を有効巻き数が最大の状態とした時の発電電圧が、前記基準電圧となる速度に設定されていることが好ましい（請求項２）。
前記スロット部に配設された前記巻線は、前記第１の巻き数よりも少ない第２の巻き数だけ巻き上げられた第２の主巻線と、該第２の主巻線の界磁を弱めるように該第２の主巻線とは逆向きに巻き上げられ有効巻き数が可変の第２の弱め界磁用副巻線と、を更に有し、前記コントローラは、前記ロータの回転速度が前記第２の速度領域よりも高速の第３の速度領域に達した場合には、前記第１の主巻線の通電を解除し前記第２の主巻線に通電して前記ロータの回転速度に応じて該回転速度が高いほど前記櫛部へ流れる磁束が減少するように前記磁束制御籠の位置を制御すると共に前記第２の弱め界磁用副巻線を有効巻き数０の状態とし、記ロータの回転速度が前記第３の速度領域よりも高速の第４の速度領域にある場合には、前記第２の主巻線に通電して前記ロータの回転速度に応じて該回転速度が高いほど前記櫛部へ流れる磁束が増大するように前記磁束制御籠の位置を制御すると共に前記第２の弱め界磁用副巻線の有効巻き数を増大させて発電電圧を前記基準電圧の領域に一定に保持させることが好ましい（請求項３）。

前記第４の速度領域の最大速度である第２の基準速度は、前記第２の主巻線に通電して前記磁束制御籠を前記櫛部へ流れる磁束が最大となる位置にすると共に前記第２の弱め界磁用副巻線を有効巻き数が最大の状態とした時の発電電圧が、前記基準電圧となる速度に設定されていることが好ましい（請求項４）。
前記発電電圧を監視する電圧監視手段をそなえ、前記コントローラは、前記電圧監視手段により監視される前記発電電圧が前記基準電圧の領域に一定に保持されるように、前記第１の弱め界磁用副巻線又は前記第２の弱め界磁用副巻線の有効巻き数をフィードバック制御することが好ましい（請求項５）。

前記ロータが自動車のエンジンにより回転駆動され、自動車用発電機として装備されていることが好ましい（請求項６）。

本発明の永久磁石式発電機（請求項１）によれば、ロータの回転速度が低速領域にある場合には、第１の主巻線に通電して磁束制御籠を櫛部へ流れる磁束が最大となる位置にすると共に第１の弱め界磁用副巻線を有効巻き数０の状態とし、ロータの回転速度が低速領域よりも高速の第１の速度領域にある場合には、第１の主巻線に通電してロータの回転速度に応じて回転速度が高いほど櫛部へ流れる磁束が減少するように磁束制御籠の位置を制御すると共に前記第１の弱め界磁用副巻線を有効巻き数０の状態とし、ロータの回転速度が第１の速度領域よりも高速の第２の速度領域にある場合には、第１の主巻線に通電してロータの回転速度に応じて回転速度が高いほど櫛部へ流れる磁束が増大するように磁束制御籠の位置を制御すると共に第１の弱め界磁用副巻線の有効巻き数を増大させて発電電圧を基準電圧の領域に一定に保持させるので、発電電圧を安定させて確実に発電を行なうことができる。したがって、発電電力不足やバッテリ上がりを防止することができ、また、磁束制御籠の急激な移動を行なわないので、磁束制御籠の駆動用モータの寿命低下を防止することができる。

本発明の永久磁石式発電機（請求項２）によれば、第１の弱め界磁用副巻線を最大限利用してロータ回転速度の広い範囲で基準電圧による発電を実施することができる。
本発明の永久磁石式発電機（請求項３）によれば、第１の主巻線及び第１の弱め界磁用副巻線に加えて第２の主巻線及び第２の弱め界磁用副巻線を用いながら、ロータ回転速度の広い範囲で発電電圧を基準電圧の領域に一定に保持させることができる。

本発明の永久磁石式発電機（請求項４）によれば、第２の弱め界磁用副巻線を最大限利用してロータ回転速度の広い範囲で基準電圧による発電を実施することができる。
本発明の永久磁石式発電機（請求項５）によれば、様々な運転状況下であっても、発電電圧をより確実に基準電圧の領域に一定に保持させることができる。
本発明の永久磁石式発電機（請求項６）によれば、ロータが自動車のエンジンにより回転駆動され、ロータの回転変動が頻繁に生じるため、発電電圧が安定し難く、確実に発電することが困難であるが、このような環境下でも発電電圧を安定させて確実に発電を行なうことができる。したがって、発電電力不足やバッテリ上がりを防止することができる。

以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図６は本発明の一実施形態に係る永久磁石式発電機を示すもので、これらの図に基づいて説明する。
本実施形態に係る永久磁石式発電機は、図２に示すように、自動車用エンジン１に、エンジン１の始動用モータとエンジン１により駆動される発電機とに兼用されるモータジェネレータ３として付設されたものである。この永久磁石式発電機３は、エンジン１と、このエンジン１に接続されたトランスミッション２との間に配置され、エンジン１の出力回転によって駆動される。

この永久磁石式発電機３は、図３（ａ）,（ｂ），図４（ａ）,（ｂ）に示すように、エンジン１のシリンダブロック及びトランスミッション（ここでは、自動変速機）２のケースと一体に結合されたハウジング３１と、このハウジング３１に図示しない軸受を介して回転可能に支持された回転子のロータ３３と、ロータ３３の外周側に離隔するように配置されハウジング３１に固定された回転子のステータ３５とをそなえ、ステータ３５とロータ３３との間には、ステータ３５に対して相対移動して永久磁石部材３２からステータ３５の櫛部３５ｂへ流れる磁束を制御する磁束制御籠３６が配設されている。

ロータ３３は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）１１に接続され出力軸１１と一体に回転するようになっており、ロータ３３の外周面には、永久磁石部材３２が周設されている。
ステータ３５には、ステータコア３５ａとこのステータコア３５ａに巻き上げられた巻線（コイル）３４とから構成されている。ステータコア３５ａは、周方向に離隔するように配置され形成された複数の櫛部３５ｂと、これらの櫛部３５ｂ間に形成されたスロット部３５ｃと、隣接する櫛部３５ｂを連結するため周方向に延びるブリッジ部３５ｄとをそなえ、巻線３４はスロット部３５ｂに配置されている。

磁束制御籠３６は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ステータ３５とロータ３３との間の隙間３３ａに配置され、図示しない軸受を介してハウジング３１に回転自在に支持され、ステータ３５に対して相対回転して磁束を制御する。この磁束制御籠３６は、周方向に離隔するように配置されステータ３５の櫛部３５ｂと相対するように突起した複数の歯部３６ａをそなえている。

そして、図４（ａ）に示すように、複数の歯部３６ａが、ステータ３５の櫛部３５ｂと同位相になると、ステータ３５回りに生じる磁束を最大とし、図４（ｂ）に示すように、複数の歯部３６ａの位相が、ステータ３５の櫛部３５ｂの位相とずれると、そのズレ量に応じてステータ３５回りに生じる磁束は減少する。
この磁束制御籠３６をハウジング３１に対して回転させるために、磁束制御籠３６には、図３に示すように、をアクチュエータとしてのＤＣモータ（磁束制御用ＤＣモータ）３７がウォームギア３８を介して接続され、図５に示すように、このＤＣモータ３７をコントローラ（スタータジェネレータ制御ユニット）４０により制御するようになっている。

また、ステータコア３５ａに巻き上げられた巻線３４は、図５，図６に示すように、第１の巻き数Ｎ１だけ巻き上げられた第１の主巻線（第１メインコイル、Ｎ１ターンともいう）３４ａと、この第１コイル３４ａの界磁を弱めるように第１メインコイル３４ａとは逆向きに巻き上げられ有効巻き数が可変の弱め界磁用副巻線（サブコイル）３４ｂと、第１の巻き数Ｎ１よりも少ない第２の巻き数Ｎ２だけ第１メインコイルと同方向に巻き上げられた第２の主巻線（第２メインコイル、Ｎ２ターンともいう）３４ｃとが並列に備えられ、整流器４２を介してバッテリ４１と接続されている。また、この電気回路には、各コイルを選択して使用するためのスイッチ４３ａ〜４３ｃが設けられている。

さらに、第１メインコイル３４ａは、コイル３４ａ１とコイル３４ａ２とが直列に組み合わされてなり、スイッチ４３ａを閉成し、スイッチ４３ｂ，４３ｃを開成すれば、コイル３４ａ１とコイル３４ａ２とからなる第１メインコイル３４ａが通電し、巻き数Ｎ１に応じた大きな磁界が発生し、スイッチ４３ｃを閉成し、スイッチ３４ａ，４３ｂを開成すれば、第２メインコイル３４ｃが通電し、同一回転条件では巻き数Ｎ２に応じて第１メインコイル３４ａよりも弱い磁界が発生する。

また、第１メインコイル３４ａの一部であるコイル３４ａ２は、第２の巻き数Ｎ２よりも少ない第３の巻き数Ｎ３だけ巻き上げられた第３の主巻線（第３メインコイル、Ｎ３ターンともいう）として機能し、スイッチ４３ｂを閉成し、スイッチ４３ａ，４３ｃを開成すれば、コイル３４ａ２のみからなる第３メインコイルが通電し、巻き数Ｎ３に応じて第２メインコイル３４ｃよりも弱い磁界が発生する。

また、サブコイル３４ｂは、ボリューム調整可能に構成され、ボリュームを最小にすれば、サブコイル３４ｂは実質的に非通電となり、サブコイル３４ｂにはボリューム調整に応じた巻き数分だけ通電し、通電した巻き数分に応じて、第１メインコイル３４ａ，第２メインコイル３４ｃ，第３メインコイル３４ａ２の界磁を弱める。
つまり、サブコイル３４ｂは、第１メインコイル３４ａの通電時には、第１メインコイル３４ａの界磁を弱める第１の弱め界磁用副巻線（第１サブコイル）として機能し、第２メインコイル３４ｃの通電時には、第２メインコイル３４ｃの界磁を弱める第２の弱め界磁用副巻線（第２サブコイル）として機能し、第３メインコイル３４ａ２の通電時には、第３メインコイル３４ａ２の界磁を弱める第３の弱め界磁用副巻線（第３サブコイル）として機能する。

スタータジェネレータ制御ユニット４０は、永久磁石式発電機による発電時には、ロータの回転速度（即ち、エンジン回転数に応じたロータ回転数）ｒと、発電電圧Ｖとに応じ
て、磁束制御籠３６の回転位相の制御と共に、各スイッチ４３ａ〜４３ｃの開閉制御、及び、サブコイル３４ｂのボリューム調整を行うようになっている。

つまり、スタータジェネレータ制御ユニット４０は、図１に示すように、ロータ回転数ｒが十分に低い低速領域にある状況下では、磁束制御籠３６の回転位相を櫛部３５ｂへ流れる磁束が最大となる位置に保持し、スイッチ４３ａのみを閉成しスイッチ４３ｂ，４３ｃは開成して第１メインコイル３４ａを通電状態にするとともに、サブコイル３４ｂのボリュームを最小にして弱め界磁を働かせない状態（有効巻き数０の状態）とする。

このように、図１に示すように、磁束制御籠３６を磁束最大位置に保持し、第１メインコイル３４ａを通電状態にして弱め界磁を働かせない状態が、ロータ回転数ｒに対する発電電圧を最も高めることができるので、ロータ回転数ｒが比較的小さくても、発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０に達することになる。ここでは、ロータ回転数ｒが所定速度ｒ０１となったところで発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０に達する。発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０に達したら、その後（第１の速度領域）は、ロータ回転数ｒの増大に応じて発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０よりも高くなるので、スタータジェネレータ制御ユニット４０では、発電電圧Ｖをモニターしながら、発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０を保持するように磁束制御籠３６を移動させる。

しかし、磁束制御籠３６の移動により磁束を小さくすることができるが、この磁束制御籠３６による発電電圧の抑制にも限界がある。そこで、磁束制御籠３６により磁束を最小にしたら（ここでは、ロータ回転数ｒがｒ０２となったところで磁束制御籠３６が磁束を最小にする位置にくる）、その後（第２の速度領域）は、サブコイル３４ｂのボリュームを調整して弱め界磁を働かせることにより、第１メインコイル３４ａによる磁束を弱める。このとき、スタータジェネレータ制御ユニット４０は、発電電圧Ｖをモニターしながら、発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０を保持するように、サブコイル３４ｂのボリューム調整を行う。

ただし、本制御で特徴的なのは、サブコイル３４ｂのボリューム調整に応じて、磁束制御籠３６の移動を行うようにしている。つまり、ロータ回転数ｒの増大に応じてサブコイル３４ｂのボリュームを増大させ弱め界磁を強めながら、磁束制御籠３６を磁束最小位置から磁束最大位置へと移動させる。磁束制御籠３６を磁束最小位置から磁束最大位置へと移動させると、磁束の増加により、発電電圧Ｖが上昇するが、本制御では、これ以上に、サブコイル３４ｂのボリュームを増大させて弱め界磁を強め、発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０を保持するようにする。

なお、弱め界磁を最大まで働かせたところで磁束制御籠３６が磁束最大位置へと戻るように設定されている。
さらに、ロータ回転数ｒが増大すると［ここでは、ロータ回転数ｒが所定速度（第１の基準速度）ｒ０３に達すると］、その後（第３の速度速領域）は、第１メインコイル３４ａを用いて弱め界磁を最大まで働かせても、発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０を上回るようになってしまうので、使用するメインコイルを第１メインコイル３４ａから第２メインコイル３４ｂに切り替える。つまり、スイッチ４３ｃのみを閉成しスイッチ４３ａ，４３ｂは開成して第１メインコイル３４ａを通電状態にするとともに、サブコイル３４ｂのボリュームを最小にして弱め界磁を働かせない状態とする。そして、この領域では、スタータジェネレータ制御ユニット４０は、発電電圧Ｖをモニターしながら、発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０を保持するように、磁束制御籠３６を位置調整する。

そして、磁束制御籠３６の移動により磁束を最小にしたら（ここでは、ロータ回転数ｒがｒ０４となったところで磁束制御籠３６が磁束を最小にする位置にくる）、その後（第４の速度領域）は、サブコイル３４ｂのボリュームを調整して弱め界磁を働かせることにより、第２メインコイル３４ｃによる磁束を弱める。このときも、スタータジェネレータ制御ユニット４０は、発電電圧Ｖをモニターしながら、発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０を保持するように、サブコイル３４ｂのボリューム調整を行う。

また、上記と同様に、サブコイル３４ｂのボリューム調整に応じて、磁束制御籠３６の移動を行うようにしている。つまり、ロータ回転数ｒの増大に応じてサブコイル３４ｂのボリュームを増大させ弱め界磁を強めながら、磁束制御籠３６を磁束最小位置から磁束最大位置へと移動させる。磁束制御籠３６を磁束最小位置から磁束最大位置へと移動させると、磁束の増加により、発電電圧Ｖが上昇するが、本制御では、これ以上に、サブコイル３４ｂのボリュームを増大させて弱め界磁を強め、発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０を保持するようにする。

なお、第２メインコイル３４ｃを用いた場合も、弱め界磁を最大まで働かせたところで磁束制御籠３６が磁束最大位置へと戻るように設定されている。
さらに、図１中には示さないが、ロータ回転数ｒがさらに増大すると［ここでは、ロータ回転数ｒが所定速度（第２の基準速度）ｒ０５に達すると］、第１メインコイル３４ａを用いて弱め界磁を最大まで働かせても、発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０を上回るようになってしまうので、使用するメインコイルを第２メインコイル３４ｃから第３メインコイル３４ａ２に切り替えて、上記と同様に、磁束制御籠３６の移動制御、及び、サブコイル３４ｂのボリューム調整とを行う。

なお、ロータ回転数ｒの増大に応じてサブコイル３４ｂのボリュームを増大させ弱め界磁を強めながら、磁束制御籠３６を磁束最小位置から磁束最大位置へと移動させ、弱め界磁を最大まで働かせたところで磁束制御籠３６が磁束最大位置へと戻るようにしているのは、あくまでも、メインコイルの切り替え時に制御を円滑に行うためのものである。ここでは、第３メインコイル３４ａ２はロータ回転数ｒの最大領域に使用するもので、第３メインコイル３４ａ２の使用時には、ロータ回転数ｒが増大してもメインコイルの切り替えは行わないので、第３メインコイル３４ａ２の使用時のサブコイル３４ｂのボリューム調整時には、磁束制御籠３６は自足を最小にする状態に保持する。

本発明の一実施形態にかかる永久磁石式発電機は上述のように構成されているので、ロータの回転速度が低い場合、磁束制御籠３６を磁束最大位置に保持し、第１メインコイル３４ａを通電状態にして弱め界磁を働かせない状態として、ロータ回転数ｒに対する発電電圧を最も高めることができる。
そして、発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０に達したら、その後は、発電電圧Ｖをモニターしながら、発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０を保持するように磁束制御籠３６を移動させる。

さらに、磁束制御籠３６による発電電圧の抑制が限界に達したら、発電電圧Ｖをモニターしながら、発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０を保持するように、サブコイル３４ｂのボリューム調整を行う。ただし、本制御では、サブコイル３４ｂのボリューム調整に応じて、磁束制御籠３６の移動を行う。
したがって、第１メインコイル３４ａで広範囲で発電電圧を基準電圧に保持した発電を行え、発電電圧を安定させて確実に発電を行なうことができる。したがって、発電電力不足やバッテリ上がりを防止することができる。

さらに、ロータ回転数ｒが増大すると、第１メインコイル３４ａを用いて弱め界磁を最大まで働かせても、発電電圧Ｖが規定電圧Ｖ０を上回るようになってしまうので、使用するメインコイルを第１メインコイル３４ａから第２メインコイル３４ｂに切り替える。
この切り替え時には、磁束制御籠３６は磁束最大位置になっており、切り替えにかかる磁束制御籠３６の急激な移動は行わないので、磁束制御籠３６の駆動用モータ３７の寿命低下を防止することができる。

また、本実施形態では、第１メインコイル３４ａ，第２メインコイル３４ｃ，第３メインコイル３４ａ２と、磁束制御籠３６と、サブコイル３４ｂとを用いて、広範囲のロータ回転数（エンジン回転数）で発電電圧を基準電圧に保持した発電を行える。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態を適宜変更して実施しうるものである。
つまり、本発明の趣旨は、メインコイルに通電してロータの回転速度に応じて回転速度が高いほど櫛部へ流れる磁束が減少するように磁束制御籠の位置を制御すると共に、弱め界磁用サブコイルの有効巻き数を増大させて発電電圧を基準電圧の領域に一定に保持させるもので、この点のみを利用しても良い。
もちろん、自動車用のモータジェネレータ以外に適用してもよい。

本発明の一実施形態にかかる永久磁石式発電機のロータ回転数に対する界磁制御を示すグラフである。 本発明の一実施形態にかかる永久磁石式発電機を装備した車両用エンジンを示す側面図である。 本発明の一実施形態にかかる永久磁石式発電機の構成を示す図であり、（ａ）はその横断面図（ロータ回転軸と直交する断面図）、（ｂ）はその縦断面図（ロータ回転軸に沿った断面図）である。 本発明の一実施形態にかかる永久磁石式発電機の磁束制御籠の動作を示す拡大横断面図であり、（ａ）は磁束制御籠が磁束を最大とする位置にある状態を示し、（ｂ）は磁束制御籠が磁束を減少させる位置にある状態を示す。 本発明の一実施形態にかかる永久磁石式発電機の制御ブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる永久磁石式発電機の制御ブロック図（図５のＡ部詳細図）である。 本発明の課題に関連する、永久磁石式発電機のロータ回転数に対する界磁制御例を示すグラフである。

符号の説明

１ 自動車用エンジン
３ モータジェネレータ
２ トランスミッション
１１ エンジン１の出力軸（クランクシャフト）
３１ ハウジング
３２ 永久磁石部材
３３ ロータ
３３ａ 隙間
３４ 巻線（コイル）
３４ａ 第１の主巻線（第１メインコイル、Ｎ１ターン）
３４ａ１ 第１メインコイル３４ａの一部（コイル）
３４ａ２ 第１メインコイル３４ａの一部［第３の主巻線（第３メインコイル、Ｎ３ターン）］
３４ｂ 弱め界磁用副巻線（サブコイル）
３４ｃ 第２の主巻線（第２メインコイル、Ｎ２ターン）
３５ ステータ
３５ａ ステータコア
３５ｂ 櫛部
３５ｃ スロット部
３５ｄ ブリッジ部
３６ 磁束制御籠
３６ａ 歯部
３７ アクチュエータとしてのＤＣモータ（磁束制御用ＤＣモータ）
３８ ウォームギア
４０ コントローラ（スタータジェネレータ制御ユニット）
４１ バッテリ
４２ 整流器
４３ａ〜４３ｃ スイッチ

Claims (6)

1. ハウジングに回転可能に支持された永久磁石部材を備えたロータと、
   前記ロータの外周側で前記ハウジングに固定されるとともに、周方向に離隔して形成された複数の櫛部及び該櫛部間のスロット部に配設された巻線を備えたステータと、
   前記ステータと前記ロータとの間に配置され前記ステータに対して相対移動して前記永久磁石部材から前記ステータの前記櫛部へ流れる磁束を制御する磁束制御籠と、
   前記磁束制御籠を前記ステータに対して回転移動させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータの作動を制御して前記磁束制御籠を前記ステータに対して移動させることにより前記磁束を制御するコントローラと、を有し、
   前記スロット部に配設された前記巻線は、第１の巻き数だけ巻き上げられた第１の主巻線と、該第１の主巻線の界磁を弱めるように該第１の主巻線とは逆向きに巻き上げられ有効巻き数が可変の第１の弱め界磁用副巻線と、を有し、
   前記コントローラは、前記ロータの回転速度が低速領域にある場合には、前記第１の主巻線に通電して前記磁束制御籠を前記櫛部へ流れる磁束が最大となる位置にすると共に前記第１の弱め界磁用副巻線を有効巻き数０の状態とし、
   前記ロータの回転速度が前記低速領域よりも高速の第１の速度領域にある場合には、前記第１の主巻線に通電して前記ロータの回転速度に応じて該回転速度が高いほど前記櫛部へ流れる磁束が減少するように前記磁束制御籠の位置を制御すると共に前記第１の弱め界磁用副巻線を有効巻き数０の状態とし、
   前記ロータの回転速度が前記第１の速度領域よりも高速の第２の速度領域にある場合には、前記第１の主巻線に通電して前記ロータの回転速度に応じて該回転速度が高いほど前記櫛部へ流れる磁束が増大するように前記磁束制御籠の位置を制御すると共に前記第１の弱め界磁用副巻線の有効巻き数を増大させて発電電圧を基準電圧の領域に一定に保持させる
   ことを特徴とする、永久磁石式発電機。
2. 前記第２の速度領域の最大速度である第１の基準速度は、前記第１の主巻線に通電して前記磁束制御籠を前記櫛部へ流れる磁束が最大となる位置にすると共に前記第１の弱め界磁用副巻線を有効巻き数が最大の状態とした時の発電電圧が、前記基準電圧となる速度に設定されている
   ことを特徴とする、請求項１記載の永久磁石式発電機。
3. 前記スロット部に配設された前記巻線は、前記第１の巻き数よりも少ない第２の巻き数だけ巻き上げられた第２の主巻線と、該第２の主巻線の界磁を弱めるように該第２の主巻線とは逆向きに巻き上げられ有効巻き数が可変の第２の弱め界磁用副巻線と、を更に有し、
   前記コントローラは、前記ロータの回転速度が前記第２の速度領域よりも高速の第３の速度領域に達した場合には、前記第１の主巻線の通電を解除し前記第２の主巻線に通電して前記ロータの回転速度に応じて該回転速度が高いほど前記櫛部へ流れる磁束が減少するように前記磁束制御籠の位置を制御すると共に前記第２の弱め界磁用副巻線を有効巻き数０の状態とし、
   前記ロータの回転速度が前記第３の速度領域よりも高速の第４の速度領域にある場合には、前記第２の主巻線に通電して前記ロータの回転速度に応じて該回転速度が高いほど前記櫛部へ流れる磁束が増大するように前記磁束制御籠の位置を制御すると共に前記第２の弱め界磁用副巻線の有効巻き数を増大させて発電電圧を前記基準電圧の領域に一定に保持させる
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の永久磁石式発電機。
4. 前記第４の速度領域の最大速度である第２の基準速度は、前記第２の主巻線に通電して前記磁束制御籠を前記櫛部へ流れる磁束が最大となる位置にすると共に前記第２の弱め界磁用副巻線を有効巻き数が最大の状態とした時の発電電圧が、前記基準電圧となる速度に設定されている
   ことを特徴とする、請求項３記載の永久磁石式発電機。
5. 前記発電電圧を監視する電圧監視手段をそなえ、
   前記コントローラは、前記電圧監視手段により監視される前記発電電圧が前記基準電圧の領域に一定に保持されるように、前記第１の弱め界磁用副巻線又は前記第２の弱め界磁用副巻線の有効巻き数をフィードバック制御する
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機。
6. 前記ロータが自動車のエンジンにより回転駆動され、自動車用発電機として装備されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機。

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