JP2009303471A - 永久磁石式発電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この永久磁石式発電機の制御装置は、複数の巻線を直列に巻き上げたステータと永久磁石を保持したロータを設け、各巻線に出力端子を出し、巻線の垂下特性を用いて巻線出力を所定値の電圧に制御する。
【解決手段】この永久磁石式発電機の制御装置は、ステータ２の出力コイル１０と制御コイル１１との間に制御スイッチ１２と出力スイッチ１３を設け、制御コイル１１の先端にソレノイドコイル１４を接続する。コントローラ１８は、出力コイル１０の発電電圧を検出するセンサ２８の検出信号に応答して制御スイッチ１２と出力スイッチ１３をＯＮ−ＯＦＦ制御して発電電圧を所定の電圧に制御する。
【選択図】図３

Description

この発明は、ハウジングに取り付けられたステータ、ステータに対して回転する永久磁石部材を備えたロータを備えた永久磁石式発電機の制御装置に関する。

従来、発電機について、省エネルギー化が要求される中で発電機の効率向上は大きな課題である。発電機の構造は、従来、回転子を電磁石とし、電流を用いて発電させる方式が主であった。しかし、発電機において、永久磁石を用いると、電磁石に流す電流が不要なので効率が向上することが判っていた。ところが、永久磁石を用いた発電機では、永久磁石の磁力が変化しなく、発電機の回転が変化すると電圧が大幅に変化するので、このような発電電力を用いて各種電気装置を駆動する自動車などの発電機には使えないでいた。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、近年、それを組み込んだシステムが自動車用発電機、風力発電機等として利用されることが多くなってきた。永久磁石式発電機は、例えば、発電した電力を電動機に送る場合に、電圧が変動してもその機能が十分に発揮できるが、この電力を各種の電気機器を駆動しているバッテリの電圧に合わせる場合に、電圧変動を一定の電圧に揃える操作をしなければならない。永久磁石を用いた発電機の研究について多くの研究者たちが研究を行い、永久磁石発電機の発電電力を一旦スイッチングレギュレターを用いて一定電圧にする方式が開発されたが制御装置の巨大さ、高価格、効率の悪さ等の問題があった。即ち、永久磁石式発電機は、風力等で発電した電圧を一定にするためには、スイッチングレギュレタ等を用いて電力を切り刻む操作をしなければならないが、大電流をオン・オフするためには大型のパワートランジスタを要し、装置が大型になり、冷却ロスが大きくなり、高価になったり、また、発電電圧を一定にするために、電流を切り刻む時に、発生するリプルは電波障害の引き金になり、そのノイズ対策が極めて大変である。

また、その後、永久磁石の磁力を回転数が上がってきたときに弱める方式が盛んに研究され、いろいろと発表された。例えば、永久磁石回転電機として、大きな変換機やリアクトルが必要な無効電流調整機や機械的変位機構等を必要とせず、簡素で部品点数が少なく小型で、信頼性に優れた電機子巻線電圧が調整可能なものが知られている。該永久磁石回転電機は、電機子巻線群を有する固定子と、永久磁石による界磁極を有する回転子と、制御電流が供給され、永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群と、制御巻線群に流れる制御電流を制御することによって、電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御回路とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

また、高効率の発電機を実現するものが提案されている。該発電機は、巻線を有する第１の物体と、鉄心と永久磁石を有する第２の物体を設け、インダクタンスは直軸に対して非対称とすることによってリラクタンス力を有効に利用し、高効率を実現したものである（例えば、特許文献２参照）。

また、従来知られている交流発電機として作動可能な電気機械として、回転子と固定子と、この固定子内に導電するように設けた少なくとも一つの巻線と、この第１の巻線とは電気的に絶縁して第１の巻線に誘導結合した二次巻線とを有し、二次巻線を第１の巻線の出力電圧と電流のうち少なくとも一方の制御に用いることができる（例えば、特許文献３参照）。
特開２００４−３２０９７２号公報 特開２００３−２４５０００号公報 特表２００６−５２９０７６号公報

しかし、上記のような種々の方法では発電機に用いられた永久磁石の磁力を回転数の上昇に応じて弱めることは至難の業で中々実用化されないでいる。一方、ハイブリット車ではＤＣ−ＤＣコンバーターが用いられ、発電により整流された電力を必要に応じてその電力を切り刻み、昇圧、降圧により一定電圧を持つ直流に変換し、必要に応じてＡＣに変換するシステムが実用化されたがその装置の大きさがハイブリット車の普及を妨げている。一方、エネルギー問題が益々深刻となり、現在用いられているランデル式発電機の効率５０％は許容できない事態となった。自動車用発電機のこの様な状況の下で構造が簡素で確実な制御性を持つ発電機構の出現が求められている。

一般に磁束制御を電気的に行うためには発電機の巻き線に種類の異なる巻き線を巻き込み、永久磁石の磁力の方向に対抗する電磁力を与えることが提案され、多くの技術者が研究を試みた。しかし、この方法だと永久磁石の磁力に対し、逆向きの磁力を加えるため、永久磁石が発生する発生電圧と相似の電流電圧を作らなければ成らないがその方式は制御系の困難さが益々大きくなる。また、この方法だと別回路で作成した電磁石による磁力が永久磁石の磁力を減磁させ、ついには消滅させることになり、成功しない。また、永久磁石式発電機において、上記状態が発生するのを防止して巻線を切り換えるときにも所望の一定電圧に維持する必要がある。また、一般に、発電機において、磁束制御を電気的に行うためには、発電機の巻線に種類の異なる巻線を巻き込み、磁力の方向に対抗する電磁力を与えることが提案され、多くの技術者が研究を試みた。しかしながら、この方法だと、永久磁石に逆向きの磁力を加えるため永久磁石の磁力を消滅させることになり、発電機そのものを損傷し成功しない。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、磁束制御装置を用いることなく且つ少ない電流で出力電圧を一定の範囲に維持して常に所望の電圧に制御すると共に永久磁石の磁力の減磁を生じさせないことを特徴とする永久磁石式発電機の制御装置を提供することである。

本発明は、ハウジングに回転自在に支持されたロータシャフト、ロータシャフトに固定され且つ外周側に複数の永久磁石部材を取り付けたロータ、及びロータの外側に配置され巻線が巻き上げられたステータから成る永久磁石式発電機の制御装置において、ステータの巻線は、出力巻線と該出力巻線と直列に接続され出力巻線よりも巻き数が大きい制御巻線とから構成されており、少なくとも出力巻線と制御巻線との間に出力端子が設けられ、出力巻線に発生した電流の一部を制御巻線に流すためのスイッチ及び出力巻線による発電電圧を検出するセンサからの検出信号に応答して発電電圧を予め設定された電圧に制御するようにスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御して制御巻線に流れる電流量を制御するコントローラを有することを特徴とするものである。

そして、出力巻線は、複数の巻線が直列に接続されると共に複数の出力端子が設けられたものであることが好ましい。

さらに、出力巻線は、互いに巻き数が異なる複数の巻線であり、複数の出力端子が互いに異なる電圧を出力するものであることが好ましい。

また、制御巻線はロータの磁束と鎖交しない位置に配置されたソレノイドコイルを備えるものであることが好ましい。

また、スイッチは出力巻線と制御巻線との間に配設されているものであることが好ましい。

また、出力巻線と制御巻線とは、三相交流発電機としてスター結線又はデルタ結線され、ソレノイドコイルの端部はスター状に結線され、三相交流のＵ、Ｖ、Ｗ相の出力端子が整流器にそれぞれ接続され、負荷に電力が送られると共に、出力巻線は単一の電圧又は複数の異なる電圧の出力端子が設けられていることが好ましい。

また、出力巻線の複数の出力端子に出力切り換えを行う出力切換スイッチがそれぞれ設けられ、コントローラは、ロータの回転速度が小さい場合には出力巻線の大きな巻き数側の出力端子の出力切換スイッチをＯＮさせ且つ出力巻線の小さい巻き数側の出力端子の出力切換スイッチをＯＦＦさせ、ロータの回転速度が大きい場合には出力巻線の小さい巻き数側の出力端子の出力切換スイッチをＯＮさせ且つ出力巻線の大きい巻き数側の出力端子の出力切換スイッチをＯＦＦさせる制御を行うものであることが好ましい。

また、出力巻線の出力端子の電圧と制御巻線の電圧とは、出力側電圧＝制御側電圧×（出力側巻き数）／（制御側巻き数）の関係を有し、スイッチによって制御巻線に流れる電流量を増減させることができることが好ましい。

また、コントローラは、スイッチをデューティ制御して制御巻線に流れる電流量を加減して発電電圧を予め設定された電圧に制御するものであることが好ましい。

また、コントローラは、センサからの検出信号に応答してスイッチをデューティ制御し、発電電圧が高い場合には制御巻線に流れる電流量を増加させ、発電電圧が低い場合には制御巻線に流れる電流量を減少させて発電電圧を予め設定された電圧に制御するものであることが好ましい。

また、出力巻線の複数の出力端子に出力切り換えを行う出力切換スイッチがそれぞれ設けられ、コントローラは主力電源が接続されている出力端子の出力電圧を基準に制御巻線に流れる電流量を制御し、予め設定された電圧を得ることが好ましい。

また、主力電源が過大な電力を要求された場合に、主力電源が接続されている出力端子に設けられた出力切換スイッチをＯＮにすると共に他の出力切換スイッチをＯＦＦにする制御をコントローラが行うことが好ましい。

また、異なる電圧を出力する複数の出力端子には整流器若しくは蓄電池のどちらかがそれぞれ接続され、コントローラは、主力電源である整流器若しくは蓄電池の負荷の電圧の変動に応答して制御巻線に流れる電流量を制御して発電電圧を予め設定された電圧に制御することが好ましい。

また、出力巻線の出力端子には、発電機側のコントローラからの指示で出力端子と負荷との接続をＯＮ／ＯＦＦ制御する発電機側スイッチと、電動機用コントローラからの指示で電動機側蓄電池と出力端子との接続をＯＮ／ＯＦＦ制御する電動機側スイッチとが設けられ、発電機側のコントローラからの指示でスイッチと発電機側スイッチとがＯＦＦされると共に、電動機用コントローラからの指示で電動機側スイッチをＯＮし、ロータの位置を検出しながら出力巻線に電動機側蓄電池から電流を供給することによってロータを駆動させることが好ましい。

また、直列に接続された電動機側スイッチ及び蓄電池に巻き数が異なる複数の出力巻線に設けられた出力端子が直列に接続され、回転速度の信号に応答して選択される出力巻線に電流が流れるように電動機側スイッチをコントローラが制御することが好ましい。

また、コントローラは、ロータの回転数が大きい状態で駆動力を増加させるときは小さい巻き数の出力巻線に接続された電動機側スイッチを閉じて電流を供給すると共に大きい巻き数の出力巻線に接続された電動機側スイッチを開き、ロータの回転数が小さい状態で駆動力を増加させるときは大きい巻き数の出力巻線に接続された電動機側スイッチを閉じて電流を供給すると共に小さい巻き数の出力巻線に接続された電動機側スイッチを開くように制御することが好ましい。

この永久磁石式発電機の制御装置は、上記のように、巻き数の大きな巻線と少ない巻線とを直列に接続し、巻き数の大きな巻線を電圧制御巻線とし、出力を発生する巻線の巻き数を小さくし、その巻き数の大きい巻線の垂下特性を用いて少ない電流で出力電圧を一定に制御するものである。
本願発明の発電機は、従来の発電機と大幅に異なり、少ない巻線で出力しているとき、垂下特性は、図２に示すように、電流が大きく、電圧が小さくなるように変化するが、巻線が大きいと電圧は大きくなるが電流は極めて小さい状態で垂下する。多い巻線と少ない巻線では、無負荷電圧特性は非常に大きな差が有り、この２つの巻線を並列に置いて一方に電流を流しても出力側の電圧の一定化はできない。ところが、２つの巻線を直列に接続してこのうち大きな巻き数を有して逆起電力を生じる電圧制御巻線を加え、この巻線に微少の電流を流すと、この垂下特性により電圧が低下し、出力端子の電圧を一定にすることができる。
即ち、直列に巻線を接続したので、それぞれの巻線での電圧は、巻き数に比例して出力されるため、少巻線Ｎ１と電圧制御巻線Ｎ２とすると、所定の電圧Ｖ２を得るためには、Ｖ２×Ｎ１／Ｎ２＝Ｖ１となるように電流を制御すると常に一定電圧が得られる。
図２に示すように、大きな巻数の巻線の一定電圧５０Ｖを保持すると、少巻の出力巻線では１２Ｖと一定になる。
従って、所定電圧になるように電圧抑制巻線の電流を増減すると電圧は一定になる。下記に計算式を示す。
計算式Ｖ−Ａ特性
（１）起電力Ｅｏについて
Ｅｏ＝４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ --------（１）
（２）端子電圧Ｅについて
Ｅ＝Ｅｏ−Ｅ１−Ｅ２
＝４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ−Ｉ_１（Ｒ_１ ^２十（２πｆＬ_１／１０００）^２）^１／２−
Ｉ_２（Ｒ_２ ^２（２πｆ・Ｌ_２／１０００）^２）^１／２ --------（２）
（３）制御巻線の電流
Ｉｓ＝〔４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ−Ｉ_１・(Ｒ_１ ^２十(２πｆ・Ｌ_１／１０００)^２)^１／２−Ｅ〕
／〔Ｒ_２ ^２十（２πｆ・Ｌ_２／１０００））^２〕^１／２ --------（３）
Ｅｏ：起電電圧、Ｅ１：電流１の時の電圧、Ｒ_１：小巻線の抵抗、
Φ：磁力の強さ、Ｒ：巻線の抵抗値、Ｉｍ：出力巻線に流れる電流、
ｆ：周波数、Ｌ：巻線のインダクタンス、Ｌ_１：出力巻線のインダクタンス、
Ｗｓ：巻線数、Ｉ_１：小まき線の電流、Ｉ_２：大巻線の電流
Ｒ_２：大巻線の抵抗値、Ｌ_２：大巻線のインダクタンス
また、上記計算式で明らかなように制御巻線の電流は巻線数が大きいほど小さくなる。上式に示すように出力巻線側、制御巻線側の端子電圧は、起電電圧からそれぞれの巻線に流れた電流とインダクタンスの積を差し引いた電圧で決まる。

以下、図面を参照して、この発明による永久磁石式発電機の制御装置について説明する。この発明による制御装置が組み込まれた発電機は、図１に示すように、フロントハウジング３とリアハウジング５から成るハウジング３４、ハウジング３４に一対の軸受４を介して回転可能にそれぞれ支持されたロータシャフト１、ロータシャフト１に固定された永久磁石部材７から成る回転子即ちロータ３５、及びロータ３５の外周側に配置され且つハウジング３４に固定された固定子即ちステータ２から構成されている。ステータ２は、ステータコア３６とステータコア３６に巻き上げられたステータコイル８から構成されている。また、ロータシャフト１には、その一端部に、エンジン、風車等の駆動源からの駆動力が入力する入力プーリ等の入力手段（図示せず）が設けられている。この発電機は、ロータ３５を構成するロータシャフト１の両端が軸受４でハウジング３４に回転可能に支持されている。ロータ３５は、ロータシャフト１の外周に配設された透磁性部材３７、透磁性部材３７の外周面に配置された複数の永久磁石片から成る永久磁石部材７、及び永久磁石部材７の外周面に固定された円筒状スリーブ４０を備えている。ロータ３５を構成する永久磁石部材７と透磁部材３７との両端面には、端板３８がそれぞれ配置され、ナット、フランジ等の固着手段でロータシャフト１に一体に固定されている。また、リアハウジング５には、整流器１５、２１を覆ったカバー６が取り付けられ、カバー６には出力端子９が配設され、また、フロントハウジング３の外側にはソレノイドコイル１４が配設されている。また、ステータコイル８は、ステータコア３６の櫛部間に形成されたスロット部に位置して巻き上げられ、ステータコイル８をステータコア３６に成形固定するためスロット部内に非磁性材が充填されている。

この発明による永久磁石式発電機の制御装置の一実施例について、図３の回路図を参照して説明する。ステータコイル８は、例えば、ステータ２のステータコア３６の櫛部に巻き上げられており、三相交流の中性点３９を始点として出力巻線１０、及び出力巻線１０に直列にそれぞれ結線された制御巻線１１から構成されている。本実施形態の場合、出力巻線１０と制御巻線１１との間には、制御スイッチ１２が介在し、出力巻線１０の端子には出力側スイッチ１３を介して出力ライン４１が接続され、出カライン４１は整流器１５を介して負荷１７に接続されている。負荷１７に対して、電圧検出比較器１６が設けられている。また、出力巻線１０には、回転数と極位置を検出するセンサ２８が設けられている。電圧検出比較器１６及びセンサ２８からの検出信号は、コントローラ１８に入力される。コントローラ１８は、これらに検出信号に応答して、制御スイッチ１２及び出力側スイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦを制御するように構成されている。なお、制御スイッチ１２は出力巻線１０と制御巻線１１との間に介在されることが耐電圧性の点において好ましいが、場合によっては制御巻線１１とソレノイドコイル１４との間に介在させるようにしても良い。

この永久磁石式発電機の制御装置では、複数の巻線を持つ発電機の出力の利用領域を回転数と負荷により規定し、発電機の制御を限定することにより、制御装置の簡素化ができる。ロータ３５の回転と負荷１７の変動に対し、領域を指定することにより、迅速に適応される。ところが、巻線の経路に設けたスイッチにより巻き数が大きい電圧制御巻線即ち制御巻線１１に流される電流を制御する場合に、スイッチ１２がＯＮ−ＯＦＦされた時、電圧が大きく振れると制御機構が複雑になる。そこで、制御巻線１１の端子にスター結線されたソレノイドコイル１４を配置し、その大きな無効抵抗を用いることにより流れる電流を制御すると共に電圧降下が少なくするようにしている。そのため、ソレノイドコイル１４を配設することは重要な技術的特徴となる。ここで、ソレノイドコイル１４は、ロータの磁束と鎖交しない位置に配置されることが必要である。そこで、例えば図１に示すように、ソレノイドコイル１４は、ハウジング３４の外に配置されている。電圧の安定のため出力端にコンデンサ（図示せず）を並列に挟むことが有効である。一方、３相発電機の出力線間にコンデンサ（図示せず）を挟むことにより、電圧が上昇し、結果的に出力が増加する。なお、制御巻き線の先端はソレノイドに接続させると共に、制御巻線と反対側の先端を接続してソレノイド同士を接続させて中性点とすることが好ましい。

この永久磁石式発電機の制御装置は、出力巻線で発電した電流の一部を制御巻線に流して電圧を制御させるための制御巻線１１への電流は開閉時間を可変にできるスイッチ１２を介して電流を増減させ電圧一定の制御をするが、その先端にはソレノイドコイル１４を用いるので、周波数の大きい場合にはインダクタンスが大きくなって抵抗が大きくなり、この系に流れる電流が小さくなり、発電機の無負荷発電電圧が相当大きくなって無効電力負荷となるので、スイッチ１２がＯＮされた時、電圧が抑制される。また、この無効抵抗は、電流を小さくさせる効果により銅損が少なくなる。制御巻線１１の電流はＡ１電流を流すと電圧が０となるので、最大に流してもＡ１アンペアである。
しかし、図２に示したように、Ａ２アンペア流すと電圧はＶ２×Ｎ１／Ｎ２＝Ｖ１ボルトになるため、０アンペアからＡ１アンペアまで所定電圧を維持するように、デューティ制御する。制御巻線１１に、例えば磁束制御装置を付加すると、電圧制御巻線の垂下特性は極めて小電流の方に移動し、微少の電流を流すだけで電圧が降下し、一定電圧を保持できる。制御巻線１１に流れる電流は損失となるが、装置の簡易性が得られるのでメリットがある。

次に、図４を参照して、この発明による永久磁石式発電機の制御装置の別の実施例を説明する。この永久磁石式発電機の制御装置は、低電圧側負荷１７Ｌと高電圧側負荷２３とに対応するため、発電する電圧が異なる複数の出力端子９を持つものである。この永久磁石式発電機は、出力巻線１９が例えば２種類の出力巻線１９Ｌ、１９Ｈから構成されている。低電圧側出力巻線１９Ｌは、巻き数の少ない側の接点２７から整流器１５を介して低電圧側負荷１７Ｌに接続され、電圧検出比較器１６及びバッテリ２４が接続されている。高電圧側出力巻線１９Ｈは、巻き数の多い側の接点２６から整流器２１を介して高電圧側負荷２３に接続され、電圧検出比較器２２及びバッテリ２５が接続されている。低電圧側出力巻線１９Ｌは、例えば、自動車用１２Ｖに対応する巻線である。高電圧側出力巻線１９Ｈは、例えば、自動車に搭載している電動機の電圧１００Ｖに対応する巻線であり、その巻線１９Ｈの先端に制御巻線１１が全てシリーズに結線されている。例えば、低電圧側出力巻線１９Ｌ、高電圧側出力巻線１９Ｈ、及び制御巻線１１の巻線比を、１２：１００：４００とすると、発電電圧比は１２Ｖ、１００Ｖ、４００Ｖとなり、制御巻線１１の電圧を４００Ｖの一定に制御すると、出力端子９の出力条件がどのように変化しようと、１２Ｖ、１００Ｖの一定の電圧が得られる。従来の巻線では２種類の巻線を並列に配置することが試みられたが、この方法では一方に多くの負荷がかかり、磁力を消費すると、他方の電圧が下がり、目標とする性能が得られなかった。この永久磁石式発電機の制御装置では、制御巻線１１の電流が０になるまで、それぞれの出力端子９の電圧が所定値になるように設定できる。尚、本実施形態では、出力電圧が互いに異なる複数の出力端子を有する場合を例に挙げて説明したが、場合によっては互いに巻き数を同じにして同じ電圧を出力する複数の出力端子を持つようにしても良い。

この永久磁石式発電機の制御装置は、電圧調整スイッチ即ち制御スイッチ１２を出力巻線１９の出力端子９と制御用巻線１１の中間に配置し、その先にソレノイド１４を結線する巻線構造であって、特に、制御スイッチ１２の配置位置は重要である。この永久磁石式発電機の制御装置は、出力巻線１９の巻数より多い巻数の制御巻線１１を用いているので、発電機の発生電圧は、制御巻線１１の制御端子１１ａでは４００Ｖ以上になる。制御スイッチ１２がＯＦＦの状態では、制御巻線１１に電流が流れず、電圧もかからない。スイッチ１２がＯＮの時には電圧が上昇するが、垂下効果によって出力巻線１９の出力端子９では１００Ｖ程度に止まり、この状態で制御スイッチ１２を断続させても大きなサージ電圧は発生しない。一般に、制御巻線１１の先端で制御スイッチ１２を断続させた場合、電圧が高いので、制御スイッチ１２の損傷、サージ電圧による火花の発生などの大きなトラブル要因となる。これに対して、この永久磁石式発電機の制御装置は、制御スイッチ１２を出力巻線１９の出力端子９と制御巻線１１の制御端子（図４においては符号２６）との中間に配置すると、制御スイッチ１２をＯＮからＯＦＦに切り替えても、制御スイッチ１２の端子で発生する電圧は低いので、大きな損傷原因とはならない。また、制御スイッチ１２は、負荷端子に置かれた一定電圧を保持するための比較器（コンパレータ）１６，２２からの入力により、もし電圧が高くなれば、電流を大きくするように、制御スイッチ１２の開放時間を長く取り、電圧が低くなれば、開放時間を短くすることにより、端子電圧を一定に保持するように制御する。本実施形態では、制御スイッチ１２は出力巻線１９の出力端子２６と制御巻線１１との間に設けられているが、場合によっては制御巻線１１とソレノイド１４との間に設けるようにしても良い。これにより、制御スイッチ１２のＯＮ−ＯＦＦによる電流の断続が平均化され、あたかも電流量が変化するように作用する。ここで、出力端子２６と制御巻線１１との間に設けられる場合には制御スイッチ１２にかかる電圧が比較的に低くなるので耐電圧性を必要としないものを用いることができる。図４に示すように、負荷電圧が異なる２種類の出力端子９が出された場合、一方の負荷が大きいと他方の負荷側の電圧が低下する。そこで、優先出力側を決め、その出力側には要求される出力を供給し、一方の出力側では発電機が供給できる能力の出力で、電圧は一定の出力をバッテリ２４、２５に供給することにより、優先電圧を低下させない制御を行う。

図７に示す処理フロー図を参照して、図４に示すこの永久磁石式発電機の制御装置の作動を説明する。この永久磁石式発電機の制御装置は、二系統、例えば、１４Ｖと１００Ｖとの電圧を１つの発電機で発電させる場合であり、制御回路には、２個の整流器１５、２１と２個の負荷１７Ｌ、２３が必要である。出力巻線１９は、電圧の小さい方の出力巻線を１９Ｌとし、電圧の高い方の出力巻線を１９Ｈとする。電圧の小さい方にはスイッチ２０Ｌを接続し、電圧の高い方にはスイッチ２０Ｈを接続する。低い電圧側では出力端子９を整流器１５に接続し、負荷１７Ｌ側に電力を供給する。電圧の高い方ではスイッチ２０Ｈからの出力を整流器２１に送り、そのＤＣ電力を負荷２３に送る。負荷１７Ｌ、２３側の電圧は検出器１６、２２でそれぞれ監視する。この永久磁石式発電機の制御装置について、制御回路では複数の出力巻線の出力端子の電圧の低い方を一定電圧になるように制御巻線１１の電流を制御していれば、必然的に電圧の高い方も一定電圧に制御できる。
まず、出力巻線１９の低電圧側出力巻線１９Ｌと高電圧側出力巻線１９Ｈの電圧ＶＬ、ＶＨを検出し（ステップＳ１）、出力端子の出力切換スイッチ２０Ｌ、２０ＨをＯＮとし（ステップＳ２）、主力である低電圧側出力巻線１９Ｌの電圧ＶＬが予め設定された電圧（所定電圧Ｖ１と呼ぶ）の上限値（Ｖ１＋α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ３）、所定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より大きければ、制御巻線１１に流す電流を増加させるデューティ制御し（ステップＳ４）、スイッチ１２の通電時間を増加させて垂下電流の大きい側に移動させ（図２参照）、制御巻線１１の電圧を下げさせる。そして、低電圧側出力巻線１９Ｌの電圧ＶＬが所定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さいか否かを判断し（ステップＳ５）、小さい場合にはさらに電圧ＶＬが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ６）、下限値（Ｖ１−α）より大きければその条件を保持させる（ステップＳ７）。
他方、ステップＳ３で低電圧側出力巻線１９Ｌの電圧ＶＬが所定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さいと判断されたときには、電圧ＶＬが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ８）、下限値（Ｖ１−α）より大きい場合にはその条件を保持させる（ステップＳ９）。そして、所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さければ、制御スイッチ１２の通電時間を小さくし、電圧を増加させ（ステップＳ１０）、電圧ＶＬを所定電圧Ｖ１の許容範囲に収める。次いで、電圧ＶＬが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ１１）、電圧ＶＬが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいならば、その条件を保持させる（ステップＳ１２）。電圧ＶＬが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さいときには、制御巻線１１に流れる電流Ｉが０よりも大きいか否かを判断し（ステップＳ１３）、大きい場合には更に電流を減らすデューティ制御を行ない（ステップＳ１０）、電流Ｉが０よりも小さい場合即ち主力側の電気使用量が大きくなって制御巻線１１側の電流を０にしても電圧ＶＬが所定値に回復しない場合には、スイッチ２０ＨをＯＦＦにし（ステップＳ１４）、高い電圧側の使用量を制限してその間バッテリ２５から電力を供給するようにし、低電圧側出力巻線１９Ｌの電圧ＶＬをチェックする。即ち、低電圧側出力巻線１９Ｌの電圧ＶＬが所定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さいか否かを判断し（ステップＳ１５）、上限値（Ｖ１＋α）より小さければ、電圧ＶＬが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ１６）、下限値（Ｖ１−α）より大きい場合にはその条件を保持させる（ステップＳ１７）。下限値（Ｖ１−α）より小さければ、故障信号を発する（ステップＳ１８）。
また、ステップＳ１５で低電圧側出力巻線１９Ｌの電圧ＶＬが所定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より大きい場合には、制御電流Ｉを増加させるデューティ制御し（ステップＳ１９）、スイッチ１２の通電時間を増加させ、垂下電流の大きい側に移動させ（図２参照）、制御巻線１１の電圧を下げさせる。次いで、電圧ＶＬが所定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さいか否かを判断し（ステップＳ２０）、電圧ＶＬが上限値（Ｖ１＋α）より小さければ、さらに電圧ＶＬが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ２１）、電圧ＶＬが下限値（Ｖ１−α）より大きい場合には、その条件を保持させる（ステップＳ２２）。電圧ＶＬが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいならば、制御巻線１１に流す電流を減じる（ステップＳ２３）。次いで、電圧ＶＬが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ２４）、電圧ＶＬが下限値（Ｖ１−α）より大きければ、その条件を保持させる（ステップＳ２５）。電圧ＶＬが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さいならば、制御巻線１１に流す電流を減じるため、ステップＳ２３に戻って制御電流を減らす処理を繰り返す。一方の負荷２３への電流供給をカットしたので、低電圧側出力巻線１９Ｌの出力端子からの電流供給は正常に戻るので、低電圧側出力巻線１９Ｌの出力電圧ＶＬを許容範囲（Ｖ１±α）に入るように制御電流を加減する動作に入る。この動作の繰り返しを行う。

次に、図５の回路図を参照して、この発明による永久磁石式発電機の制御装置の更に別の実施例を説明する。この永久磁石式発電機の制御装置は、負荷１７の電圧が同等で巻き数の異なる第一と第二の出力巻線１９Ｌ、１９Ｈの出力端子９を二系統設けた場合であり、第一出力巻線１９Ｌと制御巻線１１の巻き数比が制御巻線１１の一定電圧となるが、第二出力巻線１９Ｈと制御巻線１１では巻き数比が変わるが出力電圧は同じとなる。すなわち、発電機の電圧は巻き数と回転数とを掛け合わせたものに比例するので回転数が小さいときには巻き数が大きい方でなければ所定の電圧を得ることができない一方で回転数が大きいときには巻き数が小さい方で所定の電圧を得ることができる。そして、両方の巻線で電圧が高くなったときには制御巻線１１の逆磁界効果によって電圧が一定に保たれる。この場合、基準電圧が変わると出力電圧が変化するので基準電圧はあくまで負荷１７の負荷電圧として制御巻線１１の電流を替える必要がある。例えば、第一出力巻線１９Ｌの巻き数が１２ターン、第二出力巻線１９Ｈの巻き数が２４ターン、制御巻線１１の巻き数が９６ターンとし、第一出力巻線１９Ｌの電圧１２Ｖとすると、第一出力巻線１９Ｌが１２Ｖを出力しているとき、第二出力巻線１９Ｈは２４Ｖ、制御巻線１１は９６Ｖとなるが、第二出力巻線１９Ｈで１２Ｖを得たい低速部分では負荷１７の負荷電圧を基準として第二出力巻線１９Ｈで１２Ｖ、制御巻線１１では４８Ｖとなるが、負荷１７の負荷電圧を基準としているので、そのままの状態で一定電圧制御ができる。この構成により、一つの負荷電圧に対して二つの出力巻線を使って極低速から高速まで出力を得ることが可能になる。

図８の処理フロー図を参照して、図５の回路図による永久磁石式発電機の制御装置の作動を説明する。本回路図は出力巻線１９のうち巻き数の大きい出力巻線１９Ｈと巻き数の小さい出力巻線１９Ｌに出力切換スイッチ２０Ｈ、２０Ｌをそれぞれ取り付け、スイッチ２０Ｈ、２０Ｌの後側では結線を一緒に接続し、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のそれぞれを整流器１５に接続した。出力巻線１９Ｈの端部には制御巻線１１が接続され、その先にはソレノイドコイル１４が接続され、出力巻線１９Ｈと制御巻線１１の間にはスイッチ１２が取り付けられている。
起動スイッチがＯＮし、スタートが指令されると、回転速度Ｎと電圧Ｖを検出するセンサ２８の信号を得て（ステップＳ３０）、回転速度Ｎが所定の速度Ｎ１より小さいか否かを判断し（ステップＳ３１）、回転速度Ｎが所定の速度Ｎ１より小さければ、出力巻線１９のうち巻き数の大きい方の出力巻線１９Ｈを利用するため、出力切換スイッチ２０ＬをＯＦＦし、出力切換スイッチ２０ＨをＯＮさせる（ステップＳ３２）。回転速度Ｎが所定の速度Ｎ１より大きければ、出力巻線１９のうち巻き数の小さい方の出力巻線１９Ｌを利用するため、スイッチ２０ＬをＯＮし、スイッチ２０ＨをＯＦＦさせる（ステップＳ３３）。次いで、電圧検出器１６により検出した出力電圧Ｖが予め設定された電圧（所定電圧Ｖ１と呼ぶ。例えば、１４Ｖ）の上限値（Ｖ１＋α，αは許容幅を示す）より大きいか否かを判断し（ステップＳ３４）、所定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より大きい時には、スイッチ１２のＯＮ時間を長くし、制御巻線１１に流れる電流を大きくし（ステップＳ３５）、制御巻線の電圧を小さくする。制御巻線１１の電圧と出力巻線の出力電圧は巻線の巻き数に比例して変化するので、制御巻線１１の電圧を変化させれば、出力巻線１９の電圧も巻き数に比例して変化する。ステップＳ３４で検出電圧Ｖが所定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より大きくない時には、所定電圧の下限値（Ｖ１−α）よりは大きいか否かを判断し（ステップＳ３９）、検出電圧Ｖが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きければ、そのまま△ｔ時間保持させておく（ステップＳ４０）。他方、検出電圧Ｖが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さければ、制御巻線１１に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる（ステップＳ４１）。次いで、出力電圧Ｖが所定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さくなったか否かを判断し（ステップＳ３６）、出力電圧Ｖが所定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さくならない時には、ステップＳ３５に戻り、制御巻線１１に流れる電流を大きくする処理、即ち電圧を小さくする処理を繰り返す。他方、出力電圧Ｖが所定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さくなった時には、出力電圧Ｖが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ３７）。出力電圧Ｖが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きい場合には、そのまま△ｔ時間保持させておく（ステップＳ３８）。また、ステップＳ３７で出力電圧Ｖが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きくない場合には、即ち電圧Ｖが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さい場合には、制御巻線１１に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる（ステップＳ４１）。次いで、出力電圧ＶがＶが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ４２）、検出電圧ＶがＶが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きければ、そのまま△ｔ時間保持させておく（ステップＳ４３）。反対に、検出電圧ＶがＶが所定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さければ、制御巻線１１に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる（ステップＳ４１）。

次に、図６の回路図を参照して、この発明による永久磁石式発電機の制御装置の他の実施例を説明する。この永久磁石式発電機の制御装置は、発電機をモータとして使用する場合であり、発電機の出力巻線１９にバッテリ３０からの電力を供給するため、電動機側のスイッチ３２，３３とコントローラ２９とを備え、ロータの永久磁石の位置を検出し、その位置より前側に永久磁石の極と異なる極を作るように設定したコミュテーターからの電流を送るようにしている。この装置は出力巻線１９のうち、巻き数の大きい方の巻線即ち第二の出力巻線１９Ｈは低速に対応するようにし、巻き数の少ない方の巻線即ち第一の出力巻線１９Ｌは高速用に用いることにより、ハイブリット装置とすることができる。即ち、この永久磁石式発電機の制御装置は、電動機側のスイッチ３２が巻線数の小さい方の出力巻線１９Ｌにライン４２Ｌで接続され、スイッチ３３が巻線数の大きい方の出力巻線１９Ｈにライン４２Ｈで接続されている。したがって、発電機を電動機として使用する場合には、発電機側の電圧制御スイッチ１２、出力切換スイッチ２０Ｌ，２０Ｈを全てＯＦＦにすると共に、例えば電動機側のスイッチ３３をＯＮ、スイッチ３２をＯＦＦにして巻き数の大きい方の出力巻線１９Ｈを始動し、回転数の低い側で使う。電流が小さくても巻き数が大きいので、トルクが大きくなる。しかし、逆起電力が働いて大きい回転ではトルクが作用しないので、この場合には電動機側のスイッチ３２をＯＮ、スイッチ３３をＯＦＦにして巻き数の小さい方の出力巻線１９側に切り替えて高速までトルクが発生するものとして、異なる出力が可能なハイブリットモータとして使う。コントローラ１８には速度センサーに組み込まれた位置センサ２８からの信号に合わせて、スイッチ３２、３３を作動させる。この機能は通常コミュテーターと呼ばれる装置である。尚、図６の実施形態では、直列に接続された複数の出力巻線を切り換えて使用可能とした場合を例に挙げたが、これに特に限られるものではなく、その他の発電機構造例えば図３に示す単一の出力巻線から成る発電機にモーター用のコントローラ２９やバッテリー３０からの電流供給を可能とするスイッチ３２を設けることにより、電動機に切り換えて使用することも可能である。

図９の処理フロー図を参照して、図６の回路図による永久磁石式発電機の制御装置の作動を説明する。電動機作動か発電機作動かを判断し（ステップＳ５０）、電動機作動の場合には、スイッチ１２、２０Ｈ、２０ＬをＯＦＦにし（ステップＳ５１）、次いで、回転速度Ｎが所定の回転速度Ｎ１より低速か否かを判断し（ステップＳ５２）、回転速度Ｎが所定の回転速度Ｎ１より低速ならスイッチ３３をＯＮし、スイッチ３２をＯＦＦする（ステップＳ５３）。回転速度Ｎが所定の回転速度Ｎ１より高速ならスイッチ３２をＯＮし、スイッチ３３をＯＦＦする（ステップＳ５４）。このようにスイッチの作動を制御することによって通電のタイミングは位置センサーの出力によって自動的に決まる。制御装置を高度化させて、電流波形をサインカーブにしても良い。また、ステップＳ５０において、発電機作動であるならば、制御装置を発電機として作動させ（ステップＳ５５）、図８の処理フロー図の符号Ａに進んで発電機作動を行う。例えば、コミュテーターを作動させ、電動運転する時、二つの巻線として２０ターンと４０ターンを用いた場合、即ち、巻線数の小さい方の出力巻線１９Ｌを２０ターンとし、巻線数の大きい方の出力巻線１９Ｈを４０ターンとすると、回転速度Ｎ（×１００ｒｐｍ）に対する駆動トルク（Ｎ・ｍ）は、図１０のグラフに示すとおりである。

この発明による発電機の制御装置は、例えば、自動車の発電機、風力発電機として使用して好ましく、発電された一定電圧の電力は、各種機器の駆動、電灯、照明等の一般消費電力として、或いは電子機器等で消費するのに適用できる。

この発明による制御装置を適用する永久磁石式発電機を示しており、（Ａ）は正面図、及び（Ｂ）は側面図である。 巻き数の異なる二つの巻線の垂下特性を示すグラフである。 この発明による永久磁石式発電機の制御装置の一実施例を示す回路図である。 この発明による永久磁石式発電機の制御装置の別の実施例を示す回路図である。 この発明による永久磁石式発電機の制御装置の更に別の実施例を示す回路図である。 この発明による永久磁石式発電機の制御装置をハイブリット発電・電動機として作動できる他の実施例を示す回路図である。 図４の永久磁石式発電機の制御装置の作動を示す処理フロー図である。 図５の永久磁石式発電機の制御装置の作動を示す処理フロー図である。 図６の永久磁石式発電機の制御装置の作動を示す処理フロー図である。 フライホイール内蔵発電機のスタータ利用の場合における巻線の巻き数について回転速度に対する駆動トルクを示すグラフである。

符号の説明

１ ロータシャフト
２ ステータ
７ 永久磁石部材
８ 巻線
９ 出力端子
１０ 出力巻線
１１ 制御巻線
１２ 制御スイッチ（デューティ制御）
１３ 出力側スイッチ
１４ ソレノイドコイル
１５、２１ 整流器
１６ 電圧検出比較器
１７、１７Ｌ、２３ 負荷
１８ コントローラ
１９ 出力巻線
１９Ｈ 高電圧側出力巻線
１９Ｌ 低電圧側出力巻線
２０、３１、３２、３３ 出力側スイッチ
２０Ｈ 高電圧出力側スイッチ
２０Ｌ 低電圧出力側スイッチ
２２ 高電圧側の電圧比較器
２４、２５、３０ バッテリ
２８ 回転数と極位置の検出センサ
２９ 電動側のコントローラ
３４ ハウジング
３５ ロータ

Claims (16)

1. ハウジングに回転自在に支持されたロータシャフト、前記ロータシャフトに固定され且つ外周側に複数の永久磁石部材を取り付けたロータ、及び前記ロータの外側に配置され巻線が巻き上げられたステータから成る永久磁石式発電機の制御装置において、前記ステータの前記巻線は、出力巻線と該出力巻線と直列に接続され前記出力巻線よりも巻き数が大きい制御巻線とから構成されており、少なくとも前記出力巻線と前記制御巻線との間に出力端子が設けられ、前記出力巻線に発生した電流の一部を前記制御巻線に流すためのスイッチ及び前記出力巻線による発電電圧を検出するセンサからの検出信号に応答して前記発電電圧を予め設定された電圧に制御するように前記スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御して前記制御巻線に流れる電流量を制御するコントローラを有することを特徴とする永久磁石式発電機の制御装置。
2. 前記出力巻線は、複数の巻線が直列に接続されると共に複数の出力端子が設けられたものである請求項１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
3. 前記出力巻線は、互いに巻き数が異なる複数の巻線であり、前記複数の出力端子が互いに異なる電圧を出力するものである請求項２記載の永久磁石式発電機の制御装置。
4. 前記制御巻線は前記ロータの磁束と鎖交しない位置に配置されたソレノイドコイルを備えるものである請求項１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
5. 前記スイッチは前記出力巻線と前記制御巻線との間に配設されているものである請求項１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
6. 前記出力巻線と前記制御巻線とは、三相交流発電機としてスター結線又はデルタ結線され、前記ソレノイドコイルの端部はスター状に結線され、三相交流のＵ、Ｖ、Ｗ相の前記出力端子が整流器にそれぞれ接続され、負荷に電力が送られると共に、前記出力巻線は単一の電圧又は複数の異なる電圧の出力端子が設けられていることを特徴とする請求項４記載の永久磁石式発電機の制御装置。
7. 前記出力巻線の前記複数の出力端子に出力切り換えを行う出力切換スイッチがそれぞれ設けられ、前記コントローラは、前記ロータの回転速度が小さい場合には前記出力巻線の大きな巻き数側の前記出力端子の前記出力切換スイッチをＯＮさせ且つ前記出力巻線の小さい巻き数側の前記出力端子の前記出力切換スイッチをＯＦＦさせ、前記ロータの回転速度が大きい場合には前記出力巻線の小さい巻き数側の前記出力端子の前記出力切換スイッチをＯＮさせ且つ前記出力巻線の大きい巻き数側の前記出力端子の前記出力切換スイッチをＯＦＦさせる制御を行うことを特徴とする請求項３記載の永久磁石式発電機の制御装置。
8. 前記出力巻線の出力端子の電圧と前記制御巻線の電圧とは、出力側電圧＝制御側電圧×（出力側巻き数）／（制御側巻き数）の関係を有し、前記スイッチによって前記制御巻線に流れる前記電流量を増減させることができることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
9. 前記コントローラは、前記スイッチをデューティ制御して前記制御巻線に流れる前記電流量を加減して前記発電電圧を前記予め設定された電圧に制御することを特徴とする請求項１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
10. 前記コントローラは、前記センサからの検出信号に応答して前記スイッチをデューティ制御し、前記発電電圧が高い場合には前記制御巻線に流れる前記電流量を増加させ、前記発電電圧が低い場合には前記制御巻線に流れる前記電流量を減少させて前記発電電圧を前記予め設定された電圧に制御することを特徴とする請求項１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
11. 前記出力巻線の前記複数の出力端子に出力切り換えを行う出力切換スイッチがそれぞれ設けられ、前記コントローラは主力電源が接続されている前記出力端子の出力電圧を基準に前記制御巻線に流れる前記電流量を制御し、前記予め設定された電圧を得ることを特徴とする請求項３記載の永久磁石式発電機の制御装置。
12. 前記主力電源が過大な電力を要求された場合に、前記主力電源が接続されている前記出力端子に設けられた前記出力切換スイッチをＯＮにすると共に他の前記出力切換スイッチをＯＦＦにする制御を前記コントローラが行うことを特徴とする請求項１１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
13. 異なる電圧を出力する前記複数の出力端子には整流器若しくは蓄電池のどちらかがそれぞれ接続され、前記コントローラは、主力電源である前記整流器若しくは前記蓄電池の負荷の電圧の変動に応答して前記制御巻線に流れる前記電流量を制御して前記発電電圧を前記予め設定された電圧に制御することを特徴とする請求項３記載の永久磁石式発電機の制御装置。
14. 前記出力巻線の前記出力端子には、発電機側の前記コントローラからの指示で前記出力端子と負荷との接続をＯＮ／ＯＦＦ制御する発電機側スイッチと、電動機用コントローラからの指示で電動機側蓄電池と前記出力端子との接続をＯＮ／ＯＦＦ制御する電動機側スイッチとが設けられ、前記発電機側のコントローラからの指示で前記スイッチと前記発電機側スイッチとがＯＦＦされると共に、前記電動機用コントローラからの指示で前記電動機側スイッチをＯＮし、前記ロータの位置を検出しながら前記出力巻線に前記電動機側蓄電池から電流を供給することによって前記ロータを駆動させることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
15. 直列に接続された電動機側スイッチ及び蓄電池に前記巻き数が異なる複数の出力巻線に設けられた前記出力端子が直列に接続され、回転速度の信号に応答して選択される前記出力巻線に前記電流が流れるように前記電動機側スイッチを前記コントローラが制御することを特徴とする請求項３記載の永久磁石式発電機の制御装置。
16. 前記コントローラは、前記ロータの回転数が大きい状態で駆動力を増加させるときは小さい巻き数の前記出力巻線に接続された前記電動機側スイッチを閉じて前記電流を供給すると共に大きい巻き数の前記出力巻線に接続された前記電動機側スイッチを開き、前記ロータの回転数が小さい状態で駆動力を増加させるときは大きい巻き数の前記出力巻線に接続された前記電動機側スイッチを閉じて前記電流を供給すると共に小さい巻き数の前記出力巻線に接続された前記電動機側スイッチを開くように制御することを特徴とする請求項１５記載の永久磁石式発電機の制御装置。

Images