JP2015019459A

JP2015019459A - 大出力高効率単相多極発電機

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Publication number: JP2015019459A
Application number: JP2013143793A
Authority: JP
Inventors: 久慶 ▲ふく▼楊; Hisayoshi Fukuyo
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Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-01-29
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Also published as: JP6327803B2; TW201513533A; WO2015005375A1; TWI647896B; CN105531913B; HK1223199A1; CN105531913A; US20160164361A1

Abstract

【課題】簡易な構造で、大出力化を図るとともに省材料化を図ることができる大出力高効率単相多極発電機を提供する。
【解決手段】発電機１０は、周方向に極性が交互に異なるように配列された磁極部１８をｍ個または２・ｍ個（ｍは２以上の偶数）有するロータ１２と、ロータ１２に相対する方向に突出し、周方向に等間隔でｍ・ｎ個（ｎは３または４）形成されたティース２２を有するステータ１４とを有する。ステータ１４は、周方向に等間隔にティース２２に巻き回されるステータコイル２６をｍ個有する。そして、各ステータコイル２６は、それぞれ、ｎ−１個の隣接するティース２２に巻き回される。このような簡易な構成により、発電機１０の大出力化および省材料化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁極を含むロータと、ステータコイルを含むステータとを有する大出力高効率単相多極発電機に関し、特に発電機の構造の改良に関する。

従来から、入力軸に固定されたロータと、このロータに対して間隔を空けて配置されたステータとを有する発電機が知られている。ロータは、このロータの周方向に極性が交互に異なるように並んで配置される磁石から成る磁極を有する。一方、ステータは、ロータの磁石に対向するように突出して形成されたティースと、このティースに巻き回されたステータコイルとを有する。このように構成される発電機においては、ロータの回転で発生する回転磁界と、ステータコイルとの間で働く電磁誘導作用によりステータコイルに電圧が誘起されて電流が流れ、発電が行われる。

発電機により発電される電力が多相交流である場合、通常、各相のステータコイルが周方向に順に並ぶように等間隔に配置される。そして、各ステータコイルから同じ大きさの起電力が発生し、それぞれ位相が均等である多相交流の電力が取り出される。例えば３相交流発電機の場合、それぞれ１２０°の位相差がある３相交流の電力が取り出され、５相交流発電機の場合、それぞれ７２°の位相差がある５相交流電力が取り出される。

下記特許文献１には、軸方向に延びる孔が周方向に等間隔で複数形成され、それらの孔内に磁石をそれぞれ配置して構成されるロータを有する回転電機が記載されている。

また、下記特許文献２には、内周に永久磁石が配置された円筒状のロータと、このロータの内周に間隔をあけて設けられたステータとを有する３相交流発電機が開示されている。ステータは、径方向外側に突出するように設けられたティースと、このティースに巻き回されたステータコイルとを有する。この発電機においては、ロータの回転により発生する永久磁石とステータコイルとの電磁誘導作用により発電が行われる。

特開２０００−２２８８３８号公報特開２００４−１６６３８１号公報

従来の３相交流発電機においては、上述のように、ステータコイルは、各相で発生する起電力の大きさが同じで、それぞれ１２０°の位相差がある３相交流の電力が取り出せるように配置される。このような構成で、ロータを１６００、２０００、３５００または４０００ｒｐｍなどの高速回転域で回転させることによって、３相交流の電力が発電され、発電機の出力仕様特性を満たすことができる。しかしながら、上述のような高速回転域においてロータを回転させると、当然に発熱が増大するので、発電機が損傷してしまう、又は寿命が短くなってしまう可能性がある。

そこで、ステータコイルの数を単に増加させ、ロータを１０００ｒｐｍ以下などの低速回転域で回転させることにより、上述のような発熱を抑制することが考えられる。しかしながら、従来の３相交流発電機の構成では、ステータコイルの磁気抵抗が増加してしまうので、ロータが回転しない、あるいはロータが所望の回転数を得ることができず、結果として、所望の出力を得ることができないという問題があった。

本発明の目的は、簡易な構造で、大出力化を図るとともに、ステータコイルに用いられる導線の省材料化を図ることができる大出力高効率発電機を提供することにある。

本発明の大出力高効率単相多極発電機は、周方向に極性が交互に異なるように配列された磁極部をｍまたは２・ｍ個（ｍは２以上の偶数）有するロータと、ロータに相対する方向に突出し、周方向に等間隔でｍ・ｎ個（ｎは３または４）形成されたティースを有するステータと、を有し、ステータは、周方向に等間隔にティースに巻き回されるステータコイルをｍ個有し、各ステータコイルは、それぞれ、ｎ−１個の隣接するティースに巻き回されることを特徴とする。

また、各磁極部は、それぞれ、複数個の同じ極性の磁極からなることが好適である。

また、ステータコイルからの発電出力回路は、電圧を加算するように直列接続された電圧加算回路、または電流を加算するように並列接続された電流加算回路からなることが好適である。

また、ステータコイルからの発電出力回路は、電圧を加算するように直列接続された電圧加算回路と電流を加算するように並列接続された電流加算回路との組み合わせからなることが好適である。

また、ステータコイルが巻き回されるティースを、一体化して形成することができる。

本発明の大出力高効率単相多極発電機によれば、簡易な構造で、大出力化を図るとともに、ステータコイルに用いられる導線の省材料化を図ることができる。

本実施形態に係る大出力高効率単相多極発電機の構成を示す図である。ステータコイルの配置を示す図である。発電出力回路の一例を示す図である。発電出力回路の一例を示す図である。別の実施形態に係る大出力高効率単相多極発電機の構成を示す図である。別の実施形態に係る大出力高効率単相多極発電機の構成を示す図である。別の実施形態に係る大出力高効率単相多極発電機の構成を示す図である。電磁石を有するロータを示す分解斜視図である。電磁石を有するロータを示す斜視図である。ポールコアの先端部の形状の一例を示す図である。ステータコイルが巻き回されたティースの一態様を示す図である。

以下、本発明に係る大出力高効率単相多極発電機の実施形態について、図を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る大出力高効率単相多極発電機の構成を示す図であり、図２は、ステータコイルの配置を示す図である。

本実施形態に係る大出力高効率単相多極発電機（以下、単に「発電機」と記す）１０は、複数のステータコイルから単相交流の電力を発電する発電機である。発電機１０は、ロータ１２と、ステータ１４を有する。ロータ１２は、ステータ１４の内周に間隔を空けて回転可能に配置される。

ロータ１２は、入力軸１６と同心の円筒状の磁性体であり、例えば電磁鋼板を軸方向に積層して構成される。ロータ１２は、入力軸１６に一体回転可能に固定される。ロータ１２には、磁極部１８が周方向に８個配列される。本実施形態の磁極部１８は永久磁石１９であり、永久磁石１９が、ロータ１２の周方向にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように等間隔に８個配置される。なお、磁極部１８の数は一例であり、磁極部１８の数は、ｍ個（ｍは２以上の偶数）とすることができる。

なお、本実施形態においては、磁極部１８である永久磁石１９が、ロータ１２の外周面に、軸方向に沿ってそれぞれ配置される。しかし、この構成に限定されず、永久磁石１９が、ロータ１２に軸方向に延びて形成された孔内にそれぞれ埋め込まれて配置されてもよい。また、本実施形態では、ロータ１２が電磁鋼板を積層して構成される場合について説明したが、この構成に限定されず、ロータ１２が磁性体であれば、圧粉磁心から成形されるものであってもよい。

ステータ１４は、ロータ１２の周囲に僅かな隙間を空けて配置される。ステータ１４は、入力軸１６と同心の円筒形状をした磁性体であり、例えば電磁鋼板を軸方向に積層して形成される。具体的には、ステータ１４は、薄板状の電磁鋼板をプレスで打ち抜いて、打ち抜かれた電磁鋼板を軸方向に所定の枚数を積層して、積層された複数の電磁鋼板を加圧カシメ等の処理を施して結合され形成される。

なお、本実施形態においては、ステータ１４が電磁鋼板を積層して構成される場合について説明したが、この構成に限定されず、ステータ１４が磁性体であれば、圧粉磁心から成形されるものであってもよい。

ステータ１４は、環状のヨーク２０と、このヨーク２０の内周から径方向内側に向けて突出し、周方向に所定の間隔をおいて配置されたティース２２とを有する。本実施形態のティース２２は、図１に示されるように、周方向に等間隔に２４個配置される。なお、ティース２２の数は一例であり、ティース２２の数は、３・ｍ個とすることができる。

互いに隣接するティース２２の間には、溝状の空間であるスロット２４が形成される。導線が、スロット２４を通りつつ、ティース２２に巻きつけられることでステータコイル２６を形成する。

このように構成される発電機１０においては、ロータ１２の回転で発生する回転磁界と、ステータコイル２６との間で働く電磁誘導作用によりステータコイル２６に電圧が誘起されて電流が流れ、発電が行われる。

本実施形態の発電機１０は、ステータ１４が、周方向に等間隔に配置されるステータコイル２６を磁極部１８と同じ数有し、各ステータコイル２６が、それぞれ、２個の隣接するティース２２に巻き回されることを特徴とする。

このようにステータコイル２６が、周方向に等間隔に磁極部１８の数だけ配置されることで、単相交流の電力が発電される。そして、各ステータコイル２６が、それぞれ、２個の隣接するティース２２に巻き回されることで、３相交流の電力が取り出せるようにステータコイルが配置されるものに比べ、回転するロータ１２に対する反作用、すなわち磁極部１８に対する逆トルクの増加が抑制されるので、ロータ１２の回転数が容易に上昇して大出力化を図ることができる。

従来の例えば３相交流発電機においては、各相のステータコイルは、２相分のティースを間においてティースに巻きつけられ、各相の間における位相差が１２０°で均等になるように配置される。しかし、本発明の発電機１０においては、３相交流の電力が取り出せるようにステータコイルを配置可能なステータ１４を採用しているものの、各ステータコイル２６が、互いに位相差がない、または位相差が１８０°になるようにそれぞれ配置される。このような構成により、ステータコイル２６の単相配置を実現することができる。そして、３相交流用のステータコイル配置より、本実施形態におけるステータコイル２６の数が少なくなるので、回転するロータ１２に対する反作用、すなわち磁極部１８に対する逆トルクの増加が抑制されるので、ロータ１２の回転数を容易に増加させることができる。

また、図１，２に示されるように、ティース２２の数２４個より、ティース２２に巻かれるステータコイル２６の数８個の方が少ない。そして、それらのステータコイル２６が、隣接するティース２２に連続的に巻き付けて配置され、隣接するステータコイル２６の間には、コイルが巻き回されない空のティース２２が１個設けられる。このような構成により、磁極部１８に対する逆トルクの増加がより抑制され、ロータ１２の回転数を増加させることができる。そして、２４個のティース２２全てに対して３相交流用のステータコイル配置（分布巻又は集中巻）をした３相交流発電機に比べ、本実施形態の発電機１０のほうがより大出力を得られることがわかった。また、単に８個のティース及びステータコイルを周方向に均等に配置した単相交流発電機に比べ、本実施形態の発電機１０のほうが大出力を得ることができる。

そして、本実施形態のステータコイル２６からの発電出力回路は、電圧を加算するように直列接続された電圧加算回路、または電流を加算する並列接続された電流加算回路である。このように、発電出力回路を電圧加算回路または電流加算回路にすることで、所望の電圧及び電流の出力を得ることができる。また、発電出力回路が電圧加算回路と電流加算回路との組み合わせにより構成されることによっても、所望の電圧及び電流の出力を得ることができる。

発電機１０の発電出力回路について、図３，４を用いて説明する。まず、図３に示される発電出力回路について説明する。発電出力回路は、コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の各出力端子が並列接続され、コイルＣ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８の各出力端子が並列接続され、これら２つの並列接続の回路が直列接続されるように構成されている。各コイルの出力端子が並列接続されることにより、発電電力の電流を加算することができる。このように並列接続された回路が電流加算回路２８ａである。また、２つの電流加算回路２８ａが直列接続されることにより、発電電力の電圧を加算することができる。このように直列接続された回路が電圧加算回路３０ａである。このような発電出力回路の構成により、発電電力を、電流を増加させるとともに、電圧を比較的大きく増加させて出力することができる。

図４における発電出力回路も、電流加算回路２８ａと電圧加算回路３０ａの組み合わせの一例である。すなわち、発電出力回路は、コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の各出力端子が直列接続され、コイルＣ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８の各出力端子が直列接続され、これら２つの電圧加算回路３０ａが並列接続されるように構成されている。このように発電出力回路が構成されることにより、発電電力を、電圧を比較的大きく増加させるとともに電流を増加させて出力することができる。

なお、ステータコイル２６がティース２２に対して全て同一方向に巻き回されている場合、コイルＣ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７から出力される電圧波形は全て同じであるのに対し、コイルＣ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８から出力される電圧波形は、上記コイルＣ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７の波形に比べ、１８０°位相がずれる。よって、電流加算回路２８と電圧加算回路３０においては、コイルＣ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８の電圧波形がコイルＣ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７の電圧波形と同じになるように、コイルＣ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８の出力端子を反転させて接続する必要がある。一方、コイルＣ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８の巻き線方向を逆にした場合、コイルＣ１−Ｃ８から出力される電圧波形は全て同じになるので、電流加算回路２８と電圧加算回路３０においては、コイルＣ１−８の出力端子を同順で接続することができる。

また、図３，４の発電出力回路においては、ステータコイル２６がコイル番号順に並ぶように配置されている場合について例示したが、本発明はこの構成に限定されず、必ずしもコイル番号順位にステータコイル２６の出力端子が結線される必要はない。

図１に示された実施形態においては、１つの磁極部１８が１つの永久磁石１９であり、永久磁石１９が周方向にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように等間隔に配置される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。１つの磁極部１８が、同じ極性を有する一対の磁石からなり、これらの磁石が周方向に間隔を空けて配列されてもよい。

図５は、別の実施形態に係る発電機１０の構成を示す図である。この態様のロータ１２においては、図１と同様に、磁極部１８が、周方向に極性が交互に異なるように配列されている。そして、磁極部１８は、同じ極性を有する一対の永久磁石１９から構成されている。よって、ロータ１２においては、永久磁石１９が、Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ，Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ・・・の順に１６個配列されている。このような構成にすることで、ステータコイル２６を横切る磁束のピーク値付近の波形がなだらかになるとともに幅が全体的に大きくなるので、図１で示されるロータ１２を使用した発電機より、回転するロータ１２に対する反作用を減らしつつ、大きな出力を得ることができる。なお、この実施形態では、磁極部１８が、同じ極性を有する一対の磁石からなる場合について説明したが、この構成に限定されず、磁極部１８が、同じ極性を有する３個以上の磁石から構成されてもよい。

上記２つの実施形態においては、発電機１０が、ロータ１２がステータ１４の内側に配置された内転式発電機である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、図６に示されるような、ロータがステータの外側に配置される外転式発電機とすることもできる。

図６は、別の実施形態の発電機１０の構成を示す図である。この発電機１０は、ロータ３２がステータ３４の外側に配置される外転式発電機である。

ロータ３２には、内周側に、磁極部１８が、周方向に極性が交互に異なるように８個配列されている。そして、磁極部１８は、同じ極性を有する一対の永久磁石１９から構成されている。よって、ロータ１２においては、永久磁石１９が、Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ，Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ・・・の順に１６個配列されている。

ステータ３４は、入力軸１６が貫通する中空の円筒形状であり、入力軸１６と同心である。ステータ３４は、環状のヨーク２０と、このヨーク２０の外周から径方向外側に向けて突出し、周方向に所定の間隔をおいて配置されたティース２２とを有する。本実施形態のティース２２は、図６に示されるように、周方向に２４個配置される。なお、ティース２２の数は一例である。互いに隣接するティース２２の間には、溝状の空間であるスロット２４が形成される。

ステータコイル２６は、周方向に等間隔に８個配置される。ステータコイル２６は、隣接する２個のティース２２に連続的に巻き回されており、隣接するステータコイル２６の間には、ステータコイル２６が巻き回されないティース２２が１個存在する。

このような構成の発電機１０においても、上記２つの実施形態と同様に、従来の発電機に比べ、大出力を得ることができる。また、上述のように、空きのティース２２を存在させることにより、言い換えれば、ステータコイル２６の数をティース２２の数より少なくすることにより、ステータコイル２６のティース２２への取り付け作業も容易になる。

いままでの実施形態においては、ステータコイル２６が、周方向に等間隔に磁極部１８の数だけ配置される場合、すなわちステータコイル２６の数がｍ個の場合、磁極部１８の数がｍ個である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。単相交流の電力が発電されるのであれば、ステータコイル２６の数がｍ個である場合、磁極部１８の数を２・ｍ個とすることができる。この態様について、図７を用いて説明する。

図７は、上述した実施形態と同様に、ティース２２が周方向に２４個配置され、ステータコイル２６が、隣接する２個のティース２２に連続的にそれぞれ巻き回されて、周方向に等間隔に８個配置される。そして、ロータ１２には、磁極部１８である永久磁石１９が、周方向に極性が交互に異なるように１６個配列されている。このような構成により、各ステータコイル２６から出力される電圧波形は全て同じになり、単相交流電力を容易に取り出すことができる。そして、この実施形態においても、より大出力を得るために、磁極部１８を、同じ極性を有する一対の永久磁石１９から構成することもできる。

また、いままでの実施形態においては、各ステータコイル２６が、それぞれ、２個の隣接するティース２２に巻き回される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、各ステータコイル２６が、それぞれ、３個の隣接するティース２２に巻き回されてもよい。この構成においてステータコイル２６の数をｍ個とすると、ティース２２の数は４・ｍ個となる。これにより、隣接するステータコイル２６の間には、ステータコイル２６が巻き回されていないティース２２を１個存在させることができる。そして、単相交流の電力を発電するため、磁極部１８はｍまたは２・ｍ個となる。

発明者の実験結果によれば、上述の発電機１０は、いずれも、従来の３相交流発電機に比べ、ロータ１２の回転数が増えて、大出力を得ることができた。特にティース２２の数を４８，３６，７２，９６個とした場合、非常に大きな出力を得ることができた。一方で、発電機１０においては、従来の３相交流発電機に比べてステータコイル２６に用いられる導線が大幅に削減されるので、省材料化を図ることができる。

上述した各実施形態においては、ロータ１２に配列される磁極部１８が永久磁石１９である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、磁極部１８を電磁石とすることができる。また、ロータコイルを巻き回することで磁極部を形成することもできる。

電磁石を有するロータ１２の構成の一例について、図８，９を用いて説明する。図８は、電磁石を有するロータ１２を示す分解斜視図であり、図９は、電磁石を有するロータ１２を示す斜視図である。

この実施形態のロータ１２は、２個のポールコア３８がボビン４０を介して圧入により嵌め合わされた状態で固定されているランデル型ロータである。軸方向におけるポールコア３８の先端部３８ａは、爪形をなしており、この先端部３８ａの数が極数となる。本実施形態においては、ポールコア３８がそれぞれ４個の先端部３８ａを有するので、極数が８となる。なお、先端部３８ａの数、すなわち極数の数は任意に設定可能である。

ボビン４０には、ロータコイル４２が巻き回されている。ロータコイル４２には、入力軸１６に設けられたスリップ・リング４４が電気的に接続されている。ロータコイル４２に電流を通電させると、２つのポールコア３８を磁極化させることができる。具体的には、図８に示されるように、一方のポールコア３８の先端部３８ａにＮ極の磁極が形成され、他方のポールコア３８の先端部３８ａにＳ極の磁極が形成され、ロータ１２に、異なる極性が交互に並んだ電磁石が形成される。

このようなランデル型ロータによれば、磁極部１８を電磁石で構成することができる。図９に示された実施形態においては、１つの磁極部１８が１つの極性を有する先端部３８であり、先端部３８が周方向にＮ極とＳ極とが交互に並ぶように等間隔に配置される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。１つの磁極部１８が、同じ極性を有する一対の先端部３８ａであり、これらの先端部３８ａを周方向に間隔を空けて配列させることができる。すなわち、電磁石を、Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ，Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ・・・の順に配列することができる。

図１０には、ポールコア３８の先端部３８ａの形状の一例が示されている。（ａ）には、図８，９で示したような爪型の先端部３８ａが２分割になるように形成されている。このような構成により、同じ極性を有する先端部３８ａを周方向に間隔を空けて配列をさせることができる。また、（ｂ）においては、先端部３８ａの形状を矩形とし、これが２分割になるよう形成されている。このような構成においても、同じ極性を有する先端部３８ａを周方向に間隔を空けて配列をさせることができる。

いままでの実施形態においては、ステータコイル２６が隣接するティース２２を巻き回する構成について説明した。この構成は、ステータコイル２６が、１つのスロット２４を間において、このスロット２４の両側に位置するスロット２４を通すように形成されるものである。本発明においては、このステータコイル２６内にある空のスロット２４を無くし、隣接するティース２２が一体化になるように形成されてもよい。また、図１１に示されるように、このステータコイル２６内にある空のスロット２４に、磁性を有する補助突極４６を設けることもできる。これにより、ステータコイル２６に巻き回される磁路が拡大される。補助突極４６は、ティース２２と同じ材質とすることもできる。このような構成によれば、補助突極４６がない発電機１０に比べ、出力特性は劣るものの、従来の発電機より良好な出力を得ることができる。

さらに、本発明においては、ステータコイル２６が巻き回されるティース２２の間にある空きティースを、ステータの設計時にあらかじめ除去してしまうことも可能である。

１０大出力高効率単相多極発電機、１２，３２ロータ、１４，３４ステータ、１６入力軸、１８磁極部、１９永久磁石、２０ヨーク、２２ティース、２４スロット、２６ステータコイル、２８電流加算回路、３０電圧加算回路、３８ポールコア、４０ボビン、４２ロータコイル、４４スリップ・リング。

Claims

周方向に極性が交互に異なるように配列された磁極部をｍ個または２・ｍ個（ｍは２以上の偶数）有するロータと、
ロータに相対する方向に突出し、周方向に等間隔でｍ・ｎ個（ｎは３または４）形成されたティースを有するステータと、
を有し、
ステータは、周方向に等間隔にティースに巻き回されるステータコイルをｍ個有し、
各ステータコイルは、それぞれ、ｎ−１個の隣接するティースに巻き回される、
ことを特徴とする大出力高効率単相多極発電機。
請求項１に記載の大出力高効率単相多極発電機において、
各磁極部は、それぞれ、複数個の同じ極性の磁極からなる、
ことを特徴とする大出力高効率単相多極発電機。
請求項１または２に記載の大出力高効率単相多極発電機において、
ステータコイルからの発電出力回路は、電圧を加算するように直列接続された電圧加算回路、または電流を加算するように並列接続された電流加算回路からなる、
ことを特徴とする大出力高効率単相多極発電機。
請求項１または２に記載の大出力高効率単相多極発電機において、
ステータコイルからの発電出力回路は、電圧を加算するように直列接続された電圧加算回路と電流を加算するように並列接続された電流加算回路との組み合わせからなる、
ことを特徴とする大出力高効率単相多極発電機。
請求項１から４のいずれか１つに記載の大出力高効率単相多極発電機において、
ステータコイルが巻き回されるティースは一体化されて形成される、
ことを特徴とする大出力高効率単相多極発電機。