JP2020120428A - 発電装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低速から高速まで広い範囲に亘り、出力電圧を適切に維持することが容易な発電装置を提供すること。【解決手段】永久磁石式の発電装置において、１極あたりのコイルを少なくとも２つ以上の領域に分割することでコイルユニットを形成し、前記コイルユニットにその一部分の領域を短絡可能なスイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ１２を接続し、電圧調整部２２が、発電機の運転速度Ｓｖに合わせて前記スイッチ部の短絡および開放を制御し、前記発電機の出力電圧を自動的に調整する。コイルユニットの中で電気角が同じコイル領域Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５，・・・のみを短絡制御する。交流の出力電圧が不平衡になるのを防止すると共に、３相の位相バランスが崩れるのを避けることができる。複数のコイル領域の巻き数比を調整して速度範囲を広くする。短絡可能なコイル領域は細い電線で構成する。【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石とコイルを用いて発電する発電機を有する発電装置およびその制御方法に関する。

例えば、鉄道車両用の速度発電機や軸端発電機、風力発電機は、磁界を発生するために永久磁石を採用し、所謂永久磁石式発電機として構成されている場合が多い。永久磁石式発電機は、回転可能に支持された回転子とその外側に配置された固定子とを有し、回転子および固定子の一方に永久磁石が配置され、他方に電気コイル（以下、単にコイルと呼称する）が配置されている。そして、回転子が回転する時に、各コイルに鎖交する磁束が変化して電磁誘導により各コイルに電圧が誘起する。

特許文献１は、内燃機関用点火装置において、機関の逆回転を防止するための技術を示している。すなわち、点火電源用発電コイルの出力電圧を調整する短絡式の電圧調整回路と、発電コイルの出力とパルスの出力との位相関係から機関の逆回転を検出したときに点火時期制御部に与えられるパルスを側路して機関の逆回転を防止する回路とを備えている。また、機関の回転速度が設定値に達するまでの間電圧調整回路が電圧調整動作を行なうのを禁止する短絡制御用スイッチ回路と、回転速度が設定値以下のときにパルス側路用スイッチがオン状態になるのを許可し、回転速度が設定値を超えたときにパルス側路用スイッチがオン状態になるのを禁止するパルス側路制御用スイッチとを設けることを示している。

特許文献２は、多種類の巻線を有する永久磁石型発電機を用いた分散電源用発電装置において、低風速または風車の起動性能が悪い場合に風車が起動しない問題を解決するための技術を示している。具体的には、複数の巻線の中で巻数の少ない巻線の巻線間に励磁コイルを持った接触器を設け、風車の回転数が上昇し、前記複数の巻線の中で巻数の少ない巻線の誘起電圧がある値を超えると、前記複数の巻線の中で巻数の多い巻線を短絡することを示している。

特許文献３は、水力、風力などで発電する際に外部のエネルギーが微弱或いは過強であっても所定電圧及び所定電流の発電を可能にするための技術を示している。すなわち、ステータコイルはロータに形成された磁極と対向するように配置された複数のコアレス巻き線と三相出力端子とで構成する。コアレス巻き線は、有効出力巻き線が３個若しくはその倍数個で構成されると共に総ターン数が大小切換え可能にスイッチング手段を介して出力端子に接続する。また、駆動源からの回転力が大きいときには総ターン数を小さく、回転力が小さいときには総ターン数を大きくすることを示している。実際には、特許文献３のスイッチ３５で、２つのコイルＣＲ１、ＣＲ２を並列に接続するか、一方だけを出力に接続するかを切り替えている。

特開２００４−１７６６２５号公報 特開２０１０−１４８２０１号公報 特開２０１０−２０７０５２号公報

例えば、鉄道車両においては、速度発電機が取り付けられている。このような速度発電機は、鉄道車両の走行速度を検出するための装置であって、一般的には車輪軸に速度発電機が連結されている。また、機関車に牽引されて走行する客車や貨車に必要な電力を供給するための電源として、車軸発電機が車両に搭載されている。また、風力発電設備においては風車に発電機が連結されている。

上記のような用途の発電機においては、発電機の回転速度が低速から高速まで広い範囲で変動する可能性がある。しかし、このような発電機は一般的に永久磁石を利用して励磁するため、回転速度に応じて出力電圧が大きく変動する。

そのため、発電機が低い回転速度の領域でも効率よく発電できるように巻線の仕様を決めると、高い回転速度の領域で出力電圧が高くなりすぎて負荷への悪影響が懸念される。一方、高い回転速度の領域で出力電圧が適切に維持されるように巻線の仕様を決めると、低い回転速度の領域で出力電圧が不足したり、必要な電力が確保できない状態になる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低速から高速まで広い範囲に亘り、出力電圧を適切に維持することが容易な発電装置を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る発電装置およびその制御方法は、下記（１）〜（６）を特徴としている。
（１） 永久磁石とコイルを用いて発電する発電機を有する発電装置であって、
１極あたりの前記コイルを少なくとも２つ以上の領域に分割することで形成されるコイルユニットと、
前記コイルユニットの少なくとも一部分の領域を短絡可能なスイッチ部と、
前記発電機の運転速度に合わせて前記スイッチ部の短絡および開放を制御し、前記発電機の出力電圧を調整する電圧調整部と、
を備えた発電装置。

上記（１）の構成の発電装置によれば、スイッチ部がコイルユニットの一部分の領域を短絡することにより、コイルユニットの全体に誘起する電圧を低減できる。また、短絡した領域を開放することで電圧の低減を解除できる。したがって、電圧調整部は、発電機の運転速度が大きく変動する場合でも、出力電圧の変動が小さくなるように自動的に調整できる。

（２） 前記発電機は、少なくとも２極以上の極数を持つ交流発電機であり、
前記電圧調整部は、前記発電機の運転速度に合わせて前記スイッチ部の短絡および開放を制御する際に、それぞれの極において等しい電気角に当たる前記コイルユニットの領域を前記スイッチ部を用いて制御する、
ことを特徴とする、上記（１）に記載の発電装置。

上記（２）の構成の発電装置によれば、それぞれの極において等しい電気角に当たるコイルユニットの領域を制御するので、交流発電機の出力電圧が不平衡になるのを防止すると共に、各相の位相バランスが崩れるのを避けることができる。

（３） 複数の前記コイルユニットのうち、前記スイッチ部が短絡および開放を制御可能な第１コイルユニットは、互いに巻き数が異なる第１領域および第２領域を含み、前記第１領域の巻き数が前記第２領域よりも大きく、前記第１領域および第２領域のうち前記第１領域のみを短絡可能な状態で前記スイッチ部が接続されている、
ことを特徴とする、上記（１）又は（２）に記載の発電装置。

上記（３）の構成の発電装置によれば、出力電圧を調整可能な速度範囲を広くすることができる。すなわち、低速域では巻き数の大きい第１領域のコイルで効率的に発電でき、高速域では巻き数の小さい第２領域のコイルだけを使うことにより、出力電圧が過大になるのを防止できる。

（４） 複数の前記コイルユニットのうち、前記スイッチ部が短絡および開放を制御可能な第１コイルユニットは、互いに電線断面積が異なる第１領域および第２領域を含み、前記第１領域の電線断面積が前記第２領域よりも小さく、前記第１領域および第２領域のうち前記第１領域のみを短絡可能な状態で前記スイッチ部が接続されている、
ことを特徴とする、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の発電装置。

上記（４）の構成の発電装置によれば、第１領域のコイルを細い電線で構成できるので装置全体の重量や容積を低減できる。また、第１領域のコイルは高速域では短絡され使用されることがないので、過大な電力印加の可能性を危惧する必要はなく、十分な細径化が可能である。

（５） 前記コイルユニットは、同じ極の位置に配置された第１領域および第２領域を含み、前記第１領域および第２領域のうち前記第１領域のみを短絡可能な状態で前記スイッチ部が接続されている、
ことを特徴とする、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の発電装置。

上記（５）の構成の発電装置によれば、各極においてコイル全体が短絡されることがなくなるので、スイッチ部の短絡制御の影響による極数の変動を避けることができる。したがって、発電により生成される交流電力における周波数変動を防止できる。

（６） 永久磁石とコイルを用いて発電する発電機を有し、
１極あたりの前記コイルを少なくとも２つ以上の領域に分割することで形成されるコイルユニットと、
前記コイルユニットの少なくとも一部分の領域を短絡可能なスイッチ部と、
前記スイッチ部の短絡および開放を制御する電圧調整部と、
を備えた発電装置の制御方法であって、
前記電圧調整部が、
前記発電機の運転速度を取得し、
前記運転速度が所定の複数の速度領域のうちいずれに属するかに応じて、前記スイッチ部の短絡および開放を制御する、
ことを特徴とする発電装置の制御方法。

上記（６）の構成の発電装置の制御方法によれば、運転速度に応じてコイルユニットの一部分の領域を短絡させるので、コイルユニットの全体に誘起する電圧を低減できる。また、短絡した領域を開放することで電圧の低減を解除できる。したがって、発電機の運転速度が大きく変動する場合でも、出力電圧の変動が小さくなるように自動的に調整できる。

本発明の発電装置およびその制御方法によれば、低速から高速まで広い範囲に亘り、出力電圧を適切に維持することが容易になる。すなわち、スイッチ部が前記コイルユニットの一部分の領域を短絡することにより、コイルユニットの全体に誘起する電圧を低減できる。また、短絡した領域を開放することで電圧の低減を解除できる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、発電機コイル群の配置状態の例を示す正面図である。 図２は、発電装置の電気回路構成例を示すブロック図である。 図３は、１つのコイルユニットの構成例を示す電気回路図である。 図４は、速度に応じたコイル制御例を示すフローチャートである。 図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、および図５（ｄ）は、１つのコイルユニットにおけるそれぞれ異なる制御状態を示す電気回路図である。 図６は、発電装置の出力電圧特性の例を示すグラフである。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ発電装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

＜発電機コイル群の配置例＞
発電機コイル群の配置状態の例を図１に示す。図１に示した例では、磁極数が８の永久磁石式三相交流発電機におけるコイル群の配置状態を示している。

図１に示した例では、回転軸１１の外側の円周１２に沿って、８個のＷ相コイルＬ１〜Ｌ８が機械角の４５度（π／４［rad］）の一定間隔毎に配置され、８個のＶ相コイルＬ９〜Ｌ１６が４５度の一定間隔毎に配置され、８個のＵ相コイルＬ１７〜Ｌ２４が４５度の一定間隔毎に配置されている。また、Ｗ相コイルＬ１〜Ｌ８と、Ｖ相コイルＬ９〜Ｌ１６と、Ｕ相コイルＬ１７〜Ｌ２４との間は、円周方向に互いに機械角で１５度（π／１２［rad］）ずつずらして配置してある。

一般的な構成においては、各コイルＬ１〜Ｌ２４は固定子の内周壁に沿って配置される。また、回転軸１１と共に回転する回転子の外周に沿って８極の永久磁石が一定の間隔で配置される。そして、各コイルＬ１〜Ｌ２４と８極の永久磁石とが一定の間隔で互いに対向可能な状態で支持される。

図示しないが、例えば、回転子上の永久磁石の４つのＮ極と４つのＷ相コイルＬ１、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７とが対向するときに、永久磁石の４つのＳ極と４つのＷ相コイルＬ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８とがそれぞれ対向する状態になる。また、回転子上の永久磁石の４つのＮ極と４つのＶ相コイルＬ９、Ｌ１１、Ｌ１３、Ｌ１５とが対向するときに、永久磁石の４つのＳ極と４つのＶ相コイルＬ１０、Ｌ１２、Ｌ１４、Ｌ１６とがそれぞれ対向する状態になる。また、回転子上の永久磁石の４つのＮ極と４つのＵ相コイルＬ１７、Ｌ１９、Ｌ２１、Ｌ２３とが対向するときに、永久磁石の４つのＳ極と４つのＵ相コイルＬ１８、Ｌ２０、Ｌ２２、Ｌ２４とがそれぞれ対向する状態になる。

図１に示すように、８個のＷ相コイルＬ１〜Ｌ８は互いに直列に接続され、その一端がＷ相出力端子ＴＷと接続され、他端が中点端子ＴＣと接続されている。また、８個のＶ相コイルＬ９〜Ｌ１６は互いに直列に接続され、その一端がＶ相出力端子ＴＶと接続され、他端が中点端子ＴＣと接続されている。また、８個のＵ相コイルＬ１７〜Ｌ２４は互いに直列に接続され、その一端がＵ相出力端子ＴＵと接続され、他端が中点端子ＴＣと接続されている。

したがって、例えば８個のＷ相コイルＬ１〜Ｌ８のうちＬ１、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７の電気角は共通である。また、残りのＷ相コイルＬ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８も電気角は共通である。また、Ｗ相コイルＬ１、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７と、Ｗ相コイルＬ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８は電気角が互いに１８０度（π［rad］）ずれた位置に配置されている。

同様に、Ｖ相コイルＬ９〜Ｌ１８のうちＬ９、Ｌ１１、Ｌ１３、Ｌ１５の電気角は共通である。また、残りのＶ相コイルＬ１０、Ｌ１２、Ｌ１４、Ｌ１６も電気角は共通である。また、Ｖ相コイルＬ９、Ｌ１１、Ｌ１３、Ｌ１５と、Ｌ１０、Ｌ１２、Ｌ１４、Ｌ１６は電気角が互いに１８０度ずれた位置に配置されている。

また、８個のＵ相コイルＬ１７〜Ｌ２４のうちＬ１７、Ｌ１９、Ｌ２１、Ｌ２３の電気角は共通である。また、残りのＵ相コイルＬ１８、Ｌ２０、Ｌ２２、Ｌ２４も電気角は共通である。また、Ｕ相コイルＬ１７、Ｌ１９、Ｌ２１、Ｌ２３と、Ｌ１８、Ｌ２０、Ｌ２２、Ｌ２４は電気角が互いに１８０度ずれた位置に配置されている。

＜発電装置の電気回路構成例＞
発電装置２０の電気回路構成例を図２に示す。図２に示した発電装置２０は、図１に示した構造を有する発電機のＷ相コイルＬ１、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７、Ｖ相コイルＬ９、Ｌ１１、Ｌ１３、Ｌ１５、およびＵ相コイルＬ１７、Ｌ１９、Ｌ２１、Ｌ２３、の状態をこの発電機の運転速度に応じて自動調整する機能を有している。

図２の発電装置２０は、コントローラ２１ｗ、２１ｖ、２１ｕ、マイクロコンピュータ（マイコン）２２、Ｗ相コイルの直列回路２３ｗ、Ｖ相コイルの直列回路２３ｖ、およびＵ相コイルの直列回路２３ｕを含んでいる。

Ｗ相コイルの直列回路２３ｗは、図１に示したＷ相コイルＬ１〜Ｌ８を直列に接続した回路として構成され、一端がＷ相出力端子ＴＷと接続され、他端が中点端子ＴＣと接続されている。また、Ｖ相コイルの直列回路２３ｖは、Ｖ相コイルＬ９〜Ｌ１６を直列に接続した回路として構成され、一端がＶ相出力端子ＴＶと接続され、他端が中点端子ＴＣと接続されている。Ｕ相コイルの直列回路２３ｕは、Ｕ相コイルＬ１７〜Ｌ２４を直列に接続した回路として構成され、一端がＵ相出力端子ＴＵと接続され、他端が中点端子ＴＣと接続されている。

コントローラ２１ｗの内部には、４個のスイッチデバイスＳＷ１〜ＳＷ４が備わっている。これらのスイッチデバイスＳＷ１〜ＳＷ４のそれぞれは、例えばリレーやトライアックのように通電のオンオフを電気的に制御可能なスイッチ接点等を備えている。図２の例では、スイッチデバイスＳＷ１はＷ相コイルＬ１の両端と接続されている。すなわち、スイッチデバイスＳＷ１がオンの時にＷ相コイルＬ１の端子間を短絡し、スイッチデバイスＳＷ１がオフの時にＷ相コイルＬ１の端子間が開放されるように接続されている。同様に、スイッチデバイスＳＷ２はＷ相コイルＬ３の両端と接続され、スイッチデバイスＳＷ３はＷ相コイルＬ５の両端と接続され、スイッチデバイスＳＷ４はＷ相コイルＬ７の両端と接続されている。

つまり、直列に接続されているＷ相コイルＬ１〜Ｌ８の中で、Ｌ１、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７のそれぞれは、スイッチデバイスＳＷ１〜ＳＷ４の制御により短絡又は開放状態に切り替え可能である。ここで、スイッチデバイスＳＷ１〜ＳＷ４が制御可能な４個のＷ相コイルＬ１、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７は、図１に示すように電気角が同じ位置に配置されている。

上記と同様に、コントローラ２１ｖの内部には、４個のスイッチデバイスＳＷ５〜ＳＷ８が備わっている。また、図２の例ではスイッチデバイスＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、およびＳＷ８は、それぞれＶ相コイルＬ９、Ｌ１１、Ｌ１３、およびＬ１５の両端と接続されている。

つまり、直列に接続されているＶ相コイルＬ９〜Ｌ１６の中で、Ｌ９、Ｌ１１、Ｌ１３、Ｌ１５のそれぞれは、スイッチデバイスＳＷ５〜ＳＷ８の制御により短絡又は開放状態に切り替え可能である。ここで、スイッチデバイスＳＷ５〜ＳＷ８が制御可能な４個のＶ相コイルＬ９、Ｌ１１、Ｌ１３、Ｌ１５は、図１に示すように電気角が同じ位置に配置されている。

上記と同様に、コントローラ２１ｕの内部には、４個のスイッチデバイスＳＷ９〜ＳＷ１２が備わっている。また、図２の例ではスイッチデバイスＳＷ９、ＳＷ１０、ＳＷ１１、およびＳＷ１２は、それぞれＵ相コイルＬ１７、Ｌ１９、Ｌ２１、およびＬ２３の両端と接続されている。

つまり、直列に接続されているＵ相コイルＬ１７〜Ｌ２４の中で、Ｌ１７、Ｌ１９、Ｌ２１、Ｌ２３のそれぞれは、スイッチデバイスＳＷ９〜ＳＷ１２の制御により短絡又は開放状態に切り替え可能である。ここで、スイッチデバイスＳＷ９〜ＳＷ１２が制御可能な４個のＵ相コイルＬ１７、Ｌ１９、Ｌ２１、Ｌ２３は、図１に示すように電気角が同じ位置に配置されている。

マイクロコンピュータ２２は、この発電機の運転速度を表す速度信号Ｓｖを外部から入力し、各出力端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷの出力電圧が安定するように、この発電機の運転速度の高低に応じて、スイッチデバイスＳＷ１〜ＳＷ１２をオンオフするための制御信号を各コントローラ２１ｕ、２１ｖ、２１ｗに与える。

＜コイルユニットの構成例＞
１つのコイルユニット３０の構成例を図３に示す。図３に示したコイルユニット３０は、２つのコイル領域Ｌａ、Ｌｂを直列に接続した回路として構成されている。また、スイッチデバイス３３が一方のコイル領域Ｌａの端子間のみを短絡可能な状態でコイルユニット３０に接続されている。コイル領域Ｌａの一端は端子３１と接続され、コイル領域Ｌｂの一端は端子３２と接続されている。

また、図３のコイルユニット３０においては、コイル領域Ｌａはコイルの巻き数が多く、コイル領域Ｌｂはコイルの巻き数が相対的に少なくなっている。更に、一方のコイル領域Ｌａは断面積の小さい細い電線でコイルを形成してあり、他方のコイル領域Ｌｂは相対的に断面積の大きい太い電線でコイルを形成してある。

図３に示したコイルユニット３０の２つのコイル領域Ｌａ、Ｌｂは、例えば図２中に示した２つのＷ相コイルＬ１・Ｌ２の組合せ、Ｌ３・Ｌ４の組合せ、Ｌ５・Ｌ６の組合せ、Ｌ７・Ｌ８の組合せのそれぞれに対応付けて考えることができる。また、Ｖ相コイルＬ９・Ｌ１０の組合せ、Ｌ１１・Ｌ１２の組合せ、Ｌ１３・Ｌ１４の組合せ、Ｌ１５・Ｌ１６の組合せのそれぞれを図３のコイルユニット３０に対応付けることもできる。更に、Ｕ相コイルＬ１７・Ｌ１８の組合せ、Ｌ１９・Ｌ２０の組合せ、Ｌ２１・Ｌ２２の組合せ、Ｌ１３・Ｌ２４の組合せ、のそれぞれを図３のコイルユニット３０に対応付けることもできる。

つまり、図１、図２に示したＷ相コイルＬ１〜Ｌ８においては、例えば隣接する２つのコイルペアＬ１・Ｌ２と、Ｌ３・Ｌ４と、Ｌ５・Ｌ６と、Ｌ７・Ｌ８によりコイルユニット３０がそれぞれ形成されている。勿論、上記以外の組合せでコイルユニット３０を形成してもよい。そして、互いに電気角が同じ位置に配置されている各Ｗ相コイルＬ１、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７がそれぞれスイッチデバイス３３で短絡できるように接続され、他のコイルＬ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８は常に開放状態になっている。Ｖ相コイルＬ９〜Ｌ１６、およびＵ相コイルＬ１７〜Ｌ２４についても同様である。

上記のように、電気角が同じ位置の各相のコイルＬ１、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７、Ｌ９、Ｌ１１、Ｌ１３、Ｌ１５、Ｌ１７、Ｌ１９、Ｌ２１、Ｌ２３だけを短絡対象とする場合には、この発電機の出力電圧が不平衡になるのを防止すると共に、３相の位相バランスが崩れるのを避けることができる。

また、図３に示したコイルユニット３０のように、複数のコイル領域Ｌａ、Ｌｂの巻き数が「Ｌａ＞Ｌｂ」になるように差を付けることにより、出力電圧を抑制可能な速度範囲を広げることが可能になる。また、後述するように、運転速度が高い（出力電力が大きい）時にコイル領域Ｌａを短絡するように制御する場合には、大きな電流がコイル領域Ｌａを流れることがないため、線径の細い電線を用いてコイル領域Ｌａを構成することが可能である。したがって、各相のコイルＬ１、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７、Ｌ９、Ｌ１１、Ｌ１３、Ｌ１５、Ｌ１７、Ｌ１９、Ｌ２１、Ｌ２３を細い電線で構成し、発電機を小型化および軽量化することが可能になる。勿論、短絡を可能とするコイルとその他のコイルとの断面積や巻き数は同じであってもよい。

＜具体的なコイル制御例＞
速度に応じたコイル制御例を図４に示す。すなわち、図２に示した発電装置２０において、マイクロコンピュータ２２が図４の制御を実施することにより、各出力端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷに現れる出力電圧の運転速度に応じた変動を抑制できる。

また、この例では各コイルの巻き数比が以下に示す関係を満たす発電機を制御する場合を想定している。
（Ｌ２，Ｌ６の巻き数）＞（Ｌ４，Ｌ８の巻き数）
（Ｌ１，Ｌ５の巻き数）＞（Ｌ３，Ｌ７の巻き数）
「Ｌ５の巻き数」＞「Ｌ１の巻き数」
（Ｌ１０，Ｌ１４の巻き数）＞（Ｌ１２，Ｌ１６の巻き数）
（Ｌ９，Ｌ１３の巻き数）＞（Ｌ１１，Ｌ１５の巻き数）
「Ｌ１３の巻き数」＞「Ｌ９の巻き数」
（Ｌ１８，Ｌ２２の巻き数）＞（Ｌ２０，Ｌ２４の巻き数）
（Ｌ１７，Ｌ２１の巻き数）＞（Ｌ１９，Ｌ２３の巻き数）
「Ｌ２１の巻き数」＞「Ｌ１７の巻き数」

図４に示した制御において、発電装置２０のマイクロコンピュータ２２は、速度信号Ｓｖにより検出した現在の運転速度（鉄道車両の走行速度、又は発電機の回転速度）をステップＳ１１、Ｓ１２で事前に定めた各種閾値と比較して現在の速度範囲を識別する。そして、速度範囲毎に以下のように制御する。

Ｖ０〜Ｖ１の速度範囲（低速：数ｋｍ／ｈ程度）：（Ｓ１３）
スイッチデバイスＳＷ１〜ＳＷ１２の全てをオフ（コイル開放）にする。
Ｖ１〜Ｖ２の速度範囲：（Ｓ１４）
ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５，ＳＷ７，ＳＷ９，ＳＷ１１をオフ（コイル開放）する。
ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６，ＳＷ８，ＳＷ１０，ＳＷ１２をオン（コイル短絡）する。
Ｖ２〜Ｖ３の速度範囲：（Ｓ１５）
ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５，ＳＷ７，ＳＷ９，ＳＷ１１をオンする。
ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６，ＳＷ８，ＳＷ１０，ＳＷ１２をオフする。
Ｖ３〜Ｖ４の速度範囲：（Ｓ１６）
ＳＷ３，ＳＷ７，ＳＷ１１，ＳＷ４，ＳＷ８，ＳＷ１２をオンする。
ＳＷ１，ＳＷ５，ＳＷ９，ＳＷ２，ＳＷ６，ＳＷ１０をオフする。
Ｖ４以上の速度範囲：（Ｓ１７）
スイッチデバイスＳＷ１〜ＳＷ１２の全てをオン（コイル短絡）にする。

なお、コントローラ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗや、スイッチデバイスＳＷ１〜ＳＷ１２をノーマリーオフとなるように設計すれば、外部からの電力を必要とせずに、回転開始直後から上記制御が可能となる。

＜変形例の説明＞
１つのコイルユニット４０におけるそれぞれ異なる制御状態を図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、および図５（ｄ）に示す。

図５（ａ）〜図５（ｄ）に示したコイルユニット４０は、５個の独立したコイル領域Ｌ０１〜Ｌ０５を直列に接続した回路として構成されている。また、スイッチデバイスＳＷ０１の接点がコイル間端子４３ａ、４３ｂと接続され、スイッチデバイスＳＷ０２の接点がコイル間端子４３ｂ、４３ｃと接続され、スイッチデバイスＳＷ０３の接点がコイル間端子４３ｃ、４３ｄと接続されている。
したがって、３個のスイッチデバイスＳＷ０１、ＳＷ０２、およびＳＷ０３は、それぞれコイル領域Ｌ０２、Ｌ０３、およびＬ０４の短絡／開放を制御できる。

図３に示したコイルユニット３０の場合には、発電機の円周方向の互いにずれた位置に配置される複数のコイル領域Ｌａ、Ｌｂの組合せを想定しているが、図５のコイルユニット４０においてはコイル領域Ｌ０１〜Ｌ０５の全体を円周方向の同じ位置に配置する。

発電機が回転する時にこのコイルユニット４０のユニット端子４１、４２の間に発生する起電力の大きさは、図５（ａ）の状態が最大であり、図５（ｂ）の状態で少し減少し、図５（ｃ）の状態で更に減少し、図５（ｄ）の状態で最小になる。

図３に示したコイルユニット３０を使用する場合には、コイルの短絡によっていずれかの回転位置で出力がゼロになる可能性があるため、出力端子に現れる交流電圧の周波数が変動する可能性がある。しかし、図５に示したコイルユニット４０を使用する場合には、コイル領域Ｌ０１〜Ｌ０５の全体が短絡されることがないため、いずれの回転位置においても電圧を出力することができ、周波数の変動が生じない。したがって、コイルユニット４０を備えた発電装置は、外部に電力を供給することを目的とする発電機のみならず、鉄道車両の速度を検出するためのパルスを生成する速度発電機として利用する場合にも適している。

＜出力電圧特性の例＞
発電装置の出力電圧特性の例を図６に示す。すなわち、図６に示した各出力電圧特性は、図１および図２に示した構成の発電装置２０において、マイクロコンピュータ２２が図４の制御を実施しない場合と、実施した場合のそれぞれの実験結果を示している。

また、図６において横軸は運転速度［ｋｍ／ｈ］を表し、縦軸は電圧を表す。制御した場合の交流出力電圧特性（実効値）Ｃ１と、制御しない場合の交流出力電圧特性Ｃ２とが図６に示されている。

図４の制御を実施することにより、図６中の特性Ｃ１のように、運転速度の低い領域（Ｖ０〜Ｖ１等）において十分に高い電圧を確保でき、かつ、運転速度の高い領域（例えばＶ３以上）において電圧の上昇を抑制でき、運転速度に対する使用可能領域が広がることが分かる。これに対し、制御しない場合では、特性Ｃ２のように運転速度が高い領域では電圧が高くなりすぎるため、使用可能な運転速度の領域が非常に狭くなる。逆に、特性Ｃ２を、運転速度の高い領域における電圧の上昇を特性Ｃ１と同じ程度になるように設定すると、運転速度の低い領域において十分な電圧を確保できなくなる。

＜発電装置のハードウェア構成例＞
発電装置２０の具体化したハードウェア構成例を図７（ａ）および図７（ｂ）にそれぞれ示す。図７（ａ）はデジタル回路で制御系を構成する場合の例を示し、図７（ｂ）はアナログ回路で制御系を構成する場合の例を示している。

図７（ａ）に示した制御系は、回転検知部７１、マイクロコンピュータ７２、複数のコントローラ７３、および複数のスイッチデバイス７４を備えている。
回転検知部７１は、速度信号Ｓｖに相当する電圧を生成し、この電圧をマイクロコンピュータ７２のアナログ入力ポートに印加する。マイクロコンピュータ７２は、アナログ入力ポートに印加されたアナログ電圧をデジタル値に変換して現在の運転速度を把握する。そして、図４の制御と同様に、運転速度を閾値と比較した結果に応じて出力側の各コイルの状態を制御する。

マイクロコンピュータ７２の複数のデジタル出力ポートに複数のコントローラ７３がそれぞれ接続されている。また、図７（ａ）の例ではコントローラ７３の出力にスイッチデバイス７４としてリレーが接続されている。機械式のリレーを用いる場合には、切替の際に接点のチャタリングが発生するので、この影響を避けるために、各コントローラ７３において出力切替時にヒステリシスが生じるように制御する。

なお、スイッチデバイス７４にトライアックなどを採用する場合には、フォトカップラなどを用いて制御入力側の回路と出力側の回路とを電気的に絶縁し、低圧側の回路に高電圧が印加されるのを阻止することが想定される。

一方、図７（ｂ）に示した制御系は、信号変換回路７５、レベル変換回路７６、電圧レベルコンパレータ回路７７、複数のコンパレータ７８、および複数のスイッチデバイス７９を備えている。

信号変換回路７５は、速度信号Ｓｖに相当する速度に比例した電圧を生成する。レベル変換回路７６は、必要な制御特性に合わせた非線形（ノンリニア）の変換特性に従い、信号変換回路７５から入力される電圧のレベルを変換した信号を出力する。

電圧レベルコンパレータ回路７７は、レベル変換回路７６から入力される電圧を事前に定めた４種類の閾値電圧とそれぞれ個別に比較し、その比較結果を表す二値信号を４つのポートからそれぞれ出力する。

電圧レベルコンパレータ回路７７のそれぞれの出力ポートに接続されたコンパレータ７８は、電圧レベルコンパレータ回路７７が出力する二値信号に従い、出力側のスイッチデバイス７９のオンオフをそれぞれ制御する。スイッチデバイス７９における接点のチャタリングを影響を避けるために、各コンパレータ７８はヒステリシス特性を持つように構成される。

ここで、上述した本発明の実施形態に係る発電装置およびその制御方法の特徴をそれぞれ以下［１］〜［６］に簡潔に纏めて列記する。
［１］ 永久磁石とコイル（Ｗ相コイルＬ１〜Ｌ８、Ｖ相コイルＬ９〜Ｌ１６、Ｕ相コイルＬ１７〜Ｌ２４）を用いて発電する発電機を有する発電装置（２０）であって、
１極あたりの前記コイルを少なくとも２つ以上の領域（コイル領域Ｌａ、Ｌｂ）に分割することで形成されるコイルユニット（３０、４０）と、
前記コイルユニットの少なくとも一部分の領域を短絡可能なスイッチ部（スイッチデバイスＳＷ１〜ＳＷ１２）と、
前記発電機の運転速度（速度信号Ｓｖ）に合わせて前記スイッチ部の短絡および開放を制御し、前記発電機の出力電圧を調整する電圧調整部（マイクロコンピュータ２２）と、
を備えた発電装置。

［２］ 前記発電機は、少なくとも２極以上の極数を持つ交流発電機であり、
前記電圧調整部は、前記発電機の運転速度に合わせて前記スイッチ部の短絡および開放を制御する際に、それぞれの極において等しい電気角に当たる前記コイルユニットの領域（コイル領域Ｌａ）を前記スイッチ部（スイッチデバイス３３）を用いて制御する、
ことを特徴とする、上記［１］に記載の発電装置。

［３］ 複数の前記コイルユニットのうち、前記スイッチ部が短絡および開放を制御可能な第１コイルユニットは、互いに巻き数が異なる第１領域（コイル領域Ｌａ）および第２領域（コイル領域Ｌｂ）を含み、前記第１領域の巻き数が前記第２領域よりも大きく、前記第１領域および第２領域のうち前記第１領域のみを短絡可能な状態で前記スイッチ部が接続されている（図３参照）、
ことを特徴とする、上記［１］又は［２］に記載の発電装置。

［４］ 複数の前記コイルユニットのうち、前記スイッチ部が短絡および開放を制御可能な第１コイルユニットは、互いに電線断面積が異なる第１領域（コイル領域Ｌａ）および第２領域（コイル領域Ｌｂ）を含み、前記第１領域の電線断面積が前記第２領域よりも小さく、前記第１領域および第２領域のうち前記第１領域のみを短絡可能な状態で前記スイッチ部が接続されている（図３参照）、
ことを特徴とする、上記［１］乃至［３］のいずれかに記載の発電装置。

［５］ 前記コイルユニット（４０）は、同じ極の位置に配置された第１領域および第２領域を含み、前記第１領域（コイル領域Ｌ０２〜Ｌ０４）および第２領域（コイル領域Ｌ０１、Ｌ０５）のうち前記第１領域のみを短絡可能な状態で前記スイッチ部（スイッチデバイスＳＷ０１〜ＳＷ０３）が接続されている（図５参照）、
ことを特徴とする、上記［１］乃至［４］のいずれかに記載の発電装置。

［６］ 永久磁石とコイル（Ｗ相コイルＬ１〜Ｌ８、Ｖ相コイルＬ９〜Ｌ１６、Ｕ相コイルＬ１７〜Ｌ２４）を用いて発電する発電機を有し、
１極あたりの前記コイルを少なくとも２つ以上の領域（コイル領域Ｌａ、Ｌｂ）に分割することで形成されるコイルユニット（３０、４０）と、
前記コイルユニットの少なくとも一部分の領域を短絡可能なスイッチ部（スイッチデバイスＳＷ１〜ＳＷ１２）と、
前記スイッチ部の短絡および開放を制御する電圧調整部（マイクロコンピュータ２２）と、
を備えた発電装置の制御方法であって、
前記電圧調整部が、
前記発電機の運転速度（速度信号Ｓｖ）を取得し、
前記運転速度が所定の複数の速度領域のうちいずれに属するかに応じて、前記スイッチ部の短絡および開放を制御する、
ことを特徴とする発電装置の制御方法。

１１ 回転軸
１２ 円周
２０ 発電装置
２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ コントローラ
２２ マイクロコンピュータ
２３ｕ Ｕ相コイルの直列回路
２３ｖ Ｖ相コイルの直列回路
２３ｗ Ｗ相コイルの直列回路
３０，４０ コイルユニット
３１，３２ 端子
３３ スイッチデバイス
４１，４２ ユニット端子
４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ コイル間端子
７１ 回転検知部
７２ マイクロコンピュータ
７３ コントローラ
７４，７９ スイッチデバイス
７５ 信号変換回路
７６ レベル変換回路
７７ 電圧レベルコンパレータ回路
７８ コンパレータ
Ｓｖ 速度信号
ＴＵ Ｕ相出力端子
ＴＶ Ｖ相出力端子
ＴＷ Ｗ相出力端子
ＴＣ 中点端子
Ｌ１〜Ｌ８ Ｗ相コイル
Ｌ９〜Ｌ１６ Ｖ相コイル
Ｌ１７〜Ｌ２４ Ｕ相コイル
ＳＷ１〜ＳＷ１２ スイッチデバイス
Ｌａ，Ｌｂ コイル領域
Ｌ０１，Ｌ０２，Ｌ０３，Ｌ０４，Ｌ０５ コイル領域
ＳＷ０１，ＳＷ０２，ＳＷ０３ スイッチデバイス

Claims (6)

1. 永久磁石とコイルを用いて発電する発電機を有する発電装置であって、
   １極あたりの前記コイルを少なくとも２つ以上の領域に分割することで形成されるコイルユニットと、
   前記コイルユニットの少なくとも一部分の領域を短絡可能なスイッチ部と、
   前記発電機の運転速度に合わせて前記スイッチ部の短絡および開放を制御し、前記発電機の出力電圧を調整する電圧調整部と、
   を備えた発電装置。
2. 前記発電機は、少なくとも２極以上の極数を持つ交流発電機であり、
   前記電圧調整部は、前記発電機の運転速度に合わせて前記スイッチ部の短絡および開放を制御する際に、それぞれの極において等しい電気角に当たる前記コイルユニットの領域を前記スイッチ部を用いて制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 複数の前記コイルユニットのうち、前記スイッチ部が短絡および開放を制御可能な第１コイルユニットは、互いに巻き数が異なる第１領域および第２領域を含み、前記第１領域の巻き数が前記第２領域よりも大きく、前記第１領域および第２領域のうち前記第１領域のみを短絡可能な状態で前記スイッチ部が接続されている、
   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。
4. 複数の前記コイルユニットのうち、前記スイッチ部が短絡および開放を制御可能な第１コイルユニットは、互いに電線断面積が異なる第１領域および第２領域を含み、前記第１領域の電線断面積が前記第２領域よりも小さく、前記第１領域および第２領域のうち前記第１領域のみを短絡可能な状態で前記スイッチ部が接続されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発電装置。
5. 前記コイルユニットは、同じ極の位置に配置された第１領域および第２領域を含み、前記第１領域および第２領域のうち前記第１領域のみを短絡可能な状態で前記スイッチ部が接続されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発電装置。
6. 永久磁石とコイルを用いて発電する発電機を有し、
   １極あたりの前記コイルを少なくとも２つ以上の領域に分割することで形成されるコイルユニットと、
   前記コイルユニットの少なくとも一部分の領域を短絡可能なスイッチ部と、
   前記スイッチ部の短絡および開放を制御する電圧調整部と、
   を備えた発電装置の制御方法であって、
   前記電圧調整部が、
   前記発電機の運転速度を取得し、
   前記運転速度が所定の複数の速度領域のうちいずれに属するかに応じて、前記スイッチ部の短絡および開放を制御する、
   ことを特徴とする発電装置の制御方法。

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