JP2022505805A - 磁気作用を調整することができる装置、これを採用した発電機装置及びそのための部品 - Google Patents

Abstract

本発明は、原動力の変動又は負荷の変動に対して発電機で自体的に回転子と電機子間の相互磁気作用の大きさが調整できるようにすることにより、誘導起電力の大きさが調節されて原動力の変動と電気負荷の変動分を電圧の可変で補償し、発電機で一定の周波数の電気が誘導されるようにするだけでなく、原動機又は負荷機器が安定化されるようにする発電機及びそれに最適化された部品を提供することを目的とする。このために、本発明は、発電機の回転子と電機子が凸凹構造の互いに対応する鉄片構造を備えており、電機子が発電機の回転数又は出力電圧又は周波数の変化に対応して軸方向に移動して凹凸構造の相互対応長さを可変的に調整することにより、誘導起電極の大きさを調節することができるように構成されている。
【選択図】図２２

Description

本発明は、磁気作用を調整することができる装置、及びこれを採用した発電機に関し、より詳細には、発電機軸に供給される原動力の変動と発電機から誘導される電気の負荷変動に対応して発電機の回転子と電機子との間の磁気作用を調節して、そのような変動を電圧の可変で補償し、周波数は一定の電気を誘導することができるようにする発電機及びそのための部品の提供に関する。

発電機は、機械エネルギー及び熱エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であって、一般的に、原動機から回転力の伝達を受ける発電機軸と、装置を設置及び保護するための発電機ケースと、発電機軸を中心として設置され、磁場を発生するための永久磁石又は界磁巻線からなる回転子と、界磁巻線に電気を供給するための励磁気と、回転子の磁石から発生する磁場に磁化され、これを鎖交する巻線からなる電機子と、発電機軸を回転可能に支持するベアリングと、ベアリングに潤滑油を供給する給油装置と、発電機から発生する熱を除去するための換気及び冷却装置等と、を含んでなる。

発電機は、機械的回転エネルギーの伝達を受ける軸と、軸の回転に連動して一極性、無極性（スロット部分）及び他極性が円周外面に区画された回転子が回転することにより、回転子の円周外面を空隙を置いて円周内面で囲む電機子に交互磁気作用が行われ、電磁気相互作用で電機子磁気鉄心に交互磁束は電機子磁気鉄心に埋設された巻線で電子波動を起こし、その波動が交互に巻線から誘導されて回転子の交番周期が交流電気の周波数及び電圧を決定する。

機械エネルギーを発生させる原動力の変動と電気負荷の変動は、発電機の運転に直接影響を及ぼし、１次的に、発電機の運転速度と出力は、発電機に原動力を提供する原動機の運転にかかっている。また、発電機から生産される電気を使用する負荷の変動も、発電機の運転に直接影響を及ぼす。

電磁気学理論によると、回転する導体に電流が流れると、当然ローレンツ力（Ｌｏｒｅｎｔｚ ｆｏｒｃｅ）が発生し、これは、回転する逆方向に作用する。よって、高い周波数と電圧の電気を誘導するために発電機の回転子を高速で回転させるほど、それに比例して発電機の回転を妨害するローレンツ力も大きくなる。

そのため、原動力の変化に応じて、発電機の出力が増減し、発電機から生産される電気を使用する負荷の変動に応じて、発電機の運転を妨害するローレンツ力が比例して増減する。つまり、発電機に供給される駆動力の大きさが変わると、それに比例して発電機の回転を妨害するローレンツ力も相対的に大きく或いは小さくなる。ローレンツ力の増減と発電機から誘導される電力の大きさとは互いに相対的であり、原動力の大きさ、負荷、ローレンツ力、及び発電機軸の回転速度の変化は相互密接に関連している。

それで、発電機からより多くの電気を誘導するためには、発電機軸の回転を妨害するローレンツ力を相殺させることができる、さらに大きい機械エネルギーが原動機から発電機に供給されなければならない。

したがって、発電機に供給される原動力の回転速度が変わるか、或いは発電機から生産される電気を使用する負荷の大きさが変わると、発電機の回転子周波数と電機子周波数が変わって回転子と電機子との間の磁気作用が不安定に行われることにより、発電機から不安定な電圧と周波数の電気が誘導されるという問題がある。特に原動力として変化の激しい風力エネルギーを使用する場合、風速が弱いときには、回転子に取り付けられた永久磁石が固定子のコアを強く吸引してブレーキ現象により回転子が全く回転しないか或いは微弱に回転するので、一定風速以下の弱い風、すなわち発電のために提供される原動力の大きさが所定以上に小さくなると、電力生産が完全に中断されるという問題点があった。

このため、電力系統や需要先に安定的な電気を供給するためには、不規則な周波数と不安定な電圧は周波数変換装置と変電圧器を介して定格周波数及び定格電圧の電流に加工されなければならない。特に電圧を調整することは容易であるが、周波数変換過程は、設備費用が高く、複雑であるうえ、整流過程でエネルギーが大きく浪費されるという問題がある。

かかる点を考慮して、韓国登録特許第１０－１１３６８１７号では、移動式回転子が備えられた永久磁石発電機を提案している。

前記従来技術は、回転子軸の回転力に応じて回転子が軸方向に移動しながら回転子の永久磁石と電機子コアの対向する平行面が可変するように構成することで、回転力の減少時には、永久磁石と電機子コアの一部分のみが対向するように回転子を移動させて回転子永久磁石の吸引力によるブレーキ作用を最小限に抑えることができるように調整することにより、一定の回転力以下の外力でも回転子を回転させて発電することができるので、発電効率が向上するという利点を持っている。

しかし、前記従来技術は、構造の面で多くの欠点を持っているので、磁気作用を最大から最小までに調節するための回転子の移動距離を考慮すると（磁気作用の最小条件は、回転子と電機子コアが互いにほぼずれて端の部分で一部のみ対応する状態）、発電機の長さがほぼ二倍以上長くなければならないので、装置の肥大化という問題があり、また、軸に固定されたまま回転しなければならない回転子を軸方向にスライド移動できるように構成すること、及び軸にスプラインキー構造を採用して回転子を移動させることは、不合理的であるうえ、維持管理が困難になるおそれがあり、特に重量偏重による振動と摩擦を生じる余地が多く、また、回転子を移動させる手段として空気圧シリンダーを使用するため、回転する回転子を側方に精密かつ正確な位置へ移動させるのに困難さがある。

さらに、回転する回転子には遠心力が作用するだけでなく、電機子との相互引力が作用するので、回転子の側方への移動は望ましくなく、スプラインに潤滑油を供給する問題、及び供給された潤滑油が電機子を汚染させるうえ、火災を起こすおそれがあり、空隙の間に異物が入り込むので発熱による発火と磁気作用において効率性に劣るという問題が発生する余地がある。

また、大容量の発電機に適用し難く、しかも高速で回転している状態の回転子を移動させることは、技術的に難しく、騒音・振動の誘発により装置の使用寿命を著しく減少させるので、高速回転子型発電機への適用はさらに難しいという問題がある。

韓国登録特許第１０－１１３６８１７号公報

そこで、本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、その目的は、原動力の変動又は負荷の変動に対して発電機で自体的に回転子と電機子間の相互磁気作用の大きさが調整できるようにすることにより、誘導起電力の大きさが調節されて原動力の変動と電気負荷の変動分を電圧の可変で補償し、発電機で一定の周波数の電気が誘導されるようにするだけでなく、原動機又は負荷機器が安定化されるようにする発電機及びそれに最適化された部品を提供することにある。

したがって、本発明の発電機は、原動機の運転を制御する効率の良い調速機と生産的な制動装置などの機能を行うだけでなく、電気負荷の増減によるコンセントリアクタンスに対しても適切に措置することができるようにする効用性を持つ。

本発明の他の目的は、コンパクトなサイズを有し、エネルギー変換性と省エネルギー効率性が高く、管理が容易であり、電力需給体系の安定的な保護に寄与する発電機及びその部品を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の請求項１の発明によれば、発電機の回転子に使用する磁気鉄片において、前記回転子用磁気鉄片は、Ｕ字型断面のボディをもって長さ方向に延びており、互いに対向する両側壁の上端が四角形の凹凸形状をしており、前記凹凸形状のうち、凸部が回転子磁極部を形成し、前記凹部は回転子非磁極部を形成することで、回転子磁極部と回転子非磁極部が交互に繰り返し形成されたことを特徴とする。

本発明の請求項２の発明によれば、磁気鉄片のＵ字型内部に凹状に設けられる第１スロットには第１永久磁石を挿入するが、前記回転子磁極部及び回転子非磁極部には、それぞれその高さに相当する大きさの第１永久磁石を収容するように設置し、前記第１永久磁石のＮ極、Ｓ極が磁気鉄片の両側の内壁面にそれぞれ接して発現されるように配列し、且つすべての極性が同じ方向を向くように配置される。

本発明の請求項３の発明によれば、凸部である回転子磁極部の上端には、鉄片の壁厚さよりもさらに突出する顎を有する磁極集中部（ヘッド部）を備え、前記回転子磁極部に配置される第１永久磁石は、前記磁極集中部の顎にかかって支持されるように設置される。

本発明の請求項４の発明によれば、発電機軸に取り付けられる回転子において、発電機軸と共に回転するように前記発電機軸に固設される回転子フレームと、前記回転子フレームの円周にわたって一定の間隔を置いて形成され、軸方向に延びる複数の第１凹溝と、前記第１凹溝にＵ字型ボディの下端一部が挿入収容されて固定装着される、請求項２に定義されているのと同様の回転子用磁気鉄片とを含み、前記回転子用磁気鉄片同士の間の間隔は、第２スロットを形成し、前記第２スロットに第１永久磁石と同じ大きさと方式で第２永久磁石を挿入するが、前記第２永久磁石は、前記回転子用磁気鉄片の壁面を挟んで前記第１永久磁石の極性と同じ極性を有するように配置されたことを特徴とする。

本発明の請求項５の発明によれば、回転子フレームは、分割された複数の単位分割ボディの組立体で形成され、前記組立体の両側面に保護蓋板がボルト締めされる。

本発明の請求項６の発明によれば、分割された複数の単位分割ボディは、互いの密着面にそれぞれ雌雄で対応する円形又は多角形形状の凹凸結合部を介して結合される。

本発明の請求項７の発明によれば、発電機の電機子に使用する磁気鉄片において、前記電機子用磁気鉄片は、Ｕ字型断面のボディをもって長さ方向に延びており、互いに対向する両側壁の上端が四角形の凹凸形状をしており、前記凹凸形状のうち、凸部が電機子磁極部を形成し、前記凹部は電機子非磁極部を形成することで、電機子磁極部と電機子非磁極部が交互に繰り返し形成され、前記Ｕ字型断面を形成する両側壁にそれぞれボビンを挟んだ後、そのボビンにコイルを巻いて電機子巻線を形成したことを特徴とする。

本発明の請求項８の発明によれば、発電機軸に取り付けられる回転子の外周を囲むように空隙を置いて設置される電機子において、非磁性体の中空の円筒状に製作され、回転子の円周外面を囲むように設置される電機子フレームと、前記電機子フレームの円筒内面に円周にわたって一定の間隔を置いて形成され、軸方向に延びる複数の第２凹溝と、前記第２凹溝にＵ字型ボディの下端一部が挿入収容されて固定装着される、請求項７に定義されているのと同様の電機子用磁気鉄片を含むことを特徴とする。

本発明の請求項９の発明によれば、電機子フレームは、単一の円筒体又は複数の分割されたリング状ボディの組立体で形成し、電機子フレームの円周外面に軸方向に所定の位相角を持つように複数箇所にＬＭガイドレールを設置し、前記ＬＭガイドレールは、発電機ケースの内面に設けられたＬＭガイドベアリングの案内に従って軸方向への直線移動をガイドするとともに、電機子フレームの円周方向への回転を遮断し、また、前記ＬＭガイドレールは、複数の分割されたリング状ボディの固定結束手段として使用される。

本発明の請求項１０の発明によれば、電機子用磁気鉄片の電機子巻線同士の間の空間は絶縁処理されることを特徴とする。

本発明の請求項１１の発明によれば、電機子フレーム円筒の開放された両側は、側面フレーム部材がボルトによって締結装着され、前記側面フレーム部材の中心には、発電機軸をベアリング支持するためのスリーブが備えられており、前記スリーブが前記発電機軸に沿って所定の距離範囲内で滑り移動できるように構成される。

本発明の請求項１２の発明によれば、動力源の回転軸にクラッチ接続される発電機軸と、前記発電機軸に一緒に回転可能に装着される、請求項４～６のいずれか一項に定義されているのと同様の発電機用回転子と、前記発電機用回転子の外周を囲むように所定の空隙を置いて同心に設置され、発電機軸方向に所定の間隔の範囲内で移動が許容されるように設置され、前記回転子の凹凸と対応する同一長さの凹凸を持つ、請求項８～１０のいずれか一項に定義されているのと同様の発電機用電機子と、前記発電機用電機子の外周を囲んで保護する発電機ケースと、軸方向に伸縮可能な機構を介して前記回転子を移動させるリニアモーターと、前記発電機軸の回転数を検出する速度センサー又は発電機の出力電圧と周波数を測定する電力測定器と、前記速度センサー又は前記電力測定器から検出された情報に基づいて前記リニアモーターを駆動制御する制御部と、を含んでなり、前記制御部は、発電機の駆動初期又は原動機駆動速度の低下時には、前記電機子の磁極端と前記回転子の磁極端との相互対応長さが小さくなる第１位置方向側へ前記電機子の位置が移動するように前記リニアモーターを制御し、逆に原動機の駆動速度の増加時には、前記電機子の磁極端と前記回転子の磁極端との相互対応長さが長くなる第３位置方向側へ前記電機子の位置が移動するように前記リニアモーターを制御することを特徴とする。

本発明の請求項１３の発明によれば、電機子の電機子フレーム円筒の開放された両側は、側面フレーム部材がボルトによって締結装着され、前記側面フレーム部材の中心には、発電機軸をベアリング支持するためのスリーブ（ベアリングハウジング）が備えられており、前記スリーブが前記発電機軸に沿って所定の距離範囲内で滑り移動できるように構成される。

本発明の請求項１４の発明によれば、電機子の軸方向の移動距離は、前記電機子用磁気鉄片の凸部の幅又は凹部の幅に相当することを特徴とする。

本発明の請求項１５の発明によれば、制御部は、前記速度センサーによって検出した回転数情報又は電気測定器によって検出した発電機の出力電圧及び周波数情報に基づいて前記電機子の軸方向移動を制御する。

本発明の請求項１６の発明によれば、回転子磁気鉄片の凸部である回転子磁極部の上端には、鉄片の壁厚さよりもさらに突出する顎を有する磁極集中部（ヘッド部）を備え、前記回転子磁極部に接して第１スロットと第２スロットにそれぞれ配置される第１永久磁石及び第２永久磁石は、前記磁極集中部の顎にかかって支持されるように設置される。

本発明の請求項１７の発明によれば、電機子及び回転子は、非磁極部を形成する凹部の長さが、磁極部を形成する凸部の長さよりも長く形成されることを特徴とする。

本発明の請求項１８の発明によれば、発電機を駆動する動力源は、風力エネルギー、水力エネルギー、火力エネルギー、エンジンの駆動力、蒸気エネルギーであることを特徴とする。

本発明の請求項１９の発明によれば、回転子磁気鉄片の第１スロットに埋設される第１永久磁石は、凸部区間には縦に、凹部区間には横にして設置し、両側の壁部材を形成する磁気鉄心の上部に形成された四角凹凸構造の凸部と凹部に合致するようにするが、同じ極が磁気鉄心を向くように連接させて金属接着剤で密着されるように固定する。

本発明の請求項２０の発明によれば、エンドシールドのベアリングハウジングに備えられた中心ガイドを多角形に形成し、電機子の両側終端に設置された側面フレームの中心に多角形のスリーブ又はリニアベアリングを設置して電機子が直線往復移動できるように支持することを特徴とする。

本発明の請求項２１の発明によれば、ＬＭガイドレールが装着される電機子フレームの凹溝が軸方向の排気通路を形成する。

本発明の請求項２２の発明によれば、複数のＬＭガイドレール同士の間に、電機子フレームの外表面に軸方向に延びる排気通路が設けられることを特徴とする。

本発明の発電機は、磁気作用を調整するための装置を採用しており、原動機出力の変動と電気負荷の変動が磁気作用の調整を介して電圧の増減で補償され、規定周波数の電気を誘導することができ、これにより、励磁システムのない誘導発電機で規定周波数の電気を誘導することができ、原動機を制御する制動装置と原動機の運転を効率よく管理する調速機のような役割を発電機が果たすことができ、併せて電気負荷の変動に効果的に対処する役割を果たすことができる。したがって、エネルギー変換効率性が高く、原動機と電気系統のエネルギー効率が高く且つ省エネルギーが良い発電機が提供され、具体的には、次の作用効果が期待される。

◎回転子と電機子が凹凸構造で互いに対応しており、電機子を２ｃｍ～３ｃｍ程度の範囲内で小さく最小限に移動させて相互対応長さを調整するだけで、電機子に印加される磁束の強さを最小から最大まで広く調整することができる。よって、本発明の磁気作用を調整する装置が採用された発電機は、原動力の容量可変と電気負荷の可変に対して最小から最大まで調整することができるので、汎用性と経済性が高く、特に発電機をコンパクトに構成することができる。

◎コントロールパネルで周波数を簡単に再設定すると、それに応じて原動機及び発電機の駆動が制御されるので、消費者が使用に適した周波数の電気を安定的に誘導することができる。

◎磁気鉄心の凹凸構造により回転子と電機子との間に自然な空気循環通路が設けられて冷却効果が良く、そのため、熱による変換効率の低下を防ぐことができ、特に回転子と電機子間の磁気作用が最大となる場合、回転子と電機子に発生する引力が最大になって発熱も最大になるが、回転子の凹部と電機子の凹部とが互いに対応する部分で大きな環状の空隙が形成されるので、空気循環通路が確保されて冷却効果に優れる。

◎原動機の初動運転又は低速運転の際に、電機子と回転子との間に発生する強い引力を減らすように発電機が磁気作用範囲を調整して逆起電力が最小限に抑えられることにより、原動機が正常運転に迅速に進入することができ、逆に原動機が過渡運転状態に進入するときは、磁気作用範囲を調整して誘導起電力を高めることにより、これに比例する逆起電力が原動機に伝達されて原動機の過速運転が鎮静でき、これにより、原動機の過速運転を制御する別途の制動装置や調速機の省略が可能であって、発電機製作費用の低減及びエネルギー浪費などの非生産的な問題を解決することができる。

◎原動機が停止運転に進入するとき、低い速度の機械回転エネルギーにより、周波数が不良な品質の電気が誘導されないように発電機軸の回転速度を一定に保つように負荷を調整することにより、原動機の運転に消費される動力源を節減するという効果がある。

◎従来の火力発電所、原子力発電所、小水力発電設備、風力発電機、太陽光発電施設などのすべての発電施設と送／変電設備、エネルギー貯蔵再生施設に本発明が設置されることにより、エネルギーの生産性及び変換効率性が高く、エネルギー損失を大幅に下げることができる。

◎発電機軸の回転速度が微細に変動しても、直ちに磁気作用が精密に調整されるので、発電機軸の回転速度の変動が殆ど起こらなくなり、リアクタンスの増減により、電圧の変動は起こるが、規定された周波数の電気を持続的かつ安定的に生産維持することができる。

◎電機子の移動区間が非常に短いため、小型リニアサーボモーターに高減速ギアを採用することにより、電機子の移動が迅速かつ円滑に行われることができる。

◎送変電所に周波数と電圧を調整するために設置される、複雑でエネルギー効率性が低く、コストが高く、メンテナンスが困難な整流施設を、本発明の磁気作用を調整する装置が採用された発電機が代替することができるので、高いエネルギー効率性と安全性が保障できる。

◎本発明は、電子回路を用いて、出力負荷に適した速度可変の機械回転エネルギーを生産することができるので、自動車、船舶などの輸送機器や産業用機器に使用される機械的トランスミッションを簡明で効率性の高い本発明の電動機に置き換えることができ、その他のエアコン、冷蔵庫、電気温風器、電気ヒーターなど、本発明の磁気作用を調整する装置を電動機に採用することにより、高いエネルギー効率と省エネルギー効果を持つことができる。

本発明による発電機を示す斜視図である。

本発明による発電機を示す正断面図である。

本発明による発電機の正断面を斜視図の形で示す図である。

本発明による発電機のＡ－Ａ線に沿った断面図である。

本発明による発電機用回転子の一部部品の分解斜視図である。

本発明による発電機用回転子組立体を一部切開して示す斜視図である。

（ａ）は本発明による回転子フレームの単位分割ボディであり、（ｂ）は本発明による単位分割ボディを組み立てて形成した回転子フレームを示す図である。

本発明による四角凹凸構造を有するＵ字型電機子磁気鉄片を示す図である。

回転子用磁気鉄片に永久磁石を埋設する詳細概念図であり、（ａ）は回転子磁極端部位を断面して示すものであり、（ｂ）は回転子非磁極端部位を断面して示す図である。

本発明による回転子の非磁極端部位を断面して示す側断面図である。

本発明によって組立製作が完成された回転子の組立体を発電機軸上に設置して発電機ケース内に収容した状態を示す図である。

本発明による電機子の外部形状を示す斜視図である。

本発明による電機子の外部形状を示す正面図である。

本発明による電機子を構成する電機子フレームを示す斜視図である。

本発明による電機子を構成する電機子フレームを示す側面図である。

本発明による電機子の正断面斜視図である。

本発明の電機子用磁気鉄片の斜視図である。

本発明の電機子用磁気鉄片にボビンを取り付け、ボビンの外周にコイルを巻いて完成した電機子用磁気鉄片を示す図である。

（ａ）、（ｂ）は本発明の電機子フレームの内面に電機子用磁気鉄片を設置する過程を示す図である。

本発明の電機子フレームの内面に電機子用磁気鉄片を設置完了した状態を示す電機子の断面斜視図であって、一側の側面フレームを除去し、内部構造を示す図である。

本発明の発電システム及び制御ブロック図である。

（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の発電機の作動過程を説明する図であって、（ａ）は電機子が第１位置（最小負荷位置）にある図、（ｂ）は電機子が第２位置（設計負荷位置）にある図、（ｃ）は電機子が第３位置（最大負荷位置）にある図である。

発電機の運転状態に応じた回転子磁極端と電機子磁極端の相互対応関係を示す概念図であって、（ａ）は最低負荷（無負荷）運転時、（ｂ）は中間負荷運転時、（ｃ）は最大負荷運転時の回転子磁極部２５と電機子磁極部４３ａの対応関係を示す。

以下、本発明の構成について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明による発電機を示す斜視図であり、図２は本発明の発電機を示す正断面図であり、図３は本発明の発電機の正断面を斜視図の形で示す図であり、図４は本発明の発電機のＡ－Ａ線に沿った断面図である。

本発明の発電機１０は、部品を装着及び保護するための中空の円筒状である発電機ケース１１を備えており、前記発電機ケース１１は、外部側面に冷却のためのシワが形成され、ケース１１の一部を形成するようにその両側を覆って保護する蓋１１ａ、１１ｂがボルトなどの締結手段によってケース本体に締結されている。

前記ケース１１の内部に回転子１２と電機子１３が設置され、前記回転子１２の中心には、発電機軸１４を備えており、この回転子１２は、前記発電機軸１４に対してキーで結合され、発電機軸１４によって回転するようになっており、蓋１１ａを貫通して外部に延びた発電機軸１４は、動力源である原動機１５の軸１５ａにクラッチ１５ｂを介在して連結されており、原動機１５の回転駆動力を軸１５ａと発電機軸１４を介して受け取って電気エネルギーに変換するようになっている。

前記発電機軸１４は、内部にベアリング１６、１６ａを備えたベアリングハウジング１７、１７ａによって回転可能に支持されており、前記ベアリングハウジング１７ａを保護する蓋１１ａ、１１ｂは、前記発電機ケース１１の開口した一側に対してボルトで係合され、前記発電機ケース１１の円周内面には、前記回転子１２の外周を囲むように電機子１３を設置するが、前記発電機ケース１１は、内部に設置された電機子１３が軸方向に所定距離Ｌ１の範囲内で直線往復移動できるように所定の余裕空間１８（電機子の移動許容空間Ｌ１）を有する大きさに形成されている。

前記発電機ケース１１の円周内面と前記電機子１３の外周面には、前記電機子１３の軸方向の移動をガイドするための直線運動ベアリング、すなわちＬＭガイド機構１９（１９ａ、１９ｂ）が発電機軸１４と平行する方向に複数列形成されており、前記電機子１３が発電機ケース１１内の所定の余裕空間１８（Ｌ１）の範囲内で軸方向に沿ってスムーズに往復直線移動を行うことを前記ＬＭガイド機構１９が助けることになり、これにより、前記電機子１３は、円周方向への回転に対しては固定され、軸方向には所定の余裕空間１８（Ｌ１）の範囲内での移動が許容されて前記回転子１２との相対的位置が変化することができるように構成されている。

複雑さを避けるために図面に示してはいないが、前記ベアリング１６の潤滑と冷却のために、前記蓋１１ａ、１１ｂの一側に給油装置が備えられており、前記発電機ケース１１の一側に冷却のために内部温度の上昇時に加熱された空気を外部へ排出するための排気口が形成され、前記発電機ケース１１の下端部に支持部材２０を設置するが、前記支持部材２０としては、防振と水平を調整することができるようになるべくレベラーで形成することが望ましい。また、選択的に、前記発電機ケース１１の外部である、前記カップリング１５ｂとの間に、前記回転子１２に慣性力を付与するためのフライホイールと、フライホイールに接して発電機からの発散熱を冷却させるためのファンとを装着することができる。

図５乃至図７は本発明の回転子構造及び回転子フレームを示す図であって、回転子１２は、前記発電機軸１４に固定装着される回転子フレーム２１を備えている。前記回転子フレーム２１は、非磁性体で形成され、単一ボディに形成することもできるが、図７（ａ）に示すように、複数の単位分割ボディ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、…、２１ｒ（全体を指し示す代表符号として２１を使用することにする）に分割形成して発電機軸１４に嵌めて組み立てる。回転子フレーム２１の両側面は、保護蓋板２２を重ね当ててボルトを用いて固定させるが、回転子フレーム２１は、発電機軸１４に確固に固定して回転方向にスリップを起こさず、全体が一緒に回転するように構成されている。このために、回転子フレーム２１の単位分割ボディ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、…、２１ｒは、それぞれ発電機軸１４にキー結合されるか、或いは位置決めの精度を保障するために、互いの密着面に対応する雌雄形状の凹凸結合部５６を設けている。前記凹凸結合部５６は、図６及び図７に示すように、円形突出部と円形凹溝との結合形態も可能であるが、好ましくは、多角形状の凹凸結合を介して相対的なスリップを防止するように結合させた後、両側端部に保護蓋板２２を装着してボルト締めすると、組立体全体が一体に発電機軸上に固定されてスリップなく一緒に回転する。

図１０は回転子の形状を示す側断面図であって、回転子１２を形成する回転子フレーム２１の円周外面には、回転子用磁気鉄片２３を設置するために軸と平行する方向に、一定の間隔ｔ１を置いて円周にわたって略半円溝の形状を有する複数の第１溝２４が陰刻されるように形成されている。前記第１凹溝２４内には、前記磁気鉄片２３のＵ字型ボディの下端一部が収容されてボルト（図示せず）によって回転子フレーム２１に固定され、回転子用磁気鉄片２３の上端部は、第１凹溝２４の表面から放射状方向に突出することにより、互いに隣接する磁気鉄片２３同士の間には所定の間隔ｔ１が維持されている。

図８は本発明に係る回転子用磁気鉄片を示す図であり、前記回転子フレーム２１の複数の第１溝２４内に設置される鋼鉄素材の回転子用磁気鉄片２３は、側断面形状がＵ字型であり、その中央の凹んだ部分が第１スロット２７を形成している。前記回転子用磁気鉄片２３は、長さ方向に沿って第１スロット２７の両側に位置する凸部である回転子磁極部２５によって、まるで馬蹄磁石のような断面形状を有しており、前記回転子磁極部２５の上端には、まるで矢じり状に壁面の両側に顎が突出するように設けられた磁極集中部（ヘッド部）２８が備えられている。

このように、前記発電機軸に対して垂直する半径方向に延びている前記回転子磁気鉄片２３の第１スロット２７の両側上端に、四角凹凸構造の形状に、凸部である回転子磁極部２５と凹部である回転子非磁極部２６が軸方向に沿って交互に繰り返し形成されており、前記回転子非磁極部２６は、鉄片の上部を所定の間隔を置いてプレスパンチングによって材料を抜き取って除去することにより形成する。回転子用磁気鉄片２３の中央の第１スロット２７には、図５に示す第１永久磁石２９が埋設され、回転子フレーム２１の第１溝２４内に配列された回転子用磁気鉄片２３の隣り合っている間に形成された空間部である第２スロット３０には、第２永久磁石３１（３１ａ、３１ｂ）が埋設されている。ここで、凹部の長さ（幅）を凸部の長さ（幅）よりも長く形成すると、磁気作用が最大から最小まで実行できるようにするのにさらに有利である。

図９は回転子用磁気鉄片に永久磁石を埋設する詳細概念図であって、（ａ）は回転子磁極端部位を示す断面図であり、（ｂ）は回転子非磁極端部位を示す断面図である。

回転子用磁気鉄片２３の第１スロット２７に埋設される略直方体に近い形状（しかし、磁石の形状、大きさ及び高さは、第１スロットの内部面の形状に依存するように製作される）の第１永久磁石２９（以下、凸部である回転子磁極部に設置した磁石は符号２９ａ、凹部である回転子非磁極部に設置した磁石は符号２９ｂで区分し、磁石全体を指し示す代表符号としては２９を使用することにする）は、同じ極が同じ方向を向くように配置する。例えば、前記凸部である回転子磁極部２５には、ヘッド部２８までの高さに合わせて第１永久磁石２９ａを設置し、前記凹部である回転子非磁極部２６には、その壁面２６ａ、２６ｂの上端高さに合わせて第１永久磁石２９ｂを設置して前記回転子磁気鉄片２３の内側面と密接に埋設されるようにするが、図示のごとく、すべての第１永久磁石２９ａ、２９ｂが磁気鉄片２３の一側壁面２５ａ、２６ａにＮ極を向くように配置すると、それに対向する他側壁面２５ｂ、２６ｂはＳ極となるように配列させる。

一方、円周方向に互いに所定の間隔ｔ１を置いて連設することにより、隣り合っている回転子用磁気鉄片２３同士の間に設けられた前記第２スロット３０には、前記第１永久磁石２９と同じ形状、大きさ及び配列方法によって第２永久磁石３１（以下、第２スロットに凸部である回転子磁極部に接して高く立設した磁石は符号３１ａ、凹部である回転子非磁極部に接して低く横にして設置した磁石は符号３１ｂで区分し、磁石全体を指し示す代表符号としては３１を使用することとし、大きさや形状は、第２スロットの形状に依存する）を埋設する。前記第１スロット２７に埋設された前記第１永久磁石２９と、前記前記第２スロット３０に埋設される第２永久磁石３１は、前記回転子磁気鉄片２３の壁面を挟んで互いに同じ極性、例えば磁気鉄片の一側壁面２５ｂ、２６ｂに接した第１永久磁石２９（２９ａ、２９ｂ）の極性がＳ極であれば、その一側壁面２５ｂ、２６ｂに接する第２永久磁石３１（３１ａ、３１ｂ）の極性はＳ極、もしＮ極であればＮ極が接して対応するように配置している。前記第１永久磁石２９は、前記回転子磁極部２５には縦に設置し、前記第２永久磁石３１は、前記回転子非磁極部２６に横に設置した後、金属接着剤を用いて堅固に密着固定させる。また、第１スロットと第２スロットにそれぞれ第１永久磁石と第２永久磁石を埋設固定した後、酸化と湿気や異物の接触を防止し、摩擦及び発熱による損失を防止するために非導電性で耐食性と耐摩耗性を持つ金属又は合成樹脂材物質でコーティング処理することが好ましい。

このような方法で永久磁石を配列設置すれば、Ｎ極とＮ極の同じ極性同士が接した鉄片の壁面の上端部、特に集中力を高める機能のあるヘッド部２８ａを介して強力なＳ極性の磁場が集中して噴出され、Ｓ極とＳ極の同じ極性同士が接した鉄片の壁面上端部、特に集中力を高める機能のあるヘッド部２８ｂを介してＮ極性の強力な磁場が集中噴出され、従来の単一極性のみが噴出される場合と比較して、それぞれのヘッド部２８ａ、２８ｂを介して略２倍に大きい磁場が噴出される。これにより、回転子磁気鉄片２３と第１及び第２永久磁石２９、３１の配列構造上、Ｓ極とＮ極の両方をすべて使用可能であって磁石活用度が高く、構造上、別途遮蔽構造を必要としなくてもよいので、回転子１２のボリュームを大幅に減らすことができる。

これにより、前記回転子磁気鉄片２３、第１スロット２７、第２スロット３０及び永久磁石２９、３１が回転子ヨークを形成するが、凸部である複数の回転子磁極部２５の円周方向のリング状集合体は、回転子磁極端３２を形成し、凹部である回転子非磁極部２６の円周方向のリング状集合体は、回転子非磁極端３３を形成することになり、回転子磁極端３２と回転子非磁極端３３が軸方向に沿って外径の異なるリング状に交互に現れる。ところが、ここで永久磁石ではなく、電磁石回転子を採用する場合、凸部である複数の回転子磁極部２５に界磁巻線を巻いて形成することもできる。

図１１は本発明によって組立製作された回転子１２の組立体を発電機軸１４上に設置して発電機ケース１１内に収容した状態を示す図であって、発電機軸１４は、ベアリング１６、１６ａの構造物によって回転可能に支持されており、この回転子１２の外周には、追って説明される電機子１３が空隙を置いて囲む形で発電機ケース１１内に組み込まれる。

図１２は本発明による電機子の外部形状を示す斜視図であり、図１３は本発明による電機子の外部形状を示す正面図であり、図１４は本発明による電機子を構成する電機子フレームを示す斜視図であり、図１５は本発明による電機子を構成する電機子フレームを示す側面図である。図１６は本発明による電機子の正断面斜視図である。

電機子フレーム３４は、非磁性体で中空の円筒状に製作され、前記発電機ケース１１の円周内面に収容されて前記回転子１２の円周外面を囲むように設置される。電機子フレーム３４は、中空の単一円筒ボディに形成することができるが、好ましくは、図面に示すように複数の分割されたリング状ボディ３４ａ～３４ｊ（代表符号は３４で表記）に製作して組立することにより、一つの円筒ボディを形成することが加工の便宜のために良い。このように電機子フレーム３４を分割されたリング状ボディ３４ａ～３４ｊに作って組み立てる場合、電機子１３の内部から発生する熱を外部へ放出する空気循環通路を互いの接触境界面上に形成するか、或いは複雑な屈曲を持つ内部構成を分割されたリング状ボディに実現することが容易であって製作が容易であるという利点がある。

前記電機子フレーム３４の円周外面に複数列、例えば図１５の断面図上に示されているのと９０°の位相角をもって４つのＬＭガイドレール１９ａが備えられており、前記ＬＭガイドレール１９ａは、前記発電機ケース１１の円周内面に設置されたＬＭガイドベアリング１９ｂに結合することにより、前記ＬＭガイドベアリング１９ｂによって前記電機子１３の軸方向への直線往復移動をガイドするように構成されており、これらの複数のＬＭガイドレール１９ａは、複数のリング状ボディ３４ａ～３４ｇのそれぞれと固定手段、例えばボルトなどによって締結されて一つの円筒ボディ組立体（電機子フレーム）３４を形成するようにする固定結束手段としての機能も行う。

発電機が稼働すると、回転子の高速回転による空気との摩擦や、回転子界磁巻線の電流発生、これに対応する電機子巻線の鎖交などにより熱が発生するので、冷却のために発電機ケースの円周内面にＬＭガイドレール１９ａが備えられる両側に軸と平行する方向に排気通路３７ａを成形して、発電機ケースの側面に設けられた排気口に通じるようにして放熱する。また、ＬＭガイドレール１９ａが定着される凹溝部分に余裕空間があり、その余裕空間が軸方向の排気通路３７ｂを形成して放熱機能に優れる。

図１５に示すように、前記電機子フレーム３４の円筒内面には、円周にわたって所定の間隔ｔ２を置いて軸方向に沿って延びる略半円状の複数の第２溝３５が陰刻で成形されており、電機子フレーム３４の円筒の開放された両側には、多数の支持リブを持つ円板状に構成される側面フレーム３６がボルトによって締結装着されており、側面フレーム３６によって開放部が遮断されるように構成され、その側面フレーム３６の支持リブの中心には、貫通して通る回転子軸１４をベアリング支持するためのスリーブ１７（ベアリングハウジング）が備えられている（図１６参照）。そして、電機子１３は、前記スリーブ１７を介して発電機軸１４に沿って所定区間の範囲Ｌ１内で軸方向への移動が可能であり、前記スリーブ１７は、安定したガイド機能と共に回転子１２の円周外面と電機子１３の内周面との間に空隙が一定に維持されるようにする作用を果たす。

図１７は本発明の電機子用磁気鉄片の斜視図であり、図１８は本発明の電機子用磁気鉄片にボビンを取り付け、ボビンの外周にコイルを巻いて完成した電機子用磁気鉄片を示す図であり、図１９（ａ）（ｂ）は本発明の電機子フレームの内面に電機子用磁気鉄片を設置する過程を示す図面である。そして、図２０は本発明の電機子フレームの内面に電機子用磁気鉄片を設置完了した状態を示す電機子の断面斜視図であって、一側の側面フレームを除去し、内部構造を示す図である。

図１７乃至図２０は本発明の電機子フレームに設置される電機子用磁気鉄片３８及びその設置構造を示す図であって、前記電機子用磁気鉄片３８は、そのＵ字状ボディの下端が電機子フレーム３４の円筒内面に設けた第２溝３５内に設置される。前記電機子用磁気鉄片３８は、前記回転子用磁気鉄片２３とは凹凸形状及び凹凸幅（長さ）の大きさが同じであって、断面がＵ字状を有するようにケイ素鋼板素材を用いて製作され、両側に軸に対して直角方向に延びて側壁部材を形成する２つの電機子磁気鉄心３９（符号３９は側壁面全体を指し示す）を備えている。その両側の側壁部材を形成する電機子磁気鉄心３９同士の間の空間、すなわちＵ字型の内部は第１スロット４０を形成しており、所定の間隔ｔ２を置いて隣接して配列される前記電機子用磁気鉄片３８同士の間々には、第２スロット４１（間隔ｔ２）が設けられている。

図１７及び図１８に示した前記電機子用磁気鉄片３８において、側壁を形成する両側の電機子磁気鉄心３９には、磁界との相対運動によって交流電圧を発生するコイルである電機子巻線４２が巻かれて設けられており、この時、コイルの被覆及び巻き状態を保護するために電機子磁気鉄心３９に糸巻き形状のボビン４８ａを嵌めて装着した後、そのボビン４８ａの外周にコイルを巻いて電機子巻線４２を形成している。そして、前記両側の電機子磁気鉄心３９（符号３９は、側壁面全体を指し示す）の上端には、長さ方向に四角凹凸構造が一定の間隔で繰り返し成形され、凸部は電機子磁極部４３ａを形成し、凹部は電機子非磁極部４４ａを形成している。これにより、前記第１スロット４０、前記第２スロット４１、及びコイルが巻回された前記電機子磁気鉄心３９によって電機子ヨークを形成することになる。

図１６乃至図２０に示した電機子用磁気鉄片及び電機子の断面図形状において、電機子フレーム３４の円筒内面に電機子巻線４２を備えた電機子用磁気鉄片３８が取り付けられた状態で、リング状をなすように配列された電機子磁極部４３ａの円柱状集合体は電機子磁極端４３を形成し、やはりリング状をなすように配列された電機子非磁極部４４ｂの円周状集合体は電機子非磁極端４４を形成することで、電機子磁極端４３と電機子非磁極端４４が前記電機子１３の円筒内面に所定の幅（凸部及び凹部の幅）をもって交互にリング状に繰り返し配列形成されている。

このように電機子フレームの円周内面に電機子用磁気鉄片がｎ個配列されると、ｎ個の磁気鉄片それぞれの両側にあるｎ＊２個の磁気鉄心に電機子巻線が備えられることにより、電機子にはｎ＊２個の多極多相が構成され、これを中巻、波巻、開路巻、閉路巻、環状巻、鼓状巻などで結線して出力端子へ誘導している。

また、電機子１３の直線往復移動による電機子巻線４２の切断や損傷を防止するために、電機子巻線の端部にバネの形で余分の巻線を設けることが好ましい。

図１９及び図２０に示されているように、電機子巻線４２の巻かれた電機子用磁気鉄片３８がすべての第２溝３５内にボルトによって固定装着され、電機子用磁気鉄片３８同士の間に形成される離隔空間４５（ｔ２内に形成）には、隣接する電機子巻線４２が互いに接触してショートされることを防止するように絶縁物質を充填することが好ましい。

図２に示されているように、発電機１０のケース１１の一部を形成する蓋１１ｂの側面には、少なくとも１つ、本発明の実施形態では上下又は左右に２つのリニアモーター４６が装着され、このリニアモーター４６としては、ステッピングモーター又はサーボモーターが使用される。前記リニアモーター４６は、モーターの回転運動を直線変位運動に変換する減速機構、例えば伸長又は没入される軸を有するボールスクリュー動力伝達機構４７を介在して電機子の側面フレーム３６に接続されており、前記リニアモーター４６の回転駆動方向及び供給パルス量の制御に基づいてボールスクリュー動力伝達機構４７の軸が没入又は伸長されながら前記電機子１３を所定の距離だけ引っ張ったり押し出したりして発電機軸１４に沿って移動空間１８（Ｌ１）の範囲内で軸方向に非常に精密にスライド移動することができるように構成されている。本発明の最大の特徴の一つは、追って詳細に説明されるだろうが、従来技術とは異なり、高速回転体である回転子１２でなく、回転しない電機子１３を軸方向に移動するように構成するが、繰り返される凹凸形状の構造のうち、凸部分のリング状集合体（図５の符号３２及び図２０の符号４３を参照）を１ピッチ区間の範囲、すなわち、図２に示したＬ１移動長さだけの小さい範囲内での移動によって無負荷から最大負荷まで磁気作用の調整を行うことができるという点である。これは、回転子の円周外面に突出した磁極端では磁場が集中的に発生するのに対し、沈降した非磁極端では磁場が殆ど発生しないという現象を適切に組み合わせた結果である。

図２１は本発明の発電システム及び制御ブロック図であり、本発明は、前記発電機ケース１１の一側蓋１１ｂに、前記発電機軸１４のリアルタイム回転速度を検知するための速度センサー４８を備えており、また、前記速度センサー４８がリアルタイムで検出する発電機軸の回転数情報を、予め定められた定格回転数と比較分析する制御部４９が設けられており、前記制御部４９は、発電機ケース１１の一側に設置してもよいが、別途の場所に設置することも可能である。

前記発電機軸１４が回転すべき速度を設定し、前記電機子１３から誘導される周波数を設定し、原動機と負荷調整システムとの情報を共有するために、前記制御部４９は、コントロールパネル（図示せず）を備えており、前記速度センサー４８、前記制御部４９及び前記リニアモーター４６に直流電源を供給し、かつローレンツ力の大きさを増減する負荷装置として活用できるように蓄電池５０が前記発電機ケース１１又は発電機の近くに設けられており、そして、前記蓄電池５０に電気を貯蔵するために、前記発電機１０から誘導される交流電気を直流に変換するためのインバーター５１が備えられている。

本発明の発電機を備えた発電システムによれば、発電機軸１４は、クラッチカップリング１５ｂを介して原動機１５の軸１５ａに接続して原動機１５からの回転動力を得、回電子１２の回転によって電機子１３の電機子巻線４２から誘導されて発生する交流電気は、発電機ケース１１に設けられた出力端子を介して出力され、このように出力される電気は、自動電圧調整器５２を介して電圧を一定に調整した後、需要先に供給することになる。また、この時、前記原動機１５から前記発電機軸１４に供給する動力が過度であるか、或いは前記発電機１０で変換される電気エネルギーを使用する電気機器の負荷が急減する場合、ローレンツ力が増減できるようにするために発電機システムに別途の負荷機器を備えることができ、また、前記発電機１０との共助運転を行うために、前記制御部４９から情報の提供を受ける系統連系や電気需要先の負荷を調整する負荷調整システムを含んでいる。

以下、本発明の発電機１０の作動過程について図２２（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照して詳述する。

図２２（ａ）は発電機の始動初期最低負荷（無負荷）状態での電機子の位置を示す図であり、図２２（ｂ）は発電機の一般的運転状態での電機子の位置を示す図であり、図２２（ｃ）は発電機の最大出力運転状態での電機子の位置を示す図であり、図２３は、発電機の運転状態に応じた回転子磁極端と電機子磁極端との対応関係を示す概念図であって、（ａ）は最低負荷（無負荷）運転時、（ｂ）は中間負荷運転時、（ｃ）は最大負荷運転時の回転子磁極部２５と電機子磁極部４３ａとの対応関係を示す。

発電を開始すると、まず、原動機軸１５ａと発電機軸１４に備えられるカップリング３１同士を互いに締結した状態で、原動機１５（この原動機は、エンジン又は風力発電部又はその他の水力発電部などになることができる）を駆動することになり、原動機１５が駆動されることにより、回転動力の伝達を受けた発電機軸１４が回転することになる。

ところが、原動機１５が駆動を始める発電初期には、静止慣性力によって発電機１０の正常作動まで時間が必要であり、発電初期には過度な力が作用するため、原動機と発電機システムに無理が行く。発電開始当初の段階では発電機軸１４の回転数が低いので、制御部４９は、予めリニアモーター４６を駆動制御して電機子１３を軸方向に移動させることにより、図１９（ａ）に示した位置、すなわち最小負荷位置（一種の無負荷状態であって、これを「第１位置」状態とし、この時、左側のベアリング１６が回転軸上で図２２（ａ）の段差部５７にかかっている）へ移動させることになり、この「第１位置」状態では、図２３（ａ）に示した概念図でのように電機子１３の電機子磁極端４３（電機子磁極部４３ａのリング状集合体）が回転子１２の回転子非磁極端３３（回転子非磁極部１６のリング状集合体）に対応するように位置し、電機子１３の電機子非磁極端４４（電機子非磁極部４４ａのリング状集合体）は、回転子１２の回転子磁極端３２（回転子磁極部２５のリング状集合体）に対応するように位置する。言い換えれば、電機子磁極端４３と回転子磁極端３２、すなわち１対の鉄片を基準とすると、電機子磁極部４３ａと回転子磁極部２５が互いに最大限ずれているように位置する。

このように電機子の磁極端と回転子の非磁極端（同様に電機子の非磁極端と回転子の磁極端）が互いに対向して位置する場合、両者の間に相互作用する電磁気作用が最小限に抑えられるので、原動機１５が駆動されると、発電機負荷が最小、すなわちほぼ無負荷に近い駆動状態で運転を始める。これにより、始動初期の原動機１５に無理な負荷がかからなくなって回転速度が速く高くなりながら、定格回転数に到達することになる。原動機１５の回転速度が次第に高くなると、これに比例して制御部４９が次第に電機子の磁極端４３と回転子の磁極端３２との重ね量が増加する方向に電機子１３を移動させていくように制御することにより（図２２（ａ）の状態から図２２（ｂ）の状態へと電機子が移動）、原動機１５の回転数に合う負荷状態で発電機１０が駆動され、電気を出力することになる。このようにして原動機１５が正常化される過程のレベルに合わせて発電機１０の負荷が最小状態から次第に増加するように自動調整されることにより、始動初期突然の負荷作用によって原動機への衝撃や無理なくウォームアップ過程を介して原動機及び発電機が定格運転状態にスムーズに進入して到達することになる。

このように発電機軸１４の回転速度が規定速度よりも低ければ、電機子１３が移動して磁気作用範囲が縮小されることにより、原動機１５の運転に加わる負荷が小さくなる。これにより、原動機１５の運転状態が規定速度で迅速かつスムーズに進入することができる。発電機に連結された原動機の初動運転の際に、速度センサー４８の検出情報に基づく制御部４９の命令に応じて、発電機１０の電機子１３は、自動的に磁気作用範囲が最小である第１位置へ移動して（図２２（ａ）参照）原動機１５がほぼ無負荷状態で運転するように調整するので、原動機１５の始動が容易であり、且つ急激な負荷の印加による衝撃の発生なしに正常運転状態に迅速に進入することができ、原動機１５の非正常状態の下で発電機１０が不良な電気を生産する非効率性問題を解決することができる。また、原動機１５の運転を停止したときにも、電機子１３が磁気作用の最小化された第１位置へ移動するようにしているので、原動機に反発力による衝撃がないだけでなく、発電機１０の回転子と電機子に振動が発生せず、提供される機械的回転エネルギーの最後まで規定周波数の電気を誘導することができる。

こうして原動機１５と発電機１０が正常化された一般運転条件の際には、図２２（ｂ）に示しているように電機子１３が第２位置に移動して発電を行う。ところが、もし原動機１５の駆動力がそれよりも増加して最大出力運転状態に到達すると、回転子１２の磁極端３２と電機子１３の磁極端４３間の相互対応範囲は最大になった状態、つまり電機子１３が第３位置（最大負荷位置）状態に移動して発電機が駆動され（図２２（ｃ）の左側ベアリング１６の位置を参照）、この状態が発電機の最大出力運転状態である。ここで、原動機１５と発電機１０の駆動条件状態の設定によっては、回転子１２の磁極端３２と電機子１３の磁極端４３との間の相互対応範囲が図２２（ｂ）のように一部は重なり、一部はずれた第２位置状態（第１位置と第３位置との間の適切に設定された任意の位置）を最適運転条件として設定して運転を行うことができ、或いは第３位置状態（最大負荷位である図２２（ｃ）の状態）を最適運転条件として設定して運転を制御することができる。

図２２（ｂ）及び図２２（ｃ）のような状態で回転子１２が回転すると、回転子１２の外側を包んでいる電機子１３の電機子巻線４２に誘導起電力を発生させる。これにより、原動機１５の力学的エネルギーが電気エネルギーに変換されて出力される。この時、速度センサー４８から検出された発電機軸１４の回転数が減少した場合には、制御部４９は、リニアモーター４６を駆動して電機子１３を、磁気作用範囲が縮小される方向、すなわち電機子磁極端４３と回転子磁極端３２の相互対応長さが縮小される方向に移動制御して（すなわち、第３位置から第２位置への方向に、又は第２位置から第１位置への方向に電機子の移動量を適切に制御）、原動機の運転に加わる負荷を減少させる。

これとは逆に検出された回転数が増加すると、制御部４９は、リニアモーター４６を駆動して電機子１３を、磁気作用範囲が増加する方向、すなわち電機子磁極端４３と回転子磁極端３２の相互対応長さが増大する方向に移動制御して（すなわち、第１位置又は第２位置から第３位置への方向に移動するように制御）、原動機及び発電機の運転に加わる負荷を増加させることにより、より大きい電気を出力することができるようにする。

このような本発明の制御によれば、発電機軸が一定の速度で回転すれば、回転子と電機子との間の鎖交が一定に行われて発電機で一定の周波数の電気が誘導できるが、例えば、風力発電機のように風力の変動が激しくても、それに合わせて発電機の負荷調節によって発電機軸の回転速度を一定に維持されるようにすることにより、安定的に無理なく一定の周波数の電力生産が可能である。

本発明において特記すべき点は、回転子１２の凸部である回転子磁極部２５と、凹部である回転子非磁極部２６が軸方向に沿って交互に繰り返し配列されてあり、これに対応して電機子１３の電機子磁極部４３ａと電機子非磁極部４４ａも、凸部と凹部が交互に繰り返し形成しているので、電機子１３の移動量の範囲を、凸部の幅（Ｌ１長さに該当）だけ小さくして駆動力の激しい変化範囲及び広い周波数変動をカバーすることができるという点である。これにより、発電機の大きさがそれほど大きくなくてもよいというメリットがある。

また、Ｕ字型磁気鉄片の中央に形成される空間である第１スロットと、その磁気鉄片と隣接して配置される磁気鉄片同士の間に形成される空間である第２スロットに永久磁石が埋設されることにより、回転子の円周外面には、別途離隔している空間や、極性を遮断するための遮蔽物がないので、交互が急激に行われず、回転子磁極部と電機子磁極部とが交差する磁気作用過程が円滑に行われ、回転子の多極構成が容易である。

また、回転子フレームの円周外面に、軸と平行する方向に備えられるｎ個の第１溝に回転子用磁気鉄片がｎ個配列設置されるので、ｎ個の第１スロットが設けられ、隣り合って配列される回転子用磁気鉄片との間にｎ個の第２スロットが形成されるので、最終的には２＊ｎ個の回転子磁気鉄心が突出し、２＊ｎ個の第１スロットと第２スロットが沈降してヨークが形成されるので、２＊ｎ個の多極回転子が構成されるという効果がある。

別の利点として、磁気鉄片のＵ字型構造では、残留磁気が反対側の磁気鉄心へ相互交差移動するので、電荷に変換されていない残留磁気によるヒステリシスが発生しなくなる。

一方、発電機１０から誘導される電気を使用する負荷が増減するにつれて、ローレンツ力の大きさもその分増減することになり、その力が発電機１０に作用して電機子１３にスリップ周波数が発生することにより、電機子から誘導される電気の周波数は回転子１２の交番周波数に差をもたらす。そのため、発電機軸１４の回転速度を検出する速度センサー４８は、原動機１５と発電機１０との間の運転状態を点検するための情報として活用することが好ましく、速度センサー４８の他に発電機で変換される電気エネルギーの周波数と電圧をリアルタイムで測定するための電力測定器５５、例えば、出力端子から誘導される電気の周波数又は電圧の変動をリアルタイムで検知するセンサーなどを追加する場合、そのセンサーの検出情報は、速度センサー４８の検出情報と一緒に原動力の変動や負荷量の変動に対して出力端子から規定周波数の電気を誘導するように制御するのに実効性が高い。特に電機子と回転子との間に凹部によって形成されたリング状空隙が自然に熱発散の通路の役割をして、高速高効率の発電機が可能である。そして、制御部のコントロールパネルで周波数を簡単に再設定することにより、消費者が使用に適した周波数の電気を誘導することができる。

また、蓄電池５０又は別途負荷機器５３が稼動されるようにすることにより、発電機１０の運転だけでなく、原動機１５の運転と別途負荷機器の運転が安定化でき、さらに原動力の出力が増減するように原動機の運転制御システムに情報を提供して共助し、負荷短絡や負荷分担が行われるように負荷調整システム５４に情報を提供することにより、有機的な安全運転とエネルギー効率性が行われるようになっている。

一方、当該発電機１０が誘導する電気を使用する負荷の大きさに比例するローレンツ力は、当該発電機１０の電機子１３に作用して電機子スリップ周波数が発生する。したがって、電機子スリップ周波数までを考慮して、出力端子から電力測定器５５（例えば、出力電圧又は周波数測定センサー及び速度センサーなど）が検出する情報に基づいて制御部４９が電機子１３を正確な位置へ移動させるように制御することにより、電機子スリップ周波数の問題が解決されて精密な規定周波数の電気エネルギーが誘導できる。

したがって、制御部４９は、発電機軸１４の回転数を検出する速度センサー４８の他に、発電機１０から出力される電気の周波数及び電圧情報を電力測定器５５が検出し、これらのそれぞれの情報又は統合された情報に基づいて電機子１３の移動を制御することができるのはもちろんである。

一方、具体的に図示してはいないが、本発明の他の実施形態の構成によれば、発電機が小型である場合、発電機ケースの円周内面と電機子フレームの円周外面にリニアベアリングとガイドレールを備える必要なく、エンドシールドのベアリングハウジングに備えられた中心ガイドを多角形にし、電機子の両側終端に設置された側面フレームの中心に多角形のスリーブ又はリニアベアリングを設置して電機子が直線往復移動可能に支持するように構成することができる。

以上で本発明の好適な具体的実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例示的な目的のものに過ぎず、本発明がこれに限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変形が可能であるのはもちろんである。よって、本発明の範囲は、説明された実施形態に限定されて定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、その特許請求の範囲と均等なものによって定められるべきである。

１０：発電機 １１：発電機ケース

１１ａ、１１ｂ：ケースの左右蓋 １２：回転子

１３：電機子： １４：発電機軸

１５：原動機 １６、１６ａ：ベアリング

１７、１７ａ：ベアリングハウジング １８：余裕空間（移動空間Ｌ１）

１９：ＬＭガイド機構 １９ａ：ＬＭガイドレール

１９ｂ：ＬＭガイドベアリング ２０：支持部材

２１：回転子フレーム ２２：保護蓋板

２３：磁気鉄片 ２４：第１溝

２５：回転子磁極部 ２６：回転子非磁極部

２７：第１スロット ２８：磁極集中部（ヘッド部）

２９：第１永久磁石 ３０：第２スロット

３１：第２永久磁石 ３２：回転子磁極端

３３：回転子非磁極端 ３４：電機子フレーム

３５：第２溝 ３６：側面フレーム

３７ａ：排気通路 ３７ｂ：排気通路

３８：電機子用磁気鉄片 ３９：電機子用磁気鉄心（側壁）

４０：第１スロット ４１：第２スロット

４２：電機子巻線 ４３：電機子磁極端

４４：電機子非磁極端 ４３ａ：電機子磁極部

４４ａ：電機子非磁極部 ４５：離隔空間

４６：リニアモーター ４７：動力伝達機構

４８：速度センサー ４９：制御部

５０：蓄電池 ５１：インバーター

５２：自動電圧調整器 ５３：別途負荷機器

５４：負荷調整システム ５５：電力測定器 ５６：凹凸結合部
５７：段差部

ｔ１、ｔ２：間隔（空間）

Claims (22)

1. 発電機の回転子に使用する磁気鉄片において、前記回転子用磁気鉄片は、Ｕ字型断面のボディをもって長さ方向に延びており、互いに対向する両側壁の上端が四角形の凹凸形状をしており、前記凹凸形状のうち、凸部が回転子磁極部を形成し、前記凹部は回転子非磁極部を形成することで、回転子磁極部と回転子非磁極部が交互に繰り返し形成されたことを特徴とする、発電機の回転子用磁気鉄片。
2. 前記磁気鉄片のＵ字型内部に凹状に形成される第１スロットには第１永久磁石を挿入し、前記回転子磁極部及び回転子非磁極部には、それぞれその高さに相当する大きさの第１永久磁石を収容するように設置し、前記第１永久磁石のＮ極、Ｓ極が磁気鉄片の両側の内壁面にそれぞれ接して発現されるように配列し、且つすべての極性が同じ方向を向くように配置されることを特徴とする、請求項１に記載の発電機の回転子用磁気鉄片。
3. 前記凸部である回転子磁極部の上端には、鉄片の壁厚さよりもさらに突出する顎を有する磁極集中部（ヘッド部）を備え、前記回転子磁極部に配置される第１永久磁石は、前記磁極集中部の顎にかかって支持されるように設置されることを特徴とする、請求項１に記載の発電機の回転子用磁気鉄片。
4. 発電機軸に取り付けられる回転子において、発電機軸と共に回転するように前記発電機軸に固設される回転子フレームと、前記回転子フレームの円周にわたって一定の間隔を置いて形成され、軸方向に延びる複数の第１凹溝と、前記第１凹溝にＵ字型ボディの下端一部が挿入収容されて固定装着される、請求項２に定義されているのと同様の回転子用磁気鉄片と、を含み、前記回転子用磁気鉄片同士の間の間隔は、第２スロットを形成し、前記第２スロットに第１永久磁石と同じ大きさと方式で第２永久磁石を挿入するが、前記第２永久磁石は、前記回転子用磁気鉄片の壁面を挟んで前記第１永久磁石の極性と同じ極性を有するように配置されたことを特徴とする、発電機用回転子。
5. 前記回転子フレームは、分割された複数の単位分割ボディの組立体で形成され、前記組立体の両側面に保護蓋板がボルト締めされることを特徴とする、請求項４に記載の発電機用回転子。
6. 前記分割された複数の単位分割ボディは、互いの密着面にそれぞれ雌雄で対応する円形又は多角形形状の凹凸結合部を介して結合したことを特徴とする、請求項５に記載の発電機の回転子用磁気鉄片。
7. 発電機の電機子に使用する磁気鉄片において、
   前記電機子用磁気鉄片は、Ｕ字型断面のボディをもって長さ方向に延びており、互いに対向する両側壁の上端が四角形の凹凸形状をしており、前記凹凸形状のうち、凸部が電機子磁極部を形成し、前記凹部は電機子非磁極部を形成することで、電機子磁極部と電機子非磁極部が交互に繰り返し形成され、前記Ｕ字型断面を形成する両側壁にそれぞれボビンを挟んだ後、そのボビンにコイルを巻いて電機子巻線を形成したことを特徴とする、発電機の電機子用磁気鉄片。
8. 発電機軸に取り付けられる回転子の外周を囲むように空隙を置いて設置される電機子において、
   非磁性体の中空の円筒状に製作されて回転子の円周外面を囲むように設置される電機子フレームと、前記電機子フレームの円筒内面に円周にわたって一定の間隔を置いて形成され、軸方向に延びる複数の第２凹溝と、前記第２凹溝にＵ字型ボディの下端一部が挿入収容されて固定装着される、請求項７に定義されているのと同様の電機子用磁気鉄片と、を含むことを特徴とする、発電機用電機子。
9. 前記電機子フレームは、単一の円筒体又は複数の分割されたリング状ボディの組立体で形成し、電機子フレームの円周外面に軸方向に所定の位相角を持つように複数箇所にＬＭガイドレールを設置し、前記ＬＭガイドレールは、発電機ケースの内面に設けられたＬＭガイドベアリングの案内に従って軸方向への直線移動をガイドするとともに、電機子フレームの円周方向への回転を遮断し、且つ、前記ＬＭガイドレールは、複数の分割されたリング状ボディの固定結束手段として使用されることを特徴とする、請求項８に記載の発電機用電機子。
10. 前記電機子用磁気鉄片の電機子巻線同士の間の空間は絶縁処理されることを特徴とする、請求項８に記載の発電機用電機子。
11. 前記電機子フレーム円筒の開放された両側は、側面フレーム部材がボルトによって締結装着され、前記側面フレーム部材の中心には、発電機軸をベアリング支持するためのスリーブが備えられており、前記スリーブが前記発電機軸に沿って所定の距離範囲内で滑り移動できるように構成されることを特徴とする、請求項１０に記載の発電機用電機子。
12. 動力源の回転軸にクラッチ接続される発電機軸と、
    前記発電機軸に一緒に回転可能に装着される、請求項４～６のいずれか一項に定義されているのと同様の発電機用回転子と、
    前記発電機用回転子の外周を囲むように所定の空隙を置いて同心に設置され、発電機軸方向に所定の間隔の範囲内で移動が許容されるように設置され、前記回転子の凹凸と対応する同一長さの凹凸を持つ、請求項８～１０のいずれか一項に定義されているのと同様の発電機用電機子と、
    前記発電機用電機子の外周を囲んで保護する発電機ケースと、
    軸方向に伸縮可能な機構を介して前記回転子を移動させるリニアモーターと、
    前記発電機軸の回転数を検出する速度センサー又は発電機の出力電圧と周波数を測定する電力測定器と、
    前記速度センサー又は前記電力測定器から検出された情報に基づいて前記リニアモーターを駆動制御する制御部と、を含んでなり、
    前記制御部は、発電機の駆動初期又は原動機駆動速度の低下時には、前記電機子の磁極端と前記回転子の磁極端との相互対応長さが小さくなる第１位置方向側へ前記電機子の位置が移動するように前記リニアモーターを制御し、逆に原動機の駆動速度の増加時には、前記電機子の磁極端と前記回転子の磁極端との相互対応長さが長くなる第３位置方向側へ前記電機子の位置が移動するように前記リニアモーターを制御することを特徴とする、発電機。
13. 前記電機子の電機子フレーム円筒の開放された両側は、側面フレーム部材がボルトによって締結装着され、前記側面フレーム部材の中心には、発電機軸をベアリング支持するためのスリーブ（ベアリングハウジング）が備えられており、前記スリーブが前記発電機軸に沿って所定の距離の範囲内で滑り移動できるように構成されることを特徴とする、請求項１２に記載の発電機。
14. 前記電機子の軸方向の移動距離は、前記電機子用磁気鉄片の凸部の幅又は凹部の幅に相当することを特徴とする、請求項１３に記載の発電機。
15. 前記制御部は、前記速度センサーによって検出した回転数情報又は電気測定器によって検出した発電機の出力電圧及び周波数情報に基づいて前記電機子の軸方向移動を制御することを特徴とする、請求項１４に記載の発電機。
16. 前記回転子磁気鉄片の凸部である回転子磁極部の上端には、鉄片の壁厚さよりもさらに突出する顎を有する磁極集中部（ヘッド部）を備え、前記回転子磁極部に接して第１スロットと第２スロットにそれぞれ配置される第１永久磁石及び第２永久磁石は、前記磁極集中部の顎にかかって支持されるように設置されることを特徴とする、請求項１２に記載の発電機。
17. 電機子及び回転子は、非磁極部を形成する凹部の長さが、磁極部を形成する凸部の長さよりも長く形成されることを特徴とする、請求項１２に記載の発電機。
18. 前記発電機を駆動する動力源は、風力エネルギー、水力エネルギー、火力エネルギー、エンジンの駆動力、蒸気エネルギーであることを特徴とする、請求項１２に記載の発電機。
19. 前記回転子磁気鉄片の第１スロットに埋設される第１永久磁石は、凸部区間には縦に、凹部区間には横にして設置し、両側の壁部材を形成する磁気鉄心の上部に形成された四角凹凸構造の凸部と凹部に合致するようにするが、同じ極が磁気鉄心を向くように連接させて金属接着剤で密着されるように固定することを特徴とする、請求項１７に記載の発電機。
20. エンドシールドのベアリングハウジングに備えられた中心ガイドを多角形に形成し、電機子の両側終端に設置された側面フレームの中心に多角形のスリーブ又はリニアベアリングを設置して電機子が直線往復移動できるように支持することを特徴とする、請求項１２に記載の発電機。
21. 前記ＬＭガイドレールが装着される電機子フレームの凹溝が、軸方向の排気通路を形成することを特徴とする、請求項１２に記載の発電機。
22. 前記複数のＬＭガイドレール同士の間に、電機子フレームの外表面に軸方向に延びる排気通路が設けられることを特徴とする、請求項１２に記載の発電機。

Images