JP2659774B2

JP2659774B2 - 発電制御方法

Info

Publication number: JP2659774B2
Application number: JP63295994A
Authority: JP
Inventors: 恒雄杉浦
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 1988-11-25
Filing date: 1988-11-25
Publication date: 1997-09-30
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JPH02147000A; US5170111A

Description

【発明の詳細な説明】 a.産業上の利用分野本発明は、発電制御方法に関し、特に、出力電圧が入
力速度や負荷変動に拘わらず安定出力レベルを維持する
ことができるように迅速な自動調整が容易であり、且
つ、小型軽量で高速性に富み、航空宇宙機器、無人飛翔
体及び無人海中航走体に好適な発電機を得ることができ
るようにするための新規な改良に関する。

b.従来の技術従来、前述の用途に使用される発電機としては種々あ
るが、その中で代表的な構成について述べると、1987年
発行の神鋼電機技報114号（Vol.32.No−３）の第112頁
から第117頁に開示されている構成を挙げることができ
る。

すなわち、第６図から第10図に示される構成は従来の
発電機を示すものである。

まず、第６図に示す第１従来例のブラシレスAC発電機
＋整流回路方式の場合、永久磁石ロータ１、EX回転電機
子２、回転整流器３、主発電機電機子４、永久磁石電機
子５、EX界磁６、主発電機回転界磁７及び整流器８から
なる発電部９と、この発電部９に接続された電圧調整器
10とから構成され、永久磁石ロータ１が回転すると、永
久磁石電機子５に三相交流が発生する。

この三相交流を電圧調整器10内の整流回路11にて直流
に交換し、EX界磁６の直流励磁を行う。この直流励磁の
大小に比例して、EX回転電機子２に三相交流電力が発生
し、この電力を回転子に内臓した整流器８にて直流交換
し、主発電機回転界磁７を励磁する。この直流励磁に比
例した三相交流電力が主発電機電機子４に発生し、これ
を整流して直流出力を得る。

又、第７図で示す第２従来例の永久磁石＋サイリスタ
位相制御整流方式の場合、永久磁石ロータ４、電機子５
及びサイリスタ12とからなる発電機９と、位相角制御1
3、電圧検出回路14及びフィルタ部15とからなる電圧調
整器10とから構成され、発電機９からの交流出力をサイ
リスタ12にて点弧角の位相制御を行って整流し、これに
フィルタ部15を通して電圧制御された直流出力を得る。

又、第８図から第10図で示す第３従来例のランドル型
AC発電機＋整流回路方式の場合、ランドルロータ1A、界
磁巻線16、電機子巻線５及び整流器８とからなる発電機
９と電圧調整器10とから構成されている。

前記ランドル型AC発電機は、第９図及び第10図に示す
ように構成されており、ケーシング20に軸受21を介して
回転軸22が回転自在に設けられ、この回転軸22にランド
ルロータ1Aが取付けられている。

前記ケーシング20には、電機子巻線５のステータ23及
び固定界磁鉄芯24に設けられた固定界磁巻線16が設けら
れ、このランドルロータ1AはロータＡ、ロータＢ及び接
合リング26とから構成されている。

従って、固定界磁巻線16にて作られた磁束は、ギャッ
プ→ロータＡ（Ｎ極側）→ギャップ→ステータ23→ギャ
ップ→ロータＢ（Ｓ極）→固定界磁鉄芯24→ギャップを
流れる。

このステータ23の電機子側よりみたランドルロータ1A
の表面には、通常の同期発電機と同様に回転界磁極がで
きていることとなる。

又、この電圧制御は固定界磁巻線電流を制御すること
により容易にできる。

c.発明が解決しようとする課題従来の発電機は以上のように構成されていたため、次
のような課題を有していた。

まず、第１従来例の場合、ブラシを有していないが、
全体構成が極めて複雑であり、製作が容易ではなかっ
た。

又、第２従来例の場合、発電機としては単純な構成で
あるが、速度変動に伴う位相制御された出力波形は悪
く、フィルタ部を介しても出力電圧の特性は良好ではな
く、急激な負荷変動に対する出力補償が困難であった。

又、第３従来例の構成の場合、ほぼ特性を満すものと
して現用されているが、最大の欠点は、初期外部電源等
により界磁電流を得る必要があり、自立起動が不可能で
あった。

又、マグネットが回転するものに比べて界磁電流損失
が有り、重量が重くなっていた。

さらに、速度や負荷変動に対し固定界磁巻線を大幅に
制御する必要があり、界磁コントローラも大形化してい
た。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされ
たもので、特に、出力電圧が入力速度や負荷変動に拘わ
らず安定出力レヘルを維持することができる迅速な自動
調整が容易であり、且つ、小型軽量で高速性に富み、航
空宇宙機器、無人飛翔体及び無人海中航走体に好適な発
電機を得ることができる発電制御方法を提供することを
目的とする。

d.課題を解決するための手段本発明による発電制御方法は、ケーシング内に設けら
れた永久磁石ロータとランドルロータとを同時に回転さ
せ、前記永久磁石ロータ及びランドルロータにより発生
する発電出力を電機子コイルにて合成し界磁コイルによ
り発電制御するようにした発電機において、前記電機子
コイルから得られたAC出力を整流回路で整流して得たDC
出力を検出回路、比較器及び波形変調増幅回路からなる
界磁コントローラを用い、前記検出回路により発電出力
が安定出力レベル以下であることが検出された場合には
前記ランドルロータの前記界磁コイルに設けられた制御
用界磁コイルの磁束Φ_２を前記永久磁石ロータが作る磁
束Φ_１と加算される向きに前記界磁コントローラで制御
する第１工程と、前記発電出力が前記安定出力レベル以
上の時には前記ランドルロータの制御用界磁コイルの磁
束Φ_２を前記永久磁石ロータが作る磁束Φ_１と減算され
る向きに前記界磁コントローラで制御する第２工程と、
負荷変動時には、前記制御用界磁コイルに並設され前記
DC出力に直接接続されたシリーズ界磁コイルに対し、前
記負荷に応じた補償用の電流を前記界磁コントローラを
介さずに直接印加する第３工程とよりなる方法である。

e.作用本発明による発電制御方法においては、発電機の回転
体が低速回転状態で、永久磁石ロータによる発電出力が
所定の安定出力レベルに達していない場合には、ランド
ルロータ側のランドル界磁コイルにおける制御用界磁コ
イルの磁束Φ_２を永久磁石ロータが作る磁束Φ_１と加算
される向きに界磁コントローラで制御することにより、
永久磁石ロータの回転による発電出力で足りない出力分
を補足し、低速回転状態でも所定の安定出力レベルを得
ることができる。

又、発電機の回転体が高速回転状態で、永久磁石ロー
タによる発電出力が所定の安定出力レベルを超えている
場合には、ランドルロータ側のランドル界磁コイルにお
ける制御用界磁コイルの磁束Φ_２を永久磁石ロータが作
る磁束Φ_１と減算される向きに界磁コントローラで制御
することにより、永久磁石ロータの回転による超過発電
出力分をレベル低下させ、高速回転時にも拘わらず、安
定出力レベルを得ることができる。

従って、高発電効率を有する永久磁石ロータによる発
電機出力と、制御性のよいランドルロータによる発電出
力とを界磁コントローラで制御しつつ合成して用いるこ
とにより常に安定出力レベルを保つことができる。

又、ランドルロータ側にシリーズ界磁コイルを設け、
このシリーズ界磁コイルにDC出力を直結させた場合に
は、負荷の急激な変動に対してもシリーズ界磁コイルに
大きい電流が流れることにより、負荷変動に迅速に対応
して安定出力レベルを維持することができる。

f.実施例以下、図面と共に本発明による発電制御方法の好適な
実施例について詳細に説明する。

尚、従来例と同一又は同等部分には同一符号を付して
説明する。

第１図から第５図は本発明による発電機を示すための
もので、第１図は全体構成を示す断面図、第２図は第１
図の他の実施例を示す断面図、第３図は第２図の要部を
具体的に示す拡大断面図、第４図は出力特性図、第５図
は発電システムを示す制御系統図である。

まず、第１図において符号20で示されるケーシングに
は、軸受21を介して回転体22が回転自在に設けられ、こ
の回転体22上には、その軸方向において希土類マグネッ
トからなる永久磁石ロータ１及び前述の第10図で示した
構成と同様の構成からなるランドルロータ1Aが互いに直
列状に配設されている。

前記ケーシング20の内壁には、永久磁石用ステータ23
及びランドル用ステータ23Aが空隙等からなる非磁性体3
0を介して互いに干渉ループを作ることのないように分
離して設けられており、これらの各ステータ23及び23A
には出力コイルとしての電機子巻線５が、各ステータ23
及び23Aに共用となるように一体構成として設けられて
いる。

前記ケーシング20の側壁20aに設けられ軸方向に突出
して配設された突出保持部31の先端には軸受32が設けら
れ、この軸受32によって前記回転軸22の中空部22aのほ
ぼ中央位置が回転自在に支持されており、回転体22の回
転支持強度を向上させる構成となっている。

前記突出保持部31の外周には、第５図で示す制御用コ
イル16a及びシリーズコイル16bとからなるランドル界磁
コイル16が巻回して設けられている。

又、第２図は第１図の他の実施例を示すもので、同一
部分には同一符号を付し、その説明は省略するが、第１
図と異なる部分は、軸受32の位置が回転体22の中央位置
から端部位置に変更されていると共にランドル界磁コイ
ル16が磁性ボビン24に保持されており、他の構成はほぼ
同一であって、ケーシング20に取付けられたカバー33か
ら発電出力を外部接続するためのコネクタ34が設けられ
ている。

さらに、第３図で示す構成は、第２図の構成の要部を
拡大して示すと共に、永久磁石型発電部40及びランドル
型発電部41における磁束の流れを示しており、第２図と
同一部分には同一符号を付し、その説明は省略してい
る。

第５図は発電システムとしての制御系を示しており、
電機子巻線５から得られた三相交流電圧は、AC出力42と
して直接取り出されると共に、整流回路43を介してDC出
力44を取り出している。

前記AC出力42及びDC出力44の一部は、検出回路45、比
較器46及び波形変調増幅回路47とからなる界磁コントロ
ーラ48を介して固定側としての制御用界磁コイル16aに
供給されていると共に、前記DC出力44の一部は負荷側と
してのシリーズ界磁コイル16bに供給されている。

本発明による発電機は前述したように構成されてお
り、以下に、その発電制御方法について説明する。

まず、回転体22が回転し永久磁石ロータ１が回転し始
めると、電機子巻線５には永久磁石ロータ１による発電
を開始し、第４図の永久磁石型発電部40の出力特性に沿
って回転速度の上昇に伴うAC出力42が発生する。

このAC出力42は整流回路43で全波整流され、界磁コン
トローラ48用の電源（440V2A）となる。

このAC出力42の入力により、界磁コントローラ48が作
動を開始し、検出回路45で発電されている電圧を検出す
ると共に、要求された安定出力レベル以下の場合（回転
速度N₂以下）、ランドルロータ1Aの制御用界磁コイル16
aによって永久磁石ロータ１が作る磁束Φ_１と加算され
る向きに磁束Φ_２ができることにより、第４図の制御領
域Ａで示されるように安定出力レベルとすることができ
る。

さらに、回転体22の回転速度が増加し、永久磁石型発
電部40の出力が安定出力レベルを超える場合には、前述
の磁束Φ_１と減算される向きに磁束Φ_２ができるように
制御用界磁コイル16aが制御され、制御領域Ｂで示され
るように安定出力レベルとすることができる。

又、負荷変動が発生した場合には、負荷側と直列に接
続されたシリーズ界磁コイル16bに対して同時に補償用
の大きい電流が流れるため、界磁コントローラ48を通る
ことなく且つ何らのタイムラグを伴うことなく、直接に
ランドル型発電部41で補償を行うことができる。

従って、速度変動及び負荷変動に対し、自起動型に構
成されたランドル型発電部41の制御用界磁コイル16aと
シリーズ界磁コイル16bの両方の制御作用によって、回
転速度及び負荷変動に対して速やかに安定出力レベルを
保つことができるように構成されている。

尚、本実施例においては、永久磁石型発電部40とラン
ドル型発電部41とを軸方向に直列に配設した場合につい
て述べたが、この実施例に限ることなく、例えば、径方
向に配設した場合、又、ランドル型発電部41におけるラ
ンドルロータ1Aとランドル用ステータ23Aを径方向に配
設することなく軸方向に互いに対向してアキシャルギャ
ップ形すなわちディスク形とした場合も同様の作用効果
を得ることができる。

g.発明の効果本発明による発電制御方法は、以上のように構成され
ているため、次のような効果を得ることがきる。

すなわち、発電効率のよい永久磁石ロータによる永久
磁石型発電部と制御性のよいランドルロータによるラン
ドル型発電部とを１個の発電機の中に同時回転できるよ
うに構成し、出力コイルである電機子巻線を共有化して
いるため、回転速度の変動に応じてランドル型発電部を
制御することにより迅速に安定出力レベルを得ることが
できる。

又、負荷の大きい変動に対しては、負荷側に直結され
たシリーズ界磁コイルによって、何らかのタイムラグを
伴うことなくランドル型発電部の制御を行うことがで
き、界磁コントローラに大きい電流負担を与えることな
く迅速に安定出力レベルを得ることができる。

従って、永久磁石型発電部又はランドル型発電部のみ
では到底得ることができない回転速度及び負荷変動に対
する迅速な安定出力レベルの制御を容易且つ確実に得る
ことができ、航空宇宙機器、無人飛翔体、無人海中航走
体及び車輌等に最適な発電機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図は、本発明による発電制御方法を示す
ためのもので、第１図は全体構成を示す断面図、第２図
は第１図の他の実施例を示す断面図、第３図は第２図の
要部を具体的に示す拡大断面図、第４図は出力特性図、
第５図は発電システムを示す制御系統図、第６図から第
10図は従来の発電機を示すもので、第６図から第８図は
発電システムとしての制御系統図、第９図は断面図、第
10図は第９図の要部の部分拡大平面図である。１は永久磁石ロータ、1Aはランドルロータ、５は電機子
コイル、16はランドル界磁コイル、16aは制御用界磁コ
イル、16bはシリーズ界磁コイル、20はケーシング、23
は永久磁石用ステータ、23Aはランドル用ステータ、30
は非磁性体である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシング（20）内に設けられた永久磁石
ロータ（１）とランドルロータ（1A）とを同時に回転さ
せ、前記永久磁石ロータ（１）及びランドルロータ（1
A）により発生する発電出力を電機子コイル（５）にて
合成し界磁コイル（16）により発電制御するようにした
発電機において、前記電機子コイル（５）から得られた
AC出力（42）を整流回路（43）で整流して得たDC出力
（44）を検出回路（45）、比較器（46）及び波形変調増
幅回路（47）からなる界磁コントローラ（48）を用い、
前記検出回路（45）により発電出力が安定出力レベル以
下であることが検出された場合には前記ランドルロータ
（1A）の前記界磁コイル（16）に設けられた制御用界磁
コイル（16a）の磁束Φ_２を前記永久磁石ロータ（１）
が作る磁束Φ_１と加算される向きに前記界磁コントロー
ラ（48）で制御する第１工程と、前記発電出力が前記安
定出力レベル以上の時には前記ランドルロータ（1A）の
制御用界磁コイル（16a）の磁束Φ_２を前記永久磁石ロ
ータ（１）が作る磁束Φ_１と減算される向きに前記界磁
コントローラ（48）で制御する第２工程と、負荷変動時
には、前記制御用界磁コイル（16a）に並設され前記DC
出力（44）に直接接続されたシリーズ界磁コイル（16
b）に対し、前記負荷に応じて補償用の電流を前記界磁
コントローラ（48）を介さずに直接印加する第３工程と
よりなることを特徴とする発電制御方法。