JP3172429U - 補助動力機付きの３相交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機の駆動負荷の軽減と、動力装置の燃費の低減を図る相交流発電装置を提供する。
【解決手段】３相交流発電機本体１と補助動力機２とを同軸上に連結し、それらの回転軸を動力装置３により回転せしめる。前記３相交流発電機本体の固定子側には等角度間隔で３箇所に無負荷空間を設けると共に、回転子側は、交互にＮ極Ｓ極合計６極の電磁石を各２極ずつ等角度間隔に空間を明けて３箇所に配置する。前記補助動力機の固定子側には、半径方向に着磁され且つ内周側が同極となるように着磁された２個又は３個の略半円弧状の同形の永久磁石を対向させて配置し、その内部に設けられる回転子としては、Ｎ極の一端とＳ極の一端とを前記固定子の内周面に近い位置で互いに近接させる。また、当該Ｎ極とＳ極のそれぞれの他端側は前記固定子の内周面との距離が前記一端側から次第に増加するように配置した永久磁石の組合せを、回転軸を挟んで反対側に１組ずつ設ける。
【選択図】図２

Description

本考案は、補助動力機付きの３相交流発電機に関し、発電機の駆動負荷の軽減と、動力装置（エンジン等）の燃費の大幅な低減を達成し得る、補助動力機付きの３相交流発電機に関するものである。

現在一般的に使用されている小型の単相（２相）交流発電機や、発電所などで使用されている大型の３相交流の同期発電機は、固定子側の界磁鉄芯の歯形が内周全面に均等に配置されており、巻線コイルに均等に磁力線負荷がかかるようになっている。また、固定子側の隣り合う鉄芯と鉄芯のピッチ幅が狭く、回転子側の電機子歯形が両ピッチ幅を跨いで駆動されるため、駆動負荷が大きく、回転ロスにつながり、駆動効率の低下の原因となっている。
そのような問題点を解決するため、本発明者は先に下記特許文献１又は２に記載の２行程発電機を開示した。然しながら、それらの発明は発電機本体についての改良に関するものであるため、更に別の観点から発電効率を向上させる途が残されていた。

特開平９−３７５２８号公報 特開平９−２８５０８２号公報

本考案の目的とするところは、発電機の駆動負荷の一層の軽減と、動力装置の燃費の半減を達成し得る、補助動力機付きの３相交流発電機を提供せんとするにある。

上記目的を達成するため、本考案に係る補助動力機付きの３相交流発電機は、
３相交流発電機本体と補助動力機とのそれぞれの回転軸を直列に連結し、それらの回転軸を動力装置により回転せしめるよう構成し、
前記３相交流発電機本体の固定子側には等角度間隔で３箇所に無負荷空間を設けると共に、回転子側は、交互にＮ極Ｓ極合計６極の電磁石を各２極ずつ等角度間隔に空間を明けて３箇所に配置し、
前記補助動力機の固定子側には、半径方向に着磁され且つ内周側が同極となるように着磁された２個又は３個の略半円弧状の同形の永久磁石を対向させて配置し、その内部に設けられる回転子としては、Ｎ極の一端とＳ極の一端とを前記固定子の内周面に近い位置で互いに近接させ、当該Ｎ極とＳ極のそれぞれの他端側は前記固定子の内周面との距離が前記一端側から次第に増加するように配置した永久磁石の組合せを、回転軸を挟んで反対側に１組ずつ設けたこと、
を特徴とする。

本考案の望ましい形態においては、前記３相交流発電機本体の前記回転子を２組、軸中心に互いに１８０°回転させた位置関係で軸方向に並べて配置するようにする。
更にまた、本考案の望ましい形態においては、前記補助動力機の回転子を２組、軸中心に互いに９０°回転させた位置関係で軸方向に並べて配置するようにする。
前記動力装置としては、内燃機関又は外燃機関のいずれをも使用し得る。

本考案における前記３相交流発電機本体の固定子側には等角度間隔で３箇所に無負荷空間を設けると共に、回転子側には、Ｎ極とＳ極を一組にし、それらを等角度間隔に空間を明けて３箇所に配置したことにより、回転子側の電機子のＮ極とＳ極の歯形が固定子側の歯形を跨ぐことがなく駆動負荷が低減せしめられると共に、前記補助動力機の固定子側の永久磁石に対する回転子側の永久磁石の角度及び配置を所定の構成としたことにより、補助動力機の回転子に磁石動力による回転力が生じるため、発電機本体の駆動負荷の一層の低減と、動力装置の燃費の節減を達成し得るものである。

本考案に係る補助動力機付きの３相交流発電機の一実施例を正面側から見た斜視図である。 図１に示した補助動力機付きの３相交流発電機の背面図である。 本考案における３相交流発電機本体の図２中Ａ−Ａ線に沿った拡大断面図である。 本考案における３相交流発電機本体の軸直角断面図において、回転子の電磁石用に供給する直流と、固定子側の誘導コイルを通じて得られる３相交流を示すと共に、回転子を軸方向に２台直結した状態を示す説明図である。 本考案における３相交流発電機本体のもう一つの実施例において、図３に示した回転子に対して１８０°回転させた位置関係で軸方向に隣接して追加配置されるもう一つの回転子を示す断面図である。 本考案における補助動力機の図２中Ｂ−Ｂ線に沿った拡大断面図である。 本考案における補助動力機の作動原理を示す第１の説明図である。 本考案における補助動力機の作動原理を示す第２の説明図である。 本考案における補助動力機のもう一つの実施例において、図６に示した回転子に対して９０°回転させた位置関係で軸方向に隣接して追加配置されるもう一つの回転子を示す断面図である。 本考案における補助動力機の作動原理を示す第３の説明図である。 本考案における補助動力機の図１０に示した作動原理に基づく実施例を示す断面図である。 本考案における補助動力機のもう一つの実施例において、図１１に示した回転子に対して９０°回転させた位置関係で軸方向に隣接して追加配置されるもう一つの回転子を示す断面図である。 本考案における補助動力機において、その回転子を１台設けた例を示す一部破断斜視図である。 本考案における補助動力機において、その回転子を２台設けた例を示す一部破断斜視図である。

以下、本考案に係る補助動力機付きの３相交流発電機の好ましい実施形態を図面に基いて説明するが、本考案はこの実施形態に限らず、本考案の技術的範囲内で、さまざまな設計変更を行うことが可能である。

本考案に係る補助動力機付きの３相交流発電機は、その一実施例を図１及び図２に示すように、取付フレーム４に、３相交流発電機本体１と、補助動力機２と、動力装置３とを、それらの回転軸を直列に連結して構成され、動力装置３を駆動して３相交流発電機本体１により３相交流の発電を行うようになっている。動力装置３としては、図示した例では、燃料タンク５に入れたガソリンにより駆動されるガソリンエンジン等の内燃機関が用いられているが、大型の発電機の場合には、蒸気タービンやガスタービン等の外燃機関を用いたり、水力発電や風力発電の場合には水車や風車を用いることも可能である。

本考案において用いられる３相交流発電機本体１は、図３に示すように、本体固定枠１０１に円筒ハウジング１０２が取り付けられ、その内部に固定子１０４と回転子１０９とが設けられている。固定子１０４は、固定子鉄芯１０５の鉄芯歯形１０６に固定子誘導コイル１０７を巻き付けて成るものであり、本考案において用いられる３相交流発電機本体１の固定子１０４においては、６０°おきの等角度間隔で３箇所に無負荷空間１０８ａ、１０８ｂ及び１０８ｃが設けられている。

また、３相交流発電機本体１の回転子１０９は、図示する如く、その回転軸１０３に、Ｎ極の電磁石鉄芯１１１ｎ、１１２ｎ、１１３ｎと、Ｓ極の電磁石鉄芯１１１ｓ、１１２ｓ、１１３ｓとの合計６極を交互に各２極ずつ６０°おきの等角度間隔に３箇所に配置したものである。
回転子１０９のこれらの各鉄芯には電磁石コイル１１０が巻き付けられ、それらのコイルに直流が供給されて、図示したようなＮ極、Ｓ極が形成されるようになっている。

従って、前記動力装置３により３相交流発電機本体１の回転子１０９を回転させると、固定子誘導コイル１０７に図４に示すような３相交流が得られるものである。
このとき、固定子１０４に、６０°おきに等角度間隔で無負荷空間１０８ａ、１０８ｂ及び１０８ｃが設けられているため、回転子側の電機子のＮ極とＳ極の歯形が固定子側の歯形を跨ぐことがなく、これによって発電機の駆動負荷が低減せしめられる。

本考案における３相交流発電機本体１のその他の好適な実施例として、図４及び図５に示すように、更にもう１台の３相交流発電機本体の回転子１０９′を、前記回転子１０９に対して軸中心に１８０°回転（交差）させた位置関係で軸方向に並べて追加配置したものが挙げられる。２台の回転子をこのように１８０°回転（交差）させた位置関係で直結することにより、２倍の発電をさせることが可能となる。つまり、これまでの１台分の燃料エネルギーで２台の発電機の運転が可能となるものである。

その駆動方法の内容は、第１の発電機の回転子が進入行程であれば、第２の発電機の回転子を１８０°交差させた退却行程の位置で同時回転させることで、中間作用を作り出し、交互作用による半負荷の現象を作り出すことができるためである。
つまり、発電機本体内部の無負荷空間からの進入行程による慣性力と本体外部の２台同時回転の相互作用による慣性モーメントによる駆動方法で、前記交互作用による半負荷の現象を起こし得るものである。前記進入行程と退却行程を同時回転させれば、中間作用現象を作り出し、前記３箇所の無負荷空間からの進入慣性力があるため、高速回転が容易である。しかしながら、空間スペース幅と磁極鉄芯枠幅の拡大や縮小（増補と減却）の分量調整は、発電量の最も重要な要素となる。しかし、電圧降下などの場合は、回転数を上げる調整を行うことで電圧上昇が図れ、起電力が退却行程直後に発生するものであるから、この行程が速くなればそれだけ電圧は上昇する。
このように、駆動行程として吸引力による進入行程と、吸着力による退却行程を２台の発電機で同時回転させることで両作用からなる中間作用磁場の形成を容易にして、２台同時運転を図ることができる。その原理は、２台の発電機の一方（第１発電機）が吸引力による進入行程の位置角度であれば、もう一方の発電機（第２発電機）が吸着力による退却行程の位置角度となるように１８０°交差させた位置で２台同時回転させることで、中間磁場作用現象（無負荷磁場）の磁界を作り出し、その状態でエンジン等の動力で回転駆動させるようにするものである。
尚、上記の２台直結型の方式をそのまま一体化して１台にまとめることもできる。即ち、１台の発電機の固定子に回転軸を１本通して、その１本の回転軸上に１８０°交差させた２個の回転子を取り付けることにより、一体型とするものである。
このような発電機本体２台もしくは回転子２台を連結した本考案の補助動力機付きの３相交流発電機の用途としては、これを大型化することにより、大量の電力を必要とする非常用発電機や、電源車、防災用自家発電機などへの使用が考えられる。また、風力、火力、水力発電など大型化の可能性があり、大量の電力消費や電力不足などにも対応（使用）できるものである。

次に、本考案に係る補助動力機付きの３相交流発電機における補助動力機について説明する。
補助動力機を設ける目的は、発電機の駆動負荷の軽減とエンジン駆動燃料（費）の半減であり、永久磁石駆動による駆動力を作り出すことにある。

本考案において用いられる補助動力機２は、図６に示すように、本体固定枠２０１に円筒ハウジング２０２が取り付けられ、その内部に固定子２０４と回転子２０８とが設けられている。固定子２０４は、固定子枠２０５に一対の半円弧状の永久磁石２０６及び２０７を対向させて取り付けたものである。永久磁石２０６及び２０７は、図示した例においては、いずれも内周側がＮ極、外周側がＳ極となるように半径方向に着磁されている。

また、補助動力機２の回転子２０８は、その回転軸２０３に、回転子支枠２１７を介して、外周側がＮ極の永久磁石２０９、２１０と、外周側がＳ極の永久磁石２１３、２１４とが、回転子支枠２１７を挟んで反対位置に取り付けられている。前記の外周側がＮ極の永久磁石２０９、２１０の外端にはそれぞれ磁石鋼板２１１、２１２が取り付けられ、また、前記の外周側がＳ極の永久磁石２０３、２１４の外端にはそれぞれ磁石鋼板２１５、２１６が取り付けられている。そのため、Ｎ極を形成する磁石鋼板２１１、２１２の先端側と、Ｓ極を形成する磁石鋼板２１５、２１６の先端とは、前記固定子の永久磁石２０６、２０７の内周面に近い位置で互いに近接するよう配置されている。また、磁石鋼板２１１、２１２、２１５、２１６のそれぞれの他端側は前記固定子の永久磁石２０６、２０７の内周面との距離が前記先端側から次第に増加するように配置されている。尚、磁石鋼板２１１、２１２、２１５、２１６を用いると、磁束密度を７倍〜１０倍に増強させることができる。

補助動力機２の固定子側の永久磁石２０６、２０７と、回転子側の永久磁石２０９、２１０、２１３、２１４及び磁石鋼板２１１、２１２、２１５、２１６の磁極の配置を上記の如く構成することにより、補助動力機２の回転軸２０３を回転させる永久磁石による駆動力が得られる。
即ち、補助動力機２の駆動原理は、図７及び図８に示した如くであり、固定子側のベース極（固定子側の永久磁石２０６、２０７の内周面側）をＮ極とした場合、同極のＮ極を近づけ、一定方向に反発力を作り出すために、回転子のＮ極の駆動方向の先端を上げ、傾斜角度にギャップ幅をとることで反発駆動力が生まれ、また、ベース極のＮ極に対して、回転子のＳ極の場合は正反対に駆動方向の先端を下げ、傾斜角度にギャップ幅をとることで吸引駆動力が生まれ、このＮ極とＳ極の駆動特性を利用して、両極をＶ字型に組み、瞬間駆動させるものである。
このように、本考案における補助動力機の駆動条件は、固定子側の２個の半円形の永久磁石の内周面に対して、回転子側のＮ極とＳ極が傾斜角度を保っていることである。
以上の如くして、補助動力機２に永久磁石による回転駆動力が発生するため、前記３相交流発電機本体１の駆動負荷の一層の軽減と動力装置３の燃料（費）の軽減を達成できる。

本考案における補助動力機３のその他の好適な実施例として、図９に示すように、更にもう１台の回転子２０８′を、前記回転子２０８に対して軸中心に９０°回転（交差）させた位置関係で軸方向に並べて追加配置したものが挙げられる。２台の回転子をこのように９０°回転（交差）させた位置関係で直結することにより、補助動力機２の永久磁石による回転駆動力を更に増強することが可能となる。

図１０には、本考案における補助動力機の更にもう一つの実施例における作動原理が示されている。この実施例は、図８に示した実施例において符号Ｂで示す部分のズラシを設けない補助動力機の例を示したものである。
この補助動力機２において、図１０中、丸付き数字１で示す回転子永久磁石Ｎ極の駆動特性は、固定子永久磁石Ｎ極に対して傾斜角度（丸付き数字６で示す）を有するよう設けられているため、図中の２個の矢符で示す一方向にのみ駆動される。
また、丸付き数字２で示す回転子永久磁石Ｓ極の駆動特性も、固定子永久磁石Ｎ極に対して傾斜角度を有するよう設けられているため、図中の２個の矢符で示す一方向にのみ駆動される。
尚、回転子永久磁石Ｎ極及びＳ極の先端に、図１０中、丸付き数字３で示す如く磁石鋼板を取り付けることで、回転子永久磁石Ｎ極及びＳ極先端の磁束密度を７倍〜１０倍に増強させることができる。
また、回転子永久磁石Ｎ極及びＳ極の先端の上記磁石鋼板の先端部に、図１０中、丸付き数字４で示す如く切欠き凹部を設けることにより、磁束が先端角部に密集する特質を利用して、回転子の先端に磁束を集中させ、駆動効率を向上させることができる。この点は、図６、図８、図９に示した実施例においても同様である。
図１０中、丸付き数字５で示す固定子永久磁石を略半円弧状としたのは、円筒形では着磁できないためである。尚、図示した実施例においては、いずれも、固定子永久磁石を回転軸を中心に１８０°間隔で２個設けてあるが、これには限定されず、１２０°間隔で３個設けることも可能である。
図１０中、丸付き数字６で示す固定子の内周面と回転子の先端領域との傾斜角度は、前記の如く、回転子永久磁石Ｎ極及びＳ極の一方向への駆動を可能とするためのものである。

図１１には、図１０に示した作動原理に基づく補助動力機の実施例を示が示されている。図中の指示記号で、図６に示したものと同一の指示記号は、図６において説明した構成要素と同一の構成要素を示すものである。

図１２は、本考案における補助動力機の更にもう一つの実施例において、図１１に示した回転子に対して９０°回転させた位置関係で軸方向に隣接して追加配置されるもう一つの回転子を示す断面図である。図中の指示記号で、図９に示したものと同一の指示記号は、図９において説明した構成要素と同一の構成要素を示すものである。
図１１に示した前記回転子２０８に対して軸中心に９０°回転（交差）させた位置関係で、更にもう１台の回転子２０８′（図１２）を前記回転子２０８と軸方向に並べて追加配置するようにする。２台の回転子２０８と２０８′をこのように９０°回転（交差）させた位置関係で直結することにより、補助動力機２の永久磁石による回転駆動力を更に増強することが可能となる。

図１３は、本考案における補助動力機において、その回転子を１台設けた例を示しており、 図１４は、本考案における補助動力機において、その回転子を２台設けた例を示している。

尚、本考案は上記の実施例に限定されるものではなく、例えば、動力装置と発電機本体の回転軸を直接連結することなく、両者の回転軸に取り付けたプーリとそれらのプーリ間に掛け渡したベルトによって動力伝達を行うようにしてもよく、従って、本考案は実用新案登録請求の範囲に記載した技術的範囲内におけるすべての変更実施例を包摂するものである。

本考案に係る補助動力機付きの３相交流発電機は上記の如く構成されるから、本考案によるときは、３相交流発電機の駆動負荷の低減と、動力装置の燃費の半減等大幅な低減を達成し得るものである。

１ ３相交流発電機本体
２ 補助動力機
３ 動力装置（エンジン等）
４ 取付フレーム
５ 燃料タンク
６ １００Ｖ用電圧計
７ ２００Ｖ用電圧計
１０１ 本体固定枠
１０２ 円筒ハウジング
１０３ 回転軸
１０４ 固定子
１０５ 固定子鉄芯
１０６ 鉄芯歯形
１０７ 固定子誘導コイル
１０８ａ〜１０８ｃ 無負荷空間
１０９ 回転子
１１０ 回転子電磁石コイル
１１１ｎ〜１１３ｎ 回転子電磁石鉄芯Ｎ極
１１１ｓ〜１１３ｓ 回転子電磁石鉄芯Ｓ極
２０１ 本体固定枠
２０２ 円筒ハウジング
２０３ 回転軸
２０４ 固定子
２０５ 固定子枠
２０６ 固定子永久磁石
２０６ｎ 固定子永久磁石Ｎ極
２０７ 固定子永久磁石
２０７ｎ 固定子永久磁石Ｎ極
２０８，２０８′ 回転子
２０９ 回転子永久磁石Ｎ極
２１０ 回転子永久磁石Ｎ極
２１１ 磁石鋼板Ｎ極
２１２ 磁石鋼板Ｎ極
２１３ 回転子永久磁石Ｓ極
２１４ 回転子永久磁石Ｓ極
２１５ 磁石鋼板Ｓ極
２１６ 磁石鋼板Ｓ極
２１７ 回転子支枠

Claims (4)

1. ３相交流発電機本体と補助動力機とのそれぞれの回転軸を直列に連結し、それらの回転軸を動力装置により回転せしめるよう構成し、
   前記３相交流発電機本体の固定子側には等角度間隔で３箇所に無負荷空間を設けると共に、回転子側は、交互にＮ極Ｓ極合計６極の電磁石を各２極ずつ等角度間隔に空間を明けて３箇所に配置し、
   前記補助動力機の固定子側には、半径方向に着磁され且つ内周側が同極となるように着磁された２個又は３個の略半円弧状の同形の永久磁石を対向させて配置し、その内部に設けられる回転子としては、Ｎ極の一端とＳ極の一端とを前記固定子の内周面に近い位置で互いに近接させ、当該Ｎ極とＳ極のそれぞれの他端側は前記固定子の内周面との距離が前記一端側から次第に増加するように配置した永久磁石の組合せを、回転軸を挟んで反対側に１組ずつ設けたこと、
   を特徴とする、補助動力機付きの３相交流発電機。
2. 前記３相交流発電機本体の前記回転子を２組、軸中心に互いに１８０°回転させた位置関係で軸方向に並べて配置したことを特徴とする、請求項１に記載の補助動力機付きの３相交流発電機。
3. 前記補助動力機の回転子を２組、軸中心に互いに９０°回転させた位置関係で軸方向に並べて配置したことを特徴とする、請求項１又は２に記載の補助動力機付きの３相交流発電機。
4. 前記動力装置が、内燃機関又は外燃機関のいずれかであることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の補助動力機付きの３相交流発電機。

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