JP3225166U - 二次コイルを有する発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の構造を複雑にすることなく、高出力化が可能な発電機を提供する。【解決手段】発電機は、電機子コイルを備えた固定子に一次磁場を提供する磁石構成を備えた回転子１１を含み、回転子は、一次磁場が電機子コイル内に電流を誘導するように固定子の周りを回転可能である。発電機は、さらに、固定子の周り又は外側に設けられ、一次磁場と相互作用し、一次磁場を増大または増強する二次磁場を生成する二次巻線（固定子コイル６）と、二次巻線に対する回転子の位置に基づいて二次巻線の磁場の強度または極性のうちの少なくとも１つを切り替えるスイッチング装置とを含む。【選択図】図３

Description

本考案は、電気機械に関し、より詳細には、発電機の回転部分に磁場（即ち、磁界）を発生させる発電機に関する。

従来の電気機械、例えば発電機では、回転子の周りに巻かれた界磁コイルにＤＣ電流を供給することによって、回転子によって磁場が生成される。特定のタイプの発電機では、回転子が回転すると、界磁コイルへの電流が、ブラシおよびスリップリングシステムを介して供給される。界磁コイルは、回転子の回転に起因して大きな遠心力を受けることがある。界磁コイルを固定するために、界磁コイルはしばしば樹脂で被覆され、回転子本体のコイルスロット内に収容される。

磁石の強度、ひいては固定子コイル内に誘導されるＥＭＦの量に関連する回転子コイル内の巻数は、回転子キャビティのサイズによって制限される。要約すると、発電機内の磁束源として回転子を使用することは有効であるが、実際的な制限、すなわち、ブラシおよびスリップリングシステムが必要となり、遠心力に耐えるために界磁コイルを固定する必要があり、また磁石のサイズおよび強度を制限する回転子キャビティ内の物理的空間という制限を有する。

本出願人は、二次コイルを含めることによって界磁コイルを制御する、または影響を及ぼす努力がなされてきたことに注目した。

米国特許第４８８７０２０号（自己補償ブラシレスオルタネータ）は、二次固定子コイルを開示しており、二次固定子コイルの機能は、その後、回転子コイルにフィードバックされる電力を生成することである。米国特許第９９１２２０６号（減衰手段を有するモータ）は、二次固定子コイルを開示しており、二次固定子コイルの機能は、二次固定子コイルを流れる誘導電流によって生成されるそれ自体の磁場を介して、回転子に減衰トルクを生成することである。これらの両方の場合において、二次コイルは、それらに誘導された電流を有し、特定の機能を果たす。

米国特許第７５４５０５６号（電気機械の飽和制御）および米国特許出願公開第２００４／０２３９２０２号（電気機械の構造）の両方は、ＤＣ電流が供給される固定子内に二次コイルを含む発電機を記載している。これらの特許に記載されている発電機は、両方とも永久磁石発電機である。永久磁石発電機は、それらの出力電圧が機械の速度によってのみ制御され得るように制限される。これらの特許は、永久磁石発電機の出力の制御性を増大させることを扱っている。これは、機械の固定子内に二次制御巻線を導入することによって行われる。制御巻線は、回転子内の永久磁石によって生成される磁場から磁気的に分離された磁場を生成する。制御巻線の磁場の機能は、固定子材料の飽和レベルを変化させることである。飽和レベルを変化させることは、磁気回路の抵抗を変化させ、それによって、電力巻線によって誘導される出力電圧に影響を与える。この方法は、リターンパスを飽和させるために追加の電力を必要とし、それによって出力電力を減少させるので、非常に非効率であるにもかかわらず、永久磁石機械によって生成される出力に対してある程度の制御を与える。一般に、機械に投入される入力電力が多いほど、それが生成する正味の出力電力は少なくなる。

出願人は、改良された発電機を望んでいる。本出願人は、本出願人が知っている先行技術開示とは異なるように構成された二次コイルを設けることによって、この改善された発電機を実現することを提案する。

したがって、本考案は、一次磁場を提供するように構成された磁石構成を備えた回転子と、電機子コイルを備えた固定子であって、前記一次磁場が前記電機子コイル内に電流を誘導するように前記回転子が前記固定子の周りを回転可能である固定子と、を含む発電機であって、前記発電機はさらに、前記固定子の周り又は外側に設けられる二次巻線であって、前記一次磁場と相互作用し、前記一次磁場を増大または増強する二次磁場を生成するように構成される二次巻線と、前記二次巻線に対する前記回転子の位置に基づいて前記二次巻線の前記磁場の強度または極性のうちの少なくとも1つを切り替えるように構成されるスイッチング装置と、を含む発電機を提供する。
回転子の磁石構成は、界磁コイルを有する電磁石または永久磁石の形態であってもよい。
したがって、二次コイルは、電機子コイル内に誘導される電流を固定子の周囲または外側から、言い換えれば、回転子が収容され得る固定子内からではない所から増大または増強させるように構成することができる。これは、回転子の複雑さを増大させることなく、または低減さえして、より高い電流誘導（したがって、生成）をもたらすことができる。この回転子の複雑さの低減は、二次磁場を発生させるために二次巻線を駆動するのに必要な電力を犠牲にしてもたらされる可能性がある。
発電機は、電流、例えばＤＣ（直流）電流を二次コイルに供給するように構成することができる。電流は、スイッチング装置によって供給または制御することができる。

本出願人は、背景技術で述べた従来技術の開示に対する本開示の技術的利点は、従来技術の開示では、回転子の磁場と、例えば二次固定子コイルなどの他の場所で生成される磁場との間に磁気結合が存在しないことであると考える。本考案は、発電機の出力を増大させるために、例えば二次コイルによって回転子の外側に生成される二次磁場（または磁束）が、回転子によって生成される磁束を持続的に且つ建設的に増加させることを確実にすることによって、これを改善することを意図する。

別の言い方をすれば、本考案は、磁束生成の一部（又は大部分）を回転子から離れるようにシフトさせ、代わりに、例えば、固定子内又は固定子の近くで、リターンパス内で、それどころか機械の外側で、回転子の外側に磁束を生成するというアイデアを提案する。２つの異なる源（界磁コイルおよび二次コイル）から生成される磁場（一次磁場および二次磁場）は、建設的に作用し得る。

回転子の外側、例えば、回転子内ではなく固定子内及び固定子の外側で磁束を生成することには多くの利点がある。すなわち、固定子は静止しており、したがって、損失の多いブラシおよびスリップリングシステムの必要がなく、対抗する遠心力がない。固定子は、回転子の外側にあり、したがって、回転子コイルに課される空間制限とは異なり、二次固定子コイルに対する空間的またはサイズ的な制限はより少ない。他の利点は、磁界源としての回転子と比較して、冷却のための複雑な要求がより少なく、修理及び保守が容易であろうことである。回転子の外側で生成される磁場を増加させることによって、これは、回転子内の機械の内側で必要とされる体積および空間を減少させ得る。

スイッチング装置は、回転子位置の関数としてスイッチングアルゴリズムを提供するように構成することができる。

二次コイルは、
固定子の内側部分、
固定子の外側部分、及び／又は
完全に固定子の外側
のうちの１つ以上に設けることができる。

磁場が固定子の外側で生成される場合、高透磁性材料を使用して、二次磁場を固定子に連結し、誘導することができる。高透磁率材料は、ミューメタル、精製鉄、またはスーパーマロイを含むことができる。

本開示を、添付の図を参照して、例としてさらに説明する。
図面において：
図１は、単純化された従来の２極発電機の概略断面図を示す。 図２は、本考案の例示的な実施形態にかかる発電機の概略断面図を示す。 図３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、図２の発電機における各回転子位置に応じて切り替える二次コイルの概略図を示す。 図４は、図２の発電機における二次コイル電流対回転子位置の関数グラフの図を示す。 図５は、図２の発電機における二次コイル電流対回転子位置の平滑化されたステップ関数グラフの図を示す。 図６は、本考案にかかる発電機の代替実施形態の概略断面図を示す。 図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）および（Ｅ）は、図２の発電機における各回転子位置に応じて切り替える二次コイルの概略図を示す。 図８は、４極発電機用の２つの外部電磁石を有する、本考案にかかる発電機の別の実施形態の概略図を示す。 図９は、２つのＮ極が両方１つの固定子に接続されている、本考案にかかる発電機の別の実施形態の概略図を示す。 図１０は、２つのＳ極と１つの中央Ｎ極が１つの固定子に接続されている、本考案にかかる発電機の別の実施形態の概略図を示す。 図１１は、２つのＮ極および２つのＳ極からなる二次コイルを有する、本考案にかかる発電機の別の実施形態の概略図を示す。 図１２は、２つのＮ極が固定子に連結され、Ｓ極は連結されていない、本考案にかかる発電機の別の実施形態の概略図を示す。 図１３は、より大きな外側磁石表面領域被覆のための磁気バリアを備えた２つのＮ極および２つのＳ極が固定子に連結されている、本考案にかかる発電機の別の実施形態の概略図を示す。

本考案の以下の説明は、本考案の可能な教示として提供される。当業者は、記載された実施形態に多くの変更を加えることができることを認識する一方、依然として本考案の有益な結果を得るであろう。本考案の所望の利益のいくつかは、本考案の特徴のいくつかを選択することによって、他の特徴を利用することなく達成できることも明らかであろう。したがって、当業者であれば、本考案に対する修正および適応が可能であり、特定の状況においては望ましくもあり得、本開示の一部であることを認識するであろう。したがって、以下の説明は、本考案の原理を説明するものであり、それに限定されるものではない。

図１を参照すると、従来の２極電気機械が示されている。従来の機械は、電機子コイル２を含む固定子１と、界磁コイル４を含む回転子３とからなる。回転子界磁コイル４には直流電流が供給される。回転子コイル４を通る電流の方向は、バツ印および点印によって示され、バツ印は紙面に向かう電流を表し、点印は紙面から出る電流を表す。回転子界磁コイル４内の図示された電流方向により、機械内に確認される磁場５がもたらされる。

図２は、従来の設計が、固定子に二次コイル６を含むように変更された本考案の実施形態を示す。機械のリターンパスとして作用する固定子７の外側部分が、従来のデザインと比較して半径方向外向きに押し出されていることに留意されたい。これにより、固定子スロット８のサイズが増大し、二次コイル６のためのスペースを与え、二次コイル６へのアクセスを可能にする。リターンパスを外側に押し出すことにより、固定子電機子コイル９へのアクセス性も増大し、コイルの冷却を容易にすることができる。

二次コイル６は、バツ印および点印によって示されるこの電流の方向の外部ＤＣ電流によって励起される。点印は紙面から出る電流方向を表し、バツ印は紙面に向かう電流方向を表す。機械の左手側の二次コイル６ａは、機械の右手側の二次コイル６ｂとは異なる電流方向を有することに留意されたい。これは、二次コイル６によって生成される磁場が、回転子磁界コイル１０によって生成される磁場を補完することを確実にするために行われる。
機械の中心線に沿った二次コイル６ｃには、機械内の磁場と破壊的に干渉するので、電流が全く供給されない。したがって、バツ印も点印も示されない。二次固定子コイル６が回転子界磁コイル１０によって生成される磁場を建設的に増大させるためには、それらを通る電流方向を回転子１１の位置に応じて切り換える必要がある。

図３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、それぞれ二次固定子コイル６を流れる電流が回転子位置の位置１、位置２および位置３に応じてどのように切り換えられるかを示す。特定の二次固定子コイルを強調するラベルＡを参照すると、回転子が位置１から位置２へ、そして位置３へ移動するにつれて、そのコイルを通る電流方向が紙面の外側へ向かう方向からゼロへ、そして紙面に向かう方向へと変わっていくことが分かる。これによって、二次固定子コイル６によって生成される磁場が、回転子１１が回転すると回転子界磁コイル１０が生成する回転磁場と常に整合するように、向きを変えることが確実になる。

図４は、図３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）の各角度の回転子位置に対する、ラベルＡで印された二次コイルに印加される電流の一例示グラフである。図４の目的は、方向を示す電流の符号が回転子位置に応じてどのように変化するかを示すことである。なお、本実施形態は、図４に示すステップ関数波形に限定されるものではない。

実際には、符号が回転子位置に応じて変化して、それらの磁場が回転子の磁場を建設的に増大することを保証する限り、多くの波形形状を２次コイルに適用することができる。別の波形形状の例を図５に示す。ここで、スイッチング関数は、スイッチング遷移を平滑化するために丸められている。電流の変化率がソレノイドを介して高い場合、大きな誘導磁場を生じさせ、誘導出力電圧波形にスパイクを生じさせる。スイッチング遷移を平滑化することは、出力電圧におけるこれらのスパイクを緩和するのに役立つ。

図６は、本考案の別の実施形態を示す。この実施形態では、前述の実施形態のように固定子電機子コイルと同じスロットを共有する二次固定子コイルの代わりに、二次固定子コイル１２が発電機本体１３から押し出される。磁束は、磁束ブリッジ１４を介して発電機本体に転送される。二次コイル１２によって生成された磁束が実際に空隙１５を横切り、回転子の磁束１６と連結することを確実にするために、固定子リターンパス内に空隙１７を導入しなければならなかった。
この空隙１７は、空気または非磁性材料を含む磁気流れ抵抗手段材料であってもよい。この空隙１７は、二次コイル１２によって生成された磁束が回転子をバイパスせず、磁束が電機子巻線１８と交差するようにし、より大きな誘導出力電圧をもたらすことを確実にする。

この実施形態の利点は、二次固定子コイル１２が、発電機１３のそれから物理的に取り除かれたそれ自身の磁気支持構造１９を有することである。これは、二次コイルが維持されている間、発電機を停止する必要がないので、二次コイル１２の冷却の容易さ、並びに保守の容易さを可能にする。二次コイルが回転子１６によって生成される磁束を建設的に増大するためには、前の実施形態と同様のスイッチングアルゴリズムを使用しなければならない。

図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）および（Ｅ）は、点印及びバツ印を用いて説明される二次固定子コイル１２における電流方向が位置１から３まで同じままであるが、回転子１６が９０°の位置を通過すると、位置３と４を比較することによって分かるように、電流方向が変わる様子を示す。二次コイル１２内の電流方向の変化は、二次コイルによって生成される磁束が回転子１６によって生成される磁束と整合することを確実にするために必要である。回転子１６の向きが変わると、その磁束も変わり、したがって、二次コイル１２の磁束の向きの求められる変更も変わり、それらが互いに従うことを確実にする。

図２〜図３の発電機は、固定子の周りに円周方向に配置された二次巻線を有する。固定子は、磁場／磁束のためのリターンパスを提供するためのバックアイアンとして機能することができる。しかし、図６〜図１３では、二次巻線は、固定子の外側に、固定子から間隔を置いて設けられている。次に、磁気透過性材料のアーム又はコアが含まれて、二次巻線から固定子へのリターンパスを提供し、二次磁場が回転子と相互作用することができるようにする。

いくつかの実施形態は、リターンパスに磁場を供給する２つのＮ極があるときに、回転子の外側で生成されるより大きな磁場強度を有し、他の実施形態は、回転子への磁束の流れを促進するために、回転子内で生成されるより大きな磁場を有する。リターンパスに磁場を供給する２つのＮ極がある場合、電磁石は、２つの異なる電流方向を有する２つのコイルを有し、２つの端部に２つのＮ極を生成し、中央にＳ極を有し、その磁石内の磁場は、Ｎ極に向かってそれぞれの方向に流れ／配向する。上記の反対では、リターンパス内のＮ極に接続される両端に２つのＳ極があり、両方のＳ極磁場が流れるリターンパス内のＳ極に接続されている中央に１つのＮ極がある。

いくつかの実施形態は、より多くの極を有する発電機、例えば、発電機の４つのＳ極に接続する外側電磁石の４つのＮ極を有する８極発電機である。機械の外側に生成される磁場は、軸方向でなければならず、透磁性材料に沿ってリターンパスに入らなければならない。磁場の経路は、機械の外側から生成される場合、電気機械の最適な動作を可能にするために、可能な限り短くなくてはならない。

磁場の移動経路をより短くするために、電磁石コイルは、磁場が長い移動経路を有さないように、リターンパスに非常に近接して最適に終端していなければならない。磁束を回転子内に誘導し、磁束の短絡を回避するために、リターンパスは、この場合２つの空隙を有する図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）および（Ｅ）に示すように、複数の空隙を有する。４極機械の場合、４つの空隙がある。極の数は、空隙点の数と一致する。

クローズ
１．回転子の位置に対する電流の方向を二次コイルおよび電磁石へと変えて、それらの極性を変え、リターンパスを介して建設的かつ持続的に磁場を磁気回路に加える電子制御を有する、回転子の外側で発生する磁場のいくつかを有する発電機。

２．二次磁場を発生させる二次コイルは、固定子の外側領域に位置し、固定子は、回転子の周囲の外側部材である、請求項１に記載の発電機。

３．二次磁場を発生させる二次コイルは、固定子の内側領域に位置し、固定子は、回転子の周囲の内側部材である、請求項１に記載の発電機。

４．二次磁場を発生させる（電磁石）二次コイルは、電気機械の外側に位置する、請求項１に記載の発電機。

５．機械がＸ個の極を有する場合、リターンパスは、２つの空隙を有する２極機械に対し、４つの空隙を有する４極機械に対するリターンパスである空隙からなるＸ個の磁気抵抗手段を有する、請求項４に記載の発電機。

６．電気機械の２つのＳ極に接続する２つのＮ極端部を備えた２つの外側電磁石がある、請求項５に記載の４極発電機。

７．電気機械の２つのＳ極に接続する４つのＮ極端部を備えた２つの電磁石がある、請求項５に記載の４極発電機。

８．外側の電磁石のＮ極が磁場を発電機のＳ極に供給する多極発電機。

９．回転子の外側で発生する磁場は、回転子電磁石に発生する磁場よりも大きく、巻線への磁場の流れを強める、請求項４に記載の発電機。

１０．外部電磁石が電磁石間に磁気バリアを有し、リターンパスとの表面接触領域は、リターンパス上のより大きな表面積を覆っている、請求項４に記載の発電機。

１１．磁場は、より大きな表面積を有するミューメタル、スーパーマロイからなる高透磁率材料によって誘導される、請求項４に記載の発電機。

１２．電磁石極は、リターンパスに非常に近接して終端し、ミューメタルからなる高透磁率材料を有する、請求項１に記載の発電機。

Claims (3)

1. 一次磁場を提供するように構成された磁石構成を備えた回転子と、
   電機子コイルを備えた固定子と、を含む発電機であって、前記一次磁場が前記電機子コイル内に電流を誘導するように前記回転子が前記固定子の周りを回転可能であり、
   前記発電機はさらに、
   前記固定子の周り又は外側に設けられる二次巻線であって、前記一次磁場と相互作用し、前記一次磁場を増大または増強する二次磁場を生成するように構成される二次巻線と、
   前記二次巻線に対する前記回転子の位置に基づいて前記二次巻線の前記磁場の強度または極性のうちの少なくとも１つを切り替えるように構成されるスイッチング装置と、を含む発電機。
2. 前記二次巻線は、回転子の複雑さを増大させることなくより高い電流誘導、したがって、発電が作動的にもたらされる前記固定子の周りまたは外部から、前記電機子コイルに誘導される前記電流を増大または増強させるように構成される、請求項１に記載の発電機。
3. 前記二次巻線に電流を供給するように構成され、前記電流は前記スイッチング装置によって供給または制御される、請求項１に記載の発電機。