JP3480295B2 - 磁石式交流発電機を用いた電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁石式交流発電機
の出力で負荷に直流電力を供給する電源装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関により駆動される乗物などに用
いる電源装置として、内燃機関により駆動される磁石式
交流発電機の出力を整流回路を通して直流に変換するよ
うにしたものが多く採用されている。

【０００３】周知のように、磁石式交流発電機（以下単
に磁石発電機ともいう。）は、磁石界磁を有する回転子
と、電機子コイルを有する固定子とからなっていて、回
転子が内燃機関などの原動機に取り付けられ、回転子の
回転に伴って生じる磁束の変化により、電機子コイルに
交流電圧が誘起させられる。

【０００４】磁石発電機はその界磁を調整することがで
きないため、従来は想定される最大の負荷を駆動し得る
ように設計されていた。従って、磁石発電機の出力を整
流して直流負荷に電力を供給するようにした電源装置で
は、軽負荷時に負荷に過大な電力が供給されることがな
いようにするために、磁石発電機の出力を短絡する出力
短絡用スイッチを設けて、負荷の端子電圧が設定値を超
えたとき、または負荷電流が設定値を超えたときに該出
力短絡用スイッチを導通させて磁石発電機の出力を短絡
することにより出力調整を行っていた。

【０００５】ところが、磁石発電機の出力を短絡するこ
とにより出力調整を行う方法をとると、出力調整時に出
力短絡用スイッチを通して大きな短絡電流が流れるた
め、該出力短絡用スイッチとして電流容量が大きい高価
なものを用いる必要があり好ましくなかった。

【０００６】また出力短絡用スイッチを通して大きな短
絡電流が流れるため、該スイッチで大きな損失が発生し
て発熱が多くなり、スイッチ素子を冷却するために大形
のヒートシンクが必要になって装置が大形化するという
問題があった。

【０００７】そこで、特開平７−５９３１９号に示され
ているように、磁石発電機の回転子側の磁極と固定子側
の磁極とを通して磁束を流す界磁調整用励磁コイルを固
定子側に設けるとともに、回転子の磁石界磁の構成を、
界磁調整用励磁コイルから磁束が与えられたときに増磁
するような構成として、大きな負荷を駆動する際に該界
磁調整用励磁コイルを励磁することにより、磁石発電機
の出力を増加させるようにした電源装置が提案された。

【０００８】図１２は、磁石発電機の固定子側に界磁調
整用励磁コイルを設けて出力調整を行うようにした従来
の電源装置の構成を示したもので、この電源装置に用い
る磁石発電機１の回転子は、カップ状に形成された回転
子ヨークと、該回転子ヨークの周方向に並べられた状態
で該回転子ヨークの周壁部の内周に固定されて径方向に
同極性で着磁された複数の円弧状の永久磁石と、該複数
の永久磁石相互間に配置されて回転子ヨークの周壁部の
内周に固定された円弧状の強磁性体ブロックとを備えて
おり、各永久磁石及び強磁性体ブロックの内周面が回転
子側磁極を構成している。

【０００９】またこの磁石発電機の固定子は、回転子側
磁極に対向する固定子側磁極を有する電機子鉄心と、該
電機子鉄心に巻装された３相の電機子コイル１ｕ〜１ｗ
と、励磁された際に回転子側磁極及び固定子側磁極を通
して界磁調整用磁束を流す界磁調整用励磁コイル５とを
備えている。

【００１０】電機子コイル１ｕ〜１ｗの出力はブリッジ
接続されたダイオードＤu 〜Ｄw とダイオードＤx 〜Ｄ
z とからなるダイオードブリッジ全波整流回路２を通し
てバッテリ３に印加され、バッテリ３の両端の電圧がス
イッチ６を通して界磁調整用励磁コイル５に印加されて
いる。

【００１１】界磁調整用励磁コイル５は、バッテリ３よ
りスイッチ６を通して励磁電流が与えられたときに強磁
性体ブロックを通して磁束を流して回転子の磁石界磁を
増磁するようにその巻回方向が設定されている。

【００１２】図１２に示した電源装置において、バッテ
リ３に接続される負荷が軽いときには、スイッチ６を開
いて界磁調整用励磁コイル５を非励磁とすることにより
回転子の磁石界磁を弱めて発電機の出力が過大にならな
いようにする。またヘッドランプを点灯する夜間のよう
に、バッテリ３に接続される負荷が重いときには、スイ
ッチ６を閉じて界磁調整用励磁コイル５を励磁すること
により、磁石界磁を増磁して磁石発電機の出力を増加さ
せる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】図１２に示した電源装
置では、スイッチ６が閉じられたときに界磁調整用励磁
コイル５に供給される励磁電流がバッテリ３の端子電圧
により決まるため、負荷の種々の大きさに応じて磁石発
電機の出力を細かく調整することができないという問題
があった。

【００１４】磁石発電機の出力を細かく調整するため
に、負荷電流または負荷電圧を検出する検出回路と、該
検出回路から得られる検出信号に応じて界磁調整用励磁
コイルに流れる励磁電流の大きさを調整する励磁電流調
整回路とを備えた制御回路を設けて、負荷の状態に応じ
て界磁調整用励磁コイルの励磁電流の大きさを制御する
ことが考えられるが、励磁電流の大きさを制御する制御
回路を設けると装置の構成が複雑になるのを避けられな
い。

【００１５】本発明の目的は、磁石式交流発電機を用い
た電源装置において、装置の構成を複雑にすることな
く、磁石発電機の出力を負荷の状態に応じて適確に制御
することができるようにすることにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、磁石式交流発
電機の出力を整流して負荷に直流電力を供給する電源装
置に適用される。

【００１７】本発明に係わる電源装置は、周壁部と底壁
部とを有するほぼカップ状の形状に形成されて底壁部の
中央に回転軸取付け用のボス部が設けられた回転子ヨー
クと該回転子ヨークの周方向に並べられた状態で該回転
子ヨークの周壁部の内周に固定されて径方向に同極性で
着磁された複数の円弧状の永久磁石と該複数の永久磁石
相互間に配置されて回転子ヨークの周壁部の内周に固定
された円弧状の強磁性体ブロックとを備えて各永久磁石
及び強磁性体ブロックの内周面が回転子側磁極を構成し
ている回転子と、回転子側磁極に対向する固定子側磁極
を有する電機子鉄心と該電機子鉄心に巻装された電機子
コイルと励磁された際に回転子側磁極及び固定子側磁極
を通して界磁調整用磁束を流す界磁調整用励磁コイルと
を有する固定子とを備えた磁石式交流発電機と、該磁石
式交流発電機の出力を整流して負荷に供給する整流回路
とを備えている。

【００１８】本発明においては、界磁調整用励磁コイル
を、整流回路から負荷を通して流れる直流負荷電流の通
路の途中に挿入して、該直流負荷電流により界磁調整用
励磁コイルを励磁する。また、界磁調整用励磁コイルが
励磁されて界磁調整用磁束が発生したときに強磁性体ブ
ロックを通して流れる磁束が増加または減少するよう
に、界磁調整用励磁コイルの巻方向を設定しておく。

【００１９】上記のように、界磁調整用励磁コイルを負
荷電流で励磁して、磁石発電機の回転子に設けた強磁性
体ブロックを通して流れる磁束を負荷電流に応じて増加
または減少させるようにすると、負荷電流に応じて磁石
発電機の磁石界磁を増磁または減磁することができるた
め、負荷電流の増減に伴って磁石発電機の出力を増加ま
たは減少させることができる。従って、界磁調整用励磁
コイルが非励磁の状態にあるときの磁石発電機の出力
と、界磁調整用励磁コイルの巻数とを適当に設定するこ
とにより、特別な制御回路を設けることなく負荷の大小
に応じて磁石発電機の出力を増減させて、磁石発電機の
出力を負荷に見合った大きさに調整することができる。
また、磁石発電機を短絡して出力調整を行う必要がない
ため、損失を少なくして発電効率を高めることができ
る。

【００２０】更に、上記のように構成すると、負荷電流
の変化に伴って磁石発電機の出力を連続的に変化させる
ことができるため、負荷の大小に応じて発電機の出力を
きめ細かく調整することができる。

【００２１】特に負荷電流で界磁調整用励磁コイルを励
磁することにより、磁石界磁を負荷電流に応じて増磁す
る構成をとると、直流電動機を電源装置の負荷として駆
動する場合や、整流回路の直流出力端子間に負荷が過電
流保護装置を介して接続される場合に、以下に示す利点
を得ることができる。

【００２２】すなわち、直流電動機はその負荷が重くな
ると回転速度が低下するが、上記の電源装置により直流
電動機を駆動すると、電動機の負荷が重くなったとき
に、該電動機の電機子電流の増大に伴って界磁調整用励
磁コイルの励磁電流が増大するため、磁石発電機の磁石
界磁が増磁されて該発電機の出力が増加する。これによ
り電動機に加えられる電力が増加するため、電動機の出
力トルクが増大し、その回転速度の低下が抑制される。
従って、上記の電源装置により直流電動機を駆動する
と、電動機の負荷の如何に係わりなく、ほぼ一定の回転
速度で電動機を運転することができる。

【００２３】また整流回路の直流出力端子間にヒューズ
や遮断器（ブレーカ）などの過電流保護装置を介して負
荷が接続される場合に、上記のように負荷電流により界
磁調整用励磁コイルを励磁して磁石界磁を増磁する構成
をとると、負荷電流が過大になって過電流保護装置が遮
断した場合に、磁石界磁が弱められて（増磁されなくな
って）磁石発電機の出力が低下するため、整流回路の直
流出力端子間に高い電圧が現れるのを防ぐことができ
る。従って、例えば、整流回路の直流出力端子間に電圧
計などの高抵抗を有する機器が接続されている場合に、
該機器が過電圧により破壊するのを防ぐことができる。

【００２４】なお上記のように、界磁調整用励磁コイル
を励磁して磁石界磁を増磁するようにした場合、強磁性
体ブロックを流れる磁束は無限に増加することはなく、
あるところで飽和する。また磁石発電機の出力は電機子
反作用の影響を受けてその増大が抑制される。従って、
上記のように、負荷電流の大きさに応じて磁石界磁を増
磁する構成をとっても、磁石発電機の出力が無限に増加
することはなく、発電機の出力は適当な大きさまで増加
したところで飽和する。

【００２５】また本発明において、負荷電流で界磁調整
用励磁コイルを励磁することにより、磁石界磁を負荷電
流に応じて減磁する構成をとると、負荷電流が増加した
ときに磁石界磁の減磁量が増大して磁石発電機の出力が
抑えられ、負荷電流が減少したときに磁石界磁の減磁量
が減少して（磁石界磁が増磁して）磁石発電機の出力が
増加するため、負荷変動に対して負荷電流を一定に保つ
効果を得ることができる。

【００２６】例えば、他励式の直流発電機では、負荷電
流が増加すると、その電機子反作用の増大により界磁電
流が減少し、逆に負荷電流が減少すると、電機子反作用
の減少により界磁電流が減少するため、負荷電流の如何
に係わりなく界磁力を一定に保って発電機を安定に運転
するためには、負荷電流に応じて界磁電流を制御するた
めの制御回路を必要とするが、本発明に係わる電源装置
を用いて界磁コイルに電流を供給するようにすれば、特
別な制御回路を用いることなく、界磁電流を一定に保つ
ことができる。

【００２７】また、本発明において、負荷電流で界磁調
整用励磁コイルを励磁して磁石界磁を負荷電流に応じて
減磁する構成をとると、通電により発熱を生じる抵抗負
荷（白熱電球や電気ヒータなど）を駆動する場合に、温
度が低く抵抗値が小さい状態にある負荷に大きな突入電
流が流れるのを防ぐことができるため、大きな突入電流
により負荷が焼損するのを防ぐことができる。

【００２８】なお上記のように、界磁調整用励磁コイル
を負荷電流で励磁して磁石界磁を減磁するようにした場
合、磁石発電機の起動時にいきなり磁石界磁が大きく減
磁されることはなく、磁石界磁の減磁量は、負荷電流の
増大に伴って一定の割合で徐々に増加していくため、上
記のように負荷電流で界磁調整用励磁コイルを励磁して
磁石界磁を減磁する構成をとっても、磁石発電機の出力
の立ち上りが妨げられることはなく、磁石発電機の運転
はなんら支障なく行われる。

【００２９】本発明においてはまた、負荷側の状態に応
じて、界磁調整用励磁コイルを流れる負荷電流の向きを
切り換える構成をとることにより、負荷電流または負荷
の端子電圧に応じて磁石発電機の出力を最適に制御する
ようにすることもできる。

【００３０】このような制御を行わせるためには、例え
ば、整流回路から負荷を通して流れる負荷電流の通電回
路と界磁調整用励磁コイルとの間を接続するように設け
られて、負荷電流を界磁調整用励磁コイルの一端側から
他端側に流すように負荷電流の通電回路と界磁調整用励
磁コイルとを直列に接続する第１の状態と、負荷電流を
界磁調整用励磁コイルの他端側から一端側に流すように
上記通電回路と界磁調整用励磁コイルとを直列に接続す
る第２の状態とに切り換わる制御可能な切換スイッチ回
路と、負荷を流れる負荷電流または該負荷の端子電圧に
応じて切換スイッチ回路の状態を切り換えるスイッチ制
御回路とを設ければよい。

【００３１】この場合、界磁調整用励磁コイルは、切換
スイッチ回路が第１の状態にあるときに強磁性体ブロッ
クを通して流れる磁束を増加させる方向の界磁調整用磁
束を発生し、切換スイッチ回路が第２の状態にあるとき
に強磁性体ブロックを通して流れる磁束を減少させる方
向の界磁調整用磁束を発生するようにその巻方向を設定
する。またスイッチ制御回路は、負荷電流または負荷の
端子電圧が設定値以下のときに切換スイッチ回路を第１
の状態にし、負荷電流または負荷の端子電圧が設定値を
超えたときに切換スイッチ回路を第２の状態にするよう
に、切換スイッチ回路を制御する。

【００３２】上記のように切換スイッチ回路とスイッチ
制御回路とを設けると、定常時には負荷電流の増大に応
じて磁石界磁を増磁して負荷に充分な電力を供給し、負
荷電流が過大になったとき、または負荷の端子電圧が過
大になったときに磁石界磁を減磁して磁石発電機の出力
を抑制することにより負荷を保護することができる。例
えば直流電動機を駆動する場合に上記の構成をとると、
定常時には負荷電流により磁石界磁を増磁する側に切換
スイッチ回路を切り換えて電動機の出力トルクの変動に
対応できるようにし、電動機に過大な負荷トルクがかか
ったときに、電動機の損傷を防ぐために磁石界磁を減磁
する側に切換スイッチ回路を切り換えて電動機に加わる
機械的衝撃を和らげるようにすることができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係わる電源装置の
構成例を示したもので、同図において１は磁石式交流発
電機、２はダイオードブリッジ全波整流回路からなる整
流回路、３はバッテリであり、これらは図１２に示した
従来の電源装置と同様に構成されている。図示してない
が、バッテリ３にはランプや、内燃機関用点火装置など
の負荷が接続されている。

【００３４】磁石発電機１の固定子側には界磁調整用励
磁コイル５が設けられ、該励磁コイル５が励磁された際
に回転子側の磁極と固定子側の磁極とを通して界磁調整
用磁束が流れるようになっている。

【００３５】図１に示した例では、界磁調整用励磁コイ
ル５の一端及び他端がそれぞれバッテリ３の負極端子及
び整流回路２の負極側出力端子に接続されて、界磁調整
用励磁コイル５が負荷電流そのものにより励磁されるよ
うに、負荷電流の通電回路の途中に挿入されている。

【００３６】この例では、界磁調整用励磁コイル５が負
荷電流により励磁されたときに回転子側の磁極と固定子
側の磁極とを通して流れる磁束により回転子の磁石界磁
が増磁されるように、界磁調整用励磁コイル５の巻方向
が設定されている。

【００３７】図１に示した電源装置で用いる磁石発電機
は、例えば図２及び図３に示すように構成される。図２
及び図３に示した磁石発電機は、回転子側を２ｎ極（図
示の例ではｎ＝６）、固定子側を３ｎ極に構成して、隣
り合う２個の回転子側磁極に周方向に連続して並ぶ３つ
の固定子側磁極を対向せることにより、３相交流出力を
得るもので、図２及び図３において１０は回転子、１１
は固定子である。

【００３８】回転子１０は、周壁部１２ａと底壁部１２
ｂとを有するほぼカップ状の形状に形成されて底壁部１
２ｂの中央に回転軸取付け用のボス部１２c1が設けられ
た鉄製の回転子ヨーク１２と、回転子ヨーク１２の周方
向に等角度間隔で並べられた状態で該回転子ヨークの周
壁部の内周に固定されて径方向に同極性で着磁されたｎ
個（図示の例ではｎ＝６）の円弧状の永久磁石Ｍ1 ，Ｍ
2 ，…，Ｍ6 と、該複数の永久磁石相互間に配置されて
回転子ヨーク１２の周壁部の内周に固定されたｎ個の円
弧状の強磁性体ブロックｍ1 ，ｍ2 ，…，ｍ6 とからな
っている。この回転子においては、永久磁石Ｍ1 〜Ｍ6
と強磁性体ブロックｍ1 〜ｍ6 とが１２極の磁石界磁を
構成しており、永久磁石Ｍ1 〜Ｍ6 の内周面及び強磁性
体ブロックｍ1 〜ｍ6 の内周面が回転子側磁極を構成し
ている。

【００３９】図示の回転子ヨーク１２は、周壁部１２ａ
及び底壁部１２ｂからなるヨーク本体と、該ヨーク本体
の底壁部に取り付けられボス部材１２ｃとからなってい
る。ヨーク本体は、鉄板をカップ状に絞り加工したもの
からなっていて、底壁部１２ｂの中央部に孔１２b1が形
成されている。ボス部材１２ｃは、円筒状のボス部１２
c1と、該ボス部の軸線方向の一端側に設けられたフラン
ジ部１２c2とからなっていて、ボス部１２c1が回転子ヨ
ーク１２の底壁部１２ｂの中央に設けられた孔１２b1を
通して周壁部１２ａの内側に挿入されて該周壁部と同心
的に配置され、フランジ部１２c2が回転子ヨークの底壁
部１２ｂにリベット止めされている。ボス部１２c1の内
側にはテーパが付けられた軸嵌合孔が形成され、該軸嵌
合孔に図示しない内燃機関の回転軸の先端に設けられた
テーパ部を嵌合させることにより、回転子ヨーク１２を
機関の回転軸に取り付けるようになっている。図示の例
では、回転子ヨーク１２が、その開口部を機関のケース
と反対側に向けた状態で機関の回転軸に取り付けられる
ように、ボス部１２c1の内側の軸嵌合孔のテーパの向き
が設定されている。

【００４０】永久磁石Ｍ1 〜Ｍ6 は、円弧状に形成され
て回転子ヨーク１２の周壁部１２ａの内周に等角度間隔
で配置されて接着により周壁部１２ａに固定されてい
る。図示の例では、各永久磁石の外周面及び内周面にそ
れぞれＮ極及びＳ極が現れるように各永久磁石が回転子
ヨーク１２の径方向に同極性で着磁されている。

【００４１】強磁性体ブロックｍ1 〜ｍ6 は、円弧状に
形成された鉄片からなっていて、永久磁石Ｍ1 〜Ｍ6 と
同様に接着などにより回転子ヨーク１２の周壁部１２ａ
に固定され、各強磁性体ブロックの内周面に隣接の永久
磁石の内周側の磁極（図示の例ではＳ極）と反対極性の
磁極（Ｎ極）が現れるようになっている。

【００４２】固定子１１は、電機子鉄心１５と、該電機
子鉄心に巻装された電機子コイル１ｕ〜１ｗと、電機子
鉄心１５に対して固定された界磁調整用励磁コイル５と
からなっている。

【００４３】電機子鉄心１５は、環状に形成された継鉄
部１５ａの外周部から３ｎ個（図示の例では１８個）の
歯部Ｔ1 ，Ｔ2 ，…，Ｔ18を放射状に突出させた構造を
有する星形環状鉄心で、この例では、連続して並ぶ３つ
の歯部を１組の歯部群として、合計６組の歯部群（Ｔ1
〜Ｔ3 ），（Ｔ4 〜Ｔ6 ），…，（Ｔ16〜Ｔ18）が構成
され、各歯部群を構成する３つの歯部にそれぞれＵ相な
いしＷ相の単位電機子コイル１ｕ´〜１ｗ´が集中巻き
されている。そして、発電機の使用目的に応じて各相の
単位電機子コイルが直列、並列または直並列に接続され
て各相の電機子コイルが構成され、３相の単位電機子コ
イルが星形結線または三角結線（図示の例では星形結
線）されて、３相の電機子コイルから出力端子が導出さ
れる。

【００４４】図示の固定子１１は、機関の回転軸の導出
部側を覆う図示しないカバーの内側に取り付けられて、
回転子１０の内側に該回転子と同心的に配置され、電機
子鉄心１５の各歯部の先端に形成された固定子側磁極部
が回転子１０側の磁極に所定のギャップを介して対向さ
せられる。

【００４５】界磁調整用励磁コイル５はボス部１２c1の
外周をギャップを介して取り囲むように形成された環状
のボビン１７に巻回されている。励磁コイル５が巻回さ
れたボビン１７は、電機子鉄心１５の継鉄部１５ａの軸
線方向の一端側に形成された環状の凹部１５ｃに嵌合さ
れた状態で電機子鉄心に対して固定されて、ボス部１２
c1の外周を同心的に取り囲むように配置される。

【００４６】図２及び図３に示した磁石発電機におい
て、回転子１０が回転すると、固定子１１の電機子コイ
ル１ｕ〜１ｗをそれぞれ構成する単位電機子コイルに鎖
交する磁束が交番するため、電機子コイル１ｕ〜１ｗに
３相の交流電圧が誘起する。

【００４７】電機子コイル１ｕ〜１ｗに誘起する交流電
圧は整流回路２により整流されてバッテリ３に供給さ
れ、これによりバッテリ３が充電される。バッテリ３の
充電電流により界磁調整用励磁コイル５が励磁されて回
転子の磁石界磁が増磁されるため、バッテリの充電電流
が増加したときには、磁石発電機の出力が上昇し、充電
電流が減少したときには磁石発電機の出力が低下する。
バッテリの充電が完了して充電電流が零になると、界磁
調整用励磁コイルが非励磁の状態になるため、磁石発電
機の出力はその時の回転数における最低値まで低下す
る。

【００４８】図２及び図３に示した磁石発電機では、回
転子側を２ｎ極（ｎ＝１，２，…）、固定子側を３ｎ極
に構成して、固定子側の各突極部に単位電機子コイルを
集中巻きしているが、本発明は必ずしもこのような構成
に限られるものではない。

【００４９】図４及び図５は本発明で用いることができ
る他の磁石発電機の構成例を示したもので、図４及び図
５において１０は回転子、１１は固定子である。この例
では、回転子１０が４つの永久磁石Ｍ1 〜Ｍ4 と４つの
強磁性体ブロックｍ1 〜ｍ4とにより８極に構成されて
いる。また電機子鉄心１５として外周部に２４個の歯部
（固定子側磁極）Ｔ1 ，Ｔ2 ，…，Ｔ24とスロットＳＬ
1 ，ＳＬ2 ，…，ＳＬ24とを有する環状鉄心が用いられ
ている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３相の電機子コイルを構成する
単位電機子コイルはそれぞれ３つの歯部に跨って巻回さ
れた第１の単位コイル１u1´，１v1´，１w1´と、該第
１の単位コイルが跨る３つの歯部に隣接する他の３つの
歯部に跨るように巻回された第２の単位コイル１u2´，
１v2´，１w2´とを直列に接続したものからなってい
る。ここで第１の単位コイルと第２の単位コイルとはそ
れぞれの巻方向を異ならせて巻回されており、隣接相の
単位電機子コイルもそれぞれの巻方向を異ならせて巻回
されている。

【００５０】なお、図４に放射状に示された２４個の一
点鎖線は、それぞれ電機子鉄心１５に設けられた歯部の
中心位置を示しており、これらの一点鎖線のうち、回転
子１０の外周よりも外側に突出するように長く表示され
た８個の一点鎖線はそれぞれ回転子の磁極の中心を示し
ている。

【００５１】図６はＵ相の単位電機子コイル１ｕ´を例
にとって、図４及び図５の磁石発電機の巻線構成を示し
たもので、この例では、３つの歯部Ｔ1 〜Ｔ3 に跨るよ
うにスロットＳＬ1 とＳＬ4 とを通して第１の単位コイ
ル１u1´が巻回され、３つの歯部Ｔ1 〜Ｔ3 の片側（回
転子の回転方向に対して遅れ側）に隣接する３つの歯部
Ｔ4 〜Ｔ6 に跨るようにスロットＳＬ4 とＳＬ7 とを通
して第２の単位コイル１u2´が、その巻方向を第１の単
位コイル１u1´と異ならせて巻回されている。第１の単
位コイル１u1´と第２の単位コイル１u2´とは渡り線を
介して直列に接続され、これら第１及び第２の単位コイ
ル１u1´及び１u2´によりＵ相の単位電機子コイル１ｕ
´が構成されている。

【００５２】図６には図示してないが、Ｖ相の単位電機
子コイルは、歯部Ｔ2 〜Ｔ4 に跨るようにスロットＳＬ
2 とＳＬ5 とを通してＵ相の第１の単位コイル１u1´と
逆方向に巻回された第１の単位コイル１v1´と、歯部Ｔ
5 〜Ｔ7 に跨るようにスロットＳＬ5 とＳＬ8 とを通し
て第１の単位コイル１v1´と逆方向に巻回された第２の
単位コイル１v2´とを直列に接続することにより構成さ
れる。

【００５３】またＷ相の単位電機子コイルは、歯部Ｔ3
〜Ｔ5 に跨るようにスロットＳＬ3とＳＬ6 とを通して
Ｖ相の第１の単位コイル１v1´と逆方向に巻回された第
１の単位コイル１w1´と、歯部Ｔ6 〜Ｔ8 に跨るように
スロットＳＬ6 とＳＬ9 とを通して第１の単位コイル１
w1´と逆方向に巻回された第２の単位コイル１w2´とを
直列に接続することにより構成される。

【００５４】図４及び図５に示した磁石発電機におい
て、界磁調整用励磁コイル５は、図２及び図３に示した
磁石発電機と同様に、環状のボビン１７に巻回されて、
電機子鉄心１５に設けられた凹部１５ｃ内に嵌合保持さ
れている。

【００５５】図１に示した例では、バッテリ３を負荷と
して該バッテリに充電電流を供給する場合を例にとった
が、バッテリ以外の直流負荷に電力を供給する場合にも
本発明を適用できるのはもちろんである。

【００５６】例えば、図７に示すように、直流電動機２
０を駆動する場合にも本発明を適用することができる。
直流電動機２０はその負荷が重くなると回転速度が低下
するが、該電動機を本発明に係わる電源装置により駆動
するようにすると、電動機２０の負荷が重くなったとき
に、該電動機２０の電機子電流の増大に伴って界磁調整
用励磁コイル５の励磁電流が増大するため、磁石発電機
１の磁石界磁が増磁されて該発電機の出力が増加する。
これにより電動機に加えられる電力が増加するため、電
動機２０の出力トルクが増大し、その回転速度の低下が
抑制される。従って、電動機２０をその負荷の如何に係
わりなく、ほぼ一定の回転速度で運転することができ
る。

【００５７】また負荷電流で界磁調整用励磁コイルを励
磁して磁石界磁を増磁する構成をとると、図８に示すよ
うに、整流回路２の直流出力端子間にヒューズやブレー
カ等の過電流保護手段（図示の例ではヒューズ）２１を
介して負荷２２が接続され、整流回路２の直流出力端子
間に電圧計２３が接続される場合に、該電圧計を過電圧
から保護する効果を得ることができる。すなわち、図８
のように構成すると、負荷電流が過大になって過電流保
護装置２１が遮断した場合に、磁石発電機１の磁石界磁
が弱められて（増磁されなくなって）磁石発電機の出力
が低下するため、整流回路２の直流出力端子間に高い電
圧が現れるのを防ぐことができる。従って、整流回路２
の直流出力端子間に接続された電圧計２３が過電圧によ
り破壊するのを防ぐことができる。図８において、電圧
計２３に代えて高抵抗を有する他の機器が接続される場
合にも同様の効果を得ることができる。

【００５８】上記の例では、界磁調整用励磁コイル５が
負荷電流により励磁されて界磁調整用磁束が発生したと
きに、強磁性体ブロックを通して流れる磁束が増加する
ように界磁調整用励磁コイルの巻方向を設定したが、駆
動する負荷によっては、界磁調整用励磁コイルが励磁さ
れて界磁調整用磁束が発生したときに強磁性体ブロック
を通して流れる磁束が減少するように（磁石界磁を減磁
するように）界磁調整用励磁コイル５の巻方向を設定す
るようにしてもよい。

【００５９】負荷電流に応じて磁石界磁を減磁するよう
に界磁調整用励磁コイル５の巻方向を設定することによ
り、有利な効果が得られる例を図９及び図１０に示し
た。

【００６０】図９に示した例では、整流回路２の直流出
力端子間に他励式直流発電機２４の界磁コイル２４ａを
接続している。直流発電機２４の電機子２４ｂの出力端
子間には負荷２５が接続されている。

【００６１】他励式の直流発電機２４では、負荷が増大
して負荷電流が増加すると、その電機子反作用の増大に
より界磁コイル２４ａを流れる界磁電流が減少し、負荷
電流が減少すると、電機子反作用の減少により界磁電流
が増加する。従って、負荷電流の如何に係わりなく界磁
力を一定に保って発電機を安定に運転するためには、負
荷電流に応じて界磁電流を制御することが必要になる
が、本発明に係わる電源装置を用いれば、特別な制御回
路を設けることなく、界磁電流をほぼ一定に保つことが
できる。

【００６２】すなわち、負荷電流で界磁調整用励磁コイ
ル５を励磁することにより、磁石界磁を負荷電流に応じ
て減磁する構成をとった本発明の電源装置から他励式の
直流発電機２４の界磁コイル２４ａに励磁電流を供給す
るようにすると、直流発電機２４の負荷の増大に伴う電
機子電流の増加により電機子反作用が大きくなって界磁
電流が減少したときに、磁石発電機１の磁石界磁の減磁
量が少なくなって磁石発電機の出力が増加するため、他
励式直流発電機の励磁電流が増加する。また直流発電機
２４の負荷の減少により電機子反作用が小さくなって界
磁電流が増加したときには、磁石発電機１の磁石界磁の
減磁量が多くなって磁石発電機の出力が低下するため、
直流発電機２４の励磁電流が減少する。このようにし
て、励磁式直流発電機２４の出力の変動に対してその界
磁コイルに流れる電流が自動的に一定に保たれるため、
該直流発電機の界磁力を一定に保って安定した運転を行
わせることができる。

【００６３】図１０に示した例では、整流回路２の直流
出力端子間に白熱電球２６が接続されている。白熱電球
２６を負荷とする場合、点灯前の状態では、フィラメン
トの抵抗値が低いため、点灯直後に大きな突入電流が流
れ、点灯後その温度上昇により抵抗値が増大するにつれ
て負荷電流が減少して一定値に落ち着く。電球の寿命を
長くするためには、その点灯直後に流れる突入電流を抑
制することが望ましい。負荷電流で界磁調整用励磁コイ
ルを励磁して磁石界磁を減磁する構成をとった本発明の
電源装置により電球を点灯させるようにすると、電球の
点灯直後に大きな突入電流が流れようとしたときに、磁
石界磁が減磁されて磁石発電機の出力が抑制されるた
め、大きな突入電流が流れるのを防止することができ
る。また電球２６の点灯後その抵抗値の増加に伴って電
流が減少しようとすると、磁石界磁の減磁量が少なくな
って磁石発電機１の出力が増加するため、電球を流れる
電流の減少が抑えられる。従って、電球２６の点灯直後
から定常状態に落ち着くまで電球を流れる電流をほぼ一
定の範囲に保つことができ、過大な突入電流が流れるの
を防いで電球の寿命を延ばすことができる。電球に限ら
ず、電気ヒータなどの発熱を伴う負荷を駆動する場合に
も同様の効果を得ることができる本発明においてはま
た、負荷側の状態に応じて、界磁調整用励磁コイル５を
流れる負荷電流の向きを切り換える構成をとることによ
り、負荷電流または負荷の端子電圧に応じて磁石発電機
の出力を最適に制御するようにすることもできる。図１
１は、このような制御を行わせる場合に用いる回路の構
成例を示したもので、同図において３０は切換スイッチ
回路、３１はスイッチ制御回路である。切換スイッチ回
路３０は、整流回路２から負荷を通して流れる負荷電流
の通電回路と界磁調整用励磁コイル５との間を接続する
ように設けられて、負荷電流を界磁調整用励磁コイル５
の一端５ａ側から他端５ｂ側に流すように負荷電流の通
電回路と界磁調整用励磁コイル５とを直列に接続する第
１の状態と、負荷電流を界磁調整用励磁コイル５の他端
５ｂ側から一端５ａ側に流すように負荷電流の通電回路
と界磁調整用励磁コイル５とを直列に接続する第２の状
態とに切り換わるスイッチ回路で、図示の切換スイッチ
回路３０は、ソースが共通接続された第１及び第２のＭ
ＯＳＦＥＴ Ｆ1 及びＦ2 と、ドレインが共通接続され
るとともにソースが第１及び第２のＭＯＳＦＥＴ Ｆ1
及びＦ2 のドレインに接続された第３及び第４のＭＯＳ
ＦＥＴ Ｆ3 及びＦ4 とからなるＭＯＳＦＥＴのブリッ
ジ回路からなっている。図示の例では、第１及び第２の
ＭＯＳＦＥＴ Ｆ1 及びＦ2 のソースの共通接続点が整
流回路２の負極側の直流出力端子に接続されている。ま
た整流回路２の正極側の直流出力端子に直流電動機２０
の一方の電源端子が接続され、切換スイッチ回路３０の
第３及び第４のＭＯＳＦＥＴ Ｆ3 及びＦ4 のドレイン
の共通接続点に電流検出用の小抵抗ｒ1 を介して電動機
２０の他方の電源端子が接続されている。図示の例で
は、ＭＯＳＦＥＴのブリッジ回路の対角にあるＭＯＳＦ
ＥＴ Ｆ1 及びＦ4 が導通している状態が第１の状態で
あり、対角にある他のＭＯＳＦＥＴ Ｆ2 及びＦ3 が導
通している状態が第２の状態である。

【００６４】スイッチ制御回路３１は、抵抗ｒ1 の両端
の電圧から負荷電流を検出して、該負荷電流が設定値以
下のときに切換スイッチ回路３０を第１の状態（ＦＥＴ
Ｆ1 及びＦ4 が導通しＦＥＴ Ｆ3 及びＦ4 が遮断し
ている状態）にし、負荷電流が設定値を超えたときに切
換スイッチ回路３０を第２の状態（ＦＥＴ Ｆ2 及びＦ
3 が導通しＦＥＴ Ｆ1 及びＦ4 が遮断している状態）
にするように、切換スイッチ回路３０を制御する。

【００６５】上記のように、切換スイッチ回路３０とス
イッチ制御回路３１とを設けて、負荷の両端の電圧また
は負荷電流に応じて、負荷電流の向きを切り換えるよう
に構成すると、定常時には負荷電流の増大に応じて磁石
界磁を増磁して負荷に充分な電力を供給し、負荷電流が
過大になったとき、または負荷の端子電圧が過大になっ
たときに磁石界磁を減磁して磁石発電機の出力を抑制す
ることにより負荷を保護することができる。図示のよう
に直流電動機２０を駆動する場合には、定常時に負荷電
流により磁石界磁を増磁する側に切換スイッチ回路３０
を切り換えて電動機２０の出力トルクの変動に対応でき
るようにし、電動機２０に過大な負荷トルクがかかった
ときに、電動機の損傷を防ぐために磁石界磁を減磁する
側に切換スイッチ回路３０を切り換えてして電動機に加
わる機械的衝撃を和らげるようにすることができる。

【００６６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、界磁調
整用励磁コイルを負荷電流の通路に挿入して、該励磁コ
イルを負荷電流そのものにより励磁することにより磁石
界磁を増磁または減磁するようにしたので、負荷電流の
増減に伴って磁石発電機の出力を増加または減少させる
ことができる。従って、界磁調整用励磁コイルが非励磁
の状態にあるときの磁石発電機の出力と、界磁調整用励
磁コイルの巻数とを適当に設定することにより、特別な
制御回路を設けることなく負荷の大小に応じて磁石発電
機の出力を増減させて、磁石発電機の出力を負荷に見合
った大きさに調整することができる。

【００６７】また本発明によれば、磁石発電機を短絡し
て出力調整を行う必要がないため、損失を少なくして発
電効率を高めることができる。

【００６８】更に、本発明によれば、負荷電流の変化に
伴って磁石発電機の出力を連続的に変化させることがで
きるため、負荷の大小に応じて発電機の出力をきめ細か
く調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる電源装置の構成例をその負荷と
ともに示した回路図である。

【図２】本発明で用いる磁石発電機の好ましい構成例を
示した構成図である。

【図３】図２に示した磁石発電機の縦断面図である。

【図４】本発明で用いる磁石発電機の他の好ましい構成
例を示した構成図である。

【図５】図４に示した磁石発電機の縦断面図である。

【図６】図４及び図５に示した磁石発電機の巻線構成を
説明するための説明図である。

【図７】図１に示した本発明に係わる電源装置に図１と
異なる負荷を接続した状態を示した回路図である。

【図８】図１に示した本発明に係わる電源装置に図１と
異なる更に他の負荷を接続した状態を示した回路図であ
る。

【図９】本発明に係わる電源装置の他の構成例をその負
荷とともに示した回路図である。

【図１０】図９に示した電源装置に他の負荷を接続した
状態を示した回路図である。

【図１１】本発明に係わる電源装置に他の構成例を示し
た回路図である。

【図１２】従来の電源装置の構成例を示した回路図であ
る。

【符号の説明】

１ 磁石式交流発電機 ２ 整流回路 ３ バッテリ（負荷） ５ 界磁調整用励磁コイル ２０ 直流電動機（負荷） ２１ 電力用ヒューズ ２２ 負荷 ２３ 電圧計 ２４ 他励式直流電動機 ２５ 負荷

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−172760（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−351206（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−25421（ＪＰ，Ａ) 実公 昭49−13124（ＪＰ，Ｙ１) スイス国特許出願公開358481（ＣＨ, Ａ３) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 21/22 H02P 9/14

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周壁部と底壁部とを有するほぼカップ状
   の形状に形成されて底壁部の中央に回転軸取付け用のボ
   ス部が設けられた回転子ヨークと該回転子ヨークの周方
   向に並べられた状態で該回転子ヨークの周壁部の内周に
   固定されて径方向に同極性で着磁された複数の円弧状の
   永久磁石と該複数の永久磁石相互間に配置されて前記回
   転子ヨークの周壁部の内周に固定された円弧状の強磁性
   体ブロックとを備えて各永久磁石及び強磁性体ブロック
   の内周面が回転子側磁極を構成している回転子と、前記
   回転子側磁極に対向する固定子側磁極を有する電機子鉄
   心と該電機子鉄心に巻装された電機子コイルと励磁され
   た際に前記回転子側磁極及び固定子側磁極を通して界磁
   調整用磁束を流す界磁調整用励磁コイルとを有する固定
   子とを備えた磁石式交流発電機と、 前記磁石式交流発電機の出力を整流して負荷に供給する
   整流回路とを具備し、 前記界磁調整用励磁コイルは、前記整流回路から前記負
   荷を通して流れる直流負荷電流により励磁されるように
   負荷電流の通路の途中に挿入され、 前記界磁調整用励磁コイルが励磁されて界磁調整用磁束
   が発生したときに前記強磁性体ブロックを通して流れる
   磁束が増加するように前記界磁調整用励磁コイルの巻方
   向が設定されていることを特徴とする磁石式交流発電機
   を用いた電源装置。
2. 【請求項２】 前記負荷は、直流電動機である請求項１
   に記載の磁石式交流発電機を用いた電源装置。
3. 【請求項３】 前記負荷は、前記整流回路の直流出力端
   子間にヒューズまたは遮断器からなる過電流保護装置を
   介して接続される請求項１に記載の磁石式交流発電機を
   用いた電源装置。
4. 【請求項４】 周壁部と底壁部とを有するほぼカップ状
   の形状に形成されて底壁部の中央に回転軸取付け用のボ
   ス部が設けられた回転子ヨークと該回転子ヨークの周方
   向に並べられた状態で該回転子ヨークの周壁部の内周に
   固定されて径方向に同極性で着磁された複数の円弧状の
   永久磁石と該複数の永久磁石相互間に配置されて前記回
   転子ヨークの周壁部の内周に固定された円弧状の強磁性
   体ブロックとを備えて各永久磁石及び強磁性体ブロック
   の内周面が回転子側磁極を構成している回転子と、前記
   回転子側磁極に対向する固定子側磁極を有する電機子鉄
   心と該電機子鉄心に巻装された電機子コイルと励磁され
   た際に前記回転子側磁極及び固定子側磁極を通して界磁
   調整用磁束を流す界磁調整用励磁コイルとを有する固定
   子とを備えた磁石式交流発電機と、 前記磁石式交流発電機の出力を整流して負荷に供給する
   整流回路とを具備し、 前記界磁調整用励磁コイルは、前記整流回路から前記負
   荷を通して流れる直流負荷電流により励磁されるように
   負荷電流の通路の途中に挿入され、 前記界磁調整用励磁コイルが励磁されて界磁調整用磁束
   が発生したときに前記強磁性体ブロックを通して流れる
   磁束が減少するように前記界磁調整用励磁コイルの巻方
   向が設定されていることを特徴とする磁石式交流発電機
   を用いた電源装置。
5. 【請求項５】 前記負荷は、他励式の直流発電機の界磁
   コイルである請求項４に記載の磁石式交流発電機を用い
   た電源装置。
6. 【請求項６】 前記負荷は、負荷電流の通電により発熱
   を生じる抵抗負荷である請求項４に記載の磁石式交流発
   電機を用いた電源装置。
7. 【請求項７】 周壁部と底壁部とを有するほぼカップ状
   の形状に形成されて底壁部の中央に回転軸取付け用のボ
   ス部が設けられた回転子ヨークと該回転子ヨークの周方
   向に並べられた状態で該回転子ヨークの周壁部の内周に
   固定されて径方向に同極性で着磁された複数の円弧状の
   永久磁石と該複数の永久磁石相互間に配置されて前記回
   転子ヨークの周壁部の内周に固定された円弧状の強磁性
   体ブロックとを備えて各永久磁石及び強磁性体ブロック
   の内周面が回転子側磁極を構成している回転子と、前記
   回転子側磁極に対向する固定子側磁極を有する電機子鉄
   心と該電機子鉄心に巻装された電機子コイルと励磁され
   た際に前記回転子側磁極及び固定子側磁極を通して界磁
   調整用磁束を流す界磁調整用励磁コイルとを有する固定
   子とを備えた磁石式交流発電機と、 前記磁石式交流発電機の出力を整流して負荷に供給する
   整流回路と、 前記整流回路から前記負荷を通して流れる負荷電流の通
   電回路と前記界磁調整用励磁コイルとの間を接続するよ
   うに設けられて、前記負荷電流を前記界磁調整用励磁コ
   イルの一端側から他端側に流すように前記通電回路と界
   磁調整用励磁コイルとを直列接続する第１の状態と前記
   負荷電流を前記界磁調整用励磁コイルの他端側から一端
   側に流すように前記通電回路と界磁調整用励磁コイルと
   を直列接続する第２の状態とに切り換わる制御可能な切
   換スイッチ回路と、 前記負荷を流れる負荷電流または該負荷の端子電圧に応
   じて前記切換スイッチ回路の状態を切り換えるスイッチ
   制御回路とを具備し、 前記界磁調整用励磁コイルは、前記切換スイッチ回路が
   前記第１の状態にあるときに前記強磁性体ブロックを通
   して流れる磁束を増加させる方向の界磁調整用磁束を発
   生し、前記切換スイッチ回路が前記第２の状態にあると
   きに前記強磁性体ブロックを通して流れる磁束を減少さ
   せる方向の界磁調整用磁束を発生するようにその巻方向
   が設定され、 前記スイッチ制御回路は、前記負荷電流または負荷の端
   子電圧が設定値以下のときに前記切換スイッチ回路を第
   １の状態にし、前記負荷電流または負荷の端子電圧が設
   定値を超えたときに前記切換スイッチ回路を第２の状態
   にするように前記切換スイッチ回路を制御することを特
   徴とする磁石式交流発電機を用いた電源装置。