JP3676262B2 - 複数系統の電力発電特性を持つ発電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，永久磁石板式ロータ，該ロータの外周に配置されたステータ及び前記ロータから前記ステータへの磁束密度を制御する磁束制御リングから成る複数系統の電力発電特性を持つ発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年，永久磁石の性能が向上するに従って永久磁石を発電・電動機の回転子即ちロータとして使用される機会が増加してきた。また，永久磁石をロータに構成した発電・電動機は，高い発電効率又は電動効率が得られることと，簡単な構造で構成できるということから，最近，工業用機器に多く使用されるようになった。そこで，発電・電動機をコンパクト化したり，高性能化，高出力化する技術の開発が盛んになり，それに伴って構成部品の多様化が必要となっている。
【０００３】
また，特開平７−２３６２６０号公報に開示された高出力交流発電・電動機は，回転速度に応じて磁束密度を制御して発電量を適正に制御するものであり，ロータとステータとの間に制御リングを相対回転可能に配置し，制御リングに接離可能な透磁性体を設けたものである。
【０００４】
ところで，自動車用発電機では，その電力発電特性は，通常，１２Ｖと２４Ｖが用いられているので，この電力に合致した電力を供給する必要がある。また，永久磁石を用いた高出力の発電・電動機では，永久磁石の磁束が決まっているので，低速トルクを大きくするためには，永久磁石を大きくするか又は電流を大きくし，巻線の巻き数を増加させ，ステータ側の磁力を増し，そのトルクを大きくしなければならない。また，発電・電動機でトルクを大きくするためには，ステータコアへの巻線の線材の線径を太くし，大電流を流し，ステータの磁力を増加させる必要がある。
【０００５】
しかしながら，自動車に用いられている他の動力を必要とする補機類は，１２Ｖや２４Ｖでは電圧が低過ぎて配線の途中でロスが生じたり，巻線等の配線の線径が太過ぎたりする問題が発生するので，１００Ｖや２００Ｖであることが好ましい。発電機について，自動車等の車両に合致する電力と，モータ，補機類等の機械を駆動させるため，配線の途中でロスを低減して巻線や配線の線径を細く構成してコンパクトに構成された高電圧電力とを発電する構造のものが望まれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで，三相発電機の出力は，１２０°ずつ位相がずれているので，その電力を整流すると，電圧の変化が小さくなり，信頼性に富んだ直流を得ることができる。しかしながら，自動車等に搭載された発電機の回転数はエンジン速度に応じて常に変動しているので，その状況に応じてステータに巻き上げた巻線の巻線数の制御が必要であると共に，ロータからステータへ流れる磁束密度を変更制御する必要がある。しかしながら，発電機における巻線数の制御装置や磁束密度の変更制御装置は，簡単でシンプルである程，実用性に富んでいることは言うまでもない。
【０００７】
発電機は，その出力は次式で示されるとおりである。
Ｕ＝３^{1 / 2} ×４．４４×ｆ・φ₁ ・Ｗ₁ ・Ｋｗ₁
但し，ｆ：周波数，φ₁ ：磁束，Ｗ₁ ：各相の直列巻線数，Ｋｗ₁ ：巻線係数
Ｗ₁ ＝２Ｐ・ｑ₁ ・Ｗｓ／ａ₁
但し，Ｐ：ポール数，ｑ₁ ：ステータのスロット数，Ｗｓ：１コイルの巻数，
ａ₁ ：並列回路数。
上式では，周波数がロータの回転速度と共に増加する関数であり，その他は発電機固有の定数である。従って，発電機は，その電圧がロータの回転数の増加と共に大きくなるものである。
ところが，磁束（φ₁ ）は，次式で示される。
φ₁ ＝Ｎｉ／（Ｒｍ₀ ＋Ｒｍ₁ ＋──＋Ｒｍ_n ）
但し，Ｎｉ：起電力，Ｒｍ₀ ：空隙の磁気抵抗，Ｒｍ₁ 〜Ｒｍ_n ：磁性体の磁気抵抗。
上記の式に透磁率を代入して表すと，次の式の透磁率関数になる。
Ｒｍ₀ ＋Ｒｍ₁ ＋──＋Ｒｍ_n
＝（Ｌ₁ ／μ₀ Ｓ₁ ）＋（Ｌ₂ ／μ₁ Ｓ₂ ）＋──＋（Ｌ_n ／μ_n Ｓ_n ）
但し，μ₀ ：空気の透磁率，μ₁ 〜μ_n ：珪素鋼やその他の磁気通路中の透磁率，Ｌ₁ 〜Ｌ_n ：長さ，Ｓ₁ 〜Ｓ_n ：面積
ところで，透磁率は，空気の値が最も小さく，他の金属が相当に大きい値を示す。即ち，空気（真空）の透磁率は４π×１０^{- 7} （Ｈ／ｍ）であるが，軟鋼等の金属の透磁率は，６０００×４π×１０^{- 7} （Ｈ／ｍ）である。
上記のことより，発電機の磁束（φ₁ ）は，空気の透磁率と空気層の厚さによって決まることになる。従って，透磁率を変化させるには，空気層の厚さを変化させればよいことになる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，発電機について透磁率を変化させて発電される電圧を可変に構成するため，ステータコアの櫛部と同一のピッチの透磁部材と非透磁部材とを交互に配置した磁束制御リングをロータとステータとの間に配置し，磁束制御リングをステータに対して相対回転移動させてずらすことによってロータからステータへの磁束密度を変化させて出力電圧を制御し，その制御でも高電圧になる場合にはステータコアに巻き上げた巻線の巻数を変化させて出力電圧を変化させ，予め決められた一定の電圧，例えば，１２Ｖ〜２４Ｖの車両用電圧と１００Ｖ〜２００Ｖの電動機器用電圧を発電させる複数系統の電力発電特性を持つ発電機を提供することである。
【０００９】
この発明は，ハウジングに回転可能に支持された永久磁石を備えたロータ，前記ロータの外周側で前記ハウジングに固定されたステータ，及び前記ロータと前記ステータとの間に介在して磁束密度を調整でき且つ前記ステータに対して相対移動可能な磁束制御リングを有し，前記ステータは周方向に隔置した櫛部を備えたステータコアと前記櫛部に巻き上げられた巻線から成り，前記巻線は周方向に電気角１２０°ずつ位相がずれた三相にそれぞれ巻き上げられた複数個の巻線グループから成り，前記巻線グループ毎の出力端子の出力を調整するためのスイッチング装置，及び前記ロータの回転速度に応答して前記巻線の巻数を切り換える前記スイッチング装置の切り換え制御と前記磁束制御リングの相対移動によって磁束密度変換制御とを行って前記出力端子に配置された電圧測定器の信号に応じて複数の予め決められた所定の一定電圧を発電させる制御を行うコントローラを有することから成る複数系統の電力発電特性を持つ発電機に関する。
【００１０】
前記コントローラは，前記スイッチング装置の切り換え制御と前記磁束制御リングの磁束密度の調整制御によって前記巻線グループの結線を切り換え，車両用の直流の低い電圧と電動機器を駆動する高い電圧とを発電させる制御を行うものである。
【００１１】
前記巻線グループは，前記電動機器が駆動される定格電圧値に応じて交流を直流に変換する第１整流装置と直流を交流に変換する交流電源発生装置を構成する高電圧用巻線グループと，交流を直流にする第２整流装置を構成する低電圧用巻線グループとから構成されている。
【００１２】
前記第２整流装置によって得られた直流電力は，前記高，低電圧用巻線グループで発電された交流電力を前記磁束制御リングによる磁束密度変更機構によって予め決められた一定電圧に制御され，また，前記磁束制御リングは，前記ステータの前記櫛部と同数の透磁部材と透磁率が低い材料から成る部材とが交互に円筒状に配置され，前記磁束制御リングの回転移動によって前記透磁部材と前記櫛部との間の空隙が調整される。
【００１３】
前記コントローラは，高電圧側と低電圧側の電圧を所定値とするために，前記磁束制御リングを往復運動するアクチュエータにより回転移動させて一定電圧に保持する制御を実施し，該制御でも高い電圧になる場合には，前記スイッチング装置によって前記巻線の巻数を切り換え制御する。
【００１４】
この発電機は，前記磁束制御リングを周方向に揺動可能に作動するアクチュエータを有し，前記コントローラは前記高電圧用巻線グループ及び前記低電圧用巻線グループの巻線数を変更するため前記巻線グループの接続を切り換えるスイッチング機構の切り換え制御と前記アクチュエータによって前記ロータの回転数と前記電圧測定器の出力に応答して前記磁束制御リングの前記ステータに対する位置制御とを行なうものである。
【００１５】
前記コントローラは，前記アクチュエータによる前記磁束制御リングを揺動させ，前記磁束制御リングの前記透磁部材と前記ステータの前記櫛部との間のクリアランスが小さくなる前記磁束制御リングの移動位置では磁束の抑制が小さく，また，前記クリアランスが大きくなる前記磁束制御リングの移動位置では前記磁束の抑制が大きく出力電圧が低下する制御を行なうものである。
【００１６】
前記コントローラは，前記ロータの回転速度が小さい領域では，前記スイッチング装置を作動して前記巻線グループの直列結線を増加させて巻線数を多くする制御をすると共に，得られる電圧が高くなる場合に前記磁束制御リングを移動させて磁束密度を変更して予め決められた所定の電圧を得る制御をし，また，前記ロータの回転速度が大きい領域では，前記スイッチング装置を作動して前記巻線グループの直列結線を減少させて前記巻線数を少なくする制御をすると共に，得られる電圧に応じて前記磁束制御リングを移動させて磁束密度を変更して予め決められた所定の一定電圧を得る制御をするものである。
【００１７】
前記コントローラは，予め決められた一定電圧の直流電圧をインバータを介して交流電圧にしてモータを作動させるものである。
【００１８】
この複数系統の電力発電特性を持つ発電機は，上記のように構成されているので，コントローラの制御によって，高い電力を得る側と車両用に低い電力を得る側と両方で出力させる高低二系統の電源として利用できるが，低電圧側は直流電力であり，高電力側は，交流電力，例えば，１００Ｖ交流，２００Ｖ三相交流であるので，交流側はインバータを介して出力電源を作ることになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による複数系統の電力発電特性を持つ発電機の実施例を説明する。
【００２０】
この発明による複数系統の電力発電特性を持つ発電機は，例えば，自動車等の車両に搭載されたエンジンに設けた発電機，コージェネレーションシステムのエンジンに組み込まれた発電機，ハイブリット自動車のエンジン等の出力軸に取り付けられた発電機，排気ガスエネルギを回収するターボチャージャに組み込まれた発電機，或いはエネルギ回収装置に設けた発電機に適用して好ましいものであり，発電機で発電した電力によってコンプレッサ，ヒータ，車両に設けた電動機器，自動車等を駆動するのに消費される。
【００２１】
この発電機は，コントローラ１０による磁束制御リング７による制御では，電圧制御は低速回転数の３倍程度であるので，それ以上の回転数領域ではスイッチング装置を駆動して巻線１４の巻数を変換して電圧制御を行う。即ち，この発電機は，コントローラ１０がロータ３の回転速度に応答してスイッチング装置の切り換え制御と磁束制御リング７の相対移動によって磁束密度変換制御とを行って予め決められた所定の電圧を発電させる制御を行うものである。コントローラ１０は，スイッチング装置の切り換え制御と，磁束制御リング７の磁束密度の調整制御によって巻線グループ４７〜５０の結線を切り換え，車両用の直流の低い電圧と電動機器を駆動する高い電圧とを発電させる制御を行うものである。
【００２２】
コントローラ１０は，作動に当たってロータ３の回転速度，言い換えれば，発電機の周波数によって回転数の低い側と高い側とを区分し，低い側では巻線が多く成る状態に切り換えて出力させ，高い側では巻線が少なくなる状態に切り換えて出力させる制御を行うと共に，出力電圧を高圧側の電圧測定器４３と低圧側の電圧測定器４４で検出しつつ，磁束制御リング７を回転させて，ロータ３の永久磁石部材５からステータ４の櫛部２０への磁束密度を制御し，一定電圧を得るように制御する。一定電圧の直流電流は，インバータにより周波数変換させ，交流を作り，モータを回転させたり，コンプレッサ等を駆動するのに消費させる。コントローラ１０は，ロータ３の回転速度に応答して巻線１４の巻数を切り換えるスイッチング装置の切り換え制御と磁束制御リング７の相対移動によって磁束密度変換制御とを行って出力端子に配置された電圧測定器４３の信号に応じて複数の予め決められた所定の一定電圧を発電させる制御を行うものである。
【００２３】
巻線グループは，発電される電圧値に応じて交流を得る交流電源発生装置を構成する電動機器を作動するための高圧電力を得るための高電圧用巻線グループ４７，４８と，車両用の低電圧を得るための低電圧用巻線グループ４９，５０を構成している。低電圧用巻線グループ４９，５０によって発電された交流は，図７に示すように，整流器４２によって直流を得ることができる。整流器４２によって得られる直流電力は，低電圧用巻線グループ４９，５０で発電された交流電力を磁束制御リング７による磁束密度変更によって予め決められた一定電圧に制御し，整流して直流電力に変換して得られる。
【００２４】
コントローラ１０は，スイッチング装置の切り換え制御によって高電圧を確保する時には高電圧用巻線グループ４７，４８を全て互いに直列に結線する制御をし，高電圧より低い中電圧を確保するに従って高電圧用巻線グループ４７，４８の一方のみを結線する制御をし，低電圧を確保する時には低電圧用巻線グループ４９，５０の結線を制御する。コントローラ１０は，高電圧用巻線グループ４７，４８及び低電圧用巻線グループ４９，５０の巻線数を変換するため巻線グループの接続状態を切り換える高圧側のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６と低圧側のスイッチＳＳ１，ＳＳ２，ＳＳ３，ＳＳ４，ＳＳ５，ＳＳ６から成るスイッチング機構の切り換え制御とアクチュエータ９によってロータ３の回転数に応答して磁束制御リング７のステータ４に対する位置制御とを行なう。
【００２５】
インバータでは，直流１４０Ｖを切り刻んで１００Ｖ交流に変換するので，電圧が若干変化しても交流出力をチェックしながらデューティー比を換えて行くと，所定の電圧出力を得ることができる。従って，上記のような制御は，２７Ｖ直流を主体とし，高電圧側の垂下特性による電圧の変化に対しては，インバータ側の制御によって対応する方が好ましい。インバータでは，ＰＷＭ (Pulse Width Modulation) 方式が一般的であり，直流電流を小さく刻み，正弦波に近づける方式であるので，この刻み幅を変更すれば，電圧を自由自在に調整できる。また，コントローラ１０は，巻線グループ４７，４８の巻線１４で得られた電力によってモータを駆動することに応答して直流を交流にインバータで変換することができる。
【００２６】
また，磁力調整装置では，磁束制御リング７に対してソレノイド式アクチュエータ９とコイルスプリング（図示せず）の組み合わせによって位置を定めることができる。図８には，アクチュエータ９の変位と力の関係，スプリングの変位と力の関係を示したものであり，アクチュエータ９は吸引力を大きくするには，電流を増やせば良く，ソレノイド式アクチュエータ吸引力，戻しスプリング力及び磁力調整装置の磁束制御リング７の引張力がバランスしたところで停止する。従って，パワー回路（高圧側）又は車両供給側（低圧側）の電圧を一定にするため，ソレノイドに負荷投入する電圧（電流）を調整することにより所定の電圧を得ることができる。アクチュエータ９の出力は．ソレノイドの磁力制御でも良いし，ステッピングモータを用いて位置制御してもよい。アクチュエータ９をステッピングモータで構成した場合には，ＩＣ基盤に，出力電圧をＥ_S とし，予め決められた所定の電圧をＥ１４０＋αとすると，Ｅ_S −（Ｅ１４０＋α）の値によって磁束制御リング７の回転させる方向と量を決め，その方向と量を運動させることにより位置を特定することができる。
【００２７】
この発電機は，例えば，図２〜図５に示すように，回転子のロータ３と固定子のステータ４とを収容すると共に磁力通路を構成するハウジング１，ハウジング１に一対の軸受１３を介して回転可能にそれぞれ支持されている回転軸２，回転軸２に固定されている永久磁石部材５から成るロータ３，ロータ３の外周から隔置してハウジング１に固定されているステータ４，ステータ４の内周側にステータ４に対して相対回転可能にハウジング１に軸受１９を介して回転可能に取り付けられた磁束制御リング７，及び磁束制御リング７をロータ３の駆動状態に応じてステータ４に対して相対移動させるアクチュエータ９から構成されている。ハウジング１は，図２では，一対の本体部１Ａと両側の本体部１Ａ間を連結するボルト等の中間部１Ｂとから構成されている。
【００２８】
ステータ４は，積層された薄板のステータコア１５のスロット２２に巻線１４が巻き付けられている。ステータ４は，内周部に櫛歯状に周方向に隔置状態で位置する櫛部２０，櫛部２０間の切欠き部であるスロット２２が形成され且つハウジング１に固定されたステータコア１５，及びステータコア１５のスロット２２を通って櫛部２０に巻き上げられた巻線１４から構成されている。ステータコア１５におけるスロット２２と櫛部２０との内周側には，磁束制御リング７が接触状態に且つステータ４に対して相対揺動可能に配置されている。
【００２９】
ロータ３は，回転軸２の外周に配置された磁路部材６，磁路部材６の外周面に配置された透磁部材８，透磁部材８の外周面に配置された永久磁石部材５と永久磁石部材５間の非磁性部材２１，及び永久磁石部材５の外周面に固定された非磁性の補強部材１６を備えている。永久磁石部材５は，周方向に隔置状態に配置され且つ軸方向に延びる永久磁石片３５と，隣接する永久磁石部材５の永久磁石片３５間に介在された非磁性部材２１とから構成されている。また，磁路部材６は，透磁材と非磁性材が周方向に交互に配置されて円筒状に形成されている。ロータ３の一端には，回転軸２に設けられた雄ねじ３６に押さえ板３７を介して固定ナット３８が螺入され，他端にはスペーサ３９が介在され，固定ナット３８を締め付けることによってロータ３が回転軸２の所定位置に固定されている。また，回転軸２には，例えば，回転軸２の端部に入力となるベルトプーリが固定され，ベルトプーリにエンジンの出力軸に取り付けたベルトが掛けられている。磁束制御リング７とロータ３との間には，クリアランス２３が形成されている。
【００３０】
この発電機は，ステータ４に内周側に隣接して周方向に隔置状態で回転可能に配置された透磁部材１７と，透磁部材１７間の透磁率の低い材料から成る部材（ここでは非透磁部材という）１８とが交互に円筒状に積層された磁束制御リング７，及び磁束制御リング７に設けたロッド３１を介して磁束制御リング７を周方向に揺動可能に作動するアクチュエータ９を有する。磁束制御リング７とステータコア１５との関係は，図５の（Ａ）と（Ｂ）に示すように，磁束制御リング７の透磁部材１７の幅はステータコア１５の櫛部２０の幅よりも僅かに小さく形成されている。コントローラ１０は，磁束制御リング７を回動制御し，透磁部材１７の櫛部２０に対する対向領域が変更され，磁束の絞り程度を制御する。磁束制御リング７は，図示していないが，透磁部材１７と非磁性部材１８とが積層されたリング部材を長手方向に複数個積層して形成されている。また，磁束制御リング７の透磁部材１７は，積層された珪素鋼板とリング部材とを固着して長手方向に積層して形成されている。
【００３１】
ステータコア１５の櫛部２０間のスロット２２に跨がって櫛部２０に巻き上げられた複数の巻線１４から構成されている。巻線１４は，ステータコア１５のスロット２２を周方向に分けられた複数の巻線グループ４７〜５０の一巻線グループについてスロット２２毎にずらして三相（１Ｕ−１Ｕ−１Ｗ，２Ｕ−２Ｕ−２Ｗ）にそれぞれ巻き上げられた高圧側の交流電力と低圧側の直流電力を得るようにステータコア１５に巻き上げられている。巻線グループ４７〜５０毎の巻線１４の出力端子のそれぞれの結線は，コントローラ１０によって切り換え制御され，種類の異なる電圧の電力を発電できる。即ち，この発電機は，巻線グループ４７〜５０毎の出力端子のそれぞれの結線をコントローラ１０によって切り換え制御することによって種類の異なる電圧の電力を発電する。コントローラ１０は，最大高電圧を確保する時には二巻線グループ４７，４８を互いに直列に結線する制御をし，最大高電圧より低い電圧を確保する場合には並列又は一方の巻線グループ４７単独の結線にするように制御する。低圧側の直流電力を得る巻線１４は，同様に，二巻線グループ４９，５０を直列に結線したり，又は一方の巻線グループ４９のみの結線に制御し，１２Ｖ〜２４Ｖ系の車両用の低電圧を得るようにする。また，図６に示すように，巻線グループ４７，４８は，高圧電力用に二分割されて巻き上げられ，巻線１４の出力端子はコントローラ１０によって直列及び／又は並列に互いに結線制御される。巻線グループ４９，５０についても同様である。
【００３２】
巻線１４は，例えば，ステータコア１５のスロット２２を周方向に複数の巻線グループ４７〜５０に区画され，各々の巻線グループ４７〜５０においてスロット２２を周方向に電気角１２０°ずらして櫛部２０に三相にそれぞれ巻き上げられ，巻線グループ４７〜５０の第２グループ２Ｕ−２Ｖ−２Ｗは第１グループ１Ｕ−１Ｖ−１Ｗの起電力波と重なるようなスロット２２の場所に配置され，ほぼ内周上に均一に出力端子が分散されている。また，巻線グループ４７，４８で得られた交流電力は，図７に示すように，整流器４２とコイル４５を持つ整流回路によって整流され，整流された電力はレギュレータに設けたチョッパ回路（図示せず）によって車両に必要な所定の電圧に制御される。巻線グループ４７〜５０は，発電作用時に，作動巻線が対称になるように配置されている。
【００３３】
図６に示すように，コントローラ１０は，これらの巻線１４の接続を切り換えるスイッチング機構の切り換え制御とアクチュエータ９によってロータ３の回転数に応答して磁束制御リング７のステータ４に対する位置制御とを行なう。この発電機は，例えば，主電源用の高電圧巻線１４，車両用の低電圧巻線１４の二種類がステータ４に巻き込まれている。この発電機では，例えば，高電圧巻線１４は，１００Ｖ又は２００Ｖ（実効値）の三相交流の発電を行う。また，低電圧巻線１４は，１２Ｖ又は２７Ｖ（実効値）の直流電力を発電する。これらの三相交流は，例えば，使用時に単相の直流１００Ｖ又は２００Ｖに変換され，また，車両用の低電圧は，使用時に直流１２Ｖ又は２７Ｖに変換される。コントローラ１０は，アクチュエータ９による磁束制御リング７を回転移動させ，磁束制御リング７の透磁部材１７とステータ４の櫛部２０との間の空隙即ちクリアランスが小さくなる磁束制御リング７の移動位置では磁束の抑制が小さく，また，クリアランスが大きくなる磁束制御リング７の移動位置では磁束が抑制されて出力電圧が低下する制御を行なうことができる。
【００３４】
コントローラ１０は，スイッチング機構によって高電圧巻線１４の巻線群１Ｕ−１Ｖ−１Ｗと２Ｕ−２Ｖ−２Ｗとを直列，並列及び／又は単一の結線に切り換えて高電圧巻線１４による予め決められた所定の一定直流電圧を得る制御をすることができる。コントローラ１０は，図６に示すように，所定の電圧に出力された電力をダイオードやコンデンサ４６を持つ整流器４２で整流して直流とし，また，予め決められた所定の電圧，例えば，１００Ｖの電圧の交流，例えば，５０〜６０Ｈｚの交流を出力するインバータを有している。三相交流を発生させる巻線１４は，例えば，巻線１Ｕと巻線２Ｕ，巻線１Ｖと巻線２Ｖ，及び巻線１Ｗと巻線２Ｗが結線部３３においてそれぞれ直列に結線され，結線部３３にはライン２８を通じて高圧側のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６と低圧側のスイッチＳＳ１，ＳＳ２，ＳＳ３，ＳＳ４，ＳＳ５，ＳＳ６が設けられている。コントローラ１０は，ロータ３の回転数（ｒｐｍ）に応答して磁束制御リング７のステータ４に対する位置制御と巻線群の直列及び／又は並列の結線を，スイッチＳ１〜Ｓ６のスイッチング機構の制御を行なうことによって予め決められた所定の一定直流電圧を高圧側電源２５として得ることができる。
【００３５】
次に，図１及び図６を参照して，この発電機における高圧側のスイッチＳ１〜Ｓ６についての高圧側電源２５の作動の一実施例を説明する。
先ず，コントローラ１０は，発電機のロータ３の回転速度に伴って発生する周波数ｆが予め決められた所定の周波数ｆ₁ より小さいか否かを判断し（ステップ１０＝Ｓ１０），回転速度が小さい場合には，巻線１４が多い状態で出力させるため，スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３をＯＦＦにし（Ｓ１１），スイッチＳ４，Ｓ５，Ｓ６をＯＮにするスイッチング制御即ち切換制御を行う（Ｓ１２）。スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３がＯＦＦになり且つスイッチＳ４，Ｓ５，Ｓ６がＯＮになると，２つの巻線群１Ｕ−１Ｖ−１Ｗと２Ｕ−２Ｖ−２Ｗとが直列に結線され，巻線１４が多くなる。そこで，コントローラ１０は，出力電圧（Ｅ_S ）が予め決められた所定の電圧（Ｅ140 ＋α）より大きいか否かを判断し（Ｓ１３），大きい場合には，Ｅ_S −（Ｅ140 ＋α）を演算し（Ｓ１４），アクチュエータ９による磁束制御リング７の回転移動による出力を演算し，アクチュエータ９を作動し，出力電圧を制御する（Ｓ１５）。次いで，出力電圧（Ｅ_S ）が予め決められた所定の電圧（Ｅ140 ＋α）より小さいか否かを判断し（Ｓ１６），小さくない場合には処理はステップ１０（Ｓ１０）へ戻り，小さい場合には処理は，（Ｅ140 ＋α）−Ｅ_S を演算し（Ｓ１７），アクチュエータ９による磁束制御リング７の回転移動による出力を演算し，アクチュエータ９を作動し，出力電圧を制御する（Ｓ１８）。また，ステップ１３（Ｓ１３）において，大きくない場合には，処理はステップ１７（Ｓ１７）へ進む。
【００３６】
また，ステップ１０において，周波数ｆが予め決められた所定の周波数ｆ₁ より小さくない回転速度の場合には，コントローラ１０は，巻線１４が少ない状態で出力させるため，スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３をＯＮにし（Ｓ１９），スイッチＳ４，Ｓ５，Ｓ６をＯＦＦにするスイッチング制御即ち切換制御を行う（Ｓ２０）。スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３がＯＮになり且つスイッチＳ４，Ｓ５，Ｓ６がＯＦＦになると，２つの巻線群１Ｕ−１Ｖ−１Ｗのみの結線となり，巻線１４が少なくなる。そこで，コントローラ１０は，出力電圧（Ｅ_S ）が予め決められた所定の電圧（Ｅ140 ＋α）より大きいか否かを判断し（Ｓ２１），大きい場合には，Ｅ_S −（Ｅ140 ＋α）を演算し（Ｓ２２），アクチュエータ９による磁束制御リング７の回転移動による出力を演算し，アクチュエータ９を作動し，出力電圧を制御する（Ｓ２３）。次いで，出力電圧（Ｅ_S ）が予め決められた所定の電圧（Ｅ140 ＋α）より小さいか否かを判断し（Ｓ２４），小さくない場合には処理はステップ１０（Ｓ１０）へ戻り，小さい場合には処理は，（Ｅ140 ＋α）−Ｅ_S を演算し（Ｓ２５），アクチュエータ９による磁束制御リング７の回転移動による出力を演算し，アクチュエータ９を作動し，出力電圧を制御する（Ｓ２６）。また，ステップ２１（Ｓ２１）において，大きくない場合には，処理はステップ２５（Ｓ２５）へ進む。
【００３７】
また，車両用の低電圧巻線で発生する電力は，同様に，スイッチＳＳ１〜ＳＳ６のスイッチング機構の制御をして低圧側電源５１として得ることができる。この場合には，図１に示すように，スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５及びＳ６をスイッチＳＳ１，ＳＳ２，ＳＳ３，ＳＳ４，ＳＳ５及びＳＳ６に置き換えることによって上記の処理が行われるものであるので，ここではその説明を省略する。
【００３８】
【発明の効果】
この発明による複数系統の電力発電特性を持つ発電機は，上記のように構成されているので，例えば，車両用として必要な電力が１２Ｖ〜２８Ｖであり，０．５ＫＷ〜１ＫＷ程度であり，車両に設けられた補機類用又は補助機械用としては２ＫＷ〜３ＫＷの電力が必要であるが，車両用として必要な電圧が１２Ｖ〜２８Ｖであり，３ＫＷの電力を１２Ｖ〜２８Ｖとすると，電流値が大きくなり，ロスによる発熱が大きくなる。その他の補機類や補助機械では，電圧が１００Ｖ〜２００Ｖであっても問題はなく，電圧が高い方が配線上の問題が少なくなり，例えば，補機類，産業機械等の電動機器へ供給する電力を得るための巻線について，巻線の線径を小さく形成することができ，小型に且つ軽量に形成することができ，また，リレー等を用いる場合には電圧が大きくなるので，電流が小さくなり，接点の溶着等が発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による複数系統の電力発電特性を持つ発電機の一実施例の作動を示す処理フロー図である。
【図２】この発明による複数系統の電力発電特性を持つ発電機の一実施例を示す概略断面図である。
【図３】図２に示す発電機のＩ−Ｉ断面であって磁束が絞られた位置に磁束制御リングが移動した状態を示す断面図である。
【図４】図２に示す発電機のＩ−Ｉ断面であって磁束が絞らない位置に磁束制御リングが移動した状態を示す断面図である。
【図５】（Ａ）は図３における磁束制御リングとステータの櫛部との関係を示し，（Ｂ）における磁束制御リングとステータの櫛部との関係を示す説明図である。
【図６】この発明による複数系統の電力発電特性を持つ発電機における巻線結線回路の一実施例を示す回路図である。
【図７】図１の発電機で発生した三相交流を整流した整流波形を示す波形図である。
【図８】磁束制御リングのストロークに対する電力の大きさに対応する吸引力を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ハウジング
２ 回転軸
３ ロータ
４ ステータ
５ 永久磁石部材
６ 磁路部材
７ 磁束制御リング
８，１７ 透磁部材
９ アクチュエータ
１０ コントローラ
１４ 巻線
１５ ステータコア
１８，２１ 非透磁部材
２０ 櫛部
２２ スロット
２３ クリアランス
２５ 高圧側電源
３３ 結線部
４２ 整流器
４３ 電圧測定器（高圧側）
４４ 電圧測定器（低圧側）
４６ コンデンサ
４７ 高圧側巻線グループ（内側）
４８ 高圧側巻線グループ（外側）
４９ 低圧側巻線グループ（内側）
５０ 低圧側巻線グループ（外側）
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６ スイッチ（高圧側）
ＳＳ１，ＳＳ２，ＳＳ３，ＳＳ４，ＳＳ５，ＳＳ６ スイッチ（低圧側）

Claims (9)

1. ハウジングに回転可能に支持された永久磁石を備えたロータ，前記ロータの外周側で前記ハウジングに固定されたステータ，及び前記ロータと前記ステータとの間に介在して磁束密度を調整でき且つ前記ステータに対して相対移動可能な磁束制御リングを有し，前記ステータは周方向に隔置した櫛部を備えたステータコアと前記櫛部に巻き上げられた巻線から成り，前記巻線は周方向に電気角１２０°ずつ位相がずれた三相にそれぞれ巻き上げられた複数個の巻線グループから成り，前記巻線グループ毎の出力端子の出力を調整するためのスイッチング装置，及び前記ロータの回転速度に応答して前記巻線の巻数を切り換える前記スイッチング装置の切り換え制御と前記磁束制御リングの相対移動によって磁束密度変換制御とを行って前記出力端子に配置された電圧測定器の信号に応じて複数の予め決められた所定の一定電圧を発電させる制御を行うコントローラを有することから成る複数系統の電力発電特性を持つ発電機。
2. 前記コントローラは，前記スイッチング装置の切り換え制御と前記磁束制御リングの磁束密度の調整制御によって前記巻線グループの結線を切り換え，車両用の直流の低い電圧と電動機器を駆動する高い電圧とを発電させる制御を行うことから成る請求項１に記載の複数系統の電力発電特性を持つ発電機。
3. 前記巻線グループは，前記電動機器が駆動される定格電圧値に応じて交流を直流に変換する第１整流装置と直流を交流に変換する交流電源発生装置を構成する高電圧用巻線グループと，交流を直流にする第２整流装置を構成する低電圧用巻線グループとから構成されていることから成る請求項２に記載の複数系統の電力発電特性を持つ発電機。
4. 前記第２整流装置によって得られた直流電力は，前記高，低電圧用巻線グループで発電された交流電力を前記磁束制御リングによる磁束密度変更機構によって予め決められた一定電圧に制御され，また，前記磁束制御リングは，前記ステータの前記櫛部と同数の透磁部材と透磁率が低い材料から成る部材とが交互に円筒状に配置され，前記磁束制御リングの回転移動によって前記透磁部材と前記櫛部との間の空隙が調整されることから成る請求項３に記載の複数系統の電力発電特性を持つ発電機。
5. 前記コントローラは，高電圧側と低電圧側の電圧を所定値とするために，前記磁束制御リングを往復運動するアクチュエータにより回転移動させて一定電圧に保持する制御を実施し，該制御でも高い電圧になる場合には，前記スイッチング装置によって前記巻線の巻数を切り換え制御することから成る請求項１に記載の複数系統の電力発電特性を持つ発電機。
6. 前記磁束制御リングを周方向に揺動可能に作動するアクチュエータを有し，前記コントローラは前記高電圧用巻線グループ及び前記低電圧用巻線グループの巻線数を変更するため前記巻線グループの接続を切り換えるスイッチング機構の切り換え制御と前記アクチュエータによって前記ロータの回転数と前記電圧測定器の出力に応答して前記磁束制御リングの前記ステータに対する位置制御とを行なうことから成る請求項１に記載の複数系統の電力発電特性を持つ発電機。
7. 前記コントローラは，前記アクチュエータによる前記磁束制御リングを揺動させ，前記磁束制御リングの前記透磁部材と前記ステータの前記櫛部との間のクリアランスが小さくなる前記磁束制御リングの移動位置では磁束の抑制が小さく，また，前記クリアランスが大きくなる前記磁束制御リングの移動位置では前記磁束の抑制が大きく出力電圧が低下する制御を行なうことから成る請求項１に記載の複数系統の電力発電特性を持つ発電機。
8. 前記コントローラは，前記ロータの回転速度が小さい領域では，前記スイッチング装置を作動して前記巻線グループの直列結線を増加させて巻線数を多くする制御をすると共に，得られる電圧が高くなる場合に前記磁束制御リングを移動させて磁束密度を変更して予め決められた所定の電圧を得る制御をし，また，前記ロータの回転速度が大きい領域では，前記スイッチング装置を作動して前記巻線グループの直列結線を減少させて前記巻線数を少なくする制御をすると共に，得られる電圧に応じて前記磁束制御リングを移動させて磁束密度を変更して予め決められた所定の一定電圧を得る制御をすることから成る請求項１に記載の複数系統の電力発電特性を持つ発電機。
9. 前記コントローラは，予め決められた一定電圧の直流電圧をインバータを介して交流電圧にしてモータを作動させることから成る請求項１に記載の複数系統の電力発電特性を持つ発電機。

Images