JP4373865B2

JP4373865B2 - 永久磁石式発電機

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Publication number: JP4373865B2
Application number: JP2004207475A
Authority: JP
Inventors: 英男河村
Original assignee: ファインカンパニーリミテッド
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2024-07-14
Also published as: JP2006033963A

Description

この発明は，ハウジングに取り付けられたステータ，ステータに対して回転する永久磁石部材を備えたロータ，及びステータに対して回転移動して空隙を増減して磁束を制御する磁束制御リングを有する永久磁石式発電機に関する。

近年，省エネルギーや環境汚染の防止に対応するため，風力発電の普及が叫ばれている。エネルギー危機が叫ばれる社会情勢の中で，我が国には風力ほど豊富に存在するものはなく，風力ほど環境汚染の少ないエネルギー源は他に無い。そこで，我が国では，風力エネルギーの利用を促進するため，風力発電機を一般家庭用として設置できる大きさに構成し，風力発電機に対する設備投資の少ない発電機を開発することが求められている。従来，永久磁石式発電・電動機は，回転子即ちロータに永久磁石を用いているので，構造が簡単で大きな発電電力を得ることができ，近年，それを組み込んだシステムが自動車用発電機，風力発電機等として利用されるようになった。しかしながら，永久磁石式発電機は，磁束密度が大きいので，発電電力が大きく，発電効率が良いことが知られているが，負荷が小さい時，又はロータの回転が大きくなる時，電圧が上昇し，一定電圧にすることができない。

従来，永久磁石式発電機について，自己電圧制御型のものが開発されている。該永久磁石式発電機は，コイルを発電機の外側に配置し，コイルでブレーキ電圧を発生させて常に一定の電圧を発電させるものであり，巻線によって三相交流を発生させるそれぞれのＵ相，Ｖ相及びＷ相の端子に，巻線に発生する発電電圧を抑制させる巻き数に設定されたコイルがスイッチを介してそれぞれ接続されている。コイルの端子は電動機に接続されている。コイルは，継鉄に逆向きに巻き上げられて変圧器の一次側を構成し，変圧器の継鉄に巻き上げられたコイルは二次側を構成し，コイルが一定電圧を出力する出力端子に接続されている（例えば，特許文献１参照）。

また，永久磁石式発電・電動機として，磁束制御装置を備え，巻線として櫛部に異なった巻数で巻き上げられた複数個の巻線群である３群の巻線群に分けられたものが知られている。コントローラは，ロータの回転数に応答して筒部材のステータコアに対する位置制御と巻線群の直列及び／又は並列の結線の制御を行なうことによって予め決められた所定の電圧を得るように制御している。コントローラは，例えば，高い電圧側は，巻線群を直列に結線して高電圧を発生させ，また，低い電圧で電流の多い側は巻線群を並列に結線して低電圧で大電流を発生させ，そして，ステータコアに巻き上げられた分割型の巻線では，高電圧側は途中から引き出された巻線の線材から出力するように構成してロータの回転数の増加に従って巻線の巻数が減少するように制御する。また，三相交流を発生させる巻線は，１Ｕ，２Ｕ及び３Ｕ，１Ｖ，２Ｖ及び３Ｖ，及び１Ｗ，２Ｗ及び３Ｗが結線部においてそれぞれ直列に結線され，結線部にはラインを通じてスイッチがそれぞれ設けられている。コントローラは，ロータの回転数（ＲＰＭ）に応答して，筒部材を構成する半筒部材のステータ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，スイッチのスイッチングの制御を行なうことによって予め決められた所定の交流電圧を三相交流電源として得ることができるように制御する（例えば，特許文献２参照）。

また，発電機として２系統の電力発電特性を持つものが知られている。該発電装置は，ステータが，ロータの外周との間に隙間を形成した内側円筒部，該内側円筒部上に円周方向に隔置してスロット部を形成するように立設した櫛部の先端部に位置する外側円筒部，予め決められたスロット部間に跨がって櫛部に分布巻き又は集中巻きされた少ない巻数の低電力用巻線と多い巻数の高電力用巻線とから構成された２系統の巻線，及び所定の低電力用巻線と高電力用巻線とに接続された端子を備えた端子線から構成され，ロータの極に対応する界磁極を中心に集中巻き又は分布巻きされた巻線は，発電される電圧を調整するため，ロータの回転の上昇に応じて複数個結線した直列結線を複数の並列結線に分割されており，巻線の端子線を結線する接続線にそれぞれ設けられスイッチがオン・オフによって発生する電力が調整されるものである（例えば，特許文献３参照）。

従来，風力の変動に係わらず一定電力を発電することができる永久磁石型交流発電機を使用した風力発電装置が知られている。該風力発電装置は，永久磁石型交流発電機がプロペラによって回転駆動され，発電された電力はインバータに供給され，インバータはプロペラの回転数に比例した周波数の信号に対して所定の位相差を有する信号によって制御され，風力の変動によらず一定の電力を出力することができるように構成されている（例えば，特許文献４参照）。
特開２００３−２６４９９６号公報（第１頁，図１，図６）特開２００２−２０４５５６号公報（第１，６頁，図４，図５）特開２００１−２９８９２６号公報（第５，６頁，図６，図７）特開２００１−１９００９６号公報（第１頁，図１）

従来の永久磁石式発電機では，発電した電圧を一定電圧にするためには，スイッチングレギュレタ等を用いて電流を切り刻む操作をしなければならないが，大電圧及び／又は大電流をオン・オフするためには大型のパワートランジスタが必要になり，装置が大型化し，冷却損失が大きくなり，高価になったり，また，発電電圧を一定にするために，電流を切り刻む時に発生する過大な突入電流によって電波障害を起こしたり，ノイズを発生させたり，それらの問題を低減する対策が大変である。そこで，本出願人の発明者は，永久磁石式発電機について，上記の問題を解決するため，上記特許文献１〜３に示すように，ステータとロータとの間にステータに対して相対移動する磁束制御リングを配置し，磁束制御リングをステータに対して移動させ，磁束制御リングの歯部とステータの櫛部との間の磁路空隙を増減させ，それによってステータ側への磁束の流れを制御し，予め決められた所定の一定電圧を発電させることを開発した。

また，永久磁石式発電・電動機が高速回転で回転するエンジンに用いられる場合，その回転変動の幅は１０倍から１５倍に達する。しかも，永久磁石式発電・電動機の発電能力は，アイドリングから７０００ｒｐｍまで非常に高いレベルを要求されるので，この間の電圧を一定にすることは容易ではない。従来，永久磁石の持つ磁力をロータとステータと間の空隙を設けることにより，制御していたが，限られた空隙で磁束制御を行うことには限度があった。本発明者は，この問題点を補うため，ロータの回転が大きくなった状態では，永久磁石の磁路に短絡経路を設け，上記磁束制御の効果を大きくすることが電圧制御に効果的であることが分かった。そこで，本発明者は，ロータに永久磁石を取り付け，ロータの外周に透磁性材と非磁性材とから成る複合材を配置し，更に，ロータが高速になると，ロータに取り付けられた短絡部材がロータの遠心力によって上記複合材の隣り合う透磁性材を磁気的に短絡させ，磁束を逃がすことにより，上記磁束制御性を向上させることにより，更に高性能の永久磁石式発電／電動機を提供するべき，これを具体的に開発した。

この発明の目的は，上記の問題を解決するため，ロータに取り付けられている永久磁石の磁力をその外側に設けられた補強部材を透磁性材と非透磁性材との異なる複合材で構成すると共に，該複合材の外周又は内周に透磁性材から成る磁力漏洩部材を置き，回転軸の高速回転時に磁力漏洩部材を遠心力によって磁力漏洩部材を補強部材に接触させ，補強部材の隣接する透磁性材に磁力を流してショートさせて回転軸を空転させてステータ側に磁力の流れを抑制すると共に，磁束制御リングをステータに対して回転移動させて磁束制御リングの歯部とステータの櫛部との間に磁路空隙を作り，その磁路空隙の増減によって予め決められた所定の一定電圧を得るように構成した永久磁石式発電機を提供することである。

この発明は，ハウジングに回転可能に支持された回転軸，前記回転軸に固定され且つ周方向に隔置した永久磁石片を持つ永久磁石部材を備えたロータ，前記ハウジングに固定され且つ周方向に隔置して立設された櫛部間に巻き込まれた巻線を備えたステータ，前記ステータに対して移動可能に前記ハウジングに取り付けられて前記ステータを通る磁束を空隙の増減により制御する磁束制御リングを有する永久磁石式発電機において，
前記永久磁石部材の外周に取り付けられ且つ前記永久磁石片に対応接触して配置された透磁性板材と前記透磁性板材間の非磁性材とが周方向に交互に配設接合された磁路形成を可能にする円筒状の補強部材，前記補強部材の端部に接離可能に配置された透磁性材でなる磁力漏洩部材，及び前記ロータの所定の回転速度以上の回転に応答して前記磁力漏洩部材を前記補強部材に接触させて前記非磁性材を跨いで前記透磁性板材の磁路回路を短絡させる遠心力作動装置を有することを特徴とする永久磁石式発電機に関する。

この永久磁石式発電機は，前記補強部材を前記ロータの外側に設けて一部を端面にオーバハングさせ，オーバハングさせた前記補強部材の部分にスプリングを介して接離可能に前記磁力漏洩部材を支持し，前記ロータの高回転時に前記磁力漏洩部材のスプリング力に対抗する遠心力により前記磁力漏洩部材を前記補強部材に接触させて前記補強部材の前記透磁性板材を短絡させるものである。

この永久磁石式発電機において，前記遠心力作動装置は，前記回転軸に固定された支持ブラケット，前記支持ブラケットに揺動自在に取り付けられ且つ一端に前記磁力漏洩部材が固定された非磁性材でなる揺動レバー，及び前記揺動レバーの他端に固定されたセットばねを有し，前記回転軸の回転速度が大きくなって予め決められた回転速度以上の時に前記ステータ側への磁力の流れを低減するため，前記セットばねは，前記回転軸の所定以上の回転速度に応答して前記磁力漏洩部材の遠心力で前記磁力漏洩部材が前記補強部材に接触するように設定されているものである。

また，前記補強部材は，その外周に炭素繊維糸材が補強のため巻回されている。

また，前記磁力漏洩部材は，少なくとも隣接する前記円弧状透磁性板材に跨がって周方向に延びる円弧状に形成されており，前記磁力漏洩部材が前記補強部材に接触することによって隣接する前記円弧状透磁性板材に磁束を通して前記ステータ側への磁力の流れを低減するものである。

この永久磁石式発電機は，前記回転軸の回転速度に応答して前記磁束制御リングを移動させて前記ステータとの空隙を増減させて前記ステータを通る磁束を制御し，予め決められた所定の一定電圧を発電させるものである。

また，前記磁力漏洩部材は，透磁率のよい低炭素鋼，Ｓｉ含有率の高い珪素鋼板，Ｎｉ含有率の高いパーマロイ等の磁性材料から成り，前記永久磁石片の厚さの１／３以上の厚さに形成され，幅は前記永久磁石片の全長の１５％以上の長さに形成されている。

また，前記補強部材は，前記円弧状透磁性板材が透磁性の良いＳＵＳ４３０から形成され，前記非磁性材が透磁性の悪いＳＵＳ３０４から形成され，前記永久磁石片の厚さの１／３以上の厚さに形成され互いに溶接接合されている。

この永久磁石式発電機は，上記のように構成されているので，ロータの回転軸の回転速度に応答して磁力漏洩部材を補強部材に対して接離可能に構成し，エンジンに連結された回転軸が所定の回転数以上の高速回転時には磁力漏洩部材を補強部材に接触させ，隣接する永久磁石片間で閉磁路を形成させ，ステータ側への磁力の流れを低減して所定の一定電圧にすると共に，ロータの回転数に応答して磁束制御リングを移動させてステータとの空隙を増減させて前記ステータを通る磁束を制御して予め決められた所定の一定電圧を発電させることができ，例えば，エンジンが高回転になってロータが高速回転すると，磁力漏洩部材を補強部材に接触させて回転軸を空周りさせて負荷の軽減をし，耐久性を向上させ，常に所定の一定電圧を発電させることができる。

以下，図面を参照して，この発明による永久磁石式発電機の一実施例を説明する。この永久磁石式発電機は，例えば，回転軸１０を風力発電機の風車，自動車のエンジン，排気タービン，蒸気タービン，燃焼器等の駆動源に連結し，回転軸１０に固定してロータ２を回転駆動して発電させるものである。

この永久磁石式発電機は，回転子のロータ２と固定子のステータ１とを収容すると共に磁路の一部を構成するハウジング４，ハウジング４に一対の軸受１１を介して回転可能にそれぞれ支持されている回転軸１０，回転軸１０に固定されている永久磁石部材２０を持つロータ２，ロータ２の外周から隔置してハウジング４に固定されているステータ１，及びステータ１の内周側にステータ１に対して相対回転可能にハウジング４に絶縁軸受１７を介して回転可能に取り付けられた磁束制御リング３，及び磁束制御リング３をロータ２の駆動状態に応じてステータ１に対して相対移動させる電磁弁又はモータ等のアクチュエータ，図ではモータ２１と伝達ギヤ１８から構成されている。ロータ２の一端には，押さえ板の端板３５を介して回転軸１０にねじ等で固定されたストッパ３６が位置し，他端には押さえ板の端板３４を介して回転軸１０にナット２４が螺入され，ナット２４を締め付けることによってロータ２が回転軸１０の所定位置に固定される。また，回転軸１０は，例えば，一端側の段部４０に配置された軸受１１と他端側の段部４１に配置された軸受１１とによって，ハウジング４の本体３７に回転自在に支持されている。

この永久磁石式発電機では，ステータ１は，ハウジング４に固定され，櫛部１５間にコイル即ち巻線１３を巻き上げるスロット１４を備えている。ロータ２は，ハウジング４に回転可能に支持された回転軸１０に固定され且つ周方向に隔置して配置された複数の永久磁石片２５を持つ永久磁石部材２０を備えている。磁束制御リング３は，ステータ１とロータ２との間の隙間３９に配置され，ステータ１に対して相対回転して磁束を制御する。ハウジング４は，例えば，両側の一対の本体３７とこれらを連結する連結ボルト３８から成る。また，磁束制御リング３は，例えば，図示のように，絶縁材から成る絶縁軸受１７を介してハウジング４に回転自在に支持され，ステータ１に対して回転移動可能に支持されている。

ステータ１は，ステータコア１２とステータコア１２に巻き上げられた巻線１３とから構成されている。ステータコア１２は，例えば，積層薄板等から形成されたインナステータコアを構成する櫛状円筒部材４３と，櫛状円筒部材４３の櫛部１５の外周部に嵌合固定されたアウタステータコアを構成するリング状継鉄部材４２とから構成されている。櫛状円筒部材４３は，外周部に櫛歯状に周方向に隔置状態で位置する櫛部１５，櫛部１５間に形成されたスロット１４，隣接する櫛部１５を連結するため周方向に延びるブリッジ部１６，及びブリッジ部１６から内向きに延びる周方向に凹部３３を形成して隔置した櫛状先端部３０から形成されている。この発電・電動機では，ステータ１の櫛部１５に巻き上げられた巻線１３は，例えば，Ｕ，Ｖ及びＷ相の３相電流を通電できる複数の巻線から構成されている。

磁束制御リング３は，周方向に隔置して配置され且つステータ１の櫛部１５と相対する突起した歯部２８の角部にチャンファ部３１が設けられると共に，歯部２８の凹部２９の底部間にチャンファ部３１間の空隙より小さい空隙が設けられている。また，この永久磁石式発電機は，ステータ１における先端部３０のチャンファ部３２と磁束制御リング３の歯部２８のチャンファ部３１との間の空隙，ステータ１の先端部３０と歯部２８の底部との間の空隙，及び磁束制御リング３の歯部２８の先端とステータ１のブリッジ部１６との間の空隙は，磁路空隙を形成するものである。この永久磁石式発電機は，回転軸１０の回転速度に応答して磁束制御リング３を移動させてステータ１との空隙を増減させてステータ１を通る磁束を制御し，予め決められた所定の一定電圧を発電させるものである。

ロータ２は，例えば，回転軸１０の外周に配置された継鉄１９，継鉄１９の外周面に配置された永久磁石部材２０，及び永久磁石部材２０の外周面に固定された一種の保持パイプである補強部材５を備えている。永久磁石部材２０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２５と，隣接する永久磁石片２５間に介在された非磁性材２６とから構成されている。また，ロータ２の永久磁石部材２０は，図３では１２個の円弧状の永久磁石片１９を備えており，３０°に相当している。ロータ２の永久磁石部材２０を構成する永久磁石片２５は，周方向に隣接する永久磁石片２５が交互に異なった磁極即ちＮ極とＳ極とが交互に配置されるように配列されている。

この永久磁石式発電機は，特に，上記の構成において，永久磁石部材２０の外周に接して取り付けられた磁路形成可能であり且つロータ２の補強を兼ねた補強部材５，補強部材５の端部４４に接離可能に配置された磁性材でなる磁力漏洩部材６，及びロータ２である回転軸１０の所定の回転速度以上の回転速度に応答して磁力漏洩部材６を補強部材５に対して接触させる遠心力作動装置５０を有することを特徴としている。補強部材５は，永久磁石片２５の部分の外周に接して配設された周方向に隔置した透磁性のよい材料から成る円弧状透磁性板材２２と，透磁性板材２２間で隣接する永久磁石片２５の境界部分に接して配設された介在した非磁性材２３とからなり，透磁性板材２２と非磁性材２３とは，周方向に交互に配設接合されて円筒状に形成されている。また，磁力漏洩部材６は，少なくとも補強部材５における隣接する円弧状透磁性板材２２に跨がって周方向に延びる円弧状に形成されており，磁力漏洩部材６は，補強部材５に接触することによって隣接する円弧状透磁性板材２２に磁束を通してステータ１側への磁力の流れを低減するものである。

遠心力作動装置５０は，例えば，図１と図２に示すように，回転軸１０に固定された支持ブラケット８，支持ブラケット８にピン７を枢軸として揺動可能に取り付けられ且つ一端に磁力漏洩部材６が固定された非磁性材でなる揺動レバー４７，及び揺動レバー４７の他端に形成されたばね受け部４５に固定されたセットばね９を有している。また，セットばね９は，図ではスプリングに形成され，一端が揺動レバー４７に形成されたばね受け部４５に固定され，他端が図示していないが，回転軸１０上に形成されたばね受け部に固定されている。セットばね９は，回転軸１０の所定以上の回転速度における磁力漏洩部材６の遠心力に応答して，磁力漏洩部材６の外周面が補強部材５の内周面に接触するようなばね力が設定されている。

この永久磁石式発電機について，遠心力作動装置５０は，上記実施例では，揺動レバー４７が支持ブラケット８上でピン７を中心に揺動するタイプに構成されているが，上記構成に限らず，磁力漏洩部材６が遠心力によってばね力に抗して半径方向外向き方向に移動する構造であればよいものである。例えば，図示していないが，遠心力作動装置として，回転軸１０に支持ブラケットや揺動レバー等を設けずに，一端が回転軸１０に固定され，他端が重鎮の機能を持つ磁力漏洩部材６に固定された板ばねを用い，遠心力によって板ばねが半径方向外向きに変形して磁力漏洩部材６が補強部材５に接触するように構成してもよいものである。或いは，別の実施例として，磁力漏洩部材及び遠心力作動装置は，磁力漏洩部材を補強部材５にスプリングを介して支持するように構成することもできる。例えば，図示していないが，補強部材５をロータ２の外周に設け，その一部をロータ２の端面にオーバハングさせる。オーバハングさせた補強部材５の部分にスプリングを介して接離可能に磁力漏洩部材を支持する。磁力漏洩部材は補強部材５の非磁性材２３を跨がって透磁性板材２２に接触可能な円弧状に形成されており，ロータ２の高回転時に磁力漏洩部材のスプリング力に対抗する遠心力により磁力漏洩部材を補強部材に接触させる。具体的には，この永久磁石式発電機は，スプリングの一端をオーバハングさせた補強部材５の内周面に固定し，磁力漏洩部材の外周側にスプリングが収容される凹部を形成し，該凹部の底部にスプリングの他端を固定する。常態では補強部材５の固定側のスプリングの端部が突出する形状に構成する。磁力漏洩部材及び遠心力作動装置を上記のように構成することにより，ロータ２が所定の回転をする時には，磁力漏洩部材が補強部材５に対してスプリングによって非接触状態になっているが，ロータ２が所定の回転を越えて高速回転をすると，磁力漏洩部材の遠心力が作用してスプリングを縮小させ，磁力漏洩部材が補強部材５に接触し，補強部材５の非磁性材２３で隔置している透磁性板材２２が磁力漏洩部材で短絡し，ステータ１側に流れる磁束が低減することになる。

この永久磁石式発電機は，上記の構成によって，回転軸１０の回転速度が大きくなって予め決められた回転速度以上，即ち，高速回転になった時に，ステータ１側への磁力の流れを低減して永久磁石片２５の吸着力を漏洩させるため，磁力漏洩部材６の回転で発生する磁力漏洩部材６の遠心力がセットばね９のばね力に打ち勝って，揺動レバー４７がピン７を中心に揺動して半径方向外向きに移動し，磁力漏洩部材６の外周面が補強部材５の内周面に接触する。それによって，この永久磁石式発電機は，永久磁石片２５の磁束が所定の永久磁石片２５から補強部材５の透磁性板材２２，磁力漏洩部材６を通って別の透磁性板材２２から別の永久磁石片２５に流れ，ステータ１側への磁力の流れを低減し，予め決められた所定の一定電圧に抑制される。

この永久磁石式発電機は，発電機能が停止すると，予め決められた一定電圧へと低下するので，再び磁力漏洩部材６の遠心力は低減し，磁力漏洩部材６がセットばね９のばね力で補強部材５から引き離され，永久磁石片２５の磁力をステータ１側に通して発電させ，それと共に，磁束制御リング３を機能させて磁力を制御して予め決められた一定電圧を発電させることができる。この永久磁石式発電機は，例えば，風力が強風である時には，ロータ２が高速回転して暴走し，予め決められた所定の一定電圧以上に上昇し，一定電圧に制御できないので，その時には磁力漏洩部材６を補強部材５に接触するようにセットばね９のばね力をセットしておき，永久磁石片２５からの磁力を上記のように漏洩させ，発電機能を停止させ，回転軸１０の回転速度が低下すれば，再び，磁力漏洩部材６を補強部材５から引き離して磁束制御リング３と共働して電圧制御を行う。

この永久磁石式発電機において，磁力漏洩部材６は，例えば，透磁率のよい低炭素鋼，Ｓｉ含有率の高い珪素鋼板，Ｎｉ含有率の高いパーマロイ等の磁性材料から構成されているものである。また，磁力漏洩部材６は，例えば，永久磁石片２５の厚さの１／３以上，好ましくは１／２以上の厚さに形成され，また，長手方向の長さ即ち幅が永久磁石片２５の全長の１５％以上の長さに形成されることにより，補強部材５と同様に，磁路としての機能を十分に果たすことができる。また，補強部材５については，円弧状透磁性板材２２は，例えば，透磁性の良いＳＵＳ４３０から形成され，また，透磁性板材２２間に介在した非磁性材２３は，透磁性の悪いＳＵＳ３０４（オーステナイト・ステンレス）から形成されている。更に，補強部材５は，例えば，永久磁石片２５の厚さの１／３以上，好ましくは１／２以上の厚さに形成されることにより，磁路としての機能を十分に果たすことができる。

更に，この永久磁石式発電機は，磁束制御リング３をステータ１に対して回転移動させて磁束制御リング３とステータ１との間の空隙量を制御し，予め決められた一定の発電電圧を得るように制御できるものである。磁束制御リング３を回転駆動するアクチュエータは，電磁弁や，図示のようにモータ２１で構成されるが，例えば，モータ２１の場合には，モータ２１の出力軸４６に伝達ギヤ１８を介して磁束制御リング３の一端に設けられた揺動用レバー４７を揺動させれば，磁束制御リング７をステータ１に対して揺動させることができる。又は，アクチュエータとして電磁弁に形成した場合には，例えば，ロッドの先端を磁束制御リング３の一端から延出したバーに固定し，電磁弁を作動してロッドを進退させ，バーを介して磁束制御リング３を回転移動させればよいが，この場合には，リターンスプリングを設けて電磁弁の付勢が解除されると磁束制御リング７を元の位置に復帰させるように構成することが好ましい。

コントローラは，ポジションセンサによって磁束制御リング３の複数位置を選定し，磁束制御リング３を僅かな回転移動させる制御をするように構成できる。磁束制御リング３は，僅かな正転又は逆転をし，櫛状歯部２８と非透磁部の凹部２９との位置がステータ１における先端部３０に対して移動するものであり，例えば，ポジションセンサによって位置を確かめ，磁束制御リング３を所望の位置に停止させることができる。また，磁束制御リング３には，リターンスプリングが設けられているので，磁束制御リング３はアクチュエータの作動に応じて常にステータ１に対する位置が定まる状態になる。

磁束制御リング３は，周方向に隔置して配置され，ステータ１の櫛部１５間のスロット１４の幅より小さい幅を有する断面四角形状の櫛状歯部２８，隣接する櫛状歯部２８を連繋するリング部２７，櫛状歯部２８間に形成された非透磁部の凹部２９が周方向に順次配置され，全体として円筒状に形成されている。磁束制御リング３の櫛状歯部２８の周方向の幅は，ステータ１を構成するステータコア１２の櫛部１５間のスロット１４の幅より小さい幅に設定されている。また，磁束制御リング３の歯部２８の両角部には断面四角形の半径方向外周側にチャンファ部３１が形成され，ステータ１の櫛部１５の両角部にはチャンファ部３２が形成されている。

この永久磁石式発電機は，図３及び図４に示すように，磁力漏洩部材６の機能に加えて，磁束制御リング３のステータ１に対する移動によって磁束制御リング３の歯部２８とステータ１の先端部３０との間に形成される空隙が増減し，ステータ１に流れる磁束が制御される機能を兼ね備えたものである。この発電・電動機は，ステータ１における先端部３０が磁束制御リング３の歯部２８に整合するように位置している時には，ステータ１側への磁束は抑制されることがなく，ロータ２の回転によって予め決められた所定の一定電圧が発電するものであり，この時には，図２及び図４に示すように，磁力漏洩部材６は補強部材５に対して離間した状態である。また，図５に示すように，磁束制御リング３がステータ１に対して揺動移動し，磁束制御リング３の歯部２８がステータ１の先端部３０間の凹部３３に位置するように移動した時には，歯部２８がステータ１のスロット１４に対応する位置ではチャンファ部３１と３２との間に予め決められた所定量のクリアランス即ち磁路空隙が形成され，ステータ１側への磁束が抑制されることになるものであり，この状態で，ロータ２が所定の回転数をオーバして高速回転する時には，図１及び図５に示すように，磁力漏洩部材６は補強部材５に対して接触した状態になり，磁力漏洩部材６が補強部材５の透磁性板材２２を短絡させ，ステータ１への磁束の流れを低減させる。磁束制御リング３，アクチュエータによって回転移動が制御される時には，磁束制御リング３に移動方向の上下流の一方のクリアランスと他方のクリアランスとは同程度のクリアランス量に制御されるように設定されている。磁束制御リング３の外周面は，ステータ１の櫛部１５の内周面に密接して摺動可能であり，ステータ１に対して相対回転可能に配置され，磁束制御リング３をアクチュエータによってステータ１に対して相対的に僅かに回転させて磁束制御リング３のステータ１に対する位置を変更させてステータ１の櫛部１５を通過する磁束を変化させ，発電電力を制御するものである。

この発明による永久磁石式発電機は，例えば，風力発電機，自動車用発電機，産業用発電機，排気タービン，蒸気タービン，燃焼器等の駆動源等の発電機として使用して好ましく，また，乗用車，冷凍車，ハイブリッド車等の移動体等の出力軸が回転変動するエンジンに適用して好ましく，発電された電力は，各種機器の駆動，電灯，照明等の一般消費電力として，或いは自動車等の電子機器，補機等で消費するのに適用できる。

この発明による永久磁石式発電機の一実施例を示し，磁力漏洩部材を補強部材に接触させて磁力を磁力漏洩部材へ流す状態を示す軸方向の断面図である。図１の永久磁石式発電機において，磁力漏洩部材を補強部材から離して磁力をステータ側に流して所定の電圧を発電させる状態を示す軸方向の断面図である。図１の永久磁石式発電機におけるＡ−Ａ断面をハウジングを除いた状態で示し，ステータの櫛部と磁束制御リングの歯部とを対応させて磁束を抑制していない状態を示す軸方向の断面図である。図１の永久磁石式発電機におけるＢ−Ｂ断面をハウジングを除いた状態で示し，ステータの櫛部と磁束制御リングの歯部とを対応させて磁束を抑制していない状態を示す軸方向の断面図である。図１の永久磁石式発電機におけるＢ−Ｂ断面をハウジングを除いた状態で示し，ステータの櫛部と磁束制御リングの歯部との間に空隙を形成し，磁束を抑制している状態を示す軸方向の断面図である。

符号の説明

１ステータ
２ロータ
３磁束制御リング
４ハウジング
５補強部材
６磁力漏洩部材
７ピン
８ブラケット
９セットばね
１０回転軸
１３巻線
１４スロット
１５櫛部
２０永久磁石部材
２１モータ
２２透磁性板材
２３非磁性材
２５永久磁石片
４７揺動レバー
５０遠心力作動装置

Claims

ハウジングに回転可能に支持された回転軸，前記回転軸に固定され且つ周方向に隔置した永久磁石片を持つ永久磁石部材を備えたロータ，前記ハウジングに固定され且つ周方向に隔置して立設された櫛部間に巻き込まれた巻線を備えたステータ，前記ステータに対して移動可能に前記ハウジングに取り付けられて前記ステータを通る磁束を空隙の増減により制御する磁束制御リングを有する永久磁石式発電機において，
前記永久磁石部材の外周に取り付けられ且つ前記永久磁石片に対応接触して配置された透磁性板材と前記透磁性板材間の非磁性材とが周方向に交互に配設接合された磁路形成を可能にする円筒状の補強部材，前記補強部材の端部に接離可能に配置された透磁性材でなる磁力漏洩部材，及び前記ロータの所定の回転速度以上の回転に応答して前記磁力漏洩部材を前記補強部材に接触させて前記非磁性材を跨いで前記透磁性板材の磁路回路を短絡させる遠心力作動装置を有することを特徴とする永久磁石式発電機。
前記補強部材を前記ロータの外側に設けて一部を端面にオーバハングさせ，オーバハングさせた前記補強部材の部分にスプリングを介して接離可能に前記磁力漏洩部材を支持し，前記ロータの高回転時に前記磁力漏洩部材のスプリング力に対抗する遠心力により前記磁力漏洩部材を前記補強部材に接触させて前記補強部材の前記透磁性板材を短絡させることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式発電機。
前記遠心力作動装置は，前記回転軸に固定された支持ブラケット，前記支持ブラケットに揺動自在に取り付けられ且つ一端に前記磁力漏洩部材が固定された非磁性材でなる揺動レバー，及び前記揺動レバーの他端に固定されたセットばねを有し，前記回転軸の回転速度が大きくなって予め決められた回転速度以上の時に前記ステータ側への磁力の流れを低減するため，前記セットばねは，前記回転軸の所定以上の回転速度に応答して前記磁力漏洩部材の遠心力で前記磁力漏洩部材が前記補強部材に接触するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式発電機。
前記補強部材は，その外周に炭素繊維糸材が補強のため巻回されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機。
前記磁力漏洩部材は，少なくとも隣接する前記円弧状透磁性板材に跨がって周方向に延びる円弧状に形成されており，前記磁力漏洩部材が前記補強部材に接触することによって隣接する前記円弧状透磁性板材に磁束を通して前記ステータ側への磁力の流れを低減することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機。
前記回転軸の回転速度に応答して前記磁束制御リングを移動させて前記ステータとの空隙を増減させて前記ステータを通る磁束を制御し，予め決められた所定の一定電圧を発電させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機。
前記磁力漏洩部材は，透磁率のよい低炭素鋼，Ｓｉ含有率の高い珪素鋼板，Ｎｉ含有率の高いパーマロイ等の磁性材料から成り，前記永久磁石片の厚さの１／３以上の厚さに形成され，幅は前記永久磁石片の全長の１５％以上の長さに形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機。
前記補強部材は，前記円弧状透磁性板材が透磁性の良いＳＵＳ４３０から形成され，前記非磁性材が透磁性の悪いＳＵＳ３０４から形成され，前記永久磁石片の厚さの１／３以上の厚さに形成され互いに溶接接合されていることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機。