JP4712896B1 - Control device for voltage stabilization of permanent magnet generator - Google Patents
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Abstract
【課題】出力巻線及び制御巻線の巻き数を大きくすることなく、外巻きソレノイドコイルを用い、インダクタンスを大きくして、小さな垂下電流を制御できるようにする。
【解決手段】永久磁石部材をロータとし、該ロータの外側に巻線が巻き上げられたステータを備える永久磁石式発電機の制御装置において、ステータ内に巻き上げられる出力巻線10、11とステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイル141とを含む出力側巻線と、該出力側巻線と直列に接続されステータ外に配置された制御側ソレノイドコイル142とを備え、出力側巻線と制御側ソレノイドコイル142の間に配設され出力巻線10、11に発生した電流の一部を制御側ソレノイドコイル142に流すための制御スイッチ12及び出力巻線10、11による発電電圧を検出するセンサ16からの検出信号に応答して制御スイッチ12を制御するコントローラ18を備えるようにしている。
【選択図】図3An externally wound solenoid coil is used to increase the inductance and control a small droop current without increasing the number of turns of an output winding and a control winding.
In a control device for a permanent magnet generator having a permanent magnet member as a rotor and a winding wound around the outside of the rotor, output windings 10 and 11 wound inside the stator and outside the stator. An output-side winding including the arranged output-winding side solenoid coil 141, and a control-side solenoid coil 142 connected in series with the output-side winding and arranged outside the stator. The control switch 12 that is disposed between the side solenoid coils 142 and flows part of the current generated in the output windings 10 and 11 to the control side solenoid coil 142 and a sensor that detects the power generation voltage by the output windings 10 and 11 A controller 18 is provided for controlling the control switch 12 in response to a detection signal from 16.
[Selection] Figure 3
Description
この発明は,ハウジングに取り付けられたステータと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を備えた永久磁石式発電機の巻線とスイッチを用い一定電圧化させる制御装置に関する。 The present invention relates to a control device that uses a winding and a switch of a permanent magnet generator including a stator attached to a housing and a rotor having a permanent magnet member that rotates relative to the stator to make the voltage constant.
従来、発電機について、省エネルギー化が要求される中で発電機の効率向上は大きな課題である。発電機の構造は、従来、回転子を電磁石とし、電流を用いて磁界を作り発電させる方式が主であった。しかし、発電機において、永久磁石を用いると、電磁石に流す電流が不要なので効率が向上することが判っていた。ところが、永久磁石を用いた発電機では、永久磁石の磁力が変化せず、発電機の回転が変化すると電圧が大幅に変化するので、一定電圧により各種電気装置を駆動する自動車などの発電機には使えないでいた。永久磁石式発電機は、ロータに永久磁石を用いるので、構造が簡単で大きな発電電力を得ることができ、近年、それを組み込みDC-DCコンバーターを用いた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ことが多くなってきた。永久磁石式発電機は、例えば、発電した電力を電動機に送る場合に、電圧が変動してもその機能が十分に発揮できるが、この電力を各種の電気機器を駆動しているバッテリの電圧に合わせる場合に、電圧変動を一定の電圧に揃える操作をしなければならない。永久磁石を用いた発電機の研究について多くの研究者たちが研究を行い、永久磁石発電機の発電電力を一旦直流に変換し、その電力をレギュレターを用いてスイッチングの時間制御により一定電圧にするDC―DCコンバーター方式が開発されたが、発電電力全てをスイッチングする必要があるため、高電圧、大電流の大きな電力をスイッチングするパワートランジスタが必要であり、制御装置が巨大となり、高価格で効率が悪くなるなどの問題がある。即ち、永久磁石式発電機は、自動車、風力等で発電した電圧を一定にするためには、スイッチング レギュレター等を用いて電力を切り刻む操作をしなければならないが、高電圧、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を要し、装置が大型になり、冷却ロスが大きくなり、極めて高価になる。パワートランジスタは通過電流が大きいほど、スイッチ抵抗に発生する熱の影響で破壊されやすく、また、電圧が高すぎるとエミッターコレクタ間の絶縁が破壊される等の問題が有るので電圧、電流は小さいほど耐久性が有り、安価である。 Conventionally, improvement in the efficiency of a generator has been a major issue in the face of demand for energy saving. Conventionally, the structure of the generator has been mainly a system in which a rotor is an electromagnet and a magnetic field is generated using an electric current to generate power. However, it has been found that when a permanent magnet is used in a generator, the efficiency is improved because no current flows through the electromagnet. However, in a generator using a permanent magnet, the magnetic force of the permanent magnet does not change, and the voltage changes drastically when the rotation of the generator changes. Could not be used. Since permanent magnet generators use permanent magnets for the rotor, the structure is simple and a large amount of generated power can be obtained. In recent years, systems incorporating DC-DC converters have been incorporated into automobile generators and wind power generators. Etc. have been used more often. Permanent magnet generators, for example, can transmit their generated power to an electric motor, even if the voltage fluctuates, and their functions can be fully achieved.However, this power is used as the voltage of the battery driving various electrical devices. When matching, voltage fluctuation must be adjusted to a constant voltage. Many researchers have researched on generators using permanent magnets, and once generated permanent magnet generators are converted to direct current, and the power is set to a constant voltage by switching time control using a regulator. Although a DC-DC converter system was developed, since it is necessary to switch all generated power, a power transistor that switches large power with high voltage and large current is required. There are problems such as getting worse. In other words, in order to make the voltage generated by a car, wind power, etc. constant, permanent magnet generators must be operated to cut power using a switching regulator, etc. In order to turn off, a large-sized power transistor is required, the apparatus becomes large, the cooling loss increases, and it becomes extremely expensive. The larger the passing current, the more easily the power transistor is destroyed due to the heat generated in the switch resistance, and there is a problem that the insulation between the emitter and the collector is broken if the voltage is too high. It is durable and inexpensive.
例えばハイブリット車、電気自動車などに使用する永久磁石発電機は高速時では発電電圧を下げなければならないが、極低速時には発電電圧を上昇させなければならない。これをコンバーターで電圧調整させる場合、電圧降下させるためには降圧回路、電圧上昇させる場合には昇圧回路を用いなければならず、制御装置が複雑、高価になる。 For example, a permanent magnet generator used in a hybrid vehicle, an electric vehicle or the like must lower the generated voltage at high speeds, but must increase the generated voltage at extremely low speeds. When the voltage is adjusted by a converter, a step-down circuit must be used to drop the voltage, and a step-up circuit must be used to raise the voltage, which makes the control device complicated and expensive.
また、発電電圧を一定にするために、電流を切り刻む時に、発生するサージ電圧、電流は電波障害の引き金になり、そのノイズ対策に必要なスナーバーの処置等が高電圧、大電流ほど大変である。 In addition, when the current is chopped in order to keep the generated voltage constant, the generated surge voltage and current trigger radio interference, and the action of the snubber necessary for the noise countermeasure is more difficult for high voltage and large current. .
また、その後、永久磁石の磁力を弱める方式が盛んに研究され、いろいろと発表された。例えば、永久磁石回転電機として、大きな変換機やリアクトルが必要な無効電流調整機や機械的変位機構等を必要とせず、簡素で部品点数が少なく小型で、信頼性に優れた電機子巻線電圧が調整可能なものが知られている。該永久磁石回転発電機は、電機子巻線群を有する固定子と、永久磁石による界磁極を有する回転子と、別個に設定した制御電流が供給され、永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群と、制御巻線群に流れる制御電流を制御することによって、電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御回路とを備えている(例えば、特許文献1参照)。 After that, the method of weakening the magnetic force of the permanent magnet was actively researched and announced in various ways. For example, a permanent magnet rotating electric machine does not require a reactive current regulator or mechanical displacement mechanism that requires a large converter or reactor, is simple, has a small number of parts, is compact, and has excellent reliability. Is known to be adjustable. The permanent magnet rotary generator is provided with a stator having an armature winding group, a rotor having a field pole made of a permanent magnet, and a control current set separately, and a magnetic path forming unit for magnetic flux from the permanent magnet And a control circuit that controls a voltage induced in the armature winding group by controlling a control current flowing in the control winding group (for example, a patent) Reference 1).
また、高効率の発電機を実現するものが提案されている。該発電機は、巻線を有する第1の物体と、鉄心と永久磁石を有する第2の物体を設け、インダクタンスは直軸に対して非対称とすることによってリラクタンス力を有効に利用し、高効率を実現したものである(例えば、特許文献2参照)。 Moreover, what implement | achieves a highly efficient generator is proposed. The generator is provided with a first object having a winding and a second object having an iron core and a permanent magnet, and the inductance is asymmetrical with respect to the straight axis so that the reluctance force is effectively utilized, and the high efficiency. (See, for example, Patent Document 2).
また、従来知られている交流発電機として作動可能な電気機械として、回転子と固定子と、この固定子内に導電するように設けた少なくとも一つの巻線と、この第1の巻線とは電気的に絶縁して第1の巻線に誘導結合した二次巻線とを有し、二次巻線を第1の巻線の出力電圧と電流のうち少なくとも一方の制御に用いることができる方式が提案されている。しかし、上記のような種々の方法では発電機に用いられた磁力を弱めることは至難の業で中々実用化されないでいる。(例えば、特許文献3参照)。 Further, as an electric machine that can be operated as a known AC generator, a rotor, a stator, at least one winding provided to conduct in the stator, and the first winding, Has a secondary winding electrically insulated and inductively coupled to the first winding, and the secondary winding is used to control at least one of the output voltage and current of the first winding. Possible methods have been proposed. However, it is difficult to weaken the magnetic force used in the generator by the various methods as described above, and it is not practically used. (For example, refer to Patent Document 3).
また、永久磁石で構成される回転子とその外側に設けたステータ内に巻かれた巻線を巻き数の小さな出力巻線と、大きな巻き数を有する制御巻線、ソレノイドを直列に結線し、その中間にトランジスタースイッチを置き、出力巻線の電圧が高い時、これらの系に流れる電流を大きくし、出力巻線の電圧が低い時、電流を小さくする方式がある(例えば、特許文献4参照)。 In addition, a rotor composed of permanent magnets and a winding wound in a stator provided outside the rotor, an output winding with a small number of turns, a control winding having a large number of turns, and a solenoid are connected in series, There is a system in which a transistor switch is placed in the middle, the current flowing through these systems is increased when the output winding voltage is high, and the current is decreased when the output winding voltage is low (see, for example, Patent Document 4). ).
一方、ハイブリット車ではDC-DC コンバーターまたは位相制御方式が用いられ、発電により整流された電力を必要に応じてその電力を切り刻み、主として降圧により一定電圧を持つ直流に変換し、必要に応じてインバーターによりACに変換し、モータ駆動させるシステムが実用化されたが、高電圧、大電流の電力をそのままスイッチングするため、その装置の大きさがハイブリット車の小型化への普及を妨げている。位相制御方式では電圧を降下させると出力の力率が大きく下がる問題が有る。一方、自動車の電気使用量はうなぎのぼりに増加し、エネルギー問題が益々深刻となり、現在用いられているランデル式発電機の効率50%は許容できない事態となった。自動車用発電機のこの様な状況の下で構造が簡素で確実な制御性を持つ発電機構の出現が求められている。 On the other hand, a hybrid vehicle uses a DC-DC converter or a phase control system, which cuts the power rectified by power generation as necessary, converts it into direct current having a constant voltage mainly by stepping down, and inverters as needed. Although a system for converting to AC and driving a motor has been put into practical use, since high-voltage, high-current power is switched as it is, the size of the device hinders the spread of miniaturization of hybrid vehicles. In the phase control method, there is a problem that the power factor of the output greatly decreases when the voltage is lowered. On the other hand, the amount of electricity used in automobiles has risen steadily, the energy problem has become more serious, and the efficiency of the currently used Landel generator has become unacceptable. Under such a situation of an automobile generator, a power generation mechanism having a simple structure and reliable controllability is required.
一般に磁束制御を電気的に行うためには、発電機の巻線に種類の異なる複数の巻線を巻き込み、インバーターにより同期された電流を1つの巻線に流し、永久磁石の磁力の方向に対抗する電磁力を与えることが提案され、多くの技術者が研究を試みた。しかし、この方法だと永久磁石の磁力に対し、逆向きの電磁力を加えるため、永久磁石により発生する発生電圧と相似で反対向きの電流、電圧をインバーターにより作らなければ成らないが、その方式は制御系の困難さが益々大きくなった。また、この方法だと別回路で作成した電磁石による磁力が永久磁石の磁力を消滅させることになり、成功しなかった。 Generally, in order to perform magnetic flux control electrically, a plurality of different types of windings are wound around a winding of a generator, and a current synchronized by an inverter is passed through one winding to counter the direction of the magnetic force of the permanent magnet. Many engineers have tried to study it. However, with this method, in order to apply a reverse electromagnetic force to the magnetic force of the permanent magnet, it is necessary to create an opposite current and voltage similar to the generated voltage generated by the permanent magnet by an inverter. The control system became increasingly difficult. Also, this method was not successful because the magnetic force of the electromagnet created in a separate circuit disappeared the permanent magnet.
本発明者等は、特許文献4記載の発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置を開発・製作し、神奈川県立の研究所において実験を重ねた結果、磁束制御装置を用いることなく且つ少ない電流で出力電圧を一定の範囲に維持して常に所望の電圧に制御すると共に永久磁石の磁力の減磁を生じさせないという効果が達成されることを確認した。特に、定格電圧が例えば14V、24Vの比較的低電圧では優位な効果を奏することを確認した。
The present inventors have developed and manufactured a control device for a permanent magnet generator according to the invention described in
しかしながら、発電電圧が高くなる場合、例えば200V―AC発電機では高速での電圧が非常に高くなり、高耐圧性のスイッチング素子(FET)を使わざるを得ないという問題が発生した。つまり、特許文献4記載の特許発明は、ステータに巻き上げた巻線を巻き数の小さな出力巻線と巻き数の大きな制御巻線とで構成すると共に両巻線間に制御スイッチを設け、負荷の変動に応答して制御スイッチをデューティ制御し、巻線切り換え時の電圧の上昇に対応して電圧制御巻線に微小電流を流して電圧を瞬間的に降下させて一定電圧を維持し、瞬間的な電圧の上昇又は降下を抑えて常に所望の電圧に制御することを特徴とするものである。したがって、特許文献4記載の特許発明によると、巻線の巻き数を大きくすると電圧が上がり、その反面、巻き数を有る程度大きくしないとインダクタンスが大きくならず、垂下特性の電流が小さくならないという二律背反の関係にあり、発電電圧が高くなるAC発電機に適用する場合には高速での電圧が非常に高くなることを回避できないものである。例えば、電圧の値は出力側電力では220V(AC)/2000rpm、440V/4000rpm、660V/6000rpmである。この値は実効値であるので、ピーク電圧ではその1.4倍にもなる。しかも、制御巻線の巻き数を出力巻線の4倍にすると、電圧は4倍になり、6000rpmでは2640Vになる。この電圧はスイッチング素子・FET、またはIGBTにとって非常に大きな値で一般に市販されているFET、IGBTの耐圧600Vを遥かにオーバーしてしまう。このため、発電電圧を高くする場合には、非常に高価(現在、一般的な1000V耐圧のFETの約100倍程度)な高耐圧性のスイッチング素子を使わざるを得ず、発電機のコストを押し上げてしまう問題が生ずる。
However, when the power generation voltage becomes high, for example, in a 200V-AC generator, the voltage at a high speed becomes very high, and there is a problem that a switching element (FET) having a high withstand voltage must be used. That is, in the patent invention described in
本発明は、出力巻線と出力巻線側ソレノイドコイル及び制御側ソレノイドコイルの組み合わせで装置の簡素化をはかると共に巻線の巻き数を大きくすることなく、インダクタンスを大きくして、垂下電流を制御できる永久磁石式発電機の制御装置を提供すること、及び回転数が小さくても大きくても電圧一定化ができる発電機を提供することを目的とする。即ち、本発明は、発電機の回転領域を大幅に増加させ、極低速から、超高速まで一定電圧を維持できる永久磁石式発電機の制御装置を提供すること目的とする。 The present invention simplifies the device by combining an output winding, an output winding side solenoid coil, and a control side solenoid coil, and controls the drooping current by increasing the inductance without increasing the number of winding turns. An object of the present invention is to provide a control device for a permanent magnet generator that can be used, and to provide a generator that can maintain a constant voltage regardless of whether the rotational speed is small or large. That is, an object of the present invention is to provide a control device for a permanent magnet generator that can greatly increase the rotation region of the generator and maintain a constant voltage from an extremely low speed to an ultrahigh speed.
かかる目的を達成するため、請求項1記載の発明は、ハウジングに回転自在に支持されたロータシャフト、前記ロータシャフトに固定され且つ外周側に複数の永久磁石部材を取り付けたロータ、及び前記ロータの外側に巻線が巻き上げられたステータから成る永久磁石式発電機の制御装置において、前記ステータ内に巻き上げられる出力巻線と、前記ステータ外に配置され前記出力巻線と直列に接続された出力巻線側ソレノイドコイルと、該出力側ソレノイドコイルと直列に接続されて前記ステータ外に配置される制御側ソレノイドコイルと、前記出力巻線側ソレノイドコイルと前記制御側ソレノイドコイルとの間に配設されて前記制御側ソレノイドコイルへ前記出力巻線に発生した電流の一部を流しかつその電流を増減させる制御スイッチと、前記出力巻線側ソレノイドコイルと前記制御スイッチとの間に設定される出力端子と、前記出力巻線に発生する発電電圧を検出するセンサからの検出信号に応答して前記制御スイッチを制御することにより発電電圧を設定電圧に制御するコントローラとを備えるようにしている。 In order to achieve this object, the invention according to claim 1 is a rotor shaft that is rotatably supported by a housing, a rotor that is fixed to the rotor shaft and has a plurality of permanent magnet members attached to the outer peripheral side, and In a control device for a permanent magnet generator comprising a stator with a winding wound outside, an output winding wound inside the stator and an output winding arranged outside the stator and connected in series with the output winding A wire side solenoid coil, a control side solenoid coil connected in series with the output side solenoid coil and disposed outside the stator, and disposed between the output winding side solenoid coil and the control side solenoid coil. A control switch for passing a part of the current generated in the output winding to the control-side solenoid coil and increasing or decreasing the current Controls an output terminal that is set between the said control switch in response to the detection signal from the sensor for detecting the generated voltage generated in the output winding of the control switch and the output winding side solenoid coil Thus, a controller for controlling the generated voltage to the set voltage is provided.
ここで、 出力巻線の巻き数の途中または巻き始めの部分に選択的に中性点の位置を変更できる中性点端子を設けると共に、該中性点端子に中性点に流れる電流を断続できる中性点スイッチをそれぞれ配置し、かつロータシャフトの回転数を回転数センサで検出し、コントローラでローターシャフトの回転数に応じて中性点スイッチを選択的に断続して中性点位置を変換することが好ましい。 Here, a neutral point terminal capable of selectively changing the position of the neutral point is provided in the middle of the number of turns of the output winding or at the beginning of the winding, and the current flowing to the neutral point is intermittently supplied to the neutral point terminal. Each possible neutral point switch is arranged, and the rotational speed of the rotor shaft is detected by a rotational speed sensor, and the neutral point switch is selectively turned on and off according to the rotational speed of the rotor shaft by the controller. It is preferable to convert.
また、出力巻線の一端は、三相交流発電機としてスター結線され、制御側ソレノイドコイルの端部はスター状に結線されることが好ましい。 Moreover, it is preferable that one end of the output winding is star-connected as a three-phase AC generator and the end of the control-side solenoid coil is connected in a star shape.
また、コントローラは、電圧センサによる検出信号に応答して制御スイッチをON−OFF制御し、発電電圧が高いことに応答して制御側ソレノイドコイルに流れる電流を増し、発電電圧が低いことに応答して制御側ソレノイドコイルに流れる電流を減少させて設定電圧を一定電圧に制御するものであることが好ましい。 In addition, the controller performs ON / OFF control of the control switch in response to the detection signal from the voltage sensor, increases the current flowing through the control side solenoid coil in response to the high power generation voltage, and responds to the low power generation voltage. It is preferable that the set voltage is controlled to a constant voltage by reducing the current flowing through the control side solenoid coil.
また、コントローラはロータシャフトの回転数を検出する回転数センサからの信号により、所定回転数以上の時、出力巻線の巻き数が小さな方の中性点スイッチをONさせ、所定回転数以下の時、出力巻線の巻き数が大きい側の中性点スイッチをONさせ、高速時の大幅な電圧の上昇を防止させるものであることが好ましい。 Also, the signal from the rotation speed sensor controller for detecting a rotational speed of the rotor shaft, when the predetermined rotational speed or more, the number of turns of the output winding is ON the neutral switch the smaller, or less than a predetermined rotational speed At this time, it is preferable to turn on the neutral point switch on the side where the number of turns of the output winding is large to prevent a significant voltage increase at high speed.
また、コントローラはロータシャフトの回転数を検出する回転センサからの信号により、所定回転以下のとき、前記出力巻線の巻き数の大きな側の中性点スイッチをONさせ、極低速時の電圧を上昇させ、発電出力させるものであることが好ましい。 In addition, the controller turns on the neutral point switch on the side where the number of turns of the output winding is large when the rotation speed is less than a predetermined value based on a signal from the rotation sensor that detects the rotation speed of the rotor shaft, and sets the voltage at extremely low speed. It is preferable to increase the power generation output.
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置は、出力端子に接続される出力ラインから引き出された3相交流を電圧変換トランスにより電圧変換すると共に整流器により直流電圧に変換し、出力ラインの電流とは別電圧の蓄電池に接続することが好ましい。 The control device of a permanent magnet generator according to the present invention converts a three-phase alternating current drawn from the output line connected to the output terminal into a DC voltage by a rectifier with voltage-converting the voltage variations 換To lance, It is preferable to connect to a storage battery having a voltage different from that of the output line .
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置は、出力ラインに主発電スイッチを、蓄電池側に蓄電池スイッチを設け、コントローラは、負荷状況に応じて主発電スイッチと蓄電池スイッチをON、OFF制御することが好ましい。 The control device of a permanent magnet generator according to the present invention, the main power switch to the output line, a power storage battery switch is provided on the battery side, the controller is ON the main power switch and battery switch according to the load conditions, It is preferable to perform OFF control.
さらに、コントローラは出力巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合、中性点スイッチの全てをOFFさせる制御を行なうことが好ましい。 Further, it is preferable that the controller performs control to turn off all the neutral point switches when an abnormality is found in the output winding or when the rotational speed increases abnormally .
さらに、出力巻線側ソレノイドコイルと出力巻線との間に配置される出力端子部に電動機切替用スイッチを設け、該電動機切替用スイッチの一方を出力巻線側の出力端子部に、他端部をコントローラを介してバッテリに接続し、コントローラによりモータ駆動できる位相タイミングに合わせ、出力巻線側に電流を供給することにより、電動機として運転可能とすることが好ましい。 Furthermore, an electric motor switching switch is provided in the output terminal portion arranged between the output winding side solenoid coil and the output winding, and one of the electric motor switching switches is connected to the output terminal portion on the output winding side and the other end. It is preferable that the motor can be operated as a motor by supplying a current to the output winding side in accordance with a phase timing at which the motor can be driven by the controller by connecting the unit to the battery via the controller.
ここで、出力巻線と前記出力巻線側ソレノイドコイルとの間に配置される出力端子部に電動機切替用スイッチを設け、該電動機切替用スイッチの一方を出力巻線側の出力端子部に、他端部をコントローラを介してバッテリに接続し、コントローラによりモータ駆動できる位相タイミングに合わせ、出力巻線側に電流を供給することにより、電動機として運転可能とすると共に、電動機運転時には前記コントローラは回転センサにより回転数を検出し、回転数が小さな時には巻き数の大きな中性点スイッチを接続し、回転数が大きな時には巻き数が小さな方の中性点スイッチを接続するように中性点スイッチをON、OFF制御すると共に、電動機切替用スイッチをON,OFF制御することが好ましい。 Here, an electric motor switching switch is provided in an output terminal portion arranged between the output winding and the output winding side solenoid coil, and one of the electric motor switching switches is used as an output terminal portion on the output winding side. The other end is connected to the battery via the controller, and the current is supplied to the output winding side in accordance with the phase timing that can be driven by the controller, so that the motor can be operated and the controller rotates during motor operation. The sensor detects the number of rotations. When the number of rotations is low, connect a neutral point switch with a large number of turns.When the number of rotations is large, connect a neutral point switch with the smaller number of turns. It is preferable to perform ON / OFF control and ON / OFF control of the motor switching switch.
本発明の永久磁石式発電機の制御装置によれば、極めて簡単な構造を持つ発電機の巻線(ステータコイル)をステータ内に巻き上げられた出力巻線とステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルとを接続して、出力巻線と出力巻線側ソレノイドコイルとで出力側巻線を、さらに制御側ソレノイドコイルで制御側巻線を構成し、それら出力側巻線と制御側巻線とを直列に繋ぎ、その全体巻き数の垂下特性を用いて少ない電流で出力電圧を一定に制御するようにしているので、出力側巻線及び制御側巻線の巻き数を大きくすることなく、インダクタンスを大きくして、垂下電流を制御できる。本願発明の発電機は、従来の発電機と大幅に異なり、出力巻線で出力しているとき、垂下特性は、図2に示すように、電流が大きく、電圧が小さくなるように変化するが、出力側巻線に制御側巻線が加わった全体巻線が大きいと電圧は大きくなるが電流は極めて小さい状態で垂下する。全体巻線とこれに対し巻き数が少ない出力巻線とでは、無負荷電圧特性は非常に大きな差が有り、出力側巻線及び制御側巻線の2つの巻線を直列に接続し、全体巻線の大きな巻き数の逆起電力による電圧制御性を利用し、この巻線系に微少の電流を流すと、この垂下特性により出力側巻線端子の電圧が低下し、制御スイッチのON,OFFにより電流を調節すると出力端子の電圧を一定にすることができる。つまり、負荷の変動に応答して制御スイッチをON−OFF制御し、出力巻線側ソレノイドコイルの端部に配置した出力端子の電圧即ち出力側巻線の電圧の上昇に対応して全体巻線に微小電流を流して電圧を瞬間的に降下させて一定電圧を維持し、瞬間的な電圧の上昇又は降下を抑えて常に所望の電圧(設定電圧)に制御することができる。 According to the control device for a permanent magnet generator of the present invention, an output winding wound inside a stator and an output winding arranged outside the stator are wound around a generator winding (stator coil) having a very simple structure. Side solenoid coil and control side solenoid coil are connected, and output side winding is composed of output winding and output winding side solenoid coil, and control side winding is composed of control side solenoid coil. Since the wire and the control side winding are connected in series and the output voltage is controlled to be constant with a small current using the drooping characteristics of the total number of turns, the number of turns of the output side winding and the control side winding The droop current can be controlled by increasing the inductance without increasing the current. The generator of the present invention is significantly different from the conventional generator, and when the output winding is used, the drooping characteristics change so that the current is large and the voltage is small as shown in FIG. If the overall winding with the control side winding added to the output side winding is large, the voltage increases but the current droops in a very small state. There is a very large difference in the no-load voltage characteristics between the whole winding and the output winding with a small number of turns. The two windings, the output side winding and the control side winding, are connected in series. When voltage controllability by counter electromotive force with a large number of windings is used and a minute current is passed through this winding system, the voltage at the output side winding terminal decreases due to this drooping characteristic, and the control switch is turned ON, When the current is adjusted by turning OFF, the voltage of the output terminal can be made constant. In other words, the control switch is turned on and off in response to load fluctuations, and the entire winding corresponds to the rise in the voltage of the output terminal arranged at the end of the output winding side solenoid coil, that is, the output side winding voltage. A constant current can be maintained by causing a minute current to flow through the capacitor, and a constant voltage can be maintained, and a desired voltage (set voltage) can always be controlled by suppressing an instantaneous increase or decrease in voltage.
即ち、出力巻線側ソレノイドコイルの巻き数N1と制御側ソレノイドコイルの巻き数N2とすると、出力巻線側ソレノイドコイルを単独で用いる場合、インダクタンスL1=μ・A・N12/l、制御側ソレノイドコイルを単独で用いる場合、L2=μ・A・N22/l、ところが直列に接続するとL3=μ・A・(N1+N2)2/lとなりL1の2倍以上の値になる。直列に繋がれた二つのソレノイドコイルに電圧を掛ければE=I・2π・f・L3/1000となり、電流は出力巻線側ソレノイドコイル単独に流す場合の1/2〜1/5以下に低減する。ここでlは各ソレノイドコイルコアの磁路長さ、Aはソレノイドコアの断面積、μは透磁率である。この効果はステータ巻線でも同様である。
That is, assuming that the output winding side solenoid coil has a winding number N1 and the control side solenoid coil has a winding number N2, when the output winding side solenoid coil is used alone, inductance L 1 = μ · A · N1 2 / l, control when using side solenoid coil alone becomes L 2 = μ · a · N2 2 / l, however when connected in series L 3 = μ · a · ( N1 + N2) 2 / l next L 1 of more than twice the value . By multiplying the voltage to the two solenoid coils connected in series E = I · 2π · f ·
発電電圧は出力巻線の巻き数に比例して上昇するが、この電圧は巻線のインピーダンスと電流の積および出力巻線側ソレノイドコイルのインピーダンスと電流の積の和にしたがって降下する。従って、所定電圧になるように制御側巻線即ち制御側ソレノイドコイルへの電流を増すと出力巻線側ソレノイドコイル端子の電圧が減少し、電流を減少すると出力巻線側ソレノイドコイル、即ち出力電圧は一定になる。出力が小さい時には制御側に流れる電流により電圧は制御される。下記に計算式を示す。
計算式V−A特性
(1)起電力Eoについて
Eo=4.44・Φ・f・Ws --------(1)
(2)端子電圧Eについて
E=Eo−E1−E2
=4.44・Φ・f・Ws−I1 (R1 2+(2πfL11/1000)2)1/2
−I2(R2 2 +(2πf・L31/1000)2)1/2 --------(2)
(3)制御側へ流れる電流、即ち制御スイッチに流れる電流
I2=〔4.44・Φ・f・Ws−I1・(R1 2+(2πf・L11/1000)2)1/2−E〕/〔R2 2+(2πf・L31/1000))2〕1/2 --------(3)
ただし、式中の記号は以下の通りである。
Eo:出力巻線の起電電圧、E:希望する所定電圧(設定電圧)、E1:出力側巻線への電流I1の時の降下電圧、E2:出力巻線+出力巻線側ソレノイドコイル+制御側ソレノイドコイル全体に流れる平均電流I2の時の降下電圧、R1:出力巻線+出力巻線側ソレノイドコイルの抵抗、Φ:磁力の強さ、R2:出力巻線+出力巻線側ソレノイドコイル+制御側ソレノイドコイルの合計抵抗値、f:周波数、L11:出力巻線+出力巻線側ソレノイドコイルの合計インダクタンス、Ws:巻線数、I1:出力巻線端子に流れる電流、I2:制御側ソレノイドコイル側に流れる電流、L31:出力巻線のインダクタンス+出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルの相互インダクタンス。
The generated voltage increases in proportion to the number of turns of the output winding, and this voltage decreases according to the sum of the product of the winding impedance and current and the sum of the impedance and current products of the output winding side solenoid coil. Therefore, when the current to the control side winding, that is, the control side solenoid coil is increased to a predetermined voltage, the voltage of the output winding side solenoid coil terminal decreases, and when the current is decreased, the output winding side solenoid coil, that is, the output voltage. Becomes constant. When the output is small, the voltage is controlled by the current flowing to the control side. The calculation formula is shown below.
Formula VA characteristics (1) About electromotive force Eo Eo = 4.44 · Φ · f · Ws -------- (1)
(2) Terminal voltage E E = Eo−E1−E2
= 4.44 · Φ · f · Ws -I 1 (R 1 2 + (2πfL 11/1000) 2) 1/2
-I 2 (R 2 2 + ( 2πf ·
(3) the current flowing into the control side, i.e. the current I 2 flowing through the control switch = [4.44 · Φ · f · Ws- I 1 · (R 1 2 + (2πf · L 11/1000) 2) 1/2 -E] / [R 2 2 + (2πf · L 31/1000)) 2 ] 1/2 -------- (3)
However, the symbols in the formula are as follows.
Eo: electromotive voltage of the output winding, E: predetermined voltage desired (set voltage), E1: drop voltage when the current I 1 to the output winding, E2: output winding + output winding side solenoid coil + Voltage drop at average current I 2 flowing through the entire control side solenoid coil, R 1 : Output winding + resistance of output winding side solenoid coil, Φ: Strength of magnetic force, R 2 : Output winding + output winding Total resistance value of line side solenoid coil + control side solenoid coil, f: frequency, L 11 : output winding + total inductance of output winding side solenoid coil, Ws: number of windings, I 1 : flows to output winding terminal Current, I 2 : Current flowing to the control side solenoid coil side, L 31 : Inductance of output winding + Mutual inductance of output winding side solenoid coil and control side solenoid coil.
ここで、巻線の電流は巻線数が大きいほど小さくなるが、その反面巻線の巻き数が大きくなるほど永久磁石による起電電圧が大きくなるので、起電電圧を制限した状態で制御電流を小さくし、電圧制御できることが望ましい。上式で出力側巻線及び制御側巻線の各インダクタンスL1、L2、L3、L11の値を大きく出来れば制御電流値I2を更に小さくできる。したがって、大電流を必要とする発電機ではステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルとを加える効果が極めて有効である。しかし、L11を余り大きくしすぎると出力側の電圧降下をもたらすので、ソレノイドコイルの相互インダクタンス効果が重要である。 Here, the winding current decreases as the number of windings increases. On the other hand, the electromotive voltage generated by the permanent magnet increases as the number of windings increases. It is desirable that the voltage can be reduced and controlled. If the values of the inductances L 1 , L 2 , L 3 , and L 11 of the output side winding and the control side winding can be increased in the above equation, the control current value I 2 can be further reduced. Therefore, the effect of adding the output winding side solenoid coil and the control side solenoid coil arranged outside the stator is extremely effective in the generator that requires a large current. However, because it provides a very large and too the output side of the voltage drop L 11, mutual inductance effects of the solenoid coil is important.
また、上式に示すように出力側巻線、制御側巻線の端子電圧は、起電電圧からそれぞれの巻線に流れた電流とインダクタンスの積を差し引いた電圧で決まるが、巻き数が大きくなるほど起電電圧は大きくなるので電圧を降下させる為には大きなインダクタンスが必要になる。そこで、起電電圧を大きくしないで電圧制御させる為には、ステータ内に巻き上げられた巻線を増加させることなく、ロータの磁束と鎖交しない位置例えばステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルとを加えることにより、インダクタンスを大きくして垂下電流を制御できるようにすることが効果的である。 In addition, as shown in the above equation, the terminal voltage of the output side winding and the control side winding is determined by the voltage obtained by subtracting the product of the current flowing through each winding and the inductance from the electromotive voltage, but the number of turns is large. As the electromotive voltage increases, a large inductance is required to reduce the voltage. Therefore, in order to control the voltage without increasing the electromotive voltage, the output winding side solenoid disposed outside the stator, for example, a position not interlinked with the magnetic flux of the rotor without increasing the number of windings wound in the stator. It is effective to increase the inductance and control the drooping current by adding the coil and the control side solenoid coil.
さらに、出力巻線の巻き数の途中または巻き始めの部分に中性点に流れる電流を断続できる中性点スイッチを接続して選択的に中性点の位置を変更できるようにし、ローターシャフトの回転数に応じてコントローラで中性点スイッチを選択的に断続して中性点位置を変更するようにすれば、回転速度の高速化と共に上昇する電圧を中性点の位置の変更により出力巻線の巻き数を変えて抑制することができるので、回転速度に制限を受けず適用回転数の領域を広げることができる。 In addition, a neutral point switch that can interrupt the current flowing to the neutral point is connected to the middle or the beginning of the winding of the output winding so that the position of the neutral point can be selectively changed. If the neutral point position is changed by selectively switching the neutral point switch with the controller according to the number of rotations, the voltage that rises as the rotational speed increases is output by changing the neutral point position. Since the number of windings of the wire can be changed and suppressed, the range of the applied rotation speed can be expanded without being limited by the rotation speed.
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
この実施形態にかかる制御装置が組み込まれた永久磁石式発電機は、図1に示すように、フロントハウジング3とリアハウジング5から成るハウジング34、ハウジング34に一対の軸受4を介して回転可能にそれぞれ支持されたロータシャフト1、ロータシャフト1に固定された永久磁石部材7から成る回転子即ちロータ35、及びロータ35の外周側に配置され且つハウジング34に固定された固定子即ちステータ2から構成されている。ステータ2は、ステータコア36とステータコア36に巻き上げられたステータコイル8から構成されている。また、ロータシャフト1には、その一端部に、エンジン、風車等の駆動源からの駆動力が入力する入力プーリ等の入力手段(図示せず)が設けられている。この発電機は、ロータ35を構成するロータシャフト1の両端が軸受4でハウジング34に回転可能に支持されている。ロータ35は、ロータシャフト1の外周に配設された透磁性部材37、透磁性部材37の外周面に配置された複数の永久磁石片から成る永久磁石部材7、及び永久磁石部材7の外周面に固定された非磁性材からなる円筒状スリーブ40を備えている。ロータ35を構成する永久磁石部材7と透磁部材37との両端面には、非磁性材からなる端板38がそれぞれ配置され、ナット、フランジ等の固着手段でロータシャフト1に一体に固定されている。また、リアハウジング5には、整流器15、21を覆ったカバー6が取り付けられ、カバー6には出力端子9が配設され、また、フロントハウジング3の外側にはソレノイドコイル141及び142が配設されている。ここで、ソレノイドコイル141及び142はステータ外に配置されているが、本明細書においてソレノイドコイルに関しステータ外に配置されたとは、ロータの磁束と鎖交しない状況に配置されていることを意味するものである。つまり、ロータの磁束と鎖交しない状況にあれば良く、その設置位置には特に限定されない。例えば、前述のロータの磁束が鎖交しないように磁気遮蔽されているのであればハウジング内に設置しても良いし、あるいはモータケーシングの外に配設しても良い。また、ステータコイル8は、ステータコア36の櫛部間に形成されたスロット部に位置して巻き上げられ、ステータコイル8をステータコア36に成形固定するためスロット部内に非磁性材が充填されている。また、本明細書において、ステータコイル8を構成する出力巻線は、複数の巻線即ち出力巻線10,11を含み、さらにその出力巻線に出力巻線側ソレノイド141を加えたものを出力側巻線という。また、制御側巻線は制御側ソレノイドコイル142によって構成されている。そして、これら出力側巻線と制御側巻線とを含む概念を、全体巻線あるいは巻線系と呼ぶものとしている。尚、図中の符号143は制御側ソレノイドコイル142側の中性点を示す。
As shown in FIG. 1, the permanent magnet generator in which the control device according to this embodiment is incorporated can be rotated via a pair of
この発明による永久磁石式発電機の制御装置の一実施例について、図3の回路図を参照して説明する。ステータコイル8を構成する巻線10、11は、例えば、ステータ2のステータコア36の櫛部に巻き上げられており、三相交流の中性点には第一の中性点スイッチ391が設けられてU、V、Wの3相がそれぞれ結線されると共に、出力コイル即ち出力巻線10及び11が直列に接続されその直後に出力巻線側ソレノイドコイル141が接続され、ソレノイドコイル141の他端には出力端子9を介して出力ライン41と制御スイッチ12が接続され、更に制御側ソレノイドコイル142とが接続されている。即ち、出力巻線側ソレノイドコイル141と制御スイッチ12との間に設定される出力端子9が設けられている。そして出力巻線10の反対側の端子にはもう一つの巻き数を持つ出力巻線11を持ち、出力巻線10と11の間には3相を夫々連結する第二の中性点スイッチ392が存在する。本実施形態の場合、出力巻線10、11と出力巻線側ソレノイドコイル141とで構成される出力側巻線と、制御側ソレノイドコイル142で構成される制御側との間には、制御スイッチ12が介在され、出力巻線側ソレノイド141の端子・出力端子9には出力ライン41が接続され、出力ライン41は整流器15を介して負荷17に接続されている。負荷17に対して、電圧検出比較器16が並列に設けられている。また、出力巻線10、11には、回転数と極位置を検出するセンサ28が設けられている。電圧検出比較器16及びセンサ28からの検出信号は、コントローラ18に入力される。コントローラ18は、これらに検出信号に応答して、制御スイッチ12及び中性点スイッチ391、392のON/OFFを制御するように構成されている。第一中性点スイッチ391あるいは第二の中性点スイッチ392のいずれかの接続によって出力巻線側の中性点が構成される。さらに、出力巻線10、11の出力端子9に接続された出力ライン41には主発電スイッチ53が、蓄電池25側には蓄電池スイッチ52が設けられ、これら主発電スイッチ53と蓄電池スイッチ52が負荷状況に応じてコントローラ18によってON、OFF制御されるようにしている。また、出力側には場合によってはバッテリー54を設けることがある。尚、本実施形態では、出力巻線は巻数の異なる2種類の巻線10、11で構成され、出力巻線10は出力巻線11よりも巻数が大きいものとされている。
An embodiment of a control device for a permanent magnet generator according to the present invention will be described with reference to the circuit diagram of FIG. The
この永久磁石式発電機の制御装置では、複数の巻線10、11を持つ発電機の出力の利用領域を回転数と負荷により規定し、発電機の制御を限定することにより、制御装置の簡素化ができる。ロータ35の回転と負荷17の変動に対し、領域を指定することにより、迅速に適応される。ところが、巻線系の経路に設けた制御スイッチ12により制御側ソレノイドコイル142側に流れる電流を制御する場合に、制御スイッチ12がON−OFFされた時、電圧が大きく振れると電圧を平滑させる制御機構が複雑になる。そこで、出力巻線10、11には出力巻線側ソレノイドコイル141を、出力巻線11の端子側には制御側ソレノイドコイル142をそれぞれ配置し、巻線系に流れる電流の減少及びその大きな無効抵抗を用いることにより電圧変動が少なくなるようにしている。出力巻線側ソレノイドコイル141の端部の出力ライン41部では出力電圧が制御側ソレノイドコイル142に電流が流れる事により大幅に降下するため出力巻線側ソレノイドコイル141並びに制御側ソレノイドコイル142を配設することは重要な技術的特徴となる。電圧の安定のため出力端にコンデンサ(図示せず)を並列に挟むことが有効である。一方、3相発電機の出力線間にコンデンサ(図示せず)を挟むことにより、電圧が上昇し、結果的に出力が増加する。従って、出力側ソレノイドコイル141による電圧降下を補う効果がある。なお、出力巻線10の一端は、三相交流発電機としてスター結線され、中性点スイッチ391、392に接続している。制御側ソレノイドコイル142の端部はスター状に結線されると共に、出力巻線10、11により回転数の変化に対応し、極低速から超高速まで一定電圧が保持出来るように設定されている。また、出力ライン41には夫々電圧降下用トランス45の巻線42に繋がる低電圧用端子線51が接続され、降下電圧を出力する二次巻線43を介してもう一つの整流器21に接続される。即ち、出力ライン41は常に一定の電圧に制御された交流であるため、この電力を用いて他の電圧を得る様、制御すれば常に安定した異なる電圧の電源25を得ることができる。
In the control device for the permanent magnet generator, the use area of the output of the generator having a plurality of
この永久磁石式発電機の制御装置は、制御側ソレノイドコイル142への電流を開閉時間が可変にできる制御スイッチ12を介して電流を増減させ電圧一定の制御をするが、ソレノイドコイル141、142を用いるので、これらのソレノイドコイル141、142を図5に示すように同一のコア55に巻き上げるとインダクタンスの相乗効果が作用し、周波数の大きい場合にはインダクタンスが大きくなって抵抗が比例的に大きくなり、この系に流れる電流が小さくなり、発電機の発電電圧が相当大きくなってもインピーダンスと電流の積が電圧降下作用させ、出力ライン41の電圧を一定に保持させる。制御系に流れる電流は無効電力負荷となるので、流れる電流が小さく銅損が少なくなる。図2に示したように、破線で示される制御特性によると、制御側ソレノイドコイル142側に流れる電流はA1電流を流すと電圧が0となるので、最大に流してもA1アンペアである。設定電圧V1を得るためには、制御スイッチ12のON時間をデューティ制御して、2000rpmではA21アンペア、4000rpmではA22アンペアの電流を流せばよい。
This controller for the permanent magnet generator controls the current to the control-
この永久磁石式発電機の制御装置は、電圧調整スイッチ即ち制御スイッチ12を出力巻線10、11に接続された出力巻線側ソレノイドコイル141の後流に設定される出力端子9と制御用ソレノイドコイル142の中間に配置することを特徴とした巻線構造であって、特に、制御スイッチ12の配置は重要な構成要因である。この永久磁石式発電機の制御装置の特徴は、出力巻線10、11を用いているので、発電機の発生電圧は、出力巻線11の端子では600V以上になる。制御スイッチ12がOFFの状態では、電流が0アンペアになるので、電圧は無負荷状況の600Vになり、ON状態では出力巻線側ソレノイドコイル141によって降下した電圧になり、その平均値が所定電圧になるので、出力巻線10、11の電圧を一定に制御ができる。一方、発電機の回転数が非常に大きくなる場合、極低速の状態では出力巻線10、11の中性点スイッチ391、392を用いて変える事により、一つの負荷電圧に対して複数の出力巻線10、11を使って極低速から高速まで出力を得ることが可能になる。この方法は電気自動車などのブレーキエネルギーの回生に役立つ。
The control device for the permanent magnet generator includes a voltage adjusting switch, that is, a
図4の処理フロー図を参照して、図3の回路図による永久磁石式発電機の制御装置の説明をする。発電機の回転数が非常に大きくなった場合、出力巻線11の端子部では1000Vに達する。そこで、回転数が非常に大きな場合でも制御系に問題ない電圧にて、制御させるため、出力巻線10、11の中間に第二の中性点スイッチ392を置き、出力巻線10の端部に有る第一の中性点スイッチ391をOFFとし、第二の中性点スイッチ392をONさせることにより、中性点位置を変更して出力巻線11のみが中性点に接続されて発電電圧が低く抑えられる。一方、ロータの磁束と鎖交しない位置に配置される外置きの出力巻線側ソレノイド141と制御側ソレノイドコイル142が加わった場合、制御スイッチ12がON状態になると相互インダクタンスの効果で電流が小さくなると共に出力巻線側ソレノイド141の端部、即ち、出力ライン41では出力巻線側ソレノイドコイル141の電圧降下作用により、100V以下の電圧に止まり、この状態で制御スイッチ12を断続させても大きなサージ電圧は発生しない。一般に、出力巻線11の先端で制御スイッチ12を断続させた場合、電圧が高いので、制御スイッチ12の損傷、サージ電圧による火花の発生などの大きなトラブル要因となる。これに対して、この永久磁石式発電機の制御装置は、制御スイッチ12を出力巻線側ソレノイドコイル141の後流となる位置に設定されるので制御スイッチ12をONからOFFに切り替えても、制御スイッチ12の端子で発生する電圧は低いので、大きな損傷原因とはならない。また、制御スイッチ12は、負荷端子に置かれた一定電圧を保持するための電圧検出比較器( コンパレータ)16からの入力により、もし電圧が高くなれば、電流を大きくするように、制御スイッチ12の開放時間を長く取り、電圧が低くなれば、開放時間を短くすることにより、端子電圧を一定に保持するように制御する。制御スイッチ12は出力巻線側ソレノイドコイル141と制御側ソレノイドコイル142との中間に配置されているので、制御スイッチ12のON−OFFによる出力巻線11に発生した電流の一部が制御側ソレノイドコイル142に流される電流の断続が平均化され、あたかも電流量が変化するように作用する。回転数が低くなれば、中性点スイッチ391、392の切り替えにより、また元の2つの巻線10、11で構成される巻数の出力巻線に戻す。一方、出力巻線11側を通常の出力巻線として使い、エンジンの回転速度が極低速例えば450rpm〜800rpm程度になった時、2つの出力巻線10、11を使うことにより極低速での電圧を上昇させることができる。
With reference to the process flowchart of FIG. 4, the control apparatus of the permanent magnet generator according to the circuit diagram of FIG. 3 will be described. When the rotational speed of the generator becomes very large, it reaches 1000 V at the terminal portion of the output winding 11. Therefore, in order to perform control with a voltage that does not cause any problem in the control system even when the rotational speed is very large, a second
起動スイッチがONし、スタートが指令されると、回転速度Nを検出するセンサ28並びに電圧Vを検出するコンパレータ16の信号を得て(ステップS30)、回転速度Nが所定の速度N1より小さいか否かを判断し(ステップS31)、回転速度Nが所定の速度N1より小さければ、出力巻線10と11を利用するため、中性点スイッチ392をOFFし、中性点スイッチ391をONさせる(ステップS32)。回転速度Nが所定の速度N1より大きければ、出力巻線のうち巻き数の小さい方の出力巻線11を利用するため、中性点スイッチ392をONし、中性点スイッチ391をOFFさせる(ステップS33)。次いで、電圧検出器16により検出した出力電圧Vが予め設定された電圧(設定電圧V1と呼ぶ。例えば、300V)の上限値(V1+α、αは許容幅を示す)より大きいか否かを判断し(ステップS34)、設定電圧の上限値(V1+α)より大きい時には、制御スイッチ12のON時間を長くし、制御側ソレノイドコイル142に流れる電流を大きくし(ステップS35)、出力ライン41の電圧を小さくする。出力巻線10,11の出力電圧は負荷による出力ライン41側に流れる電流と出力側インピーダンスの降下電圧、制御スイッチ12のON状態で制御側ソレノイドコイル142に流れる電流とインピーダンスの降下電圧により大幅に降下する。ステップS34で検出電圧Vが設定電圧の上限値(V1+α)より大きくない時には、設定電圧の下限値(V1−α)よりは大きいか否かを判断し(ステップS39)、検出電圧Vが設定電圧の下限値(V1−α)より大きければ、そのまま△t時間保持させておく(ステップS40)。他方、検出電圧Vが設定電圧の下限値(V1−α)より小さければ、制御側ソレノイドコイル142側に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる(ステップS41)。次いで、出力電圧Vが設定電圧の上限値(V1+α)より小さくなったか否かを判断し(ステップS36)、出力電圧Vが設定電圧の上限値(V1+α)より小さくならない時には、ステップS35に戻り、出力巻線11に流れる電流を大きくする処理、即ち電圧を小さくする処理を繰り返す。他方、出力電圧Vが設定電圧の上限値(V1+α)より小さくなった時には、出力電圧Vが設定電圧の下限値(V1−α)より大きいか否かを判断し(ステップS37)。出力電圧Vが設定電圧の下限値(V1−α)より大きい場合には、そのまま△t時間保持させておく(ステップS38)。また、ステップS37で出力電圧Vが設定電圧の下限値(V1−α)より大きくない場合には、即ち電圧Vが設定電圧の下限値(V1−α)より小さい場合には、出力巻線11に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる(ステップS41)。次いで、出力電圧Vが設定電圧の下限値(V1−α)より大きいか否かを判断し(ステップS42)、検出電圧Vが設定電圧の下限値(V1−α)より大きければ、そのまま△t時間保持させておく(ステップS43)。反対に、検出電圧Vが設定電圧の下限値(V1−α)より小さければ、出力巻線11に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる(ステップS41)。尚、スタート後に行われる、発電機の制御装置が一般に備える診断機能による診断で発電機の巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合には、コントローラ18は中性点スイッチ391、392の全てをOFFさせる制御を行なう。
When the start switch is turned on and a start is instructed, a signal from the
この発明にかかる永久磁石式発電機は回転電機として当然の如く電動機としても利用できる。そこで、本発明による発電機を電動機として使用する場合の制御装置の実施形態を図6に示す。この制御装置は、発電機をモータとして使用するために、発電機のステータコイル8を構成する出力巻線10,11と出力巻線側ソレノイドコイル141との間に配置される出力端子部13に電動機切替用スイッチ56をそれぞれ設け、該電動機切替用スイッチ56の一方を出力巻線10,11側の出力端子部13に、他端部をコントローラ18を介してバッテリ54に接続し、コントローラ18によりモータ駆動できる位相タイミングに合わせ、出力巻線10,11側に電流を供給することにより、電動機として運転可能とするようにしている。即ち、センサ28によりロータの永久磁石の位置を検出し、その位置より前側に永久磁石の極と異なる極を作るように設定したコミュテーターからの電流を送るようにしている。即ち、コントローラ18からの信号により電動機切替用スイッチ56をONし、主発電スイッチ53をOFFし、コントローラ18により、ロータ電磁石7を吸引する位置に磁界を作るようにステータコイル8の巻線に電流を送り、電動機運転する。ここで、コントローラ18は回転センサ28により回転数を検出し、回転数が小さな時には出力巻線の巻き数の大きな中性点スイッチを接続し、回転数が大きな時には出力巻線の巻き数が小さな方の中性点スイッチを接続するように中性点スイッチ391,392をON、OFF制御すると共に、電動機切替用スイッチ56をON,OFF制御する。2つの中性点スイッチ391,392を備える本実施形態では、回転センサ28の信号により回転数が所定値より小さな時、第二の中性点スイッチ392をOFF、第一の中性点スイッチ391をONさせ、回転数が大きな時には、第一の中性点スイッチ391をOFFさせ、第二の中性点スイッチ392をONさせることにより、駆動力を低速では大きく、高速では小さくすることが出来る。尚、本実施形態の場合、発電機を電動機として使用ための電源となるバッテリ54を発電機の出力を蓄えるバッテリー54と共用しているが、場合によっては別のバッテリーとしても良い。
The permanent magnet generator according to the present invention can be used as a motor as a rotating electric machine. Therefore, FIG. 6 shows an embodiment of a control device when the generator according to the present invention is used as an electric motor. In order to use the generator as a motor, this control device uses an
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、ステータコイル8を構成する出力巻線として2つの巻線10、11を直列に接続した構造とし、2つの巻線10、11の間即ち出力巻線の巻き数の途中に中性点端子を設けてそれぞれ第二の中性点スイッチ392に接続すると共に、巻線10の端部即ち出力巻線の巻き始めの部分に中性点端子を設けて第二の中性点スイッチ392にそれぞれ接続することにより、選択的に中性点端子を引き出し可能としているが、これに特に限られず、3つ以上の巻線で出力巻線即ちステータコイル8を構成し、各巻線の間並びに巻始めに選択的に中性点端子を引き出せるようにすること、即ち3つ以上の中性点スイッチを設けて選択的に中性点端子を引き出し可能としても良い。この場合には、回転速度の高速化と共に上昇する電圧を中性点の位置の変更により出力巻線の巻き数を変えて抑制することができるので、回転速度に制限を受けず適用回転数の領域を広げることができる。もっとも、選択的に中性点端子を引き出し可能とする中性点スイッチを設けなくとも、本発明者等の実験によれば、6000rpm程度の高速回転でも発電電圧を設定電圧に制御可能であった。
The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, two
また、本実施形態では、出力巻線10は出力巻線11よりも巻数が大きいものとしているが、ステータコイル8を構成する複数の出力巻線の間の巻数の関係には特に限られるものではなく、同じ巻数でも、場合によっては出力巻線11の巻数の方が出力巻線10よりも大きくしても良い。 In the present embodiment, the output winding 10 has a larger number of turns than the output winding 11, but the number of turns among the plurality of output windings constituting the stator coil 8 is not particularly limited. Instead, even with the same number of turns, the number of turns of the output winding 11 may be larger than that of the output winding 10 in some cases.
この発明による発電機の制御装置は、例えば、自動車の発電機、風力発電機、ハイブリット車、電気自動車の発電機、エレベーターのエネルギー回生発電機として使用して好ましく、発電された一定電圧の電力は、各種機器の駆動、電灯、照明等の一般消費電力として、或いは電子機器等で消費するのに適用できる。 The generator control device according to the present invention is preferably used as, for example, an automobile generator, a wind generator, a hybrid car, an electric car generator, an energy regeneration generator of an elevator, and the generated electric power of a constant voltage is It can be applied as general power consumption for driving various devices, electric lamps, lighting, etc., or consuming in electronic devices.
1 ロータシャフト
2 ステータ
7 永久磁石部材
8 巻線
9 出力端子
10 出力巻線
11 出力巻線
12 制御スイッチ(デューティ制御)
141 出力巻線側ソレノイドコイル
142 制御側ソレノイドコイル
15、21 整流器
16 電圧検出比較器
17 負荷
18 コントローラ
25 バッテリ
28 回転数と極位置の検出センサ
34 ハウジング
35 ロータ
41 出力ライン
42 低圧用トランス1次コイル
43 低電圧トランス2次コイル
45 トランスコア
51 低電圧用端子線
52 蓄電池スイッチ
53 主発電スイッチ
54 バッテリ
55 ソレノイドコイル141,142のコア
56 電動機切替用スイッチ
391 第一の中性点スイッチ
392 第二の中性点スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
141 Output winding
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