JP5216686B2 - 永久磁石形発電機 - Google Patents

Description

本発明は、制御コイルを備え、制御された比較的一定の出力電圧を実現することができるようした永久磁石形発電機に関する。

発電機は周知のものであり、回転源を使って、その回転から電圧出力を発生させるために利用される。一般に、磁気素子を有するロータに回転源が接続される。この回転源によって、ステータコイルが巻かれたステータに対してロータが駆動される。この相対回転によって、ステータコイルに電圧が誘起される。

標準型の発電機の１つとしては、永久磁石ロータを利用するものがある。他の型式の発電機としては、励磁機の界磁が与えられる界磁巻線を利用するものがある。各型式の発電機には、それぞれの欠点がある。励磁機コイル（ｅｘｃｉｔｅｒ ｃｏｉｌｓ）を利用する発電機は、比較的大きな寸法と、比較的大きな励磁機界磁電圧源と、を必要とする。

これに対して、永久磁石形発電機の場合には、適度な速度や負荷の変化に対して一定の電圧を供給することができない。

ロータを駆動する典型的な回転源の１つとしては、ガスタービンエンジンなどのタービンロータがある。

タービンロータのような回転源は、一定の速度を出し続けることができないので、タービンロータによって駆動される永久磁石形発電機で一定の電圧を供給することは困難である。一般的なアプリケーションにおけるこの出力電圧は、負荷の変化に対して一定ではない。

本発明の開示の実施例においては、発電機用の永久磁石ロータが制御コイルを備える。このロータの制御器が、ステータからの出力電圧を検出する。上記制御コイルは、出力電圧を所望の大きさの出力電圧に維持するように作動し得る。

本発明によるハイブリッド形永久磁石ロータを示す図。 本発明に用いる制御回路の概略図。

図１にロータ２０を示す。図示するように、複数の磁極２２，２４に、永久磁石２６が交互に収容されている。これらの永久磁石２６は、磁極２２，２４のスロット内に挿入することができる。これらの磁極２２，２４の周囲に制御コイル２８を巻くことができる。

図２は、ハイブリッド形ロータの制御回路３０を示す。周知のように、ステータは、複数のコイル３２を含む。例えば、ガスタービンエンジンのタービンによって、または種々の原動機によって、ステータに対してロータ２０が駆動されると、電圧出力が発生する。要素３４は、発生した電圧の指標を論理要素（ｌｏｇｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）３６に提供する制御出力である。この出力電圧が、所望の設定値に等しい（または近い）場合には、発電機の出力電圧が単純に負荷３８に供給される。

論理ステップ３６における答えがＮＯであった場合、第２の論理ステップ４０で、その電圧が設定値よりも高いか否かを判定する。論理ステップ４０での判定は、電圧が設定値よりも低いか否かを判定するものであってもよいことは明らかである。

電圧が設定値よりも高い場合、スイッチング位置４２となり、励磁機界磁電流検出制御器（ｅｘｃｉｔｅｒ ｆｉｅｌｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ）５９を介して可調整励磁機界磁源（ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｅｘｃｉｔｅｒ ｆｉｅｌｄ ｓｏｕｒｃｅ）５７から制御信号が送られる。この制御信号は、ダイオード４６，４８を通過し、さらに、判定ステップ４０によって電圧が設定値よりも高いことが検出された場合に閉じるスイッチ４４を通過する。これにより、第１の方向にコイル２８を励磁し、永久磁石２６によって定常的につくられている磁束に対して逆向きに磁束を発生させる。これによって、主ステータの界磁を介して戻される電圧が低下し、発電機出力３８に供給される電圧が所望の設定値に近づく。

判定ステップ４０において検出される電圧が所望の値よりも低い場合、スイッチング位置４３が採用される。この位置におけるダイオードの配置は、スイッチング位置４２におけるダイオードの配置とは逆向きとなっている。スイッチ５０が閉じているとき、ダイオード５２，５４を通流する流れは、スイッチが位置４２にあるときとは逆向きに流れる。このときコイル２８につくり出される磁束は、永久磁石２６によってつくられている磁束と同じ向きとなる。こうして、出力電圧３８が増大し、所望の設定値に近づく。

このようして、本発明は、比較的小さな励磁界磁コイル２８（ｅｘｃｉｔｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ｃｏｉｌ）と、比較的小さな励磁機の界磁５７と、を備えることによって、永久磁石ロータの出力電圧を調整する。

回路部６０は、コイル２８を除き、従来の同期巻線界磁型発電機（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｗｏｕｎｄ ｆｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ）の一般的な概略を示すものである。同期巻線界磁型発電機は、励磁機の電機子６２、ステータ５７および回転磁界と、巻線界磁形ロータおよび三相ステータを有する三相主発電機（モータ）と、を備える。一般的な機械性能と同様に、励磁機ステータの界磁は、何らかの電源（例えば、補助ＰＭＧやバッテリ）から励磁を受ける。すると、励磁機の電機子６２に交流電圧が誘起される。この励磁機の出力は、従来の三相全波整流ブリッジ回路（３−ｐｈａｓｅ ｆｕｌｌ ｗａｖｅ ｒｅｔｉｆｉｅｒ ｂｒｉｄｇｅ）６３を使って整流され、整流された直流出力は、主ロータの界磁３０に接続されてこれを励磁する。この励磁によって、主三相ステータ内に交流電圧が誘起され、「発電機出力電圧」３４として示した負荷に出力が供給される。

なお、回路部６０におけるコイル２８は、上記複数の磁極片２２の周りに示したものと同じコイルである。Ａ−Ｂ間の接続に第１のセットのみを示しているが、点線の枠内に示すのと同様な第２のセットを利用してもよいことを理解されたい。回路部６０は、コイル２８が回路の残りの部分にどのように接続されているかを基本的に示すものである。

当業者であれば、図２に概略的に示したような制御を行うために、適切な制御器をどのように配置すればよいかを理解されるであろう。

本発明の実施例を示したが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、いくつかの変更がなされ得ることを理解されるであろう。

Claims (4)

1. ステータ界磁コイルを含み、出力に出力電圧を供給するように接続されたステータと、
   前記ステータに対して回転するように配置され、永久磁石を備えた複数の磁極片を有する永久磁石ロータと、
   前記複数の磁極片の各々に関連する個別の制御コイルと、
   前記出力に供給される出力電圧を変化させるように前記制御コイルに電流を供給する制御部と、
   を備え、
   前記出力に供給される前記出力電圧は検出され、さらに所望の設定値と比較され、この比較に応じて前記制御コイルを流れる電流を制御し、
   前記検出された電圧が所望の設定値よりも高い場合、前記コイルを流れる電流を制御するように第１のスイッチング位置が選択され、前記検出された電圧が所望の設定値よりも低い場合、第２のスイッチング位置が選択され、前記第１のスイッチング位置では、第１のスイッチが閉じられ、かつ第２のスイッチが開かれ、前記第２のスイッチング位置では、前記第１のスイッチが開かれ、かつ前記第２のスイッチが閉じられることを特徴とする永久磁石形発電機。
2. 電流がダイオードを介して前記制御コイルに流れ、該ダイオードは、前記第１のスイッチング位置と、前記第２のスイッチング位置との間で、電流の向きを逆にするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形発電機。
3. 前記ダイオードは、第１のダイオードの対と第２のダイオードの対とからなり、これらのダイオードの対は、前記第１のスイッチング位置および前記第２のスイッチング位置のいずれかに対応することを特徴とする請求項２に記載の永久磁石形発電機。
4. 前記永久磁石が第１の方向に磁束を向けている状況において、前記検出された電流が所望の電流よりも高い場合、前記制御コイルを流れる電流は、第２の反対の方向に磁束をつくり出すように選択され、前記検出された電圧が所望の電圧よりも低い場合、前記制御コイルを流れる電流は、前記第１の方向に磁束をつくり出すように選択されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形発電機。

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