JP5466742B2

JP5466742B2 - 発電機の巻き線

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Publication number: JP5466742B2
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Authority: JP
Inventors: 英男河村
Original assignee: 英男河村; 河村めぐみ
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
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Description

この発明はハウジングに取り付けられたステーター、ステーターに対して回転する永久磁石部材を備えたローターを備えた永久磁石発電機のステーター巻き線に関する。

従来、発電機の効率を向上するため、そのローターに永久磁石を使用する方法が広く普及してきた。永久磁石発電機の特長は磁力が大きいので、回転数が小さくても大きな発電出力を得られることである。しかし、永久磁石の磁力は一定であるため、回転数が増加すると、磁力が大きいが故に、電圧が上昇し過ぎる傾向が有り、その制御が難しかった。しかし、近年、本発明者により、電圧制御の方法が安易な方法で出来るようになったため（特許文献１，２，３）、次なる課題として発電機の小型化が要求されている。

例えば、自動車用発電機ではそのサイズが小さな程、搭載性が良くなり、好都合である。しかも、近年、自動車の電力需要は増加するばかりで、発電機のダウン・サイジング、出力アップが要求されている。

一方、従来、自動車用発電機として用いられている電磁石式発電機は、ローターに電磁力を作り、その外周に配置されているステーター巻き線に起電力を発生させ、発電している。しかし、電磁石の磁力が小さ過ぎて、特に低速では大きな発電電力を得られない問題がある。そこで、増速機を用い、回転速度を大きくし、発電電力を増加させているが、その方法にも限度があり、徐々に発電機のサイズが大きくなっている。しかし、そのサイズアップにも限度があり、発電電力の不足はバッテリー上がりとなって現在、ドライバーの悩みとなっている。

他方、永久磁石式発電機の自動車用発電機としての利用が何度も検討されたが、必要な性能を確保するには大型になってしまい、極端な小型化を実現出来ず、車体に搭載することが諦められている。しかし、近年、電動機ではローターを磁性材料で作成し、その中に永久磁石を埋め込むＩＰＭＳＭ（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）方式が提案され（非特許文献１）、電動機の低速トルクを増加させている。このＩＰＭＳＭは永久磁石の磁力に加え、電流磁界を作り、磁性材料に流し、永久磁石の磁界に加え、トータルの磁力を増加させている。そこで、従来の誘導型モータに比べて高効率、小型軽量化を実現することができる同期モータとして、ハイブリッド車用モータとして利用されている。このＩＰＭＳＭを発電機として応用することも考えられる。

特許第４４６３８７２号公報特許第４７１２８９６号公報特許第４９１３２３４号公報

オーム社「埋め込み磁石同期モーターの設計と制御」武田洋次等著

しかしながら、簡単な方法で小さなサイズの永久磁石式発電機で出力を増加させる方法はなかなか難しく、画期的実用化技術が存在しない。一方、ＩＰＭＳＭ方式は、発電機にも応用が可能だが、制御装置が複雑で部品点数が多く、コストが高価である欠点を持っている。特に、レアアースを使ったＩＰＭＳＭは、高価なものなる欠点を有している。

ここで、永久磁石式発電機の発電電力について、発電機のサイズの大型化を図らずに出力アップを図ることが難しいことを、理論式で説明する。
まず、発電機の出力は磁力の強さ、周波数、ステーター巻き線数などの特性によって決まる。即ち、下記式１及び式２で表わされる電圧と所定電圧での電流値の積で出力が決まる。

（数１）
Ｅ＝４．４４×Φ×ｆ×Ｗｓ
ここでＥ：起電電圧、
Φ：磁力の大きさ、
ｆ：周波数、
Ｗｓ：巻き線の巻き数
である。

（数２）
Ｅ＝Ｉ×（Ｒ^２＋（２πｆＬ／１０００）^２）^１／２
ここでＩ：電流、
Ｒ：巻き線の電気抵抗
Ｌ：巻き線のインダクタンス
である。

したがって、巻き数が大きければ電圧が大きくなり、巻き線の巻き数の関数であるインピーダンスが小さいほど電流Ｉが大きくなり、出力が大きくなる。しかしながら、通常の巻き線では前述の式１から明らかなように、巻き線をどう変えても起電力を増加させることは出来ない。勿論、磁力強さΦは磁路の磁路抵抗を変えることによってパ−ミアンス係数が大きくなる。そこでステーターの歯の材質、形状、巻き線の形状等を工夫して、出力向上を行うが、その効果は微小である。また、巻き線の巻き数を増やしても、巻き線抵抗は小さくなるが、巻き線のインダクタンスは同じで発生電圧は変わらない。

また、前述の式２で示された様に起電力に対して発生電流を大きくするためには巻き線のインダクタンスを小さくする必要がある。インダクタンスは次の式３で示される。

（数３）
Ｌ＝Ａ・μ・Ｎ^２／ｌ
ここでＡ：巻き線の巻かれているコア面積、
μ：透磁率、
Ｎ：巻き数、
ｌ：磁界の通路長さ
である。

式３を検証する限り、インダクタンスＬを巻き線を変えることなく大幅に小さくする方法は存在しないので、発電機のサイズを大きくせずに出力アップを図ることことは出来ないことが明らかである。

本発明は、簡単な方法で小さなサイズのまま出力を増加させる永久磁石式交流発電機を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明者は種々実験・研究した。当初、同位相で２個の巻き線を巻き込み、電流が２倍、出力が２倍にならないか試験したが、同じ歯に２個の巻き線を巻いた場合、巻き数が増え、巻き線抵抗は小さくなるが、巻き線のインダクタンスは同じで発生電圧は変わらない。この巻き線では巻き数が同一でインダクタンスも同じであるため、電流を２倍にすることは出来なかった。ところが、巻き線の位相をずらして２つの巻き線を巻き込むと、通過磁束のタイミングがずれ（その巻き線を通過する磁力の通過パターンが変化す）るため、それぞれの巻き線に電圧が発生する特性が有ることが判明した。そして、この電力を合算すると、ほぼ２倍の電力を得ることができた。

本発明は、かかるかかる知見に基づくものであり、ハウジングに回転自在に支持されたローターシャフト、ローター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ー及びローターの外側に巻き線が巻き上げられたステーター及び電圧を一定にするスイッチング機構を有する永久磁石式交流発電機において、ローターのポールに対応するステーターの歯を３以上で相数の２以上の整数倍設けると共に、ローターのポールに対応するステーターの巻き線が短節巻きの複数の巻き線から成り、かつ複数の巻き線を巻き込む歯をずらして短節巻きされた複数の巻き線で占める巻き角がポール角に対応するように巻き込み、複数のステーター巻き線で発生する交流電力がそれぞれ独立して整流器により整流され、直流電流に変換後、結線を合流させ、直流電流を合算して用いるようにしている。

ここで、発電機が複相の場合、ローターのポールに対応するステーターの歯が相数の２以上の整数倍の本数であると共に、ローターのポールに対応するステーターの巻き線が短節巻きの複数の巻き線から成り、かつ複数の巻き線を巻き込む歯をずらして複数の巻き線で占める巻き角がポール角に対応するように巻き込まれるものであって、第１相に対応する複数の巻き線に対し次相以降の複数の巻き線は電気角で３６０度を相数で割った角度ずつ遅れた位置に配置されていることが好ましい。

特に、発電機が複相の場合、ローターのポールに対応するステーターの歯は相数の２以上の整数倍の本数であり、１ポールに対応するステーター巻き線が整数と同数の巻き線から成り、かつローターのポールに対応する歯の数から整数より１少ない数を減じた本数の歯を跨ぐ短節巻きとし、１歯ずらしで短節巻きされた複数の巻き線で占める巻き角がポール角に対応するように巻き込むものとし、第１相に対応する巻き線に対し次相以降のステーター巻き線は電気角で３６０度を相数で割った角度ずつ遅れた位置から配置したものであることがより好ましい。

なかでも、三相発電機の場合、ローターのポールに対応するステーターの歯が６本であると共に、１ポールに対応するステーター巻き線が第１及び第２の２種類の巻き線から成り、１歯ずらして５本の歯をそれぞれ巻き込む短節巻きにより第１及び第２の巻き線で占める巻き角がポール角に対応するように巻き込むものとし、Ｕ相の第１及び第２の巻き線に対し電気角で１２０度遅れた位置からＶ相の第１及び第２の巻き線、さらにＶ相から１２０度遅れてＷ相の第１及び第２の巻き線がそれぞれ配置されることが好ましい。

また、三相発電機の場合、ローターのポールに対応するステーターの歯が９本であると共に、１ポールに対応するステーター巻き線が第１、第２及び第３の３種類の巻き線から成り、１歯ずらして７本の歯をそれぞれ巻き込む短節巻きにより第１、第２及び第３の巻き線で占める巻き角がポール角に対応するように巻き込むものとし、Ｕ相の第１、第２及び第３の巻き線に対し電気角で１２０度遅れた位置からＶ相の第１、第２及び第３の巻き線、さらにＶ相から１２０度遅れてＷ相の第１、第２及び第３の巻き線がそれぞれ配置されることが好ましい。

また、単相発電機の場合、ローターのポールに対応するステーターの歯が３本であると共に、ステーターの巻き線が第１及び第２の２種類の巻き線であり、１歯ずらして２本の歯を巻き込むように短節巻きされることが好ましい。

これら発電機において複数のステーター巻き線で発生する交流電力はそれぞれ独立して整流器により整流され、その後、結線を合流させ、直流電流を合算して用いることが好ましい。

さらに、本発明にかかる永久磁石式交流発電機は、１ポールに対応する複数の巻き線に、それぞれの巻き線の巻き角に対応した電流を複数の巻き線間のずれに応じた遅れをもって流し、ステーター側の複数の巻き線によるステーター側磁界の合計が各相のローターのポール部に対応して駆動力を発生させることにより、電動機として運転可能にするものである。

請求項１記載の発明にかかる永久磁石式交流発電機によれば、ローターのポール（極）に対応するステーターの歯を３以上で相数の２以上の整数倍設けると共に、１つのポールに複数の巻き線を短節巻きでかつ複数の巻き線を巻き込む歯をずらして複数の巻き線で占める巻き角がポール角に対応するように巻き込むという、簡単な構造・方法で小さなサイズの発電機で出力を増加させることができる。

即ち、この発明はステーターのポールに対応する歯・スロット数を増加させると共に、巻き線の巻き方をずらし、１つの極に複数例えば２種類または３種類以上の巻き線を巻き込むというだけの簡単な構造で、発電機のサイズ大きくしなくとも、通常の発電機と比較して２倍または３倍あるいはそれ以上の出力を得ることができる。

つまり、永久磁石式発電機のステーターに発生する起電電圧は、永久磁石の持つ磁界の強さ、周波数、巻き線の巻き数によって決まる。一方、ポールに対応する歯の数には関係なく、歯を通過する磁力の総和が磁界の強さである。また、永久磁石の磁束分布を調査すると、磁石の両端部は磁力が小さく、真中が最大の磁力を持っている。したがって、例えば、ローターに対抗する歯の数を６本とした場合、真中の４本を通る磁力が最大で、両端の磁力はやや小さく、巻き線を６本の歯ではなく５本の歯に巻き込んでも全体の磁束の大きさは余り変わらない。

前述の式１で説明すると、仮に磁束の数が歯の数分だけ減少するとしたら、起電電圧はＥ１＝５／６Ｅとなるが、巻き線が２束有るのでＥ２＝２×５／６・Ｅとなり、計算上では約７割の出力増加が期待できる。しかしながら、本発明者の実際の実験では２倍の出力が得られた。これは、ポールに対応する複数の歯が存在する場合、全ての歯に均一に磁束が通過するわけでなく、両端の歯の磁力がやや小さく劣ることから、短節巻きにしても出力が余り減少しないからと思われる。

したがって、複数の巻き線をその位相を少々ずらしてポール角内に対応するように巻き込むことにより、各々の巻き線に独立に電力を発生させ、その出力を合算することは、発電機のサイズの大型化を図らずに、出力を増加させる上で極めて有効である。また、本発明にかかる永久磁石式交流発電機の場合、複数のステーター巻き線で発生する交流電力はそれぞれ独立して整流器により整流され、その後、結線を合流させ、直流電流を合算して用いるようにしているので、環電流を流さずに約２倍から３倍あるいはそれ以上の出力の増加が可能となる。

請求項２記載の発明にかかる永久磁石式複相交流発電機の場合、巻き込む歯の数をあまり減らさないで、複数の巻き線を１つの磁極に対応させて巻きこむことができるので、巻き線を通過する磁力の減少が抑えられ、発電電圧の低下への影響を少なくして出力を効果的に増加させ得る。

請求項３記載の発明にかかる永久磁石式複相交流発電機の場合、巻き込む歯の数をあまり減らさないで、かつ全てのスロットに均一に巻き線を挿入して、磁力を均一に通すことができるので、約２倍あるいはそれ以上の出力の増加を可能にすると共に、巻き線に作用する磁力の斑がなく、コギングの発生を低減させることができる。

請求項４記載の発明にかかる永久磁石式三相交流発電機の場合、１つの極に２束の巻き線を、巻き込む歯の数をあまり減らさないで、かつ全てのスロットに均一に巻き線を挿入して、磁力を均一に通すことができるので、約２倍の出力の増加を可能にすると共に、巻き線に作用する磁力の斑がなく、コギングの発生を低減させることができる。

請求項５記載の発明にかかる永久磁石式三相交流発電機の場合、１つの極に３本の巻き線を、巻き込む歯の数をあまり減らさないで、かつ全てのスロットに均一に巻き線を挿入して、磁力を均一に通すことができるので、約３倍の出力の増加を可能にすると共に、巻き線に作用する磁力の斑がなく、コギングの発生を低減させることができる。

請求項６記載の発明によれば、単相の永久磁石式交流発電機でも、約２倍あるいはそれ以上の出力の増加を可能にする。

請求項８記載の発明にかかる永久磁石式交流発電機の場合、電動機として運転する場合、１ポールに対応する複数の巻き線に、それぞれの巻き線の巻き角に対応した電流を複数の巻き線間のずれに応じた遅れをもって通電することにより、ステーター側の複数の巻き線によるステーター側磁界の合成磁界が各相のローターのポール部に対応して駆動力を発生させるので、電動機としての駆動力を倍加させることができる。

この発明による永久磁石式発電機の構造を示しており、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。この発明による発電機のスロットへの巻き線の巻き方を示す図である。円筒形のスロットと歯を展開図とし、巻き方を示す図である。この発明により発電した２種類の巻き線による発電電圧の波形である。この発電巻き線の異なる位相を持つ電圧を合流させるための整流回路である。この発明の発電機を電動機として用いる場合、各相の巻き角のずれた巻き線に電流を流し、合流させ、駆動力を増加させる回路図である。本発明の一実施形態の永久磁石式三相交流発電機と永久磁石式三相交流電動機とを直結する場合の回路図である。本発明の一実施形態の永久磁石式三相交流発電機において、第１の巻き線を並列接続する例を示す回路図である。

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。

図１に、本発明の永久磁石式発電機の実施形態の一例を示す。この実施形態にかかる発明による永久磁石式発電機は、６極三相交流発電機であり、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からなるハウジング３４、該ハウジング３４に一対のベアリング４を介して回転可能にそれぞれ支持されたローターシャフト１と、ローターシャフト１に固定された永久磁石部材７とからなる回転子即ちロ−ター３５、およびローター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ー２から構成されている。尚、ステーター２はステーターコア３６とステーターコア３６に巻き上げられたステーターコイル８から構成されている。

また、ローターシャフト１にはその一端部にエンジン、風車、水車等の駆動源から駆動力が入力する入力歯車等の入力手段が設けられている。この発電機はローター３５を構成するローターシャフト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。ローター３５はローターシャフト１の外周に配置された透磁性部材３７の外周面に配置された複数の永久磁石材片からなる永久磁石部材７、および永久磁石部材７の外周面に固定された円筒状スリーブ４０を備えている。ローター３５を構成する永久磁石部材７と透磁性部材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ーシャフト１に一体固定されている。また、リアハウジング５には整流器１５，２９が配置され、フロントハウジング３にはチョークコイル２０，１４，２６，２５の端子が配置されている。ここで、チョークコイル２０，１４，２６，２５はステーター外に配置されている。本明細書においてチョークコイル２０，１４，２６，２５に関しステーター外に配置されるとは、ローター３５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。また、ステーターコイル８をステーターコア３６に成形固定するためスロット部内に絶縁紙等が配置されている。

ここで、本発明の永久磁石式発電機のステーターコア３６は、ローター３５のポールに対応する歯４６を３以上で相数の２以上の整数倍設けている。つまり、単相発電機の１磁極に対応する歯４６の数は、相数が１であるため、３以上の整数即ち３、４、５、６、…、ｎであり、二相発電機のそれは相数が２であるため、４、６、８、１０、…、ｎとなり、三相発電機のそれは相数が３であるため、６、９、１２、１５、…、ｎであり、六相発電機のそれは相数が６であるため、１２、１８、２４、３０、…、ｎとなる。一方、発電機のサイズを小さなままステーターの歯４６の数を増やすことにも限界がある。そこで、ポールに対応する歯４６を通常のステーターコアより増加させるといっても、例えば、単相の場合には３歯か多くとも４歯程度であることが好ましく、また同様に複相の電動機の場合においても相数の２倍となる最小数にすることが好ましい。例えば、６極三相交流発電機に適用した本実施形態の場合、図１（Ｂ）及び図２に示すように、１極当たり６歯として合計３６歯が設けられている。尚、上述した歯４６の最小の数３は、単相発電機において、１磁極に対応するローターの歯４６に短節巻きの巻き線が少なくとも１歯ずらして２本巻き上げられ、かつ複数の巻き線で占める巻き角がポール角に対応するように配置されることを実現するために必要な歯４６の数である。また、発電機が複相の場合、ローターのポールに対応するステーターの歯４６は、相数の２以上の整数倍の本数であることが好ましく、少なくとも相数の２倍の本数を有していればポールに対応する全てのスロットに巻き線を収めることができる。

また、１ポールに対応する複数の巻き線の間の巻きかける歯４６のずらし数は、少なくとも１歯以上であれば実施可能である。しかしながら、余りずらす歯４６の数を増やすと、短節巻きの巻き線で巻き込む歯４６数が減ってしまう問題があり好ましくない。例えば、６歯／Ｐの２相発電機において、２種類の巻き線を１歯ずらして５本跨ぎで巻きかける場合を例に挙げると、図３に示すように、１本目の巻き線１９が巻き込む歯４６は１，２，３，４，５の５本になり、２本目の巻き線２４は２，３，４，５，６の５本になり、第１及び第２の複数の巻き線１９，２４で占める巻き角（第１の巻き線の巻き始めから第２の巻き線の巻き終わりまでのスロット間の角度を意味するものであり、それは電気角で１８０度である。）がポール角（電気角で１８０度）に対応するように巻き込まれることとなる。一方、図示していないが、同じ跨ぎ数で、歯４６のずらしを２歯に増やした場合、第２の巻き線は歯３，４，５，６，７の５本に跨がることとなり、異なるポールに対応する歯７を巻きこむこととなる。このとき、歯７にはＳ極の磁力が通り、磁力が相殺され、結局巻き線を通過する磁力が弱くなる問題を伴う。したがって、同じ歯数、同じ本数の巻き線を２歯ずらしでポール角に対応するように巻き込むには、第１の巻き線は歯１，２，３，４の４本、第２の巻き線は歯３，４，５，６の４本とする４本跨ぎにすることとなるが、巻きかける歯数の減少による磁力の低下を回避することができない上に、巻き線が収まらないスロットが発生するため、好ましくない。このことから、１歯ずらして巻き線を巻きかけることが最も妥当ではある。しかしながら、小さなサイズのまま出力を増加させるという効果は、必ずしも１歯ずらしに限られるものでもない。

また、ステーターコイル８は、短節巻きの複数の巻き線を、これら複数の巻き線が互いに巻き始めの歯４６をずらして巻き上げられ、かつ複数の巻き線で占める巻き角がポール角に対応するように配置されている。即ち、本発明は、１磁極に対応するローターの歯４６に、短節巻きの巻き線を少なくとも1歯ずらして複数巻き上げた場合に、それぞれの巻き線に電圧が発生する特性を利用して、それぞれの巻き線に発生した電力を合算して出力の増大を実現しようとするものである。このことから、１ポールにずらして配置される巻き線は、少なくとも２本、場合によっては３本以上とすることが好ましい。一方、巻き線が巻き込んでいる歯４６にはローターのポールからの磁力が通過するので、巻き込む歯４６の数が減少すれば磁力も減少し、発電電圧が低下する。したがって、巻き込む歯４６の数を余り減らさないで、巻き線の数を増やすことが好ましく、２種類、又は３種類の巻き線を巻いた方が合算する電力が増加することとなるので好ましい。ここで、発電機が複相の場合、第１相に対応する複数の巻き線に対し次相以降の複数の巻き線は電気角で３６０度を相数で割った角度ずつ遅れた位置に配置されていることが好ましい。

そこで、巻き線の数、巻き線をかける歯４６のずらし数並びに巻き線の歯４６の跨ぎ本数は、特定のものに限定されるものではないが、なかでも、１ポールに対応する巻き線が歯４６の数を決定する２以上の整数と同数の巻き線から成り、かつローターのポールに対応する歯４６の数から前述の整数より１少ない数を減じた本数の歯４６を跨ぐ短節巻きとし、１歯ずらしで短節巻きされた複数の巻き線で占める巻き角がポール角に対応するように巻き込むものであることが好ましい。この場合には、全てのスロットに均一に巻き線が収容される。

具体的には、単相発電機として構成する場合、（ａ）３歯／Ｐ，２本跨ぎ，１歯ずらし，２種類の巻き線では、全てのスロットに巻き線は収まる。一部のスロットでは収まるスロットによっては巻き線の本数が異なるが、出力増加の効果はある。（ｂ）４歯／Ｐ，３本跨ぎ，１歯ずらし，２種類の巻き線では、ポールに対応する一部のスロットに巻き線は存在せず、また一部のスロットとでは巻き線は２本となり、さらに一部のスロットでは１本の巻き線と、巻き線の本数がまちまちでバランスは良くないが、発明の目的である出力増加の効果はある。（ｃ）５歯／Ｐ，４本跨ぎ，１歯ずらし，２種類の巻き線では、全てのスロットに巻き線は収まらないが、出力増加の効果はある。（ｄ）５歯／Ｐ，３本跨ぎ，１歯ずらし，３種類の巻き線では、全てのスロットに巻き線は収まるが、２本のスロットとでは巻き線は倍の２本となり、スロットによっては巻き線の本数が異なるというバランスの悪さはあるものの、出力の向上という目的は達成できる。（ｅ）６歯／Ｐ，５本跨ぎ，１歯ずらし，２種類の巻き線では、単相では全てのスロットに巻き線は収まらないが、出力増加の効果はある。

また、三相発電機の場合、（ｆ）６歯／Ｐ，１歯ずらし，５本跨ぎ，２種類の巻き線は本実施形態として例示しているもので、全てのスロットに均一に巻き線が納められ、約２倍に出力が増加する。（ｇ）９歯／Ｐ，１歯ずらし，７本跨ぎ，３種類の巻き線、（ｈ）１２歯／Ｐ，１歯ずらし，９本跨ぎ，４種類の巻き線の場合には、いずれの場合にも全てのスロットに巻き線が収容され、かつ同じ本数となるので、図３の実施例と同様に２〜３倍の出力増加が期待できる。つまり、（ｇ）の９歯の場合には、式１で説明すると、仮に磁束の数が歯４６の数分だけ減少するとしたら、起電電圧はＥ１＝７／９Ｅとなるが、巻き線が３束有るのでＥ２＝３×７／９・Ｅとなり、計算上では約２．３倍の出力増加が期待できる。また、（ｈ）の１２歯の場合には、Ｅ２＝４×９／１２・Ｅとなり、計算上では約３倍の出力増加が期待できる。しかしながら、計算上、約１．７倍の出力となる（ｆ）の実験結果からも、両端の歯４６を通過する磁力は中央の歯４６を通過する磁力よりもやや小さく、短節巻きにしても出力が余り減少しないからと思われることから２倍の出力が得られたことからも明らかなように、ケース（ｇ）あるいは（ｈ）の場合にも、２．３倍以上、３倍以上の出力増加が見込める。

さらに、二相発電機の場合には、（ｉ）４歯／Ｐ，１歯ずらし，３本跨ぎ，２種類の巻き線、（ｊ）６歯／Ｐ，１歯ずらし，４本跨ぎ，３種類の巻き線、（ｋ）８歯／Ｐ，１歯ずらし，５本跨ぎ，５種類の巻き線などが好ましい。

さらに、６相発電機の場合には、（ｌ）１２歯／Ｐ，１歯ずらし，１１本跨ぎ，２種類の巻き線、（ｍ）１８歯／Ｐ，１歯ずらし，１０本跨ぎ，３種類の巻き線、（ｎ）２４歯／Ｐ，１歯ずらし，９本跨ぎ，４種類の巻き線の場合には、いずれの場合にも全てのスロットに巻き線が収容され、かつ同じ本数となるので、図３の実施例と同様に２倍程度の出力増加が期待できる。

この発明による永久磁石発電機のステーターコイルの巻き方について、１極当たり６歯とした６極三相交流発電機に適用した例を示す図２及び図３を用いて詳細に説明する。尚、図２及び図３において、符号１，２，３，…，３６はステーターコア３６の歯４６の番号を示しており、Ｎ極を構成する永久磁石部材７に対応する歯４６は１〜６、Ｓ極に対応する歯４６は７〜１２というように、６本毎にポールに対応している。このステーターコア３６において、例えば、Ｕ相の第１の巻き線１９を例にとると、端子Ｕ１から歯１〜５までを右回りに巻き込むＮ極対応の巻きと歯７〜１１までを左回りに巻き込むＳ極対応の巻きとを一組として、歯１３〜１７までを右回りに巻きこむＮ極対応の巻きと歯１８〜２３までを左回りに巻き込むＳ極対応の巻きとの組、さらには歯２５〜２９までを右回りに巻きこむＮ極対応の巻きと歯３１〜３５までを左回りに巻き込むＳ極対応の巻きとの組との、計３組の短節巻きが直列に接続された状態で端子Ｘ1まで巻き上げられている。尚、図２中の符号４７はスロットである。

一方、Ｕ相第２の巻き線２４は、端子Ｕ２から歯２〜６までをＮ極対応の右巻き、歯８〜１２までをＳ極対応の左巻きに巻き上げ、次いで歯１４〜１８をＮ極対応の右巻きに、歯２０〜２４をＳ極対応の左巻きに巻き上げ、歯２６〜３０をＮ極対応の右巻き、３２〜３６をＳ極対応の左巻きにと、計３組の短節巻きが直列に接続された状態で端子Ｘ２まで巻き上げられている。このような巻き線構造により、第１の巻き線１９と第２の巻き線２４は位相が１歯（電気角で３０度（１８０°／６歯））ずれるので、第１と第２の巻き線１９，２４には独立の電圧が発生し、それを合計すれば２倍の電力が得られることになる。

他方、第１相に対応する複数の巻き線に対し次相以降の複数の巻き線は電気角で３６０度を相数で割った角度ずつ遅れた位置に配置されている。したがって、Ｖ相はＵ相から電気角で１２０度ずれた位置からスタートする。つまり、Ｖ相の第１の巻き線は、端子Ｖ１から歯５〜９までをＮ極対応の右巻き、歯１１〜１５までＳ極対応の左巻き、歯１７〜２１までをＮ極対応の右巻き、歯２３〜２７までをＳ極対応の左巻き、さらには歯２９〜３３までをＮ極対応の右巻き、歯３５〜３までをＳ極対応の左巻きと、計３組の短節巻きが直列に接続された状態で端子Ｙ1まで巻き上げられている。また、第２の巻き線は、端子Ｖ２から歯６〜１０までをＮ極対応の右巻き、歯１２〜１６までＳ極対応の左巻き、歯１８〜２２までをＮ極対応の右巻き、歯２４〜２８までをＳ極対応の左巻き、さらには歯３０〜３４までをＮ極対応の右巻き、歯３６〜４までをＳ極対応の左巻きと、計３組の短節巻きが直列に接続された状態で端子Ｙ２まで巻き上げられている。

Ｗ相はさらにＶ相から１２０度ずれた歯１０からスタートする。Ｗ相の第１の巻き線は、端子Ｗ１から歯１０〜１３までをＮ極対応の右巻き、歯１５〜１９までＳ極対応の左巻き、歯２１〜２５までをＮ極対応の右巻き、歯２７〜３１までをＳ極対応の左巻き、さらには歯３３〜１までをＮ極対応の右巻き、歯３〜７までをＳ極対応の左巻きと、計３組の短節巻きが直列に接続された状態で端子Ｚ1まで巻き上げられている。Ｗ相の第２の巻き線は、歯１０からスタートし、端子Ｗ２から歯１０〜１４までをＮ極対応の右巻き、歯１５〜１９までＳ極対応の左巻き、歯２２〜２６までをＮ極対応の右巻き、歯２８〜３２までをＳ極対応の左巻き、さらには歯３４〜２までをＮ極対応の右巻き、歯４〜８までをＳ極対応の左巻きと、計３組の短節巻きが直列に接続された状態で端子Ｚ２まで巻き上げられている。

図４にはこの発電機による発電電圧波形を示す。第１の巻き線と第２の巻き線は電気角で３０度ずれた発電電圧が発生するので、端子部分をそのまま結線すると線間の電圧差によって環電流が流れ、発熱が非常に大きくなる。

そこで、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の第１の巻き線をブリッジダイオードにて整流し、ＤＣ電圧にし、第２の巻き線も整流すると、電圧差が無くなり、合流できる。その結果、二つの巻き線で発生した電力はほぼ２倍の電力となり、コンパクトな発電機の構造体の中で強力な出力を得ることが出来る。

図５に図２及び図３に例示した６極三相交流発電機（６歯／極、５歯跨ぎ、１歯ずらしで２種類の巻き線を短節巻き）の回路構成の一例を示す。この回路構成は、本発明者が先に提案した特許第４９１３２３４号にかかる三相交流発電機の例に適用したものであるが、一般的な従来の永久磁石式発電機に適用することも可能である。本実施形態の場合、特許第４９１３２３４号のステーターコイル８を構成する３つの巻き線を、第１及び第２の巻き線をそれぞれ２本あるいは３本設けて直列に接続し、各接続点に中性点スイッチ（図示せず）を置くことによって構成している。通常、６極三相交流発電機の巻き線の巻き数は、１５０ターンとか１８０ターン程度巻き込まれるので、各ポールに対応する短節巻きが例えば１ポール当たり１５ターンを巻いた合計９０ターンの巻き線１９Ｌと、１ポール当たり１０ターンを巻いた合計６０ターンの巻き線１９Ｍと、１ポール当たり５ターンを巻いた合計３０ターンの巻き線１９Ｓとの３つの巻き線を巻き上げて、これらを直列に接続すると共に各線の接続点に中性点スイッチ（図示せず）を置き、この中性点スイッチの制御により３つの巻き線を１５＋１０＋５（合計１８０）ターン、１０＋５（合計９０）ターン、５（合計３０）ターンに組み合わせ、３０ターンの高速回転用、９０ターンの中速回転用、１８０ターンの低速回転用として用いても良いし、勿論、同じ巻き数の３つの巻き線を中性点スイッチを介して組み合わせるようにしても良い。また、ターン数の異なる２つの巻き線を中性点スイッチを介して直列に繋ぎ、高速用と低速用とに切り替えるようにしても良い。さらに、１本の第１の巻き線の磁極対に対応する短節巻きの対毎に中性点スイッチを置くことによって、１本の第１の巻き線１９を３つの巻き線に分断して高速用、中速用、低速用に切り替え可能としても良い。尚、第２の巻き線２４（あるいは第３の巻き線）においても同様であり、その詳細な説明は重複するので割愛する。

ここで、第１の巻き線１９はターン数の異なる３本の巻き線１９Ｌ，１９Ｍ，１９Ｓを直列に接続し、中間に中性点スイッチを置き（図示せず）其の後流に大チョークコイル１４と小チョークコイル２０を設け、その先に発電電圧を一定にするため、３相のブリッジダイオード２１と、通過電流を制御するトランジスター２２を配置する。大小のチョークコイル１４と２０の中間に分岐点２３を配置し、分岐点２３から引き出した線は整流器１５に繋がれ、直流化し、リード線３１を通して負荷１７に送られる。ステーター巻き線は第１の巻き線１９と第２の巻き線２４とに分割に巻かれるので、第２の巻き線２４はターン数の異なる３本の巻き線２４Ｌ，２４Ｍ，２４Ｓを直列に巻き、その先に大チョークコイル２５と小チョークコイル２６を配置し、其の後流に第１の巻き線１９側の３相ブリッジダイオード２１及びトランジスター２２と同様に、一定電圧に制御する３相ブリッジダイオード（図示せず）とトランジスター（図示せず）からなるスイッチング装置２７を配置する。大小のチョークコイル２５，２６間に分岐点２８を設け、第１の巻き線と同様にそこから引き出された線は整流器２９に接続され直流に整流される。整流器２９からの直流電力はリード線３０を通して負荷１７側に接続合流される。なお、ここではＵ相について記述したがＶ相、Ｗ相も同様の構成である。また、図中の符号４４は回転数と極位置の検出センサー、１６は電圧検出器、１８はコントローラー（制御装置）、１３は取り付け端子である。

上記整流装置を巻き線から発電された交流電力をトランジスターを配設したブリッジ回路にてスイッチングし、一定電圧とし、合流しても良い。

一方、この発電機を電動機として用いる場合には、Ｕ相の第１巻き線１９にはＮ極に対応している６歯に対し、第１の巻き線１９が対応している５歯分即ち電気角１５０度に負方向電流を通し、次いで３０度遅れで第２の巻き線２４に１５０度負方向電流を流す。Ｖ相の第１の巻き線１９にはＵ相の第１の巻き線１９から１２０度遅れたタイミングで１５０度の期間、負電流を流し、第２の巻き線２４には第１の巻き線１９から３０度遅れで電気角１５０度の間負方向に電流を流す。Ｗ相も同様にＶ相の第１巻き線１９に対し、１２０度遅れで１５０度の間電流を流し、第２巻き線には第１の巻き線１９から３０度遅れで１５０度の期間電流を流す。

第１の巻き線１９と第２の巻き線２４に通電することにより、その合成磁界が１２０度をカバーし、ローターの磁石７を強力に引っ張ることになる。

電動機の駆動力はローターのＮ極磁石に対し、やや進んだ角度に負方向の電力を流し、ステーター部にＳ極を作り、ローターのＮ極磁石を引っ張り、駆動力を発生させる。Ｓ極に対しては結果的にＮ極を作ることになるので、この部分でも引っ張り力を作用させることになり、ローターに駆動トルクを与える。ローターにポジションセンサーを取り付けて置き、通電タイミングを決めるが、回転の上昇に伴って、通電のポジションを進めることによって最適な通電状況を設定する。

図６に電動機として作用させる場合の駆動回路を示した。制御装置１８は発電機側のスイッチ３２，３３をＯＦＦにし、中性点スイッチ３９をＯＮとし、電源であるバッテリー４５から流れた電流は３相ブリッジ回路４１を通してチョークコイル１４と巻き線１９の間の端子４３を通ってＵ，Ｖ，Ｗ相の第１の巻き線１９に通電されるが、通電のパターンは矩形波状でも正弦波状でも良い。トランジスター４２は制御装置１８により、サインカーブ（正弦波）、矩形波状のどちらでも制御出来る。矩形波状に電流を流した場合、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のステップ状に合成された磁界がサインカーブ状になるので、制御機構を簡単にするためには矩形状で良い。

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、出力巻き線を第１及び第２の２種類の巻き線で構成した例を挙げて主に説明しているが、これに特に限られるものではなく、第１、第２及び第３の３種類の巻き線、あるいは４種類の巻き線、場合によってはそれ以上の本数の巻き線で構成しても良い。また、巻き線が巻き上げられている歯４６には回転子のポールからの磁力が通過するので、巻き込む歯４６の数が減少すれば巻き線と鎖交する磁力も減少し、発電電圧が低下する。従って、巻き込む歯４６の数を余り減らささずに、２種類又は３種類の巻き線を巻いた方が足し算の電力が増加する。そこで、第１の巻き線と第２の巻き線あるいは第３の巻き線との巻き始めの位相は１歯ずらしとすることが好ましいが、これに特に限られるものではなく、場合によっては１歯以上例えば２歯ずらしとすることもある。

また、本実施形態では、交流電力を直流電力に変換した後、結線を合流させて電流加算させる例を挙げて主に説明している。しかしながら、電動機側にも発電機と同様の巻き線のものを使用する場合には、その出力端子を直接電動機に接続し、交直変換を経ずにそのまま電力を利用して電動機を回転させることが有る。例えば、図７に示すように、発電機と同様に電動機側の巻き線も短節巻きを１歯ずらして２種類巻きにした場合、発電機の第１の巻き線は電動機の第１の巻き線に、発電機の第２の巻き線は電動機の第２の巻き線にそれぞれ直接接続することができる。この場合、環電流が流れないので、発熱を伴わずに出力を倍増することができる。

さらに、本実施形態では、第１及び第２の２種類の巻き線１９，２４を直列に接続した例を挙げて主に説明しているが、これに特に限られれず、並列に接続するようにしても良い。例えば、図８に示すように、巻き線は通常Ｎ極とＳ極で一対になるが、極端な例ではＮ極に対応する巻き線とＳ極に対応する巻き線を１つずつ巻き、例えばＵ１とＸ２、Ｕ２とＸ１を接続して使うことも出来る。図３で説明すると、歯１〜５はＮ極で右巻き、歯７〜１１はＳ極で左巻きとし、これらを第１の巻き線、同様に右巻きと左巻きとの一対で歯（２〜６）＋（８〜１２）を第２の巻き線、歯（１３〜１７）＋（１９〜２３）を第３の巻き線、歯（２５〜２９）＋（３１〜３５）を第４の巻き線として、これらを並列に接続すれば電圧は低いが電流が大きな発電機ができる。

また、本発明の巻き線構造は、ＩＰＭＳＭ（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）にも適用できることは言うまでも無い。

この発明による発電機の構成は、例えば自動車用の発電機、風力発電機、水力発電機、など小型化を要求される各種発電機に適用出来る。

１ローターシャフト
２ステーター
７永久磁石部材
８巻き線
１９第１の巻き線（出力巻き線）
２４第２側巻き線
３５ロータ
３６ステーターコア
４６ステーターコアの歯
４７スロット

Claims

ハウジングに回転自在に支持されたローターシャフト、前記ローター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ー及び前記ローターの外側に巻き線が巻き上げられたステーター及び電圧を一定にするスイッチング機構を有する永久磁石式交流発電機において、
前記ローターのポールに対応する前記ステーターの歯を３以上で相数の２以上の整数倍設けると共に、前記ローターのポールに対応する前記ステーターの巻き線が短節巻きの複数の巻き線から成り、かつ前記複数の巻き線を巻き込む歯をずらして短節巻きされた前記複数の巻き線で占める巻き角がポール角に対応するように巻き込み、複数の前記ステーター巻き線で発生する交流電力がそれぞれ独立して整流器により整流され、直流電流に変換後、結線を合流させ、直流電流を合算して用いることを特徴とする永久磁石式交流発電機。
前記発電機は複相であり、前記ローターのポールに対応する前記ステーターの前記歯が相数の２以上の整数倍の本数であると共に、前記ローターのポールに対応する前記ステーターの巻き線が短節巻きの複数の巻き線から成り、かつ前記複数の巻き線を巻き込む歯をずらして前記複数の巻き線で占める巻き角がポール角に対応するように巻き込まれるものであって、第１相に対応する前記複数の巻き線に対し次相以降の前記複数の巻き線は電気角で３６０度を相数で割った角度ずつ遅れた位置に配置されているものである請求項１記載の永久磁石式交流発電機。
前記発電機が複相の場合、前記ローターのポールに対応する前記ステーターの前記歯は相数の２以上の整数倍の本数であり、１ポールに対応する前記ステーター巻き線が前記整数と同数の巻き線から成り、かつ前記ローターのポールに対応する前記歯の数から前記整数より１少ない数を減じた本数の歯を跨ぐ短節巻きとし、１歯ずらしで短節巻きされた前記複数の巻き線で占める巻き角が前記ポール角に対応するように巻き込むものとし、第１相に対応する前記巻き線に対し次相以降の前記ステーター巻き線は電気角で３６０度を相数で割った角度ずつ遅れた位置から配置したものである請求項１記載の永久磁石式交流発電機。
前記発電機は三相であり、前記ローターのポールに対応する前記ステーターの前記歯が６本であると共に、１ポールに対応する前記ステーター巻き線が第１及び第２の２種類の巻き線から成り、１歯ずらして５本の歯をそれぞれ巻き込む短節巻きにより前記第１及び第２の巻き線で占める巻き角が前記ポール角に対応するように巻き込むものとし、Ｕ相の第１及び第２の巻き線に対し電気角で１２０度遅れた位置からＶ相の第１及び第２の巻き線、さらにＶ相から１２０度遅れてＷ相の第１及び第２の巻き線がそれぞれ配置されることを特徴とする請求項３記載の永久磁石式交流発電機。
前記発電機は三相であり、前記ローターのポールに対応する前記ステーターの前記歯が９本であると共に、１ポールに対応する前記ステーター巻き線が第１、第２及び第３の３種類の巻き線から成り、１歯ずらして７本の歯をそれぞれ巻き込む短節巻きにより前記第１、第２及び第３の巻き線で占める巻き角が前記ポール角に対応するように巻き込むものとし、Ｕ相の第１、第２及び第３の巻き線に対し電気角で１２０度遅れた位置からＶ相の第１、第２及び第３の巻き線、さらにＶ相から１２０度遅れてＷ相の第１、第２及び第３の巻き線がそれぞれ配置されることを特徴とする請求項３記載の永久磁石式交流発電機。
前記発電機は単相であり、前記ローターのポールに対応する前記ステーターの前記歯が３本であると共に、前記ステーターの巻き線が第１及び第２の２種類の巻き線であり、１歯ずらして２本の歯を巻き込むように短節巻きされるものである請求項１記載の永久磁石式交流発電機。
１ポールに対応する複数の前記巻き線に、それぞれの前記巻き線の巻き角に対応した電流を複数の前記巻き線間のずれに応じた遅れをもって流し、ステーター側の複数の前記巻き線によるステーター側磁界の合計が各相のローターのポール部に対応して駆動力を発生させることにより、電動機として運転可能にすることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つの記載の永久磁石式交流発電機。