JP5594660B2

JP5594660B2 - リラクタンス発電機

Info

Publication number: JP5594660B2
Application number: JP2010132725A
Authority: JP
Inventors: 和美栗原
Original assignee: Ibaraki University NUC
Current assignee: Ibaraki University NUC
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2030-06-10
Also published as: JP2011259633A

Description

本発明は、リラクタンス発電機に係り、特に発電機始動時に界磁鉄心の残留磁気を安定して得ることのできるリラクタンス発電機に関する。

リラクタンス（磁気抵抗）を利用するリラクタンス発電機は、一般に固定子、回転子が電磁鋼板を打ち抜き、積層されて製作される。また、巻線は固定子極に集中巻きされ、回転子には界磁のない所謂突極構造が採用されている。このため、誘導機や同期機と比較すると、構造簡単、堅牢、保守容易、高速回転に適する、回転子銅損がないため高効率などの効果を得られる。

係るリラクタンス発電機においては、原理上励磁力を必要とするが、永久磁石を用いて励磁力を与えることが特許文献１などで提案されている。

特開２００７−３１２４４４号公報

リラクタンス発電機は、先に述べた効果が得られることから、山間部や離島に設置されることが多い風力発電設備用の発電機に適用することが期待されている。その場合に、励磁のために永久磁石を用いることができれば、界磁巻線や励磁用電源を不要にでき、あるいは小型の励磁用電源で済むので、安価かつメンテナンスフリー性をよりいっそう高めることができて望ましい。

この点に関し、特許文献１における永久磁石の利用法は、固定子のヨーク部に永久磁石を備えて励磁力を得るものであり、固定子内周側に設けられた界磁鉄心から、回転子、他の界磁鉄心を経由してヨーク部に戻る磁気回路を形成する。

この磁気回路は、界磁鉄心に巻回された界磁コイルに流れる界磁電流が固定子の界磁鉄心に作る主磁束の磁気回路と同じであり、主磁束の最大値は永久磁石材料の磁気特性によって決定される。このため、高価な希土類磁石が必要になっている。

また、無負荷時の発電コイルの誘起電圧は最大となるが、負荷が大きくなると、電機子電流の減磁界による電機子反作用により、端子電圧は急激に小さくなる。この傾向は回転数が大きいほど顕著である。

また鉄心に使用する材料は、残留磁気を持たせるために保磁力に優れたものである必要があるが、材料の選定が難しいばかりでなく、調達が困難である。このような材料は鉄損が大きく、最近では製造されておらず、入手困難な傾向にある。

ところで、リラクタンス発電機のエネルギー変換効率が高い、安価といった効果は、残留磁気が少ない鉄心材料を使用できるということから派生した効果である。リラクタンス発電機の係る優位性は、反面では長い間発電機を運転しないと界磁鉄心の残留磁気が消失し、発電できなくなる（発電電圧をビルドアップしない）という致命的な欠点を有することでもある。

以上のことから本発明においては、特に発電機始動時に界磁鉄心の残留磁気を安定して得ることのできるリラクタンス発電機を提供することを目的とする。

上記目的達成のために、本発明においては環状のヨーク部から半径方向に向かって形成されて発電コイルを巻装した積層界磁鉄心と、該界磁鉄心に回転空隙を持って配置された突極型積層回転子とからなるリラクタンス発電機であって、隣接する前記界磁鉄心の鉄心歯間に発電機の静止時に前記界磁鉄心間を磁気的に短絡する永久磁石を配置した。

安価、堅牢というリラクタンス発電機の特徴を活かしたまま発電初期の残留磁気を安定して得ることができる。

本発明の実施例におけるリラクタンス発電機の構成正面図。本発明の実施例におけるリラクタンス発電機の固定子部分を示す俯瞰図。図２における一部拡大断面図。本発明の実施例におけるリラクタンス発電機の静止時における動作原理図。本発明の実施例におけるリラクタンス発電機の回転初期における動作原理図。本発明の実施例におけるリラクタンス発電機の1/8回転時における動作原理図。本発明の実施例におけるリラクタンス発電機を風力発電に応用したシステム図。

以下本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図２は、リラクタンス発電機の固定子部分の俯瞰図である。

図２において、環状のヨーク部1には半径方向内周側に向かって４組の界磁鉄心２が配置され、界磁鉄心２とヨーク部１とで、所謂固定子を形成する。４組のそれぞれの界磁鉄心２には、２種類のコイルが巻回されており、その１つは界磁コイル３である。また、界磁鉄心２の内周側先端部は二股に分割されており、それぞれに発電コイル４が巻回されて、所謂界磁鉄心歯２１を形成している。

同一界磁鉄心２の先端の２つの界磁鉄心歯２１の間には絶縁材５が配置されて、この間の絶縁を図る。また、隣接する界磁鉄心２の先端の２つの界磁鉄心歯２１間には、例えばＳＵＳなどの非磁性部材７で保持された永久磁石（弱磁性体であるフェライト磁石が好ましい）６が配置される。

図示していないが、中央部には回転子が回転空隙を持って配置されるので、界磁鉄心歯２１、絶縁材５、永久磁石６、あるいは非磁性部材７が形成する内周面は、回転軸中心からの同心円を形成するような構成になっている。

ここで、界磁コイル３は、フェライトなどの永久磁石６による微弱な磁束変化を捉えて発電するために、細線を用いて巻数を多くしている。他方、分割して巻き線される発電コイル４は太い巻線で巻数が少なくてよい。このため、発電コイル４に比較して界磁コイル３が大きな容積を占めている。

また、同一界磁鉄心２に分割して巻き線されるそれぞれの前記発電コイル４は発生する起電力の向きが互いに反対になるように巻かれている。このため、本例での発電コイル４は８極を形成する。そして、全ての発電コイル４は誘導起電力が加わる向きに、直列に接続されている。

図１は、図２のリラクタンス発電機の固定子部分の俯瞰図を回転軸方向から見た図である。図２で説明した構造（ヨーク部１から内部に４組の界磁鉄心２が配置され、その先端に２つの界磁鉄心歯２１があること、異なる界磁鉄心先端の隣接する界磁鉄心歯２１の間に永久磁石６が固定配置されていること）が見てとれる。

さらに、ここでの磁極配置は、以下のようにされる。まず、それぞれ隣接する界磁鉄心２との間に永久磁石６を配置しているが、この磁極は、左右同極となるように永久磁石６が取り付けられている。例えば、図１の上部のＮ極を構成する界磁鉄心２１の場合、界磁鉄心先端の右側の永久磁石とはＳ極で向き合い、界磁鉄心先端の左側の永久磁石ともＳ極で向き合っている。隣の右側のＳ極の界磁鉄心の場合、左右の永久磁石とはＮ極で向き合っている。この結果、後で詳しく述べるが、界磁鉄心２には向き合う永久磁石６の磁極とは別の磁極が誘起される。

また、上部の界磁鉄心２はＮ極になり、右の界磁鉄心はＳ極となることから明らかなように、４組の界磁鉄心４に誘起される磁極は、隣接する界磁鉄心４では磁極が相違するように、定められる。

また、図１によれば４組の回転子歯８１を備えた回転子鉄心８が、回転軸９上に設けられている。回転子歯８１の数は、界磁鉄心２の数と同じであり、かつ４組の回転子歯８１は、４組の界磁鉄心歯２１とは同じ位置で対向するように形成されている。例えば、図１の図示位置では、４組の回転子歯８１は、そのいずれもが界磁鉄心２の左側の界磁鉄心歯２１と対向する位置にあるように構成される。従って、いずれかの回転子歯８１が、界磁鉄心２の右側の界磁鉄心歯２１と対向する位置にあるときは、他の回転子歯８１も、界磁鉄心２の右側の界磁鉄心歯２１と対向する位置にある。回転子歯８１が、いずれの界磁鉄心歯２１にも対向していないときは、他の回転子歯８１も、界磁鉄心２の界磁鉄心歯２１と対向していない。４組の回転子歯８１と４組の界磁鉄心歯２１は、以上のような位置関係となるように構成される。

図３は、図１において永久磁石６の近傍を拡大したものであり、永久磁石６の支持状態を示す。永久磁石６はＳＵＳなどの非磁性材で形成された函体７にて保持され、該函体は前記界磁鉄心２１の先端間に係止され接着剤等を用いて固着されている。支持部材が磁性体であると、発電機の静止に界磁鉄心２間が永久磁石６で短絡され、永久磁石６による磁束は界磁鉄心２側に磁極を形成しない。従って、永久磁石を発電静止時における界磁鉄心の残留磁気確保に有効に働かせることができる。

すなわち、永久磁石６と、界磁鉄心２先端の界磁鉄心歯２１の間を、非磁性体７を介して結合、支持した結果、発電機の静止時は常に永久磁石６により固定子内に磁路が形成されることになり、図４は、その永久磁石による磁路を示している。但し、本図は、回転子８を挿入する前の固定子内の永久磁石６による磁束の流れを示したものである。

この磁路は、例えば１つの磁石６と、これに隣接する左右の界磁鉄心歯２１と、２組の界磁鉄心２によって形成される。詳細には、例えば、右下の永久磁石６Ａの例で説明すると、そのＮ極から隣接する界磁鉄心歯２１ｂ、界磁鉄心２Ａ、ヨーク部１、界磁鉄心２Ｂ、界磁鉄心歯２１ａを介して永久磁石６ＡのＳ極に至る磁路が形成される。この磁路は、永久磁石６ごとに、他の３箇所にも形成される。このようにして、図３で記述した工夫により、界磁鉄心２に磁極が形成されることがわかる。この場合には、界磁鉄心２ＡにはＳ極が、界磁鉄心２ＢにはＮ極が形成される。

このようにして、界磁鉄心２は発電機の静止時において常に残留磁気をもつことができるが、残留磁気が確保できる程度でよいので、永久磁石として使用する磁石材料は、保磁力が格別に優れたものでなくてもよく一般的にはフェライト磁石が好ましい。フェライト磁石は、保磁力が比較的高く、減磁がないので有利である。なお、上記磁石は外部衝撃の保護の観点から、その軸方向の長さは界磁鉄心の積み厚とほぼ等しくした方が好ましく、またはそれ以下でもよい。

次に、以上のように構成されたリラクタンス発電機の発電原理について図５、図６を用いて説明する。図５は、回転開始したときの界磁鉄心歯位置とこのときに形成される磁路を示している。図６は回転により固定子位置が１／８移動したときに形成される磁路を示している。これらの図は発電原理を示すが、回転子８の回転とともに固定子２と回転子８の磁路は変化する。

図５は、回転子８の回転開始（図では右回転とする）により、４組の回転子歯８１は、界磁鉄心２の分岐先端の左側界磁鉄心歯２１ａに対向する位置にあるものとする。このとき、界磁鉄心２Ａと２Ｂの例で言うと、界磁鉄心２ＡにはＳ極が、界磁鉄心２ｂにはＮ極が誘起されており、回転子８の回転子歯８１が左側の界磁鉄心歯２１ａに対向する位置にあるため、界磁極の磁束φは磁気抵抗の小さいルートで磁路が形成される。

具体的には、界磁鉄心２Ａの界磁鉄心歯２１ａ−界磁鉄心２Ａ−ヨーク部１−界磁鉄心２Ｂ−界磁鉄心２Ｂの界磁鉄心歯２１ａのルートで磁束が通過する。このとき、界磁鉄心２の先端の界磁鉄心歯２１ａに巻かれている発電コイル４ａの磁束鎖交数は最も大きくなる。一方、界磁鉄心２の先端の右側の界磁鉄心歯２１ｂに巻かれている発電コイル４ｂの磁束鎖交数は最も小さくなっている。

次に、図６のように、回転子８が時計回りに１／８回転し、界磁鉄心歯２１ｂと回転子歯８１が対向する位置に来ると、上記したと同じ理由で、今度は右側の界磁鉄心に巻かれている発電コイル４ｂの磁束鎖交数は最も大きくなり、左側の界磁鉄心に巻かれている発電コイルの磁束鎖交数は最も小さくなる。

なお、図５から図６に移る回転途上においては、界磁鉄心歯２１ａと回転子歯８１の対向する面積が徐々に減少する結果として、図５で形成されている磁気回路の磁気抵抗が増加し、磁束が減少する。他方で、界磁鉄心歯２１ａと回転子歯８１の接近、ならびに対向面積の増大に伴い、図６で形成されている磁気回路の磁気抵抗が減少し、磁束が増加していく。但し、回転子歯８１が界磁鉄心歯２１の間にあるときには、双方の磁気抵抗が大きい状態となるので、磁束は発生しないか、あるいは最小となる。

このような磁束の増減の変化により、発電コイル４にはファラデーの電磁誘導の法則により、誘導起電力が生じる。然るに、図５、図６で述べたように、永久磁石６が形成した界磁極と回転子８の回転により、発電コイル４に誘導起電力が生ずるが、この大きさは小さく、このままでは発電機としては利用できない。

そこで、図７に示すように、リラクタンス発電機Ｇの発電コイル４の出力端子４０を整流回路Ｒｅにつなぎ、直流電圧を得、その直流電圧を、界磁端子３０を介して界磁コイル３に印加する。界磁コイル３に流れる直流電流は、界磁極を強める。予め、界磁コイル３は直流電流の向きを考えて、界磁極を強める向きに巻かれている。このように界磁極を強める作用を増磁といい、増磁の繰り返しによって、発電コイル4の誘導起電力は大きくなり、界磁鉄心２が磁気飽和になったところで、一定の電圧に落ち着く。なお、発電機Ｇは、その回転軸に結合された原動機により駆動されるが、本発明のリラクタンス発電機を例えば風力発電設備に適用することを考えると、風車５０の回転を、増速機６０を介してリラクタンス発電機Ｇに伝達し駆動するのがよい。

以上、本発明のリラクタンス発電機について詳細に説明したが、要するに隣接する界磁鉄心の界磁鉄心歯の間に非磁性材で固定された永久磁石を設置し、界磁鉄心を磁化することで、発電し同時に必要な残留磁気を確保するものである。

本発明によれば、「安価、堅牢というリラクタンス発電機の特徴を活かしたまま発電初期の残留磁気を安定して得ることができる」という効果を奏することができるが、それ以外にも、種々の効果がある。例えば、主磁束は界磁コイルに流れる電流によって形成され、永久磁石は主磁束を与えるものではないので、安価なフェライト磁石でよい、電機子反作用に伴う電圧降下の影響が少なく、電圧変動率が小さい良好な外部特性曲線が得られる。

また、本発明を実現するに当り、永久磁石を界磁鉄心間に設けるという基本思想を活かしたまま、種々の変更が可能である。例えば、上記の説明においては、単相のリラクタンス発電機を例に説明したが、三相の発電機に応用することも可能である。三相発電機の応用としては、同一の軸に単相発電機を３台、機械的に１２０度ずつ位相をずらして組み立てることが考えられる。

また、界磁鉄心やヨーク部を形成する場合に、巻コア方式或いは、打ち抜きコア方式のいずれにより実現することもでき、さらに図では内転型の発電機で説明したが外転型の発電機とすることもできる。

さらには、上記実施例では永久磁石を非磁性体で保持して固定する形態を示したが、樹脂モールドで一体成形したものを配置、或いは界磁鉄心間に配置した後発電コイル等の巻き線とともにモールド成形してもよい。

本発明によれば、安価、堅牢なうえ、メンテナンスフリーという特質があるので、補修、点検の行いにくい発電設備に適用するとよい。特に風力発電に広く採用することが期待できる。

１：ヨーク部
２：界磁鉄心
３：界磁コイル
４：発電コイル
２１：界磁鉄心歯
５：絶縁材
６：永久磁石
７：非磁性部材
８：回転子
８１：回転子歯
９：回転軸

Claims

環状のヨーク部から半径方向に向かって形成されて界磁コイルを巻装した積層界磁鉄心と、該界磁鉄心に回転空隙を持って配置された突極型積層回転子とからなるリラクタンス発電機であって、隣接する前記界磁鉄心の鉄心歯間に発電機の静止時に前記界磁鉄心間を磁気的に短絡する永久磁石を配置し、前記界磁鉄心内の残留磁気と前記界磁鉄心に巻装した界磁コイルが形成する磁界を同じ方向としたことを特徴とするリラクタンス発電機。
請求項1記載のリラクタンス発電機において、
前記界磁鉄心を挟んで配置されるそれぞれの永久磁石は界磁鉄心側が同極となるように配置されることを特徴とするリラクタンス発電機。
請求項1記載のリラクタンス発電機において、
前記永久磁石は非磁性部材を介して配置されることを特徴とするリラクタンス発電機。
請求項１記載のリラクタンス発電機において、
前記界磁鉄心は、その先端部分が回転方向に二股分割され、それぞれの二股部に発電コイルを、非分割部に界磁コイルを巻回するとともに、前記分割部を絶縁材で覆ったことを特徴とするリラクタンス発電機。
請求項４記載のリラクタンス発電機において、
複数の前記発電コイルを直列接続して外部出力すると共に、直列接続して得た出力を整流して前記界磁コイルに印加することを特徴とするリラクタンス発電機。
環状のヨーク部から半径方向に複数の界磁鉄心が配置されて固定子を構成し、前記固定子の界磁鉄心先端に対向して複数の回転子歯を供えて回転子を構成し前記界磁鉄心には界磁コイルと発電コイルが巻回されたリラクタンス発電機において、
隣接する界磁鉄心の間に非磁性部材を介して永久磁石を配置し、前記界磁鉄心内の残留磁気と前記界磁鉄心に巻装した界磁コイルが形成する磁界を同じ方向としたことを特徴とするリラクタンス発電機。
請求項６記載のリラクタンス発電機において、
前記界磁鉄心の両側の２つの永久磁石は、当該界磁鉄心側が同極となるように配置されることを特徴とするリラクタンス発電機。
請求項６記載のリラクタンス発電機において、
前記界磁鉄心は、その先端部分が分岐しており、分岐部分にそれぞれ発電コイルを、非分岐部分に界磁コイルを巻回するとともに、同じ界磁鉄心の分岐部分の間に絶縁材を備えることを特徴とするリラクタンス発電機。
環状のヨーク部から半径方向に複数の界磁鉄心が配置されて固定子を構成し、前記界磁鉄心先端に対向して複数の回転子歯を供えて回転子を構成し、前記固定子と回転子が鋼板打ち抜き、積層により形成され、前記固定子の界磁鉄心は、その先端部分が分岐しており、分岐部分にそれぞれ発電コイルを、非分岐部分に界磁コイルを巻回するとともに、同じ界磁鉄心の分岐部分の間に絶縁材を備え、かつ隣接する界磁鉄心の間に非磁性部材を介して永久磁石を配置するとともに、前記界磁鉄心の両側の２つの永久磁石は、当該界磁鉄心側が同極となるように配置し、前記界磁鉄心内の残留磁気と前記界磁鉄心に巻装した界磁コイルが形成する磁界を同じ方向としたことを特徴とするリラクタンス発電機。