JP7507253B2 - 非回転式交流発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は交流発電機に関するもので、特に非回転式発電機からなる複数の発電ユニットを備え、高効率で交流を生成することができるようになった非回転式交流発電装置に関する。
また、本発明は交流発電装置に関するもので、特に非回転式で構成されたと共に、三相交流を含む多相交流を生成することができるようになった非回転式交流発電装置に関する。
発電機（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）は主に力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する装置を称するもので、その動作方式や動作原理によって直流発電機、同期発電機、誘導発電機などに分けて称することもある。発電機は基本的に、電流が生成されて出力される電機子と磁界を生成する界磁を備える。発電機は通常、界磁に直流電源を供給して磁界を形成しながら、界磁に対して電機子を回転させるか、又は電機子に対して界磁を回転させる方式で電機子に電流の流れを生成する。この時、電機子を回転させる方式を回転電機子型と称し、界磁を回転させる方式を回転界磁型と称する。このような回転式発電機において、電機子または界磁の回転駆動は別々のエネルギー源によって行われる。エネルギー源としては、その使用用途によって適切なものを採用するが、一般的には、水力、風力、潮力などの自然エネルギーや、タービン、エンジン、モータなどの駆動手段を使用する。
一般に、直流は電気を容易に貯蔵することができるという長所がある反面、昇圧を含んで高電力化が困難であるという短所がある。これに対して、交流は貯蔵性が非常に低い反面、昇圧及び高電力化が容易であるという長所がある。発電機の１つの好ましい適用方式として、バッテリなどの貯蔵された直流電源や他の交流電源を用いて界磁や電機子を回転させることで、様々な交流電力を生成するように構成されたシステムがある。このような電力システムまたは電力変換システムは病院や工場などのように、高電力が要求される産業体における非常用電力供給手段として多く使用される。また、このような電力システムは電気をエネルギー源として使用しながら、状況によって様々な駆動トルクの生成が要求される電気自動車などに非常に有用に採用できる。
前述した従来の発電機は基本的に電機子や界磁の回転駆動が要求される。このような構成的特徴は必然的に、発電機の構造的、機械的複雑さに加えて、その製造コストの増加をもたらす。特に、前述した構成的特徴は電機子や界磁が回転する際に機械的摩擦などにより多量のエネルギー損失が発生する。そのため、発電機の発電効率及び電力変換効率を高めることに限界がある。
特許文献１（韓国特許登録第１０－１９１３７４６号公報、名称：周波数及び電圧調整が可能な交流電力発生器）、特許文献２（韓国特許公開第１０－２０１４－００７８７３２号公報、名称：電力変換装置）、特許文献３（日本特開２０００－３５３６２７号公報、名称：絶縁コンバータトランス及びスイッチング電源回路）などには電機子や界磁を回転させずに電力変換を行うようになった装置やシステムが紹介されている。ここで、特許文献１は特に注目すべきである。この特許は電機子と界磁を交互に繰り返し積層し、界磁に供給される直流電源のパルス幅をデューティ制御することで、電機子から得られる交流電源の周波数及び電源を容易に調整できるようにしたものである。
韓国特許登録第１０－１９１３７４６号公報 韓国特許公開第１０－２０１４－００７８７３２号公報 日本特開２０００－３５３６２７号公報
本発明は電機子や界磁を回転させることなく交流電源を生成することができるようになった非回転式交流発電ユニットを備えて、高効率で交流電源を生成することができるようになった交流発電装置を提供することにその技術的目的がある。
また、本発明は電機子や界磁を回転させることなく交流電源を生成すると共に、三相交流を含む多相交流を生成することができるようになった非回転式交流発電装置を提供することに他の技術的目的がある。
前述の目的を実現するための本発明に係る非回転式交流発電装置は、交流電流を生成する非回転式交流発電装置において、互いに隣接して配置される２つ以上の発電ユニットを備え、前記発電ユニットは、棒状のコア部材；電気線路が巻き取られると共に中央部分に第１中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される界磁；及び電気線路が巻き取られると共に中央部分に第２中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される電機子を備え、前記界磁と電機子との間には磁極片が備えられ、前記界磁と磁極片との間と、前記電機子と磁極片との間には絶縁板が配置され、前記発電ユニットは入力端と出力端に対して互いに直列または並列に結線されることを特徴とする。
また、前述の目的を実現するための本発明の第１観点に係る非回転式交流発電装置は、互いに位相差を有するＲ相とＳ相及びＴ相の交流を生成する交流発電装置において、Ｒ相交流を生成するための第１発電ユニット、Ｓ相交流を生成するための第２発電ユニット、及びＴ相交流を生成するための第３発電ユニットを備え、前記第１乃至第３発電ユニットは第１出力端が中性線に結合されると共に、第２出力端を通じてそれぞれＲ相、Ｓ相またはＴ相交流を出力し、前記第１乃至第３発電ユニットは、棒状のコア部材；電気線路が巻き取られると共に中央部分に第１中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される界磁；及び電気線路が巻き取られると共に中央部分に第２中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される電機子を備え、前記界磁と電機子との間には磁極片が備えられ、前記界磁と磁極片との間と、前記電機子と磁極片との間には絶縁板が配置され、前記第１乃至第３発電ユニットの各界磁には互いに位相差を有する界磁電流が供給されることを特徴とする。
本発明に係る非回転式交流発電装置は複数の発電ユニットを備え、各発電ユニットは互いに隣接して配置されると共に、入力側と出力側がそれぞれ直列または並列に結合される。各発電ユニットは界磁と電機子が積層配置される構造を有し、各発電ユニットは他の発電ユニットと同期して動作して複数の発電ユニットが一つの発電ユニットとして機能するようになる。本発明の交流発電装置は一つの発電ユニットで生成される磁場が他の発電ユニットに作用して相乗作用をすることで、優れた発電効率を提供する。
また、本発明に係る非回転式交流発電装置はＲ相とＳ相及びＴ相の交流を生成するための第１乃至第３発電ユニットを備え、これらの発電ユニットに対して位相差を有する界磁電流を供給するだけで三相交流を生成できるようになる。また、本発明では第１乃至第３発電ユニットに供給する界磁電流の位相を調整することで、Ｒ相とＳ相及びＴ相交流との位相差を任意に調整することができ、更に各発電ユニットの界磁と電機子の巻線比を調整する方法などで、Ｒ相とＳ相及びＴ相交流の電圧を適切に設定できるようになる。
本明細書に添付した図面は本発明の技術的構成を効率的に説明するためのものである。図面において一部の構成は本発明を効率的に理解するために簡略化するか、または誇張して描写できる。
本発明の第１実施形態に係る非回転式交流発電装置の構成例を概略的に示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る非回転式交流発電装置の他の構成例を概略的に示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る非回転式交流発電装置のまた他の構成例を概略的に示す斜視図である。 非回転式交流発電装置を構成する発電ユニット１００の構成を示す正面図である。 図４に示した発電ユニット１００の分離斜視図である。 純鉄の冷却時間による脱磁時間の特性を示すグラフである。 コア部材４０と磁極片８０を熱処理した場合の時間による冷却特性曲線を示すグラフである。 発電ユニット１００に形成される磁場の形態や第１または第２磁場の形態を模式的に示す図である。 発電ユニット１００に供給する界磁電流と、それに応じて発電ユニット１００から出力される交流電流の一例を示す波形図である。 図１に示した非回転式交流発電装置で発電ユニット１００－１、１００－２から形成される磁場の形態を模式的に示す図である。 発電ユニット１００の他の構成例を示す正面図である。 図１２は本発明の第２実施形態に係る非回転式交流発電装置の構成を示す正面図である。 非回転式交流発電装置に採用される磁極片１２０、１４０の他の構成例を示す平面図である。 非回転式交流発電装置に採用される磁極片１２０、１４０のまた他の構成例を示す平面図である。 本発明の第３実施形態に係る非回転式交流発電装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る非回転式交流発電装置の構成例を概略的に示す構成図である。 発電ユニット１００と直流源１１０との結線方式の一例を示す構成図である。 第１乃至第３発電ユニット１００－１～１００－３に供給される界磁電流と、交流発電装置から出力される三相交流の一例を示す波形図であり、図１８（ａ）は三相交流のうちＲ相の交流を生成する第１発電ユニット１００－１、図１８（ｂ）はＳ相の交流を生成する第２発電ユニット１００－２、図１８（ｃ）はＴ相の交流を生成する第３発電ユニット１００－３に供給される界磁電流の一例を示す波形図である。
前述の目的を実現するための本発明に係る非回転式交流発電装置は、交流電流を生成する非回転式交流発電装置において、互いに隣接して配置される２つ以上の発電ユニットを備え、前記発電ユニットは、棒状のコア部材；電気線路が巻き取られると共に中央部分に第１中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される界磁；及び電気線路が巻き取られると共に中央部分に第２中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される電機子を備え、前記界磁と電機子との間には磁極片が備えられ、前記界磁と磁極片との間と、前記電機子と磁極片との間には絶縁板が配置され、前記発電ユニットは入力端と出力端に対して互いに直列または並列に結線されることを特徴とする。
また、前述の目的を実現するための本発明の第１観点に係る非回転式交流発電装置は、互いに位相差を有するＲ相とＳ相及びＴ相の交流を生成する交流発電装置において、Ｒ相交流を生成するための第１発電ユニットと、Ｓ相交流を生成するための第２発電ユニットと、Ｔ相交流を生成するための第３発電ユニットとを備え、前記第１乃至第３発電ユニットは第１出力端が中性線に結合されると共に、第２出力端を通じてそれぞれＲ相、Ｓ相またはＴ相交流を出力し、前記第１乃至第３発電ユニットは、棒状のコア部材；電気線路が巻き取られると共に中央部分に第１中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される界磁；及び電気線路が巻き取られると共に中央部分に第２中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される電機子を備え、前記界磁と電機子との間には磁極片が備えられ、前記界磁と磁極片との間と、前記電機子と磁極片との間には絶縁板が配置され、前記第１乃至第３発電ユニットの各界磁には互いに位相差を有する界磁電流が供給されることを特徴とする。
また、前記コア部材の中央部分は長手方向に沿って中空を備えることを特徴とする。
また、前記コア部材と第１または第２中空部との間に絶縁材が更に配置されることを特徴とする。
また、前記絶縁板は高弾性材質で構成されることを特徴とする。
また、コア部材または磁極片は純鉄で構成されると共に、熱処理が行われることを特徴とする。
また、前記発電ユニットは他の発電ユニットと磁極片が一体に構成されることを特徴とする。
また、前記発電ユニットは他の発電ユニットと絶縁板が一体に構成されることを特徴とする。
また、前記界磁と電機子は複数が備えられ、界磁と電機子は互いに交互に配置されることを特徴とする。
また、前記複数の電機子は互いに直列に結線されることを特徴とする。
また、前記複数の界磁は第１界磁群と第２界磁群に分割され、前記第１界磁群と第２界磁群は互いに交互に駆動されて、第１磁場と第２磁場をそれぞれ形成し、前記第１磁場と第２磁場は互いに対向する方向を有することを特徴とする。
また、前記発電ユニットのうち少なくとも一方は他の発電ユニットと異なる大きさを有することを特徴とする。
また、本発明の第２観点に係る非回転式交流発電装置は、互いに位相差を有する多相交流を生成する交流発電装置において、互いに異なる位相の交流をそれぞれ生成するための複数の発電ユニットを備え、前記発電ユニットは、棒状のコア部材；電気線路が巻き取られると共に中央部分に第１中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される界磁；及び電気線路が巻き取られると共に中央部分に第２中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される電機子を備え、前記界磁と電機子との間には磁極片が備えられ、前記界磁と磁極片との間と、前記電機子と磁極片との間には絶縁板が配置され、前記複数の発電ユニットの各界磁には互いに位相差を有する界磁電流が供給されることを特徴とする。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は本発明の好ましい具現例を例示的に示すものであり、そのような実施形態の例示は本発明の権利範囲を制限するためのものではない。本発明はその技術的思想から逸脱しない範囲内で多様に変形して実施できる。
また、本発明はＲ相とＳ相及びＴ相の三相交流を含んで多相交流を生成する交流発電装置に同様に適用することができる。ただし、以下では説明の便宜上、本発明を三相交流発電装置に適用した場合を例に説明する。
図１乃至図３は本発明の第１実施形態に係る非回転式交流発電装置の構成例を示す斜視図である。本発明に係る交流発電装置は複数の発電ユニット１００：１００－１～１００－ｎを備えて構成される。図１乃至図３はそれぞれ本発明の一つ具現例であって、図１は発電ユニット１００－１、１００－２が二つ、図２は発電ユニット１００－１～１００－３が三つ、図３は発電ユニット１００－１～１００－４が４つの場合を示す図である。本発明における発電ユニット１００の数は特定の値に限定されない。各発電ユニット１００は好ましくは、円柱状に構成される。ただし、発電ユニット１００の形状は特定のものに限定されない。発電ユニット１００は三角形または四角形などを含む多角形の柱状に構成することができる。これらの発電ユニット１００は好ましくは、相互に漏電や火花が発生しない範囲内で、できるだけ隣接して配置される。そして、図面には具体的に示していないが、発電ユニット１００は入力端と出力端が電気的に直列または並列に結線される。各発電ユニット１００には入力端を通じて直流の界磁電流が供給され、発電ユニット１００はこれに基づいて交流電力を生成して出力する。
図４は前記発電ユニット１００の一構成例を示す正面図であり、図５はその分離斜視図である。図において、発電ユニット１００はベース部材３０と、このベース部材３０の中央部分に結合される棒状のコア部材４０を備える。そして、コア部材４０にはその外周面に沿って界磁１０：１０－１、１０－２と電機子２０：２０－１、２０－２、２０－３が交互に積層または結合されて、発電ユニット１００は全体的に１つの非回転式発電機を構成する。
コア部材４０は長手方向に延びる中空４１を備えることが好ましい。この中空４１は、コア部材４０の内側を通じて空気が円滑に流動できるようにすることで、コア部材４０に不適切に熱エネルギーが蓄積されることを防止するためのものである。
界磁１０及び電機子２０はそれぞれ絶縁材が被覆された導電性線路１１、２１が巻き取られて構成される。ここで、導電性線路としては、例えば、ポリウレタン（Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）銅線、ポリエステル（Ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ）銅線、ポリアミドイミド（ＰＡＩ：Ｐｏｌｙａｍｉｄｅ ｉｍｉｄｅ）銅線、ポリエステルイミド（Ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ ｉｍｉｄｅ）銅線などが好ましく採用できる。界磁１０は界磁電流を供給するための入力端１２：１２－１、１２－２を備える。電機子２０は出力端２２ａ、２２ｂに対して直列に結合され、出力端２２ａ、２２ｂから誘導電流、即ち電機子２０で生成される交流電流が引き出される。または、電機子２０は第１及び第２出力端２２ａ、２２ｂに対して直列に結合され、出力端２２ａ、２２ｂから誘導電流、即ち電機子２０で生成されるＲ相、Ｓ相またはＴ相の交流電流が引き出される。界磁１０と電機子２０の巻線比は界磁電力と出力電力によって設定され得る。更に、本発明の他の具現例として、電機子２０は出力端２２ａ、２２ｂに対して並列に結合されるか、または直列と並列の混合方式で結線されることができる。発電ユニット１００の入力端１２と出力端２２ａ、２２ｂのための結線方式は特定の方式に限定されない。
界磁１０と電機子２０は全体的に、中央部分に中空部１３、２３を備える円柱状に形成される。この時、界磁１０－１，１０－２と電機子２０－１～２０－３の内周面には好ましくは、それぞれ絶縁材１３０、２３０が被覆される。この絶縁材１３０、２３０は界磁１０－１、１０－２及び電機子２０－１～２０－３とこれらの中空部１３、２３を通して挿入されるコア部材４０との間により確実な絶縁を達成するために採用する。界磁１０及び電機子２０の形状は特定のものに限定されない。例えば、界磁１０及び電機子２０は楕円形または多角形の形状に構成することができる。なお、界磁１０及び電機子２０の中空部１３、２３の形状及びコア部材４０の形状は特定のものに限定されない。これらは互いに対応する形状になって、コア部材４０と界磁１０及び電機子２０を最大限に近接して配置できるように構成される。
第１界磁１０－１と第２界磁１０－２は互いに対向する方向の磁場を生成する。例えば、第１界磁１０－１は第１磁場を生成し、第２界磁１０－２は第２磁場を生成するように構成または結線される。このために、第１界磁１０－１と第２界磁１０－２は線路１１の巻き取り方向が互いに反対方向になっている。更に、他の好ましい具現例で、第１界磁１０－１と第２界磁１０－２は線路１１の巻き取り方向を含んで実質的に同一の構成からなる。第１界磁１０－１の入力端１２－１に供給される界磁電流と第２界磁１０－２の入力端１２－２に供給される界磁電流の電流方向は互いに反対方向に設定される。第１及び第２界磁１０－１、１０－２に界磁電流を供給する電流源としては同一のものを採用してもよいし、異なるものを採用してもよい。
第１乃至第３電機子２０－１～２０－３は実質的に互いに同一の構成からなると共に、互いに直列または並列に結合されて全体的には１つの電機子として機能するようになる。本例において第１乃至第３電機子２０－１～２０－３はいずれも線路１１が同一方向に巻き取られ、第１電機子２０－１の一方の出力端が連結線２０１を通じて第２電機子２０－２の他方の出力端に電気的に連結され、第１電機子２０－１の他方の出力端は連結線２０２を通じて第３電機子２０－３の一方の出力端に電気的に連結される。より明確に、第１乃至第３電機子２０－１～２０－３は同一方向の磁場に対して全て同一方向に誘導電流の流れが発生するように構成及び結合される。そして、第２電機子２０－２の一方の出力端２２ａと第３電機子２０－３の他方の出力端２２ｂが発電ユニット１００の出力端又は第１及び第２出力端を構成するようになる。
界磁１０と電機子２０との間にはそれぞれ磁極片８０が備えられる。また、好ましくは、最上側及び最下側に設けられた電機子または界磁、即ち、本例においては、第２電機子２０－２の上側及び第３電機子２０－３の下側にもそれぞれ磁極片８０が備えられる。そして、磁極片８０と界磁１０との間と、磁極片８０と電機子２０との間にはそれぞれ絶縁板９０が備えられる。この時、磁極片８０の横断面形状及び大きさは界磁１０－１、１０－２及び電機子２０－１～２０－３のものと同様に設定される。なお、図面には具体的に示していないが、絶縁板９０の横断面形状及び大きさは安定した絶縁のために界磁１０及び電機子２０よりも大きく設定される。
絶縁板９０の材質は特定のものに限定されない。界磁１０で生成される磁場を電機子２０に最も有効に作用させるためには界磁１０と電機子２０との離隔距離を最小限に縮小するか、または好ましくはそれらを密着させる必要がある。絶縁板９０は界磁１０又は電機子２０と磁極片８０との間、又は界磁１０と電機子２０との間に漏れ電流が発生したり、火花が発生したりすることを防止し、界磁１０と電機子２０をできるだけ近接させるようにする。
また、本発明の好ましい具現例において、絶縁板９０の材質としては、例えばＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）などのように、弾性係数が高く耐衝撃性に優れた材質が採用される。後述するように、コア部材４０と磁極片８０は界磁１０で生成される磁場の磁路を提供して、界磁１０で生成される磁場が電機子２０を全体的に鎖交しながら循環するようにする。
前述したように、第１界磁１０－１と第２界磁１０－２はそれぞれ互いに対向する方向を有する第１磁場及び第２磁場を生成する。従って、このような第１及び第２磁場がコア部材４０と磁極片８０を通じて循環する際、コア部材４０と磁極片８０は磁化及び脱磁が交互に、且つ繰り返し行われるようになる。そして、このような磁化及び脱磁はコア部材４０、特に磁極片８０に衝撃を与えて磁極片８０に微細な振れや振動などを誘発する恐れがある。コア部材４０と磁極片８０に振動などが発生すると、これを通じて循環する磁路に瞬間的な変形や歪みが発生して電機子２０－１～２０－３に鎖交する磁場に変化が発生する。これは結果的に、電機子２０－１～２０－３で生成される誘導電流に望まない変化を発生する恐れがある。絶縁板９０は高弾性で磁極片８０の振れや振動を相殺してこれを最小化することで、電機子２０－１～２０－３を通じて生成される交流電流の流れが不要に歪むことを防止するようになる。
前述したように、コア部材４０と磁極片８０は界磁１０で生成される磁場の円滑な流れのために提供される。コア部材４０及び／または磁極片８０の材質としては、強磁性材料、好ましくは透磁率が高く、保磁力の低いシリコン鋼を採用することができる。ただし、ケイ素鋼は電気伝導度が比較的低く、外部から加えられる光や熱によって内部抵抗値が容易に増加する。コア部材４０と磁極片８０はこれを通じて磁路が形成される際、磁場の変動に対応して自体的に電流の流れが発生する恐れがある。この時、コア部材４０と磁極片８０の電気伝導度に反比例して熱が発生する。即ち、界磁１０で生成される磁気エネルギーが熱エネルギーに失われる問題が生じる。
本発明の他の好ましい具現例において、コア部材４０及び／または磁極片８０の材料としては純鉄、より好ましくは熱処理された純鉄が採用される。純鉄は透磁率が高く電気伝導度に優れるのに対し、保磁力が比較的高い。コア部材４０と磁極片８０には第１界磁１０－１及び第２界磁１０－２で生成される第１及び第２磁場が交互に加えられるため、その材質としてはなるべく速い脱磁時間、即ち低い保磁力を有することが要求される。本発明者が研究したところによれば、純鉄を一定温度以上に加熱した後、徐々に冷却させると、その冷却時間に対応して脱磁時間（ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ）が短縮される。図６は純鉄の冷却時間による脱磁時間の特性を示すグラフである。研究の結果、一定温度以上に加熱された純鉄の温度を１０時間以上の十分な時間の間に徐々に冷却させると、その脱磁時間を１／４５０（秒）以下に短縮できることを確認した。また、これと共に純鉄の冷却時間を遅らせると、透磁率と電気伝導度がより向上する付随的な効果が得られる。
本発明では、まず、純鉄を用いてコア部材４０と磁極片８０を製造した後、熱処理を行う。熱処理は例えば、黒炭や白炭などの固体燃料、好ましくは白炭を用いて行われる。即ち、熱処理時にはコア部材４０と磁極片８０を白炭と共に窯に入れ、白炭を燃焼させてコア部材４０と磁極片８０を１０００～１３００度以上に加熱する。そして、コア部材４０と磁極片８０をそのまま一緒に常温で放置して、白炭が自然に燃焼及び消火される。その後、コア部材４０及び磁極片８０が白炭と共に自然に冷却されるようになる。このようにすると、白炭が燃焼及び消火される過程でコア部材４０及び磁極片８０の温度が徐々に降下する。その後、白炭の潜熱によりコア部材４０及び磁極片８０が常温に冷却されるまで相当な時間が掛かる。図７は前述した方法で熱処理されるコア部材４０と磁極片８０との時間による冷却特性曲線を示すグラフである。そして、熱処理が終了した後にはコア部材４０及び磁極片８０から白炭材などの不純物を除去し、最終的にはオイルなどでさび止め処理を行うようになる。
図４及び図５において、発電ユニット１００を組み立てる場合には、まずベース部材３０にコア部材４０を締結する。続いて、コア部材４０の外側に磁極片８０と絶縁板９０を挿入しながら、順次電機子２０－１～２０－３と界磁１０－１、１０－２を交互に積層する。その後、蓋６０と締結部材７０を結合するようになる。そして、最終的に連結線２０１，２０２を用いて第１及び第２界磁１０－１，１０－２と第１乃至第３電機子２０－１～２０－３との間に結線を行うことで、発電ユニット１００を完成するようになる。
前記発電ユニット１００は界磁電流を供給するための第１及び第２入力端１２－１、１２－２と、交流が出力される出力端２２ａ、２２ｂを備える。本発電ユニット１００を駆動する場合には、前記第１及び第２入力端１２－１，１２－２を通じて交互に第１及び第２界磁電流を供給して第１界磁１０－１と第２界磁１０－２を選択的に、且つ交互に駆動するようになる。第１または第２界磁１０－１、１０－２の線路１１を通じて界磁電流が流れると、その線路１１の巻き取り方向または電流の流れ方向に対応して垂直方向に磁場が形成される。第１界磁１０－１によって生成される磁場を第１磁場、第２界磁１０－２によって生成される磁場を第２磁場とする時、第１磁場と第２磁場はその磁場方向が互いに対向するようになる。磁場が形成される方向はアンペアの右ねじの法則（Ａｍｐｅｒｅ’ｓ ｒｉｇｈｔ ｈａｎｄ ｓｃｒｅｗ ｒｕｌｅｓ）で定義することができる。
図８は発電ユニット１００で形成される磁場の形態や第１または第２磁場を模式的に示す図である。発電ユニット１００で第１または第２界磁１０－１、１０－２を通じて界磁電流が流れると、前記アンペアの法則によって第１または第２界磁１０－１、１０－２で磁場が形成される。このようにして形成された磁場は磁極片８０とコア部材４０を通じて流れるようになる。これにより、第１または第２磁場は図８に示したように、発電ユニット１００の上下側を全体的に貫通しながら流れるようになる。第１及び第２磁場は電機子２０－１～２０－３の線路２１に対して垂直方向に鎖交する。そして、電機子２０－１～２０－３の線路２１には磁場の方向と線路２１の巻き取り方向に対応して一定方向に電流の流れが発生する。この時、誘導電流の大きさは磁場の強度とその変化量に対応するようになる。第１磁場と第２磁場が交番する度に、電機子２０－１～２０－３線路には第１又は第２磁場が鎖交するようになり、誘導電流の流れは第１及び第２磁場が交番することに対応して、その方向が変更される。電機子２０－１～２０－３の出力端２２から引き出される交流電源の周波数は界磁電流の交互周期によって決定される。
図９は発電ユニット１００に供給する界磁電流と、それに応じて発電ユニット１００から出力される交流電流の一例を示す波形図である。図９において、Ａは第１入力端１２－１に供給される第１界磁電流、Ｂは第２入力端１２－２に供給される第２界磁電流の一例を示し、Ｏは発電ユニット１００の出力端２２ａ、２２ｂを通じて出力される出力交流電流の一例を示す。図９において出力交流電流Ｏの波形は交流発電機から出力される交流出力の１つの典型的な一例を示したもので、その出力波形は第１及び第２界磁電流Ａ、Ｂの電流大きさ及びパルス幅によって様々な形態に変形されるようになる。
図１乃至図３において、本発明に係る非回転式交流発電装置は複数の発電ユニット１００－１～１００－ｎを備えて構成される。前述したように、発電ユニット１００－１～１００－ｎの各入力端１２－１、１２－２には界磁電流が供給され、発電ユニット１００－１～１００－ｎの出力端２２ａ、２２ｂは互いに直列または並列に結合される。発電ユニット１００には界磁電流を供給するために１つ以上の電流源が結合される。発電ユニット１００－１～１００－ｎに備えられる第１界磁１０－１及び第２界磁１０－２は直流源に直列又は並列に結合される。また、第１界磁１０－１と第２界磁１０－２の交互駆動とその交互周期の調整のために、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング手段を備えることができ、界磁電流のパルス幅制御ために、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御手段を備えることができる。スイッチング手段及びＰＷＭ制御手段を通じた第１及び第２界磁電流の供給及び制御については特許文献１に詳細に記載されている。
発電ユニット１００－１～１００－ｎは同期して駆動される。即ち、各発電ユニット１００の第１界磁１０－１と第２界磁１０－２は同一の交互周期を有して駆動される。もちろん、１つの発電ユニット１００と他の発電ユニット１００は同一の駆動周期内で界磁１０を駆動するためのデューティ比が互いに異なるように設定されることができる。
図１０は非回転式交流発電装置で生成される全体的な磁場の流れを模式的に示す図であり、これは図１に対応するものである。この図において、第１発電ユニット１００－１と第２発電ユニット１００－２が同期して駆動される。即ち、第１発電ユニット１００－１の第１界磁１０－１と第２発電ユニット１００－２の第１界磁１０－１は同一の駆動区間を有し、第１発電ユニット１００－１の第２界磁１０－２と第２発電ユニット１００－２の第２界磁１０－２は同一の駆動区間を有する。これにより、第１発電ユニット１００－１と第２発電ユニット１００－２で生成される磁場は同一の磁路を有するようになる。前述したように、第１及び第２発電ユニット１００－１、１００－２は隣接して配置される。従って、第１発電ユニット１００－１で発生する第１または第２磁場と第２発電ユニット１００－２で生成される第１または第２磁場は互いに重畳されて、第１発電ユニット１００－１と第２発電ユニット１００－２は、全体的に１つの発電ユニットとして機能するようになる。
個別の発電ユニット１００はそれ自体的に備える第１または第２界磁１０－１、１０－２によって生成される磁場に対応する誘導電流を生成するようになる。ところで、図１及び図１０のように、同期的に駆動される第１発電ユニット１００－１と第２発電ユニット１００－２を隣接して配置すると、第１又は第２発電ユニット１００－１、１００－２はそれぞれ隣接した発電ユニットで生成される磁場によって追加的に誘導電流が生成されるようになる。即ち、個別に設けられた第１及び第２発電ユニット１００－１、１００－２で生成される電流量に比べて隣接して配置される第１及び第２発電ユニット１００－１、１００－２で生成される誘導電流量がより大きくなる。このような誘導電流の増加は図２及び図３のように、発電ユニット１００の数が増加するにつれて大きくなる。
図１１は発電ユニット１００の他の構成例を示す正面図である。本実施形態においては、ベース部材３０にコア部材４０が締結され、コア部材４０には複数の界磁１０－１～１０－ｎと複数の電機子２０－０～２０－ｎが絶縁板９０と磁極片８０を介して交互に積層結合される。この時、電機子２０－０～２０－ｎは図４と同様に、同一の磁場に対して同一方向の誘導電流を生成できるように構成及び結合される。
これに対して、界磁１０－１～１０－ｎはｎ個の界磁のうち、ｎ／２個の界磁が第１界磁群を構成し、残りのｎ／２個の界磁が第２界磁群を構成する。好ましくは、奇数番目の界磁１０－１、１０－３、…、１０－（ｎ－１）が第１界磁群を構成し、偶数番目の界磁１０－２、１０－４、…、１０－ｎが第２界磁群を構成する。この時、各界磁群の構成は前述したように各界磁を構成する線路の巻き取り方向を適切に設定するか、またはこれらの界磁に供給される界磁電流の結線方法を適切に設定する方法によって行うことができる。第１界磁群と第２界磁群はそれぞれ同期して駆動され、第１界磁群と第２界磁群は互いに交互に駆動されることで、全体的に界磁１０－１～１０－ｎは互いに対向する方向の第１磁場と第２磁場を形成するようになる。第１界磁群と第２界磁群を構成する界磁は様々な方式で結線されることができる。第１界磁群及び第２界磁群はそれぞれ入力端が互いに直列に結線され、第１界磁群及び第２界磁群はそれぞれ１つの界磁電流入力に対して直列に結線されることができる。また、第１界磁群及び第２界磁群はそれぞれ１つの界磁電流入力に対して並列に結線されることができる。そして、界磁１０－１～１０－ｎに界磁電流を供給するために複数の電流源を備え、この電流源に対応して第１または第２界磁群が複数のサブ界磁群に分割され、それぞれのサブ界磁群は電流源に対してそれぞれ直列または並列に結合されることができる。界磁１０－１～１０－ｎの結線方式とそのための電流源の数は特定されず、交流発電機を通じて生成しようとする出力電力量によって適宜選択することができる。
本実施形態は界磁１０－１～１０－ｎと電機子２０－０～２０－ｎを複数備え、必要に応じて様々な交流電力を生成できるようにしたものである。なお、その他の部分は前述した実施形態と実質的に同一であるため、前述した実施形態と同一部分には同一の参照番号を付し、その具体的な説明を省略する。
図１２は本発明の第２実施形態に係る非回転式交流発電装置の構成を示す正面図である。本実施形態において、複数の発電ユニット１００、本例では第１発電ユニット１００－１と第２発電ユニット１００－２は下部が単一のベース部材３０に結合されると共に、上部は磁極片１２０によって互いに結合される。即ち、交流発電装置を構成する複数の発電ユニット１００は磁極片１２０を通じて一体的に結合される。
図１３は図１の交流発電装置に採用される磁極片１２０の構成を示す平面図である。図において、磁極片１２０は第１発電ユニット１００－１のための第１磁極片部１２１と第２発電ユニット１００－２のための第２磁極片部１２２が一体に結合されて構成され、第１磁極片部１２１と第２磁極片部１２２の中央部分にはそれぞれ第１及び第２発電ユニット１００－１、１００－２のコア部材４０が挿入される貫通孔１２３が備えられる。
また、図１４は図２の交流発電装置に採用される磁極片１４０の構成を示す平面図である。図１４において、磁極片１４０は第１発電ユニット１００－１のための第１磁極片部１４１と、第２発電ユニット１００－２のための第２磁極片部１４２、及び第３発電ユニット１００－３のための第３磁極片部１４３が一体に結合されて構成され、第１乃至第３磁極片部１４１～１４３の中央部分はそれぞれ第１乃至第３発電ユニット１００－１～１００－３のコア部材４０が挿入される貫通孔１２３を備える。
本実施形態において磁極片１２０、１４０の形状は特定されず、交流発電装置の構成によって適宜変更することができる。本実施形態において交流発電装置を構成する複数の発電ユニットは磁極片を通じて互いに結合される。従って、外部に振動や衝撃が加えられる場合に発電ユニットが流動することを最小限に抑えることができる。また、磁極片１２０、１４０は各発電ユニット１００の間空間を通じて互いに結合されるので、磁極片１２０、１４０は発電ユニット１００の間空間を通じた磁場の流れをより安定化する効果を提供することができる。なお、その他の部分は前述した実施形態と実質的に同一である。
図１６は本発明に係る非回転式交流発電装置の構成例を示す正面図である。図において非回転式交流発電装置は第１乃至第３発電ユニット１００－１～１００－３を備える。これらの発電ユニット１００－１～１００－３はそれぞれＲ相、Ｓ相及びＴ相の交流を生成するためのものである。発電ユニット１００－１～１００－３はそれぞれ第１及び第２入力端１２－１、１２－２と第１及び第２出力端２２ａ、２２ｂを備える。この時、第１及び第２入力端１２－１、１２－２は直流源に適宜結合される。発電ユニット１００－１～１００－３と直流源との結合についてはより具体的に後述する。また、発電ユニット１００－１～１００－３の第１出力端２２ａは中性線Ｎに結合され、第２出力端２２ｂからそれぞれＲ相、Ｓ相及びＴ相の交流が出力される。
図１６において非回転式交流発電装置はそれぞれＲ相、Ｓ相及びＴ相の交流を生成するための第１乃至第３発電ユニット１００－１～１００－３を備える。これらの発電ユニット１００－１～１００－３は互いに異なる位相を有する界磁電流または界磁パルスによって駆動される。図１８は第１乃至第３発電ユニット１００－１～１００－３に供給される界磁電流と、交流発電装置から出力される三相交流の一例を示す波形図であって、図１８（ａ）は三相交流のうちＲ相の交流を生成する第１発電ユニット１００－１、図１８（ｂ）はＳ相の交流を生成する第２発電ユニット１００－２、図１８（ｃ）はＴ相の交流を生成する第３発電ユニット１００－３に供給される界磁電流の一例を示すものである。なお、図においてＲＡ、ＳＡ及びＴＡは第１界磁１０－１に印加される界磁電流を示し、ＲＢ、ＳＢ及びＴＢは第２界磁１０－２に供給される界磁電流を示す。図１８（ｄ）に示したように、三相交流はＲ相とＳ相及びＴ相を有する３つの交流を含み、これらは互いに１２０度の位相差を有するようになる。前述したように、本発明において発電ユニット１００は入力される界磁電流、または界磁パルスによって駆動される。この時、発電ユニット１００で生成される交流電流の周波数と位相は界磁パルスの周期及び位相によって決定される。従って、図１８に示したように、第１乃至第３発電ユニット１００－１～１００－３に対して相互に１２０度の位相差を有する界磁パルスをそれぞれ供給すると、第１乃至第３発電ユニット１００－１～１００－３を通じてＲＳＴ三相交流を生成することができるようになる。
前述した実施形態においては、Ｒ相とＳ相及びＴ相の交流を生成するための第１乃至第３発電ユニット１００－１～１００－３を備える。そして、これらのユニット１から生成される交流電流の位相はこれらの発電ユニットに供給される界磁電流または界磁パルスの位相を調整することで適切に設定できるようになる。また、前述した実施形態において、各発電ユニット１００－１～１００－３は界磁１０と電機子２０の巻線比を調整する方式を通じて、その発電ユニット１００－１～１００－３から出力される交流の電圧を適切に設定するできるようになる。
図１７は発電ユニット１００と直流源１１０との結線方式の一例を示す構成図である。図において、第１界磁１０－１は第１入力端１２－１の一方が直流源１１０の正（＋）端に結合されると共に、他方が第１スイッチング部１２０を通じて直流源１１０の負（－）端に結合され、第２界磁１０－２は第２入力端１２－２の他方が直流源１１０の正（＋）端に結合されると共に、一方が第２スイッチング部１３０を通じて直流源１１０の負（－）端に結合される。即ち、第１界磁１０－１と第２界磁１０－２は直流源１１０に逆方向に結合される。従って、第１界磁１０－１と第２界磁１０－２には逆方向に界磁電流が供給される。これにより、第１界磁１０－１と第２界磁１０－２で生成される磁場は互いに対向する方向に形成される。前記第１及び第２スイッチング部１２０、１３０はＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御部１４０により制御される。ＰＷＭ制御部１４０は第１及び第２スイッチング部１２０、１３０を交互に駆動して第１界磁１０－１と第２界磁１０－２を交互に駆動すると共に、第１界磁１０－１及び第２界磁１０－２に対する界磁電流のパルス幅、即ちデューティ比を制御することで、発電ユニット１００の交流出力を制御するようになる。
ＰＷＭ制御部１４０が第１または第２スイッチング部１２０、１３０を駆動して第１または第２界磁１０－１、１０－２の線路１１を通じて界磁電流が流れると、その線路１１の電流の流れ方向に対応して垂直方向に磁場が形成される。第１界磁１０－１によって生成される磁場を第１磁場、第２界磁１０－２によって生成される磁場を第２磁場とする時、第１磁場と第２磁場はその磁場方向が互いに対向するようになる。磁場が形成される方向はアンペアの右ねじの法則（Ａｍｐｅｒｅ’ｓ ｒｉｇｈｔ ｈａｎｄ ｓｃｒｅｗ ｒｕｌｅｓ）で定義することができる。
以上、本発明に係る実施形態について説明した。しかし、本発明は前記実施形態に限定されず、多様に変形して実施することができる。例えば、前述した実施形態においては発電ユニット１００を構成する界磁１０と電機子２０が１つずつ順次交互に設けられることについて説明した。しかしながら、本発明は例えば、２つの連続した界磁と１つの電機子を交互に設けるなど、様々な方式で変形して実施することができる。
また、前述した実施形態においては交流発電装置が同一の大きさ及び構成を有する複数の発電ユニットを組み合わせて構成することについて説明した。しかし、本発明は図１５に示したように、互いに異なる大きさを有する第１及び第２発電ユニット１５０、１５１を組み合わせて構成することも好ましく適用して実施することができる。
また、前述した実施形態においては複数の発電ユニット１００を磁極片１２０、１４０を通じて結合することについて説明した。しかし、発電ユニット１００は磁極片１２０、１４０の以外に、絶縁板９０や上蓋６０を通じて結合する方式も好ましく採用できる。
また、前述した実施形態においてＲ相とＳ相及びＴ相の交流を生成する各発電ユニット１００－１～１００－３は複数の発電ユニットで構成することができる。そして、この時複数の発電ユニットはその第１及び第２出力端２２ａ、２２ｂが互いに直列または並列に結合されるようになる。
また、前述した実施形態においては本発明を三相交流発電装置について説明したが、本発明は多相多線式の交流発電装置に対して同様に適用して実施することができる。
本発明に係る非回転式交流発電装置は複数の発電ユニットを備え、各発電ユニットは互いに隣接して配置されると共に、入力側と出力側がそれぞれ直列または並列に結合される。各発電ユニットは界磁と電機子が積層配置される構造を有し、各発電ユニットは他の発電ユニットと同期して動作して複数の発電ユニットが一つの発電ユニットとして機能するようになる。本発明の交流発電装置は一つの発電ユニットで生成される磁場が他の発電ユニットに作用して相乗作用をすることで、優れた発電効率を提供する。
また、本発明に係る非回転式交流発電装置はＲ相とＳ相及びＴ相の交流を生成するための第１乃至第３発電ユニットを備え、これらの発電ユニットに対して位相差を有する界磁電流を供給するだけで三相交流を生成できるようになる。また、本発明では第１乃至第３発電ユニットに供給する界磁電流の位相を調整することで、Ｒ相とＳ相及びＴ相交流との位相差を任意に調整することができ、更に各発電ユニットの界磁と電機子の巻線比を調整する方法などで、Ｒ相とＳ相及びＴ相交流の電圧を適切に設定できるようになる。

Claims (12)

  1. 交流電流を生成する非回転式交流発電装置において、
    互いに隣接して配置される２つ以上の発電ユニットを備え、
    前記発電ユニットは、
    棒状のコア部材；
    電気線路が巻き取られると共に中央部分に第１中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される界磁；及び
    電気線路が巻き取られると共に中央部分に第２中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される電機子を備え、
    前記界磁と電機子との間には磁極片が備えられ、
    前記界磁と磁極片との間と、前記電機子と磁極片との間には絶縁板が配置され、
    前記発電ユニットは入力端と出力端に対して互いに直列または並列に結線され、前記発電ユニットは他の発電ユニットと磁極片が一体に構成され、
    前記発電ユニットは他の発電ユニットと絶縁板が一体に構成される
    ことを特徴とする非回転式交流発電装置。
  2. 互いに位相差を有するＲ相とＳ相及びＴ相の交流を生成する交流発電装置において、
    Ｒ相交流を生成するための第１発電ユニット、
    Ｓ相交流を生成するための第２発電ユニット、及び、
    Ｔ相交流を生成するための第３発電ユニットを備え、
    前記第１乃至第３発電ユニットは第１出力端が中性線に結合されると共に、第２出力端を通じてそれぞれＲ相、Ｓ相またはＴ相交流を出力し、
    前記第１乃至第３発電ユニットは、
    棒状のコア部材；
    電気線路が巻き取られると共に中央部分に第１中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される界磁；及び、
    電気線路が巻き取られると共に中央部分に第２中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される電機子を備え、
    前記界磁と電機子との間には磁極片が備えられ、
    前記界磁と磁極片との間と、前記電機子と磁極片との間には絶縁板が配置され、
    前記第１乃至第３発電ユニットの各界磁には互いに位相差を有する界磁電流が供給され、
    前記第１乃至第３発電ユニットにおいて各発電ユニットは他の発電ユニットと磁極片が一体に構成される
    ことを特徴とする非回転式交流発電装置。
  3. 前記コア部材の中央部分は長手方向に沿って中空を備える
    請求項１または２に記載の非回転式交流発電装置。
  4. 前記コア部材と第１または第２中空部との間に絶縁材が更に配置される
    請求項１または２に記載の非回転式交流発電装置。
  5. 前記絶縁板は高弾性材質で構成される
    請求項１または２に記載の非回転式交流発電装置。
  6. 前記コア部材または磁極片は純鉄で構成されると共に、熱処理が行われる
    請求項１または２に記載の非回転式交流発電装置。
  7. 前記界磁と電機子は複数が備えられ、界磁と電機子は互いに交互に配置される
    請求項１に記載の非回転式交流発電装置。
  8. 前記界磁と電機子は複数が備えられ、界磁と電機子は互いに交互に配置される
    請求項２に記載の非回転式交流発電装置。
  9. 前記複数の電機子は互いに直列に結線される
    請求項７または８に記載の非回転式交流発電装置。
  10. 前記複数の界磁は第１界磁群と第２界磁群に分割され、
    前記第１界磁群と第２界磁群は互いに交互に駆動されて、第１磁場と第２磁場をそれぞれ形成し、
    前記第１磁場と第２磁場は互いに対向する方向を有する
    請求項７または８に記載の非回転式交流発電装置。
  11. 前記発電ユニットのうち少なくとも一方は他の発電ユニットと異なる大きさを有する
    請求項１に記載の非回転式交流発電装置。
  12. 互いに位相差を有する多相交流を生成する交流発電装置において、
    互いに異なる位相の交流をそれぞれ生成するための複数の発電ユニットを備え、
    前記発電ユニットは、
    棒状のコア部材；
    電気線路が巻き取られると共に中央部分に第１中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される界磁；及び、
    電気線路が巻き取られると共に中央部分に第２中空部が形成され、第１中空部を通じて前記コア部材の外側に配置される電機子を備え、
    前記界磁と電機子との間には磁極片が備えられ、
    前記界磁と磁極片との間と、前記電機子と磁極片との間には絶縁板が配置され、
    前記複数の発電ユニットの各界磁には互いに位相差を有する界磁電流が供給され、
    前記複数の発電ユニットにおいて各発電ユニットは他の発電ユニットと磁極片が一体に構成され、
    前記発電ユニットは他の発電ユニットと絶縁板が一体に構成される
    ことを特徴とする非回転式交流発電装置。
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