JPH0468854B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は単極回転電機に係り、特に高速、大電
流集電を可能にする単極回転電機に関する。

〔従来技術〕

最近、原子力、プラズマ、MHDなどの研究で
強磁場が必要となり、これに対応する直流電源と
して単極発電機が脚光を浴びてきた。これは、交
流電源から変換器を通して直流を得る方式に比較
して、直接に直流を得ることができ高効率である
こと、また構造が単純であるためパルス電源など
としての過度的使用に対しても機械的に強固で過
負荷耐力にすぐれているなどの特徴があるからで
ある。しかし、単極機は、低電圧大電流の直流機
として、その原理は1830年代の昔から知られてい
たものであるが、その歴史が古い割に実用の実績
が少ないのは、高速回転面から大電流を効率よく
安定に集電することが困難であることに起因して
いる。

これを従来例に基づいて説明する。すなわち、
第１図は従来の単極機の構造を軸方向断面で示す
が、半径方向の放射状磁束により軸方向に電圧を
誘導させる円筒形タイプの単極機の例を取つて示
している。単極機の固定子は励磁巻線１、鉄心ヨ
ーク２、リターン導体３、集電ブラシ４及び出力
端子５などで構成され、回転子は軸受６で支持さ
れた円筒状回転導体７で構成されている。図に於
いて、励磁巻線１を直流励磁すると矢印方向に一
定量の磁束Φを生ずる。この磁気回路の途中に設
けたエアギヤツプの中を円筒状回転導体７を回転
すると、電磁誘導の法則に従つて一定方向の磁束
を一定方向に切つて運動する円筒状回転導体７に
は、一定方向の起電力、すなわち直流電圧ｅを発
生する。しかし、円筒状回転導体７の中央部と両
端では磁束Φの円筒状回転導体７に対する向きが
異なるので、図示のように誘起する直流電圧ｅの
極性が異なる。このため、出力電流を固定子側
のリターン導体３及び出力端子５を介して外部に
取出すためには、必然的に誘起した直流電圧が打
消されないように、集電ブラシ４を周速の大きい
円筒状回転導体７の外周部に配置し、円筒状回転
導体７の胴部（発電部）に誘起する電圧（ｅ＋
ｅ）を取り出すことになる。

一般に、単極機の誘起電圧ｅは磁束鎖交数Φ
（Wb）、回転数Ｎ（rpm）とすればｅ＝Ｎ／60Φ（Ｖ） で与えられ、大容量化を計るためには磁束量Φと
回転数Ｎを増大することが絶対条件となり、高周
速面での集電が不可避となる。

近年、従来の炭素ブラシを用いたものから、
NaKなどの液体金属ブラシを用いた集電法の適
用や、単極磁束を発生する励磁巻線の超電導化な
どによつて、従来よりは高速回転、高効率の集電
を行ないうるようになつてきたが、本質的に集電
は高周速回転部で行なわざるを得ず、単極機の大
容量化の大きな障害となつていることに変りはな
い。

また、単極機の心臓部である集電装置が機内に
あるため、外部からの監視がむずかしく、保守、
点検の面でも不都合がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点をな
くし、集電ブラシを低周速位置に配置して、集電
ブラシの回転集電部に対する摺動速度を増大する
ことなく高速、大容量化が可能な単極回転電機を
提供することにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するために、本発明は、集電装
置を回転発電部に比べて小径の回転整流子と固定
ブラシより構成するとともに、回転発電部と回転
整流子の各整流子片との間をライザで接続し、単
極磁束をこのライザ部分を通して回転発電部に導
き、かつライザ部分を通過する単極磁束の密度が
周方向において交互に疎密になるようにし、さら
に単極磁束の密度が疎の位置を通過するときのラ
イザを通して低周速位置にある集電装置により高
周速位置にある回転発電部で誘起された直流起電
力を外部に導出するように構成したことを特徴と
する。

〔本発明の実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に
説明する。

第２図は本発明の一実施例に係る単極回転電機
の一部破断斜視図、第３図および第４図は第２図
のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線における断面図であ
る。

固定子は、単極磁束Φを両側で発生する励磁巻
線１、この単極磁束Φの固定子側磁気回路を形成
する鉄心ヨーク２、出力電流Ｉを取出すための集
電ブラシ４、更に外部に出力電流Ｉを導出するた
めの円筒状リターン導体３や出力端子５で構成さ
れている。

一方、回転子は前記２つの励磁巻線１から半径
方向の各放射状磁束Φにより軸方向に電圧を誘起
する中空円筒導体７と、この両端側面を半径方向
に放射状に伸びる互いに絶縁されたライザ８と、
中空円筒導体７より径方向寸法の小さいシヤフト
９上に絶縁物１１を介して取付けられ、かつ各ラ
イザ８とそれぞれ電気的に接続された各整流子片
１０ａを周方向に互いに絶縁状態で配置してなる
整流子１０とから構成されている。

ここで、電機の両軸端で固定子から回転子に磁
束Φが移る所の鉄心ヨーク２の内径先端部では径
方向と軸方向に突起した歯部２ａを集電ブラシ４
を囲むように周方向に交互に設けてある。また、
この突起歯部２ａと突起なし溝部２ｂとは電機の
両端の鉄心ヨーク２で互いに歯部は歯部、溝部は
溝部と軸上で対応する構造となつている。すなわ
ち、歯部２ａの間にできる溝部２ｂ位置に集電ブ
ラシ４が配置され、集電ブラシ４と整流子１０が
摺接し、リターン導体３や出力端子５を介して外
部負荷に対する電気回路が形成されている。一
方、歯部２ａと対応した位置では、集電ブラシ４
が整流子１０と接触せず電気回路的には開放の状
態にある。

このような構成に於いて、直流励磁された励磁
巻線１からの単極磁束Φは、まず固定子鉄心ヨー
ク２の先端に於いては、前記歯部２ａと溝部２ｂ
では磁気抵抗に差があることから、磁気抵抗の小
さい歯部２ａを介して回転子側に移動する。すな
わち、回転子ライザ８側から見ると磁束洩れのな
い理想的な場合は周方向に単極磁束の存在する所
と零の所が周期的に分布することになる。このラ
イザ部での磁束分布と前述の構成によつて直流出
力が得られる原理を第５図ａ〜ｃで説明すると次
のようになる。

第５図ａ〜ｃはライザ位置に対応する中空円筒
導体部の磁束密度分布およびライザ部の磁束密度
分布と、第２図の実施例における回転子側の中空
円筒導体７、ライザ８および整流子１０を平面的
に、かつ固定子側の集電ブラシ４を介して負荷側
に電流を取り出している状況をそれぞれ示してい
る。

回転子の矢印方向への回転に伴ない、歯部２ａ
からの磁束はその位置にあるライザ８ａを切り、
該ライザ８ａには矢印方向に電圧erを誘起し、さ
らに中空円筒導体７を切り、電圧ｅを誘起する。
これらの電圧er，ｅはフレミングの法則に従つて
図示の矢印方向に発生する。ライザ８ａでの磁束
密度Brは磁束の連続性から中空円筒導体７での
磁束密度Ｂとは異なるため、電圧erの大きさは一
般に電圧ｅとは異なり、歯部２ａの形状に依存す
る大きさとなる。一方、溝部２ｂに対応した位置
のライザ８ｂでは磁束がないので、電圧erの発生
はない。

以上は、１つの励磁巻線によつて電圧を発生す
る原理を示したが、もう一方の励磁巻線によつて
も同様に、反対側軸端のライザ８ａと前記中空円
筒導体７に電圧erとｅを図示の方向に発生させ
る。したがつて、中空円筒導体７には２ｅの直流
電圧が発生し、歯部２ａに対応した両端のライザ
８ａには、上記電圧ｅと逆方向のいわゆる逆起電
力erがそれぞれ発生し、両端の整流子１０に対し
ては２ｅ−２erの電圧となるが、このライザ８ａ
と整流子片１０ａの部分は集電ブラシ４と接触し
ていないため、外部に対する出力電圧とはならな
い。一方、溝部２ｂに対応した位置に設けられ、
かつ外部回路と接続されている両軸端の集電ブラ
シ４間には、該ライザ８ｂで電圧が発生しないの
で、中空円筒導体７に誘起された電圧２ｅが直
接、外部に出力電圧として取り出すことができ
る。

このように、単極磁束による逆起電力erを非集
電ライザ８ａだけに発生させることにより、中空
円筒導体７より外径寸法が小さく低周速の整流子
１０から集電することが可能となる。

すなわち、本実施例によれば、発電部である中
空円筒導体７は高速回転して高電圧を誘起させ、
集電は中空円筒導体７より低周速の整流子１０と
これに摺接する集電ブラシ４とで行ない得るた
め、大容量化に対して根本的な問題であつた高周
速面での集電を回避でき、容易に単極回転電機の
大容量化が可能となる。

以上述べた説明では、ライザ部での磁束分布が
理想的な場合について述べたが、実際には磁束洩
れがあるため溝部２ｂでの磁束を完全に無くすこ
とは仲々難かしく、僅かであるが磁束が存在する
場合が多い。しかし、この場合でもライザ部で磁
束の疎密さえあれば原理的に適用可能であり、溝
部２ｂで磁束を零にできない分だけ逆起電力がラ
イザ８ｂに誘起するため、集電ブラシ４間に生ず
る出力電圧が若干低下してくるだけである。

第６図は本発明の他の実施例を示す単極回転電
機の軸方向断面図である。また、第６図のＣ−Ｃ
線、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線位置に於ける径方向断面
を第７図〜第９図に示す。

第２図の実施例と異なる所は、集電ブラシ４が
鉄心ヨーク２よりも軸端に配置され、鉄心ヨーク
端には軸方向の突起歯部２ａを周方向に所定の間
隔で有する構造となつていることであり、これに
より、集電ブラシ４が外部から直接観察でき保
守、点検が容易に行ない得る特徴がある。また、
集電ブラシ４から集電した電流は、鉄心ヨーク
２を介して外部回路に取り出し、鉄心ヨーク２を
磁束Φと電流の流路として共用している点も異
なつている。これにより、第２図のリターン導体
３が不用になる利点がある。

なお、以上の実施例では鉄心ヨーク端で周方向
に突起歯部と非突起部を交互に設け、回転子ライ
ザ部に入射する磁束の周方向分布を疎密に、すな
わち空間的に凹凸状となる構造としているため、
これが回転するライザに対しては突起歯数と回転
数の積に比例した脈動磁束となり、ライザには高
周波のうず電流が流れ損失増大が懸念される。こ
のため、第７図および第８図に示すよう１個の集
電ブラシ４と接する整流子片１０ａの数、いわゆ
る集電ブラシ４の整流子片１０ａに対する重なり
が多くなるように、整流子及びライザ部を周方向
において多数に分割すれば、ライザ部に流れるう
ず電流流路が細分化されるので、上記損失を抑制
することができる。

このように集電ブラシ４の整流子片１０ａに対
する重なりを多くすると、従来の整流子をもつた
直流電動機では、周知のように整流子片間の電位
差が発生し、これが許容値（一般には15〜20V）
以上になるとフラツシユオーバが発生するという
厄介な問題がある。しかし、ライザと整流子を有
する本実施例の単極回転電機に於いては、整流子
片間の重なりを多くしても集電ブラシと接する整
流子片の出力電圧は全て２ｅの等電位となり、こ
のような問題はなく、良好な集電特性が得られ
る。

ただし、集電部と非集電部の整流子片間には２
ｅと２ｅ−２erの電位差があり、また、電流の流
れる整流子片（ライザ）と、磁束と鎖交し電流の
流れない整流子片（ライザ）は、回転子の回転と
共に入れ変る。すなわち、電流のスイツチングが
集電を介して行なわれるため、回路のインダクタ
ンスによつて集電ブラシと整流子との間に火花が
発生することが懸念される。このため、第１０図
の集電装置の斜視図に示すように、各ライザ８間
及び各整流子片１０ａ間の絶縁介在物１２に電気
抵抗及び静電容量の機能を持たせている。このよ
うな構造とすることにより、火花発生エネルギー
は電気抵抗により消費され、静電容量により吸収
されるため、火花の発生が抑制されて一層良好な
集電が可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、回転発
電部は高周速として高電圧を発生させ、回転集電
部は低周速としてこれに摺接する集電ブラシによ
り集電を行ない得るため、単極回転電機の大容量
化が容易となる。また集電装置を電機の軸端に配
置することが可能であるため、その保守、点検を
容易に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の単極回転電機の上半部軸方向断
面図、第２図は本発明の一実施例に係る単極回転
電機の一部破断斜視図、第３図および第４図は第
２図のＡ−Ａ線断面図およびＢ−Ｂ線断面図、第
５図ａ〜ｃは中空円筒導体部の磁束密度分布図、
ライザ部の磁束密度分布図、および第２図に示し
た単極回転電機の動作原理説明図、第６図は本発
明の他の実施例に係る単極回転電機の上半部軸方
向断面図、第７図、第８図および第９図は第６図
のＣ−Ｃ線断面図、Ｄ−Ｄ線断面図およびＥ−Ｅ
線断面図、第１０図は本発明のさらに他の実施例
に係る単極回転電機の集電装置部分の斜視図であ
る。 １……励磁巻線、２……鉄心ヨーク、２ａ……
突起歯部、２ｂ……溝部、４……集電ブラシ、７
……中空円筒導体（回転発電部）、８……ライザ、
１０……整流子、１０ａ……整流子片、１２……
絶縁介在物（火花発生防止素子）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 単極磁束を発生する励磁巻線と、回転発電部
   と、前記単極磁束をこの回転発電部と鎖交するよ
   うに導く鉄心ヨークと、前記回転発電部で誘起さ
   れた直流起電力を外部に導出するための集電装置
   とを備えた単極回転電機において、前記集電装置
   を回転整流子とこれに摺接する固定ブラシより構
   成し、この回転整流子の外径を前記回転発電部の
   外径よりも小とし、前記回転発電部と前記回転整
   流子の各整流子片との間をライザで接続し、前記
   単極磁束をこのライザ部分を通して前記回転発電
   部に導き、かつ前記ライザ部分を通過する単極磁
   束の密度が周方向において交互に疎密になるよう
   にし、さらに単極磁束の密度が疎の位置を通過す
   るときのライザを通して前記集電装置により前記
   回転発電部で誘起された直流起電力を外部に導出
   するように構成したことを特徴とする単極回転電
   機。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記単極磁
   束の密度を周方向において疎密にするために、前
   記鉄心ヨークの前記ライザ部分に対向する部分を
   周方向において凹凸状に形成したことを特徴とす
   る単極回転電機。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項におい
   て、前記回転発電部および回転整流子は円筒状を
   なし、前記ライザ部分はこれらの間において放射
   状に延びていることを特徴とする単極回転電機。 ４ 特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
   かにおいて、前記固定ブラシと前記鉄心ヨークを
   電気的に接続し、前記鉄心ヨークを前記直流起電
   力を外部に導出するための通路として兼用したこ
   とを特徴とする単極回転電機。 ５ 特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれ
   かにおいて、前記各整流子片間および各ライザ間
   の少なくともいずれかに、火花発生防止用素子を
   介挿したことを特徴とする単極回転電機。