JPH0468855B2 - - 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、特に高速回転電
機で大電流集電を可能にする単極回転電機に関す
る。

〔発明の背景〕

最近、原子力やプラズマまたMHD発電などの
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、大電流をとり出すことが可能な単極
発電機が脚光を浴びてきている。

これは交流電源から変換器を通して直流を得る
一般のものに比較して、直接に直流を得ることが
できるのでその効率が高いこと、またその構造が
単純であるため、パルス電源として過度的に使用
しても機械的に強固で過負荷耐力に優れているこ
となどの特徴があるからである。

単極回転電機自体は、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、その歴史が古いにもかかわらず実
用に供しないのは、高速回転部から大電流を効率
よく安定して集電することが困難であることに起
因している。

すなわちこれを従来一般に知られている円筒状
の単極回転電機に基づいて説明すると、第１図は
その単極回転電機の一部断面を示したもので、単
極回転電機の固定子１は励磁巻線２、鉄心ヨーク
３、リターン導体４、集電ブラシ５及び出力端子
６などで構成され、また回転子７は軸受８で支持
された円筒状回転導体９で構成されている。

このように構成された単極回転電機において、
励磁巻線２を直流励磁すると図中鎖線矢印方向に
所定量の磁束Φを生じ、固定子１と回転子７間に
磁気回路が形成される。

この状態で回転子、すなわち円筒状回転導体９
が回転すると、円筒状回転導体９は一定方向の磁
束を一定方向に切りつつ運動することになるの
で、この円筒状回転導体９には電磁誘導の法則に
従つて一定方向の起電力、すなわち点線で示す直
流電圧ｅが発生する。しかし、円筒状回転導体９
の軸方向中央外周部と軸方向端面では、磁束Φの
円筒状回転導体９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Ｉを出力端子６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、集電部５を円筒状回転導体
９の外周端部に設け、円筒状回転導体９の胴部に
誘起した電流電圧ｅ＋ｅを取り出すことになる。

一般に、単極回転電機の誘起電圧ｅは磁束をΦ
（Wb）、回転数を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Φと回転数Ｎを増大する必要がある。

この場合この回転数Ｎを増大させることは集電
部における周速も増大することになり、集電は高
速面で行なわれることになる。

近年、この集電を炭素ブラシ以外に銅繊維入り
ブラシを用いたり、またナツク（NaK）などの
液体金属を用いた集電法の適用によつて、従来よ
りは高速回転でも高効率のものが得られるように
なつてきたが、本質的に集電は高周速部で行なわ
なければならず、単極回転電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。

〔発明の目的〕

本発明はこれにかんがみなされたものであり、
したがつてその目的とするところは、たとえ高速
回転のものでも集電は低周速部で行なわれるよう
になし、高速、大容量化が可能な単極回転電機を
提供するにある。

〔発明の概要〕

すなわち本発明は集電装置を、回転子側に乗置
され、かつ前記円筒状回転導体より小径に形成さ
れた整流子と、該整流子と摺接する固定ブラシと
より構成するとともに、整流子と前記円筒状回転
導体との間に整流子と円筒状回転導体を電気的に
結合するライザを設け、かつ該ライザに対向する
固定子側に、前記励磁巻線がつくる主磁束の方向
と異なる磁束を周方向に所定の間隔をおいて発生
する補助巻線を設け、この補助巻線の磁束により
前記ライザ部分を通過する主磁束の密度が周方向
に疎密となるように形成し、かつこの主磁束の密
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円筒状回転導体部で誘起さ
れた直流起電力を外部に導出するように構成し所
期の目的を達成するようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に
説明する。第２図及び第３図はその一実施例を示
すもので、第２図はその一部破断側面であり、第
３図は軸受部を省略した一部破断斜視図である。

〔発明の実施例〕

尚第１図と同一部品には同一符号が付されてい
る。固定子１は、単極の主磁束Φを発生する励磁
巻線２、この主磁束Φの外部に対する磁気シール
ドである鉄心ヨーク３、単極の主磁束Φに凹凸
（強弱）をつけるための磁束を発生する補助巻線
１０（詳細な後述する）、出力電流ｉを回転子側
から摺動により取出す集電ブラシ５、更に外部に
出力電流Ｉを導出する出力端子６で構成されてい
る。

一方、回転子７は前記励磁巻線２からの半径方
向放射状主磁束Φにより胴部で軸方向に電圧を誘
起する円筒状回転導体９と、この円筒状回転導体
の両端側面を半径方向に放射状に伸び互いに絶縁
されたライザ１２と、円筒状回転導体９より径方
向寸法の小さいシヤフト１３上に絶縁配置され、
かつ前記ライザ１２と電気接続された整流子１４
とにより構成されている。尚この整流子１４と集
電ブラシ５とで集電装置１１が構成されている。

また、前述した補助巻線１０は円筒状回転導体
９の両側面に対向し、そして固定子側に保持され
ているわけであるが、もう少し詳しく述べると、
この補助巻線は、第４図及び第５図に示すように
巻回形成されている。すなわち径方向に放射状に
伸びる各ライザ１２の形状に対応して、ライザの
内径（下）側まで包囲する部分Cbと非包囲部分
が交互に周方向に繰返えされるように巻回形成さ
れ、外部から直流電源Ｅで直流励磁されるように
なつている。この場合補助巻線１０の励磁極性
は、第５図にΦsで示すように周方向に間隔をお
いて励磁巻線２の主磁束Φと異方向となるように
設定されている。このように形成された補助巻線
１０を励磁すると、ライザの内径側まで包囲され
た部分Ssには、励磁巻線２と異極性の磁束Φsが
ライザの２倍のピツチで周方向にでき、またその
隣接部分には前記磁束Φsの戻り磁束Φoが発生す
る。ここでこの異極性の磁束Φsによるライザ部
磁束密度の大きさを、励磁巻線２の主磁束Φによ
るライザ部磁束密度の大きさと等しくなるように
補助巻線１０の励磁電流Isを制御してやるのであ
る。

尚この補助巻線１０は他方端の円筒状回転導体
９の側面に於いても、同じ磁極パターンとなるよ
うに設置されている。尚この補助巻線の極性に関
連して集電ブラシ５は補助巻線１０のライザ部を
囲んでいる位置の軸方延長上にある整流子の整流
子片のみと接触するように配置されている。

以上のように構成された単極回転電機に於い
て、直流励磁された励磁巻線２からの単極主磁束
Φは、補助巻線の磁束との相互作用によりライザ
部においては周方向に沿つて磁束の凹凸が周期的
に分布することになる。このライザ部での磁束分
布とブラシ位置との関係によつて直流出力が得ら
れる原理を第６図及び第７図に基づいて説明する
と次のようになる。すなわち第６図は、第２図の
実施例を原理的に示したものであり、回転子側の
円筒状回転導体９、ライザ１２及び整流子１４を
平面的に示し、固定子側のブラシ５を介して負荷
Ｒに電流を取出している状況を示したものであ
る。又第７図はこのライザ位置に対応させて、ラ
イザ部の磁束密度の分布を示したものである。励
磁巻線からの主磁束Φは鉄心ヨークを経由して回
転子側のライザ１２に入射するわけであるが、前
述の補助巻線１０がない場合はライザ１２と整流
子１４の断面に対する磁束密度分布は第７図に示
されているように周方向に平坦にのびた破線φ_M
のようになる。これに対して補助巻線１０がある
場合にはこの補助巻線の励磁によつてライザ１２
部には同図に破線φ_Sで示すような周方向位置に対
して凹凸を持つ磁束分布となる。したがつて補助
巻線電流Is（第５図参照）を所定の値に制御する
ことにより、ライザ１２部の磁束密度は図中実線
φ_M＋φ_Sで示すように凹部が零となるよう設定す
ることができる。

以上のことから第６図において、磁束分布の凸
部と鎖交するライザ１２ａには図中矢印で示す方
向に電圧erが誘起し、また円筒状回転導体９には
図示矢印の方向に電圧ｅが発生する。一方、磁束
と鎖交しないライザ１２ｂには当然電圧erは発生
しない。以上は一方側の励磁巻線による電圧発生
の有無についての原理を述べたが、他方端の励磁
巻線においても同様なことが起る。以上のことか
らこの結果円筒状回転導体９には２ｅの直流電圧
が発生するので、外部回路と接続、すなわち電圧
発生のないライザに接続されている集電ブラシ５
を介して直接出力電流として取出すことができ
る。

尚磁束と鎖交する両端のライザ１２ａ間には２
ｅ−２erの電圧が発生するが、このライザの整流
子はブラシとコンタクトしていないから外部に対
する出力電圧には影響を及ぼすことはない。

このように、単極磁束による逆起電圧erを非集
電のライザ１２ａだけに発生させることにより、
円筒状回転導体９より外径寸法が小さく低周速の
整流子面から集電することが可能となる。すなわ
ち、この構成によれば高周速の大径部で高電圧を
誘起させ、集電は電圧発生部より径の小さい低周
速の整流子上で行ない得るので、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。

尚以上述べた原理説明では、補助巻線の励磁電
流を調整してライザ部での磁束分布の凹部が零値
となる理想的な場合について述べたが、ライザ部
に周方向に磁束の凹凸さえあれば程度の差はあれ
原理的には同様な効果が得られる。

また、以上の説明では補助巻線によつて作られ
る磁束の凹凸ピツチと１枚のライザピツチの大き
さとが対応している場合についてのべてきたが、
ライザ及び整流子をさらに細分化してもよい。尚
このライザ及び整流子の細分化は凹凸磁束を切る
ことにより発生するうず電流損を低減する効果も
あり有効である。

また、補助巻線の形状は第４図や第５図の実施
例に限つたものではなく、第８図に示すように製
作が容易なるよう分割構造にし、夫々単独に励磁
するようにしてもよい。

またさらには励磁巻線及び補助巻線を超電導化
することも可能である。

また以上の説明では補助巻線の中央部に発生す
る磁束が主磁束と異なる方向となるように形成す
る旨説明してきたが、これは常にこのように形成
しなければならないわけではなく、補助巻線の発
生する磁束の、その磁束路の一部が主磁束と異な
る方向となればよいのであつて例えば第５図の戻
り磁束Φoが主磁束Φと異なる方向となるように
形成し、その部分のライザに接続されている整流
子片上に集電ブラシ５を配置するようにしても同
効果が得られることは勿論である。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように本発明は集電装置を、
回転子側に乗置され、かつ前記円筒状回転導体よ
り小径に形成された整流子と、該整流子と摺接す
る固定ブラシとより構成するとともに、整流子と
前記円筒状回転導体との間に整流子と円筒状転電
導体を電気的に結合するライザを設け、かつ該ラ
イザに対向する固定子側に、前記励磁巻線がつく
る主磁束の方向と異なる磁束を周方向に所定の間
隔をおいて発生する補助巻線を設け、この補助巻
線の磁束により前記ライザ部分を通過する主磁束
の密度が周方向に疎密となるように形成し、かつ
この主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円筒状回転
導体部で誘起された直流起電流を外部に導出する
ように構成したから、たとえ高速回転のものでも
集電は低周速部で行なわれ、したがつて単極回転
電機の高速、大容量化をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の単極回転電機を示す一部縦断側
面図、第２図は本発明の単極回転電機を示す一部
縦断側面図、第３図は同じくその一部破断斜視
図、第４図は本発明の補助巻線単品を示す線図、
第５図は本発明の原理を説明するためのモデル線
図、第６図は本発明の回転子の一部を展開して示
す展開図、第７図はライザ部における磁束分布
図、第８図は本発明の補助巻線の他の実施例を示
す線図である。 １……固定子、２……励磁巻線、５……集電ブ
ラシ、９……円筒状回転導体、１０……補助巻
線、１１……集電装置、１２……ライザ、１４…
…整流子、Φ……主磁束、Is……補助巻線電流。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 固定子側に配置され、単極主磁束を発生する
   励磁巻線と、該励磁巻線の主磁束内で回転する円
   筒状回転導体と、該円筒状回転導体に誘起された
   直流起電力を外部に導出する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、回転子
   側に乗置され、かつ前記円筒状回転導体より小径
   に形成された整流子と、該整流子と摺接する固定
   ブラシとより構成するとともに、整流子と前記円
   筒状回転導体との間に整流子と円筒状回転導体を
   電気的に結合するライザを設け、かつ該ライザに
   対向する固定子側に、前記励磁巻線がつくる主磁
   束の方向と異なる磁束を周方向に所定の間隔をお
   いて発生する補助巻線を設け、この補助巻線の磁
   束により前記ライザ部分を通過する主磁束の密度
   が周方向に疎密となるように形成し、かつこの主
   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円筒回転導体部で
   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。