JPH0728522B2 - 自励ブラシレス同期発電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は自励ブラシレス発電機に係わり、特に界磁磁極
に励磁用電機子巻線を設けてなるものに関する。

〔従来の技術およびその問題点〕

従来のブラシレス交流発電機は主発電機の回転軸に界磁
巻線の励磁専用の励磁機を直結したものと小容量の機械
に利用されるコンデンサ励磁方式のブラシレス発電機と
がある。

しかしながら、このように構成すると同一シャフト上に
主発電機と励磁専用の励磁機とを設置するため機械の寸
法、重量の点で問題がある。またコンデンサ励磁方式の
場合はコンデンサの容量が大きくなり機械の寸法、重量
の問題がありかつ電圧の立上がりの問題もある。

また野外作業用の携帯用発電機にあっては長時間放置さ
れていて発電機の残留電圧がなくなっていることがある
から界磁鉄心に永久磁石を埋め込むとかエンジン始動用
のダイナモ回路を利用し初期励磁を与えて解決してい
る。

しかし、前者は加工上の問題があり、後者は励磁立上が
り時に初期励磁回路を切離す必要がある。

さらに従来、波形改善の目的で、固定子が回転子の鉄心
をスキューさせている。これは小形の電動工具に多用さ
れている電子制御回路に悪影響を及ぼし、電動工具の誤
動作を招く高調波分を除去するために行われている。

しかし、このスキューを施すにはシャフトおよび積層鉄
板のキー溝もスキューさせる必要があり加工上の問題や
巻線の自動化困難などの問題がある。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、主発電機
を励磁するための励磁機とかコンデンサを必要とせずに
電圧立ち上がりが可能な自励ブラシレス発電機を提供す
ることである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的達成のため、本発明では、 固定子に主電機子巻線が巻装された電機子が、また回転
子に主界磁巻線が巻装された界磁極が設けられ、前記固
定子のダミースロットに立上げ兼用の励磁用界磁巻線が
巻装され、一方前記回転子の界磁磁極面に電圧補償兼用
の励磁用電機子巻線が巻装され、主界磁巻線が励磁用電
機子巻線に整流器を介して接続されてなる自励ブラシレ
ス同期発電機において、前記主界磁巻線は、前記界磁極
における磁極頭の縁部突出長が段階的に異ならせて設定
された非対称形状の少なくとも４種類の界磁鉄板を、こ
れら界磁鉄板の中心を含む面におけるＸ軸、Ｙ軸に関し
て反転しつつ順次積層してスキュー効果を持つように構
成された界磁極に巻装されてなることを特徴とする自励
ブラシレス同期発電機を提供するものである。

〔作用〕

このような構成による動作は次の通りである。始動に際
しては残留磁束が自己確立しにくい。そこで固定子側の
ダミースロットに巻装された励磁用界磁巻線に初期励磁
用電源から他励磁で電力を供給して該他励磁用界磁巻線
に微量の磁束を発生させ、回転子の励磁用電機子巻線に
微弱な電流を発生させる。この電力は回転子の整流器で
整流され界磁巻線に供給され界磁鉄心を磁化する。界磁
鉄心に発生した磁束はまた固定子側の励磁用界磁巻線に
鎖交して該巻線に各位相差分だけの還流電流が流れ、こ
れが漸次増幅されていき無負荷電圧が確立される。

次いで、出力巻線に負荷を接続すると、前記主界磁磁極
面に巻装された電圧補償兼用の励磁用電機子巻線に、負
荷電流に比例した電機子反作用により負荷電流に比例し
た起電力が誘起され、この起電力が前記整流器を介して
界磁巻線に供給され出力端子電圧を補償するように作動
する。

またこの補償によって固定子の励磁用界磁巻線に発生す
る起電力の増大を押えるために該巻線をオープンクロス
結線している。さらに機械的には主界磁鉄心をスキュー
することにより出力電圧波形が改善され、しかも回転子
の励磁用電機子巻線に対してはスキューされていないた
め規定の電圧を発生する。

〔発明の効果〕

本発明は上述のように、回転界磁型同期発電機であって
ダミースロットに立ち上げ兼用の励磁用界磁巻線が巻装
され、界磁極面に電圧補償用の励磁用電機子巻線が巻装
され、主界磁巻線が励磁用巻線に整流器を介して接続さ
れるとともに、界磁極における磁極頭の縁部突出長が段
階的に異ならせて設定された非対称形状の少なくとも４
種類の界磁鉄板を、これら界磁鉄板の中心を含む面にお
けるＸ軸、Ｙ軸に関して反転しつつ順次積層してスキュ
ー効果を持つように構成された界磁極に、主界磁巻線を
巻装したため、励磁専用の励磁機を用いずに無負荷電圧
が確立され、負荷接続時には負荷電流に比例した起電力
が生じて出力電圧の補償が行われ、しかも所定の波形の
出力電圧が取り出せるという効果を奏する。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例の固定子および回転を軸方向
から見た状態を示したもので、同図において、１は固定
子鉄心、２は回転子鉄心である。固定子鉄心１にはスロ
ット３を有し、該スロット３に主電機子巻線４を巻装す
る。3aはダミースロットである。一方、回転子鉄心２に
は、軸心を中心にして対向する位置に収嵌凹部５を有
し、該収嵌凹部５に主界磁巻線６を巻装する。主界磁巻
線６の磁極数は、２極となっており、又回転にはエンジ
ンによって回転させるようになっている。上記ダミース
ロット3aには、立上げ兼用の励磁用界磁巻線７を巻装す
る。又、回転子鉄心２の各磁極面2aにもスロット８を形
成する。スロット８は各磁極の中心の仮想線Ｌを中心に
して所定の角度θを持たせた左右対称の位置に形成す
る。第２図は、スロット８に電圧補償兼用の励磁用電機
子巻線９をどのように巻装するかを示したものである。

第３図（ａ），（ｂ）は励磁用界磁巻線７の結線方法を
示したものである。上記励磁用界磁巻線７は、第１図に
示す左右のそれぞれにつき、中央で２分割し、分割した
各々の巻線7a〜7dにつき、第３図（ａ）に示す如く、相
互間でオープンクロス形式にそれぞれ接続し、オープン
クロス形式に接続したものをそれぞれ初期励磁用電源10
に対して並列に接続する。

初期励磁用電源10は、エンジン始動用バッテリやエンジ
ンダイナモなどの直流電源を利用する。電圧補償兼用の
励磁用電機子巻線９は、第３図（ｂ）に示すように整流
器11を介して主界磁巻線６に接続する。

第４図は本発明に係る発電機全体の回路構成を示したも
ので、第３図（ｂ）に結線が示された主界磁巻線６と磁
気作用する主電機子巻線４は、出力端子12を介して負荷
に接続するようになっている。

次に、上記構成の初期励磁回路付き自励単相ブラシレス
同期発電機の動作について説明する。まず、図示しない
エンジンにより上記単相ブラシレス同期発電機の回転子
を回転させると、始動時には発電機自体の残留磁束量が
少ないため、このままでは出力電圧が確立されない。こ
のため、ダミースロット3aに巻装された励磁用界磁巻線
７に初期励磁用電源10で通電させ、これにより励磁用界
磁巻線７からΦ_Ｓなる磁束が生ずる。つまり、初期励磁
用電源10から引出し端子13,14間に通電させれば、まず
巻線7aに電流が流れて磁束Φ_Ｓが発生し、これによりＳ
極となり、更に巻線7aから巻線7bにも電流が供与され
て、この巻線7bによりＮ極の磁極が生ずる。従って、上
記Ｎ極から磁束Φ_Ｓが出てＳ極に入るような状態とな
る。他方の巻線7c,7dも、同様に初期励磁用電源10によ
り通電され、巻線7cがＮ極となって磁束Φ_Ｓが出て、巻
線7dによってＳ極となった磁極に入るような状態とな
る。上記各巻線7a〜7dから生じた磁束Φ_Ｓは、励磁用電
機子巻線９と鎖交して、励磁用電機子巻線９に微小な起
電力を誘起せしめる。励磁用電機子巻線９に生じた起電
力は、整流器11を介して主界磁巻線６に供与されて、該
主界磁巻線６を励磁する。主界磁巻線６が励磁される
と、主電機子巻線４に微小な起電力が誘起し、又主界磁
巻線６が励磁されると、ダミースロット3aに巻装された
励磁用界磁巻線７にも起電力が誘起され、この繰返しに
よって発電機出力が定格電圧に確立される。上記の如く
電圧が確立された後においては、励磁用界磁巻線７に、
基本波成分と高周波成分の起電力が誘起される。基本波
成分の起電力は、主界磁巻線６により形成された界磁極
に対応して誘起される。一方、高周波成分の起電力は、
回転子鉄心２の形状や各磁極面に有するスロット８の存
在によって誘起される。励磁用界磁巻線７の各巻線7a〜
7dは、オープンクロスに結線してあるから、各巻線7a〜
7dに誘起された基本波成分の起電力が互いに打ち消し合
って電流が流れない。一方、高周波成分の起電力は、磁
極の形状やスロット３などによる歪波の位相にずれが生
じて互いに打ち消されずに残留し、これにより各巻線7a
〜7d間に還流電流が生じ、高周波の交番磁極を形成し励
磁する。つまり、各巻線7a〜7dには上記Φ_Ｓに還流電流
により生ずる磁束ΔΦ_Ｓが加われ、この磁束Φ_Ｓ＋ΔΦ
_Ｓを電圧補償兼用の励磁用電機子９が鎖交して、電圧補
償兼用の励磁用電機子９にそれぞれΦ_Ｓ＋ΔΦ_Ｓに対応
する誘起電圧Ε＋Δ_ｅが生じて、更に主界磁巻線６に供
与し、定格出力を得ると共に、各巻線7a〜7d間に定格出
力に見合う還流電流が流れる。従って、励磁用電源19を
励磁用界磁巻線７から切離しても各巻線7a〜7d間に定格
出力を得るのに充分な還流電流が流れ続ける。

次に出力端子12に負荷を接続すると負荷電流が出力巻線
４を流れ第４図（ｂ）に示すように反作用磁束φ_ａが固
定子鉄心１から回転子鉄心２を通って流れる。なおφ_ｏ
は界磁磁束である。単相の場合、電機子反作用磁束φ_ａ
は出力周波数と同じ周波数で出力巻線４の巻線位置によ
り定まる一定の所で増減をくり返し出力巻線４の上記一
定の所は電機子反作用磁束の発生部として一種の磁極と
なる。この見かけの界磁極に対応し回転子鉄心２の磁極
面にスロットを設けて巻線を施すようにしたので、負荷
電流に比例した反作用磁束により、この巻線に誘起する
起電力もまた負荷電流に比例して発生し、この起電力は
整流器11を介して界磁巻線６に供給され出力端子電圧を
補償するように動作する。

第５図は励磁用界磁巻線の他の接続方法による不具合を
示したものである。すなわち、仮りに、上記巻線7a〜7d
をオープンクロス形式とせずに、第５図に示す如く、単
に直列に接続すれば、矢印に示す如く、主界磁巻線６に
よる界磁磁束で各巻線7a〜7dに起電力ｅが誘起し、この
起電力ｅが各巻線7a〜7d間に大きな値の還流電流として
流れて、各巻線7a〜7dを焼損するといった事態が発生す
る。しかし、各巻線7a〜7dをオープンクロス形式に結線
したことで、上記の如く各巻線7a〜7dに誘起された起電
力が高周波成分を除いて互いに打ち消し合うので大きな
値の還流電流が流れるといったことははない。

第６図は２極機に本発明を適用した場合の実施例を示し
ており、100は本発明にかかる２極機の界磁鉄心の正面
形状を示している。この界磁鉄心は２つの磁極頭を有し
ており、各磁極頭には図における上下各方向端部に磁極
面を有する。各磁極面には２つづつのスロット101が設
けられており、また磁極面近傍には重量バランス調整用
の穴102a,102bが設けられている。そして、図における
左右方向に磁極頭縁部を有する。これら磁極頭縁部は図
における左右方向への突出長がそれぞれ異なっており、
最も大きな突出長を有する磁極頭縁部がａで、以下b,c,
dの順に突出長が小さくなる。突出長はこの場合４段階
に変化している。そしてこの４段階は次のように設定さ
れている。

すなわち図における４つの磁極頭縁部における磁極面端
部と界磁鉄心の中心部とを結んで延長した８本の線Ａ−
A,B−B,C−C,D−ＤおよびＡ′−Ａ′,B′−Ｂ′,C′−
Ｃ′,D′−Ｄ′を考えたとき、これら８本の線は４本づ
つ等角度αの間隔で配置されている。磁極頭縁部におけ
る磁極面端部とは、磁極面が途切れる点をいい、磁極面
の円弧と磁極縁部の図におけるＹ−Ｙ方向に平行な線と
の交わる点を指す。

このように磁極頭縁部が各別に切取られる結果、界磁鉄
心の正面形状は非対称になる。そしてこの非対称に応じ
た重量アンバランスを調整するために界磁鉄板100には
穴102a,102bが明けられている。この穴は重量バランス
を取り得る限りどのようなものでもよい。

第７図は第６図に示した界磁鉄板100を用いて構成した
界磁鉄心を第６図におけるＡ−Ａ線方向から見たもので
ある。この第７図から見て取れるように界磁鉄板の総積
み厚をＬとした場合、４ブロックに分けて各ブロックを
L1,L2,L3,L4づつ積み上げる。そしてこれら４ブロック
の各々は界磁鉄板100の一方の磁極面を用いたものが２
ブロック、他方の磁極面を用いたものが２ブロックであ
る。すなわち一方の磁極面は磁極縁部ａおよびｄを有
し、他方の磁極面は磁極縁部ｂおよびｃを有する。そし
て縁部a,dを有する磁極面については一つのブロックは
縁部ａが右側、もう一つのブロックは縁部ｄが右側とな
るように配し、縁部b,cを有する磁極面については一つ
のブロックは縁部ｂが右側、もう一つのブロックは縁部
ｃが右側となるように配する。

これは本発明の界磁鉄板を用いると簡単に実現できる。
すなわち第６図の位置で界磁鉄板を積層してブロックL1
となし、次に積層する界磁鉄板を第６図の位置からＸ軸
を中心にして180度回転して積層し、ブロックL2とす
る。次に積層する界磁鉄板を第６図の位置からＸ軸を中
心にして180度回転し、更にＹ軸を中心にして180度回転
して積層しブロックL3とする。最後にＹ軸を中心にして
180度回転して積層し、ブロックL4とすれば第７図のご
とく積層し、全ブロックＬが得られ、最上部のブロック
から最下部のブロックまでで１スロット分のスキューＰ
が得られる。つまり１スロット分のスキューが得られる
ように磁極頭縁部を設定する。

これを第８図に示す従来の界磁鉄心のスキュー方法と比
べるとその簡便性が容易に理解されるであろう。第８図
の界磁鉄心では、第６図のおける角度αに相当するθを
各界磁鉄板毎に異ならせて磁極頭縁部を順次異なる位置
で切落としてスキューを達成する訳であるが、このよう
に磁極頭縁部を切り揃えることは非常に煩雑である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に一実施例を示す軸方向から見た正面
図、第２図は同実施例における回転子の励磁用電機子巻
線の巻装状態を示す結線図、第３図は第１図に示した各
巻線の結線状態を示す図、第４図（ａ）は上記実施例の
回路図、（ｂ）は電機子反作用磁束による出力端子電圧
補償説明図、第５図は同実施例における励磁用界磁巻線
を直列接続した場合の不具合を説明する図、第６図は本
発明の一実施例に用いる界磁鉄板の正面図、第７図は第
６図の界磁鉄板を用いて構成した本発明の一実施例にお
ける一界磁極の平面図、第８図は従来の方法で界磁鉄心
のスキューを施した場合の第７図と同様な平面図であ
る。 １……固定子鉄心、２……回転子鉄心、3,3a,8……スロ
ット、４……主電機子巻線、６……主界磁巻線、７、7a
〜7d……励磁用界磁巻線、９……電圧補償兼用の励磁用
電機子巻線、10……初期励磁用電源、11……整流器、10
0……界磁鉄板、101……スロット、102……穴、a,b,c,d
……磁極頭縁部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定子に主電機子巻線が巻装された電機子
   が、また回転子に主界磁巻線が巻装された界磁極が設け
   られ、前記固定子のダミースロットに立上げ兼用の励磁
   用界磁巻線が巻装され、一方前記回転子の界磁磁極面に
   電圧補償兼用の励磁用電機子巻線が巻装され、主界磁巻
   線が励磁用電機子巻線に整流器を介して接続されてなる
   自励ブラシレス同期発電機において、 前記界磁極における磁極頭の縁部突出長が段階的に異な
   らせて設定された非対称形状の少なくとも４種類の界磁
   鉄板を、これら界磁鉄板の中心を含む面におけるＸ軸、
   Ｙ軸に関して反転しつつ順次積層してスキュー効果を持
   つように構成された界磁極をそなえ、 前記主界磁巻線は、前記界磁極に巻装されてなることを
   特徴とする自励ブラシレス同期発電機。