JPH08223883A - ブラシレス自励単相同期発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 励磁用コンデンサーを不要として発電機の取
扱いを簡単にし、直流励磁電力制御による発電電圧の任
意設定を可能にしたブラシレス自励単相同期発電機を得
る。 【構成】 固定子２に、単相主発電巻線Ｗ_ａと該主発電
巻線Ｗ_ａの極数の奇数倍の極数を有する励磁巻線Ｗ_ｅと
が巻装され、該励磁巻線Ｗ_ｅは制御整流装置５を介して
前記単相主発電巻線Ｗ_ａの中間タップｕに接続されてい
る。回転子７には、複数個の界磁巻線Ｗｆが巻装され、
該複数個の界磁巻線Ｗ_ｆは各々が前記単相主発電巻線Ｗ
_ａの電流Ｉ_ａに基づく電機子反作用磁界の奇数次の空間
調波成分および前記励磁巻線Ｗ_ｅの電流Ｉ_ｅに基づく静
止磁界の奇数次の空間調波成分の双方とそれぞれ磁気的
結合を成すスロット位置に配列されており、前記複数個
の界磁巻線Ｗ_ｆは各々がダイオードＤを介して短絡され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、負荷の変動に対して平
複巻特性の正弦波電圧を出力し、かつ無負荷時および負
荷時の出力電圧をそれぞれ任意に調整可能で様々な負荷
に対応し得るブラシレス自励単相同期発電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】発電機が本体内に直巻励磁機能を有し、
平複巻特性の正弦波電圧を出力するブラシレス自励単相
同期発電機としては、図７に示す野中氏により考案され
たいわゆる野中式発電機１５が著名である。図７におい
て、固定子１６には不平衡二相巻線にした主発電巻線Ｗ
_ａと励磁巻線Ｗ_ｅが巻装され、前記主発電巻線Ｗ_ａには
負荷を接続し、前記励磁巻線Ｗ_ｅにはコンデンサＣが接
続してある。回転子１７には円筒形状の回転子鉄心に平
衡二相巻線として界磁巻線Ｗ_ｆ１とＷ_ｆ２が巻装してあ
り、該界磁巻線Ｗ_ｆ１とＷ_ｆ２にダイオードＤ_１とＤ_２
が接続してある。

【０００３】このブラシレス自励単相同期発電機は、コ
ンデンサＣに基づいて励磁巻線Ｗ_ｅに流れる進み電流Ｉ
c がつくる交番磁界の正相分による磁極Ｎ，Ｓの自己励
磁と、該交番磁界の逆相分によって誘導する界磁巻線Ｗ
_ｆ１とＷ_ｆ２の起電力をダイオードＤ_１とＤ_２によって
整流した界磁電流Ｉ_ｆ１とＩ_ｆ２に基づく増磁作用と
が、主発電巻線の端子電圧Ｅ_ａの自己確立を容易にし、
かつ負荷の増減に対しては負荷電流Ｉ_ａがつくる電機子
反作用磁界の逆相分によって前記界磁巻線に誘導する起
電力が増減して、界磁電流Ｉ_ｆ１とＩ_ｆ２がそれぞれ増
減し出力電圧（端子電圧Ｅ_ａ）の変動が抑制されて平複
巻特性の出力電圧が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術の野中式ブラシレス自励単相同期発電機は次のような
問題がある。

【０００５】野中式ブラシレス自励単相同期発電機は、
発電原理上必ずコンデンサを必要とするものである。し
かしコンデンサは使用上種々の制約があり且つコンデン
サを使用するとその取扱いが煩雑なものとなる。例えば
その制約の一例として、使用周囲温度は４０゜以下の規
定がある。また取扱いの煩雑さの一例として、発電機で
は電圧の自己確立において、回転子の残留磁気が不足し
て発電が不可能な場合には、コンデンサを励磁巻線から
一度開放してコンデンサを他の電源で充電し、その後接
続して電圧の自己確立をはからなければならない。すな
わちこのブラシレス自励単相同期発電機はコンデンサを
有しているため、コンデンサの周囲温度を４０゜以下に
保持するための冷却の問題やコンデンサの開閉操作の複
雑化の問題などを抱えている。

【０００６】更にこの発電機は出力電圧を任意に調整す
る場合に励磁巻線の交流電流を制御する必要があり、そ
の制御装置としてコンデンサと並列に可変リアクトルを
接続しなければならないという問題がある。この制御装
置はコンデンサの励磁効果を可変リアクトルによって打
ち消して電圧制御する方式のために、制御効率が悪いも
のとなっていた。また、コンデンサとは別の可変リアク
トルを設けることにより装置は複雑化し、そのために発
電機の設備費が増大するという問題があった。

【０００７】以上のことから、本発明では、野中式ブラ
シレス自励単相同期発電機が有するコンデンサを不要と
し、励磁直流電力制御による発電機出力電圧の任意調整
が可能であるブラシレス自励単相同期発電機の提供を目
的とする。

【０００８】更に本発明では、野中式ブラシレス自励単
相同期発電機が有する励磁巻線とコンデンサとを不要と
し、励磁交流電力制御による発電機出力電圧の任意調整
が可能であるブラシレス自励単相同期発電機の提供を目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によると、固定子
コアに単相主発電巻線と該単相主発電巻線の極数の奇数
倍の極数を有する励磁巻線とを巻装した固定子と、回転
子コアに前記単相主発電巻線の極数と同極数の界磁巻線
を複数個巻装すると共に該複数個の界磁巻線は前記励磁
巻線が作る静止磁界と前記単相主発電巻線が作る電機子
反作用磁界の奇数次の空間高調波成分との双方と磁気的
結合を成す位置に配列して巻装した回転子と、前記単相
主発電巻線の誘導起電力を全波整流して前記励磁巻線に
直流を流すよう前記単相主発電巻線と前記励磁巻線との
間に設けた制御整流装置及び前記複数個の界磁巻線の各
々の誘導起電力を半波整流して界磁巻線に直流を流すよ
う前記複数個の界磁巻線の各々に直列に設けた半導体整
流素子とからブラシレス自励単相同期発電機を構成する
ことにより前記課題を解決するための手段とした。

【００１０】また、固定子コアに単相主発電巻線を巻装
した固定子と、該固定子の単相主発電巻線の出力端子に
負荷と並列に接続したリアクトルと、回転子コアに前記
単相主発電巻線の極数と同極数の界磁巻線を複数個巻装
すると共に該複数個の界磁巻線は前記主発電巻線が作る
電機子反作用磁界の奇数次の空間高調波成分と磁気的結
合を成す位置に配列して巻装した回転子及び、前記複数
個の界磁巻線の各々の誘導起電力を半波整流して界磁巻
線に直流を流すよう前記複数個の界磁巻線の各々に直列
に設けた半導体整流素子とからブラシレス自励単相同期
発電機を構成することにより前記課題を解決するための
手段とした。

【００１１】

【作用】まず、固定子コアに単相主発電巻線と該単相主
発電巻線の極数の奇数倍の極数を有する励磁巻線とを巻
装した固定子と、回転子コアに前記単相主発電巻線の極
数と同極数の界磁巻線を複数個巻装すると共に該複数個
の界磁巻線は前記励磁巻線が作る静止磁界と前記単相主
発電巻線が作る電機子反作用磁界の奇数次の空間高調波
成分との双方と磁気的結合を成す位置に配列して巻装し
た回転子と、前記単相主発電巻線の誘導起電力を全波整
流して前記励磁巻線に直流を流すよう前記単相主発電巻
線と前記励磁巻線との間に設けた制御整流装置及び前記
複数個の界磁巻線の各々の誘導起電力を半波整流して界
磁巻線に直流を流すよう前記複数個の界磁巻線の各々に
直列に設けた半導体整流素子とからブラシレス自励単相
同期発電機を構成したものの作用を以下に説明する。

【００１２】以上の構成の発電機において、回転子を回
転させると回転子コアの残留磁気によって主発電巻線に
僅かの誘導起電力が生じる。この時の誘導起電力は次の
ような二つの作用を経て回転子の界磁巻線の主磁界、す
なわち界磁（回転子コア）の主磁束に影響を与える。

【００１３】一つは、主発電巻線の誘導起電力が主発電
巻線と励磁巻線との間に接続した制御整流装置（単相全
波整流器と可変抵抗器）によって整流され、励磁巻線に
直流電流が流れて静止磁界（これが界磁の分巻励磁効果
をもたらす）を生じることにある。そこで、回転子の複
数個の界磁巻線は前記励磁巻線が作る静止磁界と磁気的
結合を成す位置に配列して巻装してあるので、回転子の
複数個の界磁巻線には励磁巻線が作る静止磁界によって
誘導起電力が生じることになる。

【００１４】もう一つの作用は、前記単相主発電巻線の
誘導起電力によって主発電巻線には前記励磁巻線の直流
電流に対応する交流電流が流れて電機子反作用磁界（こ
れが界磁の直巻励磁効果をもたらす）を生じることにあ
る。この電機子反作用磁界は方形波的に空間分布してお
り、これをフーリエ級数展開すると基本波成分の外に第
３次空間高調波、第５次空間高調波等の奇数次空間高調
波成分を含むものとなっている。そこで、回転子の複数
個の界磁巻線は各々の極数が主発電巻線の極数と同極数
に巻装されており、且つ前記主発電巻線が作る電機子反
作用磁界の奇数次の空間高調波成分と磁気的結合を成す
位置に配列して巻装してあるので、電機子反作用磁界の
空間基本波成分およびその奇数次の空間高調波成分と回
転子の複数個の界磁巻線とはそれぞれ磁気的結合をな
し、回転子の複数個の界磁巻線にはそれぞれ電機子反作
用磁界の空間基本波成分の逆相分とその奇数次の空間高
調波成分とによって誘導起電力が生じることになる。

【００１５】すなわち、前記の静止磁界と電機子反作用
磁界との重畳磁界は、それらの奇数次の空間調波成分の
全てによって回転子の複数個の界磁巻線の各々に起電力
を誘導する。この複数個の界磁巻線の各々の誘導起電力
は界磁巻線の各々に直列に設けたダイオード等の半導体
整流素子によって各々が半波整流され、前記複数個の界
磁巻線の各々に直流電流が流れて界磁の主磁束を増磁す
る。そしてこの主磁束の増磁は主発電巻線の前記誘導起
電力を増加させることになり、この動作の繰り返しによ
って主発電巻線の無負荷電圧が自己確立する。ここで、
前記制御整流装置の可変抵抗器を調整すると、固定子の
励磁巻線に流れる直流電流が制御され、結果的に界磁巻
線の電流が制御されて発電機の無負荷電圧が任意に可変
設定できる。なお、回転子コアに前記残留磁気が無いと
きには、固定子の励磁巻線にバッテリ−を瞬時投入して
初期励磁を得る。

【００１６】さて、この発電機に単相の抵抗負荷を接続
すると、単相負荷の増加に対する発電機の出力電圧の降
下が、主発電巻線を流れる負荷電流による電機子反作用
磁界の奇数次の空間調波成分に基づく界磁の直巻励磁効
果によって、次のように補償される。すなわち、単相負
荷の接続によって主発電巻線から負荷電流が流出するた
め、該負荷電流によって前記主発電巻線が作る電機子反
作用磁界が増大する。したがって、電機子反作用磁界の
奇数次の空間調波成分も負荷電流の大きさに比例して増
大することになり、この奇数次の空間調波成分の増大が
前記複数個の界磁巻線の各々の誘導起電力の増加、つま
り各々の半波整流電流の増加をもたらし、界磁の主磁束
が増磁して主発電巻線の誘導起電力が増加する。その結
果、負荷電流による前記主発電巻線の出力電圧の降下が
前記誘導起電力の増加によって補われることになり、発
電機の出力電圧は負荷電流に対して平複巻特性となる。

【００１７】なお、前記ブラシレス自励単相同期発電機
は、前述したように主発電巻線の電流に基づく電機子反
作用磁界の奇数次の空間調波成分の増大に比例して界磁
の主磁束が増磁する原理のため、前記主発電巻線に負荷
を接続し、該主発電巻線に負荷電流が流れている状態で
の電圧自己確立も可能である。

【００１８】また、この発電機の主発電巻線に誘導起電
力をもたらす界磁の主磁束は、固定子の励磁巻線の直流
電流が作る静止磁界に基づいて前記複数個の界磁巻線の
各々に誘導した起電力（分巻励磁効果）と、主発電巻線
の電流によって生じる電機子反作用磁界の空間基本波成
分の逆相分および奇数次の空間高調波成分に基づいてそ
れぞれ誘導した起電力（直巻励磁効果）との重畳起電力
を、回転子の複数個の界磁巻線の各々に接続したダイオ
−ドが半波整流して作っている。したがって、この発電
機は、前記励磁巻線の直流電流を制御することによって
界磁の主磁束が増減することになり、発電機の無負荷時
および負荷時の出力電圧の任意設定がそれぞれ可能であ
る。

【００１９】ところで、一般に発電機の主発電巻線を集
中全節巻にしておくと電機子反作用磁界の空間分布は奇
数次の空間高調波成分を含むものとなり、且つその空間
高調波成分の値は通常の分布短節巻などのそれに比べて
大であるが、前記ブラシレス自励単相同期発電機の主発
電巻線の巻線態様は、界磁の直巻励磁作用において、電
機子反作用磁界の空間基本波成分の逆相分に基づく直巻
励磁作用の不足分を補い得る程度の電機子反作用磁界の
奇数次の空間高調波成分を発生させるための巻線態様で
あればよく、前記集中全節巻に限定されるものではな
い。

【００２０】また、前記制御整流装置を制御可能な半導
体整流素子で構成することも可能であり、半導体整流素
子として、サイリスタ、直流チョッパＧＴＯなど有るが
これらに限定されるものではない。

【００２１】なお、前記ブラシレス自励単相同期発電機
は、固定子の励磁巻線の極数が主発電巻線の極数の奇数
倍となって主発電巻線の極数と異なり、また界磁巻線の
極数は主発電巻線の極数と同一で前記励磁巻線の極数と
は異なっているため、主発電巻線が作る電機子反作用磁
界の空間基本波成分および界磁巻線が作る界磁の主磁束
はそれぞれ固定子の励磁巻線に起電力を誘導しない。

【００２２】以上のことから、本発明では、従来技術に
おいて必要であったブラシレス自励単相同期発電機の固
定子の励磁巻線に接続されたコンデンサを不要として発
電機の取扱いを簡単にし、且つ前記励磁巻線を流れる直
流電流を制御することによって発電機の無負荷および負
荷時の出力電圧をそれぞれ任意に設定することができる
ブラシレス自励単相同期発電機の提供を可能とした。

【００２３】次に、固定子コアに単相主発電巻線を巻装
した固定子と、該固定子の単相主発電巻線の出力端子に
負荷と並列に接続したリアクトルと、回転子コアに前記
主発電巻線の極数と同極数の界磁巻線を複数個巻装する
と共に該複数個の界磁巻線は前記主発電巻線が作る電機
子反作用磁界の奇数次の空間高調波成分と磁気的結合を
成す位置に配列して巻装した回転子及び、前記複数個の
界磁巻線の各々の誘導起電力を半波整流して該界磁巻線
に直流を流すよう前記複数個の界磁巻線の各々に直列に
設けた半導体整流素子とから構成したブラシレス自励単
相同期発電機の作用を以下に説明する。

【００２４】以上の構成の発電機において、回転子を回
転させると回転子コアの残留磁気によって、単相主発電
巻線に僅かの誘導起電力が生じる。該誘導起電力は、前
記主発電巻線と該主発電巻線の出力端子に負荷と並列に
接続したリアクトルとに電流（励磁電流）を流し、電機
子反作用磁界が生じて、前記主発電巻線の極数と同極数
を有し且つ電機子反作用磁界の奇数次の空間高調波成分
の全てと磁気的結合を成す回転子の複数個の界磁巻線の
各々に、前記電機子反作用磁界の空間基本波成分の逆相
分および奇数次の空間高調波成分のそれぞれによって起
電力が誘導する。該複数個の界磁巻線の各々の起電力
は、界磁巻線の各々に直列に設けた半導体整流素子によ
って各々が半波整流され、前記複数個の界磁巻線の各々
に直流電流が流れて界磁の主磁束を増磁する。この主磁
束の増磁は主発電巻線の前記誘導起電力を増加させるこ
とになり、この動作の繰り返しによって主発電巻線の無
負荷電圧が自己確立する。ここで、前記リアクトルを可
変リアクトルにしてリアクトルに流れる電流を調整すれ
ば前記無負荷電圧を任意に設定し得る。なお、回転子コ
アに残留磁気が無いときには、発電機の出力端子にバッ
テリーを瞬時投入して初期励磁を得る。

【００２５】さて、この発電機に単相の抵抗負荷、誘導
性負荷あるいは容量性負荷を接続すると、これら負荷力
率の変化に対して発電機の出力電圧の変動が次のように
補償される。

【００２６】すなわち、負荷の接続によって発電機の主
発電巻線には負荷電流と前記リアクトル電流とのベクト
ル和の電流が流れる。したがって、主発電巻線を流れる
電流は、負荷電流の大きさおよびリアクトル電流の大き
さがそれぞれ一定であっても、負荷の力率が遅れ力率に
なるほど増加し、負荷の力率が進み力率になるほど減少
する。つまり、この発電機は、負荷力率が遅れ力率にな
るほど主発電巻線の電流が増加して電機子反作用磁界の
空間基本波成分の逆相分および奇数次の空間高調波成分
がそれぞれ増大する。その結果、界磁の直巻励磁効果が
増大することになり、遅れ負荷力率の増加に原因する発
電機の出力電圧の低下が抑制される。また、負荷の力率
が進み力率になるほどリアクトルの効用により発電機の
主発電巻線の電流が減少して電機子反作用磁界の空間基
本波成分の逆相分および奇数次の空間高調波成分がそれ
ぞれ減少する。その結果、界磁の直巻励磁効果が減少す
ることになり、容量性負荷の進相電流による自己励磁現
象に原因する発電機の出力電圧の上昇が抑制される。し
たがって、主発電巻線の出力端子に負荷と並列にリアク
トルを接続したブラシレス自励単相同期発電機は、負荷
力率の変化に適切に対応できる自動電圧調整機能を発電
機自体が有していることになり、負荷の大きさおよび負
荷力率のそれぞれの変化に対して自動電圧調整装置（Ａ
ＶＲ）が無くても一定の出力電圧が得られる。

【００２７】なお、前記ブラシレス自励単相同期発電機
は、前述したように主発電巻線の電流が作る電機子反作
用磁界の増大に比例して界磁巻線の誘導起電力が増加
し、界磁の主磁束が増磁する原理のため、発電機に負荷
を接続した状態での出力電圧の自己確立も可能である。
また、この発電機は、主発電巻線の出力端子に負荷と並
列に接続したリアクトルを可変リアクトルにしてリアク
トルに流れる電流を調整すれば、負荷時の出力電圧を任
意に設定し得る。

【００２８】ところで、前記ブラシレス自励単相同期発
電機の主発電巻線の巻線態様は、該主発電巻線の電流が
作る電機子反作用磁界によって得られる界磁の直巻励磁
作用において、前記電子機反作用磁界の空間基本波成分
の逆相分に基づく界磁の直巻励磁作用の不足分を補う程
度の空間高調波成分を発生させる巻線態様であればよ
く、集中全節巻に限定されるものではない。

【００２９】以上のことから、本発明では従来技術、す
なわち野中式ブラシレス自励単相同期発電機において必
要であった固定子励磁巻線を不要として構造の簡単なブ
ラシレス自励単相同期発電機の固定子の提供を可能とし
た。また、本発明は従来技術において問題であった誘導
性負荷時の発電機の出力電圧の降下現象、あるいは容量
性負荷時の発電機の出力電圧の上昇現象を、発電機の主
発電巻線の出力端子に負荷と並列に接続したリアクトル
の効用によって、それぞれ抑制することができた。

【００３０】

【実施例】本発明による好適な第１の実施例を図１から
図３によって説明する。まず図１に第１の実施例のブラ
シレス自励単相同期発電機１の回路図を示し、図２に第
１の実施例における２極発電機の場合の固定子の主発電
巻線と励磁巻線との空間的相対位置と、両巻線が作るそ
れぞれの磁界分布を固定子コア表面に展開した図を示
す。更に、図３には前記磁界分布の空間調波成分と界磁
巻線とが磁気的結合を成す位置を示した。

【００３１】まず、図１及び図２により固定子２の回路
構成について説明すると、固定子コア３に設けられたス
ロット４に、２極の主発電巻線（単相巻線）Ｗ_ａと６極
の励磁巻線Ｗ_ｅが巻装され、該励磁巻線Ｗ_ｅは制御整流
装置５を介して前記主発電巻線Ｗ_ａの中間タップｕに接
続されている。制御整流装置５はダイオ−ドによる単相
全波整流器Ｄ_ｒと可変抵抗器Ｒ_ｒとから構成している。
また、始動装置６が前記励磁巻線Ｗ_ｅと並列に接続され
ている。この始動装置６と前記制御整流装置５はそれぞ
れ発電機１の外部に設けられる。なお、単相全波整流器
Ｄ_ｒを、制御可能なサイリスタまたは直流チョッパ等の
半導体整流素子で構成した場合には前記可変抵抗器Ｄ_ｒ
は不要となり、また回転子コア８に残留磁気が存在する
場合は始動装置６が不要となる。

【００３２】次に、図１、図２、図３により回転子７の
回路構成について説明すると、回転子コア８にはそれぞ
れが２極の３個の界磁巻線Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３が巻
装され、該界磁巻線Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３は、前記単
相主発電巻線の電流Ｉ_ａに基づく電機子反作用磁界の奇
数次の空間調波成分および前記励磁巻線Ｗ_ｅの電流Ｉ_ｅ
に基づく静止磁界の奇数次の空間調波成分の双方と磁気
的結合を成すスロット位置に配列されており、前記３個
の界磁巻線Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３はそれぞれがダイオ
−ドＤ_１，Ｄ_２，Ｄ_３を介して短絡されている。より詳
しくは、回転子７の３個の界磁巻線Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ
_ｆ３は、電機子反作用磁界および静止磁界のそれぞれの
空間基本波成分および空間高調波成分と磁気的結合を成
さしめるために、該界磁巻線の個々を前記主発電巻線Ｗ
_ａの磁極間隔と等しい磁極間隔となる電気角で１８０゜
のピッチにし、且つ前記空間高調波成分の中でその値が
最も大きな低次の高調波成分、すなわち電機子反作用磁
界の第３次空間高調波成分（６極）および静止磁界の空
間基本波成分（６極）とは最大に磁気的結合を成さしめ
るため（６極の磁界はその全てを界磁巻線の誘導起電力
に寄与させるため）に、電気角で６０°の間隔で設けた
スロット（Ｓ_１〜Ｓ_６）に順次配列して巻装してある。

【００３３】以上の構成において、前記図１における界
磁巻線Ｗ_ｆ（Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_{ｆ ３}）を巻装した回転
子７を回転させると、回転子コア８の残留磁気が作用し
て主発電巻線Ｗ_ａに僅かの起電力が誘導する。このとき
の主発電巻線Ｗ_ａの誘導起電力は図１の制御整流装置５
によって整流され、励磁巻線Ｗ_ｅに直流電流Ｉ_ｅが流れ
て６極の静止磁界が生じる。また、このとき主発電巻線
Ｗ_ａにはＩ_ｅに対応する交流電流Ｉ_ａｅが流れて２極の
電機子反作用磁界が生じる。そして、これらの磁界の空
間分布を固定子コア３の表面にわたって図示すると、主
発電巻線Ｗ_ａおよび励磁巻線Ｗ_ｅをそれぞれ集中巻とし
た場合には図２に示すようにそれぞれが方波形となる。
なお、主発電巻線Ｗ_ａおよび励磁巻線Ｗ_ｅをそれぞれ分
布巻としても本発明は実施可能であるが、この場合の前
記磁界の空間分布はそれぞれ階段状の波形となる。

【００３４】さて、前記図２に示す電機子反作用磁界お
よび静止磁界のそれぞれの方形波をフーリエ級数展開す
ると、

【００３５】

【数１】 となり、それぞれの波形には右辺第１項の基本波以外に
第３次空間高調波、第５次空間高調波等の奇数次空間高
調波成分が含まれている。そこで、図３に示すように３
個の界磁巻線Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３はそれぞれが電気
角で１８０°のピッチに巻装されているため、それらと
静止磁界および電機子反作用磁界のそれぞれの奇数次の
空間調波成分とは磁気的結合を成し、界磁巻線Ｗ_ｆ１，
Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３にはそれぞれ次式のような重畳起電力が
誘導することになる。

【００３６】

【数２】 そして、３個の界磁巻線Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３の誘導
起電力ｅ_ｗｆ１，ｅ_{ｗｆ ２}，ｅ_ｗｆ３はダイオード
Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３によってそれぞれが半波整流され、Ｗ
_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３に整流電流Ｉ_ｆ１，Ｉ_ｆ２，Ｉ
_ｆ３が流れる。その結果、該整流電流の直流分によっ
て、図４に示すように回転子７に２極の磁極が形成さ
れ、回転子７の主磁束が増磁して主発電巻線Ｗ_ａの起電
力が増加する。

【００３７】以上の動作の繰り返しにより、主発電巻線
Ｗ_ａの発電電圧が確立する。なお、このとき前記制御整
流装置５の可変抵抗器Ｒ_ｒを調整すると、励磁巻線Ｗ_ｅ
に流れる電流Ｉ_ｅが制御されて、結果的に発電機１の無
負荷電圧を任意に可変設定できる。なお、本発明は、前
記励磁巻線電流Ｉ_ｅが作る静止磁界によって界磁の分巻
励磁作用が行われ、それに前記主発電巻線電流Ｉ_ａが作
る電機子反作用磁界の奇数次の空間調波成分による界磁
の直巻励磁作用が加わり、両励磁作用の効果によって発
電機１の発電電圧が確立する原理のため、発電機１に負
荷が掛けられている状態の下、すなわち負荷電流Ｉが主
発電巻線Ｗ_ａに流れている状態の下でも発電電圧の確立
が可能という特徴がある。

【００３８】ところで、回転子７に残留磁気が無いとき
には、励磁巻線Ｗ_ｅに接続した始動装置６を操作して、
回転子７の界磁巻線Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３のそれぞれ
に僅かの起電力を誘導させ、これらの起電力の半波整流
電流によって回転子７に僅かの主磁界を発生させる。

【００３９】次に、この発電機１に抵抗負荷を接続する
と以下のように作用する。つまり、抵抗負荷の接続によ
り主発電巻線Ｗ_ａから負荷電流Ｉが流出することにな
り、この負荷電流Ｉによって主発電巻線Ｗ_ａが作る電機
子反作用磁界が増大する。したがって電機子反作用磁界
の空間調波成分は増大し、この空間調波成分と磁気的結
合を成す位置にそれぞれ個別に巻装されている界磁巻線
Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３の各々の起電力が増加して界磁
巻線に流れる整流電流Ｉ_ｆ１，Ｉ_ｆ２，Ｉ_ｆ３が増す。
その結果、主発電巻線Ｗ_ａの誘導起電力が増加して、そ
のインピーダンス電圧降下の増加に対する出力電圧の変
動を補償する。つまり、本発明による発電機Ｉは、負荷
の増減にともなう負荷電流Ｉの増減が回転子７の界磁巻
線の電流Ｉ _ｆ１，Ｉ_ｆ２，Ｉ_ｆ３の増減をもたらすこと
になり、結果的に主発電巻線Ｗ_ａの誘導起電力が増減し
て主発電巻線のインピ−ダンス電圧降下の増減を補償
し、負荷の増減に対して平複巻特性の発電機出力電圧が
得られる。

【００４０】ところで、ＡＶＲ（自動電圧調整装置）を
励磁巻線Ｗ_ｅに併用して、励磁が不足する場合にＡＶＲ
でまかなうようにすることもあり、この他、固定子の直
流励磁に関する公知技術は利用可能で、本実施例に限定
されることはない。

【００４１】本発明による好適な第２の実施例を図５に
よって説明する。図５に第２の実施例のブラシレス自励
単相同期発電機１０の回路図を示す。なお、第２の実施
例による回転子１４は第１の実施例による回転子７と同
様となるので図３を代用して省略する。まず、固定子１
１の回路構成について説明すると、固定子に設けられた
スロットに、第１の実施例の単相主発電巻線Ｗ_ａが巻装
されている。すなわち、図２において励磁巻線Ｗ_ｅを取
り除いた巻線構成になっている。そして、この主発電巻
線の出力端子Ｕ，Ｖに負荷と並列に可変リアクトル１２
と、スイッチＳおよびバッテリーＢから成る始動装置１
３とが接続してある。ところで本実施例の回転子１４の
回路構成は、前述した第１の実施例の回転子７と同様の
構成であり、ここでの回転子の詳細な説明は省略する。

【００４２】以上の構成において、図３に示す界磁巻線
Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３と同一に巻装した回転子１４を
回転させると、回転子コア（図３の回転子コア８と同
一）の残留磁気が作用して主発電巻線Ｗ_ａに僅かの起電
力が誘導し、図５に示す主発電巻線Ｗａの出力端子Ｕ，
Ｖに負荷と並列に接続した可変リアクトル１２に電流Ｉ
_Ｌｅが流れ、主発電巻線Ｗ_ａに電流Ｉ_ａが流れて電機子
反作用磁界が生じる。

【００４３】その結果、該電機子反作用磁界の奇数次の
空間調波成分と磁気的結合を成す回転子１４の界磁巻線
Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３の各々に起電力が誘導する。該
誘導起電力は、各界磁巻線に直列に設けたダイオ−ドＤ
_１，Ｄ_２，Ｄ_３によって各々が半波整流されて回転子１
４の主磁束を増磁し、主発電巻線Ｗ_ａの起電力を増大さ
せる。この動作の繰り返しにより、主発電巻線Ｗ_ａの発
電電圧が確立する。なお、このとき前記可変リアクトル
１２を制御すると、該可変リアクトル１２に流れるリア
クトル電流Ｉ_Ｌｅが制御されて、結果的に発電機１０の
無負荷電圧を任意に可変設定できる。また、本発明は、
主発電巻線電流Ｉ_ａが作る電機子反作用磁界の奇数次の
空間調波成分を利用して界磁の主磁束の増磁をはかる原
理のため、発電機１０に負荷を掛けた状態の下での発電
電圧の確立も可能である。

【００４４】ところで、回転子１４に残留磁気が無いと
きには、主発電巻線Ｗ_ａに接続した始動装置１３を操作
して回転子１４の界磁巻線Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３のそ
れぞれに僅かの起電力を誘導させ、これらの起電力の半
波整流電流によって回転子１４に僅かの主磁束を発生さ
せる。

【００４５】次に、この発電機１０に誘導性負荷あるい
は容量性負荷を接続すると以下のように作用する。つま
り、負荷の接続により主発電巻線Ｗ_ａには負荷電流Ｉと
リアクトル電流Ｉ_Ｌｅとのベクトル和の電流Ｉ_ａが流れ
る。したがって、主発電巻線Ｗ_ａを流れる電流の大きさ
は、負荷電流Ｉの大きさが一定であってもリアクトルの
効用によって負荷の力率が遅れ力率になるほど増大し、
負荷の力率が進み力率になるほど減少する。そこで主発
電巻線Ｗ_ａの電流Ｉ_ａが作る電機子反作用磁界が増減す
ることになる。したがって、電機子反作用磁界の奇数次
の空間調波成分も増減し、この空間調波成分と磁気的結
合を成す位置にそれぞれ個別に巻装されている界磁巻線
Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３の各々の起電力が増減して界磁
巻線の半波整流電流Ｉ_ｆ１，Ｉ_ｆ２，Ｉ_ｆ３が増減し、
結果的に主発電巻線の誘導起電力が増減する。したがっ
て、この第２の実施例の発電機は、負荷力率が遅れ力率
になるほど界磁の直巻励磁効果が増大して出力電圧の低
下が抑制され、また負荷力率が進み力率になるほど界磁
の直巻励磁効果が減少して進相電流による自己励磁現象
に基づく出力電圧の上昇が抑制される。つまり、この発
電機は負荷力率の変化に適切に対応できる自動電圧調整
機能を発電機自体が有している。

【００４６】ここで図１に示した第１の実施例における
制御整流装置５を、制御可能な半導体整流素子で構成し
た実施例を図６に示す。ここに示す制御整流装置１８
は、制御可能な半導体整流素子Ｓ_ｒで構成している。こ
の半導体整流素子Ｓ_ｒはサイリスタであり、この他にも
制御可能な半導体整流素子である直流チョッパ、ＧＴＯ
などで構成することが可能である。サイリスタで制御整
流装置１８を構成すると、サイリスタの点弧角を制御す
ることによって励磁巻線Ｗ_ｅに流れる電流Ｉ_ｅの制御が
自動化できるので、負荷変動による負荷電流の増減にと
もなう出力電圧の変動への対応を、電機子反作用磁界の
空間調波成分の増減だけに頼ることなく、これら出力変
動への対応を自動化してより迅速にすることができる。

【００４７】ところで、本発明の第１と第２の実施例の
回転子は、固定子の主発電巻線Ｗ_ａの極数と同極数を有
する３個の界磁巻線Ｗ_ｆ１，Ｗ_ｆ２，Ｗ_ｆ３を、回転子
コア８に設けた６個のスロットに巻装しているが、発電
機の界磁巻線は主発電巻線の極数と同じ極数を有し、且
つ奇数次の空間調波成分と磁気的結合を成す位置に巻装
されていればよく、前記の界磁巻線の個数は３個、また
スロット数は６個にそれぞれ限定されるものではない。
例えば、図３において、スロット間隔が電気角で３０°
を成す１２個のスロットを回転子コア８に設け、それら
に６個の界磁巻線を巻装しても本発明の発電機は成り立
つ。

【００４８】

【発明の効果】以上のことから、本発明では、従来技術
において必ず必要であったブラシレス自励単相同期発電
機の固定子の励磁巻線に接続されたコンデンサを不要と
したので、発電機のコアの残留磁気の不足およびコンデ
ンサの自然放電に基づく充電不足に原因した発電機の電
圧自己確立の不確実性が改善された。更に、発電機の無
負荷および負荷時のそれぞれの発電電圧の任意設定を行
う場合、従来技術のブラシレス励磁単相同期発電機では
固定子の励磁巻線に接続された前記コンデンサに新たに
可変リアクトルを並列接続する必要があり、装置の大型
化や高価格の問題を有するが、本発明の実施例１では固
定子の励磁巻線に直流可変抵抗器（低廉）を接続するこ
ととにより、発電機の任意設定を簡単に行うことができ
る。また、本発明の実施例２においては、従来技術のブ
ラシレス自励単相同期発電機の固定子の励磁巻線を不要
としたので簡単な固定子構造の発電機を可能とし、且つ
従来技術では困難であった誘導性および容量性負荷時の
発電機出力電圧の変動の抑制が、発電機の出力端子に接
続した可変リアクトルの効果により、実現できた。

【００４９】以上のように、本発明によって多大な効果
を奏することのできるブラシレス自励単相同期発電機を
提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるブラシレス自励単相同期発電機の
回路図。

【図２】本発明によるブラシレス自励単相同期発電機の
主発電巻線および励磁巻線のそれぞれの巻線態様と、両
巻線の電流が作るそれぞれの固定子側の磁界分布を固定
子コア表面に亘って展開した図。

【図３】本発明によるブラシレス自励単相同期発電機の
複数個の界磁巻線の巻線態様と、固定子側磁界分布の奇
数次の空間調波成分を示す図。

【図４】本発明によるブラシレス自励単相同期発電機の
複数個の界磁巻線の直流電流が作る回転子側の磁界分布
を回転子コア表面に亘って展開した図。

【図５】本発明による第２の実施例のブラシレス自励単
相同期発電機の回路図。

【図６】第１の実施例における制御整流装置をサイリス
タで構成した場合の制御整流装置の回路図。

【図７】従来のブラシレス自励単相同期発電機。

【符号の発明】

１ ブラシレス自励単相同期発電機 ２ 固定子 ３ 固定子コア ４ 固定子スロット ５ 制御整流装置（Ｄ_ｒ：ダイオード，Ｒ_ｒ：可変抵抗
器） ６ 始動装置（Ｓ：スイッチ，Ｂ：バッテリー） ７ 回転子 ８ 回転子コア ９ 回転子スロット １０ ブラシレス自励単相同期発電機 １１ 固定子 １２ 可変リアクトル １３ 始動装置（Ｓ：スイッチ，Ｄ_ｓ：ダイオード，
Ｂ：バッテリー） １４ 回転子 １５ ブラシレス自励単相同期発電機 １６ 固定子 １７ 回転子 １８ 制御整流装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 保坂 幸男 広島県東広島市西条西本町２番30号 株式 会社佐竹製作所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定子コアに単相主発電巻線と該単相主
   発電巻線の極数の奇数倍の極数を有する励磁巻線とを巻
   装した固定子と、回転子コアに前記単相主発電巻線の極
   数と同極数の界磁巻線を複数個巻装すると共に該複数個
   の界磁巻線は前記励磁巻線が作る静止磁界と前記単相主
   発電巻線が作る電機子反作用磁界の奇数次の空間高調波
   成分との双方と磁気的結合を成す位置に配列して巻装し
   た回転子と、前記単相主発電巻線の誘導起電力を全波整
   流して前記励磁巻線に直流を流すよう前記単相主発電巻
   線と前記励磁巻線との間に設けた制御整流装置及び前記
   複数個の界磁巻線の各々の誘導起電力を半波整流して界
   磁巻線に直流を流すよう前記複数個の界磁巻線の各々に
   直列に設けた半導体整流素子とから構成したことを特徴
   とするブラシレス自励単相同期発電機。
2. 【請求項２】 制御整流装置は全波整流器と可変抵抗器
   とからなることを特徴とする請求項１記載のブラシレス
   自励単相同期発電機。
3. 【請求項３】 制御整流装置は制御可能な半導体整流素
   子で構成した全波整流器からなることを特徴とする請求
   項１記載のブラシレス自励単相同期発電機。
4. 【請求項４】 固定子コアに単相主発電巻線を巻装した
   固定子と、該固定子の単相主発電巻線の出力端子に負荷
   と並列に接続したリアクトルと、回転子コアに前記単相
   主発電巻線の極数と同極数の界磁巻線を複数個巻装する
   と共に該複数個の界磁巻線は前記主発電巻線が作る電機
   子反作用磁界の奇数次の空間高調波成分と磁気的結合を
   成す位置に配列して巻装した回転子及び、前記複数個の
   界磁巻線の各々の誘導起電力を半波整流して界磁巻線に
   直流を流すよう前記複数個の界磁巻線の各々に直列に設
   けた半導体整流素子とから構成したことを特徴とするブ
   ラシレス自励単相同期発電機。
5. 【請求項５】 リアクトルはリアクトル励磁電流を調整
   可能な可変リアクトルであることを特徴とする前記請求
   項４記載のブラシレス自励単相同期発電機。
6. 【請求項６】 回転子の複数個の界磁巻線は、該複数個
   の界磁巻線個々を前記単相主発電巻線の磁極間隔と等し
   い磁極間隔となる電気角で１８０゜のピッチにして、前
   記回転子コアに等間隔に設けた任意数のスロットに順次
   配列して巻装したことを特徴とする前記請求項１または
   ４記載のブラシレス自励単相同期発電機。