JPS59209058A - 単極回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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シ、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１ＪＬｚ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′酸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年代の片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゛屯する
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１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って一足
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、果電部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′１圧ｅは磁束をΦ（ｖ　
ｌで与えられ、大容量化を計るたｄ）には、磁束Φと回
転数Ｎｅ増大する必要がある。

この場合この回転数Ｎを増大させることば集社部におけ
る周速も増大することになり、集電は＾速面で行なわれ
ることになる。

近年、と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、またチック（Ｎ　ａ　Ｋ　）などの液体金ｇ
を用いた来電法の適用によって、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ってきたが、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っ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シ、したがっ
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シ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
ザに対向する固だ子側に、前記励磁巻線かつくる主磁束
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
するときのライザ全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の詳細な説明する
。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シ、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ば、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全
発生する補助巻線１０（−詳細は後述する）、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、史に
外部に出力電流■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ャツ）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
′亀ブラシ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って
いる。この場合補助巻線１０の励磁極性は、第５図にΦ
８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Ｓｇには、励磁巻線２と異極性の磁
束Φ８がライザの２倍のピッチで周方向にでき、またそ
の隣接部分には前記磁束ΦＳの戻り磁束Φ。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け
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
っ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って直流
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ｌＯ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φＭ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
磁によってライザ１２部には同図に破線φＳ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
がって補助巻線電流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φＭ＋φＢで示すように四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１２ａｌＣ？′ｉ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
生のないライブ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２ｅ−２ｅ
ｒの電圧が発生するが、と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
＃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゛屯の
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っ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Ｋｌ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
さえお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って作られる磁束の
凹凸ピンチと１枚のライザピン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醒流損を低
減する効果もあシ有効である。

また、補助巻線の形状は第４図や第５図の実施例に限っ
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って例え
ば第５図の戻り磁束Φ０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シ構
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
束によシ前記２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全通して前記集電装置
によシ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、したがって単極回
転電機の高速、大容搦゛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図は本発明の詳細な説明す
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、１
１・・・集電装置、１２・・・ライザ、１４・、・・整
流子、Φ・・・主磁束、工８・・・補助巻線単品。 第Ｓ図 犠５　　乙　　５］ ｅｙ。 第７０

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
   転導体よシ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２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
   ブを通して前記集成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。