JPS60197146A - リラクタンス発電機 - 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】 （ｆＩｌ、業、Ｆ−、の利゛用分野） 本発明は、内燃機関の排気タービン等に連結されて超高
速回転されるリラクタンス発電機に関する。

（従来技術） 従来から、内燃機関に設置した排気タービンにより発電
機をｗＡＩＩＪすることによって、発電電力を回収し、
これを各種の車両用負荷電源に利用する試みがなされて
いる。

ここで使用されている発電機は、一般にロータ側に通電
しない誘導型である。この理由は、　般の同期型発電機
では、巻線型ロータを使用してこれのロータコイルに固
定部側から通電するのに、ロータと界磁電流供給源との
間にブラシを介在させるため、このブラシがロータの回
転の高速化によって、強度的に耐えられず、摩耗、破損
によって電力取出しが不可能になるからである。

これに対して、誘導型発電機はロータ側に通電部を用い
ないため、高速回転に好都合な発電機であり、１分間に
飲方回転もする発電機として誘導発電機は有用である。

（従来技術の問題点） しかしながら、かかる誘導発電機、特に高速回転に向く
かご型ロータを持った誘導発電機では、二次導体やこれ
らの両端を継ぐ短絡環を、融解したアルミニュームを鉄
芯内に鋳込むなどして、ロータを一度に形成してなるも
のであるので、上記高速回転時にロータ全周に亘って極
めて大きな遠心力を受けたとき、次第にニー次導体が鉄
芯や短絡環ふら剥離し、遂にはロータが破壊に至るとい
う問題があった。

（発明の目的） 本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、
超高速回転に対してもロータ強度が安定したりラフタン
ス発電機を提供することを目的とする。

（発明の概要） この目的を達成するために、本発明は、無負荷誘導起電
力を発生する巻線層に９０’進みの電機子電流を流すよ
うに構成されたステータコイルと、回転軸に直交するー
・方向の磁気抵抗が極めて小さく、この方向に直行する
方向の磁気抵抗が大きい略Ｉ字型ロータとを備え、該略
■字型ロータは磁気抵抗の少ないけい素鋼材によって構
成したりラフタンス発電機を提供する。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

先ず、本発明のリラクタンス発電機の原理について述べ
、次いでこの原理に基すいて構成される発電機の好適例
について述べる。

第１図（ａ）、（ｂ）は三相同期発電機の原理図および
起電力波形図である。いま図示のように各相コイ）Ｌｔ
Ａ　ｔ　−Ａ２　、　Ｂ１−Ｂ２、Ｃ，−ｃ２中を永久
磁石からなる１字型のロータＭが回転するものとして、
このロータＭが図示の状態にある場合に、各相コイルの
起電力の方向は、第１図（ａ）のようになり、このとき
のコイルＡ、−Ａ２の起電力ｅａは最大である。

ここでこの発電機に負荷をかけ、起電力ｅａと同相の電
機子電流ｉａ１が流れたとすると、他の各相の電流と電
圧も各々同相となるから、電機子巻線中の電流は０＝０
の瞬間には、第１図（ｂ）の起電力分布と一致する。そ
してこの電機子電流によって、空隙中には第１図（ａ）
矢印Ｐ方向に起磁力が発生する。

すなわち、起電力ｅａと電機子電流ｉａ、とが同相でれ
ば、界磁コイルで作られる磁束より９０″遅れた位置に
電機子電流によって起磁力が発生する。

したがって、第２図（ｂ）において、無負６■誘導起電
力ｅａに対して各々９０°進みに電流ｉａ２、ｉｂ２、
ｉｃ２を流したとすると、コイルＡ１−Ａ２には起゛心
力ｅａに対してこれらが９０゜進み、θ＝０の瞬間、ｉ
ａ２による起磁力が０となるが、ｉｂ２、ｉｃ２によッ
テ第２図（ａ）に示すように界磁磁束と同方向の矢印Ｑ
で示す起磁力が作用し、これが界磁磁束を増加させる。

つまり、無負荷誘導起電力に対して常に９０″進みの電
流を発生させ、その大きさを連続的に変化すれば、第２
図（ａ）に示す通常の同期発電機における界磁電流を調
整したことと等価になり、界磁コイルや永久磁石がなく
ても、同期発電機と同一の作用を持つ発電機を得ること
ができる。なお、この発電機では、電機子コイルに負荷
電流とともに界磁電流を流さなければならないため、力
率が低下する。

なお、第３図はＥ記すラクタンス発電機の制御回路であ
り同図において、ｌは同発電機の電機子コイル、２はロ
ータ、３は負荷、４は進相無効電力源、５はロータ回転
位置センサであり常にロータ２の回転位置を検出し、そ
の回転位置に応じて進相無効電力源４から電機子コイル
ｌに励磁電流を供給する。そしてロータ２の回転によっ
て、電機子コイルｌに誘起起電力を発生して、負荷３に
電力を供給する。

以上の動作原理から明らかな様に、このリラクタンス発
電機は通常の突極同期発電機から界磁巻線を取り除いた
ものであるから、等価回路は第４図の突極発電機の界磁
巻線による主磁束によって生しる起電力Ｅ。をＯとした
ものに一致する。

ここで、負荷３の接続によって生じる逆起電力をＶａと
した場合に、Ｘｑ、Ｘｄが発電機出力に対してどのよう
な影響があるかを検討する。なおこの発電機の動作解析
を［１にするため、それぞれ巻線抵抗Ｒｑ、Ｒｄを無視
して、横軸インピータンスをＺｑ＝ｊＸｑ、直軸インピ
ーダンスをＺｄ＝　ｊＸｄとした場合、第５図に示すよ
うなベクトル図をｆｉＦる。

第５図において、 ＩａＩＩＣＯ５Ｏ＝Ｉｑ　・・・　（１）Ｉａｓｓｉｎ
θ＝ｘａ　−−−（２） Ｖａ　＠　ｃｏｓ　δ　＝Ｘｄ　＠　Ｉｄ　−−−（３
）Ｖａ＊ｓｉｎδ＝ｘｑ１１■ｑ　・・＠　（４）とな
り、−相の出力Ｐｐｈは、 Ｐｐｈ＝Ｖａ＊Ｉａ＊ｃｏｓψ ＝Ｖａ＠Ｉａ拳ｃｏｓ（θ十δ） ・・・　（５） これを変形して、 ｐｐ　ｈ＝１／２　（１−ａ）　Ｘｄ−Ｉ　ａｉｓｉｎ
２（＋・・・　（６） ここで、α＝Ｘｑ／Ｘｄとし、（１）〜（４）式をもと
にして（６）式を変形すると、Ｖａ＝Ｘｄ　＊　Ｉ　ａ
　Ｓ＋ｎ　＋　ａｃｏｓ　Ｏ・・・　（７） となり、−相の出力Ｐｐｈは、 ・・・　（８） となる。

ここで、出力Ｐｐｈを増加させるためには、（６）式よ
り、Ｉａはコイルの許容電流で抑えられるから、Ｘｄを
できるだけ大きくすればよく、Ｘｑをできるだけ小さく
すればよい。

つまり、第６図（ａ）に示すように、ロータの回転位置
とコイル軸の方向とが一致すると、コイルが作る磁束は
実線矢印Ｒを通るため、磁路の磁気抵抗は小さく、した
がってコイルの自己インダクタンスＬ１が大きくなる。

いっぽう、第６図（ｂ）のようにロータの回転位置とコ
・イル軸とが直交する場合には、磁路の磁気抵抗は大き
く、コイルのインダクタンスＬ２は小さくなる。したが
って、 Ｘ　ｄ　＝　３／２　拳　ω　Ｌ　ｌ　・　・　普　Φ
　（９）Ｘｑ＝３／２　１＋（１）Ｌ２　働　・　１１
　（１０）となる。

したがって、」−記原理に基ずいたりラフタンス発電機
を構成すれば、第７図および第８図に示す如くなり、特
に、ロータとしてｄ軸方向で磁気抵抗が小さく、ｑ軸方
向で磁気抵抗が大きければ。

１−記αが小さくなるよような形状が望まれる。

同図において、１１はハウジングで、このハウジング１
１内には、ベアリング１２を介してシャラフト１３の両
端が回転自在に支持され、このシャツ）１３にはロータ
１４が取すイ・ｊけっれている、また、このロータ１４
の外方に臨む部位のハウジングｌｌ上にはステータコア
１５およびステータコイル１６が図示の如く配設されて
いる。１７はシールリングである。

・方、」−記のロータ１４は略■字型のけい素鋼板を重
ね合わせて溶接した１１１層コア１８を有し、長径方向
が強磁性を示し短径方向が弱磁性を示す方向性を有する
。つまり長径方向に磁気抵抗を小さく、短径方向に磁気
抵抗を大きくし、これによって上記α値を小さくし、出
力Ｐｐｈを充分に大きくとることができるようにしてい
る。

Ｅ胆略Ｉ字型の積層コア１８は、その外周部の対称位置
に、α１＝９０’の円周部分１９が残され、シャフト１
３付近で厚みが円弧部分と略同−の寸法が確保されるよ
うになっている。これは、磁束通路がシャフト１３によ
って狭められて、磁気抵抗が大きくなるのを防止するた
めである。なお、積層コア１８は両端で固定板１４ａに
よって保持されている。

また、上記積層コア１８の円弧部分１９を除く非円弧部
２０にはこれを上記円弧部分１９に連続する円弧面を形
成するダミー充填物２１が結着される。このダミー充填
物２１として硬質の合成樹脂が使用されている。

さらに、これらの円弧状外周面には、ステンレスやチタ
ン合金など非磁性金属板２２が嵌合や圧入のどの手段に
よって被覆され、平滑な円弧外猜となして、風損防止を
図るとともに、遠心力による充填物２１の剥離とコア１
８のたわみを押えるようになっている。なお、ステータ
コア１５とシャ°フト１３とのクリアランスはできるだ
け小さくし、少なくとも充填物２１の長径方向の肉厚は
できるだけ蒔い方が、上記磁気抵抗の差をだすために ＼、に打ましい。

べ ・さ　この様なりラフタンス発電機とすれば、回転部分
から起電力を取り出す構成にすることなく、しかも従来
の誘導発電機の様にロータ質量を大きくすることなく、
超高速回転が可能な発電機とすることができる。

また、この様な超高速回転によって充分に大きい発電電
力を誘起させうるので、これを内燃機関の排気ガスター
ビン等によって高速駆動せしめることにより、その発電
電力を車両用負荷に利用することができる。

なお、前記ロータ１４はけい素鋼板の積層材にて構成し
たが、ロータ１４をけい素鋼ブロックにて構成し、かつ
その断面を略Ｉ字型とし、長径方向の磁気抵抗が小さく
、短径方向の磁気抵抗が大きい構成することもできる。

また、ロータ１４を軟鉄のブロックにて構成しても、あ
る程度は目的を達成することができる。

（発明の効果） 以上説明した通り、本発明によれば、一方向の磁気抵抗
が小さく、これに直交する方向の磁気抵抗が大きいけい
素鋼にて略工字型コアを形成し、これを無負荷起電力に
対して９０″進みの電機子電流を流すステータコア内に
設けたことによって、界磁コイルおよび永久磁石なしで
も、同期発電機と同じく電機子コイルに大きな電力を誘
起できるとともに、」二記コアの非円弧面部にこれを円
弧部にするダミー充填物を結着しかつその周囲に非磁性
金属板を被覆したことによって、磁気特性をそこなわず
しかも風損の原因を取除いて高速回転に耐えるロータ構
造とすることができるほか、構成の軽重化、コンパクト
化を図れる等の効果が得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は三相同期発電機の原理を説明する説明・図、ｆ
ｆ５２図は本発明のりラフタンス発電機の原理を説Ｉｊ
ｌする説明図、第３図は三相同期発電機の制御回路図、
第４図はりラフタンス発電機の等価回路図、第５図は同
じく等価回路各部の電圧、電流のベクトル図、第６図は
ロータの回転位置と巻線軸との関係を示す説明図、第７
図はりラフタンス発電機の断面図、第８図は同じくロー
タの断面図である。 １１・・ハウジング　１３・・シャフト１４・・ステー
タコア　１６・・ステータコイル１８争・積層コア　１
９１１・円弧部分２０・・非円弧部　２１Φ・ダミー充
填物２２・・非磁性金属板 第１図 ２ （ａ）　（ｂ） 第２図 （。）（ｂ） 第５図 第６図 （ａ）　（ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （’１）無負荷誘導起電力を発生する巻線相に１１０”
   進みの電機子電流を流すように構成されたステータコイ
   ルと、回転軸に一直交する一方向の磁気抵抗が極めて小
   さく、この方向に直行する方向の磁気抵抗が大きい略Ｉ
   字型ロータとを備え、該略Ｉ字型ａ−夕は磁気抵抗の少
   ないけい素鋼材によって構成したことを特徴とするりラ
   フタンス発電機。 （２）無負荷誘導起電力を発生する巻線相に８０゜進み
   の電機子電流を流すように構成されたステータコイルと
   １回転軸に直交する一方向の磁気抵抗が極めて小さく、
   この方向に直行する方向の磁気抵抗が大きい略■字型ロ
   ータとを備えてな一す、該略Ｉ字型ロータは磁気抵抗の
   少ないけい素鋼材からなり、その外周の非円弧面部にこ
   れを円弧面に形成するダミー充填物を結着するとともに
   、該円弧面を含む上記ロータ外周を非磁性金属板にて被
   覆したことを特徴とするりラフタンス発電機。