JPS61295898A - 燃焼機関の損失動力回収装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は燃焼機関（内燃機関及び外燃機関）の損失動
力回収装置に関する。

［従来の技術］ 燃焼機関の損失動力を駆動エネルギーとしかつ発電機に
結合されたタービンから成り、発電機の巻線が燃焼機関
の負荷軽減用直流電動機に電力を供給する燃焼機関の損
失動力回収装置は、Ｅ−０５００４５８４３により知ら
れている。かかる装置を最善に利用するためには、それ
ぞれ利用可能なタービンの全駆動容量を利用すること、
従って絶えず最大限に給気してタービンを運転すること
が必要である。さて一方では、上記動力径って発電機か
ら放出され電動機により吸収される動力は、燃焼機関の
そのときどきの損失に従ってその運転状態に関係しそれ
故に著しく変化する。他方ではこの燃焼機関の回転数従
って燃焼機関の負荷を軽減する電動機の回転数もまた与
えられた運転範囲において変化し得る。このことは特に
交通機関の駆動の際に事実である。それにより可変に定
められた発電機出力を回転数が同様に可変に定められた
電動機により吸収するという問題が生じ、その際一般に
、特に交通機関の駆動においては、それぞれ定められた
この両速転量の間に明白な従属性が存在しない、従来か
ら公知の装置においては電動機により吸収される動力を
発電機から放出される動力に整合させるのに別個の制御
装置を必要とするが、この制御装置は技術的及びコスト
的に著しい負担の原因となり、この負担は特に比較的小
さい動力並びに大きい負荷変動と回転数変動とを有する
交通機関の駆動の際には耐えられないように思われる。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は、別個の制御装置無しに動力整合が可能なよ
うに前記の種類の装置を構成することを目的とする。

Ｅ問題点を解決するための手段」 この目的はこの発明に基づき、発″ｒｒ！、機巻線中に
誘起される電圧が別個の制御装置を用いずに運転回転数
について急傾斜の同方向依存性（回転数の増加に伴い急
激に増加する依存性）を有することにより達成される。

例えば自動の直流発電機、同期発電機又は非同期発電機
において磁気的に飽和していない範囲で生じるかかる依
存性は第９図に示されている。発電機回転数ｎ１におけ
る自励の開始から発電機回転数ｎ２における磁気飽和の
開始に至るまでの狭い回転数範囲において、誘起される
電圧は値Ｕ】から急激に数倍大きい値Ｕ２に増加する。

従って回転数の変動する自動が現われる０回転数につい
ての同様な電圧特性は自動の励磁機による発電機の固有
励磁の場合にも得られる０発電機電圧の急傾斜の回転数
依存性は自動又は固有励磁以外の手段によっても得られ
るか又は更に改善される。

直流電動機により吸収される動力は供給される電圧と共
に増加し、電動機回転数の増加と共に減少する。

発電機がｎｌ　≦ｎ　＜　ｎ　２の範囲にある回転数ｎ
により駆動され、最大限に給気されたタービン、発電機
及び直流電動機の間の動力平衡を出発点としてタービン
出力が一ヒ昇するときには、タービン出力の余剰分がま
ずタービン及び発電機のための加速トルクとなり従って
それらの回転数が上昇する。しかしながら直流電動機が
増大したタービン出力に相当する発Ｍ、機出力を吸収す
るほど発電機電圧を増大させるためには、僅かな回転数
増加で十分である。加速トルクはそれと共に消滅する。

従ってタービン及び発電機の回転数はそれ以−ヒは増加
せず、動力平衡が再び形成される。タービン出力の低下
の際には、タービン及び発電機の僅かな回転数低下によ
り動力整合が逆方向に行われる。

例えば直流電動機に結合された燃焼機関により直流電動
機に押し付けられた回転数が増加し、従って電動機出力
従って発電機出力がまず低下することにより、直流電動
機が起点となって動力平衡が乱れると、再びタービンの
出力余剰が生じ、この出力余剰はタービンと発電機とを
それぞれ僅かな回転数増加だけ加速し、この回転数増加
が発電機電圧を増加させることにより再び動力平衡を形
成する。直流電動機に押し＋１けられた回転数の減少の
際にはこれと逆にタービン及び発電機の僅かな回転数減
少により動力平衡の更新が行われる。

［実施例］ 次にこの発明に基づく装置の幾つかの実施例を示す図面
によりこの発明の詳細な説明する。

第１図に示す実施例においては、タービン１に結合され
た同期発電機２は、その誘導巻線３により負荷整流器４
を介して直巻電動機として構成された直流電動ｊａ、５
に給電する。負荷整流器４からは可調整抵抗７を介して
同期発電機２の励磁巻線６にも給電される。これにより
第９図に示すような発電機回転数に対する発電機電圧特
性を有する自動が生まれる。抵抗７により発電機回転数
ｎのｎｌからｎ２に至る運転範囲が移動され、それによ
り効率に関して有利なタービン回転数に整合“される。

第１図に示す同期発電機２と負荷整流器４との代わりに
、自励の直流分巻発電機を用いることもできる。かかる
回転機では効率の観点からその回転数を非常に高く選ば
なければならないときには、タービン１との直結が禁止
される回転数限界が特に整流子により決定される。

第２図に示す回路では発電機２は同様に同期発電機であ
り、その誘導巻線３は負荷整流器４を介して直流電動機
５に給電する。同期発電４１！２には励磁ｆｉ８が結合
され、この励磁機の出力巻線ｌＯは励磁整流器１１を介
して同期発電＠２の界磁巻線６に給電し、従って同期発
電４１！２は固有励磁で作動する。励磁４ｍ！８は永久
磁石９により励磁される。従って出力巻線ｌＯに誘起さ
れる電圧は回転数にだけ比例して増加し、従って単独で
は同期発電機２に対して第９図に示す電圧特性をもたら
さない、出力巻線１０がチョーク１３及びコンデンサ１
２と直列共振回路を形成し、その共振周波数が上側の運
転回転数ｎ２　（第９図）に相応する出力巻線１０中に
発生する電圧の周波数に等しいか、又はそれにより僅か
だけ大きいような直列共振回路によって、第１図に示す
電圧特性は初めて得られる。それに基づいて直列共振回
路は運転回転数範囲ｎｌ　≦ｎ≦ｎ２において回転数の
増加と共に急激に減少する抵抗を生み出し、それにより
同期発電機２の励磁巻線６の励磁電流、従ってこの発電
機により発生する電圧が相応に増加する。

直列共振回路の共振周波数従って急傾斜の電圧変動に対
し決定的な発電機の回転数範囲を所望のタービン回転数
に整合できるように、チョーク１３はインダクタンスを
可変に構成できる。

チョーク１３を可調整としない場合には、コンデンサ１
２とともに必要な共振周波数を有する直列共振回路を形
成するために、出力巻線１０のインダクタンスを十分な
値に構成することによりこのチョーク１３を省略するこ
ともできる。

第２図に示す同期発電機２の固有励磁構成は第１図に示
す自動構成に比べて、直列共振回路を適切に設計するこ
とにより、この同期発電機２が上側の運転電圧範囲にお
いて磁気的に飽和をもし得るような励磁電流特性をその
回転数にわたって得られるという長所を有し、それによ
りその利用度が改善される。第２図により結線された装
置の別の長所は、永久磁石９が励磁＠８の固定子に設け
られ、出力布＆１１０並びにコンデンサ１２、チョーク
１３及び励磁整流器１１が励磁ａ８の回転子に設けられ
るときに得られる。同期発電機２はこのときスリップリ
ングを必要としない。

固有励磁の同期発電４Ｉ！２は自動の励磁機を備えるこ
ともでき（図示されていない）、この励磁機の回転数の
変動する自動方式は同期発電機２に対して第９図に示す
発電機電圧特性をもたらす励磁電流を与える。

発Ｍ、機２は永久磁石励磁の同期機とすることもできる
。この同期発電機を高速回転のタービンに直接結合した
いときには、巻線の無い回転子を有するリラクタンス回
転機が用いられ、この回転機では誘導場Ｍｊ、３も永久
磁石も固定子に配置されている６発電機の極端に高い回
転数に適した別の構造は第３図及び第４図において大極
構造で示されている。つり鐘形の鉄の回転子本体１４が
軸１５上に片持ちに配置され、その内面上に永久磁石１
６を支持している。永久磁石１６の遠心力は回転子本体
１４により受は止められる０発電機の固定子積層鉄心１
８は非磁性の材料から成る心棒１７上にはめられ、その
内外面上に相互に対応する溝１９を有する。これらの溝
１９の中には環状巻線２１が収容されている。この環状
巻線２１の端面詰合部の張り出しは少ないので、極数の
小さい場合にも回転子本体１４の短い軸方向長さが可能
となり、このことは片持ち支持された高速回転の回転子
に対して重要である。環状巻線２１は分離された二つの
部分巻線から成ることができ、その際一つの部分巻線は
永久磁石１６から誘導を受ける発電機２の巻線３を形成
し、他の部分巻線は直流を供給されて固定子継鉄２０に
周方向のバイアス磁化を与える。このバイアス磁化によ
りもたらされる固定子継鉄の磁気飽和の大きさに応じて
永久磁石１６の磁束は多かれ少なかれ弱められ、それに
より巻線３に誘起される電圧が変化する。

環状巻線２１の特別の構造と結線とにより前記の両巻線
は一体化できる。すなわち環状巻線２１の導体は同期発
電機２から出力される交流と固定子継鉄２０のバイアス
磁化により発電機電圧を制御する直流とを同時に導くこ
とができる。これにより分離された部分巻線に比べて巻
線の素材金属の著しい節約、巻線損失の低減が得られる
。かかる一体化された環状巻線２１の構造と結線とは、
二極構造に対して第５図及び第６図に示されている。

第５図によれば環状巻線は固定子局りに６０’ずつ相互
にずらされた同様の六つの部分巻線２２ないし２７から
成り、これらの部分巻線は第６図に示すように星形に結
線された二つの三相巻線群にまとめられ、その同相の外
側巻線端２９　、３４又は３３．３８又は３０．３７は
直接結合されて出力端子Ｕ、ｖ、ｗへ導かれている。バ
イアス磁化する直流電流Ｉｖの供給は１両巻線群の分か
れて導き出された中性点Ｍｌ　　とＭ２を介して行われ
る。三つの相巻線のおのおのは二つの巻線群に分割され
た二つの並列分岐から成り、この並列分岐は第５図に示
すように固定子上に磁極ピッチだけずらして配置されて
いる。従？って雨中性点Ｍ１　とＭ２は同一の二つの巻
線群の中に永久磁石１６（第３図及び第４図）により誘
起される電圧に関して同電位である。従ってバイアス磁
化する直流ＩＶを供給する制御回路は誘起される交流電
圧及び交流電流からは制約されない、これと逆に出力端
子ｔｒ、ｖ’、ｗは雨中性点Ｍｌ　　とＭ２に印加され
た直流電圧に関し同電位であるので、バイアス磁化する
直流電流Ｉｖの接続された負荷（第１図及び第２図にお
ける負荷整流器４）に流れ得る成分はない、バイアス磁
化する直流電流Ｉｖは巻線の中で三つの分岐電流に分割
され、この分岐電流のおのおのは三つの巻線分岐対２２
．２５又は２４．２７又は２６．２３の一つを貫流する
。これらの分岐電流の方向は破線の矢印により示されて
いる１巻線端に関する分岐電流のそれぞれの方向を維持
しながらこれらの電流方向矢印を第６図から第５図に転
記することにより、各部分巻線が固定子継鉄を同周方向
にバイアス磁化する起磁力を供給することが示される。

この起磁力が増加するにつれて、従ってバイアス磁化す
る直流電流Ｉυの増加につれて、固定子継鉄の磁気飽和
従って永久磁石の磁束に対する磁気抵抗もまた増加する
。それに応じてこの磁束及びこの磁束により誘起される
電圧が減少する。従ってバイアス磁化する直流電流Ｉｖ
は、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗから出力される交流電圧をこの
直流電流と反対方向に変化させる。バイアス磁化する直
流電流Ｉｖは第６図に示すように１発電機固定子に配置
された補助巻線４１からチョーク４２とコンデンサ４３
とから成る並列共振回路及び制御整流器４Ｇを経て出力
される。補助巻線４１は、−次側を部分巻線２２ないし
２７又はこれらの部分巻線の一部に接続され、二次側に
並列共振回路のチョーク４２．コンデンサ４３が制御整
流器４０と直列に接続された絶縁変圧器により代用する
こともできる。並列共振回路のチョーク４２．コンデン
サ４３は、電流を阻止するように働くその共振周波数が
上側の回転数ｎ２　　（第９図）において補助巻線４１
に誘起される電圧の周波数に等しいか又はそれより僅か
だけ大きく、それに反して下側の回転数ｎ１の場合には
その抵抗が僅かに過ぎないように設計されている。これ
に基づき下側の回転数ｎ１では固定子継鉄を強く飽和し
従って誘起される交流電圧を相応に抑制するバイアス磁
化直流Ｉｌｌが流れ、それに反して−１−側の回転数ｎ
２では並列共振回路のチョーク４２．コンデンサ４３の
阻止効果により実際上固定子継鉄の完全な飽和解除が、
従って誘起される交流電圧の最大値が発生するほどバイ
アス磁化直流Ｉｖが減少される。共振周波数従って運転
回転数範囲ｎ１≦ｎ≦ｎ２を調整できるようにするため
、チョーク４２は可変のインダクタンスにより構成され
ている。

２Ｐ〉２極の前記の動作方式の環状巻線においては、第
５図に示す隣接した六つの部分巻線の配置が二つの磁極
ピッチだけにわたって分布しており、２組の磁極対の相
互に対応する２個の部分巻線が集まって、例えば直列又
は並列に接続されて、第６図に示す個々の巻線分岐を形
成する。

第７図は永久磁石励磁の同期発電機２の回転数に対する
電圧特性が急傾斜になるようにするための別の装置を示
す、この発電機の誘導巻線３は直流電動機５に給電する
負荷整流器４のほかに更にチョーク４４に給電し、この
チョークのインダクタンスは直流の貫流するバイアス磁
化巻線４５により可変である。バイアス磁化巻線４５は
その電流を整流器４６から受は入れ、この整流器は並列
共振回路４７を介して同期発電機２の誘導巻＆ｌａ３に
接続されている。この並列共振回路４７の共振周波数は
ここでも１；側の運転回転数ｎ７に相応する同期発電機
２の電圧周波数に等しいか又は僅かだけ大きい、従って
１−側の回転数ｎ２においてはバイアス磁化＠＆１ａ４
５の電流は相応に小さいので、チョーク４４は飽和を解
かれ従ってそのインダクタンスは最大である。同期発電
機２の相応に小さい誘導負荷はその永久磁石の磁界を明
らかに弱めるほどの影響をもたらさない。すなわち発電
機電圧はその最高値に達する。これに反して下の運転回
転数ｎｌ　に相応する発電機電圧の周波数では適切に設
計された並列共振回路４７は、チョーク４４を強く飽和
するために十分に大きい電流がバイアス磁化巻線４５を
貫流するような小さい抵抗を形成する。そのとき同期発
電機２の相応に大きい誘導負荷が永久磁石磁界を、従っ
て誘起された電圧を著しく減らすほど、チョークのイン
ダクタンスは小さい、第７図に示す装置は同期発電機２
に対して如何なる形の永久磁石励磁回転機も適するとい
う長所を有する。

負荷整流器４を介して直流電動ａ５に給電する発電機は
、容量的なリアクタンス（最も簡単な場合にはコンデン
サだけ）による自動を備えた非同期ｆｉ２ａとすること
もできる。ここでもまた回転数に対する電圧特性は第９
図のそれに等しい。運転回転数範囲を狭めコンデンサ容
量を節約するために、容量的なリアクタンスは第８図に
示すように上側の運転回転数ｎ２に相当する発電機電圧
の周波数のすぐ上に共振周波数を持つ直列共振回路４８
により形成することができる。コンデンサだけによる励
磁に比べてこうすれば上側の電圧範囲において非同期機
２ａの成る量の磁気飽和も許容することもでき、従って
運転回転数範囲ｎ１≦ｎ≦ｎ２を不利に拡大することな
く非同期発電機の利用度が改善される。直列共振回路４
８に対して可変のインダクタンスを有するチョークを採
用するときには、共振周波数従って非同期機２ａ及びタ
ービン１の運転回転数範囲を移動する可能性が存在する
。

非常に高い回転数に対しては、非同期ｆｉ２ａの回転子
をかご形巻線付きの外側回転子により形成するか、又は
かご形巻線付き又は無しの塊状内側回転子を設けるのが
合目的である。

第２図及び第８図における出力巻線１０．コンデンサ１
２．チョーク１３から成る直列共振回路及び直列共振回
路４８並びに第６図及び第７図における並列共振回路４
２．４３及び４７は、共振回路当たり複数のコンデンサ
、チョークの同様に作用する間知の組み合わせにより代
用することもでき、この組み合わせにより前記の単純な
共振回路の場合よりそのリアクタンスの更に急傾斜な周
波数特性が得られる。それにより発電機２又は２ａの電
圧の回転数依存性又は周波数依存性が更に改善される。

直流電動機５に対しては、機械的な整流を備えた通常の
回転機のほかに電子的な整流を備えた回転機も用いるこ
とができる。後者は、燃焼機関の結合により非常に高い
電動機回転数が芋えられたときに、また場合によりｇ流
子への不利な雰囲気影響を避けるときにも特に適してい
る。

直巻電動機においては回転数に関する電圧特性が分巻電
動機より著しく平坦であるので、直流電動機５の実施方
式に対しては前者を優先すべきである（第１図）、なぜ
ならばそれにより発電機２又は２ａに対する更に小さい
運転電圧範囲が得られるからである。直流電動機５は他
動又は永久磁石励磁を備えることもできる。この場合に
は発電機２又は２ａの運転電圧範囲を縮小するために、
直流電動機の上側回転数範囲において弱め界磁を用いる
のが合目的である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に基づく損失動力回収装置で自励の同
期発電機を用いた一実施例の回路図、第２図は固有励磁
の同期発電機を用いた一実施例の回路図、第３図は永久
磁石励磁の同期発電機の一実施例の縦断面図、第４図は
第３図に示す発電機の横断面図、第５図は第３図に示す
ような環状巻線の二極構造に対する一実施例の配置図、
第６図は第５図に示す環状巻線の回路図、第７図は磁界
を弱めるチョークを備えた永久磁石励磁の同期発電機を
用いた一実施例の回路図、第８図は非同期発電機を用い
た一実施例の回路図、第９図は運転回転数について急傾
斜の同方向依存性を有する発電機電圧をグラフで表わし
た図である。 １参壷・ｐ−ビン、　　　２．＝２ａ争・φ発’ｔａ、
３番・拳発電機の誘導巻線、　　４・・・負荷整流器、
　　５・・争直流電動機、　　６・・・発電機の励磁巻
線、　　８−・・励８１機（補助発電機）、ｌＯ・・・
出力巻線、　　１２・・・コンデンサ、１３−一番チヨ
ーク、　　　１６・φ−永久磁石、２０・・・固定子継
鉄、　　　２１・・・環状巻線、４０−争・制御整流器
、　　４２．４３．４７・・・並列共振回路、　　４４
・・・チョーク、　　４５゜・・・バイアス磁化巻線、
　　４６・・・整流器。 」・、゛、た・

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）燃焼機関の損失動力を駆動エネルギーとしかつ発電
   機（２又は２ａ）に結合されたタービン（１）から成り
   、発電機の巻線（３）が燃焼機関の負荷軽減用直流電動
   機（５）に電力を供給する燃焼機関の損失動力回収装置
   において、発電機巻線（３）中に誘起される電圧が別個
   の制御装置を用いずに運転回転数について急傾斜の同方
   向依存性（回転数の増加に伴い急激に増加する依存性）
   を有することを特徴とする燃焼機関の損失動力回収装置
   。 ２）発電機（２又は２ａ）が回転数の変動する自励の又
   は固有励磁の回転機であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の装置。 ３）発電機（２又は２ａ）が運転電圧範囲において磁気
   的に飽和されないことを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の装置。 ４）発電機（２又は２ａ）が、又はその励磁巻線（６）
   に給電する補助発電機（励磁機８）が、その励磁回路の
   交流範囲にリアクタンス（１２、１３又は４８）を内蔵
   することを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の装置
   。 ５）発電機（２）が永久磁石励磁の同期機又は直流機で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置
   。 ６）発電機（２）が永久磁石（１６）を備えた外側回転
   子を有することを特徴とする特許請求の範囲第５項記載
   の装置。 ７）発電機（２）の永久磁石による有効磁束が、その磁
   路の一部好ましくは固定子継鉄 （２０）の直流励磁によるバイアス磁化に よって、急傾斜の同方向回転数依存性を有するように飽
   和制御されることを特徴とする特許請求の範囲第５項又
   は第６項記載の装置。 ８）固定子継鉄（２０）のバイアス磁化が直流通電の環
   状巻線（２１）によりもたらされることを特徴とする特
   許請求の範囲第７項記載の装置。 ９）交流発電機（２）において環状巻線 （２１）が交流電圧を発生する巻線（３）の少なくとも
   一部をも形成することを特徴とする特許請求の範囲第８
   項記載の装置。 １０）固定子継鉄（２１）のバイアス磁化をもたらす電
   流が制御整流器（４０）から送ら れ、この制御整流器（４０）は少なくとも 一つの並列共振回路（４２、４３）を介して回転数に比
   例する周波数の交流電圧から給電され、この並列共振回
   路の電流を阻止する共振周波数は運転時に超えられるこ
   とのないことを特徴とする特許請求の範囲第７項ないし
   第９項のいずれか１項に記載の装置。 １１）発電機（２）が巻線の無い回転子を備えたリラク
   タンス回転機であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項ないし第６項のいずれか１項に記載の装置。 １２）発電機が交流発電機（２）であり、この交流発電
   機が直流電動機（５）に給電する負荷整流器（４）以外
   に直流によりバイアス 磁化されるチョーク（４４）に給電し、こ のチョーク（４４）のバイアス磁化巻線 （４５）が整流器（４６）に接続され、運転時にその共
   振周波数を超えない少なくとも 一つの並列共振回路（４７）を介して、この整流器（４
   ６）が発電機巻線（３）から給電されることを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項又は第６項記載の装置。 １３）発電機が容量的に作用するリアクタンスにより励
   磁される非同期機（２ａ）であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の装置。 １４）容量的に作用するリアクタンスが直列共振回路（
   ４８）から成り、その共振周波数が運転周波数範囲の上
   方にあることを特徴とする特許請求の範囲第１３項記載
   の装置。 １５）非同期発電機（２ａ）がかご形巻線を備えた外側
   回転子を有することを特徴とする特許請求の範囲第１３
   項又は第１４項記載の装置。 １６）非同期発電機（２ａ）が巻線の無い又はかご形巻
   線だけを備えた塊状回転子を有することを特徴とする特
   許請求の範囲第１３項 又は第１４項記載の装置。 １７）燃焼機関の負荷を軽減する直流電動機（５）が機
   械的又は電気的に整流される直巻回転機であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第１６項のいずれ
   か１項に記載の装置。 １８）燃焼機関の負荷を軽減する直流電動機（５）が機
   械的又は電子的に整流される永久磁石励磁又は他励の回
   転機であることを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第１６項のいずれか１項に記載の装置。 １９）直流電動機（５）がその上側回転数範囲において
   弱め界磁により作動することを特徴とする特許請求の範
   囲第１８項記載の装置。