JPS62166751A - ブラシレス発電機 - 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】 （１）　　発明の目的 （産業上の利用分野） 本発明は発電機に関し、さらに詳しくは、コンパクトで
高効率のブラフレス発電機に関する。

（従来の技術及び問題点） 従来のブラシレス発電機は保守性が良いという利点があ
るが、発電時にステータとロータ間で磁気吸引力が働く
ために保持トルクを生ずるのをまぬがれることができな
い。この保持トルクは発電機の負荷電流に比例して大き
くなる。発電機がエンジンまたは電動モータ等の原動機
により駆動されているときに、発電機の出力側に過負荷
がかかると、保持トルクが大となって原動機がいわゆる
ラグモードと呼ぶような無理な運転状態となる。

このとき、発電機の出力には異常周波数や電圧脈動が生
じるだけでなく、原動機の内部構造にも機械的損傷を与
えがちであった。この問題を防ぐために必然的に大容量
の原動機を使用するか、あるいは、相当複雑で高価な保
護回路が必要であった。

（２）発明の構成 （問題点を解決するための手段及び作用）本発明は従来
の問題点を解決すべく、ブラシレス発電機のステータ部
とロータ部との磁気吸引力作用に対向して、ステータ部
とロータ部間に磁気反発力を生じさせる構造を設けるこ
とにより保持トルクを最少とし、もって、負荷変動によ
って発電機の出力に異常周波数や電圧脈動を発生させる
ことのないプランレス発電機を提供することを目的とす
る。

本発明は上記目的達成のために、ステータ部と、前記ス
テータ部内で、軸方向に間隔をおいて設けられた第一及
び第二静止界磁極と前記ステータ部内に延びる回転軸に
設けられ、前記回転軸の回転により前記第一及び第二界
磁極間で周期的な磁束変化を生じさせるための磁束切換
磁極片を有するロータ部と、前記第一及び第二界磁極間
に生ずる磁束変化により発電するようにステータ部内に
支持された出力巻線とから構成される。

本発明の重要な特徴によれば、ステータ部には第三の静
止界磁極が前記第一及び第二界磁極のどちらか一方から
軸方向において間隔をおいて配置される。一方、ロータ
部には前記磁束切換磁極片から軸方向において間隔をお
いて設けられた磁気反発用磁極片を具え、前記磁気反発
用磁極片を前記第三界磁極に周期的に対向させるように
配列する。第一、第二、第三静止界磁極には直流励磁界
磁巻線が巻装され、該第−〜第三静止界磁極の界磁巻線
には可変直流励磁装置が接続されて、同時に可変直流励
磁電流が供給される。

上記構成において、第一および第二静止界磁極が可変直
流励磁電流により励磁されると同時に第三静止界磁極が
前記可変直流励磁電流により励磁されるため、ロータ部
には磁気吸引作用と磁気反発作用とが同時に作用して、
ロータ部の保持トルクが極めて小さくなる。したがって
、負荷変動によるロータ部への脈動の影響を最少にする
ことができる。

（実施例） 次に、画面に基づいて本発明の一実施例について説明す
る。

第１図は本発明によるブラシレス発電機の好ましい実施
例の一部断面の斜視図を示すもので、発明の基本的な理
解を助けるために、説明のために不必要な部分または重
複する構造部分は省略しである。

第１図において、符号１０で全般的に示されるブラシレ
ス発電機は非磁性材料から成る円筒状ハウシング１２内
に同心的に支持されたステータ１４．１６からなるステ
ータ部１７を有する。ステータ１４は高透磁率の磁気材
料から成り、ステータ１６は非磁性材料から構成される
。また、ステータ１６を磁性材料から構成する場合は、
ステータ１４とステータ１６との間に非磁性体のスペー
サ（図示せず）を設置しても良い。

ステータ１４には軸方向に間隔をおいて第一及び第二の
静止界磁極１８．２０が固定支持される。

第一静止界磁極は半径方向内側に延びる複数の界磁鉄心
１８ａ、　１８’ａ、　１８ｂ、　１８’ｂ　（第３図
参照）と、これら界磁鉄心に固定された磁極片（符号な
し）とを有する。同様に、第二静止界磁極２０は複数の
界磁鉄心２０ａ、２０’ａ、２０ｂと、これら界磁鉄心
に固定された磁極片（符号なし）とから成る。第一静止
界磁極１８の界磁鉄心と第二静止界磁極の界磁鉄心とは
軸方向において整列するようにステータ１４内に固定さ
れ、界磁鉄心１８ａ、　１８ｂとはそれぞれ対向するよ
うな磁極すなわち、Ｎ極とＳ極となるように配置される
。界磁鉄心１８ｂは界磁鉄心１８ａに対して電気角で１
８０°位相がずれた位置に配置され、この界磁鉄心と軸
方向に対向する界磁鉄心２０ｂはＮ極に設定される。

界磁鉄心１８′ａは半径方向に対向する界磁鉄心１８ａ
と同じＮ極を有し、界磁鉄心１８′ｂは半径方向に対向
する界磁鉄心１８ｂと同じＳ極を有する。

このように界磁鉄心１８ａ、１８ｂ、１８’ａ、１８’
ｂはＮ、　Ｓ、　Ｎ、　Ｓ極を有し、これら界磁鉄心に
対して軸方向で対向する界磁鉄心は極性が対向するよう
に、それぞれＳ、Ｎ、Ｓ、Ｎ極を有する。

第１．２．３図から明かなように、第一静止界磁極１８
の界磁鉄心１８ａ、　１８ｂ、　１８’ｂ、　１８’ｂ
にはそれぞれ直流励磁界磁巻線１８ａｗ、１８ｂｗ。

１８’ａｗ、　１８’ｂｗが支持され、これらは後述の
方法により駆動される。同様に、第二静止界磁極２０の
界磁鉄心にも直流励磁界磁巻線２０ａｗ。

２０’ａｗ、　２０ｂｗ、　２０’ｂｗが支持され、後
述の方法で駆動される。

第１，２図において、トロコイダル状の出力巻線２２が
コモン・ロータ部２４を囲むように第一及び第二静止界
磁極１８．２０間においてステータ１４内に適当な手段
により固定支持される。コモン・ロータ２４は回転軸２
６に装着され、回転軸２６はステータ部１７の両側に設
けられた図示されないエンド・ハウジング及びベアリン
グを介して回転可能に支持される。回転軸２６は電動モ
ータその他の適当な駆動源に接続されて回転駆動される
。

本発明の重要な特徴によれば、ステータ１６には以下に
述べる目的のために第一静止界磁極１８から軸方向に間
隔をおいて第三静止界磁極２８が固定支持される。第１
．２．４図において、第三静止界磁極２８は第一、第二
静止界磁極の４つの界磁鉄心に対応して、４つの界磁鉄
心２８ａ、２８ｂ、　２８’ａ、　２８’ｂを有し、こ
れら界磁鉄心はそれぞれ磁極片（符号なし）を有する。

界磁鉄心２８ａ。

２８ｂ、２８’ａ、２８’ｂはそれぞれ直流励磁界磁巻
線２８ａｗ、２８ｂｗ＋　２８’ａｗ、２８’ｂｗを支
持し、これら界磁巻線は後述の如く駆動される。

第一、第二静止界磁極１８．２０の界磁鉄心は電気角で
１８０°毎にＮ極とＳ極が交互に配置されていたのに対
し、第二静止界磁極２８の界磁鉄心はすべてＮ極かＳ極
のいずれか一方の磁極に設定される。第２．４図ではＮ
極に設定されたものとして図示されている。

再び第１．２．３．４図に戻って、コモン・ロータ２４
はステンレスその他の低透磁材料からなる非磁性セクシ
ョン部２４ａと、該非磁性セクション部２４に固定され
た軸方向に延びる一対の磁束切換用磁極片３０．３０’
と、半径方向に延びる磁気反発用磁極片３２とを具える
。磁極片３０．３０・は高透磁率の複数のラミネート材
からなるスタックより構成し、ロータ２４の非磁性セク
シミン部２４ａに形成された半径方向に開口する軸方向
溝２４ｂ、　２４’ｂに設置され、ネジ、溶接その他の
適当な手段によりロータの溝２４ｂ、　２４’ｂ内に固
定される。第１．２図より明らかなように、磁束切換磁
極片３０の両端部は第一、第二界磁極１８゜２０の界磁
鉄心１８ａ、　２０ａの真下に配置され、同様に磁束切
換片３０’の両端部は第一、第二静止界磁極１８．２０
の界磁鉄心１８’ａ、　２０’ａの真下罠配置され、両
磁極片３０．３０’は磁束通路として作用し、同時に第
一、第二静止界磁極間の磁束をサイクリックに変化させ
る。

第１．２．４図において、反発用磁極片３２は高透磁率
の複数のラミネート材から成るスタックより構成し、ロ
ータ２４の非磁性セクション２４ａの一端に形成した溝
２４ｃ内に適当な手段で固定さとして作用するショルダ
ー都徊碕により互い１（磁気影響がないように分離され
る。磁極片３２は次に詳述する目的のために磁極片３０
．３０’と同位相となる位置に配置される。

第１〜４図に示した位置において、磁極片３゜は界磁鉄
心１８ａ、２０ａの真下に位置し、磁極片３０′は界磁
鉄心１８’ａ、　２０’ａの真下に位置する。

このように第１〜３図において、左側の２個のＮ極の界
磁鉄心と右側の２個のＳ極の界磁鉄心との間に磁束回路
ができる。磁束はＮ極界磁鉄心１８ａ、１８°ａから磁
極片３０．３０’を介してＳ極界磁極２０ａ、　２０’
ａに流れ、さらにステータ１４を介してＮ極界磁鉄心１
８ａ、　１８’ａに戻る。このとき磁束は出力巻線２２
と鎖交するため、出力巻線２２の中に電流が流れる。

第５図において、時間ｔ１のときコモン・ロータ２４の
磁極片３０はＮ極及びＳ極の静止界磁極１８ａ、２０ａ
の真下に位置し、このときロータ２４は磁気吸引力を受
ける。このとき、同位相において、Ｎ極の第三静止界磁
極２８ａ、２８’ａの真下に高透磁率の反発用磁極片３
２が位置しているためにロータ２４には磁気反発作用が
働いて、ロータ２４への保持トルクは低減される。つぎ
に、時間ｔ、かうｔｔにおいてロータ２４が時計方向、
すなわち、第５図にて矢印で示す方向に電気角１８０゜
回転した状態が第５図の右側に示される。すなわち、時
間ｔ、において、ロータ２４の磁極片３０の一端はＳ極
界磁鉄心１８ｂの真下に位置し、磁極片３０の他端はＮ
極界磁鉄心２０ｂ真下に位置する。このとき、ロータ２
４は磁極片３０を介して磁気吸引作用を受ける。時間ｔ
、において、Ｎ極界磁鉄心２８ｂ、２８°ｂに対して、
磁極片３０と同位相において、磁極片３２が対向する。

このとき、磁極片３２は界磁鉄心２８ｂ、２８’ｂのＮ
極の磁束の作用を受けるので、ロータ２４には反発作用
が与えられる。このとき、ロータに与えられる磁気吸引
作用と磁気反発作用とがバランスするように第三静止界
磁極の界磁巻線の電流を制御すればロータの保持トルク
を著しく減らすことができるので多大の利点を有する。

なお、このロータのバランス作用は出力巻線２２とは独
立した位置で行なわれるため、出力巻線の出力値には悪
影響を与えない、 つぎに第１，３図に戻って、コモン・ロータ２４が第３
図のロータ位置から時計方向に回転すると、磁束が減少
し、第３．４図においてロータ２４が時計方向に９０°
、すなわち電気角で１８０°回転すると、磁束は出力巻
線２２に対して反対方向に流れる。このとき、磁束は第
１図の右側のＮ極の静止界磁極鉄心から左側のＳ極界磁
極鉄心１８ｂ、１８’ｂに流れ、ステータ１４を通って
右側のＮ極界磁極鉄心に流れる。このようにして、出力
巻線２２内には反対方向の電流が流れる。コモン・ロー
タ２４を連続して回転させると磁束の変化が二方向にお
いて交互に繰り返されて出力巻線２２には交流電流が発
生する。

第６Ａ、６Ｂ、６Ｃ図は第一静止界磁極１８、第二静止
界磁極２０及び第三静止界磁極２８の直流界磁巻線の接
続図の一例を示し、第７図に第一〜第三静止界磁極の界
磁巻線を励磁するための可変直流励磁装置４０の１例を
示す。

第７図において、可変直流励磁装置４ｏはＡＣ出力巻線
２２の口出線２２ａ、２２ｂに接続される。

可変直流励磁装置４０の出力端は第一静止界磁極１８の
界磁巻線１８ａ、１８’ａ、１８ｂ、１８’ｂと、第二
静止界磁極２０の界磁巻線２０ａ、　２０’ａ、　２０
ｂ。

２０′ｂと、第三静止界磁極２８の界磁巻線２８ａ。

２８’ａ、　２８ｂ、　２８’ｂとに励磁用の可変直流
電流を供給すべく接続される。

可変直流励磁装置４０からの出力電流が変化すると、第
一〜第三静止界磁極１８．２０．２８の磁束が変化して
出力巻線２２の出力電圧が変化する。

この出力電圧は励磁装置４０にフィードバックされて直
流励磁電圧が変化する。このとき、第一〜第三静止界磁
極１８．２０．２８の界磁巻線には同一の直流電流が供
給されるため、ロータ２４には直流励磁電流に比例した
磁気吸引力と磁気反発力が同時に作用して、ロータ２４
の保持力は極めて小さくなる。

（効果） 以上より明らかなように、本発明のブラシレス発電機で
は第一、第二及び第三静止界磁極に可変直流励磁電流を
同時に供給することにより、ロータには直流励磁電流に
比例した磁気吸引力と磁気反発力とが同時に作用してロ
ータの保持力を極めて少くすることができる。したがっ
て、発電機の負荷変動によるロータの保持力の脈動を防
止することができ、発電機の出力の異常周波数や出力電
圧の脈動を簡単で低コストの構造にて効果的に防ぐこと
ができる。なお、発電機の出力側に過負荷がかかった場
合には直流励磁電流が急変するが、このとき急変した直
流励磁電流によって同時に第一〜第三静止界磁極が励磁
されるのでロータの磁気吸引力と磁気反発力が互いにバ
ランスし合ってロータの急激な脈動を効果的に防止でき
るため、発電機の原動機の運転状態に影響を与えない。

実施例において、本発明は一例として単相交流機に適用
したものとして説明したが、これをカスケード状に位相
を１２０°づつづらして接続することにより三相交流機
としても良い。また、本発明は交流機に限定されない。

すなわち、第−静止界磁極の界磁鉄心をすべてＮ極とし
、第二静止界磁極の界磁鉄心をすべてＳ極となるように
励磁すれば、磁束は第一、第二界磁極の間で、一方向に
おいてのみ断続的に変化するので直流機として機能する
。さらに、実施例において第一〜第三界磁極の界磁鉄心
はすべて界磁巻線により励磁するものとして説明したが
、界磁巻線の代わりに永久磁石を組み合わせても良いこ
とは云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例によるブラシレス発電機の
一部断面の斜視図、第２図は、第１図の■−■断面図、
第３図は、第２図の■−■断面図、１ＸＥｒ 第４図は第牙図の嚇一番断面図、第５図は、ロータと界
磁極との位相関係を説明するための展開図、第６Ａ、６
Ｂ、６Ｃ図は第一、二、三静止界磁極の界磁巻線の接続
図、第７図は第一、二、三静止界磁極を励磁するための
励磁装置の一例をそれぞれ示す。 １４．１６・・・・・・・・・ステータ１８．２０．２
８・・・・・・・・・第一、第二、第三界磁極２４・・
・・・・・・・ロータ　　　２２・・・・・・・・・出
力巻線４０・・・・・・・・・励磁装置 出願人　株式会社ハイテク研究所 奉／図 秦３ワ 第１　Σ 阜５面 ／８ａ ビ、　　　　　　　　　　ビ２ 奉乙Ａ凹 襄６８ｒ２Ｊ 項５るｃｔ２１ 朱７図 券−静止芥缶椿１８ 手続補正書 昭和６１年５月２６日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ステータ部と、前記ステータ部に軸方向に間隔を有する
   ように固定支持された第一及び第二静止界磁極と、前記
   ステータ部内に設けられた回転軸に固定され、前記第一
   、第二静止界磁極間でロータ軸の回転によって周期的に
   磁束変化を生じさせる磁束切換磁極片を有するロータ部
   と、前記第一及び第二静止界磁極間に生ずる磁束変化に
   より発電するように前記ステータ部内に支持された出力
   巻線と、前記ステータ部に前記第一、第二界磁極のいず
   れか一方から軸方向に離れた位置で固定支持される第三
   静止界磁極とから成り、前記ロータ部が前記磁束切換磁
   極片から軸方向に離れた位置に設けられた磁気反発用磁
   極片を前記第三静止界磁極と周期的に対向させ、前記第
   一、第二及び第三界磁極に直流界磁巻線を巻装し、前記
   直流界磁巻線に可変直流励磁電流を供給するための可変
   直流装置を接続したことを特徴とするブラシレス発電機
   。