JPS6231399A - 高速回転直流発電機システム - 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 本発明は、ガスタービンエンジン等に直結され定電圧を
供給する高速回転直流発１ｒＬ機システムに関する。

従来の技術 従来、ガスタービンエンジン等の高速駆動源に直結され
る高速回転直流発電機システムとしては、第６図に示す
ように磁石回転子２１を用いた回転磁石式交流発電機Ｃ
とコントロールボックスＤからなり、コントロールボッ
クス内に整流器部旧、ＰＷＭ電圧電圧制御部及２フィル
タ部Ｄ３を収納したものが知られている。この直流発電
機システムでは、磁石回転子２１の回転により固定子の
電機子巻線２０に発生した３相交流電圧をコントロール
ボックスＤ内の整流器部旧で整流して直流電圧とし、こ
の直流電圧をＰＷＭ電圧電圧制御部及２いてスイッチン
グトランジスタの導通時１ｍの幅を制御して所定のパル
ス幅のパルス波形とし、これをフィルタ部Ｄ３を通すこ
とによりリップルの少ない直流電圧を得るものである。

この場合、直流出力電圧の制御は、交流発’ｔ［ｒ機駆
動源の回転速度変動及び負荷の変動により変化する交流
発電機の交流電圧の振幅に反比例するようにパズル幅を
変化させて定電圧となるように制御する。しかし、この
ような直流発′Ｉｔ機システムでは、遠心力に対して磁
石を保持するためローターバンドで締め付ける必要があ
り回転子の構造が複雑となりまた回転子製作工数が多く
なる。また、直流出力電圧を定電圧に制御するため整流
器部旧で４１１ｉ流した電圧をスイッチングトランジス
タでスイッチングしてパルス波形としているが、整流器
部Ｄ１から直流出力端子Ｄ５へ通じる電力ラインを直接
スイッチングするため次の欠点がある。

（イ）パルス波形をフィルタして直流７に圧とするため
大容計のフィルタが必要となる。

（ロ）スイッチングトランジスタの電圧降下にょる′ｉ
に力損失が大きい。

（ハ）発生するラジオノイズのレベルが高い。

（ニ）スイッチングトランジスタがオフの時交流発電機
のインダクタンス分によりこのトランジスタに高電圧が
印加され、破損するおそれがあるためトランジスタの前
段（整流器部とＰＷＭ電圧制御部との間）に容量の大き
いサージ吸収用コンデンサＣ１を設ける必要がある。

また、このためコントロールボックスＤの毛だ１寸法も
発電機に比べて大きくなる。

発明が解決しようとする問題点 本発明は、高速回転に耐えうる構造をもっと共にシステ
ム全体として軽量小型化され、また定電圧出力のだめの
電圧制御の容易な高速回転駆動源発電機システムを提供
することを目的とする。

問題点を解決するための手段 固定子に直流界磁巻線と電機子巻線をもち回転子は誘導
子鉄心からなる発電機と、上記発電機の発生する交流電
圧を整流して直流出力電圧を発生する整流回路と、整流
器出力側と直流界磁巻線との間に接続され直流界８１巻
線に供給される電流を増減して直流出力電圧を調整する
電圧調整部とから構成される。

作　　用 発電機は、高速回転駆動源に直結される誘導子鉄心から
なる回転子の回転により交流電圧を発生し、整流回路は
この交流電圧を整流して直流出力電圧とする。電圧調整
部は整流器出力側から発電機の直流界磁巻線に供給され
る電流を増減し、直流出力電圧を調整する。

実施例 第１図、第２図及び第３図は、本発明の第１の実施例を
示し、第１図は電気回路図、第２図及び第３図は、発゛
准機部の縦断面図及び横断面図である。第１図において
、高速回転直流発電機システムは、発電機部Ａとコント
ロールボックスＢからなり、発電機部Ａには整流器１１
が内蔵され、またコントロールボックスＢには、電圧調
整部旧、電圧検出部Ｂ２及び出力端子Ｂ３が含まれる。

第２図及び第３図をも参照すると全７ｆｉ機部Ａは、ハ
ウジング１内に固定子２を収め、固定子２は、直流界磁
巻線３と電機子巻線５を備えており、４は固定子鉄心で
ある０回転子８は、シャフト７上に誘導子型鉄心を積層
した完全なソリッド回転子で突極が設けられている。こ
の回転子８は、両端で一対のポールベアリングｌＯエン
ドベル１３及び７ランジ１４により保持される。なお、
９はキーである。

整流回路！１は、三相交流電圧の全波整流器で、本実施
例ではスタッド型ダイオードで、従来の整流回路はコン
トロールボックスに収められていたが、これをハウジン
グ内に取り付け、例えば第２図に示すように冷却ファン
１２の近くの発電機冷却風取入側に配置することにより
冷却効果が高くなるので整流器の寸法１重量も大幅に低
減できる。

コントロールボックスＢ内の電圧調整部Ｂｌは、公知の
ＰＷＭ方式制御を行うもので、電圧調整器２０とスイッ
チングトランジスタ２１を含み、電圧検出部Ｂ２を介し
て整流器１１の出力側に接続されると共に他方は直流界
磁巻線３に接続され、整流器１１の出力側から直流界磁
巻線３に供給される電流をＰＷＭ力式制式制御。なお、
２２はモ滑用フィルタとしてのコンデンサである。

動作を説゛明すると、ガスタービンエンジンＴに直結さ
れた誘導子型回転子８が回転すると、誘導子型回転子を
もつ発電機における公知の発電原理により電機子巻線５
には三相交流電圧が発生する。即ち、直流界磁ａ線３に
流れる電流により発生した磁束は誘導子鉄心の突極を通
じて流れるが、ある電機子巻線１極間に流れる磁束は誘
導子鉄心の突極と対向したとき最大となり、又突極と突
極との間の凹みに対向したとき最小となる。このように
ある電機巻線ｌ極間に流れる磁束は回転子位置により増
減し、この磁束おの変化ｄφが電される。周波数ｆは、
突極数Ｚと回転数Ｎ　（ｒｐｍ）の大きさは直流界磁！
！！線の電流を増減させることにより制御できる。

このようにして、電機子巻！１Ｉａ５に発生した三相交
流電圧は整流器１１により全波整流され、直流出力電圧
として出力端子Ｂ３に現れる。

ガスタービンエンジン等の回転速度の変動又は負荷の変
動に拘わらず直流出力電圧を一定にするため、電圧検出
部Ｂ２は出力′電圧を検出し、これに基づいて電圧調整
器２０はスイッチングトランジスタ２１の導通期間を制
御し、ＰＷＭ方式制御により直流界磁巻線３に供給され
る電流を増減する。直流界磁巻線３の電流を変化させる
ことにより電機子巻＆！ａ５に発生する交流電圧の振幅
が変化し、これにより整流後の直流出力電圧を調整する
ことができる。従って、従来のように回転磁石式交流発
電機を用いその三相交流電圧を整流器で整流した後ＰＷ
Ｍ方式制御して所定の直流出力電圧を得るものに比べ、
本実施例では直流界磁巻線の小電流をＰＷＭ方式制御し
、電力ラインの直流出力をスイッチングしないので、整
流器からは比較的リップルの少ないそのまま実用に供し
得る直流出力電圧が得られる。

本実施例においては、静止電子部品のうち最も発熱の大
きい整流器を最も冷却効果の高い発電機冷却風取り入れ
側に配置内蔵することにより整流器部の寸法重量を大幅
に低減でさ、また上述の電圧制御により大容量のフィル
タが不必要になることにより、コントロールボックスも
大幅に軽量小型化ができる。このため発電機部とコント
ロールボックスを含めた発′￥Ｌ機システム全体として
も従来のものに比べて低減（約３０％〜４０％　）でき
る。

次に、第２の実施例を第４図及び第５図を参照して説明
する。この実施例では第１の実施例に比べて整流器をス
タッド型ダイオードの代りにＩＣ化した整流回路にして
これを発電機のハウジング内の固定子外周面トに取り付
けた点のみが相違する。従って、この構成では１発電機
の軸長が短縮できるので、この発電機システムの最終の
搭載機器（例えば、無人機、ミサイル、ロケット等）に
おいてその全長寸法に制約のある場合に好適である。

整流器が第１実施例のようにスタッド型ダイオードでは
、これを発電機の軸方向に取り付けるので軸長が長くな
り、特に、直流発電機システムとして、並列に２つの直
流出力電圧を得る必要がある場合には、第１図のＴｊ、
機子巻線５、整流器１１及び出力端子Ｂ２を更に１組設
けて、２重系とするため、整流器１１が２組となり、整
流用ダイオードは６個ｘ２組（合計１２個）が軸方向に
取り付けられるため軸長が長くなる。軸長が長いことに
よりオーバーハングモーメントが大きくなり、エンジン
側取り付けパッドの寸法、構造が大きくなり、又発電機
の両軸受間の距離が長くなり、固有振動数が低くなり最
大許容回転数が低下する。

第４図及び第５図について、第１実施例との相違点を説
明すると、１１−１はＩＣ化した全波整流回路を角型収
納箱に入れたもので、内部の電気回路は第１図の整流器
１１と同様であり、スタッド型ダイオードがＩＣ化され
ている。これを固定子鉄心４の外周面に取り付けるため
、図に示すように固定子鉄心４の磁束密度が最も少なく
なる鉄心無効部分を平坦になるように加工して、その上
にＩＣ化した整流回路１１−１を取り付ける。なお、第
４図では。

整流回路１１−１が上下に対向して２個取り付けている
が、これは、直流出力電圧を２毛系とした場合であり、
もし第１図に示すような単−系の場合は、１個でよい。

なお、ＩＣ化整流回路１１−１の取付けスペースに余裕
をもたせるため、固定子鉄心４には、鉄心一体抜きか、
又は溶接により突起した固定子鉄心取付け部１Ｇを数個
所設けて、これとハウジングｌを取付けねじ１７で接合
することにより突起の高さに応じたスペースが得られる
。

この実施例においては、整流回路Ｉｌｌを固定子鉄心４
の外周面に取り付ける結果、発電機部の軸長が短縮され
、扁平な形状となり、例えば、２７．００Ｏｒｐｍ、４
０Ｖ　ＤＣ１１３００ＷＸ２ｆｆｉ系（計１．２ＫＷ）
の発電機部で軸受は間距離は１２０＋ｗｍから８２ｍｍ
に短縮され、外径は１２０ｍｍから１３５ｍｍと増加し
、また、重量は２．９ｋｇから２．５ｋｇに減少した。

このように本実施例では、発電機部の外径の増加を少な
くして軸方向寸法を短縮でき、また重量も減少するので
ガスタービンエンジン等に＆　付ｔｔ後の全体の寸法も
短くなり重量も軽減する。また、エンジンに取付けた場
合、発電機部の軸長が短いためエンジン側取付けパッド
から発′准機部の重心位置までの距離も短くなり、取付
けパッドにかかるオーバーハングモーメントが少なくな
り、取付けパッドの荷重を軽減できる。また発電機部の
軸受間距離が短くなり回転子の固有振動数が高くなるた
め最大許容回転数を上げて高速化が計れる。また、ＩＣ
化した整流回路の使用により発電機内部結線が簡素化さ
れ、コスト低減につながる。

発明の効果 発’、ｔｔ　ａ部の誘導子型回転子は従来の磁石型回転
子に比べて構造が簡単でかつ完全にソリッド型であるた
め高速化（２０，００Ｏｒｐｍ以Ｊ：）ができる（従来
の約２０ｏｚ以北の高速回転に耐える強度を有し。

製作費用も大幅に低減できる）。

直流出力電圧を定電圧に調整するため、従来のように整
流後の電力ラインの出力電圧を制御することなく、直流
界磁巻線の電流（電力ラインの電流の１／１０程度の小
電流）をスイッチングトランジスタによりＰＷＭ方式制
御するため制御が容易であり、また次の利点がある。

（イ）整流器の後に従来のような大容量のフィルタ（リ
アクタ及びコンデンサ）が不要となる。

（ロ）スイッチングトランジスタによりスイッチングさ
れる電力が小さくなるため発生するラジオノイズも大幅
に減少する。

（ハ）スイッチングトランジスタ保護用のサージ吸収コ
ンデンサも不要となり、またこのトランジスタの電圧降
下による電力損失も減少する。

また、コントロールボックス内には、上述のように大容
量のフィルタが不要となるため軽量小型となる。

従って、発電機部とコントロールボックスからなる高速
回転直流発電機システム全体としても、軽ｊ、小型化さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の高速回転直流発電機システムの実施
例の電気回路図、 第２図は、第１図の発電機部の縦断面図、第３図は、同
発電機部の横断面図、 第４図は、本発明の他の実施例における発電機部の横断
面図、 第５図は、同発電機部の縦断面図である。 第６図は、従来の高速回転発電機システムの電気回路図
。 図において、 Ａ、、、、発電機部、　Ｂ　、、、、コントロールボッ
クスＢ１．０．、’、に圧調整部、１．、、、ハウジン
グ、２　、、、固定子、　　　　３．、、、直流界磁巻
線、４、、、、固定子鉄心　５．、、、電機子巻線、８
、、、、誘導子型回転子。 ｌｔ、、、、！！！！流回路（整流器）。 代理人　弁理士　後　　藤　　武　　夫代理人　弁理士
　藤　　　本　　　　礒第２図 １：ハウシンク−９：′＋− ２：固　定２子　　　　　　　　　　　　　１０二ホー
）レヘ・了りンク。 ３：ａ；超轡屓し昼、俊　　　　　　　　１１．整シ先
左４：固定子鋪−Ｌ、−＋２：々天Ｐファン５・竜栂子
巻！　　　　　　　　　＋３：エンドベル６：通、シホ
ールト　　　　　　　　　１４ニアつンシ７；シャフト
　　　　　　　　　１５．コネクター８：誘導子型回転
子 第３図 第４図 第５図 １°ハウシンク゛ ３：！Ｓ先界瓜巻膿 ４　固定子機１し ５°Ｑ機玉春４ｔ ７：シャフト ８、誘導＋型７０」聴子 １０：ホー１しへ７りンク” １６、　固　１ｍ−Ｅ−ケ一（こ。 １７：ｉｉイすネジ 第６図 ２０　電槽＋巷穐 ２１　租モ回収各

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）直流界磁巻線及び電機子巻線を備えた固定子と、
   誘導子鉄心をもつ回転子からなる発電機と、上記発電機
   の電機子巻線に発生する交流電圧を整流し直流出力電圧
   を発生する整流回路と、上記整流回路の出力側と上記直
   流界磁巻線との間に接続され、上記直流界磁巻線に供給
   される電流を増減することにより直流出力電圧を調整す
   る電圧調整部とからなる高速回転直流発電機システム。
2. （２）特許請求の範囲第１項の直流発電機システムであ
   って、上記整流回路はスタッド型ダイオード整流器から
   なり上記発電機のハウジング内に取り付け発電機に内蔵
   されている高速回転直流発電機システム。
3. （３）特許請求の範囲第１項の直流発電機システムであ
   って、上記整流回路はＩＣ化した整流回路からなり、上
   記発電機の固定子鉄心の外周面上に取り付けられ発電機
   に内蔵されている高速回転直流発電機システム。