WO2019098341A1

WO2019098341A1 - ブラシレス同期発電機

Info

Publication number: WO2019098341A1
Application number: PCT/JP2018/042549
Authority: WO
Inventors: 羽田　正二
Original assignee: Ntn株式会社
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2019-05-23
Also published as: JP2019092330A

Abstract

ブラシレス同期発電機の起動時に外部から電流を供給することを不要とする。交流励磁機１０の回転子１１と回転整流器２０と主発電機３０の回転子３１とは主軸４０に固定されており、主軸４０とともに回転する。交流励磁機１０の回転子１１の回転子巻線は、三相交流を出力する。回転整流器２０は、回転子１１の回転子巻線から出力される交流電流を整流して直流電流を出力する。主発電機３０の回転子３１の回転子巻線には回転整流器２０から出力される直流電流が界磁電流として供給される。主発電機３０の固定子３５の固定子巻線は三相交流を出力する。自動電圧調整器５０は、固定子３５の固定子巻線から出力される三相交流が入力され、交流励磁機１０の固定子１５の固定子巻線に直流の界磁電流を供給する。交流励磁機１０の固定子１５は永久磁石１６を有し、および／または主発電機３０の回転子３１は永久磁石３２を有する。

Description

ブラシレス同期発電機

　本発明は、ブラシレス同期発電機に関する。

　主発電機と交流励磁機と回転整流器と自動電圧調整器（ＡＶＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）を有するブラシレス同期発電機が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
　ブラシレス同期発電機では、主発電機の回転子と交流励磁機の回転子とが共通の主軸によって同時に回転する。回転整流器も主軸に固定されており、主発電機の回転子および交流励磁機の回転子とともに回転する。
　交流励磁機は小さな発電機である。回転整流器は、交流励磁機の出力する交流電流を整流して直流電流に変換し、直流の界磁電流を主発電機の回転子巻線（界磁巻線）に供給する。主発電機は、交流励磁機の出力を増幅する。自動電圧調整器は、交流励磁機の固定子巻線（界磁巻線）に供給する界磁電流を調節することにより、主発電機の交流出力を制御する。

　また、非特許文献２には、ブラシレス同期発電機を用いた風力発電システムが記載されている。この風力発電システムでは、自動電圧調整器は主発電機の出力する交流電圧と交流電流に基づいて主発電機の出力する交流の電圧や周波数が一定となるように制御する。

齋藤武、佐々木健治、近藤芳樹、山田幸治、松浦秀実、「特集　同期機　原理・構造と制御方法」、新電気、オーム社、２０１０年４月号、p.4-19 "自励式交流発電機を用いた風力発電システムに関する研究"、[online]、東京電機大学　工学部電気電子工学科　グリーンエネルギー研究室、[平成２９年９月２１日検索]、インターネット<URL: http://nishikatalab.sakura.ne.jp/Research/Present/Self-excited/Self-excited.html>

　特許文献１と特許文献２に記載のブラシレス同期発電機は、主発電機の出力する交流の電圧や周波数を一定に保ったり、最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｏｉｎｔ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ）方式によって電力を出力したりすることができる。しかし、ブラシレス同期発電機は、起動する時に外部から交流励磁機の固定子巻線（界磁巻線）に電流を供給する必要がある。

　本発明の目的は、起動する時に外部から電流を供給することが不要なブラシレス同期発電機を提供することである。

　上記目的を達成するために、本発明のブラシレス同期発電機は、
　回転可能な主軸と、
　固定子巻線を有する固定子と、前記主軸に固定されており、前記主軸とともに回転する回転子であって交流を出力する回転子巻線を有する回転子とを有する交流励磁機と、
　前記主軸に固定されており、前記主軸とともに回転する回転整流器であって、前記交流励磁機の回転子巻線から出力される交流電流を整流して直流電流を出力する回転整流器と、
　前記主軸に固定されており、前記主軸とともに回転する回転子であって前記回転整流器から出力される直流電流が界磁電流として供給される回転子巻線を有する回転子と、交流を出力する固定子巻線を有する固定子とを有する主発電機と、
　前記主発電機の固定子巻線から出力される交流が入力され、前記交流励磁機の固定子巻線に直流の界磁電流を供給する電流供給部と、
　を備え、
　前記交流励磁機の固定子および／または前記主発電機の回転子が永久磁石を有する、
　ことを特徴とする。

　好ましくは、本発明のブラシレス同期発電機は、
　前記交流励磁機の固定子が前記固定子巻線に重ね巻きされた短絡コイルを有し、および／または前記主発電機の回転子が前記回転子巻線に重ね巻きされた短絡コイルを有することを特徴とする。

　好ましくは、本発明のブラシレス同期発電機は、
　前記回転整流器の出力と前記主発電機の固定子巻線との間に前記回転整流器の出力する直流電圧によって充放電されるコンデンサを備えることを特徴とする。

　好ましくは、本発明のブラシレス同期発電機は、
　前記電流供給部が、前記主発電機の固定子巻線から出力される交流を電源として動作することを特徴とする。

　好ましくは、本発明のブラシレス同期発電機は、
　前記電流供給部が、前記主発電機の固定子巻線から出力される交流電流を整流して直流電流に変換し、当該直流電流を前記交流励磁機の固定子巻線に界磁電流として供給することを特徴とする。

　本発明によれば、ブラシレス同期発電機を起動する時に外部から電流を供給することが不要となる。

本発明の第１の実施形態に係るブラシレス同期発電機の構成の一例を示す図である。図１のブラシレス同期発電機の構成を示す別の図である。本発明の第２の実施形態に係るブラシレス同期発電機の構成の一例を概念的に示す図である。本発明の第３の実施形態に係るブラシレス同期発電機の構成の一例を示す図である。本発明の第４の実施形態に係るブラシレス同期発電機の構成の一例を示す図である。

　以下、本発明の実施形態に係るブラシレス同期発電機について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。

　図１は、本発明の第１の実施形態に係るブラシレス同期発電機１の構成の一例を示す。図２は、図１のブラシレス同期発電機１の構成を示す別の図である。
　ブラシレス同期発電機１は、交流励磁機１０と、回転整流器２０と、主発電機３０と、主軸４０と、自動電圧調整器（ＡＶＲ）５０とを備える。
　主軸４０は、回転可能である。
　交流励磁機１０は主発電機３０よりも出力の小さな発電機である。交流励磁機１０は、回転子１１と固定子１５とを有する。固定子１５は、固定子巻線１７を有する。交流励磁機１０では、固定子巻線１７は界磁巻線である。固定子巻線１７には、自動電圧調整器５０から直流の界磁電流が供給される。回転子１１は、主軸４０に固定されており、主軸４０とともに回転する。回転子１１は回転子巻線１２を有する。回転子巻線１２は、電機子巻線であり、三相交流を出力する。
　また、固定子１５は、磁力の弱い永久磁石１６を有する。永久磁石１６は、固定子１５の表面に固定されているか、または固定子１５に埋め込まれている。ブラシレス同期発電機１の起動時に回転子１１が回転すると、永久磁石１６の磁力による電磁誘導によって回転子巻線１２に電流が流れる。

　回転整流器２０は、三相交流の各層毎に２個のダイオードを有する整流回路である。回転整流器１０も、主軸４０に固定されており、主軸４０とともに回転する。回転整流器１０は、交流励磁機１０の回転子巻線１２から出力される三相交流電流を整流して直流電流に変換し、直流の界磁電流を主発電機３０に供給する。

　主発電機３０は、回転子３１と固定子３５とを有する。回転子３１も、主軸４０に固定されており、主軸４０とともに回転する。回転子３１は、回転子巻線３３を有する。回転子巻線３３は界磁巻線である。回転子巻線３３には、回転整流器２０によって出力される直流の界磁電流が供給される。固定子３５は固定子巻線３６を有する。固定子巻線３６は、電機子巻線であり、三相交流を出力する。固定子巻線３６の出力する三相交流は、ブラシレス同期発電機１の出力である。
　また、回転子３１は、磁力の弱い永久磁石３２を有する。永久磁石３２は、回転子３１の表面に固定されているか、または回転子３１に埋め込まれている。ブラシレス同期発電機１の起動時に回転子３１が回転すると、永久磁石３２の磁力による電磁誘導によって固定子巻線３６に電流が流れる。

　自動電圧調整器５０には、主発電機３０の固定子巻線３６から出力される三相交流が入力される。自動電圧調整器５０は、その三相交流を電源として動作する。そして、自動電圧調整器５０は、例えばその三相交流に基づいて交流励磁機１０の固定子巻線（界磁巻線）１７の界磁電流の大きさを決定し、固定子巻線１７に直流の界磁電流を供給する。自動電圧調整器５０は、交流励磁機１０の界磁電流の大きさを調節することにより、主発電機３０の交流出力を制御する。
　例えば、自動電圧調整器５０は、主発電機３０の固定子巻線３６から出力される三相交流電圧を一定に保つ制御や、ＭＰＰＴ方式による制御を行うことができる。
　また、自動電圧調整器５０を、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）を用いて構成することができる。これにより、自動電圧調整器５０に様々な制御を行わせることが可能となる。
　なお、自動電圧調整器５０は本発明の電流供給部の例である。

　ブラシレス同期発電機１が起動される時には、交流励磁機１０の固定子１５に含まれる永久磁石１６の磁力による電磁誘導によって交流励磁機１０の回転子巻線１２に三相交流電流が流れ、また、主発電機３０の回転子３１に含まれる永久磁石３２の磁力による電磁誘導によって主発電機３０の固定子巻線３６に三相交流電流が流れる。自動電圧調整器５０は、固定子巻線３６の出力する三相交流によって動作し、交流励磁機１０の固定子１５に界磁電流を供給する。主発電機３０は交流励磁機１０の交流出力を増幅する。従って、ブラシレス同期発電機１には起動する時に外部から電流を供給する必要がない。
　なお、ブラシレス同期発電機１は、交流励磁機１０の固定子１５に含まれる永久磁石１６と、主発電機３０の回転子３１に含まれる永久磁石３２とのいずれか一方のみを有していてもよい。その場合、永久磁石１６は永久磁石３２よりも磁力が弱くてよいため、交流励磁機１０の固定子１５に永久磁石１６が設置されている方が望ましい。

　図３は、本発明の第２の実施形態に係るブラシレス同期発電機２の構成の一例を概念的に示す。
　ブラシレス同期発電機２は、交流励磁機１０の固定子１５と主発電機３０の回転子３１とがそれぞれ短絡コイル１８と短絡コイル３４を有する点が第１の実施形態に係るブラシレス同期発電機１と異なる。その他の点では、ブラシレス同期発電機２とブラシレス同期発電機１は同一である。
　短絡コイル１８は、交流励磁機１０の固定子巻線１７に重ね巻きされている。また、短絡コイル３４は、主発電機３０の回転子巻線３３に重ね巻きされている。ここで、短絡コイルは、１回以上巻かれた巻線を有し、その巻線の巻き始めと巻き終わりが短絡されているものである。配線がリング状になっている短絡リングも短絡コイルに含まれる。また、本発明の重ね巻きとは、短絡コイル１８が固定子巻線１７の近傍において固定子１５に巻回されている場合や短絡コイル３４が回転子巻線３３の近傍において回転子３１に巻回されている場合を含む。
　短絡コイル１８と短絡コイル３４は、それぞれ固定子１５と回転子３１の磁束を安定させる。例えば、交流励磁機１０の固定子１５がＮ極である場合に交流励磁機１０の回転子１１が固定子１５に近づくと、電磁誘導により回転子１１の磁場の変化を妨げる向きに回転子巻線１２に電流が流れる。これにより、固定子１５に対向する回転子１１の面にＮ極が生じる。回転子１１に生じたＮ極による磁束は固定子１５の磁束（Ｎ極）を弱めようとする。しかし、固定子１５の磁束の変化を妨げる向きに短絡コイル１８に電流が流れる。このため、固定子１５の磁束は安定する。回転子３１の磁束も同様の理由で安定する。
　なお、交流励磁機１０の固定子１５と主発電機３０の回転子３１とがそれぞれ短絡コイル１８と短絡コイル３４を有することが望ましいが、いずれか一方のみが短絡コイルを有していてもよい。

　図４は、本発明の第３の実施形態に係るブラシレス同期発電機３の構成の一例を示す。
　ブラシレス同期発電機３は、回転整流器２０の出力と主発電機３０の固定子巻線３５との間にコンデンサ６０が配置されている点が第１の実施形態に係るブラシレス同期発電機１と異なる。その他の点では、ブラシレス同期発電機３とブラシレス同期発電機１は同一である。
　コンデンサ６０の両端は、回転整流器２０の出力と主発電機３０の固定子巻線３５とを接続する正の配線と負の配線にそれぞれ接続されている。コンデンサ６０は、回転整流器２０の出力する直流電圧によって充放電される。コンデンサ６０は、主発電機３０の回転子３１に巻回された回転子巻線３３に流れる電流を一定に保つように動作する。このため、回転子３１の磁束が安定する。
　なお、コンデンサ６０は、静電容量が大きい方が良いため、電解コンデンサであることが望ましい。
　また、第２の実施形態に係るブラシレス同期発電機２でも、同様に回転整流器２０の出力と主発電機３０の固定子巻線３５との間にコンデンサ６０を配置することができる。

　図５は、本発明の第４の実施形態に係るブラシレス同期発電機４の構成の一例を示す。
　ブラシレス同期発電機４は、自動電圧調整器５０の代わりに、固定整流器７０を有する点が第１の実施形態に係るブラシレス同期発電機１と異なる。
　固定整流器７０は、三相交流の各層毎に２個のダイオードを有する整流回路である。固定整流器７０は、主発電機３０の固定子巻線３６から出力される三相交流電流を整流して直流電流に変換し、その直流電流を交流励磁機１０の固定子巻線１７に界磁電流として供給する。
　主発電機３０は、交流励磁機１０の出力する交流電力を増幅する。固定整流器７０が主発電機３０の出力する交流電流を直流電流に変換してそれを交流励磁機１０に界磁電流としてフィードバックするため、主発電機３０の出力する交流電力は交流励磁機１０によって増幅される。このため、ブラシレス同期発電機４の出力電力は、主軸４０を回転させる力に応じて指数関数的に変化する。
　例えば、風力発電機の出力電力は風速の３乗に比例して変化する。このため、ブラシレス同期発電機４は風力発電機としての使用に適する。
　なお、第２の実施形態に係るブラシレス同期発電機２と第３の実施形態に係るブラシレス同期発電機３でも、自動電圧調整器５０の代わりに、固定整流器７０を設置することができる。
　また、固定整流器７０は本発明の電流供給部の例である。

　なお、図１～図４では、外側に固定子、内側に回転子が配置されているインナーローター形のブラシレス同期発電機１～４の例を示したが、外側に回転子、内側に固定子が配置されているアウターローター形のブラシレス同期発電機にも本発明を適用することができる。

　以上説明したように、本発明によれば、ブラシレス同期発電機を起動する時に外部から電流を供給することが不要となる。
　また、交流励磁機の固定子に短絡コイルを設置することにより、交流励磁機の固定子の磁束を安定させることができる。そして、主発電機の回転子に短絡コイルを設置すること、および／または回転整流器の出力と主発電機の固定子巻線との間にコンデンサを設置することにより、主発電機の回転子の磁束を安定させることができる。
　さらに、主発電機の出力電流を整流して直流電流に変換し、それを交流励磁機の固定子巻線に供給することにより、ブラシレス同期発電機の出力電力を主軸を回転させる力に応じて指数関数的に変化させることができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、設計または製造上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれる。

１，２，３，４…ブラシレス同期発電機、１０…交流励磁機、１１…回転子、１２…回転子巻線、１５…固定子、１６…永久磁石、１７…固定子巻線、１８…短絡リング、２０…回転整流器、３０…主発電機、３１…回転子、３２…永久磁石、３３…回転子巻線、３４…短絡リング、３５…固定子、３６…固定子巻線、４０…主軸、５０…自動電圧調整器、６０…コンデンサ、７０…固定整流器

Claims

　回転可能な主軸と、
　固定子巻線を有する固定子と、前記主軸に固定されており、前記主軸とともに回転する回転子であって交流を出力する回転子巻線を有する回転子とを有する交流励磁機と、
　前記主軸に固定されており、前記主軸とともに回転する回転整流器であって、前記交流励磁機の回転子巻線から出力される交流電流を整流して直流電流を出力する回転整流器と、
　前記主軸に固定されており、前記主軸とともに回転する回転子であって前記回転整流器から出力される直流電流が界磁電流として供給される回転子巻線を有する回転子と、交流を出力する固定子巻線を有する固定子とを有する主発電機と、
　前記主発電機の固定子巻線から出力される交流が入力され、前記交流励磁機の固定子巻線に直流の界磁電流を供給する電流供給部と、
　を備え、
　前記交流励磁機の固定子および／または前記主発電機の回転子が永久磁石を有する、
　ことを特徴とするブラシレス同期発電機。
　前記交流励磁機の固定子が前記固定子巻線に重ね巻きされた短絡コイルを有し、および／または前記主発電機の回転子が前記回転子巻線に重ね巻きされた短絡コイルを有することを特徴とする請求項１に記載のブラシレス同期発電機。
　前記回転整流器の出力と前記主発電機の固定子巻線との間に前記回転整流器の出力する直流電圧によって充放電されるコンデンサを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレス同期発電機。
　前記電流供給部が、前記主発電機の固定子巻線から出力される交流を電源として動作することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のブラシレス同期発電機。
　前記電流供給部が、前記主発電機の固定子巻線から出力される交流電流を整流して直流電流に変換し、当該直流電流を前記交流励磁機の固定子巻線に界磁電流として供給することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のブラシレス同期発電機。