永久磁石式発電機の電圧一定化の制御装置
【課題】安価なスイッチング素子を使えると共にスイッチング素子数そのものを減らし、大幅なコストダウンを可能とする。
【解決手段】永久磁石式発電機の制御装置において、ステータ内に巻き上げられた出力巻線１０、１１、１２とステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイル１４１とを含む出力側巻線と、該出力側巻線と直列に接続されステータ外に配置された制御側ソレノイドコイル１４２とを備え、出力側巻線と制御側ソレノイドコイル１４２の間に配設され出力巻線１０、１１、１２に発生した電流の一部を制御側ソレノイドコイル１４２に流すため制御スイッチ１３を各相の端子を集約した整流器の先に設けた直流部分に配置し、及び出力巻線１０、１１、１２による発電電圧を検出するセンサ１６からの検出信号に応答して制御スイッチ１３をＯＮ、ＯＦＦ制御することにより極低速から超高速までの発電電圧を所定の電圧に制御するコントローラ１８を備える。
【解決手段】永久磁石式発電機の制御装置において、ステータ内に巻き上げられた出力巻線１０、１１、１２とステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイル１４１とを含む出力側巻線と、該出力側巻線と直列に接続されステータ外に配置された制御側ソレノイドコイル１４２とを備え、出力側巻線と制御側ソレノイドコイル１４２の間に配設され出力巻線１０、１１、１２に発生した電流の一部を制御側ソレノイドコイル１４２に流すため制御スイッチ１３を各相の端子を集約した整流器の先に設けた直流部分に配置し、及び出力巻線１０、１１、１２による発電電圧を検出するセンサ１６からの検出信号に応答して制御スイッチ１３をＯＮ、ＯＦＦ制御することにより極低速から超高速までの発電電圧を所定の電圧に制御するコントローラ１８を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は，ハウジングに取り付けられたステータとステータに対して回転する永久磁石部材を備えたロータを備えた永久磁石式発電機の巻線とスイッチを用い一定電圧化させる制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電機について、省エネルギー化が要求される中で発電機の効率向上は大きな課題である。発電機の構造は、従来、回転子を電磁石とし、電流を用いて磁界を作り発電させる方式が主であった。しかし、発電機において、永久磁石を用いると、電磁石に流す電流が不要なので効率が向上することが判っていた。ところが、永久磁石を用いた発電機では、永久磁石の磁力が変化せず、発電機の回転が変化すると電圧が大幅に変化するので、一定電圧により各種電気装置を駆動する自動車などの発電機には使えないでいた。永久磁石式発電機は、ロータに永久磁石を用いるので、構造が簡単で大きな発電電力を得ることができ、近年、それを組み込みＤＣ-ＤＣコンバーター、位相制御装置を用いたシステムが自動車用発電機、風力発電機等として利用されることが多くなってきた。永久磁石式発電機は、例えば、発電した電力を電動機に送る場合に、電圧が変動してもその機能が十分に発揮できるが、この電力を各種の電気機器を駆動しているバッテリの電圧に合わせる場合に、電圧変動を一定の電圧に揃える操作をしなければならない。永久磁石を用いた発電機の研究について多くの研究者たちが研究を行い、永久磁石発電機の発電電力を一旦直流に変換し、その電力をレギュレターを用いてスイッチングの時間制御により一定電圧にするＤＣ―ＤＣコンバーター方式が開発されたが、発電電力全てをスイッチングする必要があるため、高電圧、大電流の大きな電力をスイッチングするパワートランジスタが必要であり、制御装置が巨大となり、高価格で効率が悪くなるなどの問題がある。また、自動車のハイブリット車、電気自動車などではモーター駆動のインバーターを用い、発電機とし、位相制御により電圧を一定にする方式が主流であった。この方法では交流電力の波形を切り欠く制御を行なうため、電圧と電流の重なり点が変化し、力率が低下する問題点がある。即ち、永久磁石式発電機は、自動車、風力等で発電した電圧を一定にするためには、スイッチング レギュレター、位相制御装置等を用いて電力を切り刻む操作をしなければならないが、高電圧、大電流をオン・オフするためには大型のパワートランジスタを要し、装置が大型になり、冷却ロスが大きくなり、極めて高価になる。パワートランジスタは通過電流が大きいほど、スイッチ抵抗に発生する熱の影響で破壊されやすく、また、電圧が高すぎるとエミッターコレクタ間の絶縁が破壊される等の問題が有るので電圧、電流は小さいほど耐久性が有り、安価である。
【０００３】
例えばハイブリット車、電気自動車などに使用する永久磁石発電機は高速時では発電電圧を下げなければならないが、極低速時には発電電圧を上昇させなければならない。これをコンバーターで電圧調整させる場合、電圧降下させるためには降圧回路、電圧上昇させる場合には昇圧回路を用いなければならず、制御装置が複雑、高価になる。
【０００４】
また、発電電圧を一定にするために、電流を切り刻む時に、発生するサージ電圧、電流は電波障害の引き金になり、そのノイズ対策に必要なスナーバーの処置等が高電圧、大電流ほど大変である。
【０００５】
また、その後、永久磁石の磁力を弱める方式が盛んに研究され、いろいろと発表された。例えば、永久磁石回転電機として、大きな変換機やリアクトルが必要な無効電流調整機や機械的変位機構等を必要とせず、簡素で部品点数が少なく小型で、信頼性に優れた電機子巻線電圧が調整可能なものが知られている。該永久磁石回転発電機は、電機子巻線群を有する固定子と、永久磁石による界磁極を有する回転子と、別個に設定した制御電流が供給され、永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群と、制御巻線群に流れる制御電流を制御することによって、電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御回路とを備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、高効率の発電機を実現するものが提案されている。該発電機は、巻線を有する第１の物体と、鉄心と永久磁石を有する第２の物体を設け、インダクタンスは直軸に対して非対称とすることによってリラクタンス力を有効に利用し、高効率を実現したものである（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
また、従来知られている交流発電機として作動可能な電気機械として、回転子と固定子と、この固定子内に導電するように設けた少なくとも一つの巻線と、この第１の巻線とは電気的に絶縁して第１の巻線に誘導結合した二次巻線とを有し、二次巻線を第１の巻線の出力電圧と電流のうち少なくとも一方の制御に用いることができる方式が提案されている。しかし、上記のような種々の方法では発電機に用いられた磁力を弱めることは至難の業で中々実用化されないでいる。（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
また、永久磁石で構成される回転子とその外側に設けたステータ内に巻かれた巻線を巻き数の小さな出力巻線と、大きな巻き数を有する制御巻線、ソレノイドを直列に結線し、その中間にトランジスタースイッチを置き、出力巻線の電圧が高い時、これらの系に流れる電流を大きくし、出力巻線の電圧が低い時、電流を小さくする方式がある（例えば、特許文献４参照）。
【０００９】
一方、ハイブリット車ではＤＣ-ＤＣ コンバーターが用いられ、発電により整流された電力を必要に応じてその電力を切り刻み、主として降圧により一定電圧を持つ直流に変換し、必要に応じてインバーターによりＡＣに変換し、モータ駆動させるシステムが実用化されたが、高電圧、大電流の電力をそのままスイッチングするため、その装置の大きさがハイブリット車の小型化への普及を妨げている。一方、自動車の電気使用量はうなぎのぼりに増加し、エネルギー問題が益々深刻となり、現在用いられているランデル式発電機の効率５０％は許容できない事態となった。自動車用発電機のこの様な状況の下で構造が簡素で確実な制御性を持つ発電機構の出現が求められている。
【００１０】
一般に磁束制御を電気的に行うためには、発電機の巻線に種類の異なる複数の巻線を巻き込み、インバーターにより同期された電流を１つの巻線に流し、永久磁石の磁力の方向に対抗する電磁力を与えることが提案され、多くの技術者が研究を試みた。しかし、この方法だと永久磁石の磁力に対し、逆向きの電磁力を加えるため、永久磁石により発生する発生電圧と相似で反対向きの電流、電圧をインバーターにより作らなければ成らないが、その方式は制御系の困難さが益々大きくなった。また、この方法だと別回路で作成した電磁石による磁力が永久磁石の磁力を消滅させることになり、成功しなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−３２０９７２号公報
【特許文献２】特開２００３−２４５０００号公報
【特許文献３】特表２００６−５２９０７６号公報
【特許文献４】特許第４２２７１８９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明者等は、特許文献４記載の発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置を開発・製作し、神奈川県立の研究所において実験を重ねた結果、磁束制御装置を用いることなく且つ少ない電流で出力電圧を一定の範囲に維持して常に所望の電圧に制御すると共に永久磁石の磁力の減磁を生じさせないという効果が達成されることを確認した。
【００１３】
発電電圧が高くなる場合、例えば２００Ｖ―ＡＣ発電機では高速での電圧が非常に高くなり、高耐圧性のスイッチング素子（ＦＥＴ）を使わざるを得ないという問題が発生した。つまり、特許文献４記載の特許発明は、ステータに巻き上げた巻線を巻き数の小さな出力巻線と巻き数の大きな制御巻線とで構成すると共に両巻線間に制御スイッチを設け、負荷の変動に応答して制御スイッチをデューティ制御し、巻線切り換え時の電圧の上昇に対応して電圧制御巻線に微小電流を流して電圧を瞬間的に降下させて一定電圧を維持し、瞬間的な電圧の上昇又は降下を抑えて常に所望の電圧に制御することを特徴とするものである。したがって、特許文献４記載の特許発明によると、巻線の巻き数を大きくすると電圧が上がり、その反面、巻き数を有る程度大きくしないとインダクタンスが大きくならず、垂下特性の電流が小さくならないという二律背反の関係にあり、発電電圧が高くなるＡＣ発電機に適用する場合には高速での電圧が非常に高くなることを回避できないものである。例えば、相電圧の値は出力側電力では２２０Ｖ（ＡＣ）/２０００ｒｐｍ、４４０Ｖ/４０００ｒｐｍ、６６０Ｖ/６０００ｒｐｍである。この値は実効値であるので、ピーク電圧ではその１．４倍にもなる。しかも、制御巻線の巻き数を出力巻線の４倍にすると、電圧は４倍になり、６０００ｒｐｍでは２６４０Ｖになる。この電圧はスイッチング素子・ＦＥＴ、またはＩＧＢＴにとって非常に大きな値で一般に市販されているＦＥＴ、ＩＧＢＴの耐圧６００Ｖ又は１２００Ｖを遥かにオーバーしてしまう。このため、発電電圧を高くする場合には、非常に高価（現在、一般的な１０００Ｖ耐圧のＦＥＴの約１００倍程度）な高耐圧性のスイッチング素子を使わざるを得ず、発電機のコストを押し上げてしまう問題が生ずる。しかも、三相発電機の各相に非常に高価な電圧制御スイッチをそれぞれ設ける必要があるため、電圧制御スイッチの数が多くなることによるコストアップをも招いてしまう問題がある。
【００１４】
本発明は、３相交流発電機において、出力巻線と出力側ソレノイドコイル、出力端子、制御ソレノイドコイルの先端を三相整流器に接続し、三相整流器の直流端子にパワートランジスターなどの電圧制御スイッチを接続し、出力端子側の電圧を検出し、その電圧が一定になるように電圧制御スイッチのＯＮ時間を制御することにより、装置の簡素化を実現し、かつパワートランジスターの容量を小さくさせた永久磁石発電機の制御装置を提供することを目的とする。また、本発明は、安価なスイッチング素子を使えると共にスイッチング素子数そのものを減らすことを可能とし、大幅なコストダウンを可能とする永久磁石式発電機の電圧一定化の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
かかる目的を達成するため、本発明は、ハウジングに回転自在に支持されたロータシャフト、前記ロータシャフトに固定され且つ外周側に複数の永久磁石部材を取り付けたロータ、及び前記ロータの外側に巻線が巻き上げられたステータから成る永久磁石式発電機の制御装置において、前記ステータ内に巻き上げられる出力巻線と、前記ステータ外に配置され前記出力巻線と直列に接続された出力巻線側ソレノイドコイルと、該出力側ソレノイドコイルと直列に接続されて前記ステータ外に配置される制御側ソレノイドコイルと、前記制御側ソレノイドコイルのそれぞれ相の端部が中性点として接続される三相整流器と、前記三相整流器の直流出力端子間に設置される電圧制御スイッチと、前記出力巻線に発生する発電電圧を検出するセンサからの検出信号に応答して前記電圧制御スイッチのデューティー比を変更させて前記制御側ソレノイドコイルに流れる電流を加減して前記発電電圧を一定電圧に制御するコントローラとを備えるようにしている。
【００１６】
ここで、三相整流器は、ダイオード全波整流器であり、制御側ソレノイドコイルの端部が整流器のダイオード間に接続されるものであることが好ましい。また、コントローラは、電圧センサによる検出信号に応答して電圧制御スイッチをＯＮ−ＯＦＦ制御し、発電電圧が高いことに応答して制御側ソレノイドコイルに流れる電流を増し、発電電圧が低いことに応答して制御側ソレノイドコイルに流れる電流を減少させて設定電圧を一定電圧に制御することが好ましい。
【００１７】
また、本発明の永久磁石式発電機の制御装置において、出力巻線の巻きの途中または巻き始めの部分に選択的に中性点位置を変更できる複数の中性点端子を備え、該中性点端子に中性点に流れる電流を断続して中性点位置を変更するスイッチをそれぞれ配置し、かつロータシャフトの回転数を回転数センサで検出し、コントローラでローターシャフトの回転数に応じてスイッチを選択的に断続して中性点位置を変更可能とすることが好ましい。
【００１８】
ここで、中性点位置を変更するスイッチとしては、出力巻線側のそれぞれ相の中性点端子が中性点として接続される三相整流器と、三相整流器の直流出力端子間に設置される中性点切替スイッチとで構成され、コントローラでローターシャフトの回転数に応じて中性点切替スイッチを選択的に断続して中性点位置を変更可能とするものであることが好ましい。そして、三相整流器としては、ダイオード全波整流器であり、出力巻線側のそれぞれ相の中性点端子が整流器のダイオード間に接続されていることが好ましい。
【００１９】
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置において、出力巻線は巻き数Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎの複数の巻線から成ると共に出力巻線の巻き数はＴ１＜Ｔ１＋Ｔ２＜Ｔ１＋Ｔ２＋…＋Ｔｎの関係が成立するものであり、かつ出力巻線の巻き始め端部と複数の巻線の間の中間部端子に中性点端子を備え、各中性点端子をダイオード全波整流器のダイオード間に接続すると共に各々のダイオード全波整流器の直流出力部に第１，第２，…，第ｎの中性点切替スイッチを接続し、ロータシャフトの回転数に応じてコントローラで第１，第２，…，第ｎの中性点切替スイッチを断続して中性点位置を変更するものとすることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の永久磁石式発電機の制御装置において、コントローラはロータシャフトの回転数を検出する回転数センサからの信号により、所定回転数の以上の時、出力巻線の巻き数が小さい側の中性点切替スイッチをＯＮさせると共に大きい側の中性点切替スイッチをＯＦＦさせ、所定回転数以下の時、出力巻線の巻き数が大きい側の中性点切替スイッチをＯＮさせると共に小さい側の中性点切替スイッチをＯＦＦさせるものであることが好ましい。これにより、高速回転時の大幅な電圧の上昇を防止させると共に極低速回転時の電圧を上昇させて発電出力させることで、設定電圧を一定電圧に制御させることができる。
【００２１】
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置において、出力側ソレノイドコイルと出力巻線との間に配置される出力端子部に電動機切替用スイッチを設け、該電動機切替用スイッチの一端部を出力巻線側の出力端子部に他端部をバッテリに接続し、コントローラーにより電動機切替用スイッチをモーター駆動できる位相タイミングに合わせ、出力巻線側に電流を供給することにより電動機として運転可能にすることを特徴とする請求項４から８のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【００２２】
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置において、コントローラーは中性点切替スイッチを負荷に応じてスイッチングし、電流制御して必要な負荷状態を得るものであることが好ましい。
【００２３】
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置において、コントローラーは回転数センサで検出した回転数の小さな時には出力巻線の巻き数が大きくなる中性点切替スイッチを接続し、回転数が大きな時には出力巻線の巻き数が小さくなる中性点切替スイッチをＯＮ，ＯＦＦ制御すると共に負荷に応じて電流を制御する中性点切替スイッチをスイッチングさせる機能を併せ持つことが好ましい。
【００２４】
さらに、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置において、コントローラは出力巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合、中性点切替スイッチの全てをＯＦＦさせる制御を行なうものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の永久磁石式発電機の制御装置によれば、極めて簡単な構造を持つ発電機の巻線（ステータコイル）をステータ内に巻き上げられた出力巻線とステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルとを接続して、出力巻線と出力巻線側ソレノイドコイルとで出力側巻線を、さらに制御側ソレノイドコイルで制御側巻線を構成し、それら出力側巻線と制御側巻線とを直列に繋ぎ、その全体巻き数の垂下特性を用いて少ない電流で出力電圧を一定に制御するようにしているので、出力側巻線及び制御側巻線の巻き数を大きくすることなく、インダクタンスを大きくして、垂下電流を制御できる。本願発明の発電機は、従来の発電機と大幅に異なり、出力巻線で出力しているとき、垂下特性は、図２に示すように、電流が大きく、電圧が小さくなるように変化するが、出力側巻線にソレノイドコイルが加わった全体巻線が大きいと電圧が変化すること無く、電流は極めて小さい状態で垂下する。出力巻線と出力巻線側ソレノイドコイル、制御側ソレノイドコイルを加えた全体巻線とこれに対し巻き数が少ない出力巻線単独とでは、垂下電圧特性は非常に大きな差が有り、出力側巻線及び出力巻線側ソレノイドコイル、制御側ソレノイドコイルの２つの巻線を直列に接続し、全体巻線の大きな巻き数の逆起電力による電圧制御性を利用し、この巻線系に微少の電流を流すと、この垂下特性により出力巻線端子の電圧が低下し、制御スイッチのＯＮ、ＯＦＦにより電流を調節すると出力端子の電圧を一定にすることができる。つまり、負荷の変動に応答して制御スイッチをＯＮ−ＯＦＦ制御し、出力側巻線の電圧の上昇に対応して全体巻線に微小電流を流して電圧を瞬間的に降下させて一定電圧を維持し、瞬間的な電圧の上昇又は降下を抑えて常に所望の電圧（設定電圧）に制御することができる。図３にはその原理を示す。出力巻線は永久磁石の磁力を受け、起電電圧がＡからＢ０まで上昇する。この巻線に電流が流れると、巻線のインピーダンスにより電圧が下がり、出力巻線の端子電圧はＢとなる。出力巻線側ソレノイドコイルのインピーダンスにより電圧はＣ点まで下がり、制御側ソレノイドコイルのインピーダンスにより電圧はＤ点まで下がる。従って、この巻線系が繋がった時、できるだけ電流が小さければこの系に流れる電流を制御する電圧制御スイッチをＯＮ、ＯＦＦする事によって出力端子部の電圧をＢ０から０までの間で自由に変化させる事ができる。この制御電流を小さくするため、出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルの相互インダクタンス効果は効果的である。
【００２６】
即ち、出力巻線側ソレノイドコイルの巻き数をＮ１、制御側ソレノイドコイルの巻き数をＮ２とすると、出力巻線側ソレノイドコイルを単独で用いる場合には、インダクタンスＬ１＝μ・Ａ・Ｎ１２/ｌ、制御側ソレノイドコイルを単独で用いる場合には、Ｌ２＝μ・Ａ・Ｎ２２/ｌとなる。ところが直列に接続すると、Ｌ３＝μ・Ａ・（Ｎ１＋Ｎ２）２/ｌとなり、Ｌ１の２倍以上の値になる。直列に繋がれた二つのソレノイドコイルに電圧を掛ければＥ＝Ｉ・２π・ｆ・Ｌ３／１０００となり、電流は出力巻線側ソレノイドコイル単独に流す場合の１／２〜１／５以下に低減する。ここでｌは各ソレノイドコイルコアの磁路長さ、Ａはソレノイドコアの断面積、μは透磁率である。この効果はステータ巻線でも同様である。
【００２７】
ところで、この電圧制御は三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の中性点端子、即ち図３のＤ点を三相交流整流器に接続すると共に直流端子部に電圧制御スイッチを置けば、１つの電圧制御スイッチで済むこととなる。また、中点部に電圧制御スイッチを置くので電流が流れているときには電圧は０である。この電圧制御スイッチをＯＦＦにすると電圧は最大Ｂ０まで上がるが、この電圧はＯＮ時の電圧と合成、整流効果により、出力電圧以下になる。また、スイッチングによるサージ電圧が発生したとしても０電圧からの上昇なので余り大きくはならず、スナーバー等で十分吸収できる。
【００２８】
ここで、発電機の電圧と巻線、ソレノイドコイルのインピーダンスによる電圧降下についての理論式について述べる。発電電圧は出力巻線の巻き数に比例して上昇するが、この電圧は巻線のインピーダンスと電流の積および出力巻線側ソレノイドコイルのインピーダンスと電流の積の和にしたがって降下する。従って、所定電圧になるように制御側ソレノイドコイルへの電流を増すと出力巻線側ソレノイドコイル端子の電圧が減少し、電流を減少すると出力巻線側ソレノイドコイル、即ち出力電圧は一定になる。出力が小さい時には制御側に流れる電流により電圧は制御される。下記に計算式を示す。
計算式Ｖ−Ａ特性
（１）起電力Ｅｏについて
Ｅｏ＝４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ --------（１）
（２）端子電圧Ｅについて
Ｅ＝Ｅｏ−Ｅ１−Ｅ２
＝４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ−Ｉ１ （Ｒ１２＋（２πｆＬ１１／１０００）２）１／２
−Ｉ２（Ｒ２２ +（２πｆ・Ｌ３１／１０００）２）１／２ --------（２）
（３）制御側へ流れる電流、即ち制御スイッチに流れる電流
Ｉ２＝〔４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ−Ｉ１・(Ｒ１２＋(２πｆ・Ｌ１１／１０００)２)１／２−Ｅ〕／〔Ｒ２２＋（２πｆ・Ｌ３１／１０００））２〕１／２ --------（３）
ただし、式中の記号は以下の通りである。
Ｅｏ:出力巻線の起電電圧、Ｅ：希望する所定電圧（設定電圧）、Ｅ１：出力側巻線への電流Ｉ１の時の降下電圧、Ｅ２：出力巻線＋出力巻線側ソレノイドコイル＋制御側ソレノイドコイル全体に流れる電流Ｉ２の時の降下電圧、Ｒ１：出力巻線＋出力巻線側ソレノイドコイルの抵抗、Φ：磁力の強さ、Ｒ２：出力巻線＋出力巻線側ソレノイドコイル＋制御側ソレノイドコイルの合計抵抗値、ｆ：周波数、Ｌ１１：出力巻線＋出力巻線側ソレノイドコイルの合計インダクタンス、Ｗｓ：巻線数、Ｉ１：出力巻線端子に流れる電流、Ｉ２:制御側ソレノイドコイル側に流れる電流、L３１：出力巻線のインダクタンス＋出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルの相互インダクタンス。
【００２９】
ここで、巻線の垂下電流は巻線数が大きいほど小さくなるが、その反面巻線の巻き数が大きくなるほど永久磁石による起電電圧が大きくなるので、起電電圧を制限した状態で制御電流を小さくし、電圧制御できることが望ましい。上式で出力側巻線及び制御側巻線の各インダクタンスＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ１１の値を大きくできれば制御電流値Ｉ２を更に小さくできる。したがって、大電流を必要とする発電機ではステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルとを加える効果が極めて有効である。しかし、Ｌ１１を余り大きくしすぎると出力側の電圧降下をもたらすので、ソレノイドコイルの相互インダクタンス効果が重要である。
【００３０】
また、上式に示すように出力側巻線、制御側巻線の端子電圧は、起電電圧からそれぞれの巻線に流れた電流とインダクタンスの積を差し引いた電圧で決まるが、出力巻線の巻き数が大きくなるほど起電電圧は大きくなるので電圧を降下させる為には大きなコイルのインダクタンスが必要になる。そこで、起電電圧を大きくしないで電圧制御させる為には、ステータ内に巻き上げられた巻線を増加させることなく、ロータの磁束と鎖交しない位置例えばステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルとを加えることにより、インダクタンスを大きくして垂下電流を制御できるようにすることが効果的である。
【００３１】
本発明の発電機を電動機として使用する場合、車両の電動機は低速ではトルクが大きく、高速ではトルクを余り必要とはしないが回転数が伸びる特性が必要である。本電動機をこの特性に合わせるため、速度に応じて出力巻線の巻き数（巻線）を切り替える中性点切替スイッチを配置したが車両の負荷状態に応じて電動機の出力を変更する必要がある。そのため、中性点切替スイッチをスイッチングさせて電流の大きさを制御させることにより、車両特性の全トルク、回転領域の負荷特性に合致させた運転ができる。図４には巻線を変えた場合の駆動力特性とスイッチングにより電流制御した場合の特性変化の状況を示す。
【００３２】
しかして、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置によれば、出力巻線などを直列接続した各相の巻線系の端部を１つの三相整流器に接続し、かつこの三相整流器の直流端子に接続したパワートランジスターなどの１つの電圧制御スイッチを出力端子側の電圧が一定になるようにデューティ制御することにより電圧一定化の制御を行うようにしているので、極めて簡単かつ廉価に電圧制御装置を構成できると共に簡単に制御できる。しかも、３相整流器は非常に廉価であるのでコスト低減上極めて大きなメリットがある。また、電圧制御スイッチとしても、高電圧、大電流をオン・オフする大型のパワートランジスタを必要とせず、容量が小さく安価なスイッチング素子・パワートランジスターを使えるので、スイッチング素子の数を減らすことと相俟って大幅なコストダウンを可能とする。
【００３３】
また、本発明の永久磁石式発電機の制御装置において、さらに出力巻線の巻きの途中に中性点位置を変更するスイッチを有する複数の中性点端子を備える場合、ローターシャフトの回転数に応じて中性点位置を変更可能とすることにより、回転数に対応した巻き数を選定することで設定電圧を一定電圧に制御させることができる。即ち、高速回転時には巻き数を小さくして大幅な電圧の上昇を防ぐと共に極低速回転時には巻き数を大きくして電圧を上昇させるように発電出力させることができる。
【００３４】
また、本発明の永久磁石式発電機を電動機として用いる場合には、電流を流す出力巻線の巻き数を中性点切替スイッチの切替により増減させることにより、発生トルクを増減させることができる。つまり、巻き数の大きなコイルに電流を流すと大きな磁力が発生し、大きなトルクが発生する。その反面、巻き数の小さなコイルに電流を流すと小さな磁力しか発生せず、小さなトルクしか得られない。このため、中性点位置の変更により、恰も自動車のトランスミッションのようにトルク特性を変化させることができることから、巻線の巻き数と中性点位置を設定することで用途に応じた出力トルク特性あるいは負荷状態を得ることが可能となる。
【００３５】
さらに、中性点位置を変更するスイッチとして、三相整流器とその直流出力端子間に設置されるパワートランジスターなどの中性点切替スイッチとで構成されるものを用いる場合には、極めて簡単かつ廉価に中性点位置変更スイッチを構成できると共に簡単に制御できる。しかも、コントローラーによって、ＯＮ状態の中性点切替スイッチを流れる電流を切り刻むように負荷に応じて中性点切替スイッチをスイッチングし、電流制御により必要な負荷状態を得ることが容易にできる。
【００３６】
さらに、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置において、コントローラは出力巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合、中性点切替スイッチの全てをＯＦＦさせる制御を行なうことで容易に電圧の発生を停止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明による制御装置を適用する永久磁石式発電機を示しており、（Ａ）は正面図、及び（Ｂ）は側面図である。
【図２】出力巻線と巻線＋ソレノイド巻線の垂下特性を示すグラフである。
【図３】この発明による電圧制御の原理を示した回路抜粋と電圧推移の説明図である。
【図４】巻線切り替えと中性点切替スイッチによる電動機駆動トルクの変化状況を示す。
【図５】この発明による永久磁石式発電機の制御装置の一実施例を示す回路図である。
【図６】図３の永久磁石式発電機の制御装置の作動を示す処理フロー図の一部である。
【図７】図３の永久磁石式発電機の制御装置の作動を示す処理フロー図の残部である。
【図８】相互インダクタンス効果を得るための出力側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルの巻線配置。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３９】
この実施形態にかかる制御装置が組み込まれた永久磁石式発電機は、図１に示すように、フロントハウジング３とリアハウジング５から成るハウジング３４、ハウジング３４に一対の軸受４を介して回転可能にそれぞれ支持されたロータシャフト１、ロータシャフト１に固定された永久磁石部材７から成る回転子即ちロータ３５、及びロータ３５の外周側に配置され且つハウジング３４に固定された固定子即ちステータ２から構成されている。ステータ２は、ステータコア３６とステータコア３６に巻き上げられたステータコイル８から構成されている。また、ロータシャフト１には、その一端部に、エンジン、風車等の駆動源からの駆動力が入力する入力プーリ等の入力手段（図示せず）が設けられている。この発電機は、ロータ３５を構成するロータシャフト１の両端が軸受４でハウジング３４に回転可能に支持されている。ロータ３５は、ロータシャフト１の外周に配設された透磁性部材３７、透磁性部材３７の外周面に配置された複数の永久磁石片から成る永久磁石部材７、及び永久磁石部材７の外周面に固定された非磁性材からなる円筒状スリーブ４０を備えている。ロータ３５を構成する永久磁石部材７と透磁部材３７との両端面には、非磁性材からなる端板３８がそれぞれ配置され、ナット、フランジ等の固着手段でロータシャフト１に一体に固定されている。また、リアハウジング５には、整流器１５、２１を覆ったカバー６が取り付けられ、カバー６には出力端子９が配設され、また、フロントハウジング３の外側にはソレノイドコイル１４１及び１４２が配設されている。
【００４０】
ここで、ソレノイドコイル１４１及び１４２はステータ外に配置されているが、本明細書においてソレノイドコイルに関しステータ外に配置されたとは、ロータの磁束と鎖交しない状況に配置されていることを意味するものである。つまり、ロータの磁束と鎖交しない状況にあれば良く、その設置位置には特に限定されない。例えば、前述のロータの磁束が鎖交しないように磁気遮蔽されているのであればハウジング内に設置しても良いし、あるいはモータケーシングの外に配設しても良い。また、ステータコイル８は、ステータコア３６の櫛部間に形成されたスロット部に位置して巻き上げられ、ステータコイル８をステータコア３６に成形固定するためスロット部内に非磁性材が充填されている。また、本明細書において、ステータコイル８を構成する出力巻線は、複数の巻線即ち出力巻線１０、１１、１２を含み、さらにその出力巻線１０、１１、１２に出力巻線側ソレノイド１４１を加えたものを出力側巻線という。また、制御側巻線は制御側ソレノイドコイル１４２によって構成されている。そして、これら出力側巻線と制御側巻線とを含む概念を、全体巻線あるいは巻線系と呼ぶものとしている。
【００４１】
この発明による永久磁石式発電機の制御装置の一実施例について、図５の回路図を参照して説明する。ステータコイル８を構成する巻線１０、１１、１２は、例えば、ステータ２のステータコア３６の櫛部に巻き上げられており、三相交流の中性点には整流器３９４のダイオード間に接続された６１-Ｕ、６１-Ｖ，６１-Ｗの３つの相線（中性点切替端子線）とその両端に第一の中性点切替スイッチ３９１が設けられてＵ、Ｖ、Ｗの３相電流がそれぞれ流されると共に、出力コイル即ち出力巻線１０及び１１、１２が直列に接続されその直後に出力巻線側ソレノイドコイル１４１が接続され、ソレノイドコイル１４１の他端には出力ライン４１が接続され、更に制御側ソレノイドコイル１４２とが接続されている。そして出力巻線１０の端子には異なる巻き数を持つ出力巻線１１、１２を持ち、出力巻線１０と１１、１１と１２の間には３相を夫々連結する第二、第三の整流器３９５，３９６とそのＤＣ出力端に中性点切替スイッチ３９２、３９３が存在する。本実施形態の場合、出力巻線１０、１１、１２と出力巻線側ソレノイドコイル１４１とで構成される出力側巻線と制御側ソレノイドコイル１４２で構成される制御側との間で、出力巻線側ソレノイド１４１の端子には出力ライン４１が接続され、出力ライン４１は整流器１５を介して負荷１７に接続されている。負荷１７に対して、電圧検出比較器１６が並列に設けられている。また、出力巻線１０、１１、１２の端部には、回転数と極位置を検出するセンサ２８が設けられている。電圧検出比較器１６及びセンサ２８からの検出信号は、コントローラ１８に入力される。コントローラ１８は、これらに検出信号に応答して、制御スイッチ１３及び中性点切替スイッチ３９１、３９２、３９３のＯＮ／ＯＦＦ及びスイッチング（本明細書では断続を連続に行うこと、特に高い周波数で断続的に切り替えることを言う）制御するように構成されている。さらに、出力巻線１０、１１の端子には主発電スイッチ５３が設けられ、負荷状況に応じてコントローラ１８によってＯＮ、ＯＦＦ制御されるようにしている。また、出力側には場合によってはバッテリー５４を設けることがある。尚、本実施形態では、出力巻線は巻き数の異なる３種類の巻線１０、１１、１２で構成され、出力巻線１０、１１，１２は発電機、又は電動機の特性に合わせて巻き数を決定する。
【００４２】
この永久磁石式発電機の制御装置では、複数の巻線１０、１１、１２を持つ発電機の出力の利用領域を回転数と負荷により規定し、発電機の制御を限定することにより、制御装置の簡素化ができる。ロータ３５の回転と負荷１７の変動に対し、領域を指定することにより、端子電圧を低く抑え、高速、高負荷時発熱を抑制できる。ところが、巻線系の経路に設けた制御スイッチ１３により制御側ソレノイドコイル１４２側に流れる電流を制御する場合に、制御スイッチ１３がＯＮ−ＯＦＦされた時、電圧が大きく振れると電圧を平滑させる制御機構が複雑になる。特に３相のそれぞれに電圧制御スイッチを設けると構造が複雑になるばかりか、スイッチのコストが上昇する。そこで、３相の端子を三相整流器のダイオード間に接続すると、電圧制御スイッチは１つで済む事になる。３相整流器は非常に廉価であるのでコスト低減上極めて大きなメリットがある。一方、三相整流器の中点１４４は中点と同じで電圧が０になる。しかし電流が流れなければ機能を発揮しないので中性点切替スイッチ３９１を設け、中性点の役割を果たさせる。
【００４３】
発電機を電動機として使用する場合、発電機側のスイッチ５３、電圧制御スイッチ１３をＯＦＦとし、電動機スイッチ５６、中性点切替スイッチ３９１をＯＮさせ、コントローラー１８が回転子１の極ポジションを検出センサー２８によりセンスし、極位相に合わせて電動機スイッチ５６をＯＮさせると電動機運転ができる。回転数が低い時には巻線１０，１１，１２を用い、速度が速くなると１１，１２を用い、高速では巻線１２を用いるように、中性点切替スイッチ３９１，３９２，３９３を順次ＯＮ，ＯＦＦさせ、任意の１つの中性点切替スイッチのみが接続されているようにすると、電動機は恰もトランスミッションのようにトルク特性を変化させる。図４にその特性を示す。しかし、低速で用いる場合でもこの特性の中間部分で使用させる場合、電流を選択的に制御できなければ、必要なトルク特性を得ることができない。そこで、中間位置でのトルク特性を得るためにはＯＮ状態の中性点切り替えスイッチ例えば低速回転時では中性点切替スイッチ３９１をチョッパー（断続的切り替え装置）として切り刻めば、電流が減少し、駆動トルクが減少する。
【００４４】
この永久磁石式発電機の制御装置は、制御側ソレノイドコイル１４２への電流を開閉時間が可変にできる電圧制御スイッチ１３を介して電流を増減させ電圧一定の制御をするが、ソレノイドコイル１４１、１４２を用いるので、これらのソレノイドコイル１４１、１４２を図８に示すように同一のコア５５に巻き上げるとインダクタンスの相乗効果が作用し、周波数の大きい場合にはインダクタンスが大きくなって抵抗が比例的に大きくなり、この系に流れる電流が小さくなり、発電機の発電電圧が相当大きくなってもインピーダンスと電流の積が電圧降下作用させ、出力ライン４１の電圧を一定に保持させることができる。制御系に流れる電流は無効電力負荷となるので、流れる電流が小さく銅損が少なくなる。図２に示したように、破線で示される制御特性によると、制御側ソレノイドコイル１４２側に流れる電流はＡ１電流を流すと電圧が０となるので、最大に流してもＡ１アンペアである。設定電圧Ｖ１を得るためには、制御スイッチ１３のＯＮ時間をデューティ制御して、２０００ｒｐｍではＡ２１アンペア、４０００ｒｐｍではＡ２２アンペアの電流を流せばよい。
【００４５】
この永久磁石式発電機の制御装置は、電圧制御スイッチ１３を出力巻線１０、１１、１２に接続された出力巻線側ソレノイドコイル１４１の後流に設定される出力端子４１と制御用ソレノイドコイル１４２の後流でかつ３相が合流する中性点部分に配置することを特徴とした巻線構造であって、特に、電圧制御スイッチ１３の配置は重要な構成要因である。この永久磁石式発電機の制御装置の特徴は、出力巻線１０、１１、１２を用いているので、発電機の発生電圧は、出力巻線１２の端子では６００Ｖ以上になる。電圧制御スイッチ１３がＯＦＦの状態では、電流が０アンペアになるので、電圧は無負荷状況の６００Ｖになり、ＯＮ状態では出力巻線側ソレノイドコイル１４１、１４２によって降下した電圧になり、その平均値が所定電圧になるので、出力巻線１０、１１、１２の電圧を一定に制御ができる。一方、発電機の回転数が非常に低くなる場合、極低速の状態では出力巻線１０、１１、１２の中性点切替スイッチ３９１、３９２、３９３を用いて巻き線数を適宜変える事により、低速でも高い電圧が得られ、発電機が運転されるあらゆる回転数に対し、一つの負荷電圧に対して複数の出力巻線１０、１１、１２を使って極低速から高速まで出力を得ることが可能になる。この方法は電気自動車などのブレーキエネルギーの回生に役立つ。
【００４６】
図６及び図７の処理フロー図を参照して、図５の回路図による永久磁石式発電機の制御装置の説明をする。発電機の回転数が非常に大きくなった場合、出力巻線１２の端子部では１０００Ｖに達する。そこで、回転数が非常に大きな場合でも制御系に問題ない電圧にて制御させるため、出力巻線１０、１１、１２のそれぞれの間あるいは巻き始め端に配置された中性点切替端子線６１-Ｕ、６２-Ｕ、６３-Ｕに接続される三相交流整流器３９４，３９５，３９６を中性点として機能させるべく、コントローラ１８で第一、第二、第三の中性点切替スイッチ３９１、３９２、３９３を制御することにより中性点位置を変更するようにしている。即ち、出力巻線１０の端部に有る第一の中性点切替スイッチ３９１、第二の中性点切替スイッチ３９２をＯＦＦとし、第三の中性点切替スイッチ３９３をＯＮさせることにより、中性点位置を変更して出力巻線１２のみが中性点に接続されるようにして発電電圧が低く抑えられるようにする。一方、ロータの磁束と鎖交しない位置に配置される外置きの出力巻線側ソレノイド１４１と制御側ソレノイドコイル１４２が加わった場合、電圧制御スイッチ１３がＯＮ状態になると相互インダクタンスの効果で電流が小さくなると共に出力巻線側ソレノイド１４１の端部、即ち、出力ライン４１では出力巻線側ソレノイドコイル１４１の電圧降下作用により、１００Ｖ以下の電圧に止まる。したがって、この状態で電圧制御スイッチ１３を断続させても大きなサージ電圧は発生しない。一般に、出力巻線１２の先端で電圧制御スイッチ１３を断続させた場合、電圧が高いので、電圧制御スイッチ１３の損傷、サージ電圧による火花の発生などの大きなトラブル要因となる。これに対して、この永久磁石式発電機の制御装置は、電圧制御スイッチ１３を出力巻線側ソレノイドコイル１４１、制御側ソレノイドコイルの後流となる位置に設定しているので電圧制御スイッチ１３をＯＮからＯＦＦに切り替えても、電圧制御スイッチ１３の端子で発生する電圧は低いので、大きな損傷原因とはならない。また、電圧制御スイッチ１３は、負荷端子に置かれた一定電圧を保持するための電圧検出比較器( コンパレータ)１６からの入力により、もし電圧が高くなれば、電流を大きくするように、電圧制御スイッチ１３の開放時間を長く取り、電圧が低くなれば、開放時間を短くすることにより、端子電圧を一定に保持するように制御することができる。電圧制御スイッチ１３は出力巻線側ソレノイドコイル１４１、制御側ソレノイドコイル１４２の後流に配置されているので、制御スイッチ１３のＯＮ−ＯＦＦによる出力巻線１２に発生した電流の一部が制御側ソレノイドコイル１４２に流される電流の断続が平均化され、あたかも電流量が連続的に変化するように作用する。尚、図５において図中の符号６１-Ｖ，６２-Ｖ，６３-ＶはＶ相の中性点切替端子線、６１-Ｗ，６２-Ｗ，６３-ＷはＷ相の中性点切替端子線、６４-Ｕは電圧制御スイッチ１３に入るＵ相の中性点端子、６４-Ｖは電圧制御スイッチ１３に入るＶ相の中性点端子、６４-Ｗは電圧制御スイッチ１３に入るＷ相の中性点端子である。
【００４７】
また、回転数が低くなれば、第一の中性点切替スイッチ３９１をＯＮ、第二の中性点切替スイッチ３９２及び第三の中性点切替スイッチ３９３をＯＦＦとする切り替えにより、また元の３つの巻線１０、１１、１２で構成される巻き数の出力巻線に戻す。例えば、出力巻線１０、１１側を通常の出力巻線として使い、エンジンの回転速度が極低速例えば４５０ｒｐｍ〜８００ｒｐｍ程度になった時、３つの出力巻線１０、１１、１２を使うことにより極低速での電圧を上昇させることができる。勿論、３相交流の電圧制御が１つのパワートランジスター制御で達成できるメリットを失うものでもない。さらに、エンジン回転速度が高速の場合、出力巻線１２のみを使用することにより、安定した電圧で超高速まで対応できる。この出力巻線の切り替えは電動機として使用する場合においても同様に作動でき、エンジンのトランスミッションと同じで速度に応じて適宜に切り替え、あらゆる領域での使用に耐えられることになる。尚、中性点位置を変更するスイッチは３個に限定されるものではなく、必要に応じて増減できることは言うまでもない。
【００４８】
（電動機運転）
起動スイッチがＯＮし、スタートが指令されると、この装置が電動機として使用されるか、発電機として使用されるかの判断がなされ（ステップＳ１０）、電動機運転の場合には電動機切替スイッチ５６、中性点切替スイッチ３９１をＯＮさせ(ステップＳ１１)、起動を始める。その後、回転速度センサー２８にて速度検出し（ステップＳ１２）、回転速度Ｎが所定値Ｎ１より大きいか否かを判断し（ステップＳ１３）、大きい場合にはさらに回転速度Ｎが所定値Ｎ２より小さいか否かを確認する(ステップＳ３３)。そして、回転速度ＮがＮ２より小さければ中性点切替スイッチ３９２をＯＮさせると共に中性点切替スイッチ３９１，３９３をＯＦＦさせ（ステップＳ３３１）、ステップＳ１４に移行させる。また、ステップＳ３３において回転速度ＮがＮ２より大きければ、スイッチ３９３をＯＮさせると共に中性点切替スイッチ３９１、スイッチ３９２をＯＦＦさせ（ステップＳ３３２）、ステップＳ１４に移行させる。ステップＳ１３で回転速度ＮがＮ１より小さければ負荷Ｌを検出し（ステップＳ１４）、自動車用発電機の場合にはその負荷Ｌがスロットル量に相当する電流量Ｌ１に合致するようにスイッチング幅を決定する（ステップＳ１５）。そして、負荷Ｌ（スロットル量）が所定電流量Ｌ１＋βより大きいか否かを判断し（ステップＳ１６）、大きい場合には電圧制御スイッチ１３のＯＮ時間のスイッチング幅を減少させ（ステップＳ１７）、さらにＬがＬ１+βより小さいか否かを判断する(ステップＳ１８)。そして、小さい場合にはステップＳ１７の前に戻し、さらにスイッチングＯＮ時間を減少させる（ステップＳ１７）。ステップＳ１８においてＬがＬ１+βより小さければ、さらにＬがＬ１―βより大きいか否かを確認し（ステップＳ１９）、大きい場合にはその条件を所定時間例えばΔｔ秒保持し(ステップＳ２０)、ステップＳ１０の前に戻す。ステップＳ１６でＬがＬ１+βより小さければ、ステップＳ１９にジャンプしてＬがＬ１―βより大きいか否かを確認し（ステップＳ１９）、大きい場合にはその条件をΔｔ秒保持し(ステップＳ２０)、ステップＳ１０の前に戻す。他方、ＬがＬ１−βより小さい場合には、電圧制御スイッチ１３のスイッチングＯＮ時間を増加させ（ステップＳ２１）、ステップＳ１９の前に戻す。そして、再度ＬがＬ１―βより大きいか否かを確認し（ステップＳ１９）、ＬがＬ１−βより大きくなった場合にはその条件をΔｔ秒保持し（ステップＳ２０）、ステップＳ１０の前に戻す。ステップＳ１９でＬがＬ１−βより小さければ、電圧制御スイッチ１３のスイッチングＯＮ時間を増加させ（ステップＳ２１）、ステップＳ１９の前に戻すことを繰り返す。
【００４９】
（発電機運転）
ステップＳ１０にて発電機モードと判断された場合、回転速度Ｎを検出するセンサ２８並びに電圧Ｖを検出するコンパレータ１６の信号を得て（ステップＳ２２）、回転速度Ｎが所定の速度Ｎ１より小さいか否かを判断し（ステップＳ２３）、回転速度Ｎが所定の速度Ｎ１より小さければ、出力巻線１０と１１、１２を利用するため、中性点切替スイッチ３９２、３９３をＯＦＦし、中性点切替スイッチ３９１をＯＮさせる（ステップＳ３３３）。他方、ステップＳ２３において回転速度Ｎが所定の速度Ｎ１より大きい場合には、さらに回転数ＮがＮ２より大きいか否かを判断し(ステップＳ２８)、大きい場合には出力巻線１２のみを使用するため中性点切替スイッチ３９３をＯＮし、３９１，３９２をＯＦＦさせた後（ステップＳ３０）、ステップＳ３４に移動させる。また、ステップＳ２４において、回転速度Ｎが所定の速度Ｎ２より小さければ、出力巻線のうち巻き数の小さい方の出力巻線１１、１２を利用するため、中性点切替スイッチ３９２をＯＮし、中性点切替スイッチ３９１、３９３をＯＦＦさせ（ステップＳ２５）、ステップＳ３４に移動させる。
【００５０】
ステップＳ３４では、電圧検出器１６により検出した出力電圧Ｖが予め設定された電圧（設定電圧Ｖ１と呼ぶ。例えば、３００Ｖ）の上限値（Ｖ１＋α、αは許容幅を示す）より大きいか否かを判断し、設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より大きい時には、電圧制御スイッチ１３のＯＮ時間を長くし、制御側ソレノイドコイル１４２に流れる電流を大きくし（ステップＳ３５）、出力ライン４１の電圧を小さくする。出力巻線１０，１１、１２の出力電圧は負荷による出力ライン４１側に流れる電流と出力側インピーダンスの降下電圧、電圧制御スイッチ１３のＯＮ状態で制御側ソレノイドコイル１４２に流れる電流とインピーダンスの降下電圧により大幅に降下する。ステップＳ３４で検出電圧Ｖが設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より大きくない時には、設定電圧の下限値（Ｖ１−α）よりは大きいか否かを判断し（ステップＳ３９）、検出電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きければ、そのまま△ｔ時間保持させておく（ステップＳ４０）。他方、検出電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さければ、制御側ソレノイドコイル１４２側に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる（ステップＳ４１）。次いで、出力電圧Ｖが設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さくなったか否かを判断し（ステップＳ３６）、出力電圧Ｖが設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さくならない時には、ステップＳ３５に戻り、出力巻線１０、１１、１２に流れる電流を大きくする処理、即ち電圧を小さくする処理を繰り返す。他方、出力電圧Ｖが設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さくなった時には、出力電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ３７）。出力電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きい場合には、そのまま△ｔ時間保持させておく（ステップＳ３８）。また、ステップＳ３７で出力電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きくない場合には、即ち電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さい場合には、出力巻線１１に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる（ステップＳ４１）。次いで、出力電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ４２）、検出電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きければ、そのまま△ｔ時間保持させておく（ステップＳ４３）。反対に、検出電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さければ、出力巻線１１に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる（ステップＳ４１）。尚、スタート後に行われる、発電機の制御装置が一般に備える診断機能による診断で発電機の巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合には、コントローラ１８は中性点切替スイッチ３９１、３９２、３９３の全てをＯＦＦさせる制御を行なう。これにより、電圧が発生しなくなるので、安全となる。
【００５１】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、ステータコイル８を構成する出力巻線として３つの巻線１０、１１、１２を直列に接続した構造とし、３つの巻線１０、１１、１２の間や巻き始め端に中性点端子を設けてそれぞれ中性点を変更するスイッチを備えると共に、コントローラ１８で選択的に中性点位置を変更可能として図４に示す出力トルク特性を得るようにし、あるいは中性点切替スイッチをスイッチングすることにより電流制御して必要な負荷状態を得るようにしているが、これに特に限られず、用途に応じて２つあるいは４つ以上の中性点端子と中性点を変更するスイッチを備えることにより用途に応じた出力トルク特性あるいは負荷状態を得るようにしても良い。
【００５２】
また、本実施形態では、出力巻線１０は出力巻線１１、１２よりも巻き数が大きいものとしているが、ステータコイル８を構成する複数の出力巻線の間の巻き数の関係は特定のものに限られるものではなく、同じ巻き数でも、場合よっては出力巻線１１や１２の巻き数の方が出力巻線１０よりも大きくしても良い。つまり、出力巻線は巻き数Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎの複数の巻線から成ると共に、出力巻線の巻き数はＴ１＜Ｔ１＋Ｔ２＜Ｔ１＋Ｔ２＋…＋Ｔｎの関係が成立するものであれば良い。
【００５３】
さらに本実施形態においては、三相整流器としてもっとも簡単な構成のダイオード全波整流器（三相全波整流器）を用いた例を挙げて主に説明したが、これに特に限定されるものではなく、その他の三相整流器例えばダイオード全ブリッジ、サイリスタ整流器、正弦波コンバーターなどを適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
この発明による発電機の制御装置は、例えば、自動車の発電機、風力発電機、ハイブリット車、電気自動車の発電機、エレベーターのエネルギー回生発電機として使用して好ましく、発電された一定電圧の電力は、各種機器の駆動、電灯、照明等の一般消費電力として、或いは電子機器等で消費するのに適用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１ ロータシャフト
２ ステータ
７ 永久磁石部材
８ 巻線
９ 出力端子
１０ 出力巻線
１１ 出力巻線
１２ 出力巻線
１３ 制御スイッチ（デューティ制御）
１４１ 出力巻線側ソレノイドコイル
１４２ 制御側ソレノイドコイル
１５、２１、１４３、３９４、３９５、３９６ 三相整流器
１６ 電圧検出比較器
１７ 負荷
１８ コントローラ
５４ バッテリ
５６ 電動機切替スイッチ
２８ 回転数と極位置の検出センサ
３４ ハウジング
３５ ロータ
４１ 出力端子線
５３ 主発電スイッチ
５４１ バッテリ
５５ ソレノイドコイル１４１，１４２のコア
３９１、３９２、３９３ 中性点切替スイッチ
６１-Ｕ、６２-Ｕ、６３-Ｕ Ｕ相の中性点切替端子線
６１-Ｖ、６２-Ｖ，６３-Ｖ Ｖ相の中性点切替端子線
６１-Ｗ、６２-Ｗ、６３-Ｗ Ｗ相の中性点切替端子線
６４-Ｕ 電圧制御スイッチに入るＵ相の中性点端子
６４-Ｖ 電圧制御スイッチに入るＶ相の中性点端子
６４-Ｗ 電圧制御スイッチに入るＷ相の中性点端子
【技術分野】
【０００１】
この発明は，ハウジングに取り付けられたステータとステータに対して回転する永久磁石部材を備えたロータを備えた永久磁石式発電機の巻線とスイッチを用い一定電圧化させる制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電機について、省エネルギー化が要求される中で発電機の効率向上は大きな課題である。発電機の構造は、従来、回転子を電磁石とし、電流を用いて磁界を作り発電させる方式が主であった。しかし、発電機において、永久磁石を用いると、電磁石に流す電流が不要なので効率が向上することが判っていた。ところが、永久磁石を用いた発電機では、永久磁石の磁力が変化せず、発電機の回転が変化すると電圧が大幅に変化するので、一定電圧により各種電気装置を駆動する自動車などの発電機には使えないでいた。永久磁石式発電機は、ロータに永久磁石を用いるので、構造が簡単で大きな発電電力を得ることができ、近年、それを組み込みＤＣ-ＤＣコンバーター、位相制御装置を用いたシステムが自動車用発電機、風力発電機等として利用されることが多くなってきた。永久磁石式発電機は、例えば、発電した電力を電動機に送る場合に、電圧が変動してもその機能が十分に発揮できるが、この電力を各種の電気機器を駆動しているバッテリの電圧に合わせる場合に、電圧変動を一定の電圧に揃える操作をしなければならない。永久磁石を用いた発電機の研究について多くの研究者たちが研究を行い、永久磁石発電機の発電電力を一旦直流に変換し、その電力をレギュレターを用いてスイッチングの時間制御により一定電圧にするＤＣ―ＤＣコンバーター方式が開発されたが、発電電力全てをスイッチングする必要があるため、高電圧、大電流の大きな電力をスイッチングするパワートランジスタが必要であり、制御装置が巨大となり、高価格で効率が悪くなるなどの問題がある。また、自動車のハイブリット車、電気自動車などではモーター駆動のインバーターを用い、発電機とし、位相制御により電圧を一定にする方式が主流であった。この方法では交流電力の波形を切り欠く制御を行なうため、電圧と電流の重なり点が変化し、力率が低下する問題点がある。即ち、永久磁石式発電機は、自動車、風力等で発電した電圧を一定にするためには、スイッチング レギュレター、位相制御装置等を用いて電力を切り刻む操作をしなければならないが、高電圧、大電流をオン・オフするためには大型のパワートランジスタを要し、装置が大型になり、冷却ロスが大きくなり、極めて高価になる。パワートランジスタは通過電流が大きいほど、スイッチ抵抗に発生する熱の影響で破壊されやすく、また、電圧が高すぎるとエミッターコレクタ間の絶縁が破壊される等の問題が有るので電圧、電流は小さいほど耐久性が有り、安価である。
【０００３】
例えばハイブリット車、電気自動車などに使用する永久磁石発電機は高速時では発電電圧を下げなければならないが、極低速時には発電電圧を上昇させなければならない。これをコンバーターで電圧調整させる場合、電圧降下させるためには降圧回路、電圧上昇させる場合には昇圧回路を用いなければならず、制御装置が複雑、高価になる。
【０００４】
また、発電電圧を一定にするために、電流を切り刻む時に、発生するサージ電圧、電流は電波障害の引き金になり、そのノイズ対策に必要なスナーバーの処置等が高電圧、大電流ほど大変である。
【０００５】
また、その後、永久磁石の磁力を弱める方式が盛んに研究され、いろいろと発表された。例えば、永久磁石回転電機として、大きな変換機やリアクトルが必要な無効電流調整機や機械的変位機構等を必要とせず、簡素で部品点数が少なく小型で、信頼性に優れた電機子巻線電圧が調整可能なものが知られている。該永久磁石回転発電機は、電機子巻線群を有する固定子と、永久磁石による界磁極を有する回転子と、別個に設定した制御電流が供給され、永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群と、制御巻線群に流れる制御電流を制御することによって、電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御回路とを備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、高効率の発電機を実現するものが提案されている。該発電機は、巻線を有する第１の物体と、鉄心と永久磁石を有する第２の物体を設け、インダクタンスは直軸に対して非対称とすることによってリラクタンス力を有効に利用し、高効率を実現したものである（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
また、従来知られている交流発電機として作動可能な電気機械として、回転子と固定子と、この固定子内に導電するように設けた少なくとも一つの巻線と、この第１の巻線とは電気的に絶縁して第１の巻線に誘導結合した二次巻線とを有し、二次巻線を第１の巻線の出力電圧と電流のうち少なくとも一方の制御に用いることができる方式が提案されている。しかし、上記のような種々の方法では発電機に用いられた磁力を弱めることは至難の業で中々実用化されないでいる。（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
また、永久磁石で構成される回転子とその外側に設けたステータ内に巻かれた巻線を巻き数の小さな出力巻線と、大きな巻き数を有する制御巻線、ソレノイドを直列に結線し、その中間にトランジスタースイッチを置き、出力巻線の電圧が高い時、これらの系に流れる電流を大きくし、出力巻線の電圧が低い時、電流を小さくする方式がある（例えば、特許文献４参照）。
【０００９】
一方、ハイブリット車ではＤＣ-ＤＣ コンバーターが用いられ、発電により整流された電力を必要に応じてその電力を切り刻み、主として降圧により一定電圧を持つ直流に変換し、必要に応じてインバーターによりＡＣに変換し、モータ駆動させるシステムが実用化されたが、高電圧、大電流の電力をそのままスイッチングするため、その装置の大きさがハイブリット車の小型化への普及を妨げている。一方、自動車の電気使用量はうなぎのぼりに増加し、エネルギー問題が益々深刻となり、現在用いられているランデル式発電機の効率５０％は許容できない事態となった。自動車用発電機のこの様な状況の下で構造が簡素で確実な制御性を持つ発電機構の出現が求められている。
【００１０】
一般に磁束制御を電気的に行うためには、発電機の巻線に種類の異なる複数の巻線を巻き込み、インバーターにより同期された電流を１つの巻線に流し、永久磁石の磁力の方向に対抗する電磁力を与えることが提案され、多くの技術者が研究を試みた。しかし、この方法だと永久磁石の磁力に対し、逆向きの電磁力を加えるため、永久磁石により発生する発生電圧と相似で反対向きの電流、電圧をインバーターにより作らなければ成らないが、その方式は制御系の困難さが益々大きくなった。また、この方法だと別回路で作成した電磁石による磁力が永久磁石の磁力を消滅させることになり、成功しなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−３２０９７２号公報
【特許文献２】特開２００３−２４５０００号公報
【特許文献３】特表２００６−５２９０７６号公報
【特許文献４】特許第４２２７１８９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明者等は、特許文献４記載の発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置を開発・製作し、神奈川県立の研究所において実験を重ねた結果、磁束制御装置を用いることなく且つ少ない電流で出力電圧を一定の範囲に維持して常に所望の電圧に制御すると共に永久磁石の磁力の減磁を生じさせないという効果が達成されることを確認した。
【００１３】
発電電圧が高くなる場合、例えば２００Ｖ―ＡＣ発電機では高速での電圧が非常に高くなり、高耐圧性のスイッチング素子（ＦＥＴ）を使わざるを得ないという問題が発生した。つまり、特許文献４記載の特許発明は、ステータに巻き上げた巻線を巻き数の小さな出力巻線と巻き数の大きな制御巻線とで構成すると共に両巻線間に制御スイッチを設け、負荷の変動に応答して制御スイッチをデューティ制御し、巻線切り換え時の電圧の上昇に対応して電圧制御巻線に微小電流を流して電圧を瞬間的に降下させて一定電圧を維持し、瞬間的な電圧の上昇又は降下を抑えて常に所望の電圧に制御することを特徴とするものである。したがって、特許文献４記載の特許発明によると、巻線の巻き数を大きくすると電圧が上がり、その反面、巻き数を有る程度大きくしないとインダクタンスが大きくならず、垂下特性の電流が小さくならないという二律背反の関係にあり、発電電圧が高くなるＡＣ発電機に適用する場合には高速での電圧が非常に高くなることを回避できないものである。例えば、相電圧の値は出力側電力では２２０Ｖ（ＡＣ）/２０００ｒｐｍ、４４０Ｖ/４０００ｒｐｍ、６６０Ｖ/６０００ｒｐｍである。この値は実効値であるので、ピーク電圧ではその１．４倍にもなる。しかも、制御巻線の巻き数を出力巻線の４倍にすると、電圧は４倍になり、６０００ｒｐｍでは２６４０Ｖになる。この電圧はスイッチング素子・ＦＥＴ、またはＩＧＢＴにとって非常に大きな値で一般に市販されているＦＥＴ、ＩＧＢＴの耐圧６００Ｖ又は１２００Ｖを遥かにオーバーしてしまう。このため、発電電圧を高くする場合には、非常に高価（現在、一般的な１０００Ｖ耐圧のＦＥＴの約１００倍程度）な高耐圧性のスイッチング素子を使わざるを得ず、発電機のコストを押し上げてしまう問題が生ずる。しかも、三相発電機の各相に非常に高価な電圧制御スイッチをそれぞれ設ける必要があるため、電圧制御スイッチの数が多くなることによるコストアップをも招いてしまう問題がある。
【００１４】
本発明は、３相交流発電機において、出力巻線と出力側ソレノイドコイル、出力端子、制御ソレノイドコイルの先端を三相整流器に接続し、三相整流器の直流端子にパワートランジスターなどの電圧制御スイッチを接続し、出力端子側の電圧を検出し、その電圧が一定になるように電圧制御スイッチのＯＮ時間を制御することにより、装置の簡素化を実現し、かつパワートランジスターの容量を小さくさせた永久磁石発電機の制御装置を提供することを目的とする。また、本発明は、安価なスイッチング素子を使えると共にスイッチング素子数そのものを減らすことを可能とし、大幅なコストダウンを可能とする永久磁石式発電機の電圧一定化の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
かかる目的を達成するため、本発明は、ハウジングに回転自在に支持されたロータシャフト、前記ロータシャフトに固定され且つ外周側に複数の永久磁石部材を取り付けたロータ、及び前記ロータの外側に巻線が巻き上げられたステータから成る永久磁石式発電機の制御装置において、前記ステータ内に巻き上げられる出力巻線と、前記ステータ外に配置され前記出力巻線と直列に接続された出力巻線側ソレノイドコイルと、該出力側ソレノイドコイルと直列に接続されて前記ステータ外に配置される制御側ソレノイドコイルと、前記制御側ソレノイドコイルのそれぞれ相の端部が中性点として接続される三相整流器と、前記三相整流器の直流出力端子間に設置される電圧制御スイッチと、前記出力巻線に発生する発電電圧を検出するセンサからの検出信号に応答して前記電圧制御スイッチのデューティー比を変更させて前記制御側ソレノイドコイルに流れる電流を加減して前記発電電圧を一定電圧に制御するコントローラとを備えるようにしている。
【００１６】
ここで、三相整流器は、ダイオード全波整流器であり、制御側ソレノイドコイルの端部が整流器のダイオード間に接続されるものであることが好ましい。また、コントローラは、電圧センサによる検出信号に応答して電圧制御スイッチをＯＮ−ＯＦＦ制御し、発電電圧が高いことに応答して制御側ソレノイドコイルに流れる電流を増し、発電電圧が低いことに応答して制御側ソレノイドコイルに流れる電流を減少させて設定電圧を一定電圧に制御することが好ましい。
【００１７】
また、本発明の永久磁石式発電機の制御装置において、出力巻線の巻きの途中または巻き始めの部分に選択的に中性点位置を変更できる複数の中性点端子を備え、該中性点端子に中性点に流れる電流を断続して中性点位置を変更するスイッチをそれぞれ配置し、かつロータシャフトの回転数を回転数センサで検出し、コントローラでローターシャフトの回転数に応じてスイッチを選択的に断続して中性点位置を変更可能とすることが好ましい。
【００１８】
ここで、中性点位置を変更するスイッチとしては、出力巻線側のそれぞれ相の中性点端子が中性点として接続される三相整流器と、三相整流器の直流出力端子間に設置される中性点切替スイッチとで構成され、コントローラでローターシャフトの回転数に応じて中性点切替スイッチを選択的に断続して中性点位置を変更可能とするものであることが好ましい。そして、三相整流器としては、ダイオード全波整流器であり、出力巻線側のそれぞれ相の中性点端子が整流器のダイオード間に接続されていることが好ましい。
【００１９】
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置において、出力巻線は巻き数Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎの複数の巻線から成ると共に出力巻線の巻き数はＴ１＜Ｔ１＋Ｔ２＜Ｔ１＋Ｔ２＋…＋Ｔｎの関係が成立するものであり、かつ出力巻線の巻き始め端部と複数の巻線の間の中間部端子に中性点端子を備え、各中性点端子をダイオード全波整流器のダイオード間に接続すると共に各々のダイオード全波整流器の直流出力部に第１，第２，…，第ｎの中性点切替スイッチを接続し、ロータシャフトの回転数に応じてコントローラで第１，第２，…，第ｎの中性点切替スイッチを断続して中性点位置を変更するものとすることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の永久磁石式発電機の制御装置において、コントローラはロータシャフトの回転数を検出する回転数センサからの信号により、所定回転数の以上の時、出力巻線の巻き数が小さい側の中性点切替スイッチをＯＮさせると共に大きい側の中性点切替スイッチをＯＦＦさせ、所定回転数以下の時、出力巻線の巻き数が大きい側の中性点切替スイッチをＯＮさせると共に小さい側の中性点切替スイッチをＯＦＦさせるものであることが好ましい。これにより、高速回転時の大幅な電圧の上昇を防止させると共に極低速回転時の電圧を上昇させて発電出力させることで、設定電圧を一定電圧に制御させることができる。
【００２１】
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置において、出力側ソレノイドコイルと出力巻線との間に配置される出力端子部に電動機切替用スイッチを設け、該電動機切替用スイッチの一端部を出力巻線側の出力端子部に他端部をバッテリに接続し、コントローラーにより電動機切替用スイッチをモーター駆動できる位相タイミングに合わせ、出力巻線側に電流を供給することにより電動機として運転可能にすることを特徴とする請求項４から８のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【００２２】
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置において、コントローラーは中性点切替スイッチを負荷に応じてスイッチングし、電流制御して必要な負荷状態を得るものであることが好ましい。
【００２３】
また、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置において、コントローラーは回転数センサで検出した回転数の小さな時には出力巻線の巻き数が大きくなる中性点切替スイッチを接続し、回転数が大きな時には出力巻線の巻き数が小さくなる中性点切替スイッチをＯＮ，ＯＦＦ制御すると共に負荷に応じて電流を制御する中性点切替スイッチをスイッチングさせる機能を併せ持つことが好ましい。
【００２４】
さらに、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置において、コントローラは出力巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合、中性点切替スイッチの全てをＯＦＦさせる制御を行なうものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の永久磁石式発電機の制御装置によれば、極めて簡単な構造を持つ発電機の巻線（ステータコイル）をステータ内に巻き上げられた出力巻線とステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルとを接続して、出力巻線と出力巻線側ソレノイドコイルとで出力側巻線を、さらに制御側ソレノイドコイルで制御側巻線を構成し、それら出力側巻線と制御側巻線とを直列に繋ぎ、その全体巻き数の垂下特性を用いて少ない電流で出力電圧を一定に制御するようにしているので、出力側巻線及び制御側巻線の巻き数を大きくすることなく、インダクタンスを大きくして、垂下電流を制御できる。本願発明の発電機は、従来の発電機と大幅に異なり、出力巻線で出力しているとき、垂下特性は、図２に示すように、電流が大きく、電圧が小さくなるように変化するが、出力側巻線にソレノイドコイルが加わった全体巻線が大きいと電圧が変化すること無く、電流は極めて小さい状態で垂下する。出力巻線と出力巻線側ソレノイドコイル、制御側ソレノイドコイルを加えた全体巻線とこれに対し巻き数が少ない出力巻線単独とでは、垂下電圧特性は非常に大きな差が有り、出力側巻線及び出力巻線側ソレノイドコイル、制御側ソレノイドコイルの２つの巻線を直列に接続し、全体巻線の大きな巻き数の逆起電力による電圧制御性を利用し、この巻線系に微少の電流を流すと、この垂下特性により出力巻線端子の電圧が低下し、制御スイッチのＯＮ、ＯＦＦにより電流を調節すると出力端子の電圧を一定にすることができる。つまり、負荷の変動に応答して制御スイッチをＯＮ−ＯＦＦ制御し、出力側巻線の電圧の上昇に対応して全体巻線に微小電流を流して電圧を瞬間的に降下させて一定電圧を維持し、瞬間的な電圧の上昇又は降下を抑えて常に所望の電圧（設定電圧）に制御することができる。図３にはその原理を示す。出力巻線は永久磁石の磁力を受け、起電電圧がＡからＢ０まで上昇する。この巻線に電流が流れると、巻線のインピーダンスにより電圧が下がり、出力巻線の端子電圧はＢとなる。出力巻線側ソレノイドコイルのインピーダンスにより電圧はＣ点まで下がり、制御側ソレノイドコイルのインピーダンスにより電圧はＤ点まで下がる。従って、この巻線系が繋がった時、できるだけ電流が小さければこの系に流れる電流を制御する電圧制御スイッチをＯＮ、ＯＦＦする事によって出力端子部の電圧をＢ０から０までの間で自由に変化させる事ができる。この制御電流を小さくするため、出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルの相互インダクタンス効果は効果的である。
【００２６】
即ち、出力巻線側ソレノイドコイルの巻き数をＮ１、制御側ソレノイドコイルの巻き数をＮ２とすると、出力巻線側ソレノイドコイルを単独で用いる場合には、インダクタンスＬ１＝μ・Ａ・Ｎ１２/ｌ、制御側ソレノイドコイルを単独で用いる場合には、Ｌ２＝μ・Ａ・Ｎ２２/ｌとなる。ところが直列に接続すると、Ｌ３＝μ・Ａ・（Ｎ１＋Ｎ２）２/ｌとなり、Ｌ１の２倍以上の値になる。直列に繋がれた二つのソレノイドコイルに電圧を掛ければＥ＝Ｉ・２π・ｆ・Ｌ３／１０００となり、電流は出力巻線側ソレノイドコイル単独に流す場合の１／２〜１／５以下に低減する。ここでｌは各ソレノイドコイルコアの磁路長さ、Ａはソレノイドコアの断面積、μは透磁率である。この効果はステータ巻線でも同様である。
【００２７】
ところで、この電圧制御は三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の中性点端子、即ち図３のＤ点を三相交流整流器に接続すると共に直流端子部に電圧制御スイッチを置けば、１つの電圧制御スイッチで済むこととなる。また、中点部に電圧制御スイッチを置くので電流が流れているときには電圧は０である。この電圧制御スイッチをＯＦＦにすると電圧は最大Ｂ０まで上がるが、この電圧はＯＮ時の電圧と合成、整流効果により、出力電圧以下になる。また、スイッチングによるサージ電圧が発生したとしても０電圧からの上昇なので余り大きくはならず、スナーバー等で十分吸収できる。
【００２８】
ここで、発電機の電圧と巻線、ソレノイドコイルのインピーダンスによる電圧降下についての理論式について述べる。発電電圧は出力巻線の巻き数に比例して上昇するが、この電圧は巻線のインピーダンスと電流の積および出力巻線側ソレノイドコイルのインピーダンスと電流の積の和にしたがって降下する。従って、所定電圧になるように制御側ソレノイドコイルへの電流を増すと出力巻線側ソレノイドコイル端子の電圧が減少し、電流を減少すると出力巻線側ソレノイドコイル、即ち出力電圧は一定になる。出力が小さい時には制御側に流れる電流により電圧は制御される。下記に計算式を示す。
計算式Ｖ−Ａ特性
（１）起電力Ｅｏについて
Ｅｏ＝４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ --------（１）
（２）端子電圧Ｅについて
Ｅ＝Ｅｏ−Ｅ１−Ｅ２
＝４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ−Ｉ１ （Ｒ１２＋（２πｆＬ１１／１０００）２）１／２
−Ｉ２（Ｒ２２ +（２πｆ・Ｌ３１／１０００）２）１／２ --------（２）
（３）制御側へ流れる電流、即ち制御スイッチに流れる電流
Ｉ２＝〔４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ−Ｉ１・(Ｒ１２＋(２πｆ・Ｌ１１／１０００)２)１／２−Ｅ〕／〔Ｒ２２＋（２πｆ・Ｌ３１／１０００））２〕１／２ --------（３）
ただし、式中の記号は以下の通りである。
Ｅｏ:出力巻線の起電電圧、Ｅ：希望する所定電圧（設定電圧）、Ｅ１：出力側巻線への電流Ｉ１の時の降下電圧、Ｅ２：出力巻線＋出力巻線側ソレノイドコイル＋制御側ソレノイドコイル全体に流れる電流Ｉ２の時の降下電圧、Ｒ１：出力巻線＋出力巻線側ソレノイドコイルの抵抗、Φ：磁力の強さ、Ｒ２：出力巻線＋出力巻線側ソレノイドコイル＋制御側ソレノイドコイルの合計抵抗値、ｆ：周波数、Ｌ１１：出力巻線＋出力巻線側ソレノイドコイルの合計インダクタンス、Ｗｓ：巻線数、Ｉ１：出力巻線端子に流れる電流、Ｉ２:制御側ソレノイドコイル側に流れる電流、L３１：出力巻線のインダクタンス＋出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルの相互インダクタンス。
【００２９】
ここで、巻線の垂下電流は巻線数が大きいほど小さくなるが、その反面巻線の巻き数が大きくなるほど永久磁石による起電電圧が大きくなるので、起電電圧を制限した状態で制御電流を小さくし、電圧制御できることが望ましい。上式で出力側巻線及び制御側巻線の各インダクタンスＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ１１の値を大きくできれば制御電流値Ｉ２を更に小さくできる。したがって、大電流を必要とする発電機ではステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルとを加える効果が極めて有効である。しかし、Ｌ１１を余り大きくしすぎると出力側の電圧降下をもたらすので、ソレノイドコイルの相互インダクタンス効果が重要である。
【００３０】
また、上式に示すように出力側巻線、制御側巻線の端子電圧は、起電電圧からそれぞれの巻線に流れた電流とインダクタンスの積を差し引いた電圧で決まるが、出力巻線の巻き数が大きくなるほど起電電圧は大きくなるので電圧を降下させる為には大きなコイルのインダクタンスが必要になる。そこで、起電電圧を大きくしないで電圧制御させる為には、ステータ内に巻き上げられた巻線を増加させることなく、ロータの磁束と鎖交しない位置例えばステータ外に配置された出力巻線側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルとを加えることにより、インダクタンスを大きくして垂下電流を制御できるようにすることが効果的である。
【００３１】
本発明の発電機を電動機として使用する場合、車両の電動機は低速ではトルクが大きく、高速ではトルクを余り必要とはしないが回転数が伸びる特性が必要である。本電動機をこの特性に合わせるため、速度に応じて出力巻線の巻き数（巻線）を切り替える中性点切替スイッチを配置したが車両の負荷状態に応じて電動機の出力を変更する必要がある。そのため、中性点切替スイッチをスイッチングさせて電流の大きさを制御させることにより、車両特性の全トルク、回転領域の負荷特性に合致させた運転ができる。図４には巻線を変えた場合の駆動力特性とスイッチングにより電流制御した場合の特性変化の状況を示す。
【００３２】
しかして、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置によれば、出力巻線などを直列接続した各相の巻線系の端部を１つの三相整流器に接続し、かつこの三相整流器の直流端子に接続したパワートランジスターなどの１つの電圧制御スイッチを出力端子側の電圧が一定になるようにデューティ制御することにより電圧一定化の制御を行うようにしているので、極めて簡単かつ廉価に電圧制御装置を構成できると共に簡単に制御できる。しかも、３相整流器は非常に廉価であるのでコスト低減上極めて大きなメリットがある。また、電圧制御スイッチとしても、高電圧、大電流をオン・オフする大型のパワートランジスタを必要とせず、容量が小さく安価なスイッチング素子・パワートランジスターを使えるので、スイッチング素子の数を減らすことと相俟って大幅なコストダウンを可能とする。
【００３３】
また、本発明の永久磁石式発電機の制御装置において、さらに出力巻線の巻きの途中に中性点位置を変更するスイッチを有する複数の中性点端子を備える場合、ローターシャフトの回転数に応じて中性点位置を変更可能とすることにより、回転数に対応した巻き数を選定することで設定電圧を一定電圧に制御させることができる。即ち、高速回転時には巻き数を小さくして大幅な電圧の上昇を防ぐと共に極低速回転時には巻き数を大きくして電圧を上昇させるように発電出力させることができる。
【００３４】
また、本発明の永久磁石式発電機を電動機として用いる場合には、電流を流す出力巻線の巻き数を中性点切替スイッチの切替により増減させることにより、発生トルクを増減させることができる。つまり、巻き数の大きなコイルに電流を流すと大きな磁力が発生し、大きなトルクが発生する。その反面、巻き数の小さなコイルに電流を流すと小さな磁力しか発生せず、小さなトルクしか得られない。このため、中性点位置の変更により、恰も自動車のトランスミッションのようにトルク特性を変化させることができることから、巻線の巻き数と中性点位置を設定することで用途に応じた出力トルク特性あるいは負荷状態を得ることが可能となる。
【００３５】
さらに、中性点位置を変更するスイッチとして、三相整流器とその直流出力端子間に設置されるパワートランジスターなどの中性点切替スイッチとで構成されるものを用いる場合には、極めて簡単かつ廉価に中性点位置変更スイッチを構成できると共に簡単に制御できる。しかも、コントローラーによって、ＯＮ状態の中性点切替スイッチを流れる電流を切り刻むように負荷に応じて中性点切替スイッチをスイッチングし、電流制御により必要な負荷状態を得ることが容易にできる。
【００３６】
さらに、本発明にかかる永久磁石式発電機の制御装置において、コントローラは出力巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合、中性点切替スイッチの全てをＯＦＦさせる制御を行なうことで容易に電圧の発生を停止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明による制御装置を適用する永久磁石式発電機を示しており、（Ａ）は正面図、及び（Ｂ）は側面図である。
【図２】出力巻線と巻線＋ソレノイド巻線の垂下特性を示すグラフである。
【図３】この発明による電圧制御の原理を示した回路抜粋と電圧推移の説明図である。
【図４】巻線切り替えと中性点切替スイッチによる電動機駆動トルクの変化状況を示す。
【図５】この発明による永久磁石式発電機の制御装置の一実施例を示す回路図である。
【図６】図３の永久磁石式発電機の制御装置の作動を示す処理フロー図の一部である。
【図７】図３の永久磁石式発電機の制御装置の作動を示す処理フロー図の残部である。
【図８】相互インダクタンス効果を得るための出力側ソレノイドコイルと制御側ソレノイドコイルの巻線配置。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３９】
この実施形態にかかる制御装置が組み込まれた永久磁石式発電機は、図１に示すように、フロントハウジング３とリアハウジング５から成るハウジング３４、ハウジング３４に一対の軸受４を介して回転可能にそれぞれ支持されたロータシャフト１、ロータシャフト１に固定された永久磁石部材７から成る回転子即ちロータ３５、及びロータ３５の外周側に配置され且つハウジング３４に固定された固定子即ちステータ２から構成されている。ステータ２は、ステータコア３６とステータコア３６に巻き上げられたステータコイル８から構成されている。また、ロータシャフト１には、その一端部に、エンジン、風車等の駆動源からの駆動力が入力する入力プーリ等の入力手段（図示せず）が設けられている。この発電機は、ロータ３５を構成するロータシャフト１の両端が軸受４でハウジング３４に回転可能に支持されている。ロータ３５は、ロータシャフト１の外周に配設された透磁性部材３７、透磁性部材３７の外周面に配置された複数の永久磁石片から成る永久磁石部材７、及び永久磁石部材７の外周面に固定された非磁性材からなる円筒状スリーブ４０を備えている。ロータ３５を構成する永久磁石部材７と透磁部材３７との両端面には、非磁性材からなる端板３８がそれぞれ配置され、ナット、フランジ等の固着手段でロータシャフト１に一体に固定されている。また、リアハウジング５には、整流器１５、２１を覆ったカバー６が取り付けられ、カバー６には出力端子９が配設され、また、フロントハウジング３の外側にはソレノイドコイル１４１及び１４２が配設されている。
【００４０】
ここで、ソレノイドコイル１４１及び１４２はステータ外に配置されているが、本明細書においてソレノイドコイルに関しステータ外に配置されたとは、ロータの磁束と鎖交しない状況に配置されていることを意味するものである。つまり、ロータの磁束と鎖交しない状況にあれば良く、その設置位置には特に限定されない。例えば、前述のロータの磁束が鎖交しないように磁気遮蔽されているのであればハウジング内に設置しても良いし、あるいはモータケーシングの外に配設しても良い。また、ステータコイル８は、ステータコア３６の櫛部間に形成されたスロット部に位置して巻き上げられ、ステータコイル８をステータコア３６に成形固定するためスロット部内に非磁性材が充填されている。また、本明細書において、ステータコイル８を構成する出力巻線は、複数の巻線即ち出力巻線１０、１１、１２を含み、さらにその出力巻線１０、１１、１２に出力巻線側ソレノイド１４１を加えたものを出力側巻線という。また、制御側巻線は制御側ソレノイドコイル１４２によって構成されている。そして、これら出力側巻線と制御側巻線とを含む概念を、全体巻線あるいは巻線系と呼ぶものとしている。
【００４１】
この発明による永久磁石式発電機の制御装置の一実施例について、図５の回路図を参照して説明する。ステータコイル８を構成する巻線１０、１１、１２は、例えば、ステータ２のステータコア３６の櫛部に巻き上げられており、三相交流の中性点には整流器３９４のダイオード間に接続された６１-Ｕ、６１-Ｖ，６１-Ｗの３つの相線（中性点切替端子線）とその両端に第一の中性点切替スイッチ３９１が設けられてＵ、Ｖ、Ｗの３相電流がそれぞれ流されると共に、出力コイル即ち出力巻線１０及び１１、１２が直列に接続されその直後に出力巻線側ソレノイドコイル１４１が接続され、ソレノイドコイル１４１の他端には出力ライン４１が接続され、更に制御側ソレノイドコイル１４２とが接続されている。そして出力巻線１０の端子には異なる巻き数を持つ出力巻線１１、１２を持ち、出力巻線１０と１１、１１と１２の間には３相を夫々連結する第二、第三の整流器３９５，３９６とそのＤＣ出力端に中性点切替スイッチ３９２、３９３が存在する。本実施形態の場合、出力巻線１０、１１、１２と出力巻線側ソレノイドコイル１４１とで構成される出力側巻線と制御側ソレノイドコイル１４２で構成される制御側との間で、出力巻線側ソレノイド１４１の端子には出力ライン４１が接続され、出力ライン４１は整流器１５を介して負荷１７に接続されている。負荷１７に対して、電圧検出比較器１６が並列に設けられている。また、出力巻線１０、１１、１２の端部には、回転数と極位置を検出するセンサ２８が設けられている。電圧検出比較器１６及びセンサ２８からの検出信号は、コントローラ１８に入力される。コントローラ１８は、これらに検出信号に応答して、制御スイッチ１３及び中性点切替スイッチ３９１、３９２、３９３のＯＮ／ＯＦＦ及びスイッチング（本明細書では断続を連続に行うこと、特に高い周波数で断続的に切り替えることを言う）制御するように構成されている。さらに、出力巻線１０、１１の端子には主発電スイッチ５３が設けられ、負荷状況に応じてコントローラ１８によってＯＮ、ＯＦＦ制御されるようにしている。また、出力側には場合によってはバッテリー５４を設けることがある。尚、本実施形態では、出力巻線は巻き数の異なる３種類の巻線１０、１１、１２で構成され、出力巻線１０、１１，１２は発電機、又は電動機の特性に合わせて巻き数を決定する。
【００４２】
この永久磁石式発電機の制御装置では、複数の巻線１０、１１、１２を持つ発電機の出力の利用領域を回転数と負荷により規定し、発電機の制御を限定することにより、制御装置の簡素化ができる。ロータ３５の回転と負荷１７の変動に対し、領域を指定することにより、端子電圧を低く抑え、高速、高負荷時発熱を抑制できる。ところが、巻線系の経路に設けた制御スイッチ１３により制御側ソレノイドコイル１４２側に流れる電流を制御する場合に、制御スイッチ１３がＯＮ−ＯＦＦされた時、電圧が大きく振れると電圧を平滑させる制御機構が複雑になる。特に３相のそれぞれに電圧制御スイッチを設けると構造が複雑になるばかりか、スイッチのコストが上昇する。そこで、３相の端子を三相整流器のダイオード間に接続すると、電圧制御スイッチは１つで済む事になる。３相整流器は非常に廉価であるのでコスト低減上極めて大きなメリットがある。一方、三相整流器の中点１４４は中点と同じで電圧が０になる。しかし電流が流れなければ機能を発揮しないので中性点切替スイッチ３９１を設け、中性点の役割を果たさせる。
【００４３】
発電機を電動機として使用する場合、発電機側のスイッチ５３、電圧制御スイッチ１３をＯＦＦとし、電動機スイッチ５６、中性点切替スイッチ３９１をＯＮさせ、コントローラー１８が回転子１の極ポジションを検出センサー２８によりセンスし、極位相に合わせて電動機スイッチ５６をＯＮさせると電動機運転ができる。回転数が低い時には巻線１０，１１，１２を用い、速度が速くなると１１，１２を用い、高速では巻線１２を用いるように、中性点切替スイッチ３９１，３９２，３９３を順次ＯＮ，ＯＦＦさせ、任意の１つの中性点切替スイッチのみが接続されているようにすると、電動機は恰もトランスミッションのようにトルク特性を変化させる。図４にその特性を示す。しかし、低速で用いる場合でもこの特性の中間部分で使用させる場合、電流を選択的に制御できなければ、必要なトルク特性を得ることができない。そこで、中間位置でのトルク特性を得るためにはＯＮ状態の中性点切り替えスイッチ例えば低速回転時では中性点切替スイッチ３９１をチョッパー（断続的切り替え装置）として切り刻めば、電流が減少し、駆動トルクが減少する。
【００４４】
この永久磁石式発電機の制御装置は、制御側ソレノイドコイル１４２への電流を開閉時間が可変にできる電圧制御スイッチ１３を介して電流を増減させ電圧一定の制御をするが、ソレノイドコイル１４１、１４２を用いるので、これらのソレノイドコイル１４１、１４２を図８に示すように同一のコア５５に巻き上げるとインダクタンスの相乗効果が作用し、周波数の大きい場合にはインダクタンスが大きくなって抵抗が比例的に大きくなり、この系に流れる電流が小さくなり、発電機の発電電圧が相当大きくなってもインピーダンスと電流の積が電圧降下作用させ、出力ライン４１の電圧を一定に保持させることができる。制御系に流れる電流は無効電力負荷となるので、流れる電流が小さく銅損が少なくなる。図２に示したように、破線で示される制御特性によると、制御側ソレノイドコイル１４２側に流れる電流はＡ１電流を流すと電圧が０となるので、最大に流してもＡ１アンペアである。設定電圧Ｖ１を得るためには、制御スイッチ１３のＯＮ時間をデューティ制御して、２０００ｒｐｍではＡ２１アンペア、４０００ｒｐｍではＡ２２アンペアの電流を流せばよい。
【００４５】
この永久磁石式発電機の制御装置は、電圧制御スイッチ１３を出力巻線１０、１１、１２に接続された出力巻線側ソレノイドコイル１４１の後流に設定される出力端子４１と制御用ソレノイドコイル１４２の後流でかつ３相が合流する中性点部分に配置することを特徴とした巻線構造であって、特に、電圧制御スイッチ１３の配置は重要な構成要因である。この永久磁石式発電機の制御装置の特徴は、出力巻線１０、１１、１２を用いているので、発電機の発生電圧は、出力巻線１２の端子では６００Ｖ以上になる。電圧制御スイッチ１３がＯＦＦの状態では、電流が０アンペアになるので、電圧は無負荷状況の６００Ｖになり、ＯＮ状態では出力巻線側ソレノイドコイル１４１、１４２によって降下した電圧になり、その平均値が所定電圧になるので、出力巻線１０、１１、１２の電圧を一定に制御ができる。一方、発電機の回転数が非常に低くなる場合、極低速の状態では出力巻線１０、１１、１２の中性点切替スイッチ３９１、３９２、３９３を用いて巻き線数を適宜変える事により、低速でも高い電圧が得られ、発電機が運転されるあらゆる回転数に対し、一つの負荷電圧に対して複数の出力巻線１０、１１、１２を使って極低速から高速まで出力を得ることが可能になる。この方法は電気自動車などのブレーキエネルギーの回生に役立つ。
【００４６】
図６及び図７の処理フロー図を参照して、図５の回路図による永久磁石式発電機の制御装置の説明をする。発電機の回転数が非常に大きくなった場合、出力巻線１２の端子部では１０００Ｖに達する。そこで、回転数が非常に大きな場合でも制御系に問題ない電圧にて制御させるため、出力巻線１０、１１、１２のそれぞれの間あるいは巻き始め端に配置された中性点切替端子線６１-Ｕ、６２-Ｕ、６３-Ｕに接続される三相交流整流器３９４，３９５，３９６を中性点として機能させるべく、コントローラ１８で第一、第二、第三の中性点切替スイッチ３９１、３９２、３９３を制御することにより中性点位置を変更するようにしている。即ち、出力巻線１０の端部に有る第一の中性点切替スイッチ３９１、第二の中性点切替スイッチ３９２をＯＦＦとし、第三の中性点切替スイッチ３９３をＯＮさせることにより、中性点位置を変更して出力巻線１２のみが中性点に接続されるようにして発電電圧が低く抑えられるようにする。一方、ロータの磁束と鎖交しない位置に配置される外置きの出力巻線側ソレノイド１４１と制御側ソレノイドコイル１４２が加わった場合、電圧制御スイッチ１３がＯＮ状態になると相互インダクタンスの効果で電流が小さくなると共に出力巻線側ソレノイド１４１の端部、即ち、出力ライン４１では出力巻線側ソレノイドコイル１４１の電圧降下作用により、１００Ｖ以下の電圧に止まる。したがって、この状態で電圧制御スイッチ１３を断続させても大きなサージ電圧は発生しない。一般に、出力巻線１２の先端で電圧制御スイッチ１３を断続させた場合、電圧が高いので、電圧制御スイッチ１３の損傷、サージ電圧による火花の発生などの大きなトラブル要因となる。これに対して、この永久磁石式発電機の制御装置は、電圧制御スイッチ１３を出力巻線側ソレノイドコイル１４１、制御側ソレノイドコイルの後流となる位置に設定しているので電圧制御スイッチ１３をＯＮからＯＦＦに切り替えても、電圧制御スイッチ１３の端子で発生する電圧は低いので、大きな損傷原因とはならない。また、電圧制御スイッチ１３は、負荷端子に置かれた一定電圧を保持するための電圧検出比較器( コンパレータ)１６からの入力により、もし電圧が高くなれば、電流を大きくするように、電圧制御スイッチ１３の開放時間を長く取り、電圧が低くなれば、開放時間を短くすることにより、端子電圧を一定に保持するように制御することができる。電圧制御スイッチ１３は出力巻線側ソレノイドコイル１４１、制御側ソレノイドコイル１４２の後流に配置されているので、制御スイッチ１３のＯＮ−ＯＦＦによる出力巻線１２に発生した電流の一部が制御側ソレノイドコイル１４２に流される電流の断続が平均化され、あたかも電流量が連続的に変化するように作用する。尚、図５において図中の符号６１-Ｖ，６２-Ｖ，６３-ＶはＶ相の中性点切替端子線、６１-Ｗ，６２-Ｗ，６３-ＷはＷ相の中性点切替端子線、６４-Ｕは電圧制御スイッチ１３に入るＵ相の中性点端子、６４-Ｖは電圧制御スイッチ１３に入るＶ相の中性点端子、６４-Ｗは電圧制御スイッチ１３に入るＷ相の中性点端子である。
【００４７】
また、回転数が低くなれば、第一の中性点切替スイッチ３９１をＯＮ、第二の中性点切替スイッチ３９２及び第三の中性点切替スイッチ３９３をＯＦＦとする切り替えにより、また元の３つの巻線１０、１１、１２で構成される巻き数の出力巻線に戻す。例えば、出力巻線１０、１１側を通常の出力巻線として使い、エンジンの回転速度が極低速例えば４５０ｒｐｍ〜８００ｒｐｍ程度になった時、３つの出力巻線１０、１１、１２を使うことにより極低速での電圧を上昇させることができる。勿論、３相交流の電圧制御が１つのパワートランジスター制御で達成できるメリットを失うものでもない。さらに、エンジン回転速度が高速の場合、出力巻線１２のみを使用することにより、安定した電圧で超高速まで対応できる。この出力巻線の切り替えは電動機として使用する場合においても同様に作動でき、エンジンのトランスミッションと同じで速度に応じて適宜に切り替え、あらゆる領域での使用に耐えられることになる。尚、中性点位置を変更するスイッチは３個に限定されるものではなく、必要に応じて増減できることは言うまでもない。
【００４８】
（電動機運転）
起動スイッチがＯＮし、スタートが指令されると、この装置が電動機として使用されるか、発電機として使用されるかの判断がなされ（ステップＳ１０）、電動機運転の場合には電動機切替スイッチ５６、中性点切替スイッチ３９１をＯＮさせ(ステップＳ１１)、起動を始める。その後、回転速度センサー２８にて速度検出し（ステップＳ１２）、回転速度Ｎが所定値Ｎ１より大きいか否かを判断し（ステップＳ１３）、大きい場合にはさらに回転速度Ｎが所定値Ｎ２より小さいか否かを確認する(ステップＳ３３)。そして、回転速度ＮがＮ２より小さければ中性点切替スイッチ３９２をＯＮさせると共に中性点切替スイッチ３９１，３９３をＯＦＦさせ（ステップＳ３３１）、ステップＳ１４に移行させる。また、ステップＳ３３において回転速度ＮがＮ２より大きければ、スイッチ３９３をＯＮさせると共に中性点切替スイッチ３９１、スイッチ３９２をＯＦＦさせ（ステップＳ３３２）、ステップＳ１４に移行させる。ステップＳ１３で回転速度ＮがＮ１より小さければ負荷Ｌを検出し（ステップＳ１４）、自動車用発電機の場合にはその負荷Ｌがスロットル量に相当する電流量Ｌ１に合致するようにスイッチング幅を決定する（ステップＳ１５）。そして、負荷Ｌ（スロットル量）が所定電流量Ｌ１＋βより大きいか否かを判断し（ステップＳ１６）、大きい場合には電圧制御スイッチ１３のＯＮ時間のスイッチング幅を減少させ（ステップＳ１７）、さらにＬがＬ１+βより小さいか否かを判断する(ステップＳ１８)。そして、小さい場合にはステップＳ１７の前に戻し、さらにスイッチングＯＮ時間を減少させる（ステップＳ１７）。ステップＳ１８においてＬがＬ１+βより小さければ、さらにＬがＬ１―βより大きいか否かを確認し（ステップＳ１９）、大きい場合にはその条件を所定時間例えばΔｔ秒保持し(ステップＳ２０)、ステップＳ１０の前に戻す。ステップＳ１６でＬがＬ１+βより小さければ、ステップＳ１９にジャンプしてＬがＬ１―βより大きいか否かを確認し（ステップＳ１９）、大きい場合にはその条件をΔｔ秒保持し(ステップＳ２０)、ステップＳ１０の前に戻す。他方、ＬがＬ１−βより小さい場合には、電圧制御スイッチ１３のスイッチングＯＮ時間を増加させ（ステップＳ２１）、ステップＳ１９の前に戻す。そして、再度ＬがＬ１―βより大きいか否かを確認し（ステップＳ１９）、ＬがＬ１−βより大きくなった場合にはその条件をΔｔ秒保持し（ステップＳ２０）、ステップＳ１０の前に戻す。ステップＳ１９でＬがＬ１−βより小さければ、電圧制御スイッチ１３のスイッチングＯＮ時間を増加させ（ステップＳ２１）、ステップＳ１９の前に戻すことを繰り返す。
【００４９】
（発電機運転）
ステップＳ１０にて発電機モードと判断された場合、回転速度Ｎを検出するセンサ２８並びに電圧Ｖを検出するコンパレータ１６の信号を得て（ステップＳ２２）、回転速度Ｎが所定の速度Ｎ１より小さいか否かを判断し（ステップＳ２３）、回転速度Ｎが所定の速度Ｎ１より小さければ、出力巻線１０と１１、１２を利用するため、中性点切替スイッチ３９２、３９３をＯＦＦし、中性点切替スイッチ３９１をＯＮさせる（ステップＳ３３３）。他方、ステップＳ２３において回転速度Ｎが所定の速度Ｎ１より大きい場合には、さらに回転数ＮがＮ２より大きいか否かを判断し(ステップＳ２８)、大きい場合には出力巻線１２のみを使用するため中性点切替スイッチ３９３をＯＮし、３９１，３９２をＯＦＦさせた後（ステップＳ３０）、ステップＳ３４に移動させる。また、ステップＳ２４において、回転速度Ｎが所定の速度Ｎ２より小さければ、出力巻線のうち巻き数の小さい方の出力巻線１１、１２を利用するため、中性点切替スイッチ３９２をＯＮし、中性点切替スイッチ３９１、３９３をＯＦＦさせ（ステップＳ２５）、ステップＳ３４に移動させる。
【００５０】
ステップＳ３４では、電圧検出器１６により検出した出力電圧Ｖが予め設定された電圧（設定電圧Ｖ１と呼ぶ。例えば、３００Ｖ）の上限値（Ｖ１＋α、αは許容幅を示す）より大きいか否かを判断し、設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より大きい時には、電圧制御スイッチ１３のＯＮ時間を長くし、制御側ソレノイドコイル１４２に流れる電流を大きくし（ステップＳ３５）、出力ライン４１の電圧を小さくする。出力巻線１０，１１、１２の出力電圧は負荷による出力ライン４１側に流れる電流と出力側インピーダンスの降下電圧、電圧制御スイッチ１３のＯＮ状態で制御側ソレノイドコイル１４２に流れる電流とインピーダンスの降下電圧により大幅に降下する。ステップＳ３４で検出電圧Ｖが設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より大きくない時には、設定電圧の下限値（Ｖ１−α）よりは大きいか否かを判断し（ステップＳ３９）、検出電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きければ、そのまま△ｔ時間保持させておく（ステップＳ４０）。他方、検出電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さければ、制御側ソレノイドコイル１４２側に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる（ステップＳ４１）。次いで、出力電圧Ｖが設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さくなったか否かを判断し（ステップＳ３６）、出力電圧Ｖが設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さくならない時には、ステップＳ３５に戻り、出力巻線１０、１１、１２に流れる電流を大きくする処理、即ち電圧を小さくする処理を繰り返す。他方、出力電圧Ｖが設定電圧の上限値（Ｖ１＋α）より小さくなった時には、出力電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ３７）。出力電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きい場合には、そのまま△ｔ時間保持させておく（ステップＳ３８）。また、ステップＳ３７で出力電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きくない場合には、即ち電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さい場合には、出力巻線１１に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる（ステップＳ４１）。次いで、出力電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きいか否かを判断し（ステップＳ４２）、検出電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より大きければ、そのまま△ｔ時間保持させておく（ステップＳ４３）。反対に、検出電圧Ｖが設定電圧の下限値（Ｖ１−α）より小さければ、出力巻線１１に流れる電流を減少させて、電圧を上昇させる（ステップＳ４１）。尚、スタート後に行われる、発電機の制御装置が一般に備える診断機能による診断で発電機の巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合には、コントローラ１８は中性点切替スイッチ３９１、３９２、３９３の全てをＯＦＦさせる制御を行なう。これにより、電圧が発生しなくなるので、安全となる。
【００５１】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、ステータコイル８を構成する出力巻線として３つの巻線１０、１１、１２を直列に接続した構造とし、３つの巻線１０、１１、１２の間や巻き始め端に中性点端子を設けてそれぞれ中性点を変更するスイッチを備えると共に、コントローラ１８で選択的に中性点位置を変更可能として図４に示す出力トルク特性を得るようにし、あるいは中性点切替スイッチをスイッチングすることにより電流制御して必要な負荷状態を得るようにしているが、これに特に限られず、用途に応じて２つあるいは４つ以上の中性点端子と中性点を変更するスイッチを備えることにより用途に応じた出力トルク特性あるいは負荷状態を得るようにしても良い。
【００５２】
また、本実施形態では、出力巻線１０は出力巻線１１、１２よりも巻き数が大きいものとしているが、ステータコイル８を構成する複数の出力巻線の間の巻き数の関係は特定のものに限られるものではなく、同じ巻き数でも、場合よっては出力巻線１１や１２の巻き数の方が出力巻線１０よりも大きくしても良い。つまり、出力巻線は巻き数Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎの複数の巻線から成ると共に、出力巻線の巻き数はＴ１＜Ｔ１＋Ｔ２＜Ｔ１＋Ｔ２＋…＋Ｔｎの関係が成立するものであれば良い。
【００５３】
さらに本実施形態においては、三相整流器としてもっとも簡単な構成のダイオード全波整流器（三相全波整流器）を用いた例を挙げて主に説明したが、これに特に限定されるものではなく、その他の三相整流器例えばダイオード全ブリッジ、サイリスタ整流器、正弦波コンバーターなどを適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
この発明による発電機の制御装置は、例えば、自動車の発電機、風力発電機、ハイブリット車、電気自動車の発電機、エレベーターのエネルギー回生発電機として使用して好ましく、発電された一定電圧の電力は、各種機器の駆動、電灯、照明等の一般消費電力として、或いは電子機器等で消費するのに適用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１ ロータシャフト
２ ステータ
７ 永久磁石部材
８ 巻線
９ 出力端子
１０ 出力巻線
１１ 出力巻線
１２ 出力巻線
１３ 制御スイッチ（デューティ制御）
１４１ 出力巻線側ソレノイドコイル
１４２ 制御側ソレノイドコイル
１５、２１、１４３、３９４、３９５、３９６ 三相整流器
１６ 電圧検出比較器
１７ 負荷
１８ コントローラ
５４ バッテリ
５６ 電動機切替スイッチ
２８ 回転数と極位置の検出センサ
３４ ハウジング
３５ ロータ
４１ 出力端子線
５３ 主発電スイッチ
５４１ バッテリ
５５ ソレノイドコイル１４１，１４２のコア
３９１、３９２、３９３ 中性点切替スイッチ
６１-Ｕ、６２-Ｕ、６３-Ｕ Ｕ相の中性点切替端子線
６１-Ｖ、６２-Ｖ，６３-Ｖ Ｖ相の中性点切替端子線
６１-Ｗ、６２-Ｗ、６３-Ｗ Ｗ相の中性点切替端子線
６４-Ｕ 電圧制御スイッチに入るＵ相の中性点端子
６４-Ｖ 電圧制御スイッチに入るＶ相の中性点端子
６４-Ｗ 電圧制御スイッチに入るＷ相の中性点端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングに回転自在に支持されたロータシャフト、前記ロータシャフトに固定され且つ外周側に複数の永久磁石部材を取り付けたロータ及び前記ロータの外側に巻線が巻き上げられたステータから成る永久磁石式発電機の制御装置において、前記ステータ内に巻き上げられる出力巻線と、前記ステータ外に配置され前記出力巻線と直列に接続された出力巻線側ソレノイドコイルと、該出力巻線側ソレノイドコイルと直列に接続されて前記ステータ外に配置される制御側ソレノイドコイルと、前記制御側ソレノイドコイルのそれぞれ相の端部が中性点として接続される三相整流器と、前記三相整流器の直流出力端子間に設置される電圧制御スイッチと、前記出力巻線に発生する発電電圧を検出するセンサからの検出信号に応答して前記電圧制御スイッチのデューティー比を変更させて前記制御側ソレノイドコイル側に流れる電流を加減して前記発電電圧を一定電圧に制御するコントローラとを備えることを特徴とする永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項２】
前記三相整流器は、ダイオード全波整流器であり、前記制御側ソレノイドコイルの端部が前記整流器のダイオード間に接続されるものである請求項１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項３】
前記コントローラは、前記電圧センサによる検出信号に応答して前記電圧制御スイッチをＯＮ−ＯＦＦ制御し、前記発電電圧が高いことに応答して前記制御側ソレノイドコイルに流れる前記電流を増し、前記発電電圧が低いことに応答して前記制御側ソレノイドコイルに流れる前記電流を減少させて前記設定電圧を一定電圧に制御するものである請求項１または２記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項４】
前記出力巻線の巻きの途中または巻き始めの部分に選択的に中性点位置を変更できる複数の中性点端子を備え、該中性点端子に前記中性点に流れる電流を断続して中性点位置を変更するスイッチをそれぞれ配置し、かつ前記ロータシャフトの回転数を回転数センサで検出し、前記コントローラで前記ローターシャフトの回転数に応じて前記スイッチを選択的に断続して中性点位置を変更するようにしたものである請求項１から３のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項５】
中性点位置を変更する前記スイッチは、出力巻線側のそれぞれ相の前記中性点端子が中性点として接続される三相整流器と、前記三相整流器の直流出力端子間に設置される中性点切替スイッチとで構成され、前記コントローラで前記ローターシャフトの回転数に応じて前記中性点切替スイッチを選択的に断続して中性点位置を変更するようにしたものである請求項４記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項６】
前記三相整流器は、ダイオード全波整流器であり、前記出力巻線側のそれぞれ相の前記中性点端子が前記整流器のダイオード間に接続されるものである請求項５記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項７】
前記出力巻線は巻き数Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎの複数の巻線から成ると共に前記出力巻線の巻き数はＴ１＜Ｔ１＋Ｔ２＜Ｔ１＋Ｔ２＋…＋Ｔｎの関係が成立するものであり、かつ前記出力巻線の巻き始め端部と複数の巻線の間の中間部端子に前記中性点端子を備え、各中性点端子を前記ダイオード全波整流器のダイオード間に接続すると共に各々の前記ダイオード全波整流器の直流出力部に第１，第２，…，第ｎの中性点切替スイッチを接続し、前記ロータシャフトの回転数に応じて前記コントローラで前記第１，第２，…，第ｎの中性点切替スイッチを断続して中性点位置を変更するものである請求項４から６のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項８】
前記コントローラは前記ロータシャフトの回転数を検出する回転数センサからの信号により、所定回転数の以上の時、前記出力巻線の巻き数が小さい側の前記中性点切替スイッチをＯＮさせると共に大きい側の前記中性点切替スイッチをＯＦＦさせ、所定回転数以下の時、出力巻線の巻き数が大きい側の前記中性点切替スイッチをＯＮさせると共に小さい側の前記中性点切替スイッチをＯＦＦさせるものである請求項４から７のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項９】
前記出力側ソレノイドコイルと前記出力巻線との間に配置される出力端子部に電動機切替用スイッチを設け、該電動機切替用スイッチの一端部を前記出力巻線側の前記出力端子部に他端部をバッテリに接続し、前記コントローラーにより前記電動機切替用スイッチをモーター駆動できる位相タイミングに合わせ、前記出力巻線側に電流を供給することにより電動機として運転可能にすることを特徴とする請求項４から８のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項１０】
前記コントローラーは前記中性点切替スイッチを負荷に応じてスイッチングし、電流制御して必要な負荷状態を得ることを特徴とする請求項９記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項１１】
前記コントローラーは前記回転数センサで検出した回転数の小さな時には前記出力巻線の巻き数が大きくなる前記中性点切替スイッチを接続し、回転数が大きな時には前記出力巻線の巻き数が小さくなる前記中性点切替スイッチをＯＮ，ＯＦＦ制御すると共に負荷に応じて電流を制御する前記中性点切替スイッチをスイッチングさせる機能を併せ持つものである請求項９記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項１２】
前記コントローラは前記出力巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合、前記中性点切替スイッチの全てをＯＦＦさせる制御を行なう請求項４から１１のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項１】
ハウジングに回転自在に支持されたロータシャフト、前記ロータシャフトに固定され且つ外周側に複数の永久磁石部材を取り付けたロータ及び前記ロータの外側に巻線が巻き上げられたステータから成る永久磁石式発電機の制御装置において、前記ステータ内に巻き上げられる出力巻線と、前記ステータ外に配置され前記出力巻線と直列に接続された出力巻線側ソレノイドコイルと、該出力巻線側ソレノイドコイルと直列に接続されて前記ステータ外に配置される制御側ソレノイドコイルと、前記制御側ソレノイドコイルのそれぞれ相の端部が中性点として接続される三相整流器と、前記三相整流器の直流出力端子間に設置される電圧制御スイッチと、前記出力巻線に発生する発電電圧を検出するセンサからの検出信号に応答して前記電圧制御スイッチのデューティー比を変更させて前記制御側ソレノイドコイル側に流れる電流を加減して前記発電電圧を一定電圧に制御するコントローラとを備えることを特徴とする永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項２】
前記三相整流器は、ダイオード全波整流器であり、前記制御側ソレノイドコイルの端部が前記整流器のダイオード間に接続されるものである請求項１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項３】
前記コントローラは、前記電圧センサによる検出信号に応答して前記電圧制御スイッチをＯＮ−ＯＦＦ制御し、前記発電電圧が高いことに応答して前記制御側ソレノイドコイルに流れる前記電流を増し、前記発電電圧が低いことに応答して前記制御側ソレノイドコイルに流れる前記電流を減少させて前記設定電圧を一定電圧に制御するものである請求項１または２記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項４】
前記出力巻線の巻きの途中または巻き始めの部分に選択的に中性点位置を変更できる複数の中性点端子を備え、該中性点端子に前記中性点に流れる電流を断続して中性点位置を変更するスイッチをそれぞれ配置し、かつ前記ロータシャフトの回転数を回転数センサで検出し、前記コントローラで前記ローターシャフトの回転数に応じて前記スイッチを選択的に断続して中性点位置を変更するようにしたものである請求項１から３のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項５】
中性点位置を変更する前記スイッチは、出力巻線側のそれぞれ相の前記中性点端子が中性点として接続される三相整流器と、前記三相整流器の直流出力端子間に設置される中性点切替スイッチとで構成され、前記コントローラで前記ローターシャフトの回転数に応じて前記中性点切替スイッチを選択的に断続して中性点位置を変更するようにしたものである請求項４記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項６】
前記三相整流器は、ダイオード全波整流器であり、前記出力巻線側のそれぞれ相の前記中性点端子が前記整流器のダイオード間に接続されるものである請求項５記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項７】
前記出力巻線は巻き数Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎの複数の巻線から成ると共に前記出力巻線の巻き数はＴ１＜Ｔ１＋Ｔ２＜Ｔ１＋Ｔ２＋…＋Ｔｎの関係が成立するものであり、かつ前記出力巻線の巻き始め端部と複数の巻線の間の中間部端子に前記中性点端子を備え、各中性点端子を前記ダイオード全波整流器のダイオード間に接続すると共に各々の前記ダイオード全波整流器の直流出力部に第１，第２，…，第ｎの中性点切替スイッチを接続し、前記ロータシャフトの回転数に応じて前記コントローラで前記第１，第２，…，第ｎの中性点切替スイッチを断続して中性点位置を変更するものである請求項４から６のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項８】
前記コントローラは前記ロータシャフトの回転数を検出する回転数センサからの信号により、所定回転数の以上の時、前記出力巻線の巻き数が小さい側の前記中性点切替スイッチをＯＮさせると共に大きい側の前記中性点切替スイッチをＯＦＦさせ、所定回転数以下の時、出力巻線の巻き数が大きい側の前記中性点切替スイッチをＯＮさせると共に小さい側の前記中性点切替スイッチをＯＦＦさせるものである請求項４から７のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項９】
前記出力側ソレノイドコイルと前記出力巻線との間に配置される出力端子部に電動機切替用スイッチを設け、該電動機切替用スイッチの一端部を前記出力巻線側の前記出力端子部に他端部をバッテリに接続し、前記コントローラーにより前記電動機切替用スイッチをモーター駆動できる位相タイミングに合わせ、前記出力巻線側に電流を供給することにより電動機として運転可能にすることを特徴とする請求項４から８のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項１０】
前記コントローラーは前記中性点切替スイッチを負荷に応じてスイッチングし、電流制御して必要な負荷状態を得ることを特徴とする請求項９記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項１１】
前記コントローラーは前記回転数センサで検出した回転数の小さな時には前記出力巻線の巻き数が大きくなる前記中性点切替スイッチを接続し、回転数が大きな時には前記出力巻線の巻き数が小さくなる前記中性点切替スイッチをＯＮ，ＯＦＦ制御すると共に負荷に応じて電流を制御する前記中性点切替スイッチをスイッチングさせる機能を併せ持つものである請求項９記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【請求項１２】
前記コントローラは前記出力巻線に異常が発見された場合、または回転数が異常に増加した場合、前記中性点切替スイッチの全てをＯＦＦさせる制御を行なう請求項４から１１のいずれか１つに記載の永久磁石式発電機の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２３８１５（Ｐ２０１２−２３８１５Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５８１６１（Ｐ２０１０−１５８１６１）
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【出願人】（５９８１５０９５０）
【出願人】（５０８０２２４４７）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【出願人】（５９８１５０９５０）
【出願人】（５０８０２２４４７）
【Ｆターム（参考）】
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