JP4497404B2 - 可搬型発電機 - Google Patents

Description

本発明は、可搬型発電機に関し、特に、比較的大容量の直流でバッテリを充電するのに好適な可搬型発電機に関する。

エンジン等で駆動される可搬型発電機は、従来から屋外作業やレジャーにおける活動等で使用される電気機器の電源として広く利用されている。さらに近年、コンピュータ用の無停電電源装置、いわゆるＵＰＳのバックアップ電源等にも用途が広がりつつある。この種の可搬型発電機を直流出力用発電機として構成する場合、機体は小型でありながらも、出力は比較的低電圧・大電流を供給可能であることが要求される傾向がある。このような大電流出力が要求される発電機においては、出力巻線の線径が太くなり、かつ巻線間の絶縁についても絶縁耐圧や絶縁材の材質等により一層高いレベルの配慮が必要となる。

そこで、本出願人は、出力巻線の線径を細くできたり、電力素子の容量を小さくできる可搬型発電機を提案している（実用新案登録第２５１１８４３号）。この登録実用新案に係る考案では、同一鉄心にそれぞれ独立して巻装される複数の出力巻線と、この複数の出力巻線に対応して設けられたサイリスタブリッジ整流回路とで互いに独立した複数の電源ユニットを形成し、それぞれの電源ユニットの出力を並列接続して、それぞれの出力を合体させるようにしている。
実用新案登録公報第２５１１８４３号

上記特許文献１に開示された可搬型発電機をバッテリ充電用として使用する場合つまりバッテリを負荷とする場合、接続されるバッテリの電圧仕様に応じて充電電圧を変更する必要がある。このために切り換えスイッチを設けて、接続されるバッテリ毎に発電機の出力を変更することが考えられる。しかし、バッテリが接続される毎に電圧仕様を確認して切り換えスイッチを操作するのは煩雑であるし、誤って出力を変更する操作を行うと、バッテリが過充電になったり十分に充電できなかったりするおそれがある。

本発明の目的は、上記問題点を解消して、切り換えスイッチの誤操作によるバッテリの過充電および充電不足を生じないようにすることができる可搬型発電機を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、発電機の出力巻線から出力される交流を整流回路で直流に変換して出力端子に出力する可搬型発電機において、前記整流回路の出力電圧設定値を選択する切り換え手段と、前記出力端子に接続された負荷、例えば、充電されるバッテリの電圧を検出する負荷電圧検出手段と、前記負荷電圧が前記切り換え手段で選択された出力電圧設定値に対応して設定された負荷電圧範囲内であるときに前記整流回路の出力開始を可能にする負荷判別手段とを具備した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記負荷判別手段によって、前記負荷電圧が前記切り換え手段で選択された出力電圧設定値に対応して設定された負荷電圧範囲内であると判別されなかったときに警告をするための表示手段を具備した点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記出力巻線が、同一鉄心に互いに独立して複数巻装されており、前記整流回路は前記複数の出力巻線に対応して設けられる制御端子付き整流素子からなるとともに、前記それぞれの整流回路の出力電圧を、目標値としての前記選択された出力電圧設定値に収斂するように制御する制御手段を具備した点に第３の特徴がある。

第１の特徴を有する本発明によれば、接続された負荷電圧、例えば、負荷として接続されるバッテリの電圧が、切り換えスイッチで選択された出力電圧設定値に対して予定の範囲で一致しているときにのみ整流回路から負荷に対する出力の供給が可能になる。したがって、出力電圧と負荷電圧との不整合のまま出力開始されることはなくなり、例えば、負荷がバッテリの場合は、切り換えスイッチの誤操作がされていても、バッテリに適合しない出力電圧でバッテリが充電されて過充電や充電不足が生じるのを防止できる。

第２の特徴によれば、出力電圧設定値に対して負荷電圧が予定の範囲内にない場合は、警告灯や警告音等によって、出力電圧設定値と負荷電圧との不整合を容易に認識できる。したがって、発電機を操作する人は、切り換えスイッチを切り換えなおしたり、接続するバッテリを交換する等、適切な処置をとることができる。

第３の特徴によれば、比較的大電流かつ低電圧の出力を負荷に接続する構成において、発電機の出力を負荷に合わせて適切に切り換えたり、発電機の出力に対する適切な負荷を接続したりすることがえきる。

以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る可搬型発電機の要部構成図である。図１において、発電機本体の固定子１は、それぞれ独立した４つの出力巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４と、これら出力巻線Ｌ１〜Ｌ４とは独立している補助巻線Ｌ５とを単一の固定子鉄心（図示せず）の突極に巻装して構成される。出力巻線Ｌ１〜Ｌ４は、巻き数や線径等が同一のものが使用される。つまり同一仕様である。

固定子１の外周には、図示しない回転子が設けられる。回転子は環状に配置された複数の磁石を有するもので、いわゆるアウタロータである。この回転子は駆動源（ここでは、エンジンを想定する）に接続され、固定子１の外周に沿って回転するように駆動される。

出力巻線Ｌ１〜Ｌ４は、サイリスタ（制御端子付き整流素子）とダイオードとで構成される三相整流ブリッジ回路２、３，４，５にそれぞれ接続される。サイリスタならびにダイオードを示す図中の記号はいずれも周知であり、図の煩雑を回避するためこれらには符号は付していない。三相整流ブリッジ回路２〜５の出力側には、それぞれ平滑用コンデンサ６，７，８，９が設けられる。三相整流ブリッジ回路２〜５のプラス側出力線は一本に統合されてプラス側出力端子１０に接続され、マイナス側出力線は１本に統合されてマイナス側出力端子１１に接続される。

前記各プラス側出力線の、１本に統合される前の位置には、シャント１２，１３，１４，１５が設けられる。シャント１２〜１５のそれぞれの両端の電位差は三相整流ブリッジ回路２〜５の各出力電流Ｉｄ１，Ｉｄ２，Ｉｄ３，Ｉｄ４を示す信号としてマイクロコンピュータつまりコントローラ（図２参照）１６に入力される。また、前記各コンデンサ６〜９の両端の電位差は、三相整流ブリッジ回路２〜５のそれぞれの出力電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２，Ｖｄ３，Ｖｄ４としてコントローラ１６に入力される。

前記各プラス側出力線の、１本に統合された位置にはヒューズ１７が設けられる。ヒューズ１７は、三相整流ブリッジ回路２〜５の各出力電流の合算値の最大値を許容するものを選択して設ける。また、１本に統合された前記プラス側出力線の、ヒューズ１７の上流側と前記４本のマイナス側出力線のうちの少なくとも１本（図１では２本の例を示す）の線間にはダイオード１８が設けられる。このダイオード１８によって、例えば、負荷であるバッテリ１９が誤って正負逆接続された場合、負荷側からの電流は、このダイオード１８を介して１本に統合された出力線間に流れることになる。したがって、この出力線に比べて許容電流が小さい各三相整流ブリッジ回路２〜５側へ、逆接続された負荷からの電流が流入するのが防止される。

プラス側およびマイナス側の出力端子１０，１１にはバッテリ１９およびＵＰＳ２０が接続され、ＵＰＳ２０の出力側は図示しない電子機器、例えばコンピュータシステムに接続される。ＵＰＳ２０には、例えば、商用の交流電源２１が接続され、バッテリ１９は、この商用交流電源２１を使って常時充電（フロート充電）されている。本実施形態の可搬型発電機はＵＳＰ２０に接続されて、商用交流電源２１が停電時等にＵＳＰ２０およびバッテリ１９に電力を供給する。なお、バッテリ１９として、異なる定格電圧、例えば、４８ボルトと３６ボルトのものを接続することができるように構成されている。

図２は、コントローラとその周辺の接続図である。補助巻線Ｌ５は定電圧回路２２に接続される。定電圧回路２２は、正負（プラス５ボルトおよびマイナス５ボルト）それぞれの三端子レギュレータ２２１，２２２を含み、補助巻線Ｌ５の電圧に基づいて安定化された正負各５ボルトの直流電源電圧を生じる。この直流電源電圧はコントローラ１６の電源として使用される。また、補助巻線Ｌ５の出力波形は、発電機本体の前記回転子の回転検出用の信号としてコントローラ１６に供給される。コントローラ１６には、コントローラ１６で使用されるデータを格納するためのＥＥＰ−ＲＯＭ２３が接続される。

コントローラ１６は、三相整流ブリッジ回路２，３，４，５の各サイリスタをオン・オフ制御するためのサイリスタ制御信号（ゲートパルス）１６ａ，１６ｂ，１６ｃを出力する。このゲートパルス１６ａ〜１６ｃは前記各サイリスタのゲート端子つまり制御端子に供給される。三相整流ブリッジ回路２〜５は、出力巻線Ｌ１〜Ｌ４のＵ，Ｖ，Ｗ各相に対応する三つのサイリスタを備えており、各相に対応するサイリスタは、三相整流ブリッジ回路２〜５に共通するこれらゲートパルス１６ａ〜１６ｃによって制御される。したがって、ゲートパルス１６ａ〜１６ｃによって三相整流ブリッジ回路２〜５は互いに同期して制御される。

前記アウタロータを駆動するエンジンのスロットル弁を図示しないステッピングモータで開閉制御するため、コントローラ１６はこのステッピングモータにモータ駆動信号１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ，１６ｇを出力する。

出力スイッチ２４は、本実施形態における可搬発電機の発電出力を停止させるためのスイッチであり、この出力スイッチ２４を予定時間押し続けると、このスイッチのオン信号１６ｈによってゲートパルス１６ａ〜１６ｃが停止されて電力の出力が停止される。但し、発電出力を停止させるだけであり、この出力スイッチ２４の操作のみではエンジンは停止しない。

電圧切り換えスイッチ２５は、接続される負荷（バッテリ１９等）に応じて出力電圧を設定するためのスイッチである。例えば、電圧切り換えスイッチ２５がオン（切換信号１６ｉがオン）のときは出力電圧として３６ボルトが設定され、電圧切り換えスイッチ２５がオフ（切換信号１６ｉがオフ）のときは、出力電圧として４８ボルトが設定される。

出力表示灯２６、過負荷表示灯２７、およびオイルアラート表示灯２８が設けられる。オイルアラート表示灯２８はオイルアラート回路２９を介してコントローラ１６に接続される。出力表示灯２６は、発電電力出力中に点灯される。過負荷表示灯２７は、過負荷時つまり過電流もしくは過電圧時に点灯される。

トランジスタ式マグネット点火装置の回路部（トラマグ回路）３０が設けられる。トランジスタ式マグネット点火装置の要部は周知のものを使用できる。トラマグ回路３０の接地線はオイルアラート回路２９のものと接続され、コントローラ１６の端子Ｇに接続される。トラマグ回路３０の他方の線は、点火装置のコイル部３１に接続される。コイル部３１の二次側には点火プラグ３２が接続される。オイルアラート回路２９の他方の端子はコントローラ１６の端子ＬＳに接続される。コントローラ１６の端子Ｇと端子ＬＳは点火停止のためにコントローラ１６の内部で短絡可能に構成される。

上記発電機本体の動作を説明する。始動は、発電機本体の駆動源であるエンジンに連結されるリコイルスタータを用いて行う。リコイルスタータを引くとエンジンのクランク軸が回転させられて、補助コイルＬ５が電圧を生じ、この電圧によって定電圧回路２２が所定の電圧を形成する。コントローラ１６は、この電圧が印加されると制御開始可能となる。

リコイルスタータでエンジンが回転されると、前記点火装置によってエンジンに点火されて発電機は始動される。発電機本体の巻線Ｌ１〜Ｌ４およびＬ５は、それぞれ発電を開始し、発生された電力は統合されて、出力端子１０，１１から発電電力として出力される。この電力はバッテリ１９およびＵＰＳ２０に供給される。

発電電力が出力されているときは、出力表示灯２６が付勢される。また、過電流や過電圧のときは過負荷表示灯２７が付勢される。さらに、周知の手法によってエンジンのオイルが基準値以下に低減していると判断されたときは、オイルアラート回路２９が作動してオイルアラート表示灯２８が付勢される。例えば、オイルアラート回路２９は、端子ＬＳからの信号によってオイルアラート表示灯２８に電流が流れるように構成されるスイッチング回路である。さらに、オイルが減少した時や、後述の発電系統異常時には、コントローラ１６は、端子ＬＳと端子Ｇとをコントローラ１６の内部で短絡して点火を停止する。

本実施形態では、このように巻線および整流回路を含む４つの発電部（電源ユニット）の出力を統合つまり重畳して最終的な出力としている。そして、この出力によって、異なる電圧仕様のバッテリ１９を充電するのに都合がよいように、次のような制御手段を備えている。

図３は、バッテリの電圧仕様に適合した出力を供給するためのコントローラ１６の機能を示すブロック図である。三相整流ブリッジ回路２〜５は同時に制御されるので、以下、三相整流ブリッジ回路２で代表して説明する。電圧設定部３３には、三相整流ブリッジ回路２の出力電圧Ｖｄ１の目標値Ｖｒｅｆが予め設定される。目標値Ｖｒｅｆは、電圧切り換えスイッチ２５の切り換えに従って切り換えられる。ここでは、３６ボルトおよび４８ボルトのいずれかを選択できるようにした例を挙げるが、この２段階の設定には限定されない。出力制御装置３４は、三相整流ブリッジ回路２の出力電圧Ｖｄ１が電圧設定部３３から供給される目標値Ｖｒｅｆに一致するように三相整流ブリッジ回路２のサイリスタを制御するゲートパルスを出力する。

負荷判別部３５は、三相整流ブリッジ回路２で充電される負荷としてのバッテリ１９の電圧（負荷電圧）ＶＬと電圧設定部３３に設定されている電圧の目標値Ｖｒｅｆとを比較し、負荷電圧ＶＬが目標値Ｖｒｅｆを基準として予定の範囲（後述する）内であるかを判別する。なお、電圧Ｖｄ１とＶＬとは同じ電圧であるが、三相整流ブリッジ回路２が出力を開始した後の電圧を電圧Ｖｄ１と表し、バッテリ１９が接続されていて三相整流ブリッジ回路２が出力を開始していないときの電圧を電圧ＶＬと表す。負荷判別部３５は、キースイッチ（メインスイッチ）３６が出力開始位置に切り換えられていて、かつ電圧目標値Ｖｒｅｆに対して負荷電圧ＶＬが予定の範囲内にあるときに出力制御装置３４に出力許可を供給する。

負荷判別部３５が負荷電圧ＶＬを判別した結果、負荷電圧ＶＬが目標値Ｖｒｅｆに対して予定の範囲内にあるときは、三相整流ブリッジ回路２は出力開始を許可し、予定の範囲内にないときは出力を禁止するが、さらにこの判別結果を、オペレータが容易に認識できる装置が設けられる。

図４は、負荷判別部３５の判別結果による表示の例を示す図である。同図において、異常表示灯はこの負荷判別結果の表示専用のものであってもよいが、表示灯の数を多くしないためにも、例えば、前記過負荷表示灯２７を利用できるようにするのが好ましい。以下、異常表示灯は過負荷表示灯２７として説明する。

目標値Ｖｒｅｆが３６ボルトの場合、つまり切り換えスイッチ２５が３６ボルト側に切り換わっているときは次のとおりである。負荷電圧ＶＬが２０ボルト以下である場合、出力は禁止されて出力表示灯２６および過負荷表示灯２７はともに消灯される。また、負荷電圧ＶＬが２７ボルト〜４２未満の範囲にあるときは、三相整流ブリッジ回路２の出力が許可される。この場合は、出力表示灯２６は点灯され、過負荷表示灯２７は消灯されたままである。さらに、負荷電圧ＶＬが４２ボルト〜５５ボルトの範囲にあるときは、三相整流ブリッジ回路２の出力は禁止される。この場合は、出力表示灯２６は消灯され、過負荷表示灯２７は警告のために点滅される。

一方、目標値Ｖｒｅｆが４８ボルトの場合、つまり切り換えスイッチ２５が４８ボルト側に切り換わっているときは次のとりである。負荷電圧ＶＬが２０ボルト以下である場合は、出力は禁止されて出力表示灯２６および過負荷表示灯２７はともに消灯される。また、負荷電圧ＶＬが２７ボルト〜４２ボルト未満の範囲にあるときも三相整流ブリッジ回路２の出力は禁止される。そして、出力表示灯２６は消灯され、過負荷表示灯２７は警告のために点滅される。さらに、負荷電圧ＶＬが４２ボルト〜５５ボルトの範囲にあるときは、三相整流ブリッジ回路２の出力は許可される。そして、出力表示灯２６は点灯され、過負荷表示灯２７は消灯される。

なお、切り換えスイッチ２５の位置にかかわらず、負荷電圧ＶＬが上記電圧のいずれの範囲にも該当していない場合は、出力表示灯２６は消灯されたままで、過負荷表示灯２７は警告のため点滅させる。

上述の電圧範囲は、次の点に鑑みて設定される。まず、バッテリ１９は複数のバッテリによって所望の電圧を得るようにしている。例えば、４８ボルトのものは４個、３６ボルトのものは３個の単位バッテリを直列に使用する。そして、寿命を考慮すると、各単位バッテリは１０．５ボルト以下に放電しないように使用するのがよい。そこで、使用可能な４８ボルトのバッテリ１９の最低電圧は４２ボルト（＝１０．５ボルト×４）である。そして、この４２ボルトの最低電圧を３個の単位バッテリからなる３６ボルトのバッテリ１９にあてはめると、一個当たりの単位バッテリの電圧は１４ボルト（＝４２ボルト÷３）である。つまり、３６ボルトのバッテリ１９の場合、最高電圧を４２ボルトとすれば、単位バッテリの電圧は１４ボルトとなり、ＵＳＰ２０によるフロート充電電圧範囲（１３．６ボルト）を大きく超えるものではない。したがって、この４２ボルトを境界にして３６ボルトのバッテリ１９と４８ボルトのバッテリ１９の負荷電圧ＶＬを判別することにしている。

３６ボルトのバッテリ１９の電圧範囲の最低電圧（２７ボルト）および４８ボルトのバッテリ１９の最高電圧（５５ボルト）は、それぞれ、充電不足および過充電にならないように設定している。

電圧範囲は、上述の基準によるのがよいが、この具体的な数値に限定されるものではない。要は、切り換えスイッチによって出力電圧を設定できるようになっている場合に、設定された電圧と接続された負荷の電圧とが整合するように基準を設けてあればよい。また、両電圧が整合しない場合の警告は表示灯によるものに限らず、ブザーや電子合成音による案内等であってもよい。

本実施形態では、複数の独立した巻線とそれらに対応する複数の整流回路とからなる複数の電源ユニットを備えた可搬型発電機を例に挙げて本発明を説明した。しかし、本発明は、電源ユニットの数には限定されない。また、単一のサイリスタ制御信号で複数の整流回路を同期して制御するようにしたが、これに限らず、整流回路を個別のサイリスタ制御信号で制御してもよい。

本発明の一実施形態に係る可搬型発電機の要部接続図（その１）である。 本発明の一実施形態に係る可搬型発電機の要部接続図（その２）である。 本発明の一実施形態に係る可搬型発電機のコントロール部の要部機能を示すブロック図である。 負荷電圧と出力電圧設定値との関係による発電機出力および表示の一例を示す図である。

符号の説明

１…発電機本体、 ２〜５…三相整流ブリッジ回路、 １９…負荷（バッテリ）、 ２５…切り換えスイッチ、 ３３…電圧設定部、 ３４…出力制御装置、 ３５…負荷判別部、 ３６…キースイッチ

Claims (2)

1. 発電機の出力巻線から出力される交流を整流回路で直流に変換して出力端子に出力する可搬型発電機において、
   前記出力巻線が、同一鉄心に互いに独立して複数巻装されており、
   前記整流回路が、前記複数の出力巻線にそれぞれ対応して設けられる制御端子付き整流素子からなるとともに、
   前記整流回路の出力電圧設定値を選択する切り換え手段と、
   前記それぞれの整流回路の出力電圧を、目標値としての前記選択された出力電圧設定値に収斂するように制御する制御手段と、
   前記出力端子に接続された負荷である被充電バッテリの電圧を検出する負荷電圧検出手段と、
   前記バッテリの電圧が前記切り換え手段で選択された出力電圧設定値に対応して設定された負荷電圧範囲内であるときに前記整流回路の出力開始を可能にする負荷判別手段とを具備したことを特徴とする可搬型発電機。
2. 前記負荷判別手段によって、前記負荷電圧が前記切り換え手段で選択された出力電圧設定値に対応して設定された負荷電圧範囲内であると判別されなかったときに警告をするための表示手段を具備したことを特徴とする請求項１記載の可搬型発電機。

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