JP2007143323A - 交流励磁形発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線係数の制約を受けずにスロット高調波の影響による出力電圧波形の脈動を低減し高品質な電力を発電できる交流励磁形発電機を得る。
【解決手段】交流励磁形発電機１の固定子２は、固定子巻線７を収容する固定子鉄心スロット６を有する。固定子鉄心スロット６の２極あたり（図２に角度範囲ｄで示す）の数を偶数としているが奇数でもよい。回転子３は、回転子巻線１３を収容する回転子鉄心スロット１２を有する。回転子鉄心スロット１２の２極あたりの数を奇数としている。但し、図２は固定子鉄心５及び回転子鉄心１１のスロットを模式的に示したもので、実際のスロット数を図示しているわけではない。２極あたりの回転子のスロット数を奇数とすることにより、スロット高調波の影響による出力電圧波形の脈動を低減できる。
【選択図】図２

Description

この発明は、交流励磁形発電機に関し、特に出力電圧波形を良好にする為の交流励磁形発電機に関する。

従来の交流励磁形発電機は、例えば出力電圧波形の高調波を抑制し正弦波に近づけるため、２極あたりの回転子鉄心スロット数を６の倍数とし、２極あたりの固定子鉄心スロット数を６の倍数でない数としている（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−２７０６６４号公報（第３８４頁右下欄第９行〜第３８６頁右下欄第１行及び第２図）。

交流励磁形発電機は、回転子、固定子とも鉄心スロット構造を有するため、これらのスロットによる磁気抵抗脈動が発生し、この磁気抵抗脈動は出力電圧歪（高調波）の原因となる。このため、スロット構造、スロット数などを詳細に検討し選定しなければ、出力電圧の波形が悪化し、電力の品質を良好なものにすることができない。
上記のよう従来の技術においては、２極あたりの回転子鉄心スロット数を６の倍数とし、２極あたりの固定子鉄心スロット数を６の倍数でない数とすることにより、出力電圧の波形を良好なものにしているが、本方法によると推奨すべき巻線係数が存在し、これに従わないと効果が得られない問題点がある。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、巻線係数の制約を受けずにスロット高調波の影響による出力電圧波形の脈動を低減し高品質な電力を発電できる交流励磁形発電機を得ることを目的とする。

この発明に係る交流励磁形発電機は、固定子鉄心スロットが設けられた固定子鉄心と、２極あたりの数が奇数である回転子鉄心スロットが設けられた回転子鉄心とを備えたものである。

以上のように、この発明によれば、固定子鉄心スロットが設けられた固定子鉄心と、２極あたりの数が奇数である回転子鉄心スロットが設けられた回転子鉄心とを備えたので、巻線係数の制約を受けずにスロット高調波の影響による出力電圧波形の脈動を低減し、高品位な電力を得ることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１及び図２に基づいて説明する。図１は交流励磁形発電機の構成図、図２は交流励磁形発電機の断面の一部を模式的に示す断面図である。これらの図において、交流励磁形発電機１は、固定子２と回転子３とフレーム９を有する。固定子２は、円筒状の収容部を有する固定子鉄心５と固定子鉄心５に設けられた奇数個の固定子鉄心スロット６と、固定子鉄心スロット６（図２）に収容された固定子巻線７を有する。固定子２は、２極あたり（図２に角度範囲ｄで示す）の固定子鉄心スロット６の数を奇数としている。固定子鉄心５の円筒状の収容部には上記円筒状の回転子３が配設され、固定子２はフレーム９に収容されている。

回転子３は、図２にその詳細を示すように、回転子鉄心１１、回転子鉄心１１の外周側に設けられた回転子鉄心スロット１２、回転子鉄心スロット１２に収容された回転子巻線１３を有する。回転子３は、２極あたり（図２に角度範囲ｄで示す）の回転子鉄心スロット１２の数を奇数としている。但し、図２は固定子２及び回転子３のスロットを模式的に示したもので、実際のスロット数を図示しているわけではない。

次に、動作について説明する。
回転子のスロット数をＮｒ、極対数をｐ、回転子のすべりをｓ、回転子の回転の角周波数を（１−ｓ）ω、固定子の基本角周波数をωとした場合、回転子鉄心スロットによるパーミアンス高調波Ｐ（θ，ｔ）は、次式で表される。

ここで、Ｋｒは任意の整数であり、Ｋｒ＝０は平滑パーミアンス、Ｋｒ＝１は１次スロット高調波、Ｋｒ＝２以上はスロット高調波の２倍調波以上を示している。
よって、回転子鉄心スロット高調波として最も大きくなる、Ｋｒ＝１の高調波についてのみ考え、回転子のスロット高調波の空隙磁束密度Ｂ（θ，ｔ）は、次式で表される。

（２）式で示された空隙磁束密度に対する固定子巻線への鎖交磁束Φ（ｔ）は、ｋ次空間高調波に対する巻線係数をＫｗ（ｋ）とすれば、次式で表される。なお、式中、復号は同順である。式（４）以下も、同様である。

よって、電機子巻線の１相の誘起電圧Ｖ（ｔ）は次式となる。

ここで、（４）式に表れるｓｉｎ（（Ｎｒ±ｐ）π／２ｐ）の項に着目する。この項が０であれば、回転子鉄心スロットによる高調波が固定子巻線の誘起電圧に現れないことになる。すなわち、この条件は次式となる。

よって、次式となる。

すなわち、２極あたりの回転子鉄心スロット数Ｎｒ／ｐが奇数であれば、回転子鉄心スロット高調波が誘起電圧に現れないということになる。よって、本実施の形態１によれば、回転子鉄心スロット高調波が誘起電圧に現れない回転子鉄心スロット数を選定できるため、巻線係数の制約を受けずにスロット高調波の影響による出力電圧波形の脈動を低減し、高品位な電力を得ることができる。

実施の形態２．
この実施の形態においては、２極あたりの回転子鉄心スロット数を奇数、固定子鉄心スロット数を偶数としている。具体的には、２極あたりの回転子鉄心スロット数を１９、固定子鉄心スロット数を３０とした場合である。

次に、動作について説明する。
実施の形態１で述べた（６）式の関係を、高調波全体について示すと、交流励磁発電機１周での空間高調波次数ｋに対して、ｋ／ｐが奇数であれば、誘起電圧波形にこの高調波が発生しないことを意味している。
固定子鉄心スロット数をＮｓとしたとき、交流励磁発電機１周でのスロットコンビネーションによる空間高調波次数が｜Ｎｓ−Ｎｒ｜の高調波が大きくなると考えられる。すなわち、上記の理論展開から｜Ｎｓ−Ｎｒ｜／ｐが奇数であれば、誘起電圧にこの高調波が消えることになる。これは、２極あたりの固定子鉄心スロット数が偶数であることを示している。よって、本実施の形態２によれば、スロットコンビネーションによる高調波が誘起電圧に現れない固定子鉄心スロット数を選定するため、より誘起電圧波形が改善され高品位な電力を得ることができる。

実施の形態３．
図３、４は、この発明の実施の形態３における波巻巻線を説明するための図であり、図３は渡り線がない場合の波巻巻線を示す概念図、図４は渡り線がある場合の波巻巻線を示す概念図である。この実施の形態３においては、２極あたりの回転子鉄心スロット数が３の倍数であり、回転子巻線を波巻とする。なお、回転子鉄心スロット数は偶数である。具体的には、例えば、２極あたりの回転子鉄心スロット数を２１、固定子鉄心スロット数を３０とする。図３において、回転子巻線である波巻巻線２１は波巻巻線本体部２２を有し、渡り線は設けられていない。図４において回転子巻線である波巻巻線３１は波巻巻線本体部３２と渡り線３３を有する。

次に、動作について説明する。
交流励磁形発電機が三相交流発電機である場合、２極あたりの回転子鉄心スロット数が奇数でかつ３の倍数とした場合、毎極毎相スロット数が分数となりその分母は必ず２となる。回転子鉄心スロットの毎極毎相スロット数の分母が２の場合、回転子巻線を波巻としても渡り線の数が少ないか、若しくは設ける必要がないため、波巻とした場合の巻線端部の構造がシンプルとなる。

図３は渡り線がなく波巻巻線本体部２２のみを有する場合の波巻巻線２１を示している。図４は渡り線がある場合で、波巻巻線３１は、波巻巻線本体部３２とその渡り線３３を有する。従来の図４に示すような渡り線３３が必要でその数が多い回転子巻線の場合は、極間の接続が複雑となる。しかし、上記のように、回転子鉄心スロットの毎極毎相スロット数の分母が２の場合、渡り線が不要となるか（図４参照）、若しくはその数が少なくなる。特に、交流励磁形発電機の場合、回転子巻線の端部にかかる遠心力を保持する必要があることから、回転子巻線端部の構造をシンプルにすることにより支持構造も簡素化される利点がある。

この発明に係る交流励磁形発電機は、固定子鉄心スロットが設けられた固定子鉄心と、２極あたりの数が奇数である回転子鉄心スロットが設けられた回転子鉄心とを備えたので、巻線係数の制約を受けずにスロット高調波の影響による出力電圧波形の脈動を低減し、高品位な電力を得ることができる。

そして、固定子鉄心は、２極あたりの固定子鉄心スロットの数が偶数であることを特徴とするので、スロットコンビネーションによる高調波が誘起電圧に現れない固定子鉄心スロット数を選定するため、より誘起電圧波形が改善され高品位な電力を得ることができる。

さらに、回転子鉄心は、２極あたりの回転子鉄心スロットの数が奇数でかつ３の倍数であることを特徴とするので、回転子巻線を波巻としても渡り線の数が少ないか、若しくは設ける必要がないため、波巻とした場合の巻線端部の構造がシンプルとなる。

この発明の実施の形態１である交流励磁形発電機の構成図である。 図１の交流励磁形発電機の断面の一部を模式的に示す断面図である。 渡り線がない場合の波巻巻線を示す概念図である。 渡り線がある場合の波巻巻線を示す概念図である。

符号の説明

１ 交流励磁形発電機、２ 固定子、３ 回転子、５ 固定子鉄心、
６ 固定子鉄心スロット、７ 固定子巻線、１１ 回転子鉄心、
１２ 回転子鉄心スロット、１３ 回転子巻線。

Claims (3)

1. 固定子鉄心スロットが設けられた固定子鉄心と、２極あたりの数が奇数である回転子鉄心スロットが設けられた回転子鉄心とを備えた交流励磁形発電機。
2. 上記固定子鉄心は、２極あたりの上記固定子鉄心スロットの数が偶数であることを特徴とする請求項１に記載の交流励磁形発電機。
3. 上記回転子鉄心は、２極あたりの上記回転子鉄心スロットの数が奇数でかつ３の倍数であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の交流励磁形発電機。

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