JP2009201278A

JP2009201278A - 同期発電機の電機子

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Publication number: JP2009201278A
Application number: JP2008041252A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Fujikawa; 隆幸藤川
Original assignee: Shin Daiwa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Shin Daiwa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: JP4681624B2

Abstract

【課題】製造工数の大幅な低減を可能にし、従来と同様な正弦波の発電波形が得られるようした同期発電機を提供する。
【解決手段】電機子鉄心５１に１２ｎ個（ｎは正の整数）のスロット１、２・・・を設け、このスロット１、２・・・内に極数２ｎの電機子巻線５０を巻装する同期発電機の電機子において、電機子巻線５０を２スロット分布・全節巻とし、電機子鉄心５１の各スロットに巻装される巻線片５２が重ならない単層巻になるようにし、電機子鉄心５１に２スロットピッチスキューを施す。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電波形を正弦波に近づけ、且つ、製造工数の大幅な低減を可能にした同期発電機の電機子に関するものである。

同期発電機は携帯用発電機、水力用発電機、火力用発電機あるいは風力用発電機等に多く用いられている。

これら同期発電機において、発電波形ができるだけ正弦波になることが望ましい。そこで従来の同期発電機の電機子においては、発電波形を正弦波に近づけるため、電機子巻線に分布巻と短節巻を併用したいわゆる分布・短節巻を採用するとともに、電機子鉄心に１スロットピッチスキューを施すことが行われていた。

前述した分布・短節巻を採用することにより、各巻線片間の発電波形の位相をずらし、この合成によって高調波次数成分が打消され、電圧波形を正弦波に近づけることができる。

図７に従来の４極同期発電機の電機子巻線を示す。電機子鉄心４１には２４個のスロット１、２、３・・・が形成され、電機子鉄心４１の各スロット１、２、３・・・には電機子巻線４０が巻装されている。電機子巻線４０は２個のスロット１、２４あるいはスロット５、６・・・に分けて巻かれた２スロット分布・５／６短節巻とされている。電機子巻線４０は一般的に３相であるが、図７では、巻線形態を分かり易くするため１相のみを示している。従って、実際には図７と全く同じ形態の２組の電機子巻線４０が互いに電気角１２０度の位相差を有して巻装され、３相が構成されるものである。

図８は、図７の電機子巻線４０が巻装される電機子鉄心４１に１スロットピッチスキューが施された状態を表している。

図９は従来の電機子において、電機子鉄心４１のスロット数を３６個、極数を６極にした場合の電機子巻線４０（１相のみ）を示したものである。図７と同様に、電機子巻線４０は２スロット分布・５／６短節巻で、図８と同様に電機子鉄心４１に１スロットピッチスキューを施したものである。

同期発電機からの発電波形は正弦波が理想である。そのため発電波形に含まれる３次から９次前後までの低次高調波成分を低減させて発電波形を正弦波に近づけるため分布・短節巻としている。

また、図８に示したように電機子鉄心４１のスロット１、２、３・・・の存在に起因するスロットリップルと呼ばれる高次高調波成分を除去するために、電機子鉄心４１に１スロットピッチスキューを施す波形改善策が採られている。

発電波形の評価は、実測によるまでもなく電機子の巻線係数ｋ_ｗの大きさを吟味することで可能である。巻線係数ｋ_ｗとは、電機子巻線の分布係数ｋ_ｄ、短節係数ｋ_ｐおよび電機子鉄心のスキュー率ｋ_ｓの積であり、前記従来技術の場合、分布係数ｋ_ｄは電機子巻線４０が２スロット分布巻であること、短節係数ｋ_ｐは電機子巻線４０が５／６短節巻であることによって決まる。また、スキュー率ｋ_ｓは電機子鉄心４１のスキューが１スロットピッチスキューであることによって決まる。

図１０は従来技術による巻線係数ｋ_ｗの計算結果（最右欄）を示した表である。

図１０において、調波次数ｑ＝１の巻線係数ｋ_ｗが１に近く、その他の調波次数ｑ＝３、５、７・・・等の巻線係数ｋ_ｗが０に近いほど、同期発電機からの発電波形は理想とする正弦波に近くなる。図１０に示した巻線係数ｋ_ｗが、このような評価基準を満たしているとの評価を背景に、前記従来技術による同期発電機の電機子は、現在、広く実用に供されている。
特開２００２−２０９３５０号公報特開２００５−２７１７０４号公報

しかしながら、従来技術による同期発電機の電機子においては、図７、図９を見れば明らかなように、スロット６、１２、１８、２４・・・のスロット内に２つの巻線片４２が２層になって巻装されている。図７、図９には図示しなかった他の２つの相まで巻装されると、全てのスロット１、２、３・・・内に２つの巻線片４２が巻装される、いわゆる２層巻とならざるを得ない。その結果、全スロット１、２、３・・・に巻装すべき巻線片４２の数がスロット数の２倍となる。さらに２層巻では、１層目の巻線片４２の巻装後、その上に重なる２層目の巻線片４２との間に絶縁処理を施した後、２層目の巻線片４２を巻装する。２層巻では、このようなスロット１、２、３・・・内の絶縁処理を全スロットについて実施しなければならない。以上のように、従来技術による同期発電機の電機子においては、スロット数の２倍の巻線片４２の巻装およびスロット内の絶縁処理に多くの製造工数を費やさなければならず、そのことが製造コストの上昇につながるという問題を有していた。

本発明は、従来技術による同期発電機の電機子と同等の巻線係数を有するともに、製造工数の大幅な低減を可能にした同期発電機の電機子を提供することを目的とするものである。

本発明は製造工数の大幅な低減を可能にし、従来と同様な正弦波の発電波形が得られるようしたものであり、
電機子鉄心に１２ｎ個（ｎは正の整数）のスロットを設け、このスロット内に極数２ｎの電機子巻線を巻装する同期発電機の電機子において、前記電機子巻線を２スロット分布・全節巻とし、前記電機子鉄心の各スロットに巻装される巻線片が重ならない単層巻になるようにし、前記電機子鉄心に２スロットピッチスキューを施した同期発電機の電機子を提供する。

前記スロット数を２４個とし、４極の電機子巻線を２スロット分布・全節巻とし、電機子鉄心に２スロットピッチスキューを施した同期発電機の電機子を提供する。

前記スロット数を３６個とし、６極の電機子巻線を２スロット分布・全節巻とし、電機子鉄心に２スロットピッチスキューを施した同期発電機の電機子を提供する。

前記電機子鉄心のスロットに３相の電機子巻線を巻装した３相の同期発電機の電機子を提供する。

前記電機子鉄心のスロットに２相の電機子巻線を巻装した同期発電機の電機子を提供する。

本発明によれば、電機子巻線を２スロット分布・全節巻としたことにより、スロットに巻装する巻線片の数がスロット数と同じ数となって従来技術の１／２になるとともに、従来技術の２層巻を単層巻とすることが可能になることから、スロット内の２層間の絶縁処理を全廃できた。

また、本発明における２スロット分布・全節巻は、従来技術における２スロット分布・５／６短節巻に比べ３次から９次前後までの低次高調波成分の低減効果が低いため、これまで実用に供されることはなく、同期発電機の巻線形態として全く顧みられることがなかったが、本発明においては、この巻線形態に電機子鉄心の２スロットピッチスキューを組み合わせることにより、発電波形を従来技術と同じ品質に維持しながら、製作工数を大幅に低減することのできる同期発電機の電機子を提供することが可能になった。

本発明の同期発電機の電機子を図１から図６を参照して説明する。

図１は本発明の一実施例である３相の電機子巻線の１相のみを示す４極同期発電機の電機子の平面図である。図２は本発明の同期発電機の電機子鉄心の一部を拡大した斜視図である。図３は本発明の同期発電機の電機子によって得られた特性を示す図表である。図４は本発明の一実施例である図１に関して、３相の電機子巻線全てを巻装した状態を示す４極同期発電機の電機子の平面図である。図５は本発明の他の実施例であり、３相から１相を取り除いた電機巻線を巻装した４極同期発電機の電機子の平面図である。図６は本発明の他の実施例であり、スロット数３６個に巻装した電機子巻線の３相の内１相のみを示す６極同期発電機の電機子の平面図である。

図１に示すように、本発明の一実施例である４極同期発電機の電機子おいて、電機子鉄心５１に２４個のスロット１、２・・・が形成され、スロット数が２４個である点は図７に示した従来の同期発電機の電機子鉄心と同様であるが、電機子巻線５０の形態が全く異なる。なお、電機子巻線５０は一般的に３相であるが、図１では、図７について説明したときと同様に巻線形態を分かり易くするため１相のみを示している。

図１から分かるように、本発明における電機子巻線５０は２スロット１、２４あるいは２スロット６、７・・・に分散して巻かれた２スロット分布・全節巻としている。このことにより、巻線片５２の数は従来技術の１／２になるとともに、スロット１、２・・・内に巻装する巻線片５２は１つで済むことから重ならない単層巻となる。

さらに図２から分かるように、本発明は、電機子鉄心５１に２スロットピッチスキューを施している。電機子鉄心５１のスキューは、電機子鉄心５１のスロット１、２、３・・・の存在に起因するスロットリップルと呼ばれる高次高調波成分を発電波形から除去することを目的として従来から採用されて来た発電波形改善策であり、従来は電機子鉄心５１に１スロットピッチスキューを施すことで、この目的は達成できていた。

しかし、本発明の特徴は、電機子鉄心５１のスキューに、スロットリップルの除去だけでなく、従来、電機子巻線の巻線形態に頼っていた３次から９次前後までの低次高調波成分の低減をも担わせるという発想に基づいて、電機子鉄心５１に２スロットピッチスキューを施したことにある。

図３に本発明の同期発電機の電機子によって得られた巻線係数ｋ_ｗを示す。

前述したように、調波次数ｑ＝１の巻線係数ｋ_ｗが1に近く、その他の調波次数ｑ＝３、５、７・・・等の巻線係数ｋ_ｗが０に近いほど、同期発電機からの発電波形は理想とする正弦波に近くなる。

スキュー率ｋ_ｓは以下の式で示される。

ここで、
ｑ：調波次数
ｘ_０：スキューによるステータコア内周におけるひねり寸法
τ：極節（ステータコア内周におけるＮ極とＳ極間の寸法）
π：円周率
本発明の場合、数１におけるｘ_０は２スロットピッチに相当し、τは６スロットピッチに相当する。従って、ｘ_０とτの実寸法を測定するまでもなく、それらの比はｘ_０／τ＝２／６となるから、
数１におけるｘ_０／（２τ）は、
ｘ_０／（２τ）＝２／（２×６）＝１／６
のように決まる。従って調波次数ｑに１、３、５、・・・を代入すれば各調波次数に対するスキュー率が計算される。

実際に調波次数ｑに１、３、５を代入し、スキュー率ｋ_ｓを求めた結果が、以下に示されている。

このようにして順次調波次数ｑに１、３、５・・・を代入して計算した結果が、図３に示すスキュー率ｋ_ｓである。

図３によれば、電機子巻線５０が２スロット分布巻であるため、分布係数ｋ_ｄは図１０に示す従来と同じである。また短節係数ｋ_ｐの大きさは全節巻にしたので全ての次数に対して１又は−１であり、図１０に示した従来技術の短節係数ｋ_ｐより大きくなっている。

しかし、スキュー率ｋ_ｓの大きさは従来技術のそれに比べて小さくなっていることから、分布係数ｋ_ｄを含めたそれらの積である巻線係数ｋ_ｗの大きさは従来技術の巻線係数ｋ_ｗと全ての調波次数において同じ大きさになるという結果が得られ、２スロット分布・全節巻としても従来と同様な巻線係数が得られ、従来技術に比べ、２層巻が単層巻となって巻線片５２の数が１／２となり、スロット内の２層間の絶縁処理が全廃でき、製造工程が大幅に低減された同期発電機の電機子が製造可能となった。

図１においては、説明を分かり易くするため電機子鉄心５１に２４個のスロット１、２・・・に巻装される電機子巻線５０の３相の内１相のみを示した。

図４は４極同期発電機の電機子において実際に２４個のスロット１、２・・・に巻装される３相全ての電機子巻線５０を示したもので、その他は図１と同一である。

なお、電機子巻線５０ＡはＵ相、電機子巻線５０ＢはＶ相そして電機子巻線５０ＣはＷ相に供する。

図５は本発明の他の実施例で、４極において２相（Ｕ、Ｖ相）の電機子巻線６１Ａ、６１Ｂを巻装した電機子の平面図で、単相発電機としての電機子巻線６１Ａ、６１Ｂは波形に考慮して２スロット分布・全節巻を２組使っている。この巻線態様は４スロット分布・全節巻とも一般的に呼ばれることもある。

図５においても、図２に示したように電機子鉄心５１に２スロットピッチスキューを施している。

図６に本発明による他の実施例として、ｎ＝３、即ち電機子鉄心５１のスロット数が３６個、極数が６極の場合の電機子巻線（１相のみ）を示す。電機子巻線５０は２スロット分布・全節巻であり、電機子鉄心５１には、図２と同様に２スロットピッチスキューが施される。図９の従来技術に比べ、２層巻が単層巻となって巻線片が１／２となり、スロット内の２層間の絶縁処理が全廃できた。

図１及び図６において、電機子鉄心５１のスロット数を２４個及び３６個について説明したが、これに限らず１２ｎ個（ｎは正の整数）のスロットを形成した電機子とすることができる。また極数も２ｎ極とすることができる。

本発明の一実施例である３相の電機子巻線の１相のみを示す同期発電機の電機子の平面図である。本発明の同期発電機の電機子鉄心の一部を拡大した斜視図である。本発明の同期発電機の電機子によって得られた特性を示す図表である。本発明の一実施例である図１に関して、３相全ての電機子巻線を巻装した状態を示す同期発電機の電機子の平面図である。本発明の他の実施例であり、３相から１相を取り除いた電機巻線を巻装した同期発電機の電機子の平面図である。本発明の他の実施例であり、スロット数３６個に巻装した電機子巻線の３相の内１相のみを示す６極の同期発電機の電機子の平面図である。従来の同期発電機の電機子の平面図である。従来の同期発電機の電機子鉄心の一部を拡大した斜視図である。従来の６極の同期発電機の電機子の平面図である。従来の同期発電機の電機子によって得られた特性を示す図表である。

符号の説明

１、２、・・スロット
５０電機子巻線
５０ＡＵ相電機子巻線
５０ＢＶ相電機子巻線
５０ＣＷ相電機子巻線
５１電機子鉄心
５２巻線片

Claims

電機子鉄心に１２ｎ個（ｎは正の整数）のスロットを設け、このスロット内に極数２ｎの電機子巻線を巻装する同期発電機の電機子において、
前記電機子巻線を２スロット分布・全節巻とし、前記電機子鉄心の各スロットに巻装される巻線片が重ならない単層巻になるようにし、前記電機子鉄心に２スロットピッチスキューを施したことを特徴とする同期発電機の電機子。
前記スロット数を２４個とし、４極の電機子巻線を２スロット分布・全節巻とし、電機子鉄心に２スロットピッチスキューを施したことを特徴とする請求項１に記載の同期発電機の電機子。
前記スロット数を３６個とし、６極の電機子巻線を２スロット分布・全節巻とし、電機子鉄心に２スロットピッチスキューを施したことを特徴とする請求項１に記載の同期発電機の電機子。
前記電機子鉄心のスロットに３相の電機子巻線を巻装したことを特徴とする請求項１に記載の３相の同期発電機の電機子。
前記電機子鉄心のスロットに２相の電機子巻線を巻装したことを特徴とする請求項１に記載の同期発電機の電機子。