JP2010035336A - 同期発電機及び同期発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】
電機子電流波形のひずみを低減する、交流励磁同期発電機および風力用交流励磁同期発電機システムを提供する。
【解決手段】
複数の回転子スロットに界磁巻線を収納する回転子と、複数の固定子スロットに電機子巻線を収納する固定子と、を有する同期発電機において、２極当たりの固定子スロット数と回転子スロット数との差が±９以上とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、同期発電機及び風力用同期発電システムに関する。

風力用発電システムに交流励磁同期発電機を用いるためには、従来よりも発電機を軽量化することが必須となる。これは、風車建設の際には発電機をナセルまでクレーンで上げるが、大型の風車ではナセルの高さが１００ｍ以上にもなり、発電機の重さで風車の支柱の強度や太さも決まるため、風力用発電システムでは、他の発電システムよりも発電機の軽量化が重視されるからである。

交流励磁同期発電機を小型化するために、固定子と回転子間の空隙であるギャップ長を小さくする方法がある。ギャップ長を小さくすると、ギャップの磁気抵抗が小さくなるため、界磁巻線に流れる励磁電流を小さくすることができる。それにより、界磁巻線の断面積を小さくでき、発電機が小型・軽量化される。

しかしながら、ギャップ長を小さくすると、固定子および回転子スロットによるギャップ磁気抵抗の空間的変化が大きくなり、電機子電流波形のひずみが増大してしまう。

電機子電流波形を改善する技術として、特許文献１には、固定子と回転子とのスロット数および巻線ピッチを最適化して波形を改善する技術が記載されている。

また、特許文献２には、スロット高調波に対する巻線係数が最小となるように巻線ピッチを選定して波形を改善する技術が記載されている。

そして、特許文献３には、２極当たりの固定子スロット数と回転子スロット数との差を±６とし、電機子電流波形のひずみを改善する技術が記載されている。

特開平３−２７０６６４号公報 特開平７−１５９０１号公報 特開２００５−３０４２７１号公報 電気学会通信教育会：変圧器・誘導機交流整流子機、電気学会 ｐ．１１２（１９６７)． 野中作太郎：応用電気工学全書１電気機器(I)、森北出版 ｐ．２２７(１９７３)．

しかし、特許文献１に記載される技術では、固定子巻線を分数巻として出力電圧波形の平滑化をしているが、固定子を分数巻としている場合の電機子電流波形のひずみ改善効果が小さい場合がある。

また、交流励磁同期発電機の構造は従来の巻線形誘導機と略同一であるが、特許文献２および特許文献３に記載されている技術は、いずれも非特許文献１に記載される従来の誘導機設計における推奨値を踏襲した技術である。そのため、２極当たりの固定子スロット数と、回転子スロット数と、の差が±６以下としている。しかし、発明者らは、電機子電流波形における高調波成分の影響はスロット数の差が大きくなるにつれ減少すると考えられること見出した。そのため、固定子スロット数と回転子スロット数との差が±６以下とした場合では、電機子電流波形における高調波成分の影響を十分に低減できていないと考えられる。つまり、十分に電機子電流波形の平滑化を行えていないと考えられる。

本発明の目的は、電機子電流波形のひずみを低減する、交流励磁同期発電機および風力用交流励磁同期発電機システムを提供することである。

本発明は、複数の回転子スロットに界磁巻線を収納する回転子と、複数の固定子スロットに電機子巻線を収納する固定子と、を有する同期発電機であって、
２極当たりの固定子スロット数と回転子スロット数との差の値が±９以上である
ことを特徴とする。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態について）
まず、本発明の第１実施形態について説明する。第１実施形態では、２極当たりの固定子スロット数と回転子スロット数との差の値を考慮することで、電機子電流波形の平滑化を行う。

図１に、本発明の交流励磁同期発電機１の主要部の一例を示す。図１における、交流励磁同期発電機１は、固定子１０と、回転子２０と、電機子巻線１３と、回転シャフト２５と、を有する。

電機子巻線１３は、電機子底巻線１３１と、電機子上巻線１３２と、電機子巻線端部１３３とを有する。電機子底巻線１３１および電機子上巻線１３２は、電機子巻線端部１３３で連結されている。

固定子１０は、固定子鉄心１１に設けられた固定子スロット１２に、固定子楔１４で固定された、電機子底巻線１３１と電機子上巻線１３２とが収納されている。なお、図１に示す例では、電機子底巻線１３１と電機子上巻線１３２とが、反時計回りに＃１から＃９０まで収納されている。

回転子２０は、回転子鉄心２１に設けられた回転子スロット２２に、回転子楔２４で固定された界磁巻線２３が収納され、かつ、回転子鉄心２１には、シャフト２５が収納されている。なお、図１に示す例では、界磁巻線２３が、反時計回りに＃１’から＃５４’まで収納されている。

交流励磁同期発電機１において、シャフト２５に回転力を与えて回転子２０を回転させ、かつ界磁巻線２３に励磁電流を流すことで、電機子巻線１３に電機子電流が流れて発電する。発電周波数は、回転子２０の回転速度に応じて変化し、かつ界磁巻線２３に流れる励磁電流の周波数にも応じて変化する。風力発電用の風車のような回転速度が常に変化する動力で回転子２０を回転させた場合でも、界磁巻線２３に流れる励磁電流の周波数を制御することで、発電周波数を一定に保つことが可能となる。

（三相回転電機において）
次に、三相回転電機の設計について説明する。三相回転電機の設計において、非特許文献２に、固定子および回転子の毎相毎極スロット数Ｎ_ＰＰは、

の範囲に設定することが推奨されている。

図２に、固定子および回転子の毎相毎極スロット数Ｎ_ＰＰが式（１）で推奨される範囲内であるときの、２極当たりの固定子スロット数Ｎ_１と回転子スロット数Ｎ_２との差（以下、「２極当たりのＮ_１とＮ_２との差」と称する。）の値を示す。図２から、式（１）で推奨される範囲内で考えられる２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値の最大値は±２４となることがわかる。

（２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値について）
次に、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値について、具体的に説明する。

誘導機の設計において、固定子全スロット数ｎ_１および回転子全スロット数ｎ_２は、非特許文献１に、

の範囲に設定することが推奨されている。

ここで、式（２）の範囲内で考えられる２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値を求めると±６以下となる。一般に、交流励磁同期発電機は、その構造が巻線形誘導機と略同一であることから、この推奨値を踏襲して設計されてきた。

つまり、交流励磁同期発電機の設計においては、一般的に、式（２）の推奨値に基づいて、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値は±６以下となる設計を行われてきた。

（電機子巻線に流れる電機子電流を示す式の導出）
次に、電機子巻線１３に流れる電機子電流Iを示す式を導出する。ここでは、位相の考慮方法を簡略化して電機子電流Iを示す数式を導出する。まず、電機子巻線Iに流れる電機子電流の発電周波数成分による起磁力ＡＴを、

とおく。ここで、ｘは固定子座標系に固定され２極分が２πに対応するものとする。また、ω_０は同期速度に相当する角周波数、ｔは時刻、ｋは起磁力次数、ｆ_ｗｋはｋ次高調波の固定子巻線係数である。

そして、固定子巻線係数であるｆ_ｗｋを、

とおく。ここで、ｆ_ｐｋは固定子短節巻係数、ｆ_ｄｋは固定子分布巻係数、ｐは極ピッチに対する電機子巻線ピッチ、ｑは固定子相数、Ｎ_ｓｐｐは固定子毎極毎相スロット数である。

次に、各々回転子および固定子スロットによる磁気抵抗の空間的変化を考慮し、磁気抵抗分布の逆数であるパーミアンスの空間分布Ｐを、

と仮定する。ここで、Ｋ_１は固定子スロットによるパーミアンス脈動係数、Ｋ_２は回転子スロットによるパーミアンス脈動係数、ｓはすべりである。磁束密度Ｂは起磁力ＡＴとパーミアンスＰの積となり、

とおく。そして、磁束密度Ｂを空間積分し、それに固定子短節巻係数を考慮して、電機子巻線１３に鎖交する磁束Φを、

と仮定する。ここで、ｋ_Ｂは磁束密度Ｂの空間高調波次数であり、ｆ_ｐｋＢはｋ_Ｂ次高調波の固定子巻線係数である。

次に、この磁束Φを時間微分し、電機子巻線１３に誘導される誘導起電圧Ｅを、

とおく。ここで、ｖ_Ｂは磁束密度Ｂの時間高調波次数である。

そして、電機子電流Iを、（誘導起電圧Ｅ）／（リアクタンス）と仮定し、また、リアクタンスは時間高調波次数ｖ_Ｂに比例すると仮定し、電機子電流Ｉを、

とおく。

ここで、（固定子短節巻係数ｆ_ｐｋＢ）／（高調波次数ｋ_Ｂ）と、高調波次数ｋ_Ｂと、の関係を図３に示す。式（１１）において、電機子電流Ｉは（固定子短節巻係数ｆ_ｐｋＢ）／（高調波次数ｋ_Ｂ）の値に比例することから、図３において、（固定子短節巻係数ｆ_ｐｋＢ）／（高調波次数ｋ_Ｂ）の値が大きいときは、電機子電流Ｉが大きくなると考えられる。

次に、図３に示される関係から、高調波次数ｋ_Ｂが１のときに発生する電機子電流Ｉは、ｋ_Ｂが１でないときに発生する成分を無視できるほど大きくなると考え、以下、高調波次数ｋ_Ｂが１となる場合の電機子電流の高調波成分について考察する。

以下に述べる、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値に関する高調波成分に注目した、数式の導出は、発明者等による検討により明らかになったものである。

まず、式（１１）に式（３）、式（７）を代入し、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値に関する高調波成分のみを考慮すると、Ｎ_１＞Ｎ_２の場合の式（１１）は、

と整理できる。一方、Ｎ_１＜Ｎ_２の場合の式（１１）は、

と整理できる。

式（１２）および式（１３）から、出力電流の脈動は２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値に起因した高調波成分により発生することがわかる。

ここで、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値と、式（１２）および式（１３）の第１項から発生する高調波成分の大きさと、の関係を図４（ａ）に示す。また、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値と、式（１２）および式（１３）の第２項から発生する高調波成分の大きさと、の関係を図４（ｂ）に示す。図４の横軸は２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値を示しており、図４の縦軸は高周波成分の大きさを示している。なお、高周波成分の大きさは、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±６の場合を１００％として、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値ごとに高周波成分の大きさを表わしている。

図４（ａ）より、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±６より大きい場合は、式（１２）および式（１３）の第１項から発生する高周波成分は、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±６である場合の３０％以下となることがわかった。また、図４（ｂ）より２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±６より大きい場合は、式（１２）および式（１３）の第２項から発生する高周波成分は、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±６である場合の３０％以下となることがわかった。

したがって、電機子電流波形のひずみを改善するためには、式（２）で推奨される範囲外、つまり、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値を±６より大きくなるようスロット数を選択することが必要であると言える。

ここで、式（１）に示される範囲内において、選択すべき２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値を考察すると、図２より、選択すべき２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の最小値は±９となることがわかる。また、選択すべき２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の最大値は±２４となることがわかる。

（固定子毎相毎極スロット数と回転子毎相毎極スロット数との組み合わせについて）
次に、本実施形態において、以下のような場合の、固定子毎相毎極スロット数と回転子毎相毎極スロット数との組み合わせにおける、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値を考察する。

組合せ１：固定子毎相毎極スロット数を整数とし、回転子毎相毎極スロット数を整数とする場合（実施対応１）
組合せ２：固定子毎相毎極スロット数を分数とし、回転子毎相毎極スロット数を整数とする場合（実施対応２）
組合せ３：固定子毎相毎極スロット数を整数とし、回転子毎相毎極スロット数を分数とする場合（実施対応３）
組合せ４：固定子毎相毎極スロット数を分数とし、回転子毎相毎極スロット数を分数とする場合（実施対応４）
（実施対応１）
実施対応１では、固定子毎相毎極スロット数を整数とし、回転子毎相毎極スロット数を整数とした。

この場合、図２において、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値は、±１２、±１８、±２４となることがわかる。

２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が、±１２、±１８、±２４となる場合、図４からわかるように、発生する高調波電流は２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±６の場合の３０％以下となるため、固定子毎相毎極スロット数を整数とし、回転子毎相毎極スロット数を整数とした場合、電機子電流の高調波成分が小さくなることがわかる。したがって、この場合、電機子電流波形の平滑化を行うことができる。

なお、三相回転電機において、毎相毎極スロット数Ｎ_ＰＰが整数となるとき、同回転電機の三相巻線は整数巻となる。巻線の巻装作業は、実施対応１のように固定子、回転子共に毎相毎極スロット数Ｎ_ｐｐを整数とする場合が最も簡単になるため、コスト低減が図ることができる。

（実施例１：実施対応１における固定子および回転子のスロット数の具体的な例）
実施対応１では、固定子毎相毎極スロット数を整数とし、回転子毎相毎極スロット数を整数としたが、具体的には、図１に示すような交流励磁発電機の、固定子スロット数を９０、回転子スロット数を５４、極数を６、相数を３とした。このとき、固定子毎相毎極スロット数は５であり、回転子毎相毎極スロット数は３である。また、２極当たりの固定子スロット数Ｎ_１が３０、回転子スロット数Ｎ_２が１８であり、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値は１２となる。この場合、図４から、電機子電流の高調波成分が小さくなることがわかり、電機子電流波形の平滑化を行うことができる。
（実施対応２）
実施対応２では、固定子毎相毎極スロット数を分数とし、回転子毎相毎極スロット数を整数とした。

この場合、図２において、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値は、±９、±１５、±２１となることがわかる。

２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が、±９、±１５、±２１となる場合、図４からわかるように、発生する高調波電流は２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±６の場合の３０％以下となるため、固定子毎相毎極スロット数を分数とし、回転子毎相毎極スロット数を整数とした場合であっても、電機子電流の高調波成分が小さくなることがわかる。したがって、この場合も電機子電流波形の平滑化を行うことができる。

なお、三相回転電機において、毎相毎極スロット数Ｎ_ＰＰが整数とならないとき、同回転電機の三相巻線は分数巻となる。
（実施対応３）
実施対応３では、固定子毎相毎極スロット数を整数とし、回転子毎相毎極スロット数を分数とした。

この場合、図２において、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値は±９、±１５、±２１となることがわかる。

２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が、±９、±１５、±２１となる場合、図４からわかるように、発生する高調波電流は２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±６の場合の３０％以下となるため、固定子毎相毎極スロット数を整数とし、回転子毎相毎極スロット数を分数とした場合であっても、電機子電流の高調波成分が小さくなることがわかる。したがって、この場合も電機子電流波形の平滑化を行うことができる。

また、回転子の毎極毎相スロット数を分数としたとき、固定子の毎相毎極スロット数は整数であるため、固定子には、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の次数で高調波巻線係数が発生せず、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差により発生する高調波電流は０となる。したがって、交流励磁同期発電機に発生する高調波成分をより減らすことが可能になり、電機子電流波形をより平滑化することができる。

（実施例２：実施対応３における固定子および回転子のスロット数の具体的な例（その１））
実施対応３では、固定子毎相毎極スロット数を整数とし、回転子毎相毎極スロット数を分数としたが、具体的には、固定子スロット数を１０８、回転子スロット数を８１、極数を６、相数を３とした。このとき、固定子毎相毎極スロット数は６であり、回転子毎相毎極スロット数は４．５である。また、２極当たりの固定子スロット数Ｎ_１は３６であり、回転子スロット数Ｎ_２は２７であり、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値は９である。この場合、図４から、電機子電流の高調波成分が小さくなることがわかり、電機子電流波形の平滑化を行うことができる。

（実施例３：実施対応３における固定子および回転子のスロット数の具体的な例（その２））
また、実施対応３において、具体的には、固定子スロット数を７２、回転子スロット数を５４、極数を４、相数を３とした。このとき、固定子毎相毎極スロット数は６であり、回転子毎相毎極スロット数は４．５である。また、２極当たりの固定子スロット数Ｎ_１は３６であり、回転子スロット数Ｎ_２は２７であり、Ｎ_１とＮ_２の差の値は９である。この場合、図４から、電機子電流の高調波成分が小さくなることがわかり、この場合、電機子電流波形の平滑化を行うことができる。
（実施対応４）
実施対応４では、固定子毎相毎極スロット数を分数とし、回転子毎相毎極スロット数を分数とした。

この場合、図２より、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値は±１２、±１８、となることがわかる。

２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が、±１２、±１８、となる場合、図４からわかるように、発生する高調波電流は２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±６の場合の３０％以下となるため、固定子毎相毎極スロット数を分数とし、回転子毎相毎極スロット数を分数とした場合であっても、電機子電流の高調波成分が小さくなることがわかる。したがって、この場合も電機子電流波形の平滑化を行うことができる。

（第２実施形態について）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、第１実施形態における交流励磁同期発電機（つまり、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±９以上の交流励磁同期発電機）において、極ピッチに対する巻線ピッチを以下に述べる範囲内とすることにより、さらに、電機子電流波形の平滑化を行う。

まず、固定子三相短絡時において、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±１２となる交流励磁同期発電機の、固定子の極ピッチに対する電機子巻線ピッチと、高調波電流含有率と、の関係を実測により確認した結果を図５に示す。図５から、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±１２となる交流励磁同期発電機の電機子電流のおける高調波電流含有率は、固定子の極ピッチに対する電機子巻線ピッチを８０％にした場合に最小となることがわかった。また、固定子の極ピッチに対する電機子巻線ピッチを８６．７％にした場合が８０％とした場合の次に小さい結果となることがわかった。

よって、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±１２となる交流励磁同期発電機では、固定子の極ピッチに対する電機子巻線ピッチを８０％にすることで、電機子電流波形の平滑化を行うことができることがわかる。
（実施例４）

実施例４における交流励磁同期発電機では、図１に示すように、電機子巻線端部１３３によって連結されている電機子底巻線１３１と、電機子上巻線１３２と、のピッチが全て固定子の１２スロット分となるように構成した。この場合、固定子の１５スロット分で１極となるため、固定子の極ピッチに対する電機子機子巻線ピッチは１２／１５で８０％となる。

図１に示す交流励磁同期発電機の例では、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±１２であり、図５において、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±１２となる交流励磁同期発電機の電機子電流における高調波電流含有率は、極ピッチに対する固定子巻線ピッチを８０％にした場合に最小となることから、実施例４では、電機子電流波形の平滑化を行うことができることがわかる。

また、図６に、毎極毎相固定子スロット数Ｎ_ｐｐが３以上７以下、極数が１２以下、固定子スロット数が１４４以下における、電機子巻線ピッチおよび極ピッチに対する電機子巻線ピッチの値を示す。

スロット数や極数が図１に示す交流励磁同期発電機の例（実施例４）と異なる場合は、図６に記載した電機子巻線ピッチおよび極ピッチに対する電機子巻線ピッチの値とすると、高調波電流の低減を図ることができる。

図６おいては、例えば、電機子上巻線１３２の#１と、電機子底巻線１３１の#１３と、が電機子巻線端部１３３によって連結されている場合、電機子巻線ピッチを「（１）----（１３）」と表現することにする。

図６に記載した電機子巻線ピッチとしたとき、極ピッチに対する電機子巻線ピッチは７７．８％から８８．９％の範囲内となる。

なお、図６には、毎極毎相固定子スロット数Ｎ_ｐｐが３以上７以下、極数が１２以下、固定子スロット数が１４４以下のみ記載しているが、図６の範囲外でも極ピッチに対する電機子巻線ピッチを７７．８％から８８．９％の範囲内とすることで、電機子電流波形が改善することができる。

また、同様に、回転子の極ピッチに対する界磁巻線ピッチについても、７７．８％から８８．９％の範囲内とすることで、高調波電流の低減を図ることができる。

（第３実施形態について）
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、第１実施形態における交流励磁同期発電機（つまり、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±９以上の交流励磁同期発電機）において、ギャップ長ｇに対する回転子スロットの開口幅ｓを小さくすることで、磁束脈動率を減少させ、さらに、電機子電流波形の改善を行う。

まず、磁束脈動率と、ギャップ長ｇに対する回転子スロット開口幅ｓと、の関係を図７に示す。図７から、ギャップ長ｇに対する回転子スロット開口幅ｓを小さくすることで、磁束脈動率が減少することがわかる。この磁束脈動率は式（１２）、式（１３）におけるＫ_２に比例するため、ギャップ長ｇに対する回転子スロットの開口幅ｓを小さくすると、磁束脈動率が減少し、電機子電流波形が改善できることがわかる。

しかしながら、図９のようにスロットの形状を円周方向に対称なままスロット開口幅ｓを小さくした半閉スロット形状とすると、スロット開口部から界磁巻線２３を巻装する際に、隙間が狭く、巻装することができない。

また、交流励磁同期発電機の体格を小さくするためギャップ長ｇを小さくした、図１０のような従来の開放スロット形状の場合は、（回転子スロット開口幅ｓ）／（ギャップ長ｇ）が６．８程度なり、磁束脈動率は図７より約０．３６となることがわかる。
（実施例５）

実施例５では、交流励磁同期発電機において、図８のように回転子スロットの形状を円周方向に非対称とした。この場合、スロット開口幅ｓを小さくしても、界磁巻線２３を巻装する際の隙間を十分に確保できる。

実施例５での交流励磁同期発電機は、図８のような半閉スロット形状としているため、（回転子スロット開口幅ｓ）／（ギャップ長ｇ）は開放スロット形状の半分ほどの３．４程度となり、磁束脈動率は図７より約０．２５となる。

したがって、実施例５のように回転子スロットを円周方向に非対称な半閉スロット形状とすることで、電機子電流の高調波成分を、図１０に示す従来のスロット形状の場合を比べて約３０％低減することが可能である。

なお、第３実施形態では、第２実施形態における交流励磁同期発電機においても、ギャップ長ｇに対する回転子スロットの開口幅ｓを小さくすることで、磁束脈動率を減少させ、電機子電流波形の改善を行ってもよい。

（第４実施形態について）
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態では、第１実施形態における交流励磁同期発電機（つまり、２極当たりのＮ_１とＮ_２との差の値が±９以上の交流励磁同期発電機）において、固定子スロット１２、および回転子スロット２２の開口部の上部に磁性楔１５を用いることで、さらに、電機子電流波形の改善を行う。

第４実施形態では、図１１に示すように、固定子スロット１２、および回転子スロット２２の開口部の上部に磁性楔１５を用いる。固定子スロット１２、および回転子スロット２２の開口部に磁性楔１５を用いることにより、磁束が固定子スロット１２、および回転子スロット２２の開口部に誘導されるため磁束の脈動が抑制され、電機子電流波形を改善することができる。また、銅損や鉄損、漂遊負荷損を抑制できるため、電機子電流波形の改善効率を向上することができる。さらに、磁束の脈動が抑制されるため、振動や騒音が抑制することができる。

なお、第４実施形態では、第２および３実施形態における交流励磁同期発電機においても、固定子スロット１２、および回転子スロット２２の開口部の上部に磁性楔１５を用いることで、電機子電流波形の改善を行ってもよい。

（第５実施形態について）
次に、第５実施形態について説明する。図１２は、本実施形態の交流励磁同期発電システムの全体構成図である。本実施形態の交流励磁同期発電システムは、交流励磁同期発電機１と、可変周波数交流励磁装置３０と、動力源４０と、を有する。

本実施形態における交流励磁同期発電機１は、第１〜４実施形態における交流励磁同期発電機であり、電機子側端子３１と、界磁側端子３２と、を有する。交流励磁同期発電機１の界磁側端子３２には、可変周波数交流励磁装置３０の出力側が接続される。交流励磁同期発電機１の電機子側端子３１と、可変周波数交流励磁装置３０の入力側と、は電力系統３３に接続している。

交流励磁同期発電機１は、動力源４０の動力によって回転子２０が回転させられ、かつ可変周波数交流励磁装置３０から界磁側端子３２を介して励磁電流を流されることで、電機子側端子３１から電力系統３３に電力を供給することができる。

界磁側端子３２を介して交流励磁同期発電機１に励磁電流を流すための電力は、交流励磁同期発電機１の電機子側端子３１から出力される電力の２、３割であるため、本実施形態のように、界磁側端子３２に可変周波数交流励磁装置３０の出力側を接続した方が、電機子側端子３１に接続するよりも、可変周波数交流励磁装置３０の容量を小さくでき、低コスト化が図ることができる。

また、本実施形態における交流励磁同期発電機１は第１〜４の実施形態の交流励磁同期発電機であるため、電機子側端子３１から出力される電流波形ひずみは改善されている。そのため、本実施形態では、交流励磁同期発電機１の電機子側端子３１と、電力系統３３と、の間に変換器の設置を必要としない。

交流励磁同期発電機１の電機子側端子３１と、電力系統３３と、の間に変換器を設置しない場合、電機子側端子３１からの電流が直接電力系統３３に流れ込むことになり、電機子端子３１から出力される電流の波形は、電力系統３３に悪影響を及ぼさない波形としておく必要がある。しかし、本実施形態では、交流励磁同期発電機１の電機子端子３１から出力される電流の波形ひずみは改善されているため、電力系統３３に悪影響を及ぼさない波形となっている。

したがって、この点においても、電機子側端子３１と電力系統３３を直結し、電力系統３３に直接、電力の供給を行う本実施形態の交流励磁同期発電システムでは、第１〜４の実施形態の交流励磁同期発電機を用いることは特に有効である。

なお、交流励磁同期発電機と同様な構造をもっている回転電機には、巻線形誘導電動機がある。しかし、電動機の場合は、電力系統３３から電力を供給される側であり、電力系統３３に電力を供給しないため、電流波形の改善を行わなくても電力系統３３にほとんど悪影響を及ぼさない。

（第６実施形態について）
次に、第６実施形態について説明する。図１３は、本実施形態の風力用交流励磁同期発電システムの全体構成図である。本実施形態の風力用交流励磁同期発電システムは、交流励磁同期発電機１と、可変周波数交流励磁装置３０と、動力源４０と、を有する。

第６実施形態における交流励磁同期発電機１は、第１〜４実施形態における交流励磁同期発電機であり、電機子側端子３１と、界磁側端子３２と、を有する。交流励磁同期発電機１の界磁側端子３２には、可変周波数交流励磁装置３０の出力側が接続される。交流励磁同期発電機１の電機子側端子３１と、可変周波数交流励磁装置３０の入力側と、は電力系統３３に接続している。

第６実施形態における動力源４０は、風車４１と、増速機４２と、を有し、増速機４２は、交流励磁同期発電機１と、風車４１との間に設けられている。風車４１の回転速度は増速機４２により増加される構成となっている。

ここで、図１４に、交流励磁同期発電機１の、極数と体格の大きさとの関係を示す。図１４の横軸は交流励磁同期発電機の極数を示し、図１４の縦軸は交流励磁同期発電機の体格の大きさを示している。ここで、交流励磁同期発電機１の体格の大きさは、極数を６とした場合の交流励磁同期発電機の体格の大きさで規格化している。

交流励磁同期発電機１は、極数が小さいほど回転速度が高くなるため、極数を小さくすると、図１４から体格を小さくでき、コスト低減を図ることができることがわかる。

しかしながら、極数が２とした場合は、交流励磁同期発電機１と増速機４２の騒音が大きくなり、環境への配慮から風力発電機に用いることが難しくなる。したがって、極数を４および６にすることで、最適な交流励磁同期発電機の体格の大きさとすることができ、さらにコストの低減を図ることができる。

また、本実施形態の風力発電システムでは、交流励磁同期発電機１として、第１〜４実施形態の交流励磁同期発電機１を採用することにより、固定子１０と回転子２０間のギャップ長を狭めても電機子電流波形に与える高調波の影響を小さくできるため、交流励磁同期発電機１の体格をより一層小さくできる。

したがって、本実施形態では、上述した方法により、交流励磁同期発電機１の体格を小さくすることができ、大型風車のナセルのような高所への設置が容易となる。

なお、本実施形態の風力発電システムでは、交流励磁同期発電機１の界磁側端子３２に接続された可変周波数交流励磁装置３０の電圧および周波数を、風車４１の回転の変動に応じて調整し、回転子２０の回転を保持することにより、電力系統３３に直結できる安定した電力を供給することが可能である。

以上述べたように、本発明によって、電機子電流波形のひずみを低減する、交流励磁同期発電機および風力用交流励磁同期発電機システムを提供することができる。

また、本発明によって、電機子電流波形のひずみを低減することによって、固定子１０と回転子２０間のギャップ長を狭めても電機子電流波形に与える高調波の影響を小さくできるため、交流励磁同期発電機１の体格を小さくできる。これにより、大型風車のナセルのような高所への設置を容易にすることができる。

さらに、本発明によって、電機子電流波形のひずみを低減することによって、交流励磁同期発電機１の電機子側端子３１から出力される電流を直接電力系統３３に直接供給することができ、しかも、電力系統３３に悪影響を及ぼさない波形の電機子電流を供給できる。

本発明の交流励磁同期発電機１の主要部の一例を示す図である。 固定子および回転子の毎相毎極スロット数Ｎ_ＰＰが３〜７の範囲内であるときの、２極当たりの固定子スロット数と回転子スロット数との差の値を示す図である。 （固定子短節巻係数ｆ_ｐｋＢ）／（高調波次数ｋ_Ｂ）と、高調波次数ｋ_Ｂと、の関係を示す図である。 固定子スロット数Ｎ_１と回転子スロット数Ｎ_２の差の値と、高調波成分の大きさと、の関係を示す図である。 ２極当たりのＮ_１とＮ_２との差が±１２となる交流励磁同期発電機電機子の、固定子の極ピッチに対する電機子巻線ピッチと、高調波電流含有率と、の関係を実測により確認した結果を示す図である。 毎極毎相固定子スロット数Ｎ_ｐｐが３以上７以下、極数が１２以下、固定子スロット数が１４４以下における、電機子巻線ピッチおよび極ピッチに対する電機子巻線ピッチの値を示す図である。 磁束脈動率と、ギャップ長ｇに対する回転子スロット開口幅ｓと、の関係を示す図である。 本発明の実施例による、回転子スロットの形状を示す図である。 円周方向に対称な形状である回転子半閉スロットを示す図である。 円周方向に対称な形状である回転子開放スロットを示す図である。 本発明の実施例による、磁性楔を用いた固定子および回転子スロットの形状を示す図である。 第５実施形態の交流励磁同期発電システムの全体構成図である。 第６実施形態の風力用交流励磁同期発電システムの全体構成図である。 交流励磁同期発電機の、極数と体格の大きさとの関係を示す図である。

符号の説明

１０：固定子、１１：固定子鉄心、１２：固定子スロット、１３：電機子巻線、１３１：電機子底巻線、１３２：電機子上巻線、１３３：電機子巻線端部、１４：固定子楔、１５：磁性楔、２０：回転子、２１：回転子鉄心、２２：回転子スロット、２３：界磁巻線、２４：回転子楔、２５：シャフト、３０：可変周波数交流励磁装置、３１：電機子側端子、３２：界磁側端子、３３：電力系統、４０：動力源、４１：風車、４２：増速機

Claims (27)

1. 複数の回転子スロットに界磁巻線を収納する回転子と、複数の固定子スロットに電機子巻線を収納する固定子と、を有する同期発電機であって、
   ２極当たりの固定子スロット数と回転子スロット数との差が±９以上であること
   を特徴とする同期発電機。
2. 請求項１に記載の同期発電機であって、
   ２極当たりの固定子スロット数と回転子スロット数との差が±２４以下であること
   を特徴とする同期発電機。
3. 請求項１または２に記載の同期発電機であって、
   前記界磁巻線は励磁装置によって励磁され、前記電機子巻線に電力を発電する交流励磁同期発電機であること
   を特徴とする同期発電機。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の同期発電機であって、
   前記固定子および前記回転子の毎極毎相のスロット数を整数とすること
   を特徴とする同期発電機。
5. 請求項４に記載の同期発電機であって、
   前記固定子の極ピッチに対する電機子巻線ピッチが７７．８〜８８．９％であること
   を特徴とする同期発電機。
6. 請求項４に記載の同期発電機であって、
   前記回転子の極ピッチに対する界磁巻線ピッチが７７．８〜８８．９％であること
   を特徴とする同期発電機。
7. 請求項４に記載の同期発電機であって、
   前記固定子の極ピッチに対する電機子巻線ピッチと、前記回転子の極ピッチに対する界磁巻線ピッチと、が７７．８〜８８．９％であること
   を特徴とする同期発電機。
8. 請求項１から３のいずれか１項に記載の同期発電機であって、
   前記固定子の毎極毎相のスロット数を整数とし、前記回転子の毎極毎相のスロット数を分数とすること
   を特徴とする同期発電機。
9. 請求項８に記載の同期発電機であって、
   前記固定子の極ピッチに対する電機子巻線ピッチが７７．８〜８８．９％であること
   を特徴とする同期発電機。
10. 請求項８に記載の同期発電機であって、
    前記回転子の極ピッチに対する界磁巻線ピッチが７７．８〜８８．９％であること
    を特徴とする同期発電機。
11. 請求項８に記載の同期発電機であって、
    前記固定子の極ピッチに対する電機子巻線ピッチと、前記回転子の極ピッチに対する界磁巻線ピッチと、が７７．８〜８８．９％であること
    ことを特徴とする同期発電機。
12. 請求項１から３のいずれか１項に記載の同期発電機であって、
    前記固定子の毎極毎相のスロット数を分数とし、前記回転子の毎極毎相のスロット数を整数とすること
    を特徴とする同期発電機。
13. 請求項１２に記載の同期発電機であって、
    前記固定子の極ピッチに対する電機子巻線ピッチが７７．８〜８８．９％であること
    を特徴とする同期発電機。
14. 請求項１２に記載の同期発電機であって、
    前記回転子の極ピッチに対する界磁巻線ピッチが７７．８〜８８．９％であること
    を特徴とする同期発電機。
15. 請求項１２に記載の同期発電機であって、
    前記固定子の極ピッチに対する電機子巻線ピッチと、前記回転子の極ピッチに対する界磁巻線ピッチと、が７７．８〜８８．９％であること
    を特徴とする同期発電機。
16. 請求項１から３のいずれか１項に記載の同期発電機であって、
    前記固定子および前記回転子の毎極毎相のスロット数を分数とすること
    を特徴とする同期発電機。
17. 請求項１６に記載の同期発電機であって、
    前記固定子の極ピッチに対する電機子巻線ピッチが７７．８〜８８．９％であること
    を特徴とする同期発電機。
18. 請求項１６に記載の同期発電機であって、
    前記回転子の極ピッチに対する界磁巻線ピッチが７７．８〜８８．９％であること
    ことを特徴とする同期発電機。
19. 請求項１６に記載の同期発電機であって、
    前記固定子の極ピッチに対する電機子巻線ピッチと、前記回転子の極ピッチに対する界磁巻線ピッチと、が７７．８〜８８．９％であること
    を特徴とする同期発電機。
20. 請求項４に記載の同期発電機であって、
    前記固定子の２極当たりのスロット数を３０、前記回転子の２極当たりのスロット数を１８とすること
    を特徴とする同期発電機。
21. 請求項８に記載の同期発電機であって、
    前記固定子の２極当たりのスロット数を３６、前記回転子の２極当たりのスロット数を２７とすること
    を特徴とする同期発電機。
22. 請求項２０または２１に記載の同期発電機であって、
    前記同期発電機の極数を４〜６とすること
    を特徴とする同期発電機。
23. 請求項１〜２２のいずれか１項に記載の同期発電機であって、
    前記回転子のスロット形状が円周方向に非対称であること
    を特徴とする同期発電機。
24. 請求項１〜２３のいずれか１項に記載の同期発電機であって、
    前記固定子および前記回転子のスロットの開口部の上部に磁性楔を用いること
    を特徴とする同期発電機。
25. 請求項１〜２４のいずれか１項に記載の同期発電機と、前記回転子を回転させる動力源と、を有する発電システムであって、
    前記動力源は風車を有し、さらに、前記同期発電機と前記風車との間に増速機を有すること
    を特徴とする同期発電システム。
26. 請求項２５に記載の発電システムであって、
    前記界磁巻線を励磁する励磁装置を有し、
    前記励磁装置は、電圧と周波数を任意に設定できること
    を特徴とする同期発電システム。
27. 請求項１〜２４のいずれか１項に記載の同期発電機と、前記回転子を回転させる動力源と、を有する発電システムであって、
    前記動力源は、風力を利用すること
    を特徴とする同期発電システム。

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