JP2010200506A

JP2010200506A - 突極形の同期機

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Publication number: JP2010200506A
Application number: JP2009043048A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Shima; 和男島; Tadashi Fukami; 正深見; Ryoichi Hanaoka; 良一花岡; Shinzo Takada; 新三高田
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: JP5530642B2

Abstract

【課題】突極形の同期機では、落雷や機器事故等の短絡事故が起こると、永久磁石が不可逆減磁する恐れがあり、永久磁石による磁気飽和の低減効果が小さくなる。
【解決手段】突極形の同期機１は、固定子２０と、回転子３０と、回転子３０に設けられた、界磁巻線３８を巻き付ける突極胴部３４と、突極胴部３４よりも大きな径又は幅を持つ突極頭部３６とを有する突極３２と、隣接する突極３２相互の間に、突極３２が界磁された極と同じ極が対向するように設けられた永久磁石５０と、永久磁石５０より外周側の空間に設けられた、導体である外側ダンパ２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電所の発電機や工場のモータ等として広く使われている突極形の同期機に関する。

突極形の同期機は、水力発電機・エンジン発電機・産業用電動機等に使用される重要な機器である。従来の突極形の同期機の構成は、一般的な教科書に詳述されている（例えば、非特許文献１参照）。また、磁気飽和を低減する突極形の同期機は、特許文献１により開示されている。

野中作太郎著、「電気機器（Ｉ）」、第１版第１３刷、森北出版株式会社、１９８３年８月、ｐ．２１８−２１９、ｐ．２３４

特開２００８−２２８４６０号公報

しかしながら、磁気飽和を低減する突極形の同期機は、落雷や機器事故等の短絡事故が起こると、内部の磁束の変化を妨げるように、電機子巻線や界磁巻線に大電流が流れる。短絡事故の代表例に三相突発短絡がある。三相突発短絡が発生すると、永久磁石が不可逆減磁する恐れがあり、永久磁石による磁気飽和の低減効果が小さくなる。そうすると、電気学会の規格ＪＥＣ−２１３０に記載されている短絡電流強度要求事項が満たされなくなる。

本発明は、短絡事故が発生したときの磁気飽和の低減効果の低減を小さくする突極形の同期機を提供することを目的とする。

上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明の突極形の同期機は、固定子と、回転子と、前記固定子又は前記回転子に設けられた、界磁巻線を巻き付ける胴部と、前記胴部よりも大きな径又は幅を持つ頭部とを有する突極と、隣接する前記突極相互の間に、前記突極が界磁された極と同じ極が対向するように設けられた磁石と、前記磁石より外周側の空間に設けられた、導体である外側ダンパとを備える。

本発明は、短絡事故が発生したときの磁気飽和の低減効果の低減を小さくする突極形の同期機を提供することができる。

従来の突極形の同期機の断面を模式的に示す図である。実施の形態１の突極形の同期機の断面を模式的に示す図である。実施の形態１の突極形の同期機の断面の永久磁石と固定子とのギャップを含む部分を拡大した図である。実施の形態１の突極形の同期機の外側ダンパを説明するための図である。永久磁石の磁化曲線を示す図である。従来の突極形の同期機の三相突発短絡が生じた瞬間（θ＝０ｄｅｇ）における永久磁石等の磁束線及び磁束密度の大きさを示す図である。従来の突極形の同期機のθ＝１８０ｄｅｇにおける永久磁石等の磁束線及び磁束密度の大きさを示す図である。従来の突極形の同期機のθ＝１８０ｄｅｇにおける永久磁石の磁束線及び磁束密度の大きさを示す図である。実施の形態１の突極形の同期機の三相突発短絡が生じた瞬間（θ＝０ｄｅｇ）における永久磁石等の磁束線及び磁束密度の大きさを示す図である。実施の形態１の突極形の同期機のθ＝２９３ｄｅｇにおける永久磁石の磁束線及び磁束密度の大きさを示す図である。実施の形態１の突極形の同期機のθ＝２９３ｄｅｇにおける永久磁石の磁束線及び磁束密度の大きさを示す図である。従来の突極形の同期機及び実施の形態１の突極形の同期機の永久磁石のある点における動作点を示す図である。実施の形態２の突極形の同期機の断面を模式的に示す図である。実施の形態２の突極形の同期機の断面の永久磁石と固定子とのギャップを含む部分を拡大した図である。実施の形態２の突極形の同期機の永久磁石が最も減磁していたときの永久磁石の磁束線及び磁束密度の大きさを示す図である。従来の突極形の同期機、実施の形態１の突極形の同期機、及び実施の形態２の突極形の同期機それぞれの永久磁石のある点における動作点を示す図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
先ず、実施の形態１の突極形の同期機を従来の突極形の同期機と比較しながら図面を用いて説明する。

図１は、従来の突極形の同期機１０の断面を模式的に示す図である。図１に示すように、従来の突極形の同期機１０は、電機子巻線２２を有する円筒状の固定子２０と、固定子２０の内側に配置された、固定子２０の中心軸を中心軸とする回転子３０とを有する。回転子３０は、鉄等の強磁性体で形成された複数の突極３２を有する。突極３２は、界磁巻線３８を巻き付けるための突極胴部３４と、突極胴部３４よりも大きな径又は幅を持つ突極頭部３６とを有する。突極胴部３４に巻き付けられた界磁巻線３８に電流が供給されると、突極３２が励磁され、励磁された突極３２と、固定子２０の電機子巻線２２との間に働く電磁力によって、回転子３０が回転する。

従来の突極形の同期機１０は、突極３２における磁気飽和を低減するために、隣接する突極３２の突極頭部３６相互の間に設けられた永久磁石５０を有する。永久磁石５０は、突極３２が界磁された極と同じ極が対向するように設けられている。すなわち、Ｎ極に界磁された突極３２に永久磁石５０のＮ極が対向し、Ｓ極に界磁された突極３２に永久磁石５０のＳ極が対向するように、永久磁石５０は、隣接する突極３２の突極頭部３６相互の間に設けられている。永久磁石５０により、界磁巻線３８による磁束を打ち消す方向に突極３２内に磁束が発生するので、突極３２における磁気飽和が低減する。なお、従来の突極形の同期機１０は、突極頭部３６の下部に導体である内部ダンパ４０が設けられている。内部ダンパ４０は、回転子３０が回転を開始する際の動作をスムーズに行わせる機能を有する。

ところで、落雷や機器事故等の短絡事故が起こると、従来の突極形の同期機１０では、内部の磁束の変化を妨げるために、電機子巻線２２や界磁巻線３８に大電流が流れる。短絡事故の代表例に三相突発短絡がある。三相突発短絡が発生すると、永久磁石５０の内部を通る磁束が増加する。その漏れ磁束によって永久磁石５０が減磁し、漏れ磁束の大きさによっては、永久磁石５０が不可逆減磁する恐れがあり、永久磁石５０による磁気飽和の低減効果が小さくなる。

そこで、実施の形態１の突極形の同期機１は、永久磁石５０の内部を通る漏れ磁束の発生を妨げ、永久磁石５０を減磁しにくくするために、永久磁石５０の外周側の空間、すなわち、永久磁石５０の電機子巻線２２に近い側に面したギャップ（空間）に設けられた、導体である外側ダンパ２を有する。つまり、実施の形態１の突極形の同期機１は、永久磁石５０より外周側の空間に設けられた外側ダンパ２を有する。

図２は、実施の形態１の突極形の同期機１の断面を模式的に示す図である。図３は、実施の形態１の突極形の同期機１の断面の永久磁石５０と固定子２０とのギャップを含む部分を拡大した図である。図２及び図３に示すように、永久磁石５０の電機子巻線２２に近い側に面したギャップ（空間）に外側ダンパ２が設けられている。つまり、実施の形態１の突極形の同期機１は、永久磁石５０と固定子２０とのギャップに外側ダンパ２を有する。外側ダンパ２は、例えば図４に示すように、回転子３０の中心軸と平行な棒状体又は板状体であって、複数の外側ダンパ２が、軸方向の両側に設けられているリング状の導体であるエンドリング２５によって軸方向の両側で接続されているとともに支持されており、その状態で永久磁石５０の電機子巻線２２に近い側に面したギャップ（空間）に設けられている。なお、外側ダンパ２は、例えば銅により形成されており、永久磁石５０と物理的に接していて、外側ダンパ２と永久磁石５０と回転子３０とが一体となって回転する。また、エンドリング２５は銅等の導体である。また、外側ダンパ２は、一つのみ設けられてもよい。なお、エンドリング２５には、内部ダンパ４０も接続されている。

本発明者は、有限要素解析（ＦＥＡ）を用いて、実施の形態１の突極形の同期機１の有効性を検証した。以下に、解析の内容について説明する。解析対象機は、固定子内径９１４ｍｍ、固定子外径１２４０ｍｍ、定格速度７５０ｍｉｎ^−１、定格容量２．８ＭＶＡ、定格端子電圧８００ＶのＹ結線の８極機とした。解析対象機を無負荷運転し、その電機子端子を三相突発短絡させた。三相突発短絡前の端子電圧を定格付近の８０５Ｖとし、固定子２０と回転子３０の磁化特性は、それぞれ無方向性電磁鋼帯５０Ｈ４００と５０Ｈ１０００とした。外側ダンパ２の材料は銅（電気伝導率５１．１ＭＳ／ｍ）とした。永久磁石５０は、ネオジム磁石とし、リコイル比透磁率１．０５、残留磁束密度１．１９Ｔ、保持力９０２ｋＡ／ｍとした。永久磁石５０の温度を６０℃とし、温度による磁気特性の変化を考慮しない設定とした。また、永久磁石５０の渦電流を無視した。

図５は、永久磁石５０の磁化曲線を示す図である。永久磁石５０の動作点が、磁化曲線上を可逆的に移動できる設定とした。動作点が磁化曲線の線形領域に位置する場合を可逆減磁とし、非線形領域に位置する場合を不可逆減磁として、永久磁石５０を評価した。

図６及び図７は、従来の突極形の同期機１０における永久磁石５０等の磁束線及び磁束密度の大きさを示す図である。θは電気角で表した回転子の回転角度である。

図６は、従来の突極形の同期機１０の三相突発短絡が生じた瞬間（θ＝０ｄｅｇ）における永久磁石５０等の磁束線及び磁束密度の大きさを示している。三相突発短絡が生じた瞬間においては、永久磁石５０は不可逆減磁していなかった。図７は、従来の突極形の同期機１０のθ＝１８０ｄｅｇにおける永久磁石５０等の磁束線及び磁束密度の大きさを示している。θ＝１８０ｄｅｇ付近において、永久磁石５０は最も減磁していた。図７に示すように、θ＝１８０ｄｅｇでは、永久磁石５０の内部を磁化方向と反対向きに大きな漏れ磁束が通っている。

図８は、図７の永久磁石５０の部分を示す図である。すなわち、図８は、従来の突極形の同期機１０のθ＝１８０ｄｅｇにおける永久磁石５０の磁束線及び磁束密度の大きさを示している。図８における数値は、磁化方向の磁束密度を示している。また、実線の矢印は、三相突発短絡前の永久磁石５０における磁化方向示しており、破線の矢印は、三相突発短絡後の永久磁石５０における磁化方向を示している。図８に示すように、従来の突極形の同期機１０では、θ＝１８０ｄｅｇにおいて、各点の磁束密度が０Ｔを下回っているので図５の磁化曲線を参照すると、永久磁石５０全体が不可逆減磁している。なお、破線で囲まれている部分は、不可逆減磁している部分である。つまり、定格端子電圧で三相突発短絡が生じると、永久磁石５０が不可逆減磁することがわかる。

図９及び図１０は、実施の形態１の突極形の同期機１における永久磁石５０等の磁束線及び磁束密度の大きさを示す図である。

図９は、実施の形態１の突極形の同期機１の三相突発短絡が生じた瞬間（θ＝０ｄｅｇ）における永久磁石５０等の磁束線及び磁束密度の大きさを示している。三相突発短絡が生じた瞬間においては、永久磁石５０は不可逆減磁していなかった。図６と図９とを比較すると明らかなように、実施の形態１の突極形の同期機１の三相突発短絡が生じた瞬間（θ＝０ｄｅｇ）における永久磁石５０の磁束密度の大きさは、従来の突極形の同期機１０における永久磁石５０のそれとほぼ同じであることがわかる。図１０は、実施の形態１の突極形の同期機１のθ＝２９３ｄｅｇにおける永久磁石５０の磁束線及び磁束密度の大きさを示している。θ＝２９３ｄｅｇ付近において、永久磁石５０は最も減磁していた。図７と図１０とを比較すると明らかなように、実施の形態１の突極形の同期機１の最も減磁していたときの永久磁石５０内を磁化方向と反対に通る磁束は、従来の突極形の同期機１０の最も減磁していたときの永久磁石５０内を磁化方向と反対に通る磁束に比べて少ないことがわかる。

図１１は、図１０の永久磁石５０部分を示す図である。すなわち、図１１は、実施の形態１の突極形の同期機１のθ＝２９３ｄｅｇにおける永久磁石５０の磁束線及び磁束密度の大きさを示している。図８と同様に、図１１における数値は、磁化方向の磁束密度を示している。また、実線の矢印は、三相突発短絡前の永久磁石５０における磁化方向を示しており、破線の矢印は、三相突発短絡後の永久磁石５０における磁化方向を示している。

破線で囲まれている永久磁石５０の下部においては、各点の磁束密度が０Ｔを下回っているので図５の磁化曲線を参照すると、不可逆減磁している。しかしながら、永久磁石５０の上部及び中央部については、各点の磁束密度が０Ｔを上回っており図５の磁化曲線を参照すると、ほとんど不可逆変化していないことがわかる。

図１１から明らかなように、永久磁石５０の電機子巻線２２に近い側に面したギャップ（空間）に外側ダンパ２を挿入することで、永久磁石５０が不可逆変化する部分が狭まる。また、実施の形態１の突極形の同期機１の永久磁石５０の各点の磁束密度は、従来の突極形の同期機１０の永久磁石５０の各点の磁束密度に比べて大きい。これにより、外側ダンパ２が挿入されることにより、永久磁石５０が減磁しにくくなることがわかる。それらは、三相突発短絡が発生したときに磁束の変化を妨げる電流が外側ダンパ２に流れ、漏れ磁束が永久磁石５０に届きにくくなることによると考えられる。

図１２は、従来の突極形の同期機１０及び実施の形態１の突極形の同期機１の永久磁石５０のα点における動作点を示す図であって、三相突発短絡が生じた瞬間から１周期後までの間で、α点が最も減磁した瞬間の動作点を示している。なお、α点は、永久磁石５０の断面のある点である。図１２から明らかなように、永久磁石５０の電機子巻線２２に近い側に面したギャップ（空間）に外側ダンパ２を挿入することにより、永久磁石５０が減磁しにくくなることがわかる。

上述したように、実施の形態１の突極形の同期機１は、永久磁石５０の電機子巻線２２に近い側に面したギャップ（空間）に外側ダンパ２を有しており、外側ダンパ２により、永久磁石５０の内部を通る漏れ磁束の発生を妨げ、永久磁石５０を減磁しにくくしている。その結果、短絡事故が発生したときの突極３２における磁気飽和の低減効果の低減が小さくなる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２の突極形の同期機６を図面を用いて説明する。

図１３は、実施の形態２の突極形の同期機６の断面を模式的に示す図である。図１４は、実施の形態２の突極形の同期機６の断面の永久磁石５０と固定子２０とのギャップを含む部分を拡大した図である。図１３及び図１４に示すように、永久磁石５０の電機子巻線２２に近い側に面したギャップ（空間）に導体である外側ダンパ２が設けられているとともに、突極胴部３４の外周に設けられている界磁巻線３８と永久磁石５０とのギャップに内側ダンパ７が設けられている。つまり、実施の形態２の突極形の同期機６は、永久磁石５０より外周側のギャップに設けられた外側ダンパ２を有するとともに、永久磁石５０より内周側のギャップに設けられた内側ダンパ７を有する。実施の形態２の突極形の同期機６の構成は、外側ダンパ２に加えて内側ダンパ７を有する点が、実施の形態１の突極形の同期機１の構成と異なる。

内側ダンパ７は、外側ダンパ２と同様に、例えば、回転子３０の中心軸と平行な棒状体又は板状体であって、複数の内側ダンパ７が、軸方向の両側に設けられているエンドリング２５によって軸方向の両側で接続されているとともに支持されており、その状態で界磁巻線３８と永久磁石５０とのギャップ（空間）に設けられている。なお、内側ダンパ７は、例えば銅により形成されており、永久磁石５０と物理的に接している。また、内側ダンパ７は、エンドリング２５によって、外側ダンパ２と電気的に接続されており、内側ダンパ７と外側ダンパ２と永久磁石５０と回転子３０とが一体となって回転する。また、内側ダンパ７は、一つのみ設けられてもよい。

本発明者は、有限要素解析（ＦＥＡ）を用いて、実施の形態２の突極形の同期機６の有効性についても検証した。以下に検証結果を説明する。なお、有限要素解析及び検証の方法は、実施の形態１において説明した方法と同じ方法である。

図１５は、実施の形態２の突極形の同期機６の永久磁石５０が最も減磁していたときの永久磁石５０の磁束線及び磁束密度の大きさを示す図である。図１５における数値は、磁化方向の磁束密度を示している。また、実線の矢印は、三相突発短絡前の永久磁石５０における磁化方向を示しており、破線の矢印は、三相突発短絡後の永久磁石５０における磁化方向を示している。

図１５から明らかなように、永久磁石５０と固定子２０とのギャップに外側ダンパ２を挿入するとともに、界磁巻線３８と永久磁石５０とのギャップに内側ダンパ７を挿入することによっても、永久磁石５０が不可逆変化する部分が狭まる。また、実施の形態２の突極形の同期機６の永久磁石５０の各点の磁束密度は、従来の突極形の同期機１０の永久磁石５０の各点の磁束密度に比べて大きい。これにより、外側ダンパ２及び内側ダンパ７が挿入されることによっても、永久磁石５０が減磁しにくくなることがわかる。それらは、三相突発短絡が発生したときに磁束の変化を妨げる電流が、内側ダンパ７と、外側ダンパ２と、軸方向の両側に設けられているエンドリング２５とに電流が流れ、漏れ磁束が永久磁石５０に届きにくくなることによると考えられる。

図１６は、従来の突極形の同期機１０、実施の形態１の突極形の同期機１、及び実施の形態２の突極形の同期機６それぞれの永久磁石５０のα点における動作点を示す図であって、三相突発短絡が生じた瞬間から１周期後までの間で、α点が最も減磁した瞬間の動作点を示している。なお、α点は、永久磁石５０の断面のある点である。図１６から明らかなように、永久磁石５０と固定子２０とのギャップに外側ダンパ２を挿入するとともに、界磁巻線３８と永久磁石５０とのギャップに内側ダンパ７を挿入することにより、永久磁石５０が減磁しにくくなることがわかる。

上述したように、実施の形態２の突極形の同期機６は、永久磁石５０と固定子２０とのギャップに外側ダンパ２を有するとともに、界磁巻線３８と永久磁石５０とのギャップにも内側ダンパ７を有する。外側ダンパ２及び内側ダンパ７により、永久磁石５０の内部を通る漏れ磁束の発生を妨げ、永久磁石５０を減磁しにくくしている。その結果、短絡事故が発生したときの突極３２における磁気飽和の低減効果の低減が小さくなる。

ただし、図１６において実施の形態１の突極形の同期機１と実施の形態２の突極形の同期機６とを比較すると明らかなように、永久磁石５０を減磁させにくくする効果は、実施の形態２の突極形の同期機６よりも実施の形態１の突極形の同期機１の方が大きい。すなわち、実施の形態２の突極形の同期機６の構成よりも実施の形態１の突極形の同期機１の構成の方が好ましい。

なお、上述した実施の形態では、外側ダンパ２及び内側ダンパ７は、導体であればその材料は銅に限定されない。また、外側ダンパ２及び内側ダンパ７は、伝導率が高いほど好ましく、抵抗率が小さいほど好ましい。

また、上述した実施の形態では、突極３２は回転子３０に設けられているが、突極３２は固定子２０に設けられてもよい。

また、上述した実施の形態では、固定子２０と回転子３０とに着目すると、外側の固定子２０が固定され、内側の回転子３０が回転する場合を説明した。しかしながら、内側の回転子３０が固定され、外側の固定子２０が回転してもよい。

更に、内部ダンパ４０は、回転子３０又は固定子２０が回転を開始する際の動作をスムーズに行わせる機能を有するのであって、外側ダンパ２及び内側ダンパ７が有する永久磁石５０の内部を通る漏れ磁束の発生を妨げ、永久磁石５０を減磁しにくくする機能は有さない。

１実施の形態１の突極形の同期機、２外側ダンパ、６実施の形態２の突極形の同期機、７内側ダンパ、２０固定子、２２電機子巻線、３０回転子、３２突極、３８界磁巻線、３４突極胴部、３６突極頭部、５０永久磁石。

Claims

固定子と、
回転子と、
前記固定子又は前記回転子に設けられた、界磁巻線を巻き付ける胴部と、前記胴部よりも大きな径又は幅を持つ頭部とを有する突極と、
隣接する前記突極相互の間に、前記突極が界磁された極と同じ極が対向するように設けられた磁石と、
前記磁石より外周側の空間に設けられた、導体である外側ダンパと
を備える突極形の同期機。
前記回転子の軸方向の端部側に設けられた導体であるリング状の支持体を備え、
前記外側ダンパの形状は、前記回転子の中心軸と実質上平行な棒状体又は板状体であって、
前記外側ダンパは、前記支持体によって支持されている
請求項１に記載の突極形の同期機。
前記外側ダンパは、銅により形成されている
請求項１又は２に記載の突極形の同期機。
更に、前記磁石より内周側の空間に設けられた、導体である内側ダンパを備える
請求項１又は２に記載の突極形の同期機。
更に、
前記回転子の軸方向の端部側に設けられた、導体であるリング状の支持体と、
前記磁石より内周側の空間に設けられた、導体である内側ダンパとを備え、
前記外側ダンパ及び前記内側ダンパの形状は、前記回転子の中心軸と実質上平行な棒状体又は板状体であって、
前記外側ダンパ及び前記内側ダンパは、前記支持体によって支持されている
請求項１に記載の突極形の同期機。
前記外側ダンパ及び前記内側ダンパは、銅により形成されている
請求項４又は５に記載の突極形の同期機。