JP2016149892A - 交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構成で，三相，単相３線の同時出力が可能な交流発電機を得る。
【解決手段】中性点Ｏを中心に１２０°の位相差でＹ結線された三相巻線ｕ，ｖ，ｗと，このうちの１相（Ｖ相）の巻線に対し１８０°の位相差で中性点Ｏに接続された補助巻線ｎを設け，この補助巻線ｎの誘起電圧を，Ｖ相巻線の誘起電圧の１／２にする。前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗの各エレメントコイルに設けた一対の挿入部の配置間隔である第１間隔Ｐ1に対し，補助巻線ｎの各エレメントコイルに設けた一対の挿入部の配置間隔である第２間隔Ｐ2を狭く形成し，三相巻線ｕ，ｖ，ｗに設けた出力端子と中性点によって構成される三相の出力部の他に，Ｕ相巻線ｕと補助巻線ｎに設けた出力端子間，又は，Ｗ相巻線ｗと補助巻線ｎに設けた出力端子から成る単相３線の出力部を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は交流発電機に関し，より詳細には，三相と単相の同時出力が可能な交流発電機の改良に関する。

工事現場や各種イベント会場などの特に屋外において，電力により稼働する各種の作業機，照明器具，映像・音響機器，その他の機器（本明細書において単に「負荷」という。）を使用する場合，このような負荷に対する電力の供給源としてエンジン等の原動機を備えた発電機が使用されている。

そして，このような発電機にあっては，使用する負荷の入力形式の違いを考慮して，三相出力と，単相出力のいずれも行うことができるものが提案されている。

このように，三相出力と単相出力のいずれも行うことができるように構成された交流発電機として，図１２に示すように，三相巻線ｕ，ｖ，ｗのうちの１相の巻線ｖの中性点Ｏから１００／１１５の位置に中間タップＴを設けると共に，このＶ相巻線と逆位相に，前記中間タップＴに誘起される電圧と等しい電圧を誘起する補助巻線ｎを追加し，中間タップＴ，中性点Ｏ，及び補助巻線に接続した端子Ｎで単相３線出力が得られるように構成した交流発電機が提案されている（特許文献１参照）。

また，上記特許文献１に記載の交流発電機では補助巻線ｎを含めた総巻線量が多く，電機子コイルが大型化する点に鑑み，本願の出願人は，補助巻線量の減少を可能とした交流発電機として，図１３（Ａ）に示すように，三相巻線ｕ，ｖ，ｗと補助巻線ｎを備えた構成，及び，三相巻線ｕ，ｖ，ｗのうちのいずれか１相〔図１３（Ａ）の例ではＶ相〕に中間タップＴを設けた点については特許文献１に記載の発明と構成を共通するが，前記補助巻線ｎを，この補助巻線ｎによって誘起される誘起電圧のベクトル和が，前記基準巻線ｖの誘起電圧（１１５Ｖ）に対し１／２（５７．５Ｖ）で，且つ，前記基準巻線ｖの誘起電圧に対し１８０°の位相差を生じるよう前記補助巻線ｎを構成し，前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗの各出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを，三相出力部とし，前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗのうち前記基準巻線ｖを除く他の２巻線ｕ，ｗの各出力端子Ｕ，Ｗと前記補助巻線ｎの出力端子Ｎを，単相３線出力部と成すと共に，前記基準巻線ｖに設けた前記中間タップＴと前記中性点Ｏとを，単相２線出力部とした交流発電機を出願している（特願２０１４−７７８８６号,以下，「先行特許出願」という）。

特開２００６−２０４００５号公報

上記先行特許出願に記載の交流発電機では，一例として図１２に示した特許文献１に記載の発明の結線と，図１３（Ａ）に示した先行特許出願に記載の結線との比較において，補助巻線量を４２．５％も減量することができるものでありながら，三相，単相３線，及び，単相２線の同時出力が可能となっており，一例として，図１３（Ｂ）のベクトル図に示すように，ｕ，ｖ，ｗの各相の誘起電圧を１１５Ｖとし，このうちの基準巻線ｖの誘起電圧に対し，ベクトル和が１／２の５７．５Ｖである補助巻線ｎを設けた場合，Ｕ，Ｖ，Ｗ端子から三相２００Ｖの出力が，Ｕ，Ｎ，Ｗ端子から単相３線２００Ｖの出力が，Ｔ，Ｏ端子から単相２線１００Ｖの出力が得られるようになっている。

ここで，前掲の先行特許出願では，Ｔ，Ｏ端子を単相２線１００Ｖの出力部とする構成を採用しているが，単相２線１００Ｖの出力は，上記位置に限らず，図１３（Ｂ）のベクトル図よりＵ−Ｎ端子間，あるいはＷ−Ｎ端子間においても得ることができるはずであり，Ｕ−Ｎ端子間，あるいはＷ−Ｎ端子間において単相２線１００Ｖの出力を得ることができれば，基準巻線ｖに中間タップＴやこれに接続された出力端子を設けることが不要となり，ステータの構成をより簡略化することが可能となる。

しかし，上記先行特許出願に記載の発明に対応する実機として本願の出願人が開発中の交流発電機（後掲の「比較例」）の各端子間電圧の出力波形を測定したところ，図９に示すように，Ｕ，Ｗ端子を介して出力される単相２００Ｖの電圧波形（図９中の実線グラフを参照）については殆ど歪みのない正弦波であることが確認できたものの，Ｕ，Ｎ端子を介して出力される単相１００Ｖの電圧波形（図９中の破線グラフを参照），及びＷ，Ｎ端子を介して出力される単相１００Ｖの電圧波形（図９中の点線グラフを参照）については，いずれ共に左右非対称の形状となっており，正弦波形に対し歪んだ波形となっていることが確認された。

そのため，このような歪んだ波形の電圧を，交流発電機に接続された負荷に対し電源電圧として出力すると，接続された負荷の種類によっては正常な動作が阻害され，場合によっては負荷が損傷する危険性もあり，そのままでは，Ｕ−Ｎ端子間，又はＷ−Ｎ端子間の出力を，単相２線出力として使用することができない。

そこで，本発明は，上記開発中の交流発電機の更なる改良を図るために成されたものであり，図１３（Ａ）に示したように，基準巻線ｖに対し誘起電圧のベクトル和が１／２で，１８０°の位相差を有する補助巻線ｎを設けた交流発電機において，基準巻線ｖ以外のいずれかの相（ｕ又はｗ）の巻線に設けられた出力端子（Ｕ又はＷ）と，補助巻線ｎに設けられた出力端子Ｎとの間（Ｕ，Ｎ間，又はＷ，Ｎ間）で得られる電圧波形についても，正弦波に近い波形で出力できるようにすることで，Ｕ，Ｎ端子，及び／又はＷ，Ｎ端子を，単相２線出力部として使用することができる交流発電機を提供することを目的とする。

以下に，課題を解決するための手段を，発明を実施するための形態で使用する符号と共に記載する。この符号は，特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態の記載との対応を明らかにするためのものであり，言うまでもなく，本願発明の技術的範囲の解釈に制限的に用いられるものではない。

上記目的を達成するために，本発明の交流発電機は，
ステータコア１２のスロット１４に，三相巻線ｕ，ｖ，ｗの各エレメントコイル２１〜２３に設けた一対の挿入部（２１ａ，２１ｂ；２２ａ，２２ｂ；２３ａ，２３ｂ）を所定の第１間隔Ｐ1となるよう挿入して，前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗを，中性点Ｏを中心に１２０°の位相差のＹ結線となるよう前記ステータコア１２に取り付けることで形成されたステータ１０を備え，前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗの各出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ間より所定電圧（一例として２００Ｖ）の三相出力を取り出し可能に構成された交流発電機において，
前記中性点Ｏに接続された補助巻線ｎを更に設け，
前記ステータコア１２のスロット１４に，前記補助巻線ｎの各エレメントコイル３１〜３３に設けた一対の挿入部（３１ａ，３１ｂ；３２ａ，３２ｂ；３３ａ，３３ｂ）を所定の第２間隔Ｐ2で挿入して，前記補助巻線ｎを，該補助巻線ｎによって誘起される誘起電圧のベクトル和が，前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗのうちのいずれか１相（実施例においてＶ相）の巻線である基準巻線ｖの誘起電圧（１１５Ｖ）に対し１／２で，且つ，前記基準巻線ｖの誘起電圧に対し１８０°の位相差を生じるように，前記ステータ１０に取り付けると共に，
前記第１間隔Ｐ1に対し，前記第２間隔Ｐ2を狭く形成して，前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗのうち前記基準巻線ｖを除く他の２巻線ｕ，ｗのいずれか一方の出力端子（Ｕ又はＷ）と前記補助巻線ｎの出力端子Ｎを，前記所定電圧に対し約１／２の電圧を出力する単相２線出力部としたことを特徴とする（請求項１，図２，及び図１１〜図１３）。

上記構成の交流発電機において，前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗ及び補助巻線ｎは，共に分布巻きとすることが好ましい（請求項２，図５及び図６）。

以上で説明した本発明の構成により，本発明の交流発電機では以下の効果を得ることができた。

三相巻線ｕ，ｖ，ｗの各エレメントコイル２１〜２３に設けた一対の挿入部（２１ａ，２１ｂ／２２ａ，２２ｂ／２３ａ，２３ｂ）の配置間隔である第１間隔Ｐ1に対し，補助巻線ｎの各エレメントコイル３１〜３３に設けた一対の挿入部（３１ａ，３１ｂ／３２ａ，３２ｂ／３３ａ，３３ｂ）の配置間隔である第２間隔Ｐ2を狭く形成したことにより，図１３（Ａ）に示した回路構成におけるＵ−Ｎ出力端子間電圧，及びＷ−Ｎ出力端子間電圧の出力波形を正弦波形に近付けることができ，その結果，Ｕ−Ｎ出力端子，及び／又はＷ−Ｎ出力端子を，単相２線出力部として使用することが可能で，各相の巻線に中間タップや中間出力端子を設けることなく，単相２線出力の取り出しを行うことができた。

また，前記第１間隔Ｐ1に対し，第２間隔Ｐ2を狭くした構成では，第１間隔Ｐ1と第２間隔Ｐ2を同一の間隔に形成した場合に比較して，補助巻線ｎのコイルエレメント３１〜３３の周長が短くなることで，使用する銅線の全長を短くすることができ，発電機全体の軽量化，小型化が可能であると共に，使用材料の減少に伴う低コスト化を実現することができた。

更に，第２間隔Ｐ2を第１間隔Ｐ1に対し狭く形成したことで，分布巻とした場合であっても，隣接するセットコイルの補助巻線ｎ同士が重なることを防止，あるいは重なり部分を少なくすることができ，その結果，コイルエンドの膨らみを抑制でき，発電機全体の小型化を図ることができると共に，重なり部分が減ることで，重なり合う部分を相互に絶縁するための絶縁紙の取付作業に要する労力が軽減されると共に，ステータコア１２の１つのスロット１４に挿入しなければならないエレメントコイルの数が減ることで，スロット１４に対する挿入作業時の労力についても軽減することができた。

実施例１の交流発電機（第２間隔Ｐ2＝４スロットピッチ)におけるステータコアに対する巻線の取付状態を示した説明図。 実施例１の交流発電機（第２間隔Ｐ2＝４スロットピッチ)におけるステータコアに対する巻線の挿入位置の説明図。 実施例２の交流発電機（第２間隔Ｐ2＝６スロットピッチ)におけるステータコアに対する巻線の取付状態を示した説明図。 実施例２の交流発電機（第２間隔Ｐ2＝６スロットピッチ)におけるステータコアに対する巻線の挿入位置の説明図。 比較例の交流発電機（第２間隔Ｐ2＝９スロットピッチ)におけるステータコアに対する巻線の取付状態を示した説明図。 比較例の交流発電機（第２間隔Ｐ2＝９スロットピッチ)におけるステータコアに対する巻線の挿入位置の説明図。 実施例１の交流発電機におけるＵ−Ｎ端子間電圧，Ｏ−Ｕ端子間電圧，Ｏ−Ｎ端子間電圧の出力波形を示したグラフ。 実施例１，実施例２，比較例の各交流発電機におけるＵ−Ｎ端子間電圧の出力波形を示したグラフ。 比較例の交流発電機におけるＵ−Ｗ端子間電圧，Ｕ−Ｎ端子間電圧，Ｗ−Ｎ端子間電圧の出力波形を示したグラフ。 比較例の交流発電機におけるＵ−Ｎ端子間電圧，Ｏ−Ｕ端子間電圧，Ｏ−Ｎ端子間電圧の出力波形を示したグラフ。 巻線の説明図であり，（Ａ）は三相巻線，（Ｂ）は補助巻線。 特許文献１の交流発電機におけるステータの結線図（特許文献１の図１に対応）。 先行特許出願の交流発電機におけるステータの説明図であり，（Ａ）は結線図，（Ｂ）はベクトル図。

〔交流発電機の基本構造〕
前述したように，本発明は，図１３（Ａ）を参照して説明した本願出願人の先行出願である前掲の先行特許出願に記載の交流発電機の改良に関するものであり，本発明の交流発電機が備えるステータの基本構造は，図１３（Ａ）に示したステータと同様，中性点Ｏに三相巻線であるＵ相巻線ｕ，Ｖ相巻線ｖ，Ｗ相巻線ｗのそれぞれの一端を接続すると共に，電気角１２０°の位相差でＹ結線した構成を備えている。

従って，この構成により，Ｕ相巻線ｕの他端に接続された出力端子Ｕ，Ｖ相巻線ｖの他端に接続された出力端子Ｖ，Ｗ相巻線ｗの他端に接続された出力端子Ｗ，及び中性点Ｏを介して，所定の定格電圧，本実施例では２００Ｖの三相出力が得られるように構成されている。

また，本発明の交流発電機のステータには，前述した三相巻線ｕ，ｖ，ｗの他に，三相巻線ｕ，ｖ，ｗのいずれか１相（本実施例ではＶ相）の巻線ｖを基準巻線とし，この基準巻線ｖの誘起電圧に対し，ベクトル和において１／２で且つ１８０°の位相差を有する誘起電圧を発生する補助巻線ｎの一端を中性点Ｏに接続すると共に，この補助巻線ｎの他端に出力端子Ｎを接続している点においても前述した先行特許出願として紹介した交流発電機のステータと共通の構造を有している。

図１３（Ａ）の構成では，三相巻線ｕ，ｖ，ｗ中，Ｖ相巻線ｖを前述の基準巻線としているが，その他の相（Ｕ相，Ｗ相）の巻線ｕ，ｗのいずれか一方をこの基準巻線としても良い。

また，図１３（Ａ）の例では，基準巻線ｖの巻数に対し１／２の巻数を有する単一の補助巻線ｎの一端を，基準巻線ｖに対して電気角で１８０°の位相差となるように中性点Ｏに接続することにより前述の補助巻線ｎを形成しているが，補助巻線ｎは，図１３（Ａ）に示すように単一の巻線によって構成する場合のみならず，複数の巻線を組み合わせて構成したものであっても良く，補助巻線ｎ全体の誘起電圧のベクトル和が，基準巻線ｖの励起電圧に対し１／２で，かつ１８０°の位相差となる構成であれば各種構成を採用可能である。

上記構成より，各相の線間電圧（出力端子Ｕ−Ｖ，Ｖ−Ｗ，Ｗ−Ｕ間の電圧）は図示の構成においてそれぞれ２００Ｖであり，従って，各相の電圧は約１１５Ｖ（２００Ｖ／√３）となる。

また，補助巻線ｎに接続された出力端子Ｎと中性点Ｏ間の電圧（出力端子Ｎ，Ｏ間の電圧）はＶ相電圧（１１５Ｖ）に対して１／２の５７．５Ｖで，従って出力端子Ｕ−Ｎ，Ｗ−Ｎ間の電圧は約１００Ｖ（５７．５Ｖ×√３）である。

なお，図１３（Ａ）を参照して説明した先行特許出願に記載の交流発電機では，単相２線１００Ｖの出力を，基準巻線ｖに設けた中間タップＴと中性点Ｏ間で得るものとしていたことから，基準巻線ｖに中間タップＴを設ける構成となっているが，本願の交流発電機では，後述するようにＵ−Ｎ端子間，又はＷ−Ｎ端子間で単相２線１００Ｖの出力が得られることから，基準巻線ｖに中間タップＴを設ける必要はないが，本発明の交流発電機においても，前記中間タップＴを設けても良い。

以上のように構成された交流発電機のステータ１０は，図２，図４及び図６に示すように，ステータコア１２に対し，前述した三相巻線ｕ，ｖ，ｗと，補助巻線ｎを所定のパターンで取り付けることで形成される。

前述のステータコア１２は，中央にロータ４０が挿入される開口が形成された円筒状に形成されており，その内周に巻線を挿入するための溝であるスロット１４と，このスロット１４間に形成されたティース１５を備えており，ステータコア１２の前記スロット１４に三相巻線ｕ，ｖ，ｗと補助巻線ｎが挿入され，取り付けられる。

ステータコア１２に取り付ける巻線は，図１１に示すように三相巻線ｕ，ｖ，ｗ及び補助巻線ｎのいずれ共に，所定の巻数で巻かれたエレメントコイル（２１〜２３，３１〜３３）を備えており，図１１（Ａ）の例では，３つのエレメントコイル２１〜２３を３段直列に接続して三相巻線のセットコイル２０（２０ａ）を構成し，また，図１１（Ｂ）の例では，３つのエレメントコイル３１〜３３を３段直列に接続して補助巻線のセットコイル３０（３０ａ）を構成している。

セットコイル２０，３０を構成する各エレメントコイル（２１〜２３，３１〜３３）には，それぞれ，ステータコア１２のスロット１４内に挿入される直線状の部分である挿入部（２１ａ〜２３ａ，２１ｂ〜２３ｂ，３１ａ〜３３ａ，３１ｂ〜３３ｂ）が一対ずつ設けられていると共に，ステータコア１２に対する取り付け時，ステータコア１２の両端より突出するコイルエンド（２１ｃ〜２３ｃ，２１ｄ〜２３ｄ，３１ｃ〜３３ｃ，３１ｄ〜３３ｄ）が設けられている。

各巻線の各エレメントコイル２１〜２３，３１〜３３にそれぞれ設けられている一対の挿入部（２１ａと２１ｂ；２２ａと２２ｂ；２３ａと２３ｂ；３１ａと３１ｂ；３２ａと３２ｂ；３３ａと３３ｂ）が，所定の間隔（三相巻線にあっては第１間隔Ｐ1，補助巻線にあっては第２間隔Ｐ2）となるよう，ステータコア１２のスロット１４に前述の挿入部（２１ａ〜２３ａ，２１ｂ〜２３ｂ，３１ａ〜３３ａ，３１ｂ〜３３ｂ）を挿入することにより，各エレメントコイル２１〜２３，３１〜３３で所定数のティース１５を巻回している。

〔比較例の発電機の構成〕
「発明が解決しようとする課題」欄で図９を参照して説明したように，Ｕ−Ｎ端子間電圧，およびＷ−Ｎ端子間電圧の出力波形が，左右非対称で正弦波形に対し歪んだ形状として観測された，比較例の交流発電機のステータの構成を図５及び図６に示す。

図５及び図６に示すように，比較例の交流発電機のステータは，スロット数４２のステータコア１２に，三相巻線ｕ，ｖ，ｗと補助巻線ｎを取り付けて形成したステータであり，図５の例において三相巻線ｕ，ｖ，ｗは，それぞれエレメントコイルを３段直列に接続したセットコイル２０（２０ａ）と、エレメントコイルを４段直列に接続したセットコイル２０（２０ｂ）とを備え，３段のセットコイル２０ａに対して４段のセットコイル２０ｂが逆巻になるよう接続して１つの巻線要素２を構成し，２つの巻線要素２によって１相の巻線を構成している。

図示の例においてステータ１２のスロット数は４２スロットで，この４２スロットに４セットのセットコイルを収納することから，１相中で隣接するセットコイルの中心間間隔は１０．５スロットピッチ（４２スロット÷４セットコイル＝１０．５）である。

各エレメントコイルに設けられた一方の挿入部と他方の挿入部との間隔Ｐ１はいずれも９スロットピッチであり，１つのセットコイル２０ａ，２０ｂを構成するエレメントコイルは１段毎に１スロットずつずらして配置する分布巻にて取り付けている。１相の中で隣接するセットコイル２０ａ，２０ｂの中心間間隔は前述のように１０．５スロットであるから，３段のセットコイル２０ａと４段のセットコイル２０ｂとは２つのエレメントコイルの挿入部が同一のスロットに収納される。

前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗは，前述したように各相が２つの巻線要素２を備え，１相の中でそれぞれの巻線要素２は１８０°（４２スロット÷２巻線要素＝２１スロット）離れた位置に配置されている。

前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗは，各相が１２０°の位相差となるように１４スロット（４２スロット÷３相＝１４スロット）ずらして配置している。

隣接する相との間隔は７スロット（４２スロット÷２巻線要素÷３相＝７スロット）である。

図５の例において補助巻線ｎは，エレメントコイルを３段直列に接続したセットコイル３０ａと，エレメントコイルを２段直列に接続したセットコイル３０ｂとを備え，３段のセットコイル３０ａに対して２段のセットコイル３０ｂが逆巻になるよう接続して１つの巻線要素３を構成し，２つの巻線要素３で補助巻線ｎを構成している。

補助巻線ｎを構成する各エレメントコイルに設けられた一方の挿入部と他方の挿入部との間隔Ｐ２はいずれも９スロットピッチであり，１つのセットコイル３０ａ，３０ｂを構成するエレメントコイルは１段毎に１スロットずつずらして配置する分布巻にて取り付けている。補助巻線ｎの中で隣接するセットコイル３０ａ，３０ｂの中心間間隔は１０．５スロットであるから３段のセットコイル３０ａと２段のセットコイル３０ｂとは１つのエレメントコイルの挿入部が同一のスロットに収納される。

補助巻線ｎは，２つの巻線要素３によって構成され，それぞれの巻線要素３は１８０°離れた位置に配置され，巻線要素同士を並列に接続している。

補助巻線ｎは基準巻線ｖに対して１８０°の位相差となるように中性点に接続されるが，補助巻線ｎのセットコイル３０ａ，３０ｂの中心と基準巻線ｖのセットコイル２０ａ，２０ｂの中心とは一致している。

前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗの各相の２つの巻線要素２を，並列に接続すると低圧（２００Ｖ）の出力電圧となり，直列に接続すると高圧（４００Ｖ）の出力電圧となる。

〔比較例の考察〕
ここで，図１３（Ａ），（Ｂ）より，Ｕ−Ｎ端子間電圧の出力波形は，Ｕ相巻線の誘起電圧（Ｏ−Ｕ端子間電圧）の波形と，補助巻線ｎの誘起電圧（Ｏ−Ｎ端子間電圧）の波形との合成によって得られるものであることから，比較例の交流発電機においてＵ−Ｎ端子間電圧の出力波形に歪みが生じた原因を検討すべく，比較例の交流発電機におけるＵ−Ｎ端子間電圧，Ｏ−Ｕ端子間電圧，及びＯ−Ｎ端子間電圧をそれぞれ測定した。この測定結果を図１０に示す。

図１０に示した測定結果より，Ｕ−Ｎ端子間電圧の波形（図中，実線で示した波形）が正弦波形に対し歪んだ波形となるのは，Ｕ相巻線の誘起電圧（Ｏ−Ｕ端子間電圧）の波形（図中，破線で示した波形）に対し，補助巻線の誘起電圧（Ｏ−Ｎ端子間電圧）の波形（図中，点線で示した波形）のピークが遅れて表れることで，両者の合成により得られた波形であるＵ−Ｎ端子間電圧の波形（図中，実線の波形）の降下に遅れが生じ，降下の傾斜が中間位置で紙面右側に膨らんだ形状となることが原因であると推察することができる。

〔本願発明で採用した構造〕
比較例の交流発電機に対する上記考察結果を前提として，本発明の交流発電機では，以下の予想の下，ステータの構造を見直した。

上記図１０に示した比較例の交流発電機の出力波形より，比較例の交流発電機において正弦波として出力されている補助巻線ｎの誘起電圧（Ｏ−Ｎ端子間電圧）の波形（図１０中，点線で示した波形）を歪めて，出力のピーク（波形の頂部）を平坦化し，全体として矩形波に近付けた形状とすることにより，Ｕ−Ｎ端子間電圧の波形を正弦波形に近付けるよう修正できるのではないかと予想を立てた。

そして，図５，６に示した比較例の交流発電機のステータにおける三相巻線ｕ，ｖ，ｗの構成についてはそのままに，補助巻線ｎの各エレメントコイルに設けた一対の挿入部の配置間隔である第２間隔Ｐ2のみを，比較例における９スロットピッチ（巻き数３）に対し，４スロットピッチ（巻き数６）に減少させた交流発電機（実施例１：図１及び図２参照）を作製し，Ｕ−Ｎ端子間電圧，Ｏ−Ｕ端子間電圧，Ｏ−Ｎ端子間電圧を測定して，それぞれの変化の様子を測定した。その結果を，図７に示す。

図７に示したように，第２間隔Ｐ2を４スロットピッチに減少させた実施例１の交流発電機では，比較例の交流発電機ではきれいな正弦波（図１０の点線の波形を参照）として観察された補助巻線ｎの誘起電圧（Ｏ−Ｎ端子間電圧）の波形に歪みが生じ，波形のピーク部分（頂部）が潰れて矩形波に近い形状に変形していることが確認された（図７の点線の波形を参照）。

その一方で，比較例の交流発電機では歪んでいたＵ−Ｎ端子間の出力電圧波形については正弦波形に極めて近い形状にまで歪みが改善されていることが確認された（図７の実線の波形を参照）。

更に，第２間隔Ｐ2を，図３及び図４に示すように６スロットピッチ（巻き数５）に変更した交流発電機（実施例２）を作製してＵ−Ｎ端子間電圧を測定したところ，図８に示すように，実施例１の交流発電機のＵ−Ｎ端子間電圧との比較では歪みの改善効果は低下していたものの，比較例の交流発電機との比較では，波形の歪みが大幅に改善され，正弦波形に近付いていることが確認された。

なお，以上ではＵ−Ｎ端子間電圧の出力波形の観察結果について説明したが，Ｗ−Ｎ端子間電圧の出力波形についても前述した第２間隔Ｐ2を第１間隔Ｐ1に対し狭く形成することで，同様に波形の改善が得られることが確認された。

〔実施例に基づく効果の考察〕
以上の結果から，三相巻線ｕ，ｖ，ｗの各エレメントコイルに設けた一対の挿入部の配置間隔（第１間隔Ｐ1）に対し，補助巻線ｎの各エレメントコイルに設けた一対の挿入部の配置間隔（第２間隔Ｐ2）を狭くすると，Ｕ−Ｎ端子間電圧及びＷ−Ｎ端子間電圧の出力波形の歪みがいずれも改善されて正弦波形に近付くことが確認された。

また，この第２間隔Ｐ2は，これを６スロットピッチとした実施例２に対し，４スロットピッチとした実施例１においてより優れた波形の改善が見られたことから，第２間隔Ｐ2はこれを狭くする程，Ｕ−Ｎ端子間電圧，及びＷ−Ｎ端子間電圧の出力波形を正弦波形に近付けることができることが確認された。

一方，第２間隔Ｐ2を６スロットピッチとした実施例２では，これを４スロットピッチとした実施例１に比較して，波形の歪みの改善効果は低下したものの，比較例との比較において大幅な改善効果が得られていると共に，実施例２の構成では，実施例１の構成に比較して補助巻線ｎの各エレメントコイルの巻数を少なくすることができるため，１つのスロットに挿入する巻線量を減少させることができる点で有利である。

なお，実施例１，２の構成では，いずれもＵ−Ｎ端子間電圧，Ｗ−Ｎ端子間電圧の出力波形の改善が得られるだけでなく，補助巻線ｎの各エレメントコイルの周長が短くなることで，銅線の使用量を減らすことができ，使用材料の減少に伴う交流発電機の軽量化と製造コストの低減という効果についても得ることができた。

また，比較例の構成では，図５及び図６に示したように，７番スロット，１７番スロット，２８番スロット，３８番スロットで隣接するセットコイルの補助巻線ｎのエレメントコイルが重なって挿入されている結果，１スロットあたり最大で４つのエレメントコイルが挿入された４層構成となるのに対し，実施例１，実施例２の交流発電機では，図２及び図４に示したように，１スロットあたりに挿入されるエレメントコイルは最大でも３つで，ステータ１０を３層構成に減少させることができたことで，集中してエレメントコイルが挿入されているスロット部分でコイルエンドが膨らむことを防止でき，交流発電機の小型化が図れるだけでなく，１スロットあたりに挿入されるエレメントコイル数が減少することで，絶縁紙の取り付け作業やスロットに対する挿入部の取り付け作業が軽減される結果，作業性の向上が得られるという効果についても得られるものとなった。

２ 巻線要素（三相巻線の）
３ 巻線要素（補助巻線の）
１０ ステータ
１２ ステータコア
１４ スロット
１５ ティース
２０，２０ａ，２０ｂ セットコイル（三相巻線の）
２１〜２３ エレメントコイル（三相巻線の）
２１ａ〜２３ａ，２１ｂ〜２３ｂ 挿入部
２１ｃ〜２３ｃ，２１ｄ〜２３ｄ コイルエンド
３０，３０ａ，３０ｂ セットコイル（補助巻線の）
３１〜３３ エレメントコイル（補助巻線の）
３１ａ〜３３ａ，３１ｂ〜３３ｂ 挿入部
３１ｃ〜３３ｃ，３１ｄ〜３３ｄ コイルエンド
４０ ロータ
ｕ Ｕ相巻線
ｖ Ｖ相巻線（基準巻線）
ｗ Ｗ相巻線
ｎ 補助巻線
Ｕ 出力端子（Ｕ相）
Ｖ 出力端子（Ｖ相）
Ｗ 出力端子（Ｗ相）
Ｎ，Ｔ2 出力端子（補助巻線の）
Ｏ 中性点
Ｔ 中間タップ
Ｐ1 第１間隔［挿入部の配置間隔（三相巻線の）］
Ｐ2 第２間隔［挿入部の配置間隔（補助巻線の）］

上記目的を達成するために，本発明の交流発電機は，
ステータコア１２のスロット１４に，三相巻線ｕ，ｖ，ｗの各エレメントコイル２１〜２３に設けた一対の挿入部（２１ａ，２１ｂ；２２ａ，２２ｂ；２３ａ，２３ｂ）を所定の第１間隔Ｐ1となるよう挿入して，前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗを，中性点Ｏを中心に１２０°の位相差のＹ結線となるよう前記ステータコア１２に取り付けることで形成されたステータ１０を備え，前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗの各出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ間より所定電圧（一例として２００Ｖ）の三相出力を取り出し可能に構成された交流発電機において，
前記中性点Ｏに接続された補助巻線ｎを更に設け，
前記ステータコア１２のスロット１４に，前記補助巻線ｎの各エレメントコイル３１〜３３に設けた一対の挿入部（３１ａ，３１ｂ；３２ａ，３２ｂ；３３ａ，３３ｂ）を所定の第２間隔Ｐ2で挿入して，前記補助巻線ｎを，該補助巻線ｎによって誘起される誘起電圧のベクトル和が，前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗのうちのいずれか１相（実施例においてＶ相）の巻線である基準巻線ｖの誘起電圧（１１５Ｖ）に対し１／２で，且つ，前記基準巻線ｖの誘起電圧に対し１８０°の位相差を生じるように，前記ステータ１０に取り付けると共に，
前記第１間隔Ｐ1に対し，前記第２間隔Ｐ2を狭く形成して，前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗのうち前記基準巻線ｖを除く他の２巻線ｕ，ｗのいずれか一方の出力端子（Ｕ又はＷ）と前記補助巻線ｎの出力端子Ｎを，前記所定電圧に対し約１／２の電圧を正弦波形に近付けた出力波形で出力する単相２線出力部としたことを特徴とする（請求項１，図２，及び図１１〜図１３）。

Claims (2)

1. ステータコアのスロットに，三相巻線の各エレメントコイルに設けた一対の挿入部を所定の第１間隔となるよう挿入して，前記三相巻線を，中性点を中心に１２０°の位相差のＹ結線となるよう前記ステータコアに取り付けることで形成されたステータを備え，前記三相巻線の各出力端子間より所定電圧の三相出力を取り出し可能に構成された交流発電機において，
   前記中性点に接続された補助巻線を更に設け，
   前記ステータコアのスロットに，前記補助巻線の各エレメントコイルに設けた一対の挿入部を所定の第２間隔で挿入して，前記補助巻線を，該補助巻線によって誘起される誘起電圧のベクトル和が，前記三相巻線のうちのいずれか１相の巻線である基準巻線の誘起電圧に対し１／２で，且つ，前記基準巻線の誘起電圧に対し１８０°の位相差を生じるように，前記ステータに取り付けると共に，
   前記第１間隔に対し，前記第２間隔を狭く形成して，前記三相巻線のうち前記基準巻線を除く他の２巻線のいずれか一方の出力端子と前記補助巻線の出力端子を，前記所定電圧に対し約１／２の電圧を出力する単相２線出力部としたことを特徴とする交流発電機。
2. 前記三相巻線及び補助巻線を共に分布巻きとしたことを特徴とする請求項１記載の交流発電機。

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