JP3973535B2

JP3973535B2 - 分散電源用発電装置

Info

Publication number: JP3973535B2
Application number: JP2002309790A
Authority: JP
Inventors: 剛塩田; 恵一上園
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: JP2004147427A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機から概略の最大出力を取り出す分散電源用発電装置の永久磁石型発電機の固定子構造に関するものであり、特に、ＰＷＭコンバータを用いずに定電圧充電を行う分散電源用発電装置の異なる誘起電圧を発生する複数の巻線により構成される永久磁石型発電機の固定子構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は先に、風車又は水車に接続された永久磁石型発電機より、ＰＷＭコンバータを用いずに交流を直流に変換して概略の最大出力を取り出すために、永久磁石型発電機の異なる誘起電圧を発生する複数の巻線の出力端子に個別のリアクトルを経て直列に個別のダイオード整流器を接続し、この個別のダイオード整流器の直流出力を加算して外部に出力する分散電源用発電装置について【特願２００２−２２１７１４号】の「小型風力発電装置」にて提案している（出願特許文献１）。
【０００３】
かかる先願技術を、図６の風車に接続された分散電源用発電装置を示す主回路単線結線図を参照して詳述する。
図６において、１は風車、２は先願技術の分散電源用発電装置、３は永久磁石型発電機、４〜６は第１〜第３のリアクトル、７〜９は第１〜第３のダイオード整流器、１０は正側出力端子、１１は負側出力端子、１２はバッテリー、１３〜１５は第１〜第３の巻線の出力端子である。
【０００４】
この永久磁石型発電機３は、絶縁され、かつ誘起電圧の異なる３巻線を有し、３巻線の中の巻数が一番少ないために一番誘起電圧の低い第１の巻線の出力端子１３は、第１のリアクトル４に接続され、さらに第１のダイオード整流器７に接続される。
次に巻数が多い第２の巻線の出力端子１４は、第２のリアクトル５に接続され、さらに第２のダイオード整流器８に接続される。
又、巻数が一番多いために一番誘起電圧の高い第３の巻線の出力端子１５は、第３のリアクトル６に接続され、さらに第３のダイオード整流器９に接続される。
上記第１〜第３のダイオード整流器７〜９の各々の直流側は、正側出力端子１０及び負側出力端子１１に接続され、各巻線の合計出力がバッテリー１２に接続される。
【０００５】
このように構成される分散電源用発電装置２より、概略の風車最大出力を得る方法を以下に示す。
図５は、風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明した図である。
風車は、風車の形状及び風速Ｕが決まると、風車回転数Ｎに対する風車出力Ｐが一義的に定まり、例えば風速Ｕｘ及びＵｙに対する風車出力Ｐは、それぞれ図４の実線で示される。そして、種々の風速に対する風車出力Ｐのピークは、図５の一点鎖線で示す最大出力曲線のようになる。
すなわち、図５の風車回転数対風車出力特性において、風速がＵｘの時は、風速Ｕｘの風車出力曲線と最大出力曲線との交点Ｓｘに示すように、風車回転数Ｎｘにおいて、風車最大出力Ｐｘとなる。
又、風速がＵｙの時は、風車回転数Ｎｙにおいて、風速Ｕｙでの風車最大出力Ｐｙとなる。
【０００６】
すなわち、図５の最大出力曲線を見方を変えて見ると、風から最大出力を得るためには、風車回転数Ｎが決まると、その時の永久磁石型発電機の出力Ｐを一義的に、最大出力曲線上の値に定めれば良いことを表している。
【０００７】
図４は、先願技術が対象とする分散電源用発電装置２の直流出力をバッテリー等の定電圧源に接続した場合の説明図であり、分散電源用発電装置２の永久磁石型発電機内３の第１〜第３の巻線の各出力は、各巻線の誘起電圧値の違い、及び各巻線内部インダクタンスと各出力端子に接続される個別リアクトルによる電圧降下のために、図４の風車回転数対出力特性に示すＷ１〜Ｗ３のようになる。
【０００８】
すなわち、風車回転数Ｎが低い場合には、第３の巻線の発生電圧ＶＷ３がバッテリー電圧ＶＢより低いために、バッテリーには充電されない。しかし、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ３付近になると、電流が流れ始めて、風車回転数ＮがＮ３になると、第３の巻線の出力Ｗ３はＰＷ３となる。これ以上に風車回転数Ｎが上昇して誘起電圧が上昇しても、バッテッリー電圧は、ほぼ一定であるが、巻線のインダクタンスによるインピーダンスが周波数に比例するために、出力Ｗ３はＰＷ３よりも漸増するに留まる。
第２の巻線については、さらに回転数Ｎが上昇することにより出力が取れるが、内部インダクタンス等が小さいために大きな出力が取れる。第３の巻線については、さらに回転数Ｎが上昇したときに、さらに大きな出力が取れる。
【０００９】
このように構成される分散電源用発電装置２のバッテリー１２等の定電圧源への出力は、第１〜第３の巻線の出力Ｗ１〜Ｗ３を加算して得られる合計出力と同一である。
図３は、先願技術が対象とする分散電源用発電装置の風車回転数対風車出力特性図である。
図３の実線で示す最大出力曲線は、図５で示した最大出力曲線と同一の曲線であり、風車回転数Ｎに対する出力Ｐが、この曲線上にあれば、風車より最大出力を取り出せる。
従って、分散電源用発電装置２では、図３の点線で示すが如き近似出力曲線上の出力で近似的に取り出す。すなわち、前記の第１〜第３の巻線の出力Ｗ１〜Ｗ３を加算して得られる出力により、近似出力曲線上の合計出力を実現している。
【００１０】
【出願特許文献１】
特願２００２−２２１７１４号（第1図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような分散電源用発電装置２の永久磁石型発電機３の固定子歯に巻回される複数の巻線において、風又は水より流速の３乗に比例する出力を得るためには、例えば、第１の巻線は第２の巻線よりもほぼ２の３乗倍、すなわち８倍の出力を得るものとし、第２の巻線の巻数を２T、その電流をI、その積を２T×Iとすると、第１の巻線の巻数はT、その電流はほぼI×２^３であり、その積はほぼT×８Iとなる。従って、第２の巻線に対して第１の巻線の巻数と電流の積をほぼ４倍多くする必要があるために、第２の巻線と第１の巻線の電流密度を同一にすると固定子スロットの利用率がほぼ４倍程度アンバランスになり、固定子スロットの利用率をバランスさせると、巻線の抵抗損失がほぼ４倍異なり、第１の巻線に異常温度上昇が生じることになる。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、主として、その目的とするところは、固定子歯に複数の巻線を巻回される永久磁石型発電機の固定子スロットの利用率をバランスさせ、巻線の温度をバランスさせる分散電源用発電装置の永久磁石型発電機を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明では、永久磁石型発電機の異なる誘起電圧を発生する複数の巻線において、発生する誘起電圧の低い巻線は巻線径の太い巻線により構成し、前記巻線より誘起電圧の高い巻線は前記より巻線径の細い巻線により構成して、同一固定子歯又は複数の固定子歯に分布して巻回することにより、固定子スロットの利用率をバランスさせるとともに、巻線の異常な温度上昇を防止する分散電源用発電装置の永久磁石型発電機を構成するものである。
さらに、上記のように構成された永久磁石型発電機の起動時のトルクを軽減させる固定子歯の配置を工夫したものである。
【００１３】
本発明は上記原理に基づき、前述の課題を解決するものであり、その目的を達成するための手段は、
１）請求項１において、
風車又は水車により駆動されて、異なる誘起電圧を発生する複数の巻線により構成される永久磁石型発電機の交流出力を、前記複数の巻線の出力端子に個別のリアクトルを経て直列に接続される個別のダイオード整流器により整流し、該個別のダイオード整流器の直流出力を加算して外部に出力する分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機の異なる誘起電圧を発生する複数の巻線は発生する誘起電圧が低いと巻線径を太くし、発生する誘起電圧が高いと巻線径を細くすることを特徴とするものである
【００１４】
２）請求項２において
請求項１記載の分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機の同一固定子歯に異なる誘起電圧を発生する複数の巻線を設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
３）請求項３において
請求項１記載の分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機のある固定子歯には巻線径が太い巻線を巻回し、前記永久磁石型発電機の別の固定子歯には巻線径が細い2種類以上の巻線を巻回して、複数の異なる誘起電圧を発生することを特徴とするものである。
【００１６】
４）請求項４において
請求項１、２及び３記載の分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機の固定子歯は回転子磁極数に対して１．５倍の歯数を有することを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の、風車又は水車より直流出力を得る分散電源用発電装置における永久磁石型発電機の固定子構造を説明するための図であり、図６と同様に、異なる誘起電圧を発生する巻線の数が３で、図６では特に言及していない回転子の極数は４極の場合について説明する。
同図において、３は永久磁石型発電機、４０は回転子、３０は固定子、３１〜３６は第1〜第６の固定子歯、３７は固定子ヨーク、２１は第1の巻線、２２は第２の巻線、２３は第３の巻線であり、図６と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図１について説明する。
【００１８】
第1〜第３の巻線２１〜２３は第1〜第６の固定子歯３１〜３６に巻回されている。第1の巻線２１は、巻線径の一番大きい巻線により構成され、第２の巻線２２は、次に巻線径の大きい巻線により構成され、さらに第３の巻線２３は、巻線径の一番小さい巻線により構成される。
他の第２〜第６の固定子歯にも同様に第1〜第３の巻線２１〜２３が巻回されている。
このように第1〜第３の巻線２１〜２３が同一の固定子歯に巻回されているので、隣り合う固定子歯３１〜３６と固定子ヨーク３７の間を構成する固定子スロットの巻線占有率は同一になる。
【００１９】
ここで第1の固定子歯３１に巻回されている第1の巻線２１の誘起電圧と、第４の固定子歯３４に巻回されている第1の巻線２１の誘起電圧は同位相なので、直列に接続して外部に出力される。さらに、第1の固定子歯３１に巻回されている第２の巻線２２の誘起電圧と、第４の固定子歯３４に巻回されている第２の巻線２２の誘起電圧は同位相であり、第1の固定子歯３１に巻回されている第３の巻線２３の誘起電圧と、第４の固定子歯３４に巻回されている第３の巻線２３の誘起電圧は同位相なので、それぞれ直列に接続して外部に出力される。
同様に、第２の固定子歯３２に巻回されている第1〜第３の巻線２１〜２３の誘起電圧と、第５の固定子歯３５に巻回されている第1〜第３の巻線２１〜２３の誘起電圧はそれぞれ同位相なので、それぞれ直列に接続して外部に出力される。又、第３の固定子歯３３と第６の固定子歯３６に巻回されている第1〜第３の巻線２１〜２３についても同様である。
従って、図１の実施例においては誘起電圧が一番低い第１の巻線は、位相が１２０度異なる３種類の電圧を外部に出力し、他の第２、第３の巻線についても同様に３種類の電圧を外部に出力するので、全部で９種類の電圧を出力する。
又、上記では誘起電圧値が同一の同位相電圧を直列に接続するとしたが、並列に接続して外部に取り出すことも可能である。
【００２０】
本発明では、図１において固定子歯数が６、回転子極数が４の組み合わせについて説明したが、例えば、固定子歯数が４、回転子の極数が４の組み合わせにおいては、固定子歯数と回転子の極数が同一であるために、磁石中心と回転子歯が向き合っているときは磁気抵抗が小さく、磁石中心が固定子歯と固定子歯の中間にあるときは磁気抵抗が大きくなり、回転子の回転により磁気抵抗が大きく変化して、回転子に埋め込まれている永久磁石による磁束量の変化が大きくなるので、起動トルクが大きくなる。
しかし本発明においては、固定子歯数が６、回転子の極数が４なので、N極の磁石中心が固定子歯と向き合っているときはS極の磁石中心が固定子歯と向き合ってなく、S極の磁石中心が固定子歯と向き合っているときはN極の磁石中心が固定子歯と向き合っていないので、回転子の回転による磁気抵抗の変化が小さいために、回転子に埋め込まれている永久磁石による発生磁束量は、回転子が回転しても、ほとんど変化しない。従って、回転子が容易に起動できるので回転には小さなトルクで可能であり、風又は水の流速が小さくてもエネルギーを取り出すことができる。
【００２１】
図２は、本発明の第２の実施例であり、３１〜３６は第1〜第６の固定子歯、２１〜２３は第１〜第３の巻線であり、図６と同一番号は同一構成部品を表す。図２において、巻線径が一番大きい第1の巻線２１は第1の固定子歯３１に巻回され、次に巻線径の大きい第２の巻線２２及び巻線径が一番小さい第３の巻線２３は第２の固定子歯３２に巻回され、以下同様に第1の巻線が第３と第５の固定子歯３３、３５に巻回され、第２と第３の巻線が第４と第６の固定子歯３４、３６に巻回されている。
【００２２】
このように構成される固定子３０においては、巻線径が一番大きくて巻数と電流の積が一番大きい第１の巻線のみが一つの固定子歯に巻回され、次に巻線径の大きな第２の巻線と一番巻線径の小さい第３の巻線が同一の固定子歯に巻回されているので、隣り合う固定子歯３１〜３６と固定子ヨーク３７の間を構成する固定子スロットの巻線占有率はほぼ同一にすることができる。
ここで図２の実施例においては、同一回転数において誘起電圧が異なる３種類の巻線は、位相がそれぞれ１２０度異なる３種類の電圧を外部に出力するので、全部で９種類の電圧を出力する。
さらに、図２においても、図１と同様に固定子歯数が６、回転子の極数が４なので、回転子の回転による磁気抵抗の変化が小さいために、回転子に埋め込まれている磁石による発生磁束量は、回転子が回転しても、ほとんど変化しない。従って、回転子が容易に回転できるので回転には小さなトルクで可能である。
【００２３】
本発明の実施例では、固定子歯数が６で回転子極数が４のように、固定子歯数と回転子極数の比が１．５のときに起動時のトルクを小さくできると説明したが、固定子歯数と回転子極数の比が他の実数の組み合わせでも起動時のトルクを小さくできるので、巻線径及び巻数の異なる数種類の巻線を固定子歯に巻回することにより、外部への出力線が増加するが、本発明の分散電源用発電装置の永久磁石型発電機を構成することができる。
さらに、固定子歯数と回転子極数の比が整数のときでも、固定子歯や永久磁石のスキューにより起動時のトルクを小さくする方法により、巻線に発生する電圧の位相は同一になるので、永久磁石型発電機から外部への出力線を減少させた本発明の分散電源用発電装置の永久磁石型発電機を構成することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上、ＰＷＭコンバータを使用しないで、風車又は水車より最大出力を取り出す分散電源用発電装置の永久磁石型発電機において、固定子歯に巻線径及び巻数の異なる３種類の巻線を巻回して、位相差を含めて合計９種類の誘起電圧を外部に出力するとともに、固定子の固定子歯数を回転子極数の1.5倍にする永久磁石型発電機の固定子構造について説明した。
このような分散電源用発電装置の永久磁石型発電機を用いれば、固定子スロットの利用率を向上させた、異なる誘起電圧を発生する巻線を有することができ、回転子が小さなトルクで起動できるので、風又は水の流速が小さくてもエネルギーを取り出すことができ、実用上おおいに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、風車又は水車により駆動される分散電源用発電装置の永久磁石型発電機の構造図である。
【図２】本発明の、別の風車又は水車により駆動される分散電源用発電装置の永久磁石型発電機の構造図である。
【図３】先願出願が対象とする分散電源用発電装置の風車回転数対風車出力特性図である。
【図４】先願出願が対象とする分散電源用発電装置の動作原理を説明するための図である。
【図５】風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明する図である。
【図６】先願出願の分散電源用発電装置の主回路単線結線図である。
【符号の説明】
１風車
２分散電源用発電装置
３永久磁石型発電機
４〜６第１〜第３のリアクトル
７〜９第１〜第３のダイオード整流器
１０正側出力端子
１１負側出力端子
１２バッテリー
１３〜１５第１〜第３の出力端子
２１〜２３第１〜第３の巻線
３０固定子
３１〜３６第１〜第６の固定子歯
３７固定子ヨーク
４０回転子

Claims

風車又は水車により駆動されて、異なる誘起電圧を発生する複数の巻線により構成される永久磁石型発電機の交流出力を、前記複数の巻線の出力端子に個別のリアクトルを経て直列に接続される個別のダイオード整流器により整流し、該個別のダイオード整流器の直流出力を加算して外部に出力する分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機の異なる誘起電圧を発生する複数の巻線は発生する誘起電圧が低いと巻線径を太くし、発生する誘起電圧が高いと巻線径を細くすることを特徴とする分散電源用発電装置。
請求項１記載の分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機の同一固定子歯に異なる誘起電圧を発生する複数の巻線を設けたことを特徴とする分散電源用発電装置。
請求項１記載の分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機のある固定子歯には巻線径が太い巻線を巻回し、前記永久磁石型発電機の別の固定子歯には巻線径が細い2種類以上の巻線を巻回して、複数の異なる誘起電圧を発生することを特徴とする分散電源用発電装置。
請求項１〜３記載の分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機の固定子歯は回転子磁極数に対して1.5倍の歯数を有することを特徴とする分散電源用発電装置。