JP4544855B2

JP4544855B2 - 分散電源用永久磁石型発電機の構造

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Publication number: JP4544855B2
Application number: JP2003424732A
Authority: JP
Inventors: 剛塩田; 勝利赤池; 尚佐野
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: JP2005185041A

Description

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永久磁石型発電機の構造に関するものである。

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整流器を接続し、この個別の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（特許文献１）。

かかる先願技術を、図８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８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。

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の整流器９に接続される。
上記第１〜第３の整流器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。

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７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７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７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７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。

すなわち、図７の最大出力曲線について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。

図６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６の風車回転数対出力特性に示すＷ１〜Ｗ３のようになる。

すなわち、風車回転数Ｎが低い場合には、第３の巻線の発生電圧がバッテリー電圧より低いために、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１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。

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５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５の実線で示す最大出力曲線は、図７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５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。
特願２００２−２２１７１４号（図１）

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において、近似出力曲線上の合計出力を得るための良好な固定子歯数、巻線結線方法および回転子極数の関係が不明であるという問題があった。

従って、本発明では、永久磁石型発電機３において、回転子極数を６、固定子歯数を９で構成し、異なる誘起電圧を発生する巻線を３種類として、第１〜３の固定子歯には発生する誘起電圧の最も低い第１の巻線を巻き、第４〜６の固定子歯には発生する誘起電圧が次に低い第２の巻線を巻き、第７〜９の固定子歯には誘起電圧の一番高い第３の巻線を巻いて、３種類の巻線は各々３相を構成するものである。

本発明においては、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永久磁石型発電機の、起動時のトルクを減少させることができ、固定子歯に巻く巻線の種類を減少させることができる固定子歯数、巻線結線方法および回転子極数の関係を与えることができる。

さらに、本発明では、永久磁石型発電機３において、回転子極数を１０、固定子歯を１２、異なる誘起電圧を発生する巻線を３種類とし、第１、２、５、６、９、１０の固定子歯には発生する誘起電圧の低い第１の巻線のみ巻き、第３、４、７、８、１１、１２の固定子歯には前記巻線より誘起電圧の高い第２および第３の巻線を巻き、第１と第２の固定子歯、第５と第６の固定子歯、第９と第１０の固定子歯、第３と第４の固定子歯、第７と第８の固定子歯、および第１１と第１２の固定子歯に巻く巻線の方向を互いに逆方向にして、それぞれ直列接続して同一相を構成し、３種類の巻線は各々３相を構成するものである。

図１は、本発明の第１の実施例を示す断面図であって、３は永久磁石型発電機、５０は固定子、５１は固定子ヨーク、６０は回転子である。ここでは、回転子極数を６、固定子歯数を９、異なる誘起電圧を発生する巻線を３種類とし、第１〜３の固定子歯３１〜３３には発生する誘起電圧の最も低い第１の巻線１１１、２１１、３１１を巻き、第４〜６の固定子歯３４〜３６には発生する誘起電圧が次に低い第２の巻線１２１、２２１、３２１を巻き、第７〜９の固定子歯３７〜３９には誘起電圧の一番高い第３の巻線１３１、２３１、３３１を巻いて、３種類の巻線は各々３相を構成するものである。

このように各固定子歯に巻かれた３種類の巻線は、第１の巻線１１１、２１１、３１１により図６のＷ１を出力し、第２の巻線１２１、２２１、３２１により図６のＷ２を出力し、第３の巻線１３１、２３１、３３１により図６のＷ３を出力する。

図１の構成の固定子歯数および巻線結線方法により、製作工数の少ない分散電源用発電装置２の永久磁石型発電機３を構成できる。さらに、回転子極数が６、固定子歯数が９なので、その最小公倍数は１８となり、磁気抵抗の変化が小さいために、永久磁石型発電機の起動時のトルクを減少させることができる。
又、永久磁石型発電機３の巻線に電流が流れて、半径方向の磁気吸引力が問題となるときは、２以上の同一整数ｎにより回転子極数を６のｎ倍、固定子歯数を９のｎ倍で構成すれば、半径方向の磁気吸引力をバランスさせることができる。

図２は、本発明の第２の実施例を示す断面図であって、回転子極数を１０、固定子歯数を１２、異なる誘起電圧を発生する巻線を３種類とし、３種類の巻線は各々３相を構成するものである。図１と同一番号は同一構成部品を表す。
第１、２の固定子歯３１、３２、第５、６の固定子歯３５、３６、および第９、１０の固定子歯３９、４０には発生する誘起電圧の最も低い第１の巻線１１１、１１２、２１１、２１２、および３１１、３１２を巻く。
ここで、巻線１１２は巻線１１１に対して逆方向に巻き直列接続されてU相を構成し、巻線２１２は巻線２１１に対して逆方向に巻き直列接続されてV相を構成し、巻線３１２は巻線３１１に対して逆方向に巻き直列接続されてW相を構成し、図６のW1を出力する。

第３、４の固定子歯３３、３４、第７、８の固定子歯３７、３８、および第１１、１２の固定子歯４１、４２には、発生する誘起電圧が次に低い第２の巻線１２１、１２２、２２１、２２２、および３２１、３２２と、発生する誘起電圧が一番高い第３の巻線１３１、１３２、２３１、２３２、および３３１、３３２を巻く。
ここで、巻線１２２は巻線１２１に対して逆方向に巻かれてU相を構成し、巻線２２２は巻線２２１に対して逆方向に巻かれてV相を構成し、巻線３２２は巻線３２１に対して逆方向に巻かれてW相を構成し、図６のW２を出力する。
さらに、巻線１３２は巻線１３１に対して逆方向に巻かれてU相を構成し、巻線２３２は巻線２３１に対して逆方向に巻かれてV相を構成し、巻線３３２は巻線３３１に対して逆方向に巻かれてW相を構成し、図６のW３を出力する。

ここで、第３、４の固定子歯３３、３４等に、巻線作業を煩雑にしてまで出力の小さい２種類の巻線を巻いたのは、固定子歯と固定子ヨーク５１の間を構成する固定子スロットの巻線占有率をできるだけ同じにして、無駄なスペースを無くして永久磁石型発電機３の体積を減少させるためである。

図２の構成の固定子歯数および巻線結線方法により、図１の本発明の第１の実施例に示す構成よりは同一固定子歯に巻く巻線の種類は多いが、製作工数の比較的少ない分散電源用発電装置２の永久磁石型発電機３を構成できる。
又、回転子極数が１０、固定子歯数が１２なので、その最小公倍数は６０となり、図１の本発明の第１の実施例に示す構成よりも多くなり、より磁気抵抗の変化が小さいので、さらに永久磁石型発電機の起動時のトルクを減少させることができる。

多極が要求される永久磁石型発電機３においては、２以上の同一整数ｎにより回転子極数を１０のｎ倍、固定子歯数を１２のｎ倍で構成すれば良い。
ｎが２以上の整数のとき、３種類の巻線の誘起電圧は直列または並列に接続して、バッテリー電圧に合わせて外部に出力することが可能である。

図３は、本発明の第３の実施例を示す断面図であって、回転子極数を１６、固定子歯数を１８、異なる誘起電圧を発生する巻線を３種類とし、３種類の巻線は各々３相を構成するものである。図１と同一番号は同一構成部品を表す。
第１〜第３の固定子歯３１〜３３に、第１のＵ相巻線１１１〜１１３を巻き、第７〜第９の固定子歯３７〜３９に、第１のＶ相巻線２１１〜２１３を巻き、第１３〜第１５の固定子歯に、第１のＷ相巻線３１１〜３１３を巻く。
ここで、第１のＵ相巻線１１２は他の第１のＵ相巻線とは逆方向に、第１のＶ相巻線２１２は他の第１のＶ相巻線とは逆方向に、さらに第１のＷ相巻線３１２は他の第１のＷ相巻線とは逆方向に、それぞれ巻かれて図６のW1を出力する。

第４〜第６の固定子歯３４〜３６に、第２のＵ相巻線１２１〜１２３と第３のＵ相巻線１３１〜１３３を巻き、第１０〜第１２の固定子歯４０〜４２に、第２のＶ相巻線２２１〜２２３と第３のＶ相巻線２３１〜２３３を巻き、第１６〜第１８の固定子歯に、第２のＷ相巻線３２１〜３２３と第３のＷ相巻線３３１〜３３３を巻く。
ここで、第２のＵ相巻線１２２は他の第２のＵ相巻線とは逆方向に、第２のＶ相巻線２２２は他の第２のＶ相巻線とは逆方向に、さらに第２のＷ相巻線３２２は他の第２のＷ相巻線とは逆方向に、それぞれ巻かれて図６のW２を出力する。
又、第３のＵ相巻線１３２は他の第３のＵ相巻線とは逆方向に、第３のＶ相巻線２３２は他の第３のＶ相巻線とは逆方向に、さらに第３のＷ相巻線３３２は他の第３のＷ相巻線とは逆方向に、それぞれ巻かれて図６のW３を出力する。

図３の構成の固定子歯数および巻線結線方法により、図１の本発明の第１の実施例に示す構成よりは同一固定子歯に巻く巻線の種類は多いが、製作工数の比較的少ない分散電源用発電装置２の永久磁石型発電機３を構成できる。
又、回転子極数が１６、固定子歯数が１８なので、その最小公倍数は７２となり、図２の本発明の第２の実施例に示す構成よりも多くなり、より磁気抵抗の変化が小さいので、さらに永久磁石型発電機の起動時のトルクを減少させることができる。

多極が要求される永久磁石型発電機３においては、２以上の同一整数ｎにより回転子極数を１６のｎ倍、固定子歯数を１８のｎ倍で構成すれば良い。
ｎが２以上の整数のとき、３種類の巻線の誘起電圧は直列または並列に接続して、バッテリー電圧に合わせて外部に出力することが可能である。

図４は、本発明の第４の実施例を示す断面図であって、回転子極数を８、固定子歯数を６、異なる誘起電圧を発生する巻線を３種類とし、３種類の巻線は各々３相を構成するものである。図１と同一番号は同一構成部品を表す。
第１、第４の固定子歯３１、３４に、第１のＵ相巻線１１１、１１２、第２のＵ相巻線１２１、１２２、および第３のＵ相巻線１３１、１３２を巻き、第２、第５の固定子歯３２、３５に、第１のＶ相巻線２１１、２１２、第２のＶ相巻線２２１、２２２、および第３のＶ相巻線２３１、２３２を巻き、第３、第６の固定子歯３３、３６に、第１のＷ相巻線３１１、３１２、第２のＷ相巻線３２１、３２２、および第３のＷ相巻線３３１、３３２を巻く。

ここで、第１のＵ相巻線１１１、１１２、第１のＶ相巻線２１１、２１２、および第１のＷ相巻線３１１、３１２は、それぞれ直列に接続して図６のW1を出力する。又、第２のＵ相巻線１２１、１２２、第２のＶ相巻線２２１、２２２、および第２のＷ相巻線３２１、３２２は、それぞれ直列に接続して図６のW２を出力する。さらに第３のＵ相巻線１３１、１３２、第３のＶ相巻線２３１、２３２、および第３のＷ相巻線３３１、３３２は、それぞれ直列に接続して図６のW３を出力する。

図４の構成の固定子歯数および巻線結線方法により、図１の本発明の第１の実施例に示す構成よりは同一固定子歯に巻く巻線の種類は多いが、固定子歯数が少ないために製作工数の少ない分散電源用発電装置２の永久磁石型発電機３を構成できる。
又、回転子極数が８、固定子歯数が６なので、その最小公倍数は２４となり、磁気抵抗の変化が小さいので、永久磁石型発電機の起動時のトルクを減少させることができる。

多極が要求される永久磁石型発電機３においては、回転子極数と固定子歯数の比を８：６、１２：９、１６：１２のように、ｎ＝１を除く整数ｎを用いて、回転子極数を４のｎ倍、固定子歯数を３のｎ倍で構成すれば良い。
又、３種類の巻線の誘起電圧は直列または並列に接続して、バッテリー電圧に合わせて外部に出力することが可能である。

図１〜図４における本発明の実施例では、インナーロータで説明したがアウターロータにおいても、同様に構成できる。

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、風車又は水車の出力特性に沿った近似出力曲線上の合計出力を得るための、巻線の作業性が良好で、起動トルクが小さな固定子歯数、巻線結線方法および回転子極数の関係を与えることができるので、実用上おおいに有用である。

本発明の、第１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。（実施例１）本発明の、第２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。（実施例２）本発明の、第３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。（実施例３）本発明の、第４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。（実施例４）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。先願技術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。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。先願技術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
３１〜４８第１〜第１８の固定子歯
５０固定子
５１固定子ヨーク
６０回転子
１１１〜１１３第１のU相巻線
２１１〜２１３第１のV相巻線
３１１〜３１３第１のW相巻線
１２１〜１２３第２のU相巻線
２２１〜２２３第２のV相巻線
３２１〜３２３第２のW相巻線
１３１〜１３３第３のU相巻線
２３１〜２３３第３のV相巻線
３３１〜３３３第３のW相巻線

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整流器により整流し、該個別の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の永久磁石型発電機３において、回転子極数を６、固定子歯数を９、該固定子歯を周方向に順に第１〜第９の固定子歯とし、異なる誘起電圧を発生する巻線を３種類とし、第１〜３の固定子歯には発生する誘起電圧の最も低い第１の巻線を巻き、第４〜６の固定子歯には発生する誘起電圧が次に低い第２の巻線を巻き、第７〜９の固定子歯には誘起電圧の一番高い第３の巻線を巻いて、３種類の巻線は各々３相を構成することを特徴とする分散電源用永久磁石型発電機の構造。
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整流器により整流し、該個別の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の永久磁石型発電機３において、回転子極数を１０、固定子歯数を１２、該固定子歯を周方向に順に第１〜第１２の固定子歯とし、異なる誘起電圧を発生する巻線を誘起電圧が低い順から第１〜第３の巻線の３種類とし、第１、２、５、６、９、１０の固定子歯には第１の巻線を巻き、第２の固定子歯の巻線は第１の固定子歯の巻線に対して逆方向に巻かれて第１の巻線のＵ相を構成し、第６の固定子歯の巻線は第５の固定子歯の巻線に対して逆方向に巻かれて第１の巻線のＶ相を構成し、第１０の固定子歯の巻線は第９の固定子歯の巻線に対して逆方向に巻かれて第１の巻線のＷ相を構成し、第３、４、７、８、１１、１２の固定子歯には第２の巻線および第３の巻線の２種類の巻線を巻き、第４の固定子歯の巻線は第３の固定子歯の巻線に対して逆方向に巻かれて第２の巻線および第３の巻線のＵ相を構成し、第８の固定子歯の巻線は第７の固定子歯の巻線に対して逆方向に巻かれて第２の巻線および第３の巻線のＶ相を構成し、第１２の固定子歯の巻線は第１１の固定子歯の巻線に対して逆方向に巻かれて第２の巻線および第３の巻線のＷ相を構成することを特徴とする分散電源用永久磁石型発電機の構造。
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整流器により整流し、該個別の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の永久磁石型発電機３において、回転子極数を１６、固定子歯数を１８、該固定子歯を周方向に順に第１〜第１８の固定子歯とし、異なる誘起電圧を誘起電圧が低い順から第１〜第３の巻線の３種類とし、第１〜第３の固定子歯に第１の巻線のＵ相を巻き、第７〜第９の固定子歯に第１の巻線のＶ相を巻き、第１３〜第１５の固定子歯に第１の巻線のＷ相を巻き、第４〜第６の固定子歯に第２の巻線のＵ相と第３の巻線のＵ相の２種類の巻線を巻き、第１０〜第１２の固定子歯に第２の巻線のＶ相と第３の巻線のＶ相の２種類の巻線を巻き、第１６〜第１８の固定子歯に第２の巻線のＷ相と第３の巻線のＷ相の２種類の巻線を巻き、第２、５、８、１１、１４、１７の固定子歯に巻く巻線は第１と第３の固定子歯、第４と第６の固定子歯、第７と第９の固定子歯、第１０と第１２の固定子歯、第１３と第１５の固定子歯および第１６と第１８の固定子歯に巻く巻線に対して逆方向に巻くことを特徴とする分散電源用永久磁石型発電機の構造。