JP4596342B2 - 同期発電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１台の同期発電機から二つの独立した出力を取り出すことができる同期発電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１台の同期発電機から二つの独立した出力を取り出すことを可能とするためには、二つの出力間に相互干渉がない、すなわち、一方の出力によって他方の出力が影響を受けないことが重要である。
図８の（ａ）および（ｂ）は、従来技術に基づくこの種の同期発電機の断面を示している。電機子鉄心１０に巻装される電機子巻線Ａと電機子巻線Ｂは、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相および中性点０を有する三相スター結線されている。電機子巻線の構成を明確にするため、電機子巻線Ａと電機子巻線Ｂをそれぞれ同図（ａ）および（ｂ）に分けて図示してある。実際には、両電機子巻線は同一の電機子鉄心１０に巻装されている。すなわち、電流が紙面表から裏面方向へ、また、紙面裏から表方向へ流れるように、各コイル線輪を接続している。
回転子１１の界磁磁極数は１２であり、両電機子巻線Ａ，Ｂの各相は、隣接する６極分のコイル線輪から構成され、電機子鉄心１０の周方向に１８０°（機械角）の分布角を有し、相互に１２０°（電気角）の位相差を有している。電機子巻線Ａおよび電機子巻線Ｂの巻線中央軸１２，１３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を含めた各電機子巻線の電機子鉄心１０の周方向の分布角度を２等分する位置にある。
各巻線中央軸１２，１３は１８０°（機械角）ずらし位置にあることから、電機子巻線Ａを構成するコイル線輪群と、電機子巻線Ｂを構成するコイル線輪群とは、少なくも同相間で重なり合うことがないので、両電機子巻線Ａ，Ｂ間の磁気的相互干渉は最少限に抑制されることになり、電機子巻線Ａおよび電機子巻線Ｂから、それぞれから相互干渉のない独立した出力を取り出すことが可能になっている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、前記従来技術の同期発電機は、１台の同期発電機から二つの独立した出力を取り出すことを可能にしているが、電機子巻線Ａまたは電機子巻線Ｂの一方のみから出力を取り出す場合、または電機子巻線Ａの出力と電機子巻線Ｂの出力に大きさの差が生じる場合に機械振動が発生するという問題があった。
この機械振動の発生メカニズムについて簡単に説明する。いま、電機子巻線Ａのみから三相出力を取り出すものとすると、図９に示すように、電機子起磁力に基づく１０極の電機子磁極が回転子の１２極の界磁磁極に対向して発生する、この１０極の電機子磁極の存在は、前記電機子起磁力の分布をフーリエ級数に展開することにより見い出すことができる。
１０極の電機子磁極と１２極の界磁磁極の間には、同極性間の反発力、異極性間の吸引力という磁気力に関する法則に従って、図９中のベクトル矢で示すような回転子の径方向に非対称な磁気力が発生する。この磁気力は回転子の径方向に非対称であるがゆえに同期発電機の機械構造を歪ませ、回転子の回転運動の真円性を損なわせる結果、機械振動を発生させる。この機械振動は同期発電機の耐久性を低下させるとともに、騒音の発生につながっていた。
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたもので、１台の同期発電機から二つの独立した出力を取り出すことを可能にするとともに、機械振動の発生しない同期発電機を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、回転子と電機子とからなり、回転子は巻線界磁または永久磁石界磁による界磁磁束源であり、電機子は、この界磁磁束源からの界磁磁束と鎖交して起電力を誘起する電機子巻線と、この電機子巻線が巻装される電機子鉄心とからなる同期発電機において、前記界磁磁束源は２（ｎ＋２） 〔ｎ＝１，２，３・・・〕から選定される界磁磁極数Ｐを有し、電機子鉄心（１）に、１相あたり１極分ないし隣接する（Ｐ／２−１）極分を選定範囲とするコイル線輪からなる電機子巻線Ａ１を巻装し、この電機子巻線Ａ１の電機子鉄心（１）の周方向の分布角度を２等分する巻線中央軸（４）から１８０°（機械角）ずらし位置に巻線中央軸（５）を有し、コイル線輪数、直列巻数、コイルピッチおよび相数を電機子巻線Ａ１と同じくする電機子巻線Ａ２を巻装し、電機子巻線Ａ１と電機子巻線Ａ２を接続して電機子巻線Ａを構成し、前記電機子巻線Ａ１または電機子巻線Ａ２の巻線中央軸（４，５）からθ（機械角）ずらし位置に巻線中央軸（６）を有し、前記選定範囲に基づくコイル線輪数、直列巻数、コイルピッチおよび相数について新たに選定した電機子巻線Ｂ１を巻装し、この電機子巻線Ｂ１の巻線中央軸（６）から１８０°（機械角）ずらし位置に巻線中央軸（７）を有し、コイル線輪数、直列巻数、コイルピッチおよび相数を電機子巻線Ｂ１と同じくする電機子巻線Ｂ２を巻装し、電機子巻線Ｂ１と電機子巻線Ｂ２を接続して電機子巻線Ｂを構成し、前記電機子巻線Ａと電機子巻線Ｂのそれぞれから独立した出力を取り出すようにし、前記回転子の界磁磁束源は、機械振動の原因となる前記電機子電流に基づく非対称磁気力を発生させないように当該界磁磁束源のＮ極とＳ極が同数であり交互に配列されることを前提とし、前記巻線中央軸からのずらし角θは３６０°／Ｐ≦θ≦９０°（機械角）に定める範囲から選定されることを特徴とする同期発電機としたものである。
【０００５】
このような本発明によれば、電機子巻線Ａまたは電機子巻線Ｂの一方のみから出力を取り出す場合、または電機子巻線Ａの出力と電機子巻線Ｂの出力に大きさの差が生じる場合であっても、界磁磁極との相互作用によって回転子の径方向に非対称な磁気力を発生させるような電機子磁極は発生しない。
また、電機子巻線Ａと電機子巻線Ｂとは少なくとも同相間で重ならない領域が存在するため、両電機子巻線間の磁気的相互干渉が軽減される結果、電機子巻線Ａ，電機子巻線Ｂのそれぞれから相互干渉の少ない独立した出力を取り出すことができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明は電機子巻線Ａ、電機子巻線Ｂなどと称する二つの電機子巻線の構成を提案するものである。そこで、両電機子巻線の構成をより明確に示すために、従来の技術で採用したように、電機子巻線Ａと電機子巻線Ｂを分けて図示する。実際には両電機子巻線は同一の電機子鉄心に巻装されるものである。
図１の（ａ）、図１の（ｂ）に本発明による第１の実施の形態を示す。回転子２の界磁磁極数は１２である。これは界磁磁極数Ｐの選定範囲２（ｎ＋２）〔ｎ＝１、２、３・・・〕において、ｎ＝４とした場合である。
本発明は巻線界磁または永久磁石界磁などの界磁方式を選ばない。従って、以下の実施の形態では極性のみを示す。
【０００７】
電機子鉄心１には、１相あたり隣接する３極分のコイル線輪からなり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の引出線が引き出された各コイル線輪群が相互に１２０°（電気角）の位相差を有する三相の電機子巻線Ａ１を巻装する。さらに、電機子巻線Ａ１の電機子鉄心の周方向の分布角度を２等分する巻線中央軸４から１８０°（機械角）ずらし位置に巻線中央軸５を有し、コイル線輪数、直列巻数、コイルピッチおよび相数を電機子巻線Ａ１と同じくする電機子巻線Ａ２を巻装し、両電機子巻線Ａ１，Ａ２の同相関係にあるコイル線輪群どうしを渡り線３で接続して、中性点０を有する三相の電機子巻線Ａを構成する。
【０００８】
次に、電機子巻線Ａ１の巻線中央軸４から９０°（機械角）ずらし位置に巻線中央軸６を有し、コイル線輪数、直列巻数、コイルピッチおよび相数について電機子巻線Ａ１と同じに選定した電機子巻線Ｂ１を巻装し、さらに、電機子巻線Ｂ１の巻線中央軸６から１８０°（機械角）ずらし位置に巻線中央軸７を有し、コイル線輪数、直列巻数、コイルピッチおよび相数を電機子巻線Ｂ１と同じくする電機子巻線Ｂ２を巻装し、電機子巻線Ｂ１と電機子巻線Ｂ２の同相関係にあるコイル線輪群どうしを渡り線３で接続して中性点０を有する三相の電機子巻線Ｂを構成している。
【０００９】
以上のような第１の実施の形態においては、電機子巻線Ａと電機子巻線Ｂとは、少なくとも同相間で重なり合う領域が存在しない。このことに起因して異相間においても相互の重なり領域が狭少に抑えられる。本発明において、電機子巻線Ａ１および電機子巻線Ｂ１を構成するコイル線輪数の選定範囲を１相あたり１極分ないし隣接する（Ｐ／２−１）極分としているのは、この選定範囲に従うことによって、少なくとも同相間で重なり合うことのない領域を必ず設けることができるからである。すなわち、電機子巻線Ａと電機子巻線Ｂは、一つの電機子鉄心１内で磁気的に離れていると理解できる。このことが効を奏して、両電機子巻線Ａ，Ｂ間の磁気的相互干渉が軽減され、ひいては両電機子巻線からの出力間の相互干渉が抑制される結果、独立した二つの出力を取り出すことが可能になる。
【００１０】
図２は、このことを実験により確認した特性グラフであり、電機子巻線ＡのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に三相負荷を接続し、三相出力を取り出した場合の、電機子巻線Ａおよび電機子巻線Ｂそれぞれの端子電圧の変化を示している。電機子電流の増加に伴って、負荷が接続された電機子巻線Ａの端子電圧は低下しているが、負荷が接続されない電機子巻線Ｂの端子電圧はほとんど変化していない。
【００１１】
次に電機子巻線Ａのみから出力を取り出す場合の機械振動について説明する。電機子巻線Ａから三相出力を取り出すと、電機子電流に基づく電機子起磁力によって、８極、１２極、１６極などの電機子磁極が、回転子の１２極界磁磁極に対向して発生する。これら磁極の存在は、電機子起磁力分布をフーリエ級数に展開することにより解析的に見出すことができる。これらの磁極の中で、１２極の電機子磁極は、これと同じ磁極数の界磁磁極の全てに対して等しく偏磁作用を及ぼす成分であるから機械振動の原因となる非対称磁気力を発生させない。
【００１２】
次に８極と１６極の電機子磁極について機械振動との関係を考察する。図３は８極の電機子磁極と１２極の界磁磁極が相対向する状況を示している。同図において、同極性間の反発力、異極性間の吸引力は、回転子の径方向に対称に分布することが確認できる。すなわち、機械振動の原因となる非対称磁気力は発生しない。同様のことは１６極の電機子磁極と１２極の界磁磁極の間にも確認することができる（図示せず）。
【００１３】
図４の（ａ）、図４の（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態を示す。この第２の実施の形態では、界磁磁極数は１２であり、電機子巻線Ａ１および電機子巻線Ｂ１をそれぞれ１相あたり１極分のコイル線輪からなる三相の電機子巻線とするとともに、電機子巻線Ａ１の巻線中央軸４と電機子巻線Ｂ１の巻線中央軸６のずらし角θとして、この選定範囲３６０°／Ｐ≦θ≦９０°（機械角）から９０°を選定し、電機子巻線Ａと電機子巻線Ｂを構成している。
【００１４】
図５の（ａ）、（ｂ）に本発明の第３の実施の形態を示す。この第３の実施の形態では、界磁磁極数は１０であり、電機子巻線Ａ１を１相あたり３極分のコイル線輪からなる三相の電機子巻線とし、電機子巻線Ｂ１を１相あたり２極分のコイル線輪からなる三相の電機子巻線とするとともに、電機子巻線Ａ１の巻線中央軸４と電機子巻線Ｂ１の巻線中央軸６のずらし角θを９０°に選定し、電機子巻線Ａと電機子巻線Ｂを構成している。
【００１５】
図６に本発明の第４の実施の形態を示す。同図は第３の実施の形態における電機子巻線Ｂについて、他の実施の形態を示している。電機子巻線Ｂ１を、１相あたり３極分のコイル線輪からなる三相の電機子巻線とし、電機子巻線Ｂ１の巻線中央軸６と電機子巻線Ａ２の巻線中央軸５のずらし角θを７２°に選定して、電機子巻線Ｂを構成している。電機子巻線Ａと電機子巻線Ｂの間の磁気的相互干渉はθが９０°の場合と比較して若干大きくなるが、製造上、実用上の見地から、このような構成も可能であることを示している。この場合も機械振動の原因となる非対称磁気力は発生しない。
【００１６】
本発明は界磁方式を選ばないことは先に述べた。図７は特殊な巻線界磁方式の一例となる回転子を示しており、２極の界磁巻線８と、一方の極弧９を形成する三つの凸部９ａと二つの凹部９ｂ、同様に他方の極弧を形成する三つの凸部と二つの凹部とによって、凹部９ｂが凸部９ａの磁極に対して相対的に異極性となる効果を利用して１０極の界磁磁極を発生させるものである。本発明の第３、第４の実施の形態の回転子を図７に示す回転子に置換しても、本発明の目的は達成可能である。
【００１７】
本発明において、電機子巻線Ａまたは電機子巻線Ｂは、実施の形態で示したような三相に限るものではない。すなわち、必要とされる機能に応じて、二相、単相などが構成できる。
また、両電機子巻線は、三相スター結線に限ることなく、三相デルタ結線とすること、さらに、コイル線輪を、実施の形態に示したような集中巻に限ることなく、分布巻とすることなどは従来技術の範囲内で実施可能である。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は、請求項１に記載のように構成したので、電機子巻線Ａまたは電機子巻線Ｂの一方のみから出力を取り出す場合、または電機子巻線Ａの出力と電機子巻線Ｂの出力に大きさの差が生じる場合であっても、界磁磁極との相互作用によって回転子の径方向に非対称な磁気力を発生させるような電機子磁極は発生しないので、機械振動すなわち騒音が発生しない。
また、電機子巻線Ａと電機子巻線Ｂとは少なくとも同相間で重ならない領域が存在するため、両電機子巻線間の磁気的相互干渉が軽減される結果、電機子巻線Ａ，電機子巻線Ｂから、すなわち、１台の同期発電機から相互干渉の少ない二つの独立した出力を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ）は、本発明の同期発電機の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の電機子巻線Ａ，Ｂの電機子電流対端子電圧の特性グラフである。
【図３】本発明の同期発電機の回転子と電機子の磁極を示した図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、本発明の同期発電機の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、本発明の同期発電機の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図６】本発明の同期発電機の第４の実施の形態を示す断面図である。
【図７】本発明の構成要素である回転子として、特殊な巻線界磁方式の一例となる回転子を示す図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は従来の同期発電機の断面図である。
【図９】従来の同期発電機の回転子と電気子の磁極を示した図である。
【符号の説明】
１ 電機子鉄心
２ 回転子
３ 渡り線
４ 電機子巻線Ａ１の巻線中央線
５ 電機子巻線Ａ２の巻線中央線
６ 電機子巻線Ｂ１の巻線中央線
７ 電機子巻線Ｂ２の巻線中央線
８ 界磁巻線
９ 極弧
９ａ 凸部
９ｂ 凹部
Ａ１ 電機子巻線
Ａ２ 電機子巻線
Ｂ１ 電機子巻線
Ｂ２ 電機子巻線

Claims (3)

1. 回転子と電機子とからなり、回転子は巻線界磁または永久磁石界磁による界磁磁束源であり、電機子は、この界磁磁束源からの界磁磁束と鎖交して起電力を誘起する電機子巻線と、この電機子巻線が巻装される電機子鉄心とからなる同期発電機において、
   前記界磁磁束源は２（ｎ＋２） 〔ｎ＝１，２，３・・・〕から選定される界磁磁極数Ｐを有し、
   電機子鉄心（１）に、１相あたり１極分ないし隣接する（Ｐ／２−１）極分を選定範囲とするコイル線輪からなる電機子巻線Ａ１を巻装し、
   この電機子巻線Ａ１の電機子鉄心（１）の周方向の分布角度を２等分する巻線中央軸（４）から１８０°（機械角）ずらし位置に巻線中央軸（５）を有し、コイル線輪数、直列巻数、コイルピッチおよび相数を電機子巻線Ａ１と同じくする電機子巻線Ａ２を巻装し、電機子巻線Ａ１と電機子巻線Ａ２を接続して電機子巻線Ａを構成し、
   前記電機子巻線Ａ１または電機子巻線Ａ２の巻線中央軸（４，５）からθ（機械角）ずらし位置に巻線中央軸（６）を有し、前記選定範囲に基づくコイル線輪数、直列巻数、コイルピッチおよび相数について新たに選定した電機子巻線Ｂ１を巻装し、この電機子巻線Ｂ１の巻線中央軸（６）から１８０°（機械角）ずらし位置に巻線中央軸（７）を有し、コイル線輪数、直列巻数、コイルピッチおよび相数を電機子巻線Ｂ１と同じくする電機子巻線Ｂ２を巻装し、電機子巻線Ｂ１と電機子巻線Ｂ２を接続して電機子巻線Ｂを構成し、
   前記電機子巻線Ａと電機子巻線Ｂのそれぞれから独立した出力を取り出すようにし、
   前記回転子の界磁磁束源は、機械振動の原因となる前記電機子電流に基づく非対称磁気力を発生させないように当該界磁磁束源のＮ極とＳ極が同数であり交互に配列されることを前提とし、
   前記巻線中央軸からのずらし角θは３６０°／Ｐ≦θ≦９０°（機械角）に定める範囲から選定されることを特徴とする同期発電機。
2. 前記電機子巻線Ａおよび電機子巻線Ｂは両者とも多相巻線または単相巻線で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の同期発電機。
3. 前記電機子巻線Ａおよび電機子巻線Ｂは、一方が単相巻線で、他方が多相巻線で構成されることを特徴とする請求項１に記載の同期発電機。

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