JP5103680B2 - 発電機 - Google Patents

Description

本発明は、発電機に係り、特に、簡単な構造で電圧波高値を抑えて波形歪率を低減することができ、量産性を向上できる発電機に関する。

従来から、小型な単気筒エンジンと、ステータコイルの巻線方式を鎖巻き（１スロットに１コイルが対応する単層巻）とした鎖巻巻線発電機とを組み合わせ、携帯性と量産性の高さを両立した発動発電機が知られている。しかしながら、単気筒エンジンには回転変動が生じやすく、さらに、鎖巻巻線発電機は、ステータコイルの巻線ピッチが一定でない構成を有するので、前記したような発動発電機は、出力電圧の波高値のピークが大きくなって波形歪率が増大しやすい傾向がある。波高値のピークが大きくなると、例えば、照明機器を電力負荷とした際に、照射光にちらつき等が生じる原因となる。

出力電圧の波高値を小さくする手法として、発電機にスキュー構造や制動巻線を適用することが知られている。スキュー構造は、ステータまたはロータを構成する複数の電磁鋼板を、周方向に少しずつずらして回転軸方向に捻るようにして積層するものであり、また、制動巻線は、ロータ磁極に等間隔に設けた複数の磁極スロットにそれぞれ導体を挿入し、その両端をロータの端部に設けた短絡環に接続するものである。

特許文献１には、磁極鉄心の外周面近傍に設けられた複数の磁極スロットに、導体バーからなる制動巻線を挿入した構成が開示されている。また、制動巻線の効果を高める手法として、特許文献２には、電気的に同じ位置にある隣合う極の制動巻線が互いに逆方向に向くように結線した構成が開示されており、さらに、特許文献３には、制動巻線を周方向に片寄った状態で備えた突極磁極鉄心において、制動巻線を収める複数のスロットのうち、片寄った側のスロットを開口しない形状とする構成が開示されている。
特開２００１−３１３０５６号公報 特許第３５０２９２８号公報 特許第３０９６９８０号公報

しかしながら、特許文献１ないし３に開示されるような制動巻線や、前記したスキュー構造を適用すると、ステータやロータの構造が複雑となり、発電機の量産性が低下するという課題があった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、簡単な構造で電圧波高値を抑えて波形歪率を低減することができ、量産性を向上できる発電機を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、ステータコアに形成された複数のティースのうち、少なくともステータコイルの巻線ピッチが最大である部分を含む互いに隣り合った予め定められた個数のティースの断面積を、他の部分のティースの断面積より小さくした点に第１の特徴がある。

また、前記予め定められた個数のティースに貫通スリットを設け、該貫通スリットの大きさによって該各ティースの断面積を小さくしている点に第２の特徴がある。

また、前記予め定められた個数のティースに貫通ホールを設け、該貫通ホールの大きさによって該各ティースの断面積を小さくしている点に第３の特徴がある。

また、前記予め定められた個数のティースの周方向の幅を狭くすることで、該各ティースの断面積を小さくしている点に第４の特徴がある。

さらに、前記ステータコイルは、前記ステータコアの１つのスロットに１つのコイルが対応する鎖巻巻線方式によって形成されている点に第５の特徴がある。

第１の特徴によれば、ステータコアに形成された複数のティースのうち、少なくともステータコイルの巻線ピッチが最大である部分を含む互いに隣り合った予め定められた個数のティースの断面積を、他の部分のティースの断面積より小さくしたので、ティースの形状変更のみで、発電機の出力電圧波形の波高値のピークを下げて波形歪率を低減することが可能となる。また、スキュー構造や制動巻線のような複雑な構造が不要なので、生産工数の増大を防ぐことができる。

第２の特徴によれば、予め定められた個数のティースに貫通スリットを設け、該貫通スリットの大きさによって該各ティースの断面積を小さくしているので、貫通スリットを設けるという簡単な加工によって、発電機の電圧波形の波高値のピークを下げて波形歪率を低減することが可能となる。また、貫通スリットは、ステータコアを構成する電磁鋼板のプレス加工と同時に形成できるので、生産工数を増大させずに、所望の歪率低減効果を得ることができる。

第３の特徴によれば、予め定められた個数のティースに貫通ホールを設け、該貫通ホールの大きさによって該各ティースの断面積を小さくしているので、貫通ホールを設けるという簡単な加工によって、発電機の電圧波形の波高値のピークを下げて波形歪率を低減することが可能となる。

第４の特徴によれば、予め定められた個数のティースの周方向の幅を狭くすることで、該各ティースの断面積を小さくしているので、ティースの周方向の幅を狭くするという簡単な形状変更によって、発電機の電圧波形の波高値のピークを下げて波形歪率を低減することが可能となる。

第５の特徴によれば、発電機のステータコイルは、ステータコアの１つのスロットに１つのコイルが対応する鎖巻巻線方式によって形成されているので、特に、巻線ピッチが広くなる部分で電圧波形の波高値のピークが大きくなる鎖巻巻線発電機において、ピーク部分のみを効果的に低減して波形歪率を改善することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る発電機の模式断面図である。発電機１は、ステータコア２２およびステータコイル（主巻線）２１からなるステータ２０と、ロータコア１２およびロータコイル（界磁巻線）１１からなるロータ１０とを有するインナーロータ型の発電機である。ロータ１０の回転軸３には、ロータコイル１１へ界磁電流を供給するためのスリップリング５が設けられており、回転軸３は、両端に設けられた軸受４によって、ステータ２０およびロータ１０を収容するケーシング２に支持されている。ロータ１０の回転軸３は、図示しないエンジンの出力軸に連結されており、発電機１は、エンジンによって駆動されることでその回転に同期した交流電力を発生する。

発電機１は、自らの発電電力を用いて、界磁巻線としてのロータコイル１１に直流界磁電流を与える自励式とされる。ステータコイル２１は、メインＡＣ巻線とエキサイタ巻線（励磁巻線）とから構成されており、エキサイタ巻線からのエキサイタ出力８は、メインＡＣ巻線からのメインＡＣ出力７が所定値を保つようにＡＶＲ（自動電圧調整器）６によって制御され、界磁電流９として前記スリップリング５に供給される。メインＡＣ出力７は、図示しない各種の電気負荷に接続される。

図２は、本発明の一実施形態に係るステータの一部断面側面図である。ステータ２０は、同一形状の電磁鋼板を図示左右方向に複数積層してなるステータコア２２に、ステータコイル２１を形成する銅線２３を巻回させた構成とされる。ステータコア２２の両端部には、突出した銅線２３からなる突出部２４，２５が形成されている。ステータコア２２は、例えば、厚さ０．５ｍｍの電磁鋼板を２００〜３００枚重ねて形成される。

図３は、ステータ２０の一部断面正面図である。また、図４は、ステータコア２２を構成する電磁鋼板の正面図である。略円環状とされる電磁鋼板３０の内周部には、径方向内側に突出するように同一形状のティース（歯状部材）３１が複数設けられており、これにより、ティース３１同士の間に凹部３４が形成されることとなる。

本実施形態に係るティース３１は、同一形状の凹部３４が周方向に等間隔で３６個形成されるように設けられている（図では一部のみを記載）。そして、ステータコア２２を構成するために電磁鋼板３０を所定枚数重ねると、凹部３４が回転軸方向に連通して３６本のスロット（溝）３６が形成されて、このスロット３６に収められる銅線２３によって、ステータコイル２１が形成されることとなる。前記突出部２４には、エキサイタ巻線の出力線２６，２７と、メインＡＣ出力の取り出し口５０〜５３が設けられる。

本実施形態に係るステータ２０は、ステータコイル２１の巻線方式を、１スロットに１コイルのみが入る単層巻としての「鎖巻」としている。この鎖巻方式（同心巻方式）によれば、１スロットに２コイルが入る箇所がある「重ね巻」に比して、コイル巻きの作業が容易となり、ステータ２０の量産性を高めることが可能となる。

しかしながら、この鎖巻方式は、スロット間の銅線２３の巻線ピッチが一定でないので、特に、巻線ピッチが広く巻線係数が高くなる部分において、出力電圧の波高値のピークが大きくなる特性を有している。以下では説明のため、基準とする位置に設けられているティースを３１Ｌとし、該ティース３１Ｌに対して回転軸を挟んで対向する位置に設けられているティースを３１Ｒとして示す。また、ティース３１Ｌの一方側（図示上方側）に隣接するスロットを３６ａとし、他方側（図示下方側）に隣接するスロットを３６ｂとする。さらに、ティース３１Ｒの一方側（図示上方側）に隣接するスロットを３６ｃとし、他方側（図示下方側）に隣接するスロットを３６ｄとする。

本実施形態においては、鎖巻方式によってステータコイル２１を形成することで、スロット３６ａとスロット３６ｃとの間に生じる巻線ピッチＡと、スロット３６ｂとスロット３６ｄとの間に生じる巻線ピッチＢが、最も広い巻線ピッチとなる。他の部分では、巻線ピッチＡ，Ｂとして図示したラインと平行するように、図示左右方向で対向するスロット間にそれぞれ巻線ピッチが生じるので、ティース３１Ｌ，３１Ｒから離れるに従って巻線ピッチは狭くなる。したがって、本実施形態に係るステータコイル２１では、ティース３１Ｌ，３１Ｒの位置で、出力波形の波高値が最も大きくなる。

鎖巻方式を適用したステータコイルにおいて、単に出力波形の波高値のピークを抑えるだけであれば、巻線ピッチが広くなるスロットの巻数を減らせばよいが、この手法では、出力電圧の実効値が低くなって界磁電流が増える傾向となり好ましくない。本発明では、ステータコアのティース形状に工夫を加えることで、出力電圧の実効値を下げることなく、波高値のピークのみを抑えることを可能としている。

本願発明者は、ティースの断面積を減らすことで磁路を狭めれば、当該ティースに作用する鎖交磁束が制限されることに着目した。本実施形態では、前記ティース３１Ｌを中心として隣接する５個のティース３１（図示Ｃの範囲）と、ティース３１Ｒを中心として隣接する５個のティース３１（図示Ｄの範囲）に、それぞれ、貫通孔としての貫通スリット３３が設けられている。この貫通スリット３３によれば、予め定められた個数のティースに作用する鎖交磁束を制限し、波高値のピーク部分のみを下げることが可能となる。

図５は、電磁鋼板の一部拡大図である。本実施形態に係る磁束制限形状としての貫通スリット３３は、ティース３１の根元部分から先端近傍に至る幅１ｍｍの長孔とされている。この貫通スリット３３は、電磁鋼板３０を製作する際のプレス加工によって同時に形成できるので、生産工数の増大を抑えることができる。このような磁束制限形状によれば、スキュー構造や制動巻線に比して、極めて簡単な構成によって出力電圧の波高値のピークを抑えることが可能となる。なお、貫通スリット３３の個数は任意に定めることができ、また、電磁鋼板３０の形成後に別加工によって形成してもよい。

図６は、貫通スリットの有無と出力電圧との関係を示すグラフである。実験データに基づくこのグラフでは、ティース３１に貫通スリット３３を設ける前の出力電圧を細線Ｅで示すと共に、前記した計１０個の貫通スリット３３を設けた後の出力電圧を太線Ｆで示している。両者を比較すると、貫通スリットなしの細線Ｅの波高値のピークがプラス側マイナス側ともにほぼ４００Ｖに達するのに比して、貫通スリットを形成した後の太線Ｆでは、波高値のピークに近い部分のみが低減されることがわかる。また、ピーク部分の歪みが改善されていることがわかる。

図７は、前記実施形態に示したステータコア２２のスリット数を変えて測定した実効値および波形歪率（実験データ）の推移を示すグラフである。このグラフから、貫通スリット３３を有する本実施形態の発電機は、貫通スリット３３を形成していない発電機に比して、約２５０Ｖの実効値を維持しながら、波形歪率のみを２％以上減らすことができることがわかる。また、貫通スリット３３の個数は、ティース３１の両側（３１Ｌ，３１Ｒを含む両側）で合計１０〜１５個程度が良好であり、それ以上では、実効値が低下すると共に歪率も上昇する結果となった。これにより、磁束制限をかけるティースは、巻線ピッチが最も広くなる部分を含みこれに隣接した数ヶ所とするのが有効といえる。また、磁束制限をかけるティースは、ティースの両側で同数とするのが好ましい。

図８は、本発明の第２実施形態に係るステータコアの正面図である。ティースの断面積を低減する手法は、種々の変形が可能である。この第２実施形態では、電磁鋼板６１に形成されたティース６２の外形、および凹部６４の形状を前記実施形態と同一とするが、磁束制限形状を、ティース６２の根元に近い部分に設けられた円孔状の貫通ホール６３としている。この貫通ホール６３によれば、さらに簡単な形状によって断面積を減らすことができる。なお、貫通ホール６３の設置箇所は、ティース６２の範囲内で任意に移動でき、例えば、いくつかのティース６２の間で貫通ホールの設置箇所を異ならせてもよい。また、１つのティース６２に複数の貫通ホールを設けることも可能である。

図９は、本発明の第３実施形態に係るステータコアの正面図である。この第３実施形態では、予め定められた個数のティース７２の周方向の幅を低減することで、ティースの断面積を低減するようにした点に特徴がある。この例では、磁束制限をかけるティース７２の幅ｈが、他のティース７４の幅ｇより狭くなるように電磁鋼板７１を形成している。なお、本実施形態では、ティースの設置間隔が全周において一定であるため、磁束制限をかけた部分の凹部７３の周方向の寸法が、他の部分の凹部７５より大きくなる。

上記したように本発明に係る発電機によれば、ステータコアに形成された複数のティースのうち、少なくともステータコイルの巻線ピッチが最大である部分を含む予め定められた個数のティースの断面積を、他の部分のティースの断面積より小さくなるように構成したので、ステータコアの形状変更のみという簡単な構成によって、特にステータコイルを鎖巻方式とする発電機において、出力電圧の波高値のピークを抑えて波形歪率を低減することが可能となる。また、量産性が高いという鎖巻方式の利点を損なうことなく、例えば、照明機器を使用してもちらつきが発生しない、高品質な電気を供給できる鎖巻巻線発電機を得ることができる。なお、波形歪率の低減は、残留磁気によって発生した起電力が進相負荷に流れる際の増磁作用による電圧上昇の緩和にも有効である。

ステータコアに形成されるティースの外形や個数、ティースの断面積を低減する磁束制限形状の形態、磁束制限形状を設けるティースの配置や個数、ステータコアを構成する電磁鋼板の形状や積層数、発電機の形態や巻線方式等は、上記実施形態に限られず種々の変更が可能である。例えば、磁束制限形状は、回転軸を挟んで対向するティースに対して対称とならない位置に設けたり、巻線ピッチが最も大きくなる部分のティースが周方向の中心に位置しないように設けてもよい。

本発明の一実施形態に係る発電機の模式断面図である。 本発明の一実施形態に係るステータの一部断面側面図である。 ステータの一部断面正面図である。 ステータコアを構成する電磁鋼板の正面図である。 電磁鋼板の一部拡大図である。 貫通スリットの有無と出力電圧との関係を示すグラフである。 ステータコアのスリット数を変えて測定した実効値および波形歪率の推移を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係るステータコアの正面図である。 本発明の第３実施形態に係るステータコアの正面図である。

符号の説明

１…発電機、１０…ロータ、１１…ロータコイル、１２…ロータコア、２０…ステータ、２１…ステータコイル、２２…ステータコア、２３…銅線、３０…電磁鋼板、３１…ティース、３３…貫通スリット、６３…貫通ホール、３４…凹部

Claims (5)

1. ロータの回転軸がエンジンの出力軸に連結されてエンジンによって駆動され、ステータコイルを鎖巻方式とする発電機において、
   ステータコアに形成された複数のティースのうち、少なくともステータコイルの巻線ピッチが最大である部分を含む互いに隣り合った予め定められた個数のティースの断面積を、他の部分のティースの断面積より小さくしたことを特徴とする発電機。
2. 前記予め定められた個数のティースに貫通スリットを設け、該貫通スリットの大きさによって該各ティースの断面積を小さくしていることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
3. 前記予め定められた個数のティースに貫通ホールを設け、該貫通ホールの大きさによって該各ティースの断面積を小さくしていることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
4. 前記予め定められた個数のティースの周方向の幅を狭くすることで、該各ティースの断面積を小さくしていることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
5. 前記ステータコイルは、前記ステータコアの１つのスロットに１つのコイルが対応する鎖巻巻線方式によって形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の発電機。

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