JP5685335B1 - 交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】単相と三相の同時出力が可能な交流発電機の単相総出力を増大させる。【解決手段】Ｙ結線された電機子コイルの三相巻線ｕ，ｖ，ｗのいずれか１相の巻線（図示の例においてＵ相巻線ｕ）である基準巻線ｕの誘起電圧に対し，ベクトル和において１／２で，かつ１８０?の位相差を有する誘起電圧を発生させる補助巻線ｎを中性点Ｏに接続すると共に，この補助巻線ｎに出力端子Ｎを接続する。また，中性点Ｏから約１００Ｖの電圧が誘起される基準巻線ｕ上の位置に中間タップｔを設けると共に，中間タップｔに出力端子Ｔを接続する。これにより，出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗと中性点Ｏを介して行われる三相４線出力，出力端子Ｖ，Ｗ，Ｎを介して行われる単相３線出力，出力端子Ｔと中性点Ｏを介して行われる単相２線出力を同時に行うことが可能となり，単相の総出力が増大する。【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既に提案されている。

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，電機子コイルの結線を切り替えることにより単相３線出力と三相４線出力間で出力形式を選択的に変更可能とした発電機（特許文献１参照）や，出力形式の切り替えを行うことなく，単相３線出力と三相４線出力を同時に行うことができるようにした発電機が提案されている（特許文献２，３参照）。

特開２００６− ８７２４２号公報 特開２００４− ７２９８５号公報 特開２００６−２０４００５号公報

上記先行技術文献として紹介した先行技術中，特許文献１に記載の交流発電機は，交流発電機に設けた電機子コイルの結線を単相３線出力用の結線，又は三相４線出力用の結線の何れか一方に選択的に切り替えて使用するものであることから，一方の出力形式による出力が行われている時には，他方の出力形式による出力を行うことができず，三相入力用の負荷と，単相入力用の負荷に対し同時に電力を供給することができないという欠点があった。

また，特許文献１に記載の発電機の定格電圧が２００Ｖ，定格電流が５７．７Ａであると仮定すると，この交流発電機の三相４線出力時における総出力は２０ｋＶＡ（√３×２００Ｖ×５７．７Ａ）であり，単相３線出力に切り替えたときの総出力は１１．５ｋＶＡ（２００Ｖ×５７．７Ａ）であり，単相３線出力時の総出力は，三相４線出力時の総出力よりも大幅に低下する。

その結果，単相出力時において同時に接続できる負荷が制限されるだけでなく，三相出力を行っている場合に比較して，エンジン等の原動機は必要以上の余裕が生じた状態で運転されることとなるために，単相出力時には，例えば燃料消費量あたりの発電量が減少する等，発電効率についても低下するものとなっており，原動機に過剰に生じた余裕の範囲内で単相の総出力を増大させることができれば，より効率的に発電を行うことが可能となる。

これに対し，特許文献２，３として紹介した交流発電機では，電機子コイルの結線を切り替えることなく，単相出力と三相出力とを同時に行うことができることから，三相入力の負荷と，単相入力の負荷に対し同時に電力を供給することができる点で，特許文献１に記載されている切換型の発電機に比較して優れたものとなっている。

しかし，特許文献２，３に記載の交流発電機についても定格電圧が２００Ｖ，定格電流が５７．７Ａと仮定して計算すると，その総出力は，三相４線のみの総出力が２０ｋＶＡ（√３×２００Ｖ×５７．７Ａ），単相３線のみの総出力が１１．５ｋＶＡ（２００Ｖ×５７．７Ａ）であり，三相，単相共に総出力は特許文献１の発電機と同じであることから，単相の総出力は，三相の総出力に比較して大幅に低くなっている。

また，単相出力と三相出力の切り換えを，電機子コイルの結線の切り換えによって行う特許文献１に記載の交流発電機では，三相巻線以外に，別途，追加の巻線を設ける必要が無いが，特許文献２，３に記載の交流発電機では，三相と単相の同時出力を得るために，Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相を構成する三相巻線とは別に，更に追加の巻線を設ける必要があり，この追加の巻線を設けた分，電機子コアが大型化し，ひいては交流発電機全体も大型化する。

一例として，三相巻線のみで構成される電機子コイルの巻線量を１００％とすると，これに追加の巻線分を含めた総巻線量は，特許文献２の図３，図８に記載の結線では共に１３３％，特許文献３の図１の結線では１２９％，特許文献３の図２の結線では１４４％となり，総巻線量が大幅に上昇していることが判る。

そこで本発明は，上記従来技術における欠点を解消するためになされたもので，単相と三相の同時出力が可能な交流発電機において，定格電圧や定格電流を変更することなく，従って，三相の総出力はそのままに，単相の総出力の増大を可能とした交流発電機を提供することを目的とする。

また本発明は，前述したように単相と三相の同時出力を可能とし，且つ，単相の総出力を増大した構成でありながら，三相と単相の同時出力を得るために交流発電機の電機子に追加する巻線（本願において「補助巻線」という。）を，可及的に少ない量とすることで，電機子コアの小型化，ひいては交流発電機全体の小型化を図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，
中性点Ｏを中心に三相巻線ｕ，ｖ，ｗが１２０°の位相差でＹ結線されており，所定電圧（一例として２００Ｖ）の三相交流を出力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を更に設けると共に，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Ｕ相）の巻線を基準巻線とし，該基準巻線ｕ上であって，前記中性点Ｏから約１００Ｖの電圧が誘起される位置に中間タップｔを設け，
前記補助巻線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ｕの誘起電圧（１１５Ｖ）に対し１／２で，且つ，前記基準巻線ｕ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と前記中性点Ｏとを，三相４線出力部とし，
前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗのうち前記基準巻線ｕを除く他の２巻線ｖ，ｗの各出力端子Ｖ，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ｕに設けた前記中間タップｔに接続された出力端子Ｔと前記中性点Ｏとを，単相２線出力部としたことを特徴とする（請求項１）。

また，本発明の別の交流発電機は，
中性点Ｏを中心に三相巻線ｕ，ｖ，ｗが１２０°の位相差でＹ結線されており，所定電圧（一例として４００Ｖ）の三相交流を出力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を更に設けると共に，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Ｕ相）の巻線を基準巻線とし，該基準巻線ｕ上であって，前記中性点Ｏから約１００Ｖの電圧が誘起される位置に中間タップｔ（ｔ１）を設け，
前記補助巻線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ｕの誘起電圧（２３０Ｖ）に対し１／４で，且つ，前記基準巻線ｕ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と前記中性点Ｏとを，三相４線出力部とし，
前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗのうち前記基準巻線ｕを除く他の２巻線ｖ，ｗの中間位置に接続した各出力端子Ｖ’，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ｕの前記中間タップｔ（ｔ１）に接続された出力端子Ｔと前記中性点Ｏとを，単相２線出力部としたことを特徴とする（請求項２）。

上記構成の交流発電機において，前記補助巻線ｎは，前記基準巻線ｕに対し１８０°の位相差で前記中性点Ｏに接続された巻線のみで構成することができ（請求項３），この場合，前記補助巻線ｎを，前記基準巻線ｕのスロット内に収容するものとしても良い（請求項４）。

また，前記補助巻線ｎは，前記基準巻線ｕに対する位相差が異なる複数の部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗの組合せによって構成することもできる（請求項５）。

この場合，前記補助巻線ｎを同一巻数の３つの前記部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗによって構成し，前記部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗの１つｎｕを，前記基準巻線ｕと１８０°の位相差で前記中性点Ｏに接続すると共に，
前記部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗの他の１つ(例えばｎｖ)を，前記基準巻線ｕ以外の三相巻線ｖ，ｗいずれか１つ (例えばｖ)と同位相となるように，残りの前記部分補助巻線ｎｗを残りの前記三相巻線ｗと同位相となるように，前記中性点Ｏに接続する構成としても良い（請求項６）。

このように，補助巻線ｎを３つの部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗによって構成した場合，前記三相巻線ｕ，ｖ，ｗを収容するスロットのそれぞれに，前記部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗをいずれか１つずつ収容するものとしても良い（請求項７）。

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。

本発明の交流発電機では，三相４線と単相３線の同時出力を行うことができるだけでなく，単相３線とは別に，単相２線についても同時出力が可能となり，単相２線の同時出力が可能となった分，単相の総出力を増大させることができた。

また，このように三相４線，単相３線，及び単相２線の同時出力が可能でありながら，三相４線と単相３線の同時出力を可能とした従来の交流発電機（特許文献２，３）に比較して，追加する補助巻線量を少なくすることが可能で，その結果，電機子コア，ひいては交流発電機全体の小型化が可能となった。

この補助巻線ｎを前記基準巻線ｕに対し１８０°の位相差で前記中性点Ｏに接続された巻線のみで構成する場合，補助巻線ｎの巻数は，基準巻線ｕの巻数の１／２（請求項１の場合）となり，補助巻線ｎを設けていない場合の巻線量を１００％とすると，三相巻線ｕ，ｖ，ｗに補助巻線ｎを加えた総巻線量は僅か１１７％に増加するのみで，１２９〜１４４％に増加する従来の交流発電機（特許文献２，３）に比較して十分に小さい値である。

また，補助巻線ｎを複数の部分補助巻線，例えば同一巻数の３つの部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗを組み合わせて構成した場合（請求項６の構成）であっても，総巻線量は１２５％に止まっている。

なお，交流発電機に追加された補助巻線ｎは，三相巻線ｕ，ｖ，ｗを収容するスロット（図示せず）内に三相巻線ｕ，ｖ，ｗと共に収容することで，交流発電機全体をコンパクトなものとすることができ，特に，補助巻線ｎを複数の部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗによって構成した場合には，一つの巻線によって補助巻線ｎを構成した場合に比較して総巻線量は増大するものの，補助巻線ｎを，三相巻線ｕ，ｖ，ｗの各スロットに分けて収容することができ，一つのスロットに対して収容される補助巻線量を減少させることができる結果，スロットの小型化，ひいては電機子コアの小型化を図ることができた。

実施例１の交流発電機における電機子コイルの結線図。 図１の結線がされた電機子コイルのベクトル図。 実施例２の交流発電機における電機子コイルの結線図。 図３の結線がされた電機子コイルのベクトル図。 実施例３の交流発電機における電機子コイルの結線図（低圧結線）。 実施例３の交流発電機における電機子コイルの結線図（高圧結線）。 図６の高圧結線がされた電機子コイルのベクトル図。 実施例３の交流発電機の概略説明図。

以下に，添付図面を参照しながら本発明の交流発電機について説明する。

〔実施例１〕
図１は，本実施例（実施例１）の交流発電機における電機子コイルの結線図であり，本実施例では２００Ｖの三相交流を出力可能に構成している。

図１に示すように本発明の交流発電機の電機子コイルが，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結線されている点は，既知の三相交流発電機の構成と共通である。

従って，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４線出力が得られる点も，既知の三相交流発電機と同様である。

本発明の交流発電機では，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Ｕ相）の巻線ｕを基準巻線とし，この基準巻線ｕ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。

また，前述の基準巻線ｕ上には，三相出力電圧である２００Ｖに対し１／２の電圧（１００Ｖ）が誘起される位置に中間タップ（ｔ）を設け，この中間タップｔに出力端子Ｔを接続している。

なお，図１に示す本実施例の構成では，三相巻線ｕ，ｖ，ｗ中，Ｕ相巻線ｕを前述の基準巻線としているが，その他の相（Ｖ相，Ｗ相）の巻線ｖ，ｗのいずれか一方をこの基準巻線としても良い。

また，図１に示した本実施例の構成にあっては，前述の補助巻線ｎとして，基準巻線ｕ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ｎ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構成しているが，この補助巻線ｎは，図１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，後に図３を参照して詳述する実施例２のように，複数の巻線（部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗ）を組み合わせて構成したものであっても良く，図２，図４のベクトル図に示すように，補助巻線ｎ全体の誘起電圧のベクトル和が，基準巻線ｕ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。

図１に示す通りに結線された電機子コイルのベクトル図は，図２に示す通りであり，前述したように，２００Ｖの三相出力を可能とした本実施例の交流発電機において，各相の線間電圧（出力端子Ｕ−Ｖ，Ｖ−Ｗ，Ｗ−Ｕ間の電圧）はそれぞれ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Ｕ相電圧（１１５Ｖ）に対して１／２の５７．５Ｖで，従って出力端子Ｖ−Ｎ，Ｎ−Ｗ間の電圧は約１００Ｖ（５７．５Ｖ×√３）である。

更に，中間タップｔは，前述したように三相出力である２００Ｖに対し１／２の誘起電圧（１００Ｖ）を発生する位置に設けられていることから，Ｔ−Ｏ間電圧は１００Ｖである。

従って，図１のように結線された電機子巻線を備えた発電機において，下表中，右記に記載した出力端子によって，左記に記載した出力形式の出力が行われる出力部が形成されている。

図１に示す結線の電機子コイルを備えた本実施例の交流発電機は，一例として定格電圧２００Ｖ，定格電流５７．７Ａであり，三相４線のみの総出力は，２０ｋＶＡ（√３×２００Ｖ×５７．７Ａ）であり，先に特許文献１〜３として紹介した交流発電機の三相総出力に等しい。

また，単相３線のみの総出力は１１．５ｋＶＡ（２００Ｖ×５７．７Ａ）で，この点でも特許文献１〜３として紹介した従来の交流発電機における単相３線の総出力に等しい。

しかし，本願発明の交流発電機にあっては，単相３線出力の他，単相２線出力を同時に行うことができ，その総出力は５．８ｋＶＡ（１００Ｖ×５７．７Ａ）である。

従って，本実施例の交流発電機における単相電力の総出力は，単相３線の総出力１１．５ｋＶＡと，単相２線の総出力５．８ｋＶＡの和である１７．３ｋＶＡ（１１．５ｋＶＡ＋５．８ｋＶＡ）となり，原動機に生じた余裕の範囲内で従来技術として紹介した特許文献１〜３に記載されている交流発電機よりも単相２線出力分，単相の総出力を増大させている。

また，図１に示した電機子コイルの結線において，補助巻線ｎとして許容電流値が基準巻線ｕと同等のものを使用すると，基準巻線ｕの誘起電圧に対し１／２の誘起電圧を発生する補助巻線ｎの巻線量は，基準巻線ｕの巻数の１／２となる。

従って，追加された補助巻線量は，三相巻線ｕ，ｖ，ｗの合計量に対し約１７％で，本実施例における交流発電機の電機子巻線総量は，補助巻線ｎを備えていない交流発電機の巻線量を１００％とした場合，１７％増の１１７％であり，巻線量の増加が低く抑えられている。

以上のようにして電機子コイルに追加された補助巻線ｎは，本実施形態にあっては電機子コア（図示せず）に設けた基準巻線（Ｕ相巻線）ｕを収容するためのスロット（図示せず）内に共に収容する。

その結果，基準巻線ｕを収容するスロットに対する巻線収容量は，三相巻線の他の巻線ｖ，ｗを収容するスロットに対する巻線収容率１００％に対し，補助巻線分増加した１５０％となる。

〔実施例２〕
２００Ｖの三相交流を出力可能とした別の交流発電機の電機子コイルの結線を，図３に示す。

図１，２を参照して説明した実施例１の交流発電機の電機子コイルの構成にあっては，前述した補助巻線ｎを単一の補助巻線によって構成するものとしていたが，本実施例では補助巻線ｎを複数の部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗの組合せによって構成している。

このように，補助巻線ｎを複数の部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗの組合せによって構成する場合，各部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗによって励起される電圧を合成して得た励起電圧のベクトル和が，前述した基準巻線ｕの励起電圧に対し１／２で１８０°の位相差となるよう，複数の部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗを組み合わせる。

図３に示す例では，補助巻線ｎを基準巻線ｕの巻数に対しそれぞれ１／４の巻数を有する３本の部分補助巻線（第１部分補助巻線ｎｕ，第２部分補助巻線ｎｖ，第３部分補助巻線ｎｗ）によって構成している。

そして，第１部分補助巻線ｎｕを，基準巻線ｕに対し１８０°の位相差となるよう中性点Ｏに接続すると共に，第２部分補助巻線ｎｖを三相巻線のうちのＶ相の巻線ｖと同位相となるように，第３部分補助巻線ｎｗをＷ相の巻線ｗと同位相となるように，それぞれ中性点Ｏに接続している。

図示の例では，中性点Ｏに対し，第１部分補助巻線ｎｕ，第２部分補助巻線ｎｖ，第３部分補助巻線ｎｗの順に直列に接続することで，第２，第３部分補助巻線ｎｖ，ｎｗを，第１部分補助巻線ｎｕを介して中性点Ｏに接続しているが，中性点Ｏに対する各部分補助巻線（ｎｕ，ｎｖ，ｎｗ）の接続は図示の例に限定されず，異なる順番〔例えば第１，第３，第２部分補助巻線（ｎｕ−ｎｗ−ｎｖ）の順／第２，第１，第３部分補助巻線（ｎｖ−ｎｕ−ｎｗ）の順／第２，第３，第１部分補助巻線（ｎｖ−ｎｗ−ｎｕ）の順／第３，第１，第２部分補助巻線（ｎｗ−ｎｕ−ｎｖ）の順／第３，第２，第１部分補助巻線（ｎｗ−ｎｖ−ｎｕ）の順〕で行っても良い。

このようにして中性点Ｏに対して接続された部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗは，図４のベクトル図に示すようにそれぞれ２８．８Ｖの励起電圧を発生するが，各部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗの励起電圧は基準巻線ｕの励起電圧に対し異なる位相差を有することから，これらを合成したベクトル和として補助巻線ｎ全体の励起電圧（合成励起電圧）を捉えると，この合成励起電圧は基準巻線ｕの励起電圧（１１５Ｖ）に対し１／２の５７．６Ｖで，且つ，基準巻線ｕの励起電圧に対し１８０°位相差を有するものとなる。

その結果，図１，２を参照して説明した実施例１の結線を採用した場合と同様，Ｖ−Ｎ，Ｎ−Ｗ間電圧は約１００Ｖ（５７．６×√３）となり，Ｖ，Ｎ，Ｗの三端子より単相３線２００Ｖの出力が得られる。

従って，図３の電機子コイルの結線においても，出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｏより三相４線２００Ｖの出力が，出力端子Ｖ，Ｎ，Ｗより単相３線２００Ｖの出力が，出力端子Ｔ，Ｏより単相２線１００Ｖの出力が，それぞれ同時に得られるものとなっており，その結果，単相の総出力を増大させることができる。

なお，基準巻線ｕに対し１／４の巻数を有する３本の部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗを組み合わせて補助巻線ｎを構成した本実施例の構成にあっては，三相巻線ｕ，ｖ，ｗのみによって電機子巻線を構成した場合の巻線量１００％に対し，総巻線量は，補助巻線ｎの増加分（２５％）が加わった１２５％となり，実施例１として説明した交流発電機の総巻線量の１１７％に比較して増加している。

しかし，本実施例の構成では，補助巻線ｎを３つの部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗの組合せによって構成することで，第１部分補助巻線ｎｕをＵ相巻線（基準巻線）ｕを収容するスロットに，第２部分補助巻線ｎｖをＶ相巻線ｖを収容するスロットに，第３補助巻線ｎｗをＷ相巻線ｗを収容するスロットにそれぞれ収容する等，第１〜第３部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗを，それぞれ別々のスロットに分散して収容することが可能となる。

その結果，実施例１の構成では，補助巻線ｎを全てＵ相の巻線（基準巻線）ｕを収容するスロットに収容するものとしていたため，Ｕ相巻線を収容するスロットに対する巻線収容率は，Ｕ相巻線のみを収容した場合の収容率１００％に対し，１５０％にまで上昇するものとなっていた。

これに対し，本実施例の構成では，各相の巻線ｕ，ｖ，ｗを収容するスロットに補助巻線ｎを分散して収容した結果，各スロットの巻線収容率は，いずれも１２５％に抑えることかでき，１つのスロットに対する収容率の最大値を減少させることができ，その結果，スロットの寸法を小さくすることができた。

なお，図示の例では補助巻線ｎを構成する部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗとして，いずれも同一巻数の巻線を使用しているが，各部分補助巻線ｎｕ，ｎｖ，ｎｗは，前述したように，ベクトル和としての励起電圧が基準巻線ｕの励起電圧に対し１／２で，且つ１８０°の位相差を生じるものであれば，異なる巻数の部分補助巻線を組み合わせて補助巻線ｎを構成するものとしても良い。

この場合，各スロットに対する巻線収容率は，収容する補助巻線の巻数によって異なるものとなるために均一なものとはならないが，補助巻線ｎを複数の部分補助巻線に分割して収容可能とすることで，１つのスロットあたりに対する巻線収容率は，実施例１で説明したＵ相のスロットに対する収容率である１５０％よりも低い数値とすることができる。

〔実施例３〕
本発明の更に別の実施例を図５〜７を参照して説明する。

本実施例の交流発電機は，三相の各相の巻線ｕ，ｖ，ｗ（図示の例では，更に補助巻線ｎ）がいずれも巻数が同一な２本の巻線を１組として構成したもので，図５に示す結線状態では，このように三相の各相の巻線ｕ，ｖ，ｗと補助巻線ｎが並列に接続された２本１組の巻線によって構成されている点を除き，図１を参照して説明した実施例１の電機子コイルと同様である。

このように，本実施例の交流発電機にあっては，２本一組の巻線によって各相の巻線ｕ，ｖ，ｗが構成されていることにより，図示せざるスイッチの切り替えにより，図５に示すように各相の巻線を並列に接続した低圧結線と，図６に示すように各相の巻線を直列に接続した高圧結線間で，結線状態を切り替え可能としている。

本実施例の交流発電機は，図５に示す低圧結線において三相４線２００Ｖの交流出力が行えるように構成されており，図５に示す低圧結線におけるベクトル図は，実施例１の結線（図１の結線）について参照した図２のベクトル図と同じになる。

従って，図５の低圧結線では，出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｏを介して三相４線２００Ｖの出力が得られ，出力端子Ｖ，Ｎ，Ｗを介して単相３線２００Ｖの出力が得られると共に，出力端子Ｔ，Ｔ，Ｏを介して単相２線１００Ｖの出力を得ることができる。

一方，図６に示すように，各相の巻線ｕ，ｖ，ｗを構成する個々の巻線ｕ１，ｕ２；ｖ１，ｖ２；ｗ１，ｗ２をそれぞれ直列に結線することで，各相を構成する巻線の巻数が２倍となり，図５に示した低圧結線に対し，各相間の電圧（出力端子Ｕ−Ｖ，Ｖ−Ｗ，Ｗ−Ｕ間の電圧）として２倍の４００Ｖを発生させることが可能となる。

なお，補助巻線ｎを構成する各巻線ｎ１，ｎ２は，低圧結線，高圧結線のいずれの結線においても並列に接続した状態を維持しており，従って，図５に示す低圧結線においては基準巻線ｕに対し１／２の巻数であった補助巻線は，図６に示す高圧結線にあっては，基準巻線ｕの巻数に対し１／４の巻数となる。

なお，本実施例の交流発電機では，図６に示す高圧結線状態において直列に接続された各相の巻線ｕ，ｖ，ｗの端部に出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを設ける他，各相の巻線を構成する巻線間（ｕ１−ｕ２間，ｖ１−ｖ２間，ｗ１−ｗ２間）にも出力端子Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’を設けている。

また，基準巻線であるＵ相の巻線上に，中性点Ｏとの間で１００Ｖの電圧が誘起される位置に中間タップｔ１を設けると共に，この中間タップｔ１に接続された出力端子Ｔを設けている。

以上のように構成された図６に示す高圧結線におけるベクトル図を図７に示す。図７のベクトル図より，図６に示す高圧結線状態では，出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｏを介して三相４線４００Ｖの出力を得ることができ，出力端子Ｖ’，Ｎ，Ｗ’を介して単相３線２００Ｖの出力を得ることができ，更に，出力端子Ｔ，Ｏを介して単相２線１００Ｖの出力を得ることができる。

なお，基準巻線であるＵ相巻線ｕを構成する巻線ｕ１，ｕ２間にも出力端子Ｕ’接続した図示の実施例にあっては，更に，出力端子Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’，Ｏを介して三相４線２００Ｖの出力を得ることもできるようになっている。

以上で説明した実施例３の交流発電機における出力形式と出力端子との関係をまとめると下表に示す通りであり，下表右欄に示す出力端子が，左欄に示す出力形式の出力部となる。

図５に示す低圧結線における三相，単相の総出力は，実施例１で説明した交流発電機と同様であり，定格電流を５７．７Ａとすると，三相４線２００Ｖの総出力は２０ｋＶＡ，単相出力は，単相３線出力の１１．５ｋＶＡと単相２線出力の５．８ｋＶＡの計１７．３ｋＶＡである。

これに対し，図６に示す高圧結線状態では，本実施例の各相の巻線は２本１組として構成していることから，図５の低圧結線における定格電流を５７．７Ａとすると，図６の高圧結線の定格電流はその半分の２８．８Ａとなる。

従って，図６の高圧結線における三相４線４００Ｖのみの総出力は２０ｋＶＡ（√３×４００Ｖ×２８．８Ａ）で，低圧結線時における三相４線の総出力と同じである。

一方，単相３線のみの総出力は５．８ｋＶＡ（２００Ｖ×２８．８Ａ），単相２線の総出力は２．９ｋＶＡ（１００Ｖ×２８．８Ａ）で，両者を併せた単相の総出力は８．７ｋＶＡ（５．８ｋＶＡ＋２．９ｋＶＡ）となる。

このように，図５に示す低圧結線に対し，図６に示す高圧結線に切り替えた場合には，三相の総出力は変化しないものの，単相の総出力が約半分に減ってしまうことになる。

しかし，本発明の交流発電機の構成にあっては，低圧結線，高圧結線のいずれの結線状態においても，三相４線と，単相３線，単相２線の同時出力が可能となっている結果，低圧結線と高圧結線間で結線を切り替え可能とした従来の交流発電機との比較において，いずれの結線状態においても単相の総出力は増加している。

以上のように構成された各相の巻線ｕ，ｖ，ｗ及び補助巻線ｎは，交流発電機に設けられた電機子のコアに形成されたスロットに，一例として図８に示す状態で収容されている。

図８に示す構成例において，前述のコアは１２個のスロットを有し，１相の巻線を２分割して１８０°離れた対称位置のスロットに巻装（収容）することで，Ｕ，Ｖ，Ｗの各相巻線ｕ（ｕ１，ｕ２），ｖ（ｖ１，ｖ２），ｗ（ｗ１，ｗ２）を１２０°の位相差で配置している。

Ｕ相巻線ｕ（ｕ１，ｕ２）を収納するスロットには補助巻線ｎ（ｎ１，ｎ２）が共に収容されており，この補助巻線ｎ（ｎ１，ｎ２）はＵ相巻線（基準巻線）ｕに対して１８０°の位相差（逆相）となるように結線されている。

なお，電機子コアのスロット数，巻線の配置位置は，中性点ＯにＵ相巻線ｕ（ｕ１，ｕ２），Ｖ相巻線ｖ（ｖ１，ｖ２），Ｗ相巻線ｗ（ｗ１，ｗ２）を電気角１２０°の位相差でＹ結線され，補助巻線ｎ（ｎ１，ｎ２）をＵ相の巻線ｎに対して電気角１８０°の位相差となるよう中性点Ｏに接続していれば，図８に示す構成に限定されず，１つのスロットに複数の相の巻線を収容するものとしても良い。

〔先行技術との性能比較〕
以上で説明した本発明の交流発電機（実施例１，２）と，従来技術として紹介した特許文献１〜３に記載の交流発電機の性能の比較結果をまとめたものを下表に示す。

上記表３より，本願の実施例１と２の交流発電機は，従来技術として紹介したいずれの交流発電機との比較においても，単相の総出力が大幅に向上していることが判る。

しかも，三相，単相の同時出力と，単相総出力の増大が得られるものでありながら，電機子コイルに追加した追加巻線（補助巻線ｎ）を含めた総巻線量は，従来技術として紹介した交流発電機中，最小である。

更に，単相と三相の同時出力を可能とするために設けた追加巻線（補助巻線ｎ）を収容するスロット単位の収容率，すなわち，スロット中，最大量の巻線を収容しているスロットの巻線量の比較（表３中の「１スロットの最大収容率（％）」）においても，本願実施例１，２の交流発電機にあっては従来の交流発電機に比較して低い数値を示しており，本発明の構成を採用することで，電機子コアに形成するスロットを小さなものとすることが可能で，電機子コア，従って交流発電機の全体の小型化が可能である。

ｕ Ｕ相巻線（基準巻線）
ｕ１，ｕ２ Ｕ相巻線を構成する巻線
ｖ Ｖ相巻線
ｖ１，ｖ２ Ｖ相巻線を構成する巻線
ｗ Ｗ相巻線
ｗ１，ｗ２ Ｗ相巻線を構成する巻線
ｎ 補助巻線
ｎｕ （第１）部分補助巻線
ｎｖ （第２）部分補助巻線
ｎｗ （第３）部分補助巻線
ｔ，ｔ１，ｔ２ 中間タップ
Ｕ 出力端子（Ｕ相）
Ｖ 出力端子（Ｖ相）
Ｗ 出力端子（Ｗ相）
Ｕ’ 出力端子（Ｕ相中間）
Ｖ’ 出力端子（Ｖ相中間）
Ｗ’ 出力端子（Ｗ相中間）
Ｏ 中性点
Ｎ 出力端子（補助巻線の）
Ｔ 出力端子（中間タップの）

Claims (7)

1. 中性点を中心に三相巻線が１２０°の位相差でＹ結線されており，所定電圧の三相交流を出力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ると共に，前記三相巻線のうちのいずれか１相の巻線を基準巻線とし，該基準巻線上であって，前記中性点から約１００Ｖの電圧が誘起される位置に中間タップを設け，
   前記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前記補助巻線を構成し，
   前記三相巻線の各出力端子と前記中性点とを，三相４線出力部とし，
   前記三相巻線のうち前記基準巻線を除く他の２巻線の各出力端子と前記補助巻線の出力端子を，単相３線出力部と成すと共に，
   前記基準巻線に設けた前記中間タップに接続された出力端子と前記中性点とを，単相２線出力部としたことを特徴とする交流発電機。
2. 中性点を中心に三相巻線が１２０°の位相差でＹ結線されており，所定電圧の三相交流を出力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ると共に，前記三相巻線のうちのいずれか１相の巻線を基準巻線とし，該基準巻線上であって，前記中性点から約１００Ｖの電圧が誘起される位置に中間タップを設け，
   前記補助巻線によって誘起される誘起電圧のベクトル和が，前記基準巻線の誘起電圧に対し１／４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前記補助巻線を構成し，
   前記三相巻線の各出力端子と前記中性点とを，三相４線出力部とし，
   前記三相巻線のうち前記基準巻線を除く他の２巻線の中間位置に接続した各出力端子と前記補助巻線の出力端子を，単相３線出力部と成すと共に，
   前記基準巻線の前記中間タップに接続された出力端子と前記中性点とを，単相２線出力部としたことを特徴とする交流発電機。
3. 前記補助巻線を，前記基準巻線に対し１８０°の位相差で前記中性点に接続された巻線のみで構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の交流発電機。
4. 前記補助巻線を，前記基準巻線のスロット内に収容したことを特徴とする請求項３記載の交流発電機。
5. 前記補助巻線を，前記基準巻線に対する位相差が異なる複数の部分補助巻線の組合せによって構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の交流発電機。
6. 前記補助巻線を同一巻数の３つの前記部分補助巻線によって構成し，前記部分補助巻線の１つを，前記基準巻線と１８０°の位相差で前記中性点に接続すると共に，
   前記部分補助巻線の他の１つを，前記基準巻線以外の三相巻線いずれか１つと同位相となるように，残りの前記部分補助巻線を残りの前記三相巻線と同位相となるように前記中性点に接続したことを特徴とする請求項５記載の交流発電機。
7. 前記三相巻線を収容するスロットのそれぞれに，前記部分補助巻線をいずれか１つずつ収容したことを特徴とする請求項６記載の交流発電機。

Images