JP5778391B2

JP5778391B2 - 同期回転機

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Publication number: JP5778391B2
Application number: JP2010033190A
Authority: JP
Inventors: 雅俊樅山; 光弘川村; 深見　正; 正深見; 和男島; 吉高松浦
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp; Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp; Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2030-02-18
Also published as: JP2011172369A

Description

本発明は、界磁巻線が固定子側に設けられたリラクタンス式の多相同期回転機に関する。

従来のリラクタンス式の三相同期発電機は、回転子、固定子、界磁巻線、および、三相の電機子巻線を有していて、界磁巻線が固定子側に設けられている。回転子は、回転可能に軸支されていて、回転子の外周には、互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数の突極部が形成されている。固定子は、回転子の外周に回転子と間隔（エアギャップ）を空けて配設されていて、固定子の内周には、互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数のティースが形成されている。このティースには、界磁巻線および電機子巻線が巻回されている。界磁巻線および電機子巻線は、両巻線による起磁力を正弦波状にするため、複数個のティース間を渡って巻回（いわゆる「分布巻き」）されている。

この同期発電機は、界磁巻線を界磁電流により直流励磁し、固定子に静止磁界を形成して、この静止磁界を回転子によって磁気変調させて、エアギャップに回転磁界を発生させる。その結果、電機子巻線に三相交流電圧が誘導される（例えば、非特許文献１を参照。）。

深見正他４名，ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮＥＮＥＲＧＹＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ，ＶＯＬ．２３，ＮＯ．２，ＪＵＮＥ２００８

上述したリラクタンス式の三相同期発電機では、巻線が分布巻きされているため、巻線の配置が複雑であり、巻回作業においてミスが生じやすい。特に、大容量の大型同期発電機においては、巻回作業が困難であり、多くの作業工数が掛かってしまう。

そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、界磁巻線が固定子側に設けられたリラクタンス式の多相同期回転機において、巻線の巻回作業を容易にすることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るリラクタンス式の多相同期回転機は、回転可能に軸支されて、外周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数の突極部が形成された回転子と、前記回転子の外周に前記回転子と間隔を空けて配設されて、内周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数のティースが形成された固定子鉄心と、前記複数のティース毎に巻回されて、前記複数のティースの個数と同一の極数を有する界磁巻線と、前記界磁巻線と絶縁されて、前記複数のティース毎に巻回された複数極の多相の電機子巻線と、を具備し、前記突極部の数が（ｐ_ｆ＋ｐ_ａ）／２（ただし、ｐ_ｆ：前記界磁巻線の極数、ｐ_ａ：前記電機子巻線の極数）であり、ｐ_ｆのｐ_ａに対する比ｐ_ｆ／ｐ_ａが１．５である、ことを特徴とする。
また、本発明に係るリラクタンス式の多相同期回転機は、回転可能に軸支されて、外周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数の突極部が形成された回転子と、前記回転子の外周に前記回転子と間隔を空けて配設されて、内周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数のティースが形成された固定子鉄心と、前記複数のティース毎に巻回されて、前記複数のティースの個数と同一の極数を有する界磁巻線と、前記界磁巻線と絶縁されて、前記複数のティース毎に巻回された複数極の多相の電機子巻線と、を具備し、前記突極部の数が（ｐ _ｆ＋ｐ _ａ）／２（ただし、ｐ _ｆ：前記界磁巻線の極数、ｐ _ａ：前記電機子巻線の極数）であり、ｐ _ｆのｐ _ａに対する比ｐ _ｆ／ｐ _ａが１．２である、ことを特徴とする。
また、本発明に係るリラクタンス式の多相同期回転機は、回転可能に軸支されて、外周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数の突極部が形成された回転子と、前記回転子の外周に前記回転子と間隔を空けて配設されて、内周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数のティースが形成された固定子鉄心と、前記複数のティース毎に巻回されて、前記複数のティースの個数と同一の極数を有する界磁巻線と、前記界磁巻線と絶縁されて、前記複数のティース毎に巻回された複数極の多相の電機子巻線と、を具備し、前記突極部の数が（ｐ _ｆ＋ｐ _ａ）／２（ただし、ｐ _ｆ：前記界磁巻線の極数、ｐ _ａ：前記電機子巻線の極数）であり、ｐ _ｆのｐ _ａに対する比ｐ _ｆ／ｐ _ａが１．１２５である、ことを特徴とする。

本発明によれば、界磁巻線が固定子に設けられたリラクタンス式の多相同期回転機において、巻線の巻回作業を容易にすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る同期回転機の四分の一の部分横断面を模式的に示した図である。本発明の第１の実施形態に係る同期回転機を説明するための図であって、界磁巻線の結線図である。本発明の第１の実施形態に係る同期回転機を説明するための図であって、電機子巻線の結線図である。本発明の第１の実施形態に係る同期回転機を説明するための図であって、回転速度Ｎ＝２４０ｍｉｎ^−１で定速運転したときの無負荷飽和曲線と三相短絡曲線を示した図である。本発明の第１の実施形態に係る同期回転機を説明するための図であって、回転速度Ｎ＝２４０ｍｉｎ^−１、界磁電流Ｉ_ｆ＝３．５Ａのときの電機子電流Ｉ_ａに対する誘導電圧Ｖと出力Ｐの変化を示した図である。本発明の第１の実施形態に係る同期回転機を説明するための図であって、回転速度Ｎ＝２４０ｍｉｎ^−１で定速運転しながら界磁電流Ｉ_ｆ＝３．５Ａとしたときの無負荷時における誘導電圧Ｖの実測波形を示した図である。本発明の第１の実施形態に係る同期回転機を説明するための図であって、回転速度Ｎ＝２４０ｍｉｎ^−１で定速運転しながら界磁電流Ｉ_ｆ＝３．５Ａとしたときの負荷（出力Ｐ＝２．６ｋＷ）時における誘導電圧Ｖの実測波形を示した図である。本発明の第１の実施形態に係る同期回転機を説明するための図であって、回転速度Ｎ＝２４０ｍｉｎ^−１で定速運転しながら界磁電流Ｉ_ｆ＝３．５Ａとしたときの無負荷時における界磁電流Ｉ_ｆの実測波形を示した図である。本発明の第１の実施形態に係る同期回転機を説明するための図であって、回転速度Ｎ＝２４０ｍｉｎ^−１で定速運転しながら界磁電流Ｉ_ｆ＝３．５Ａとしたときの負荷（出力Ｐ＝２．６ｋＷ）時における界磁電流Ｉ_ｆの実測波形を示した図である。本発明の第１の実施形態に係る同期回転機を説明するための図であって、可変速運転しながら界磁電流Ｉ_ｆを１．５Ａ、２．５Ａ、３．５Ａと調整した場合の回転速度Ｎに対する最大出力Ｐ_ｍａｘの変化を示した図である。本発明の第２の実施形態に係る同期回転機の四分の一の部分横断面を模式的に示した図である。本発明の他の実施形態に係る同期回転機を説明するための表であって、ｐ_ｆ，ｐ_ａ，ｐ_ｒの組み合わせを示した表である。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係るリラクタンス式の多相同期回転機について説明する。

まず、本実施形態に係るリラクタンス式の多相同期回転機の構造について、図１および図２を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る同期回転機の四分の一の部分横断面を模式的に示した図である。図２は、界磁巻線の結線図である。図３は、電機子巻線の結線図である。

本実施形態に係るリラクタンス式の多相同期回転機（以下、単に「同期回転機」という。）は、例えば三相同期発電機である。同期回転機は、ハウジング（図示しない。）の内部に、回転子１０および固定子４０を有している。

回転子１０は、界磁巻線６０が巻回されていない突極形回転子であって、主軸２０および回転子鉄心３０を有している。

主軸２０は、回転軸と同軸的に延びていて、ハウジングに設けられた軸受（図示しない。）によって、回転可能に軸支されている。

回転子鉄心３０は、複数枚の珪素鋼板が回転軸方向に積層されてなり、主軸２０の外周に固定されていて、回転軸と同軸的に延びている。回転子鉄心３０の外周には、互いに周方向に等間隔に配列された凸状（例えば、横断面が略長方形状）の４０個の突極部３２が形成されている。すなわち、隣接する突極部３２間には、凹溝３４が形成されている。

本実施形態においては、回転子鉄心３０は、回転軸方向の長さが５０ｍｍ、外側半径（回転軸中心から突極部３２の先端面までの距離）が２５５ｍｍに形成されている。

固定子４０は、固定子鉄心５０、複数極の界磁巻線６０、および、複数極の三相の電機子巻線７０を有している。

固定子鉄心５０は、複数枚の珪素鋼板が回転軸方向に積層されてなり、回転子１０の外周に回転子１０と間隔（エアギャップ）を空けて配設されている。固定子鉄心５０の内周には、互いに周方向に等間隔に配列された凸状（例えば、横断面が略長方形状）の４８個のティース５２が形成されている。すなわち、隣接するティース５２間には、スロット５４が形成されている。

本実施形態においては、固定子鉄心５０は、回転軸方向の長さが５０ｍｍ、外径が３１５ｍｍ、径方向の厚み（ティース５２の先端面から固定子鉄心５０の外周面までの距離）が５９．５ｍｍに形成されている。また、固定子鉄心５０は、エアギャップの距離（突極部３２の先端面からティース５２の先端面までの距離）が０．５ｍｍとなるように配設されている。

界磁巻線６０は、銅線等の導線が、絶縁物を介して、４８個のティース５２毎に径方向に垂直に巻回（いわゆる「集中巻き」）されてなる。隣接したティース５２に巻回された界磁巻線６０は、互いに逆向きに巻回されていて、図１および図２に示したように、互いに直列に接続されている。界磁巻線６０には、直流電源（図示しない。）より、界磁電流が供給される。そのため、本実施形態においては、界磁巻線６０の極数ｐ_ｆは、ティース５２の数と同一の４８極となっている。なお、界磁巻線６０の巻き数は、９２１６巻きである。

三相の電機子巻線７０は、銅線等の導線が、絶縁物を介して、４８個のティース５２毎に径方向に垂直に巻回（いわゆる「集中巻き」）されてなる。三相の電機子巻線７０は、界磁巻線６０より径方向の内方の位置で、界磁巻線６０と絶縁されるように巻回されていて、隣接したティース５２に巻回された電機子巻線７０は、互いに同一の向きに巻回されている。電機子巻線７０は、図１および図３に示したように、互いにＹ結線された三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の巻線により構成されていて、周方向に形成された４８個のティース５２には、Ｕ相の巻線、Ｖ相の巻線、Ｗ相の巻線が周方向に順に巻回されている。そのため、本実施形態においては、電機子巻線７０の極数ｐ_ａは、（４８÷３×２＝）３２極となっている。なお、三相の電機子巻線７０の巻き数は、各相につき５２８巻きである。

本実施形態に係るリラクタンス式の多相同期回転機の動作について、発電機を例にして説明する。

まず、リラクタンス式の多相同期回転機の動作原理について説明する。界磁巻線６０を界磁電流Ｉ_ｆにより直流励起すると、固定子４０にｐ_ｆ極（４８極）の静止磁界が形成される。ここで、回転子１０を同期回転機の外部に設けられた原動機によって回転速度Ｎ［ｍｉｎ^−１］で駆動すると、この静止磁界がｐ_ｒ極（（ｐ_ｆ＋ｐ_ａ）／２＝４０極）の回転子１０によって磁気変調されて、エアギャップにｐ_ａ極（３２極）の回転磁界が発生する。その結果、三相の電機子巻線７０に式（１）に示した発電周波数ｆ［Ｈｚ］の三相交流電圧が誘導される。

ｆ＝｛（ｐ_ｆ＋ｐ_ａ）／１２０｝×Ｎ・・・式（１）
なお、電機子巻線７０に誘導される誘導電圧Ｖは、界磁巻線６０に供給する界磁電流Ｉ_ｆを調整することにより、容易に制御される。

次に、本実施形態に係る同期回転機の動作の有限要素解析（ＦＥＡ）および実験による検証結果について、図４ないし図１０を用いて説明する。

図４は、回転速度Ｎ＝２４０ｍｉｎ^−１で定速運転したときの無負荷飽和曲線と三相短絡曲線を示した図である。図５は、回転速度Ｎ＝２４０ｍｉｎ^−１，界磁電流Ｉ_ｆ＝３．５Ａのときの電機子電流Ｉ_ａに対する誘導電圧Ｖと出力Ｐの変化を示した図である。

図４および図５には、有限要素解析の結果と実験による実測値を同時に示した。両図において、実測値は、有限要素解析の結果とほぼ一致しているため、有限要素解析の妥当性が確認できた。また、図４および図５から分かるように、本実施形態に係る同期回転機は、電機子巻線７０が回転子１０側に巻回された、一般的な界磁巻線式の三相同期回転機と類似の特性を得ることができた。

また、図６は、回転速度Ｎ＝２４０ｍｉｎ^−１で定速運転しながら界磁電流Ｉ_ｆ＝３．５Ａとしたときの無負荷時における誘導電圧Ｖの実測波形を示した図である。図７は、回転速度Ｎ＝２４０ｍｉｎ^−１で定速運転しながら界磁電流Ｉ_ｆ＝３．５Ａとしたときの負荷（出力Ｐ＝２．６ｋＷ）時における誘導電圧Ｖの実測波形を示した図である。

図７に示したように、三相の電機子巻線７０が集中巻きされているにもかかわらず、負荷時の誘導電圧Ｖがほぼ正弦波の平衡三相交流になっている。また、発電周波数ｆ＝１６０Ｈｚであり、式（１）を満たしているため、８０極（（ｐ_ｆ＋ｐ_ａ）極）の三相同期発電機として動作していることが確認できた。

一方、図８は、回転速度Ｎ＝２４０ｍｉｎ^−１で定速運転しながら界磁電流Ｉ_ｆ＝３．５Ａとしたときの無負荷時における界磁電流Ｉ_ｆの実測波形を示した図である。図９は、回転速度Ｎ＝２４０ｍｉｎ^−１で定速運転しながら界磁電流Ｉ_ｆ＝３．５Ａとしたときの負荷（出力Ｐ＝２．６ｋＷ）時における界磁電流Ｉ_ｆの実測波形を示した図である。

図８および図９に示したように、界磁電流Ｉ_ｆは、負荷の有無にかかわらず、ほぼ時間的に変化しない直流電流となっていて、界磁巻線６０には、交流電圧が誘導されていないことが確認できた。したがって、容易に界磁制御できる。

図１０は、可変速運転しながら界磁電流Ｉ_ｆを１．５Ａ、２．５Ａ、３．５Ａと調整した場合の回転速度Ｎに対する最大出力Ｐ_ｍａｘの変化を示した図である。

図１０に示したように、界磁電流Ｉ_ｆを調整することにより、可変速で出力Ｐを任意に制御できることが確認できた。

本実施形態に係るリラクタンス式の多相同期回転機の効果について説明する。

本実施形態によれば、ティース５２毎に界磁巻線６０および三相の電機子巻線７０を巻回（集中巻き）しているため、巻線６０，７０の巻回作業が容易になる。また、巻線の配置が単純であるため、巻回作業においてミスが低減し、メンテナンス等も容易になる。

また、集中巻きを採用した本実施形態に係る同期回転機は、分布巻きを採用した従来の回転機に比べて、巻線６０，７０の周長を短縮できるため、製造コストが低減し、かつ、巻線抵抗の低減により出力および効率が向上する。

また、本実施形態による多極の同期回転機によれば、分布巻きを採用した従来の少極の回転機に比べて、低速回転が可能となる。その結果、風力発電システム等の種々の用途において、ギアレス（ダイレクトドライブ）システムを実現でき、騒音の低減および保守の省力化を図ることができる。

また、界磁巻線６０が回転子１０側に巻回されているのではなく、固定子４０側に巻回されているため、ブラシやスリップリング等の回転子１０側の給電装置が不要となり、製造コストや組立工数を低減することができる。

さらに、上述したように、本実施形態に係る同期回転機によれば、界磁電流Ｉ_ｆを調整することにより、容易に界磁制御が可能であり、出力Ｐを任意に制御できる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係るリラクタンス式の多相同期回転機について、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態に係る同期回転機の四分の一の部分横断面を模式的に示した図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態では、固定子鉄心５０は、周方向に４８個に分割された分割コア５６を組み合わせることによって構成されていて、各分割コア５６の内周には、それぞれ１個のティース５２が形成されている。

本実施形態に係る同期回転機は、まず、各分割コア５６のティース５２に対して界磁巻線６０および三相の電機子巻線７０を巻回した後、４８個の分割コアを組み合わせて、その後、各ティース５２に巻回した巻線６０，７０同士を接続して、製造される。

本実施形態によれば、巻線６０，７０の巻回作業が容易になり、特に、大容量の大型同期回転機においては、この効果が顕著となる。

［他の実施形態］
第１および第２の実施形態は、単なる例示であって、本発明は、これらに限定されるものではない。

第１および第２の実施形態では、ｐ_ｆ／ｐ_ａ＝４８／３２＝１．５となっているが、ｐ_ｆ／ｐ_ａ＝１．２あるいは１．１２５でも良い。さらに、図１２に示したように、ｐ_ｆ／ｐ_ａ＝１．５，１．２，１．１２５を満たすようなｐ_ｆ，ｐ_ａ，ｐ_ｒの組み合わせは、多数存在し、これらのどの組み合わせを採用しても構わない。なお、ｐ_ｆ／ｐ_ａ＝１．５，１．２，１．１２５を満たすようなｐ_ｆ，ｐ_ａ，ｐ_ｒの組み合わせは、個々のティース５２に界磁巻線６０および電機子巻線７０を集中巻した単純な構造であり、界磁巻線６０の極数と電機子巻線７０の極数とを異にし、電機子巻線７０を三相巻線、界磁巻線を直流巻線として動作させることができる。

また、第１および第２の実施形態では、三相の電機子巻線７０の結線には、Ｙ結線が採用されているが、Δ結線が採用されても良い。

また、第１および第２の実施形態では、電機子巻線７０が界磁巻線６０より径方向の内方の位置で巻回されているが、電機子巻線７０が界磁巻線６０より径方向の外方の位置で巻回されていても良い。

また、第２の実施形態では、各分割コア５６の内周には、それぞれ１個のティース５２が形成されているが、各分割コア５６の内周に、それぞれ２個以上のティース５２が形成されていても良い。

さらに、第１および第２の実施形態では、三相同期発電機を例にして説明したが、本発明は、多相の電動機または調相機にも適用できる。

１０…回転子、２０…主軸、３０…回転子鉄心、３２…突極部、３４…凹溝、４０…固定子、５０…固定子鉄心、５２…ティース、５４…スロット、５６…分割コア、６０…界磁巻線、７０…電機子巻線

Claims

回転可能に軸支されて、外周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数の突極部が形成された回転子と、
前記回転子の外周に前記回転子と間隔を空けて配設されて、内周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数のティースが形成された固定子鉄心と、
前記複数のティース毎に巻回されて、前記複数のティースの個数と同一の極数を有する界磁巻線と、
前記界磁巻線と絶縁されて、前記複数のティース毎に巻回された複数極の多相の電機子巻線と、
を具備し、
前記突極部の数が
（ｐ_ｆ＋ｐ_ａ）／２
（ただし、ｐ_ｆ：前記界磁巻線の極数、ｐ_ａ：前記電機子巻線の極数）
であり、
ｐ_ｆのｐ_ａに対する比ｐ_ｆ／ｐ_ａが１．５である、
ことを特徴とするリラクタンス式の多相同期回転機。
回転可能に軸支されて、外周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数の突極部が形成された回転子と、
前記回転子の外周に前記回転子と間隔を空けて配設されて、内周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数のティースが形成された固定子鉄心と、
前記複数のティース毎に巻回されて、前記複数のティースの個数と同一の極数を有する界磁巻線と、
前記界磁巻線と絶縁されて、前記複数のティース毎に巻回された複数極の多相の電機子巻線と、
を具備し、
前記突極部の数が
（ｐ _ｆ＋ｐ _ａ）／２
（ただし、ｐ _ｆ：前記界磁巻線の極数、ｐ _ａ：前記電機子巻線の極数）
であり、
ｐ _ｆのｐ _ａに対する比ｐ _ｆ／ｐ _ａが１．２である、
ことを特徴とするリラクタンス式の多相同期回転機。
回転可能に軸支されて、外周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数の突極部が形成された回転子と、
前記回転子の外周に前記回転子と間隔を空けて配設されて、内周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数のティースが形成された固定子鉄心と、
前記複数のティース毎に巻回されて、前記複数のティースの個数と同一の極数を有する界磁巻線と、
前記界磁巻線と絶縁されて、前記複数のティース毎に巻回された複数極の多相の電機子巻線と、
を具備し、
前記突極部の数が
（ｐ _ｆ＋ｐ _ａ）／２
（ただし、ｐ _ｆ：前記界磁巻線の極数、ｐ _ａ：前記電機子巻線の極数）
であり、
ｐ _ｆのｐ _ａに対する比ｐ _ｆ／ｐ _ａが１．１２５である、
ことを特徴とするリラクタンス式の多相同期回転機。
前記固定子鉄心は、周方向に分割された分割コアによって構成されていることを特徴する請求項１ないし３のいずれか一項に記載のリラクタンス式の多相同期回転機。