JP6358832B2

JP6358832B2 - 交流発電機

Info

Publication number: JP6358832B2
Application number: JP2014076279A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　隆; 隆鈴木; 勇人櫻木
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2034-04-02
Also published as: JP2015198536A

Description

本発明は、交流発電機に関し、詳しくは、三相出力と単相３線出力とを同時に出力可能とした交流発電機に関する。

エンジンで駆動される交流発電機として、三相巻線の内の１相の巻線に中間タップを設けるとともに、前記三相巻線の中性点に、前記中間タップに誘起される電圧に対して逆位相で等しい大きさの電圧を誘起する追加巻線を接続することにより、三相出力と単相３線出力とを同時に出力できるようにした交流発電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、三相巻線の中性点に，三相の内の一相の巻線に誘起される電圧に対して逆位相で半分の大きさの電圧を誘起する追加巻線を接続することにより、三相出力と単相３線出力とを同時に出力できるようにした交流発電機が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００６−２０４００５号公報特開昭６３−８７１５７号公報

しかし、三相出力と単相３線出力とを同時に出力する場合、双方の出力に必要な巻線が必要になることから、既存の三相出力用巻線に単相３線出力用巻線を追加した分だけ巻線量が多くなってしまう。また、日本国内では、一般に、電機子巻線の短節率を０．８程度に設定し、高調波成分による三相出力波形の歪みをできるだけ抑えるようにしている。例えば、三相４極３６スロットの交流発電機の場合は、一般に、短節率を７／９（０．７８）に設定している。ここに、同時出力用の単相３線出力用巻線を追加すると、図５に示すように、電機子鉄心の周方向に等間隔で配置された３６個のスロット５１の内、一部のスロット５１ａに単相３線出力用巻線５２が上下２段に重なって入ることになる。したがって、全てのスロット５１の大きさを、単相３線出力用巻線５２が２段に重なるスロット５１ａの大きさに対応した大きさに形成しなければならず、これに伴って電機子鉄心の外径も大きくなることから、交流発電機全体の大型化を招くことになる。

さらに、日本国内では、単相３線出力を１００−２００Ｖにすることが求められている。例えば、図６に示すように、三相側５６Ｕ，５６Ｖ，５６Ｗの巻線数を１０Ｔ（１０ターン）にした場合は、単相３線出力用巻線５７ｖの巻線数を５Ｔにすることにより、Ｕ−Ｗ間の２００Ｖに対してＵ−ｖ間及びＷ−ｖ間の出力を１００Ｖにすることができる。したがって、図７に示すように、単相３線出力用巻線６１が追加されるスロット６２では、三相用の１０Ｔの巻線６３が上下２段に入っているところに単相３線出力用の５Ｔの巻線６１が上下２段に重なって入ることになるため、このスロット６２に入る巻線数は合計で３０Ｔとなり、三相用のみ場合の２０Ｔに比べて１．５倍の巻線を収容しなければならない。このため、スロット６２の大きさを少なくとも１．５倍にしなければならず、電機子鉄心の外径も、それなりに大きくなってしまう。

そこで本発明は、三相出力と単相３線出力とを同時に出力可能な交流発電機の小型化を図ることができる構造を備えた交流発電機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の交流発電機は、周方向に配置された複数のスロット内に三相出力用の電機子巻線と、単相３線出力用の電機子巻線とを挿入した交流発電機において、前記各電機子巻線の短節率を２／３に設定するとともに、前記単相３線出力用の電機子巻線の巻線数を、あらかじめ設定されている規定の巻線数に対して１０〜５０％少なく設定し、一つのスロットに単相３線出力用巻線が重なって挿入されていないことを特徴としている。

本発明の交流発電機によれば、電機子巻線の短節率を２／３に設定することにより、一つのスロット内に単相３線出力用の電機子巻線同士が重なって入ることがなくなるので、スロット内に挿入される最大巻線数を従来の短節率０．８程度に比べて少なくすることができる。さらに、単相３線出力の許容電圧を満たす範囲内で巻線数を１０〜５０％少なくすることにより、スロット内に挿入する単相３線出力用の巻線数を少なくすることができる。したがって、従来のように単相３線出力用巻線を追加する場合に比べてスロットを小さくすることができ、電機子鉄心の小型化、すなわち、発電機の小型化を図ることができる。

本発明を三相４極３６スロットの交流発電機に適用した一形態例を示す説明図である。同じく単相３線出力用巻線の巻線数を少なくした状態の説明図である。同じく単相３線出力用巻線の巻線数を少なくしたときのスロット内の巻線の挿入状態を示す説明図である。交流発電機の一例を示す一部断面斜視図である。従来の三相４極３６スロットの交流発電機における単相３線出力用巻線の状態を示す説明図である。従来の三相出力用巻線と単相３線出力用巻線との関係を示す説明図である。従来のスロット内の巻線の挿入状態を示す説明図である。

まず、図４に示すように、交流発電機（同期発電機）は、円筒形のフレーム３１の一端に取り付けられたエンドブラケット３２に、ベアリング３３を介して回転子部３４のシャフト３５を回転可能に設け、該シャフト３５の他端をエンジンのフライホイール（図示せず）に連結するとともに、フレーム３１の内周に固定子部３６を設けている。回転子部３４には、シャフト３５の中央部に界磁鉄心３７、界磁巻線３８及び制動巻線３９が、シャフト３５の一端部には励磁機電機子鉄心４０、励磁機電機子巻線４１及びダイオード４２が、他端部には冷却ファン４３が、それぞれ設けられている。また、固定子部３６には、電機子鉄心４４の内周部分に電機子巻線４５が、励磁機界磁鉄心４６の内周部分に励磁機界磁巻線４７がそれぞれ設けられている。

このような交流発電機における電機子巻線は、図１に示すように、円筒形の電機子鉄心１１の内周に、周方向に等間隔で軸線方向に設けられた複数のスロット、三相４極３６スロットの場合は３６個のスロット１２の内の所定のスロット内にそれぞれ挿入されている。なお、図１では、三相出力用巻線を省略して単相３線出力用巻線のみを図示しているが、各スロット１２内には、三相出力用巻線があらかじめ挿入されている。

本形態例では、三相出力を得るためのＵ相，Ｖ相，Ｗ相が９０度間隔で４コイルそれぞれ設けられ、毎極毎相のスロット数がそれぞれ３個ずつである三相４極３６スロットの電機子鉄心１１におけるＵ相，Ｖ相，Ｗ相の１極分の９個のスロットに単相３線出力用巻線１３を追加する際に、両電機子巻線の短節率を２／３（６／９）に設定している。したがって、Ｖ相の一つのスロット１２０に挿入された巻線１３０の帰路側は、該スロット１２０から６個目のスロット１２６に挿入され（巻線１３６）、スロット１２１に挿入された巻線１３１の帰路側はスロット１２７に（巻線１３７）、スロット１２２に挿入された巻線１３２の帰路側はスロット１２８に（巻線１３７）、それぞれ挿入される状態となり、１極のスロット群におけるスロット１２０〜１２８において、単相３線出力用巻線１３を挿入しない３個のスロット１２３〜１２５を除く６個のスロット１２０〜１２２，１２６〜１２８に単相３線出力用巻線１３０〜１３２，１３６〜１３８がそれぞれ追加挿入される。

このように、三相４極３６スロットの電機子鉄心１１における単相３線出力用巻線１３の短節率を２／３に設定することにより、従来のように一つのスロットに単相３線出力用巻線１３が重なって挿入されることがなくなる。これにより、スロット１２を小さくすることが可能となり、電機子鉄心１１を小型化できることから、交流発電機全体の小型化を図ることが可能となる。

また、図２の電機子コイル結線図に示すように、三相出力（Ｕ，Ｖ，Ｗ）用巻線１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗの巻線数をそれぞれ１０Ｔ（１０ターン）にしたときに、例えばＶ相の巻線１４Ｖと逆位相の状態で単相３線出力用巻線１３ｖを設ける際に、単相３線出力用巻線１３ｖの巻線数を、あらかじめ設定されている規定の巻線数、例えば、Ｕ−Ｗ間の電圧が２００Ｖの場合、Ｕ−ｖ間及びＷ−ｖ間に１００Ｖを発生させるためには、三相側巻線数の１０Ｔに対して５Ｔが規定の巻線数になるが、本形態例の場合は、単相３線出力用巻線１３ｖの巻線数を規定の巻線数に対して２０％少ない４Ｔとしている。このとき、Ｕ−ｖ間及びＷ−ｖ間の電圧は１００．７Ｖになるが、この電圧は、電力会社が供給する商用電源に規定されている１０１Ｖ±６Ｖの範囲内であり、各種電気製品の一般的な許容電圧範囲が１００Ｖ±１０％程度であることから、１００．７Ｖは、十分に許容できる電圧である。

一方、単相３線出力用巻線１３ｖの巻線数を４Ｔにすることにより、図３に示すように、各スロット１２内には、あらかじめ１０Ｔの三相出力用巻線１４，１４が２層に挿入されているので、４Ｔの単相３線出力用巻線１３ｖが挿入されるスロット内の合計巻線数は２４Ｔになる。したがって、三相出力専用の交流発電機における挿入巻線数２０Ｔのスロットに比べると、挿入巻線数が２４Ｔになるので、スロットの大きさを、１．２倍（２４／２０）に拡大する必要がある。しかし、単相３線出力用巻線１３ｖを５Ｔ挿入する場合は、挿入巻線数が２５Ｔになるので、１．２５倍（２５／２０）に拡大する必要があるのに比べれば、スロット１２を小さくすることができる。

さらに、前述の図７に示すように、５Ｔの単相３線出力用巻線６１が２段に重なって挿入される従来の場合は、合計巻線数が３０Ｔになり、スロット６２の大きさが１．５倍（３０／２０）になる。したがって、巻線の短節率を２／３（６／９）に設定して単相３線出力用巻線１３ｖの重なりを無くすとともに、単相３線出力用巻線１３ｖの巻線数を規定巻線数より２０％減らした４Ｔにすることにより、スロットの拡大量を１．５倍から１．２倍に低減することができるので、三相出力と単相３線出力とを同時に出力する交流発電機１１の小型化を図ることができる。

これにより、本形態例に示す交流発電機は、三相出力専用の交流発電機、あるいは、三相出力と単相３線出力とを切り替えて出力する交流発電機と同程度の大きさにすることが可能となるので、交流発電機の設置スペースに制限がある可搬式エンジン発電機の交流発電機を本形態例に示す交流発電機に換装することにより、僅かな改造で三相出力と単相３線出力とを同時に出力可能な可搬式エンジン発電機を得ることができる。

なお、本形態例では、三相４極３６スロットの電機子鉄心を備えた交流発電機を例示したが、極数やスロット数は任意である。また、単相３線出力用巻線の巻線数は、規定の巻線数に対して１０〜５０％少なく設定することができ、１０％未満では巻線数を少なくした効果を十分に得られず、５０％を超えると単相３線出力の１００Ｖ系電圧が過大となることがあることから、単相３線出力の電圧許容範囲などの条件に応じて１０〜５０％の範囲、好ましくは１０〜３０％の範囲で適宜設定することができる。

１１…電機子鉄心、１２…スロット、１３，１３ｖ…単相３線出力用巻線、１４，１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗ…三相出力用巻線、３１…フレーム、３２…エンドブラケット、３３…ベアリング、３４…回転子部、３５…シャフト、３６…固定子部、３７…界磁鉄心、３８…界磁巻線、３９…制動巻線、４０…励磁機電機子鉄心、４１…励磁機電機子巻線、４２…ダイオード、４３…冷却ファン、４４…電機子鉄心、４５…電機子巻線、４６…励磁機界磁鉄心、４７…励磁機界磁巻線

Claims

周方向に配置された複数のスロット内に三相出力用の電機子巻線と、単相３線出力用の電機子巻線とを挿入した交流発電機において、前記各電機子巻線の短節率を２／３に設定するとともに、前記単相３線出力用の電機子巻線の巻線数を、あらかじめ設定されている規定の巻線数に対して１０〜５０％少なく設定し、一つのスロットに単相３線出力用巻線が重なって挿入されていないことを特徴とする交流発電機。