JP6511500B1

JP6511500B1 - 発電機

Info

Publication number: JP6511500B1
Application number: JP2017203558A
Authority: JP
Inventors: 雅久西川; 光司嶽本
Original assignee: オーハツ株式会社
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: JP2019080380A

Abstract

【課題】三相４線電力および単相３線電力を同時に出力でき、かつ、第３高調波による歪みの少ない電圧波形の三相４線電力および単相３線電力を得ることができる、発電機を提供する。【解決手段】Ｕ相コイルのＵ相分割コイルＡ１，−Ａ２、Ｖ相コイルのＶ相分割コイルＡ３，−Ａ１、Ｗ相コイルのＷ相分割コイルＡ２，−Ａ３および追加コイルの追加分割コイル−Ｂ１，Ｂ２は、いずれも、スロット１２に挿入される一対の挿入部と、一対の挿入部の各一端を接続するコイルエンド部とを有している。追加分割コイル−Ｂ１の一方の挿入部がＵ相分割コイルＡ１の一方の挿入部と同一のスロット１２に挿入されている。また、追加分割コイルＢ２の一方の挿入部がＵ相分割コイル−Ａ２の一方の挿入部１４と同一のスロット１２に挿入されている。【選択図】図３

Description

本発明は、三相電力および単相電力の両方を同時に出力可能な発電機に関する。

たとえば、工事現場やイベント会場などの屋外では、エンジンを備えた可搬型の発電機が広く使用されている。屋外で使用される大型のモータやポンプは、三相電力で動作し、照明器具や電動工具は、単相電力で動作する。そのため、可搬型の発電機には、三相電力（たとえば、三相２００Ｖ）と単相電力（たとえば、単相２００Ｖ）との両方を出力可能なものがある。

三相電力および単相電力の両方を出力可能な発電機では、たとえば、図６に電圧ベクトル図で示されるように、Ｕ相コイル１０１、Ｖ相コイル１０２およびＷ相コイル１０３の各一端が中性点Ｏに接続されて、Ｕ相コイル１０１、Ｖ相コイル１０２およびＷ相コイル１０３が電気角１２０°の位相差でＹ結線（スター結線）されている。Ｕ相コイル１０１、Ｖ相コイル１０２およびＷ相コイル１０３の他端は、それぞれ出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されている。また、中性点Ｏには、Ｕ相コイル１０１、Ｖ相コイル１０２およびＷ相コイル１０３のうちの１つ、たとえば、Ｕ相コイル１０１で発生する電圧に対して１／２の大きさで１８０°の位相差を有する電圧を発生する追加コイル１０４の一端が接続されている。追加コイル１０４の他端は、出力端子Ｎに接続されている。

これにより、中性点Ｏおよび出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから三相４線電力を出力することができる。また、それと同時に、出力端子Ｖ，Ｗ，Ｎから単相３線電力を出力することができる。

特開２０１０−２５９２１１号公報

ところが、かかる構成では、Ｕ相コイル１０１、Ｖ相コイル１０２、Ｗ相コイル１０３および追加コイル１０４のそれぞれに第３高調波が発生した場合、三相４線電力および単相３線電力の各電圧波形、とくに単相３線電力の電圧波形に第３高調波による歪みが生じる。

本発明の目的は、三相４線電力および単相３線電力を同時に出力でき、かつ、第３高調波による歪みの少ない電圧波形の三相４線電力および単相３線電力を得ることができる、発電機を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る発電機は、複数のスロットを有するステータコアと、一端が中性点に接続され、他端が第１出力端子に接続された第１相コイルと、一端が中性点に接続され、他端が第２出力端子に接続された第２相コイルと、一端が中性点に接続され、他端が第３出力端子に接続された第３相コイルと、一端が中性点に接続され、他端が第４出力端子に接続された追加コイルとを含み、第１相コイルは、直列に接続された第１−１分割コイルおよび第１−２分割コイルを備え、第１−１分割コイルに発生する電圧と第１−２分割コイルに発生する電圧とが電気角６０°の位相差を有するように構成され、第２相コイルは、直列に接続された第２−１分割コイルおよび第２−２分割コイルを備え、第２−１分割コイルに発生する電圧と第２−２分割コイルに発生する電圧とが電気角６０°の位相差を有し、かつ、第２−１分割コイルに発生する電圧および第２−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和が第１−１分割コイルに発生する電圧および第１−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和に対して同じ大きさで電気角１２０°の位相差を有するように構成され、第３相コイルは、直列に接続された第３−１分割コイルおよび第３−２分割コイルを備え、第３−１分割コイルに発生する電圧と第３−２分割コイルに発生する電圧とが電気角６０°の位相差を有し、かつ、第３−１分割コイルに発生する電圧および第３−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和が第１−１分割コイルに発生する電圧および第１−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和ならびに第２−１分割コイルに発生する電圧および第２−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和のそれぞれに対して同じ大きさで電気角１２０°の位相差を有するように構成され、追加コイルは、直列に接続された第１追加分割コイルおよび第２追加分割コイルを備え、第１追加分割コイルに発生する電圧が第１−１分割コイルに発生する電圧と電気角１８０°の位相差を有し、第２追加分割コイルに発生する電圧が第１−２分割コイルに発生する電圧と電気角１８０°の位相差を有し、かつ、第１追加分割コイルに発生する電圧および第２追加分割コイルに発生する電圧のベクトル和が第１−１分割コイルに発生する電圧および第１−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和に対して１／２の大きさで電気角１８０°の位相差を有するように構成され、中性点、第１出力端子、第２出力端子および第３出力端子が三相４線電力を出力する端子とされ、第２出力端子、第３出力端子および第４出力端子が単相３線電力を出力する端子とされ、第１−１分割コイルの所定部と第１追加分割コイルの所定部とが同一のスロットに入れられ、第１−２分割コイルの所定部と第２追加分割コイルの所定部とが同一のスロットに入れられている。

この構成によれば、第１相コイル、第２相コイルおよび第３相コイルは、各一端が中性点に接続されることにより、Ｙ結線（スター結線）されている。第１相コイル、第２相コイルおよび第３相コイルの他端は、それぞれ第１出力端子、第２出力端子および第３出力端子に接続されている。また、中性点には、追加コイルの一端が接続されている。追加コイルの他端は、第４出力端子に接続されている。

第１相コイルは、直列に接続された第１−１分割コイルおよび第１−２分割コイルを備え、第１−１分割コイルに発生する電圧と第１−２分割コイルに発生する電圧とが電気角６０°の位相差を有するように構成されている。これにより、第１−１分割コイルに発生する第３高調波と第１−２分割コイルに発生する第３高調波とが互いに打ち消される。

第２相コイルは、直列に接続された第２−１分割コイルおよび第２−２分割コイルを備え、第２−１分割コイルに発生する電圧と第２−２分割コイルに発生する電圧とが電気角６０°の位相差を有するように構成されている。これにより、第２−１分割コイルに発生する第３高調波と第２−２分割コイルに発生する第３高調波とが互いに打ち消される。

第３相コイルは、直列に接続された第３−１分割コイルおよび第３−２分割コイルを備え、第３−１分割コイルに発生する電圧と第３−２分割コイルに発生する電圧とが電気角６０°の位相差を有するように構成されている。これにより、第３−１分割コイルに発生する第３高調波と第３−２分割コイルに発生する第３高調波とが互いに打ち消される。

そして、第１−１分割コイルに発生する電圧および第１−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和と、第２−１分割コイルに発生する電圧および第２−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和と、第３−１分割コイルに発生する電圧および第３−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和とは、互いに同じ大きさで電気角１２０°の位相差を有している。

よって、中性点、第１出力端子、第２出力端子および第３出力端子を使用して、第３高調波による歪みの少ない正弦波に近い電圧波形の三相４線電力を得ることができる。

追加コイルは、直列に接続された第１追加分割コイルおよび第２追加分割コイルを備え、第１追加分割コイルに発生する電圧が第１−１分割コイルに発生する電圧と電気角１８０°の位相差を有し、第２追加分割コイルに発生する電圧が第１−２分割コイルに発生する電圧と電気角１８０°の位相差を有するように構成されている。これにより、第１追加分割コイルに発生する高調波と第２追加分割コイルに発生する高調波とが互いに打ち消される。そして、第１追加分割コイルに発生する電圧および第２追加分割コイルに発生する電圧のベクトル和は、第１−１分割コイルに発生する電圧および第１−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和に対して１／２の大きさで電気角１８０°の位相差を有している。

よって、第２出力端子、第３出力端子および第４出力端子を使用して、第３高調波による歪みの少ない正弦波に近い電圧波形の単相３線電力を得ることができる。

追加コイルが単一のコイルからなる構成では、その追加コイルの所定部を第１−１分割コイルの所定部と同一のスロットにしか入れることができない。これに対し、本発明に係る構成では、第１−１分割コイルの所定部と第１追加分割コイルの所定部とが同一のスロットに入れられ、第１−２分割コイルの所定部と第２追加分割コイルの所定部とが同一のスロットに入れられている。これにより、追加コイルが単一のコイルからなる構成と比較して、追加コイルにより占有可能なスペースが２倍に拡がる。その結果、追加コイルが単一のコイルからなる構成と比較して、第１追加分割コイルおよび第２追加分割コイルの各断面積の合計を大きくすることができ、大きな単相３線電力（約１．７倍の単相３線電力）を得ることができる。

本発明によれば、三相４線電力および単相３線電力を同時に出力でき、かつ、第３高調波による歪みの少ない電圧波形の三相４線電力および単相３線電力を得ることができる。しかも、追加コイルが単一のコイルからなる構成と比較して、大きな単相３線電力を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る発電機に発生する電圧のベクトル図である。発電機に発生する電圧の基本波および第３高調波の時間変化を示す図である。ステータコアへの各コイルの取付状態を図解的に示す図である。ステータコアへの各コイルの取付状態および各コイルの結線を図解的に示す図である。各コイルを構成するエレメントコイルを図解的に示す斜視図である。従来の発電機のステータコイルの結線図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る発電機１に発生する電圧のベクトル図である。図２は、発電機１に発生する電圧の基本波および第３高調波の時間変化を示す図である。

発電機１は、たとえば、４極交流発電機であり、ステータコイル（電機子コイル）として、Ｕ相コイル２、Ｖ相コイル３、Ｗ相コイル４および追加コイル５を備えている。Ｕ相コイル２、Ｖ相コイル３およびＷ相コイル４は、それらの一端が中性点Ｏに接続されることにより、Ｙ結線（スター結線）されている。Ｕ相コイル２、Ｖ相コイル３およびＷ相コイル４の他端は、それぞれ第１出力端子Ｕ、第２出力端子Ｖおよび第３出力端子Ｗに接続されている。追加コイル５の一端は、中性点Ｏに接続され、その他端は、第４出力端子Ｎに接続されている。

Ｕ相コイル２は、直列に接続された２個のＵ相分割コイルＡ１，−Ａ２を含み、図２に示されるように、一方のＵ相分割コイルＡ１で発生する電圧（Ａ基本波）に対して他方のＵ相分割コイル−Ａ２で発生する電圧（Ｂ基本波）が６０°の位相差を有するように構成されている。これにより、一方のＵ相分割コイルＡ１に発生する第３高調波（Ａ基本波に対する第３高調波）と他方のＵ相分割コイル−Ａ２に発生する第３高調波（Ｂ基本波に対する第３高調波）とが互いに打ち消される。

Ｖ相コイル３は、直列に接続された２個のＶ相分割コイルＡ３，−Ａ１を含み、図２に示されるように、一方のＶ相分割コイルＡ３で発生する電圧（Ａ基本波）に対して他方のＶ相分割コイル−Ａ１で発生する電圧（Ｂ基本波）が６０°の位相差を有するように構成されている。これにより、一方のＶ相分割コイルＡ３に発生する第３高調波（Ａ基本波に対する第３高調波）と他方のＶ相分割コイル−Ａ１に発生する第３高調波とが互いに打ち消される。

Ｗ相コイル４は、直列に接続された２個のＷ相分割コイルＡ２，−Ａ３を含み、図２に示されるように、一方のＷ相分割コイルＡ２で発生する電圧（Ａ基本波）に対して他方のＷ相分割コイルＡ２で発生する電圧（Ｂ基本波）が６０°の位相差を有するように構成されている。これにより、一方のＷ相分割コイルＡ２に発生する第３高調波（Ａ基本波に対する第３高調波）と他方のＷ相分割コイル−Ａ３に発生する第３高調波（Ｂ基本波に対する第３高調波）とが互いに打ち消される。

また、Ｕ相分割コイルＡ１，−Ａ２、Ｖ相分割コイルＡ３，−Ａ１およびＷ相分割コイルＡ２，−Ａ３は、いずれも同一の構成（同じ巻数）のコイルからなる。そして、Ｕ相コイル２、Ｖ相コイル３およびＷ相コイル４は、Ｕ相分割コイルＡ１，−Ａ２に発生する電圧のベクトル和、Ｖ相分割コイルＡ３，−Ａ１に発生する電圧のベクトル和およびＷ相分割コイルＡ２，−Ａ３に発生する電圧のベクトル和が１２０°の位相差を有するように、Ｙ結線されている。

これにより、発電機１では、中性点Ｏ、第１出力端子Ｕ、第２出力端子Ｖおよび第３出力端子Ｗを使用して、第３高調波による歪みの少ない電圧波形の三相４線電力、つまり正弦波に近い電圧波形の三相４線電力を得ることができる。

追加コイル５は、直列に接続された２個の追加分割コイル−Ｂ１，Ｂ２を含み、図２に示されるように、一方の追加分割コイル−Ｂ１で発生する電圧（Ａ基本波）に対して他方の追加分割コイルＢ２で発生する電圧（Ｂ基本波）が６０°の位相差を有するように構成されている。これにより、一方の追加分割コイル−Ｂ１に発生する第３高調波（Ａ基本波に対する第３高調波）と他方の追加分割コイルＢ２に発生する第３高調波（Ｂ基本波に対する第３高調波）とが互いに打ち消される。

追加分割コイル−Ｂ１，Ｂ２の巻数は、それぞれＵ相分割コイルＡ１，−Ａ２の巻数の１／２である。そして、追加コイル５は、Ｕ相分割コイルＡ１，−Ａ２に発生する電圧のベクトル和に対して追加分割コイル−Ｂ１，Ｂ２に発生する電圧のベクトル和が１／２の大きさで１８０°の位相差を有するように結線されている。

よって、第２出力端子Ｖ、第３出力端子Ｗおよび第４出力端子Ｎを使用して、第３高調波による歪みの少ない電圧波形の単相３線電力、つまり正弦波に近い電圧波形の単相３線電力を得ることができる。

たとえば、２００Ｖの三相４線電力が出力される場合、各相の線間電圧（第１出力端子Ｕと第２出力端子Ｖとの間の電圧、第２出力端子Ｖと第３出力端子Ｗとの間の電圧および第３出力端子Ｗと第１出力端子Ｕとの間の電圧）は、それぞれ２００Ｖであり、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相の電圧は、約１１５．４７Ｖ（２００Ｖ／√３）となる。

また、中性点Ｏと第４出力端子Ｎとの間の電圧は、Ｕ相電圧（１１５．４７Ｖ）に対して１／２の大きさの５７．７３５Ｖとなる。したがって、第２出力端子Ｖと第４出力端子Ｎとの間の電圧および第３出力端子Ｗと第４出力端子Ｎとの間の電圧は、それぞれ約１００Ｖ（５７．７３５Ｖ×√３）となる。

よって、発電機１は、たとえば、三相２００Ｖの三相４線電力と単相２００Ｖおよび１００Ｖの単相３線電力とを同時に出力することができる。

図３は、ステータコア１１への各コイルの取付状態を図解的に示す図である。図４は、ステータコア１１への各コイルの取付状態および各コイルの結線を図解的に示す図である。

発電機１のステータコア１１は、中央部にロータ（図示せず）が配置される開口を有する円筒状に形成されている。ステータコア１１には、たとえば、４８個のスロット１２が周方向に等角度間隔で並べて形成されている。各スロット１２は、ステータコア１１の内周面で開放される溝状をなし、各スロット１２間には、ティース（図示せず）が形成されている。

図５は、エレメントコイル１３を図解的に示す斜視図である。

Ｕ相分割コイルＡ１，−Ａ２、Ｖ相分割コイルＡ３，−Ａ１、Ｗ相分割コイルＡ２，−Ａ３および追加分割コイル−Ｂ１，Ｂ２（以下、これらをとくに区別しない場合、単に「コイル」という。）は、いずれも４個のエレメントコイル１３を直列に接続して構成されている。エレメントコイル１３は、スロット１２に挿入される一対の挿入部１４と、一対の挿入部１４の各一端を接続するコイルエンド部１５とを有している。各コイルの４個のエレメントコイル１３は、一方の挿入部１４が１個ずつずれたスロット１２に挿入され、他方の挿入部１４が一方の挿入部１４が挿入されているスロット１２から所定数離れたスロット１２に挿入されている。図３には、各コイルの４個のエレメントコイル１３の一方の挿入部１４の配置が示されている。

図３および図４に示されるように、追加分割コイル−Ｂ１の４個のエレメントコイル１３の一方の挿入部１４がＵ相分割コイルＡ１の４個のエレメントコイル１３の一方の挿入部１４と同一のスロット１２に挿入されている。また、追加分割コイルＢ２の４個のエレメントコイル１３の一方の挿入部１４がＵ相分割コイル−Ａ２の４個のエレメントコイル１３の一方の挿入部１４と同一のスロット１２に挿入されている。

これにより、追加コイル５が追加分割コイル−Ｂ１，Ｂ２からなる構成では、追加コイル５が単一のコイルからなる構成と比較して、追加コイル５により占有可能なスペースが２倍に拡がる。その結果、追加コイル５が単一のコイルからなる構成と比較して、追加分割コイル−Ｂ１，Ｂ２の各断面積の合計を大きくすることができ、大きな単相３線電力（約１．７倍の単相３線電力）を得ることができる。

なお、参照符号にマイナス記号が含まれるコイルは、参照符号にマイナス記号が含まれないコイルと電線が逆巻きまたは逆方向接続されている。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、発電機１では、中性点Ｏ、第１出力端子Ｕ、第２出力端子Ｖおよび第３出力端子Ｗを使用して、三相４線電力を得ることができるとしたが、第１出力端子Ｕ、第２出力端子Ｖおよび第３出力端子Ｗを使用して、三相３線電力を得ることもできる。また、第２出力端子Ｖ、第３出力端子Ｗおよび第４出力端子Ｎを使用して、単相３線電力を得ることができるとしたが、第２出力端子Ｖおよび第４出力端子Ｎを使用して、単相２線電力を得ることもでき、第３出力端子Ｗおよび第４出力端子Ｎを使用して、単相２線電力を得ることもできる。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１：発電機
２：Ｕ相コイル
３：Ｖ相コイル
４：Ｗ相コイル
５：追加コイル
１１：ステータコア
１２：スロット
１４：挿入部（所定部）
Ａ１，−Ａ２：Ｕ相分割コイル
Ａ２，−Ａ３：Ｗ相分割コイル
Ａ３，−Ａ１：Ｖ相分割コイル
Ｂ２，−Ｂ１：追加分割コイル
Ｎ：第４出力端子
Ｏ：中性点
Ｕ：第１出力端子
Ｖ：第２出力端子
Ｗ：第３出力端子

Claims

複数のスロットを有するステータコアと、
一端が中性点に接続され、他端が第１出力端子に接続された第１相コイルと、
一端が前記中性点に接続され、他端が第２出力端子に接続された第２相コイルと、
一端が前記中性点に接続され、他端が第３出力端子に接続された第３相コイルと、
一端が前記中性点に接続され、他端が第４出力端子に接続された追加コイルとを含み、
前記第１相コイルは、直列に接続された第１−１分割コイルおよび第１−２分割コイルを備え、前記第１−１分割コイルに発生する電圧と前記第１−２分割コイルに発生する電圧とが電気角６０°の位相差を有するように構成され、
前記第２相コイルは、直列に接続された第２−１分割コイルおよび第２−２分割コイルを備え、前記第２−１分割コイルに発生する電圧と前記第２−２分割コイルに発生する電圧とが電気角６０°の位相差を有し、かつ、前記第２−１分割コイルに発生する電圧および前記第２−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和が前記第１−１分割コイルに発生する電圧および前記第１−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和に対して同じ大きさで電気角１２０°の位相差を有するように構成され、
前記第３相コイルは、直列に接続された第３−１分割コイルおよび第３−２分割コイルを備え、前記第３−１分割コイルに発生する電圧と前記第３−２分割コイルに発生する電圧とが電気角６０°の位相差を有し、かつ、前記第３−１分割コイルに発生する電圧および前記第３−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和が前記第１−１分割コイルに発生する電圧および前記第１−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和ならびに前記第２−１分割コイルに発生する電圧および前記第２−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和のそれぞれに対して同じ大きさで電気角１２０°の位相差を有するように構成され、
前記追加コイルは、直列に接続された第１追加分割コイルおよび第２追加分割コイルを備え、前記第１追加分割コイルに発生する電圧が前記第１−１分割コイルに発生する電圧と電気角１８０°の位相差を有し、前記第２追加分割コイルに発生する電圧が前記第１−２分割コイルに発生する電圧と電気角１８０°の位相差を有し、かつ、前記第１追加分割コイルに発生する電圧および前記第２追加分割コイルに発生する電圧のベクトル和が前記第１−１分割コイルに発生する電圧および前記第１−２分割コイルに発生する電圧のベクトル和に対して１／２の大きさで電気角１８０°の位相差を有するように構成され、
前記中性点、前記第１出力端子、前記第２出力端子および前記第３出力端子が三相４線電力を出力する端子とされ、前記第２出力端子、前記第３出力端子および前記第４出力端子が単相３線電力を出力する端子とされ、
前記第１追加分割コイルは、互いに逆巻きされた第１−１追加分割コイルおよび第１−２追加分割コイルからなり、
前記第２追加分割コイルは、互いに逆巻きされた第２−１追加分割コイルおよび第２−２追加分割コイルからなり、
前記第１−１分割コイル、前記第１−２分割コイル、前記第２−１分割コイル、前記第２−２分割コイル、前記第３−１分割コイルおよび前記第３−２分割コイルがこの順に並んで前記スロットに入れられ、前記第１−１分割コイルと前記第１−１追加分割コイルとが同一の前記スロットに入れられ、前記第１−２分割コイルと前記第２−１追加分割コイルとが同一の前記スロットに入れられ、前記第２−２分割コイルと前記第１−２追加分割コイルとが同一の前記スロットに入れられ、前記第３−１分割コイルと前記第２−２追加分割コイルとが同一の前記スロットに入れられている、発電機。