JP5963665B2 - ２軸励磁発電機 - Google Patents

Description

この発明は、発電所等に設置される２軸励磁発電機に関するもので、特に２軸励磁発電機の回転子に設けられている界磁巻線に係るものである。

最近、世界的規模において地球環境や資源問題にからみ、太陽光発電設備や風力発電設備の建設が盛んである。この太陽光や風力を利用した発電設備からの発電出力は、季節や天候に支配され必ずしも安定した出力を継続するものではない。従って既設の電力系統に、例えば上記太陽光発電設備からの出力を接続する場合に、その電力系統の安定度を維持するには様々な諸問題点を解消する必要がある。
一方、電力系統安定度改善のための２軸励磁発電機システムというコンセプトが従来より提案されている（例えば、非特許文献１）。
この２軸励磁発電機は、適切な励磁システムを用いることにより、過渡安定度および動態安定度改善に有効な手段であることが知られている。前記の如く太陽光発電設備や風力発電設備他等の自然エネルギー利用の発電設備の計画が盛んになるにつれ、従来型の同期発電機に代替して、上記２軸励磁発電機を用いた発電設備による、安定した電力系統母線の実用化が要請されてきている。

ここで従来型の同期発電機の界磁巻線は、ｄ軸方向に起磁力を発生させるｄ軸巻線のみで構成されているのに対し、２軸励磁発電機の界磁巻線はｄ軸巻線およびｑ軸方向に起磁力を発生させるｑ軸巻線の２個で構成される。このような２個の巻線を回転子内に設置するには回転子内のスペースを２つの巻線に分配して使用する必要がある。従って従来型の同期発電機と比較して１個の巻線の巻回数が少なくなって起磁力が小さくなる。また２個の巻線は配置の仕方によっては、巻線端部で双方が干渉することになり、巻線構造が複雑化する。
このように２軸励磁発電機の界磁巻線は、より発生磁束を多くすることや巻線端部構造を簡単にする等の巻線構成を採用する必要があるが、現在に至るまでこれらの問題点を解消した先行技術文献は開示されてない。

電気学会論文誌Ｂ Ｖｏｌ １２４．２００４、Ｎｏ５ Ｐ６９７〜Ｐ７０４

この発明は、従来の同期発電機とほぼ同じ発電機体格を保持するとともに、回転子磁束を可能なかぎり大きくするとともに、界磁巻線端部の構造を簡単化するという課題を解消した２軸励磁発電機を提供することを目的としている。

この発明は、２軸励磁発電機であって、回転子の径方向断面において、円周方向に配置されたスロット内に、回転子の軸長手方向に伸延する素コイル群で形成される第１のコイルおよび、第２のコイルが設けられているとともに、座標系として直交するＹ軸およびＸ軸とが定義されて、第１のコイルはＸ軸に対して対称の位置にそれぞれ第１の往復導体がスロットの外径側に配置されるとともに、回転子の一方端のスロット端部において、Ｙ軸にまたがって略Ｕ字型部を形成して第１の往復導体をそれぞれ接続しており、第２のコイルはＹ軸に対して対称の位置にそれぞれ第２の往復導体がスロットの内径側に配置されるとともに、回転子の一方端のスロット端部において、Ｘ軸にまたがって略Ｕ字型部を形成して第２の往復導体をそれぞれに接続しているものである。

この発明に係る２軸励磁発電機は、上記のような構成を採用しているので、従来の同期発電機とほぼ同等の体格でかつ回転子磁束を大きく発生させることができるとともに、第１のコイル端部と第２のコイル端部が干渉しないために、コイル端部の構造が簡単になるという効果もある。

実施の形態１による回転子断面上のコイル配置およびコイル端部を示す斜視図である。 実施の形態２による回転子断面上のコイル配置およびコイル端部を示す斜視図である。 実施の形態３による回転子断面上のコイル配置およびコイル端部を示す斜視図である。

実施の形態１．
以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
図１は、実施の形態１による２軸励磁発電機１００の回転子１を示す図である。尚この図１では固定子部分は図示省略している。ここで図１（ａ）は回転子の径方向断面上のコイル配置を示す図であり、図１（ｂ）は回転子の一方端におけるスロット端部１ａにおけるコイル端部を示す斜視図である。
図１（ａ）において、２軸励磁発電機１００の回転子１には径方向断面に複数のスロット４が軸長手方向に伸延して設けられている。このスロット４は所定の深さを有し、円周上に等間隔に配置されている。図１（ａ）に示すように回転子１の径方向断面上において、座標系としてＹ−Ｙ軸（以降、Ｙ軸と称す）とこれに直交するＸ−Ｘ軸（以降、Ｘ軸と称す）が定義され、このＸ軸に対して上下、対称の位置に、各スロット４に配置される図示簡略化した複数の素コイル群によって形成される第１のコイル２が設けられている。尚ここで素コイルとは、所定の本数を有する導体に所定の絶縁が施されて、所定数のスロット４内、図１（ａ）では３本のスロット４内にそれぞれ配置されたものを称している。そしてこの第１のコイル２は後述する図１（ｂ）に示すように軸長手方向に伸延する往復導体を結ぶようスロット端部１ａにて、各素コイル毎にＹ軸をまたがって接続するよう設けられている。また図１（ａ）に示すように、Ｙ軸に対して左右対称の位置に第２のコイル３が設けられ、上記第１のコイル２と同様にスロット端１ａにてＸ軸をまたがって各素コイル毎に接続するよう設けられている。
ここで上記第１のコイル２は２軸励磁発電機１００において、例えばｄ軸巻線であり、第２のコイル３はｑ軸巻線を示すものであり、コイルの励磁電流の向きを図１（ａ）に示す。この励磁電流によって第１のコイル２による回転子磁束２０がＹ軸方向に、第２のコイル３による回転子磁束３０がＸ軸方向に生成される。
尚図１（ａ）では第１のコイル２、第２のコイル３ともに便宜上ひとかたまりのコイルで図示したが、実施の形態１ではそれぞれ３個の素コイルが３個のスロット４内に配置されており、これら素コイル数はこの例に限定されるものではない。

図１（ｂ）は回転子１の一方端である反コイル励磁用端子側における回転子１のスロット端部１ａを示す斜視図である。このスロット端部１ａにおいて前述したように第１のコイル２はＹ軸をまたがるように略Ｕ字型部２ａを形成して素コイルの往復導体を結ぶよう設けられている。また第２のコイル３もＸ軸をまたがるように略Ｕ字型部３ａを形成して同様に設けられている。
これら第１のコイル２の略Ｕ字型部２ａと第２のコイル３の略Ｕ字型部３ａとは、回転子１の軸長手方向において同一面内に、つまりスロット端部１ａから同一長さとなるよう設けられている。尚図１（ａ）では円周上にスロット４が局部的に設けられ、このスロット４に第１のコイル２と第２のコイル３が同じ素コイル数で配置する例を示したが、異数のスロット内に素コイルが配置された場合であってもよい。また図１（ａ）ではスロット４が円周上に複数個局部的に設けられた例を示したが、全円周にわたって複数個のスロット４が設けられた場合であってもよく、また第１のコイル２と第２のコイル３が同数の素コイル数あるいは異数の配置の構成であってもよい。

このように実施の形態１による２軸励磁発電機１００は、その回転子１の構造において第１のコイル２をＹ軸にまたがるよう、第２のコイル３をＸ軸にまたがるよう配置した構成を採用したので、スロット端部１ａにおいて第１のコイル２と第２のコイル３とが交差、干渉しない端部構造となり、端部構造の簡単化、小型化が達成され、エネルギー消費量の低減がはかれ、ひいては製造コストの低減が行えるという効果があるとともに、２つの軸方向に対してそれぞれ任意の大きさの回転子磁束を発生できるという機能も有する。

実施の形態２．
次に、実施の形態２を図に基づいて説明する。
図２（ａ）は前述した実施の形態１の図１（ａ）と同様の回転子径方向断面上のコイル配置を示す図であり、図２（ｂ）は同様のコイル端部を示す斜視図である。
図２（ａ）において、上、下、第２のコイル３はスロット４の回転子１の内径側に配置されており、この第２のコイル３の上部であってスロット４の外径側に上、下、第１のコイル２が配置されている。そしてこの実施の形態２では、第１のコイル２および第２のコイル３を形成するそれぞれの各素コイルが６つのスロット４内に配置した例を示している。前述した実施の形態１と同様にスロット端部１ａにて第１のコイル２の各素コイルはＹ軸をまたがって略Ｕ字型部２ａを形成するよう接続されて設けられており、また第２のコイル３の各素コイルはＸ軸をまたがって略Ｕ字型部３ａを形成するよう接続されて設けられている。
このように、この実施の形態２では前述した実施の形態１と同様に第１のコイル２と第２のコイル３とが交差、干渉しない端部構造を採用することができ、端部構造の簡単化、低コスト化が達成可能となる。またコイル中心間の距離が大きくなり、有効磁極面積が大きくなり、より発生磁束量が多くなりそれに伴い回転子起磁力が増大化する。

実施の形態３．
次に、実施の形態３を図に基づいて説明する。
図３（ａ）は実施の形態１の図１（ａ）と同様の回転子径方向断面上のコイル配置を示す図であり、図３（ｂ）は同様のコイル端部を示す斜視図である。
図３（ａ）において、径方向断面上において座標系として直交するＹ軸とＸ軸と、ならびにこのＹ軸とＸ軸とによって形成される第１象限、第２象限、第３象限、第４象限が定義されている。そして第１のコイル２は第２象限と第４象限に配置され、第２のコイル３は第１象限と第３象限に配置されており、前述した実施の形態１と同様にスロット端部１ａにおいて、それぞれに略Ｕ字型部２ａ、３ａを形成するよう設けられている。
上記第１のコイル２の生成する回転子磁束２０は、図３（ａ）に示すように第１象限と第３象限とを結ぶ線の方向にあり、また第２のコイル３の生成する回転子磁束３０は、第２象限と第４象限を結ぶ方向にある。また図３（ｂ）に示すように第１のコイル２の略Ｕ字型部２ａは、前記第１象限と第３象限とを結ぶ線をまたぐように形成されており、第２のコイル３の略Ｕ字型部３ａは前記第２象限と第４象限とを結ぶ線をまたぐように形成されている。さらに、第１のコイルの略Ｕ字型部２ａの端面２ｂと、第２のコイル３の略Ｕ字型部３ａの端面３ｂとは軸長手方向にスタッガされて配置されている。つまり端面３ｂが端面２ｂよりもスロット端部１ａから軸長手方向に離れた個所に位置するよう設けられている。尚このスタッガ配置は端面２ｂが端面３ｂよりもスロット端部１ａから軸長手方向に離れたスタッガ配置であってもよい。
このような構成を採用することによって、有効磁極面積がさらに大となり、発生磁束量が大きくなり回転子起磁力の増加をきたすという効果がある。

尚、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 回転子、１ａ スロット端部、２ 第１のコイル、２ａ 略Ｕ字型部、
２ｂ 端面、３ 第２のコイル、３ａ 略Ｕ字型部、３ｂ 端面、４ スロット、
２０ 第１のコイルによる回転子磁束、３０ 第２のコイルによる回転子磁束、
１００ ２軸励磁発電機。

Claims (3)

1. ２軸励磁発電機であって、回転子の径方向断面において、円周方向に配置されたスロット内に、前記回転子の軸長手方向に伸延する素コイル群で形成される第１のコイルおよび、第２のコイルが設けられているとともに、座標系として直交するＹ軸およびＸ軸とが定義されて、前記第１のコイルは前記Ｘ軸に対して対称の位置にそれぞれ第１の往復導体が前記スロットの外径側に配置されるとともに、前記回転子の一方端のスロット端部において、前記Ｙ軸にまたがって略Ｕ字型部を形成して前記第１の往復導体をそれぞれ接続しており、前記第２のコイルは前記Ｙ軸に対して対称の位置にそれぞれ第２の往復導体が前記スロットの内径側に配置されるとともに、前記回転子の一方端のスロット端部において、前記Ｘ軸にまたがって略Ｕ字型部を形成して前記第２の往復導体をそれぞれに接続していることを特徴とする２軸励磁発電機。
2. 前記第１のコイルが発生する回転子磁束は前記Ｙ軸方向にあり、前記第２のコイルが発生する回転子磁束は前記Ｘ軸方向にあることを特徴とする請求項１に記載の２軸励磁発電機。
3. 前記第１のコイルの略Ｕ字型部の軸長手方向の端面と前記第２のコイルの略Ｕ字型部の軸長手方向の端面とは軸長手方向の同一面内にあることを特徴とする請求項１に記載の２軸励磁発電機。

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