JP2005304271A - 同期発電機及び風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】
交流励磁同期発電機を用いた風力用発電システムにおいて、体格およびコストを低減し、電力系統に供給可能な電流波形に改善することである。
【解決手段】
等間隔に配置された鉄心スロットに励磁巻線を収納する回転子と、等間隔に配置された鉄心スロットに電機子巻線を収納する固定子を有し、該回転子に収納する励磁巻線が可変周波数の交流励磁装置で励磁され、該電機子巻線に一定周波数の交流電力を発電する交流励磁同期発電機の構成方法において、２極当たりの固定子スロット数と回転子スロット数の差が±６となる鉄心スロットと、該電機子巻線の巻線係数のうち５次および７次空間高調波に対する巻線係数が最小となるように巻線ピッチを選定した電機子巻線と、該回転子スロットが円周方向に非対称になる半閉スロット形状とした回転子スロットとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期発電機及び風力発電システムに関する。

風力用発電システムに交流励磁同期発電機を用いるためには、従来よりも発電機を軽量化することが必須となる。これは、風車建設の際には発電機をナセルまでクレーンで上げるが、大型の風車ではナセルの高さが１００ｍ以上にもなり、発電機の重さで風車の支柱の強度や太さも決まるため、風力用発電システムでは、他の発電システムよりも発電機の軽量化が重視されるからである。交流励磁同期発電機を小型化するには、固定子と回転子間の空隙であるギャップ長を小さくする方法がある。ギャップ長を小さくすると、ギャップの磁気抵抗が小さくなるため、励磁巻線に流れる励磁電流を小さくすることができる。それにより、励磁巻線の断面積を小さくでき、発電機が小型・軽量化される。しかしながら、ギャップ長を小さくすると、固定子および回転子スロットによるギャップ磁気抵抗の空間的変化が大きくなり、出力電流波形のひずみが増大してしまう。特開平３−270664号公報に記載されるように、固定子と回転子のスロットコンビネーションを最適化して波形を改善する技術があるが、毎極毎相の固定子スロット数が６の倍数とならない分数巻となり、電機子巻線の巻装が複雑になってしまうためコストが増加する。また、固定子および回転子スロットによるギャップ磁気抵抗の空間的変化が減少しないため、波形の改善効果が小さい場合がある。特開平７−１５９０１号公報に記載されるように、スロット高調波に対する巻線係数が最小となるように巻線ピッチを選定して波形を改善する技術があるが、固定子および回転子スロットによるギャップ磁気抵抗の空間的変化は減少しないことや、誘導起電圧波形を改善する技術であるため、電流波形改善の効果が小さい場合がある。特開２００２−３２５３８２号公報に記載されるように、固定子スロット開口幅を小さくすることや、特開平５−２２８８５号公報に記載されるように、磁性楔を適用することで、固定子および回転子スロットによるギャップ磁気抵抗の空間的変化を改善する技術があるが、巻線配置による起磁力高調波が減少しないため効果が小さい場合がある。

特開平３−２７０６６４号公報 特開平７−１５９０１号公報 特開２００２−３２５３８２号公報 特開平５−２２８８５号公報

解決しようとする問題は、同期発電機及び風力発電システムの出力電流波形を、電力系統に適した高調波の少ない波形とすることである。

同期発電機及び風力発電システムを、複数の回転子スロットに励磁巻線を収納する回転子と、複数の固定子スロットに電機子巻線を収納する固定子を有し、前記回転子に収納する励磁巻線が励磁装置で励磁され、前記電機子巻線に電力を発電する同期発電機において、２極当たりの固定子スロット数と回転子スロット数の差が±６とし、固定子の極ピッチに対する電機子ピッチをほぼ８３.３％とする。

同期発電機及び風力用発電システムの出力電流波形を、電力系統に供給するのに適した高調波の小さいものにできる。

交流励磁同期発電機を用いた風力用発電システムにおいて、体格およびコストを低減するという目的を、電流波形を電力系統に供給可能な状態のまま実現した。以下、本発明の詳細について、図面を用いながら説明する。

以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１には交流励磁同期発電機の主要部が示されている。１０が固定子であり、１１が固定子鉄心、１２が固定子スロット、１３が電機子巻線、１３１が電機子底巻線、１３２が電機子上巻線、１３３が電機子巻線端部、１４が固定子楔、２０が回転子、２１が回転子鉄心、２２が回転子スロット、２３が励磁巻線、２４が回転子楔、２５がシャフトである。

固定子１０は、固定子鉄心１１に設けた固定子スロット１２に固定子楔１４で固定された電機子底巻線１３１と電機子上巻線１３２が収納されている。電機子底巻線１３１と電機子上巻線１３２は、電機子巻線端部１３３で連結されている。電機子巻線１３は、電機子底巻線１３１，電機子上巻線１３２，電機子巻線端部１３３から構成されている。回転子２０は、回転子鉄心２１に設けた回転子スロット２２に回転子楔２４で固定された励磁巻線２３が収納され、かつ回転子鉄心２１には、シャフト２５が収納されている。

シャフト２５に回転力を与えて回転子２０を回転させ、かつ励磁巻線２３に励磁電流を流すことで、電機子巻線１３に電機子電流が流れて発電する。発電周波数は、回転子２０の回転速度に応じて変化し、かつ励磁巻線２３に流れる励磁電流の周波数にも応じて変化する。風力発電用の風車のような回転速度が常に変化する動力で、回転子２０を回転させた場合でも、励磁巻線２３に流れる励磁電流の周波数を制御することで、発電周波数を一定に保つことが可能となる。

実施例１による交流励磁同期発電機の一例を図１に記載してある。固定子スロット数は４８、回転子スロット数は３６、極数は４、相数は３である。２極当たりの固定子スロット数Ｎ₁ が２４、回転子スロット数Ｎ₂ が１８であるため、２極当たりの固定子スロット数Ｎ₁ と回転子スロット数Ｎ₂ の差は６となる。電機子巻線端部１３３によって連結されている電機子底巻線１３１と電機子上巻線１３２は、そのピッチが全て固定子１０スロット分となるように構成されている。

固定子の１２スロット分で１極となるため、極ピッチに対する電機子巻線ピッチは１０／１２で８３.３％となる。

電機子巻線１３に流れる電機子電流を数式により表して考察する。ここでは位相の考慮方法を簡略化して電機子電流の数式を導くことにする。電機子巻線に流れる電機子電流の発電周波数成分による起磁力ＡＴを

（数２）
ｋ＝６ｍ±１
とおく。ここでｘは固定子座標系に固定され２極分が２πに対応するものとした。ω₀ は同期速度に相当する角周波数、ｔは時刻、ｆ_wkはｋ次高調波の固定子巻線係数である。ｍは整数であり、ｋが正の整数となる範囲に限る。ｆ_wkを

（数３）
ｆ_wk＝ｆ_pk×ｆ_dk

（数４）
ｆ_pk＝sin(ｐｋπ／２）

（数５）
ｆ_dk＝sin(ｋπ／２ｑ)／（ｎ×sin(ｋπ／２ｎｑ)）
とおく。ここでｆ_pkは固定子短節巻係数、ｆ_dkは固定子分布巻係数、ｐは極ピッチに対する電機子巻線ピッチ、ｑは固定子相数、ｎは固定子毎極毎相スロット数である。各々回転子および固定子スロットによる磁気抵抗の空間的変化を考慮し、磁気抵抗分布の逆数であるパーミアンスの空間分布Ｐを

（数６）
Ｐ∝（１＋Ｋ₁cosＮ₁ｘ）×（１＋Ｋ₂cosＮ₂(ｘ−(１−ｓ)ω₀ｔ)）
と仮定する。ここでＫ₁ は固定子スロットによるパーミアンス脈動係数、Ｋ₂ は回転子スロットによるパーミアンス脈動係数、ｓはすべりである。磁束密度Ｂは起磁力ＡＴとパーミアンスＰの積となり

（数７）
Ｂ∝ＡＴ×Ｐ
とおく。磁束密度Ｂを空間積分し、それに固定子短節巻係数を考慮して、電機子巻線１３に鎖交する磁束Φを

（数８）
Φ∝Ｂ×ｆ_pkB／ｋ_B
と仮定する。ここでｋ_B は磁束密度Ｂの空間高調波次数であり、ｆ_pkB はｋ_B 次高調波の固定子巻線係数である。磁束Φを時間微分すると電機子巻線１３に誘導される誘導起電圧Ｅとなり

（数９）
Ｅ∝（Ｂ×ｆ_pkB／ｋ_B）×ν_B
とおく。ここでν_B は磁束密度Ｂの時間高調波次数である。電機子電流は、誘導起電圧Ｅ／リアクタンスと仮定し、リアクタンスは時間高調波次数ν_B に比例するとして電機子電流を

（数１０）
Ｉ∝((Ｂ×ｆ_pkB／ｋ_B)×ν_B)／ν_B＝ＡＴ×Ｐ×ｆ_pkB／ｋ_B
とおく。数１０は図２の固定子短節巻係数ｆ_pkB ／高調波次数ｋ_B に比例するため、高調波次数ｋ_B が１のときに発生する電機子電流Ｉは、他を無視できるほど大きくなるとし、高調波次数ｋ_B が１となる場合について以下、Ｎ₁ とＮ₂ の差が±６となる交流励磁同期発電機の電機子電流の高調波成分について考察することにする。数１０に数１，数６を代入し、Ｎ₁ ＞Ｎ₂ の場合の数１０を

Ｎ₁＜Ｎ₂の場合の数１０を

と整理する。図３には、Ｎ₁ が２４で数１１，数１２で用いている固定子巻線係数を記載している。極ピッチに対する巻線ピッチをほぼ８３.３％ とすると、数１１，数１２で用いている固定子巻線係数が、全ての高調波次数で最小となることがわかる。以上により、実施例１による交流励磁同期発電機は、Ｎ₁ とＮ₂ の差が±６であり、かつ極ピッチに対する巻線ピッチをほぼ８３.３％ としているため、電機子電流の波形を改善できることがわかる。Ｎ₁ とＮ₂ の差が±６以外の交流励磁同期発電機では、数１１，数１２の２項と３項で使われている固定子巻線係数の高調波次数が５と７にならないため、極ピッチに対する巻線ピッチを８３.３％ としても、数１１，数１２で用いている固定子巻線係数が、全ての高調波次数では最小とならず、電機子電流波形の改善効果が小さい場合がある。よって、Ｎ₁ とＮ₂ の差を±６とし、極ピッチに対する巻線ピッチをほぼ８３.３％ とすれば、確実に電機子電流波形を改善できることになる。

電機子上巻線１３２の＃１と、電機子底巻線１３１の＃１１が、電機子巻線端部１３３によって連結されているため、電機子巻線ピッチを（１）−（１１）と表現する。スロット数や極数が図１と異なる場合は、図４に記載した電機子巻線ピッチとすると、極ピッチに対する電機子巻線ピッチが８３.３％ に最も近くなり、（１１），（１２）式で用いている固定子巻線係数が、全ての高調波次数で最小となり、高調波電流の低減を図ることができる。図４には、毎極毎相固定子スロット数ｎが２以上、極数が１２以下、固定子スロット数が１４４以下のみ記載しているが、図４の範囲外でも極ピッチに対する電機子巻線ピッチを８３.３％ に最も近くし、数１１，数１２で用いている固定子巻線係数を、全ての高調波次数で最小とすることができ、電機子電流波形が改善する。

固定子三相短絡時において、Ｎ₁とＮ₂の差が±６となる交流励磁同期発電機の電機子電流高調波含有率を、実測により確認した結果も、図５のように極ピッチに対する電機子巻線ピッチをほぼ８３.３％ にした場合に最小となる。

ギャップ長ｇに対する回転子スロット開口幅ｓを小さくすることで、図６のように磁束脈動率が減少する。この磁束脈動率は数１１，数１２のＫ₂ に比例するため、回転子スロット開口幅ｓを小さくすると、磁束脈動率が減少し、電機子電流波形が改善される。しかしながら、図１１のように円周方向に対象なままスロット開口幅ｓを小さくし、半閉スロット形状とすると、スロット開口部から励磁巻線２３を巻装する際に、隙間が狭く巻装できない。本発明による交流励磁同期発電機は、図７のように回転子スロットを円周方向に非対称としているため、スロット開口幅ｓを小さくした半閉スロット形状としても、励磁巻線２３を巻装する際の隙間を十分に確保できる。風力用に交流励磁同期発電機の体格を小さくするためギャップ長ｇを小さくすると、図１２のような従来の開放スロット形状の場合は、ｓ／ｇが６.８ 程度となり磁束脈動率は約０.３６ となる。本実施例での交流励磁同期発電機は、図７のような半閉スロット形状としているため、ｓ／ｇは開放スロット形状の半分ほどの３.４ 程度となり磁束脈動率が約０.２５ となる。本実施例のように回転子スロットを円周方向に非対称として半閉スロット形状とすることで、電機子電流の高調波成分を約３０％低減可能となる。

実施例２による交流励磁同期発電機は、毎極毎相スロット数を整数としている。巻線の巻装作業は、毎極毎相スロット数が整数となる場合が最も簡単であるため、コスト低減が図れる。

実施例３による交流励磁同期発電システムを図８に記載した。１が実施例２による交流励磁同期発電機であり、３０が可変周波数交流励磁装置、３１が電機子側端子、３２が励磁側端子、３３が電力系統、４０が動力源である。交流励磁同期発電機１の励磁側端子
３２には、可変周波数交流励磁装置３０の出力側が接続され、電力系統３３には、交流励磁同期発電機１の電機子側端子３１および可変周波数交流励磁装置３０の入力側が接続される。交流励磁同期発電機１は、動力源４０の動力で回転子２０を回転させ、かつ可変周波数交流励磁装置３０で励磁側端子３２から励磁電流を流すことで、電機子側端子３１から電力系統３３に電力を供給することができる。励磁側の電力は、電機子側の電力の２，３割であるため、本発明のように、励磁側端子３２に可変周波数交流励磁装置３０を接続した方が、電機子側端子３１に接続するよりも、可変周波数交流励磁装置３０の容量を小さくでき、低コスト化が図れる。電機子側端子３１と電力系統３３の間に可変周波数交流励磁装置３０が設置されていないため、電機子側端子３１からの電流が直接電力系統３３に流れ込む。そのため、交流励磁同期発電機１の電機子側端子３１から出力される電流が、電力系統３３に悪影響を及ぼさない波形である必要がある。本実施例による交流励磁同期発電機１では、実施例２による構造をしているため、電機子側端子３１から出力される電流波形は改善されており、電力系統３３に悪影響を及ぼさない波形であることは、図５の実測によって確認されている。交流励磁同期発電機と同様な構造をもっている回転電機には、巻線形誘導電動機がある。しかし、電動機の場合は、電力系統３３から電力を供給される側であり、電力系統３３に電力を供給しないため、電流波形を改善しなくても電力系統３３にほとんど悪影響を及ぼさない。電機子側端子３１と電力系統３３を直結し、電力系統３３に電力を供給する本発明によるシステムにおいて、実施例２による構造で電流波形を改善することは特に有効となる。

実施例４による交流励磁同期発電システムを図９に記載した。４１が風車で、４２が増速機である。動力源４０は風車４１に増速機４２が直結され、風車４１の回転速度は増速機４２により増加する。風車４１の回転速度は非常に小さいため、風車４１と交流励磁同期発電機１を直結した場合は、交流励磁同期発電機１の極数が数百極と非常に大きくなる。交流励磁同期発電機１は、極数が小さいほど回転速度が高くなるため、極数を小さくすると図１０のように体格を小さくできコスト低減が図れる。しかしながら、極数が２の場合は、交流励磁同期発電機１と増速機４２の騒音が大きくなり、環境への配慮から風力発電機に用いることが難しくなる。これらのことから、極数を４極および６極にすることで体格およびコストの低減が図れる。

上記本発明の実施例によれば、同期発電機及び風力発電機において、体格およびコストの低減と、出力電流波形を、電力系統に供給可能な高調波の小さいものにできる効果がある。

上記の本発明の実施例で述べた構造は、同期発電機一般に波形ひずみ波低減の効果がある。しかし、特に交流励磁発電機は、突極構造を採用することによってひずみ波を低減させることが困難なので、本発明の手法が有効である。

本発明の実施例による交流励磁同期発電機の主要部（実施例１）。 短節巻係数。 巻線係数。 本発明の実施例による交流励磁同期発電機の電機子巻線ピッチ（実施例１）。 高調波電流含有率の実測結果。 磁束脈動率。 本発明の実施例による回転子スロット形状（実施例１）。 本発明の実施例による交流励磁同期発電システム（実施例３）。 本発明の実施例による交流励磁同期発電システム（実施例４）。 交流励磁同期発電機の体格。 円周方向に対象な回転子半閉スロット形状。 円周方向に対象な回転子開放スロット形状。

符号の説明

１…交流励磁同期発電機、１０…固定子、１１…固定子鉄心、１２…固定子スロット、１３…電機子巻線、１４…固定子楔、２０…回転子、２１…回転子鉄心、２２…回転子スロット、２３…励磁巻線、２４…回転子楔、２５…シャフト、３０…可変周波数交流励磁装置、３１…電機子側端子、３２…励磁側端子、３３…電力系統、４０…動力源、４１…風車、４２…増速機、１３１…電機子底巻線、１３２…電機子上巻線、１３３…電機子巻線端部、＃１〜＃３６…回転子スロット番号、＃１′〜＃４８′…固定子スロット番号。

Claims (10)

1. 複数の回転子スロットに励磁巻線を収納する回転子と、複数の固定子スロットに電機子巻線を収納する固定子を有し、前記回転子に収納する励磁巻線が励磁装置で励磁され、前記電機子巻線に電力を発電する同期発電機において、２極当たりの固定子スロット数と回転子スロット数の差が±６とし、固定子の極ピッチに対する電機子ピッチをほぼ８３.３％とし、前記回転子スロットの形状を円周方向に非対称としたことを特徴とする同期発電機。
2. 請求項１において、前記固定子の前記毎極毎相のスロット数を整数とした同期発電機。
3. 請求項１において、前記同期発電機は交流励磁発電機であることを特徴とする同期発電機。
4. 請求項１において、２極当たりの固定子スロット数を２４、回転子スロット数を１８とした同期発電機。
5. 請求項２において、固定子と回転子の間のギャップの長さに対する回転子のスロット開口幅をほぼ３.４ とした同期発電機。
6. 複数の回転子スロットに励磁巻線を収納する回転子と、複数の固定子スロットに電機子巻線を収納する固定子を有し、前記回転子に収納する励磁巻線が励磁装置で励磁され、前記電機子巻線に電力を発電し、２極当たりの固定子スロット数と回転子スロット数の差が±６とし、固定子の極ピッチに対する電機子ピッチをほぼ８３.３％ とし、前記回転子スロットの形状を円周方向に非対象とした同期発電機と、回転子を回転させる動力源とを有し、前記動力源は風力を動力とした風力発電システム。
7. 請求項６において、前記固定子の毎極毎相のスロット数を整数とした風力発電システム。
8. 請求項６において、前記同期発電機は励磁同期発電機であることを特徴とする同期発電機。
9. 請求項６において、２極当たりの固定子スロット数を２４、回転子スロット数を１８とした風力発電システム。
10. 請求項８において、固定子と回転子の間のギャップの長さに対する回転子のスロット開口幅をほぼ３.４ とした同期発電機。
    

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