(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と、
前記発電機を駆動するガスエンジンと、
前記ガスエンジンの回転速度範囲を調整する電子式ガバナーと、
前記ガスエンジン、前記発電機及び前記電子式ガバナーを電気的に制御するための制御装置と、を有するガスエンジン発電装置であって、
前記発電機が、少なくとも２極の界磁極数によって周波数５０ヘルツ又は６０ヘルツにおいてそれぞれ２９００回転数／分（ｒｐｍ）以上又は３５００ｒｐｍ以上で回転する発電機用回転子を具備し、前記ガスエンジンと連携して駆動する前記発電機用回転子の回転によって発電を行い、
前記ガスエンジン及び前記発電機が、フランジ結合によって直結されて固定された一体化構造を有し、且つ、前記ガスエンジン用回転子及び前記発電機用回転子がフレキシブル軸継手によって直結されるともに、
前記発電機用回転子は、界磁極数を４極とし、前記４極において２極には界磁コイルが巻回され、他の２極には界磁コイルが巻回されない構造を有し、
前記発電機回転子の回転速度に応じて前記界磁極数の２極及び４極の間で行われる相互の切替が、前記界磁コイルの接点切替用スイッチとして具備される遠心力スイッチを用いて、２極に設定するときは前記界磁コイルの２極間の電流方向をそれぞれ同方向に、また、４極に設定するときは前記界磁コイルの２極間の電流方向をそれぞれ反対方法に設定することによって行われることを特徴とするガスエンジン発電装置。
【請求項２】
前記発電機の発電出力が５０ｋＶＡ以上であり、前記ガスエンジンが水冷式であることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン発電装置。
【請求項３】
前記ガスエンジン及び前記発電機は、一体化された構造で共通台床に防振用治具を介して固定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスエンジン発電装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスエンジン発電装置は、さらに、前記ガスエンジンへガスを供給するためのガス燃料供給用装置を備え、前記ガス燃料供給用装置から供給されるガスの蒸発量を安定させるため、前記ガスエンジン発電装置から排出される廃熱を前記ガス燃料供給用装置に供給するための温風ダクトを有することを特徴とするガスエンジン発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスエンジン装置は、防災用情報を感知するための地震計、風速計、雨量計及び温度計の群から選ばれる少なくとも一つの測定装置を具備するか、又は前記測定装置と電気的に繋がる防災用システムを有し、
前記測定装置によって感知される情報に基づいて、前記２極の界磁極数で回転する発電機用回転子の駆動開始、又は前記界磁極数の４極から２極への切替、が自動的に行われることを特徴とするガスエンジン発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子式ガバナーを有するガスエンジン発電装置に係り、特に、５０ｋＶＡ以上の高発電出力を有するガスエンジン発電装置において、容量の大きなモータ負荷に対して精緻な動作制御や調整を行わないでも、モータの始動を可能にするガスエンジン発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自家用発電装置は原動機の種別により様々なタイプがあるが、その中でガスエンジン発電装置は、原動機の燃料として都市ガス、プロパンガス又は天然ガスなどのガス燃料を使用する発電機であり、発電効率が比較的高く、小容量発電に適している。ガスエンジン発電機としては、エンジン回転速度を一定の範囲に制限し、燃料ガスの量で出力トルクを制御するため、ガスエンジンへの噴射燃料量の増減調整を負荷変動量に応じて行う機能を有する電子式ガバナー（スロットル弁）を備えるガスエンジン発電機が提案されている（例えば、特許文献１〜４）。
【０００３】
電子式ガバナーを備えるガスエンジン発電機は、始動時又はある運転状態から急激に負荷を投入する場合、負荷又は回転数を維持するために必要な燃料ガスを瞬時に供給できず、急激な回転数の落ち込みを生じることがある。そのため、前記特許文献１〜４に記載のガスエンジン発電機では、これらの負荷変動に対して、電子式ガバナーのみで燃料の増減調整を行うだけでなく、別の新たな機能を付加することによりエンジン回転速度を一定の範囲に制御することが提案されている。
【０００４】
前記特許文献１には、負荷変動が設定値に対し一定範囲の上限を超える場合には、ガバナーによる燃料調整に加え、一定時間・一定量の追加燃料を噴射し、逆に、前記一定範囲の下限を超える場合には、ガスエンジンの燃焼を一定時間停止するガスエンジン発電機の回転制御方法が開示されている。
【０００５】
前記特許文献２には、常用発電運転状態から非常用発電運転に移行しても、安定した運転を継続することができるように、ガバナスロットルバルブが全開になっていない場合には、閉状態となっており、逆に、ガバナスロットルバルブが全開になった場合には、予め設定した一定時間だけ開状態となって、接続用ガス管を通して予備燃焼室用ガス管から主燃焼室用ガス管に向けてのガスの流通を許容する負荷投入電磁弁を備えるガスエンジン発電設備が開示されている。
【０００６】
特許文献３には、エンジン回転数の低下又はエンジン増加の少なくともいずれか一方により負荷投入が検知されたとき、燃料ガス流量調整弁の制御値に、エンジン回転数の低下及びエンジン負荷の増加に応じた補正係数を足し合わせた補正係数を加算する補正を過渡的に行うガスエンジンの制御方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献４には、燃焼開始時期や燃焼伝搬速度を均一化し、燃焼を安定化して、エンジン効率を向上させるため、ガス弁を閉じて燃焼室への燃料投入を終了する時機を着火前の所定のクランク角度とし、該クランク角度から逆算してガス弁の燃料投入期間（ガス弁開保持期間）を決定するガス弁動作制御方法が提案されている。
【０００８】
ガスエンジン発電機が急激な負荷変動に追従できないという問題に対処する方法としては、上記の特許文献１〜４に開示された方法以外にも様々な方法が提案されている。例えば、特許文献５には、ガスエンジン発電機が低負荷状態では安定した運転ができずトリップしやすいという問題を解決するため、パルス幅変調式（ＰＷＮ）交直変換器とＰＷＮ式交直交換器を直列に接続した回路を出力端子と電力系統の間に介装して、電力系統における負荷急変に対してエンジンと発電機の慣性エネルギーにより追従させ、部分負荷運転状態やガス燃料成分変化に対して回転数調整を行うガスエンジン発電設備が提案されている。
【０００９】
他方、ガスエンジン発電装置は、特許文献６に開示されているように、ガスエンジンと連携して駆動する発電機用回転子の回転を、電力系統の系統周波数に同期した一定の回転速度で運転させる必要がある。前記特許文献６に記載のガスエンジン式発電システムは、ガスエンジンからの回転動力を変速して同期発電機に伝達する変速機を備えるものであるが、必要に応じて発電機の極数変換を行うことも可能である。例えば、特許文献７には、ガス等の熱を利用する動力発生装置において原動機と発電機とを直結する技術として、増減速機構を変えることなく、発電機の極数を、５０サイクル又は６０サイクルの下で、２極乃至８極の中から適当に決定することにより、発電機の回転数の選択範囲から望ましい高効率の回転数を決定する原動機と発電機の連結方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６１−２７９７４０号公報
【特許文献２】特開平１０−１５３１４５号公報
【特許文献３】特開２０１７−１１０５６７号公報
【特許文献４】特開２０１６−７５１６６号公報
【特許文献５】特開２００５−２４５１０５号公報
【特許文献６】特開２０１７−１８４３３５号公報
【特許文献７】特開昭６２−２３５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ガスエンジン発電装置は、近年では大型化及び高出力化が進展している。ガスエンジン発電装置の大型化及び高出力化を行う際にも、発電機の信頼性及び耐久性の向上の点から、発電機の振動抑制及び破損防止という従来と同じ技術課題を満足する必要がある。従来のガスエンジン発電装置は、耐久性と寿命の点から、一般的に極数が４極の同期発電機が使用されていた。ガスエンジンと連携して駆動する発電機用回転子を電力系統の系統周波数に同期した一定の回転速度で運転させるとき、同期発電機の極数が４極の場合は、回転速度が、例えば、５０ヘルツ（Ｈｚ）において略１５００ｍｉｎ−１、又は６０ヘルツ（Ｈｚ）のエリアにおいて略１８０００ｍｉｎ−１となる。
【００１２】
しかしながら、電子式ガバナーを備えるガスエンジン発電装置は、ガスエンジンの始動時に前記電子式ガバナーが瞬時に応答できないため、発電機の回転エネルギーが小さい４極の発電機ではガスエンジンの回転が持続せずに始動が停止するという問題が発生しやすかった。この技術課題は、ガスエンジン発電装置が大型及び高出力になるに伴い、顕著になる。特に、今後、大きな需要が期待される５０〜１２０ＫＶＡの中出力及び大出力のガスエンジン発電装置では、これが大きな技術課題となっている。このガスエンジン始動の停止という技術課題を、前記電子式ガバナーの瞬時応答性に依存しないで解決する方法としては、始動エネルギー容量の大きなモータ負荷に打ち勝ってモータを始動させるために必要な瞬時負荷投入容量を増やすことが必要になる。
【００１３】
前記特許文献１〜４には、上述したように、電子式ガバナーのみで燃料の増減調整を行うだけでなく、別の新たな機能を付加する方法が提案されている。具体的には、負荷変動（特許文献１）、ガバナスロットルバルブの開閉状態（特許文献２）、エンジン回転数及びエンジン負荷の状態（特許文献３）、又はエンジン回転の変動量（特許文献４）等をセンシングしてソフト的に制御する方法である。しかしながら、これらの制御方法を、ガスエンジンの始動時に発生するガスエンジンの停止という技術課題の解決のために適用する場合、瞬時に高精度でセンシングを行う技術が必要とされるが、その要求に合致させることが技術的に困難である。また、この技術課題は電子式ガバナーの性能にも関係することから、電子式カバナ―の高性能化という別の技術課題を克服する必要があった。したがって、前記特許文献１〜４に記載の制御方法は、電子式ガバナーによる燃料の瞬時供給性能を向上させる目的の達成には適当なものではなかった。
【００１４】
前記特許文献５に記載のガスエンジン発電設備は、パルス幅変調式（ＰＷＮ）交直変換器とＰＷＮ式交直交換器を直列に接続した回路を出力端子と電力系統の間に介装する方法であるが、両者の交換器を設置するための煩雑な作業が必要となる。また、両者の交換器と出力端子と電力系統とを同期させながら、高速で、且つ、高精度に動作するように調整しながら接続するためには高度な熟練が求められる。そもそも、前記特許文献５に記載の方法が、ガスエンジンの始動時に発生する発電機の停止という技術課題の解決に対して具体的に適用できるか否かについては技術的に全く不明である。
【００１５】
また、前記特許文献６及び７に記載の発明は、ガスエンジンの始動時に発生するガスエンジンの停止という技術課題が記載も示唆もされておらず、そのような技術課題が認識されていたとは言えない。仮に、ガスエンジン発電機において、必要な特性に応じて発電機の極数を変換することが周知の技術であったとしても、ガスエンジンの始動時に発生するガスエンジンの停止という技術課題との関連性については、特許文献６及び７に開示された事項からでは全く不明である。
【００１６】
本発明は、係る問題を解決するためになされたものであり、電子式ガバナーを有するガスエンジン発電装置、特に、５０ｋＶＡ以上の高発電出力を有するガスエンジン発電装置において、ガスエンジンの回転数を上昇させることにより増大させた回転体のエネルギーを利用して瞬時負荷投入容量を増やすことで、容量の大きなモータ負荷に対して精緻な動作制御や調整を行わないでも、モータの始動を可能にするガスエンジン発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者は、発電機を駆動するガスエンジンと、ガスエンジンの回転速度範囲を調整する電子式ガバナーと、前記発電機及び前記電子式ガバナーを電気的に制御するための制御装置とを有するガスエンジン発電機において、ガスエンジンと連携して駆動する発電機の回転エネルギーを増大させるため、前記発電機に少なくとも２極の界磁極数によって高速で回転する発電機用回転子を具備させることによって上記の課題を解決できることを見出して本発明に到った。
【００１８】
すなわち、本発明の構成は以下の通りである。
［１］本発明は、発電機と、
前記発電機を駆動するガスエンジンと、前記ガスエンジンの回転速度範囲を調整する電子式ガバナーと、前記ガスエンジン、前記発電機及び前記電子式ガバナーを電気的に制御するための制御装置と、を有するガスエンジン発電装置であって、
前記発電機が、少なくとも２極の界磁極数によって周波数５０ヘルツ又は６０ヘルツにおいてそれぞれ２９００回転数／分（ｒｐｍ）以上又は３５００ｒｐｍ以上で回転する発電機用回転子を具備し、前記ガスエンジンと連携して駆動する前記発電機用回転子の回転によって発電を行い、
前記ガスエンジン及び前記発電機が、フランジ結合によって直結されて固定された一体化構造を有し、且つ、前記ガスエンジン用回転子及び前記発電機用回転子がフレキシブル軸継手によって直結されるともに、
前記発電機用回転子は、界磁極数を４極とし、前記４極において２極には界磁コイルが巻回され、他の２極には界磁コイルが巻回されない構造を有し、
前記発電機回転子の回転速度に応じて前記界磁極数の２極及び４極の間で行われる相互の切替が、前記界磁コイルの接点切替用スイッチとして具備される遠心力スイッチを用いて、２極に設定するときは前記界磁コイルの２極間の電流方向をそれぞれ同方向に、また、４極に設定するときは前記界磁コイルの２極間の電流方向をそれぞれ反対方法に設定することによって行われることを特徴とするガスエンジン発電装置。
［２］本発明は、前記発電機の発電出力が５０ｋＶＡ以上であり、前記ガスエンジンが水冷式であることを特徴とする前記［１］に記載のガスエンジン発電装置を提供する。
［３］本発明は、前記ガスエンジン及び前記発電機が、一体化された構造で共通台床に防振用治具を介して固定されることを特徴とする前記［１］又は［２］に記載のガスエンジン発電装置を提供する。
［４］本発明は、前記［１］〜［３］のいずれか一項に記載のガスエンジン発電装置が、さらに、前記ガスエンジンへガスを供給するためのガス燃料供給用装置を備え、前記ガス燃料供給用装置から供給されるガスの蒸発量を安定させるため、前記ガスエンジン発電装置から排出される廃熱を前記ガス燃料供給用装置に供給するための温風ダクトを有することを特徴とするガスエンジン発電装置を提供する。
［５］本発明は、前記［１］〜［４］のいずれか一項に記載のガスエンジン装置が、防災用情報を感知するための地震計、風速計、雨量計及び温度計の群から選ばれる少なくとも一つの測定装置を具備するか、又は前記測定装置と電気的に繋がる防災用システムを有し、
前記測定装置によって感知される情報に基づいて、前記２極の界磁極数で回転する発電機用回転子の駆動開始、又は前記界磁極数の４極から２極への切替が自動的に行われることを特徴とするガスエンジン発電装置を提供する。
[発明の効果]
【発明の効果】
【００１９】
本発明の実施形態によるガスエンジン発電装置は、ガスエンジンと同期して回転する発電機が、少なくとも２極の界磁極数によって、従来の４極に対して約２倍の回転速度で高速回転する。そのため、電子式ガバナーが瞬時に応答できない場合でも、発電機の回転子の大きな回転エネルギーによってガスエンジンの速度低下が小さくなり、瞬時負荷投入量が増大することから、モータの回転を持続させ、従来の４極発電機を具備するガス発電装置において発生しやすかったモータの始動が停止するという問題を解決することができる。同時に、発電機の極数を４極から２極にすることによって出力を２倍に上げることができるため、５０ｋＶＡ以上の中出力又は高出力のガスエンジン発電機への適用が可能である。ここで、５０ｋＶＡ以上のガスエンジン発電装置に適用するときは、前記発電装置を水冷式とすることにより冷却効率を高めることができる。
【００２０】
本発明の実施形態によるガスエンジン発電装置は、界磁コイルが２極に巻回された発電機用回転子を具備する場合、緊急時の停電又は地震等の災害発生等による停電が起きたときの非常用電源の発電装置として使用することができる。また、界磁極数を４極とし、前記４極において２極には界磁コイルが巻回され、他の２極には界磁コイルが巻回されない構造を有する発電機用回転子を具備する場合は、ガスエンジンの回転速度に応じて界磁極数の２極及び４極の間で相互の切替を自動的に行うことにより、常用発電と非常用とを兼用することができる。ここで、非常用発電では発電機の界磁極数を２極にして発電を行い、常用発電に戻すときは発電機の界磁極数を４極に切り替えて発電を行う。界磁極数の２極である発電機は、回転速度が２９００ｍｉｎ−１以上（５０Ｈｚ）又は３５００ｍｉｎ−１以上（６０Ｈｚ）と高く、回転エネルギーを大きくできるという点に大きな特徴を有するが、他方で、発電機の２極の状態で回転し続ける場合は、エンジンに大きな負荷がかかる。そのため、非常時の短期間発電のときだけ２極の状態にして出力を２倍にし、他方、常用の長期間発電の場合は４極の状態で発電を行い、発電機の高速回転時間の短縮化を図ることによってガスエンジン発電機の信頼性及び耐久性を向上することができる。常用発電では、出力の低減がみられるものの、他の発電方法との併用等を行えば、大きな電力を必ずしも必要としないため出力低減はほとんど問題とならない。このとき、発電機磁極の自動切り替えは、遠心力スイッチ等の接点切替用スイッチを使用することによって簡便に、且つ、再現よく行うことができる。
【００２１】
なお、界磁極数の２極及び４極の間の切替は、常用発電と非常用発電との間だけに限定されない。例えば、２極発電機による発電を続けながら、不定期に一定期間だけ４極に切り替えることによりガスエンジン発電機の信頼性及び耐久性を向上させることができる。また、非常用発電において仮に４極の発電機でもモータの始動が順調に行うことができると分かったときには、４極のエンジン低負荷の状態だけで発電を継続できる。このように、本発明の実施形態によるガスエンジン発電装置は、信頼性及び耐久性の点だけではなく、使用状態を自由に選択できるため、柔軟性に富み、汎用性の高いガスエンジン発電装置として利用することが可能である。
【００２２】
本発明の実施形態によるガスエンジン発電装置は、界磁極数の２極である発電機を使用するとともに、ガスエンジン及び発電機がフランジ結合によって直結されて固定された一体化構造を有し、且つ、前記ガスエンジン用回転子及び前記発電機用回転子がフレキシブル軸継手（カップリング）によって直結される構造を採用することによって装置のコンパクト化及び信頼性と耐久性の大幅な向上を図ることができる。さらに、ガスエンジン及び発電機を、防振用治具（例えば、防振用ゴム又は制振用ダンパー）を介して共通台床に固定することにより、装置のコンパクト化を図りつつ、地震等に対して堅牢な構造とすることができる。
【００２３】
さらに、界磁極数の４極及び２極の間の自動切り替え機能を有するガスエンジン発電装置においては、防災用情報を感知するための地震計、風速計、雨量計及び温度計の群から選ばれる少なくとも一つの測定装置を具備するか、又は前記測定装置と電気的に繋がる防災用システムを有することにより、常用発電から非常用発電への自動切替を緊急の場合でも瞬時に行うことができるため、非常用電源としての有用性が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態によるガスエンジン発電装置を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態によるガスエンジン発電装置に具備される２極発電機の界磁コイル構造の例を模式的に示す断面図である。
【図３】瞬時負投入に対するガスエンジン発電装置の瞬時速度変動のメカニズムを説明するための模式図である。
【図４】本発明の第１の実施形態において、プロパンボンベからのガス燃料供給用装置が敷設されたガスエンジン発電装置の冷却方式の例を模式的に示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態によるガスエンジン発電装置に具備される発電機用回転子と該発電機用回転子の外周に設けられる発電機用固定子を示す断面図である。
【図６】防災用システムとのリンクによって非常時に２極発電機で発電を行う本発明の第３の実施形態によるガスエンジン発電機を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２６】
＜第１の実施形態＞
図１に、本発明によるガスエンジン発電装置の一実施形態の断面図を模式的に示す。図１に示すように、ガスエンジン発電装置１の基本的な構成は、ガスエンジン２と、発電機３と、ガスエンジン及び発電機を接合する接合部４と、発電機３及びガスエンジン２に具備される電子式ガバナー（不図示）の両者を制御するための制御装置５とに、機能的に大別される。各部を構成する装置又は部品について図１を用いて以下に説明する。
【００２７】
ガスエンジン２は、ガスエンジン本体６と、ガスエンジン２によって駆動するエンジンシャフト７と、エンジンシャフト７の軸受け用のエンジン側軸受８とを有する。また、ガスエンジン２には、エンジンシャフト７の回転速度が略一定になるように出力トルクを制御するため、空気ガス混合器の燃料量を調整する電子式ガバナー（不図示）を合わせて有する。発電機３は、発電機回転子９と、発電機固定子１０と、エンジンシャフト７と同期して回転する発電機シャフト１１と、発電機シャフト１１の軸受けとして機能する２つの軸受１２及び１３とを有する。ここで、発電機シャフト１１がエンジンシャフト７に直結するように、エンジンシャフト７の側に軸受として設けられるのが発電機直結側軸受１２である。他方、エンジンシャフト７の反対側に軸受として設けられるのが発電機反直結側軸受１３である。
【００２８】
本発明のガスエンジン発電装置は、発電機が少なくとも２極の界磁極数によって回転する発電機回転子を有することを特徴とするが、図１には、界磁極数を２極とし、界磁コイルが２極に巻回された発電機用回転子９を有する実施形態を示している。発電機用回転子９を２極で駆動し、回転速度を２９００ｍｉｎ−１以上（５０Ｈｚ）又は３５００ｍｉｎ−１以上（６０Ｈｚ）とすることによって瞬時負荷投入容量を高めることができるため、ガスエンジン２の回転数を定格回転数で運転することによって発電をスムーズに行うことができる。ここで、２極発電機の回転は、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおいてそれぞれ３０００ｍｉｎ−１及び３６００ｍｉｎ−１であることが知られているが、回転数の誤差等を考慮し、本実施形態においては２極発電機用回転子の回転数を２９００ｍｉｎ−１以上（５０Ｈｚ）又は３５００ｍｉｎ−１以上（６０Ｈｚ）に規定する。
【００２９】
図１に示すガスエンジン発電装置１は、エンジンシャフト７と発電機シャフト１１が、両者の接合部４においてフレキシブルジョイント１４によって接合される。本発明のガスエンジン発電装置のフレキシブルジョイント１４の構造としては、エンジンシャフト７と発電機シャフト１１との軸同士を直に繋げるものであってもよいが、フレキシブル軸継手（カップリング）による接合構造を採用するのが実用的である。フレキシブル軸継手（カップリング）によるジョイントによって、エンジンシャフト７と発電機シャフト１１との２軸の取付誤差（ミスアライメント）等を吸収し、動力をエンジン２側から発電機３側へ正確に伝えることができる。さらに、エンジンの回転速度を３５００ｍｉｎ−１以上の高速にする場合は、エンジン側の軸受に過大の負荷がかかるとともに、発電機とエンジンとの軸受間のスパンが長くなるほど発電機回転子９の撓みが大きくなるが、この問題の発生を抑制することができる。それだけでなく、エンジン２側の振動を吸収してガスエンジン発電装置１を守るという効果も同時に得られる。これらの効果は、特に、２極発電機を有する５０ｋＶＡ以上の中出力及び高出力のガスエンジン発電装置において顕著に現れるため、フレキシブル軸継手（カップリング）の構造によってエンジンシャフト７と発電機シャフト１１との接合を行うことが好適である。
【００３０】
また、ガスエンジン発電装置１は、ガスエンジン２及び発電機３が、エンジン側固定用フランジ１５と発電機側固定用フランジ１６とがリジッド接合された一体化構造を有する。この一体化された構造において、ガスエンジン２及び発電機３は、共通台床１７に、ガスエンジン２用及び発電機３用としてそれぞれに具備される防振用治具１８（ガスエンジン用防振治具１８ａ、及び発電機用防振治具１８ｂ）を介して固定することが実用的である。防振用治具１８としては、例えば、防振用ゴム又は制振用ダンパーを所望の形状で使用することができる。これらの構造により、発電装置のコンパクト化だけでなく、信頼性と耐久性の大幅な向上を図ることができる。さらに、地震等による発電装置のダメージを最小限に抑えることができるという利点を有する。
【００３１】
図２は、本実施形態によるガスエンジン発電装置１に具備され、且つ、界磁極数が２極である発電機３の界磁コイル構造の例を模式的に示す断面図である。図２の（ａ）は、界磁コイル１９を挿入するため磁極鉄心２０に設ける４か所の広幅溝部分がすべて矩形形状で形成された２極界磁コイル構造の従来例である。また、図２の（ｂ）は２極界磁コイル構造の変形例を示す図であり、磁極鉄心２０に巻回した界磁コイル１９が回転中に外部へ飛び出さないように、磁極鉄心２０に設ける４か所の広幅溝部分において、該広幅溝部分の長手方向に対する断面側部が、前記広幅溝部分の底部から開口部に向けて斜めに傾いた直線形状又は曲線形状で形成される構造を有する。前記広幅溝部分の断面形状は、図２の（ｂ）に示す断面図において２１ａ及び２１ｂの符号で示す２辺の側部及び底辺２１ｃで囲まれる部分から構成される。
【００３２】
図２に示すように、界磁コイル１９の遠心力Ｆは、磁極鉄心２０に対する垂直分力Ｆｖと水平分力Ｆｈとのベクトル和で表される。図２の（ａ）に示す従来例では、垂直分力Ｆｖは磁極鉄心２０で支えるが、水平分力Ｆｈは磁極鉄心２０で支えることができない。２極の発電機回転子９が高速で回転することを考慮すると、界磁コイル１９の外部への飛び出しが信頼性の点で問題となることがある。その場合は、界磁コイル１９の外部への飛び出しを防止するための界磁コイル支えを設ける必要がある。それに対して、図２の（ｂ）に示す変形例では、水平分力Ｆｈが図２の（ａ）の場合とは逆に内向きとなるため、界磁コイル１９の外部への飛び出しを大幅に抑制することができる。したがって、界磁コイル支えが不要となり、図２の（ａ）に示す従来例に比べて、界磁コイル構造を簡単にすることができる。
【００３３】
本実施形態においては、図２の（ａ）に示すように、磁極鉄心２０及び該磁極鉄心２０に巻回される界磁コイル１９を有する発電機回転子９と、発電機固定子１０とから構成される２極界磁コイル構造を有する従来型の発電機３を使用することができる。ここで、界磁コイル１９の外部への飛び出しという技術課題に対しては、界磁コイル構造がやや複雑になるものの、前記界磁コイル支えを設けることによって対応することが十分に可能である。一方、図２の（ｂ）に示す２極界磁コイル構造は、図２の（ａ）に示す従来例に比べて構造をシンプルにできるため、本実施形態において発電機３の信頼性向上を図りつつ、製造コストも合わせて低減したいという目的を優先する場合には好適である。
【００３４】
本発明のガスエンジン発電装置は、少なくとも２極の界磁極数によって回転する発電機回転子を有する発電機として、図１に示す実施形態の他にも、界磁極数を４極とし、前記４極において２極には界磁コイルが巻回され、他の２極には界磁コイルが巻回されない構造が含まれる。この構造を有する発電機は、界磁極数の２極及び４極の間で切替を相互に行うことによって発電機回転子の回転速度を変えることができるが、詳細は後述の実施形態で述べる。
【００３５】
界磁極数２極による瞬時負荷投入の機構を、４極の場合と対比して図３を用いて説明する。図３は、瞬時負投入に対するガスエンジン発電装置の瞬時速度変動のメカニズムを説明するための模式図である。
【００３６】
図３に示すように、ガスエンジン２が定格速度で運転中に負荷投入されると（瞬時負荷投入）、電子式ガバナーの方は瞬時に応答できないため発電機回転子９は、その回転エネルギーにより回転速度が低下する。従来の４極発電機の場合は、図３に示すＡ→Ｂ２の経路で速度変動が起きる。その後、電子式ガバナーの応答開始時間からガス燃料の供給が行われるようになり、発電機回転子９の回転が上昇し始める。その後、ガス燃料の供給を調整しながら回転速度を制御しながら一定の速度で回転を継続するようになる（図３に示す曲線Ｙ）。しかしながら、従来の４極発電機では、発電機回転子９の回転エネルギーが相対的に小さいため回転速度が大幅に低下することから、電子式ガバナーの応答開始前において、例えば、図３に示すＣ点の速度に至るとガスエンジンが停止するという問題があった。ここで、前記Ｃ点は、ＡからＢ２に至るまでの途中にあって、且つ、Ｂ２に近い任意の速度を示す位置である
【００３７】
それに対して、本実施形態によるガスエンジン発電装置が具備する２極発電機は、発電機回転子９の大きな回転エネルギーにより従来の４極発電機に比べて略２倍の回転速度を有するため、回転速度の低下が小さく、ガスエンジンモータの停止がみられるＣ点までには速度が低下しない（図３に示すＡ→Ｂ１の経路）。そのため、発電機回転子９の回転を、電子式ガバナーの応答開始時間まで維持することができる。そして、電子式ガバナーの応答開始時間以降はガス燃料の供給が行われるため、発電機回転子９の回転が上昇した後、一定の速度でその回転が継続するようになる（図３に示す曲線Ｘ）。したがって、モータ始動時に発生しやすかったエンジンの停止という問題は、従来の４極から２極の界磁極数を有する発電機を使用することによって解決することができる。
【００３８】
図１に示すガスエンジン発電装置は、コンパクト化を図るとともに、運搬及び据付を容易にするため、一体構造の形態で一つの外装容器（筐体）に納めて使用するのが好適である。外装容器（筐体）に収納されるガスエンジン発電装置は、空冷式又は水冷式のどちらの方式で冷却が行われる。
【００３９】
また、ガスエンジン発電装置には、原動機の燃料として、都市ガス、プロパンガス又は天然ガス等のガス燃料が供給される。本実施形態によるガスエンジン発電装置を常用発電として使用する場合は、主に都市ガス又は天然ガスがライフラインのガス配管等を通して供給される。しかしながら、非常用発電の場合は、前記ガス配管がダメージを受け、都市ガス又は天然ガス等の供給が停止するため、個別に設置するプロパンボンベからガスエンジン発電装置にプロパンガスを供給することが好適である。また、後述するように、本実施形態によるガスエンジン発電装置を常用及び非常用の両者の場合で兼用する場合も、非常用を優先するときはプロパンガスがガス燃料として使用される。
【００４０】
図４に、プロパンボンベからのガス燃料供給用装置が敷設されたガスエンジン発電装置の冷却方式の例を模式的に示す。図４において、（ａ）及び（ｂ）にはそれぞれ空冷式及び水冷式を示している。
【００４１】
図４の（ａ）に示すように、ガスエンジン２と発電機３とを両者の共通床１７に防振用治具（不図示）を介して固定したガスエンジン発電装置１は、外装容器として使用する筐体２２の内部に納めた形で使用される。筐体２２の内部には、合わせて制御装置５が納められており、制御装置５と電気的に接続する制御盤（不図示）及び表示用モニタ（不図示）が筐体２２の表面のいずれか適当な場所に据え付けられている。ガスエンジン制御装置１に必要な情報を入力するためのキー等は制御盤の一部に設けられており、回転速度センサ（不図示）によって感知された発電機用回転子９の回転数及び発電機による出力等を含めて、必要な情報は前記表示用モニタによって表示される。
【００４２】
また、筐体２２には、ガスエンジン発電装置１の空冷を行うため、空気取入口２３が設けられる。図４の（ａ）では、空気取入口２３の設置場所として２箇所が示されているが、２か所には特に限定されない。空気取入口２３の数と設置場所は、その構造を含め、空冷の性能に応じて、当業者が通常行う設計範囲内で決めることができる。筐体２２には、ガスエンジン発電装置１を通過して暖められる空気を筐体２２の外部に排出するための温風排出口２４が合わせて設けられる。温風排出口２４の数、設置場所及び構造は、空気取入口２３の場合と同様に、空冷の性能に応じて、当業者が通常行う設計範囲内で決められる。また、ガスエンジン発電装置１の空冷性能を高めるため、空冷用送風ファン２５を設けてもよい。図４の（ａ）に示すように、空冷用送風ファン２５はガスエンジン２に設置してもよいし、ガスエンジン２とは別に、筐体２２の適当な場所に敷設してもよい。また、筐体２２内には、空冷用の送風装置を設けることもできる。
【００４３】
図４の（ａ）に示すガスエンジン発電装置１は、その近くにガスボンベ受台２６によって固定されるガスボンベ２７からガス燃料パイプ２８を通してガスを供給する機能を有するガス燃料供給用装置２９が敷設される。ここで、ガスボンベ２７に収納されるガスとしては、例えば、プロパンガスを使用する。また、ガスボンベ２７を支持するガスボンベ受台２６には、温風排出口２４の少なくとも一部に温風ダクト３０が接続される。温風ダクト３０を通して排出される温風は、ガスボンベ２７の周囲の外気温度を温めるために利用できるため、ガスボンベからの蒸発ガス量を安定させることによりガス供給性能を高めることができる。例えば、冬場の外気温度が低い場合にはガス発生量が少なくなり、ガスエンジン発電装置に供給するガス量が不足するという事態が避けられる。逆に、温風ダクト３０からの温風によりガスボンベ２７の温度が上昇し過ぎて安全性の点で問題となる場合は、温風ダクト３０からの温風を一時的に停止する開閉弁３１を、温風ダクト３０の出口若しくは出口の付近又はその途中に設けてもよい。図４の（ａ）には、温風ダクト３０のガスボンベ２７の側の口に開閉弁３１を設ける例を示している。開閉弁３１の開閉は、ガスボンベ２７及びガスボンベ受台２６の少なくともいずれかの適当な場所に温度センサを設けることにより、手動で開閉するか、又は自動開閉装置の設置等により開閉の制御を行うことができる。例えば、温度の急激な上昇がみられる等の異常な状態が検知される場合、開閉弁３１が自動的に閉じられ、温風ダクト３０からの温風の流れが中断される。
【００４４】
図４の（ｂ）に示す水冷式の装置は、空冷式の装置とは異なり、例えば、筐体２２に内部にラジエータ３２が敷設される。また、空冷式の送風ファン２５に代えて、ラジエータファン３３が設けられる。図４の（ｂ）には示していないが、空冷式と同じように、筐体２２には空気取入口を設けるのが実用的である。水冷式も、空冷式と同じ構成を有するガス燃料供給用装置２９を敷設することができる。また、温風排出口２４の少なくとも一部に温風ダクト３０を接続することによって、温風ダクト３０を通して流通する温風を使用してガスボンベ２７からのガス供給性能を高める構成を採用することができる。なお、図４の（ａ）及び（ｂ）に示すガスエンジン発電装置１は、必要に応じて、温風ダクト３０を設けない構成を有していてもよい。
【００４５】
本発明の実施形態によるガスエンジン発電装置１は、５０ｋＶＡ以上の中出力及び高出力用として適用されるが、その場合は装置の信頼性及び耐久性の点から冷却効率を高める必要がある。水冷の冷却方式は空冷のものと比べて冷却効率が高いことから、本実施形態では図４の（ｂ）に示す冷却方式を使用することが好適である。
【００４６】
＜第２の実施形態＞
本実施形態において、界磁極数を４極とし、前記４極において２極には界磁コイルが巻回され、他の２極には界磁コイルが巻回されないイメージポールとする発電機用回転子を具備するガスエンジン発電装置の構成と構造を説明する。本実施形態のガスエンジン発電装置は、発電機用回転子の構成と構造を除けば、図１に示すものと基本的に同じ構成を有する。
【００４７】
図５は、発電機シャフト１１、界磁コイル１９、及び磁極鉄心２０を有する発電機用回転子９及び該発電機用回転子９の外周に設けられる発電機用固定子１０を示す断面図である。図５の（ａ）及び（ｂ）に、それぞれ磁極４極及び磁極２極に相当するときの界磁コイルの極性と各磁極コイルに流れる磁束の向きを示す。また、図５の（ａ）及び（ｂ）のそれぞれの右側には、発電機用回転子に巻回される界磁コイル（「Ｆ１コイル」及び「Ｆ２コイル」）によって構成される回路図を合わせて示している。図中の回路図に示す矢印は、電流が流れる向きである。
【００４８】
図５の（ａ）に示すように、極磁鉄心２０の広幅溝に挿入しながら巻回された界磁コイルの１極（符号１９ａ）に、他の界磁コイルの１極（符号１９ｂ）とは反対方向の電流を流すことによって４極の界磁が形成される。ここで、界磁コイル１９ａに相当する「Ｆ１コイル」に、界磁コイル１９ｂに相当する「Ｆ２コイル」とは反対方向の電流を流すことにより、発電機回転子９の断面右側においてＮ極→Ｓ極に向かう２つの磁束が互いに打ち消されないため、発電機シャフト１１及び極磁鉄心２０を具備する発電機回転子９の全体には、断面左側のＮ極→Ｓ極の２つの磁束を含めて計４極の界磁が形成される。このとき、右側の回路図において点線の２つの円内で示すように、接点切替用スイッチによって接続を行うことにより、Ｓ極を挟んで巻回される「Ｆ１コイル」と「Ｆ２コイル」を繋ぐコイルにはＮ極→Ｓ極に向かう２つの磁束を打ち消さないように、順方向（図の下向き）の電流を流す。
【００４９】
一方、図５の（ｂ）に示す磁極２極では、界磁コイルの２極（符号１９ａ、１９ｂ）に同方向の電流を流すことによって２極の界磁が形成される。ここで、界磁コイル１９ａに相当する「Ｆ１コイル」に、界磁コイル１９ｂに相当する「Ｆ２コイル」とは同じ方向の電流を流すことにより、図中のＮ極とＳ極に対して垂直（図中では、水平方向）に位置するポール部分は磁束が互いに打ち消し合って磁極が形成されないイメージポールとなる。そのとき、図５の（ｂ）の右側に示す回路図において、点線の２つの円内で示すような接点切替用スイッチによって、「Ｆ１コイル」に流れる電流とは逆方向の電流を「Ｆ２コイル」に流す。
【００５０】
以上のように、界磁コイルの電流方向の切替は、エンジンの回転速度に合わせて接点切替用スイッチによって行われるが、本実施形態では接点切替用スイッチとして遠心力スイッチを使用する。遠心力スイッチは、ガバナーのスイッチとしても使用されており、回転速度がある一定未満のときに「ＯＮ」となり、一定値以上のときに「ＯＦＦ」（あるいはその逆）となる動作をする。遠心力スイッチは、発電機の回転速度に応じてスイッチ操作を迅速かつ確実に行うことができるため好適であり、本実施形態の発電装置に具備される発電機回転子９の端子間に接続して使用される（図５に右側の図に示す点線の円内を参照）。
【００５１】
図５に示す例は、例えば、発電機回転子９の回転数速度が２５００ｍｉｎ−１未満になったら、発電機回転子８に組み込んだ遠心力スイッチが切替わることによってＦ２コイルの電流方向が変わり、磁極数が４極から２極に自動的に切り替わる様子を示している。発電機回転子９の回転数速度が２５００ｍｉｎ−１以上になると、逆に、磁極数が４極から２極に自動的に切り替わる。ここで選択する回転速度２５００ｍｉｎ−１は、５０Ｈｚにおいて１５００ｍｉｎ−１⇔３０００ｍｉｎ−１の間、又は６０Ｈｚにおいて１８００ｍｉｎ−１⇔３６００ｍｉｎ−１の間に位置する回転速度である。そのため、本実施形態のガスエンジン発電装置１は、発電機３の仕様を変更することなく、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの両者の周波数で使用することができる。なお、遠心力スイッチの切替を行う回転数は２５００ｒｐｍには特に限定されず、実際の駆動時に回転する２つの回転数の間で、且つ、スイッチ性能として前記２つの回転数とは明確に区別できる回転速度に設定すればよい。
【００５２】
本実施形態のガスエンジン発電装置は、雷や地震等によって停電が起きる非常時には発電機の界磁極数を２極にして発電を行い、その後、停電が復旧した後の常用発電に戻すときは発電機の界磁極数を４極に切り替えて発電を行うことにより、常用の定常発電と非定常発電とを兼用することができる。界磁極数が２極の発電機は、４極の発電機に比べて略２倍高く、回転エネルギーを大きくできる反面、発電機の２極の状態で回転し続ける場合にはエンジンに大きな負荷がかかる。そのため、非常時の短期間発電のときだけ２極の状態で出力を２倍にして非常時の電力需要に対応し、他方、常用の長期間発電のときは４極の状態で発電を行い、発電機の高速回転時間の短縮化を図る。それによりガスエンジン発電機の信頼性及び耐久性を向上することができる。常用発電では発電装置の出力が非常時の２極の場合に比べて１／２となるが、電力分散が容易であるため大きな支障は起きない。
【００５３】
また、界磁極数の２極及び４極の間の切替は、常用発電と非常用発電との間だけに限定されない。例えば、２極発電機による発電を続けながら、不定期に一定期間だけ４極に切り替えることによりガスエンジン発電機の信頼性及び耐久性を向上させてもよい。また、非常用発電において仮に４極の発電機でもモータの始動が順調に行うことができると分かったときには、４極のエンジン低負荷の状態だけで発電を継続できる。このように、本実施形態によるガスエンジン発電装置は、信頼性及び耐久性の向上が図れるだけでなく、使用状態を自由に選択できるため、柔軟性に富み、汎用性の高いガス発電機として利用することが可能である。
【００５４】
＜第３の実施形態＞
本発明の実施形態によるガスエンジン発電装置は、地震発生、台風や大雨による水害、及び大気温度の異常上昇等の災害に対して、迅速かつ機敏に対応するため、防災用情報を感知するための地震計、風速計、雨量計及び温度計の群から選ばれる少なくとも一つの測定装置を具備するか、又は前記測定装置と電気的に繋がる防災用システムとリンクさせることができる。防災用システムにより前記測定装置によって感知される情報を取得し、その情報に基づいて、２極の界磁極数で回転する発電機用回転子の駆動開始、又は前記切替用スイッチによる界磁極数の４極から２極への切替、が自動的に行われるガスエンジン発電装置の構成を図６によって説明する。図６は、図４の（ｂ）に示すガスエンジン発電装置を例にして、防災用システムとのリンクによって非常時に２極発電機で発電するガスエンジン発電機を模式的に示す図である。
【００５５】
図６に示すように、本実施形態のガスエンジン発電装置は、２極の界磁極数で回転する発電機用回転子の駆動開始、又は前記切替用スイッチによる界磁極数の４極から２極への切替を行うための制御が、前記電子式ガバナーの制御とともに、制御装置５によって行われる。防災システム３４は、インターネット等の通信又は有線回線等で制御装置５に繋がる。ここで、防災システム３４は、地震計、風速計、雨量計及び大気温度等を計測する温度計の群から選ばれる少なくとも一つの測定装置を具備し、これらの測定装置と電気的に接続される。また、制御装置５には、災害発生や異常気象等によって家庭、工場、及び公共設備等が瞬停や停電になった場合を把握することができる瞬停・停電報知手段３５とも通信又は有線によって繋がっている。瞬停・停電報知手段３５としては、例えば、停電検出器や瞬低・停電報知器等を使用することができる。
【００５６】
防災システム３４から得られる地震発生、風力、雨量及び大気温度等の少なくとも一つの情報は制御装置５に集められ、ガスエンジン発電装置１の始動を待機した状態で、瞬低・停電報知手段３５によって得られる情報を確認した後、自動的に２極の界磁極数で回転する発電機用回転子の稼働、又は前記切替用スイッチによる界磁極数の４極から２極への切替を行い、２極の界磁極数での稼働を開始する。その後、瞬低・停電報知手段３５から通電復帰の情報が得られた段階で、稼働を停止するか、又は前記切替用スイッチによる界磁極数の２極から４極への切替を自動的に行う。これらの操作は、操作者が通電復帰を確認した後、手動で行ってもよい。
【００５７】
本実施形態のガスエンジン発電装置は、防災システム３４とのリンクの代りに、防災用情報を感知するための地震計、風速計、雨量計及び温度計の群から選ばれる少なくとも一つの測定装置を、ガスエンジン発電装置１に付属させる形で具備させてもよい。さらに、ガスエンジン発電装置１の稼働中に異常発生の有無を把握するため、ガスエンジン発電装置１の必要な場所に発電装置の異常検知用温度センサ３６を複数個所で設置し、該発電装置の異常検知用温度センサ３６からの温度情報を制御装置５に繋げることによってガスエンジン発電装置１の稼働状況の監視を行ってもよい。
【００５８】
このように、本実施形態のガスエンジン発電装置は、常用発電から非常用発電への自動切替を緊急の場合でも瞬時に行うことができる。さらに、防災システム３４からの情報に基づいて、ガスエンジン発電装置の始動を事前に準備できるため、非常用電源としての有用性が高くなる。
【００５９】
以上のように、本発明の実施形態によるガスエンジン発電装置は、ガスエンジンと同期して回転する発電機が、少なくとも２極の界磁極数によって、従来の４極に対して約２倍の回転速度で高速回転する。そのため、電子式ガバナーが瞬時に応答できない場合でも、発電機の回転子の大きな回転エネルギーによってガスエンジンの速度低下が小さくなり、瞬時負荷投入量が増大することから、モータの始動時に回転を持続させることができ、スムーズな発電を継続することができる。同時に、発電機の極数を従来の４極から２極にすることによって出力を２倍に上げることができるため、５０ｋＶＡ以上の中出力又は高出力のガスエンジン発電機への適用が可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・ガスエンジン発電装置
２・・・ガスエンジン
３・・・発電機
４・・・結合部
５・・・制御装置
６・・・ガスエンジン本体
７・・・エンジンシャフト
８・・・エンジン側軸受
９・・・発電機回転子
１０・・・発電機固定子
１１・・・発電機シャフト
１２・・・発電機直結側軸受
１３・・・発電機反直結側軸受
１４・・・フレキシブルジョイント
１５・・・エンジン側固定用フランジ
１６・・・発電機側固定用フランジ
１７・・・共通台床
１８・・・防振用治具
１９・・・界磁コイル
２０・・・磁極鉄心
２１・・・広幅溝の断面を構成する側面と底辺
２２・・・筐体
２３・・・空気取入口
２４・・・温風排出口
２５・・・空冷用送風ファン
２６・・・ガスボンベ台
２７・・・ガスボンベ
２８・・・ガス燃料パイプ
２９・・・ガス燃料供給用装置
３０・・・温風ダクト
３１・・・開閉弁
３２・・・ラジエータ
３３・・・ラジエータファン
３４・・・防災システム
３５・・・瞬低・停電報知手段
３６・・・異常検知用温度センサ
【要約】
【課題】５０ｋＶＡ以上の中出力又は高出力を有する電子ガバナー式ガスエンジン発電装置において、ガスエンジンの回転数を上昇させることにより増大させた回転体のエネルギーを利用して瞬時負荷投入容量を増やすことで、容量の大きなモータ負荷に対して精緻な動作制御や調整を行わないでも、モータの始動を容易にするガスエンジン発電装置を提供する。
【解決手段】本発明は、発電機と、発電機を駆動するガスエンジンと、ガスエンジンの回転速度範囲を調整する電子式ガバナーと、前記ガスエンジン、前記発電機及び前記電子式ガバナーを電気的に制御するための制御装置と、を有するガスエンジン発電装置であって、発電機が、少なくとも２極の界磁極数によって周波数５０ヘルツ又は６０ヘルツにおいてそれぞれ２９００回転数／分（ｍｉｎ−１）以上又は３５００ｍｉｎ−１以上で回転する発電機用回転子を具備する。
【選択図】図１【図１】
0006714935.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0006714935.tif 000006
【図６】
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