(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と前記回転子の回転子中心軸を包含するように外周に配置された固定子とを備え、前記固定子の巻線が配置される固定子スロットにおける前記回転子中心軸に垂直な径方向の深さを当該固定子スロットにおける前記径方向及び前記回転子中心軸方向に垂直な方向の幅で割った比が３よりも小さい短絡発電機であって、
前記回転子は、複数の磁極及び複数の回転子スロットが形成された回転子鉄心と、前記回転子スロットに配置された界磁巻線と、前記回転子スロットの前記界磁巻線よりも外周側に配置された金属製のダンパバーと、前記回転子スロットの前記ダンパバーの外周側に配置されると共に前記ダンパバーに接続されている金属製のウエッジと、を備え、
前記ダンパバーの前記径方向の高さであるダンパバー高さが、前記ウエッジの前記径方向の高さであるウエッジ高さよりも低くなっている、短絡発電機。
【請求項２】
前記回転子は、第一材料の前記ウエッジが配置された前記回転子スロットと、前記第一材料よりも導電率が低い第二材料の前記ウエッジが配置された前記回転子スロットと、を含んでいる、請求項１記載の短絡発電機。
【請求項３】
第一材料の前記ウエッジが配置されている前記回転子スロットは、前記回転子鉄心の前記磁極側に配置されている、請求項２記載の短絡発電機。
【請求項４】
前記ウエッジは、複数に分割されており、
前記回転子スロットに分割された前記ウエッジが前記回転子中心軸方向に配置されており、
前記回転子中心軸方向の端部における分割された前記ウエッジは、前記第一材料で形成されている、請求項２または３に記載の短絡発電機。
【請求項５】
前記ウエッジは、複数に分割されており、
前記回転子スロットに分割された前記ウエッジが前記回転子中心軸方向に配置されており、
前記第二材料の前記ウエッジが配置された前記回転子スロットにおける前記回転子中心軸方向の端部の分割された前記ウエッジは、前記第一材料で形成されている、請求項２または３に記載の短絡発電機。
【請求項６】
前記回転子は、前記回転子鉄心における前記回転子中心軸方向の端部及び前記ウエッジにおける前記回転子中心軸方向の端部を覆うと共に、前記回転子鉄心における前記回転子中心軸方向の端部及び前記ウエッジにおける前記回転子中心軸方向の端部に接触している金属製のリテイニングリングを備えている、請求項１記載の短絡発電機。
【請求項７】
前記回転子は、前記回転子鉄心における前記回転子中心軸方向の端部及び前記ウエッジにおける前記回転子中心軸方向の端部を覆うと共に、前記回転子鉄心における前記回転子中心軸方向の端部及び前記ウエッジにおける前記回転子中心軸方向の端部に接触している金属製のリテイニングリングを備えている、請求項２から５のいずれか１項に記載の短絡発電機。
【請求項８】
前記ウエッジは、ＢｅＣｕ、ＣｒＣｕ、ステンレスのいずれかで形成されている、請求項１または６に記載の短絡発電機。
【請求項９】
前記第一材料は、ＢｅＣｕ又はＣｒＣｕである、請求項２から５及び７のいずれか１項に記載の短絡発電機。
【請求項１０】
前記第二材料は、ステンレスである、請求項２または５に記載の短絡発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、短絡発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
短絡発電機は、電機子巻線を突発短絡したときの電流を出力として得る発電機である。例えば特許文献１には、短絡発電機の機能概要が記載されている。短絡発電機は、電力系統に用いられる開閉保護装置等の性能検査及び実規模短絡試験を実施するために利用される。短絡発電機は、短時間に大電流を発生させるために、特別な考慮が払われている。例えば、電機子巻線の過渡リアクタンスを可能の限り少なくしたり、大電流に伴う異常に大きな機械力に十分耐えるように巻線の構造にしたり等の工夫がされている。【０００３】
短絡発電機は、検査等の特殊用途の発電機なので、通常の同期発電機（タービン発電機）とは出力電力の特性が大きく異なっている。通常の同期発電機は電機子巻線を系統に接続し、回転子を外部動力で回転させ、電機子巻線に電圧および電流の出力を得ている。短絡発電機は電機子巻線を突発短絡させて大電流の出力を得ているので、短絡発電機に対して特性向上をもたらす方法は、通常の同期発電機の特性向上をもたらす方法とは異なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１０３４３７号公報（０００２段）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
短絡発電機は、回転子の複数のスロットに格納された界磁巻線に電圧を印加し、回転子を外部動力で回転させた状態で、固定子のスロットに格納された電機子巻線を外部で突発短絡し、このときに電機子巻線に発生する瞬時の大電流を出力させる発電機である。電機子巻線の過渡リアクタンスを減少させる方法として、固定子スロット形状を通常の同期発電機と比較して幅方向を広くしかつ深さ方向を浅くすることが考えられる。短絡発電機において、通常の同期発電機と比較して幅方向が広くなっておりかつ深さ方向が浅くなっている固定子スロット形状を適用すると、固定子スロットが浅いためスロット漏れ磁束が減少し、瞬時出力電流が増加する効果がある。【０００６】
前述したように、発電機の瞬時出力電流は、発電機の初期過渡リアクタンスを小さく設計することで大きくなるため、短絡発電機では回転子のダンパ回路の抵抗が小さくなるように設計される場合がある。なお、ダンパ回路とは、回転子に誘導される電流を流す回路の総称であり、塊状鉄心、ウエッジおよびダンパバーなどからなる。【０００７】
短絡発電機にて、回転子ダンパ回路の抵抗を小さくした場合、突発短絡の際に界磁電圧を変えない条件では突発経絡０．１秒後までの出力電流が増大する。しかし、出力電流の減衰抑制（０．１秒以降の電流増加）を目的として、突発矩絡と同時に界磁電庄を急激に増加させた条件では、回転子ダンパ回路の抵抗を小さくした場合、逆に十分な出力電流の減衰抑制の効果が得られないことを見出した。ここで、突発短絡と同時に界磁電圧を急増させる方法をスーパーエキサイテーション（略してＳ．Ｅ．）という。【０００８】
本願明細書に開示される技術は、同期発電機と比較して幅方向が広くかつ深さ方向が浅い固定子スロットを備えた短絡発電機でも、電機子巻線の突発短絡の際にスーパーエキサイテーションを行うことで出力電流が十分に増大できる短絡発電機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願明細書に開示される一例の短絡発電機は、回転子と回転子の回転子中心軸を包含するように外周に配置された固定子とを備え、固定子の巻線が配置される固定子スロットにおける回転子中心軸に垂直な径方向の深さを当該固定子スロットにおける径方向及び回転子中心軸方向に垂直な方向の幅で割った比が３よりも小さい短絡発電機である。回転子は、複数の磁極及び複数の回転子スロットが形成された回転子鉄心と、回転子スロットに配置された界磁巻線と、回転子スロットの界磁巻線よりも外周側に配置された金属製のダンパバーと、回転子スロットのダンパバーの外周側に配置されると共にダンパバーに接続されている金属製のウエッジと、を備えている。ダンパバーの径方向の高さであるダンパバー高さが、ウエッジの径方向の高さであるウエッジ高さよりも低くなっている。
【発明の効果】
【００１０】
本願明細書に開示される一例の短絡発電機は、ダンパバーの径方向の高さであるダンパバー高さが、ウエッジの径方向の高さであるウエッジ高さよりも低くなっているので、電機子巻線の突発短絡の際にスーパーエキサイテーションを行うことで出力電流を十分に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る短絡発電機を示す図である。
【図２】図１の回転子及びリテイニングリングの要部を示す図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａの断面図である。
【図４】図１の固定子の要部を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る短絡発電機の回転子スロット及びダンパ回路を示す図である。
【図６】比較例に係る短絡発電機の回転子スロット及びダンパ回路を示す図である。
【図７】漏れ磁束を説明する図である。
【図８】比較例に係る短絡発電機の回転子の断面図である。
【図９】サンプルＳ２のウエッジ及びダンパバーを示す図である。
【図１０】サンプルＳ３のウエッジ及びダンパバーを示す図である。
【図１１】サンプルＳ１のウエッジ及びダンパバーを示す図である。
【図１２】実施の形態１及び比較例に係る短絡発電機の出力電流のｄ軸直流成分のシミュレーション結果を示す図である。
【図１３】実施の形態１及び比較例に係る短絡発電機の出力電圧のｑ軸成分のシミュレーション結果を示す図である。
【図１４】実施の形態２に係る短絡発電機のウエッジ配置を示す図である。
【図１５】図１４におけるＢ−Ｂの断面図である。
【図１６】図１４におけるＣ１−Ｃ１の断面図である。
【図１７】図１４におけるＣ２−Ｃ２の断面図である。
【図１８】実施の形態２に係る短絡発電機の課題を説明する図である。
【図１９】実施の形態２に係る短絡発電機の平均損失のシミュレーション結果を示す図である。
【図２０】実施の形態３に係る短絡発電機のウエッジ配置の第一例を示す図である。
【図２１】図２０におけるＤ１−Ｄ１の断面図である。
【図２２】図２０におけるＤ２−Ｄ２の断面図である。
【図２３】図２０におけるＥ−Ｅの断面図である。
【図２４】実施の形態３に係る短絡発電機のウエッジ配置の第二例を示す図である。
【図２５】図２４におけるＦ１−Ｆ１の断面図である。
【図２６】図２４におけるＦ２−Ｆ２の断面図である。
【図２７】図２４におけるＧ１−Ｇ１の断面図である。
【図２８】図２４におけるＧ２−Ｇ２の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
実施の形態１の短絡発電機１００について、図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。他の実施の形態においても、同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。図１は実施の形態１に係る短絡発電機を示す図であり、図２は図１の回転子及びリテイニングリングの要部を示す図である。図３は図２におけるＡ−Ａの断面図であり、図４は図１の固定子の要部を示す図である。図５は、実施の形態１に係る短絡発電機の回転子スロット及びダンパ回路を示す図である。図６は比較例に係る短絡発電機の回転子スロット及びダンパ回路を示す図であり、図７は漏れ磁束を説明する図である。図８は、比較例に係る短絡発電機の回転子の断面図である。図９〜図１１は、それぞれサンプルＳ２、Ｓ３、Ｓ１のウエッジ及びダンパバーを示す図である。図１２は、実施の形態１及び比較例に係る短絡発電機の出力電流のｄ軸直流成分のシミュレーション結果を示す図である。図１３は、実施の形態１及び比較例に係る短絡発電機の出力電圧のｑ軸成分のシミュレーション結果を示す図である。
【００１３】
短絡発電機１００は、回転子１０、回転子１０の回転子中心軸１５を包含するように外周に配置された固定子２０、固定子２０を支持する固定子フレーム２４を備えている。回転子１０は、磁極１６及び回転子スロット１２が形成された回転子鉄心１１、回転子鉄心１１に接続された回転子軸１４、界磁コイル（界磁巻線）１３、ダンパバー３１、ウエッジ３２、リテイニングリング３３を備えている。界磁コイル１３、ダンパバー３１、ウエッジ３２は、回転子スロット１２に配置されている。固定子２０は、磁極（図示せず）及び固定子スロット２３が形成された固定子鉄心２１、固定子スロット２３に配置された固定子コイル（電機子巻線）２２を備えている。回転子鉄心１１は塊状鉄心であり、回転子鉄心１１は塊状鉄心に形成された磁極１６及び回転子スロット１２を有している。固定子２０は、回転子１０の回転により発生する界磁と相互作用をする電機子である。リテイニングリング３３は、回転子鉄心１１の回転子中心軸１５方向の端部及びウエッジ３２における回転子中心軸１５方向の端部を覆っており、回転子鉄心１１における回転子中心軸１５方向の端部及びウエッジ３２における回転子中心軸１５方向の端部に接触している。より具体的には、リテイニングリング３３は、回転子中心軸１５方向のウエッジ３２、回転子鉄心１１の回転子中心軸１５方向の端部におる磁極１６及びウエッジ３２に隣接する回転子スロット１２間の鉄心突起部１７に接触している。なお、適宜、固定子コイル２２を電機子巻線２２と表記する。
【００１４】
実施の形態１の短絡発電機１００は、固定子スロット２３のスロット幅ａ、スロット深さｂは式（１）の関係になっている。スロット幅ａは、回転子１０の径方向及び回転子中心軸１５方向に垂直な方向の固定子スロット２３の幅である。スロット深さｂは、回転子中心軸１５に垂直な回転子１０の径方向に平行な方向の固定子スロット２３の深さである。
ｂ／ａ＜３      ・・・（１）
式（１）の関係は、通常の同期発電機と区別できる指標である。
【００１５】
回転子１０に誘導される電流を流す回路であるダンパ回路３０は、回転子鉄心１１、ダンパバー３１、ウエッジ３２、リテイニングリング３３により構成されている。短絡発電機の瞬時出力電流は、発電機の初期過渡リアクタンスを小さく設計することで大きくなる。ダンパ回路３０の電気抵抗を小さくすることで、初期過渡リアクタンスを小さくすることができ、電機子巻線である固定子コイル２２の突発短絡の際に大きな出力電流を得ることができる。ダンパ回路３０の電気抵抗を小さくした回転子５０を、図６〜図８、図１１に示した。図６〜図８、図１１に示した回転子５０は比較例である。
【００１６】
まず、比較例の回転子５０を説明する。回転子５０は、磁極１６及び回転子スロット１２が形成された回転子鉄心５１、界磁コイル（界磁巻線）１３、ダンパバー５２、ウエッジ３２ａ、リテイニングリング３３（図１１参照）を備えている。界磁コイル１３の外径側にＣｕなどの良導電性の金属材料からなるダンパバー５２があり、そのさらにダンパバー５２よりも外径側にダンパバー５２、界磁コイル１３などスロット内の部材が遠心力により飛散しないようにウエッジ３２ａが設けられている。ウエッジ３２ａは、ダンパバー５１に接続されている。ウエッジ３２ａも良導電性の金属である必要があり、ＢｅＣｕ、ＣｒＣｕなどの良導電性金属からなっている。
【００１７】
固定子コイル（電機子巻線）２２の突発短絡の際に、図１１に示したように誘導電流４１がダンパバー５２、ウエッジ３２ａ、リテイニングリング３３に流れる。ウエッジ３２ａは誘導電流４１を流すためだけにあるわけではなく、強度材としての機能がある。このため、図１１に示すように、ウエッジ３２ａは軸方向に切れ目があり、軸方向の切れ目ではウエッジ３２ａに流れる電流はダンパバー５２などに迂回する。したがって、誘導電流４１を多く流すためには、ダンパバー５２の断面積を大きくとる必要がある。比較例の回転子５０は、ダンパバー高さｈｄ２がウエッジ高さｈｗよりも高くなるようにされている。すなわち、比較例の回転子５０は、ｈｄ２＞ｈｗの関係を有するダンパバー５２、ウエッジ３２ａを備えている。ダンパバー高さｈｄ２、ウエッジ高さｈｗは、回転子５０の径方向の高さである。
【００１８】
比較例の短絡発電機は、スーパーエキサイテーションを行わずに突発短絡した際に、短絡電流の減衰を抑えるためすなわち短絡時定数を増加させるために、磁極１６の一部にポールダンパ部５３を設置するとともに、１スロットあたりのダンパバー５２の断面積を大きくし、ダンパバー５２の抵抗を小さくしている。図８に示したように、ポールダンパ部５３は、磁極１６に形成されたスロットにダンパバー５２、ウエッジ３２ａが配置された構造になっている。図８では、ポールダンパ部５３に隣接した回転子スロット１２は回転子中心軸５４側に隙間なく界磁コイル１３が配置されている例を示した。リテイニングリング３３（図１１参照）は、回転子鉄心５１の軸方向の端部を覆っており、この端部のウエッジ３２ａ及び隣接する回転子スロット１２間の鉄心突起部５５に接触している。図８には、回転子中心軸５４から磁極１６の中央を通るｄ軸と、回転子中心軸５４から磁極１６間の中央を通るｑ軸を示した。
【００１９】
次に、実施の形態１の回転子１０の回転子スロット１２及びダンパ回路３０の構成を説明する。回転子１０の回転子スロット１２の回転子中心軸１５側に隙間を介在させて界磁コイル１３が配置されている。界磁コイル１３の外径側にＣｕなどの良導電性の金属材料からなるダンパバー３１があり、そのさらにダンパバー３１よりも外径側にダンパバー３１、界磁コイル１３などスロット内の部材が遠心力により飛散しないようにウエッジ３２が設けられている。ウエッジ３２は、ダンパバー３１に接続されている。ウエッジ３２も良導電性の金属である必要があり、ＢｅＣｕ、ＣｒＣｕ、ステンレスなどの良導電性金属からなっている。ウエッジ３２は、ＢｅＣｕ、ＣｒＣｕ、ステンレスのいずれかで形成されている。
【００２０】
固定子コイル（電機子巻線）２２の突発短絡の際に、図２に示したように誘導電流４１がダンパバー３１、ウエッジ３２、リテイニングリング３３に流れる。ウエッジ３２は誘導電流４１を流すためだけにあるわけではなく、強度材としての機能がある。このため、図２に示すように、ウエッジ３２は軸方向に切れ目があり、軸方向の切れ目ではウエッジ３２に流れる電流はダンパバー３１などに迂回する。すなわち、ウエッジ３２は、複数に分割されており、回転子スロット１２に分割されたウエッジ３２が回転子中心軸１５方向に配置されている。実施の形態１の回転子１０では、比較例と異なり、ダンパバー高さｈｄ１がウエッジ高さｈｗよりも低くなっている。すなわち、実施の形態１の回転子１０は、ｈｄ１＜ｈｗの関係を有するダンパバー３１、ウエッジ３２を備えている。ダンパバー高さｈｄ１、ウエッジ高さｈｗは、回転子１０の径方向の高さである。実施の形態１の短絡発電機１００は、回転子１０がｈｄ１＜ｈｗの関係を有するダンパバー３１、ウエッジ３２を備えることで、スーパーエキサイテーション（界磁電圧を急増させる）を実施した場合にも出力電流が十分に増大することができる。以下に、スーパーエキサイテーションの際の作用を詳しく説明する。
【００２１】
固定子コイル（電機子巻線）２２の突発短絡と同時にスーパーエキサイテーションを行う場合、界磁コイル１３から発生する磁束が急増することになる。この急変する磁束に対してダンパ回路３０にこの磁束を打ち消すように誘導電流が流れる。すなわち、ダンパ回路３０の抵抗が小さければ、誘導電流が多く流れ、急増させた界磁磁束が出力側である固定子コイル（電機子巻線）２２に到達しなくなってしまう。特に、ダンパバー５２の抵抗を小さくした比較例の回転子５０では、界磁磁束の急変に対して誘導電流が大きくなり、スーパーエキサイテーションの効果すなわち界磁電圧急増に伴う出力電流の増大する効果が小さくなってしまう。このスーパーエキサイテーションの効果は、スーパーエキサイテーションの実施により期待される効果であるが、比較例では期待通りにならずに、出力電流が十分に増大しない。
【００２２】
そこで、実施の形態１の回転子１０は、ｈｄ１＜ｈｗの関係を有するダンパバー３１、ウエッジ３２を備えることで、ダンパバー３１の抵抗を比較例に比べて大きくでき、界磁電圧急増に伴う誘導電流が減少しスーパーエキサイテーションの効果を得ることができる。さらに、図７に示すように界磁磁束はスロットの径方向外周側の部分の長さであるスロット外側長ｈｏが長い比較例では、漏れ磁束４２が大きくなり、やはり固定子コイル（電機子巻線）２２に到達する磁束が減少する。このため、実施の形態１の回転子１０は、ｈｄ１＜ｈｗとすることで、スロット外側長ｈｏの長さが比較例に比べて短くすることができる。したがって、実施の形態１の回転子１０は、スロット外側長ｈｏの長さが比較例に比べて短くすることができるので、固定子コイル（電機子巻線）２２に到達する磁束が増加し、スーパーエキサイテーションの効果が得やすくなる。
【００２３】
図１２に、実施の形態１及び比較例の短絡発電機における出力電流のｄ軸直流成分すなわちｄ軸電流Ｉｄの直流成分のシミュレーション結果を示した。横軸は時間（ｓｅｃ）であり、縦軸は出力電流のｄ軸直流成分（ｄ軸電流Ｉｄの直流成分）ＩｄＤＣ（ｐ．ｕ．（per  unit））である。図１２は、時刻０．０に電機子巻線２２を突発短絡し、界磁電圧を短絡前の８倍までスーパーエキサイテーションした場合の電機子巻線２２の出力電流を示している。なお、出力電流はスーパーエキサイテーションの効果が表れるｄ軸電流Ｉｄの直流成分で比較している。特性６３は、回転子５０を備えた比較例の短絡発電機の特性であり、特性６１、６２は回転子１０を備えた実施の形態１の短絡発電機１００の特性である。特性６１、６２の違いはウエッジ３２の材料が異なる例である。この材料の違いを区別するために、特性６１を示すウエッジ３２の符号を３２ａとし、特性６２を示すウエッジ３２の符号を３２ｂとする。ウエッジ３２ａはＢｅＣｕ、ＣｒＣｕ等の金属であり、ウエッジ３２ｂはウエッジ３２ａより導電率が低い金属である。例えば、ウエッジ３２ｂはステンレス等である。
【００２４】
図９〜図１１に、図１２の特性６１、６２、６３を示すサンプルＳ２、Ｓ３、Ｓ１の短絡発電機におけるウエッジ及びダンパバーの部分を示した。サンプルＳ２の短絡発電機（第一例の短絡発電機）はウエッジ３２ａを有する回転子１０を備えており、サンプルＳ３の短絡発電機（第二例の短絡発電機）はウエッジ３２ｂを有する回転子１０を備えている。サンプルＳ１の短絡発電機は、ウエッジ３２ａを有する回転子５０を備えている比較例の短絡発電機である。図１２から、実施の形態１の短絡発電機１００すなわちサンプルＳ２、Ｓ３の短絡発電機１００の特性６１、６２は、突発短絡後０．２秒以降の出力電流が特性６３よりも大きくなっており、スーパーエキサイテーションの効果が表れていることがわかる。
【００２５】
回転子５０を備えた比較例の短絡発電機は、ｈｄ２＞ｈｗの関係を有するダンパバー５２、ウエッジ３２ａを備えており、すなわち前述した回転子のダンパ回路の抵抗が小さくなるように設計される場合に該当する。図１２に示したように、比較例のサンプルＳ１の短絡発電機はスーパーエキサイテーションを実施しても十分な出力電流増大効果が得られていない。これに対して、実施の形態１のサンプルＳ２、Ｓ３の短絡発電機１００は、比較例の短絡発電機と異なり、電機子巻線の突発短絡の際にスーパーエキサイテーションを行うことで、出力電流を十分に増大させることができる。
【００２６】
図１３には電機子巻線２２を突発短絡してから０．３秒に電機子巻線２２を開放したときの出力電圧（電機子電圧のｑ軸成分）の変化のシミュレーション結果を示している。横軸は時間（ｓｅｃ）であり、縦軸は出力電圧のｑ軸成分すなわちｑ軸電圧Ｖｑ（ｐ．ｕ．）である。特性６４、６５、６６はそれぞれ、サンプルＳ２、Ｓ３の実施の形態１の短絡発電機１００、サンプルＳ１の比較例の短絡発電機の特性である。図１３に示した破線６７は、出力電圧のｑ軸電圧Ｖｑが１．０（ｐ．ｕ．）を示している。比較例のサンプルＳ１の特性６６では、出力電圧のｑ軸電圧Ｖｑが１．０になる時間がｔ３である。しかし、実施の形態１のサンプルＳ２、Ｓ３の特性６４、６５では、出力電圧のｑ軸電圧Ｖｑが１．０になる時間がｔ３よりも短いｔ１、ｔ２である。図１３から、比較例のサンプルＳ１の特性６６と比較して、実施の形態１のサンプルＳ２、Ｓ３の特性６４、６５は電圧が回復するまでの時間が短くなっていることがわかる。
【００２７】
比較例のサンプルＳ１の短絡発電機は、電機子巻線２２を突発短絡して出力電流を増大させた後に、電機子巻線２２を開放したときに発生する電圧低下現象による電圧を迅速に予め定められた電圧（回復電圧設定値）に回復する時間（回復時間）が長くなるという問題があった。これに対して、実施の形態１のサンプルＳ２、Ｓ３の短絡発電機１００は、比較例の短絡発電機と異なり、電機子巻線２２の突発短絡後に電機子巻線２２を開放したときの電圧を回復する時間すなわち回復時間を短くすることができる。したがって、実施の形態１の短絡発電機１００は、比較例の短絡発電機に比べて、電機子巻線２２の突発短絡後に迅速に電圧を回復することができる。なお、図１３では、回復電圧設定値が１．０（ｐ．ｕ．）である例を示した。
【００２８】
なお、サンプルＳ３の実施の形態１の短絡発電機１００、すなわち材料がステンレス等のウエッジ３２ｂを備えている場合には、ダンパバー３１の厚さ低減による効果よりも漏れ磁束４２を低減し時定数を短くする方がスーパーエキサイテーションによる出力電流増大には効果的である。サンプルＳ２の実施の形態１の短絡発電機１００、すなわち材料がウエッジ３２ｂよりも導電率が高いＢｅＣｕ、ＣｒＣｕ等のウエッジ３２ａを備えている場合には、ウエッジ３２ａに電流を流す方が磁極１６の損失低減に効果的であり、ダンパバー３１にはウエッジ３２ａの切れ目で電流を迂回させる効果のみを期待している。
【００２９】
以上のように、実施の形態１の短絡発電機１００は、回転子１０と回転子１０の回転子中心軸１５を包含するように外周に配置された固定子２０とを備え、固定子２０の巻線（固定子コイル２２）が配置される固定子スロット２３における回転子中心軸１５に垂直な径方向の深さ（スロット深さｂ）を当該固定子スロット２３における径方向及び回転子中心軸１５方向に垂直な方向の幅（スロット幅ａ）で割った比が３よりも小さい短絡発電機である。回転子１０は、複数の磁極１６及び複数の回転子スロット１２が形成された回転子鉄心１１と、回転子スロット１２に配置された界磁巻線（界磁コイル１３）と、回転子スロット１２の界磁巻線（界磁コイル１３）よりも外周側に配置された金属製のダンパバー３１と、回転子スロット１２のダンパバー３１の外周側に配置されると共にダンパバー３１に接続されている金属製のウエッジ３２と、を備えている。ダンパバー３１の径方向の高さであるダンパバー高さｈｄ１が、ウエッジ３２の径方向の高さであるウエッジ高さｈｗよりも低くなっている。実施の形態１の短絡発電機１００は、この構成により、ダンパバー３１の径方向の高さであるダンパバー高さｈｄ１が、ウエッジ３２の径方向の高さであるウエッジ高さｈｗよりも低くなっているので、電機子巻線の突発短絡の際にスーパーエキサイテーションを行うことで出力電流を十分に増大させることができる。
【００３０】
実施の形態２．
図１４は実施の形態２に係る短絡発電機のウエッジ配置を示す図であり、図１５は図１４におけるＢ−Ｂの断面図である。図１６は図１４におけるＣ１−Ｃ１の断面図であり、図１７は図１４におけるＣ２−Ｃ２の断面図である。図１８は実施の形態２に係る短絡発電機の課題を説明する図であり、図１９は実施の形態２に係る短絡発電機の平均損失のシミュレーション結果を示す図である。実施の形態１の短絡発電機１００は、比較例の短絡発電機と異なり、電機子巻線の突発短絡の際にスーパーエキサイテーションを行うことで出力電流を十分に増大させることができることを説明した。スーパーエキサイテーションを行う短絡発電機では、瞬時ではあるが回転子に発生する損失が大きくなる。このため、電機子巻線の突発短絡後の回転子に発生する損失が大きい場合には、ウエッジ及びダンパバーの温度が高温強度低下の温度を超えることも考えられる。実施の形態２では、電機子巻線の突発短絡後の回転子に発生する損失を実施の形態１の短絡発電機よりも低下させた例を説明する。
【００３１】
実施の形態２の短絡発電機１００は、回転子１０が材料の異なる２種類のウエッジ３２ａ、３２ｂを有する点で実施の形態１の短絡発電機１００と異なる。実施の形態１の短絡発電機１００と異なる部分を主に説明する。図１４は回転子１０の最外周の１／４を２次元平面上に表したものであり、すなわち回転子１０の最外周の０°から９０°までを２次元平面上に表したものである。なお、図１４に、リテイニングリング３３を破線で示した。実施の形態２の短絡発電機１００の回転子１０は、第一材料のウエッジ３２ａが配置された回転子スロット１２と、第一材料よりも導電率が低い第二材料のウエッジ３２ｂが配置された回転子スロット１２と、を含んでいる。実施の形態２の短絡発電機１００は、磁極１６に隣接する回転子スロット１２に用いられるウエッジ３２ａの材料（第一材料）が、磁極１６に隣接する回転子スロット１２以外に用いられるウエッジ３２ｂの材料（第二材料）より導電率が高くなっている。図１４、図１５では、第一材料のウエッジ３２ａが配置されている回転子スロット１２は、回転子鉄心１１の磁極１６側に配置されている例を示した。第一材料のウエッジ３２ａの導電率は例えば３０×１０６［Ｓ／ｍ］であり、第二材料のウエッジ３２ｂの導電率は例えば１．５×１０６［Ｓ／ｍ］である。ウエッジ３２ａの材料は、実施の形態１で説明したように、例えばＢｅＣｕ、ＣｒＣｕ等である。ウエッジ３２ｂの材料は、例えばウエッジ３２ｂはステンレス等である。
【００３２】
図１８を用いて、実施の形態２に係る短絡発電機の課題を説明する。図１８には、短絡発電機の平均損失のシミュレーション結果を示した。縦軸は、短絡後１サイクル間の回転子に発生する損失の平均値すなわち平均損失（ｐ．ｕ．）である。左側のＳ１は実施の形態１で説明した比較例のサンプルＳ１であり、中央及び右側のＳ２、Ｓ３はそれぞれ実施の形態１で説明したサンプルＳ２、Ｓ３である。なお、Ｗｃは塊状鉄心すなわち回転子鉄心５１又は回転子鉄心１１の損失（鉄心損失）であり、Ｗｗはウエッジの損失（ウェッジ損失）であり、Ｗｄはダンパバーの損失（ダンパバー損失）である。サンプルＳ１は比較例の短絡発電機であり、サンプルＳ２は全てのウエッジがウエッジ３２ａである実施の形態１の短絡発電機１００であり、サンプルＳ３は全てのウエッジがウエッジ３２ｂである実施の形態１の短絡発電機１００である。
【００３３】
実施の形態１で説明したように、サンプルＳ２、Ｓ３は、スーパーエキサイテーションに伴う出力電流の増大効果は同等である。また、電機子巻線２２の突発短絡後の電圧が予め定めた設定値（回復電圧設定値）以上に回復する回復時間については、サンプルＳ３の方がサンプルＳ２よりも短い。したがって、回復時間を短縮したい場合には、サンプルＳ３の方が好ましい。しかし、図１８にから分かるように、サンプルＳ３はサンプルＳ２よりも短絡後１サイクル間の回転子の平均損失が大きくなっており、平均損失を大きくしたくない場合には、サンプルＳ２の方が好ましい。なお、図１８から、比較例のサンプルＳ１の短絡発電機と比較して、実施の形態１のサンプルＳ２、Ｓ３の短絡発電機１００は、回転子の平均損失が大きくなっていることがわかる。したがって、短絡発電機１００は、回復時間をできるだけ短くし、かつ回転子の平均損失をできるかぎり小さくしたいこともある。
【００３４】
実施の形態２の短絡発電機１００は、比較例の短絡発電機と異なり電機子巻線の突発短絡の際にスーパーエキサイテーションを行うことで出力電流を十分に増大させることができ、さらに回復時間をできるだけ短くし、かつ回転子の平均損失をできるかぎり小さくした短絡発電機の例である。図１９には、サンプルＳ２、Ｓ３の実施の形態１の短絡発電機１００と共に、サンプルＳ４の実施の形態２の短絡発電機１００の平均損失（ｐ．ｕ．）を示した。縦軸は、短絡後１サイクル間の回転子に発生する損失の平均値すなわち平均損失（ｐ．ｕ．）である。図１９から、回転子１０のウエッジの材料を導電率の異なる２種類用いることで、回転子１０の平均損失が低減されることがわかる。特に、サンプルＳ４の平均損失は、サンプルＳ３の平均損失に比べて鉄心損失Ｗｃが小さくなっていることが分かる。したがって、実施の形態２の短絡発電機１００は、スーパーエキサイテーションによる出力増加の効果を確保しつつ、回転子１０の平均損失を低減することができきる。また、実施の形態２の短絡発電機１００は、スーパーエキサイテーションによる出力増加の効果を確保しつつ、回転子１０の鉄心損失Ｗｃを低減することができきるということもできる。
【００３５】
また、実施の形態１の短絡発電機１００と実施の形態２の短絡発電機１００との違いは、回転子１０のウエッジの材料が２種類用いられていることなので、実施の形態２の短絡発電機１００の短絡後０．２秒以降の出力電流（ｄ軸電流の直流成分）は、図１２の特性６１と特性６２との間の特性となることが明らかであり、出力電流が低下することはない。したがって、実施の形態２の短絡発電機１００は、実施の形態１の短絡発電機１００と同様に、比較例の短絡発電機と異なり、電機子巻線の突発短絡の際にスーパーエキサイテーションを行うことで出力電流を十分に増大させることができる。
【００３６】
さらに、実施の形態２の短絡発電機１００の回復時間の効果を示す出力電圧（電機子電圧のｑ軸電圧）の変化特性も、図１３の特性６４と特性６５との間の特性となることが明らかである。つまり、実施の形態２の短絡発電機１００は、回復時間が比較例の短絡発電機よりも短くなっており、比較例の短絡発電機よりも特性が向上することがわかる。
【００３７】
なお、図１４、図１５では、磁極１６に隣接した回転子スロット１２のみ、回転子１０の１／４毎に２つだけにウエッジ３２ａが配置された回転子１０の例を示したが、この例に限らない。すなわち、磁極１６間のどの部分にウエッジ３２ａが配置されてよい。この場合も、実施の形態２の短絡発電機１００の短絡後０．２秒以降の出力電流（ｄ軸電流の直流成分）は、図１２の特性６１と特性６２との間の特性となることが明らかであり、かつ実施の形態２の短絡発電機１００の回復時間の効果を示す出力電圧（電機子電圧のｑ軸電圧）の変化特性も、図１３の特性６４と特性６５との間の特性となることが明らかである。また、実施の形態２の短絡発電機１００の平均損失は、図１９のサンプルＳ３の平均損失とサンプルＳ２の平均損失との間になることが明らかである。
【００３８】
また、回転子１０の１／４において、回転子１０の回転子軸１４の回転子中心軸１５と平行な方向に列状に配置されたウエッジ３２ａである第一ウエッジ列が２列ある例を説明したが、第一ウエッジ列は３列以上あってもよい。この場合でも、実施の形態２の短絡発電機１００は、比較例の短絡発電機と異なり電機子巻線の突発短絡の際にスーパーエキサイテーションを行うことで出力電流を十分に増大させることができ、さらに回復時間をできるだけ短くし、かつ回転子の平均損失をできるかぎり小さくすることができる。実施の形態２の短絡発電機１００では、第一ウエッジ列の数が増える程、短絡後０．２秒以降の出力電流（ｄ軸電流の直流成分）の特性は図１２の特性６１に近づき、出力電圧（電機子電圧のｑ軸電圧）の変化特性は図１３の特性６４に近づき、平均損失は図１９のサンプルＳ２の平均損失に近づく。
【００３９】
実施の形態３．
図２０は、実施の形態３に係る短絡発電機のウエッジ配置の第一例を示す図である。図２１は図２０におけるＤ１−Ｄ１の断面図であり、図２２は図２０におけるＤ２−Ｄ２の断面図であり、図２３は図２０におけるＥ−Ｅの断面図である。図２４は、実施の形態３に係る短絡発電機のウエッジ配置の第二例を示す図である。図２５は図２４におけるＦ１−Ｆ１の断面図であり、図２６は図２４におけるＦ２−Ｆ２の断面図である。図２７は図２４におけるＧ１−Ｇ１の断面図であり、図２８は図２４におけるＧ２−Ｇ２の断面図である。実施の形態３の短絡発電機１００は、回転子１０の軸方向端部にあるウエッジがウエッジ３２ａである点で、実施の形態１の第二例又は実施の形態２の短絡発電機１００と異なる。図２０〜図２３に示した第一例のウエッジ配置を有する実施の形態３の短絡発電機１００は、回転子１０の軸方向端部にあるウエッジがウエッジ３２ａである点で、実施の形態１の短絡発電機１００の第二例（サンプルＳ３の短絡発電機１００）と異なる。図２４〜図２８に示した第二例のウエッジ配置を有する実施の形態３の短絡発電機１００は、回転子１０の軸方向端部にあるウエッジがウエッジ３２ａである点で、実施の形態２の短絡発電機１００と異なる。実施の形態１又は実施の形態２の短絡発電機１００と異なる部分を主に説明する。
【００４０】
回転子１０の軸方向端部では、ダンパ回路３０に流れる誘導電流４１はリテイニングリング３３に流入し、回転子１０の反対の極まで迂回して流れる。このとき、回転子１０の軸方向端部のウエッジ３２ａに流れる電流は、ウエッジ３２ａとリテイニングリング３３との間の接触抵抗、又は回転子鉄心１１の鉄心突起部１７とリテイニングリング３３との間の接触抵抗を通して流れることになる。実施の形態１の第二例（図１０参照）及び実施の形態２の短絡発電機１００は、回転子１０の多数の回転子スロット１２にウエッジ３２ａよりも導電率の低いウエッジ３２ｂは配置されている。このため、ウエッジ３２ｂはウエッジ３２ａより接触抵抗が大きく、局所発熱が発生して金属接触部で電食を起こす場合もある。このため、ウエッジ３２ｂを用いる回転子スロット１２において、回転子１０の軸方向端部のウエッジをウエッジ３２ａにすることで、軸方向端部のウエッジの局所発熱を防止でき、軸方向端部のウエッジの電食を防止することができる。したがって、実施の形態３の短絡発電機１００は、回転子１０の軸方向端部のウエッジの電食を防止することができるので、短絡発電機１００の信頼性すなわち寿命が向上する。
【００４１】
図２０は第一例のウエッジ配置を有する回転子１０の最外周の１／４を２次元平面上に表したものであり、すなわち回転子１０の最外周の０°から９０°までを２次元平面上に表したものである。なお、図２０に、リテイニングリング３３を破線で示した。図２４は第二例のウエッジ配置を有する回転子１０の最外周の１／４を２次元平面上に表したものであり、すなわち回転子１０の最外周の０°から９０°までを２次元平面上に表したものである。なお、図２４に、リテイニングリング３３を破線で示した。
【００４２】
図２０〜図２３に示した第一例のウエッジ配置を有する実施の形態３の短絡発電機１００は、実施の形態１の短絡発電機１００と同様の効果を奏し、かつ短絡発電機１００の信頼性すなわち寿命が向上する。図２４〜図２８に示した第二例のウエッジ配置を有する実施の形態３の短絡発電機１００は、実施の形態２の短絡発電機１００と同様の効果を奏し、かつ短絡発電機１００の信頼性すなわち寿命が向上する。
【００４３】
なお、本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４４】
１０…回転子、１１…回転子鉄心、１２…回転子スロット、１３…界磁コイル（界磁巻線）、１５…回転子中心軸、１６…磁極、２０…固定子、２２…固定子コイル、２３…固定子スロット、３１…ダンパバー、３２、３２ａ、３２ｂ…ウエッジ、１００…短絡発電機、ａ…スロット幅、ｂ…スロット深さ、ｈｗ…ウエッジ高さ、ｈｄ１…ダンパバー高さ
【要約】
短絡発電機（１００）は、固定子（２０）の巻線（２２）が配置される固定子スロット（２３）における回転子中心軸（１５）に垂直な径方向の深さ（ｂ）を当該固定子スロット（２３）における径方向及び回転子中心軸（１５）方向に垂直な方向の幅（ａ）で割った比が３よりも小さい短絡発電機である。回転子（１０）は、回転子スロット（１２）に配置された界磁巻線（１３）、回転子スロット（１２）の界磁巻線（１３）よりも外周側に配置された金属製のダンパバー（３１）、回転子スロット（１２）のダンパバー（３１）の外周側に配置されると共にダンパバー（３１）に接続されている金属製のウエッジ（３２）を備えている。ダンパバー（３１）の径方向の高さであるダンパバー高さ（ｈｄ１）が、ウエッジ（３２）の径方向の高さであるウエッジ高さ（ｈｗ）よりも低くなっている。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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