(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機の交流出力を整流して直流出力する分
散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機の回転子の極数を６の整数倍とし、固
定子スロット数を９の整数倍とし、固定子スロットに納める２巻線を同一線径および同一巻数で構成される１種類の巻線とし、巻線端の結線方法を３Ｙおよび１Ｙの２種類とすることを特徴とする分散電源用永久磁石型発電機の巻線方法。
【請求項２】
前記請求項１記載の分散電源用永久磁石型発電機において、前記回転子の極数を８の整
数倍とし、前記固定子スロット数を１２の整数倍とし、固定子スロットに納める３巻線を同一線径および同一巻数で構成される１種類の巻線とし、巻線端の結線方法を４Ｙ、２Ｙおよび１Ｙの３種類とすることを特徴とする分散電源用永久磁石型発電機の巻線方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車又は水車により駆動される発電機から、風速又は流速に関わらず、風又は水より得られる概略の最大出力を取り出すための分散電源用発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は先に、風車又は水車に接続された永久磁石型発電機より、ＰＷＭコンバータを用いずに交流を直流に変換して概略の最大出力を取り出すために、永久磁石型発電機の異なる誘起電圧を発生する複数の巻線の出力端子にリアクトルを経て直列に整流器を接続し、この整流器の直流出力を並列接続して外部に出力する分散電源用発電装置について提案している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
かかる先願技術を、図７の風車に接続された分散電源用発電装置を示す主回路単線結線図を参照して詳述する。
図７において、１０１は風車、１０２は先願技術の分散電源用発電装置、１０３は永久磁石型発電機、１０４、１０５は第１、第２のリアクトル、１０６，１０７は第１、第２の整流器、１１１は正側出力端子、１１２は負側出力端子、１１３はバッテリーである。
【０００４】
この永久磁石型発電機１０３は、絶縁され、かつ誘起電圧の異なる２種類の巻線を有し、２種類の内の巻数が少ないために誘起電圧の低い第１の巻線Ｗ１の出力端子１１〜１３は、第１のリアクトル１０４に接続され、さらに第１の整流器１０７に接続される。
巻数が多いために誘起電圧の高い第２の巻線Ｗ２の出力端子２１〜２３は、第２のリアクトル１０５に接続され、さらに第２の整流器１０８に接続される。
上記第１、第２の整流器１０７、１０８の各直流側は、正側出力端子１１１及び負側出力端子１１２に並列接続され、各巻線の合計出力がバッテリー１１３に接続される。
【０００５】
このように構成される分散電源用発電装置１０２より、概略の風車最大出力を得る方法を以下に示す。
図６は、風速をパラメータとした時の、風車の回転数対出力特性の概要を説明した図である。
風車は、風車の形状及び風速Ｕが決まると、風車回転数Ｎに対する風車出力Ｐが一義的に定まり、例えば風速Ｕｘ及びＵｙに対する風車出力Ｐは、それぞれ図６の実線で示される。そして、種々の風速に対する風車出力Ｐのピークは、図６の一点鎖線で示す最大出力曲線のようになる。
すなわち、図６の風車の回転数対出力特性において、風速がＵｘの時は、風速Ｕｘの風車出力曲線と最大出力曲線との交点Ｓｘに示すように、風車回転数Ｎｘにおいて、風車最大出力Ｐｘとなる。
又、風速がＵｙの時は、風車回転数Ｎｙにおいて、風速Ｕｙでの風車最大出力Ｐｙとなる。
【０００６】
すなわち、図６の最大出力曲線を見方を変えて見ると、風から最大出力を得るためには、風車回転数Ｎが決まると、その時の永久磁石型発電機の出力Ｐを一義的に、最大出力曲線上の値に定めれば良いことを表している。
【０００７】
図５は、先願技術が対象とする分散電源用発電装置１０２の直流出力をバッテリー等の定電圧源に接続した場合の説明図であり、分散電源用発電装置１０２の永久磁石型発電機１０３の第１、第２の巻線Ｗ１、Ｗ２の各出力は、各巻線の誘起電圧値の違い、及び各巻線内部インダクタンスと各巻線出力に接続されるリアクトルによる電圧降下のために、図５の各巻線による風車の回転数対出力特性に示すＰ１、Ｐ２のようになる。
【０００８】
すなわち、風車回転数Ｎが低い場合には、第２の巻線Ｗ２の発生電圧Ｖ２がバッテリー電圧Ｖｂより低いために、バッテリーには充電されない。しかし、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ２付近になると、電流が流れ始めて、さらに風車回転数Ｎが上昇すると、内部インダクタンス等が大きいために、小さな電流が流れて小さな出力Ｐ２が取れる。
第１の巻線Ｗ１については、さらに回転数Ｎが上昇することにより誘起電圧が上昇して、風車回転数ＮがＮ１付近になると出力が取れ始めて、さらに風車回転数Ｎが上昇すると、内部インダクタンス等が小さいために、大きな電流が流れて大きな出力Ｐ１が取れる。
【０００９】
このように構成される分散電源用発電装置１０２のバッテリー１１３等の定電圧源への出力は、第１、第２の巻線の出力Ｐ１、Ｐ２を加算して得られる合計出力と同じであり、図５の実線で示す最大出力曲線Ｐｔに近似した出力曲線で表される。
【特許文献１】特願２００２−２２１７１４号（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のように多種類の巻線により構成される永久磁石型発電機１０３においては、第２の巻線Ｗ２は、巻数が多いが小さな電流が流れるために、細い電線を多く巻かなければならない。
また第１の巻線Ｗ１は、巻数が少ないが大きな電流が流れるために、太い巻線を少なく巻かなければならない。
このように巻線構成が複雑なために、巻線の結線に誤りが生じ易く、また製作工程が多くなるために分散電源用発電装置１０２が高価になるということが解決しようとする問題点である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、風車又は水車より概略の最大出力を得るために、永久磁石型発電機内の固定子スロットに納める巻線の、線径および巻数を１種類とし、巻線端の接続方法により異なる出力電圧を外部に発生することを特徴とする分散電源用永久磁石型発電機の巻線方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の分散電源用発電装置１０２の永久磁石型発電機１０３は、永久磁石型発電機１０３内の固定子スロットに納める巻線の種類を１種類としたために、誤結線および製作工数が少なくなり、分散電源用発電装置の価格を下げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
永久磁石型発電機１０３内の回転子の極数を６の倍数とし、固定子スロットに納める巻線を１種類とし、巻線端の結線方法を３Ｙ（以下、スター結線をＹと称する。）および１Ｙの２種類とすることにより構成した巻線方法である。
【実施例１】
【００１４】
図1は、本発明を６極９スロットの永久磁石型発電機１０３に適用した場合の巻線結線方法を示す図である。
同図において、１１Ｕ〜１３Ｕは低誘起電圧のＵ相、１１Ｖ〜１３Ｖは低誘起電圧のＶ相、１１Ｗ〜１３Ｗは低誘起電圧のＷ相、２１Ｕ〜２３Ｕは高誘起電圧のＵ相、２１Ｖ〜２３Ｖは高誘起電圧のＶ相、２１Ｗ〜２３Ｗは高誘起電圧のＷ相の各固定子にそれぞれ巻かれたコイルを表す。この各コイルは、同一線径および同一巻数で構成されている。
以下、図４の６極９スロットの永久磁石型発電機１０３の固定子および回転子、および図７の主回路単線結線図を参照しながら、図１について説明する。
【００１５】
固定子テイース３０１に巻かれたコイル１１Ｕおよび２１Ｕは、同一線径および同一巻数で構成されるために、同一の誘起電圧を発生する。他の固定子テイース３０４および３０７に巻かれたコイル１２Ｕ、２２Ｕ、１３Ｕおよび２３Ｕも上記と同一の誘起電圧を発生する。
また、別の固定子テイース３０２、３０５および３０８にそれぞれ巻かれたコイル１１Ｖ〜１３Ｖ、および２１Ｖ〜２３Ｖは、コイル１１Ｕ等とは位相の異なる別の同一の誘起電圧を発生する。
さらに別の固定子テイース３０３、３０６および３０９にそれぞれ巻かれたコイル１１Ｗ〜１３Ｗ、および２１Ｗ〜２３Ｗは、コイル１１Ｕ等および１１Ｖ等とは位相の異なる別の同一の誘起電圧を発生する。
【００１６】
コイル１１Ｕ、１２Ｕおよび１３Ｕは、それぞれ並列に接続されて低誘起電圧のＵ相を生成し、コイル１１Ｖ、１２Ｖおよび１３Ｖは、それぞれ並列に接続されて低誘起電圧のＶ相を生成し、およびコイル１１Ｗ、１２Ｗおよび１３Ｗは、それぞれ並列に接続されて低誘起電圧のＷ相を生成する。
それぞれ並列に接続された各相コイルは、３Ｙ結線されて、外部接続端子１１，１２，１３より交流リアクトル１０４に接続される。
コイル２１Ｕ、２２Ｕおよび２３Ｕは、直列に接続されて高誘起電圧のＵ相を生成し、コイル２１Ｖ、２２Ｖおよび２３Ｖは、直列に接続されて高誘起電圧のＶ相を生成し、およびコイル２１Ｗ、２２Ｗおよび２３Ｗは、直列に接続されて高誘起電圧のＷ相を生成する。
直列に接続された各相コイルは、１Ｙ結線されて、外部接続端子２１，２２，２３より交流リアクトル１０５に接続される。
【００１７】
コイル２１Ｕ〜コイル２３Ｗは、１Ｙ結線されて高誘起電圧を発生し、外部接続端子２１，２２，２３より交流リアクトル１０５に接続される。この１Ｙ結線は低回転数から発電を開始し、例えば図５の回転数対出力特性図の出力Ｐ２を出力する。従って、外部接続端子２１〜２３に流れる電流は少ない。
コイル１１Ｕ〜コイル１３Ｗは、３Ｙ結線されて低誘起電圧を発生し、外部接続端子１１，１２，１３より交流リアクトル１０４に接続される。この３Ｙ結線は高回転数から発電を開始し、例えば図５の回転数対出力特性図の出力Ｐ１を出力する。従って、外部接続端子１１〜１３に流れる電流は多い。
【００１８】
ここで、外部接続端子１１〜１３に流れる電流は多いが、３Ｙ結線されているので各コイル１１Ｕ〜コイル１３Ｗに流れる電流は、外部接続端子１１〜１３に流れる電流の１/３になる。従って、全てのコイル１１Ｕ〜コイル２３Ｗに流せる電流を同一にすると、１Ｙ結線の出力電流を１とすると、３Ｙ結線の出力電流を３とすることができる。
このように、同一線径および同一巻数で構成されるコイルを１Ｙ結線および３Ｙ結線とすることにより、合計出力が最大出力曲線の近似を実現できる。
【実施例２】
【００１９】
図２に本発明の第２の実施例を示す。
図２は、本発明を８極１２スロットの永久磁石型発電機３に適用した場合の巻線結線方法を示す図である。
同図において、１１Ｕ〜１４Ｕは低誘起電圧のＵ相、１１Ｖ〜１４Ｖは低誘起電圧のＶ相、１１Ｗ〜１４Ｗは低誘起電圧のＷ相、２１Ｕ〜２４Ｕは中誘起電圧のＵ相、２１Ｖ〜２４Ｖは中誘起電圧のＶ相、２１Ｗ〜２４Ｗは中誘起電圧のＷ相、３１Ｕ〜３４Ｕは高誘起電圧のＵ相、３１Ｖ〜３４Ｖは高誘起電圧のＶ相、３１Ｗ〜３４Ｗは高誘起電圧のＷ相の各固定子にそれぞれ巻かれたコイルを表す。この各コイルは、同一線径および同一巻数で構成されている。
以下、図３に示す主回路単線結線図を参照しながら、図２について説明する。
【００２０】
コイル１１Ｕ、２１Ｕおよび３１Ｕは、同一線径および同一巻数で構成され、同一の固定子テイースに巻かれたるために、同一の誘起電圧を発生する。
他の固定子テイースにそれぞれ巻かれたコイル１２Ｕ、２２Ｕおよび３２Ｕ、コイル１３Ｕ、２３Ｕおよび３３Ｕ、およびコイル１４Ｕ、２４Ｕおよび３４Ｕも上記と同一の誘起電圧を発生する。
【００２１】
また、別の固定子テイースにそれぞれ巻かれたコイル１１Ｖ、２１Ｖおよび３１Ｖ、コイル１２Ｖ、２２Ｖおよび３２Ｖ、コイル１３Ｖ、２３Ｖおよび３３Ｖ、およびコイル１４Ｖ、２４Ｖおよび３４Ｖは、同一線径および同一巻数で構成され、コイル１１Ｕ等とは位相の異なる別の同一の誘起電圧を発生する。
【００２２】
さらにまた、別の固定子テイースにそれぞれ巻かれたコイル１１Ｗ、２１Ｗおよび３１Ｗ、コイル１２Ｗ、２２Ｗおよび３２Ｗ、コイル１３Ｗ、２３Ｗおよび３３Ｗ、およびコイル１４Ｗ、２４Ｗおよび３４Ｗは、同一線径および同一巻数で構成され、コイル１１Ｕ等および１１Ｖ等とは位相の異なる別の同一の誘起電圧を発生する。
【００２３】
コイル１１Ｕ、１２Ｕ、１３Ｕおよび１４Ｕは、それぞれ並列に接続されて低誘起電圧のＵ相を生成し、コイル１１Ｖ、１２Ｖ、１３Ｖおよび１４Ｖは、それぞれ並列に接続されて低誘起電圧のＶ相を生成し、およびコイル１１Ｗ、１２Ｗ、１３Ｗおよび１４Ｗは、それぞれ並列に接続されて低誘起電圧のＷ相を生成する。
それぞれ並列に接続された各相コイルは、４Ｙ結線されて、外部接続端子１１，１２，１３より交流リアクトル１０４に接続される。
【００２４】
コイル２１Ｕと２２Ｕ、および１３Ｕと１４Ｕは、それぞれ直列に接続され、さらに並列に接続されて中誘起電圧のＵ相を生成し、コイル１１Ｖと１２Ｖ、および１３Ｖと１４Ｖは、それぞれ直列に接続され、さらに並列に接続されて駐誘起電圧のＶ相を生成し、コイル１１Ｗと１２Ｗ、および１３Ｗと１４Ｗは、それぞれ直列に接続され、さらに並列に接続されて中誘起電圧のＷ相を生成する。
それぞれ直並列に接続された各相コイルは、２Ｙ結線されて、外部接続端子２１，２２，２３より交流リアクトル１０５に接続される。
【００２５】
コイル３１Ｕ、３２Ｕ、３３Ｕおよび３４Ｕは、直列に接続されて高誘起電圧のＵ相を生成し、コイル３１Ｖ、３２Ｖ、３３Ｖおよび３４Ｖは、直列に接続されて高誘起電圧のＶ相を生成し、コイル３１Ｗ、３２Ｗ、３３Ｗおよび３４Ｗは、直列に接続されて高誘起電圧のＷ相を生成する。
それぞれ直列に接続された各相コイルは、１Ｙ結線されて、外部接続端子３１，３２，３３より交流リアクトル１０６に接続される。
【００２６】
コイル３１Ｕ〜コイル３４Ｗは、１Ｙ結線されて高誘起電圧を発生し、外部接続端子３１〜３３より交流リアクトル１０６に接続される。この１Ｙ結線は低回転数から発電を開始するが、出力は少ない。従って、外部接続端子３１〜３３に流れる電流は少ない。
コイル２１Ｕ〜コイル２４Ｗは、２Ｙ結線されて中誘起電圧を発生し、外部接続端子２１〜２３より交流リアクトル１０５に接続される。この２Ｙ結線は中回転数から発電を開始するが、出力は中位である。従って、外部接続端子２１〜２３に流れる電流は、外部接続端子３１〜３３よりは多いが中位である。
コイル１１Ｕ〜コイル１４Ｗは、４Ｙ結線されて低誘起電圧を発生し、外部接続端子１１〜１３より交流リアクトル１０４に接続される。この４Ｙ結線は高回転数から発電を開始し、出力は多い。従って、外部接続端子１１〜１３に流れる電流は一番多い。
【００２７】
ここで、外部接続端子１１〜１３に流れる電流は多いが、４Ｙ結線されているので各コイル１１Ｕ〜コイル１４Ｗに流れる電流は、外部接続端子１１〜１３に流れる電流の１/４になる。
また外部接続端子２１〜２３に流れる電流は二番目に多いが、２Ｙ結線されているので各コイル２１Ｕ〜コイル２４Ｗに流れる電流は、外部接続端子２１〜２３に流れる電流の１/２になる。
従って、全てのコイル１１Ｕ〜コイル２３Ｗに流せる電流を同一とし、１Ｙ結線の出力電流を１とすると、２Ｙ結線の出力電流を２、４Ｙ結線の出力電流を４とすることができる。
このように、同一線径および同一巻数で構成されるコイルを１Ｙ結線、２Ｙ結線および４Ｙ結線とすることにより、合計出力が最大出力曲線の近似を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
上記の説明では、６極９スロットおよび８極１２スロットの永久磁石型発電機３に適用した場合の巻線結線方法について説明したが、これらの極数とスロット数の組合せの整数倍の永久磁石型発電機にも適用できる。さらに１０極１５スロット等の極数の１．５倍のスロット数を有する永久磁石型発電機にも、５Ｙ、３Ｙ、１Ｙ等の結線にすることで適用できる。
また、コギングトルクを小さくするために、極数対スロット数を２対３以外としたスロットコンビネーションにおいても、固定子スロット数が９の倍数であれば、結線方法を３Ｙ、１Ｙに、固定子スロット数が１２の倍数であれば、結線方法を４Ｙ，２Ｙ，１Ｙにすることで適用できる。
【００２９】
本発明の分散電源用永久磁石型発電機の巻線方法によれば、風速計や高価なＰＷＭコンバータが不要であり、さらに永久磁石型発電機内の巻線の種類を減少させたために、安価に構成することができ、前記ＰＷＭコンバータでは必要となる待機電力が不要になるので、年間を通した発電量を増加させる事ができ、実用上おおいに有用である。
上記は、風力により説明したが、例えば、水力のように水車の形状が定まれば、最大出力を取り出すときの回転数対出力特性が一義的に定まるような用途にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施例であり、６極９スロットの永久磁石型発電機に適用した場合の巻線結線方法を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施例であり、８極１２スロットの永久磁石型発電機に適用した場合の巻線結線方法を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例における分散電源用発電装置の主回路単線結線図である。
【図４】本発明の第１の実施例における６極９スロットの永久磁石型発電機の固定子および回転子を示す図である。
【図５】分散電源用発電装置の回転数対風車出力特性図である。
【図６】風速をパラメータとした時の、風車の回転数対出力特性の概要を説明する図である。
【図７】従来および本発明の第１の実施例における分散電源用発電装置の主回路単線結線図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１Ｕ〜３４Ｕ  Ｕ相コイル
１１Ｖ〜３４Ｖ  Ｖ相コイル
１１Ｗ〜３４Ｗ  Ｗ相コイル
１０１          風車
１０２          分散電源用発電装置
１０３          永久磁石型発電機
１０４〜１０６  第１〜第３のリアクトル
１０７〜１０９  第１〜第３のダイオード整流器
１１１          正側出力端子
１１２          負側出力端子
１１３          バッテリー
３０１〜３０９  固定子テイース
【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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