(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
極数変換法により複数の設定回転速度で運転できるようにした発電電動機において、
発電電動機は回転界磁型であって、発電電動機の界磁の全磁極を複数の小磁極に分割し、
これらの分割磁極はコイル端子を引き出しており、複数の設定回転速度に対応して予め定めた複数種類の磁極配列の種類毎にスリップリング対を設け、予め定めた磁極配列の種類に対応する分割磁極のコイル端子を、対応するスリップリング対にスイッチを介さずに並列接続し、
上記予め定めた複数種類の磁極配列のうちで一つの設定回転速度に対応した磁極数を他の設定回転速度に対応した磁極数よりも少なくするのを、複数の分割磁極のうちでそのコイル端子をスリップリング対に接続しないものを設けることにより行うことを特徴とする多速度発電電動機。
【請求項２】
請求項１の多速度発電電動機を揚水発電のポンプ水車に用い、かつ、ポンプ運転時の磁極数を水車運転時の磁極数よりも少なくしたことを特徴とする多速度発電電動機。
【請求項３】
前記分割磁極のコイル端子のスリップリング対への並列接続は、複数種類の磁極配列の界磁回路を構成するように＋極と−極の接続向きおよび非接続を設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の多速度発電電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揚水発電のポンプ水車に用いるのに好適な、極数変換法により二速度またはそれ以上の複数の設定回転速度で運転できるようにした発電電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
過去において発電電動機の二速度化は変落差が大きな揚水発電所を実現する必須の技術として将来の発展が嘱望されていた。例えば黒又川第二発電所（P／T，19．9／19．2MW，333／300rpm但し最低揚程時は300rpm，1964年運開）や合衆国開拓局のFlatiron（P／T，8．35／8．95MW，300／257rpm，1954年運開）では、小容量機ながら実現されている。
しかしながら、その後の揚水発電機器の高落差大容量化の流れの中で、利用例が少ないと言える。その主な理由は、極数変換に伴う発電電動機の構造（磁極とその結線方法）が複雑になること、及び極の切り替えが機械式のため信頼性や保守上の面から敬遠されたこと、磁束の利用率が悪く、また高調波磁束が多いため機械の体格が大きくなり発電機効率が単一速度機に比べ低下すること等によるとされている。
一方、原理的に揚水機器を二速度化すれば、原動機であるポンプ水車に対しては大きなメリットが見込まれる。すなわち、水車特性とポンプ特性を最適化することによる、水車効率の上昇、運転範囲の拡大、キヤビテーションや振動の減少、ランナ体格の最適化等のメリットである。
【０００３】
なお、同様の技術として、可変速機の採用があるが、▲１▼可変速用変換装置と巻線形発電電動機が非常に高価である。▲２▼実用的に可変速幅が±5％程度しかとれない。▲３▼可変速装置の損失が大きく水車の効率向上分を相殺する。等の理由から、単なる効率向上策としてはかなり無理があると考えられる。
一方、二速度機の場合、可変速機に比べて、▲１▼装置代はかなり安い。▲２▼極数が小さい場合、かなり大幅に回転数が変えられる（例えば12極と14極では回転数が＋17％変化する）。▲３▼二速度化に伴う発電電動機の効率の低下は、可変速機の変換器損失よりは小さいと予想される。といった点がメリットとして見込まれる。但し、デメリットとしては、速度が二値しかとれず、また停止しないと回転速度は切り替えられないので、運転や特性のフレキシビリティーについては可変速機のほうがはるかに良好である。
また、発電電動機の出力波形が歪み、高調波の発生の回避が困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであって、極数変換に伴う発電電動機の構造（磁極とその結線方法）を簡単化し、及び極の切り替えの回路構成を簡単化し、さらに、磁束の利用率の向上と高調波磁束発生を抑制できる極数変換に基づく二速度機などの多速度発電電動機を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
まず、二速度化によるポンプ水車の効率上昇について説明する。
図３にフランシス形可逆ポンプ水車の特性を示すが、一個のランナで水車とポンプの両運転を行うため、水車の最高効率点（図中のηTmax）近傍から実際の水車連転領域が大きく離れている。これは、ポンプ水車の特性上、ポンプの最高効率点ηPmaxを示す揚程Ｈｐは水車の最高効率点ηTmaxを得られる落差Ｈｔより必ず低くなる（図３ではｎ11＝Ｎ／√Ｈとしており、ηTmaxを示すn11位置（n11ηTmax）はηPmaxのそれ（n11ηPmax）より必ず左側になる。）。一方、水車運転では水路損失等により有効落差はポンプの揚程より必ず低くなることから、ポンプの運転領域より水車の運転領域はｎ11軸上で右側になる。ポンプ水車はポンプ中心の設計とせざる得ないので、ポンプの運転領域をポンプ最高効率点を含むように設計し、この結果、どうしても水車は効率の低い領域で使うことになる。
【０００６】
通例、ｎ11ηPmax／ｎ11ηTmax＝1.1から1.2の範囲になる。このため、二速度機として、ポンプを水車の1.1から1.2倍の回転速度で運転すると、水車は最高効率点付近で運転でき、効率アップが見込める。また、ポンプ水車の体格は所定のポンプ吐出圧を得られる遠心力を発生できるように最大外形が決められるので、回転速度をポンプ側で高くすれば、最大外形を小さくしても所定の遠心力が得られるので、ランナのコンパクト化が期待できる。
【０００７】
また、揚水機に限らず、落差変動の大きな地点での水車特性の改善にも、二速度機化は非常に効果的である。特に、近年、ダムの嵩上げによる再開発プロジェクトがいくつがあるが、嵩上げ完了までの期間は、低い有効落差で運転することになり、最高効率点から大きく離れて運転することになり、効率は低くならざるを得ない。こうした地点で二速度機を採用すれば、嵩上げ完了前は低い回転速度で運転し、嵩上げ完了後は高い回転速度に切り替えることにより、嵩上げの前後を通じて高い効率で運転できる。また、巨大な海外プロジェクトではダムの湛水完了まで数年間も要する例も多く、こうした地点では低落差専用の水車・発電機を湛水完了後、高落差機に変更することもあり、ここでも二速度機とすれば、こうした変更なしに対応できる。
以上のメリットは、一般的なもので必ずしも全てのプロジェクトにあてはまる訳ではなく、詳細は個別の設計諸元に合わせた検討が不可欠であるが、原理的に二速度化すれば、大きなメリットが見込める可能性を示している。
【０００８】
従来の二速度機の原理について説明する。
二速度機は、発電電動機の極数：ｐを変更して、同期速度：Ｎｓ＝1２０ｆ／ｐを変えるものである（ｆ：周波数）。５０Ｈｚ系で１４／１２極の二速度機を考えると、同期速度Ｎｓは４２９／５００min-1となり、17％速度が変化する。これは、上記のポンプ水車の効率特性改善に都合の良い値である。
従来、実用化された二速度機は、1極分の励磁コイルと半極分の励磁コイルを適切に組み合わせ、回転速度に応じて、各励磁コイルの極性を逆にしたり、励磁をしないことにより、等価的に所要の極致を得ている。１４／１２極機の二速度機を例にすると、図４に示す通り、１４極機を基本にＮ極とＳ極を交互に配置する。３番目のＮ極は半極のＮ極を２個組み合わせて作り、また、４番目のＳ極は半極のＳ極を２個組み合わせて作る。同様に、５、１１番目のＮ極および１０，１２番目のＳ極も半極２個で作る。そして、５つのスリップリングに各極のコイルを対称性を考慮して直列にして接続する。
例えば、図４では、最左側のスリップリングａから１番目Ｎ極，２番目Ｓ極，３番目右Ｎ極，４番目右Ｓ極，１１番目左Ｎ極，１２番目左Ｓ極，１３番目Ｎ極，１４番目Ｓ極、左側のスリップリングｂに直列接続する。この左側のスリップリングｂを共通にして３番目左Ｎ極，５番目右Ｎ極，１０番目左Ｓ極，１２番目右Ｓ極を，中央のスリップリングｃに直列接続する。そして、右側スリップリングｄから１１番目右Ｎ極，１０番目右Ｓ極，９番目Ｎ極，８番目Ｓ極，７番目Ｎ極，６番目Ｓ極，５番目左Ｎ極，４番目左Ｓ極を最右側のスリップリングｅに接続している。
また、励磁電源Ｅｘの＋，−のうちの一方極をスリップリングａに繋ぎ、他方極を三路スイッチＳｗによりスリップリングｄあるいはｅに繋ぐようになっている。
【０００９】
この二速度機を、全ての励磁コイルを直列になるようにスリップリングの外で接続（この場合、スイッチＳｗをすべて右に入れる）すると、１４極機になる。直流励磁電源ＥｘをスリップリングとＳｗを経由して外部から供給する。
一方、１２極機に変更するには、２極分の磁極を減らす必要がある。このため、例えば図５に示すように、１４極の３、５、１０、１２番目の半極コイルを無励磁として遊ばせる。また、遊んだコイルの後で極性をそろえる必要から、４番左、５番左、６番、７番、８番、９番、１０番右、１１番右のコイルの極性を反転して、１２極を構成する。これらの極性を逆にする回路は、三路スイッチＳｗをすべて左に入れて構成できる。
【００１０】
どのコイルを半極にしたり、極性を逆転あるいは無励磁とするか、もう少し理論的に考察してみた。
１２極と１４極の最小公倍数は、３×４×７＝８４であり、二速度機に８４個の微小な部分コイル（微小コイル）を用い、それら微小コイルを７コイルずつまとめれば１２極機、６コイルずつまとめれば１４極機となる。このように、微小コイルを数個ずつまとめて、１極を構成すれば、波形歪みの少ない理想的な二速度機が実現できる。しかし、コイルの数が非常に多く、またその接続が非常に複雑になることが、容易に想像できる。
【００１１】
この８４個の微小コイルによる二速度機を理想モデルとし、図４と図５の１２／１４極機を現実モデルとして図６に示すように模式図を作成した。
この２速度機は１４極機がベースになっており、図６の左に示す通り、３個の緻小コイルをまとめて半コイルあるいは６個の微小コイルをまとめ全コイルとし、これを直列接続している。これを１２極機にする場合、図６の右のように、いくつかのコイルを不使用にする。すなわち、Ｎｏ．１３，１４，１５のコイルのように、理想的には１４極のＮ，Ｎ，Ｎを１２極ではＳ，Ｓ，Ｎとする必要があるが、すぐ直前にＳ２があり、Ｓ極が大きくなりすぎるといった半コイルを不使用にしている。同様に、Ｎｏ．２８，２９，３０、Ｎｏ．５５，５６，５７、Ｎｏ．７０，７１，７２が不使用である。また、半コイルはＳ４→Ｎ３’，Ｎ５→Ｓ４’，ＳｌＯ’→Ｎ９，Ｎ１１’→ＳｌＯ，全コイルはＳ６→Ｎ５、Ｎ７→Ｓ６，Ｓ８−Ｎ７、Ｎ９→Ｓ８のように極性を反転させる。
【００１２】
本発明に係る界磁コイルの並列接続化について説明する。
従来の二速度機では上述の図４、図５に示したように、全コイルと半コイルを分布させ、しかる後にＮ極とＳ極を交互に一筆書きの要領で直列接続することで実現している。しかし、図４等に示したように、かなり錯綜した接続が回転側で必要になる。また、全コイルと半コイルの２種類の形状をした界磁コイルが必要で、さらには三路スイッチＳｗも必要になる。
このため、大容量機にこの技術を適用するには、信頼性や経済性において若干、疑問である。また、高調波磁束発生の間題もある。
このような点を改善するべく本発明はなされたものである。
【００１３】
すなわち、本発明は、極数変換法により複数の設定回転速度で運転できるようにした発電電動機において、発電電動機は回転界磁型であって、発電電動機の界磁の全磁極を複数の小磁極に分割し、これらの分割磁極はコイル端子を引き出しており、複数の設定回転速度に対応して予め定めた複数種類の磁極配列の種類毎にスリップリング対を設け、予め定めた磁極配列の種類に対応する分割磁極のコイル端子を、対応するスリップリング対にスイッチを介さずに並列接続し、上記予め定めた複数種類の磁極配列のうちで一つの設定回転速度に対応した磁極数を他の設定回転速度に対応した磁極数よりも少なくするのを、複数の分割磁極のうちでそのコイル端子をスリップリング対に接続しないものを設けることにより行うものである。
したがって、本発明は、上記の分割磁極を、複数の設定回転速度に対応して予め定めた複数種類の磁極配列になるように、各分割磁極のコイル端子と界磁用電源とを並列接続可能にしたものである。
本発明によれば、発電電動機の界磁の全磁極を複数の小磁極に分割したので、界路コイルは一種類で済み、コイル構造が簡単化し、かつ、ユニット化による大量生産ができるようになって、コストダウンができる。
また、極数の切り替えは、上記の分割磁極を、複数の設定回転速度に対応して予め定めた複数種類の磁極配列になるように、各分割磁極のコイル端子と界磁用電源とを並列接続すればよいので、従来の三路スイッチが不要になる。
したがって、この点でも発電電動機の構造を簡単化できる。
また、本発明の多速度発電電動機を揚水発電のポンプ水車に用い、かつ、ポンプ運転時の磁極数を水車運転時の磁極数よりも少なくすることができる。
また、発電電動機は回転界磁型であって、複数の設定回転速度に対応して予め定めた複数種類の磁極配列の種類毎にスリップリング対を設け、予め定めた磁極配列の種類に対応する分割磁極のコイル端子を、対応するスリップリング対にスイッチを介さずに並列接続し、前記分割磁極のコイル端子のスリップリング対への並列接続は、複数種類の磁極配列の界磁回路を構成するように＋極と−極の接続向きおよび非接続を設定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１、図２は、実施形態に係る極数変換法により複数の設定回転速度（同期回転速度）で運転できるようにした二速度発電電動機のコイル模式図、コイル接続説明図である。
図１〜図２に示すように、この二速度発電電動機は、その界磁の全磁極を複数の小磁極（例えば２つ）に分割し、これらの分割磁極を２つの設定回転速度に対応して予め定めた２種類の界磁回路構成になるように、該分割磁極のコイル端子を界磁用電源と並列接続可能にしたものである。なお、図１，図２に示すものは、各磁極は６つの微小コイル（例えばNo.１〜６，Ｎｏ７〜１２，…）で構成され、半磁極では３つの微小コイル（例えばＮｏ．１〜３，No.４〜６，…）構成される。
【００１５】
また、前記二速度発電電動機は、好適には、揚水発電のポンプ水車に用い、かつ、ポンプ運転時の磁極数を水車運転時の磁極数よりも少なくする。例えば、二速度発電電動機は１２／１４極機であり、ポンプ運転時は１２極として、水車運転時は１４して、ポンプ運転時の回転速度を水車運転時の回転速度より高くできるものである。
また、前記二速度発電電動機は回転界磁型であって、界磁回路構成の種類毎にスリップリング対を設け、分割磁極のコイル端子のスリップリング対（１４極「＋」側，１４極「−」側，１２極「＋」側，１２極「−」側）への並列接続は、複数種類の界磁回路を構成するように＋極と−極の接続向きおよび非接続を設定した。
【００１６】
実施形態に係る二速度発電電動機は、図２に示すように、全ての磁極（１４極ベース）を半コイル（見かけは２８極機）で構成して、これらを１４極機用のスリップリングと１２極機用のスリップリングに並列接続して所定の磁極配列としたものである。図２の（ｂ）に示すように、各半磁極のコイルの両端子には、端子１，３と端子２，４とを割り当てて、それら端子１〜４に１４極機と１２極機の各分割コイルの極性（Ｎ極，Ｓ極）、および、使用・不使用に応じてスリップリングへ接続をする。例えば１４極機で分割コイルがＮ極であったものを１２極機でＮ極と使用するときは端子１は１４極「＋」側に、端子２は１４極「−」側に、端子３は１２極「＋」側に、端子４は１２極「−」側にそれぞれ接続する。また、１４極機で分割コイルがＳ極であったものを１２極機で不使用とするときは端子１は１４極「−」側に、端子２は１４極「＋」側に、端子３と端子４はいずれもスリップリングには接続しない。
【００１７】
上記のようにすれば、コイルは半磁極の１種類で済むし、また1４極と１２極の切替えはそれぞれのスリップリングに励磁するか否かだけで済むので、複雑な回路構成は一切不要となる。
このため、大容量機でも、信頼性の高い二速度機の実現が期待できる。また、一極を２個よりも多数の小コイル（前述の６個および７個のような理想値）に分割し界磁回路を適切に構成して、合成した磁界を電機子に作用させれば、高調波磁束の発生を相当抑制できる可能性がある。特に、本発明では図４に示したような３路スイッチは不要のため、回転体上での接続を設計すればよいため、比較的容易に行えるものである。
さらには、ニーズの問題もあるが、磁極を２個よりも多く分割し分割磁極とスリップリングを３対以上にする等すれば三速度機以上の多速度機も実施可能可能である。
また、発電電動機としては回転界磁型のみならず、ニーズおよび容量や構造の点で要請があれば界磁の固定取れた回転電機子型等の種々のもので実施可能である。
いずれにしても、近年の電磁界解析技術の進展は著しいものがあるので、高調波磁束の抑制は改善が期待される。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、極数変換に伴う発電電動機の構造（磁極とその結線方法）を簡単化し、及び極の切り替えの回路構成を簡単化し、さらに、磁束の利用率の向上と高調波磁束発生を抑制できるという、優れた効果を奏する。
また、本発明は、揚水機に限らず、落差変動の大きな地点での水車特性の改善にも、多速度機化は非常に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る二速度発電電動機の磁極コイルの理想モデルと対比した模式説明図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は実施形態にかかる発電電動機のコイルとスリップリングの接続状態を説明した界磁回路構成の説明図である。
【図３】ポンプ水車の特性説明図である。
【図４】一般的な二速度機の１４極運転時の界磁回路構成の説明図である。
【図５】図４の二速度機の１２極運転時の界磁回路構成の説明図である。
【図６】図４の二速度機のコイル配置例の理想モデルと現実モデルの説明図である。
【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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