同步发电机以及同步发电系统的制作方法

专利名称：同步发电机以及同步发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及同步发电机以及风力同步发电系统。
背景技术：
为了在风力发电系统中使用交流励磁同步发电机，必须使发电机比以往更 轻。这是由于，在建设风车时通过起重机将发电机悬吊到机抢，但在大型风车
中机抢的高度达到100m以上，由发电机的重量也决定了风车支柱的强度和粗 细，因此与其它发电系统相比，在风力发电系统中更加重视发电机的轻量化。
存在为了将交流励磁同步发电机小型化而减小定子和转子间的空隙、即间 隙(gap)长度的方法。当减小间隙长度时，间隙的磁阻减小，因此可以减小 流过励^磁线圈(》兹场线圈)的励^磁电流，由此，可以减小励/磁线圈的截面积， 将发电机小型、轻量化。
但是，当减小间隙长度时，定子以及转子槽(slot)所引起的间隙磁阻的 空间变化增大，电枢电流波形的失真增大。
作为改善电枢电流波形的技术，在专利文献1中记载了将定子和转子的槽 数以及线圈间距最佳化来改善波形的技术。
另夕卜，在专利文献2中记载了通过使与槽高次谐波对应的线圈系数达到最 小的方式选定线圈间距来改善波形的技术。
并且，在专利文献3中记载了使每两极的定子槽数和转子槽数的差为±6, 改善电枢电流波形的失真的技术。
但是，在专利文献1记载的技术中，使定子线圈为分数圈来进行输出电压 波形的滤波(平滑)，但有时，在使定子为分数圈的情况下的电枢电流波形的 失真改善效果较小。
另外，交流励磁同步发电机的构造与现有的线圈型感应电机大致相同，但 专利文献2以及专利文献3中记载的技术都沿用了非专利文献1中记载的现有 的感应电机设计中的推荐值。因此，每两极的定子槽数和转子槽数的差在土6以下。但是，发明人发现，电枢电流波形中的高次谐波成分的影响随着槽数差增大而减小。因此认为当定子槽数和转子槽数的差在士6以下时，无法充分减小电枢电流波形中的高次谐波成分的影响。即，认为无法充分地进行电枢电流波形的滤波。
专利文献1JP特开平3-270664号公报专利文献2JP特开平7-15901号公报专利文献3JP特开2005-304271号公报
非专利文献1電気学会通信教育会変圧器 誘導機交流整流子機、電気学会p.112(1967).
非专利文献2野中作太郎応用電気工学全書1電気機器(I )、森北出版p.227(1973).

发明内容
本发明的目的是提供减小电枢电流波形的失真的交流励磁同步发电机以及风力交流励磁同步发电机系统。
本发明提供一种同步发电机，其具有在多个转子槽中容纳励磁线圈的转子、和在多个定子槽中容纳电枢线圈的定子，该同步发电机的特征在于，每两极的定子槽数和转子槽数的差值在± 9以上。


图1是表示本发明的交流励磁同步发电机1的主要部分的一例的图。
图2是表示当定子以及转子的每相每极槽数Npp在3~7的范围内时，每两极的定子槽数和转子槽数的差值的图。
图3是表示(定子短节距绕组(short pitch winding)系数/^,' ) / (高次谐波次数kB )、与高次谐波次数kB之间的关系的图。
图4是表示定子槽数N,和转子槽数N2的差值、与高次谐波成分的大小之间的关系的图。
图5是表示通过实际检测而确认了每两极的N,和N2的差成为± 12的交流励磁同步发电机电枢的电枢线圈间距与定子的极间距的比值、和高次谐波电流含有率之间关系的结果的图。
图6是表示每极每相定子槽数Npp在3以上7以下、极数在12以下、定子槽数在144以下的电枢线圈间距的值以及、电枢线圈间距与极间距的比值的图。
图7是表示转子槽开口宽度s与间隙长度g的比值和磁通脉动率的关系的图。
图8是表示本发明的实施例的转子槽的形状的图。图9是表示在圆周方向上对称的形状的转子半闭槽的图。图IO是表示在圆周方向上对称的形状的转子开放槽的图。图11是表示本发明的实施例的、使用了磁性楔的定子以及转子槽的形状的图。
图12是第5实施方式的交流励磁同步发电系统的整体结构图。
图13是第6实施方式的风力交流励磁同步发电系统的整体结构图。
图14是表示交流励磁同步发电机的极数与体积大小之间的关系的图。
符号说明
10:定子；11:定子铁心；12:定子槽；13:电枢线圈；131:电枢底线圈；132:电枢上线圈；133:电枢线圈端部；14:定子楔；15:磁性楔；20:转子；21:转子铁心；22:转子槽；23:励磁线圈；24:转子楔；25:轴；30:可变频率交流励磁装置；31:电枢侧端子；32:励磁侧端子；33:电力系统；40:动力源；41:风车；42:增速机
具体实施例方式
以下，参照

本发明的实施方式。
(关于第l实施方式)
首先，对本发明的第1实施方式进行i^L明。在第1实施方式中，通过考虑每两极的定子槽数和转子槽数的差值，进行电枢电流波形的滤波。
图1中表示本发明的交流励磁同步发电机l的主要部分的一例。图1中的交流励磁同步发电机1具有定子10、转子20、电枢线圈13和旋转轴25。
电枢线圏13具有电枢底线圏131、电枢上线圈132和电枢线圈端部133。电枢底线圈131以及电枢上线圈132通过电枢线圈端部133相连。
定子10，在定子铁心11上设置的定子槽12中容纳了通过定子楔14固定的电枢底线圈131和电枢上线圈132。此外，在图1所示的例子中，逆时针方向从# 1到#90容纳了电枢底线圈131和电枢上线圏132。
转子20，在转子铁心21上设置的转子槽22中容纳了通过转子楔24固定的励磁线圈23,并且在转子铁心21中容纳了轴25。此外，在图1所示的例子中，逆时针方向从#1，到#54，容纳了励磁线圏23。
在交流励磁同步;^电机1中，对轴25提供旋转力来使转子20旋转，并且在励磁线圈23中流过励磁电流，由此在电枢线圈13中流过电枢电流来进行发电。发电频率根据转子20的旋转速度而变化，并且也根据在励磁线圈23中流过的励磁电流的频率而变化。在通过风力发电用的风车那样的旋转速度始终变化的动力使转子20旋转的情况下，也可以通过控制凝"兹线圈23中流过的励》兹电流的频率，将发电频率保持一定。(在三相旋转电机中)
接着，对三相旋转电机的设计进行说明。在三相旋转电机的设计中，非专利文献2中推荐将定子以及转子的每相每极槽数Npp设定在数学式1
3瑪pS7…(1 )
的范围内。
图2中表示当定子以及转子的每相每极槽数Npp在式(1 )所推荐的范围内时，每两极的定子槽数N,和转子槽数N2的差(以下，称为"每两极的N,和N2的差，，)的值。由图2可知，在式(1)中推荐的范围内考虑的每两极的N,和N2的差值的最大值达到± 24。(关于每两极的N,和N2的差值)
接着，具体说明每两极的N,和N2的差值。
在感应电机的设计中，在非专利文献1中推荐将定子全部槽数ni以及转
子全部槽数112设定在
数学式2
0.80n,巨n2互1.25n,…(2)
的范围内。
在此，当求取在(式2)的范围内考虑的每两极的N，和N2的差值时，成为土6以下。 一般，交流励磁同步发电机，其构造与线圈型感应电机大致相同，因此采用该推荐值来进行设计。
即，在交流励磁同步发电机的设计中， 一般根据式(2)的推荐值，将每
两极的N,和N2的差值设计在± 6以下。
(表示在电枢线圈中流过的电枢电流的公式的推导)接着，推导表示在电枢线圈13中流过的电枢电流I的公式。在此，简化相位的考虑方法来推导表示电枢电流I的数学式。首先，将在电枢线圈中流过的电枢电流I的发电频率成分导致的石兹动势(magnetomotive force ) AT设为数学式3
AT oc S fwk/kcos(kx T co0t) …(3 )
在此/x被固定在定子坐标系中，假定两极的量与2兀对应。另外，《0是与同步速度相当的角频率，t是时刻，k是磁动势次数，fwk是k次高次谐波的定子线圈系数。
并且，将定子线圈系数fwk设为数学式4
fwk=fpkxfdk…(4 )
数学式5
fpk-sin(pk兀/2)…(5 )数学式6
fdk-sin(k兀/2qy0ixsin(;k兀/2Nsppq》 …(6 )。
在此，fpk是定子短节距绕组系数，fdk是定子分布绕组系数，p是电枢线圈间距与极间距的比，q是定子相数，Nspp是定子每极每相槽数。
接着，考虑各个转子以及定子槽引起的磁阻的空间的变化，假定作为磁阻分布的倒数的磁导(permeance)的空间分布P为数学式7
P^(l+K,cosNiX)x(l+K2COsN2 (x-(l-s)co。t))…(7 )。
在此，K,是定子槽导致的磁导脉动系数，K2是转子槽导致的磁导脉动系数，s是转差率(slip)。磁通密度B成为磁动势AT和磁导P的积，设为数学式8B"ATxP…(8)。并且，对磁通密度B进行空间积分，而且考虑定子短节距绕组系数，将与
电枢线圈13互连(interlinkage)的磁通O假定为
数学式9
(D"Bx/A/kB... (9)。
在此，kB是磁通密度B的空间高次谐波次数，/^是kB次高次谐波的定子 线圈系数。
接着，对该磁通O进行时间微分，将电枢线圈13中感应的感应电压E设
为
数学式10
(Bx/^/kB) xvb ... (10)。. 在此，Vb是磁通密度B的时间高次谐波次数。
并且，假定电枢电流I为(感应电压E) / (电抗)，另外假定电抗与时间
高次谐波次数VB成比例，将电枢电流I设为
数学式11
la ((Bx/M"/kB) xvb) /vb = ATxPx/A/kB... (11)。
在此，在图3中表示(定子短节距绕组系数/^ ) / (高次谐波次数kB)与 高次谐波次数kB的关系。在式(11)中，电枢电流I与(定干短节距绕组系 数/A ) / (高次谐波次数kB )的值成比例，因此在图3中，考虑到当(定子短 节距绕组系数A,, ) / (高次谐波次数kB)的值较大时，电枢电流I增大。
接下来，根据图3所示的关系，考虑高次谐波次数kB为1时产生的电枢 电流I增大到可以忽略kB不为1时产生的成分的程度，以下，考察高次谐波 次数ku成为1时的电枢电流的高次谐波成分。
以下所述的、关注与每两极的N,和N2的差值相关的高次谐波成分的、数
学式的推导，通过发明人的研究变得明了。
首先，将式(3)、式(7)代入式(11)，仅考虑与每两极的N,和N2的差 值相关的高次谐波成分时，N,〉N2时的式(11)可以整理成数学式12
I叫Wn-刚K,K2fp"(1 Nr N2|-l)/4)
xcos(x-(l+N2(l-s))ro0t)+(^" )單2^/(| N,- N2|+l)/4)
.xcos(x_(l+N2(l-s))co0t) ... (12)。 另一方面，N,〈N2时的式(11)可以整理成数学式13
Ia(fw,.N2H)K,K2V(1 N,- N2|-l)/4)
XCOS(X-(l-N2(l-S))C00t)
+^ ，^,1^/(1 N,- N2|+l)/4)
xcos(x-(l-N2(l-s)>oot)…(13)。
由式(12)以及式(13)可知，由于每两极的N,和N2的差值所导致的高 次谐波成分，发生输出电流的脉动。
在此，图4(a)表示每两极的N,和N2的差值、和捧据式(12)以及式(13 ) 的第1项而发生的高次谐波成分的大小之间的关系。另外，图4 (b)表示每 两极的Ni和N2的差值、和根据式(12)以及式(13)的第2项而发生的高次 谐波成分的大小之间的关系。图4的横轴表示每两极的N,和N2的差值，图4 的纵轴表示高次谐波成分的大小。此外，高次谐波成分的大小，将每两极的 N,和N2的差值为士6时设为100%,针对各个每两极的N,和N2的差值，表示 了高次谐波成分的大小。
由图4(a)可知，当每两极的N,和N2的差值大于士6时，根据式(12) 以及式(13)的第1项而发生的高次谐波成分，成为每两极的N,和N2的差值 为土6时的30%以下。另外，由图4(b)可知，当每两极的N,和N2的差值大 于士6时，根据式(12)以及式(13)的第2项而发生的高次谐波成分，成为 每两极的N,和N2的差值为士6时的30 o/。以下。
因此，为了改善电枢电流波形的失真，可以说需要在式(2)中推荐的范 围外、即，每两极的N,和N2的差值大于士6地来选择槽数。
在此，在式(1 )所示的范围内考察应该选择的每两极的M和N2的差值 时，由图2可知，应该选择的每两极的N,和N2的差的最小值成为士9。另外， 应该选择的每两极的N！和N2的差的最大值成为士24。
(关于定子每相每极槽数和转子每相每极槽数的组合)
接下来，在本实施方式中考察以下情况下的定子每相每极槽数和转子每相每极槽数的组合中的每两极的N,和N2的差值。
组合l:将定子每相每极槽数设为整数，将转子每相每极槽数设为整数的 情况(实施对策1 )
组合2:将定子每相每极槽数设为分数，将转子每相每极槽数设为整数的 情况(实施对策2 )
组合3:将定子每相每极槽数设为整数，将转子每相每极槽数设为分数的 情况(实施对策3 )
组合4:将定子每相每极槽数设为分数，将转子每相每极槽数设为分数的 情况(实施对策4) (实施对策1 )
在实施对策l中，将定子每相每极槽数设为整数，将转子每相每极槽数设 为整数。
在这种情况下，在图2中可知每两极的N,和N2的差值成为士12、士18、士24。
当每两极的N,和N2的差值成为士12、 ±18、 士24时，由图4可知，产生的 高次谐波电流成为每两极的N,和N2的差值为士6时的高次谐波电流的30%以 下，因此可知，在将定子每相每极槽数设为整数，将转子每相每极槽数设为整 数的情况下，电枢电流的高次谐波成分减小。因此，在这种情况下可以进行电 枢电流波形的滤波。
此外，在三相旋转电机中，当每相每极槽数Npp成为整数时，该旋转电机 的三相线圈成为整数圈。在实施对策1那样同时将定子、转子每相每极槽数 Npp设为整数时，线圏的缠绕操作最简单，因此可以实现成本降低。 (实施例1:实施对策1中的定子以及转子的槽数的具体例)
在实施对策l中，将定子每相每极槽数设为整数，将转子每相每极槽数设 为整数，具体而言，将图1所示那样的交流励^兹发电机的定子槽数设为90， 将转子槽数设为54，将极数设为6,将相数设为3。此时，定子每相每极槽数 为5,转子每相每极槽数为3。另外，每两极的定子槽数N,为30,转子槽数 N2为18，每两极的N,和N2的差值成为12。在这种情况下，由图4可知，电 枢电流的高次谐波成分减小，可以进行电枢电流波形的滤波。 (实施对策2 )在实施对策2中，将定子每相每极槽数设为分数，将转子每相每极槽数设 为整数。
在这种情况下，在图2中可知每两极的N,和N2的差值成为土9、 ±15、 ±21。 当每两极的N,和N2的差值成为士9、 ±15、 ±21时，由图4可知，产生的 高次谐波电流成为每两极的N,和N2的差值为士6时的高次谐波电流的30%以 下，因此可知即使在将定子每相每极槽数设为分数、将转子每相每极槽数设为 整数的情况下，电枢电流的高次谐波成分也减小。因此，在这种情况下也可以 进行电枢电流波形的滤波。
此外，在三相旋转电机中，当每相每极槽数Npp不是整数时，该旋转电机 的三相线圏成为分数圈。 (实施对策3 )
在实施对策3中，将定子每相每极槽数设为整数，将转子每相每极槽数设 为分数。
在这种情况下，在图2中可知每两极的N,和N2的差值成为士9、 ±15、 ±21。 当每两极的N和N2的差值成为士9、 ±15、 ±21时，从图4可知，产生的 高次谐波电流成为每两极的N,和N2的差值为士6时的高次谐波电流的30%以 下，因此可知，即使在将定子每相每极槽数设为整数，并将转子每相每极槽数 设为分数的情况下，电枢电流的高次谐波成分也减小。因此，在这种情况下也 可以进行电枢电流波形的滤波。
另外，当将转子的每极每相槽数设为分数时，由于定子的每相每极槽数是 整数，因此在定子中，不以每两极的N,和N2的差的次数产生高次谐波线圈系 数，由于每两极的N,和N2的差而产生的高次谐波电流成为0。因此，可以进 一步减小交流励磁同步发电机中产生的高次谐波，可以进一步将电枢电流波形 滤波。
(实施例2:实施对策3中的定子及转子的槽数的具体例子(其一 )) 在实施对策3中，将定子每相每极槽数设为整数，并将转子每相每极槽数 设为分数，具体而言，将定子槽数设为108，将转子槽数设为81,将极数设为 6,将相数设为3。此时，定子每相每极槽数为6，转子每相每极槽数为4.5。 另外，每两极的定子槽数N,为36，转子槽数N2为27,每两极的N,和N2的差值为9。在这种情况下，从图4可知电枢电流的高次谐波成分减小，可以进
《亍电4区电流波形的滤波。
(实施例3:实施对策3中的定子及转子的槽数的具体例(其二 )) 另外，在实施对策3中'，具体而言，将定子槽数设为72,将转子槽数设 为54,将极数设为4,将相数设为3。此时，.定子每相每极槽数为6,转子每 相每极槽数为4.5。另外，每两极的定子槽数Nt为36，转子槽数N2为27， N,和N2的差值为9。在这种情况下，从图4可知电枢电流的高次谐波成分减 小，在这种情况下可以进行电枢电流波形的滤波。
(实施对策4 )
在实施对策4中，将定子每相每极槽数设为分数，将转子每相每极槽数设 为分数。
在这种情况下，从图2可知每两极的N,和N2的差值成为土12、 ±18。
当每两极的N,和N2的差值成为士12、 ±18时，由图4可知，产生的高次 谐波电流成为每两极的N,和N2的差值为士6时的高次谐波电流的30%以下， 因此可知，即使在将定子每相每极槽数设为分数、并将转子每相每极槽数设为 分数的情况下，电枢电流的高次谐波成分也减小。因此，在这种情况下也可以 进行电枢电流波形的滤波。
(关于第2实施方式)
接下来，说明第2实施方式。第2实施方式，在第1实施方式中的交流励 磁同步发电机(即每两极的N，和N2的差值在士9以上的交流励磁同步发电机) 中，通过将线圈间距与极间距的比值设为以下所述的范围内，进一步进行电枢 电流波形的滤波。
首先，在图5中表示，通过实际测量而确认在定子三相短路时，每两极的 N,和N2的差值成为士12的交流励^磁同步发电机的、电枢线圈间距与定子的极 间距的比值和高次谐波含有率的关系的结果。从图5可知，每两极的N,和N2 的差值成为士12的交流励磁同步发电机的电枢电流中的高次谐波含有率，在电 枢线圈间距与定子的极间距的比值为80%的情况下达到最小。另外可知，在 电枢线圈间距与定子的极间距的比值为86.7%的情况下，成为仅次于成为80 %的情况下的第二小的结果。由此可知，在每两极的N,和N2的差值成为士 12的交流励磁同步发电机中， 通过使电枢线圈间距与定子的极间距的比值成为80%,可以进行电枢电流波 形的滤波。
(实施例4)
在实施例4中的交流例磁同步发电机中，如图l所示，通过电枢线圈端部 133而连接的电枢底线圈131和电枢上线圈132的间距全部成为定子的1.2槽 大小。在这种情况下，以定子的15槽大小成为1个极，电枢机子线圈间距与 定子的极间距的比值成为12/15、即80%。
在图1所示的交流励磁同步发电机的例子中，每两极的N,和N2的差值为 ±12，在图5中可知，每两极的N,和N2的差值成为士12的交流励磁同步发电 机的电枢电流中的高次谐波电流含有率，在使定子线圈间距与极间距的比值为 80%的情况下达到最小，在实施例4中可知，可以进行电枢电流波形的滤波。
另夕卜，在图6中表示，每极每相定子槽数Npp在3以上7以下，极数在12 以下，定子槽数在144以下的电枢线圈间距的值、以及电枢线圈间距与极间距 的比值。
在槽数或极数与图1所示的交流励磁同步发电极的例子(实施例4)不同 时，当设为图6中记载的电枢线圈间距的值、以及电枢线圏间距与极间距的比 值时，可以实现高次谐波电流的减小。
在图6中，例如在电枢上线圏132的# 1和电枢底线圈131的# 13通过电 枢线圈端部133相连的情况下，将电枢线圈间距表示为"(1 ) — (13)，，。
在成为图6中记载的电枢线圈间距时，电枢线圈间距与极间距对应的比值 在从77.8%到88.9%的范围内。
此外，在图6中仅记载了每极每相定子槽数Npp在3以上7以下、极数在 12以下、定子槽数在144以下，但即使在图6的范围以外，通过使电枢线圏 间距与极间距的比值在77.8%到88.9%的范围内，也可以改善电枢电流波形。
另外，同样地，关于励磁线圏间距与转子的极间距的比值，通过成为77.8 %到88.9%的范围内，也可以实现高次谐波的减小。 (关于第3实施方式)
接下来，说明第3实施方式。第3实施方式，在第1实施方式中的交流励^磁同步发电才几(即，每两极的N,和N2的差值在士9以上的交流励》兹同步发电 机)中，通过减小转子槽的开口宽度S与间隙长度g的比值，使^兹通脉动率减 小，进一步进行电枢电流波形的改善。
首先，在图7中表示磁通脉动率和、转子槽开口宽度s与间隙长度g的比 值的关系。从图7可知，通过减小转子槽开口宽度s与间隙长度g的比值，磁 通脉动率减小，该磁通脉动率与式(12)、式(13)中的K2成比例，因此可 知，当减小转子槽的开口宽度s与间隙长度g的比值时，磁通脉动率减小，可 以改善电枢电流波形。
但是，如图9那样，使槽的形状成为在圆周方向上对称的、减小了槽开口 宽度s的半闭槽形状时，从槽开口部缠绕励磁线圈23时间隙变窄，无法进行 缠绕。
另外，在为了减小交流励磁同步发电机的体积而减小了间隙长度g的、图 10那样的现有的开放槽形状的情况下，(转子槽开口宽度s) / (间隙长度g) 成为6.8左右，万兹通脉动率由图7可知成为0.36。 (实施例5 )
在实施例5中，在交流励磁同步发电机中如图8那样使转子槽的形状在圆 周方向上成为非对称。在这种情况下，即使减小槽开口宽度s,也可以充分确 保缠绕励磁线圈23的间隙。
实施例5中的交流励磁同步发电机成为了图8那样的半闭槽形状，因此(转 子槽开口宽度s) / (间隙长度g)成为开放槽形状的一半程度的3.4左右，磁 通脉动率由图7可知成为约0.25。
因此，通过如实施例5那样使转子槽在圆周方向上成为非对称的半闭槽形 状，与图IO所示的现有的槽形状的情况相比，可以将电枢电流的高次谐波成 分降低约30 % 。
此外，在第3实施方式中，在第2实施方式中的交流励磁同步发电机中， 通过减小转子槽的开口宽度s与间隙长度g的比值，也可以使磁通脉动率减小， 进行电枢电流波形的改善。 (关于第4实施方式)
接下来，说明第4实施方式。第4实施方式，在第1实施方式中的交流励磁同步发电机(即，每两极的N,和N2的差值在士9以上的交流励磁同步发电
机)中，通过在定子槽12以及转子槽22的开口部的上部使用磁性楔15,进 一步进行电枢电流波形的改善。
在第4实施方式中，如图ll所示，在定子槽12以及转子槽22的开口部 的上部使用了磁性楔15。通过在定子槽12以及转子槽22的开口部使用磁性 楔15，在定子槽12以及转子槽22的开口部感应磁通，因此抑制了磁通的脉 动，可以改善电枢电流波形。另外，可以抑制铜损耗或铁损耗、杂散负载损耗， 因此可以提高电枢电流波形的改善效率。而且，由于抑制了磁通的脉动，因此 可以抑制振动和噪音。
此外，在第4实施方式中，在第2以及第3实施方式中的交流励^f兹同步发 电机中，通过在定子槽12以及转子槽22的开口部的上部使用磁性楔15,也 可以进行电枢电流波形的改善。 (关于第5实施方式)
接下来，说明第5实施方式。图'12是本实施方式的交流励磁同步发电系 统的整体结构图。本实施方式的交流励磁同步发电系统具有交流励磁同步发电 机l、可变频率交流励^磁装置30和动力源40。
本实施方式中的交流励磁同步发电机1是第1~第4实施方式中的交流励 磁同步发电机，具有电枢侧端子31和励磁侧端子32。在交流励磁同步发电,几 1的励磁侧端子32上连接可变频率交流励磁装置30的输出侧。交流励磁同步 发电机1的电枢侧端子31和可变频率交流励-兹装置30的输入侧，与电力系统 33相连。
交流励磁同步发电机1通过动力源40的动力使转子20旋转，并且从可变 频率交流励》兹装置30经由励磁侧端子32流过励^兹电流，由此可以从电枢侧端 子31向电力系统33供给电力。
用于经由励;兹侧端子32向交流励;兹同步发电冲几1流过励^兹电流的电力， 是从交流励磁同步发电机l的电枢侧端子31输出的电力的2、 3成，因此，如 本实施方式这样在励磁侧端子32上连接了可变频率交流励磁装置30的输出 侧，与连接在电枢侧端子31上相比，可以减小可变频率交流励^"兹装置30的 容量(耐电压性)，可以实现低成本化。另外，本实施方式中的交流励磁同步发电机1是第1 ~第4实施方式的交 流励磁同步发电机，因此从电枢侧端子31输出的电流波形失真得到改善。因 此，在本实施方式中，在交流励》兹同步发电机1的电枢侧端子31和电力系统 33之间不需要设置变换器。
不在交流励磁同步发电机1的电枢侧端子31和电力系统33之间设置变换 器的情况下，来自电枢侧端子31的电流直接流入电力系统33,从电枢端子31 输出的电流的波形需要成为不会对电力系统33造成不良影响的波形。但是， 在本实施方式中，由于从交流励》兹同步发电机1的电枢端子31输出的电流的 波形失真得到了改善，因此成为了不会对电力系统33造成不良影响的波形。
因此，在这一点上，在将电枢侧端子31和电力系统33直接连接，向电力 系统33直接进行电力供给的本实施方式的交流励》兹同步发电系统中，使用第 I ~第4实施方式的交流励-兹同步发电机也是特别有效的。
此外，在与交流励磁同步发电机具有同样构造的旋转电机中，具有线圈型 感应电动机。但是，在电动机的情况下，作为从电力系统33被供给电力的一 侧，由于不对电力系统33供给电力，因此即使不进行电流波形的改善也几乎 不对电力系统33造成不良影响。
(关于第6实施方式)
接下来，说明第6实施方式。图13是本实施方式的风力交流励磁同步发 电系统的整体结构图。本实施方式的风力交流励磁同步发电系统具有交流励 磁同步发电机1 、可变频率交流励磁装置30和动力源40。
第6实施方式中的交流励磁同步发电机1是第1~第4实施方式中的交流 励磁同步发电机，具有电枢侧端子31、励磁侧端子32。在交流励磁同步发电 机1的励磁侧端子32上连接可变频率交流励磁装置30的输出侧。交流励磁同 步发电机l的电枢侧端子31和可变频率交流励磁装置30的输入侧与电力系统 33相连。
第6实施方式中的动力源40具有风车41和增速机42，增速机42被设置 在交流励磁同步发电机1和风车41之间。成为通过增速机42增大风车41的 旋转速度的结构。
在此，图14中表示交流励磁同步发电机1的极数和体积的大小的关系。图14的横轴表示交流励磁同步发电机的极数，图14的纵轴表示交流励磁同步 发电机的体积的大小。在此，通过将极数设为6时的交涑励》兹同步发电机的体
积的大小来将交流励磁同步发电机1的体积的大小标准化。
交流励磁同步发电机l，极数越小旋转速度越高，因此当減小极数时，从
图14可知可以减小体积、可以降低成本。
但是，当极数为2时，交流励磁同步发电机1和增速机42的噪音增大， 出于对环境的考虑，难以在风力发电机中使用。因此，通过使极数为4以及6， 可以成为最佳的交流励磁同步发电机的体积的大小，可以进一步实现成本的降 低。
另外，在本实施方式的风力发电系统中，作为交流励磁同步发电机l而采 用第1~第4实施方式的交流励磁同步发电机，由此，即使减小定子10和转 子20间的间隙长度，也可以减小高次谐波对电枢电流波形的影响，因此可以 更进一步减小交流励》兹同步发电机1的体积。
因此，在本实施方式中，通过上述方法可以减小交流励磁同步发电机1的 体积，将大型风车的机舱设置到高处变得容易。
此外，在本实施方式的风力发电系统中，根据风车41的旋转的变化，调 整在交流励磁同步发电机1的励磁侧端子32上连接的可变频率交流励磁装置 30的电压及频率，保持转子20的旋转，由此可以供给与电力系统33直接连 接的稳定的电力。
如上所述，根据本发明可以提供减小电枢电流波形的失真的、交流励磁同 步发电机以及风力交流励磁同步发电机系'统。
另外，根据本发明，通过减小电枢电流波形的失真,即使缩小定子10和
转子20间的间隙长度，也可以减小高次谐波对电枢电流波形的影响，因此可 以减小交流励磁同步发电机1的体积。由此，将大型风车的机舱设置到高处可 以变得容易。
而且，根据本发明，通过减小电枢电流波形的失真，可以把从交流励磁同 步发电机l的电枢侧端子31输出的电流直接供给电力系统33,而且可以供给 对电力系统33没有不良影响的波形的电枢电流。
权利要求
1.一种同步发电机，具有在多个转子槽中容纳励磁线圈的转子、和在多个定子槽中容纳电枢线圈的定子，其特征在于，每两极的定子槽数和转子槽数的差在±9以上。
2. 根据权利要求1所述的同步发电机，其特征在于， 每两极的定子槽数和转子槽数的差在±24以下。
3. 根据权利要求1所述的同步发电机，其特征在于， 是通过励^磁装置对所述励磁线圈进行励磁、在所述电枢线圈中产生电力的交流励磁同步发电机。
4. 根据权利要求1所述的同步发电机，其特征在于， 使所述定子以及所述转子的每极每相的槽数为整数。
5. 根据权利要求4所述的同步发电机，其特征在于， 电枢线圈间距与所述定子的极间跟的比值为77.8 ~ 88.9% 。
6. 根据权利要求4所述的同步发电机，其特征在于， 励磁线圈间距与所述转子的极间距的比值为77.8 ~ 88.9% 。
7. 根据权利要求1所述的同步发电机，其特征在于， 使所述定子的每极每相的槽数为整数，使所述转子的每极每相的槽数为分数。
8. 根据权利要求1所述的同步发电机，其特征在于， 使所述定子的每极每相的槽数为分数,使所述转子的每极每相的槽数为整数。
9. 根据权利要求4所述的同步发电机，其特征在于， 使所述定子的每两极的槽数为30,使所述转子的每两极的槽数为18。
10. 根据权利要求7所述的同步发电机，其特征在于， 使所述定子的每两极的槽数为36,使所述转子的每两极的槽数为27。
11. 根据权利要求9或IO所述的同步发电机，其特征在于， 使所述同步发电机的极数为4 ~ 6。
12. 根据权利要求1所述的同步发电机，其特征在于，所述转子的槽形状在圆周方向上不对称。
13. 根据权利要求1所述的同步发电机，其特征在于， 在所述定子以及所述转子的槽的开口部的上部使用磁性楔。
14. 一种同步发电系统，具有权利要求1所述的同步发电机、和使所述转子旋转的动力源，其特征在于，所述动力源具有风车，而且在所述同步发电机和所述风车之间具有增速机。
15. 根据权利要求14所述的发电系统，其特征在于， 具有对所述励》兹线圈进行励-磁的励f兹装置， 所述励磁装置可以任意地设定电压和频率。
全文摘要
本发明提供减小电枢电流波形的失真的交流励磁同步发电机以及风力交流励磁同步发电机系统。所述同步发电机具有在多个转子槽中容纳励磁线圈的转子、和在多个定子槽中容纳电枢线圈的定子，其中，每两极的定子槽数和转子槽数的差为±9以上。
文档编号H02K19/26GK101640463SQ20091016015
公开日2010年2月3日 申请日期2009年7月28日 优先权日2008年7月29日
发明者三上浩幸, 水谷修二, 泽畠公则, 藤垣哲朗, 西滨和雄, 饭塚元信 申请人:株式会社日立制作所