特許 7554127 交流発電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-10

(45)【発行日】2024-09-19

(54)【発明の名称】交流発電機

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/10 20060101AFI20240911BHJP

   H02P 103/20 20150101ALN20240911BHJP

【ＦＩ】

H02P9/10 A

H02P103:20

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021013876

(22)【出願日】2021-01-29

(65)【公開番号】P2022117269

(43)【公開日】2022-08-10

【審査請求日】2024-01-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000241795

【氏名又は名称】北越工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002398

【氏名又は名称】弁理士法人小倉特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】内山 和哉

【審査官】池田 貴俊

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１５１６５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－００７３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭４９－０４１２０５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００３－２７４６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２０１９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００２／００５７０３０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ９／１０

Ｈ０２Ｐ １０３／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中性点を中心に電気角で１２０°の位相差でスター結線された三相巻線からなる発電機電機子巻線と，少なくとも発電機界磁巻線を備えた励磁回路を備え，前記三相巻線のそれぞれに設けられた出力端子より所定電圧の三相交流を出力可能な発電機本体と，前記発電機本体を電源とすると共に，前記発電機本体の前記励磁回路の前記発電機界磁巻線に印加する界磁電流を変化させて前記発電機本体の出力電圧を予め設定された設定電圧に近付ける制御を行う自動電圧調整器を備えた交流発電機において，
前記自動電圧調整器に，前記発電機本体が出力した交流電圧を電源電圧として入力する一対の電源入力部を設け，
一方の前記電源入力部を，前記三相巻線のうちのいずれか１相の巻線に設けた前記出力端子に接続すると共に，
他方の前記電源入力部を，前記三相巻線のうち，残りの巻線のいずれか一方の巻線上に設けた中間タップに接続可能としたことを特徴とする交流発電機。

【請求項2】

前記発電機本体に設けた前記励磁回路が，前記発電機界磁巻線に印加する界磁電流を発生する，励磁機電機子巻線と励磁機界磁巻線を備えた励磁機を備え，
前記自動電圧調整器が，前記励磁機の前記励磁機界磁巻線に印加する界磁電流を制御することにより前記発電機本体の前記発電機界磁巻線に印加する界磁電流を変化させることを特徴とする請求項１記載の交流発電機。

【請求項3】

前記自動電圧調整器に設けた前記他方の電源入力部を，前記中間タップと前記中性点のいずれか一方に選択的に接続可能としたことを特徴とする請求項１又は２記載の交流発電機。

【請求項4】

前記三相巻線のそれぞれを複数個のエレメントコイルの組合せにより形成し，所定の低圧出力を行う低圧接続と，前記低圧接続時の出力に対して２倍の電圧の高圧出力を行う高圧接続間で前記エレメントコイル間の接続状態を切り替え可能とし，
前記三相巻線のそれぞれに，前記低圧出力を行う低圧出力端子と，前記高圧出力を行う高圧出力端子を設け，
前記低圧接続時，前記中性点と前記各低圧出力端子間に，同一巻数の２巻線が並列に接続されるよう前記エレメントコイルを接続すると共に，
前記高圧接続時，前記中性点と前記各高圧出力端子間が，直列に接続された前記エレメントコイルにより接続されると共に，各三相巻線の巻数が１／２となる位置に前記各低圧出力端子が配置されるように前記エレメントコイルを接続し，
前記自動電圧調整器の前記一方の電源入力部を，前記低圧出力端子のうちのいずれか１つに接続すると共に，
前記低圧出力端子のうち残りの端子のいずれか一方と前記中性点間の巻線上に前記中間タップを設けたことを特徴とする請求項１～３いずれか１項記載の交流発電機。

【請求項5】

前記発電機電機子巻線の前記三相巻線のそれぞれを，複数個のエレメントコイルを接続して形成し，
前記中間タップを，該中間タップを設けた一相の巻線の，前記エレメントコイル間の結線部に設けたことを特徴とする請求項１～４いずれか１項記載の交流発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は交流発電機に関し，より詳細には，自動電圧調整器（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulator）を備えた交流発電機の改良に関する。

【背景技術】

【0002】

交流発電機を，界磁電流を変化させずに一定として運転する場合，該交流発電機に接続されたモータ機器等の負荷の始動や停止等に伴って負荷電流が変化すると，この負荷電流の変化に伴い交流発電機の出力電圧が変化して安定した出力電圧を得ることができない。

【0003】

そのため，出力電圧を安定させることができるよう，交流発電機には通常，自動電圧調整器（以下，「ＡＶＲ」と記載する。）が設けられ，出力電圧の安定が図られている（特許文献１参照）。

【0004】

このＡＶＲは，発電機本体の出力電圧を予め設定された設定電圧と比較し，出力電圧が設定電圧に近付くように発電機本体の界磁電流の大きさを変化させることで発電機本体の出力電圧を制御するもので，予め設定された設定電圧に対し発電機本体の出力電圧が低くなると励磁回路２１２に設けた発電機界磁巻線（図示せず）に印加する界磁電流を増大させ，逆に，設定電圧に対し発電機本体の出力電圧が高くなると印加する界磁電流を減少させる制御を行う。

【0005】

ＡＶＲは，通常，制御対象である発電機本体２１０の発電機電機子巻線２１１の出力端子に接続され，該発電機本体２１０で発生した電力によって駆動されるように構成されており，一例として図７に示すようにＡＶＲ２２０によって制御されている発電機本体２１０の発電機電機子巻線２１１が，電気角で１２０°の位相差で三相巻線Ｖ，Ｗ，Ｕをスター結線して成る，三相４線２００Ｖを出力する発電機電機子巻線２１１である場合，中性点Ｏに設けた中性点端子ｏと三相巻線Ｖ，Ｗ，Ｕのいずれか一相の出力端子間ｏ－ｖ，ｏ－ｗ，又はｏ－ｕ（図示の例ではｏ－ｕ間）で得られる単相交流１１５VをＡＶＲ２２０の電源電圧として使用する。

【0006】

しかし，このように発電機本体２１０の出力電圧によってＡＶＲ２２０を駆動する場合，大型のモータ機器の投入等によって発電機本体２１０の負荷電流が急激に増大すると，発電機本体２１０の出力電圧が大きく降下すると共に，出力電圧が設定電圧に回復するまでに長時間を要し，その結果，モータ機器を円滑に起動することができないという問題が生じる。

【0007】

すなわち，大型の負荷の投入によって発電機本体２１０の出力電圧が大幅に降下した場合，ＡＶＲ２２０はこの降下幅に見合った大きさで界磁電流を増大させることで発電機本体２１０の出力電圧を設定電圧に復帰させる。

【0008】

しかし，前述のようにＡＶＲ２２０は発電機電機子巻線２１１の出力電圧を電源電圧としているため，発電機本体２１０の出力電圧が大幅に降下すれば，ＡＶＲ２２０の電源電圧も大幅に降下することになるから，ＡＶＲ２２０は，発電機本体２１０の出力電圧の降下幅に見合った界磁電流の増加を行うことができなくなる。

【0009】

そのため，前述したように大型のモータ機器の投入等が行われて負荷電流が急増すると，発電機本体２１０の出力電圧の大幅な降下が生じると共に，出力電圧が設定電圧に回復するまでに長時間を要することとなり，モータ機器を円滑に起動させることができなくなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】特開２０１２－１０４８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

前述したように，大型負荷の投入時に大幅な電圧降下や，設定電圧への復帰に遅れが生じるという問題は，発電機本体２１０の出力電圧の降下が，ＡＶＲ２２０の電源電圧を，必要な界磁電流の増加を行い得ない程度となるまで低下させてしまうことに起因して生じるものである。

【0012】

そのため，このような問題を解消する方法としては，三相巻線Ｖ，Ｗ，Ｕのいずれか二つの出力端子間（ｖ－ｗ，ｗ－ｕ，又はｖ－ｕ間）の電圧をＡＶＲ２２０の電源電圧とすることで，ＡＶＲ２２０の電源電圧を２００Vに底上げすることが考えられる。

【0013】

このように構成することで，大型の負荷の投入によって発電機本体２１０の出力電圧が降下してＡＶＲ２２０の電源電圧が低下したとしても，出力端子ｏ－ｖ，ｏ－ｗ，又はｏ－ｕ間の１１５Vを電源電圧とする場合に比較して，低下後の電源電圧が比較的高い値（例えば１１５V以上）に維持されることで，発電機本体２１０の界磁電流を必要な大きさまで増大させるために必要な電源電圧が確保されることで，発電機本体２１０の電圧降下幅を小さくすることができると共に，早期に設定電圧に復帰させることが可能となる。

【0014】

しかし，このようにＡＶＲ２２０の電源電圧を１１５Vから２００Vに変更するためには，ＡＶＲ２２０を２００V電源での駆動に耐え得る仕様とする必要がある。

【0015】

そのため，既に１１５V電源での駆動を前提として設計されているＡＶＲが搭載されている交流発電機２００にこの構成を採用しようとすれば，ＡＶＲ２２０の電源配線を出力端子ｏ－ｖ，ｏ－ｗ，又はｏ－ｕから，出力端子ｖ－ｗ，ｗ－ｕ，又はｖ－ｕに単純に繋ぎ代えるだけでは対応できず，ＡＶＲ２２０自体を２００V対応のものに交換するか，ＡＶＲ２２０の部品を交換する等して２００Vの電圧の印加に耐え得る構造に改変する必要がある。

【0016】

このような２００V電圧に耐え得るＡＶＲは，１１５V電圧対応のＡＶＲに比較して高価となるため，前述したＡＶＲ２２０の交換や構造変更に伴うコスト増は，交流発電機２００の価格に反映されることとなり，市場における交流発電機２００の価格競争力を低下させることとなる。

【0017】

なお，負荷電流の変化に対する交流発電機の出力電圧の変動を抑制する方法としては，交流発電機のコアを大きくして鉄機械（鉄芯の比率の多い機械）とし，また，交流発電機の電機子巻線に，前述した三相巻線の他に補助巻線を設け，大型の負荷投入時には補助巻線の出力電圧もＡＶＲに印加して，ＡＶＲの電源電圧を一時的に上昇させることも考えられる。

【0018】

しかし，これらの方法では，鉄芯の増大や部品点数の増加に伴う重量や価格の増加をもたらすというデメリットがある。

【0019】

しかも，これらの方法では，交流発電機の基本設計自体を見直すことが必要で，既に商品化されている交流発電機等，既存の交流発電機の出力電圧の安定化のための改良としては採用し得ない。

【0020】

そのため，発電機本体に対する大幅な設計変更を行うことなく，かつ，ＡＶＲ自体の交換や，ＡＶＲの部品交換等を行うことなしに，既存の１１５V対応のＡＶＲをそのまま使用して，大型負荷の投入によっても出力電圧の降下幅を減少させることができると共に，設定電圧に早期に回復させることができる交流発電機の開発が要望される。

【0021】

ここで，上記課題を解決するに当たり，本発明の発明者は，１１５V対応のＡＶＲであっても，その耐電圧能にはある程度の余裕が持たせてあり，電源電圧を２００Vに上昇させた場合に対する耐電圧能までは無いにしても，１１５Vよりもある程度高い電源電圧での駆動であれば，部品等の交換を行うことなく，かつ，故障等を生じさせることなしに駆動させることができるはずであると考えた。

【0022】

従って，１１５V対応のＡＶＲを，部品の交換等を行うことなくそのまま使用した場合であっても，ＡＶＲに故障等を生じさせない範囲で１１５Vよりも高い電圧で駆動すれば，１１５V電圧で駆動する場合に比較して，大型負荷の投入時においても発電機本体の出力電圧の降下幅を小さくすることができ，また，設定電圧に早期に復帰させることができるはずであると考えた。

【0023】

しかし，既存の三相４線２００Vの交流発電機からは１１５V電圧と２００V電圧が取り出せるのみであり，ＡＶＲの電源電圧として１１５Vよりも大きい，２００V未満の電圧を任意に取り出せるようにはなっていない。

【0024】

本発明は，本発明の発明者の上記着眼点に基づきなされたもので，既存の交流発電機の構成を大幅に変更することなく，比較的簡単な変更を加えるだけで，大型の負荷の投入によっても電圧降下幅を減少させて早期に設定電圧に復帰させることができ，従って，交流発電機に負荷として大型のモータが接続された場合であっても，該モータの始動性を改善することのできる交流発電機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】

【0025】

以下に，課題を解決するための手段を，発明を実施するための形態で使用する符号と共に記載する。この符号は，特許請求の範囲の記載と，発明を実施するための形態の記載との対応を明らかにするためのものであり，言うまでもなく，本発明の技術的範囲の解釈に制限的に用いられるものではない。

【0026】

上記目的を達成するために，本発明の交流発電機１は，
中性点Ｏを中心に電気角で１２０°の位相差でスター結線された三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗからなる発電機電機子巻線１１と，少なくとも発電機界磁巻線１２４を備えた励磁回路１２を備え，前記発電機電機子巻線１１の前記三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのそれぞれに設けられた出力端子ｕ，ｖ，ｗより所定電圧の三相交流を出力可能な発電機本体１０と，前記発電機本体１０を電源とすると共に，前記発電機本体１０の前記励磁回路１２の前記発電機界磁巻線１２４に印加する界磁電流を変化させて前記発電機本体１０の出力電圧を予め設定された設定電圧に近付ける制御を行う自動電圧調整器（ＡＶＲ）２０を備えた交流発電機１において，
前記自動電圧調整器（ＡＶＲ）２０に，前記発電機本体１０が出力した交流電圧を電源電圧として入力する一対の電源入力部２１，２２を設け，
一方の前記電源入力部２１を，前記三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのうちのいずれか１相（図示の例ではＵ相）の巻線に設けた前記出力端子（図示の例では出力端子ｕ）に接続すると共に，
他方の前記電源入力部２２を，前記三相巻線Ｖ，Ｗ，Ｕのうち，残りの巻線Ｗ，Ｖのいずれか一方（図示の例ではＶ相）の巻線上に設けた中間タップｖｍに接続可能としたことを特徴とする（請求項１；図１参照）。

【0027】

前記励磁回路１２は，これを発電機界磁巻線１２４のみで構成しても良く，自動電圧調整器（ＡＶＲ）２０の出力電流を直接，発電機界磁巻線１２４に印加して発電機界磁巻線１２４に印加する界磁電流を直接，自動電圧調整器（ＡＶＲ）２０で制御するように構成するものとしても良い。

【0028】

また，発電機本体１０の前記励磁回路１２に，前述の発電機界磁巻線１２４の他に，該発電機界磁巻線１２４に印加する界磁電流を発生する，励磁機電機子巻線１２１と励磁機界磁巻線１２２を備えた交流発電機である励磁機１２０を設け，前記自動電圧調整器（ＡＶＲ）２０が，この励磁機１２０の前記励磁機界磁巻線１２２に印加する界磁電流を制御することにより前記発電機本体１０の前記発電機界磁巻線１２４に印加する界磁電流を変化させるように構成するものとしても良い（請求項２，図２参照）。

【0029】

前記自動電圧調整器（ＡＶＲ）２０に設けた前記他方の電源入力部２２は，例えば切替スイッチ３０の操作により前記中間タップｖｍと前記中性点Ｏ（中性点端子ｏ）のいずれか一方に選択的に接続可能とするものとしても良い（請求項３；図３参照）。

【0030】

更に，前記三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのそれぞれを複数個のエレメントコイル１４～１７の組合せにより形成し，所定の低圧出力（一例として三相４線２００V出力）を行う低圧接続と，前記低圧接続時の出力に対して２倍の電圧の高圧出力（一例として三相４線４００V出力）を行う高圧接続間で前記エレメントコイル１４～１７間の接続状態を切り替え可能とし，
前記三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのそれぞれに，前記低圧出力を行う低圧出力端子ｕ1，ｖ1，ｗ1と，前記高圧出力を行う高圧出力端子ｕ2，ｖ2，ｗ2を設け，
前記低圧接続時，前記中性点Ｏと前記各低圧出力端子ｕ1，ｖ1，ｗ1間に，同一巻数の２巻線が並列に接続されるよう前記エレメントコイル１４～１７を接続すると共に，
前記高圧接続時，前記中性点Ｏと前記各高圧出力端子ｕ2，ｖ2，ｗ2間が，直列に接続された前記エレメントコイル１４～１７により接続されると共に，各三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの巻数が１／２となる位置に前記各低圧出力端子ｕ1，ｖ1，ｗ1が配置されるように前記エレメントコイル１４～１７を接続し，
前記自動電圧調整器（ＡＶＲ）２０の前記一方の電源入力部２１を，前記低圧出力端子ｕ1，ｖ1，ｗ1のうちのいずれか１つ（図示の例では低圧出力端子ｕ1）に接続すると共に，
前記低圧出力端子（ｕ1，ｖ1，ｗ1）のうち残りの端子（ｖ1，ｗ1）のいずれか一方（図示の例ではｖ1）と前記中性点Ｏ間の巻線上に前記中間タップｖｍを設けるものとしても良い（請求項４；図４参照）。

【0031】

なお，前記発電機電機子巻線１１の前記三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのそれぞれを，複数個のエレメントコイル１４～１７を接続して形成する場合，
好ましくは，前記中間タップｖｍを，該中間タップｖｍを設けた一相（図示の例ではＶ相）の巻線の，前記エレメントコイル間（図示の例ではエレメントコイル１６と１７間）の結線部に設ける（請求項５；図４及び図５参照）。

【発明の効果】

【0032】

以上で説明した本発明の構成により，本発明の交流発電機１では，以下の顕著な効果を得ることができた。

【0033】

ＡＶＲ２０の一方の前記電源入力部２１を，前記三相巻線Ｖ，Ｗ，Ｕのうちのいずれか１相（図示の例ではＵ相）の巻線に設けた出力端子（図示の例では出力端子ｕ）に接続すると共に，他方の前記電源入力部２２を，前記三相巻線Ｖ，Ｗ，Ｕのうち，残りの巻線Ｗ，Ｖのいずれか一方（図示の例ではＶ相）の巻線上に設けた中間タップｖｍに接続可能としたことで，ｕ－ｏ端子間電圧（一例として１１５V）よりも高圧であるｕ－ｖｍ端子間電圧（実施例において１４７V）でＡＶＲ２０を駆動することが可能となった。

【0034】

その結果，ｕ－ｏ端子間電圧（一例として１１５V）をＡＶＲ２０の電源電圧とする従来の構成に比較して，ＡＶＲの電源電圧の底上げが行われるため，大型負荷の投入に伴い発電機本体１０の出力電圧が降下してＡＶＲ２０の電源電圧が降下した場合であっても，低下後の電源電圧を所定の範囲（一例として１１５V以上）に維持することが可能となる。

【0035】

これにより，発電機本体１０の出力電圧の降下によっても，ＡＶＲ２０は，これに対応した大きさの界磁電流を発生させることができ，大型負荷の投入によっても発電機本体１０の出力電圧の大幅な降下を抑制して，早期に設定電圧に復帰させることができ，モータ機器の始動を円滑に行わせることが可能となった。

【0036】

なお，発電機本体１０が発生する電力が増大すると，発電機本体１０の回転抵抗は増大することから，例えば本発明の交流発電機１がエンジン駆動型発電機に搭載されている場合，エンジンの暖機が不十分な状態で大型のモータ負荷を投入するなどして発電機本体１０の回転抵抗が急増すると，エンジンをストール（エンスト）させてしまう場合がある。

【0037】

しかし，ＡＶＲ２０に設けた前記他方の電源入力部２２を，前記中間タップｖｍと前記中性点Ｏ（中性点端子ｏ）のいずれか一方に選択的に接続可能とした構成では，例えばエンジンの暖機が不十分な状態にある場合などには，ＡＶＲ２０に設けた前記他方の電源入力部２２をあえて中性点Ｏ（中性点端子ｏ）に接続した状態でモータ負荷の投入を行うようにすることで，発電機本体１０の出力電圧を降下させると共に，設定電圧への復帰を遅らせることで，エンジンにかかる回転抵抗が時間をかけて徐々に上昇するようにすることでエンジンのストールを防止する等，発電機本体１０を駆動する駆動源の運転状態に合わせてＡＶＲ２０の電源電圧を変更することが可能となる。

【0038】

更に，前記発電機本体１０を，前記三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのそれぞれに，低圧出力（一例として三相２００V出力）を行う低圧出力端子（ｕ1，ｖ1，ｗ1）と，前記低圧出力に対して２倍の電圧の高圧出力（一例として三相４００V出力）を行う高圧出力端子（ｕ2，ｖ2，ｗ2）を備えた出力電圧切替型の発電機本体１０とした構成では，前述した位置にＡＶＲ２０の前記一方の電源入力部２１を接続すると共に，前述の位置に中間タップｖｍを設けたことで，発電機本体１０の出力電圧を低圧出力（三相２００V）から高圧出力（三相４００V）に切り替えた場合であっても，ＡＶＲ２０の電源電圧を低圧接続時の電源電圧（一例として１４７V）に維持してＡＶＲの耐電圧能を超えた電圧が印加されることが防止される。

【0039】

なお，前述の中間タップｖｍを，エレメントコイル１４～１７間の結線部（図示の例ではエレメントコイル１６と１７間の連結部）に設けた構成では，例えばエレメントコイル１６，１７の結線部と中間タップｖｍに設けた導線を，圧着端子３２を使用して同時に結線することで，中間タップｖｍを取り付けるための作業工程を別途設ける必要がなく，中間タップｖｍの取り付けをエレメントコイル１４～１７の結線作業と同時に行うことができた。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1】本発明の交流発電機の概略説明図。

【図2】発電機本体に設けた励磁回路の一構成例を示す説明図。

【図3】本発明の交流発電機の変更例を示した概略説明図。

【図4】出力電圧を可変とした交流発電機の三相巻線の説明図であり，（Ａ）は低圧接続，（Ｂ）は高圧接続を示す。

【図5】図４に示した三相巻線（Ｖ相巻線）の構成例を示した説明図であり，（Ａ）は低圧接続，（Ｂ）は高圧接続を示す。

【図6】モータ負荷投入試験における発電機本体の出力電圧の波形図であり，（Ａ）は本発明（ＡＶＲの電源電圧１４７V），（Ｂ）は比較例（ＡＶＲの電源電圧１１５V）の波形を示す。

【図7】従来の交流発電機の概略説明図。

【発明を実施するための形態】

【0041】

以下に，添付図面を参照しながら本発明の交流発電機１の構成例を説明する。

【0042】

〔交流発電機の全体構成〕
図１中の符号１は，本発明の交流発電機であり，この交流発電機１は，所定電圧（本実施形態において２００V）の三相４線交流を出力可能な発電機本体１０と，この発電機本体１０を電源とし，前記発電機本体１０の界磁電流を変化させて前記発電機本体１０の出力電圧を予め設定された設定電圧（本実施形態において２００V）に近付ける制御を行う自動電圧調整器（ＡＶＲ）２０を備えている。

【0043】

〔発電機本体〕
前述の発電機本体１０は三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗから成る発電機電機子巻線１１を備えており，該三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗは，それぞれ一端が中性点Ｏに接続され，該中性点Ｏを中心に電気角で１２０°の位相差でスター結線されている。

【0044】

この発電機本体１０には，発電機本体１０を励磁するための励磁回路１２が設けられており，この励磁回路１２に設けた発電機界磁巻線１２４に印加する界磁電流の大きさを，後述するＡＶＲ２０で制御することで，発電機本体１０の出力電圧を所定の設定電圧（本実施形態において２００V）に近づけるように制御することができるように構成されている。

【0045】

この励磁回路１２は，これを発電機界磁巻線１２４のみで構成し，ＡＶＲ２０の出力電流を直接，発電機界磁巻線１２４に印加することで，ＡＶＲ２０が直接，発電機界磁巻線１２４に印加する界磁電流を変化させるように構成するものとしても良いが，本実施形態では，この励磁回路１２に，前述の発電機界磁巻線１２４の他に，図２に示すように励磁機電機子巻線１２１と励磁機界磁巻線１２２を備えた励磁機（励磁用交流発電機）１２０と，この励磁機１２０の励磁機電機子巻線１２１の交流出力を直流に整流する整流器１２３を設け，この整流器１２３で整流して得た直流を発電機界磁巻線１２４に界磁電流として印加することができるように構成されており，前述の励磁機１２０に設けた励磁機電機子巻線１２１に印加する界磁電流の大きさを，出力部２３，２４を介して行われるＡＶＲ２０の出力によって制御することで，励磁機電機子巻線１２１が出力する電流の大きさを変化させることで，発電機界磁巻線１２４に印加する界磁電流の大きさを変化させることができるように構成されている。

【0046】

〔自動電圧調整器（ＡＶＲ）〕
交流発電機１には，前述の発電機界磁巻線１２４に印加する界磁電流の大きさを変化させて発電機本体１０の出力電圧を制御する自動電圧調整器（ＡＶＲ）２０が設けられている。

【0047】

このＡＶＲ２０は，発電機本体１０の出力電圧を検出すると共に，この検出された発電機本体１０の出力電圧を，予め設定された設定電圧と比較し，検出された発電機本体１０の出力電圧と設定電圧に差がある場合，発電機本体１０の出力電圧が設定電圧と一致するように，励磁回路１２に設けた発電機界磁巻線１２４に印加する界磁電流を制御する。

【0048】

励磁回路１２として，図２を参照して説明した構成のものを備えた本実施形態の交流発電機１では，ＡＶＲ２０は，前述したように発電機本体１０の励磁回路１２に設けられた励磁機界磁巻線１２２に印加する界磁電流を変化させることで，発電機界磁巻線１２４に印加する界磁電流を変化させる。

【0049】

このＡＶＲ２０は，発電機本体１０の発電機電機子巻線１１で発生した交流を電源電圧として駆動されるもので，ＡＶＲ２０には，発電機本体１０と接続される，一対の電源入力部２１，２２が設けられており，この電源入力部２１，２２が，発電機本体１０の発電機電機子巻線１１に設けた三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されている。

【0050】

本発明の交流発電機１では，図１に示すように，ＡＶＲ２０に設けた一方の電源入力部２１を，三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのいずれか１つの出力端子ｕ，ｖ，ｗ（図示の例ではＵ相巻線の出力端子ｕ）に接続すると共に，他方の電源入力部２２を，残りの二相の巻線のいずれか一方（図示の例ではＶ相）の巻線上の任意の位置に設けた中間タップｖｍに接続し，出力端子ｕと中間タップｖｍ間の電圧をＡＶＲ２０の電源電圧としている。

【0051】

この中間タップｖｍは，出力端子ｕと中間タップｖｍ間の電圧がＡＶＲ２０の耐電圧能の範囲内となるものであればＶ相巻線上のいずれの位置に設けるものとしても良いが，ＡＶＲ２０の耐電圧能の範囲内において可及的に高い電圧が得られる位置に設けることが望ましい。

【0052】

本実施形態では，出力端子ｕと中間タップｖｍ間の電圧が一例として１４７Vとなる位置に中間タップｖｍを設けた。

【0053】

〔作用等〕
以上のように構成された本発明の交流発電機１において，発電機本体１０に接続されたモータ機器等の大型の負荷を投入すると，発電機本体１０の負荷電流が増大し，この負荷電流の増大に伴って発電機本体１０の出力電圧は低下する。

【0054】

この発電機本体１０の出力電圧の低下を検出したＡＶＲ２０は，励磁回路１２に設けた励磁機界磁巻線１２２に印加する界磁電流を増大させることで，励磁機電機子巻線１２１の出力電流を増大させて，発電機本体１０の発電機界磁巻線１２４に印加する界磁電流を増大させ，これにより発電機電機子巻線１１の出力電圧を設定電圧に復帰させる。

【0055】

ここで，中性点Ｏと出力端子ｕ間の電圧（一例として１１５V）をＡＶＲ２０の電源電圧としていた従来の構造（図７参照）では，発電機本体１０の出力電圧が降下すると，ＡＶＲ２０の電源電圧も１１５V未満に低下してしまう。

【0056】

そのため，ＡＶＲ２０が発電機本体１０の出力電圧の降下に見合った分，界磁電流を増大させようとしても，ＡＶＲ２０の電源電圧が降下しているために発電機本体１０の界磁電流（励磁機１２０の励磁機界磁巻線１２２に印加する界磁電流）を必要量，増大させることができなくなる。

【0057】

その結果，発電機本体１０の出力電圧の降下幅が大きくなると共に，発電機本体１０の出力電圧を設定電圧に復帰させるまでに比較的長い時間を要するものとなっていた。

【0058】

これに対し，出力端子ｕと中間タップｖｍ間の電圧（一例として１４７V）をＡＶＲ２０の電源電圧とした本発明の構成では，大型の負荷の投入によって発電機本体１０の出力電圧が降下した場合であっても，降下後のＡＶＲ２０の電源電圧は中性点Ｏと出力端子ｕ間の電圧（一例として１１５V）を電源電圧とした場合に比較して高い状態に維持（一例として１１５V以上に維持）することができる。

【0059】

その結果，励磁回路１２に設けた励磁機界磁巻線１２２に印加する界磁電流を直ちに必要な大きさまで増大（従って，励磁機１２０が整流器１２３を介して発電機本体１０の発電機界磁巻線１２４に印加する界磁電流を必要な大きさまで増大）させることができ，その結果，発電機本体１０の出力電圧の降下幅を減少させることができると共に，発電機本体１０の出力電圧を早期に設定電圧まで回復させることが可能となっている。

【0060】

〔変更例１〕
以上，図１を参照して説明した本発明の交流発電機１では，ＡＶＲ２０に設けた他方の電源入力部２２を，中間タップｖｍにのみ接続するものとして説明した。

【0061】

これに対し，ＡＶＲ２０の他方の電源入力部２２は，図３に示すように，中間タップｖｍと中性点Ｏ（中性点Ｏに設けた中性点端子ｏ）のいずれか一方に選択的に接続可能に構成するものとしても良い。

【0062】

図３に示す実施形態では，このような選択的な接続を可能とするために，ＡＶＲ２０の他方の電源入力部２２と，中間タップｖｍ及び中性点端子ｏ間の回路中に切替スイッチ３０を設け，ＡＶＲ２０の他方の電源入力部２２を，中間タップｖｍ，又は中性点端子ｏのいずれか一方に選択的に接続可能としている。

【0063】

このように構成することで，ＡＶＲ２０の電源電圧を，例えば交流発電機１を駆動する駆動源（例えばエンジン）の駆動状態等に対応して，１１５V又は１４７Vのいずれかに選択することが可能となる。

【0064】

例えば，本発明の交流発電機１の駆動源がエンジンである場合，エンジンの暖機が不十分な状態で大型負荷を投入する場合には，自動電圧調整器（ＡＶＲ）に設けた前記他方の電源入力部２２を中性点Ｏ（中性点端子ｏ）に接続した状態（ＡＶＲ２０の電源電圧を１１５Vとした状態）でモータ負荷の投入を行うようにする。

【0065】

発電機本体１０は，発電量が増えると回転抵抗が増大するが，このようにＡＶＲ２０の電源電圧をあえて１１５Vに低下させた状態で負荷の投入を行うことで，負荷投入時の発電機本体１０の出力電圧を意図的に降下させると共に，設定電圧への復帰を遅らせることで，エンジンに加わる回転抵抗を，負荷の投入から比較的長い時間をかけて徐々に増加させることができ，これによりエンジンのストールを防止することができる。

【0066】

一方，エンジンの暖機が十分に行われている状態，すなわち，発電機本体１０の回転抵抗の増大によってもエンジンがストールするおそれがない状態では，ＡＶＲ２０の他方の電源入力部２２を中間タップｖｍに接続した状態（ＡＶＲ２０の電源電圧を１４７Vとした状態）で負荷を投入することで，発電機本体１０の出力電圧の降下幅を減少させると共に，設定電圧への復帰を早期に行わせることで，モータ負荷の始動を円滑に行わせるようにすることができる。

【0067】

〔変更例２〕
以上，図１及び図３を参照した説明では，本発明の構成を，所定電圧（一例として２００V）の三相４線出力の交流のみを出力可能な発電機本体１０に対して適用する場合を例に取り説明した。

【0068】

この構成に代え，本発明の構成は，各三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗを複数個のエレメントコイル１４～１７の組合せによって形成し，エレメントコイル１４～１７の接続状態を切り替えることにより，所定の低圧出力（一例として三相４線２００V出力）を行う低圧接続と，前記低圧接続時の出力に対して２倍の電圧の高圧出力（一例として三相４線４００V出力）を行う高圧接続間で前記エレメントコイル１４～１７間の接続状態を切り替え可能とした，出力電圧可変型の交流発電機に対し適用するものとしても良い。

【0069】

この場合，低圧接続から高圧接続への切り替えによって発電機本体１０の出力電圧が２倍に増大しても，ＡＶＲ２０の電源電圧が低圧接続時の電源電圧（一例として１４７V）のまま維持されるように構成する必要がある。

【0070】

このような電源電圧を取り出し可能とするため，本実施形態では，図４に示すように，三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのそれぞれを４つのエレメントコイル１４～１７の組合せにより形成した。

【0071】

この各相の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗを構成するエレメントコイル１４～１７は，図４に示すように，２つの４段エレメントコイル１４，１６と，２つの５段エレメントコイル１５，１７から成り，三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのそれぞれに低圧出力端子ｕ1，ｖ1，ｗ1と高圧出力端子ｕ2，ｖ2，ｗ2を設けると共に，中性点Ｏと低圧出力端子ｕ1，ｖ1，ｗ1間，又は，中性点Ｏと高圧出力端子ｕ2，ｖ2，ｗ2間で，図４（Ａ）又は図４（Ｂ）に示すいずれかの接続状態に切り替えることで，三相４線２００V出力を行う低圧接続〔図４（Ａ），図５（Ａ）参照〕と，三相４線４００V出力を行う高圧接続〔図４（Ｂ），図５（Ｂ）参照〕間で発電機本体１０の出力を切り替えることができるように構成されている。

【0072】

低圧出力を行う場合には，図４（Ａ）に示すように，一方の４段のエレメントコイル１４と一方の５段のエレメントコイル１５を直列に接続したエレメントコイルの組（１４－１５）と，他方の４段のエレメントコイル１６と他方の５段エレメントコイル１７を直列に接続したエレメントコイルの組（１６－１７）を，中性点Ｏと各低圧出力端子ｕ1，ｖ1，ｗ1の間に並列に接続することで，中性点Ｏに接続された中性点端子ｏと各低圧出力端子ｕ1，ｖ1，ｗ1より３相４線２００Vの出力が得られるように構成されている。

【0073】

一方，高圧出力を行う場合には，図４（Ｂ）に示すように，他方の４段のエレメントコイル１６と他方の５段のエレメントコイル１７を直列に接続したエレメントコイルの組（１６－１７）と，一方の４段のエレメントコイル１４と一方の５段のエレメントコイル１５を直列に接続したエレメントコイルの組（１４－１５）を，中性点Ｏと各高圧出力端子ｕ2，ｖ2，ｗ2の間に直列に接続することで，中性点Ｏに接続された中性点端子ｏと各高圧出力端子ｕ2，ｖ2，ｗ2より三相４線４００Vの出力が得られるように構成されていると共に，一方のエレメントコイルの組（１４－１５）と，他方のエレメントコイルの組（１６－１７）間，すなわち，各三相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの巻数が１／２となる位置に前記各低圧出力端子ｕ1，ｖ1，ｗ1が配置されるように構成することで，中性点Ｏに接続された中性点端子と各低圧出力端子間（ｏ－ｕ1，ｏ－ｖ1，ｏ－ｗ1間）で１１５Vの電圧が得られるように構成されている。

【0074】

このように，出力電圧を可変とした交流発電機１０に本発明の構成を適用する場合，ＡＶＲ２０の前記一方の電源入力部２１を，低圧出力端子ｕ1，ｖ1，ｗ1のうちのいずれか１つの（図示の例では低圧出力端子ｕ1）に接続する。

【0075】

そして，前記低圧出力端子（ｕ1，ｖ1，ｗ1）のうち残りの端子（ｖ1，ｗ1）のいずれか一方（図示の例ではｖ1）と前記中性点Ｏ間，図示の例では，他方の４段エレメントコイル１６と他方の５段エレメントコイル１７との結線部に中間タップｖｍを設け，この中間タップｖｍにＡＶＲ２０に設けた他方の電源入力部２２を接続可能とした。

【0076】

上記の位置にＡＶＲ２０の電源入力部２１，２２を接続することで，発電機本体１０が図４（Ａ）に示す低圧接続，図４（Ｂ）に示す高圧接続のいずれの状態にあるときであっても，ＡＶＲ２０の電源電圧を共通（本実施形態ではいずれも１４７Vで共通）とすることができ，高圧接続に切り替えて発電機本体１０の出力電圧が２倍となった場合であっても，ＡＶＲ２０の耐電圧能を超えた電圧が印加されることが防止される。

【0077】

なお，前述したように中間タップｖｍをエレメントコイル１６，１７間の結線部に取り付ける構成では，図５に示すように結線部を，圧着端子３２等を使用して結線する際に，圧着端子３２内にエレメントコイル１６，１７の結線部のみならず中間タップｖｍに設けた導線も挿入して共に圧着することで，中間タップｖｍを，エレメントコイル１６，１７間の結線と同時に取り付けることができ，中間タップｖｍを取り付けるための工程を別途設ける必要がない。

【実施例】

【0078】

次に，本発明の効果確認試験を行った結果を，実施例として以下に示す。

【0079】

〔試験の目的〕
交流発電機に本発明の構成を採用することで，大型負荷の投入時における発電機本体の出力電圧の降下幅を小さくすることができると共に，電圧降下後，設定電圧に復帰するまでの時間を短縮することができることを確認する。

【0080】

〔試験方法〕
図４及び図５を参照して説明した交流発電機（定格出力８０kVA）を，周波数５０Hz，定格電圧２００V〔図４（Ａ），図５（Ａ）の低圧接続〕で運転し，負荷の投入前後における出力電圧の変化を観察した。

【0081】

実施例として，図４（Ａ）に示した低圧接続における低圧出力端子ｕ1と中間タップｖｍ間の電圧（１４７V）をＡＶＲの電源電圧とした交流発電機を使用した。

【0082】

比較例として，図４（Ａ）に示した低圧接続における低圧出力端子ｕ1と中性点Ｏ（中性点端子ｏ）間の電圧（１１５V）をＡＶＲの電源電圧とした交流発電機を使用した。

【0083】

負荷として，定格負荷を投入した際の出力電圧の変化を測定する「定格負荷投入試験」と，モータ負荷を投入した際の出力電圧の変化を測定する「モータ負荷投入試験」をそれぞれ行った。

【0084】

出力電圧の降下幅は，負荷の投入後，発電機本体の出力電圧が最も低くなった時点の出力電圧を「最低電圧」とし，次式により求めた「電圧降下率（％）」によって評価した。
電圧降下率＝（定格電圧－最低電圧）／定格電圧×１００（％）

【0085】

なお，「モータ負荷投入試験」で使用したモータは，実施例及び比較例共に，東芝産業機器システム株式会社製「ＴＫＫＨ3-ＦＢＫ２１Ｅ」（出力３７kW）である。

【0086】

〔試験結果〕
定格負荷投入試験の結果を表１に，モータ負荷投入試験の結果を表２にそれぞれ示す。

【0087】

また，モータ負荷投入前後における，実施例の交流発電機における出力電圧波形の変化を図６（Ａ）に，比較例の交流発電機における出力電圧波形の変化を図６（Ｂ）にそれぞれ示す。

【0088】

【表1】

【0089】

【表2】

【0090】

〔考察〕
上記試験結果より，定格負荷投入試験，及びモータ負荷投入試験のいずれの結果からも，実施例の交流発電機では電圧降下率が小さくなっており，負荷の投入時における出力電圧の降下幅が減少していることが確認でき，本発明の構成の採用が発電機本体の出力電圧の安定化に寄与するものであることが確認された。

【0091】

また，図６（Ａ），（Ｂ）に示した出力電圧波形より，本発明の交流発電機（実施例）の方が，負荷投入後，より短時間で定格電圧(２００V)に復帰していることが判り，モータを円滑に始動させることができていることが確認された。

【符号の説明】

【0092】

１ 交流発電機
１０ 発電機本体
１１ 発電機電機子巻線
１２ 励磁回路
１２０ 励磁機
１２１ 励磁機電機子巻線
１２２ 励磁機界磁巻線
１２３ 整流器
１２４ 発電機界磁巻線
１４ エレメントコイル（４段／一方）
１５ エレメントコイル（５段／一方）
１６ エレメントコイル（４段／他方）
１７ エレメントコイル（５段／他方）
２０ 自動電圧調整器（ＡＶＲ）
２１ 電源入力部（一方）
２２ 電源入力部（他方）
２３，２４ 出力部
３０ 切替スイッチ
３２ 圧着端子
２００ 交流発電機
２１０ 発電機本体
２１１ 発電機電機子巻線
２１２ 励磁回路
２２０ 自動電圧調整器（ＡＶＲ）
Ｕ，Ｖ，Ｗ 三相巻線
ｕ，ｖ，ｗ 出力端子
ｕ1，ｖ1，ｗ1 低圧出力端子
ｕ2，ｖ2，ｗ2 高圧出力端子
Ｏ 中性点
ｏ 中性点端子
ｖｍ 中間タップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】