CN101179210B - 旋转电机的电枢绕组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转电机的电枢绕组，其包括至少一个由多个单元线导体组成的电枢绕组棒，其中，所述电枢绕组棒包括单元线导体，所述单元线导体设置为在绕线槽边界区和中间区具有180度的扭曲换位角且在该单元线导体的绕线槽的另一边界区具有不同于180度的扭曲换位角。

Description

旋转电机的电枢绕组

技术领域

本发明涉及一种旋转电机、旋转电机的定子和旋转电机的电枢绕组。 

背景技术

旋转电机的定子如图25A所示配置。图25A为显示旋转电机定子的一部分的剖视图，其中，在配置有堆叠铁板的定子的铁芯3中形成多个绕线槽10，并且电枢绕组2安装在每个绕线槽10中。绕线槽10在铁芯3中沿转子(未示出)旋转轴延伸的方向形成，且在铁芯3的径向上设有多个风道(未示出)。电枢绕组2存储在每一个绕线槽10中。 

存储在槽10中的电枢绕组2包括顶部绕组部分2c和底部绕组部分2d，其中的每一个都由堆叠的绞合线(strand)或单元线导体5组成。绕组部分2c和2d的每一个都由两列2c1和2c2组成，每一列都包括如图25B所示的多个堆叠导体5，其中一个绕组部分2c的一部分作为例子示出。绕组部分2c和2d在槽10的开口部分由楔形块3A固定在槽10中。如图25B所示，列2c1和2c2中的导体5在槽10中沿其纵向扭曲。当导体5以换位节距P扭曲时，导体5的位置换位360度，比如，作为典型实例的介于槽10两端之间。另一个绕组部分2d以类似的方式配置。 

此外，单元线导体5通常在电枢绕组2的两侧部分短路以形成通常具有连接的端部的半线圈，该连接的端部构成为从铁芯3的槽10的两侧末端突出到外面，因此，半线圈中的单元线导体5通常是并联连接的。 

在交流电流过发电机中的多重单元线导体5的情况下，比如，产生了如图25A所示的沿圆周方向的穿过绕线槽10的漏磁通F，则会在单元线导体5中产生交流电压。如果在半线圈中的一对单元线导体之间产生非常大的电压，比如，大的循环电流，即沿由单元线导体对形成的闭合回路流动的电流，于是电流损失增加并且在单元线导体对内产生的热量也增加。 

因此，为了基本上均衡在每一个单元线导体对中产生的电压，以阻止循环电流的流动，每一个配对的单元线导体都以在1915年发给L.Roebel的 No.1144252美国专利或1958年发给W.L.Ringland的No.2821641美国专利的专利文献中公开的各种方法换位或扭曲。 

以下参照图26和27对单元线导体的换位方法，也即上述专利文献中公开的常规方法，作以说明。在换位单元线导体的过程中，该单元线导体沿绕线槽的纵向扭曲，由此单元线导体的位置连续地改变。在该单元线导体的横断面上，假如某个单元线导体对围绕导体剖面中心周围旋转，则换位的度数由绕该导体的纵轴的旋转角度来表示。单元线导体从绕线槽一端的起动位置到绕线槽的另一端与该起动位置同样的位置的换位称为360度换位(参照美国专利No.1144252)。 

图26是表示单元线导体对的360度换位的示意图。单元线导体对的其中一个在图26中显示为由五个导体部分5a、5b、5c、5d和5e组成的导体5。定子绕组2中导体5的导体部分5a、5b和5c定位在在定子铁芯3中沿转子(未示出)的旋转轴延伸形成的有效区域(active area)或者绕线槽10中。导体对中的导体5在绕线槽10中的部分5a和5b之间、5b和5c之间分别扭曲180度，从而，导体5在绕线槽10中换位360度。单元线导体5的两端，示为部分5d和5e，延伸到槽10的外面。虽然没有在图上示出，但是部分5d和5e与导体对的另一单元线导体(未示出)的对应端部连接，因此包括导体5的导体对在从槽10的两侧突出到外面的电枢绕组2的半线圈的两端彼此并联连接，以形成作为绞合线对的闭合电路环。 

在图26所示的结构中，假设磁通16a到16d与导体5的部分5a到5c在槽10中互连。在图中，磁通16a互连部分5a，通量16b和16c互连部分5b，通量16d互连部分5c。相应地，通量16x和16y也分别互连导体5的外面部分5d和5e。图中的通量在图纸的法线方向上互连。图中所示的圆中的符号“x”表示通量的方向从图纸的顶面指向其背面，圆中的符号“·”表示通量的方向为从图纸的背面指向其顶面。磁通16a到16d、16x和16y是在特定的电流流过单元线导体5时产生的，以便指示由流过导体5的部分5a到5e的电流引起的感生电压。比如，在图26中，给定一种结构以使通量16a和16d的和的绝对值等于通量16b和16c的和的绝对值，从而，部分5a和5c中的感生电压被绕线槽10中的部分5b中的感生电压抵销。 

然而，尽管如上公开的对定位在绕线槽10中的导体实施360度换位，但是未对绕线槽10外侧的导体5的部分5d和5e执行换位。因此，将会通过定子铁芯3外侧的两端部分的漏磁通16x和16y产生不平衡电压，且会在由单元线导体5和与导体5在其两端并联连接的另一导体(未示出)组成的导体对形成的闭合电路中产生循环电流。 

如上所述，定子铁芯3的外部存在有漏磁通16x和16y，由此在绕线导体5的末端部分以及与导体5并联连接的导体的末端部分产生不平衡电压，循环电流流入由单元线导体对形成的闭合电路中，于是产生了电流损失。为了减少该损失，单元线导体5在其两端的位置应该换位180度，从而在同一单元线导体对5的两端部分5d和5e产生的电压方向相反，由此他们可以抵销或补偿。这可以通过使单元线导体对在绕线槽10中换位540度来实现，也就是使单元线导体对5换位一圈半，即540度换位(参照美国专利No.2821641)，假设漏磁通16x等于通量16y。现在，540度换位将参照图27作以说明。 

图27是表示单元线导体对的540度换位的示意图。与图26中相同的组件用相同的参考数字标明，这里在图27中省略重复说明。 

在图27中，定子铁芯3两侧区域(左侧铁芯边界区和右侧铁芯边界区)的两个距离为铁芯长度Ls的1/4Ls的换位节距是铁芯3中绕线槽10的铁芯长度Ls的1/2Ls的距离的一半。即，中间区的换位节距是1，而铁芯边界区的换位节距是1/2，并对铁芯3的两个边界区4A、4B的每一个和中间区4C实施180度换位。包含在边界区4A、4B中的单元线导体部分5a和5c中的互连磁通16a和16e的和等于包含在中间区4C中的部分5b中的通量16c，边界区4A、4B的部分5b和5f中的通量16b和16f的和等于中间区4C的部分5c中的通量16d，因此，定位在绕线槽10中的在导体部分5a到5c和5f产生的感生电压被抵消。另外，在绕线槽10的外侧，由与外侧部分5d和5e互连的磁通16x和16y产生的电压也分别被抵消，因此由漏磁通在导体5的末端部分上施加的循环电流也会在由包括导体5的导体对形成的闭合电路中减小或减到最小。 

对于电枢绕组和旋转电机的励磁绕组，由于形成电枢线圈3的每一个导体5包有绝缘材料，因此温度上限受到用来成形这些卷绕导体的绝缘材料的耐热 性能的严格限制。在设计旋转电机时，必须作出保持所述温度等于或低于额定值的设计。 

在如上所述的常规方法中，当图27所示的单元线导体的换位角设定为540度时，在两端部分5d和5e的漏磁通彼此相等的情况下，在单元线导体对的两端产生的感生电压理论上被抵消。然而，在两端部分5d和5e与单元线导体对互连的磁通量彼此不同的情况下，在铁芯3外侧的末端部分产生的感生电压不能完全抵消。以下给出所述情况的例子。 

比如，如图28所示，从定子铁芯3的侧端沿轴向延伸的线圈端部部分的长度Xc和Xt彼此不同。此外，如图29所示，从定子铁芯3的第一槽的左端突出的电枢绕组2的半线圈2c与保持在定子铁芯3的第二槽中的另一半线圈2d连接，且从铁芯3的另一末端突出的半线圈2d的另一端还与保持在第三槽中的另外的半线圈2e相连，所述第三槽不同于固定半线圈2c的第一槽。因此，半线圈2d和2e右侧的第二和第三槽之间的距离βc比铁芯3左侧的第一和第二槽之间的距离βt短。 

就图29来说，半线圈2e进入其中的第三槽可以是半线圈2c保持在其右侧的第一槽附近的槽，且所述两槽之间的距离可以由两个或多个槽隔开。所述槽之间的距离依据电枢绕组的线圈的连接确定，且铁芯3的槽外面的线圈的末端部分的长度彼此不同。该事实导致突出在铁芯3外面的线圈的末端部分关联产生的磁通量在电枢绕组2的一个连接侧和另一连接侧之间不同。 

另外，如图30示意性所示，在铁芯3的槽10外面的连接部分，由于从旋转电机的负载端子到电枢绕组的接线端子或具有外部并联电路的接线端子的连接，电枢绕组2的单元线导体5被连接到连接铜带12上。电流同样流过该连接铜带12，并产生磁通。如果该外部产生的磁通与导体5的末端部分相关，则左侧的互连磁通16x和右侧的互联磁通16y不能完全抵消。 

图31示出了一种涡轮发电机的扭曲的单元线导体上产生的损失分布的例子，该损失是通过数值分析获得的。图示为在导体两端的互连磁通量彼此相等的情况下(如虚线所示)和在两端互连磁通量彼此不同的情况下(如实线所示)的损失分布的例子。可以发现，在两端通量数量不同的情况下，由于在单元线导体和循环电流之间产生的不平衡电压，单元线损失的最大值如实线所示增 加。单元线导体损失最大值增加的多少依赖于例如旋转电机的结构的设计或在旋转电机的绕组中的电流水平。另外，与导体的末端部分相关的磁通水平甚至在如图25所示的顶部和底部线圈之间彼此不同，因此损失彼此不同。另外，所述不同还根据电枢绕组棒(armature-winding bar)的周向位置不同而产生。 

如果在单元线导体的两端部分上与单元线导体有关的互连磁通量的数量彼此不同，那么在单元线导体中产生的感生电压不被完全抵消，循环电流在单元线导体对中流动，并产生损失，从而在旋转电机中引起局部过热或效率下降。 

本发明是为了解决如上所述的问题，且本发明的一个目的是提供一种旋转电机的电枢绕组、一种旋转电机的定子和一个旋转电机，其能够通过在定子铁芯的两端部的互连于单元线导体的磁通的差的作用来减少单元线导体对中的循环电流，并且能够抑制电枢绕组的损失增加和局部过热。 

发明内容

本发明的第一方面提供一种旋转电机的电枢绕组，其包括由多个单元线导体组成的至少一个电枢绕组，在多个绕线槽的每一个设置在定子铁芯上，形成至少一个单元线导体以便使其沿绕线槽的延伸方向被扭曲且换位，该单元线导体在从定子铁芯的两侧端向外侧突出的两端处被短路，其中，所述电枢绕组包括电枢绕组棒，其中设置在绕线槽中的单元线导体上的换位节距在绕线槽的两端附近和中间区彼此不同，绕线槽中导体的一端附近和中间区的换位角均设定在180度，且绕线槽中导体的另一端附近的换位角设置为不同于180度。 

本发明的第二方面提供一种旋转电机的定子，其包括在径向上设有多个通风管道和轴向上设有多个绕线槽的定子铁芯；和其中至少一个电枢绕组棒安装在所述绕线槽之一上的电枢绕组，所述棒由堆叠在所述绕线槽中的多个单元线导体组成，形成至少一个所述单元线导体以便使其沿所述绕线槽的延伸方向被扭曲和换位，所述单元线导体在从所述定子铁芯的两侧端向外侧突出的两端被短路，包围在所述绕线槽中的单元线导体的部分的换位节距在所述绕线槽两端附近和中间区彼此不同，总的换位角为大约540度，其中，辅助铁芯部分包括设有不同铁芯填充系数的部分，以便减少由于在所述单元线导体互连的磁通的差而在所述单元线导体的两端产生的不平衡电压。 

本发明的第三方面提供一种旋转电机的定子，包括在径向上设有多个通风管道且在轴向上设有多个绕线槽的定子铁芯；和包括多个电枢绕组棒的电枢绕组，每一个电枢绕组棒由堆叠在每一个绕线槽中的多个单元线导体组成，形成至少一个单元线导体以便使其在所述绕线槽的一部分上沿绕线槽的延伸方向被扭曲和换位，所述单元线导体在从定子铁芯的两侧端向外侧突出的两端上被短路，设置在所述绕线槽的部分的换位节距在所述绕线槽的两个边界区附近和中间区彼此不同，总的换位角是大约540度，其中，所述电枢绕组棒包括以不同长度从所述绕线槽的两端突出的部分，以便减少由于互连所述单元线导体的磁通的差而其两端在单元线导体中产生的不平衡电压。 

本发明的第四方面提供一种旋转电机的定子，包括在径向上设有多个通风管道并在轴向上设有多个绕线槽的定子铁芯；和具有由堆叠在绕线槽中的多个单元线导体组成的至少一个电枢绕组棒的电枢绕组，形成单元线导体之一以便使其沿绕线槽的延伸方向被扭曲和换位，所述单元线导体在从定子铁芯的两侧端向外侧突出的两侧上被短路，设置在所述绕线槽中的单元线导体的换位节距在所述绕线槽的两个边界区附近和中间区之间彼此不同，总的换位角基本上为540度，其中，在定子铁芯轴向的端部比单元线导体进行换位的部分更靠外侧，设置有辅助铁芯部分以便减少在所述单元线导体之间产生的不平衡电压，所述电压是由于在所述单元线导体互连的磁通差而在电枢绕组的两端产生的。 

依据本发明的另一方面，提供一种旋转电机的电枢绕组、旋转电机的定子和旋转电机，其能够减少由于互连到单元线导体的磁通的差而施加在由单元线导体形成的闭合电路中的循环电流，并能够抑制电枢绕组的损失增加和局部过热。 

附图说明

图1是用于说明依据本发明的第一实施例的基本结构的视图； 

图2是用于说明依据本发明的第一实施例的基本结构的典型改进的视图； 

图3是在本发明的第一实施例中，将导体在铁芯边界区1的换位角设定为一个参数，通过标绘在单元线导体中损失的最大值而获得的视图； 

图4是显示本发明的第一实施例中单元线导体的损失分布和现有技术中540度换位的单元线导体的损失分布的视图； 

图5是显示本发明的图1的实施例中通过数值分析得出的线圈端部之间的关联磁通差和铁芯边界区1的换位角之间的关系的视图； 

图6是用于说明本发明的图21的实施例中通过数值分析得出的最大损失值变成最小时的换位角的视图； 

图7是显示本发明的第二实施例的基本结构的视图； 

图8是显示本发明的第二实施例的基本结构的典型改进的视图； 

图9是显示本发明的第二实施例的通过数值分析得出的单元线导体的端部区域的换位角和最大损失值之间关系的视图； 

图10是显示本发明的第一实施例通过数值分析得出的最大损失值变成最小时的换位角的视图； 

图11是显示本发明的第一实施例通过数值分析例子得出的最大损失值变成最小时的换位角的另一视图； 

图12是显示本发明的第三实施例的基本结构的视图； 

图13是本发明的第三实施例中旋转电机的定子的局部剖视图； 

图14是显示本发明的第三实施例通过数值分析得出的单元线导体中的损失分布的视图； 

图15是本发明的第三实施例的改进1的定子的局部剖视图； 

图16是本发明的第三实施例的改进2的定子的局部剖视图； 

图17是本发明的第三实施例的改进3的定子的局部剖视图； 

图18是本发明的第三实施例的改进4的定子的局部剖视图； 

图19是本发明的第三实施例的改进5的定子的局部剖视图； 

图20是显示本发明的第四实施例的旋转电机的定子的基本结构视图； 

图21是用于说明本发明的第四实施例中为减少电枢绕组的损失的单元线导体的线性部分长度比的视图； 

图22是显示本发明的第五实施例的旋转电机中的定子的一部分的基本结构视图； 

图23是显示依据本发明的第五实施例的旋转电机中的定子的改进1的一部分的基本结构的视图； 

图24是显示依据本发明的第五实施例的旋转电机中的定子的改进2的一部分的基本结构的视图； 

图25A是显示旋转电机的定子的一部分的透视图，所述旋转电机具有槽，该槽设置有从中产生漏磁通的电枢绕组； 

图25B是显示包括图25A所示的扭曲的绞合线的线圈段的一部分的透视图； 

图26是显示现有技术中的旋转电机的扭曲单元线导体的第一例子(在360度换位的情况下)的基本结构的示意图； 

图27是显示现有技术中的旋转电机的扭曲单元线导体的第二例子(在540度换位的情况下)的基本结构的示意图； 

图28是用于说明图27中的现有技术的旋转电机的定子的示意图，其中定子铁芯沿其轴向被切去； 

图29是用于说明图27中的现有技术的旋转电机的定子的示意图，其中定子铁芯沿其周向被打开； 

图30是用于说明现有技术中旋转电机的定子中的540度换位的情况下的基本结构图；和 

图31是显示通过数值分析得出的单元线导体的损失分布比较图，一种是图30中的旋转电机的定子两端上的左侧和右侧磁通彼此相等的情况和一种左侧和右侧磁通彼此不同的情况。 

具体实施方式

以下，参照附图，将给出依据本发明的旋转电机的电枢绕组、旋转电机的定子和旋转电机的实施例的说明。 

(第一实施例) 

首先，参照图1对第一实施例作以说明。依据本发明第一实施例的旋转电机的结构如图1中所示，其由转子1、具有沿转子1的旋转轴延伸的多个绕线槽10的定子铁芯3和嵌入绕线槽10中的电枢绕组2组成。电枢绕组2具有由若干堆叠的单元线导体或绞合线组成的至少一个电枢绕组棒。例如，如图25A所示，电枢绕组棒由堆叠在槽10中的上部线圈组2c和下部线圈组2d组成，槽10的开口处设置有将线圈组2c和2d保持在槽10中的楔形块3A。 

在图1的实施例中，设置在电枢绕组2中的两个绞合线或导体5A和5B在设置在绕线槽10中的部分的定子铁芯3中沿延伸方向连续扭曲，因此，形成扭曲的导体5A和5B的单元线导体在从定子铁芯3的两侧端突出到外面的电枢绕组2的两端被短路。两个扭曲的导体5A、5B之间的换位节距在中间区被设定为Pm，在边界区4A和4B被设定为Pb。 

假设电枢绕组2中导体5A的两端的互连单元线导体5A的磁通彼此不同。另外，在图1中，假设互连于在定子铁芯3的右侧端部的导体5A的漏磁通小于左侧端部的漏磁通。为了在图中表示该数量关系，导体5A右侧末端部分的长度示意性地假定是短的。因此，该图并不代表导体5A末端部分长度的实际差，而是代表铁芯3外部两侧互连通量的数量之间的差。 

在单元线导体5A中，假定定子铁芯3中槽10的轴向长度是Ls，在图1的定子铁芯3的右端附近的1/4Ls的范围内(铁芯边界区4B)进行180度的换位或扭曲，并且进一步地，在铁芯中间区4C的1/2Ls的范围内进行180度换位。进一步地，在图1的定子铁芯3的左侧端附近的1/4Ls范围内(铁芯边界区4A)的换位角A小于180度，比如，设定为170度的角。由于单元线导体的换位由每少量的堆叠导体5完成，因此换位角A取不连续数值。 

在如此配置的第一实施例中，在旋转电机的负载运行时电流在电枢绕组3中流动，并且电流分支并流过单元线导体以产生互连于导体5A、5B末端的漏磁通。图1示出与典型的单元线导体5A互连的磁通16a、16b、16c、16d、16e、16f、16x和16y。实际上，几十个导体5堆叠在槽10中，并且在电枢绕组2的半线圈中在导体的两端并联连接。假设包含在堆叠的单元线导体中的导体的一端定位在图1中铁芯3的右侧端部的转子1附近的最内直径侧，并且在堆叠的单元线导体中的另一导体定位在图1中铁芯3的右侧端部的槽10中垂直方向上的中部。在电枢绕组2的定子铁芯3的右侧端部的互连磁通小于定子铁芯3的左侧互连磁通的情况下，在传统的540度换位方法中，指向图纸上方的磁通小于指向图纸下方的磁通。然而，在图1实施例中的定子铁芯3的左侧边界区4A附近的换位角小于180度，当保持磁通16b时互连磁通16a的数量被减小。另外，左侧边界区的互连磁通16x的数量在传统的540度换位的情况下也被减小，并且互连磁通中总的不平衡被缓和。在这种情况下，短路单元线导体对中产生的不平衡电压减小， 并也会抑制循环电流损失的生成。当在这里通过典型单元线导体对给予说明时，不平衡电压可以在堆叠的导体中的其它单元线导体对中类似地被减小，所述堆叠的导体设置在保持在定子铁芯3的槽10中的电枢绕组2内。 

依据第一实施例，不平衡电压在包围定子铁芯3的全部单元线导体中减小，循环电流的生成受到抑制，且循环电流损失得以减小。因此，每一个单元线导体对中的损失减小且单元线导体中的损失分布减小，进一步地，电枢绕组的导体的局部升温会受到抑制。 

图2示出图1所示第一实施例的改进。与图1中相同的组件用相同的参考数字标明并且其说明被省略。图1示出了包括定子3和转子1的旋转电机的整体示意性结构，而图2仅仅示出定子3的一部分。图7、8、12、13、15、16、17、18、19、20、22、23和24以与图2类似的方式示出定子3。 

在图1的实施例中，如图所示，单元线导体的换位节距改变的点(拐点)设置在距定子铁芯两端1/4Ls的相同位置。在图2的改进中，配置一对单元线导体5A和5B，从而在边界区4A、4B两端的节距Pb和中间区节距Pm之间的换位节距的比率设置成彼此相等。换句话说，就图1来说，单元线导体的换位节距设置成三种类型：假定节距在中间区4C是1，节距在右侧边界区4B是0.5，且在左侧边界区4A介于0.5和1之间。就图2来说，只有两种类型：一个是中间区4C的节距，另一个是边界区4A和4B中每一个的节距。在这种方式下，换位节距拐点的位置从定子铁芯3的右侧边界区4B的端部比1/4Ls更靠中心侧，且从左侧边界区4A比1/4Ls更靠末端侧。图2情况下的单元线导体对5A、5B的不平衡电压减少功能与图1中的相似。 

图3是显示图1中定子铁芯3左侧部分(铁芯边界区4A)附近的单元线导体中的换位角和最大损失值(用PU表示：每单元)之间的关系的视图。图中示出的是关于图25所示的每个上部线圈2c和底部线圈2d的关系。具体地说，在图3中，在定子铁芯3两端之间的磁通差为0.3PU的情况下，且铁芯边界区4A中的换位角设定为一个参数的情况下，标绘出单元线导体的最大损失值。如图3中实线所示，上部线圈2c的损失在铁芯边界区4A中的换位角为174度(总数为534度)时减到最小，在底部线圈2d中，如图中虚线所示，损失在铁芯边界区4A 中的换位角为162度时减到最小。底部线圈2d中极小化损失的换位角较小的原因是槽10中互连的磁通在槽10的底部部分中小的，因此感生电压就小。 

图4示出的是损失分布曲线，其中以与图30和31中情况类似的方式通过数值分析作出的依据前面说明的第一实施例的单元线导体中的损失分布(在铁芯边界区4A中的换位角为175度的情况下)与常规方法中540度换位的情况的对比。如图4所示，实线曲线示出依据本实施例的铁芯两端出现通量差时的损失分布。图4中实线所示的损失分布曲线明显的类似于在铁芯3两端没有通量差的情况下的图31所示的虚线。 

因此，即使在铁芯3的两端出现漏磁通差的情况下，依据该实施例的用实线显示的损失分布曲线的形状变得基本上与在没有漏磁通差出现的情况下图31所示的虚线相一致，而损失的最大值也设定为基本上相同的数值。 

图5是以图1的实施例中的定子铁芯3的线圈端部之间的关联磁通差ΔΦe(在定子铁芯3的两端边界区中的换位节距彼此不同的情况下)作为横坐标，以在单元线导体的损失最大值变得最小时的铁芯边界区4A的换位角作为纵坐标。 

图6是以图2的实施例中定子的线圈端部之间的关联磁通差ΔΦe(在定子铁芯3两端边界区的换位节距彼此相同的情况下)作为横坐标，以在单元线导体的损失最大值变得最小时的铁芯边界区4A的换位角作为纵坐标。 

从图5可以看出，铁芯边界区4A的最佳换位角的变化依赖于铁芯3两端之间的关联磁通差，建议上部线圈2c的最佳换位角不同于底部线圈2d的最佳换位角。 

在图5和6中，都是关联磁通差越大，最佳换位角越小。另外，最佳换位角在上部线圈和底部线圈之间不同。 

尽管两端之间的关联磁通的差依赖于旋转电机的各种设计条件或运行条件，但是，在旋转电机，比如涡轮驱动发电机中，该差值可以在本实施例的关联磁通差ΔΦe的0到0.3的等价范围内。因此，当边界区4A中的换位角A是在160度＜A＜180度的范围中时，该不平衡电压会被适当的减小。 

如图5和6所示，损失最大值减到最小时的换位角在铁芯3的槽中的上部线圈和底部线圈之间不同。因此，对上部线圈和底部线圈的上述换位角θ进行单独的配置，从而有可能更有效地减少损失。 

另外，铁芯3两端的关联磁通比率可以在旋转电机设计时通过数值分析来确定。进一步地，该比率依据每一个单元线导体和连接铜带之间的位置关系而不同。因此，与单元线导体关联的磁通通过详细的数值分析而获得，由此才能为每一个单元线导体确定损失最大值极小化的扭曲或换位结构。 

在本实施例中，换位节距确定比现有技术中的大。特别地，在图2的改进中，最小节距部分的换位节距确定比常规方法中的大。这一事实从制造业方面来说是有利的。在制造旋转电机时的单元线导体的扭曲和装配步骤中，减小了破坏单元线导体的绝缘材料的危险。此外，减小了比如单元线导体之间短路的危险，并提供一种具有高可靠性的旋转电机。 

图2示出其换位节距的拐点与图27中所示现有技术的拐点相同的例子，定子铁芯3两端(定子铁芯的边界区4A和4B)的换位节距Pb设定为1/2且定子铁芯3中间区4C的换位节距Pm设定为1。包括图1的例子和图2的改进的例子的第一实施例不局限于调整换位节距的拐点或作为现有技术的例子中的中间区换位节距Pm与铁芯3两端的边界区4A和4B中的Pb的比率。在不偏离本发明的精神的情况下，换位角或换位节距的分布组合可以改变。 

(第二实施例) 

接着，参照图7对依据本发明的第二实施例作以说明。关于类似于图1中所示的组件的说明从略。 

在单元线导体5中，在定子铁芯3的左端边界区4A的1/4Ls的范围内进行180度换位，并且进一步地，在中间区4C的1/2Ls的范围内进行180度换位。此外，右端边界区4B的在1/4Ls范围内的换位角A大于180度，比如设定为190度。 

在第一实施例中，定子铁芯3的左端边界区(铁芯边界区4A)的换位角小于180度。在图7的第二实施例中，定子铁芯3的右端部分(铁芯边界区4B)的换位角依次设定为大于180度。由于这样的结构，互连磁通16e减小而互连磁通16f增加，由此抑制了不平衡电压的产生。而该图显示右侧外端部的互连磁通 16y也减小，通常，然而，铁芯3中互连磁通16f的增加量大于外端部互连磁通16y的减少量。 

图8示出图7所示第二实施例的改进，关于类似于图7中的组件的说明从略。 

在图8中，边界区4A和4B中的换位节距在铁芯3的两端是相同的。即，就图7来说，单元线导体的换位节距有三种类型：假定中间区的节距是1，铁芯3的左侧边界区4A的节距是0.5且在铁芯3的右侧边界区小于0.5。另一方面，就图8来说，只有两种类型，也就是中间区4C的一个节距和每一个边界区4A、4B的另一个节距。这种情况下，换位节距拐点的位置从图示的右侧端比1/4Ls更靠近中心侧，并从铁芯3的左侧端比1/4Ls更靠近端部侧。能够减少单元线导体对的不平衡电压的功能与图7中的相似。 

图9示出当以端部区域的换位角为横坐标并以单元线损失最大值为纵坐标时，通过类似于前述数值分析方式而获得的，其单元线损失最大值变成最小时的铁芯边界区4A的换位角。该例子显示出当在一端部绕组的互连磁通是另一端部绕组的0.8倍时的计算结果。如图9所示，损失最大值变得最小时的换位角在顶部线圈设定在大约182(187？)度，而在下部线圈的换位角设定在大约185(198？)度。换句话说，上部和下部线圈的换位角是不同的。如图9所示，最佳铁芯边界区的换位角的变化依赖于两端之间的互连磁通差，并建议顶部线圈和底部线圈之间的最佳单元线导体换位是不同的。 

另外，图10和11的每一个都示出了以两端绕组的互联磁通的比率为横坐标，以损失最大值变得最小时的换位角(以下称为最佳换位角)为纵坐标的例子。图10相当于图7，其中换位节距拐点的位置与现有技术中的相同。图11相当于图8，其中接近两端的换位节距彼此相同。在图10和11中，均是关联磁通差越大，最佳换位角越小。另外，顶部线圈和底部线圈的最佳换位角不同。 

两端之间的关联磁通的差依赖于各种设计条件或运行条件。在旋转电机，比如普通涡轮发电机中，该磁通差可以在本实施例的关联磁通差ΔΦe的0到0.3的等价范围内。因此，当端部区域的换位角A是在160度＜A＜200度的范围内时，该不平衡电压会被适当的减小。尽管该数值计算显示了具体设计例子的结 果，但还会在设备比如施加了540度换位的大容量涡轮发电机中产生近似相同的可能。 

作为第一实施例，极小化损失最大值的换位结构分别为顶部和底部线圈的每一个或单元线导体所独立地确定，从而可能更有效地减少不平衡电压。 

在第二实施例中，与第一个实施例不同，单元线导体换位的节距比现有技术中的小。尽管第二实施例在制造业方面是不利的，但是获得了减少不平衡电压的有益效果，并且该方法适合于具有相对较长轴向长度的定子铁芯的旋转电机。 

(第三实施例) 

接着，参照图12到13对依据本发明的第三实施例作以说明。图12是显示单元线导体5A和互连磁通16a到16f、16x和16y之间关系的视图。图13是在定子铁芯3中设置有辅助铁芯部分14和通风管道4的传统定子铁芯的结构的侧视图。 

该辅助铁芯部分14设置在图示的定子铁芯3的右端部以使部分14的铁芯填充系数(core space factor)大于其它定子铁芯部分的系数。单元线导体5A朝绕线槽10的延伸方向连续扭曲并形成以便在绕线槽10中的有效部分(active part)上换位540度。单元线导体5A和形成导体对的另一导体(未示出)在从定子铁芯3的两侧面向外突出的电枢绕组2的两侧被短路。 

这里使用的铁芯填充系数表示铁芯14的净值与全部铁芯3的净值的比率。这里使用的术语“净值”是指除一种物质，比如形成在以堆叠方式配置铁芯的铁板表面上的绝缘材料以外的铁芯本身。 

在如此配置的第三实施例中，电流在负荷运行时流过电枢绕组2，且电流在单元线导体5中分支并流动。 

图12示出互连导体5A中两个有代表性的单元线导体部分5a和5b的磁通。假设单元线导体部分5a定位在铁芯3的右端的最内部直径侧(靠近在定子3的上侧的转子)，且单元线导体部分5b定位在铁芯3的右端的槽10中垂直方向的中心部分。 

在电枢绕组2在铁芯3的右端的互连磁通小于铁芯3的左侧互连磁通的情况下，从纸张表面指向上方的磁通小于以传统的540度换位法的从纸张表面指向下方的磁通。然而，具有大铁芯填充系数的辅助铁芯部分14设置在铁芯3的 右端，因此互连磁通16f比传统的540度换位大。这补偿了互连磁通在16y上的减少量，由此可以减小不平衡电压。 

图14是对比地显示通过类似如前所述的数值分析获得的第三实施例和现有技术中单元线导体的损失分布(PU)的视图。可以发现损失分布是一般的，且损失的最大值减小。 

同时，在第三实施例中，如图13所示，铁芯填充系数的差是由通风管道4的节距差所引起的。换句话说，通风管道4之间冲压铁板6的堆叠厚度是变化的。通过这样做，通风管道4的宽度可以做的相同。因此，内侧隔板8可由相同尺寸的材料组成，且同时，通风管道4之间的通风阻力可以相同。另外，通风界面中的空气量分布的控制变得方便，因此可能更好地冷却定子铁芯3或电枢绕组2。 

现在参照图15对本发明第三实施例的第一改进作以说明。图15示出辅助铁芯部分14和定子铁芯3的端部附近的通风管道4的结构。在其铁芯填充系数大于其它部分的系数的辅助铁芯部分14中，通风管道4的宽度变小。具有这样的结构，不需要增加通风管道4之间每组叠片铁芯部分14的厚度就可以实现层压，且该铁芯能被有效冷却。 

下面，参照图16和17对本发明第三实施例的第二和第三改进作以说明。图16示出定子3的末端附近的辅助铁芯部分14和通风管道4的结构。如图16所示，辅助铁芯14中的冲压铁板做的比铁芯体3中的冲压铁板薄。图17示出第三改进中铁芯部分的放大图。另一方面，图17所示的辅助铁芯14中的冲压板6比铁芯体3中的厚，而绝缘膜7，举例说，比如施加于冲压铁板6表面和铁芯体3中的板的表面上的绝缘材料漆膜，具有同样的厚度。在本发明第三实施例的第二和第三改进中，铁芯填充系数中的差由冲压铁板6和铁芯体3的板和形成定子铁芯3的绝缘膜7的厚度的比率的差组成。 

对于如此配置的旋转电机，辅助铁芯部分14的成型无需改变通风管道4的结构。因此，通风设计的自由度增加，并能够更有效地通风。同时，当绝缘膜7的厚度在整个铁芯3中设置成相同时，其铁芯填充系数小的部分由较薄的冲压板组成。由互连冲压薄板的平面内(in plane)磁通作用的涡流损失可相对地减小，因此有可能抑制该铁芯部分的升温。 

下面，参照图18对本发明第三实施例的第四改进作以说明。图18示出定子铁芯3的辅助铁芯部分14和通风管道4的结构。用于形成定子铁芯3的通风管道4的隔片8通常预先设置在隔片安装板9a和9b上，每一个隔片安装板以与冲压铁板6相同的形状形成，然后，在组装定子铁芯3时隔片被插入到部分14之间的预定间隙中。在图18中，在辅助铁芯部分14中，隔片安装板9b的导磁率(permeability)设置的比铁芯体3中其它部分的高。这是通过在辅助铁芯部分14中设置磁性构件和在铁芯体3的其它部分设置非磁性构件来实现的。 

具有图18所示的这种结构，就像图16的第二改进一样，辅助铁芯部分14能在不改变通风管道4结构的情况下成形。因此，通风设计的自由度增加，并能更有效地通风。另外，定子铁芯3可以根据类似于除了改变隔片安装板9a、9b的材料之外的惯用方法来制造。因此，有制造过程不复杂的优势。 

下面，参照图19对本发明第三实施例的第五改进作以说明。图19示出定子铁芯3的辅助铁芯部分14和通风管道4的结构。 

电枢绕组2的单元线导体5A朝绕线槽10的延伸方向连续扭曲并在储存在绕线槽10中的部分处换位540度。单元线导体5A在电枢绕组2的两端与从定子铁芯3的两侧面向外突出的另一导体(未示出)被短路。该单元线导体5A在从两端到定子铁芯长度Ls的1/4Ls的距离处具有换位节距的拐点，并在图中铁芯3的左侧拐点附近的定子铁芯3中提供其铁芯填充系数大于其它定子铁芯部分的系数的辅助铁芯部分14。 

在如此配置的第五改进中，电流在负荷运行时流过电枢绕组，且分支并流过单元线导体。如前所述的图12示出互连导体5A中的两个有代表性的单元线导体部分5a和5b之间的磁通。假设单元线导体部分5a定位在铁芯3的右端的最内部直径侧(靠近图中的上侧的转子)，且单元线导体部分5b定位在铁芯3的右端部的狭槽10中垂直方向上的中心部。在电枢绕组2在铁芯的右端的互连磁通小于铁芯的左侧的互连磁通的情况下，从纸张表面指向上方的磁通小于以传统的540度换位的从纸张表面指向下方的磁通。然而，具有大的铁芯填充系数的辅助铁芯部分14设置在铁芯3左侧的单元线导体5A的拐点附近，因此该互连磁通16b或16c与传统的540度换位相比变大。这补偿了互连磁通16y上的磁通的减少量，由此使得减少不平衡电压成为可能。 

这一事实能通过与图12中说明的本发明的第三实施例作比较加以说明。换句话说，在540度换位中，考虑到540度换位由从铁芯端部的单元线导体5A的180度的换位角所分割，由单元线对围绕区域的形状和互连磁通的方向在两端的180度区域内彼此相同。在图12中，通过辅助铁芯部分14加强了磁通的部分16f等同于图19的部分16b。因此，如果辅助铁芯部分14设置在互连磁通区域16b的右端部分上，则会得到类似图12中的函数。另外，辅助铁芯部分14也设置在图19的互连磁通16c的部分上，而用于感应等于16b的电压的负电压的磁通与图中的单元线对的16c互连。严格地说，存在有单元线导体对，其中等于通量16c的一部分的互连磁通感应出与等于16b的一部分的互连磁通相反的负电压(比如，在该单元线导体对穿过1/4Ls的位置的情况下)。然而，存在有很少量的单元线导体对，因此，整体来看，即使包含辅助铁芯部分14，也能获得同样的有益效果。不平衡电压可通过大致在节距拐点的附近设置的辅助铁芯部分14来减小。 

(第四实施例) 

下面，参照图20对依据本发明的第四实施例作以说明。图20示出定子铁芯3和电枢绕组2的结构。在图20中，尽管未示出，但是对电枢绕组2的单元线导体施加了540度换位。电枢绕组2从定子铁芯3的端部突出并形成所谓的渐开线结构，因此该绕组在从铁芯3的两端以预定距离线状突出后被弯曲。在电枢绕组2的端部互连的磁通在铁芯3左右侧端彼此不同。关于顶部线圈2a，在Xect范围内的互连磁通小于在Xett范围内的。关于底部线圈2b，在Xecb范围内互连磁通小于在Xetb范围内的。从铁芯3右侧中的定子铁芯3的末端突出的顶部和底部线圈2a和2b中线状部分Xct和Xcb的距离不同于铁芯3左侧端中对应的长度。这种情况下，假定距离Xtt是在左侧顶部线圈2a的直线部分，Xct在右侧，且关于底部线圈2b，左侧的距离是Xtb，铁芯3右侧的距离是Xcb，则确定以下关系： 

Xtt＜Xct 

Xtb＜Xcb 

具有如此配置的定子3，关于电枢绕组2的顶部线圈2a的单元线导体，如果Xct和Xtt之间的长度差设定为适当的数值，能使得Xct部分和Xect部分的互 连磁通之和基本上等于Xtt部分和Xett部分的互连磁通之和，由此能够减少单元线导体中的不平衡电压。 

图21所示的是通过类似如前所述的数值分析得到的、在损失最大值变得最小处的、以两端绕组的关联磁通的比率作为横坐标的末端直线部分的长度的比率Xct/Xtt。 

尽管两端的关联磁通的差依赖于各种设计条件或运行条件，但是，在旋转电机，比如普通涡轮驱动发电机中，该差可以在相当于本实施例的互联磁通差ΔΦe的0到0.3的范围内。因此，当端部直线部分的长度比率Xct/Xtt为1＜Xct/Xtt≤3.5时，不平衡电压能被适当地减小。可以为每台旋转电机在设计条件下通过数值计算得到特定的值。尽管该数值计算是具体设计例子的结果，但还会在设备比如施加了540度换位的大容量涡轮发电机中产生近似相同的可能。 

作为第一实施例，用于极小化损失最大值的末端直线部分长度的比率是在顶部线圈和底部线圈分别独立确定的，由此可能更有效地减少不平衡电压。 

(第五实施例) 

以下，参照图22对本发明的第五实施例作以说明。如同图1，图22示出顶部和底部线圈之一的代表性单元线导体的位置。关于类似于图1的结构的说明从略。在单元线导体5A中，在定子铁芯3的轴向的长度Ls的范围内进行类似于现有技术的540度换位，导体5A的末端通过每一个以预定距离突出在其外面的直线部分被弯曲，并形成所谓的渐开线部分结构。在图22中，电枢绕组2的末端的互连磁通代表右侧的数量小于铁芯3左侧数量的状态。轴向长度Ls范围外的左侧直线部分的长度是Xtt，铁芯3右侧为Xct。由具有类似于定子铁芯3的结构的冲压铁板制成的长度为ΔLs的辅助铁芯部分14设置在定子铁芯3的右端。实际上，定子铁芯3的轴向长度变成了Ls+ΔLs。 

具有如此配置的旋转电机，在电枢绕组2的末端直线部分的Xct的范围中，互连磁通在存在有辅助铁芯部分14的ΔLs部分上增加。因此，可以使得Xct部分和Xect部分的互连磁通之和等于Xtt部分和Xett部分的互连磁通之和，并能减小单元线导体对中的不平衡电压。 

在该例子中，与不存在辅助铁芯部分的图20中例子相比，依据图22中实施例的Xct部分的长度可被减小。因此，可以减少图22的实施例中电枢绕组2的全长，即整个旋转电机的轴向长度。所以，可以提供一种更加紧凑的旋转电机。 

下面，参照图23对本发明第五实施例的第一改进作以说明。关于类似于图22中的结构的说明从略。在图23中，由堆叠的铁板组成的磁通分路11通过多个棒状隔片17用于保护在定子铁芯3右端外侧的磁通。 

具有如此配置的旋转电机，在电枢绕组2的末端直线部分的Xct的范围中，互连磁通在存在有磁通分路11的部分上增加。因此，可以使得Xct部分和Xect部分的互连磁通之和等于Xtt部分和Xett部分的互连磁通之和，并能减小单元线导体中的不平衡电压。 

另外，与不存在辅助铁芯部分的图20的例子相比，可以减少Xct部分的长度。因此，可以减小电枢绕组2的全长，即整个旋转电机的轴向长度。所以，可以提供一种更加紧凑的旋转电机。 

该磁通分路11通常用于保护定子铁芯3端部与轴向关联的外部磁通，并减少定子铁芯3端部的涡流损失。磁通分路11通常由与用于定子铁芯3相同的材料组成。然而，在本实施例中，可以认为该分路主要具有调整与电枢绕组棒(也称为线圈棒、绕组棒、或复合单元线导体)互连的磁通的功能，并被归入如上所述第五实施例的图22所示的辅助铁芯部分14中。在图23所示的第五实施例的第一改进中，由于外部隔片安装在磁通分路的内部，用于固定定子铁芯3，所以可能提高定子铁芯3的结构可靠性。 

下面，参照图24对本发明第五实施例的第二改进作以说明。关于类似于图23中的结构的说明从略。在图24中，在定子铁芯3的两个外侧，由堆叠的铁板组成的磁通分路11A和11B例如分别通过多个棒状隔片17A和17B来固定。右侧磁通分路11B的厚度D2大于铁芯3左侧分路11A的厚度D1。 

具有如此配置的旋转电机，在电枢绕组2的右端直线部分的Xct的范围内，厚的分路11B设置其上的右端的互连磁通比左侧的增加地更多。因此，能使得Xct部分和Xect部分的互连磁通之和基本上等于Xtt部分和Xett部分的互连磁通之和。因此，能够减小单元线导体对中的不平衡电压。 

在该例子中，磁通分路11A和11B设置在定子铁芯3的两侧。因此，在保护从外面沿轴向关联于定子铁芯3末端的外部磁通的同时，减小定子铁芯3两端的涡流损失。因此，可以提供一种更高效和高可靠性的旋转电机。 

在图7、8、12、19、22、23和24所示的实施例中分别描述了换位节距的拐点设置为与图27所示的现有技术相同的例子，并且定子铁芯3两个边界区上的换位节距为1/2，定子铁芯3的中间区的换位节距是1。然而，第一实施例不局限于换位节距的拐点或如现有技术中的边界区和中间区中每一个换位节距之间的比率的例子。在不偏离本发明的功能的情况下，换位角或换位节距的结合可以自由确定。 

本领域技术人员容易想到其它优势和改进。因此，本发明更宽的方面不局限于在此显示和描述的具体细节和典型实施例。因此，在不脱离附加的权利要求及其等同物所限定的总发明构思的精神或范围的情况下，可以作出各种改进。 

Claims (5)

1.一种旋转电机的电枢绕组，其中，至少一个由多个单元线导体组成的电枢绕组设置在成形在定子铁芯中的多个绕线槽中，每一个单元线导体在绕线槽中朝绕线槽的延伸方向扭曲并换位，且所述单元线导体在从定子铁芯的绕线槽两端突出到外侧的两端被短路，

其中，所述电枢绕组具有电枢绕组棒，其中设置于中间区的单元线导体部分的换位节距不同于所述绕线槽两端部分的边界区中的每一个换位节距，在绕线槽的一端部分和中间区的换位角都设定为180度，且与所述一端部分相对的所述单元线导体中的所述绕线槽的另一端部分的换位角设置成不同于180度。

2.根据权利要求1所述的旋转电机的电枢绕组，

其中，所述电枢绕组棒包括至少一个单元线导体，所述单元线导体具有在所述绕线槽的另一端部分的换位角小于180度的扭曲部分，从而减少在所述单元线导体之间产生的不平衡电压，所述不平衡电压是由于在所述单元线导体互连的磁通的差而在所述电枢绕组的两端产生的。

3.根据权利要求2所述的旋转电机的电枢绕组，

其中，所述电枢绕组棒构造成包括单元线导体，所述单元线导体在所述绕线槽的另一端部分具有的换位角A为160度＜A＜180度。

4.根据权利要求1所述的旋转电机的电枢绕组，

其中，所述电枢绕组棒构造成包括单元线导体，所述单元线导体在所述绕线槽的另一端部分具有大于180度的换位角，以便减少在单元线导体之间产生的不平衡电压，所述不平衡电压是由于在所述单元线导体互连的磁通的差而在所述电枢绕组的两端产生的。

5.根据权利要求4所述的旋转电机的电枢绕组，

其中，所述电枢绕组棒包括单元线导体，所述单元线导体在设置于所述绕线槽的另一端部分中的一部分具有的换位角A为180度＜A＜200度。

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