CN114128092A - 旋转电机的电枢绕组以及旋转电机 - Google Patents

Abstract

实施方式的旋转电机的电枢绕组是3相6极以上偶数极的2层卷绕的电枢绕组，各相具备3并联以上的并联电路，构成各电路的各个线圈通过波形卷绕而接线，各电路被配置为相带组(14)与相邻接的两侧的电路中的“极数/2”个相带(13)分别重叠，该相带组(14)在各电路中在周向上配置于不同位置。

Description

旋转电机的电枢绕组以及旋转电机

技术领域

本发明的实施方式涉及旋转电机的电枢绕组以及旋转电机。

背景技术

一般情况下，如图7所示，3相交流的旋转电机(以下，称为“旋转电机”。)包括电枢部1、励磁部2、轴3等。电枢部1和励磁部2中的某一方作为转子而进行旋转，另一方作为定子而固定。在此，以电枢部1为定子、励磁部2为转子的情况为例进行说明。

图7的电枢部1由电枢铁心5和电枢绕组6形成，电枢铁心5是对层叠铁板进行层叠而构成的，在设置于该电枢铁心5的周围部的槽7中收容有电枢绕组6。该电枢绕组6被配置为接近槽开口部一侧的上线圈片8以及槽底侧的下线圈片9这两层，其外周部被主绝缘层覆盖。

旋转电机的电枢绕组6的绕线方式存在重叠卷绕以及波形卷绕(例如专利文献1以及非专利文献1)。将通过两个线圈片形成龟甲形状的线圈的情况称为重叠卷绕，将线圈片依次穿过各磁极而向一个方向进行卷绕的情况称为波形卷绕。波形卷绕与重叠卷绕相比，能够省略极间连接线而制造变得容易，能够降低在极间连接线中产生的交流损失而在旋转电机的性能提高方面是有效的，因此被采用为水轮机发电机等大容量的旋转电机。以下，对波形卷绕进行说明。

图8表示3相12极72槽4并联电路的旋转电机中的一般的波形卷绕的电枢绕组的展开示意图。如图8所示，电枢绕组由U相绕组、V相绕组以及W相绕组构成，被卷绕为各相的各并联电路依次穿过各磁极而围绕电枢。

图9是使图8所示的电枢绕组的展开示意图为1相的量，并将1相内的4并联电路分开表示的图。关于图9未示出的其他2相，是使图示的相的电枢绕组的构成分别按照电角各错开120度以及240度的相。

此外，在图8、图9中记载有槽的编号，但为了避免繁琐而仅记载奇数编号，省略偶数编号的记载。

如图9所示，各并联电路的电枢绕组具有收纳在槽内的开口部侧的上线圈片8以及收纳在槽内的底侧的下线圈片9，并在这些上线圈片8、下线圈片9的端部彼此围绕地连接的连接侧线圈端部10、以及在其轴向相反侧与引出部15、16未连接的反连接侧线圈端部11，分别在旋转电机的周向上沿着一个方向依次串联地连接，通过12个相带13形成相带组14。

在此，相带13是指在将3相各相分割分配为多个的设置于电枢铁心5的多个槽7中分别以两层收纳上线圈片8以及下线圈片9并将这些线圈片连接而形成同一相的、绕组部分。

此外，在具有多并联电路的旋转电机中，当在各并联电路间感应出的电压变得不平衡时，会在并联电路间产生循环电流而使电枢绕组温度上升，因此在最坏的情况下会成为加热、烧损事故的原因。因此，将配置于槽7的上下线圈的排列由跳线12进行更换而卷绕，以使各并联电路中感应出的电压平衡。在图9中，以在各并联电路中感应出的电压变得平衡的方式，按照每6个相带将线圈配置更换1槽的量。

图10表示图9所示的电枢绕组1相的量的并联电路的线圈配置图像，图11表示具有该并联电路的旋转电机的轴截面。

在此，以图9至图11所示的4并联电路(第1至第4电路)中的第2电路为例，对现有的电枢绕组的绕线方式进行说明。

如图9所示，第2电路的绕线为，从绕线引出部15，穿过第67槽的下线圈片，穿过第2槽的上线圈片，穿过第7槽的下线圈片，穿过第14槽的上线圈片，穿过第19槽的下线圈片，穿过第26槽的上线圈片，穿过跳线12，穿过第30槽的下线圈片，穿过第37槽的上线圈片，穿过第42槽的下线圈片，穿过第49槽的上线圈片，穿过第54槽的下线圈片，穿过第61槽的上线圈片，向绕线引出部16引导。

第1、第3、第4电路的绕线也成为与第2电路的绕线同样的方式，但在分别在各电路中在周向上配置于不同位置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭56-44360号公报

非专利文献

非专利文献1：Mattias Wallin,Martin Ranlof,and Urban Lundin,“Reductionof Unbalanced Magnetic Pull in Synchronous Machines due to Parallel Circuits”IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL.47,NO.12,DECEMBER 2011,pp.4827-4833

发明内容

发明要解决的课题

旋转电机通常为，转子以图11所示的旋转电机的中心点(定子的中心点)21为中心进行旋转，定子与转子之间的间隙4在圆周上均匀，但有时如图11所示那样，转子的中心轴22相对于定子的中心点21错开，产生定子与转子之间的间隙4在圆周上变得不均匀的间隙偏心。在产生了间隙偏心的情况下，将电枢与转子耦合的磁能量在整周上变得不均匀，磁吸引力起作用。

在使旋转电机大容量化的情况下，产生了间隙偏心时的磁吸引力变大，对轴承、框架施加的力变大。此外，由于一般的波形卷绕的电枢绕组以各相的各并联电路如图10那样围绕电枢(1周)的方式卷绕，因此在产生了间隙偏心时，容易产生在间隙变窄的附近形成磁极的电流与在间隙变大的附近形成磁极的电流相互抵消而变得不易流动感应电流的部分，相对于间隙偏心使转子返回原本位置的力无法充分发挥。特别是若不改变现有的旋转电机的构造而大容量化，则无法相对于间隙偏心使转子返回原本的位置。在该情况下，轴承、框架有可能变得无法承受而产生变形或破损、转子与定子的接触。另一方面，若为了防止这种情况而进行旋转电机整体的重新设计，则需要大量的时间和费用。在转子构成电枢部1、定子构成励磁部2的情况下，也同样会产生这种问题。

例如，在非专利文献1中，以3相6极108槽2并联电路的旋转电机为对象，从旋转机的轴截面观察将2并联电路的各电路分为上半和下半来构成绕组，由此实现间隙偏心时在电枢与转子之间作用的磁吸引力的降低。在该非专利文献1的构成中可以想到，在从旋转电机的轴截面观察时，在产生了上下方向的间隙偏心的情况下具有磁吸引力的降低效果，但对于左右方向的间隙偏心而言磁吸引力的降低效果大幅度降低。

本发明要解决的课题在于提供旋转电机的电枢绕组以及旋转电机，通过在应用现有的构成的基础上变更电枢绕组的绕线方式，由此对于从旋转电机的轴截面观察的整周方向的间隙偏心，能够将产生间隙偏心时的转子推回到原本的位置。

用于解决课题的手段

实施方式的旋转电机的电枢绕组，是3相6极以上偶数极的2层卷绕电枢绕组，各相具备3并联以上的并联电路，构成各电路的各个线圈通过波形卷绕来接线，各电路被配置为相带组与相邻接的两侧的电路中的“极数/2”个相带分别重叠，该相带组在各电路中在周向上配置于不同位置。

发明的效果

根据本发明，通过在应用现有的构成的基础上变更电枢绕组的绕线方式，由此对于从旋转电机的轴截面观察的整周方向的间隙偏心，能够将产生间隙偏心时的转子推回到原本的位置。

附图说明

图1是实施方式的旋转电机的电枢绕组的1相的量的展开示意图。

图2是该实施方式的电枢绕组1相的量的并联电路的线圈配置图像图。

图3是表示具有该实施方式的并联电路的旋转电机的轴截面的图。

图4是表示现有的绕线方式以及该实施方式各自的电枢绕组1相的量的各并联电路的线圈设置及其设置范围的图。

图5是说明在产生了转子的偏心的情况下欲使转子返回原本位置的力起作用的原理的图。

图6是表示在现有例的绕线方法与本实施方式的绕线方法中，通过数值分析分别求出产生间隙偏心时对转子作用的磁吸引力并进行了比较的比较结果的一个例子的图。

图7是表示一般的旋转电机的轴截面的图。

图8是3相12极72槽4并联电路的旋转电机中的一般的波形卷绕的电枢绕组的展开示意图。

图9是使图8所示的电枢绕组的展开示意图仅为1相的量，并将1相内的4并联电路分开表示的图。

图10是现有的电枢绕组1相的量的并联电路的线圈配置图像图。

图11是表示具有通过现有方法配置的并联电路的旋转电机的轴截面的图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式进行说明。

图1是实施方式的旋转电机的电枢绕组的1相的量的展开示意图。此外，在图1中，对于与上述要素相同的要素赋予相同的符号。

在本实施方式中，以12极72槽4并联电路的旋转电机为例。在图1中仅示出电枢绕组的1相的量，但对于图1未示出的其他2相，是将图示的相的电枢绕组的构成分别按照电角各错开120度以及240度。此外，在图1中记载有槽的编号，但为了避免繁琐而仅记载奇数编号，省略偶数编号的记载。

图1所示的旋转电机的电枢为，在由层叠铁心形成的电枢铁心5设置有72个槽，在这些槽中以2层收纳有12极3相4并联电路的电枢绕组。

各相的电枢绕组构成为，具有收纳于槽内的开口部侧的上线圈片8以及收纳于槽内的底侧的下线圈片9，并在将这些上线圈片8、下线圈片9的端部彼此与绕线引出部15、16连接的连接侧线圈端部10、以及在其轴向相反侧不与绕线引出部连接的反连接侧线圈端部11，分别在旋转电机的周向上在6个相带13的范围依次串联连接，然后，经由跳线12而折回，进一步在周向上在6个相带13的范围依次连接。并且，各并联电路的各相带组14分别以使3个相带组14重叠的方式卷绕。即，各并联电路被配置为，相带组14与相邻接的两侧的电路中的极对数(极数/2)个相带13分别重叠，该相带组14在各电路中在周向上配置于不同位置。

图2表示图1所示的电枢绕组1相的量的并联电路的线圈配置图像，图3表示具有该并联电路的旋转电机的轴截面。

各并联电路以图1所示的6个相带组14(相当于机械角180度)卷绕，各并联电路的各相带组14分别以使3个相带组14(相当于机械角90度)重叠的方式配置线圈。

在此，以图1至图3所示的4并联电路(第1至第4电路)中的第2电路为例，对本实施方式的电枢绕组的绕线方式进行说明。

如图1所示，第2电路的绕线为，从绕线引出部15，穿过第18槽的下线圈片，穿过第25槽的上线圈片，穿过第30槽的下线圈片，穿过第37槽的上线圈片，穿过第42槽的下线圈片，穿过第49槽的上线圈片，穿过跳线12，穿过第44槽的上线圈片，穿过第37槽的下线圈片，穿过第32槽的上线圈片，穿过第25槽的下线圈片，穿过第20槽的上线圈片，穿过第13槽的下线圈片，向绕线引出部16引导。

第1、第3、第4电路的绕线也成为与第2电路的绕线同样的方式，但分别在各电路中在周向上配置于不同位置。

此外，在本实施方式中，例示了3相6极的2层卷绕电枢绕组的情况，但不限定于此。例如只要是6极以上偶数极即可，不限定于仅6极的情况。此外，在本实施方式中，例示了并联电路为4个的情况，但不限定于此。例如，各相只要存在3并联以上的并联电路即可，不限定于4并联的情况。在该情况下，使极数/并联电路数为整数。各电路的相带组14优选使位置在周向上错开“相带数/并联电路数”地配置。

如果将极数设为2P极、将并联电路数设为n并联电路(P、n为任意的自然数)，则优选各电路由“4P/n”个相带13形成相带组14，该相带组14在各电路中在周向上错开“2P/n”个相带的量地配置。

如果采用上述构成，则在产生了间隙偏心的情况下，在并联电路内电感产生差，各电路间的电压产生差，在电压变高的电路(与间隙4变窄的位置相对应的电路)中流动引起与磁吸引力相反方向的力的循环电流，在电压变低的电路(与间隙4变大的位置相对应的电路)中流动引起与磁吸引力相同方向的力的循环电流，使将中心轴错开的转子推回到原本位置的力起作用。

以下，参照图4以及图5对上述作用更详细地进行说明。

图4的(a)是表示现有的绕线方式的电枢绕组1相的量的各并联电路的线圈设置及其设置范围的图。另一方面，图4的(b)是表示本实施方式的电枢绕组1相的量的各并联电路的线圈设置及其设置范围的图。

此外，在图4的(a)以及(b)中，为了使各并联电路的线圈设置容易理解，将设置于定子(电枢部)1的电枢铁心5的槽7中所收纳的各并联电路的电枢绕组6(上线圈片8、下线圈片9)的尺寸放大地记载，此外，将转子(励磁部)2的形状简化而记载为圆形。

在现有的绕线方式中，如图4的(a)所示，4个并联电路(第1电路、第2电路、第3电路、第4电路)分别以围绕定子1(1周)的方式配置。与此相对，在本实施方式的绕线方式中，如图4的(b)所示，4个并联电路(第1电路、第2电路、第3电路、第4电路)分别在周向上配置在机械角180度的范围内且在周向上各错开机械角90度地配置。

如此，在现有的绕线方式和本实施方式的绕线方式中，绕组的配置不同，因此作用效果如后述那样不同。

关于现有的绕线方式和本实施方式的绕线方式的各自，如图4的(a)以及(b)那样，考虑转子2的中心轴相对于定子1的中心点21错开、产生了定子1与转子2之间的间隙4在圆周上不均匀的间隙偏心的情况。

图5表示在转子2产生了间隙偏心的情况下使欲将转子2返回原本位置的力起作用的原理的概要。在图5中，为了避免说明的复杂化，而描绘电枢部1以及励磁部2为简单构成的情况的例子。此外，在此还省略了上线圈片与下线圈片的区别及其图示。

如图5的(a)所示，若由于转子2的偏心而其一部分远离定子1、另外一部分接近定子1，则在转子2与定子1之间产生不平衡电磁力。

若产生这种不平衡电磁力，为了使转子2与定子1之间的电磁力返回平衡状态而使欲将转子2返回原本位置的力(排斥力、吸引力)起作用。

例如，如图5的(b)所示，若当转子2的N极的部分接近定子1时要通过使定子1侧的对置的位置产生N极(或者，当转子2的S极的部分接近定子1时使定子1侧的对置的位置产生S极)来产生将转子2推回到原本位置的排斥力，则感应电流31c、32c流向定子1侧的电枢绕组(例如以从槽31的位置朝向箭头所示的方向(定子轴向)、然后向相反方向转换而返回到槽32的位置的方式配置的电枢绕组)。此外，此时，若当转子2的S极的部分远离定子时要通过使定子1侧的对置的位置产生N极(或者，当转子2的N极的部分远离定子1时使定子1侧的对置的位置产生S极)来产生将转子2拉回原本位置的吸引力，则感应电流41c、42c流向定子1侧的电枢绕组(例如以从槽41的位置朝向箭头所示的方向(定子轴向)、然后向相反方向转换而返回槽42的位置的方式配置的电枢绕组)。

上述的排斥力、吸引力在现有的绕线方式和本实施方式的绕线方式中均能够产生，但在现有的绕线方式的情况下，如图4的(a)所示那样，4个并联电路(第1电路、第2电路、第3电路、第4电路)分别以围绕电枢部1(1周)的方式串联连接地配置，因此产生以下说明那样的弊端。

在现有的绕线方式的情况下，如图4的(a)所示，在转子2接近定子1的附近例如存在第2电路的电枢绕组6，并且在转子2远离定子1的附近也存在第2电路的电枢绕组6。在存在于转子2接近定子1的附近的第2电路的电枢绕组6中，感应电流要向产生排斥力的方向流动，而在存在于转子2远离定子1的附近的第2电路的电枢绕组6中，感应电流要向产生吸引力的方向流动。

但是，双方的电枢绕组6串联连接，因此在存在于转子2接近定子1的附近的第2电路的电枢绕组6中要向产生排斥力的方向流动的感应电流，也要向存在于转子2远离定子1的附近的第2电路的电枢绕组6(即，感应电流要向产生吸引力的方向流动的电枢绕组6)流动，双方的感应电流相互抵消。同样，在存在于转子2远离定子1的附近的第2电路的电枢绕组6中要向产生吸引力的方向流动的感应电流，也要向存在于转子2接近定子1的附近的第2电路的电枢绕组6(即，感应电流要向产生排斥力的方向流动的电枢绕组6)流动，双方的感应电流相互抵消。

这种感应电流的抵消，不限定于转子2接近第2电路的电枢绕组6所存在的附近的情况，在转子2接近第1、第3、第4电路的电枢绕组6中任一个的附近的情况下也同样产生。作为其结果，在由于转子2的偏心而产生不平衡电磁力时，要使转子2返回原本位置的力无法有效地起作用。

另一方面，在本实施方式的绕线方式的情况下，如图4的(b)所示，在转子2接近定子1的附近例如存在第2电路的电枢绕组6，但在转子2远离定子1的附近不存在第2电路的电枢绕组6，而存在第1电路或第4电路的电枢绕组6。在存在于转子2接近定子1的附近的第2电路的电枢绕组6中，感应电流要向产生排斥力的方向流动，但在转子2远离定子1的附近不存在第2电路的电枢绕组6，因此不会产生上述那样的感应电流的相互抵消，在第2电路的电枢绕组6中流动产生排斥力的方向的感应电流。此外，在存在于转子2远离定子1的附近的第1电路或第4电路的电枢绕组6中，感应电流要向产生吸引力的方向流动，但在转子2接近定子1的附近不存在第1电路或第4电路的电枢绕组6，因此不会产生上述那样的感应电流的相互抵消，在第1电路或第4电路的电枢绕组6中流动产生吸引力的方向的感应电流。

这样的作用，不限定于转子2接近第2电路的电枢绕组6所存在的附近的情况，在转子2接近第1、第3、第4电路的电枢绕组6中的任一个附近的情况下也同样产生。此外，由于成为各电路的设置范围与相邻接的电路的设置范围局部重复那样的绕组配置，因此无论转子2的偏心是哪个方向都能够得到降低不平衡电磁力的效果。作为其结果，在由于转子2的偏心而产生不平衡电磁力时，要使转子2返回原本位置的力(排斥力、吸引力)有效地起作用。

根据本实施方式，在从旋转电机的轴截面观察产生了上下方向的间隙偏心的情况下，主要在第1电路以及第2电路中流动循环电流，在第1电路中流动引起与磁吸引力相同方向的力的循环电流，在第2电路中流动引起与磁吸引力相反方向的力的循环电流，由此能够将产生间隙偏心时的转子推回到原本的位置。此外，在从旋转电机的轴截面观察时产生了左右方向的间隙偏心的情况下，主要在第3电路以及第4电路中，以将中心轴错开的转子推回到原本位置的力起作用的方式流动循环电流。作为其结果，在本实施方式中，对于从旋转电机的轴截面观察到的整周方向的间隙偏心，能够得到将产生间隙偏心时的转子推回到原本位置的效果。

图6表示通过图11的现有例的绕线方法与本实施方式的绕线方法，通过数值分析分别求出产生间隙偏心时对转子作用的磁吸引力并进行比较的比较结果的一个例子。在图6中，横轴将现有例的绕线方式中对转子作用的磁吸引力设为1PU。

根据图6的数值分析的结果，能够确认如下情况：通过应用本实施方式的绕线方法，与现有例的绕线方法相比，能够得到将中心轴错开的转子推回到原本位置的效果。

如以上详细说明的那样，根据实施方式，通过在应用现有的构成的基础上变更电枢绕组的绕线方式，由此对于从旋转电机的轴截面观察到的整周方向的间隙偏心，能够将产生间隙偏心时的转子推回到原本的位置。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提示的，不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形被包含于发明的范围、主旨，并且被包含于权利要求书所记载的发明及其等同的范围。

Claims (5)

1.一种旋转电机的电枢绕组，是3相6极以上偶数极的2层卷绕的电枢绕组，其中，

各相具备3并联以上的并联电路，构成各电路的各个线圈通过波形卷绕而接线，各电路被配置为相带组与相邻接的两侧的电路中的“极数/2”个相带分别重叠，该相带组在各电路中在周向上配置于不同位置。

2.如权利要求1所述的旋转电机的电枢绕组，其中，

上述相带组在各电路中在周向上错开“相带数/并联电路数”地配置。

3.如权利要求1所述的旋转电机的电枢绕组，其中，

极数为2P极，并联电路数为n并联电路，其中，P、n为任意的自然数，

各电路通过“4P/n”个相带形成相带组，该相带组在各电路中在周向上错开“2P/n”个相带量地配置。

4.如权利要求1所述的旋转电机的电枢绕组，其中，

构成为，极数/并联电路数为整数。

5.一种旋转电机，其中，

具备权利要求1所述的电枢绕组。

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