JP2004282858A

JP2004282858A - 固定子及びそれを用いた回転機

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Publication number: JP2004282858A
Application number: JP2003069075A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Sanada; 和昭真田; Takashi Matsunobu; 隆松信; Shigeo Amagi; 滋夫天城; Mamoru Kimura; 守木村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07
Also published as: CN1531166A; US20040178691A1

Abstract

【課題】固定子の寸法を小さくし、小型・高効率・高出力の回転機を得ることができる。
【解決手段】複数のスロットを有する固定子鉄心と、固定子鉄心のスロットに組み込まれるコイルと、を有する固定子であって、スロットの各々における前記コイルは複数設けられ、かつ前記複数のコイルは前記固定子の半径方向の内方向と外方向にそれぞれ曲げられていることを特徴とする。この構成をとることにより、半径方向外側と半径方向内側の空間をうまく利用することができ、固定子端面でコイルを複雑に巻きまわすことなくコイルエンドの回転機回転軸方向長さと固定子半径方向長さを短くすることが可能となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転機に関し、特に回転機に用いられる固定子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電機等の回転機に用いられる固定子は、複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、これらスロットに巻き回されるコイルを有して構成される。なおコイルは複数の導体を束ねて構成される束の単位をいう。
【０００３】
あるスロットから他のスロットへ巻き回されるコイルの部分はコイルエンドと呼ばれ、スロットに入るコイル同士をつなぐ役割を果たす。
【０００４】
しかしながら、コイルエンドが大きくなると▲１▼固定子の寸法の増大、▲２▼コイルの電気抵抗増大による出力低下及び発熱、▲３▼冷却風の循環を妨げることによる冷却効率の低下、を招く。従って、小型・高効率・高出力の発電機等を得るためにはコイルエンドのコイル長を短くしコイルの互いの干渉を避けるように配置し、コイルエンドの回転機回転軸方向の長さ及び固定子半径方向の長さを短くして固定子を小型化することが必要となる。
【０００５】
コイルエンドの小型化を図る技術として、▲１▼スロット部分の内側に入っているコイルをコア面に近く、外側に入っているコイルをコア面から離れたところを通るように折り曲げる技術（例えば特許文献１参照）、▲２▼スロット外でコイルを撚り、隣接するコイルと重ねる技術（例えば特許文献２参照）が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２１５２３８号公報（第５頁，第１図）
【特許文献２】
特開２００２−４４８９０号公報（第１０頁，第２図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特許文献１（特開平９−２１５２３８号公報）に記載された技術では、同じ方向にコイルを折り曲げるため、コイルエンド部分を低く抑えることに関して課題を残している。
【０００８】
また、上述の特許文献２（特開２００２−４４８９０号公報）に記載された技術ではコイルにおいて撚りが施されたコイルが使用されるため、コイルの剛性が高くなった場合にまで適用することには課題がある。
【０００９】
以上本発明は、上記の課題を解決するものであり、固定子の寸法を小さくし、小型・高効率・高出力の回転機を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための一手段として、本発明では複数のスロットを有する固定子鉄心と、この固定子鉄心のスロットに組み込まれるコイルと、を有し、各スロットにおけるコイルは複数設けられ、かつこれらコイルは前記固定子の半径方向の内方向と外方向にそれぞれ曲げられていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
本発明にかかる固定子の第一の態様としては、複数のスロットを有する固定子鉄心と、固定子鉄心のスロットに組み込まれるコイルと、を有し、スロットの各々におけるコイルは複数設けられ、かつ複数のコイルは前記固定子の半径方向の内方向と外方向にそれぞれ曲げられていることを特徴とする。また第二の態様としては第一の態様に加え、この態様に加え、固定子の半径方向の内方向に曲げられているコイルの数と、外方向に曲げられているコイルの数を均等に振り分けていることを特徴とする。更に、第三の態様としては第二の態様に加え、固定子の半径方向の内方向及び外方向に曲げられているコイルは３相同心巻であることを特徴とする。また第四の態様としては第三の態様に加え、固定子の半径方向の内方向及び外方向に曲げられているコイルは２列かつ３層の積層構造であることを特徴とする。この構成をとることにより、半径方向外側と半径方向内側の空間をうまく利用することができ、固定子端面でコイルを複雑に巻きまわすことなくコイルエンドの回転機回転軸方向長さと固定子半径方向長さを短くすることが可能となる。また第五の態様としては第一の態様に加え、固定子鉄心の端面には前記スロットに対応した穴が形成された絶縁板が設けられていることを特徴とする。この構成により、コイルを常に最小の曲率半径で曲げることが可能となり、コイルの成形効率，コイルの曲げ精度が向上し、コイルエンドの回転機回転軸方向長さを短くすることができる。また、曲げ加工時にスロット端部の角部分にコイルが接することがなくなるため、コイルの絶縁皮膜の損傷を防ぐことができる。また、コイルエンド部コイルと固定子鉄心の距離が近すぎると漏れ電流が大きくなり、発電機の効率を低下させるが、絶縁板１５によりコイルエンド部コイル１３と固定子鉄心５の距離を一定量確保できるので漏れ電流を小さくでき、効率を向上させることができる。また第六の態様として、第五の態様に加え、穴の角が丸められていることを特徴とする。穴の角が丸められていることにより、コイルの絶縁皮膜の損傷を防ぐことをより効率的に行うことができる。また、第七の態様として第一の態様に加え、第六の前記スロットの各々に設けられる前記複数のコイルは、同一の他の前記スロットに巻き回されていることを特徴とする。
【００１３】
また第八の態様としては、ハウジングと、ハウジングに固定される軸受と、軸受に保持される回転軸と、回転軸に固定される回転子と、ハウジングに固定され、前記回転子の外周に配置される固定子と、を有する回転機であって、固定子は複数のスロットを有する固定子鉄心と、固定子鉄心のスロットに組み込まれるコイルと、を有し、前記スロットの各々におけるコイルは複数設けられ、かつ複数のコイルは前記固定子の半径方向の内方向と外方向にそれぞれ曲げられていることを特徴とする。また第九の態様としては第八の態様に加え、固定子の半径方向の内方向及び外方向に曲げられているコイルは均等に振り分けられていることを特徴とする。また第十の態様としては第九の態様に加え、固定子の半径方向の内方向及び外方向に曲げられているコイルは３相同心巻であることを特徴とする。第十一の態様としては第十の態様に加え、固定子の半径方向の内方向及び外方向に曲げられているコイルは２列かつ３層の積層構造であることを特徴とする。この構成により、半径方向外側と半径方向内側の空間をうまく利用することができ、固定子端面でコイルを複雑に巻きまわすことなくコイルエンドの回転機回転軸方向長さと固定子半径方向長さを短くすることが可能となり、小型・高効率・高出力の回転機を得ることができる。
【００１４】
また、第十二の態様として、第八の態様に加え、固定子鉄心の端面には前記スロットに対応した穴が形成された絶縁板が設けられていることを特徴とする。また、第十三の態様としては第十二の態様に加え、穴の角は丸められていることを特徴とする。
【００１５】
また、第十四の態様としては第八の態様に加え、回転子は、永久磁石が組み込まれ、かつ磁石カバーにより固定されたものであることを特徴とする。
【００１６】
そして、第十五の態様として、複数のスロットを有する固定子鉄心と、固定子鉄心のスロットに組み込まれるコイルと、を有する固定子であって、スロットの各々における前記コイルは複数設けられ、かつ前記複数のコイルは前記固定子の半径方向の内方向と外方向にそれぞれ曲げられており、前記スロットの各々に設けられる前記複数のコイルは、同一の他の前記スロットに巻き回されていることを特徴とする。この構成により、固定子鉄心の端面（固定子端面）における空間をうまく利用することができ、固定子端面でコイルを複雑に巻きまわすことなくコイルエンドの回転機回転軸方向長さと固定子半径方向長さを短くすることが可能となる。
【００１７】
以下に本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１８】
（実施例１）
図１は実施例１に係る回転機の断面図である。この回転機は、主として、筒形状のハウジング部１Ａと略円盤状のハウジング部１Ｂとをボルト２で互いに連結して構成されたハウジング１と、ハウジング１に固定され回転軸４を固定する軸受３と、回転軸４に固定された回転子６と、回転子６の外周に位置し間隙７を形成しつつハウジング１に固定される固定子８と、を有して構成される。そして回転軸４は、端部がベルトプーリ等を通じてエンジンの出力軸に連結されたり、タービン軸等の回転軸を構成したりする。固定子８は薄いリング状の電磁鋼板が積層されて円筒形状に構成され、コイル９を組み込むための溝であるスロットが複数設けられている。コイル９は絶縁皮膜が形成された銅線束により構成されており、スロットに組み込まれつつ固定子８に巻きつけられている。なおその際コイル９は固定子８の端面近傍のスロット外で折り返され、他のスロットへ入る形で巻き回されている。なおこのコイル９の折り返された部分には加熱により硬化された樹脂１１が配置され、コイル９を被覆している。なお本明細書では以降このコイルの折り返された部分をコイルエンド部コイルと呼び、このコイルエンド部コイルとこれを被覆する樹脂１１とをコイルエンド１２と呼ぶ。また、図１では図示していないが、ハウジング１に設けられる冷却空気吸入口からコイルエンド１２とハウジングとの間の空間，回転子６と固定子８の間隙７、を通るように冷却空気が循環し、コイルエンド１２及び回転子６等を冷却する。
【００１９】
図２は本実施例における固定子８の断面図である。図２は３相同心巻の固定子を示したものである。なお図２では説明のため樹脂を省略し、コイルエンド部コイルが樹脂により被覆されていない状態を示している。
【００２０】
各スロットには複数のコイル９が組み込まれており、コイル９の各々は組み込まれたスロットから他のスロットに巻き回される。そのためコイルは折り返され、コイルエンド部コイル１３として形成されている。コイルエンド部コイル１３は固定子の半径方向内側へ振り分けられたコイルエンド部コイル１３Ａと、半径方向外側へ振り分けられたコイルエンド部コイル１３Ｂと、により構成されている。そしてこの各コイルエンド部コイルはそれぞれＵ相コイル９Ａと、Ｗ相コイル９Ｂと、Ｖ相コイル９Ｃと、の３層の積層構造となっている。なおＵ相コイル９Ａ，Ｗ相コイル９Ｂ，Ｖ相コイル９Ｃの固定子半径方向に沿って隣接しているコイルは夫々すべて同一相のコイルである。なお本明細書ではこのように３相を一つの束としてコイルを巻きまわす構成を３相同心巻と表現する。
【００２１】
図３に本実施例における固定子８のコイルエンド形状を示す。図３は固定子の回転軸長軸側から見た図であり、コイルの振り分け状態を示すものである。
【００２２】
固定子８は複数のスロット１０を備える固定子鉄心５と、この固定子鉄心５のスロット１０に挿入される複数のコイル９を有して構成されている。なお図３においてスロット１０は周方向に２４個設けられている。
【００２３】
スロット１０から出たコイル９は曲げられ、コイル９の引き出し位置に対して固定子の半径方向内側方向と外側方向に均等に振り分けられている。
【００２４】
このように半径方向内側と外側方向に均等に振り分けることで半径方向外側と半径方向内側の空間をうまく利用することができ、固定子端面でコイルを複雑に巻きまわすことなくコイルエンドの回転機回転軸方向長さと固定子半径方向長さを短くすることが可能となる。なお、本実施例における各スロットに設けられた複数のコイルは半径方向外側と半径方向内側に夫々沿って割り振られているが、コイルを均等に割り振ることにより上記の効果を達成できる限りにおいて、半径方向に沿わない巻きまわしも可能である。但し、半径方向に沿わせて巻きまわすことで、図３で示すようにより対称的な配置が可能となり、コイル設計が容易になる。
【００２５】
以上、本実施例における固定子を用いることで寸法が小さくなり、小型・高効率・高出力の回転機を得ることができる。
【００２６】
（比較例１）
図４に比較例１に係る回転機のコイルエンドの部分断面図を示す。コイルエンド部分以外はほぼ実施例１と同様である。なお図４におけるコイルエンドにおいて樹脂による被覆は説明のために省略する。
【００２７】
図４では各スロットから引き出されたコイルエンド部コイル１３Ｂ全てが固定子の半径外側に引き回されており、コイルエンド部コイルはＵ相コイル９Ａが２列、Ｗ相コイル９Ｂが２列、Ｖ相コイル９Ｃが２列、更にＵ相コイル９Ａが２列、Ｗ相コイル９Ｂが２列、Ｖ相コイル９Ｃ、合計６層積層されたものとなっている。尚Ｕ相コイル９Ａ，Ｗ相コイル９Ｂ，Ｖ相コイル９Ｃの固定子半径方向に隣接しているコイルは夫々すべて同一相のコイルである。
【００２８】
ここにおいて、固定子端面からコイルエンド部コイル上面までの回転機の回転軸の長軸方向長さをＨ２、コイル引き出し位置の中心からコイルエンド部コイル１３Ｂ側面までの幅をＷ２とし、実施例１における固定子端面からコイルエンド部コイル上面までの回転機の回転軸の長軸方向長さをＨ１、コイル引き出し位置の中心からコイルエンド部コイル１３Ｂ側面までの幅をＷ１として比較する（図５参照）と、Ｗ２はＷ１とほぼ同様であるものの、Ｈ２はＨ１の２倍となる。この差は、複数のスロットから巻き回されるコイルが重畳される箇所において特に顕著となる。また、半径方向一方向（図４では固定子外径側）にのみコイルが折り曲げられているため、固定子内径側にはコイルが存在せず、空間をうまく使うことができていない。即ち、比較例１は実施例１に比べてコイルエンドの回転機の回転軸方向長さが長くなり、またコイル引き出し位置近傍の空間をうまく利用できないため固定子の寸法が大きくなってしまう。
【００２９】
以上、比較例１の回転機は実施例１の回転機に比べ冷却空気の循環を妨げてしまうこととなる。
【００３０】
（比較例２）
図６に比較例２における回転機のコイルエンドの部分断面図を示す。コイルエンド部分以外はほぼ実施例１と同様である。なお図４におけるコイルエンドにおいて樹脂による被覆は説明のために省略する。
【００３１】
図６では各スロットから引き出されたコイルエンド部コイル１３Ｂ全てが固定子の半径外側（固定子外径側）に引き回されており、コイルエンド部コイルはＵ相コイル９Ａが４列、Ｗ相コイル９Ｂが４列、Ｖ相コイル９Ｃが４列、合計４層積層された構成となっている。尚Ｕ相コイル９Ａ，Ｗ相コイル９Ｂ，Ｖ相コイル９Ｃの固定子半径方向に隣接しているコイルは夫々すべて同一相のコイルである。
【００３２】
ここにおいて、固定子端面からコイルエンド部コイル上面までの回転機の回転軸の長軸方向長さをＨ３、コイル引き出し位置の中心からコイルエンド部コイル１３Ｂ側面までの幅をＷ３とし、比較例１において比較したように実施例１におけるＨ１，Ｗ１（図５参照）と比較すると、Ｈ３はＨ１とほぼ同じであるが、コイルエンドの幅Ｗ３がＷ１に比べて２倍となる。即ち、比較例２ではコイルの幅を２倍広く設定する必要があるため、スロットに対して固定子の半径外側のスペースが多く必要となる。つまり結果として実施例１に比べてコイルエンドの回転機の固定子の半径方向長さを長くすることとなり固定子の外形が大きくなってしまう。
【００３３】
以上、比較例２に係る回転機では固定子の外径が大きくなり冷却空気の循環を妨げてしまうこととなる。
【００３４】
（比較例３）
図７に比較例２における回転機のコイルエンドの部分断面図を示す。コイルエンドにおけるコイルエンド部コイルが固定子の半径方向内側（固定子内径側）へ全て引き出されている点以外はほぼ比較例２と同様である。なお図４におけるコイルエンドにおいて樹脂による被覆は説明のために省略する。
【００３５】
ここにおいて、固定子端面からコイルエンド部コイル上面までの回転機の回転軸の長軸方向長さをＨ４、コイル引き出し位置の中心からコイルエンド部コイル１３Ｂ側面までの幅をＷ４とし、比較例２において比較したように実施例１におけるＨ１，Ｗ１（図５参照）と比較すると、Ｈ４はＨ１とほぼ同じであるが、コイルエンドの幅Ｗ４がＷ１に比べて２倍となる。即ち、比較例３は実施例１に比べて固定子の半径内側のスペースが多く必要となり（面積で約２倍）、結果として回転機の固定子の半径方向長さが長くなり、固定子の外形が大きくなってしまうこととなる。なおこれは内径側への引き出しであるため比較例２よりもより顕著となる。
【００３６】
以上、比較例３に係る回転機では固定子の外径が大きくなり冷却空気の循環を妨げてしまうこととなる。
【００３７】
（実施例２）
図８は実施例２に係るマイクロガスタービン用の高速発電機の断面図である。実施例２に係る発電機は実施例１の回転子６に永久磁石１４を組み込み、磁石カバー１７で固定したものである。これ以外の点は実施例１とほぼ同様である。
【００３８】
マイクロガスタービンは、タービンと発電機を一体化したタービンジェネレータを毎分数万回転という超高速で回転させ、数ｋＨｚもの高周波で発電することで小型化、かつ高出力を実現している。この発電機は高出力・高効率を達成する意味でも近年著しい発展を遂げている希土類永久磁石を回転子６に用いている。希土類永久磁石は高温になると磁気特性が悪くなり発電効率が低下するため、発熱源となる固定子のコイル９の発熱を効率よく放熱することが必要である。このため、図８では図示していないが、ハウジング１に設けられる冷却空気吸入口からコイルエンド１２とハウジングとの間の空間，回転子６と固定子８の間隙７、を通るように冷却空気が循環し、コイルエンド１２及び回転子６等を冷却する。
【００３９】
以上、本実施例に示すコイルエンド形状により、コイルエンドの高さを低くし小型化が実現ができる。これにより永久磁石を用いた回転子の温度上昇を防ぐことができるので、高出力，高効率な回転機が実現できる。
【００４０】
（実施例３）
図９（ａ）は実施例３に係る固定子を示す図である。実施例３に係る固定子端面には絶縁板が設けられている。これ以外の点はほぼ実施例１と同様である。なお図９（ｂ）は図９（ａ）におけるコイルエンドの部分拡大図である。
【００４１】
実施例３における絶縁板には固定子鉄心５のスロット１０に対応して穴１６が設けられており、穴１６の形はスロットと同寸法になっている。なお穴１６の周囲のコーナー部には角が丸められている。なお実施例３において絶縁板の厚さは８ｍｍであり、穴１６の周囲のコーナー部分の角は半径８ｍｍで丸められている。絶縁板１５の材質は、コイルの曲げ加工時の外力に耐え得る強度を有する絶縁体であればよく、例えばエポキシ樹脂，フッ化エチレン樹脂（四フッ化エチレン等），ガラスとエポキシ樹脂の複合材が挙げられる。
【００４２】
この構成により、コイルを常に最小の曲率半径で曲げることが可能となり、コイルの成形効率，コイルの曲げ精度が向上し、コイルエンドの回転機軸方向長さを短くすることができる。また、曲げ加工時にスロット端部の角部分にコイルが接することがなくなるため、コイルの絶縁皮膜の損傷を防ぐことができる。また、コイルエンド部コイルと固定子鉄心の距離が近すぎると漏れ電流が大きくなり、発電機の効率を低下させるが、絶縁板１５によりコイルエンド部コイル１３と固定子鉄心５の距離を一定量確保できるので漏れ電流を小さくでき、効率を向上させることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上、本発明により固定子の寸法を小さくし、小型・高効率・高出力の回転機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係る回転機の概要を示す図。
【図２】実施例１に係る回転機のコイルエンドの説明図。
【図３】実施例１に係る回転機を回転軸長軸方向から見た図。
【図４】比較例１に係る回転機のコイルエンドの説明図。
【図５】実施例１に係る回転機のコイルエンドの説明図。
【図６】比較例２に係る回転機のコイルエンドの説明図。
【図７】比較例３に係る回転機のコイルエンドの説明図。
【図８】実施例２に係る発電機の概要を示す図。
【図９】（ａ）実施例３に係る回転機の概要を示す図、（ｂ）実施例３に係る回転機のコイルエンドの説明図。
【符号の説明】
１…ハウジング、１Ａ…筒形状のハウジング部、１Ｂ…略円盤状のハウジング部、３…軸受、４…回転軸、５…固定子鉄心、６…回転子、７…間隙、８…固定子、９…コイル、９Ａ…Ｕ相コイル、９Ｂ…Ｗ相コイル、９Ｃ…Ｖ相コイル、１０…スロット、１１…樹脂、１２…コイルエンド、１３，１３Ａ，１３Ｂ…コイルエンド部コイル、１４…永久磁石、１５…絶縁板、１６…穴、１７…磁石カバー。

Claims

複数のスロットを有する固定子鉄心と、
前記固定子鉄心のスロットに組み込まれるコイルと、を有する固定子であって、
前記スロットの各々における前記コイルは複数設けられ、かつ前記複数のコイルは前記固定子の半径方向の内方向と外方向にそれぞれ曲げられていることを特徴とする固定子。
前記固定子の半径方向の内方向に曲げられているコイルの数と、外方向に曲げられている前記コイルの数が均等に振り分けられていることを特徴とする請求項１記載の固定子。
前記固定子の半径方向の内方向及び外方向に曲げられているコイルは３相同心巻であることを特徴とする請求項２記載の固定子。
前記固定子の半径方向の内方向及び外方向に曲げられているコイルは２列かつ３層の積層構造であることを特徴とする請求項３記載の固定子。
前記固定子鉄心の端面には前記スロットに対応した穴が形成された絶縁板が設けられていることを特徴とする請求項１記載の固定子。
前記穴の角は丸められていることを特徴とする請求項５記載の固定子。
前記スロットの各々に設けられる前記複数のコイルは、同一の他の前記スロットに巻き回されていることを特徴とする請求項１記載の固定子。
ハウジングと、
該ハウジングに固定される軸受と、
該軸受に保持される回転軸と、
該回転軸に固定される回転子と、
前記ハウジングに固定され、前記回転子の外周に配置される固定子と、を有する回転機であって、
前記固定子は複数のスロットを有する固定子鉄心と、前記固定子鉄心のスロットに組み込まれるコイルと、を有し、前記スロットの各々における前記コイルは複数設けられ、かつ前記複数のコイルは前記固定子の半径方向の内方向と外方向にそれぞれ曲げられていることを特徴とする回転機。
前記固定子の半径方向の内方向及び外方向に曲げられているコイルは均等に振り分けられていることを特徴とする請求項８記載の回転機。
前記固定子の半径方向の内方向及び外方向に曲げられているコイルは３相同心巻であることを特徴とする請求項９記載の回転機。
前記固定子の半径方向の内方向及び外方向に曲げられているコイルは２列かつ３層の積層構造であることを特徴とする請求項１０記載の回転機。
前記固定子鉄心の端面には前記スロットに対応した穴が形成された絶縁板が設けられていることを特徴とする請求項８記載の回転機。
前記穴の角は丸められていることを特徴とする請求項１２記載の回転機。
前記回転子は、永久磁石が組み込まれ、かつ磁石カバーにより固定されたものであることを特徴とする請求項８記載の回転機。
複数のスロットを有する固定子鉄心と、
前記固定子鉄心のスロットに組み込まれるコイルと、を有する固定子であって、
前記スロットの各々における前記コイルは複数設けられ、かつ前記複数のコイルは前記固定子の半径方向の内方向と外方向にそれぞれ曲げられており、前記スロットの各々に設けられる前記複数のコイルは、同一の他の前記スロットに巻き回されていることを特徴とする固定子。