JP2004523118A

JP2004523118A - 誘導巻線

Info

Publication number: JP2004523118A
Application number: JP2002561848A
Authority: JP
Inventors: ピーターカルステンセン，; トルビョーンワス，; ボヘルンネス，
Original assignee: エービービーエービー
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2004-07-29
Also published as: WO2002061772A1; US20040089468A1; SE0100308D0; EP1364378A1; NO326865B1; NO20033437L; NO20033437D0

Abstract

少なくとも１層（１２，１３，１４）に配置された撚り導体（１１）を具備する通電手段（１０）を含む、少なくとも１つの巻きからなる誘導巻線（２０）であって、該少なくとも１つの層は、隣接層（１６，１７，１８）から電気的に絶縁され、該少なくとも１つの層を構成している少なくとも２つの隣接ストランドは非絶縁である、誘導巻線。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの巻きからなる誘導巻線と該誘導巻線を備える電気機械に関する。より特定すれば、本発明は、変圧器、原子炉、エレクトロマグネット、補償器、周波数コンバータ及び共振器等の静電気機械、並びに、主に高圧（つまり１０ｋＶを超える電圧）を伴うアプリケーションで用いられるモータ及びジェネレータ等の回転機械で使用するための、少なくとも１層に配置された撚り導体を具備する通電手段を含む誘導巻線に関する。
【背景技術】
【０００２】
過去数十年の間、高圧回転電気機械を求める声が増加している。通常、電力網の電圧は、回転電気機械の電圧よりも高いので、回転電気機械を電力網に繋げるには、ステップアップトランスフォーマを使用する必要がある。トランスフォーマは、追加費用を発生させ、システム全体の効率を下げる。従って、中間変圧器なくして電力網に直接接続可能な高圧用回転電気機械を製造することが好ましい。これには、適当な高圧誘導巻線が必要である。
【０００３】
誘導巻線の電導材料は、渦流を誘導する磁場の影響を受けやすく、その結果、渦流損失が生じる。渦流損失は、渦流の通電経路を遮断することによって低減できる。大幅な電力節約に繋がるため、渦流損失を最小化する手段を取り込む誘導巻線が好まれている。国際公開公報９７／４５９３０号は、撚り導体からなる２以上の同心層を具備した高圧巻線用導体を記載する。各層は、隣接層から電気的に絶縁されて、層の間の渦流損失を低減する。各層の交互ストランドには、２つの非絶縁ストランドが相互に電気的接触しないように、エナメル又は押し出し高温プラスチック等の電気的絶縁層が設けられ、これにより各層内での渦流損失が制限される。ワイヤに電気絶縁を提供することは、高価で、時間を浪費する工程である。さらに、もし絶縁ストランド及び非絶縁ストランドを具備する導体が、導体寸法を減少させるために圧縮された場合、絶縁を除去することが非常に困難になるため、誘導巻線を接続又は結合させる時に問題が生じる。上記層に必要な絶縁を与えるために表面を酸化させたアルミニウムストランドを使用できると述べられているが、この場合、銅ストランドのみ又はアルミニウムストランドのみからなる巻線と比較して、巻線のリサイクルがより困難になる。
【特許文献１】
国際公開公報９７／４５９３０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、十分に渦流損失を軽減するように設計された、より安価でより環境に優しい誘導巻線、及び該巻線を具備する電気機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の上記目的及びその他の目的は、各層は他の隣接層から電気的に絶縁されているが該層の少なくとも１層を構成する少なくとも２つの隣接ストランドは非絶縁である、ペリメトリックに（perimetrically）重畳された複数層又は１層に、撚り導体を配置することにより達成させる。本発明の更なる実施態様では、該少なくとも１つの層を構成する大半のストランドが、非絶縁である。本発明の好適な実施態様では、該少なくとも１つの層を構成する全ストランドが、非絶縁である。
【発明の効果】
【０００６】
各層内の渦流は極微量である一方で、層の間を循環する渦流は、通電手段での渦流損失の最大の原因であることが実験により明らかとなっている。ストランド間の接触抵抗と誘導領域を生じさせる接触点の数が比較的少ないことが原因し、単層内の渦流は小さい。従って、単層内の交互ストランドに電気絶縁を与えることは不必要であると考えられている。非絶縁ストランドを主に使用／非絶縁ストランドのみを使用すると、絶縁材が全く不要となるか必要数が減るので、より安価で且つ環境に優しい誘導巻線になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の通電手段は、銅、アルミニウムその他のあらゆる適当な材料のストランドからなる層を少なくとも１層具備する。撚り導体は、それらが構成する通電手段の断面を最小化するために、撚った後に圧縮される円形ストランド又は所定の形状のストランドからなる。更なる実施態様では、通電手段は、様々な層に異なる断面を有する撚り導体を具備する。渦流損失を最小化するために、ストランドの最大横幅は、４ｍｍ又は好適には２ｍｍである。好適な実施態様では、複数の層はほぼ同心である。
【０００８】
撚り導体の各層の間の電気絶縁体は、段ボール導体紙、又は熱可塑性プラスチック等の合成材料、又はマイカ、又は架橋材料からなる。好適な実施態様では、電気絶縁体は、撚り導体の層の長手方向に取り付けられる、又は撚り導体の層に巻き付けられる。
【０００９】
本発明は、少なくとも１つの巻きからなる、少なくとも１つの誘導巻線を具備した電気機械に関する。上記に記載のように、誘導巻線は、囲み固体絶縁層が設けられた第一の半導体層と、該固体絶縁層をすっぽり包む第二の半導体層に包囲された通電手段を具備する。本発明の好適な実施態様では、第一の半導体層の電位は、通電手段の電位とほぼ等しい。第二の半導体層は、地電位等の所定の電位に接続されている。半導体層はほぼ均等な電位表面を形成し、電磁場が固体絶縁層内で均等に分配される。これは、電磁場の局部集中が原因で絶縁材が遮断される危険を除去する。本発明のさらなる好適な実施態様では、第二の半導体層は接地されるので、電磁場がその境界外で存在することはない。
【００１０】
半導体層は、好適には、固体絶縁層と同様の材料を具備するが、カーボンブラック等の電導材料を含む。半導体層は、固体絶縁層と密接するように配置されている。好適な実施態様では、半導体層と固体絶縁層は、層の間で遊びを絶対に発生させない単一のユニットを形成するように、一緒に押し出すことで結合される。高磁場強度の際、絶縁材料での部分的な放電につながり得るので、層の間に空気を入れないことが重要である。
【００１１】
本発明は、添付図面を参照しつつ、図面以下の説明と特許請求の範囲によりさらに理解されるであろう。
【００１２】
図１は、中央導体１５の周囲にペリメトリックに重畳された層１２、１３、１４に配置された、例えば直径２ｍｍの銅のワイヤからなる円形ストランド１１を具備した通電手段１０を示す。該層は、交互に撚られた方向で配置されている。電気絶縁体１６、１７、１８は、隣接層を絶縁する。ストランド１１は、非絶縁である。中央導体と隣接電気絶縁体１６を空気又は他の材料に替えてもよい。
通電手段のストランド層は、もちろん、通電手段に対する要求に応じて、増減されてもよい。本発明の更なる実施態様では、この層は、異なる断面からなるストランドを具備してよい。本発明の更なる実施態様では、誘導巻線は、１ストランド層を具備する。この単層は、例えば、巻線の中央の絶縁材料の周縁に配置される。
【００１３】
図２は、本発明の好適な実施態様の誘導巻線２０の断面図を示す。誘導巻線は、中央の撚り導体１５の周りの同心層１２、１３、１４に配置された均一な断面を有する円形ストランド１１を具備する通電手段を含む。電気絶縁層１６、１７、１８は、隣接層を絶縁する。第一の半導体層２１は、通電手段を包み、固体絶縁層２２が第一の半導体層の周りに設けられている。第二の半導体層２３は、固体絶縁層２２を包む。
【００１４】
固体絶縁層２２は、例えば、低／高濃度のポリエチレン，ポリプロピレン、ポリブチレン、テフロン（登録商標）、ポリ塩化ビニル又はマイカ、架橋ポリエチレン又は例えばエチレン−プロピレンゴム又はシリコンゴム等のゴムといった架橋材料を具備する。
【００１５】
図３は、本発明の誘導巻線３と積層コアを具備する三相電源トランスを図示する。該コアは、３つの脚３０、３１、３２と２つのヨーク３３、３４を具備する。本発明の誘導巻線は、コアの脚の周りに同心状に巻かれている。そのような３つの同心誘導巻線３５、３６、３７が図示されている。内側の誘導巻線３５が主要な誘導巻線であり、他の２つ３６、３７は、副誘導巻線を示す。
スペーサ３８及び３９が誘導巻線の間に配置される。該スペーサは、電気的絶縁材料からなり冷却を促進し誘導巻線を機械的に支持するように機能してもよく、電気的導電材料からなり誘導巻線のための接地システムの一部として機能してもよい。
【００１６】
図４は、本発明の電気機械の固定子４０のセクタの軸方向の概略端面図である。図面は、１極区分（one pole division）に対応する機械のセクタを示す。放射状に最も外側に位置するコアのヨーク部分４２から、多数の歯４３が機械回転子４１に向かって内側に放射状に延びている。歯は、固定子の誘導巻線が配置されるスロット４４により分離されている。明確化のために誘導巻線の通電手段１０のみを示す。各スロット４４の断面は、交互広域部分４５と狭域部分４６を有し可変的である。広域部分４５は、ほぼ円形であり、誘導巻線の貫通部（lead-through）を囲む。狭域部分は、各誘導巻線貫通部を放射状に配置するのに役立つ。スロット４４の断面は、概して、放射状に内側方向に向かい若干狭くなる。これは、固定子の放射状内側部分の近くに位置する誘導巻線貫通部ほど、その電圧が低くなるためである。従って、広域のケーブル貫通部がさらに要求されている一方で、ここでは狭域ケーブル貫通部を使用できる。図示された実施態様では、３つの異なる面積を有する誘導巻線が使用され、該誘導巻線は、スロット４４の該３つの面積に対応した面積の区域４７、４８、４９に配置される。
【００１７】
例えば発電機の固定子巻線に、本発明の誘導巻線を使用することによって、発電機の電圧を、中間変圧器なくして電力網にそれを直接接続できるレベルまで上昇させることができる。その結果、本発明の解決方法は、経済的な面で、そして、回転電気機械を具備する設備に必要な空間面で、節約となる。
【００１８】
図５は、磁場が通電手段に直角である、異なる交流（５０Ｈｚ）磁場における渦流損失を示す。グラフは、１８５ｍｍ^２の断面領域を有する固体銅導体のための計算値と、固体導体と同一の総断面領域を有する３６の円形銅ストランドの測定から得られた実験値とを比較する。銅ストランドは、３つの異なる構成で配置される。第一の構成において、それらは、非絶縁のまま圧縮される。データは、この構成を採用することによって、固体導体と比較して渦流損失が減少することを示す。第二の構成では、全ストランドは絶縁されているが圧縮はなされず、これにより渦流損失がさらに減少した。第三の構成では、本発明の実施態様に従って、それらは非絶縁のままであるが、層が絶縁され、圧縮されており、測定された磁場の範囲に亘って、非圧縮絶縁ストランドとほぼ同様の結果が得られた。このグラフによると、圧縮層絶縁ストランドの各層内の渦流損失は微量であり、従って、著しい不利益を受けることなく、各層内の電気的絶縁を省略できることが示されている。
【００１９】
図６は、磁場が通電手段に対して直角である、異なる交流（５０Ｈｚ）磁場での渦流損失を示す。グラフは、７０ｍｍ^２の断面領域を有する固体銅導体を具備する固体誘導巻線のための計算値と、固体導体と同一の総断面積を有する円形銅ストランドを含む誘導巻線の測定で得られた実験値とを比較する。銅ストランドは、３つの異なる構成で配置される。第一の構成では、それらは、非絶縁のままで圧縮される。データは、この構成を採用することによって、固体導体と比較して渦流損失が減少することを示す。第二の構成では、ストランドは全て絶縁されているが圧縮されず、これにより渦流損失がさらに減少した。第三の構成では、本発明の実施態様に従って、それらは非絶縁のままであるが、層が絶縁され、圧縮されており、測定された磁場に範囲に亘って、非圧縮絶縁ストランドを具備する構成とほぼ同様の結果が得られた。
【００２０】
本発明の特性の一部を例示したが、当業者にとっては多くの変更と修正が可能であることは明らかであろう。従って、本発明のそのような修正と変更は本発明の請求項の範囲に含まれることが理解されなくてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の好適な実施態様の誘導巻線の通電手段を示す。
【図２】本発明の好適な実施態様の誘導巻線の通電手段の断面図を示す。
【図３】本発明の誘導巻線を具備する積層コアを有する三相電源トランスを示す。
【図４】本発明の電気機械の固定子のセクタの軸方向の概略端面図を示す。
【図５】断面積が１８５ｍｍ^２の通電手段の様々な構成に関する、異なる磁場における渦流損失のグラフを示す。
【図６】断面積が７０ｍｍ^２の通電手段の様々な構成に関する、異なる磁場における渦流損失のグラフを示す。

Claims

少なくとも１層に配置された撚り導体（１１）を具備する通電手段（１０）を含む、少なくとも１つの巻きからなる誘導巻線（２０）であって、該少なくとも１層を構成する少なくとも２つの隣接層が非絶縁であることを特徴とする、誘導巻線。
誘導巻線は、各層が隣接層（１６，１７，１８）から電気的に絶縁されている、複数のペリメトリックに重畳された層（１２，１３，１４）を具備することを特徴とする、請求項１に記載の誘導巻線。
上記複数のペリメトリックに重畳された層がほぼ同心であることを特徴とする、請求項２に記載の誘導巻線。
上記少なくとも１層を構成するストランドの大半が非絶縁であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の誘導巻線。
上記少なくとも１層を構成する全ストランドが非絶縁であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の誘導巻線。
ストランドは所定の断面形状を有することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の誘導巻線。
ストランドは、撚られた後に圧縮されることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の誘導巻線。
ストランドの最大横幅が４ｍｍ、好適には２ｍｍであることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の誘導巻線。
撚り導体の各層の間の電気絶縁体（１６，１７，１８）は、紙又は合成材料からなることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の誘導巻線。
各層の間の上記電気絶縁体（１６，１７，１８）は、撚り導体の層（１２，１３，１４）の長手方向に取り付けられることを特徴とする、請求項８に記載の誘導巻線。
各層の間の上記電気絶縁体（１６，１７，１８）は、撚り導体（１２，１３，１４）の層に巻き付けられることを特徴とする、請求項８に記載の誘導巻線。
少なくとも１つの巻きからなる少なくとも１つの誘導巻線（２０）を具備する電気機械であって、該誘導巻線は、包囲固体絶縁層（２２）と該固体絶縁層を包囲する第二の半導体層（２３）が設けられた第一の半導体層（２１）に包囲された、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の通電手段（１０）を具備することを特徴とする、電気機械。
通電手段の電位とほぼ等しい電位に第一の半導体層（２１）を維持するための手段を具備することを特徴とする、請求項１２に記載の電気機械。
第二の半導体層（２３）が通電手段を包囲するほぼ同電位の表面を構成するように配置されていることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の電気機械。
第二半導体層（２３）は、所定の電位に接続されていることを特徴とする、請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載の電気機械。
上記所定の電位は地電位であることを特徴とする、請求項１５に記載の電気機械。
少なくとも２つの非絶縁ストランド（１１）が１つの層内に隣接して配置されるように撚り導体を少なくとも１層（１２，１３，１４）に配置するステップと、各層を隣接層から電気的に絶縁するステップを備えることを特徴とする、通電手段を誘導巻線に提供する方法。
第一の半導体層（２１）の内側に通電手段を包むステップと、第一の半導体層の周囲に包囲固体絶縁層（２２）を提供するステップと、固体絶縁層を第二の半導体層（２３）で包むステップを備えることを特徴とする、誘導巻線の製造方法。
第一の半導体層（２１）、固体絶縁層（２２）及び第二の半導体層（２３）は単一のユニットを形成するように一緒に押し出されることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
静電気機械における、請求項１ないし１１の誘導巻線の使用又は請求項１７ないし１９の方法の使用。
回転電気機械における、請求項１ないし１１の誘導巻線の使用、又は請求項１７ないし１９の方法の使用。
高圧アプリケーションにおける、請求項１ないし１１の誘導巻線の使用、又は請求項１７ないし１９の方法の使用。
変圧器における、請求項１ないし１１の誘導巻線の使用、又は請求項１７ないし１９の方法の使用。
原子炉における、請求項１ないし１１の誘導巻線の使用、又は請求項１７ないし１９の方法の使用。
エレクトロマグネットにおける、請求項１ないし１１の誘導巻線の使用、又は請求項１７ないし１９の方法の使用。
補償器における、請求項１ないし１１の誘導巻線の使用、又は請求項１７ないし１９の方法の使用。
周波数コンバータにおける、請求項１ないし１１の誘導巻線の使用、又は請求項１７ないし１９の方法の使用。
モータにおける、請求項１ないし１１の誘導巻線の使用、又は請求項１７ないし１９の方法の使用。
発動機における、請求項１ないし１１の誘導巻線の使用、又は請求項１７ないし１９の方法の使用。