JP2005160261A - 電機子巻線及びそれを用いた回転電機 - Google Patents

電機子巻線及びそれを用いた回転電機 Download PDF

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Abstract

【課題】
電機子巻線内の循環電流を低減し、温度の均一化を図る。
【解決手段】
本発明では、上記課題を解決するために少なくとも2列多段に素線が束ねられた素線群と、該素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線が転移されている電機子巻線であって、前記素線群の断面における上部および下部側の前記素線を通過する電流の流通抵抗を、中央部側の前記素線を通過する電流の流通抵抗より大きくするか、もしくは、前記複数の素線群のうち少なくとも一つの素線群を通過する電流の流通抵抗を、他の素線群を通過する電流の流通抵抗より大きくしたことを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は電機子巻線及びそれを用いた回転電機に係り、例えばタービン発電機の電機子巻線の如く、変動磁界にさらされるものに好適な電機子巻線及びそれを用いた回転電機に関するものである。
従来のタービン発電機の電機子巻線については、たとえば米国特許第2821641号公報に記載されている。この米国特許第2821641号公報に記載の例では、図17に示すように、複数多段に配置されている素線を途中で転移させ、その素線と素線の転移角度を、図18に示すごとく360度,540度など機種の出力や機械的な寸法により決定してスロット内に配置し、スロット内での鎖交磁束を打ち消すことで素線間に流れる循環電流損を低減してきた。具体的には図17に示すように、右列の最上段に位置する素線
11を左列の最上段、つまり素線1(2n)の上に転移し、さらにその上部に右側の素線12,13と連続的に転移することにより、巻線全体をより線構造としてきた。また、転移角度は図18に示すごとく、軸端部Iから巻き始めた素線11,15が転移され、一周して軸端部IIで同じ位置に戻ってくる360°転移や、更に半周分余分に転移した540°転移が使用される。このとき、360°や540°といった角度と転移のピッチは、固定子鉄心30内で巻線間に鎖交する磁場を相殺するように選定される。たとえば素線11と15の間に鎖交する磁束φ31とφ33の合計が、逆方向に鎖交する磁束φ32と等しくなるように選ぶ。
また、特開昭47−12513号公報にもタービン発電機の電機子巻線が記載されているが、この例は、図19に示すごとく、2列転移された素線群1の外側に2列の素線群2を配置し、素線群1を囲むように素線21,22,23等を転移している。これにより径方向磁束φr2による循環電流損を低減するようにしている。
米国特許第2821641号公報 特開昭47−12513号公報
上記従来技術(米国特許第2821641号公報)では、素線転移した素線群であっても、図18に示す如く360°の転移では端部Iで鎖交する磁束φ1と端部IIで鎖交する磁束φ2 が互いに同極性であるため、素線11,15等の作る閉ループ内には(φ1+φ2)の磁束が鎖交する。また、540°の転移を施した場合では、素線11,15の端部Iで鎖交する磁束φ1 と端部IIで鎖交する磁束φ2 が互いにうち消しあう極性ではあるが、端部Iと端部IIでは素線の径方向位置が異なることから、それぞれの磁場φ1 とφ2 の大きさは等しくはない。つまり、磁場強さの差分(φ1−φ2)に相当する鎖交磁束は残ることになり、素線11,15を周回して流れる循環電流をすべて相殺することは困難である。このように、素線間を循環する成分の電流が少なからず存在する。
また、素線断面積を大きくとる必要がある場合には、転移した素線群を並列に複数個並べた図20の様な巻線を使用していた、このような構造では、素線群1と素線群2の間に鎖交する径方向磁束φr2を相殺することが全くできないので、素線間を循環する電流はさらに大きくなる。
一方、上記径方向磁束を低減するための従来技術である特開昭47−12513号公報では、図19のごとく素線11を取り囲むように素線群2を二重に配置した複雑な構造となっており、製作に工数がかかる。また、たとえば素線11が素線1(2n)の上に転移され、段差の上で更に素線21を転移する必要があり、素線間のギャップを均一に保つことが困難となっていた。このため、適切な絶縁強度が保てなかった。
本発明の目的は、上記問題点を解消した電機子巻線及びそれを用いた回転電機を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために少なくとも2列多段に素線が束ねられた素線群と、該素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線が転移されている電機子巻線であって、前記素線群の断面における上部および下部側の前記素線を通過する電流の流通抵抗を、中央部側の前記素線を通過する電流の流通抵抗より大きくしたことを特徴とする。
さらに、本発明は、少なくとも2列多段に素線が束ねられた複数の素線群と、該素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線が転移されている電機子巻線であって、該複数の素線群のうち少なくとも一つの素線群を通過する電流の流通抵抗を、他の素線群を通過する電流の流通抵抗より大きくしたことを特徴とする。
本発明によれば、回転電機の電機子巻線内の循環電流を低減し、温度の均一化を図ることができる。
本発明の実施の形態を説明するために、本発明が適用されるタービン発電機の概略構造を図1を用いて説明する。尚、図1に示す基本構造は、冷却流体の種類にはよらない。
図1に示す如く、回転子51は固定子枠60に回転軸50によって回転保持される。回転子51は内部に界磁巻線(図示せず)を有し磁極となる。一方、回転子51と所定ギャップをもって対向配置される固定子を構成する固定子鉄心30は、軸方向両端をエンドクランプ31で保持され、固定子枠60に固定される。電機子巻線10,20は、固定子鉄心30の軸方向に延び、周方向に所定間隔を複数設けられた各スロット内に格納される。なお、水冷発電機の場合には、電機子巻線10,20の軸端部に冷却水入り口流路61、反対側に冷却水出口流路62を設け、電機子巻線10,20を構成する図3に示すような中空の素線11,14等の中を軸方向に通水することで、電機子巻線10,20を直接冷却している。
通常、電機子巻線10,20は、図2に示すようにたとえばn段,m列の素線からなる素線群を主絶縁4で覆って構成される。主絶縁4は、巻線内部と外部の間の電気絶縁を保つための構造物であり、マイカや樹脂で構成されることが多い。図2は、m=4,n=
22の例で、電機子巻線10または20を軸と直角方向に断面して示し、素線1を第1列の1段目からn段目まで11,12…1nと番号付けしている。ここで、m,nはいずれも任意の整数であり、通常は、図17に示すように、2列毎に転移されて素線群を形成する。4列の電機子巻線でも、図20に示すごとく、素線群1と2に分けて2列毎に転移されるし、6列以上の場合でも同様である。
図2に本発明の電機子巻線の第1の実施例を示す。第1の実施例では、図1に示すタービン発電機において、主絶縁4に覆われた電機子巻線10を構成する素線群2は、各素線
21,22,…,2nの断面積を、素線群1の各素線11,12,…,1nの断面積より小さくすることにより、電流の流通抵抗を素線群1よりも大きくしている。この効果と原理を以下に示す。
通常の電機子巻線は、図16に示すように、2列の素線11,12,…,1n,1(n+1),…,1(2n)からなる素線群1と同じく2列の素線21,22,…,2n,
2(n+1),…,2(2n)からなる素線群2からなり、素線群1と、素線群2は同一の断面形状を有している。ここで、素線群1および素線群2内の素線はそれぞれ360°,540°などの転移角で転移されており、固定子鉄心30内で鎖交する磁場を相殺するように構成されている。転移の様子は図20に示した通りである。
素線群,素線と鎖交磁束の関係を図11,図12を用いて説明する。図11は、4列素線を使用した電機子巻線全長のイメージを示す図である。固定子鉄心内では、図20のごとく2列毎に素線転移されるが、素線群1と素線群2の間には転移が施されず、径方向磁束φr2が素線群間に作用する。また、転移が施されるのは固定子鉄心内のみで、端部では転移を施していない。両素線群は、最端部で互いに接続される。ここでは、それぞれの素線群から代表的な素線11,15,21,25を選んで説明する。転移角度は540°の例である。図11,図18に示す如く、ここで、素線群1内の素線同士はスロット内での鎖交磁束が0となるように転移が施されているため、φr2,φt2などの磁場によって素線11,15の間に循環電流が誘導されることはない。一方、端部Iと端部IIの磁場に関していえば、素線11と15の上下関係が入れ替わっているため、端部Iでの周方向磁束
φt1と端部IIにおける周方向磁束φt3は素線11と素線15に逆極性に作用する。但し、磁場が径方向位置によって変わるため、鎖交磁束は完全には相殺されず、若干の循環電流が流れる。素線群2の素線21,25に関しても同様である。
次に、素線群1と素線群2の間に鎖交する磁束の影響について述べる。これらの二つの素線群は互いに転移されておらず、ふたつの素線群の間には、スロット内の径方向鎖交磁束φr1と、端部の径方向磁束φr2,φr3の合計が鎖交する。素線電流の回路図として示したのが図12である。ここで電流I0は電機子巻線全体の電流Iを素線数で割ったものであり、素線の平均電流である。I1〜I3は前述したそれぞれの閉ループに鎖交する磁束によって生じる循環電流を示す。素線11と15の間および素線21と25の間には、それぞれ周方向磁束φt1−φt3が鎖交し、これをうち消す向きの循環電流I1,I2が誘導される。一方、素線群1と素線群2の間つまり、素線11,15と素線21,25の間には、径方向磁束φr1〜φr3が鎖交し、これをうち消す向きの電流I3 が誘導される。つまり、素線11,15,21,25に流れる電流はそれぞれ下記となる。
(数1)
11=I0+I1+I3
15=I0−I1+I3
21=I0+I2−I3
25=I0−I2−I3
各素線に流れる電流としては、
(数2)
11>I15>I21>I25
となり、素線毎に電流値が変わることがわかる。
このとき、従来構造での素線電流分布のイメージは図14となる。素線電流の大きな素線群1の発熱が大きく、素線群2の発熱が小さい。ここで、540°トランスポジションでは、素線の位置と端部での鎖交磁束の関係から巻線の上部と下部で発熱が大きくなる。このため、素線群が一つしかない場合にも図13の様に電流分布が生じ、温度が不均一になる。一方、実施例1では、素線群2の電流の流通抵抗を第1の素線群より小さくしている。これにより、素線群1,2を循環する閉ループの抵抗が大きくなるに従って、循環電流I3 を低減できる。I3 が小さくなると、数1で示すようにI11,I15を低減することができ、素線群1の発熱が低減する。素線群2は、抵抗が大きくなることによって電流は減るが、電流の流通抵抗が大きくなるので、発熱は増える傾向にある。つまり、図15に示すごとく、素線群2の発熱が増え素線群1の発熱が減ることによって、断面内の温度均一化が図れる。
本実施例では、素線群2電流の流通抵抗を素線群1よりも大きくする例を説明したが、素線群1の電流の流通抵抗を素線群2より小さくしても、同様の効果が得られる。本実施例では電流の流通抵抗を大きくする手段として素線群2内の素線幅をすべて一律に小さくしたが、これに限定されるものではなく、例えば材質を変えてもいいし、素線の高さや素線形状,段数を変えることで電流の流通抵抗を変えても良いことは勿論である。
図3には、本発明の電機子巻線の第2の実施例を示す。本実施例は、水冷却の巻線への適用を示したもので、電流の流通抵抗を変える手段として、素線群2内の素線幅(素線断面積)をすべて一律に素線群1内の素線幅(素線断面積)より小さくした例である。素線群2内の素線断面積が素線群1内の素線断面積より小さくなることにより、素線群1内の素線11などと素線群2内の素線21等が作る閉ループの電流の流通抵抗が大きくなり、この間を流れる循環電流を低減することができる。また、電流の小さな素線群2の素線断面積を小さくすることで、素線群1と素線群2の電流密度を等価にすることができ、発熱も均一になる。本実施例は水冷却の巻線への適用で、素線11,14,21,24等は冷却水を通す中空構造になっているため。素線21,24等では通水面積が素線11,14よりも小さくなり、発熱に応じた水量が取れることからさらに温度が均一化できる。
図4には、本発明の電機子巻線の第3の実施例を示す。本実施例は、実施例2で説明した構成の電機子巻線10,20(以下、上コイル20,底コイル10という)をスロット40内に上下2段に配置した例である。本実施例では、底コイル10の素線群102の素線121,122等の幅(素線断面積)を素線群101の素線111,112等の幅(素線断面積)より小さくとり、上コイル20では素線群202の素線221,222等の幅(素線断面積)を素線群201の素線211,212等の幅(素線断面積)より小さくとっている。つまり、上コイル20と底コイル10で抵抗の大きな素線の配置をスロット
40の左右に対して同じ側にとっている。これは、上コイル20に流れる電流と底コイル10に流れる電流が同極性で、同一極性の径方向磁束が作用する場合に有効である。
図5には、本発明の電機子巻線の第4の実施例を示す。本実施例は、実施例1で説明した構成を水冷却の巻線へ適用した電機子巻線110,220(以下、上コイル220,底コイル110という)をスロット40内に配置した例である。本実施例では、底コイル
110の素線群102の素線121,122等の幅(素線断面積)を素線群101の素線111,112等の幅(素線断面積)より小さくとり、上コイル220では素線群201の素線211,212等の幅(素線断面積)を素線群202の素線221,222等より小さくとっている。つまり、上コイル220と底コイル10で抵抗の大きな素線の配置をスロット40の左右に対して反対側逆配置にとっている。この構造は、上コイル220に流れる電流と底コイル110に流れる電流が逆極性で、上コイル220と底コイル110に作用する径方向磁束が同極性の場合や、上コイル220に流れる電流と底コイル110に流れる電流が同極性で、作用する径方向磁束が逆極性である場合に有効である。
図6には、本発明の電機子巻線の第5の実施例を示す。該図に示す実施例では、素線群2の上部と下部のみに中空の素線21,24等を配置し、素線群1の構造は実施例2(図3参照)と同様にしている。このような実施例の構造では、発熱量の少ない素線群2の冷却水量を少なくすることができ、発熱量に見合った効率的な冷却が行える。また、素線群2の上部および下部は、図14に示すように発熱が大きいため、本実施例の構造ではこの部分を集中的に冷却することができ、冷却効率がよくなる。
図7には、本発明の電機子巻線の第6の実施例を示す。本実施例は、6列素線を使用する電機子巻線への適用例を示したもので、素線群1〜3の3つからなる。この例では、素線群2の素線幅(素線断面積)を素線群1の素線幅(素線断面積)よりも小さく、素線群3の素線幅(素線断面積)を素線群2の素線幅(素線断面積)よりも小さくとっている。このように、素線群の数が増えた場合でも、各素線に流れる循環電流に応じて素線断面積を増減させてやれば、二つの素線群で構成される実施例2と同様の効果を得ることができる。
図8には、本発明の電機子巻線の第7の実施例を示す。本実施例は一つの素線群から構成された電機子巻線への適用例で、端部での素線配置例を示す。通常の2列コイルでは、図13に示すように循環電流の影響により、巻線の上部および下部で発熱密度が大きくなる。そこで、本実施例では、発熱の大きな上部の素線11,12等、及び下部の素線1n等の断面積を他の(中央部)素線の断面積より小さくしている。つまり、上部及び下部側の素線を通過する電流の流通抵抗を、中央部側の素線を通過する電流の流通抵抗より大きく構成している。このように、上部及び下部の素線の断面積を小さくすることによって、この部分に生じる付加的な損失たとえば、渦電流損を低減することができ、温度を均一化できる。
図9には、本発明の電機子巻線の第8の実施例を示す。本実施例は、一つの素線群から構成された電機子巻線への適用例で、発熱密度の大きな巻線の上部および下部に集中的に水冷却用の中空の素線11,14等を配置して、巻線の上部及び下部の冷却をよくしている。本実施例の構造では、発熱の大きな巻線の上部,下部を集中的に冷却することができ、冷却効率がよくなるとともに温度も均一化できる。
図10には、本発明の電機子巻線の第9の実施例を示す。本実施例は、実施例8の視点を変えたもので、巻線の上部のみに集中的に中空の素線11,12等を配置している。
360°の素線転移では、電機子巻線10,20の上側で循環電流がもっとも大きくなる例が多いため、この部分を集中的に冷却することができ、温度の均一化を図ることができる。
本発明によれば、巻線内の循環電流が低減され、局所的に温度の高い部分を生じることがないので、電機子の温度上昇の均一化と温度上昇の低減を図ることができる。
本発明の電機子巻線が採用されるタービン発電機の概略を示す全体図。 本発明の電機子巻線の第1の実施例を示す断面図。(実施例1) 本発明の電機子巻線の第2の実施例を示す断面図。(実施例2) 本発明の電機子巻線の第3の実施例を示し、スロット内に収納された状態の断面図。(実施例3) 本発明の電機子巻線の第4の実施例を示し、スロット内に収納された状態の断面図。(実施例4) 本発明の電機子巻線の第5の実施例を示す断面図。(実施例5) 本発明の電機子巻線の第6の実施例を示す断面図。(実施例6) 本発明の電機子巻線の第7の実施例を示す断面図。(実施例7) 本発明の電機子巻線の第8の実施例を示す断面図。(実施例8) 本発明の電機子巻線の第9の実施例を示す断面図。(実施例9) 素線群,素線と鎖交磁束の関係を説明するための4列素線を使用した電機子巻線全長のイメージを示す図。 図11における鎖交磁束と循環電流の関連を示す図。 従来の2列巻線の断面図及びその構成における電流分布図。 従来の4列巻線の断面図及びその構成における電流分布図。 本発明の実施例2の巻線断面積及びその構成における電流分布図。 従来の電機子巻線の一例を示す断面図。 従来の2列巻線における転移の状態を示す部分斜視図。 540°転移と360°転移のそれぞれの状態を示すイメージ図。 特許文献2の巻線における転移の状態を示す部分斜視図。 従来の4列巻線における転移の状態を示す部分斜視図。
符号の説明
1,2,3,101,102,201,202…電機子巻線の素線群、4…電機子巻線の主絶縁、10,20…電機子巻線、11,12,111,112…素線群1の素線、
21,22,211,212…素線群2の素線、30…固定子鉄心、40…スロット、
50…回転軸、51…回転子、60…固定子枠、61…冷却水入り口流路、62…冷却水出口流路。

Claims (14)

  1. 少なくとも2列多段に素線が束ねられた素線群と、該素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線が転移されている電機子巻線であって、前記素線群の断面における上部および下部側の前記素線を通過する電流の流通抵抗を、中央部側の前記素線を通過する電流の流通抵抗より大きくしたことを特徴とする電機子巻線。
  2. 少なくとも2列多段に素線が束ねられた素線群と、該素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線が転移されている電機子巻線であって、前記素線群の断面における上部および下部側の素線断面積が、中央部側の素線断面積より小さく形成されていることを特徴とする電機子巻線。
  3. 少なくとも2列多段に素線が束ねられた素線群と、該素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線が中実素線と冷却媒体が通る中空素線とから成り、かつ、これらの素線が転移されている電機子巻線であって、前記素線群の断面における上部及び下部側に前記中空素線を集中的に配置し、中央部に中実導体を集中的に配置したことを特徴とする電機子巻線。
  4. 少なくとも2列多段に素線が束ねられた素線群と、該素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線が中実素線と冷却媒体が通る中空素線とから成り、かつ、これらの素線が転移されている電機子巻線であって、前記素線群の断面における上部側にのみ前記中空素線を配置し、他には前記中実導体を配置したことを特徴とする電機子巻線。
  5. 少なくとも2列多段に素線が束ねられた複数の素線群と、該複数の素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線が転移されている電機子巻線であって、前記複数の素線群のうち少なくとも一つの素線群を通過する電流の流通抵抗を、他の素線群を通過する電流の流通抵抗より大きくしたことを特徴とする電機子巻線。
  6. 少なくとも2列多段に素線が束ねられた複数の素線群と、該複数の素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線が転移されている電機子巻線であって、前記複数の素線群の断面における少なくとも一つの素線群の素線断面積が、他の素線群の素線断面積より小さいことを特徴とする電機子巻線。
  7. 少なくとも2列多段に素線が束ねられた複数の素線群と、該複数の素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線群の素線が中実素線と冷却媒体が通る中空素線とから成り、かつ、これらの素線が転移されている電機子巻線であって、前記複数の素線群のうち少なくとも一つの素線を通過する電流の流通抵抗を、他の素線群を通過する電流の流通抵抗より大きくしたことを特徴とする電機子巻線。
  8. 少なくとも2列多段に素線が束ねられた複数の素線群と、該複数の素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線群の素線が中実素線と冷却媒体が通る中空素線とから成り、かつ、これらの素線が転移されている電機子巻線であって、前記複数の素線群の断面における少なくとも一つの素線群の素線断面積が、他の素線群の素線断面積より小さいことを特徴とする電機子巻線。
  9. 少なくとも2列多段に素線が束ねられた複数の素線群と、該複数の素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線群の素線が中実素線と冷却媒体が通る中空素線とから成り、かつ、これらの素線が転移されている電機子巻線であって、前記複数の素線群のうち、少なくとも一つの素線群における中空素線の通水面積が、他の素線群における中空素線の通水面積より小さいことを特徴とする電機子巻線。
  10. 少なくとも2列多段に素線が束ねられた複数の素線群と、該複数の素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線群の素線が中実素線と冷却媒体が通る中空素線とから成り、かつ、これらの素線が転移されている電機子巻線であって、前記複数の素線群のうち、少なくとも一つの素線群の断面における上部及び下部側に前記中空素線を、中央部に中実素線を配置し、他の素線群は前記中実素線と中空素線が混在して配置されていることを特徴とする電機子巻線。
  11. 少なくとも2列多段に素線が束ねられた3つの素線群と、該3つの素線群の周囲を覆う主絶縁とを備え、前記素線が中実素線と冷却媒体が通る中空素線とからなり、かつ、これら素線が転移されている電機子巻線であって、前記3つの素線群のうち中央に位置する素線群の素線断面積より一方側に位置する素線群の素線断面積が小さく、他方側に位置する素線群の素線断面積が大きいことを特徴とする電機子巻線。
  12. 回転子鉄心、該回転子鉄心のスロット内に格納される界磁巻線からなる回転子と、該回転子と所定ギャップをもって対向配置され、固定子鉄心、該固定子鉄心のスロット内に格納される電機子巻線からなる固定子とを備えた回転電機であって、前記電機子巻線が請求項1乃至11のいずれか一つに記載のものであることを特徴とする回転電機。
  13. 回転子鉄心、該回転子鉄心のスロット内に格納される界磁巻線からなる回転子と、該回転子と所定ギャップをもって対向配置され、固定子鉄心、該固定子鉄心のスロット内に格納される電機子巻線からなる固定子とを備えた回転電機であって、前記電機子巻線はスロット内に格納される底コイルと上コイルとからなり、前記底コイル及び上コイルは請求項7乃至9のいずれか一つに記載の電機子巻線であることを特徴とする回転電機。
  14. 回転子鉄心、該回転子鉄心のスロット内に格納される界磁巻線からなる回転子と、該回転子と所定ギャップをもって対向配置され、固定子鉄心、該固定子鉄心のスロット内に格納される電機子巻線からなる固定子とを備えた回転電機であって、前記電機子巻線はスロット内に格納される底コイルと上コイルとからなり、前記底コイルは請求項7乃至9のいずれか一つに記載の電機子巻線であり、前記上コイルは前記底コイルとは素線群が逆配置された電機子巻線であることを特徴とする回転電機。


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