JP2007089359A

JP2007089359A - 回転電機の固定子

Info

Publication number: JP2007089359A
Application number: JP2005277860A
Authority: JP
Inventors: Kenji Tanaka; 賢治田中; Susumu Maeda; 進前田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】固定子巻線の引出し線が引き出される貫通孔を形成する貫通孔形成部において生する渦電流を抑制し過熱を防止できる回転電機の固定子を得る。
【解決手段】長貫通孔９を形成する孔形成部８（図１（ｂ））を有するフレーム７（図１（ａ））、このフレーム７に収容され交流が流れる三相巻線６（図１（ａ））、この三相巻線６から上記長貫通孔９を通って引き出されるものであってそれぞれを流れる交流電流のベクトル和が零となるようにされたＵ〜Ｗ相引出し線１１〜１３，Ｘ〜Ｚ相引出し線１５〜１７を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばタービン発電機などの回転電機の固定子に関する。

従来の交流発電機は、二組の三相巻線を有する固定子巻線において、固定子巻線の出力用の引出し線を外部へ引き出す位置においてフレームを構成する鋼板の一部に貫通孔形成部が設けられており、二組のうちの一方の３相巻線２３Ａから引き出される引出し線Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１を１グループとし、他方の３相巻線２３Ｂから引き出される３本の引出し線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１を別の１グループとして、これらのうちの２本の引出し線（例えば、Ｘ１，Ｙ１）を組にして貫通孔形成部にて形成された貫通孔を通して外部に引き出している。この貫通孔形成部において、例えば鋼板製の貫通孔形成部と引出し線の間に絶縁部材が挿入され、引出し線の支持部材、あるいは交流発電機の機内を密閉構造に保つ封止部材として用いられるとともに、鋼板製の貫通孔形成部と引出し線との絶縁を確保している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２２８８４５号公報（段落番号００２６、００３１、図５及び図７）

上記のように構成された従来の交流発電機における固定子巻線の引出し線が貫通する貫通孔形成部では、引出し線を流れる多相交流によって生ずる磁界が、貫通孔形成部の内部に侵入しようとする。このため、貫通孔形成部にはその磁界を打ち消すような方向に渦電流が流れ、引出し線近傍の貫通孔形成部が局部的に過熱する問題があった。従来、金属製の貫通孔形成部の過熱を抑制する方法としては、貫通孔形成部を含む鋼板全体を透磁率の小さい部材、例えば非磁性ステンレス鋼に置き換えることで渦電流の発生を抑制していた。しかし、非磁性ステンレス鋼を使用することは製造コストが増加する要因となる。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、固定子巻線の引出し線が引き出される貫通孔を形成する貫通孔形成部において発生する渦電流を抑制し過熱を防止できる回転電機の固定子を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機の固定子においては、フレーム、このフレームに収容され交流が流れる固定子巻線、上記フレームに設けられ孔を形成する孔形成部、及び上記固定子巻線から上記孔を通って引き出されるものであってそれぞれを流れる交流電流のベクトル和が零となるようにされた複数の引出し線を備えたものである。

この発明は、フレーム、このフレームに収容され交流が流れる固定子巻線、上記フレームに設けられ孔を形成する孔形成部、及び上記固定子巻線から上記孔を通って引き出されるものであってそれぞれを流れる交流電流のベクトル和が零となるようにされた複数の引出し線を備えたものであるので、引出し線を流れる電流のベクトル和が零となるので孔形成部に発生する渦電流を抑制し過熱を防止できる。

実施の形態１．
図１〜図３は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１（ａ）はタービン発電機の構成図、図１（ｂ）は貫通孔形成部の拡大図である。図２は３相巻線からの引出し線を示す結線図、図３は３相巻線を流れる電流の位相及びベクトルを示す説明図である。図１及び図２において、回転電機としてのタービン発電機１は固定子２と回転子３を有する。固定子２は、円筒状の収容部を有する固定子鉄心５と固定子鉄心５のスロット（図示せず）に巻回された固定子巻線である三相巻線６とこれらを収容するフレーム７とを有する。

固定子鉄心５の円筒状の収容部には上記円筒状の回転子３が収容されている。なお、三相巻線６は、図２に示すように３相交流を出力する３つの相巻線６ｕ，６ｖ，６ｗを有し、巻線６ｕの両端部からＵ相及びＸ相用の引出し線１１，１５が引き出され、巻線６ｖの両端からＶ相及びＵ相用の引出し線１２，１６が引き出され、巻線６ｗの両端からＷ相及びＺ相用の引出し線１３，１７が引き出されている。

フレーム７は、図１（ｂ）に示すような二つの長貫通孔９を形成する強磁性の鋼板製の貫通孔形成部８を有する。長貫通孔９は、円を二つに分割した半円を直線で結んで形成したフィールドトラック状の形状を有し、図１（ｂ）における左右方向の寸法が上下方向の寸法よりも長い長孔状となっている。そして、巻線６ｕ，６ｖ，６ｗの一方の端部から引き出される引出し線１１，１２，１３の３本が直線状に配置された母線側線束１４として、一方の長貫通孔９を通ってフレーム７の外部へ引き出されている。また、他方の端部から引き出される引出し線１５，１６，１７の３本が直線状に配置された中性点側線束１８とされ、もう一つの長貫通孔９を通ってフレーム７の外部へ引き出されている。引き出された引出し線１５〜１７は一緒に接続されて中性点とされ、引出し線１１〜１３は図示しないがＵ，Ｖ，Ｗ相端子に接続され、Ｙ結線となっている。

図３に示すように、引出し線１１と１５、引出し線１２と１６、引出し線１３と１７を流れる電流の位相は逆位相すなわち１８０度ずれている。また、引出し線１１，１２，１３を流れる各Ｕ，Ｖ，Ｗ相の電流の位相は電気角で１２０度ずつずれており、図３に示されるように３相の電流のベクトル和は零となっている。引出し線１５，１６，１７を流れる各Ｘ，Ｙ，Ｚ相の電流の位相は電気角で１２０度ずつ異なっており、図３に示されるように３相の電流のベクトル和は零となっている。

また、引出し線１１，１２，１３を流れる各電流の位相に対して引出し線１５，１６，１７を流れる各電流の位相は１８０度遅れている。この実施の形態においては、長貫通孔９を貫通する引出し線を流れる電流のベクトル和が零となるように、引出し線を母線側電線束１４の組と中性点側電線束１８の組との二組に分け、各組をそれぞれ長貫通孔９を通過して引き出すようにしている。

上記のように構成された実施の形態１において、三相巻線６の引出し線１１，１２，１３の組が通過する長貫通孔９の近傍の貫通孔形成部８と、引出し線１５，１６，１７の組が通過する別の長貫通孔９の近傍の貫通孔形成部８には、上記各引出し線を流れる電流による磁束が鎖交する。この鎖交磁束により鋼板製の貫通孔形成部８には渦電流が流れ、渦電流損失が発生する。しかし、長貫通孔９を貫通する引出し線を流れる電流のベクトル和が零となるようにした場合、引出し線の外側に位置する貫通孔形成部８に鎖交する磁束は互いに打ち消し合う。このため、貫通孔形成部８内を流れる渦電流が減少し、渦電流損失による過熱を防止することができる。なお、長貫通孔は矩形状であってもよい。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２である引出し線が貫通する貫通孔形成部の拡大図である。図４において、図示しないが図１のフレーム７と同様のフレームに貫通孔形成部２８が設けられている。貫通孔形成部２８は、鋼板で製作され、二つの円形の円形貫通孔２９を形成している。円形貫通孔２９をそれぞれ貫通する母線側電線束１４である引出し線１１，１２，１３の組、及び中性点側電線束１８である引出し線１５，１６，１７の組は、実施の形態１とは配置を変えて所定の径の円上に等ピッチに正三角形上に位置するように配置されている。

一般に引出し線近傍の貫通孔形成部等の鋼板中に発生する渦電流損失は、引出し線からの距離の２乗に反比例する。このため、引出し線と鋼板製の貫通孔形成部との距離がいずれの位置からも等しくなるように引出し線を所定の径の円上に位置するように配置することにより貫通孔形成部と特定の引出し線との距離が小さくなるのを防止し、温度上昇の低減効果がさらに高められるという利点がある。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３である引出し線が貫通する貫通孔形成部の拡大図である。図５において、図示しないが図１のフレーム７と同様のフレームに鋼板製の貫通孔形成部３８が設けられている。貫通孔形成部３８にて形成された三つの長貫通孔３９をそれぞれ引出し線１１，１５の対、引出し線１２，１６の対、引出し線１３，１７の対が貫通する。各長貫通孔３９を通過する引出し線の対は、その流れる電流のベクトル和が零となる。これは、三相巻線６（図２参照）のある相の巻線の一方の端部から引き出される母線側の引出し線と他方の端部から引き出される中性点側の引出し線とは互いに１８０度の位相がずれているためである。

実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４を示す引出し線が貫通する貫通孔形成部の拡大図である。図６において、図示しないが図１のフレーム７と同様のフレームに貫通孔形成部４８が設けられている。貫通孔形成部４８は、鋼板で製作され、矩形の内周部を有し内周部の６箇所円に円弧状の凹設部が設けられたものであり、全体として矩形状の引出し線が引き出される変形貫通孔４９を形成している。また、貫通孔形成部４８内には、図６に示すような非磁性ステンレス鋼製の非磁性支持部材４５（斜線のハッチングで示している）が設けられている。

貫通孔形成部４８と非磁性支持部材４５により形成される６箇所の円筒状の絶縁スペーサ用貫通孔４４に中空円筒状の絶縁スペーサ４６を装着し、絶縁スペーサ４６を介して各引出し線１１〜１３，１５〜１７を支持している。なお、同じ変形貫通孔４９を通って引出し線１１，１２，１３の３本一組の母線側電線束１４と、引出し線１５，１６，１７の３本一組の中性点側電線束１８が引き出されており、これらを流れる電流のベクトル和は上述の通り零である。

非磁性支持部材４５を設けて引出し線１１〜１３，１５〜１７を個別に支持するようにすれば、変形貫通孔４９の大きさが大きくなった場合でも、確実に引出し線１１〜１３，１５〜１７を支持することができる。このように、変形貫通孔４９の面積が大きくなり、変形貫通孔４９を絶縁部材で覆うだけでは各引出し線を支持するのに必要な強度が得られない場合でも、引出し線の支持に必要な強度を確保することができる。また、非磁性支持部材４５は貫通孔形成部４８を補強する補強部材としても機能する。

以上のように、この実施の形態においては引出し線に挟まれ磁束密度が大きく渦電流が集中するおそれのある場所には、透磁率の小さい金属製の支持部材、例えば非磁性ステンレス鋼で製作された非磁性支持部材４５を設けることにより、渦電流の発生を抑制するとともに貫通孔形成部を補強しかつ引出し線を強固に支持することができる。

実施の形態５．
図７及び図８は、この発明の実施の形態５を示すものであり、図７は引出し線が貫通する貫通孔形成部の拡大図、図８は貫通孔形成部を貫通する引出し線を流れる電流により発生する磁束の説明図である。図７において、貫通孔形成部３８は図５に示したものと同様のものであり、三つの長貫通孔３９を形成している。長貫通孔３９内に非磁性ステンレス鋼で製作された非磁性支持部材６５がそれぞれ装着されている。この非磁性支持部材６５と貫通孔形成部３８により６箇所円筒状の絶縁スペーサ用貫通孔６４が形成され、当該絶縁スペーサ用貫通孔６４に絶縁スペーサ６６が装着されている。

図７における左方の長貫通孔３８内の二つの絶縁スペーサ６６を貫通して引出し線１１，１５の対が引き出され、中央の長貫通孔３８内の二つの絶縁スペーサ６６を貫通して引出し線１２，１６の対が引き出され、右方の長貫通孔３８内の二つの絶縁スペーサ６６を貫通して引出し線１３，１７の対が引き出されている。その他の構成については、図５に示した実施の形態３と同様のものである。

図８は、互いに１８０度位相が異なる引出し線１１，１５（図２参照）を流れる電流Ｊにより生じる磁束Φを示したものである。両引出し線１１，１５に挟まれた部分においては、互いに発生する磁束が強め合い磁束Φが発生するので、引出し線１１，１５の間に強磁性材料製の支持部材を設置すると、支持部材内に侵入する磁束が増え、渦電流の発生が大きくなり過熱を招く。

この実施の形態５では、これら互いに１８０度位相が異なる引出し線の間に非磁性支持部材６５を配置したものである。非磁性支持部材６５は、透磁率の小さい材料例えばステンレス鋼を使用する。支持部材を非磁性支持部材６５とすることにより、渦電流の発生を抑制して過熱を防止することができる。また、非磁性支持部材６５は実施の形態４で示した非磁性支持部材４５（図６）よりも小さいので、安価に製作できるという利点がある。

なお、上記のような貫通孔を通って引き出される複数の引出し線は上記各実施の形態に示したものに限定されるわけではなく、要するに複数の引出し線を流れる電流のベクトル和が零であるようなものであればよい。さらに、回転電機はタービン発電機に限られるものではなく、また固定子巻線は上記実施の形態１〜５に示した３相巻線に限らず交流巻線であれば同様な効果を奏する。

この発明の実施の形態１であるタービン発電機を示すものであり、図（ａ）はタービン発電機の構成図、図（ｂ）は貫通孔形成部の拡大図である。タービン発電機の固定子の３相巻線からの引出し線を示す結線図である。タービン発電機の固定子の３相巻線を流れる電流の位相及びベクトルを示す説明図である。この発明の実施の形態２である引出し線が貫通する貫通孔形成部の拡大図である。この発明の実施の形態３である引出し線が貫通する貫通孔形成部の拡大図である。この発明の実施の形態４である引出し線が貫通する貫通孔形成部の拡大図である。この発明の実施の形態５である引出し線が貫通する貫通孔形成部の拡大図である。図７の貫通孔形成部を貫通する引出し線を流れる電流により発生する磁束の説明図である。

符号の説明

２固定子、６三相巻線、７フレーム、８貫通孔形成部、９長貫通孔、
１１〜１３Ｕ〜Ｗ相引出し線、１４母線側線束、１５〜１７Ｘ〜Ｚ相引出し線、
１８中性点側線束、２８貫通孔形成部、２９円形貫通孔、３８貫通孔形成部、
３９長貫通孔、４５非磁性支持部材、４８貫通孔形成部、４９変形貫通孔、
６５非磁性支持部材。

Claims

フレーム、このフレームに収容され交流が流れる固定子巻線、上記フレームに設けられ孔を形成する孔形成部、及び上記固定子巻線から上記孔を通って引き出されるものであってそれぞれを流れる交流電流のベクトル和が零となるようにされた複数の引出し線を備えた回転電機の固定子。
上記固定子巻線は三相巻線を有するものであり、上記複数の引出し線は上記三相巻線から引き出された三相分のものであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の固定子。
上記孔は所定方向の寸法が上記所定方向と直交する方向の寸法よりも長い長穴状の孔であり、上記複数の引出し線は上記所定方向に直線状に配置されたものであることを特徴とする請求項２に記載の回転電機の固定子。
上記孔は円形の孔であり、上記複数の引出し線は所定の径の円上に位置するように配置されたものであることを特徴とする請求項２に記載の回転電機の固定子。
上記孔形成部は上記孔を二つ形成するものであり、上記引出し線は上記三相巻線の各相巻線の一方の端部から引き出された引出し線の三相分及び上記相巻線の他方の端部から引き出された引出し線の三相分が上記各孔をそれぞれ通って引き出されたものであることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。
上記孔形成部は上記孔を三つ形成するものであり、上記引出し線は上記三相巻線の各相巻線の一方及び他方の端部からそれぞれ引き出された引出し線の対を３対有し、上記引出線の各対が上記各孔を通って引き出されたものであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の回転電機の固定子。
上記孔形成部内に、上記複数の引出し線を支持する非磁性金属材料製の支持部材を設けたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。