JP2007325378A - 回転電機及びガスタービンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電機子巻線の銅損を低減しつつ、回転子に発生する渦電流損を低減することができる回転電機を提供する。
【解決手段】複数のスロットが回転軸方向に設けられた固定子鉄心２と、一の前記スロットの外層と他のスロットの内層とに交互に挿入されて巻回される複数の電機子巻線と、前記固定子鉄心の内部で回転し、複数の磁極を備える回転子３と、を備える回転電機１００であって、前記各電機子巻線は、単一の被覆導線を用いて巻回され、前記固定子鉄心の一端側に引出線を設けた、ことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、スロットの外層と内層とに交互に挿入される電機子巻線を用いた回転電機及びガスタービンシステムに関する。

一般に回転電機において、発電機の高効率化は最も重要な課題の１つである。発電機の高効率化を図るためには、コイルエンドの寸法を低減して、銅損を低減することと、ロータ（回転子）で発生する電気損（渦電流損）を低減することと、が考えられる。ここで、コイルエンドとは、一のスロットから他のスロットへ巻き回される被覆銅線の部分を呼び、スロットに入る被覆銅線同士が接続される部分である。
コイルエンドの回転軸方向長さの小型化を図る技術として、例えば、特許文献１に示すように、コイルエンドの被覆銅線を、固定子の半径方向の内側と外側にそれぞれ曲げる技術が提案されている。これによれば、コイルエンドの一つに接続点を持たないので、回転軸方向長を短くすることができる。
また一般に、タービン発電機に使用される二層巻の同期機（同期発電機）においては、回転子（ロータ）で発生する渦電流損（電気損）を低減するために、短節巻が採用され、この短節巻は、例えば、特許文献２に開示されている。ここで短節巻とは、磁極ピッチよりもコイルピッチを小さくする巻線方法をいい、特に、三相機の場合は、巻線ピッチと磁極ピッチとの比（短節度β）を５／６とすることにより、第５次と第７次の空間高調波が低減される。
特開２００４−２８２８５８号公報 （請求項１，図３） 特開２０００−３５０３９６号公報 （段落番号００１２，００３１）

しかしながら、特許文献１に記載された技術は、コイルエンドのコイルを固定子の半径方向の内側と外側に曲げる同心巻であるため、短節巻を用いて回転子に発生する電気損（渦電流損）の低減を図ることができない。
また、特許文献２を含む一般的な二層巻の同期機においては、スロット毎に挿入したコイル同士をコイルエンドでろう付け接続しているため、コイルエンドの回転軸方向長が長くなってしまうという課題がある。特に、マイクロガスタービンに使用される発電機（回転電機）は、数万ｒｐｍの超高速で回転させ、高い周波数で発電することが好ましく、特に、渦電流損が問題となる。また、コイルエンドの回転軸方向長さが長い場合は、振動が増加するという問題がある。

そこで、本発明は、電機子巻線の銅損を低減しつつ、回転子に発生する渦電流損を低減することができる回転電機を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の回転電機は、複数のスロットが回転軸方向に設けられた固定子鉄心と、一の前記スロットの外層と他のスロットの内層とに交互に挿入されて巻回される複数の電機子巻線と、前記固定子鉄心の内部で回転し、複数の磁極を備える回転子と、を備える回転電機であって、前記各電機子巻線は、単一の被覆導線を用いて巻回され、前記固定子鉄心の一端側に引出線を設けた、ことを特徴とする。ここで。外層とは径方向外側領域をいい、内層とは径方向内側領域をいう。

これによれば、単一の被覆導線を用いて一端側に引出線を設けたので、他端側には引出線が設けられていない。このため、他端側のコイルエンドが短くなり銅損が低減する。また、電機子巻線は、一の前記スロットの外層と他のスロットの内層とに交互に挿入されるので、同心巻とならず、磁極ピッチよりもコイルピッチが小さい短節巻を行うことができる。短節巻を行うことにより、空間高調波が低減され、渦電流損が低減する。

また、前記各電機子巻線は、被覆導線が前記固定子鉄心の一端側から前記内層及び外層のうち一の層に挿入され、この一の層から引き出された前記被覆導線が前記固定子鉄心の他端側から前記他のスロットの前記一の層と異なる他の層に挿入され、この他の層から引き出された前記被覆導線が前記一端側から前記一のスロットに隣接するスロットの前記一の層に相当する層に挿入されて形成することができる。

本発明によれば、電機子巻線の銅損を低減することができる回転電機を提供することができる。更に、短節巻によれば、渦電流損を低減することができる。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態である回転電機は、マイクロガスタービンに使用される高速発電機であり、回転子（ロータ）に永久磁石を組み込んだ永久磁石式回転電機である。
図１の断面図において、回転電機１００は、筒形状の側部ハウジング１Ａと略円盤状の端部ハウジング１Ｂ，１Ｃとをボルト（図示せず）で互いに連結して構成されたハウジング１と、回転軸４を回転自在に固定し、ハウジング１に固定される軸受８Ａ，８Ｂと、回転軸４に固定され、Ｎ極とＳ極との２極を備えた回転子３と、回転子３の外周に位置し、間隔５を保ちつつハウジング１に固定される固定子鉄心２とを備える。

固定子鉄心２は、中空円板状（環状）の薄い電磁鋼板２Ａが積層されて円筒形状に形成され、電機子巻線であるコイル９を形成するための溝であるスロット１０（図２参照）が複数設けられたものである。コイル９は、絶縁皮膜が形成された銅線の束により形成され、スロット１０に巻回されている。コイル９（９Ｕ，９Ｖ，９Ｗ）は、固定子鉄心２の端面近傍のスロット外で折り返され、他のスロット（図示せず）に挿入されるように巻回される。また、コイル９は、被覆導線の束であるリッツ線（図１０の外観図及び断面図参照）を用いており、表皮効果による交流抵抗の増加や漏れ磁束によるコイル導体の渦電流損失の増加が抑えられ、高効率な回転電機を得ることができる。

このコイル９が折り返される固定子鉄心２の端面近傍をコイルエンド９Ａ，９Ｂと称する。図示しない中性線及び端子線の接続端を有する端部を接続側（図１の左側）と称し、接続端を有しない端部を反接続側（図１の右側）と称することにする。回転子３は、回転子鉄心３Ａと、回転子鉄心３Ａの外周に配置された永久磁石６と、永久磁石６の飛散防止のため、永久磁石６の外周に設けられた保持環７とを備えている。また、保持環７は非磁性の金属を用いており、金属の熱伝導のよさにより、回転子３の保持環表面で発生する渦電流損を効率よく冷却することができる。なお、固定子鉄心２と、コイル９とを含めて固定子が構成され、保持環７と固定子の内面との間に間隔５が設けられている。

図２は固定子鉄心２の反接続側から見たコイル９の接続図であり、図３はコイル９の結線図である。図２において、固定子鉄心２は、径方向に２４個のスロット１０を備え、内面の２４個のティースが回転子３（図１参照）の外面と近接する。また、各スロット１０は、２本の被覆導線が挿入される空間であり、この空間の径方向内側の領域である内層及び径方向外側の領域である外層にコイル９のコイル辺が配置される。また、コイル９（９Ｕ，９Ｖ，９Ｗ）は、三相、二極、スロット数２４で短節度β＝５／６の短節巻のコイルである。ここで、短節度βは、巻線ピッチと磁極ピッチとの比であり、三相機の場合はβ＝５／６として、第５次と第７次の空間高調波が低減される。また、短節巻とは、磁極ピッチよりもコイルピッチを小さくする巻線方法であり、空間高調波が低減される。説明のため、太線で示した２本の巻線は、同一のスロットから引き出され、あるいは挿入されているが、対向するスロットと異なる両側方向のスロットに挿入されている。なお、二極の場合、コイル９の巻線が電気的に１８０度隔てている場合が全節巻である。また、図２に記載されているＡ−Ａ’矢視線は、後記する図４、図５の断面の視線方向を示している。

図３の結線図においては、１番から２４番までの各スロットの内層に挿入される被覆導線が実線で示され、各スロットの外層に挿入される被覆導線が破線で記載され、２４番の被覆導線に隣接して、１番及び２番の被覆導線が重畳して記載されている。また、接続側では、被覆導線の端末が引き出され、中性点側９Ｗ−，９Ｖ−，９Ｕ−が中性点接続端として引き出され、端子側９Ｗ＋，９Ｖ＋，９Ｕ＋が電源接続端として回転電機１００の外部に引き出される。これらの、中性点側９Ｗ−，９Ｖ−，９Ｕ−、及び、端子側９Ｗ＋，９Ｖ＋，９Ｕ＋の端末を引出線という。なお、中性点側９Ｗ−，９Ｖ−，９Ｕ−は、別途、互いに接続され中性線とされる。

一例として、中性点側９Ｕ−の被覆導線（の一部）が、太線で記載されており、１３番のスロットの内層を通過し、この内層で引き出された被覆導線は反接続側で折り返され、２３番のスロットの外層に挿入される。２３番のスロットの外層から引き出された被覆導線は、接続側で折り返され、１３番に隣接する１４番のスロットの内層に挿入される。この挿入された被覆導線は、反接続側で４回折り返され、２番の外層に挿入される。

すなわち、コイル９は、被覆導線が固定子鉄心の一端側から内層及び外層のうち一の層に挿入され、この一の層から引き出された被覆導線が固定子鉄心２の他端側から他のスロット１０の一の層と異なる他の層に挿入され、この他の層から引き出された被覆導線が一端側から一のスロット１０に隣接するスロット１０の一の層に相当する層に挿入されて形成されている。

さらに、反接続側で２番の外層に挿入された被覆導線は、接続側で、１４番のスロットの外層に挿入され（このとき、図面の右端から左端に移動している。）、１４番のスロットの外層を通過した被覆導線は、反接続側で４番のスロットの内層に挿入される。同様に反接続側で４回折り返されて、反接続側で１番のスロットの内層に挿入された被覆導線は接続側で９Ｕ＋の接続端子とされる（このとき、図面の左端から右端に移動している。）。このように、各相の被覆導線は、単一の被覆導線が用いられている。

通常の同期機においては、スロット１０毎にコイルを挿入し、コイルエンド９Ａ，９Ｂでコイル同士をろう付け接続しているが、本実施形態の回転電機１００は、このように、コイルエンド９Ａ，９Ｂの回転軸方向の長さを短くするために、各相のコイルを１本の被覆導線で連続的に組線している。また、１３番及び１４番の２本のスロットが重複しており、短節巻にされている。

また回転電機１００のスロット数をＮｓとし、極数をＰとするとき、反接続側のコイルエンドの回転軸方向断面は、（Ｎｓ／Ｐ・５／６＋１）本以下の被覆導線で構成している。すなわち、短節巻の短節度が５／６以下であることを示している。図３においては、スロット数：２４，極数：２であり、このときの被覆導線の本数は１１本となる。図３のＣ−Ｃ’断面において被覆導線は実線及び破線を含めて１１本であり、他の断面、例えば、Ｂ−Ｂ’断面では１０本で構成される。これにより、空間高調波が低減されるので、回転子３に発生する電気損（渦電流損）を低減することができる。

また、組線の順序をＵ相コイル９Ｕ，Ｖ相コイル９Ｖ，Ｗ相コイル９Ｗの順で一の相をすべて組線した後に次の相を組線するようにすると、同一スロット内にコイルが２本挿入された際、コイルエンドのコイルの立ち上がり部分でのコイル同士の干渉が生じ、すべてのコイル（Ｕ相コイル９Ｕ，Ｖ相コイル９Ｖ，Ｗ相コイル９Ｗ）を組線することが極めて困難となる。このため、以下の順番で組線を行う。
（１） 端子側Ｕ相コイル ９Ｕ＋
（２） 端子側Ｖ相コイル ９Ｖ＋
（３） 端子側Ｗ相コイル ９Ｗ＋
（４） 中性点側Ｕ相コイル ９Ｕ−
（５） 中性点側Ｖ相コイル ９Ｖ−
（６） 中性点側Ｗ相コイル ９Ｗ−
ただし、９Ｕ＋とは、Ｕ相コイルの渡り線から電源接続端を指し、９Ｕ−とはＵ相コイルの渡り線から中性線接続端を指す。Ｖ相，Ｗ相も同様である。ここで、渡り線とは、反接続側、あるいは、接続側の折り返し線のことである。

要するに、二極の場合、被覆導線の半分を各相について巻回することによって、端子側９Ｕ＋，９Ｖ＋，９Ｗ＋のコイルを形成し、他の半分を各相について巻回することによって、中性点側９Ｕ−，９Ｖ−，９Ｗ−のコイルを形成することが好ましい。また、端子側９Ｕ＋，９Ｖ＋，９Ｗ＋のコイルを巻回した順番で、中性点側９Ｕ−，９Ｖ−，９Ｗ−のコイルを巻回することが好ましい。

図４の断面図は、組線後コイル整形前のコイル位置を示し、図５に組線後コイル整形後のコイル位置を示す。図４，図５とも図２のＡ−Ａ’矢視断面であり、Ａ−Ａ’矢視断面のスロット位置は、図３のＢ−Ｂ’の位置に相当する。この断面においてＵ相コイル９Ｕは２個、Ｖ相コイル９Ｖは４個、Ｗ相コイル９Ｗは４個、合計１０個のコイル断面を持つ。最初に組線する際には、図４に示すようにコイルの立ち上がり長さＨ１を長めにし、コイルエンドの回転軸方向長さＨ２をコイル５列分設ける。その後、コイルエンドを整形していくことにより、図５に示すようにコイル断面の回転軸方向長さＨ３が短く成形される。

以上説明してきたように本実施形態によれば、接続側にのみコイル９の引出線が設けられ、反接続側に引出線が設けられていないので、コイルエンド９Ｂが短くなり、銅損が低減する。また、短節巻を実行することができるので、空間高調波が低減し、回転子３に発生する渦電流損（電気損）が低減する。これにより、高効率な回転電機１００を得ることができ、回転子の熱曲がり等に起因する不安定振動、低周波振動を低減することができる。また、被覆導線の半分を各相について巻回し、他の半分を各相について巻回することによって、組線が容易となる。

（第２実施形態）
第１実施形態は、中性点側の接続端を設けていなかったが、接続端を設けて中性線を設けることができる。第２実施形態である回転電機を図６を用いて説明する。中性線を備えることのみが相違し他の点は図１〜図５と一致するので、同一部品に同一符号を付している。本実施形態の回転電機１１０は、中性線９Ｎの接続端をハウジング１の外側に設置しているため、接続側のコイルエンド９Ａの回転軸方向長さを小さくすることができる。また、中性線９Ｎをハウジング１の外側（外周）を通した場合は、接続側の回転軸方向長さを反接続側と同程度の長さにすることができる。

（第３実施形態）
第２実施形態は、中性線９Ｎをハウジング１の外側を通したが、中性線９Ｎをハウジング１の内側に設置することもできる。
第３実施形態による回転電機を図７に基づいて説明する。本実施形態の回転電機１２０において、中性線９Ｎは、ハウジング１の内側に設置されている。このため、接続側のコイルエンド９Ａの回転軸方向の長さは第２実施形態の回転電機１１０よりも長くなるが、ハウジング１に穴を空ける必要がないため工数の低減を図ることができる。また、回転電機１２０内の気密性を向上することができるため、冷却性能が向上する。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態である回転電機について説明する。
図１〜図５と同一部品を同一符号を付して、再度の詳細な説明は省略した。回転電機１３０に使用され、図８に示される固定子鉄心２は、コイル９のコイル最小寸法Ｈ４がスロット開口部１０Ａの開口幅Ｈ５よりも大きく形成されている。これにより、コイル９の被覆導線がスロット開口部１０Ａから外れることを防止するための「コイルくさび」が不要となる。これにより、工数の低減やコストの低減ができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態である回転電機を図９に基づいて説明する。図１〜図５と同一部品を同一符号で表示して、再度の詳細な説明は省略した。図９において、本実施形態の回転電機１４０は、樹脂１１がコイルエンド９Ａ，９Ｂの周りに配置され、コイル９を被覆している。樹脂１１は、金属粉等の熱伝導のフィラが混合され、冷却機能を備えている。これにより、コイルエンド９Ａ，９Ｂを効率よく冷却することができる。特に、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、発熱源であるコイル９を冷却することは有用である。

（ガスタービンシステム）
次に、本発明の実施形態である回転電機１００（１１０，１２０，１３０，１４０）が使用されるガスタービンシステムについて説明する。このガスタービンシステムは、マイクロガスタービンシステムであり、回転電機１００と、圧縮機２１０と、タービン２２０とが直結され、これらが高速回転する。定常状態において、圧縮機２１０で圧縮された空気と、燃料とが、燃焼器２３０に供給されることによって燃焼され、高圧ガスがタービン２２０に注入され、タービン２２０から排出ガスが大気に放出される。このとき、高圧高温ガスが膨張する過程によりタービンが回転し、圧縮機２１０及び回転電機１００（１１０，１２０，１３０，１４０）が約５１，０００ｒｐｍで高速回転する。高速回転しても、回転電機１００のコイルエンド９Ｂの回転軸方向長さが短いので、軸振動が少なく、安定な運転が可能である。

また、回転電機１００の回転子接続側から出力される約８５０Ｈｚの三相交流電力が電力変換器２４０により５０／６０Ｈｚの商用電力に変換され、電力系統に出力される。８５０Ｈｚの高い周波数で発電できるので、小型化、かつ、高出力が実現される。ここで、中性点接続端かつ電源接続端をもつコイルエンドを回転子３の反直結側にしている。これにより、圧縮機２１０やタービン２２０と直結する際に組立が容易になる。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態は、中性線を設けてＹ結線したが、電源接続端同士を接続してΔ結線することもできる。
（２）前記実施形態は、２４スロット、２極で構成したが、一般化して偶数ＮスロットＰ極で構成することもできる。この場合、電機子巻線であるコイル９は、引き出されたスロット１０からＮ／Ｐ番目のスロットよりも近い位置のスロットに挿入されて、短節巻が行われる。
（３）前記各実施形態の回転電機は、三相交流発電機として構成したが、三相交流電動機とすることもできる。

本発明の第１実施形態である回転電機の概要を示す断面図である。 本発明の第１実施形態である回転電機の反接続側のコイルエンド配線図である。 本発明の第１実施形態である回転電機のコイル結線図である。 本発明の第１実施形態である回転電機のコイルの組線の途中を示す説明図である。 本発明の第１実施形態である回転電機のコイルの組線後の最終形状を示す説明図である。 本発明の第２実施形態である回転電機の概要を示す概略縦断側面図である。 本発明の第３実施形態である回転電機の概要を示す概略縦断側面図である。 本発明の第４実施形態である回転電機のスロット部分の拡大図である。 本発明の第５実施形態である回転電機の概要を示す概略縦断側面図である。 リッツ線の外観図及び断面図である。 ガスタービンシステムの構成図である。

符号の説明

１ ハウジング
１Ａ 側部ハウジング
１Ｂ，１Ｃ 端部ハウジング
２ 固定子鉄心
２Ａ 電磁鋼板
３ 回転子
３Ａ 回転子鉄心
４ 回転軸
５ 間隔
６ 永久磁石
７ 保持環
８Ａ，８Ｂ 軸受
９ コイル（電機子巻線）
９Ｕ Ｕ相コイル（電機子巻線）
９Ｖ Ｖ相コイル（電機子巻線）
９Ｗ Ｗ相コイル（電機子巻線）
９Ａ，９Ｂ コイルエンド
９Ｕ＋ Ｕ相コイルの端子側（引出線）
９Ｖ＋ Ｖ相コイルの端子側（引出線）
９Ｗ＋ Ｗ相コイルの端子側（引出線）
９Ｕ− Ｕ相コイルの中性点側（引出線）
９Ｖ− Ｖ相コイルの中性点側（引出線）
９Ｗ− Ｗ相コイルの中性点側（引出線）
９Ｎ 中性線
１０ スロット
１０Ａ スロット開口部
１１ 樹脂
１００，１１０，１２０，１３０，１４０ 回転電機
２１０ 圧縮機
２２０ タービン
２３０ 燃焼器
２４０ 電力変換器

Claims (14)

1. 複数のスロットが回転軸方向に設けられた固定子鉄心と、
   一の前記スロットの外層と他のスロットの内層とに交互に挿入されて巻回される複数の電機子巻線と、
   前記固定子鉄心の内部で回転し、複数の磁極を備える回転子と、
   を備える回転電機であって、
   前記各電機子巻線は、
   被覆導線が前記固定子鉄心の一端側から前記内層及び外層のうち一の層に挿入され、この一の層から引き出された前記被覆導線が前記固定子鉄心の他端側から前記他のスロットの前記一の層と異なる他の層に挿入され、この他の層の前記一端側から引き出された前記被覆導線が前記一端側から前記一のスロットに隣接するスロットの前記一の層に相当する層に挿入されて形成され、
   前記一端側に、前記各電機子巻線の引出線を設けたことを特徴とする回転電機。
2. 前記スロットの数は偶数Ｎであり、
   前記回転子の極数はＰであり、
   前記他のスロットは、一の前記スロットからＮ／Ｐ番目のスロットよりも近い位置のスロットであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記複数の電機子巻線は、３相接続されたコイルであり、
   前記引出線は、Ｙ結線された中性点接続端及び電源接続端として使用され、あるいは、Δ結線された電源接続端として使用されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 複数のスロットが回転軸方向に設けられた固定子鉄心と、
   一の前記スロットの外層と他のスロットの内層とに交互に挿入されて巻回される複数の電機子巻線と、
   前記固定子鉄心の内部を回転し、複数の磁極を備える回転子と、
   を備える回転電機であって、
   前記各電機子巻線は、単一の被覆導線を用いて巻回され、前記固定子鉄心の一端側に引出線を設けた、
   ことを特徴とする回転電機。
5. 前記スロットの数は偶数Ｎであり、
   前記回転子の極数はＰであり、
   前記電機子巻線は、一の前記スロットから引き出された前記被覆導線がＮ／Ｐ番目の前記スロットよりも内側の他のスロットに挿入される短節巻にされたことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
6. 前記他のスロットは、前記固定子鉄心の他端側において、前記回転子の回転中心軸を含む任意の断面での前記被覆導線の数が（Ｎ／Ｐ・５／６＋１）本以下であることを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
7. 前記複数の電機子巻線は、３相接続されたコイルであり、
   前記引出線は、Ｙ結線された中性点接続端及び電源接続端として使用され、あるいは、Δ結線された電源接続端として使用されることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
8. 前記固定子鉄心、前記電機子巻線、及び前記回転子を収納するハウジングが備えられ、
   前記中性点接続端が、前記ハウジングの外側に設置されていることを特徴とする請求項７に記載の回転電機。
9. 前記固定子鉄心、前記電機子巻線、及び前記回転子を収納するハウジングが備えられ、
   前記中性点接続端が、前記ハウジングの内側に設置されていることを特徴とする請求項７に記載の回転電機。
10. 前記回転子は、磁石と、この磁石の外周に設けられ、前記磁石を保護する保持環とが備えられ、
    前記保持環は、非磁性体金属からなることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
11. 前記スロットは、開口部の開口幅が束ねられた前記被覆導線の外径よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
12. 前記固定子鉄心の一端側及び他端側に冷却用樹脂を設けたことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
13. 前記被覆導線は、リッツ線であることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
14. 請求項１又は請求項４に記載の回転電機と、
    前記一端側と異なる他端側で、前記回転子に直結された圧縮機及びタービンと、
    を備えたことを特徴とするガスタービンシステム。

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