JP2008253014A - 高電圧用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
円筒型の固定子鉄心の内径側周方向に複数のスロットを配設して、外径の異なる複数のケーブルを収納してなる高電圧用回転電機において、固定子鉄心の外径寸法を低減して回転電機の小型化を図る。
【解決手段】
円筒型の固定子鉄心７の内径側周方向に配設された複数のスロット１内に、導体５に耐圧の異なる絶縁被覆を施した複数種の外径を有するケーブル群４を収納するにあたり、外径の最も大きいケーブル４ｃを除く少なくとも１種のケーブル群に対し、外径の最も大きいケーブル群４ｃより鉄心外径側に配設するとともに、鉄心周方向に複数列に並べた配列を含むスロット内配置となるようにスロット内に収納する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高電圧用磁気回路を備えた発電機、電動機に代表される高電圧用回転電機に係り、特に高圧巻線を収納する鉄心スロット周りの構造に関する。

高電圧用回転電機には、一般に電力系統と称する配電・伝送網に接続するための発電機として使用される同期機が含まれる。同期機は、発電機の他に電動機として、さらに位相補償および電圧制御用にも用いられる。また当該技術分野には、非同期機などの回転電機も含まれるものとする。

また、本発明における磁気回路は、当該回転電機の固定子、又は回転子、或いは両方に配置されても差し支えないものとする。

このような回転電機について、初めに、同期機を基調とする例を用いてその特徴を簡単に述べる。殆どの場合において、磁気回路は固定子に配置されるので、以下の説明においては、磁気回路は、積層コア及び固定子巻線と称する巻線、及び、固定子スロット又は単にスロットと称する巻線を収納するために積層鉄心に設けられたスロットを有する固定子として記述する。

殆どの同期機は回転子に界磁巻線を備え、主磁束は直流、及び、固定子に設けられた交流巻線によって生成される。同期機は通常３相構造である。場合により、同期機は突極を備えた構造を有することもある。

電力系統の電圧は、通常、回転電機の電圧よりも更に高いため、発電機は、Δ／Ｙ結線された、いわゆる昇圧変圧器を介して電力系統に接続されなければならず、変圧器を設置することによるコストアップが考えられる。更に、当該システムの全効率が低下すると言った短所もある。従って、十分高い電圧の回転電機を製造することが可能であれば、昇圧変圧器を省略することが可能である。

例えば、電圧が１０ｋＶを超える高電圧用の回転電機として、例えば、特表平１１−５１４１９９号公報に示されているような、いわゆる高電圧用回転電機では、 図８に示すように、昇圧変圧器を省略するために、円形横断面を持つ高電圧用のケーブル４を鉄心スロット１内に通す構成とし、Ｙ結線の中性点側から電位に応じて、ケーブル４の絶縁被覆６の厚さを複数の電圧段階ごとに変えている。

ここでは、低圧、中圧、高圧の３段階の電圧ケーブルをスロット内に配置するケースについて説明する。すなわち、低圧ケーブル４ａは絶縁被覆６ａの厚さが薄く、中圧ケーブル４ｂ、高圧ケーブル４ｃの順にそれぞれ絶縁被覆６ｂ、６ｃの厚さが厚くなっている。したがって、ケーブル外径寸法は、絶縁被覆厚さの最も厚い高圧ケーブルが最も大きく、中圧、低圧の順に小さくなっている。各ケーブルは、鉄心スロット１の内径側に径の小さい低圧ケーブル４ａを、外径側に最も径の大きい高圧ケーブル４ｃを、中間に中圧ケーブル４ｂを配置してスロット１内に収納されている。

ケーブル４の絶縁被覆６には、例えば、熱可塑性樹脂、交差結合熱可塑性樹脂、シリコーンゴム又はＥＰゴムのようなゴム等からなる固体絶縁材が用いられており、絶縁被覆６の内側と外側には、それぞれ図示しない半導電特性を備えた層が配置されている。絶縁被覆６に用いられる絶縁材の耐熱性は、一般に低電圧用回転電機に用いる絶縁材料よりも低いため、導体の温度上昇を避けるため、電流密度を低い状態で運転することから、ケーブル段数を増加させる必要がある。
特表平１１−５１４１９９号公報

しかしながら、ケーブル段数の増加は、即ちスロット深さの増大を招くことになり、固定子鉄心外径の増大に繋がる。固定子鉄心外径の増加は、回転電機の大型化に繋がり、材料コストの増大や製造設備の大型化に繋がるだけでなく、鉄心体積の増加による鉄損の増加や、界磁電流の増加などにより、回転電機の局所的温度上昇の増加、効率の低下、性能低下の要因ともなる。

以上のことから、ケーブル段数を増加させずにスロット深さの増大を抑えることができれば、固定子鉄心外径の増大を抑えることができる、小型で高性能の高電圧用回転電機を提供することが可能となる。

そこで、本発明においては、鉄心スロット深さを低減し、鉄心外径をより小さくすることが可能な高電圧用回転電機の固定子を提供することを目的とする。

本発明に係る高電圧用回転電機は、スロット内にケーブルを有効に配置することにより、スロット深さを浅くし、鉄心外径を低減することを特徴とするものである。

すなわち、本発明に係わる高電圧用回転電機は、円筒型の固定子鉄心の内径側周方向に配設された複数のスロット内に、導体に耐圧の異なる絶縁被覆を施した複数種の外径を有するケーブル群を収納した高電圧用回転電機において、前記各ケーブル群のうち外径の最も大きいケーブルを除く少なくとも１種のケーブル群は、最も外径の大きいケーブル群より鉄心外径側に位置するよう配置するとともに、鉄心周方向に複数列に並べた配列を含むスロット内配置となるようにスロット内に収納したことを特徴とする。

また、本発明に係わる高電圧用回転電機は、円筒型の固定子鉄心の内径側周方向に配設された複数のスロット内に、導体に耐圧の異なる絶縁被覆を施した複数種の外径を有するケーブル群を収納した高電圧用回転電機において、前記各ケーブル群は、それぞれが少なくとも３本以上のケーブルで構成され、互いに隣り合う同種のケーブルの導体断面中心をそれぞれ結ぶ線が略正三角形を成すケーブル配置となるようにスロット内に収納したことを特徴とする。

また、本発明に係わる高電圧用回転電機は、円筒型の固定子鉄心の内径側周方向に配設された複数のスロット内に、導体に耐圧の異なる絶縁被覆を施した複数種の外径を有するケーブル群を収納した高電圧用回転電機において、前記スロットは、前記ケーブル群をスロット内に収納した際に、スロット周方向配列数の多いケーブル群同士が鉄心周方向において同一円周上に位置しないように鉄心周方向に配設したことを特徴とする。

また、本発明に係わる高電圧用回転電機は、円筒型の固定子鉄心の内径側周方向に配設された複数のスロット内に、導体に耐圧の異なる絶縁被覆を施した複数種の外径を有するケーブル群を収納した高電圧用回転電機において、前記スロットを、固定子鉄心の内径側から外径側にかけて鉄心周方向に傾斜させて配設したことを特徴とする。

また、本発明に係わる高電圧用回転電機は、スロット内に収納したケーブル間の隙間に支持材を介挿したことを特徴とする。

さらに、前記支持材は、中空部を有し、該中空部に冷却媒体を流通したことを特徴とする。また、前記支持材の中空部に補助巻線用の導体を配設したことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、 以上説明したように、本発明によれば、高電圧用回転電機の鉄心スロット内にケーブルを有効に配置することにより、鉄心スロット深さを低減し、鉄心外径を小さくすることができ、より小型で高効率の高電圧用回転電機を提供することができる。また、スロットを鉄心周方向に傾斜して設けることにより、鉄心外径を小さくすることができ、より小型で高効率の高電圧用回転電機を提供することができる。

さらに、スロット内に収納したケーブル間の隙間に中空部を有する支持材を介挿して中空部に冷却媒体を流通させることによりケーブルの冷却効果が高まり鉄心の小型化が可能となり、小型で高効率の高電圧用回転電機を提供することができる。さらに、中空部に補助巻線を介挿することにより、主回路とは別に磁気回路を構成できるため、所内電源等の用途で電力を取り出すことが可能となる。

以下、本発明に係る高電圧用回転電機の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す拡大縦断面図である。

図１において、ケーブル４は、固定子鉄心７の内径側から、絶縁被覆厚さが最も薄い、すなわち外径が最も小さい低圧ケーブル４ａ、絶縁被覆厚さが最も厚い、すなわち外径の最も大きい高圧ケーブル４ｃ、その中間の外径を有する中圧ケーブル４ｂの順に鉄心スロット１内に配置されており、中圧ケーブル４ｂは固定子鉄心７の周方向に２列に配置されている。すなわち、図１に示したように、固定子鉄心７の内径側から、低圧、中圧、高圧の順に１列に並べたケーブル配置に対し、中圧ケーブル群４ｂと高圧ケーブル４ｃの配置を入れ替え、さらに高圧ケーブル４ｃよりも固定子鉄心７の外径側に配置された中圧ケーブル４ｂを複数列にしたものである。

ケーブル４をこのように配置することで、図８に示した従来例のように、スロット１内に１列にケーブル４を配置した場合に比べてスロット１の深さを小さくできるので、磁気回路を通過する磁束量に応じてヨーク３の幅を定めれば、回転電機の外径を小さくできる。また、スロット１の幅は固定子鉄心７の内径側から外径側に向かって徐々に広くなっているため、適当な鉄心径と周方向スロット数の条件下ではティース２の幅が内径側より極端に狭くならないため、ティース２での磁束の流路を確保し、ティース２での磁気飽和を抑えることができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る回転電機の固定子について、図２を用いて説明する。なお、前述した実施形態と同一または類似の構成については同一の符号を付し説明は省略する。

図２は本発明の第２の実施形態に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す要部縦断面図である。

図において、スロット１内に、中性点からの電位に応じて異なる厚さの絶縁被覆６を有するケーブル４が、低圧ケーブル４ａ、中圧ケーブル４ｂ、高圧ケーブル４ｃでケーブル群を構成して配置されている。各ケーブル群は、それらを構成する導体５の断面中心をそれぞれ結ぶ線が概ね正三角形を成すように配置されている。

ケーブル群をこのように配置することで、鉄心スロットの断面積に対するケーブル４の占積率を向上させることができる。すなわち、ケーブル４の占める断面積に対して、鉄心スロット１の深さを小さくすることができる。

なお、図２においては、１スロット内に収められるケーブル４の総本数は１６本であるが、この本数は、必ずしも４本ずつのケーブル４ａ、４ｂ、４ｃによって構成される必要は無く、回転電機の出力に従って必要とされるケーブル数に応じて、ケーブル４ａ、４ｂ、４ｃの本数は任意に選定できる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る回転電機の固定子について、図３を用いて説明する。なお、前述した実施形態と同一または類似の構成については同一の符号を付し説明は省略する。

図３は本発明の第３の実施形態に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す要部縦断面図である。

図において、ケーブル４は、固定子鉄心７の内径側から、高圧ケーブル４ｃ、中圧ケーブル４ｂ、低圧ケーブル４ａの順に配置されており、中圧ケーブル４ｂは図の横方向、すなわち固定子鉄心７の周方向に２列に配置され、低圧ケーブル４ａは図の横方向に３列に配置されている。すなわち、固定子鉄心７の内径側から、低圧ケーブル４ａ、中圧ケーブル４ｂ、高圧ケーブル４ｃの順にケーブル４を配置するとともに、絶縁被覆厚の薄い低圧ケーブル４ａを固定子鉄心７の外径側に３列に配置し、中圧ケーブル４ｂを２列に、そして高圧ケーブル４ｃを１列に配置したものである。

ケーブル４をこのように配置することで、スロット１の深さを小さくすることができる。なお、ケーブル４ａ、４ｂ、４ｃの位置をスロット内にどの順に配置するか、また、各ケーブル４ａ、４ｂ、４ｃの列数を何列にするかは、スロット１内のケーブル本数、ケーブルの分け方等に従って任意に選ぶことができる。

本実施形態に係る回転電機においては、このようなケーブル配置としたため、図８に示した従来の回転電機のように、ケーブル４ａ、４ｂ、４ｃを１列に並べた場合に比べてスロット１の深さが低減され、磁気回路を通過する磁束量に応じてヨーク３の径方向幅を定めれば、回転電機の外径を低減することができる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る回転電機の固定子について、図４を用いて説明する。なお、前述した実施形態と同一または類似の構成については同一の符号を付し説明は省略する。

図４は本発明の実施形態４に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す縦断面図である。

図において、各スロット１内には、固定子鉄心７の内径側から、低圧ケーブル４ａ、中圧ケーブル４ｂ、高圧ケーブル４ｃの順序で配置しており、各ケーブル４は横方向に１列あるいは２列で配置されている。そして、隣り合うスロット１ａ、１ｂは、スロット１内に配置した各ケーブル４の固定子鉄心７半径方向位置がずれるように形成されており、ケーブル４が１列の部分とケーブル４が２列の部分とが固定子鉄心のほぼ同一半径上に位置するように配置されている。

本実施形態においては、上記のように構成したので、ケーブルを複数列並べることによって鉄心スロットの深さを浅くすることができると同時に、隣り合うスロットにおいてケーブル配置が２列の部分同士が同一半径上に位置することが無いので、ティースの幅を広く確保することができるため、ティースの磁気飽和が緩和できティースでの鉄損を低減することができる。

（第５の実施形態）
図５は本発明の第５の実施形態に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す縦断面図である。なお、前述した実施形態と同一または類似の構成については、同一の符号を付し説明は省略する。

図において、低圧ケーブル４ａ間、中圧ケーブル４ｂ間、高圧ケーブル４ｃ間には、プラスチック等の樹脂からなる中空の支持材８が介挿され、支持材８の中空部には、冷媒を通過させる。このように構成したことにより、各ケーブル４の脱落や電磁力による振動を抑えることができるとともに、各ケーブル４で生じる損失による発熱を冷却することができる。

なお、本実施形態では、支持材８は中空のものを用いたが、冷却上の問題が無ければ中実のものでも良く、中空の支持材と中実の支持材が混在しても差し支えない。また、支持材８を各ケーブル４間に挿入後にその内部に圧力を加え高圧にすることによって、その固定、支持機能を向上させることができる。

さらに、支持材８の中空部に補助巻線を通すことによって、主回路とは別に磁気回路を構成することも可能であり、例えば、所内電源等の用途で電力を取り出すことも可能である。なお、本実施形態では、図４のケーブル配置に対する例を挙げて説明したが、他のケーブル配置の場合にも適用可能である。

（第６の実施形態）
図６は本発明の第６の実施形態に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す縦断面図である。なお、前述した実施形態と同一または類似の構成については、同一の符号を付し説明は省略する。

図において、スロット１は、固定子鉄心７の周方向に傾斜して形成され、各スロット１には、固定子鉄心７の内径側から、低圧ケーブル４ａ、中圧ケーブル４ｂ、高圧ケーブル４ｃの順ケーブルが配置されている。このような構成にすることで、固定子鉄心７の内径からスロット１の底までの距離が低減できるので、固定子鉄心７の外径を小さくすることができる。

また、回転電機の負荷運転時には、一般に磁束線は径方向に対してある傾きを有して振れている。そのため、スロット１の振れ方向を負荷運転時の磁束線の振れ方向に一致させることにより、磁束線がより有効にティース２内を通過することができるため、ティース２の磁気抵抗を低減することができる。

なお、スロット１内のケーブル配置は、図６の配置に限らず他の配置の場合でも、スロット１を固定子鉄心７の周方向に傾斜させることにより、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第７の実施形態）
図７は本発明の第７の実施形態に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す縦断面図である。なお、前述した実施形態と同一または類似の構成については、同一の符号を付し説明は省略する。

図において、スロット１は、図６に示した実施形態と同様に固定子鉄心７の周方向に傾斜して形成されているが、本実施形態においては、ケーブル４のスロット１内の配置が、図７に示すように、高圧ケーブル４ｃと中圧ケーブル４ｂとが曲率を有する鉄心スロット１の主形状を形成し、その曲率線の内側で中圧ケーブル４ｂの近傍に低圧ケーブル４ａが配置されている。また、高圧ケーブル４ｃ、中圧ケーブル４ｂ、低圧ケーブル４ａの各ケーブルがそれぞれ１本ずつ集合したケーブル群を構成し、図では３群のケーブル群が示されている。

このように、高圧ケーブル４ｃと、それに対して径の小さい中圧ケーブル４ｂとで曲率を有するスロット１の主形状を形成した場合、中圧ケーブル４ｂの部分は鉄心スロット１の幅が小さくて済むことから、この部分により径の小さい低圧ケーブル４ａを配置することにより、曲率を有するスロット１内により有効にケーブルを配置することができ、固定子鉄心内径から鉄心スロット底までの距離を有効に低減でき、固定子鉄心外径を小さくすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す部分縦断面図。 本発明の第２の実施形態に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す部分縦断面図。 本発明の第３の実施形態に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す部分縦断面図。 本発明の第４の実施形態に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す部分縦断面図。 本発明の第５の実施形態に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す部分縦断面図。 本発明の第６の実施形態に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す部分縦断面図。 本発明第７の実施形態に係る高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット周りの構成を示す部分縦断面図。 従来の高電圧用回転電機の固定子鉄心スロット部の構成を示す軸断面図。

符号の説明

１：スロット
２：ティース
３：ヨーク
４：ケーブル
４ａ：低圧ケーブル
４ｂ：中圧ケーブル
４ｃ：高圧ケーブル
５：導体
６、６ａ、６ｂ、６ｃ：絶縁被覆
７：固定子鉄心
８：支持材

Claims (10)

1. 円筒型の固定子鉄心の内径側周方向に配設された複数のスロット内に、導体に耐圧の異なる絶縁被覆を施した複数種の外径を有するケーブル群を収納した高電圧用回転電機において、
   前記各ケーブル群のうち外径の最も大きいケーブルを除く少なくとも１種のケーブル群は、最も外径の大きいケーブル群より鉄心外径側に位置するよう配置するとともに、鉄心周方向に複数列に並べた配列を含むスロット内配置となるようにスロット内に収納したことを特徴とする高電圧用回転電機。
2. 円筒型の固定子鉄心の内径側周方向に配設された複数のスロット内に、導体に耐圧の異なる絶縁被覆を施した複数種の外径を有するケーブル群を収納した高電圧用回転電機において、
   前記各ケーブル群は、それぞれが少なくとも３本以上のケーブルで構成され、互いに隣り合う同種のケーブルの導体断面中心をそれぞれ結ぶ線が略正三角形を成すケーブル配置となるようにスロット内に収納したことを特徴とする高電圧用回転電機。
3. 円筒型の固定子鉄心の内径側周方向に配設された複数のスロット内に、導体に耐圧の異なる絶縁被覆を施した複数種の外径を有するケーブル群を収納した高電圧用回転電機において、
   前記スロットは、前記ケーブル群をスロット内に収納した際に、スロット周方向配列数の多いケーブル群同士が鉄心周方向において同一円周上に位置しないように鉄心周方向に配設したことを特徴とする高電圧用回転電機。
4. 円筒型の固定子鉄心の内径側周方向に配設された複数のスロット内に、導体に耐圧の異なる絶縁被覆を施した複数種の外径を有するケーブル群を収納した高電圧用回転電機において、
   前記スロットは、固定子鉄心の内径側から外径側にかけて鉄心周方向に傾斜させて配設したことを特徴とする高電圧用回転電機。
5. 前記スロットは、隣り合うスロット間に形成されるティース部の鉄心外径側の幅が、鉄心内径側の幅に対して同じかあるいは大きくなるように、スロットの中心線に曲率を設けた形状としたことを特徴とする請求項４に記載の高電圧用回転電機。
6. 前記各ケーブル群は、外径の最も小さいケーブル群が前記スロット中心線に対して他のケーブル群より内側となるスロット配置となるようにスロット内に収納したことを特徴とする請求項４または５に記載の高電圧用回転電機。
7. 前記スロットは、固定子鉄心における負荷時の磁束線の傾く方向に対応させて傾斜させたことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の高電圧用回転電機。
8. スロット内に収納したケーブル間の隙間に支持材を介挿したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の高電圧用回転電機。
9. 前記支持材は、中空部を有し、該中空部に冷却媒体を流通したことを特徴とする請求項８に記載の高電圧用回転電機。
10. 前記支持材は、中空部を有し、該中空部に補助巻線用の導体を配設したことを特徴とする請求項８または９のいずれかに記載の高電圧用回転電機。

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