JP2013121224A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、主に２極３並列回路としたときの回転電機の亘り線列数を低減し、体格の増大を抑えつつ、コイル１本当たりの電流を小さくした電機子巻線を備えた回転電機を提供することを目的とする。
【解決手段】上記目的は、全部で６つある接続部グループにおいて、口出し接続部が４箇所、コイル間接続部が２箇所となるグループを少なくとも１グループ作ることで、亘り線同士の位置干渉を避け亘り線の列数を６列に低減することにより達成できる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、回転電機に係り、例えばタービン発電機等の大型発電機に好適な構成に関するものである。

大容量の発電機は出力電流が大きいために、電機子コイルの電磁力や発熱が大きい。その対策として、電機子コイルを複数の並列回路により構成することで、巻線１本当たりの電流を減らし、電磁力や温度上昇を緩和する方法が取られる。

しかし、並列回路数を増やすと、電機子コイル同士を接続するコイル間接続線や、電機子コイルと出力端子を接続する口出し線などの本数が増える。以下では、コイル間接続線と口出し線とを総じて、亘り線と呼ぶ。亘り線の本数が増えると、亘り線収容スペースが増えるため、体格が増大する問題があった。

ここでは、まず大型発電機で主に用いられる２極２並列回路の亘り線と、並列回路数を増やした２極３並列回路の亘り線を比較し、並列回路数増加により亘り線スペースが増大する点について説明する。

図２２は、発電機の固定子の軸方向断面である。２極の発電機でスロット数が３６なので、毎相毎極のスロット数は６である。図２２ではスロット数を３６としたが、毎相毎極スロット数が３の倍数であるならば、スロット数は３６でなくとも良い。積層鋼板からなる固定子鉄心１は、内周側に電機子コイルを収容するためのスロット３と、スロット間にティース２を持つ。電機子コイルはスロット内に２本収容され、内周側コイルを上コイル１１、外周側コイルを下コイル１２と呼ぶ。

図２３は、図２２の固定子鉄心１および上コイル１１、下コイル１２を周方向に展開し、内径側から見た結線図である。図２３のθは周方向を、Ｚは軸方向を示す。ただし、電機子コイルはＵ相一相分のみとし、電機子コイル１本を実線１本で示す。Ｕ相の口出し線は、線路側をＵ、中性点側をＸとした。また、固定子鉄心１の軸方向中央に記載した数字はスロットの番号であり、各スロットに上コイル１１と下コイル１２が収容されている。
なお、図２３は大型発電機で主に採用される、回転子２極、並列回路数２の場合である。

並列回路数は、一般的に極数の約数から選定する。これは、各回路を極に対して均等に配置するためである。図２３では、極数と並列回路数が一致するため、１つの回路を１つの極に集中して配置でき、コイル間接続線が不要となる。そのため、亘り線は口出し線２１のみでよい。口出し線２１と電機子コイルは、口出し接続部３１で接続される。また軸方向端部には、口出し接続部２箇所を１グループとした接続部グループ３３が６グループ存在する。

図２４は、Ｕ、Ｖ、Ｗの三相分の電機子コイル配置である。Ｖ、Ｗ相は線路側をＶ、Ｗとし、中性点側をＹ、Ｚとした。亘り線の本数は、１回路当たり２本となるため、図２４の並列回路数２の場合は各相で４本、三相で１２本となる。

図２５は、図２４の口出し線２１と発電機の出力端子４との接続を示したものである。
なお、固定子鉄心１、およびスロット内の上コイル１１、下コイル１２は省略した。接続部グループ３３は周方向に約６０度間隔に存在する。口出し線２１は出力端子４と接続するために、出力端子４と周方向位置が一致する点まで周方向に渡る形状となっている。口出し線は相互の干渉を避けるため、軸方向位置をずらして複数列に配置される。以下、図では軸方向位置をずらした亘り線を、同心円状に径方向位置をずらして表示する。図２５のように、２極２並列回路では、亘り線が軸方向に５列並ぶこととなる。

次に、並列回路数を増やした２極３並列回路について示す。図２６は２極３並列回路としたときのＵ相一相分の巻線配置である。２つの極に対して３回路をバランスよく配置するために、各回路を両極に半分ずつ配置することになり、電機子コイル同士を接続するコイル間接続線２２が必要となる。

また、回路数の増加により、口出し線の本数が一相あたり６本に増加する。図２７は、図２６にＶ、Ｗ相の電機子コイルを加えたものであり、図２４に比べて亘り線が複雑に配置される。図２８は亘り線と出力端子４との接続を示しており、亘り線のうち実線のものが口出し線２１、破線がコイル間接続線２２である。またこのとき、口出し接続部３１とコイル間接続部３２により構成される接続部グループ３３は、接続部６箇所を１グループとして周方向に約６０度間隔で６グループ存在する。図２８に示す通り、亘り線の列数は１２列になる。

以上により、２極機の並列回路数を２から３へと増加させることで、亘り線の列数が５列から１２列へと増加する。ここで、大型発電機の亘り線間には数十ｋＶの電圧が発生するため、亘り線間の絶縁距離を十分に確保する必要がある。よって、列数増加により亘り線収容スペースが増大するために発電機フレームを大きくする必要があるが、これにより発電機の体格が増大する問題が生じる。そのため、体格の増大を抑えて並列回路数を増やすには、亘り線の列数を削減する必要がある。

２極３並列回路の回転電機において亘り線列数を削減する方法が、特許文献１に示されている。特許文献１では、３回路のうち１回路を１つの極のみに、他の１回路をもう一つの極のみに配置し、残りの１回路を２つの極に半分ずつ配置する構成を示している。図２９は特許文献１の巻線構成のうち一相分のみを示しており、３回路中２回路のコイル間接続線の長さが短縮されている。図３０は三相分の巻線配置であり、図２７に比べて亘り線が簡略化される。

図３１に、特許文献１の構成における、端部の亘り線配置を示す。コイル間接続線の短縮と、同相口出し線を１本に集約することで、亘り線列数を７列にできる。しかし、図２５に示した２極２並列回路では亘り線が５列であったのに対し、図３１では２列増加するため、体格が増大する。

米国特許第３６６０７０５号公報

上記従来技術では、図３１に示すように、端部の亘り線配置がコイル間接続線の短絡と、同相口出し線を１本に集約することで、亘り線列数を７列にできる。しかし、図２５に示した２極２並列回路では、亘り線が５列であったのに対し、図３１では２列増加するため、体格が増大するという問題があった。

本発明の目的は、２極３並列回路の回転電機の亘り線列数を低減し、体格の増大を抑えつつ、コイル１本当たりの電流を小さくした電機子巻線を備えた回転電機を提供することにある。

本発明に係る電機子巻線を備えた回転電機では、上記目的を達成するために、全部で６つある接続部グループのうち、口出し接続部が４箇所、コイル間接続部が２箇所となるグループを少なくとも１グループ作ることで、亘り線同士の位置干渉を避け、亘り線の列数を６列に低減したものである。

本発明によって、亘り線の所要スペースが低減され、回転電機の体格低減が可能となる。また、体格を保ったまま亘り線間の隔離距離を広げれば、亘り線の近接効果低減による損失低減、局所温度上昇の抑制が達成される。

特許文献１におけるＷ相の電機子コイルと口出し線を示した結線図である。 本発明におけるＷ相の電機子コイルと口出し線を示した結線図である。 本発明におけるＵ、Ｖ、Ｗ相の電機子コイルと口出し線を示した結線図である。 本発明における亘り線配置を示した結線図である（実施例１）。 図４から、出力端子の位置を１８０度変更した際の亘り線配置を示した結線図である（実施例２）。 図４の出力端子の周方向位置をスロット間角度分だけ動かした結線図である。 図４の出力端子の周方向位置、および出力端子の相順を変更した結線図である（実施例３）。 図５のＵ相口出し線について、電流の大小に合わせて口出し線断面積を変えた結線図である（実施例４）。 図４の亘り線を配置する列を一部入れ替えた結線図である（実施例５）。 図７のコイル間接続線を配置する列を一部入れ替えた結線図である（実施例６）。 ジャンパ線によりＵ相の並列回路のスロット配置を変更した結線図である（実施例７）。 ４極６並列回路の回転電機について、Ｕ相の電機子コイルと口出し線を示した結線図である。 ４極６並列回路の回転電機について、Ｖ相の電機子コイルと口出し線を示した結線図である。 ４極６並列回路の回転電機について、本発明を適用した際のＶ相の電機子コイルと口出し線を示した結線図である。 ４極６並列回路の回転電機について、Ｗ相の電機子コイルと口出し線を示した結線図である。 ４極６並列回路の回転電機について、本発明を適用した際のＷ相の電機子コイルと口出し線を示した結線図である。 ４極６並列回路の回転電機について、本発明を適用した際のＵ、Ｖ、Ｗ相の電機子コイルと口出し線を示した結線図である。 ４極６並列回路の回転電機について、本発明を適用した際の軸端側１の亘り線配置を示した結線図である（実施例８）。 ４極６並列回路の回転電機について、本発明を適用した際の軸端側２の亘り線配置を示した結線図である（実施例８）。 図４の中性点の口出し線を１本に集約した際の亘り線配置を示した結線図である（実施例９）。 図５の中性点用口出し線を全周に渡る形状とした際の亘り線配置を示した結線図である（実施例１０）。 回転電機の軸方向断面図である。 図２２の回転電機固定子を周方向に展開し、２極２並列回路の構成において、Ｕ相のみの電機子コイルと口出し線を示した結線図である。 図２３にＶ、Ｗ相の電機子コイルと口出し線を加えた結線図である。 ２極２並列回路の亘り線配置を示した結線図である。 ２極３並列回路の構成において、Ｕ相のみの電機子コイルと亘り線を示した結線図である。 図２６にＶ、Ｗ相の電機子コイルと亘り線を加えた結線図である。 ２極３並列回路の亘り線配置を示した結線図である。 ２極３並列回路において、特許文献１の構成としたときのＵ相のみの電機子コイルと亘り線を示した結線図である。 図２９にＶ、Ｗ相の電機子コイルと亘り線を加えた結線図である。 特許文献１の構成の亘り線配置を示した結線図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１は、従来例の図２９と同じで相が異なるＷ相の電機子コイルと亘り線を取り出したものである。なお、ここではＵ、Ｖ、Ｗ相のうちＷ相を取り上げたが、これは他のどの相としても良い。本発明では、さらに亘り線列数を低減するために、図２に示すようにＷ相の３回路のうち、両極に半分ずつ電機子コイルが配置されている回路について、口出し線２１とコイル間接続線２２の位置を入れ替える。よって、図１とはコイル間接続線２２の位置、および口出し線２１の位置が異なる。

図３は、図２にＵ、Ｖ相の電機子巻線と亘り線を加えた図である。なお、Ｕ相とＶ相については、Ｗ相のように口出し線位置を入れ替えていないため、図３０のＵ相、Ｖ相の配置と同じである。Ｗ相の１回路分だけ口出し線位置を変更したことにより、全６個の接続部グループ３３の内、口出し接続部３１が４箇所存在する接続部グループが２個現れている。ここで、接続部グループ３３は、軸方向端部にて径方向、周方向に隣接する電機子コイル上に存在する接続部の集合とする。

図４は、図３の亘り線配置を示した図である。口出し接続部が４箇所存在する接続部グループと、出力端子４の周方向位置を一致させることで、口出し線から出力端子まで周方向に渡る長さを低減できている。

また、口出し線位置の入れ替えによりコイル間接続線２２の位置が、図４の出力端子４の反対側に集中している。このように、出力端子４側は口出し線２１が集中するのに対し、出力端子４の反対側にコイル間接続線２２を集中させることで、両者の位置干渉を抑えられる。

以上により、口出し接続部３１を集中させることで位置干渉を避け、列数低減が可能となる。ここで、コイル間接続線２２を短縮する目的で、図２９の巻線方法を採用しているため、どの接続部グループ３３のなかにもコイル間接続部３２が一相あたり必ず１箇所、三相分では必ず２箇所以上存在することになる。よって、どの接続部グループにおいても、口出し接続部３１は４箇所が最大となる。１つの接続部グループ中の口出し接続部３１の数を最大の４とすることで、亘り線列数を６列に低減できる。

図５は、図４の出力端子の周方向位置を約１８０度変更したものである。この場合も、口出し接続部３１が４箇所存在する接続部グループ３３が出力端子の近くにあるため、図４と同様に亘り線列数を６列にできる。

図６は、図４の出力端子の位置をスロット間角度の分だけ周方向にずらしたものである。これにより、Ｖ相線路側の口出し線Ｖは、周方向に渡らせる向きが変わるため、亘り線列数が増加する。そこで、図７に示すように、出力端子４の中でＶの位置を変更すれば、口出し線を渡らせる向きを変える必要が無く、亘り線列数を６列にできる。よって、口出し接続部が４箇所存在する接続部グループの周方向位置の中心が、ＵＶＷＸＹＺのうち周方向両端に存在する出力端子の間にあれば、端子の相配置の入れ替えにより６列のままにできる。

実施例１〜３において、同相の口出し線２本を１本に集約させた際、集約点から出力端子までの電流値が集約前の２倍となる。そこで、図８に示すように、その間の口出し線の断面積を大きくすることで、口出し線２１の電流密度上昇を抑え、損失を低減することができる。断面積を大きくするには、口出し線２１の軸方向、径方向の両方の寸法を大きくしても良いが、径方向のみ大きくして口出し線間の軸方向距離を確保すれば、亘り線同士の近接効果の影響を抑えつつ、口出し線の断面積を大きくできる。

実施例１〜４において、亘り線の存在する列の位置は入れ替えが可能である。例えば図９は、図４の亘り線のうち、図面内周側から数えて１列目と２列目を入れ替えたものである。列の入れ替えにより亘り線同士の近接効果の影響が変わるため、近接効果を小さくするように列を入れ替えた構成としても良い。

実施例１〜５におけるコイル間接続線２２は、同じ周方向位置で空いているスペースがあれば、軸方向位置を変更しても良い。図１０は、図９に示した３つのコイル間接続線２２の軸方向位置を変更したものであるが、図９と同様に亘り線列数は６列のままである。

図１１は、端部の亘り線配置を変えずに、ジャンパ線２３を利用して回路のスロット配置を変更したものである。ジャンパ線は周方向に渡る角度が１〜２スロット間程度であるため、亘り線の列数を増やすことなくスロット配置の変更が可能となる。スロットの配置により回路間の電圧不平衡率が変化するため、電圧不平衡率を調整するためにスロット配置を変更しても良い。

本発明は、２極３並列回路のみでなく、ｎを２以上の整数としたとき、２ｎ極３ｎ並列回路の回転電機にも適用できる。一例として、４極６並列回路の場合を示す。図１２は、４極６並列回路のＵ相の電機子コイルと亘り線を示す。図１２では、スロット数を３６としているが、毎相毎極スロット数が３の倍数であれば３６スロットでなくても良い。

大容量の回転電機であるタービン発電機では、並列回路数が４を越える場合、亘り線を軸方向の両端に分散させて配置する。このとき。図１２にてより亘り線が多くなっている軸端側１においても、本発明を実施することで亘り線列数を６列にできる。

図１３は、Ｖ相の電機子コイルと亘り線である。ここで、Ｖ相の一相のみ口出し線２１とコイル間接続線２２の位置を入れ替えて図１４の構成とする。これにより口出し接続部が４箇所となるグループを１つ作成できる。

図１５は、Ｗ相の電機子コイルと亘り線である。ここで、三相の口出し線の位置を近付けるために、図１６に示すように軸端側１と軸端側２の口出し線を入れ替える。これにより、軸端側１において口出し線２１が集まる位置と、コイル間接続線２２が集まる位置をずらすことができる。

図１７は、図１２、図１４、図１６の電機子コイルと亘り線を合わせたものである。軸端側１において、口出し線２１とコイル間接続線２２の集中する周方向位置が分かれており、相互の干渉を避けている。図１８は軸端側１、図１９は軸端側２の亘り線配置であり、両側共に６列にできている。

実施例１〜８において、各相の中性点Ｘ、Ｙ、Ｚは同電位であるため、全相の中性点を１つの端子に集約しても良い。これにより、口出し線の本数が減り、列数が低減できる。
図２０は、実施例１に適用した例であり、全相の中性点を接続する口出し線２４を用いることで、口出し線の列数を５列に低減できる。

実施例９において、全相の中性点を接続する口出し線２４には大電流が流れるため、図２１のように、全相の中性点を接続する口出し線２４を周方向全周に渡る形状とすることで、電流の経路を増やし、局所に大電流が流れることを防止できる。

固定子に電機子巻線を持ち、ｎを２以上の整数としたとき２ｎ極３ｎ並列回路の回転電機に適用可能である。

１ 固定子鉄心
２ ティース
３ スロット
１１ 上コイル
１２ 下コイル
２１ 口出し線
２２ コイル間接続線
２３ ジャンパ線
２４ 全相の中性点を接続する口出し線
３１ 口出し接続部
３２ コイル間接続部
３３ 接続部グループ

Claims (16)

1. 電機子コイルの軸方向端部に、前記電機子コイルと出力端子とを接続する口出し線と、前記電機子コイル同士を接続するコイル間接続線を持ち、前記電機子コイルと前記口出し線が接続される口出し接続部と、前記電機子コイルと前記コイル間接続線を接続するコイル間接続部を持ち、前記口出し接続部と前記コイル間接続部を総じて端部接続部としたとき、周方向または径方向に隣接する複数の前記端部接続部により構成される接続部グループを有する回転電機において、前記接続部グループのうち、前記口出し接続部が４つあるものが、少なくとも1グループ存在することを特徴とする回転電機。
2. 固定子の１スロット内に、上コイルと下コイルの２つの電機子コイルが収容され、軸方向端部にて径方向に隣接する前記上コイルと前記下コイルを接合する上下コイル接合部を有し、前記電機子コイルを順次接合して電機子巻線を構成する回転電機において、電機子巻線の両端で出力端子と接続される前記電機子コイルを巻始めコイルおよび巻終わりコイルとし，前記上下コイル接合部を持たない前記電機子コイルが軸方向端部にて径方向または周方向に隣接するグループを端コイルグループとしたとき、電機子巻線の巻始めコイルおよび巻終わりコイルとなる電機子コイルが計４つ存在する前記端コイルグループを持つことを特徴とする回転電機。
3. 電機子コイルの軸方向端部に、前記電機子コイルと出力端子とを接続する口出し線と、前記電機子コイル同士を接続するコイル間接続線を持ち、前記電機子コイルと前記口出し線が接続される口出し接続部と、前記電機子コイルと前記コイル間接続線を接続するコイル間接続部を持ち、前記口出し接続部と前記コイル間接続部を総じて端部接続部としたとき、周方向位置が電気角で９０度以内の範囲に存在する６つの端部接続部からなる接続部グループを持ち、前記接続部グループを構成する６つの前記端部接続部のうち３つが一相、残り３つが他の一相の前記電機子コイルとの接続部である三相の回転電機において、前記接続部グループのうち、前記口出し接続部が４つあるものが、少なくとも1グループ存在することを特徴とする回転電機。
4. 請求項１ないし３に記載の回転電機において、同相の前記口出し線２本以上を接合し、１本の口出し線に集約させたことを特徴とする回転電機。
5. 請求項１ないし４に記載の回転電機において、４つの前記口出し接続部がある前記接続部グループの周方向位置の中心が、前記出力端子のうち周方向両端に存在する端子の間にあることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１ないし５に記載の回転電機において、前記出力端子を前記口出し接続部に近づけるよう周方向位置を変更したことを特徴とする回転電機。
7. 請求項４に記載の回転電機において、集約後の口出し線の断面積を、集約前の口出し線の断面積より大きくしたことを特徴とする回転電機。
8. 請求項７に記載の回転電機において、集約後の口出し線の径方向の寸法を大きくし、軸方向の寸法を集約前と同等としたことを特徴とする回転電機。
9. 請求項１ないし８に記載の回転電機において、前記口出し線や、前記電機子コイル同士を接続するコイル間接続線を総じて亘り線とし、軸方向または径方向に複数列にわたって前記亘り線を配置するとき、配置する列を入れ替えたことを特徴とする回転電機。
10. 請求項１ないし９に記載の回転電機において、電機子コイルの端部に接続するジャンパ線を用いて、並列回路を構成するスロット位置を変更した回転電機。
11. 請求項１ないし１０に記載の回転電機において、回転子の極数が２、並列回路数が３、前記亘り線の列数が６以下であることを特徴とする回転電機。
12. 請求項１ないし１０に記載の回転電機において、ｎを１以上の整数としたとき、２ｎ極３ｎ並列回路を持ち、毎相毎極のスロット数が３の倍数であることを特徴とする回転電機。
13. 請求項１２に記載の回転電機において、１つ目の並列回路を１つ目の極のみに配置し、２つ目の並列回路を２つ目の極のみに配置し、３つ目の並列回路を１つ目と２つ目の極に半分ずつ配置した構成を１セットとしたとき、これがｎセット存在することを特徴とする回転電機。
14. 請求項１ないし１３に記載の回転電機において、前記口出し線および前記コイル間接続線を軸端両側に分散させて配置したことを特徴とする回転電機。
15. 請求項１ないし１４に記載の回転電機おいて、二相以上の中性点側の口出し線を接合し、１本の口出し線に集約させたことを特徴とする回転電機。
16. 請求項１５に記載の回転電機において、二相以上の中性点側の口出し線を集約させた導体を周方向全長に渡らせ、リング形状としたことを特徴とする回転電機。