JP4763544B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、電機子鉄心に装備される電機子巻線を５４０度レーベル転位（３回反転）させた構成の回転電機に関する。

一般に、回転電機は、その電機子鉄心に装備される電機子巻線の各素線に鎖交する磁束が異なるため、各素線に誘起される電圧に差異が生じ、素線間において循環電流が発生する。そこで、電機子巻線の各素線に鎖交する磁束の差が小さくなるように、各素線を巻回した状態で電機子鉄心に装備する、いわゆるレーベル転位を施している。

このレーベル転位は、電機子鉄心に装備される電機子巻線の長手方向に沿う実装区間について、各素線を電気角で３６０度転位（２回反転）させる３６０度レーベル転位や、各素線を電気角で５４０度転位（３回反転）させる５４０度レーベル転位などが実施されている。特に、５４０度レーベル転位は、大容量の回転電機において、３６０度レーベル転位に比べて素線間に生じる循環電流を比較的小さくできるといった利点がある。

図９は、電機子鉄心の各スロットに実装される電機子巻線が２列１０段の素線（番号１〜１０および番号１’〜１０’の計２０本の素線）を有する場合において、電機子巻線を構成する各素線を１本ごとに転位させて（以下、１素線転位という）、５４０度レーベル転位を行った場合の状態を示すものである。なお、図９（ａ）は電機子巻線の正面図および側面図、図９（ｂ）は電機子巻線の平面図、図９（ｃ）は番号１〜１０の素線のみを表した側面図、図９（ｄ）は番号１’〜１０’の素線のみを表した側面図である。

この１素線転位による５４０度レーベル転位構成の場合、例えば、番号１０の素線に着目すると、図９（ｃ）から分かるように、長手方向に沿って最上部から最下部に達したときに電気的に１８０度転位となり、次に、最下部から最上部に達したときに電気的に３６０度転位となり、さらに最上部から最下部に達したときに電気的に５４０度転位となる。つまり、素線は１８０度ごとに半回転している。なお、図中の符号ｐは各素線のピーク間のピッチである転位ピッチを示している。

図９に示したように、電機子巻線を１素線転位により５４０度レーベル転位する場合、素線間に生じる循環電流を低減できるものの、一定区間内での転位回数が多く、転位ピッチが短くなる。このため、電機子鉄心の軸方向長さ、転位回数、転位ピッチ等の制約が多くなり、１素線転位によって５４０度レーベル転位を構成した電機子巻線を得ることが難しい場合がある。

すなわち、図１０に示すように、エッジワイズ方向（素線の幅方向）の曲率Ｒは、素線の絶縁厚や絶縁被覆の種類や素線幅寸法によって、各素線の種類毎に制限される。そして、最小の転位ピッチｐは、エッジワイズ方向（素線の幅方向）の曲率Ｒに直接影響し、転位ピッチｐが短いと、エッジワイズ方向の曲率Ｒも小さくなって素線の絶縁被覆が損傷するなどの不具合を生じる。

そこで、従来技術では、上下２つの素線を一括して転位させることにより（以下、２素線一括転位という）、１素線転位に比べて転位回数を約半減させて（換言すれば、転位ピッチを長くして）、５４０度レーベル転位を比較的容易に構成できるようにした手法が示されている（例えば、特許文献１，２参照）。

このように、５４０度レーベル転位を実施する場合に、２素線一括転位を行うと、一定区間内における転位回数を少なくでき、１素線転位を行う場合よりも転位ピッチが長くなるため、素線の絶縁被覆の破損等を防止でき、電機子鉄心の軸方向長さが比較的短い場合でも電機子巻線を容易に実装できるなどの利点が得られる。

特公昭３６−２７５６号公報 特開昭５５−８６３４２号公報

このように、５４０度レーベル転位を実施する場合に、２素線一括転位を行うと、１素線転位を行う場合よりも転位ピッチが長くなるので、電機子巻線製作時の制約をある程度緩和できるという利点があるものの、２素線一括転位は、１素線転位に比べて２素線間の鎖交磁束が十分に打ち消されないため、１素線転位の場合よりも素線間の循環電流が依然として多い。このため、素線間の循環電流によって損失が増加し、発熱等が生じ易いという問題点がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、５４０度レーベル転位を実施する場合に、素線間の循環電流を一層低減することができ、しかも、電機子巻線の長手方向の区間毎の転位ピッチを同一寸法とすることができて電機子巻線の製作が容易でコスト削減を図ることが可能な回転電機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の回転電機は、電機子鉄心に装備される電機子巻線の長手方向に沿う実装区間の内、その両端の約１／４区間で当該電機子巻線の各素線を電気的にそれぞれ反転させ、その中央の約１／２区間で素線を電気的に反転させる３回反転した構成であって、上記電機子巻線の各素線は、両側の約１／４区間ではそれぞれ２素線一括転位させ、中央の約１／２区間では１素線転位させていることを特徴としている。

本発明によれば、電機子鉄心に装備される電機子巻線の各素線は、その長手方向に沿う実装区間内の両端の約１／４区間ではそれぞれ２素線一括転位させ、中央の約１／２区間では１素線転位させているので、全長を全て２素線一括により３回反転した従来構成に比べて素線間の循環電流が小さく、このため循環電流による損失を２０〜５０％程度まで低減させることができる。

しかも、全長が２素線一括により３回反転した従来構成の場合には、その長手方向に沿う各区間における転位ピッチを変更する必要があるのに対して、本発明では、電機子巻線の長手方向の各区間における転位ピッチを同一寸法にすることができる。このため、電機子巻線の製作が容易でコスト削減を図ることができる。このように、２素線一括転位と１素線転位を組み合わせることにより、適用機種の拡大およびレーベル転位の最適化が可能となる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における回転電機の電機子鉄心に装備される電機子巻線の斜視図である。

この実施の形態１の回転電機は、電機子鉄心の図示しないスロット内に集中巻きにより装備される電機子巻線１を備える。すなわち、この電機子巻線１は、２列１０段の素線（番号１〜１０および番号１’〜１０’の計２０本の素線）からなり、その長手方向においてスロット内に実装される実装部１Ａと、スロット内の実装部１Ａの左右からそれぞれスロット外部に引き出される端部１Ｂとを有する。

そして、電機子巻線１の実装部１Ａについて、長手方向に沿う実装区間の内、その両端の約１／４区間で各素線が２素線一括転位により電気的にそれぞれ１８０度転位（１回反転）され、また、その中央の約１／２区間で素線が１素線転位により電気的に１８０度転位（１回反転）されることにより、全体で５４０度レーベル転位（３回反転）された構成となっている。

具体的には、例えば図２に示すように、番号５，６の２つの素線に着目すると、実装部１Ａ両端の約１／４区間では番号５，６の素線が２素線一括転位により電気的にそれぞれ１８０度転位されている。また、実装部１Ａ中央の約１／２区間では番号５，６の素線が１素線転位により電気的に１８０度転位されている。他の番号の素線についても同様である。

なお、図３（ａ）には実装部１Ａ中央の約１／２区間における１素線転位の状態を、図３（ｂ）には実装部１Ａ両端の約１／４区間での２素線一括転位の状態を、図３（ｃ）には２素線一括転位から１素線転位へ切り替わる部分の状態をそれぞれ示している。

ここで、電機子巻線１の実装部１Ａの各区間の転位ピッチに着目すると、両端の約１／４区間では２素線一括転位によって１８０度転位されており、このときの転位ピッチをｐ１とすると、中央の約１／２区間では１素線転位により１８０度転位されているので、区間長さが２倍になっても１素線転位によりその転位ピッチは２素線一括転位の場合の転位ピッチの１／２となる。したがって、中央の約１／２区間での１素線転位による転位ピッチは、両端の約１／４区間での２素線一括転位の転位ピッチと同じ寸法のｐ１となる。

図４は、本発明の実施の形態１の電機子巻線１（図２）との比較のために、電機子巻線１の実装部１Ａの全区間（中央の約１／２区間および両端の約１／４区間）にわたって２素線一括転位により５４０度レーベル転位を実施した場合の、番号５，６の２つの素線の転位状態を示したものである。

図４から分かるように、両端の約１／４区間では番号５，６の素線は２素線一括転位により電気的にそれぞれ１８０度転位されているので、図２の場合と同様、転位ピッチはｐ１であるが、中央の約１／２区間では、番号５，６の素線は２素線一括転位により電気的に１８０度転位されているので、図２の場合と比べて転位回数は半分となり、したがって、転位ピッチｐ２は両端の約１／４区間の転位ピッチｐ１の約２倍（ｐ２≒２・ｐ１）となる。

このように、全区間にわたって２素線一括により５４０度レーベル転位した従来構成（図４）の場合には、その長手方向に沿う各区間における転位ピッチを変更する必要があるが、本発明では、図２に示したように、各区間における転位ピッチを同一寸法ｐ１にすることができる。このため、電機子巻線１の製作が容易でコスト削減を図ることができる。

ところで、電機子巻線１に対しては、図５に示すように、電機子巻線１の側面に対して垂直に鎖交するクロス成分磁束と、図６に示すように、電機子巻線１の上面に対して垂直に鎖交するラジアル成分磁束とが存在する。これらのクロス成分磁束とラジアル成分磁束は、いずれも電機子鉄心のスロット内に実装される実装部１Ａおよびスロット内から外部に引き出された両端部１Ｂに対してそれぞれ鎖交する。

その内、クロス成分磁束は、電機子巻線１自身により生じる磁束Ｂｅと、界磁巻線や他の電機子巻線１により生じる外部磁束Ｂｆとがある。そして、電機子巻線１自身によって生じる磁束Ｂｅは、電機子巻線１の上下端で最大値を示し、外部磁束Ｂｆは、電機子巻線１の上下端にわたって略均一である。また、ラジアル成分磁束は、界磁巻線や他の電機子巻線１によって生じる外部磁束Ｂｒであるが、このラジアル成分磁束Ｂｒは、電機子巻線１のスロット幅方向にわたって略均一となっている。

図７（ａ）〜（ｃ）は、この実施の形態１の電機子巻線１において、番号５，６の２つの素線に着目した場合の両素線に鎖交する各磁束Ｂｆ，Ｂｅ，Ｂｒを示している。この場合、破線が番号５の素線を、実線が番号６の素線をそれぞれ表している。

電機子巻線１を構成する素線間に鎖交磁束の差が生じた場合、これに起因して素線間に誘起電圧の差が生じて素線間に循環電流が発生する。ここで、外部磁束Ｂｆは、電機子巻線１の上下方向にわたって略均一であるので、番号５，６の各素線の上下方向の位置が転位によって変化しても素線間に磁束の差が生じることはない。同様に、外部磁束Ｂｒについても、電機子巻線１のスロット幅方向にわたって略均一であるので、番号５，６の各巻線のスロット幅方向の位置が転位によって変化しても素線間に磁束の差が生じることはない。

一方、電機子巻線１自身により発生する磁束Ｂｅについては、巻線の転位に伴う上下方向の位置の変化によって磁束の大きさが変化する。しかしながら、図７（ｂ）に示すように、符号Ａ，Ｂ，Ｃで示す各領域では番号６の素線（実線）が番号５の素線（破線）よりも上位に位置しているが、符号Ｄ，Ｅ，Ｆで示す各領域では番号６の素線（実線）が番号５の素線（破線）よりも下位に位置することになる。このため、符号Ａ〜Ｃの領域での素線間の磁束の差により生じる誘起電圧と、符号Ｄ〜Ｆの領域での素線間の磁束の差により生じる誘起電圧とは互いに相殺され、番号５，６の素線間の循環電流が極めて小さくなる。この現象は、他の番号の素線間についても同様であり、したがって、電機子巻線１全体として見た場合に素線間での誘起電圧の差に起因した循環電流の発生が極めて小さくなる。

図８（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１の電機子巻線１（図７）との比較のために、電機子巻線１の実装部１Ａの全区間（両端の１／４区間および中央の１／２区間）にわたって２素線一括転位により５４０度レーベル転位を実施した場合において、番号５，６の２つの素線に着目したときの両素線に鎖交する各磁束Ｂｆ，Ｂｅ，Ｂｒを示している。この場合、破線が番号５の素線を、実線が番号６の素線をそれぞれ表している。

ここで、外部磁束Ｂｆ，Ｂｒ（図８（ａ），図８（ｃ））については、図７（ａ），（ｃ）の場合と同様、電機子巻線１の上下方向あるいはスロット幅方向にわたっていずれも略均一であるので、番号５，６の各素線の上下方向あるいはスロット幅方向の位置が転位によって変化しても素線間に磁束の差が生じることはない。

これに対して、電機子巻線１自身に起因する磁束Ｂｅ（図８（ｂ））に着目すると、この磁束Ｂｅについては、図７（ｂ）に示した状態とは異なり、符号Ａ〜Ｆで示す各領域において、番号６の素線（実線）が番号５の素線（破線）よりも常に上位に位置しているため、素線間の磁束の差は図７（ｂ）に示したようには相殺されず、素線間の磁束の差により誘起電圧が生じて素線間の循環電流が大きくなる。この現象は、他の番号の素線間についても同様であるため、電機子巻線１全体として見た場合に素線間での誘起電圧の差に起因した循環電流の発生が大きくなる。

なお、電機子鉄心に装備される電機子巻線１の長手方向に沿う実装区間を１／３ずつに分けて、各１／３区間ごとに素線を電気的にそれぞれ１８０度転位させて５４０度レーベル転位を実施することも考えられる。この場合には、実装部１Ａの全長にわたって転位ピッチを同一寸法にすることができるが、その反面、電機子巻線１自身に起因する磁束Ｂｅの素線間の差が、図８（ｂ）に示した場合よりもかえって大きくなって素線間の循環電流が一層増加するので好ましくない。

このように、この実施の形態１では、電機子巻線１の実装部１Ａにおける各素線は、その長手方向に沿う両端の約１／４区間ではそれぞれ２素線一括転位させ、中央の約１／２区間では１素線転位させているので、全長が２素線一括により５４０度レーベル転位された構成のものに比べて素線間の循環電流が小さく、このため循環電流による損失を２０〜５０％程度まで低減させることができる。しかも、前述したように、電機子鉄心のスロット内の全区間にわたって転位ピッチｐ１を同一寸法とすることができるため、製作が容易となり、５４０度レーベル転位の適用範囲が広がり、素線間循環電流も小さくて損失の少ない回転電機を得ることが可能となる。

なお、上記の実施の形態１の回転電機は、電機子巻線１が２列１０段の計２０本の素線から構成されている場合について説明したが、素線の本数についてはこのような数に限定されるものでないことは勿論である。また、実施の形態１では電機子巻線１の実装部１Ａが電機子鉄心のスロットに実装されることを前提としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、電機子鉄心に電機子巻線１を樹脂などで固定した、いわゆるスロットレスの構成のものについても適用することが可能である。また、本発明の回転電機は、空冷方式あるいは水冷方式についての格別な制約はなく、いずれの方式であってもよい。

本発明の実施の形態１において、回転電機の電機子鉄心に実装される電機子巻線を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１において、電機子巻線に５４０度レーベル転位を実施した場合の２つの素線についての転位状態を示す説明図である。 電機子巻線を構成する各素線の転位状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１の電機子巻線との比較のために、電機子巻線の実装部の全区間にわたって２素線一括転位により５４０度レーベル転位を実施した場合の２つの素線の転位状態を示す説明図である。 電機子巻線の側面に対して垂直に鎖交するクロス成分磁束を示す説明図である。 電機子巻線の上面に対して垂直に鎖交するラジアル成分磁束を示す説明図である。 本発明の実施の形態１において、電機子巻線の素線に鎖交する各磁束と、２つの素線についての鎖交磁束の差を示す説明図である。 本発明の実施の形態１の電機子巻線との比較のために、電機子巻線の実装部の全区間にわたって２素線一括転位により５４０度レーベル転位を実施した場合の電機子巻線の素線に鎖交する各磁束と、２つの素線についての鎖交磁束の差を示す説明図である。 電機子巻線を構成する各素線について１素線転位により５４０度レーベル転位を行った場合の状態を示す説明図である。 電機子巻線の素線の曲率Ｒと転位ピッチとの関係を示す説明図である。

符号の説明

１ 電機子巻線、１Ａ 実装部、１Ｂ 端部。

Claims (1)

1. 電機子鉄心に装備される電機子巻線の長手方向に沿う実装区間の内、その両端の約１／４区間で当該電機子巻線の各素線を電気的にそれぞれ反転させ、その中央の約１／２区間で素線を電気的に反転させる３回反転した構成であって、上記電機子巻線の各素線は、両側の約１／４区間ではそれぞれ２素線一括転位させ、中央の約１／２区間では１素線転位させていることを特徴とする回転電機。

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