JP4839840B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の電機子巻線に関するものである。

回転電機では、固定子鉄心の内周部に多数の軸方向に延びるスロットを設け、このスロット内に電機子巻線を納めている。電機子巻線に交流電流が流れる場合には、スロット内や巻線端部の電機子巻線と鎖交する磁束により電機子巻線に交流損失が発生する。交流損失は電機子巻線の温度上昇や回転電機の効率低下を招き、交流損失を低減することが回転電機の信頼性向上と効率向上の課題であった。この課題に対し、電機子巻線を絶縁された複数の素線で構成し、電機子巻線の素線を回転電機の軸方向に捩って転位を施すことで交流損失を低減している（例えば非特許文献１）。交流損失は素線自身に鎖交する磁束で発生する渦電流損失と、素線間を鎖交する磁束で素線を循環して流れる循環電流損失に分けることができる。

渦電流損失を低減するには素線の厚みを薄くして電機子巻線を構成する素線の段数を増やすことで実現できる。

循環電流損失は素線を転位する角度に依存する。素線の転位角度はスロットの両端間で１回転捩るものを３６０度転位といい、スロットの両端間で１回転半捩るものを５４０度転位という。３６０度転位は電機子巻線端部の鎖交磁束が両端部で加わるため循環電流が少なからず生じている。５４０度転位は自身の電機子巻線の作る鎖交磁束が残るため循環電流は流れているが、他の電機子巻線の作る鎖交磁束が打ち消されるため循環電流は360度転位に比較して小さくなる。このように循環電流損失を低減するには５４０度転位の採用が有効となる。しかし５４０度転位は３６０度転位に比較して転位するピッチが短い部分がある。

電機子巻線は一つのスロット内に２層ずつ設けられ、電機子巻線の端部において内径側の電機子巻線と外径側の電機子巻線は、接続片などで電気的に接続されて別のスロットの電機子巻線と接続されている。

このような構成の回転電機では、渦電流損失を低減するには素線の厚みを薄くして電機子巻線を構成する素線の段数を増やすことが有効であるが、素線の段数を増やすと転位するピッチが短くなるため、５４０度転位の電機子巻線の製作が容易ではなく、転位するピッチの長い３６０度転位では循環電流損失が増加する。このように渦電流損失と循環電流損失はトレードオフの関係にあり、渦電流損失と循環電流損失の両方を同時に低減することが難しい課題がある。

この課題に対しては、一つのスロット内に縦方向４層の電機子巻線で構成するものがある（例えば、特許文献１，２参照）。これにより、２層で構成していた電機子巻線に比較して素線の段数を半分となるため転位ピッチが２倍となり、５４０度転位の電機子巻線が適用できる。

特開２００１−６９７０７号公報（第１３頁，図４） 特開２００２−１９９６３３号公報（第７頁，図２） 「電機コイルの製作と保守」、開発社、１９９０年、ｐ.５８

このような構成の回転電機では、４層の電機子巻線を直列に接続しているため、２層で構成したときに比較して巻数が２倍となり電圧が２倍出力される。そして巻線一本あたりの断面積が半分になるため、電流値は半分であるが、電流密度では２層と４層は同じとなる。

電機子巻線は絶縁物の絶縁耐力で最大電圧が制限され、最大電流密度は巻線の温度で制限される。ここで、電機子巻線が２層の構成で電圧と電流密度が制限値で設計されたとすれば、４層の構成では電流密度は制限値であるが電圧が制限値の２倍となり、４層の構成が成立しない課題がある。

上記の課題を解決するために、本発明は、１層の電機子巻線を縦方向に少なくとも２層以上の副巻線で構成し、これらの副巻線を並列回路で構成することを特徴としている。

本発明において、２層以上の副巻線が並列回路を構成するため、電圧値が１層の電機子巻線と同じ制限値を確保することが可能となる。そして副巻線の段数は１層の電機子巻線の半分以下となるため、素線の厚みを薄くして段数を増やしても５４０度転位が適用でき、渦電流損失と循環電流損失の両方が低減できる。そして副巻線の径方向の高さも半分以下となるため、副巻線に鎖交する磁束が小さくなり循環電流損失もさらに低減できる。

以下に、本発明による回転電機について、図示の実施形態に基づき詳細を説明する。

図８に従来の電機子巻線端部の斜視図を示す。回転電機には電機子巻線端部が多数あるが、図８はそのうちの一つを示している。電機子巻線は内径側１０の電機子巻線１と外径側１１の電機子巻線２から構成され、電機子巻線１と電機子巻線２は複数の素線３で構成される。それぞれの素線３は電機子巻線端部でロウ付けなどにより電気的に短絡しており、電機子巻線１と電機子巻線２は接続片１８によりロウ付けなどで電気的に接続されている。

図１，図２，図３は、本発明の第一の実施形態を示す。

電機子巻線は内径側１０の電機子巻線１と外径側１１の電機子巻線２から構成し、本実施例の電機子巻線１と電機子巻線２は素線を２列としている。電機子巻線１を縦方向２層に副巻線４ａと副巻線４ｂに分ける。そして電機子巻線２も縦方向２層に副巻線５ａと副巻線５ｂに分ける。副巻線４ａと副巻線４ｂの素線の段数は等しいことが望ましいが、素線の段数が異なっていても構わない。同様に副巻線５ａと副巻線５ｂの素線の段数も等しいことが望ましいが、素線の段数が異なっていても構わない。副巻線４ａと副巻線４ｂはスペーサ（図示せず）を介して電気的に絶縁されている。また副巻線５ａと副巻線５ｂもスペーサ（図示せず）を介して電気的に絶縁されている。そして副巻線４ａ，副巻線４ｂ，副巻線５ａ，副巻線５ｂはそれぞれ独立に素線を転位する。転位する角度は３６０度以上とするが、好ましくは副巻線は５４０度転位とすることが損失低減に効果がある。そして副巻線４ａと副巻線４ｂ、および副巻線５ａと副巻線５ｂはそれぞれ並列回路として電流を通電する。

電機子巻線端部において、電機子巻線１と電機子巻線２を従来の接続片で接続すると、副巻線４ａと副巻線４ｂが電気的に短絡することになる。このような接続にすると、副巻線４ａと副巻線４ｂには転位がなされていないため、副巻線４ａと副巻線４ｂ間に大きな循環電流が流れ循環電流損失が増加する。同様に副巻線５ａと副巻線５ｂにも大きな循環電流損失が発生する。

本発明では、電機子巻線１と電機子巻線２の接続に、副巻線４ａと副巻線４ｂおよび副巻線５ａと副巻線５ｂの電気的絶縁を保持したまま接続する方式とした。

図１では電機子巻線１の内径側１０の副巻線４ａと電機子巻線２の内径側１０の副巻線５ａを接続片６ａで接続する。接続片６ａは副巻線４ａと副巻線４ｂが短絡しないように段付の構造としている。絶縁をさらに確実にするため接続片６ａと副巻線４ｂの間にスペーサ（図示せず）を設けても良い。そして電機子巻線１の外径側１１の副巻線４ｂと電機子巻線２の外径側１１の副巻線５ｂを接続片６ｂで接続する。接続片６ｂも副巻線５ａと副巻線５ｂが短絡しないように段付の構造としている。絶縁をさらに確実にするため接続片６ｂと副巻線５ａの間にスペーサ（図示せず）を設けても良い。副巻線４ａと副巻線
４ｂ間の鎖交磁束（図示せず）と副巻線５ａと副巻線５ｂ間の鎖交磁束（図示せず）が同じ方向となり、図１の接続を順接続と呼ぶ。

図２では電機子巻線１の内径側１０の副巻線４ａと電機子巻線２の外径側１１の副巻線５ｂを接続片６ｃで接続する。接続片６ｃは副巻線４ａと副巻線４ｂおよび副巻線５ａと副巻線５ｂが短絡しないように段付の構造としている。絶縁をさらに確実にするため接続片６ｃと副巻線４ｂおよび副巻線５ａの間にそれぞれスペーサ（図示せず）を設けても良い。そして電機子巻線１の外径側１１の副巻線４ｂと電機子巻線２の内径側１０の副巻線５ａを接続片６ｄで接続する。接続片６ｄは段付の構造としなくてもよい。副巻線４ａと副巻線４ｂ間の鎖交磁束（図示せず）と副巻線５ａと副巻線５ｂ間の鎖交磁束(図示せず)が逆の方向となり、図２の接続を逆接続と呼ぶ。

副巻線の間を鎖交する磁束（図示せず）は、電機子巻線１と電機子巻線２で異なる。そして電機子巻線２の副巻線の間を鎖交する磁束は全てのスロットで大体同じ値となるが、電機子巻線１では同相のスロット（図示せず）と異相のスロット（図示せず）で鎖交磁束が異なる。そこで複数スロットにある副巻線を並列回路で構成し、図１の順接続と図２の逆接続を組合せて副巻線の間の鎖交磁束打ち消す構成とすることで副巻線の間の循環電流を低減することが出来る。

図３は複数スロットにある副巻線で構成したときの結線図の一例である。周方向２４側が内径側の電機子巻線１であり、周方向２５側が外径側の電機子巻線２である。副巻線
４ａ，副巻線４ｂ，副巻線５ａおよび副巻線５ｂはそれぞれ順接続７ａと逆接続７ｂをそれぞれ用いて電機子巻線端部で接続する。そして電機子巻線１の最端部９ａは副巻線４ａと副巻線４ｂを電気的に接続し、電機子巻線２の最端部９ｂで副巻線５ａと副巻線５ｂを電気的に接続することで、副巻線は最端部９ａと最端部９ｂの間で並列回路となる。順接続７ａと逆接続７ｂの組合せは、最端部９ａと９ｂ間にある並列回路を構成する副巻線間の鎖交磁束８ａと８ｂの合計値が小さくなるように決めれば良い。

一つの並列回路を構成する複数スロットの選び方は任意であるが、同相の中性点側から端子側まで選択すると、副巻線間の循環電流が中性点側から端子側の全ての電機子巻線で共通なものとなり、損失をバランスさせやすい点で有利となる。

図４には、従来の電機子巻線の直接負荷損失と循環電流損失を合計した損失のデータを示す。横軸は各素線の位置であり、素線位置に対する損失分布を示している。素線の径方向中央部では損失が小さいが、循環電流の影響で内径側と外径側の損失が大きくなっている。

図５には、図１，図２，図３の構成による本発明の損失のデータを示す。電機子巻線の高さが半分になるため、鎖交磁束が小さくなり循環電流損失が低減されていることが分かる。

図６には、電機子巻線の直接負荷損失と循環電流損失と渦電流損失の損失合計値のデータを示す。従来の損失を１００％とすると、本発明では損失が７８％になり、２２％の損失低減の効果がある。図６は素線の厚みを従来と本発明で同じとしているが、本発明では、素線の厚みを薄くすることが可能であるため、素線を薄くすれば渦電流損失が低減でき、さらなる損失低減が期待できる。

図７は、スロット１４の内部の電機子巻線の構成を示した断面図である。副巻線４ａと副巻線４ｂはスペーサ１２ａを介して電気的に絶縁されている。副巻線４ａと副巻線４ｂは並列回路であり電位差は小さいため、スペーサ１２ａは主絶縁１３ａほどの絶縁耐力は必要ない。そして副巻線４ａと副巻線４ｂとスペーサ１２ａは主絶縁１３ａで対地絶縁が施されて電機子巻線１を構成する。同様に副巻線５ａと副巻線５ｂはスペーサ１２ｂを介して電気的に絶縁され、副巻線５ａと副巻線５ｂとスペーサ１２ｂは主絶縁１３ｂで対地絶縁が施されて電機子巻線２を構成する。電機子巻線１と電機子巻線２はスペーサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃとともにスロット１４に納められ、くさび１７で固定される構成となる。

図７は一つのスロットに２層の電機子巻線が納められているが、一つのスロットに１層の電機子巻線が納められる回転電機や、一つのスロットに２層以上の電機子巻線が納められる回転電機にも本発明は適用できる。

図９と図１０は、本発明の第二の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図である。

図９と図１０の実施例は、図１と図２の実施例と比べて、接続片の形状が異なっている。図１と図２の実施例では、接続片が接続していない他の副巻線と接触しないように段付の構造としていた。

図９の実施例では順接続の第二の実施形態を示し、接続片１９ａを平板形状として、接続片１９ａと副巻線４ａの間に接続スペーサ２０ａを設け、接続片１９ａと副巻線５ａの間にも接続スペーサ２０ａを設けて、接続片１９ａと接続スペーサ２０ａと副巻線４ａおよび接続片１９ａと接続スペーサ２０ａと副巻線５ａはそれぞれロウ付けなどで電気的に接続する。このような構成にすることにより、副巻線４ａと副巻線４ｂは電気的な絶縁を保持している。絶縁をさらに確実にするため接続片１９ａと副巻線４ｂの間にスペーサ
（図示せず）を設けても良い。同様に接続片１９ｂと副巻線４ｂおよび副巻線５ｂの間に接続スペーサ２０ｂをそれぞれ設けて、それぞれをロウ付けなどで電気的に接続する。絶縁をさらに確実にするため接続片１９ｂと副巻線５ａの間にスペーサ（図示せず）を設けても良い。

図１０の実施例では逆接続の第二の実施形態を示し、接続片１９ｃを平板形状として、接続片１９ｃと副巻線４ａおよび副巻線５ｂの間に接続スペーサ２０ｃをそれぞれ設けて、接続片１９ｃと接続スペーサ２０ｃと副巻線４ａおよび副巻線５ｂはロウ付けなどで電気的に接続する。このような構成にすることにより、副巻線４ａと副巻線４ｂおよび副巻線５ａと副巻線５ｂはそれぞれ電気的な絶縁を保持している。絶縁をさらに確実にするため接続片１９ｃと副巻線４ｂおよび副巻線５ａの間にスペーサ（図示せず）をそれぞれ設けても良い。そして副巻線４ｂと副巻線５ａは接続片１９ｄで接続する。接続片１９ｄには接続スペーサは不要である。

この実施例では、図１と図２の実施例と同様の効果が期待できる。

図１１と図１２は、本発明の第三の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図である。

図１１と図１２の実施例は、図１と図２の実施例と比べて、接続片の形状と副巻線の形状が異なっている。図１と図２の実施例では、接続片が接続していない他の副巻線と接触しないように段付の構造としていた。

図１１の実施例では順接続の第三の実施形態を示し、接続片２１ａを平板形状として、副巻線４ａと副巻線５ａを周方向に接続片２１ａの方向に曲げて接続片２１ａとロウ付けなどで電気的に接続する。このような構成にすることにより、副巻線４ａと副巻線４ｂは電気的な絶縁を保持している。絶縁をさらに確実にするため接続片２１ａと副巻線４ｂの間にスペーサ（図示せず）を設けても良い。同様に副巻線４ｂと副巻線５ｂを周方向に接続片２１ｂの方向に曲げて接続片２１ｂとロウ付けなどで電気的に接続する。絶縁をさらに確実にするため接続片２１ｂと副巻線５ａの間にスペーサ（図示せず）を設けても良い。

図１１の実施例では、副巻線４ａと副巻線５ａを接続片２１ａの方向に曲げ、副巻線
４ｂと副巻線５ｂを接続片２１ｂの方向に曲げているが、副巻線４ａと副巻線５ａまたは副巻線４ｂと副巻線５ｂのどちらか一方を曲げても同様な効果が得られる。

図１２の実施例では逆接続の第三の実施形態を示し、接続片２１ｃを平板形状として、副巻線４ａと副巻線５ｂを周方向に接続片２１ｃの方向に曲げて接続片２１ｃとロウ付けなどで電気的に接続する。このような構成にすることにより、副巻線４ａと副巻線４ｂおよび副巻線５ａと副巻線５ｂは電気的な絶縁を保持している。絶縁をさらに確実にするため接続片２１ｃと副巻線４ｂおよび副巻線５ａの間にスペーサ（図示せず）を設けても良い。そして副巻線４ｂと副巻線５ａは接続片２１ｄでロウ付けなどで電気的に接続する。

図１２の実施例では副巻線４ａと副巻線５ｂを周方向に接続片２１ｃの方向に曲げているが、副巻線４ｂと副巻線５ａを周方向に接続片２１ｄの方向に曲げても同様な効果が得られる。

この実施例では、図１と図２の実施例と同様の効果が期待できる。

図１３と図１４は、本発明の第四の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図である。

図１３と図１４の実施例は、図１と図２の実施例と比べて、接続片の配置が異なっている。図１と図２の実施例では、接続片を両側に設けていた。

図１３の実施例では順接続の第四の実施形態を示し、接続片２２ａと接続片２２ｂを軸方向前後にずらし、接続片を片側に配置する構成とした。接続片２２ｂは段付の構造としているが、図９のように接続スペーサを設けるものや、図１１のように副巻線を曲げる構成としても良い。接続片２２ａと接続片２２ｂの前後の位置は図１３と反対となっても良い。この場合、接続片２２ａが段付など副巻線４ａと副巻線４ｂの絶縁が保持できる構造とする。また図１３では、副巻線４ｂと副巻線５ｂは接続片２２ｂの位置に合わせて短くしているが、副巻線４ａや副巻線５ａと同じ長さのままでも良い。

図１４の実施例では逆接続の第四の実施形態を示し、接続片２２ｃと接続片２２ｄを軸方向前後にずらし、接続片を片側に配置する構成とした。接続片２２ｃは段付の構造としているが、図１０のように接続スペーサを設けるものや、図１２のように副巻線を曲げる構成としても良い。接続片２２ｃと接続片２２ｄの前後の位置は図１４と反対となっても良い。また図１４では、副巻線４ａと副巻線５ｂは接続片２２ｃの位置に合わせて短くしているが、副巻線４ｂや副巻線５ａと同じ長さのままでも良い。

この実施例では、図１と図２の実施例と同様の効果が期待できる。

図１５は、本発明の第五の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図である。図１５の実施例は、図１の実施例と比べて、電機子巻線の分割数が異なっている。図１の実施例では電機子巻線を縦方向２分割とし、２層の副巻線で構成していた。

図１５の実施例では順接続の第五の実施形態を示し、電機子巻線を縦方向３分割し、３層の副巻線で構成したものである。電機子巻線１は副巻線４ａ，副巻線４ｂ，副巻線４ｃから構成し、電機子巻線２は副巻線５ａ，副巻線５ｂ，副巻線５ｃで構成する。副巻線
４ａと副巻線５ａは接続片２３ａで電気的に接続され、副巻線４ｂと副巻線５ｂは接続片２３ｂで電気的に接続され、副巻線４ｃと副巻線５ｃは接続片２３ｃでそれぞれ電気的に接続する。２層の副巻線の構成では、接続方法が図１の順接続と図２の逆接続の２種類であったが、図１５の３層の副巻線の構成では６種類の接続方法がある（図示せず）。接続方法の組合せが増えるため、副巻線の間の鎖交磁束（図示せず）を打ち消すことが２層の副巻線の構成より可能となり、さらなる損失低減が期待できる。

接続片２３ａ，接続片２３ｂ，接続片２３ｃは図１と同様にそれぞれ段付の構造としているが、図９のように接続スペーサを設けるものや、図１１のように副巻線を曲げる構成としても良い。

本実施例では３層の副巻線の構成としたが、４層以上の副巻線で構成しても良いし、電機子巻線１と電機子巻線２の副巻線の分割数が異なっていても良い。

図１６は、本発明の第六の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図である。図１６の実施例は、図１の実施例と比べて、電機子巻線の素線の列数が異なっている。図１の実施例では電機子巻線を２列の素線で構成していた。

図１６の実施例では順接続の第六の実施例を示し、電機子巻線１と２を４列の素線で構成したものである。大容量の回転電機においては、素線のいくつかを中空素線(図示せず)として、冷却媒体を通過させるものもある。図１６では、電機子巻線１は副巻線４ａ，副巻線４ａ′，副巻線４ｂ，副巻線４ｂ′から構成し、電機子巻線２は副巻線５ａ，副巻線５ａ′，副巻線５ｂ，副巻線５ｂ′から構成する。副巻線４ａ，４ａ′と副巻線５ａ，
５ａ′は接続片２６ａで電気的に接続され、副巻線４ｂ，４ｂ′と副巻線５ｂ，５ｂ′は接続片２６ｂで電気的に接続される。逆接続（図示せず）は副巻線４ｂ，４ｂ′と副巻線５ａ，５ａ′は接続片で電気的に接続し、副巻線４ａ，４ａ′と副巻線５ｂ，５ｂ′は接続片で電気的に接続することで実現できる。

接続片２６ａ，接続片２６ｂは図１と同様にそれぞれ段付の構造としているが、図９のように接続スペーサを設けるものや、図１１のように副巻線を曲げる構成としても良い。

本実施例では４列素線の電機子巻線の構成としたが、素線数が６列以上の電機子巻線で構成しても同様の効果が得られる。

本発明の第一の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図。 本発明の第一の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図。 本発明の第一の実施形態を示す電機子巻線の結線図。 従来の実施例に係わるもので、素線の損失分布図。 本発明の第一の実施例に係わるもので、素線の損失分布図。 従来と本発明の損失の比較図。 本発明に係わるスロット内部の電機子巻線の構成を示す断面図。 従来の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図。 本発明の第二の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図。 本発明の第二の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図。 本発明の第三の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図。 本発明の第三の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図。 本発明の第四の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図 本発明の第四の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図。 本発明の第五の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図。 本発明の第六の実施形態を示す電機子巻線端部の斜視図。

符号の説明

１…内径側の電機子巻線、２…外径側の電機子巻線、３…素線、４，５…副巻線、６，１８，１９，２１，２２，２３，２６…接続片、７…接続、８…副巻線の間の鎖交磁束、９…最端部の接続、１０…内径側、１１…外径側、１２…副巻線のスペーサ、１３…主絶縁、１４…スロット、１５…ティース、１６…スペーサ、１７…くさび、２０…接続スペーサ、２４，２５…周方向。

Claims (8)

1. 回転子と、内周部に多数の軸方向にのびる複数のスロットを設けた固定子鉄心と、一つのスロット内に複数の素線から成る電機子巻線を有する回転電機において、
   前記電機子巻線をそれぞれ縦方向２層に分けた副巻線で構成し、
   内径側の電機子巻線の内径側の副巻線の端部と、外径側の電機子巻線の内径側の副巻線の端部とを接続する接続部と、
   内径側の電機子巻線の外径側の副巻線の端部と、外径側の電機子巻線の外径側の副巻線の端部とを接続する電機子巻線順接続部と、
   内径側の電機子巻線の内径側の副巻線の端部と、外径側の電機子巻線の外径側の副巻線の端部とを接続する接続部と、
   内径側の電機子巻線の外径側の副巻線の端部と、外径側の電機子巻線の内径側の副巻線の端部とを接続する電機子巻線逆接続部を有し、
   前記順接続と前記逆接続とにより、複数のスロットにある副巻線により並列回路を構成する電機子巻線を有する回転電機。
2. 請求項１において、前記副巻線はそれぞれ独立に素線を転位することを特徴とした回転電機。
3. 請求項１において、前記副巻線の素線は少なくとも２列以上であることを特徴とした回転電機。
4. 請求項１において、前記副巻線が同相の中性点側から端子側までの電機子巻線で並列回路を構成することを特徴とした回転電機。
5. 請求項１において、前記副巻線の素線転位角度を３６０度以上とすることを特徴とした回転電機。
6. 請求項５において、接続スペーサを用いることを特徴とする回転電機。
7. 請求項５において、前記副巻線が段付きになっていることを特徴とする回転電機。
8. 請求項５において、複数の前記接続片を有し、前記複数の接続片が前記電機子巻線の片側に全て接続されていることを特徴とする回転電機。

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