JP5567047B2 - 回転電機の電機子巻線 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機の電機子巻線に関する。

大容量の回転電機においては、積層鉄心からなる電機子鉄心に設けられたスロット内に上コイル片と下コイル片を２層に配置し、これら上コイル片と下コイル片を直列に接続した構造の電機子巻線を設けている。これにより、回転電機は、発生電圧を高め、機器容量を増大させている。しかしながら、電機子巻線は、発生電圧が高くなると、耐電圧のために主絶縁厚さが厚く形成される。その結果、電機子巻線の導体部分の断面積が減少して電流密度が増加し、損失増加を招く。また、電機子巻線の発生電圧を過度に高電圧とした場合には、主絶縁の信頼性も低下してしまう。

このような電機子巻線の電圧の設定にはスロット数の選定が重要となる。４極３相機の場合、スロット数が極数及び相数で割り切れるいわゆる整数スロットを採用すると、２極機に比べて採用できるスロット数が半減し、設計の自由度が制限される。この制限を避けるために、例えば４極４２スロットのように、スロット数が極数及び相数で割り切れない、いわゆる分数スロットを含めて設計を検討する必要がある。

なお、４極機では、同じ発生電圧の場合、２極機に比べて１極あたりの磁束が半分ですむため、その分だけ電機子鉄心ヨーク厚さを薄くすることができる。

特開２００９−２６８２３３号公報

回転電機においては、電機子と回転子の間のギャップに発生する磁束によって電機子鉄心を回転子側に引き付ける電磁力が発生し、回転子の回転に伴って、この電磁力による円環振動が発生する。この電磁力は、磁束密度Ｂの２乗に比例する大きさを持つ。このため、最も周波数が低い電磁力は、電気周波数に一致する磁束成分によるものであり、電気周波数の２倍の周波数を持つ加振力となる。一般に、ギャップ中の磁束密度の空間高調波成分は、界磁電流による磁束Ｂｆの空間高調波成分と、電機子電流による磁束Ｂａの空間高調波成分とがある。これらの空間高調波成分のうち、電気周波数と一致するものは、電機子電流による磁束Ｂａの高調波成分のみである。従って、電気周波数に一致する磁束成分Ｂは、一般に３相４極機の場合には３の倍数の空間高調波成分Ｂａ3，Ｂａ6，…がキャンセルされるため、θを機械角として、次のように表される。

一般に、整数スロット機では、表１に示すように、偶数次の空間高調波に対する巻線係数が０となるため、磁束密度の偶数次の空間高調波成分も０となる。

従って、電気周波数に一致する磁束密度Ｂの２乗の交流成分Ｂ²acは、次のように表される。

電機子鉄心に働く電磁加振力Ｆａは、この交流成分Ｂ²acに比例するため、次のように表される。

ここで、最も空間高調波次数の低い電磁加振力は８極成分（４直径節モード）となり、鉄心振動としては、この４直径節モードが励振されやすい。

一方、分数スロット機では、例えば４極４２スロットの場合には、スロット数４２が極数４で割切れないために、図８に示すように、各相の巻線を３コイルからなる相帯１７と４コイルからなる相帯１８が周方向に交互に並ぶように巻線する。従って、１相の電機子巻線１４は、図９に示すように、各磁極位置に対応した相帯が３コイルからなる相帯１７と４コイルからなる相帯１８とが交互に現れるようになる（なお、四角い枠内の数字はスロット番号の一例を示す。）。このため、各磁極毎の対称性が成立たず、表１に示すように偶数次の空間高調波に対する巻線係数が０とならない。よって、電気周波数に一致する磁束密度Ｂの２乗の交流成分Ｂ²acは、次のように表される。

電機子鉄心に働く電磁加振力Ｆａは、この交流成分Ｂ²acに比例するため、次のように表される。

ここで、最も次数の低い電磁加振力として４極成分（２直径節モード）が現れる。

なお、４極成分（２直径節モード）の電磁加振力の要因としては、上述のような基本波磁束密度Ｂ１と２次高調波成分Ｂａ２の相互作用のほかに、例えば４次高調波成分Ｂａ４と５次高調波成分Ｂａ５の相互作用も考えられる。しかしながら、一般に磁束密度に占める基本波Ｂ１の割合が大きいため、ほぼ２次高調波成分Ｂａ２の大きさが４極成分（２直径節モード）の電磁加振力の大きさを決めると考えることができる。

円環振動は、直径節モードのモード数が小さいほど固有振動数が低い。このため、一般に電機子鉄心においても、最も低い次数の加振周波数に対して固有振動数の離調が図られる。但し、前述したように、４極機では電機子鉄心ヨーク厚さを薄くするため、２極機に比べて電機子鉄心の円環振動に対する剛性が低く、２直径節モードの円環振動に対して固有振動数の十分な離調を図ることが困難な場合がある。この場合、分数スロット機で発生する４極成分（２直径節モード）の電磁加振力によって過大な鉄心振動が引起される恐れがある。

本発明は上記実情を考慮してなされたもので、３相４極４２スロットを有する回転電機に適用される電機子巻線において、電機子巻線の空間２次調波に対する巻線係数を低減することによって、電機子電流がつくる磁束に起因する４極成分（２直径節モード）の電磁加振力を低減し、電機子鉄心の振動を低減して信頼性を向上し得る回転電機の電機子巻線を提供することを目的とする。

本発明の一つの局面は、３相４極の２層巻き電機子巻線であって、当該巻線の各相の巻線は直列コイルからなり、各コイルが接続側コイルエンド及び反接続側コイルエンドでそれぞれ互いに接続される上コイル片及び下コイル片を有し、当該上コイル片及び下コイル片が電機子鉄心に設けられた４２個のスロットにそれぞれ収容される前記電機子巻線において、各相の相帯の相帯中心からみて最内側及び最外側のそれぞれの上コイル片及び下コイル片のうち、少なくとも一つのコイル片を隣接する相のコイル片と入れ替えるように接続した回転電機の電機子巻線である。

以上説明したように本発明によれば、３相４極４２スロットを有する回転電機に適用される電機子巻線において、電機子電流がつくる磁束に起因する４極成分の電磁加振力を低減し、電機子鉄心の振動を低減して信頼性を向上できる。

第１の実施形態に係る回転電機の電機子断面の模式図である。 同実施形態における電機子巻線の１相分の展開模式図である。 同実施形態における電機子断面の一部を示す模式図である。 第２の実施形態に係る電機子巻線の１相分の展開模式図である。 同実施形態における電機子断面の一部を示す模式図である。 第３の実施形態に係る電機子巻線の１相分の展開模式図である。 同実施形態における電機子断面の一部を示す模式図である。 従来の回転電機の電機子断面の一部を示す模式図である。 従来の回転電機の電機子巻線の展開模式図である。

以下、各実施形態について図面を用いて説明するが、その前に各実施形態の概要を述べる。各実施形態における回転電機の電機子巻線は、３相４極の２層巻き電機子巻線であって、当該巻線の各相の巻線は直列コイルからなり、各コイルが接続側コイルエンド及び反接続側コイルエンドでそれぞれ互いに接続される上コイル片及び下コイル片を有し、当該上コイル片及び下コイル片が電機子鉄心に設けられた４２個のスロットにそれぞれ収容される構成において、各相の相帯の相帯中心からみて最内側及び最外側のそれぞれの上コイル片及び下コイル片のうち、少なくとも一つのコイル片を隣接する相のコイル片と入れ替えるように接続している。

ここで、第１の実施形態の電機子巻線においては、各相の上コイル片又は下コイル片を対象に、４コイルからなる相帯においては相帯中心からみて最内側のコイル片を、３コイルからなる相帯においては相帯中心からみて最外側のコイル片を、それぞれ隣接する相のコイル片と入れ替えるように接続している。また、コイルピッチを１０又は１１としている。

一方、第２の実施形態の電機子巻線においては、各相の相帯の上コイル片又は下コイル片を対象に、各相帯中心からみて最外側及び最内側のそれぞれのコイル片を、それぞれ隣接する相のコイル片と入れ替えるように接続している。また、コイルピッチを１０又は１１としている。

他方、第３の実施形態の電機子巻線においては、各相の４コイルからなる相帯においては相帯中心からみて最内側の上コイル片及び下コイル片を、３コイルからなる相帯においては相帯中心からみて最外側の上コイル片及び下コイル片を、それぞれ隣接する相のコイル片と入れ替えるように接続している。また、コイルピッチを１０又は１１としている。

以上が各実施形態の概要である。次に、各実施形態を順次、具体的に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は第１の実施形態に係る回転電機の電機子断面の模式図であり、図２は同実施形態における電機子巻線の１相分の展開模式図である。回転電機の電機子１１は、積層鉄心よりなる電機子鉄心１２に４２個のスロット１３が設けられ、４極３相回路の電機子巻線１４がスロット１３に２層に収容されている。なお、図１及び図２中、四角い枠内の数字は、スロット番号の一例を示しており、他の各図も同様である。

各相の電機子巻線１４は、スロット内の上部に収容される上コイル片１５と、スロット内の下部に収容される下コイル片１６とを有している。上下コイル片１５，１６の一端部同士は、巻線口出し部に接続される接続側コイルエンド１９ａによって互いに直列に接続され、上下コイル片１５，１６の他端部同士は、巻線口出し部に接続されない反接続側コイルエンド１９ｂによって互いに直列に接続される。電機子巻線１４は、上下コイル片１５，１６をそれぞれ３個のスロット１３に収容する３コイルからなる相帯１７と、上下コイル片１５，１６をそれぞれ４個のスロット１３に収容する４コイルからなる相帯１８とを有している。

各相帯１７，１８の上コイル片１５は、接続側及び反接続側のコイルエンド１９ａ，１９ｂで所定のコイルピッチだけ離れた位置にある対応する下コイル片１６と接続されて直列コイルを形成する。電機子巻線１４は、３つの直列コイルからなる相帯１７と４つの直列コイルからなる相帯１８が直列に接続され、相帯１７，１８からなる２組の回路が、接続側コイルエンド１９ａに設けられる口出し導体２１を介して並列接続されている。なお、図２は、コイルピッチに６という小さい値を採用した例であるが、これは図を見やすくする目的のためであって、特にこのコイルピッチに特定されるものではない。

各相の相帯１７、１８の接続側コイルエンド１９ａに２本／相のジャンパ線２０ａを設け、反接続側コイルエンド１９ｂに４本／相のジャンパ線２０ｂを設けることにより、図２及び図３に一例を示すように、３コイルからなる相帯１７内の相帯中心からの位置によって表した場合に、最外側の下コイル片２３を隣接する異なる相の（４コイルからなる）相帯の下コイル片２５と入替えるようにし、４コイルからなる相帯１８においては相帯中心からみて最内側の下コイル片２３を隣接する異なる相の（３コイルからなる）相帯の下コイル片２５と入替えるようにしている。なお、「最外側」及び「最内側」の用語は、それぞれ幾何学的な位置において「最も外側」及び「最も内側」を意味する。補足すると、相帯中心は、幾何学的な中心に位置するスロットに対応し、「最外側」は相対中心から最も離れたスロットに対応し、「最内側」は相対中心に最も近いスロットに対応する。コイルピッチは、上コイル片１５のスロットと、当該上コイル片１５にコイルエンド１９ａ又は１９ｂを介して接続された下コイル片１６のスロットとの間の隔壁の個数に対応する。また、各コイル片１５，１６の位置がスロット番号で示される場合、コイルピッチは、上コイル片１５のスロット番号と、下コイル片１６のスロット番号との差分を示す値としてもよい。

一般に電機子巻線は、誘起電圧波形の悪化や回転子の表面損失の増加を防ぐために空間５次の巻線係数が小さくなるようにコイルピッチを選ぶ。このため、４極４２スロットの電機子巻線の従来例としては、例えば空間５次の巻線係数を１０％未満に抑えようとすれば、表１に示したコイルピッチ９の巻線しか選択できない。

表２に第１の実施形態の各空間次数の巻線係数とコイルピッチの関係を示す。

表１と表２を比較すると、第１の実施形態においては、コイルピッチが１０又は１１の場合に空間５次の巻線係数を１０％未満に抑えることができ、かつ空間２次の巻線係数が表１の従来例の値を下回る。従って、第１の実施形態によれば、電機子電流のつくる磁束のうち、空間２次の高調波成分の磁束を低減できる。

上述したように第１の実施形態によれば、３コイルからなる相帯１７では相帯中心からみて最外側の下コイル片２３を、４コイルからなる相帯１８では相帯中心からみて最内側の下コイル片２３を、それぞれ隣接する異なる相の相帯の下コイル片２５と入替えるように接続した構成により、３相４極４２スロットを有する回転電機に適用される電機子巻線において、電機子電流がつくる磁束に起因する４極成分（２直径節モード）の電磁加振力を低減し、電機子鉄心の振動を低減して信頼性を向上させることができる。

補足すると、前述した構成により、空間２次の高調波成分に対する巻線係数を小さくでき、コイルピッチを１１とすれば巻線係数を最小にできる。これにより、電機子電流のつくる磁束のうち、空間２次の高調波成分の磁束が低減される。空間２次の高調波成分の磁束は主磁束と作用して２直径節の電磁加振力を発生するため、空間２次の高調波成分の磁束を低減することにより、２直径節の電磁加振力が低減され、２直径節の固定子鉄心振動が低減される。

なお、本実施形態は図示した構成に限らず、例えば図２において上コイル片１５としたものを下コイル片１６とし、下コイル片１６としたものを上コイル片１５とし、他相と入替える下コイル２３を他相と入替える上コイル片２２とし、他相の下コイル片２５を他相の上コイル片２４として読み替えても、同様の作用・効果を得ることができる。また、口出し位置を図示した位置とは違う位置に配置してもよい。また、図２では３コイルと４コイルの相帯１７、１８からなる２組の回路を並列接続した２並列巻線としたが、２組の回路を直列接続して電機子巻線を形成しても、同様の作用・効果を得ることができる。

＜第２の実施形態＞
図４は第２の実施形態に係る回転電機の電機子巻線の１相分の展開模式図である。
第２の実施形態は、第１の実施形態に比べ、入替えるコイル片２３，２５の位置を変更した形態となっている。

具体的には、各相の相帯１７、１８の接続側コイルエンド１９ａに４本／相のジャンパ線２０ａを設け、反接続側コイルエンド１９ｂに８本／相のジャンパ線２０ｂを設けることにより、図４及び図５に示すように、３コイルからなる相帯１７の相帯中心からみて最内側及び外側の下コイル片２３をそれぞれ隣接する異なる相の（４コイルからなる）相帯の下コイル片２５と入替えるようにし、４コイルからなる相帯１８においても相帯中心からみて最内側及び外側の下コイル片２３をそれぞれ隣接する異なる相の（３コイルからなる）相帯の下コイル片２５と入替えるようにしている。なお、入れ替えるコイル片２３，２５の位置以外の構成は第１の実施形態と同様である。また、図４は、コイルピッチに６という小さい値を採用した例であるが、これは図を見やすくする目的のためであって、特にこのコイルピッチに特定されるものではない。

表３に第２の実施形態の各空間次数の巻線係数とコイルピッチの関係を示す。

表１と表３を比較すると、第２の実施形態においては、コイルピッチが１０又は１１の場合に空間５次の巻線係数を１０％未満に抑えることができ、かつ空間２次の巻線係数が表１の従来例の値を下回る。従って、第２の実施形態によれば、電機子電流のつくる磁束のうち、空間２次の高調波成分の磁束を低減できる。

上述したように第２の実施形態によれば、３コイルからなる相帯１７では相帯中心からみて最内側及び外側の下コイル片２３を、４コイルからなる相帯１８でも相帯中心からみて最内側及び外側の下コイル片２３を、それぞれ隣接する異なる相の相帯の下コイル片２５と入替えるように接続した構成により、第１の実施形態と同様に、空間２次の高調波成分に対する巻線係数を小さくして空間２次の高調波成分の磁束を低減するため、３相４極４２スロットを有する回転電機に適用される電機子巻線において、電機子電流がつくる磁束に起因する４極成分（２直径節モード）の電磁加振力を低減し、電機子鉄心の振動を低減して信頼性を向上させることができる。特に、コイルピッチを１０とすれば巻線係数を最小とすることができる。

また、第２の実施形態は、第１の実施形態と比べ、接続側コイルエンドのジャンパ線２０ａ及び反接続側コイルエンドのジャンパ線２０ｂが増加するが、空間２次の高調波成分の磁束を低減する効果が大きくなる。

なお、本実施形態は図示した構成に限らず、例えば図４において上コイル片１５としたものを下コイル片１６とし、他相と入替える下コイル片２３を他相と入替える上コイル片２２とし、下コイル片２５を他相の上コイル片２４としても、同様の作用・効果を得ることができる。また、口出し位置を図示した位置と違う位置に配置してもよい。また、図４では３コイルと４コイルの相帯１７、１８からなる２組の回路を並列接続した２並列巻線としたが、２組の回路を直列接続して電機子巻線を形成しても、同様の作用・効果を得ることができる。

＜第３の実施形態＞
図６は第３の実施形態に係る回転電機の電機子巻線の１相分の展開模式図である。
第３の実施形態は、第１の実施形態に比べ、入替えるコイル片２２〜２５を変更した形態となっている。

具体的には、各相の相帯１７、１８の接続側コイルエンド１９ａに４本／相のジャンパ線２０ａを、反接続側コイルエンド１９ｂに８本／相のジャンパ線２０ｂを設けることにより、図６及び図７に示すように、３コイルからなる相帯１７においては、相帯中心からみて最外側の上コイル片２２を隣接する異なる相の（４コイルからなる）相帯の上コイル片２４と、最外側の下コイル片２３を隣接する異なる相の相帯の下コイル片２５と入替えるようにし、４コイルからなる相帯１８においては相帯中心からみて最内側の上コイル片２２を隣接する異なる相の（３コイルからなる）相帯の上コイル片２４と、最内側の下コイル片２３を隣接する異なる相の相帯の下コイル片２５と入替えるようにしている。なお、入れ替えるコイル片２２〜２５以外の構成は第１の実施形態と同様である。また、図６は、コイルピッチに６という小さい値を採用した例であるが、これは図を見やすくする目的のためであって、特にこのコイルピッチに特定されるものではない。

表４に第３の実施形態の各空間次数の巻線係数とコイルピッチの関係を示す。

表１と表４を比較すると、第３の実施形態においては、コイルピッチが１０又は１１の場合に空間５次の巻線係数を１０％未満に抑制でき、かつ空間２次の巻線係数が表１の従来例の値を下回る。従って、第３の実施形態によれば、電機子電流のつくる磁束のうち、空間２次の高調波成分の磁束を低減できる。

上述したように第３の実施形態によれば、３コイルからなる相帯１７では相帯中心からみて最外側の上コイル片２２及び下コイル片２３を、４コイルからなる相帯１８では相帯中心からみて最内側の上コイル片２２及び下コイル片２３を、それぞれ隣接する異なる相の相帯の上下コイル片２４、２５と入替えるように接続した構成により、第１の実施形態と同様に、巻線係数を小さくして空間２次の高調波成分の磁束を低減するため、３相４極４２スロットを有する回転電機に適用される電機子巻線において、電機子電流がつくる磁束に起因する４極成分（２直径節モード）の電磁加振力を低減し、電機子鉄心の振動を低減して信頼性を向上させることができる。特に、コイルピッチを１１とすれば巻線係数を最小とすることができる。

なお、本実施形態は図示した構成に限らず、例えば口出し位置を図示した位置と違う位置に配置してもよい。また図６では３コイルと４コイルの相帯１７、１８からなる２組の回路を並列接続した２並列巻線としているが、２組の回路を直列接続して電機子巻線を形成する場合でも、同様の作用・効果を得ることができる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、各相の相帯の相帯中心からみて最内側及び最外側のそれぞれの上コイル片及び下コイル片のうち、少なくとも一つのコイル片を隣接する相のコイル片と入れ替えるように接続した構成により、３相４極４２スロットを有する回転電機に適用される電機子巻線において、電機子電流がつくる磁束に起因する４極成分（２直径節モード）の電磁加振力を低減し、電機子鉄心の振動を低減して信頼性を向上させることができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…電機子、１２…電機子鉄心、１３…スロット、１４…電機子巻線、１５…上コイル片、１６…下コイル片、１７…（３コイルからなる）相帯、１８…（４コイルからなる）相帯、１９ａ…接続側コイルエンド、１９ｂ…反接続側コイルエンド、２０ａ…接続側のジャンパ線、２０ｂ…反接続側のジャンパ線、２１…口出し導体、２２…（他相と入替える）上コイル片、２３…（他相と入替える）下コイル片、２４…（他相の）上コイル片、２５…（他相の）下コイル片。

Claims (7)

1. ３相４極の２層巻き電機子巻線であって、当該巻線の各相の巻線は直列コイルからなり、各コイルが接続側コイルエンド及び反接続側コイルエンドでそれぞれ互いに接続される上コイル片及び下コイル片を有し、当該上コイル片及び下コイル片が電機子鉄心に設けられた４２個のスロットにそれぞれ収容される前記電機子巻線において、
   各相の相帯の相帯中心からみて最内側及び最外側のそれぞれの上コイル片及び下コイル片のうち、少なくとも一つのコイル片を隣接する相のコイル片と入れ替えるように接続したことを特徴とする回転電機の電機子巻線。
2. 請求項１に記載の回転電機の電機子巻線において、
   各相の上コイル片又は下コイル片を対象に、４コイルからなる相帯においては相帯中心からみて最内側のコイル片を、３コイルからなる相帯においては相帯中心からみて最外側のコイル片を、それぞれ隣接する相のコイル片と入れ替えるように接続したことを特徴とする回転電機の電機子巻線。
3. 請求項２に記載の回転電機の電機子巻線において、
   コイルピッチを１０又は１１としたことを特徴とする回転電機の電機子巻線。
4. 請求項１に記載の回転電機の電機子巻線において、
   各相の相帯の上コイル片又は下コイル片を対象に、各相帯中心からみて最外側及び最内側のそれぞれのコイル片を、それぞれ隣接する相のコイル片と入れ替えるように接続したことを特徴とする回転電機の電機子巻線。
5. 請求項４に記載の回転電機の電機子巻線において、
   コイルピッチを１０又は１１としたことを特徴とする回転電機の電機子巻線。
6. 請求項１に記載の回転電機の電機子巻線において、
   各相の４コイルからなる相帯においては相帯中心からみて最内側の上コイル片及び下コイル片を、３コイルからなる相帯においては相帯中心からみて最外側の上コイル片及び下コイル片を、それぞれ隣接する相のコイル片と入れ替えるように接続したことを特徴とする回転電機の電機子巻線。
7. 請求項６に記載の回転電機の電機子巻線において、
   コイルピッチを１０又は１１としたことを特徴とする回転電機の電機子巻線。

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