JP5762175B2 - 回転電機、回転電機の固定子コイルの巻回方法 - Google Patents

回転電機、回転電機の固定子コイルの巻回方法 Download PDF

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この発明は、中、大容量回転電機、タービン発電機などの回転電機に関し、特に、固定子鉄心のスロットに巻回される固定子コイルの巻線構造等に関する。
中、大容量の回転電機またはタービン発電機では、固定子コイルのインピーダンスの低減、漏れリアクタンスの低減、あるいは電圧の低減などの目的で、固定子コイルを並列回路で構成することが一般に行われている。これらの回転電機の固定子コイルは、二層巻きと呼ばれる、１つのスロットに内周側(上口コイル)と外周側(下口コイル)が存在し、これらがコイルエンドで接続されている。ここで、この並列回路に発生する電圧に並列回路間で差があれば、この電圧差を０にするように循環電流が流れ、この循環電流による発熱でコイルの温度上昇やエネルギー効率の低下など悪影響を及ぼす。
例えば、４極４並列回路のように、極数／並列回路数が整数になる場合(並列回路数＝並列回路中の並列接続された回路の数)、コイル配置を工夫しなくても、並列回路間の電圧差を０とするコイル配置が存在するため、これまで問題にはならなかった。しかし、極数／並列回路数が整数にならない場合、並列回路間の電圧差を０にすることができず、循環電流が流れることになる。
例えば下記特許文献１，２には、極数／並列回路数が整数にならない、２極４並列や２極６並列における電圧差を低減するコイル配置が開示されている。
特開２００９−１８３１０２号公報 特開２０１０−２５２４３８号公報
上記の特許文献１，２では、各極のコイルごとにピッチが異なっており、回転機を構成するためには数種類のピッチとなるコイルを組み合わせる必要があり、コイルエンドが複雑になり工作工数がかかるなどの問題点があった。さらに、上記の特許文献１，２で考慮されている並列回路間の電圧差は、同期機における無負荷時(固定子電流が０のとき)の電圧差であり、固定子電流が流れる実負荷時の電圧差については言及されていなかった。
この発明では、各極のすべてのコイルのピッチを等しくすることで、工作工数を削減し、かつ、固定子電流が流れる実負荷時の並列回路間の電圧差を低減し、並列回路間の循環電流を低減した回転電機、回転電機の固定子コイルの巻回方法を提供することを目的とする。
この発明は、内周側に複数の固定子スロットを有し、前記複数の固定子スロットに固定子コイルが、並列接続されるコイル回路の数が同じ並列回路を各相で形成するように複数の固定子スロットに亘って巻回されかつ、各固定子スロットにおいて外周側に下口コイル、内周側に上口コイルを構成するよう二層巻きされた固定子鉄心を備えた回転電機であって、前記固定子コイルの上口コイルと下口コイルを接続するスロットピッチが回転電機の各極のコイル回路で等しく、極数をＮｐ、並列回路のコイル回路数をＮ(但しＮは４以上の整数)、毎極毎相のスロット数をＱｓとするとき、Ａ＝Ｎｐ／Ｎで示されるＡが整数ではなく、かつＢ＝ＱｓＡで示されるＢが正の整数であり、上口コイルと下口コイルが同相となるスロット数が、各コイル回路で等しいことを特徴とする回転電機にある。
この発明では、固定子電流による各並列回路を構成するコイルへの誘起電圧差が低減でき、固定子電流が作る磁束による循環電流が低減できる。このため、負荷時の循環電流が低減でき、コイル発熱の低減、エネルギー効率の向上が期待できる。
この発明の実施の形態１に係る回転電機の固定子鉄心の展開図である。 循環電流が大きくなる固定子コイルの巻線構造の例を説明するための固定子鉄心の展開図である。 循環電流低減の原理を説明するための固定子鉄心の展開図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の固定子鉄心の展開図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電機の固定子鉄心の展開図である。 この発明の実施の形態４に係る回転電機の固定子鉄心の展開図である。 この発明の実施の形態５に係る回転電機の固定子鉄心の展開図である。 この発明の実施の形態６に係る回転電機の固定子鉄心の展開図である。
以下、この発明による回転電機、回転電機の固定子コイルの巻回方法を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の固定子鉄心の展開図である。固定子鉄心ＳＣは実際にはリング形状のものであるが、巻線構造を説明するために直線的に展開して示されている(図の下側が内周側)。固定子鉄心ＳＣは電磁鋼板を軸方向(図面の紙面に垂直な方向)に積層して構成され、固定子鉄心ＳＣの内周側に固定子コイルＣを格納する複数の固定子スロットＳＬを有する。
この例では、固定子スロット数は２４であり、スロット番号１〜２４に固定子コイルＣが格納されている。固定子コイルはＵ、Ｖ、Ｗ相の３相巻線であり、スロット番号１の上口コイルＣ１はＵ相であり、このコイルはスロット番号１１の下口コイルＣ２にコイルエンド(図示省略)で接続されている。同様に、スロット番号２の上口コイルＣ１のＵ相コイルは、スロット番号１２の下口コイルＣ２に接続されている。このように、固定子コイルは二層巻にされかつ、１つのコイルのピッチは、スロット１０個をまたがるように構成(固定子コイルを巻くスロット間隔数であるスロットピッチ１０：１０個置き)されているため、回転電機の各極のすべてのコイル(コイル回路)のピッチが等しい。各コイルにはＵ１のように下段に数字が示されているが、これが並列回路中の並列接続されたコイル回路の番号である。すなわち、Ｕ１はＵ相コイルのコイル回路番号１のコイルとなる。すなわち、この例では並列回路のコイル回路数が４となる。
この例では、２極、並列回路のコイル回路数＝４であり、極数／並列回路のコイル回路数＝０．５であり整数にならない。また、固定子スロット数が２４であるため、毎極毎相スロット数は２４／２／３＝４である。よって、毎極毎相スロット数×極数／並列回路のコイル回路数＝２であり正の整数となる。
Ｕ相巻線に関して、スロット番号１、スロット番号２、スロット番号１３、スロット番号１４のスロットにおいては、上下同相のスロットであり、スロット番号３，４(下口コイルがＷ相巻線)、スロット番号１１，１２(上口コイルがＶ相巻線)、スロット番号１５，１６(下口コイルがＷ相巻線)、スロット番号２３，２４(上口コイルがＶ相巻線)で上下異相のスロットである。同図より、上口コイルで並列回路の各コイル回路番号のコイルが１回ずつ、下口コイルでも１回ずつ上下同相のスロットを通ることになっている。
これに対して図２の巻線構造では、スロットピッチはすべて９個のスロットをまたぐ構成(固定子コイルを巻くスロット間隔数であるスロットピッチ９：９個置き)であり、等しくなっているが、上下同相のスロットを通るのは並列回路のコイル回路番号１および番号４のみで、並列回路のコイル回路番号２および３は上下同相のスロットを通らないことがわかる。
図３を用いて、この発明の原理を説明する。図３において、スロット番号２，３，４は上下同相のスロットであり、スロット番号１，５は上下異相のスロットである。例えばＵ相コイルに紙面裏側から表側の方向に電流が流れると、図中「漏れ磁束」と示した向き(反時計回り)に磁束が発生する。同相のコイルであればほぼ等しい大きさの漏れ磁束が発生する。この漏れ磁束が各コイルに鎖交することにより、磁束量に比例してコイルに誘起電圧が発生する。このため、固定子電流による各コイルの誘起電圧はスロット番号２，３，４ではそれぞれ等しい値となり、位相も等しくなる。しかし、上下異相のスロットでは、例えばスロット番号５の上口コイルに発生する誘起電圧は、スロット番号２，３，４における誘起電圧とは異なることが容易に理解できる。
よって、図１のように並列回路の各コイル回路で上下同相のスロットを通る回数が等しければ、上下異相のスロットを通る回数も等しくなるため、並列回路の各コイル回路のスロットごとの誘起電圧の合計は等しくなる。逆に、図２のように並列回路の各コイル回路で上下同相のスロットを通る回数が異なれば、各コイル回路間に誘起電圧の差が発生する。
並列回路の各コイル回路間に誘起電圧差があれば、各コイル回路の誘起電圧差を０とするように電流が流れる。この電流を循環電流といい、コイル発熱、エネルギー損失の増加などの悪影響を及ぼす。
図１では、固定子スロット数２４、並列回路のコイル回路数４、３相、毎極毎相スロット数４、コイルピッチ１０／１２の例を示したが、並列回路の各コイル回路の上下同相のスロットを通る回数が等しければ、同様の効果を奏する。
なお、上記と同様の効果を奏する条件として、以下のものが挙げられる。並列接続されるコイル回路の数が同じ並列回路を各相で形成し、各固定子スロットにおいて下口コイルと上口コイルを構成する二層巻きにし、上口コイルと下口コイルを接続するスロットピッチが回転電機の各極の各コイル回路で等しく、極数をＮｐ、並列回路のコイル回路数をＮ(但しＮは４以上の整数)、毎極毎相のスロット数をＱｓとするとき、Ａ＝Ｎｐ／Ｎで示されるＡが整数ではなく、かつＢ＝ＱｓＡで示されるＢが正の整数であり、コイル回路の起端から終端までで、上口コイルと下口コイルが同相となるスロット数が、各コイル回路で等しくなる。
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る回転電機の固定子鉄心の展開図である。図１あるいは図４に示すように、２極、並列回路のコイル回路数４、毎極毎相スロット数Ｑｓの回転電機で、固定子コイルＣの上口コイルＣ１と下口コイルＣ２を接続するピッチが各極の各コイル(コイル回路)で等しく、１つの相帯を構成する並列回路の各コイル回路はスロットＳＬごとに回転磁界方向(図面の左右方向)に対して所定の順番およびその逆順で構成されており、Ｑｓは４の倍数であり、コイルピッチをｍ／(ａＱｓ)(但しａは相数、ｍは固定子コイルを巻くスロットピッチ)で表すとき、ｍが２の倍数の正の整数であるとき、並列回路の各コイル回路における上下同相のスロットを通る回数が等しくなる(図４では上下同相のスロット無し)。図１、４は３相、２極、２４スロット、毎極毎相４スロット、並列回路のコイル回路数４の例であり、図１はコイルピッチｍ／(ａＱｓ)が１０／１２、図４は８／１２である。上記条件が成立する３相、２極、並列回路数４における毎極毎相スロット数Ｑｓとコイルピッチの固定子コイルを巻くスロットピッチｍの組み合わせを以下の表１に示す。
Figure 0005762175
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３に係る回転電機の固定子鉄心の展開図であり、(ａ)(ｂ)に分割されて示されており、(ａ)の左端が(ｂ)の右端に繋がり、(ｂ)の左端が(ａ)の右端に繋がる。図５に示すように、２極、並列回路のコイル回路数５、毎極毎相スロット数Ｑｓの回転電機で、固定子コイルＣの上口コイルＣ１と下口コイルＣ２を接続するピッチが各極の各コイル(コイル回路)で等しく、１つの相帯を構成する並列回路の各コイル回路はスロットＳＬごとに回転磁界方向に対して所定の順番およびその逆順で構成されており、Ｑｓは５の倍数であり、コイルピッチをｍ／(ａＱｓ)(但しａは相数、ｍは固定子コイルを巻くスロットピッチ)で表すとき、ｍが５の倍数の正の整数であるとき、並列回路の各コイル回路における上下同相のスロットを通る回数が等しくなる。図５は３相、２極、６０スロット、毎極毎相１０スロット、並列回路のコイル回路数５、コイルピッチが２５／３０の例である。上記条件が成立する３相、２極、並列回路のコイル回路数５における毎極毎相スロット数Ｑｓとコイルピッチの固定子コイルを巻くスロットピッチｍの組み合わせを以下の表２に示す。
Figure 0005762175
実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４に係る回転電機の固定子鉄心の展開図であり、(ａ)(ｂ)に分割されて示されており、(ａ)の左端が(ｂ)の右端に繋がり、(ｂ)の左端が(ａ)の右端に繋がる。図６に示すように、２極、並列回路のコイル回路数６、毎極毎相スロット数Ｑｓの回転電機で、固定子コイルＣの上口コイルＣ１と下口コイルＣ２を接続するピッチが各極の各コイル(コイル回路)で等しく、１つの相帯を構成する並列回路の各コイル回路はスロットＳＬごとに回転磁界方向に対して所定の順番およびその逆順で構成されており、Ｑｓは６の倍数であり、コイルピッチをｍ／(ａＱｓ)(但しａは相数、ｍは固定子コイルを巻くスロットピッチ)で表すとき、ｍが３の倍数の正の整数であるとき、並列回路の各コイル回路における上下同相のスロットを通る回数が等しくなる。図６は３相、２極、７２スロット、毎極毎相１２スロット、並列回路のコイル回路数６、コイルピッチ３０／３６の例である。上記条件が成立する３相、２極、並列回路のコイル回路数６における毎極毎相スロット数Ｑｓとコイルピッチの固定子コイルを巻くスロットピッチｍの組み合わせを以下の表３に示す。
Figure 0005762175
実施の形態５．
図７はこの発明の実施の形態５に係る回転電機の固定子鉄心の展開図であり、(ａ)(ｂ)に分割されて示されており、(ａ)の左端が(ｂ)の右端に繋がり、(ｂ)の左端が(ａ)の右端に繋がる。図７に示すように、４極、並列回路のコイル回路数３、毎極毎相スロット数Ｑｓの回転電機で、固定子コイルＣの上口コイルＣ１と下口コイルＣ２を接続するピッチが各極の各コイル(コイル回路)で等しく、１つの相帯を構成する並列回路の各コイル回路はスロットＳＬごとに回転磁界方向に対して所定の順番およびその逆順で構成されており、Ｑｓは３の倍数であり、コイルピッチをｍ／(ａＱｓ)(但しａは相数、ｍは固定子コイルを巻くスロットピッチ)で表すとき、ｍが３の倍数の正の整数であるとき、並列回路の各コイル回路における上下同相のスロットを通る回数が等しくなる。図７は３相、４極、７２スロット、毎極毎相６スロット、並列回路のコイル回路数３、コイルピッチ１５／１８の例である。上記条件が成立する３相、４極、並列回路のコイル回路数３における毎極毎相スロット数Ｑｓとコイルピッチの固定子コイルを巻くスロットピッチｍの組み合わせを以下の表４に示す。
Figure 0005762175
実施の形態６．
図８はこの発明の実施の形態６に係る回転電機の固定子鉄心の展開図であり、(ａ)(ｂ)に分割されて示されており、(ａ)の左端が(ｂ)の右端に繋がり、(ｂ)の左端が(ａ)の右端に繋がる。図８に示すように、４極、並列回路のコイル回路数６、毎極毎相スロット数Ｑｓの回転電機で、固定子コイルＣの上口コイルＣ１と下口コイルＣ２を接続するピッチが各極の各コイル(コイル回路)で等しく、１つの相帯を構成する並列回路の各コイル回路はスロットＳＬごとに回転磁界方向に対して所定の順番およびその逆順で構成されており、Ｑｓは３の倍数であり、コイルピッチをｍ／(ａＱｓ)(但しａは相数、ｍは固定子コイルを巻くスロットピッチ)で表すとき、ｍが３の倍数の正の整数であるとき、並列回路の各コイル回路における上下同相のスロットを通る回数が等しくなる。図８は３相、４極、７２スロット、毎極毎相６スロット、並列回路のコイル回路数６、コイルピッチ１５／１８の例である。上記条件が成立する３相、４極、並列回路のコイル回路数６における毎極毎相スロット数Ｑｓとコイルピッチの固定子コイルを巻くスロットピッチｍの組み合わせを以下の表５に示す。
Figure 0005762175
以上の各実施の形態のように、並列回路の各コイル回路において上下同相のスロットの数が等しいことにより、負荷時、銅損時の循環電流が軽減される。なおこの発明は上記各実施の形態に限定されるものではない。
Ｃ 固定子コイル、Ｃ１ 上口コイル、Ｃ２ 下口コイル、ＳＣ 固定子鉄心、ＳＬ 固定子スロット。

Claims (6)

  1. 内周側に複数の固定子スロットを有し、前記複数の固定子スロットに固定子コイルが、並列接続されるコイル回路の数が同じ並列回路を各相で形成するように複数の固定子スロットに亘って巻回されかつ、各固定子スロットにおいて外周側に下口コイル、内周側に上口コイルを構成するよう二層巻きされた固定子鉄心を備えた回転電機であって、
    前記固定子コイルの上口コイルと下口コイルを接続するスロットピッチが回転電機の各極のコイル回路で等しく、極数をＮｐ、並列回路のコイル回路数をＮ(但しＮは４以上の整数)、毎極毎相のスロット数をＱｓとするとき、
    Ａ＝Ｎｐ／Ｎ
    で示されるＡが整数ではなく、かつ
    Ｂ＝ＱｓＡ
    で示されるＢが正の整数であり、上口コイルと下口コイルが同相となるスロット数が、各コイル回路で等しいことを特徴とする回転電機。
  2. 極数Ｎｐが２、並列回路のコイル回路数Ｎが４、毎極毎相のスロット数がＱｓの回転電機であって、それぞれの１つの相帯を構成する並列回路のコイル回路がスロットごとに回転磁界方向に対して所定順番または前記所定順番の逆順で構成され、Ｑｓが４の倍数であり、コイルピッチをｍ／(ａＱｓ)(但しａは相数、ｍは固定子コイルを巻くスロットピッチ)で表すとき、ｍが２の倍数の整数であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
  3. 極数Ｎｐが２、並列回路のコイル回路数Ｎが５、毎極毎相のスロット数がＱｓの回転電機であって、それぞれの１つの相帯を構成する並列回路のコイル回路がスロットごとに回転磁界方向に対して所定順番または前記所定順番の逆順で構成され、Ｑｓは５の倍数であり、コイルピッチをｍ／(ａＱｓ)(但しａは相数、ｍは固定子コイルを巻くスロットピッチ)で表すとき、ｍが５の倍数の整数であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
  4. 極数Ｎｐが２、並列回路のコイル回路数Ｎが６、毎極毎相のスロット数がＱｓの回転電機であって、それぞれの１つの相帯を構成する並列回路のコイル回路がスロットごとに回転磁界方向に対して所定順番または前記所定順番の逆順で構成され、Ｑｓは６の倍数であり、コイルピッチをｍ／(ａＱｓ)(但しａは相数、ｍは固定子コイルを巻くスロットピッチ)で表すとき、ｍが３の倍数の整数であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
  5. 極数Ｎｐが４、並列回路のコイル回路数Ｎが６、毎極毎相のスロット数がＱｓの回転電機であって、それぞれの１つの相帯を構成する並列回路のコイル回路がスロットごとに回転磁界方向に対して所定順番または前記所定順番の逆順で構成され、Ｑｓは６の倍数であり、コイルピッチをｍ／(ａＱｓ)(但しａは相数、ｍは固定子コイルを巻くスロットピッチ)で表すとき、ｍが３の倍数の整数であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
  6. 固定子鉄心が内周側に複数の固定子スロットを有し、前記複数の固定子スロットに固定子コイルが巻回された回転電機の固定子コイルの巻回方法であって、固定子コイルを、各相で並列接続されるコイル回路の数が同じ並列回路を形成するように複数の固定子スロットに亘って巻回しかつ、各固定子スロットにおいて外周側に下口コイル、内周側に上口コイルを構成するよう二層巻きにし、前記固定子コイルの上口コイルと下口コイルを接続するスロットピッチが回転電機の各極の各コイル回路で等しく、極数をＮｐ、並列回路のコイル回路数をＮ(但しＮは４以上の整数)、毎極毎相のスロット数をＱｓとするとき、
    Ａ＝Ｎｐ／Ｎ
    で示されるＡが整数ではなく、かつ
    Ｂ＝ＱｓＡ
    で示されるＢが正の整数であり、上口コイルと下口コイルが同相となるスロット数が、各コイル回路で等しくなるように巻回することを特徴とする回転電機の固定子コイルの巻回方法。
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