JP6139256B2 - 回転電機の電機子巻線 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、同期機等の回転電機の電機子巻線に関する。

一般に同期機では電機子巻線のスロット数を選定する場合、毎極毎相のスロット数を整数にすること（以下、「整数スロット」と称す）が多い。一方で、良好な波形の形成、設計の自由度の観点から、毎極毎相のスロット数を分数にすること（以下、「分数スロット」と称す）もある。

特開２００９−２６８２３３号公報（請求項５、段落［００４５］、図９等）

分数スロットは、良好な波形を形成でき、設計の自由度が大きい、という利点はあるが、各極あたりのスロット数が等しくならないことから、電機子起磁力に基本波のほか高調波を生ずる。場合によっては、この起磁力による高調波磁束が加振力となり、電機子鉄心（固定子鉄心）の振動及び騒音の原因となることがある。

例えば、水力発電システムなどにみられるように極数の多い多極機（一般に極数が８極以上のもの）に分数スロットを適用した場合、毎極毎相スロット数（１極１相あたりのスロット数もしくはコイル数）Ｎｓｐｐが分数を含み且つその分母が４以上の値（例えば、５や７など）をとる分数調波と呼ばれる高調波が発生しやすくなる。このような高調波と基本波による電磁力の周波数が、電機子鉄心の固有振動数に近い場合は共振で、電機子鉄心を振動させる原因となる。

なお、相帯内の１つのコイル片を隣接する別の相のコイル片と、上コイル片／下コイル片共に入れ替えて配置するものがある。しかし、この配置方法は分散相帯（Interspersed One Coil Windings）と呼ばれ、整数スロットにおける５次，７次などの高調波の電機子起磁力を低減するものであり、分数スロットにおける分数調波の高調波を低減するものではない。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、分数スロットにおいて発生する特定の高調波を低減することができる回転電機の電機子巻線を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、電気的に６０度の位相差をなす相帯にて上下２層の３相巻線を構成し、複数の上コイル片と下コイル片との対が電機子鉄心の複数のスロットに収められ、１極１相あたりのスロット数が分数を含み且つその分母が４以上の整数となる、極数が８極以上の回転電機の電機子巻線において、１相帯内の上下２層に含まれる特定の上コイル片あるいは下コイル片の片方だけを、隣接する別の相のコイル片と入れ替えるように配置したことを特徴とする回転電機の電機子巻線が提供される。

本発明によれば、分数スロットにおいて発生する特定の高調波を低減することができる。

基本波と分数調波との関係を示す波形図。 第１の従来例による電機子巻線のコイル配置および巻線接続を示す図。 第１の実施形態による電機子巻線のコイル配置および巻線接続を示す図。 第２の従来例による電機子巻線のコイル配置および巻線接続を示す図。 第２の実施形態による電機子巻線のコイル配置および巻線接続を示す図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

個々の実施形態を詳細に説明する前に、まず、ベースとなる技術について説明する。

（整数スロットと分数スロット）
同期機の電機子巻線の毎極毎相スロット数Ｎｓｐｐは、次の式で計算することができる。

一般的には、Ｎｓｐｐを整数とすることが多い。しかしながら、同期機の鉄心の大きさにより、選定できるスロット数に限界があることから、極数が増えるに従いＮｓｐｐは小さくなり、巻線が分布巻きから集中巻きに近づくために、無負荷電圧波形が悪くなる傾向にある。このため、Ｎｓｐｐが整数とならない分数スロットを採用する場合がある。以下では、θ_ｍを機械角，ｐを極対数，ωを角周波数とする。

同期機の空隙中の磁束密度Ｂ_ｇ（θ_ｍ，ωｔ）は、次の（１）式のように、界磁起磁力による磁束密度Ｂ_ｇｆ（θ_ｍ，ωｔ）と電機子起磁力による磁束密度Ｂ_ｇａ（θ_ｍ，ωｔ）との合計で表される。

ここで、界磁による磁束は、各極の起磁力が等しいことから、後述する偶数調波や分数調波などの高調波は発生させない。この場合の界磁起磁力による磁束密度Ｂ_ｇｆ（θ_ｍ，ωｔ）は、次の（２）式で表される。

一方、電機子起磁力による磁束は、整数スロットの場合は、各極当たりのコイル数が同じであることから電機子起磁力に偶数調波や分数調波を発生しないものの、分数スロットの場合は、各極各相当たりのコイル数が等しくなく、電機子起磁力に偶数調波もしくは分数調波を発生させる。偶数調波は、基本波の１／２倍の波長を基準とする高調波である。分数調波は、基本波のｎ倍（ｎ：４以上の整数）の波長を基準とする高調波である。

Ｎｓｐｐの分母が２の場合、電機子起磁力に偶数調波が発生し、Ｎｓｐｐの分母が４以上の整数となる場合、電機子起磁力に分数調波が発生する。

（分数スロットにおける偶数調波）
まず、Ｎｓｐｐの分母が２の場合について、４極５４スロットの電機子を例に説明する。Ｎｓｐｐは、次の（３）式のようになる。

ここで、３ｎ倍の高調波は３相起磁力が合成されて零となることから、分数スロットの場合、電機子起磁力による磁束密度Ｂ_ｇａ（θ_ｍ，ωｔ）は、次の（４）式のようになる。

また、時間的な基本波成分のみを考える。ここで、Ｂ_１＝Ｂ_ｇｆ１＋Ｂ_ｇａ１と定義すると、（１）式は、次の（５）式のように表される。

上式の中のＢ_ｇａ２，Ｂ_ｇａ４が、分数スロットを採用した場合に特有な偶数調波である。

次に、電磁力について以下に説明する。

ギャップのエネルギーは、すなわち固定子（電機子）と回転子（界磁）との結合力であり、次の（６）式で表される。なお、（６）式中のμ_０は、定数を示す。

電磁力の交流成分Ｆａは、合成磁束の２乗の交流成分に比例する。ここで、Ｂ_１＞＞Ｂ_ｇａ２，Ｂ_ｇａ４，Ｂ_ｇａ５，Ｂ_ｇａ７より、Ｂ１の乗じている項以外を省略すれば、次の（７）式が得られる。

すなわち、分数スロットを採用した場合に特有な電磁力は、（５）式の偶数次の磁束密度に起因するＦ_ａ１ｃｏｓ（２θ_ｍ＋２ωｔ），Ｆ_ａ５ｃｏｓ（１０θ_ｍ−２ωｔ）である。

（分数スロットにおける分数調波）
次に、Ｎｓｐｐの分母が４以上の整数となる場合について、１０極５４スロットを例に説明する。この場合のＮｓｐｐは次の（８）式で表される。

１０極５４スロットの場合はＮｓｐｐの分母が５となることから、図１に示されるように５極で位相がπ分変化する分数調波Ｄ、すなわち、基本波Ｂの５倍の波長を有する１／５調波である分数調波Ｄが生じる。これより、１／５調波を基準とする高調波による起磁力が発生する。この場合の磁束密度Ｂ_ｇ（θ_ｍ，ωｔ）は次の（９）式で表される。

なお、電磁力については、前述の（７）式と同様となる。

この発生する高調波と基本波による電磁力の周波数が、電機子鉄心の固有振動数に近い場合は共振を引き起こし、鉄心振動の原因となる。

すなわち、極数の多い多極機（一般に極数が８極以上のもの）に分数スロットを適用した場合、Ｎｓｐｐの分母が４以上となる分数調波が発生しやすくなり、このような分数調波と基本波による電磁力の周波数が、電機子鉄心の固有振動数に近い場合（例えば、基本波の５／７倍の波長を有する７／５調波）は、共振を引き起こし、電機子鉄心を振動させる原因となる。

以下の各実施形態では、このような鉄心振動の原因となる特定の起磁力高調波を低減させる手法により、上述の問題を解決する。

（第１の実施形態）
最初に、図２および図３を参照して、第１の実施形態に係る同期機の電機子巻線を、第１の従来例と対比させながら説明する。

図２（ａ）は第１の従来例による電機子巻線のコイル配置の一部を示し、図２（ｂ）はその巻線接続を示す。一方、図３（ａ）は第１の実施形態による電機子巻線のコイル配置の一部を示し、図３（ｂ）はその巻線接続を示す。各図の中の数字は、スロット番号（もしくはコイル番号）を示す。

なお、図２（ａ）および図３（ａ）においては、図中の上側に位置するコイル片が上コイル片に相当し、図中の下側に位置するコイル片が下コイル片に相当する。また、図２（ｂ）および図３（ｂ）においては、各スロット番号の位置を通る２本の線のうち、左側の線が上コイル片に相当し、右側の線が下コイル片に相当する。

第１の実施形態および第１の従来例で扱う電機子巻線は、いずれも、水力発電システム等の回転電機に適用される多極機であり、電気的に６０度の位相差をなす相帯にて上下２層の３相巻線を構成し、複数の上コイル片と下コイル片との対が電機子鉄心に設けられた複数のスロットに収められ、毎極毎相スロット数Ｎｓｐｐが分数を含み且つその分母が４以上の整数となるものである。ここでは、３相１０極５４スロット構成により分数スロットが形成され、Ｎｓｐｐが「１＋４／５」である場合を例示するが、これに限定されるものではない。

また、図２（ａ）および図３（ａ）に示されるように、上コイル片については、各相につき１個または２個のコイル片が「Ｕ，−Ｖ，Ｗ，−Ｕ，Ｖ，−Ｗ」の相のパターンを電機子鉄心の周方向に繰り返すように配置されている。下コイル片も同様である。

ただし、第１の従来例においては、連続するコイル片９個（１×５＋４＝９）が一群として電気的に１８０度の位相差をなすように、図２（ａ）および表１に示される通り、各相のコイル片の数がそれぞれ「１，２，２，２，２」となる数のパターンが繰り返されるように配置されている。

一方、第１の実施形態においては、第１の従来例のコイル配置に対し、１相帯内の上下２層に含まれる上コイル片および下コイル片のうちのいずれか１つのコイル片を、隣接する別の相のコイル片と入れ替えるように配置している。

具体的には、図３（ａ）および表２に示される通りである。

すなわち、図２（ａ）および表１に示される第１の従来例のコイル配置に対し、図３（ａ）および表２では、次のようなコイル片入替えを行っている。

・スロット番号５の上コイル片（Ｗ）とスロット番号６の上コイル片（−Ｕ）との入替え
・スロット番号１４の上コイル片（−Ｖ）とスロット番号１５の上コイル片（Ｗ）との入替え
・スロット番号２３の上コイル片（Ｕ）とスロット番号２４の上コイル片（−Ｖ）との入替え
・スロット番号３２の上コイル片（−Ｗ）とスロット番号３３の上コイル片（Ｕ）との入替え（図示せず）
・スロット番号４１の上コイル片（Ｖ）とスロット番号４２の上コイル片（−Ｗ）との入替え（図示せず）
・スロット番号５０の上コイル片（−Ｕ）とスロット番号５１の上コイル片（Ｖ）との入替え（図示せず）
結果的に、コイル片を入れ替えた箇所が、電機子鉄心の周方向に均等間隔で配置されている。

このようなコイル片入替えに伴い、巻線接続の仕方も変わる。

例えば、図２（ｂ）に示される第１の従来技術の巻線接続においては、スロット番号４の上コイル片（Ｗ）は、スロット番号８の下コイル片（−Ｗ）に接続した後、スロット番号５の上コイル片（Ｗ）に接続し、その後にスロット番号９の下コイル片（−Ｗ）に接続される。

一方で、図３（ｂ）に示される第１の実施形態の巻線接続においては、スロット番号４の上コイル片（Ｗ）は、スロット番号８の下コイル片（−Ｗ）に接続した後、スロット番号６の上コイル片（Ｗ）に接続し、その後にスロット番号９の下コイル片（−Ｗ）に接続される。

表３に、第１の従来例（従来の分数スロット）および第１の実施形態のそれぞれで発生する個々の高調波の割合（対基本波）を対比させたものを示す。

表３から分かるように、第１の実施形態は、第１の従来例（従来の分数スロット）とは異なり、基本波に比較的近い波長を有する「７／５調波」の割合が大きく低下している。「７／５調波」と基本波による電磁力の周波数が、電機子鉄心の固有振動数に近い高調波であるため、「７／５調波」の低下は鉄心振動の低減に大きく寄与する。

一般に、多極機のように毎極毎相スロット数Ｎｓｐｐが小さい場合、相帯内の上コイル片および下コイル片をそれぞれ隣接する別の相のコイル片と入れ替えると、巻線係数が大きく変化し、磁束の利用率が低下する。この場合、同期機の基本波磁束量は巻線係数に逆比例することから、高調波を低減させることは可能ではあるが、巻線係数が下がる。同じ電圧の場合，磁束量が大きくなり，そのために磁束の通路を確保して電機子鉄心の体格を大きくする必要が生じる。これに対し、第１の実施形態では、相帯内の上コイル片／下コイル片のうちの片方だけを、隣接する別の相のコイル片と入れ替えることにより、磁束の利用率の低下を抑えることができるため、電機子鉄心の体格を大きくせずに済み、なおかつ、基本波磁束の減少を抑えつつ、鉄心振動の原因となる特定の高調波を低減することが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、図４および図５を参照して、第２の実施形態に係る同期機の電機子巻線を、第２の従来例と対比させながら説明する。

以下では、第１の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

図４（ａ）は第２の従来例による電機子巻線のコイル配置の一部を示し、図４（ｂ）はその巻線接続を示す。一方、図５（ａ）は第２の実施形態による電機子巻線のコイル配置の一部を示し、図５（ｂ）はその巻線接続を示す。各図の中の数字は、スロット番号（もしくはコイル番号）を示す。

なお、図４（ａ）および図５（ａ）においては、図中の上側に位置するコイル片が上コイル片に相当し、図中の下側に位置するコイル片が下コイル片に相当する。また、図４（ｂ）および図５（ｂ）においては、各スロット番号の位置を通る２本の線のうち、左側の線が上コイル片に相当し、右側の線が下コイル片に相当する。

前述の第１の実施形態および第１の従来例の場合と同様、第２の実施形態および第２の従来例で扱う電機子巻線は、いずれも、水力発電システム等の回転電機に適用される多極機であり、電気的に６０度の位相差をなす相帯にて上下２層の３相巻線を構成し、複数の上コイル片と下コイル片との対が電機子鉄心に設けられた複数のスロットに収められ、毎極毎相スロット数Ｎｓｐｐが分数を含み且つその分母が４以上の整数となるものである。ここでは、３相１０極５４スロット構成により分数スロットが形成され、Ｎｓｐｐが「１＋４／５」である場合を例示するが、これに限定されるものではない。

また、図４（ａ）および図５（ａ）に示されるように、上コイル片については、各相につき１個または２個のコイル片が「Ｕ，−Ｖ，Ｗ，−Ｕ，Ｖ，−Ｗ」の相のパターンを電機子鉄心の周方向に繰り返すように配置されている。下コイル片も同様である。

ただし、第２の従来例においては、連続するコイル片９個（＝１×５＋４＝９）が一群として電気的に１８０度の位相差をなすように、図２（ａ）および表１に示される通り、各相のコイル片の数がそれぞれ「２，１，２，２，２」となる数のパターンが繰り返されるように配置されている。

一方、第２の実施形態においては、第２の従来例のコイル配置とは異なり、連続するコイル片１８個が一群として電気的に１８０度の複数倍（ここでは２倍）の位相差をなすように、図２（ａ）および表１に示される通り、各相のコイル片の数がそれぞれ「２，１，２，２，２，１，２，２，２，２」となる数のパターンが繰り返されるように配置されている。すなわち、第２の実施形態では、一群としてパターンを形成するコイル群を、第２の従来例のコイル配置よりも拡張させた、拡張グループ（Expanded Group）を形成している。

具体的には、図５（ａ）および表５に示される通りである。

すなわち、図４（ａ）および表４に示される第２の従来例のコイル配置とは異なり、図５（ａ）および表５では、次のようなコイル変更を行っている。

・スロット番号１１の上コイル片の相を「−Ｗ」から「Ｕ」に変更
・スロット番号２９の上コイル片の相を「−Ｕ」から「Ｖ」に変更（図示せず）
・スロット番号４７の上コイル片の相を「−Ｖ」から「Ｗ」に変更（図示せず）
・スロット番号１５の下コイル片の相を「Ｗ」から「−Ｕ」に変更
・スロット番号３３の下コイル片の相を「Ｕ」から「−Ｖ」に変更（図示せず）
・スロット番号５１の下コイル片の相を「Ｖ」から「−Ｗ」に変更（図示せず）
結果的に、コイル片の相を変更した箇所が、電機子鉄心の周方向に均等間隔で配置されている。

このようなコイル変更に伴い、巻線接続の仕方も変わる。

なお、巻線接続の変更箇所は、図４（ａ）と図５（ａ）との対比から明らかであるため、ここではその説明を省略する。

表６に、第２の従来例（従来の分数スロット）および第２の実施形態のそれぞれで発生する個々の高調波の割合（対基本波）を対比させたものを示す。

表６から分かるように、第２の実施形態は、第２の従来例（従来の分数スロット）とは異なり、「７／５調波」の割合が大きく低下している。「７／５調波」と基本波による電磁力の周波数が、電機子鉄心の固有振動数に近い周波数の高調波であるため、「７／５調波」の低下は鉄心振動の低減に大きく寄与する。

第２の実施形態のように、一群としてパターンを形成するコイル群を拡張させた拡張グループを形成する手法を用いた場合においても、第１の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

以上詳述したように各実施形態によれば、基本波磁束の減少を抑えつつ、特定の高調波を低減させることができ、振動・騒音などの分数スロット採用時の問題を解決することができる。

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。

Ｂ…基本波、Ｄ…分数調波。

Claims (7)

1. 電気的に６０度の位相差をなす相帯にて上下２層の３相巻線を構成し、複数の上コイル片と下コイル片との対が電機子鉄心の複数のスロットに収められ、１極１相あたりのスロット数が分数を含み且つその分母が４以上の整数となる、極数が８極以上の回転電機の電機子巻線において、
   １相帯内の上下２層に含まれる特定の上コイル片あるいは下コイル片の片方だけを、隣接する別の相のコイル片と入れ替えるように配置したことを特徴とする回転電機の電機子巻線。
2. 電機子起磁力に生ずる特定の高調波が低減されるようにコイル片の入れ替えが行われていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の電機子巻線。
3. 電機子起磁力に生ずる基本波ｎ倍（ｎ：４以上の整数）の波長を基準とする特定の高調波が低減されるようにコイル片の入れ替えが行われていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の電機子巻線。
4. コイル片を入れ替えた箇所が、電機子鉄心の周方向に均等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機の電機子巻線。
5. 電気的に６０度の位相差をなす相帯にて上下２層の３相巻線を構成し、複数の上コイル片と下コイル片との対が電機子鉄心の複数のスロットに収められ、１極１相あたりのスロット数が分数を含み且つその分母が４以上の整数となる、極数が８極以上の回転電機の電機子巻線において、
   電機子鉄心の周方向に各相のコイル片が一群として電気的に１８０度の複数倍の位相差をなす配置パターンを繰り返すように配置し、一群としてパターンを形成するコイル群を拡張させた拡張グループを形成したことを特徴とする回転電機の電機子巻線。
6. コイル片の相を変更した箇所が、電機子鉄心の周方向に均等間隔で配置されていることを特徴とする請求項５に記載の回転電機の電機子巻線。
7. 極数が８極以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転電機の電機子巻線。

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