JP6914447B2 - 電機子コイルおよび電機子 - Google Patents

Description

本願は、電機子コイルおよび電機子に関するものである。

タービン発電機など大型の回転電機の固定子に用いられる大型のコイルは、一般にコイルを複数の素線群に分割し、固定子の軸方向両端部でこれら素線群を短絡して構成されている。この場合、素線群を構成する素線間に鎖交磁束の差が発生すれば、この鎖交磁束差による誘起電圧差が素線間に発生し、軸方向端部の短絡部を迂回する循環電流が流れる。この循環電流を抑制するために、素線群を捩ることにより素線の径方向位置を変化させるレーベル転位という方法がとられる（以後、転位と略して記載する）。

一般的な単位コイルの転位構成は、素線群が収納される固定子鉄心のスロット内において転位を構成し、鉄心の軸方向両端部から外側となるコイルエンド部においては転位無しで構成される。しかしながら、コイルエンド部においても素線群は磁束の影響を受けるため、コイルエンド部の素線間において誘起電圧差が生じる。この誘起電圧差を抑制するために、スロット内とスロット外とでそれぞれ素線の転位を構成し、更に、スロット内において一部転位されない箇所を有するように構成した、以下のような電機子コイルとしてのステータ巻線バーが開示されている。
即ち、ステータ巻線バーは、個々の導体素線がアクティブパートではスロット内において各ポジションを占めている（＝３６０°転位）に対して、端部クリップでは９０°転位されている。アクティブパートの真ん中に空所（＝転位されない区分）を有している（例えば、特許文献１参照）。

また、転位される素線は、スロット内ですべての素線位置を経験する上記のようなスロット内３６０°転位だけではなく、スロットの軸方向両端において素線端部の位置が互いに１８０°異なるように設定するスロット内５４０°転位を構成することで、更に循環電流損失を低減できることが知られている。
しかしながら、スロット内５４０°転位を用いた場合でも、コイルエンド部における素線間の誘起電圧差を完全には除去することができない。このため、スロット内５４０°転位を構成しつつ、且つ、スロットの軸方向の寸法により決定される理論的な転位の角度より、転位の角度を緩やかにする箇所をスロット内において構成することで、循環電流損失を低減する以下のような電機子コイルが開示されている。
即ち、アクティブパートＡ、Ｂ、Ｃ内でそれぞれ１８０°転位を構成することで、５４０°転位を構成する。区分２２ｂ、２３ｂ、２４ｂにおいて、素線の転位ピッチが長くなるように構成する（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−１８２３３９号公報（段落［００１３］〜［００１４］、図２、図３） 米国特許公開ＵＳ２００７／０２２２３２１Ａ１（段落［０００６］〜［００２３］、図２、図３）

上記特許文献１に示した電機子コイルでは、スロット内において３６０°転位を構成し、軸方向両端のコイルエンド部においてそれぞれ９０°の転位を構成し、さらに、スロット内において一部転位されない箇所を有するように構成している。これにより、コイルエンド部における誘起電圧差を抑制して循環電流損失を低減させているが、循環電流低減効果が更に高い、スロット内５４０°転位に対応した構成ではない。

また、上記特許文献２に示した電機子コイルでは、スロット内において５４０°転位を構成し、コイルエンド部においては転位しない構成とし、さらに、スロット内において一部転位の角度を緩やかにする箇所を有するように構成することで、循環電流損失を低減させている。しかしながらこの構成では、コイルエンド部において生じる素線間誘起電圧差を効果的に抑制できない場合があり、従って循環電流損失を低減できない場合があるという課題がある。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、電機子コイルにおける素線間誘起電圧差を最小化して循環電流損失を効果的に低減可能な、電機子コイルと当該電機子コイルを備えた電機子とを提供することを目的とする。

本願に開示される電機子コイルは、
電機子のスロットに収容される単位コイルを複数個備え、
前記単位コイルは、それぞれ転位される複数の素線から成り、該素線が前記スロットの軸方向両端において前記スロットから延出し、それぞれ電気的に接続されてコイルエンド部を形成する電機子コイルにおいて、
各前記単位コイルを構成する各前記素線は、
前記スロット内の軸方向の両端間において転位角度５４０度の転位をした構成であって、
前記スロット内の軸方向の一端側から他端側に向けて、軸方向に連続して、軸方向に第１幅を有する第１区間、軸方向に第２幅を有する第２区間、軸方向に第３幅を有する第３区間とに該素線を区分すると、前記第１区間、前記第２区間、前記第３区間においてそれぞれ転位角度１８０度の転位が行われ、且つ、前記コイルエンド部において第１転位角度θの転位をした構成であって、
前記スロット内の各前記区間において、該素線の転位の変化率が変化する変位部を有し、
各前記単位コイルの前記素線の内、少なくとも一つの前記素線である第１素線の各前記区間における前記変位部の軸方向中間点は、
各前記区間における転位角度９０度の位置と、前記転位角度９０度に前記第１素線の前記第１転位角度θを加算した位置との間に設けられた、
ものである。

また、本願に開示される電機子は、
前記スロットが形成された鉄心と、
上記のように構成された電機子コイルとを備え、
前記鉄心の前記スロット内に前記電機子コイルを配設して形成された、
ものである。

本願に開示される電機子コイルによれば、素線間誘起電圧差を最小化して循環電流損失を効果的に低減可能な電機子コイルを提供できる。
また、本願に開示される電機子によれば、循環電流損失を効果的に低減可能な電機子コイルを備えたものなので、高性能の電機子を提供できる。

実施の形態１による単位コイルを構成する素線の、固定子鉄心の軸方向各位置における転位位置を示す概念図である。 実施の形態１による単位コイルの、軸方向に垂直な断面の模式図である。 実施の形態１による単位コイルの、軸方向に垂直な断面の模式図である。 比較例による単位コイルを構成する素線の、固定子鉄心の軸方向各位置における転位位置を示す概念図である。 比較例による単位コイルの、軸方向に垂直な断面の模式図である。 比較例による単位コイルを構成する素線の、固定子鉄心の軸方向各位置における転位位置を示す概念図である。 比較例による単位コイルの素線の転位状態を示す概念図である。 比較例による単位コイルを構成する素線の、固定子鉄心の軸方向各位置における転位位置を示す概念図である。 比較例の単位コイルのコイルエンド部において生じる素線間の誘起電圧の分布を示す図である。 比較例の単位コイルのスロット内において生じる素線間の誘起電圧の分布を示す図である。 実施の形態１による単位コイルのコイルエンド部において生じる素線間の誘起電圧の分布を示す図である。 実施の形態１による単位コイルのスロット内において生じる素線間の誘起電圧の分布を示す図である。 実施の形態１による変位部の軸方向の幅を変化させた場合の、スロット内誘起電圧の分布を示す図である。 実施の形態１による単位コイルを構成する素線の、固定子鉄心の軸方向各位置における転位位置を示した概念図である。 実施の形態２による単位コイルを構成する素線の、固定子鉄心の軸方向各位置における転位位置を示す概念図である。 実施の形態２による単位コイルのスロット内とコイルエンド部の合計の素線間の誘起電圧の分布を示す図である。 実施の形態２による単位コイルのスロット内において生じる素線間の誘起電圧の分布を示す図である。 実施の形態２による単位コイルのコイルエンド部において生じる素線間の誘起電圧の分布を示す図である。

実施の形態１．
発電機などの大型の回転電機の電機子（固定子）に用いられる、本実施の形態の電機子コイルについて、図３を用いて説明する。
図３は、実施の形態１による電機子コイルを構成する単位コイル５０の、軸方向に垂直な断面の模式図である。
なお、以降の説明において、円環状の固定子における各方向を、周方向Ｓ、軸方向Ｇ、径方向Ｋとしてそれぞれを示す。また、径方向Ｋの内側は、径方向内側Ｋ１（径方向最内側Ｋ１）とし、径方向Ｋの外側は、径方向外側Ｋ２（径方向最外側Ｋ２）としてそれぞれを示す。

固定子に用いられる電機子コイルは、固定子の固定子鉄心のスロット内にそれぞれ収納される複数の単位コイル５０から構成される。
図３に示すように各単位コイル５０は、複数の素線Ｘから成る型巻コイルであり、本実施の形態では、固定子の周方向Ｓに対して２列、径方向Ｋに対して５４段、の計１０８本（素線番号Ｎｏ．１〜５４、素線番号Ｎｏ．５５〜１０８）の素線Ｘを積層して構成される。
図３において、径方向内側Ｋ１が、固定子鉄心の軸中心側に設けられる、図示しない回転子を配設するための空隙側であり、径方向外側Ｋ２が、固定子鉄心のコアバック側となる。
各素線Ｘの軸方向Ｇの両端は、固定子鉄心の軸方向両端において、スロット内からそれぞれ延出されて互いに電気的に接続され、固定子鉄心の軸方向両端においてコイルエンド部を形成する。

次に、従来から用いられる電機子コイルにおいて循環電流損失を低減する技術と、以降の説明において用いる本分野の専門的な用語とについて、比較例による単位コイルを用いて説明する。
図４は、比較例による単位コイルを構成する素線の、固定子鉄心の軸方向Ｇの各位置における転位位置を示す概念図である。
図５は、図４に示した比較例による単位コイルの、軸方向に垂直な断面の模式図である。
図６は、比較例による単位コイルを構成する複数の素線の内、２本の素線（素線Ｎｏ．１、Ｎｏ．２）の、固定子鉄心の軸方向Ｇの各位置における転位位置を示す概念図である。
図７は、比較例による単位コイルの素線の転位状態を示す概念図である。

図４は、単位コイルを構成する複数の素線の内、１本の素線のみの転位位置を示したものであり、図５においてＮｏ．１として示された素線が、図４に示された素線に対応している。この素線Ｎｏ．１は、固定子鉄心の軸方向一端部（図４においてＧ１と示された軸方向位置）における単位コイルの断面における位置が、図５に示すように径方向最内側Ｋ１に位置する素線である。
また、図４において、素線を軸方向Ｇに対してＡ部、Ｂ部、Ｃ部、Ｄ部、Ｅ部と区分すると、Ａ部、Ｂ部、Ｃ部が、固定子鉄心のスロット内に収納される部分であり、Ｄ部、Ｅ部が、固定子鉄心の軸方向外側のコイルエンド部を形成する部分である。

素線Ｎｏ．１は、図４に示すＡ部において、固定子鉄心の軸方向Ｇに対して斜めに、単位コイルの径方向最内側Ｋ１から径方向最外側Ｋ２までその径方向位置を変位させる１８０°転位が行われ、図５において、転位開始した位置Ｐ１から単位コイルの中心Ｏに対して点対称となる位置に転位される。
次にこの素線Ｎｏ．１は、図４に示すＢ部において、固定子鉄心の軸方向Ｇに対して斜めに、単位コイルの径方向最外側Ｋ２から径方向最内側Ｋ１までその径方向位置を変位させる１８０°転位が行われ、図５において、位置Ｐ１と同じ位置に戻る。
さらに素線Ｎｏ．１は、図４に示すＣ部において、固定子鉄心の軸方向Ｇに対して斜めに単位コイルの径方向最内側Ｋ１から径方向最外側Ｋ２までその径方向位置を変位させる１８０°転位が行われ、図５において、位置Ｐ１から単位コイルの中心Ｏに対して点対称となる位置に転位される。
よって、素線Ｎｏ．１は、固定子鉄心の軸方向一端部Ｇ１と軸方向他端部Ｇ２とにおいて、単位コイルの中心Ｏに対して点対称となる位置に配置される転位構成となる、スロット内５４０°転位を構成する。

なお、図４に示す実線は、図５における図中右側の位置を、点線は図中左側の位置を示している。
また、素線Ｎｏ．１は、コイルエンド部（Ｄ部、Ｅ部）においては、径方向Ｋの位置を変位させる転位は構成されていない。

図６は、単位コイルを構成する複数の素線の内、図５に示す素線Ｎｏ．１とＮｏ．２の転位位置を示している。
図５および図６に示すように、素線Ｎｏ．２は、固定子鉄心の軸方向一端部Ｇ１において、素線Ｎｏ．１よりも径方向外側Ｋ２に位置する素線である。図６に示すように、素線Ｎｏ．２も素線Ｎｏ．１と同様に、スロット内において素線Ｎｏ．１に沿って５４０°転位が構成される。単位コイルを構成するその他の素線についても、同様に隣接する素線に沿って転位が構成される。

図７は、単位コイルにおいて径方向Ｋに隣接する素線が、径方向最内側Ｋ１あるいは径方向最外側Ｋ２においてクランク曲げされる状態を概念的に示している。ここで言うクランク曲げとは、図６に示したように、素線が単位コイルの径方向最外側Ｋ２あるいは径方向最内側Ｋ１で折り返される際に素線を捩ることをいう。なお、図７は、クランク曲げを概念的に示すための図であって、図中に示される素線Ｑ１、Ｑ２は、比較例の素線Ｎｏ．１、Ｎｏ．２に対応させて図示したものではない。
図７に示すように、径方向Ｋに隣接する素線Ｑ１、Ｑ２が径方向最内側Ｋ１あるいは径方向最外側Ｋ２においてクランク曲げされる際、その周方向Ｓの位置を変化させるように捩られていることが判る。図６に示した素線Ｎｏ．１、Ｎｏ．２もこれと同様に、例えば箇所Ｒ３においてその周方向Ｓの位置が入れ替わるように捩れてクランク曲げされる。

次に、図４に示した単位コイルとは異なる他の比較例による、素線の転位構成について説明する。
図８は、他の比較例による単位コイルを構成する素線の、固定子鉄心の軸方向Ｇの各位置における転位位置を示す概念図である。
図８に示す単位コイルは、図４に示した単位コイルと比較して、Ａ部、Ｂ部、Ｃ部の各部に一部転位を行わない箇所（ボイド：Ｖｏｉｄ）を設けたところが異なる。ボイドは、各Ａ部、Ｂ部、Ｃ部における転位角度９０°の位置に構成され、Ｂ部におけるボイドの軸方向Ｇの幅は、Ａ部及びＣ部におけるボイドの軸方向Ｇの幅の２倍程度の幅に構成される。

ここで、単位コイルを構成する素線の循環電流について説明する。
電機子コイルを構成する素線に流れる循環電流は、単位コイルの各素線の軸方向の両端がそれぞれ短絡されているために、各素線間に誘起電圧差が生じた場合にこの差を埋めるように流れる。循環電流は往復電流であるため、インピーダンスが小さく少しの電圧差であっても電流値が大きくなり、損失を発生させる。すなわち、素線間の誘起電圧差を抑制することで循環電流損失を低減できる。
なお、単位コイルを構成する素線間の誘起電圧差は、コイルエンド部において生じる素線間の誘起電圧差と、スロット内における素線間の誘起電圧差との合計となる。

次に、図４、図８において示した比較例の単位コイルにおいて生じる素線間の誘起電圧差について説明する。
図９は、コイルエンド部において転位を構成しない単位コイル、即ち、上記図４、図８において示した比較例の単位コイルにおいて、コイルエンド部において生じる素線間の誘起電圧の分布を示す図である。
図において、横軸は素線番号を示し、素線番号毎の誘起電圧の分布を示している。なお、縦軸の１メモリは、０．５Ｖに相当する。

ここで、図４に示した比較例の単位コイルの場合、スロット内において５４０°転位を構成しているため、スロット内においては誘起電圧差は理論上発生しない。しかしながら、コイルエンド部においては、上記図９に示すような誘起電圧差が生じている。前述のように、単位コイルにおける素線間の誘起電圧差は、コイルエンド部とスロット内との素線間誘起電圧差の合計となるため、図４に示す比較例の単位コイルの場合、循環電流が生じて電流損失が発生する。

図８に示した比較例の単位コイルの場合では、スロット内においてボイドを構成した５４０°転位を行っている。この場合、以下図１０に示すような誘起電圧差がスロット内において生じる。
図１０は、図８に示した比較例の転位構成の単位コイルにおいて、スロット内において生じる素線間の誘起電圧の分布を示す図である。
この場合、図８に示した比較例の単位コイルの素線間の誘起電圧差は、図９と図１０の合計となる。図９のコイルエンド部の誘起電圧の２つの山の部分に対応する位置において、図１０に示すスロット内の誘起電圧が谷になっており、合計することで誘起電圧が相殺され、素線間の誘起電圧差が低減できることがわかる。このように、コイルエンド部において生じる誘起電圧を相殺するような誘起電圧の分布を、スロット内に意図的に生じさせることが、スロット内においてボイドを構成することの効果である。

以上、従来から用いられる比較例による単位コイルにおいて、循環電流損失を低減する技術を説明した。
以下、本実施の形態１の固定子および電機子コイルにおける循環電流損失を低減する技術について説明する。
図１は、実施の形態１による単位コイル５０を構成する素線Ｘの、固定子１の固定子鉄心２の軸方向各位置における転位位置を示す概念図である。
図２は、実施の形態１による単位コイル５０の、軸方向Ｇに垂直な断面の模式図である。
なお、図２に示すＰ１〜Ｐ９の箇所は、図１に示すＰ１〜Ｐ９の箇所に対応している。

図１に示すように、本実施の形態の単位コイル５０を構成する素線Ｘを、固定子鉄心２（鉄心）のスロット３内の軸方向一端部Ｇ１側から軸方向他端部Ｇ２側に向けて、軸方向Ｇに連続して、第１区間としてのＡ部と、第２区間としてのＢ部と、第３区間としてのＣ部とに区分して定義する。これら区間Ａ部、Ｂ部、Ｃ部のそれぞれの軸方向Ｇの幅を、第１幅Ａ１、第２幅Ｂ２、第３幅Ｃ３とする。
各素線Ｘは、これら区間Ａ部、Ｂ部、Ｃ部においてそれぞれ転位角度１８０度の転位が行われて、スロット３の軸方向一端部Ｇ１と軸方向他端部Ｇ２との間において、転位角度５４０度の転位を構成する。

なお、図１に示した素線Ｘは、単位コイル５０を構成する複数の素線Ｘの内、固定子鉄心２の軸方向一端部（Ｇ１と示す軸方向位置）における単位コイル５０の断面における位置が、図２に示すように径方向最内側Ｋ１に位置する素線（以降、第１素線Ｘ１と称す）である。

また、コイルエンド部（Ｄ部、Ｅ部）において、素線Ｘは、１８０°未満の第１転位角度θの転位が構成されており、更に、区間Ａ部、Ｂ部、Ｃ部のそれぞれにおいて、素線Ｘの転位の変化率が変化する変位部Ｈが構成されている。変位部Ｈの転位の変化率（傾き）は、１８０°を各区間の幅により除算して得られる値よりも小さい値に設定されるものであり、本実施の形態１では、変位部Ｈにおいては転位が行われない変化率０が設定されている。

変位部Ｈは、その軸方向Ｇの中間点ＨＭの位置が、スロット３内のＡ部およびＣ部において、（θ＋１８０）／２°の位置で形成され、区間Ｂ部においては（θ＋１８０）／２＋１８０°の位置で形成されている。
なお、Ｂ部における変位部Ｈの位置を、Ａ部およびＢ部と同様に、（θ＋１８０）／２°と示してもこれは同義である。

従って、各区間Ａ部、Ｂ部、Ｃ部における変位部Ｈの中間点ＨＭのそれぞれの位置は、誤差を加味した所定のマージンを含めると、以下（式１）により表される。
各区間の変位部Ｈの中間点ＨＭの位置＝（θ＋１８０°）／２±第１マージンＭ°
＝（θ／２＋９０°）±第１マージンＭ°・（式１）
但し、第１マージンＭは、素線Ｘ１本分の径方向Ｋの厚みに相当する転位角度

上記（式１）から明らかなように、変位部Ｈの中間点ＨＭは、各区間Ａ部、Ｂ部、Ｃ部における転位角度９０°に対して、コイルエンド部における第１転位角度θ／２を加算した角度の位置近辺に設けられる。

また、本実施の形態においては、素線Ｘの区間Ａ部、Ｂ部、Ｃ部の軸方向Ｇの幅は、
第２幅Ｂ２＝第１幅Ａ１＋第３幅Ｃ３
の関係を有するように構成されている。

上記のように構成された本実施の形態の単位コイル５０の素線間の誘起電圧差について説明する。
図１１は、実施の形態１による単位コイル５０のコイルエンド部において生じる素線Ｘ間の誘起電圧の分布を、コイルエンド部での転位がない場合の比較例の誘起電圧分布と比較して示した図である。
図１２は、実施の形態１による単位コイル５０のスロット３内において生じる素線Ｘ間の誘起電圧の分布を示す図である。
図１１では、コイルエンド部における第１転位角度θを、０°（転位無し）、６０°、９０°と変化させて示している。また、図１２では、スロット３内における変位部Ｈの位置を、約９０°、１２０°、１３５°と変化させてそれぞれの分布を示している。
なお、図１１、図１２の両図共、縦軸の１メモリは、０．５Ｖに相当する。

図１１より、コイルエンド部において転位（第１転位角度θ＝６０°、９０°）を構成すると、転位がない構成に比較して、コイルエンド部における素線Ｘ間の誘起電圧の大きさ（誘起電圧の最大値と最小値との差）が小さくなるだけでなく、誘起電圧が最小となる波形の谷の部分の急峻さが緩和されることが判る。更に、コイルエンド部における第１転位角度θを６０°から９０°に大きくすると、誘起電圧の山谷の位置が、図１１における左方側にシフトするように変化することが判る。
また、図１２により、変位部Ｈが設けられる転位角度を大きくするに従い、スロット内における誘起電圧分布の山谷の位置が、図１２における左方側にシフトするように変化することが判る。

以上より、コイルエンド部において転位を構成させると、転位させない構成に比較して誘起電圧が小さくなり、電圧波形の急峻さが緩和されることから、素線間の誘起電圧の抑制を容易かつ効率良く行えることが判る。そしてその上で、コイルエンド部における誘起電圧分布の山の部分に、スロット３内における誘起電圧分布の谷の部分が位置するように、スロット３内における変位部Ｈの中間点ＨＭの位置を調整すればよいことが判る。

これら電圧波形から、第１転位角度θを６０°とした場合の、コイルエンド部における誘起電圧の山の部分に対して、スロット３内における誘起電圧の谷が位置するような電圧波形を生じさせる変位部Ｈの位置は、図１２により１２０，３００°である事が判る。
また、第１転位角度θを９０°とした場合の、コイルエンド部における誘起電圧の山の部分に対して、スロット３内における誘起電圧の谷が位置するような電圧波形を生じさせる変位部Ｈの位置は、図１２により１３５，３１５°である事が判る。
以上より、スロット３内における変位部Ｈの位置を、上記式（１）により導出して定めることで、コイルエンド部における素線Ｘ間の誘起電圧と、スロット３内における素線Ｘ間の誘起電圧とを相殺させ、素線Ｘ間の誘起電圧差を最小化できることが証明された。

次に、変位部Ｈの軸方向Ｇの、第４幅としての幅（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）の設定方法について説明する。
図１３は、実施の形態１による変位部Ｈの軸方向Ｇの幅Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を変化させた場合の、スロット３内の誘起電圧の分布を示す図である。
本図において、変位部Ｈの幅は、各区間（Ａ部、Ｂ部、Ｃ部）の幅（第１幅Ａ１、第２幅Ｂ２、第３幅Ｃ３）に対する、各変位部Ｈの幅Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の割合で示す。

変位部Ｈの幅Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を大きくするに従い、スロット３内の誘起電圧の大きさ（最大値と最小値との差）が大きくなることが判る。よって、スロット３内の誘起電圧の大きさが、コイルエンド部において転位を構成した場合のコイルエンド部の素線Ｘ間の誘起電圧の大きさに対応するように、スロット３内における変位部Ｈの幅Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を調整すればよいことが判る。
図１１に示したコイルエンド部における誘起電圧を効果的に低減するには、図１３より、変位部Ｈの幅Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を各区間に対して２０％前後の割合に設定すればよいことが判る。
なお、図１２に示したスロット３内の誘起電圧の分布図は、変位部Ｈの幅を２０％とした場合を示した。

次に、上記（式１）における第１マージンＭの値の設定方法について説明する。
図１４は、実施の形態１による単位コイル５０を構成する複数の素線Ｘの内、図３に示す素線Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、および、Ｎｏ．５５について、固定子鉄心２の軸方向各位置における転位位置を示した概念図である。

隣接する素線Ｘ（Ｎｏ．１）に沿って転位される素線Ｘ（Ｎｏ．２）は、例えば図１４のＲ１として示す箇所において、隣接する素線Ｘを径方向外側Ｋ２に押し下げるように、且つ、周方向Ｓに捩られてクランク曲げされる。即ち、素線Ｎｏ．２がこの箇所Ｒ１においてクランク曲げされる際、素線Ｎｏ．１を、当該素線Ｎｏ．２の径方向Ｋの厚み分だけ、矢印Ｒ２に示されるように、径方向外側Ｋ２側に押し下げる。
さらに、図１４において図示しない素線Ｘ（Ｎｏ．３）が箇所Ｒ１においてクランク曲げされると、素線Ｎｏ．１は、素線Ｎｏ．２と素線Ｎｏ．３の厚みの合計分、径方向外側Ｋ２に押し下げられる。即ち、実際の単位コイル５０において、区間Ａ部における変位部Ｈの、径方向最内側Ｋ１からの距離Ｚ（転位角度）は、素線Ｘの径方向Ｋの厚みにより定まる。

ここで、図３に示したように、単位コイル５０は、１０８本の素線Ｘ（２列５４段）から構成され、単位コイル５０の径方向Ｋの本数は５４本である。
単位コイル５０の、径方向最内側Ｋ１から径方向最外側Ｋ２までの転位角度１８０°を、素線Ｘの径方向Ｋの段数５４により除算すると、素線Ｘの１本当たりの厚みに相当する転位角度は、１８０°／５４＝１０／３°となる。即ち、素線Ｘのクランク曲げを１回行うあたりに第１素線Ｘ１（素線Ｎｏ．１）が転位される転位角度は、１０／３°となる。

ここで例えば、コイルエンド部における第１転位角度θを６０°とすると、上記（式１）により導出される変位部Ｈの理論上の位置は、転位角度１２０°となる。
第１転位角度θを６０°とし、素線Ｘが１０８本（２列５４段）の単位コイル５０を用いる場合では、実際の単位コイル５０において箇所Ｒ１における素線Ｘのクランク曲げ回数を３６回とすると、３／１０°×３６＝１２０°となり、上記（式１）から導出される理論上の転位角度１２０°と一致する。

また、例えば、コイルエンド部における第１転位角度θを６０°とし、素線Ｘが１１０本（２列５５段）の単位コイルを用いる場合では、素線Ｘの１本当たりの厚みに相当する転位角度は、１８０°／５５＝３６／１１°となる。この場合、実際の単位コイル５０において箇所Ｒ１における素線Ｘのクランク曲げ３７回にて、３６／１１°×３７＝１２１．１°となり、上記（式１）から導出される理論上の転位角度１２０°に一致はしないが近い値となる。
箇所Ｒ１における素線Ｘのクランク曲げ３６回にて、３６／１１°×３６＝１１７．８°となり、この場合においても、理論上の転位角度１２０°に一致はしないが、近い値となる。
このように実際の単位コイル５０の転位角度が、理論上の転位角度１２０°に一致せずにずれが生じる場合では、理論上の転位角度１２０°に近いクランク曲げ回数３７回（転位角度１２１．１°）の方が、クランク曲げ回数３６回の１１７．８°よりも循環電流損失が小さくなり、電流損失が低くなる。

このように、実際の単位コイル５０において、変位部Ｈの位置（転位角度）は、単位コイル５０を構成する素線Ｘの径方向Ｋの段数により定まる。ここで、単位コイル５０の素線Ｘの段数が２０本以上であればクランク曲げ１回あたりの転位角度は小さく、循環電流に与える影響も小さい。よって、本実施の形態では、変位部Ｈに対する第１マージンＭを、単位コイル５０の径方向Ｋの段数を２０とした場合の、素線Ｘの１本分の厚み分に相当する角度以下と設定する。１８０°／２０本＝９°であるから、第１マージンＭは、１０°とすると良い。

次に、コイルエンド部Ｄ部（Ｅ部）における第１転位角度θの値の設定方法について説明する。
上記（式１）により得られる理論上の変位部Ｈの位置（１８０＋θ）／２となる、実際の単位コイル５０における素線Ｘのクランク曲げ回数は、単位コイル５０の径方向Ｋの段数をＹとすると、下記式（２）で得られる値が整数となるような値を設定すると良い。
クランク曲げ回数＝（１８０＋θ）／２／（１８０／Ｙ）
＝Ｙ・（１８０＋θ）／３６０ ・・・（式２）

前述したように、（式１）により導出される理論上の変位部Ｈの位置に、実際の単位コイル５０の変位部Ｈの位置が近くなるほうが、循環電流損失の低減効果が高い。よって、上記（式２）により定まる値が、整数となるような値に、第１転位角度θを設定すればよい。
例えば、素線１０８本（２列５４段）の単位コイル５０の場合では、第１転位角度θに６０°あるいは９０°を設定することで、上記（式２）の値が整数となる。
あるいは、予め第１転位角度θの値が定まっている場合では、上記（式２）が整数となるような単位コイル５０の素線Ｘの段数Ｙを決定してもよい。
以上により、本実施の形態において、径方向Ｋの段数が５４段の単位コイル５０を用いる場合、好適な第１素線Ｘ１の第１転位角度θの値は、６０度±１０度、あるいは、９０度±１０度、である。

なお、上記では、スロット３内において変位部Ｈの中間点ＨＭを設ける位置を、（θ／２＋９０°）±第１マージンＭ°としたが、これに限定するものではない。コイルエンド部に転位を構成した場合、図１１に示したように、コイルエンド部における誘起電圧は、転位が構成されない場合に比較して、図１１の左側にシフトする。スロット３内において生じる誘起電圧の分布についても、変位部Ｈを９０°よりも角度が増加する方向に設けることで、図１２の左側にシフトできる。しかしながら、変位部Ｈを設ける位置が転位角度９０°の位置から大きくずれると、スロット３内における誘起電圧の分布もシフトしすぎるおそれがある。よって、変位部Ｈを、各区間における転位角度９０度の位置と、転位角度９０度に第１素線Ｘ１の第１転位角度θを加算した位置との間の範囲（９０°＜変位部Ｈの位置＜９０°＋θ）に設ければ、コイルエンド部における誘起電圧の分布のシフト方向に伴うように、スロット３内で生じる誘起電圧の分布のシフト方向を移動させつつ、意図しない過度なシフトを抑制して循環電流低減効果を得ることができる。

また、上記では、単位コイル５０を構成する１０８本の素線Ｘの内、固定子鉄心２の軸方向一端部Ｇ１において、径方向最内側Ｋ１に位置する素線（素線番号Ｎｏ．１）を第１素線Ｘ１とした。そして、この指定された第１素線Ｘ１におけるコイルエンド部での第１転位角度θと、第１素線Ｘ１のスロット３内の変位部Ｈの転位角度を設定した。
しかしながら、第１素線Ｘ１は、このように単位コイル５０内で径方向最内側Ｋ１に位置する素線に限定するものではなく、例えば、図３に示す素線Ｘのうち、径方向最外側Ｋ２に位置する素線（素線番号Ｎｏ．５５）でもよい。図１４に示すように、素線番号Ｎｏ．５５においても、素線番号Ｎｏ．１と同様の転位構成となる。

さらには、図６に示したように、素線Ｎｏ．１に隣接する素線Ｎｏ．２を第１素線Ｘ１としてもよい。単位コイル５０の径方向Ｋの段数が多い場合では、素線Ｎｏ．１の転位角度と、素線番号．２の転位角度との値は近く、素線Ｎｏ．２においても素線Ｎｏ．１と同様の変位部Ｈの位置関係が成立するためである。

上記のように構成された本実施の形態の電機子コイルを構成する単位コイルによると、単位コイルを構成する各素線は、スロット内において転位角度５４０度の転位をした構成であり、且つ、コイルエンド部において第１転位角度θの転位をした構成である。
さらに、素線は、スロット内の各区間において、転位の変化率が変化する変位部を有しており、この変位部の軸方向中間点は、各区間における転位角度９０度の位置と、転位角度９０度に第１転位角度θを加算した位置との間に設けられている。
このように、コイルエンド部において転位を構成することにより、コイルエンド部において生じる誘起電圧の最大値と最小値の電圧差を小さくし、電圧波形の急峻さを緩和することができる。このように、抑制対象の誘起電圧の波形を簡略化させることで、循環電流の抑制を容易かつ効率良く行うことができる。そしてさらに、スロット内において５４０°転位を構成することで、スロット内における循環電流損失を低減しつつ、コイルエンド部における誘起電圧を相殺するような波形を有する誘起電圧を意図的にスロット内において生じさせるように変位部Ｈの位置を調整することで、単位コイルを構成する素線間の誘起電圧差を最小化させ、循環電流損失を効果的に低減することができる。

さらには、スロット内において変位部を設ける位置を、（（９０°＋θ／２）±素線の径方向の厚み分の転位角度の位置に設けることで、コイルエンド部における誘起電圧分布の山の部分に、スロット３内における誘起電圧分布の谷の部分を精度よく位置させることができる。これにより、さらに素線間の誘起電圧差を最小化させ、循環電流損失を更に低減することができる。

また、素線の軸方向に区分した各区間における第１幅と第２幅と第３幅との関係を、第２幅＝第１幅＋第３幅、の関係を有するように構成することで、変位部を用いて、スロット内において確実に所望の誘起電圧波形を生じさせることができ、安定した循環電流損失の低減効果が得られる。
また、変位部の転位の変化率を０とすることで、素線の転位構成が簡素化されるため、製造工程を簡略化できる。

また、コイルエンド部における第１転位角度θを、単位コイルの径方向の段数Ｙを考慮した上で、Ｙ×（１８０＋θ）／３６０、の値が、整数となる値に設定すると、（式１）において導出される理論上の変位部Ｈの転位角度に、実際の単位コイルの変位部Ｈの転位角度を一致させることができる。これにより更に高い循環電流低減効果を得ることができる。

また、スロット内の変位部の軸方向の幅を、コイルエンド部における素線間の誘起電圧値に応じて設定する。これにより、スロット内において生じる誘起電圧の最大値と最小値の電圧差を、コイルエンド部における誘起電圧の最大値と最小値との電位差に一致させて、更に高い循環電流低減効果を得ることができる。
また、上記のように構成された単位コイルを有する電機子コイルを、大型の回転電機において用いられる固定子に用いることで、固定子の高性能化と高い信頼性を確保できる。

また、コイルエンド部における第１転位角度θは、１８０°未満の角度としている。通常、スロット内において５４０°の転位を構成し、軸方向両端のコイルエンド部においてそれぞれ１８０°の転位角を構成すると、素線間における誘起電圧差は生じず、この場合、スロット内において変位部は不要となる。しかしながら、第１素線Ｘ１がコイルエンド部において１８０°の転位を構成した場合、例えば図１４に示すコイルエンド部（Ｅ部）における軸方向Ｇの幅は、隣り合う素線Ｘのクランク曲げのピッチ（図１４の転位ピッチｔ１）に対して、各素線のクランク曲げ回数を乗算した値よりも長くなければ成立しない。よって、コイルエンド部において第１素線が１８０°転位を構成すると、単位コイルの素線段数が多い場合では、コイルエンド部における軸方向の長さを長く確保する必要があり、固定子が軸方向に大型化する。また、転位ピッチｔ１の距離には、素線のクランク曲げによる絶縁破損を抑止するため、短縮可能な限界がある。
本実施の形態では、第１転位角度θを１８０°より小さい値、好適には、６０°および９０°と、９０°以下の値に構成することで、コイルエンド部における軸方向の幅を短く構成し、電機子コイルおよび固定子の不必要な大型化を防止している。
これにより、発電設備などにおける省スペース化、コスト削減等を図ることが可能となる。

実施の形態２．
以下、本願の実施の形態２を、上記実施の形態１と異なる箇所を中心に図を用いて説明する。上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。
図１５は、実施の形態２による単位コイルを構成する素線Ｘの、固定子鉄心２の軸方向各位置における転位位置を示す概念図である。
図１６は、実施の形態２による単位コイルのスロット３内とコイルエンド部の合計において生じる素線Ｘ間の誘起電圧の分布を、実施の形態１に示した単位コイル５０におけるスロット３内の分布と比較して示す図である。
図１７は、実施の形態２による単位コイルのスロット３内において生じる素線Ｘ間の誘起電圧の分布を示す図である。
図１８は、実施の形態２による単位コイルのコイルエンド部において生じる素線Ｘ間の誘起電圧の分布を示す図である。
なお、図１６〜図１８の縦軸の１メモリは、０．５Ｖに相当する。

本実施の形態２に示す単位コイルは、実施の形態１に示した単位コイル５０に比較して、変位部Ｈの転位の変化率が異なり、１８０°を各区間の幅により除算して得られる値より小さい値であり、且つ、０より大きい値に設定されている。
即ち、区間Ａ部における変位部Ｈの転位の変化率は、１８０度を第１幅Ａ１により除算して得られる値よりも小さい値で、且つ０より大きく設定される。
また、区間Ｂ部における変位部Ｈの転位の変化率は、１８０度を第２幅Ｂ２により除算して得られる値よりも小さい値で、且つ、０より大きく設定される。
また、区間Ｃ部における変位部Ｈの転位の変化率は、１８０度を第３幅Ｃ３により除算して得られる値よりも小さい値で、且つ、０より大きく設定される。
よって、図に示すように、変位部Ｈの転位は、変位部Ｈの前後の転位よりも緩やかに構成される。

図１７により、変位部Ｈの転位の変化率を、０°より大きい角度に設定することで、スロット３内の素線間の誘起電圧分布の谷の部分の急峻な部分が穏やかに変化することが判る。
コイルエンド部において転位を構成すると、実施の形態１において説明したように、コイルエンド部における電圧波形の急峻な箇所を緩和することができる。そこで、スロット３内において生じる誘起電圧波形についても、このように急峻な箇所を緩和するよういに、変位部Ｈの転位の変化率を調整することで、コイルエンド部における素線Ｘ間の誘起電圧と、スロット３内における素線Ｘ間の誘起電圧とを更に効率的に相殺させ、素線Ｘ間の誘起電圧差を最小化できる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 固定子（電機子）、２ 鉄心（固定子鉄心）、３ スロット、５０ 単位コイル、Ｘ 素線、Ｘ１ 第１素線、Ｈ 変位部。

Claims (10)

1. 電機子のスロットに収容される単位コイルを複数個備え、
   前記単位コイルは、それぞれ転位される複数の素線から成り、該素線が前記スロットの軸方向両端において前記スロットから延出し、それぞれ電気的に接続されてコイルエンド部を形成する電機子コイルにおいて、
   各前記単位コイルを構成する各前記素線は、
   前記スロット内の軸方向の両端間において転位角度５４０度の転位をした構成であって、
   前記スロット内の軸方向の一端側から他端側に向けて、軸方向に連続して、軸方向に第１幅を有する第１区間、軸方向に第２幅を有する第２区間、軸方向に第３幅を有する第３区間とに該素線を区分すると、前記第１区間、前記第２区間、前記第３区間においてそれぞれ転位角度１８０度の転位が行われ、且つ、前記コイルエンド部において第１転位角度θの転位をした構成であって、
   前記スロット内の各前記区間において、該素線の転位の変化率が変化する変位部を有し、
   各前記単位コイルの前記素線の内、少なくとも一つの前記素線である第１素線の各前記区間における前記変位部の軸方向中間点は、
   各前記区間における転位角度９０度の位置と、前記転位角度９０度に前記第１素線の前記第１転位角度θを加算した位置との間に設けられた、
   電機子コイル。
2. 前記第１区間における前記変位部の転位の変化率は、１８０度を前記第１幅により除算して得られる値よりも小さい値、
   前記第２区間における前記変位部の転位の変化率は、１８０度を前記第２幅により除算して得られる値よりも小さい値、
   前記第３区間における前記変位部の転位の変化率は、１８０度を前記第３幅により除算して得られる値よりも小さい値、
   にそれぞれ設定された、
   請求項１に記載の電機子コイル。
3. 前記第１素線は、前記単位コイルを構成する前記素線の内、前記スロットの軸方向両端において径方向最外側あるいは径方向最内側に位置する素線であり、
   前記第１素線の各前記区間における前記変位部の軸方向中間点は、
   （（各前記区間における転位角度９０度＋前記第１転位角度θ／２）±前記素線の径方向の厚み分の転位角度）の位置に設けられた、
   請求項２に記載の電機子コイル。
4. 前記第１幅と前記第２幅と前記第３幅とは、
   前記第２幅＝前記第１幅＋前記第３幅、
   の関係を有するように構成された、
   請求項２または請求項３に記載の電機子コイル。
5. 各前記区間における前記変位部の転位の変化率は、０より大きい値である、
   請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の電機子コイル。
6. 各前記区間における前記変位部の転位の変化率は、０である、
   請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の電機子コイル。
7. 前記単位コイルは、前記素線が径方向にＹ本積層されて構成され、
   前記Ｙの値と、前記第１素線の前記第１転位角度θの値は、
   Ｙ×（１８０＋θ）／３６０、の値が、整数となる値にそれぞれ設定された、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電機子コイル。
8. 前記Ｙの値は５４本であり、
   前記第１素線の前記第１転位角度θは、６０度±１０度、あるいは、９０度±１０度、
   に設定された、
   請求項７に記載の電機子コイル。
9. 前記変位部の軸方向の第４幅は、前記コイルエンド部における前記素線間の誘起電圧値に応じて設定された、
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電機子コイル。
10. 前記スロットが形成された鉄心と、
    請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電機子コイルとを備え、
    前記鉄心の前記スロット内に前記電機子コイルを配設して形成された、
    電機子。

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