JP7214895B2 - 回転電機の電機子巻線および回転電機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機の電機子巻線および回転電機に関する。

一般に、３相交流の回転電機（以下、「回転電機」と称す。）は、図７に示すように電機子部１、界磁部２、シャフト３等から構成される。電機子部１と界磁部２とは、どちらか一方が回転子として回転し、もう一方は固定子として固定される。ここでは、電機子部１が固定子、界磁部２が回転子である場合を例に挙げて説明する。

図７の電機子部１は電機子鉄心５と電機子巻線６からなり、電機子鉄心５は積層鉄板を積層して構成され、この電機子鉄心５の周囲部に設けられたスロット７には電機子巻線６が収められている。この電機子巻線６は、スロット開口部に近い側の上コイル片８と、スロット底側の下コイル片９の２層に配置され、その外周部が主絶縁層で覆われている。

回転電機の電機子巻線６の巻線方式には、重ね巻と波巻とがある（例えば特許文献１および非特許文献１）。２つのコイル片により亀甲形状のコイルを形成するものを重ね巻、コイル片が各磁極を順次通過して一方向に巻き進むものを波巻という。波巻は重ね巻きに比べ極間渡り線を省略でき製造が容易となり、極間渡り線で発生する交流損が低減でき回転電機の性能向上に効果があることから水車発電機等の大容量の回転電機で採用されている。以下、波巻に関して説明する。

図８に、３相１２極７２スロット４並列回路の回転電機における一般的な波巻の電機子巻線の展開模式図を示す。図８に示されるように、電機子巻線は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線から構成され、各相の各並列回路は各磁極を順次通過して電機子を周回するように巻回される。

図９は、図８に示される電機子巻線の展開模式図を１相分のみとし、１相内の４並列回路を分けて示した図である。図９に示していない他の２相については、図示された相の電機子巻線の構成をそれぞれ電気角で１２０度及び２４０度ずつずらしたものとなる。

なお、図８、図９においては、スロットの番号が記載されているが、煩雑さを避けるために奇数番号のみを記載し、偶数番号の記載を省略している。

図９に示されるように、各並列回路の電機子巻線は、スロット内の開口部側に納められる上コイル片８と、スロット内の底側に納められる下コイル片９とを有し、これら上コイル片８、下コイル片９の端部同士が周回するに接続される接続側コイルエンド１０と、その軸方向反対側で口出し部１５，１６に接続されない反接続側コイルエンド１１とにおいて、それぞれ回転電機の周方向に一方向に順次直列に接続され、１２個の相帯１３により相帯群１４を形成している。

ここで、相帯１３とは、３相各相を複数に分割して割り当てられた電機子鉄心５に設けられた複数のスロット７にそれぞれ上コイル片８及び下コイル片９を２層に収めてこれらを接続して同一相を形成する巻線部分を言う。

また、多並列回路を有する回転電機において、各並列回路間で誘起される電圧が不平衡となると、並列回路間に循環電流が発生し、電機子巻線温度が上昇するため、最悪の場合には加熱や焼損事故の原因となる。そこで、各並列回路で誘起される電圧が平衡するようスロット７に配置する上下コイルの配列をジャンパ線１２により入れ替えて巻回される。図９では各並列回路で誘起される電圧が平衡となるように６相帯毎にコイル配置を１スロット分入れ替えている。

図９に示される電機子巻線１相分の並列回路のコイル配置イメージを図１０に、当該並列回路を有する回転電機の軸断面を図１１に示す。

ここで、図９乃至図１１に示される４並列回路（第１乃至第４の回路）のうち、第２の回路を例に、従来の電機子巻線の巻線方式を説明する。

図９に示されるように、第２の回路の巻線は、巻線口出し部１５から、第６７スロットの下コイル片を通り、第２スロットの上コイル片を通り、第７スロットの下コイル片を通り、第１４スロットの上コイル片を通り、第１９スロットの下コイル片を通り、第２６スロットの上コイル片を通り、ジャンパ線１２を通り、第３０スロットの下コイル片を通り、第３７スロットの上コイル片を通り、第４２スロットの下コイル片を通り、第４９スロットの上コイル片を通り、第５４スロットの下コイル片を通り、第６１スロットの上コイル片を通り、巻線口出し部１６へと導かれる。

第１、第３、第４の回路の巻線も、第２の回路の巻線と同様な形態をとるが、それぞれ各回路で周方向に異なる位置に配置される。

日本国特開昭５６－４４３６０号公報

Mattias Wallin, Martin Ranlof, and Urban Lundin, "Reduction of Unbalanced Magnetic Pull in Synchronous Machines due to Parallel Circuits" IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL.47,NO.12,DECEMBER2011, pp.4827-4833

回転電機は、通常、図１１に示される回転電機の中心点（固定子の中心点）２１を中心に回転子が回転しており、固定子と回転子との間のギャップ４は円周上で均一であるが、図１１に示されるように固定子の中心点２１から回転子の中心軸２２がずれ、固定子と回転子との間のギャップ４が円周上で不均一となるギャップ偏心が生じることがある。ギャップ偏心が生じた場合、電機子と回転子とを結合する磁気エネルギーが全周上で不均一となり、磁気吸引力が働く。

回転電機を大容量化する場合、ギャップ偏心が生じた際の磁気吸引力が大きくなり、軸受やフレームに掛かる力が大きくなる。また、一般的な波巻の電機子巻線は、各相の各並列回路が図１０のように電機子を周回する（１周する）ように巻回されていることから、ギャップ偏心が生じた際に、ギャップが狭くなる付近で磁極を形成する電流と、ギャップが広くなる付近で磁極を形成する電流とが打ち消しあって誘導電流が流れにくくなる部分が生じやすく、ギャップ偏心に対して回転子を元の位置に戻す力を十分に発揮できない。特に既存の回転電機の構造を変えずに大容量化すると、ギャップ偏心に対して回転子を元の位置に戻すことができなくなる。その場合、軸受やフレームが耐えられなくなり変形や破損、回転子と固定子との接触が起こる可能性がある。一方、このようなことを防止するために回転電機全体の再設計を行うとなると、多大な時間とコストを要する。こうした問題は、回転子が電機子部１、固定子が界磁部２を構成する場合においても同様に起こる。

例えば非特許文献１においては、３相６極１０８スロット２並列回路の回転電機を対象に２並列回路の各回路を回転機の軸断面から見て上半と下半に分けて巻線を構成することにより、ギャップ偏心時の電機子と回転子の間に働く磁気吸引力の低減を図っている。この非特許文献１の構成においては、回転電機の軸断面から見て上下方向のギャップ偏心が生じた場合には磁気吸引力の低減効果があるものの、左右方向のギャップ偏心に対しては磁気吸引力の低減効果が大幅に低下すると考えられる。

本発明が解決しようとする課題は、既存の構成を活かしつつ、電機子巻線の巻線方式を変更することで、回転電機の軸断面から見た全周方向のギャップ偏心に対し、ギャップ偏心発生時の回転子を元の位置に押し戻すことができる、回転電機の電機子巻線および回転電機を提供することにある。

実施形態の回転電機の電機子巻線は、３相６極以上の偶数極の２層巻き電機子巻線であって、各相に３並列以上の並列回路を備え、各回路を構成する個々のコイルは波巻により結線され、各回路は相帯群が隣接する両側の回路における「極数／２」個分の相帯とそれぞれ重なるように配置され、該相帯群は各回路で周方向に異なる位置に配置されている。

本発明によれば、既存の構成を活かしつつ、電機子巻線の巻線方式を変更することで、回転電機の軸断面から見た全周方向のギャップ偏心に対し、ギャップ偏心発生時の回転子を元の位置に押し戻すことができる。

図１は、実施形態による回転電機の電機子巻線の１相分の展開模式図である。 図２は、同実施形態における電機子巻線１相分の並列回路のコイル配置イメージ図である。 図３は、同実施形態における並列回路を有する回転電機の軸断面を示す図である。 図４は、従来の巻線方式と同実施形態のそれぞれの電機子巻線１相分の各並列回路のコイル設置とその設置範囲を示す図である。 図５は、回転子の偏心が生じた場合に回転子を元の位置に戻そうとする力が働く原理を説明する図。 図６は、従来例の巻線方法と本実施形態の巻線方法とで、ギャップ偏心発生時の回転子に働く磁気吸引力を数値解析によりそれぞれ求めた比較結果の一例を示す図である。 図７は、一般的な回転電機の軸断面を示す図である。 図８は、３相１２極７２スロット４並列回路の回転電機における一般的な波巻の電機子巻線の展開模式図である。 図９は、図８に示される電機子巻線の展開模式図を１相分のみとし、１相内の４並列回路を分けて示した図である。 図１０は、従来の電機子巻線１相分の並列回路のコイル配置イメージ図である。 図１１は、従来方法で配置された並列回路を有する回転電機の軸断面を示す図である。

実施形態

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

図１は、実施形態による回転電機の電機子巻線の１相分の展開模式図である。なお、図１では、前述した要素と同一の要素には同一の符号を付している。

この実施形態では、１２極７２スロット４並列回路の回転電機を例として挙げる。図１では電機子巻線の１相分のみ示しているが、図１に示していない他の２相については、図示された相の電機子巻線の構成をそれぞれ電気角で１２０度及び２４０度ずつずらしたものとなる。なお、図１においては、スロットの番号が記載されているが、煩雑さを避けるために奇数番号のみを記載し、偶数番号の記載を省略している。

図１に示される回転電機の電機子は、積層鉄心から成る電機子鉄心５に７２個のスロットが設けられ、これらのスロットに１２極３相４並列回路の電機子巻線が２層に収められている。

各相の電機子巻線は、スロット内の開口部側に納められる上コイル片８と、スロット内の底側に納められる下コイル片９とを有し、これら上コイル片８、下コイル片９の端部同士を巻線口出し部１５，１６に接続される接続側コイルエンド１０と、その軸方向反対側で巻線口出し部に接続されない反接続側コイルエンド１１とにおいて、それぞれ回転電機の周方向に６個の相帯１３の範囲に順次直列接続し、その後、ジャンパ線１２を介して折り返して、更に周方向に６個の相帯１３の範囲に順次接続される構成としている。更に、各並列回路の各相帯群１４はそれぞれ３個の相帯群１４をオーバラップさせるように巻回している。すなわち、各並列回路は相帯群１４が隣接する両側の回路における極対数（極数／２）個分の相帯１３とそれぞれ重なるように配置され、該相帯群１４は各回路で周方向に異なる位置に配置されている。

図１に示される電機子巻線１相分の並列回路のコイル配置イメージを図２に、当該並列回路を有する回転電機の軸断面を図３に示す。

各並列回路は、図１に示される６個の相帯群１４（機械角１８０度に相当）で巻回され、各並列回路の各相帯群１４はそれぞれ３個の相帯群１４（機械角９０度に相当）をオーバラップさせるようにコイルを配置している。

ここで、図１乃至図３に示される４並列回路（第１乃至第４の回路）のうち、第２の回路を例に、本実施形態による電機子巻線の巻線方式を説明する。

図１に示されるように、第２の回路の巻線は、巻線口出し部１５から、第１８スロットの下コイル片を通り、第２５スロットの上コイル片を通り、第３０スロットの下コイル片を通り、第３７スロットの上コイル片を通り、第４２スロットの下コイル片を通り、第４９スロットの上コイル片を通り、ジャンパ線１２を通り、第４４スロットの上コイル片を通り、第３７スロットの下コイル片を通り、第３２スロットの上コイル片を通り、第２５スロットの下コイル片を通り、第２０スロットの上コイル片を通り、第１３スロットの下コイル片を通り、巻線口出し部１６へと導かれる。

第１、第３、第４の回路の巻線も、第２の回路の巻線と同様な形態をとるが、それぞれ各回路で周方向に異なる位置に配置される。

なお、本実施形態では、３相６極の２層巻き電機子巻線の場合を例示しているが、これに限定されるものではない。例えば６極以上の偶数極であればよく、６極だけの場合に限られない。また、本実施形態では並列回路が４つの場合を例示しているが、これに限定されるものではない。例えば各相に３並列以上の並列回路があればよく、４並列の場合に限られない。その場合、極数／並列回路数が整数となるようにする。各回路の相帯群１４は、位置を周方向に「相帯数／並列回路数」だけずらして配置することが望ましい。

極数を２Ｐ極、並列回路数をｎ並列回路（Ｐ，ｎは任意の自然数）とすれば、各回路は「４Ｐ／ｎ」個の相帯１３により相帯群１４を形成しており、該相帯群１４は各回路で周方向に「２Ｐ／ｎ」個の相帯分ずらして配置されていることが望ましい。

上記の構成を採用すれば、ギャップ偏心が生じた場合、並列回路内でインダクタンスに差が生じて、各回路間の電圧に差が生じ、電圧が高くなる回路（ギャップ４が狭くなる位置に該当する回路）では磁気吸引力と逆方向の力を引き起こす循環電流が流れ、電圧が低くなる回路（ギャップ４が広くなる位置に該当する回路）では磁気吸引力と同方向の力を引き起こす循環電流が流れ、中心軸のずれた回転子を元の位置に押し戻す力が働く。

以下では、上記した作用について、図４及び図５を参照しながらより詳細に説明する。

図４（ａ）は、従来の巻線方式による電機子巻線１相分の各並列回路のコイル設置とその設置範囲を示す図である。一方、図４（ｂ）は、本実施形態による電機子巻線１相分の各並列回路のコイル設置とその設置範囲を示す図である。

なお、図４（ａ）及び（ｂ）では、各並列回路のコイル設置を理解しやすくするため、固定子（電機子部）１の電機子鉄心５に設けられたスロット７に収納されている各並列回路の電機子巻線６（上コイル片８、下コイル片９）のサイズを大きめに記載しており、また、回転子（界磁部）２の形状を簡略化して円形にした記載としている。

従来の巻線方式では、図４（ａ）に示されるように、４つの並列回路（第１の回路、第２の回路、第３の回路、第４の回路）はそれぞれ固定子１を周回する（１周する）ように配置されている。これに対し、本実施形態の巻線方式では、図４（ｂ）に示されるように、４つの並列回路（第１の回路、第２の回路、第３の回路、第４の回路）がそれぞれ、周方向に機械角１８０度の範囲内に配置され且つ周方向に機械角９０度ずつずらして配置されている。

このように従来の巻線方式と本実施形態の巻線方式とでは、巻線の配置が異なるため、作用・効果が後述するように異なる。

従来の巻線方式と本実施形態の巻線方式のそれぞれについて、図４（ａ）及び（ｂ）のように、固定子１の中心点２１から回転子２の中心軸がずれ、固定子１と回転子２との間のギャップ４が円周上で不均一となるギャップ偏心が生じた場合を考える。

図５に、回転子２によるギャップ偏心が生じた場合に回転子２を元の位置に戻そうとする力が働く原理の概要を示す。図５では、説明の複雑化を避けるため、電機子部１及び界磁部２が簡易な構成である場合の例を描写している。また、ここでは上コイル片と下コイル片の区別やその図示も省略している。

図５（ａ）に示されるように、回転子２の偏心により、その一部が固定子１から離れ、他の一部が固定子１に近づくと、回転子２と固定子１との間に不平衡電磁力が発生する。

このような不平衡電磁力が発生すると、回転子２と固定子１との間の電磁力を平衡状態に戻すべく回転子２を元の位置に戻そうとする力（反発力、吸引力）が働く。

例えば、図５（ｂ）に示されるように、回転子２のＮ極の部分が固定子１に近づくと、固定子１側の対向する位置にＮ極を生じさせる（あるいは、回転子２のＳ極の部分が固定子１に近づくと、固定子１側の対向する位置にＳ極を生じさせる）ことにより、回転子２を元の位置に押し戻す反発力を発生させようと、誘導電流３１ｃ、３２ｃが、固定子１側の電機子巻線（例えばスロット３１の位置から矢印に示す方向（固定子軸方向）へ向かい、その後、逆方向に転換してスロット３２の位置に戻ってくるように配置された電機子巻線）に流れる。また、このとき回転子２のＳ極の部分が固定子から離れると、固定子１側の対向する位置にＮ極を生じさせる（あるいは、回転子２のＮ極の部分が固定子１から離れると、固定子１側の対向する位置にＳ極を生じさせる）ことにより、回転子２を元の位置に引き戻す吸引力を発生させようと、誘導電流４１ｃ、４２ｃが、固定子１側の電機子巻線（例えばスロット４１の位置から矢印に示す方向（固定子軸方向）へ向かい、その後、逆方向に転換してスロット４２の位置に戻ってくるように配置された電機子巻線）に流れる。

上述した反発力、吸引力は、従来の巻線方式と本実施形態の巻線方式のいずれにも生じ得るが、従来の巻線方式の場合は、図４（ａ）に示されるように４つの並列回路（第１の回路、第２の回路、第３の回路、第４の回路）がそれぞれ電機子部１を周回する（１周する）ように直列接続で配置されていることから、以下に説明するような弊害が生じる。

従来の巻線方式の場合は、図４（ａ）に示されるように、回転子２が固定子１に接近している付近に例えば第２の回路の電機子巻線６が存在すると共に、回転子２が固定子１から離れている付近にも第２の回路の電機子巻線６が存在する。回転子２が固定子１に接近している付近に存在する第２の回路の電機子巻線６では、誘導電流が反発力を発生させる方向に流れようとする一方で、回転子２が固定子１から離れている付近に存在する第２の回路の電機子巻線６では、誘導電流が吸引力を発生させる方向に流れようとする。

しかし、双方の電機子巻線６は直列接続されていることから、回転子２が固定子１に接近している付近に存在する第２の回路の電機子巻線６において反発力を発生させる方向に流れようとする誘導電流は、回転子２が固定子１から離れている付近に存在する第２の回路の電機子巻線６（即ち、誘導電流が吸引力を発生させる方向に流れようとしている電機子巻線６）にも流れようとし、双方の誘導電流が互いに打ち消し合う。同様に、回転子２が固定子１から離れている付近に存在する第２の回路の電機子巻線６において吸引力を発生させる方向に流れようとする誘導電流は、回転子２が固定子１に接近している付近に存在する第２の回路の電機子巻線６（即ち、誘導電流が反発力を発生させる方向に流れようとしている電機子巻線６）にも流れようとし、双方の誘導電流が互いに打ち消し合う。

このような誘導電流の打ち消し合いは、回転子２が第２の回路の電機子巻線６が存在する付近に接近する場合に限らず、回転子２が第１、第３、第４の回路の電機子巻線６のいずれかの付近に接近する場合においても同様に起こる。その結果、回転子２の偏心による不平衡電磁力の発生時に、回転子２を元の位置に戻そうとする力が有効に働かない。

一方、本実施形態の巻線方式の場合は、図４（ｂ）に示されるように、回転子２が固定子１に接近している付近に例えば第２の回路の電機子巻線６が存在するが、回転子２が固定子１から離れている付近には第２の回路の電機子巻線６は存在せず、第１の回路もしくは第４の回路の電機子巻線６が存在する。回転子２が固定子１に接近している付近に存在する第２の回路の電機子巻線６では、誘導電流が反発力を発生させる方向に流れようとするが、回転子２が固定子１から離れている付近には、第２の回路の電機子巻線６は存在しないため、上述したような誘導電流の打ち消し合いは起こらず、第２の回路の電機子巻線６には反発力を発生させる方向の誘導電流が流れる。また、回転子２が固定子１から離れている付近に存在する第１の回路もしくは第４の回路の電機子巻線６では、誘導電流が吸引力を発生させる方向に流れようとするが、回転子２が固定子１に接近している付近には、第１の回路もしくは第４の回路の電機子巻線６は存在しないため、上述したような誘導電流の打ち消し合いは起こらず、第１の回路もしくは第４の回路の電機子巻線６には吸引力を発生させる方向の誘導電流が流れる。

このような作用は、回転子２が第２の回路の電機子巻線６が存在する付近に接近する場合に限らず、回転子２が第１、第３、第４の回路の電機子巻線６のいずれかの付近に接近する場合においても同様に起こる。また、各回路の設置範囲が隣接する回路の設置範囲と一部重複するような巻線配置になっていることから、回転子２の偏心がいずれの方向であっても不平衡電磁力を低減する効果が得られる。その結果、回転子２の偏心による不平衡電磁力の発生時には、回転子２を元の位置に戻そうとする力（反発力、吸引力）が有効に働く。

本実施形態によれば、回転電機の軸断面から見て上下方向のギャップ偏心が生じた場合は、主に第１の回路と第２の回路に循環電流が流れ、第１の回路には磁気吸引力と同方向の力を引き起こす循環電流が流れ、第２の回路には磁気吸引力と逆方向の力を引き起こす循環電流が流れることにより、ギャップ偏心発生時の回転子を元の位置に押し戻すことが可能になる。また、回転電機の軸断面から見て左右方向のギャップ偏心が生じた場合は、主に第３の回路と第４の回路において、中心軸のずれた回転子を元の位置に押し戻す力が働くように循環電流が流れる。その結果、本実施形態では、回転電機の軸断面から見た全周方向のギャップ偏心に対し、ギャップ偏心発生時の回転子を元の位置に押し戻すことができる効果が得られる。

図１１の従来例の巻線方法と本実施形態の巻線方法とで、ギャップ偏心発生時の回転子に働く磁気吸引力を数値解析によりそれぞれ求めた比較結果の一例を図６に示す。図６中、横軸は従来例の巻線方式における回転子に働く磁気吸引力を１ＰＵとしている。

図６の数値解析の結果から、本実施形態の巻線方法を適用することで従来例の巻線方法に比べ、中心軸のずれた回転子を元の位置に押し戻す効果が得られることが確認できた。

以上詳述したように、実施形態によれば、既存の構成を活かしつつ電機子巻線の巻線方式を変更することで、回転電機の軸断面から見た全周方向のギャップ偏心に対し、ギャップ偏心発生時の回転子を元の位置に押し戻すことが可能となる。

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。

Claims (5)

1. ３相６極以上の偶数極の２層巻き電機子巻線であって、
   各相に３並列以上の並列回路を備え、各回路を構成する個々のコイルは波巻により結線され、各回路は相帯群が隣接する両側の回路における「極数／２」個分の相帯とそれぞれ重なるように配置され、該相帯群は各回路で周方向に異なる位置に配置されている、
   回転電機の電機子巻線。
2. 前記相帯群は各回路で周方向に「相帯数／並列回路数」だけずらして配置されている、
   請求項１に記載の回転電機の電機子巻線。
3. 極数は２Ｐ極、並列回路数はｎ並列回路（Ｐ，ｎは任意の自然数）であり、
   各回路は「４Ｐ／ｎ」個の相帯により相帯群を形成しており、該相帯群は各回路で周方向に「２Ｐ／ｎ」個の相帯分ずらして配置されている、
   請求項１に記載の回転電機の電機子巻線。
4. 極数／並列回路数が整数となる構成である、
   請求項１に記載の回転電機の電機子巻線。
5. 請求項１に記載の電機子巻線を備えた回転電機。
   

Images