JPS6235344B2

JPS6235344B2 -

Info

Publication number: JPS6235344B2
Application number: JP54164118A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Watabe; Myoshi Takahashi; Noryoshi Takahashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-12-19
Filing date: 1979-12-19
Publication date: 1987-07-31
Also published as: JPS5688636A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はリング巻電機子に係り、特に超高圧の
超電導タービン発電機等に好適なリング巻電機子
に関する。

〔従来の技術〕

近年、超高電圧の交流発電機の開発により、電
力送電システムに於ける中間昇圧トランスを省略
して、発変電所のコンパクト化と高効率化とを図
る試みがなされている。

しかし、中間昇圧トランスを省略するために
は、発電機の出力端子電圧を現用の20〜30KVか
ら、一挙に300〜500KV級の超高電圧にしなけれ
ばならない。この場合、現用のスロツト巻線方式
電機子構造では、絶縁のためのスロツト内絶縁物
の厚みが著しく増大することにより、巻線の占積
率が低下して電機子寸法が大きくなり過ぎ、実現
性が乏しい。このため、発電機の超高圧化に適し
た新構成の電機子の開発が不可欠となつている。

リング巻電機子は、上記の超高電圧形の発電機
に適した電機子構造を有し、従来から知られてい
るものである。

第１図は、従来この種のリング巻電機子を示す
ものである。

第１図において、電機子は、電気鉄板を積層し
た環状鉄心１２の内外周面に絶縁層１４が配置し
てあり、この絶縁層１４を介して環状鉄心１２に
リング状に連続して巻回された複数のターンを有
するリング巻コイル１６が取付けられている。こ
のリング巻コイル１６の巻始めと巻終りは端子１
８に接続されている。また、リング巻コイル１６
は、この例では環状鉄心１２の周囲を６個の相帯
に分割して巻回されている。

環状鉄心１２は、円筒状の固定子枠２０に収納
されており、固定子枠２０の内周面に固定された
複数の連結片２２により固定されている。

上記の様な構成の従来型のリング巻電機子で
は、２極の界磁巻線を持つ回転子（図示せず）と
組合せて３相交流発電機とする場合、半径方向に
対向する２個のリング巻コイル１６を、巻回方向
が互いに反対になるようにまず電気的に直列に接
続する。すると、直列接続されたコイルグループ
が３対できるので、これら３対のコイルを、３相
星形結線あるいはデルタ結線として３相交流巻線
として使用する。

このため、リング巻電機子では、通常一般の現
用電機子に採用されている２層鼓状巻交流巻線の
ように、相異る巻線相帯同志がコイル端部も含め
半径方向に近接して重なり合う部分がない独立し
た相帯を有することになる。従つて、巻線相帯間
の絶縁が非常に楽になり、特に高圧巻線として適
することになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、環状鉄心１２にリング巻コイル１６を
設けた電機子は、リング巻コイル１６の外周側コ
イル辺１６Ａを流れる電流Ｉによつて、鉄心背部
に多量の漏れ磁束φｅが誘起される。このため、
磁束φｅにより固定子支持枠２０等に渦電流損に
よる発熱が生じたり、またφｅが外部に漏れると
電磁障害、磁石作用等の誘導障害が生じる欠点が
ある。従つて、漏れ磁束φｅに対する特別の磁気
シールド装置を設けなければ、実用に供し得ない
という欠点がある。

また、環状鉄心１２は、回転子の界磁コイル、
電流及びリング巻コイル電流に起因する交流磁界
によつて生じる鉄損軽減の目的で、電気的に絶縁
された0.3〜0.5mm程度の薄い電気鉄板を積層した
構造となつている。このため、分割して製作する
ことが難しく、大型機を対象とした成形コイルを
用いるものでは、環状鉄心１２にリング巻コイル
１６を装着する作業が極めて困難となる欠点があ
つた。さらに、鉄板層外層には、絶縁層１４を確
保しなければならない欠点がある。また、磁気特
性上の制約から鉄心、即ちコイル巻枠の形状も制
約されるため、組立てに都合の良い巻枠構造を取
り得ない欠点がある。

しかも、リング巻コイル１６は、コイルを形成
する導体を、円筒状の環状鉄心１２の中空部を通
して、環状鉄心１２の内外周面に巻回しなければ
ならず、リング巻コイル１６の形成が容易でな
い。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するため
になされたもので、リング巻コイルを容易に得る
ことができ、組立てが容易な同期機用リング巻電
機子を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、中空の
磁気シールド内に配置した非磁性絶縁体からなる
円筒状の支持枠と、非磁性体の巻枠に導体を巻回
して形成したコイルユニツトと、前記支持枠の周
方向に所定間隔を隔てて形成され、それぞれに前
記コイルユニツトを収納固定する複数のポケツト
と、からなることを特徴とする同期機用リング巻
電機子である。

〔作用〕

上記の如く構成した本発明においては、リング
巻コイルを形成する場合、円筒状巻枠の中空部を
通して巻枠に導体を巻き付ける必要がなく、巻線
工程を大幅に簡素化することができる。また、リ
ング巻コイルからなるコイルユニツトを個々に作
製し、支持枠のポケツトに収納するようにしてい
るため、取り扱いおよび組立てが容易となり、特
に大型機の製作作業効率を向上することができ
る。

〔実施例〕

ところで、電機子のリング巻コイル部を無鉄心
の空心にし、その外周に磁気シールドを設けた発
電機が考えられる。第２図は、このような空心の
リング巻コイルを有する発電機をモデル化（リン
グ巻コイル１６を１ターンコイルとしてモデル
化）したものである。

第２図において、電気鉄板を所定の厚さに積層
した環状の鉄心シールド２６の内周面に１ターン
のリング巻コイル１６が配置され、このリング巻
コイル１６の内側に、界磁コイル２８が設置され
ている。

リング巻コイル１６に誘起する電圧は、界磁コ
イル２８の電流によつて生じる全磁束量φｏの中
で、リング巻コイル１６と鎖交する磁束量φ_lの
微分値とリング巻コイル１６のターン数とに比例
する。そのため、リング巻コイル１６に誘起する
電圧を高電圧化するには、φ_lを多くするか、タ
ーン数を増すことが必要である。しかし、ターン
数は、リング巻コイル１６の内径辺位置で制約さ
れるため、超高圧とするにはφ_lを増加させる以
外にない。

このφ_lを増加させる手段としては、界磁コイ
ル２８の起磁力を増大させるか、または界磁コイ
ル２８の半径Ｒ_fを固定して鉄心シールド２６の
半径Ｒを大きくし、リング巻コイル１６の外径を
大きくして径方向のコイル幅を増加させるしかな
い。

ところが、リング巻コイル１６と交鎖する磁束
φ_lの界磁巻線２８が発生する全磁束φｏに対す
る割合と、リング巻コイル１６のコイル幅（シー
ルド半径Ｒ_nと界磁半径Ｒ_fとの比Ｒ_n／Ｒ_f）との
関係は、第３図に示す如くなつており、界磁巻線
２８の起磁力を大きくしただけでは、発電効率を
向上することができない。従つて、φを増加させ
るためには、リング巻コイル１６のコイル幅を増
加させる必要がある。そして、第３図から明らか
なように、シールド半径を界磁コイル半径の４倍
程度（Ｒ_n／Ｒ_f＝４）にすれば、全磁束量φｏの
約70％をリング巻コイルによる発電に利用でき、
発電効率を向上することが可能となる。即ち、リ
ング巻コイル１６の発電効率を挙げるためには、
界磁コイル２８と鉄心シールド２６間の空間距離
を相当大きくとる必要がある。これは、リング巻
コイル１６と界磁コイル２８及び鉄心シールド２
６との間の電気的絶縁を保つ上で好都合であり、
超高圧機に適した構造ということが言える。

しかし、従来の常電導界磁巻線を用いるもので
は、十分な磁束密度が得られる範囲を（Ｒ_n―Ｒ
_f）の値で約100〜200mm程度にするのが限界であ
る。この程度の値では、空心リング巻構造を採つ
た場合のリング巻コイル１６の発電効率が悪化す
る。また、絶縁空間も十分採り得ないため実用性
に乏しいと言わざるを得ない。

従つて、界磁コイル２８の所要性能と云う点か
ら考えれば、界磁コイル２８と鉄心シールド２６
間の空間を増加できたとしても、φ_lの絶対値を
必要な値にするには、大きな界磁起磁力が必要と
なる。このため、空間をどの程度の大きさにでき
るかはむしろ界磁側能力によつて制約される。そ
こで、近年各所で開発が進められ、実用域に達し
ている超電導コイルを界磁コイル２８に採用する
と、超電導コイルの有する強大な起磁力によつ
て、十分大きな空間を確保出来るため、空心リン
グ巻構造を有する超高圧発電機が実現できること
になる。

しかし、空心リング巻構造の電機子は、第２図
に示した空心のリング巻コイル１６を、所定の形
状を保持しつつ、所定の位置に配置する必要があ
る。第４図は、これを実現させた空心のリング巻
コイルを備えた電機子の一例である。

第４図において、非磁性絶縁材料から成る環状
巻枠３０に、周方向に複数個に分割されて巻回さ
れたリング巻コイル１６が装着されている。これ
ら環状巻枠３０及びリング巻コイル１６は、所定
の電気絶縁空間３２を保つて同心状に配置された
環状鉄心シールド２６の内部に、複数個の結合片
３４によつて強固に固定されている。各リング巻
コイル１６は、端子１８に巻き始めと巻き終りと
が接続されており、これら端子１８を接続してリ
ング巻コイル１６を交流巻線として結線する。

第５図は第４図のＶ―Ｖ断面図であり、環状巻
枠３０が重量軽減のため中空構造となつている。

上記の如く構成すると、環状巻枠３０とリング
巻コイル１６とから成る環状巻線部の重量が著し
く減少するので、環状巻線部全体を予め一体的に
組立てた後、環状鉄心シールド２６の中空部に収
納固定することができ、組立てが容易となる効果
がある。また、環状鉄心シールド２６により、リ
ング巻コイル１６より発生する磁気フラツクスを
完全にシールドすることができるため、外部に対
する磁気誘導障害を防止する効果がある。このた
め、リング巻コイル１６の外周に特別の磁気シー
ルド装置を設ける必要をなくす効果がある。

しかも、第４図に示した電機子は、環状巻枠３
０が非磁性材、特に電気的絶縁材料から構成され
ているため、環状巻枠３０に渦電流の発生がな
く、渦電流損による発熱を防止する効果があり、
またリング巻コイル１６の絶縁を簡略化する効果
がある。更に、環状巻枠３０は、中空となつてい
るので、中空部を油浸形絶縁を採用した場合のオ
イルダム、あるいは冷却油の通路として利用でき
る効果がある。そして、超電導界磁巻線と組合わ
せて使用することにより、超高圧の電気をリング
巻コイル１６に発生させることができる効果があ
る。

なお、環状巻枠３０の機械的強度が問題となる
大容量機を対象とした場合には、非磁性金属材
料、例えばステンレス鋼繊維とエポキシ樹脂等の
絶縁材料から成る導電率の低い非磁性金属材料を
含む複合材料を環状巻枠３０として用いることも
できる。

しかし、第４図に示した電機子においても、リ
ング巻コイル１６は、円筒状の環状巻枠３０に巻
付けなければならない。従つて、リング巻コイル
１６を作製する場合、導体が環状巻枠３０の内周
側（中空部）と外周側とを交互に通過することに
なり、導体を環状巻枠３０に巻回することが困難
で、一般に手作業によらざるを得ず、作業性が悪
い。

以下、本発明に係る同期機用リング巻電機子の
好ましい実施例を、第６図ないし第８図に従つて
詳説する。

第６図において、環状の鉄心シールド２６の内
周面には、中空部３６を有する非磁性電機絶縁材
から成る支持枠３８が密接して設けられている。
この支持枠３８は、それに付設されたタブテール
４０によつて鉄心シールド２６に固定されてい
る。タブテール４０を鉄心シールド２６に強固に
固定するために、キーパー打込用空隙を設けてお
き（図示せず）、締代を有するキーパーを打込ん
で固定しても良い。

また、支持枠３８には、６個のコイルユニツト
４２が周方向に等間隔に配置されている。なお、
各コイルユニツト４２の間には、後述するように
それらを固定するための貫通孔４４が設けられて
いる。中空部３６には、超導動回転子４６が設置
されている。この超電導回転子４６は、２極の超
電導界磁コイル４８が、同心的に配置されたトル
クチユーブ５０に、充填材（例えばFRP）５２
と共に固定され、その外周部を電磁シールド５４
が取囲んでいる構成となつている。

第７，８図は、前記したコイルユニツト４２の
詳細を示すもので、非磁性絶縁材から成る平板状
の巻枠５６にリング巻コイル１６が巻回され、こ
のリング巻コイル１６の始端と終端とが、支持枠
３８の軸方向に突設された接続端子５８に接続さ
れている。また、巻枠５６は、コイルユニツト４
２の軸方向において、両端部がリング巻コイル１
６の両端から突出した楔状の突出部６０となつて
いる。そして、コイルユニツト４２は、巻枠５６
の突出部６０が支持枠３８に設けられたポケツト
６２内に形成された案内溝６４に嵌合される。

このコイルユニツト４２は、支持枠３８に設け
られたポケツト６２に収納され、短径方向（支持
枠３８の半径方向）両側面に設けられた楔６６を
介して、支持枠３８の半径方向に固定されてい
る。また、ポケツト６２の内周面とリング巻コイ
ル１６との間には、絶縁ライナー６８が挿入され
ている。この絶縁ライナー６８は、コイルユニツ
ト４２がポケツト６２内で振動するのを防止する
ため、適度の弾性を持つた材質で出来ている。更
に、コイルユニツト４２は、長径方向（支持枠３
８の軸方向）両側からスペーサ７０を介して端板
７２で挾み込まれ、第６図で示した貫通孔４４を
を通つた締付ボルト７４により締付固定されてい
る。

本実施例は、以上のように構成されているた
め、コイルユニツト４２のポケツト６２への装着
固定が、巻枠５６に設けられた突出部６０を案内
溝６４に沿つて支持枠３８の軸方向に挿入した
後、前述した楔６６を打込み、更に非磁性材から
成る端板７２により、コイルユニツト４２の長径
方向両側を挾んで締付ボルト７４により締付固定
する、という単純な作業により行なわれるため、
製作作業能率が向上する効果がある。

特に、本実施例では、平板状の巻枠５６を用い
ているため、円筒状の巻枠に巻回するのと異な
り、リング巻コイル１６の作製が容易であり、自
動化も可能であつても、コイルユニツトを簡易、
迅速に得ることができる。そして、大型機用電機
子に不可欠の成形コイルを用いる場合でも、単純
且つ同一形状の連続して巻かれた成形コイルで済
むため、製作が容易となり、コストが低下する効
果がある。

また、無鉄心形リング巻コイル１６を使用した
ため、従来のコイル巻枠と磁路とを兼用する場合
に比べ、磁気的不平衡に制約されることがないた
め、巻枠５６を周方向に分割固定するこができ、
この点においても、製作及び組立が容易となる効
果がある。

更に、巻枠５６及び支持枠３８を絶縁材によつ
て構成しているため、各リング巻コイル１６間の
電気的絶縁及びリング巻コイル１６と鉄心シール
ド２６間の絶縁距離を充分に確保することがで
き、超高電圧に耐える効果がある。

なお、第６，７の各図において、コイルユニツ
トを簡略化してターン数を少なく図示したが、超
高圧機を対象とした実際のコイルでは、１ユニツ
ト当り数十〜数百ターンに及ぶマルチコイルとす
ることを付言する。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、リング巻コイルを非磁性体の巻枠に導体を巻
回したコイルユニツトとして形成し、これを支持
枠のポケツト内に収納固定することにより、リン
グ巻コイルの作製と電機子の組立が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術によるリング巻電機子を示す
横断面図、第２図は本発明の原理を示すパターン
化した無鉄心形のリング巻電機子を示す横断面
図、第３図はＲ_n／Ｒ_fとφ_l／φｏの関係を示す
線図、第４図は無鉄心同期機用リング巻電機子の
一例を示す横断面図、第５図は第４図のＶ―Ｖ断
面図、第６図は本発明に係る同期機用リング巻電
機子の実施例を示す横断面図、第７図はコイルユ
ニツトを示す斜視図、第８図は支持枠に装着され
たコイルユニツトを示す第６図の―断面図で
ある。１６…リング巻コイル、２６…鉄心シールド、
３８…支持枠、４２…コイルユニツト、４６…超
電導回転子、４８…超電導コイル、５４…電磁シ
ールド、５６…巻枠、５８…接続端子、６０…突
出部、６２…ポケツト、６４…案内溝、６６…
楔、６８…絶縁ライナー、７０…スペーサ、７２
…端板、７４…締付ボルト。

Claims

【特許請求の範囲】

１中空の磁気シールド内に配置した非磁性絶縁
体からなる円筒状の支持枠と、非磁性体の巻枠に
導体を巻回して形成したコイルユニツトと、前記
支持枠の周方向に所定間隔を隔てて形成され、そ
れぞれに前記コイルユニツトを収納固定する複数
のポケツトと、からなることを特徴とする同期機
用リング巻電機子。