WO2015136632A1

WO2015136632A1 - 回転電機

Info

Publication number: WO2015136632A1
Application number: PCT/JP2014/056394
Authority: WO
Inventors: 雅寛堀; 守木村
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2015-09-17
Also published as: JPWO2015136632A1; EP3118973A1

Abstract

　干渉を防止しつつ、分布巻コイルのコイルエンドの軸方向長さを低減した回転電機を提供することを目的とする。　固定子と、該固定子に対して空隙を介して配置される回転子を備え、前記固定子は固定子鉄心にコイルスロットを形成し、該コイルスロットに二層巻かつ分布巻コイルを配置し、前記コイルは、前記コイルスロット内で外周側に配置される底コイルと、前記コイルスロット内で該コイルスロットの内周側に配置される上コイルを有し、前記底コイル及び前記上コイルはコイルエンドで径方向に折れ曲がっており、前記上コイルのコイルエンドにおいて径方向に折れ曲がっている部位よりも前記コイルスロット側の距離は、前記底コイルのコイルエンドにおいて径方向に折れ曲がっている部位よりも前記コイルスロット側の距離よりも長いことを特徴とする。

Description

回転電機

本発明は、回転電機に係り、特に、例えば風力向け発電のような、出力数百kW～数MW級となる、大外径の回転電機に好適なコイル構造に関するものである。

近年、地球温暖化防止のため風力発電或いは太陽光発電等のような自然エネルギーを利用した発電システムが注目を浴びている。この中で、風力を利用した風力発電システムでは、各国で導入が進められている。

　風力用発電機は、タワーの上部に、発電機や増速機が格納されたナセルが配置されている。ここで、ナセルの総重量が軽量化できれば、タワーが支える重量が減ることになるので、タワー及び基礎の強度を低く設計でき、コスト低減が可能となる。そのため、発電機には軽量化が求められている。しかしながら、風力向け発電機は、大容量であり、発電機の外径が大きく、これにより、発電機のコイルの渡りが長くなるため、コイルエンドが軸方向に長くなる。したがって、発電機のフレームが大型化し、発電機の重量を増加させる一因となる。そのため、コイルエンドの縮小が求められている。

　コイルエンドの小型化として例えば、特許文献１がある。これは、集中巻コイルのコイルエンドを固定子コアに接触するように径方向に折り曲げている。これにより、軸方向長さの低減、コイルエンドの放熱性能の向上が可能になる。

特開２０００-２４５０８９号公報

　特許文献1では、集中巻コイルを対象としているため、簡単にコイルエンドを曲げることができるが、大容量発電機に好適な二層巻かつ分布巻コイルでは、固定子鉄心に設けられたコイルスロット内に２種類のコイルが配置してあり、特許文献１のようにコイルエンドを径方向に曲げると、コイルスロット内のコイル同士が干渉してしまう。

　本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、干渉を防止しつつ、分布巻コイルのコイルエンドの軸方向長さを低減した回転電機を提供することにある。

　本発明に係る回転電機は、上記目的を達成するために、固定子と、該固定子に対して空隙を介して配置される回転子を備え、前記固定子は固定子鉄心にコイルスロットを形成し、該コイルスロットに二層巻かつ分布巻コイルを配置し、前記コイルは、前記コイルスロット内で外周側に配置される底コイルと、前記コイルスロット内で該コイルスロットの内周側に配置される上コイルを有し、前記底コイル及び前記上コイルはコイルエンドで径方向に折れ曲がっており、前記上コイルのコイルエンドにおいて径方向に折れ曲がっている部位よりも前記コイルスロット側の距離は、前記底コイルのコイルエンドにおいて径方向に折れ曲がっている部位よりも前記コイルスロット側の距離よりも長いことを特徴とする。

　本発明によれば、干渉を防止しつつ、分布巻コイルのコイルエンドの軸方向長さを低減した回転電機を提供することが可能になる。

回転電機の軸方向断面図である。回転電機の固定子の周方向断面図である。比較用のコイルエンドの斜視図である。実施例１に係るコイルエンドの斜視図である。比較用のコイルエンドと実施例１に係るコイルエンドの軸方向長さの比較図である。実施例１に係るコイルの投影図である。実施例１に係るコイルエンドが隣接するコイルと干渉しないための寸法条件を示した図である。固定子鉄心に実施例１に係るコイルを複数本配置した固定子の斜視図である。実施例１に係るコイル製造方法の一例を示した図である。実施例２に係るコイルエンドの投影図である。実施例３に係る回転電機を適用した風力発電システムを示す概略構成図である。

　以下、図示した実施例に基づいて本発明の回転電機を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を用いて説明する。また下記はあくまでも実施の例であり、本発明の実施態様が下記具体的態様に限定されることを意図する趣旨ではない。

　図1に、本発明の回転電機の実施例１を示す。図1は、出力数MWとなり、回転速度数百min^-1から数千min^-1で運転する回転電機の軸方向断面図である。

　回転子１の内径側にシャフト２が、スパイダ３を介して接続されており、また、間隙を挟み、前記回転子１に対向してコイル４がはめ込まれた固定子５が配置されている。これらは、フレーム６内に格納されており、前記シャフト２と前記フレーム６間にはベアリング７が配置され、前記固定子５と前記フレーム６はスパイダ８により固定されている。なお、前記スパイダ３、８は、強度が十分保てるよう全周にわたって複数配置されており、各スパイダ間は冷却風の流路などに利用することができる。

　図２に、前記固定子５の径方向断面図を示す。固定子鉄心９には、コイルスロット１０が設けられており、この中に前記コイル４が配置される。本実施例のコイルは、二層巻かつ分布巻であり、前記コイルスロット内には２つのコイルが配置されることとなる。ここで、コイルスロット内で外周側に配置されるコイルが底コイル１１、コイルスロットの内周側または入り口側のコイルが上コイル１２である。前記コイル４は分布巻であるため、例えば図２に示したように、任意の数のコイルスロット離れた前記底コイル１１と前記上コイル１２は接続している。

　図３に、本発明の構造を適用しない比較用のコイルを、前記固定子鉄心９に配置した場合の斜視図を示す。図３からわかるようにコイルは前記底コイル１１と上コイル１２が接続されている。ここで、コイルの固定子鉄心９から出ている部分をコイルエンド１３と呼び、特にコイルエンドのうち径方向に折れ曲がっている部位よりも前記コイルスロット側の部分または前記固定子鉄心９直近のコイルが曲がる前の部分をコイルエンド直線部１４と呼ぶ。また、分布巻コイルでは、コイルエンドに折り返し部１５を設けている。これは、前記底コイル１１と前記上コイル１２とで回転中心からの距離が異なるためである。これにより隣接するコイルとの干渉を防ぐことができる。図３からわかるように、前記コイルエンド１３は、他のコイルとの干渉を防ぐため、軸方向に伸びている。これにより、発電機の軸方向長さが増大し、前記フレーム６の大型化、さらには重量やコストが増加する原因となる。

　図４に、図３に示した従来の前記コイルエンド１３に対し、本発明のコイルエンド１６を示す。図４に示すように、前記コイルエンド１６を径方向に折り曲げている。これにより、コイルエンドの軸方向長さを低減でき、発電機の体格が縮小する。上コイル１２のコイルエンド直線部１４の端部は前記径方向に厚くなっており、厚くなった上コイル１２のコイルエンド直線部１４の端部は、上コイル１２における径方向に折れ曲がっている部位に繋がり、かつ上コイル１２における径方向に折れ曲がっている部位は固定子鉄心の周方向についてコイルエンドの他端が収納されるコイルスロット側に向かって伸びている。また底コイル１１のコイルエンド直線部１４の端部は径方向に厚くなっており、厚くなった底コイル１１のコイルエンド直線部１４の端部は、底コイル１１における径方向に折れ曲がっている部位に繋がり、かつ底コイル１１における径方向に折れ曲がっている部位は固定子鉄心の周方向についてコイルエンドの他端が収納されるコイルスロット側に向かって伸びている。そして、上コイル及び底コイル共に、各コイルにおける径方向に折れ曲がっている部位は、コイルエンド渡りであり、両コイルエンド渡りは、回転軸方向にずれていることで空間的に互いに重ならない。また、両者は各々の端部において繋がっている。

　図５に体格縮小の一例を示す。なお、前記固定子コア９の直径を１として規格化している。また、図６に示すように、コイルは、コイルエンド直線部とのなす角が90°となるように回転軸とは反対側へ折り曲げている。図５から、本発明のコイルエンドにより、従来にコイルエンドに比べ、軸方向長さが半分以下となることを確認できる。

　また、上コイル１２のコイルエンドにおいて径方向に折れ曲がっている部位よりもコイルスロット側の距離が、底コイル１１のコイルエンドにおいて径方向に折れ曲がっている部位の距離よりも長くなる様にしている。より具体的には、本実施例では図４に示すように、前記底コイル１１のコイルエンド直線部１７に比べ、前記上コイル１２のコイルエンド直線部１８を長くしている。この構造により、コイルエンドを複雑化することなく、底コイルと上コイルが干渉することを防ぐことができる。

　加えて、図７に、隣同士のコイルエンドが干渉しない寸法条件を示す。固定子鉄心の周方向に沿ったコイル幅をw、隣接するコイルスロット間に形成されたティースの幅をt、コイルエンド直線部と前記コイルエンド渡りの斜部のなす角をαとした場合、コイル同士が干渉しないためには、下式を満たす必要がある。

　図８に、これらの条件を満たし、複数本のコイルを配置した固定子の斜視図を示す。図８から、隣接するコイル同士、及び底コイルと上コイルが干渉していないことを確認できる。

　図９に、本実施例のコイルの形成方法の一例を示す。まず、比較用に示した様なコイルを作り、その後、図中の白抜き矢印の部分を支持し、矢印方向に折り曲げる。これにより、前記底コイルのコイルエンド直線部１７に比べ、前記上コイルのコイルエンド直線部１８の長さを長くし、コイルエンドを形成できる。このとき、コイルの絶縁が裂けることのないように曲げ部の半径を十分に大きくする必要がある。

　なお、実施例のコイルエンドは二層巻かつ分布巻コイルを持つ回転電機であれば、いずれの種類の回転電機に適用することができる。例えば、回転子に永久磁石を配置した永久磁石式回転電機や、回転子にかご型巻線を配置した誘導電動回転電機、さらに、回転子に三相巻線配置した巻線形誘導電動回転電機などがある。ここで、巻線形誘導電動回転電機は、回転子にも二層巻かつ分布巻コイルを持つので、本実施例を回転子にも適用することができる。

　図１０に、本発明の回転電機の実施例２を示す。

　上述した実施例１では、図６に示したように、コイルエンドをコイルエンド直線部とのなす角が９０°となるように折り曲げたが、図１０に示すように、９０°より大きく、１２０°以下としても良い。これにより、コイルエンドの軸方向長さを約半分以下にでき、かつ実施例１に比べ、回転電機外径が小さくなるため、仕様に合わせ、回転電機の外径と軸長を最適なバランスに調整できる。

　図１１に、本発明を風力発電システムに適用した実施例を示す。ブレード１９が風を受けることにより、前記ブレード１９が回転し、ナセル２０内に格納された増速機２１を介して、発電機２２に回転（機械）エネルギーが伝わる。前記発電機２２により、機械エネルギーを電気エネルギーに変換され、タワー２３内に格納された電力変換器２４により系統２５に合わせた周波数、電圧に調整され前記系統２５に電気エネルギーが送られる。

　発電機２２に本発明を適用することで、小型軽量化が可能となり、ナセル２０内のスペース増加や軽量化、更には、ナセルの軽量化によりタワー２３の簡素化が可能となり、コスト低減に繋がる。

　なお、増速機２１を無くしたギヤレスシステムや、電力変換器２４を発電機に組み込んだ機電一体型システム、増速機２１を油圧による可変速機構とした油圧システムに適用することも可能である。

　また、本発明は、二層巻かつ分布巻コイルを持つ回転電機を用いるいずれの用途にも適用可能である。

１…回転子
２…シャフト
３…スパイダ
４…コイル
５…固定子
６…フレーム
７…ベアリング
８…スパイダ
９…固定子鉄心
１０…コイルスロット
１１…底コイル
１２…上コイル
１３…コイルエンド
１４…コイルエンド直線部
１５…折り返し部
１６…コイルエンド（本発明）
１７…底コイルのコイルエンド直線部
１８…上コイルのコイルエンド直線部
１９…ブレード
２０…ナセル
２１…増速機
２２…発電機
２３…タワー
２４…電力変換器
２５…系統

Claims

　固定子と、該固定子に対して空隙を介して配置される回転子を備え、
　前記固定子は固定子鉄心にコイルスロットを形成し、該コイルスロットに二層巻かつ分布巻コイルを配置し、
　前記コイルは、前記コイルスロット内で外周側に配置される底コイルと、前記コイルスロット内で該コイルスロットの内周側に配置される上コイルを有し、
　前記底コイル及び前記上コイルはコイルエンドで径方向に折れ曲がっており、
　前記上コイルのコイルエンドにおいて径方向に折れ曲がっている部位よりも前記コイルスロット側の距離は、前記底コイルのコイルエンドにおいて径方向に折れ曲がっている部位よりも前記コイルスロット側の距離よりも長いことを特徴とする回転電機。
　請求項１に記載の回転電機であって、
　前記コイルエンドは径方向に折れ曲がっている部位よりも前記コイルスロット側にコイルエンド直線部を有しており、
　前記上コイルのコイルエンド直線部を、前記底コイルのコイルエンド直線部より長くすることを特徴とする回転電機。
　請求項１または２に記載の回転電機であって、
　前記コイルのコイルエンドにおける前記固定子鉄心の径方向に折れ曲がっている部位はコイルエンド渡りであり、
　前記上コイルのコイルエンド渡りは、前記底コイルのコイルエンド渡りとつながっていることを特徴とする回転電機。
　請求項２に記載の回転電機であって、
　前記上コイルの前記コイルエンド直線部の端部は前記径方向に厚くなっており、
　該厚くなった前記上コイルの前記コイルエンド直線部の端部は、前記上コイルにおける前記径方向に折れ曲がっている部位に繋がり、かつ前記上コイルにおける該径方向に折れ曲がっている部位は前記固定子鉄心の周方向について該コイルエンドの他端が収納されるコイルスロット側に向かって伸びており、
　前記底コイルの前記コイルエンド直線部の端部は前記径方向に厚くなっており、
　該厚くなった前記底コイルの前記コイルエンド直線部の端部は、前記底コイルにおける前記径方向に折れ曲がっている部位に繋がり、かつ前記底コイルにおける該径方向に折れ曲がっている部位は前記固定子鉄心の周方向について該コイルエンドの他端が収納されるコイルスロット側に向かって伸びており、
　前記上コイルにおける該径方向に折れ曲がっている部位は、前記上コイルにおけるコイルエンド渡りであり、
　前記底コイルにおける該径方向に折れ曲がっている部位は、前記底コイルにおけるコイルエンド渡りであり、
　前記上コイルにおけるコイルエンド渡りと前記底コイルにおけるコイルエンド渡りは、互いに重ならず、かつ各々の端部において繋がっていることを特徴とする回転電機。
　請求項３または４に記載の回転電機であって、
　隣接する前記コイルスロット間にはティースが形成され、
　前記コイル幅をw、前記ティース幅をt、前記コイルエンド直線部と前記コイルエンド渡りの斜部のなす角をαとしたとき、w<(t+w)sinαを満たすことを特徴とする回転電機。
　請求項１ないし５のいずれか一つに記載の回転電機であって、
　前記コイルエンド直線部と前記コイルエンドの折れ曲がっている部位とのなす角が９０°以上であることを特徴とする回転電機。
　請求項１ないし６のいずれか一つに記載の回転電機であって、
　前記回転子は回転子鉄心に1極当たり少なくとも1つの永久磁石を配置した永久磁石式回転電機であることを特徴とする回転電機。
　請求項１ないし６のいずれか一つに記載の回転電機であって、
　前記回転子は回転子鉄心にかご型巻線を配置し、誘導電動回転電機としたことを特徴とする回転電機。
　請求項１ないし６のいずれか一つに記載の回転電機であって、
　前記回転子は回転子鉄心に二層巻かつ全節巻コイルにより形成された三相巻線を配置し、巻線形誘導回転電機としたことを特徴とする回転電機。
　請求項９に記載の回転電機において、
　更に前記回転子鉄心に巻かれた前記三相巻線のコイルエンドを径方向に折り曲げたことを特徴とする回転電機。
　風を受けて回転する風車ロータと、該風車ロータに主軸を介して接続される請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の回転電機と、該回転電機を内部に収納するナセルと、該ナセルを支持するタワーとを備えた風力発電システム。