(57)【要約】【課題】  素線絶縁を良好に保ちつつ、素線導体間の循環電流を低減し、電機子巻線の損失増加及び局部過熱を抑制する。【解決手段】  実施形態によれば、固定子鉄心に設けられた複数の巻線スロットにそれぞれ一部分が収納され、前記固定子鉄心の両側面より外側にそれぞれ突き出る巻線端部の最端部にて相互に接続される巻線バーを備えた回転電機の電機子巻線において、前記巻線バーは、個々の素線導体がある列から別の列へと順次渡るように捩られることで転位する複数の素線導体を含み、前記巻線バーの曲げ部に素線導体の渡り部が存在せず、前記巻線バーの曲げ部以外の部分に素線導体の渡り部が存在するように構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心に設けられた複数の巻線スロットにそれぞれ一部分が収納され、前記固定子鉄心の両側面より外側にそれぞれ突き出る巻線端部の最端部にて相互に接続される巻線バーを備えた回転電機の電機子巻線において、
前記巻線バーは、個々の素線導体がある列から別の列へと順次渡るように捩られることで転位する複数の素線導体を含み、
前記巻線バーの曲げ部に素線導体の渡り部が存在せず、前記巻線バーの曲げ部以外の部分に素線導体の渡り部が存在するように構成されている、回転電機の電機子巻線。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機の電機子巻線において、
前記巻線バーは、当該巻線バーの曲げ部では素線導体の転位が行われず、当該巻線バーの曲げ部以外の部分で素線導体の転位が行わるように構成されている、回転電機の電機子巻線。
【請求項３】
請求項１に記載の回転電機の電機子巻線において、
前記巻線バーの曲げ部における素線導体の転位ピッチは、当該素線導体を曲げない部分の長さが当該巻線バーの曲げ部の長さよりも大きくなるように設定されている、回転電機の電機子巻線。
【請求項４】
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において、
前記巻線バーは、各巻線端部における素線導体の転位角度の総和が６０度から１８０度までの範囲内となるように構成されている、回転電機の電機子巻線。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機の電機子巻線において、
前記巻線バーは、当該巻線バーの曲げ部と前記固定子鉄心との間における素線導体の転位ピッチが前記固定子鉄心の巻線スロット内における素線導体の転位ピッチよりも小さくなるように構成されている、回転電機の電機子巻線。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電機子巻線を備えた回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転電機の電機子巻線に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の固定子は、図８に示すように構成されている。図８は、回転電機の固定子の一部、具体的には固定子の巻線スロット１個分の近傍を軸方向に見たときの構成を示す断面模式図である。回転電機の固定子は、積層鉄板からなる固定子鉄心３と電機子巻線２とを有する。固定子鉄心３には、例えば図８の上方に位置する図示しない回転子の回転軸心に沿うように延在する複数の巻線スロット１０が設けられ、かつ径方向に図示しない複数の通風ダクトが設けられている。各巻線スロット１０には、電機子巻線２が収納されている。
【０００３】
電機子巻線２は、上コイル片２ｃと下コイル片２ｄとからなり、それぞれ積み重なる多数の素線導体５により多重素線導体として構成される。
【０００４】
このような多重素線導体を有する電機子巻線２に交流電流が流れると、図８に示すように巻線スロット１０を周方向に横切る漏れ磁束Ｍが発生し、多重素線導体の長手方向の各部分における素線導体間に電圧が誘起される。そして、ある素線導体対において、全長にわたり素線導体間の誘起電圧に非常に大きな差が生じると、閉ループ状の素線導体対に大きな循環電流、すなわち素線導体対を循環する電流が流れ、電流損失が増大するとともに素線導体内部で発生する熱も増大する。
【０００５】
また、回転電機の電機子巻線及び界磁巻線は、それらを構成する絶縁物の耐熱性能により厳しく温度上限が制限されており、回転電機の設計においては、これらの温度が規格値以下に保たれるように設計する必要がある。
【０００６】
そこで、多重素線導体の全長にわたって各素線導体間に誘起される電圧をほぼ等しくして循環電流が流れないようにするため、素線導体５を各種の方法によって転位することが行われている。素線導体５の転位の例を図９に示す。図９に示すように、個々の素線導体５が所定の転位ピッチで例えば列１から列２へと順次渡るように捩られることにより多重素線導体が形成される。
【０００７】
ここで、図１０及び図１１を参照して、特許文献１及び２に開示されている素線導体の転位について説明する。この素線導体の転位は、各素線導体を巻線スロットの延在方向に対して捩じる（具体的には各素線導体の位置を順次変更させる）ことによって実現される。捩じりの際、ある１つの素線導体が、コイル片の断面中心部の周りを円状に回転移動するものとみなし、回転移動した角度で転位の程度を表す。このときの角度を「素線転位角度」と呼ぶ。また、各素線導体が、コイル片断面において全ての位置を経て巻線スロットの反対端で出発した位置と同じ位置になる転位を、３６０度転位と呼ぶ（特許文献１参照）。
【０００８】
図１０は従来の回転電機を周方向に見た電機子巻線の素線転位を示す模式図である。上コイル片２ｃと下コイル片２ｄとは、固定子鉄心３の巻線スロット内に収納された範囲において、各素線導体が巻線スロットの延在方向を軸に捩られて３６０度転位するように形成されている。
【０００９】
接続側の巻線端部２ｂ−１、反接続側の巻線端部２ｂ−２ともに、各巻線端部の素線導体が短絡板１３により直列に接続（短絡）されていて、上コイル片２ｃと下コイル片２ｄとが反接続側の巻線端部２ｂ−２において短絡板１３により接続（短絡）されている。但し、図示はされていないが、実際には接続側の巻線端部２ｂ−１においても、上コイル片２ｃと下コイル片２ｄとが短絡板１３により接続（短絡）されており、複数の巻回数による巻線が形成されている。
【００１０】
図１０には２つの代表的な素線導体５ａ、５ｂ間に鎖交する磁束１６（磁束１６＋、１６−等）が示されている。図中のシンボル（黒丸印、×印）は、ある電流が流れた瞬間に生じる磁束の向きを示し、鎖交する磁束による誘起電圧の関係を表している。黒丸印は磁束の向きが紙面に対して手前の方向であることを表し、×印は磁束の向きが紙面に対して奥行きの方向であることを表している。磁束１６＋と磁束１６−との和は鉄心内では等しくなり、巻線スロット１０内で鎖交する磁束による素線導体５ａ、５ｂ間の誘起電圧が相殺されるような構成となっている。
【００１１】
一方、巻線スロット１０外の巻線端部２ｂ−１、２ｂ−２の領域には、各種のもれ磁束を含む磁束１６ｘ、１６ｙが生ずる。すなわち、巻線スロット内では３６０度転位が施されているが、巻線スロット１０外の巻線端部２ｂ−１、２ｂ−２の領域では転位されていないので、固定子鉄心３の端部側で生ずる漏れ磁束によって不平衡電圧が発生し、素線導体５ａ、５ｂ内には図中の矢印の向きに循環電流が生じる。図１２は巻線端部２ｂ−１、２ｂ−２に生じるもれ磁束を表す断面模式図である。巻線端部２ｂ−１、２ｂ−２では、巻線の導体自身に流れる電流が作り出すもれ磁束１６ａと、他の巻線や回転子が作り出すもれ磁束１６ｂ（回転電機の径方向の磁束Ｂｖと、周方向の磁束Ｂｃとを合わせたもの）とが複雑に分布しており、これらの合成されたもれ磁束が循環電流の起因源となっている。
【００１２】
以上述べたように固定子鉄心３の端部側には漏れ磁束があるため、これにより巻線導体の端部の素線導体間に電圧が誘起され、素線導体内に循環電流が流れてジュール損失すなわち循環電流損失が発生する。この損失を低減するためには、素線導体の両端部における素線導体の位置を逆転し、同一素線導体の両端部に誘起される各電圧の方向を互いに逆にしてこれらを相殺すればよい。これは素線導体を巻線スロット内で５４０度転位、すなわち１回転半の転位をすることで実現できる（特許文献２参照）。しかしながら、５４０度転位では、固定子鉄心内での転位ピッチを鉄心の端部近傍で、中央部の半分にする必要があり、鉄心長の短い回転電機においては、製造上の実現が難しい場合がある。
【００１３】
これらの課題があるため、非特許文献１では、図１１に示すように、巻線端部にも転位を行う「９０度／３６０度／９０度転位」の構成を採用している。この巻線においては、両方の巻線端部で素線導体は９０度転位されており、かつ、固定子鉄心の巻線スロット内において、３６０度転位されている。
【００１４】
また、特許文献３においては、素線導体内の循環電流をさらに抑制し、素線導体における温度勾配を平準化することを目的に、巻線スロット内で、３６０度未満の素線転位角度もしくは転位されない「空所」を設け、さらに、巻線端部における素線転位角度を６０度〜１２０度の間にする構成が示されている。また、特許文献４においては、素線列数が４の巻線バーにおいて、鉄心内で４列間の転位を行い、さらに、巻線端部で転位を行う構成が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第１１４４２５２号明細書
【特許文献２】米国特許第２８２１６４１号明細書
【特許文献３】米国特許第５７７７４１７号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第２２６２０７９号明細書
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】H.Sequenz，“Herstellung der Wicklungen electrisher Maschinen” （邦訳版：三井久安、松井昌夫、松延謙次:「電機コイルの製作と保守」第３章、pp.61、開発社(1990)）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
数百ＭＷ級同期発電機などでは、鉄心の両側面より外側に突き出る巻線端部の一部（インボリュート部と呼ばれる部分）を円錐状に配置するため、直線状に延びる個々の巻線バーを途中で曲げて向きを変えておく必要がある。巻線バーの製作においては、一般に素線の転位を行った後で曲げ成型を行うため、転位のために素線を曲げた部分が巻線バーの曲げ部分に近い場合は、素線絶縁が破壊されるなど、損傷が起きる場合があり、素線導体間の短絡などが生じ、性能や信頼性、寿命の低下が起きる恐れがある。
【００１８】
そのため、巻線バーの曲げを行う電機子巻線においては、特許文献４にも図示されているように、鉄心の端部から巻線バーの曲げが終わるまでの範囲では転位を行わないことが一般的である。
【００１９】
一方、鉄心の端部近傍でもれ磁束が巻線バーに鎖交すると、素線間の循環電流が生じることになり、効率低下や温度上昇増加によって、性能、信頼性、寿命が低下する恐れがある。
【００２０】
このように、巻線バーの曲げを行う場合には素線絶縁を良好に保ち、かつ、循環電流による損失を増加させない転位を行うことが望まれる。
【００２１】
本発明が解決しようとする課題は、素線絶縁を良好に保ちつつ、素線導体間の循環電流を低減し、電機子巻線の損失増加及び局部過熱を抑制することのできる回転電機の電機子巻線を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
実施形態によれば、固定子鉄心に設けられた複数の巻線スロットにそれぞれ一部分が収納され、前記固定子鉄心の両側面より外側にそれぞれ突き出る巻線端部の最端部にて相互に接続される巻線バーを備えた回転電機の電機子巻線において、前記巻線バーは、個々の素線導体がある列から別の列へと順次渡るように捩られることで転位する複数の素線導体を含み、前記巻線バーの曲げ部に素線導体の渡り部が存在せず、前記巻線バーの曲げ部以外の部分に素線導体の渡り部が存在するように構成されている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、素線絶縁を良好に保ちつつ、素線導体間の循環電流を低減し、電機子巻線の損失増加及び局部過熱を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施形態の回転電機の電機子巻線の１相分を示す展開模式図。
【図２】同実施形態に係る回転電機の電機子巻線における巻線バーの導体部分の外形を示す模式図。
【図３】同実施形態に係る回転電機の電機子巻線における巻線バーの素線導体の構成を示す模式図。
【図４Ａ】素線転位角度と循環電流損失の関係を示すグラフ。
【図４Ｂ】端部直線部の転位角度と損失の増分との関係を示すグラフ。
【図５】素線導体の転位ピッチと素線導体を曲げない部分の長さとの関係を示す模式図。
【図６】第２の実施形態に係る回転電機の電機子巻線における巻線バーの素線導体の構成を示す模式図。
【図７】第３の実施形態に係る回転電機の電機子巻線における巻線バーの導体部分の外形を示す模式図。
【図８】電機子巻線の巻線スロット内におけるもれ磁束を示す断面模式図。
【図９】素線導体の転位の例を示す斜視図。
【図１０】従来の回転電機の電機子巻線の素線転位を示す模式図。
【図１１】従来の回転電機の電機子巻線の素線転位を示す模式図。
【図１２】巻線端部に生じるもれ磁束を示す断面模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
最初に、第１の実施形態について説明する。  
図１は第１の実施形態における回転電機の電機子巻線の１相分を示す展開模式図である。なお、前述した図８乃至図１２と共通する要素には、同一の符号を付している。
【００２７】
図１に示す回転電機の電機子巻線は、積層鉄板からなる電機子鉄心３に設けられた複数の巻線スロット１０に２層で納められている。具体的には、各相の電機子巻線２は、複数の巻線スロット１０にそれぞれ一部分が収納される上コイル片２ｃと下コイル片２ｄとを備える。上コイル片２ｃは、巻線スロット１０内の開口部側に納められ、下コイル片２ｄは、巻線スロット１０内の底側に納められている。
【００２８】
各コイル片を構成する巻線バー４は、巻線端部２ｂ−１、２ｂ−２の最端部分にて短絡板１３により直列に接続され、素線導体が短絡されている。反接続側の巻線端部２ｂ−２においては、上コイル片２ｃと下コイル片２ｄのそれぞれの巻線バー４同士が短絡板１３を通じて接続され、素線導体が短絡されている）。また、接続側の巻線端部２ｂ−１においは、巻線口出し部１２に接続されるものを除き、上コイル片２ｃと下コイル片２ｄのそれぞれの巻線バー４同士が短絡板１３を通じて接続され、素線導体が短絡されている。
【００２９】
図２は巻線バー４の導体部分の外形を示す模式図であり、図３は巻線バー４の素線導体の構成を示す模式図である。
【００３０】
巻線バー４は、個々の素線導体がある列から別の列へと順次渡るように捩られることで転位する複数列・複数段の素線導体を含む。ここでは、巻線バー４は、例えば前述した図９のように２列の素線導体から構成されているものとする。
【００３１】
図２に示されるように、巻線バー４は、鉄心部３ａ（固定子鉄心３の巻線スロット１０内）に配置される部分と、その両側の巻線端部２ｂに配置される部分とからなる。この巻線バー４の巻線端部２ｂに配置される部分は、固定子鉄心３の両側面から突き出る直線形状の端部直線部２１と、巻線端部２ｂの最端側に位置する直線形状のインボリュート部２２と、端部直線部２１とインボリュート部２２との間に位置する円曲形状の巻線バー曲げ部２３（巻線バー４を曲げた部分）とからなる。
【００３２】
巻線バー曲げ部２３があるのは、巻線端部２ｂのインボリュート部２２に相当する部分は円錐状に配置しなければならず、そのためには直線状に延びる個々の巻線バー４を途中で曲げて向きを変える必要があるからである。巻線バー４の製作においては、一般に素線の転位を行った後で曲げ成型が行われる。
【００３３】
本実施形態および後述する各実施形態では、巻線バー４は、巻線バー曲げ部２３に素線導体の渡り部４ａ（すなわち、転位のために素線導体を曲げた部分を含む範囲）が存在せず、巻線バー曲げ部２３以外の端部直線部２１およびインボリュート部２２に素線導体の渡り部４ａが存在するように構成される。
【００３４】
本実施形態の巻線バー４は、鉄心部３ａと巻線端部２ｂの端部直線部２１とインボリュート部２２とでは、それぞれ素線導体の転位が一定の転位ピッチＡをもって行われるように構成されるが、巻線バー曲げ部２３では図３に示されるように素線導体の転位が行われないように構成される。
【００３５】
巻線バー４の素線導体は、例えば、鉄心部３ａにおいて１周、すなわち３６０度転位され、さらに端部直線部２１で転位されたのち、巻線バー曲げ部２３では、転位が行われず、インボリュート部２２で再び転位が行われている。
【００３６】
図４Ａは、巻線端部２ｂでの素線転位角度と循環電流損失の関係の例を示すグラフである。
【００３７】
このグラフは、素線導体間に鎖交する磁束量が同じである場合における、素線導体の転位角度に対する循環電流損失を、回転電機の径方向の磁束Ｂｖ、周方向の磁束Ｂｃごとにプロットしたものである。横軸が素線導体の巻線端部における転位角度［度］を示し、縦軸が循環電流損失［ＰＵ］を示す。
【００３８】
上記グラフから、１８０度で循環電流損失がほぼ零となっておりもれ磁束を相殺できることがわかる。また、おおむね６０度以上から効果があり、９０度から１２０度までの範囲内では特段の効果が得られることがわかる。このことから、各巻線端部２ｂにおける素線導体の転位角度の総和は、６０度から１８０度までの範囲内となるように構成することが望ましい。
【００３９】
本実施形態では、転位のために素線導体を曲げた部分の絶縁が巻線バー４の曲げによって損傷することを防ぐため、巻線バー曲げ部２３では素線導体の転位は行わない。そのため、巻線バー曲げ部２３以外の端部直線部２１およびインボリュート部２２における素線導体の転位角度の総和が、６０度から１８０度までの範囲内となるように構成する。これにより、素線絶縁を良好に保ちつつ、素線導体間の循環電流の発生を極力抑えることが可能となる。
【００４０】
図４Ｂは、数百ＭＷ級の同期発電機において、端部直線部２１の転位角度と損失の増分との関係を数値計算によって求めた例を示すグラフである。
【００４１】
横軸は、端部直線部２１の転位角度［度］を示している。縦軸は、循環電流による損失の増分［ＰＵ］を示し、巻線端部２ｂにおいて巻線バー曲げ部２３も含めて素線導体の転位を行った場合の損失との比として表現している。同図に示すように、端部直線部２１の転位角度を大きく取れば損失を低減でき、例えば端部直線部２１の転位角度を１０度以上にとれば、損失の増分は１．５倍程度に抑えられることがわかる。このようにすれば、巻線端部２ｂにおいて巻線バー曲げ部２３も含めて素線導体の転位を行った場合と、実用上はほぼ同等の効果が得られるといえる。
【００４２】
従来技術による構成では、固定子鉄心の端部から巻線バーの曲げが終わるまでの範囲では素線導体の転位が行われないため、素線導体の転位されていない範囲が広く、また、各巻線端部における素線導体の転位角度が不十分となることから、素線間に多くのもれ磁束が鎖交し、素線間で誘起電圧を強め合い、素線間に多くの循環電流が生じる。これに対し、本実施形態の構成では、素線導体の転位されていない範囲を極力少なくし、且つ、各巻線端部における素線導体の転位角度の総和が所定の範囲内となるように設定しているため、もれ磁束の発生が低減され、素線間誘起電圧の強め合いが緩和され、素線間に生じる循環電流が低減される。その結果、電機子巻線の損失増加及び局部過熱を抑制することができる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、巻線バー曲げ部で素線導体の転位を行っていないことから、転位のために素線導体を曲げた部分の絶縁が巻線バーの曲げによって損傷する恐れもなく、素線間の短絡による損失増加や、信頼性、寿命の低下の可能性も抑制できる。
【００４４】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。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、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。  
図６は、第２の実施形態に係る回転電機の電機子巻線における巻線バーの素線導体の構成を示す模式図である。
【００４５】
第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、巻線バー曲げ部２３の構成にある。
【００４６】
本実施形態では、巻線端部２ｂにおける素線導体の転位が、端部直線部２１から巻線バー曲げ部２３を経てインボリュート部２２に至るまで連続して行われる。このとき、巻線バー４は、巻線バー曲げ部２３に前述した渡り部４ａ（すなわち、転位のために素線導体を曲げた部分を含む範囲）が存在しないように構成される。そのためには、少なくとも巻線バー曲げ部２３における素線導体の転位ピッチＡを、例えば、図５に示す素線導体を曲げない部分の長さＢが当該巻線バー曲げ部２３の長さよりも大きくなるように設定する。
【００４７】
このように構成することにより、素線導体の転位の連続性を保ちながら、巻線バー曲げ部２３に素線導体の渡り部４ａが存在しないようにすることができる。また、巻線バー４の全域にわたって素線導体の転位に連続性があることから、巻線バー４の製造を容易なものとし、巻線バー４の製造性を高めることができる。
【００４８】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。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、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。  
図７は、第３の実施形態に係る回転電機の電機子巻線における巻線バーの導体部分の外形を示す模式図である。
【００４９】
第３の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、端部直線部２１の構成にある。
【００５０】
本実施形態の巻線バー４は、端部直線部２１における素線導体の転位ピッチＡ’が、鉄心部３ａにおける素線導体の転位ピッチＡよりも小さくなるように構成されている。
【００５１】
このように構成することにより、端部直線部２１における素線導体の転位角度を高めることができるため、図４Ａや図４Ｂにて既に示したように循環電流による損失をより一層低減することができる。
【００５２】
以上詳述したように、各実施形態によれば、素線絶縁を良好に保ちつつ、素線導体間の循環電流を低減でき、電機子巻線の損失増加及び局部過熱を抑制することができる。
【００５３】
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。
【符号の説明】
【００５４】
１…回転子、２…電機子巻線、２ｂ…巻線端部、２ｃ…上コイル片、２ｄ…下コイル片、３…固定子鉄心、３ａ…鉄心部、４…巻線バー、４ａ…渡り部、１０…巻線スロット、１２…口出し部、１３…短絡板、２１…端部直線部、２２…インボリュート部、２３…巻線バー曲げ部。
【図１】
2018186593.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2018186593.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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