(57)【要約】      （修正有）【課題】固定子コイルの局部的な過熱と発電機内の損失増加を抑制可能な固定子を提供する。【解決手段】発電機は、回転軸が回転可能に支持された回転子１０１と、回転軸の軸心に沿う方向に伸びる固定子スロットが設けられた固定子鉄心２０１と、固定子スロット内に格納され、冷媒により冷却可能となっている固定子コイル２０３とを備え、固定子コイルは、複数の素線を有し、固定子コイルを形成する素線と固定子鉄心の内周面との間隔を、固定子スロットのスロット幅で除した値αが、０．６５≦α≦１．３５の範囲内にある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸が回転可能に支持された回転子と、
前記回転軸の軸心に沿う方向に伸びる固定子スロットが設けられた固定子鉄心と、
前記固定子スロット内に格納され、冷媒により冷却可能となっている固定子コイルとを備え、
前記固定子コイルは、複数の素線を有し、
前記固定子コイルを形成する前記素線と前記固定子鉄心の内周面との間隔を、前記固定子スロットのスロット幅で除した値αが、０．６５≦α≦１．３５の範囲内にあることを特徴とする発電機。
【請求項２】
請求項１に記載の発電機において、
前記複数の素線は、前記固定子スロットが伸びる方向に向かって捩られて転位が施されており、
前記固定子コイルを形成する前記素線の、前記スロット幅に沿う方向の列数が、２列、４列、又は６列であることを特徴とする発電機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発電機において、
前記固定子コイルを形成する前記素線は、中実素線、中空素線、又は中実素線と中空素線との組み合わせであることを特徴とする発電機。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の発電機において、
前記固定子コイルは、
前記固定子スロット内で前記回転子側に配置された第１のコイルと、  
前記固定子スロット内で前記回転子と反対側に配置された第２のコイルとを含み、
前記第１のコイルの断面寸法と、前記第２のコイルの断面寸法が、同一である又は異なっていることを特徴とする発電機。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の発電機において、
前記固定子コイルは、
前記固定子スロット内で前記回転子側に配置された第１のコイルと、
前記固定子スロット内で前記回転子と反対側に配置された第２のコイルとを含み、
前記第１のコイルを形成する前記素線の断面寸法と、前記第２のコイルを形成する前記素線の断面寸法が、同一である又は異なっていることを特徴とする発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機に関し、例えば、発電機の固定子コイルに使用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
発電機の固定子コイルは一般に、導体である素線と、素線の周囲を覆う絶縁物等で形成されている。また、固定子コイルは、固定子鉄心に楔等を介して固定されている。特許文献１及び２には、このような固定子コイルを備える回転電機の例が記載されている。
【０００３】
固定子コイルに生じる交流損には主に、クロススロット方向の磁束に起因する損失と、ラジアル方向の磁束に起因する損失の２種類がある。発電機では一般に、クロススロット方向の磁束に起因する損失を低減するために、素線を、回転子の回転軸方向に向かって捩じり、連続的に転位させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３４０４８８号公報
【特許文献２】特開２００７−１８５００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
固定子コイルは、ラジアル方向の磁束により局部的に過熱されるおそれがある。固定子コイルの局部的な過熱は、絶縁物の絶縁耐力や寿命を低下させてしまう。
【０００６】
この局部的な過熱は、固定子コイルを形成する素線と固定子鉄心の内周面との間隔を長く取ることで抑制することができる。しかし、この間隔を長く取り過ぎると、界磁銅損や鉄損等の、発電機に生じる損失が増加すると共に、磁路の飽和が制約となり発電機の体格を大型化せざるを得なくなる。
【０００７】
逆に、発電機の効率向上と体格の小型化を図るために、固定子コイルを形成する素線と固定子鉄心の内周面との間隔を短くすると、上述の通り、固定子コイルに局部的な温度上昇が生じてしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、固定子コイルの局部的な過熱と、発電機内の損失の増加を抑制可能な固定子を提供し、発電機の効率向上と小型化を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一の態様の発電機は、回転軸が回転可能に支持された回転子と、前記回転軸の軸心に沿う方向に伸びる固定子スロットが設けられた固定子鉄心と、前記固定子スロット内に格納され、冷媒により冷却可能となっている固定子コイルとを備え、前記固定子コイルは、複数の素線を有し、前記固定子コイルを形成する前記素線と前記固定子鉄心の内周面との間隔を、前記固定子スロットのスロット幅で除した値αが、０．６５≦α≦１．３５の範囲内にある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、固定子コイルの局部的な過熱と、発電機内の損失の増加を抑制可能な固定子を提供し、発電機の効率向上と小型化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態の発電機の構成を示す断面図である。
【図２】図１の固定子スロットの基本構成を示す断面図である。
【図３】図２の上コイル及び下コイルの構成を示す斜視図である。
【図４】図２の上コイル及び下コイルの構成を示す断面図である。
【図５】ラジアル磁束による温度上昇と比例係数αとの関係と、鉄損及び界磁銅損の合計損失と比例係数αとの関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態の発電機の構成を示す断面図である。
【００１４】
図１には、本実施形態の発電機を構成する回転子１０１が示されている。回転子１０１は、ほぼ円柱状の形状を有しており、その回転軸１０２が回転可能に支持されている。回転子１０１の外周面には、界磁巻線１０３が複数設けられており、各々の界磁巻線１０３の上部には、回転子楔１０４が挿入されている。
【００１５】
図１では、回転軸１０２の軸心がＺで示されている。図１は、本実施形態の発電機の、軸心Ｚに垂直な断面を示している。図１では更に、ラジアル方向がＲで示され、クロススロット方向がΘで示されている。
【００１６】
図１には更に、本実施形態の発電機を構成する固定子鉄心２０１が示されている。固定子鉄心２０１は、回転子１０１を取り囲むほぼ円筒状の形状を有しており、回転子１０１と固定子鉄心２０１との間には、エアギャップ３０１が介在している。
【００１７】
固定子鉄心２０１の内周面には、回転軸１０２の軸心Ｚに沿う方向に伸びる固定子スロット２０２が複数設けられている。各々の固定子スロット２０２内には、上コイル２０３ａと下コイル２０３ｂとを含む固定子コイル２０３が格納されている。上コイル２０３ａは、固定子スロット２０２内で回転子１０１側に配置されており、下コイル２０３ｂは、固定子スロット２０２内で回転子１０１と反対側に配置されている。固定子コイル２０３は、冷媒、例えば、エアギャップ３０１を通過する冷却ガスにより、直接的又は間接的に冷却可能となっている。
【００１８】
このように、固定子コイル２０３は、上コイル２０３ａ及び下コイル２０３ｂからなるハーフターンコイルとなっている。上コイル２０３ａ及び下コイル２０３ｂはそれぞれ、本発明の第１及び第２のコイルの例である。上コイル２０３ａの上部には、固定子楔２０４が挿入されており、上コイル２０３ａ及び下コイル２０３ｂの外周部には、これらのコイルを構成する固定子主絶縁２２１が配されている。
【００１９】
図２は、図１の固定子スロット２０２の基本構成を示す断面図である。
【００２０】
図２に示すように、上コイル２０３ａと下コイル２０３ｂは、固定子スロット２０２内に格納されている。また、上コイル２０３ａの上部には固定子楔２０４が挿入され、上コイル２０３ａと下コイル２０３ｂの側面にはリップルスプリング２０５が配置され、下コイル２０３ｂの下部には下敷板２０６が挿入されている。上コイル２０３ａと下コイル２０３ｂは、これら固定子楔２０４、リップルスプリング２０５、及び下敷板２０６により固定子スロット２０２内に固定されている。また、上コイル２０３ａと下コイル２０３ｂとの間には、スペーサ２０７が配置されている。
【００２１】
また、上コイル２０３ａと下コイル２０３ｂはそれぞれ、図２に示すように、複数の素線２１１と、フィラー２１２と、セパレータ２１３と、固定子主絶縁２２１等により形成されている。
【００２２】
素線２１１の配置の詳細については、図３に示されている。図３は、上コイル２０３ａ及び下コイル２０３ｂの構成を示す斜視図である。図３(Ａ)及び(Ｂ)では、固定子スロット２０２（図１，図２）が伸びる方向、即ち、回転軸１０２の軸心Ｚに沿う方向が、Ｚ軸で示されている。図３(Ａ)及び(Ｂ)に示すように、上コイル２０３ａ，下コイル２０３ｂではそれぞれ、クロススロット方向（Θ方向）の磁束に起因する損失を低減すべく、素線２１１は、Ｚ軸方向に向かって捩られて転位が施されている。
【００２３】
図２に戻り、上コイル２０３ａ及び下コイル２０３ｂの構成の説明を続ける。
【００２４】
本実施形態では、上コイル２０３ａ及び下コイル２０３ｂを形成する素線２１１は、ガラス被覆絶縁が施された中実素線となっている。上コイル２０３ａ及び下コイル２０３ｂはそれぞれ、フィラー２１２及びセパレータ２１３により形状が調整されており、素線２１１、フィラー２１２、及びセパレータ２１３を覆う固定子主絶縁２２１が外周部に配されている。
【００２５】
図２では、上コイル２０３ａ及び下コイル２０３ｂを形成する素線２１１と固定子鉄心２０１の内周面との間隔が、Ｘで示されている。図２に示すように、間隔Ｘは、固定子コイル２０３内で最も回転子１０１側に位置する素線２１１から、固定子鉄心２０１の内周面までの距離に相当する。
【００２６】
図２では更に、固定子スロット２０２のスロット幅が、Ｙで示されている。図２に示すように、スロット幅Ｙは、固定子スロット２０２のクロススロット方向（Θ方向）の幅に相当する。
【００２７】
なお、本実施形態では、上コイル２０３ａ及び下コイル２０３ｂを形成する素線２１１の、スロット幅Ｙに沿う方向の列数は、２列となっているが、４列又は６列としても構わない。
【００２８】
また、本実施形態では、上コイル２０３ａ及び下コイル２０３ｂを形成する素線２１１は、上述の通り中実素線となっているが、中空素線としてもよいし、中実素線と中空素線との組み合わせとしてもよい。即ち、これらのコイルは、中実素線のみで形成してもよいし、中空素線のみで形成してもよいし、中実素線と中空素線との組み合わせで形成してもよい。これらのコイルを形成する素線２１１の種類は、発電機の冷却方式等を考慮して選択される。
【００２９】
ここで、上コイル２０３ａ、下コイル２０３ｂ、及び素線２１１の断面寸法について、図４を参照して説明する。図４は、上コイル２０３ａ及び下コイル２０３ｂの構成を示す断面図である。
【００３０】
図４(Ａ)では、上コイル２０３ａのＲ方向の長さ、Θ方向の長さがそれぞれ、Ａ1，Ａ2で示されている。一方、図４(Ｂ)では、下コイル２０３ｂのＲ方向の長さ、Θ方向の長さがそれぞれ、Ｂ1，Ｂ2で示されている。
【００３１】
本実施形態では、各固定子コイル２０３（図１，図２）において、上コイル２０３ａの断面寸法Ａ1，Ａ2と、下コイル２０３ｂの断面寸法Ｂ1，Ｂ2は、同一となっているが、異なっていても構わない。即ち、これらの断面寸法は、(Ａ1，Ａ2)＝(Ｂ1，Ｂ2)となっていてもよいし、(Ａ1，Ａ2)≠(Ｂ1，Ｂ2)となっていてもよい。例えば、製造プロセスの便宜を考慮して、これらのコイルの断面寸法を統一したい場合には、前者が適しており、これらのコイルの断面寸法を個々に好適化したい場合には、後者が適している。
【００３２】
また、図４(Ａ)では、上コイル２０３ａを形成する素線２１１のＲ方向の長さ、Θ方向の長さがそれぞれ、Ａ3，Ａ4で示されており、図４(Ｂ)では、下コイル２０３ｂを形成する素線２１１のＲ方向の長さ、Θ方向の長さがそれぞれ、Ｂ3，Ｂ4で示されている。
【００３３】
本実施形態では、各固定子コイル２０３（図１，図２）において、上コイル２０３ａを形成する素線２１１の断面寸法Ａ3，Ａ4と、下コイル２０３ｂを形成する素線２１１の断面寸法Ｂ3，Ｂ4は、同一となっているが、異なっていても構わない。即ち、これらの断面寸法は、(Ａ3，Ａ4)＝(Ｂ3，Ｂ4)となっていてもよいし、(Ａ3，Ａ4)≠(Ｂ3，Ｂ4)となっていてもよい。例えば、製造プロセスの便宜を考慮して、これらの素線の断面寸法を統一したい場合には、前者が適しており、これらの素線の断面寸法を個々に好適化したい場合には、後者が適している。
【００３４】
ここで、図２に戻り、固定子コイル２０３の局部的な過熱、及び発電機に生じる損失について説明する。
【００３５】
固定子コイル２０３は、上述の通り、ラジアル方向（Ｒ方向）の磁束により局部的に過熱されるおそれがある。固定子コイル２０３の局部的な過熱は特に、上コイル２０３ａの上部、即ち、固定子コイル２０３内で最も回転子１０１側に位置する素線２１１の周辺で問題となる。固定子コイル２０３の局部的な過熱は、固定子主絶縁２２１等の絶縁物の絶縁耐力や寿命を低下させてしまう。
【００３６】
この局部的な過熱は、固定子コイル２０３を形成する素線２１１と固定子鉄心２０１の内周面との間隔Ｘを長く取ることで抑制することができる。しかし、間隔Ｘを長く取り過ぎると、界磁銅損や鉄損等の、発電機に生じる損失が増加すると共に、磁路の飽和が制約となり発電機の体格を大型化せざるを得なくなる。逆に、発電機の効率向上と体格の小型化を図るために、間隔Ｘを短くすると、上述の通り、固定子コイル２０３に局部的な温度上昇が生じてしまう。
【００３７】
そこで、本発明者らは、固定子コイル２０３の局部的な過熱と、発電機内の損失の増加を共に抑制すべく、α＝Ｘ／Ｙで与えられる比例係数αに着目した。比例係数αは、固定子コイル２０３を形成する素線２１１と固定子鉄心２０１の内周面との間隔Ｘを、固定子スロット２０２のスロット幅Ｙで除した値である。本発明者らは、後述のように、固定子コイル２０３の局部的な過熱と、発電機内の損失の増加を、比例係数αと関連付けて解析することで、これらを共に抑制することを可能とした。
【００３８】
図５は、ラジアル磁束による温度上昇と比例係数αとの関係と、鉄損及び界磁銅損の合計損失と比例定数αとの関係を示したグラフである。図５では、前者の関係が曲線Ａで示され、後者の関係が曲線Ｂで示されている。また、図５のグラフの横軸は、比例係数αの値を表し、図５のグラフの縦軸は、ラジアル磁束による温度上昇と、鉄損及び界磁銅損の合計損失の変化分［％］を表している。図５は、３００ＭＶＡクラスの発電機に関するシミュレーションにより得られたグラフとなっている。
【００３９】
図５に示す曲線Ａは、ラジアル磁束による温度上昇の変化分を表している。図５に示すように、比例係数αが小さくなると、素線２１１に入射するラジアル磁束の増加により、ラジアル磁束による温度上昇が大きくなってしまう。そのため、これを避けるべく、比例係数αの値は、ある一定値以上の値に設定する必要がある。
【００４０】
ラジアル磁束による温度上昇は、固定子コイル２０３全体の温度上昇に対し、有意な値とならないことが望ましい。例えば、ラジアル磁束による温度上昇の変化分が０．５％未満であれば、パーセント表示の小数点以下を四捨五入することで、ラジアル磁束による温度上昇は無視できることになるため、ラジアル磁束による温度上昇は有意ではないとみなすことができる。そのため、比例係数αの値は、ラジアル磁束による温度上昇の変化分が０．５％を下回るよう設定することが望まれる。なお、一般的な発電機では、ラジアル磁束による温度上昇の変化分が０．５％程度であれば、ラジアル磁束による温度上昇は０．５Ｋ程度となる。
【００４１】
図５を参照するに、α＝０．６５の場合には、ラジアル磁束による温度上昇の変化分は０．４２５％であり、０．５％を若干下回る。この場合、固定子コイル２０３全体の温度上昇が７０〜８０Ｋであるとすると、ラジアル磁束による温度上昇は０．３２〜０．３６Ｋとなり、上述の通り０．５Ｋを下回ることになる。
【００４２】
以上のことから、比例定数αの値は、０．６５以上に設定することが望ましいと結論付けられる。
【００４３】
また、図５に示す曲線Ｂは、鉄損及び界磁銅損の合計損失の変化分を表している。図５に示すように、比例定数αが大きくなると、鉄損及び界磁銅損の合計損失が増加してしまう。そのため、これを避けるべく、比例定数αの値は、ある一定値以下の値に設定する必要がある。
【００４４】
鉄損及び界磁銅損の合計損失は、発電機の全体効率に対し、有意な値とならないことが望ましい。一般に、発電機の全体効率には、規格上、裕度が規定されている。裕度とは、試験結果と保証値との差の許容範囲を意味する。規格によると、発電機の全体効率の裕度は、０．１％程度である。この内、鉄損及び界磁銅損分の裕度は、０．０３％程度であると考えられる。よって、これらの損失による発電機の全体効率の低下が０．０３％以下であれば、これらの損失は裕度の範囲内にあるため、これらの損失は有意ではないとみなすことができる。そのため、比例係数αの値は、これらの損失による発電機の全体効率の低下が０．０３％を超えないよう設定することが望まれる。
【００４５】
図５を参照するに、α＝１．３５の場合には、鉄損及び界磁銅損の合計損失の変化分は５％である。この場合、これらの損失による発電機の全体効率の低下は０．０３％程度となり、上述の裕度に一致することになる。
【００４６】
以上のことから、比例定数αの値は、１．３５以下に設定することが望ましいと結論付けられる。
【００４７】
以上の結果、本実施形態では、比例係数αの値を、０．６５≦α≦１．３５の範囲内に設定する。これにより、本実施形態では、固定子コイル２０３の局部的な過熱と、発電機内の損失の増加を、共に抑制することが可能となる。
【００４８】
また、本実施形態では、固定子コイル２０３を形成する素線２１１と固定子鉄心２０１の内周面との間隔Ｘを、長く取り過ぎずに済むため、発電機の体格の大型化を回避することができる。よって、本実施形態によれば、発電機の効率向上と小型化を実現することが可能となる。
【００４９】
なお、これらの効果は、上コイル２０３ａの断面寸法と下コイル２０３ｂの断面寸法が同一でも異なっていても得ることができる（図４参照）。同様に、これらの効果は、上コイル２０３ａを形成する素線２１１の断面寸法と、下コイル２０３ｂを形成する素線２１１の断面寸法が、同一でも異なっていても得ることができる（図４参照）。
【００５０】
また、０．６５≦α≦１．３５という比例定数αの条件は、更に厳しく設定しても構わない。特に、鉄損及び界磁銅損の合計損失は可能な限り小さくすることが望ましいため、比例定数αの条件は例えば、より厳しく０．６５≦α≦０．９０と設定しても構わない。
【００５１】
以上のように、本実施形態では、固定子コイル２０３を形成する素線２１１と固定子鉄心２０１の内周面との間隔Ｘを、固定子スロット２０３のスロット幅Ｙで除した値αが、０．６５≦α≦１．３５の範囲内に設定される。これにより、本実施形態では、固定子コイル２０３の局部的な過熱と、発電機内の損失の増加を抑制可能な固定子を提供し、発電機の効率向上と小型化を実現することが可能となる。
【００５２】
以上、本発明の具体的な態様の例を、本発明の実施形態により説明したが、本発明は、当該実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５３】
１０１  回転子
１０２  回転軸
１０３  界磁巻線
１０４  回転子楔
２０１  固定子鉄心
２０２  固定子スロット
２０３  固定子コイル
２０３ａ  上コイル
２０３ｂ  下コイル
２０４  固定子楔
２０５  リップルスプリング
２０６  下敷板
２０７  スペーサ
２１１  素線
２１２  フィラー
２１３  セパレータ
２２１  固定子主絶縁
３０１  エアギャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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