(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡大された磁界補償機能を備えた、交流機械の、端部において短絡された巻線バーであって、この巻線バーである導体バーが、互いに電気的に絶縁された多数の導体素線（１）から構成されており、該導体素線（１）がレーベル原理に基づいて転位されており、両方の端部クリップセクション（４，５）における導体素線と、アクティブパートセクション（６）における導体素線とが互いに一緒に転位されている形式のものにおいて、両方の端部クリップセクションにおける導体素線（１）が、６０°〜１２０°の間の転位を有しており、かつアクティブパートセクション（６）における導体素線（１）は、アクティブパートセクション（６）における転位が均一でかつ３６０°未満である不完全な転位を有しているか、又はアクティブパートセクション（６）において完全な３６０°転位が存在する配置形式ではアクティブパート中心（Ｍ）に、転位されないセクションである空所（８）が設けられていて、この転位されないセクションである空所（８）の外側におけるアクティブパートセクション（６）の転位は、均一な１８０°転位であることを特徴とする、拡大された磁界補償機能を備えた、転位されたステータ巻線バー。
【請求項２】
両方の端部クリップセクション（４，５）における導体素線（１）の転位が、９０°である、請求項１記載の巻線バー。
【請求項３】
空所（８）が、巻線オーバハング（ｌｗｋ）の約１０％の値の長さ（ｌｖ）を有している、請求項１記載の巻線バー。
【請求項４】
アクティブパートセクション（６）に不完全な転位が存在する場合には、この不完全な転位の角度は１０°〜１５°である、請求項１記載の巻線バー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、拡大された磁界補償機能を備えた、交流機械の、端部において短絡された巻線バーであって、この巻線バーである導体バーが、互いに電気的に絶縁された多数の導体素線から構成されており、該導体素線がレーベル原理に基づいて転位されており、両方の端部クリップセクションにおける導体素線と、アクティブパートセクションにおける導体素線とが互いに一緒に転位されている形式のものに関する。
【０００２】
このような形式の巻線バーは、例えばドイツ連邦共和国特許第１４８８７６９号明細書に開示されている。
【０００３】
【従来の技術】
大型の交流機械のステータ巻線バーは、通常、互いに絶縁されていてレーベル原理（Roebel-Prinzip）に基づいて互いに転位された多数の導体素線から成っており、これらの導体素線は両方のバー端部において短絡されている（Ｓｅｑｕｅｎｚ「電気機器の巻線の製造」Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ  Ｗｉｅｎ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ, １９７３,  第６９頁〜第８３頁、特に第７９頁の図１９参照）。
【０００４】
古典的なレーベルバーは、スロット部分に３６０°転位を有している。端部クリップにおいては導体素線は平行に、つまり転位されずに案内されている。しかしながらまもなく分かったことであるが、スロットの外側においてもバーは交番磁界によって捕捉もしくはカバーされ、この交番磁界は広幅側（横方向成分）からも狭幅側（半径方向成分）からも端部クリップを貫通する。
【０００５】
ステータの端面磁界による不都合な付加損失を抑制するために、端部クリップは、相互に絶縁された導体素線に分割されている。しかしながらこの場合にもなお、結合スリーブを介してバー端部において閉鎖されるいわゆるループ電流（Schlingstroeme）による損失が存在する。このような理由から、一連の特別な転位が提案された。これらの転位は、バーのスロット部分又はアクティブパートにも、その端部クリップセクションにも関連している。Ｇ.Ｎｅｉｄｈｏｅｆｅｒは、前記の本「Ｓｅｑｕｅｎｚ」のセクション３.３の「拡大された磁界補償機能を備えたレーベルバー（Roebelstaebe mit erweitertem Feldausgleich）」において、拡大された磁界補償を達成するための可能性、ひいては大きな温度差及びこれによるバー内部における局部的な過熱を排除するための種々様々な可能性に対するほぼ完全な概説を行っている。特に経済的な解決策は、この場合９０°／３６０°／９０°転位である。つまりこの場合両方の端部クリップにおける導体素線は、それぞれ９０°転位されており、かつアクティブパートにおける導体素線は、３６０°転位されている（前記Ｓｅｑｕｅｎｚの第７４頁の図２４又はドイツ連邦共和国特許第１４８８７６９号明細書参照）。
【０００６】
短いアクティブパート長さを備えた機械、例えば水力発電機では、端部クリップにおける転位に基づいて機械の全長が大きくなり、かつ大きなオーバーハングを有する端部クリップの支持が極めて面倒かつ高価なので、会議レポートＩＳＳＭ−９３「Proceedings of the International Symposium on Salient-Pole Maschines」１０／１０〜１０／１２ １９９３年、ＷＵＨＡＮ，Ｃｈｉｎａ，、第３８４頁〜第３８９頁、Ｘｕ Ｓｈａｎｃｈｕｎその他寄稿の「水力発電機のステータバーの新規な転位技術（A New Transposition Technique of Stator Bars of The Hydrogenerator）」には、拡大された磁界補償のための新たな方法、つまりアクティブパートにおけるいわゆる不完全な転位（Unterverroebelung）（「非３６０°転位（non-360°transposition）」又は「不完全な転位（incomplete transposition）」）又はいわゆる空所（Leerlaenge）（「空所を備えた転位」（transposition with a void））と、転位されない端部クリップパートとの組み合わせが提案されている。両方の「特別な転位」のそれぞれによって、ループ電流の顕著な減少が達成され、かつ会議レポートの報告によればバー内部における温度差が極めて小さくなるとのことである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ゆえに本発明の課題は、ループ電流をさらに抑制することができ、ひいては導体バーにおける温度勾配パターンをさらに扁平化することができる、拡大された磁界補償機能を備えた、転位されたステータ巻線バーを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、冒頭に述べた形式の巻線バーにおいて、両方の端部クリップセクションにおける導体素線が、６０°〜１２０°の間の転位を有しており、かつアクティブパートセクションにおける導体素線は、アクティブパートセクションにおける転位が均一でかつ３６０°未満である不完全な転位を有しているか、又はアクティブパートセクションにおいて完全な３６０°転位が存在する配置形式ではアクティブパート中心に、転位されないセクションである空所が設けられていて、この転位されないセクションである空所の外側におけるアクティブパートセクションの転位は、均一な１８０°転位であるようにした。
【０００９】
【発明の効果】
ドイツ連邦共和国特許第１４８８７６９号明細書に記載された理論（９０°／３６０°／９０°転位を備えた特別な転位）と、Ｘｕ Ｓｈａｎｃｈｕｎその他によるアクティブパートにおける不完全な転位／空所の理論とを一緒に用いることによって得られる導体バーによって、予測できなかったことであるが、ループ電流を実質的に完全に抑制することができ、ひいては導体バーにおける温度勾配パターンの扁平化が達成される。
【００１０】
本発明は、タービン発電機や水力発電機のような中型及び大型のすべての電気機器において使用することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に図面につき本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１に示されたレーベルバー（Roebelstab）は、相互に電気的に絶縁された導体素線１から成っており、これらの導体素線１は、両端部においてアイ２，３によって電気的にかつ機械的に互いに接続結合されている。レーベルバーは、左右の巻線ヘッドもしくは巻線オーバハングにおける２つの端部クリップセクション４，５と、１つのアクティブパートセクション６とから成っている。アクティブパートセクション６は完全に、電気機器のステータ成層体７（アクティブパート）における図示されていないスロット内に位置している。両方の端部クリップセクション４，５は、それぞれ９０°だけ転位されており、アクティブパート６は３６０°転位されている。
【００１３】
図１に示された９０°／３６０°／９０°転位を備えたレーベルバーのための図２のａ；図３のａに示された線図には、左側の端部クリップ４とアクティブパート６と右側の端部クリップ５とにおける、導体素線ピラー毎の例えば５つの導体素線ａ〜ｆ；ｇ〜ｌの経過が示されている。この図２のａ；図３のａから分かるように、個々の導体素線１がアクティブパート６ではスロット内において各ポジションを占めている（＝３６０°転位）のに対して、端部クリップ４，５では９０°転位されている。両方の端部クリップ４，５を一緒にすると導体素線ｄが、最も長く、ロータＲに向かって位置決めされている。その他の導体素線はそれよりも短く、ロータＲに向かって位置決めされている。転位されていないバーの端部クリップセクションにおける電磁界の公知の作用から分かるように、導体素線ｄには最も多くの電流が供給され、残りの導体素線には順次より少ない電流が供給される。本発明を理解するためには次のこと、すなわち９０°−３６０°−９０°転位の場合に巻線オーバハングの固有磁界（Eigenfeld）が完全に補償されるのに対して、巻線オーバハングの外部磁界（Fremdfeld）は部分的にしか補償されない、ということを認識すれば十分である（既に述べた「ＳＥＱＵＥＮＺ」の特に第７４頁、図２４及び対応するテキストの第７５頁参照）。
【００１４】
次に本発明について説明する。端部クリップ４，５において９０°転位された導体バーに、不完全な転位（Unterverroebelung）、つまり３６０°よりも小さな転位を備えたアクティブパートセクション６を形成する場合、又はアクティブパートの真ん中に空所（Leerlaenge）（＝転位されない区分）を有していて、該空所の外側に３６０°転位が施されている場合には、高い電流を導く導体素線は、より長くスロット底部に残される。このような導体素線は、スロット開口の近くに位置する導体素線、つまりよりロータＲに近接した導体素線に、電流を送る。しかしながらこれはまさに、わずかな電流を導く導体素線である。このようにして、導体ロッドにおけるほぼパーフェクトな均一な電流分布を達成することができる。
【００１５】
空所及び不完全な転位の両方のバリエーションは、図２のｂ，図３のｂ；図２のｃ，図３のｃに示された両方の線図において、図２のａ，図３のａに示された９０°−３６０°−９０°転位を備えた公知のレーベルバーとの比較で示されており、この場合図２のａ，ｂ，ｃは固有磁界の観察に関連し、図３のａ，ｂ，ｃは外部磁界の観察に関連している。この場合の図示は、例えば冒頭に述べたドイツ連邦共和国特許第１４８８７６９号明細書においても使用された、文献において一般的なレーベルバー図示形式に依る。例えば、左上から右下に向かって延びる実線は、図１に示された２平面バーの側面図において、該２平面バーの前側に位置している導体素線路を象徴的に示し、破線は、背側つまり第２の導体素線平面に位置する導体路を示している。さらに図２のａ〜ｃには、アクティブパートにおける固有磁界ＢＦｅと巻線ヘッドにおける固有磁界ＢＷＫとの各磁界経過ＢＥが、バー高さにわたって示されている。回路におけるマイナス記号及びプラス記号は、エレメンタリーループの部分面において誘導される電圧のサインを、面輪郭の回転方向を考慮しながら示し、かつ回路を流れる電流の方向を示している。図２のａ及び図３のａにおいて回路にクエスチョンマークで示された面は、アクティブパート６から端部クリップ４；５への転位されない移行部における補償されない部分を、象徴的に示している。図３のａ〜ｃにはさらに、例として１２の導体素線ａ〜ｌの位置がバー端部に示されている。
【００１６】
本発明について詳しく述べる前に、以下においては磁界の観察について述べる：
図３のａに示された９０°−３６０°−９０°転位を備えたバーにおいて分かるように、外部磁界を観察すると、補償されないループ部分が残っている（二重丸のクエスチョンマーク）。この補償されない部分は、バー高さにわたって双曲線正弦の形（sinh-foermig）で（非対称的に）分布されたループ電流を生ぜしめる。アクティブパートセクションにおける空所／不完全な転位の目的は、この残りを補償することにある。後で詳しく述べるようにこの補償は次のことによって、すなわちこの場合、アクティブパート６において、補償されない部分（二重丸のプラス記号参照）が生ぜしめられ、この補償されない部分が、端部クリップセクション４；５における補償されない部分（二重丸のマイナス記号参照）に対抗して作用することによって、成功する。この際に注意すべきことは、このような機構は巻線オーバハングがバーの箇所にあり、かつアクティブパートにおけるスロット磁界がほぼ同相である場合にしか機能しない、ということである。このことが言えるのは次のことによる。すなわちそれというのは、公知のように、アクティブパート及び端部クリップパートおいては、等しい方向への（半径方向内側に向かっての）電流変位（Stromverdraengung）が行われるからであり、このことは、同相の磁界に起因する。巻線オーバハングにおける比較的大きな補償されないループ部分は、アクティブパートにおける比較的小さな対抗ループによって補償されることができるが、このことは、スロット横断磁界（Nutquerfeld）が明らかに強いからである。
【００１７】
図２のａ〜ｃに記載された固有磁界の観察から分かるように、９０°−３６０°−９０°転位を備えたバーでは、ループは完全に補償されている。例えばアクティブパート出口における、場合によっては転位されないバー部分だけが、ループ電流のための残留電圧を生ぜしめる。アクティブパート６における空所８は、いまやループ電圧を生ぜしめ、このループ電圧は、バー高さに関して双曲線形状（cosh-foermig）に（対称的に）分布している。巻線オーバハングの場合によっては転位されないバー部分が、直接アクティブパート出口に位置していることの効果は、強められる。これとは逆に、アクティブパートにおける不完全な転位は、逆の効果を生ぜしめる。巻線オーバハングにおける補償されない部分は、アクティブパートにおける補償されない部分に対抗していて、相互に相殺し合い、この場合このような補償は場合によっては１００％には行われず、それというのは、アクティブパートにおける不完全な転位は、巻線オーバハングの外部磁界の補償に向けられているからである。このように述べると、本発明によってある箇所では改善がなされ（外部磁界）、他の箇所では劣化が生じる（固有磁界）という印象を受けるかもしれない。しかしながら実際には、両方の結果を合わせて観察すると、全体的に見れば、特に不完全な転位の場合に改善がなされる。
【００１８】
図２のｂ及び図３のｂに示された導体バーは、アクティブパート中心Ｍに空所８、つまり導体素線ａ〜ｌが平行に案内されている区分を有している。この空所８の左右外側においては、転位はそれぞれ１８０°である。この空所８の軸方向長さｌｖは、第１の概算では、巻線オーバハングの寸法ｌＷＫに依存している。今日の計算方法を用いて、具体的な機械ではこの空所は比較的正確に規定することが可能であるが、しかしながら概算値としては、空所８の寸法ｌｖが巻線オーバハングの寸法ｌＷＫの５〜１０％の間、最大で１５％であることが望ましく、このようになっていると、巻線オーバハングにおいて事実上完全な（拡大された）磁界補償を得ることができる。第２の概算値としては、タービン発電機における空所８の寸法設定のためのものであり、この場合には空所８の寸法は、例えばアクティブパートの１０％までの値である。
【００１９】
図２のｃ及び図３のｃに示された導体バーは、アクティブパート６に不完全な転位、つまり通常の３６０°転位を下回る転位を有している。ピラー毎にそれぞれ５つの導体素線を備えた、つまり全部で１０の導体素線を備えた、図４に示された導体バーでは、転位は３６０°の９／１０、つまり３２４°であり、したがって不完全な転位は３６°である。このことは同時に、このようなバーにおいて最小の不完全な転位である。
【００２０】
実際のレーベルバーは、はるかに多くの数の導体素線を有している。実際のレーベルバーにおける導体素線の数は、典型的には、バー毎に８０〜１２０の間である。したがって、ｎ本の導体素線を備えかつアクティブパートに３６０°転位を備えているバーでは、Ｕ＝３６０°／ｎの最小の不完全な転位は、導体バー毎に８０本の導体素線を有している場合には４.５°であり、かつ１２０本の導体素線を有している場合には３°である。
【００２１】
空所の寸法設定と同様に、不完全な転位の程度もまた、第１の近似値では、巻線オーバハングに関連している。つまりこの巻線オーバハングが大きければ大きいほど、巻線オーバハングにおける端部磁界の影響も大きくなり、したがってアクティブパートにおける不完全な転位の程度も大きいことが望ましい。空所の寸法設定の場合のように、この場合においても不完全な転位の程度も、今日の計算方法を用いて、具体的な機械においては比較的正確に規定することが可能である。しかしながら概算値としては、巻線オーバハングにおける事実上完全な（拡大された）磁界補償を得るためには、不完全な転位は約１０°〜１５°の角度であることが望ましい。
【００２２】
上においては、常に端部クリップが９０°の転位を有しているということを前提としている。大規模な計算によれば、±３０°の偏差があったとしても、つまり端部クリップセクション４，５における転位が６０°〜１２０°であったとしても、アクティブパート６における空所又は不完全な転位とのコンビネーションにおいて、巻線オーバハングにおける事実上完璧な磁界補償を得ることができる、ということが示されている。
【００２３】
原理的には、転位が与えられている場合には、端部クリップセクションに空所のみならず、不完全な転位をも有しているバーを製造することが可能である。このような導体バーの製造は、しかしながら面倒かつ高価であるが、それでも特殊な場合においては考慮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ９０°／３６０°／９０°転位を備えた拡大された磁界補償機能を備えた公知のレーベルバーを示す平面図である。
【図２】  固有磁界の作用を明らかにするために、異なった転位を備えたレーベルバーを示す線図であって、ａは公知の９０°−３６０°−９０°転位を備えたレーベルバーを示す線図、ｂは空所を備えたレーベルバーを示す線図、ｃは不完全な転位を備えたレーベルバーを示す線図である。
【図３】  外部磁界の作用を明らかにするために、異なった転位を備えたレーベルバーを示す線図であって、ａは公知の９０°−３６０°−９０°転位を備えたレーベルバーを示す線図、ｂは空所を備えたレーベルバーを示す線図、ｃは不完全な転位を備えたレーベルバーを示す線図である。
【図４】  ピラー毎に３２４°転位を備えた５つの導体素線を備えた、不完全に転位されたバーの半部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  導体素線、  ２，３  アイ、  ４，５  端部クリップセクション、  ６  アクティブパートセクション、  ７  アクティブパート（ステータ成層体）、  ８  空所
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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