JP2013172568A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】クロススロット磁束で発生する渦電流損失と、この渦電流損失に起因する上下コイル片間の熱伸び差を低減することができる回転電機を提供する。
【解決手段】実施形態の回転電機は、回転軸が回転可能に支持された回転子と、前記回転子の周囲にギャップを介して前記回転軸の軸心と同心状に配置された電機子と、を持つ。前記電機子は、電機子鉄心と電機子巻線とを含む。前記電機子には複数の電機子スロットが設けられる。前記電機子巻線は、前記電機子スロットに埋設され、前記回転軸の内径方向において矩形の断面形状を有し、積み重なる複数の素線導体が巻回され、互いに直列接続された複数のコイル片で構成される。前記回転軸に最も近いコイル片の表面のうち前記回転子に対向する第１の面を延長させた面が前記電機子スロットの側面と交わる第１の位置における前記電機子スロットの周方向の第１の幅は、前記電機子スロットの表面のうち、前記回転子から最も離れた面である底面の周方向の第２の幅よりも広い。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、回転電機に関する。

回転電機は、回転子と、該回転子の外径側にギャップを介して配置された電機子とを備える。
従来の電機子の構成について、タービン発電機を一例に取り上げて説明すると、例えば図７に示す電機子は、電機子鉄心１と電機子巻線３とを含む。電機子鉄心１は、薄板の鋼板を積層して形成され、複数の電機子スロット２が設けられる。電機子巻線３は、電機子スロット２に配置された積み重なる多数の素線導体４で構成され、電機子スロット２内に配置された２層のコイル片３ａ，３ｂを直列に接続して形成される。各コイル片３ａ，３ｂは素線導体４と主絶縁５を含む。主絶縁５は、素線導体４の周辺にマイカテープなどの絶縁体を設けることにより形成され、これにより電機子鉄心１との短絡が防止される。コイル片３ａ，３ｂのうち、回転子に近い側が上コイル片３ａであり、回転子から遠い側が下コイル片３ｂである。

電磁振動などの機械ストレスから電機子巻線３を保護するために、上下のコイル片３ａ、３ｂは、磁性または非磁性のスペーサ６を介して楔７を含む固定部材により電機子スロット２内に挿入され、楔７を、電機子鉄心１の歯部に設けられた切り欠きＧに嵌合させることにより固定される。なお、図７中の符号Ｗ１００は、電機子鉄心１の歯部における周方向ＤＣの最小幅を指示する。

電機子巻線３に交流電流が流れると、電機子スロット２の周辺では電機子鉄心１の歯部内の電機子スロット２に沿った表面部分を周回し、電機子スロット２の内部では電機子スロット２を周方向ＤＣに横切ってループを作る漏れ磁束ＬＦが発生する。この漏れ磁束ＬＦのうち電機子スロット２を周方向ＤＣに横切る漏れ磁束(クロススロット磁束ＣＳＦ)が各素線導体４に鎖交することで渦電流が誘起され、これにより渦電流損失が発生する。

図８は、大容量のタービン発電機において、任意の電機子スロットを横切るクロススロット磁束ＣＳＦにより発生する渦電流損失と直流銅損との合計損失分布の一例を示す。図８の縦軸は電機子スロットの深さであり、横軸は渦電流損失の最大値を基準(１．０ＰＵ)として表記している。

各素線導体４に交流電流が流れると素線導体４の周りに漏れ磁束ＬＦ（図７参照）が発生し、電機子鉄心１と電機子スロット２の開口部との間の磁気抵抗の違いから、電機子外径側から電機子内径側に向かうに従い、素線導体４に鎖交するクロススロット磁束ＣＳＦの量が増加する。このため、図８に示すように、渦電流損失の分布は、内径方向ＤＲに沿って電機子スロット２の表面のうち回転子から最も離れた面である底面から電機子スロット２の開口へ向けて漸次的に増加する分布となることが知られている。このように、クロススロット磁束ＣＳＦにより発生する渦電流損失が電機子巻線３の内径方向ＤＲで異なるため、上コイル片３ａと下コイル片３ｂの発熱量に差が生じ、各電機子巻線３の発熱による熱伸び差が大きくなる。このため、電機子巻線３に機械ストレスが加わって電機子巻線３の接合部や主絶縁５が損傷し、短絡事故などにつながる可能性が生じる。また、クロススロット磁束ＣＳＦによる渦電流損失の増加は、電機子巻線３自身の温度上昇につながり、最悪の場合には加熱や焼損事故の原因となる。

特開２００５−１６０２６１号公報

本発明が解決しようとする課題は、クロススロット磁束で発生する渦電流損失と、この渦電流損失に起因する上下コイル片間の熱伸び差を低減することができる回転電機を提供することである。

実施形態の回転電機は、回転軸が回転可能に支持された回転子と、前記回転子の周囲にギャップを介して前記回転軸の軸心と同心状に配置された電機子と、を持つ。前記電機子は、電機子鉄心と電機子巻線とを含む。前記電機子には複数の電機子スロットが設けられる。前記電機子巻線は、前記電機子スロットに埋設され、前記回転軸の径方向において矩形の断面形状を有し、積み重なる複数の素線導体が巻回され、互いに直列接続された複数のコイル片で構成される。前記回転軸に最も近いコイル片の表面のうち前記回転子に対向する第１の面を延長させた面が前記電機子スロットの側面と交わる第１の位置における前記電機子スロットの周方向の第１の幅は、前記電機子スロットの表面のうち、前記回転子から最も離れた面である底面の周方向の第２の幅よりも広い。

実施形態１の回転電機の概略構成を示す図。 図１に示す回転電機の電機子の部分拡大図。 実施形態２の回転電機の電機子の部分拡大図。 図３Ａに示す電機子の一変形例の部分拡大図。 実施形態３の回転電機の電機子の部分拡大図。 図４Ａに示す電機子の一変形例の部分拡大図。 実施形態４の回転電機の電機子の部分拡大図。 図５Ａに示す電機子の一変形例の部分拡大図。 実施形態５の回転電機の電機子の部分拡大図。 従来の電機子の一例の部分拡大図と漏れ磁束線の一例を示す図。 図７に示す電機子巻線で発生する渦電流損失分布の数値計算結果の一例を示す図。

以下、図面を参照しながら実施形態のいくつかについて説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。なお、以下の実施形態においては、説明を簡単にするために電機子巻線３を構成するコイル片が２層の場合を取り挙げるが、これに限ることなく、直列に相互接続されていれば３層以上のコイル片で電機子巻線３を構成できることは勿論である。

（１）実施形態１
図１は、実施形態１による回転電機の概略構成を示す図である。
本実施形態の回転電機は、回転子１００と電機子１０とを備える。
回転子１００は、その回転軸１１０が回転可能に支持される。

電機子１０は、回転子１００の周囲にギャップ９を介して回転軸１１０の軸心ＣＡと同心状に配置される。電機子１０は、薄板の鋼板を積層して形成され、回転軸１１０の内径方向ＤＲに沿って複数の電機子スロット２（図２参照）が設けられた電機子鉄心１と、電機子スロット２に埋設された電機子巻線３とを含む。電機子巻線３は、直列に接続された２層のコイル片３ａ，３ｂで構成される。

図２は、図１の切断線Ａ−Ａに沿った断面図であり、電機子１０の部分拡大図である。電機子スロット２内には、回転軸１１０の内径方向ＤＲに積層されたコイル片３ａ，３ｂで構成される電機子巻線３が埋設される。各コイル３ａ，３ｂは、回転軸１１０の内径方向ＤＲにおいて矩形の断面形状を有し、積み重なる複数の素線導体４が図示しないコアに巻回されている。素線導体４の周囲には主絶縁５が設けられている。

電機子鉄心１の歯部の表面部のうち、電機子スロット２の開口部に対応する部分には、電機子スロット２の開口部を周回するように切り欠きＧが設けられている。

上下のコイル片３ａ，３ｂは、間に磁性または非磁性のスペーサ６が介挿され、電機子巻線３を電磁振動などの機械ストレスから保護するため、磁性または非磁性のスペーサ６をさらに介して楔７を含む固定部材により電機子スロット２内に挿入され、楔７を、電機子鉄心１の歯部に設けられた切り欠きＧに嵌合させることにより固定される。本実施形態では、電機子スロット２の側面と上下のコイル片３ａ，３ｂとの周方向の間隔が、その開口部から底部へ向けて狭まるように電機子スロット２にテーパ形状を持たせ、上コイル片３ａの表面のうち回転軸１１０に対向する面である頂面ＴＳを延長させた面が電機子スロット２と交わる位置Ｐ１における電機子スロット２の周方向ＤＣの幅Ｗ１を、底面ＢＳにおける電機子スロット２の周方向ＤＣの幅Ｗ２よりも広くしている。本実施形態において、位置Ｐ１は例えば第１の位置に対応する。

これにより、電機子スロット２の側面と上コイル片３ａとの隙間であるギャップ部ＧＵの周方向の間隔をＷＵ、電機子スロット２の側面と下コイル片３ｂとの隙間であるギャップ部ＧＬの周方向の間隔をＷＬとすると、ＷＵ＞ＷＬとなって上コイル片３ａと電機子スロット２の側面との間の磁気抵抗が下コイル片３ｂと電機子スロット２の側面との間の磁気抵抗に比べて高くなり、上コイル片３ａに鎖交するクロススロット磁束ＣＳＦの量が少なくなる。これにより、渦電流損失を低減することができる。

その結果、クロススロット磁束ＣＳＦによる渦電流損失に起因する上下コイル片３ａ，３ｂ間の発熱量の差が小さくなり、上下コイル片３ａ，３ｂ間の熱伸び差や温度上昇が緩和され、発電効率の向上が可能になる。なお、本実施形態では、電機子鉄心１の歯部における周方向ＤＣの最小幅Ｗ１１は、テーパの広がりの分だけ図７に示す従来例の周方向ＤＣの最小幅Ｗ１００よりも狭くなっている。

本実施形態ではギャップ部ＧＵ，ＧＬは空隙となっているが、ギャップ部ＧＵ，ＧＬに絶縁物のスペーサまたは導電率が非常に低いスペーサを配置しても同様の効果を得ることができる。この点は、以下に説明する実施形態２乃至４についても同様である。

本実施形態において、位置Ｐ１における電機子スロット２の幅Ｗ１は、例えば第１の幅に対応し、電機子スロット２の底面ＢＳの幅Ｗ２は、例えば第２の幅に対応する。

（２）実施形態２
図３Ａは、実施形態２による回転電機の電機子の部分拡大図である。図３Ａは、図１の切断線Ａ−Ａに沿った断面図に対応するものであり、この点は以下の図４乃至図６Ｂについても同様である。

図２との対比により明らかなように、本実施形態の電機子１１は、電機子スロット２の底面ＢＳの幅Ｗ２と電機子スロット２の開口の周方向ＤＣの幅Ｗ５とを等しくした上で、周方向ＤＣでの楔幅Ｗ４が最大となる位置Ｐｍａｘから電機子スロット２の底面ＢＳの周方向ＤＣにおける周縁に向かってテーパ状をなすように電機子スロット２が形成されている。

前述した実施形態１の電機子１０では、電機子鉄心１の歯部における周方向ＤＣの最小幅Ｗ１１が図８に示す従来例の周方向ＤＣの最小幅Ｗ１００よりも狭いために、電機子鉄心１歯部の磁束密度が高くなると共に電機子鉄心１で発生する損失(鉄損)が増加してしまう。磁束密度および鉄損の低減には電機子鉄心１の歯部の幅を広くする必要があるが、単純に電機子鉄心１の歯部の幅を広くすると電機子スロット２の幅が狭くなり、電機子巻線３の電流密度が高くなるために直流銅損が増加して電機子巻線３の発熱量が多くなる。電機子１１の直流銅損低減には電機子スロット２を深くして銅面積を増加する必要があるが、発電機１１のサイズがその分だけ大きくなってしまう。

本実施形態によれば、実施形態１に比べてクロススロット磁束ＣＳＦによる渦電流損失を低減する効果は小さくなるが、電機子鉄心１の歯部の周方向ＤＣの最小幅Ｗ１００は従来例と同等であるため、磁束密度や鉄損の増加を緩和することができる。

図３Ｂは、本実施形態の一変形例による回転電機の電機子の部分拡大図である。本例の電機子１２と図３Ａの電機子１１との相違は、電機子スロット２の側面のテーパについて、上コイル片３ａの表面のうち回転軸１１０から最も離れた面である底面ＵＢＳの周方向ＤＣにおける周縁の位置Ｐ４をテーパの終点とすることにより、コイル片３ａ，３ｂのうち上コイル片３ａの側面に対向するスロット部分のみをテーパ状とした点にある。これにより、位置Ｐ４での電機子スロット２の幅Ｗ１０は、電機子スロット２の底面ＢＳの周方向ＤＣにおける幅Ｗ２と同一となる。本実施形態において、コイル片３ａは、例えば図１に示す回転子１００から最も離れたコイル片３ｂから数えて少なくとも二段目のコイル片に対応する。

図３Ｂの変形例によれば、クロススロット磁束ＣＳＦによる渦電流損失を上コイル片３ａについてのみ低減するので、図３Ａの実施形態に比べて上下コイル片３ａ，３ｂ間の発熱量の差を小さくすることができる。これにより、上下コイル片３ａ，３ｂ間の熱伸び差を緩和することが可能になる。

（３）実施形態３
図４Ａは、実施形態３による回転電機の電機子の部分拡大図である。図３Ａとの対比により明らかなように、本実施形態の電機子１３は、上コイル片３ａの表面のうち回転軸１１０に対向する面である頂面ＴＳを延長させた面が電機子スロット２の側面と交わる位置Ｐ１における電機子スロット２の周方向ＤＣの幅Ｗ１を楔７の周方向ＤＣの最大幅Ｗ４と同一とした上で、位置Ｐ１から電機子スロット２の底面ＢＳの周方向ＤＣにおける周縁に向かってテーパ状をなすように電機子スロット２が形成されている点が前述した実施形態２の電機子１１と異なる。

本実施形態によれば、実施形態２と比較してクロスロット磁束ＣＳＦによる渦電流損失低減の効果は小さくなるが、上下コイル片３ａ，３ｂおよび楔７を強固に固定することができる。このため、電磁振動などの機械ストレスから電機子巻線３をより確実に保護することができる。

図４Ｂは、本実施形態の一変形例による回転電機の電機子の部分拡大図である。本例の電機子１４と図４Ａの電機子１３との相違は、電機子スロット２の側面のテーパについて、上コイル片３ａの底面ＵＢＳの周方向ＤＣにおける周縁の位置Ｐ４をテーパの終点とすることにより、上コイル片３ａの側面に対向するスロット部分のみをテーパ状とした点にある。これにより、位置Ｐ４での電機子スロット２の幅Ｗ１０は、電機子スロット２の底面ＢＳの周方向ＤＣにおける幅Ｗ２と同一となる。本実施形態において、コイル片３ａは、例えば図１に示す回転子１００から最も離れたコイル片３ｂから数えて少なくとも二段目のコイル片に対応する。

図４Ｂの変形例によれば、クロススロット磁束ＣＳＦによる渦電流損失を上コイル片３ａについてのみ低減するので、図４Ａの電機子１３に比べて上下コイル片３ａ，３ｂ間の発熱量の差を小さくすることができる。これにより、上下コイル片３ａ，３ｂ間の熱伸び差を緩和することが可能になる。

（４）実施形態４
図５Ａは、実施形態４による回転電機の電機子の部分拡大図である。本実施形態の電機子１５と図３Ｂに示す電機子１２との相違は、上コイル片３ａの表面のうち回転軸１１０から最も離れた面である底面を延長させた面が電機子スロット２の側面と交わる位置Ｐ５の周方向ＤＣの電機子スロット２の幅Ｗ６を楔７の周方向ＤＣの最大幅Ｗ４と同一とし、これにより、電機子スロット２の側面を各コイル片３ａ，３ｂの側面と平行にし、電機子スロット２の断面形状を矩形にした点にある。

本実施形態によれば、例えば図３Ｂの電機子１２に比べて電機子鉄心１の歯部の断面積が電機子スロット２の断面形状を矩形にした分だけ小さくなるので、鉄損自体は増加する。しかしながら、上コイル片３ａと電機子スロット２の側面との間の隙間であるギャップ部ＧＵが広くなり、上コイル片３ａ部分の磁気抵抗を高くすることができる。そのため、上下コイル片３ａ，３ｂ間の熱伸び差を緩和することが可能となる。

図５Ｂは、本実施形態の一変形例による回転電機の電機子の部分拡大図である。本例の電機子１６と図５Ａの電機子１５との相違は、上コイル片３ａと楔７との間のスペーサ６の周方向ＤＣにおける幅Ｗ１１を上コイル片３ａの周方向ＤＣにおける幅Ｗ１２と同一とし、楔７の突出部が電機子鉄心１の歯部に覆われるようにした点にある。

本変形例によれば、図５Ａの電機子１５と比較してクロスロット磁束ＣＳＦによる渦電流損失低減の効果は小さくなるが、上下コイル片３ａ，３ｂおよび楔７を強固に固定することができる。このため、電磁振動などの機械ストレスから電機子巻線３をより確実に保護することができる。

（５）実施形態５
図６は、実施形態５による回転電機の電機子の部分拡大図である。図３Ａとの対比により明らかなように、本実施形態の電機子１７では、上下コイル片３ａ，３ｂ間のスペーサ６の周方向ＤＣの幅Ｗ１０と、上コイル片３ａと楔７との間のスペーサ６の周方向ＤＣの幅Ｗ１１をコイル片３ａ，３ｂの周方向ＤＣの幅Ｗ１２と同一とした上で、電機子鉄心１と電機子巻線３との間のギャップ部ＧＵ，ＧＬに配管８を、回転軸１１０（図１参照）の軸心ＣＡの方向に貫通するように配置し、この配管８により水や水素ガスなどの冷媒を流す。配管８は、絶縁物または導電率の低い材質から形成される。

本実施形態によれば、配管８に冷媒を流すことにより、上述した他の実施形態に比べて冷却性能を高めることが可能になる。

このように電機子スロット２の側面と上下コイル片３ａ，３ｂ等との間に配管８を設けることは、実施形態２に限ることなく、他の実施形態１、実施形態３および４にも勿論適用可能である。特に、実施形態１乃至３のように、電機子スロット２の側面と電機子巻線３との間をテーパ形状にしている場合は、図１に示す回転軸１１０に近づく程流路面積が広い構造になるので、下コイル片３ｂに比べて上コイル片３ａの方をより一層冷却することが可能となる。これにより、上下コイル片３ａ，３ｂ間の熱伸び差の低減効果をさらに高めることができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の回転電機によれば、上コイル片３ａの表面のうち回転子１００に対向する面を延長させた面が電機子スロット２の側面と交わる位置Ｐ１における電機子スロット２の周方向ＤＣでの幅Ｗ１が、電機子スロット２の底面ＢＳにおける周方向ＤＣでの幅Ｗ２よりも広い形状の電機子スロット２が電機子鉄心１に設けられているので、クロススロット磁束ＣＳＦで発生する渦電流損失と、この渦電流損失に起因する上下コイル片３ａ，３ｂ間の熱伸び差を低減することが可能になる。

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。上述した実施形態は、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同様に、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ものである。

１…電機子鉄心、２…電機子スロット、３ａ…上コイル片、３ｂ…下コイル片、３…電機子巻線、５…主絶縁、６…スペーサ、７…楔、８…配管、９…ギャップ、１０〜１７…電機子、１００…回転子、１１０…回転軸、ＢＳ…電機子スロットの底面、ＣＡ…軸心、ＣＳＦ…クロスロット磁束、ＤＣ…周方向、ＤＲ…内径方向、Ｇ…切り欠き、Ｐ１…最も内径側のコイル片の頂面に対向する電機子スロットの位置（第１の位置）、Ｐ４，Ｐ５…上コイル片の底面に対向する電機子スロットの位置（第２の位置）、ＴＳ…回転軸に最も近いコイル片の表面のうち回転子に対向する面（第１の面）、ＵＢＳ…上コイル片の底面、Ｗ１…最も内径側のコイル片の頂面に対向する位置における電機子スロットの周方向の幅（第１の幅）、Ｗ２…電機子スロットの底の周方向の幅（第２の幅）、Ｗ４…周方向における楔の最大幅、Ｗ５…電機子スロットの周方向の開口幅

Claims (11)

1. 回転軸が回転可能に支持された回転子と、
   前記回転子の周囲にギャップを介して前記回転軸の軸心と同心状に配置された電機子と、
   を備え、
   前記電機子は、
   複数の電機子スロットが設けられた電機子鉄心と、
   前記電機子スロットに埋設され、前記回転軸の内径方向において矩形の断面形状を有し、積み重なる複数の素線導体が巻回され、互いに直列接続された複数のコイル片で構成される電機子巻線と
   を含み、
   前記回転軸に最も近いコイル片の表面のうち前記回転子に対向する第１の面を延長させた面が前記電機子スロットの側面と交わる第１の位置における前記電機子スロットの周方向の第１の幅は、前記電機子スロットの表面のうち、前記回転子から最も離れた面である底面の周方向の第２の幅よりも広い、ことを特徴とする回転電機。
2. 前記電機子スロットの側面は、前記第１の位置から前記電機子スロットの前記底面へ向けて前記回転子から遠ざかる程幅が狭くなるテーパ形状を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記テーパは、前記電機子スロットの前記底面の前記周方向における周縁を終点とすることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記テーパは、前記回転子から最も離れたコイル片から数えて少なくとも二段目のコイル片の底面の前記周方向における周縁を終点とすることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
5. 前記電機子鉄心は、前記電機子スロットの開口の近傍に切欠きが設けられ、
   前記切欠きに挿入されて前記電機子巻線を前記電機子スロットに固定する楔をさらに備え、
   前記電機子スロットの周方向の開口幅は、前記第２の幅と同一であり、前記楔の周方向の最大幅よりも狭いことを特徴とする請求項３または４に記載の回転電機。
6. 前記電機子鉄心は、前記電機子スロットの開口の近傍に切欠きが設けられ、
   前記切欠きに挿入されて前記電機子巻線を前記電機子スロットに固定する楔をさらに備え、
   前記テーパは、前記第１の位置を起点とし、
   前記第１の幅は前記楔の最大幅と同一である、
   ことを特徴とする請求項３または４に記載の回転電機。
7. 前記テーパは、前記電機子スロットの開口を起点とすることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
8. 前記電機子スロットは、その側面が各コイル片の側面に平行になるように矩形の断面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
9. 前記電機子鉄心は、前記電機子スロットの開口の近傍に切欠きが設けられ、
   前記切欠きに挿入されて前記電機子巻線を前記電機子スロットに固定する楔をさらに備え、
   前記回転軸に最も近いコイル片の表面のうち前記回転軸から最も離れた面である底面を延長させた面が前記電機子スロットの側面と交わる第２の位置における前記電機子スロットの前記周方向の幅は、前記楔の前記最大幅と同一であることを特徴とする請求項８に記載の回転電機。
10. 前記電機子鉄心は、前記電機子スロットの開口の近傍に切欠きが設けられ、
    前記切欠きに挿入され、スペーサを介して前記電機子巻線を前記電機子スロットに固定する楔をさらに備え、
    前記スペーサの前記周方向の幅は、前記回転軸に最も近いコイル片の前記周方向の幅と同一であることを特徴とする請求項８に記載の回転電機。
11. 前記電機子鉄心と前記電機子巻線との間の空隙を前記回転軸の軸方向に貫通するように配設されて冷媒を流す配管をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の回転電機。

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