JP2017108572A

JP2017108572A - 回転電機

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Publication number: JP2017108572A
Application number: JP2015241875A
Authority: JP
Inventors: 清輝田中; Kiyoteru Tanaka; 高橋　和彦; Kazuhiko Takahashi; 和彦高橋; 武藤　徹; Toru Muto; 徹武藤
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2017-06-15
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: JP6560606B2; US20170170698A1; US10193406B2; EP3179608B1; EP3179608A2; EP3179608A3

Abstract

【課題】電機子巻線における電圧の不平衡を更に抑制し、損失を低減すること。
【解決手段】２ｎ極の回転子、８４ｎ個のスロット、３相の電機子巻線を有する。スロットの内径側に上コイル１及び外径側に下コイル２が収容され、上コイルと下コイルが接続されて電機子巻線を形成する。電機子巻線は１相につき２ｎ個の相帯３を有し、相帯は２個の並列巻線から成る。相帯を構成する全ての上コイル及び下コイルの円周方向平均位置を相帯中心とし、少なくとも１個の相帯における第１及び第２の並列巻線の配置を相帯中心に近い順に見た時、上コイル若しくは下コイルが第２、第１、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１の並列巻線の順に配置され、それらと接続される下コイル若しくは上コイルが第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第１、第２、第１、第２の並列巻線の順に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に係り、例えばタービン発電機等の大型発電機に好適な回転電機に関するものである。

一般に、タービン発電機等の大型発電機は、回転軸と共に回転し、回転子鉄心及び回転子コイルを備えた回転子と、この回転子と所定間隙をもって対向配置され、固定子鉄心及び固定子コイル（電機子コイル）を備えた固定子とから成り、積層鋼板から成る固定子鉄心は、内周側に電機子コイルを収容するため、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもってスロットが形成されており、このスロットの周方向間にはティースが存在し、そして、電機子コイルは、スロット内を径方向の上下（内外周側）に２本収容され、内周側に収容されたコイルを上コイル、外周側に収容されたコイルを下コイルと呼んでいる。

ところで、大容量の発電機は出力電流が大きいために、電機子コイルの電磁力や発熱が大きい。その対策として、電機子コイルを複数の並列回路により構成することで、コイル１本当たりの電流を減らし、電磁力や温度上昇を緩和する方法が取られる。

しかし，並列回路数が極数の約数とならない場合、並列回路の電流に偏りが生じ、並列回路間を循環する電流が生じる。この循環電流により電機子コイルの損失が増加してコイルの温度が上昇し、効率の低下やコイル絶縁の損傷の可能性が生じる問題があった。

上述した循環電流を抑制する方法として、コイル接続の組合せを変更する方法がある。これは、並列回路解放時の電圧のバランスを考慮してコイル接続の組合せを変更して配置することで、電圧の不平衡を抑制するものである。

このような循環電流を抑制し、電圧の不平衡を抑制するものとして特許文献１を挙げることができる。この特許文献１には、２極３相４並列回路８４スロットの回転電機の電機子巻線の結線方法が開示され、電圧の不平衡の度合である電圧不平衡率が、０．１８％となる結線方法が開示されている。なお、電圧不平衡率は、小さい方が電圧の不平衡が小さいことを示す指標である。

特許第５０６０３２５号公報

上述した特許文献１では、２極３相４並列８４スロットの回転電機の電機子巻線における電圧の不平衡を抑制した結線パターンを示している。特許文献１のように、電圧の不平衡を抑制することは、損失を低減すること、即ち、発熱量の低減につながる。

従って、電圧の不平衡を小さくすることは、発電機の小型・大容量化・信頼性の確保の観点から重要な技術であることから、更なる電圧不平衡の抑制が行なえ、発電機の損失を低減することが望まれている。

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、従来の電機子巻線における電圧の不平衡を更に抑制し、損失を低減した回転電機を提供することにある。

本発明の回転電機では、上記目的を達成するために、ｎを１以上の整数としたとき、２ｎ極の回転子、８４ｎ個のスロット、３相の電機子巻線を有し、前記スロットの内径側に上コイル及び外径側に下コイルが収容され、前記上コイルと前記下コイルが接続されて前記電機子巻線を形成し、前記電機子巻線は１相につき２ｎ個の相帯を有し、前記相帯は２個の並列巻線から成る回転電機において、前記相帯を構成する全ての前記上コイル及び前記下コイルの円周方向平均位置を相帯中心とし、少なくとも１個の相帯における第１及び第２の前記並列巻線の配置を相帯中心に近い順に見た時、前記上コイル若しくは前記下コイルが第２、第１、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１の前記並列巻線の順に配置され、それらと接続される前記下コイル若しくは前記上コイルが第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第１、第２、第１、第２の前記並列巻線の順に配置されるか、
或いは、前記相帯を構成する全ての前記上コイル及び前記下コイルの円周方向平均位置を相帯中心とし、少なくとも１個の相帯における第１及び第２の前記並列巻線の配置を相帯中心に近い順に見た時、前記上コイル若しくは前記下コイルが第２、第１、第１、第２、第１、第２、第２、第１、第１、第２、第２、第１、第２、第１の前記並列巻線の順に配置され、それらと接続される前記下コイル若しくは前記上コイルが第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第１、第２、第１、第２の前記並列巻線の順に配置されるか、
或いは、前記相帯を構成する全ての前記上コイル及び前記下コイルの円周方向平均位置を相帯中心とし、少なくとも１個の相帯における第１及び第２の前記並列巻線の配置を相帯中心に近い順に見た時、前記上コイル若しくは前記下コイルが第１、第２、第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第１、第２、第２、第１の前記並列巻線の順に配置され、それらと接続される前記下コイル若しくは前記上コイルが第２、第１、第２、第１、第１、第２、第１、第２、第２、第１、第２、第１、第１、第２の前記並列巻線の順に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、従来の電機子巻線における電圧の不平衡を更に抑制し、損失を低減した電機子巻線を備えた回転電機を得ることができる。

本発明の回転電機の実施例１における相帯１つの結線方法を示した図である。本発明の回転電機の実施例２における相帯１つの結線方法を示した図である。本発明の回転電機の実施例３における相帯１つの結線方法を示した図である。

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使用する。

図１に、本発明の回転電機の実施例１における相帯１つの結線方法を示す。

該図に示す如く、本実施例では、ｎを１以上の整数としたとき、２ｎ極の回転子、８４ｎ個のスロット、３相の電機子巻線を有し、スロットの内径側に上コイル１及び外径側に下コイル２が収容され、上コイル１と下コイル２が接続されて電機子巻線を形成し、この電機子巻線は１相につき２ｎ個の相帯３を有し、該相帯３は２個の並列巻線から成り、相帯３を構成する全ての上コイル１及び下コイル２の円周方向平均位置を相帯３の中心（極中心６）とし、少なくとも１個の相帯３における第１及び第２の並列巻線の配置を相帯３の中心（極中心６）に近い順に見た時、上コイル１が第２、第１、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１の並列巻線の順に配置され、上コイル１と接続される下コイル２が第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第１、第２、第１、第２の並列巻線の順に配置されることで、電圧の不平衡度合いを示す電圧不平衡率が０．０７％となる結線方法としたものである。

この電圧不平衡率は、下記式（１）で示される各コイルの収容されるスロット毎に発生する電圧Ｖをベクトル計算し、導き出したものである。なお、式（１）中のＳｎは各コイルが収納されるスロット番号を指し、Ａは、１スロット当たりの電圧ベクトルの位相角を示す。各コイルに発生する電圧Ｖを第１の回路、第２の回路に配置される各コイルそれぞれに対して計算する。その計算結果を基に、第１、第２の回路の振幅の平均値と第１、第２の回路間の振幅の比から電圧不平衡率を求めた。

ここで、相帯３とは１極分に配置される上コイル１及び下コイル２のコイル群と定義する。なお、符号４は口出し線、符号５はジャンパ線である。

このような本実施例の構成とすることにより、特許文献１では０．１８％であった電圧不平衡率を０．０７％と小さくすることができるので、電圧の不平衡を抑制し、循環電流による発熱が低減することででき、小型で大容量な回転電機を得ることができると共に、損失低減の観点から回転電機の効率（性能）向上にもつながる。

なお、上述した上コイル１と下コイル２の配置を入れ替えても同等の電気性能が得られることから、特別な記載がない限り、上コイル１と下コイル２を入れ替えた結線も含むものとする。

即ち、上コイルが第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第１、第２、第１、第２の前記並列巻線の順に配置され、下コイル２が第２、第１、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１の並列巻線の順に配置される結線も含むものである。

このような構成であっても、その効果は上述した効果と変わらない。

図２に、本発明の回転電機の実施例２における相帯１つの結線方法を示す。

該図に示す如く、本実施例では、ｎを１以上の整数としたとき、２ｎ極の回転子、８４ｎ個のスロット、３相の電機子巻線を有し、スロットの内径側に上コイル１及び外径側に下コイル２が収容され、上コイル１と下コイル２が接続されて電機子巻線を形成し、この電機子巻線は１相につき２ｎ個の相帯３を有し、該相帯３は２個の並列巻線から成り、相帯３を構成する全ての上コイル１及び下コイル２の円周方向平均位置を相帯３の中心（極中心６）とし、少なくとも１個の相帯３における第１及び第２の並列巻線の配置を相帯３の中心（極中心６）に近い順に見た時、上コイル１が第２、第１、第１、第２、第１、第２、第２、第１、第１、第２、第２、第１、第２、第１の並列巻線の順に配置され、上コイル１と接続される下コイル２が第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第１、第２、第１、第２の並列巻線の順に配置されることで、電圧の不平衡度合いを示す電圧不平衡率が０．１５％となる結線方法としたものである。

この電圧不平衡率の０．１５％の計算に関しては，実施例１に記載の方法と同じである。本実施例の電圧不平衡率の０．１５％は、実施例１に記載の方法と同じように各コイルの収容されるスロット毎に発生する電圧Ｖを第１、第２の回路毎に求め、その振幅の平均と第１、第２の回路に発生する電圧の振幅の比から求めた。

ここで、相帯３とは１極分に配置される上コイル１及び下コイル２のコイル群と定義する。

このような本実施例の構成とすることにより、特許文献１では０．１８％であった電圧不平衡率を０．１５％と小さくすることができるので、電圧の不平衡を抑制し、循環電流による発熱が低減することででき、小型で大容量な回転電機を得ることができると共に、損失低減の観点から回転電機の効率（性能）向上にもつながる。

即ち、上コイル１が第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第１、第２、第１、第２の並列巻線の順に配置され、下コイルが第２、第１、第１、第２、第１、第２、第２、第１、第１、第２、第２、第１、第２、第１の前記並列巻線の順に配置される結線も含むものである。

図３に、本発明の回転電機の実施例３における相帯１つの結線方法を示す。

該図に示す如く、本実施例では、ｎを１以上の整数としたとき、２ｎ極の回転子、８４ｎ個のスロット、３相の電機子巻線を有し、スロットの内径側に上コイル１及び外径側に下コイル２が収容され、上コイル１と下コイル２が接続されて電機子巻線を形成し、この電機子巻線は１相につき２ｎ個の相帯３を有し、該相帯３は２個の並列巻線から成り、相帯３を構成する全ての上コイル１及び下コイル２の円周方向平均位置を相帯３の中心（極中心６）とし、少なくとも１個の相帯３における第１及び第２の並列巻線の配置を相帯３の中心（極中心６）に近い順に見た時、上コイル１が第１、第２、第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第１、第２、第２、第１の並列巻線の順に配置され、上コイル１と接続される下コイル２が第２、第１、第２、第１、第１、第２、第１、第２、第２、第１、第２、第１、第１、第２の並列巻線の順に配置されることで、電圧の不平衡度合いを示す電圧不平衡率が０．１６％となる結線方法としたものである。

この電圧不平衡率の０．１６％の計算に関しては，実施例１に記載の方法と同じである。本実施例の電圧不平衡率の０．１６％は、実施例１に記載の方法と同じように各コイルの収容されるスロット毎に発生する電圧Ｖを第１、第２の回路毎に求め、その振幅の平均と第１、第２の回路に発生する電圧の振幅の比から求めた。

このような本実施例の構成とすることにより、特許文献１では０．１８％であった電圧不平衡率を０．１６％と小さくすることができるので、電圧の不平衡を抑制し、循環電流による発熱が低減することででき、小型で大容量な回転電機を得ることができると共に、損失低減の観点から回転電機の効率（性能）向上にもつながる。

即ち、上コイル１が第２、第１、第２、第１、第１、第２、第１、第２、第２、第１、第２、第１、第１、第２の前記並列巻線の順に配置され、下コイルが第１、第２、第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第１、第２、第２、第１の前記並列巻線の順に配置される結線も含むものである。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…上コイル、２…下コイル、３…相帯、４…口出し線、５…ジャンパ線、６…極中心。

Claims

ｎを１以上の整数としたとき、２ｎ極の回転子、８４ｎ個のスロット、３相の電機子巻線を有し、前記スロットの内径側に上コイル及び外径側に下コイルが収容され、前記上コイルと前記下コイルが接続されて前記電機子巻線を形成し、前記電機子巻線は１相につき２ｎ個の相帯を有し、前記相帯は２個の並列巻線から成る回転電機において、
前記相帯を構成する全ての前記上コイル及び前記下コイルの円周方向平均位置を相帯中心とし、少なくとも１個の相帯における第１及び第２の前記並列巻線の配置を相帯中心に近い順に見た時、前記上コイル若しくは前記下コイルが第２、第１、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１の前記並列巻線の順に配置され、それらと接続される前記下コイル若しくは前記上コイルが第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第１、第２、第１、第２の前記並列巻線の順に配置されることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記上コイル若しくは前記下コイルの配置は、電圧の不平衡度合いを示す電圧不平衡率が０．０７％であることを特徴とする回転電機。
ｎを１以上の整数としたとき、２ｎ極の回転子、８４ｎ個のスロット、３相の電機子巻線を有し、前記スロットの内径側に上コイル及び外径側に下コイルが収容され、前記上コイルと前記下コイルが接続されて前記電機子巻線を形成し、前記電機子巻線は１相につき２ｎ個の相帯を有し、前記相帯は２個の並列巻線から成る回転電機において、
前記相帯を構成する全ての前記上コイル及び前記下コイルの円周方向平均位置を相帯中心とし、少なくとも１個の相帯における第１及び第２の前記並列巻線の配置を相帯中心に近い順に見た時、前記上コイル若しくは前記下コイルが第２、第１、第１、第２、第１、第２、第２、第１、第１、第２、第２、第１、第２、第１の前記並列巻線の順に配置され、それらと接続される前記下コイル若しくは前記上コイルが第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第１、第２、第１、第２の前記並列巻線の順に配置されることを特徴とする回転電機。
請求項３に記載の回転電機において、
前記上コイル若しくは前記下コイルの配置は、電圧の不平衡度合いを示す電圧不平衡率が０．１５％であることを特徴とする回転電機。
ｎを１以上の整数としたとき、２ｎ極の回転子、８４ｎ個のスロット、３相の電機子巻線を有し、前記スロットの内径側に上コイル及び外径側に下コイルが収容され、前記上コイルと前記下コイルが接続されて前記電機子巻線を形成し、前記電機子巻線は１相につき２ｎ個の相帯を有し、前記相帯は２個の並列巻線から成る回転電機において、
前記相帯を構成する全ての前記上コイル及び前記下コイルの円周方向平均位置を相帯中心とし、少なくとも１個の相帯における第１及び第２の前記並列巻線の配置を相帯中心に近い順に見た時、前記上コイル若しくは前記下コイルが第１、第２、第１、第２、第２、第１、第２、第１、第２、第１、第１、第２、第２、第１の前記並列巻線の順に配置され、それらと接続される前記下コイル若しくは前記上コイルが第２、第１、第２、第１、第１、第２、第１、第２、第２、第１、第２、第１、第１、第２の前記並列巻線の順に配置されることを特徴とする回転電機。
請求項５に記載の回転電機において、
前記上コイル若しくは前記下コイルの配置は、電圧の不平衡度合いを示す電圧不平衡率が０．１６％であることを特徴とする回転電機。