专利名称：电枢绕组及使用该电枢绕组的旋转电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及电枢绕组及使用该电枢绕组的旋转电机，是关于例如涡轮发电机的电枢绕组之类的、适用于处于交变磁场中的电枢绕组及使用该电枢绕组的旋转电机。
背景技术：
以往的涡轮发电机的电枢绕组，有例如在专利文献1—美国专利第2821641号公报中记载的技术。该美国专利第2821641号公报记载的例子如图17所示，使配置成多层的导线束在中途扭转，根据如图18所示的360度、540度等机种的输出或机械的尺寸确定该导线束与导线束的扭转角度并配置在槽内，通过消除槽内的交链磁通，减少了在导线束之间流动的循环电流损失。具体地，如图17所示，将位于右列最上层的导线束11扭转到左列最上层、即导线束1(2n)之上，进一步通过与右侧的导线束12、13一起连续地扭转到该导线束上，从而使整个绕组变成绞线结构。另外，扭转角度如图18所示，使用让卷绕的导线束11、15从轴端部I开始扭转，经过一周在轴端部II返回到相同位置的360°的扭转，或者，余下再扭转半周的540°的扭转。这时360°或540°的角度与扭转的间距选择成使定子铁心30内在绕组之间形成交链的磁场相互抵消。例如，选择成使导线束11与15之间形成交链的磁通φ31与φ32的总和与相反方向形成交链的磁通φ32相等。
另外，在专利文献2—日本特开昭47-12513号公报中，也记载了涡轮发电机的电枢绕组，但是，如图19所示，这个例子在两列被扭转的导线束组1的外侧配置有两列导线束组2，扭转导线束21、22、23等使其围绕导线束组1。借此，减少径向磁通φr2引起的循环电流损失。
上述现有技术(美国专利第2821641号公报)中，即使是导线束经扭转了的导线束组，如图18所示，在360°的扭转中，由于端部I处形成交链的磁通φ1与端部II处形成交链的磁通φ2互为同极性，因此，导线束11、15等形成的闭环内，(φ1+φ2)的磁通形成交链。另外，在进行540°的扭转的情况下，虽然导线束11、15端部I处形成交链的磁通φ1与端部II处形成交链的磁通φ2具有相互抵消的极性，但是，由于端部I与端部II处导线束的径向位置不同，所以，各个磁通φ1与φ2的大小不等。也就是说，还残留有相当于磁场强度的差(φ1-φ2)的交链磁通，想让围绕导线束11、15流动的循环电流全部相互抵消是困难的。于是，存在着在导线束之间循环的成分的电流，而且该电流并不少。
另外，在需要增大导线束截面积的情况下，使用了将扭转的导线束组并列并排设置多个的图20所示形式的绕组，在这种结构中，由于不能使导线束组1与导线束组2之间形成交链的径向磁通φr2全部相互抵消，所以，在导线束之间循环的电流变得更大。
另一方面，为了减少上述径向磁通的现有技术的特开昭47-12513号公报中，如图19所示，是把导线束组2围绕导线束11配置成双层的复杂结构，制作需花大量工时。另外，例如必须让导线束11扭转到导线束1(2n)上，在垂直错位的基础上再扭转导线束21，要想保持导线束之间的间隔均匀是困难的。因此，不能保证适当的绝缘强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决了上述问题的电枢绕组及使用该电枢绕组的旋转电机。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种电枢绕组，其具有至少两列多层地使导线束成束的导线束组和覆盖该导线束组周围的主绝缘，并对上述导线束进行扭转，其特征是，通过上述导线束组断面的上部及下部侧的上述导线束的电流的流通电阻大于通过中央部分的上述导线束的电流的流通电阻。
进而，本发明提供一种电枢绕组，其具有至少两列多层地使导线束成束的多个导线束组和覆盖该导线束组周围的主绝缘，并对上述导线束进行扭转，其特征是，通过该多个导线束组中的至少一个导线束组的电流的流通电阻大于通过其他导线束组的电流的流通电阻。
根据本发明，可以减少旋转电机的电枢绕组内的循环电流，实现温度均匀化。
图1是表示采用本发明的电枢绕组的涡轮发电机的整体示意图。
图2是本发明的电枢绕组的第1实施例的断面图。
图3是本发明的电枢绕组的第2实施例的断面图。
图4是表示本发明的电枢绕组的第3实施例的、容纳在槽内的状态的断面图。
图5是表示本发明的电枢绕组的第4实施例的、容纳在槽内的状态的断面图。
图6是表示本发明的电枢绕组的第5实施例的断面图。
图7是表示本发明的电枢绕组的第6实施例的断面图。
图8是表示本发明的电枢绕组的第7实施例的断面图。
图9是表示本发明的电枢绕组的第8实施例的断面图。
图10是表示本发明的电枢绕组的第9实施例的断面图。
图11是表示为了说明导线束组、导线束及交链磁通的关系的、使用了4列导线束的电枢绕组全长的图像的示意图。
图12是表示图11中的交链磁通与循环电流关系的示意图。
图13是以往的2列绕组的断面图及其构成的电流分布图。
图14是以往的4列绕组的断面图及其构成的电流分布图。
图15是本发明的实施例2的绕组断面积及其构成的电流分布图。
图16是表示以往的电枢绕组的一个例子的断面图。
图17是表示以往的2列线圈的扭转状态的局部立体图。
图18是表示540°扭转与360°扭转的各自状态的图像图。
图19是表示专利文献2的绕组的扭转状态的局部立体图。
图20是表示以往的4列绕组的扭转状态的局部立体图。
具体实施例方式
为了说明本发明的实施形式，用图1说明采用本发明的涡轮发电机的简要结构。另外，图1所示的基本结构，并不涉及冷却流体的种类。
如图1所不，转子51通过旋转轴50可旋转地保持在定子框架60上。转子51在内部有励磁线圈(未图示)，构成磁极。另一方面，与转子51以一定间隔对峙配置的构成定子的定子铁心30用端部夹紧部件31夹持将其轴向两端固定在定子框架60上。电枢绕组10、20沿着定子铁心30的轴向延伸，容纳于在圆周方向设置有多个给定间隔的各槽内。另外，在水冷发电机的情况下，在电枢绕组10、20的轴端部设置有冷却水入口流路61，在相反一侧设置有冷却水出口流路62，流经构成电枢绕组10、20的如图3所示的中空导线束11、14等中的水沿轴向流通，借此，直接冷却电枢绕组10、20。
通常，如图2所示，电枢绕组10、20其由例如以主绝缘4覆盖由n层、m列导线束组成的导线束组构成。主绝缘4是用于保持线圈内部与外部之间电绝缘的结构件，大多情况下由云母、或树脂构成。图2是m＝4、n＝22的例子，在与轴垂直的方向上，表示电枢绕组10或20的断面，从第1列的第1层到第n层，对导线束1标有11、12…1n的标号。其中，m、n都是任意的整数，通常，如图17所示，每2列进行扭转，形成导线束组。即使是4列的电枢绕组，如图20所示，也分为导线束组1与2，每2列进行扭转，6列以上的情况也是同样。
实施例1图2表示本发明的电枢绕组的第1实施例。在第1实施例中，在图1所示的涡轮发电机中，构成由主绝缘4覆盖的电枢绕组10的导线束组2，通过使各导线束21、22、…、2n的断面积小于导线束组1的各导线束11、12、…、1n的断面积，从而使其电流1的流通电阻大于导线束组1的电流流通电阻。其效果与原理如下文所述。
通常的电枢绕组如图16所示，由与2列导线束11、12、…、1n、1(n+1)、…、1(2n)组成的导线束组1相同的2列导线束21、22、…、2n、2(n+1)、…、2(2n)所组成的导线束组2构成，导线束组1和导线束组2具有相同的断面形状。在此，导线束组1和导线束组2内的导线束的构成为，使其分别以360°、540°等扭转角进行扭转，并使定子铁心30内的形成交链的磁通相互抵消。扭转的形式如图20所示。
下面，用图11、图12说明导线束组、导线束及交链磁通的关系。图11是表示使用了4列导线束的电枢绕组全长的图像。在定子铁心30内，如图20所示，虽然每2列导线束进行扭转，但是，在导线束组1和导线束组2之间不进行扭转，使径向磁通φr2作用于导线束组之间。另外，所进行的扭转仅仅在定子铁心内，端部并没有进行扭转。两导线束组在最端部相互连接。在这里，从各导线束组中选择作为代表的导线束11、15、21、25进行说明。扭转角度是540°的例子。如图11、图18所示，在此，由于导线束组1内的导线束彼此进行了扭转，使槽内的交链磁通变为0，所以，在导线束11、15之间不会因φr2、φt2等磁场感应出循环电流。另一方面，如果说与端部I与端部II的磁通相关，由于导线束11与15的上下关系变换，所以，端部I处的圆周方向的磁通φt1与端部II的圆周方向的磁通φt3作用在导线束11与15上的极性相反。但是，由于磁场随着径向位置变化，所以交链磁通不能完全相抵消，稍有循环电流流动。有关导线束组2的导线束21、25的情况也是一样的。
下面，描述导线束组1和导线束组2之间形成交链的磁通的影响。这两组导线束组不相互进行扭转，在两组导线束组之间，槽内的径向的交链磁通φr1与端部的径向磁通φr2、φr3的总和进行交链。图12表示的是作为导线束电流的回路图。在这里，电流I0是以导线束数除电枢绕组的总电流I所得到的分电流，是导线束的平均电流。I1～I3表示由上述各个闭环中进行交链的磁通所产生的循环电流。在导线束11与15之间及导线束21与25之间，各个圆周方向上的磁通φt1-φt3进行交链，感应出抵消该磁通方向的循环电流I1、I2。另一方面，在导线束组1与导线束组2之间，即导线束11、15及导线束21、25之间，径向磁通φr1～φr3进行交链，感应出抵消该磁通方向的电流I3。即是说，流过导线束11、15、21、25的电流分别如下I11＝I0+I1+I3I15＝I0-I1+I3I21＝I0+I2-I3I25＝I0-I2-I3………………………………(式1)作为流过各导线束的电流I11＞I15＞I21＞I25………………………………(式2)由此可知每导线束上的电流值有改变。
这时，图14表示的是以往结构的导线束电流分布的图像。导线束电流大的导线束组1的发热大，而导线束组2的发热变小。在这里，在540°的扭转中，依据导线束的位置与端部的交链磁通的关系，在绕组上部与下部的发热变大。因此，在导线束组只有一个的情况下，也会产生图13所示的电流分布，使温度不均匀。另一方面，在实施例1中，导线束组2的电流流通电阻小于第1导线束组的电流流通电阻。所以，随着经过导线束组1、2循环的闭环的电阻变大，可减少循环电流I3。一旦I3变小，就能减少以(式1)表示的I11、I15。，降低导线束组1的发热。导线束组2虽然通过使电阻变大而减小电流，但是，由于电流的流通电阻变大，所以有发热增加的倾向。也就是说，如图15所示，通过使导线束组2的发热增加，导线束组1的发热减少，从而可实现断面内的温度均匀化。
在本实施例中，虽然说明了使导线束组2的电流流通电阻大于导线束组1的电流流通电阻的例子，但是，即使导线束组1的电流流通电阻小于导线束组2的电流流通电阻，也能获得同样的效果。在本实施例中，作为使电流流通电阻变大的手段，虽然都一律采取使导线束组2内的导线束的宽度变小的方式，但不限于此，当然，既可以是例如改变材质，也可以是通过改变导线束的高度或导线束形状、层数，从而改变电流的流通电阻。
实施例2图3表示本发明电枢绕组的第2实施例。本实施例表示应用于水冷却绕组方面的例子，作为改变电流流通电阻的手段，表示让导线束组2内的导线束的宽度(导线束断面积)都一律小于导线束组1内的导线束的宽度(导线束断面积)的例子。通过使导线束组2内的导线束的断面积小于导线束组1内的导线束的断面积，能使导线束组1内的导线束11等和导线束组2内的导线束21等形成的闭环的电流的流通电阻变大，可减少流过其间的循环电流。另外，通过减小电流小的导线束组2的导线束断面积变小，可使导线束组1与导线束组2的电流密度值相等，从而也能使发热均匀化。本实施例可适用于水冷却线圈，这是因为导线束11、14、21、24等是能通过冷却水的中空结构。导线束21、24等中，通水面积小于导线束11、14的通水面积，可通过与发热相对应的水量，因而可进一步实现温度均匀化。
实施例3图4表示本发明的电枢绕组的第3实施例。本实施例是把实施例2说明的结构的电枢绕组10、20(以下称作上线圈20、底线圈10)以上下两层配置在槽40内的例子。在本实施例中，底线圈10的导线束组102的导线束121、122等的宽度(导线束断面积)小于导线束组101的导线束111、112等的宽度(导线束断面积)，在上线圈20中，导线束组202的导线束221、222等的宽度(导线束断面积)小于导线束组201的导线束211、212等的宽度(导线束断面积)。即是说，在上线圈20与底线圈10中，电阻大的导线束的配置相对于槽40的左右处于同一侧。这在流过上线圈20的电流与流过底线圈10的电流为同极性、且同一极性的径向磁通作用的情况下是有效的。
实施例4图5表示本发明的电枢绕组的第4实施例。本实施例是将实施例1中说明的结构应用于水冷却绕组的电枢绕组110、220(以下称作上线圈220、底线圈110)配置在槽40内的例子。在本实施例中，底线圈110的导线束组102的导线束121、122等的宽度(导线束断面积)小于导线束组101的导线束111、112等的宽度(导线束断面积)，在上线圈220中，导线束组201的导线束211、212等的宽度(导线束断面积)小于导线束组202的导线束221、222等的宽度(导线束断面积)。即是说，在上线圈220与底线圈110中，电阻大的导线束的配置相对于槽40的左右配置在相反的一侧。这种结构，在流过上线圈220的电流与流过底线圈110的电流的极性相反、且作用于上线圈220与底线圈110上的径向磁通为同极性的情况下是有效的，或者在流过上线圈220的电流与流过底线圈110的电流的极性相同、且作用的径向磁通为反极性的情况下也是有效的实施例5图6表示本发明的电枢绕组的第5实施例。在该图所见示的实施例中，只在导线束组2的上部与下部配置中空的导线束21、24等，导线束组1的结构与实施例2(参照图3)相同。在这样的实施例的结构中，可减少发热量少的导线束组2的冷却水量，能进行发热量平衡的有效的冷却。另外，导线束组2的上部与下部如图14所示，由于发热大，所以在本实施例的结构中，可集中对该部分进行冷却，冷却效率高。
实施例6图7表示本发明的电枢绕组的第6实施例。本实施例是表示使用6列导线束的电枢绕组的适用例子，由导线束组1～3的3个导线束组构成。在本例子中，导线束组2的导线束的宽度(导线束断面积)小于导线束组1的导线束的宽度(导线束断面积)，导线束组3的导线束的宽度(导线束断面积)小于导线束组2的导线束的宽度(导线束断面积)。于是，即使在增加导线束组的数量的情况下，如果与流过各导线束的循环电流相对应地增减导线束断面积，则能获得与由两个导线束组构成的实施例2同样的效果。
实施例7图8表示本发明的电枢绕组的第7实施例。本实施例是由一个导线束组构成的电枢绕组的适用例子，表示在端部配置导线束的例子。在通常的2列线圈中，由于图13所示的循环电流的影响，使绕组的上部与下部的发热密度变大。因此，在本实施例中，发热大的上部的导线束11、12等及下部的导线束1n等的断面积小于其他(中央部)的导线束断面积。也就是说，其结构使通过上部与下部侧的导线束的电流的流通电阻大于通过中央部侧的导线束的电流的流通电阻。于是，通过缩小上部与下部的导线束的断面积，可减少该部分所产生的附加损失例如、电流的涡流损失，使温度均匀化。
实施例8图9表示本发明的电枢绕组的第8实施例。本实施例是由一个导线束组构成的电枢绕组的适用例子，在发热密度大的绕组的上部与下部，集中配置有水冷却用的中空的导线束11、14等，能更好的冷却绕组的上部与下部。在本实施例的结构中，可集中冷却发热大的绕组的上部、下部，在提高了冷却效率的同时，也可使温度均匀化。
实施例9图10表示本发明的电枢绕组的第9实施例。本实施例改变实施例8的视点，仅仅在线圈上部集中配置有中空的导线束11、12等。在360°的导线束扭转中，电枢绕组10、20上侧的循环电流变为最大的例子多一些，因此可集中冷却该部分，实现温度均匀化。
采用本发明，可减少绕组内的循环电流，由于不会产生局部温度高的部分，因而，可实现电枢温度上升的均匀化，并能减少温度的上升。
权利要求
1.一种电枢绕组，具有至少两列多层使导线束成束的导线束组和覆盖该导线束组周围的主绝缘，所述导线束由实心导线束和冷却媒体可通过的中空导线束构成，并且对这些导线束进行扭转，其特征是，所述中空导线束集中配置在所述导线束组断面的上部及下部侧，实心导线束集中配置在中央部。
2.一种旋转电机，具有由转子铁心与容纳在该转子铁心的槽内的励磁线圈组成的转子；以及与该转子以给定间隔对峙配置的、由定子铁心与容纳在该定子铁心的槽内的电枢绕组组成的定子，其特征是，所述电枢绕组是权利要求1所记载的电枢绕组。
全文摘要
本发明涉及电枢绕组及使用该电枢绕组的旋转电机。本发明的目的在于减少电枢绕组内的循环电流，实现温度的均匀化。为实现上述发明目的，本发明的电枢绕组，具有至少两列多层使导线束成束的导线束组和覆盖该导线束组周围的主绝缘，并对上述导线束进行扭转，其特征是，通过上述导线束组断面上部及下部侧的上述导线束的电流的流通电阻大于通过中央侧的上述导线束的电流的流通电阻，或者，通过上述多个导线束组中的至少一个导线束组的电流的流通电阻，大于通过其他导线束组的电流的流通电阻。
文档编号H02K3/22GK1937359SQ200610137190
公开日2007年3月28日 申请日期2004年11月25日 优先权日2003年11月28日
发明者服部宪一, 高桥和彦, 井出一正, 柴田孝, 渡边孝 申请人:株式会社日立制作所