旋转电机的电枢绕组的制作方法

技术领域

本发明的实施方式涉及一种旋转电机的电枢绕组。

背景技术：

旋转电机的定子如图7所示那样构成。图7是表示沿轴向观察旋转电机的定子的一部分、具体而言为定子的1个绕组槽附近时的构成的截面模式图。旋转电机的定子具有由层叠铁板构成的定子铁心3以及电枢绕组2。在定子铁心3上，例如设置有以沿着位于图7上方的未图示的转子的旋转轴心的方式延伸的多个绕组槽10，且在径向上设置有未图示的多个通风管道。在各绕组槽10中收纳有电枢绕组2。

电枢绕组2由上线圈片2c和下线圈片2d构成，该上线圈片2c和下线圈片2d分别由层叠的多个线材导体5构成，各线材导体5例如形成为，在收纳于绕组槽10内的范围内以绕组槽10的延伸方向为轴扭转而进行换位，作为代表性的例子形成为进行360度换位，在相比定子铁心3的两侧面朝外侧突出的线圈片端部的最端部部分短路。图8是表示线材导体5的换位的例子的立体图。如图8所示，通过将各个线材导体5以规定的换位间距例如以依次从列1向列2跨越的方式扭转而形成多层线材导体。

当在具有这样的多层线材导体的电枢绕组2中流动交流电流时，如图7所示，产生沿周向横切绕组槽10的漏磁通M，在多层线材导体的长度方向的各部分的线材导体间感应出电压。并且，当在某个线材导体对中遍及全长而线材导体间的感应电压产生非常大的差时，在闭合环状的线材导体对中流动较大的循环电流、即在线材导体对中循环的电流，电流损失增大并且在线材导体内部产生的热也增大。

此外，旋转电机的电枢绕组以及磁场绕组为，由于构成它们的绝缘物的耐热性能而被严格限制温度上限，在旋转电机的设计中，需要设计成将它们的温度保持在标准值以下。

因此，为了遍及多层线材导体的全长使在各线材导体间感应出的电压大致相等而不流动循环电流，通过各种方法对线材导体5进行换位。

此处，参照图9以及图10对以往的线材导体的换位进行说明。该线材导体的换位通过将各线材导体相对于绕组槽的延伸方向扭转(具体而言使各线材导体的位置依次变更)来实现。在进行扭转时，将某一个线材导体视为围绕线圈片的截面中心部呈圆状旋转移动，通过旋转移动的角度来表示换位的程度。将此时的角度称作“线材换位角度”。此外，将各线材导体在线圈片截面中经由全部位置而在绕组槽的相反端成为与出发的位置相同的位置的换位称作360度换位。

图9是表示沿周向观察以往的旋转电机的电枢绕组的线材换位的模式图。上线圈片2c和下线圈片2d形成为，在收纳在定子铁心3的绕组槽内的范围内，各线材导体以绕组槽的延伸方向为轴扭转而进行360度换位。

在连接侧的线圈片端部2b-1、反连接侧的线圈片端部2b-2，都是各线圈片端部的线材导体通过短路板13串联连接(短路)，上线圈片2c与下线圈片2d在反连接侧的线圈片端部2b-2通过短路板13连接(短路)。但是，虽然未图示，但在实际上在连接侧的线圈片端部2b-1，上线圈片2c与下线圈片2d也通过短路板13连接(短路)，形成基于卷绕多圈的绕组。

在图9中表示在两个代表性的线材导体5a、5b间交链的磁通16(磁通16+、16-等)。图中的标记(黑圆记号、×记号)表示在某个电流流动的瞬间产生的磁通的朝向，表示由交链的磁通产生的感应电压的关系。黑圆记号表示磁通的朝向为相对于纸面朝向近前的方向，×记号表示磁通的朝向为相对于纸面朝向进深的方向。构成为，磁通16+与磁通16-之和在铁心内相等，由在绕组槽10内交链的磁通产生的线材导体5a、5b间的感应电压相互抵消。

另一方面，在绕组槽10外的线圈片端部2b-1、2b-2的区域中，产生包含各种漏磁通的磁通16x、16y。即，虽然在绕组槽内实施有360度换位，但是在绕组槽10外的线圈片端部2b-1、2b-2的区域中未进行换位，因此由于在定子铁心3的端部侧产生的漏磁通而产生不平衡电压，在线材导体5a、5b内产生图中的箭头方向的循环电流。图11是表示在线圈片端部2b-1、2b-2产生的漏磁通的截面模式图。在线圈片端部2b-1、2b-2，复杂地分布有在绕组的导体本身中流动的电流所产生的漏磁通16a、以及其他绕组、转子所产生的漏磁通16b(将旋转电机的径向的磁通Bv与周向的磁通Bc合并而得到的磁通)，这些被合成而得到的漏磁通成为循环电流的起因源。

如以上所述那样，在定子铁心3的端部侧存在漏磁通，由此在绕组导体的端部的线材导体间感应出电压，在线材导体内流动循环电流而产生电流损失。为了降低该损失，只要将线材导体的两端部的线材导体的位置反转，使在相同线材导体的两端部感应出的各电压的方向相互相反而使它们相互抵消即可。能够通过将线材导体在绕组槽内进行540度换位、即进行一圈半的换位来实现该情况。但是，在540度换位时，需要使定子铁心内的换位间距在铁心的端部附近成为中央部的一半，在铁心长度较短的旋转电机中，有时在制造上难以实现。

由于存在这些课题，因此还已知采用如图10所示在线圈片端部也进行换位的“90度/360度/90度换位”的构成的技术。该绕组中，在双方的线圈片端部线材导体都进行90度换位，且在定子铁心的绕组槽内进行360度换位。

此外，还已知有如下构成：以进一步抑制线材导体内的循环电流、并使线材导体的温度梯度平均化为目的，在绕组槽内设置不足360度的线材换位角度或者不进行换位的“空地”，并且使线圈片的线材换位角度成为60度～120度之间。

在上述的现有技术中，虽然能够抑制由线材间的不平衡电压产生的循环电流，但是根据大规模的数值计算，在两端部的线材导体间交链的磁通根据各种条件而改变。

图12A以及图12B是表示向数百MW级涡轮发电机的线圈片端部的入射磁通的数值解析结果的图表，图12A表示向位于相带端的线圈片端部(面向不同的相带的边界部的线圈片端部)的入射磁通密度，图12B表示向相带中央部的线圈片的入射磁通密度。图12A、图12B中的Bc表示旋转电机的周向的入射磁通密度[T]，Bv(abs)表示旋转电机的径向的入射磁通密度[T]，Bi表示电流流动的方向的入射磁通密度[T]。此外，图12A、图12B中的横轴表示线圈片端部的长度方向的距离[m]。2[m]的位置相当于线圈片端部彼此连接的部分的位置，0[m]以及4[m]的各位置分别相当于线圈片端部的未收纳于铁心槽的范围的端部(铁心的侧面部)的位置。

如图12A以及图12B所示，与向下线圈片的入射磁通密度相比，向上线圈片的入射磁通密度以较高的值分布。此外，当比较图12A与图12B时，与图12B所示的相带中央部相比，图12A所示的相带端的入射磁通密度变高。

图12C是表示向相带内的每个线圈片的上线圈片的入射磁通量的图表。在图12C中，Φc(abs)表示与上述Bc对应的磁通，Φv(abs)表示与上述Bv对应的磁通。此外，Φi(abs)表示电流流动的方向的磁通。线圈片编号1～12中的线圈片编号1、12分别相当于位于相带端的线圈片。根据图12C的图表可知，越接近相带端则入射磁通量越大。

图13是表示以往的旋转电机的电枢绕组的1相量的展开模式图。在连接侧、反连接侧，由于绕组间距的不同、用于支承固定铁心的构造的不同，当将线圈片端部2b-1、2b-2的线圈片端部的长度分别设为L1、L2时，有时L1与L2不同。在图13中，连接侧的线圈片端部2b-1的绕组间距P1比反连接侧的线圈片端部2b-2的绕组间距P2小1个槽间距的量，因此线圈片端部的长度变短。根据连接的方法的不同，也有时连接侧与反连接侧的绕组间距之差大于1，与此相应，各线圈片端部的长度不同，入射磁通密度产生差异。此外，即使在相同侧的线圈片端部中，也存在改变绕组间距的情况，在该情况下，根据各线圈片端部的长度的不同，入射磁通密度产生差异。

如此，当根据线圈片的配置、旋转电机的构造的不同而入射磁通量不同时，由其产生的循环电流、循环电流损失也产生差，即，线圈片的温度上升也产生差。

当线圈片的温度上升局部地变大时，与此相伴还需要具备绝缘的耐热性能，因此会导致旋转电机整体的大型化、长期可靠性降低，因此需要使线圈片的温度上升正常化。

技术实现要素：

根据这样的情况，期望提供一种旋转电机的电枢绕组，能够减小由在线圈片的线材间交链的磁通之差产生的线材导体间的循环电流，并能够抑制电枢绕组的损失增加以及局部过热。

根据一个实施方式，提供一种旋转电机的电枢绕组，具备分别一部分收纳于设置在定子铁心上的多个绕组槽的多个线圈片，并形成为构成各线圈片的多个线材导体扭转而进行换位，在该旋转电机的电枢绕组中构成为，比上述定子铁心的侧面朝外侧突出的各线圈片端部的至少一部分，与入射磁通量或者入射磁通密度的不同相应而线材导体的换位角度不同。

附图说明

图1是表示第1实施方式的旋转电机的电枢绕组的1相量的展开模式图。

图2是表示该实施方式的旋转电机的电枢绕组的线材换位的模式图。

图3是表示线材换位角度与循环电流损失的关系的图表。

图4是表示第2实施方式的旋转电机的电枢绕组的1相量的展开模式图。

图5是表示该实施方式的旋转电机的电枢绕组的线材换位的模式图。

图6是表示第3实施方式的旋转电机的电枢绕组的线材换位的模式图。

图7是表示电枢绕组的绕组槽内的漏磁通的截面模式图。

图8是表示线材导体的换位的例子的立体图。

图9是表示以往的旋转电机的电枢绕组的线材换位的模式图。

图10是表示以往的旋转电机的电枢绕组的线材换位的模式图。

图11是表示在线圈片端部产生的漏磁通的截面模式图。

图12A是表示向线圈片端部的入射磁通的数值解析结果的图表。

图12B是表示向线圈片端部的入射磁通的数值解析结果的图表。

图12C是表示向线圈片端部的入射磁通的数值解析结果的图表。

图13是表示以往的旋转电机的电枢绕组的1相量的展开模式图。

具体实施方式

以下，参照附图对各实施方式进行说明。

(第1实施方式)

首先，参照图1至图3对第1实施方式进行说明。

图1是表示第1实施方式的旋转电机的电枢绕组的1相量的展开模式图。另外，对于与上述图7至图13共通的要素赋予相同的符号。

图1所示的旋转电机的电枢绕组，以2层收纳于设置在由层叠铁板构成的电枢铁心3上的多个绕组槽10。具体而言，各相的电枢绕组2具备分别一部分收纳于多个绕组槽10的上线圈片2c与下线圈片2d。上线圈片2c收纳于绕组槽10内的开口部侧，下线圈片2d收纳于绕组槽10内的底侧。

各电枢绕组2在各自的线圈片端部的最端部部分通过短路板13串联连接(短路)。在反连接侧的线圈片端部2b-2，上线圈片2c与下线圈片2d各自的线圈片端部2f彼此通过短路板13连接。此外，在连接侧的线圈片端部2b-1，除了与绕组引线部12连接的线圈片端部2e之外，上线圈片2c与下线圈片2d各自的线圈片端部2e彼此通过短路板13连接。

连接侧的线圈片端部2b-1的绕组间距P1比反连接侧的线圈片端部2b-2的绕组间距P2小1个槽间距的量，反连接侧的线圈片端部2b-2的长度L2比连接侧的线圈片端部2b-1的长度L1更长。

图2是表示沿周向观察该实施方式的旋转电机的电枢绕组2的线材换位的模式图。

上线圈片2c与下线圈片2d形成为，在收纳于定子铁心3的绕组槽内的范围内，各线材导体以绕组槽的延伸方向为轴扭转而进行360度换位。即，将线材换位角度设为360度。

此外，在连接侧的线圈片端部2b-1，将线圈片端部2e的线材换位角度设为90度。另一方面，在反连接侧的线圈片端部2b-2，将线圈片端部2f的线材换位角度设为135度。即，构成为，反连接侧的线圈片端部2b-2的线材换位角度大于连接侧的线圈片端部2b-1的线材换位角度。

在图2中表示在2个代表性的线材导体5a、5b间交链的磁通16(磁通16+、16-等)。图中的标记(黑圆记号、×记号)表示在某个电流流动的瞬间产生的磁通的朝向，表示由交链的磁通产生的感应电压的关系。黑圆记号表示磁通的朝向为相对于纸面朝向近前的方向，×记号表示磁通的朝向为相对于纸面朝向进深的方向。磁通16+与磁通16-之和在铁心内相等，由在绕组槽10内交链的磁通产生的线材导体5a、5b间的感应电压相互抵消。在线圈片端部2b-1、2b-2的区域中也产生磁通16+、磁通16-。

图3是表示线圈片端部的线材换位角度与循环电流损失的关系的图表。

该图表按照旋转电机的径向的磁通Bv、周向的磁通Bc来描绘在线材导体间交链的磁通量相同的情况下、与线材换位角度相对的循环电流损失。横轴表示线材换位角度[度]，纵轴表示循环电流损失[PU]。

根据上述图表可知，例如在使换位角度从以往的端部换位角度90度进一步如本实施方式那样增加到135度的情况下，相对于相同磁通量的循环电流损失减少至一半程度。该损失降低的程度根据旋转电机的设计条件、运转条件的不同而不同，因此在要求出最佳的换位角度时，期望在各个条件下通过数值解析来求出，但在一般情况下可以认为，即便条件发生改变图3的图表所示的倾向也大致相同，因此期望将换位角度的差设为30度～60度的范围。

如此，根据第1实施方式，通过使线圈片端部的长度较长、入射磁通量较大的反连接侧的线圈片端部2b-2的线材换位角度大于线圈片端部2b-1的线材换位角度，由此能够降低反连接侧的线圈片端部2b-2的循环电流损失，能够使温度上升正常化，能够得到可靠性更高的旋转电机的电枢绕组以及旋转电机。

另外，从损失降低的观点出发，通过增大全部线圈片端部的线材换位角度，能够抑制整体的损失产生，但是在增大换位角度的情况下，换位间距变小，因此在线材的加工方面较困难，使对线材施加的绝缘损伤的可能性也变大。因而，期望尽量减少使线材换位角度增大的线圈片，因此如本实施方式那样，仅在特别需要的线圈片中增大换位角度，能够提高电枢绕组以及旋转电机的可靠性。

此外，如本实施方式那样，在增大线圈片端部的长度较长的部分的换位角度的情况下，如果将换位角度增大长度之差的量，则还能够将换位间距保持为恒定，因此从电枢绕组的制造方面来看，也可以认为是进一步提高了可靠性的构成。

另外，本实施方式并不限定于图示的构成，只要根据旋转电机的设计条件来对线圈片端部的换位角度设置适当的差，则作为换位角度的绝对值，当然存在选择的自由度。

此外，在本实施方式中，表示了从各线圈片端部的端到端使线材换位的例子，但是也可以局部地存在不进行换位的部位或者改变换位角度的部位。例如，也可以不使线圈片端部2f的线材换位角度一致(例如成为135度)，而在从线圈片端部2f的铁心侧起到中途为止的范围内使线材换位角度成为0或者改变线材换位角度(例如成为90度)。

(第2实施方式)

图4是表示第2实施方式的旋转电机的电枢绕组的1相量的展开模式图，图5是表示沿周向观察第2实施方式的旋转电机的电枢绕组2的线材换位的模式图。另外，对于与图1、图2共通的要素赋予相同的符号，并省略重复的说明。

在本实施方式中构成为，如图4所示，在线圈片端部2b-1、2b-2的各自中，位于相带端的线圈片端部(面向不同的相带的边界部的线圈片端部)2f的线材换位角度大于相带中央部的线圈片端部(不面向边界部的线圈片端部)2e的线材换位角度。

线圈片端部2e的线材换位与上述图10所示的线材换位相同，其线材换位角度例如为90度。与此相对，线圈片端部2f的线材换位成为图5所示那样，其线材换位角度例如为120度。

如此，根据第2实施方式，通过使位于相带端的线圈片端部2f的线材换位角度大于相带中央部的线圈片端部2e的线材换位角度，由此能够降低位于入射磁通量较大的相带端的线圈片端部的循环电流损失，能够使电枢绕组的温度上升正常化，能够得到可靠性更高的旋转电机的电枢绕组以及旋转电机。

另外，在本实施方式中，从相带端侧起各设定有1个使线材换位角度增大的线圈片端部，但是根据入射磁通量之差，其个数也不一定为各1个，当然能够从相带端侧到相带中央部逐渐改变线材换位角度等、其个数、变化程度存在自由度。

此外，在本实施方式中，表示了从各线圈片端部的端到端使线材换位的例子，但是也可以局部地存在不进行换位的部位或者改变换位角度的部位。例如，也可以不使线圈片端部2f的线材换位角度一致(例如成为120度)，而在从线圈片端部2f的铁心侧到中途为止的范围内使线材换位角度成为0或者改变线材换位角度(例如成为90度)。

(第3实施方式)

图6是表示沿周向观察第3实施方式的旋转电机的电枢绕组2的线材换位的模式图。另外，对于与图2以及图5共通的要素赋予相同的符号，并省略重复的说明。

在本实施方式中构成为，如图6所示，在线圈片端部2b-1、2b-2的各自中，上线圈片2c的线圈片端部2e-1的线材换位角度大于下线圈片2d的线圈片端部2e-2。

下线圈片2d的线圈片端部2e-2的线材换位与上述图10所示的线材换位相同，其线材换位角度例如为90度。与此相对，上线圈片2c的线圈片端部2e-1的线材换位成为图6所示那样，其线材换位角度例如为120度。

损失降低的程度根据旋转电机的设计条件、运转条件的不同而不同，因此在要求出最佳的换位角度时，期望在各个条件下通过数值解析来求出，但是在一般情况下可以认为，即便条件发生改变图3的图表所示的倾向也大致相同，此外，可以认为上线圈片2c与下线圈片2d的入射磁通量之差大于图12所示那样的相带的位置之差，因此期望将换位角度的差设为30度～120度的范围。

如此，根据第3实施方式，通过使上线圈片2c的线圈片端部2e-1的线材换位角度大于下线圈片2d的线圈片端部2e-2，由此能够降低入射磁通密度较高的线圈片端部2e-1的循环电流损失，能够使电枢绕组的温度上升正常化，能够得到可靠性更高的旋转电机的电枢绕组以及旋转电机。

另外，在本实施方式中，表示了从各线圈片端部的端到端使线材进行换位的例子，但是也可以局部地存在不进行换位的部位或者改变换位角度的部位。例如，也可以不使线圈片端部2f的线材换位角度一致(例如成为135度)，而在从线圈片端部2f的铁心侧到中途为止的范围内使线材换位角度成为0或者改变线材换位角度(例如成为90度)。

如以上详细叙述的那样，根据各实施方式，能够降低由在线圈片的线材间交链的磁通之差产生的线材导体间的循环电流，能够抑制电枢绕组的损失增加以及局部过热。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图对发明的范围进行限定。这些新的实施方式能够以其他各种方式加以实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及主旨中，并同样包含于权利要求所记载的发明和与其等同的范围内。