CN101647178A - 旋转电机 - Google Patents

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Abstract

一种旋转电机，通过将转子铁芯的磁极部的最窄部外侧的转子铁芯部分进行电磁有效活用，允许大的磁场电流，并抑制转子线圈的温度上升度，实现发电机大容量化以及小型化。旋转电机具有在定子铁芯(1)上缠绕了电枢线圈的定子和圆筒状的转子。转子为，形成至少一对磁极部(2)和在该磁极部之间的非磁极部(3)的极间部(6)，非磁极部(3)上以预定间隔形成多个转子槽(4)，在该转子槽(4)内缠绕了励磁线圈。在转子槽(4)中除了在离磁极部(2)最近的位置上形成的转子槽(4a)之外的其他转子槽(4)的截面积，沿从磁极部(2)向极间部(3)的方向增大。

Description

旋转电机
技术领域
本发明涉及一种发电机等旋转电机，特别是关于对转子槽的形状施加了改良的旋转电机。
背景技术
发电机等旋转电机一般构成为，具有：在定子铁芯上缠绕了电枢线圈的中空圆筒形状的定子；和转子，直径比该定子的中空部的直径小一些，并在圆筒状的转子铁芯上层叠为多重环状地缠绕了励磁线圈；转子以同心状设置在定子的中空圆筒内。
该定子和转子各自具备铁芯，并在该铁芯上形成的槽内分别通过铜等导电性的条、即所谓的线圈而在轴向上配设电枢线圈以及励磁线圈，转子侧的线圈即励磁线圈从励磁电源接受直流电源而在励磁的状态下使转子旋转，由此以在定子侧感应电压的方式进行发电作用。
在涡轮发电机那样的高速机的情况下，为使转子铁芯具有与旋转时的离心力相对的机械强度，通常由一个钢块制作。
图24是表示现有旋转电机的剖面图。在图24中，1是旋转电机的转子铁芯，相对于缠绕了电枢线圈15的定子铁芯16，隔着空隙地设置为同心状，形成剖面大致圆形。并且，在夹着铁芯的大致中心点的外周上的对称位置上形成磁场磁通Φ通过的至少一对磁极部2、2，并与该磁极部2、2之外的非磁极部3分开。
在非磁极部3上，以规定间隔形成用于收纳未图示的励磁线圈的多个转子槽4。5是在转子槽4之间形成的转子T形部。
由于对于每1极形成有整数个转子槽4，因此在磁极部2、2的中间部的大致中央形成有极间部6。
转子槽4内收纳有励磁线圈7，在励磁线圈7的外径侧打入了旋转时线圈防脱用的转子楔17，成为相对于离心力来保持励磁线圈7的构造。
并且，如图25所示，转子线圈7在励磁线圈端部通过搭接片8而电串联，构成励磁线圈。
励磁线圈端部通过端环9、端环支撑10以及绝缘筒11来相对于旋转时的旋转离心力而进行保持。
作用于图24所示的在转子槽4内收纳的转子线圈7上的离心力，经由转子楔17被传递到转子T形部5上而被保持，因此转子T形部5的宽度被设计为具有足够承受该离心力的强度。
另外，通过对励磁线圈进行励磁而产生的磁场磁通，主要通过转子铁芯1的磁极部2而被供给到未图示的定子侧，此时通常磁极部2的最窄部12的磁通密度最大。
当磁通密度增大时，在该部分发生磁饱和现象而导致磁场磁通的减少，所以磁极部2的最窄部12被设计为能够确保在该部分不发生显著的磁饱和现象那样的宽度尺寸G。
另外，有时在转子槽4的内径侧还设置用来导入冷却气体的冷却气体导入槽，该冷却气体导入槽有时使磁场磁通Φ的密度增大，并影响磁极部2的最窄部12的宽度尺寸G。
因此，转子槽4的尺寸受上述转子T形部5的宽度以及磁极部2的最窄部12的宽度尺寸G的限制。
特别是由于磁极部2的最窄部12的尺寸G的限制，采用如下设计的情况较多：如图24所示，使在离磁极部2最近的位置上形成的转子槽4a的深度比其他转子槽4的深度浅。
此外，使转子槽4在旋转方向前进侧和延迟侧为不同配置的方法也被考虑(例如参照特许文献1)，并且，在磁极部2的表面部上设置狭缝的方法也被考虑(例如参照特许文献2)。
这些方法都实现在负荷时降低磁场电流，并减少转子温度上升。
特许文献1：日本特开平9-84312号公报
特许文献2：日本特开平11-206045号公报
发电机的输出依赖于通过转子铁芯1的磁极部2的磁场磁通Φ的大小，因此为了实现发电机的大容量化，需要增加磁场磁通Φ，并必然需要增加磁场磁动势。
为了在相同结构的转子中增加磁场磁动势而需要增加磁场电流，结果励磁线圈的电流密度增大，导致线圈温度的上升。
然而，具有如下课题：转子线圈的温度受用于线圈的绝缘物的绝缘材料的温度上限严格限制，在局部产生线圈温度较高的部位时，即使在其他部位线圈温度比温度上限低的情况下，也需要限制磁场电流来抑制发热量，无法提高旋转电机输出。
并且，还存在的问题为：当多重缠绕的转子线圈之间的线圈温度不同时，产生转子线圈热膨胀的不平衡导致的轴震动，并成为发电机故障的原因，可靠性降低。
另一方面，磁场磁通Φ的上限受转子铁芯1的磁极部2的最窄部12的宽度尺寸G限制，因此最窄部12的宽度尺寸G外侧的转子铁芯部分成为未被有效活用的部分。
发明内容
本发明是鉴于上述问题点而进行的，其目的是得到一种旋转电机，通过将转子铁芯的磁极部的最窄部外侧的转子铁芯部分进行电磁有效活用，而允许大的磁场电流，并抑制转子线圈的温度上升度，实现发电机大容量化以及小型化。
为实现上述目的，本发明方式1所记载的发明为一种旋转电机，其特征在于，具有：在定子铁芯上缠绕了电枢线圈的定子；和圆筒状的转子，形成至少一对磁极部和在该磁极部之间的非磁极部上形成的极间部，在上述非磁极部上以预定间隔形成多个转子槽，在该转子槽内缠绕了励磁线圈；其中，上述转子槽中除了在离上述磁极部最近的位置上形成的转子槽之外的其他转子槽的截面积，沿从磁极部向极间部的方向增大。
根据本发明，得到一种旋转电机，通过将转子铁芯的磁极部的最窄部外侧的转子铁芯部分进行电磁有效活用，而允许大的磁场电流，并抑制转子线圈的温度上升度，实现发电机大容量化以及小型化。
附图说明
图1是表示本发明第1实施方式的旋转电机的转子的1/4形状的主视图。
图2是表示本发明第1实施方式的旋转电机的转子的第1变形例的、表示1/4形状的主视图。
图3是表示本发明第1实施方式的旋转电机的转子的第2变形例的、表示1/4形状的主视图。
图4是表示本发明第1实施方式的旋转电机的转子的第3变形例的、表示1/4形状的主视图。
图5是表示本发明第1实施方式的旋转电机的转子的第4变形例的、表示1/4形状的主视图。
图6是表示本发明第1实施方式的旋转电机的转子的第5变形例的、表示1/4形状的主视图。
图7是表示本发明第1实施方式的旋转电机的转子的第6变形例的、表示1/4形状的主视图。
图8是表示适用了本发明时的旋转电机的转子线圈截面上的磁场磁通分布的解析结果的一例的图。
图9是表示本发明第2实施方式的旋转电机的转子的1/4形状的主视图。
图10是表示本发明第2实施方式的旋转电机的转子的第1变形例的、表示1/4形状的主视图。
图11是表示本发明第2实施方式的旋转电机的转子的第2变形例的、表示1/4形状的主视图。
图12是表示本发明第2实施方式的旋转电机的转子的第3变形例的、表示1/4形状的主视图。
图13是表示本发明第3实施方式的旋转电机的转子的1/4形状的主视图。
图14是表示本发明第3实施方式的旋转电机的转子的第1变形例的、表示1/4形状的主视图。
图15是表示本发明第3实施方式的旋转电机的转子的第2变形例的、表示1/4形状的主视图。
图16是表示本发明第3实施方式的旋转电机的转子的第3变形例的、表示1/4形状的主视图。
图17是表示本发明第3实施方式的旋转电机的转子的第4变形例的、表示1/4形状的主视图。
图18是表示本发明第3实施方式的旋转电机的转子的第5变形例的、表示1/4形状的主视图。
图19是表示本发明第4实施方式的旋转电机的转子的1/4形状的主视图。
图20是表示本发明第4实施方式的旋转电机的转子的第1变形例的、表示1/4形状的主视图。
图21是表示本发明第4实施方式的旋转电机的转子的第2变形例的、表示1/4形状的主视图。
图22是表示本发明第4实施方式的旋转电机的转子的第3变形例的、表示1/4形状的主视图。
图23是表示本发明第4实施方式的旋转电机的转子的第4变形例的、表示1/4形状的主视图。
图24是以往的旋转电机的截面图。
图25是表示以往的旋转电机的转子的端环部的励磁线圈的构成的截面图。
符号说明
1...转子铁芯，2...磁极部，3...非磁极部，4...转子槽，5...转子T形部，6...极间部，7...转子线圈，8...搭接片，9...端环，10...端环支撑，11...绝缘筒，12...磁极部的最窄部，13、14...冷却气体导入用通道，15...电枢线圈，16...定子铁芯，17...转子楔，G...磁极部的最窄部的宽度，L...转子槽的宽度，d...转子槽的深度，S...转子槽的截面积，α...槽间隔角度。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。
另外，在以下的实施方式的说明中，对于与图24以及图25所表示的以往的发明相同的部分赋予同一符号，省略详细说明。
(第1实施方式)
图1至图7是表示本发明第1实施方式的旋转电机的转子的图，省略定子侧的图示。在图1中，1是旋转电机的转子铁芯(在图中表示1/4周的量)，2是磁极部，3是非磁极部，4是在上述非磁极部3上形成的转子槽，5是转子T形部，6是极间部。
本实施方式的旋转电机的转子铁芯1，具有为了收纳未图示的转子线圈而从转子铁芯1的外径侧向内径侧切口的多个转子槽4。这些转子槽4中，在除了在离磁极部2最近的位置上形成的转子槽4a之外的其他的多个转子槽4中，各槽截面积S1、S2、S3、S4形成为，沿着从磁极部2向极间部6的方向而阶段性地扩大(S1＜S2＜S3＜S4)。
如图1所示，作为扩大槽截面积S的方法，存在使转子槽4的深度d为一定，在维持转子T形部5的应力的范围内，将转子槽4的宽度L沿从磁极部2向极间部6的方向逐渐扩大的方法，但并不一定需要为阶段性。
如图2所示，作为扩大上述的转子槽4的槽截面积S的其他方法，还存在使转子槽4的宽度L一定，在维持转子T形部5的应力的范围内，将转子槽4的深度d沿从磁极部2向极间部6的方向依次加深的方法。
另外，如图3所示，也可以使转子槽4的宽度L一定，将相邻的槽之间的槽间隔角度α(槽的间隔)沿从磁极部2向极间部6的方向按照α1＜α2＜α3＜α4那样阶段性地扩大，同时在维持转子T形部5的应力的范围内，将转子槽4的深度d形成为沿从磁极部2向极间部6的方向加深。并且，如图4所示，也可以使转子槽4的深度d沿从磁极部2向极间部6的方向阶段性地加深，同时在维持转子T形部5的应力的范围内，将转子槽4的宽度L按照L1＜L2＜L3＜L4方式增大。并且，如图5所示，也可以使转子槽4的槽间隔角度α沿从磁极部2向极间部6的方向阶段性到扩大，同时在维持转子T形部5的应力的范围内，将转子槽4的宽度L沿从磁极部2向极间部6的方向增大。
并且，如图6所示，也可以构成为，使转子槽4的槽间隔角度α沿从磁极部2向极间部6的方向阶段性地扩大，同时在维持转子T形部5的应力的范围内，调整转子槽4的宽度L和槽的深度d，使槽截面积S增大。
另一方面，如图7所示，也可以构成为，将转子槽4的宽度L朝向转子内径侧减小为锥状。
这样，设置在转子铁芯1上的转子槽4的截面积S形成为，除了在离磁极部2最近的位置上形成的转子槽4a之外、其他的多个转子槽4的各槽截面积S1、S2、S3、S4，沿从磁极部2向极间部6的方向阶段性地扩大(S1＜S2＜S3＜S4)。由此，可增加能够在转子槽4内收纳的励磁线圈的绝对量，其结果，能够使磁场电流的通电截面积增加。
并且，通过沿从磁极部2向极间部6的方向将转子槽4的深度d、转子槽4的宽度L以及槽间隔角度α增大，由此能够不影响磁极部2的最窄部宽度G，而确保更大的槽截面积S。
另一方面，通过使转子槽4的宽度K朝向转子内径侧减小为锥状，由此能够更大地确保转子铁芯内径侧的转子T形部5的最小宽度。
根据上述内容，通过增加设置在转子铁芯1上的转子槽4的综合截面积，由此能够增大励磁线圈的磁场电流的通电截面积，在通电截面积增大的转子槽4中能够降低磁场电流密度。
由此，由于在该部分中伴随通电的励磁线圈的发热密度降低，因此与相同外径的转子相比较能够得到对线圈冷却有利的构成。
结果，能够实现使磁场电流增加而增加发电机输出，以及将发电机大小小型化。
并且，通过降低冷却风量，由此能够削减通风损失，对发电机功率的提高也有贡献。
并且，通过沿从磁极部2向极间部6的方向而阶段性地增加转子槽4的截面积，由此能够抑制励磁线圈长度较长的极间部侧的转子线圈7的温度上升度，抑制励磁线圈的热延伸量，能够提供更安全的发电机。
此外，通过将转子槽4的截面积S以朝向铁芯内径侧减小的方式成为锥状，由此能够对相对于旋转离心力的强度赋予余量，能够容易使转子槽截面积S扩大，并进一步提高上述效果。
另一方面，伴随转子槽4的截面积S的增加，增加励磁线圈的匝数也是有效的，由此能够在保持安匝一定的状态下降低磁场电流，也能够得到上述同样的效果。
另外，图8表示本实施方式的旋转电机的磁场磁通分布Φ。如图所示，磁场磁通的影响较小，而能够更有效地活用最窄部宽度尺寸G外侧的转子铁芯部分。
(第2实施方式)
下面参照图9至图12对本发明的第2实施方式进行说明。
图9表示本发明第2实施方式的旋转电机的转子铁芯1的形状，形成了将为了收纳转子线圈而从转子铁芯1的外径侧朝向内径侧切口的转子槽4的深度d(槽深度d1、d2)多样化了的槽。
这里的转子T形部5的宽度，具有能够充分耐受作用于励磁线圈的离心力的强度。
作为使上述转子槽4的深度d多样化的其他方法，如图10所示，有使相邻的转子槽4的深度d交互变化而形成的方法。
并且，如图11所示，在将转子槽4的深度d多样化的槽构成的转子中，构成为槽深度d1较浅的槽的宽度L1、比槽深度d2较深的槽的宽度L2大也是有效的。
另一方面，如图12所示，也可以使转子槽4的槽宽度L构成为朝转子内径侧减小为锥状。
这样，通过使设置在转子铁芯1上的转子槽4的深度多样化，可增加能够在槽深度d深的转子槽4内收纳的励磁线圈的绝对量，结果能够期待磁场电流的通电截面积的增加。
并且，通过使槽深度d的深度交互，能够不影响磁极部的最窄部宽度G地确保更大的槽截面积。
另一方面，通过使转子槽的槽宽度L朝向转子内径侧而减小为锥状，能够更大地确保转子铁芯内径侧的转子T形部5的最小宽度。
根据上述内容，通过使设置在转子铁芯1上的转子槽4的槽深度d多样化，能够使槽深度d深的转子槽的磁场电流的通电面积增加，在该槽中能够降低磁场电流密度。
由此，由于在该部分中随着通电的励磁线圈的发热密度降低，因此与同一外径的转子相比较能够得到对线圈冷却有利的构成。
结果，能够实现使磁场电流增加而增加发电机输出，以及将发电机大小小型化。
并且，通过降低冷却风量，由此能够削减通风损失，对发电机功率的提高也有贡献。
并且，通过使槽深度d的深度交互，能够最有效地增加转子槽4的截面积S。
另一方面，通过使转子槽4的截面积S朝向铁芯内径侧而减小为锥状，能够对相对于旋转离心力的强度赋予余量。由此，转子槽4截面积S的扩大变得容易，能够进一步提高上述效果。
并且，伴随转子槽4的截面积S的增加，增加匝数也是有效的，由此能够在保持安匝一定的状态下降低磁场电流，也能够得到上述同样的效果。
(第3实施方式)
下面参照图13至图18对本发明的第3实施方式进行说明。
图13表示本发明第3实施方式的旋转电机的转子铁芯1的形状，在为了收纳转子线圈而从转子铁芯1的外径侧朝向内径侧切口的转子槽4进一步内侧、形成用于向转子线圈供给冷却气体的冷却气体导入用通道13，该冷却气体导入用通道13的截面积形成为，沿从磁极部2向非磁极部3的方向而阶段性地扩大。
转子槽4的截面积S的扩大不需要是阶段性的，但是这里的转子T形部5的宽度要具有充分耐受作用于励磁线圈的离心力的强度。
作为扩大上述冷却气体导入用通道13的截面积的一个方法，如图14所示，存在将冷却气体导入用通道13的深度d3设置为沿从磁极部2向极间部6的方向而阶段性地加深的方法。
并且，如图15所示，也可以将冷却气体导入用通道13的槽宽度L3沿从磁极部2向极间部6的方向而阶段性地扩大。
另一方面，如图16所示，也可以构成为，将冷却气体导入用通道13的宽度朝向转子内径侧而减小为锥状。
并且，如图17以及图18所示，结合第1实施方式或第2实施方式的特征，构成为使上述冷却气体导入用通道13的截面积扩大也是有效的。
这样，通过增加在转子铁芯1的转子槽4内径侧设置的冷却气体导入用通道13的截面积，能够期待使冷却气体的供给变得容易。
并且，通过沿从磁极部2向极间部6的方向而阶段性地增大冷却气体导入用通道13的深度d3或槽宽度L3，能够不影响磁极部2的最窄部宽度G地确保更大的冷却气体导入用通道13的截面积。
另一方面，通过将转子槽4的槽宽度L3朝向铁芯内径侧而减小为锥状，使更大地确保转子铁芯内径侧的转子T形部5的最小宽度。
并且，通过成为结合了第1实施方式或第2实施方式的特征的构成，能够期待使转子线圈的冷却变得更为容易。
根据以上所述，能够使在转子铁芯1的转子槽内径侧设置的冷却气体导入用通道13的截面积增加。由此，能够降低转子端面的冷却气体导入部的入口损失，以及通过转子内部时的摩擦损失等的各通风损失，能够通过较少的风扇动力来冷却转子线圈。
由此，通风损失降低，能够对发电机效率的提高有贡献。
并且，通过将冷却气体导入用通道13设置在进一步内径侧，可得到能够增加基于旋转的自风扇效果的构成，提高冷却能力。由此，能够实现发电机输出增加，以及发电机的小型化。
并且，通过成为结合第1实施方式或第2实施方式的特征的构成，能够独立地得到励磁线圈的发热密度的降低和转子线圈的冷却强化的两个效果，并且能够对发电机的输出增加、小型化、发电机效率提高有贡献。
(第4实施方式)
下面参照图19至图23对本发明的第4实施方式进行说明。
图19表示本发明第4实施方式的旋转电机的转子铁芯1的形状，并在为了收纳转子线圈而从转子铁芯1的外径侧朝向内径侧切口的转子槽4的侧面的转子T形部5上，形成向转子线圈供给冷却气体的冷却气体导入用通道14。
冷却气体导入用通道14的形状不限于图19，是在发电机运转中转子线圈不偏离的形状即可，例如也可以是图20所示的台形状。
另外，这里的转子T形部5的宽度为具有充分耐受作用于励磁线圈的离心力的强度。
作为将上述冷却气体导入用通道14设置在转子槽4侧面的最有效的一个方法，如图21所示，有在离磁极部2最近的槽4a中、在磁极部2上设置冷却气体导入用通道14的方法。
并且，如图22以及图23所示，结合第1实施方式或第2实施方式的特征，同时设置上述冷却气体导入用通道13、14也是有效的。
这样，通过在转子槽4的侧面设置转子线圈7的冷却气体导入用通道14，能够扩大转子槽4的槽深度d的允许范围。并且，能够不影响磁极部2的最窄部宽度G地确保更大的转子槽4的截面积。
并且，通过成为结合第1实施方式或第2实施方式的特征的构成，可以期待进一步增加转子槽的截面积的效果。
根据以上所述，通过在转子槽4的侧面设置转子线圈7的冷却气体导入用通道14，能够使设置在转子铁芯1上的转子槽4的槽深度d加深，能够增加转子槽4的截面积S。
随之，能够使转子线圈7的磁场电流的通电截面积增加，在通电截面积增加的槽中能够降低磁场电流密度。
由此，由于在该部分中伴随通电的励磁线圈的发热密度降低，因此与同一外径的转子相比较能够得到对线圈冷却有利的构成。
结果，能够实现使磁场电流增加而增加发电机输出，以及将发电机大小小型化。
并且，通过降低冷却风量，由此能够削减通风损失，对发电机功率的提高也有贡献。
另一方面，伴随转子槽4的截面积S的增加，增加匝数也是有效的，由此能够在保持安匝一定的状态下降低磁场电流，也能够得到上述同样的效果。
并且，通过成为结合第1实施方式或第2实施方式的特征的构成，能够期待进一步增加转子槽的截面积的效果。

Claims (14)

1、一种旋转电机，其特征在于，具备：
定子，在定子铁芯上缠绕了电枢线圈；和
圆筒状的转子，形成至少一对磁极部和在该磁极部之间的非磁极部上形成的极间部，在上述非磁极部上以预定间隔形成至少3个转子槽，在该转子槽内缠绕了励磁线圈，
其中，使上述转子槽中除了在离上述磁极部最近的位置上形成的转子槽之外的其他转子槽的截面积，沿从磁极部向极间部的方向增大。
2、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，
上述转子槽的宽度沿从磁极部向极间部的方向扩大。
3、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，
上述转子槽的深度沿从磁极部向极间部的方向加深。
4、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，
上述相邻的转子槽的间隔沿从磁极部向极间部的方向增大，且上述转子槽的深度沿从磁极部向极间部的方向加深。
5、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，
上述相邻的转子槽的间隔沿从磁极部向极间部的方向增大，且上述转子槽的宽度沿从磁极部向极间部的方向增大。
6、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，
上述相邻的转子槽的间隔沿从磁极部向极间部的方向增大，且调整上述转子槽的宽度和深度，使上述转子槽的截面积沿从磁极部向极间部的方向增大。
7、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，
上述转子槽的宽度以从上述转子铁芯的外径侧朝向内径侧变窄的方式形成为锥状。
8、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，
在上述转子槽的上述转子铁芯的内径侧形成冷却气体导入用通道。
9、如权利要求8所述的旋转电机，其特征在于，
在上述转子槽中除了在离上述磁极部最近的位置上形成的转子槽之外的其他转子槽上形成的上述冷却气体导入用通道的截面积，沿从磁极部向极间部的方向增大。
10、如权利要求9所述的旋转电机，其特征在于，
上述冷却气体导入用通道的宽度沿从磁极部向极间部的方向增大。
11、如权利要求9所述的旋转电机，其特征在于，
上述冷却气体导入用通道的深度沿从磁极部向极间部的方向加深。
12、如权利要求9所述的旋转电机，其特征在于，
上述冷却气体导入用通道的深度沿从磁极部向极间部的方向加深，且上述冷却气体导入用通道的宽度沿从磁极部向极间部的方向增大。
13、如权利要求9所述的旋转电机，其特征在于，
上述冷却气体导入用通道的宽度以从上述转子铁芯外径侧朝向内径侧变窄的方式形成为锥状。
14、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，
在上述转子槽的侧面形成冷却气体导入用通道。
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