CN103004063A - 旋转电机的径向引线的固定结构 - Google Patents

Abstract

一种旋转电机的径向引线的固定结构，将设于转子的转轴（1）上的滑环（2a、2b）与配置在转轴（1）的中心孔（1a）内来对转子线圈供电的轴向引线（5）连接，径向引线（9）被插通至从转轴（1）的中心孔（1a）沿半径方向贯穿的径向引线孔（8）中，径向引线（9）的形成于一端侧的锥形阳螺纹（9a）与形成于轴向引线（5）的锥形阴螺纹（5a）螺合，径向引线（9）的另一端侧与滑环（2a）电连接，被装填在径向引线孔（8）的台阶部（8a）处的密封构件（12）隔着隔板（19）而被与径向引线（9）的直螺纹（9b）螺合的紧固螺母（15）紧固，以确保中心孔（1a）侧与外部侧的气密。

Description

旋转电机的径向引线的固定结构

技术领域

本发明涉及将与旋转电机的滑环连接的径向引线（lead）固定在转轴上的固定结构。

背景技术

作为旋转电机，例如，在交流同步发电机中，从外部将直流电流供给至发电机的转子的励磁线圈，利用转子旋转所产生的旋转磁场，使固定在转子外周侧的电枢线圈上感应产生交流电压。作为励磁线圈与外部电连接的连接部、即集电器部的现有技术，例如，已知有如图6、图7这样的结构。

图6是仅表示在转子的集电器侧的轴心的上半部分的局部剖视图。此外，图7是图6的点划线所包围的部分的放大剖视图。

如图6所示，在转子31的转轴32的中心具有中心孔32a，在该中心孔32a内配置有轴向引线33，该轴向引线33从主端子螺栓34延伸至一对径向引线（集电端子螺栓）35而与各个螺栓的一端侧连接。

主端子螺栓34的另一端侧与受到按压环36保持的主励磁端子绕组37连接，径向引线35的另一端侧与安装在转轴32上的一对滑环38a、38b连接。

直流电流从碳刷（未图示）向滑环38a、38b供给，并经由径向引线35、轴向引线33、主端子螺栓34而向主励磁端子绕组37侧通电。

使用图7，对径向引线部的详细情况进行说明。径向引线35在上端侧和下端侧形成有阳螺纹，并具有光滑的中间部，在中间部卷绕有绝缘套筒。下端侧因与轴向引线33的阴螺纹螺合而被固定。上端侧通过钢制螺母39和内侧铜螺母40而与滑环的连接引线41连接。在形成于转轴32的径向引线孔42中，以夹在密封垫圈44与衬垫套管45之间的方式插入有衬垫43。此外，在转轴32的外周附近的位置上，将紧固螺栓46与形成在径向引线孔42内的阴螺纹部旋紧，通过对衬垫43进行压缩，来保持气密。发电机内部封入有例如氢气来作为冷却用的制冷剂，氢气也与转轴32的中心孔32a连通，并被封入在中心孔32a与轴向引线33间的间隙中，因此，衬垫43起到防止氢气泄漏至外部的密封作用（例如参照专利文献1）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平6－237558号公报（第3－4页，图1及图3）

发明内容

发明所要解决的技术问题

在专利文献1所示的径向引线部结构中，在供径向引线35插通的径向引线孔42中，为了对发电机的冷却气体进行密封，如上所述，使用紧固螺栓46对衬垫43进行紧固，但与紧固螺栓46螺合的阴螺纹部设置在转轴32的最外周附近的位置上。转子31在轴向上细长，并在转轴32的两端部附近受到轴承支承来进行高速旋转，但因一边受到弯曲载荷一边旋转时的旋转弯曲而在转轴32上作用有应力。因此，转轴32因旋转弯曲的疲劳而引起的强度降低便成为问题。

在螺纹部上，除了螺纹的紧固力之外，朝向螺纹的应力集中在旋转弯曲时也起作用，转轴32最外周的应力最高，因此，在螺纹部形成于最外周附近的专利文献1这样的结构中，转轴的轴径受到电刷周向速度的限制，无法将直径增大至上述限制以上，由于在这种部位设置有具有螺纹部的径向引线孔，因此，很难改善疲劳强度。

本发明为消除上述这种问题而完成，其目的在于在与旋转电机的滑环连接的径向引线部中，使对抗由旋转弯曲等引起的疲劳的强度得到改善。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的旋转电机的径向引线部的固定结构将设于转子的转轴的滑环与配置在转轴的中心孔内部并对转子线圈供电的轴向引线连接，并具有防止转轴内部的制冷剂气体泄漏的功能，其特征是，径向引线被插通至从转轴的中心孔沿半径方向贯穿的径向引线孔中，径向引线的形成于一端侧的阳螺纹与形成于轴向引线的阴螺纹螺合并固定，径向引线的另一端侧与滑环电连接，被装填在径向引线孔的台阶部处的密封构件隔着隔板而被与径向引线的另一端侧螺合的紧固螺母紧固，以确保中心孔侧与外部侧的气密。

发明效果

根据本发明的旋转电机的径向引线部的固定结构，径向引线被插通至从转轴的中心孔沿半径方向贯穿的径向引线孔中，径向引线的形成于一端侧的阳螺纹与形成于轴向引线的阴螺纹螺合并固定，径向引线的另一端侧与滑环电连接，被装填在径向引线孔的台阶部处的密封构件隔着隔板而被与径向引线的另一端侧螺合的紧固螺母紧固来确保气密，因此，在径向引线孔侧没有作为对抗旋转弯曲及扭曲振动引起的疲劳的薄弱点的螺纹部，因而能改善对抗旋转弯曲及扭曲振动的疲劳强度，实现疲劳强度的提高。

附图说明

图1是表示基础技术的旋转电机的径向引线部附近的结构的局部剖视图。

图2是图1的主要部分的放大剖视图。

图3是本发明实施方式1的旋转电机的径向引线部的局部剖视图。

图4是本发明实施方式2的旋转电机的径向引线部的局部剖视图。

图5是表示本发明实施方式2的旋转电机的径向引线部的另一例的局部剖视图。

图6是表示以往的旋转电机的径向引线部附近的结构的局部剖视图。

图7是图6的主要部分的放大剖视图。

具体实施方式

基础技术

在对本发明的实施方式1进行说明之前，首先，对上述发明的基础技术进行说明。

图1是表示例如涡轮发电机这样的旋转电机的径向引线部附近的结构的局部剖视图。图1（a）表示侧面剖视图，图1（b）是从图1（a）的箭头b－b观察的剖视图。

此外，图1（a）是与在背景技术部分说明过的图6相对应的部分，但其与图6左右颠倒，图中的右侧为转子主体的转子线圈侧。

众所周知，发电机是通过使电流流过转子线圈来使转子磁化，并通过使该转子旋转来使与定子线圈交链的磁通变化，从而使定子线圈感应产生电动势的，但为了使转子励磁，需要从外部供给电力，其出入口便是滑环。

如图1（a）所示，被一对轴承（未图示）支承的转子的转轴1在一方端部的设备外侧安装有正极和负极的一对滑环2a、2b。碳制的电刷3a、3b受到未图示的弹簧按压而与滑环2a、2b可滑动地接触，直流电流便经由上述电刷3a、3b而供给至滑环2a、2b。

如箭头所示，由滑环2a供给来的电流从沿半径方向设置在转轴1上的一对径向引线部4（详见后文）中的一个径向引线部流过设置在转轴1的中心孔1a内的轴向引线5中的一个轴向引线，在该轴向引线的另一端侧沿径向被引出而流向转子线圈（未图示），来自转子线圈的电流回到另一个轴向引线5，并经由另一个径向引线部4而流向滑环2b。

如图1（b）所示，转轴1的中心孔1a与转轴1的中心轴同轴形成，内部被绝缘构件6一分为二，并在各个空间内插通有轴向引线5。不过，图1（b）中省略了径向引线部4和轴向引线5的图示。另外，轴向引线5和中心孔1a通过筒状绝缘构件7而被绝缘。

此外，在发电机内部，为了提高冷却性能，例如封入氢气来作为制冷剂，并在各部分进行密封，以防止所封入的氢气泄漏至外部。径向引线部4也不例外，如下面详细说明的那样插入有用于防止内部的氢气泄漏至外部的密封构件。

如在技术问题部分所说明的那样，当在转轴上施加有旋转弯曲应力时，转轴的最外周的应力最大。此外，除了旋转弯曲之外，在发生突发短路这样的事故时，在转轴上会产生扭曲振动。在扭曲振动时，转轴的最外周的应力也变高。

因此，作为对针对旋转弯曲等所造成的疲劳的强度进行了改善的径向引线部4的结构，研究了如图2所示的结构。图2是图1的径向引线部4的放大剖视图。以下，基于图2，对径向引线部4的详细情况进行说明。

首先，从供径向引线部4插通的径向引线孔8进行说明。径向引线孔8在设于转轴1的一对滑环2a、2b的中间部处设置在沿径向180度相对的两个位置上，并从中心孔1a沿半径方向贯穿转轴1。

径向引线孔8的截面形状如图2所示，使朝转轴1的中心孔1a一侧开口的开口端附近的直径更加减小，以形成台阶部8a，并在径向引线孔8的长度方向上的、比外侧开口部更靠内侧的部位上形成阴螺纹部8b，比阴螺纹部8b靠外侧的部分形成为直径稍大的大径部。

径向引线部4的中心导体即径向引线9在与轴向引线5连接的一侧形成有锥形阳螺纹9a，在相反侧的、与滑环2a、2b连接的端部一侧形成有比中间部的直径更小的直螺纹9b。在中间部的直线部上，以与其紧密接触的方式设置有绝缘筒10。

通过使径向引线9的锥形阳螺纹9a与设于轴向引线5的锥形阴螺纹5a螺合，来将径向引线9与轴向引线5连接，并被固定成径向引线9不会因离心力而朝外侧飞出。

径向引线4的组装首先是将径向引线9的锥形阳螺纹9a与轴向引线5的锥形阴螺纹5a螺纹结合来固定，接着将密封支承件11插入径向引线孔8的台阶部8a。密封支承件11的内径为可供径向引线9的绝缘筒10以微小的间隙自由嵌合的大小。接着，将密封构件12插入。密封构件12的内径与绝缘筒10的外径基本相同，其外径与径向引线孔8的内径基本相同。材料例如可使用氟橡胶等。

接着，将环状的紧固螺栓13与形成于径向引线孔8的中间部的阴螺纹部8b螺纹结合。藉此，密封构件12被压缩，密封构件12以其内径侧与绝缘筒10紧密接触、其外径侧与径向引线孔8的内壁紧密接触的方式进行密封，且密封构件12被固定成可承受转轴1旋转时的离心力。另外，紧固螺栓13的内径比绝缘筒10的外径稍大。

接着，在紧固螺栓13的上侧插入内径比绝缘筒10的外径稍大的圆筒状的隔板14，通过将紧固螺母15与设于径向引线9的外侧端部的直螺纹9b螺纹结合，就可对隔板14进行紧固。此时，先前紧固的紧固螺栓13也兼具有作为紧固螺母15的紧固力的反作用力的作用。

然后，夹着滑环连接引线18，并使用外侧螺母16紧固来完成组装。另外，在外侧螺母16上，使用带爪的垫圈17来实现止转。由上述说明的符号9～17来构成径向引线部4。

接着，对如上所述构成的径向引线部4和径向引线孔8的作用进行说明。

与在背景技术部分说明的专利文献1相比，本基础技术的特征在于，通过使设于转轴1的径向引线孔8的密封构件12的安装位置尽可能朝转轴1的轴心侧偏移，来使形成于径向引线孔8的阴螺纹部8b的位置朝轴心侧偏移。

如先前所说明的，当在转轴上作用有旋转弯曲应力时，转轴的最外周的应力最大，此外，当发生突发短路这样的事故时，在转轴上会产生扭曲振动，在上述扭曲振动时，转轴的最外周的应力也变大。

对于这种旋转弯曲及扭曲振动，在转轴的径向上加工出的螺纹本身并不处在应力集中的方向，但螺纹部始终作用有由紧固转矩带来的应力，此外，还有加工损伤的风险。即，螺纹部是对于旋转弯曲或扭曲振动特别薄弱的地方。

径向引线孔8具有一定程度的长度（深度）。因此，在上述长度的范围内，将阴螺纹部8b的位置配置成尽可能朝应力较小的转轴1的中心侧偏移。

对具有图2这样结构的径向引线部和具有与图2基本相同的结构的、径向引线孔8的阴螺纹8b的位置位于转轴1的外周附近的径向引线部进行应力分析等，来比较验证旋转弯曲及扭曲振动中的应力集中程度。其结果是，可知通过如图2所示使位置偏移，就可改善阴螺纹部8b的应力集中。

但是，在验证的过程中发现在具有图2这样的结构的情况下，由于使用紧固螺栓13，因此在以下方面未必一定足够。

即，在转轴1上作用有旋转弯曲或扭曲振动时，特别是在扭曲的作用下，形成为圆柱状的径向引线孔8的圆形截面想要朝扭曲方向变形成椭圆状。

另一方面，由于紧固螺栓13的平面形状为圆形的环状且紧固螺栓13具有刚性，因此，当径向引线孔8的截面变形成椭圆状时，在阴螺纹部8b与紧固螺栓13的阳螺纹部的接触部上会出现相靠近的部位和相远离的部位。验证了存在以下情况：由于紧固螺栓13被隔板14从上方按压，因此，因接触部的移位，应力会集中在阴螺纹8b的螺纹底部的一部分上，而使这部分成为薄弱之处，导致螺纹部出现破损。

因此，以下，将以在上述这种基础技术中的验证结果为基础，来对进一步实现了对旋转弯曲及扭曲振动的疲劳强度的改善的径向引线部进行说明。

实施方式1

图3是实施方式1的旋转电机的径向引线部的局部剖视图。图3是与基础技术中所说明的图2相对应的部分，对于相同部分用相同的符号表示并省略说明，以不同点为中心进行说明。另外，径向引线部附近的整体结构与基础技术中所说明的图1基本相同。

与图2不同的部分是省略了图2的紧固螺栓13这点。以下，基于图3进行说明。

在径向引线孔8中，在其中途形成台阶部8a，并将比台阶部8a靠外侧（转轴1的外周侧）的部分形成为直径更大且呈直线状。

组装首先是将径向引线9的锥形阳螺纹9a旋入并固定在轴向引线5的锥形阴螺纹5a中。接着，将密封支承件11插入径向引线孔8的台阶部8a。接着，插入密封构件12，在其上插入圆筒状的隔板19。隔板19的大小形成为其内径比绝缘筒10的外径稍大、其外径比作为密封构件12的收纳部的径向引线孔8的内径稍小。

接着，将紧固螺母15旋入设于径向引线9外侧端部的直螺纹9b，以隔着隔板19将密封构件12紧固。

藉此，密封构件12受到压缩，其内径侧与绝缘筒10紧密接触，其外径侧与径向引线孔8的内壁紧密接触来进行密封，并且密封构件12被固定成能承受转轴1旋转时的离心力。

然后，使用外侧螺母16将滑环连接引线18夹持并紧固在紧固螺母15上来完成组装。在外侧螺母16上设置有用于防止转动的带爪的垫圈17。

由上述说明的符号9～12、15～17、19来构成实施方式1的径向引线部4。

在上述组装作业中，紧固螺母15与径向引线9的直螺纹9b螺合，因此，在对紧固螺母15进行紧固时，若紧固力较弱，则无法充分地进行密封而导致气体泄漏，相反，在紧固力过强时，也有可能导致密封构件12破损，同样导致气体泄漏。因此，在对紧固螺母15进行紧固时，较为理想的是，将紧固力控制在规定值的范围内。

作为紧固力，虽然会因旋转电机的容量不同而不同，但可以验证，只要使密封构件12下沉2.7mm以上，就可充分地得到密封效果并且是合适的。

接着，对作用进行说明。

在旋转电机的运转中，在转轴上作用有旋转弯曲应力，此外，在出现突发短路这样的事故时，在转轴上会出现扭曲振动。此时，对于径向引线孔8的形状，与孔的轴线垂直的截面想要朝扭曲方向变形成椭圆状。

但是，在本实施方式中，密封构件12隔着隔板19而从上方被紧固螺母15紧固，由于在径向引线孔8的内表面没有设置阴螺纹，因此，即便径向引线孔8的截面变形成椭圆状，也不会出现应力过度集中的部位。因此，与像基础技术的图2所示那样，在径向引线孔8上形成阴螺纹部8b，并使用紧固螺栓13对密封构件12进行紧固的情况相比，能进一步改善旋转弯曲及扭曲振动的疲劳强度，并能期待疲劳强度的提高。

如上所述，根据实施方式1的旋转电机的径向引线的固定结构，在不仅将设于转子的转轴的滑环与配置在转轴的中心孔内部并对转子线圈供电的轴向引线连接，而且具有防止转轴内部的制冷剂气体泄漏的功能的旋转电机的径向引线的固定结构中，径向引线被插通至从转轴的中心孔沿半径方向贯穿的径向引线孔中，将径向引线的形成于一端侧的阳螺纹与形成于轴向引线的阴螺纹螺合并固定，径向引线的另一端侧与滑环电连接，被装填在径向引线孔的台阶部处的密封构件隔着隔板而被与径向引线的另一端侧螺合的紧固螺母紧固，以保持中心孔侧与外部侧的气密，因此，与径向引线孔具有螺纹部的情况相比，不存在对抗旋转弯曲及扭曲振动的疲劳的薄弱点、即螺纹部的凹凸截面，因此，没有应力集中较大的部分，能改善旋转弯曲及扭曲振动的疲劳强度，以实现疲劳强度的提高。

此外，密封构件在受到控制的规定的紧固力的作用下被紧固，因此，能防止密封构件的紧固不足或过度紧固，并能提供密封性能优异的旋转电机的径向引线的固定结构。

此外，由于紧固力控制为使密封构件的下沉量为2.7mm以上，因此能良好地确保径向引线部的密封品质。

实施方式2

图4是实施方式2的旋转电机的径向引线部的局部剖视图，其是与实施方式1的图3相对应的部分。与图3相同的部分由相同符号表示并省略说明，以不同点为中心进行说明。

与图3不同的部分是对密封构件12进行紧固的部分的结构。以下，利用图4对不同部分进行说明。

在径向引线孔8的外部开口端附近形成锥面8c。锥面8c形成为与供密封支承件11和密封构件12插入的部分的径向引线孔8的内周面连续，并朝向外部开口端侧呈圆锥状扩展。此外，还包括环状的锥形构件20，该锥形构件20具有与上述锥面8c相同的锥角，并可与锥面8c嵌合。锥形构件20的内径比绝缘筒10的外径稍大。此外，锥面8c与锥形构件20的尺寸关系是在将锥形构件20按压至与锥面8c完全紧密接触时，对密封构件12进行压缩，以获得规定的紧固力。

组装是在插入密封构件12之前与先前的图3相同，通过将锥形构件20和隔板21重叠在密封构件12上，且将紧固螺母15从隔板21的上方与径向引线9的直螺纹9b螺合并紧固，来以规定的按压力对密封构件12进行紧固。滑环连接引线18的安装与图3的情况相同。

接着，对作用进行说明。

通过隔着锥形构件20和隔板21而将紧固螺母15与设于径向引线9的直螺纹9b紧固，密封构件12可确保密封功能。为了能可靠地实现密封功能，最好像实施方式1中说明的那样对密封构件的紧固力进行控制，但在实施方式1的图3这样的没有锥形构件20的结构的情况下，在对紧固螺母15进行紧固时，出现对紧固转矩进行控制等作业，而使紧固作业变得复杂，更费工夫。与此相对的是，在本实施方式中，由于在径向引线孔8中设置锥面8c来夹装上述尺寸的锥形构件20，因此，在对紧固螺母15进行紧固时，不需要特别在意紧固转矩，只要以锥形构件20的过盈量充分紧固，就能以规定的紧固力对密封构件12进行紧固。

在图4的结构中，在径向引线孔8中与实施方式1同样地没有设置螺纹部，因此，能期待疲劳强度的改善。但是，正如基础技术的验证结果中所知晓的，形成为圆柱状的径向引线孔8因扭曲而导致其圆形的截面想要朝扭曲方向变形成椭圆状。但是，由于插入有圆环状的锥形构件20，因此，仔细观察的话可以看到，在锥形接触面上沿周向出现接触的强弱差异。因此，接着说明对此作了进一步改善后的径向引线部的结构。

图5是图4的变形例，对与图4相同的部分用相同符号表示。不同点在于使锥形构件20的装填部位尽可能朝转轴1的轴心侧移动这点。除此之外，与图4相同。另外，隔板22比图4中长。

与图4同样，由于在径向引线孔8侧没有设置螺纹部，因此，不存在因螺纹部而产生的对抗旋转弯曲及扭曲振动的疲劳强度的薄弱点，另外，与图4相比，由于将锥形构件20的装填部位靠近转轴1的轴心侧，因此，与图4的结构相比，不容易受到旋转弯曲及扭曲振动的影响。

如上所述，根据实施方式2的旋转电机的径向引线的固定结构，与径向引线孔的供密封构件装填的内周面连续地形成有朝向外部开口端侧扩展的锥面，并具有与锥面嵌合的环状的锥形构件，并在密封构件与隔板之间夹装有锥形构件，因此，与实施方式1同样，在径向引线孔侧没有设置对抗旋转弯曲及扭曲振动的疲劳强度的薄弱点即螺纹部，与具有螺纹部的情况相比，能实现疲劳强度的提高，此外，通过夹装锥形构件，在对紧固螺母进行紧固时，不需要特别在意紧固转矩，只要以锥形构件的过盈量充分紧固，就能以规定的紧固力对密封构件进行紧固，因而可使紧固作业变得简单。

另外，在实施方式1、2的说明中，作为旋转电机，以同步发电机为例进行了说明，但本发明能适用于具有同样的径向引线部的所有旋转电机。

Claims (4)

1.一种旋转电机的径向引线的固定结构，其将设于转子的转轴的滑环与配置在所述转轴的中心孔内部并对转子线圈供电的轴向引线连接，并具有防止所述转轴内部的制冷剂气体泄漏的功能，其特征在于，

所述径向引线被插通至从所述转轴的所述中心孔沿半径方向贯穿的径向引线孔中，所述径向引线的形成于一端侧的阳螺纹与形成于所述轴向引线的阴螺纹螺合并固定，所述径向引线的另一端侧与所述滑环电连接，

被装填在所述径向引线孔的台阶部处的密封构件隔着隔板而被与所述径向引线的另一端侧螺合的紧固螺母紧固，以确保所述中心孔侧与外部侧的气密。

2.如权利要求1所述的旋转电机的径向引线的固定结构，其特征在于，

所述密封构件在受到控制的规定的紧固力的作用下被紧固。

3.如权利要求2所述的旋转电机的径向引线的固定结构，其特征在于，

所述紧固力能使密封构件的下沉量为2.7mm以上。

4.如权利要求1所述的旋转电机的径向引线的固定结构，其特征在于，

形成有与所述径向引线孔的供所述密封构件装填的内周面连续并朝向外部开口端侧扩展的锥面，并具有与所述锥面嵌合的环状的锥形构件，在所述密封构件与所述隔板之间夹装有所述锥形构件。

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