CN103081310B - 集电环装置以及使用该集电环装置的旋转电机 - Google Patents
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Abstract
本发明的集电环装置中，从与转子轴分开设置的集电环轴的两端插入第1集电环和第2集电环并通过热压配合进行安装，将引线连接部的轴径形成为比各集电环安装部的轴径更大，在通过热压配合安装第1集电环之后，在集电环轴的转子轴侧的轴端部设置通过热压配合来进行安装的联轴器。
Description
技术领域
本发明涉及集电环装置以及使用该集电环装置的旋转电机，该集电环装置具有集电环和径向引线，集电环与外部装置电连接以用于对旋转电机的转子进行励磁，径向引线从该集电环沿转子的径向通电。
背景技术
作为现有的使用集电环装置的旋转电机例如有如图11所示的电机。作为旋转电机的涡轮发电机1大致上具备：框体2、定子3、转子10、以及集电环装置部15。
定子3具有定子铁心4且固定于框体2的内周部，定子线圈6卷绕于定子铁心4。转子10具有磁极12和直接耦合部14，转子线圈13集中卷绕于磁极12。转子10的转轴11被安装于框体2的支架7,8内的各轴承7a，8a所支承。
在转轴11的直接耦合侧的相反侧的设备外端部延长的轴端部附近绝缘保持有集电环18。集电环装置部15的集电部16包含集电环18及与其外周接触的电刷19，通过配置在转轴11的外周的槽内的连接导体（都未图示）将转子线圈13和集电环18连接。
集电部16具备：集电环18、电刷19、电刷保持器20、以及绝缘保护板21。集电环18由合金钢制成且嵌合于形成为环状的绝缘体17，该绝缘体17形成于在转轴11的直接耦合侧的相反侧的设备外端部延长的轴端部附近。
另外，图12和图13示出了现有的集电环结构的一个具体例子，其具备从转子轴51向设备外延伸的转子轴端部52，该转子轴端部52通过机械加工与转子轴51形成为一体的结构。然后，在中心部形成有空心孔53直到转子轴端部52和转子轴51的线圈末端附近为止。
该转子轴端部52成为集电环结构体的安装部。在转子轴端部52例如配置正极侧的第1集电环54和负极侧的第2集电环55。第1集电环54配置于转子轴51侧的第1集电环安装部52a，第2集电环55配置在转子轴51侧的相反侧，即配置在转子轴端部52的轴端侧的第2集电环安装部52b。如此一来，就需要正极侧的第1集电环54和负极侧的第2集电环55。
在第1集电环54和第2集电环55之间的转子轴端部52设有引线连接部56。在该引线连接部56形成有安装第1径向引线57的第1径向引线安装孔58、以及安装第2径向引线59的第2径向引线安装孔60。
在到转子轴端部52和转子轴51的线圈末端附近为止的中心部上形成的空心孔53内插入安装有与第1径向引线57连接的半月状的第1轴向引线61、以及与第2径向引线59连接的半月状的第2轴向引线62。然后，在第1轴向引线61和第2轴向引线62之间插入有引线间绝缘体63，并且在空心孔63和第1轴向引线61、第2轴向引线62之间插入有绝缘体64。在第1轴向引线61和第2轴向引线62的端部设有绝缘体65。
第1集电环54和第1径向引线57通过第1集电环引线66来进行连接，第2集电环55和第2径向引线59通过第2集电环引线67来进行连接。
然而，来自设备外的外部的供电和从转子向外部的取电成为如图12所示的箭头标记那样的电流。来自设备外的外部的供电通过未图示的电刷流向正极侧的第1集电环54。流过第1集电环54的电通过第1集电环引线66流向第1径向引线57。流过第1径向引线57的电通过第1轴向引线61提供给转子线圈。
从转子向外部的取电是从转子线圈流向第2轴向引线62。流过第2轴向引线62的电流向第2径向引线59。流过第2径向引线59的电通过第2集电环引线67流向负极侧的第2集电环55。流过第2集电环55的电通过未图示的电刷向外部取出。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2003－164111号公报
专利文献2：日本专利特开平6－237558号公报
专利文献3：日本专利特开平8－242554号公报
专利文献4：日本专利特开平8－51765号公报
专利文献5：日本专利特开昭59－216445号公报
专利文献6：日本专利特开昭60－109744号公报
专利文献7：日本实用新型实开昭59－176365号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
如上所述，以往，为了在旋转电机上支承转子而在转子轴51设有轴承。转子轴端部52从该转子轴51的轴承部向设备外侧延长。对转子进行对准调整使得对轴承施加一定程度的负载，由此在转子处产生弯曲应力。
另外，在配置了CGS（燃气轮机－发电机－蒸汽轮机）的情况下，在配置有集电环结构的转子轴51的转子轴端部52施加有由蒸汽轮机的输出造成的扭矩负载，因此在运行中产生了扭曲应力。
在配置有集电环结构的转子轴51的转子轴端部52设有用于向转子线圈供电以及从转子线圈取电的第1径向引线安装孔58和第2径向引线安装孔60，其成为应力集中处。因此，该第1径向引线安装孔58和第2径向引线安装孔60的部分容易成为最脆弱的部分。
在这种CGS配置的发电机中，万一发生突发的短路等事故时，由于在配置有集电环结构的转子轴51的转子轴端部52施加有很高的扭矩负载，因此一般将装载有转子线圈的转子轴51和配置有集电环结构的转子轴端部52制造成一体结构。
另外，需要正极侧的第1集电环54和负极侧的第2集电环55，而在与转子轴51制造成一体结构的转子轴端部52安装第1集电环54和第2集电环55时按照如下所述的方式进行。
第1集电环54和第2集电环55通过热压配合安装于转子轴端部52，转子轴端部52的直径比各集电环的内径略大。由于转子轴端部52和转子轴51是一体的结构，因此第1集电环54和第2集电环55需要从转子轴端部52的延伸的轴端侧插入。
首先，第1集电环54如图14所示，从转子轴端部52的延伸的轴端侧插入，通过第2集电环安装部52b，再通过引线连接部56，以热压配合的方式安装于第1集电环安装部52a，在引线连接部56形成有第1径向引线安装孔58和第2径向引线安装孔60。
接着，第2集电环55同样地从转子轴端部52的延伸的轴端侧插入，以热压配合的方式安装于第2集电环安装部52b。如此一来，第1集电环54和第2集电环55将形成有第1径向引线安装孔58和第2径向引线安装孔60的引线连接部56夹在中间进行热压配合来进行安装。
如上所述，第1集电环54从转子轴端部52的延伸的轴端侧插入，在越过形成有第1径向引线安装孔58和第2径向引线安装孔60的引线连接部56的位置进行热压配合，该热压配合操作需要耗费大量的劳力和时间。
另外，还存在如下问题：包含形成有第1径向引线安装孔58和第2径向引线安装孔60的引线连接部56在内的转子轴端部52的轴径无法比第1集电环54和第2集电环55的热压配合直径更大。特别是，为了形成第1径向引线安装孔58和第2径向引线安装孔60，引线连接部56成为应力集中处。因此，形成有该第1径向引线安装孔58和第2径向引线安装孔60的引线连接部56的部分成为最脆弱的部分。
另外，由于第1集电环54和第2集电环55的外径被未图示的电刷的圆周速度所限制，因此第1集电环54和第2集电环55的外径被限制，随之，包含形成有第1径向引线安装孔58和第2径向引线安装孔60的引线连接部56在内的转子轴端部52的轴径也无法增大，因此难以改善强度。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种集电环装置以及使用该集电环装置的旋转电机，从与转子轴分开设置的集电环轴的两端插入第1集电环和第2集电环并通过热压配合进行安装，并且集电环轴的形成有第1径向引线安装孔和第2径向引线安装孔的引线连接部的轴径形成为比第1集电环安装部和第2集电环安装部的轴径更大。
[解决技术问题所采用的技术方案]
本发明所涉及的集电环装置具备：集电环轴，该集电环轴与转子轴分开设置；第1集电环和第2集电环，该第1集电环和第2集电环从所述集电环轴的两端插入且通过热压配合安装于所述集电环轴的第1集电环安装部和第2集电环安装部；引线连接部，该引线连接部位于所述第1集电环安装部和所述第2集电环安装部之间的所述集电环轴且轴径形成为比所述集电环轴的第1集电环安装部和第2集电环安装部的轴径更大；第1径向引线和第2径向引线，该第1径向引线和第2径向引线分别安装于设置在所述引线连接部上的第1径向引线安装孔和第2径向引线安装孔；第1轴向引线和第2轴向引线，该第1轴向引线和第2轴向引线装载于设置在所述集电环轴的中心部处的空心孔且与所述第1径向引线和第2径向引线连接；第1集电环引线，该第1集电环引线使所述第1集电环与所述第1径向引线连接；第2集电环引线，该第2集电环引线使所述第2集电环与所述第2径向引线连接；以及联轴器，在所述第1集电环通过热压配合进行安装之后在所述集电环轴的所述转子轴侧的轴端部通过热压配合来安装该联轴器。
[发明的效果]
本发明所涉及的集电环装置中，从与转子轴分开设置的集电环轴的两端插入第1集电环和第2集电环并通过热压配合进行安装，安装有第1径向引线安装孔和第2径向引线安装孔的引线连接部的轴径形成为比各集电环安装部的轴径更大，在第1集电环通过热压配合进行安装之后在集电环轴的转子轴侧的轴端部设置通过热压配合来进行安装的联轴器，从而能得到可力图在缩短热压配合操作的时间的同时力图改善强度的集电环装置。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置以及使用该集电环装置的旋转电机的侧剖视图。
图2是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置的主要部分俯视图。
图3是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置的主要部分剖视图。
图4是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置中的集电环热压配合单元的剖视图。
图5是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置以及使用该集电环装置的旋转电机的制造工艺的流程图。
图6是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置以及使用该集电环装置的旋转电机的其他制造工艺的流程图。
图7是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置以及使用该集电环装置的旋转电机中的连结单元的剖视图。
图8是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置以及使用该集电环装置的旋转电机的图7的A-A线上的剖视图。
图9是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置以及使用该集电环装置的旋转电机中的其他连结单元的剖视图。
图10是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置以及使用该集电环装置的旋转电机中的其他连结单元的剖视图。
图11是示出现有的使用集电环结构的旋转电机的侧剖视图。
图12是示出现有的使用集电环结构的旋转电机的主要部分剖视图。
图13是示出现有的使用集电环结构的旋转电机的图12的B-B线上的剖视图。
图14是示出现有的使用集电环结构的旋转电机中的集电环热压配合单元的剖视图。
具体实施方式
（实施方式1）
以下是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置以及使用该集电环装置的旋转电机的侧剖视图。图2是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置的主要部分俯视图。图3是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置的主要部分剖视图。图4是示出本发明的实施方式1所涉及的集电环装置中的集电环热压配合单元的剖视图。
在这些图中，100是在转子轴51的轴承（未图示）的抛油环位置等轴径相对较大的设备外侧的位置与该转子轴51分开设置的集电环轴。100a是集电环轴100的第1集电环安装部，100b是集电环轴100的第2集电环安装部，100c是集电环轴的转子轴51侧的轴端部，100d是集电环轴100的转子轴51侧相反侧的轴端部。此外，集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c的轴径比集电环轴100的第1集电环安装部100a的轴径更小。
101是从集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c插入且通过热压配合安装于集电环轴100的第1集电环安装部100a的第1集电环，102是通过热压配合安装于集电环轴100的第2集电环安装部100b的第2集电环。
103是位于集电环轴100的第1集电环安装部100a和第2集电环安装部100b之间的集电环轴100且轴径形成为比集电环轴100的第1集电环安装部100a和第2集电环安装部100b的轴径更大的引线连接部。引线连接部103的外径例如是比第1集电环101和第2集电环102的外径稍大的外径。
104是形成于引线连接部103的正极侧的第1引线连接凹部，105是形成于引线连接部103的负极侧的第2引线连接凹部。
106是设于引线连接部103的第1引线连接凹部104的第1径向引线安装孔，107是设于引线连接部103的第2引线连接凹部105的第2径向引线安装孔。
108是安装于第1径向引线安装孔106的第1径向引线，109是安装于第2径向引线安装孔107的第2径向引线。
110是设于集电环轴100的中心部的空心孔，111和112是装载于设置在集电环轴100的中心部处的空心孔、且与第1径向引线108和第2径向引线109连接的半月状的第1轴向引线和第2轴向引线。第1轴向引线111和第2轴向引线112与转子轴51内的第1轴向引线61和第2轴向引线62相连接。
然后，在第1轴向引线111和第2轴向引线112之间插入引线间绝缘体113，并且在空心孔110和第1轴向引线111、第2轴向引线112之间插入绝缘体114。在第1轴向引线111和第2轴向引线112的端部设有绝缘体115。
116是使第1集电环101和第1径向引线108连接的第1集电环引线，117是使第2集电环102和第2径向引线109连接的第2集电环引线。
在支承第1集电环引线116的第1集电环引线支承部118形成有与引线连接部103的第1引线连接凹部104连通的第1引线连通凹部119。在引线连接部103中的第1引线连通凹部119形成引线槽120，第1集电环引线116穿过该引线槽120。在引线槽120部形成楔状槽121，楔状体122插入安装该楔状槽121，第1集电环引线116通过楔状体122牢固地固定于第1集电环引线支承部118。
另外，在支承第2集电环引线117的第2集电环引线支承部123形成有与引线连接部103的第2引线连接凹部105连通的第2引线连通凹部124。在引线连接部103中的第2引线连通凹部124形成引线槽125，第2集电环引线117穿过该引线槽125。在引线槽125部形成楔状槽126，楔状体127插入安装于该楔状槽126，第2集电环引线117通过楔状体127牢固地固定于第2集电环引线支承部123。
128是在第1集电环101通过热压配合进行安装之后在集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c通过热压配合来进行安装的用于将集电环轴100安装于转子轴51侧的联轴器，联轴器128构成为轴径比集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c的轴径更小。
在集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c通过热压配合来安装联轴器128而构成的集电环装置中，该联轴器128与转子轴51通过螺栓接合、螺栓与扩孔器销并用的接合、或者焊接接合等连结为一体，构成为旋转电机。
接着，基于图5的流程图，对作为集电环装置的制造工艺和联轴器128与转子轴51的连结工艺的一个例子进行说明。
首先，如图4所示，将第1集电环101从与转子轴51分开设置的集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c插入，通过热压配合安装于集电环轴100的第1集电环安装部100a来进行固定。（步骤S1）
将第2集电环102从集电环轴100的转子轴51侧的相反侧的轴端部100d插入，通过热压配合安装于集电环轴100的第2集电环安装部100b来进行固定。（步骤S2）
接着，在集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c通过热压配合安装第1集电环101之后，用于将集电环轴100安装于转子轴51的联轴器128通过热压配合安装于集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c来进行固定。（步骤S3）
在集电环轴100的空心孔110内插入安装被引线间绝缘体113、绝缘体114所绝缘的第1轴向引线111和第2轴向引线112。（步骤S4）
接着，利用紧固构件使联轴器128与转子轴51紧固，该联轴器128通过热压配合安装于集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c而固定，使集电环轴100与转子轴51连结。（步骤S5）
然后，将第1径向引线108与第1轴向引线111连接，将第2径向引线109与第2轴向引线112连接。（步骤S6，S7）
通过第1集电环引线116使第1集电环101和第1径向引线108连接。（步骤S8）
通过楔状体122使第1集电环引线116固定于第1集电环引线支承部118。（步骤S9）
通过第2集电环引线117使第2集电环102和第2径向引线109连接。（步骤S10）
通过楔状体127使第2集电环引线117固定于第1集电环引线支承部123。（步骤S11）
如此一来，在制造集电环装置的同时，集电环装置通过联轴器128与转子轴51的连结与旋转电机构成为一体。
另外，基于图6的流程图，对作为集电环装置的制造工艺和联轴器128与转子轴51的连结工艺的其他例子进行说明。
首先，如图4所示，将第1集电环101从与转子轴51分开设置的集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c插入，通过热压配合安装于集电环轴100的第1集电环安装部100a来进行固定。（步骤S1）
将第2集电环102从集电环轴100的转子轴51侧的相反侧的轴端部100d插入，通过热压配合安装于集电环轴100的第2集电环安装部100b来进行固定。（步骤S2）
接着，在集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c通过热压配合安装第1集电环101之后，用于将集电环轴100安装于转子轴51的联轴器128通过热压配合安装于集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c来进行固定。（步骤S3）
在集电环轴100的空心孔110内插入安装被引线间绝缘体113、绝缘体114所绝缘的第1轴向引线111和第2轴向引线112。（步骤S4）
接着，将第1径向引线108与第1轴向引线111连接，将第2径向引线109与第2轴向引线112连接。（步骤S15，S16）
通过第1集电环引线116使第1集电环101和第1径向引线108连接。（步骤S17）
通过楔状体122使第1集电环引线116固定于第1集电环引线支承部118。（步骤S18）
通过第2集电环引线117使第2集电环102和第2径向引线109连接。（步骤S19）
通过楔状体127使第2集电环引线117固定于第1集电环引线支承部123。（步骤S20）
接着，利用紧固构件使联轴器128与转子轴51紧固，该联轴器128通过热压配合安装于集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c而固定，使集电环轴100与转子轴51连结。（步骤S21）
如此一来，在作为集电环装置完成的状态下，集电环装置通过联轴器128与转子轴51的连结与旋转电机构成为一体。在这种情况下，具有能与转子的制造分开单独制造集电环装置的优点。
如上所述，作为例子记叙了两个制造工艺，但是并不限定于此，只要最终能得到如图1所示的结构，当然也可以对各制造工艺的各步骤的顺序进行一定的调换。
另外，对通过热压配合安装于集电环轴100的转子轴51侧的轴端部100c而固定的联轴器128与转子轴51的连结方式的一个例子进行说明。
例如，如图7和图8中示意性地所示，对于联轴器128和转子轴51的连结，使用螺栓129和扩孔器销130进行紧固连结。如图7所示，示出了在2个螺栓129的配置间隔之间配置1个扩孔器销130的例子。
通过螺栓129使联轴器128和转子轴51牢固地紧固连结，在与螺栓129相同的径向位置例如以冷压配合的方式插入安装扩孔器销130。此外，扩孔器销130的位置也可以是与螺栓129不同的径向位置。另外，对于扩孔器销130，也可以用力敲打或对轴侧进行加热来代替冷压配合。
如此一来，除了螺栓129的摩擦力之外，还可通过扩孔器销130的切应力，在联轴器28和转子轴51之间传递高负载的转矩。
另外，如图9中示意性地所示，以锥形的扩孔器销131来代替直线状的扩孔器销130。由于直线状的扩孔器销130的扩孔器部全长都作为嵌入量，因此在狭小的空间内施工性不佳。通过使用锥形的扩孔器销131，缩短了冷压配合的插入长度，改善了施工性。
另外，如图10中示意性地所示，在螺栓129处设有扩孔器部129a。设计为螺栓129的扩孔器部129a通过联轴器128和转子轴51的边界。设有扩孔器部129a的螺栓129设计为具有公差得到管理的间隙，通过夹具夹紧。另外，也可以设计为，将扩孔器部129a作为紧固配合公差在对螺栓129进行冷却的状态下紧固，在回到常温时扩孔器部129a嵌入。
在使用设有设计为有间隙公差的扩孔器部129a的螺栓129的情况下，在扩孔器销130临时突发短路或因为转矩等发生形变的情况下，通过螺栓129的扩孔器部129a的切应力可防止扩孔器销130发生较大的形变。
在螺栓129的扩孔器部129a作为紧固配合而使用的情况下，通过该扩孔器部129a的切应力能传递较高的扭矩。
此外，联轴器128和转子轴51的连结并不限于上述的连结方式，理所当然的，也可以是类似的结构，也可以是其他的连结方式。
另外，转子轴51使用Ni-Cr-Mo-Va钢。这里，集电环轴100的材料采用比转子轴51的材料强度更高的材料。例如，通过采用由Ni等化学成分的含量比转子轴51更多的材料组成的集电环轴100，能使集电环轴100的材料强度比转子轴51的强度更高。
通过对负载有较高应力的集电环轴100使用比转子轴51强度更高的材料，能进行更合理的设计。
另外，由于在旋转电机运行时负载有离心力，因此如果增加第1集电环引线116和第2集电环引线117的支承长度，则在第1集电环引线116和第2集电环引线117中产生的应力也会提高。
通过楔状体122和楔状体127将第1集电环引线116和第2集电环引线117固定于第1集电环支承部118和第2集电环支承部123，从而缩短了第1集电环引线116和第2集电环引线117的支承长度，能减小在第1集电环引线116和第2集电环引线117中产生的应力。
工业中的实用性
本发明适用于实现可力图缩短热压配合操作的时间的同时还可改善强度的集电环装置以及使用该集电环装置的旋转电机。
Claims (5)
1.一种集电环装置，其特征在于，具备：
集电环轴，该集电环轴与转子轴分开设置；
第1集电环和第2集电环，该第1集电环和第2集电环从所述集电环轴的两端插入且通过热压配合安装于所述集电环轴的第1集电环安装部和第2集电环安装部；
引线连接部，该引线连接部位于所述第1集电环安装部和所述第2集电环安装部之间的所述集电环轴且轴径形成为比所述集电环轴的第1集电环安装部和第2集电环安装部的轴径更大；
第1径向引线和第2径向引线，该第1径向引线和第2径向引线分别安装于设置在所述引线连接部上的第1径向引线安装孔和第2径向引线安装孔；
第1轴向引线和第2轴向引线，该第1轴向引线和第2轴向引线装载于设置在所述集电环轴的中心部处的空心孔且与所述第1径向引线和第2径向引线连接；
第1集电环引线，该第1集电环引线使所述第1集电环与所述第1径向引线连接；
第2集电环引线，该第2集电环引线使所述第2集电环与所述第2径向引线连接；以及
联轴器，在所述第1集电环通过热压配合进行安装之后在所述集电环轴的所述转子轴侧的轴端部通过热压配合来安装该联轴器。
2.如权利要求1所述的集电环装置，其特征在于，
所述第1集电环引线和第2集电环引线穿过形成于所述引线连接部的引线槽且通过楔状体固定，该楔状体插入安装于楔状槽，该楔状槽形成于所述引线槽。
3.如权利要求1或2所述的集电环装置，其特征在于，
所述集电环轴的材料由强度比所述转子轴的材料更高的材料来构成。
4.一种旋转电机，其特征在于，
使用如权利要求1或2所述的集电环装置。
5.一种旋转电机，其特征在于，
使用如权利要求3所述的集电环装置。
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