CN105680615B - 旋转电机的转子 - Google Patents

Abstract

一种旋转电机的转子，具备转子主轴(1)、外周面装配有一对集电环(4、5)的集电轴(2)、多个轴向引导杆(11)、多个径向引导杆(18)以及多个导电性的轴向螺柱(15)。多个轴向引导杆分别插入于在集电轴(2)的外周部位沿轴向延伸设置的多个引导槽(10)内，分别经由导电性的螺柱(13a、13b)与集电环连接。多个径向引导杆(18)配设于转子主轴(1)的与集电轴(2)连结的连结部侧的轴端部，内端部分别与中心孔铜带(16、17)连接。多个导电性的轴向螺柱(15)插入于沿集电轴(2)的轴向延伸设置的多个轴向贯通孔(14)内，一端分别与径向引导杆(18)的外端部连接，另一端分别与轴向引导杆(11)。

Description

旋转电机的转子

技术领域

本发明的实施方式涉及一种旋转电机的转子。

背景技术

为了对旋转电机、作为一例为涡轮(turbine)发电机的转子进行励磁，需要对励磁线圈供给励磁电流。作为用于此的手段，一般已知如下方式：通过使碳刷(carbon brush)相对于集电环(collector ring)滑动接触，由此对旋转体直接供给电流。

图9表示使用了上述集电环的一般的旋转电机的转子a的构造的一例。在阳极侧、阴极侧成对的集电环b1、b2一般位于转子a的与直接连结侧相反侧的机外部，并成为隔着集电环绝缘筒d相对于中空的转子轴即转子主轴c被绝缘保持的构造。

在中空的转子主轴c的轴中心部，阳极侧、阴极侧的中心孔铜带g1、g2相互以绝缘状态并排设置。一对集电环b1、b2分别通过在沿径向设置的贯通孔e中贯通的连接集电螺柱(connection collector stud)f与阳极侧、阴极侧的各中心孔铜带g1、g2分别电连接，并且中心孔铜带g1、g2同样通过连接螺柱等与励磁线圈侧连接，由此供给励磁电流。

尤其是在发电机的内部通过氢冷却的方式的情况下，在与中心孔铜带g1、g2连接的集电螺柱f的插入部的周缘部位，设置有氢密封填料(seal packing)h。此外，成为在转子主轴c的中心孔c1的开口部安装氢密封塞(plug)i的构造。

图9中的发电机的驱动方式为仅在单侧具备蒸汽轮机等驱动设备的方式，但也存在如图10所示那样通过蒸汽轮机(steam turbine)B1、燃气轮机(gas turbine)B2从发电机A的两侧驱动的双轴驱动方式。

在日本特许公报、特许第4832618号公报(以下，称作专利文献1)中公开了这样的方式。

在双轴驱动方式的情况下，在集电环(collector ring)所位于的一侧的旋转轴上，也负载与涡轮输出相应的传递扭矩(torque)。因此，在运转中对于旋转轴产生扭转应力。此外，在产生了短路事故等的情况下，被过度地强加过大的扭矩。

已知在图9所示的旋转电机的转子构造中，对于中空的转子轴即转子主轴c，沿径向存在贯通孔e，因此在该贯通孔e的部分产生扭转应力集中。

此外，虽然该贯通孔e设置于集电环b1、b2的部位，但集电环b1、b2的外径由于碳刷滑动面的圆周速度而受到限制，由此难以增大转子主轴c的直径。因此，提出有如下构造：通过连接从集电环b1、b2沿轴向延伸设置的引导杆(lead bar)且使径向的贯通孔位置的集电轴的外径大于集电环b1、b2的外径，由此抑制平均应力。

但是，在上述构造的情况下，在集电轴(collector axis)上也存在径向的贯通孔以及中心孔，能够假定会成为高应力集中场所。此外，为了插入集电环，而成为在集电轴的两侧热套轴向联轴器的构造，因此可以认为组装性降低。

发明内容

本发明的实施方式是着眼于上述情况而进行的，其目的在于提供一种旋转电机的转子，能够实现作为设备的可靠性以及组装·维护(maintenance)性的进一步提高。

实施方式的旋转电机的转子为，具备具有一对中心孔铜带的旋转电机的转子主轴、在外周面装配有一对集电环的集电轴、多个轴向引导杆、多个径向引导杆以及多个导电性的轴向螺柱。多个轴向引导杆分别插入于在上述集电轴的外周部位沿轴向延伸设置的多个引导槽内，并分别经由导电性的螺柱与上述集电环连接。多个径向引导杆配设于上述转子主轴的与上述集电轴连结的连结部侧的轴端部，内端部分别与上述中心孔铜带连接。多个导电性的轴向螺柱插入于沿上述集电轴的轴向延伸设置的多个轴向贯通孔内，一端分别与上述径向引导杆的外端部连接，另一端分别与上述轴向引导杆连接。

附图说明

图1是表示第1实施方式的旋转电机的转子主轴与集电轴的连结部分的主要部分的纵截面图。

图2是图1的II-II线截面图。

图3是表示第1实施方式的旋转电机的转子主轴与集电轴以及热套联轴器的连结部分的立体图。

图4是表示第1实施方式的旋转电机的转子主轴的中心孔铜带与径向引导杆的连结部分的立体图。

图5是表示第2实施方式的旋转电机的转子主轴的中心孔铜带与径向引导杆的连结部分的主要部分的纵截面图。

图6是表示第3实施方式的旋转电机的转子主轴与集电轴的连结部分的主要部分的纵截面图。

图7是表示第4实施方式的旋转电机的集电轴的轴向引导杆的立体图。

图8是表示第5实施方式的旋转电机的集电轴的轴向引导杆与引导杆楔的装配状态的截面图。

图9是表示一般的旋转电机的转子的构造的一例的截面图。

图10是涡轮序列构成的一例的示意图。

符号的说明

1：转子主轴；1b：中心孔；2：集电轴；4：第1集电环；5：第2集电环；10：引导槽；11：轴向引导杆；13a：第1集电螺柱；13b：第2集电螺柱；14：轴向贯通孔；15：轴向螺柱；16：阳极侧的中心孔铜带；17：阴极侧的中心孔铜带；18：径向引导杆；19：氢密封O形环(氢密封机构)；20：氢密封填料(氢密封机构)。

具体实施方式

[第1实施方式]

(构成)

以下，利用附图对实施方式进行说明。图1至图4表示第1实施方式。图1是表示本实施方式的旋转电机的转子的转子主轴(rotator main axis)1与集电轴2的连结部分的主要部分的纵截面图。此处，在转子主轴1的轴端部形成有大径的连接凸缘1a，在集电轴2的轴端部形成有大径的连接凸缘(flange)2a。而且，本实施方式的旋转电机的转子构成为，在转子主轴1的连接凸缘1a与集电轴2的连接凸缘2a对接的状态下，集电轴2通过紧固螺栓(bolt)3等相对于转子主轴1紧固固定。在集电轴2上具备用于供给励磁电流(magnetic fieldcurrent)的一对集电环(例如，阳极侧的第1集电环4和阴极侧的第2集电环5)。该第1集电环4和第2集电环5分别为了对地绝缘而经由集电环绝缘筒6、通过热套等相对于集电轴2固定。在相对于集电轴2进一步连接轴的情况下，如图1所示那样，能够通过使用热套联轴器(shrinkage fitting coupling)7来进行轴的结合。由此，本实施方式的旋转电机的转子的轴构造，由转子主轴1以及相对于该转子主轴1紧固固定的集电轴2或者包括集电轴2的多个分割轴构成。

此外，为了集电部的冷却以及碳尘(carbon dust)的排出的目的，相对于集电器风扇轴套(boss)9安装有集电器风扇(fan)8。在图1中，在第1集电环4与第2集电环5之间配置有集电器风扇8以及集电器风扇轴套9，但即便是将集电器风扇8以及集电器风扇轴套9朝轴端部配置的构造，也能够确保相同的功能。

热套于集电轴2的第1集电环4、第2集电环5分别与碳刷(未图示)滑动接触，由此能够对旋转体供给励磁电流。

如图2以及图3所示，在集电轴2的外周部位，沿轴向延伸设置有偶数个(在本实施方式中为6个)引导槽10。此处，6个引导槽10在集电轴2的圆周方向上以等间隔均匀地配置。并且，6个引导槽10在集电轴2的轴向上全部以相同的长度形成。

在各引导槽10中分别插入有轴向引导杆11和引导杆楔12。轴向引导杆11插入在各引导槽10的内底部。引导杆楔12以堵塞各引导槽10的开口部侧的状态装配。由此，成为各引导槽10内的轴向引导杆11通过引导杆楔(lead bar wedge)12而相对于离心力被保持的构造。

并且，各轴向引导杆11具有插入于引导槽10内的直线状的引导杆主体11a、以及在该引导杆主体11a的前端呈大致L字状弯曲形成的前端弯曲部11b。另外，6个轴向引导杆11全部为相同的大小、并形成为相同的形状。而且，6个轴向引导杆11的引导杆主体11a的基端部延伸设置到与第2集电环5的一部分对应的位置。

此外，6个引导槽10内的轴向引导杆11中的例如3个轴向引导杆11，经由导电性的第1集电螺柱13a与第1集电环4连接。剩余的3个轴向引导杆11经由导电性的第2集电螺柱13b与第2集电环5连接。此处，第1集电螺柱13a、第2集电螺柱13b、轴向引导杆11与第1集电环4、第2集电环5相同地进行对地绝缘。

在集电轴2的连接凸缘2a上，加工有沿着轴向延伸设置的6个贯通孔14。6个贯通孔14沿着集电轴2的周向配置在与6个引导槽10相同的圆周方向位置。在各贯通孔14中分别插入有棒状的轴向螺柱15，该轴向螺柱15在进行了对地绝缘的状态下相对于该贯通孔14装配。各轴向螺柱15的基端部分别与轴向引导杆11的前端弯曲部11b连接。

在转子主轴1的轴心部沿轴向延伸设置有中心孔1b。在该中心孔1b中分别插入有以绝缘状态保持的一对中心孔铜带(阳极侧的中心孔铜带16和阴极侧的中心孔铜带17)。各中心孔铜带16、17各自的截面形状形成为半圆形状。各中心孔铜带16、17的基端部与旋转电机的未图示的转子线圈连接。

此外，在转子主轴1的与集电轴2连结的连结部侧的轴端部，配设有与集电轴2的轴向引导杆11对应的6个径向引导杆18。6个径向引导杆18分别从转子主轴1的中心位置朝放射方向延伸设置，在转子主轴1的周向上分别以等间隔配置。如图4所示，6个径向引导杆18中的例如3个径向引导杆18的内端部与阳极侧的中心孔铜带16的前端部连接。剩余的3个径向引导杆18的内端部与阴极侧的中心孔铜带17的前端部连接。此处，各径向引导杆18的内端部例如通过焊接分别安装于中心孔铜带16、17。

并且，与阳极侧的中心孔铜带16连接的3个径向引导杆18的外端部，与第1集电环4侧所连接的3个轴向螺柱15的前端部连接。与阴极侧的中心孔铜带17连接的3个径向引导杆18的外端部，与第2集电环5侧所连接的3个轴向螺柱15的前端部连接。

此外，本实施方式的旋转电机是内部通过氢冷却的方式。如此，在旋转电机的内部通过氢冷却的方式中，需要成为氢不朝机外泄漏的构造。在本实施方式的旋转电机的转子中，在转子主轴1与集电轴2的结合部插入有氢密封O形环(seal O ring)19。并且，在集电轴2的轴向贯通孔14中装配有氢密封填料(packing)20。具备通过该氢密封O形环19和氢密封填料20来进行有可能成为氢的泄漏(leak)路径的部位的氢密封的氢密封机构。

(作用)

在上述构成的本实施方式的旋转电机的转子中，阳极侧的第1集电环4和阴极侧的第2集电环5分别与未图示的碳刷滑动接触，由此供给励磁电流。此处，从第1集电环4供给的励磁电流分别依次经由3个第1集电螺柱13a、轴向引导杆11、轴向螺柱15、径向引导杆18而向阳极侧的中心孔铜带16通电。同样，从第2集电环5供给的励磁电流分别依次经由3个第2集电螺柱13b、轴向引导杆11、轴向螺柱15、径向引导杆18而向阴极侧的中心孔铜带17通电。并且，阳极侧的中心孔铜带16以及阴极侧的中心孔铜带17分别对未图示的旋转电机的转子线圈通电。

(效果)

因此，上述构成起到如下的效果。即，在本实施方式的旋转电机的转子中，在集电轴2的外周部位沿轴向延伸设置的引导槽10内配设有轴向引导杆11。而且，从阳极侧的第1集电环4供给的励磁电流经由第1集电螺柱13a向轴向引导杆11通电，此外，从阴极侧的第2集电环5供给的励磁电流经由第2集电螺柱13b向轴向引导杆11通电。并且，从轴向引导杆11通过轴向螺柱15向转子主轴1侧的径向引导杆18通电。因此，不在集电轴2的内部使用径向的贯通孔，就能够从阳极侧的第1集电环4以及阴极侧的第2集电环5向转子主轴1侧进行电连接。并且，在集电轴2的集电环部不存在以往那样的中心孔。

因而，在现有构造中需要的集电轴2的径向的贯通孔以及中心孔变得不需要，尤其是，即使在作用轴扭矩的条件下，也能够避免在集电轴2的集电环部产生过度的集中应力。

此外，径向引导杆18配置于转子主轴1的轴端部的连接凸缘1a与集电轴2的轴端部的连接凸缘2a的紧固固定部。因此，无需在转子主轴1、集电轴2上设置径向的贯通孔，因此能够防止在贯通孔的部分产生扭转应力集中。

此外，当集电轴2那样的旋转体的弯曲刚性存在各向异性时，会激励同步旋转速度的N倍的振动。在本实施方式中，在集电轴2的外周部位，沿轴向延伸设置有偶数个、在本实施方式中为6个的引导槽10，且6个引导槽10在集电轴2的圆周方向上以等间隔均匀地配置。因此，能够实现集电轴2的弯曲刚性的均匀化。另外，在图2中表示了在集电轴2的外周部位合计设置有6个引导槽10的例子，但引导槽10的个数能够根据励磁电流的值而设为任意个数的偶数。

此外，设置于集电轴2的引导槽10为，根据集电螺柱的位置而所需要的槽长度不同。即，在第1集电螺柱13a的位置以及第2集电螺柱13b的位置，所需要的引导槽10的长度不同。但是，在本实施方式中，6个引导槽10在集电轴2的轴向上全部以相同的长度形成。如此，通过使全部引导槽10的长度相同，能够实现任意截面中的弯曲刚性的均匀化。因而，能够使集电轴2整体的平衡均匀化，能够抑制集电轴2在旋转时产生振动。

此外，成为转子主轴1的一对中心孔铜带16、17与集电轴2的阳极侧·阴极侧的集电环(阳极侧的第1集电环4和阴极侧的第2集电环5)分别连接的构造。因此，与集电环4、5同样地成为一对。相对于各中心孔铜带16、17，在与集电轴2的引导槽位置相同的圆周方向位置上，分别配置有径向引导杆18。而且，例如3个径向引导杆18的内端部与阳极侧的中心孔铜带16的前端部连接。剩余的3个径向引导杆18的内端部与阴极侧的中心孔铜带17的前端部连接。在本实施方式中，如图4所示那样，这些径向引导杆18分别通过焊接相对于中心孔铜带16、17安装。通过该构造，能够将中心孔铜带16、17以及径向引导杆18电气地、机械地牢固结合。

[第2实施方式]

(构成)

图5表示第2实施方式。本实施方式是第1实施方式(参照图1至图4)的旋转电机的转子主轴1的中心孔铜带16(17)与3个径向引导杆18的连结部分的第1变形例。在本变形例中，在转子主轴1的中心孔铜带16(17)的与集电轴2连结的连结部侧的轴端部的角部，设置有定位用的切口部16a(17a)。构成为，在使径向引导杆18的内端部卡合于这些切口部16a(17a)的状态下，将径向引导杆18的内端部通过固定螺栓21固定于中心孔铜带16(17)。

(作用·效果)

在本变形例中，能够通过固定螺栓21以螺栓紧固的方式进行中心孔铜带16(17)与径向引导杆18的连接。在该构造中，能够避免焊接的热变形的影响，能够通过更简单的制造工序来实现连接构造。

[第3实施方式]

(构成)

图6表示第3实施方式。本实施方式是第1实施方式(参照图1至图4)的旋转电机的转子主轴1的中心孔铜带16(17)与3个径向引导杆18的连结部分的第2变形例。在本变形例中构成为，在使径向引导杆18的内端部抵接于转子主轴1的中心孔铜带16(17)的与集电轴2连结的连结部侧的轴端部的状态下，将径向引导杆18的内端部通过固定螺栓22固定于中心孔铜带16(17)。

(作用·效果)

在本变形例的构造中，与图5的第1变形例同样，能够避免焊接的热变形的影响。并且，在本变形例中，无需在中心孔铜带16(17)的与集电轴2连结的连结部侧的轴端部设置定位用的切口部16a(17a)，因此能够通过更简单的制造工序来实现连接构造。

[第4实施方式]

(构成)

图7表示第4实施方式。本实施方式是第1实施方式(参照图1至图4)的旋转电机的集电轴2的轴向引导杆11的变形例。在本变形例中，轴向引导杆11的一部分即前端弯曲部11b的附近部位，通过层叠金属箔、例如铜箔31来构成。

(作用·效果)

在通常情况下，轴向引导杆11由于由励磁电流产生的热而产生热伸展。另一方面，轴向引导杆11相对于轴向成为通过第1集电螺柱13a(第2集电螺柱13b)、引导槽10来固定的构造，因此产生热应力。因此，能够假定由于老化而轴向引导杆11变形、与此相伴的破损等。因此，在本变形例中，通过由铜箔31的层叠体来构成轴向引导杆11的一部分即前端弯曲部11b的附近部位，由此能够确保轴向引导杆11相对于轴向的热伸展的柔性(flexibility)，能够缓和热应力。

另外，也可以成为轴向引导杆11的整体层叠了铜箔31的构造。

[第5实施方式]

(构成)

图8表示第5实施方式。本实施方式是第1实施方式(参照图1至图4)的旋转电机的集电轴2的引导杆楔12的变形例。在本变形例中，通过电绝缘物质来制造引导杆楔12。

(作用·效果)

在本实施方式中，通过电绝缘物质来制造在轴向引导杆11的固定中使用的引导杆楔12。此处，轴向引导杆11中流动励磁电流，因此要求相对于集电轴2等对地构造物绝缘。因此，图2的轴向引导杆11的周围需要用绝缘物质进行保护。例如，在引导杆楔12具有导电性的情况下，在引导杆11与引导杆楔12之间也需要绝缘构造。通过如本构造那样使引导杆楔12成为电绝缘物质，由此无需进行轴向引导杆11相对于引导杆楔12侧的接触面的绝缘，能够实现使引导槽10的深度变浅。结果，能够进一步缓和由传递扭矩引起的集电轴2的部分的扭转应力。

根据这些实施方式，能够提供一种旋转电机的转子，能够实现作为设备的可靠性以及组装·维护性的进一步提高。

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，并且包含于专利请求范围所记载的发明和与其等同的范围中。

Claims (9)

1.一种旋转电机的转子，其特征在于，具备：

旋转电机的转子主轴；

一对中心孔铜带，配设于上述转子主轴的轴心部，分别被保持为绝缘状态；

集电轴，紧固固定于上述转子主轴的轴端部，在外周面装配有用于供给励磁电流的一对集电环并且不具备中心孔；

多个轴向引导杆，插入于在上述集电轴的外周部位沿着上述集电轴的轴向延伸设置的引导槽内，分别经由导电性的螺柱与上述集电环连接；

多个径向引导杆，配设于上述转子主轴的与上述集电轴连结的连结部侧的轴端部，内端部分别与上述中心孔铜带连接；以及

多个导电性的轴向螺柱，插入于在上述集电轴的与上述转子主轴连结的连结部侧的轴端部沿着上述集电轴的轴向延伸设置的多个轴向贯通孔内，一端分别与上述径向引导杆的外端部连接，另一端分别与上述轴向引导杆连接。

2.如权利要求1所述的旋转电机的转子，其特征在于，

在上述转子主轴与上述集电轴的接合面、以及上述集电轴的上述轴向贯通孔分别具备氢密封机构。

3.如权利要求1或2所述的旋转电机的转子，其特征在于，

上述引导槽设置有偶数个、且在上述集电轴的圆周方向上均匀地配置。

4.如权利要求3所述的旋转电机的转子，其特征在于，

上述引导槽为相同的长度。

5.如权利要求1或2所述的旋转电机的转子，其特征在于，

上述引导槽为，在上述集电轴的轴向上全部以相同的长度形成，上述多个轴向引导杆全部为相同的大小、并形成为相同的形状。

6.如权利要求1或2所述的旋转电机的转子，其特征在于，

在上述中心孔铜带的端部通过焊接安装有上述径向引导杆。

7.如权利要求1或2所述的旋转电机的转子，其特征在于，

在上述中心孔铜带的端部通过螺栓紧固安装有上述径向引导杆。

8.如权利要求1或2所述的旋转电机的转子，其特征在于，

上述轴向引导杆的一部分或者整体通过层叠金属箔而构成。

9.如权利要求1或2所述的旋转电机的转子，其特征在于，

上述轴向引导杆通过绝缘物质的楔部件固定于上述引导槽内。