JP2006197710A

JP2006197710A - 回転電機の固定子

Info

Publication number: JP2006197710A
Application number: JP2005006052A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Fuse; 顕太郎布施; Susumu Maeda; 進前田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】固定子端部のシールド押え、及びシールドコアの部分に発生する渦電流損失を低減して温度上昇を抑制した回転電機の固定子を得る。
【解決手段】積層された固定子鉄心１と、この固定子鉄心の積層方向機外側に設けられたシールドコア４と、このシールドコア４のさらに機外側に設けられたシールド押え６とを備えた回転電機の固定子において、上記シールド押え及びシールドコアの少なくとも一方の内周側に半径方向の切れ目８を設けるように構成して上記課題を解決した。
【選択図】図１

Description

この発明は例えばタービン発電機などに用いられる回転電機の固定子に関し、特に固定子鉄心の軸方向端部に配設されたシールドコア及びシールド押えの温度上昇防止に関するものである。

従来の回転電機の固定子における固定子鉄心端部では、例えばフィンガープレートの軸方向外側に配置され、高導電率金属の一体リングからなるクランパを有する回転電機の固定子において、前記固定子鉄心および前記クランパに複数個の軸方向通風穴を設けるとともに、前記フィンガープレートに前記固定子鉄心とクランパに設けた通風穴とそれぞれ連通する軸方向穴部を設けることで、軸方向に貫通する冷却通路を形成したものがある（例えば特許文献１参照。）。

特開平１１−２５２８３０号公報（第１頁、図１）

上記のように構成された従来の回転電機の固定子では、軸方向に貫通する冷却通路により、冷却風を流して、通風によって鉄心端部のクランパを冷却するものであり、渦電流自体を抑制するものではないので、冷却効果に限界があった。固定子端部においては、シールド押えの内周位置、及びシールドコアの内周位置が渦電流損失によって最高温度となる部分であり、例えば発電機の場合、進相運転領域ではシールド押えやシールドコアに侵入する漏洩磁束が多くなるために渦電流が大きくなり、この部分の温度で出力が制限されていた。客先の仕様によっては、従来よりも進相運転領域を拡大する必要のある場合がある。このためには、シールド押え回りの温度上昇を更に抑制するために、巻線端部の漏洩磁束により発生する渦電流損失を低減するか、冷却性能を一層上げる必要があった。

この発明は上記のような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、シールド押え、及びシールドコアの内周側に発生する渦電流損失を低減して温度上昇を抑制した回転電機の固定子を得ることを目的とする。また、シールド押え、及びシールドコアの内周側に発生する渦電流損失を低減して温度上昇を抑制すると共に冷却ガスによる冷却性能が向上された回転電機の固定子を得ることを目的とする。

この発明による回転電機の固定子は、積層された固定子鉄心と、この固定子鉄心の積層方向機外側に設けられたシールドコアと、このシールドコアのさらに機外側に設けられたシールド押えとを備えた回転電機の固定子において、上記シールド押え及びシールドコアの少なくとも一方の内周側に半径方向の切れ目を設けるようにしたものである。

この発明においては、シールド押えまたはシールドコアの内周側に半径方向の切れ目を設けたことにより、シールド押えまたはシールドコアの内周側に発生する渦電流損失が低減され、固定子端部の温度上昇を抑えることができる効果が得られる。

実施の形態１．
図１〜図３は、この発明の実施の形態１になる回転電機の固定子を説明するもので、図１は回転電機の固定子における一端部近傍の要部を模式的に示す側面図、図２は図１中のＩＩ−ＩＩ線における矢視断面図、図３は切れ目を設けていないシールド押えに鎖交する軸方向磁束密度の半径方向分布を示す参考図である。なお、ここではタービン発電機の固定子の場合を例示している。図において、珪素鋼板を積層した固定子鉄心１の積層方向（図２の左右方向）両端面には、これらを軸方向（図２の左右方向）に固定するための、セグメント状で棒状の非磁性材を放射状に形成したフィンガープレート２、リング状の磁性材で構成されるクランパ３が配設される。

シールドコア４は、この例では内径が機外側から機内側に向けて段階的に小さく構成された３つのブロック４１、４２、４３からなっており、各ブロック４１、４２、４３共にそれぞれ複数の珪素鋼板を積層して形成されている。このシールドコア４は、クランパ３に侵入する端部漏洩磁束を遮蔽するための一種の磁束シャントであって、渦電流によるクランパ３の過熱を防止する目的で設置されている。なお、図２は固定子に向って左側の端部構成を示しているが、右側の端部についても同様に構成されている。

上記シールドコア４の機外側（図２においては左側）には、固定子鉄心１、並びにフィンガープレート２、クランパ３、シールドコア４、及び絶縁板５などからなる鉄心端部構成物を軸方向に一体的に固定するためのシールド押え６が設置され、シールド押え６は台形状に形成された板状体からなり、周方向に間隔をあけて複数配設され、固定子鉄心１の背後に配設されたコアボルト７で軸方向に強固に固定される。なお、貫通ボルト（図示せず）により、コアボルト７と共に軸方向に固定する場合もあるが、この例については実施の形態３〜５で説明する。８は、上記シールド押え６の内周側に、半径方向にスリット状に形成された切れ目である。また、９は渦電流、１０は磁束を模式的に示している。なお、各図を通じて同一符合は同一もしくは相当部分を示すものとする。

次に上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。固定子鉄心端部には、回転子、固定子巻線端部（何れも図示省略）で発生した漏洩磁束が鎖交する。この鎖交磁束の主に軸方向成分により、シールド押え６の面内方向に渦電流９が発生し、損失が発生する。切れ目を設けていないシールド押えの場合には、軸方向に生じる磁束１０の半径方向分布は、図３に示すように起磁力（回転子巻線端部、固定子巻線端部）に近いシールド押え６の内周側ほど軸方向磁束密度が大きくなる。このため、渦電流９はシールド押え６の内周側に集中して流れ、大きな損失が発生して温度上昇も最大となる。この実施の形態１では、渦電流９が集中して流れて大きな損失が発生するシールド押え６の内周側に半径方向のスリット状の切れ目８を設けたことで、内周側の幅Ｗを小さくすると同時に、渦電流の流れを遮断することで渦電流を抑制し、過度な損失発生を抑制できる。

次に、上記のようにシールド押え６の内周側の幅Ｗを小さくすることで、渦電流損失が抑制できる理由を定性的に説明する。例えば、１）幅と長さが１の正方形の板の場合と、２）幅のみ１／２にした長方形の板を２枚用いた場合、即ちシールド押え６にスリット状の切れ目８を設けたものに対応する場合を仮定する（なお、シールド押え６は図１では台形であるが、正方形に近似するものとする。）。シールド押え６には、通常、損失低減を目的として高抵抗のステンレス材が使用される。このような高抵抗の材料の場合は、渦電流は抵抗で制限され、いわゆるレジスタンスリミットの発熱特性をもつ。すなわち、渦電流による損失は、電圧をＶ、抵抗をＲとしたときに、抵抗Ｖ^２／Ｒに比例する。そこで、上記１）正方形の板と、２）板の幅を１／２にした長方形の板の例えば外周部を循環する渦電流について代表して計算することにすると、Ｖ^２／Ｒは以下のような相対関係になる。ただし、単純化するために正方形の板の場合、Ｖ＝１、Ｒ＝４とし、板の幅を１／２にした長方形の板の場合、鎖交磁束量が半分になるために、Ｖは概略１／２になり、抵抗Ｒは電流が流れる長さが３／４に減少するので、Ｖ＝０．５、Ｒ＝３とする。

１）正方形の板：
Ｖ＝１．０、Ｒ＝４．０、
Ｖ^２／Ｒ＝０．２５
２）正方形の板の幅を１／２にした長方形の板：
Ｖ＝０．５、Ｒ＝３．０、
Ｖ^２／Ｒ＝０．０８３
但し、長方形の板を２枚用いたものに相当するので、渦電流による２枚分の損失は、
０．０８３×２＝０．１７、
となり、正方形の板の場合の値０．２５に比べ、約７割程度に減少する。
以上より、シールド押え６の内周側にスリット状の１つの切れ目８を設けた場合には、シールド押え６の内周側の幅Ｗを略半分にしたものと同様の効果が得られ、切れ目８を設けることが渦電流損の低減に繋がることが分る。

上記のように、この実施の形態１によれば、シールド押え６の内周側に渦電流の通路を遮断する半径方向の切れ目８を設けたことにより、シールド押え６の場合は、特にその内周側の磁束密度が高いため、渦電流が効果的に抑制され、従って渦電流による損失の低減が図られ、固定子端部の温度上昇を抑制できる。なお、上記切れ目８の径方向の寸法（深さ）は、特に限定されるものではないが、用いた材料に対する漏洩磁束の浸透深さ程度、例えば発電機において運転周波数が５０Ｈｚで、ステンレス材料の場合、約６０ｍｍ程度とすることは望ましい。また、台形状の１つのシールド押え６に切れ目８を周方向に複数設けてもよい。

実施の形態２．
図４及び図５は、この発明の実施の形態２による回転電機の固定子を説明するもので、図４は固定子の一端部近傍の要部を模式的に示す側面図、図５は図４中のＶ−Ｖ線における矢視断面図である。図において、シールド押え６の内周側に設けられた８１は実施の形態１のスリットに変えて、内周側が広く外周側が狭く軸方向から見て略Ｖ字形状に形成された切欠きからなる切れ目、１１は冷却ガスである。その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

この実施の形態２では、図示のように略Ｖ字形状に形成された切欠きからなる切れ目８１を設けたことにより、磁束密度が最大となるシールド押え６の内周側の幅Ｗａを、スリットを設ける場合以上に小さくできるので、内周側での渦電流損、温度上昇の更なる低減が可能である。更に、軸心側から外周に向かう冷却ガス１１の通り道がスリット状の切れ目８の場合よりも広くなるため、温度上昇の低減効果が更に高められるという利点がある。

実施の形態３．
図６〜図８は、この発明の実施の形態３による回転電機の固定子を説明するもので、図６はシールド押え６の内周側に、上記実施の形態２と同様の略Ｖ字形の切れ目８１と、貫通ボルトの挿通孔を設けた場合の挿通孔周りの渦電流分布を説明する参考図、図７は固定子の一端部近傍の要部を模式的に示す側面図、図８は図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における矢視断面図である。図に示すように、この実施の形態３による回転電機の固定子は、実施の形態２の構成に固定子鉄心１を貫通する貫通ボルト１２を備え、さらにシールド押え６の内周側に設けた貫通ボルト１２の挿通孔１３の内周面から半径方向内周部にわたりスリット状の切れ目８２を設けたものである。その他の構成は上記実施の形態２と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成された実施の形態３では、シールド押え６に、Ｖ字形状の切れ目８１に加えて、貫通ボルト１２の挿通孔１３の内周面から該シールド押え６の内周面部６ａに至る半径方向のスリット状の切れ目８２を別途設けている。回転子及び固定子巻線端部から発生する漏洩磁束の軸方向成分によって誘導される図６の渦電流９は、磁束密度が高いシールド押え６の内周側で誘導され、貫通ボルト１２の挿通孔１３を取り巻くように流れる。このため、貫通ボルト１２の挿通孔１３の内周面から、シールド押え６の内周面部６ａに至るスリット状の切れ目８２を、渦電流９を妨げるように半径方向に設けたことは、渦電流損失の低減に大きな効果がある。その結果、実施の形態２と同様のＶ字形状の切れ目８１による低減効果と合わせてこの部分の温度上昇を一層抑制することができる。なお、Ｖ字形状の切れ目８１を省略し、スリット状の切れ目８２のみとしても、相応の渦電流損失の低減効果が得られる。

実施の形態４．
図９〜図１１は、この発明の実施の形態４による回転電機の固定子を説明するもので、図９はシールドコア４に切れ目を設けない場合における貫通ボルト１２の挿通孔１３の周りの渦電流９の分布を説明する参考図、図１０は実施の形態４によるシールドコア４の内、機外側のブロック４１にスリット状の切れ目を設けた場合の固定子端部近傍の要部を模式的に示す断面図、図１１は図１０中のＸＩ−ＸＩ線における矢視断面図である。図において、８３はシールドコア４の機外側のブロック４１における貫通ボルト１２の挿通孔１３の内周面からシールドコア４の内周面部４ａに至る半径方向に設けられたスリット状の切れ目である。なお、この実施の形態４では、シールド押え６に切れ目は設けられていない。その他の構成は、上記実施の形態３と同様であるので説明を省略する。

発電機の運転周波数、例えば５０Ｈｚ、または６０Ｈｚに対し、シールド押え６の材質であるステンレス材の磁束の浸透深さは、それぞれ約６０ｍｍ、約５４ｍｍである。一方、シールド押え６の厚さは例えば約２０〜３０ｍｍであるため、何れも図示を省略している回転子、固定子巻線端部から発生する漏洩磁束の軸方向成分は、シールド押え６を透過してシールドコア４、特に機外側のブロック４１に多く鎖交する。その結果、シールドコア４の内周側で磁束密度が高いため、シールドコア４の下部に誘導される渦電流は、挿通孔１３を取り巻くように流れる。

しかるに、この実施の形態４では渦電流の流路である貫通ボルト１２の挿通孔１３の内周面から該シールドコア４の内周面部４ａに至るスリット状の切れ目８３が設けられていることにより渦電流９の流れが妨げられ、渦電流損失が低減する。その結果、この部分の温度上昇が抑制された回転電機の固定子を得ることができる。なお、上記切れ目８３はシールドコア４の機外側のブロック４１にのみ設けたが、シールドコア４に対する漏洩磁束の軸方向浸透深さは約１０ｍｍ程度であるので、ブロック４１の軸方向の寸法がそれより小さい場合は、各ブロックの寸法に応じて浸透深さに達する程度まで機内側の他のブロック４２、４３にも設けることは望ましい。

実施の形態５．
図１２及び図１３は、この発明の実施の形態５による回転電機の固定子を説明するもので、図１２は固定子の一端部近傍の要部を模式的に示す側面図、図１３は図１２中のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における矢視断面図である。図において、１４はシールドコア４の積層体の内部にスペーサ（図示省略）等を用いて形成された半径方向に貫通する通風ダクト、８４は絶縁板５における貫通ボルト１２の挿通孔１３の内周面から、該絶縁板５の内周面部にわたって設けられたスリット状の切れ目であり、シールド押え６に設けられたスリット状の切れ目８２、絶縁板５に設けられたスリット状の切れ目８４、及びシールドコア４に設けられたスリット状の切れ目８３は、機外側から上記通風ダクト１４に連通するように軸方向に貫通した連続した切れ目となっている。その他の構成は実施の形態３と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成された実施の形態５では、シールド押え６及びシールドコア４に設けられた貫通ボルト１２の挿通孔１３の内周面から半径方向にそれぞれスリット状の切れ目８２、８３を設けて損失低減を図ると共に、絶縁板５にもスリット状の切れ目８４を回転方向の同じ位置に設け、冷却ガス１１がこれら軸方向に直線状に並んだスリット状の切れ目８２、８４、８３を通って軸方向に流れるような構成とした。一般的に鉄心の貫層方向の熱抵抗は、珪素鋼板の表面に塗布されるワニスの影響で大きい。一方、沿層方向では、コアの板厚約０．５ｍｍに対してワニス厚は例えば数μｍ程度と薄いため、ほぼコア材の熱抵抗と等しい。この実施の形態５ではスリット状の切れ目８２、８４、８３を軸方向に通風ダクト１４まで貫通するように設けて、沿層方向に流れる熱を奪う構成としたので、冷却の観点から非常に有効である。従って、この実施の形態５によれば、渦電流損の低減効果に加えて、冷却ガスによる冷却性能が向上され、固定子端部の温度最高点の温度低減に大きな効果が得られる。

ところで、上記実施の形態では「切れ目」を設ける位置として、１）シールド押え６の内周側から外周方向に設ける、２）シールド押え６の内周面部６ａから貫通ボルト１２の挿通孔１３にわたって設ける、３）シールドコア４の内周側から外周方向に設ける、４）シールドコア４の内周面部４ａから貫通ボルト１２の挿通孔１３にわたって設ける、の４箇所について、単独もしくは組み合わせの一部の態様について例示したが、上記「切れ目」は、上記４箇所のうち何れか任意の１つを単独で設けても相応の効果が期待でき、また任意の複数の位置に設けても良い。上記実施の形態５のように「切れ目」を異なる複数の部材、異なる複数の箇所に設けたものは渦電流損の低減効果がより大きくなる。また、切れ目８、８１、８２、８３、８４をスリット状、及びＶ字形状に形成した場合について説明したが、切れ目の形状はこれらのみに限定されるものではない。また、上記切れ目の設置位置や設置数などについても上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の精神の範囲内で種々の変形や変更が可能であることは言うまでもない。

この発明の実施の形態１になる回転電機の固定子における一端部近傍の要部を模式的に示す側面図。図１中のＩＩ−ＩＩ線における矢視断面図。図３は切れ目を設けていないシールド押えに鎖交する軸方向磁束密度１４の半径方向分布を示す参考図。この発明の実施の形態２による回転電機の固定子の一端部近傍の要部を模式的に示す側面図。図４中のＶ−Ｖ線における矢視断面図。シールド押えの内周側に、実施の形態２と同様の略Ｖ字形の切れ目と、貫通ボルトの挿通孔を設けた場合の挿通孔周りの渦電流分布を説明する参考図。この発明の実施の形態３による回転電機の固定子の一端部近傍の要部を模式的に示す側面図。図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における矢視断面図。シールドコア及びシールド押えにスリットなどの切れ目を設けない場合における貫通ボルトの挿通孔周りの渦電流分布を説明する参考図。この発明の実施の形態４による回転電機の固定子端部近傍の要部を模式的に示す断面図。図１０中のＸＩ−ＸＩ線における矢視断面図。この発明の実施の形態５による回転電機の固定子の一端部近傍の要部を模式的に示す側面図。図１２中のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における矢視断面図。

符号の説明

１固定子鉄心、２フィンガープレート、３クランパ、４シールドコア、４ａ内周面部、５絶縁板、５ａ内周面部、６シールド押え、６ａ内周面部、７コアボルト、８、８１、８２、８３、８４切れ目、９渦電流、１０磁束、１１冷却ガス、１２貫通ボルト、１３挿通孔、１４通風ダクト、Ｗ（シールドコアの内周側の）幅。

Claims

積層された固定子鉄心と、この固定子鉄心の積層方向機外側に設けられたシールドコアと、このシールドコアのさらに機外側に設けられたシールド押えとを備えた回転電機の固定子において、上記シールド押えの内周側に渦電流の通路を遮断する半径方向の切れ目を設けてなることを特徴とする回転電機の固定子。
積層された固定子鉄心と、この固定子鉄心の積層方向機外側に設けられたシールドコアと、このシールドコアのさらに機外側に設けられたシールド押えとを備えた回転電機の固定子において、上記シールドコアの内周側に渦電流の通路を遮断する半径方向の切れ目を設けてなることを特徴とする回転電機の固定子。
上記半径方向の切れ目は、内周側が広く外周側が狭く軸方向から見て略Ｖ字形に形成されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機の固定子。
積層された固定子鉄心と、この固定子鉄心の積層方向機外側に設けられたシールドコアと、このシールドコアのさらに機外側に設けられたシールド押えとを備え、上記シールド押え及び上記シールドコアの内周側に、該シールド押えから上記シールドコア、及び上記固定子鉄心を軸方向に貫通する貫通ボルトの挿通孔が設けられた回転電機の固定子において、上記シールド押えは、上記挿通孔から該シールド押えの内周面部に至る半径方向の切れ目が設けられてなることを特徴とする回転電機の固定子。
積層された固定子鉄心と、この固定子鉄心の積層方向機外側に設けられたシールドコアと、このシールドコアのさらに機外側に設けられたシールド押えとを備え、上記シールド押え及び上記シールドコアの内周側に、該シールド押えから上記シールドコア、及び上記固定子鉄心を軸方向に貫通する貫通ボルトの挿通孔が設けられた回転電機の固定子において、上記シールドコアは、上記挿通孔から該シールドコアの内周面部に至る半径方向の切れ目が設けられてなることを特徴とする回転電機の固定子。
積層された固定子鉄心と、この固定子鉄心の積層方向機外側に設けられた積層されたシールドコアと、このシールドコアのさらに機外側に設けられたシールド押えとを備え、上記シールド押え及び上記シールドコアの内周側に、該シールド押えから上記シールドコア、及び上記固定子鉄心を軸方向に貫通する貫通ボルトの挿通孔が設けられた回転電機の固定子において、上記シールドコアは、その積層体の内部に半径方向に貫通するダクトを有してなり、かつ上記シールドコア及び上記シールド押えは、上記挿通孔から該シールドコア及び上記シールド押えの内周面部に至る半径方向の切れ目が設けられてなると共に、該切れ目は、軸方向機外側端部から上記シールドコアを経て上記ダクトに至るまで軸方向に貫通して設けられてなることを特徴とする回転電機の固定子。