JP2009100522A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
ステータ端部構造物の渦電流損失を低減しつつ、旋回流の抑制による風損の増加を防いで、高効率な回転電機を提供することである。
【解決手段】
ステータと、ロータとを有する回転電機において、ステータ端部周辺の構造物の回転電機内部側面に凹部を設け、該凹部に非導電材を埋め込んだことである。
【効果】渦電流損失を低減しつつ、旋回流の抑制による風損の増加を防いで、高効率な回転電機を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転機に関し、特にステータの端部構造に関するものである。

一般にマイクロガスタービン用発電機等に代表される超高速回転電機においては、ロータの軸受間隔を短くして危険速度を大きく設計している。発電機ロータはタービンや圧縮機と直結されるため、発電機端部はコンパクトに設計され、エンドブラケットはコイルエンドに接近して設置させる。ここでコイルエンドとは、あるスロットから他のスロットへ巻き回されるコイルの部分を呼び、スロットに入るコイル同士をつなぐ役割を果たす。

このため、エンドブラケットには、コイルエンドからの漏れ磁束によって発生する渦電流損失が発生する。渦電流損失が発生すると、発電機の効率の低下だけでなく、渦電流損失発生部位における局所的な過熱や変形の恐れがある。

エンドブラケットの渦電流損失の低減を図る技術として、例えば特許文献１に示すように、エンドブラケットに溝等の凹部や凸部を設ける技術が提案されている。

特開２００５−２５３１９８号公報

しかしながら、上述の特許文献１（特開２００５−２５３１９８号公報）に記載された技術では、エンドブラケットの渦電流損失には一定の低減効果があるが、回転中心軸の空間に放射状の凸部や凹部が存在すると、回転体につられて発生する旋回流が抑制されてしまうため、その抑制されたエネルギーの分風損が増加し、発電機の効率が低下する問題が生じる。

本発明の目的は、ステータ端部構造物の渦電流損失を低減しつつ、旋回流の抑制による風損の増加を防ぐことにより高効率な回転電機を提供することにある。

本発明の一つの特徴は、回転電機において、ステータ端部構造物に凹部を設け、そこに樹脂等の非導電材を埋め込むことを特徴とすることである。

ステータ端部構造物の渦電流損失を低減しつつ、旋回流の抑制による風損の増加を防ぐことにより高効率な回転電機を提供することができる。

以下本発明による回転電機の第１の実施の形態を、図１，図２，図３に基づいて説明する。

本実施の形態は、マイクロガスタービン用の高速発電機であり、ロータに永久磁石を組み込んだ永久磁石式回転電機である。図１に本発明による回転電機の概略縦断側面図を示す。この回転機は、主として、筒形状のハウジング部１Ａと略円盤状のエンドブラケット１Ｂ，１Ｃとをボルト（図示せず）で互いに連結して構成されたハウジング１と、ハウジング１に固定され回転軸４を固定する軸受８Ａ，８Ｂと、回転軸４に固定された回転子３と、回転子３の外周に位置し、間隙５を形成しつつハウジング１に固定される固定子２とを有して構成される。固定子２は、薄いリング状の電磁鋼板２Ａが積層されて円筒形状に構成され、コイル９を組み込むための溝であるスロット（図示せず）が複数設けられている。コイル９は絶縁皮膜が形成された銅線束により構成されており、スロット（図示せず）に組み込まれつつ、固定子２に巻きつけられている。その際コイル９は、固定子２の端面近傍のスロット外で折り返され、他のスロット（図示せず）に入る形で巻き回される。
このコイル９が折り返される固定子２の端面近傍をコイルエンド９Ａ，９Ｂと称する。コイルエンド９Ａ，９Ｂの周りには、樹脂１０を配置している。これにより、コイルエンド９Ａ，９Ｂを効率よく冷却することができる。

回転子３には回転子鉄心３Ａの外周に永久磁石６が配置され、永久磁石６の飛散防止のため、永久磁石６の外周に保持環７を設けている。回転軸４には、圧縮機（図示せず）とタービン（図示せず）が接続される。

図２に図１のエンドブラケット１ＢをＡ方向で見た図を示す。エンドブラケット１Ｂにおいては、凹部１２を半径方向に複数本設けて、その凹部１２には樹脂等の非導電材１２Ａを埋め込んでいる。樹脂材には高温硬化型のエポキシ樹脂等が望ましい。図３に図１のエンドブラケット１ＢをＡ方向で見た図において、渦電流発生の説明図を示す。図３において発電機運転時では、コイルエンド（図示せず）やロータの永久磁石（図示せず）からの漏れ磁束１３により、エンドブラケット１Ｂの導電材部分１１の表面には渦電流１４が流れ、これによって渦電流損失が発生する。エンドブラケット１Ｂに凹部１２を入れることにより、渦電流経路が短くなり渦電流損失の発生が低減できる。また、凹部を設けたままでは旋回流１５を抑制するため風損が増加するが、凹部１２に樹脂等の非導電材を埋め込むことにより、渦電流経路を短くしつつ、旋回流１５の抑制を減少させることができるため、高効率な回転電機を得ることができる。尚、エンドブラケット１ＣをＡ′方向で見た図においては、旋回流１５の向きは図３の向きと逆になる。

次に図４に基づいて本発明による回転電機の第２の実施の形態を説明する。図１〜図３と同一部品を同一符号で表示して、再度の詳細な説明は省略した。第２の実施の形態では、軸受８Ａ，８Ｂがすべり軸受の場合を示している。すべり軸受においては、軸受の潤滑材として回転軸４と軸受８Ａ，８Ｂの間に油もしくは水を供給するが、潤滑材の漏れを防ぐためにラビリンスリング１Ｆ，１Ｇを設けて、潤滑材の漏れを防いでいる。ラビリンスリング１Ｆ，１Ｇは、ラビリンスリングサポート１Ｄ，１Ｅによってそれぞれエンドブラケット１Ｂ，１Ｃに固定されている。ラビリンスリング１Ｆ，１Ｇ及びラビリンスリングサポート１Ｄ，１Ｅもエンドブラケット１Ｂ，１Ｃと同様に導電材で構成されるため、漏れ磁束（図示せず）により渦電流損失が発生する。ラビリンスリング１Ｆ，１Ｇ及びラビリンスリングサポート１Ｄ，１Ｅにも図２のように、凹部（図示せず）を半径方向に複数本設けて、その凹部（図示せず）に樹脂等の非導電材（図示せず）を埋め込むことにより、渦電流経路を短くしつつ、旋回流１５の抑制を減少させることができるため、高効率な回転電機を得ることができる。なお、ラビリンスは、ラビリンスリング１Ｆ，１Ｇ及びラビリンスリングサポート１Ｄ，１Ｅを備えている。

以上のように、本発明はブラケット，ラビリンスリング，ラビリンスサポートといったステータ端部周辺の構造物の回転電機内部側面に凹部を設け、この凹部に非導電材を設けたことを特徴としている。これにより、渦電流防止だけでなく、旋回流をスムーズに通し、風損を損なうことがないため高効率な回転電機を提供することができる。

次に図５に基づいて本発明による回転電機の第３の実施の形態を説明する。図１〜図３と同一部品を同一符号で表示して、再度の詳細な説明は省略した。第３の実施の形態では、径方向の凹部を不等ピッチに配置したものであり、周方向上部の方が周方向下部よりも本数を多くしている。この構造に、周方向温度分布にアンバランスがある場合には、周方向上部の渦電流損失の発生を少なくして、周方向の温度分布のばらつきを低減することができる。一般的には、熱は上部にこもりやすいため、上部のピッチを狭くすることにより渦電流の発生を小さくしている。これにより、上部の熱の発生を抑え、温度分布がアンバランスにならないようにしている。

次に図６に基づいて本発明による回転電機の第４の実施の形態を説明する。図１〜図３と同一部品を同一符号で表示して、再度の詳細な説明は省略した。第４の実施の形態では、凹部を周方向に設けたものである。この形状においても、渦電流経路を短くしつつ、旋回流（図示せず）の抑制を減少させることができるため、高効率な回転電機を得ることができる。

次に図７に基づいて本発明による回転電機の第５の実施の形態を説明する。図１〜図３と同一部品を同一符号で表示して、再度の詳細な説明は省略した。第５の実施の形態では、周方向の凹部を不等ピッチに配置したものである。渦電流損失は内径側に多く発生するので、内径側の凹部の本数を増やすことにより、効率的に渦電流損失の低減が図れて、旋回流（図示せず）の抑制を減少させることができるため、高効率な回転電機を得ることができる。

次に図８に基づいて本発明による回転電機の第６の実施の形態を説明する。図１〜図３と同一部品を同一符号で表示して、再度の詳細な説明は省略した。第６の実施の形態では、凹部を径方向及び周方向に設けたものである。この形状においても、渦電流経路を短くしつつ、旋回流（図示せず）の抑制を減少させることができるため、高効率な回転電機を得ることができる。

次に図９に基づいて本発明による回転電機の第７の実施の形態を説明する。図１〜図３と同一部品を同一符号で表示して、再度の詳細な説明は省略した。第７の実施の形態では、凹部を連続的に設けて、エンドブラケット１Ｂの外周面に向かって２点（１２Ｂ，１２Ｃ）を貫通させたものである。これにより、凹部に樹脂を設ける際、凹部のないエンドブラケット１Ｂと同じ形状（図示せず）をエンドブラケット１Ｂと合わせてボルト等（図示せず）で固定した後、注入入口１２Ｂ，注入出口１２Ｃを上向きとし、注入入口１２Ｂから樹脂を注入して、注入出口１２Ｃから樹脂が出てくるのを確認することにより、容易に凹部に樹脂を埋め込むことができる。なお、凹部の端部の始点と終点は、エンドブラケット等のステータ端部構造物の内周面又は外周面にあれば良い。また、始点と終点の両方を必ず必要とするものではなく、注入部が一点であっても良い。

次に図１０に基づいて本発明による回転電機の第８の実施の形態を説明する。図１〜図３と同一部品を同一符号で表示して、再度の詳細な説明は省略した。第８の実施の形態では、凹部を周方向と径方向に設けて、エンドブラケット１Ｂの外周面に向かって２点（１２Ｂ，１２Ｃ）を貫通させたものである。これにより、凹部に樹脂を設ける際、凹部のないエンドブラケット１Ｂと同じ形状（図示せず）をエンドブラケット１Ｂと合わせてボルト等（図示せず）で固定した後、注入入口１２Ｂ，注入出口１２Ｃを上向きとし、注入入口１２Ｂから樹脂を注入して、注入出口１２Ｃから樹脂が出てくるのを確認することにより、容易に凹部に樹脂を埋め込むことができる。

次に図１１に基づいて本発明による回転電機の第９の実施の形態を説明する。図１〜図３と同一部品を同一符号で表示して、再度の詳細な説明は省略した。第９の実施の形態では、前記ブラケットの回転軸方向中心側の面、又はステータ端部構造物の回転軸方向中心側の面に凹部を網状に設け、その凹部に導電材を設けて複数の環状に接続している。導電材には電気抵抗の小さい銅が望ましい。複数の環状の形状は、銅のバーを折り曲げて挿入しても、銅ダイカストで製作してもよい。漏れ磁束１３により、銅の環状リングには渦電流１４が流れるため漏れ磁束１３が遮蔽されて、エンドブラケット１Ｂの導電材部分１１に発生する渦電流損失は減少する。銅の環状リングには渦電流１４が流れるため渦電流損失が発生するが、銅の電気抵抗が小さいことにより、導電材部分１１と合わせた全渦電流損失は減少する。また、銅は熱伝導が良いため、導電材部分１１や旋回流（図示せず）によって冷却されやすく局所加熱が少ない。この形状においても、渦電流損失を低減しつつ旋回流（図示せず）の抑制を減少させることができるため、高効率な回転電機を得ることができる。なお、銅の代わりにアルミニウムを用いても良い。

次に図１２に基づいて本発明による回転電機の第１０の実施の形態を説明する。図１〜図３と同一部品を同一符号で表示して、再度の詳細な説明は省略した。第１０の実施の形態では、凹部の形状を、凹部の表面の開口幅寸法よりも内部の凹部底寸法が大きいダブテール形状にしたものである。この形状にすることにより、注入して硬化した樹脂やダイカストで製作した銅の脱落の防止が図れる。

本発明による回転電機の第１の実施の形態である回転電機の概要を示す概略縦断側面図。 本発明による回転電機の第１の実施の形態である回転電機のエンドブラケットを示す図。 本発明による回転電機の第１の実施の形態である回転電機のエンドブラケットを示す説明図。 本発明による回転電機の第２の実施の形態である回転電機の概要を示す概略縦断側面図。 本発明による回転電機の第３の実施の形態である回転電機のエンドブラケットを示す図。 本発明による回転電機の第４の実施の形態である回転電機のエンドブラケットを示す図。 本発明による回転電機の第５の実施の形態である回転電機のエンドブラケットを示す図。 本発明による回転電機の第６の実施の形態である回転電機のエンドブラケットを示す図。 本発明による回転電機の第７の実施の形態である回転電機のエンドブラケットを示す図。 本発明による回転電機の第８の実施の形態である回転電機のエンドブラケットを示す図。 本発明による回転電機の第９の実施の形態である回転電機のエンドブラケットを示す図。 本発明による回転電機の第１０の実施の形態である回転電機のエンドブラケットを示す図。

符号の説明

１ ハウジング
１Ａ 筒形状のハウジング部
１Ｂ，１Ｃ 略円盤状のエンドブラケット
１Ｄ，１Ｅ ラビリンスリングサポート
１Ｆ，１Ｇ ラビリンスリング
２ 固定子
２Ａ 電磁鋼板
３ 回転子
３Ａ 回転子鉄心
４ 回転軸
５ 間隙
６ 永久磁石
７ 保持環
８Ａ，８Ｂ 軸受
９ コイル
９Ａ，９Ｂ コイルエンド
１０ 樹脂
１１ エンドブラケットの導電材部分
１２ 凹部
１２Ａ 非導電材
１２Ｂ 注入入口
１２Ｃ 注入出口
１２Ｄ 導電材
１３ 漏れ磁束
１４ 渦電流
１５ 旋回流

Claims (13)

1. ステータと、ロータとを有する回転電機において、
   ステータ端部周辺の構造物の回転電機内部側面に凹部を設け、該凹部に非導電材が埋め込まれていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、
   前記ステータ端部周辺の構造物とは、前記ステータを覆うハウジングの端部に接するブラケットであることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１において、
   前記ステータ端部周辺の構造物とは、前記ステータを覆うハウジングの端部に接するブラケットに支持されるラビリンスであることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１において、前記凹部を略径方向に設けていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項４において、前記凹部を略周方向に不等ピッチで設けていることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１において、前記凹部を略周方向に設けていることを特徴とする回転電機。
7. 請求項６において、前記凹部を略径方向に不等ピッチで設けていることを特徴とする回転電機。
8. 請求項１において、前記凹部の端部が前記ステータ端部周辺の構造物の外周面又は内周面にあることを特徴とする回転電機。
9. 請求項１において、前記凹部の形状を、凹部の表面の開口幅寸法よりも内部の凹部底寸法が大きい形状にしたことを特徴とする回転電機。
10. ステータと、ロータとを有する回転電機において、
    ステータ端部周辺の構造物の回転電機内部側面に凹部を設け、該凹部が網状及び環状に設けられ、かつ、該凹部に導電材が埋め込まれていることを特徴とする回転電機。
11. 請求項１０において、前記導電材をダイカストで製作したことを特徴とする回転電機。
12. 請求項１１において、前記凹部の形状を、凹部の表面の開口幅寸法よりも内部の凹部底寸法が大きい形状にしたことを特徴とする回転電機。
13. 請求項１０において、
    前記導電材は、銅又はアルミニウムであることを特徴とする回転電機。

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