JP2010226901A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、固定子コイルサポートリングと固定子コイルを結束固定するバインドテープのずれによる緩みを防止し、電気的絶縁に対する信頼性の確保と低コスト化を両立した回転電機を提供することにある。
【解決手段】本発明は、固定子コイルサポートリングの固定子コイルエンド部の固定子コイルとの当接面と隣り合う面に面同士を貫く貫通孔を設け、該貫通孔にバインドテープを通して、前記固定子コイルサポートリングと前記コイルエンド部の固定子コイルを結束固定させることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は回転電機に係り、例えば大容量タービン発電機における固定子コイルエンドのコイル締結構造を改良した回転電機に関する。

従来の回転電機の一例として、大容量タービン発電機の構造を図１０に示す。該図に示す如く、タービン発電機は、固定子枠６と、該固定子枠６に固定された固定子７と、固定子７の内部に配置されて回転する回転子８とから概略構成されている。

回転子８は、回転軸１３と共に回転する回転子コア１４と、該回転子コア１４に巻回された回転子コイル１５とから概略構成され、一方、固定子７は、前記回転子コア１４の径方向外側に所定間隙をもって配置された固定子コア１０と、該固定子コア１０の軸方向に連通すると共に、周方向に所定間隔をもって形成されたスロット内に収納される固定子コイル９と、固定子コア１０の軸方向端部に配置されているエンドプレート１１、及び前記スロットから他のスロットに渡る固定子コア１０よりも外側の、一般にコイルエンドと呼ばれる位置で固定子コイル９を支える固定子コイルサポートリング１と、該固定子コイルサポートリング１をエンドプレート１１に固定するリング支え１２とから概略構成されている。

コイルエンドは直接発電に寄与する部分ではないためコンパクト化が求められており、そのコンパクト化を達成する手段として、コイルにはインボリュート形状が採用されている。

図１１は、図１０に示したタービン発電機の固定子コア１０に位置するコイルエンドの一部分を示す斜視図である。

上述したインボリュート形状とは、コイルエンドを形成するハーフターンコイルが３次元的に曲げられた（湾曲された）形状を指す。

ここで、コイルエンドの曲げ角度が増加するほどコイルエンド終端と固定子コア端部間の回転子軸方向の距離が短くなり、コイルエンドのコンパクト化、および低コスト化に寄与できることとなる。その一方で、コイルエンド終端近傍では、コイル表面電位が導体電位と同等となるため、コイルエンドを製作する際には、隣接コイル間の絶縁離隔距離が十分にして最小となることが求められている。

大容量タービン発電機では、コイル導体の外周に対地絶縁テープ、低抵抗テープ、及び電界緩和テープ等を巻き付けたハーフターンコイルが固定子コアの内外に配置され、コイルエンド終端部でそれぞれのハーフターンコイル同士が結線されている。すなわち、ハーフターンコイル同士の電気的な接続、及び接続部の絶縁被覆等の端末処理が行われ、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相巻線コイルが製作される。

固定子コイルの製造プロセスに係る従来技術には、絶縁材が被覆されたハーフターンコイルを予め樹脂含浸及び成形プレス硬化し、その後、固定子コアに配置して全てを組み立てる第１の従来技術と、同様に絶縁材が被覆されたハーフターンコイルを先に固定子コアに配置し、固定子コア内外での組み立てを完了した後に、真空脱気、熱硬化性樹脂の加圧含浸及び乾燥硬化を行う第２の従来技術がある。

第１の従来技術は、プリプレグ絶縁方式と単独注入絶縁方式、第２の従来技術は、全含浸絶縁方式と呼ばれている。

第２の従来技術では、固定子コイルとコアを熱硬化性樹脂によって同時に含浸及び硬化するため、第１の従来技術と比較して製作工数が低減でき、且つ運転時の冷却効率を高められることから、近年の回転電機の固定子製作では、小型の誘導電動機から大型のタービン発電機まで、その適用が拡大されている。

発電機運転時の固定子コイル９には、主に電磁力によってサポートリング１の周方向に機械的振動が発生するため、固定子コイルエンド部のコイル（以下、コイルという）の振動を起点とする隣接コイル間の絶縁破壊、及び発電機の機械的故障を防止する必要がある。そこで、機械的振動を抑制するために、固定子コア１０内部では楔によってスロット開口部を封止している。一方、コイルエンドでは図１１に示すように、コイルを固定子コイルサポートリング１（以下、サポートリングという）によって支持・固定する。サポートリング１とコイルは、バインドテープ等の結束材を巻回して結束されている。

特許文献１では、電磁力によるサポートリング１の周方向に生じるコイルの振動防止として、コイルをより強固に固定するために、サポートリング１の周方向に連続した強化繊維を巻き、強化繊維を樹脂で固めた周囲に巻き付けるピッチを、サポートリング１に接するコイルエンド部のコイル幅と、隣接するコイルエンド部のコイル同士の間隔に合わせて螺旋状に長繊維の強化繊維を巻き付け、サポートリング１表面に螺旋状に連続した強化繊維と樹脂からなる突起部を設けた対策を提案している。

特開２００２−２７６９６号公報

コイルエンドのコンパクト化に関しては、技術的課題として、コイルの機械的振動に伴った電気的絶縁に対する信頼性の確保及び機械的故障の防止が、また価格競争力の課題として、サポートリング結束に係る低コスト構造が求められてきた。

特許文献１では、コイルの両脇に配置された突起部により固定力を強化しているが、大型回転電機に関しては、製造する機器毎にコイル寸法や隣接コイル間ピッチが変わるため、突起部を構成する強化繊維等のテーピング巻回は手作業で行わなければならず、テンション管理をはじめとする安定した巻回には熟練者による作業が必要であった。また、コイルエンドのコンパクト化に伴い、インボリュート角が増加した結果、コイルの両脇に突起部を設けること自体が困難であった。さらに、従来よりも部品点数が増えることにより価格競争力を損なう恐れがあった。

また、従来技術では、組み立て後の固定子を一括で含浸、硬化させるため、含浸時の熱硬化性樹脂の浸透によって、主としてコイルの絶縁層が膨張し、サポートリング１とコイルを結束するバインドテープがずれて結束が緩み、発電機の絶縁破壊、及び機械的故障を招く懸念があった。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、サポートリングとコイルを結束固定するバインドテープのずれによる緩みを防止し、電気的絶縁に対する信頼性の確保と低コスト化を両立できる回転電機を提供することにある。

本発明の回転電機は、上記目的を達成するために、円筒状の固定子コアの端面から突出するコイルエンド部の前記端面との平行部をバインドテープ等で結束させて固定する円環状の固定子コイルサポートリングにおいて、サポートリングに貫通孔を設け、該貫通孔にバインドテープ等の結束材を通して、サポートリングとコイルを結束固定させることを特徴とする。

本発明の回転電機によれば、バインドテープがサポートリングに貫通孔を通して固定されるため、コイル絶縁層の含浸、硬化過程での膨張に起因したバインドテープのずれに伴う緩みを防止することが可能となり、電機絶縁に対する信頼性の確保と低コスト化を両立できる回転電機を得ることができる。

本発明の回転電機の一実施例を示し、サポートリングとコイルとの当接面に隣り合う面同士を貫くバインドテープ通し用の貫通孔を設けた際の幾何学配置の一部を示した部分斜視図である。 図１の状態から貫通孔を用いてサポートリングとコイルとをバインドテープによって結束固定させた際の幾何学配置の一部を示した部分斜視図である。 本発明の回転電機の他の実施例を示す図１に相当する図である。 本発明の回転電機の他の実施例を示す図２に相当する図である。 本発明の回転電機の他の実施例を示し、サポートリングとコイルとの間に介在するテーパー状の隙間に補強片を配した際の幾何学配置の一部を示した部分斜視図である。 本発明の回転電機の更に他の実施例を示す図２に相当する図である。 本発明の回転電機の一実施例を示し、サポートリング周方向断面の幾何学配置の一部を示した断面図である。 本発明の回転電機の更に他の実施例を示す図２に相当する図である。 本発明の回転電機の他の実施例を示し、図７に相当する図である。 従来の回転電機の一例である大容量タービン発電機を示す断面図である。 図１０に示したタービン発電機の固定子コア１０に位置するコイルエンドの一部分を示す斜視図である。

〔実施例〕

図１は、本発明の一実施形態を示したものであり、本実施例では、サポートリング１とコイル２との当接面に隣り合う面Ｂ及び面Ｃを貫くバインドテープ通し用の貫通孔（以下、貫通孔という）３を設けている。そして、図２に示すように、貫通孔３を用いてサポートリング１とコイル２とをバインドテープ４によって結束固定している。

尚、図１では、貫通孔３の掘削位置をわかり易く示すために、貫通孔３と実際にはサポートリング１の内径面に当接して配置されるコイル２をそれぞれ破線の透視図で記載している。サポートリング１の周方向断面は図９と同様に円形である。

コイル２がサポートリング１にバインドテープ４で結束された状態で運転時の電磁力が加わると、サポートリング１は長円形に振動する場合がある。この振動モードの場合には、電磁力を受けるコイル２を支えるサポートリング１に対して、曲げの負荷が加わる。そのため、サポートリング１は、長期健全性を保ち、且つ機械的振動を最小限に留めるために、繊維強化プラスチックで構成されている。

本実施例では、バインドテープ４がサポートリング１に貫通孔３を通して固定されるため、コイル絶縁層の含浸、硬化過程での膨張に起因したバインドテープ４のずれに伴う緩みを防止することが可能になると共に、巻回時のバインドテープ４の総量を削減でき、電機絶縁に対する信頼性の確保と低コスト化を両立した回転電機を実現できる。

尚、サポートリング１は、離型処理を施したサポートリング成型用のマンドリルに、エポキシ樹脂等のワニスに浸漬させたガラスロービングを、繊維の向きがサポートリング１の周方向に連続して積層されるように巻き付け、ワニスが所定の時間で常温硬化された後にマンドリルを抜き取り、アフターキュア及びサポートリング１の表面を加工して製造される。

従来は、バインドテープ４をサポートリング１の厚み方向外周面に沿って巻回していたため、バインドテープ４の拘束は、巻回時のテンションに頼らざるを得なかった。

これに対し、本実施例では、バインドテープ４を貫通孔３に通し巻回固定するため、バインドテープ４には、従来技術にはなかった貫通孔３による拘束力が新たに働き、含浸硬化時のコイル２の膨張によるバインドテープ４のずれに伴う緩みを確実に防止できる。また、従来のサポートリング１の外周面に巻回していた場合に比べて、本実施例では、貫通孔３によるバイパスができたため巻回距離が短縮でき、コイルエンドの低コスト化が可能となる。

また、本実施例では、サポートリング１表面の貫通孔３に、面取り加工を加えている。
その結果、バインドテープ４の巻回時における貫通孔３の角部やバリとの接触によるテープ損傷及び破断を回避でき、バインドテープ４によるサポートリング１とコイル２との結束固定に対する信頼性を向上させることができる。

尚、バインドテープ４に関しては、含浸前にサポートリング１とコイル２との結束のずれや緩みを更に抑制するために、通常、全含浸絶縁方式で使用するドライテープに代えて、常温硬化樹脂を浸漬させたプリプレグテープで巻回硬化した後に、固定子全体を全含浸、硬化させても良い。

また、バインドテープ４による固定に当たっては、サポートリング１とコイル２の密着性の向上、結束時の損傷及び運転時の振動防止材として、サポートリング１とコイル２の間に不織布等のフェルト状、あるいはスポンジ状の図示しない緩衝材を配置しても良い。

図３は、本発明の他の実施形態を示したものであり、サポートリング１の厚み方向断面は、コイルエンド部のコイル２とサポートリング１の当接面と、この当接面に隣り合う面Ｂ（又はＣ）とが鈍角となる略末広がりのテーパー形状を有した８角形をなす多角形状からなり、厚み方向断面が８角形をなす多角形状のサポートリング１とコイル２との当接面に隣り合う面Ｂ及び面Ｃを貫く貫通孔３を設けている。そして、図４に示すように、貫通孔３を用いてサポートリング１とコイル２とをバインドテープ４によって結束固定している。

尚、図３では、貫通孔３の掘削位置をわかり易く示すために、貫通孔３と実際にはサポートリング１の内径面に当接して配置されるコイル２をそれぞれ破線の透視図で記載している。

本実施例では、一例として、実施例１で示したサポートリング１の製作において、アフターキュアの後に、コイル２と当接する内径面及び外径面を切削加工し、サポートリング１の厚み方向断面が８角形をなす多面形状としている。また、実施例１と同様に、サポートリング１表面の貫通孔３に面取り加工を加えている。

このような本実施例にすることにより、含浸硬化時のコイル２の膨張によるバインドテープ４のずれに伴う緩みを確実に防止できる。また、従来のサポートリング１の外周面に巻回していた場合に比べて、サポートリング１の多角形状化と貫通孔３によるバイパスを用いてバインドテープ４の巻回距離を更に短縮でき、コイルエンドの更なる低コスト化が可能となった。

次に、サポートリング１の内径面と共に、外径面に対しても切削加工し多角形状とした理由について説明する。

大型発電機では、固定子コアへ設けた各々のスロットに対して、その深さ方向にコイルを２本配置する場合がある。通常、スロット開口部に近い側のコイルを上コイル、スロット底部に近い側を底コイルと称する。

コイルエンドでは、機械的振動に対して電気的絶縁の確保、並びに機械的故障を抑制するために、コイル２は複数のサポートリング１とバインドテープ４によって適宜固定される。即ち、複数のサポートリング１は、固定子コア端部よりコイルエンド終端に向かって複数個配置され、コイルエンド終端に近づくほどサポートリング１の円半径も拡大される。

ここで、それぞれのサポートリング１では、内径面に上コイル、外形面に底コイルが当接配置される。このような場合、サポートリング１は、上コイルと底コイルの２本を支持する構成となり、サポートリング１の内径面に当接するコイル２と同様に、外形面に当接するコイル２にもバインドテープ４が巻回される。

従って、図４には、サポートリング１の内径面に当接するコイル２に対する結束の様子を示しているが、サポートリング１の外径面に当接されるコイル２の固定に対しても貫通孔３にバインドテープ４を通し、内径面に固定する場合と同様の効果を得るための多角形状としている。

尚、バインドテープ４に関しては、含浸前にサポートリング１とコイル２との結束のずれや緩みを更に抑制するために、通常、全含浸絶縁方式で使用するドライテープに代えて、常温硬化樹脂を浸漬させたプリプレグテープで巻回硬化した後に、固定子全体を全含浸、硬化させても良い。

また、バインドテープ４による固定に当たっては、サポートリング１とコイル２の密着性の向上、結束時の損傷及び運転時の振動防止材として、サポートリング１とコイル２の間に不織布等のフェルト状、あるいはスポンジ状の図示しない緩衝材を配置しても良い。

図５は、更に他の実施形態を示したものであり、サポートリング１の面Ｂ及び面Ｃと、コイル２のサポートリング当接面とで成すテーパー状の隙間に補強片１６を配置した一例を示す。

尚、図５では貫通孔３の掘削位置と補強片１６の配置をわかり易く示すために、貫通孔３と実際にはサポートリング１の内径面に当接して配置されるコイル２をそれぞれ破線で示した透視図で記載している。

図５では、コイル２が当接配置される近傍に貫通孔３を４箇所設け、貫通孔３で挟まれた該テーパー状の隙間に補強片１６を設けた。その他の構成は実施例２と同一である。

本実施例では、実施例２で示した構成に対して該テーパー状の隙間に補強片１６を配置した後に、バインドテープ４によってサポートリング１，コイル２、及び補強片１６を結束固定している。

図６は、結束固定後の一例であり、ここではバインドテープ４を貫通孔３に通して対角線状に結束させた様子を示している。

この様に補強片１６を配置，固定することによって、等価的にサポートリング１とコイル２との当接面積が増加し、より強固に結束固定させることができる。

第一の従来技術であるプリプレグ絶縁方式と単独注入方式では、プリプレグテープと同様の常温硬化型の補強片１６が、また第二の従来技術である全含浸方式では、該常温硬化型の補強片１６、或いは不織布等のフェルト状やスポンジ状の補強片１６が好適である。

尚、本実施例では、補強片１６を該テーパー状の隙間全体に配置した一例を示したが、所望の結束力に応じて、該テーパー状の隙間の一部に配置した形態でも良い。

また、ここではサポートリング１の内径面に当接されるコイル２について示したが、外径面に当接されるコイル２についても同様に適用できる。

また、貫通孔３に対しては、必要にして最小の数で良いと言うことは言うまでもない。

図７は、本発明の更に他の実施形態を示したものであり、バインドテープ４によってサポートリング１の内径面にコイル２を当接して結束固定した際の、サポートリング１の周方向断面の幾何学配置の一部を示している。

本実施例では、サポートリング１とコイル２の間に、固定用緩衝材５を介在させている。尚、コイル断面の両脇に配置されたサポートリング１の径方向を貫く破線は、バインドテープ４を通す貫通孔３である。

図８は、貫通孔３を用いてサポートリング１とコイル２とを、バインドテープ４によって結束固定させた際の幾何学配置の一部を示した図である。

尚、本実施例は、主として固定子スロットにコイル２を一本配置した場合を想定している。

本実施例での貫通孔３は、コイル当接面の両脇にそれぞれ配置されており、また、サポートリング１とコイル２の当接面に対向するコイル外周面で、貫通孔３をバインドテープ４がコイル２の厚み方向垂直断面に略平行となる位置に設けている。加えて、サポートリング１表面の貫通孔３には、面取り加工を加えている。

このような本実施例とすることにより、実施例１及び２と同様に貫通孔３にバインドテープ４が固定され、含浸硬化時のコイル２の膨張によるバインドテープ４のずれに伴う緩みが防止できた。また、従来のサポートリング１の外周面に巻回していた場合に比べて、巻回距離を短縮でき、コイルエンドの低コスト化が可能となった。

更に、上述した位置に貫通孔３を設けているため、バインドテープ４が最短距離で、且つコイル２のサポートリング１周方向の振動に対して完全に対向して巻回でき、最も効果的な結束構造となっている。

尚、固定子スロットに上コイル及び底コイルの２本を配置した場合には、図９に示すように、両コイルに連通する貫通孔３を設けて共用すると良い。

尚、バインドテープ４に関しては、含浸前にサポートリング１とコイル２との結束のずれや緩みを解消するために、通常、全含浸絶縁方式で使用するドライテープに代えて、常温硬化樹脂を浸漬させたプリプレグテープで巻回硬化した後に、固定子全体を全含浸、硬化させても良い。

以下、本発明の実施例について、図１０及び図１１に示したタービン発電機を例にとり、図面を参照して詳細に説明する。尚、符号は、従来と同一のものは同符号を使用し、説明は省略する。

１ 固定子コイルサポートリング
２ 固定子コイルエンド部のコイル
３ バインドテープ通し用貫通孔
４ バインドテープ
５ 固定用緩衝材
６ 固定子枠
７ 固定子
８ 回転子
９ 固定子コイル
１０ 固定子コア
１１ エンドプレート
１２ リング支え
１３ 回転軸
１４ 回転子コア
１５ 回転子コイル
１６ 補強片

Claims (7)

1. 回転軸と共に回転する回転子コアと、該回転子コアに巻回された回転子コイルと、前記回転子コアの径方向外側に所定間隙をもって配置された固定子コアと、該固定子コアの軸方向に連通すると共に、周方向に所定間隔をもって形成されたスロット内に収納される固定子コイルと、前記固定子コアの端面から軸方向に突出するコイルエンド部の前記固定子コアの端面との平行部を結束材で結束させて固定する固定子コイルサポートリングとを備た回転電機において、
   前記固定子コイルサポートリングの前記固定子コイルエンド部の固定子コイルとの当接面と隣り合う面に面同士を貫く貫通孔を設け、該貫通孔に前記結束材を通して、前記固定子コイルサポートリングと前記コイルエンド部の固定子コイルを結束固定させることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記結束材は、バインドテープであることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記固定子コイルサポートリングの厚み方向断面は、前記コイルエンド部の固定子コイルと前記固定子コイルサポートリングの当接面と、該当接面に隣り合う面とが鈍角となる略末広がりのテーパー形状を有した多角形状からなり、前記当接面と隣り合う面に前記貫通孔が形成されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項３に記載の回転電機において、
   前記コイルエンド部の固定子コイルと前記固定子コイルサポートリングの当接面と、該当接面に隣り合う面とで成す略末広がりのテーパー形状の空隙部に対して、該空隙部の一部、或いは全域に、該サポートリングと該固定子コイルの当接面積を等価的に拡大させて固定力を強化するための補強片を配置し、該サポートリングと該固定子コイルと該補強片を前記結束材を用いて密着固定させることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１又は３に記載の回転電機において、
   前記固定子コイルサポートリング表面の前記貫通孔には、面取り加工が施されていることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記固定子コイルサポートリングと前記固定子コイルとの間に緩衝材が配置されていることを特徴とする回転電機。
7. 回転軸と共に回転する回転子コアと、該回転子コアに巻回された回転子コイルと、該回転子コアの径方向外側に所定間隙をもって配置された固定子コアと、該固定子コアの軸方向に連通すると共に、周方向に所定間隔をもって形成されたスロット内に収納される固定子コイルと、前記固定子コアの端面から軸方向に突出するコイルエンド部の前記固定子コアの端面との平行部を結束材で結束させて固定する固定子コイルサポートリングとを備えている回転電機において、
   前記固定子コイルサポートリングの前記固定子コイルエンド部の固定子コイルとの当接面の該コイルの両脇に、該当接面と該当接面に対向する該サポートリングの対向面とを貫く貫通孔を設け、該貫通孔に前記結束材を通して、該サポートリングと該コイルを結束固定させることを特徴とする回転電機。

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