JP2010252448A

JP2010252448A - 回転電機

Info

Publication number: JP2010252448A
Application number: JP2009097020A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Tokumasu; 正徳増; Masashi Fujita; 真史藤田; Takashi Ueda; 隆司上田; Hiroaki Ishizuka; 博明石塚; Mikio Kakiuchi; 幹雄垣内; Kazuma Mukai; 一馬向井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2010-11-04

Abstract

【課題】固定子鉄心に設けられた軸方向に抜ける複数の貫通穴に挿通させる貫通ボルトの渦電流損失を低減するとともに、貫通ボルトの温度上昇を防止して効率の向上を図ることにある。
【解決手段】電機子コイルを納めるスロットが設けられた複数の積層鋼板を軸方向に積層して固定子鉄心１を構成し、この固定子鉄心１の所定の個所に設けられた軸方向に抜ける複数の貫通穴に挿通させた貫通ボルト１８により、固定子鉄心１を一体的に締付けるようにした回転電機において、固定子鉄心１に設けられる貫通穴１７の形状として、当該固定子鉄心１を通る主磁束の方向と平行な寸法が当該固定子鉄心１を通る主磁束の方向と直交する方向の寸法より大きな形状とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の薄板状の磁性体からなる積層鋼板を軸方向に積層して積層鉄心を構成し、この積層鉄心に設けられた軸方向に抜ける複数の貫通穴を挿通させた貫通ボルトにより、一体的に締付ける構造の固定子鉄心又は回転子鉄心を備えた回転電機に関する。

大容量の回転電機の固定子鉄心としては、薄板状の磁性体からなる複数枚の積層鋼板を軸方向に積層して積層鉄心を構成し、この積層鉄心に設けられた軸方向に抜ける複数の貫通穴に貫通ボルトを挿通すると共に、積層鉄心の両端部に設けられた押え板を介して一体的に締付ける構造のものがある（例えば、特許文献１）。

ここで、かかる締付け構造を採用した固定子鉄心について、図１１及び図１２を用いて説明する。

図１１及び図１２において、固定子鉄心１は薄板状の磁性体からなる複数枚の積層鋼板３を軸方向に積層して積層鉄心として構成したもので、例えば水車発電機のような大容量の電気機械では積層鉄心の軸方向に適宜の間隔を存して径方向に通風路が形成されるように複数の冷却ダクト２を配置して積層鋼板３が積層されている。また、積層鋼板３には電機子コイル１１を納めるためのスロット６が設けられ、このスロット６により積層鋼板３にはヨーク部４とティース部５が形成されている。

なお、積層鋼板３は、円環状の鋼板を複数に分割したもので、これらを円環状になるように並設して構成されている。

これら各積層鋼板３のヨーク部４には、複数の貫通穴７が設けられ、この貫通穴７に貫通ボルト８を穴周面と非接触の状態で挿通させ、積層鉄心の軸方向両端部に設けられる押え板１０及び図示しない間隔片等を介して一体的に締付ける構造となっている。

この場合、積層鉄心の周方向のヨーク部４に設けられた複数の貫通穴に貫通ボルト８を挿通することで、積層鉄心を周方向に均一に締付けるようにしている。

図１２の例では、積層鉄心のヨーク部４に貫通穴７を設ける場合について示したが、ティース部５に貫通穴７を設けて、貫通ボルト８により締付ける構成も考えられる。

特開２００２−１０５３８

このような構造の回転電機の固定子鉄心１においては、積層鋼板３中に図示しない界磁により発生した主磁束が通るが、この主磁束の一部が貫通穴７の内部にもれ、貫通ボルト８に鎖交する。この貫通ボルト８は、機械的強度が必要なことから金属製のものが使用されるため、このもれ磁束により貫通ボルト８中に渦電流損失が発生する。

この渦電流損失は電気機械の効率を低下させるとともに、貫通ボルト８の温度上昇を招き、貫通ボルト８の熱伸びによって締付け力が低下し、固定子鉄心１の振動が増大するという問題がある。

また、貫通ボルト８の熱伸びが不均一に発生すると、貫通ボルト８が変形して積層鋼板３と貫通ボルト８とが接触し、積層鋼板３の積層効果が阻害されて固定子鉄心１に大きな鉄損が発生する問題がある。

一方、積層鋼板３と貫通ボルト８の電気的な接触を防止するため、図１３に示すように貫通ボルト８に絶縁被覆物９を設ける構成のものもあるが、かかる構成のものでは貫通ボルト８の温度上昇によって絶縁被覆物９の絶縁性が劣化し、積層鋼板３と貫通ボルト８の電気的な接触防止効果が低減する問題もある。

さらに、このような絶縁被覆物９を貫通ボルト８の周囲に設けた場合は、貫通ボルト８と積層鋼板３との電気的接触についての信頼性は向上するが、貫通ボルト８の冷却が絶縁被覆物９によって阻害される問題もある。

このような貫通ボルト８の渦電流損失は、貫通ボルト８に鎖交するもれ磁束量によって決まるが、このもれ磁束量は貫通ボルト８と貫通穴の寸法関係によって変化する。

図１４（ａ），（ｂ）は、貫通ボルト８と貫通穴７の寸法関係が異なる場合のもれ磁束の関係を解析により求めた結果を示す貫通穴近傍の磁束分布図であり、（ａ）は貫通ボルト８の径を例えば２０mmとし、貫通穴７の寸法をこの貫通ボルト８の径に比べて予定寸法だけ大きくしたときのもれ磁束により発生する貫通ボルトの渦電流損失の解析結果を示し、（ｂ）は貫通ボルト８の径を（ａ）と同じ２０mmとし、貫通穴７の寸法を（ａ）の６倍の径の大きさにしたときのもれ磁束により発生する貫通ボルト８の渦電流損失の解析結果を示している。

実際に解析結果の貫通ボルト８の渦電流損失は、図１４（ａ）に示す貫通穴の場合を１ｐｕとすれば、図１４（ｂ）に示す貫通穴の場合には０．３４６と減少していることがわかる。

しかし、貫通穴７の大きさが貫通ボルト８の径に比べて大きくなるにつれて積層鋼板中の主磁束が通る磁路面積を低減するため、主磁束量が低減して電気機械の容量が低減してしまう問題がある。

本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、積層鉄心に設けられた軸方向に抜ける複数の貫通穴に挿通させる貫通ボルトの渦電流損失を低減するとともに、貫通ボルトの温度上昇を防止して効率の向上を図ることができる信頼性の高い回転電機を提供することを目的とする。

本発明は、電機子コイル又は界磁コイルを納めるスロットを有する複数の積層鋼板を軸方向に積層してなる積層鉄心の所定の個所に設けられた軸方向に抜ける複数の貫通穴を挿通させた貫通ボルトにより、前記積層鉄心を一体的に締付けるようにした構造の回転電機において、前記積層鉄心に設けられる貫通穴の形状として、当該積層鉄心を通る主磁束の方向と平行な寸法が当該積層鉄心を通る主磁束の方向と直交する方向の寸法より大きな形状としたものである。

本発明によれば、積層鉄心に設けられた軸方向に抜ける複数の貫通穴に挿通させる貫通ボルトの渦電流損失を低減するとともに、貫通ボルトの温度上昇を防止して効率の向上を図ることができる信頼性の高い回転電機となし得る。

本発明による回転電機の第１の実施形態における固定子鉄心を横断面して示す部分模式図である。同実施形態における固定子鉄心に設けられる貫通穴と貫通ボルトの寸法形状関係を表す模式図である。同実施形態における固定子鉄心に設けられる貫通穴と貫通ボルト近傍のもれ磁束の解析結果を示す磁束分布図である。本発明による回転電機の第２の実施形態における固定子鉄心を横断面して示す部分模式図である。本発明による回転電機の第３の実施形態における固定子鉄心に設けられる貫通穴と貫通ボルトの寸法形状関係を表す模式図である。同実施形態における固定子鉄心に設けられる貫通穴と貫通ボルト近傍のもれ磁束の解析結果を示す磁束分布図である。本発明による回転電機の第４の実施形態における固定子鉄心に設けられる貫通穴と貫通ボルトの寸法形状関係を表す模式図である。同実施形態における固定子鉄心に設けられる貫通穴と貫通ボルト近傍のもれ磁束の解析結果を示す磁束分布図である。（ａ），（ｂ）は本発明による回転電機の第５の実施形態における固定子鉄心の中央部と端部に設けられる貫通穴と貫通ボルトの寸法形状関係を表す模式図である。（ａ），（ｂ）は本発明による回転電機の第６の実施形態における固定子鉄心の中央部と端部に設けられる貫通穴と貫通ボルトの寸法形状関係を表す模式図である。従来の回転電機における固定子鉄心を縦断面して示す模式図である。従来の回転電機における固定子鉄心を横断面して示す部分模式図である。従来の固定子鉄心を貫通する貫通ボルトに絶縁被覆物を設けた構成を示す断面図。（ａ），（ｂ）は従来の回転電機における固定子鉄心において、貫通ボルトと貫通穴の寸法関係が異なる場合のもれ磁束の関係を解析により求めた結果を示す磁束分布図である。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明による回転電機の第１の実施形態における固定子鉄心を横断面して示す部分模式図である。

図１において、１は固定子鉄心で、この固定子鉄心１は薄板状の磁性体からなる複数枚の積層鋼板３を軸方向に積層して積層鉄心として構成したもので、この積層鉄心の軸方向に適宜の間隔を存して径方向に通風路が形成されるように図示しない複数の冷却ダクトを配置して積層鋼板が積層されている。この積層鋼板３には図示しない電機子コイルを納めるためのスロット６が設けられ、このスロット６により積層鋼板３にはヨーク部４とティース部５が形成されている。

本発明の第１の実施形態では、積層鋼板３のヨーク部４に複数のほぼ楕円形状の貫通穴１７を図２に示すようにその長軸側が主磁束の通る周方向１２と一致するようにそれぞれ設け、この貫通穴１７より小さい径の貫通ボルト１８を積層鉄心の軸方向に穴周面と非接触の状態で挿通させ、積層鉄心の軸方向両端部に設けられる図示しない押え板等を介して一体的に締付ける構成とするものである。

このような構成の回転電機の固定子鉄心１において、積層鋼板３に設けられる貫通穴１７と貫通ボルト１８近傍のもれ磁束の解析結果を示すと図３に示すような磁束分布図となる。

図３は従来例で述べた図１４と同じ条件、つまり例えば２０mmの径の貫通ボルト１８を使用して貫通穴１７の周面から貫通ボルト１８へのもれ磁束を解析したものである。

ここで、両者を比較すると、本実施形態ではもれ磁束１３が図１４（ａ）の貫通穴７が貫通ボルト８の径に比べて予定寸法だけ大きくしたときのもれ磁束の場合に比べて大幅に減少し、貫通穴７の寸法を図１４（ｂ）に示すように図１４（ａ）の６倍の径の大きさにしたときのもれ磁束と比べても減少していることがわかる。

また、貫通ボルト１８の渦電流損失は、図１４（ａ）の場合を１ｐｕとしたとき、本実施形態では０．０９３ｐｕであり、図１４（ｂ）の場合の０．３４６ｐｕと比べてもかなり減少することがわかる。

このように本発明の第１の実施形態では、貫通ボルト１８の渦電流損失を低減することができるので、回転電機の効率を向上させることができるとともに、貫通ボルト１８の温度上昇を抑制できるので、信頼性を高くすることができる。

（第２の実施形態）
図４は本発明による回転電機の第２の実施形態における固定子鉄心を横断面して示す部分模式図であり、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について説明する。

本発明の第２の実施形態では、積層鋼板３のティース部５にほぼ楕円形状の貫通穴１７をその長軸側が主磁束の通る径方向１２と一致するように設け、この貫通穴１７より小さい径の貫通ボルト１８を固定子鉄心１の軸方向に穴周面と非接触の状態で挿通させ、固定子鉄心１の軸方向両端部に設けられる図示しない押え板等を介して一体的に締付ける構成とするものである。

このような構成としても、ティース部５を通る主磁束の方向１２と貫通穴１７、貫通ボルト１８の寸法、形状関係は第１の実施形態と同様なので、その作用効果も同様であり、貫通ボルト１８の渦電流損失を低減することができる。

このように本発明の第２の実施形態では、貫通ボルト１８の渦電流損失を低減することができるので、回転電機の効率を向上させることができるとともに、貫通ボルト１８の温度上昇を抑制できるので、信頼性を高くすることができる。

（第３の実施形態）
図５は本発明による回転電機の第３の実施形態における固定子鉄心に設けられる貫通穴と貫通ボルトの寸法形状関係を表す模式図である。

本発明の第３の実施形態では、前述した第１の実施形態と同様に積層鋼板３のヨーク部４又は第２の実施形態と同様に積層鋼板３のティース部５に図５に示すような長方形状の貫通穴１７ａをその長片の方向を主磁束の方向１２と一致するように設けるものである。

このような構成の回転電機の固定子鉄心において、積層鋼板３に設けられる貫通穴１７ａと貫通ボルト１８近傍のもれ磁束の解析結果を示すと図６に示すような磁束分布図となる。

図６は従来例で述べた図１４と同じ条件、つまり例えば２０mmの径の貫通ボルト１８を使用して貫通穴１７ａの周面から貫通ボルト１８へのもれ磁束を解析したものである。

ここで、両者を比較すると、本実施形態ではもれ磁束１３が図１４（ａ）の貫通穴７が貫通ボルト８の径に比べて予定寸法だけ大きくしたときのもれ磁束の場合に比べて大幅に減少し、図１４（ｂ）に示すように貫通穴７の寸法を図１４（ａ）の６倍の径の大きさにしたときのもれ磁束と比べても減少していることがわかる。

また、貫通ボルト１８の渦電流損失は、図１４（ａ）の場合を１ｐｕとしたとき、本実施形態では０．０４６ｐｕであり、第１の実施形態で述べた図３の結果よりも減少する。

このように本発明の第３の実施形態では、貫通ボルト１８の渦電流損失を低減することができるので、回転電機の効率を向上させることができるとともに、貫通ボルト１８の温度上昇を抑制でき、信頼性を高くすることができる。

（第４の実施形態）
図７は本発明による回転電機の第４の実施形態における固定子鉄心に設けられる貫通穴と貫通ボルトの寸法形状関係を表す模式図である。

本発明の第４の実施形態では、前述した第１の実施形態と同様に積層鋼板３のヨーク部４又は第２の実施形態と同様に積層鋼板３のティース部５に図７に示すようなほぼレーストラック形状の貫通穴１７ｂを設け、この貫通穴１７ｂの長片の方向を主磁束の方向１２と一致するように設けるものである。

このような構成の回転電機の固定子鉄心において、積層鉄心に設けられる貫通穴１７ｂと貫通ボルト１８近傍のもれ磁束の解析結果を示すと図８に示すような磁束分布図となる。

図８は従来例で述べた図１４と同じ条件、つまり例えば２０mmの径の貫通ボルト１８を使用して貫通穴１７ｂの周面から貫通ボルト１８へのもれ磁束を解析したものである。

また、貫通ボルト１８の渦電流損失は、図１４（ａ）の場合を１ｐｕとしたとき、本実施形態では０．０５３ｐｕであり、第３の実施形態で述べた図６の結果よりは増加するものの、第１の実施形態で述べた図３の結果より減少する。

また、積層鋼板３に貫通穴を加工する場合には、打抜き加工することが一般的であるが、第３の実施形態のように貫通穴１７ｂの形状がほぼ長方形状のように角のある形状では、この角部に打抜き応力が集中し、積層鋼板３の機械的及び磁気的特性が劣化する恐れがある。このうち磁気的特性の劣化は、積層鋼板３の鉄損の増加や、主磁束の低下を招き電気機械の効率低下や容量低下を招く恐れがある。

本発明の第４の実施形態では、貫通穴１７ｂの形状をレーストラック状とすることにより、角部が存在せず、このような角部の悪影響を回避することができる。

このように本発明の第４の実施形態では、貫通ボルト１８の渦電流損失を低減することができるので、回転電機の効率を向上させることができるとともに、貫通ボルト１８の温度上昇を抑制できるので、信頼性を高くすることができる。

（第５の実施形態）
図９（ａ），（ｂ）は本発明による回転電機の第５の実施形態における固定子鉄心の鋼板積層方向の中央部側と端部側に設けられる貫通穴と貫通ボルトの寸法形状関係を表す模式図である。

本発明の第５の実施形態では、前述した第１の実施形態と同様に積層鋼板３のヨーク部４又は第２の実施形態と同様に積層鋼板３のティース部５に設けられる貫通穴として、固定子鉄心１の鋼板積層方向の中央部側を図９（ａ）に示すようなほぼ楕円形状の貫通穴１７ｃを設け、固定子鉄心１の端部側を図９（ｂ）に示すように図９（ａ）に比べて長軸側の寸法比が大きなほぼ楕円形状の１７ｄを設け、それぞれの長軸側が主磁束の方向と一致するように配設したものである。

一般に固定子鉄心１は主磁束の磁気回路を形成しているが、固定子鉄心１の端部においては、主磁束に加えて鉄心端部のもれ磁束が軸方向に入射するため、積層鋼板３の中を流れる磁束量は固定子鉄心１の中央部側よりも端部側で大きくなる傾向がある。

本発明の第５の実施形態では、このような傾向を踏まえて固定子鉄心１の端部側に設けられるほぼ楕円形状の貫通穴１７ｄの長軸側寸法を固定子鉄心１の中央部側に設けられるほぼ楕円形状の貫通穴１７ｃの長軸側寸法に比べて大きくすることにより、固定子鉄心１の端部において貫通ボルト１８の渦電流損失の低減効果を高めることができる。このことにより、貫通ボルト１８の渦電流損失を低減するとともに渦電流損失の分布を均一化でき、不均一な損失分布に起因する貫通ボルト１８の熱曲りを回避することができる。

このように本発明の第５の実施形態では、貫通ボルト１８の渦電流損失を低減することができるとともに貫通ボルト１８の渦電流損失の軸方向分布を均一化できるため、回転電機の効率を向上させることができるとともに、貫通ボルト１８の温度上昇や温度上昇のばらつきを防止でき、信頼性を高めることができる。

（第６の実施形態）
図１０（ａ），（ｂ）は本発明による回転電機の第６の実施形態における固定子鉄心の鋼板積層方向の中央部側と端部側に設けられる貫通穴と貫通ボルトの寸法形状関係を表す模式図である。

本発明の第６の実施形態では、前述した第１の実施形態と同様に積層鋼板３のヨーク部４又は第２の実施形態と同様に積層鋼板３のティース部５に設けられる貫通穴として、固定子鉄心１の鋼板積層方向の中央部側を図１０（ａ）に示すように円形状の貫通穴１７ｅとし、固定子鉄心１の端部側を図１０（ｂ）に示すように長軸側の寸法が図１０（ａ）に示す円形状の穴の径より大きなほぼ楕円形状の貫通穴１７ｆをその長軸側が主磁束の方向１２と一致するように設けるものである。

本発明の第６の実施形態では、固定子鉄心１の端部側に長軸側の寸法が中央部側に設けられる円形状の貫通穴１７ｅの径よりも大きなほぼ楕円形状の貫通穴１７ｆが長軸側を主磁束の方向１２と一致するように設けるようにしているので、固定子鉄心１の端部において貫通ボルト１８の渦電流損失の低減効果を高めることができる。

このことにより、第５の実施形態と同様に貫通ボルト１８の渦電流損失を低減するとともに渦電流損失の分布を均一化でき、不均一な損失分布に起因する貫通ボルト１８の熱曲りを回避することができる。

このように本発明の第６の実施形態では、貫通ボルト１８の渦電流損失を低減することができるとともに貫通ボルト１８の渦電流損失の軸方向分布を均一化できるため、回転電機の効率を向上させることができるとともに、貫通ボルト１８の温度上昇や温度上昇のばらつきを防止できるので、信頼性を高めることができる。

なお、本発明の第１の実施形態乃至第６の実施形態では、電機子コイルを納めるスロットを有する複数の積層鋼板を軸方向に積層して構成される固定子鉄心について述べたが、界磁コイルを納めるスロットを有する複数の積層鋼板を軸方向に積層して構成される回転子鉄心の場合にも前述同様に適用実施することができる。

１…固定子鉄心、２…通風ダクト、３…積層鋼板、４…ヨーク部、５…ティース部、６…スロット、７，１７ａ〜１７ｆ…貫通穴、８，１８…貫通ボルト、９…絶縁被覆物、１０…押え板、１１…電機子コイル、１２…主磁束の方向、１３…もれ磁束

Claims

コイルを納めるスロットが設けられた複数の積層鋼板を軸方向に積層して積層鉄心を構成し、この積層鉄心の所定の個所に設けられた軸方向に抜ける複数の貫通穴に挿通させた貫通ボルトにより、前記積層鉄心を一体的に締付けるようにした回転電機において、
前記積層鉄心に設けられる貫通穴の形状として、当該積層鉄心を通る主磁束の方向と平行な寸法が当該積層鉄心を通る主磁束の方向と直交する方向の寸法より大きな形状としたことを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記貫通穴が前記積層鉄心のヨーク部に設けられ、該貫通穴は前記積層鉄心の周方向寸法が径方向寸法より大きな形状としたことを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記貫通穴が前記積層鉄心のティース部に設けられ、該貫通穴は前記積層鉄心の径方向寸法が周方向寸法より大きな形状としたことを特徴とする回転電機。
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の回転電機において、
前記貫通穴の主磁束の方向と平行な方向の寸法とこれと直交する方向の寸法比が前記積層鉄心の中央部側より端部側を大きくしたことを特徴とする回転電機。
コイルを納めるスロットが設けられた複数の積層鋼板を軸方向に積層して積層鉄心を構成し、この積層鉄心の所定の個所に設けられた軸方向に抜ける複数の貫通穴に挿通させた貫通ボルトにより、前記積層鉄心を一体的に締付けるようにした回転電機において、
前記積層鉄心の端部側に設けられる貫通穴の形状として、当該積層鉄心を通る主磁束の方向と平行な寸法が当該積層鉄心を通る主磁束の方向と直交する方向の寸法より大きな形状としたことを特徴とする回転電機。
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の回転電機において、
前記積層鉄心は、電機子コイルを納めるスロットを有する固定子鉄心であることを特徴とする回転電機。
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の回転電機において、
前記積層鉄心は、界磁コイルを納めるスロットを有する回転子鉄心であることを特徴とする回転電機。