JP2011239632A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷遮断などにより水車からのトルクの減少や逆向きのトルクが作用しても、回転子鉄心がスパイダアームに対して偏心することのない回転電機を提供する。
【解決手段】縦型回転軸と、縦型回転軸から径方向に延伸するスパイダアームと、スパイダアームの外周に設けられた回転子鉄心側部材を有し、回転子鉄心側部材の内周側とスパイダアーム先端の当接面に設けられたキー溝にＴ型キーとコッタを挿入して固定した回転電機の回転子において、回転電機の発電回転方向側のスパイダアーム面に、一方をスパイダアームに、他方を回転子鉄心側部材に係止し、中間部がスパイダアームの反対側面からボルト締めされた板バネを設置している。
【選択図】図１

Description

本発明は水車発電機のように縦型に配置された回転電機の回転子に係り、特に、縦型回転軸から径方向に放射状に延伸するスパイダアームの外周部に円筒状の回転子鉄心側部材を有し、スパイダアームと回転子鉄心側部材の接合にキーを用いた回転電機の回転子に関する。

スパイダアームの外周部に円筒状の回転子鉄心が設けられた回転電機の回転子は、例えば特許文献１、特許文献２により知られている。

特開２００８−６１３５６号公報 特開２０１０−４５８３号公報

図５に、特許文献１，２により公知の回転電機の回転子の構造を示す。この図は縦軸水車発電機の軸方向平面図（下）とその一部拡大図（上）であり、平面図において中央が回転軸２であり、回転軸２からは径方向に複数のスパイダアーム６が放射状に延伸している。そして、複数のスパイダアーム６を介して回転子鉄心７が固定されている。

縦軸水車発電機の回転電機の回転子を構成するこれら部材のうち、回転子鉄心７は、同一形状の扇形の薄型セグメントコアを周方向に複数並べて環状鋼板とし、これを周方向にずらしながら軸方向に積層して円筒状の回転子鉄心を構成する。セグメントコアの内周側には、周方向にずらしたピッチと同じピッチのキー溝が設けられている。これによって円筒状に構成された回転子鉄心７の内周側には、図５の上の一部拡大図に示すように、方向の揃った位置にキー溝１１ａが複数形成される。

他方、縦型回転軸２から径方向に放射状に延伸した各スパイダアーム６の径方向先端部にもキー溝１０が形成されている。また、各スパイダアーム６の径方向先端部のキー溝１０に対峙する位置に、回転子鉄心７のキー溝１１ａが配置される。

スパイダアーム６と回転子鉄心７の接合には、これらが形成するキー溝（１０と１１ａ）の中に、Ｔ型キー１４を挿入し、更にＴ型キー１４とキー溝（１０と１１ａ）の周方向の間隙部にコッタ１５を挿入する。これにより、スパイダアーム６に対して回転子鉄心７を固定する。

具体的には、スパイダアーム側のキー溝１０に、例えばＴ型キー１４の頭部が位置づけられ、回転子鉄心側のキー溝１１ａにＴ型キー１４の足部が配置される。回転子鉄心側のキー溝１１ａに、Ｔ型キー１４の足部を挿入したのみでは空間が生じるので、この足部両側の空間にコッタ１５ａと１５ｂが差し込まれる。

かかる係合構造によれば、回転電機の停止時は、Ｔ型キー１４とキー溝１１ａの間に間隙はないが、回転電機の運転時に回転子が回転することによって回転子鉄心７には遠心力による応力が作用し、回転子鉄心７は周方向及び径方向に広がって変位する。特に、キー溝１１ａの周囲は応力が集中するため周方向の広がりが大きくなり、Ｔ型キーとキー溝１１ａの間に周方向の間隙が生じる。

回転電機の発電運転時は、縦型回転軸２に直結される水車（図示せず）からのトルクが、各スパイダアーム６先端のそれぞれのＴ型キー１４の頭部に作用し、Ｔ型キー１４の足部からコッタ１５を介して回転子鉄心７側に伝達される。この結果、各スパイダアーム６は、キー溝１１ａの発電回転方向側に押し付けられ、その押し付け力ｆの合力Ｆが、スパイダアーム６に対する回転子鉄心７の拘束力として作用する。

つまり、発電回転方向が矢印Ｈに示すように、図５中の右側の場合には、スパイダアーム６と回転子鉄心７はキー溝１１ａの右側面（コッタ１５ｂ側）で係合して押し付け力が働き、キー溝１１ａの左側面（コッタ１５ａ側）にＴ型キー１４とキー溝１１ａの間に周方向の間隙１９が生じる。

一方、回転子鉄心７には自身の不釣合いにより、回転によって回転子鉄心７を偏心させようとする力つまり偏心加重Ｐが作用するが、十分な釣合い調整を行なえば、回転子鉄心７の偏心加重ＰはＴ型キー１４の押し付けによる拘束力Ｆよりも小さくできる。よって、発電運転時はＴ型キー１４とキー溝１１ａの間に周方向の間隙１９が生じても、回転子鉄心７がずれてスパイダアーム６に対して偏心することはない。

なお、縦軸の水車発電動動機の場合、揚水運転を行なうことがある。この場合、回転方向が逆方向となるが、回転子鉄心７側がトルク発生源であることからスパイダアーム６と回転子鉄心７はキー溝１１ａの右側面（コッタ１５ｂ側）で係合して押し付け力が働く。つまり、水車発電動動機の場合にも運転モードに拘わらず、右側面で係合して押し付け力が働くことになる。

ところで、発電運転中に負荷遮断や非常停止が生じた場合、回転速度が過渡的に上昇して危険な状態となるために、水車入り口弁を閉止して水車の停止を図る必要がある。かかる事象下において、初期の過速度状態ではＴ型キー１４とキー溝１１ａの周方向の間隙１９が更に大きくなる。このあと、加速度が減少に転じると、水車からのトルクによるＴ型キー１４の押し付け力は減少し、更にこの後、回転速度が最大付近に達し、水車入り口弁が閉止されると、今度は減速のため逆向きのトルクがＴ型キー１４に作用し、Ｔ型キー１４の押し付け力ｆの作用方向は反回転方向に逆転する。

つまり、負荷遮断の当初は、スパイダアーム６と回転子鉄心７はキー溝１１ａの右側面で係合して押し付け力が働き、キー溝１４の左側面にＴ型キー１４とキー溝１１ａの間に周方向の間隙１９を生じていたものが、キー溝１１ａの左側面で係合する状態にシフトしてしまう。しかも、この中間状態では左右両面のいずれに対しても積極的な係合状態を持たない浮遊状態とも言うべき状態を呈する。

図６は、負荷遮断時に各部に作用する力の関係を示しており、回転方向Ｈとしては発電運転時の回転方向を維持しているが大きな減速力のためにキー溝１１ａの右側面に対する押し付け力ｆが低下している。

この過程で、回転子鉄心７の偏心加重ＰがＴ型キー１４の押し付けによる拘束力Ｆよりも大きくなり、回転子鉄心７はＴ型キー１４とキー溝１１ａの間の間隙の範囲でずれ、スパイダアーム７に対して偏心する。これによってスパイダアーム６の重心に対する回転子鉄心７の重心の位置が変化し、回転軸の軸振れはその回転速度での応答倍率以上に増大し、機器の損傷に至る可能性がある。

本発明の目的は、負荷遮断などにより水車からのトルクの減少や逆向きのトルクが作用しても、回転子鉄心がスパイダアームに対して偏心することのない回転電機を提供することにある。

本発明では上記目的を達成するために、縦型回転軸と、縦型回転軸から径方向に延伸するスパイダアームと、スパイダアームの外周に設けられた回転子鉄心側部材を有し、回転子鉄心側部材の内周側とスパイダアーム先端の当接面に設けられたキー溝にＴ型キーとコッタを挿入して固定した発電回転電機の回転子において、回転電機の回転方向側のスパイダアーム面に、一方をスパイダアームに、他方を回転子鉄心側部材に係止し、中間部がスパイダアームに締結された板バネを設置している。

また、回転子鉄心側部材は、扇形のセグメントリムを円筒状に積層したリムと、リムの外周側に回転子鉄心を有し、リムの内周側に前記キー溝を設けてもよい。

また、回転子鉄心側部材は、リングリムを円筒状に積層したリムと、リムの外周側に回転子鉄心を有し、リムの内周側に前記キー溝を設けてもよい。

また、回転子鉄心側部材は、扇形のセグメントコアを積層したものであり、その内周側に前記キー溝を設けてもよい。

本発明では上記目的を達成するために、縦型回転軸と、縦型回転軸から径方向に延伸するスパイダアームと、スパイダアームの外周に設けられた回転子鉄心側部材を有し、回転子鉄心側部材の内周側とスパイダアーム先端の当接面に設けられたキー溝にＴ型キーとコッタを挿入して固定した発電回転電機の回転子において、回転電機の回転方向側のスパイダアーム面に、一方をスパイダアームに、他方を回転子鉄心側部材に係止し、中間部がスパイダアームの反対側面からボルト締めされた板バネを設置している。

また、板バネをスパイダアームの軸方向に複数設置してもよい。

本発明によれば、板バネによって与えられるＴ型キーの押し付け力が回転子鉄心の拘束力として常時作用し、発電運転中にＴ型キーとキー溝間に周方向の間隙が生じた状態で負荷遮断などが生じても回転子鉄心がスパイダアームに対して偏心することのない回転電機を得ることができる。

図２のＡ−Ａ断面での水車発電機の横断面図を示す図。 水車発電機の縦断面図を示す図。 スパイダアームと回転子鉄心の接合部、偏心防止板の取付構造を示す図。 水車発電機１の発電運転時に作用する力関係を示す図。 公知の回転電機の回転子の構造を示す図。 負荷遮断時に各部に作用する力関係を示す図。 セグメントリムを使用するときの回転子の偏心防止板の配置状態を示す図。 リングリムを使用するときの回転子の偏心防止板の配置状態を示す図。

以下本発明による回転電機の回転子における一実施の形態として水車発電動動機の回転子を図１から図８を用いて説明する。

図２は、本発明にかかる水車発電機の縦断面図を示す。この図に示すように、水車発電機１は、回転軸２に固定された回転子３と、この回転子３に対し径方向の間隙を介して設置された固定子４から構成され、回転軸２の下部には図示しない水車が連結されている。回転軸２は、縦型回転軸５と径方向に放射状に延伸するスパイダアーム６より構成され、回転子３は回転子鉄心７と回転子巻線８により構成される。

図１は、図２のＡ−Ａ断面での水車発電機の横断面図を示す。この図に示すように、回転子鉄心７は、扇形の薄板セグメントコア７ａ，７ｂを周方向に複数並べて環状とし、これを周方向にずらしながら軸方向に積層して円筒状を形成している。図１では、範囲ａのセグメントコア７ａの上に、範囲ｂのセグメントコア７ｂが設置され、範囲ｃにおいて重なっている。このように、範囲ｃの分だけずらしながら重ねていく。

セグメントコア７ａ，７ｂの内周側には、スパイダアーム６と接合する為のキー溝１１がずらしピッチと同じピッチあるいは、等倍ピッチで設けられており、円筒状に構成された回転子鉄心７の内周側には、軸方向に揃った位置にキー溝１１が複数形成される。尚、セグメントコア７ａ，７ｂは、外周側に回転子巻線８を挿入するスロット１２と、積層したセグメントコアを締結する為のボルト穴１３を備えている。また、各スパイダアーム６の発電回転方向側には、回転子鉄心７の偏心を防止する板バネである偏心防止板９を供えているが、これについては後で詳細に説明する。

これに対し、回転軸側のスパイダアーム６は、径方向先端部に回転子鉄心７と接合する為のキー溝１０を備え、スパイダアーム６のキー溝１０とそれに対峙する回転子鉄心のキー溝１１ａの間にはＴ型キー１４が挿入される。

更に、接合部分を拡大した図３に示すように、Ｔ型キー１４とキー溝１１ａの周方向の間隙部にはコッタ１５ａ、１５ｂが挿入され、これによりスパイダアーム６に対して回転子鉄心７を固定する。具体的には、スパイダアーム６側のキー溝１０に、Ｔ型キー１４の頭部が位置づけられ、回転子鉄心７側のキー溝１１ａにＴ型キーの足部が配置される。回転子鉄心７側のキー溝１１ａに、Ｔ型キーの足部を挿入したのみでは足部両側に空間が生じるので、この足部両側空間にコッタ１５ａ、１５ｂが差し込まれる。

基本的には、以上のように構成された回転電機の固定子において、本発明ではスパイダアーム６に偏心防止板９を取り付ける。偏心防止板９の取り付け位置は、図１に示すように全てのスパイダアーム６に取り付けるが、高さ方向については図２に示すように、数箇所、かつのがよい。但し、発電回転方向側とされる。図１では、発電回転方向が右側なのでスパイダアーム６の右側面に偏心防止板９を取り付ける。

偏心防止板９は、図３に示すように、回転子鉄心７のキー溝部１１ｂを挟むようにスパイダアーム６に取り付けられ、偏心防止板９の内周側をスパイダアーム６に強固に固定された偏心防止板ストッパ１６に当てて支持点とし、また偏心防止板９の外周先端を回転子鉄心７のキー溝１１ｂに受け金具１８を介して当てて作用点としている。偏心防止板９の支持点と作用点の間には偏心防止板締め付けボルト１７を備え、この締め付けにより偏心防止板９を撓ませることでＴ型キー１４及びコッタ１５ｂを介して、スパイダアーム６と回転子鉄心７の間に押し付け力ｑを与えている。

この押し付け力ｑは、作用点である回転子鉄心７のキー溝１１ｂの受け金具１８部分では、回転子鉄心７を左側に押す力として作用し、スパイダアーム６の先端部分ではＴ型キー１４を右側に押し付ける力として作用している。つまり、回転子鉄心７側のキー溝１１ａの右側面に常時押し付け力を発生させている。これは、回転子鉄心キー溝１１ａ面の発電回転方向側に常時押し付け力を発生させていることを意味する。

なお、偏心防止板９の１個あたりの押し付け力ｑの大きさは、負荷遮断時に生じる水車からの逆向きトルクを、作用半径と、スパイダアーム６の員数と、スパイダアーム１本あたりの偏心防止板９の員数の積で除して換算した力を上回るものとする。つまり、負荷遮断時であっても、回転子鉄心７側のキー溝１１ａの右側面に押し付け力が作用しており、右側面に間隙を生じさせないだけの押し付け力ｑとする必要がある。また押し付け力ｑの合力、つまり回転子鉄心の拘束力Ｑは、回転子鉄心７の偏心加重Ｐを上回るものとする。

以下、係る偏心防止板９が、水車発電機の種々の運転状態において果たす役割について説明する。まず、偏心防止板９がない場合については、先に図５と図６を用いて説明したように、図６の破線で示すようにスパイダアーム６に対して偏心してしまう。

これに対し、本実施の形態によれば、図４に示す水車発電機１の発電運転時には、発電運転によってキー溝１１ａが広がり、Ｔ型キー１４とキー溝１１ａの間に周方向の間隙１９が生じ、右側面に押し付け力ｆが作用している上に、さらに偏心防止板９の押し付け力ｑがスパイダアーム６からＴ型キー１４及びコッタ１５ｂを介してキー溝１１ａの発電回転方向側に作用し、接触状態を保持する。従って、従来以上に押し付け力が強化されている。

また、負荷遮断などにより水車からのトルクの減少や逆向きトルクが作用したとき、減速によって右側面に対する押し付け力ｆが低下することにはなるが、偏心防止板９の押し付け力ｑにより接触は保持され、回転子鉄心７がスパイダアーム６に対して偏心することはない。

ここで偏心防止板９を板バネ構造としている理由は、押し付け力ｑの調整を容易とすることの他に、運転時の遠心力によってキー溝１１ａと１１ｂの間が周方向に広がっても偏心防止板９に過大な曲げ応力が作用しないようにするためである。

また、偏心防止板９の先端の作用点やＴ型キー１４とコッタ１５ｂの接触面が運転停止の摺動によって磨耗しても、押し付け力の低下を緩和できる。経年的に押し付け力が低下した場合は、ボルトの再締め付けにより押し付け力の回復が可能である。

また、受け金具１８を備えている理由は、偏心防止板９の先端とキー溝１１ｂの接触面が摺動などによって著しく磨耗し、損傷することを防止するためである。図示していないが、受け金具１８はキー溝１１ｂから脱落しないように引っ掛け構造とし、偏心防止板９と受け金具１８の接触面には耐磨耗処理を施して摩擦係数を低減させている。

また、回転子鉄心の拘束力が常時作用しているので、無負荷運転でも回転子鉄心の重心位置が安定するため、不釣合い調整も比較的容易となる。

尚、揚水運転の場合には回転方向が逆向きとなり、トルクは回転子鉄心からスパイダアームに伝達されるが、Ｔ型キーとキー溝間のトルクの伝達面すなわち接触面は発電運転時と変わらないため、揚水運転中においても押し付け力は保持される。

以上の説明では、回転電機としてスパイダアーム６の外周にセグメントコア７ａ，７ｂを積層した回転子鉄心７を有する水車発電動動機１を一例に説明したが、図７のようにスパイダアームの外周にセグメントリム２０ａ、２０ｂを円筒状に積層した構造の回転電機や、図８のようにリングリム２１を円筒状に積層した構造の回転電機でも本発明が適用できる。その場合は、リムの内周側にスパイダアーム接合用のキー溝１１ａのほかに、偏心防止板の当て溝１１ｂを設ければよい。

要するに本発明においては、スパイダアーム６の外周に回転子鉄心側部材を取り付ける構造であって、回転子鉄心側部材がセグメントコア７ａ，７ｂを積層した回転子鉄心７であっても、セグメントリム２０ａ、２０ｂあるいはリングリムを介してセグメントコア７ａ，７ｂを積層した回転子鉄心７であってもよい。回転子鉄心側部材にスパイダアーム接合用のキー溝１１ａのほかに、偏心防止板の当て溝１１ｂを設ければよい。

本発明は、簡便な構造で縦軸水車発電機の偏心防止対策として利用することができる。

１：水車発電動動機
２：回転軸
３：回転子
４：固定子
５：縦型回転軸
６：スパイダアーム
７：回転子鉄心
７ａ， ７ｂ：セグメントコア
８：回転子巻線
９：回転子鉄心の偏心防止板
１０：スパイダアーム側キー溝
１１（１１ａ、１１ｂ）：回転子鉄心側キー
１２：スロット
１３：回転子鉄心締め付けボルト穴
１４：Ｔ型キー
１５：コッタ
１６：偏心防止板ストッパ
１７：偏心防止板締め付けボルト
１８：受け金具
１９：キー溝に生じる周方向の間隙
２０：セグメントリム
２１：リングリム
ｑ：偏心防止板による押し付け力
ｆ：水車からのトルクによる押し付け力
Ｆ：水車からのトルクによる回転子鉄心の拘束力
Ｐ：回転子鉄心の偏心荷重

Claims (6)

1. 縦型回転軸と、縦型回転軸から径方向に延伸するスパイダアームと、該スパイダアームの外周に設けられた回転子鉄心側部材を有し、該回転子鉄心側部材の内周側と前記スパイダアーム先端の当接面に設けられたキー溝にＴ型キーとコッタを挿入して固定した回転電機の回転子において、
   回転電機の発電回転方向側のスパイダアーム面に、一方をスパイダアームに、他方を前記回転子鉄心側部材に係止し、中間部がスパイダアームに締結された板バネを設置していることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 請求項１記載の回転電機の回転子において、
   前記回転子鉄心側部材は、扇形のセグメントリムを円筒状に積層したリムと、リムの外周側に回転子鉄心を有し、リムの内周側に前記キー溝を設けたことを特徴とする回転電機の回転子。
3. 請求項１記載の回転電機の回転子において、
   前記回転子鉄心側部材は、リングリムを円筒状に積層したリムと、リムの外周側に回転子鉄心を有し、リムの内周側に前記キー溝を設けたことを特徴とする回転電機の回転子。
4. 請求項１記載の回転電機の回転子において、
   前記回転子鉄心側部材は、扇形のセグメントコアを積層したものであり、その内周側に前記キー溝を設けたことを特徴とする回転電機の回転子。
5. 縦型回転軸と、縦型回転軸から径方向に延伸するスパイダアームと、該スパイダアームの外周に設けられた回転子鉄心側部材を有し、該回転子鉄心側部材の内周側と前記スパイダアーム先端の当接面に設けられたキー溝にＴ型キーとコッタを挿入して固定した回転電機の回転子において、
   回転電機の発電回転方向側のスパイダアーム面に、一方をスパイダアームに、他方を前記回転子鉄心側部材に係止し、中間部がスパイダアームの反対側面からボルト締めされた板バネを設置していることを特徴とする回転電機の回転子。
6. 請求項１から５に記載の回転電機の回転子において
   前記板バネを前記スパイダアームの軸方向に複数設置していることを特徴とする回転電機の回転子。

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