JP2012253905A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、タービン発電機用など回転子の回転数が高い場合の固定子を分割構造にするにあたって電磁振動が抑制される構造を有した回転電機を提供する。
【解決手段】一実施形態の回転電機は、回転子の周囲に配置される固定子が回転子の軸心を中心とする半径方向に内側鉄心及び外側鉄心に分割されて構成される。内側鉄心は、周方向に複数に分割された扇形の電磁鋼板を、分割面が軸方向で連続しないように回転角度をずらして軸方向に積層して一体に形成される。外側鉄心は、周方向に複数に分割された扇形の電磁鋼板を、分割面が周方向に少なくとも２か所で軸方向に連続するように回転角度を揃えて軸方向に積層して構成される。
【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、固定子鉄心を径方向および周方向で分割可能に構成した回転電機に関する。

回転電機は、固定子及び回転子ともに鉄心を有しており、重量が大きくなる。工場から設置場所まで輸送する際に、車高及び車幅の制限や積載重量の制限を超える大型の回転電機の場合、輸送できる大きさに複数に分割できるように造られる。

水力発電機用の回転電機の場合、回転数が低いので、極数が多く、固定子の直径も大きくなる。したがって、固定子の固有振動数が低くなり、電磁加振力の振動数に対して大きく離れる。また、固定子の直径が大きいので固定子の分割数が電磁加振モードの節数に一致しないように選択することで、刺激係数を小さく設定できる。つまり、水力発電用の回転電機に発生する電磁振動は、もともと小さい。したがってこのような回転電機の場合、固定子の鉄心を複数に分割した構造を採用することが多い。

実公昭１６−１３５２６号公報 特開昭４７−２１６０３号公報

しかしながら、タービン発電機用の回転電機の場合、回転数が高く、極数は２極あるいは４極に設定されることがほとんどである。そのため、固定子の固有振動数が電磁加振力の振動数に近くなる。また、コイルの結線などを考慮すると固定子は２分割にせざるを得ない。極数が２極あるいは４極であると加振力モードに類似し、刺激係数が大きくなる。そのため、わずかな振動が増幅されやすく、フレームの溶接部など応力集中する部分に繰り返し応力が加わることで疲労破壊が生じることや、巻線の磨耗による絶縁損傷などが生じることが懸念される。このように、タービン発電機用の固定子の鉄心に分割構造を採用するには電磁振動を抑制する対策が必要である。

一般に、電磁振動を抑えるには、固定子の外径を大きくすることによって剛性を向上させることが知られている。しかし、固定子の外径を大きくすると、輸送するために分割した貨物の個々の重量および嵩を増大させることになるので、分割構造を採用する効果が薄れる。また、外径を大きくしたことに伴い、固定子巻線が発生する熱や固定子の鉄心を磁束が透過することで発生する熱が固定子にこもりやすく、冷却する効率も低下する。

そこで、本発明は、回転子の回転数が高い場合にも電磁振動および発熱が抑制される分割構造の固定子を有した回転電機を提供する。

本発明の一実施形態の回転電機は、回転子の周囲に配置される固定子が回転子の軸心を中心とする半径方向に内側鉄心及び外側鉄心に分割されて構成される。内側鉄心は、周方向に複数に分割された扇形の電磁鋼板を、分割面が軸方向で連続しないように回転角度をずらして軸方向に積層して一体に形成される。外側鉄心は、周方向に複数に分割された扇形の電磁鋼板を、分割面が周方向に少なくとも２か所で軸方向に連続するように回転角度を揃えて軸方向に積層して構成される。

第１の実施形態の回転電機の軸心に沿う断面図。 図１中のＦ２Ａ−Ｆ２Ａ線に沿う断面を右側に、Ｆ２Ｂ−Ｆ２Ｂ線に沿う断面を左側に、それぞれ示す断面図。 図１に示した固定子の内側鉄心の１つのセグメントとこれに対応する範囲の外側鉄心の一部の平面図。 第２の実施形態の回転電機の固定子の内側鉄心の１つのセグメント及びこれに対応する範囲の外側鉄心の一部の平面図。 第３の実施形態の回転電機の固定子の内側鉄心の１つのセグメント及びこれに対応する範囲の外側鉄心の一部の平面図。 第４の実施形態の回転電機の固定子の内側鉄心の１つのセグメント及びこれに対応する範囲の外側鉄心の一部の平面図。 第５の実施形態の回転電機の固定子の内側鉄心の一部とこれに対応する範囲の外側鉄心の第１層及び第２層を重ねて示す平面図。 （ａ）は図７に示した外側鉄心の第１層の平面図、（ｂ）は図７に示した外側鉄心の第２層の平面図、（ｃ）は図７に示した内側鉄心の第１層の平面図、（ｄ）は図７に示した内側鉄心の第２層の平面図。 第６の実施形態の回転電機の固定子の内側鉄心の一部とこれに対応する範囲の外側鉄心の第１層及び第２層を重ねて示す平面図。 （ａ）は図９に示した外側鉄心の第１層の平面図、（ｂ）は図９に示した外側鉄心の第２層の平面図、（ｃ）は図９に示した内側鉄心の第１層の平面図、（ｄ）は図９に示した内側鉄心の第２層の平面図。 第７の実施形態の回転電機の固定子の図２に相当する断面図。 第８の実施形態の回転電機の固定子の図２に相当する断面図。 第９の実施形態の回転電機の固定子の図２に相当する断面図。 第１０の実施形態の回転電機の固定子の図２に相当する断面図。 第１１の実施形態の回転電機の固定子の図２に相当する断面図。

第１の実施形態の回転電機１について、図１から図３を参照して説明する。図１に示す回転電機１は、２極タービン発電機に適用される。図１において主要な構成以外は、模式的に図示している。本実施形態の回転電機１は、回転子２の回転中心２０が水平に設置され、その外周に固定子３が保持されている。回転子２および固定子３は、フレーム４によって囲われている。フレーム４は、図２に示すように回転中心２０を通る水平面において二分割される上部フレーム４Ａおよび下部フレーム４Ｂで構成されている。上部フレーム４Ａと下部フレーム４Ｂは、フランジ４１Ａ，４１Ｂで接合される。

上部フレーム４Ａおよび下部フレーム４Ｂは、図１および図２に示すように、それぞれ外周板４２Ａ，４２Ｂと、隔板４３Ａ，４３Ｂと、鏡板４４Ａ，４４Ｂを備える。外周板４２Ａ，４２Ｂは、全体を覆う円筒形に形成されている。下部フレーム４Ｂの外周板４２Ｂには、図２に示すように脚板４５が取り付けられている。隔板４３Ａ，４３Ｂは、回転中心２０の半径方向に一定の幅を有した円弧形状であり、軸方向に貫通した穴を周方向に複数有している。隔板４３Ａ，４３Ｂは、図１に示すように回転中心２０に沿う軸方向に間隔を空けて複数配置され、外周板４２Ａ，４２Ｂの内面にそれぞれ溶接されている。また、図２に示すように隔板４３Ａ，４３Ｂの各穴の間から外周板４２Ａ，４２Ｂに延びる補強リブが取り付けられている。鏡板４４Ａは、上部フレーム４Ａの外周板４２Ａの端面に取り付けられたリムにボルトで締結され、鏡板４４Ｂは、下部フレーム４Ｂの外周板４２Ｂの端面に取り付けられたリムにボルトで締結される。回転子２は、鏡板４４Ａ，４４Ｂの間に挟まれる滑り軸受５によって支持される。

固定子３は、図１から図３に示すように、回転中心２０に対して半径方向に内側鉄心３１および外側鉄心３２に分割されている。外側鉄心３２は、上部フレーム４Ａおよび下部フレーム４Ｂが分割される水平面に沿って図２に示すように上部外側鉄心３２Ａと下部外側鉄心３２Ｂとに分割されている。

内側鉄心３１は、周方向に複数に分割された扇形の電磁鋼板３１１を、分割面が回転中心２０に沿う軸方向に連続しないように回転角度をずらして軸方向に積層することによって、一体に形成されている。この内側鉄心３１を構成する電磁鋼板３１１は、方向性電磁鋼板であって、図３に示すように扇形の中心における磁束透過方向Ｍが回転中心２０に対して半径方向に沿うように材料取りされる。この電磁鋼板３１１を積層したことによって平均化される内側鉄心３１の磁束透過方向Ｍは、回転中心２０に対して半径方向になる。

ここで、方向性電磁鋼板の磁束透過方向とは、磁界中に置かれた場合にこの材料中を透過する磁束が通りやすい方向であって、鋼板の製造過程において材料を圧延した方向にほぼ一致する。したがって、クロス圧延を施された場合は無方向性電磁鋼板になり、磁束透過方向は生じない。

外側鉄心３２は、周方向に複数に分割された扇形の電磁鋼板３２１を、分割面が回転中心２０に対して周方向に少なくとも２か所で軸方向へ連続するように回転角度を揃えて軸方向に積層することによって構成されている。外側鉄心３２を構成する電磁鋼板３２１の分割面が、２か所で揃っている、すなわち軸方向に沿う面で二分割になるように、本実施形態では回転中心２０を通る水平面で上部外側鉄心３２Ａと下部外側鉄心３２Ｂとの二分割になるように配置されている。分割面は、２か所に限らず、複数か所に設けてもよい。以下の説明において、上部外側鉄心３２Ａであるか下部外側鉄心３２Ｂであるかによる機能的な差が無い場合はすべて外側鉄心３２として説明する。

第１の実施形態において上部外側鉄心３２Ａおよび下部外側鉄心３２Ｂをそれぞれ構成する電磁鋼板３２１は、方向性電磁鋼板であって、図３に示すように扇形の中心における磁束透過方向Ｍが回転中心２０に対して周方向に沿うように材料取りされている。この電磁鋼板３２１を周方向に並べるとともに軸方向へ積層することによって平均化される外側鉄心３２の磁束透過方向Ｍは、回転中心２０に対して周方向になる。

図１および図２に示すように外側鉄心３２の外周には、外周リブ棒６１Ａ，６１Ｂ、リブ板６２Ａ，６２Ｂおよび連結リブ６３Ａ，６３Ｂが配置されている。外周リブ棒６１Ａ，６１Ｂは、回転中心２０に対して平行にかつ周方向に複数本が等配に配置されている。リブ板６２Ａ，６２Ｂは、隔板４３Ａ，４３Ｂと平行に複数用意され、軸方向に貫通する穴が隔板４３Ａ，４３Ｂと同じ配置で設けられている。リブ板６２Ａ，６２Ｂは、内周が外周リブ棒６１Ａ，６１Ｂに溶接されている。連結リブ６３Ａ，６３Ｂは、回転中心２０に沿う軸方向の複数か所にリブ板６２Ａ，６２Ｂと平行に配置され、内周が外周リブ棒６１Ａ，６１Ｂに溶接されている。連結リブ６３Ａ，６３Ｂは、外周リブ棒６１Ａ，６１Ｂを外周から押さえるいわゆる「たが」の役割を果たす。

外周リブ棒６１Ａ，６１Ｂ、リブ板６２Ａ，６２Ｂおよび連結リブ６３Ａ，６３Ｂは、上部フレーム４Ａおよび下部フレーム４Ｂそれぞれに対応して作られる。リブ板６２Ａの穴と隔板４３Ａの穴、リブ板６２Ｂの穴と隔板４３Ｂの穴がそれぞれ軸方向に一致する状態でそれぞれの穴を貫通するバネ棒４６Ａ，４６Ｂが取り付けられている。このバネ棒４６Ａを介して上部外側鉄心３２Ａが上部フレーム４Ａに支持され、バネ棒４６Ｂを介して下部外側鉄心３２Ｂが下部フレーム４Ｂに支持される。

上部外側鉄心３２Ａは、外周リブ棒６１Ａとリブ板６２Ａと連結リブ６３Ａが組まれた内側に電磁鋼板３２１を積層することによって組み立てられ、下部外側鉄心３２Ｂは、外周リブ棒６１Ｂとリブ板６２Ｂと連結リブ６３Ｂが組まれた内側に電磁鋼板３２１を積層することによって組み立てられる。上部外側鉄心３２Ａおよび下部外側鉄心３２Ｂとして必要枚数が積層された電磁鋼板３２１は、外周リブ棒６１Ａ，６１Ｂの端部にそれぞれ加工されたネジにナットを取り付け、それぞれ積層した両端に配置された押え板３２２を締め付けることで固定される。

内側鉄心３１と外側鉄心３２の間には、回転中心２０と平行に複数本の内側リブ棒７１が周方向に等配に配置されている。内側リブ棒７１は、非磁性部材、例えばオーステナイト系のステンレス鋼で作られる。内側鉄心３１は、この内側リブ棒７１をガイドに電磁鋼板３１１を積層することによって組み立てられる。内側鉄心３１として必要枚数が積層された電磁鋼板３１１は、内側リブ棒７１の端部のそれぞれに加工されたネジにナットを取り付け、積層した両端に配置された押え板３１２を締め付けることで固定される。内側鉄心３１の内周には、回転中心２０に沿う方向に複数のスロットが形成される。各スロットには、固定子巻線８が内側鉄心３１に対して絶縁された状態で収納され、楔９で保持される。

回転電機１は、次のように組み立てられる。まず、下部外側鉄心３２Ｂが組み込まれた下部フレーム４Ｂに内側鉄心３１を載せ、その上から上部外側鉄心３２Ａが組み込まれた上部フレーム４Ａを被せてフランジ４１Ａ，４１Ｂをボルトで締結する。回転子２を内側鉄心３１に通し、滑り軸受５および鏡板４４Ｂを取り付けたのち、心出し調整を行い、最後に鏡板４４Ａを取り付ける。

内側鉄心３１および外側鉄心３２は、内側リブ棒７１が配置される部分がそれぞれ窪んでいる。したがって、外側鉄心３２に対する内側鉄心３１の回転方向の動きは、内側リブ棒７１によって概ね拘束される。ただし、上部外側鉄心３２Ａおよび下部外側鉄心３２Ｂを分割する方向に、内側リブ棒７１が通過しなければならない。そのため、内側リブ棒７１の中心は、内側鉄心３１よりに配置され、内側リブ棒７１は、キーとしての機能が減る。したがって第１の実施形態では、図２に示すように、下部外側鉄心３２Ｂと内側鉄心３１との間に非磁性部材のキー７２を設けている。

以上のように構成された第１の実施形態の回転電機１は、固定子３を内側鉄心３１と上部外側鉄心３２Ａと下部外側鉄心３２Ｂとに分割しているので、設置場所へ輸送する際の貨物の大きさおよび重量を個々に分けることができる。したがって、車両、船舶、鉄道、飛行機などの運搬手段や、橋梁、道路、トンネルなどの運搬経路に起因する輸送制限が軽減される。また、固定子３に絶縁材を含浸させる工程が必要になるのが内側鉄心３１のみになるので、浸漬させるべき容積が小さくなり、製造面においての利点もある。

さらに第１の実施形態の回転電機１は、内側鉄心３１を円筒体に構成している。二極機の回転子のように強い磁気吸引力が作用してもフープ応力が発生するので、内側鉄心３１は、剛性を維持できる。また、内側鉄心３１が１つの円筒体であるため、固定子巻線８を分解することなく設置場所へ輸送することができるので、設置工期が短縮される。

また、第１の実施形態の回転電機１において、固定子３は、半径方向に内側鉄心３１と外側鉄心３２とに分割されており、内側鉄心３１に固定子巻線８が取り付けられている。それぞれ積層される電磁鋼板３１１，３２１には、方向性電磁鋼板を採用しており、内側鉄心３１を構成する電磁鋼板３１１の中心における磁束透過方向Ｍが回転中心２０に対して半径方向に、外側鉄心３２を構成する電磁鋼板３２１の中心における磁束透過方向Ｍを回転中心２０に対して周方向に、それぞれ揃えられている。したがって、回転子２が発生する磁界の磁束が、内側鉄心３１の部分では半径方向に透過しやすく、外側鉄心３２の部分では周方向に透過しやすい。その結果、磁束が固定子３を透過するときの磁気抵抗が軽減されるので内側鉄心３１および外側鉄心３２の発熱が抑えられる。変換効率が向上し、固定子巻線８に発生する電力も大きくなる。したがって、回転電機１の発電効率が向上する。

以下、第２から第１１の実施形態の回転電機１について図面を参照して説明する。各実施形態の各図中において第１の実施形態の回転電機１と同じ機能を有する構成には同じ符号を付し、詳細な説明は、第１の実施形態の対応する記載を参酌することとする。また、回転電機１の全体の構成についても、各実施形態において説明されない箇所は、第１の実施形態の説明および図を参酌する。

第２の実施形態の回転電機１について、図４を参照して説明する。第２の実施形態の回転電機１における固定子３は、第１の実施形態と同様に回転中心２０に対して半径方向に内側鉄心３１と外側鉄心３２に分割されており、さらに外側鉄心３２は、上部外側鉄心３２Ａと下部外側鉄心３２Ｂに分割されている。そして、上部外側鉄心３２Ａおよび下部外側鉄心３２Ｂをそれぞれ構成する電磁鋼板３２１には、磁束が透過しやすい方向に特異性を有していない無方向性電磁鋼板を採用している。この他の構成は第１の実施形態と同じである。

以上のように構成された第２の実施形態の回転電機１によれば、回転子２が発生する磁界の磁束が、固定子３の内側鉄心３１を回転中心２０に対して半径方向に透過しやすい。したがって、電磁振動が発生するのが抑えられる。そして、外側鉄心３２を構成する電磁鋼板３２１として無方向性電磁鋼板を採用しているので、内側鉄心３１を半径方向に透過した磁束が外側鉄心３２を周方向に透過するために変向されても、磁気抵抗が小さい。その結果、固定子３の発熱が抑えられて変換効率が向上するので、回転電機１の発電効率が向上する。

第３の実施形態の回転電機１について、図５を参照して説明する。第３の実施形態の回転電機１における固定子３は、第１の実施形態と同様に分割されている。また、内側鉄心３１および外側鉄心３２を構成する電磁鋼板３１１，３２１として方向性電磁鋼板を採用してる点も、第１の実施形態と同じである。そして、外側鉄心３２を構成する電磁鋼板３２１は、中心における磁束透過方向Ｍが回転子２の回転方向Ｓに延びる接線に対して回転中心２０側へ角度θ傾いているように材料取りされている点が、第１の実施形態と異なっている。

このように構成された第３の実施形態の回転電機１は、外側鉄心３２を構成する電磁鋼板３２１の磁束透過方向Ｍを角度θ傾けているので、内側鉄心３１を構成する電磁鋼板３１１の磁束透過方向Ｍと外側鉄心３２を構成する電磁鋼板３２１の磁束透過方向Ｍとが垂直に交わらない。回転子２が発生する磁界の磁束は、内側鉄心３１を半径方向に透過するとともに外側鉄心３２を周方向に透過する。このとき、内側鉄心３１を透過した磁束と外側鉄心３２を回転子２の回転方向Ｓの進行方向へ透過した磁束は、それぞれの磁束透過方向Ｍに案内されることによって直角よりも大きい鈍角に連続する。つまり、半径方向と周方向との間で磁束の方向が変向されるときの磁気抵抗が軽減される。固定子３の発熱が抑えられるとともに固定子巻線８における変換効率が向上し、回転電機１の発電効率が向上する。

第４の実施形態の回転電機１について、図６を参照して説明する。第４の実施形態の回転電機１における固定子３は、第１の実施形態と同様に分割されている。内側鉄心３１および外側鉄心３２を構成する電磁鋼板３１１，３２１として方向性電磁鋼板を採用している点も第１の実施形態と同じである。そして、外側鉄心３２を構成する電磁鋼板３２１は、中心における磁束透過方向Ｍが回転子２の回転方向Ｓに延びる接線に対して回転中心２０から離れる離心側へ角度θ傾いているように材料取りされている点が第１の実施形態と異なっている。つまり第４の実施形態の外側鉄心３２を構成する電磁鋼板３２１の磁束透過方向Ｍは、第３の実施形態の外側鉄心３２を構成する電磁鋼板３２１の磁束透過方向Ｍが接線に対して傾いているのと反対方向に傾いている。

このように構成された第４の実施形態の回転電機１は、第３の実施形態と同様に外側鉄心３２を構成する電磁鋼板３２１の磁束透過方向Ｍを角度θ傾けているので、内側鉄心３１を透過した磁束と外側鉄心３２を透過した磁束は、垂直に交わらない。つまり、磁束の方向が半径方向と周方向との間で変向される場合の磁気抵抗が軽減される。固定子３の発熱が抑えられるとともに固定子巻線８における変換効率が向上するので、回転電機１の発電効率が向上する。

第５の実施形態の回転電機１について、図７および図８を参照して説明する。第５の実施形態の回転電機１における固定子３は、第１の実施形態と同様に分割されている。そして、外側鉄心３２は、図８（ａ）に示す第１の電磁鋼板３２１Ａと図８（ｂ）に示す第２の電磁鋼板３２１Ｂとを交互に軸方向へ積層して構成されている。第１の電磁鋼板３２１Ａは、分割された扇形の中心における磁束透過方向Ｍが回転子２の回転方向Ｓに延びる接線に対して中心側へ角度θ傾けて材料取りされている方向性電磁鋼板である。第２の電磁鋼板３２１Ｂは、分割された扇形の中心における磁束透過方向Ｍが回転子２の回転方向Ｓに延びる接線に対して離心側へ角度θ傾けて材料取りされている方向性電磁鋼板である。

第１の電磁鋼板３２１Ａは、第３の実施形態における外側鉄心３２を構成する電磁鋼板３２１と同じものであり、第２の電磁鋼板３２１Ｂは、第４の実施形態における外側鉄心３２の電磁鋼板３２１と同じものである。また、第１の電磁鋼板３２１Ａは、第２の電磁鋼板３２１Ｂを裏返したものと同じである。したがって、第１の電磁鋼板３２１Ａと第２の電磁鋼板３２１Ｂは、磁束透過方向Ｍに対して角度をそれぞれ合わせて材料取りしてもよいし、第１の電磁鋼板３２１Ａと第２の電磁鋼板３２１Ｂは、磁束透過方向Ｍに対して同じ角度で材料取りをしたのち、外側鉄心３２を組み立てる際に第２の電磁鋼板３２１Ｂ用に裏返して組み立ててもよい。

図７と図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、外側鉄心３２の第１の電磁鋼板３２１Ａどうしの分割面は、上部外側鉄心３２Ａと下部外側鉄心３２Ｂの合わせ面となる位置を除いて、外側鉄心３２の第２の電磁鋼板３２１Ｂどうしの分割面と一致しないように回転位置をずらして積層される。また、第１の電磁鋼板３２１Ａと同じ層に積層される内側鉄心３１の電磁鋼板３１１どうしの分割面は、図７および図８（ｃ）に示すように少なくとも第１の電磁鋼板３２１Ａどうしの分割面と一致しないように回転位置をずらして積層される。

第５の実施形態の場合、図７に示すように、図８（ａ）の第１の電磁鋼板３２１Ａと同じ層の図８（ｃ）の内側鉄心３１の電磁鋼板３１１の分割面、および、図８（ｂ）の第２の電磁鋼板３２１Ｂと同じ層の図９（ｄ）の内側鉄心３１の電磁鋼板３１１の分割面は、いずれも第１の電磁鋼板３２１Ａどうしおよび第２の電磁鋼板３２１Ｂどうしの分割面に一致しないように配置されている。つまり、内側鉄心３１と外側鉄心３２の位置が軸方向に多少ずれても、内側鉄心３１の電磁鋼板３１１どうしの分割面は、外側鉄心３２の第１の電磁鋼板３２１Ａどうしの分割面および第２の電磁鋼板３２１Ｂどうしの分割面に一致しないように配置される。

以上のように構成された第５の実施形態の回転電機１は、外側鉄心３２の第１の電磁鋼板３２１Ａおよび第２の電磁鋼板３２１Ｂの磁束透過方向Ｍがそれぞれ接線方向に対して傾いており、かつ、傾いている角度が逆方向である。そして、軸方向に第１の電磁鋼板３２１Ａと第２の電磁鋼板３２１Ｂを交互に積層している。したがって、内側鉄心３１を半径方向に透過する磁束が、外側鉄心３２を回転方向Ｓに前進側および後退側のいずれの方向へ透過する場合であっても、内側鉄心３１と外側鉄心３２を透過する磁束がなだらかに連続するように形成される。

その結果、回転子２が発生する磁界の磁束が固定子３を透過するときの磁気抵抗が小さくなるので、固定子３の発熱が抑えられる。したがって、固定子巻線８における変換効率が向上し、回転電機１の発電効率が向上する。また、内側鉄心３１の電磁鋼板３１１どうしの分割面、外側鉄心３２の第１の電磁鋼板３２１Ａどうしおよび第２の電磁鋼板３２１Ｂどうしの分割面の回転位置が積層方向に一致しないように配置されるので、固定子３の全体的な剛性が高まる。

第６の実施形態の回転電機１について、図９および図１０を参照して説明する。第６の実施形態の回転電機１における固定子３は、第１の実施形態と同様に分割されている。そして、外側鉄心３２は、図１０（ａ），（ｂ）に示すように第１の電磁鋼板３２１Ａと第２の電磁鋼板３２１Ｂが周方向へ交互に並べたものを、軸方向にそれぞれの磁束透過方向Ｍが重ならないように積層して構成されている。第１の電磁鋼板３２１Ａは、分割された扇形の中心における磁束透過方向Ｍが回転子２の回転方向Ｓに延びる接線に対して中心側へ角度θ傾けて材料取りされた方向性電磁鋼板である。第２の電磁鋼板３２１Ｂは、分割された扇形の中心における磁束透過方向Ｍが回転子２の回転方向Ｓに延びる接線に対して離心側へ角度θ傾けて材料取りされた方向性電磁鋼板である。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す各層で隣り合う第１の電磁鋼板３２１Ａと第２の電磁鋼板３２１Ｂの間の分割面は、軸方向すなわち積層方向に一致しないように回転位置をずらして配置される。この結果、各層に配置される第１の電磁鋼板３２１Ａおよび第２の電磁鋼板３２１Ｂのいずれの磁束透過方向Ｍも軸方向に重ならないように配置される。また、図１０（ａ）に示す外側鉄心３２の層に対応する図１０（ｃ）に示す内側鉄心３１の電磁鋼板３１１の分割面および図１０（ｂ）に示す外側鉄心３２の層に対応する図１０（ｄ）に示す内側鉄心３１の電磁鋼板３１１の分割面は、同じ層の外側鉄心３２の電磁鋼板どうしの分割面および隣り合う層の内側鉄心３１の電磁鋼板どうしの分割面と一致しない回転位置になるように配置される。

以上のように構成された第６の実施形態の回転電機１は、第５の実施形態の回転電機１と同様の効果を奏する。

第７の実施形態の回転電機１について、図１１を参照して説明する。第７の実施形態の回転電機１における固定子３は、内側鉄心３１と外側鉄心３２を半径方向に分ける境界面の形状が回転子２の回転中心２０を中心とする楕円柱面に形成されている。本実施形態において、回転中心２０に対して垂直に楕円柱面を横切る断面に現れる楕円の長径は、鉛直方向に配置されている。したがって、外側鉄心３２を上部外側鉄心３２Ａと下部外側鉄心３２Ｂとに分ける分割面における上部外側鉄心３２Ａと下部外側鉄心３２Ｂの半径方向の寸法は、上部外側鉄心３２Ａの頂部における半径方向の寸法および下部外側鉄心３２Ｂの底部における半径方向の寸法よりも大きい。

内側鉄心３１、上部外側鉄心３２Ａ、下部外側鉄心３２Ｂをそれぞれ構成する電磁鋼板３１１，３２１は、周方向に複数に分割して材料取りされる。このとき、内側鉄心３１と外側鉄心３２の境界面が楕円柱面であるので、回転位置に応じて電磁鋼板３１１，３２１の形状は、異なる。その他の構成は第１の実施形態の回転電機１と同じである。

以上のように構成された第７の実施形態の回転電機１によれば、内側鉄心３１と外側鉄心３２の境界面が楕円柱面であるので、回転中心２０に対して内側鉄心３１に作用するトルクは、境界面に作用する面圧によって外側鉄心３２に伝達される。したがって、第１の実施形態の回転電機１において設けられたキー７２は、本実施形態の回転電機１には不要である。その分部品点数が減り、回転電機１の構造が簡素化される。

第８の実施形態の回転電機１について、図１２を参照して説明する。第８の実施形態の回転電機１における固定子３は、内側鉄心３１と外側鉄心３２を半径方向に分ける境界面の形状が回転子２の回転中心２０を中心とする楕円柱面に形成され、回転中心２０に対して垂直な楕円柱面の断面に現れる楕円の長径は、外側鉄心３２を上部外側鉄心３２Ａと下部外側鉄心３２Ｂとに分ける分割面に沿う方向に配置される。したがって、上部外側鉄心３２Ａの頂部における半径方向の寸法および下部外側鉄心３２Ｂの底部における半径方向の寸法は、分割面における上部外側鉄心３２Ａと下部外側鉄心３２Ｂの半径方向の寸法よりも大きい。また、一体形成される内側鉄心３１の水平位置の半径方向に沿う寸法は、鉛直位置の半径方向に沿う寸法よりも大きい。

以上のように構成された第８の実施形態の回転電機１によれば、第７の実施形態と同様にキー７２が不要であり、水平面に沿って外側鉄心３２の分割面が設定されていることによる固定子３の構造上の強度の低下を、一体に形成される内側鉄心３１の形状によって補うことができる。回転電機１の固定子３の半径方向の分割面を鉛直方向に扁平した楕円柱面にしたことによって、水平方向と鉛直方向の剛性の差が小さくなる。したがって、回転電機１が運転されたときの電磁振動の振幅は、均一化されて小さく抑えられる。

第９の実施形態の回転電機１について、図１３を参照して説明する。第９の実施形態の回転電機１における固定子３は、内側鉄心３１と外側鉄心３２を半径方向に分ける境界面の形状を多角柱面とした。この実施形態の場合、回転中心２０に対して垂直な断面に現れる多角形の頂点の数は、内側リブ棒７１の数と同数とし、各頂点に内側リブ棒７１を配置している。

以上のように構成された第９の実施形態の回転電機１によれば、内側リブ棒７１を配置するための窪みを内側鉄心３１側に取り込んでも、内側鉄心３１と外側鉄心３２の境界面が多角柱面に形成されているので、キーを設けなくても、内側鉄心３１に作用するトルクを外側鉄心３２に伝達することができる。したがって、第７および第８の実施形態と同様に、回転電機１の構造が簡素化される。

第１０の実施形態の回転電機１について、図１４を参照して説明する。第１０の実施形態の回転電機１における固定子３は、内側鉄心３１と外側鉄心３２を半径方向に分ける境界面の形状を奇数の多角柱面、ここでは、５角柱面にした。回転中心２０に対して垂直な断面に現れる五角形の頂点に配置される内側リブ棒７１以外の内側リブ棒７１は、５角柱面の各側面に相当する区間に配置される。第１０の実施形態の場合、頂点を結ぶ区間には、３つの内側リブ棒７１がそれぞれ配置されている。また、図１４に示すように、外側鉄心３２が上部外側鉄心３２Ａと下部外側鉄心３２Ｂとに分割される水平面に対して面対称となるように、５角柱面の一つの側辺に位置する内側リブ棒７１を分割面となる水平面に配置している。ここで、「側辺」とは、多角柱面の断面における多角形の頂点を通る稜線をいう。

以上のように構成された第１０の実施形態の回転電機１によれば、第１の実施形態の回転電機１や、第７から第９の実施形態の回転電機１による効果と同様の効果を得る。また、多角柱面の角数を奇数にしているので、内側鉄心３１に作用する磁気吸引力によって生じる４節円環固有振動モードに類似した振動モードで加振されても、振動が励起され難く、つまり、刺激係数が低く抑えられる。したがって、回転電機１に生じる電磁振動を抑制することができる。

第１１の実施形態の回転電機１について、図１５を参照して説明する。第１１の実施形態の回転電機１における固定子３は、第１０の実施形態と同様に、内側鉄心３１と外側鉄心３２を半径方向に分ける境界面の形状を奇数の多角柱面である５角柱面にした。このとき、断面において五角形の頂点の一つが頂部に位置するように、回転中心２０を通る鉛直面に対して面対称に境界面を形成した。

なお、この回転電機１の場合、下部フレーム４Ｂに組み込まれた下部外側鉄心３２Ｂに対して、内側鉄心３１を上から載せるように設置する。そして、上部フレーム４Ａに組み込まれた上部外側鉄心３２Ａが内側鉄心３１の上半分に嵌るように、上部フレーム４Ａを回転中心２０に沿って水平にスライドさせて組み立てる。回転子２を挿入し、滑り軸受５および鏡板４４Ａ，４４Ｂを取り付ける。

以上のように構成した第１１の実施形態の回転電機１によれば、第１０の実施形態と同様の効果を奏するとともに、内側鉄心３１の半径方向の寸法が水平方向に均等になる。したがって、固定子３としての水平方向に対する剛性が高くなる。外側鉄心３２に分割面を設けたことによる水平方向の剛性の低下は、内側鉄心３１の水平方向の剛性を高めたことによって補われるので、回転電機１に生じる電磁振動を抑制することができる。

なお、上述の各実施形態の回転電機は、回転子の軸心が水平に配置されたタービン発電機用の回転電機を例に説明した。各実施形態の回転電機は、回転子の軸心が鉛直に配置された水力発電機用の回転電機として応用してもよい。その場合、外側鉄心の分割面は、固定子の磁極数に応じて軸心を中心とする周方向に数箇所に設けられる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…回転電機、２…回転子、２０…回転中心（回転子の軸心）、３…固定子、３１…内側鉄心、３１１…電磁鋼板（方向性電磁鋼板）、３２…外側鉄心、３２１…電磁鋼板（方向性電磁鋼板、無方向性電磁鋼板）、３２１Ａ…第１の電磁鋼板（第1の方向性電磁鋼板）、３２１Ｂ…第２の電磁鋼板（第２の方向性電磁鋼板）、７１…内側リブ棒（リブ棒）、Ｓ…回転方向、Ｍ…磁束透過方向。

Claims (13)

1. 回転子の周囲に配置される固定子が前記回転子の軸心を中心とする半径方向に内側鉄心及び外側鉄心に分割された回転電機であって、
   前記内側鉄心は、周方向に複数に分割された扇形の電磁鋼板を、分割面が軸方向で連続しないように回転位置をずらして軸方向に積層して一体に形成され、
   前記外側鉄心は、周方向に複数に分割された扇形の電磁鋼板を、分割面が周方向に少なくとも２か所で軸方向に連続するように回転角度を揃えて軸方向に積層して構成される
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記内側鉄心は、前記扇形の中心における磁束透過方向が半径方向に沿う方向性電磁鋼板によって構成され、
   前記外側鉄心は、前記扇形の中心における磁束透過方向が周方向に沿う方向性電磁鋼板によって構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記内側鉄心は、前記扇形の中心における磁束透過方向が半径方向に沿う方向性電磁鋼板によって構成され、
   前記外側鉄心は、前記扇形の中心における磁束透過方向が等方性である無方向性電磁鋼板によって構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記外側鉄心は、前記扇形の中心における磁束透過方向が前記回転子の回転方向の接線に対して中心側へ傾いている方向性電磁鋼板によって構成される
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
5. 前記外側鉄心は、前記扇形の中心における磁束透過方向が前記回転子の回転方向の接線に対して離心側へ傾いている方向性電磁鋼板によって構成される
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
6. 前記外側鉄心は、前記扇形の中心における磁束透過方向が前記回転子の回転方向の接線に対して中心側へ傾いている第１の方向性電磁鋼板と、前記扇形の中心における磁束透過方向が前記回転子の回転方向の接線に対して離心側へ傾いている第２の方向性電磁鋼板とを交互に軸方向に積層して構成される
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
7. 前記外側鉄心は、前記扇形の中心における磁束透過方向が前記回転子の回転方向の接線に対して中心側へ傾いている第１の方向性電磁鋼板と、前記扇形の中心における磁束透過方向が前記回転子の回転方向の接線に対して離心側へ傾いている第２の方向性電磁鋼板とを周方向に交互に並べたものを軸方向へ磁束透過方向が揃わないように積層して構成される
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
8. 前記内側鉄心と前記外側鉄心との間に、非磁性材のキーを設ける
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 前記内側鉄心及び前記外側鉄心の境界面を前記回転子の軸心を中心とする楕円柱面に形成する
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機。
10. 前記回転子の軸心を横切る断面における前記楕円柱面の長径は、外側鉄心の分割面に沿って配置される
    ことを特徴とする請求項９に記載の回転電機。
11. 前記内側鉄心及び前記外側鉄心の境界面を前記回転子の軸心を中心とする角数が奇数の多角柱面に形成する
    ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機。
12. 前記多角柱面の各面に沿って複数本のリブ棒がそれぞれ配置される
    ことを特徴とする請求項１１に記載の回転電機。
13. 前記多角柱面の各側辺に沿ってリブ棒がそれぞれ配置される
    ことを特徴とする請求項１１に記載の回転電機。

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