JP2013255323A

JP2013255323A - 回転電機

Info

Publication number: JP2013255323A
Application number: JP2012128710A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Hori; 雅寛堀; Mamoru Kimura; 守木村; Takayuki Koyama; 貴之小山; Shigeki Nakae; 茂樹中江; Motonobu Iizuka; 元信飯塚
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2013-12-19

Abstract

【課題】
特別な製作工程を必要とすることなく、簡単な構成でボルト穴による渦電流の流路が阻害されることを防止し、始動特性の改善が図れること。
【解決手段】
本発明の回転電機は、上記課題を解決するために、固定子鉄心に設けられた複数個のスロット内に電機子巻線が施された固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置され、塊状鉄心で形成された磁極胴部と磁極頭部から成り、前記磁極胴部に界磁巻線が巻かれ、かつ、前記磁極頭部と磁極胴部が、該磁極頭部に設けられている複数のボルト穴にそれぞれボルトを挿入することで固定されている回転子とを備え、前記複数のボルト穴が、前記磁極頭部の中央部に集約して配置されていることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は回転電機に係り、例えば、天然ガスプラントのコンプレッサ等に用いられる大容量の巻線形同期電動機の如く、磁極頭部と磁極胴部がボルトで固定されているものに好適な回転電機に関する。

近年、プラントの高効率化のため、従来のガスタービン駆動のコンプレッサから電動駆動のコンプレッサの適応が進められている。この電動駆動のコンプレッサに用いられる電動機は、正弦波駆動方式とインバータ駆動方式の２方式がある。

インバータ駆動方式の場合は、電源周波数と電圧を任意に変化させることが可能であるため、回転数を徐々に増加させながら定格回転数まで運転することが可能である。しかし、正弦波駆動方式では、電源周波数が一定であるため、上記方法を用いることができず、直接、定格回転数の運転を行う電源直入れ方式となる。

そこで、回転子が塊状鉄心である場合は、電源直入れ方式によって塊状鉄心に渦電流を発生させ、その渦電流により発生するトルクを用いて始動する方法を採用している。

また、回転子が塊状鉄心の電動機は、磁極胴部と磁極頭部を別々に製作し、両者をボルトにより固定することが行われている。この磁極胴部と磁極頭部を固定するボルトを配置するためには、磁極頭部を加工し、ボルト穴を設ける必要がある。その磁極頭部に設けられたボルト穴の配置を図１に示す。

図１に示す如く、塊状鉄心の磁極胴部１と磁極頭部２をボルトで固定するために、磁極頭部２に複数のボルト穴２Ａが形成されるが、この複数のボルト穴２Ａは、磁極胴部１の外周に沿うように形成されている。

このような磁極頭部２に形成されたボルト穴２Ａにおける渦電流の流路の一例を、図２に示す。図２は、磁束Ｆが紙面の表側から裏側に向かって、磁極頭部２に鎖交した場合を示している。

図２から明らかなように、磁極頭部２の軸方向端部では、矢印で示す渦電流の流路Ｒに、ボルト穴２Ａが位置している。

このため、磁極頭部２の軸方向端部では、ボルト穴２Ａにより渦電流の流路Ｒが阻害され、電気抵抗率が増加するため、渦電流が減少してしまう。よって、始動時の渦電流によるトルクが低下し、加速することができなくなる場合がある。

このようなことから、渦電流によるトルクを増加させる従来技術として、特許文献１がある。

この特許文献１では、磁極頭部を製作するにあたって、導電率と透磁率が異なる材料を連続的に並べて熱処理炉に入れ、所定の温度に加熱した後、鍛造によって一体化し、これにより、磁極頭部の軸方向端部の電気抵抗率を改善して渦電流を増加し、渦電流によるトルクの向上を図っている。

特開平７-７５２６７号公報

しかしながら、特許文献１では、磁極頭部に異なる材料を用いているため、製作コストの増大が懸念されことは勿論、導電率と透磁率が異なる材料を連続的に並べて熱処理炉に入れ、所定の温度に加熱した後、鍛造によって一体化するため、製作工程が煩雑なものとなっていた。

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、特別な製作工程を必要とすることなく、簡単な構成でボルト穴による渦電流の流路が阻害されることを防止し、始動特性の改善が図れ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、固定子鉄心に設けられた複数個のスロット内に電機子巻線が施された固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置され、塊状鉄心で形成された磁極胴部と磁極頭部から成り、前記磁極胴部に界磁巻線が巻かれ、かつ、前記磁極頭部と磁極胴部が、該磁極頭部に設けられている複数のボルト穴にそれぞれボルトを挿入することで固定されている回転子とを備え、前記複数のボルト穴が、前記磁極頭部の中央部に集約して配置されているか、
或いは、前記複数のボルト穴が、前記磁極頭部の軸方向端部及び周方向端部を除く部分に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、特別な製作工程を必要とすることなく、簡単な構成でボルト穴による渦電流の流路が阻害されることを防止し、始動特性の改善が図れる回転電機を得ることができる。

従来の回転電機におけるボルト穴の配置の例を示す回転子１極分の斜視図である。図１における磁極頭部の渦電流の流路の一例を示す回転子１極分の平面図である。本発明の回転電機の実施例１を示す径方向断面図である。図３に採用される回転子の磁極胴部と磁極頭部をボルトで固定した状態を示す軸方向断面図である。図３に採用される回転子におけるボルト穴の配置の例を示す回転子１極分の斜視図である。図５における磁極頭部の渦電流の流路の一例を示す回転子１極分の平面図である。周方向に隣接するボルト穴の周方向間隔をＷ２、ボルト穴と磁極頭部の周方向端部との最短距離をＷ１としたときのＷ１/Ｗ２と渦電流によるトルクとの関係を示す特性図である。図7において、周方向に隣接するボルト穴の間隔が狭い（Ｗ１/Ｗ２が大きい）場合の磁極頭部の渦電流の流路を示す回転子１極分の平面図である。図7において、周方向に隣接するボルト穴の間隔が広い（Ｗ１/Ｗ２が小さい）場合の磁極頭部の渦電流の流路を示す回転子１極分の平面図である。本発明の回転電機の実施例２に採用される回転子の１極分を、界磁巻線を省略して示す側面図である。本発明の回転電機の実施例３に採用される回転子の１極分を、界磁巻線を省略して示す側面図である。本発明の回転電機の実施例４に採用される回転子におけるボルト穴の配置の例を示す回転子１極分の斜視図である。本発明の回転電機の実施例５に採用される回転子におけるボルト穴の配置の例を示す回転子１極分の斜視図である。本発明の回転電機をコンプレッサシステムに適用した実施例６を示す図である。本発明の回転電機を天然ガスプラントに適用した実施例７を示す図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の回転電機を説明する。尚、符号は、従来と同一のものは同符号を使用すると共に、各図において同一部分は、同符号を付与する。

図３は、本発明の回転電機の実施例１である巻線型同期電動機を示す。該図に示す如く、本実施例の巻線型同期電動機は、回転子３と固定子４とから構成されている。

回転子３は、塊状鉄心で製造された磁極胴部１と磁極頭部２により形成され、磁極胴部１には界磁巻線５が巻回され、磁極胴部１の内周側には、回転軸７が取り付けられている。

一方、固定子４は、回転子３と所定間隙をもって対向配置され、複数枚の電磁鋼板を積み重ね製造された固定子鉄心８に、電機子巻線９が巻回されて形成されている。

上述の回転子３を形成する際には、磁極胴部１と磁極頭部２は、それぞれ個別に製作され、磁極胴部１に界磁巻線５を巻回した後、この界磁巻線５が装着された磁極胴部１に、磁極頭部２がボルトで固定される。

図４に、磁極胴部１に磁極頭部２がボルトで固定された状態を示す。図４に示すように、磁極胴部１と磁極頭部２は、複数のボルト１０によって固定されるため、磁極頭部２には、複数のボルト穴２Ａが設けられている。

図５は、本実施例に採用される回転子３におけるボルト穴２Ａの配置の例を示し、回転子３の１極分の斜視図である。

該図に示す如く、本実施例では、複数のボルト穴２Ａが、磁極頭部２の中央部に、周方向に２列以上（本実施例では３列）、軸方向に２列以上（本実施例では１０列）集約して配置され、周方向に隣接する複数のボルト穴２Ａの周方向間隔及び軸方向に隣接する複数のボルト穴２Ａの軸方向間隔を一定にしている。

言い換えると、複数のボルト穴２Ａが、磁極頭部２の軸方向及び周方向端部を除く部分に、周方向に２列以上（本実施例では３列）、軸方向に２列以上（本実施例では１０列）配置され、周方向に隣接する複数のボルト穴２Ａの周方向間隔及び軸方向に隣接する複数のボルト穴２Ａの軸方向間隔を一定にしていることでもある。

この場合の磁極頭部２の軸方向端部と軸方向外側に位置するボルト穴２Ａとの距離Ｌ２は、磁極頭部２の軸方向全長Ｌ１の１割程度が望ましい。

図６を用いて、本実施例における効果を説明する。図６は、図５における磁極頭部２の渦電流の流路の一例を示すものであり、磁極頭部２に磁束Ｆが紙面の表側から裏側に鎖交した場合に発生する渦電流の流路Ｒを示している。

図２に示した従来のボルト穴２Ａの配置では、磁極頭部２の軸方向端部の渦電流の流路Ｒに、ボルト穴２Ａが位置していたが、図６の如く、本実施例では、磁極頭部２の軸方向及び周方向端部のいずれにおいても、渦電流の流路上にボルト穴２Ａが位置していない。

このような構成の本実施例では、従来のボルト穴２Ａの配置に比べ、磁極頭部２の流路の電気抵抗率が低下し、渦電流が増加する。この結果、渦電流によるトルクが増加するので、特別な製作工程を必要とすることなく、簡単な構成でボルト穴による渦電流の流路が阻害されることを防止し、始動特性の改善が図れる。

表１に、従来のボルト穴配置と、実施例１の渦電流によるトルクの比較を示す。なお、表１は、従来のボルト穴配置における渦電流によるトルクを１.００として、これと比較している。

表１から、実施例１のボルト配置により、渦電流によるトルクが、従来のボルト配置に比べ５％改善されているが確認できる。

この渦電流によるトルクが５％改善されたことにより、上述した本実施例による効果は勿論、大きな負荷が接続されていた場合でも、スムーズに始動ができ、始動時間が短縮できる。また、始動時は、回転子３の損失が大きいため、回転子３の温度上昇による回転子鉄心（磁極胴部１、磁極頭部２）の焼損や界磁巻線５の絶縁破壊が問題になるが、始動時間を短縮できれば、そのリスクを低減できる。

なお、図５及び図６に示した本実施例では、ボルト穴２Ａを周方向に３列、軸方向に１０列配置しているが、ボルト１０に加わる遠心力やボルト１０の強度に合わせ、適宜本数を選択してもよい。また、この場合、隣り合うボルト穴２Ａの周方向間隔や軸方向間隔は一定とすることが望ましい。これにより、ボルト１０に加わる応力を均一化できる。

次に、図５に示す如く、周方向に隣接するボルト穴２Ａの周方向間隔をＷ２、ボルト穴２Ａと磁極頭部２の周方向端部との最短距離Ｗ１とした場合のＷ１／Ｗ２に対する渦電流によるトルクを、図７を用いて説明する。

図７は、上述したＷ１/Ｗ２と渦電流によるトルクとの関係を示す特性図である。なお、図７は、従来のボルト穴２Ａの配置による渦電流によるトルクにより規格化している。図７から、Ｗ１／Ｗ２＝２付近で始動トルクが最大となることがわかる。

この理由を、図８及び図９に示す磁極頭部２の渦電流の流路の経路図を用いて説明する。

図８から明らかなように、Ｗ１／Ｗ２が大きい場合、即ち、磁極頭部２の周方向に隣接するボルト穴２Ａの間隔が狭い場合は、磁束Ｆが通る鉄心部分（Ｗ２）が狭くなり鉄心量が少なくなるため、ボルト穴２Ａが磁気抵抗となり、鎖交する磁束Ｆが低下する。その際、渦電流が低下し、渦電流によるトルクが低下する。

また、図９から明らかなように、Ｗ１／Ｗ２が小さい場合、即ち、磁極頭部２の周方向に隣接するボルト穴２Ａの間隔が広い場合は、渦電流の流路Ｒにボルト穴２Ａが位置するため、渦電流の流路Ｒの電気抵抗率が増加し、渦電流が低下する。

以上のことから、渦電流によるトルクが最大となる最適なＷ１／Ｗ２が存在すると言える。即ち、図７から、従来のボルト穴２Ａの配置に比べ、渦電流によるトルクが向上（１以上）するためには、０．５＜Ｗ１／Ｗ２＜１４であることが理解され、Ｗ１／Ｗ２は、この範囲内であることが望ましいと言える。

図１０に、本発明の回転電機の実施例２に採用される回転子の１極分を、界磁巻線を省略して示す。

該図に示す本実施例では、図１０に示すように、磁極頭部２が、磁極胴部１の軸方向端部より両端にｌだけ長く形成されている。この磁極胴部１の軸方向端部より両端に長い距離ｌは、磁極頭部２全長の１割程度突出している長さである。その理由は、磁極頭部２が長すぎると強度が問題となり、短すぎると界磁巻線が飛び出す恐れがあるから、磁極頭部２全長の１割程度が望ましい。

このような本実施例によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、回転時の遠心力により界磁巻線の軸方向端部が飛び出すことを防ぐことができる。

図１１に、本発明の回転電機の実施例３に採用される回転子の１極分を、界磁巻線を省略して示す。

該図に示す本実施例は、実施例２の構成を一部改良したもので、図１１に示すように、磁極頭部２の軸方向長さが、対向して配置されている固定子鉄心に近づくにつれ徐々に短くなり、磁極頭部２の径方向端部における軸方向長さが磁極胴部１の軸方法長さと一致する磁極頭部２としたものである。

このような本実施例によれば、実施例２と同様な効果が得られることは勿論、磁極頭部２と固定子鉄心に鎖交する磁束を有効に使用できる。

図１２に、本発明の回転電機の実施例４に採用される回転子の１極分を示す。

上述した実施例２及び３のように、磁極胴部１より軸方向長さの長い磁極頭部２を用いた場合、遠心力により磁極頭部２の軸方向端部が撓む恐れがあり、磁極頭部２の軸方向端部が撓むと軸方法端部側に配置されたボルトの応力が大きくなる。

そのため、本実施例では、図１２に示すように、磁極頭部２の軸方向端部側のボルト穴２Ａの間隔を狭くして密とし、軸方向中央部のボルト穴２Ａの間隔を広くして粗としたものである。即ち、隣り合うボルト穴２Ａの軸方向中央部の軸方向間隔が、軸方向端部の軸方向間隔より長く形成されている。

このような本実施例によれば、実施例３と同様な効果が得られることは勿論、磁極頭部２の軸方向端部が撓むことがなくなり、軸方法端部側に配置されたボルトの応力が大きくなることを防ぐことができる。

図１３に、本発明の回転電機の実施例５に採用される回転子の１極分を示す。

該図に示す本実施例では、磁極頭部２に形成されている全てのボルト穴２Ａを取り囲む溝１１を設けたものである。

この溝１１を設けることで、実施例３と同様な効果が得られることは勿論、渦電流の流路Ｒが溝１１の外側となるため、渦電流の流路Ｒにボルト穴２Ａが形成されることをより防ぐことができる。

表２に、実施例５の溝１１を配置した場合の渦電流によるトルクを示す。なお、表１は、従来のボルト穴２Ａの配置における渦電流によるトルクを１.００として、これと比較している。

表２から、実施例５のように、磁極頭部２に形成されている全てのボルト穴２Ａを取り囲む溝１１を設けることで、渦電流によるトルクが増加していることを確認できる。

尚、上述した実施例１乃至５において、ボルト穴２Ａに埋め込まれているボルト１０を、溶接や座金によって固定することで、ボルト１０の緩みや外れを防止でき、長期信頼性を向上できる。

図１４に、上述した本発明の回転電機をコンプレッサシステムに適応した例を示す。

該図に示す如く、コンプレッサシステムは、正弦波電源１２により駆動された回転電機１４を用いてコンプレッサ１３を運転するものであるが、本実施例では、回転電機１４を、上述した実施例１乃至５のいずれかで説明した回転電機を用いたものである。

上述した本実施例の回転電機は、いずれも始動特性に優れるため、コンプレッサシステムの安定した起動が可能となる。

図１５に、上述した本発明の回転電機を天然ガスプラントに適応した例を示す。

該図に示す如く、天然ガスプラントは、採取装置１５により採取された天然ガスが、パイプライン１６、ファン１７、重質分除去装置１８、液化装置１９を通りタンク２０に蓄えられ、その後、ポンプ２１により汲み上げられ、輸送されるものである。

本実施例では、パイプライン１６、重質分除去装置１８、液化装置１９に、実施例６で説明した実施例１乃至５のいずれかの回転電機を用いたコンプレッサシステムが適用されている。

本実施例では、天然ガスプラントを挙げているが、石油プラント等でも十分適用が可能である。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…磁極胴部、２…磁極頭部、２Ａ…ボルト穴、３…回転子、４…固定子、５…界磁巻線、７…回転軸、８…固定子鉄心、９…電機子巻線、１０…ボルト、１１…溝、１２…正弦波電源、１３…コンプレッサ、１４…回転電機、１５…採取装置、１６…パイプライン、１７…ファン、１８…重質分除去装置、１９…液化装置、２０…タンク、２１…ポンプ、Ｆ…磁束、Ｒ…渦電流の流路。

Claims

固定子鉄心に設けられた複数個のスロット内に電機子巻線が施された固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置され、塊状鉄心で形成された磁極胴部と磁極頭部から成り、前記磁極胴部に界磁巻線が巻かれ、かつ、前記磁極頭部と磁極胴部が、該磁極頭部に設けられている複数のボルト穴にそれぞれボルトを挿入することで固定されている回転子とを備え、
前記複数のボルト穴が、前記磁極頭部の中央部に集約して配置されていることを特徴とする回転電機。
固定子鉄心に設けられた複数個のスロット内に電機子巻線が施された固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置され、塊状鉄心で形成された磁極胴部と磁極頭部から成り、前記磁極胴部に界磁巻線が巻かれ、かつ、前記磁極頭部と磁極胴部が、該磁極頭部に設けられている複数のボルト穴にそれぞれボルトを挿入することで固定されている回転子とを備え、
前記複数のボルト穴が、前記磁極頭部の軸方向端部及び周方向端部を除く部分に配置されていることを特徴とする回転電機。
請求項１又は２に記載の回転電機において、
前記ボルト穴が、前記磁極頭部の周方向に２列以上配置されたことを特徴とする回転電機。
請求項３に記載の回転電機において、
前記磁極頭部の周方向に隣接する前記ボルト穴の周方向間隔を一定としたことを特徴とする回転電機。
請求項４に記載の回転電機において、
前記磁極頭部の周方向に隣接する前記ボルト穴の間の周方向間隔をＷ２、前記ボルト穴と前記磁極頭部の周方向端部の最短距離をＷ１とした時、Ｗ１/Ｗ２が０.５＜Ｗ１/Ｗ２＜１４であることを特徴とする回転電機。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記ボルト穴が、前記磁極頭部の軸方向に２列以上配置されていることを特徴とする回転電機。
請求項６に記載の回転電機において、
前記磁極頭部の軸方向に隣接する前記ボルト穴の軸方向間隔を一定としたことを特徴とする回転電機。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記磁極頭部の軸方向長さが、前記磁極胴部の軸方向長さより長いことを特徴とする回転電機。
請求項８に記載の回転電機において、
前記磁極頭部の軸方向長さが、前記固定子に近づくにつれ徐々に短くなり、前記磁極頭部の径方向端部の軸方向長さが前記磁極胴部の軸方方向長さと一致していることを特徴とする回転電機。
請求項８又は９に記載の回転電機において、
隣り合う前記ボルト穴の軸方向中央部の軸方向間隔が、軸方向端部の軸方向間隔より長いことを特徴とする回転電機。
請求項１乃至１０に記載の回転電機において、
前記磁極頭部に配置された全ての前記ボルト穴を囲む溝が形成されていることを特徴とする回転電機。
請求項１乃至１１に記載の回転電機において、
前記ボルト穴に挿入された前記ボルトが、溶接或いは座金により固定されていることを特徴とする回転電機。
正弦波電源又はインバータにより駆動された回転電機を用いてコンプレッサを運転するコンプレッサシステムであって、
前記回転電機は、請求項１乃至１２のいずれかに記載の回転電機であることを特徴とするコンプレッサシステム。
採取装置により採取された天然ガスが、パイプライン、ファン、重質分除去装置及び液化装置を通りタンクに蓄えられ、前記タンクからポンプにより汲み上げられて輸送される天然ガスプラントであって、
前記パイプライン、重質分除去装置及び液化装置に、請求項１３に記載のコンプレッサシステムが適用されていることを特徴とする天然ガスプラント。