JP2015002638A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、部品点数を増加させることなく、回転子コイル端部の周方向の重量分布の偏りによる保持環の楕円変形を低減した回転電機を提供することにある。【解決手段】回転子スロット１ｓから張り出した回転子コイル端部１２の外周を覆う保持環５と、隣接する２つの回転子コイル端部１２の間に設けられ電気絶縁性を有する支持部材１３とを備えた回転電機において、支持部材１３は、２つの回転子コイル端部１３が対向する範囲内に位置して２つの回転子コイル１３と接触する支持部と、２つの回転子コイル端部１２が対向する範囲から径方向中心側に突き出した余剰部とを有し、余剰部の重心位置を支持部の重心位置に対して回転子の周方向、或いは軸方向にずらしたものである。【選択図】 図２

Description

本発明は、回転子にコイルを配設した回転電機に関する。

本技術分野の背景技術として、実開昭５４−１０４９０２号公報（特許文献１）がある。この公報には、高い機械的強度が要求されるタービン発電機の回転子を磁極鉄心と軸とを一体の材料で形成することにより構成し、その胴体部に放射状のスロットを切り、このスロットに界磁線輪（コイル）を装着することが記載されている。界磁線輪は偏平な銅帯を平巻きに成形し、スロットに装着するときに一回ずつ段間絶縁を挿入しながら巻線している。胴体部より出っ張った界磁線輪のエンド部分では、界磁線輪間に絶縁性を有する間隔片を固く打ち込んで固定し、適度に隙間を設けて通風に利用している。エンド部分は遠心力を受けるが、エンド部分の外側にかぶせた保持環でエンド部分を保持している（明細書第１頁乃至第２頁参照）。

一方、特開昭５０−４２３０４号公報（特許文献２）には、コイル端部（エンド部分）の重量分布の偏りによる変形を抑制するため、保持環の外周に補強リングを嵌着した回転電機が記載されている（第１頁参照）。

実開昭５４−１０４９０２号公報 特開昭５０−４２３０４号公報

特許文献１では、コイルのエンド部分において、界磁線輪間に絶縁性を有する間隔片を固く打ち込んで固定し、さらに保持環でエンド部分を保持しているが、重心分布の偏りについては、配慮されていない。

一方、特許文献２では、コイルの重量分布の偏りに配慮し、保持環の外周に補強リングを嵌着している。この場合、新たな部品の追加が必要となり、部品点数の増加と部品点数の増加に伴う作業工数の増加を招く。

本発明の目的は、部品点数を増加させることなく、回転子コイル端部の周方向の重量分布の偏りによる保持環の楕円変形や変形量の増大に伴う曲げ応力を低減した回転電機を提供することにある。

本発明の回転電機は、固定子とこの固定子内に回転可能に配置された回転子とを備え、前記回転子は、軸方向に沿う回転子スロットが周方向に間隔をおいて複数設けられた回転子鉄心と、前記回転子スロット内に装着した回転子コイルと、前記回転子スロットから張り出した回転子コイル端部の外周を覆う保持環と、隣接する２つの回転子コイル端部の間に設けられ電気絶縁性を有する支持部材とを備えた回転電機において、前記支持部材は、前記２つの回転子コイル端部が対向する範囲内に位置して前記２つの回転子コイルと接触する支持部と、前記２つの回転子コイル端部が対向する範囲から径方向中心側に突き出した余剰部とを有し、前記余剰部の重心位置を前記支持部の重心位置に対して回転子の周方向、或いは回転子の軸方向にずらしたものである。

本発明の回転電機は、余剰部の重心位置を支持部の重心位置に対して回転子の周方向にずらしたことにより、重量分布の偏りを低減することができ、保持環の楕円変形を抑制した回転電機を構成できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明に係る回転電機の概略構造図である。 本発明に係る回転電機の第１実施例における回転子端部の斜視図である。 本発明に係る回転電機の第１実施例における回転子端部の断面図である。 図２の回転子コイル端部と支持部材を説明する斜視図である。 図４を側面からみた概略図である。 本発明に係る第２実施例における回転子コイル端部と支持部材を説明する斜視図である。 本発明に係る第３実施例における回転子コイル端部と支持部材を説明する斜視図である。 本発明に係る第７実施例における回転子コイル端部と支持部材を説明する斜視図である。 本発明に係る第８実施例における回転子コイル端部と支持部材を説明する斜視図である。 本発明に係る第９実施例における回転子コイル端部と支持部材を説明する斜視図である。 第９実施例において２つの回転子コイル端部の間に支持部材が固定された状態を示す図であり、回転子の半径方向中心側から見た概略図である。

以下、発明の実施例を、図面を用いて説明する。なお、各実施例の共通する部分は省略すると共に、各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

本発明に係る第１実施例を図１乃至図５に示す。図１は本実施例に係る回転電機の概略構造を示す図であり、回転電機を一部断面で示す斜視図である。図２は回転子コイル端部の斜視図である。図３は本実施例における回転電機の回転子端部の断面を示す図である。図４は回転子コイル端部における素線と支持部材のみを記した斜視図である。図５は図４の側面図である。

まず、図１を用いて本実施例の回転電機の概略構造を説明する。なお、この実施例では、発電機で説明するが、保持環を備え、回転子コイル端部に対して電気絶縁性を有する支持部材を有する構造であれば、発電機以外の回転電機であってもよい。

回転子１は、固定子２内に回転自在に支持されている。回転子１には、同じ磁極を構成する複数の回転子コイル１２が磁極まわりに同心状に配置され固定されている。この回転子コイル１２の軸方向に延びる中央部分は、回転子１の回転子鉄心外周面に周方向に間隔をおいて形成された回転子スロット１ｓ（図２参照）に挿入され、回転子スロット１ｓにて保持されている。回転子コイル１２の回転子スロット１ｓ外へ突出する部分（回転子コイル端部）は保持環５にて保持されている。回転子１の端部の構造については後述する。固定子２は固定子フレーム９によって支えられ、この固定子フレーム９は基礎に固定される。

図２に示すように、回転子１は、回転子鉄心１１と、回転子鉄心１１に巻回された複数の回転子コイル素線１２と、複数の回転子コイル素線１２の間に間隔を置いて配置された複数の支持部材１３と、複数の回転子コイル素線１２及び支持部材１３の外周を保持するように配置された保持環５とを備えている。なお、支持部材１３は電気絶縁性を有し、隣接する２つの回転子コイル素線１２間に配設されて、コイルを支持する部材である。また、回転子スロット１ｓには、回転子コイル１２が挿入された後の開口を塞ぐように、ウェッジ１ｗが取り付けられている。

図３に示すように、回転子鉄心１１の端部は、その外周部分が回転子スロット１ｓが形成された胴体部１１ａに対して細径に作られている。この細径領域１１ｂで回転子コイル素線１２は軸方向から周方向に廻されている。図３では、周方向に廻された回転子コイル素線１２と、隣接する２つの回転子コイル素線１２の間に配設された支持部材１３とが示されている。なお、本明細書において、回転子コイル端部は回転子スロット１ｓ外へ突出した部分であって、回転子コイル素線１２が細径領域１１ｂで軸方向から周方向に廻される部分である。この回転子コイル端部には、回転子コイル素線１２が受ける遠心力による半径方向外向きの力を支えるために、回転子コイル素線１２（回転子コイル端部）及び支持部材１３の外周を覆うように、円筒状の保持環５が設けられている。保持環５の一端部は、回転子鉄心１１の胴体部１１ａの軸方向端部における外周部に、焼きばめにより嵌合されている。保持環５の他端部には、その内周側に環状部材６が嵌合されている。環状部材６は保持環５の変形を抑制する。なお、保持環５の内周面と回転子コイル端部の外周面との間には、絶縁部材７が設けられている。

回転子コイル端部において、コイル間隙には回転子コイル素線１２を支持するために支持部材１３が固く挿入される。回転子コイル素線１２の間に挿入された支持部材１３は、熱膨張ならびに遠心力に起因する回転子コイル素線１２の位置のずれを抑制するためのものである。

図４及び図５に示すように、支持部材１３は、２つの回転子コイル素線１２の端部が対向する範囲内に位置して２つの回転子コイル素線１２と接触する保持部（支持部）１３ａと、２つの回転子コイル素線１２の端部が対向する範囲から径方向内側にはみ出した余剰部１３ｂとを有している。保持部１３ａは、２つの回転子コイル素線１２の端部が対向する範囲の全範囲で回転子コイル素線１２の端部と接触している。そして、余剰部１３ｂの重心位置Ｇｂを保持部１３ａの重心位置Ｇａに対して回転子の周方向にずらしている。

本実施例では、支持部材１３の回転子コイル素線１２に接している保持部１３ａの形状を変更せずに、回転子１の回転中心方向に余剰部１３ｂを設けて、その余剰部１３ｂの形状を変化させる。これにより、回転子コイル端部に生じる重量分布の偏りを低減する。

具体的には、高さＨを夫々の部材の回転半径方向の長さで定義した場合、電気絶縁性を有する材料で成形した支持部材１３の高さ寸法は回転子コイル素線１２の高さ寸法より大である。さらに、支持部材１３は回転子コイル素線１２の高さ方向のすべての範囲で支持できるように設置されている。支持部材１３には余剰部１３ｂがあり、保持部１３ａの形状は従来通り直方体とし、余剰部１３ｂの形状を変化させている。なお、ここで支持部材１３の高さは、図５に示すように、保持部１３ａと余剰部１３ｂとを合わせた高さＨで定義される。

図１および図３から図４は第１実施例を示しているが、本実施例では支持部材１３の幅Ｗ方向において余剰部の高さに傾斜を持たせている。すなわち、支持部材１３における余剰部１３ｂの２つの回転子コイル端部の対向範囲から径方向中心側に突き出した長さ寸法（高さ寸法）が、支持部材１３の幅方向Ｗ（回転子１の周方向）に沿って変化している。前記２つの回転子コイル端部の対向範囲から径方向中心側に突き出した長さが前記回転子の周方向に沿って変化する傾斜部
本実施例により、重量分布の偏りが低減されるため、保持環５の楕円変形が抑制される。楕円変形の抑制により、回転子コイル端部の外周側に設けられている保持環５の曲げ応力を低減することができる。保持環５の曲げ応力の低減により回転電機の信頼性向上が可能である。

支持部材１３の重量分布の偏りは、支持部材１３および回転子コイル素線１２より構成される回転子コイル端部の総重量の１％以内であり、支持部材１３の体積増大による重量の増大もこのオーダーで抑えることができる。

また、支持部材１３の高さを回転子１の回転中心方向に増大させるため、支持部材１３の力学的な質点も回転中心方向に移動する。遠心力は質量と回転中心から質点までの距離との積に比例する。このため、保持環５の外側での重量分布調整と比較して、内側での重量分布調整は遠心力の著しい増大を抑制することができる。

支持部材１３は２つの回転子コイル素線間に固く挿入されており、回転子コイル素線１２や回転子鉄心１１等に接着はされていない。しかしながら、回転子コイル端部の外周側には保持環５が設けられており、遠心力により支持部材１３が外周方向に脱落することはない。

回転子コイル素線１２を支持するための支持部材１３の素線支持部１３ａの形状は直方体であり、素線１２の高さ方向のすべての範囲で支持部材１３が回転子コイル素線１２に接している。このため、支持部材１３が回転子コイル素線１２に接している形状は従来の実施例の長方形と比較して変化がない。したがって、回転子コイル素線１２の保持性は維持される。また、回転子コイル素線１２の冷却性も回転子コイル素線１２の表出面積で決定されるが、支持部材１３による支持部の体積を増大させなければ、回転子コイル素線１２の表出面積も従来の実施例と比較して減少しない。したがって、支持部材１３の支持部１３ａの体積を増大させなければ、回転子コイル素線１２の冷却性も維持される。

また、本実施例では回転子コイル素線１２に沿った方向で定義される支持部材１３の長さ（幅Ｗ）とその垂直方向で定義される支持部材１３の厚みの寸法が変化しないので、支持部材１３の挿入性も変化しない。

本発明に係る第２実施例を図６に示す。図６は、第１実施例の図４と同様に、回転子コイル端部における素線１２と支持部材１３のみを記した斜視図である。

実施例１において、支持部材１３の余剰部１３ｂの高さに傾斜を持たせている。これに対して、本実施例の図６に示すように、回転子コイル素線１２に沿った方向で定義される支持部材１３の長さＷについて、支持部１３ａの長さＷ１と比較して余剰部１３ｂの長さＷ２を異ならせている。すなわち、支持部材１３の余剰部１３ｂは、回転子コイル１２の巻回方向に沿う方向の長さが、支持部１３ａの前記方向の長さと比較して異なっている。余剰部１３ｂの長さＷ２は保持部１３ａの長さＷ１と比較して、長くても短くてもよい。なお、余剰部１３ｂの長さＷ２を保持部１３ａの長さＷ１よりも長くする場合は、余剰部１３ｂの長くした部分の重量が回転子コイル端部に作用するように、長くした部分の上縁が回転子コイル素線１２の下縁に接するようにすると良い。これにより、余剰部１３ｂの重心位置Ｇｂを保持部１３ａの重心位置Ｇａに対して回転子の周方向にずらすことができる。本実施例では支持部材１３の余剰部１３ｂの幅Ｗ方向にも寸法の自由度を与えているため、周方向の重量分布の偏りの調整が容易になる。

本発明に係る第３実施例を図７に示す。図７、第１実施例の図４と同様に、回転子コイル端部における素線１２と支持部材１３のみを記した斜視図である。

図７に示すように、本実施例は実施例１と実施例２を組み合わせた支持部材１３の構造を有する。即ち、実施例２の支持部材１３に対して、支持部材１３の幅Ｗ方向において、余剰部の高さに傾斜を持たせている。本実施例によっても、余剰部１３ｂの重心位置Ｇｂを保持部１３ａの重心位置Ｇａに対して回転子１の周方向にずらしている。さらに、本実施例により、寸法調整の自由度が２となるため、周方向の重量分布の偏りの調整が容易に可能となる。

本実施例は、支持部材１３の余剰部１３ｂの少なくとも一部を、回転子コイル素線１２の支持部材１３との接触面に垂直な方向に定義される厚み方向において、保持部１３ａの厚み寸法と比較して異なる寸法にしたものである。本実施例では、余剰部１３ｂの重心位置Ｇｂを保持部１３ａの重心位置Ｇａに対して回転子１の軸方向にずらすことができる。本実施例により、回転子コイル端部の周方向のみではなく回転軸方向の重量分布調整が可能となる。

本実施例は、実施例４において、支持部材１３の保持部１３ａと比較して余剰部１３ｂの幅と厚みが異なる寸法になっている。本実施例では、余剰部１３ｂの重心位置Ｇｂを保持部１３ａの重心位置Ｇａに対して回転子１の周方向及び回転子１の軸方向にずらすことができる。さらに、本実施例により、支持部材１３の余剰部の寸法調整の自由度が２となるため、周方向と軸方向の重量分布調整が容易となる。

本実施例は、実施例５において、支持部材１３の高さに傾斜を持たせたものである。本実施例では、余剰部１３ｂの重心位置Ｇｂを保持部１３ａの重心位置Ｇａに対して回転子１の周方向及び回転子１の軸方向にずらすことができる。さらに、本実施例により、支持部材１３の余剰部の寸法調整の自由度が３となるため、周方向と軸方向の重量分布調整がさらに容易となる。

本発明に係る第７実施例を図８に示す。図８は、第１実施例の図４と同様に、回転子コイル端部における回転子コイル素線１２と支持部材１３のみを記した斜視図である。

実施例１から実施例６では、支持部材１３の余剰部１３ｂの寸法のみ変化させていた。これに対して、本実施例では、図８に示すように、支持部材１３の余剰部１３ｂに貫通穴１３ｃを設けたものである。ただし、支持部材１３の余剰部１３ｂに設けられていれば、貫通穴１３ｃの形状や大きさや方向は問わない。本実施例により、冷却気体の流路を確保することが容易となり、回転子コイル素線１２の冷却性の維持が可能である。また、本実施例では、余剰部１３ｂの重心位置Ｇｂを保持部１３ａの重心位置Ｇａに対して回転子１の周方向にずらすことができ、重量分布の微調整も可能である。

本発明に係る第８実施例を図９に示す。図９は、第１実施例の図４と同様に、回転子コイル端部における回転子コイル素線１２と支持部材１３のみを記した斜視図である。

実施例１から実施例７において、支持部材１３は余剰部１３ｂの寸法を変化させた構造もしくは貫通穴１３ｃを開けた構造を有している。これに対して、本実施例では、図９に示すように、切欠１３ｄを設けたものである。ただし、支持部材１３の余剰部１３ｂに設けられていれば、その切欠１３ｄの形状や大きさや方向は問わない。本実施例により、冷却気体の流路を確保することが容易となり、回転子コイル素線１２の冷却性の維持が可能である。本実施例では、余剰部１３ｂの重心位置Ｇｂを保持部１３ａの重心位置Ｇａに対して回転子１の周方向にずらすことができ、重量分布の微調整も可能である。また、切欠１３ｄの大きさや形状、方向は問うていないので、重量分布の微調整も容易に可能になる。

本発明に係る第９実施例を図１０及び図１１に示す。図１０は、第１実施例の図４と同様に、回転子コイル端部における回転子コイル素線１２と支持部材１３のみを記した斜視図である。図１１は、２つの回転子コイル素線１２の間に支持部材１３が固定された状態を示す図であり、図１０において回転子１の半径方向中心側から見た概略図である。

本実施例では、支持部材１３の余剰部１３ｂの幅もしくは厚みもしくは高さよりも小さな深さの質量欠損部１３ｅを設けたものである。前記の条件を満たしていれば、質量欠損部１３ｅの形状や大きさ、方向は問わない。本実施例では、余剰部１３ｂの重心位置Ｇｂを保持部１３ａの重心位置Ｇａに対して回転子１の周方向或いは回転子１の軸方向にずらすことができる。本実施例により、重量分布のより詳細な微調整が可能となる。

上述した各実施例では、
余剰部１３ｂの重心位置Ｇｂを保持部１３ａの重心位置Ｇａに対してずらすことにより、支持部材１３の重心位置が保持部１３ａの重心位置Ｇａに対して回転子１の周方向或いは回転子１の軸方向にずれる。このとき、支持部材１３の重心位置が、保持部１３ａの重心位置Ｇａに対して、回転子スロット１ｓから張り出した回転子コイル１２が回転子１の軸方向から周方向に向きを変える曲がり部側にずれるように、支持部材１３を取り付ける。通常、余剰部１３ｂの重心位置Ｇｂと支持部材１３の重心位置とは、保持部１３ａの重心位置Ｇａに対して同じ側にずらすことが望ましい。この場合、余剰部１３ｂの重心位置Ｇｂは、保持部１３ａの重心位置Ｇａに対して、回転子コイル１２の曲がり部側にずれるように、余剰部１３ｂの形状及び寸法が設定される。一つの回転子コイル１２の曲がり部は回転子の周方向に二つ存在する。余剰部１３ｂの重心位置Ｇｂ或いは支持部材１３の重心位置は、この支持部材１３に近い方の曲がり部側にずらせばよい。

なお、本発明は上記した各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やすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも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に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 回転子
２ 固定子
４ 回転子コイル
５ 保持環
１１ 回転子鉄心
１２ 回転子コイル素線
１３ コイル支持部材
１３ａ 保持部（支持部）
１３ｂ 余剰部
１３ｃ 貫通穴
１３ｄ 切欠
１３ｅ 質量欠損部

Claims (11)

1. 固定子とこの固定子内に回転可能に配置された回転子とを備え、前記回転子は、軸方向に沿う回転子スロットが周方向に間隔をおいて複数設けられた回転子鉄心と、前記回転子スロット内に装着した回転子コイルと、前記回転子スロットから張り出した回転子コイル端部の外周を覆う保持環と、隣接する２つの回転子コイル端部の間に設けられ電気絶縁性を有する支持部材とを備えた回転電機において、
   前記支持部材は、前記２つの回転子コイル端部が対向する範囲内に位置して前記２つの回転子コイルと接触する支持部と、前記２つの回転子コイル端部が対向する範囲から径方向中心側に突き出した余剰部とを有し、前記余剰部の重心位置を前記支持部の重心位置に対して回転子の周方向、或いは回転子の軸方向にずらした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、
   前記余剰部と前記支持部とを含む前記支持部材の重心位置は、前記支持部の重心位置に対して、前記回転子スロットから張り出した回転子コイルが前記回転子の軸方向から周方向に向きを変える曲がり部側にずれていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記支持部材の余剰部は、前記２つの回転子コイル端部の対向範囲から径方向中心側に突き出した長さが前記回転子の周方向に沿って変化する傾斜部を有することを特徴とする回転電機。
4. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記支持部材の余剰部は、回転子コイルの巻回方向に沿う方向の長さが、前記支持部の前記方向の長さと比較して異なっていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項３に記載の回転電機において、
   前記支持部材の余剰部は、前記回転子コイル端部の巻回方向に沿う方向の長さが、前記支持部の前記方向の長さと比較して異なっていることを特徴とする回転電機。
6. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記支持部材における前記回転子コイル端部と接触する接触面に垂直な方向に定義される支持部材の厚みについて、余剰部の厚みが支持部の厚みと比較して異なっていることを特徴とする回転電機。
7. 請求項６に記載の回転電機において、
   前記回転子コイル端部の巻回方向に沿う方向における前記余剰部の長さが、前記支持部の長さと比較して異なっていることを特徴とする回転電機。
8. 請求項６に記載の回転電機において、
   前記支持部材の余剰部は、前記２つの回転子コイル端部の対向範囲から径方向中心側に突き出した長さが前記回転子の周方向に沿って変化する傾斜部を有することを特徴とする回転電機。
9. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記支持部材の余剰部に貫通穴が開いていることを特徴とする回転電機。
10. 請求項２に記載の回転電機において、
    前記支持部材の余剰部に貫通切欠を有することを特徴とする回転電機。
11. 請求項２に記載の回転電機において、
    前記支持部材の余剰部に、深さ方向における寸法が、前記深さ方向における前記余剰部の寸法よりも小さい重量欠損部を設けたことを特徴とする回転電機。

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