JP2016144220A - 突極形回転子及び回転電機、発電機並びに電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】巻き線の磁極鉄心の端部から突出する部分の変形を防ぐことができて、簡易かつ軽量で、冷却性能に与える影響が小さい支持構造を備える突極形回転子を提供する。
【解決手段】複数の突極２ａを有する磁極鉄心の端部から、突極形回転子１の回転軸方向に突出する巻き線３のコイルエンド３ａの突極形回転子１の半径方向外側への変位を拘束するＷ字形コイル押さえ９を備える突極形回転子１であって、Ｗ字形コイル押さえ９の基部は、隣接する突極２ａの間の隙間に挿入されていて、隣接する突極２ａに挟持される。
【選択図】図２

Description

この発明は、突極形回転子及び突極形回転子を備える回転電機、発電機並びに電動機に関する。

複数の突極を有する突極形回転子を構成する磁極鉄心の端部から、巻き線の端部が回転子の回転軸方向に突出するタイプの突極形回転子がある。このタイプの突極形回転子では、運転時に生じる遠心力で巻き線の端部が突極形回転子の半径方向外側（回転中心から遠ざかる方向）に変形しないように考慮する必要がある。巻き線の端部が変形すれば、巻き線の端部が固定子に接触して、損傷するからである。

例えば、特許文献１には、積層鉄心を貫通する貫通孔に挿通されて、積層鉄心の端面から突出するコイル支持バーを備える突極形回転子が開示されていて、このコイル支持バーは「巻線ガイド絶縁部材」を支持している。「巻線ガイド絶縁部材」は巻き線の磁極鉄心の端部から突出する部位に突極形回転子の回転半径の外側から当接していて、遠心力によって生じる巻き線の端部の変形を抑制している。

実用新案登録第２５８６９２１号公報

特許文献１に開示された「巻線ガイド絶縁部材」は巻き線の磁極鉄心の端部から突出する部分に生じる遠心力に耐えられるような強度と剛性を備える必要がある。しかしながら、「巻線ガイド絶縁部材」を、このような強度と剛性を備えるように構成すれば、重量の増加や熱伝導性の低下（つまり、冷却性能の低下）を招くので、好ましくない。

この発明は、このような背景に基づいてなされたものであり、巻き線の磁極鉄心の端部から突出する部分の変形を防ぐことができて、簡易かつ軽量で、冷却性能に与える影響が小さい支持構造を備える突極形回転子を提供することを目的とする。また、該突極形回転子を備える回転電機、例えば発電機や電動機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明に係る突極形回転子は、複数の突極を有する突極形回転子を構成する磁極鉄心の端部から、突極形回転子の回転軸方向に突出する巻き線の端部の突極形回転子の半径方向外側への変位を拘束する支持部材を備える突極形回転子であって、支持部材の基部は、隣接する突極の間の隙間に挿入されていて、隣接する突極に挟持されているものである。

この発明によれば、巻き線の磁極鉄心の端部から突出する部分の変形を拘束する支持部材を小型で簡易に構成することができる。また、支持部材が突極形回転子の冷却性能に与える影響を小さくできる。

本発明の実施形態に係る突極形回転子を備える回転磁界形同期発電機の構成を示す概念図である。 本発明の実施形態に係る突極形回転子の外形を示す斜視図である。 図２に示した突極形回転子の側面図である。 図２に示した突極形回転子の縦断面図である。 図２に示した突極形回転子を図４のＡ−Ａ’線で切断した横断面図である。 図２に示した突極形回転子が備えるＷ字形コイル押さえの外形を示す斜視図である。 図６に示したＷ字形コイル押さえの作用を説明する説明図である。 支持部材の変形例を示す説明図である。 支持部材の変形例を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。

以下、この発明に係る突極形回転子及び該突極形回転子を備える回転電機の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、ここでは回転電機の具体例として、発電機を例示する。また、各図面においては、同一または同等の部分に同一の符号を付している。

図１に示すように、この発明の実施形態に係る回転磁界形同期発電機１００は、ハウジング１０１、回転軸１０２、固定子コイル１０３及び突極形回転子１を備えている。突極形回転子１には回転軸１０２が挿嵌されていて、回転軸１０２はハウジング１０１に回転自在に軸支されている。突極形回転子１の周囲には固定子コイル１０３が配置され、固定子コイル１０３はハウジング１０１に固定されている。また、回転軸１０２は動力源２０１（例えば、風水力タービン、蒸気タービン、ガスタービン、あるいはその他の内燃機関）に連結されていて、突極形回転子１は動力源２０１によって回転駆動される。また、突極形回転子１と電源回路２０２の間には図示しないスリップリング等が備えられていて、突極形回転子１にはスリップリング等を経由して電源回路２０２から界磁電流（励磁電流）が供給される。

電源回路２０２から突極形回転子１に界磁電流（励磁電流）を供給しながら、動力源２０１によって突極形回転子１が回転駆動されると、固定子コイル１０３と負荷２０３の間に電流が流れる。つまり負荷２０３に電力が供給される。

図４に示すように、突極形回転子１は磁極鉄心２と磁極鉄心２に巻き回された巻き線３を備えている。磁極鉄心２は４個の突極２ａを備えている。そして、４個の突極２ａのそれぞれには巻き線３が巻き回されている。したがって、突極形回転子１は４個の巻き線３を備えている。また、磁極鉄心２の回転中心には軸穴２ｂが穿設されていて、軸穴２ｂには、前述した回転軸１０２が挿嵌されている。なお、図３及び図４に示すように、巻き線３は、その一部が磁極鉄心２の（図における）上方及び下方において、磁極鉄心２の端部から突出している。巻き線３の磁極鉄心２の端部から突出する部分、つまり、図３において、正面中央に見える突極２ａの背後に配置された巻き線３の、図３において見える部分を、本明細書においては、コイルエンド３ａと呼ぶことにする。

磁極鉄心２は、複数の素板を積層して構成される。素板には図４に示すような貫通穴２ｃが穿設されていて、素板を積層した後で、ボルト２ｄが挿通される。ボルト２ｄには、磁極鉄心２の両端部において、ナット２ｅを螺合される。この状態でナット２ｅを締め上げることによって、複数の素板が互いに緊結されている。つまり、磁極鉄心２は積層された複数の素板を、ボルト２ｄにナット２ｅで緊結して構成されている。なお、素板は、図示しないプレス機で鋼板を打ち抜いて形成される。

図２及び図４に示すように、突極２ａの内径側には内径側ガイド４、突極２ａの外径側には外径側ガイド５が、それぞれ装着されている。巻き線３は内径側ガイド４と外径側ガイド５の間に挟持されていて、巻き線３の突極形回転子１の半径方向の移動は、内径側ガイド４と外径側ガイド５によって規制されている。

図２に示すように、磁極鉄心２の高さ方向の２箇所において、隣接する突極２ａの間に、Ｌ字型コイル押さえ６が装着されている。磁極鉄心２は４個の突極２ａを備えていて、隣接する突極２ａの組は４組存在するから、磁極鉄心２には合計８個のＬ字形コイル押さえ６が装着されている。図５に示すように、Ｌ字形コイル押さえ６は横断面形においてＬ字形をなす部品であって、非磁性の金属板を折り曲げて形成される。また、Ｌ字形コイル押さえ６のＬ字形の横断面形の各辺の端部は、隣接する突極２ａのティース部２ｆの内側において、各ティース部２ｆにそれぞれ係合される。つまり、Ｌ字形コイル押さえ６は隣接する突極２ａの間で挟持される。また、Ｌ字形コイル押さえ６のＬ字形の横断面形の各辺は、隣接する突極２ａにそれぞれ巻き回された巻き線３の側面に当接する。そのため、図２における巻き線３の突極２ａに対する幅方向の移動は、Ｌ字形コイル押さえ６によって規制される。そのため、巻き線３が突極２ａに対して幅方向に移動することがない。いわゆるガタツキが生じることがない。

また、図２に示すように、突極２ａのティース部２ｆには、支持バー７がそれぞれ２本ずつ取り付けられていて、ティース部２ｆを貫通している。支持バー７は磁極鉄心２の両端部に突出していて、カバー８を介して巻き線３のコイルエンド３ａに当接している。そのため、遠心力によって生じるコイルエンド３ａの突極形回転子１の外周側への変位は、コイルエンド３ａの幅方向の中央部においては、支持バー７によって規制される。

しかしながら、支持バー７によるコイルエンド３ａの変位の規制は、コイルエンド３ａの幅方向の端部には及ばない。そこで、本実施形態においては、隣接する突極２ａの間には、磁極鉄心２の両端部に、Ｗ字形コイル押さえ９を取り付けている。つまり、Ｗ字形コイル押さえ９を使って、コイルエンド３ａの幅方向の端部におけるコイルエンド３ａの突極形回転子１の外周方向への膨らみ（回転中心から遠ざかる方向への変位）を規制している。前述したように、磁極鉄心２は４個の突極２ａを備えていて、隣接する突極２ａの組を４組備えている。そして、Ｗ字形コイル押さえ９は磁極鉄心２の上端部と下端部に装着されるから、突極形回転子１には合計８個のＷ字形コイル押さえ９が装着される。なお、Ｗ字形コイル押さえ９は、この発明の支持部材の例示である。

図６に示すように、Ｗ字形コイル押さえ９は、磁極鉄心２の上端部または下端部に突出する突出部９ａと、隣接する突極２ａの間の隙間に挿入される基部９ｂを備えている。Ｗ字形コイル押さえ９は非磁性の金属板を、突出部９ａにおいてはＷ字形の横断面形をなし、基部９ｂにおいてはＬ字形の横断面形をなすように、折り曲げて形成される。また、Ｗ字形コイル押さえ９は全体として４個の平面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを備えている。Ｗ字形コイル押さえ９の突出部９ａは、４個の平面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの全てを備えている。一方、基部９ｂは平面Ｂ，Ｃだけを備えている。また、基部９ｂにおける平面Ｂ，Ｃの端部には、小凸部９ｃが形成されている。

また、Ｗ字形コイル押さえ９の突出部９ａが備える平面Ａと平面Ｄは、コイルエンド３ａの幅方向の端部において、コイルエンド３ａの外周面に当接する。また、Ｗ字形コイル押さえ９の突出部９ａ及び基部９ｂが備える平面Ｂと平面Ｃはコイルエンド３ａの側面に当接する。

図７に示すように、磁極鉄心２にはＷ字形コイル押さえ９の小凸部９ｃが係合する小凹部２ｇが形成されている。ここで、隣接する２つの小凹部２ｇの間の隙間の大きさをＣとすると、磁極鉄心２に装着される前のＷ字形コイル押さえ９の２つの小凸部９ｃの間隔Ｄ、つまり、Ｗ字形コイル押さえ９に外力が加わっていない自然な状態における、小凸部９ｃの間隔Ｄは、Ｄ＞Ｃの関係になるように作られている。そして、Ｗ字形コイル押さえ９を磁極鉄心２に装着する際には、Ｗ字形コイル押さえ９を磁極鉄心２の上方において、隣接する突極２ａの間の隙間に宛がって、Ｗ字形コイル押さえ９をハンマーで叩く。ハンマーで叩かれたＷ字形コイル押さえ９は、平面形において「Ｗ字」の幅が狭くなるように弾性変形して、隣接する突極２ａの間の隙間に押し込まれる。そして、Ｗ字形コイル押さえ９の小凸部９ｃが突極２ａの小凹部２ｇに嵌ると、「Ｗ字」の幅は僅かに広がる。つまり弾性変形していたＷ字形コイル押さえ９は元の形状に戻ろうとする。この時に開放される弾性力によって、小凸部９ｃは突極２ａの小凹部２ｇに押し込まれる。その結果、Ｗ字形コイル押さえ９は隣接する２つの突極２ａの間で強固に挟持される。つまり、Ｗ字形コイル押さえ９は一種の板バネとして機能し、Ｗ字形コイル押さえ９自身のばね力（弾性力）によって、磁極鉄心２に強固に固定される。

このように、Ｗ字形コイル押さえ９は磁極鉄心２に強固に固定されているから、コイルエンド３ａに大きな遠心力が生じて、その遠心力をＷ字形コイル押さえ９が受けても、Ｗ字形コイル押さえ９が移動することはない。そのため、遠心力によって生じるコイルエンド３ａの変形は効果的に拘束される。コイルエンド３ａの突極形回転子１の外周方向への膨らみは効果的に抑制される。

以上、本実施形態においては、支持部材の具体例として、Ｗ字形コイル押さえ９を例示したが、支持部材はＷ字形コイル押さえ９のようなものには限定されない。支持部材は、隣接する突極２ａの間で挟持されて、コイルエンド３ａの突極形回転子１の回転中心から遠ざかる方向への変位を拘束できる部材であれば、どのようなものであっても良い。例えば、図８に示すように、Ｗ字形コイル押さえ９の代わりに、Ｗ字形コイル押さえ９の平面Ｂ，Ｃに相当する部位を、平面形（横断面形）において、アーチ形にした支持部材１０を備えるようにしてもよい。この場合のアーチ形の部位がばねとして機能するので、支持部材１０は自身のばね力によって、磁極鉄心２に保持される。

あるいは、Ｗ字形コイル押さえ９の平面Ｂ，Ｃに相当する部位が、平面形（横断面形）において、連続した直線になるようにした支持部材１１を備えるようにしても良い。

支持部材１１の詳細な形状を図９に示す。図９（ａ）に示すように、支持部材１１は、平面形において３つの部位Ａ、Ｂ、Ｃから構成され、支持部材１１は部位Ａ，Ｃにおいてコイルエンド３ａに当接する。また、部位Ｂは部位Ａ，Ｃの間にあって、両者を連結する部位である。また図９（ｂ）に示すように、支持部材１１の突出部１１ａは部位Ａ、Ｂ、Ｃを備えている。基部１１ｂは部位Ｂだけを備えている。なお、基部１１ｂは隣接する突極２ａの間で挟持される部分である。基部１１ｂの一部は切り取られていて、２基の細長いレバー１１ｃが形成されている。レバー１１ｃは先端がテーパーされるとともに、中段部に抜け止め１１ｄが形成されている。支持部材１１はこのような形状を備えるので、基部１１ｂを突極２ａの間に挿入すると、抜け止め１１ｄが突極２ａに押されて、基部１１ｂは２基のレバー１１ｃが互いに接近する方向に、つまり両者の間隔が縮小される方向に弾性変形する。基部１１ｂを更に下方に押し下げると、抜け止め１１ｄは突極２ａの小凹部２ｇと係合する。この時、弾性変形していたレバー１１ｃが元に戻る力で、つまり、ばねの復元力で、抜け止め１１ｄが突極２ａの小凹部２ｇに押し込まれて、図９（ｂ）に示すような状態になる。抜け止め１１ｄの下部の輪郭は滑らかな曲線なので、基部１１ｂを押し下げて抜け止め１１ｄを小凹部２ｇと係合させることは容易である。一方、抜け止め１１ｄの上端の輪郭は水平に切り取られているので、基部１１ｂを引き上げて抜け止め１１ｄを小凹部２ｇから抜き出すのは容易ではない。そのため、抜け止め１１ｄを小凹部２ｇと係合させると、支持部材１１は隣接する突極２ａの間で強く挟持される。

以上、この発明の実施形態と変形例を説明したが、これらは、この発明の具体的実施態様を例示するものであって、この発明の技術的範囲を画すものではない。この発明は特許請求の範囲に記述された技術的思想の限りにおいて、自由に変形、応用あるいは改良して実施することができる。

例えば、上記実施形態では、支持部材が、「ばね」として機能する部位を備えて、つまり支持部材自身が何らかのばね要素を備えていて、そのばね要素の弾性力で支持部材を磁極鉄心に固定する例を示したが、支持部材はそのように構成されたものには限定されない。「ばね」として機能する部位は、支持部材とは物理的に分離されていても良い。つまり、ばね要素は支持部材とは別部品であっても良い。また、支持部材を磁極鉄心に固定する手段はばね要素の弾性力を利用するものには限定されない。例えば、支持部材と磁極鉄心との間の摩擦力を利用するものであっても良い。摩擦力を発生させるために、支持部材と磁極鉄心以外の別部品、例えば、楔として機能する別部品を備えても良い。

上記実施形態において、突極形回転子を備える回転電機の具体例として、回転磁界形同期発電機を例示したが、この発明に係る回転電機は発電機には限定されない。電動機であっても良い。また回転電機は同期機には限定されない。誘導機や直流機であっても良い。

また、上記実施形態においては、４個の突極２ａを備える磁極鉄心２を例示したが、この発明に係る突極形回転子は、このようなものには限定されない。突極２ａを２個備えていても良いし、６個以上の突極２ａを備えていても良い。また、図５に示した磁極鉄心２の横断面形状も例示に過ぎない。また、この発明に係る突極形回転子の磁極鉄心は、積層された素板をボルト２ｄとナット２ｅで緊結してなるものには、限定されない。素板は、カシメ加工、溶接、接着等の手段で結合されていても良い。

上記実施形態で示した支持バー７は、この発明に係る突極形回転子において、必須の構成要素ではない。例えば、Ｗ字形コイル押さえ９の寸法を拡大して、コイルエンド３ａのＷ字形コイル押さえ９で支持される範囲を広げて、支持バー７を省くようにしても良い。また、Ｌ字形コイル押さえ６も必須の構成要素ではない。省くこともできるし、他の部品で置き換えることもできる。

上記実施形態では、回転磁界形同期発電機１００において、回転軸１０２を突極形回転子１と同格の別部品として説明したが、この発明に係る突極形回転子は回転軸を構成要素に含まないものには限定されない。また、電源回路２０２を回転磁界形同期発電機１００の外部に配置した例を示したが、電源回路２０２は回転磁界形同期発電機１００の内部にあっても良い。つまり、電源回路２０２は回転磁界形同期発電機１００の構成要素であっても良い。

１ 突極形回転子、２ 磁極鉄心、２ａ 突極、２ｂ 軸穴、２ｃ 貫通穴、２ｄ ボルト、２ｅ ナット、２ｆ ティース部、２ｇ 小凹部、３ 巻き線、３ａ コイルエンド、４ 内径側ガイド、５ 外径側ガイド、６ Ｌ字形コイル押さえ、７ 支持バー、８ カバー、９ Ｗ字形コイル押さえ、９ａ 突出部、９ｂ 基部、９ｃ 小凸部、１０ 支持部材、１１ 支持部材、１１ａ 突出部、１１ｂ 基部、１１ｃ レバー、１１ｄ 抜け止め、１００ 回転磁界形同期発電機、１０１ ハウジング、１０２ 回転軸、１０３ 固定子コイル、２０１ 動力源、２０２ 電源回路、２０３ 負荷

Claims (8)

1. 複数の突極を有する突極形回転子を構成する磁極鉄心の端部から、前記突極形回転子の回転軸方向に突出する巻き線の端部の前記突極形回転子の半径方向外側への変位を拘束する支持部材を備える突極形回転子であって、
   前記支持部材の基部は、隣接する突極の間の隙間に挿入されていて、前記隣接する突極に挟持されている
   突極形回転子。
2. 前記支持部材は前記基部にばね要素を備えていて、前記ばね要素が変形することによって生じる弾性力によって、前記隣接する突極に保持される
   請求項１に記載の突極形回転子。
3. 前記支持部材の基部は、前記突極形回転子の横断面形において、折り曲げられた部位を有していて、前記折り曲げられた部位が広がろうとする弾性力によって、前記隣接する突極に当接する方向に変位する
   請求項２に記載の突極形回転子。
4. 前記支持部材は、前記突極形回転子の横断面形において、Ｗ字形をなしていて、
   前記Ｗ字形の横断面形の２辺は、一方の突極に巻き回された巻き線に接し、
   前記Ｗ字形の横断面形の他の２辺は、多方の突極に巻き回された巻き線に接している
   請求項３に記載の突極形回転子。
5. 前記支持部材の基部に凸部を備えるとともに、前記磁極鉄心に前記凸部と嵌合する凹部を備える
   請求項３又は請求項４に記載の突極形回転子。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の突極形回転子を備える回転電機。
7. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の突極形回転子を備える発電機。
8. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の突極形回転子を備える電動機。

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