JP2018064414A - コイル固定装置、コイル固定方法及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の構成要素であるコイルの固定確実性と伸縮許容性とを両立しつつ、コイルの回収や装着を簡便に行えるコイルの固定技術を提供する。
【解決手段】コイル固定装置２０は、ボルトを挿通させる挿通孔が形成されるとともにコイル１５を収容するスロット１２の両側壁に形成された案内溝１６に両端２３，２３を係止させてスロット１２の開口部を閉蓋する蓋部材２５と、ボルトの先端部を螺合させる雌螺子が形成されるとともにコイル１５に直接又は間接的に当接する当接面を有する当接部材２８と、波型形状の頂点の各々が蓋部材２５と当接部材２８に当接しボルトを螺入することで圧縮され、蓋部材の両端２３，２３が案内溝１６に係止された状態でボルト２１を取り外すことでコイル１５に付勢力を与える板バネ３０と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、回転電機に装着されるコイルの固定技術に関する。

電動機や発電機等の回転電機において、コイルを鉄心スロットに固定する方式として、全含浸絶縁方式及び単体コイル固定方式といった２種類の方式が広く採用されている。
全含浸絶縁方式では、束ねられた複数の絶縁被覆導線の周囲にテープやシートを巻回し、樹脂が未含浸状態のハーフターン型、亀甲型のコイルを、まず製作する。
そして、この未含浸コイルを鉄心スロット部に収容し、コイル毎の結線やその他の処理をした後に、全体に樹脂を含浸させ硬化させて、コイルと鉄心を互いに一体化する。

単体コイル固定方式では、束ねられた複数の絶縁被覆導線の周囲にテープやシートを巻回するところまでは全含浸絶縁方式と同じである。そしてコイルを、鉄心スロットに収容する前に、単体で樹脂を含浸、硬化させる。あるいは予めマイカテープに必要な樹脂を含浸させ半硬化させたプリプレグマイカテープを用いることでコイル単体を得る。いずれのコイルを作製する際も、必要に応じて、成形治具を用いたり、真空、加圧、加熱処理を行ったりする。このように作製したコイルは、鉄心スロットに収容された後、各種固定部材を用いて鉄心に固定される。

電流が流れるコイルには、回転電機の半径方向および周方向に電磁力が作用する。
鉄心スロットに対するコイルの固定が不十分であると、これら電磁力によりコイルが振動し、コイルと鉄心の間で放電が発生したり、コイルが鉄心に擦れて導電層や絶縁層が損傷して絶縁破壊したりして、運転中の回転電機が停止に至る場合がある。このためコイルは、電磁力に対して動かないように確実に固定されることが要求される。

また、回転電機の起動停止や負荷変動等に伴い流れる電流が変動すると、これに応じてコイルは、温度が変動して回転電機軸方向に伸縮する。
したがって、コイルは、前述の通り半径方向や周方向に対して確実に固定されつつ、その伸縮に対する許容度の高いことが望まれる。
上述の全含浸絶縁方式ではコイルと鉄心が含浸樹脂で一体化しているので、鉄心長が長くなると、鉄心−コイル間での剥離発生の可能性が高くなる。単体コイル固定方式ではコイル−鉄心間が接着されていないため、コイルの固定確実性と伸縮許容性との両立が可能である。

特開平９−３０８１６０号公報

ところで、単体コイル固定方式は、大容量の回転電機に採用される場合が多く、さらにコイル周囲に配置される各種固定材が、コイル表面やスロット表面に摺動して生じる摩耗や、経年使用に伴う馴染みにより、コイルの固定力が低下する場合がある。
このために、コイルや固定材が、定期点検の対象となる場合があり、現地で交換される場合も想定される。
したがって、コイル等の取り出しや挿入が簡便に行える回転電機であることが、工期短縮の観点から要望されている。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、回転電機の構成要素であるコイルの固定確実性と伸縮許容性とを両立しつつ、コイルの回収や装着を簡便に行えるコイルの固定技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るコイル固定装置において、ボルトを挿通させる挿通孔が形成されるとともにコイルを収容するスロットの両側壁に形成された案内溝に両端を係止させてスロットの開口部を閉蓋する蓋部材と、前記ボルトの先端部を螺合させる雌螺子が形成されるとともに前記コイルに直接又は間接的に当接する当接面を有する当接部材と、波型形状の頂点の各々が前記蓋部材と前記当接部材に当接し前記ボルトを螺入することで圧縮され、前記蓋部材の両端が前記案内溝に係止された状態で前記ボルトを取り外すことで前記コイルに付勢力を与える板バネと、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態により、回転電機の構成要素であるコイルの固定確実性と伸縮許容性とを両立しつつ、コイルの回収や装着を簡便に行えるコイルの固定技術が提供される。

（Ａ）本発明の実施形態に係る回転電機の固定子の断面図、（Ｂ）固定子のスロットに配置されているコイルの断面図。 （Ａ）第１実施形態に係るコイル固定装置の構成要素の正面図、（Ｂ）その側面図。 （Ａ）第１実施形態に係るコイル固定装置においてボルトを螺入した状態を示す正面図、（Ｂ）その側面図。 （Ａ）第２実施形態に係るコイル固定装置の構成要素の正面図、（Ｂ）その側面図。 本発明の実施形態に係るコイル固定方法を説明する工程図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１（Ａ）は、回転子（図示略）の回転軸を図面直交方向にとった場合、回転電機１０における固定子１１の断面を示している。この固定子１１には、回転軸に沿う方向にコイル１５を収容するためのスロット１２が複数条形成されている。図１（Ｂ）は、コイル１５の配置されたスロット１２を拡大した断面を示している。
回転電機としては、電気エネルギーを回転運動に変換する電動機や、その反対の変換を行う発電機、あるいはその両方の組み合わせた発電電動機が挙げられる。

スロット１２は、固定子１１の内周面に開口し回転軸（Ｚ軸）に沿う溝状に形成され、複数が周方向に等間隔で形成されている。
そしてスロット１２には、径方向外側と内側にコイル１５（１５ａ，１５ｂ）が配置されている。各コイル１５は、それぞれ複数の素線を束ねてなる導体と、絶縁層から主に形成されている。

このスロット１２の開口部には、実施形態に係るコイル固定装置２０（２０Ａ，２０Ｂ）が装着されている。このコイル固定装置２０は、ボルト２１（図２参照）が取り外された状態で、コイル１５に対し回転半径方向に板バネ３０の付勢力を付与している。
さらにスロット１２には、上側と下側のコイル間に各種スペーサ１７と、コイル固定装置２０の付勢力とは直交方向に付勢力を発現させる付勢部材１８とが配置されている。
なお実施形態においてスロット１２は、固定子１１に設けられている場合を示しているが、回転子（図示略）に設けられる場合もある。

（第１実施形態）
図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１実施形態に係るコイル固定装置２０Ａは、ボルト２１を挿通させる挿通孔２２が形成されるとともにコイル１５（図１）を収容するスロット１２の両側壁に形成された案内溝１６（図１（Ｂ））に両端２３，２３を係止させてスロット１２の開口部を閉蓋する蓋部材２５と、ボルト２１の先端部を螺合させる雌螺子２６が形成されるとともにコイル１５に直接又は間接的に当接する当接面２７を有する当接部材２８と、波型形状の頂点の各々が蓋部材２５と当接部材２８に当接しボルト２１を螺入することで圧縮され（図３参照）、蓋部材の両端２３，２３が案内溝１６に係止された状態でボルト２１を取り外すことでコイル１５に付勢力を与える板バネ３０と、を備えている。

案内溝１６は、その断面が、蓋部材２５の両端２３，２３の断面の反転形状を有しており、固定子１１の両端面のうち一方から他方に向かって連続的に形成されている。
そしてコイル固定装置２０Ａを、スロット１２の開口部に装着する作業は、固定子１１の一方の端面に形成される案内溝１６の始端に、蓋部材２５の両端２３を挿入させることにより行う。

図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、ボルト２１が螺入させた状態のコイル固定装置２０Ａは、板バネ３０が圧縮されて蓋部材２５と当接部材２８とが互いに近接した状態で一体化している。その結果、蓋部材２５の両端２３を、案内溝１６に挿入させると、当接面２７とコイル１５の上端面との間には隙間があるために、一体化したコイル固定装置２０Ａを、スロット１２の長手方向に沿って抵抗なく滑動させることができる。

一条のスロット１２に対し、複数のコイル固定装置２０Ａを連続して挿入することにより、開口部の全面を閉蓋することができる。
そして、コイル固定装置２０Ａがスロット１２の開口部の所定の位置に着いたところで、ボルト２１を取り外すと、板バネ３０が圧縮状態から反発して、隙間を解消する方向に当接部材２８が変位する。
そして、この当接部材２８の当接面２７がコイル１５に当接して、板バネ３０から付勢力がコイル１５に付与される。また、この付勢力に対するコイル１５からの反力が、両端２３から案内溝１６に付与されて、蓋部材２５の動きも固定される。
なお、当接部材２８とコイル１５との間には、スペーサ１７が配置される場合もあるために、板バネ３０の付勢力はコイル１５に対して直接的に又は間接的に付与される。

スペーサ１７は、材質としてガラス不織布−不飽和ポリエステルＦＲＰ製のものが例示されるが、材質は特に限定されない。スペーサ１７は、その厚みにより、スロット１２内におけるコイル１５（１５ａ，１５ｂ）の回転半径方向の位置を調節するものである。
このスペーサ１７の厚みは、コイル１５に付与される付勢力が適正になるように、ボルト２１を取り外したときの板バネ３０の変形量が、設定値になるように決定される。コイル１５は、公差範囲内の寸法バラツキを有するために、スペーサ１７の厚み調整により、板バネ３０の変形量を設定値に合わせることができる。

蓋部材２５は、図２に示すように、板バネ３０との対向面が平面に形成されており、この対向面の四辺から直角に側壁が形成されている。この蓋部材２５の長手方向に形成される二面の側壁の間隔は、スロット１２に噛み合わない程度に、このスロット１２の溝幅よりも小さい寸法となっている。
この蓋部材２５の二面の側壁からは、案内溝１６の反転形状を示す係止片が延出し、蓋部材２５の両端２３，２３を形成している。この蓋部材２５の側壁から延出する一対の係止片は、図面上方向に向かうに従い両端２３，２３の間隔を縮幅するテーパ形状を有している。

この両端２３，２３のテーパ面は、対向する案内溝１６のテーパ面に当接することにより、板バネ３０の付勢力により蓋部材２５がスロット１２の開口部から飛び出すことを防止するとともに蓋部材２５が動かないよう安定力を与える。また蓋部材２５の両端２３，２３の間隔は、スロット１２の溝幅よりも大きい寸法となっている。これにより蓋部材２５は、スロット１２の開口部からその内部に落ち込むことなく、付勢力が無いときは案内溝１６に沿ってスムーズに移動することができる。

蓋部材２５における挿通孔２２及び当接部材２８における雌螺子２６が形成される位置及び数は、ボルト２１を螺入させた場合、板バネ３０が全体に均等に圧縮されるように設定されることが望ましいが、それに限定されない。

当接部材２８は、板バネ３０との対向面及びコイル１５との当接面２７がそれぞれ平面に互いに平行に形成されている。
そして、この当接部材２８に形成される雌螺子２６は、当接部材２８を貫通するように形成されている。これにより、ボルト２１を取り外した後に、挿通孔２２からデプスゲージ等を挿入して、蓋部材２５の上面と当接面２７との距離を把握することで、板バネ３０の変形量（＝付勢力）を認識することができる。そしてこの板バネ３０の変形量が設定範囲に納まるように、スペーサ１７の厚みが再調整される。

ボルト２１が、蓋部材２５の挿通孔２２に挿入されて、回転と共にその先端が蓋部材２５の雌螺子２６に螺入すると、ボルト２１の頭部が、蓋部材２５の上面に当接する。さらにボルト２１を回転させると、板バネ３０を圧縮しながら蓋部材２５と当接部材２８の間隔が狭まっていく。この蓋部材２５と当接部材２８の間隔は、板バネ３０が弾性変形のみで塑性変形の生じないあるいは破壊されない範囲まで狭めることができる。なお、ボルト２１の長さは、その螺入により先端が雌螺子２６から当接面２７側に突出しない程度の長さに揃えておく必要がある。ボルト２１の先端が当接面２７から突出した状態では、コイル固定装置２０を案内溝１６に挿入する際に、このボルト２１の先端がコイル１５側に接触し、スムーズな作業の妨げになるおそれがあるからである。

板バネ３０は、図２（Ｂ）に示すように、一方向の断面が波型形状を有している。なお、実施形態では長手方向の断面に波型形状を有するものを示しているが、短手方向の断面に波型形状を有する場合もある。
そして第１実施形態のコイル固定装置２０Ａの板バネ３０Ａは、挿通孔２２及び雌螺子２６で挟む位置に、ボルト２１を貫通させる貫通孔３１が設けられている連続体である。なおこの貫通孔３１は、板バネが圧縮されて長手方向に伸長する際に、圧縮を妨げないように余裕を持った孔径とすることもできる。

板バネ３０Ａの波形頂点の各々は、蓋部材２５と当接部材２８に当接するように形成されている。この板バネ３０Ａを蓋部材２５と当接部材２８の間に挟み込み、ボルト２１を螺入していくと圧縮され（図３参照）、弾性変形に伴う反発力を蓄積していく。そして、蓋部材の両端２３，２３が案内溝１６に係止された状態でボルト２１を取り外すことで、蓄積した反発力を開放しコイル１５に付勢力を与える。

このように波形形状の板バネ３０の弾性変形を利用してコイル１５を付勢することにより、経年使用によりコイル１５（１５Ａ，１５Ｂ）とスペーサ１７との間に馴染み等が生じても、板バネ３０が自然長に達するまでは、コイル１５を付勢し続けることができる。
また、蓋部材２５及び当接部材２８に対する板バネ３０Ａの波形頂点の当接領域は、複数の線状で形成されている。このために板バネ３０Ａの弾性力は、蓋部材２５及び当接部材２８の全面に対し分散して略均等に付勢されるため、当接領域の摩耗が抑制される。

これにより、蓋部材２５によるスロット１２の開口部の閉蓋状態が安定化するとともに、その内部におけるコイル１５の固定も確実にすることができる。さらに経年使用に伴う固定力の低下も抑制することができる。
つまり、電流が流れることで電磁力が作用してもコイル１５がスロット幅方向および高さ方向に動かないために、コイルが振動することがなく、種々のトラブルから回転電機を保護することができる。

なお、上述した蓋部材２５、当接部材２８、ボルト２１及び板バネ３０は、電気絶縁性を示す繊維強化樹脂（ＦＲＰ）で構成されている。
これにより、ボルト２１の取り外し時にバリ等が発生しても絶縁性であるため、短絡などの事故の発生可能性を大幅に低下させることができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態におけるコイル固定装置２０Ｂを示す構成図である。なお、図４において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。第２実施形態のコイル固定装置２０Ｂにおいて、板バネ３０Ｂは、挿通孔２２と雌螺子２６とで挟む位置が、分割されている分割体である。
なお図４において、板バネ３０Ｂは、ボルト２１の通過点を分割線がクロスするように６分割されているものが例示されているが、この分割数に特に限定はない。

このように、板バネ３０Ｂが分割体で構成されることにより、第１実施形態のような貫通孔３１（図２（Ａ））を設ける必要がなくなるために、応力集中に伴う破損の可能性を低下させることができる。

図示を省略するが、回転電機において、スロット１２の内部に、コイル固定装置２０（２０Ａ，２０Ｂ）に配置される板バネ３０とは別に、コイル１５（１５ａ，１５ｂ）の上下方向に少なくとも一つ以上の波状板バネを配置してもよい。
これにより、当接部材２８の変位量に対する付勢力の変動が少なくなり、コイル組立時のスペーサ１７による厚さ調整が容易になる他、運転時におけるコイル１５とスペーサ１７の馴染みによる固定力の低下も抑制することができる。

図５に基づき本実施形態に係るコイル固定方法の工程を説明する（適宜、図１参照）。
まず固定子１１のスロット１２にコイル１５（１５ａ，１５ｂ）及びスペーサ１７を収容する（Ｓ１１）。次に、ボルト２１を螺入して一体化したコイル固定装置２０をスロット１２の案内溝１６に挿入し（Ｓ１２）、指定した位置に配置する（Ｓ１３）。

この指定位置においてボルト２１を取り外し、コイル固定装置２０をスロット１２の開口部に固定させる（Ｓ１４）。挿通孔２２にデプスゲージを挿入して、板バネ３０の変形量を計測する（Ｓ１５）。この板バネ３０の変形量が設定範囲内であれば（Ｓ１６ Ｙｅｓ）、次のコイル固定装置２０をスロット１２の案内溝１６に挿入し（Ｓ１７ Ｎｏ，Ｓ１２）、（Ｓ１６）までの工程を繰り返す。

板バネ３０の変形量が設定範囲を外れていれば（Ｓ１６ Ｎｏ）、スロット１２の開口部に係止されたコイル固定装置２０にボルト２１を螺入し（Ｓ２１）、案内溝１６を滑らせて除去する（Ｓ２２）。そして、スペーサ１７を、異なる厚みに調整されたものに交換し（Ｓ２３）、再度、コイル固定装置２０をスロット１２の案内溝１６に挿入し（Ｓ１２）、（Ｓ１７）までの工程を繰り返す。
そして、スロット１２の開口部が全て閉蓋されたところでコイルの装着作業が終了する（Ｓ１７ Ｙｅｓ ＥＮＤ）。

なお、回転電機の定期点検や修理等で、コイル１５のみを現地で交換する場合は、上述した（Ｓ２１），（Ｓ２２）の工程を繰り返して、スロット１２の開口部から全てのコイル固定装置２０を除去した後に、既設のコイル１５及びスペーサ１７を取り外し、（Ｓ１１）に戻って新規のものを装着する。

以上述べた少なくともひとつの実施形態のコイル固定装置によれば、ボルトの着脱に対応させてコイルへの付勢力のＯＮ・ＯＦＦを切り替えることができるので、スロット開口部への装着・除去が容易となる。このために、作業時間が短縮されるほか、ハンマー等で打撃を与える必要がないので作業安全性が向上する。さらに波状板バネを用いることでコイルに対する付勢力が局所的に集中することがないため、電磁力によるコイル振動等が効果的に抑制され構成部品の摩耗が低減しコイルの固定作用が持続する。

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は意図していない。これら実施形態は、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、組み合わせ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同様に、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ものである。

１０…回転電機、１１…固定子、１２…スロット、１５…コイル、１６…案内溝、１７…スペーサ、１８…付勢部材、２０（２０Ａ，２０Ｂ）…コイル固定装置、２１…ボルト、２２…挿通孔、２３…両端、２５…蓋部材、２６…雌螺子、２７…当接面、２８…当接部材、３０（３０Ａ，３０Ｂ）…板バネ、３１…貫通孔。

Claims (8)

1. ボルトを挿通させる挿通孔が形成されるとともにコイルを収容するスロットの両側壁に形成された案内溝に両端を係止させてスロットの開口部を閉蓋する蓋部材と、
   前記ボルトの先端部を螺合させる雌螺子が形成されるとともに前記コイルに直接又は間接的に当接する当接面を有する当接部材と、
   波型形状の頂点の各々が前記蓋部材と前記当接部材に当接し前記ボルトを螺入することで圧縮され、前記蓋部材の両端が前記案内溝に係止された状態で前記ボルトを取り外すことで前記コイルに付勢力を与える板バネと、を備えることを特徴とするコイル固定装置。
2. 請求項１に記載のコイル固定装置において、
   前記板バネは、前記挿通孔及び前記雌螺子で挟む位置に、前記ボルトを貫通させる貫通孔が設けられている連続体であることを特徴とするコイル固定装置。
3. 請求項１に記載のコイル固定装置において、
   前記板バネは、前記挿通孔と前記雌螺子とで挟む位置が、分割されている分割体であることを特徴とするコイル固定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のコイル固定装置において、
   前記雌螺子は、前記当接部材を貫通するように形成されていることを特徴とするコイル固定装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のコイル固定装置において、
   前記蓋部材、前記当接部材、前記ボルト及び前記板バネのうち少なくとも一つは電気絶縁性を示す繊維強化樹脂（ＦＲＰ）で構成されていることを特徴とするコイル固定装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のコイル固定装置に対し、前記ボルトを螺入して前記蓋部材及び前記当接部材で挟まれた前記板バネを圧縮するステップと、
   前記蓋部材の両端を前記案内溝に案内させて、指定した位置に係止させるステップと、
   前記ボルトを取り外して前記当接部材を当接させて前記コイルに付勢力を与えるステップと、を含むことを特徴とするコイル固定方法。
7. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のコイル固定装置が前記スロットの開口部に装着され、前記ボルトが取り外された状態で、前記付勢力の付与された前記コイルが前記スロットに収容されていることを特徴とする回転電機。
8. 請求項７に記載の回転電機において、
   前記コイル固定装置に配置される前記板バネとは別に、前記コイルの上下方向に少なくとも一つ以上の波状板バネが配置されることを特徴とする回転電機。

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