JP2019187082A - 回転電機の固定子及び回転電機の固定子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の固定子に生じる好ましくない電流を遮断する。【解決手段】固定子鉄心１を形成する、積層された抜板２と、抜板２の所定数毎に介在配置され、抜板２間の通気ダクトを形成する、鉄心１の径方向に延在した間隔片３と、抜板２と間隔片３間に配置され、間隔片３を固着する間隔片取付板６と、固定子鉄心１の外周面を固定子軸方向に沿って円周上に等間隔配置されるキーバー４と、キーバー４の両端を取り付けて固定する、リング状の押え板５と備える回転電機の固定子において、間隔片取付板６に固着した間隔片３を絶縁する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、回転電機の固定子及び回転電機の固定子の製造方法に関する。

大型のタービン発電機や電動機等の回転電機では、一般に固定子の鉄心が、内径部に固定子コイル溝を持った厚肉円筒形状であり、薄板状の珪素鋼板を扇型に打ち抜いた電磁鋼板、いわゆる抜板、を積層して構成される。抜板の積層過程で、適切な厚さとなる間隔でスペーサ（間隔片）を配置して、機内冷媒ガスの半径方向の通風ダクトを形成している。固定子枠の内周部に、円周上に例えば等間隔で離間して配置したキーバーに取付け、円板リング状の押え板を用いて締め付け固定することで積層された抜板を一体化している。

近年、出力変動が大きい再生可能エネルギーが電力系統に接続されることで、該系統の周波数及び電圧の変動量が大きくなっている。この変動に対応するため、電力系統に接続される回転電機の運転範囲を拡大させる需要が存在する。運転範囲を拡大させる場合、周波数が低く、且つ電圧が高い際には、回転電機が過励磁状態となる傾向がある。

前述した構造を有する大型の回転電機の固定子鉄心においては、固定子鉄心の外周側で漏れた磁束により、キーバーに電流が流れ、過励磁状態においては漏れ磁束が増加することにより、キーバーに流れる電流も増加する。

キーバーに電流が流れた場合、隣接する鉄心及び鉄心内にある構造物にも電流が流れる可能性を生じる。さらに、抜板の内周側表面の絶縁層に損傷を生じると、抜板間短絡が発生し、特に損傷した抜板の枚数が多くなると、抜板に循環電流が流れる可能性がある。

過励磁により、大きな電流が構造物や抜板に流れると、局所的な電流の集中等により、大きな損傷が発生する可能性がある。したがって、何らかの方法でキーバーに隣接する鉄心及び鉄心内にある構造物に電流が流れ込まない構造として、固定子鉄心の損傷を防ぐ必要がある。

一般的に大型の回転電機では、各抜板には絶縁処理が施されており、工場試験などで層間絶縁に損傷がないことの確認も実施されている。
このような過励磁状態への対策として、特許文献１に記載されているように、シールド板と固定子クランパ間に絶縁物を設け、固定子クランパ側に過電流が迂回して流れることを防ぐ構造が提案されている。

しかしながら、鉄心内の構造物である間隔片、間隔片の取付板、及び間隔片の隣接する板（間隔板）には、絶縁処理が施されていない。

また特許文献２には、間隔片と間隔片取付板にワニス状の絶縁を行った後、間隔片と間隔片取付板を溶接する方法が提案されているが、溶接によって、施した後の絶縁状態が破壊されるものとなる。

特許第４４６８８５６号 特開昭５６−０７１４３９号公報

前述したような大型の回転電機の固定子鉄心の構造において、過励磁状態では、固定子鉄心の外周側に漏れた磁束によりキーバーに電流が流れ、隣接する間隔片取付板や間隔片、間隔板を経て隣接するキーバーに電流が渡って、固定子鉄心を損傷する虞がある。

しかしながら、前記特許文献１に記載された技術では、固定子鉄心外のシールド板と固定子クランパ間に絶縁物を設けているため、キーバーから間隔片取付板や間隔片、間隔板を経て隣接するキーバーに電流が渡ることを阻止できない。

また前記特許文献２に記載されている技術では、間隔片と間隔片取付板にワニス状の絶縁を行なった後に、間隔片と間隔片取付板を溶接しており、溶接部分の絶縁が破壊されるため、キーバーから間隔片や間隔片取付板、間隔板を経て隣接するキーバーへ流れる電流を遮断することができない。

本発明は前述の課題を解決するためになされたものであり、固定子鉄心の外周側に漏れた磁束に起因する隣接するキーバー間を流れる電流など、運転中に回転電機の固定子に生じる好ましくない電流を遮断することが可能な回転電機の固定子及び回転電機の固定子の製造方法を提供することを目的とする。

実施形態の回転電機の固定子は、軸方向に積層されて固定子鉄心を形成する電磁鋼板と、前記電磁鋼板の所定数毎に介在して配置されるとともに前記固定子鉄心の径方向に延在して前記電磁鋼板間に通気ダクトを形成する間隔片と、前記電磁鋼板と前記間隔片間に配置され前記間隔片を固着する間隔片取付板と、前記間隔片取付板および前記間隔片取付板に固着された前記間隔片の全体を覆う絶縁層と、を備える。

本発明の各実施形態によれば、固定子鉄心の外周側に漏れた磁束に起因する隣接するキーバー間を流れる電流など、回転電機の固定子に生じる好ましくない電流を遮断することが可能となる。

第１の実施形態に係る固定子鉄心の構成を部分的に示す斜視図。 同実施形態に係る図１の間隔片を固着した間隔片取付板とキーバーの関係を示す図。 同実施形態に係る図１の間隔板の形状を示す図。 第３の実施形態に係る固定子鉄心の軸方向の端部の概略部分断面図。 第５の実施形態に係る固定子鉄心の外周面側から見た、間隔片を固着した間隔片取付板と、間隔片を挟んで間隔片取付板と対向する間隔板、及びキーバーの構成を示す図。

以下、回転電機の固定子の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１乃至図３を用いて第１の実施形態に係る回転電機の固定子について説明する。

図１は、固定子鉄心の構成を部分的に示す斜視図である。同図で、固定子鉄心１は、薄板の珪素鋼板を略扇形状に打ち抜いた方向性電磁鋼板（以下「抜板」と称する）２を積層して主構成要素とする。

抜板２は、所定の積層枚数毎に、間隔片３を固着した間隔片取付板６と、この間隔片取付板６と間隔片３を挟んで対向する無方向性電磁鋼板の間隔板７とを介在して配置することで、固定子軸方向に沿ってブロック化される。前記間隔片３により形成される鉄心の径方向の空間が、本実施形態では図示しない回転子が例えば図中に矢印Ｒで示すように回転した場合に発生する、熱を伴った空気流の通気ダクトとなる。

抜板２の外周面では、固定子の軸方向に沿って円周上に例えば等間隔などで離間して配置される複数のキーバー４を取り付け、固定子鉄心１の軸方向の両端（図１では一方）に設ける円盤リング状の押え板５で鉄心軸方向に沿って締め付けて、一体化した構造としている。

図２は、間隔片３を固着した間隔片取付板６とキーバー４の関係を示す。間隔片３は、例えばスポット溶接によりその軸方向に沿って複数点が間隔片取付板６の裏面側から打点操作されることで、間隔片取付板６に固着される。間隔片取付板６の内周側はコイル巻回のための凹凸を有し、その凹凸に合わせて間隔片３の長さが異なるものとなっている。

間隔片取付板６、及びこの間隔片取付板６と鉄心軸方向と垂直な面で略同形状となる、積層配列された前記抜板２の外周側に構成されたアリ溝にキーバー４が嵌合される。

図３は、間隔片取付板６と間隔片３を挟んで対向する間隔板７の形状を示す。この間隔板７の形状自体は、鉄心軸方向と垂直な面で抜板２と同様となる。

上記のような固定子鉄心１の構成にあって、固定子鉄心１の径方向に外側に向かうような漏れ磁束ＬＦが発生した場合、図中に示すようにキーバー４に、本来の流れである電流Ｉａが誘導される。

ここでもし、間隔片３を含む周囲が絶縁されていない場合には、非磁性材料で構成される間隔片取付板６、間隔片３、間隔板７を経て隣接するキーバー４に至る、本来は好ましくない電流Ｉｂの流れが発生することになる。

そのため本実施形態では、キーバー４から隣接するキーバー４への電流の流れ込みを遮断するべく、前記間隔片３、この間隔片３を固着した間隔片取付板６、及び間隔片３を挟んで間隔片取付板６と面対向する間隔板７の表面全面に、耐熱クラスＦ種（１５５°）以上のワニスを塗布した絶縁を施すことにより、固定子鉄心１の損傷を防止する。

すなわち、本実施形態においては、間隔片３を間隔片取付板６に固着した後に例えばクラスＦ種以上のワニスなどを塗布することで、間隔片取付板６および間隔片取付板６に固着された間隔片３の全体を覆う絶縁層が設けられる。さらに間隔片取付板６と面対向する間隔板７の表面全面にも同様な絶縁層が設けられることで、間隔片取付板６に固着された間隔片３と間隔板７とが絶縁される。

前記したような間隔片３と、間隔片３を固着した間隔片取付板６、及び間隔板７に対する絶縁処理を施した上で固定子鉄心１を前記図１に示した如く組み付けることで、漏れ磁束ＬＦに伴ってキーバー４から隣接するキーバー４に渡るような電流Ｉｂの流れを確実に遮断できる。

この点で、間隔片３は、間隔片取付板６に例えばスポット溶接等により固着された状態から、一体に絶縁処理を施すものとする。これにより、絶縁を施した表面皮膜が溶接作業を阻害することなく、また溶接によって、絶縁皮膜に絶縁破壊等を起こすことなく、固着のための作業を実施できる上、後のワニス塗布により、間隔片３と間隔片３を固着した間隔片取付板６の表面全面に確実に絶縁皮膜を形成させることができる。

また、前記ワニスによる絶縁は、間隔片３を固着した間隔片取付板６と、間隔板７にそれぞれ表面全面にワニスを塗布して絶縁皮膜を形成する場合に代えて、特に間隔片３と間隔板７とが接触する面、間隔片３と抜板２とが接触する面、間隔板７と抜板２とが接触する面を含んで、部分的にワニスを塗布して絶縁皮膜を形成するものとしても良い。

このような必要部分を含んだ部分的な絶縁処理を施すことで、固定子鉄心１を製造する際の手間や作業性を適宜軽減しながらも、漏れ磁束ＬＦに伴ってキーバー４から隣接するキーバー４に渡るような電流Ｉｂの流れを確実に遮断できる。

［第２の実施形態］
図１乃至図３を用いて第２の実施形態に係る回転電機の固定子について説明する。

固定子鉄心１全体の基本的な構成は、前記第１の実施形態で説明したものと同様であるものとして、同一部分には同一符号を用いて、それらの説明を省略する。

この第２の実施形態では、前記第１の実施形態でのワニスを塗布して絶縁皮膜を形成する絶縁構造に代えて、シート状の絶縁物を用いるものとする。

この場合、間隔板７と接触する間隔片３側の面にシート状の絶縁物を設置することで、間隔片３と、間隔板７を挟んで位置する抜板２との間を絶縁する。

加えて、間隔片３と接触する側の間隔板７の面にも、シート状の絶縁物を設置して、間隔片３と、間隔板７を挟んで位置する抜板２との間の絶縁をより確実に実施しても良い。

このように、シート状の絶縁物を用いた間隔片３に対する絶縁を施すことで、固定子鉄心１を製造する時の絶縁に要する手間を大幅に簡略化しつつ、確実な絶縁処理を施すことができる。

［第３の実施形態］
図４を用いて第３の実施形態に係る回転電機の固定子について説明する。

前記図１乃至図３における、固定子鉄心１全体の基本的な構成は、前記第１及び第２の実施形態で説明したものと同様であるものとして、同一部分には同一符号を用いて、それらの説明を省略する。

図４は、固定子鉄心１の軸方向の端部の概略部分断面図であり、特に磁束シャント１１および端部段落し部１８が配置された部分である鉄心端部の断面構造を例示するものである。

超大型のタービン発電機では、特に磁束密度が高くなる軸方向の端部において、固定子の鉄心端部に進入する軸方向磁束を低減するための磁束シャント１１、および、端部により近い方の抜板の内径を大きくすることにより磁気抵抗を高めて磁束密度を低くするための端部段落し部１８を配置する。

主に鉄心端部に進入する軸方向磁束を低減する目的で設けられている磁束シャント１１は、磁気回路としての役割を有していない一方、端部段落し部１８は、固定子鉄心１の一部であり磁気回路としての役割を有している。
なお、本実施形態においては、磁束シャント１１および端部段落し部１８が配置された部分を含む固定子鉄心１の押え板５側の部分を鉄心端部と称している。

これにより固定子鉄心１の端部は、同図中で左側の端部方向から順に、押え板５、磁束シャント外側の間隔片１５、磁束シャント外側の間隔片取付板１６、磁束シャント１１、ステンレス板による間隔板１４、鉄心外側の間隔片１３、鉄心外側の間隔片取付板１２、端部段落し部１８、間隔板１９が配置され、以後、鉄心内側間隔片１７と抜板２が交互に配置される構造となる。

ここでは図示を省略しているが、鉄心内側間隔片１７は、前記図２に示した間隔片取付板６に固着された構造として、間隔片取付板６が抜板２と当接して配置されると共に、鉄心内側間隔片１７を挟んで間隔片取付板６の反対側には、前記間隔板１９の部位を除いて、前記図３に示した間隔板７が配置される。

磁束シャント１１は、図示する如くキーバー４に当接される鉄心の外周端位置を同じくし、左側の端部に至る程に鉄心径方向の幅がより小さくなるような、電磁鋼板による抜板の積層構造を有するものであり、鉄心内周側で多段ステップ状となる斜面を形成している。

同様に、端部段落し部１８も、前記磁束シャント１１よりは鉄心の軸方向の端部より離れた配置となるため、全体に磁束シャント１１よりは鉄心径方向の幅が大きい（すなわち、抜板の内径が小さい）が、鉄心軸方向の端部に近い方が、鉄心径方向の幅がより小さくなるよう（すなわち、端部に近い方の抜板の内径が大きくなるよう）に、電磁鋼板による抜板の積層構造を有するものであり、鉄心内周側で多段ステップ状となる斜面を形成している。なお、端部段落し部１８に用いる電磁鋼板の抜板と、磁束シャント１１に用いる電磁鋼板の抜板は同じ材質のものとして構わない。

図４に図示するとおり、本実施形態においては、鉄心端部を冷却するため通風ダクトを形成する前記鉄心外側間隔片１３は、鉄心端部より内側にある固定子鉄心１を冷却するための通風ダクトを形成する鉄心内側間隔片１７に比して鉄心軸方向の寸法が大きく設定されている。

前記のような構成にあって、漏れ磁束ＬＦに伴ってキーバー４から流れ込み、隣接するキーバー４へ渡る電流を遮断するために、鉄心外側間隔片１３、ステンレス板による間隔板１４、鉄心外側の間隔片取付板１２、及び間隔板１９にそれぞれ耐熱クラスＦ種以上のワニスを塗布して絶縁皮膜を形成する絶縁処理を施す。

この場合、鉄心外側間隔片１３、ステンレス板による間隔板１４、鉄心外側の間隔片取付板１２、及び間隔板１９は、相互に接触する面を含む一部を部分的に絶縁処理するものとしても良いし、表面全面に絶縁処理を施すものとしても良い。

このように、特に磁束密度が高くなる、超大型のタービン発電機等で採用される固定子鉄心において、その軸方向の両端部に、固定子の鉄心端部に進入する軸方向磁束を低減するため磁束シャント１１を設けて、より強固な絶縁処理を施すことで、キーバー４を流れる電流が隣接するキーバー４に渡ってしまうのを確実に遮断できる。なお、鉄心端部にさらに磁気抵抗を高め磁束密度を低くするための端部段落し部１８が設けられても同様な効果を奏することができる。

［第４の実施形態］
図４を用いて第４の実施形態に係る回転電機の固定子について説明する。

固定子鉄心の端部側の構成は、前記図４に示した如く、磁束シャント１１と端部段落し部１８を含んで基本的に同様であり、同一部分には同一符号を用いるものとして、それらの説明を省略する。

この第４の実施形態では、前記第３の実施形態でのワニスを塗布して絶縁皮膜を形成する絶縁構造に代えて、シート状の絶縁物を用いるものとする。

この場合、ステンレス板による間隔板１４と鉄心外側間隔片１３の間の面、鉄心外側間隔片１３を固着した鉄心外側間隔片取付板１２と端部段落し部１８の間の面、端部段落し部１８と間隔板１９の間の面に、それぞれシート状の絶縁物を設置することで、間隔片３と、間隔板７を挟んで位置する抜板２との間を絶縁する。

このように、シート状の絶縁物を用いて鉄心外側間隔片１３を中心とした絶縁を施すことで、固定子鉄心１を製造する時の絶縁に要する手間を大幅に簡略化しつつ、確実な絶縁処理を施すことができる。

［第５の実施形態］
図５を用いて第５の実施形態に係る回転電機の固定子について説明する。

前記図１乃至図３に示した構成と基本的には同様であるものとして、同一部分には同一符号を用いてそれらの説明は省略する。

図５（Ａ）は、本実施形態に係る固定子鉄心１の外周面側から見た、間隔片３を固着した間隔片取付板６と、間隔片３を挟んで間隔片取付板６と対向する間隔板７、及びキーバー４の構成を示す。同図に示すように、間隔片取付板６及び間隔板７共に、それぞれ略扇形状を有し、固定子鉄心１の軸方向と垂直な面に沿って同様の構成をギャップ２０を介して隣接配置されることで、共に円盤リング状の構成となる。

本実施形態では、複数の間隔片取付板６，６，…間のギャップ２０の位置と、間隔板７，７，…間のギャップ２０の位置とを、図示する如く周方向の位置で一致させるようにした。

これに対して、図５（Ｂ）は、参考として、従来一般的に用いられていた、間隔片３を固着した間隔片取付板６と、間隔板７との位置関係を例示する図である。同図（Ｂ）に示すように、従来の一般的な構成では、複数の間隔片取付板６，６，…間のギャップの位置と、間隔板７，７，…間のギャップの位置とが異なるように配置される。そのため、漏れ磁束ＬＦによりキーバー４で発生した電流が、図中に電流Ｉｂで示す如く、間隔片取付板６、間隔片３、間隔板７、間隔片３、間隔片取付板６、‥‥というように流れて、隣接するキーバー４に至るように流れることとなる。

図５（Ａ）に示した本実施形態による構成では、間隔片取付板６と間隔板７の各ギャップ２０の位置を周方向で一致させることにより、特にワニスやシート状の絶縁物を用いずとも、空間的な絶縁構造とすることで、固定子鉄心１の損傷を防ぐことができる。

［第６の実施形態］
以下、第６の実施形態に係る回転電機の固定子について説明する。

前記第１乃至第５の実施形態では、前記間隔片３、間隔片３を固着した前記間隔片取付板６、及び前記間隔板７は、固定子鉄心１を構成するすべてについて絶縁処理を施すものとして説明した。

前記漏れ磁束ＬＦは、固定子鉄心１の軸方向に沿った端部側ほど指数関数的に大きく（高い密度に）なるので、比較的漏れ磁束ＬＦが小さい軸方向中央側は前記絶縁処理を施すのを省略して、固定子鉄心１の規模や仕様に応じて、軸方向端部側、例えば両端部からそれぞれ３〜５段分の間隔片３、間隔片取付板６及び間隔板７に対してのみ、前記した絶縁処理を施すものとしても良い。

すなわち、本実施形態では、軸方向に複数設けられる間隔片３および間隔片取付板６のうち、固定子鉄心の軸方向端部に近い第１の位置（例えば端部から３〜５段のいずれか）よりも軸方向の中央側の第２の位置（例えば端部から６段以降の位置のいずれか）に設けられる間隔片３および間隔片取付板６、またに間隔板７には絶縁処理が施されずに絶縁層が設けられない。

一方で、前記の第１の位置に設けられる間隔片３および間隔片取付板６について、第１乃至第５の実施形態と同様、前記間隔片３、間隔片３を固着した前記間隔片取付板６、及び前記間隔板７に絶縁処理が施され、間隔片取付板６および間隔片取付板６に固着された間隔片３の全体を覆う絶縁層が設けられるとともに、間隔片取付板６に固着された間隔片３と間隔板７とが絶縁される。

このように、特に製造コストに関する費用対効果の向上に寄与できる。

なお前記実施形態は、発電機、電動機を問わず回転電機の種類や駆動方式等を限定するものではない。

その他、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…固定子鉄心、２…抜板、３…間隔片、４…キーバー、５…押え板、６…間隔片取付板、７…間隔板、１１…磁束シャント、１２…鉄心外側間隔片取付板、１３…鉄心外側間隔片、１４…間隔板、１５…磁束シャント外側間隔片、１６…磁束シャント外側間隔片取付板、１７…鉄心内側間隔片、１８…端部段落し部、１９…間隔板、２０…ギャップ、Ｉａ…（キーバーに流れる）電流、Ｉｂ…（間隔片を流れる）電流、ＬＦ…漏れ磁束

Claims (8)

1. 軸方向に積層されて固定子鉄心を形成する電磁鋼板と、
   前記電磁鋼板の所定数毎に介在して配置されるとともに前記固定子鉄心の径方向に延在して前記電磁鋼板間に通気ダクトを形成する間隔片と、
   前記電磁鋼板と前記間隔片間に配置され前記間隔片を固着する間隔片取付板と、
   前記間隔片取付板および前記間隔片取付板に固着された前記間隔片の全体を覆う絶縁層と、
   を備える回転電機の固定子。
2. 前記間隔片の前記間隔片取付板に固着された面の反対の面と、前記電磁鋼板との間に介在する間隔板をさらに備え、
   前記間隔片と前記間隔板とを絶縁する、
   請求項１記載の回転電機の固定子。
3. 前記間隔片および前記間隔片取付板は、前記固定子鉄心の軸方向端部に近い第１の位置および当該第１の位置よりも軸方向の中央側の第２の位置にそれぞれ設けられ、
   前記絶縁層は、第１の位置の前記間隔片および前記間隔片取付板に設けられ、第２の位置の前記間隔片および前記間隔片取付板には前記絶縁層が設けられない、
   請求項１または２記載の回転電機の固定子。
4. 前記固定子鉄心の軸方向に沿った両端部に、端部側で径方向の幅がより小さくなる電磁鋼板の積層による磁束シャント部を前記間隔片及び間隔片取付板を介してさらに備える、請求項１乃至３いずれか記載の回転電機の固定子。
5. 前記間隔片取付板及び前記間隔板は、それぞれ鉄心の径方向に延在するギャップを介して周方向に配置された複数から構成され、
   前記間隔片を挟んで対向する、前記間隔片取付板及び前記間隔板の双方の前記ギャップの位置が周方向に一致する、
   請求項２記載の回転電機の固定子。
6. 前記固定子鉄心の外周面を前記固定子鉄心の軸方向に沿って円周上に離間して複数配置されるキーバーと、
   前記キーバーの両端を取り付けて固定する、リング状の押え板と、をさらに備える、
   請求項１乃至５いずれか記載の回転電機の固定子。
7. 請求項１乃至６いずれか記載の回転電機の固定子と、回転子とを備える回転電機。
8. 軸方向に積層されて固定子鉄心を形成する電磁鋼板と、前記電磁鋼板の所定数毎に介在して配置されるとともに前記固定子鉄心の径方向に延在して前記電磁鋼板間に通気ダクトを形成する間隔片と、前記電磁鋼板と前記間隔片間に配置され前記間隔片を固着する間隔片取付板と、を備える回転電機の固定子の製造方法において、
   前記間隔片を前記間隔片取付板に固着した状態で絶縁処理を施す、回転電機の固定子の製造方法。