JP2776905B2

JP2776905B2 - 可変速発電機

Info

Publication number: JP2776905B2
Application number: JP1210079A
Authority: JP
Inventors: 英治辻; 理名倉; 滋広粥川; 保弘八坂; 好守萩谷; 伸作白田; 英三北; 博人中川; 泰照大野; 聡葛坂
Original assignee: Hitachi Ltd; Kansai Denryoku KK
Current assignee: Hitachi Ltd; Kansai Denryoku KK
Priority date: 1989-08-16
Filing date: 1989-08-16
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: CA2023234A1; DE69013810D1; DE69013810T2; CA2023234C; EP0414129A3; EP0414129B1; EP0414129A2; JPH0374153A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は可変速発電機に関し、特に縦軸型の可変速発
電機の回転子に係るものである。

〔従来の技術〕

従来から二次励磁式の巻線形誘導発電機は良く知られ
ている所である。而してこの種二次励磁式の巻線形誘導
発電機に関しては、「電気工学ハンドブツク」第11編第
６章にその原理が論じられているように、巻線形誘電機
の二次回路にすべり周波数の励磁電流を流し、一次巻線
より電力を得る方式である。普通二次回路を励磁する電
流は別に設けられた低周波発電機や、低周波を得る整流
形周波数変換機を用いて準備される。

而して、二次励磁式の巻線形誘導発電機の前述の励磁
機を誘導発電機と直結した形で原動機により駆動すれ
ば、軸の回転速度が変化してもその速度に応じて励磁周
波数が変化するため、一次巻線に一定の周波数の電圧を
誘導する。

したがって、プロペラ水車のように出力に応じて回転
数を変化させた方が効率の良いような原動機に直結し
て、その特徴を発揮させることができるとされている。

また、その構造としては「電力機器便覧」第３編第２
章において論じられているものが従来の最も一般的なも
のである。

従来のこの種二次励磁式の可変速式発電機はその容量
が最大でも7.5MW程度であり、従来から一般的に水力発
電所で用いられる凸極形同期発電機と比較すると格段の
容量差があるため、すでに前述した如き有益な特徴があ
るにもかかわらず一般の電力系統に連系される水力発電
所への適用例が限られるものとなっていた。その限られ
た適用例しかない原因の最大の課題は当該電機の構造か
らくる機械的強度の確保が困難なことにある。

近年、大容量の水力発電所における凸極形の同期発電
機を可変速式発電機に変更したり、新規な大容量の水力
発電所に最初から可変速式発電機を設置しようとする機
運がある。

しかしながら、前述したように従来は、水車で駆動さ
れる竪形の可変速式発電機の高速，大容量化はその構造
上の制約から実現するのは困難と考えられていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

可変速式発電機を用いる目的は有効電力，無効電力の
調整を当該電機の回転速度に影響されずに制御可能と
し、当該電機を電力系統につなぐことによって、その特
性を利用して系統の安定化を計ることが出来ることにあ
る。

しかしながら、このような可変速式発電機を水力発電
所に構成して系統につなぎ、前述の特性を有効に利用す
るためには高速化，大容量化が必須の要件となる。

ところが、高速化，大容量化するということは、当該
電機の体格を大きくするということであり、これを従来
の構成の延長線上で設計したのでは回転子の高速化と相
まって、当該電機全体の各構成部分が機械的強度の面で
製作限界を超え、実用化することが不可能である。

例えば、400MVA,400回転／分級のこの種電機を考える
場合、回転子の外径は約6m程度になると考えられる。さ
らに、この種電機は大容量化のために回転子に設けられ
る巻線に大電流を流さねばならず当該巻線が大きく、重
くなることが明らかである。以上の観点から、この種電
機はその回転子の外径部における加速度が約1000Gにも
なるものと考えられる。

この様に大きく加速度すなわち違心力が作用する回転
子の場合、従来から既に実用化されている二次励磁式誘
導発電機に比べ、その回転子を構成する各部分の機械的
な強度を一桁高い値にする如き仕様が要求される。無
論、単に機械的強度を満足しても、それが電機である以
上、電気的磁気的な効率を満足出来なければ意味がない
ことは云うまでもない。そして、前述の課題は冷却を効
果的におこなわねばならないという点を避けられない。

さらに大容量化は電機の体格が大きくなる必然性があ
りそれにともなった製作性，組立性，輸送性を解決しな
ければならない。

本発明は、水車で駆動される竪軸形の可変速式発電機
を高速化，大容量化するために必要な各構成部分の機械
的な強度や、全体的な釣り合いを考えた最適な構造で、
しかも電気的磁気的な効率を十分に満足し得るととも
に、製作性，組立性，輸送性の優れた回転子を得ること
を目的として検討を重ね、その目的に叶った可変速式発
電機の実用化を達成したのでその発明を提供するもので
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は固定子巻線を有
する固定子鉄心と、固定子鉄心の内側に配置された中心
に軸を有する積層鉄心の外周にスロット溝を有し、当該
スロット溝に巻線を挿入して成る回転子とを備えた可変
速発電機において、回転子、軸とその軸から半径方向に
延在する複数の腕と、腕の先端に設けた軸方向に延びる
腕用係合溝を有する係止部と、係止部の外周側であって
軸方向に積層された積層間に半径方向に延びるリム材用
エアダクトを有し、且つ積層された内周側と外周側とに
リム係合溝を有する複数層のリム材と、リム材の外周側
であって軸方向に積層された内周側にコア係合溝を有
し、外周側に複数のスロット溝を形成した扇形形状の鉄
心板と、鉄心板を複数積層した積層間にリム材用エアダ
クトと連通するエアダクトを有する積層鉄心と、リム係
合溝とコア係合溝との間に嵌め込み、リム材と鉄心板と
の間を結合する連結キーと、リム材と鉄心板の上下端に
当接したクランプと、クランプに設けた穴に挿入して締
め付けて、クランプ間にリム材と鉄心板とを固定する締
付手段とを備え、締付手段と連結キーとを半径方向の軸
線に一致するように構成したものである。

〔作用〕

上記のように構成された竪軸形の可変速式発電機は高
速化，大容量化の要望に基づいて体格が大型化しても、
当該電機の特徴的な構成である回転子の積層鉄心部と巻
線部分による機械的な加速度を複数本の腕部を備えたス
パイダーアームと、ロータリムと、積層鉄心と、係合溝
及び連結キーの各々の構成が作用し合うことで十分に機
械的な強度を保ち得るようになる。そして、前述の構成
によって水車等の原動機から要求される「はずみ車効
果」を十分に備えることになる。

また、巻線部分に通電することで発生する熱も、スパ
イダーアームを採用すること、及びそのスパイダーアー
ムに係合する前述の各構成の作用と、さらに通風の障害
となるもつとも大きな構成である連結キーや、締付ボル
トの位置を半径方向の軸線上に一致させた構成を採用す
ること等により、十分な冷却を達成出来るようになる。

さらに、当該電機の特徴である回転子外周に隈なく構
成される巻線に低周波電流が流れることによって生ずる
うず電流に対する対策として、積層鉄心のティース幅を
考慮した寸法とスロット溝底から鉄心内周に至る寸法と
を機械的強度を満足する条件，巻線を挿入するスロット
形状を考慮して磁束のほとんどを積層鉄心部に通過させ
ることが出来る作用構成の値を見い出したことで、電気
的磁気的な損失を最小限に押えることができる構成にな
る。

そして、この種の大容量化に不可欠な回転子の外径に
おける周速を目標とする十分な大きさに取ることが可能
になる。

〔実施例〕

第１図は本発明による回転子を組込んで水車で駆動さ
れる竪軸形の可変速式発電機が前記水車と結合されてい
る状態の全体を一部断面して示したものである。

本発明の可変速式発電機は、水車が有する軸に中間軸
を連結し、その中間軸上に回転子を載置する形で構成さ
れる。この構成は従来の凸極形の同期機において採用さ
れたことのある構造であるが、本発明においては回転子
の重量が前述の同期機に比較して大幅に増えることと、
大容量，大形化した場合の冷却の問題と、組立性及び輸
送性を考慮し合せて、以下に述べる構造上の理由から本
構成が最適であり、採用される必然性をもっている。

この種中間軸上に載置される回転子の構成を説明す
る。１は、溶接構造物として製作され回転軸を中心にし
て半径方向に複数本の腕部を備えたスパイダーアームで
ある。本発明の可変速式発電機におけるこのスパイダー
アーム１のさらに具体的な必然性については後述する。

２はロータリムでスパイダーアーム１の腕部の先端
に、一体円板構造の厚い鋼板を軸方向に積み重ねその間
にエアダクトを設ける形で構成され、しかもその内周で
前述のスパイダーアーム１の腕の先端と結合されてい
る。本発明の可変速式発電機におけるこのロータリム２
の必然性は後述するが、その外周で係合する積層鉄心３
と巻線４が、回転することによって発生する遠心力に十
分耐え得る機械的な強度を有するものであることと、そ
の遠心力が局部的にこのロータリム２の一部分に集中す
る危険性を回避するために必要な構造上の機能を備えて
いること、及び冷却通風の障害にならない構成になって
いる必要のあるものである。

３は積層鉄心で、前述のロータリム２の外周に別に設
けた連結キーを介して係合する。この積層鉄心３はセグ
メント状に打抜かれた薄い硅素鋼板を積み上げ、エアダ
クトを形成しながらさらに必要なブロックで積み上げて
構成される。詳細は後述するが、この積層鉄心３は自身
の機械的強度を保持した上で前述のロータリム２と十分
な機械的強度を保って係合され、しかも冷却を十分に達
成し得る通風機能を備えた構成になっていなければなら
ない。

さらに、巻線に流れる電流によって生ずるうず電流に
対拠する必要がある。以上の理由から本積層鉄心３は電
気的，磁気的に最適な構造を考慮した寸法と形状が定め
られた構成にならねばならない。

４は、前記の積層鉄心３の外周に形成されたスロット
溝に挿入された巻線である。

この巻線４は前述の積層鉄心３の外周に設けられたス
ロット溝に個々に絶縁を施された上で半径方向に２段重
ねで挿入される。そしてその両端は結線の必要性から積
層鉄心３の軸方向端面から突出している。詳細について
は後述するが、大容量化にともなってこの巻線に流れる
電流量も大きくなり、ジュール熱の発生が大きくなるた
め、その冷却を十分におこなえることが必要で、その構
成を前述のスパイダーアーム，ロータリム，積層鉄心を
含めた総合的な通風機構の構成から解決する構造が採用
されている。

５は固定子で固定子巻線６を備え、積層鉄心３の外周
に空隙を構成した形で設けられるものである。

７は前述の中間軸に構成される推力軸受である。

本発明の可変速式発電機は、すでに述べた如く推力軸
受を備えた軸上に溶接構造のスパイダーアーム１を載置
する必然的な構成で回転子が構成される。

推力軸受７は、竪形の電機における軸方向の推力を受
け、しかも回転摺動する機能を備えていなければならな
いが、大容量化，大型化する本発明の可変速式発電機の
場合、回転子の巻線４に流れる電流が大きくなり、その
電流を供給するスリップリング装置が大型化することお
よび冷却風の取込みを多くすること、巻線端部処理の作
業性を良くすること、さらには、保修，点検，改修作業
性の向上等を考慮し、回転子の積層鉄心３等が構成され
る回転部分の上方は極力大きな空間を確保することが必
要である。この様な配慮から推力軸受７を、中間軸が備
える構成が最適である。

すなわち、推力軸受７を形成した軸の頂部に載置する
形で前述のスパイダーアームを構成することが、大容
量，大型化する可変速式発電機では必然的に必要とされ
る。もっとも推力軸受７は中間軸による構成を取らず、
水車軸に直接構成しても良い。いずれにしても、水車よ
り上方に置かれ、スパイダーアーム１より下方に構成さ
れた推力軸受７は、本発明の可変速式発電機においては
必然性がある。

第２図は、第１図に示した可変速式発電機の回転子の
みを拡大して示した断面図である。

可変速式発電機は理論的には回転数を無限に増大させ
ることができる。この様な特性を備えた電機は第一に機
械的に十分な強度を保ち得る構成を要求される。そして
第二の電機的磁気的に十分な効率を達成し得ることが要
求される。

本発明は、それらの要求を満した可変速式発電機の回
転子を実現するために、設計製作上の種々の課題を検討
し、一つ一つ解決することで実用化の可能性を見い出し
た。以下その回転子の主要部をさらに詳細に説明する。

スパイダーアーム１は、推力軸受を備えた軸と結合さ
れる回転中心となる軸11と、その軸11から半径方向に延
在して設けられる複数本の腕12と、その腕12の先端に構
成される係止部13を備え、それらをすべて溶接で構成す
る構造を採用して、機械的に十分な強度を保ちながら出
来るだけ軽量化するとともに出来るだけ空間部分を多く
するように配慮して設計した。大容量化した可変速式発
電機において、この種構成のスパイダーアーム１を採用
する目的は２つある。

その一つは、巻線４部分の冷却用の通風量を多量に確
保するためのものである。すなわち、電機の特徴である
交流電流が流れる回転子巻線４は、積層鉄心３にうず電
流が発生し、それにともなう熱を発生する。さらに大容
量化にともなって巻線４に流れる電流も大きくなるた
め、その電流によるジュール熱が巻線自体に発生する。
しかも巻線は絶縁被覆された上でスロットに挿入される
ためこれらを十分に冷却するためには、発熱部となる積
層鉄心３と巻線４の絶縁物表面に多量の冷却風を供給す
る必要がある。本発明の回転子が溶接構造のスパイダー
アーム１を採用する目的は、この多量の冷却風の供給を
容易にするために必然的なものである。なぜならば、溶
接構造で成るスパイダーアーム１は、ロータリム２と係
合する複数本の腕12以外の所がすべて、空間であり、そ
の空間を利用して冷却風を半径方向に流すことが、後述
するロータリム２及び積層鉄心３の構成から可能になる
からである。

二つ目の目的は、電機としての回転子の軽量化を計
り、推力軸受７の負担を軽減するとともに回転体として
の安定性を向上させるとともに構造物としての強度を確
保することにある。

すなわち、従来の竪軸形回転機として一般的な凸極式
同期機に比較すると、本発明の電機は同一容量を達成す
るために相当の重量増加は避けられない。その理由は積
層鉄心３の部分と巻線４の部分にある。

この重量の大きい部分を外周に持つ電機は、本提案の
溶接構造から成るスパイダーアーム１を採用することに
よって回転子全体としての軽量化が計れるとともに、回
転外周側が重くなることによる回転体としての安定性が
向上するものである。

さらに各構成部位の機械的な強度を確保することは、
設計上の重要な要素であり、その点で軽量化の計れる溶
接構造から成るスパイダーアームの採用は本発明の可変
速式発電機の大型化，大容量化の実現性を大きく可能に
する必然的なものである。

以上の２点から、大型化，大容量化する可変速式発電
機は溶接構造のスパイダーアームを採用する必然性があ
る。

次に、前述のスパイダーアーム１の腕12の係止部13に
係合するロータリム２の構成を述べる。

以下の説明は第３図及び第４図も含めた形で記述す
る。

ロータリム２は、一体のドーナツ状のリム材21がその
内周でスパイダーアーム１の係止部13と軸方向のモーメ
ントと、周方向のモーメントを維持する機能を備えて結
合しながら軸方向に積層される。

ロータリム２の積層方向の両端は、クランププレート
22が後で詳細に説明する当て板24を介して一体に重ねら
れ締付固着される。リム材21はその各々が積層方向に締
付固着するボルト23を貫通する穴25を有している。

図では、このボルト23の貫通する穴25が半径方向の軸
線上で２個所構成した状態を表示した。この穴25に貫通
してリム材21を締付固着するボルト23は、電機が大型化
するに従って大きな引張り応力が作用する。それらの応
力に抗し得る強度を１本で設計するか２本で設計するか
は、設計製作上の常套手段である。本発明は、このボル
ト23の貫通する穴25が半径方向の軸線上に一致して構成
されていることで後に述べる連結キーや、鉄心板のボル
ト穴との関係で飛躍的な冷却効率の向上を実現してい
る。

ロータリム２のリム材21は、厚鋼板を用いて一体のド
ーナツ状に構成される。このリム材21がその周上で分割
された形で回転子に組込まれることはない。

製作上、又は輸送上の問題を解決するために分割した
形で素材から切り出されたとしても、ロータリム２とし
て組込まれた時には溶接等の一体化手段によりドーナツ
状に成される。

このリム材21は、回転によって生ずる積層鉄心３や巻
線４の遠心力を、その円周方向に分割されたベクトル力
で支える。そのためリム材21の外周には全周に等間隔の
鳩尾形のリム係合溝26が形成される。このリム係合溝26
については後述する。この構成により既に述べた前述の
スパイダーアーム１には前記、積層鉄心３や巻線４の遠
心力が作用しないようになる。

リム材21の厚さは、電機の高速化，大型化にともなっ
て変化するが、その範囲は30mm〜90mmの範囲である。こ
の厚さは後述のエアダクトを構成する課題を解決する上
で、あまり薄い鋼板は使用出来ないし、逆に厚過ぎても
エアダクト形成が十分におこなえない不都合を生じるか
らである。

リム材21は、その積層方向に一枚毎にエアダクト27が
構成される。

エアダクト27は相当多く必要とする。このエアダクト
27は、リム材21が厚鋼板で構成され、それが回転子の軸
方向に積層される時、その積層間にダクトスペーサを介
挿することによって構成する。機械的な強度と冷却を考
慮するとその寸法は最大でも20mm程度である。この構成
を採用したことで、ロータリム２は内周から外周に通ず
る冷却風の通路が自動的に必要数形成される。

クランププレート22と、当て板24はリム材21と同じド
ーナツ状を成しているが、一体化されている必要はな
い。特に大型化，大容量化した電機では分割されている
方が好ましい。その理由は先に説明した積層鉄心３や巻
線４の遠心力を直接受けることがないためと製作性、及
び組立性を向上させる目的を達成することにある。

この種構成から成るロータリム２のリム材21は、その
半径方向の幅がすでに前述した遠心力の作用によって曲
げ変形を生じない強度と、回転子全体を考慮した慣性に
必要な重さと、積層鉄心３の内周寸法と冷却に適した通
風性から決定される。

本発明の可変速式発電機は、このロータリム２におい
て従来機に比べて相当大きな遠心力を支えるための工夫
が成された。

その第一は、一体ドーナツ状のリム材21の採用であ
る。この採用によってエアダクトの配置や数を考慮せず
に遠心力に抗し得る強度計算が可能になり、スパイダー
アーム1,積層鉄心３との関係で十分な構造上、および製
作上の実現可能性を達成できた。

第二は、締付ボルト23の配置の決定である。冷却用の
通風量を確保するためならば、リム材21を軸方向に貫通
する形で設けられる穴25はない方が良い。しかしなが
ら、それは不可能である。

本発明の可変速式発電機は、この穴25を、後述する積
層鉄心３のボルト穴34と、ロータリム２と積層鉄心３を
結合する連結キーとを常に半径方向の軸線上に穿設する
構造を採用した。この構造の採用により、エアダクト27
内を流れる冷却風の通風障害を最少限に押えることにな
り、しかもエアダクト27内に介挿されるダクトスペーサ
材の形状が複雑になる製作上の難易性も解決した。

すなわち、ロータリム２の内周側から積層鉄心３に向
けて流れる冷却風は、締付ボルト23や、連結キーが障害
物となって、前記積層鉄心３や巻線表面を冷却する風量
を確保する上での難点になる。

しかしながら、これらの障害物をすべて半径方向の軸
線上に一致して構成したことにより、通風障害は最少限
に押えられた。

さらに前記障害物を避けて構成しなければならないダ
クトスペーサ材が種々な長さを備えた形状によって準備
されることがないため、製作性が向上した。

積層鉄心３は、厚さ0.3mm〜0.9mmの範囲にある薄い硅
素鋼板を扇形に打抜いた鉄心板31を積層して構成する。
この鉄心板31はその外周に巻線４が２段に挿入されるス
ロット溝32を形成している。内周には前述のリム材21の
外周に形成されたリム係合溝26に対応する位置関係で、
コア係合溝33を形成してある。

この鉄心板31は、ロータリム２の外周に一枚ずつ積層
するが、その積層時には位置をコア係合溝33のピッチで
ずらしながら積層して行く。そして、前記ロータリム２
に設けられたエアダクト27と位置を合せてダクトピース
を介挿し、積層鉄心３としてのエアダクト35を形成す
る。

この構成により回転子は、その内径に設けられたスパ
イダーアーム１の空間を利用してロータリム２の内周か
ら積層鉄心３を通ってその外周にある巻線４に至る冷却
風の通路が必要な冷却風量を確保した形で構成される。

コア係合溝33は、鉄心板31の一枚毎に半掛溝33aを２
個に全掛溝33bを１個構成し、少なくとも鉄心板31に２
個以下のコア係合溝を形成することが大切である。

その理由は、鉄心板31が自身の遠心力で変形しようと
する力と、スロット溝32内に挿入された巻線４が及ぼす
遠心力を大容量化にともなう大型化の観点から検討した
結果、鉄心板31を複数に分割した扇形形状の鉄心板の外
周側間の寸法をＷとし、外周側と内周側との間の半径方
向寸法Ｌを 0.5×Ｌ＜Ｗ＜2.0×Ｌの範囲に納まる寸法関係にすることが適切であるからで
ある。その理由は、次の通りである。即ち、鉄心板31は
通常１枚当り２つの連結キーによって固定される。電気
的性能からＬ寸法は決定されるため（コイル寸法と、磁
気回路断面積）、そのＬに対して鉄心板の寸法を決める
ことになるが、Ｗ寸法が大きい（２×Ｌ以上）となる
と、鉄心板１枚当りの遠心力が増大し連結キーの応力が
高くなり、必要な安全率がとれなくなる。

一方、Ｗ寸法が小さい（0.5×Ｌ以下）と全体の連結
キーの数が増加し通風スペースが確保しにくくなる。

以上の理由から、Ｗ寸法は0.5×Ｌより大きく2.0×Ｌ
より小さくすることで、強度と冷却性能を両立した可変
速発電機が構成される。

そしてこの様な寸法における鉄心板31に、コア係合溝
33の数を多くすると、ロータリム２のリム係合溝26との
関係で後述する連結キーで係合した時、当該コア係合溝
33に影響する機械的応力が係合溝毎に偏在する可能性を
生ずることが実験の結果判明したためである。さらに他
の理由は、冷却風の通路としての障害を少なくして、積
層鉄心３と巻線４に多くの冷却風を流すためには、この
係合溝をできるだけ少なくする検討をおこなった中から
決定された処置でもある。

積層鉄心３はこの種鉄心板31をリム材21の厚さにほぼ
等しい厚さになるまで積層し、次にエアダクト35を形成
しながら、さらに積層して必要な厚さが構成される。こ
のような積層鉄心３はその外周に形成されるスロット溝
32と、それと隣り合うスロット溝の間にあるティース36
と、スロット溝32の底部からコア係合溝33が形成された
鉄心内周に至るコアバック部37の間に定められた最適な
寸法関係を有する。うず電流の影響と、効率の最適化を
考慮しないのであれば、鉄心板31の半径方向の寸法Ｌは
短いほど鉄心重量を軽減することが出来るので、遠心力
は小さくなり、その積層鉄心と機械的に係合するロータ
リム２の機械的な強度を低く押えることができる。しか
しながら、機械的な面のみを追求したのでは電気的な効
率が悪化する。

その最も大きな欠点は本発明の電機が巻線に交流電流
を流すために発生するうず電流である。

うず電流を小さく押えるためには、変化する磁速の通
路をすべて硅素鋼板で構成することが良い。

これは、従来も小型の誘導電動機に一般的におこなわ
れている構成である。

しかしながら、本発明の可変速式発電機の様に大型
化，大容量化を達成しょうとする場合には、その様な大
きな積層鉄心を構成すること自体無理である。

そこで必要かつ最良の寸法関係を持っためには機械的
な強度の面，電気的な効率の面、さらには製作上の効率
の面等を検討して決められねばならない必然性がある。

巻線４に流れる電流によって発生する磁束は、薄硅素
鋼板の鉄心板31をそのほとんどが通ることによって、う
ず電流の発生を最少限に押えることが出来る。さらにロ
ータリム２を構成しているリム板21に磁束を通す必要が
なければ、そこに熱を発生することもない。だからと云
って、鉄心板31の半径方向の寸法Ｌをスロット溝32の深
さに関係なく大きくしたのでは、機械的強度に不安を残
りかつ、製作組立時に鉄心板を数万枚の量で扱う作業に
難点が残る。

この課題を解決するため、本発明の可変速式発電機は
積層鉄心３のティースの外周側間の寸法をWt、スロット
溝に挿入された巻線の結線によって構成される一磁極中
に含まれる前記ティース36の数をN_SP、積層鉄心３の内
周側でスロット溝32の底からコア係合溝33の底までのコ
アバック37の距離寸法をH_CBとし、それらの値の関係を 0.5（Wt×N_SP）≦H_CB≦2.0（Wt×N_SP）の範囲に納まるように設計する。その理由は、次の通り
である。即ち、磁極１ポール当りの磁束が通過する断面
がティース部はWt×N_SP、コアバック部はH_CBとなる。従
って、各部の磁束密度は１ポール当りの総磁束をΦとす
ると、ティース部はΦ／（Wt×N_SP）、コアバック部は
Φ／_CBとなる。磁束密度は低くすればするほど、励磁電
流は減るが、鉄心が大きくなり、不経済となる。高くす
ればするほど、励磁電流が増え鉄損の増えるため、効率
が低下し、過熱の恐れも出てくる。そのため、ティース
に対するコアバックの磁束密度を50％〜200％とするこ
とで、磁束電流と鉄損特性を両立した可変即発電機が構
成される。

このような積層鉄心３を構成することにより、巻線４
に流れる電流によって誘起される磁束のほとんどは薄硅
素鋼板から成る積層鉄心３を通ることが計算によっても
確認できた。

以上の寸法を備えた積層鉄心を採用することにより、
リム材21部分におけるうず電流損をまったく考慮する必
要がなくなり、当該リム材21の厚さを機械的な強度と、
冷却風を通すダクトの構成を検討することで自由に選択
できる効果も達成された。

なお、上記の積層鉄心３における断面積比は、本発明
の可変速式発電機の高速化，大容量化の程度に応じて多
少変化することは想像にかたくない。例えば回転子外周
に構成される磁極数が多い場合には、当該断面積比が小
さくなることが考えられる。そのような時、多少のうず
電流損を覚悟して比を小さくすることは当業者であれば
容易であろう。

また、前述の逆の場合で断面積比を大きくすることも
可能である。

その様にした場合であっても、本発明の如き可変速式
発電機を高速化，大容量化して実現するためには、前述
の断面積比の範囲は下記に納まるであろう。

0.5（Wt×N_SP）≦H_CB≦2.0（Wt×N_SP）リム係合溝26と、コア係合溝33の係合は当該係合溝に
嵌り込む回転子軸方向に長さを有した連結キー８を使用
する。

この連結キー８は、その長手方向の両端にボルト等の
固着手段を有している。

この連結キー８は、すでに前述した当て板24を貫通
し、巻線４を積層鉄心３から突出した端部を支える巻線
支え42を備えたコイルクランプ41と一緒にボルトにより
締付固着される。

この連結キー８の回転子における半径方向の位置は、
すでに前述したロータリム２を締付けるボルト23が貫通
する穴25や、積層鉄心３を締付けるボルトが貫通する穴
34とその軸線上で一致するように構成されることは云う
までもない。積層鉄心３と巻線４に生ずる遠心力は、こ
の連結キー８がロータリム21に伝達している。さらにス
ロット32が積層鉄心３の軸方向に形成されるための位置
規制もはたしている。この種連結キーの構成は従来から
この種ロータリムと積層鉄心を備えた回転電機において
は一般的に実施されている技術である。

コイルクランプ41は、ドーナツ状の分割された部材上
に適当な間隔で巻線支え42が設けられている。

コイルクランプ41の内周は、すでに述べたクランププ
レート22の外周と重なり合う形で係合させボルトにより
積層鉄心３の穴34を利用して締付固着される。このよう
にすれば巻線支え42に添わせて、巻線４の端部を外周か
らバインド掛けし、遠心力の作用による変形を防止する
ように成した後でも、十分な支え応力を維持することが
出来る。

当て板24はボルトで締付固着された時ロータリム２側
を支点として積層鉄心３に軸方向の圧縮力が加わるよう
に構成される。28は、その圧縮力が効果的に作用するよ
うにロータリム２の積層方向の端に位置するリム材21に
形成した逃げ部である。

この圧縮力をさらに効果的に作用させる手段として当
て板24は積層鉄心３の軸方向の端面に当たる部分でその
外周方向に向うに従って厚くなる如く機械加工すると有
効である。この様に形成した当て板24は、積層鉄心３の
外周側ほど強い圧縮力を発揮することが出来るので、長
年に亘る使用時の機械的な枯れ現象が進んでも十分な締
付力を保持することができる。

〔発明の効果〕以上の構成から成る回転子を備えた竪軸形の可変速式
発電機によれば、従来の凸極形同期機に匹敵する容量ま
で、高速化，大容量化したものを製作することが可能に
なる。

そして、この種可変速式発電機を実用化できることに
よって電力系統の安定化を向上させることが出来る効果
がある。

さらに、本構成の可変速式発電機は、その体格から、
「はずみ車効果」を、水車が要求する大きさで発生する
ことができるため、揚水式発電所に適用する場合でも、
優れた揚水効率を発揮することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の竪軸形可変速式発電機と水車の関係
を表わした一部断面側面図、第２図は、本発明の竪軸形
可変速式発電機の回転子部分のみを表わした断面図、第
３図は第２図を拡大して表わした断面図、第４図は第３
図のＰ−Ｐ視図である。１……スパイダーアーム、２……ロータリム、３……積
層鉄心、４……巻線、５……固定子、６……固定子巻
線、７……推力軸受、21……リム材、22……クランププ
レート、24……当板、26……リム係合溝、27……エアダ
クト、31……鉄心板、32……スロット溝、33……コア係
合溝、36……ティース。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者粥川滋広茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者八坂保弘茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者萩谷好守茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者白田伸作茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者北英三大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者中川博人大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者大野泰照大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者葛坂聡大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (56)参考文献特開昭62−225141（ＪＰ，Ａ) 特公昭40−13813（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02K 1/22 - 1/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固定子巻線を有する固定子鉄心と、固定子
鉄心の内側に配置された中心に軸を有する積層鉄心の外
周にスロット溝を有し、当該スロット溝に巻線を挿入し
て成る回転子とを備えた可変速発電機において、前記回
転子、軸11とその軸11から半径方向に延在する複数の腕
12と、当該腕12の先端に設けた軸方向に延びる腕用係合
溝を有する係止部13と、係止部の外周側であって軸方向
に積層された積層間に半径方向に延びるリム材用エアダ
クト27を有し、且つ積層された内周側と外周側とにリム
係合溝26を有する複数層のリム材21と、リム材21の外周
側であって軸方向に積層された内周側にコア係合溝33を
有し、外周側に複数のスロット溝32を形成した扇形形状
の鉄心板31と、鉄心板31を複数積層した積層間に前記リ
ム材用エアダクト27と連通するエアダクトを有する積層
鉄心３と、上記リム係合溝26とコア係合溝33との間に嵌
め込み、リム材21と鉄心板31との間を結合する連結キー
８と、上記リム材21と鉄心板31の上下端に当接したクラ
ンプ22,41と、クランプに設けた穴25,34に挿入して締め
付けて、クランプ間にリム材21と鉄心板31とを固定する
締付手段23とを備え、上記締付手段23と連結キー８とを
半径方向の軸線に一致するように構成することを特徴と
する可変速発電機。
【請求項２】上記リム材21と鉄心板31の上下端に当接し
たクランプ22,41と、一方のクランプ22に設けた凹に他
方のクランプ41に設けた凸を嵌め込んで、クランプの穴
25,34に挿入した締付手段23を締め付けて、クランプ間
にリム材21と鉄心板31とを固定することを特徴とする請
求項１記載の可変速発電機。
【請求項３】上記の上下端にクランプ22,41と鉄心板31
との間に当接する当板24と対応するリム材21の両端を切
り欠いた逃げ部28を設けることを特徴とする請求項１記
載の可変速発電機。