JP3362479B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ウェッジ等の回転子の
渦電流の流れる部分の材質を改良した回転電機の回転子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンや蒸気タービンを駆動源と
する発電設備に用いられている発電機の回転子の界磁巻
線を押さえるウェッジとしては、一般に鉄やアルミの合
金が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、電力需要の増加
に対応して大容量の発電設備が建設されるようになって
いる。これに伴い、ガスタービンあるいはコンバインド
サイクル発電設備を始動するための始動装置も大容量の
ものが要求されるようになり、サイリスタ始動方式が注
目されるようになった。これは、発電設備を始動する際
に発電設備中の同期発電機を可変速の電動機として作動
させ、この電動機から得たトルクによってガスタービン
を自力昇速可能速度まで加速する方式である。

【０００４】同期電動機の回転速度は、電機子巻線に印
加する交流電源の周波数に依存している。従って、同期
発電機を可変速運転するためには、周波数可変の交流電
源が必要であり、その周波数は可変速電動機の回転速度
に応じて制御できるものでなければならない。周波数電
源を得る目的で、サイリスタなどの半導体素子をもちい
た周波数変換装置が利用されている。

【０００５】周波数変換装置は、交流を直流に変換する
順変換部と直流を交流に変換する逆変換部とからなって
いる。この周波数変換装置をもちいて発電設備を始動す
る際、発電機の電機子巻線には方形波電流を流す。方形
波電流には高調波電流が含まれており、その電流は下式
のように表わすことができる。

【０００６】 高調波の周波数 ｆｉ＝（６ｉ±１）ｆ０ 高調波の大きさ Ａｉ＝Ａ０／（６ｉ±１） ただし、ｉ＝１，２，３，… ｆ０＝基本波の周波数 Ａ０＝基本波の大きさ この電機子巻線に流れる高調波電流は回転子の表面に渦
電流を誘起する。回転子のウェッジに流れる渦電流はウ
ェッジとウェッジとの繋ぎ目においてティースに移行し
て流れる。渦電流は端部においてリティニングリング及
びダンパリングに移行して、回転子の円周方向に流れ
る。また、磁極部においてはクロススロットの付近でク
ロススロットの端に電流が集中して流れる。これらの回
転子表面に流れる渦電流により損失が発生し、その結
果、回転子表面の温度が上昇する。

【０００７】一方、回転子の冷却性能は回転数に依存
し、始動時の低速回転の際には十分な冷却性能がないた
め、始動時の温度上昇が問題となり、発電機に悪影響を
与えることになる。また、電力系統には種々の電気機器
が発生する高調波電流が含まれているため、発電機は常
に高調波電流が流れている状況にある。

【０００８】回転子の表面に渦電流が流れないようにす
るには、発電機の回転子の界磁巻線を押さえるウェッジ
及びダンパに渦電流を集中させることが考えられる。ウ
ェッジとして一般に用いられている鉄では、回転子の抵
抗とウェッジの抵抗とがほぼ等しいため、ウェッジに渦
電流を集中させることができない。同じくウェッジとし
て一般に用いられているアルミでは、ウェッジに渦電流
を集中させることはできるが、低速回転時等で発生する
恐れのある電蝕に対して弱いという問題がある。

【０００９】電蝕に対しては、特公昭59−35420 号公報
には銅に数パーセントのシリコンとニッケルを加えた銅
合金を使用しているが、電蝕に対して配慮されていな
い。特公昭63−12931 号公報には上述の組成の他にジル
コニウムを使用しているが、電蝕及びウェッジ等に対し
て配慮されていない。

【００１０】またダンパとして一般に用いられている銅
に関しては、材料強度及び耐熱強度があまり大きくない
ため、電流を多く流すことには問題がある。

【００１１】本発明の目的は、電蝕による破損を防止し
た回転電機の回転子を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この問題を解決するた
め、本発明の回転電機の回転子は、軸方向に連続した溝
を周方向に複数設け、溝内に回転子巻線を収納すると共
に、回転子巻線が遠心力で飛び出すのを防止するウェッ
ジを回転子表面付近溝内に収納し、ウェッジは、Ｃｕ合
金からなり、合金組成は、Ｓｉ０.３〜２％ ，Ｎｉ２〜
６％，Ａｌ２〜６％含有し、残部が銅から成るように構
成した。

【００１３】

【作用】ウェッジに例えばＣｕとＺｒとＮｉとＳｉとの
合金を使用すると、この銅合金は導電率が良いから、電
気抵抗が小さく、温度上昇が少なく、回転子表面の温度
上昇を抑えることができると共に、機械的強度が強く、
耐電蝕性に優れているので、例えばウェッジがティース
に衝突してもスパークにより変形しにくく、ウェッジの
破損を防止できる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１乃至図３により
説明する。図１は同期発電機の回転子１であり、回転子
１の部分断面図が図２，図３である。

【００１５】回転子１は円筒状に形成されており、両端
に主軸１Ａを備え、主として鉄心２と界磁巻線３とより
成る。縦溝４とティース５は回転子１の周方向に沿って
複数個形成されていると共に、軸方向に伸びている。界
磁巻線３及びウェッジ６は縦溝内に収納されている。ウ
ェッジ６は界磁巻線外周側の縦溝４内に配置され、軸方
向に複数個分割して、界磁巻線３が縦溝４より外部に飛
び出すのを防止している。ダンパリング７は主軸側のウ
ェッジ端に接続して、回転子１の周方向に沿って取り付
けられ、ダンパリング７の上側にはリティニングリング
８を配置している。リティニングリング８は界磁巻線
３，ダンパリング７等を回転子１に固定している。２Ａ
はクロス．ロットである。

【００１６】この発電機の回転子１の定格回転数は約３
６００rpm であるが、始動時の低速回転数例えば約数１
００rpm 以下で回転する。このため、回転子１のウェッ
ジ６には遠心力が働き、この高遠心力に耐える材料強度
が必要となる。また、回転子に誘起される渦電流をウェ
ッジ６に集中させるためには、回転子表面に比べてウェ
ッジ６が高い導電率を有している必要がある。

【００１７】図４は回転子１に誘起される渦電流と温度
上昇との関係について示したものである。回転子１に誘
起される渦電流I_Sは、電機子巻線に流れる高調波電流Ｉ
₂ に比例する。即ち、Ｉｓ∝Ｉ₂の関係にある。

【００１８】一方、回転子表面での温度上昇ΔＴと渦電
流Ｉｓとの関係は次式で表わせる。 ΔＴ ∝Ｒ・Ｉｓ 但し、Ｒ：回転子表面の抵抗 従って、回転子表面の温度上昇は渦電流の流れる回転子
表面の抵抗の大きさに比例する。つまり、回転子表面の
渦電流の流れる部分の抵抗を小さくすれば、回転子表面
の温度上昇を抑えることができる。

【００１９】これらの条件を考慮すると、発電機の回転
子のウェッジとして使用する場合、必要となる材料強度
と導電率の基準は、ＩＡＣＳ［Intertional Annealed
Copper Standard(国際軟銅標準)］によれば、以下の
ように規定されている。

【００２０】 ０.２％耐力≧約２０kg／mm² …（１） 導電率≧約２０％ＩＡＣＳ …（２） 図５（Ａ),（Ｂ）乃至図８に示す実験デ−タによりウェ
ッジ６の材料強度及び導電率について説明する。

【００２１】図５（Ａ),（Ｂ）は、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｎｉ−
Ｓｉ合金の本発明の材料の強度及び導電率を示す特性図
である。

【００２２】Ｃｕ−Ｚｒ−Ｎｉ−Ｓｉ合金の組成は同図
（Ａ）に示すように、Ｓｉは上記（１）を得るために、
Ｓｉ＝０.２％ 以上必要である。しかし、同図（Ｂ）よ
りＳｉ＝１.５％を越えると、導電率が上記（２）を下
回る。従って、Ｓｉは０.２％〜１.５％が好ましい。

【００２３】Ｎｉは上記（１）を得るために、Ｎｉ＝
０.５％ 以上必要である。しかし、同図（Ｂ）よりＮｉ
＝５％を越えると、導電率が上記（２）を下回る。従っ
て、Ｎｉは０.５％〜５％が好ましい。

【００２４】Ｚｒは図６に示すような電蝕割れを抑制す
るために０.０５％ 以上必要である。しかし、Ｚｒが４
％を越えると、導電率が上記（２）を下回る。従って、
Ｚｒは０.０５％〜４％が好ましい。

【００２５】そして、Ｚｒを含まないＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ
合金は図７に示すように電蝕部が割れやすい。しかし、
（０.０５％〜４％）のＺｒを本発明のＣｕ−Ｓｉ（０.
２％〜１.５％），Ｎｉ（０.５％〜５％）合金に添加す
ると、電蝕部の割れは著しく少なくなる。

【００２６】次に、ウェッジ７に本発明の上記Ｃｕ−Ｓ
ｉ(０.２％〜１.５％)，Ｎｉ(０.５％〜５％），Ｚｒ
（０.０５％〜４％）合金を使用した場合を説明する。

【００２７】回転子表面の渦電流Ｉｓのうちウェッジ６
を流れる成分は、ウェッジ６が軸方向に分割されている
ため、ウェッジ６の切目ではティース５へ迂回して流れ
る。このため、ウェッジ６とティース５の接合面の電気
抵抗で局部的に回転子１の温度が上昇したり、双方の電
位差によりアークが発生し、電蝕によりウェッジ６とテ
ィース５の接合部が溶解する。

【００２８】特に、回転子１が低速回転している時、例
えばサイリスタ始動初期時は、ウェッジ６に働く遠心力
が十分ではないために、回転子１が図３（Ａ）のように
上側の時には、ウェッジ６が縦溝４の間隙を介して矢印
Ａのようにティース５より離れ、ウェッジ６とティース
５との間にスパークを発生する。更に、回転子１が移動
して、図３（Ｂ）の下側に来ると、ウェッジ６が重力ｇ
により矢印Ｂのようにティース５に衝突する。

【００２９】しかし、本発明のウェッジ６は上記Ｃｕ−
Ｚｒ−Ｎｉ−Ｓｉ合金を使用したので、この合金は上述
のように導電性が良く、渦電流Ｉｓが流れても、温度上
昇が少なく、機械的強度が大きく、ウェッジ６がティー
ス５に衝突しても、変形しにくいと共に、図８に示すよ
うに、耐電蝕性に優れているので、スパークが生じにく
く、ウェッジ６が溶損しにくい。

【００３０】また、（０.０５％〜４％）のＺｒを本発
明のＣｕ−Ｓｉ（０.２％〜１.５％)，Ｎｉ(０.５％〜
５％）合金に添加すると、電蝕部の割れは著しく少なく
なるので、更に、ウェッジ６が溶損しにくい。

【００３１】図８は、本発明のウェッジと従来のウェッ
ジの耐電蝕性の比較を示している。耐電蝕性に対して、
従来の鉄やアルミ製のウェッジに比べ、本発明の銅合金
のウェッジは約５０倍の耐力を有している。

【００３２】またティース５とウェッジ６の接合面の電
気抵抗で局部的に回転子１の温度が上昇するが、本発明
のウェッジ銅合金の材料の機械的強度及び導電率特性は
図５に示すように、導電率が良いから、電気抵抗が小さ
く、温度上昇が少ないと共に、機械的強度が強く、ウェ
ッジ６がティース５に衝突しても変形しにくく、ウェッ
ジ６の破損を防止できるので、巻線３が縦溝４から飛び
出すことがない。

【００３３】図９（Ａ）及び（Ｂ）は、Ｃｕ−Ａｌ₂Ｏ₃
合金の強度及び導電率を示している。

【００３４】Ａｌ₂Ｏ₃は上記（１）の強度を得るために
は、０.３(vol％)以上必要である。しかし、Ａｌ₂Ｏ₃が
２０(vol％）を越えると同図（Ｂ）より、導電率が上記
(２)を下回る。従って、Ａｌ₂Ｏ₃は（０.３％〜２０ｖ
ｏl％）が好ましい。

【００３５】またＣｕ−Ａｌ₂Ｏ₃合金の耐電蝕性は図８
より明らかなように他のＦｅ，Ａｌ金属より良く、ウェ
ッジに使用すれば上記と同様な効果を達成することが出
来る。

【００３６】図１０（Ａ),（Ｂ）は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ
合金にＡｌを添加した場合である。Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ−
Ｓｉ合金の場合、合金の成分を適切に選ぶと室温で約５
０kg／mm² 以上の０.２％ 耐力と約２０％ＩＡＣＳの導
電率を有する合金となる。

【００３７】Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｓｉ合金の組成は次の
とおりである。

【００３８】Ａｌは０.２％ 耐力，５０kg／mm² 以上を
得るためには、同図（Ａ）に示すように２％以上必要で
ある。しかし、Ａｌが６％を越えると同図（Ｂ）より、
導電率が上記（２）を下回る。従って、Ａｌは（２％〜
６％）が好ましい。

【００３９】Ｎｉは導電率が上記（２）を満足するため
には、（２％〜６％）が好ましい。Ｓｉは導電率が上記
（２）を満足するためには、(０.３％〜２％）が好まし
い。

【００４０】この本発明のＣｕ−Ａｌ（２％〜６％），
Ｎｉ（２％〜６％），Ｓｉ（０.３％〜２％）合金を回
転電機のロータウェッジ６に使用すると、ウェッジに対
する材料強度と導電率の基準を満たすことができるた
め、高調波によって誘起される回転子表面の温度上昇を
抑えることができ、上述と同様な効果を達成することが
出来る。

【００４１】本発明では他のウェッジ材料及び回転子の
渦電流の流れる部分に使用する合金として、次の合金を
使用できる。

【００４２】１）Ｃｕ−Ｔｉ−Ｎｉ合金，Ｃｕ−Ｎｉ−
Ｓｉ合金，Ｃｕ−Ｔｉ−Ｆｅ合金，Ｃｕ−Ａｇ合金，Ｃ
ｕ−Ｃｒ合金，Ｃｕ−Ｚｒ−Ｃｒ−Ａｌ合金，Ｃｕ−Ｔ
ｉ−Ｓｉ合金，Ｃｕ−Ｃｏ−Ｓｉ合金を使用する。

【００４３】２）或いは酸化物，窒化物等のセラミック
ス微粒子(Ａｌ₂Ｏ₃，ＴｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＢＮ，ＡｌＮ
等）を、マトリックス中に分散させた銅合金を使用する
酸化物，窒化物等のセラミックス微粒子(Ａｌ₂Ｏ₃，Ｔ
ｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＢＮ，ＡｌＮetc.）をマトリックス中
に分散させた銅合金を使用することにより、耐熱性に優
れた、ウェッジ及び回転子の渦電流の流れる部分に使用
する合金の材質として使用できる。

【００４４】更に、回転子表面に図４のように渦電流Ｉ
ｓが流れた際には、渦電流Ｉｓの流れている部分が温度
上昇するが、この温度上昇は、場合によっては局所的に
数百℃まで達する恐れがあるため、ウェッジの耐熱性が
問題となる。本発明の酸化物，窒化物を使用したウェッ
ジであれば、充分に温度上昇にたえることができる。ま
た回転子の端部は、中央部に比べ運転時の温度上昇が大
きく、また回転子を製造する際にリティニングリングを
焼きばめするため、耐熱性に優れた材質を使用する必要
がある。

【００４５】一方、中央部では渦電流による温度上昇を
抑えるため、低抵抗の材質を使用することが望ましい。

【００４６】そのため、本発明では端部に耐熱性の高い
銅合金を用い、中央部に導電性の高い銅合金を用いてい
る。また従来のウェッジを使用している回転電機に対し
ても、同じ大きさの銅合金に交換するだけで、高調波に
対する耐量を上げることができる。

【００４７】上述の実施例ではウェッジについて述べた
が、ダンパリングの渦電流Ｉｓが流れる部分に本発明の
銅合金を使用してもよい。

【００４８】

【発明の効果】以上本発明のウェッジ及びダンパ等に本
発明の銅合金を使用したので、この銅合金は導電率が良
いから、電気抵抗が小さく、回転子表面の温度上昇を抑
えることができる。従って、機械的強度が強く、耐電蝕
性に優れているので、渦電流が流れる部分の部材も破損
しにくと共に、例えばウェッジがティースに衝突した時
のスパークにより変形しにくく、ウェッジ等の本発明の
銅合金の破損を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である発電機の回転子の斜視図
である。

【図２】図１に使用した回転子の部分断面図である。

【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は図１に使用した回転子のウ
ェッジが上側及び下側に移動した時の部分断面図であ
る。

【図４】図１の回転子の表面に誘起される渦電流の流れ
を示す説明図である。

【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は図１の回転子ウェッジに使
用したＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｚｒ合金の強度及び導電率を
示す特性図である。

【図６】図５のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｚｒ合金のＺｒの耐
電蝕性を示す特性図である。

【図７】図５のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金の結晶図である。

【図８】図５の本発明の合金と他の金属の耐電蝕性を示
す特性図である。

【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の他の実施例として
示したＣｕ−Ａｌ₂Ｏ₃合金の強度及び導電率を示す特性
図である。

【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の他の実施例とし
て示したＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｓｉ合金の強度及び導電率
を示す特性図である。

【符号の説明】

１…回転子、２…鉄心、３…巻線、４…縦溝、５…ティ
ース、６…ウェッジ、７…ダンパリング、８…リティニ
ングリング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴田 文夫 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社 日立製作所内 (56)参考文献 特開 昭64−89935（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−10936（ＪＰ，Ａ) 特公 昭59−35420（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭63−12931（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 3/487

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸方向に連続した溝を周方向に複数設け、
   該溝内に回転子巻線を収納すると共に、該回転子巻線が
   遠心力で飛び出すのを防止するウェッジを回転子表面付
   近溝内に収納した回転電機の回転子において、前記ウェ
   ッジは、Ｃｕ合金からなり、前記合金組成は、Ｓｉ０.
   ３〜２％ ，Ｎｉ２〜６％，Ａｌ２〜６％含有し、残部
   が銅から成ることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 【請求項２】前記銅合金は、酸化物粒子及び窒化物粒子
   の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記
   載の回転電機の回転子。
3. 【請求項３】前記酸化物粒子は、Ａｌ₂Ｏ₃，ＴｉＯ₂ ，
   Ｙ₂Ｏ₃の少なくとも１つからなることを特徴とする請求
   項２に記載の回転電機の回転子。
4. 【請求項４】前記窒化物粒子は、ＢＮ及びＡｌＮの少な
   くとも一方からなることを特徴とする請求項２に記載の
   回転電機の回転子。
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の銅合金
   を回転子鉄心の端部に設けられたダンパリングに用いた
   ことを特徴とする回転電機の回転子。