JP3521261B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

回転電機の回転子

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憲一 服部
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は回転電機に係わり、
特にタービン発電機の円筒形回転子の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のタービン発電機などの回転電機の
円筒形回転子には、回転子に励磁電源から直流電源を受
けて発電機を励磁する界磁巻線が設けられている。回転
子には周方向に等間隔に、軸線方向に延びる複数個の巻
線挿入用スロットが設けられ、スロットとスロットの間
がティースを形成している。スロット内には界磁巻線が
施され、この界磁巻線はウェッジでスロット内に保持さ
れる構造になっている。スロットは円筒状をした鉄塊、
つまり回転子に切削工具を用いて加工されるが、一般に
は、すべてのスロットを同一の工具で加工するため、ス
ロット底の形状は、特開平4−248342号公報、または特
開平09−084312号公報記載の例のように、スロット同士
の深さが異なっていても、同一機種であれば同じにな
る。なお、回転子の磁極部分にはスロットは設けられて
おらず、磁極部分ではスロットの周方向の間隔が広くな
っている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】回転中の回転子のティ
ースには、スロット内のコイル、ウェッジなどの遠心力
およびティース自身の遠心力がかかるため、ティースの
半径方向根本部はこれらの大きな力を保持しなければな
らない。特に、スロットの中で磁極に近いもののティー
スには磁極自身の遠心力の影響が現れ、他のティースと
は異なる力が負荷される。このため、磁極寄りのティー
ス根本部の荷重が増加する。スロットの深さを深くして
界磁巻線量を増加させようとしても、この磁極寄りのス
ロット底の単位面積当たりの荷重、すなわち応力の集中
が問題となって、スロットを深くできないという問題が
あった。
【0004】本発明の課題は、磁極寄りのティースの応
力集中を緩和して、スロットを深くし、界磁巻線を増加
できる回転子構造の提供にある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、円筒形状の鉄心と、該鉄心に設定された磁
極部と、鉄心の前記磁極部以外の部分に軸方向に長く半
径方向に深さを持って形成された複数個の巻線挿入用ス
ロットと、該スロット間に形成されたティースと、前記
スロット内に挿入された巻線と、前記スロットの前記巻
線の半径方向外側に挿入されて前記巻線をスロット内に
保持するウェッジと、を含んでなる回転電機の回転子に
おいて、以下のことを特徴とする回転子構造をもつ。
【0006】(1)磁極部に最も近いスロットよりも
転子の半径方向に深いスロットのうち、磁極部に最も近
いスロットの底面と壁面を結ぶ曲面の半径が、他のスロ
ットの底面と壁面を結ぶ曲面の半径よりも大きいこと。
【0007】(2)磁極部に最も近いスロットよりも
転子の半径方向に深いスロットのうち、磁極部に最も近
いスロットの底の形状が、回転子の軸線に垂直な平面で
みた断面で、スロットの底面と磁極に近い側の壁面を結
ぶ曲面の半径が、他方の壁面と底面を結ぶ曲面の半径よ
りも大きいこと。
【0008】(3)磁極部に最も近いスロットよりも
転子の半径方向に深いスロットのうち、磁極部に最も近
いスロットの底の形状が円弧をなし、その円弧の半径が
スロットの幅の2分の1であること。
【0009】(4)磁極部に最も近いスロットを含み互
いに隣接する複数本のスロットの底の形状が、回転子軸
線に垂直な断面でみたときの断面形状で、底面と壁面を
結ぶ曲面の半径が、他のスロットの底面と壁面を結ぶ曲
面の半径よりも大きいこと。
【0010】(5)全スロットの底の、回転子軸線に垂
直な平面でみた断面形状円弧をなし、その円の半
径がスロットの幅の2分の1であり、全スロットのう
ち、磁極部に最も近いスロットは他のスロットよりも回
転子の半径方向に浅く形成されてなること
【0011】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を図を用いて説明
する。一般的な発電機の斜視図を図1に示す。円筒形状
をした回転子1はステータフレーム20内に軸受30を
介して回転できるように支持されている。ステータフレ
ーム20の回転子1に対向する位置に、ステータコイル
40が配置され、ステータフレーム20内部には、ステ
ータコイル40と回転子1を冷却するための気体(空
気、窒素など)が封入されている。
【0012】図2は本発明の第1の実施例である回転電
機の回転子1の軸線に垂直な平面でみた断面図(以下、
断面図はすべて回転子1の軸線に垂直な平面でみた断面
図)を示す。回転子1は円形断面をしており、界磁巻線
2が挿入してあるスロット3が、磁極部4を除く円周上
に等間隔で加工されている。回転子1にはスロット3を
加工していない磁極部4があり、磁極部4の数は2個あ
るいは4個の場合が普通である。スロット3には、界磁
巻線2が回転中に遠心力で半径方向外側に飛び出さない
ように、軸線方向に延びるウェッジ5が嵌め込まれてい
る。スロット3の深さは磁極部4に最も近いスロット6
のみが他のスロットより半径方向に浅くなっている。ス
ロット3の底は矩形状をしており、底面の角7、すなわ
ち底面とスロットの壁面を結ぶ曲面は円弧状をなしてい
る。スロット3の界磁巻線2の下(半径方向中心側)の
矩形状の空間は界磁巻線2を冷却するための気体が通る
ための穴であり、サブスロット10と呼ばれる。サブス
ロット10の回転子軸線に垂直な平面でみた断面開口面
積が大きいほど通風量が増やせるため、界磁巻線冷却上
有利である。スロット3とスロット3の間の壁状の部分
がティース13である。
【0013】図3は回転子回転中のティース13根元付
近の応力分布図である。他のスロットより半径方向の深
さが深いスロットのうち、磁極4に最も近いスロットの
底の応力が最も高い。これは磁極部4の遠心力がこれに
近いティースに影響するためである。この計算結果は、
スロット底の形状がすべて同じ場合についてのものであ
る。図2の例では、半径方向の深さが最も深いスロット
3のうち、磁極部4に最も近いスロット8の底の形状の
みが他のスロットの底の形状と異なっている。具体的に
は、該スロット底面の角7、すなわちスロット底面とス
ロットの壁面を結ぶ円弧の形状を決める半径の大きさ
が、他のスロット底のそれらよりも大きくなっている。
本実施例によれば、最も応力の集中するスロット底の応
力を緩和することができるため、ティース13を構成す
る素材の強度範囲内で、スロット3の深さを深くするこ
とができる。したがって、スロット内の界磁巻線量を増
やすことができる。また、スロット3の深さが同じ場合
は、スロット底の角7の曲線形状を構成する円弧の半径
を大きくとることでサブスロット10の通風面積が減少
するが、半径方向の深さが最も深いスロット3のうち、
磁極部4に最も近いスロットの底の形状のみ円弧の半径
を大きくすることで、通風面積が減少するスロット3の
数が必要最少限で済む。
【0014】本発明の第2の実施例を図4を用いて説明
する。図4は本発明の第2の実施例である回転電機の回
転子の断面図である。本実施例においては、半径方向に
最も深いスロットのうち、磁極部4に最も近いスロット
3の底8の形状が、左右非対称となっている。具体的に
は、該スロット底の角7の形状が曲面をなし、かつ、磁
極部4に近い側の角9の曲面をなす円弧の半径のみが他
のそれらより大きくなっている。図3に示す応力分布を
参照すると、最も応力が高いのは磁極部4に最も近く、
半径方向に最も深いスロットの底の磁極側の角に発生し
ている。したがって、この部分の曲面形状のみを他より
大きな半径を有する円弧で構成することで、最大応力を
緩和できる。本実施例によれば、スロット底の形状変更
を施す箇所が少なくでき、加工工数を低減できる。
【0015】本発明の第3の実施例を図5を用いて説明
する。図5は本発明の第3の実施例である回転電機の回
転子の断面図である。本実施例において、スロットの半
径方向深さは全スロットとも同一である。この場合、最
も高い応力が発生する箇所は、最も磁極部4に近いスロ
ット底の角である。したがって、このスロット底の形状
のみ他のスロットの形状と変えること、具体的にはスロ
ット底面の角の曲面を構成する円弧の半径を大きくとる
ことで、この部分の応力を緩和できる。本実施例によれ
ば、スロットの半径方向深さが全スロット同一の機種に
おいても、最大応力を緩和することができ、強度上の裕
度が上がる。また、スロット深さを深くすることもで
き、界磁巻線の量が増やせる。
【0016】本発明の第4の実施例を図6を用いて説明
する。図6はスロットの断面図である。界磁巻線を納め
たスロットの底には界磁巻線を冷却するための気体を通
すためのサブスロット10が加工されている。本実施例
では、サブスロット底の形状を円弧状とし、円弧の直径
Wをサブスロットの幅に一致させた例である。
【0017】本発明の第5の実施例を図7を用いて説明
する。図7は回転電機の回転子の断面図である。本実施
例は、磁極部4に最も近いスロット8と、それに隣接す
る深さがスロット8と同じスロット11の底の角の円弧
の半径が、他のスロット底の角の円弧の半径より大きく
してある例である。スロット底への磁極部の遠心力の影
響は磁極部から離れるに従い弱くなる。本実施例によれ
ば、磁極部に最も近いスロットと、それに隣接する同じ
深さのスロットの両者の底の応力を緩和できるため、最
大応力を緩和することができ、強度上の裕度が上がる。
また、スロット深さを深くすることもでき、界磁巻線の
量が増やせる。
【0018】本発明の第6の実施例を図8を用いて説明
する。図8は回転電機の回転子の断面図である。本実施
例は、全スロットの底の形状が円弧状であり、円弧の直
径Wをスロットの幅に一致させた例である。こうするこ
とで、最大応力を緩和することができ、強度上の裕度が
上がる。また、スロット深さを深くすることもでき、界
磁巻線の量が増やせる。また、スロット底形状がすべて
同じであるため加工の際の工具が一種類で済むという効
果を生む。
【0019】本発明の第7の実施例を図9を用いて説明
する。図9は回転電機の回転子の断面図である。本実施
例において界磁巻線の下には冷却用気体が通る穴、すな
わちサブスロットは無い。この場合、半径方向の深さが
最も深いスロットのうち、磁極部4に最も近いスロット
の底の形状が他のスロットと異なっている。具体的に
は、該スロット底面の角7の曲面形状を決める半径の大
きさが、他のスロット底のそれらよりも大きくなってい
る。本実施例によれば、サブスロットが無い場合でも、
最も応力の集中するスロット底の応力を緩和することが
できるため、ティース13を構成する素材の強度範囲内
で、スロットの深さを深くすることができる。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、回転電機の回転子を構
成する素材を変更することなく強度上の裕度を上げるこ
とができる。また、強度上の許容範囲内でスロットをさ
らに深くすることができるため、スロット内の界磁巻線
量を増加することができ、発生磁場の強い回転子が構築
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用される回転子を備えた発電機の一
部破砕断面図である。
【図2】本発明の第1の実施例である回転電機の回転子
を示す断面図である。
【図3】回転子のスロット壁面の深さ方向の応力分布を
示す概念図である。
【図4】本発明の第2の実施例である回転電機の回転子
を示す断面図である。
【図5】本発明の第3の実施例である回転電機の回転子
を示す断面図である。
【図6】本発明の第4の実施例である回転電機の回転子
を示す断面図である。
【図7】本発明の第5の実施例である回転電機の回転子
を示す断面図である。
【図8】本発明の第6の実施例である回転電機の回転子
を示す断面図である。
【図9】本発明の第7の実施例である回転電機の回転子
を示す断面図である。
【符号の説明】
1 回転子 2 界磁巻線 3 スロット 4 磁極部 5 ウェッジ 6 磁極部に最も近いスロット 7 スロットの角 8 半径方向に最も深いスロットのうち、磁極部に最も
近いスロット 9 磁極部に近い側のスロットの底の角 10 サブスロット 11 半径方向に最も深いスロットのうちの磁極部に最
も近いスロットに隣接するスロット 12 サブスロット無しのコイルスロット 13 ティース 20 ステータフレーム 30 軸受 40 ステータコイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桧山 太 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 昭64−1437(JP,A) 実公 昭10−8229(JP,Y1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02K 1/26 H02K 19/16

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 円筒形状の鉄心と、該鉄心に設定された
    磁極部と、鉄心の前記磁極部以外の部分に軸方向に長く
    半径方向に深さを持って形成された複数個の巻線挿入用
    スロットと、該スロット間に形成されたティースと、前
    記スロット内に挿入された巻線と、前記スロットの前記
    巻線の半径方向外側に挿入されて前記巻線をスロット内
    に保持するウェッジと、を含んでなる回転電機の回転子
    において、磁極部に最も近いスロットよりも回転子の半
    径方向に深いスロットのうち、磁極部に最も近いスロッ
    トの底面と壁面を結ぶ曲面の半径が、他のスロットの底
    面と壁面を結ぶ曲面の半径よりも大きいことを特徴とす
    る回転電機の回転子。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の回転電機の回転子におい
    て、磁極部に最も近いスロットよりも回転子の半径方向
    に深いスロットのうち、磁極部に最も近いスロットの底
    の形状が、回転子の軸線に垂直な平面でみた断面で、ス
    ロットの底面と磁極に近い側の壁面を結ぶ曲面の半径
    が、他方の壁面と底面を結ぶ曲面の半径よりも大きいこ
    とを特徴とする回転電機の回転子。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の回転電機の回転子におい
    て、磁極部に最も近いスロットよりも回転子の半径方向
    に深いスロットのうち、磁極部に最も近いスロットの底
    の形状が円弧をなし、その円弧の半径がスロットの幅の
    2分の1であることを特徴とする回転電機の回転子。
  4. 【請求項4】 円筒形状の鉄心と、該鉄心に設定された
    磁極部と、鉄心の前記磁極部以外の部分に軸方向に長く
    半径方向に深さを持って形成された複数個の巻線挿入用
    スロットと、該スロット間に形成されたティースと、前
    記スロット内に挿入された巻線と、前記スロットの前記
    巻線の半径方向外側に挿入されて前記巻線をスロット内
    に保持するウェッジと、を含んでなる回転電機の回転子
    において、磁極部に最も近いスロットを含み互いに隣接
    する複数本のスロットの、底面と壁面を結ぶ曲面の半径
    が、他のスロットの底面と壁面を結ぶ曲面の半径よりも
    大きいことを特徴とする回転電機の回転子。
  5. 【請求項5】 円筒形状の鉄心と、該鉄心に設定された
    磁極部と、鉄心の前記磁極部以外の部分に軸方向に長く
    半径方向に深さを持って形成された複数個の巻線挿入用
    スロットと、該スロット間に形成されたティースと、前
    記スロット内に挿入された巻線と、前記スロットの前記
    巻線の半径方向外側に挿入されて前記巻線をスロット内
    に保持するウェッジと、を含んでなる回転電機の回転子
    において、全スロットの底の、回転子軸線に垂直な平面
    でみた断面形状が円弧状をなし、その円弧の半径がスロ
    ットの幅の2分の1であり、全スロットのうち、磁極部
    に最も近いスロットは他のスロットよりも回転子の半径
    方向に浅く形成されてなることを特徴とする回転電機の
    回転子。
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