JP3533798B2 - 二極タービン発電機の回転子 - Google Patents

二極タービン発電機の回転子

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JP3533798B2 JP34030095A JP34030095A JP3533798B2 JP 3533798 B2 JP3533798 B2 JP 3533798B2 JP 34030095 A JP34030095 A JP 34030095A JP 34030095 A JP34030095 A JP 34030095A JP 3533798 B2 JP3533798 B2 JP 3533798B2
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家導 宮川
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はタービン発電機の回
転子に係り、特に、塊状鉄心を用いた二極タービン発電
機の円筒形回転子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のタービン発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。回転子は単一鋼塊か
ら作成され、磁極部と非磁極部からなり、非磁極部には
塊状の回転子鉄心に周方向に等間隔に複数個の巻線を挿
入するためのスロットを設け、スロット間にはティース
が設けられている。スロット内には界磁巻線が施され、
界磁巻線上部に挿入された回転子ウエッジで界磁巻線が
保持される構造になっている。
【0003】タービン発電機の円筒形回転子で、大容量
機ではスロットを設置していない磁極部の大きさ、すな
わち、磁極部を境にして磁極部最寄りのスロット間の角
度θは一般にギャップ部の磁束が正弦波に近づく値に選
定され、発電機の電圧波形が良好となるようにしてい
る。一方、このとき発電機の励磁に必要な界磁起磁力を
得るためには、例えば特開昭49−45307 号公報に記載さ
れているように、スロットの深さや幅を調整して界磁巻
線断面を加減し、所定の界磁巻線の温度上昇限界を越え
ないように、所要の界磁起磁力を確保するようにしてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、磁
極部最寄りのスロット間の角度θを発電機のギャップ磁
束の分布が正弦波に最も近くなる値として、二極機では
60°程度に設定しているが、端子電圧の波形歪みの大
きさは、正弦波磁束分布に最も近くなるθのとき十分過
ぎるほど小さい値である。しかし、定格負荷時における
界磁電流は、正弦波磁束分布に最も近くなるθのとき必
ずしも最小にならないため、界磁巻線の温度上昇や損失
が最小にならない。
【0005】本発明の目的は、所要界磁電流を低減でき
る二極タービン発電機の回転子を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】磁極部と該磁極部以外に
複数個の等間隔に設置された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を有する塊状回転子鉄
心と、前記巻線挿入用スロット内に挿入された界磁巻線
と、前記界磁巻線保持用ウエッジとを備えれた二極ター
ビン発電機の回転子で、前記磁極部を挟んだ前記磁極部
最寄りの前記巻線挿入用スロット間角度をθ、前記挿入
用スロットのピッチをαとしたとき、65°≦θ≦75
°かつ6≦(θ/α)≦9の関係を満足するようにして
構成する。
【0007】本発明によれば、出力電圧の波形の品質を
実用上過不足のないものとし、負荷時における所要界磁
起磁力が最も小さくできるため、界磁巻線銅損の減少に
よる発電機効率の向上や界磁巻線の温度上昇の低減を図
ることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて詳細に説明する。
【0009】図1に本発明の一実施例を示す二極タービ
ン発電機の回転子の断面構造を示し、図2に本発明に関
わる二極タービン発電機の断面構造を示す。図1,図2
では二極のうちの一極分のみを図示した。また、説明
で、磁極部6の中心軸12を直軸と呼ぶことにする。
【0010】まず、図2を用いて本発明に関わるタービ
ン発電機の概略構造を説明する。
【0011】タービン発電機は固定子1とギャップ11
を介して回転子2で構成し、固定子1には積層鉄心に固
定子スロット3を設け、電機子巻線4を施す。電機子巻
線4には平角銅線を用いて、亀甲形コイルにしたものを
用い、電機子巻線4を保持するために、固定子スロット
3の頭部に固定子ウエッジ5を挿入する。
【0012】タービン発電機の回転子2は機械強度を持
たせるために単一鋼塊から製作し、磁極部6と非磁極部
を形成する。非磁極部には回転子2の周方向に等間隔に
複数個の巻線挿入用回転子スロット7を設け、スロット
7間にはティース8を設ける。スロット7内には界磁巻
線9を施し、界磁巻線9上部に回転子ウエッジ10を挿
入して界磁巻線9を保持する構造にする。界磁巻線9
は、裸銅帯を平打ち巻にして、層間を絶縁して形成す
る。このようにすれば、界磁巻線9を励磁することによ
って、直軸12の方向に磁束を発生させることができ
る。なお、スロット7は複数個設置され、それぞれのス
ロット7を磁極部6最寄りから、磁極部6から遠ざかる
に従って#1、#2、…、#Nrと呼ぶことにすれば、
図中にも表現したように少なくとも磁極部6最寄りの#
1スロット深さを他のスロットと同等以下の深さにし
て、磁極部6最寄りの#1スロット底部の間隔を広くと
り磁気飽和を緩和させるようにしてもよい。
【0013】本発明は、図1の回転子2で、磁極部6の
角度θすなわち直軸12を中央とした#1スロット間の
角度θと、磁極部6を除き隣り合うスロット7間のピッ
チαを、65°≦θ≦75°かつ6≦(θ/α)≦9の
関係を満足するように選定するものである。この選定根
拠について、以下に説明する。
【0014】図3は、磁極角度θと界磁電流Ifの関係
を示したもので、100MVA級二極タービン発電機を対象に
して設計した場合の例を示した。このとき、界磁巻線、
スロットのサイズは、ぞれぞれの磁極角度θで回転子の
機械的強度や図4を用いて後述する電気特性が良好とな
るように選定して設計したもので、界磁巻線の巻数は同
一の条件とした。磁極角度θでそれぞれ設計した場合の
負荷時の界磁電流値は、有限要素法磁界解析によって算
出した。この図からわかるように、図中の斜線部で示し
た磁極角度θが65°〜75°の範囲で、界磁電流が最
小となる設計が可能であることが見い出せる。これは、
θを大きくすれば、磁極部の面積が広くなり磁気飽和が
緩和されるようになり、同一の界磁起磁力を与えればよ
り磁束を多く発生できるようになる。
【0015】このとき、図3の各磁極角度の仕様で、発
電機の端子電圧波形の狂い率Kwを有限要素法磁界解析
で解析した結果が図5であり、横軸に磁極角度と縦軸に
波形狂い率の関係を示している。これをみると、磁極角
度θが60°のとき最も波形狂い率Kwが小さいが、図
3で選定した65°≦θ≦75°の範囲でも、実用上十
分小さい波形狂い率Kwが実現できることが示されてい
る。図3と図5を併せ考えてみても、波形狂い率が最小
値ではないが、界磁電流が最小値となる65°≦θ≦7
5°の範囲でθを選定したほうが、界磁巻線の銅損,温
度上昇、および界磁巻線電圧すなわち界磁巻線を励磁す
るための励磁装置の容量を低減でき、メリットが大きい
と判断できる。
【0016】なお、図3のような特性を得るためには、
回転子スロット7の数や隣り合うスロット7間のピッチ
αを好適な値にする必要があることも解析で明らかにし
た。その条件を解析的に詳細に考察し、磁極角度/スロ
ットピッチ比θ/αを選定した根拠を図4を用いて以下
に説明する。
【0017】図4に、横軸に磁極角度θとスロットピッ
チαの比θ/αをとって縦軸に界磁電流Ifをとった白
ぬき点の曲線と、横軸にθ/αと縦軸に波狂い率Kwの
関係を示す黒ぬり点の曲線を示す。ここで、θ/αは、
図3で最も界磁電流が小さくなる磁極角度θ=70°一
定とし、スロット7の数すなわちスロット7の配置ピッ
チαをとっている。このときのスロットの深さと幅は、
それぞれのスロット数を選択したときに機械的強度が維
持でき、電気的特性が良好となるように決定している。
【0018】まず、界磁電流Ifは、θ/αが小さいほ
うが小さく、θ/αの増加に伴って増加し、θ/αが9
を越える付近から増加する割合が大きくなる。この理由
は次のように考えられる。θ/αが増加、すなわちスロ
ットピッチαが小さくなりスロット数が増えるとスロッ
ト幅が減少し、スロット7上側の幅方向磁気抵抗が減少
するため、ティース8の先端間をほぼスロット幅方向に
亘る漏れ磁束が増加して、回転子2の磁束レベルが上昇
する。磁束レベルの上昇は、回転子2の磁気飽和を大き
くさせ、発電機を励磁するために必要な界磁電流を増加
させるように作用する。その増加割合が、θ/αが9を
越える付近から大きくなることを、タービン発電機内の
詳細な磁界解析によって数値化できた。
【0019】一方、波形狂い率Kwは、θ/αが大きい
ほうが小さく、θ/αの減少に伴って増加し、θ/αが
6を下回る付近から増加する割合が大きくなる。この理
由については、次のように理解できる。θ/αが減少、
すなわちスロットピッチαが大きくなりスロット数が減
る。このとき、界磁巻線によって形成される界磁起磁力
の分布には、スロット数が少ないほど高調波成分が多く
含まれ、波形狂い率が増加することが定性的に知られて
いる。その増加がθ/αが6を越える付近から大きくな
ることは、界磁電流の場合と同様に磁界解析によって数
値化できた。
【0020】なお、図4の特性は、65°≦θ≦75°
の範囲で、略同じ結果を示したので、省略する。
【0021】以上述べたように、図1の回転子2で、磁
極角度θとスロットピッチαを、65°≦θ≦75°か
つ6≦(θ/α)≦9の関係を満足するように選定する
と、発電機端子の電圧波形狂い率をある程度小さい値に
維持したまま、負荷時の界磁電流が低減できるようにな
る。
【0022】また、実施例では、100MVA級二極タービン
発電機の解析結果を述べたが、このほか、200MVA級,70
0MVA級,1000MVA 級で同様の計算をしても、本実施例と
同様の結果が得られることを確認し、一方、力率を遅れ
0.8puから1.0puの範囲として計算しても、やは
り同様な結果となることを確認している。
【0023】更に、例えば特公昭60−34340 号などに記
載されているように、界磁巻線9と回転子ウエッジ10
の間にダンパバーが挿入されて回転子2が構成されてい
る場合もあるが、このようなダンパバーが挿入された構
成でも本実施例で述べた作用が得られる。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、負荷時における界磁電
流の低減を図ることができ、界磁巻線銅損の減少による
発電機効率の向上や界磁巻線の温度上昇の低減が実現で
きるため、同一体格で出力の大きいタービン発電機が得
られ、また、界磁を励磁するための励磁装置の容量も低
減することができ、発電システムを経済的、かつコンパ
クトに構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す二極タービン発電機の
回転子の断面図。
【図2】本発明に関わる二極タービン発電機の断面図。
【図3】磁極角度と界磁電流の関係の特性図。
【図4】磁極角度/スロットピッチ比と界磁電流,波形
狂い率の関係の特性図。
【図5】磁極角度と波形狂い率の関係の特性図。
【符号の説明】
2…回転子、6…磁極部、7…回転子スロット、8…回
転子ティース、9…界磁巻線、10…回転子ウエッジ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 和彦 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株式会社 日立製作所 電力・電機開発 本部内 (72)発明者 湧井 真一 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 宮川 家導 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 (72)発明者 八木 恭臣 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 平4−21338(JP,A) 特開 平7−95752(JP,A) 特開 平6−14502(JP,A) 特開 平3−261340(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02K 1/26

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】磁極部と複数個のスロットと前記スロット
    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界磁巻線と前記界磁巻線保
    持用ウエッジとを備えた二極タービン発電機の回転子に
    おいて、 前記磁極部を挟んで対をなす前記磁極部最寄りの前記巻
    線挿入用スロット間角度をθ、前記挿入用スロットピッ
    チをαとしたとき、65°≦θ≦75°かつ6≦(θ/
    α)≦9の関係を満足するようにして構成することを特
    徴とする二極タービン発電機の回転子。
  2. 【請求項2】前記界磁巻線と前記回転子ウエッジの間に
    ダンパバーを装着することを特徴とする請求項1に記載
    の二極タービン発電機の回転子。
  3. 【請求項3】固定子と、 磁極部と複数個のスロットと前記スロット間に形成され
    たティースとを有する回転子と、 前記スロット内に挿入された界磁巻線と、 前記界磁巻線保持用ウエッジとを備えた二極タービン発
    電機において、 前記磁極部を挟んで対をなす前記磁極部最寄りの前記ス
    ロット間角度をθ、前記スロットピッチをαとしたと
    き、65°≦θ≦75°かつ6≦(θ/α)≦9の関係
    を満足するようにして構成することを特徴とする二極タ
    ービン発電機。
  4. 【請求項4】前記界磁巻線と前記回転子ウエッジの間に
    ダンパバーを装着することを特徴とする請求項3に記載
    の二極タービン発電機。
  5. 【請求項5】磁極部と複数個のスロットとを備えた二極
    タービン発電機の回転子において、 前記磁極部を挟んで対をなす前記磁極部最寄りの前記ス
    ロット間角度をθ、前記スロットピッチをαとしたと
    き、65°≦θ≦75°かつ6≦(θ/α)≦9の関係
    を満足するようにして構成することを特徴とする二極タ
    ービン発電機の回 転子。
  6. 【請求項6】固定子と、 磁極部と複数個のスロットとを有する回転子と、 前記スロット内に挿入された界磁巻線とを備えた二極タ
    ービン発電機において、 前記磁極部を挟んで対をなす前記磁極部最寄りの前記ス
    ロット間角度をθ、前記スロットピッチをαとしたと
    き、65°≦θ≦75°かつ6≦(θ/α)≦9の関係
    を満足するようにして構成することを特徴とする二極タ
    ービン発電機。
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