JP3641886B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は回転電機の回転子のクリページブロックの配置構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、火力や原子力などの発電設備に代表されるタービン発電機においては、特開平6−178480 号公報の回転子の構造として、主軸鉄心部に界磁巻線を挿入するための溝を機械加工し、その溝の中に界磁巻線を収納し、巻線が遠心力により飛び出さないように巻線の上部にウェッジと呼ばれる楔を挿入している。定格運転中の界磁巻線には数1000アンペアの大電流が流れ、500ボルト程度の電圧がかかるため、導電性を有しながら接地されているウェッジと界磁巻線との間は短絡防止のため、絶縁物によってクリープ距離を確保させて絶縁する必要がある。
【0003】
従来、ウェッジと界磁巻線とを絶縁させる構造として、図9に示すように界磁巻線全体をスロット絶縁によって囲み、溝内に収納したウェッジ3と界磁巻線2との間でスロット絶縁5を二重に折り返す形でクリープ距離を確保していた。この構造はウェッジ3と界磁巻線2との間の距離を小さくすることができるため、ロータ径を小さくできる反面、界磁巻線2の更新等の際にスロット絶縁5を一度折り戻してしまうと、再使用できなくなり、新品と交換しなければならなくなるため、界磁巻線3ごとスロットから抜き出さなくてはならないという問題点があった。尚、4はウェッジ下絶縁、6は層間絶縁、7はサブスロットである。
【0004】
この問題点を解消するため、図10に示すようにスロット絶縁5は界磁巻線側面のみの絶縁とし、ウェッジ3と界磁巻線2との間の絶縁として、容易に設置、取り外しができるクリページブロック1を今日では通常採用している。
【0005】
このクリページブロック1は、高さ方向でウェッジ3と界磁巻線2との間のクリープ距離を確保し、対地絶縁をすると共に、界磁巻線2の遠心力に充分耐えられるガラス基材により構成されている。形状は、軸方向にはほぼ等間隔,複数個に分割され、幅方向と高さ方向は分割されていない。軸方向においてほぼ等間隔,複数個に分割されているのは、製法上による理由で、1スロット全長にわたって1本につくるのが困難であり、加工しやすいよう適当な長さに区切られている。幅方向と高さ方向に分割されていないのは、作業性を考慮にいれて、最も手軽で確実にクリープ距離を確保できるようにするためである。
【0006】
コイルエンド部における界磁巻線2は、図11及び図12に示すように外径側のリティニングリング10により固定される仕組みになっている。この際の界磁巻線2とリティニングリング10との間は円筒状のリティニングリング絶縁11によって絶縁され、回転子表面に流れるうず電流はダンパリング13によって循環する仕組みとなっている。リティニングリング絶縁11は回転子胴部9の端部付近でクリページブロック1Aと接触している。
【0007】
軸方向の最端部に位置するクリページブロック1Aは、スロット内の界磁巻線2とダンパリング13とを絶縁するために高さが低くなっており、ダンパリング13と軸方向最端部のクリページブロック1Aとの間にはチャンネル14と呼ばれる絶縁物が挿入されている。回転子胴部9において界磁巻線2はスロット内に納められ、クリページブロック1Aを介しウェッジ3によって固定されている。つまり、界磁巻線2とウェッジ3及びクリページブロック1Aの軸方向両端をリティニングリング10により保持されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、発電機の回転子の定格運転時における回転数は毎分3000〜3600回転、ロータの外周表面では約5000Gもの遠心力がかかる。そのような環境下で界磁巻線2に定格電流を流すと、線膨張率の大きい銅製の巻線は温度上昇により膨張しようとするものの、巨大な遠心力によって胴部軸方向中央部では熱伸びが完全に抑えられ、胴部軸方向端部のある部分を起点として軸端方向に伸びる。その際に、界磁巻線2が伸びる部分に接しているクリページブロック1Aの表面性状の如何により、図12のAで示された部分のクリページブロック1Aとクリページブロック1Bとの間の切れ目を介して回転による巨大な遠心力が界磁巻線2にかかると、界磁巻線2がクリページブロック1A,1Bの切れ目に食い込み、回転子胴部9の軸方向端部で熱伸びしようとする界磁巻線2を拘束するため、回転子軸へ伝達される摩擦力が大きくなる。また、切れ目の微妙な形状の違いは、周方向での摩擦力のアンバランスを生じ、軸曲がりを誘発し、結果として回転中の回転子の熱変形振動へとつながる。
【0009】
更に、回転子の熱変形振動について図13乃至図16により詳細に説明する。即ち、図13,図14に示すようにクリページブロック1Aに加わる遠心力FCBとコイル2の熱の伸びによる力FT により、クリページブロック1Aは図のように持ち上げられる形となり、その際にクリページブロック1Aとコイル2との間の摩擦係数が低下するため、コイル2はコイルエンド(図15,図16)の矢印方向に伸びようとする。その際、各コイルはスペーサ16により軸方向変位を固定されているため、結果として図15,図16のような変形20を引越し、コイル2が変形する結果として、回転子周方向でのアンバランスと成り、振動を引き起こす。尚、18は間隔ブロックである。
【0010】
又図14のように、持ち上げられたクリページブロック1A(遠心力FCBと熱の伸びによる力FT による)の角部分にコイル2が当たる(又はつかえる)ことにより、コイル2の熱伸が妨げられ、コイル2はつかえた部分で摩擦力FN を持つ。各ストットによる回転子の周方向での摩擦力FN のアンバランスは、回転子軸に伝わる力のアンバランスとなり、振動を引き起こす。
【0011】
本発明の目的は、起動運転中の回転子における胴部軸方向端部での界磁巻線の熱伸びによって生じる各部材間摩擦力のアンバランスを低減し、回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減させ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】
上記目的を達成するため本発明には、一端がリティニングリングに保持されたクリページブロックの長さを界磁巻線の熱伸びによる影響の少ない個所であって他のクリページブロックの長さより長くすることにある。または一端がリティニングリングに保持されたクリページブロックの長さLCBは界磁巻線の熱伸びによって動きうる範囲LCよりも大きく、LCB>LCの値の関係を満たすことにある。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の実施を図1及び図2により説明する。
【0014】
図1は図の回転電機の回転子の右側を表した回転子胴部9の端部の軸方向断面図であり、図2は図1を上から見た平面図である。コイルエンド部における界磁巻線2は、外径側のリティニングリング10により固定される仕組みになっている。この際の界磁巻線2とリティニングリング10との間は円筒状のリティニングリング絶縁11によって絶縁され、回転子表面に流れるうず電流はダンパリング13によって循環する仕組みとなっている。リティニングリング絶縁11は回転子胴部9の端部付近でクリページブロック1Aと接触している。
【0015】
軸方向の最端部に位置するクリページブロック1Aは、スロット内の界磁巻線2とダンパリング13とを絶縁するために高さが低くなっており、ダンパリング13と軸方向最端部のクリページブロック1Aとの間にはチャンネル14と呼ばれる絶縁物が挿入されている。回転子胴部9において界磁巻線2はスロット内に納められ、クリページブロック1Aを介しウェッジ3によって固定されている。つまり、界磁巻線2とウェッジ3及びクリページブロック1Aの軸方向両端をリティニングリング10により保持されている。そして、一端が上記リティニングリング10に保持されたクリページブロック1Aの長さLCBは、回転通電中の界磁巻線2の熱伸範囲よりも長く、且つ他のクリページブロック1Bの長さより長く形成されている。
【0016】
回転電機を運転して回転子を回転中には、界磁巻線2に熱的伸びを生じるが、この熱的伸びは界磁巻線2の両端方向に伸ばされ、伸びた界磁巻線2の両端に回転中の遠心力が加わると、伸びの影響の大きい界磁巻線2の両端には図の従来技術に比べて他のクリページブロック1Bと隣接する軸方向に切れ目がなく、伸びた界磁巻線2が切れ目に食い込んで変形することが出来ず、回転子の軸曲がりや、熱変形が低減され、回転電機の回転子中の振動が少なくなり、回転電機の効率を従来技術のそれに比べて良くすることが出来るばかりか、また界磁巻線2の変形を補正する期間を大幅に引き延ばすこと出来る。
【0017】
更に、クリページブロック1Aの長さについて図4により説明する。
【0018】
従来の構造のように、図11のAで示された部分のクリページブロック1Aと1Bとの間の切れ目に回転による巨大な遠心力がかかると、界磁巻線2がクリページブロック1A,1Bの切れ目に食い込み、回転子胴部9の軸方向端部で熱伸びしようとする界磁巻線2を拘束するため、回転子軸へ伝達される摩擦力が大きくなる。また、切れ目の微妙な形状の違いは、周方向での摩擦力のアンバランスを生じ、軸曲がりを誘発し、結果として回転中の回転子の熱変形振動へとつながる。
【0019】
これ対して、図3のように界磁巻線2の熱伸びが生じる回転子胴部9の軸方向端部に対して、軸方向に切れ目がないクリページブロック1Aを配置することにより、界磁巻線2は遠心力下で一様に伸びるようになり、摩擦力および摩擦力のアンバランスを低減することができ、結果として回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減できる効果がある。
【0020】
即ち、図1における軸方向端部のクリページブロック1Aの軸方向長さLCBについて説明する。先ず、界磁巻線2の遠心力と熱伸び力との関係には図3のような関係があり、摩擦係数μが小さい程拘束される部分が少なくなることがわかる。詳細を示すと図4のようになり、界磁巻線2の熱伸びによって動きうる範囲
LC は次式で表される。
【0021】
LC=FT/(μCBFCB−μCFC)
ここで FT :熱伸び力
μCB:クリページブロック1と界磁巻線2との摩擦係数
FCB:クリページブロック1に働く単位長さあたりの遠心力
μC :界磁巻線2同士の摩擦係数
FC :界磁巻線2に働く単位長さあたりの遠心力
また、熱伸び力FTは次式で表される。
【0022】
FT=A E(αΔTC−βΔTS)
ここで A :クリページブロック1と接触している界磁巻線2の断面積
E :界磁巻線2のヤング率、α:界磁巻線2の線膨張率、
ΔTC:界磁巻線2の温度上昇、β:軸材8の線膨張率、
ΔTS:軸材8の温度上昇
つまり、1スロット内に生じる熱伸びによる力は遠心力によって生じる摩擦力により釣り合う。この時、1スロットの各ターン間では熱伸びによる力及び界磁巻線同士の摩擦係数がほぼ等しいため、滑ることなく一体となって伸びると考えられる。一方、クリページブロック1Aと界磁巻線2との間では、クリページブロック1A自身には熱伸び力がほとんど発生せず、界磁巻線2だけが伸びる。
【0023】
従って、図1における軸方向端部におけるクリページブロック1Aの軸方向長さLCBは、界磁巻線2の熱伸びによって動きうる範囲LC よりも大きければよいので、次式を満たすような値にすればよい。
【0024】
LCB>LC
更に本発明の他の実施例を図5乃至図8により説明する。
【0025】
図5のように、回転子胴部9の軸方向中央部に対しては軸方向に複数に、ほぼ等間隔に分割されたクリページブロック1E,回転子胴部9の軸方向端部に対しては軸方向に配置されていない1個のクリページブロック1Fを配置することにより、回転子胴部9の軸方向端部における界磁巻線2は遠心力下で一様に伸びるようになり、回転子軸8に伝わる摩擦力のアンバランスを低減することができる。
【0026】
また、回転子胴部9の軸方向端部に高さ方向を2つ以上に配置した多層構造クリページブロック1F,1Gを配置することにより、回転子胴部9の軸方向端部での界磁巻線2の熱伸びに対して、界磁巻線2とクリページブロック1Fとの接触面が何らかの影響で滑らずに固渋してしまった場合に、クリページブロックとクリページブロックとの間で滑らせることが可能となるため、回転子軸8(図11を参照)に伝わる摩擦力を低減することができる。
【0027】
更に、回転子胴部9の軸方向端部において、界磁巻線2との接触面またはウェッジ3との接触面に対しては軸方向に分割がないクリページブロック1F、それ以外の部分に対しては軸方向に滑り易くするために軸方向に配置した複数のクリページブロック1Gを軸方向切れ目が重ならないように互い違いに配置し、各クリページブロック1Gの層間接触面での高さ方向における段差をなくすことで滑りを円滑にし、回転子軸8に伝わる摩擦力を低減することができる。
【0028】
以上の構造により、起動運転中の回転子軸に伝わる摩擦力および摩擦力のアンバランスを低減することができ、結果として回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減できる効果がある。
【0029】
図6のように、界磁巻線2とウェッジ3との接触するクリページブロック1Hの表面にクリページブロックの摩擦係数μより小さい摩擦係数μを有する絶縁物15例えばテフロンを貼り付けて、一体クリページブロック1Hとすることにより、界磁巻線2は遠心力下で一様に伸びる時に絶縁物15に接触しながら移動するのが、絶縁物15の摩擦係数μがクリページブロック1Hの摩擦係数μより小く、界磁巻線2が絶縁物上を均一に滑るようになり、クリページブロック1Hを破損して、回転子軸8に伝わる摩擦力のアンバランスを低減することができ、結果として回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減できる効果がある。絶縁物15は表面摩擦係数μのばらつきの少ない安定した絶縁物である。
【0030】
クリページブロックと界磁巻線2との接触面の摩擦係数μが小さいほど、界磁巻線2が遠心力下で熱伸びする際の回転子軸8が蓄える摩擦力は小さくなって、理想的であるが、摩擦係数μが小さすぎると軸方向端部への界磁巻線2の熱伸び量は大きくなり、リティニングリング10下のコイルエンド部にしわ寄せとなって押し寄せる。コイルエンド部は図7のような構造になっており、コイルエンド部の軸方向端部における界磁巻線2は、スペーサ16を介してセンタリングリング12によって固定されている。従って、界磁巻線2がコイルエンド部にしわ寄せとなって押し寄せると、スペーサ16に当たることにより、軸方向に伸びきれなくなった界磁巻線2は大きく変形してしまい、結果的に回転子の熱変形振動は増加してしまう。
【0031】
このため、図1,図5,図6に示すようなクリページブロックと界磁巻線2との接触面の摩擦係数μを適切な値(0.2〜0.3)で均一にすることにより、コイルエンド部の界磁巻線2を大きく変形させることなく、回転子軸8がもつ摩擦力および摩擦力のアンバランスを低減させることができ、結果として回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減できる効果がある。摩擦係数μが0.2 以下ではコイルエンド部の界磁巻線2が伸びすぎて、外周側に変形して回転子の軸曲がりが大きく、熱変形振動を生じる。また摩擦係数μが0.3 以上ではコイルエンド部の界磁巻線2が伸びる所と伸びにくい所を生じ、伸びにくい所で貯えた力により、外周側に変形して回転子の軸曲がりが大きく、周方向の振動を生じる。
【0032】
図8のように、クリページブロック1iと界磁巻線2との間およびクリページブロック1iとウェッジ3との間に摩擦係数μのばらつきの少ない安定した薄板状のスライディングシート17を挿入することにより、起動運転中の回転子における界磁巻線2とスライディングシート17との接触部分およびウェッジ3とスライディングシート17との間の接触部分で均一に滑るようになり、回転子軸8に伝わる摩擦力のアンバランスを低減することができ、結果として回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減できる効果がある。
【0033】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、起動運転中の回転子における胴部軸方向端部での界磁巻線の熱伸びによって生じる各部材間の摩擦力および摩擦力のアンバランスを低減できるので、回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す回転子端部の軸方向断面図である。
【図2】図1の上側から断面した時に上から見た平面断面図である。
【図3】図1の界磁巻線の熱伸び量と摩擦係数との関係を示す模式図である。
【図4】図1の回転子が起動運転中の界磁巻線とクリページブロック関係を示す模式図である。
【図5】本発明の他の実施例を示す回転子端部の軸方向断面図である。
【図6】本発明の他の実施例を示すクリページブロックの軸方向断面図である。
【図7】本発明の他の実施例を示す回転子端部の平面図である。
【図8】本発明の他の実施例を示すクリページブロックの軸方向断面図である。
【図9】従来構造による回転子胴部径方向スロット断面図である。
【図10】従来構造による回転子胴部径方向スロット断面図である。
【図11】従来の回転子の全体構成を表した軸方向断面図である。
【図12】図11の回転子の右側端部の軸方向断面図である。
【図13】図11の回転子の右側端部の軸方向部分断面図である。
【図14】図13の回転子の右側端部を拡大した軸方向部分断面図である。
【図15】図11の回転子の右側軸方向端部の斜視図である。
【図16】図11の回転子の右側軸方向端部の一部を示す斜視図である。
【符号の説明】
1,1A〜1i…クリページブロック、2…界磁巻線、3…ウェッジ、4…ウェッジ下絶縁、5…スロット絶縁、6…層間絶縁、7…サブスロット、8…回転子軸、9…回転子胴部、10…リティニングリング、11…リティニングリング絶縁、12…センタリングリング、13…ダンパリング、14…チャンネル、
15…絶縁物、16…スペーサ、17…スライディングシート。
Claims (6)
- 鉄心の周方向に設けた複数の溝内に収納されている界磁巻線と、界磁巻線が遠心力で飛び出すのを防止する溝内に嵌め込んだウェッジと、界磁巻線とウェッジとの間の軸方向に配置された複数のクリページブロックと、界磁巻線とウェッジ及びクリページブロックの軸方向両端を保持したリティニングリングとを備えた回転子において、一端が上記リティニングリングに保持されたクリページブロックの長さは他のクリページブロックの長さより長くすることを特徴とする回転電機の回転子。
- 鉄心の周方向に設けた複数の溝内に収納されている界磁巻線と、界磁巻線が遠心力で飛び出すのを防止する溝内に嵌め込んだウェッジと、界磁巻線とウェッジとの間の軸方向に配置された複数のクリページブロックと、界磁巻線とウェッジ及びクリページブロックの軸方向両端を保持したリティニングリングとを備えた回転子において、一端が上記リティニングリングに保持されたクリページブロックの長さLCBは界磁巻線の熱伸びによって動きうる範囲LC よりも大きく、LCB>LCの関係を満たす値にすることを特徴とする回転電機の回転子。
- 鉄心の周方向に設けた複数の溝内に収納されている界磁巻線と、界磁巻線が遠心力で飛び出すのを防止する溝内に嵌め込んだウェッジと、界磁巻線とウェッジとの間の軸方向に配置された複数のクリページブロックと、界磁巻線とウェッジ及びクリページブロックの軸方向両端を保持したリティニングリングとを備えた回転子において、一端が上記リティニングリングに保持されたクリページブロックの他端の長さは界磁巻線の熱伸びによる影響の少ない個所であって他のクリページブロックの長さより長くし、上記界磁巻線とウェッジとに接触するクリページブロックの摩擦係数μを0.2〜0.3とすることを特徴とする回転電機の回転子。
- 上記界磁巻線に接触する内周側クリページブロックと外周側クリページブロックとの間の軸方向に配置された複数の分割されたクリページブロックを少なくとも1層以上配置することを特徴とする請求項1ないし3いずれか1項記載の回転電機の回転子。
- 上記クリページブロックを少なくとも1層以上配置した多層クリページブロックの各層でのクリページブロックの軸方向切れ目が重ならないように互い違いに配置することを特徴とする請求項1ないし4いずれか1項記載の回転電機の回転子。
- 上記クリページブロックと界磁巻線との間またはクリページブロックとウェッジとの間に薄板状のスライディングシートを挿入することを特徴とする請求項1ないし5いずれか1項記載の回転電機の回転子。
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