JP4514439B2 - 回転電機 - Google Patents

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この発明は、例えばタービン発電機などの回転電機に関し、特に固定子鉄心端部に配設されるクランパ近傍の損失改善に関するものである。
従来のタービン発電機等の回転電機は、積層された固定子鉄心の端面部に、歯部の先端から鉄心外周にかけて放射状に配置された棒状の非磁性金属部材とこれらを円周方向につなぐ渡り部材とで構成されたフィンガー部材を設けるとともに、フィンガー部材の機外側に磁性の一体リングからなるクランパを設けて、スルーボルト、コアボルトにより軸方向に締め付けることで、固定子鉄心の外周から歯部の先端までを固定可能な構成を適用してきた。渡り部材は、棒状の非磁性金属部材と溶接などにより接合されるが、機械強度の確保を目的として設置されたものであるため、厚さ数mmの高抵抗の非磁性材料が使用されていた。一方、クランパは電機子巻線の端部と干渉しないように、固定子鉄心の外径側に設置される。このクランパにより固定子鉄心の歯部の先端まで強固に固定するために、フィンガー部材を構成する棒状の非磁性金属部材の高さは例えば数十mmと大きなものとなる。
電気装荷の小さな小容量機では以上のような構成が適用されるが、中大容量機では、電気装荷が大きくなるため、電機子巻線の端部、回転子巻線の端部から発生する漏洩磁束が増大して一体物のクランパで発生する渦電流損失が増大し、特にクランパの内周位置で過熱が発生する可能性がある。この対応として、中大容量機では、クランパの軸方向機外側に鋼板を積層した磁束シャントであるシールドコアを設け、渦電流損失を低減する構造としている。(例えば特開昭56−49639号公報、特開平11−252830号公報参照)
特開昭56−49639号公報(第2頁〜第3頁、図1) 特開平11−252830号公報(第3頁、図1)
従来の回転電機は上記のように構成されているため、巻線の端部の漏洩磁束は、クランパの内周部側からクランパに侵入するとともに、フィンガー部材を構成する渡り部材の肉厚が薄かったために、渡り部材を透過してクランパの機内側の側面部からも侵入していた。クランパは面積が広い分、機内側側面からの侵入磁束量の方が大きいという特徴があった。クランパに侵入した磁束は、クランパ内を円周方向に流れて電気角で180度離れた対極に至る。クランパへ侵入する際の軸方向磁束成分と、クランパ内を円周方向に流れる円周方向磁束成分によりクランパ内に渦電流が誘導されるために損失が発生し、クランパが過熱する恐れがあるとともに、温度上昇により回転電機の出力が制約されるという問題があった。
また、シールドコアを有する構成においては、シールドコアに侵入した巻線端部の漏洩磁束は、内を円周方向に流れて対極に向かうが、シールドコアの磁気回路とクランパの磁気回路は並列回路となっているため、クランパのシールドコア側面に磁束が分流し、クランパで損失が発生する。シールドコアの厚みを薄くした場合、或いは、大容量機では、漏洩磁束によるシールドコア内の磁束密度が大きくなるため、クランパでの発生損失が大きくなる傾向があり過熱の恐れが有るという問題があった。
この発明は上記のような従来技術の課題を解消するためになされたものであり、電気装荷の大きな回転電機においても漏洩磁束によって発生するクランパでの渦電流損失を低減し、温度上昇を抑制した信頼性の高い回転電機を提供することを目的としている。
この発明による回転電機は、積層された固定子鉄心と、この固定子鉄心の積層方向端部に放射状に配設された非磁性金属部材および隣りあう上記非磁性金属部材相互を順次円周方向につなぐ渡り部材からなるフィンガー部材と、このフィンガー部材の軸方向機外側に配設されたリング状のクランパとを備えた回転電機において、上記渡り部材を上記クランパの内周側端部近傍に配設すると共に、該渡り部材として径方向の厚さが少なくとも漏洩磁束の浸透深さに相当する寸法を有する非磁性金属材を用いてなるものであって、上記渡り部材として、低抵抗の非磁性金属材を用いるようにしたものである。
この発明によれば、フィンガー部材を構成する渡り部材を上記クランパの内周側近傍に配設すると共に、該渡り部材として径方向の厚さが少なくとも漏洩磁束の浸透深さに相当する寸法の低抵抗の非磁性金属材を用いるようにしたことにより、渡り部材を透過してクランパに侵入する磁束量が抑制され、クランパで発生する渦電流損失が低減され温度上昇を抑制した信頼性の高い回転電機を得ることができるものであって、渡り部材として低抵抗の非磁性金属材を用いることで、漏洩磁束の浸透深さが小さく、寸法を縮小した渡り部材により確実に侵入磁束を抑制できる
実施の形態1.
以下、この発明を実施するための実施の形態1について図を参照して説明する。図1および図2は実施の形態1による例えばタービン発電機などの回転電機を説明するもので、図1は固定子端部近傍の要部を模式的に示す断面図、図2は図1のII−II線における矢視断面図である。図に示すように、この実施の形態1による回転電機は、ケイ素鋼板を積層した円筒状の固定子鉄心1の積層方向(図1の左右方向)端部に放射状に配設された棒状の非磁性金属部材2aおよび隣りあう上記非磁性金属部材2a相互を順次円周方向につなぐ渡り部材2bからなるフィンガー部材2と、このフィンガー部材2の軸方向(図1の左右方向)機外側に配設され、これらフィンガー部材2および固定子鉄心1を一体的に締め付けるリング状のクランパ3とを備えている。
上記渡り部材2bは、上記クランパ3の内周側端部3a近傍に配設されると共に、該渡り部材2bとして径方向の厚さt(図2中に示す)が少なくとも漏洩磁束の浸透深さに相当する寸法の低抵抗の非磁性金属材で構成されている。具体的にはこの例では銅を用い、その厚さは60Hz磁界に対する銅の浸透深さである約10mmとしている。なお、4は固定子コイル、矢印Aは機内側から侵入する漏洩磁束を示している。なお、図1では固定子鉄心1の右側端部のみを図示しているが、左側端部も同様に構成されており、また、固定子鉄心1の歯部、あるいは固定子鉄心1とクランパ3を軸方向に締め付けるスルーボルト、コアボルトなどは図示を省略している。なお、各図を通じて同一符号は同一もしくは相当部分を示すものとする。
次に上記のように構成された実施の形態1の動作について説明する。渡り部材2bを銅などの低抵抗の非磁性金属材で構成し、その厚さをほぼ用いる材料の浸透深さとしたため、クランパ3の機内側(図の左方向)の側面からクランパ3に侵入する矢印Aで示す固定子コイル4端部の漏洩磁束Aは、渡り部材2bで減衰、遮蔽され、クランパ3に侵入する漏洩磁束を低減することができる。クランパ3への侵入磁束量が減少すると、クランパ3内で発生する渦電流損が減少し、温度上昇が抑制される。なお、上記説明では低抵抗の非磁性材料として銅を用いた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えばアルミニウム、例えば真鍮などの銅の合金、あるいはアルミニウムの合金材料、などを用いても良い。
実施の形態2.
図3および図4はこの発明の実施の形態2による回転電機を説明するもので、図3は固定子端部近傍の要部を模式的に示す断面図、図4は図3のIV−IV線における矢視断面図である。図に示すように、この実施の形態2ではフィンガー部材2を構成する渡り部材2bは、上記実施の形態1と同様、クランパ3の内周側端部3a近傍に設置されており、渡り部材2bの材質は、例えばステンレスなどの高抵抗の非磁性金属材で構成されている。そしてその厚さt、即ち半径方向の寸法は、60Hzに対するステンレスの浸透深さである約50mmとしている。その他の構成は上記実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
上記のように構成された実施の形態2では、図3、図4に示すように渡り部材2bを、高抵抗の非磁性金属材であるステンレス材で構成し、その厚さtをその浸透深さの約50mmとしたことで、クランパ3の機内側から侵入する漏洩磁束(矢印A)を低減できるとともに、渡り部材2b内部での損失発生を低減した回転電機を得ることができる。
なお、渡り部材2bに低抵抗の非磁性金属材を使用した実施の形態1では、渡り部材2b内で渦電流が誘導されて渡り部材2b自体で損失が発生する可能性がある。また、巻線端部の漏洩磁束が渡り部材2bで反射され、場合によってはクランパ3へ内周側から侵入する磁束量を増加させる可能性がある。しかしながらこの実施の形態2では、高抵抗の非磁性金属材を使用しているため、磁束の反射も発生しないという利点がある。なお、高抵抗の非磁性金属材としては、必ずしも上記例示したステンレス材に限定されるものではない。さらに、上記厚さtは約50mmに限定されるものではなく、用いる高抵抗の非磁性金属材の浸透深さと同等以上であれば良い。
実施の形態3.
図5はこの発明の実施の形態3による回転電機の固定子端部近傍の要部を模式的に示す断面図である。図に示すように、この実施の形態3では、フィンガー部材2を構成する渡り部材2bは、クランパ3の内周側端部3aの近傍に設置されており、渡り部材2bの材質として、例えば、ステンレスなどの高抵抗の非磁性金属材で構成されているとともに、クランパ3の内周面3bに沿って、例えば、ステンレスなどの高抵抗の非磁性金属材5が、この例では渡り部材2bと一体的に形成され配設されている。
上記のように構成された実施の形態3では、図5に示すように渡り部材2bをクランパ3の内周面3b部分にまで伸ばした形に高抵抗の非磁性金属材5と一体的に構成し、配設したことにより、クランパ3の内周面3b側からクランパ3に侵入する磁束量を低減でき、クランパ3内の渦電流による損失を更に低減できる効果が得られる。
実施の形態4.
図6はこの発明の実施の形態4による回転電機の固定子端部近傍の要部を模式的に示す断面図である。図に示すように、この実施の形態4では、クランパ3の機外側にシールドコア6とシールド押え7が配設された固定子において、クランパ3のフィンガー部材2側(機内側、即ち図の左側)、およびシールドコア6側(機外側、即ち図の右側)の接触面の少なくとも一方に、円周方向の同心円状の溝からなる凹凸31が形成されている。その他の構成は、フィンガー部材が設けられている点を除き上記実施の形態1とほぼ同様である。
上記のように構成された実施の形態4においては、クランパ3の表面に円周方向の同心円状の溝からなる凹凸31を設けるようにしたので、主に、軸方向にクランパ3に侵入する磁束による損失を低減できる。即ち、この実施の形態4では、渦電流による損失発生のメカニズムが、次式1で示されるレジスタンスリミテッドであることを利用している。
P∝V/R ・・・・・・式1
ただし、式中、P:発生損失、V:磁束による誘起電圧、R:表面抵抗
なお、上記凹凸31は、必ずしも円周方向の同心円状の溝に限定されるものではなく、表面抵抗を大にできる形状で有れば他の形状としても同様の効果が期待できる。
実施の形態5.
図7および図8はこの発明の実施の形態5による回転電機を説明するもので、図7は固定子端部近傍の要部を模式的に示す断面図、図8は図7のVIII−VIII線における矢視断面図である。図において、クランパ30は例えばステンレスなどの高抵抗の非磁性金属材料で構成されている。なお、30aは該クランパ30の内周側端部であり、その他の構成は上記実施の形態1と同様である。
上記のように構成された実施の形態5では、クランパ30を高抵抗の非磁性金属材料としたため、円周方向に流れる磁束成分が無くなりこの磁束による損失がなくなるとともに、軸方向磁束による損失も併せて低減できるため、クランパ30の損失を低減させた回転電機を得ることができる。なお、図7ではシールドコアのないタイプに適用した例を示したが、シールドコアを有するタイプに適用しても同様の効果が期待できる。
この発明の実施の形態1による回転電機における固定子端部近傍の要部を模式的に示す断面図である。 図1のII−II線における矢視断面図である。 この発明の実施の形態2による回転電機における固定子端部近傍の要部を模式的に示す断面図である。 図3のIV−IV線における矢視断面図である。 この発明の実施の形態3による回転電機の固定子端部近傍の要部を模式的に示す断面図である。 この発明の実施の形態4による回転電機の固定子端部近傍の要部を模式的に示す断面図である。 この発明の実施の形態5による回転電機における固定子端部近傍の要部を模式的に示す断面図である。 図7のVIII−VIII線における矢視断面図である。
符号の説明
1 固定子鉄心、 2 フィンガー部材、 2a 非磁性金属部材、 2b 渡り部材、 3 クランパ、 3a 内周側端部、 3b 内周面、 31 凹凸、 4 固定子巻線、 5 高抵抗の非磁性金属材、 6 シールドコア、 7 シールド押え、 30 クランパ(高抵抗の非磁性金属材料)、 30a 内周側端部、 A 漏洩磁束。

Claims (1)

  1. 積層された固定子鉄心と、この固定子鉄心の積層方向端部に放射状に配設された非磁性金属部材および隣りあう上記非磁性金属部材相互を順次円周方向につなぐ渡り部材からなるフィンガー部材と、このフィンガー部材の軸方向機外側に配設されたリング状のクランパとを備えた回転電機において、上記渡り部材を上記クランパの内周側端部近傍に配設すると共に、該渡り部材として径方向の厚さが少なくとも漏洩磁束の浸透深さに相当する寸法を有する非磁性金属材を用いてなるものであって、上記渡り部材として、低抵抗の非磁性金属材を用いてなることを特徴とする回転電機。
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