JP4514439B2

JP4514439B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4514439B2
Application number: JP2003400926A
Authority: JP
Inventors: 顕太郎布施; 進前田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2023-12-01
Also published as: JP2005168110A

Description

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^２／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

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。