JP5025504B2 - 回転電機の固定子 - Google Patents

Description

この発明は回転電機の固定子に関し、更に詳細には鋼板を積層してなる固定子鉄心の両端部より突出した固定子コイル端部接続部の支持構造の改良に関するものである。

回転電機を稼動させると、内周側固定子コイル（便宜上、上口固定子コイルという）及び外周側固定子コイル（便宜上、下口固定子コイルという）を流れる電機子電流が発生させる磁界および回転子コイルを流れる界磁電流が発生させる磁界の影響により、固定子コイル端部に電磁力が作用し、振動が発生する。そのため、固定子コイル端部には十分な剛性を確保することと、危険周波数域を外した固有振動数とすることが必要である。また、固定子コイル端部接続部には、固定子コイル端部全体とは異なる、局部的な振動が発生する場合があり、当該部についても十分な剛性を確保し、危険周波数域を外した固有振動数とすることが必要である。回転電機では、稼動中の回転周期あるいは電磁加振力と各部の構造が持つ固有振動数とが一致すると共振が起き、通常より大きな振動が発生する。このため、回転周期を含む周波数領域を危険周波数域とし、各部の構造が持つ固有振動数がこの領域を外れるように設計するのが普通である。固定子コイル端部接続部においてこれを実現するためには、支持構造を強固なものにし、固定子コイル端部接続部の剛性を上げることにより、固有振動数が上記の危険周波数域を上回るようにする。このような固定子コイル端部接続部の支持構造として、固定子鉄心の両端部より伸び出した上口固定子コイル及び下口固定子コイルと、これら上口固定子コイル及び下口固定子コイルを結合するシリース接続部とからコイル端部が形成されている回転電機において、上記シリース接続部間の間隙にスリーブミックスチャを挿入させたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、固定子コイルの相間、固定子コイル端部接続部の付け根付近に補強絶縁物を挿入し、円環状に固定することにより固定子コイル端部のレジンリングから先端部の剛性を向上させ、振動を抑制し、固有振動数を上昇させるとともに、固定子コイル端部全体の固有振動数が危険周波数域を上回るようにした従来技術もある。

特開２００５−１８４９５４号公報（第１頁、図１）

上記特許文献１のような従来の回転電機の固定子における固定子コイル端部の支持構造は、シリース接続部の固有振動数を上げ、共振を回避できるものの、液状の絶縁物を流し込む必要があるので作業が面倒で温度管理も必要になるという課題があった。また、固定子コイルの相間、固定子コイル端部接続部の付け根付近に補強絶縁物を挿入し、円環状に固定する従来技術では、固定子コイル端部接続部に注目すれば、補強絶縁物を支持端とする振動が予想され、固定子コイル端部接続部の軸方向の寸法が大きい場合や重量が大きい場合などには、固有振動数が低下し稼動中の危険周波数域に入ってしまう恐れがある。また、上口固定子コイル素線および下口固定子コイル素線は、絶縁被覆により覆われているものの、絶縁被覆は加圧、成形されたものではないためコイル素線がばらばらで剛性が低く、固定子コイル端部接続部の振動値が大きい場合など、コイル素線が損傷し易いという問題もあった。

この発明は、上記のような従来技術の課題を解決するためになされたもので、製造が容易で、固定子コイル端部接続部の剛性を向上させて固有振動数を上昇させ、軸方向の寸法が大きい場合でも共振を抑制し得ると共に、剛性が低く損傷し易い固定子コイル素線部の振動を抑制した回転電機の固定子を得ることを目的としている。

この発明に係る回転電機の固定子は、所定数のスロットが設けられた固定子鉄心と、上記各スロット内に挿入され両端部が上記固定子鉄心の端部からそれぞれ回転子の軸方向に突出された内周側固定子コイル及び外周側固定子コイルと、これら内周側固定子コイル及び外周側固定子コイルの突出端部相互を径方向に電気的に接続する接続部材とを備え、周方向に隣接する内周側固定子コイル及び外周側固定子コイルの突出部とこれら突出部を接続する接続部材とで構成される複数個の固定子コイル端部接続部相互間における第１位置において上記固定子コイル端部接続部の周方向の間隔を決めるとともに上記突出端部から軸方向に所定の距離にある第２位置において上記固定子コイルの周方向の間隔を決める補強絶縁部材を設け、かつ、上記第１位置における上記補強絶縁部材と上記固定子コイル端部接続部との間及び上記第２位置における上記補強絶縁部材と上記固定子コイルとの間に接着性を有するレジン含浸マットを設けるものである。

この発明においては、周方向に隣接する内周側固定子コイル及び外周側固定子コイルの突出部とこれら突出部を接続する接続部材とで構成される複数個の固定子コイル端部接続部相互間における第１位置において上記固定子コイル端部接続部の周方向の間隔を決めるとともに上記突出端部から軸方向に所定の距離にある第２位置において上記固定子コイルの周方向の間隔を決める補強絶縁部材を設け、かつ、上記第１位置における上記補強絶縁部材と上記固定子コイル端部接続部との間及び上記第２位置における上記補強絶縁部材と上記固定子コイルとの間に接着性を有するレジン含浸マットを設けるようにしたので、固定子コイル端部の接続部の剛性が向上され、従って固有振動数が上昇し、固定子コイル端部接続部の軸方向の寸法が大きい場合でも振動を抑制し得ると共に、剛性が低く損傷しやすい固定子コイル素線部の振動を抑制することができる。

実施の形態１．
図１〜図３はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の一例としての３相交流発電機の固定子を説明するもので、図１は固定子鉄心の端部から回転子の軸方向に突出された固定子コイル端部接続部を模式的に示す要部断面図、図２は図１のＡ−Ａ線における矢視図、図３は図１のＢ−Ｂ線における矢視図である。なお、各図を通じて同一符号は同一または相当部分を示すものとする。図において、回転電機の固定子は、図示省略している回転子を包囲するように形成され、内周側（図１の上方側）に所定数のスロット１ａが設けられた固定子鉄心１と、各スロット１ａ内に装着され両端部（図１は左端部下側を図示）が固定子鉄心端部１ｂから回転子の軸方向（図１の左右方向）に突出された上口固定子コイル２１及び下口固定子コイル２２からなる固定子コイル２と、これら上口固定子コイル２１及び下口固定子コイル２２の突出端部相互を径方向に電気的にシリーズに接続する銅板などの導電性材料からなる接続部材３と、固定子鉄心１を固定する固定子鉄心押え部材４などを備えている。

上口固定子コイル２１及び下口固定子コイル２２の表面は接続部材３による固定子コイル端部接続部Ｃの近傍を除いて、加圧・成形された主絶縁被覆２３で覆われており、固定子鉄心端部１ｂ寄りの突出部分は上口固定子コイル２１、下口固定子コイル２２の間を主絶縁被覆２３の上から固定する軸方向の２箇所に配設されたレジンリング５１、及びレジンリング５１の外径側を固定するリング状の支持部材５２によって保持されている。接続部材３は、図２に示すように上口固定子コイル２１のコイル素線２１ａ及び下口固定子コイル２２のコイル素線２２ａの各端部を両側から挟むように固着されている。また、個々の固定子コイル端部接続部Ｃにおける接続部材３、コイル素線２１ａ、及びコイル素線２２ａの表面には絶縁被覆２４が施されている。

そして、固定子コイル端部接続部Ｃの内、上口固定子コイル２１及び下口固定子コイル２２の周方向に隣接する相間の間隔が狭い部分（間隔が所定値の部分）には、一端部（図２の左側）が接続部材３の近傍に配設され他端部（図２の右側）が回転子の軸方向に固定子鉄心１側に主絶縁被覆２３の位置まで伸び、該他端部の両側面に突出部６ａが形成された板状の補強絶縁部材６がマット６０を介して挿入されている。該補強絶縁部材６は接続部材３で挟まれる位置と、突出端部から軸方向に所定の距離にある位置との少なくとも２箇所において周方向の間隔を決めている。また、隣接する相間の間隔が広い部分（間隔が所定値よりも大きい部分）には、図３に示すように回転子の軸方向から見て略Ｈ形状に形成された２枚の板状の絶縁保持部材７が軸方向に離間して配設され、同様にマット６０を介して設けられている。そして、周方向に隣接する上口固定子コイル２１及び下口固定子コイル２２の突出端部及び補強絶縁部材６を所定個まとめたものを、補強絶縁部材６が周方向の間隔を決める少なくとも上記２箇所の軸方向の位置においてガラス紐、ガラスバンド等の絶縁性緊縛部材８１で図３に示すように周方向に緊縛し、周方向に緊縛する該絶縁性緊縛部材８１及び補強絶縁部材６を径方向に同様の絶縁性緊縛部材８２により緊縛している。なお、図３では上記緊縛部分を絶縁保持部材７の左側部のみ模式的に図示しているが、図１のＤ部及びＥ部の軸方向に離間された２箇所において周方向の全体にわたって強固に緊縛され、２列の円環状に締結されている。上記補強絶縁部材６及び絶縁保持部材７は、例えばガラス繊維を基材とするエポキシ樹脂やポリエステル樹脂等で形成されている。そして、マット６０は例えばレジンが含浸され、接着性を有し、補強絶縁部材６または絶縁保持部材７と固定子コイル２の双方を強固に接着している。なお、補強絶縁部材６及び絶縁保持部材７は各図において斜線を付して明示している。

上記のように構成された実施の形態１においては、固定子コイル端部接続部Ｃの相間に、平板状に形成され回転子の軸方向に寸法が大きく、即ちコイル素線２１ａ、２２ａが主絶縁被覆２３から露出された部分の寸法より軸方向に長く、一端部が隣接する接続部材３相互の間部に配設され他端部が回転子の軸方向に固定子鉄心１側に伸び固定子コイル２を覆う主絶縁被覆２３が設けられた位置まで延在する、接続部材３で挟まれる位置と、突出端部から軸方向に所定の距離にある位置との少なくとも２箇所において周方向の間隔を決めている補強絶縁部材６を介装し、ガラス紐、ガラスバンド等の絶縁性緊縛部材８１、８２で図１のＤ部及びＥ部の軸方向に離間された２箇所を上口固定子コイル２１及び下口固定子コイル２２と共に締め付け、２列の円環状に締結するように構成したので、固定子コイル端部接続部Ｃの剛性が向上され、従って固有振動数が上昇し、固定子コイル端部接続部の軸方向の寸法が大きい場合でもローカル振動が抑制される。また、剛性が低く損傷し易いコイル素線２１ａ、２２ａを、絶縁被覆２４の上からマット６０を介して両側より挟み込み、円環状に一体化する構造となっているので、固定子コイル端部接続部Ｃの剛性の向上と共に、上口固定子コイル２１のコイル素線２１ａ、下口固定子コイル２２のコイル素線２２ａに発生する振動を抑制し、当該部の損傷を回避する効果が得られる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る回転電機の固定子における固定子コイル端部接続部を模式的に示す図１のＡ−Ａ線における矢視図に相当する図である。図において、固定子コイル端部接続部Ｃの内、上口固定子コイル２１及び下口固定子コイル２２の周方向に隣接する相間の間隔が狭い部分の一部には、軸方向の寸法が実施の形態１と同様に大に形成された板状の補強絶縁部材６がマット６０を介して介装され、隣接する間隔が狭い部分の他の一部には、軸方向の寸法が補強絶縁部材６よりも短く、軸方向に間隔が開くように形成された第１補強絶縁部材６１及び第２補強絶縁部材６２が軸方向の一端部及び他端部にそれぞれ分かれて配設され、マット６０を介して隣接する固定子コイル２の突出端部に強固に接着されている。その他の構成は実施の形態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においては、例えば固定子コイル端部接続部Ｃの重量が大きく、固有振動数が低いときなどに、固定子コイル端部接続部Ｃの重量を軽減して固定子コイル端部の固有振動数を上昇させたい要求がある場合などに好ましく用いることができるもので、実施の形態１の補強絶縁部材６を適宜、軸方向の寸法が補強絶縁部材６よりも短い第１補強絶縁部材６１及び第２補強絶縁部材６２に置き換えることで容易に対応することができる。また、該構成としたときには補強絶縁部材６の使用量が削減され、材料費を低減することができるという効果も得られる。なお、この実施の形態２では一部の補強絶縁部材に軸方向に分離したものを用いたが、すべての補強絶縁部材を軸方向に分離したものとしてもよい。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３に係る回転電機の固定子における固定子コイル端部接続部を模式的に示す図１のＡ−Ａ線における矢視図に相当する図である。図において、軸方向に厚さが異なる部位を有する補強絶縁部材６Ａは、回転子の軸方向の寸法が実施の形態１の補強絶縁部材６と同様に形成され、薄い部分である板材６３と、この板材６３とは別体の厚い部分である凸部６４からなる。上記凸部６４は周方向の厚さが異なるものが複数用意され、固定子コイル端部接続部Ｃの相間寸法に応じて適宜選択され、板材６３の図５の右側端部両側に強固に接着される。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３においては、例えば固定子コイル２の突出端部における周方向の相間寸法に大きなばらつきがあり、実施の形態１における補強絶縁部材６では、相間の寸法調整が困難なときなどに、補強絶縁部材６Ａのように板材６３と、厚さの異なる複数種類の凸部６４に分割して構成されていることにより、補強絶縁部材６Ａを設置する際の相間寸法の調整を容易にし、製作期間の短縮を図ることができるという更なる効果が得られる。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４に係る回転電機の固定子における固定子コイル端部接続部を模式的に示す図１のＢ−Ｂ線における矢視図に相当する図である。図において、隣り合う固定子コイル端部接続部Ｃの間に挿入される補強絶縁部材６Ｂは、半径方向内周部側の上口固定子コイルの位置に配設された第１の補強絶縁部材６５と、半径方向外周部側の下口固定子コイルの部位に配設された第２の補強絶縁部材６６に分割されて形成されており、第１の補強絶縁部材６５と第２の補強絶縁部材６６との間には隙間Ｆが形成されている。なお、第１、第２の補強絶縁部材６５、６６の軸方向の寸法、及び第１の補強絶縁部材６５、第２の補強絶縁部材６６に隣接するコイルとの間にはレジンが含浸されたマット６０が設けられ、軸方向に離間された２箇所で円環状にガラス紐等の絶縁性緊縛部材で締結されて固定子コイル端部の剛性を向上させている点など、その他の構成は実施の形態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４においては、挿入する補強絶縁部材６Ｂが分割、小型化されていることにより、例えば固定子コイル端部接続部Ｃの重量が大きく固定子コイル端部の固有振動数が低いときなどに、固定子コイル端部接続部Ｃの重量を軽減し、固定子コイル端部の固有振動数を上昇させることが容易にできるという効果がある。

実施の形態５．
図７及び図８はこの発明の実施の形態５に係る回転電機の固定子を説明する図であり、図７は固定子コイル端部接続部を模式的に示す図１のＡ−Ａ線における矢視図に相当する図、図８は図７に示された固定子コイル端部接続部の図１のＢ−Ｂ線における矢視図に相当する図である。図において、固定子コイル端部接続部Ｃの相間寸法が大きい部位に設けられた絶縁保持部材７Ａは、半径方向に見たときには図７に示すように略Ｘ字形に、軸方向に見たときには図８に示すように略Ｘ字形にブロック状に一体成形された絶縁物からなる。該絶縁保持部材７Ａは隣り合う上口固定子コイル２１、下口固定子コイル２２のコイル端部の相間間隔が広い箇所にマット６０を介して挿入され、ガラス紐等の絶縁性緊縛部材で締結されて円環状に一体化されている。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５においては、例えば固定子コイル端部接続部Ｃの剛性が不十分なときなどに、補強絶縁部材７Ａのように、固定子コイル端部接続部Ｃのコイル素線部を跨ぐように回転子の軸方向に寸法を大きく取ることができ、固定子コイル端部接続部Ｃの剛性をさらに向上させる効果が得られる。また、ブロック状に一体化されているので組立作業を安定して容易に行なうことができる。

実施の形態６．
図９はこの発明の実施の形態６に係る回転電機の固定子における固定子コイル端部接続部を模式的に示す図１のＢ−Ｂ線における矢視図に相当する図である。図において、固定子コイル端部接続部Ｃの相間寸法が大きい部位に設けられた、全体の外形が実施の形態５と同様のブロック状の絶縁保持部材７Ｂは、半径方向に２つに分割可能に形成されており、半径方向内径側の第１部材７１と外径側の第２部材７２からなっている。なお、その他の構成は実施の形態５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６においては、補強絶縁部材７Ｂを半径方向に第１部材７１と第２部材７２の２つに分割して形成したことにより、構成部材が小型になるため製作し易く、また、組立時に取り扱いも容易で設置し易いという利点があり、部品の製作コストを低減し、回転電機の製作期間を短縮することもできるという効果が得られる。
なお、上記例示した実施の形態１〜実施の形態６の発明を適宜組み合わせて実施するなど、この発明の範囲内で適宜変形や変更が可能であることは言うまでもない。

この発明の実施の形態１に係る回転電機の固定子における固定子鉄心の端部から回転子の軸方向に突出された固定子コイルの端部接続部を模式的に示す要部断面図。 図１のＡ−Ａ線における矢視図。 図１のＢ−Ｂ線における矢視図。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の固定子における固定子コイル端部接続部を模式的に示す図１のＡ−Ａ線における矢視図に相当する図。 この発明の実施の形態３に係る回転電機の固定子における固定子コイル端部接続部を模式的に示す図１のＡ−Ａ線における矢視図に相当する図。 この発明の実施の形態４に係る回転電機の固定子における固定子コイル端部接続部を模式的に示す図１のＢ−Ｂ線における矢視図に相当する図。 この発明の実施の形態５に係る回転電機の固定子における固定子コイル端部接続部を模式的に示す図１のＡ−Ａ線における矢視図に相当する図。 図７に示された固定子コイル端部接続部の図１のＢ−Ｂ線における矢視図に相当する図。 この発明の実施の形態６に係る回転電機の固定子における固定子コイル端部接続部を模式的に示す図１のＢ−Ｂ線における矢視図に相当する図。

符号の説明

１ 固定子鉄心、 １ａ スロット、 １ｂ 固定子鉄心端部、 ２ 固定子コイル、 ２１ 上口（内周側）固定子コイル、 ２２ 下口（外周側）固定子コイル、 ２１ａ、２２ａ コイル素線、 ２３ 主絶縁被覆、 ２４ 絶縁被覆、 ３ 接続部材、 ４ 固定子鉄心押え部材、 ５１ レジンリング、 ５２ 支持部材、 ６、６Ａ、６Ｂ 補強絶縁部材、 ６ａ 突出部、 ６０ マット、 ６１ 第１補強絶縁部材、 ６２ 第２補強絶縁部材、 ６３ 板材、 ６４ 凸部、 ６５ 第１の補強絶縁部材、 ６６ 第２の補強絶縁部材、 ７、７Ａ 絶縁保持部材、 ７１ 第１部材、 ７２ 第２部材、 ８１、８２ 絶縁性緊縛部材、 Ｃ 固定子コイル端部接続部、 Ｆ 隙間。

Claims (7)

1. 所定数のスロットが設けられた固定子鉄心と、上記各スロット内に挿入され両端部が上記固定子鉄心の端部からそれぞれ回転子の軸方向に突出された内周側固定子コイル及び外周側固定子コイルと、これら内周側固定子コイル及び外周側固定子コイルの突出端部相互を径方向に電気的に接続する接続部材とを備え、周方向に隣接する内周側固定子コイル及び外周側固定子コイルの突出部とこれら突出部を接続する接続部材とで構成される複数個の固定子コイル端部接続部相互間における第１位置において上記固定子コイル端部接続部の周方向の間隔を決めるとともに上記突出端部から軸方向に所定の距離にある第２位置において上記固定子コイルの周方向の間隔を決める補強絶縁部材を設け、かつ、上記第１位置における上記補強絶縁部材と上記固定子コイル端部接続部との間及び上記第２位置における上記補強絶縁部材と上記固定子コイルとの間に接着性を有するレジン含浸マットを設けることを特徴とする回転電機の固定子。
2. 周方向に隣接する内周側固定子コイル及び外周側固定子コイルの突出端部及び上記補強絶縁部材を所定個まとめたものを、上記補強絶縁部材が周方向の間隔を決める少なくとも上記２箇所の軸方向の位置において絶縁性緊縛部材により周方向に緊縛し、周方向に緊縛する上記絶縁性緊縛部材及び上記補強絶縁部材を径方向に絶縁性緊縛部材により緊縛することを特徴とする請求項１に記載の回転電機の固定子。
3. 少なくとも一部の上記補強絶縁部材は、軸方向に分離して設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機の固定子。
4. 軸方向に厚さが異なる部位を有する上記補強絶縁部材を、薄い部分である板材とこの板材とは別体の厚い部分である凸部とから構成することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の回転電機の固定子。
5. 上記補強絶縁部材は、内周側固定子コイル用の第１の補強絶縁部材と外周側固定子コイル用の第２の補強絶縁部材に分割形成されていることを特徴とする請求項４に記載の回転電機の固定子。
6. 上記内周側固定子コイル及び外周側固定子コイルの周方向の間隔が所定値よりも大きい箇所において周方向の間隔を固定するブロック状の絶縁保持部材を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の回転電機の固定子。
7. 上記ブロック状の絶縁保持部材は複数に分割可能に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の回転電機の固定子。

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