JP5055206B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は縦軸の水車発電機や横軸の大型電動機等の回転電機に係り、特に、回転子鉄心に扇形のセグメントコアを用いた回転電機に関する。

回転子鉄心に扇形のセグメントコアを用いた回転電機は、例えば特許文献１に開示されているように、既に提案されている。

特開平５−１５０９３号公報

通常、回転子鉄心に扇形のセグメントコアを用いた回転電機は、扇形のセグメントコアを周方向に複数並べて環状鋼板を形成し、形成された環状鋼板を軸方向に必要寸法積層して回転子鉄心を構成している。そして、環状鋼板を積層するに際し、積層方向に隣接する環状鋼板のセグメントコアの端部が一致しないように互いに周方向にずらしている。

このようにセグメントコアを用いて回転子鉄心を構成した回転電機においては、運転時の高速回転により、セグメントコアの周方向端部が外径方向に変位することがある。特に、セグメントコアの周方向端部を貫通する締結ボルトよりも周方向端部に位置する部分が外径側に変位することがある。

この変位のために、セグメントコアの周方向端部近傍に形成したスロットのが、積層方向に隣接したセグメントコアの周方向中間部に形成したスロットに対して外径方向及び周方向にずれることになる。このスロットのずれにより、回転子鉄心の軸方向に形成されたスロット内に周方向端部近傍のスロットの周縁が突出して狭域部分を生じさせ、この狭域部分に回転子巻線が接触して回転子巻線の絶縁を損傷させる可能性がある。

本発明の目的は、運転時にセグメントコアの周方向端部が外径側に変位しても、軸方向に長いスロット内に狭域部分を生じさせることのない回転子鉄心を備えた回転電機を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、セグメントコアの周方向端部近傍のスロットをセグメントコアの周方向中間部のスロットよりも大きく形成したのである。

このように構成することにより、仮に、セグメントコアの周方向端部が運転時に外径側に変位したとしても、大きく形成されたスロットの周縁が隣接セグメントのスロット内に突出することはなくなり、したがって軸方向に長いスロット内に狭域部分を生じさせることはなくなる。

以上説明したように本発明によれば、運転時にセグメントコアの周方向端部が外径側に変位しても、軸方向に長いスロット内に狭域部分を生じさせることのない回転子鉄心を備えた回転電機を得ることができる。

以下本発明による回転電機の一実施の形態として水車発電機を図１〜図７に基づいて説明する。

水車発電機１は、縦型回転軸２に固定された回転子３と、この回転子３に対し径方向の隙間を介して設置された固定子４とから構成され、縦型回転軸２の下部には図示しない水車が連結されている。

前記回転子３は、環状鋼板を軸方向に必要寸法となるように積層して形成された回転子鉄心５と、この回転子鉄心５の外径側に形成したスロット１１，１１Ａに装着された回転子巻線６とを備えており、また前記固定子４は、固定子鉄心７と、この固定子鉄心７の内径側に形成したスロットに装着された固定子巻線８を備えている。

そして、回転子鉄心５は、図３に示すような扇形に形成した鋼板で外周側に複数のスロット１１，１１Ａを形成したセグメントコア９，１０を、図５に示すように、周方向に隣接させて環状鋼板を形成し、この環状鋼板を図４に示すように、軸方向に積層して形成している。

即ち、図４及び図５に示すように、隣接するセグメントコア９Ａ，９Ｂ，９Ｃ…を周方向に隣接させて環状鋼板を形成し、この環状鋼板を軸方向積層する際は、１層目の環状鋼板のセグメントコアセグメントコア９Ａ，９Ｂ，９Ｃ…の継ぎ目（端部）１３Ａと２層目の環状鋼板のセグメントコア１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…の継ぎ目（端部）１３Ｂとを周方向にずらし、云い代えれば、積層方向に隣接する環状鋼板のセグメントコア９Ａ，９Ｂ，９Ｃ…の継ぎ目（端部）１３Ａとセグメントコア１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…の継ぎ目（端部）１３Ｂが軸方向に一致しないように互いに周方向にずらして積層し、これにより回転子鉄心５の強度を確保している。

尚、セグメントコア９，１０には、スロット１１，１１Ａのほかに、複数のボルト貫通穴１２が形成されていて、環状鋼板を所定寸法積層した後、前記ボルト貫通穴１２に締結ボルト１４を貫通させ、両端からナット（図示せず）で締結している。

また、各セグメントコア９（９Ａ，９Ｂ，９Ｃ…），１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…）のスロットのうち周方向両端部近傍に形成されるスロット１６の大きさは、図６に示すように、セグメントコア９，１０の周方向中間部に形成されるスロット１１，１１Ａに対して、径方向の高さ寸法及び周方向の幅寸法とも大きく形成されている。したがってセグメントコア９Ａ，９Ｂの継ぎ目１３Ａにおいては、図７に示すように、紙面奥側に隣接するセグメントコア１０Ａのスロット１１Ａの周縁が、スロット１６内に臨んでいる。

このほか、回転子鉄心５は、冷却風を内径側から外径側に流通させるために、所定の積層寸法毎に内径側から外径側に向う通風ダクトを設けており、通風ダクトの幅寸法と同じ厚さのダクトスペーサ１７を設置したり、ボルト貫通穴１２の周囲にダクトスペーサ１８を設置したりしている。尚、図示はしていないが、ダクトスペーサ１７の環状鋼板積層方向に突起を形成し、この突起を積層した回転子鉄心５に形成してある係合穴に係合させておくことで、運転時の遠心力によってダクトスペーサ１７が外径側に変位しないようにしている。

ダクトスペーサ１７，１８に積層鉄心締結時に作用する締付力は、回転子鉄心５を強固に締結する必要があることや、締結ボルト１４の設置位置との関係で、内径側に位置するダクトスペーサ１８が大きくなるようにしている。

本実施の形態によれば、回転子鉄心５を上述のように構成したので、水車発電機１の運転時の高速回転によってセグメントコア９，１０の周方向端部に外径方向の変位が生じても、軸方向に長いスロット内に狭域部分を生じさせることはなくなる。

即ち、水車発電機１の運転時に、回転子３の回転による遠心力を受けて回転子鉄心５を構成するセグメントコア９，１０の周方向両端部は、図８に示すように、締結ボルト１４及びナット１５による締結によっても外径方向にずれて変位する。

具体的には、１層分のセグメントコア（９，１０）を周方向から見た場合、隣り合うセグメントコア９Ａ−９Ｂ，９Ｂ−９Ｃ（１０Ａ−１０Ｂ，１０Ｂ−１０Ｃ）の継ぎ目（端部）１３Ａ（１３Ｂ）では、周方向の力を伝達することはできないが、ダクトスペーサ１７，１８の接触面の範囲内における摩擦力によって、積層方向に重なり合った隣接セグメントコア９，１０を経由して周方向の力を伝達できるので、運転時においても環状鋼板の連結状態を維持することができる。この周方向の力の伝達作用により、セグメントコア９，１０は周方向にほぼ均一に弾性変形を生じるが、継ぎ目（端部）１３Ａ（１３Ｂ）では、周方向の力が作用しないので、周方向の弾性変形は生じない。そのために、継ぎ目（端部）１３Ａ（１３Ｂ）では、積層方向に隣接するセグメントコア９，１０間に周方向の変位が生じることになる。

このような周方向の変位によって、セグメントコア９Ａ，９Ｂの継ぎ目（端部）１３Ａ（１３Ｂ）となる周方向両端部近傍においては、環状鋼板を保持した状態で外径方向に変位する。そのため、運転停止時においては、継ぎ目（端部）１３Ａ（１３Ｂ）に隙間が生じないが、運転時には継ぎ目（端部）１３Ａ（１３Ｂ）に隙間が生じる。そして、継ぎ目（端部）１３Ａ（１３Ｂ）に形成されたスロット１６近傍は、ダクトスペーサ１７を介して締結力が付与されているが、内径側のダクトスペーサ１８に比べて締結力が小さいので、積層方向に重なり合うセグメントコア９，１０間の摩擦力も小さく、外径側及び周方向に変位して傾く。

しかしながら、継ぎ目（端部）１３Ａ（１３Ｂ）近傍に形成されたスロット１６は、積層方向（軸方向）に隣接するセグメントコア１０Ａの周方向中間部に位置するスロット１１Ａよりもスロット１６は大きく形成されているので、セグメントコア９Ａ，９Ｂの継ぎ目（端部）１３Ａ（１３Ｂ）近傍が外径側及び周方向に変位したとしても、スロットスロット１１Ａ内にスロット１６の周縁が突出することはない。

その結果、セグメントコア９Ａ，９Ｂの周方向端部の変位によっても軸方向全長に亘るスロット内に狭域部分が生じないので、回転子巻線６がスロット内の狭域部分に接触することはなく、回転子巻線６の絶縁層を損傷させるような問題は一掃することができる。

ところで、水車発電機１の運転時における前記セグメントコア９，１０の周方向両端部の変位は、締結ボルト１４が周方向両端部近傍まで位置しているので、セグメントコア９，１０の周方向両端部に位置する締結ボルト１４を越えたセグメントコア９，１０の端部で最も大きく、周方向中間部側に行くに従って変位量は小さくなる。

したがって、少なくともセグメントコア９，１０の変位量が一番大きい位置に形成されたスロット１６のみを他のスロット１１，１１Ａよりも大きく形成することで、回転子鉄心５の軸方向全長に亘るスロット内に、スロット１６の周縁が大きく突出することが防止でき、スロット内のスロット絶縁材や回転子巻線６の絶縁層を損傷するのを防止することができる。

一方、セグメントコア９，１０の周方向端部が大きく変位し中間部に行くにしたがって変位量は小さくなる。そのために、セグメントコア９，１０の周方向端部に形成されたスロット１６を一番大きく形成し、周方向の中間部に行くにしたがって次第に小さくなるように形成して最後には周方向中間部のスロット１１，１１Ａと同じ大きさにすることで、云い代えれば、セグメントコアの周方向中間部から周方向端部に向かって変位量に応じてスロットを大きく形成することで、回転子鉄心５の軸方向全長に亘るスロット内に、スロット１６の縁が突出することを防止することができる。

尚、上述の説明では、前記スロット１６を、スロット１１，１１Ａに対して幅方向の両側を拡幅させたが、変位によりスロット１６の縁がスロット１１，１１Ａへ突出する側のみ拡幅するようにしてもよい。さらに、スロットの幅方向に関してのみ注目すると、セグメントコア９，１０の周方向端に半分に形成されたスロットについては、変位しても積層方向に隣接するセグメントコアに形成されたスロット１１Ａへスロットの縁が突出しないので、拡幅は不要としている。

このように、本実施の形態においては、少なくともセグメントコア９，１０の周方向端部に位置するボルト貫通位置よりも端部に位置するスロットを他のスロットよりも大きく形成することで、セグメントコア９，１０の外径側への変位による回転子巻線６の損傷を防止することができる。

以上の説明は、回転電機として水車発電機１を一例に説明したが、回転子鉄心としてセグメントコアを用いた回転電機であれば本発明が適用できるのは云うまでもない。

本発明による回転電機の一実施の形態を示す水車発電機の右半分縦断概略図。 図１の回転子を示す右半分縦断概略図。 図２の回転子鉄心を構成するセグメントコアを示す平面図。 図３のセグメントコアの積層状体を示す側面図。 図３のセグメントコアを環状鋼板に形成した状体を示す平面図。 図５に示すセグメントコアの継ぎ目部の拡大図。 図６の継ぎ目に形成されらスロットと回転子巻線を示す拡大断面図。 セグメントコアの変位を示す図７相当図。

符号の説明

１…水車発電機、２…縦型回転軸、３…回転子、４…固定子、５…回転子鉄心、６…回転子巻線、７…固定子鉄心、８…固定子巻線、９（９Ａ〜９Ｃ），１０（１０Ａ〜１０Ｃ）…セグメントコア、１１，１１Ａ，１６…スロット、１２…ボルト貫通穴、１３Ａ，１３Ｂ…継ぎ目、１４…締結ボルト。

Claims (4)

1. 扇形の外周部に複数のスロットを形成したセグメントコアを周方向に複数並べて環状鋼板を形成し、これら環状鋼板を軸方向に積層して必要寸法の回転子鉄心を構成すると共に、積層方向に隣接する前記環状鋼板のセグメントコアの端部が一致しないように互いに周方向にずらして積層した回転電機において、セグメントコアの周方向端部近傍のスロットをセグメントコアの周方向中間部のスロットよりも大きく形成したことを特徴とする回転電機。
2. 扇形の外周部に複数のスロットを形成したセグメントコアを周方向に複数並べて環状鋼板を形成し、これら環状鋼板を軸方向に積層して必要寸法の回転子鉄心を構成すると共に、積層方向に隣接する前記環状鋼板のセグメントコアの端部が一致しないように互いに周方向にずらして積層した回転電機において、セグメントコアの周方向中間部から周方向端部に向かって前記スロットを大きく形成したことを特徴とする回転電機。
3. 扇形の外周部に複数のスロットを形成したセグメントコアを周方向に複数並べて環状鋼板を形成し、これら環状鋼板を軸方向に積層して必要寸法の回転子鉄心を構成すると共に、積層方向に隣接する前記環状鋼板のセグメントコアの端部が一致しないように互いに周方向にずらして積層し、かつ、積層した前記環状鋼板に複数の締結ボルトを貫通させてナットで締結した回転電機において、少なくともセグメントコアの周方向端部に貫通させた締結ボルトよりも周方向端部に位置するスロットを、セグメントコアの周方向中間部に位置するスロットよりも大きく形成したことを特徴とする回転電機。
4. 前記セグメントコアの周方向端部及びその近傍に形成されたスロットは、セグメントコアの周方向中間部のスロットよりも幅と高さが大きく形成されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載の記載の回転電機。

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