JP5253355B2 - 回転電機、発電機、電動機 - Google Patents

Description

この発明は、タービン発電機、大容量電動機などの大型の回転電機に関し、特に固定子鉄心の固定子ティースに設けられるスリットに関するものである。

タービン発電機、大容量電動機などの大型回転電機においては、固定子鉄心端面に鎖交する軸方向磁束により積層鋼板の面内に発生する渦電流による局所発熱を防止するために、各ティースに略放射状にスリットを設け、渦電流の流路を狭くすることで渦電流損失を低減し、熱的な信頼性を確保する。なお、このスリットは１本のティースの周方向にほぼ等ピッチに設けられている。
また、固定子鉄心は積層鋼板により形成されているため、端部のティースは軸方向に振動する恐れがあり、フィンガーと呼ばれる金属部材でティースを軸方向に押さえている。スリットを設けた場合、スリットの両側を押さえる必要がある。なお、フィンガーはスリットの両側に設置するか、スリットを跨いで設置するケースが多い（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１９９２６７号公報

しかし、固定子ティースをスリットで回転子回転方向に回転子回転方向の弧長が同じになるように分割すると、分割された固定子ティースの２個の部分を鎖交する磁束密度が不均一となり、磁束密度が増磁された部分での局所発熱が大きくなるという問題がある。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、固定子ティースの渦電流損失が低減されるとともに局所発熱の分布が緩和される固定子鉄心を有する回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機は、略円筒状の積層鉄心から構成され、内周側に固定子コイルを格納するスロットが設けられ、上記スロットにより挟まれた固定子ティースを有し、上記固定子ティースを内周側の端面から径方向に延びて複数に分割するスリットが少なくとも軸方向端部において設けられる固定子鉄心と、上記固定子鉄心の内周側に回転自在に取り付けられた回転子と、を備える回転電機において、上記分割された複数の上記固定子ティースの上記端面の回転子回転方向の弧の長さが不均等であり、上記回転子に対面する端面から鎖交する主磁束がスロット漏れ磁束により増磁される上記固定子ティースの分割された部分の上記端面の回転子回転方向の弧の長さが、最も短い。

この発明に係る回転電機は、固定子ティースを回転子に対面する端面の回転子回転方向の弧を回転子回転方向に向いて前側の弧の長さが回転子回転方向に向いて後ろ側の弧の長さより短くなるように２分割すると、渦電流損失の偏りを緩和するとともに固定子ティース４全体としての渦電流損失を低減できるという効果を奏する。

この発明の実施に形態１に係る回転電機の固定子鉄心の平面図である。 発電機の負荷時の磁束ベクトルの概念図である。 固定子ティースを拡大して表示した模式図である。 １個のスリットにより均等に２分割された固定子ティースの端面での渦電流の模式図である。 １個のスリットにより不均等に２分割された固定子ティースの端面での渦電流の模式図である。 この発明の実施に形態２に係る固定子ティースの拡大平面図である。 この発明の実施に形態３に係る固定子ティースの拡大平面図である。 この発明の実施に形態４に係る固定子ティースの拡大平面図である。 この発明の実施に形態５に係る固定子ティースの拡大平面図である。 電動機の負荷時の磁束ベクトルの概念図である。 回転電機が両方向に回転する場合の固定子ティースの拡大平面図である。 回転電機が両方向に回転する場合の他の固定子ティースの拡大平面図である。

以下、本発明の回転電機の固定子鉄心の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施に形態１に係る回転電機の固定子鉄心の平面図である。
この発明の実施の形態１に係る回転電機の固定子鉄心１は、電気鉄板を扇形に打ち抜くことによって得られた複数の鉄心用抜板を環状に配置して構成された単位層鉄板を複数層に積層して構成されている。固定子鉄心１には回転子２に対面する面に開口し、径方向に空けられたスロット３が設けられている。そして、回転子２の回転方向に隣接するスロット３に挟まれた部分を固定子ティース４と称する。
固定子鉄心１のスロット３内に上下２層の固定子コイル５を収納する。

この発明の実施の形態１に係る固定子ティース４は、回転子２に対面する固定子ティース４の端面から径方向に設けられたスリット６により回転子回転方向に２分割されている。そして、スリット６は、固定子ティース４の回転子２に対面する端面の回転子回転方向の弧を弧長が不均等に２分割する位置から径方向に設けられている。このような位置にスリット６を設けることにより、スリット６により２分割された固定子ティース４の前側の部分での渦電流損失がスリット６により均等に分割された固定子ティース４の前側の部分での渦電流損失より小さくなる。また、不均等に分割された固定子ティース全体での渦電流損失が均等に分割された固定子ティース全体での渦電流損失よりも小さくなる。

次に、１個のスリット６により固定子ティース４を不均等に２分割したときの渦電流損失について説明する。
最初に、回転電機として発電機を取り上げ、その発電機の負荷時の磁束ベクトルを説明する。図２は、発電機の負荷時の磁束ベクトルの概念図である。
負荷時には回転子２が作る界磁磁束と固定子電流が作る電機子反作用磁束との合成磁束が合成主磁束となる。界磁磁束と合成主磁束のなす角度が内部相差角δである。また、合成主磁束と固定子電流（固定子起磁力）のなす角度が力率角θである。発電機の負荷運転時には、力率角θが正であるところの遅れ力率（図１に示すような方向）や進み力率（θが負）など存在するが、おおよそ合成主磁束は図示のように紙面手前側に流れる電流が存在する方向に向く。

次に、固定子ティース４を通過する磁束について説明する。図３は、固定子ティース４を拡大して表示した模式図である。
図示のような向きに合成主磁束がある場合、スロット３に格納された固定子コイル５には、図２に図示するように主に紙面手前側に電流が流れるため、この固定子コイル５に流れる電流が作る固定子スロット漏れ磁束は、図３に図示するようにスリット６により２分割された固定子ティース４の内回転子回転方向に向いて前側（すなわち進み側）の部分では、合成主磁束を増磁し、逆に回転子回転方向に向いて後ろ側（すなわち遅れ側）の部分では、合成主磁束を減磁する。

次に、固定子ティース４を１個のスリット６で均等に２分割したときの固定子ティース４の端面の渦電流を説明する。図４は、１個のスリット６により均等に２分割された固定子ティース４の端面での渦電流の模式図である。
固定子ティース４の端面においても、上記の関係はそのままであり、固定子ティース４の端面に径方向に鎖交する磁束も、合成主磁束と固定子スロット漏れ磁束とを合成したものであり、スリット６により２分割された固定子ティース４の端面ののうち回転子回転方向に向いて前側の部分では、合成主磁束を増磁し、逆に回転子回転方向に向いて後ろ側の部分では、合成主磁束を減磁する。

そして、固定子ティース４の端面のスリット６により分断された流路に流れる渦電流は、この軸方向磁束により発生するため、図４に示すように回転子回転方向に向いて前側の部分では、大きくなり、逆に回転子回転方向に向いて後ろ側の部分では、小さくなる。
そのため、回転子回転方向に向いて前側の部分での渦電流損失が大きくなり、逆に、回転子回転方向に向いて後ろ側の部分では、小さくなり、渦電流損失に偏りが発生する。

次に、この発明の実施の形態１に係る固定子ティース４の端面に流れる渦電流について説明する。図５は、この発明の実施の形態１に係る固定子ティース４の端面に流れる渦電流の模式図である。
この発明の実施の形態１に係る固定子ティース４は、回転子２に対面する端面の回転子回転方向の弧を回転子回転方向に向いて前側の弧の長さが回転子回転方向に向いて後ろ側の弧の長さより短くなるように２分割する位置から径方向にスリット６が設けられているので、回転子回転方向に向いて前側の固定子ティース４の部分の流路が狭くなり、増磁された径方向に鎖交する磁束による渦電流を減少し、渦電流損失が小さくなる。一方、回転子回転方向に向いて後ろ側の固定子ティース４の部分の流路が広くなるが、減磁された径方向に鎖交する磁束による渦電流を増加することが少ないので、渦電流損失はさほど増加しない。

このように固定子ティース４を回転子２に対面する端面の回転子回転方向の弧を回転子回転方向に向いて前側の弧の長さが回転子回転方向に向いて後ろ側の弧の長さより短くなるように２分割すると、渦電流損失の偏りを緩和するとともに固定子ティース４全体としての渦電流損失を低減できる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施に形態２に係る固定子ティースの拡大平面図である。
この発明の実施の形態２に係る回転電機の固定子鉄心は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の固定子鉄心と、固定子ティース４Ｂに設けられたスリット６の数が２個になったことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明を省略する。

この発明の実施の形態２に係る固定子ティース４Ｂは、回転子２に対面する固定子ティース４Ｂの端面から径方向に設けられた２個のスリット６により回転子回転方向に３分割されている。そして、２個のスリット６は、固定子ティース４の回転子２に対面する端面の回転子回転方向の弧を回転子回転方向に向かって最も前側の弧、中間の弧、最も後ろ側の弧の３つの弧に分ける。最も前側の弧の長さが中間の弧の長さより短く、中間の弧の長さが最も後ろ側の弧の長さと同じである。

このような位置に２個のスリット６を設けることにより、固定子ティース４の最も前側の部分での渦電流損失がスリット６により均等に分割された固定子ティース４の最も前側の部分での渦電流損失より小さくなる。また、不均等に３分割された固定子ティース４Ｂ全体での渦電流損失が均等に分割された固定子ティース全体での渦電流損失よりも小さくなる。

なお、上述の実施の形態１、２では固定子ティースを２分割、３分割した例を取り上げたが、４分割以上しても良い。そのときも、例えば４分割の場合、固定子ティースの回転子に対面する端面の回転子回転方向の弧を弧長が不均等になるように４分割する位置から径方向に設ける。そして、回転子回転方向の最も前側に位置する固定子ティースの弧の長さが残りの固定子ティースの弧の長さより短くなるようにする。
このような位置にスリットを設けることにより、スリットにより４分割以上された固定子ティースの最も前側の部分での渦電流損失がスリットにより均等に分割された固定子ティースの最も前側の部分での渦電流損失より小さくなる。また、不均等に分割された固定子ティース全体での渦電流損失が均等に分割された固定子ティース全体での渦電流損失よりも小さくなる。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施に形態３に係る固定子ティースの拡大平面図である。
この発明の実施の形態３に係る回転電機の固定子鉄心は、この発明の実施の形態２に係る回転電機の固定子鉄心と、固定子ティース４Ｃに設けられたスリット６ａ、６ｂの深さが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明を省略する。
この発明の実施の形態３に係る固定子ティース４Ｃは、回転子回転方向に向かって最も前側と中間の部分が深さが深いスリット６ａで分割され、中間と最も後ろ側の部分が深さが浅いスリット６ｂで分割されている。

スリット６ｂのように深さが浅いと図７の回転子回転方向に向かって中間と後ろ側の部分の固定子ティースの端面には大きなループの渦電流が発生する。このため、渦電流損失が大きくなる。よって、スリット６ａのように深さを深くすることで渦電流を低減できる。
しかし、スリット６ａのように深さが深いと、固定子ティース４Ｃの回転子２に対面する先端部の強度の減少、固定子ティース４Ｃの幅の減少による磁気飽和など悪影響があり、深さの深いスリット６ａを多く設けるのは難しい場合がある。これまでに述べたように、渦電流は発電機の場合、回転子回転方向に向かって前側の固定子ティース４Ｃで大きくなるため、渦電流損失も大きくなる。よって、回転子回転方向の前側のスリット６ａのみを深くすれば、効果的に渦電流発熱を低減することができる。

実施の形態４．
図８は、この発明の実施に形態４に係る固定子ティースの拡大平面図である。
この発明の実施の形態４に係る回転電機の固定子鉄心は、この発明の実施の形態２に係る回転電機の固定子鉄心に、フィンガー７を設けたことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明を省略する。
このようにフィンガー７を固定子ティース４Ｂの両側に構成すれば、積層鋼板の振動を抑えることができ、信頼性の高い回転電機を提供することができる。
なお、フィンガー７がスリット６に重なる場合、フィンガー７によりスリット６により分割された隣接する固定子ティース４Ｂが溶接部８を介して電気的に導通するために、隣接する固定子ティース４の間に渦電流ループが発生する。これにより、スリット６による渦電流低減効果が弱まり、発熱が大きくなる。このため、固定子ティース４Ｂに対するフィンガー７の数はスリット数＋１であることが望ましい。

実施の形態５．
図９は、この発明の実施に形態５に係る固定子ティースの拡大平面図である。
この発明の実施の形態５に係る回転電機の固定子鉄心は、この発明の実施の形態４に係る回転電機の固定子鉄心に設けるフィンガー７の数が異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明を省略する。
１本の固定子ティース４Ｂに対してスリット数＋１本のフィンガー７を設置する場合、フィンガー７の本数が増大することでコスト増となり、かつフィンガー７の溶接など製造コストも増大する。
固定子ティース４Ｂの渦電流発熱は、合成主磁束と固定子コイル漏れ磁束の合成磁束により発生するため、発電機の場合、回転子回転方向に向かって前側で増磁、後ろ側で減磁となり、前側の発熱が大きくなる。このため、フィンガー７の本数を減らし、コスト低減を図る場合、前側でスリット６を跨ぐフィンガー７を設置した場合、渦電流損失の増加が顕著となるが、後ろ側では比較的渦電流損失増加が抑えられる。このため、前側のスリット６を跨ぐフィンガー７は設置せず、後ろ側のスリット６を跨ぐフィンガー７を設置すると、固定子ティース４Ｂの先端部を機械的に押さえ、かつ効果的にコスト低減が可能となる。

なお、上述の実施の形態１乃至５においては回転電機として発電機を取り上げたが、回転電機が電動機の場合は、おおよそ負荷時磁束ベクトル図が図１０に示すようになり、発電機とは反対に、合成主磁束と固定子コイル漏れ磁束との増磁側が、回転子回転方向に向かって後ろ側になる。よって、発電機を例として述べてきたこれまでの説明の逆となる。
また、回転子２が両方向に回転する場合には、図１１に示すように、２個のスリット６で固定子ティース４の回転子２に対面する端面の回転子回転方向の弧を回転子回転方向に向かって最も前側の弧、中間の弧、最も後ろ側の弧の３つの弧に分ける。最も前側の弧の長さが中間の弧の長さより短く、最も後ろ側の弧の長さを中間の弧の長さより短くすれば良い。
また、回転子２が両方向に回転する場合には、図１２に示すように、深さが深い回転子回転方向に向かって最も前側のスリット６と最も後ろ側のスリット６、深さが浅い中間のスリット６の３個のスリット６で固定子ティース４を４分割しても良い。

１ 固定子鉄心、２ 回転子、３ スロット、４、４Ｂ、４Ｃ 固定子ティース、５ 固定子コイル、６、６ａ、６ｂ スリット、７ フィンガー、８ 溶接部。

Claims (12)

1. 略円筒状の積層鉄心から構成され、内周側に固定子コイルを格納するスロットが設けられ、上記スロットにより挟まれた固定子ティースを有し、上記固定子ティースを内周側の端面から径方向に延びて複数に分割するスリットが少なくとも軸方向端部において設けられる固定子鉄心と、上記固定子鉄心の内周側に回転自在に取り付けられた回転子と、を備える回転電機において、
   上記分割された複数の上記固定子ティースの上記端面の回転子回転方向の弧の長さが不均等であり、
   上記回転子に対面する端面から鎖交する主磁束がスロット漏れ磁束により増磁される上記固定子ティースの分割された部分の上記端面の回転子回転方向の弧の長さが、最も短いことを特徴とする回転電機。
2. 略円筒状の積層鉄心から構成され、内周側に固定子コイルを格納するスロットが設けられ、上記スロットにより挟まれた固定子ティースを有し、上記固定子ティースを内周側の端面から径方向に延びて複数に分割するスリットが少なくとも軸方向端部において設けられる固定子鉄心と、上記固定子鉄心の内周側に回転自在に取り付けられた回転子と、を備える回転電機において、
   上記回転子に対面する端面から鎖交する主磁束がスロット漏れ磁束により増磁される上記固定子ティースの分割された部分を分割するスリットの深さが最も深いことを特徴とする回転電機。
3. 上記固定子鉄心の端面に配置されるとともに上記分割された固定子ティースの先端部を全て軸方向に押さえるフィンガーを有することを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 上記固定子ティースが少なくとも２個のスリットで分割され、
   上記固定子鉄心の端面に配置されるとともに上記回転子に対面する端面から鎖交する主磁束がスロット漏れ磁束により増磁される上記固定子ティースの分割された部分の先端部を上記スリットを跨がずに軸方向に押さえるとともに残りの分割された部分の先端部を上記スリットを跨いで軸方向に押さえるフィンガーを有することを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
5. 略円筒状の積層鉄心から構成され、内周側に固定子コイルを格納するスロットが設けられ、上記スロットにより挟まれた固定子ティースを有し、上記固定子ティースを内周側の端面から径方向に延びて複数に分割するスリットが少なくとも軸方向端部において設けられる固定子鉄心と、上記固定子鉄心の内周側に回転自在に取り付けられた回転子と、を備える発電機において、
   上記分割された複数の上記固定子ティースの上記端面の回転子回転方向の弧の長さが不均等であり、
   上記回転子に対面する端面から鎖交する主磁束がスロット漏れ磁束により増磁される上記固定子ティースの分割された部分の上記端面の回転子回転方向の弧の長さが、最も短いことを特徴とする発電機。
6. 略円筒状の積層鉄心から構成され、内周側に固定子コイルを格納するスロットが設けられ、上記スロットにより挟まれた固定子ティースを有し、上記固定子ティースを内周側の端面から径方向に延びて複数に分割するスリットが少なくとも軸方向端部において設けられる固定子鉄心と、上記固定子鉄心の内周側に回転自在に取り付けられた回転子と、を備える発電機において、
   上記回転子に対面する端面から鎖交する主磁束がスロット漏れ磁束により増磁される上記固定子ティースの分割された部分を分割するスリットの深さが最も深いことを特徴とする発電機。
7. 上記固定子鉄心の端面に配置されるとともに上記分割された固定子ティースの先端部を全て軸方向に押さえるフィンガーを有することを特徴とする請求項５または６に記載の発電機。
8. 上記固定子ティースが少なくとも２個のスリットで分割され、
   上記固定子鉄心の端面に配置されるとともに上記回転子に対面する端面から鎖交する主磁束がスロット漏れ磁束により増磁される上記固定子ティースの分割された部分の先端部を上記スリットを跨がずに軸方向に押さえるとともに残りの分割された部分の先端部を上記スリットを跨いで軸方向に押さえるフィンガーを有することを特徴とする請求項５または６に記載の発電機。
9. 略円筒状の積層鉄心から構成され、内周側に固定子コイルを格納するスロットが設けられ、上記スロットにより挟まれた固定子ティースを有し、上記固定子ティースを内周側の端面から径方向に延びて複数に分割するスリットが少なくとも軸方向端部において設けられる固定子鉄心と、上記固定子鉄心の内周側に回転自在に取り付けられた回転子と、を備える電動機において、
   上記分割された複数の上記固定子ティースの上記端面の回転子回転方向の弧の長さが不均等であり、
   上記回転子に対面する端面から鎖交する主磁束がスロット漏れ磁束により増磁される上記固定子ティースの分割された部分の上記端面の回転子回転方向の弧の長さが、最も短いことを特徴とする電動機。
10. 略円筒状の積層鉄心から構成され、内周側に固定子コイルを格納するスロットが設けられ、上記スロットにより挟まれた固定子ティースを有し、上記固定子ティースを内周側の端面から径方向に延びて複数に分割するスリットが少なくとも軸方向端部において設けられる固定子鉄心と、上記固定子鉄心の内周側に回転自在に取り付けられた回転子と、を備える電動機において、
    上記回転子に対面する端面から鎖交する主磁束がスロット漏れ磁束により増磁される上記固定子ティースの分割された部分を分割するスリットの深さが最も深いことを特徴とする電動機。
11. 上記固定子鉄心の端面に配置されるとともに上記分割された固定子ティースの先端部を全て軸方向に押さえるフィンガーを有することを特徴とする請求項９または１０に記載の電動機。
12. 上記固定子ティースが少なくとも２個のスリットで分割され、
    上記固定子鉄心の端面に配置されるとともに上記回転子に対面する端面から鎖交する主磁束がスロット漏れ磁束により増磁される上記固定子ティースの分割された部分の先端部を上記スリットを跨がずに軸方向に押さえるとともに残りの分割された部分の先端部を上記スリットを跨いで軸方向に押さえるフィンガーを有することを特徴とする請求項９または１０に記載の電動機。

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