JP6230475B2 - 突極形回転子 - Google Patents

Description

この発明は、例えば回転界磁形同期発電機などに使用される突極形回転子に関するものである。

一般に、回転界磁形同期発電機などに用いられる突極形回転子は、界磁鉄心の周方向に複数個配置された突極部に界磁巻線を巻装するため、界磁鉄心と界磁巻線間の絶縁性を確保する必要がある。特に界磁鉄心の突極部の先端部には、突極形回転子が回転した際に生じる遠心力によって界磁巻線が先端部に押し付けられることで、界磁巻線の絶縁被膜を傷つける懸念があるため、これに耐えうる機械的強度と絶縁性を両立する必要があり、例えばエポキシ樹脂が含浸されたガラスクロス積層板またはフェノール樹脂が含浸された布入りベークライト板などで形成された絶縁板（絶縁フランジ）を、界磁巻線と界磁鉄心の先端部との間に挟み、遠心力に耐える絶縁構造としている。（例えば、特許文献１）

実開平４−８０２５０号公報

従来の突極形回転子においては、界磁巻線と界磁鉄心の突極部の先端部との間の軸方向全域にわたり絶縁板を挟んでいるため、界磁巻線と界磁鉄心の突極部の先端部との間の熱抵抗が増加して界磁巻線の放熱性能が悪化する。このため、例えば発電機の出力が制限されるなど、性能や信頼性が低下してしまうという課題があった。

この発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、界磁巻線と界磁鉄心の先端部との間の伝熱性能と絶縁性を共に確保できる突極形回転子を提供することを目的とする。

この発明に係る突極形回転子は、径方向に突出する胴部と前記胴部の先端に形成され周方向の幅が前記胴部よりも広い先端部とを有する突極部が周方向に複数個配置された界磁鉄心と、前記突極部の前記胴部に巻装された界磁巻線とを有する突極形回転子であって、前記界磁巻線と前記突極部の前記先端部との間の軸方向両端部に配置された絶縁板と、両端にある前記絶縁板の間に配置され前記界磁巻線と前記先端部との間の隙間を埋める金属板とを備えていることを特徴とするものである。

この発明の突極形回転子によれば、界磁巻線と界磁鉄心の先端部との間の軸方向両端部に配置された絶縁板と、両端にある前記絶縁板の間に配置され前記界磁巻線と前記先端部との間の隙間を埋める金属板とを備えているため、界磁巻線と界磁鉄心の先端部との間の軸方向中央部では熱伝導性の良い金属板で隙間を埋めることによって伝熱性能を確保でき、界磁巻線の絶縁被膜を傷つけてしまう懸念が高い軸方向両端部は絶縁板が配置されているため、界磁巻線と界磁鉄心の先端部との間の伝熱性能と絶縁性を共に確保できる突極形回転子を得ることができる効果がある。

この発明の実施の形態１における突極形回転子の概略構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１における突極形回転子を示す断面正面図である。 この発明の実施の形態１における突極形回転子を示す断面側面図である。 この発明の実施の形態１における突極形回転子の界磁鉄心の軸方向両端部に取り付けられる巻線ガイドを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１における突極形回転子の界磁鉄心の軸方向端部を示す部分詳細図である。 この発明の実施の形態２における突極形回転子の界磁鉄心の軸方向端部を示す部分詳細図である。 この発明の実施の形態２における突極形回転子の絶縁板と金属板との境界面を説明する説明図である。 この発明の実施の形態３における突極形回転子の界磁鉄心の突極部を示す部分図である。 この発明の実施の形態３における突極形回転子の界磁鉄心の突極部に設けられる段差の形成を説明する説明図である。 この発明の実施の形態３における突極形回転子の界磁鉄心の突極部先端部に段差が形成されている場合の界磁鉄心の軸方向端部を示す部分詳細図である。 この発明の実施の形態４における突極形回転子の界磁鉄心の軸方向両端部に取り付けられる巻線ガイドを示す斜視図である。 この発明の実施の形態４における突極形回転子の界磁鉄心の軸方向両端部に取り付けられる巻線ガイドの組立を説明する説明図である。

以下、この発明の実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部分については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における突極形回転子の概略構成を示す斜視図、図２はこの発明の実施の形態１における突極形回転子を示す断面正面図、図３はこの発明の実施の形態１における突極形回転子を示す断面側面図、図４はこの発明の実施の形態１における突極形回転子の界磁鉄心の軸方向両端部に取り付けられる巻線ガイドを示す斜視図、図５はこの発明の実施の形態１における突極形回転子の界磁鉄心の軸方向端部を示す部分詳細図である。

図１から図５において、突極形回転子は、周方向に４個の突極部が配置された薄鋼板を軸方向に複数枚積層して構成された界磁鉄心１と、界磁鉄心１の突極部の軸方向両端部に取り付けられる巻線ガイド２と、表面に絶縁が施された線状の導体であるコイル材３を、巻線ガイド２を介して界磁鉄心１の突極部に巻装して形成された界磁巻線４とを備えている。

界磁鉄心１は、図３に示すように径方向に突出する４個の突極部を備えており、突極部は、巻線ガイド２が取り付けられコイル材３が巻装される胴部１ａと、胴部１ａよりも周方向幅が広い先端部１ｂで構成されている。また、界磁鉄心１には、ボルト６が貫通する貫通穴１ｄと、支持棒７が貫通する貫通穴１ｅが設けられている。さらに、界磁鉄心１の中央にはシャフト（図示せず）を貫通させる貫通穴１ｃが設けられている。

界磁巻線４は、界磁鉄心１の突極部間の隙間に挿入される収納部４ａと、収納部４ａ同士を連結し界磁鉄心１の軸方向両端面から軸線方向にそれぞれ伸びるコイルエンド４ｂとで構成されている。また、界磁巻線４はワニスを含浸することで絶縁性能を確保するとともにコイルエンド４ｂの剛性を向上させている。さらに、巻装されたコイル材３同士の隙間や界磁鉄心１の突極部と界磁巻線４の隙間をワニスで埋めることにより伝熱性能を向上させている。なお、界磁鉄心１の突極部と界磁巻線４の隙間には紙またはシートもしくはフィルム等の薄形絶縁材（図示せず）が保持されており、この薄形絶縁材により界磁鉄心１と界磁巻線４の絶縁を確保している。

巻線ガイド２は、図４に示すようにコイル材３が巻装される際に径方向端部位置を矯正するガイド２ａと、巻装されるコイル材３のピッチ（外形寸法）に合わせた溝２ｂとを巻方向の両端部に備えている。このように形成された巻線ガイド２を使用して、ガイド２ａと溝２ｂに沿ってコイル材３を巻装することで、巻装作業時のコイル材３のずれやみだれを抑制して界磁巻線４を高密度化できる。

界磁鉄心１には界磁巻線４の収納部４ａをガイドするＬ字形状のプレートであるコイルガイド９が取り付けられる。界磁巻線４の収納部４ａは、界磁鉄心１の胴部１ａと先端部１ｂとによって２面を囲まれるが、残り２面はこれを支えるものがなく、巻装作業後に界磁巻線４の収納部４ａに巻装されたコイル材３が崩れる懸念がある。このためコイルガイド９を取り付けて界磁巻線４の収納部４ａを支えることにより、コイル材３の巻き崩れを防止している。なお、界磁巻線４の収納部４ａの全域にわたりコイルガイド９を配置すると、界磁巻線４の収納部４ａの放熱を妨げるため、コイルガイド９は軸方向に数箇所のみ局所配置している。また、界磁巻線４とコイルガイド９の間には、紙またはシートもしくはフィルム等の薄形絶縁材（図示せず）が保持されており、これにより絶縁を確保している。

界磁鉄心１のシャフト用の貫通穴１ｃの周囲に配置されるボルト６は、積層された薄鋼板および界磁鉄心１と略同形状で界磁鉄心１の軸方向両端面に配設される短絡板５を締結固定している。界磁鉄心１の突極部を貫通して設置された支持棒７の軸方向両端部には、絶縁樹脂等で形成され中央に支持棒７を嵌め込む窪みを設けた絶縁部材８が設置されており、さらに、支持棒７と絶縁部材８および界磁巻線４のコイルエンド４ｂとが絶縁性の固縛部材１０により固縛されている。突極形回転子が回転すると、界磁巻線４のコイルエンド４ｂは遠心力により外周側にたわむ方向の力を受けるが、界磁鉄心１に支持された支持棒７にて絶縁部材８を介してコイルエンド４ｂを外周側から支持することで、絶縁性能を確保しつつコイルエンド４ｂの変形を防いでいる。

界磁鉄心１の先端部１ｂと界磁巻線４の収納部４ａとの隙間には、図５に示すように、界磁鉄心１の先端部１ｂの軸方向両端部に絶縁板１１が配置されるとともに、軸方向両端部に配置された絶縁板１１の間の界磁鉄心１の先端部１ｂと界磁巻線４の収納部４ａとの隙間は、絶縁板１１と略同一厚みで例えば材質がステンレス鋼などの非磁性の金属板１２により埋められている。一般に突極回転子が回転すると、界磁巻線４のコイルエンド４ｂは遠心力により外周側（突極部の先端部１ｂ側）方向に力を受ける。この際に界磁鉄心１の先端部１ｂの角部にて界磁巻線４を傷つけ絶縁性能が低下する懸念がある。このため絶縁板１１によってこれを保護する。

また、界磁鉄心１の先端部１ｂと界磁巻線４の収納部４ａとの隙間の軸方向全域に絶縁板１１を設けると、界磁巻線４と先端部１ｂとの間の熱抵抗が悪化（増大）するため、界磁鉄心１の先端部１ｂの軸方向両端部にのみ絶縁板１１を設置し、軸方向両端部に設置された絶縁板１１の間には絶縁板１１よりも熱伝導性のよい金属板１２を設置して熱抵抗を低減している。絶縁板１１と金属板１２は両面粘着テープまたは接着剤を使用して界磁鉄心１の先端部１ｂに固定される。なお、界磁巻線４と金属板１２の間には、紙またはシートもしくはフィルム等の薄形絶縁材（図示せず）が保持されており、これにより絶縁を確保している。

以上説明した実施の形態１の効果について、以下に纏めて記入する。
界磁鉄心１の先端部１ｂと界磁巻線４の収納部４ａとの間には、軸方向両端部に設置された絶縁板１１、および、その間に金属板１２を併用して配置しているため、遠心力による界磁巻線４の絶縁破壊を抑制しつつ伝熱性能を確保しているため、突極形回転子の性能および品質が向上する。
金属板１２は非磁性の材質のものを使用しているため渦電流の発生が抑制され、突極形回転子の性能および品質が向上する。

界磁巻線４のコイルエンド４ｂの外周部を絶縁部材８を介して支持棒７で支えているため、絶縁性能を確保しつつコイルエンド４ｂの剛性が向上して、回転時に受ける遠心力によるコイルエンド４ｂのたわみを抑制できるため、突極形回転子の品質が向上する。
支持棒７と絶縁部材８とコイルエンド４ｂを固縛部材１０で固縛することで、コイルエンド４ｂを確実に支えることができるため、突極形回転子の品質が向上する。
支持棒７と絶縁部材８の固定を固縛にて行うため、両部品を位置保持するための部品等が不要となり、部品点数が削減され、突極形回転子のコストが低減する。

界磁鉄心１の胴部１ａの軸方向両端部に装着された巻線ガイド２には、コイル材３が巻装される際に径方向端部位置を矯正するガイド２ａと、巻装されるコイル材３のピッチ（外形寸法）に合わせた溝２ｂとが形成されており、巻装作業時のコイル材３のずれやみだれを抑制して界磁巻線４を高密度化するため、コイルエンド４ｂの剛性が向上するとともにコイル材３同士間の熱抵抗が低減して、突極形回転子の性能および品質が向上する。
界磁巻線４にワニスを含浸することにより、界磁巻線４の剛性を向上させるとともに絶縁性能を確保し、さらに、コイル材３同士間の隙間およびコイル材３と界磁鉄心１間の隙間をワニスで埋めて伝熱性能を向上させることができるため、突極形回転子の性能および品質が向上する。

なお、上記実施の形態１では、界磁鉄心１の突極部の数が４極の場合について説明したが、突極部の数はこれに限定されるものではない。また、界磁巻線４のコイル材３のコイル径や巻数は適宜設定されるものであり、これに限定されるものではない。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２における突極形回転子の界磁鉄心の軸方向端部を示す部分詳細図、図７はこの発明の実施の形態２における突極形回転子の絶縁板と金属板との境界面を説明する説明図である。上記実施の形態１では、絶縁板１１と金属板１２との境界面が図５に示すように直線状の場合について説明したが、実施の形態２では、絶縁板１１と金属板１２との境界面を、図６および図７に示すように、カギ型形状のラビリング構造にした場合について説明する。なお、他の部分については実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

図６および図７において、界磁鉄心１の先端部１ｂと界磁巻線４の収納部４ａとの間に設置された絶縁板１１と金属板１２との境界面はカギ型形状のラビリング構造をした継手構成としている。このように継手構成にすることで、両部品の位置決めが容易となる。継手構成は、金属板１２を界磁巻線４の収納部４ａ側にして、絶縁板１１を界磁鉄心１の先端部１ｂ側にするのが望ましい。この理由としては、絶縁板１１と金属板１２の組み付け時の順番は、絶縁板１１を組み付けてから金属板１２を組み付ける順序となり、絶縁板１１を先端部１ｂの軸方向端面を基準に設置することが可能となるため、組立作業が行いやすい。

これに対して、仮に金属板１２を先端部１ｂ側にし、絶縁板１１を界磁巻線４側にしたと仮定すると、絶縁板１１と金属板１２の組み付け時の順番が金属板１２を組み付けてから絶縁板１１を組み付ける順序となり、金属板１２は中央部に配置されるため、組み付け基準が無く、組立作業性が悪化することとなる。なお、界磁巻線４と金属板１２の間には紙またはシートもしくはフィルム等の薄形絶縁材１３が保持されており、これにより絶縁を確保している。

以上説明したように、絶縁板１１と金属板１２の境界面をカギ型形状の継手構成とすることにより、絶縁板１１と金属板１２の位置決めが容易となるうえ、継手構成として金属板１２を界磁巻線４の収納部４ａ側にして、絶縁板１１を界磁鉄心１の先端部１ｂ側にすることにより、絶縁板１１を先端部１ｂの軸方向端部を基準に組み付けた後に金属板１２を組み付けることが可能となるため、突極形回転子の生産性が向上する。

実施の形態３．
図８ａはこの発明の実施の形態３における突極形回転子の界磁鉄心の突極部を示す部分図、図８ｂはこの発明の実施の形態３における突極形回転子の界磁鉄心の突極部に設けられる段差の形成を説明する説明図、図９はこの発明の実施の形態３における突極形回転子の界磁鉄心の突極部先端部に段差が形成されている場合の界磁鉄心の軸方向端部を示す部分詳細図である。上記実施の形態１では、界磁鉄心１の先端部１ｂと界磁巻線４との間に絶縁板１１と金属板１２を設置した場合について説明したが、実施の形態３では、界磁鉄心１の先端部１ｂに絶縁板１１を設置する段差を設けた場合について説明する。なお、他の部分については、実施の形態１と実質的に同じ構成部品に対しては同じ符号を付しており、実施の形態１と同様部分については説明を省略する。

界磁鉄心１の段差は図８ａに示す通常の薄板形状のものと、図８ｂに示すように、界磁鉄心１の先端部１ｂに溝部１ｆをプレスで打ち抜き加工された薄板を用意して、図９に示すように、軸方向両端部にのみ図８ｂに示す溝部１ｆの加工された薄板を積層することで形成する。本構成により、機械加工を使用せずに先端部１ｂの軸方向両端部に段差を形成することが可能になる。この溝部１ｆによって形成された段差に絶縁板１１を設置することで、絶縁板１１は位置決め固定される。なお、本構成であれば、絶縁板１１と先端部１ｂの界磁巻線４に接する面を略同一平面で構成することが可能となるため、実施の形態１で設置されていた金属板１２が不要となる。

このように構成された実施の形態３の効果について、以下に纏めて説明する。
界磁鉄心１の先端部１ｂの軸方向両端部に段差を設けて絶縁板１１を配置することで、遠心力による界磁巻線４の絶縁破壊を抑制しつつ伝熱性能を確保しているため、突極形回転子の性能および品質が向上する。
界磁鉄心１に段差を設けることで絶縁板１１の位置決めが容易になるため、突極形回転子の生産性が向上する。
絶縁板１１と先端部１ｂを略同一平面で構成することにより、非磁性の金属板１２が不要となるため、突極形回転子の生産性が向上する。さらに、金属板１２分の熱抵抗が低減するため伝熱性能が向上して、突極形回転子の性能および品質が向上する。
界磁鉄心１に段差を構成する際に、先端部１ｂに溝部１ｆをプレス等で打ち抜いた薄板を軸方向両端部に使用することで、段差を設けるための機械加工が不要となり、突極形回転子の生産性を確保しつつ信頼性を向上することができる。

実施の形態４．
図１０はこの発明の実施の形態４における突極形回転子の界磁鉄心の軸方向両端部に取り付けられる巻線ガイドを示す斜視図、図１１はこの発明の実施の形態４における突極形回転子の界磁鉄心の軸方向両端部に取り付けられる巻線ガイドの組立を説明する説明図である。上記実施の形態１から３では何れも巻線ガイド２と絶縁板１１が個別に形成されている場合について説明したが、実施の形態４では図１０に示すように、巻線ガイド２と絶縁板１１を樹脂成型等で一体化して構成している。このように一体化することにより、例えば図１１に示すように、界磁鉄心１の溝部１ｆに一体化された絶縁板１１を嵌め込むことで、界磁鉄心１の軸方向両端に巻線ガイド２を設置する。このため部品の組立工数が削減され、突極形回転子の生産性が向上し、製造コストも低減できる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 界磁鉄心、２ 巻線ガイド、３ コイル材、４ 界磁巻線、５ 短絡板、６ ボルト、７ 支持棒、８ 絶縁部材、９ コイルガイド、１０ 固縛部材、１１ 絶縁板、１２ 金属板

Claims (9)

1. 径方向に突出する胴部と前記胴部の先端に形成され周方向の幅が前記胴部よりも広い先端部とを有する突極部が周方向に複数個配置された界磁鉄心と、前記突極部の前記胴部に巻装された界磁巻線とを有する突極形回転子であって、前記界磁巻線と前記突極部の前記先端部との間の軸方向両端部に配置された絶縁板と、両端にある前記絶縁板の間に配置され前記界磁巻線と前記先端部との間の隙間を埋める金属板とを備えていることを特徴とする突極形回転子。
2. 前記金属板は非磁性であることを特徴とする請求項１に記載の突極形回転子。
3. 前記金属板は材質がステンレス鋼であることを特徴とする請求項１または２に記載の突極形回転子。
4. 前記絶縁板と前記金属板との境界面がカギ型形状をしたラビリング構造であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の突極形回転子。
5. 前記絶縁板と前記金属板との境界面のラビリング構造は前記絶縁板が前記突極部の前記先端部の側に配置され前記金属板が前記界磁巻線の側に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の突極形回転子。
6. 径方向に突出する胴部と前記胴部の先端に形成され周方向の幅が前記胴部よりも広い先端部とを有する突極部が周方向に複数個配置された界磁鉄心と、前記突極部の前記胴部に巻装された界磁巻線とを有する突極形回転子であって、前記界磁巻線と前記突極部の前記先端部との間の軸方向両端部に配置された絶縁板と、前記先端部の軸方向両端部に前記絶縁板を配置するための段差が形成されていることを特徴とする突極形回転子。
7. 前記絶縁板は前記突極部の前記胴部の軸方向両端に配置され前記界磁巻線が巻装される巻線ガイドと一体に形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の突極形回転子。
8. 前記界磁鉄心に支持されるとともに前記界磁巻線のコイルエンドを外周側から支持する支持棒と、前記コイルエンドと前記支持棒の間に配置され前記支持棒に嵌め込まれる窪みを有した絶縁部材とを備え、前記コイルエンドが前記絶縁部材を介して前記支持棒に固縛されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の突極形回転子。
9. 前記界磁巻線はワニスを含浸して形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の突極形回転子。

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