JP6479457B2 - 回転電機およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機およびその製造方法に関する。

回転電機の回転子において、回転軸などの内径側回転構造物の外径側に配置される回転構造物として、セクター型薄板積層構造物を採用することがある。このセクター型薄板積層構造物は、扇形状に成型された薄板を複数枚ラップさせながら軸方向に沿って積層することにより形成される円筒状の構造物である。

例えば水車発電機においては、内径側回転構造物に相当するスポークシャフトの外径側に配置される回転子リムに上記のセクター型薄板積層構造物が採用される。しかし、この回転子リムには、運転中に作用する荷重、例えば遠心力等による径方向への変形が生じる。

特に回転子リムが変形することにより、内径側回転構造物の外径側のキー溝（keyway）の幅が拡大して、このキー溝と回転子リムの内径側のキー（key）との間にギャップが生じた場合、運転中における回転子リムの拘束が不十分となる。このため、回転子リムが運転中に芯ずれをおこし、回転アンバランスがランダムに生じることに起因する、振動増大や不平衡力の増大による軸受の損傷などの事故に発展する可能性がある。

また、キーとキー溝をダブテール状の形状とし、径方向の変形が生じた場合においてもキーとキー溝のダブテール面同士を密着させることにより周方向に拘束を加えることにより、内径側回転構造物と外径側回転構造物との周方向の相対位置を拘束する方法がある。

特開２００５−２５３１６２号公報

上記の回転子リムを拘束する方法として、回転子リムを内径側回転構造物に焼き嵌めする方法があるが、大直径機における焼き嵌め作業のための温度管理や寸法管理が非常に困難である上に、焼き嵌め力による疲労破壊のリスクを伴う。

本発明が解決しようとする課題は、製造が容易でかつ運転中の芯ずれを低減することを可能とする回転電機およびその製造方法を提供することである。

実施形態における回転電機は、所定のパターンの貫通穴を設けたラップを周方向に沿って複数配置して、かつ、前記ラップの内径側に、運転中に半径方向の変形が生じた際に半径方向に変形する凸部を設けた薄板を軸方向に沿って複数枚積層してなる円筒状の構造物であるセクター型薄板積層構造物と、前記積層された薄板の前記貫通穴に前記軸方向に沿って貫通させることで前記セクター型薄板積層構造物を円筒状の形に維持させる貫通棒と、組み立て時に前記凸部と嵌合可能であり、かつ運転中に前記凸部との相対的な周方向位置が変化しないキー溝を外径側に有する内径側回転構造物とをもつ。

本発明によれば、回転電機における製造を容易として、かつ運転中の芯ずれを低減することができる。

第１の実施形態における水車発電機の回転子構造の一例を示す概略図。 第１の実施形態における回転子における回転子リムの積層方法の一例を示す概略図。 第１の実施形態における回転子リムに形成された凸部キーの一例を示す断面図。 第３の実施形態における回転子リムに形成された凸部キーの一例を示す断面図。

以下、実施形態について図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態における水車発電機の回転子構造の一例を示す概略図である。図２は第１の実施形態における回転子における回転子リムの積層方法の一例を示す概略図である。図３は、第１の実施形態における回転子リムに形成された凸部キーの一例を示す断面図である。
図１に示すように、第１の実施形態において、回転子リム１は、扇形状に成形された薄板１ａを軸方向に沿って複数枚積層することで形成される円筒状の構造物である、セクター型薄板積層構造物（外径側回転構造物）である。

この薄板１ａには、配置、大きさ、形が定められたパターンで設けられた貫通穴１ａ１が設けられる。
また、図２に示すように、この薄板１ａは、上記のパターンを単位とした少なくとも１つのラップ１ａ２で区分され、それぞれの薄板１ａ同士が周方向にずらして重なり合うように、それぞれの薄板１ａの１つまたは複数のラップ１ａ２同士が周方向に沿って重ねられる。図２に示した例では、１つ目の薄板１ａにおける内径部からみた右端のラップ１ａ２の上に、２つ目の薄板１ａにおける内径部からみた左端のラップ１ａ２が重ね合される。

上記の異なる薄板１ａのラップ１ａ２同士を周方向に沿って重ね合わせながら軸方向に沿って積層する、例えば、上記の異なる薄板１ａのラップ１ａ２同士を周方向に沿って重ね合わせてなるリングを軸方向に沿って複数枚積層することにより、回転子リム１を、ラップ１ａ２に設けた貫通穴１ａ１が薄板１ａの積層方向（軸方向）に沿った全長を通して貫通する状態とすることができる。この積層したそれぞれの薄板１ａの貫通穴１ａ１に、この貫通穴１ａ１の形状と同じ形状、同じ大きさの断面を有する棒２を軸方向に沿って貫通させることで円筒状の形を維持することができる。

一方で、図２に示すように、第１の実施形態においては、扇形状の薄板１ａの内径部における、それぞれのラップ１ａ２中の定められた周方向位置に凸部１ａ３が設けられる。これらの凸部１ａ３により、回転子リム１の内径部の全長にわたって凸部１ａ３が形成される。

第１の実施形態では、図３に示すように、内径側回転構造物としてスポークシャフト３が設けられる。スポークシャフト３は、回転軸の周りにスポーク部材が直結され、このスポーク部材の先端部に端板が軸方向に沿って固着されたものである。このスポークシャフト３では、凸部１ａ３の形状に合わせたキー溝３ａを軸方向に沿って外径部の端板に軸方向に沿って設け、このキー溝３ａに回転子リム１の凸部１ａ３を嵌合させて水車発電機回転子を組立てる構成である。図３に示した例では、キー溝３ａは周方向に６つ設けられる。

次に、第１の実施形態による作用について説明する。
上記の構造に限らず、運転中において、回転構造物には遠心力が作用する。
また、水車発電機をはじめとする回転電機の回転構造物においては、磁気吸引力や不平衡磁気吸引力等の様々な荷重が作用することにより、回転構造物に変形が生じる。

このため、スポークシャフトと回転子リムとの双方にキー溝を設けて、これらのキー溝にキーを介在させる従来の構造においては、運転中の変形により、キー溝とキーとの間にギャップが生じてしまっていた。
一方、第１の実施形態で説明した構造においては、従来の構造におけるキーに相当する物（凸部１ａ３）が外径側回転構造物（回転子リム１）と一体であるため、回転子リム１に半径方向への変形が生じた際には、キーに相当する凸部１ａ３も同様に半径方向に変形する。このため、回転子リム１の凸部１ａ３とスポークシャフト３のキー溝３ａとの周方向位置は相対的に変化せず、これらの間に上記のようなギャップが生じない。

以上説明したように、第１の実施形態では、運転中にキーとキー溝との間のギャップが生じないため、回転子リム１が芯ずれせず、アンバランスの発生を生じないようにすることができる。また、キー溝は内径側回転構造物であるスポークシャフトのみに設ければよいので、回転電機の組み立てにおける工数を削減することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態における構成のうち第１の実施形態で説明した部分と同一部分の詳細な説明は省略する。
第１の実施形態において、凸部１ａ３は、薄板１ａの全てのラップ１ａ２に設ける構成としているため、組み立て時においてスポークシャフト３におけるキー溝３ａが無い場所についても凸部１ａ３が設けられる構成となっており、不要な凸部１ａ３が含まれている。

そこで、第２の実施形態においては、スポークシャフト３に設けるキー溝３ａの配置に応じて、回転子リム１の凸部１ａ３は、各ラップ１ａ２のうち、組み立て時にキー溝３ａと対応するラップ１ａ２の内径部に設けられる。
上記の構成により、回転子リム１の内径部における、不要な凸部１ａ３を無くすことができるので、製造工程における工数および製造コストを削減することができる。

また、上記のラップ１ａ２同士を重ねた薄板１ａにおける、例えば周方向に沿った数個につき１つの間隔でラップ１ａ２に凸部１ａ３が設けられる薄板１ａのリングを、凸部１ａ３の間隔や数のパターンを異ならせて数パターン製造し、これらのリングを、各リングの少なくとも一部の凸部１ａ３がスポークシャフト３のキー溝３ａがある場所に位置するように軸方向に沿って積層して回転電機を組み立ててもよい。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図４は、第３の実施形態における回転子リムに形成された凸部の一例を示す断面図である。
図４に示すように、第３の実施形態では、スポークシャフト３の外径側にキー溝３ｂが設けられる。このキー溝３ｂは、回転子リム１の内径側に設けられた凸部１ａ３よりも幅広にしている。また、この幅広により、スポークシャフト３の外径側における、キー溝３ｂと凸部１ａ３との間に生じた隙間には、それぞれ同じ傾斜のテーパー加工がなされた、置きキー４と打ち込みキー５とが介在される。

上記の構成により、スポークシャフト３のキー溝３ａの寸法を厳密に管理せずとも、キー溝３ｂと凸部１ａ３との間の隙間に対する打ち込みキー５の打ち込み量を調整すれば、回転子リム１の薄板１ａを積層した後にキー溝３ｂと凸部１ａ３の位置を調整することが可能となる。よって、スポークシャフト３のそれぞれのキー溝３ａの幅を、例えば対応する凸部１ａ３の幅によらずに同一の幅になるように加工することもできるので、加工が容易になる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…回転子リム（セクター型薄板積層構造物）、１ａ…薄板、１ａ１…貫通穴、１ａ２…ラップ、１ａ３…凸部、２…棒、３…スポークシャフト（内径側回転構造物）、３ａ，３ｂ…キー溝、４…置きキー、５…打ち込みキー。

Claims (5)

1. 所定のパターンの貫通穴を設けたラップを周方向に沿って複数配置して、かつ、前記ラップの内径側に、運転中に半径方向の変形が生じた際に半径方向に変形する凸部を設けた薄板を軸方向に沿って複数枚積層してなる円筒状の構造物であるセクター型薄板積層構造物と、
   前記積層された薄板の前記貫通穴に前記軸方向に沿って貫通させることで前記セクター型薄板積層構造物を円筒状の形に維持させる貫通棒と、
   組み立て時に前記凸部と嵌合可能であり、かつ運転中に前記凸部との相対的な周方向位置が変化しないキー溝を外径側に有する内径側回転構造物と
   を備えた回転電機。
2. 前記セクター型薄板積層構造物の前記凸部は、
   前記組み立て時に、前記ラップのうち前記内径側回転構造物の前記キー溝と対応する箇所に設けられる、
   請求項１に記載の回転電機。
3. 前記キー溝は、前記セクター型薄板積層構造物の内径側に設けられた前記凸部の幅よりも幅広に成形され、
   前記キー溝と前記凸部との間生じた隙間に同じ傾斜のテーパー加工がされた置きキーと打ち込みキーとが配置される、
   請求項１に記載の回転電機。
4. 前記セクター型薄板積層構造物は、
   異なる前記薄板同士が周方向にずらして重なり合うように、異なる前記薄板の前記ラップ同士を周方向に沿って重ね合わせながら軸方向に沿って積層してなる、
   請求項１に記載の回転電機。
5. 円筒状のセクター型薄板積層構造物、および内径側回転構造物を有する回転電機の製造方法であって、
   所定のパターンの貫通穴を設けたラップを周方向に沿って複数配置して、かつ、前記ラップの内径側に、運転中に半径方向の変形が生じた際に半径方向に変形する凸部を設けた薄板を軸方向に沿って複数枚積層することで、前記セクター型薄板積層構造物を形成し、
   前記積層された薄板の前記貫通穴に貫通棒を貫通させて前記セクター型薄板積層構造物を円筒状の形に維持し、
   組み立て時に前記凸部と嵌合可能であり、かつ運転中に前記凸部との相対的な周方向位置が変化しないキー溝を前記内径側回転構造物の外径側に設ける、回転電機の製造方法。