JP6818704B2 - 回転電機の回転子および回転電機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機の回転子および回転電機に関する。

回転電機、例えば軸方向が水平方向となる横軸型の同期発電機であるタービン発電機の回転子（ロータ)には、回転軸（ロータシャフト)内にロータコイルと呼ばれる銅帯が巻かれている。このロータコイルに直流の界磁電流を流すことによって、回転子は電磁石として機能する。

ロータコイルは、運転時に熱伸びすることにより応力を受けることがあり、この熱伸びによる拘束を緩和するために、積層構造を有するフレキシブル銅帯などを銅帯の一部に介在させることがある。このようなロータコイルの接合構造を有する回転子においては、フレキシブル銅帯の状態を定期的に点検する事が望ましい。

特に、回転子の回転軸に設けられる溝（スロット）の内部にて銅帯を接合している場合、当該接合部を点検するには、スロットの上部に挿入された楔をスロットから取り外すことが必要である。加えて、スロットの端部にコレクタリングおよびエンドリングなどの焼き嵌め部品等が設けられる場合は、通常は、これらをスロットから引き抜く手間を要するので、点検箇所の楔を簡便に取り外す方法が求められている。

特開２０１６−１１７６８号公報

回転電機の回転子において、界磁電流を伝える銅帯が回転軸に掘られた溝（スロット)に挿入されている場合、スロットの外周に楔を挿入することで、回転電機の運転により遠心力を受ける銅帯を径方向に保持する構造が多く用いられている。

このような回転子の構造において、内部の銅帯を点検する必要がある場合、通常はスロットの端部から楔を引き抜く分解作業が必要となる。加えて、スロットの端部に、焼き嵌めされた部品等が存在する場合などは、分解に手間がかかることがある。

コレクタ軸に設けた溝の内部でカップリング側の軸方向リードバー、つまり回転子軸方向に延びるリードバーを、銅帯を介在させて機外、ここではコレクタリング側（以下、コレクタ側と称することがある）の軸方向リードバーと結合する回転子がある。この回転子において、積層銅帯にて軸方向スタッド、つまり回転子軸方向に延びるスタッドと軸方向リードバーとを接続する場合、積層銅帯が塑性変形を繰り返す。このため、定期的に点検する必要があり、この点検時には積層銅帯を保持する楔を分解して回転子から取り外す必要がある。しかし、コレクタ軸の端部にはコレクタリングが焼き嵌められているため、楔を分解するときにコレクタリングを引き抜く必要がある。

本発明が解決しようとする課題は、内部の銅帯を点検する際の分解作業を容易にすることが可能な回転電機の回転子および回転電機を提供することである。

実施形態における回転電機の回転子は、回転子軸方向に延びる銅帯挿入溝と、回転子径方向に異なる位置にそれぞれ形成されて前記軸方向に延びる複数の楔挿入溝であって機外側を低い段とする階段状の複数の楔挿入溝とが形成された回転軸と、前記銅帯挿入溝に挿入される銅帯と、前記楔挿入溝に挿入されて前記銅帯を前記径方向に保持し、前記楔挿入溝に挿入されたときに互いに係合されて前記軸方向に互いに固定可能に形成される階段状の複数の楔とを備え、前記階段状の複数の楔のうち少なくとも一部の楔は、他の段の楔と独立して前記楔挿入溝から前記軸方向に沿って機外に向かって取り外し可能に形成される。

本発明によれば、回転電機の回転子の内部の銅帯を点検する際の分解作業を容易にすることができる。

第１の実施形態における回転電機の回転子の端部の一例を示す断面図。 第１の実施形態における回転電機の回転子の端部の一例を示すＩ−Ｉ線矢視から見た各種楔を示す図。 第１の実施形態における回転電機の回転子の端部の楔の配置の一例について説明する図。 第２の実施形態における回転電機の回転子の端部の楔の配置の一例について説明する図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお各実施形態および各図面において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
（第１の実施形態）
まず、図１及び図２、図３を用いて第１の実施形態を説明する。図１は、第１の実施形態における回転電機の回転子の端部の一例を示す断面図である。図１は、回転電機の組立後の回転子の側面を示す。
図１に示すように、回転軸１の外周（以下、単に外周と称することがある）には、回転電機の本体側から機外のコレクタ側にかけて、本体側銅帯２、フレキシブル銅帯３、コレクタ側銅帯８を挿入可能な回転子軸方向に延びる銅帯挿入溝（スロット）１ａが配設される。

この銅帯挿入溝１ａには、本体側からコレクタ側にかけて本体側銅帯２、フレキシブル銅帯３、コレクタ側銅帯８が電気的に直列に接続されて配置される。

回転軸１における外周には、界磁電流を供給するためのコレクタリング９が、焼嵌などによりコレクタリング絶縁筒９ａを介して固定される。コレクタリング９は、図示しないカーボンブラシと摺触することにより、回転子に対して界磁電流を供給する。

図１に示した例では、銅帯挿入溝１ａは本体内で屈折し、この屈折する部分には、回転軸１と本体側銅帯２とを電気的に絶縁する、回転子径方向に延びる絶縁体２３、回転子軸方向に延びる絶縁体２４が設けられる。この絶縁が確保されるのであれば、各絶縁体２３、２４を空洞（空気）に置き換えた構成であってもよい。
また、本体側銅帯２、フレキシブル銅帯３、コレクタ側銅帯８は、後述する絶縁体２０、２１、２２、２５、２６、２７または空洞（空気）により外部の導体との間で電気的に絶縁される。

図１に示した例は、本体側銅帯２におけるコレクタ側の端部とフレキシブル銅帯３における本体側の端部とを、フレキシブル銅帯３が外周となるように径方向に並べて配置し、これらの端部同士を、径方向を長手方向とする接続用金具１１を介して電気的に接続することで、本体側銅帯２とフレキシブル銅帯３とを回転子軸方向に固定する構成である。接続用金具１１は、ボルトとナットの組み合わせであってもよい。
また、図１に示した例は、フレキシブル銅帯３におけるコレクタ側の端部と、コレクタ側銅帯８における本体側の端部とを回転子軸方向に延びる凹凸構造によって径方向に固定して電気的に接続する構成である。

第１の実施形態では、機外に配置される各種銅帯の外周を絶縁体２０、２１、２２を介して上段楔４、中段楔５、後述する下段楔６、本体側楔３１、コレクタ側楔３２で覆い、これらの楔により各種銅帯を回転子径方向に保持する構成である。つまり、回転電機の運転により遠心力を受ける各種銅帯を楔により保持する。
図２は、第１の実施形態における回転電機の回転子の端部の一例を示すＩ−Ｉ線矢視から見た各種楔を示す図である。図２は、回転電機の回転子の端部よりみた上段楔４、中段楔５、下段楔６について示す。
図２に示すように、銅帯挿入溝１ａからみた外周には、径方向に異なる位置にそれぞれ形成される回転子軸方向に延びる溝である楔挿入溝３３、３４、３５が設けられる。これらの楔挿入溝３３、３４、３５には、銅帯２、３、８を回転子径方向に保持し、コレクタ側を低い段とする、楔挿入溝３３、３４、３５の段数と同数の階段状の複数の楔、つまり軸方向の機外側（図１の紙面右側）に向かって、それぞれの径方向の位置が内径側に異なるように配置される上段楔４、中段楔５、下段楔６として１対１でそれぞれ挿入可能である。

また、フレキシブル銅帯３を外周から絶縁体を介して階段状の複数の楔が径方向に保持するように、上記の上段楔４、中段楔５、下段楔６をそれぞれ配置する。

これらの楔挿入溝３３、３４、３５内には、本体側からコレクタ側にかけて上段楔４、中段楔５、下段楔６がそれぞれ挿入され、隣接する段の楔同士が係合されて軸方向にそれぞれ固定される構造を有する。上段楔４の配置箇所は回転軸１の外周であり、下段楔６の配置箇所は回転子軸心側である。

第１の実施形態では、これらの楔の配置位置を階段状に異ならせた上で、上段楔４、中段楔５、下段楔６の順で軸方向に固定し、これらの楔のうち上段楔４、中段楔５のうち取り外し対象の楔を、隣接する楔と独立して、つまり、他の楔の取り外しを伴うことなく楔挿入溝３３、３４から軸方向に沿ってコレクタ側に向かって、中段楔５、上段楔４の順に容易に取り外し可能な構造を有する。これにより、フレキシブル銅帯３を容易に視認および点検可能にしている。上段楔４、中段楔５、下段楔６は、楔挿入溝３３、３４、３５に挿入されたときに、上段楔４と中段楔５とが階段状に互いに係合されて軸方向に互いに固定可能に、かつ、中段楔５と下段楔６とが階段状に互いに係合されて軸方向に互いに固定可能に形成される。

図１では、上記の階段状の構造にあわせ、本体側銅帯２におけるコレクタ側の端部の配置箇所に対し、コレクタ側銅帯８の配置箇所を回転軸１の軸心寄りとし、これらの本体側銅帯２とコレクタ側銅帯８とをフレキシブル銅帯３を介して電気的に接続するために、当該フレキシブル銅帯３を湾曲させて配置した例を示す。つまり、フレキシブル銅帯３は、本体側の直線部、湾曲部、およびコレクタ側の直線部に区分される。フレキシブル銅帯３の湾曲部分とコレクタ側の直線部は、本実施形態における点検対象の箇所である。

また、上段楔４における本体側の端部に対しては、本体側楔３１が軸方向に連なるように配置される。上段楔４におけるコレクタ側の端部には回転子軸方向に延びるネジ穴４ａが形成され、また、本体側楔３１におけるコレクタ側の端部には回転子軸方向に延びるネジ穴３１ａが形成されている。上段楔４を楔挿入溝３３に沿って回転子軸方向（楔の長手方向）に取り出す際には、このネジ穴４ａに対して図示しない取り外し具に設けられたネジをネジ込んで上段楔４を楔挿入溝３３に沿って回転子軸方向に移動させることができる。同様に、上段楔４を取り外した状態で本体側楔３１を回転子軸方向（楔の長手方向）に取り出す際には、このネジ穴３１ａに対して図示しない取り外し具に設けられたネジをネジ込んで本体側楔３１を楔挿入溝３３に沿って回転子軸方向に移動させることができる。

上段楔４におけるコレクタ側の端部と、中段楔５における本体側の端部は、上段楔４が外周となるように径方向に並べて配置され、これらの端部は、当該端部同士が径方向に延びる凹凸構造により組み合わせて軸方向に固定できるように形成される。
図３は、第１の実施形態における回転電機の回転子の端部の楔の配置の一例について説明する図である。図３は、各種楔の分解について示す。
図３に示すように、この凹凸構造は、中段楔５の本体側の端部における外周を向く面から径方向に延びる凸部５ｂと、上段楔４のコレクタ側の端部における回転子軸心側を向く面から径方向に延びる凸部４ｂでなる。中段楔５を本体側からコレクタ側に向かって取り外せるように、凸部５ｂの位置は、凸部４ｂの位置に対してコレクタ側の位置である。

図２に示すように、中段楔５におけるコレクタ側の端部には回転子軸方向に延びるネジ穴５ａが形成される。なお、図１、図３ではネジ穴５ａの図示は省略する。

本実施形態では、中段楔５におけるコレクタ側の端部と、下段楔６における本体側の端部は、中段楔５が下段楔６を覆うように径方向に並べて配置される。中段楔５におけるコレクタ側の端部には、径方向を長手方向とするピン７を挿入可能な、回転子径方向に延びる貫通穴が形成され、下段楔６の本体側の端部における、軸芯から外側を向き回転子径方向に延びる凸部６ｂにはピン７を挿入可能な、回転子径方向に延びる穴が形成される。

図２に示すように、中段楔５と下段楔６は、周方向に沿って設けられた複数のピン７により係合することができる。ピン７の一端にはネジが切られており、ピン７の他端を下段楔６側として中段楔５の貫通穴を介して下段楔６の穴に挿入し、ピン７の一端を中段楔５側としてネジを締めることにより、中段楔５と下段楔６とを係合して軸方向に固定することができる。

また、中段楔５と下段楔６との固定と同様に、上段楔４がピンによって中段楔５に係合されることで、上段楔４と中段楔５とが軸方向に固定されてもよい。なお、中段楔５と最下段の下段楔６との固定については、上段楔４と中段楔５との組み合わせのように、凹凸構造によって軸方向に固定される構造は用いない。

下段楔６おけるコレクタ側の端部に対しては、複数のコレクタ側楔３２が軸方向に連なるように配置される。下段楔６におけるコレクタ側の端部には回転子軸方向に延びるネジ穴６ａが形成されており、同様に各コレクタ側楔３２のそれぞれにおけるコレクタ側の端部には回転子軸方向に延びるネジ穴３２ａが形成されている。ネジ穴３２ａおよびネジ穴６ａは、コレクタ側楔３２や下段楔６を下段の楔挿入溝３５に沿って回転子軸方向（楔の長手方向）に取り出す際に図示しない取り外し具に設けられたネジをネジ込むために設けられており、このようにネジが取り付けられた取り外し具を用いることで、下段の楔挿入溝３５のコレクタ側から複数のコレクタ側楔３２を順次、楔挿入溝３５に沿って回転子軸方向に移動させて取り外し、コレクタ側楔３２がすべて取り外された状態で、上述の取り外し具のネジを下段楔６のネジ穴６ａに取り付け、下段楔６を下段の楔挿入溝３５に沿って回転子軸方向（楔の長手方向）に取り出すことができる。なお、複数のコレクタ側楔３２のうち、回転子軸方向の最もコレクタ側（図１における右側）に設けられるコレクタ側楔３２には、このコレクタ側楔３２を回転子１に係合するためのネジなどの図示しない係合部材が取り付けられており、これによりこの最もコレクタ側のコレクタ側楔３２は、回転子１の回転子軸方向にも固定される。

図３に示すように、ピン７のネジを緩めることで、このピン７を、外周に向かう径方向（図３の中の矢印Ａの方向）に沿って取り外すことができる。このようにピン７を取り外した後で、中段楔５は、本体側からコレクタ側へ向かう方向（図３の矢印Ｂの方向）に沿って、他の楔と独立して楔挿入溝３４から取り外すことができる。

中段楔５を楔挿入溝３４から引き抜いて取り外した後は、上段楔４は、本体側からコレクタ側へ向かう軸方向（図３の矢印Ｂの方向）に沿って、他の楔と独立して楔挿入溝３３から取り外すことができる。このようにして、上段楔４、中段楔５を中段楔５、上段楔４の順に楔挿入溝３４、３３から引き抜くことができる。つまり、回転子から上段楔４、中段楔５を分解することができる。

つまり、上段楔４、中段楔５を他の楔と独立して取り外すことで、点検対象である、フレキシブル銅帯３の湾曲部分とコレクタ側の直線部を視認および点検することができるようになり、各種楔のうち、上段楔４、中段楔５以外の楔を分解せずとも、点検対象の銅帯を点検できる。

次に、各種銅帯と各種楔との間の絶縁体２０，２１，２２について説明する。
図１では、本体側からコレクタ側にかけて、本体側銅帯２、フレキシブル銅帯３、コレクタ側銅帯８と、本体側楔３１、上段楔４、中段楔５、下段楔６との間を電気的に絶縁する絶縁体２０，２１，２２が連なって挿入される。

ただし、本体側銅帯２、フレキシブル銅帯３、コレクタ側銅帯８と、本体側楔３１、上段楔４、中段楔５、下段楔６との間の電気的な絶縁が確保されれば、各々の銅帯と各々の楔との間の空間の少なくとも一部は空隙（空気）であってもよい。

図１に示した例では、絶縁体２０は、本体側銅帯２とフレキシブル銅帯３との接続箇所、接続用金具１１およびその周囲と、本体側楔３１との間に配置される。絶縁体２１は、フレキシブル銅帯３の湾曲部分およびその周囲と上段楔４との間で、中段楔５における本体側の端部に面する位置に配置される。絶縁体２２は、フレキシブル銅帯３におけるコレクタ側の直線部と中段楔５との間で、下段楔６における本体側の端部に面する位置に配置される。

また、絶縁体２１，２２は、上記のように配置された状態で、絶縁体２１におけるコレクタ側の端部と絶縁体２２における本体側の端部とを軸方向に延びる凹凸構造により組み合わせて径方向に固定することができるように形成される。

次に、各種銅帯と回転軸１との間の絶縁体２５，２６，２７について説明する。
図１では、本体側からコレクタ側にかけて、回転軸１と、本体側銅帯２、フレキシブル銅帯３、コレクタ側銅帯８との間を電気的に絶縁する絶縁体２５，２６，２７が軸方向に連なって配置される。

ただし、回転軸１と各種銅帯との間の電気的な絶縁が確保されれば、回転軸１と各々の銅帯との間の空間の少なくとも一部、例えば、図１に示す、絶縁体２７とフレキシブル銅帯３の湾曲部の間の空間の一部は空隙であってもよい。
絶縁体２６は、本体側銅帯２の端部、フレキシブル銅帯３の端部とともに径方向に並ぶように配置され、上記の接続用金具１１により本体側銅帯２に締結される。

また、図２に示すように、コレクタ側銅帯８の外周には絶縁体２８が配置される。これにより、回転軸１とコレクタ側銅帯８との間、およびコレクタ側銅帯８と各種楔との間が電気的に絶縁される。

上記の例では、第１の実施形態では、３段に分離した楔挿入溝３３、３４、３５を設け、各段の楔挿入溝３３、３４、３５に楔４、５、６をそれぞれ挿入する例を説明したが、これに限らず、２段以上のｎ段に分離した楔挿入溝を設け、各段の楔挿入溝に同じく段の楔をそれぞれ挿入し、かつ、最下段以外の各段の楔を取り外す構造とすることができる。

上記の中段楔５と下段楔６との係合のように、最上段を１段目として最下段をｎ段目としたときのｎ段目とｎ−１段目の楔同士は、ピン７と同様のピンによって係合されることで軸方向に固定される構造とする。また、これらｎ段目とｎ−１段目の楔同士は、凹凸構造によって軸方向に固定される構造は用いない。

また、上段楔４と中段楔５との係合のように、上記のｎ段目とｎ−１段目以外の隣接する段、例えばｎ−１段目とｎ−２段目の楔同士は、これらの楔同士の凹凸構造によって軸方向に固定される構造とすることができる。

また、上記のｎ段目とｎ−１段目の楔同士に加え、中段楔５と下段楔６との係合のように、１段目からｎ−１段目までの隣接する段の楔同士は、ピン７によって係合されることで軸方向に固定される構造とすることができる。

以上のように、第１の実施形態では、各種銅帯を径方向に保持する楔のうち、点検対象の銅帯を保持する楔のみを取り外すことができる構成としたので、銅帯を点検する時の分解作業を容易にすることが出来る。

（第２の実施形態）
次に、図４を用いて第２の実施形態を説明する。図４は、第２の実施形態における回転電機の回転子の端部の楔の配置の一例について説明する図である。
この第２の実施形態は、第１の実施形態で説明したピン７の代わりに当て板１１２を用いた構造となっている。

第２の実施形態では、第１の実施形態で説明した中段楔５および下段楔６の代わりに、中段楔１１０および下段楔１１１をそれぞれ用いる。中段楔１１０と下段楔１１１の配置箇所は、中段楔５および下段楔６の配置箇所と同じである。中段楔１１０と下段楔１１１には、第１の実施形態で説明したピン７を挿入するための穴は設けられない。また、中段楔１１０には、中段楔５の凸部５ｂと同じ凸部１１０ｂが設けられ、下段楔１１１には、下段楔６のネジ穴６ａ、凸部６ｂと同じネジ穴１１１ａ、凸部１１１ｂが設けられる。

図４に示したように、当て板１１２は、中段楔１１０および下段楔１１１を中段楔５および下段楔６と同様に配置したときの、下段楔１１１における、回転子軸心側からみた上端部、凸部１１ｂにおけるコレクタ側の側端部、および中段楔１１０のコレクタ側の側端部の形状にあわせて直角状に湾曲するように形成される。

下段楔１１１と当て板１１２は締結ボルト１１２ａ等により締結固定することができる。この締結により、中段楔１１０および下段楔１１１を軸方向に固定することができる。また、この締結ボルト１１２ａを取り外して当て板１１２を取り外すことによって、中段楔１１０をコレクタ側に向かって取り外すことができる。つまり、各種楔から中段楔１１０を分解することができる。

以上のように、第２の実施形態では、各種銅帯を保持する楔のうち、点検対象の銅帯を保持する楔のみを取り外すことができる構成とした上で、中段楔と下段楔とを当て板によって固定しても、第１の実施形態と同様に、銅帯を点検する時の分解作業を容易にすることが出来る。

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…回転軸、１ａ…銅帯挿入溝、２…本体側銅帯、３…フレキシブル銅帯、４…上段楔、４ａ，５ａ，６ａ，３１ａ，３２ａ，１１１ａ…ネジ穴、４ｂ，５ｂ，６ｂ，１１０ｂ，１１１ｂ…凸部、５，１１０…中段楔、６，１１１…下段楔、７…ピン、８…コレクタ側銅帯、９…コレクタリング、９ａ…コレクタリング絶縁筒、１１…接続用金具、２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８…絶縁体、３１…本体側楔、３２…コレクタ側楔、３３，３４，３５…楔挿入溝、１１２…当て板、１１２ａ…締結ボルト。

Claims (5)

1. 回転子軸方向に延びる銅帯挿入溝と、回転子径方向に異なる位置にそれぞれ形成されて前記軸方向に延びる複数の楔挿入溝であって機外側を低い段とする階段状の複数の楔挿入溝とが形成された回転軸と、
   前記銅帯挿入溝に挿入される銅帯と、
   前記楔挿入溝に挿入されて前記銅帯を前記径方向に保持し、前記楔挿入溝に挿入されたときに互いに係合されて前記軸方向に互いに固定可能に形成される階段状の複数の楔とを備え、
   前記階段状の複数の楔のうち少なくとも一部の楔は、他の段の楔と独立して前記楔挿入溝から前記軸方向に沿って機外に向かって取り外し可能に形成される
   回転電機の回転子。
2. 前記複数の楔のうち、いずれかの段の楔と、当該楔に対して１段高い段の楔とは、前記径方向に延びるピンを介して前記軸方向に固定可能に形成され、
   前記ピンは、前記１段高い段の楔に螺合可能であるネジ部を有する
   請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記複数の楔のうち、最下段以外の段の楔と、当該楔に対して１段高い段の楔とは、凹凸構造により前記軸方向に固定可能に形成される
   請求項１に記載の回転電機の回転子。
4. 前記複数の楔のうち、いずれかの段の楔と、当該楔に対して１段高い段の楔とは、当て板を介して前記軸方向に固定可能に形成される
   請求項１に記載の回転電機の回転子。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の回転電機の回転子を具備した回転電機。