JPH0213545B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は凸極を有する同期回転機の回転子に係
る。本発明は特に、界磁極が固着された“リム”
なる通称を有する回転子磁気回路の形成に係る。

経済性の良い公知方法の１つによれば、前記の
如きリムは、プレス裁断により得られた薄板の
“分割片”から形成されており、各分割片は平坦
なドーナツ形円板即ちリングを中心角によつて分
割した輪扇形の形状を有する。これらの分割片
は、回転子の軸部を包囲して軸方向に連続した複
数個の完全リングが形成されるように積層並置さ
れている。１つのリングの分割片の個数及び中心
角の大きさ（即ち分割方法）は、極の個数と（裁
断能力、原板の寸法限度、切捨分の割合に基く）
分割片の許容最大弦長とに従つて決定される。複
数個の分割片は多数のボルトにより厚みの大きい
両端分割片間に接合されている。リムの積層作業
は、重量及び使用寸法が運送限界に適合するとき
はメーカーによつて行なわれてもよく、又は、現
場で行なわれてもよい。

前記の如き方法で、通常２乃至４mmの厚みを有
する多数の基本層から成るリムが形成される。各
基本層は、各々が極間隔の整数倍に相当する大き
さの中心角を有する複数個の分割片から成るリン
グの形状を有する（第１図）。

前記の如き基本層を構成する分割片又は各々が
複数個の基本層の集合から成る多重層を構成する
分割片は、隣り合う層の間で極間隔の整数倍又は
極間隔の1/2倍だけ計画的に角度をずらして配置
されている。これは後述する如く機械的強度を増
すためである。本文中では前記の如き角度のズレ
を以後オーバーラツプと指称する。

リムの外周への界磁極の連結はＴ字形、ダブテ
ール形又は別の断面形を有するフツクを用いて行
なわれる。各極は１つ以上のフツクを含む。フツ
クの軸は常に極の軸に平行である。

前記の如く形成されたリムはリングを構成して
おり、回転中の前記リング内に、主として極及び
リム自体に夫々現われる遠心力の同時的作用によ
つて歪力が発生する。これらの歪力は本質的に、
主として接線方向の応力として現われる。

リムの半径方向幅が応力を支持する金属の断面
積を決定する。しかし乍ら円形リングの各々に於
いて分割片間に半径方向ギヤツプが存在するので
リングは局部的に応力を支持し得ない。リムの抵
抗は、リングの各ギヤツプの近傍で応力の一部が
摩擦によつて伝達され一部が隣り合うリングに対
するボルトの剪断によつて伝達される結果として
生じる。剪断の原因は、隣り合うリング間ではオ
ーバーラツプのためギヤツプが同じ場所に存在し
ないからである。従つて、リムが支持し得る最大
接線応力を算出するには、リムの軸を通り可能な
最大数の細隙を通る平面に於いて計算する必要が
ある。このような平面が例えば第２図に直線Ｐ１
で示されている。第２図は公知リムの側面展開図
を示しておりギヤツプＦが図示されている。可能
な最小オーバーラツプ角度に対する分割片の中心
角の比をｐとすれば、前記の平面内での金属の有
効断面積はギヤツプを持たない同寸法のリムの場
合に比較して（ｐ−１）／ｐの割合で減少する。
公知リムに於いて前記の比ｐは、各分割片に含ま
れる極隔間の数又はある場合には1/2極間隔の数
を示す。

比（ｐ−１）／ｐはオーバーラツプ係数
（KCH）と指称される。この種のリムがよく使用
される大型同期回転機の場合には通常、各分割片
に含まれる極間隔の数は２又は３又は４であり希
には５である。対応するオーバーラツプ係数の値
は夫々、0.50、−0.66、−0.75及び0.80である。

前記の如きオーバーラツプ係数がこの種のリム
の機械的寸法決定に直接影響し且つ実用化に制約
を与えるので、高速機械では分割片積層形リムに
代つて鍛造鋼又は鋳造鋼の単一部材から各リング
が構成された“ブロツク形”リムが使用される。

これらのブロツク形リムの欠点は、 高価であること、 内部欠陥により不良品が生じ従つて製造時間が
延長される危険性があること、 大型の工作手段が必要なこと、 寸法の点で運搬の問題が生じること、 である。

本発明の目的は、薄板の分割片の裁断及び積層
によつて形成されたリムを提供することである。
本発明の如く構成されたリムに於いてはオーバー
ラツプ係数が例えば0.90以上もの値に増加し得る
のでこの種のリムの使用範囲を従来はブロツク形
リムに限られていた速度範囲まで拡大することが
可能である。

本発明の目的は、分割片から成る積層形リムと
連結極とを有する電気機械用回転子を提供するこ
とである。前記リムは、実質的に同一軸の回りの
２つの円筒状回転体の間のスペースに相当してお
り且つ外縁によつてリムの円筒状外表面を形成す
る円形リングの形状の平坦層の軸方向積層体を含
んでおり、 各層は複数個の薄板分割片から成り前記分割片
の各々は中心角を有する扇形として形成されてお
り且つ分割片間に径方向ギヤツプを伴なつて実質
的に全円状のリングを形成すべく軸の回りで中心
角に沿つて順次配置されており、連続する２つの
層間で前記ギヤツプの角位置は層毎に異なる値を
有し得る“分割片オーバーラツプ角度”に従つて
ずれており、 リムを構成する分割片の集合体は接合ボルトを
介して一体的に固着されており、前記ボルトは軸
に平行に伸びており且つ積層体の連続層を貫通し
て積層体の軸方向締付けを確保しており、これに
より、回転子の回転及び遠心力より生じた接線応
力が各層に作用すると前記接線応力が１つの層の
各ギヤツプの両側で該層の分割片から隣接層の分
割片に伝達され、前記伝達の全部がボルトによつ
て確保された軸方向締付けによる摩擦力によつて
行なわれるか又は逆の場合前記伝達の一部はボル
ト自体の剪断力によつて摩擦と相補的に行なわれ
ており、 薄板分割片の裁断によつて柱状連結フツクがリ
ムの円筒状外表面に凹状に形成されており前記フ
ツクは極を連結固着し得べく前記表面の母線に沿
つて軸方向に伸びており、 電気巻線を担持する極はリムの円筒状外表面か
ら突出して軸方向に伸びており、リムの周上で
“極”間隔に従つて中心角に沿つて順次配置され
各々が複数個のフツクに連結されており、 オーバーラツプ角度は、連続するリングに於い
てオーバーラツプ角度ずつずれた分割片が凹状フ
ツクにより切断される断面が同じ形状を有するよ
うに選択されている。

本発明の回転子の特徴は、 前記連結フツクが均一な“連結”角間隔に従つ
てリムの全周上に放射状に設けられており、これ
により、回転子が軸の回りで前記の角間隔又はそ
の倍数に等しい角度だけ回転すると各フツクの断
面形状が後続フツクの回転以前の断面形状と一致
し、 前記フツクの個数は極の連結のために必要な数
より大であり従つて前記フツクの一部が極連結の
ために使用され残りのフツクは連結に使用されず
に残つており、 オーバーラツプ角度は連結間隔の整数倍に等し
く且つ接線応力に対するリムの抵抗を増加すべく
極間隔より低い値に選択されており、 接合ボルトは、極間隔より小さいオーバーラツ
プ角度の範囲で１つのリングの接線応力が隣接リ
ングに伝達されることを確保するに十分な軸方向
締付力を作用せしむべく選択されていることであ
る。

更に以下の如く構成されるのが好ましい。

オーバーラツプ角度が極間隔の1/2より小さい。

リムを分解すること無く回転子の極数を変更し
得べく連結間隔を十分に小さい値にするために、
連結間隔がオーバーラツプ角度の分数分に等しい
値になるように選択されている。

極間隔がリムの全周に亘つて均一であり、全て
の極の軸が連結フツクに対して同じ値の角度的ズ
レを伴なつて配置され得べく連結間隔が前記の均
一極間隔の約数であり、場合によつては極の連続
する方向に沿つてズレの向きが交互に逆転する。

各極の軸が連結フツクＬ，L′の集合体の対称面
に沿つて配置され得べく、連結間隔が極間隔の約
数である。

従つて本発明によれば、中心角の等しい分割片
又は中心角の異なる分割片から構成された各リン
グの外周に多数のフツクが備えられており、該フ
ツクはいずれも極を固着し得るがいくつかのフツ
クにのみ極が固着されることが理解されよう。

従来リムに使用されたフツクに比較すると本発
明に於けるフツクは以下の如き相違を有する。

(a) フツクは各極軸に対する対称グループとして
配置されずにリムの外周全体に等間隔ずつ離間
して配置されている。

(b) フツクは各グループの対応する極軸に平行に
配置されずに全てのフツクが放射状に配置され
ている。

(c) フツクの個数は、連続する２つのフツク間の
所要最小軸間距離とフツクの寸法と薄板の抵抗
とのみによる制約を受ける。このため分割方法
を極めて自由に選択し得る。リングを構成する
分割片の個数は必ずしも極数の約数でなくても
よい。

(d) リムの周に固着された極は、極自体の対称軸
に関して対称的又は非対称的に配置された複数
個のフツクを含む。極は互いに等しくてもよく
又は異なつていてもよい。これにより、極の角
度的配置又は個数についていくつかの組合せが
得られる。（例えば、極数の変化−極のシフト
による周波数変化に迅速に適応し得る機械に対
しては極数を変化させる。） 要約すれば本発明により極固着用フツクの数を
増加することが可能でありこれにより所定条件下
で分割方法を極めて自由に選択することができ従
つて特筆すべき利点として高い値のオーバーラツ
プ係数（KCH）が得られる。

添付図面に示す非限定的具体例に基いて本発明
を以下に説明する。

いくつかの図に於いて互いに対応する素子は同
じ参照符号で示される。

第１図のリムは10個の極を担持すべく構成され
ておりこれらの極と共に同期回転機の回転子の磁
気回路を構成する。同期回転機として例えば、常
用運転速度で600回転／分及び過渡運転速度で930
回転／分の出力330MVAの交流発電機が挙げら
れる。リムは長さ3060mmであり軸２の回りで回転
する。リムは、厚み2.5mmの鋼板から成る内径
2370mm、外径3440mmの円形リング例えばリングＣ
１，Ｃ２等…の形状の平坦層が軸方向に積層され
て形成されている。該リングはクロスピース６を
介して軸２に心合せされており該軸と一体的に回
転する。円形リングの心合せなる機械的機能が理
解されるようにクロスピースは管状連続ケーシン
グ８と共に図示されている。しかし乍ら、特に冷
却用ガスをリムの径方向に貫通して流動せしめる
必要があるためクロスピースの実際構造はより複
雑であることを理解されたい。

平坦層の各々は複数個の基本層から構成されて
おり、各基本層は４つの分割片から成る。例えば
層Ｃ１は分割片Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ１ｃ，Ｓ１ｄ
から成り、層Ｃ２は分割片Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ２
ｃ，Ｓ２ｄから成る。全ての層の全ての分割片が
等しい。同一層の連続する２つの分割片は90゜ず
つずらして配置されており、同一層の連続する２
つの分割片間に空隙が設けられている。これらの
間隙は図示しない径方向通路を構成しており、冷
却用ガス例えば空気の径方向環境のために使用さ
れ得る。間隙の長手方向での幅は例えば10mmであ
るがガス循環を良好な状態で行なわせるに十分な
大きさでなければならない。これにより各々が２
乃至５つの基本層から成る多重層を多重層内部で
分割片の中心角をずらすことなく使用することが
可能である。多重層により前記の如きギヤツプＦ
が形成される。

機械的強度にすぐれたリムを構成するために全
部の分割片の集合体が120のボルトＧにより接合
される。直径45mmのボルトＧはANFOR Ａ−
35557規格による品質35 CD4で弾性限界約
700MPaの合金鋼から成り軸２に平行に挿入され
ている。ボルトの両端に符号１０の如きナツトが
備えられており、連続する層は一部が図示された
分割片形接合プレート１１を介して該ナツトによ
り互いに締付けられる。ボルトの締付圧力は例え
ば約300MPaである。該圧力は、遠心力より生じ
たリムの応力により接触し合う分割片が互いに角
移動してずれることを阻止し得るに十分な摩擦を
与える。

第２図及び第３図では、判り易いように２つの
層の間で分割片の角度的ズレが常に同方向である
と想定している。実際には該方向を定期的に反転
させ分割片間の間隙がリムの円筒状外面に対称ジ
グザグパターンを描くように配置することが知ら
れており、このような配置が好ましい。

第２図の公知リムは２つの極を有する２つの分
割片と３つの極を有する２つの分割片とによつて
各リングが構成されており、Ｐ１の如き半径を含
む平面は、連続する10個の多重層から成る積層部
に於いて４つのギヤツプＦを有する。

このときオーバーラツプ係数は0.60に等しい。
これは、各極が１つのフツクグループＬ１（第４
図）に対して対称的に固着され得るように、隣り
合う多重層間のオーバーラツプ角度を極間隔Ｂに
等しい値即ち36゜にしているからである。この値
は余りにも低いのでこのようなオーバーラツプ係
数を増加するために各極をフツクグループに関し
て非対称的に固着し隣り合う２つの極が各々の連
結フツクと共に２極間を通る軸方向平面に関して
対称になるような配置が提案された。図示しない
このような公知の配置によれば、オーバーラツプ
角度が1/2極間隔に等しくなり、各基本層は、
各々が５つの1/2極間隔に亘る分割片を４個含む。
従つてオーバーラツプ係数は0.80に等しく、この
場合応力に抵抗し得るにはリムの正味重量120ト
ンを要する。このような高い重量では回転子の臨
界曲げ速度が過渡運転速度に余りにも接近するた
め、結局前記の如きリムの使用は不可能である。
従つて従来は極めて高価な非分割形リムを使用せ
ざるを得なかつた。

第３図に示す本発明のリムではできるだけ多数
のギヤツプを通るＰの如き軸方向平面は連続する
10個の多重層の積層部中にギヤツプＦを唯１つし
か含まない。これは以下の如き配置に基く。

リムの外周に等間隔ずつ離間した10×８＝80の
フツクＬが設けられている（第５図参照）。従つ
て、20個のフツクを有する４つの分割片を２個の
フツクに相当するオーバーラツプ角度、即ち２つ
の連結ピツチに相当するオーバーラツプ角度で配
置し得る。これによりオーバーラツプ係数は0.90
である。オーバーラツプ角度は、経済的に実用化
が可能な軸方向締付力とそれにより生じる摩擦力
の効率に関する発明者の実験とに基いて選択され
た。

この場合リムの正味重量は105トンである。

従来のリムに比較して重量利得は15トンであ
る。即ち12.5％である。この利得の結果、経済的
利点が得られることは明らかであり、更に回転子
の臨界曲げ第一速度と過渡運転速度との間に十分
な余裕が得られる。

分割片形リムの使用範囲は、速度の平方に比例
して増加する機械的歪力の程度とブロツク形リム
よりも常に遥かに思い静止重量とから制約を受け
る。静止重量が思いのは、分割により抵抗断面積
（KCH）が縮小するため及びボルトが配設される
ためである。

本発明のリムは抵抗断面の増加及び静止質量の
減少が達成されたので従来はブロツク形リムに限
られていた回転速度の範囲でも使用されることが
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の同期電気機械の回転子のリム
の斜視図、第２図及び第３図は夫々、公知の型の
リム及び第１図の回転子のリムの円筒状外表面の
長手方向の一部の平面展開図であり判り易いよう
に連続する層間での分割片の角度的ズレが全て同
方向を有する場合を示す説明図、第４図及び第５
図は夫々、前記の２つのリムの軸に垂直な面に沿
つた断面部分図であり、第５図には極が図示され
ている。 Ｃ……層、Ｓ……分割片、Ｆ……ギヤツプ、Ｐ
……極、Ｌ……フツク、Ｇ……ボルト、Ｅ……巻
線、２……軸、８……ケーシング、１０……ナツ
ト、１１……プレート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 分割片から成る積層形リムと連結極とを有す
   る電気機械用回転子であり、前記リムが、実質的
   に同一軸の回りの２つの円筒状回転体の間のスペ
   ースに相当しており且つ外縁によつてリムの円筒
   状外表面を形成する円形リングの形状の平坦層の
   軸方向積層体を含んでおり、 各層は複数個の薄板分割片から成り前記分割片
   の各々は中心角を有する扇形として形成されてお
   り且つ分割片間に径方向ギヤツプを伴なつて実質
   的に全円状のリングを形成すべく軸の回りで中心
   角に沿つて順次配置されており、連続する２つの
   層間で前記ギヤツプの角位置は必ずしも一定では
   ない“分割片オーバーラツプ角度”に従つてずれ
   ており、 リムを構成する分割片の集合体は接合ボルトを
   介して一体的に固着されており、前記ボルトは軸
   に平行に伸びており且つ積層体の連続層を貫通し
   て積層体の軸方向締付けを確保しており、これに
   より、回転子の回転及び遠心力より生じた接線応
   力が各層に作用すると前記接線応力が１つの層の
   各ギヤツプの両側で該層の分割片から隣接層の分
   割片に伝達され、前記伝達の全部がボルトによつ
   て確保された軸方向締付けによる摩擦力によつて
   行なわれるか又は逆の場合前記伝達の一部はボル
   ト自体の剪断力によつて摩擦と相補的に行なわれ
   ており、 薄板分割片の裁断によつて柱状連結フツクがリ
   ムの円筒状外表面に凹状に形成されており前記フ
   ツクは極を連結固着し得べく前記表面の母線に沿
   つて軸方向に伸びており、 電気巻線を担持する極はリムの円筒状外表面か
   ら突出して軸方向に伸びており、リムの周上で
   “極”間隔に従つて中心角に沿つて順次配置され
   各々が複数個のフツクに連結されており、 オーバーラツプ角度は、連続するリングに於い
   てオーバーラツプ角度ずつずれた分割片が凹状フ
   ツクにより切断される断面が同じ形状を有するよ
   うに選択されており、前記回転子に於いては更
   に、 (a) 前記連結フツクが均一な“連結”角間隔に従
   つてリムの全周上に放射状に設けられており、
   これにより、回転子が軸の回りで前記の角間隔
   又はその倍数に等しい角度だけ回転すると各フ
   ツクの断面形状が後続フツクの回転以前の断面
   形状と一致し、 (b) 前記フツクの個数は極の連結のために必要な
   数より大であり従つて前記フツクの一部が極連
   結のために使用され残りのフツクは連結に使用
   されずに残つており、 (c) オーバーラツプ角度は連結間隔の整数倍に等
   しく且つ接線応力に対するリムの抵抗を増加す
   べく極間隔より低い値に選択されており、 (d) 接合ボルトは、極間隔より小さいオーバーラ
   ツプ角度の範囲で１つのリングの接線応力が隣
   接リングに伝達されることを確保するに十分な
   軸方向締付力を作用せしむべく選択されている
   ことを特徴とする分割片積層形リムと連結極と
   を有する電気機械用回転子。 ２ オーバーラツプ角度が極間隔の1/2より小さ
   いことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の回転子。 ３ リムを分解すること無く回転子の極数を変更
   し得べく連結間隔を十分に小さい値にするため
   に、連結間隔がオーバーラツプ角度の分数分に等
   しい値になるように選択されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項に記載の回転子。 ４ 極間隔がリムの全周に亘つて均一であり、全
   ての極の軸が連結フツクに対して同じ値の角度的
   ズレを伴なつて配置され得べく連結間隔が前記の
   均一極間隔の約数であり、場合によつては極の連
   続する方向に沿つてズレの向きが交互に逆転する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   回転子。 ５ 各極の軸が連結フツクＬ，L′の集合体の対称
   面に沿つて配置され得べく、連結間隔が極間隔の
   約数であることを特徴とする特許請求の範囲第４
   項に記載の回転子。