JPH09322457A - 回転電機用ロータウェッジとその製造方法及びそれを用いた回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、強度，延性及び靭性に優れ疲労強度
の高い非磁性鋼からなる回転電機用ロータウェッジとそ
の製造方法及びそれを用いた回転電機を提供する。 【解決手段】本発明は、室温の０.２％耐力400MPa以
上、比透磁率１.３以下で疲労強度と耐応力腐食性に優
れており、かつ材料の製作費が大幅に低減できる材料と
して、重量％で炭素０.１〜０.３％，窒素０.２〜０.５
％，シリコン１％以下，マンガン１２〜１８％，ニッケ
ル０.５〜５％及びクロム１４〜２０％を含有する非磁
性鋼からなる回転電機用ロータウェッジとその製造方法
及びそれを用いた回転電機にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は新規な回転電機のロ
ータ用ウェッジとその製造方法及びそれを用いた大容量
回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】タービン発電機ロータは、界磁コイルが
回転中の遠心力によって飛び出すのを押さえるロータウ
ェッジとして、冷間加工で強化された０.５％ Ｃ−１８
％Ｍｎ−５％Ｃｒ鋼等の非磁性鋼が用いられている。ま
た、特開昭57−164970号公報，特開平2−185945 号公報
にはＣ０.０５〜０.１８％，Ｍｎ１６〜２５％，Ｃｒ１
５〜１７％，Ｎ０.２〜０.６％を有する非磁性鋼及びＣ
ｒ１２〜２０％，Ｍｎ１３〜２５％，Ｃ０.４％以下，
Ｎ０.４５〜１％を有する非磁性鋼が発電用ロータの保
持環として用いることが記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ロータウェッジは、発
電機ロータが高速で回転しているとき界磁コイルの飛び
出しを押さえるためのものであり、回転時にウェッジ肩
部コーナには極めて高い応力が作用するので高強度の材
料が必要である。特に運転中には、界磁コイルに電流を
流すことにより発生する銅損及び回転することにより発
生する機械損等のために、ロータウェッジの温度は、１
００℃程度になるため、１００℃程度における高強度が
必要である。その上、発電機の場合、１万回程度の起動
停止があるため、ロータウェッジにおいて最も応力的に
厳しい肩部コーナに、疲労亀裂が発生及び進展しないだ
けの疲労強度も必要となる。

【０００４】また、ロータウェッジが強磁性体であると
漏れ磁束が増えて、発電機ロータとしての磁気特性を低
下させることから、材料に非磁性であることが要求され
る。更に、タービン発電機ロータの冷却は、主にロータ
自体の回転によるファン効果を用いて、空気や水素ガス
を流すことで行っている。そのため、ロータウェッジが
設置されている雰囲気は、空気中または水素中となる。
空気を冷却ガスとする場合には、ロータウェッジは、水
分や塩分等が含まれた空気にさらされる恐れがあり、ウ
ェッジ中には残留応力が存在するため、耐応力腐食割れ
性に優れていることが要求される。一方、水素を冷却ガ
スとする場合には、水分や塩分等の量は少ないが、水素
ぜい化に対して優れていることが要求される。

【０００５】従来ロータウェッジの材料には冷間加工で
強化された０.５％ Ｃ−１８％Ｍｎ−５％Ｃｒ鋼が用い
られているが、疲労強度が低いために許容応力を高くと
れないので、ロータウェッジ断面を大きくしたり、界磁
コイルの量を減らしてウェッジに加わる遠心力を小さく
したりする必要があった。また応力腐食割れ感受性が高
いことから、材料保管や機械加工する際に結露を防ぐよ
うにしたり、発電機組み込み後も水分や塩分が入り込ま
ないようにする等取り扱いに特別の配慮を必要とする欠
点があった。更に、非磁性鋼で、十分な材料強度，延
性，靭性に優れていることが必要である。

【０００６】更に、前述の公報にはロータウェッジにつ
いては全く開示されていない。

【０００７】本発明の目的は耐力及び切欠き疲労強度の
高い非磁性鋼からなる回転電機用ロータウェッジとその
製造方法及びそれを用いた回転電機を提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転電機のロ
ータウェッジとして、室温の０.２ ％耐力400MPa以上、
比透磁率１.３ 以下で疲労強度と耐応力腐食性に優れて
おり、かつ材料の製作費が大幅に低減できる材料とし
て、重量％で炭素０.０７〜０.４％好ましくは０.１〜
０.３％，窒素０.２〜１.０％好ましくは０.２〜０.５
％，シリコン１％以下，マンガン１２〜２０％好ましく
は１２〜１８％，ニッケル０.３ 〜５％好ましくは０.
５ 〜５％，クロム１４〜２５％好ましくは１４〜２０
％を含むオーステナイト鋼好ましくは残部が実質的に鉄
の材料で構成されることを特徴とする。

【０００９】本発明は、非金属介在物に係わる清浄度が
０.３％ 以下、オーステナイト結晶粒度番号が２以上、
室温の０.２％耐力400MPa以上，比透磁率１.３以下，ロ
ータウェッジ肩部コーナの曲率半径が０.５ 〜５mmであ
ることが好ましい。

【００１０】本発明は、前述の非磁性鋼を熱間鍛造後、
１１００〜７００℃で圧延加工を行うことを特徴とする
回転電機用ロータウェッジの製造方法にある。

【００１１】本発明は、前述の非磁性鋼を熱間鍛造後、
１１００〜７００℃で圧延加工を行い、その後８００〜
１０５０℃で溶体化処理を行うことを特徴とする回転電
機用ロータウェッジの製造方法にある。

【００１２】本発明は、オーステナイト結晶粒度番号が
２以上、室温の耐力が400MPa以上及び曲率半径０.３mm
，２０万回での疲労強度が160MPa以上である高Ｍｎ非
磁性鋼よりなることを特徴とする回転電機用ロータウェ
ッジにある。

【００１３】更に、本発明は、３５℃，３重量％ＮａＣ
ｌ水溶液の噴霧による343MPaの負荷によって０.１mm の
深さの亀裂が発生するまでの時間が２００時間以上及び
曲率半径０.３mm ，２０万回での疲労強度が160MPa以上
である高Ｍｎ非磁性鋼よりなることを特徴とする回転電
機用ロータウェッジにある。

【００１４】本発明は、コイルが埋込まれた積層鉄心か
らなる固定子、該固定子内を回転し、導体コイルが埋込
まれた回転子を備え、定格容量900MVA以上の大容量回転
電機において、前記回転子用ロータシャフトは高強度Ｎ
ｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ低合金鋼よりなり、該胴部直径が
１.１５ｍ 以上、該胴部長さが胴部直径の５.５〜６.５
倍であり、前記導体コイルを保持するロータウェッジが
オーステナイト結晶粒度番号が２以上、室温の耐力が40
0MPa以上及び曲率半径０.３mm ，２０万回での疲労強度
が160MPa以上である高Ｍｎ非磁性鋼よりなることを特徴
とする。

【００１５】本発明は、発電機定格容量900MVA以上、コ
イルが埋込まれた積層鉄心を有する固定子電流が前記回
転電機容量１ＭＶＡ当り１９〜２４Ａ、前記固定子が直
接水冷、導体コイルが埋込まれた回転子が容量１ＭＶＡ
当り０.００３〜０.００６kg／cm²・ｇの水素圧力にて冷
却され、該回転子用ロータシャフトの胴部直径が1.0ｍ
以上である高強度Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ合金鋼よりな
り、前記導体コイルを保持するロータウェッジが３５
℃，３重量％ＮａＣｌ水溶液の噴霧による343MPaの負荷
によって０.１mm の深さの亀裂が発生するまでの時間が
２００時間以上及び曲率半径０.３mm ，２０万回での疲
労強度が160MPa以上である高Ｍｎ非磁性鋼よりなること
を特徴とする。

【００１６】本発明は、コイルが埋込まれた積層鉄心か
らなる固定子、該固定子内を回転し、導体コイルが埋込
まれた回転子を備え、定格容量が600MVA以上900MVA未満
又は900MVA以上の大容量回転電機であって、前記回転子
用ロータシャフトは、該胴部直径が前者が９５０〜１１
５０mm、後者が１.１５ｍ 以上、該胴部長さが胴部直径
の５.５〜６.５倍であり、重量で、Ｃ０.１５〜０.３０
％，Ｓｉ０.１ ％以下，Ｍｎ１％以下，Ｎｉ３.０〜５.
０％，Ｃｒ２.０〜３.０％，Ｍｏ０.１〜１.０％，Ｖ
０.０３〜０.３５％を含有するベーナイト組織を有する
低合金鋼よりなり、前記導体コイルを保持するロータウ
ェッジは重量でＣ０.０７〜０.４，Ｎ0.2〜１.０％，Ｓ
ｉ１％以下，Ｍｎ１２〜２０％，Ｎｉ０.３〜５％及び
Ｃｒ１４〜２５％を含有する非磁性オーステナイト鋼よ
りなることを特徴とする。

【００１７】本発明は、発電機定格容量900MVA以上、固
定子電流が前記回転電機定格容量１ＭＶＡ当り１９〜２
４Ａ、前記固定子が直接水冷、導体コイルが埋込まれた
回転子が容量１ＭＶＡ当り０.００３〜０.００６kg／cm
²・ｇの水素圧力にて冷却され、前記回転子用ロータシャ
フトはその胴部直径が１.０ｍ 以上で、前述の低合金鋼
よりなり、前記導体コイルを保持するロータウェッジは
前述の非磁性オーステナイト鋼よりなることを特徴とす
る。

【００１８】本発明に係る回転子用ロータシャフトは、
重量で、Ｃ０.１５〜０.３０％，Ｓｉ０.１〜０.３％以
下，Ｍｎ０.５％以下,Ｎｉ３.２５〜４.５％，Ｃｒ2.05
〜２.６０％ ，Ｍｏ０.２５〜０.６０％、及びＶ０.０
５〜０.２０％、を含むベーナイト組織を有する低合金
銅が好ましく、特に残部が実質的にＦｅであり、焼戻ベ
ーナイト組織を有するものが好ましい。

【００１９】本発明は、軸方向にコイルを埋込むスロッ
トを有する胴部，動力の伝達を授受するフランジ部及び
軸受部を備えた回転子用ロータシャフトが室温引張強さ
９３kg／mm² 以上，５０％破面遷移温度０℃以下及び２
１ｋＧにおける磁化力が990ＡＴ／cm以下及び２０ｋＧ
における磁化力が４００ＡＴ／cm以下である中実の低合
金鋼からなり、前記胴部直径が１ｍ以上及び前記胴部長
さが前記胴部直径の５.５〜６.５倍であるのが好まし
い。

【００２０】更に、前記シャフトは電機容量900MVA以上
において、前記胴部直径が１ｍ以上、胴部長さが前記胴
部直径の５.５〜６.５倍である高強度Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ
−Ｖ合金鋼よりなり、前記胴部直径Ｄ（mm）は電機容量
１ＭＶＡ当り０.２mm に1000mmを加えた値以下及び前記
発電機容量１ＭＶＡ当り０.２mm に９００mmを加えた値
以上又は回転電機の床面積が容量１ＭＶＡ当り０.０８
〜０.１２ｍ² とするのが好ましい。

【００２１】前述のロータシャフトは前記胴部直径Ｄ
（mm）が１ｍ以上、胴部長さが前記胴部直径の５.５〜
６.５倍である高強度Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ合金鋼より
なり、該シャフトの回転数Ｒ（rpm）との関係から求め
られる（Ｄ²×Ｒ²）の値が１.０×１０⁷〜３.０×１０
⁷ となるように前記回転数に対して前記胴部直径を設定
すること、本発明に係る大容量回転電機は、電機容量90
0MVA以上，固定子電流が前記電機容量１ＭＶＡ当り１
９.０ 〜２４Ａ、前記固定子が直接水冷、回転子が電機
容量１ＭＶＡ当り０.００３〜０.００６kg／cm² の水素
圧力にて冷却され、該回転子シャフトの胴部直径が１.
０ｍ 以上である高強度Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ合金鋼よ
りなること、定格容量1,120,000ＫＶＡ において、固定
子を直接水冷，回転子を水素冷却とし、回転子胴部直径
を１.１５〜１.３５ｍとし、胴部長さを胴部直径の５.
５〜６.５倍であり、３６００rpm の回転を受け、特
に、マシンサイズとして９〜１０ｍ³ とするのが好まし
い。

【００２２】(1）ロータウェッジ材 炭素は、回転電機用ロータウェッジ材料のオーステナイ
ト相を安定化して非磁性にするとともにオーステナイト
相を固溶強化する元素として０.０７％ 以上、好ましく
は０.１％ 以上必要である。しかし多量の添加は高温加
熱時にクロム炭化物を粒界に析出して粒界の耐食性を低
下させ、また靭性を低下させるので0.4％以上添加すべ
きではない。したがって炭素の範囲は０.１〜０.３％が
好ましく、特に０.２％〜０.２５％が好ましい。

【００２３】窒素は、回転電機用ロータウェッジ材料の
オーステナイト相を安定化して非磁性にするとともにオ
ーステナイト相を固溶強化する元素として０.２％ 以上
必要である。しかし多量の添加は高温加熱時にクロム窒
化物を粒界に析出して粒界の耐食性を低下させ、また靭
性を低下させるので１.０％ 以上添加すべきではない。
窒素の範囲は０.２〜０.５％が好ましく、特に０.３〜
０.４％が好ましい。

【００２４】シリコンは、回転電機用ロータウェッジ材
料の溶製に真空溶解を用いる場合には必ずしも必要では
ないが、大気溶解を用いる場合には脱酸剤として０.０
５％以上添加する必要がある。しかし多量の添加は靭性
を低下させるので１％以上添加すべきではない。したが
ってシリコンの範囲は１％以下に限定される。大気溶解
を用いる場合、特に０.０５〜０.４％が好ましい。

【００２５】マンガンは、回転電機用ロータウェッジ材
料のオーステナイト相を安定化して非磁性にするために
１２％以上添加する必要がある。しかし多量の添加は加
工性と耐食性を低下させるので２０％以上添加すべきで
はない。マンガンの範囲は１２〜１８％が好ましく、特
に１４〜１６％が好ましい。

【００２６】ニッケルは、回転電機用ロータウェッジ材
料の靭性を高めるために０.３％ 以上添加する必要があ
る。しかし多量の添加は加工性を低下させるので５％以
上添加すべきではない。ニッケルの範囲は０.５ 〜５％
が好ましく、特に１〜３％が好ましい。

【００２７】クロムは、回転電機用ロータウェッジ材料
のオーステナイト相を安定化して非磁性にするとともに
耐食性を高めるため１４％以上必要である。しかし多量
の添加はデルタ・フェライト相を生成して非磁性を失わ
せるため２５％以上添加すべきではない。クロムの範囲
は１４〜２０％が好ましく、特に１６〜１８％が好まし
い。

【００２８】非金属介在物に係わる清浄度は、回転電機
用ロータウェッジ材料の耐食性と疲労強度に関係し、清
浄度を０.３％ 以下とすることにより、良好な耐食性と
高い疲労強度が得られる。清浄度は特に０.１５％ 以下
が好ましい。清浄度は非金属介在物である酸化物および
硫化物の数を少なくすると小さな値が得られる。酸化物
および硫化物の数は、材料中に含まれる酸素および硫黄
の量と密接に関係し、材料インゴットの製造時にエレク
トロスラグ溶解を用いると硫黄含有量が減り、真空溶解
などを用いると酸素含有量が減る。特に大気溶解後にエ
レクトロスラグ再溶解を採用することが好ましい。

【００２９】オーステナイト結晶粒度番号は、回転電機
用ロータウェッジ材料の０.２％ 耐力と疲労強度に関係
し、結晶粒度番号を２以上とすることにより、高い０.
２％耐力と疲労強度が得られる。結晶粒度番号は特に５
以上が好ましい。オーステナイト結晶粒度番号は熱間鍛
造後の圧延加工温度と密接な関係があり、圧延加工温度
を低くするとオーステナイト結晶粒度番号を大きくする
ことができる。

【００３０】本発明に係わる回転電機用ロータウェッジ
材料は、室温の０.２％ 耐力として400MPa以上を有する
が、回転電機の容量が大きい場合や高速回転の場合のよ
うにロータウェッジに大きな遠心力が加わる場合には50
0MPa以上を有することが好ましい。

【００３１】本発明に係わる回転電機用ロータウェッジ
材料は、室温の比透磁率として1.3以下を有するが、回
転電機のロータとしての磁気特性を高めるには１.１ 以
下が好ましい。

【００３２】本発明に係わる回転電機用ロータウェッジ
は、応力が集中する肩部コーナの曲率半径として０.５
〜５mmの値を有するが、高い疲労強度を得るには１.５
〜５mmが好ましい。

【００３３】本発明に係わる回転電機用ロータウェッジ
は、材料を熱間鍛造後、高強度の微細結晶組織を得るた
めに、１１００〜７００℃、より好ましくは１０５０〜
700℃で圧延加工を行う。

【００３４】本発明に係わる回転電機用ロータウェッジ
は、耐応力腐食割れ性をより高める場合には、材料を圧
延加工後、８００〜１０５０℃、より好ましくは８００
〜９５０℃で溶体化処理を行う。溶体化処理は、結晶粒
界に析出していたクロム炭化物を再固溶し粒界近傍のク
ロム濃度を高めて材料の耐応力腐食割れ性を改善する効
果がある。

【００３５】(2）回転子用ロータシャフト材 Ｃは強度の向上になくてはならないもので、そのため
０.１５％ 以下では十分な焼入性が得られず、ロータ中
心に軟らかいフェライト組織が生成し、十分な引張強さ
及び耐力が得られない。また、０.３％ 以上になると靭
性を低下させるので、Ｃの範囲は０.１５〜０.３％に限
定される。（Ｎｉ／Ｃｒ）比を１.２〜2.0とすれば、
０.１５〜０.３５とすることができる。特に、Ｃは０.
２０〜０.２８％の範囲が好ましい。

【００３６】Ｓｉ及びＭｎは従来、脱酸材として添加し
ていたが、真空取鍋精錬によるＣ脱酸法及びエレクトロ
スラグ再溶解法などの製鋼技術により、特に添加しなく
とも健全なロータが溶製可能である。焼もどし脆化防止
の点から、Ｓｉ及びＭｎは低めにすべきであり、それぞ
れ０.１％ 及び１.０％ 以下に限定され、特にＳｉ≦
０.０５％ ，Ｍｎ≦０.２５％ より０.２０％ 以下が好
ましい。Ｓｉは添加しないときでも不純物として０.０
１９〜０.１％含有される。Ｍｎは若干加えた方が好ま
しく、０.０５％以上、より好ましくは０.１％以上とす
る。

【００３７】Ｎｉは焼入性を向上させ、靭性を向上させ
るのに不可欠の元素である。３.０％未満では靭性向上
効果が十分でない。又、５％を越える多量添加は有害な
残留オーステナイト組織が出て、均一な焼もどしベーナ
イト組織が得られない。特に、３.２５％ 以上、より
３.５％ を越え４.５％までの範囲が好ましい。

【００３８】Ｃｒは焼入性を向上させ、靭性を顕著に向
上させる効果がある。また、耐食性も向上させる効果が
ある。１.５％ 以下ではこれらの効果が十分でなく、
３.０％を越える多量の添加は有害な残留オーステナイ
ト組織がでて、均一な焼もどしベーナイト組織が得られ
ない。とくに、２.０５〜２.６０％の範囲が好ましい。
Ｍｏは焼もどし処理中に結晶粒内に微細炭化物を析出さ
せ、炭化物分散強化作用により、引張強さ及び０.０２
％ 耐力を高める効果がある。また、焼もどし中に不純
物元素が結晶粒界に偏析するのを抑制する作用があるの
で焼もどし脆化防止効果がある。０.１％ 未満では、こ
れらの効果が十分でなく、１.０％ を越えて多量に添加
しても効果が飽和する傾向がある。特に、０.２５〜０.
６％、より０.３５〜０.４５％が好ましい。

【００３９】Ｖは焼もどし処理中に結晶粒界に微細炭化
物を析出させ、炭化物分散強化作用により引張強さ及び
０.０２％耐力を高める効果がある。０.０３％未満では
これらの効果が十分でなく、０.３５％ を越える多量添
加は効果が飽和する傾向がある。特に、０.０５〜０.２
％、より０.１０〜０.１５％の範囲が好ましい。

【００４０】Ａｌは靭性，磁気特性を低下させるので、
低めにすべきである。Ａｌの低減は靭性、及び磁気特性
向上効果が大きい。Ａｌは特に、靭性確保の点から０.
０１％を上限とする。特に、０.００５％ 以下が好まし
い。Ａｌを全くなくすると逆に強度を低めることにもな
るので、製鋼上の限界の点からも０.０００５％ 以上特
に、０.００１％ 以上とすることがよい。

【００４１】更に、不純物としてＰ，Ｓ，Ｓｎ，Ｓｂ及
びＡｓがあり、これらは靭性，磁気的特性を低下させる
ので、これらの元素を低める必要がある。特に、これら
の元素はＳｉとの相関があり、Ｓｉ量とこれら元素の総
和とを乗算した値を３０×１０^-4以下とするのが好まし
い。特に１５×１０^-4以下が好ましい。また、Ｓｉを除
くこれらの元素の総和量を０.０３０％ 以下、より０.
０２５％ 以下が好ましい。これらの不純物を皆無にす
ることは困難であり、特に総量の下限として０.００１
％、より０.０１０％とする。

【００４２】（Ｎｉ／Ｃｒ）比は引張強さに関係し、そ
の値を２.１ 以下とすることにより高い強度が得られ
る。その値が同じ場合にはＮｉ量が高いほど強度が高
く、３％を越えるＮｉ量ではより高い強度が得られる。
特に、３％以上のＮｉ含有量に対して（Ｎｉ／Ｃｒ）比
を１.２〜２.０、より１.４〜１.９とすることが好まし
い。

【００４３】IIａ族元素（Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ），IIIａ
族元素（Ｓｃ，Ｙ，ランタノイド元素）の少なくとも１
種又は２種以上を０.１％ 以下含有する。これらの元素
は強力な脱酸剤として作用し、靭性の向上，磁気特性の
向上に顕著な効果が得られる。特に、０.００１〜０.０
５％とするのが好ましい。これらは非放射性元素であ
り、放射性元素は取扱い上好ましくない。

【００４４】IVａ族元素（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ），Ｎｂ，
Ｔａ，Ｗの炭化物形成元素は少なくとも１つを０.２％
以下含有させることにより靭性を低めることなく強度を
高める。特に、０.０２〜０.１％が好ましい。ＷはＭｏ
と同等の作用をするので、Ｍｏの一部をＷで置換するこ
とができる。従って、Ｍｏ＋Ｗ量を０.１〜１.０％とし
て、Ｗ量の上限を０.５％とし、Ｍｏ量の半分以下とす
るのがよい。

【００４５】本発明に係る低合金鋼は焼戻ベーナイト組
織を有するもので、５％以下のフェライトを含むことが
できるが、全ベーナイト組織とすることが強度及び靭性
の点で好ましい。

【００４６】本発明に係る低合金鋼はＳｉ不純物を顕著
に少なくすることによって強度，靭性を高めるとともに
磁気特性を高めることができるもので、そのために大気
溶解後エレクトロスラグ再溶解又は大気中溶解した後真
空取鍋精錬によって溶湯を形成するものである。溶湯は
金型にて鋳造され、熱間鍛造により所定の形状にされ
る。その後８００〜９００℃で焼入れが施され、次いで
５５０〜６５０℃にて１０ｈ以上の焼戻しが施される。
焼入温度は鋼のＡｃ₃ 点より３０〜７０℃高い温度で行
われ、特に、Ａｃ₃ より５０℃高い温度で行うのが好ま
しい。焼戻は靭性を高めるもので、５５０〜６５０℃、
特に、５６０〜６００℃が好ましく、１０〜６０ｈ保持
するのが好ましい。焼戻後切削加工によって最終形状と
なるが、その切削加工によって内部応力が発生するの
で、応力除去焼純が焼戻温度より低い温度で行われる。
また、鍛造後均一化焼純が行われ、焼入温度より約５０
℃高い温度で行い、除冷される。焼入時の冷却速度はシ
ャフト中心部で５０〜150℃／ｈが好ましい。これによ
ってベーナイト組織が得られ、特に全ベーナイト組織が
得られる。

【００４７】また、Ｓｉ量は前述のＡｌ量を０.０１％
以下にすることにより０.１〜０.３％とすることがで
き、更にＰ，Ｓ，Ｓｎ，Ｓｂ及びＡｓ量を０.０２５％
以下にすることにより高Ｓｉでも良好な特性を得ること
ができる。

【００４８】前述の合金鋼を用いることにより回転電機
用ロータシャフトはコイルが埋込まれる胴部の直径を１
ｍ以上とし、その胴部長さを直径の５.５〜６.５倍とす
ることにより装置全体をコンパクトにできる。５.５未
満及び６.５を越える比率にする回転子の振動感度上好
ましくない。特に、５.６〜６.０が好ましい。

【００４９】その胴部直径は発電機容量に応じて大きく
する必要があるが、容量１ＭＶＡ当り０.２mmに１００
０mmが加えた値以下とし、１ＭＶＡ当り０.２mmに９０
０mmを加えた値以上とすることが必要である。

【００５０】更に、胴部直径Ｄ（ｍ）は回転子の回転数
Ｒ(rpm）とによっても設定されるべきもので、（Ｄ²×
Ｒ²）の値を１.０×１０⁷以上となるように設定すべき
である。特に、上限は３.０×１０⁷とするのが好まし
い。特に１.５〜２.２×１０⁷ が好ましく、１.８〜２.
０×１０⁷がよい。

【００５１】発電機及び電動機は容量の増加により大型
化するのが、前述の如く高強度合金鋼を用いることによ
りコンパクトな装置とすることができ、特に床面積とし
て容量１ＭＶＡ当り０.０８〜０.１２ｍ² とすることが
できる。そしてエネルギー損失が小さくできるので、効
率がより高められる。その固定子電流も容量当り小さく
できるので、電動機又は発電機容量１ＭＶＡ当り１９.
０〜２４Ａ とすることができ、特に容量の増大につれ
て単位容量当りの電流を小さくできる。容量2000ＭＶＡ
に対しては約１９.０〜２０.０Ａでできる。そのときの
回転子は水素によって冷却されるが、発電機出力に応じ
て水素圧力を高める必要があるが、その圧力を１ＭＶＡ
当り０.００３〜０.００６kg／cm²・ｇ とすることがで
きる。特に、０.００４〜０.００５kg／cm²・ｇが好まし
い。

【００５２】本発明は、発電機及び電動機に適用される
が、電動機としては同期電動機，同期発電電動機，誘導
同期電動機がある。電動機及び発電機の構造はほぼ同じ
ものである。特に、電動機として５０００〜６０００rp
m の回転数を有する高速回転のモータにおいて好ましい
ものである。

【００５３】本発明におけるロータシャフトの引張強さ
は９３kg／mm² 以上が好ましく、より１００kg／mm² 以
上で、特に１０４kg／mm² 以上を得るように成分調整す
るのが好ましい。同時に、５０％破面遷移温度を０℃以
下とし、より好ましくは−50℃以下が好ましい。結晶粒
の大きさはＡＳＴＭの結晶粒度番号で４以上とすること
が好ましい。更に、磁気特性として磁束密度２１ｋＧに
おける磁化力９９０ＡＴ／cm以下とすること、２０ｋＧ
における磁化力を４００ＡＴ／cm以下とするのが好まし
く、特に前者で５００ＡＴ／cm以下とするのが好まし
い。

【００５４】

【発明の実施の形態】

〔実施例１〕表１は、供試材の化学組成を示す。供試材
Ｎo.１およびＮo.２は従来の回転電機用ロータウエッジ
材料であり、供試材Ｎo.３〜１４が本発明に係わる材料
である。供試材Ｎo.１およびＮo.２は大気溶解後、熱間
鍛造し、その後１０５０℃で溶体化処理をした後、室温
で１５％の冷間加工を与えて製作した。供試材Ｎo.３〜
１４は大気溶解，真空溶解，エレクトロスラグ溶解など
で造塊し、熱間鍛造後、７００〜１２００℃で圧延加工
を行い、その後に６００〜１１００℃で溶体化処理を行
った。

【００５５】各供試材から試験片を採取し、非金属介在
物に係わる清浄度、オーステナイト結晶粒度番号，引張
試験による室温０.２％ 耐力，比透磁率，疲労強度，応
力腐食割れ感受性などを測定した。清浄度はＪＩＳ規格
で定められる方法によってＡ系，Ｂ系，Ｃ系の各非金属
介在物の総和を求めて評価した。比透磁率は磁化力が０
〜２０００ＡＴ／cmの範囲における最大の比透磁率を求
めた。疲労強度は回転曲げ試験によりロータウエッジ形
状の試験片に１００℃で繰り返し負荷を２０万回与えた
時、０.１mm 深さの亀裂を発生する公称応力振幅を求め
て評価した。応力腐食割れ感受性は３点曲げ試験片に34
3MPaの応力を負荷し、３５℃の３％NaCl水溶液を噴霧し
た時、０.１mm 深さの亀裂を発生する時間を求めて評価
した。

【００５６】

【表１】

【００５７】表２は、各試験の結果を示す。供試材Ｎo.
３〜Ｎo.１４は１１００〜８５０℃で圧延加工後、９０
０℃で１ｈ保持後に油冷の溶体化処理を行った。疲労強
度はロータウエッジ肩部コーナ３の曲率半径が０.７mm
の場合を示す。本発明に係わる材料Ｎo.３〜Ｎo.１５は
いずれも非金属介在物に係わる清浄度が０.３％ 以下、
オーステナイト結晶粒度番号が２以上、引張試験による
室温０.２％ 耐力が400MPa以上、比透磁率が１.３ 以
下、疲労強度が150MPa以上、応力腐食割れ発生時間が２
００ｈ以上であり、疲労強度と応力腐食割れ感受性が従
来材料より優れているため回転電機用ロータウエッジ材
料として極めて有用である。

【００５８】

【表２】

【００５９】図３は、供試材Ｎo.１〜Ｎo.６について、
非金属介在物に係わる清浄度が応力腐食割れ感受性に及
ぼす影響を示す。溶解方法の異なる供試材による試験で
ある。清浄度が０.３％ 以下で２００ｈ以上の応力腐食
割れ発生時間が得られ、応力腐食割れ感受性が小さくな
る。特に清浄度が０.１５％以下で応力腐食割れ発生時
間が長く、優れた耐応力腐食割れ性が得られる。

【００６０】図４は、供試材Ｎo.１〜Ｎo.６について、
非金属介在物に係わる清浄度が疲労強度に及ぼす影響を
示す。清浄度が０.３％ 以下で150MPa以上の優れた疲労
強度が得られる。

【００６１】図５は、供試材Ｎo.６について、オーステ
ナイト結晶粒度の室温での０.２％耐力に及ぼす影響を
示す。結晶粒度番号が２以上で400MPa以上が得られ、結
晶粒度番号が５以上で450MPa以上の高強度が得られる。

【００６２】図６は、供試材Ｎo.６について、オーステ
ナイト結晶粒度が疲労強度に及ぼす影響を示す。結晶粒
度番号が２以上で150MPa以上の疲労強度が得られる。

【００６３】図７は、供試材Ｎo.６でオーステナイト結
晶粒度番号が８の場合について、ロータウエッジの肩部
コーナーの曲率半径が疲労強度に及ぼす影響を示す。曲
率半径が０.３mmで160MPa以上，０.５mmで200MPa以上の
疲労強度が得られる、曲率半径が２mm以上では効果がほ
ぼ飽和する。好ましくは２.５mm 以上である。

【００６４】図８は、供試材Ｎo.６について、熱間鍛造
後の圧延加工温度がオーステナイト結晶粒度番号に及ぼ
す影響を示す。圧延加工温度が１１００℃以下において
２以上の結晶粒度番号が得られ、圧延加工温度が１０５
０℃以下において５以上の結晶粒度番号が得られる。

【００６５】図９は、供試材Ｎo.６について、８５０℃
で圧延加工後の溶体化温度が室温０.２％ 耐力に及ぼす
影響を示す。溶体化温度が１０５０℃以下において450M
Pa以上の０.２％ 耐力が得られ、溶体化温度が９５０℃
以下において500MPa以上の０.２％ 耐力が得られる。

【００６６】図１０は疲労強度とＮｉ量との関係を示す
線図である。Ｃ０.１０〜０.２５％，Ｓｉ１％以下，Ｍ
ｎ１０〜１６％，Ｎｉ０.５ 〜５％，Ｃｒ１４〜１９％
を有する非磁性鋼において、Ｎｉ２％以下と低い方が高
い疲労強度が得られる。またＮo.１３の１９.６６％Ｃ
ｒを有する高Ｃｒ，Ｎo.１０の１７.７５％Ｍｎの高Ｍ
ｎ及びＮo.８の０.２９％Ｃ の高Ｃを有するものはいず
れも若干低い疲労強度を有する。

【００６７】図１１は応力腐食割れ発生時間とＮｉ量と
の関係を示す線図である。Ｃ0.10〜０.２５％，Ｓｉ１
％以下，Ｍｎ１２〜１６％，Ｎｉ０.５〜５％，Ｃｒ１
４〜２０％を有する鋼において、Ｎｉ３％以下で割れ発
生までの時間が長くなる。そして、Ｎo.７に見られるＣ
０.１０〜０.１５％の低Ｃ及びＮo.９の１０〜１４％の
低Ｍｎのものがより割れ発生までの時間の長いものが得
られる。Ｎo.８の0.29％Ｃの高及びＮo.１０の１７.７
５％Ｍｎ の高Ｍｎのものは若干割れ発生までの時間が
短い。

【００６８】図１２は疲労強度とオーステナイト結晶粒
度番号との関係を示す線図である。疲労強度は｛（オー
ステナイト結晶粒度番号×８）＋１２５｝によって求め
られ、Ｎo.１０の高Ｍｎ及びＮo.１３の高Ｃｒが若干低
く、Ｎo.８の高Ｃは更に低い値になる。０.１０〜０.１
５％Ｃの低ＣのＮo.７及びＮo.１４はそれより高い疲労
強度を有する。

【００６９】図１３は応力腐食割れ発生までの時間と疲
労強度との関係を示す線図である。Ｎｉ量を０.５％か
ら４.９１％と多くすることにより疲労強度の高いもの
が得られるが、逆に同じ疲労強度で比較して割れ発生ま
での時間はＮｉの低い方が長くなる。

【００７０】〔実施例２〕図１はタービン発電機用ロー
タの斜視図及び図２はロータウェッジ６を埋め込んだロ
ータの断面図である。

【００７１】ロータウエッジ１３は、発電機ロータ１が
高速で回転しているとき界磁コイル３の飛び出しを押さ
えるためのものであり、回転時にウエッジ肩部コーナ７
には極めて高い応力が作用するので室温の耐力で400MPa
以上の高強度の材料とした。特に運転中には、界磁コイ
ル３に電流を流すことにより発生する銅損及び回転する
ことにより発生する機械損等のために、ロータウェッジ
１３の温度は、１００℃程度になるため、１００℃程度
における高強度が必要である。その上、発電機の場合、
１万回程度の起動停止があるため、ロータウェッジ１３
において最も応力的に厳しい肩部コーナ７に、疲労亀裂
が発生及び進展しないだけの150MPa以上の疲労強度とし
た。

【００７２】また、ロータウエッジ１３が強磁性体であ
ると漏れ磁束が増えて、発電機ロータ１としての磁気特
性を低下させることから、比透磁率で１.１ 以下とし
た。

【００７３】更に、発電機ロータ１の冷却は、主にロー
タ自体の回転によるファン効果を用いて、空気や水素ガ
スを流すことで行っている。そのため、ロータウェッジ
１３が設置されている雰囲気は、空気中または水素中と
なる。空気を冷却ガスとする場合には、ロータウェッジ
１３は、水分や塩分等が含まれた空気にさらされる恐れ
があり、ウェッジ中には残留応力が存在するため、耐応
力腐食割れ性に優れていることが要求される。一方、水
素を冷却ガスとする場合には、水分や塩分等の量は少な
いが、水素脆化に対して優れていることが要求され、応
力腐食割れ発生までの時間として１０００ｈ以上とし
た。

【００７４】本実施例においては実施例１に示したＮo.
６の組成の非磁性鋼を実施例１と同様に製造した。図１
４及び図１５はロータウェッジの斜視図で、図１４がロ
ータの中央部に用いられ、図１５は端部に用いられるも
のである。図に示すようにウェッジの両側の凸部は傾斜
しており、界磁コイル３の飛び出しを押えている。

【００７５】図１６はウェッジ肩部コーナ７における切
込みの状況を示す断面図である。図に示すように、ウェ
ッジ肩部コーナ７は所望の曲率半径を有しており、本実
施例では２.０〜２.５mmとするとともに垂直な端面に対
して８で示す所望の深さに削り込み、更に傾斜部に対し
て９で示す深さの削り込みを入れたものである。９の削
り込みは０が望ましいが、０.１mm 以下が好ましい。８
の削り込みは１.０〜１.５mm とした。

【００７６】図１４及び図１５に示すロータウェッジは
直接Ｈ₂ ガス冷却用穴が設けられていないが、冷却用穴
が１個又は複数個、厚さ方向に貫通して設けられる。

【００７７】図１７は本発明に係る上述のロータウェッ
ジを用いた固定子コイル直接水冷却形タービン発電機の
構成図である。

【００７８】火力、または原子力によって駆動される交
流のタービン発電機は、通常２極または４極の円筒回転
界磁形同期発電機である。

【００７９】火力用タービン発電機はほとんどが２極の
高速機であり、回転速度は５０Ｈｚで３,０００rpm，６
０Ｈｚで３,６００rpmとなる。これは高速のほうがター
ビンの効率が良く小形となるためである。１軸で出力を
出すタンデムコンパウンド形がほとんどであるが、大容
量機では２軸で出力を出すクロスコンパウンド形も採用
される。

【００８０】原子力用タービン発電機は通常４極で１,
５００rpmまたは１,８００rpmで使用される。原子炉の
発生蒸気が火力に比べて多量・低温・低圧で、タービン
が長翼・低回転速度となるためである。

【００８１】タービン発電機の冷却方式としては間接冷
却方式と直接冷却方式があり、冷却媒体には、空気・水
素・水が主として使用される。

【００８２】水素冷却は大容量で用いられ、間接・直接
両方式があり、すべてガス冷却器が発電機本体内に組み
込まれた防爆密閉構造となる。また、水冷却の場合は直
接冷却方式となり、大容量機では固定子・回転子の両方
を水冷却方式とすることもある。

【００８３】（固定子）固定子わくは溶接構造鋼板など
でつくられ通風路を形成し、鉄心を支えるとともに振動
を防ぐように強固につくられる。磁気吸引力により鉄心
はだ円に変形し、回転子の回転に伴い二倍周波数の振動
が発生する。この振動は大形機ほど大きくなるので、鉄
心と固定子わくとをばねを介して取り付ける弾性支持構
造とする。

【００８４】固定子２の鉄心には、０.３５または０.５
mm厚のけい素鋼板が用いられ、方向性けい素鋼板が使用
される。鉄心は軸方向に５０〜６０mm程度ずつ積層さ
れ、間に通風ダクトを形成するようにＩ形鋼の間隔片を
入れる。

【００８５】固定子巻線は通常２層巻が用いられるが、
２極機の場合、特に巻線端部が長くなるため強固に保持
しなければならない。漂遊負荷損が大きくなるので、端
部の構造物には非磁性材を使用する。

【００８６】（回転子）タービン発電機の大きな特徴は
高速回転することであり、遠心力が大きくなるので回転
子直径が制限される。回転子構造材料に機械的強度を確
保するとともに、危険速度を避け振動を抑えるため一体
鍛造され、スロットを加工し、その中に界磁巻線がおさ
められる。発電機ロータ１の形状を図１に示す。

【００８７】主軸の材料はＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼から
なる。図中には示されていないが、カップリング１５と
センタリングリング１８との間にファン２０のファン取
付け用リング１７が設けられる。

【００８８】界磁コイル３は銅帯を平巻きに成形してテ
ィース１２間に形成された回転子鉄心スロット内に分布
巻きし、導体の１ターンごとに層間絶縁を注入する。巻
線の端部は保持環（リティニングリング）９で押える。
コイルには通常の銅の代りにクリープ特性の良好な銀入
銅が使用される。

【００８９】保持環９はＣ０.１％ 以下，Ｎ０.４％ 以
上，１０〜２５％Ｍｎ，１５〜２０％Ｃｒを含む非磁性
ステンレス鋼が前述のウェッジ材と同様に大気溶解後エ
レクトロスラグ再溶解によって製造され用いられる。界
磁コイル３がスロット１６に埋込まれた後、スロット１
６の最も広い部分に超ジュラルミン合金によるロータウ
ェッジ１３がはめ込まれることによって固定される。エ
ンドダンパリング１４には端部又は全長ダンパが用いら
れ、端部Ａｌ合金，胴部銀入銅合金が用いられる。８は
シャフト、１１は磁極、１５はカップリングである。

【００９０】（通風方式）１０００ＭＶＡ級以上の大形
機で鉄心長が長くなると均一に冷却することがむずかし
いため、複式通風方式をとる。

【００９１】この方式では、鉄心背後の固定子わく内に
数区分の給気室および排気室が軸方向に交互に配列され
ており、冷却空気は発電機両端より固定子わく内の風胴
を経て各給気室に集められ、これより固定子鉄心を冷却
し、回転子内部を冷却した気体とともに外径側に流れ、
冷却器を経てファンの吸気側に至り循環する。

【００９２】水素冷却のガス圧は間接水素冷却機で２at
g 、直接水素冷却機で２〜５atg が使用される。水素ガ
ス圧を上げた場合、熱伝達率が向上するとともにガスの
熱容量が密度に比例して増加するので、ガス自身の温度
上昇がガスの絶対圧力に逆比例して減少し、冷却効果が
増大する。同一寸法の機械の出力は一般に間接冷却形
０.０５atgのときの出力を１００とすれば１atg で１１
５、２atg で１２５の出力となる。

【００９３】水素冷却方式は、空気と混合した場合水素
の容積が１０〜７０％の範囲では爆発性になる。これを
防ぐため自動的に水素純度を約９０％以上に維持するよ
うにしているが、このため機内水素ガスが軸に沿って機
外に漏れないように軸受の内側に油膜による密封装置を
備えている。軸の狭いすき間に機内の水素ガスより高い
圧力の油を流すことにより、機内からのガス漏れを防い
でいる。

【００９４】水素冷却タービン発電機において固定子を
間接冷却とする場合でも、回転子は直接冷却とする場合
が多い。

【００９５】また、前述の定格容量が500〜900MVA 未満
においては空気冷却機となり、本発明機により顕著な効
果が得られる。

【００９６】（直接冷却）発電機コイルの導体最高温度
が出力を制限する場合、その温度上昇中に大きな割合を
占める絶縁物内での温度差を除くために、導体を直接冷
却媒体で冷却する。

【００９７】冷却媒体としては、水素ガスや油・水など
の液体がある。水は空気の場合の約５０倍の熱伝達能力
を有し、冷却媒体として優れている。

【００９８】（１）水素ガス直接冷却固定子コイルの例
を示し、素線の間にはさんだ四角なベントチューブの内
部にガスを通して導体を直接冷却する。導体の発生熱量
の一部は熱抵抗の大きな主絶縁を通って鉄心に伝わり冷
却されるが、大部分は熱抵抗の小さな冷却管を通って水
素ガスが持ち去る。

【００９９】液体冷却には、比熱が大きく、かつ対流に
よる熱伝達率も非常に大きい純水が使用される。

【０１００】液体通路となる配管には、ステンレス鋼が
使用され、コイルおよびコイル端部のクリップなどには
無酸素銅または脱酸銅が使用される。絶縁接続管には機
械的強度が高く、たわみ性に富み、絶縁性の良いテフロ
ン管が普通使用される。固定子コイルの断面は素線を中
空とし、この中を液体が流れるようにしている。

【０１０１】（２）回転子の冷却媒体としては水素ガス
又は水が使用され、次の方式がある。

【０１０２】エンドフィード方式には回転子端部より回
転子コイル内に押し込まれた水素ガスは、回転子中央部
にあけられた穴よりエアギャップに放出される。また、
回転子の一端よりコイル銅帯に入り他端より出る方式も
好ましい。

【０１０３】回転子コイルの断面形状は側路式と中空銅
帯式とのいずれでもよい。この方式をとった場合は、固
定子コイルにもガス直接冷却が採用し、高圧のブロワが
回転子の一端に取り付けられる。

【０１０４】エアギャップピックアップ方式においては
回転子表面に吸入および排出の穴部を交互に設けて、回
転による風速を利用して、エアギャップ部における水素
ガスをコイルウェッジ表面より吸入し、コイル銅帯内を
一定距離流して発生熱を奪い、排気穴を通ってエアギャ
ップ部に出る方式、或いは回転子の水冷却技術において
回転体中に水を通す方式がある。

【０１０５】水冷却方式は、水素ガス冷却方式に比較し
て構造が複雑であるために、信頼性上は不利となるが、
発電機の重量が１５〜２５％程度軽くなり、また部分負
荷での効率を向上させることができる。

【０１０６】図中、１５はタービンに結合されるフラン
ジ、２０はファン、２１は固定子コイル、２２はブラ
シ、２３はスリップリングである。

【０１０７】図１８は本発明に係るタービン出力１００
０ＭＷ級（発電機容量1120MVA 級）以上の大型タービン
発電機用ロータシャフトの斜視図である。本発明に係る
ロータシャフトを次の様に製造した。

【０１０８】表３に示すＮo.２とほぼ同じ組成を目標に
大気溶解後真空取鍋精錬によって製造した約１５０ｔの
溶湯を金型に鋳造した。次いで、プレスによる熱間鍛造
を行い、据込み（鍛造比１／２Ｕ）後鍛伸（鍛造比３
Ｓ）を行った。更に、９００℃で均一化焼純を行い、所
定の形状に切削加工した後、８４０℃で全体を２０時間
たて型炉で加熱保持した後、水噴霧によって中心孔で１
００℃／ｈの冷却速度で冷却する焼入をした。次いで５
８０℃で６０ｈ加熱保持後１５℃／ｈの速度で冷却する
焼戻処理を施した。その後、図１８に示す最終形状に切
削加工を施した。本実施例は２極用で、１１は磁極、１
２はティース、１７はファン取付け用リング、１８はリ
ティニングリング取付け用センタリングリング、１９は
中心孔である。この部分で材料の機械的性質，電気的性
質，磁気的性質を検査するための試料を採取した。セン
タリングリング１８はシャフト形成時一体となっている
が、リング状に切削された後リティニングリングが焼ば
めされる。

【０１０９】本実施例では全長約１５ｍ，ティース１２
が設けられる胴部直径が１.２ｍ ，胴部長さが約７ｍ
で、胴部直径約５.７倍 である。このもののマシンサイ
ズは約１０ｍ³ で、このようにすることにより回転子の
振動感度を低くし、同相アンバランス感度を低く押える
ことができるとともに、軸のフレキシビリティが低下し
軸受安定性が高いものが得られる。

【０１１０】表３は前述の実物大の製造に先だち実験室
的に材料の特性を調らべるために用意した供試鋼の化学
組織を示す。試料は高周波溶解炉で各２０kg造塊し、温
度８５０〜１１５０℃厚さ３０mm，幅９０mmに熱間鍛造
した。試料Ｎo.２〜６及び１５は本発明材である。試料
Ｎo.１は比較のために溶製したものである。Ｎo.５は高
Ａｌ鋼である。これらの試料には、大容量発電機の大形
ロータシャフト中心部の条件をシミュレートした熱処理
を施した。まず、８４０℃まで加熱してオーステナイト
化後１００℃／ｈの速度で冷却し焼入した。ついで、５
７５〜５９０℃にて３２時間加熱保持後１５℃／ｈの速
度で冷却した。焼もどし処理は、引張強さが１００〜１
０５kg／mm² の範囲に入る温度を各試料ごとに選んで行
った。

【０１１１】

【表３】

【０１１２】本実施例に係るＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の
Ｎo.２〜６はいずれも初析フェライトを含まず、均一な
焼戻ベーナイト組織を有していた。また、旧オーステナ
イト結晶粒度番号がいずれも７番であった。他の合金の
Ｎo.１，５も均一な焼戻ベーナイト組織であった。

【０１１３】表４は引張試験，衝撃試験，磁気特性，電
気特性結果を示すものである。表中、磁化力は２０ｋＧ
及び２１ｋＧにおけるものを求めた。表に記載のものは
２１ｋＧにおけるものである。

【０１１４】

【表４】

【０１１５】表に示すように、本発明に係る低合金鋼Ｎ
o.１〜５は引張強さが１００kg／mm²以上、０.０２％耐
力が７８kg／mm² 以上であり、更に５０℃破面遷移温度
が０℃以下をはるかに低い−５０℃以下であり、強度と
靭性がともに高いことがわかる。更に、磁化力は900MVA
以上の発電機用ロータシャフトに要求される２１ｋＧに
おける磁化力として９９０ＡＴ／cm以下を十分に満足す
るものであり、電気抵抗も高Ｃｒ含有する本発明に係る
ものが３０μΩcm以上の高い値となり、900MVA以上の大
容量発電機ロータシャフト材として極めて有用である。

【０１１６】本実施例における仕様は次の通りである。

【０１１７】発電機容量：1120MVA ，固定子電流：発電
機容量１ＭＶＡ当り２２Ａ，力率：０.９，回転数３６
００rpm，周波数６０Ｈｚ，固定子：直接水冷却，回転
子：直接水素冷却（発電機容量１ＭＶＡ当り０.００４
７kg／cm²・ｇ），ケーシング材：ＳＭ４１鋼，鉄心
材：方向性ケイ素鋼板，コイル：電気銅，絶縁材料，エ
ポキシレジン及びマイカ，コイル埋込み部の胴長／胴径
＝５.８３ ，リティニング材：Ｃ０.１％ 以下，Ｎ０.
７ 以上，Ｓｉ１％以下の１８％Ｍｎ−１８％Ｃｒ鋼，
全長ダンパ，回転子コイル：銀入銅，軸受：炭素鋼鋳
鋼，全体寸法：長さ１６ｍ，幅６ｍ，床面積９６ｍ²。

【０１１８】以上の構造とすることにより、１０００Ｍ
Ｗ級のタービン出力に対し、発電機容量1120MVA が得ら
れ、１ＭＶＡ当りの発電機の床面積が０.０８６ｍ²であ
り、従来の７００ＭＷ級タービンの発電機（容量800MV
A）の１ＭＶＡ当りの床面積０.０９８ｍ²より約１３％
コンパクト化できる。この床面積は発電機容量1MVA当り
０.０８〜０.０９ｍ² とすることができる。胴部長さは
その直径の5.5〜6.5倍が好ましい。

【０１１９】

【発明の効果】本発明によれば、室温の０.２％耐力400
MPa以上、比透磁率１.３以下で疲労強度と耐応力腐食性
に優れているため、材料保管や機械加工する際に結露を
防ぐようにしたり、発電機組み込み後も水分や塩分が入
り込まないようにする等の従来必要であった取り扱いに
関する特別の配慮が不要になる。

【０１２０】更に、従来材より疲労強度が大きいために
許容応力を高くとれるので、ロータウェッジ断面を小さ
くしたり、界磁コイルの量を増やすことができ、これに
より、ロータの電気装荷量を増す事ができるため、マシ
ンサイズの低減が可能となる。

【０１２１】また、本発明によれば、室温引張強さ９３
kg／mm² 以上，５０％破面遷移温度０℃以下，２１ｋＧ
における磁化力が９９０ＡＴ／cm以下の優れた特性が得
られるので、発電機容量900MVA以上の大容量発電機或い
は回転数５０００rpm 以上の同期電動機がコンパクトに
製造できる。これにより、設置面積の有効活用ができ、
特に発電においては石油，石炭，原子力のエネルギの多
様化に貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ロータ構造の斜視図。

【図２】ロータウェッジ廻りの断面図。

【図３】非金属介在物に係わる清浄度と応力腐食割れ発
生時間との関係図。

【図４】非金属介在物に係わる清浄度と疲労強度との関
係図。

【図５】オーステナイト結晶粒度と室温０.２％ 耐力と
の関係図。

【図６】オーステナイト結晶粒度と疲労強度との関係
図。

【図７】ウェッジ肩部コーナ曲率半径と疲労強度との関
係図。

【図８】熱間鍛造後の圧延加工温度とオーステナイト結
晶粒度番号との関係図。

【図９】圧延加工後の溶体化温度と室温０.２％ 耐力と
の関係図。

【図１０】疲労強度とＮｉ量との関係図。

【図１１】応力腐食割れ発生時間とＮｉ量との関係図。

【図１２】疲労強度とオーステナイト結晶粒度番号との
関係図。

【図１３】応力腐食割れ発生時間と疲労強度との関係
図。

【図１４】ロータウェッジの斜視図。

【図１５】ロータウェッジの斜視図。

【図１６】ロータウェッジ肩部コーナの断面図。

【図１７】タービン発電機の部分断面図。

【図１８】タービン発電機用ロータシャフトの斜視図。

【符号の説明】

１…発電機ロータ、２…固定子、３…界磁コイル、４…
軸受ブラケット、５…固定子フレーム、６…軸受、７…
肩部コーナ、８…シャフト、９…リティニングリング、
１０…クロス・スロット、１１…磁極、１２…ティー
ス、１３…ロータウェッジ、１４…エンドタンパリン
グ、１５…カップリング、１６…スロット、１７…ファ
ン取付け用リング、１８…センタリングリング、１９…
中心孔、２０…ファン、２１…固定子コイル、２２…ブ
ラシ（黒鉛）、２３…スリップリング、２４…削り込み
（幅方向）、２５…削り込み（高さ方向）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢内 吉美 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量で、炭素０.０７〜０.４％，窒素０.
   ２〜１.０％，シリコン１％以下，マンガン１２〜２０
   ％，ニッケル０.３ 〜５％及びクロム１４〜２５％を含
   有するオーステナイト鋼からなることを特徴とする回転
   電機用ロータウェッジ。
2. 【請求項２】重量で、炭素０.０７〜０.４％，窒素０.
   ２〜１.０％，シリコン１％以下，マンガン１２〜２０
   ％，ニッケル０.３ 〜５％及びクロム１４〜２５％を含
   有するオーステナイト鋼からなり、非金属介在物に係わ
   る清浄度が０.３ ％以下，オーステナイト結晶粒度番号
   が２以上であることを特徴とする回転電機用ロータウェ
   ッジ。
3. 【請求項３】重量で、炭素０.０７〜０.４％，窒素０.
   ２〜１.０％，シリコン１％以下，マンガン１２〜２０
   ％，ニッケル０.３ 〜５％及びクロム１４〜２５％を含
   有するオーステナイト鋼からなり、室温の０.２％耐力4
   00MPa以上、比透磁率１.３以下であることを特徴とする
   回転電機用ロータウェッジ。
4. 【請求項４】重量で、炭素０.０７〜０.４％，窒素０.
   ２〜１.０％，シリコン１％以下、マンガン１２〜２０
   ％，ニッケル０.３ 〜５％及びクロム１４〜２５％を含
   有するオーステナイト鋼からなり、ロータウェッジ肩部
   コーナの曲率半径が０.５ 〜５mmであることを特徴とす
   る回転電機用ロータウェッジ。
5. 【請求項５】重量で、炭素０.０７〜０.４％，窒素０.
   ２〜１.０％，シリコン１％以下，マンガン１２〜２０
   ％，ニッケル０.３ 〜５％及びクロム１４〜２５％を含
   有するオーステナイト鋼からなり、非金属介在物に係わ
   る清浄度が０.３ ％以下、オーステナイト結晶粒度番号
   が２以上、室温の０.２ ％耐力400MPa以上、比透磁率
   １.３ 以下及びロータウェッジ肩部コーナの曲率半径が
   ０.５ 〜５mmであることを特徴とする回転電機用ロータ
   ウェッジ。
6. 【請求項６】オーステナイト結晶粒度番号が２以上、室
   温の耐力が400MPa以上及び曲率半径０.３mm ，２０万回
   での疲労強度が160MPa以上である高Ｍｎ非磁性鋼よりな
   ることを特徴とする回転電機用ロータウェッジ。
7. 【請求項７】３５℃，３重量％ＮａＣｌ水溶液の噴霧に
   よる343MPaの負荷によって０.１mmの深さの亀裂が発生
   するまでの時間が２００時間以上及び曲率半径０.３mm
   ，２０万回での疲労強度が160MPa以上である高Ｍｎ非
   磁性鋼よりなることを特徴とする回転電機用ロータウェ
   ッジ。
8. 【請求項８】重量で、炭素０.１〜０.４％，窒素０.２
   〜０.５％，シリコン１％以下，マンガン１２〜２０
   ％，ニッケル０.３ 〜５％及びクロム１４〜２５％を含
   有するオーステナイト鋼を熱間鍛造後、１１００〜７０
   ０℃で圧延加工を行うことを特徴とする回転電機用ロー
   タウェッジの製造方法。
9. 【請求項９】重量で、炭素０.１〜０.４％，窒素０.２
   〜０.５％，シリコン１％以下、マンガン１２〜１８
   ％，ニッケル０.３ 〜５％及びクロム１４〜２５％を含
   有するオーステナイト鋼を熱間鍛造後、１１００〜７０
   ０℃で圧延加工を行い、その後８００〜１０５０℃で溶
   体化処理を行うことを特徴とする回転電機用ロータウェ
   ッジの製造方法。
10. 【請求項１０】重量で、炭素０.１〜０.４％，窒素０.
    ２〜０.５％，シリコン１％以下、マンガン１２〜２０
    ％，ニッケル０.３ 〜５％及びクロム１４〜２５％を含
    有するオーステナイト鋼からなることを特徴とする回転
    電機ロータウェッジ用非磁性鋼。
11. 【請求項１１】コイルが埋込まれた積層鉄心からなる固
    定子，該固定子内を回転し、導体コイルが埋込まれた回
    転子を備え、定格容量900MVA以上の大容量回転電機にお
    いて、前記回転子用ロータシャフトは高強度Ｎｉ−Ｃｒ
    −Ｍｏ−Ｖ低合金鋼よりなり、該胴部直径が１.１５ｍ
    以上、該胴部長さが胴部直径の５.５〜６.５倍であり、
    前記導体、コイルを保持するロータウェッジがオーステ
    ナイト結晶粒度番号が２以上、室温の耐力が400MPa以上
    及び曲率半径０.３mm ，２０万回での疲労強度が160MPa
    以上である高Ｍｎ非磁性鋼よりなることを特徴とする大
    容量回転電機。
12. 【請求項１２】発電機定格容量900MVA以上、コイルが埋
    込まれた積層鉄心を有する固定子電流が前記回転電機定
    格容量１ＭＶＡ当り１９〜２４Ａ、前記固定子が直接水
    冷、導体コイルが埋込まれた回転子が容量１ＭＶＡ当り
    ０.００３〜０.００６kg／cm²・ｇの水素圧力にて冷却さ
    れ、該回転子用ロータシャフトの胴部直径が１.０ｍ 以
    上である高強度Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ合金鋼よりなり、
    前記導体コイルを保持するロータウェッジが３５℃，３
    重量％ＮａＣｌ水溶液の噴霧による343MPaの負荷によっ
    て０.１mm の深さの亀裂が発生するまでの時間が２００
    時間以上及び曲率半径0.3 mm，２０万回での疲労強度が
    160MPa以上である高Ｍｎ非磁性鋼よりなることを特徴と
    する回転電機。
13. 【請求項１３】コイルが埋込まれた積層鉄心からなる固
    定子，該固定子内を回転し、導体コイルが埋込まれた回
    転子を備え、定格容量900MVA以上の大容量回転電機であ
    って、前記回転子用ロータシャフトは、該胴部直径が
    １.１５ｍ 以上、該胴部長さが胴部直径の５.５〜６.５
    倍であり、重量で、Ｃ０.１５〜０.３０％，Ｓｉ０.１
    ％以下，Ｍｎ１％以下，Ｎｉ３.０〜５.０％，Ｃｒ２.
    ０〜３.０％，Ｍｏ０.１〜１.０％ ，Ｖ０.０３〜０.３
    ５％を含有するベーナイト組織を有する低合金鋼よりな
    り、前記導体コイルを保持するロータウェッジは重量で
    Ｃ０.１〜０.３％，Ｎ０.２〜０.５％，Ｓｉ１％以下，
    Ｍｎ１２〜１８％，Ｎｉ０.５ 〜５％及びＣｒ１４〜２
    ０％を含有する非磁性オーステナイト鋼よりなることを
    特徴とする大容量回転電機。
14. 【請求項１４】発電機容量900MVA以上、固定子電流が前
    記回転電機容量１ＭＶＡ当り１９〜２４Ａ、前記固定子
    が直接水冷、導体コイルが埋込まれた回転子が容量１Ｍ
    ＶＡ当り０.００３〜０.００６kg／cm²・ｇの水素圧力に
    て冷却され、前記回転子用ロータシャフトはその胴部直
    径が１.０ｍ 以上で、重量で、Ｃ０.１５〜０.３０％，
    Ｓｉ０.１ ％以下，Ｍｎ１％以下，Ｎｉ３.０〜５.０
    ％，Ｃｒ２.０〜３.０％，Ｍｏ０.１ 〜１.０％ 及びＶ
    ０.０３〜０.３５％を含むベーナイト組織を有する低合
    金鋼よりなり、前記導体コイルを保持するロータウェッ
    ジは重量でＣ0.07〜０.４％，Ｎ０.２〜１.０％，Ｓｉ
    １％以下，Ｍｎ１２〜２０％，Ｎｉ０.３〜５％及びＣ
    ｒ１４〜２５％を含有する非磁性オーステナイト鋼より
    なることを特徴とする大容量回転電機。
15. 【請求項１５】コイルが埋込まれた積層鉄心からなる固
    定子，該固定子内を回転し、導体コイルが埋込まれた回
    転子を備え、定格容量が600MVA以上900MVA未満の回転電
    機であって、前記回転子用ロータシャフトは、該胴部直
    径が９５０〜１１５０mm、該胴部長さが胴部直径の５.
    ５〜６.５倍であり、重量で、Ｃ０.１５〜０.３０％，
    Ｓｉ０.１％ 以下，Ｍｎ１％以下，Ｎｉ３.０〜５.０
    ％，Ｃｒ２.０〜３.０％，Ｍｏ０.１〜１.０％，Ｖ０.
    ０３〜０.３５％を含有するベーナイト組織を有する低
    合金鋼よりなり、前記導体コイルを保持するロータウェ
    ッジは重量でＣ０.１〜０.３％，Ｎ０.２〜０.５％，Ｓ
    ｉ１％以下，Ｍｎ１２〜１８％，Ｎｉ０.５〜５％及び
    Ｃｒ１４〜２０％を含有する非磁性オーステナイト鋼よ
    りなることを特徴とする回転電機。