JPH1189132A

JPH1189132A - 回転電機の円筒形回転子

Info

Publication number: JPH1189132A
Application number: JP23969497A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Wakui; 真一湧井; Kazumasa Ide; 一正井出; Miyoshi Takahashi; 身佳高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 1999-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】コストアップすることなく、短絡比を大きくす
ることができる回転電機の円筒形回転子を提供する。【解決手段】回転電機の円筒形回転子1の磁極中心方向
をｄ軸、磁極間方向をｑ軸としたとき、ｑ軸最寄りのス
ロット５をスロット２、３、４と比較して深い構造とす
る。回転電機のマシンサイズを低減することが可能とな
り、コストアップすることなく、短絡比を大きくするこ
とができる。その結果、電圧変動率が小さくなり、安定
度を高くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転電機の円筒形回
転子に関するものであり、特に、界磁巻線を巻装するた
めに複数のスロットを設けた回転電機の円筒形回転子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】回転電機は固定子と回転子から成り、同
期機の場合、界磁極を固定し、電機子を回転させる回転
電機子形と、電機子を固定子とし、界磁極を回転子とし
た回転界磁形に分類される。更に、この回転界磁形の同
期機は突極形回転子と円筒形回転子に分類できる。

【０００３】一般に、突極形界磁は界磁巻線の起磁力を
大きくすることができ、しかも極数を非常に多くするこ
とが容易であるため水車発電機等に用いられる。また、
円筒形の回転子は機械的強度が強く、風損が小さいこと
から、蒸気タービンやガスタービンで駆動されるタービ
ン発電機に用いられる。

【０００４】タービン発電機に用いられる円筒形回転子
では、界磁巻線は円筒形鉄心に設けられた複数のスロッ
ト内に分布巻にしておさめる。更に、界磁巻線をおさえ
るために、スロット頭部に楔を挿入する。界磁巻線を分
布巻にしてスロット内におさめる理由は、界磁巻線を分
布巻にするとエアギャップの磁束密度分布が正弦波形に
近くなり、起電力の波形を正弦波形に近づけることがで
きるためである。

【０００５】更に、磁極に最も近いスロットの深さをそ
の他のスロットの深さより浅くすることにより、無負荷
時の起電力の波形を正弦波形に近づけるとともに、スロ
ット底の応力の集中を緩和している。

【０００６】しかし、負荷時には電機子反作用起磁力の
影響で磁束密度分布が歪むため、特開昭49-45307号公報
に記載されているように、負荷時において磁束密度が最
大になる位置のスロットを他のスロットの幅より狭く、
且つスロット深さを深くして、負荷時の磁束密度分布に
おける高調波成分を減少させる方法が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、電機
子巻線に誘起する電圧波形を正弦波に近づけるための回
転子構造であるが、電圧波形よりはむしろ所望の短絡比
を得るために回転電機のマシンサイズが大きくなること
の方が問題である。これは以下の理由による。

【０００８】発電機が定格速度で無負荷運転している場
合の、端子電圧と界磁電流との関係を示す曲線を無負荷
飽和曲線という。一方、発電機の端子を短絡し、定格速
度で運転した場合の、短絡電流と界磁電流との関係を示
す曲線を短絡曲線という。これらの結果から短絡比は、
定格速度において無負荷で、定格電圧を発生するに要す
る界磁電流If0と、定格電流に等しい三相短絡電流を発
生するに要する界磁電流Ifaとの比a (a=If0 / Ifa)であ
らわされる。

【０００９】短絡比の大きい機械は、構成材料からみる
と、銅が比較的少なくて鉄が比較的多く、いわゆる鉄機
械といわれるものになる。この場合、価格も高く、鉄損
・機械損などの固定損が大となり効率が悪くなる。しか
しその半面において、電圧変動率が小さく、安定度およ
び線路充電容量が大きい利点がある。

【００１０】短絡比の小さい機械は、電機子巻線の巻線
が標準より多く、機械寸法が小さくなり、構成材料とし
て銅が比較的多く使ってあるいわゆる銅機械と称される
ものになり、一般に電機子反作用が大きいうえに電機子
漏れリアクタンスも大きくなる。

【００１１】発電機の場合、電圧変動率はできるだけ小
さく、安定度および線路充電容量が大きいほうがよいた
め、固定子と回転子間のエアギャップを大きくすると
か、電機子巻線の巻数を少なくして界磁磁束数を大にす
るなどして短絡比を大きくする。

【００１２】しかし、固定子と回転子間のエアギャップ
を大きくすると、発電機のマシンサイズが大きくなると
共に、負荷時の所望の界磁電流が大きくなる。また、電
機子巻線の巻数を少なくして界磁磁束数を大にするとい
うことは、界磁磁束数を増やすために界磁電流を大にし
なければならない。界磁電流を大きくするためには、界
磁巻線を励磁する励磁電源の容量を大きくしなければな
らなくなり、コストアップになる。

【００１３】一方、特開昭49-45307号公報に記載されて
いるようなスロット形状では、短絡比を大きくする効果
はほとんどなく、スロット形状が数種類になるためスロ
ット加工が容易ではないこと、スロット内におさめる界
磁巻線の形状もスロット形状に合わせて変わり、コスト
アップに繋がること等の問題がある。

【００１４】本発明の目的は、コストアップすることな
く短絡比を大きくして、電圧変動率が小さい、すなわち
安定度の高い回転電機の円筒形回転子を提供することに
ある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、界磁巻線を巻装するための複数のスロッ
トが形成された円筒形回転子であって、この円筒形回転
子の磁極中心方向に延びる軸をｄ軸、前記磁極中心方向
と電気角で９０度ずれている磁極間方向に延びる軸をｑ
軸としたとき、前記ｑ軸の最寄り位置に形成されたスロ
ット間のｑ軸方向の距離が、その他のその他のスロット
より短くしたことを特徴とするものである。

【００１６】又、界磁巻線を巻装するための複数のスロ
ットが形成された円筒形回転子であって、この円筒形回
転子の磁極中心方向に延びる軸をｄ軸、前記磁極中心方
向と電気角で９０度ずれている磁極間方向に延びる軸を
ｑ軸としたとき、前記ｑ軸の最寄り位置に形成されたス
ロットの深さをその他のスロットの深さより深くしたこ
とを特徴とするものである。

【００１７】又、界磁巻線を巻装するための複数のスロ
ットが形成された円筒形回転子であって、この円筒形回
転子の磁極中心方向に延びる軸をｄ軸、前記磁極中心方
向と電気角で９０度ずれている磁極間方向に延びる軸を
ｑ軸としたとき、前記ｄ軸側に形成されたスロットの深
さをその他のスロットの深さと同等に形成し、且つｑ軸
の最寄り位置に形成されたスロットの底部に第２のスロ
ットを形成したことを特徴とするものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて詳細に説明する。

【００１９】図１に本発明の一実施例を示す回転電機の
円筒形回転子断面について、図２に本発明に関わる従来
構造の回転電機の円筒形回転子断面について示す。ま
た、図３は特定のスロットをその他のスロットより深く
した場合の短絡比の変化、図４は特定のスロットをその
他のスロットより深くした場合の負荷時界磁電流に対す
る無負荷時界磁電流の変化、図５は図３及び図４の補足
説明図である。

【００２０】回転電機の円筒形回転子１は主軸・界磁極
・鉄心など全部を一塊の鍛鋼で作るのが最も一般的な方
法で、磁性材の高張力合金鋼が用いられる。この円筒形
回転子１の鉄心部にスロット２、スロット３、スロット
４およびスロット５が、一般に放射状に切ってあり、ス
ロット２、スロット３、スロット４およびスロット５の
内部に界磁巻線（図示せず）をおさめ、界磁巻線が飛び
出さないように楔６で固定している。また、スロット
２、スロット３、スロット４およびスロット５の間隔
７、８、９は一定とするのが一般的である。

【００２１】先に説明したように、従来の円筒形回転子
１は起電力の波形を正弦波に近づけるため、すなわちエ
アギャップの磁束密度分布を正弦波形に近づけるために
磁極に最も近いスロット２の深さをスロット３、４およ
び５より浅くしている。

【００２２】図３は特定のスロット深さをその他のスロ
ットより深くした場合の短絡比の変化を図示したもの
で、２極、回転子スロット数２８のタービン発電機につ
いて計算した結果である。

【００２３】先ず、解析ケースについて図５を用いて説
明する。解析ケース１は回転子スロット２、３、４、
５、１３、１４、１５の深さを全て同じ深さとしたとき
の計算ケースであり、この時のスロット深さをｂとする
と、解析ケース２は磁極最寄りのスロット２の深さが
１．２×ｂ、その他のスロット３、４、５、１３、１
４、１５の深さがｂの時の結果である。

【００２４】解析ケース３はスロット３の深さが１．２
×ｂ、その他のスロット２、４、５、１３、１４、１５
の深さがｂの場合、解析ケース４はスロット１３の深
さが１．２×ｂ、その他のスロット２、３、４、５、１
４、１５の深さがｂの場合、解析ケース５はスロット１
４の深さが１．２×ｂ、その他のスロット２、３、４、
５、１３、１５の深さがｂの場合、解析ケース６はスロ
ット１５の深さが１．２×ｂ、その他のスロット２、
３、４、５、１３、１４の深さがｂの場合、解析ケース
７はスロット４の深さが１．２×ｂ、その他のスロット
２、３、５、１３、１４、１５の深さがｂの場合、解析
ケース８はスロット５の深さが１．２×ｂ、その他のス
ロット２、３、４、１３、１４、１５の深さがｂの場
合、解析ケース９は全てのスロット２、３、４、５、１
３、１４、１５深さが１．２×ｂの場合の結果である。

【００２５】定格速度において無負荷定格電圧を発生す
るのに必要な界磁電流If0と、定格電流に等しい持続短
絡電流を流すのに必要な界磁電流Ifaとの比を短絡比aと
いう。ここで、解析ケース１の場合の短絡比をa1、解析
ケース２の場合の短絡比をa2、解析ケース３の場合の短
絡比をa3、解析ケース４の場合の短絡比をa4、解析ケー
ス５の場合の短絡比をa5、解析ケース６の場合の短絡比
をa6、解析ケース７の場合の短絡比をa7、解析ケース８
の場合の短絡比をa8、解析ケース９の場合の短絡比をa9
とすると、図３に示したΔaは以下のように定義した。

【００２６】解析ケース２：Δa=(a2-a1)/a1 解析ケース３：Δa=(a3-a1)/a1 解析ケース４：Δa=(a4-a1)/a1 解析ケース５：Δa=(a5-a1)/a1 解析ケース６：Δa=(a6-a1)/a1 解析ケース７：Δa=(a7-a1)/a1 解析ケース８：Δa=(a8-a1)/a1 解析ケース９：Δa=(a9-a1)/a1 すなわち、Δaが大きいほど、特定のスロットを深くす
ることによって短絡比が増大したことを示している。図
３からわかるように、深くするスロットの位置が異なる
と短絡比も異なるが、スロットを深くすることにより短
絡比が大きくなることを見い出した。

【００２７】一方、発電機の基本性能を判断する量の一
つとして負荷時の所要界磁電流が挙げられる。負荷時の
界磁電流が小さいマシンほど、少ない励磁電流で負荷運
転が可能であり、励磁電源容量が小さくなる。したがっ
て、スロットを深くすると短絡比が大きくなるが、定格
負荷時の界磁電流Ifindはできるだけ増加しないように
しなければならない。短絡比aは無負荷時の界磁電流If0
に比例するため（三相短絡時は、界磁起磁力Ffを打ち消
すように電機子反作用起磁力Faが生じるため、機内の磁
束はほぼ零となり、定格電流に等しい三相短絡電流を発
生するに要する界磁電流Ifaはスロット２、スロット
３、スロット４およびスロット５の形状には関係ない）
無負荷時界磁電流If0ができるだけ大きく、かつ定格負
荷時の界磁電流Ifindが小さいマシンがよいことにな
る。

【００２８】図４は定格負荷時の界磁電流Ifindに対す
る無負荷時界磁電流If0の増加の割合を示したものであ
る。図４における解析ケースは図3の場合と同じであ
り、ΔIf0およびΔIfindは以下のようになる。

【００２９】解析ケース２：ΔIf0=( If02- If01)/ If01 解析ケース３：ΔIf0=( If03- If01)/ If01 解析ケース４：ΔIf0=( If04- If01)/ If01 解析ケース５：ΔIf0=( If05- If01)/ If01 解析ケース６：ΔIf0=( If06- If01)/ If01 解析ケース７：ΔIf0=( If07- If01)/ If01 解析ケース８：ΔIf0=( If08- If01)/ If01 解析ケース９：ΔIf0=( If09- If01)/ If01 解析ケース２：ΔIfind =( Ifind2- Ifind1)/ Ifind1 解析ケース３：ΔIfind =( Ifind3- Ifind1)/ Ifind1 解析ケース４：ΔIfind =( Ifind4- Ifind1)/ Ifind1 解析ケース５：ΔIfind =( Ifind5- Ifind1)/ Ifind1 解析ケース６：ΔIfind =( Ifind6- Ifind1)/ Ifind1 解析ケース７：find =( Ifind7- Ifind1)/ Ifind1 解析ケース８：ΔIfind =( Ifind8- Ifind1)/ Ifind1 解析ケース９：ΔIfind =( Ifind9- Ifind1)/ Ifind1 ここで、If0とIfindの添字１〜９はそれぞれ解析ケース
１〜９の時の所要界磁電流であることを示している。図
４から解析ケース２および解析ケース８の二つのケース
が、無負荷時の界磁電流増加分ΔIf0が定格負荷時の界
磁電流増加分ΔIfindの2.5倍程度で、解析ケース７はΔ
If0/ΔIfindが約1.5、解析ケース６及びケース９はΔIf
0/ΔIfindが約1.0、解析ケース４〜６はΔIf0/ΔIfind
が1.0より小さい。すなわち、負荷時の所要界磁電流を
大きくすることなく、短絡比を大きくするためには、磁
極中心方向に延びるｄ軸の最寄りのスロット２またはｄ
軸と電気角で９０度ずれた方向に延びるｑ軸の最寄りの
スロット５を深くすればよい。

【００３０】しかし、磁極に最寄り位置のスロット2の
間隔１２はその他のスロット間隔７、８および９より著
しく広いため、スロット２の底部において応力が局部的
に大きくなる。そこで、一般にスロット２はその他のス
ロット３、４、５より浅くして、応力の集中を低下させ
ている。したがって、スロット２をスロット３、４およ
び5より深くすると、スロット２底部における応力集中
が大きくなり、機械的な問題が生じる。

【００３１】一方、ｑ軸に最寄りのスロット５(解析ケ
ース８)を深くしてスロット５間の距離１６を狭くする
と短絡比aが大きくなるとともに負荷時の界磁電流Ifind
の増加はほとんどなく、機械的な問題も生じない。した
がって、スロット５をスロット２、３、４より深くする
と負荷時の性能は現行機と変わらずに、電圧変動率が小
さく、安定度が高くなる。

【００３２】また、図２のような従来構造で所望の短絡
比ａを満足しているとすると、図１のような構造にした
場合、所望の短絡比aより大きくなるから、その分エア
ギャップを狭くすることができ、発電機のマシンサイズ
を小さくすることができる。

【００３３】図６に本発明の他の実施例を示す回転電機
の円筒形回転子断面を示す。図６においてスロット２、
３、４、５は全て同じ深さである。短絡比aを大きくす
るためにはｑ軸最寄りのスロット底の距離１６を狭くす
ればよいから、スロット５の底にスロット１７を設け
る。このため、ｑ軸最寄りのスロット底の距離１６が狭
くなり、図１の場合と同じ効果が得られる。

【００３４】図６では、スロット２、３、４、５が同一
深さであるが、スロット５がスロット２、３、４に対し
て浅い場合でも、その分スロット１７を深くしてｑ軸最
寄りのスロット底の距離16を狭くすればよい。

【００３５】また、図１及び図６に示したようにｑ軸最
寄りのスロットを深くすると、ティース部１０の応力的
な問題から、スロットピッチ７及び９をスロットピッチ
８と同じ間隔に出来ない場合がある。この場合は、ティ
ース部１０の応力を緩和するために、スロットピッチ７
及び９をスロットピッチ８より広くすればよい。

【００３６】図７に本発明の他の実施例を示す回転電機
の円筒形回転子断面の拡大図を示す。円筒形回転子１の
鉄心部にスロット２、３、４、５（スロット２、３は図
示せず）を放射状に切ると、スロット幅が口元から底ま
で同一の場合には、ティース１０の応力がスロット底部
で最高になり、口元に近くなるにつれ低くなるので、ス
ロット２、３、４、５の底部をテーパにしてスロット底
部の応力を小さくする場合がある。

【００３７】このようにテーパ部を持つスロット形状を
回転子１の鉄心部に切る場合、スロット２、３、４、５
のテーパ部１９と２２は全く同一とし、ストレート部１
８のみをストレート部２１と比較して深くする。この理
由は、テーパ部を同一にすることによって、スロット
２、３、４、５のテーパ部１９、２２を切るカッターが
１種類となり、コストアップには繋がらないからであ
る。これは、スロット５の深さをスロット２、３、４と
比較して深くしたことに変わりはないから、その効果は
図１の場合と同じである。

【００３８】図８に本発明の他の実施例を示す回転子コ
イル断面図を示す。先に説明したように、スロット５を
スロット２、３、４より深くすると、わずかではあるが
負荷時の界磁電流が大きくなる。したがって、スロット
５を深くした分、巻数をスロット２、３、４より多くす
る。例えば、スロット２、３、４の巻数が５ターン（２
０Ａ〜２０Ｅ）、スロット５の巻数を６ターン（２０Ａ
〜２０Ｆ）とする。

【００３９】スロット２と３が５ターンのときの巻数と
比較して回転子全体で２ターン増であるから、巻数が増
えた分だけ界磁巻線に通電する電流を小さくしても所望
のアンペアターンを得ることができる。すなわち、スロ
ット５を深くすると共に、スロット５内に巻装される界
磁巻線の巻数を増やせば、図２の場合と比較して界磁電
流を同等以下にすることができる。したがって、負荷時
の界磁電流を大きくすることなく、短絡比を大きくする
ことができる。

【００４０】また、スロット４、５の形状が図８に示し
たようにテーパ部を持つ場合、界磁巻線２０Ａ〜２０Ｆ
の形状は、それぞれの電流密度をほぼ一定とするため、
テーパ部の界磁巻線２０Ａ及び２０Ｂの厚みを界磁巻線
２０Ｃ〜２０Ｅより厚くしている。すなわち、図８では
スロット４におさめられる界磁巻線は４種類（２０Ａ、
２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄまたは２０Ｅ）であり、ストレ
ート部の界磁巻線２０Ｄと２０Ｅは全く同一である。

【００４１】したがって、スロット５をスロット２、
３、４より深くする場合、スロット５のストレート部の
み、界磁巻線２０Ｆの厚みと界磁巻線２０Ｅと界磁巻線
２０Ｆ間の層間絶縁分だけ深くする。このようにすれ
ば、スロット５内の界磁巻線は４種類であり、スロット
４と同じである。

【００４２】更に、円筒形回転子１全体のターン数がス
ロット５のターン数の増加分だけ大きくなるから、界磁
巻線に通電する電流を小さくしても所望のアンペアター
ンを得ることができる。

【００４３】図８ではスロット５をスロット２、３、４
より１ターン分だけ深くした場合について示したが、応
力的に問題がなければ２ターン以上深くしてもそれだけ
界磁巻線に通電する電流を小さくでき、短絡比を更に大
きくできるのはいうまでもない。

【００４４】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、回転電
機のマシンサイズを低減し、コストアップせずに短絡比
を大きくすることができる。したがって、電圧変動率が
小さくなり、安定度を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す回転電機の円筒形回転
子の断面図である。

【図２】本発明に関わる回転電機の円筒形回転子の従来
構造断面図である。

【図３】本発明に関わる特定のスロットを深くした場合
の短絡比増加分を示した図である。

【図４】本発明に関わる特定のスロットを深くした場合
の負荷時界磁電流増加分に対する無負荷時界磁電流増加
分の比を示した図である。

【図５】本発明に関わる図3及び図4の補足説明図であ
る。

【図６】本発明の他の実施例を示す回転電機の円筒形回
転子の断面図である。

【図７】本発明の他の実施例を示す回転電機の円筒形回
転子の拡大断面図である。

【図８】本発明の他の実施例を示す回転電機の回転子コ
イルの断面図である。

【符号の説明】

１…回転子、２〜５…回転子スロット、６…楔、７〜９
…回転子スロットピッチ、１０…回転子ティース、１１
…界磁極、１２…磁極開度、１３〜１５…回転子スロッ
ト、１６…ｑ軸最寄りのスロット間の距離、１７…回転
子スロット、１８…回転子スロットのストレート部、１
９…回転子スロットのテーパ部、２０…界磁巻線、２１
…回転子スロットのトレート部、２２…回転子スロット
のストレート部、２３…クリページブロック。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】界磁巻線を巻装するための複数のスロッ
トが形成された回転電機の円筒形回転子において、この
円筒形回転子の磁極中心方向に延びる軸をｄ軸、前記磁
極中心方向と電気角で９０度ずれている磁極間方向に延
びる軸をｑ軸としたとき、前記ｑ軸の最寄り位置に形成
された対応するスロット間のｑ軸方向の距離が、他のス
ロット間の距離より短くなるようにしたことを特徴とす
る回転電機の円筒形回転子。
【請求項２】界磁巻線を巻装するための複数のスロッ
トが形成された回転電機の円筒形回転子において、この
円筒形回転子の磁極中心方向に延びる軸をｄ軸、前記磁
極中心方向と電気角で９０度ずれている磁極間方向に延
びる軸をｑ軸としたとき、前記ｑ軸の最寄り位置に形成
されたスロットの深さをその他のスロットの深さより深
くしたことを特徴とする回転電機の円筒形回転子。
【請求項３】界磁巻線を巻装するための複数のスロッ
トが形成された回転電機の円筒形回転子において、この
円筒形回転子の磁極中心方向に延びる軸をｄ軸、前記磁
極中心方向と電気角で９０度ずれている磁極間方向に延
びる軸をｑ軸としたとき、前記ｄ軸側に形成されたスロ
ットの深さをその他のスロットの深さとほぼ等しく形成
し、且つｑ軸の最寄り位置に形成されたスロットの底部
に第２のスロットを形成したことを特徴とする回転電機
の円筒形回転子。
【請求項４】前記ｑ軸の最寄り位置に形成されたスロ
ットとこのスロットに隣接するスロットの間隔を、その
他のスロット間の間隔より広くした請求項１ないし３の
いずれか１項に記載の回転電機の円筒形回転子。
【請求項５】前記複数のスロットが円筒形回転子の外
周側で同一幅に形成するとともに、前記スロットの底部
側で底部に向かう方向に幅が狭くなるように形成された
形状であって、前記底部側の形状を各スロットで同一形
状に形成した請求項１ないし４のいずれか１項に記載の
回転電機の円筒形回転子。
【請求項６】前記複数のスロットが円筒形回転子の外
周側で同一幅に形成するとともに、前記スロットの底部
側で底部に向かう方向に幅が狭くなるように形成された
形状であって、前記ｑ軸の最寄り位置のスロットの同一
幅に形成された部分の長さを、その他のスロットの同一
幅に形成された部分の長さより長くした請求項１ないし
２、４ないし５のいずれか１項に記載の回転電機の円筒
形回転子。
【請求項７】前記ｑ軸の最寄り位置のスロットに巻装
する界磁巻線の巻数を、その他のスロットに巻装する界
磁巻線の巻数より多くした請求項１ないし２、４ないし
６のいずれか１項に記載の円筒形回転子。