JPS5932977B2

JPS5932977B2 - 回転電機

Info

Publication number: JPS5932977B2
Application number: JP53061007A
Authority: JP
Inventors: 征規佐藤; 宏史奥田; 元哉伊藤; 裕治牧野; 保幸和知; 典義高橋; 正敏渡部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-05-24
Filing date: 1978-05-24
Publication date: 1984-08-13
Also published as: JPS54153203A; US4316113A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、回転電機の改良に係り、特に固定子鉄心端部
の局部過熱が解消し得る回転電機に関するものである。

一般に例えば発電機は、回転子が駆動機の回転軸と直結
され、回転軸を通して駆動機から送られて来る機械的エ
ネルギーを電気的エネルギーに変換することによってそ
の機能を果している。

駆動機としては、種々のものが用いられているが、大容
量機においては蒸気タービンを駆動機としたいわゆるタ
ービン発電機が一般に使用されている。

タービン発電機は、駆動タービンが高温高圧の熱エネル
ギーを機械トルクに変換するに当り、高速回転の方が都
合がよいため、５０Ｈｚ系は３０００ｒｐｍ＋１５
００ｒｐｍｔあるいは６０Ｈｚ系で３６００ｒｐｍ
、ｉ８００ｒｐｍでそれぞれ２極、４極の高速
回転電機となっている。

この様な高速回転電機になると回転子は強大な遠心力を
受けるので、できるだけ細く長くした方が有利となる。

このため回転子は、円筒形の鍛造軸で作られ非突極機と
なる。

もちろん軸長さにも限度があり、あまり細長くすると軸
のたわみが大きくなり振動発生等の原因にもなりやすい
ので最適な軸径、軸長が選定される。

いずれにしても、タービン発電設備の全長は長く、高圧
タービン１個、低圧タービン２個を備えたタービン発電
機の場合、５００〜６００ＭＷ級で５０７７１程度、１
，１００〜１，２００ＭＷ級では６５ｍにも達するもの
もある。

第１図は、タービン発電機の外観の概略について示した
ものである。

図中人の範囲は高圧タービン、Ｂの範囲は３個の低圧タ
ービンであり、いわゆる４車室タービンである。

Ｃの範囲は発電機を示し、発電機の回転子は高圧タービ
ン、低圧タービンの回転軸と直結されている。

Ｄの範囲は、発電機の補機としての励磁機等の励磁装置
部分である。

この様に、タービン発電機は、全軸長が長いうえに、タ
ービンが５００℃以上の高温蒸気で駆動されるため、熱
伸び等が大きくなっている。

特に、回転軸は、タービン部および発電機部が直結され
ているため、タービン部の回転軸の熱伸びが発電機部に
も影響を及ぼす。

すなわち発電機の回転子はそれ自身熱伸縮するとともに
タービン部の回転軸の熱伸びの影響を受けて軸方向に移
動するということである。

このため、発電機はあらかじめ回転軸の熱伸びを考慮し
て、発電機の固定子部分が回転子の熱伸びする方向に所
定寸法ずらされて据付られる。

すなわち定格運転時（回転子が熱伸びにより移動した状
態のとき）に固定子部分の軸方向中央部と回転子の軸方
向中央部が一致するようにその熱伸び寸法だけずらされ
て据付けられているのである。

これを第２図を用いて説明すると、この図のａ。

ｂ、ｃは、タービン発電機の固定子と回転子の軸方向位
置関係を示したものである。

一般の回転電機では、固定子側と、回転子側の軸方向鉄
心長は、それぞれの磁気装荷と電気装荷を考慮して決め
られ、固定子鉄心１の長さり。

と、回転子２の界磁磁極有効長Ｌｆ（以下これを回転
子有効長と称する）は略同−の値が採用されている。

まず発電機の据付時には、第２図ａに示すように回転軸
の熱伸びを考慮して固定子鉄心１と回転子２の軸方向中
心をすらし゛て据付ける。

すなわちタービン側では、同図ａで示すように回転子有
効部が固定子鉄心よりδ８だけタービン側へ突出た状態
となる。

次に発電機が定格出力状態に達すると、第２図すのよう
に回転子２は、タービンの回転子や発電機の回転子自身
の熱伸びの影響を受けて、固定子鉄心１と回転子２の軸
方向中心が略一致する。

すなわちこの時点では第２図ａにδ８で示したような突
出部分は無くなる。

また発電機負荷の急変あるいはその他の条件によって回
転軸が移動した場合には、第２図Ｃにδ。

で示すように、今度は、タービン側と反対側に、回転子
有効部が突出する状態となる。

この様に、発電機の回転子は、常に、軸方向に移動し、
第２図ａ１および第２図Ｃにδ８．δ。

で示した範囲内で回転子有効部か固定子鉄心１内で移動
することになる。

ところで、発電機負荷運転時に固定子鉄心端部において
は、固定子側の固定子巻線および回転子側の界磁巻線が
作る起磁力による磁束が存在し、これが固定子鉄心端部
の歯部（巻線収納溝間の鉄心部）の先端に集中して入射
し局部的な過熱を引き起している。

特に、固定子鉄心端面に入射する軸方向磁束は、薄鉄板
を積層して形成された鉄心に対して、平面部分に垂直に
入射するためうず電流を発生し、これによる損失のため
、固定子鉄心の局部過熱は著しく助長され、鉄心の焼損
、固定子巻線の絶縁劣化の促進等を引きおこし、タービ
ン発電機等の信頼性を著しく低下させている。

そして、鉄心端部へ軸方向に入射する磁束は、回転子有
効部と固定子鉄心の相対位置に大きく関係し、第２図の
ａ、ｃに示したδ８．δ。

の値によって大きく増減している。

第３図は、固定子鉄心の軸方向に沿った温度上昇分布を
示したものである。

曲線Ｉは、先に第２図すで示した状態の温度分布である
。

固定子鉄心端部で温度が高くなっており、すでに従来の
ものでは温度上昇が限界値付近に達しており、これ以上
の磁気装荷の増大、大容量化あるいは機械の小型化に対
する設計上の大きな制約条件となっている。

それにもかかわらず、固定子鉄心端面よりいずれか一方
の回転子有効部が突出した、第２図ａ。

Ｃの場合には、その突出した側の軸方向入射磁束が増加
し、これによって生ずるうず電流のため発生熱量か増大
し、曲線■の様に固定子鉄心端部の温度が急激に高くな
る。

これは、回転電機の固定子鉄心の温度上昇制限値をはる
かに越えるものであると共に、温度上昇制限値を越える
範囲で、固定子鉄心端部の温度が回転電機の運転条件に
より大きく変動することになる。

これらの対策の一つとして、例えば特開昭５１−１３６
１０７等のように、固定子鉄心の軸方向長さを回転子鉄
心の軸方向長さよりも長くして、定常運転時鉄心端部へ
の軸方向入射磁束を減少させ、鉄心端部の局部過熱を防
止し、固定子鉄心端部の温度上昇の絶対値を低下させる
方法が考えられている。

しかし、この方法では、機械の特殊な運転条件に於いて
は、回転子有効部が固定子鉄心より軸方向に突出する可
能性があり、状態によっては固定子鉄心の端部が高温に
なり、温度変化も大きくなる嫌いがある。

。ところで、回転電機の固定子鉄心端部は、固定子巻
線と近接していると同時に、固定子鉄心端部の強度を高
めるため、各種の接着剤を用いて薄鉄板同志を接着して
強度を向上させている。

これらの接着剤は、繰返して発生する温度変化に弱く、
前述のように回転子有効部が固定子鉄心より軸方向に突
出した時のように、鉄心の温度が大きく変化した場合は
、急激に劣化が進展することになる。

すなわち、固定子鉄心端部の固定子巻線に施こされた絶
縁層、あるいは固定子鉄心を強固に固定している接着剤
等は、温度上昇が高ければ高い程、また高温時と低温時
の温度差が大きれば大きい程、劣化が著しく促進される
。

これは固定子鉄心の温度の絶対値と、温度変化時の温度
差の大小の二つの条件により前記絶縁層や、接着剤等の
劣化が大きく左右されることを意味している。

このようなことから前述した従来のものは、発電機出力
がほぼ１００％で、一定の負荷をとる、いわゆる定常運
転では有効であるが、発電機の特殊な運転状態で回転子
有効部が固定子鉄心より軸方向に突出した場合は、その
効果が著しく低下する。

例えば、駆動機を運転したばかりの状態で回転子が突出
した場合は、固定子鉄心が冷えた状態であるにもかかわ
らず、駆動機側の固定子鉄心端が急激に過熱されて温度
が高くなってしまう。

すなわち固定子鉄心端部の温度は回転電機の運転条件に
よって大きく変動し、その最高温度はほぼ制限値に迄達
する。

このような状態で回転子の移動が生ずると、この最高温
度と繰返しの温度変化により劣化が急速に進展すること
になる。

そして、絶縁層の破壊による固定子巻線の短絡、あるい
は接着剤の劣化、剥離により、鉄心間の短絡を発生し、
鉄心を焼損に至らしめる等の回転電機に重大な事故を誘
発し、機械の安定性、信頼性を著しく低下させることに
なる。

これらの現象を以下、測定結果をもとにして説明する。

第４図は、固定子鉄心端部温度上昇の最高点の変化を詳
細に測定した結果を示したものである。

δは固定子鉄心の軸方向端面と、回転子有効部の軸方向
端の距離を示し、負符号は回転子有効部が固定子鉄心端
面より軸方向の中心側へへこんでいる場合（以下これを
没入と称する）を示し、正符号は、回転子有効部が固定
子鉄心端面より突出している場合を示している。

中心部の零は、固定子鉄心端面と回転子有効部の軸方向
端面か一致している場合を示している。

回転子を軸方向に順次移動して、固定子鉄心端部の温度
上昇最高点を詳細に測定した結果では、回転子有効部が
固定子鉄心端面より突出した場合、すなわち＋δの方向
に移動した場合は、温度上昇値が急激に増加している。

従来の極く一般の回転電機のように固定子鉄心長と回転
子有効長がほぼ等しい場合は、第４図に示したδ の範
囲で回転子が軸方向に移動しているため、最も条件の悪
い場合は、温度上昇がＴｍとなる。

これは、δ＝０の場合の温度上昇Ｔ。の約２倍にも達し
ている。

すなわち、回転子有効部が固定子鉄心軸方向に突出した
場合は、固定子鉄心端部の最高温度上昇が第４図に示す
Ｔ。

からＴｍで示される曲線上で変動し温度変化は著しく大
きくなる。

また、前述した特開昭５１−１３６１０７等のようにし
た場合では、発電機の特殊な運転状態で固定子鉄心が突
出した場合には、第４図に示す＋δの範囲となり鉄心端
部の温度は急急激に上昇する。

このため、前述のような理由から鉄心端部の強度が低下
し、振動の増大、及びこれに付随して発生する固定子巻
線絶縁の劣化等により発電機の正常な運転が大きく妨げ
られる。

本発明は、前述の様な回転子の移動に伴い、このために
生ずる固定子鉄心端部の急激な温度上昇及び運転状態に
よって生ずる温度変動の２つを防止し、信頼性の高い回
転電機を提供することにある。

すなわち本発明は、タービンおよび発電機の回転軸の軸
方向移動に着目し、回転子有効部が、発電機の始動時お
よび最大負荷時の熱伸線長さや負荷急変等による回転子
軸方向移動量、及び固定子端面と回転子有効長端面の軸
方向相対位置を考慮して、回転子有効長を固定子鉄心長
より短くし、発電機のいかなる運転状態においても回転
子有効部が固定子鉄心より突出しない様にし所期の目的
を達成するようにしたものである。

すなわち、本発明は、先に第４図に一例として示した各
種の測定結果をもとに検討し、回転子有効長を、片側で
δ工たけ短く、すなわち回転子有効長を２δ工以上固定
子鉄心長より短くシ、発電機のいかなる運転条件におい
ても回転子有効部が、固定子鉄心の軸方向端面から突出
しないようにしたものである。

以下、本発明を実施例を用いて説明する。

第５図は、本発明による実施例を示したものである。

固定子鉄心１は、薄鉄板を積層して形成され、エンドダ
クト３、エンドプレート４を介し、締付ボルト５を用い
、固定子枠６に締付固定されている。

固定子鉄心１は、複数個に適当な厚さで分割され、固定
子鉄心を冷却するための中間ダクト７が設けられている
。

固定子鉄心１にはスロット（図示せず）が設けられ、固
定子巻線８が挿入されている。

回転子２は、有効長すなわち界磁鉄心の軸方向長さがＬ
ｆｏで、固定子鉄心長り。

より２δ工以上短く製作されている。

回転子２にも固定子鉄心１と同様なスロット（図示せず
）が設けられ界磁巻線９が挿入されている。

界磁巻線端部は、非磁性体で作られた保持環１０によっ
て保持固定されており、保持環１０は、回転子２の軸端
部に焼嵌めされている。

回転子２は、回転軸１１．１２と一体に製作され、回転
軸１１はタービンの回転軸さ、回転軸１２は集電部およ
び励磁機の回転軸と直結されている。

第６図は、第５図に示した本発明による発電機の固定子
鉄心と回転子の相対位置関係を各瞬時について示した図
である。

発電機の据付時の状態を示すａでは、タービンの回転軸
からの伸びを考慮して据付られる。

すなわち回転子２の軸方向中心と固定子鉄心１の軸方向
中心とは予めずらされて据付けられる。

このため発電機のタービン側（以下ＴＢ側と称する）は
、αだけ回転子有効部が没入しており、発電機の励磁機
側（以下ＥＸ側と称する）ではδ−２δニーαだｍ転子
有効部が没入している。

従って据付状態においても回転子有効部が固定子鉄心端
より突出していない。

発電機が定格出力となった状態すでは、固定子鉄心の軸
方向中心と回転子有効部の軸方向中心とが略一致してい
る。

ｂの状態では、ＴＢ側、ＥＸ側の両方とも回転子有効部
はδえたけ没入した状態となっている。

さらに、発電機負荷の急変あるいは、タービン側からの
回転軸の移動、すなわち回転軸の最も大きな移動があっ
た場合にも第６図Ｃに示す様にＥＸ側でδ＝０（回転子
端部と固定子鉄心１の端部が同位置）、ＴＢ側でδ−２
δ工だけ没入した状態となる。

以上の説明から明らかなように、回転子有効部は、ター
ビン発電機のいかなる運転条件においてら、固定子鉄心
端面から突出することはない。

尚以上の説明で据付時にＴＢ側がαだけ没入している旨
述べたが、これはスラスト軸受の油膜ギャップ等の変化
も考慮したもので非常に小さな値である。

このため、固定子鉄心端部の温度上昇は、先ｔこ第４図
に示すように、回転子の軸方向移動範囲が斜線を施した
範囲となるため、最高温度上昇値はＴｏとなる。

これは、従来構造で生じていた固定子鉄心の温度上昇差
Ｔ −Ｔに比べて、最大でＯも本発明ではＴ。

−Ｔｎとなり、固定子鉄心端面の温度変化が著しく小さ
くなることを示している。

温度上昇Ｔ。

は、鉄心中央部の温度上昇値に比較して高い値であるが
、固定子鉄心端部の温度上昇許容値以下であるため特に
問題となる値ではない。

また第４図に斜線を施した回転子移動範囲内でも、温度
上昇Ｔ。

より大きくなる点が存在しないため、十分安定したター
ビン発電機の運転を行なうことが出来る。

本発明による。

第５図に示した実施例においては、先に第３図で示した
曲線Ｉがδ＝０の場合の固定子鉄心の軸方向温度分布を
示し、最も回転子有効部が固定子鉄心の軸方向端面より
没入したδ＝−２δ工の場合は、曲線■で示した温度分
布となっている。

このため、発電機の固定子鉄心端部の温度上昇は、曲線
Ｉと曲線■の範囲の斜線を施した部分内で変動している
。

この様に、回転子有効長”ｆｏを固定子鉄心積層長Ｌ
よりも短くシ、回転子が軸方向に移動するどの様な条
件下でも、回転子有効部が固定子鉄心の軸方向端面より
突出しない様にすることによって、固定子鉄心端部の局
部過熱による温度上昇値に制限を加えることが出来ると
同時に、各運転条件における温度上昇の差を小さくする
ことが出来る。

このため、固定子鉄心端部に２ける、鉄心の焼損あるい
は、近接する固定子巻線の絶縁劣化の促進を効果的に妨
げることが出来、発電機の信頼性を著しく向上すること
が出来る。

固定子鉄心の軸方向長り。

と回転子有効長”ｆ。の差δは、発電機容量、固定子鉄
心と回転子間の空隙長、固定子巻線による起磁力、界磁
巻線による起磁力、あるいは、タービン発電機全体の回
転軸の長さ、熱伸び量、負荷変動条件等によって異なり
、一律に定められないが、先に第４図に示した試験結果
から発電機出力５００ＭＶＡで、はぼ固定子鉄心と回
転子間の空隙長の２倍で十分その効果を得ることが出来
た。

以上述べたように本発明によれば、回転子有効部が、固
定子鉄心の軸方向端面より突出することがないため、こ
れによる固定子鉄心端面への入射磁束が制限され、回転
子の移動に伴い、回転子有効部が固定子鉄心端面より突
出するために生じていた固定子鉄心端部の急激な温度上
昇が解消されると同時に、機械の始動時あるいは発電機
負荷の変動時と定常運転時の鉄心端部の温度上昇の差が
緩和され、固定子鉄心端部の焼損、あるいは近接する固
定子巻線の絶縁劣化の促進等が防止でき、信頼性の高い
回転電機を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のタービン発電設備の外観を示す斜視図、
第２図は従来の回転電機の固定子鉄心と回転子の位置関
係を示す線図、第３図は固定子鉄心の軸方向に沿った温
度分布関係を示す曲線図、第４図は回転子の軸方向移動
距離と温度上昇の関係を示す温度曲線図、第５図は本発
明の回転電機を示す縦断側面図、第６図は本発明による
固定子鉄心と回転子の位置関係を示す線図である。１・・・・・・固定子鉄心、２・・・・・・回転子、８
・・・・・・固定子巻線、”ｆｏ・・・・・・回転子有
効長、Ｌｃ・・・・・・固定子鉄心長、１１，１２・・
・・・・回転軸。

Claims

【特許請求の範囲】

１薄鉄板が積層されて環状体に形成され、かつ軸方向
に所定積厚を有する固定子鉄心と、該固定子鉄心に巻回
された固定子巻線と、前記固定子鉄心の内部に回転自在
に配置され、かつ回転子鉄心及び巻線を有する回転子と
を備え、該回転子が駆動機の回転軸と直結され、かつ、
該回転子及び駆動機の回転軸が軸方向に熱伸縮するとと
もに、前記回転子が、この熱伸縮により軸方向に移動す
る回転電機に於いて、前記回転子及び駆動機の回転軸の
熱伸縮時、或いは機械の始動時及び発電機負荷の急変時
のいかなる運転状態での回転子の移動に於いても、回転
子鉄心部が固定子鉄心端部より軸方向に突出しないよう
に形成し、かつ回転子の最高移動時に、その移動方向回
転子鉄心部端が固定子鉄心端部近傍位置となるように固
定子鉄心の軸方向長さより回転子鉄心の軸方向長さを短
く形成するようにしたことを特徴とする回転電気。