JPS6048977B2 - 突極形回転電機の回転子 - Google Patents

突極形回転電機の回転子

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JPS6048977B2
JPS6048977B2 JP1968379A JP1968379A JPS6048977B2 JP S6048977 B2 JPS6048977 B2 JP S6048977B2 JP 1968379 A JP1968379 A JP 1968379A JP 1968379 A JP1968379 A JP 1968379A JP S6048977 B2 JPS6048977 B2 JP S6048977B2
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salient pole
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rotor
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昭 石田
宏司 佐藤
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水車発電機などの突極形回転電機の回転子に
係り、特にその突極界融体に関する。
水車発電機は第1図及び第2図に示すように、回転軸1
の大径部がヨーク27を兼ねており、このヨーク27と
、ヨーク27の外周部に複数装着された突極界融体8と
て回転子が構成されている。突極界融体8は、界磁鉄心
4とそれに巻装された界磁コイル5とからなり、更に界
磁鉄心4は積層鉄心10とその軸方向両端に配置された
端板9とで構成されている。界磁鉄心4の下部にはTテ
ールあるいはタブテールなどの係合突部が設けられ、こ
の係合突部がヨーク27の外周部に形成された係合溝6
に嵌着されている。図中2はスラスト軸受、3はガイド
軸受、28は軸受ブラケット、29は固定子鉄心、30
は固定子コイル、31は固定子枠であり、水車連結部7
より伝達されるトルクにより前記回転子が所定の速度で
回転して発電する機構になつている。
最近、水車発電機の大容量化、高速化はめざましく、特
に揚水発電所などの高落室の場合にその傾向が著しい。
このように回転が高速化すると、回転子の応力と変形が
増加し、各部の機械的強度が問題となる。第3図及ひ第
4図は従来の一般的な突極界融体8を、第5図及び第6
図は従来提案された突極界ヨ融体8を示す。
図中において15は界磁コイル5を遠心力に対して保持
する保持部て、界磁コイル5の径方向外側に配置されて
いる。第3図の場合は、この保持部15と端板9とが一
体になつており、第6図の場合は保持部15と端板9と
がいんiろう嵌合18されている。11は界磁鉄心ボル
ト、13は保持部締結ボルト、16は植込みボルトであ
る。
これら第3図ないし第6図に示した構造の突極界融体で
は、回転が高速になつた時に強度上対応しきれない欠点
がある。第7図及び第8図は、界磁鉄心4に作用する力
と応力を説明するための図である。
定格回転数Nは、突極界磁体8の数Npと周波数fとに
より、(1)式を満足する必要がある。
Np=10で設置する地域の周波数fが60Hzであれ
ば、定格回転数Nは(1)式より720rpmとなる。
第7図及び第8図において、各部分の実際の寸法を代人
すれば次のようになる。T1=10−,T2=1加順,
T3=8亡,八ニ500Tfr!N,八ニB1+訂,=
7(1)醋,H=30−,R1(回転中心から界磁コイ
ル5の重心までの半径)=2000順,R2(回転中心
から保持部15の重心までの HT3半径)=R
1+−+一ニ2190wt0 22r1 : (端板の比重量)=7.85X10−6Kgf/?
3r2: (界磁コイルの比重量)
=8.96×10−6Kgf/TOn3g:(重力
の加速度)=9800T!$t/S2とすると、端板9
の保持部15における遠心力F1は次の(2)式のよう
に、また界磁コイル5の遠心力F2は次の(3)式のよ
うに求まる。
V易v豐Vυ♂(′J すると合計の遠心力Fは(4)式のようになる。
F=F1+F2=13962+54575=68537
Kgf・・(4) この全遠心力Fによる第8図の保持部15の付根断面A
−Aの剪断応力は小さく、強度上第3図あるいは第6図
の構造であれば問題はない。
ところが、A−A断面の曲げ応力は、第3図の突極界磁
体8の場合、断面係数Zは第7図の寸法より次の(5)
式のように、またA−A断面の曲げモーメントM1は次
の(6)式のようにそれぞれ求まり、定格回転数の曲げ
応力σは(7)式のようになる。また、第8図に示した
A−A断面よりT2/2だけ積層鉄心10側へ寄つたB
−B断面に作用す7る曲げモーメントM2は次の(8)
式のようになる。
隅=FX問(T1+T2)=68537×↓(100+
120) 曝υνVV曝υ6604H11I−AO′
前述した揚水発電所に用いられる発電機は、ピーク電力
調整の役割を果すため発電電動機となつていて、電力需
要が多い時は発電機として電力を供給する。そして、夜
間などのように電力需要が少ない時は電動機に切り替え
られて、ダムに揚水してポテンシャルを蓄えている。こ
の高速発電電1動機は、1田こ最低1回起動、停止し、
楊合によれば1日20〜30回の起動、停止を行なつて
電力調整する。発電機を停止する時は負荷遮断(電力供
給を止める)をしてからダムの水を止めるので、その都
度ΔNのオーバースピードとなり、一般に)ΔNは定格
回転数Nの2〜3割回転上昇する。ΔN=1.3Nとす
れば、遠心力および(6)式に示した応力回転数の2乗
に比例するので、ΔN時のA−A断面の曲げ応力σΔN
は次の(9)式のようになり、またこの時のB−B断面
の曲げモーメントMΔNは次の(10)式のようになる
。このような曲げ応力になると、従来までの比較的低速
回転のものに比し、安全裕度がかなり狭くなり、さらに
強度上問題になるのは(10)式の大きな曲げモーメン
トである。
なお、同一荷重条件時において、第5図および第6図の
ように端板9がボルト締めになつている構造では、ボル
トの応力が前記(7)式および(9)式の値よりはるか
に大きくなり、信頼性に欠けることになる。高速回転に
なると、端板9は大きな曲げモーメントを受ける。
また大容量機になると、必然的に突極界磁体8の軸長が
長くなり、それに伴い積層鉄心10の積層枚数が増える
ので、端板9の倒れを支えている積層鉄心10のばね定
数が小さくなる。このように曲げモーメントが大きくな
るとともに積層鉄心10の支えばね定数が小さくなると
、第9図に示すように端板9は大きくそつた状態に変形
する。界磁コイル5に掛る遠心力は端板9に突設された
保持部15に支えられているが、端板9がそるとそれに
よつて界磁コイル5はいざり変形を生じる。このいざり
変形は発電機の起動、停止毎に繰り返し生じるので、界
磁コイル5の絶縁物はその毎に互いにこすれ合い、薄く
なつてやがて短絡する。従来、第10図及び第11図に
示すような構造の突極形回転子が提案された。
この回転子は、界磁コイル5を箱形状の枠体12に入れ
、枠体12の下端は取付板14を介して積層鉄心10に
固着されている。ところがこの構造でも界磁コイル5を
遠心力に対して保持する枠体12が積層鉄心10に固着
されているため、前述と同じように枠体12がそつた状
態に変形し、界磁コイル5がいざつた状態になる。また
箱形状の枠体12はラーメン構造体であるから、強度解
析の面でエラーが出易い欠点がある。本発明の目的は、
前記した従来技術の欠点を除去し、信頼性の高い突極形
回転電機の回転子を提供するにある。
この目的を達成するため、本発明は、突極界磁体におけ
る端板の軸方向外側に界磁コイルを遠心力に対して保持
する保持部を形成し、該保持部の軸方向外端部を遠心力
に対して保持する押え部を設けて、押え部の一端に形成
された係合突起をヨークに係止したことを特徴とする。
以下、本発明の実施例を第12図ないし第16図ととも
に説明する。第12図ないし第14図は、本発明の第1
実施例を示すものてある。
積層鉄心10の軸方向両端には厚板(T2=120Tr
0fL)からなる端板9が配置され、界磁鉄心ボルト1
1によつて締結され、端板9の下端はヨーク27の外周
部に形成された係合溝6に嵌着されている。端板9の軸
方向外側でかつ界磁コイル5の径方向外側には、端板9
と別体の保持部15が配置されている。更に保持部15
の軸方向外側には厚板(T2=120wrm)からなる
押え部19が設置され、該押え部19の下部には端板9
と同様にTテールあるいはダブテールなどの係合突部が
設けられて、ヨーク27の係合溝6に嵌着され径方向に
抜止めされている。前記保持部15の両端にはそれぞれ
凸状の係合部17,17が形成され、端板9ならびに押
え部19にいんろう嵌合18されている。さらに端板9
と保持部15と押え部19の三体は、締結ボルト20に
よつて一体に連結されている。従つて保持部15は端板
9と押え部19の間に架設され、その軸方向外端部に遠
心力が作用しても、ヨーク27に係止された押え部19
で定位置に保持されている。端板9の下端と押え部19
の下端との間には、間隔保持片22が挿入されている。
ヨーク27の端面には支え板24が取付ボルト23によ
つて固着され、該支え板24に螺挿した押えボルト25
により押えブロック26を介して前記押え部19の下端
を間隔保持片22に圧着している。従つて押え部19の
下端は、係合溝6に対する嵌着と押えボルト25による
締め付けとによりヨーク27にしつかりと固着されてい
る。第12図および第13図において第7図および第8
図と相当する部分は同一寸法とし、遠心力と応力および
主要部に作用する曲げモーメントを求1めれば次のよう
になる。
定格回転数N=720r′Pm時の保持部15と界磁コ
イル5の総合遠心力Fは68537Kgfとなる。
いんろう嵌合18が2個所あるのて、片側にはその半分
の34270Kgfの遠心力が掛る。この力に・よつて
第12図のB−B断面に作用する曲けモーメントM8は
、係合部の軸方向長さを5wunとすると、(11)式
の値になる。(11) 負荷遮断時に生じるオーバースピードΔN=1.3Nの
ときB−B断面に作用する曲けモーメン卜は、端板9と
保持部15と押え部19を一体化する締結ボルト20が
ない場合でも、3619770Kgf−朗になる。
この値は従来の構造のものの28.4%と小さく、それ
に伴つて端板9のそり変形は従来の約113.5となる
。また第14図に示すように、端板9と保持部15と押
え部19とを一体に連結する締結ボルト20の数を増せ
ば、端板9のそり変形は非常に少なくなる。
その変形量を第14図および第15図によつて説明する
。第14図において、T1=100TWI,T2=12
0W0!L,T3=8『,八ニ70h,t(係合部17
の軸方向長さ)=5wn,1(等価梁長さ)=4007
nmとする。締結ボルト20は、ねじ部の外径が20T
WLのもの(JIS規格のM2O)を5本用い、第13
図に示すように式=700T!RfLの所を等間隔に螺
挿する。この締結ボルト1本のねじ部有効断面積は24
4.8TmI!12であり、ねじ部の応力が約30Kg
f/WfL2になるように締め付けると、5本のボルト
による総合締付力は244.8X30X5=36720
Kgf/WL2となる。この締結ボルト20の締付線図
を第15図に示す。
ボルト1本当りのはね定数をKt,それに対応する被締
付物のばね定数をKOとすると、それぞれとなる。
このときのボルト内力係数φ=K1/K、+Kc=0.
105となり、ボルト締結部にへき開力wが作用しても
締付力がある間はボルトに付加される力F,=φWと小
さい。
定格回転数の1.3倍のオーバースピード回転ΔN=9
36rpm時のB−B断面に作用する曲けモー.メント
は、前記のようにM△、=3619770Kgf−瓢で
あり、この曲げモーメントにより端板9および押え部1
9はそり変形しようとするが、第13図のように締結ボ
ルト20でばね拘速される。
片持梁の一端に曲げモーメントが作用した時、・その作
用位置のたわみ変形を零にするような集中荷重Wは次の
(12)式によつて求まる。(12) そしてwなるへき開力が作用した時のボルト締結部のそ
り変形εは、ボルトの数が5本であることにより、次の
(13)式のようになる。
?w^−Wl

\1Qノこのようにそり変形は0.01TWLであり
、従来のものに比べて1110以下の値に抑えることが
できる。
第16図は、本発明の第2実施例を示すものである。保
持部15は端板9と押え部19の間に架設され、保持部
15と端板9の接合部21およびj保持部15と押え部
19の接合部32は、保持部15の外周面から螺挿した
締結ボルト20によつてそれぞれ一体に連結されている
。なお、前記実施例では端板と保持部と押え部をそれぞ
れ別体で構成した場合について説明したlが、保持部と
端板あるいは保持部と押え部とを一体に形成してもよい
また保持部と端板および(あるいは)押え部との連結は
、いんろう嵌合より他の嵌合構造でもよく、またボルト
以外の連結部材も用いられる。本発明は前述のような構
成になつており、界磁鉄心における軸端のそり変形が有
効に抑制でき、従つて界磁コイルの短絡現象も起こらな
い。
また軸端部の応力を極めて小さくすることがてき、機械
的にも信頼性の高い突極形回転電機の回転子が提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は水車発電機の半裁縦断面図、第2図は第1図X
−X線上の断面図、第3図および第4図は従来の回転子
における突極界磁体の要部断面図、第5図および第6図
は従来提案された突極界磁体の要部断面図、第7図およ
び第8図は従来の突極界磁体の寸法説明図、第7図は平
面図、第8図は切断側面図、第9図は従来の突極界磁体
の変形状態を示す図、第10図および第11図は従来提
案された突極界磁体の正面図および切断側面図、第12
図は本発明の第1実施例に係る突極界磁体の要部断面図
、第13図は該突極界磁体の切断平面図、第14図は該
突極界磁体の寸法説明図、第15図は該突極界磁体に用
いた締結ボルトの締付線図、第16図は本発明の第2実
施例に係る突極界磁体の要部断面図である。 4・・・・・・界磁鉄心、5・・・・・・界磁コイル、
8・・・・・・突極界磁体、9・・・・・・端板、10
・・・・・・積層鉄心、15・・・・・保持部、17・
・・・・・係合部、18・・・・・・いんろう嵌合、1
9・・・・・・押え部、20・・・・・締結ボルト、2
7・・・・・・ヨーク。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 ヨークと、該ヨークの外周部に装着された突極界磁
    体とを備え、該突極界磁体が、積層鉄心と積層鉄心の軸
    方向両端に配置された端板とからなる界磁鉄心と、該界
    磁鉄心に巻装された界磁コイルとから構成された突極形
    回転電機の回転子において、前記端板の軸方向外側に前
    記界磁コイルを遠心力に対して保持する保持部を形成し
    、該保持部の軸方向外端部を遠心力に対して保持する押
    え部を設けて、押え部の一端に形成された係合突部を前
    記ヨークの係合溝に嵌着したことを特徴とする突極形回
    転電機の回転子。 2 特許請求の範囲第1項において、前記端板と前記押
    え部との間に前記保持部が架設され、保持部の両端に形
    成した係合溝が端板と押え部とにそれぞれ係合されてい
    ることを特徴とする突極形回転電機の回転子。 3 特許請求の範囲第1項において、前記端板と前記押
    え部との間に前記保持部が架設され、締結ボルトにより
    端板と保持部と押え部とを連結したことを特徴とする突
    極形回転電機の回転子。
JP1968379A 1979-02-23 1979-02-23 突極形回転電機の回転子 Expired JPS6048977B2 (ja)

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JPS55114154A JPS55114154A (en) 1980-09-03
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