WO2012023184A1 - 回転電機のラジアルリードの固定構造 - Google Patents

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WO2012023184A1
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radial lead
radial
lead
hole
rotating shaft
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PCT/JP2010/063922
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French (fr)
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善秀 菊一
清訓 古賀
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K13/00—Structural associations of current collectors with motors or generators, e.g. brush mounting plates or connections to windings; Disposition of current collectors in motors or generators; Arrangements for improving commutation
    • H02K13/003—Structural associations of slip-rings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K13/00—Structural associations of current collectors with motors or generators, e.g. brush mounting plates or connections to windings; Disposition of current collectors in motors or generators; Arrangements for improving commutation
    • H02K13/02—Connections between slip-rings and windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/12—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof specially adapted for operating in liquid or gas
    • H02K5/124—Sealing of shafts

Definitions

  • This invention relates to a fixing structure for fixing a radial lead connected to a slip ring of a rotating electric machine to a rotating shaft.
  • FIGS. 6 and 7 As a rotating electrical machine, for example, in an AC synchronous generator, a DC current is supplied from the outside to the field coil of the rotor of the generator, and the rotating magnetic field generated by rotating the rotor is fixed to the outer peripheral side of the rotor. AC voltage is induced in the armature coil.
  • a configuration as shown in FIGS. 6 and 7 is known as a conventional technique of a current collector that serves as an electrical connection between the field coil and the outside.
  • FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing only the upper half from the axis on the collector side of the rotor.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a portion surrounded by a dashed line in FIG. As shown in FIG.
  • a center hole 32a is provided at the center of the rotating shaft 32 of the rotor 31, and an axial lead 33 is disposed in the center hole 32a.
  • a pair of radial leads (current collectors) are connected to the main terminal bolt 34.
  • Terminal bolts) 35 are connected to one end side of each bolt.
  • the other end side of the main terminal bolt 34 is connected to a main field terminal winding 37 held by a holding ring 36, and the other end side of the radial lead 35 is a pair of slip rings 38 a attached to the rotary shaft 32. , 38b.
  • a direct current is supplied from a carbon brush (not shown) to the slip rings 38a and 38b, and energized to the main field terminal winding 37 side via the radial lead 35, the axial lead 33, and the main terminal bolt 34.
  • the radial lead 35 is formed with male threads on the upper end side and the lower end side, has a smooth intermediate portion, and an insulating sleeve surrounds the intermediate portion.
  • the lower end side is screwed and fixed to the female screw of the axial lead 33.
  • the upper end side is connected to a connecting lead 41 of the slip ring by a steel nut 39 and an inner copper nut 40.
  • a gasket 43 is inserted between a seal washer 44 and a gasket bushing 45.
  • the fastening bolt 46 is fastened by the internal thread part formed in the radial lead hole 42, and airtightness is maintained because the gasket 43 is compressed.
  • the inside of the generator is filled with, for example, hydrogen gas as a cooling refrigerant, and the hydrogen gas communicates with the center hole 32a of the rotating shaft 32 and is also sealed in the gap between the center hole 32a and the axial lead 33. Therefore, the gasket 43 plays a role of sealing so that hydrogen gas does not leak to the outside (see, for example, Patent Document 1).
  • the radial lead hole 42 through which the radial lead 35 is inserted has the gasket 43 as described above for sealing the cooling gas of the generator.
  • the internal thread portion into which the tightening bolt 46 is screwed is provided at a position near the outermost periphery of the rotating shaft 32.
  • the rotor 31 is elongated in the axial direction and is supported by bearings in the vicinity of both ends of the rotating shaft 32 and rotates at high speed.
  • the rotating shaft 32 is stressed by rotating bending when rotating while receiving a bending load. For this reason, the strength of the rotating shaft 32 due to fatigue caused by rotational bending becomes a problem.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems.
  • the radial lead portion connected to the slip ring of the rotating electrical machine the radial lead portion of the rotating electrical machine having improved strength against fatigue due to rotational bending or the like is provided. The purpose is to obtain.
  • a radial lead portion fixing structure for a rotating electrical machine includes a slip ring provided on a rotating shaft of a rotor, an axial lead that is disposed inside a central hole of the rotating shaft and supplies current to the rotor coil.
  • the radial lead is inserted into the radial lead hole penetrating in the radial direction from the center hole of the rotating shaft.
  • a male screw formed on one end side is inserted and fixed to a female screw formed on an axial lead, and the other end side is electrically connected to a slip ring, and is loaded into a step portion of a radial lead hole.
  • the seal member is tightened by a tightening nut screwed to the other end side of the radial lead via the spacer, so that the airtightness between the center hole side and the outer side is maintained. It is what is.
  • the radial lead is inserted into the radial lead hole penetrating in the radial direction from the center hole of the rotating shaft, and the male screw formed on one end side is formed on the axial lead.
  • the other end side is electrically connected to the slip ring, and the seal member loaded in the stepped portion of the radial lead hole is connected to the other end side of the radial lead via the spacer.
  • the radial lead hole side does not have a thread part that becomes a weak point of fatigue against rotational bending and torsional vibration, so fatigue due to rotational bending and torsional vibration
  • the strength can be improved and the fatigue strength can be improved.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a structure in the vicinity of a radial lead portion of a rotating electrical machine such as a turbine generator.
  • (A) is a side cross-sectional view
  • (b) is a cross-sectional view seen from the arrow bb in (a).
  • (a) is a part corresponding to FIG. 6 described in the section of the background art, but is right and left opposite to FIG. 6, and the right side of the figure is the rotor coil side of the rotor body. Yes.
  • the generator magnetizes the rotor by passing electricity through the rotor coil, and rotating the rotor changes the magnetic flux interlinking with the stator coil, causing an electromotive force in the stator coil.
  • it is necessary to supply electric power from the outside in order to excite the rotor, and the entrance / exit is a slip ring.
  • a rotor rotating shaft 1 supported by a pair of bearings has a pair of positive and negative slip rings 2a, 2b on the outside of the machine at one end. Is installed. Carbon brushes 3a and 3b are slidably contacted with the slip rings 2a and 2b by a spring (not shown), and a direct current is supplied through the brushes 3a and 3b. As indicated by the arrows, the current supplied from the slip ring 2a is supplied to the central hole 1a of the rotary shaft 1 from one of a pair of radial lead portions 4 (details will be described later) provided in the rotary shaft 1 in the radial direction.
  • the central hole 1a of the rotating shaft 1 is formed coaxially with the central axis of the rotating shaft 1, and the inside is divided into two by the insulating member 6, and the axial lead 5 is placed in each space. Is inserted.
  • the radial lead portion 4 and the axial lead 5 are not shown in FIG.
  • the axial lead 5 and the center hole 1a are insulated by a cylindrical insulating member 7.
  • hydrogen gas is sealed as a refrigerant, and sealed in each part so that the sealed hydrogen gas does not leak outside.
  • the radial lead portion 4 is no exception, and a seal member for preventing internal hydrogen gas from leaking outside is inserted as will be described in detail below.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the radial lead portion 4 of FIG.
  • the details of the radial lead portion 4 will be described with reference to FIG.
  • the radial lead hole 8 through which the radial lead portion 4 is inserted will be described.
  • the radial lead hole 8 is an intermediate portion of the pair of slip rings 2a and 2b provided on the rotating shaft 1, and is provided at two positions that are opposed to each other by 180 degrees in the radial direction, penetrating in the radial direction from the center hole 1a. .
  • the radial lead hole 8 has a cross-sectional shape in which the diameter near the opening end that opens toward the center hole 1 a of the rotating shaft 1 is reduced by one step to form a stepped portion 8 a.
  • a female threaded portion 8b is formed in a portion of the vertical direction that is closer to the inner side than the outer opening, and the outer side is a large-diameter portion having a slightly larger diameter.
  • the radial lead 9 which is the central conductor of the radial lead portion 4 has a tapered male screw 9a formed on the side connected to the axial lead 5, and the end connected to the slip rings 2a and 2b on the opposite side is intermediate.
  • a straight screw 9b having a diameter one step smaller than the portion is formed.
  • An insulating cylinder 10 is provided in close contact with the straight portion of the intermediate portion.
  • the radial lead 9 and the axial lead 5 are connected by screwing the taper male screw 9a of the radial reed 9 to the taper female screw 5a provided on the axial lead 5, so that the radial lead 9 does not jump out by centrifugal force. It is fixed.
  • the taper male screw 9 a of the radial lead 9 is screwed and fixed to the taper female screw 5 a of the axial lead 5, and then the seal receiver 11 is inserted into the step portion 8 a of the radial lead hole 8.
  • the inner diameter of the seal receiver 11 is set such that the insulating cylinder 10 of the radial lead 9 is loosely fitted in a minute gap.
  • the seal member 12 is inserted.
  • the seal member 12 has an inner diameter that is substantially the same as the outer diameter of the insulating cylinder 10, and the outer diameter is substantially the same as the inner diameter of the radial lead hole 8.
  • fluorine rubber or the like is used as the material.
  • the ring-shaped tightening bolt 13 is screwed into the female screw portion 8 b formed in the intermediate portion of the radial lead hole 8.
  • the sealing member 12 is compressed, the inner diameter side is sealed to the insulating cylinder 10, and the outer diameter side is tightly sealed to the inner wall of the radial lead hole 8, and the sealing member 12 is subjected to centrifugal force when the rotating shaft 1 rotates.
  • the inner diameter of the fastening bolt 13 is slightly larger than the outer diameter of the insulating cylinder 10.
  • a cylindrical spacer 14 having an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the insulating cylinder 10 is inserted above the tightening bolt 13, and a tightening nut 15 is attached to a straight screw 9 b provided at the outer end of the radial lead 9. Then, the spacer 14 is tightened. At this time, the tightening bolt 13 tightened first also serves as a reaction force of the tightening force of the tightening nut 15. Further, the slip ring connecting lead 18 is sandwiched and tightened with the outer nut 16 to complete the assembly. The outer nut 16 is prevented from rotating by using a claw washer 17.
  • the radial lead portion 4 is constituted by the reference numerals 9 to 17 described above.
  • the basic technology is characterized in that the mounting position of the seal member 12 provided in the radial lead hole 8 of the rotating shaft 1 is as close to the axis of the rotating shaft 1 as possible.
  • the position of the female screw portion 8b formed in the radial lead hole 8 is shifted to the axial center side by shifting to the axial center.
  • the radial lead hole 8 has a certain length (depth). Therefore, within the length range, the position of the female screw portion 8b is arranged so as to be shifted to the center side of the rotating shaft 1 where the stress is as low as possible.
  • the radial lead portion having the structure as shown in FIG. 2 and the radial lead portion having the same structure as in FIG. 2 and the position of the female screw 8b of the radial lead hole 8 near the outer periphery of the rotary shaft 1 are rotated by performing stress analysis or the like.
  • the degree of stress concentration in bending and torsional vibration was compared and verified.
  • the stress concentration of the female screw portion 8b was improved by shifting the position as shown in FIG.
  • the tightening bolt 13 since the tightening bolt 13 is used, it has been found in the verification process that the following points are not always sufficient.
  • the radial lead hole 8 formed in a columnar shape tends to be deformed into an elliptical shape in the torsional direction, particularly by twisting.
  • the tightening bolt 13 has a circular ring shape and is rigid, the radial lead hole 8 is deformed into an elliptical cross section so that the female screw portion 8b contacts the male screw portion of the tightening bolt 13. In the part, a part that approaches and a part that leaves are generated.
  • FIG. FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the radial lead portion of the rotating electrical machine according to the first embodiment. It is a part corresponding to FIG. 2 described in the basic technology, and the equivalent part is denoted by the same reference numeral, description thereof is omitted, and description will be made mainly on the difference.
  • the overall structure in the vicinity of the radial lead portion is substantially the same as that shown in FIG. 1 described in the basic technology.
  • the difference from FIG. 2 is that the fastening bolt 13 of FIG. 2 is omitted.
  • FIG. 2 the fastening bolt 13 of FIG. 2 is omitted.
  • a stepped portion 8a is formed in the middle thereof, and the outer side (the outer peripheral side of the rotating shaft 1) is formed in a straight shape with a larger step diameter.
  • the taper male screw 9a of the radial lead 9 is screwed into the taper female screw 5a of the axial lead 5 and fixed.
  • the seal receiver 11 is inserted into the stepped portion 8 a of the radial lead hole 8.
  • the seal member 12 is inserted, and the cylindrical spacer 19 is inserted thereon.
  • the spacer 19 has an inner diameter that is slightly larger than the outer diameter of the insulating cylinder 10 and an outer diameter that is slightly smaller than the inner diameter of the radial lead hole 8 in the storage portion of the seal member 12.
  • the tightening nut 15 is screwed into the straight screw 9 b provided at the outer end portion of the radial lead 9, and the seal member 12 is tightened through the spacer 19.
  • the seal member 12 is compressed, the inner diameter side is sealed to the insulating cylinder 10, and the outer diameter side is tightly sealed to the inner wall of the radial lead hole 8, and the seal member 12 can withstand centrifugal force during rotation of the rotary shaft 1.
  • the slip ring connection lead 18 is sandwiched on the tightening nut 15 and tightened with the outer nut 16 to complete the assembly.
  • the outer nut 16 is provided with a claw washer 17 for retaining the rotation.
  • the radial leads 4 of the first embodiment are constituted by the reference numerals 9 to 12, 15 to 17, and 19 described above.
  • the tightening nut 15 is screwed into the straight screw 9b of the radial lead 9. Therefore, when the tightening nut 15 is tightened, if the tightening force is weak, the sealing cannot be sufficiently performed and gas leakage occurs. On the contrary, if the tightening force is too strong, there is a possibility that the seal member 12 may be damaged, which similarly causes gas leakage. Therefore, when tightening the tightening nut 15, it is desirable to manage the tightening force within a predetermined value range. Although the tightening force depends on the capacity of the rotating electrical machine, it was verified that the sealing effect was sufficiently obtained and adequate if the seal member 12 was sunk by 2.7 mm or more.
  • the internal thread portion 8b is formed in the radial lead hole 8, and the fatigue strength due to rotational bending or torsional vibration is compared with that in which the sealing member 12 is tightened with the tightening bolt 13. It can be further improved and an improvement in fatigue strength can be expected.
  • the slip ring provided on the rotating shaft of the rotor and the center hole of the rotating shaft are disposed inside the rotor coil.
  • the radial lead fixing structure of a rotating electrical machine that has a function of connecting an axial lead that supplies current and preventing leakage of refrigerant gas inside the rotating shaft
  • the radial lead extends in the radial direction from the center hole of the rotating shaft.
  • the male screw formed on one end side is screwed into the female screw formed on the axial lead and fixed, and the other end side is electrically connected to the slip ring.
  • the seal member loaded in the step portion is tightened by a tightening nut screwed to the other end side of the radial lead via the spacer, Because the air tightness with the part side is maintained, there is no uneven section of the thread part that becomes a weak point of fatigue against rotational bending and torsional vibration compared to those having a thread part in the radial lead hole, so the stress concentration is large The portion is eliminated, and the fatigue strength due to rotational bending and torsional vibration can be improved to improve the fatigue strength.
  • seal member is tightened with a predetermined controlled tightening force, insufficient tightening or overtightening of the seal member can be prevented, and a radial lead fixing structure for a rotating electrical machine with excellent sealing performance can be provided.
  • the tightening force is controlled so that the sinking amount of the seal member is 2.7 mm or more, the seal quality of the radial lead portion can be kept good.
  • FIG. FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the radial lead portion of the rotating electrical machine according to the second embodiment, corresponding to FIG. 3 of the first embodiment.
  • the same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. Differences will be mainly described.
  • the difference from FIG. 3 is the structure of the portion for tightening the seal member 12.
  • the different part will be described with reference to FIG.
  • a tapered surface 8 c is formed in the vicinity of the outer opening end of the radial lead hole 8.
  • the taper surface 8c is formed so as to be continuous with the inner peripheral surface of the radial lead hole 8 where the seal receiver 11 and the seal member 12 are inserted, and to expand in a conical shape toward the outer opening end side. And it has the same taper angle as this taper surface 8c, and the ring-shaped taper member 20 fitted to the taper surface 8c is provided.
  • the inner diameter of the taper member 20 is slightly larger than the outer diameter of the insulating cylinder 10.
  • the dimensional relationship between the taper surface 8c and the taper member 20 is such that the seal member 12 is compressed so as to obtain a predetermined tightening force when the taper member 20 is pushed into the taper surface 8c. It is said.
  • the assembly is the same as in FIG. 3 until the seal member 12 is inserted.
  • the taper member 20 and the spacer 21 are overlapped on the seal member 12, and the tightening nut 15 is attached to the radial lead 9 from above the spacer 21.
  • the seal member 12 is tightened with a predetermined pressing force by being screwed into the straight screw 9b and tightening.
  • the slip ring connecting lead 18 is attached in the same manner as in FIG.
  • the sealing member 12 secures a sealing function by tightening a tightening nut 15 on a straight screw 9 b provided on the radial lead 9 via a taper member 20 and a spacer 21.
  • a tightening nut 15 In order to ensure the sealing function, it is desirable to manage the tightening force of the seal member as described in the first embodiment, but the structure without the taper member 20 as in FIG. 3 of the first embodiment.
  • the tightening nut 15 is tightened, work such as management of the tightening torque occurs, and the tightening work becomes complicated and time-consuming.
  • the taper surface 8c is provided in the radial lead hole 8 and the taper member 20 having the above dimensions is interposed. Therefore, when the tightening nut 15 is tightened, particularly the tightening torque is considered. Without tightening, the seal member 12 can be tightened with a predetermined tightening force by simply tightening the taper member 20 to the full extent.
  • the radial lead hole 8 is not provided with a thread portion as in the first embodiment, improvement in fatigue strength can be expected.
  • the radial lead hole 8 formed in a columnar shape tends to be deformed into an elliptical shape in the twist direction by twisting.
  • the annular taper member 20 is inserted, the strength of contact is generated in the circumferential direction on the taper contact surface when observed closely. Therefore, the configuration of the radial lead portion that is further improved will be described below.
  • FIG. 5 is a modification of FIG. 4, and the same parts as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. The difference is that the loading portion of the taper member 20 is moved to the axial center side of the rotating shaft 1 as much as possible. The rest is the same as FIG.
  • the spacer 22 is longer than that in FIG. Similar to FIG. 4, since no threaded portion is provided on the radial lead hole 8 side, there is no weak point of fatigue strength against rotational bending or torsional vibration due to the threaded portion. Furthermore, compared with FIG. Since the part is brought closer to the axial center side of the rotary shaft 1, it is less affected by rotational bending and torsional vibration than the structure of FIG.
  • the tapered surface that spreads toward the outer opening end side continuously to the inner peripheral surface on which the seal member of the radial lead hole is loaded. Is formed, and has a ring-shaped taper member fitted to the taper surface, and the taper member is interposed between the seal member and the spacer, so that the radial lead hole side is provided as in the first embodiment. Since there is no threaded part that becomes a weak point of fatigue strength against rotational bending and torsional vibration, the fatigue strength can be improved as compared with the case where the threaded part is provided, and further, a taper member is interposed. When tightening the tightening nut, it is possible to tighten the seal member with the specified tightening force by tightening the taper member to the full allowance without worrying about the tightening torque. A single.
  • a synchronous generator has been described as an example of a rotating electrical machine, but the present invention can be applied to all rotating electrical machines having a similar radial lead portion.

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Abstract

　回転子の回転軸（１）に設けられたスリップリング（２ａ，２ｂ）と、回転軸（１）の中心孔（１ａ）内に配置されて回転子コイルへ電流を供給するアキシャルリード（５）とを接続する、回転電機のラジアルリードの固定構造であって、ラジアルリード（９）は、回転軸（１）の中心孔（１ａ）からラジアル方向に貫通するラジアルリード穴（８）に挿通され、一端側に形成されたテーパ雄ねじ（９ａ）がアキシャルリード（５）に形成されたテーパ雌ねじ（５ａ）に螺合され、他端側がスリップリング（２ａ）に電気的に接続されており、ラジアルリード穴（８）の段差部（８ａ）に装填されたシール部材（１２）が、スペーサ（１９）を介し、ラジアルリード（９）のストレートねじ（９ｂ）に螺合した締付ナット（１５）によって締め付けられて、中心孔（１ａ）側と外部側との気密が保たれるように構成した。

Description

回転電機のラジアルリードの固定構造
　この発明は、回転電機のスリップリングに接続するラジアルリードを回転軸に固定する固定構造に関するものである。
　回転電機として、例えば、交流同期発電機では、発電機の回転子の界磁コイルに外部から直流電流を供給し、回転子を回転させて発生する回転磁界により、回転子の外周側に固定された電機子コイルに交流電圧を誘起させる。界磁コイルと外部との電気的な接続部となる集電子部の従来技術としては、例えば、図６，図７のような構成が知られている。
　図６は、回転子の集電子側の軸心から上半分のみを示す部分断面図である。また、図７は、図６の一点鎖線で囲った部分の拡大断面図である。
　図６に示すように、回転子３１の回転軸３２の中心には中心孔３２ａを有し、この中心孔３２ａ内にアキシャルリード３３が配置され、主端子ボルト３４から一対のラジアルリード（集電端子ボルト）３５まで延在してそれぞれのボルトの一端側に接続されている。
　主端子ボルト３４の他端側は、押さえリング３６によって保持されている主界磁端子巻線３７に接続され、ラジアルリード３５の他端側は、回転軸３２に装着された一対のスリップリング３８ａ，３８ｂに接続されている。
　カーボンブラシ（図示せず）から、スリップリング３８ａ，３８ｂへ直流電流が供給され、ラジアルリード３５、アキシャルリード３３、主端子ボルト３４を経由して主界磁端子巻線３７側へ通電される。
　図７により、ラジアルリード部の詳細について説明する。ラジアルリード３５は、上端側と下端側に雄ねじが形成されており、滑らかな中間部を有し、中間部には絶縁スリーブが取り巻いている。下端側は、アキシャルリード３３の雌ねじに螺合されて固定されている。上端側は鋼製ナット３９と内側銅ナット４０とによりスリップリングの接続リード線４１に接続されている。回転軸３２に形成されたラジアルリード穴４２には、ガスケット４３がシールワッシャ４４とガスケットブッシング４５とに挟まれて挿入されている。そして、回転軸３２の外周近傍の位置において、ラジアルリード穴４２に形成された雌ねじ部に締付ボルト４６が締め付けられ、ガスケット４３が圧縮されることで気密が保てるようになっている。発電機の内部は、冷却用の冷媒として、例えば水素ガスが封入されており、水素ガスは回転軸３２の中心孔３２ａにも連通し、中心孔３２ａとアキシャルリード３３との隙間にも封入されているので、ガスケット４３は、水素ガスが外部に漏れないようにシールする役目を担っている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６－２３７５５８号公報（第３－４頁、図１及び図３）
　特許文献１に示されたようなラジアリード部構造において、ラジアルリード３５が挿通されるラジアルリード穴４２は、発電機の冷却ガスをシールするために、上記のように、ガスケット４３が締付ボルト４６で締め付けられているが、締付ボルト４６を螺合する雌ねじ部は、回転軸３２の最外周近傍の位置に設けられている。回転子３１は軸方向に細長く、回転軸３２の両端部近傍で軸受けにより支持されて高速回転するが、曲げ荷重を受けながら回転するときの回転曲げによって回転軸３２にはストレスがかかる。そのため、回転軸３２は、回転曲げの疲労による強度低下が問題となる。
　ねじ部には、ねじの締付力に加えて、ねじへの応力集中が回転曲げ時に作用するが、回転軸３２の最外周が最も応力が高くなるため、ねじ部が最外周近傍に形成されている特許文献１のような構成では、回転軸の軸径はブラシ周速による制限があり、その制限以上に径を大きくすることができず、そのような箇所にねじ部を有するラジアルリード穴が設けられているため、疲労強度の改善が困難であった。
　この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、回転電機のスリップリングと接続するラジアルリード部において、回転曲げ等による疲労に対する強度を改善させた回転電機のラジアルリード部を得ることを目的とする。
　この発明に係る回転電機のラジアルリード部の固定構造は、回転子の回転軸に設けられたスリップリングと、回転軸の中心孔の内部に配置されて回転子コイルへ電流を供給するアキシャルリードとを接続すると共に、回転軸の内部の冷媒ガスの漏出を防止する機能を備えた回転電機のラジアルリードの固定構造において、ラジアルリードは、回転軸の中心孔からラジアル方向に貫通するラジアルリード穴に挿通され、一端側に形成された雄ねじがアキシャルリードに形成された雌ねじに螺合されて固定され、他端側がスリップリングに電気的に接続されており、ラジアルリード穴の段差部に装填されたシール部材が、スペーサを介し、ラジアルリードの他端側に螺合した締付ナットによって締め付けられて、中心孔側と外部側との気密が保たれているものである。
　この発明の回転電機のラジアルリード部の固定構造によれば、ラジアルリードは、回転軸の中心孔からラジアル方向に貫通するラジアルリード穴に挿通され、一端側に形成された雄ねじがアキシャルリードに形成された雌ねじに螺合されて固定され、他端側がスリップリングに電気的に接続されており、ラジアルリード穴の段差部に装填されたシール部材が、スペーサを介し、ラジアルリードの他端側に螺合した締付ナットによって締め付けられて気密を保つようにしたので、ラジアルリード穴側に、回転曲げや捩り振動に対する疲労の弱点となるねじ部を有さないため、回転曲げや捩り振動による疲労強度を改善して、疲労強度の向上を図ることができる。
基礎技術による回転電機のラジアルリード部近傍の構造を示す部分断面図である。 図１の要部の拡大断面図である。 この発明の実施の形態１による回転電機のラジアルリード部の部分断面図である。 この発明の実施の形態２による回転電機のラジアルリード部の部分断面図である。 この発明の実施の形態２による回転電機のラジアルリード部の他の例を示す部分断面図である。 従来の回転電機のラジアルリード部近傍の構造を示す部分断面図である。 図６の要部の拡大断面図である。
基礎技術
　先ず、この発明の実施の形態１について説明する前に、その発明に至った基礎技術について説明する。
　図１は、例えば、タービン発電機のような回転電機のラジアルリード部近傍の構造を示す部分断面図である。（ａ）は側面断面図を示し、（ｂ）は（ａ）の矢印ｂ－ｂから見た断面図である。
　また、（ａ）は、背景技術の項で説明した図６に対応する部分であるが、図６とは左右逆になっており、図の右側が回転子本体の回転子コイル側となっている。
　周知のように、発電機は、回転子コイルに電気を流すことで回転子を磁化させ、その回転子を回転させることで固定子コイルと鎖交する磁束が変化し、固定子コイルに起電力を誘起させるものであるが、回転子を励磁させるために外部から電力を供給する必要があり、その出入口がスリップリングである。
　図１（ａ）に示すように、一対の軸受け（図示せず）で支持された回転子の回転軸１は、一方の端部の機外側に、正極と負極の一対のスリップリング２ａ，２ｂが装着されている。スリップリング２ａ，２ｂにはカーボン製のブラシ３ａ，３ｂが、図示しないばねにより押圧されて摺動可能に接触しており、そのブラシ３ａ，３ｂを通じて直流電流が供給される。
　スリップリング２ａより供給された電流は、矢印で示すように、回転軸１にラジアル方向に設けられた一対のラジアルリード部４（詳細は後述する）の一方から、回転軸１の中心孔１ａに設けられたアキシャルリード５の一方を通り、その他端側で径方向に引き出されて回転子コイル（図示せず）へと流れ、回転子コイルからの電流は他方のアキシャルリード５に戻り、他方のラジアルリード部４を経由してスリップリング２ｂへと流れる。
　回転軸１の中心孔１ａは、図１（ｂ）に示すように、回転軸１の中心軸と同軸に形成されており、内部は絶縁部材６によって２分され、それぞれの空間にアキシャルリード５が挿通されている。但し、（ｂ）にはラジアルリード部４とアキシャルリード５の図示は省略している。なお、アキシャルリード５と中心孔１ａとは筒状絶縁部材７で絶縁されている。
　また、発電機内部は冷却性能を上げるため、冷媒として、例えば、水素ガスが封入されており、封入した水素ガスが外部に漏れないように各部においてシールされている。ラジアルリード部４も例外ではなく、次に詳細に説明するように内部の水素ガスを外部に漏らさないためのシール部材が挿入されている。
　課題の項で説明したように、回転軸に回転曲げ応力が作用したときは、回転軸の最外周が最も応力が高い。また、回転曲げ以外にも、突発短絡のような事故が発生したときには、回転軸に捩り振動が発生する。捩り振動時も回転軸の最外周の応力が高くなる。
　そこで、回転曲げ等による疲労に対する強度を改善したラジアルリード部４の構造として、図２に示すような構成について検討した。図２は、図１のラジアルリード部４の拡大断面図である。以下、図２に基づいてラジアルリード部４の詳細を説明する。
　先ず、ラジアルリード部４が挿通されるラジアルリード穴８から説明する。ラジアルリード穴８は、回転軸１に設けた一対のスリップリング２ａ，２ｂの中間部で、径方向に１８０度対向する位置に２箇所、中心孔１ａからラジアル方向に貫通して設けられている。
　ラジアルリード穴８の断面形状は、図２示すように、回転軸１の中心孔１ａ側に開口する開口端近傍の径を一段小さくして、段差部８ａが形成され、ラジアルリード穴８の長さ方向の、外側開口部より内側に寄せた部位に雌ねじ部８ｂが形成され、それより外側は少し径の大きい大径部としている。
　ラジアルリード部４の中心導体であるラジアルリード９は、アキシャルリード５に接続される側はテーパ雄ねじ９ａが形成されており、反対側のスリップリング２ａ，２ｂに接続される端部側は、中間部より一段細い径のストレートねじ９ｂが形成されている。中間部のストレート部には絶縁筒１０が密着して設けられている。
　ラジアルリード９とアキシャルリード５とは、アキシャルリード５に設けたテーパ雌ねじ５ａにラジアルリート９のテーパ雄ねじ９ａを螺合させることで接続され、ラジアルリード９が遠心力で外側に飛び出さないように固定されている。
　ラジアルリード４の組立は、まず、アキシャルリード５のテーパ雌ねじ５ａにラジアルリード９のテーパ雄ねじ９ａをねじ込んで固定し、次に、ラジアルリード穴８の段差部８ａにシール受け１１を挿入する。シール受け１１の内径はラジアルリード９の絶縁筒１０が微少隙間で遊嵌する大きさとしている。次に、シール部材１２を挿入する。シール部材１２は、内径が絶縁筒１０の外径とほほ同じであり、外径がラジアルリード穴８の内径とほぼ同じである。材料は、例えば、フッ素ゴム等が用いられる。
　次に、ラジアルリード穴８の中間部に形成した雌ねじ部８ｂにリング状の締付ボルト１３をねじ込む。これにより、シール部材１２が圧縮され、その内径側が絶縁筒１０に、外径側がラジアルリード穴８の内壁に密着してシールされると共に、シール部材１２が回転軸１の回転時の遠心力に耐えるように固定される。なお、締付ボルト１３の内径は、絶縁筒１０の外径より僅かに大きくしている。
　次に、締付ボルト１３の上側に、絶縁筒１０の外径より僅かに大きい内径の円筒状のスペーサ１４を挿入し、ラジアルリード９の外側端部に設けたストレートねじ９ｂに締付ナット１５をねじ込んで、スペーサ１４を締め付ける。このとき、先に締め付けた締付ボルト１３は締付ナット１５の締め付け力の反力としての役割も兼ねている。
　更に、スリップリング接続リード１８を挟み、外側ナット１６で締め付けて組立が完了する。なお、外側ナット１６には爪付ワッシャ１７を用いて回り止めがなされている。上記で説明した符号９～１７でラジアルリード部４が構成されている。
　次に、このように構成したラジアルリード部４とラジアルリード穴８の作用について説明する。
　背景技術の項で説明した特許文献１と比較して、この基礎技術の特徴とするところは、回転軸１のラジアルリード穴８に設けるシール部材１２の取付位置をできるだけ回転軸１の軸心側にずらすことにより、ラジアルリード穴８に形成した雌ねじ部８ｂの位置を、軸心側にずらした点である。
　先に説明したように、回転軸に回転曲げ応力が作用したときは、回転軸の最外周が最も応力が高く、また、突発短絡のような事故が発生したときには、回転軸に捩り振動が発生するが、この捩り振動時も回転軸の最外周が、応力が高くなる。
　このような回転曲げや捩り振動に対して、回転軸の径方向に加工したねじそのものは、応力集中となる方向ではないが、ねじ部は締付トルクによる応力が常に掛かり、また加工傷のリスクもある。すなわち、回転曲げや捩り振動に対して、ねじ部は特に弱点となっている。
　ラジアルリード穴８はある程度の長さ（深さ）を有する。そこで、その長さの範囲内で、雌ねじ部８ｂの位置を、できるだけ応力が低い回転軸１の中心側にずらすように配置したものである。
　図２のような構造のラジアルリード部と、図２とほぼ同じ構造でラジアルリード穴８の雌ねじ８ｂの位置が回転軸１の外周近傍にあるラジアルリード部とを、応力解析等を行って回転曲げや捩り振動における応力集中度合いを比較検証した。その結果、図２のように位置をずらすことで、雌ねじ部８ｂの応力集中は改善されていることが分かった。
　しかしながら、図２のような構造の場合、締付ボルト１３を使用しているために、次のような点で、まだ必ずしも十分ではないことが検証の過程で判明した。
　すなわち、回転軸１に回転曲げや捩り振動が加わったとき、特に捩りによって、円柱状に形成されたラジアルリード穴８は、その円形の断面が捩り方向に楕円状に変形しようとする。
　一方、締付ボルト１３は、平面形状が円形のリング状で剛性があるので、ラジアルリード穴８の断面が楕円状に変形することにより、雌ねじ部８ｂと締付ボルト１３の雄ねじ部との接触部において、近づく箇所と離れる箇所が発生する。締付ボルト１３は上方からスペーサ１４で押圧されているので、接触部の変位により雌ねじ８ｂのねじ底部の一部に応力が集中し、その部分が弱点となってねじ部が破損に至る場合があることを検証した。
　そこで、このような基礎技術での検証結果を踏まえて、更に、回転曲げや捩り振動による疲労強度の改善を図ったラジアルリード部を、以下に説明する。
実施の形態１．
　図３は、実施の形態１による回転電機のラジアルリード部の部分断面図である。基礎技術で説明した図２に対応する部分であり、同等部分は同一符号で示して説明は省略し、相違点を中心に説明する。なお、ラジアルリード部近傍の全体構造は、基礎技術で説明した図１とほぼ同等である。
　図２との相違部分は、図２の締付ボルト１３を省略した点である。以下、図３に基づいて説明する。
　ラジアルリード穴８には、その途中に段差部８ａを形成し、それより外側（回転軸１の外周側）は一段径を大きくしてストレートに形成している。
　組立は、まず、アキシャルリード５のテーパ雌ねじ５ａにラジアルリード９のテーパ雄ねじ９ａをねじ込んで固定する。次に、ラジアルリード穴８の段差部８ａにシール受け１１を挿入する。次に、シール部材１２を挿入し、その上に円筒状のスペーサ１９を挿入する。スペーサ１９は、内径が絶縁筒１０の外径より僅かに大きく、外形がシール部材１２の収納部のラジアルリード穴８の内径より僅かに小さい大きさとしている。
　次に、ラジアルリード９の外側端部に設けたストレートねじ９ｂに締付ナット１５をねじ込んで、スペーサ１９を介してシール部材１２を締め付ける。
　これにより、シール部材１２が圧縮され、内径側が絶縁筒１０に、外径側がラジアルリード穴８の内壁に密着してシールされると共に、シール部材１２が回転軸１の回転時の遠心力に耐えるように固定される。
　更に、締付ナット１５の上にスリップリング接続リード１８を挟み外側ナット１６で締め付けて組立が完了する。外側ナット１６には回り留めのために爪付ワッシャ１７が設けられている。
　上記で説明した符号９～１２，１５～１７，１９で実施の形態１のラジアルリード部４が構成されている。
　上記の組み立て作業において、締付ナット１５はラジアルリード９のストレートねじ９ｂに螺合しているので、締付ナット１５を締め付けるとき、締付力が弱いと、シールが十分に行えずガス漏れの原因となり、逆に、締付力が強すぎても、シール部材１２の破損を招く虞が有り、同様にガス漏れの原因となる。そこで、締付ナット１５の締付に当たっては、締付力を所定値の範囲に管理するのが望ましい。
　締付力としては、回転電機の容量にもよるが、シール部材１２を２．７ｍｍ以上の沈み込みとすれば、十分にシール効果が得られ、適切であることを検証した。
　次に作用について説明する。
　回転電機の運転中において、回転軸には回転曲げ応力が作用し、また、突発短絡のような事故が発生したときには、回転軸に捩り振動が発生する。このとき、ラジアルリード穴８の形状は、穴の軸線に垂直な断面が、捩り方向に楕円状に変形しようとする。
　しかしながら、本実施の形態では、シール部材１２はスペーサ１９を介して上方から締付ナット１５で締め付けられており、ラジアルリード穴８の内面には雌ねじを設けてないので、ラジアルリード穴８の断面が楕円状に変形しても応力が極度に集中する箇所は発生しない。このため、基礎技術の図２のように、ラジアルリード穴８に雌ねじ部８ｂが形成され、締付ボルト１３でシール部材１２を締め付けるものと比較して、回転曲げや捩り振動による疲労強度を、より改善でき、疲労強度の向上が期待できる。
　以上のように、実施の形態１の回転電機のラジアルリードの固定構造によれば、回転子の回転軸に設けられたスリップリングと、回転軸の中心孔の内部に配置されて回転子コイルへ電流を供給するアキシャルリードとを接続すると共に、回転軸の内部の冷媒ガスの漏出を防止する機能を備えた回転電機のラジアルリードの固定構造において、ラジアルリードは、回転軸の中心孔からラジアル方向に貫通するラジアルリード穴に挿通され、一端側に形成された雄ねじがアキシャルリードに形成された雌ねじに螺合されて固定され、他端側がスリップリングに電気的に接続されており、ラジアルリード穴の段差部に装填されたシール部材が、スペーサを介し、ラジアルリードの他端側に螺合した締付ナットによって締め付けられて、中心孔側と外部側との気密を保つようにしたので、ラジアルリード穴にねじ部を有するものと比較して、回転曲げや捩り振動に対する疲労の弱点となるねじ部の凹凸断面がないため、応力集中の大きな部分がなくなり、回転曲げや捩り振動による疲労強度を改善して、疲労強度の向上を図ることができる。
　また、シール部材は、管理された所定の締付力で締め付けられているので、シール部材の締め付け不足や締めすぎを防止でき、シール性能が優れた回転電機のラジアルリードの固定構造を提供できる。
　また、締付力はシール部材の沈み込み量が２．７ｍｍ以上に管理されているので、ラジアルリード部のシール品質を良好に保つことができる。
実施の形態２．
　図４は、実施の形態２による回転電機のラジアルリード部の部分断面図であり、実施の形態１の図３に対応する部分である。図３と同等部分は同一符号で示して説明は省略し、相違点を中心に説明する。
　図３との相違部分は、シール部材１２を締め付ける部分の構造である。以下、相違部分を図４により説明する。
　ラジアルリード穴８の外部開口端近傍には、テーパ面８ｃが形成されている。テーパ面８ｃは、シール受け１１とシール部材１２が挿入される部分のラジアルリード穴８の内周面に連続し、外部開口端側に向けて円錐状に広がるように形成されている。そして、このテーパ面８ｃと同じテーパ角を有し、テーパ面８ｃに嵌合するリング状のテーパ部材２０を備えている。テーパ部材２０の内径は、絶縁筒１０の外径より僅かに大きくしている。また、テーパ面８ｃとテーパ部材２０との寸法関係は、テーパ部材２０をテーパ面８ｃに完全に密着するまで押し込んだとき、シール部材１２が所定の締付力を得られるように圧縮される寸法としている。
　組立は、シール部材１２を挿入するまでは先の図３と同じであり、シール部材１２の上にテーパ部材２０とスペーサ２１を重ねて、スペーサ２１の上方から締付ナット１５をラジアルリード９のストレートねじ９ｂに螺合させて締め付けることで、シール部材１２が所定の押圧力で締め付けられる。スリップリング接続リード１８の取り付けは、図３の場合と同様である。
　次に作用について説明する。
　シール部材１２は、テーパ部材２０とスペーサ２１を介して、ラジアルリード９に設けたストレートねじ９ｂに締付ナット１５を締め付けることで、シール機能を確保している。シール機能を確実にするために、実施の形態１で説明したように、シール部材の締付力を管理するのが望ましいが、実施の形態１の図３のような、テーパ部材２０が無い構造の場合では、締付ナット１５を締め付ける際に、締付トルクを管理する等の作業が発生し、締付作業が繁雑となり手間が掛かる。これに対し、本実施の形態ではラジアルリード穴８にテーパ面８ｃを設けて上記のような寸法のテーパ部材２０を介装したので、締付ナット１５を締め付けるとき、特に締付トルクを気にすることなく、テーパ部材２０の締代分いっぱいに締めるだけで、所定の締付力でシール部材１２を締め付けることが可能である。
　図４の構成において、ラジアルリード穴８には、実施の形態１と同様に、ねじ部を設けてないので、疲労強度の改善は期待できる。しかしながら、基礎技術の検証結果で分かったように、円柱状に形成されたラジアルリード穴８は、捩りによってその円形の断面が捩り方向に楕円状に変形しようとする。ところが、円環状のテーパ部材２０が挿入されているため、細かく観察すればテーパ接触面で周方向に接触の強弱が生じている。そこで、これを更に改善したラジアルリード部の構成を次に説明する。
　図５は、図４の変形例であり、図４と同一部分は同一符号で示している。相違点は、テーパ部材２０の装填部位を回転軸１の軸心側にできるだけ移動させた点である。それ以外は図４と同じである。なお、スペーサ２２は図４より長くなっている。
　図４と同様に、ラジアルリード穴８側にねじ部を設けてないので、ねじ部による回転曲げや捩り振動に対する疲労強度の弱点はなく、更に、図４と比較すれば、テーパ部材２０の装填部位を、回転軸１の軸心側に近づけているので、図４の構造と比較して、回転曲げや捩り振動の影響を受けにくい。
　以上のように、実施の形態２の回転電機のラジアルリードの固定構造によれば、ラジアルリード穴のシール部材が装填される内周面に連続して、外部開口端側に向けて広がるテーパ面が形成され、テーパ面に嵌合するリング状のテーパ部材を有し、シール部材とスペーサとの間にテーパ部材が介装されているので、実施の形態１と同様に、ラジアルリード穴側に、回転曲げや捩り振動に対する疲労強度の弱点となるねじ部を設けていないため、ねじ部を有する場合に比較して疲労強度の向上を図ることができ、更に、テーパ部材を介装したことにより、締付ナットを締め付けるとき、特に締付トルクを気にすることなく、テーパ部材の締代分いっぱいに締めるだけで、所定の締付力でシール部材を締め付けることができるため、締付作業が簡単となる。
　なお、実施の形態１，２の説明において、回転電機として同期発電機を例に挙げて説明したが、同様なラジアルリード部を有する回転電機全般に適用することができる。

Claims (4)

  1. 　回転子の回転軸に設けられたスリップリングと、前記回転軸の中心孔の内部に配置されて回転子コイルへ電流を供給するアキシャルリードとを接続すると共に、前記回転軸の内部の冷媒ガスの漏出を防止する機能を備えた回転電機のラジアルリードの固定構造において、
    前記ラジアルリードは、前記回転軸の前記中心孔からラジアル方向に貫通するラジアルリード穴に挿通され、一端側に形成された雄ねじが前記アキシャルリードに形成された雌ねじに螺合されて固定され、他端側が前記スリップリングに電気的に接続されており、
    前記ラジアルリード穴の段差部に装填されたシール部材が、スペーサを介し、前記ラジアルリードの他端側に螺合した締付ナットによって締め付けられて、前記中心孔側と外部側との気密が保たれていることを特徴とする回転電機のラジアルリードの固定構造。
  2. 　請求項１記載の回転電機のラジアルリードの固定構造において、
    前記シール部材は、管理された所定の締付力で締め付けられていることを特徴とする回転電機のラジアルリードの固定構造。
  3. 　請求項２記載の回転電機のラジアルリードの固定構造において、
    前記締付力はシール部材の沈み込み量が２．７ｍｍ以上であることを特徴とする回転電機のラジアルリードの固定構造。
  4. 　請求項１記載の回転電機のラジアルリードの固定構造において、
    前記ラジアルリード穴の前記シール部材が装填される内周面に連続して、外部開口端側に向けて広がるテーパ面が形成され、前記テーパ面に嵌合するリング状のテーパ部材を有し、前記シール部材と前記スペーサとの間に前記テーパ部材が介装されていることを特徴とする回転電機のラジアルリードの固定構造。
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