WO2012111126A1 - スリップリング装置およびそれを使用した回転電機 - Google Patents
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Definitions
- the present invention uses a slip ring device having a slip ring that is electrically connected to an external device, a radial lead that conducts electricity in the radial direction of the rotor from the slip ring, and the same in order to excite the rotor of the rotating electrical machine. It relates to a rotating electrical machine.
- the turbine generator 1 that is a rotating electrical machine is roughly divided into a frame 2, a stator 3, a rotor 10, and a slip ring device section 15.
- the stator 3 has a stator core 4 around which a stator coil 6 is wound, and is fixed to the inner peripheral portion of the frame 2.
- the rotor 10 includes a magnetic pole 12 and a direct connection portion 14 around which a rotor coil 13 is wound in a concentrated manner.
- a rotating shaft 11 of the rotor 10 is supported by bearings 7 a and 8 a in brackets 7 and 8 attached to the frame 2.
- a slip ring 18 is insulated and held in the vicinity of the shaft end that extends to the outer end of the rotary shaft 11 on the opposite side of the machine.
- the current collecting unit 16 of the slip ring device unit 15 includes a slip ring 18 and a brush 19 that contacts the outer periphery thereof, and a rotor by a connection conductor (none of which is shown) disposed in the outer peripheral groove of the rotating shaft 11.
- the coil 13 and the slip ring 18 are connected.
- the current collector 16 includes a slip ring 18, a brush 19, a brush holder 20, and an insulating protective plate 21.
- the slip ring 18 is made of alloy steel and is fitted on an insulation 17 formed in a ring shape on the vicinity of the shaft end extending to the outer end of the rotary shaft 11 on the side opposite to the direct connection side.
- FIGS. 12 and 13 show a specific example of a conventional slip ring structure, which includes a rotor shaft end 52 extending from the rotor shaft 51 to the outside of the machine. 52 is formed by machining from an integral structure with the rotor shaft 51. A hollow hole 53 is formed at the center of the rotor shaft end 52 and the vicinity of the coil end of the rotor shaft 51.
- the rotor shaft end 52 is an attachment portion for the slip ring structure.
- a first slip ring 54 on the positive electrode side and a second slip ring 55 on the negative electrode side are disposed at the rotor shaft end portion 52.
- the first slip ring 54 is disposed on the first slip ring mounting portion 52a on the rotor shaft 51 side
- the second slip ring 55 is on the counter rotor shaft 51 side, that is, the shaft end of the rotor shaft end portion 52. It arrange
- the first slip ring 54 on the positive electrode side and the second slip ring 55 on the negative electrode side are necessary.
- a lead connecting portion 56 is provided at the rotor shaft end 52 between the first slip ring 54 and the second slip ring 55.
- a first radial lead attachment hole 58 for attaching the first radial lead 57 and a second radial lead attachment hole 60 for attaching the second radial lead 59 are formed in the lead connection portion 56.
- a semicircular first axial lead 61 connected to the first radial lead 57, and A half-moon-shaped second axial lead 62 connected to the second radial lead 59 is inserted.
- An inter-lead insulator 63 is inserted between the first axial lead 61 and the second axial lead 62, and the hollow hole 53, the first axial lead 61, and the second axial lead 62 are connected to each other.
- An insulator 64 is inserted between them.
- An insulator 65 is provided at the ends of the first axial lead 61 and the second axial lead 62.
- the first slip ring 54 and the first radial lead 57 are connected by a first slip ring lead 66, and the second slip ring 55 and the second radial lead 59 are connected by a second slip ring lead 67. Has been.
- the supply of electricity from outside the machine and the extraction of electricity from the rotor to the outside result in the flow of electricity as shown by the arrows in FIG.
- the supply of electricity from outside the machine flows through the brush (not shown) to the first slip ring 54 on the positive electrode side. Electricity that has flowed to the first slip ring 54 flows to the first radial lead 57 through the first slip ring lead 66. The electricity flowing through the first radial lead 57 is supplied to the rotor coil through the first axial lead 61.
- the extraction of electricity from the rotor to the outside flows from the rotor coil to the second axial lead 62.
- the electricity that has flowed to the second axial lead 62 flows to the second radial lead 59.
- the electricity flowing to the second radial lead 59 flows to the second slip ring 55 on the negative electrode side through the second slip ring lead 67.
- the electricity flowing through the second slip ring 55 is taken out through a brush (not shown).
- a rotating electric machine is provided with a bearing on the rotor shaft 51 in order to support the rotor.
- a rotor shaft end portion 52 extends outward from the bearing portion of the rotor shaft 51.
- the rotor is aligned so that a certain amount of load is applied to the bearing, whereby bending stress is generated in the rotor.
- the rotor shaft end 52 of the rotor shaft 51 in which the slip ring structure is arranged has a first radial lead mounting hole 58 for supplying electricity to the rotor coil and taking out electricity from the rotor coil, and A second radial lead mounting hole 60 is provided, which is a stress concentration field. Accordingly, the first radial lead mounting hole 58 and the second radial lead mounting hole 60 are likely to be the weakest portions.
- a high torsional torque is applied to the rotor shaft end 52 of the rotor shaft 51 in which the slip ring structure is arranged in the event of an accident such as a sudden short circuit.
- the rotor shaft 51 on which the rotor coil is mounted and the rotor shaft end portion 52 on which the slip ring structure is disposed are manufactured by an integral structure.
- first slip ring 54 on the positive electrode side and the second slip ring 55 on the negative electrode side are necessary, but the first to the rotor shaft end portion 52 manufactured by the rotor shaft 51 and the integral structure is required.
- the slip ring 54 and the second slip ring 55 are attached as follows.
- the first slip ring 54 and the second slip ring 55 are attached by shrink fitting to the rotor shaft end 52 having a diameter slightly larger than the inner diameter of each slip ring. Since the rotor shaft end portion 52 is an integral structure with the rotor shaft 51, the first slip ring 54 and the second slip ring 55 need to be inserted from the shaft end side where the rotor shaft end portion 52 extends. is there.
- the first slip ring 54 is inserted from the shaft end side where the rotor shaft end portion 52 extends, passes through the second slip ring mounting portion 52b, and further passes through the first radial ring.
- the lead attachment hole 58 and the second radial lead attachment hole 60 are attached to the first slip ring attachment portion 52a through a lead connection portion 56 formed by shrink fitting.
- the second slip ring 55 is similarly inserted from the extending shaft end side of the rotor shaft end portion 52 and attached to the second slip ring mounting portion 52b by shrink fitting.
- the first slip ring 54 and the second slip ring 55 are shrink-fitted with the lead connecting portion 56 formed with the first radial lead mounting hole 58 and the second radial lead mounting hole 60 interposed therebetween. It is attached.
- the first slip ring 54 is inserted from the extending shaft end side of the rotor shaft end portion 52 to form the first radial lead mounting hole 58 and the second radial lead mounting hole 60.
- the shrink fitting is performed at a position beyond the lead connecting portion 56, and much effort and time are required for the shrink fitting operation.
- the shaft diameter of the rotor shaft end portion 52 including the lead connecting portion 56 in which the first radial lead mounting hole 58 and the second radial lead mounting hole 60 are formed is the first slip ring 54 and the second slip ring.
- the first radial lead mounting hole 58 and the second radial lead mounting hole 60 are formed in the lead connecting portion 56, it becomes a stress concentration field. Accordingly, the portion of the lead connecting portion 56 in which the first radial lead mounting hole 58 and the second radial lead mounting hole 60 are formed is the weakest portion.
- the outer diameters of the first slip ring 54 and the second slip ring 55 are limited by the peripheral speed of a brush (not shown), the outer diameters of the first slip ring 54 and the second slip ring 55 are limited. Accordingly, the shaft diameter of the rotor shaft end portion 52 including the lead connecting portion 56 in which the first radial lead mounting hole 58 and the second radial lead mounting hole 60 are formed cannot be increased, so that the strength is improved. It was difficult.
- the present invention has been made to solve the above-described problems, and the first slip ring and the second slip ring are inserted from both ends of the slip ring shaft provided separately from the rotor shaft. Attaching by shrink fitting, the shaft diameter of the lead connecting portion in which the first radial lead mounting hole and the second radial lead mounting hole of the slip ring shaft are formed is set to the first slip ring mounting portion and the second slip ring mounting.
- An object of the present invention is to obtain a slip ring device formed larger than the shaft diameter of a part and a rotating electrical machine using the slip ring device.
- a slip ring device includes a slip ring shaft provided separately from a rotor shaft, a first slip ring mounting portion of the slip ring shaft and a second slip ring shaft inserted from both ends of the slip ring shaft. Positioned on the slip ring shaft between the first slip ring attachment portion and the second slip ring attachment portion, and the first slip ring and the second slip ring attached to the slip ring attachment portion by shrink fitting.
- a lead connection portion formed to have a shaft diameter larger than the shaft diameters of the first slip ring attachment portion and the second slip ring attachment portion of the slip ring shaft, and a first radial provided in the lead connection portion.
- the first radial lead and the second radial lead attached to the lead attachment hole and the second radial lead attachment hole, respectively.
- a first axial lead and a second axial lead that are attached to a hollow hole provided in a central portion of the slip ring shaft and are connected to the first radial lead and the second radial lead;
- the slip ring device is constructed by inserting the first slip ring and the second slip ring from both ends of the slip ring shaft provided separately from the rotor shaft, and mounting the first slip ring by shrink fitting. And the shaft diameter of the lead connecting portion to which the second radial lead is attached is made larger than the shaft diameter of each slip ring attaching portion, and the first slip ring is shrink fitted to the shaft end portion on the rotor shaft side of the slip ring shaft.
- FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 12 showing a rotating electrical machine using a conventional slip ring structure. It is sectional drawing which shows the slip ring shrink-fitting means in the rotary electric machine using the conventional slip ring structure.
- FIG. 1 is a side sectional view showing a slip ring device according to Embodiment 1 of the present invention and a rotating electric machine using the slip ring device.
- FIG. 2 is a plan view of a principal part showing the slip ring device according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part showing the slip ring device according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 4 is a sectional view showing slip ring shrink-fitting means in the slip ring device according to Embodiment 1 of the present invention.
- reference numeral 100 denotes a slip ring shaft provided separately from the rotor shaft 51 at a position outside the machine having a relatively large shaft diameter such as an oil drain position of a bearing (not shown) of the rotor shaft 51. It is. 100a is a first slip ring mounting portion of the slip ring shaft 100, 100b is a second slip ring mounting portion of the slip ring shaft 100, 100c is a shaft end portion on the rotor shaft 51 side of the slip ring shaft 100, and 100d is a slip This is the shaft end portion of the ring shaft 100 on the side opposite to the rotor shaft 51. Note that the shaft diameter of the shaft end portion 100 c on the rotor shaft 51 side of the slip ring shaft 100 is smaller than the shaft diameter of the first slip ring mounting portion 100 a of the slip ring shaft 100.
- 101 is a first slip ring that is inserted from the shaft end portion 100c of the slip ring shaft 100 on the rotor shaft 51 side and attached to the first slip ring mounting portion 100a of the slip ring shaft 100 by shrink fitting
- 102 is a slip ring. It is the 2nd slip ring attached to the 2nd slip ring attachment part 100b of the axis
- the outer diameter of the lead connecting portion 103 is set to be slightly larger than the outer diameter of the first slip ring 101 and the second slip ring 102, for example.
- 104 is a first lead connection recess on the positive electrode side formed in the lead connection portion 103
- 105 is a second lead connection recess on the negative electrode side formed in the lead connection portion 103.
- Reference numeral 106 denotes a first radial lead attachment hole provided in the first lead connection recess 104 of the lead connection portion 103
- reference numeral 107 denotes a second radial lead attachment provided in the second lead connection recess 105 of the lead connection portion 103. It is a hole.
- 108 is a first radial lead attached to the first radial lead attachment hole 106
- 109 is a second radial lead attached to the second radial lead attachment hole 107.
- 110 is a hollow hole provided at the center of the slip ring shaft 100, and 111 and 112 are attached to the hollow hole 110 provided at the center of the slip ring shaft 100, and the first radial lead 108 and the second radial lead are mounted.
- 109 is a half-moon-shaped first axial lead and a second axial lead connected to 109.
- the first axial lead 111 and the second axial lead 112 are connected to the first axial lead 61 and the second axial lead 62 in the rotor shaft 51.
- An inter-lead insulator 113 is inserted between the first axial lead 111 and the second axial lead 112, and the hollow hole 110, the first axial lead 111, and the second axial lead 112 are connected to each other.
- An insulator 114 is inserted between them.
- An insulator 115 is provided at the ends of the first axial lead 61 and the second axial lead 62.
- a first slip ring lead 116 connects the first slip ring 101 and the first radial lead 108, and a second slip ring 117 connects the second slip ring 102 and the second radial lead 109. Lead.
- the first slip ring lead support portion 118 that supports the first slip ring lead 116 is formed with a first lead communication recess 119 that communicates with the first lead connection recess 104 of the lead connection portion 103.
- a lead groove 120 is formed in the first lead communication recess 119 in the lead connection portion 103, and the first slip ring lead 116 is inserted into the lead groove 120.
- a wedge groove 121 is formed in the lead groove 120 portion, and the first slip ring lead 116 is firmly fixed to the first slip ring lead support portion 118 by the wedge 122 inserted in the wedge groove 121.
- the second slip ring lead support portion 123 that supports the second slip ring lead 117 is formed with a second lead communication recess 124 that communicates with the second lead connection recess 105 of the lead connection portion 103. .
- a lead groove 125 is formed in the second lead communication recess 124 in the lead connection portion 103, and the second slip ring lead 117 is inserted into the lead groove 125.
- a wedge groove 126 is formed in the lead groove 125 portion, and the second slip ring lead 117 is firmly fixed to the second slip ring lead support portion 123 by the wedge 127 inserted into the wedge groove 126.
- the coupling 128 is for attaching the slip ring shaft 100 to the rotor shaft 51 attached by shrink fitting after the first slip ring 101 is attached to the shaft end portion 100c of the slip ring shaft 100 on the rotor shaft 51 side by shrink fitting.
- the coupling 128 is configured to have a smaller shaft diameter than that of the shaft end portion 100c of the slip ring shaft 100 on the rotor shaft 51 side.
- a slip ring device in which a coupling 128 is attached to the shaft end portion 100c of the slip ring shaft 100 on the rotor shaft 51 side by shrink fitting, and the coupling 128 and the rotor shaft 51 are joined by bolts. It is integrally connected by joining using a reamer pin together or by welding joining to constitute a rotating electric machine.
- the first slip ring 101 is inserted from the shaft end portion 100 c on the rotor shaft 51 side of the slip ring shaft 100 provided separately from the rotor shaft 51, and the slip ring shaft 100 is inserted.
- the first slip ring attachment portion 100a is attached and fixed by shrink fitting.
- the second slip ring 102 is inserted from the shaft end portion 100d of the slip ring shaft 100 on the side opposite to the rotor shaft 51, and is fixed to the second slip ring mounting portion 100b of the slip ring shaft 100 by shrink fitting. (Step S2)
- Step S3 After the first slip ring 101 is attached to the shaft end portion 100c of the slip ring shaft 100 on the rotor shaft 51 side by shrink fitting, a coupling 128 for attaching the slip ring shaft 100 to the rotor shaft 51 is provided.
- the slip ring shaft 100 is fixed to the shaft end portion 100c on the rotor shaft 51 side by shrink fitting.
- Step S4 The first axial lead 111 and the second axial lead 112 insulated by the insulator 113 between the leads and the insulator 114 are inserted into the hollow hole 110 of the slip ring shaft 100.
- Step S5 the coupling 128, which is attached and fixed to the shaft end portion 100c of the slip ring shaft 100 on the rotor shaft 51 side by shrink fitting, is fastened to the rotor shaft 51 by a fastening member, and the slip ring shaft 100 is fixed to the rotor shaft. Connect to 51. (Step S5)
- the first slip ring lead 116 is fixed to the first slip ring lead support portion 118 by the wedge 122. (Step S9)
- the second slip ring lead 117 is fixed to the first slip ring lead support portion 123 by the wedge 127. (Step S11)
- the slip ring device is manufactured, and the slip ring device is configured integrally with the rotating electrical machine by coupling the coupling 128 and the rotor shaft 51.
- the first slip ring 101 is inserted from the shaft end portion 100 c on the rotor shaft 51 side of the slip ring shaft 100 provided separately from the rotor shaft 51, and the slip ring shaft 100 is inserted.
- the first slip ring attachment portion 100a is attached and fixed by shrink fitting.
- the second slip ring 102 is inserted from the shaft end portion 100d of the slip ring shaft 100 on the side opposite to the rotor shaft 51, and is fixed to the second slip ring mounting portion 100b of the slip ring shaft 100 by shrink fitting. (Step S2)
- Step S3 After the first slip ring 101 is attached to the shaft end portion 100c of the slip ring shaft 100 on the rotor shaft 51 side by shrink fitting, a coupling 128 for attaching the slip ring shaft 100 to the rotor shaft 51 is provided.
- the slip ring shaft 100 is fixed to the shaft end portion 100c on the rotor shaft 51 side by shrink fitting.
- Step S4 The first axial lead 111 and the second axial lead 112 insulated by the insulator 113 between the leads and the insulator 114 are inserted into the hollow hole 110 of the slip ring shaft 100.
- Steps S15 and S16 the first radial lead 108 is connected to the first axial lead 111, and the second radial lead 109 is connected to the second axial lead 112.
- the first slip ring 101 and the first radial lead 108 are connected by the first slip ring lead 116. (Step S17)
- the first slip ring lead 116 is fixed to the first slip ring lead support portion 118 by the wedge 122. (Step S18)
- the second slip ring lead 117 is fixed to the first slip ring lead support portion 123 by the wedge 127. (Step S20)
- the slip ring device is configured integrally with the rotating electrical machine by coupling the coupling 128 and the rotor shaft 51 in a state completed as a slip ring device.
- the slip ring device can be manufactured separately from the manufacture of the rotor.
- the coupling 128 and the rotor shaft 51 are coupled by using bolts 129 and reamer pins 130.
- FIG. 7 an example is shown in which one reamer pin 130 is arranged between two arrangement intervals of bolts 129.
- the coupling 128 and the rotor shaft 51 are firmly fastened and connected by the bolt 129, and the reamer pin 130 is inserted into the same radial position as the bolt 129 by, for example, cooling fitting.
- the position of the reamer pin 130 may be a radial position different from that of the bolt 129.
- the reamer pin 130 can be substituted by driving in strongly or warming the shaft side instead of a cold fit.
- the shearing force of the reamer pin 130 can transmit a high load torque between the coupling 128 and the rotor shaft 51.
- a taper reamer pin 131 is used instead of the straight reamer pin 130.
- the straight reamer pin 130 since the entire length of the reamer part is fitted, the workability is not good in a narrow space.
- the taper reamer pin 131 By using the taper reamer pin 131, the insertion length for cold fitting is short, and the workability is improved.
- a reamer portion 129a is provided on the bolt 129.
- the reamer part 129 a of the bolt 129 is designed to pass through the boundary between the coupling 128 and the rotor shaft 51.
- the bolt 129 provided with the reamer part 129a is designed with a clearance managed by a tolerance, and is tightened by tightening.
- the reamer portion 129a may be tightened with a tight fit and the bolt 129 is cooled, and the reamer portion 129a may be fitted when the temperature returns to room temperature.
- the coupling between the coupling 128 and the rotor shaft 51 is not limited to the above-described coupling means, and may be of a similar configuration or may be other coupling means. That is.
- the material of the slip ring shaft 100 is a material having higher strength than the material of the rotor shaft 51.
- the material strength of the slip ring shaft 100 may be higher than that of the rotor shaft 51 by using the slip ring shaft 100 made of a material having a chemical component content such as Ni higher than that of the rotor shaft 51. it can.
- first slip ring lead 116 and the second slip ring lead 117 By fixing the first slip ring lead 116 and the second slip ring lead 117 to the first slip ring lead support portion 118 and the second slip ring lead support portion 123 with the wedge 122 and the wedge 127, the first slip ring lead 116 and the second slip ring lead support portion 123 are fixed.
- the length for supporting the slip ring lead 116 and the second slip ring lead 117 is shortened, and the stress generated in the first slip ring lead 116 and the second slip ring lead 117 can be reduced.
- This invention is suitable for realizing a slip ring device capable of shortening the shrink-fitting operation and improving strength and a rotating electric machine using the slip ring device.
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Abstract
回転子軸と分離して設けられたスリップリング軸の両端から第１のスリップリングおよび第２のスリップリングを挿入して焼嵌めにより取り付け、リード接続部の軸径を各スリップリング取付部の軸径より大きく形成し、スリップリング軸の回転子軸側の軸端部に第１のスリップリングが焼嵌めにより取り付けられた後に焼嵌めにより取り付けられるカップリングとを設けたものである。
Description
この発明は、回転電機の回転子を励磁させるために、外部装置と電気的に接続するスリップリングとこのスリップリングから回転子径方向に電気を通すラジアルリードを有するスリップリング装置およびそれを使用した回転電機に関するものである。
従来のスリップリング装置を用いた回転電機としては、例えば図１１に示すようなものがある。回転電機であるタービン発電機１は、大きく別けると、フレーム２と、固定子３と、回転子１０と、スリップリング装置部１５とを備えている。
固定子３は固定子コイル６が巻回された固定子鉄心４を有しフレーム２の内周部に固定されている。回転子１０は回転子コイル１３が集中巻回された磁極１２及び直結部１４を有する。回転子１０の回転軸１１は、フレーム２に取付けたブラケット７、８内の各軸受７ａ、８ａに支承されている。
回転軸１１の反直結側の機外端部に伸長する軸端部近傍にはスリップリング１８が絶縁保持されている。スリップリング装置部１５の集電部１６は、スリップリング１８及びその外周にコンタクトするブラシ１９を含み、回転軸１１の外周の溝内に配置された接続導体（いずれも図示せず）により回転子コイル１３とスリップリング１８が接続されている。
集電部１６は、スリップリング１８、ブラシ１９、ブラシ保持器２０及び絶縁保護板２１を備えている。スリップリング１８は合金鋼で製作され、回転軸１１の反直結側の機外端部に伸長する軸端部近傍上にリング状に形成した絶縁１７上に嵌合されている。
また、図１２および図１３は従来のスリップリング構造の一具体例を示すものであり、回転子軸５１から機外に伸長する回転子軸端部５２を備えており、この回転子軸端部５２は回転子軸５１と一体構造体から機械加工により形成されている。そして、回転子軸端部５２および回転子軸５１のコイルエンド近傍まで中心部に中空孔５３が形成されている。
この回転子軸端部５２がスリップリング構造体の取り付け部となる。回転子軸端部５２には例えば正極側の第１のスリップリング５４と負極側の第２のスリップリング５５が配置される。第１のスリップリング５４は回転子軸５１側の第１のスリップリング取付部５２ａに配置され、第２のスリップリング５５は反回転子軸５１側、すなわち、回転子軸端部５２の軸端側の第２のスリップリング取付部５２ｂに配置される。このように、正極側の第１のスリップリング５４と負極側の第２のスリップリング５５が必要である。
第１のスリップリング５４と第２のスリップリング５５との間の回転子軸端部５２には、リード接続部５６が設けられる。このリード接続部５６には、第１のラジアルリード５７を取り付ける第１のラジアルリード取付孔５８が形成され、第２のラジアルリード５９を取り付ける第２のラジアルリード取付孔６０が形成されている。
回転子軸端部５２および回転子軸５１のコイルエンド近傍までの中心部に形成された中空孔５３には、第１のラジアルリード５７と接続される半月状の第１のアキシャルリード６１と、第２のラジアルリード５９と接続される半月状の第２のアキシャルリード６２とが挿着されている。そして、第１のアキシャルリード６１と第２のアキシャルリード６２との間にはリード間絶縁物６３が挿入されるとともに、中空孔５３と第１のアキシャルリード６１、第２のアキシャルリード６２との間には絶縁物６４が挿入されている。第１のアキシャルリード６１、第２のアキシャルリード６２の端部には絶縁物６５が設けられている。
第１のスリップリング５４と第１のラジアルリード５７とは第１のスリップリングリード６６により接続され、第２のスリップリング５５と第２のラジアルリード５９とは第２のスリップリングリード６７により接続されている。
ところで、機外の外部からの電気の供給および回転子からの電気の外部への取り出しは図１２に示す矢印のような電気の流れとなる。機外の外部からの電気の供給は図示しないブラシを通して正極側の第１のスリップリング５４に流れる。第１のスリップリング５４に流れた電気は第１のスリップリングリード６６を通って第１のラジアルリード５７に流れる。第１のラジアルリード５７に流れた電気は第１のアキシャルリード６１を通って回転子コイルに供給される。
回転子からの電気の外部への取り出しは回転子コイルから第２のアキシャルリード６２に流れる。第２のアキシャルリード６２に流れた電気は第２のラジアルリード５９に流れる。第２のラジアルリード５９に流れた電気は第２のスリップリングリード６７を通って負極側の第２のスリップリング５５に流れる。第２のスリップリング５５に流れた電気は図示しないブラシを通して外部へ取り出される。
上述したように、従来、回転電機には回転子を支持するために回転子軸５１には軸受が設けられている。この回転子軸５１の軸受部より機外側に回転子軸端部５２が伸長している。回転子は軸受にある程度の荷重が掛かるようにアライメント調整され、それにより回転子には曲げ応力が発生する。
また、ＣＧＳ（ガスタービン-発電機-蒸気タービン）配置された場合において、スリップリング構造が配置された回転子軸５１の回転子軸端部５２には蒸気タービンの出力による捩りトルクが負荷される為、運転中に捩り応力が発生する。
スリップリング構造が配置された回転子軸５１の回転子軸端部５２には、回転子コイルへの電気の供給および回転子コイルからの電気の取り出しのための第１のラジアルリード取付孔５８および第２のラジアルリード取付孔６０を設けており、応力集中場となる。したがって、これら第１のラジアルリード取付孔５８および第２のラジアルリード取付孔６０の部分が最弱部となりやすい。
このようなＣＧＳ配置の発電機においては、万が一の突発短絡等の事故時においてスリップリング構造が配置された回転子軸５１の回転子軸端部５２には高い捩りトルクが負荷されるため、一般的に回転子コイルが装着される回転子軸５１とスリップリング構造が配置される回転子軸端部５２とは一体構造体により製造される。
ところで、正極側の第１のスリップリング５４と負極側の第２のスリップリング５５が必要であるが、回転子軸５１と一体構造体により製造された回転子軸端部５２への第１のスリップリング５４および第２のスリップリング５５の取り付けは次のようにして行われる。
第１のスリップリング５４および第２のスリップリング５５は、各スリップリング内径より少し径の大きい回転子軸端部５２に焼嵌める事で取り付けられる。回転子軸端部５２は回転子軸５１と一体構造体であるため、第１のスリップリング５４および第２のスリップリング５５は回転子軸端部５２の伸長する軸端側から挿入する必要がある。
まず、第１のスリップリング５４は、図１４に示すように、回転子軸端部５２の伸長する軸端側から挿入され、第２のスリップリング取付部５２ｂを通し、さらに、第１のラジアルリード取付孔５８および第２のラジアルリード取付孔６０が形成されたリード接続部５６を通して第１のスリップリング取付部５２ａに焼嵌めにより取り付けられる。
次に、第２のスリップリング５５は、同様に回転子軸端部５２の伸長する軸端側から挿入され、第２のスリップリング取付部５２ｂに焼嵌めにより取り付けられる。このように、第１のスリップリング５４と第２のスリップリング５５は第１のラジアルリード取付孔５８および第２のラジアルリード取付孔６０が形成されたリード接続部５６を挟んで焼嵌められて取り付けられる。
以上のように、第１のスリップリング５４は、回転子軸端部５２の伸長する軸端側から挿入され、第１のラジアルリード取付孔５８および第２のラジアルリード取付孔６０が形成されたリード接続部５６を越えた位置で焼嵌められることになり、その焼嵌め作業に多大の労力と時間を要していた。
また、第１のラジアルリード取付孔５８および第２のラジアルリード取付孔６０が形成されたリード接続部５６を含む回転子軸端部５２の軸径は第１のスリップリング５４および第２のスリップリング５５の焼嵌め径よりも大きくすることができないという課題があった。特に、リード接続部５６は第１のラジアルリード取付孔５８および第２のラジアルリード取付孔６０が形成されているため、応力集中場となる。したがって、これら第１のラジアルリード取付孔５８および第２のラジアルリード取付孔６０が形成されたリード接続部５６の部分が最弱部となっていた。
また、第１のスリップリング５４および第２のスリップリング５５の外径は図示しないブラシの周速によって制限されるため、第１のスリップリング５４および第２のスリップリング５５の外径が制限され、それに伴い第１のラジアルリード取付孔５８および第２のラジアルリード取付孔６０が形成されたリード接続部５６を含む回転子軸端部５２の軸径も大きくすることが出来ないので、強度改善が困難であった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、回転子軸と分離して設けられたスリップリング軸の両端から第１のスリップリングおよび第２のスリップリングを挿入して焼嵌めにより取り付けるとともに、スリップリング軸の第１のラジアルリード取付孔および第２のラジアルリード取付孔が形成されたリード接続部の軸径を第１のスリップリング取付部および第２のスリップリング取付部の軸径より大きく形成したスリップリング装置およびそれを使用した回転電機を得ることを目的とする。
この発明に係わるスリップリング装置は、回転子軸と分離して設けられたスリップリング軸と、前記スリップリング軸の両端から挿入して前記スリップリング軸の第１のスリップリング取付部および第２のスリップリング取付部に焼嵌めにより取り付けられる第１のスリップリングおよび第２のスリップリングと、前記第１のスリップリング取付部と前記第２のスリップリング取付部との間の前記スリップリング軸に位置し、前記スリップリング軸の第１のスリップリング取付部および第２のスリップリング取付部の軸径より大きい軸径に形成されたリード接続部と、前記リード接続部に設けられた第１のラジアルリード取付孔および第２のラジアルリード取付孔にそれぞれ取り付けられた第１のラジアルリードおよび第２のラジアルリードと、前記スリップリング軸の中心部に設けられた中空孔に装着され、前記第１のラジアルリードおよび第２のラジアルリードに接続される第１のアキシャルリードおよび第２のアキシャルリードと、前記第１のスリップリングと前記第１のラジアルリードとを接続する第１のスリップリングリードと、前記第２のスリップリングと前記第２のラジアルリードとを接続する第２のスリップリングリードと、前記スリップリング軸の前記回転子軸側の軸端部に前記第１のスリップリングが焼嵌めにより取り付けられた後に焼嵌めにより取り付けられるカップリングとを備えたものである。
この発明に係わるスリップリング装置は、回転子軸と分離して設けられたスリップリング軸の両端から第１のスリップリングおよび第２のスリップリングを挿入して焼嵌めにより取り付け、第１のラジアルリードおよび第２のラジアルリードを取り付けるリード接続部の軸径を各スリップリング取付部の軸径より大きく形成し、スリップリング軸の回転子軸側の軸端部に第１のスリップリングが焼嵌めにより取り付けられた後に焼嵌めにより取り付けられるカップリングとを設けたことにより、焼嵌め作業の短時間化を図ることができるとともに強度改善を図ることができるスリップリング装置を得ることができる。
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係わるスリップリング装置およびそれを用いた回転電機を示す側断面図である。図２はこの発明の実施の形態１に係わるスリップリング装置を示す要部平面図である。図３はこの発明の実施の形態１に係わるスリップリング装置を示す要部断面図である。図４はこの発明の実施の形態１に係わるスリップリング装置におけるスリップリング焼嵌め手段を示す断面図である。
以下、この発明の実施の形態１に係わるスリップリング装置およびそれを用いた回転電機を示す側断面図である。図２はこの発明の実施の形態１に係わるスリップリング装置を示す要部平面図である。図３はこの発明の実施の形態１に係わるスリップリング装置を示す要部断面図である。図４はこの発明の実施の形態１に係わるスリップリング装置におけるスリップリング焼嵌め手段を示す断面図である。
これら各図において、１００は回転子軸５１の軸受（図示せず）の油切位置等の比較的軸径の大きい機外側の位置でその回転子軸５１と分離して設けられたスリップリング軸である。１００ａはスリップリング軸１００の第１のスリップリング取付部、１００ｂはスリップリング軸１００の第２のスリップリング取付部、１００ｃはスリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部、１００ｄはスリップリング軸１００の反回転子軸５１側の軸端部である。なお、スリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃの軸径はスリップリング軸１００の第１のスリップリング取付部１００ａの軸径より小さい軸径となっている。
１０１はスリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃから挿入してスリップリング軸１００の第１のスリップリング取付部１００ａに焼嵌めにより取り付けられる第１のスリップリング、１０２はスリップリング軸１００の第２のスリップリング取付部１００ｂに焼嵌めにより取り付けられる第２のスリップリングである。
１０３はスリップリング軸１００の第１のスリップリング取付部１００ａと第２のスリップリング取付部１００ｂとの間のスリップリング軸１００に位置し、スリップリング軸１００の第１のスリップリング取付部１００ａおよび第２のスリップリング取付部１００ｂの軸径より大きい軸径に形成されたリード接続部である。リード接続部１０３の外径は例えば第１のスリップリング１０１および第２のスリップリング１０２の外径より少し大きい外径としている。
１０４はリード接続部１０３に形成された正極側の第１のリード接続凹部、１０５はリード接続部１０３に形成された負極側の第２のリード接続凹部である。
１０６はリード接続部１０３の第１のリード接続凹部１０４に設けられた第１のラジアルリード取付孔、１０７はリード接続部１０３の第２のリード接続凹部１０５に設けられた第２のラジアルリード取付孔である。
１０８は第１のラジアルリード取付孔１０６に取り付けられる第１のラジアルリード、１０９は第２のラジアルリード取付孔１０７に取り付けられる第２のラジアルリードである。
１１０はスリップリング軸１００の中心部に設けられた中空孔、１１１および１１２はスリップリング軸１００の中心部に設けられた中空孔１１０に装着され、第１のラジアルリード１０８および第２のラジアルリード１０９に接続される半月状の第１のアキシャルリードおよび第２のアキシャルリードである。第１のアキシャルリード１１１および第２のアキシャルリード１１２は回転子軸５１内の第１のアキシャルリード６１および第２のアキシャルリード６２と接続される。
そして、第１のアキシャルリード１１１と第２のアキシャルリード１１２との間にはリード間絶縁物１１３が挿入されるとともに、中空孔１１０と第１のアキシャルリード１１１、第２のアキシャルリード１１２との間には絶縁物１１４が挿入されている。第１のアキシャルリード６１、第２のアキシャルリード６２の端部には絶縁物１１５が設けられている。
１１６は第１のスリップリング１０１と第１のラジアルリード１０８とを接続する第１のスリップリングリード、１１７は第２のスリップリング１０２と第２のラジアルリード１０９とを接続する第２のスリップリングリードである。
第１のスリップリングリード１１６を支持する第１のスリップリングリード支持部１１８にはリード接続部１０３の第１のリード接続凹部１０４に連通する第１のリード連通凹部１１９が形成されている。リード接続部１０３における第１のリード連通凹部１１９にはリード溝１２０が形成され、そのリード溝１２０に第１のスリップリングリード１１６が挿通される。リード溝１２０部にはくさび溝１２１が形成され、そのくさび溝１２１に挿着されたくさび１２２により第１のスリップリングリード１１６が第１のスリップリングリード支持部１１８に強固に固定される。
また、第２のスリップリングリード１１７を支持する第２のスリップリングリード支持部１２３にはリード接続部１０３の第２のリード接続凹部１０５に連通する第２のリード連通凹部１２４が形成されている。リード接続部１０３における第２のリード連通凹部１２４にはリード溝１２５が形成され、そのリード溝１２５に第２のスリップリングリード１１７が挿通される。リード溝１２５部にはくさび溝１２６が形成され、そのくさび溝１２６に挿着されたくさび１２７により第２のスリップリングリード１１７が第２のスリップリングリード支持部１２３に強固に固定される。
１２８はスリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃに第１のスリップリング１０１が焼嵌めにより取り付けられた後に焼嵌めにより取り付けられる回転子軸５１にスリップリング軸１００を取り付けるためのカップリングであり、カップリング１２８はスリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃの軸径より小さい軸径に構成されている。
スリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃにカップリング１２８が焼嵌めにより取り付けられて構成されたスリップリング装置は、そのカップリング１２８と回転子軸５１とをボルト接合、ボルトとリーマピンを併用した接合、あるいは溶接接合等により一体的に連結され、回転電機として構成される。
次に、スリップリング装置としての製造プロセスおよびカップリング１２８と回転子軸５１との連結プロセスの一例について、図５のフローチャートに基づいて説明する。
まず、図４に示すように、第１のスリップリング１０１を回転子軸５１と分離して設けられたスリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃから挿入してスリップリング軸１００の第１のスリップリング取付部１００ａに焼嵌めにより取り付けて固定する。（ステップＳ１）
第２のスリップリング１０２をスリップリング軸１００の反回転子軸５１側の軸端部１００ｄから挿入してスリップリング軸１００の第２のスリップリング取付部１００ｂに焼嵌めにより取り付けて固定する。（ステップＳ２）
次いで、スリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃに第１のスリップリング１０１が焼嵌めにより取り付けられた後に、回転子軸５１にスリップリング軸１００を取り付けるためのカップリング１２８をスリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃに焼嵌めにより取り付けて固定する。（ステップＳ３）
スリップリング軸１００の中空孔１１０内にリード間絶縁物１１３、絶縁物１１４により絶縁された第１のアキシャルリード１１１および第２のアキシャルリード１１２を挿着する。（ステップＳ４）
次に、スリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃに焼嵌めにより取り付けて固定したカップリング１２８を回転子軸５１に締付部材により締結してスリップリング軸１００を回転子軸５１に連結する。（ステップＳ５）
そして、第１のアキシャルリード１１１に第１のラジアルリード１０８を接続し、第２のアキシャルリード１１２に第２のラジアルリード１０９を接続する。（ステップＳ６，Ｓ７）
第１のスリップリング１０１と第１のラジアルリード１０８とを第１のスリップリングリード１１６により接続する。（ステップＳ８）
第１のスリップリングリード１１６を第１のスリップリングリード支持部１１８にくさび１２２により固定する。（ステップＳ９）
第２のスリップリング１０２と第２のラジアルリード１０９とを第２のスリップリングリード１１７により接続する。（ステップＳ１０）
第２のスリップリングリード１１７を第１のスリップリングリード支持部１２３にくさび１２７により固定する。（ステップＳ１１）
このようにして、スリップリング装置が製造されるとともにスリップリング装置がカップリング１２８と回転子軸５１との連結により回転電機と一体的に構成される。
また、スリップリング装置としての製造プロセスおよびカップリング１２８と回転子軸５１との連結プロセスの他例について、図６のフローチャートに基づいて説明する。
まず、図４に示すように、第１のスリップリング１０１を回転子軸５１と分離して設けられたスリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃから挿入してスリップリング軸１００の第１のスリップリング取付部１００ａに焼嵌めにより取り付けて固定する。（ステップＳ１）
第２のスリップリング１０２をスリップリング軸１００の反回転子軸５１側の軸端部１００ｄから挿入してスリップリング軸１００の第２のスリップリング取付部１００ｂに焼嵌めにより取り付けて固定する。（ステップＳ２）
次いで、スリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃに第１のスリップリング１０１が焼嵌めにより取り付けられた後に、回転子軸５１にスリップリング軸１００を取り付けるためのカップリング１２８をスリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃに焼嵌めにより取り付けて固定する。（ステップＳ３）
スリップリング軸１００の中空孔１１０内にリード間絶縁物１１３、絶縁物１１４により絶縁された第１のアキシャルリード１１１および第２のアキシャルリード１１２を挿着する。（ステップＳ４）
次に、第１のアキシャルリード１１１に第１のラジアルリード１０８を接続し、第２のアキシャルリード１１２に第２のラジアルリード１０９を接続する。（ステップＳ１５，Ｓ１６）
第１のスリップリング１０１と第１のラジアルリード１０８とを第１のスリップリングリード１１６により接続する。（ステップＳ１７）
第１のスリップリングリード１１６を第１のスリップリングリード支持部１１８にくさび１２２により固定する。（ステップＳ１８）
第２のスリップリング１０２と第２のラジアルリード１０９とを第２のスリップリングリード１１７により接続する。（ステップＳ１９）
第２のスリップリングリード１１７を第１のスリップリングリード支持部１２３にくさび１２７により固定する。（ステップＳ２０）
次に、スリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃに焼嵌めにより取り付けて固定したカップリング１２８を回転子軸５１に締付部材により締結してスリップリング軸１００を回転子軸５１に連結する。（ステップＳ２１）
このようにして、スリップリング装置として完成された状態で、スリップリング装置がカップリング１２８と回転子軸５１との連結により回転電機と一体的に構成される。この場合には回転子の製造と切り離してスリップリング装置単体として製造することができるというメリットがある。
以上説明したように、一例として二つの製造プロセスについて述べたが、これに限定されるものではなく、各製造プロセスの各ステップの順序を多少入れ替えてもよく、最終的に図１に示すような構成になればよいことは勿論のことである。
ところで、スリップリング軸１００の回転子軸５１側の軸端部１００ｃに焼嵌めにより取り付けて固定したカップリング１２８と回転子軸５１との連結の仕方の一例について説明する。
例えば、図７および図８に模式的に示すように、カップリング１２８と回転子軸５１との連結はボルト１２９とリーマピン１３０を使用して締結して連結する。図７に示すように、ボルト１２９の２本配置間隔の間にリーマピン１３０を１本配置した例を示している。
ボルト１２９によりカップリング１２８と回転子軸５１とを強固に締結して連結し、ボルト１２９と同じ径方向位置にリーマピン１３０を例えば冷やし嵌めして挿着する。なお、
リーマピン１３０の位置はボルト１２９と異なる径方向位置であっても構わない。また、リーマピン１３０は冷やし嵌めではなく、強く打ち込むか又は軸側を暖める事で代用する事が可能である。
リーマピン１３０の位置はボルト１２９と異なる径方向位置であっても構わない。また、リーマピン１３０は冷やし嵌めではなく、強く打ち込むか又は軸側を暖める事で代用する事が可能である。
このように、ボルト１２９の摩擦力に加え、リーマピン１３０のせん断力により、カップリング１２８と回転子軸５１との間に高負荷トルクを伝達することが可能になる。
また、図９に模式的に示すように、ストレート状のリーマピン１３０に替えて、テーパリーマピン１３１としたものである。ストレート状のリーマピン１３０ではリーマ部全長が嵌めあい分であるため、狭いスペースでは施工性が良くない。テーパリーマピン１３１とすることにより、冷やし嵌めのためむの挿入長さが短く、施工性が改善される。
また、図１０に模式的に示すように、ボルト１２９にリーマ部１２９ａを設けたものである。カップリング１２８と回転子軸５１との境目にボルト１２９のリーマ部１２９ａを通すように設計される。リーマ部１２９ａを設けたボルト１２９は、公差管理した隙間をもって設計され締付により締付ける。またはリーマ部１２９ａを締り嵌め公差としボルト１２９が冷えた状態で締結し、常温に戻ったときにリーマ部１２９ａが嵌まるように設計してもよい。
隙間公差で設計したリーマ部１２９ａを設けたボルト１２９を用いた場合は、リーマピン１３０が仮に突発短絡事トルク等で変形した場合にボルト１２９のリーマ部１２９ａのせん断力によってリーマピン１３０が大きく変形するのを防止する。
ボルト１２９のリーマ部１２９ａを締り嵌めとして用いた場合、当該リーマ部１２９ａのせん断力によって高い捩りトルクを伝達することが可能である。
なお、カップリング１２８と回転子軸５１との連結は上述した連結手段に限定されるものではなく、類似の構成からなるものであってもよく、その他の連結手段であってもよいことは勿論のことである。
また、回転子軸５１にはNi-Cr-Mo-Va鋼が用いられる。そこで、スリップリング軸１００の材料を回転子軸５１の材料より強度の高い材料とする。例えば、Ni等の化学成分の含有量が回転子軸５１よりも多い材料からなるスリップリング軸１００とすることにより、スリップリング軸１００の材料強度が回転子軸５１よりも高強度とすることができる。
高い応力が負荷されるスリップリング軸１００に回転子軸５１より高強度な材料を用いることにより、よりリーズナブルな設計が可能となる。
ところで、回転電機の運転時には遠心力が負荷されるため、第１のスリップリングリード１１６および第２のスリップリングリード１１７の支持長が長くなると、第１のスリップリングリード１１６および第２のスリップリングリード１１７に発生する応力が高くなる。
第１のスリップリングリード１１６および第２のスリップリングリード１１７を第１のスリップリングリード支持部１１８および第２のスリップリングリード支持部１２３にくさび１２２およびくさび１２７で固定することにより、第１のスリップリングリード１１６および第２のスリップリングリード１１７を支持する長さが短くなり、第１のスリップリングリード１１６および第２のスリップリングリード１１７に発生する応力を小さくすることができる。
この発明は、焼嵌め作業の短時間化を図ることができるとともに強度改善を図ることができるスリップリング装置およびそれを使用した回転電機の実現に好適である。
Claims (4)
- 回転子軸と分離して設けられたスリップリング軸と、前記スリップリング軸の両端から挿入して前記スリップリング軸の第１のスリップリング取付部および第２のスリップリング取付部に焼嵌めにより取り付けられる第１のスリップリングおよび第２のスリップリングと、前記第１のスリップリング取付部と前記第２のスリップリング取付部との間の前記スリップリング軸に位置し、前記スリップリング軸の第１のスリップリング取付部および第２のスリップリング取付部の軸径より大きい軸径に形成されたリード接続部と、前記リード接続部に設けられた第１のラジアルリード取付孔および第２のラジアルリード取付孔にそれぞれ取り付けられた第１のラジアルリードおよび第２のラジアルリードと、前記スリップリング軸の中心部に設けられた中空孔に装着され、前記第１のラジアルリードおよび第２のラジアルリードに接続される第１のアキシャルリードおよび第２のアキシャルリードと、前記第１のスリップリングと前記第１のラジアルリードとを接続する第１のスリップリングリードと、前記第２のスリップリングと前記第２のラジアルリードとを接続する第２のスリップリングリードと、前記スリップリング軸の前記回転子軸側の軸端部に前記第１のスリップリングが焼嵌めにより取り付けられた後に焼嵌めにより取り付けられるカップリングとを備えたことを特徴とするスリップリング装置。
- 前記第１のスリップリングリードおよび第２のスリップリングリードは、前記リード接続部に形成されたリード溝に挿通され、前記リード溝部に形成されたくさび溝に挿着されたくさびにより固定されたことを特徴とする請求項1に記載のスリップリング装置。
- 前記スリップリング軸の材料は前記回転子軸の材料より強度の高い材料で構成されたことを特徴とする請求項1または請求項２に記載のスリップリング装置。
- 前記請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のスリップリング装置を使用したことを特徴とする回転電機。
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