(57)【要約】【課題】    回転電機では、非磁性鋼製の保持環を回転子鉄心の端から張り出した回転子巻線の端部に固定するが、端部の回転子巻線や巻線間のスペーサ部材などが周方向に必ずしも一様に分布しているとはいえないため、その分布により保持環が楕円変形して曲げ応力が生じることにより、保持環にかかる負荷が増大する。【解決手段】軸方向に沿うスロットを周方向に複数形成した回転子鉄心と、この回転子鉄心のスロット内に装着した回転子巻線と、回転子鉄心の長手方向両端部に装着され回転子鉄心の端から張り出した回転子巻線の端部を遠心力から保持する保持環と、この保持環と固定される保持環支えとからなる回転電機において、前記保持環支えの極心側の剛性と極間側の剛性が異なることを特徴とする回転電機。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁極と極間とを設けた回転子鉄心と、前記鉄心の極間に周方向に複数設けたスロットと、前記スロット内に装着した回転子巻線と、回転子鉄心の長手方向両端部に装着され回転子鉄心から張り出した回転子巻線の端部を遠心力から保持する保持環と、この保持環と固定される保持環支えとからなる回転電機において、前記保持環支えの極心側の剛性と極間側の剛性が異なることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項1に記載の回転電機において、前記保持環支えは保持環の内側に配置される円筒状の部材で、極心側の厚さが極間側の厚さよりも小さいことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項1に記載の回転電機において、前記保持環支えは保持環の内側に配置される円筒状の部材で、保持環支えと保持環の両者は嵌め合いで固定されている構造で、嵌め合い部の締代は鉄心側の方が大きいことを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項1に記載の回転電機において、保持環支えは保持環の内側に配置される柱状の部材で、中心軸に対して対称の位置に少なくとも1対以上、回転子鉄心と保持環の間に配置され、両者の間の変形を拘束することを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービン発電機やガスタービン発電機などの回転電機に係り、特に回転子鉄心から張り出した回転子巻線の端部を保持環で保持する構成の回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に回転機は、高速回転するために、固定子鉄心の軸方向に張り出した回転子巻線端部には大きな遠心力が作用する。そのため、この遠心力により回転子巻線端部が変形しないように、その外周部を回転子鉄心の軸方向端部に焼嵌めによって装着された高張力鋼製の保持環で保持している。
【０００３】
ロータは高速で回転し巨大な遠心力が生じる。発電機の大容量化が進んできており、ロータ径の大型化などにより実現されるが、これは遠心力の増加につながり、保持環の信頼性を確保することが発電機容量の制限になってきている。
【０００４】
回転子巻線端部は回転が安定するように中心軸に対して対称になるようバランスがとられるが、周方向には一様ではないため、回転子巻線端部の周方向の重量分布に応じて作用する遠心力の大きさも分布し、それにより保持環は円形を保ったままではなく、楕円形状に変形する。
【０００５】
保持環は発電機内の構造において、もともと最大の負荷が生じる部分であり、さらにこのような楕円変形により曲げ応力が生じ負荷が増大すると、必要とされる材料強度が上がり、それを満たす材料の入手が困難になる。そのため、このような楕円変形を低減することにより、保持環にかかる負荷を低減することが必要である。
【０００６】
本技術分野の背景技術として、特開昭58-116036号公報（特許文献１）がある。この公報には、「保持環の極間に焼嵌めされる部分の締代を、磁極に焼嵌めされる部分の締代よりも小さくしていることを特徴とする」と記載されている。
【０００７】
このような構造にすることにより鉄心側の回転子鉄心2の剛性不均一による楕円変形を抑えることができる。
【０００８】
また、特開昭58-66549号公報（特許文献2）がある。この公報には、「エンドベル部をエンドベルとエンドリングとにより形成し、該エンドベルとエンドリングとの間の嵌合代を最大せん断応力が発生する位置近傍にのみ高い面圧が発生するように周方向に変化をされたことを特徴とする」と記載されている。
【０００９】
このような構造にすることで摩擦抵抗を制御し、滑りを低減することで楕円変形を抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭58-116036号公報
【特許文献２】特開昭58-66549号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
発電機の大容量化に伴い、保持環に生じる負荷はますます増加している。そのため、コイル端部の重量の周方向の不均一な分布に伴う楕円変形を小さくして、曲げ応力を抑制することが必要である。
【００１２】
特許文献1では、鉄心側の楕円変形を抑制する構造を示しているが、もう一端の保持環支え側のほうが剛性は小さく変形しやすいが、これに対する記載はない。
【００１３】
特許文献2では、エンドリング(保持環支え)側の滑りを小さくし、楕円変形を抑えることができるが、コイル重量の分布によりせん断応力が最大の角度が異なる恐れがあり、機種ごとに正確な位置を把握することが必要で、また周方向の位置を精度よく合わせる必要があるため、組立が難しくコスト増につながる恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
【００１５】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「磁極と極間とを設けた回転子鉄心と、前記鉄心の極間に周方向に複数設けたスロットと、前記スロット内に装着した回転子巻線と、回転子鉄心の長手方向両端部に装着され回転子鉄心から張り出した回転子巻線の端部を遠心力から保持する保持環と、この保持環と固定される保持環支えとからなる回転電機において、前記保持環支えの極心側の剛性と極間側の剛性が異なること」を特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明を実施することにより、保持環の楕円変形を低減することができ、それによる曲げ応力を小さくすることができるため、保持環の信頼性を向上することができ、材料の仕様を低くしコストを低減することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第1実施例である回転電機の全体構成として示した側断面図である。
【図２】従来の回転電機のコイル端部側から見た図である。
【図３】従来の回転電機の鉄心端部の断面図である。
【図４】本発明の第2実施例である回転電機のコイル端部側から見た図である。
【図５】本発明のコイル端部の嵌合部の断面図である。
【図６】本発明の焼嵌め時のコイル端部の嵌合部の断面図である。
【図７】本発明の回転時のコイル端部の嵌合部の断面図である。
【図８】本発明の保持環における楕円変形量と周方向応力の関係を示す特性図である。
【図９】従来と本発明における変形状態比較説明図である。
【図１０】本発明の別の一実施例である回転電機の全体構成として示した側断面図である。
【図１１】本発明の第2実施例である回転電機のコイル端部の断面図である。
【図１２】本発明の第3実施例である回転電機のコイル端部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１９】
本実施例では、円筒状の保持環支えの板厚を変更した回転電機の例を説明する。
【００２０】
図１は、本実施例の回転電機の構成図の例である。回転子は塊状鉄心から構成された回転子鉄心2と、回転子鉄心に周方向に複数設けられているスロットに挿入されているコイル3からなる。回転子鉄心は、回転軸1と一体に鋳造されたり、固定具を介して固定されたりして回転軸1に一体的に設けられている。コイル3の両端は鉄心からオーバーハングする構造となっており、遠心力による飛散防止のために保持環5により支持されている。また保持環の端部には径方向の変形を抑制するための円環状の保持環支え4を配置している。保持環は回転振鉄心の端部に焼嵌めされており、その保持環の他端には保持環支えが嵌合されている。
【００２１】
回転子鉄心は2極機の場合、図3のようにN極、S極となるスロット6がない極心部分とその両極の間となる極間部分があり、また、コイル結合部(図示せず)やコイル間に配置されるスペーサ(図示せず)などがあるため、中心軸に対して対称の構造とはなっていない。
【００２２】
ここでは、これらの重量分布が極心側から極間側の範囲で、極心側に多く分布している場合について説明する。このような場合、図4のように保持環支えの極心側の内径を大きくすることにより肉厚を小さくし、極間側の内径を小さくし肉厚を大きくする。このような構成にすると保持環支え自身による遠心力が、極心側が小さくなり極間側が大きくなるため、コイルなどの分布による負荷と相殺し、周方向に均一な負荷になる。一方で保持環支えの剛性にも分布が生じるが、遠心力の分布ほど径方向の変形には影響しないため、結果として保持環の楕円変形を小さくすることができる。
【００２３】
図8のように保持環の内径の変化量はコイルなどの重量分布と対応するため、発電機の構成により適正化することができ、重量分布が大きいものは保持環支えの内径の分布も大きくし、小さいものは保持環支えの内径の分布も小さくする。
【００２４】
楕円変形は各部の重量による遠心力と極心からの距離により定まるが、例えば極心に集中した重量に換算して10kgの分布が生じるとすると、保持環支えは極間にそれと同様に集中した重量に換算して10kgの分布となるように肉厚を調整することが望ましい。
【００２５】
また、図4では内径の形状を楕円形状で示したが、同様の重量分布を付けることができる場合は、本形状でなくても良いのは自明である。
【００２６】
前記実施例では極心側に多く重量分布が有る場合について記載したが、逆に極間側に多く重量分布が有る場合は、保持環支えの内径の分布も極心側の内径を小さくすることにより肉厚を大きくし、極間側の内径を大きくし肉厚を小さくすることで対応できることは自明である。
【実施例２】
【００２７】
本実施例では、円筒状の保持環支えの焼き嵌め代を軸方向に変更した回転電機の例を説明する。
【００２８】
本実施例では図5に示すように保持環支えは保持環の内側に配置される円筒状の部材で、両者は嵌め合いで固定されている構造で、嵌め合いの締代を鉄心側の方を大きくしている。
【００２９】
保持環は鉄心側、および、保持環支え側の両端で焼き嵌めしており、これらの部分は支持されているため、焼嵌め後の状態は図6に示すように、下側に凸の形状になっている。回転時にも、両者の中央部は補強構造がないため、回転時の遠心力による変形は大きく、回転数の増加に伴い徐々に図7のように上に凸の形状となる。この変形により保持環両端の焼き嵌め部の接触状態が変化し、回転前は中央よりの部分がより大きい面圧が生じているが、回転時は端部側の方が接触し、中央寄りの部分が離れやすい。本構造では鉄心側の部分の焼き嵌め代を増やしているため、従来のように軸方向の焼嵌め代を一定にした場合よりも、離れる部分が少なく面圧がより高いため、保持環と保持環支えが相対的に滑る時の摩擦抵抗が大きく、周方向の滑り量が小さくでき、楕円変形量も小さくなる。
【００３０】
図9に、横軸には変位/定格回転時の線形変位が、縦軸には回転数/定格回転数がとった場合の、本実施例の場合(太線)と従来の構造の場合(細線)の結果を示す。本実施例の方が、滑り始める回転数が高く、滑りによる非線形の変位が小さい。そのため、停止後の残留変形量も小さくなる。このように、焼嵌め代を適性化することにより曲げ応力の増加につながる変形を抑制することができ、保持環の信頼性向上を図ることができる。
【００３１】
嵌め合いの締代は保持環支えの外径にテーパ状の分布を付け、中央側のほうの外径を増やすことで実現することができる。また、逆に保持環側の内径にテーパ状の分布を付けることにしても同様の効果が得られる。また、両者にテーパを形成し、そのテーパ量を調整し相対的な締代を調整してもよい。
【００３２】
テーパの傾きは回転時と静止時の間で生じる焼嵌め部の傾きの変化に合わせると適当である。例えば保持環の焼嵌め面(内表面)の鉄心側の変形量が端部側の変形量に比べて、静止時と回転時で鉄心側が0.2mm変化が大きいとすると、これに追従できるように保持環支えの鉄心側が0.2mm高くなるようにテーパの傾斜を付ける。このようにすることにより回転時に適正な接触状態を保つことができ、楕円変形の量を低減することができる。このように保持環の静止時と回転時の鉄心側と端部側の差と同等のテーパ量にすることが望ましいが、それ以下でも一定の効果が得られることは自明である。
【００３３】
保持環や保持環支えの形状、および、その焼嵌め代の組み合わせにより一意には定まらないが、テーパを付けた場合一様に焼嵌め代を増やした場合に比べて接触面圧を増やす効果が大きく、例えば0.1mmのテーパを付けた場合、一様に0.1mm以上増やした場合の増加量に比べて数倍の増加がみられる。
【００３４】
このように、テーパ形状とした場合、保持環支えの焼嵌め代を一様に増やした場合よりも小さくすることができるため、焼嵌め時に必要となる温度上昇を抑えることができるため、材料に温度上昇による不要な負荷を与えることなく、また、組立工程を短縮することもできるため、低コストで信頼性の高い構造を実現することができる。
【００３５】
本実施例は、実施例1で示した構造と併用すればより楕円変形を抑える効果が期待できる。
【実施例３】
【００３６】
図10は、本実施例の回転電機の構成図の例である。図10のうち、既に説明した図1に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００３７】
本実施例では、図11に示すように保持環支え4aとして保持環5と回転軸1の間に柱状の部材を配置する。これらはそれぞれ溶接などで固定する。ここでは2極機で極心側の変形が大きい場合について示す。この場合極心側の中心軸に対して対称となる位置に対となるよう配置する。
【００３８】
このように変形が大きくなる保持環の極心側と回転軸を剛体で結合することにより、保持環の変形を小さくする。このような保持環支えを用いた場合、通常円筒状の保持環支えを用いた場合より体積が小さくなるため、保持環支えの材料費を低減することができる。また、形状も単純であるため、部材の加工費も少なくなる。また、円筒状の保持環支えは保持環に対して焼き嵌めが必要であるため、この組み立て工程がなくなる。
【００３９】
図12は極心側の保持環支え4aに加え、極間側の保持環支え4bを配置した場合の構成図である。この場合、部材は多くなるが保持環の径方向の変形を全体的に小さくすることができ、楕円変形の程度も小さくなるため、保持環にかかる負荷をより低減できる。この場合もそれぞれが中心軸に対して対称となる位置に対となるよう配置する。例えば、図のように極から90度ごとに4か所配置すると、保持環支えによる分布を必要最小限に抑えることができる。
【００４０】
このような場合極心側と極間側で回転時に保持環に生じる径方向変位に合わせて、各保持環支えの剛性を変える。例えば、極心側で生じる変形と、極間側で生じる変形の比率が0.9となる場合、極心側の保持環支えに対して、極間側の保持環支えの剛性を0.9倍すると、両者の変形量の差を小さくすることができ、楕円変形量を低減することができる。このように保持環支えの剛性を極心側と極間側の変形量に合わせることが望ましいが、両者を近づける方向の差をつければ、それ以下の剛性差でも一定の効果が得られることは自明である。
【符号の説明】
【００４１】
１…回転軸、２…回転子鉄心、３…コイル、４…保持環支え、５…保持環、6…スロット、10…極心、11…極間
【図１】
2014121166.tif 000003
【図２】
2014121166.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014121166.tif 000007
【図６】
2014121166.tif 000008
【図７】
2014121166.tif 000009
【図８】
2014121166.tif 000010
【図９】
2014121166.tif 000011
【図１０】
2014121166.tif 000012
【図１１】
2014121166.tif 000013
【図１２】
2014121166.tif 000014