(57)【要約】【課題】発電機回転子のクリページブロックが負荷運転時に熱変位する過程で導体側と摺動摩耗してその摩擦係数が増加することである。【解決手段】回転子に設けられた複数のスロット内部に収納された導体と、該導体の外周側に配置されたクリページブロックと、該クリページブロックの外周側に配置されたウエッジを具備したタービン発電機の回転子において、前記クリページブロックの導体側面の表面樹脂層の厚さが、前記クリページブロックの厚さ方向の中央域における樹脂層厚さの2倍以上とした。【選択図】  図５
2014217098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子に設けられた複数のスロット内部に収納された導体と、該導体の外周側に配置されたクリページブロックと、該クリページブロックの外周側に配置されたウエッジを具備したタービン発電機の回転子において、
前記クリページブロックの導体側面の表面樹脂層の厚さが、前記クリページブロックの厚さ方向の中央域における樹脂層厚さの2倍以上である
ことを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項２】
回転子に設けられた複数のスロット内部に収納された導体と、該導体の外周側に配置されたクリページブロックと、該クリページブロックの外周側に配置されたウエッジを具備したタービン発電機の回転子において、
前記クリページブロックの導体側面の表面樹脂層が0.1〜0.5mmであり、かつその板厚の0.5〜2.5%である
ことを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項３】
回転子に設けられた複数のスロット内部に収納された導体と、該導体の外周側に配置されたクリページブロックと、該クリページブロックの外周側に配置されたウエッジを具備したタービン発電機の回転子において、
表面樹脂層の表面粗さ（Rmax）が、0.05mm以下である
ことを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電機の回転子において、
前記クリページブロックの導体側の最外層に配置される強化繊維布の縦糸と横糸の本数比が1.0〜1.2であり、その縦糸方向が回転子の軸方向に配置された
ことを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機の回転子において、
前記クリページブロックの導体側面の表面樹脂がポリアミドである
ことを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の回転電機の回転子において、
前記クリページブロックのウエッジ側面が機械加工され、その板厚の均一性が0.05mm、或いは板厚比0.3%以下である
ことを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の回転電機の回転子において、
前記クリページブロックの導体側面に回転子軸方向に複数のスリットがある
ことを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項８】
固定子と、該固定子の内周側に配置された回転子と、前記固定子に取付けられたフレームと、該フレームに取付けられた前記回転子の軸を軸受支持するための軸受を具備したエンドカバーと、該回転子に設けられた複数のスロット内に収納されているコイルと該コイルの外周側に収納されたクリページブロックと、該クリページブロックの更に外周側に収納されたウエッジとを備えた回転電機であって、前記クリページブロックの導体側面の表面樹脂層の厚さが、前記クリページブロックの厚さ方向の中央域における樹脂層厚さの2倍以上であ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、誘導電動機などの回転電機及びその回転子に係り、特にコイルの熱変形に対し、軸からの拘束力を下げるのに好適なクリページブロックを備えた回転電機及びその回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の回転電機の回転子としては、特許文献1に記載のものがある。この特許文献1に記載のものは、コイルとクリページブロック間の摩擦係数を小さくすることにより軸曲がりの小さい回転電機及びその回転子を提供するものとして、回転子に設けられた複数のスロット内に収納されているコイルと、コイルの外周側に収納されたクリページブロックと、クリページブロックのさらに外周側に収納されたウエッジとを備え、クリページブロックのコイル側面に樹脂重量含有率が６０％以上の表面層を形成したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３２２９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のクリページブロックを組み込んだ回転子を備えた回転電機では、運転中のコイル熱伸びが生じるため、発電機回転子のクリページブロックが負荷運転時に熱変位する過程で導体側と摺動摩耗してその摩擦係数が増加すること、特にその増加量が回転子内部で局所的に異なるという問題がある。また、特許文献１には、クリページブロックの摩擦係数を低減する手段が記載されているが、摺動摩耗による摩擦係数の増加を抑制することはできないという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、発電機回転子のクリページブロックが導体と摺動摩耗することで生じる摩擦係数の増加を抑制すると共に、及びその摩擦係数が回転子内部で均等な回転子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の回転電機は、回転子に設けられた複数のスロット内部に収納された導体と、該導体の外周側に配置されたクリページブロックと、該クリページブロックの外周側に配置されたウエッジを具備した回転電機の回転子において、前記クリページブロックの導体側面の表面樹脂層の厚さが、前記クリページブロックの厚さ方向の中央域における樹脂層厚さの2倍以上であることを特徴とする回転電機及びその回転子を提供することにある。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発電機回転子のクリページブロックが導体と摺動摩耗することで生じる摩擦係数の増加を抑制すると共に、及びその摩擦係数が回転子内部で均等な回転子を提供することができる。 
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施例のタービン発電機の構成を示す斜視図である。
【図２】本実施例の回転子の正面図である。
【図３】本実施例の回転子の軸方向最端部を拡大して示した縦断面図である。
【図４】本実施例の回転子のスロット部を拡大して示した横断面図である。
【図５】クリページブロックの導体側の表面部における断面拡大図である。
【図６】クリページブロックの導体側の断面構造図である。
【図７】強化繊維布の織り構造や表面樹脂層の粗さが異なるクリページブロックの摩擦係数と摺動回数の関係図である。
【図８】クリページブロック表層部における強化繊維布の縦糸と横糸の織り構造を示した説明図である。
【図９】クリページブロック板厚の面内均一性に関する説明図である。
【図１０】クリページブロックに設けたスリット構造に関する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１０】
回転電機の構成についてタービン発電機を一例にとり説明する。図１に示すように、円筒状の固定子２の外周側には固定子フレーム９が設けられており、この固定子フレーム９には通風ダクト７が形成されている。又、固定子２の両端側には、固定子フレーム９に取付けられたエンドカバーが設けられており、このエンドカバーの中央部に配置された軸受３により回転子１を軸受支持している。回転子１には、同じ磁極を構成する複数のコイル４（界磁巻線４ともいう）が磁極まわりに同心状に配置されて固定されている。回転子１の両端部には、周方向部にリテイニング５が設けられており、回転子１のスロット内に配置されたコイル４に作用する遠心力をこのリテイニング５で保持するようになっている。リテイニング５と軸受３との間には、ファン６が配置されており、このファン６により冷却媒体を回転子１と固定子２との間、通風ダクト７，冷却器８と循環させて回転子１と固定子２の冷却を行う。
【００１１】
回転子１のコイルエンド部における界磁巻線４は、図２，図３に示すように、外径側のリテイニング５により固定されている。界磁巻線４とリテイニング５との間は円筒状のリテイニング絶縁１０によって絶縁されており、回転子表面に流れるうず電流は、ダンパリング１１によって循環するように構成されている。ダンパリング１１の外側には、センタリング１２が設けられている。リテイニング絶縁１０は、回転子１の胴体部１３の端部付近でクリページブロック１４と接触している。回転子１の軸方向最端部に位置するクリページブロック１４は、スロット内の界磁巻線４とダンパリング１１とを絶縁するために高さが低く形成されており、ダンパリング１１と軸方向最端部のクリページブロック１４との間にはチャンネル１５と呼ばれる絶縁物が挿入されている。回転子１の胴体部１３には周方向に複数個のスロットが形成されており、このスロット内には界磁巻線４が収納され、クリページブロック１４を介してウエッジ１６によって固定されている。
【００１２】
図４は、回転子１のスロット部分を拡大して示した横断面図であり、クリページブロック１４を組み込んだ状態を示している。クリページブロック１４は、コイル４とウエッジ１６との間に配置されており、コイル４とウエッジ１６との間の絶縁をし、回転電機の運転時にコイル４に作用する遠心力をウエッジ１６を介して回転子１の軸に伝達する。このような構成では、特に、コイル４とクリページブロック１４との間、クリページブロック１４とウエッジ１６との間、及び積層されたコイル４間の各接合面に作用する摩擦力により曲げモーメントが発生するが、各スロット間のアンバランスが生じると、アンバランスモーメントが発生し、軸の曲がりが生じる。
【００１３】
本実施例では各スロット間のアンバランスが生じにくいクリページブロックの表面樹脂層の好適な形態について説明する。
【００１４】
図５は、クリページブロック１４の表面部における断面拡大図を示す。図中の上側が回転子の導体側、下側がウエッジ側である。その断面は積層された強化繊維布１７が樹脂で加圧接着された構造であり、本実施例では強化繊維が表面に露出しない十分な厚さを有している。即ち、ブロック積層部の樹脂層の厚さ２２に比べて、表面層の樹脂層厚さ２１が十分に厚い特徴を有している。
【００１５】
このクリページブロックの主な材質は、ガラス繊維束（例えばJIS ECG43-1/0）を平織りした厚さ0.23mmの強化繊維、及びエポキシ樹脂である。このクリページブロックに対して、その内部の積層構造が同一で、表面樹脂層の厚さが異なるサンプルを複数作製し、その摺動摩耗特性を評価した。摺動摩耗試験はクリページブロックと回転子の導体を重ね合せて加圧した状態で、クリページブロックを約1mmの距離で往復摺動させたものである。加圧面の寸法は幅20mm、長さ150mmであり、面圧は50MPa、温度は100℃、摺動方向はサンプルの長さ方向とした。摺動回数は1000回である。摩擦係数はサンプルが静止状態から動きはじめた時の摺動荷重を加圧荷重で除したものとした。摺動回数の1000回は、発電機の起動・停止を毎日繰返した場合の約3年分を想定したものである。
【００１６】
表1はクリページブロックの表面樹脂層の厚さと摩擦係数の関係を示す。ここで、表面層の樹脂厚さが0.05mmのものが従来のクリページブロックの形態である。試験に供したクリページブロックの積層中央部における樹脂層の厚さは、平均値で約0.05mmであった。測定結果より、表面樹脂層の厚さが約0.1mm以上あれば、約1000回の摺動を繰返しても摩擦係数の増加が小さいことがわかった。即ち、表面樹脂層の厚さが中央部の厚さの2倍以上あれば摩擦係数の増加を抑制できる。なお、表面樹脂層の厚さが非常に厚い1.0mmになると摩擦係数の初期値が大きくなり、回転子のクリページブロックに適さないこともわかった。表面樹脂層の好ましい厚さは、ブロック中央部の樹脂層の約2倍であり、その絶対値は0.1〜0.5mmであった。この樹脂層厚さはクリページの全体厚さ20mmに対して約0.5〜2.5%であった。
【００１７】
摺動実験が終了したサンプルの表面を観察したところ、摩擦係数が大きく増加したサンプル(A-1)は樹脂層が摩耗し下地のガラス繊維層が部分的に露出していた。従って、クリページブロック表面の樹脂層の厚さを通常の0.05mmより厚くすることが摺動による摩擦係数の増加抑制に有効であることが明らかとなった。
【００１８】
【表１】
2014217098.tif 000003
【実施例２】
【００１９】
本実施例では回転子のクリページブロックの表面樹脂層の粗さと強化繊維布の織り構造について説明する。
【００２０】
図６はクリページブロックの断面拡大図を示す。ここでは、クリページブロックの樹脂層の表面粗さと摺動摩擦の関係を確認した。
【００２１】
表２は織り構造が異なる強化繊維布を用いて作製したクリページブロックの構造一覧を示す。測定に先立ってブロック表面の形態やその断面を詳細に観察評価した結果、表面樹脂層の凹凸はその下側に配置される強化繊維布の形状を反映していることがわかった。一般的なクリページブロックは樹脂含浸した強化繊維布を加圧成型することで製作されるが、その製作過程で成型圧力がなくなると下地層の残留ひずみが解放されて表面樹脂層を変形させるものと考えられる。表２のサンプルに使用した強化繊維布は平織り構造であるが、その縦糸と横糸の本数比が異なる。樹脂表面の凹凸形状を表す指標として最大高さRmaxを用いたが、縦糸/横糸の本数比が大きいほどRmaxが大きくなる傾向にあった。
【００２２】
図７は強化繊維布の織り構造や表面樹脂層の粗さが異なるクリページブロックの摩擦係数と摺動回数の関係を示す。使用した強化繊維束の仕様や測定条件は実施例１と同様である。図より縦糸と横糸の本数比が大きい、或いは表面粗さが大きいクリページブロックにおいて、摺動回数の増加に伴う摩擦係数の上昇が大きいことがわかる。これは表面粗さが粗く樹脂層の凹凸が大きいクリページブロックは、導体との接触面積が小さく接触部位の実質的な面圧が高いため樹脂層が早く摩耗したものと考えられる。従って、クリページブロックと導体との良好な接触状態を確保するためには、表面樹脂層の最大高さが約0.05mm以下であること、またこのような表面形態を得るには、強化繊維布の縦糸と横糸の本数比が1〜1.2であることがこの好ましいことがわかった。
【００２３】
【表２】
2014217098.tif 000004
【００２４】
図８は、クリページブロックに使用される強化繊維布の縦糸と横糸の配置と、クリページブロックの摺動方向との関係を示す。クリページブロック表面の形態を観察した結果、強化繊維布の縦糸１９がクリページブロックの最表層に位置することが多く、この縦糸の繊維方向がクリページブロックの摺動方向、即ち、発電機回転子の軸方向に配置することが、摩擦係数の増加抑制に有効であることもわかった。
【実施例３】
【００２５】
本実施例では回転子のクリページブロックの板厚の均一性改善がその摩耗低減に有効であることを説明する。
【００２６】
図９はクリページブロック板厚の面内均一性に関する説明図である。比較的大きな回転振動が見られた発電機回転子のクリページブロックを採取し、その表面状態を観察したところ、その摩耗状態が板厚と関係していることがわかった。これはクリページブロックの表面樹脂層が摩耗している部位は、その板厚がわずかに厚いということである。回転子が高速に回転することで、クリページブロックと導体間には大きな面圧が作用するが、クリページブロックの板厚が厚い領域にその荷重が集中するために、その摺動摩耗が大きくなったものと考えられる。摺動面内で不均一な摩耗が認められた部位の板厚は、その他の部位の板厚より0.05〜0.1mm程度厚いものであった。ここでクリページブロックの板厚は20mmである。従って、クリページブロック板厚の面内の傾き差を0.05mm以下、或いは板厚の0.3%以下にすることが導体との接触面を均等化させることに有効である。またこの板厚均一性を確保するには、導体面と反対側のブロック表面を高精度に機械加工することが好ましい。
【００２７】
また、クリページブロックの導体側表面の樹脂層を平滑に研磨することでも、その表面粗さや導体面との接触性を改善することができ、その摩擦係数を小さくすると共に摺動による摩擦係数の増加を抑制することができる。
【実施例４】
【００２８】
本実施例では回転子のクリページブロックに設けるスリットが摺動変位の低減に有効であることを説明する。
【００２９】
図１０はクリページブロックに設けたスリット構造に関する説明図である。上述の実施例で見出されたクリページブロックを用いて摺動実験を試みた結果、
摺動変位の過程でクリページブロックと導体間が滑らかに滑らず、急激に変位するスティックスリップが生じることがあった。このスティックスリップに伴う急激な変位が約0.2mmにも達するものもあり、これが発電機の回転子内部で発生すると、大きな軸たわみをもたらす懸念がある。そこで、クリページブロックの導体側の摺動面にスリットを設けたサンプルで同様の実験を試みたところ、スティックスリップが生じても、そのブロック全体の摺動（スリップ）変位が小さくなることがわかった。スリットの形状は、幅0.1mm、深さ5mmで、スリットはブロックの幅方向に貫通している。スリットの間隔は15mmとした。クリページブロックと導体の相対位置が変化した場合、クリページブロックの摺動面が一体の場合はブロック全体がスリップするためその変位は大きいが、ブロックにスリットを設けた場合はスティックスリップしやすい部位が複数個所に分散されるため、部分的にスリップが生じてもブロック全体の急激な位置変化に至らないものと判明した。従って、実施例１〜３に代表されるクリページブロックを回転子に適用するのみならず、その摺動面の形状を改良することでも軸たわみを改善できる。
【実施例５】
【００３０】
本実施例では回転子のクリページブロックの表面樹脂層の材質の選定が摺動変位の安定化に有効であることを説明する。
【００３１】
上述の実施例１〜４に代表されるクリページブロックの樹脂層の材質としてポリアミドを用いて、その摺動特性を測定した。その結果、摩擦係数が若干小さくなったことのみならず、摺動過程でスティックスリップの発生は見られなくなった。この要因としてポリアミド樹脂はその材料特性として静摩擦係数と動摩擦係数の差が小さいため、スティックスリップが生じにくくなったものと推定される。この効果はポリアミド樹脂に限定されす、表面樹脂層の材質として、静摩擦と動摩擦の係数比が小さいものを用いることが有効である。
【実施例６】
【００３２】
本実施例では上述の実施例によるクリページブロックを発電機の回転子に適用した場合のアンバランス力に低減作用について説明する。
【００３３】
図４は、発電機回転子のスロット部の拡大図を示す。クリページブロックは導体とウエッジの中間に配置され、導体とウエッジ間を電気絶縁すると共に、コイルに作用する遠心力をウエッジ側に伝達する機能を有する。このような構成を有する回転子では、導体が通電発熱して熱膨張すると、導体とクリページブロック間の摩擦力に生ずるが、この摩擦力が回転子の周方向のスロット間で異なるとアンバランス力が作用して軸たわみが生じることがある。
【００３４】
表３は上述の実施例によるクリページブロックを発電機の回転子に適用した場合における摺動回数1000回の摩擦係数を用いて、回転子の軸振動に関係したアンバランス力を試算した結果である。ここでアンバランス力は、クリページブロック試料No.A-2で得られた結果を1とした相対比を表す。表より、上述の実施例によるクリページブロックを採用することで、従来のブロックA-1より回転子のアンバランス力が大幅に低減でき、その回転振幅の劣化が改善できることが明らかとなった。
【００３５】
【表３】
2014217098.tif 000005
【００３６】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００３７】
また、上記の各構成、機能、材質等は、クリページブロックの一体品のみならず、複数の部材に分割したもので実現しても良い。
【００３８】
また、上記のクリページブロックは、回転子の導体接触面のみならず、摺動が生じるその他の部位にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１    回転子
２    固定子
３    軸受
４    コイル（界磁巻線）
５    リテイニング
６    ファン
７    通風ダクト
８    冷却器
９    固定子フレーム
１０  リテイニング絶縁
１１  ダンパリング
１２  センタリング
１３  胴体部
１４  クリページブロック
１５  チャンネル
１６  ウエッジ
１７  強化繊維布
１８  表面樹脂層
１９  強化繊維の縦糸
２０  強化繊維の横糸
２１  表面部の樹脂層厚さ
２２  積層部の樹脂層厚さ
２３  クリページブロックの厚さ
２４  樹脂層の最大厚さ
２５  樹脂層の最大高さ
２６  クリページブロックの長手方向
２７  クリページブロックの機械加工面
２８  クリページブロックの最小厚さ
２９  クリページブロックの最大厚さ
３０  スリット
３１  スリット深さ
３２  スリット間隔
１８  導体
１９  ウエッジ
２０  回転子
【図１】
2014217098.tif 000006
【図２】
2014217098.tif 000007
【図３】
2014217098.tif 000008
【図４】
2014217098.tif 000009
【図５】
2014217098.tif 000010
【図６】
2014217098.tif 000011
【図７】
2014217098.tif 000012
【図８】
2014217098.tif 000013
【図９】
2014217098.tif 000014
【図１０】
2014217098.tif 000015