(57)【要約】【課題】  従来の回転電機に設けられた固定子支持装置は、回転電機と建屋コンクリートとの間に設けられており、固定子に引張力のみを与えるとともに、固定子支持装置に設けられた弾性体の初期歪量を固定子の熱伸び以上に設定し、最大温度上昇時においても固定子への引張力が残る構造であり、その為コンクリート壁に作用する荷重が過大となり、建屋コストの増加要因となっている。この課題を解決するため、コンクリート壁に作用する荷重を低減した固定子支持装置を備えた回転電機を提供する。【解決手段】  回転電機を支持する支持部材と固定子との間に、引張側弾性要素構成体と圧縮側弾性要素構成体よりなる固定子支持装置を備えた。【選択図】        図３
2006345615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子の外周に固定子が設けられ、前記固定子の周囲に設けられ前記固定子を支持する支持部材と、前記支持部材と前記固定子との間に配置され、前記支持部材に対して前記固定子を引っ張るように設けられた引張側弾性要素構成体および前記固定子を圧縮するように設けられた圧縮側弾性要素構成体よりなる固定子支持装置とを備えたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記固定子が周方向に複数個に分割されており、前記固定子支持装置は、前記固定子の分割個数と同数あるいは複数倍の個数備えたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記固定子支持装置の前記引張側弾性要素構成体と、前記圧縮側弾性要素構成体とは、それぞれが独立した構成体であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項４】
前記固定子支持装置の前記引張側弾性要素構成体と、前記圧縮側弾性要素構成体とは、一体化して組み立てられた構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項５】
前記引張側弾性要素構成体は、前記固定子に取り付けられたボルトと、前記支持部材に取り付けられた端部を有する支持枠と、前記ボルトに挿入されたフランジと前記支持枠の端面の間に配置された弾性体とよりなるものであり、前記圧縮側弾性要素構成体は、前記固定子に取り付けられた第１のボルトと、該第１のボルトに挿入された第１のフランジと、前記支持枠に取り付けられた第２のボルトと該第２のボルトに挿入された第２のフランジと、前記第１、第２のフランジの間に配置された弾性体とを備えたことを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
【請求項６】
前記固定子支持装置は、前記固定子に取り付けられ端部を有する支持枠と、前記支持枠に取り付けられ前記支持枠の端部を貫通するボルトと、前記ボルトの前記固定子側に挿入された第１のフランジと、前記ボルトの前記支持枠側に挿入された第２のフランジと、前記ボルトの外周部に設けられるとともに前記第１のフランジと前記支持枠の端部との間に配置された第１の弾性体と、前記第２のフランジと前記支持枠の端部との間に配置された第２の弾性体を備えたことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
【請求項７】
前記弾性体は皿バネまたはコイルバネであることを特徴とする請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項８】
前記弾性体は複数の皿バネまたはコイルバネにより構成されていることを特徴とする請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転電機に関するものであり特に水車発電機等の回転電機の固定子の剛性を補う固定子支持装置を備えた回転電機に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の回転電機に設けられた固定子支持装置は、固定子枠の外周に設けたボルトを支柱（プレート）に貫通させ、外側から弾性要素を介してナットを締めこむことにより、固定子枠に引張力のみを与えるとともに、弾性体の初期たわみ量を固定子枠の熱伸び量以上に設定することで、回転電機が最大温度になった状態においても固定子枠に作用する引張力が残る構造としている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１８４０８９号公報（第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の回転電機の固定子は以上のように構成されているので、コンクリート壁または支柱には常に半径方向への引張荷重が作用するとともに、半径方向への引張荷重の最大値は冬期における回転電機の運転停止中、すなわち固定子枠が周囲温度に近い温度において収縮した状態で発生することになる。このため、コンクリート壁または支柱にはこの最大荷重が発生し、この最大荷重を支えるための強度が要求されることから、土木工事のコストおよび工期増加の要因となっていた。
【０００５】
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、回転電機が運転停止中の室温状態において固定子枠を引っ張っておくための引張側弾性要素構成体と、運転中の温度上昇時の半径方向への熱伸びを拘束するための圧縮側弾性要素構成体の２種類の弾性要素を有する固定子支持装置を備えることで、固定子の剛性を補うことが可能となり、またコンクリート壁または支柱に作用する最大半径方向荷重を軽減した回転電機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る回転電機は、回転子の外周に固定子が設けられ、固定子の周囲に設けられ固定子を支持する支持部材と、支持部材と固定子との間に配置され、支持部材に対して固定子を引っ張るように設けられた引張側弾性要素構成体および固定子を圧縮するように設けられた圧縮側弾性要素構成体よりなる固定子支持装置とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の回転電機は、回転子の外周に固定子が設けられ、固定子の周囲に設けられ固定子を支持する支持部材と、この支持部材と固定子との間に引張側弾性要素構成体と圧縮側弾性要素構成体とよりなる固定子支持装置を備えているので、回転電機の冬期における運転停止中と、運転中における最大温度上昇中における最大熱変形を分担して拘束し、固定子の剛性を補うことができるので、固定子の軽量化がはかれ、回転電機の軽量化、ひいてはコスト低減、さらには回転電機据え付け現場における建設工事のコスト低減が可能となるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１〜図３に基づいて説明する。図１は風道内に設置された回転電機１００の固定子５０の支持を示す平面図であり、図１において前記固定子５０は固定子鉄心１と、この固定子鉄心１を支持するための固定子枠２とで構成されている。回転電機１００は、コンクリート壁よりなる支持部材３に収容、支持されている。前記固定子枠２とコンクリート壁３の間には周方向に等間隔に設置された固定子支持装置４０が設けてある。この図において固定子支持装置４０は、一例として周方向に８箇所、軸方向に１箇所の構成としている。その他の個数の組合せでも構成可能であるのは言うまでも無い。図２は前記図１の側断面図である。図３は前記固定子支持装置４０の詳細構造を表している。この固定子支持装置４０は引張側弾性要素構成体４１と、圧縮側弾性要素構成体４２とより構成されている。引張側弾性要素構成体４１は、固定子枠２に取り付けられた支持ボルト１１と、支持ボルト１１の先端にねじ込まれたフランジ１２と、固定子５０を支持する支持部材３であるコンクリート壁に取り付けられた支持枠１３と、前記フランジ１２と支持枠１３の支持枠端部１３ａの間に挿入された弾性体１４と、この弾性体１４と支持枠端部１３ａとの間に挿入されたワッシャ１５とによって構成されている。一方、圧縮側弾性要素構成体４２は固定子枠２に取り付けられた第１のボルト２１と、コンクリート壁３に取り付けられた第２のボルト２２と、第１のボルト２１の先端にねじ込まれた第１のフランジ２３と、第２のボルト２２の先端にねじ込まれた第２のフランジ２４と、第１のフランジ２３と第２のフランジ２４の間に挿入された弾性体１４ａと、この弾性体１４ａと第１のフランジ２３との間に設けられたワッシャ１５とより構成されている。
前記弾性体１４ａはここでは皿バネを図示しているが、コイルバネ等その他の弾性体であってもよい。また、複数の皿バネを示しているが、バネ剛性に応じた単一の皿バネであってもよい。
【０００９】
次に動作について説明する。回転電機１００を運転すると、図示省略の固定子巻線や固定子鉄心１が発熱し、固定子鉄心１及び固定子枠２よりなる固定子５０は半径方向に熱膨張する。例えば固定子外半径８ｍの機械では５０Ｋの温度上昇によって、固定子５０は半径方向に５ｍｍ変位することになる。このとき、固定子鉄心１及び固定子枠２が周方向に見て半径方向に均一に熱伸びするのが理想的であるが、固定子枠１に作用する摩擦力のばらつきや拘束物等の影響により、周方向に見て半径方向への熱伸び量が不均一となる。このとき、固定子５０は楕円に対する剛性が最も弱いことから、不均一な熱伸びにより固定子５０は楕円変形が支配的な変形を生じることになる。この状態で固定子５０と図示省略の回転子の空隙に作用する磁気吸引力の影響を考えると、固定子５０の楕円変形により空隙の形状も楕円形状となっており、空隙の狭いところでは他よりも大きな磁気吸引力が作用することになり、より固定子５０の楕円変形を助長する方向に磁気吸引力が働く。この固定子５０及び空隙の楕円変形の影響により固定子５０及び回転子の各部には過大な繰り返し応力が作用するため、回転子及び固定子５０各部の疲労損傷が問題となることがある。
【００１０】
前記のような応力を低減するために従来より固定子枠２とコンクリート壁３との間を周方向に均一なピッチで配置し固定子支持装置４０を設けている。固定子枠２とコンクリート壁３との間を周方向に８個の固定子支持装置で接続した場合、固定子５０の楕円に対する剛性は次式で与えられている。
Ｋ＝Ｋ０＋２×ＫＲ
Ｋ０：固定子単体の楕円変形に対する剛性
ＫＲ：固定子支持装置１箇所当たりのバネ定数
このように、固定子支持装置のバネ定数ＫＲを固定子５０の剛性と同程度とすることにより、固定子５０の楕円変形に対する剛性は飛躍的に高まり、熱伸び時の摩擦拘束力等の影響や磁気吸引力による変形を抑えることが出来る。例えば、固定子単体の楕円変形に対する剛性が４トン／ｍｍの場合、固定子支持装置の１箇所当たりのバネ定数を５トン／ｍｍに設定することにより、固定子全体の剛性は１４トン／ｍｍまで高まる。これは固定子単体剛性の３．５倍であり、固定子鉄心１及び固定子枠２の半径方向厚さを１．５倍としたことと等価である。
【００１１】
ここで、固定子支持装置４０の有する弾性体、例えば皿バネは、必ず圧縮または引張荷重によって回転電機の固定子を保持しておく必要があり、荷重を零にすることは出来ない。このため、従来構造において引っ張り弾性体のみを有する場合には、回転電機運転時の最高温度上昇時から、冬期の運転休止時における最低温度において、いずれの温度条件においても荷重が残るように設定する必要がある。このような固定子温度変化に対するコンクリート壁、固定子枠に作用する荷重を、従来構造の場合について図４（ａ）に示す。
【００１２】
このような想定に基づいて、回転電機１００の運転停止時に固定子５０を半径方向に引っ張っておき、固定子５０が運転中に熱伸びした際にもその引張力を残しておくような設定をした場合、固定子支持装置４０の弾性体の静止中のたわみ量をδとすると、コンクリート壁３に作用する半径方向の最大荷重Ｆは次式で与えられる。
Ｆ＝ＫＲ×δ
上述の例で考えた場合、固定子５０の熱伸びが５ｍｍであると仮定した場合、弾性体の初期たわみ代δは５＋α（余裕）ｍｍとなることから、コンクリート壁３には固定子支持装置の１箇所当たり２５トン以上の荷重が作用することになる。このように過大な半径方向荷重をコンクリート壁３にかけた場合、コンクリート壁３を補強するなどの対策が必要となり、発電所の建設コストの増大させる恐れがある。
【００１３】
このような過大な半径方向荷重が支持部材であるコンクリート壁に印加されることを低減するため、この実施の形態１では図３に示したように、回転電機１００が冬期における運転停止中、つまり固定子５０が最も低い温度において、固定子５０を半径方向に引っ張るための引張側弾性要素構成体４１と、運転中の最高温度上昇時における固定子５０の熱伸びを拘束するための圧縮側弾性要素構成体４２に機能を分離した。
前記引張側弾性要素構成体４１は、回転電機１００の固定子５０が最も低い温度を想定した時の弾性体１４に与えるたわみδを与えるため図３に示すフランジ１２を締め込む。このことにより、ボルト１１には弾性体１４のバネ定数とフランジ１２の締め込み量に応じた引っ張り荷重が作用し、この荷重によって固定子５０を半径方向に固定する。
【００１４】
このように設定された状態から、回転電機１００の運転により固定子５０を形成する固定子枠２が半径方向に熱伸びすると、弾性体１４のたわみ量が軽減され、ボルト１１に作用する引張荷重が低下する。この引張側弾性要素構成体４１による固定子温度とコンクリート壁面、固定子枠に作用する荷重の相関を図４（ｂ）の引張側弾性要素のみの点線にて示す。
一方、圧縮側弾性要素構成体４２は、固定子５０が最も低い温度時を想定した時にも、圧縮荷重が作用するよう弾性体１４ａに与えるたわみδ１を与えるため、図３に示す第２のフランジ２４が締め込まれている。圧縮荷重は回転電機１００の体格、運転定格、電気装荷、設置条件等によって設定される。
【００１５】
前記回転電機１００の運転により固定子枠２が半径方向に熱伸びすると、図３に示す固定子枠２に取り付けられたボルト２１に設けられた第１のフランジ２３が半径方向外側に変位することによって弾性体１４ａがたわみ、第２のフランジ２４を介して第２のボルト２１に圧縮力が、つまり支持部材であるコンクリート壁３に圧縮力が作用する。前述のように回転電機１００の運転停止中から運転中にかけての固定子枠２およびコンクリート壁３に作用する半径方向荷重の変化を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）に示す従来構造による固定子枠２に対して常に引張荷重を与えているものに対して、この実施の形態１では、固定子支持装置４０を圧縮側弾性要素構成体４２と、引張側弾性要素構成体４１とに機能分離して設けているので、固定子枠３に作用する荷重は圧縮と引張の弾性要素構成体４２、４１の荷重の足し合わせとなるため、弾性体１４、１４ａのバネ定数を従来のバネ定数と同一であっても従来の荷重Ｆ１の１／２まで低減することができる。
【００１６】
以上のように、この実施の形態１によれば、固定子枠２とコンクリート壁３との間に設けた固定子支持装置４０を引張側弾性要素構成体４１と圧縮側弾性要素構成体４２の２種類の弾性要素に分離したので、固定子剛性を高めるという所期の目的を損なうことなく、固定子熱伸びにより弾性要素を介してコンクリート壁に加わる半径方向荷重を従来構造の１／２に低減することができることから、土木工事におけるコスト増加を抑制することができ、また、固定子枠の剛性を低減させることができ、軽量化された回転電機を得ることができる。
【００１７】
実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２を図５に基づいて説明する。図５において図１と同符号のものは同一機能を有しており説明を省略する。図５において、固定子５０は周方向への分割面５を有しており、一例として図５では固定子５０は８分割の構成としている。水力発電所に納められる水車発電機では設置場所までの輸送の制約上から固定子５０を周方向に２〜１６個程度に分割する構造を採用することがある。上述した実施の形態１において、固定子支持装置４０の周方向への個数を固定子５０の周方向への分割数Ｎと同じ数量、又は固定子５０の周方向への分割数Ｎの倍数に設定したので、固定子５０の周方向への剛性アンバランスを排除することができることから、信頼性が向上する。
【００１８】
実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態３を図６に基づいて説明する。図６において図１と同符号のものは同一の機能を有しており説明を省略する。上述した実施の形態１及び実施の形態２において、コンクリート壁及び支柱等よりなる支持部材３の剛性は周方向に均一とならない場合がある。これは回転電機１００を収容する建屋の制限等により、例えばコンクリートの厚みが周方向で均一にならなかったり、口出し線等の導体を通すための開口部が設けられていたりするためである。図６においてコンクリート壁３には開口部６が設けられた例を示す。上述したコンクリート壁３の周方向への剛性のばらつきを考慮して、皿バネ１４、１４ａの枚数又は一枚当たりのバネ定数等の弾性体のバネ定数を調整し、壁面の剛性を含めた半径方向の総合のバネ定数を周方向で均一にすることで、周方向の剛性の不均一さを排除することができるため、固定子の変形を抑制することができ、信頼性が向上する。例えばコンクリート壁３の半径方向の剛性（ＫＷ）が周方向に均一でない場合、式１、式２を用いて、任意箇所のコンクリート壁３の剛性に対して適切な皿バネ１４、１４ａの剛性（ＫＲ）を計算し選定することで、半径方向の総合のバネ定数（ＫＴＯＴＡＬ）を、他の箇所と等しくすることができる。
【００１９】
【数１】
2006345615.tif 000003
従って、ＫＷとＫＴＯＴＡＬが既知の時、ＫＲは式２で計算できる。
【００２０】
【数２】
2006345615.tif 000004
【００２１】
実施の形態４．
以下、この発明の実施の形態４の固定子支持装置４０を図７に基づいて説明する。図１と同符号のものは同一の機能を有しており説明を省略する。図７において、固定子枠２は門形の支持枠１３が取り付けられている。コンクリート壁３にボルト３２が設けられ、引張側弾性体１４を保持するためのボルト３２の先端にねじ込まれた第１のフランジ３３を備えている。また圧縮側弾性体１４ａを保持するためのボルト３２の根元部分にねじ込まれた第２のフランジ３４を有し、例えば冬期の最低温度を想定して回転電機１００の停止中に第１のフランジ３３を締め込むことにより、支持枠１３には引張側弾性体１４のバネ定数と第１のフランジ３３の締め込み量に応じた引張荷重が作用し、この荷重によって固定子枠２を半径方向に固定する。一方第２のフランジ３４を締め込むことによりコンクリート壁３に圧縮荷重を作用させる。この圧縮荷重は回転電機１００の体格、運転定格等によって定められる。次に、回転電機１００の運転により固定子枠２が半径方向に熱伸びすると、支持枠１３が半径方向外側に変位することで引張側弾性体１４のたわみ量が減少し、支持枠１３に作用する引張荷重は軽減される一方で、圧縮側弾性体１４ａがたわみ、支持枠１３には圧縮力が作用する。
このように、この実施の形態４による固定子支持装置４０は、１本のボルト３２に引張側弾性体１４と圧縮側弾性体１４ａを直列に配置した構成としたので、部品点数が削減できるだけではなく、固定子支持装置４０の配置上の制約が緩和されることや据付において現地の工程を短縮することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
この発明の実施の形態１〜４は、水車発電機等回転電機の設置時に、固定子の剛性を補う技術に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明の実施の形態１による回転電機の固定子とその支持を示す平面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による回転電機の固定子の支持を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による固定子支持装置を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１および従来構造の固定子温度と作用荷重を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２による回転電機の固定子とその支持を示す平面図である。
【図６】この発明の実施の形態３による回転電機の固定子とその支持を示す平面図である。
【図７】この発明の実施の形態４による固定子支持構造を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
３  支持部材、１１  ボルト、１２  フランジ、１３  支持枠、
１４，１４ａ  弾性体、２１  第１のボルト、２２  第２のボルト、
２３，３３  第１のフランジ、２４，３４  第２のフランジ、４０  固定子支持装置、
４１  引張側弾性要素構成体、４２  圧縮側弾性要素構成体、５０  固定子、
１００  回転電機。
【図１】
2006345615.tif 000005
【図２】
2006345615.tif 000006
【図３】
2006345615.tif 000007
【図４】
2006345615.tif 000008
【図５】
2006345615.tif 000009
【図６】
2006345615.tif 000010
【図７】
2006345615.tif 000011