(57)【要約】【課題】異物の侵入等があってもコア層間電流による損傷を回避できる固定子およびそれを用いた回転電機を提供する。【解決手段】回転電機の固定子であって、電磁鋼板から形成される固定子コア２Ａ，２Ｂを環状に組み合わせ、積層した固定子コア積層体と、固定子コア積層体の外周に配置され、固定子コアの組み合わせおよび積層を維持するコアボルトと、を有し、固定子コア２Ａ，２Ｂは、周縁から内向きに形成されたスロット８を有し、任意の固定子コア２Ｂのスロット８には、他の固定子コア２Ａのスロット８の内側縁よりも内側に延出した延出部９が形成されている。延出部は、スルーボルトを通す孔部および凹部を、互いに異なる孔径に形成したものでもよい。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機の固定子であって、
電磁鋼板から形成される固定子コアを環状に組み合わせ、積層した固定子コア積層体と、
前記固定子コア積層体の外周に配置され、前記固定子コアの組み合わせおよび積層を維持するコアボルトと、を有し、
前記固定子コアは、周縁から内向きに形成された凹部または中間部に形成された孔部を有し、任意の前記固定子コアの前記凹部または前記孔部の内側縁には、他の前記固定子コアの前記凹部または前記孔部の内側縁よりも内側に延出した延出部が形成されている、固定子。
【請求項２】
前記延出部は、積層された前記固定子コアのうち、所定枚数おきに形成されている、請求項１に記載の固定子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載した固定子を有する、回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機または電動機などの回転電機に用いられる固定子およびそれを用いた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電機または電動機などの回転電機では、基本的な構成として固定子（ステータ）および回転子（ロータ）が用いられる。
例えば、タービン発電機などの発電機では、円筒状の固定子の内側に回転子を配置し、この回転子をタービンなどで回転駆動することで、固定子に設置された誘導コイルに起電力を発生させている。固定子は、主な構成として、誘導コイルに磁束を導くための固定子コア積層体を備えている。
固定子コア積層体としては、厚さ０．３５ｍｍ〜０．６ｍｍ程度の薄板状の電磁鋼板を扇状に切り出して扇状の固定子コア（鉄心）を形成し、この固定子コアを複数枚組み合わせて環状としつつ回転軸方向に積層したものが用いられる。固定子コアの扇状の表面には絶縁用の薄膜が形成され、層間の電気的な導通は遮断されている。
固定子コアの内側には複数の切り込み（コアティース）が形成され、固定子コア積層体の内周面には誘導コイルを収容するスロットが形成される（特許文献１参照）。
【０００３】
固定子コア積層体を発電機に設置する際には、固定子コア積層体の外周にコアボルトおよび支持リングを配置した構成が採用される。具体的には、固定子コア積層体の外側には、回転軸方向に延びる複数のコアボルトが配置され、さらに、コアボルトの外側には環状の支持リングが複数配置される。そして、コアボルトで固定子コアの環状の組合せおよびそれらの積層を維持しつつ、コアボルトを介して支持リングで締め付けて束ねることで、これらを固定子コア積層体として一体化している。固定子コア積層体は、支持リングを介して発電機に支持される（特許文献１参照）。
固定子コア積層体において、各層の固定子コアの中間部にスルーボルト孔を形成し、各層の孔を一連のスルーボルトで挿通して軸方向に締め付けることで、各層の固定子コアどうしを結合する構成も採用されている（特許文献２参照）。
【０００４】
固定子コア積層体では、固定子コアどうしが異なる２点で接触して導通状態となると、この２点を通る回路によりコア層間電流が生じる。コア層間電流が流れる部分は発熱し、焼損あるいは溶損など損傷する可能性がある。このような導通を防止するため、固定子コアの表面には絶縁被膜が形成される。
固定子コアの表裏の平坦面については、固定子コアを切り出す前に、母材である電磁鋼板の表面に絶縁性材料を塗布している。そのため、固定子コアの表裏の平坦面は絶縁が得られることになるが、一方で、母材である電磁鋼板から切り出された際の切断面にあたる固定子コアの側面部（端面）は、絶縁被膜から母材が露出してしまうこととなり、絶縁が得られない。
前述したコアボルトは、構造上、固定子コアの端面に接触するため、固定子コアに、コアボルトの接触箇所以外の、異物侵入や疵等トラブルにより絶縁が得られなくなった箇所があると、コア層間電流の原因になる。
そこで、切り出し後の固定子コアの端面に、改めて絶縁被膜による絶縁処理が行われる。絶縁被膜としては、シリコンポリマーなどを塗布して形成された平均膜厚０．５μｍ以上のシリコン化合物被膜などが用いられる（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−１０３９５０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２０９０号公報
【特許文献３】特開２００３−１９３２６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のように、固定子コアの表面および端面の全てに絶縁被膜を形成しておけば、固定子コアどうしの短絡等によるコア層間電流を防止できる。
しかし、固定子コアのコアボルトに当接する部分は、コアボルトと強く接触するため、絶縁被膜が破壊されることがある。とくに、平均膜厚０．５μｍ程度の絶縁被膜は、コアボルトとの接触によって容易に破断され、絶縁性を維持することが難しい。
さらに、固定子コアのスロット部分や、スルーボルト挿通孔部分においては、侵入した異物との接触により、絶縁被膜が破壊されることがある。
例えば、工場での固定子製造工程において、固定子コアのコア積作業やスルーボルト挿入作業時に、固定子コアやスルーボルトに異物が付着することで、固定子コア積層体の内部に異物が侵入することがある。
【０００７】
そして、侵入した異物が導電性であり、固定子コア端面に絶縁被膜がない場合、または、異物が絶縁被膜を削り取るようなものである場合であって、コアボルトに当接する部分の絶縁が損なわれていたとすると、固定子コアの各層間にコア層間電流が生じ、異物の周辺で発熱して固定子コアの損傷を招く可能性がある。
とくに、侵入した異物が固定子コアの積層方向に長く、多層の固定子コアと異物およびコアボルトとが接触していると、各々の固定子コアを巡る多大なコア導通電流が生じ、大電流による発熱により短期間に溶損に至る可能性がある。
【０００８】
本発明の目的は、異物の侵入等があってもコア層間電流による損傷を回避できる固定子およびそれを用いた回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の固定子は、回転電機の固定子であって、電磁鋼板から形成される固定子コアを環状に組み合わせ、積層した固定子コア積層体と、前記固定子コア積層体の外周に配置され、前記固定子コアの組み合わせおよび積層を維持するコアボルトと、を有し、前記固定子コアは、周縁から内向きに形成された凹部または中間部に形成された孔部を有し、任意の前記固定子コアの前記凹部または前記孔部の内側縁には、他の前記固定子コアの前記凹部または前記孔部の内側縁よりも内側に延出した延出部が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明では、固定子コアの凹部を、誘導コイルを収容するスロットに利用することができ、孔部をスルーボルトの挿通孔として利用することができる。
外部から異物が侵入した際には、異物が凹部または孔部の内周面に接触し、異物を介して固定子コアどうしが短絡され、当該部分からコア層間電流を生じる可能性がある。とくに、隣接する複数の固定子コアの各々に対して、異物が凹部または孔部の内周面に接触したとすると、接触する全ての固定子コアを通るコア層間電流が生じ、全体として電流値の増大ないし発熱量の増大につながり、溶損が生じ易く、その程度も顕著となる。
しかし、本発明においては、異物は延出部に優先的に接触し、専ら延出部がある固定子コアどうしを短絡するものの、延出部がない他の固定子コアとは接触する可能性が希となる。その結果、コア層間電流が生じる固定子コアの層が低減され、発熱による溶損を抑制させることができる。
【００１１】
前記延出部は、積層された前記固定子コアのうち、所定枚数おきに形成されていることが好ましい。
【００１２】
本発明において、所定枚数おきとは、１枚おき（延出部がある固定子コアと延出部がない固定子コアとが交互配列）、あるいは、複数枚おき（延出部がある固定子コアの間に延出部がない固定子コアが複数）とすることができる。
コア層間に短絡が発生した場合には、その短絡回路において発熱が生じる。発熱による短絡部分の温度は、異物の長さによって異なることとなり、異物が長い程（即ち、短絡回路に寄与する固定子コアの枚数が多い程）高温となる。
【００１３】
コア端面に異物が付着し、コア層間に短絡が発生した際の温度が、例えば４００℃であれば、固定子コア表面のワニスが枯れてコア層間抵抗が低下し、層間短絡長さが伸長するまでの時間が、固定子全体の経済寿命に比べて長く、短絡の影響を実質的に無視することができるという場合がある。一方、例えば５００℃であれば、ワニスが枯れてコア層間抵抗が低下し、層間短絡長さが伸長していく速さが早く、その伸長が固定子の性能に経済的な影響を与えるまでの時間が、固定子全体の経済寿命に比べて短く、固定子の経済寿命を全うできないという場合もある。
【００１４】
そのため、延出部がある固定子コアの間隔およびその間の延出部がない固定子コアの積層厚みは、短絡時に生じる高温によって固定子の性能に経済的な影響を与える時間が、固定子の経済寿命に比べて長くなるように、短い範囲内に設定する必要がある。
こうした短絡が発生した際の温度や、固定子の性能に経済的な影響を与える時間、固定の経済寿命等は、固定子毎に異なるため、事前に試験を行い、把握しておく必要がある。
本発明では、延出部がない固定子コアを相対的に増すことで、コア層間電流が生じる固定子コアの層を更に低減できる。
【００１５】
本発明の回転電機は、前述した本発明の固定子を有することを特徴とする。
本発明では、先に本発明の固定子について説明した通りの効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、異物の侵入等があってもコア層間電流による損傷を回避できる固定子およびそれを用いた回転電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態における固定子を示す斜視図。
【図２】前記実施形態における固定子コア単体を示す正面図。
【図３】前記実施形態における端板を示す正面図。
【図４】前記実施形態におけるスロット部分を示す断面図。
【図５】前記実施形態におけるコアボルト部分を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下には、タービン発電機等の発電機における固定子の例を説明するが、同じく回転電機である送風機や圧縮機等の電動機における固定子についても、発電機の固定子と同様の構造を有していることから、同様の説明をすることができる。すなわち、発電機および電動機を含む回転電機の種々の固定子に対して、本発明を適用することができる。
【００１９】
図１において、固定子１は、タービン発電機に設置されるものであり、円筒状に形成され、内部に回転子（図示省略）が設置される。固定子１に対して、回転子はＡ方向を回転軸とし、Ｒ方向に回転する。
固定子１は、電磁鋼板を切り出して形成された扇状の固定子コア２（図２参照）を繋いで環状に組み合わせ（以下この構成を便宜的にコア層３と称する）、これを複数、Ａ方向に積層して形成された固定子コア積層体４を主要構造としている。
【００２０】
固定子コア積層体４においては、コア層３の６０層当たり１層の割合で、図２に示す固定子コア２に代えて、図３に示すような端板１１が配置される。
図３において、端板１１は、固定子コア２と同様な板材の表面または裏面に、半径方向に連続した凸状リブであるダクトピース１０を溶接したものであり、固定子コア２と同様に環状に組み合わせられ、固定子コア積層体４に組み込まれる。このような端板１１を用いることで、固定子コア積層体４の内周側と外周側とを連通する冷却用空気通路が形成される。
なお、以下に説明する固定子コア２の構成（後述する孔部７Ａ、凹部５Ｂ、スロット８および延出部９）は、端板１１にも同様に形成され、端板１１は固定子コア２の１つとして扱うことができる。
【００２１】
固定子コア積層体４の外側には、Ａ方向に延びる複数のコアボルト５が配置され、さらに、コアボルト５の外側には環状の支持リング６が複数配置されている。そして、コアボルト５で固定子コア２の、コア層３となる環状の組合せ、および、固定子コア積層体４となる積層を維持しつつ、コアボルト５を介して支持リング６で締め付けて束ねることで、固定子コア積層体４として一体化している。
固定子コア積層体４は、支持リング６を介して発電機の基礎に支持される。なお、図１では支持リング６を一部図示省略しているが、支持リング６は固定子コア積層体４の全長にわたって所定間隔で配置される。
【００２２】
固定子コア２の挿通孔には、Ａ方向に延びる複数のスルーボルト７が挿通されている。スルーボルト７でコア層３をＡ方向つまり積層方向に締め付けることで、固定子コア積層体４におけるコア層３の積層が確実に維持されている。
【００２３】
固定子コア２には、固定子コア積層体４の内面に臨む側に、多数のスロット８が形成されている。各スロット８は、コア層３を積層することで、固定子コア積層体４の内側にＡ方向に連続する。これらのスロット８により、固定子コア積層体４の内側にはＡ方向に延びる誘導コイル（図示省略）が保持される。
【００２４】
図２において、固定子コア２は、表裏に絶縁被膜が形成された電磁鋼板から扇状に切り出されたものである。
固定子コア２の外周側（図２下側）には、コアボルト５が係合可能な半円形の凹部５Ｂが形成されている。
固定子コア２の略中央には、スルーボルト７を挿通させる孔部７Ａが形成されている。
固定子コア２の両側縁の中間には、スルーボルト７を挿通させる半円形の凹部７Ｂが形成されている。
半円形の凹部７Ｂは、隣接する他の固定子コア２の凹部７Ｂと組み合わせられ、孔部７Ａと同様にスルーボルト７を挿通させることができる。
【００２５】
固定子コア２の内周側（図２上側）には、凹部である多数のスロット８が形成されている。
固定子コア２の表面および裏面には、半径方向に連続した凹溝が多数形成されている。これらの凹溝は、コア層３として積層した際に他の層の凹溝と向かい合わせられ、固定子コア積層体４の内周側と外周側とを連通する冷却用空気通路を形成する。
【００２６】
図４において、積層された固定子コア２には、所定の数の層おきにスロット８に延出部９が形成されている。
延出部９は、該当する固定子コア２Ｂのスロット８の内側縁を、他の固定子コア２Ａのスロット８の内側縁よりも内側に延出させて形成されている。すなわち、固定子コア２Ｂのスロット８の内側寸法は、延出部９の分だけ、他の固定子コア２Ａのスロット８よりも狭く形成されている。
【００２７】
図５において、積層された固定子コア２には、所定の数の層おきに孔部７Ａおよび凹部７Ｂに延出部９が形成されている。
延出部９は、該当する固定子コア２Ｂの孔部７Ａおよび凹部７Ｂの内側縁を、他の固定子コア２Ａの内側縁よりも内側に延出させて形成されている。すなわち、固定子コア２Ｂの孔部７Ａおよび凹部７Ｂの内径は、延出部９の分だけ、他の固定子コア２Ａの孔部７Ａおよび凹部７Ｂの内径よりも狭く形成されている。
【００２８】
延出部９の高さ寸法、つまり、他の固定子コア２Ａのスロット８に対する延出寸法、あるいは、他の固定子コア２Ａの孔部７Ａおよび凹部７Ｂに対する延出寸法は、例えば１〜５ｍｍである。この際、固定子コア２の体格にもよるが、スロット８の内側寸法は、例えば３０ｍｍである。また、孔部７Ａおよび凹部７Ｂの内径は、例えば５０ｍｍである。
固定子コア２Ｂの間隔は、例えば２６ｍｍである。
【００２９】
このような本実施形態において、固定子コア２のスロット８、あるいは、スルーボルト７が挿通される孔部７Ａおよび凹部７Ｂに、外部から異物Ｇ１が侵入することがある。
外部から異物Ｇ１が侵入した際には、異物Ｇ１がスロット８、孔部７Ａおよび凹部７Ｂの内周面に接触し、異物Ｇ１を介して固定子コア２どうしが短絡され、当該部分からコア層間電流を生じる可能性がある。
隣接する複数の固定子コア２、すなわち異物Ｇ１の全長にわたる固定子コア２Ａ，２Ｂの全てに対して、そのスロット８、孔部７Ａおよび凹部７Ｂの内周面に異物Ｇ１が接触したとすると、異物Ｇ１に接触する全ての固定子コア２Ａ，２Ｂを通るコア層間電流が生じ、全体として電流値の増大ないし発熱量の増大につながり、溶損が生じ易く、その程度も顕著となる。
【００３０】
しかし、図４あるいは図５に示すように、本実施形態では、所定間隔の固定子コア２Ｂにおいて、スロット８、孔部７Ａおよび凹部７Ｂの内周面に延出部９が形成されている。
このため、侵入した異物Ｇ１は、延出部９に優先的に接触し、専ら延出部９がある２枚の固定子コア２Ｂどうしを短絡する。ただし、２枚の固定子コア２Ｂの間にある、延出部９がない他の固定子コア２Ａとは接触しない。従って、コア層間電流は、延出部９がある固定子コア２Ｂの２枚の間だけに発生し、他の固定子コア２Ａには発生しない。そして、コア層間電流が低減される結果、過剰な発熱が抑えられて溶損が抑制できる。
【００３１】
侵入した異物Ｇ１は、場合によって異物Ｇ２のように斜めに支持される。
このような異物Ｇ２においては、一部が延出部９を介して固定子コア２Ｂの１枚に接触し、別の一部が他の固定子コア２Ａの内側面の一点に接触した状態で支持され、他の固定子コア２Ａとは接触しない状態とされる。この場合でも、コア層間電流は、固定子コア２Ｂおよび固定子コア２Ａの１枚ずつ計２枚の間だけに発生し、過剰な発熱が抑えられて溶損が抑制できる。
その結果、本実施形態の固定子１では、異物の侵入等があっても、コア層間電流による損傷を回避することができる。
【００３２】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
前記実施形態では、所定間隔の固定子コア２Ｂにおいて、凹部であるスロット８、孔部７Ａおよび凹部７Ｂの内周面に延出部９を形成した。しかし、延出部９はこれらの全てに形成する必要はなく、適宜省略してもよい。スルーボルト７がない固定子１においては、孔部７Ａおよび凹部７Ｂが省略され、従ってその内周面の延出部９も省略できる。
【００３３】
延出部９が形成される固定子コア２Ｂの間隔は、前記実施形態のように２枚の固定子コア２Ａを隔てる状態に限らず、固定子コア２Ａが１枚、または３枚以上であってもよい。
また、延出部９が形成されない固定子コア２Ａの間隔は、前記実施形態のように１枚の固定子コア２Ｂを隔てる状態に限らず、固定子コア２Ｂが２枚以上であってもよい。
但し、固定子コア２Ａ及び２Ｂの積層枚数は、連続積層されている固定子コア２Ａまたは２Ｂの全てに異物が接触した場合であっても、層間短絡電流による発熱で固定子コア表面のワニスが枯れてコア層間抵抗が低下し、層間短絡長さが伸長するまでの時間が、固定子全体の経済寿命に比べて長くなるような積層枚数にしなければならない。
【００３４】
延出部９としては、スロット８、孔部７Ａおよび凹部７Ｂの内周面の形状を、それぞれスロット８箇所に収めるコイルや孔部７Ａ及び凹部７Ｂに挿入されるスルーボルトに干渉がないように内側に延出させればよい。あるいは、延出部９の形状は回転軸方向に一様である必要はなく、間欠的であってもよく、スロット８、孔部７Ａおよび凹部７Ｂの内周に沿って突起を配列して延出部９としてもよい。
さらに、コアボルト５の配置、固定子コア２の形状、固定子１としての形態なども適宜選択することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、発電機または電動機などの回転電機に用いられる固定子およびそれを用いた回転電機として利用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１…固定子、２，２Ａ，２Ｂ…固定子コア、３…コア層、４…固定子コア積層体、５…コアボルト、６…支持リング、７…スルーボルト、７Ａ…孔部、７Ｂ…凹部、８…凹部であるスロット、９…延出部、１０…ダクトピース、１１…端板、Ｇ１，Ｇ２…異物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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