(57)【要約】【課題】従来の大直径回転電機、例えば水車発電機においては回転子リムの振動変化を抑制するために回転子リムはロータスポークから運転中に離間しないように、焼き嵌められる構造となっており、多大な作業時間が必要となっていた。【解決手段】ロータスポーク部材２の端板２２と回転子リム３の内周にダブテール形状のスロット５、６を設け、そこに嵌合するダブテール形状のトルクキー７を挿入するとともに、トルクキーと回転子リムとの間に弾性部材９を挿入したため、運転中にはトルクキーと回転子リム及びロータスポーク部材が周方向に密着し、回転子リムの動き及び楕円変形を拘束するとともに、トルクキーに加わる半径方向への引張力を弾性部材により緩和することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
立軸に設けられた回転軸と、この回転軸のまわりに固着され外周部に第１のスロットが設けられたロータスポーク部材と、このロータスポーク部材の外周部を囲繞するように配設され上記ロータスポーク部材の第１のスロットに対向する内周部に第２のスロットが設けられた回転子リムと、上記第１のスロットと第２のスロットの何れか一方のスロットに嵌合され、他方のスロットに対しては周方向に拘束され、径方向に可動に係合されたトルクキーとを備えたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
上記他方のスロットにおける対向する壁部と、該他方のスロットに係合されるトルクキーとの間に間隙部を設けると共に、該間隙部に弾性部材を挿入してなることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
上記トルクキーの上記他方のスロットに係合される側の径方向端面部から径方向にスリットを設け、該トルクキーにばね弾性を付与してな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】
上記他方のスロットは、対向する壁部が互いに平行な凹溝状に形成され、この凹溝状のスロットの底部と、該スロットに係合されるトルクキーとの間に弾性部材を挿入してな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】
上記一方のスロットは、径方向の断面形状がダブテール状に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の回転電機。
【請求項６】
上記一方のスロットは、径方向の断面形状が端部の切れた円形に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば水力発電所に用いられる発電機あるいは発電電動機などに好ましく用いることができる回転電機に関し、特に回転子リムとロータスポーク部材を締結するためのトルクキー構造の改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の立軸の回転電機、例えば水車発電機においては、ロータスポーク部材の外周部に積層構造の回転子リムを一円に積み、リム積み完了後にリム全体を加熱して、回転子リムとロータスポーク部材との間に設けられたＴ型のキーを介してリムとスポークを焼き嵌める構造としたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特公昭６２−２３５３０号公報（第２頁、第１図及び第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上のように構成された従来の回転電機においては、回転子リム全体を加熱するために直径１０ｍ以上におよぶ回転子全体を防熱シートで覆った上に、ヒータで加熱する作業が必要であり、回転電機の組立に多大な時間を要していた。また、回転子の直径が１０ｍを超えるような大直径水車発電機においては、運転時の回転子リムの半径方向伸び量が数ｍｍに達することも有り、このとき、回転子リムがロータスポーク部材から離間した場合には、磁極と固定子との間に働く磁気吸引力のアンバランスにより回転子全体が一方向に引っ張られ、回転子リムが磁気吸引力の作用方向に並進移動したり、回転子リム全体が楕円変形したりすることで、回転子の重心位置が変化して運転中に過大な振動変化を起こし、この振動変化が大きい場合には運転継続が困難な状態に陥る。
【０００５】
また、水車発電機のように無拘束速度が定格速度に比べて高い機械においては、無拘束速度時の回転子リムの半径方向への広がり量が１０ｍｍを超えるものも有り、１０ｍｍを超える焼き嵌め代を初期に与えておかないと、運転中に回転子リムがスポーク部材から離間することになる。このとき、１０ｍｍを超える焼き嵌め代を与えた場合、ロータスポーク部材と回転子リムとの間に発生する半径方向の焼き嵌め荷重はロータスポーク部材の足１箇所当たり１０７Ｎを超えることもあり、ロータスポーク部材の機械的強度を確保することが厳しくなる。
【０００６】
この発明は上記のような従来技術の課題を解決するためになされたもので、回転子リムの動きを半径方向ではなく、回転子リムとロータスポーク部材の周方向への相対変位を拘束することで、運転中の回転子リムの動きに伴う振動変化を抑制することができる信頼性の高い回転電機を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による回転電機は、回転軸のまわりに固着され外周部に第１のスロットが設けられたロータスポーク部材と、このロータスポーク部材の外周部を囲繞するように配設され上記ロータスポーク部材の第１のスロットに対向する内周部に第２のスロットが設けられた回転子リムと、上記第１のスロットと第２のスロットの何れか一方のスロットに嵌合され、他方のスロットに対しては周方向に拘束され、径方向に可動に係合されたトルクキーとを備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明においては、回転子リムとロータスポーク部材の周方向への相対変位を拘束するようにしたことで、運転中の回転子リムの動きに伴う振動変化を抑制した信頼性の高い回転電機を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１〜図４は、この発明の実施の形態１による回転電機を説明するもので、図１は主要部の構成を詳細に示す平面断面図であり、図３に示す円Ｉで囲まれた部分の詳細図に相当する。図２は回転電機の概要構成を示す側面断面図、図３は図２の回転子部分を概略的に示す平面図、図４は回転子リムが楕円変形するときに回転子リムとロータスポーク部材との間に周方向に発生する相対変位を説明する図である。図において、立軸（鉛直方向）に設けられ図示を省略している水車などの原動機に直結された回転軸１のまわりには、スポーク２１が直結され、その先端部には例えば溶接により固着された端板２２が設けられており、該スポーク２１と端板２２とでロータスポーク部材２を構成している。そしてこのロータスポーク部材２の外周部を囲繞するように一円形状の回転子リム３が取り付けられ、この回転子リム３の外周部に磁極４が設けられ、この磁極４と適切な隙間を開けて固定子１２が配設されている。
【００１０】
上記ロータスポーク部材２の外周部である端板２２の外周部２ａには、ダブテール形状の第１のスロット５が設けられている（この例では周方向に計１２箇所）。また、上記回転子リム３の内周部３ａの、上記ロータスポーク部材２の第１のスロット５に対向する部分にはダブテール形状の第２のスロット６が１２箇所に設けられ、これら対向する２つのスロット５、６に跨って両端部がダブテール形状のトルクキー７がそれぞれ挿入されている。トルクキー７は、回転軸１の回転トルクを回転子リム３に伝達するためのものであり、この実施の形態１では第１のスロット５に対しては嵌合されて固く固定され、第２のスロット６に対しては、図１に示すように第２のスロット６の傾斜壁部６１との間に間隙部８が形成され、この間隙部８に弾性部材９が挿入されている。
【００１１】
次に上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。回転電機の運転時には例えば水車発電機では水車からの駆動力により回転軸１、ロータスポーク部材２、回転子リム３と磁極４が回転する。このとき、回転子リム３は磁極４に働く遠心力と自身の遠心力により半径方向に変位する。回転子リム３の半径方向変位に伴い、トルクキー７は回転子リム３内周部の第２のスロット６及びロータスポーク部材２の端板２２に設けられたダブテール形状の第１のスロット５を介して半径方向への引張力が発生する。この引張力によりトルクキー７は、何れもダブテール形状の第２のスロット６及び第１のスロット５に確実に密着されるとともに、トルクキー７と第２のスロット６の傾斜壁部６１との間に配された弾性部材９が圧縮されることで、トルクキー７に作用する半径方向荷重を弾性部材９のバネ定数により調整することができる。一方、周方向には拘束されているため、ロータスポーク部材２と回転子リム３との周方向位置は相対的に変わらない。
【００１２】
一方、回転子リム３の外周側に取り付けられた磁極４と固定子１２との間には適正な隙間を開けて、同心円状に据え付けられるが、組立誤差等により完全に中心を一致させることは困難である。この周方向への空隙の不均一さにより発電運転中に発生する周方向への不均一な磁気吸引力の作用により、回転子リム３は楕円変形を生じようとする。この回転子リム３の楕円変形が生じると、回転子の重心位置が変化して回転子に過大な振動変化が生じる。回転子リム３が楕円変形をするためには、図４に示すようにロータスポーク部材２のトルクキー７の位置で回転子リム３とロータスポーク部材２との間に周方向への相対変位δθが発生することが条件となるが、この実施の形態１では回転子リム３とロータスポーク部材２との間の周方向への相対変位が拘束されていることにより、実質的に真円形状Ｃが保持され、楕円変形の発生が防止される。
【００１３】
なお、図４において、一点鎖線で示すＣは静止時の回転子リム３に対応する真円形状、実線で示すＤは、回転子リム３に矢印Ｂで示す方向に磁気吸引力が働いて、回転子リム３が楕円変形した場合を誇張して示す楕円形状、Ａは真円形状Ｃに対する楕円形状Ｅの変位量、δθ１、δθ２、及びδθ３は円周方向に配置された各トルクキー７の位置における周方向への変位量を示す。
【００１４】
上記のように、この実施の形態１によれば、運転時にはトルクキー７と回転子リム３及びロータスポーク部材２とは確実に周方向に密着させることができるため、回転子リム３とロータスポーク部材２の周方向への相対変位を拘束させ、径方向への変位は弾性部材９で吸収することができる。そして、回転子リム３とロータスポーク部材２との間の周方向への相対変位が拘束されていることにより、回転子リム３の形状を実質的に真円に保つことができることから、発電機の振動変化の発生を抑制することが可能となり、発電機の信頼性を向上することができる。さらに、ロータスポーク部材２に対する回転子リム３の焼き嵌めを必要としないため、製造工程が簡素化されるという特長も有る。
【００１５】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２になる回転電機の要部を示す断面図である。図に示すように、この実施の形態２では、ロータスポーク部材２を構成する端板２２に設けられた第１のスロット５は、端部が切れた断面円形に形成され、トルクキー７も該スロット５に嵌合する部分が断面円形に形成されている。その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。上記のように構成された実施の形態２においては、第１のスロット５の断面形状が上端面の切れた丸穴形状とすることで、ボール盤での加工が可能となることから、ダブテール形状に加工するために例えばエンドミル等を用いる場合に比べて、性能を損なわずに加工時間を１／３以下に低減することが可能である。このため、実施の形態２では、上記実施の形態１の効果に加え、加工が容易で短時間に安価に製造できるという効果が得られる。
【００１６】
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３による回転電機の要部を示す断面図である。図に示すように、この実施の形態３では、ロータスポーク部材２を構成する端板２２に設けられた第１のスロット５、及び回転子リム３に設けられた第２のスロット６は、形状、大きさ共に上記実施の形態１と実質同様であるが、トルクキー７の第２のスロット６に係合される部分の径方向端面部７ａから径方向にスリット７１が設けられ、図２に示す弾性部材９を別途用いていない点が異なっている。
【００１７】
上記のように構成された実施の形態３においては、トルクキー７の第２のスロット６に係合する部分における径方向端面部７ａにおける中央部に径方向のスリット７１を設けることで、トルクキー７自体に引張に対するばね弾性を持たせ、弾性部材としての機能を持たせる構造としている。その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
上記のように構成された実施の形態３においては、トルクキー７にばね弾性が付与されていることにより、回転子リム３とトルクキー７との間に別途弾性部材を挿入する必要が無くなることから、上記実施の形態１の効果に加えて、組立性の改善及び材料費の低減を図ることができる。
【００１８】
実施の形態４．
図７及び図８は、この発明の実施の形態４による回転電機を説明する図であり、図７は要部を示す断面図、図８は図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における矢視断面図である。図に示すように、実施の形態４においては、ロータスポーク部材２の端板２２に設けるスロット５は、対向する壁面部が平行な凹溝５１によって形成されている。これに対応して、トルクキー７は図の下方部をこの凹溝５１に合わせて断面矩形の略凸形に形成し、その下方凸部を凹溝５１からなる第１のスロット５に挿入する構造とすると共に、第２のスロット６底部に対向する径方向端面部７ｂ（図の上端部面）を図８に示すように回転軸に平行な方向にテーパ加工したダブテール状のキーに形成されている。そして、第１のスロット５の底部とトルクキー７の下方凸部先端部との間に板ばねからなる弾性部材９１が挿入され、トルクキー７のテーパ加工した径方向端面部７ｂと第２のスロット６底部の間に楔状の打込みキー１０を打ち込むことにより、トルクキー７はスロット６に固く固定されている。
【００１９】
上記のように構成された実施の形態４においては、板ばねからなる弾性部材９１を挿入した状態でトルクキー７の径方向端面部７ｂから打込みキー１０を打込むことで、弾性部材９１のたわみ量を確保するとともに、トルクキー７の半径方向位置を固定することができる。これにより、各部材の加工誤差をキーの打込み量により吸収することができるとともに、バネの初期たわみ量δＳを、無拘束速度時の回転子リムの半径方向変位δｒとの関係で、δＳ＞δｒと設定することで、無拘束速度時においてもトルクキー７はロータスポーク部材２及び回転子リム３の周方向に接した状態を保つことができることから、回転子リム３の楕円変形を抑制することが可能となり、回転電機の信頼性を向上することができる。
【００２０】
ところで、上記実施の形態１〜３の説明では弾性部材９、ないしは弾性を付与したトルクキー７を第２のスロット６の側に設け、実施の形態４では弾性部材９１を第１のスロット５の側に設けたが、これら第１のスロット５と第２のスロット６の関係を逆にしても差し支えない。例えば、上記実施の形態１〜３の構成において、トルクキー７の向きを逆にすると共に、弾性部材９を第１のスロット５の側に設けるようにしても同様の効果が期待できる。また、弾性部材９、９１としては板ばねに限定されず例えばゴム弾性を有する材料などを用いて構成しても差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の実施の形態１による回転電機の主要部の構成を詳細に示す平面断面図である。図３に示す円Ｉで囲まれた部分の詳細図に相当する。
【図２】この発明の実施の形態１による回転電機の概要構成を示す側面断面図である。
【図３】図２の回転子部分を概略的に示す平面図である。
【図４】回転子リムが楕円変形するときに回転子リムとロータスポーク部材との間に周方向に発生する相対変位を説明する図である。
【図５】この発明の実施の形態２になる回転電機の要部を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態３による回転電機の要部を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態４による回転電機の要部を示す断面図である。
【図８】図７のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における矢視断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  回転軸、  ２  ロータスポーク部材、  ２１  スポーク、  ２２  端板、  ２ａ  外周部、  ３  回転子リム、  ３ａ  内周部、  ４  磁極、  ５  第１のスロット、  ５１  凹溝、  ６  第２のスロット、  ６１  傾斜壁部、  ７  トルクキー、  ７ａ、７ｂ  径方向端面部、  ７１  スリット、  ８  間隙部、  ９、９１  弾性部材、  １０  打込みキー、  １２  固定子。
【図１】
2005253162.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005253162.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2005253162.tif 000008
【図７】
2005253162.tif 000009
【図８】
2005253162.tif 000010