(57)【要約】【課題】くさびの曲げ剛性を変化させて異方性の回転子鉄心の曲げ剛性を調整することにより、２倍周波振動を低減することにある。【解決手段】複数のスロット２が軸方向にそれぞれ設けられた回転子鉄心１と、スロット１内に収納された巻線３と、スロット開口部２ａに挿入され巻線３を押えるくさび４とを備えた回転電機の２極回転子において、スロット開口部２ａに挿入されるくさび４の曲げ剛性を変化させて回転子の磁極方向及び極間方向の曲げ剛性の比を調節可能にする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスロットが軸方向にそれぞれ設けられた回転子鉄心と、前記スロット内に収納された巻線と、前記スロット開口部に挿入され前記巻線を固定するくさびとを備えた回転電機の２極回転子において、
前記スロット開口部に挿入されるくさびの曲げ剛性を変化させて回転子の磁極方向及び極間方向の曲げ剛性の比を調節可能にしたことを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項２】
請求項１記載の回転電機の回転子において、前記スロット開口部に挿入されるくさびの曲げ剛性は、くさびの材質を変更することで変化させることを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項３】
請求項１記載の回転電機の回転子において、前記スロット開口部に挿入されるくさびの曲げ剛性は、前記くさびの断面形状を変更することで変化させ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乃至請求項３のいずれかに記載の回転電機の回転子において、前記スロット開口部に挿入されるくさびの曲げ剛性は、複数の分割くさびを用いることで変化させることを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項５】
請求項４記載の回転電機の回転子において、前記複数の分割くさびは、異なる曲げ剛性のもの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４又は請求項５記載の回転電機の回転子において、前記分割くさびの曲げ剛性は、振動モードに対応して軸方向に分布させたものである回転電機の回転子。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の回転電機の回転子において、前記スロット開口部に挿入されるくさびは、スロット毎に異なる曲げ剛性を有し、且つその曲げ剛性を円周方向に変化させたものである回転電機の回転子。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の回転電機の回転子において、前記スロット開口部に挿入されるくさびは、回転数によるくさびの曲げ剛性変化を考慮して、所定の回転数で所定の曲げ剛性が得られるように配置されることを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の回転子を備えた回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸に直角で互いに直交する２方向の曲げ剛性が異なるいわゆる異方性ロータにおいて、特にタービン発電機などの２極回転子に発生する２倍周波振動の低減を図った回転電機の回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン発電機などの回転電機の回転子として、図６及び図７に示すような２極回転子構造のものがある。図６は２極回転子の全体構成を示し、図７は図６のＡ−Ａ線に沿って切断し、矢印方向から見た拡大断面図である。
【０００３】
図６及び図７において、回転子鉄心１には複数のスロット２が軸方向にそれぞれ設けられ、これら各スロット２内に巻線３が収納されるとともに、スロット開口部に巻線３を押えるためのくさび４が挿入されている。スロット２は極間を結ぶＸ軸を中心とする扇形の範囲に配置され、磁極５を結ぶＹ軸方向にはスロットは存在しない。
【０００４】
従って、極間軸(Ｘ軸)回りに比べて磁極軸(Ｙ軸)回りの断面２次モーメントが低くなっている。すなわち、磁極軸(Ｙ軸)と極間軸(Ｘ軸)とで回転子鉄心１は曲げ剛性が異なるような断面形状を有している。
【０００５】
このように直交する２方向で異なる曲げ剛性を有する特性を異方性と呼び、２方向の曲げ剛性が等しい等方性とは区別している。
【０００６】
ところで、タービン発電機のような横軸回転機では、回転子鉄心１は軸が水平に配置されるため、重力による静たわみが回転子鉄心１に生じる。
【０００７】
上述したように磁極軸(Ｙ軸)と極間軸(Ｘ軸)とで回転子鉄心１の曲げ剛性が異なるため、図８（ａ）に示すように垂直方向に磁極軸(Ｙ軸)が向く場合と、極間軸(Ｘ軸)が向く場合で静たわみが変化する。
【０００８】
従って、図８（ｂ）に示すように回転子鉄心１が１回転する間に２周期分の静たわみの変動が発生する。言い換えれば、回転子鉄心１は曲げ合成の異方性によって重力から１回転について２周期の調和加振力を受けることになる。このような回転数の２倍の振動数を有する振動現象を２倍周波振動と通称している。
【０００９】
この２倍周波振動は、２極回転子特有の振動現象として知られているものであるが、回転子鉄心１の異方性に起因することから設計段階で何らかの対策が必要である。
【００１０】
そこで、従来では図９、図１０に示すように回転子鉄心１の磁極５の表面上に複数本のクロススロットと呼ばれる周方向溝７を軸方向に等間隔に設けることによって磁極軸（Ｙ軸）方向の曲げ剛性を低くし、磁極軸(Ｙ軸)方向と極間軸（Ｘ軸）方向とで静たわみが同等となるように設計されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平４−２１３３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように回転子鉄心１の磁極５の表面上に複数本のクロススロット７を軸方向に等間隔で離散的に配置することにより、磁極軸(Ｙ軸)方向と極間軸（Ｘ軸）方向とで静たわみを同等にする、つまり静的に等方性を実現できるので、２倍周波振動の抑制には有効である。
【００１２】
しかしながら、実際に発生する振動モードは、図１１（ａ）に示すような変形形状で、１次モードは静たわみ（静的変形）と近似してはいるものの、完全に一致しているものではない。さらに、特に定格回転数での振動が最も重要であるが、定格回転数では図１１（ｂ）に示すような高次モードであるため、クロススロット７により完全な等方性を実現することは困難で、ある程度の異方性が残存している。
【００１３】
この異方性は回転子鉄心１の断面及びクロススロット７の形状で決定されることから、つり合わせの調整が可能な不つり合い振動とは異なり、異方性に起因する２倍周波振動を製造技術上の調整によって低減することは困難であった。
【００１４】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、回転子鉄心の磁極軸方向と極間軸方向とで異なる回転子鉄心の曲げ剛性を調節してその差を低減し、運転時に曲げ剛性の相違によって生じる２倍周波振動を低減することが可能な回転電機の回転子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により回転電機の２極回転子を構成する。
【００１６】
請求項１に対応する発明は、複数のスロットが軸方向にそれぞれ設けられた回転子鉄心と、前記スロット内に収納された巻線と、前記スロット開口部に挿入され前記巻線を固定するくさびとを備えた回転電機の２極回転子において、前記スロット開口部に挿入されるくさびの曲げ剛性を変化させて回転子の磁極方向及び極間方向の曲げ剛性の比を調節可能にする。
【００１７】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の回転電機の回転子において、前記スロット開口部に挿入されるくさびの曲げ剛性は、くさびの材質を変更することで変化させる。
【００１８】
請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する発明の回転電機の回転子において、前記スロット開口部に挿入されるくさびの曲げ剛性は、前記くさびの断面形状を変更することで変化させる。
【００１９】
請求項４に対応する発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに対応する発明の回転電機の回転子において、前記スロット開口部に挿入されるくさびの曲げ剛性は、複数の分割くさびを用いることで変化させる。
【００２０】
請求項５に対応する発明は、請求項４に対応する発明の回転電機の回転子において、前記複数の分割くさびは、異なる曲げ剛性のものである。
【００２１】
請求項６に対応する発明は、請求項４又は請求項５に対応する発明の回転電機の回転子において、前記分割くさびの曲げ剛性は、振動モードに対応して軸方向に分布させたものである。
【００２２】
請求項７に対応する発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに対応する発明の回転電機の回転子において、前記スロット開口部に挿入されるくさびは、スロット毎に異なる曲げ剛性を有し、且つその曲げ剛性を円周方向に変化させる。
【００２３】
請求項８に対応する発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかに対応する発明の回転電機の回転子において、前記スロット開口部に挿入されるくさびは、回転数によるくさびの曲げ剛性変化を考慮して、所定の回転数で所定の曲げ剛性が得られるように配置される。
【００２４】
請求項９に対応する発明は、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の回転子を備えた回転電機を構成する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、くさびの曲げ剛性を変化させることにより異方性の回転子の曲げ剛性を調整することにより、従来では調整が困難であった２倍周波振動を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は、本発明の第１の実施形態である回転電機の２極回転子の要部を示す断面図である。
【００２８】
図１において、回転子鉄心１には磁極部間の円周上に複数本のスロット２が軸方向にそれぞれ設けられている。これら各スロット２の開口部２ａの内側は、開口端側より幅広に形成され、これら開口部２ａの内側と開口端側との間に肩部２ｂが形成されている。
【００２９】
これら各スロット２内に巻線３が開口部２ａより挿入され底部に収められるとともに、スロット２の開口部２ａに巻線３が脱落しないように肩部２ｂに合わせて棒状のくさび４をスロット２の軸方向端部より挿入する。
【００３０】
ここで、回転子は、前述したように曲げ剛性に対して僅かながら異方性が残存しているため、運転時には回転数の２倍の振動数を有する軸振動現象（２倍周波振動）が生じる。従来では、回転子の異方性を調整できないため、この２倍周波振動を低減することは困難である。
【００３１】
そこで、本発明では、くさび４の曲げ剛性を変更することによって回転子の曲げ剛性を等方性に近付けて２倍周波振動を低減させるものである。
【００３２】
くさび４は、運転時の遠心力により回転子鉄心１に密着して構造的に一体化する特性を有しているので、くさび４の曲げ剛性を変更すると回転子の曲げ剛性は変化する。くさび４の配置からくさび４の曲げ剛性は、回転子の極間を結ぶ軸回りよりも磁極を結ぶ軸回りの方が高いので、くさび４の曲げ剛性を変化させると回転子のＸ軸方向とＹ軸方向の２つの軸回りの曲げ剛性を変化させることができる。
【００３３】
従って、回転子の２つの軸回りの曲げ剛性の差が低減するようにくさび４の曲げ剛性を調整すれば、２倍周波振動を低減することができる。
【００３４】
第１の実施形態では、くさび４の曲げ剛性を調整する手段として、くさび４の材質を変更するものである。通常、くさび４の材料としてはアルミ合金を用いるのが一般的である。
【００３５】
図２は、くさび４の材質をアルミ合金からステンレス材に変更した場合の回転子の２倍周波振動の振動変位を比較したものである。ステンレス材のヤング率はアルミ材と比べて約３倍ほど値が高いので、同じ形状であれば曲げ剛性も同じ割合で高くなる。
【００３６】
図２の場合、回転子の極間方向の曲げ剛性よりも磁極方向の曲げ剛性が高く、破線で示すようにくさび４の材料にアルミ材を用いた場合には２倍周波振動が大きく現れていたが、ステンレス材に変更してくさび４の曲げ剛性を高めることによって、回転子の極間方向の曲げ剛性を補強した。
【００３７】
この結果、回転子の極間方向、磁極方向の曲げ剛性の差が縮小して２倍周波の振動振幅を低減することができる。
【００３８】
次に上記のように構成された回転電機の回転子の作用を説明する。
【００３９】
回転子が回転すると、くさび４にはそれ自身及びスロット２の内側に存する巻線３による遠心力Ｆが作用する。この遠心力Ｆが作用すると、くさび４はスロット２の肩部２ｂに当たり、スロット肩部２ｂにはくさび４から圧力ｐを受けるので、回転子鉄心１とくさび４とが密着し、構造物として一体化することになる。
【００４０】
くさび４は運転時に回転子に曲げ剛性を付加する特性を有している。また、くさび４は図７に示すようにスロット２の外周側に設置されることから、くさび４の極間軸（Ｘ軸）方向の曲げ剛性よりも磁極軸（Ｙ軸）方向の曲げ剛性の方が高くなるが、前述したようにくさび４の曲げ剛性を変化させることにより回転子の曲げ剛性を調節することが可能となり、回転子の振動を小さく抑えられる。
【００４１】
従って、本発明の第１の実施形態によれば、異方性を有する２極回転子において、回転子の磁極軸（Ｙ軸）方向と極間軸（Ｘ軸）方向の曲げ剛性の差異を縮小して２倍周波振動を低減できるので、信頼性を大きく向上させることができる。
【００４２】
図３は、本発明の第２の実施形態である回転電機の２極回転子の要部を示す断面図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００４３】
前述した第１の実施形態では、回転子の磁極方向の曲げ剛性が極間方向の曲げ剛性よりも大きい場合であるが、これとは逆に例えば回転子鉄心に設けられるスロットの深さによって回転子の磁極方向の曲げ剛性よりも、極間方向の曲げ剛性が大きくなる場合があり、このようなとき２倍周波振動を低減するには極間方向の曲げ剛性を相対的に下げる必要がある。
【００４４】
そこで、本発明の第２の実施形態では、図３に示すようにスロット２の開口部２ａに挿入されるくさび４の内部に例えば丸孔からなる空胴６を軸方向に設けて断面形状を変化させることにより、回転子の極間方向の曲げ剛性を磁極方向の曲げ剛性と均一になるように調整するようにしたものである。
【００４５】
このようにくさび４に上述のような空胴６を加工して断面形状を変化させると、くさび４の曲げ剛性が低下するので、回転子の極間方向の曲げ剛性を相対的に下げることができる。これにより、２倍周波振動の振動振幅を低減することができる。
【００４６】
図４は、本発明の第３の実施形態である回転電機の回転子の要部を示す断面図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００４７】
本発明の第３の実施形態では、図４（ａ）に示すように回転子鉄心１のスロット２の開口部２ａに挿入される棒状のくさび４を複数分割または単位長さのくさびを所定の長さに結合して曲げ剛性を調整するようにしたものである。
【００４８】
図４（ｂ）において、くさび４ａは全長にわたり一体化しているが、くさび４ｂは全長が３分割されたものである。この３分割されたくさび４ｂは、各分割点で曲げモーメントが伝達されないことから、曲げ剛性が不連続となるので、くさび３ｂの全長の曲げ剛性は一体化されたくさび３ａより低くなる。さらに、くさび４ｃでは全長が１８分割されているので、全長の曲げ剛性はくさび３ａと比較して著しく低下する。
【００４９】
このようなくさび４ａ〜４ｃを用いて回転子鉄心１のスロット２に挿入する場合、製造上の作業を考えると、くさび４はくさび４ｂのように短く分割されている方が作業し易く都合が良い。
【００５０】
そこで、回転子鉄心１のスロット２に挿入されるくさび４として作業性の良いくさび４ｂを用い、回転子鉄心１の曲げ剛性が磁極方向よりも極間方向が低い場合には磁極方向の曲げ剛性を高めるためにくさび４ａのように結合して一体化したものに変更すれば、両方向の曲げ剛性の差を縮小することができ、２倍周波振動を低減することができる。
【００５１】
一方、回転子鉄心１の曲げ剛性が磁極方向よりも極間方向が高い場合には、くさび４ｃのように極短く分割されたものに変更することにより、同様に２倍周波振動を低減することができる。
【００５２】
前述した第３の実施形態では、図４（ｂ）に示すくさび４ｂまたはくさび４ｃのように分割したくさび４を用いる場合であるが、これら分割された各部分にそれぞれ異なった曲げ剛性の材質のものを用いるようにしてもよい。
【００５３】
この場合、材質を変更して曲げ剛性を変えるには、材料によって連続的なヤング率の変更はできないので、僅かな曲げ剛性の調整は困難になる。しかし、くさび４が分割されていれば、部分ごとに材質の変更ができるので、くさび４全長としての曲げ剛性の微調整が可能である。
【００５４】
また、前述したくさび４ａ〜４ｃを用い、振動モードに対応させて軸方向のくさびの曲げ剛性を分布させるようにしても良い。
【００５５】
２極回転子を備えた回転電機を定格回転数で運転すると、回転子には図４（ｃ）に示すような高次の固有モードで振動が発生する。このとき、振動の腹の部分では変形の曲率が大きいので、回転子の曲げ剛性が振動変位に大きく寄与する。反対に振動の節の部分はほぼ直線で曲率が小さいので、曲げ剛性はあまり寄与しない。従って、振動を調整するには腹の部分の剛性を変更するのが有効である。
【００５６】
そこで、本実施形態では、くさび４を図４（ｃ）のモード形状に合わせて、図（ｂ）のくさび３ｂのように３分割したものを用いて、このくさび３ｂで両側部分の曲げ剛性を変更することにより、２倍周波振動に対して大きな変化が与えられる。これに対して、中央部の変更は相対的に小さいから微調整に用いる。
【００５７】
このようにすれば、固有モードに合わせた調整を行うことができるので、２倍周波振動をより低減することができる。
【００５８】
図５は、本発明の第４の実施形態である回転電機の回転子の半周部分を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はそのくさび部分の展開図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００５９】
本発明の第４の実施形態では、回転子鉄心１の１／４周部分に８本設けられたスロット２に異なる分割数のくさび４を挿入してくさび４の曲げ剛性を円周方向に変化させたものである。
【００６０】
このような構成とすれば、スロット２毎に異なる曲げ剛性を有するくさび４を配置できるので、全体としてのくさび４の曲げ剛性を細かく調整することが可能となり、２倍周波振動をより一層低減することができる。
【００６１】
前述した各実施形態において、回転数によるくさびの曲げ剛性変化を考慮して所定の回転数で所定の曲げ剛性が得られるようにしても良い。
【００６２】
図１に示すようにくさび４は、遠心力によって回転子鉄心１と密着し一体化した状態となるが、くさび４と回転子鉄心１とが摩擦力で接続されていることから、くさび４の曲げ剛性が回転子鉄心１の曲げ剛性に負荷する量は回転数に依存している。一般的に定格回転数における振動値を抑制することが特に強く要求される。
【００６３】
前述した図５に示す構成では、くさび４の配置によってくさび３の曲げ剛性を変更して回転子鉄心１の曲げ剛性を調整できるが、図２に示すような回転数に対する２倍周波振動の振動振幅の変化を考慮して、定格回転数における破線で示す調整前の振幅が最小となるようにくさび４の分割、配置に変更を加えることにより、くさび４の曲げ剛性を調整し、振動を低減させることができる。
【００６４】
このようにすれば、回転同期あるいは２倍周波振動の危険速度における振幅を低減させたい場合にも同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施形態である回転電機の回転子の要部を示す断面図。
【図２】同実施形態において、くさびの材質をアルミ合金からステンレス材に変更した場合の回転子鉄心の２倍周波振動を比較して示すグラフ。
【図３】本発明の第２の実施形態である回転電機の回転子の要部を示す断面図。
【図４】（ａ）は本発明の第３の実施形態である回転電機の回転子の要部を示す断面図、（ｂ）は分割されたくさびを示す図、（ｃ）は回転子に高次の固有モードで発生する振動波形図。
【図５】本発明の第４の実施形態である回転電機の回転子の半周部分を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はそのくさび部分の展開図。
【図６】回転電機の２極回転子の全体構成の概略を示す正面図。
【図７】図６のＡ−Ａ線に沿って切断し、矢印方向から見た拡大断面図。
【図８】（ａ）は同２極形回転子において、２倍周波振動により垂直方向に磁極軸が向く場合と極間軸が向く場合に発生する静たわみの変化状態を示す図、（ｂ）は回転子鉄心が１回転する間に２周期分の静たわみの変動を示す波形図。
【図９】従来の回転電機の２極回転子の全体構成の概略を示す正面図。
【図１０】同２極回転子の全体構成を示す斜視図。
【図１１】（ａ）は同２極回転子において、振動モードとして発生する１次モードの波形図、（ｂ）は高次モードの波形図。
【符号の説明】
【００６６】
１…回転子鉄心、２…スロット、２ａ…スロット開口部、２ｂ…スロット肩部、３…巻線、４，４ａ〜４ｃ…くさび、５…磁極、６…空胴
【図１】
2005328614.tif 000003
【図２】
2005328614.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005328614.tif 000009
【図８】
2005328614.tif 000010
【図９】
2005328614.tif 000011
【図１０】
2005328614.tif 000012
【図１１】
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