(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に磁性薄板を積層して構成された環状の固定子コアを有する固定子と、前記固定子コアに設けられ前記固定子コアの内周面に開口部を有する固定子スロットと、前記固定子スロットに収納された固定子コイルと、前記軸方向に磁性薄板を積層して構成され前記固定子コアの前記内周面と間隙を介して外周面が対向するように前記固定子コアの内側空間部に配置された回転子コアを有する回転子と、前記回転子コアに設けられ前記外周面に開口部を有する回転子スロットと、前記回転子スロットに収納された回転子コイルと、前記回転子コイルに対して前記回転子コアの外周面側に位置して前記回転子スロットに設置された非磁性くさびと、前記非磁性くさびに対して前記回転子コアの外周面側に位置して前記回転子スロットに設置され前記回転子コアに係合して少なくとも前記回転子コアの半径方向外側への移動が阻止される磁性くさびとを備えた交流励磁回転電機であって、
前記磁性くさびは、その長さ方向端部に於いて前記非磁性くさびと係合して前記長さ方向への移動を阻止する係合部を備えた、
ことを特徴とする交流励磁回転電機。
【請求項２】
前記回転子コアは、その半径方向内側から半径方向外側に延びる回転子通風ダクトを備え、前記磁性くさびは、前記回転子通風ダクトに対応する部分に前記回転子通風ダクトに繋がる切欠部を備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載の交流励磁回転電機。
【請求項３】
前記切欠部は、前記磁性くさびの側部に、前記磁性くさびの前記半径方向内側の表面から前記半径方向外側の表面の幅方向内側へ傾斜する傾斜面を備えた、
ことを特徴とする請求項２に記載の交流励磁回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、交流励磁可変速発電電動機等の交流励磁回転電機に関し、特にその回転子くさびの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、交流励磁回転電機は、固定子スロットに収納された固定子コイルと、回転子スロットに収納された回転子コイルとを備えているが、一般に、固定子スロットは、固定子コアの内周面に開口した開放スロットであり、回転子スロットは、回転子コアの外周面に開口した開放スロットである。このため、固定子コアの内周面と回転子コアの外周面との間の空隙部では、固定子スロットと回転子スロットによる磁気抵抗の脈動が発生し、固定子コイルに誘起される出力電圧に波形歪（高調波）が発生する。この現象は、スロット高調波と呼ばれる。
【０００３】
この波形歪の大きさは、固定子スロットの数と回転子スロットの数の組合せに大きく依存するため、スロット数の選定は非常に重要な設計項目となっている。しかし、これらスロット数の選定は、波形歪のみを考慮して決め得るものではなく、各部の磁束密度や励磁電流、励磁電圧等の電気設計の最適化、及び小型化等をも考慮して決定される必要がある。
【０００４】
一方、従来の水車発電機等の回転電機では、スロット高調波を抑制するために、固定子スロットに磁性くさびを設けて波形歪の改善を図る手法が採られることがあった（例えば、特許文献１参照）。この従来の回転電機では、固定子スロットに磁性くさびを使用することにより、空隙部の磁気抵抗の脈動を小さくし、スロット高調波を抑制する効果がある。なお、特許文献１に示された回転電機は、永久磁石式回転電機であるが、永久磁石を用いない回転電機についても同様の効果が得られる。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２５２８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、交流回転電機では、スロット数の選定は、波形歪のみを考慮して決め得るものではなく各部の磁束密度や励磁電流、励磁電圧等の電気設計の最適化、及び小型化等をも考慮して決定される必要があり、このため、電気設計面では最適なスロット数であっても波形歪が大きいとそのスロット数を採用することができず、或いは電気設計面及び波形歪を満足するスロット数であっても回転電機の体格の拡大等コストアップを招く等の課題があった。
【０００７】
一方、特許文献1に示された従来の回転電機では、磁束が固定子の磁性くさびを通るため磁性くさびに電磁力が作用するが、周波数ｆで動作する回転電機では２ｆの関数で表わされる電磁力が固定子の磁性くさびに作用し、振動により磁性くさびが疲労破壊する可能性があるという課題があった。
【０００８】
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、交流励磁回転電機のスロット高調波による電圧波形の歪を低減し高品質の電力を供給し得る交流回転電機を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明による交流励磁回転電機は、軸方向に磁性薄板を積層して構成された環状の固定子コアを有する固定子と、前記固定子コアに設けられ前記固定子コアの内周面に開口部を有する固定子スロットと、前記固定子スロットに収納された固定子コイルと、前記軸方向に磁性薄板を積層して構成され前記固定子コアの前記内周面と間隙を介して外周面が対向するように前記固定子コアの内側空間部に配置された回転子コアを有する回転子と、前記回転子コアに設けられ前記外周面に開口部を有する回転子スロットと、前記回転子スロットに収納された回転子コイルと、前記回転子コイルに対して前記回転子コアの外周面側に位置して前記回転子スロットに設置された非磁性くさびと、前記非磁性くさびに対して前記回転子コアの外周面側に位置して前記回転子スロットに設置され前記回転子コアに係合して少なくとも前記回転子コアの半径方向外側への移動が阻止される磁性くさびとを備えた交流励磁回転電機であって、前記磁性くさびは、その長さ方向端部に於いて前記非磁性くさびと係合して前記長さ方向への移動を阻止する係合部を備えたものである。
【００１１】
また、この発明による交流励磁回転電機に於いて、好適には、前記回転子コアは、その半径方向内側から半径方向外側に延びる回転子通風ダクトを備え、前記磁性くさびは、前記回転子通風ダクトに対応する部分に前記回転子通風ダクトに繋がる切欠部を備えるものである。
【００１２】
更に、この発明による交流励磁回転電機に於いて、好適には、前記切欠部は、前記磁性くさびの側部に、前記磁性くさびの前記半径方向内側の表面から前記半径方向外側の表面の幅方向内側へ傾斜する傾斜面を備えるものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明による交流励磁回転電機によれば、回転子の回転による遠心力により磁性くさびが回転子コアにその半径方向外側に押圧され、電磁力が磁性くさびに作用しても磁性くさびが振動することはなく、従がって、磁性くさびが振動により疲労破壊を生じることがない。また、磁性くさびにより固定子と回転子との間の空隙部の磁気抵抗脈動が小さくなるため、スロット高調波を改善することができ、スロット高調波による電圧波形の歪を低減し、高品質の電力を供給し得る交流励磁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】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る交流励磁回転電機の一部分の横断面図、図２は、図１のＡ部の拡大図である。この実施の形態１では、交流励磁回転電機の例として交流励磁可変速発電電動機を示しており、以下の説明では、交流励磁可変速発電電動機として説明する。
【００１５】
図１及び図２に於いて、交流励磁可変速発電電動機の固定子は、多数の磁性薄板である薄板鋼板を軸方向に積層した積層体からなる環状の固定子コア１を備えている。固定子コア１の内周側に設置された固定子スロット２は、固定子コア１の内周面に開口部を有している。固定子スロット２には、３相固定子コイル（図示せず）が収納されている。また、固定子スロット２には、固定子コイルを保持する非磁性くさび（図示せず）が設置され、固定子スロット２の開口部はこの非磁性くさびにより閉塞されている。
【００１６】
交流励磁可変速発電電動機の回転子は、多数の磁性薄板である薄板鋼板を軸方向に積層した積層体からなる回転子コア３を備えている。回転子コア３の外周側に設置された回転子スロット４は、回転子コア３の外周面に開口部を有している。回転子スロット４には、３相交流励磁巻線を構成する回転子コイルの下口コイル６と上口コイル７が収納されている。下口コイル６は回転子スロット４の底部に配置され、上口コイル７は下口コイル６に対して回転子コア３の外周面側に位置して回転子スロット４に収納されている。回転子コア３は、固定子コア１の内側空間部に挿入され、外周面が固定子コア１の内周面に所定の空隙部５を介して対向している。
【００１７】
非磁性材料により構成された非磁性くさび８は、上口コイル７に対して回転子コア３の外周面側に位置して回転子スロット４に設置されている。非磁性くさび８は、その側面部が回転子スロット４の側壁に設けられた凹部に係合しており、回転子コア３の半径方向への移動及び周方向への移動が阻止されている。
【００１８】
磁性くさび９の側面部は、断面が三角形状に構成され、回転子スロット４の開口部近傍の側壁に設けられた断面が三角形状の凹部に強固に係合している。これにより、非磁性くさび９は、回転子コア３の半径方向への移動、及び周方向への移動が阻止されている。また、磁性くさび９は、回転子スロット４の開口部を閉塞し、その外表面が回転子コア３の外周面とほぼ同一面となるように構成されている。下口コイル６と上口コイル７は、くさび下スペーサ１１及びコイル間スペーサ１０を介して、非磁性くさび８により回転子スロット４内に強固に保持されている。
【００１９】
前述のように構成された交流励磁可変速発電電動機は、発電機として動作するとき、回転子コイルに三相交流の励磁電流が通電されて回転磁界が発生し、その回転磁界が回転子の回転と相俟って固定子コイルを横切り、固定子コイルに三相交流電圧が発生する。回転子コイルに印加される電圧の周波数は、例えば２乃至６［Ｈｚ］程度であるが、回転子の回転速度の設定により、固定子コイルに誘起される電圧の周波数は例えば商用周波数となる。
【００２０】
固定子コア１と回転子コア３との間の空隙部５での回転子スロット４による磁気抵抗脈動は、磁性くさび９により低減される。このため、スロット高調波を抑制することできる。また、回転子スロット４内の回転子コイルである下口コイル６及び上口コイル７、更にそれらに設けられている絶縁物等に作用する回転子の回転による遠心力は、非磁性くさび８により強固に受け止められる。従がって、磁性くさび９は、自身の遠心力のみを保持できればよいことになる。
【００２１】
また、交流励磁可変速発電電動機の運転中は、常に回転子の半径方向外側に遠心力が作用し磁性くさび９が回転子コア３に押圧されて強固に固定されるため、従来の回転電機に於いて固定子スロットに設けた磁性くさびに発生したような電磁振動は発生し難くなる。また、交流励磁可変速発電電動機の回転子側の周波数は、前述したように一般的に数［Ｈｚ］であり、固定子側に比べ周波数が低いため、固定子スロット２に磁性くさびを設けた場合に比べ疲労破壊も発生し難い。このように、スロット数の変更等電気設計を変更することなく、容易に電圧波形を良好にすることができるとともに、電磁振動による磁性くさびの割れが発生し難い構造の交流励磁可変速発電電動機を得ることができる。
【００２２】
実施の形態２．
次にこの発明の実施の形態２に係る交流励磁回転電機について説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係る交流励磁回転電機の一部分の縦断面図であり、図２のＢ−Ｂ線に沿う断面に相当する。この実施の形態２では、交流励磁回転電機の例として交流励磁可変速発電電動機を示しており、以下の説明では、交流励磁可変速発電電動機として説明する。
【００２３】
図３に示す交流励磁可変速発電電動機は、中心軸１２が垂直方向に設置されている。この中心軸１２は、回転子コア３及び固定子コア（図示せず）の中心軸をなし、回転子コア３の中心部に設けられている回転子軸（図示せず）の中心軸でもある。回転子コア３の回転子スロットに設置された非磁性くさび８は、その軸方向端部、即ち長さ方向端部である下端部に於ける半径方向外側の表面に、半径方向外側に突出する環状の凸部８１からなる係合部が形成されている。また、回転子コア３の回転子スロットに設置された磁性くさび９は、その軸方向端部、即ち長さ方向端部である半径方向内側の表面に、環状の凹部９１からなる係合部が形成されている。
【００２４】
磁性くさび９の凹部９１と非磁性くさび８の凸部８１とは、図３に示すように互いに係合して、磁性くさび９が軸方向に移動して抜け落ちるのを防止する係合構造１３を構成している。なお、非磁性くさび８は、軸方向端部の下端に於いて脱落防止用のテープを巻回する等により、従来と同様の方法にて軸方向に保持され抜け止めされている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００２５】
このように構成されたこの発明の実施の形態２に係る交流励磁可変速発電電動機によれば、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることができると共に、非磁性くさびと磁性くさびが軸方向に係合されるため、磁性くさびの抜け落ちを防止することができる。
【００２６】
なお、前述の説明では、係合部１３を、磁性くさび８及び非磁性くさび９の軸方向下端部にのみ形成した場合を示したが、軸方向上端部に同様に形成しても良く、この場合、磁性くさび９の熱による伸縮等により磁性くさび９が脱落するのを防止できる効果が得られる。
【００２７】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る交流励磁回転電機について説明する。図４は、この発明の実施の形態３に係る交流励磁回転電機の一部分の縦断面図、図５は、図４のＣ−Ｃに沿う横断面図、図６は、この発明の実施の形態３に於ける交流励磁回転電機の磁性くさびの平面図である。この実施の形態３では、交流励磁回転電機の例として交流励磁可変速発電電動機を示しており、以下の説明では、交流励磁可変速発電電動機として説明する。
【００２８】
図４、図５、図６に於いて、回転子コア３は、その半径方向内側から半径方向外側に延びる複数の回転子通風ダクト１４を備えている。これらの複数の回転子通風ダクト１４は、回転子コア３の積層方向に所定の間隔を介して設置されている。非磁性くさび８は、回転子通風ダクト１４に対応する部分の両側部に回転子通風ダクト１４に繋がる通風用の切欠部８２を夫々備えている。また、磁性くさび９は、回転子通風ダクト１４に対応する部分の両側部に回転子通風ダクト１４に繋がる通風用の切欠部９２を夫々備えている。
【００２９】
非磁性くさび８に設けられた切欠部８２の底面、及び磁性くさび９に設けられた切欠部９２の底面は、夫々、回転子通風ダクト１４の方向と同一の方向である回転子コア３の半径方向となるように形成されている。その他の構成は、実施の形態１又は実施の形態２と同様である。
【００３０】
以上のように構成されたこの発明の実施の形態３による交流励磁形可変速発電電動機によれば、図５に示すように、通風ダクト１４内を冷却風１６が回転子コア３の内径側から外径側に向けて半径方向に流れるが、非磁性くさび８の両側部に設けられた切欠部８２と磁性くさび９の両側部に設けられた切欠部９２により、冷却風１６が通風の阻害を受けることなく流れることができる。従がって、実施の形態１又は実施の形態２の場合と同様の効果を奏することができる上に、通風特性が非磁性くさび８及び磁性くさび９により阻害されることがない。
【００３１】
実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４に係る交流励磁回転電機について説明する。図７は、この発明の実施の形態４に係る交流励磁回転電機の回転子通風ダクト部の横断面図、図８は、この発明の実施の形態４に係る交流励磁回転電機の磁性くさびの平面図である。この実施の形態４では、交流励磁回転電機の例として交流励磁可変速発電電動機を示しており、以下の説明では、交流励磁形可変速発電電動機として説明する。
【００３２】
図７及び図８に於いて、磁性くさび９は、回転子通風ダクト１４に対応する部分の両側部に、切欠部９３を備えている。この切欠部９３は、磁性くさび９の下面側即ち回転子コア３の半径方向内側の表面から上面側即ち回転子コア３の半径方向外側の表面の幅方向内側へ傾斜する傾斜面９３１を備えている。その他の構成は、実施の形態３と同様である。
【００３３】
回転子通風ダクト１４に流れる冷却風１６は、図７に示すように回転子コア３の内径側から外径側に向けて半径方向に流れるが、回転子通風ダクト１４に於ける回転子と固定子との空隙部への出口部では、冷却風１６は回転子の回転方向遅れ側に向かう成分１６１を持つこととなる。この発明の実施の形態４による交流励磁可変速発電電動機によれば、磁性くさび９の両側部には、前述のように、磁性くさび９に、磁性くさび９の下面側即ち回転子コア３の半径方向内側の表面から上面側即ち回転子コア３の半径方向外側の表面の幅方向内側へ傾斜する傾斜面９３１を備えた切欠部９３を備えているので、回転方向遅れ側に向かう冷却風１６１が空隙に出る際の通風抵抗を低減することができる。
【００３４】
また、回転子通風ダクト１４から空隙部へ冷却風１６が出る際、通風路の断面が急拡大することにより圧力損失が発生するので、この圧力損失を減らすためは、通風空間の断面積を急拡大させずに徐々に拡大させる必要があるが、実施の形態４によれば、磁性くさびの切欠部９３は、磁性くさび９の下面側即ち回転子コア３の半径方向内側の表面から上面側即ち回転子コア３の半径方向外側の表面の幅方向内側へ傾斜する傾斜面９３１を備えているので、回転子通風ダクト１４から空隙部にかけて通風路の断面積の急拡大を抑制でき通風特性を改善することができる。
【００３５】
なお、交流励磁可変速発電電動機では、一般的に回転子は両方向に回転するため、磁性くさびの切欠部９２は、左右両側部に設ける必要があるが、回転子が一方向にのみ回転する回転電機であれば、磁性くさびの回転方向進み側の側部にのみ磁性くさびの下面側から上面側へ延び且つ磁性くさびの幅方向中央部に向かって傾斜する切欠部を設けても良い。
【００３６】
以上述べた実施の形態１乃至４では、交流励磁可変速発電電動機を例に説明したが、この発明は交流励磁可変速発電電動機に限られるものではなく、回転子に交流励磁コイルを備えた交流励磁回転電機全てに適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の実施の形態１に係る交流励磁回転電機の一部分の横断面図である。
【図２】図１のＡ部の拡大図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る交流励磁回転電機の一部分の縦断面図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る交流励磁回転電機の一部分の縦断面図である。
【図５】図４のＣ−Ｃに沿う横断面図である。
【図６】この発明の実施の形態３に於ける交流励磁回転電機の磁性くさびの平面図である。
【図７】この発明の実施の形態４に係る交流励磁回転電機の回転子通風ダクト部の横断面図である。
【図８】この発明の実施の形態４に係る交流励磁回転電機の磁性くさびの平面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    固定子コア
２    固定子スロット
３    回転子コア
４    回転子スロット
５    空隙
６    下口コイル
７    上口コイル
８    非磁性くさび
９    磁性くさび
１０    コイル間スペーサ
１１    くさび下スペーサ
１２    中心軸
１３  係合構造
１４    冷却ダクト
１６、１６１    冷却風
１７  磁性くさび空隙面の切り欠き
８１、９１    係合部
９２、９３    切欠部
９３１    傾斜面
【図１】
0005129034.tif 000002
【図２】
0005129034.tif 000003
【図３】
0005129034.tif 000004
【図４】
0005129034.tif 000005
【図５】
0005129034.tif 000006
【図６】
0005129034.tif 000007
【図７】
0005129034.tif 000008
【図８】
0005129034.tif 000009