(57)【要約】電磁鋼鈑を軸方向に積層し複数のスロットを有する固定子コア（１）と、スロットに挿入された固定子コイル（２）と、固定子コア（１）の外側軸方向端面に設置されたフィンガープレート（３）と、フィンガープレート（３）の外側軸方向端面に設置されるとともにフィンガープレート（３）を介して固定子コア（１）を締め付けるクランパ（４）を有し、更にフィンガープレート（３）における上口固定子コイルの周方向横に位置する反固定子コア側（３ｂ）のいずれかの位置から内径側先端部（３ａ）までの一部に直方体状の切り欠き部を設ける。
2018207302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁鋼鈑を軸方向に積層し複数のスロットを有する固定子コアと、上記スロットに挿入された固定子コイルと、上記固定子コアの外側軸方向端面に設置されたフィンガープレートを有する回転電機の固定子において、
上記フィンガープレートにおける上口固定子コイルの周方向横に位置する反固定子コア側のいずれかの位置から内径側先端部までの一部に直方体状の切り欠き部を設けた回転電機の固定子。
【請求項２】
上記切り欠き部における軸方向に対向する面が内径側から外径側に向かって高さが高くなるような傾斜面に形成された請求項１に記載の回転電機の固定子。
【請求項３】
上記切り欠き部における軸方向に垂直な面と上記内径側先端部との間に面取り部を設けた請求項１又は請求項２に記載の回転電機の固定子。
【請求項４】
上記切り欠き部における上記固定子コアの端面に対向する面を上記内径側先端部に向かって徐々に高さが低くなるようにしたテーパ面に構成した請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転電機の固定子に関するものであり、特に固定子端部における損失を低減するための構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術における回転電機の固定子としては、固定子鉄心を、両端に設けられたフィンガープレートおよびクランパで締め付けたものがあった。そして固定子鉄心、フィンガープレート、クランパは、鉄心を貫通するコアボルトと、鉄心スロット背部を貫通する絶縁されたスルーボルトにより、均一にしかも強固に締め付けられ、更に複数個の固定子コイルが固定子鉄心の軸方向スロットに挿入されたものであった。【０００３】
回転電機の運転中には、固定子コイルおよび回転子コイルから漏洩磁束が発生し、フィンガープレートにはこの漏洩磁束が侵入する。フィンガープレートに侵入した漏洩磁束に起因して、周縁部に渦電流が流れ、損失が発生する。フィンガープレートはＳＵＳなどの比較的抵抗の大きい金属部材によって構成されており、例えばタービン発電機のような回転電機では５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの低周波数の漏洩磁束が発生するため、渦電流の流れる表皮深さは深い傾向にある。【０００４】
このため従来の回転電機では、直方体構造のフィンガープレートの高さを表皮高さ程度にまで低減させたり、あるいはフィンガープレート先端部をテーパ形状にすることでフィンガープレート先端部の高さを低減させ、渦電流による損失を低減させている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２５２８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のように従来においては、フィンガープレートの高さを表皮深さ程度まで低減させることにより、渦電流による損失を低減させていた。しかし回転電機の大容量化に伴い、フィンガープレートに侵入する漏洩磁束量が増加するようになり、渦電流による損失が増加し、回転電機の効率の低下が問題となっており、このような問題に対処する必要が生じてきた。【０００７】
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、フィンガープレートの簡単な構造により、回転電機の固定子端部に発生する損失を確実に低減できる回転電機の固定子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る回転電機の固定子は、電磁鋼鈑を軸方向に積層し複数のスロットを有する固定子コアと、上記スロットに挿入された固定子コイルと、上記固定子コアの外側軸方向端面に設置されたフィンガープレートを有するものであって、上記フィンガープレートにおける上口固定子コイルの周方向横に位置する反固定子コア側のいずれかの位置から内径側先端部までの一部に直方体状の切り欠き部を設けたものである。
【発明の効果】
【０００９】
上記のよう構成された回転電機の固定子によれば、簡単な構造によりフィンガープレートで発生する渦電流による損失を低減させ、回転電機の効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１による回転電機の固定子の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１による回転電機の固定子の要部を示す断面図である。
【図３】一部切除加工がなされていないフィンガープレートで発生する損失を三次元電磁界解析にて算出した損失分布図である。
【図４】実施の形態１によるフィンガープレートで発生する渦電流による損失分布図である。
【図５】フィンガープレートにおける電流経路を示す正面図である。
【図６】実施の形態２による回転電機の固定子の要部を示す断面図である。
【図７】実施の形態２による回転電機の固定子の要部を示す断面図である。
【図８】実施の形態３による回転電機の固定子の要部を示す断面図である。
【図９】実施の形態４による回転電機の固定子の要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、実施の形態１を図に基づいて説明する説明する。図１は実施の形態１による回転電機の固定子の構成を示す断面図、図２は回転電機の固定子の要部を示す断面図である。図において、固定子は、固定子コア１と、固定子コイル２と、フィンガープレート３と、クランパ４と、シールドコア５と、シールド押え６と、コアボルト７と、スルーボルト８から構成されている。
【００１２】
そして固定子コア１は、電磁鋼鈑を軸方向に積層されることにより構成され、更に複数の開放スロットを有している。固定子コイル２は固定子コア１のスロットに巻装されている。フィンガープレート３は固定子コア１の外側軸方向端面に設置されている。クランパ４はフィンガープレート３の外側軸方向端面に設置されるとともにフィンガープレート３を介して固定子コア１を締め付け、更に磁性金属で構成されている。シールドコア５はクランパ４の外側軸方向端面に設置され、電磁鋼鈑を積層されることにより構成されている。シールド押さえ６はシールドコア５を固定する。コアボルト７は外径側に設置されるとともに、固定子コア１、フィンガープレート３、クランパ４、シールドコア５およびシールド押え６を貫通し固定する。スルーボルト８は内径側に設置されるとともに固定子コア１、フィンガープレート３、クランパ４、シールドコア５およびシールド押え６を貫通し固定する。又フィンガープレート３は、渦電流を抑制するためにフィンガープレート３の内径側先端部３ａにおいて、一部が切除加工されている。
【００１３】
次に動作について説明する。
回転電機の運転中には、上口固定子コイル端部２ａ、下口固定子コイル端部２ｂおよび図示しない回転子コイルから漏洩磁束が発生し、フィンガープレート３にはこの漏洩磁束が侵入する。フィンガープレート３にはこの漏洩磁束を打ち消すような渦電流がフィンガープレート３の周縁部に流れる。図２における矢印Ａは渦電流の流通経路を示す。フィンガープレート３の内径側先端部３ａを一部切除加工することで渦電流の流通経路を調整し、フィンガープレート３で発生する渦電流による損失を低減できる。
【００１４】
図３は一部切除加工がなされていないフィンガープレート３における、フィンガープレート３で発生する損失を三次元電磁界解析にて算出した損失分布図である。この解析結果より、フィンガープレート３で発生する渦電流による損失は固定子コイル電流が作る周方向漏洩磁束によって発生し、上口固定子コイルの周方向横に位置する反固定子コア側３ｂと内径側先端部３ａで損失が大きくなっていることが初めて判明した。図３において、５．００ｅ＋００６は５×１０６を示しており、単位はＷ／ｍ３であり、発生する熱の損失密度を表している。このことは後に示す図４についても同様である。なお上口固定子コイルの周方向横に位置する固定子側３ｃにおいては、磁束が固定子コア１を通るため渦電流による損失はさほど大きくない。
【００１５】
フィンガープレート３の内径側先端部３ａの損失は、表皮深さを基準としてフィンガープレート３の高さを低減することで、損失低減効果はあるが、反固定子コア側３ｂの損失については十分な低減効果がない。反固定子コア側３ｂの損失を低減できる構造を検討した結果、反固定子コア側３ｂの損失を低減するためには、反固定子コア側３ｂのいずれかの位置から内径側先端部３ａまでの一部を直方体状に切除加工し、即ち直方体状の切り欠き部を設けることが効果的であることが判明した。図４はフィンガープレート３において上口固定子コイルの周方向横に位置する反固定子コア側３ｂのいずれかの位置から内径側先端部３ａまでの一部を直方体状に切除加工した場合のフィンガープレート３で発生する渦電流による損失分布図である。図３の場合と比較して、損失を大幅に低減していることが確認できる。即ち図４の場合に比べて図３の場合は、フィンガープレート３の内径側先端部３ａ及び反固定子コア側３ｂにおいて、黒色の濃い部分が多く分布しており、即ち大きな熱が発生していることが分かる。
【００１６】
次に反固定子コア側３ｂのいずれかの位置から内径側先端部３ａまでの一部を直方体状に切除加工することによりフィンガープレート３で発生する渦電流による損失が低減されるメカニズムについて、図５に基づいて詳しく説明する。図３で示された損失密度分布より、上口固定子コイルの周方向横で損失密度が最も大きくなっていることが分かる。図５（Ａ）は図３に示されるような切除加工されていないフィンガープレートにおける電流経路を示す正面図であり、電流経路は図５（Ａ）においては、ループ１００〜１０３に示されるような渦電流ループとなっていると考えられる。但し実際には４つよりも多くのループからなっているが、説明を簡単にするために４つのループを設定する。そして上口固定子コイル端部２ａの周方向横で各渦電流ループ１００〜１０３が重なって集中部Ｘが生じ、この集中部Ｘで損失密度が大きくなっている。
【００１７】
図５（Ｂ）はテーパ状に切除加工されたフィンガープレートにおける電流経路を示す正面図であり、この場合も上口固定子コイル端部２ａの周方向横で各渦電流ループ１００〜１０３が重なって集中部Ｙが生じ、この集中部Ｙで損失密度が大きくなっている。図５（Ｂ）の場合、上口固定子コイル端部２ａの周方向横の集中部Ｙにおける電流経路の長さは集中部Ｘにおける電流経路の長さよりも若干大きくなるが、その程度は小さい。ここで渦電流の大きさは磁束が通過する面積が小さいほど、更には電流経路のループの長さが長いほど小さくなる。従ってテーパ状に切除加工されるだけではわずかしか渦電流による損失を低減出来ない。図５（Ｃ）は直方体状に切除加工されたフィンガープレートにおける電流経路を示す正面図であり、各渦電流ループ１００〜１０３が上口固定子コイル端部２ａの周方向横に集中して集中部Ｚが発生しても、この部分に直方体状に切除加工された部分があるため、集中部Ｚにおける電流経路の長さが図５（Ａ）、図５（Ｂ）の場合と比べると大幅に大きくなっていることが分かる。即ち図５（Ｂ）に示すテーパ状に切除加工されたフィンガープレートの場合と磁束が通過する面積が同じであったとしても、渦電流が集中する部分における電流経路の長さが大きくなるように切除加工することにより、渦電流による損失を大幅に低減することが出来る。上記のように上口固定子コイル端部２ａの周方向横で渦電流が集中することを見出し、この部分を直方体状に切除加工することにより、渦電流による損失を大幅に低減できるようにしたことが本実施形態の特徴である。
【００１８】
フィンガープレート３は固定子コア１を軸方向に押圧するために配置されるが、上口固定子コイルの周方向横に位置する反固定子コア側３ｂから内径側先端部３ａまでの一部を切除加工する程度であれば本来の機能を失うことはない。実施の形態１では、このようにフィンガープレート３において、上口固定子コイルの周方向横に位置する反固定子コア側３ｂのいずれかの位置から内径側先端部３ａまでの一部を直方体状に切除加工して直方体状の切り欠き部を設けることにより、フィンガープレート３で発生する渦電流による損失を低減させ、回転電機の効率を高めることが可能である。即ち上記で説明したように、上口固定子コイルの周方向横に位置する反固定子コア側３ｂにおいて渦電流が集中するので、この部分を直方体状に切除加工することにより、渦電流による損失を大幅に低減できるようになる。
【００１９】
実施の形態２．
図６は実施の形態２による回転電機の固定子の要部を示す断面図である。図中、実施の形態１と同一符号は同一または相当部分を示す。図６において、フィンガープレート３は上口固定子コイルの周方向横に位置する反固定子コア側３ｂのいずれかの位置から内径側先端部３ａまでの一部が切除加工されるが、実施の形態１において軸方向と平行となっていた切除面は、本実施形態においては軸方向と平行とはなっておらず、切除面３ｄは内径側から外径側に向かって高さが高くなるよう斜めに切除されている。即ち直方体状の切り欠き部において、軸方向に対向する面が内径側から外径側に向かって高さが高くなるような傾斜面に形成されているものである。
【００２０】
実施の形態２では、切除面３ｄを軸方向と平行とはせず、斜めに形成することで、切除面３ｄにかかる応力集中が緩和されるため、機械的強度を高めることが可能である。尚材料力学分野において、傾斜角を大きくすると応力集中率が減少し、応力集中が緩和されることが証明されている。従って機械的強度を高めるとともに、更に実施の形態１と同様の効果を奏する。本実施形態においては、軸方向Ｄに対向する切除面３ｄにおいて、軸方向Ｄとは平行とせず、内径側から外径側に向かって斜めに形成したものである。
なお、斜めに切除する場合、図７に示すように、切除面３ｄが下口固定子コイルの周方向横に位置する反固定子コア側３ｂから上口コイルの周方向横に位置する反固定子コア側３ｂにかけて斜めに切除することも出来る。これにより上記と同様機械的強度を高めることができる。
【００２１】
実施の形態３．
図８は実施の形態３による回転電機の固定子の要部を示す断面図である。図中、実施の形態１と同一符号は同一または相当部分を示す。図８において、フィンガープレート３においては、上口固定子コイルの周方向横に位置する反固定子コア側３ｂのいずれかの位置から内径側先端部３ａまでの一部が直方体状に切除加工され、更に内径側先端部３ａの反固定子コア側において面取り構造を設けている。即ち図２の構造に対して直方体状の切り欠き部における軸方向に垂直な面と内径側先端部３ａとの間に面取り部３ｅを設けたものである。内径側先端部３ａの反固定子コア側は固定子コア１の押圧にほとんど寄与しない。従って面取り部３ｅを設けても、固定子コア１を軸方向に押圧する機能をほとんど低下させることなく、内径側先端部３ａにおけるフィンガープレート３の高さを低減させることができる。
【００２２】
実施の形態３では、実施の形態１の構造に比べてさらにフィンガープレート３の内径側先端部３ａの高さを低減させることができるため、フィンガープレート３で発生する渦電流による損失を低減させることができ、実施の形態１よりも更に損失を低減させることができる。
尚図８においては、図２の構造に面取り部を設けた例について説明したが、実施の形態２における図６、図７に示した構造に面取り部を設けても良い。
【００２３】
実施の形態４．
図９は実施の形態４による回転電機の固定子の要部を示す断面図である。図中、実施の形態１と同一符号は同一または相当部分を示す。図９において、フィンガープレート３においては、上口固定子コイルの周方向横に位置する反固定子コア側３ｂのいずれかの位置から内径側先端部３ａまでの一部が切除加工され、更に切除加工された先端部においてテーパ形状となっている。即ち図２の構造に対して更に直方体状の切り欠き部における固定子コア１の端面に対向する面を内径側先端部３ａに向かって徐々に高さが低くなるようにしたテーパ面３ｆとしたものである。このようにテーパ面３ｆを設けることにより、実施の形態１の構成と同程度の固定子コア１への押圧力を保持したまま、内径側先端部３ａの高さを低減することができる。
【００２４】
この実施の形態４では、実施の形態１の構造に比べてさらにフィンガープレート３の高さを低減できるため、フィンガープレート３で発生する渦電流による損失を低減でき、実施の形態１よりも更に損失を低減させることができる。
尚図９においては、図２の構造にテーパ面を設けた例について説明したが、実施の形態２における図６、図７に示した構造、更には実施の形態３における図８に示した構造にテーパ面を設けても良い。
又本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【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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【図６】
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【図７】
2018207302.tif 000009
【図８】
2018207302.tif 000010
【図９】
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【国際調査報告】
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