(57)【要約】【課題】回転子軸に発生する軸電圧を低減できる回転電機の固定子鉄心を得る。【解決手段】扇形鋼板１１を４枚、図１（ａ）に示すように、その周方向の端部１１ａ同士を対向させて円環状を成すように配置して円環状の鉄心板１３を形成する。このとき、鉄心板１３に一の扇形鋼板１１の端部１１ａとこれに隣接する他の扇形鋼板１１の端部１１ａとによって形成される継目１３ａが生じる。この継目１３ａに生じる間隙ｇに、磁性部材１８を挿入する。鉄心板１３を形成する扇形鋼板１１の枚数を、偶数でかつ回転電機に使用される三相交流の相数である３の倍数以外の数に選ぶと、軸電圧の値を小さくできる。また、間隙ｇに、磁性部材１８を挿入することにより、継目１３ａの磁気的空隙を小さくして磁気抵抗の不均一を低減して、回転子の軸電圧を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定枚数の扇形鋼板がその周方向の端部同士が対向するようにして円環状を成すように配設されて形成され上記扇形鋼板の周方向の端部同士により形成される継目を有する円環状の鉄心板を上記継目の位置が円環状の上記鉄心板の軸方向に重ならないようにして所定枚数積層するとともに、上記継目に磁性部材を挿入した回転電機の固定子鉄心。
【請求項２】
上記扇形鋼板の枚数は、偶数でかつ３の倍数でない数であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の固定子鉄心。
【請求項３】
上記鉄心板を３枚以上を一群としてこの群内における上記継目の位置が上記鉄心板の軸方向に重ならないようにして積層された鉄心板群を形成し、上記鉄心板群を所定群数上記鉄心板の軸方向に積み重ねたものであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の固定子鉄心。
【請求項４】
上記扇形鋼板は、方向性珪素鋼板で製作されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の固定子鉄心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばタービン発電機などの回転電機の固定子鉄心に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の回転電機の固定子鉄心は、例えば扇形に形成された扇形鋼板を複数枚その周方向端部を突き合わせて円形に配設した円形状の鉄心板を軸方向に所定枚数積層して略円筒状にする構造としているため、扇形鋼板の円周方向に扇形鋼板間の継目が存在する。この扇形鋼板の継目で生ずる間隙は磁気回路の不均一を発生させ、また継目の数により不均一の発生状態が変化する。回転子から発生する界磁起磁力はこれらと干渉し、回転子軸に鎖交する磁束分布は非対称となる。このため、回転電機の回転子軸には、これら不均一を要因とした電圧が誘起される。
【０００３】
この回転子軸に発生する電圧（以後、軸電圧と称す）は、軸受を通して軸と大地間に電流を循環させる。これを防止するために、一般にタービン発電機などの大形の回転電機の回転子軸は軸接地装置により接地を行い、さらに軸受に絶縁を施すことで軸受に電流が流れないようにして軸受が損傷することを防止している。しかし、軸電圧が大きいと、軸接地装置及び軸受の絶縁がともに不具合になったときには軸受に過大な電流が流れることとなり、軸受を損傷させるおそれがある。このため、軸電圧を可能な限り低減しておく必要があった。
従来の軸電圧を抑制する技術としては、軸方向の一端部に位置する鉄心板から他端部に位置する鉄心板まで、扇形鋼板の継目（合わせ目）の位置を、等ピッチで同方向へ順次ずらしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１４８３１５号公報（段落番号００２３、図１及び図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の回転電機の固定子鉄心においては、上記のようにして発生する軸電圧を抑制するため、扇形鋼板の継目（合わせ目）の位置を等ピッチで同方向へ順次ずらして継目の位置を円周方向に分散させ、継目により生じる磁気抵抗の不平衡を抑制している。しかし、この場合でも、扇形鋼板の継目に存在する間隙の大きさを全周にわたり均一に製作することは困難なため、磁気抵抗には不平衡が残る。このため、回転子軸に発生する軸電圧を充分に低減することができなかった。
【０００６】
さらに、固定子鉄心に方向性珪素鋼板を用いた場合、方向性珪素鋼板自体の性質として圧延方向と圧延直角方向の磁気抵抗が異なるため、継目以外でも磁気抵抗の非対称性が生じ、軸電圧が発生する。従って、固定子鉄心に方向性珪素鋼板を使用した回転電機においては、無方向性珪素鋼板を使用した場合と比較すると、回転子に発生する軸電圧が相対的に大きくなるという問題があった。
【０００７】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、回転子軸に発生する軸電圧を低減できる回転電機の固定子鉄心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鉄心は、所定枚数の扇形鋼板がその周方向の端部同士が対向するようにして円環状を成すように配設されて形成され扇形鋼板の周方向の端部同士により形成される継目を有する円環状の鉄心板を継目の位置が円環状の鉄心板の軸方向に重ならないようにして所定枚数積層するとともに、継目に磁性部材を挿入したものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る回転電機の固定子鉄心は、所定枚数の扇形鋼板がその周方向の端部同士が対向するようにして円環状を成すように配設されて形成され扇形鋼板の周方向の端部同士により形成される継目を有する円環状の鉄心板を継目の位置が円環状の鉄心板の軸方向に重ならないようにして所定枚数積層するとともに、継目に磁性部材を挿入したものであるので、固定子鉄心の磁束分布を改善して回転子の軸電圧を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、この発明を実施するための実施の形態１を図１〜図３に基づいて説明する。図１はタービン発電機の固定子鉄心の構成を示す構成図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は固定子鉄心の外周面を円周に沿って展開した展開図である。図２は、固定子鉄心のスロットを示す説明図、図３は固定子鉄心を通過する磁束を示す説明図である。図１において、回転電機としてのタービン発電機の固定子鉄心１０は、次のように構成され、内部の中空部に回転子２０が収容される。
【００１１】
扇形鋼板１１は方向性珪素鋼板を扇形に打ち抜いて製作されている。この実施の形態では扇形鋼板１１を４枚、図１（ａ）に示すようにその周方向の端部１１ａを対向させて環状この実施の形態においては円形をなすように配置して円環状の鉄心板１３を形成している。このため、鉄心板１３に一の扇形鋼板１１の端部１１ａとこれに隣接する他の扇形鋼板１１の端部１１ａとによって形成される継目１３ａが生じる。
【００１２】
鉄心板１３を４枚の扇形鋼板１１を組み合わせて構成するのは、鉄心板１３における継目１３ａの数を、偶数でかつ回転電機に使用される三相交流の相数である３の倍数以外の数に選ぶと、軸電圧の値を小さくできるからである。
【００１３】
そして、鉄心板１３を図１（ｂ）に示すように３枚を１単位として、かつ隣接する鉄心板１３における継目１３ａにおける間隙ｇが鉄心板１３の軸方向（図１（ｂ）における上下方向に重ならないようにして積み重ねて鉄心板群１５を構成する。このとき、扇形鋼板１１の対向する端部１１ａ間に生ずる間隙ｇすなわち継目１３ａに生じた空隙ｇに、軟鋼製の磁性部材１８を挿入する。磁性部材１８は、断面が図１（ｂ）に示されるような楕円形状で、長さは扇形鋼板１１の半径方向の幅よりわずかに短いものである。
【００１４】
間隙ｇの大きさは、扇形鋼板１１の打ち抜き寸法のばらつき、円形状に配置するときの配置誤差などの製作上の理由によりばらつくので、何種類かの断面寸法の磁性部材１８を用意しておき、現物合わせにて挿入後の磁気的間隙がなるべく小さくなるようなものを選んで挿入する。このように鉄心群１５及び継目１３ａの間隙ｇに挿入された磁性部材１８を有する鉄心板集合体１９を所定数、軸方向に積み重ねて中空円筒状の固定子鉄心１０を製作する。なお、磁性部材はその断面形状を矩形その他の形状にしてもよい。
固定子鉄心１０は、中空円筒状の形状を有し、図１では図示していないが円筒状の内周部側に図２に示すように軸方向に延伸するティース１０ａ及びこのティース１０ａの間に形成されたスロット１０ｂを有し、スロット１０ｂ内に三相交流を発生する交流巻線（図示しない）が収容されている。
【００１５】
上記のように構成し、鉄心板１３を構成する扇形鋼板１１によって形成される円周方向の継目１３ａの数を４箇所あるいは偶数とすることにより、図３に示すように、継目１３ａによる左右の不平衡がなくなり、軸電圧は図３における左右で打ち消し合う結果となる。また空間高調波の次数が４となるような空間高調波がないため、扇形鋼板１１間の継目１３ａと回転子２０の起磁力が干渉することがなくなる。従って、理論上、磁束分布を図３において左右対称とすることができる。上述の通り、工作上の誤差から軸電圧をゼロとすることは困難であるが、鉄心板１３を構成する扇形鋼板１１の枚数を奇数とした場合と比較して軸電圧を抑制することが可能となる。
【００１６】
発明者らによる５００ＭＶＡ級、６０Ｈｚの２極タービン発電機に発生する軸電圧を、有限要素法を用いて３次元電磁界解析した結果は次の通りであった。例えば、鉄心板１３を構成する扇形鋼板１１の枚数を９枚（奇数）とした場合、方向性珪素鋼板の固定子鉄心に発生する軸電圧は無方向性珪素鋼板の軸電圧と比較して、９次（５４０Ｈｚ）の軸電圧が発電機の定格時において約２．５倍に増加する。１次（６０Ｈｚ）、３次（１８０Ｈｚ）の軸電圧についても、それぞれ２倍近い軸電圧の差が生じることが確認された。
一方、鉄心板１３を構成する扇形鋼板１１の枚数を１２枚（偶数）とした場合、９次（５４０Ｈｚ）の軸電圧発生が抑制されることが確認された。同様に１次（６０Ｈｚ）、３次（１８０Ｈｚ）の軸電圧についても、扇形鋼板１１の枚数が９枚（奇数）の方向性珪素鋼板を使用した場合と比較して減少した。
【００１７】
以上のように、この実施の形態においては、磁性部材１８を設けたので、上記のような作用による軸電圧の低減効果に加えて、継目１３ａにおける間隙ｇに生じていた磁気抵抗の不均一が低減され、磁束分布を改善することができ、さらに軸電圧を低減できる。
【００１８】
実施の形態２．
ところで、継目数が偶数であっても、３の倍数であれば、継目数３の場合と同様の位置に（１２０°対称位置で）継目のアンバランスが発生すれば、３次高調波の軸電圧が発生する。これに対し、継目の数が偶数でかつ３の倍数でなければ、１２０°回転した位置において継目がぴったり重なることはない、すなわち継目が１２０°の回転対称にならないので、第３次高調波の軸電圧が抑制される。従って、鉄心板１３の１枚当たりの扇形鋼板１１間の継目１３ａの数を単に偶数とするだけでなく、さらに３の倍数を避ければ、軸電圧を一層抑制することが可態である。
【００１９】
実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３である積層された鉄心板を通過する磁束を示す説明図である。図４において、鉄心板１３の積層枚数３枚以上を一つの単位とする鉄心群１５内で継目１３ａの位置を鉄心板１３の軸方向に重ならないようにずらしたものである。鉄心群１５における扇形鋼板１１の継目を通過する磁束は、扇形鋼板１１すなわち鉄心板１３の積層方向の３層について図４のごとくである。
【００２０】
すなわち、固定子鉄心１０を円周方向に通過する磁束は、継目１３ａにおける間隙ｇを通過する磁束φ１、隣接した扇形鋼板１１を迂回する磁束φ２、さらにその隣の扇形鋼板１１を迂回する磁束φ３の３種類に分けられる。扇形鋼板１１の積層枚数３枚以上を一つの単位とする鉄心群１５内で継目１３ａの位置をずらすと、図４に示すように磁束φ３が通過する経路が発生する。このため、相対的に磁束φ１の成分が減少することとなり、磁束の通路が改善され継目１３ａにおける間隙ｇの大きさの影響が緩和され、軸電圧を低減することができる。
【００２１】
以上のように、この実施の形態による回転電機の固定子鉄心は、所定枚数の扇形鋼板がその周方向の端部同士が対向するようにして円環状を成すように配設されて形成され扇形鋼板の周方向の端部同士により形成される継目を有する円環状の鉄心板を継目の位置が円環状の鉄心板の軸方向に重ならないようにして所定枚数積層するとともに、継目に磁性部材を挿入したものであるので、固定子鉄心の磁束分布を改善して回転子の軸電圧を抑制することができる。
【００２２】
そして、扇形鋼板の数は、偶数でかつ３の倍数でない数であることを特徴とするので、第３次高調波の軸電圧を抑制して、回転子の軸電圧をさらに抑制することができる。
【００２３】
また、鉄心板を３枚以上を一群としてこの群内における継目の位置が円環状の鉄心板の軸方向に重ならないようにして積層された鉄心板群を形成し、鉄心板群を所定群数鉄心板の軸方向に積み重ねたものであることを特徴とするので、磁束の通路が改善され継目における扇形鋼板の間隙の大きさの影響を緩和して、回転子の軸電圧を抑制することができる。
【００２４】
そして、扇形鋼板は、方向性珪素鋼板で製作されたものであることを特徴とするので、回転子の軸電圧を抑制することができるとともに固定子鉄心の磁気的損失を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施の形態１であるタービン発電機の固定子鉄心の構成を示す構成図である。
【図２】図１の固定子鉄心のスロットを示す説明図である。
【図３】固定子鉄心を通過する磁束を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態３である積層された鉄心板を通過する磁束を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  固定子鉄心、１１  扇形鋼板、１１ａ  端部、１３  鉄心板、１３ａ  継目、
１５  鉄心板群、１８  磁性部材、１９  鉄心板集合体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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