(57)【要約】【課題】  固定子コイルエンド部を強固に支持しつつ、回転電機の高効率化・大容量化を実現する回転電機の固定子およびこれを含む回転電機を提供する。【解決手段】  回転電機の固定子は、鉄心周方向に複数に分散して配置され鉄心軸方向に延びる複数の固定子スロットを有し且つ軸方向端部に向かって内径寸法を段階的に大きくする鉄心段落とし部を有する環状の固定子鉄心と、前記複数の固定子スロットにそれぞれ収納される複数の固定子コイルと、前記複数の固定子コイルを前記複数の固定子スロット内に固定させる支持手段とを具備する。前記支持手段は、前記鉄心段落とし部の少なくとも一部において前記複数の固定子コイルを鉄心内径面側から押さえ付ける環状の支持部材を含む。【選択図】図１
2012253904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心周方向に複数に分散して配置され鉄心軸方向に延びる複数の固定子スロットを有し且つ軸方向端部に向かって内径寸法を段階的に大きくする鉄心段落とし部を有する環状の固定子鉄心と、前記複数の固定子スロットにそれぞれ収納される複数の固定子コイルと、前記複数の固定子コイルを前記複数の固定子スロット内に固定させる支持手段とを具備する回転電機の固定子であって、
前記支持手段は、前記鉄心段落とし部の少なくとも一部において前記複数の固定子コイルを鉄心内径面側から押さえ付ける環状の支持部材を含むことを特徴とする回転電機の固定子。
【請求項２】
前記支持部材は、その内径面に通風経路の仕切りを形成する仕切り部を有す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。
【請求項３】
前記支持部材は、周方向に複数に分割される部材を接合して構成され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。
【請求項４】
部材間の接合を行う締め付け手段を更に具備することを特徴とする請求項３に記載の回転電機の固定子。
【請求項５】
前記支持部材は、その外径面にて周方向に複数に分散して配置され且つ軸方向に対して勾配を有する傾斜面を備えた複数の溝を有し、
各溝に対して傾斜面を有する楔が軸方向に打ち込まれ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。
【請求項６】
前記支持部材は、その固定子コイルエンド部側の端部が前記固定子鉄心の端部よりも固定子コイルエンド部側に突出しており、当該支持部材の端部は、前記複数の固定子スロットから延出する固定子コイルと合わせて締め付け手段により固定され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。
【請求項７】
前記固定子鉄心を構成する複数の板が軸方向に外側間隔板を介して押え板により固定されており、
前記締め付け手段は、前記支持部材の固定子コイルエンド部側の端部から、該端部に空けられた固定用穴を通じて、前記外側間隔板もしくは前記押え板に取り付けられる部材を有することを特徴とする請求項６に記載の回転電機の固定子。
【請求項８】
前記支持部材の固定子コイルエンド部側の端部は、その内径面に勾配を有する傾斜面を備えた凹部を有し、
前記締め付け手段は、前記凹部に配置され前記傾斜面に当接する傾斜面を有するスペーサと、前記スペーサおよび前記支持部材の端部を通じて前記押え板もしくは前記外側間隔板に取り付けられるボルトとを含むことを特徴とする請求項７に記載の回転電機の固定子。
【請求項９】
前記支持部材は、絶縁材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転電機の固定子と、当該固定子と対向して設けられる回転子とを具備することを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転電機の固定子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、タービン発電機等の大容量回転電機の固定子は、扇形に打ち抜かれた複数の電磁鋼板を環状に配置し、軸方向に積層して構成される固定子鉄心と、その固定子鉄心に軸方向に直線状に延び、周方向に複数に分散して設けられた固定子スロットに収納される固定子コイルとからなる。固定子鉄心の歯先部の一部（固定子スロットの固定子鉄心内径面に近い部分）はダブテール状に加工され、このダブテール状の部分に固定子楔を軸方向に押し入れることで、固定子コイルを固定子スロット内に固定するようにしている。
【０００３】
ところで、このような構成において、固定子コイルと固定子鉄心内径面との間隔を長くすると、界磁銅損と鉄損が増加して効率は悪化し、かつ磁路の飽和が制約となり発電機の体格が大きくなってしまう。逆に、効率向上と発電機体格小型化を図り、固定子コイルと鉄心内径面との間隔を短くすると、ラジアル磁束による渦電流損により固定子コイルは局部的な温度上昇を引き起こす。このように、固定子コイルと固定子鉄心内径面との間隔は電磁気的制約を受け決定されるが、大容量化を図るためには、固定子コイルと固定子鉄心内径面との間隔を上述した電磁気的制約の範囲内で可能な限り短くすることが必要となる。
【０００４】
また、タービン発電機等の回転電機の大容量化に伴い、固定子鉄心端部の磁束とそれに誘起される渦電流損が増大し、固定子鉄心端部の温度上昇値が制限値に近くなることがある。そこで、固定子鉄心端部での渦電流損低減を図るため、回転電機の固定子においては例えば固定子鉄心の内径寸法を両端側に向かって段階的に増大させる鉄心段落とし構造や、歯先部にスリットを設けた抜板を固定子鉄心端部に用いる構造、鉄心端部において固定子コイルと鉄心端部の間に磁気遮蔽板を設ける構造などを採用している。また、固定子コイルと鉄心端部の間に磁束シャントを設け、その磁束シャント部の形状を工夫することも行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３４８７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した回転電機の固定子は、近年の回転電機の大容量化に伴い、固定子鉄心端部での磁束が増大するなか、渦電流損を低減するため、段落とし回数および段差が増大している。これにより、鉄心端部において鉄心内径が大幅に大きくなり、歯先部は短くなる。そのため、ダブテール部を形成するための寸法を確保することができず、固定子楔による固定子コイルの固定ができなくなり、固定子コイルエンド部の支持が脆弱となってしまう。
【０００７】
固定子コイルエンド部の支持を強固とするためは、固定子コイルと固定子鉄心内径面との間隔を電磁気的制約の範囲内であるにも関わらず長くし、固定子鉄心にダブテール部を形成する寸法を確保する必要が生じる。このことは、上述したような回転電機の高効率化・大容量化の妨げとなっている。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、固定子コイルエンド部を強固に支持しつつ、回転電機の高効率化・大容量化を実現する回転電機の固定子およびこれを含む回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態によれば、鉄心周方向に複数に分散して配置され鉄心軸方向に延びる複数の固定子スロットを有し且つ軸方向端部に向かって内径寸法を段階的に大きくする鉄心段落とし部を有する環状の固定子鉄心と、前記複数の固定子スロットにそれぞれ収納される複数の固定子コイルと、前記複数の固定子コイルを前記複数の固定子スロット内に固定させる支持手段とを具備する回転電機の固定子であって、前記支持手段は、前記鉄心段落とし部の少なくとも一部において前記複数の固定子コイルを鉄心内径面側から押さえ付ける環状の支持部材を含むことを特徴とする回転電機の固定子が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、固定子コイルエンド部を強固に支持しつつ、回転電機の高効率化・大容量化を実現する回転電機の固定子およびこれを含む回転電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態に係る回転電機の固定子の概略構成を示す図。
【図２】図１中の矢視Ａの位置における同固定子の断面形状を示す図。
【図３】図１中の矢視Ｂの位置における同固定子の断面形状を示す図。
【図４】固定子コイル支持リングの基本的な形状を示す図。
【図５】固定子コイル支持リングの第１の変形例を示す図。
【図６】固定子コイル支持リングの第２の変形例を示す図。
【図７】固定子コイル支持リングの第３の変形例を示す図。
【図８】固定子コイル支持リングの第４の変形例を示す図。
【図９】第４の変形例に係る締め付け手段およびその周辺部を軸方向から見たときの構成の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、一実施形態に係る回転電機の固定子の概略構成を示す図である。図２は、図１中の矢視Ａの位置における同固定子の断面形状を示す図である。図３は、図１中の矢視Ｂの位置における同固定子の断面形状を示す図である。
【００１４】
図１に示される固定子１００は、その内径面が回転子（図示せず）の外径面と対向するように配置される。この固定子１００は、主な構成要素として環状の固定子鉄心１と、この固定子鉄心１に形成された複数の固定子スロット（後述）にそれぞれ収納されている複数の固定子コイル２とを有する。それぞれの固定子コイル２は端部が固定子鉄心１から軸方向に引き出されており、固定子コイルエンド部２ａが形成されている。
【００１５】
固定子鉄心１は、その内径面に、軸方向端部に向かって内径寸法を段階的に大きくする鉄心段落とし部３を有する。鉄心段落とし部３は、鉄心ブロック段落とし部３ａ，３ｂ，および鉄心端部段落とし部３ｃの３つに分けられる。また、固定子鉄心１の両側には、固定子鉄心１を構成する複数の抜板を軸方向に締付け固定する外側間隔板４および押え板５が設けられている。
【００１６】
固定子鉄心１の内周面近傍には、例えば２段構成の固定子コイル２を収納するための複数の固定子スロット６が形成されている。各固定子スロット６は、図１に示されるように鉄心軸方向に延び、且つ、図２および図３に示されるように鉄心周方向に複数に分散して配置される。なお、それぞれの固定子スロット６およびこれに収納される固定子コイル２等の構造は同じであるため、図２および図３においては、１つの固定子スロット６に関わる部分だけが簡略的に図示されている。
【００１７】
各固定子コイル２を固定子スロット６内に固定させる支持手段としては、図１および図２に示される固定子楔７と、図１および図３に示される固定子コイル支持リング８とがあり、これらは鉄心軸方向の位置に応じて使い分けられる。より具体的には、固定子スロット６内に固定子楔７を固定するためのダブテール部１０を形成するための寸法が確保されているか否かに応じて使い分けられる。
【００１８】
例えば図１中の矢視Ａおよび図２に示されるように、鉄心ブロック段落とし部３ａがある箇所、即ち、固定子鉄心１の歯先部９が十分に長く、固定子スロット６内に固定子楔７を固定するためのダブテール部１０を形成するための寸法が確保されている箇所においては、ダブテール部１０の形成が可能で、ダブテール部１０に固定される固定子楔７による固定子コイル２の固定が可能であるため、ダブテール部１０の形成および固定子楔７の設置が行われる。固定子スロット６内に固定子コイル２を収納してから、固定子楔７を軸方向に固定子鉄心１の歯先部３に設けられたダブテール部１０に沿って押し入れることにより、固定子コイル２が固定子スロット６内に固定されるようになっている。
【００１９】
一方、例えば図１中の矢視Ｂおよび図３に示されるように、鉄心端部段落とし部３ｃ（あるいは鉄心ブロック段落とし部３ｂ）がある箇所、即ち、固定子鉄心１の歯先部９が短く、固定子スロット６内に固定子楔７を固定するためのダブテール部１０を形成するための寸法が確保されていない箇所においては、ダブテール部１０の形成はできず、固定子楔７による固定子コイル２の固定はできないため、ダブテール部１０の形成および固定子楔７の設置は行われず、代わりに、固定子コイル支持リング８が設置される。
【００２０】
固定子コイル支持リング８の基本的な形状を図４に示す。図４（ａ）は固定子コイル支持リング８を軸方向に見たときの形状を示しており、図４（ｂ）は固定子コイル支持リング８を軸方向に垂直な方向から見たときの形状を示している。なお、図４に示される形状は、後述する各変形例に示されるように、必要に応じてその一部を変形してもよい。
【００２１】
固定子コイル支持リング８は、固定子スロット６ごとの設置が必要な固定子楔７とは異なり、鉄心周方向に複数に分散して配置される複数の固定子スロット６内の複数の固定子コイル２を一括して固定することができる。より具体的には、固定子コイル支持リング８は、鉄心段落とし部３の少なくとも一部において、鉄心周方向に複数に分散して配置される複数の固定子コイル２を一括して鉄心内径面側から強固に押さえ付けることが可能な環状の支持部材である。この固定子コイル支持リング８は、当該固定子コイル支持リング８を設置した際に複数の固定子コイル２に対して適度な力が加わるように外径寸法等が設計されている。また、この固定子コイル支持リング８は、絶縁物であり、例えば固定子楔７と同種の材料、例えばエポキシ樹脂や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の絶縁材料で構成されていることが望ましい。
【００２２】
なお、図１中の矢視Ｂおよび図３に示されるように鉄心端部段落とし部３ｃがある箇所では、歯先部９および固定子コイル２の鉄心内径側の高さを比べると、歯先部９の方が低い。また、図１中の矢視Ａと矢視Ｂとの間に示されるように鉄心ブロック段落とし部３ｂがある箇所（断面図は図示せず）では、逆に歯先部９の方が高い。このような箇所においては、固定子コイル２と歯先部９とが成す凹凸形状に合わせて、固定子コイル支持リング８の外径面の断面形状が凹凸状となるように形成されているか、もしくは、外径面が平坦な固定子コイル支持リング８に対してこれと同質の別の部材を適宜合わせることで凹凸状となるように形成されている。
【００２３】
上述した構成によれば、鉄心段落とし部３の少なくとも一部において、固定子コイル支持リング８を設置することにより、ダブテール部１０を形成したり固定子楔７を設けたりする必要がなくなる。また、これにより、鉄心段落とし回数や段差の増大に伴って固定子コイル２と鉄心内径面との間隔を長くとる必要がなくなる。そのため、固定子コイル２を確実に押え付けて固定子コイルエンド部２ａを強固に支持しつつ、大容量化、高効率化を図ることができる。
【００２４】
また、固定子コイル支持リング８の軸方向長さを変えることにより、固定子コイルエンド部２ａの固有振動数を調整することもできる。例えば、固定子コイル支持リング８を固定子コイルエンド部２ａ側へ向けて延ばせば、固定子コイルエンド部２ａの固有振動数は高くなる。また、固定子コイル支持リング８を軸方向に重ねるよう複数配置し、配置する固定子コイル支持リング８の数を調整することで固定子コイルエンド部２ａの固有振動数を調整することもできる。
【００２５】
（固定子コイル支持リングの第１の変形例）
図５に、固定子コイル支持リング８の第１の変形例を示す。図５（ａ）は第１の変形例に係る固定子コイル支持リング８を軸方向に見たときの形状を示しており、図５（ｂ）は同第１の変形例に係る固定子コイル支持リング８を軸方向に垂直な方向から見たときの形状を示している。
【００２６】
図５に示される固定子コイル支持リング８は、その内径面に通風経路の仕切りを形成する仕切り部８ａを有する。この仕切り部８ａは、固定子コイル支持リング８の一部として形成されていてもよいし、固定子コイル支持リング８と異なる別の部材として取り付けられていてもよい。
【００２７】
この変形例によれば、仕切り部８ａが設けられていることにより、当該回転電機において冷却効率の良い通風経路を形成することができるので、より一層効果的に、回転電機の高効率化・大容量化を図ることができる。
【００２８】
（固定子コイル支持リングの第２の変形例）
図６に、固定子コイル支持リング８の第２の変形例を示す。図６（ａ）は第２の変形例に係る固定子コイル支持リング８を軸方向に見たときの形状を示しており、図６（ｂ）は同第２の変形例に係る固定子コイル支持リング８を軸方向に垂直な方向から見たときの形状を示している。
【００２９】
図６に示される固定子コイル支持リング８は、周方向に複数に分割される複数の部材、例えば４つの部材を接合して構成される。部材間の接合は、例えばネジ締付手段８ｂにより実現される。ネジ締付手段８ｂは、例えば両端にネジ部分を有し、それらが隣接する部材端部にそれぞれねじ込まれて固定されるようになっている。
【００３０】
このネジ締付手段８ｂは、部材端部にねじ込まれるネジ部分の深さを調整することができる。また、ネジ締付手段８ｂ自体にその長さを調節する機構を設けて長さ調節を行うようにしてもよい。
【００３１】
この変形例によれば、固定子コイル支持リング８の外径寸法を変えることができるため、固定子コイル支持リング８の設置の際に複数の固定子コイル２に加わる力を調整することができる。また、この固定子コイル支持リング８は、ネジ締付手段８ｂにより複数の部材を接合するだけで容易に組み立てることができ、また、容易に複数の部材に分解することができるため、運搬、取り付け、取り外し、メンテナンス等を行い易いという利点がある。
【００３２】
（固定子コイル支持リングの第３の変形例）
図７に、固定子コイル支持リング８の第３の変形例を示す。図７（ａ）は第３の変形例に係る固定子コイル支持リング８を軸方向に見たときの形状を示しており、図７（ｂ）は同第３の変形例に係る固定子コイル支持リング８を軸方向に垂直な方向から見たときの形状を示している。
【００３３】
図７に示される固定子コイル支持リング８は、その外径面にて前記複数の固定子スロット６内のそれぞれの固定子コイル２の位置に対向するように周方向に複数に分散して配置され且つ軸方向に対して勾配Ｋを有する傾斜面を備えたテーパー形状の複数の溝（スロット）８ｃを有している。それぞれの溝８ｃに対しては、傾斜面と接する逆勾配の傾斜面を有する楔８ｄが軸方向に打ち込まれる。図７（ｂ）に示されているように、固定子コイル支持リング８の溝８ｃおよび楔８ｄは、共にテーパー形状を成している。
【００３４】
この変形例によれば、固定子コイル支持リング８の設置に際して溝８ｃに楔８ｄを打ち込むことにより、固定子コイル支持リング８の外周面側から個々の固定子コイル２に対して力が加わるため、固定子コイル２を確実に押え付けて固定子コイルエンド部２ａを強固に支持することができる。また、それぞれの溝８ｃに対して打ち込まれる楔８ｄの深さを加減することにより、それぞれの固定子コイル２に加わる力を調整することができる。
【００３５】
（固定子コイル支持リングの第４の変形例）
図８に、固定子コイル支持リング８の第４の変形例を示す。
【００３６】
図８に示される固定子コイル支持リング８は、その固定子コイルエンド部２ａ側の端部８ｅが固定子鉄心１の端部よりも固定子コイルエンド部２ａ側に突出している。上記端部８ｅは、固定子スロット６から延出する固定子コイル２と合わせて締め付け手段１１により固定される。より具体的には、固定子鉄心１を構成する複数の抜板（図示せず）が軸方向に外側間隔板４を介して押え板５により固定されており、締め付け手段１１は、固定子コイル支持リング８の端部８ｅから、該端部８ｅに空けられた固定用穴８ｆを通じて、外側間隔板４および押え板５の双方もしくはいずれか一方に取り付けられる部材を含んでいる。
【００３７】
図９は、締め付け手段１１およびその周辺部を軸方向から見たときの構成の一例を示す図である。
【００３８】
図９に示されるように、固定子コイル支持リング８の固定子コイルエンド部２ａ側の端部８ｅは、その内径面に勾配Ｓを有する傾斜面を備えたすり鉢状の凹部を有している。また、締め付け手段１１は、この凹部に配置され傾斜面に当接する傾斜面を有するスペーサ１１ａと、このスペーサ１１ａおよび固定子コイル支持リング８の端部８ｅを通じて、外側間隔板４もしくは押え板５に取り付けられるボルト１１ｂとを含む。
【００３９】
このような構成において、ボルト１１ｂにより、スペーサ１１ａを固定子コイル支持リング８の凹部に押し入れ、固定子コイル支持リング８により固定子コイル２を固定する。
【００４０】
この変形例によれば、ボルト１１ｂの締め付けがスペーサ１１ａを介して固定子コイル支持リング８の端部８ｅの外径を広げるように作用し、これにより固定子コイル支持リング８の端部８ｅと固定子スロット６から延出する固定子コイル２とを固定することができるため、固定子コイルエンド部２ａをより強固に支持することができる。
【００４１】
なお、上述した各種の変形例は、適宜組み合わせて実施することが可能である。
【００４２】
以上詳述したように、実施形態によれば、固定子コイルエンド部を強固に支持しつつ、回転電機の高効率化・大容量化を実現する回転電機の固定子およびこれを含む回転電機を提供することができる。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１…固定子鉄心、２…固定子コイル、２ａ…固定子コイルエンド部、３…鉄心段落とし部、３ａ，３ｂ…鉄心ブロック段落とし部、３ｃ…鉄心端部段落とし部、４…外側間隔板、５…押え板、６…固定子スロット、７…固定子楔、８…固定子コイル支持リング、８ａ…仕切り部、８ｂ…ネジ締付手段、８ｃ…溝、８ｄ…楔、８ｅ…端部、８ｆ…固定用穴、９…歯先部、１０…ダブテール部、１００…固定子。
【図１】
2012253904.tif 000003
【図２】
2012253904.tif 000004
【図３】
2012253904.tif 000005
【図４】
2012253904.tif 000006
【図５】
2012253904.tif 000007
【図６】
2012253904.tif 000008
【図７】
2012253904.tif 000009
【図８】
2012253904.tif 000010
【図９】
2012253904.tif 000011