(57)【要約】【課題】界磁巻線の極間を接続する接続導体に生じた応力の軽減効果を高めることによって、回転機の耐久性を向上させる。【解決手段】実施の形態に係る回転機は、回転子コア、複数の界磁巻線、及び巻線接続機構を備えている。回転子コアは、複数のスロットを有する。複数の界磁巻線は、互いに磁極が異なる第１及び第２の界磁巻線を少なくとも備えており、前記複数のスロット内に収容されている。巻線接続機構は、接続導体を少なくとも備えており、対応するスロット内にそれぞれ収容された第１及び第２の界磁巻線どうしを変位可能に接続する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスロットを有する回転子コアと、
前記複数のスロット内に収容された互いに磁極が異なる第１及び第２の界磁巻線を含む複数の界磁巻線と、
対応する前記スロット内にそれぞれ収容された前記第１及び第２の界磁巻線どうしを変位可能に接続する接続導体を含む巻線接続機構と、
を備える回転機。
【請求項２】
前記巻線接続機構は、前記接続導体の一端部を前記第１の界磁巻線に対して固定する接続導体固定部と、前記接続導体の他端部を前記第２の界磁巻線に対して摺動可能に保持する接続導体保持部と、
を備える請求項１に記載の回転機。
【請求項３】
前記複数のスロットの開口端側に配置され、前記複数のスロットからの前記複数の界磁巻線の脱離を抑制する脱離抑制部材をさらに備え、
前記接続導体保持部は、前記第２の界磁巻線に設けられかつ前記脱離抑制部材との間で前記接続導体の他端部を挟持する挟持部を備える、請求項２に記載の回転機。
【請求項４】
前記接続導体は、導電性を有する単一の板材を用いること、若しくは、それぞれ導電性を有する複数の板材を積層すること、によって構成されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転機。
【請求項５】
前記巻線接続機構は、前記第１の界磁巻線に一部が固定された第１の導体部材と前記第２の界磁巻線に一部が固定された第２の導体部材とを前記接続導体が有し、
前記第１及び第２の導体部材それぞれは、前記第１又は第２の界磁巻線の変位に応じて、互いに摺動する位置関係で配置されている、
請求項１に記載の回転機。
【請求項６】
前記接続導体は、少なくとも一端部と他端部との間の中央部分が、可とう性を有する材料で構成されている、
請求項１に記載の回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン発電機などの回転機は、２極あるいは４極の界磁極を有しており、これらの界磁極は、Ｎ極とＳ極とが交互に配置されている。回転機における例えば円筒形の回転子の胴部には、複数のスロットが形成されている。これらのスロット内には、界磁巻線が収容されている。界磁巻線は、その端部の最上層のターン部又は最下層のターン部に固定された接続導体によって、Ｎ極とＳ極との極間が接続されている。
【０００３】
ここで、回転子の回転に伴う遠心力によって界磁巻線の端部がスロット内から飛び出さないように、界磁巻線の端部の径方向の外径側に保持環が嵌め込まれている。一方、接続導体は、互いに積層された複数の薄銅板から構成されており、その中央部分には、回転子の径方向の内径側に湾曲する湾曲部を有している。この湾曲部は、回転子の回転に伴う遠心力によって接続導体に応力が加わった場合に変形して応力の軽減を図る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１０９５９９号公報
【特許文献２】実開平３−６６５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、接続導体は、応力を軽減させるための可とう性が確保されるように、複数の薄銅板を積層する構成を採用すると共に中央部分に湾曲部を備えている。しかしながら、このような構造の接続導体は、十分な応力軽減効果を得ることが難しく、湾曲部の頂点部分や基端部分に応力が集中して破断に至る可能性がある。このため、接続導体に改良を加えるための提案がなされている。
【０００６】
例えば、遠心力による接続導体の異常変形を防止するために、湾曲部に異常変形防止用の部材を追加する技術が提案されている。また、接続導体を構成する薄銅板どうしの間に薄導体片を介在させることで薄銅板の相互間に十分な間隙を確保し、これにより、接続導体の可とう性を向上させる技術なども知られている。
【０００７】
しかしながら、これらの技術は、回転機を例えば高い頻度で起動及び停止させる動作状況、すなわち、比較的大きな加速度変化が回転子に加わる過酷な動作状況などを考慮すると、接続導体に生じ得る応力を軽減させる効果が、必ずしも十分であるとはいえず、さらなる改善が求められている。
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、界磁巻線の極間を接続する接続導体に生じた応力の軽減効果を高めることによって、耐久性の向上を図れる回転機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施の形態に係る回転機は、回転子コア、複数の界磁巻線、及び巻線接続機構を備えている。回転子コアは、複数のスロットを有する。複数の界磁巻線は、互いに磁極が異なる第１及び第２の界磁巻線を少なくとも備えており、前記複数のスロット内に収容されている。巻線接続機構は、接続導体を少なくとも備えており、対応するスロット内にそれぞれ収容された第１及び第２の界磁巻線どうしを変位可能に接続する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る回転機の断面を概略的に示す図。
【図２】図１の回転機が備えた回転子の界磁巻線の端部を一部断面で示す斜視図。
【図３】図２の回転子の胴部を軸方向からみた断面図。
【図４】図３の胴部に設けられた複数の界磁巻線のうち、最上層のターン部の周辺を示す斜視図。
【図５】図４の最上層のターン部の周辺を回転子の軸方向からみた断面図。
【図６】図４の最上層のターン部の周辺に設けられた巻線接続機構とは一部構造が異なる他の巻線接続機構を示す斜視図。
【図７】図６の巻線接続機構を回転子の軸方向からみた断面図。
【図８】図４及び図６の巻線接続機構とは一部構造が異なるさらにその他の巻線接続機構を示す斜視図。
【図９】図８の巻線接続機構を回転子の軸方向からみた断面図。
【図１０】図４、図６及び図８の巻線接続機構とは一部構造が異なるさらにその他の巻線接続機構を示す斜視図。
【図１１】図１０の巻線接続機構を回転子の軸方向からみた断面図。
【図１２】図５、図７、図９及び図１１の巻線接続機構とは一部構造が異なるさらにその他の巻線接続機構を、回転子の軸方向からみた断面図。
【図１３】第２の実施形態に係る回転機が備えた巻線接続機構を示す斜視図。
【図１４】図１３の巻線接続機構を回転子の軸方向からみた断面図。
【図１５】図１４の巻線接続機構とは一部構造が異なる他の巻線接続機構を、回転子の軸方向からみた断面図。
【図１６】第３の実施形態に係る回転機が備えた巻線接続機構を示す斜視図。
【図１７】図１６の巻線接続機構を回転子の軸方向からみた断面図。
【図１８】図１７の巻線接続機構とは一部構造が異なる他の巻線接続機構を、回転子の軸方向からみた断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、本実施形態に係る回転機（回転電機とも称する）２０は、例えば２極のタービン発電機などに適用される。この回転機２０は、固定子（ステータ）２１及び回転子（ロータ）３を備えている。また、回転機２０は、回転子３における回転軸２６の両端にそれぞれ対称的に設けられた例えばファン２７や通風ダクトを備えた冷却機構などを有している。
【００１２】
回転軸２６は、固定子２１を含む構造部分に軸受機構を介して支持されている。また、固定子２１は、固定子鉄心２２と固定子コイル２３とを備えている。一方、回転子３は、回転軸２６と一体的に設けられた回転子鉄心２８及び界磁巻線（回転子コイル）２を備えている。
【００１３】
より具体的には、図２に示すように、回転子３は、回転子鉄心２８を含む回転子コアとしての胴部１を有すると共に、上述した界磁巻線２を複数備えている。図２、図３に示すように、胴部１は、Ｎ極とＳ極とを有する界磁極８を有している。また、胴部１の表面部分（周縁部分）には、回転子３の周方向に間隔を置いて複数のスロット４が形成されている。各スロット４は、スロット本体を構成する溝の奥行き方向（長手方向）が、回転子３の軸方向に沿って延びている。
【００１４】
図２〜図５に示すように、複数の界磁巻線２は、互いに磁極が異なる第１の界磁巻線（Ｎ極８ａ側の界磁巻線２）及び第２の界磁巻線（Ｓ極８ｂ側の界磁巻線２）を少なくとも備えており、胴部１に形成された複数のスロット４内にそれぞれ収容されている。各スロット４に収容された各界磁巻線２は、遠心力によるスロット４からの飛び出しを防ぐために、図２に示すように、回転子３の径方向の外径側に嵌め込まれた楔５によって保持されている。
【００１５】
ここで、本実施形態の回転機２０は、図２、図４、図５に示すように、巻線接続機構３１を備えている。巻線接続機構３１は、接続導体６を少なくとも備えており、対応するスロット４内にそれぞれ収容された第１及び第２の（Ｎ極８ａ側及びＳ極８ｂ側の）界磁巻線２どうしを変位可能な状態で電気的に接続する。
【００１６】
具体的には、図４、図５に示すように、巻線接続機構３１は、接続導体固定部３１ａ及び接続導体保持部３１ｂを備えている。接続導体固定部３１ａは、接続導体６の一端部６ｂを第１の（Ｎ極８ａ側の）界磁巻線２に対して固定する。一方、接続導体保持部３１ｂは、接続導体６の他端部６ｃを第２の（Ｓ極８ｂ側の）界磁巻線２に対して摺動可能に保持する。
【００１７】
さらに詳述すると、図４、図５に示すように、Ｎ極８ａ側の界磁巻線２とＳ極８ｂ側の界磁巻線２との最上層のターン部２ａには、段差部７ａ、７ｂがそれぞれ設けられている。図２、図４、図５に示すように、界磁巻線２におけるＮ極８ａ側の段差部７ａとＳ極８ｂ側の段差部７ｂとの極間には、上記した接続導体６が接続されている。接続導体６は、導電性を有する複数の薄銅板（板材）を積層した状態で構成されている。
【００１８】
また、回転機２０は、図２、図４、図５に示すように、複数のスロット４の開口端側に配置された脱離抑制部材として機能する保持環９を備えている。この保持環９は、スロット４からの界磁巻線２の脱離を抑制するため、すなわち、図２、図５に示すように、楔５と同様に、遠心力によるスロット４からの界磁巻線２の飛び出しを防止するために、回転子３の径方向の外径側（図３示すスロット４の開口端側）に配置されている。
【００１９】
また、図４、図５に示すように、接続導体６は、回転子３の径方向の内径側に当該接続導体６本体の中央部分を湾曲させた湾曲部６ａを有している。上述した接続導体固定部３１ａは、図４、図５に示すように、Ｎ極８ａ側の界磁巻線２と接続導体６とが電気的に接続されるように、接続導体６の一端部６ｂを、界磁巻線２におけるＮ極８ａ側の段差部７ａに銀ろう付け又は溶接などによって固定している。
【００２０】
一方、上述した接続導体保持部３１ｂは、図４、図５に示すように、接続導体６の他端部（非固定部）６ｃを、界磁巻線２におけるＳ極８ｂ側の段差部７ｂに対して摺動（摺接）可能に保持する。より具体的には、Ｓ極８ｂ側の界磁巻線２と接続導体６とが電気的に接続されるように、図５に示すように、接続導体保持部３１ｂは、Ｓ極８ｂ側の（第２の）界磁巻線に設けられた挟持部として機能する段差部７ｂと保持環９（脱離抑制部材）との間で、接続導体６の他端部（非固定部）６ｃを変位可能に挟持する。
【００２１】
したがって、本実施形態の回転機２０では、図４、図５に示すように、回転子３の例えば回転時などにおいて、界磁巻線２の極間距離２ａが広がったときには、接続導体６の他端部（非固定部）６ｃは、界磁巻線２との密着面積が減少する方向、すなわち、界磁巻線２のＳ極８ｂ側の段差部７ｂから離間する方向に相対的に変位する。
【００２２】
一方、回転子３の例えば停止時などにおいて、広がっていた界磁巻線２の極間距離２ａが元に戻って狭まったときには、接続導体６の他端部（非固定部）６ｃは、界磁巻線２との密着面積が増加する方向、すなわち、界磁巻線２のＳ極８ｂ側の段差部７ｂへより近付く方向に相対的に変位する。
【００２３】
既述したように、本実施形態の回転機２０では、回転子３の起動や停止に伴って接続導体６に生じ得る応力が、接続導体６の他端部（非固定部）６ｃが変位することによって軽減（緩和）される。したがって、本実施形態の回転機２０によれば、接続導体６に生じる応力を軽減させる効果が高まり、耐久性を向上させることができる。
【００２４】
ここで、図４、図５に例示した接続導体保持部３１ｂを含む巻線接続機構３１に代えて、図６、図７に示すように、接続導体保持部３２ｂを含む巻線接続機構３２を適用することも可能である。図６、図７に示すように、巻線接続機構３２が備える接続導体保持部３２ｂは、Ｓ極８ｂ側の（第２の）界磁巻線２に設けられた凹部２ｃを備えている。この凹部２ｃには接続導体６の他端部６ｃが挿入されている。凹部２ｃの内壁で接続導体６の他端部６ｃを挟み込むことで、界磁巻線２と変位可能な状態の接続導体６とを電気的に接続することが可能となる。
【００２５】
また、図６、図７に示した接続導体保持部３２ｂを含む巻線接続機構３２に代えて、図８、図９に示すように、接続導体保持部３３ｂを含む巻線接続機構３３を適用してもよい。図８、図９に示すように、巻線接続機構３３が備える接続導体保持部３３ｂは、Ｓ極８ｂ側の（第２の）界磁巻線２に固定された導電性を有する例えば銅製又は銅合金製の保持部材３３ｃを備えている。保持部材３３ｃは、凹部（第２の凹部）３３ｄを有しており、この凹部３３ｄ内に接続導体６の他端部６ｃが挿入されている。この凹部３３ｄの内壁で接続導体６の他端部６ｃを挟み込むことで、界磁巻線２と変位可能な状態の接続導体６とを電気的に接続することができる。
【００２６】
また、図４〜図９の例では、複数の薄銅板を積層しかつ湾曲部６ａを備えた接続導体６を例示したが、図１０、図１１に示すように、導電性を有する単一の平坦な板材、例えば銅製又は銅合金製の金属板を用いて接続導体１１を構成してもよい。このような接続導体１１を含む巻線接続機構３４を回転機に適用することも可能である。なお、回転子３の軸方向を基準とする接続導体１１の設置位置は、任意の位置でよく、また、回転子３の径方向を基準とする接続導体１１の設置位置は、当該径方向の最外周側又は最内周側の界磁巻線２の表面を介して極間を接続することが可能な設置位置となる。
【００２７】
さらに、図１２に示すように、少なくともＳ極８ｂ側の（第２の）界磁巻線２に対する押圧力Ｐを発生させる弾性変形部２４ｄを、他端部６ｃに備える例えば銅板製の接続導体２４を適用することも可能である。具体的には、接続導体２４の他端部２４ｃの厚さを、段差部７ｂの段差よりも厚くし、さらにこの部位に弾性変形部２４ｄとして機能するスリットを設ける。これにより、弾性変形部２４ｄが段差部７ｂの段差方向に広がろうとするばね力（弾性変形部２４ｄが界磁巻線２を押圧する押圧力Ｐ）を得ることができる。したがって、回転子３の回転及び停止に伴う比較的加速度変化の大きい遠心力が、接続導体２４に作用する場合でも、上述した弾性変形部２４ｄを通じて接続導体２４と界磁巻線２との密着力が高まっていることから、所望する電気的な接続信頼性を確保できる。このような接続導体２４を含む巻線接続機構３５を回転機に適用することも可能である。
【００２８】
＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態を図１３〜図１５に基づき説明する。なお、図１３〜図１５において、図４〜図１２などに示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。
【００２９】
第２の実施形態に係る回転機は、第１の実施形態で例示した巻線接続機構に代えて、図１３、図１４に示すように、巻線接続機構３６を備えている。巻線接続機構３６は、導電性を有する単層構造の例えば銅製の板材でそれぞれ構成された第１の導体部材２５ａと第２の導体部材２５ｂとを含む接続導体２５を備えている。
【００３０】
図１３、図１４に示すように、第１の導体部材２５ａの一部（一端部側）は、Ｎ極８ａ側の（第１の）界磁巻線２の段差部７ａに銀ろう付け又は溶接などで固定されている。第２の導体部材２５ｂの一部（他端部側）は、Ｓ極８ｂ側の（第２の）界磁巻線２の段差部７ｂに銀ろう付け又は溶接などで固定されている。ここで、第１及び第２の導体部材２５ａ、２５ｂは、それぞれ、Ｎ極８ａ側又はＳ極８ｂ側の界磁巻線２の変位に応じて、互いに摺動する位置関係で配置されている。また、第１の導体部材２５ａにおける第２の導体部材２５ｂとの摺動部分には、段差部２５ｃが形成されている。
【００３１】
したがって、本実施形態の回転機では、図１３、図１４に示すように、回転子の例えば回転時などにおいて、界磁巻線２の極間距離２ａが広がったときには、第１及び第２の導体部材２５ａ、２５ｂは、互いの密着面積（重なり量）が減少する方向に相対的に変位する。
【００３２】
一方、回転子３の例えば停止時などにおいて、広がっていた界磁巻線２の極間距離２ａが元に戻って狭まったときには、第１及び第２の導体部材２５ａ、２５ｂは、互いの密着面積（重なり量）が増加する方向に相対的に変位する。
【００３３】
このように、第２の実施形態の回転機では、回転子の起動や停止に伴って接続導体２５に生じ得る応力が、第１及び第２の導体部材２５ａ、２５ｂどうしの変位によって軽減（緩和）される。これにより、接続導体２５が実質的に高寿命化され、結果的に回転機の耐久性を高めることができる。なお、図１５に示すように、第２の導体部材２５ｂにおける第１の導体部材２５ａ（段差部２５ｃ）との摺動部分にも、段差部２５ｄを設けてもよい。このような接続導体を含む巻線接続機構３７を回転機に適用することも可能である。
【００３４】
＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施の形態を図１６〜図１８に基づき説明する。なお、図１６〜図１８において、図４〜図１５などに示した第１、第２の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。
【００３５】
第３の実施形態に係る回転機は、第１、第２の実施形態で例示した巻線接続機構に代えて、図１６、図１７に示すように、接続導体２９を含む巻線接続機構３８を備えている。接続導体２９は、少なくとも一端部２９ａと他端部２９ｂとの間に位置する中央部分２９ｃが、可とう性を有する材料で構成されている。
【００３６】
より具体的には、図１６、図１７に示すように、接続導体２９の中央部分２９ｃは、例えば平編銅線によって構成されている。また、接続導体２９の一端部２９ａ及び他端部２９ｂは、銅板などによって構成されている。このような接続導体２９の一端部２９ａは、Ｎ極８ａ側の（第１の）界磁巻線２の段差部７ａに銀ろう付け又は溶接などで固定されている。また、接続導体２９の他端部２９ｂは、Ｓ極８ｂ側の（第２の）界磁巻線２の段差部７ｂに銀ろう付け又は溶接などで固定されている。さらに、接続導体２９の一端部２９ａ及び他端部２９ｂと接続導体２９の中央部分２９ｃとの間も銀ろう付け又は溶接などによって互いに接続されている。
【００３７】
したがって、本実施形態の回転機では、図１６、図１７に示すように、回転子の例えば回転時などにおいて、界磁巻線２の極間距離２ａが広がったときには、接続導体２９の中央部分２９ｃ（平編銅線）が延伸することで、接続導体２９に生じ得る応力が吸収される。一方、回転子の例えば停止時などにおいて、広がっていた界磁巻線２の極間距離２ａが元に戻って狭まったときには、接続導体２９の中央部分２９ｃ（平編銅線）が短縮されることで、接続導体２９に加わる応力が緩和される。
【００３８】
このように、第２の実施形態の回転機では、回転子の起動や停止に伴って接続導体２９に生じ得る応力が、接続導体２９自体が伸縮することによって軽減（緩和）される。これにより、接続導体２９を含む回転機の耐久性を向上させることができる。なお、図１８に示すように、一端部、他端部、及び中央部分を含む接続導体４０全体を平編銅線などの可とう性を有する材料で構成することも可能である。このような接続導体４０を有する巻線接続機構３９を回転機に適用してもよい。
【００３９】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、界磁巻線の極間を接続する接続導体に生じた応力の軽減効果を高めることによって、耐久性の向上を図れる回転機を提供することができる。なお、各実施形態で例示した回転機は、タービン発電機などの発電機の他、電動機（モータ）などにも適用することができる。
【００４０】
以上、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す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。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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】
【００４１】
１…胴部、２…界磁巻線、２ｃ…凹部、３…回転子、４…スロット、６，１１，２４，２５，２９，４０…接続導体、６ｂ…接続導体の一端部、６ｃ…接続導体の他端部、７ａ，７ｂ…界磁巻線の段差部、８…界磁極、８ａ…Ｎ極、８ｂ…Ｓ極、９…保持環、２０…回転機（回転電機）、２４ｄ…接続導体の弾性変形部、２５ａ…第１の導体部材、２５ｂ…第２の導体部材、２９ｃ…接続導体の中央部分、３１〜３９…巻線接続機構、３１ａ…接続導体固定部、３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ…接続導体保持部、３３ｃ…保持部材、３３ｄ…第２の凹部。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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