(57)【要約】【課題】棒長手方向に複数の溝を設けて静的剛性及び動的特性を損なわないスプリング棒構造を用いた回転電機の固定子構造を提供する。【解決手段】外周板と、外周板の内側軸方向に設置された複数個の隔板とからなる固定子枠と、鉄心抜板を積層してなる固定子鉄心と、固定子鉄心外周部周方向に設けられたキー溝に嵌合するリブと、リブに固着される複数個の鉄心支え板と、中央部が鉄心支え板にさらに両端部が隔板に固着された複数のスプリング棒６とを備えた回転電機の固定子構造において、スプリング棒６の長手方向に複数の溝７を設ける。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周板と、前記外周板の内側軸方向に設置された複数個の隔板とからなる固定子枠と、鉄心抜板を積層してなる固定子鉄心と、固定子鉄心外周部周方向に設けられたキー溝に嵌合するリブと、前記リブに固着される複数個の鉄心支え板と、中央部が前記鉄心支え板にさらに両端部が前記隔板に固着された複数のスプリング棒とを備えた回転電機の固定子構造において、
前記スプリング棒の長手方向に複数の溝を設けたことを特徴とする回転電機の固定子構造。
【請求項２】
前記スプリング棒は、丸棒又は角棒からな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構造。
【請求項３】
前記スプリング棒の静的剛性における最大たわみと、断面平均から得られる等価断面二次モーメントに対し荷重と軸長さの３乗を掛けた値で割った値との関係から、前記スプリング棒が許容たわみ以下となる等価断面二次モーメントを求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機の固定子構造。
【請求項４】
前記スプリング棒の静的剛性における最大曲げ応力と曲げモーメントの比と、断面平均から得られる等価断面係数との関係から、前記スプリング棒が許容応力以下となる等価断面係数を求めることを特徴とする請求項１ないし３に記載の回転電機の固定子構造。
【請求項５】
前記スプリング棒の静的剛性における溝部の応力集中係数に切欠半径と平滑部直径との比を掛けた値と、切欠半径と切欠底厚さの比との関係から、溝部の許容応力以下となる切欠半径と切欠底厚さの比を求めることを特徴とする請求項１ないし４に記載の回転電機の固定子構造。
【請求項６】
前記スプリング棒において、溝を設けた部分を荷重負荷方向の上部側又は側面側としたことを特徴とする請求項１ないし５に記載の回転電機の固定子構造。
【請求項７】
前記スプリング棒において、溝を設けた部分を荷重負荷方向の上下両側としたことを特徴とする請求項１ないし５に記載の回転電機の固定子構造。
【請求項８】
前記スプリング棒において、溝を設けた部分を棒の外周全体としたことを特徴とする請求項１ないし５に記載の回転電機の固定子構造。
【請求項９】
前記スプリング棒において、溝の断面形状を半円、Ｕ字型、楕円から選択された一形状としたことを特徴とする請求項１ないし８に記載の回転電機の固定子構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン発電機等の大形の回転電機における固定子構造、特に固定子鉄心を弾性支持した構造の回転電機の固定子構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の鉄心と固定子枠間の接続は鉄心重量を支える静的強度と動特性に優れた構造が用いられている。この支持形態の一般的な構造としては組み立てが簡便でかつ製造コストが安価な丸棒を使用したスプリング棒方式がある。これらの支持形態は回転電機の容量によって区別されていることが多く、比較的大容量のタイプではバネ板方式が採用されており、中容量ではスプリング棒方式が多く採用されている。これらの構造に関する特許文献は少ないが、スプリング棒を用いた支持構造として特許文献１がある。
【０００３】
図９は、特許文献１に示される従来の回転電機の固定子構造の全体図である。
この固定子構造は、外周板１と、その内側軸方向に設置された複数個の隔板２とからなる固定子枠と、鉄心抜板を積層してなる固定子鉄心３とからなり、さらに、固定子鉄心外周部周方向に設けられたキー溝に嵌合するリブ４と、リブ４に固着される複数個の鉄心支え板５と、中央部が鉄心支え板５、両端部が隔板２に固着された固定子鉄心３を弾性支持する複数のスプリング棒６とを備えている。スプリング棒６は、固定子鉄心３の磁気振動が基礎に伝達されるのをその弾性効果で防止する機能を有している。
【特許文献１】特開平５−３０４７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
回転電機の支持構造としては製造コストや組み立て易さの観点からスプリング棒方式の活用が望まれるが、大容量に対応するためには鉄心重量増大等の関係から丸棒径を大にするか、本数を増大させて対応する必要がある。しかし、径を大としたり、本数を増やすことは構造上の制約から困難であり、また径を大にしても剛性自体は向上するものの、たわみにくくなり動特性としてのスプリング効果が損なわれる課題がある。
【０００５】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、棒の長手方向に複数の溝を設けて静的剛性及び動的特性を損なわないスプリング棒構造を用いた回転電機の固定子構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の回転電機の固定子構造は、外周板と、前記外周板の内側軸方向に設置された複数個の隔板とからなる固定子枠と、鉄心抜板を積層してなる固定子鉄心と、鉄心外周部周方向に設けられたキー溝に嵌合するリブと、リブに固着される複数個の鉄心支え板と、中央部が前記鉄心支え板にさらに両端部が前記隔板に固着された複数のスプリング棒とを備えた回転電機の固定子構造において、
前記スプリング棒の長手方向に複数の溝を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明において、固定子鉄心を固定子枠に対し弾性支持するスプリング棒の長手方向に複数の溝を設けることにより、動特性としてのスプリング効果を損なわずかつ必要な静的強度を保持し、固定子鉄心を支持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明に係る回転電機の固定子構造の実施形態について、図面を参照して説明する。
なお、図面において図９と同一の部分には同一の符号を付してその構成の説明は省略する。
【０００９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における固定子の回転軸方向の断面を示す図である。
回転電機の固定子構造は、外周板１と隔板２とからなる固定子枠と、鉄心抜板を積層してなる固定子鉄心３とを有する。さらに、固定子鉄心外周部周方向に設けられたキー溝（不図示）に嵌合するリブ４と、リブ４に固着される複数個の鉄心支え板５と、スプリング棒６とからなっている。スプリング棒６は、鉄心支え板５、隔板２に固着されている。スプリング棒６は、通常丸棒であり周方向に複数本配設されている。したがって、固定子鉄心３の自重はスプリング棒６に吊り下がる形で支持されている。両端部が隔板２に固着されその中央に鉄心支え板５が固着されている棒の長さは図１においてｌで示される。
【００１０】
図２は、スプリング棒の拡大した状態を示す正面図である。
図３は、スプリング棒の拡大した状態を示す斜視図である。
【００１１】
このスプリング棒６には長手方向（軸方向）に複数個の溝７が形成されている。溝７は、例えばスプリング棒６の長手方向に直交する方向に形成する。この溝７を設けることによって、スプリング棒６として剛性が過大となることを防止し、また溝７が複数設置されることにより荷重が各溝付近に分担されることによって一部分に集中することを防止することが可能となる。
【００１２】
このように本発明では、スプリング棒６の長手方向に複数の溝７を設けることにより動特性としてのスプリング効果を損なわずかつ必要な静的強度を保持する回転電機の固定子構造を提供することができる。
なお、スプリング棒６は、丸棒以外にも角棒として実施してもよい。
【００１３】
以下に説明する実施形態２−４は、材料力学的な設計に関し、実施形態５，６は、スプリング棒に設置する溝の位置、形状に関する。
【００１４】
（実施形態２）
図４は、実施形態２におけるスプリング棒の荷重に対するたわみを示す図であり、（ａ）は荷重に対するたわみの箇所を示す概略図、（ｂ）は各パラメータの関係を示すグラフである。
【００１５】
一般的に、静的剛性における両端固定のスプリング棒６の集中荷重による曲げで発生する最大たわみｙは、ｙ＝Ｗｌ３／（１９２ＥＩ）で表される。ただし、Ｗは荷重、ｌは棒の長さ（軸長さ）、Ｅはヤング率、Ｉは断面二次モーメントである。また、断面二次モーメントは、本発明の場合、溝付き丸棒を軸方向に分割し各部分の断面二次モーメントの総和を棒全体の長さで割って求めた平均であり、平滑丸棒とした場合の等価断面二次モーメントＩｅである。
【００１６】
図４（ｂ）において、縦軸に溝７を複数設けたスプリング棒６の最大たわみを示し、横軸に断面平均から求めた等価断面二次モーメントに対し荷重と長さ（軸長さ）の３乗を掛けた値で割った値を示す。これにより溝７を設けたスプリング棒６の最大たわみと、等価断面二次モーメントに対し荷重と長さの３乗を掛けた値で割った値は、２次曲線の関係式で表される。なお、同一材料の棒で基準荷重、基準長さのモデルを設定し、荷重比及び長さ比のパラメータを導入してもよい。その場合、横軸は、断面平均から求めた等価断面二次モーメントに対し荷重比と長さ比の３乗を掛けた値で割った値となる。
【００１７】
スプリング棒のたわみは極めて重要なものであり、平滑丸棒とした場合の径（直径）を決定する場合、鉄心と回転子との許容間隔より求められる許容たわみを満足する必要がある。最大たわみをこの許容たわみ以下とするためには、この関係式を用いてまず縦軸の許容たわみの値から、横軸の等価断面二次モーメントに対し荷重及び長さの３乗を掛けた値で割った値を求める。この横軸の丸棒の断面二次モーメントは径の４乗からなる式により表され、また荷重と長さとも関連付けられている。よって、荷重と長さが既知であれば、溝７付のスプリング棒６の形状寸法を決める際、許容たわみ以下となる等価断面二次モーメントの限界値が求められる。
【００１８】
このように本発明ではスプリング棒６の最大たわみと、断面平均から求めた等価断面二次モーメントに対し荷重と長さの３乗を掛けた値で割った値から、スプリング棒６の等価断面二次モーメントを求めることが可能なため、静的強度を損なわないスプリング棒を設けた回転電機の固定子構造を提供することができる。
【００１９】
（実施形態３）
図５は、実施形態３におけるスプリング棒の荷重に対する曲げ応力を示す図であり、（ａ）は荷重に対する最大曲げ応力の箇所を示す概略図、（ｂ）は各パラメータの関係を示すグラフである。
【００２０】
一般的に、静的剛性における棒の長手方向中間部底の最大曲げ応力σは、曲げモーメントＭを断面係数Ｚで割った値で表される。
【００２１】
図５（ｂ）において、縦軸にスプリング棒の長手方向中間部底の最大曲げ応力を曲げモーメントで割った値を示し、横軸に断面平均から求めた等価断面係数Ｚｅを示す。これにより溝を設けたスプリング棒の長手方向中間部底の最大曲げ応力と曲げモーメントの比は、断面平均から求めた等価断面係数と２次曲線の関係式で表される。
【００２２】
丸棒中央部に荷重が加わる場合、丸棒の荷重点には圧縮、その反対側には引張応力が生じる。丸棒の静的強度を確保する場合、この引張応力を許容応力以下にすることが重要となる。したがって、平滑部の長手方向中間部底の最大曲げ応力を許容値以下とするためには、この関係式を用いて等価断面係数の限界値を算出し、等価断面係数を表す径の３乗の式から丸棒径を算出することが可能となる。
【００２３】
このように本発明ではスプリング棒６の長手方向中間部底の最大曲げ応力と曲げモーメントの比から、断面平均から求めた等価断面係数を求めることが可能なため、静的強度を損なわないスプリング棒を設けた回転電機の固定子構造を提供することができる。
なお、スプリング棒６への荷重点は、鉄心支え板５による固定子鉄心３の荷重が作用する点である。
【００２４】
（実施形態４）
図６は、実施形態４におけるスプリング棒の荷重に対する溝部応力を示す図であり、（ａ）は荷重に対する溝部応力の箇所を示す概略図、（ｂ）は各パラメータの関係を示すグラフである。
【００２５】
図６（ｂ）において、縦軸はスプリング棒の溝部の応力集中係数αに溝部の切欠半径Ｒと外径ｄの比を掛けたもので、横軸は溝部の切欠半径Ｒをその切欠底の厚さｔで割ったものである。
【００２６】
丸棒が平滑の場合は平滑部の最大応力を把握しておけば強度上問題ないが、溝が設けられている場合、溝部の切欠に最大応力が発生するので、この部分の応力を評価することによって溝部の形状を決定することができる。
【００２７】
溝７を設けたスプリング棒６の応力集中係数αに溝部の切欠半径Ｒと外径ｄの比と、溝部の切欠半径Ｒと切欠底の厚さｔの比はほぼ直線関係で表される。したがって、溝部の切欠形状は応力に依存することから、溝部の切欠きの応力集中を許容値により設定することにより、許容応力以下となる切欠半径Ｒと切欠底からの厚さｔの比の限界値が求められ溝部形状を決定できる。
【００２８】
このように本発明ではスプリング棒６の溝部の切欠半径Ｒと切欠底の厚さｔの比から、溝部形状を決定することが可能であって、静的強度を損なわないスプリング棒を設けた回転電機の固定子構造を提供することができる。
【００２９】
（実施形態５）
図７は、実施形態５におけるスプリング棒に設置する溝の位置を示す図である。
図７（ａ）に示すものは、スプリング棒６に設置する溝７の位置を荷重負荷方向に対し、荷重負荷側の上部側としている。溝７の位置はスプリング棒６に加わる曲げ方向と同一方向とすることにより曲げ方向の剛性が溝設置のために低下し、丸棒径を大としてもスプリング効果を損なわない回転電機の固定子構造を提供することができる。また、溝７を荷重負荷方向に対し、上部側に設置する代わりに側面側に設けてもよい。
【００３０】
図７（ｂ）に示すものは、スプリング棒６に設置する溝７の位置を荷重負荷方向に対し、上下両側に設置している。丸棒の径によっては上部のみの設置ではスプリング効果を得られない場合もあることから、上下に複数の溝を設置することにより丸棒径を大としてもスプリング効果を損なわない回転電機の固定子構造を提供することができる。
【００３１】
図７（ｃ）に示すものは、スプリング棒６に設置する溝７の位置を荷重負荷方向に対し、上下両側に設置し、かつ上下の溝７の位置を上下不一致に設定している。
上記溝７は、スプリング棒６の長手方向に直交する方向に形成したものであるが、この外に外周全体に形成してもよい。
【００３２】
図７（ｄ）に示すものは、スプリング棒６に設置する溝７の位置を棒の外周全体としている。
このように溝の位置を選ぶことにより、いずれの位置であっても、丸棒径を大とした場合スプリング効果を損なわない回転電機の固定子構造を提供することができる。
【００３３】
（実施形態６）
図８は、実施形態６におけるスプリング棒に設置する溝の形状を示す図である。
溝の形状は、溝の一断面を示す形状である。
【００３４】
図８（ａ）は、スプリング棒６に設置する溝７の断面形状を半円としたものである。
断面形状を半円としたことにより加工が容易である。
【００３５】
図８（ｂ）は、スプリング棒６に設置する溝７の断面形状をＵ字型としたものである。
図８（ｃ）は、スプリング棒６に設置する溝７の断面形状を楕円としたものである。
【００３６】
このように溝７の形状を選ぶことにより、いずれの形状であっても、丸棒径を大とした場合スプリング効果を損なわない回転電機の固定子構造を提供することができる。
なお、実施形態１から６の各々の構成要件は、適宜組合わせることができるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態１における固定子の回転軸方向の断面図。
【図２】本発明の実施形態１におけるスプリング棒の拡大した状態を示す正面図。
【図３】本発明の実施形態１におけるスプリング棒の拡大した状態を示す斜視図。
【図４】本発明の実施形態２におけるスプリング棒の荷重に対するたわみを示す図であり、（ａ）は荷重に対するたわみの箇所を示す概略図、（ｂ）は各パラメータの関係を示すグラフ。
【図５】本発明の実施形態３におけるスプリング棒の荷重に対する曲げ応力を示す図であり、（ａ）は荷重に対する曲げ応力の箇所を示す概略図、（ｂ）は各パラメータの関係を示すグラフ。
【図６】本発明の実施形態４におけるスプリング棒の荷重に対する溝部応力を示す図であり、（ａ）は荷重に対する溝部応力の箇所を示す概略図、（ｂ）は各パラメータの関係を示すグラフ。
【図７】本発明の実施形態５におけるスプリング棒に設置する溝の位置を示す図であり、（ａ）は溝７の位置を荷重負荷方向に対し上部側としたもの、（ｂ）は溝７の位置を荷重負荷方向に対し上下両側としたもの、（ｃ）は溝７の位置を荷重負荷方向に対し上下両側で、かつ上下の溝７の位置を不一致としたもの、（ｄ）は溝７の位置を棒の外周全体としたものを示す概略図。
【図８】本発明の実施形態６におけるスプリング棒に設置する溝の形状を示す図であり、（ａ）は溝７の断面形状を半円としたもの、（ｂ）は溝７の断面形状をＵ字型としたもの、（ｃ）は溝７の断面形状を楕円としたものを示す概略図。
【図９】従来の回転電機の固定子の回転軸に垂直な断面を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１…外周板、２…隔板、３…固定子鉄心、４…リブ、５…鉄心支え板、６…スプリング棒、７…溝。
【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】
2009225535.tif 000009
【図８】
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【図９】
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