JP3677584B2

JP3677584B2 - 回転電機の回転子

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Publication number: JP3677584B2
Application number: JP2000173096A
Authority: JP
Inventors: 博青山; 善之五十嵐
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2020-06-09
Also published as: JP2001352703A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子に係り、特に、発電機や誘導電動機などの回転電機の回転子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転電機の回転子は、特開平１−２２７６４０号公報や特開平８−３２２１８０号公報などに記載されているように、胴体部、胴体部に形成されたスロット、スロット内に収容された界磁巻線、界磁巻線よりも外周側に位置して界磁巻線と当接するクリページブロック、クリページブロックよりも外周側に位置してクリページブロックに当接し、スロット開口部に係合するウエッジなどで構成されている。特開平１−２２７６４０号公報に提案の回転子では、界磁巻線を収容したスロットの底部に弾性部材を設けて、界磁巻線を囲む絶縁材とウエッジとが常に接触した状態にしておき、回転子が回転したときの遠心力で界磁巻線が外周側に移動することによって界磁巻線を囲む絶縁材とウエッジとが衝突することで絶縁材が破損するの防ぐものである。また、特開平８−３２２１８０号公報に提案の回転子では、スロット内に収容された界磁巻線の外周側の絶縁層つまりクリページブロックに相当する部分とスロットの開口部に係合するウェッジとの間に挿入されるスライディングシートを備え、スライディングシートの絶縁層との接触面に摩擦係数の小さい材料を一体に形成することで、界磁巻線の熱による回転子の軸に沿う方向への伸び、または界磁巻線の冷却による回転子の軸に沿う方向への収縮のときの絶縁層とウエッジとの摩擦による摩耗や、絶縁層に働く剪断応力などを低減するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、回転子が回転すると、前述のように、界磁巻線は遠心力によって回転子の外周側に移動する。このとき、界磁巻線に通電されると、回転子の軸にほぼ沿う方向に界磁巻線の熱伸びが生じる。このため、界磁巻線は、運転中の回転と通電によって、接触面圧が高くなった状態で、クリページブロックと界磁巻線間、クリページブロックとウェッジ間、そしてウエッジの係合部位とスロット開口部の係合部位間などのいずれかで界磁巻線の熱伸びや収縮による滑りが発生する。このとき、クリページブロックと界磁巻線間、クリページブロックとウェッジ間、そしてウエッジの係合部位とスロット開口部の係合部位間などの摩擦係数により、最も摩擦係数の低い部位間で滑りが発生する。
【０００４】
このため、滑りが発生する部位がスロット毎に変わった場合、回転子の軸に対するモーメントアームが変わるため、摩擦により回転子に作用する応力の大きさがスロット毎に異なり、回転子が撓んでしまう。このような回転子の撓みの発生は、回転子の回転中の異常振動などにつながるため、これを抑える必要がある。
【０００５】
さらに、各スロットで部材間の滑りが同じ部位で発生する場合は、回転子の軸に対するモーメントアームほぼ同じになるため、回転子の軸に対するモーメントアームが変わることにより発生する回転子の撓みは低減される。しかし、各スロットで部材間の滑りが同じ部位で発生する場合であっても、各スロットの滑りを起こす部材間の摩擦係数にばらつきがあれば、摩擦により回転子に作用する応力が各スロット毎に異なることになるため、回転子の撓みが発生する。
【０００６】
これに対して、回転子にバランスウエイトを取付けるなど、回転子の重量配分を調整することにより、各スロット間の摩擦係数のばらつきにより発生する回転子の撓みを低減することが考えられる。しかし、回転電機の起動と停止を繰り返すことにより、界磁巻線が伸縮して部材間に滑りが起こると、滑りを起こす部材の摩耗などにより、各スロット間の摩擦係数のばらつき幅が変化してしまう場合がある。このように、各スロット間の摩擦係数のばらつき幅が変化すると、各スロットで摩擦によって回転子に作用する応力のばらつき幅が変化してしまい、最初に回転子の重量配分を調整していても、回転子の撓みを低減することはできなくなる。
【０００７】
また、特開平８−３２２１８０号公報に提案の回転子などでは、界磁巻線を囲う絶縁層に当接するスライディングシートの面に四弗化エチレンなどの低摩擦係数材からなる層などを形成し、回転子を曲げるような応力を低減している。しかし、このような回転子では、絶縁層とスライディングシートの摩擦係数が小さくなりすぎるため、摩擦係数のばらつき幅が変化し易くなり、回転子の撓みを十分に低減できない場合がある。
【０００８】
本発明は、回転時に発生する回転子の撓みを低減することにある。
【課題を解決するための手段】
本発明の回転電機の回転子は、胴体部と、ほぼこの胴体部の外周面からこの胴体部の軸に向けて形成された複数のスロットと、このスロット内に収容された界磁巻線と、この界磁巻線よりも外周側に位置してこの界磁巻線と当接するクリページブロックと、このクリページブロックよりも外周側に位置してスロットの開口部に係合するウエッジとを含み、クリページブロックが繊維強化樹脂からなり、クリページブロックの界磁巻線との接触面に最も近い繊維層は、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維を有していることにより上記課題を解決する。
【０００９】
このような構成とすれば、クリページブロックと界磁巻線との摩擦係数が他の滑りが起こる可能性がある部位よりも小さくなり、適度な摩擦係数を有するクリページブロックと界磁巻線との間で確実に滑りが起こるようになる。このため、各スロットで滑りが発生する部位が同じになり、回転子に対するモーメントアームをほぼ一定にすることができる。さらに、界磁巻線が遠心力によりクリページブロックに高い圧力で押しつけられた状態で伸縮しても、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維により、界磁巻線は回転子の軸方向にほぼ沿う方向になめらかに滑ることができ、回転電機の駆動と停止を繰り返すことなどによる各スロットの摩擦係数のばらつき幅を変化し難くできる。すなわち、回転時に発生する回転子の撓みを低減することができる。
【００１０】
さらに、クリページブロックの界磁巻線との接触面に最も近い繊維層は、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ第１の繊維とこの第１の強化繊維と交わる方向に並ぶ第２の強化繊維とで織られ、第１の強化繊維の密度を第２の強化繊維の密度よりも高くした構成とする。また、第２の強化繊維の密度に対する第１の強化繊維の密度の比は、クリページブロックと界磁巻線との接触面の摩擦係数がクリページブロックと界磁巻線との接触面以外の滑りが発生する可能性がある部材の接触面の摩擦係数よりも小さくなるように決められた構成とする。
【００１１】
このような構成とすれば、クリページブロックの界磁巻線との接触面に最も近い繊維層は、第１の繊維とこの第１の強化繊維と交わる方向に並ぶ第２の強化繊維とで織られていることにより、第１の繊維に交わる方向に作用するの応力に対する界磁巻線との接触面に最も近いクリページブロックの繊維層の強度を向上し、クリページブロックの圧縮強度を向上できる。加えて、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ第１の繊維の密度が第１の繊維と交わる方向に並ぶ第２の繊維の密度よりも高いため、界磁巻線が遠心力によりクリページブロックに高い圧力で押しつけられた状態で伸縮しても、クリページブロックと界磁巻線は回転子の軸方向にほぼ沿う方向になめらかに滑ることができる。
【００１２】
さらに、クリページブロックの界磁巻線との接触面に最も近い繊維層は、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ第１の強化繊維とこの第１の強化繊維と交わる方向に並ぶ第２の強化繊維とで織られ、第１の強化繊維の径が、第２の強化繊維の径よりも大きい構成とする。このような構成でも、クリページブロックの圧縮強度を向上でき、かつ、界磁巻線が遠心力によりクリページブロックに高い圧力で押しつけられた状態で伸縮しても、第１の強化繊維の径が第２の強化繊維の径よりも大きいため、クリページブロックと界磁巻線は回転子の軸方向にほぼ沿う方向になめらかに滑ることができる。
【００１３】
さらに、クリページブロックの界磁巻線との接触面に最も近い繊維層が、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維で形成されてなる構成とすれば、織り目による凹凸がないため、界磁巻線が遠心力によりクリページブロックに高い圧力で押しつけられた状態で伸縮しても、クリページブロックと界磁巻線は回転子の軸方向にほぼ沿う方向によりなめらかに滑ることができる。また、クリページブロックの界磁巻線と当接する繊維層の外周側に位置する繊維層が、界磁巻線と当接する繊維層の繊維と交わる方向に並ぶ強化繊維で形成された構成とすれば、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維で形成されたクリページブロックの界磁巻線との接触面に最も近い繊維層の強度を補強し、クリページブロックの圧縮強度を向上できるので好ましい。
【００１４】
さらに、クリページブロックは、強化繊維を強化材とするプリプレグシートを積層することで形成された繊維強化樹脂からなる構成とすれば、クリページブロックの形成作業を簡素化できる。また、強化繊維は、ガラス繊維、アルミナ繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維のいずれか一種類であるか、またはガラス繊維、アルミナ繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維の少なくとも２種類を混合したものとする。
【００１５】
さらに、上記のいずれかの回転子と、この回転子を軸止する軸受けと、回転子の外周側に位置する固定子とを含んでなる回転電機とすれば、回転子の撓みによる振動や寿命の低下などを抑制し、回転電機の信頼性を向上することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなる回転電機の回転子の第１の実施形態について図１乃至図７を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる回転子を備えた回転電機の一例の概略構成を部分的に破断して示す斜視図である。図２は、回転子の胴体部の断面図である。図３は、図２のＡの部分を拡大して示す断面図である。図４は、本発明を適用してなる回転子のクリページブロックの繊維層の構成を模式的に示す斜視図である。図５は、クリページブロックの回転子の軸方向と交わる方向に並ぶ繊維の密度に対する回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ繊維の密度の比と、クリページブロック及び界磁巻線の接触面の摩擦係数との関係を示す図である。図６は、クリページブロックの回転子の軸方向と交わる方向に並ぶ繊維の密度に対する回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ繊維の密度の比と、クリページブロックの圧縮強度及び摩擦係数の安定度との関係を示す図である。図７は、クリページブロックと界磁巻線との間の滑り回数と、摩擦係数のばらつきとの関係を示す図である。なお、本実施形態では回転電機としてタービン発電機を一例として説明するが、本発明の回転子は、様々な回転電機に適用することができる。
【００１７】
本実施形態の回転子１を備えた回転電機つまりタービン発電機は、図１に示すように、回転子１の外側を囲むように設けられた円筒状の固定子３、固定子３の外側に設けられて固定子３を保持する固定子フレーム５、固定子３の両端部に設けられて固定子フレーム５に取り付けられたエンドカバー７、そしてエンドカバー７の中央部に配設されて回転子１を軸止する軸受け９などで構成されている。固定子フレーム５には、通風ダクト１１が形成されている。
【００１８】
回転子１は、図２に示すように、略円柱状の胴体部１３、ほぼ胴体部１３の円周面から胴体部１３の軸に向かう方向に形成され、胴体部１３の軸にほぼ沿う方向に延在する溝である複数のスロット１５、そしてスロット１５内に納められ、胴体部１３の軸にほぼ沿う方向に延在する界磁巻線１７、クリページブロック１９、ウエッジ２１などを有している。なお、図２では、胴体部１３の形状を分かり易くするため、１つのスロット１５に界磁巻線１７、クリページブロック１９、ウエッジ２１などを設置し、他のスロット１５にはこれらの部材が設置されていない状態を示しているが、実際の回転子１では、全てのスロット１５に界磁巻線１７、クリページブロック１９、ウエッジ２１などが納められている。スロット１５は、胴体部１３の対向する２箇所の部分すなわち磁極部２３を除いて、胴体部１３に等間隔で形成されている。また、胴体部１３の隣り合うスロット１５間の部分、つまりくし歯状に形成された部分は、ティース２５と呼ばれている。本実施形態では、磁極部２３は、２箇所設けられているが、２箇所以上、例えば４箇所設けられる場合もある。
【００１９】
ウエッジ２１は、図３に示すように、延在方向の側面に突出部２６を有して断面が略凸形状に形成されており、ティース２５の円周面側の側面には、ウエッジ２１の側面の突出部２６に対応する溝２７が形成されている。ウエッジ２１は、突出部２６を溝２７に係合させてティース２５にはめ込まれており、スロット１５に納められた界磁巻線１７が回転子１の回転の遠心力によってスロット１５から飛び出さないようにしている。ティース２５の側面とスロット１５内に納められている界磁巻線１７やクリページブロック１９との間には、電気絶縁用の平板状の樹脂からなるスロットアーマ２９が設置される。界磁巻線１７は、矩形断面をしており、複数の界磁巻線１７が層間絶縁材３１と交互に半径方向に積層されている。最外周側の界磁巻線１７には、電気絶縁用のクリページブロック１９が当接しており、クリページブロック１９の界磁巻線１７と接している側の面と反対側の面には、ティース２５に係合されているウェッジ２１が当接している。
【００２０】
クリページブロック１９は、図４に示すように、強化繊維３３が織られたものに半硬化した樹脂を含ませたプリプレグシートを積層してプレス板などによって加熱状態で加圧することで形成された複数の繊維層３５、３７を有する繊維強化樹脂である。本実施形態では、強化繊維３３に界磁巻線１７よりも硬いガラス繊維を、樹脂にエポキシ樹脂を用いている。また、図４では、クリページブロック１９の繊維層３５、３７の構成を説明するため、繊維層３５、３７のみをしめしており樹脂部分は省略している。クリページブロック１９の界磁巻線１７に当接する面にもっと近い繊維層３７の強化繊維３３は、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度が、回転子１の軸方向と交わる方向、つまり強化繊維３３ａと交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの密度よりも高くなるように織られている。言い換えれば、強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数が強化繊維３３ｂの単位長さ当たりの本数よりも多くなるように織られている。強化繊維３３の織り方は、平織り、繻子織りなどにすることができる。
【００２１】
なお、強化繊維３３ａの密度が強化繊維３３ｂの密度よりも高くなるように織られている繊維層は、少なくともクリページブロック１９が界磁巻線１７に当接する面に最も近い繊維層３７に用いればよいが、それ以外の繊維層３５に用いることもできる。また、プリプレグシートを積層してクリページブロック１９を形成した後、クリページブロック１９の厚みを所望の寸法に合わせるときは、界磁巻線１７に当接する面とは反対側つまりウエッジ２１と当接する側の面を切削加工などにより加工する。すなわち、クリページブロック１９の界磁巻線１７に当接する面は、繊維層３７が露出しておらず樹脂が繊維層３７の表面を覆っている状態とする。
【００２２】
ここで、本実施形態では、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３７の、回転子１の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの密度に対する回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度の比と、界磁巻線１７及びクリページブロック１９の接触面Ｂの摩擦係数との関係に基づいて、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度、つまり単位長さ当たりの本数を設計している。すなわち、図５に示すように、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３７の回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度の比を上げる、つまり強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数を増やすと、クリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの摩擦係数は小さくなる。
【００２３】
したがって、繊維層３７の回転子１の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの密度に対する回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度の比は、ウエッジ２１の突出部２６とティース２５の溝２７との接触面Ｃの摩擦係数、ウエッジ２１とクリページブロック１９との接触面Ｄの摩擦係数、そして界磁巻線１７と相関絶縁材３１との接触面Ｅの摩擦係数よりもクリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの摩擦係数が小さくなるように設計されている。これにより、本実施形態の回転子１における界磁巻線１７の熱伸び及び収縮による部材の滑りは、確実にクリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂで起こる。
【００２４】
さらに、本実施形態では、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３７における回転子１の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの密度に対する回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度の比と、クリページブロック１９の圧縮強度、及び接触面の摩擦係数のばらつき安定度との関係に基づいて、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度を設計している。すなわち、強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数の比率を高くするに連れ、図６に示すように、強化繊維３３ａ同士がクリページブロック１９に作用する応力により互いに分離または解離しやすくなるため、クリページブロック１９が回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に亀裂などを生じてしまい、クリページブロック１９の圧縮強度は低下する。
【００２５】
一方、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度の比を高くする、つまり界磁巻線１７とクリページブロック１９との滑り方向に配されている強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数の比率を高くするに連れ、界磁巻線１７とクリページブロック１９との接触面Ｂの回転子１の軸方向にほぼ沿う方向の摩擦係数は小さくなる。このため、界磁巻線１７とクリページブロック１９とはなめらかに滑ることができ、各スロット１５間の摩擦係数の安定度が高くなる。したがって、本実施形態のクリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３７の回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数の比率は、適度なクリページブロック１９の圧縮強度と、適度な接触面Ｂの摩擦係数の安定度とが得られる比率Ｆで設計されている。
【００２６】
なお、回転子の軸にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数の比率は、本実施形態の比率Ｆに限らず、図６のような回転子の軸と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの密度に対する強化繊維３３ａの密度の比とクリページブロックの圧縮強度及び摩擦係数のばらつき安定度との関係を求め、クリページブロックに要求される圧縮強度などに応じて設計すればよい。
【００２７】
ところで、回転子１が回転している状態で界磁巻線１７に通電され温度上昇すると、界磁巻線１７は、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に熱伸びする。さらに、界磁巻線１７への通電が遮断されると、温度低下により界磁巻線１７は回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に収縮する。つまり、回転電機の起動と停止を繰り返すことによって界磁巻線１７の伸びと収縮が起こる。このとき、界磁巻線１７の伸びと収縮により、クリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂ、ウエッジ２１とティース２５との係合部分の接触面Ｃ、ウエッジ２１とクリページブロックとの接触面Ｄ、そして界磁巻線１７と相関絶縁材３１との接触面Ｅのいずれかで滑りが起きた場合の滑り回数と、各接触面の各スロット１５間での摩擦係数のばらつき幅との関係を見ると、図７に示すように、滑り回数が増えるにしたがって、接触面Ｃ、接触面Ｄ、そして接触面Ｅの各スロット１５間の摩擦係数のばらつき幅は変化しており、滑り回数を重ねるにしたがって徐々にばらつきの幅が大きくなって行く。また、図示していないが、従来の回転子では、クリページブロックと界磁巻線との接触面Ｂで滑りが起こった場合、滑り回数を重ねるにしたがって徐々にばらつきの幅が大きくなって行く。
【００２８】
これに対して本実施形態の回転子１では、クリページブロック１９の繊維層３７の回転子１の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの密度に対する回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度の比は、ウエッジ２１の突出部２６とティース２５の溝２７との接触面Ｃの摩擦係数、ウエッジ２１とクリページブロック１９との接触面Ｄの摩擦係数、そして界磁巻線１７と相関絶縁材３１との接触面Ｅの摩擦係数よりも、クリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの摩擦係数の方が小さくなるように設計されている。ただし、クリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの摩擦係数は、従来の回転子のような接触面に四弗化エチレンなどの低摩擦係数材からなる層などを形成した場合よりも摩擦係数は大きい。
【００２９】
このため、回転子１における界磁巻線１７の熱伸びや収縮による部材間の滑りは、確実にクリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂで起こる。すなわち、界磁巻線１７の熱伸びや収縮は、常にクリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの滑りで吸収できる。さらに、前述ように、繊維層３７の回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数の比率が所望の摩擦係数の安定度が得られる比率に設計されているため、回転電機の起動と停止を繰り返しても、クリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの各スロット１５間の摩擦係数のばらつき幅は変化し難い。
【００３０】
このように本実施形態の回転電機の回転子１では、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３７の強化繊維３３が界磁巻線１７よりも硬いガラス繊維などからなり、加えて界磁巻線１７の伸縮方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数が、界磁巻線１７の伸縮方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの単位長さ当たりの本数よりも多い。このため、クリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの摩擦係数を他の部材間の摩擦係数よりも小さくできることにより、界磁巻線１７の熱伸びによる部材の滑りは、確実にクリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂで起こる。したがって、各スロット１５での滑り発生部位が同じになり、各スロット１５で滑り発生部位の摩擦によって発生する回転子１に作用する応力のモーメントの回転子１の軸に対する半径をほぼ一定にすることができる。さらに、界磁巻線１７は、遠心力によりクリページブロック１９に高い圧力で押しつけられた状態でも、クリページブロック１９の繊維層３７の界磁巻線１７よりも硬いガラス繊維からなる強化繊維３３ａにより、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向になめらかに滑ることができる。このため、回転電機の駆動と停止を繰り返すことなどにより滑り回数が増えても、各スロット１５間の摩擦係数のばらつき幅を変化し難くできる。すなわち、回転時に発生する回転子１の撓みを低減することができる。
【００３１】
さらに、本実施形態では、強化繊維３３は、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａと回転子１の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂとを織ったものであるため、強化繊維３３ｂによりクリページブロック１９の界磁巻線１７と当接する部分の圧縮強度を向上することができる。加えて、本実施形態の回転子１を備えた回転電機では、回転子１の撓みによる振動や、この振動による寿命の低下などを抑制し、回転電機の信頼性を向上することができる。
【００３２】
また、本実施形態では、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３７の強化繊維３３は、同じ径の強化繊維３３ａ、３３ｂを織ったものであるが、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａと、強化繊維３３ａと交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂとは、異なる径の強化繊維を用いることができる。このとき、図８に示すように、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａに、強化繊維３３ａと交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂよりも径が大きな強化繊維を用いれば、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向、すなわち界磁巻線１７の伸縮方向に並ぶ強化繊維３３ａの剛性を高くできる。したがって、界磁巻線１７が高面圧でクリページブロック１９の表面に押し付けられても、強化繊維３３ａは屈曲し難いため、界磁巻線１７とクリページブロック１９とは、よりなめらかに滑ることができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
本発明を適用してなる回転電機の回転子の第２の実施形態について図９を参照して説明する。図９は、本発明を適用してなる回転子のクリページブロックの繊維層の構成を模式的に示す斜視図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と相違する構成及び特徴部などについて説明する。
【００３４】
本実施形態は、クリページブロック１９の形成方法は、第一の実施形態と同様であるが、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３９の強化繊維３３は、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａのみで構成されている点で第１の実施形態と相違する。すなわち、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３９の強化繊維３３は織られておらず、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａのみを並べた状態になっている。なお、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａのみを有する構成は、少なくとも界磁巻線１７に最も近い繊維層３９に用いればよいが、それ以外の繊維層３５に用いることもできる。
【００３５】
こように本実施形態のクリページブロック１９を備えた回転子１では、界磁巻線１７に最も近い繊維層３９の強化繊維３３は織られていないため、織り目部分の凹凸がなくなり、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向の強化繊維３３ａを平滑な状態にできる。したがって、界磁巻線１７の熱伸びによる部材の滑りは、確実にクリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂで起こる上、界磁巻線１７が高面圧でクリページブロック１９の表面に押し付けられても、強化繊維３３ａは織り目部分の凹凸が内平滑な状態であるため、界磁巻線１７はなめらかに滑ることができる。
【００３６】
ただし、第１の実施形態に記載したように、回転子１の回転時に、界磁巻線１７がクリページブロック１９の表面に高面圧で押し付けられるため、この面圧の程度によっては、層３９の強化繊維３３ａ同士がクリページブロック１９に作用する応力により互いに分離または解離しやすくなる。このため、クリページブロック１９が回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に裂けてしまうといったように、クリページブロック１９の十分な圧縮強度が得られない場合がある。このような場合には、図１０に示すように、繊維層３９の外周側に位置する繊維層、すなわち繊維層３９の隣に位置する繊維層４１は、強化繊維３３ａと交わる方向に延在する強化繊維３３ｂを並べた構成とする。
【００３７】
このような構成とすれば、繊維層４１の回転子１の軸方向に交わる方向に延在する強化繊維３３ｂによって、繊維層３９の強化繊維３３ａがクリページブロック１９に作用する応力により互いに分離または解離してクリページブロック１９が回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に裂けてしまうのを抑えることができる。したがって、クリページブロック１９の圧縮強度を向上し、クリページブロック１９の信頼性を向上することができる。
【００３８】
なお、クリページブロック１９を繊維層３９と繊維層４１を有するような構成としても十分な圧縮強度が得られない場合には、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に延在する強化繊維３３ａと回転子１の軸方向に交わる方向を向いた強化繊維３３ｂとを織った繊維層３７を有するクリページブロック１９を備えた第１の実施形態の回転子１を用いる。
【００３９】
（第３の実施形態）
本発明を適用してなる回転電機の回転子の第３の実施形態について図１１乃至１３を参照して説明する。図１１クリページブロックの形成に用いるロール状に巻かれた長尺のプリプレグシートを模式的に示す斜視図である。図１２は、ロール状に巻いた長尺のプリプレグシートより切り出したプリプレグシート断片を複数枚重ねた状態を模式的に示す斜視図である。図１３は、クリページブロックの中間成型体とこの中間成形体から切り出されたクリページブロックを模式的に示す斜視図である。なお、本実施形態では、第１及び第２の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説明を省略し、第１及び第２の実施形態と相違する構成及び特徴部などについて説明する。
【００４０】
本実施形態と第１及び第２の実施形態との相違点は、クリページブロックを形成する際に予め長尺のプリプレグシートを形成し、この長尺のプリプレグシートから切り出したプリプレグシート断片を積層することでクリページブロックを形成していることにある。すなわち、本実施形態の回転子１のクリページブロック１９を形成する際、図１１に示すように、織られた強化繊維３３に半硬化したエポキシ樹脂を含ませて形成された長尺のプリプレグシート４３を用いている。長尺のプリプレグシート４３は、ロール状に巻かれており、また、長尺のプリプレグシート４３の短辺方向に沿う方向に延在する強化繊維３３ａのプリプレグシート４３の密度は、長辺方向に沿う方向に延在する強化繊維３３ｂの密度よりも高くなっている。
【００４１】
この長尺のプリプレグシート４３より、図１２に示すように、プリプレグシート断片４５を切り出し、このプリプレグシート断片４５を複数枚重ね、第１及び第２の実施形態と同様に加熱状態で加圧して、クリページブロック１９の中間成型体４７を得ている。このとき、各プリプレグシート断片４５は、強化繊維３３ａと強化繊維３３ｂの方向が揃うように重ねている。プリプレグシート断片４５を重ねる枚数は、クリページブロック１９の厚さよりわずかに大きくなるようにしている。この中間成型体４７から、図１３に示すように、必要なクリページブロックの幅Ｌにあわせてクリページブロック１９が切り出され、界磁巻線１７に当接する側とは反対側、つまりウエッジ２１と当接する側の面を加工して厚みを調整している。
【００４２】
このように本実施形態では、クリページブロック１９を製作する際に、強化繊維３３の織り方、つまり回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａと回転子１の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂとの密度の比や太さの違う複数種のプリプレグシートを準備することなく、一種類の長尺のプリプレグシート４３でクリページブロック１９を形成することができる。すなわち、クリページブロック１９の形成作業を簡素化でき、また、クリページブロック１９のコストを低減できる。
【００４３】
また、本実施形態では、強化繊維３３ａと強化繊維３３ｂの方向が揃うように重ねているが、強化繊維３３ａと強化繊維３３ｂの方向を交互に変えてプリプレグシート断片４５を積層することもできる。さらに、織った強化繊維３３に限らず、一方向に並ぶ強化繊維３３のみを有する長尺のプリプレグシート４３を形成して、この長尺のプリプレグシート４３から切り出したプリプレグシート断片４５でクリページブロック１９を形成しすることもできる。このとき、例えば、隣り合う繊維層の強化繊維３３の方向が交わる方向になるように、強化繊維３３の方向を交互に変えてプリプレグシート断片４５を積層すれば、第２の実施形態のような構成のクリページブロック１９を得ることができる。
【００４４】
また、第１乃至第３の実施形態では、強化繊維３３としてガラス繊維を用いているが、強化繊維としてアルミナ繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維などを単独で用いたり、さらにガラス繊維、アルミナ繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維を２種以上混合したものなど様々な強化繊維を用いることができる。さらに、クリページブロック１９を形成するための樹脂としてエポキシ樹脂を例示しているが、ＰＥＥＫやＦＲＰなど熱可塑性と電気絶縁性を有する様々な樹脂を用いることができる。加えて、クリページブロック１９を構成する繊維強化樹脂層は、強化繊維に半硬化した樹脂を含ませる方法に限らず、強化繊維を半硬化した樹脂で挟んだものに熱を加えるような方法でも形成できる。さらに、回転子１は、複数の界磁巻線１７を有する構成となっているが、界磁巻線は１つにすることもできる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、回転時に発生する回転子の撓みを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる回転子を備えた回転電機の一例の概略構成を部分的に破断して示す斜視図である。
【図２】本発明を適用してなる回転子の一実施形態の胴体部の断面図である。
【図３】図２のＡの部分を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明を適用してなる回転子の第１の実施形態が備えるクリページブロックの繊維層の構成を模式的に示す斜視図である。
【図５】クリページブロックの回転子の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維の密度に対する回転子の軸方向に沿う方向に並ぶ強化繊維の密度の比と、クリページブロック及び界磁巻線の接触面の摩擦係数との関係を示す図である。
【図６】クリページブロックの回転子の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維の密度に対する回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ繊維の密度の比と、クリページブロックの圧縮強度及び摩擦係数の安定度との関係を示す図である。
【図７】各部材の接触面の滑り回数と、摩擦係数のばらつきとの関係を示す図である。
【図８】第１の実施形態の変形例における繊維層の構成を模式的に示す斜視図である。
【図９】本発明を適用してなる回転子の第２の実施形態が備えるクリページブロックの繊維層の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１０】第２の実施形態の変形例における繊維層の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】本発明を適用してなる回転子の第３の実施形態が備えるクリページブロックの形成に用いるロール状に巻かれた長尺のプリプレグシートを模式的に示す斜視図である。
【図１２】ロール状に巻いた長尺のプリプレグシートより切り出したプリプレグシート断片を複数枚重ねた状態を模式的に示す斜視図である。
【図１３】クリページブロックの中間成型体とこの中間成形体から切り出されたクリページブロックを模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１回転子
１３胴体部
１５スロット
１７界磁巻線
１９クリページブロック
２１ウエッジ
３３、３３ａ、３３ｂ強化繊維
３７繊維層

Claims

胴体部と、ほぼ該胴体部の外周面から該胴体部の軸に向けて形成された複数のスロットと、該スロット内に収容された界磁巻線と、該界磁巻線よりも外周側に位置して該界磁巻線と当接するクリページブロックと、該クリページブロックよりも外周側に位置して前記スロットの開口部に係合するウエッジとを含む回転電機の回転子であり、
前記クリページブロックが繊維強化樹脂からなり、前記クリページブロックの界磁巻線との接触面に最も近い繊維層は、前記回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維を有してなることを特徴とする回転子。
胴体部と、ほぼ該胴体部の外周面から該胴体部の軸に向けて形成された複数のスロットと、該スロット内に収容された界磁巻線と、該界磁巻線よりも外周側に位置して該界磁巻線と当接するクリページブロックと、該クリページブロックよりも外周側に位置して前記スロットの開口部に係合するウエッジとを含む回転電機の回転子であり、
前記クリページブロックが繊維強化樹脂からなり、前記クリページブロックの前記界磁巻線との接触面に最も近い繊維層は、前記回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ第１の繊維と該第１の強化繊維と交わる方向に並ぶ第２の強化繊維とで織られ、前記第１の強化繊維の密度を前記第２の強化繊維の密度よりも高くしてなることを特徴とする回転子。
前記第２の強化繊維の密度に対する前記第１の強化繊維の密度の比は、前記クリページブロックと前記界磁巻線との接触面の摩擦係数が前記クリページブロックと前記界磁巻線との接触面以外の滑りが発生する可能性がある部材の接触面の摩擦係数よりも小さくなるように決められてなることを特徴とする請求項２に記載の回転子。
胴体部と、ほぼ該胴体部の外周面から該胴体部の軸に向けて形成された複数のスロットと、該スロット内に収容された界磁巻線と、該界磁巻線よりも外周側に位置して該界磁巻線と当接するクリページブロックと、該クリページブロックよりも外周側に位置して前記スロットの開口部に係合するウエッジとを含む回転電機の回転子であり、
前記クリページブロックが繊維強化樹脂からなり、前記クリページブロックの前記界磁巻線との接触面に最も近い繊維層は、前記回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ第１の強化繊維と該第１の強化繊維と交わる方向に並ぶ第２の強化繊維とで織られ、前記第１の強化繊維の径が、前記第２の強化繊維の径よりも大きいことを特徴とする回転電機の回転子。
胴体部と、ほぼ該胴体部の外周面から該胴体部の軸に向けて形成された複数のスロットと、該スロット内に収容された界磁巻線と、該界磁巻線よりも外周側に位置して該界磁巻線と当接するクリページブロックと、該クリページブロックよりも外周側に位置して前記スロットの開口部に係合するウエッジとを含む回転電機の回転子であり、
前記クリページブロックが繊維強化樹脂からなり、前記クリページブロックの前記界磁巻線との接触面に最も近い繊維層が、前記回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維で形成されてなることを特徴とする回転子。
前記クリページブロックの界磁巻線と当接する繊維層の外周側に位置する繊維層が、前記界磁巻線に最も近い繊維層の強化繊維と交わる方向に並ぶ強化繊維で形成されてなることを特徴とする請求項５に記載の回転子。
前記クリページブロックは、強化繊維を強化材とするプリプレグシートを積層することで形成された繊維強化樹脂からなることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の回転子。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転子と、該回転子を軸止する軸受けと、前記回転子の外周側に位置する固定子とを含んでなる回転電機。