JP4834401B2 - 回転電機ロータのき裂除去方法、回転電機ロータおよび回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、ロータ鉄心部の外周面にスロットを軸方向に多数設け、これらのスロット内の下部と上部にコイルと複数個のウエッジをそれぞれ挿入し、これらのウエッジによりスロット内にコイルを固定する回転電機ロータのき裂除去方法、回転電機ロータおよび回転電機に関する。

従来の回転電機ロータの一例としてタービン発電機ロータ３００の構成について、図８〜図１４を参照して説明する。

図８は、従来のタービン発電機ロータ３００の一部の断面を模式的に示した図であり、図９は、図８に示したタービン発電機ロータ３００の軸方向に対して垂直な面を一部断面として模式的に示した図である。図１０は、図９のスロット３０３とウエッジ３０５の組立状態を模式的に示す斜視図である。図１１は、変形したロータシャフト３０１を示す平面図である。図１２は、ロータダブテール部にき裂を有するタービン発電機ロータ３００を示す斜視図である。図１３および図１４は、ロータダブテール部に発生したき裂を除去する従来の方法を説明するためのタービン発電機ロータ３００の斜視図である。

図８〜図１０に示すように、タービン発電機ロータ３００は、ロータシャフト３０１と一体に形成されたロータ鉄心部３０２とを備え、このロータ鉄心部３０２には、軸方向にスロット３０３が多数設けられている。これらのスロット３０３内の下部には、コイル３０４を挿入され、このコイル３０４上に絶縁ブロック３０６を介して複数個のウエッジ３０５が配設されている。これらのウエッジ３０５は、スロット３０３内の上部の挿入溝に挿入されて配設され、コイル３０４がロータシャフト３０１の回転による遠心力によってスロット３０３内から脱出するのを防止している。

ウエッジ３０５は、種々の形状に形成されるが、一般には、図１０に示すようなダブテール形に形成され、その他にＴ字形、クリスマスツリー形などの形状に形成されることもある。これらのウエッジ３０５は、スロット３０３内に複数個挿入されているので、ウエッジ３０５とスロット３０３との接触面３０７には、互いに隣り合うウエッジ３０５の端面どうしが接する接触端部３０８が形成される。この接触端部３０８には、遠心力による面圧が集中するばかりでなく、図１１に示すように、ロータ鉄心部３０２が自重または曲げ振動により曲率ｒで曲って、回転しているときにスロット３０３（ロータ鉄心部３０２）とウエッジ３０５との間に相対すべり±δが発生する。このため、接触端部３０８のロータ鉄心部３０２側にすべり方向に大きな引張、圧縮応力が集中するため、この部分にフレッティング損傷を生じ、疲労によるき裂が発生することがあった。

図１１に示すように、ロータ鉄心部３０２の半径をｒｏ、ウエッジ３０５の長さをＬとすると、ロータ鉄心部３０２は、上点Ａおよび下点Ｂに至るとき、ウエッジ端部に相当する位置で、下記式（１）に示すδだけ伸縮するが、ウエッジ３０５は長手方向に分断されているので伸縮しない。したがって、ロータシャフト３０１の一回転毎にウエッジ３０５とロータ鉄心部３０２との接触端部３０８で相対すべり２δを発生する。
δ＝ｒｏ・Ｌ／２ｒ …式（１）

上記したように、接触端部３０８では面圧が集中し、一般に面圧の高い接触面が相対すべりを伴うと、フレッティング損傷によりロータ鉄心部３０２側の接触面３０７に、図１２に示すようなき裂３０９が発生することがあった。

また、このロータ鉄心部３０２側の接触面３０７に発生したき裂３０９は、ロータ鉄心部３０２が自重または曲げ振動により曲率ｒで曲がり回転しているときに生じる曲げ応力、タービン発電機の運転時のロータ鉄心部３０２の外径側と内径側の温度差による熱応力、材料の残留応力等により進展する可能性がある。そのため、例えば、ロータ鉄心部３０２側の接触面３０７に発生したき裂３０９を定期点検時などに除去をする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

この従来のき裂除去方法は、図１３および図１４に示すように、ロータ鉄心部３０２の接触面３０７に発生したき裂の周囲を、そのき裂の発生状態および大きさ等により切り欠いてき裂を除去し、き裂除去部３１０を形成している。

また、接触端部３０８のロータ鉄心部３０２側に応力集中緩和用の溝を設け、ウエッジ３０５とロータ鉄心部３０２との相対すべりによる接触端部のすべり方向の引張および圧縮応力の集中を緩和する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、ロータ鉄心部３０２側の接触面３０７のフレッティング疲労を軽減および防止する技術も開示されている（例えば、特許文献３−５参照。）。
米国特許第６８４９９７２号明細書 特公平４−２９３０４号公報 特公平５−７４３０４号公報 特公平７−４０７７４号公報 特公平７−４４８０２号公報

上記したロータ鉄心部３０２側の接触面３０７に発生したき裂３０９を除去する従来の技術は、スロット３０３内側の狭隘部の加工作業となり、作業性が悪いという欠点があった。また、従来のウエッジ３０５とロータ鉄心部３０２との相対すべりによる接触端部のすべり方向の引張および圧縮応力の集中を緩和する技術や、ロータ鉄心部３０２側の接触面３０７のフレッティング疲労を軽減および防止する技術は、フレッティング疲労によるき裂の発生を防止する技術であり、発生したき裂を除去したり、き裂の進展を防止する技術ではなかった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ロータ鉄心部の外周面からの処理により、ロータ鉄心部側のウエッジと接触面に発生したき裂を容易に除去することができる回転電機ロータのき裂除去方法、この回転電機ロータのき裂除去方法によってき裂が除去された回転電機ロータ、この回転電機ロータを備える回転電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の回転電機ロータのき裂除去方法は、ロータ鉄心部の外周面に軸方向に形成された複数のスロットと、前記スロット内に収納されたコイルと、前記スロットの上部に軸方向に配列して挿入され、前記コイルを前記スロット内に保持するウエッジとを備える回転電機ロータにおける、前記スロットと前記ウエッジとの接触面に発生した前記ロータ鉄心部のき裂を除去するき裂除去方法であって、き裂が発生した前記ロータ鉄心部に隣接する一方のスロットから他方のスロットに貫通するように、前記ロータ鉄心部の外周面から前記き裂を含む前記ロータ鉄心部の中心軸側の領域を取り除き、前記き裂を除去することを特徴とする。

この回転電機ロータのき裂除去方法によれば、ロータ鉄心部の外周面からき裂の除去処理が可能であるので、容易にロータ鉄心部のき裂を除去することができ、さらに作業性にも優れている。

また、上記した回転電機ロータのき裂除去方法によってロータ鉄心部のき裂が除去された回転電機ロータや、この回転電機ロータを備える回転電機を構成することもできる。

本発明の回転電機ロータのき裂除去方法、回転電機ロータおよび回転電機によれば、ロータ鉄心部の外周面からの処理により、ロータ鉄心部側のウエッジと接触面に発生したき裂を容易に除去することができる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について図１〜図３を参照して説明する。

図１は、き裂１４が発生した状態のロータ鉄心部１１を有する回転電機ロータ１０を模式的に示した斜視図である。図２は、き裂１４を除去した状態のロータ鉄心部１１を模式的に示した斜視図である。図３は、図２に示すロータ鉄心部１１の側部を模式的に示した平面図である。

図１に示すように、回転電機ロータ１０のロータ鉄心部１１の外周面には、中心軸方向に凹設され、軸方向に延設された複数のスロット１２が形成されている。図示しないが、背景技術で述べたように、このスロット１２内には、コイルが収納され、このコイルの半径方向外側には絶縁層を介してウエッジが挿入される。このウエッジは、回転電機ロータ１０の回転によって発生する遠心力でコイルが半径方向に飛び出すのを押さえるもので、例えば、ダブテール形、Ｔ字形、クリスマスツリー形などの形状のものが用いられる。

また、ウエッジは、スロット１２の挿入溝１３内に複数個挿入されているので、ウエッジとスロット１２との接触面には、互いに隣り合うウエッジの端面どうしが接する接触端部が形成される。図１に示すように、この接触端部には、背景技術で述べたように、遠心力による面圧が集中するばかりでなく、ロータ鉄心部１１が自重または曲げ振動により曲って、回転しているときにスロット１２（ロータ鉄心部１１）とウエッジとの間に相対すべりが発生し、ロータ鉄心部１１側にフレッティング損傷を生じ、疲労によるき裂１４が発生することがある。

次に、このき裂１４を除去する方法について、図２および図３を参照して説明する。

図２および図３に示すように、き裂１４が形成されたロータ鉄心部１１の外周面１１ａからき裂１４を含むロータ鉄心部１１の中心軸側の領域、およびこの領域に対応するロータ鉄心部１１の円周方向に亘る領域を除去し、ロータ鉄心部１１の外周面に切欠溝部２０を形成する。この切欠溝部２０を形成することによって、ロータ鉄心部１１に形成されたき裂１４を除去することができる。この切欠溝部２０は、例えば、ボール盤などの工作機械を用いて形成される。

切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）は、３ｍｍ〜２０ｍｍとすることが好ましい。また、切欠溝部２０の深さは、ロータ鉄心部１１に形成されたき裂１４に対応して設定され、き裂１４を完全に除去できる深さに設定される。また、切欠溝部２０は、ロータ鉄心部１１の円周方向に貫通し、開口した状態となっている。

ここで、切欠溝部２０の底面２０ａは、ロータ鉄心部１１が自重または曲げ振動により所定の曲率で曲って回転している時に生じる曲げ応力、ロータ鉄心部１１の外径側と内径側の温度差による熱応力、材料の残留応力等の軸方向応力による高サイクル疲労、および起動停止時のスロット１２内遠心力の変動による低サイクル疲労を受ける応力環境下にある。また、ロータ鉄心部１１のスロット１２の上部は、回転電機ロータ１０の起動停止時のスロット１２内における遠心力の変動による低サイクル疲労を受ける応力環境下にある。

上記したように、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）を３ｍｍ以上に設定することが好ましいのは、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）が３ｍｍよりも短い場合には、切欠溝部２０の底面２０ａの応力集中係数が大きくなり、上記した疲労強度が低下するからである。また、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）を２０ｍｍ以下に設定することが好ましいのは、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）が２０ｍｍより長くなると、切欠溝部２０近傍のロータ鉄心部１１とウエッジとの接触面圧が大きくなり、さらに、切欠溝部２０において応力集中によりロータ鉄心部１１およびウエッジの応力が大きくなり、上記した疲労強度が低下するからである。

また、図３に示すように、切欠溝部２０の底面２０ａと、切欠溝部２０の側面２０ｂとの交わる部分を、鋭角に相互の面が交わるように構成してもよいが、曲率を持ったＲ部２０ｃとして構成することが好ましい。このように、底面２０ａと側面２０ｂとが交わる部分をＲ部２０ｃとすることで、切欠溝部を加工したことによる応力集中を緩和し疲労強度の低下を防止することができる。また、このＲ部２０ｃは、１.５ｍｍ以上の曲率半径を有していることが好ましい。ここで、Ｒ部２０ｃの曲率半径を１.５ｍｍ以上とすることが好ましいのは、Ｒ部２０ｃの曲率半径が１.５ｍｍより小さい場合には、応力集中により切欠溝底部応力が高くなり疲労強度が低下するからである。

上記したように、第１の実施の形態におけるロータ鉄心部１１に形成されたき裂１４を除去する方法によれば、ロータ鉄心部１１の外周面からき裂１４の除去処理が可能であるので、容易にロータ鉄心部１１のき裂１４を除去することができ、さらに作業性にも優れている。また、き裂１４を完全に除去することができるので、き裂除去後におけるロータ鉄心部１１の信頼性を確保することができる。また、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）が長い場合には、ロータ鉄心部１１におけるき裂１４の中心軸方向への進展の状態を非破壊検査により容易に確認することができる。

なお、ロータ鉄心部１１に設置されている振動調整用のバランスプラグによりバランスを調整することにより、ロータ鉄心部１１の一部を除去して切欠溝部２０を形成しても、最適な重量バランスを維持することが可能となる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について図４を参照して説明する。

第２の実施の形態におけるロータ鉄心部１１に形成されたき裂１４を除去する方法では、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）を１ｍｍ〜２０ｍｍに設定する一例について説明する。なお、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）が３ｍｍ〜２０ｍｍの場合については、第１の実施の形態におけるロータ鉄心部１１に形成されたき裂１４を除去する方法で説明したので、ここでは、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）を１ｍｍ以上３ｍｍ未満とする場合について説明する。

図４は、き裂１４を除去した状態のロータ鉄心部１１の側部を模式的に示した平面図である。なお、第１の実施の形態における構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を簡略または省略する。

図４に示すように、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）を１ｍｍ以上３ｍｍ未満とする場合、切欠溝部２０の底面２０ａと、切欠溝部２０の軸方向の側面２０ｂとが交わる部分を曲率半径が１.５ｍｍ以上の曲面となるように加工処理を施す。この場合、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）が３ｍｍ未満であるため、底面２０ａの形状は円形状となり、切欠溝部２０は全体として鍵穴状の形状を有している。

ここで、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）を１ｍｍ以上３ｍｍ未満とする場合に、切欠溝部２０の底面２０ａと、切欠溝部２０の軸方向の側面２０ｂとが交わる部分の曲面の曲率半径を１.５ｍｍ以上とするのは、曲率半径（ｒ）が１.５ｍｍよりも小さいときには、応力集中により切欠溝底部応力が高くなり疲労強度が低下するからである。

上記したように、第２の実施の形態におけるロータ鉄心部１１に形成されたき裂１４を除去する方法によれば、ロータ鉄心部１１の外周面からき裂１４の除去処理が可能であるので、容易にロータ鉄心部１１のき裂１４を除去することができ、さらに作業性にも優れている。

また、ロータ鉄心部１１に形成されたき裂１４が小さい場合に、切欠溝部２０の底面２０ａと、切欠溝部２０の軸方向の側面２０ｂとが交わる部分を曲率半径が１.５ｍｍ以上の曲面となるように加工処理を施すことで、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）が１ｍｍ以上３ｍｍ未満の範囲でも、切欠溝部２０の底面２０ａの応力集中係数の増加を抑え、疲労強度の低下を抑制することができる。

なお、第２の実施の形態の場合と同様に、ロータ鉄心部１１に設置されている振動調整用のバランスプラグによりバランスを調整することにより、ロータ鉄心部１１の一部を除去して切欠溝部２０を形成しても、最適な重量バランスを維持することが可能となる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態について図５〜図７を参照して説明する。

第３の実施の形態では、第１および第２の実施の形態における切欠溝部２０に充填部材を装着した構成について説明する。

図５は、第１の実施の形態における切欠溝部２０に充填部材３０を充填した状態のロータ鉄心部１１の側部を模式的に示した平面図である。図６は、第２の実施の形態における切欠溝部２０に充填部材４０を充填した状態のロータ鉄心部１１の側部を模式的に示した平面図である。図７は、他の形状を有する切欠溝部２０に充填部材５０を充填した状態のロータ鉄心部１１の側部を模式的に示した平面図である。

図５および図６に示すように、切欠溝部２０には、切欠溝部２０の形状とほぼ同じ形状を有する充填部材３０、４０が挿入され、ロータ鉄心部１１に接合されている。図５に示すように、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）を維持したままロータ鉄心部１１の中心軸側に切欠溝部２０が形成される場合には、充填部材３０を切欠溝部２０の上方（ロータ鉄心部１１の外周面側）から切欠溝部２０内に挿入することができる。一方、図６に示すように、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）が維持されずに、ロータ鉄心部１１の中心軸側に切欠溝部２０の軸方向の長さ増加する切欠溝部２０が形成される場合には、充填部材４０を切欠溝部２０の側方（スロット１２側）から切欠溝部２０内に挿入することができる。

また、切欠溝部２０に挿入された充填部材３０、４０は、ロータ鉄心部１１と、例えば溶接により接合される。また、充填部材３０、４０とロータ鉄心部１１との接合方法は、溶接に限られるものではなく、充填部材３０、４０をロータ鉄心部１１にネジなどによって螺設してもよく、すなわち切欠溝部２０内に充填部材３０、４０を保持できる接合方法であればよい。

充填部材３０、４０は、各ロータ鉄心部１１との重量バランスを均一にするために、ロータ鉄心部１１を形成する材料と同一の材料、またはロータ鉄心部１１を形成する材料とほぼ比重が同じ材料で構成されることが好ましい。また、充填部材３０、４０は、ロータ鉄心部１１を形成する材料よりも軟質な材料で形成されてもよい。この軟質な材料として、例えば、アルミ合金などが挙げられるが、これに限られるものではない。充填部材３０、４０をロータ鉄心部１１を形成する材料よりも軟質な材料で形成することで、充填部材３０、４０とロータ鉄心部１１との接触面におけるフレッティング損傷を防止することができる。

また、切欠溝部２０の軸方向の長さ（Ｌ）が３ｍｍ〜２０ｍｍの場合、図７に示すように、切欠溝部２０の軸方向の側面２０ｂに円周方向に凹条溝部２０ｄを形成し、この切欠溝部２０の形状とほぼ同じ形状を有する充填部材５０を挿入し、充填部材５０の凸部５０ａを凹条溝部２０ｄに係合して、ロータ鉄心部１１に装着してもよい。この場合、充填部材５０の凸部５０ａが凹条溝部２０ｄに係合するので、溶接などの接合処理を施さなくとも、充填部材５０を切欠溝部２０内に保持することができる。

上記したように、切欠溝部２０に充填部材を装着することで、各ロータ鉄心部１１との重量バランスを均一にすることができる。また、ロータ鉄心部１１の外周面に流れる電流、ロータ鉄心部１１の外周面における通風抵抗などを、他のロータ鉄心部１１と同様にすることができる。

以上、本発明を第１〜第３の実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。また、本発明は、電動機や発電機などの回転電機全般に適用することができる。

き裂が発生した状態のロータ鉄心部を有する回転電機ロータを模式的に示した斜視図。 第１の実施の形態におけるき裂を除去した状態のロータ鉄心部を模式的に示した斜視図。 図２に示すロータ鉄心部の側部を模式的に示した平面図。 第２の実施の形態におけるき裂を除去した状態のロータ鉄心部の側部を模式的に示した平面図。 第１の実施の形態における切欠溝部に充填部材を充填した状態のロータ鉄心部の側部を模式的に示した平面図。 第２の実施の形態における切欠溝部に充填部材を充填した状態のロータ鉄心部の側部を模式的に示した平面図。 他の形状を有する切欠溝部に充填部材を充填した状態のロータ鉄心部の側部を模式的に示した平面図。 従来のタービン発電機ロータの一部の断面を模式的に示した図。 図８に示したタービン発電機ロータの軸方向に対して垂直面を一部断面として模式的に示した図。 図９のスロットとウエッジの組立状態を模式的に示す斜視図。 変形したロータシャフトを示す平面図。 ロータダブテール部にき裂を有するタービン発電機ロータを示す斜視図。 ロータダブテール部に発生したき裂を、除去する従来の方法を説明するためのタービン発電機ロータの斜視図。 ロータダブテール部に発生したき裂を、除去する従来の方法を説明するためのタービン発電機ロータの斜視図。

符号の説明

１０…回転電機ロータ、１１…ロータ鉄心部、１１ａ…外周面、１２…スロット、１３…挿入溝、１４…き裂、２０…切欠溝部、２０ａ…底面、２０ｂ…側面、２０ｃ…Ｒ部。

Claims (12)

1. ロータ鉄心部の外周面に軸方向に形成された複数のスロットと、前記スロット内に収納されたコイルと、前記スロットの上部に軸方向に配列して挿入され、前記コイルを前記スロット内に保持するウエッジとを備える回転電機ロータにおける、前記スロットと前記ウエッジとの接触面に発生した前記ロータ鉄心部のき裂を除去するき裂除去方法であって、
   き裂が発生した前記ロータ鉄心部に隣接する一方のスロットから他方のスロットに貫通するように、前記ロータ鉄心部の外周面から前記き裂を含む前記ロータ鉄心部の中心軸側の領域を取り除き、前記き裂を除去することを特徴とする回転電機ロータのき裂除去方法。
2. 前記き裂が除去された領域において、該領域の底面と、該領域の軸方向の側面との交わる部分が曲率を有するように加工処理を施すことを特徴とする請求項１記載の回転電機ロータのき裂除去方法。
3. 前記き裂が除去された領域において、該領域における軸方向の側面に、円周方向に凹条溝部を形成したことを特徴とする請求項１記載の回転電機ロータのき裂除去方法。
4. 前記き裂が除去された領域の前記ロータ鉄心部の外周面における軸方向の長さが３ｍｍ〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の回転電機ロータのき裂除去方法。
5. 前記き裂が除去された領域の前記ロータ鉄心部の外周面における軸方向の長さが１ｍｍ〜２０ｍｍであり、かつ該領域の底面と該領域の軸方向の側面とが交わる部分を曲率半径が１．５ｍｍ以上となるように加工処理を施すことを特徴とする請求項１記載の回転電機ロータのき裂除去方法。
6. 前記き裂が除去された領域に、該領域の形状に対応する形状の充填部材を挿入し、前記充填部材を前記ロータ鉄心部に溶接して固定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の回転電機ロータのき裂除去方法。
7. 前記き裂が除去された領域に、該領域の形状に対応する形状の充填部材を挿入し、前記充填部材を前記ロータ鉄心部に螺設して固定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の回転電機ロータのき裂除去方法。
8. 前記き裂が除去された領域に、該領域の形状に対応する形状の充填部材を挿入し、前記充填部材の一部を前記ロータ鉄心部に形成された凹条溝部に係合させて、前記充填部材を装着することを特徴とする請求項３記載の回転電機ロータのき裂除去方法。
9. 前記充填部材が、前記ロータ鉄心部を形成する材料と同一の材料または同一の比重を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項記載の回転電機ロータのき裂除去方法。
10. 前記充填部材が、前記ロータ鉄心部を形成する材料よりも軟質な材料で形成されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項記載の回転電機ロータのき裂除去方法。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項記載の回転電機ロータのき裂除去方法によってロータ鉄心部のき裂が除去されたことを特徴とする回転電機ロータ。
12. 請求項１乃至１０のいずれか１項記載の回転電機ロータのき裂除去方法によってロータ鉄心部のき裂が除去された回転電機ロータを備えることを特徴とする回転電機。

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