JP5058097B2 - 回転電機の電機子 - Google Patents

Description

本発明は回転電機の電機子に係り、特に電機子鉄心が積層体に形成され、かつこの電機子鉄心に通風ダクトを形成するための内側間隔片を備えた回転電機の電機子に関する。

従来の回転電機の電機子について、図１０ないし図１４を参照して説明する。

図１０は従来の回転電機の電機子の主要構成を示す縦断面図、図１１は図１０における電機子の部分横断面図、図１２は図１０における電機子の抜き板鉄心の一部を示す部分斜視図、図１３は図１０における抜き板鉄心の端板１枚の形状を示す平面図である。

図１０に示すように、回転電機の電機子は、図示しない回転子の軸方向に互いに間隔を保って配置される抜き板鉄心３および通風ダクト２を備えている。この抜き板鉄心３は、略扇形の珪素鋼板から成る抜き板９を、所定数量を回転電機の円周方向に環状に配置し、図示しない回転子の軸方向に所定数積層して構成される。

この抜き板鉄心３にはティース（歯部）４およびスロット５が内周に沿って周方向に交互に並ぶように形成されており、略扇形に分割されている。分割される位置は、図１３に示すように、スロット５もしくはスロット５とティース４の境界部とするのが一般的である。一方、通風ダクト２は抜き板鉄心３の積層方向相互間に所定の間隔をおいて、抜き板と同形状に形成された端板１０に半径方向に内側間隔片６を配設して構成される。この内側間隔片６は鉄鋼材料からなり、スロット底部７から電機子鉄心１の外周方向に延びる内側間隔片６ａとティース４の先端部から電機子鉄心１の外周方向に延びる内側間隔片６ｂとからなる。

この場合、長年の運転により電機子鉄心１の締付力が減少した場合に、回転子の磁気吸引力や鉄心の磁気振動などにより、内側間隔片６が脱落しないように、内側間隔片６ｂは、抜き板９と同じ珪素鋼板で構成するか、あるいは別の鉄板で構成した、抜き板９と同一形状の端板１０に点溶接等によって取り付けられるのが一般的である。

また、電機子鉄心１の抜き板鉄心３のスロット５内には、電機子巻線８が介挿されている。この電機子巻線８は楔１１によって抜き板鉄心３のスロット５内に固定される。通常、電機子巻線８は下側電機子巻線８ａと上側電機子巻線８ｂとで構成される。

ところで、回転電機においては、運転中、特に、電機子鉄心１の電機子巻線８において電気抵抗に基づくジュール熱が発生する。この発熱を抑制するために、通常、回転電機の回転子側から通風ダクト２の径方向にかけて冷媒を流動させ、電機子巻線８および隣接する抜き板鉄心３に生じた熱を奪って冷却するようにしている。

このとき、冷媒は図示しない回転子に近いティース４から通風ダクト２内に流入し、電機子巻線８および隣接する抜き板９からなる抜き板鉄心３を冷却し、内側間隔片６ａにより分流されて通風ダクト２の抜き板鉄心外径側に流れ、電機子鉄心１の外周方向に流出して行く。この冷媒は電機子鉄心１の外径側から回転電機外部の図示しない冷却器に導かれ、そこで熱交換されて冷却された冷媒が再び冷却のために回転電機内に戻入され循環する。
特公昭６０−３４３３９号公報

ところで、回転電機運転中の磁束の関係をみると、鉄鋼材料からなる内側間隔片６ｂに回転子側から入射した磁束は、内側間隔片６ｂに沿って抜き板鉄心３の径方向に移動しながら、抜き板鉄心３の軸方向に入射し、その後、ティース４より外径側で周方向に向きを変えて抜き板鉄心３内を通り、図示しない界磁磁極側に達する。

ところが、この構成では内側間隔片６ｂを通る磁束が、電機子鉄心１の抜き板鉄心３へ移行する時に、抜き板鉄心３の積層方向と直角に入ることになり、抜き板鉄心３内に渦電流を誘導してしまい、損失（渦電流損）を発生する。特に、内側間隔片６ｂを取り付けている端板１０には大きな渦電流が流れ、損失も大きくなる。

さらに、この渦電流損は内側間隔片６ｂの磁束に対する磁気抵抗を等価的に大きくし、内側間隔片６ｂの磁束が減少する。

このように、上述した従来の構成では、抜き板鉄心３と内側間隔片６ｂの接合部分等で局所的な温度上昇が発生すると共に、内側間隔片６ｂの磁束が有効に活用できないという課題があった。

そこで、特許文献１のように、内側間隔片を非磁性体の中空棒と、この中空棒内に挿入された複数本の磁性体細線により構成するとともに、内側間隔片の外周側に、電機子鉄心の反回転子側の面と磁性体細線とを磁気的に連結する磁気通路片を設けることによって、内側間隔片から鉄心への磁束移行を小さくすることが行なわれている。

しかしながら、この方法では、内側間隔片の構造が複雑となり、従来の方法に比べて製作効率が大きく低下し、かつ製造コストも増大するという課題があった。

そこで、本発明においては、簡易な構成で、内側間隔片から鉄心部への磁束の移行によって発生する渦電流損失を減少できる回転電機の電機子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る回転電機の電機子の一つの態様は、磁性材からなり、ティースおよびスロットが周方向に交互に配列され形成された複数個の扇形の抜き板を周方向に環状に突き合わせたものを、軸方向に所定の間隔毎に径方向の通風ダクトを形成するように積層して構成した抜き板鉄心と、この抜き板鉄心のスロットに配設された電機子巻線と、前記抜き板鉄心の通風ダクト側端面に介挿され前記抜き板に形成されたティースおよびスロットが一致するようにティースおよびスロットが形成された端板と、前記端板に形成されたティースに抜き板鉄心半径方向に延びるように設けられ、前記通風ダクトにおいて冷媒を前記抜き板鉄心の半径方向に流通させるよう形成した磁性材からなる複数個の内側間隔片と、を備えた回転電機の電機子において、前記端板のティースに抜き板鉄心半径方向に延びる間隙部を形成し、当該間隙部を跨ぐように内側間隔片を配設したことを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機の電機子の他の一つの態様は、磁性材からなり、ティースおよびスロットが周方向に交互に配列され形成された複数個の扇形の抜き板を周方向に環状に突き合わせたものを、軸方向に所定の間隔毎に径方向の通風ダクトを形成するように積層して構成した抜き板鉄心と、この抜き板鉄心のスロットに配設された電機子巻線と、前記抜き板鉄心の通風ダクト側端面に介挿され前記抜き板に形成されたティースおよびスロットが一致するようにティースおよびスロットが形成された端板と、前記端板に形成されたティースに抜き板鉄心半径方向に延びるように設けられ、前記通風ダクトにおいて冷媒を前記抜き板鉄心の半径方向に流通させるよう形成した磁性材からなる複数個の内側間隔片と、を備えた回転電機の電機子において、前記端板はティースが隣接する端板の周方向突合せ部となるように形成するとともに、前記端板の突合せ部にて互いに隣接する端板同士の間に間隙部を形成するように環状に形成し、前記端板の突合せ部に形成された前記間隙部のうち少なくともティースに形成された間隙部を跨ぐように内側間隔片を配置したことを特徴とする。

本発明によれば、回転電機の運転時において、内側間隔片を通過する磁束が抜き板鉄心に移行する際に端板に誘起される渦電流が、間隙部によって流路を分断されるため、渦電流損失を低減することができ、機器効率を向上させることが可能となる。

以下、本発明に係る回転電機の電機子の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態について図１ないし図５を参照して説明する。ここで、前述の従来技術と共通の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

図１は本発明に係る第１の実施形態の回転電機の電機子における抜き板鉄心の一部を示す部分斜視図、図２は図１における抜き板鉄心の端板の一部を示す部分平面図、図３は図２の抜き板鉄心の端板に内側間隔片を取り付けた状態を示す図である。また、図４は第１の実施形態の回転電機の電機子の抜き板鉄心の端板のティースにおいて内側間隔片を配設した状態を示す部分断面図、図５は第１の実施形態の回転電機の電機子の抜き板鉄心の端板の周方向突合せ部において内側間隔片を接合した状態を示す部分断面図である。

図１において、略扇形の抜き板９を円環状に突き合わせたものを軸方向に通風ダクトが形成されるように所定間隔毎に内側間隔片６を配設して積層してなる抜き板鉄心３の積層端部には抜き板９と同形状の端板１０が配設されている。内側間隔片６は、ティース４から端板１０の外径側およびスロット底部７から端板１０の外周側にかけて、磁性材からなる内側間隔片６ａ、６ｂが端板１０の径方向に放射状に設けられて構成されている。この内側間隔片６ａ、６ｂは断面矩形に形成されているが、Ｉ型鋼を用いるなど、横断面の形状は問わない。

この内側間隔片６ａ、６ｂは端板１０に点溶接等の方法で接合されている。また、端板１０のティース４には、スリット（間隙部）１３が形成されている。

図２に示すように、スリット１３の長さはティース４ａの長さに対して、３分の２から１の範囲の長さに形成されている。また、ティース４ａに設けられる内側間隔片６は、図３に示すように、端板１０のティース４ｂの突合せ部１４を跨いで設けられる内側間隔片６ｂ、ティース４ａに設けられたスリット１３を跨ぐように設けられた内側間隔片６ｂｓ、およびスロット底部７付近から端板１０の外径側にかけて配設された内側間隔片６ａで構成されている。

図４は第１の実施の形態に係る抜き板鉄心３のティース４ａ近傍の横断面図を示すものであり、端板１０（１０ｘ、１０ｙ）のティース４ａにスリット１３を設け、内側間隔片６ｂｓがスリット１３を跨ぐように設置した状態を示している。内側間隔片６ｂは、例えば、端板１０ｘに点溶接等による溶接部１５で取り付けられている。端板１０ｘに対向して設けられた端板１０ｙ側には通常は固定されることはなく、特に溶接等は施されていないが、もちろん、端板１０ｙ側に点溶接を行なっても良い。

また、図２および図３に示すように、本実施形態においては、端板１０の周方向の突合せ部１４は、図１３に示した従来例のようにスロット５でなく、ティース４に設けられており、内側間隔片６ｂはティース４に設けられた端板１０ｘ、１０ｙの周方向の突合せ部１４を跨ぐように配設されている。

図５は第１の実施の形態に係る端板１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのティース４ａの周方向突合せ部１４近傍における内側間隔片６ｂと端板の接合状況を示す横断面図を示しており、突合せ部１４を跨ぐように配設された内側間隔片６ｂは、端板１０ａに点溶接等による溶接部１５で取り付けられている。電機子鉄心１の組立ての際は、図の右側の端板１０ｂを先に置き、その隣に端板１０ａを乗せる。端板１０ａ、１０ｂと対向して設けられた端板１０ｃ、１０ｄ側には、特に溶接等は施されていないが、もちろん、端板１０ｃ、１０ｄについても点溶接を行なっても良い。

本実施の形態は上記構成からなり、回転電機の運転時、内側間隔片６ｂ、６ｂｓを通過する磁束が抜き板鉄心３に移行する際に端板１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに誘起される渦電流は、スリット１３によって流路を分断されて抑制されるため、渦電流損失を低減することができる。

図９に、４５０ＭＶＡ級タービン発電機において３次元磁界解析によって計算した磁性材からなる内側間隔片６ｂｓに生じる渦電流密度の径方向分布の一例を示した。

このグラフから判るように、内側間隔片６ｂｓ内の渦電流密度はティース４先端から少し内側に入った位置で最大となり、スロット底部に近づくに従って小さくなっている。内側間隔片６ｂｓから抜き板鉄心３に移行する磁束の量も図９の渦電流密度に応じて変るが、径方向位置の６７％から１００％、すなわち、ティース長さの３分の２から１の範囲では、渦電流密度はピーク値の半分以下になっている。端板１０に設けるスリット１３の長さは短い方が鉄心の剛性を強くでき、製造コストを抑えることもできるため、渦電流の抑制を効果的に行なうことを考え合わせると、スリットの長さをティース長さの３分の２から１の範囲にすることで、効果的に端板１０で発生する渦電流損失を抑制することができるといえる。

また、端板１０の周方向の突合せ部１４がティース４ｂにあって、内側間隔片６ｂがこの突合せ部を跨ぐように設置されているため、内側間隔片６ｂに入った磁束が抜き板鉄心３に移行する際に端板１０に誘起される渦電流は、端板１０の周方向の突合せ部１４によって流路を分断されることで抑制されるため、渦電流損失を低減することができる。

本実施の形態によれば、内側間隔片６ｂ、６ｂｓから磁束が抜き板鉄心３に移行する際に端板１０に誘起される渦電流損失が増大するのを抑えることができ、機器効率をより向上させることが可能になる。

［第２の実施形態］
つぎに、本発明の第２の実施形態について図６を参照して説明する。

図６は第２の実施形態に係る回転電機の電機子の抜き板鉄心の端板に内側間隔片を配設した状態を示す部分構成を示す図である。第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。なお、図６においては、内側間隔片６ａ、６ｂ、６ｂｓを破線で示す。

図６において、端板１０の突合せ部１４はティース４ｂの内径側から外径側に延びている。ティース４ｂより端板１０の外径側において、スロット底部７とほぼ同一の周方向位置に相当する突合せ部１４ａの位置から、ティース４ｂにおける突合せ部１４ｂに対して周方向に傾きを設けてティース４ｂの端板外径側に突合せ部１４ｃが形成されており、端板１０外径側においては内側間隔片６ｂと突合せ部１４ｃとがずれた構造になっている。

このような構造であるので、内側間隔片６ｂは端板１０の外径側で端板１０との接触面積が大きくなる。そのため、電機子鉄心１の締付力が増加し、回転電機の信頼性をより高めることができる。

なお、突合せ部１４ｃの端板１０の外径側での傾き角度は、ティース４ｂにおける突合せ部１４ｂに対して０．５度以上ずれていれば、ティース４ｂより外径側にある内側間隔片６ｂの約半分の長さが、突合せ部１４ｃに接することなく、端板１０を押えることができる。

［第３の実施形態］
つぎに、本発明の第３の実施形態について図面を参照して説明する。

図７は本発明の第３の実施形態の回転電機の電機子の抜き板鉄心の端板に内側間隔片を配設した状態を示す部分構成図である。第１、第２の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。なお、図７においては、内側間隔片６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを破線で示す。

図７において、端板１０の突合せ部１４はティース４ｂの先端部から端板１０の外径側端部にかけて直線状に形成されており、内側間隔片６ｃはティース４ｂの内径側端部から外径側に沿ってティース４ｂの根元部付近までは突合せ部１４の隙間を跨ぐように設けられ、ティース４の根元部よりも外径側で、周方向に傾きを変えて形成され、端板１０の外径側では内側間隔片６ｃと突合せ部１４がずれた構造になっている。

このような構造であるので、内側間隔片６ｃは端板１０の外径側では端板１０との接触面積が大きくなるため、電機子鉄心１の締付力が増加し、回転電機を信頼性をより高めることができる。

なお、内側間隔片６ｃの端板１０外径側における突合せ部１４に対する傾き角度に関しては、概ね０．５度以上あれば、ティース４ｂより外径側にある内側間隔片６ｃの約半分の長さが、突合せ部１４に接することなく、端板１０を押えることができ、良好に電機子鉄心の締付力を確保することができる。

また、図７では、突合せ部１４に接していない内側間隔片６ａや６ｄも、外径側で、径方向から周方向に傾きを変えているが、これは内側間隔片６ｃに合せて、通風ダクトの流路を確保するために行なっているものである。こうすることによって、回転電機の電機子鉄心の通風ダクトを流れる冷媒の量を良好に確保することができ、電機子巻線や電機子鉄心の温度を良好に保つことができる。

［第４の実施形態］
つぎに、本発明の第４の実施形態について図面を参照して説明する。

図８は本発明の第４の実施形態に係る回転電機の電機子の端板の周方向突合せ部近傍における内側間隔片と端板の接合状況を示す横断面図を示している。第１乃至第３の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

図８において、端板１０に設けたスリット１３には、樹脂から成る充填材１６が注入されており、内側間隔片６からの圧力を受ける抜き板鉄心３の面積を増加するとともに、スリット１３の両側の端板１０が別々に振動することを抑制している。

このような構成であるので、スリット１３を設けることによって鉄心の締付力が減少するのを抑えることができ、また長年の運転によってスリット１３の両側の端板１０が振動することで鉄心の締付が低下するのを抑制できる。

なお、本実施形態では、充填材１６をスリット１３に注入したものについて述べたが、端板１０の周方向突合せ部に形成される隙間に、充填材１６を注入してもよい。

また、充填材１６としては、樹脂中に磁性体、例えば、圧粉磁性体のように磁気特性を有し、かつ充填材内での渦電流の発生が抑制できるような電気抵抗が高いものが好ましい。これにより、主磁束に対する抜き板鉄心３の磁気抵抗がスリット１３によって減少することが抑えられるため、回転子側の界磁電流の増加を防ぎ、界磁銅損の発生を抑制し、より高効率な回転電機を提供することが可能となる。なお、磁気特性を有する充填材を充填する場合には、端板１０のスリット１３表面には絶縁処理を施して絶縁皮膜を形成しておくことで、充填材１６により電気的な導通が生じることを抑制できる。

以上のように、スリット１３の隙間を充填材１６で充填したことにより、スリット１３部において鉄心の締付力が減少するのを抑えることができ、回転子側の界磁電流の増加を防ぎ、界磁銅損の発生を抑制し、より高効率な回転電機を提供することができる。

なお、充填材１６はスリット１３部だけでなく、端板１０の突合せ部１４に生じる隙間にも磁性充填材１６を注入することでより効果が期待できる。

本発明に係る第１の実施形態の回転電機の電機子における抜き板鉄心の一部を示す部分斜視図。 図１における抜き板鉄心の端板の一部を示す部分平面図。 図２の抜き板鉄心の端板に内側間隔片を取り付けた状態を示す図。 本発明に係る第１の実施形態の回転電機の電機子の抜き板鉄心の端板のティースにおいて内側間隔片を配設した状態を示す部分断面図。 本発明に係る第１の実施形態の回転電機の電機子の抜き板鉄心の端板の周方向突合せ部において内側間隔片を接合した状態を示す部分断面図。 本発明に係る第２の実施形態の回転電機の電機子の抜き板鉄心の端板を示す部分平面図。 本発明に係る第３の実施形態の回転電機の電機子の抜き板鉄心の端板を示す部分平面図。 本発明に係る第４および第５の実施形態の回転電機の電機子の抜き板鉄心の端板に内側間隔片を接合した状態を示す部分断面図。 本発明に係る第１の実施形態の回転電機の電機子の内側間隔片におけるティース先端部からスロット底部にかけての数値計算に基づく渦電流密度分布を示すグラフ。 従来の回転電機の電機子の主要構成を示す縦断面図。 図１０における電機子の部分横断面図。 図１０における電機子の抜き板鉄心の一部を示す部分斜視図。 図１０における抜き板鉄心の端板１枚の形状を示す平面図。

符号の説明

１ ： 電機子鉄心
２ ： 通風ダクト
３ ： 抜き板鉄心
４、４ａ、４ｂ ： ティース
５、５ａ ： スロット
６、６ａ、６ｂ、６ｂｓ、６ｃ、６ｄ ： 内側間隔片
７ ： スロット底部
８ ： 電機子巻線
９ ： 抜き板
１０、１０ｘ、１０ｙ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ ： 端板
１１ ： 楔
１２ ： 絶縁層
１３ ： スリット（間隙部）
１４ ： 突合せ部
１５ ： 溶接部
１６ ： 充填材

Claims (8)

1. 磁性材からなり、ティースおよびスロットが周方向に交互に配列され形成された複数個の扇形の抜き板を周方向に環状に突き合わせたものを、軸方向に所定の間隔毎に径方向の通風ダクトを形成するように積層して構成した抜き板鉄心と、
   この抜き板鉄心のスロットに配設された電機子巻線と、
   前記抜き板鉄心の通風ダクト側端面に介挿され前記抜き板に形成されたティースおよびスロットが一致するようにティースおよびスロットが形成された端板と、
   前記端板に形成されたティースに抜き板鉄心半径方向に延びるように設けられ、前記通風ダクトにおいて冷媒を前記抜き板鉄心の半径方向に流通させるよう形成した磁性材からなる複数個の内側間隔片と、
   を備えた回転電機の電機子において、
   前記端板のティースに抜き板鉄心半径方向に延びる間隙部を形成し、当該間隙部を跨ぐように内側間隔片を配設したことを特徴とする回転電機の電機子。
2. 前記間隙部は、前記端板のティース内径側先端部から、ティース長さの２／３〜１の範囲に形成したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の電機子。
3. 磁性材からなり、ティースおよびスロットが周方向に交互に配列され形成された複数個の扇形の抜き板を周方向に環状に突き合わせたものを、軸方向に所定の間隔毎に径方向の通風ダクトを形成するように積層して構成した抜き板鉄心と、
   この抜き板鉄心のスロットに配設された電機子巻線と、
   前記抜き板鉄心の通風ダクト側端面に介挿され前記抜き板に形成されたティースおよびスロットが一致するようにティースおよびスロットが形成された端板と、
   前記端板に形成されたティースに抜き板鉄心半径方向に延びるように設けられ、前記通風ダクトにおいて冷媒を前記抜き板鉄心の半径方向に流通させるよう形成した磁性材からなる複数個の内側間隔片と、
   を備えた回転電機の電機子において、
   前記端板はティースが隣接する端板の周方向突合せ部となるように形成するとともに、前記端板の突合せ部にて互いに隣接する端板同士の間に間隙部を形成するように環状に形成し、前記端板の突合せ部に形成された前記間隙部のうち少なくともティースに形成された間隙部を跨ぐように内側間隔片を配置したことを特徴とする回転電機の電機子。
4. 前記端板のティースより外径側の突合せ部は、ティースにおける突合せ部に対して周方向に傾きを設けて形成されていることを特徴とする請求項３に記載の回転電機の電機子。
5. 前記端板の突合せ部は、前記端板のティースより外径側の突合せ部の周方向傾き角がティースにおける突合せ部に対して、０．５度以上となるように形成したことを特徴とする請求項４に記載の回転電機の電機子。
6. 前記内側間隔片は、前記端板のティースにおいて前記間隙部を覆うように配設するとともに、前記ティースより外径側において、ティースに配設した内側間隔片に対して０．５度以上周方向に傾けて配設したことを特徴とする請求項３に記載の回転電機の電機子。
7. 前記間隙部に、樹脂を充填したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回転電機の電機子。
8. 前記樹脂に、磁性粉を混入させたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転電機の電機子。

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