JPH10327562A - タービン発電機及びその集電装置、並びに、タービン発電機の集電装置用ブラシ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ブラシを交換した直後、複数のブラシ間で生じ
る大きなブラシ不平衡電流を早期に解消できる信頼性の
高いタービン発電機及びその集電装置、並びに、タービ
ン発電機の集電装置用ブラシを提供すること。 【解決手段】回転子の軸延長上に取り付けられたスリッ
プリング１と、スリップリング１の周表面上に摺動接触
して配置された複数のブラシ６と、スリップリング１の
周囲に固定配置されたブスリング３と、ブスリング３に
固定されると共に、複数のブラシ６を前記スリップリン
グ１の周表面上に所定の圧力で押圧しながら保持する複
数の保持器とを有するタービン発電機の集電装置におい
て、上記複数のブラシ３の高さ寸法を１４０mm乃至１６
０mmの範囲に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、タービン発電機及
びその集電装置、並びに、タービン発電機の集電装置用
ブラシに係り、特に、発電機の運転中であっても、ブラ
シの交換ができるタービン発電機及びその集電装置、並
びに、タービン発電機の集電装置用ブラシに関する。

【０００２】

【従来の技術】タービン発電機の回転子軸延長上には、
回転子に巻かれた界磁巻線に界磁電流を供給する集電装
置が設けられている。この集電装置は、回転子軸に嵌め
込まれたスリップリングと、このスリップリングの周表
面上に摺動接触して配置された複数のブラシと、この複
数のブラシをスリップリングの周表面上に所定の圧力で
押圧しながら保持する複数の保持器と、この複数の保持
器を固定するブスリングとを備えており、外部から供給
された界磁電流がブスリング，保持器，ブラシ，スリッ
プリングを介して界磁巻線に供給されるよう構成されて
いる。

【０００３】ところで、この集電装置においては、スリ
ップリングと摺動接触の関係にあるブラシが、スリップ
リングの回転摩擦によって摩耗してまうことから、ブラ
シの点検，交換が行われる。しかも、このブラシの点
検，交換は、発電機を停止させることなく行われる。

【０００４】このようなことから、従来では、特公昭60
−7987号公報に開示のようなブラシ保持器を採用して、
容易、かつ安全にブラシの点検，交換が行えるようにし
ていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の技術
は、ブラシのメンテナンス性が向上し集電装置の信頼性
も向上した。しかし、ここで、次の新たな事実が判明し
た。

【０００６】即ち、複数のブラシ間で電流の不平衡が生
じてしまうことが判明した。スリップリングの周表面上
に摺動接触して配置されるブラシは、発電機の出力によ
ってその個数が異なるが、周方向に数個乃至数十個，軸
方向に数列，規則的に並んで配置されている。しかし、
複数のブラシ各々は、冷却風の流れによって生じるスリ
ップリングの温度差，ブラシ自体の電気抵抗の違い，ブ
ラシをスリップリング周表面上に押え付けるばねの加圧
力のバラツキ等によって、スリップリングとの接触境界
面の状態が一様ではない。このようなことから、複数の
ブラシ間で電流の不平衡が生じてしまう。

【０００７】ところが、その後の実験で、電流の不平衡
を生じてしまう要因に、ブラシの電流通電面、即ち、ス
リップリングとの摺動接触面積が大きく関係しているこ
とが判明した。図３はその時の実験結果であって、縦軸
に電流分布率Ｆ，横軸にブラシの接触面積Ｓをとり、ブ
ラシの摺動接触面積と電流分布率の関係を示した特性図
である。尚、この時、ブラシとしては、高さ１００mmの
ものを使用した。また、電流分布率Ｆは、次式によって
表わされる。

【０００８】

【数１】

【０００９】ここで、δｎは測定電流値の標準偏差δ
ｎ、ｘはブラシ平均電流である。また、数１において、
Ｆの値が大きければブラシ不平衡電流が大きいことを示
し、Ｆの値が３０％以下であればブラシ電流が略平衡に
流れていることを示していると見做してよい。

【００１０】図面から明らかなように、ブラシの摺動接
触面積が小さい場合、電流分布率Ｆは大きく、ブラシ不
平衡電流が大きいと判る。また、ブラシの摺動接触面積
が５０％以上になった場合、電流分布率Ｆは３０％以下
となり、ブラシ電流が略平衡に流れていると判る。この
ように、本発明者は、ブラシの摺り合わせが不十分、か
つ摺動接触面積の小さいブラシ交換直後にブラシ不平衡
電流が大きくなることを発見したものである。

【００１１】しかして、ブラシ不平衡電流が大きいと、
あるブラシには電流が流れなかったり、あるブラシには
定格電流の２００％乃至３００％の電流が流れたり等、
特定のブラシに過大な電流が集中してしまう。この結
果、ブラシから火花が発生したり、スリップリングの荒
損等のブラシトラブルが生じてしまう。最悪な時には、
ブラシリード線の焼損，断線まで至り、発電機の運転不
能といった事態を招く恐れもある。

【００１２】尚、この解決手段として、短時間にブラシ
のスリップリングとの摺動接触面が形成されるように、
ブラシの摺動接触面のサンドペーパによる丹念な仕上
げ、或いは、予めブラシの摺動接触面をスリップリング
の径に合わせ形成させておくことが考えられるが、前者
の手段は、発電機の運転中のブラシ交換には採用できな
い。また、後者の手段は、ブスリングに固定されたブラ
シ保持器が必ずしもスリップリングの径に合わせ形成し
たブラシの摺動接触面をスリップリングに合致させてブ
ラシを保持できるとは限らない。

【００１３】本発明は、上記の点に鑑みなされたもので
あって、その目的とするところは、ブラシを交換した直
後、複数のブラシ間で生じる大きなブラシ不平衡電流を
早期に解消できる信頼性の高いタービン発電機及びその
集電装置、並びに、タービン発電機の集電装置用ブラシ
を提供するにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するター
ビン発電機を得るために本発明は、固定子巻線が巻かれ
た略円筒状の固定子鉄心と、固定子鉄心の内周部に所定
の間隙を介して固定子鉄心と同心円状に配設された回転
子と、回転子に巻かれた回転子巻線とを有すると共に、
回転子の軸延長上に取り付けられたスリップリングと、
スリップリングの周表面上に摺動接触して配置された複
数のブラシと、スリップリングの周囲に固定配置された
ブスリングと、ブスリングに固定されると共に、複数の
ブラシを保持する複数の保持器とを有する集電装置を備
えてなるタービン発電機において、複数のブラシの高さ
寸法を１４０mm乃至１６０mmの範囲に設定した。

【００１５】また、複数のブラシは、５乃至８０個設け
られている。

【００１６】また、複数の保持器は、複数のブラシをス
リップリングの周表面上に所定の圧力で押圧しながら保
持する定圧型薄板巻きばね保持器である。

【００１７】上記目的を達成するタービン発電機の集電
装置を得るために本発明は、回転子の軸延長上に取り付
けられたスリップリングと、スリップリングの周表面上
に摺動接触して配置された複数のブラシと、スリップリ
ングの周囲に固定配置されたブスリングと、ブスリング
に固定されると共に、複数のブラシを保持する複数の保
持器とを有するタービン発電機の集電装置において、複
数のブラシの高さ寸法を１４０mm乃至１６０mmの範囲に
設定した。

【００１８】また、複数のブラシは、５乃至８０個設け
られている。

【００１９】また、複数の保持器は、複数のブラシをス
リップリングの周表面上に所定の圧力で押圧しながら保
持する定圧型薄板巻きばね保持器である。

【００２０】上記目的を達成するタービン発電機の集電
装置用ブラシを得るために本発明は、ブラシの高さ寸法
を１４０mm乃至１６０mmの範囲に設定した。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。

【００２２】図１は本発明の実施例を示すタービン発電
機端部の縦断面図、図２はタービン発電機端部に設けら
れた集電装置のブラシ保持器を示した斜視図である。

【００２３】図面において、１１は固定子枠であり、そ
の内側には、けい素鋼板を軸方向に積層し形成された略
円筒状の固定子鉄心１５が内設されている。この固定子
鉄心１５には、固定子巻線１６が巻かれている。

【００２４】固定子鉄心１５の内周部には、所定の間隙
を介して固定子鉄心１５と同心円状に回転子１２が配設
されている。回転子１２の外周部には、周方向に所定の
間隔を持ち、かつ軸方向に連続なスロットが形成されて
おり、このスロットには、界磁巻線１３が収められてい
る。

【００２５】このように本実施例のタービン発電機は構
成されており、次に、界磁巻線１３に界磁電流（直流電
流）を供給する集電装置１４について説明する。

【００２６】集電装置１４は、回転子１２の軸延長上に
設けられており、正極、即ち、界磁電流を界磁巻線１３
に供給する集電部と、負極、即ち、界磁電流を界磁巻線
１３から回収する集電部とからなっている。

【００２７】正極，負極それぞれの集電部は、回転子軸
に嵌め込まれたスリップリング１と、このスリップリン
グ１の周表面上に摺動接触して配置された複数のブラシ
６と、この複数のブラシ６をスリップリング１の周表面
上に所定の圧力で押圧しながら保持する複数のブラシ保
持器２と、この複数のブラシ保持器を固定するブスリン
グ３とを備え、ブスリング，保持器，ブラシ，スリップ
リングが電気的に結合されるよう構成されている。

【００２８】また、スリップリング１は、導電体にて形
成されており、図示しない回転子軸の中空孔内に配置さ
れたリード線を介して界磁巻線１３と結合されている。

【００２９】さらに、ブラシ保持器２は、ボルトにて常
にブスリング３に固定されているブラシ保持機構４と、
ブラシ着脱装置５とから構成されている。ブラシ着脱装
置５は、ブラシ６をスリップリング１の周表面上に所定
の圧力で押圧する定圧型薄板巻きばね７と、作業者がブ
ラシ着脱装置５をブラシ保持機構４から着脱操作するた
め、或いは、ブラシ着脱装置５自体を持ち運ぶためのハ
ンドル８と、ブラシ保持機構４との固定、或いは、離脱
するために取り付けられている固定係止金具を操作する
レバー９と、作業者を感電、或いは、電気的ショックか
ら守る保護絶縁板１０とを備え、ブラシ保持機構４から
着脱が可能なように構成されている。

【００３０】このように本実施例の集電装置１４は構成
されており、次に、この集電装置１４に用いられるブラ
シ６について説明する。

【００３１】本実施例のブラシ６は、天然黒鉛を使用し
て略直方体に形成されている。略直方体に形成されたブ
ラシ６は、その一端側に、スリップリング１と摺動接触
する摺動接触面を有しており、その寸法を２５mm×４０
mmとしている。また、略直方体に形成されたブラシ６
は、その高さ寸法を１４０mm乃至１６０mmとしており、
その上部、即ち、摺動接触面の反対側には、ブラシ着脱
装置５と電気的に結合するためのピグテール（ブラシリ
ード線）が設けられている。

【００３２】通常、タービン発電機の集電装置に用いら
れるブラシの高さ寸法は１００mm前後である。これは、
ブラシの高さが高すぎると、ブラシ保持器に設けられた
加圧ばねによるブラシの加圧位置，加圧方向の変化が大
きくなり、ブラシの摺動が不安定になるという問題があ
るからである。

【００３３】しかし、本実施例では、あえてブラシの高
さ寸法を１４０mm乃至１６０mmとしている。これは、実
験において、ブラシが不安定な摺動領域でも発電機の運
転に支障を及ぼさず、かつブラシ電流が早期に均等化で
きる最適なブラシの高さ寸法があることを発見したから
である。

【００３４】図３はその時の実験結果であって、縦軸に
電流分布率Ｆ，横軸にブラシの接触面積Ｓをとり、ブラ
シの摺動接触面積と電流分布率の関係を示した特性図で
ある。尚、この時、ブラシとしては、高さ１００mmのも
のを使用した。また、電流分布率Ｆは、次式によって表
わされる。

【００３５】

【数１】

【００３６】ここで、δｎは測定電流値の標準偏差δ
ｎ、ｘはブラシ平均電流である。また、数１において、
Ｆの値が大きければブラシ不平衡電流が大きいことを示
し、Ｆの値が３０％以下であればブラシ電流が略平衡に
流れていることを示していると見做してよい。

【００３７】図面から明らかなように、ブラシの摺動接
触面積が小さい場合、電流分布率Ｆは大きく、ブラシ不
平衡電流が大きいと判る。また、ブラシの摺動接触面積
が５０％以上になった場合、電流分布率Ｆは３０％以下
となり、ブラシ電流が略平衡に流れていると判る。この
ように、本発明者は、ブラシの摺り合わせが不十分、か
つ摺動接触面積の小さいブラシ交換直後にブラシ不平衡
電流が大きくなることを発見したものである。

【００３８】そして、本発明者は、これを解決するため
に、さらに実験に実験を重ね、ブラシの高さ寸法を１４
０mm乃至１６０mmとしたものである。

【００３９】以下、その実験により得られた結果につい
て図４乃至図６を用いて説明する。尚、この実験におい
ては、スリップリング１の径の長さФ：３４３mm，ブラ
シ保持器：定圧型薄板巻きばね保持器（カートリッジ
型），ブラシ通電電流：０乃至２０Ａ／cm² ，ブラシの
材質：天然黒鉛質，ブラシの摺動接触面の寸法：２５mm
×４０mm，ブラシの高さ寸法：８０mm〜１８０mm，ブラ
シの個数：スリップリング１個当り５乃至８０個の条件
の下で、ブラシの高さを順次変え、電流分布率Ｆが安定
するまでの時間について測定した。

【００４０】図４はスリップリングの周速（周波数５０
Ｈｚの回転数、即ち３０００rpm に対するスリップリン
グの回転速度）５０ｍ／ｓ一定の基で、ブラシの高さ寸
法に対する運転時間と電流分布率の関係を示した特性
図、図５はスリップリングの周速（周波数６０Ｈｚの回
転数、即ち３６００rpm に対するスリップリングの回転
速度）６５ｍ／ｓ一定の下で、ブラシの高さ寸法に対す
る運転時間と電流分布率の関係を示した特性図である。

【００４１】図４から、ブラシ電流が略均等化と見做せ
る電流分布率Ｆの値、即ち、電流分布率Ｆが３０％以下
となる運転時間は、通常用いられているブラシ、即ち、
高さ寸法が１００mmのもので約５０時間かかるのに比し
て、ブラシの高さ寸法を140mm，１６０mmとしたもので
は約２５時間前後と、高さ寸法が１００mmのブラシの約
１／２の時間でブラシ電流は均等化することが確認でき
た。また、ブラシの高さ寸法が１８０mmのものでは、ブ
ラシ電流が均等化するまでに５０時間以上要しているこ
とが確認できた。

【００４２】そして、このような結果となることに、ブ
ラシの振動が大きく係っていることが判った。つまり、
ブラシの高さ寸法と、発電機から伝わる機械振動及びス
リップリングの回転による摩擦変動との間には相関関係
があり、ブラシの高さ寸法が大きくなると、その相関関
係により、発電機から伝わる機械振動及びスリップリン
グの回転による摩擦変動も大きくなり、その分、ブラシ
の摩耗量も増える。言い換えれば、ブラシの高さ寸法を
高くすれば、ブラシの摺動接触面がスリップリングにな
じみやすくなる。また、ブラシの高さ寸法をあまり高く
しすぎると、今度は、ブラシの振動は許容値を超えブラ
シの摺動接触面がスリップリングに対して安定して当ら
なくなり、その分、ブラシの摩耗量も減ってしまう。

【００４３】従って、スリップリングの周速５０ｍ／ｓ
の場合、ブラシの高さ寸法を１６０mmにすれば、ブラシ
の摺動接触面がスリップリングに対してなじみやすく、
その分、ブラシの摩耗量が増え、最も早くブラシ電流を
均等化できる。

【００４４】一方、図５においては、図４の場合より発
電機の回転速度が増え、その分、ブラシの摩耗量も増え
るので、ブラシ電流が均等化する時間も早くなる。従っ
て、ブラシの高さ寸法を１００mmとしたものでは、電流
分布率Ｆが３０％以下になるのに要する時間が、図４の
場合と比べて約７０％短縮されるものの、依然として、
ブラシの高さ寸法を１４０mm，１６０mmとしたものより
は、ブラシ電流を早期に均等化することはできないこと
が確認できた。また、ブラシの高さ寸法が160mmを超え
１７０mmになると、ブラシ振動が急増し、ブラシ電流が
均等化するまでには、図４の場合より長時間要してしま
うことが確認できた。

【００４５】従って、スリップリングの周速６５ｍ／ｓ
の場合、ブラシの高さ寸法を１４０mmにすれば、ブラシ
の摺動接触面がスリップリングに対してなじみやすく、
その分、ブラシの摩耗量が増え、最も早くブラシ電流を
均等化できる。

【００４６】以上のように、スリップリングの周速５０
ｍ／ｓの場合、６５ｍ／ｓの場合それぞれに、最も早く
ブラシ電流を均等化できる最適なブラシの高さ寸法があ
ることが判ったが、次に、図４，図５から得られた特性
をまとめて見た。図６はそれをまとめた図面である。

【００４７】図６はブラシの高さ寸法に対する運転時間
を示した特性図であって、図４，図５の結果から電流分
布率Ｆが２０％以下になる運転時間をプロットしまとめ
たものである。図６より、スリップリングの周速５０ｍ
／ｓ（周波数５０Ｈｚ）においては、ブラシの高さ寸法
を１６０mmとしたとき、スリップリングの周速６５ｍ／
ｓ（周波数６０Ｈｚ）においては、ブラシの高さ寸法を
１４０mmとしたとき、電流分布率が最も早く小さくな
る。即ち、ブラシ電流が早期に均等化される。

【００４８】そして、タービン発電機が、５０Ｈｚ，６
０Ｈｚのいずれかの周波数で運転されることから、ブラ
シの高さ寸法を、１４０mm乃至１６０mmの範囲に設定し
ておくことが良い。

【００４９】以上、本実施例によれば、タービン発電機
の回転子軸延長上に設けられた集電装置１４に用いられ
るブラシ６として、高さ寸法を１４０mm乃至１６０mmの
範囲に設定したブラシを用いたので、ブラシ６の摺動接
触面がスリップリング１に対してなじみやすく、その
分、ブラシ６の摩耗量が増え、複数のブラシ間で生じる
大きなブラシ不平衡電流を早期に均等化でき、過電流に
よるブラシからの火花発生，スリップリングの荒損，ブ
ラシリード線の焼損，断線，ブラシリード線の焼損によ
る発電機の運転停止を防止することができる。

【００５０】

【発明の効果】以上本発明によれば、タービン発電機の
端部、即ち、回転子軸延長上に設けられた集電装置に用
いられるブラシの高さ寸法を１４０mm乃至１６０mmの範
囲に設定したので、ブラシの摺動接触面がスリップリン
グに対してなじみやすく、その分、ブラシの摩耗量が増
え、複数のブラシ間で生じる大きなブラシ不平衡電流を
早期に均等化でき、過電流によるブラシからの火花発
生，スリップリングの荒損，ブラシリード線の焼損，断
線，ブラシリード線の焼損による発電機の運転停止を防
止することができる。

【００５１】従って、ブラシを交換した直後、複数のブ
ラシ間で生じる大きなブラシ不平衡電流を早期に解消で
きる信頼性の高いタービン発電機及びその集電装置、並
びに、タービン発電機の集電装置用ブラシを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例におけるタービン発電機の端部
の縦断面図。

【図２】タービン発電機端部に設けられた集電装置のブ
ラシ保持器を示す斜視図。

【図３】ブラシの摺動接触面積と電流分布率の関係を示
した特性図。

【図４】スリップリングの周速５０ｍ／ｓの場合におけ
るブラシの高さ寸法に対する運転時間と電流分布率の関
係を示した特性図。

【図５】スリップリングの周速６５ｍ／ｓの場合におけ
るブラシの高さ寸法に対する運転時間と電流分布率の関
係を示した特性図。

【図６】ブラシの高さ寸法に対する運転時間を示した特
性図。

【符号の説明】

１…スリップリング、２…ブラシ保持器、３…ブスリン
グ、４…ブラシ保持機構、５…ブラシ着脱装置、６…ブ
ラシ、７…定圧型薄板巻きばね、８…ハンドル、９…操
作用レバー、１０…保護絶縁板、１１…固定子枠、１２
…回転子、１３…界磁巻線、１４…集電装置、１５…固
定子鉄心。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 淳二 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 大谷 英成 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 佐野 貴彦 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定子巻線が巻かれた略円筒状の固定子鉄
   心と、該固定子鉄心の内周部に所定の間隙を介して前記
   固定子鉄心と同心円状に配設された回転子と、該回転子
   に巻かれた回転子巻線とを有すると共に、前記回転子の
   軸延長上に取り付けられたスリップリングと、該スリッ
   プリングの周表面上に摺動接触して配置された複数のブ
   ラシと、前記スリップリングの周囲に固定配置されたブ
   スリングと、該ブスリングに固定されると共に、前記複
   数のブラシを保持する複数の保持器とを有する集電装置
   を備えてなるタービン発電機において、 前記複数のブラシの高さ寸法を１４０mm乃至１６０mmの
   範囲に設定したことを特徴とするタービン発電機。
2. 【請求項２】前記複数のブラシは、５乃至８０個設けら
   れていることを特徴とする請求項１記載のタービン発電
   機。
3. 【請求項３】前記複数の保持器は、前記複数のブラシを
   前記スリップリングの周表面上に所定の圧力で押圧しな
   がら保持する定圧型薄板巻きばね保持器であることを特
   徴とする請求項１記載のタービン発電機。
4. 【請求項４】タービン発電機の回転子に巻かれた回転子
   巻線に電力を供給する集電装置であって、前記回転子の
   軸延長上に取り付けられたスリップリングと、該スリッ
   プリングの周表面上に摺動接触して配置された複数のブ
   ラシと、前記スリップリングの周囲に固定配置されたブ
   スリングと、該ブスリングに固定されると共に、前記複
   数のブラシを保持する複数の保持器とを有するタービン
   発電機の集電装置において、 前記複数のブラシの高さ寸法を１４０mm乃至１６０mmの
   範囲に設定したことを特徴とするタービン発電機の集電
   装置。
5. 【請求項５】前記複数のブラシは、５乃至８０個設けら
   れていることを特徴とする請求項４記載のタービン発電
   機の集電装置。
6. 【請求項６】前記複数の保持器は、前記複数のブラシを
   前記スリップリングの周表面上に所定の圧力で押圧しな
   がら保持する定圧型薄板巻きばね保持器であることを特
   徴とする請求項４記載のタービン発電機の集電装置。
7. 【請求項７】タービン発電機の集電装置用ブラシにおい
   て、 前記ブラシの高さ寸法を１４０mm乃至１６０mmの範囲に
   設定したことを特徴とするタービン発電機の集電装置用
   ブラシ。