JPH11178260A - 回転電機の円筒形回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】サイリスタ始動時における回転子渦電流損が大
きくならないように、ダンパバーの厚みを最適な値とす
る。 【解決手段】ウェッジ５が回転電機の軸長より短く、複
数のウェッジ５が一つのスロット２内に収めらている場
合、スロット２の全長にわたってウェッジ５の下部に銅
または銅合金のダンパバー４を設け、各スロット２に収
められたダンパバー４の両端をそれぞれ銅合金の短絡環
８に接続し、ダンパバー４の径方向厚みＡを１.１mm以
上２.３mm以下の範囲内にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転電機の円筒形回
転子に関するものであり、特に、タービン発電機のよう
にシャフト，界磁極および鉄心を一塊の鍛鋼から製作す
る回転電機の円筒形回転子に関する。

【０００２】

【従来の技術】発電機を駆動するタービンは高速の方が
高効率かつ小形であり、一般に火力用のタービン発電機
は２極機となる。したがって、回転子の遠心力が大きく
なるため、タービン発電機の回転子はシャフト，界磁極
および鉄心を一塊の鍛鋼から製作する。したがって、タ
ービン発電機の回転子は電気的に導電性を示すため、非
同期磁界が生じると回転子表面に渦電流が誘発される。

【０００３】発電機が発電運転している場合、三相電機
子巻線の負荷状態が各相毎異なる不平衡負荷時には、電
機子電流のアンバランスにより回転子に逆相回転磁界が
発生する。この逆相回転磁界は、出力電圧の角周波数ω
の２倍の角周波数２ωの非同期磁界成分を含んでいる。
このような逆相回転磁界が発生すると、回転子の各導体
部に渦電流が誘起され、回転子の各部の温度が許容範囲
以上に上昇する。

【０００４】そこで、このような問題点を解決するた
め、特公昭60−34340 号公報に記載されているように、
塊状鉄心の軸方向に流れる電流を導電性ウェッジを介し
てダンパバーに導くことにより、回転子各部の熱的バラ
ンスを取る方法が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、発電
運転時において、非同期回転磁界による渦電流を導電性
ウェッジを介してダンパバーに導くことにより、回転子
各部の熱的バランスをとるもので、逆相耐量の観点から
ダンパバーの厚みを３.０mm より厚くしている。一方、
コンバインドサイクル発電システムに用いられるタービ
ン発電機は400ＭＶＡ級以下のマシンであり、比較的、
容量が大きくないことから、回転子胴部にはダンパバー
を設けないのが一般的である。しかし、サイリスタ始動
時は発電運転時とは異なるから、回転子の温度上昇を抑
制するためにダンパバーを設ける必要がある。これは以
下の理由による。

【０００６】コンバインドサイクル発電システムは、ガ
スタービンと、ガスタービンの排気ガスの余熱をボイラ
熱源とする蒸気タービンと、タービン発電機から成り、
ガスタービンと蒸気タービンとタービン発電機は同一軸
上に配置される。コンバインドサイクル発電に用いられ
るタービン発電機は４００ＭＶＡ級以下であるため、７
００ＭＶＡ級以上の大容量機とは異なり、発電運転時に
おける渦電流による回転子の温度上昇は小さく、一般に
回転子胴部にはダンパバーを設置しない。

【０００７】サイリスタ始動方式とは、サイリスタ電源
を用いてタービン発電機を可変速の同期電動機として始
動するもので、通常の発電運転時と比較してタービン発
電機が負う負荷は充分小さい。したがって、サイリスタ
始動時においてタービン発電機の電機子巻線に通電する
電流は定格電流の１０％以下であるが、低速域では回転
子の冷却効果が小さく、回転子の温度上昇が問題とな
る。

【０００８】一般に、容量が大きくなり、発電機の軸長
が長くなると、熱伸びによる諸現象を緩和するため、回
転子ウェッジは軸長に対して充分短い、いわゆる短尺ウ
ェッジが使用される。このように、短尺ウェッジを軸方
向に並べてスロット内の界磁巻線を保持する場合、短尺
ウェッジ間の隙間は通常１mmより小さいが、渦電流回路
としては不完全であり、渦電流はウェッジ間の切れ目を
流れることができない。したがって、このウェッジの切
れ目においてウェッジに流れていた渦電流が回転子ティ
ース部に回り込まないようにするため、ダンパバーを設
置して渦電流損が大きくならないようにする必要があ
る。

【０００９】しかし、ダンパバーを設置すると、その分
だけ回転子スロットが深くなり、磁気飽和が大きくなる
ため、できるだけダンパバーの厚みは薄くした方がよ
い。そこで、サイリスタ始動時における最適なダンパバ
ーの厚みを検討した結果、ダンパバーの厚みを現行より
薄くしてもダンパバーの損失はほとんど変わらず、ダン
パバーを３.０mm 以上にする必要性がないことを見い出
した。

【００１０】本発明の目的は、渦電流による回転子の温
度上昇ができるだけ高くならないようにダンパバーを薄
くして、その分だけ回転子スロットを浅くし、磁気飽和
の小さい回転電機の円筒形回転子を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、円筒形の回転子鉄心と該回転子鉄心の外
周側に切られたスロット内に収納された界磁巻線と該界
磁巻線を該スロット内に保持するウェッジとを備え、該
ウェッジが回転電機の軸長より短く、複数の該ウェッジ
が一つのスロット内に収められた回転電機の円筒形回転
子において、前記スロットの全長にわたって前記ウェッ
ジの下部に銅または銅合金のダンパバーを設け、各スロ
ットに収められた該ダンパバーの両端をそれぞれ銅合金
の短絡環に接続し、該ダンパバーの径方向厚みを１.１m
m以上２.３mm以下の範囲内にしたことを特徴とするもの
である。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて詳細に説明する。

【００１３】図１に本発明の一実施例を示す回転電機の
円筒形回転子断面について、図２に本発明に関わる回転
電機の円筒形回転子について、図３に本発明に関わるダ
ンパバーに流れる渦電流、図４に本発明に関わる渦電流
の流れについて示す。

【００１４】回転電機は固定子（図示せず）と回転子１
から成り、円筒形の回転子１は機械的強度が強く、風損
が小さいことから、蒸気タービンやガスタービンで駆動
されるタービン発電機に用いられる。

【００１５】タービン発電機の円筒形回転子１は主軸，
界磁極および鉄心など全部を一塊の鍛鋼で作るのが最も
一般的な方法で、磁性材の高張力合金鋼が用いられる。
この円筒形回転子１の鉄心部にスロット２が放射状に切
ってあり、スロット２の内部に界磁巻線３をおさめ、界
磁巻線３が飛び出さないようにウェッジ５で固定してい
る。また、界磁巻線３の端部をおさえるために保持環９
が設けられている。

【００１６】発電機を駆動するタービンは高速の方が高
効率かつ小形であり、一般に火力用のタービン発電機は
２極機となる。したがって、回転速度は６０Ｈｚ用で36
00rpm 、５０Ｈｚ用で３０００rpm であり、周辺速度が
大きくなるため、回転子直径は１１００mm程度に制限さ
れ、軸方向に長い構造となる。軸長が長くなると、熱伸
びによる諸現象を緩和するため、回転子ウェッジ５は軸
長に対して十分短い、いわゆる短尺ウェッジが使用され
る。

【００１７】一般に、ウェッジ５の材料は鋼またはアル
ミ合金が用いられ、ダンパバー４は銅または銅合金が用
いられる。また、渦電流１０は高調波磁束によって生じ
るが、磁束の変化が速くなると渦電流１０の周波数が高
くなり、回転子１の表面に集中する。すなわち、図４に
示したようにウェッジ５に流れる渦電流とダンパバー４
に流れる渦電流をそれぞれ渦電流１０Ａ、渦電流１０Ｂ
とすると、ウェッジ５よりもダンパバー４の方が導電率
が高いにも関わらず、周波数が高くなるほど渦電流１０
Ａの方が渦電流１０Ｂより大きくなる。

【００１８】先に述べたように短尺ウェッジ５を軸方向
に並べて、スロット内の界磁巻線３を保持する場合、発
電機機内に非同期磁界が生じて回転子表面に渦電流１０
が流れると、短尺ウェッジ５の切れ目においてウェッジ
５に流れていた渦電流１０Ａは、主にダンパバー４に回
り込み、特定の箇所に集中する。すなわち、図４に示し
たように渦電流１０Ａは流れ、ダンパバー４より導電率
の低い回転子ティース６に回り込む渦電流１０Ａは僅か
である。つまり、渦電流１０は回転子表面に集中するた
め、主にウェッジ５に流れるが、ウェッジ５の切れ目の
ように渦電流１０が回り込む際には、抵抗の小さいダン
パバー４に集中する。

【００１９】７００ＭＶＡ級以上のタービン発電機では
ウェッジ５の下部にダンパバー４を設けるが、コンバイ
ンドサイクル発電設備に用いられる４００ＭＶＡ級のタ
ービン発電機にはダンパバー４を設けないのが一般的で
ある。これは、容量が小さければ発電機に流入する非同
期磁界成分も小さく、回転子の温度上昇が比較的問題と
ならないからである。

【００２０】しかし、サイリスタ始動時は通常の発電運
転時とは異なり、可変速運転であるため、低速域では冷
却効果が小さく、回転子の温度上昇が問題となる。した
がって、ダンパバー４を設けることによりウェッジ５の
切れ目において渦電流１０がティース６に回り込まない
ようにして、渦電流１０による損失の発生を抑制する必
要がある。

【００２１】サイリスタ始動時は低速域での冷却効果が
小さいため回転子の温度上昇が問題となるが、渦電流１
０の値は発電運転時の値と比較して十分小さいため、７
００ＭＶＡ級以上のマシンに用いられるダンパバーの厚
みとは最適値が異なると考えられる。

【００２２】図３はダンパバーの厚みＡを変えたときの
ダンパバー４に流れる渦電流１０をウェッジ５の切れ目
（図４のＢ点）において計算および実測したものであ
る。なお、この結果は、サイリスタ始動時の運転条件に
合った電機子電流と界磁電流を入力したときの結果であ
り、ダンパバーの厚みが３.０mm のときの渦電流１０の
値を基準にして、相対値表示している。

【００２３】図からわかるように、ダンパバー４の厚み
Ａが２.３mm より厚くなっても、ダンパバー４に流れる
渦電流１０はほぼ一定である。この理由は、渦電流１０
Ａがウェッジ５の間の１.０mm より狭い微小な隙間Ｃを
回り込む際、渦電流１０Ａのパスが短くなるように流れ
ることから、ダンパバー４においてウェッジ５寄り（回
転子１の外径側）の電流密度が高く、回転子１の内径側
の電流密度が低くなることによると考えられる。すなわ
ち、ダンパバー４の厚みＡを２.３mm より厚くしても、
ダンパバー４の回転子内径側にはほとんど渦電流１０Ａ
は流れないことを見い出した。

【００２４】更に、ダンパバー４が１.１mm より薄くな
ると急激にダンパバー４に流れる渦電流１０が小さくな
る。すなわち、ダンパバー４を１.１mm より薄くすると
渦電流１０Ａがウェッジ５の切れ目を回り込むのに必要
なダンパバー厚みＡを満たさないため、ティース６に迂
回して流れる分が大きくなる。

【００２５】したがって、サイリスタ始動方式により駆
動されるタービン発電機のダンパバー４の厚みＡを１.
１mm以上，２.３mm以下にするのがよいことを見い出し
た。ダンパバー４の厚みＡを１.１mm以上２.３mm以下と
すれば、渦電流１０による回転子の温度上昇は、通常用
いられるダンパバーの厚み３.０mm 以上の場合と同等で
あり、ダンパバー４を薄くした分、回転子スロット２を
浅くできるから、回転子１の鉄心部が大きくなり、磁気
飽和を小さくすることができる。更にダンパバー４を薄
くした分だけダンパバーの重量が軽くなり、ウェッジ５
にかかる遠心力が小さくなるから、ウェッジ５の径方向
厚みを薄くすることができる。

【００２６】先に述べたように、ウェッジ５は一般にア
ルミ合金または鋼で形成されるが、アルミ合金および鋼
より導電率の高い銅を用いれば、ウェッジ５の渦電流損
を小さくすることができる。しかし、ウェッジ５は高回
転領域において、スロット２内に界磁巻線３を保持しな
ければならないため、高い強度が要求される。銅は機械
的な強度に問題があるため、銅に何らかの材料を添加し
て強度を高くする必要がある。

【００２７】Ｃｒを添加すると、４００℃〜６００℃の
時効処理によって金属Ｃｒ微粒子を析出し、合金の強度
が高められる。Ｃｒが０.４％ 未満では析出が少なく強
度が不十分であり、１.０％ を超えると強度が飽和す
る。Ｃｒを添加すると銅合金の導電率が低下するため、
Ｃｒの添加量は重量含有量で０.４〜１.０％の範囲がよ
い。

【００２８】Ｚｒを添加すると、３００℃〜６００℃の
時効処理によってＣｕ₃Ｚｒ の微粒子が析出され、その
結果、合金の強度が高められる。Ｚｒが０.０１％ 未満
では析出が少なく強度が不十分であり、０.３％ を超え
ると強度が飽和する。Ｚｒを添加すると銅合金の導電率
が低下するため、Ｚｒの添加量は重量含有量で0.01〜
０.３％の範囲がよい。

【００２９】したがって、ＣｕＣｒ合金、ＣｕＺｒ合金
およびＣｕＣｒＺｒ合金をウェッジ材として用いると共
に、ダンパバー４の厚みＡを１.１mm以上２.３mm以下と
すれば、ダンパバー４における渦電流損はダンパバーの
厚みを３.０mm 以上とした場合と同等であり、ウェッジ
５における渦電流損はアルミ合金および鋼ウェッジの場
合と比較して小さくなる。また、ダンパバー４を薄くし
た分、回転子スロット２を浅くできるから、回転子１の
鉄心部が大きくなり、磁気飽和を小さくすることができ
る。更にダンパバー４を薄くした分だけダンパバーの重
量が軽くなり、ウェッジ５にかかる遠心力が小さくなる
から、ウェッジ５の径方向厚みを薄くすることができ
る。

【００３０】また、大形機になると遠心力が大きくなる
と同時に、軸長が長くなり熱膨張，収縮も大きくなるの
で、ダンパバー４および端絡環８に銅ではなくクリープ
特性のよい銀入銅を使用すれば信頼性が高くなる。

【００３１】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、ダンパ
バーにおける渦電流損を大きくすることなくダンパバー
を薄くすることができるため、回転子の温度上昇を抑制
することができると共に、回転子スロットを浅くするこ
とができる。その結果、回転子の鉄心部が大きくなるた
め、回転子の磁気飽和を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す回転電機の円筒形回転
子の断面図。

【図２】本発明に関わる回転電機の円筒形回転子の概略
図。

【図３】本発明に関わるダンパバーの厚みと渦電流の関
係を示す特性図。

【図４】本発明に関わる渦電流の流れの模式図。

【符号の説明】

１…回転子、２…回転子スロット、３…界磁巻線、４…
ダンパバー、５…回転子ウェッジ、６…ティース、７…
界磁極、８…端絡環、９…保持環、１０…渦電流。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 誉延 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 宮川 家導 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 八木 恭臣 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒形の回転子鉄心と該回転子鉄心の外周
   側に切られたスロット内に収納された界磁巻線と該界磁
   巻線を該スロット内に保持するウェッジとを備え、該ウ
   ェッジが回転電機の軸長より短く、複数の該ウェッジが
   一つのスロット内に収められた回転電機の円筒形回転子
   において、前記スロットの全長にわたって前記ウェッジ
   の下部に銅または銅合金のダンパバーを設け、各スロッ
   トに収められた該ダンパバーの両端をそれぞれ銅合金の
   短絡環に接続し、該ダンパバーの径方向厚みを１.１mm
   以上２.３mm以下の範囲内にしたことを特徴とする回転
   電機の円筒形回転子。
2. 【請求項２】円筒形の回転子鉄心と該回転子鉄心の外周
   側に切られたスロット内に収納された界磁巻線と該界磁
   巻線を該スロット内に保持するウェッジとを備え、該ウ
   ェッジが回転電機の軸長より短く、複数の該ウェッジが
   一つのスロット内に収められた回転電機の円筒形回転子
   において、前記ウェッジを銅合金で形成し、前記スロッ
   トの全長にわたって該ウェッジの下部に銅または銅合金
   のダンパバーを設け、各スロットに収められた該ダンパ
   バーの両端をそれぞれ銅合金の短絡環に接続し、該ダン
   パバーの径方向厚みを１.１mm以上２.３mm以下の範囲内
   にしたことを特徴とする回転電機の円筒形回転子。
3. 【請求項３】前記ダンパバーを銀入銅としたことを特徴
   とする請求項１および請求項２記載の回転電機の円筒形
   回転子。