JPS62138040A - 立軸形回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は車軸形水車発電機等の立輪形回転ｉＩ機に係り
、特に、回転子のリムの支持構成を改良した車軸形回転
Ｎ機に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ この種、立軸形回転電機としては大直径機のものとして
水車発電機、速度変動が著しい特殊運転されるものとし
て核融合実験装賀の電源に用いるフライホイール発電機
等が知られている。

第７図は、この積立軸形回転電機の回転子の部分率面図
であり、第８図はその部分断面図である。

第７図及び第８図において、主軸１にボルト２で結合さ
れるスポーク３の外周には、その下端部に半径方向に突
出したあご部４ａを有する。磁極５を装着したリム６は
このあご部４ａによって支持される。リム６は扇状鉄板
７をリーマスタッド８ａ、ナツト８ｂにより両側より締
付けて構成されている。

通常、スポーク３は上部円板９と下部円板１０とこの間
を結ぶ複数本の縦骨１１から構成され、リブ４は縦骨１
１に当接して取付けられる。また、１２はエアギャップ
Ｇを介して回転子における磁極５に対向した固定子であ
り、固定子鉄心１３、固定子コイル１４、固定子枠１５
等により構成されている。

また、リブ４の外周及びリム６の内周には、キー溝１６
が加工され、リム６との間にトルクを伝達するためのキ
ー１７が挿入されている。

また、あご部４ａは、その詳細を第９図に示すようにリ
ム６の端板６ａに切欠部６ｂが形成され、この切欠部６
ｂと対応づ−るあご部４ａとの間には滑動部材１８が介
在されている。この滑動部材１８は、滑り板１８ａとそ
の両側に減摩材１８ｂ。

１８ｃとを配置した構成となっている（実開昭５７−１
９２７４３号公報、特開昭５９−４７９４２号公報）。

上記の如くの構成ではリム６が遠心力によって半径方向
に伸びる場合、スポーク３のあご部４ａとリム６との間
の接触面では摩擦力により拘束を受けることによってリ
ム６が非正円状（花弁状）に変形しようとする。この変
形に対し従来のリム支持構成ではスポーク３のあご部４
ａとリム６との間の接触面に滑動部材１８が介在されて
いることにより、上記変形が防止される。

しかし乍ら、特に回転子のリム内径が１０ｍ以上にもな
る大直径水車発電機での伸びの大きさは、無拘束速度に
おいて直径で１５〜２ｏ＃にも達し、さらに接触面が数
十ｍにも及ぶためリム側接触面の水平度を維持すること
が困難となり、周方向全周に渡って均一な面圧に調整で
きず上記滑動部材１８によるリム６の変形防止構成では
対処できない場合が生じてしまう事があった。

また、核融合実験装置のｌｉｔ！に用いるフライホイー
ル発電機にあっては、その運転サイクルは例えば第１０
図に示す如く受電モード、発電モードが繰返して行なわ
れ、そのため速度変動が短時間で極めて著しいものにな
っている。この場合、リムの伸びの大きさがたとえ１ｍ
程度であったとしても、上記従来のリム支持構成では部
材間の摩擦接触の関係から部材間は急速に滑ることはな
く、この１＃１程度の収縮を１秒以下の短時間で吸収す
ることはできなかった。

従って上述した伸縮の吸収がなされないと、リムとスポ
ークとの間で摺動渋滞、かじりが発生して部位によって
滑り量の不平衡が生じる。このため、軸芯ずれや固定子
との間のエアギツプの不均一により電気的特性に異常を
来たし正常な運転がなされないという回転電機として重
大な問題を生じることになった。

［発明の目的〕 本発明は上記事情に基づいてなされるもので、その目的
は大直径のリム或いは速度が著しく変動する場合であっ
ても軸芯ずれが生じなく更に固定子との間でのエアギツ
プを均一に保つことにより電気的特性の優れた立軸形回
転電機を提供することにある。

［発明の概要］ かかる目的を達成するために本発明は、その回転子のリ
ム支持構成を、上記スポークとリムとの間の円周上の複
数箇所に、上記スポークの外周部複数箇所に固着された
凹部を有する複数のスポークベース板と、一端部が上記
リムの内周部複数箇所の上記スポークベース板固着位置
と異なる軸方向位置に固着され他端部が上記スポークベ
ース板の凹部に当接してなり且つ該当接部の断面が上記
一端部側より大きく形成されてなる複数の長尺状弾性変
形部材とからなり、上記磁極とリムとの荷重をスポーク
に支承し且つ上記リム半径方向に均等に伸縮させる弾性
変形型伸縮機構を配置したことを特徴とする。

［発明の実施例］ 先ず、本発明の詳細な説明に先立ち、発明者らが先に出
願した本発明の先行出願（特願昭６０−２７７６４号明
細書及び図面）について第１１図〜第１３図を参照して
説明する。

−り３は上部円板つと下部円板１０とこの間を結ぶ複数
本の縦骨１１とから構成され、トルク伝達するためのキ
ー１７を挿入するリブ４を外周に備えている。リム６に
は固定板２０が固着され、積層鉄心７と共にリーマスタ
ッドと８８とボルト８ｂにて締付けることによりリム６
に強固に固着されている。また、固定板２ｏの内径側に
は支持板２１が溶接されている。スポーク３の下側円板
１０の上部には支持板２１を受けるための溝を有する受
は台２２が高さ調整のためのライナー２３を介して溶接
されている。この様に構成されたリム６と！１極５との
自重を支持し、且つリム６を半径方向に伸縮させる弾性
変形型伸縮機構は回転子の円周上に複数組配置されてて
る。

即ち、リム６とＩ４ｉ極５との重量は、固定板２０より
支持板２１及び受は台２２を介してスポーク３の下側円
板に支えられている。

次に、回転雷門の運転により生ずるリム６とスポーク３
との相対変位について第１３図を参照して説明する。運
動中の遠心力によりリム６が半径方向にΔＲ伸びると固
定板２０はΔＲだけ外周方向に変化し、受は台２２にス
ポークの下側円板１０に固着されているため支持板２１
は第１３図に示す如く曲げ弾性変形を生じる。回転電機
の運転が停止するとリム６の半径方向変位はなくなり、
支持板２１は再び元の形状にもどる。

立軸形回転電機の起動停止に伴うリム６の半径方向変位
により、固定板２０と支持板２１の溶接部には繰返しの
曲げ応力（σ１）を受は且つ、変形した支持板２１はリ
ム６と磁極５重」を支えることによる曲げ応力（σ２）
も受ける。

さらに支持板２１はリム６と磁極５自重を支えることに
よる圧縮応力（σ３）をも受ける。

支持板２１と固定板２０との溶接部に作用する応力（σ
）は σ富σ１＋σ２＋σ３　　　・・・・・・・・・・・・
（１１となり、立軸形回転電機の起動停止により、固定
板２０と支持板２１との溶接部には第１４図に示す如く
σ３なる圧縮応力を中心に支持板２１のＡ面と８面はσ
１＋σ２なる変動曲げ応力を受ける。

ＰΔＲ ２−２・・・・・・・・・・・・（３）ここで　Ｅ・・
・ヤング率 ■・・・支持板の断面２次モーメント ド・・支持板長さ ２・・・支持板の断面係数 Ｐ・・・単位支持板当りのリムと磁極の重量変動応力は
回転電機の運転される期間の起動停止回数、固定板２０
と支持板２１の溶接部に作用するため、溶接部の疲労破
壊に至らぬ様にローターリム支持構造は設計されている
。

この支持構造をリム６の半径方向変位の大きな回転ｉｔ
楯に採用するためには固定板２０と支持板２１との溶接
部に作用する変動応力（σ１＋σ２）を溶接部の疲労強
度以下とする必要がある。変動応力を低減するには、（
２）式の如く、支持板２１の長さを増やす方法がある。

しかしながら、支持板２１を長くすると下記（５）式か
ら明らかなように、支持板２１の長さの２乗に反比例し
て比例限度内で発生する座屈荷重（Ｐｋ　）は減少する
。

ここで　ｎ・・・支持板端末条件で定まる係数でここで
は０．２５ そのため、支持板２１の長さくＪｌ）を無制限に大きく
できない。

この結果、第１５図に示すように、溶接部の疲労強度（
σｍａｘ）と座屈限界（，１，ｍａｘ）とによつてリム
６の半径方向変化の大きな回転Ｉｌｌへの適用範囲は狭
められる。又、支持板２１の長さく１）は回転電機の構
造上から制約されることもある。

本発明は上記先行出願での不具合点を解消するためにな
されたものである。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明に係るローターリム支持構造を適用した
立軸形回転電機の実施例の部分断面図、第２図はそのロ
ーターリム支持構造の詳細図である。即ち、スポーク３
は上部円板９と下部円板１０とこの間を結ぶ複数本の縦
骨１１とから構成され、トルク伝達のためのキー１２を
挿入するリブ４を外周に備えている。リム６には固定板
２０が固着され、積層鉄心７と共にリーマ−スタッド８
ａとボルト８ｂにて締付けることにより、リム６に強固
に固着されている。第１図に示したように、固定板２０
の内径側には支持板２４が溶接されている。この支持板
２１はその長手方向の途中より下側は板厚が薄くされて
いる。スポーク３の下部円板１０の上部には支持板２４
を受けるための溝を有する受は台２２が高さ調整のため
のライナー２３を介して溶接されている。この様に構成
したリム６と磁極５との自重を支持し、且つ、リム６を
半径方向に伸縮させる弾性変形型ローターリム支持機構
は円周上に複数組配置されている。

次に上記の如く構成された本実施例の作用について説明
する。即ち、回転電機のリム６の半径方向変位は遠心力
と回転子剛性によって決定されるもので、支持板２４は
変位一定の繰返しを受けている。ここで、支持板２４は
受は台２２側の板厚を薄クシであるため、断面二次モー
メントも減少し、その結果、リム６の半径方向変位は板
厚を薄くした部位で従来の支持板と比べてより吸収量が
増大する。支持板長さを１、支持板板厚を薄くした部位
の長さをＪ！、２、断面二次モーメントをＩ！、薄い部
位の断面二次モーメントを１２とすると、支持板溶接部
の変動応力（σａ）と薄い部位の最大変動応力（σｂ）
は（６）、（７）式で表わされる。

ここで Ｋｔ−Ｊ１２／１１ に２−Ｉ２／Ｉｔ Ｓ・・・従来のタイプの溶接部の曲げ応力（ここでは比
較のためＳ−１とする） 第３図はＪ１２／Ｊｌ−０，２〜０．９の場合での溶接
部の応力（σａ）と薄くされた部分の最大応力（σｂ）
の断面二次モーメント比（１２／Ｉｔ）との関係を示し
たものである。

板厚比（ｔ　２　／を里）を０．８（断面二次モーメン
トは板厚の３乗に比例することから［２／Ｉｔ−〇、５
となる。）とした時Ｊ１２／Ｊｌｓ　−０，７では板厚
一定の場合と比べＯａ　−０，７４，σｂ　””　０．
８３となり、支持板２１の断面をわずかに変えただけで
大きな応力低減ができる。

また、第４図は本実施例による溶接部の曲げ応力の低減
状況を示したものである。従来の支持板２４の最大曲げ
応力（σ８）と溶接部の許容疲労強度（σｍａｘ　）と
支持板２４の座屈限界〈ＩＡ）とに囲まれた部分（Ａ）
と本発明による実施例の支持板２１の最大曲げ応力（σ
８）と許容疲労強度（σ１Ｉｌａｘ）、及び板厚が一部
減ったことによる座屈限界＜Ｊｌａ　＞とに囲まれた部
分（Ｂ）がそれぞれのローターリム支持構造適用範囲で
ある。

本実施例は（５）式で示したように支持板２４の一部の
板厚を減少したことで断面二次モーメントも減少するた
めの座屈荷重が低下するので、座屈荷重の低下を防止す
るため支持板２４の長さはＪｌＡから１日に低下するも
のの支持板２４と固定板２０との溶接部の応力を著しく
低減したことによって、むしろ適用範囲は拡大されてい
る。この結果、回転ｉｉｉの構造上からの制約も少なく
なると共に、ローターリム支持構造の疲労強度増加によ
って信頼性が高く、電気的特性の優れた車軸形回転電気
の提供が可能となる。

第５図、第６図に本発明の他の実施例を示す。

第５図は固定板２０と支持板２５との溶接部の変動曲げ
応力を低減させるため、支持板２５はその板幅を受は台
２２側に連続的に細くした例であり、第６図は支持板２
Ｇの途中より、受は台２２側の板幅を減した例である。

本実施例に於いても前記実施例同様に固定板２ｏと支持
板２５．２６の溶接部の曲げ応力は低減される。

また、支持板２５．２６の板厚、板幅を同時に受は台２
２側で減らしても同じ効果のあることは勿論である。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によればスポークとリムとの間
の円周上複数箇所に上記リムと磁極との荷重を支承し且
つ上記リムを半径方向に均等に伸縮させる溶接結合され
た弾性変形型伸縮様溝の支持板の断面をリム側を大きく
したことにより、溶

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるローターリム支持構造を使った立
軸形回転電機の第１実施例を示した部分断面図、第２図
は第１の実施例の詳細を示す斜視図、第３図は本発明の
詳細な説明する図、第４図は本発明の詳細な説明する図
、第５図は本発明の第２の実施例を示すローターリム支
持構造の詳細を示す斜視図、第６図は本発明の第３の実
施例を示すＤ−ターリム支持構造の詳細を示す斜視図、
第７図は従来の立軸形回転電渫の部分平面図、第８図は
第７図の部分断面図、第９図は第８図におけるあご部の
詳細図、第１０図は核融合実験装置の電源として用いら
れるフライホイール発７ｇ　ｇの運転モードの一例を示
す図、第１１図は先行出願したローターリム支持構造を
使った立軸形回転電機の部分断面図、第１２図は第１１
図の支持構造の詳細図、第１３図は第１１図の支持構造
の作用を説明する図、第１４図は第１１図の支持構造の
支持板に作用する曲げ応力の説明図、第１５図は第１１
図の支持構造の適用範囲の説明図である。 １・・・主軸、２・・・ボルト、３・・・スポーク、４
・・・リブ、５・・−！ｉ極、６・・・リム、７・・・
積層鉄心、８ａ・・・リーマスタッド、８ｂ・・・ボル
ト、９・・・上部円板、１０・・・下部円板、１１・・
・縦骨、１２・・・固定子、１３・・・固定子鉄心、１
４・・・固定子コイル、５・・・固定子幅、１６・・・
キー溝、１７・・・キー、１８・・・滑動部材、２０・
・・固定板、２２・・・受は台、２３・・・ライナー、
２４．２５．２６・・・支持板。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図 第３図 第４図 第５０ 第６図 第７図 第１２図 第１３図 ０　　　０．２　　　０．４　　　０．６　　　０．８
　　　１．０！ 第１４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸の外周部にスポークが固着され、該スポー
   クの外周部にトルク伝達のためのキーを介して環状のリ
   ムが設けられ、該リムの外周部に磁極が設けてなる立軸
   形回転子を有し、この立軸形回転子にエアギャップを介
   して固定子を配置してなる立軸形回転電機において、上
   記スポークとリムとの間の円周上複数箇所に、上記スポ
   ークの外周部複数箇所に固着された凹部を有する複数の
   スポークベース板と、一端部が上記リムの内周部複数箇
   所の上記スポークベース板固着位置と異なる軸方向位置
   に固着され他端部が上記スポークベース板の凹部に当接
   してなり且つ該当接部側の断面が上記一端部側より大き
   く形成してなる複数の長尺状弾性変形部材とからなり、
   上記磁極とリムとの荷重をスポークに支承し且つ上記リ
   ムを半径方向に均等に伸縮させる弾性変形型伸縮機構を
   配置したことを特徴とする立軸形回転電機。
2. （２）長尺状弾性変形部材は、リムに固着される一端部
   側の板厚寸法が他端部側より大きいことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の立軸形回転電機。
3. （３）長尺状弾性変形部材は、リムに固着される一端部
   側の板幅寸法が他端部側より大きいことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の立軸形回転電機。