JP2001128398A - 回転電機の突極形回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】設計・製作容易にして、ダブテールの座屈強度
を高め、大容量で高速回転に耐え得る突極形回転子を提
供する。 【解決手段】外周に軸方向に延びたダブテール溝を有す
るロータリム２と、前記ダブテール溝に嵌合されるダブ
テール凸部を有する磁極１と、前記ダブテール溝の側壁
と前記ダブテール凸部との間に圧入され、前記ダブテー
ル凸部を前記ダブテール溝内に締結するコッタ３とを備
え、前記磁極およびそのダブテール凸部が薄板の積層体
により形成されている回転電機の突極形回転子におい
て、前記ダブテール凸部の先端面，すなわちダブテール
の回転中心側の面に、薄板の積層方向，すなわち回転軸
方向に延びた溝を設けるとともに、この溝に、この溝を
埋める第二のコッタ６を圧入するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転電機の突極形
回転子に係わり、特に突極磁極とロータリムとの結合
が、ダブテール凹凸（溝と凸部）の嵌合により行なわれ
ている回転電機の突極形回転子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に採用されているこの種の突極
形回転子は、ロータリムの外周に複数の磁極が周方向に
間隔をおいて並設されて形成されている。この場合、ロ
ータリムと磁極との結合は、ロータリムの外周に設けら
れた鳩尾の形をしたダブテール凹部（溝）と、磁極の根
本部，すなわち磁極の回転中心側に設けられたダブテー
ル凸部との嵌合により行なわれ、かつその締結は、ダブ
テール凹凸の壁面間に圧入介在されたコッタにより行な
われているのが普通である。

【０００３】なお、この種の突極形回転子に関連するも
のとしては、例えば特開昭６１−５４８３３号公報ある
いは実開昭５５−６９８４６号公報などが挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように形成されて
いる突極形回転子でも、通常，特に問題になることはな
いのであるが、しかしながら、最近のように回転機が大
容量かつ高速化してくると、機械的強度の面での諸問題
が表面化してくる。すなわち、近年の我国の電力需要は
昼夜の差が著しく、これに伴なってピーク電力の供給と
夜間余剰電力の有効活用のための揚水発電設備が大容量
化してきている。このような大容量揚水発電設備は経済
性向上のため高速回転化が図られ、従来毎分３００回転
程度であったものが毎分７００回転級に計画される現状
にある。

【０００５】このように回転電機の大容量化・高速回転
化した場合の主な問題の一つに、突極形回転子における
磁極取付け部のダブテール座屈現象が考えられる。すな
わち、図４から図８にも示されているように、突極形回
転子の磁極１は、その基部に設けられたダブテール（凸
部）ｌａをロータリム２のダブテール溝２ａに係合せし
めダブテール傾斜側面とダブテール溝側壁の間に対しコ
ッタ３を回転軸方向に圧入することによってロータリム
２の外周部に強固に取付けるようにしている。なお、図
中４は磁極１に巻回された界磁コイルを示している。

【０００６】このような突極形回転子の回転によって磁
極１に生ずる遠心力Ｆｐは、反力Ｐ，すなわちロータリ
ム２のダブテール溝２ａ側壁からコッタ３を介して与え
られる反カＰとベクトル的に釣合い、このため磁極１
は、回転による遠心力によってロータリム２から飛び出
すことなくロータリムに固定される。この力の釣合い状
態を示したのが図７である。

【０００７】ところで、このダブテール結合部を拡大し
てみると図８に示されているように、コッタ３からの反
カＰは半径方向の分力ＦＲとこれと直角方向の円周方向
分力Ｆθに分解される。このような２つの分力によって
ダブテール先端面の中点Ｃを通る半径方向断面Ｘ−Ｘに
は分力Ｆθによって図９（ａ）に矢印で示すような圧縮
応力が発生し、分力ＦＲによって図９（ｂ）に矢印で示
すような曲げ応力が発生する。そして、これらの合成応
力は図９（ｃ）の矢印で示すような分布形態となる。

【０００８】なお、図９の応力分布状態は理解し易いよ
うに単純化してあるが、図８における寸法ＳとＴの比を
１対２としたときのダブテールの応力分布を電子計算機
を用いて有限要素法と呼ばれる応力計算法によって計算
すると、図１０に示されているような分布となる。この
図からもＸ−Ｘ断面の応力分布は、図９（ｃ）に示すと
同様にダブテールｌａの先端部分のＣ点において最大圧
縮応力σｃとなることが分かる。

【０００９】さて、このようなダブテールｌａの先端部
分のＣ点に生ずる最大圧縮応力σｃの分布を回転軸の軸
方向について調べてみると、後述の如く軸方向に関して
一様に分布しているわけではなく磁極の中央においては
小さく磁極端仮５に近いところで大きくなっている。こ
のためダブテールの座屈現象は図５の二点鎖線の円内に
示されているように磁極端板５付近で発生する。このよ
うに磁極端坂５の付近で発生する原因は次の２つが考え
られる。

【００１０】すなわち、その一つは薄板からなるダブテ
ールの一枚あたりに加わる遠心力は図４のＢ−Ｂ線で示
す軸方向中心付近では磁極１，ダブテールｌａそして磁
極一枚の厚さあたりの界磁コイル４の質量分が遠心力に
効いてくるのに対し、磁極端板５付近では磁極端板５お
よび界磁コイル４のＵターン部分，すなわち界磁コイル
４が磁極の円周方向の一方から他方に磁極端板の軸方向
外側を迂回巻きされる部分の質量が余分に遠心力として
効いてくるため、ダブテールの薄板一枚あたりに加わる
遠心力は軸方向中心のものに比べて大きくなること。

【００１１】もう一つの原因は、磁極端板における前記
Ｕターン部の界磁コイルの割増し質量ならびに磁極端板
５の軸方向突起部の質量に基づく遠心力が、磁極端板の
軸方向突起部に働くことによって、磁極端板には図４の
Ｍで示す曲げモ一メントが図の向きに生ずることであ
る。

【００１２】かかるモ一メントが働く結果として、ダブ
テールｌａの内周面には図４のＦａで示す軸方向の力が
矢印方向に発生する。図４に示されているように薄板積
層板から成る磁極１およびダブテールｌａは厚板から成
る磁極端板５によって積層方向両端から挟まれ、これら
に貫通して設けられた通し穴に通されたボルトおよびナ
ットにより両側から締め上げられる。この締付力はダブ
テール部の積層板の板面間に面圧を生じせしめる。然る
に、前述した遠心力に基づく軸方向外向きの力Ｆａは、
この部分における前記ダブテール面圧を減少させ、場合
によってはダブテール部の薄坂間に隙間を生じさせるこ
ととなる。

【００１３】ところで、薄板に対し薄板の面に平行する
形で両側から圧縮力を加えたとき、薄板は薄板の断面に
関する中心軸に対する圧縮力の僅かな偏心や材質の不均
一性などが原因で比較的小さな圧縮力で横撓みを起こ
す。この現象は材質の降伏点以内でも生ずるところから
弾性座屈と呼ばれる。この弾性座屈に対する強度を上げ
るには、薄板側面を撓まぬように支えればよい。言い換
えれば側面に面圧を加えて拘束すれば良い。前述した磁
極積層板１およびダブテールｌａを磁極端板５で挟み、
通しボルトで締め上げてダブテールｌａの積層板間に面
圧を持たせるのはこの目的を達成するためである。

【００１４】従って前述した軸方向外向きの力Ｆａによ
って生ずるダブテール面圧の低下は座屈強度の低下その
ものを意味する。以上に述べた二つの観点から磁極ダブ
テールの座屈強度は軸方向分布においてダブテール積層
間面圧が比較的高く保たれる中心付近すなわち図４のＢ
−Ｂ付近では大きく、面圧低下が著しい磁極端板付近で
小さい。かかる傾向は実機運転結果においても現象とし
て確認されている事実である。

【００１５】従って、ダブテールの座屈現象はダブテー
ルの先端すなわちダブテールの内周部分であってかつ磁
極端板に近い部分に生じやすい。かかる現象が従来、大
容量で高速回転する回転電機の突極形回転子の設計・製
作を困難にしていた。

【００１６】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、設計・製作を容易にしてダブテー
ルの座屈強度を高め、大容量で高速回転に耐え得るこの
種の突極形回転子を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、軸方
向に延びたダブテール溝を外周に有するロータリムと、
前記ダブテール溝に嵌合されるダブテール凸部を有する
磁極と、前記ダブテール溝の側壁と前記ダブテール凸部
との間に圧入され、前記ダブテール凸部を前記ダブテー
ル溝内に締結するコッタとを備え、前記磁極およびその
ダブテール凸部が薄板の積層体により形成されている回
転電機の突極形回転子において、前記ダブテール凸部の
先端面に、薄板の積層方向，すなわち回転軸方向に延び
た溝を設けるとともに、この溝に、この溝を埋める第二
のコッタを圧入するようにし所期の目的を達成するよう
にしたものである。

【００１８】また、この場合、前記第二のコッタ圧入用
の溝を、ダブテール凸部先端面の円周方向幅の中央部に
設けるようにしたものである。また、前記溝を複数個設
け、かつ夫々の溝に前記第二のコッタを圧入するように
したものである。また、前記第二のコッタの長さを、前
記磁極の積層方向長さとほぼ等しくなるように形成した
ものである。また、前記第二のコッタを、前記ダブテー
ル凸部先端面側から打ち込み圧入するようにしたもので
ある。

【００１９】すなわちこのように形成された突極形回転
子であると、ダブテールの先端面，すなわちダブテール
の回転に関する内周面の円周方向（ダブテールの幅方
向）中点から半径方向外向きに向けてコッタ挿入溝が設
けられ、そしてこのコッタ挿入溝にコッタが圧入されて
いることから、圧縮力の作用方向，すなわちダブテール
の円周方向における座屈有効長さを短くすることがで
き、前述した座屈を充分防止することができるのであ
る。すなわち、具体的には、座屈理論式、例えばオイラ
ーの座屈荷重計算式等によれば座屈に耐えることができ
る最大座屈荷重は下記式に示されているように圧縮荷重
が作用する部材の圧縮荷重作用方向の長さの２乗に反比
例する。すなわち、両端回転端に対するオイラーの座屈
荷重Ｐｃｒは、

【００２０】

【数１】Ｐｃｒ＝π²ＥＩ／（Ｌ²） ここで、π：円周率、Ｅ：縦弾性係数、Ｉ：断面二次モ
一メント，Ｌ：部材長さである。

【００２１】すなわち、図３を参照すると、この図３
（ａ）は、図８に示す従来形ダブテールに対する座屈発
生機構であって上式で示す最大圧縮荷重Ｐｃｒを加える
ことができる。これに対し長さ以外は同じで長さのみを
半分にした図３（ｂ）には図３（ａ）に加えることがで
きる最大圧縮力の２×２＝４倍の圧縮力を加えることが
できる。同じように長さを３分の１にした図３（ｃ）の
場合は図３（ａ）の３×３＝９倍の力を加えることがで
きる。このように座屈強度に関する部材有効長さＬをコ
ッタ打ち込みによってＮ分割すれば、座屈強度は当初に
対しＮ×Ｎ倍と大幅に向上することができ、これによっ
て大容量で高速回転に耐え得る突極形回転子とすること
ができるのである。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図１および図２にはその突極形
回転子の要部が断面で示されている。２がロータリムで
あり、１が磁極、４が界磁コイル、３がダブテール固定
用コッタである。ロータリム２の外周には周方向に所定
の間隔をおいてダブテール溝２ａが設けられており、こ
のダブテール溝に、磁極１の基部（根本）に設けられた
ダブテール（凸部）ｌａが嵌合され、ロータリム２に磁
極１が係合されている。また、両者の締付は、ダブテー
ル凸部の傾斜側面とダブテール溝側壁の間にコッタ３が
回転軸方向に圧入され行われている。

【００２３】この場合、特に磁極１のダブテール部は、
次のように形成されている。すなわち、ダブテールｌａ
の内周面の中央部（ダブテール幅方向中央部）には、磁
極の長手方向（回転軸方向）にのび、かつ半径外向きに
向けて溝ｌｂが設けられている。そして、この溝１ｂに
は、コッタ６（第二のコッタ）が軸方向に圧入されてい
る。この構造によって圧縮荷重に対するダブテールの周
方向における圧縮長さはダブテールに圧入したこのコッ
タ６によって２分割される。このときの座屈発生機構
は、図３（ｂ）に対応し、図３（ａ）に示す従来のダブ
テール結合部に対し座屈強度は理論上２×２＝４倍とな
る。

【００２４】図１１および図１２は、本発明のもう一つ
の実施例に係るダブテール結合部を示すものである。前
述した実施例では、ダブテールに設けた半径方向溝１ｂ
がダブテール円周方向中央部に１個であったのに対し図
１１，図１２ではかかる半径方向溝が円周幅方向にダブ
テール幅を３等分した２個所の分割位置に設けられてい
る。このときの座屈発生機構は図３（ｃ）に対応し、図
３（ａ）に示す従来のダブテール結合部に対し座屈強度
は理論上３×３＝９倍となる。

【００２５】なお、図１（ｂ）および図１１いづれの場
合も、ダブテールｌａに打込むコッタ６は、各々図２，
図１２にも示されているように軸方向に貫通するように
形成されている。この場合、コッタの長さは、磁極の積
層方向長さとほぼ等しく（一本もので）形成されるのが
望ましい。

【００２６】前述したようにダブテールの座屈現象は軸
方向に一様に発生するのではなく主に磁極端板付近に生
ずることから、コッタｌｂをこのように軸方向に貫通さ
せることにより、コッタ６の軸方向の移動を押さえるこ
とができ、以って磁極端板付近におけるコッタ反カに基
づく圧縮力による薄板ダブテールの撓み現象，すなわち
座屈現象を押さえることができる。なお、コッタ６は、
図１（ｂ）のようにダブテールの底部側、すなわちロー
タ回転中心側から外側に向けて打ち込まれる。

【００２７】このようにダブテール幅を等価的に円周方
向にＮ分割し、その（Ｎ−１）個所の分割位置に半径外
向きで、かつ軸方向にのびた溝を設け、この溝に対しダ
ブテールの回転軸方向の長さ、またはそれに準ずる長さ
を有するコッタ６を（Ｎ一１）個、圧入することによっ
て、加え得る最大圧縮荷重を（Ｎ−１）個のコッタが無
い場合に比較してＮの２乗倍大きくすることができる。
しかも、そのためのダブテール結合部の構造は耐座屈効
果が大きくなる割には特に複雑なものとなることなく従
来品と同程度であるから設計・製作の面からも有利であ
る。

【００２８】なお、以上の説明では、コッタ６は一本も
ので形成するように説明してきたが、コッタが挿入（圧
入）し易いように、例えば幅方向に分割してもよいであ
ろう。また、一本物でも、溝およびコッタ６にそれぞれ
合致したテーパ面（奥狭溝）となし挿入し易いようにし
てもよいであろう。

【００２９】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、設計・製作容易にして、ダブテールの座屈強度を高
め、大容量で高速回転に耐え得るこの種の突極形回転子
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転電機の突極形回転子の一実施例を
示す横断正面図および要部拡大図である。

【図２】図１のＱ矢印方向よりみた平面図である。

【図３】突極形回転子の座屈に係る効果の理論的説明図
である。

【図４】従来の突極形回転子を示す縦断側面図である。

【図５】図４のＡ−Ａ線に沿う矢視図である。

【図６】従来の突極形回転子の要部を示す横断正面図で
ある。

【図７】磁極に発生する遠心力とコッタ反力のベクトル
釣合い図である。

【図８】従来の突極形回転子のダブテール結合部の拡大
断面図である。

【図９】ダブテールに発生する応力の発生機構図であ
る。

【図１０】従来型ダブテールの計算結果に基づく応力分
布状態図である。

【図１１】本発明の突極形回転子の他の実施例を示す縦
断正面図である。

【図１２】図１１のＵ矢印方向から見た平面図である。

【符号の説明】

１…磁極、ｌａ…ダブテール、ｌｂ…第二コッタ打込み
用溝、２…ロータリム、２ａ…ダブテール溝、３…ダブ
テール固定用コッタ、４…界磁コイル、５…磁極端板、
６…ダブテール打込み第二コッタ、ＦＰ…ダブテールに
加わる遠心力、Ｐ…コッタ３からの反カ、Ｆθ…Ｐの円
周方向分力、ＦＲ…Ｐの半径方向分力、ＦＣ…磁極端板
およびその付近の界磁コイルによる遠心力、Ｍ…ＦＣに
よる曲げモ一メント、Ｆａ…Ｍによるダブテール口開き
力、Ｐｃｒ…加えることができる最大座屈荷重、Ｃ…ダ
ブテール先端面中点、Ｓ…ダブテールの半径方向高さ、
Ｔ…ダブテール先端面の円周方向幅、σｃ…従来型ダブ
テールにおける最大圧縮応力。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸方向に延びたダブテール溝を外周に有
   するロータリムと、前記ダブテール溝に嵌合されるダブ
   テール凸部を有する磁極と、前記ダブテール溝の側壁と
   前記ダブテール凸部との間に圧入され、前記ダブテール
   凸部を前記ダブテール溝内に締結するコッタとを備え、
   前記磁極およびそのダブテール凸部が薄板の積層体によ
   り形成されている回転電機の突極形回転子において、前
   記ダブテール凸部の先端面に、薄板の積層方向（軸方
   向）に延びた溝が設けられるとともに、該溝に、この溝
   を埋める第二のコッタが圧入されていることを特徴とす
   る回転電機の突極形回転子。
2. 【請求項２】 前記ダブテール凸部の先端面に設けられ
   た溝が、ダブテール凸部先端面の幅方向（回転子の周方
   向）の中央部に設けられてなる請求項１記載の回転電機
   の突極形回転子。
3. 【請求項３】 前記ダブテール凸部の先端面に設けられ
   た溝が、前記ダブテール凸部先端面の幅方向（回転子の
   周方向）に関して複数個並設され、かつ夫々の溝に前記
   第二のコッタが圧入されてなる請求項１記載の回転電機
   の突極形回転子。
4. 【請求項４】 前記第二のコッタの長さが、前記磁極の
   積層方向長さとほぼ等しく形成されてなる請求項１，２
   または３記載の回転電機の突極形回転子。
5. 【請求項５】 前記第二のコッタが、前記ダブテール凸
   部先端面側から打ち込み圧入されてなる請求項１，２，
   ３または４記載の回転電機の突極形回転子。