JP2009136062A

JP2009136062A - 回転電機

Info

Publication number: JP2009136062A
Application number: JP2007308900A
Authority: JP
Inventors: Takayasu Tanaka; 崇廉田中; Hirohide Murayama; 博英村山; Kenichi Hattori; 憲一服部; Kazuhiko Takahashi; 和彦高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-18
Also published as: US20090140601A1; EP2066007A2

Abstract

【課題】本発明は、回転子を長大化させることなく、回転子鉄心と固定子鉄心間の冷却風量を確保し得る回転電機を提供することにある。
【解決手段】本発明は、抜け止め手段（１８〜２０，２５〜２７）を、保持環１３を回転子鉄心６への焼嵌め位置内で隣接するスロット８の間に対向する位置に設けたのである。
保持環１３の抜け止め位置を焼嵌め位置内とすることで、保持環自体の長さを短縮して固定子鉄心１６の端部への接近を防止できるので、回転子鉄心６と固定子鉄心１６間の隙間を狭めることがなくなり、その結果、回転子３を長大化させることなく、回転子鉄心６と固定子鉄心１６間の冷却風量を確保できる。
【選択図】図２

Description

本発明は蒸気タービン発電機やガスタービン発電機などの回転電機に係り、特に、回転子鉄心から張り出した回転子巻線の端部を保持環で保持する構成の回転電機に関する。

一般に、タービン発電機は、高速回転するために、固定子鉄心の軸方向に張り出した回転子巻線端部には強大な遠心力が作用する。そこで、作用する強大な遠心力によって回転子巻線端部が変形しないように、その外周部を回転子鉄心の軸方向端部に焼嵌めによって装着された高張力鋼製の保持環で保持している。

しかしながら、回転子鉄心の端部に焼嵌めされた保持環は、高速回転時に、保持環自身に作用する遠心力や回転子巻線端部に作用する遠心力によって径が大きくなり、回転子鉄心との焼嵌めによる固着力が低下する。その結果、運転時の回転子巻線の通電発熱による軸方向の熱伸びによって、固着力が低下した保持環が回転子鉄心から脱落する虞があった。

このような運転中における保持環の回転子鉄心端部からの脱落を防止するために、特許文献１に開示のように、保持環と回転子鉄心端部との間に、保持環の抜け止めキーを装着することが提案されている。

特開昭５９−１０３５３３号公報

上記特許文献１に記載の保持環の抜け止めキーによって保持環の脱落は防止できる。しかしながら、保持環を回転子鉄心端部の焼嵌め位置よりも回転子鉄心の軸方向の中心側に延在させた位置で、回転子鉄心と保持環との間に抜け止めキーを装着する構成であるために、回転子鉄心の外径よりも大径となる保持環の延在端が固定子鉄心に接近することになる。その結果、保持環端と固定子鉄心端との隙間は狭くなり、回転子鉄心と固定子鉄心との間へ供給する冷却風量を制限することになる。

そこで、保持環端と固定子鉄心端との隙間を広くするために、保持環の延在端部側を傾斜させることも考えられる。しかし、傾斜を形成するとすることで保持環の延在端部側の肉厚は薄くなり、その結果、保持環に設けた抜け止めキー用のキー溝近傍に応力が集中し、キー溝近傍を破損に至らしめる虞がある。

一方、保持環端と固定子鉄心端との隙間を広くするために、回転子鉄心の軸方向長さを固定子鉄心の軸方向長さよりの長大化させて保持環の延在端部が固定子鉄心の端部よりも外側に位置するようにし、そこに保持環と回転子鉄心との抜け止めキーを装着することも考えられる。しかしながら、この場合には、回転子全体の軸長が長くなるので、回転子鉄心の重量が増大すると共に、回転子巻線の軸方向の長さの長大化により回転子巻線の重量も増大する問題がある。

本発明の目的は、回転子を長大化させることなく、回転子鉄心と固定子鉄心間の冷却風量を確保し得る回転電機を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、抜け止め手段を、保持環を回転子鉄心へ焼嵌めする焼嵌め位置内で隣接するスロットの間に対向する位置に設けたのである。

上述のように、まず、抜け止め手段を、保持環を回転子鉄心へ焼嵌めする焼嵌め位置内における保持環と回転子鉄心間に跨って設けることで、保持環を回転子鉄心の軸方向の中心側に延在させる必要がなくなるので、保持環自体の長さを短縮することができる。それによって、保持環の固定子鉄心の端部への接近を防止できるので、回転子鉄心と固定子鉄心間の隙間を狭めることがなくなり、その結果、回転子を長大化させることなく、回転子鉄心と固定子鉄心間の冷却風量を確保することができる。

さらに、抜け止め手段を、焼嵌め位置内で隣接するスロットの間に対向する位置に設けることで、抜け止め手段がスロットに跨ることがなくなるので、スロット内の回転子巻線や回転子巻線間の絶縁層や対地絶縁層と干渉することがなくなる。

以下本発明による回転電機の第１の実施の形態を図１〜図６に示すタービン発電機に基づいて説明する。

タービン発電機１は、大きくは回転軸２に設けられた回転子３と、この回転子３の外周に隙間を介して配置された固定子４と、これら回転子３及び固定子４を冷却するための冷媒を送風する送風ファン５と、前記回転子２を支持する軸受（図示せず）と前記固定子４を支持する固定子枠（図示せず）とを有している。

前記回転子３は、塊状鉄心から構成された回転子鉄心６と、この回転子鉄心６に装着された回転子巻線７を有している。前記回転子鉄心６は、前記回転軸２と一体に鋳造されたり、固定具を介して固定されたりして回転軸２に一体的に設けられている。

前記回転子鉄心６は、軸方向に沿って複数のスロット８が周方向に複数設けられており、複数のスロット８が近接して設置されたスロット群間には、回転子磁極９が形成されている。このような回転子鉄心６には、冷却用に軸方向冷却流路１０と、この軸方向冷却流路１０から外径方向に貫通する径方向冷却流路（径方向冷却ダクト）１１が形成されている。

前記回転子巻線７は、電気導体（図示せず）を巻回し、絶縁層と導体を積層して形成している。このように形成された回転子巻線７を対地絶縁層（図示せず）を介して前記スロット８に装着し、スロット８の開口部を楔（ウエッジ）で塞いで固定している。そして、回転子巻線７が回転子鉄心６のスロット８の軸方向両端から張り出した回転子巻線端部７Ｅは、隣接間にスペーサ１２を介して絶縁間隔を保持している。

このように、回転子鉄心６の軸方向の端部から張り出した回転子巻線端部７Ｅは、高速回転時の遠心力によって外径側に変形しないように、その外周側が絶縁材１４を介して保持環１３で保持されている。

この保持環１３は、回転子鉄心６の軸方向端部に焼嵌めされて固定されている。回転子鉄心６の焼嵌め位置は、図２に詳細が示されているように、回転子鉄心６の外径よりも小径に形成されており、この小径部に保持環１３の一端側が焼嵌めされている。この保持環１３の焼嵌め部分の外周側には傾斜部１３Ｋが形成されている。そして、保持環１３の他端側の内径側には、保持環支え１５が設けられている。

一方、前記固定子４は、軸方向に珪素鋼板を積層して構成した固定子鉄心１６と、この固定子鉄心１６に装着された固定子巻線１７を有する。そして、固定子鉄心１６には、径方向冷却流路（径方向冷却ダクト）１６Ｐが形成されている。

以上のように構成されたタービン発電機１において、その運転中に各部の発熱により昇温した場合、それを冷却するために、送風ファン５による冷媒を分岐させ、１つ目は回転子巻線端部７Ｅの内径側を通して軸方向冷却流路１０に供給し、２つ目は保持環１３と固定子巻線１７の端部の間を通して回転子鉄心６と固定子鉄心１６の隙間に供給し、３つ目は固定子巻線１７の端部を通過させている。このような３つの流路に冷媒を通過させることで、回転子３と固定子４の冷却を行っている。

このうち、２つ目の冷却流路では、保持環１３が回転子鉄心６の小径部に焼嵌めされているので、保持環１３の軸方向長さは短縮され、その結果、保持環１３と回転子鉄心６の端部との隙間を広くすることが可能になるので、冷媒の流量を十分に確保することができる。

ところで、前記保持環１３の抜け止め手段は、回転子鉄心６の軸方向端部に形成された小径部（焼嵌め位置）に設けられる。具体的には、回転子鉄心６のスロット群間に形成された回転子磁極９の小径部（焼嵌め位置）に対向する位置に設けられた第１のキー溝１８と、保持環１３の焼嵌め位置に対向する内周面に形成された第２のキー溝１９と、これら２つのキー溝１８，１９に跨るキー２０とによって抜け止め手段は構成される。ところで、前記キー２０は、第２のキー溝１９の曲率と同じ曲率の曲線区間を有し、また、前記第１のキー溝１８は、保持環１３の焼嵌め時に、前記キー２０の曲線区間の頂部が小径部の外径よりも突出することがない深さを有している。このため、保持環１３を焼嵌めする際は、キー２０を第１のキー溝１８内に収納して回転子鉄心の小径部の外径から突出しないようにしておき、この状態で保持環１３を焼嵌めして小径部にはめ込み、第１のキー溝１８と第２のキー溝１９の軸方向の位置を合わせる。

このように、抜け止め手段を構成することで、タービン発電機１の運転時には、第１のキー溝１８内にあったキー２０は、遠心力によって、図４に示すように、保持環１３の第２のキー溝１９内に移動する。そして、キー２０は両方のキー溝１８，１９に跨って抜け止め機能を発揮する。また、第１のキー溝１８は、回転子巻線７が収納されるスロット８を避けた回転子磁極９に対向する位置に設けられるので、キー２０及び第１のキー溝１８が回転子巻線７と干渉して生じる様々な不都合から回避することができる。

次に、本発明による第２の実施の形態を図７及び図８に基づいて説明する。なお、図１〜図６と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態において、第１の実施の形態と異なる構成は、固定子鉄心６の焼嵌め位置である小径部から軸方向中心側に向かって冷却用スロット２１が形成されている点と、キー２０を第１のキー溝１８に収納し、保持環１３を焼嵌めした後、前記冷却用スロット２１を利用して、キー２０を保持環１３側の第２のキー溝１９内に移動させると共に、第１のキー溝１８の底部とキー２０との間に固定キー２２を装入して固定した点である。

このように、キー２０を固定手段である固定キー２２で固定することで、第１の実施の形態と同じ効果を奏する外、キー２０を確実に第１のキー溝１８と第２のキー溝１９とに跨らせることができるので、抜け止めの信頼性を向上することができる。

本発明による第３の実施の形態を図９及び図１０に基づいて説明する。尚、図１〜図６と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態は、第２の実施の形態と基本的には同じであるが、第２の実施の形態と異なる構成は、キー２０に冷却用スロット２１に連通する通風孔２３を設けた点と、キー２０の第１のキー溝１８の底部に対向する部分に、キー２０の固定手段であり弾性体である板ばね２４を、例えば溶接やビス止めなどの周知の手段で固定した点である。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同じ効果を奏する外、保持環１３を回転子鉄心６の小径部に焼嵌め後、キー２０が板ばね２４によって保持環１３の第２のキー溝１９内に押されて収納されるので、キー２０は常時第１のキー溝１８と第２のキー溝１９との跨って位置させることができ、安定した抜け止め機能を維持することができる。さらに、キー２０に冷却用スロット２１に連通する通風孔２３を設けたので、冷媒の流通を向上させることができ、回転子鉄心の冷却効果を向上させることができる。この外、冷却用スロット２１の回転子鉄心外周面側の開口部からキー２０の通風孔２３に棒状工具を差し込み、板ばね２４を圧縮する方向にキー２０を移動させることで、第１のキー溝１８の底部にキー２０を収納させた状態で、回転子鉄心６に対して保持環１３を着脱することができる。

図１１及び図１２は、本発明による第４の実施の形態を示すもので、図１〜図６と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態は、第１の実施の形態と基本的には同じである。ただ、第１の実施の形態において、保持環１３の内周面に形成された第２のキー溝１９が連続溝であるのに対し、本実施の形態における第２のキー溝２５が不連続溝である点が異なる。即ち、第２のキー溝２５は、キー２０が収納できて製作可能な必要最小限の周方向長さを有しており、回転子鉄心６の回転子磁極９に対向する保持環１３の内周面に設けたものである。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同じ効果を奏する外、第２のキー溝２５を不連続キー溝としたことで、タービン発電機運転時に生じる可能性のある保持環１３の周方向の位置ずれを、保持環１３の焼嵌めによる接触摩擦力だけでなく、不連続溝の第２のキー溝２５とキー２０との係合によって防止できるのである。

図１３は、本発明による第５の実施の形態を示すもので、基本構成は第１の実施の形態と同じであるので、図１〜図６と同一符号は同一構成部材を示し、再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態において、第１の実施の形態、特に、図４に示す構成と異なる構成は、図４の構成に加え、回転子鉄心６の回転子磁極９に接近する側の隣接するスロット８の間に第３のキー溝２６を設け、この第３のキー溝２６と保持環１３の第２のキー溝１９とに跨る第２のキー２７を設けたのである。

本実施の形態によれば、第１に実施の形態と同じ効果を奏する外、保持環１３を回転子磁極９に対向する位置に設けたキー２０と隣接スロット８間に設けた第２のキー２７とで係合できるので、保持環１３の回転子鉄心６の端部からの抜け止めをより強硬に行うことができる。

尚、タービン発電機の容量や機種によっては、回転子磁極９に対向する位置にキー２０を設けず、隣接するスロット８間にのみ第２のキー２７を設けるようにしてもよい。さらに、隣接するスロット８間にのみ第２のキー２７を設ける場合、回転子磁極９に接近する側の隣接するスロット８の間のみでなく、それ以外の隣接するスロット８間にも第２のキー２７を設けるようにすることも可能である。

ところで以上の各実施の形態において、回転電機としてタービン発電機について説明したが、タービン発電機に特定されるものではなく、回転子鉄心の両端部に回転子巻線端を遠心力から保持する円筒状の保持環を焼嵌めした構成の回転電機であれば本発明は適用することができる。

本発明による回転電機の一実施の形態を示すタービン発電機の一部の縦断概略側面図。図１に示す回転子の拡大図。図２のＡ−Ａ線に沿う断面図。図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図。図１の保持環を示す横断斜視図。図２の分解斜視図。本発明による回転電機の第２の実施の形態を示す図４相当図。本発明による回転電機の第２の実施の形態を示す図６相当図。本発明による回転電機の第３の実施の形態を示す図４相当図。図９で用いたキーを示す拡大斜視図。本発明による回転電機の第４の実施の形態を示す図４相当図。図１１で用いた保持環を示す図５相当図。本発明による回転電機の第５の実施の形態を示す図４相当図。

符号の説明

１…タービン発電機、２…回転軸、３…回転子、４…固定子、５…送風ファン、６…回転子鉄心、７…回転子巻線、７Ｅ…回転子巻線端部、８…スロット、９…回転子磁極、１０…軸方向冷却流路、１１…径方向冷却流路（径方向冷却ダクト）、１２…スペーサ、１３…保持環、１３Ｋ…傾斜部、１４…絶縁材、１５…保持環支え、１６…固定子鉄心、１６Ｐ…径方向冷却流路（径方向冷却ダクト）、１７…固定子巻線、１８…第１のキー溝、１９…第２のキー溝、２０…キー、２１…冷却用スロット、２２…固定キー、２３…通風孔、２４…板ばね、２５…第２のキー溝、２６…第３のキー溝、２７…第２のキー。

Claims

軸方向に沿うスロットを周方向に複数形成した回転子鉄心と、この回転子鉄心のスロット内に装着した回転子巻線と、回転子鉄心の長手方向両端部に装着され回転子鉄心の端から張り出した回転子巻線の端部を遠心力から保持する保持環と、この保持環と回転子鉄心との間に設けた保持環の抜け止め手段とを有する回転子を備えた回転電機において、前記抜け止め手段を、保持環を回転子鉄心へ焼嵌めする焼嵌め位置内で隣接するスロットの間に対向する位置に設けたことを特徴とする回転電機。
軸方向に沿うスロットを周方向に複数形成した回転子鉄心と、この回転子鉄心のスロット内に装着した回転子巻線と、回転子鉄心の長手方向両端部に装着され回転子鉄心の端から張り出した回転子巻線の端部を遠心力から保持する保持環と、この保持環と回転子鉄心との間に設けた保持環の抜け止め手段とを有する回転子を備えた回転電機において、前記回転子鉄心の長手方向両端部に小径部を形成し、この小径部に保持環を焼嵌めすると共に、回転子鉄心の小径部内における隣接するスロットの間に対向する位置に前記抜け止め手段を設けたことを特徴とする回転電機。
前記抜け止め手段は、周方向の複数箇所に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の回転電機。
前記抜け止め手段は、回転子磁極と対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の回転電機。
前記抜け止め手段は、回転子磁極の間に位置するスロットの間に対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の回転電機。
前記抜け止め手段は、回転子磁極と対向する位置に設けられていると共に、回転子磁極の間に位置するスロットの間に対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の回転電機。
前記抜け止め手段は、回転子鉄心の隣接スロット間に設けたキー溝と、保持環の内周側に形成したキー溝と、これら両キー溝に係合するキーとで構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の回転電機。
前記回転子鉄心のキー溝は、キーの高さ以上に深く形成されていることを特徴とする請求項７記載の回転電機。
前記保持環の内周に形成したキー溝は、周方向に連続して形成されていることを特徴とする請求項７記載の回転電機。
前記保持環の内周に形成したキー溝は、周方向に断続的に形成されていることを特徴とする請求項７記載の回転電機。
前記回転子鉄心のキー溝は、キーを保持環のキー溝側に押圧する固定手段を備えていることを特徴とする請求項７，８，９又は１０記載の回転電機。
前記固定手段は、弾性体で形成されていることを特徴とする請求項１１記載の回転電機。
前記弾性体は、板ばねであることを特徴とする請求項１２記載の回転電機。
軸方向に沿うスロットを周方向に複数形成した塊状回転子鉄心と、この塊状回転子鉄心の複数のスロットに跨って装着された回転子巻線と、塊状回転子鉄心の長手方向両端部に装着され塊状回転子鉄心の端から張り出した回転子巻線端部を遠心力から保持する保持環と、この保持環と塊状回転子鉄心との間に設けられた保持環の抜け止め手段とを有する回転子を備えた回転電機において、前記塊状回転子鉄心はその長手方向両端部に小径部を形成すると共に、この小径部に保持環を焼嵌めして固定し、前記抜け止め手段は、前記小径部の外周で塊状回転子鉄心の回転子磁極と対向する位置に設けた第１のキー溝と、保持環の内周側に形成した第２のキー溝と、これら両キー溝に係合するキーとを有し、かつ、前記塊状回転子鉄心の回転子磁極に対向する小径部の端部から長手方向中央側に向かって冷却用スロットを形成し、この冷却用スロットに対向する前記キーに通風孔を形成したことを特徴とする回転電機。