JP2010093907A - 発電機用固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電機用の固定子のティース部の軸方向における端部に発生する渦電流を従来よりも低減できるようにする。
【解決手段】 固定子１１の軸方向における端部のうち、ティース部を、板面が発電機１０（固定子１１）の周方向と略垂直になるように電磁鋼板を積層して構成し、ヨーク部を、板面が発電機１０（固定子１１）の軸方向と略垂直になるように電磁鋼板を積層して構成し、上記ティース部と上記ヨーク部との間に絶縁板を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発電機用固定子に関し、特に、発電機の固定子（ステータ）として用いて好適なものである。

従来、発電機に用いられる固定子は、その軸方向に積層された電磁鋼板によって形成されていた。このようにして電磁鋼板を積層すると、回転子の端部からの磁束（漏れ磁束）が、当該電磁鋼板の積層端部の板面に対して垂直方向に通る。したがって、発電機を運転させると、固定子のティース部の軸方向における端部に大きな渦電流が発生する。このように大きな渦電流が発生すると、固定子における鉄損が大きくなり、発電機の特性を低下させてしまう虞がある。そこで、図４に示すように固定子のティース部の軸方向における端部において、電磁鋼板を階段状に積層する（固定子のティース部の軸方向における端部をセットバックさせる）技術がある（非特許文献１を参照）。

中原明仁、外９名，「三次元磁界解析を用いたタービン発電機の無負荷時鉄損の分析」，電気学会論文誌Ｄ，電気学会，平成１６年，第１２４巻，第８号，ｐ．８３０−８３６

しかしながら、前述した非特許文献１に記載の技術のようにしても、固定子の軸方向に電磁鋼板が積層されることに変わりはない。このため、固定子のティース部の軸方向における端部に発生する渦電流を大幅に低減することが困難であるという問題点があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、発電機用の固定子のティース部の軸方向における端部に発生する渦電流を従来よりも低減できるようにすることを目的とする。

本発明の発電機用固定子は、周方向に延在するヨーク部と、当該ヨーク部から径方向に延在するティース部とを有する発電機用固定子であって、前記固定子の軸方向における端部ティース部は、周方向に積層された電磁鋼板を用いて構成されており、前記固定子の軸方向における端部前記ヨーク部は、軸方向に積層された電磁鋼板を用いて構成されており、前記固定子の軸方向における端部以外の部分の前記ティース部と前記ヨーク部は、軸方向に積層された電磁鋼板を用いて構成されており、前記固定子の軸方向における端部の、前記ティース部と前記ヨーク部は、電気的に絶縁されていることを特徴とする。

本発明によれば、ティース部の軸方向における端部を、周方向に積層された磁性体板を用いて構成したので、ティース部の軸方向における端部において、外部から進入する磁束を電磁鋼板の積層端面で受けるようにすることができる。したがって、固定子のティース部の軸方向における端部に発生する渦電流を従来よりも大幅に低減することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。
図１は、発電機の概略構成の一例を示す図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ´方向から見た断面図である。尚、図１では、説明の都合上、発電機のうち、固定子（ステータ）、回転子（ロータ）、及び巻線を構成する部分を示し、その他の部分の図示を省略している。また、図２は、図４に示した従来の発電機と対応する部分を示す図である。
図１、図２において、発電機１０は、固定子１１と、回転子１２と、コイル１３ａ〜１３ｏと、ケース１４と、通風ダクト１５ａ〜１５ｆとを有している。

固定子１１は、周方向に延在するヨーク部と、当該ヨーク部から径方向（軸心方向）に延在するティース部とを有している。
回転子１２は、その外周面が、固定子１１のティース部の先端面（すなわち固定子１１の内周面）と所定の間隔を有して相互に対向し、且つ、その軸心（回転軸）が固定子１１の軸心と略一致する位置に配置される。
固定子１１のティース部には、夫々コイル１３ａ〜１３ｏが巻き回されている。

ケース１４は、固定子１１を固定するためのものである。
図２に示すように、固定子１１は、軸方向において分割されており、分割されている部分の間に通風ダクト１５ａ〜１５ｆが設けられている。

また、図２に示すように、固定子１１のうち、軸方向における両端の部分（通風ダクト１５ａ、１５ｆよりも軸方向における外側の部分）を除く部分は、ヨーク部とティース部とが一体で形成されている。具体的にこの部分は、ヨーク部とティース部の平面の形状に合わせて打ち抜かれた電磁鋼板（磁性体製の薄板）が軸方向に積層されて構成された部材１８ａ〜１８ｄによって形成される。尚、この部材１８は、積層された電磁鋼板をワニス等によって固めることにより形成される。

一方、固定子１１のうち、軸方向における両端の部分（通風ダクト１５ａ、１５ｆよりも軸方向における外側の部分）は、ヨーク部とティース部とが別体で形成されている。具体的にこの部分は、部材１９と部材１６と絶縁板１７とを含んでいる。
より具体的に説明すると、部材１９は、ヨーク部の平面の形状に合わせて扇形に打ち抜かれた電磁鋼板（磁性体製の薄板）が軸方向に積層されて、周方向に（環状に）組み合わせて構成されたものである（図２の部材１９ａ、１９ｂを参照）。
絶縁板１７は、板面の形状が部材１９ａ、１９ｂの先端面の形状と同一の、絶縁材料により形成された一定の厚みを有する絶縁板であり、その一面が、部材１９の先端面に接着される。絶縁板１７は、紙であっても成型品であってもよい。

部材１６は、一辺が、部材１９ａ、１９ｂの先端面の軸方向の長さ（積層厚）と同一であり、他辺が、ティース部の径方向の長さから絶縁板１７の厚みを引いた長さと同一である矩形状の電磁鋼板が周方向に積層されて構成されたものであり、その基端面が絶縁板１７の他面に接着される（図２の部材１６ｆ、１６ｐを参照）。
尚、部材１６、１９は、積層された電磁鋼板をワニス等によって固めることにより形成される。また、部材１６、１９、絶縁板１７を図１、図２に示すようにして組み合わせた状態で、それらをワニス等によって固めてもよい。
本実施形態では、このようにして部材１６、１９が絶縁板１７を介して相互に対向するように配置されることにより、固定子１１が形成される。部材１９、１６の間に絶縁板１７を配置するのは、部材１６、１９を接触させると、部材１６、１９に大きな渦電流が流れ、部材１６、１９の接触部分で放電が起こるからである。したがって、絶縁板１７は、前記回転子１２と前記固定子１１のティース部の先端面（すなわち固定子１１の内周面）との間隔よりも十分に小さく、かつ部材１６、１９の短絡を防止することができる厚みを有している必要がある。例えば、絶縁板１７の厚みを数百μｍにすることができる。

図３は、磁束が電磁鋼板を通過する様子の一例を概念的に示す図である。
図３（ａ）に示すように、電磁鋼板３１の板面に対して垂直方向に磁束２１が進入した場合には、大きな渦電流３２が発生する。これに対し、図３（ｂ）に示すように、電磁鋼板３１の端面（厚み部分）に対して垂直方向に磁束２１が進入した場合には、渦電流は板の厚みの範囲に留まり抑制される。
図１、図２に示したように、本実施形態では、固定子１１の軸方向における端部の回転子１２側（相対的に内側）の部分に配置される電磁鋼板を周方向に積層させることにより、当該部分では図３（ｂ）に示すような状態になり、回転子１２からの磁束２１ａ、２１ｂは、当該電磁鋼板の厚み部分から当該電磁鋼板に進入する。すなわち、当該電磁鋼板の板面で、回転子１２からの磁束２１ａ、２１ｂを受けるのではなく、当該電磁鋼板の厚み部分で、回転子１２からの磁束２１ａ、２１ｂを受けるようになる。これにより、固定子１１のティース部の軸方向における端部に発生する渦電流を従来よりも大幅に低減することができる。

以上のように本実施形態では、固定子１１の軸方向における端部のうち、ティース部を、板面が発電機１０（固定子１１）の周方向と略垂直になるように電磁鋼板を積層して構成し、ヨーク部を、板面が発電機１０（固定子１１）の軸方向と略垂直になるように電磁鋼板を積層して構成し、ティース部とヨーク部との間に絶縁板を設けるようにした。したがって、固定子１１のティース部の軸方向における端部に発生する渦電流を従来よりも大幅に低減することができる。よって、発電機１０に生じる鉄損を従来よりも低減することができ、発電機１０を従来よりも高い効率で運転することができる。
また、固定子１１の軸方向における端部においてティース部となる部分１６と、ヨーク部となる部分１９との間に絶縁板１７を設けるようにした。したがって、部材１６、１９に大きな渦電流が流れ、部材１６、１９の接触部分で放電が起こることを防止することができる。ここで、発電機１０では、固定子１１と回転子１２との間の距離が離れているので、ティース部となる部分１６ｆと、ヨーク部となる部分１９との間にギャップを設けても、そのことが、発電機１０の特性に大きな影響を与えることはない。

尚、部材１６、１９の間に絶縁板１７を設けずに、エアーギャップ（隙間）を設けることにより、部材１６、１９の電気的な絶縁を確保することができるが、絶縁板１７を設けることにより、エアーギャップを設けた場合よりも、部材１６、１９の間の距離を短くすることができ、更に、部材１６、１９の剛性を向上させることができる。また、絶縁板１７の代わりに、例えば、熱硬化性の流動性のある絶縁樹脂等を用いることもできるが、絶縁板１７を用いた方が、部材１６、１９の間の距離を容易に一定にすることができる。

また、図１、図２に示した発電機１０は概念的なものであり、回転子１２の極の数、固定子１１のティース部の数、通風ダクト１５の数など、発電機１０の具体的な構成は、図１及び図２に示したものに限定されない。
また、本実施形態では、ヨーク部の周方向を構成する部分が一体である固定子を例に挙げて説明したが、ヨーク部の周方向を構成する部分を複数に分割する分割型固定子に対して、本実施形態で説明した部材１９、１６、絶縁板１７を適用してもよい。

尚、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明の実施形態を示し、発電機の概略構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態を示し、図１のＡ−Ａ´方向から見た断面図である。 本発明の実施形態を示し、磁束が電磁鋼板を通過する様子の一例を概念的に示す図である。 従来の技術を示し、発電機の概略構成の一例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 発電機
１１ 固定子
１２ 回転子
１３ コイル
１４ ケース
１５ 通風ダクト
１６、１８、１９ 固定子を構成する電磁鋼板で形成された部材
１７ 絶縁板
２１ 磁束

Claims (2)

1. 周方向に延在するヨーク部と、当該ヨーク部から径方向に延在するティース部とを有する発電機用固定子であって、
   前記固定子の軸方向における端部のティース部は、周方向に積層された電磁鋼板を用いて構成されており、
   前記固定子の軸方向における端部の前記ヨーク部は、軸方向に積層された電磁鋼板を用いて構成されており、
   前記固定子の軸方向における端部以外の部分の前記ティース部と前記ヨーク部は、軸方向に積層された電磁鋼板を用いて構成されており、
   前記固定子の軸方向における端部の、前記ティース部と前記ヨーク部は、電気的に絶縁されていることを特徴とする発電機用固定子。
2. 前記ティース部の軸方向における端部の、前記ティース部と前記ヨーク部との間に、絶縁体板を有することを特徴とする請求項１に記載の発電機用固定子。

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