JP4627712B2 - 回転電機及びその製作方法 - Google Patents

Description

本発明は回転電機及びその製作方法に係り、例えばタービン発電機等の如く、外部から電気を供給する導体と回転子巻線の端部とを結ぶ接続線を備えているものに好適な回転電機及びその製作方法に関する。

ガスタービンや蒸気タービンを駆動源とする発電設備に用いられている発電機は、回転子と固定子間の相互電磁誘導により発電させている。一般的に、誘導磁界を作るために回転子巻線は複数の導体が巻かれて形成されており、その巻線に電気を通電させることで磁束を発生させている。したがって、回転子巻線には発電機外から電気を供給するための導体が必要であり、その導体は一般に回転子胴体の中心部に設けられ、この導体と回転子巻線の端部を接続線で接続している。そして、この接続線においては、導体と回転子胴体の材質の違いによる熱伸び差や遠心力による変形を緩和させる目的で、屈曲部を設けるなどの工夫が一般的に施されている（例えば米国特許５１２２６９６号公報参照）。

米国特許５１２２６９６号公報

ところで、近年の技術進歩により、同じ出力を有する回転電機の体格は以前より小型化され、単位体積当たりの出力は上昇し、その分、通電部の温度上昇が大きくなる傾向がある。このために回転子には鉄材を、また回転子巻線には銅材を適用するのが主流であるが、両者の物性的違いにより運転時の通電に伴う熱伸び差が生じてしまう。

そこで、各構成部材が強度上疲労破断しないように、この熱伸びを吸収する機構が実機適用には必要である。特にガスタービンや蒸気タービンを駆動源とする発電機は、一般に毎分１,５００から３,６００回転で定常運転するため、その遠心力による強度的制約から、直径よりも軸の長さが長い回転軸を有する回転子を採用している。その発電機の回転子巻線は、導体が長方形状に幾層にも巻かれ、回転子軸方向に長手方向を有して備え付けられることが多く、そのため熱伸び方向は軸方向に顕著に現われる。

更に、回転子巻線は回転による径方向への飛び出し防止のため、回転子胴部ではウェッジ（くさび）、回転子端部ではリテイニングリング（保持環）を設けるのが一般的だが、回転中のリテイニングリングはフープ力により径方向に膨らむため、直下にある回転子巻線の端部も外径側に同じく膨らむことになる。

一方、回転子巻線に通電するため回転子の軸中心部に導体を設けて外部電源と繋ぎ、この導体に取り付けた導体支柱と回転子巻線の端部とを電気的に結ぶ接続線（リード線）において、この接続線は、前述の軸方向の熱伸び、及び遠心力による外径方向の変位を、起動停止毎に繰り返し受けることになる。

この変位による作用力を吸収させる構造として、米国特許5,122,696 号公報では、屈曲部を有する２つのＴ型の構造をした導体を繋ぎ合わせ空間を持たせる接続線が提案されている。これは、接続線を設置するコイル面が他のコイル面と径方向位置が異なるため、遠心力による外径方向の変位を吸収するために、接続線の本体を成す構造がＴ型を成している。また、該Ｔ型構造の屈曲部空間の導体は薄い単一導体でできており、補強を目的に２つ目のＴ型導体を前述のＴ型導体内部に併せ持たせている。

このように、米国特許5,122,696 号公報に記載されている接続線は、導体を積層しない単一導体を用いて複雑な組み立て加工を要する形状をしていることから作業性が悪いものとなり、且つ一方の前記Ｔ型の横棒部分の空間占有率が大きく、例えば電位の異なる隣接コイルとの絶縁距離が小さくなったり、また、コイルと接続する前記Ｔ型の縦棒と他方の前記Ｔ型導体を併せ持つことで接続線自体が重くなり、これにより軸方向，径方向の変位を引き起こす原因を作っている。更に、接続線を設置するコイル面が回転子表面と近接し、空間的スペースが乏しい場合は、この複雑な構造の設置は困難である。

本発明の第一の目的は、単純な構造で簡単に取り付けられて作業性が良く、隣接コイルと絶縁距離が確保され、しかも起動停止毎に繰り返し発生する軸方向の熱伸び、及び遠心力による径方向の変位による作用力を吸収し、疲労破断に至ることのない接続線を有する回転電機を提供するにある。

また、本発明の第二の目的は、回転電機内の接続線を接続する際に、接続線の屈曲部の温度上昇を抑え接続線の銅材の強度低下を防ぐ回転電機の製作方法を提供するにある。

上記第一の目的を達成するために、本発明の回転電機は、回転子の一部を構成する回転子巻線と、回転子巻線に外部から電気を供給するために回転子胴体に設けられた導体と、導体から引き出された引出線と、複数枚の導電板が積層されて構成され、回転子巻線と引出線を電気的に接続する接続線とを備え、接続線は、引出線側が径方向に直線となる径方向直線部と、径方向直線部から回転子軸方向に相反する向きの２経路に分岐して、一部に直線部分が形成されている屈曲部とから成り、屈曲部の直線部分と回転子巻線の底面とが接合されて構成されることを特徴とする。

また、第二の目的を達成するために、本発明の回転電機の製作方法は、回転子の一部を構成する回転子巻線と、回転子巻線に外部から電気を供給するために回転子胴体に設けられた導体から引き出された引出線とを、複数枚の導電板が積層されて構成され、引出線側が径方向に直線となる径方向直線部、径方向直線部から回転子軸方向に相反する向きの２経路に分岐し一部に直線部分が形成されている屈曲部から成る接続線を介して、屈曲部の直線部分と回転子巻線の底面を電気的に接合することで接続する際に、接続線の屈曲部に形成される中空部に冷却構造物を挿入し、次に回転子巻線の底面と屈曲部の接続線との間にろう材をはさみ、接続線の屈曲部にろう流れ防止剤を塗布した後、冷却構造物に冷却媒体を流した状態で加熱してろう材を溶かし、導電板最外層と回転子巻線の底面とを接合させることを特徴とする。

本発明によれば、屈曲部を有する接続線と回転子巻線の底面とを接合させるだけで良いので、従来のような余分な部品を用いたり余分な取り付け作業を行うことなく、且つ、遠心力は回転子巻線の底面で受けることができ、しかも、軸方向及び径方向の変形は接続線の屈曲部で吸収できるので、回転機の起動停止毎に繰り返し発生する軸方向の熱伸び、及び遠心力による径方向の変位による作用力を吸収させることが可能となる。その結果、接続線の変形量を抑え疲労破断を防ぐこととなる。

また、本発明の製作方法によれば、回転電機内の接続線を接続する際に、接続線の屈曲部の温度上昇を抑えることが出来るので、接続線の銅材の強度低下を防ぐことが可能となる。

起動停止毎に繰り返し発生する軸方向の熱伸び、及び遠心力による径方向の変位による作用力を吸収し、疲労破断に至ることのない接続線を、作業性が良く簡単に取り付けられる単純な構造で実現した。

以下、本発明の実施形態に係る回転電機内の接続線について、図面を参照しながら説明する。

図８は、回転電機の一例としてタービン発電機を示すもので、タービン発電機は回転軸１ａに固定された回転子胴部１ｂに回転子巻線（図示せず）を巻回して形成される回転子１と、固定子枠２０ａに固定された固定子鉄心２０ｂに固定子巻線２０ｃが巻回されて形成される固定子２０とから概略構成されている。

図９は、図８に示したタービン発電機の回転子１を示し、該図に示す如く回転子１は、回転軸１ａと、この回転軸１ａに固定されると共に軸方向に伸延し、且つ、周方向に所定間隔をもって形成された複数のスロットを有する回転子胴部１ｂと、この回転子胴部１ｂの各スロット内に複数の回転子導体が積層されて収納される回転子巻線２と、この回転子巻線２の軸方向端部を覆って保持するリテイニングリング（保持環）４と、回転子胴部
１ｂのスロット内の回転子巻線２の飛び出しを防止するために表面に設けられたウェッジ（くさび）３とから構成されている。

次に、図１を用いて上述した本発明の回転電機における接続線について説明する。図１に示す如く、接続線（リード線）１０は、回転子１の軸中心部の導体から径方向に引き出す引出線である導体支柱（スタッド）６と回転子巻線２の端部とを電気的に接続するために用いられるものである。

この複数枚の導電板が積層されて構成された接続線１０は、回転子１の中心部にある引出線である導体支柱６から径方向に向かって伸びた径方向直線部１０ｂと、この径方向直線部１０ｂから２経路に分岐された屈曲部１０ａとから概略構成されており、径方向直線部１０ｂには、積層された導体板を束ねるためのストッパー１２が屈曲部１０ａとの境目に設けられている。

更に接続線１０は、屈曲部１０ａの軸方向直線部１０ｄの最外層平面部で回転子巻線の底面と接合されている。

ところで屈曲部１０ａは、接続線の付け根１０ｃから同一枚数（図では３枚ずつ）の導電板が回転子軸方向に相反する向きの２経路に分岐した回転子軸と平行な部分１０ｅと、回転子軸と平行な部分１０ｅの各先端から伸びてＵ字状に形成される曲線部１０ｆと、該曲線部１０ｆの各先端から回転子軸方向内側に伸びた軸方向直線部１０ｄとから形成されており、径方向直線部１０ｂの中心線に対し左右対称を成して一つの空間を構成している。

このように構成することにより、回転電機が回転した際に生ずる径方向（図では上方向に作用）に加わる接続線１０自体の遠心力は、最終的には回転子巻線の底面全体に加わることになるが、本実施例では、接続線を回転子軸方向の左右対称に分岐させているので、前記遠心力が２経路均等に分散され、曲面を成す屈曲部１０ａにて吸収，緩和されることになる。

また、接続線の屈曲部１０ａの曲線部１０ｆと、更に片持ち梁構造になっている径方向直線部１０ｂとにより、軸方向（図では左右方向）の熱伸び変形が吸収できる。

したがって、複数枚の導電板が積層されて構成された接続線に、更に以上の構成を加えることにより、起動停止毎に繰り返し発生する軸方向の熱伸び、及び遠心力による径方向の変位による作用力を吸収させることが出来、接続線の変形量を抑え疲労破断を防ぐことが可能となる。

尚、ストッパー１２は、遠心力による接続線の径方向直線部１０ｂの口開きを防ぐことができる。

本発明の他の実施例を図２〜図６に示す。

図２，図３及び図４は、接続線１０を回転子軸の両方向に左右対称の２経路に分岐させた本発明の他の実施例を示し、図５及び図６は、接続線１０を回転子軸の両方向に左右非対称の２経路に分岐させた本発明の他の実施例を示す。

図２は、図１に示す実施例におけるストッパー１２を設けなかった例を示し、他の構成は全て図１に示す実施例と同一である。

本実施例では、遠心力による接続線の径方向直線部１０ｂの口開きは防止出来ないが、これでも上述した実施例の効果は勿論、ストッパー１２の質量を減らした分、接続線１０に働く遠心力による外径方向の変位を少しでも緩和させることが出来る。

図３は、図２に示す実施例における接続線の屈曲部１０ａを極力短くすることにより、形状が略、逆三角形を成す例を示す。

この屈曲部１０ａは、径方向直線部１０ｂから同一枚数（図では３枚ずつ）の導電板がＶ字状に伸びて２経路に分岐する直線部１０ｉと、直線部１０ｉの各先端が円弧部１０ｈを介して回転子軸方向内側に伸びた軸方向直線部１０ｄとで三角形状に形成され一つの空間を構成している。

本実施例では、上述した実施例と同様な効果が達成できることは勿論、接続線１０の質量を極力小さくすることにより自重の遠心力そのものが軽減するので、外径方向の変位を緩和させることが出来る。本例は回転機の構造上、導体支柱６と回転子巻線２との距離が短い場合に有効である。

図４は、図２に示す実施例における接続線の屈曲部１０ａの形状が略、四角形を成す例を示す。

この屈曲部１０ａは、径方向直線部１０ｂから同一枚数(図では３枚ずつ)の導電板が回転子軸方向に相反する向きの２経路に分岐した回転子軸と平行な部分１０ｅと、回転子軸と平行な部分１０ｅの各先端から円弧部１０ｇを介して径方向に伸び径方向直線部１０ｂと平行な直線部１０ｉと、径方向直線部１０ｂと平行な直線部１０ｉの各先端から円弧部１０ｈを介して回転子軸方向内側に伸びた軸方向直線部１０ｄとで四角形状に形成され一つの空間を構成している。

本実施例では、上述した実施例と同様な効果が達成できることは勿論、接続線の屈曲部１０ａの形状を四角形に近づけることにより、接続線の形状が横方向にフレキシブルな柔構造となるので、回転子の軸方向の熱伸びによる変形を大きく吸収することが出来る。本例は回転機の構造上、導体支柱６と回転子巻線２との距離が長い場合に有効である。

図５は、図２に示す実施例と図３に示す実施例の接続線１０を形状的に組み合わせた例を示す。即ち、接続線の屈曲部１０ａは、図２の実施例で示す接続線の屈曲部１０ａの曲線部右半分と、図３の実施例で示す接続線の屈曲部１０ａの逆三角形左半分とを合体させた形状を成している。

本実施例では、上述した実施例と同様な効果が達成できることは勿論、接続線は回転子軸両方向に左右非対称なので、回転による遠心力が２経路不均等に分散されることになるが、接続線１０の質量を少しでも小さくすると共に接続線の屈曲部１０ａの片側は曲線部を成していることにより、自重を少しでも軽減し且つ遠心力を曲線部で吸収させることが出来るので、遠心力による径方向の変位による作用力を緩和させることが出来ることになる。本例は、回転機内の構造上、接続線１０が左右対称の形状を採用できない場合に有効である。

図６は、図５に示す実施例の接続線１０を軸方向に左右反転させた形状を成す例を示す。即ち、接続線の屈曲部１０ａは、図２の実施例で示す接続線の屈曲部１０ａの曲線部左半分と、図３の実施例で示す接続線の屈曲部１０ａの逆三角形右半分とを合体させた形状を成している。

本実施例では、上述した実施例と同様な効果が達成できることは勿論、接続線の屈曲部１０ａの右側が逆三角形の形状を成すことにより、隣接回転子巻線２ｂと接続線１０との距離１１を確保することになるので、電気的絶縁性を充分保つことが可能となる。

本発明は、以上の図で示した例に限定するものではなく、例えば、図３〜図６にてストッパー１２を使用することも可能である。

次に、図７にて、本発明の回転電機の製作時における接続線１０の回転子巻線２への接合の一例を示す。

通常、接続線１０は銅を主とする部材を使用し、回転電機の製作時における接続線１０の回転子巻線２への接合にはろう材（金属接合材）１３を用いる。この接合時は、ろう材１３を高熱で溶かすため、接続線１０に高熱が伝導される。ところが、銅材は高温にさらされると、その材料特性が変化し銅材の強度が低下（軟化）することが知られている。したがって、回転電機の起動停止毎に繰り返し応力を受ける接続線１０、特に接続線の屈曲部１０ａには、回転子巻線２への接合時に熱をなるべく伝えないようにする必要がある。

本発明では、まず複数枚の導体板が積層されて構成されている接続線１０の積層間、及びその接続線１０とストッパー１２をろう材１３にて予め接合させ、接続線１０を導体支柱６に接合させておく。その後、接続線の屈曲部１０ａで囲まれた接続線の中空部１７に冷却水管１５を有する冷却構造物１４を挿入し、回転子巻線の接続部２ａと接続線１０との間に平板状のろう材１３をはさみ、接続線の屈曲部１０ａにろう流れ防止剤１６を塗布する。これらの準備のあと、冷却水管１５に冷却水を流した状態にて誘導過熱等（図示せず）でろう材１３を溶かし、接続線１０の導電板最外層の平面部と回転子巻線２の底面とを接合させる。

以上に示す、接続線１０を回転子巻線２へ接合させる本発明の方法によると、接続線の屈曲部１０ａにはろう流れ防止剤１６が塗布されているため、高温の溶解したろう材１３が接続線の屈曲部１０ａに流入するのを防ぐことが出来、また、冷却水管１５を流れる冷却水により、接続線の屈曲部１０ａへの熱伝導を吸収し温度上昇を抑えることが出来る。その結果、接続線１０の銅材の強度低下を防ぐことが可能となる。

本発明に係る接続線を有する回転電機は、ガスタービンや蒸気タービンを駆動源とする発電機、或いは電動機に適用することが出来る。

本発明の回転電機の一実施例を示し、回転子端部の部分断面図である。 本発明の回転電機の他実施例を示し、回転子端部の部分断面図である。 本発明の回転電機の他実施例を示し、回転子端部の部分断面図である。 本発明の回転電機の他実施例を示し、回転子端部の部分断面図である。 本発明の回転電機の他実施例を示し、回転子端部の部分断面図である。 本発明の回転電機の他実施例を示し、回転子端部の部分断面図である。 本発明の回転電機製作方法の一実施例を示し、図１に示す接続線に相当する図である。 回転電機の一例を示した図である。 図８における回転子の一例を示した斜視図である。

符号の説明

１…回転子、１ａ…回転軸、１ｂ…回転子胴部、２…回転子巻線、２ａ…回転子巻線の接続部、２ｂ…接続部に隣接した回転子巻線、３…ウェッジ（くさび）、４…リテイニングリング（保持環）、５…軸中心部の導体、６…導体支柱（スタッド）、９…複数枚の導電板（リーフ）、１０…接続線（リード）、１０ａ…接続線の屈曲部、１０ｂ…径方向直線部、１０ｃ…接続線の付け根、１０ｄ…軸方向直線部、１０ｅ…回転子軸と平行な部分、１０ｆ…曲線部、１０ｇ，１０ｈ…円弧部、１０ｉ…直線部、１１…隣接回転子巻線と接続線との距離、１２…ストッパー、１３…ろう材、１４…冷却構造物、１５…冷却水管、１６…ろう流れ防止剤、１７…接続線の中空部、２０…固定子、２０ａ…固定子枠、
２０ｂ…固定子鉄心、２０ｃ…固定子巻線。

Claims (4)

1. 回転子と固定子とから成り、前記回転子の一部を構成する回転子巻線と、該回転子巻線に外部から電気を供給するために回転子胴体に設けられた導体と、該導体から引き出された引出線と、複数枚の導電板が積層されて構成され、前記回転子巻線と前記引出線を電気的に接続する接続線とを備えた回転電機において、
   前記接続線は、前記引出線側が径方向に直線となる径方向直線部と、該径方向直線部から回転子軸方向に相反する向きの２経路に分岐して、一部に直線部分が形成されている屈曲部とから成り、該屈曲部の直線部分と前記回転子巻線の底面とが接合されて構成されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、前記接続線の径方向直線部に前記導電板の層を束ねるストッパーを有していることを特徴とする回転電機。
3. 回転子の一部を構成する回転子巻線と、該回転子巻線に外部から電気を供給するために回転子胴体の径方向中心部に設けられた導体から外径側に引き出された引出線とを、複数枚の導電板が積層されて構成され、前記引出線側が径方向に直線となる径方向直線部、該径方向直線部から回転子軸方向に相反する向きの２経路に分岐し一部に直線部分が形成されている屈曲部から成る接続線を介して、前記屈曲部の直線部分と前記回転子巻線の底面を電気的に接合することで接続する際に、前記接続線の屈曲部に形成される中空部に冷却構造物を挿入し、次に前記回転子巻線の底面と前記屈曲部の接続線との間にろう材をはさみ、前記接続線の屈曲部にろう流れ防止剤を塗布した後、前記冷却構造物に冷却媒体を流した状態で加熱して前記ろう材を溶かし、前記導電板最外層と前記回転子巻線の底面とを接合させることを特徴とする回転電機の製作方法。
4. 請求項３において、前記冷却構造物は冷却水を流す冷却水管を有することを特徴とする回転電機の製作方法。

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