JP6352788B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機の回転子に関する。

回転電機、一例としてタービン発電機における回転子を励磁するために、界磁巻線に対して界磁電流を供給する必要がある。そのための手段として、カーボンブラシをコレクタリングに対して摺接させることにより、回転体に対して直接電流を供給する方式が一般に知られている。

図９は、上記コレクタリングを用いた一般的な回転電機の回転子ａの構造の一例を示す。陽極側、陰極側で対となるコレクタリングｂ１、ｂ２は一般的に回転子ａの反直結側の機外部に位置しており、中空の回転子軸である回転子主軸ｃに対してコレクタリング絶縁筒ｄを介して絶縁保持される構造となっている。

中空の回転子主軸ｃの軸中心部には、陽極側、陰極側の中心孔銅帯ｇ１、ｇ２が互いに絶縁状態で並設されている。一対のコレクタリングｂ１、ｂ２はそれぞれ径方向に設けられた貫通孔ｅを貫通する接続コレクタスタッドｆによって陽極側、陰極側の各中心孔銅帯ｇ１、ｇ２へとそれぞれ電気的に接続され、さらに中心孔銅帯ｇ１、ｇ２が界磁巻線側へと同じく接続スタッド等により接続されることで界磁電流が供給される。

特に発電機の内部が水素により冷却される方式の場合には、中心孔銅帯ｇ１、ｇ２に接続されるコレクタスタッドｆの挿入部の周縁部位に水素シールパッキンｈが設けられる。また、回転子主軸ｃの中心孔ｃ１の開口部においては水素シールプラグｉが取り付く構造となる。

図９における発電機の駆動方式は片側にのみ蒸気タービン等の駆動機器が備わったものであるが、図１０に示すように発電機Ａの両側から蒸気タービンＢ１やガスタービンＢ２により駆動される両軸駆動方式も存在する。

特許第４８３２６１８号公報

両軸駆動方式の場合、コレクタリングが位置する側の回転軸においてもタービン出力に応じた伝達トルクが負荷される。そのため、運転中においては回転軸に対して捻り応力が発生する。また、短絡事故等が発生した場合においては、過渡的に過大なトルクが課せられることとなる。

図９に示す回転電機の回転子構造においては、中空の回転子軸である回転子主軸ｃに対して、径方向に貫通孔ｅが存在することから、この貫通孔ｅの部分に捻り応力集中が発生することが知られている。

また、当該貫通孔ｅはコレクタリングｂ１、ｂ２の部位に設けられることとなるが、コレクタリングｂ１、ｂ２の外径はカーボンブラシ摺動面の周速により制約を受けるため、回転子主軸ｃの径を増大させることは困難となる。そのため、コレクタリングｂ１、ｂ２から軸方向に延設されるリードバーを接続し、且つ径方向の貫通穴位置のコレクタ軸の外径をコレクタリングｂ１、ｂ２の外径よりも大きくすることにより、平均応力を抑える構造が提案されている。

しかしながら、上記構造の場合でも、コレクタ軸には、径方向の貫通穴および中心孔は存在しており、高い応力集中場となることが想定される。また、コレクタリング挿入のために、コレクタ軸の両側に軸カップリングを焼嵌する構造であることから、組立性が低下することが考えられる。

実施の形態は上記事情に着目してなされたもので、より機器としての信頼性および組立・メンテナンス性の向上を実現することが可能となる回転電機の回転子を提供することにある。

実施の形態の回転電機の回転子は、一対の中心孔銅帯を有する回転電機の回転子主軸と、外周面に一対のコレクタリングが装着されているコレクタ軸と、複数の軸方向リードバーと、複数の径方向リードバーと、複数の導電性の軸方向スタッドとを具備する。複数の軸方向リードバーは、前記コレクタ軸の外周部位に軸方向に沿って延設された複数のリード溝内にそれぞれ挿入され、それぞれ前記コレクタリングに導電性のスタッドを介して接続されている。複数の径方向リードバーは、前記回転子主軸における前記コレクタ軸との連結部側の軸端部に配設され、内端部がそれぞれ前記中心孔銅帯に接続されている。複数の導電性の軸方向スタッドは、前記コレクタ軸の軸方向に沿って延設された複数の軸方向貫通孔内に挿入され、一端がそれぞれ前記径方向リードバーの外端部と接続され、他端がそれぞれ前記軸方向リードバーに接続されている。

第１の実施の形態の回転電機の回転子主軸とコレクタ軸との連結部分を示す要部の縦断面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。 第１の実施の形態の回転電機の回転子主軸とコレクタ軸および焼嵌カップリングとの連結部分を示す斜視図。 第１の実施の形態の回転電機の回転子主軸の中心孔銅帯と径方向リードバーとの連結部分を示す斜視図。 第２の実施の形態の回転電機の回転子主軸の中心孔銅帯と径方向リードバーとの連結部分を示す要部の縦断面図。 第３の実施の形態の回転電機の回転子主軸とコレクタ軸との連結部分を示す要部の縦断面図。 第４の実施の形態の回転電機のコレクタ軸の軸方向リードバーを示す斜視図。 第５の実施の形態の回転電機のコレクタ軸の軸方向リードバーとリードバー楔の装着状態を示す断面図。 一般的な回転電機の回転子の構造の一例を示す断面図。 タービントレイン構成の一例を表す模式図。

［第１の実施の形態］
（構成）
以下、実施の形態について、図面を用いて説明する。図１乃至図４は、第１の実施の形態を示す。図１は、本実施形態に係る回転電機の回転子の回転子主軸１とコレクタ軸２との連結部分を示す要部の縦断面図である。ここで、回転子主軸１の軸端部には、大径な接続フランジ１ａ、コレクタ軸２の軸端部には、大径な接続フランジ２ａがそれぞれ形成されている。そして、本実施の形態の回転電機の回転子は、回転子主軸１の接続フランジ１ａと、コレクタ軸２の接続フランジ２ａとが突き当てられた状態で、回転子主軸１に対してコレクタ軸２が締結ボルト３等により締結固定される構成である。コレクタ軸２には、界磁電流を供給するための一対のコレクタリング（例えば陽極側の第１のコレクタリング４と陰極側の第２のコレクタリング５）が備わる。これら第１のコレクタリング４と第２のコレクタリング５は、それぞれ対地絶縁のためにコレクタリング絶縁筒６を介してコレクタ軸２に対して、焼嵌等により固定される。コレクタ軸２に対して、更に軸が接続される場合には、図１に示すとおり焼嵌カップリング７を用いることで、軸の結合が可能となる。これにより、本実施の形態の回転電機の回転子の軸構造は、回転子主軸１と、この回転子主軸１に対して締結固定されるコレクタ軸２、若しくはコレクタ軸２を含む複数の分割軸により構成される。

また、コレクタ部の冷却およびカーボンダストの排出の目的のため、コレクタファン８がコレクタファンボス９に対して取り付けられる。図１においては、第１のコレクタリング４と第２のコレクタリング５との間にコレクタファン８およびコレクタファンボス９が配置されているが、これらを軸端部へと配置する構造であっても同様の機能は確保される。

コレクタ軸２に焼嵌される第１のコレクタリング４、第２のコレクタリング５は、それぞれカーボンブラシ（図示せず）と摺触することにより、回転体に対して界磁電流を供給することが可能となる。

図２および図３に示すように、コレクタ軸２の外周部位には、偶数（本実施の形態では６個）のリード溝１０が軸方向に沿って延設されている。ここで、６個のリード溝１０は、コレクタ軸２の円周方向に等間隔で均等に配置されている。さらに、６個のリード溝１０は、全てコレクタ軸２の軸方向に同一の長さで形成されている。

各リード溝１０には、軸方向リードバー１１とリードバー楔１２とがそれぞれ挿入されている。軸方向リードバー１１は、各リード溝１０の内底部に挿入されている。リードバー楔１２は、各リード溝１０の開口部側を塞ぐ状態で装着されている。これにより、各リード溝１０内の軸方向リードバー１１は、リードバー楔１２により遠心力に対して保持される構造となっている。

さらに、各軸方向リードバー１１は、リード溝１０内に挿入される直線状のリードバー本体１１ａと、このリードバー本体１１ａの先端にほぼＬ字状に湾曲形成された先端湾曲部１１ｂとを有する。なお、６個の軸方向リードバー１１は、すべて同じ大きさで、同一形状に形成されている。そして、６個の軸方向リードバー１１のリードバー本体１１ａの基端部は、第２のコレクタリング５の一部と対応する位置まで延設されている。

また、６個のリード溝１０内の軸方向リードバー１１のうち、例えば３個の軸方向リードバー１１は、導電性の第１のコレクタスタッド１３ａを介して第１のコレクタリング４に接続されている。残りの３個の軸方向リードバー１１は、導電性の第２のコレクタスタッド１３ｂを介して第２のコレクタリング５に接続されている。ここで、第１のコレクタスタッド１３ａ、第２のコレクタスタッド１３ｂや、軸方向リードバー１１は、第１のコレクタリング４や、第２のコレクタリング５と同様に対地絶縁が行われている。

コレクタ軸２の接続フランジ２ａには、軸方向に沿って延設された６個の貫通孔１４が加工されている。６個の貫通孔１４は、コレクタ軸２の周方向に沿って６個のリード溝１０と同一の円周方向位置に配置されている。各貫通孔１４には、それぞれ棒状の軸方向スタッド１５が挿入され、この貫通孔１４に対して対地絶縁が行われた状態で装着されている。各軸方向スタッド１５の基端部は、軸方向リードバー１１の先端湾曲部１１ｂにそれぞれ接続されている。

回転子主軸１の軸心部には、中心孔１ｂが軸方向に延設されている。この中心孔１ｂには、それぞれ絶縁状態で保持された一対の中心孔銅帯（陽極側の中心孔銅帯１６と、陰極側の中心孔銅帯１７）が挿入されている。各中心孔銅帯１６、１７は、それぞれ断面形状が半円形状に形成されている。各中心孔銅帯１６、１７の基端部は、回転電機の図示しない回転子巻線に対して接続されている。

また、回転子主軸１におけるコレクタ軸２との連結部側の軸端部には、コレクタ軸２の軸方向リードバー１１と対応する６個の径方向リードバー１８が配設されている。６個の径方向リードバー１８は、それぞれ回転子主軸１の中心位置から放射方向に延設され、回転子主軸１の周方向にそれぞれ等間隔で配置されている。図４に示すように６個の径方向リードバー１８のうち、例えば３個の径方向リードバー１８の内端部は、陽極側の中心孔銅帯１６の先端部に接続されている。残りの３個の径方向リードバー１８の内端部は、陰極側の中心孔銅帯１７の先端部に接続されている。ここで、各径方向リードバー１８の内端部は、例えば溶接により中心孔銅帯１６、１７にそれぞれ取り付けられている。

さらに、陽極側の中心孔銅帯１６に接続されている３個の径方向リードバー１８の外端部は、第１のコレクタリング４側に接続されている３個の軸方向スタッド１５の先端部に接続されている。陰極側の中心孔銅帯１７に接続されている３個の径方向リードバー１８の外端部は、第２のコレクタリング５側に接続されている３個の軸方向スタッド１５の先端部に接続されている。

また、本実施の形態の回転電機は、内部が水素にて冷却される方式である。このように回転電機の内部が水素にて冷却される方式においては、機外に水素が漏洩しない構造とする必要がある。本実施の形態の回転電機の回転子では、回転子主軸１とコレクタ軸２の結合部には水素シールＯリング１９を挿入している。さらに、コレクタ軸２の軸方向貫通孔１４に水素シールパッキン２０が装着されている。これらの水素シールＯリング１９と水素シールパッキン２０とによって水素のリーク経路となる可能性がある箇所の水素シールを行う水素シール機構を備えている。

（作用）
上記構成の本実施の形態の回転電機の回転子では、陽極側の第１のコレクタリング４と陰極側の第２のコレクタリング５は、それぞれ図示しないカーボンブラシと摺触することにより、界磁電流が供給される。ここで第１のコレクタリング４から供給された界磁電流は、それぞれ３個の第１のコレクタスタッド１３ａ、軸方向リードバー１１、軸方向スタッド１５、径方向リードバー１８を順次介して陽極側の中心孔銅帯１６に通電される。同様に、第２のコレクタリング５は、それぞれ３個の第２のコレクタスタッド１３ｂ、軸方向リードバー１１、軸方向スタッド１５、径方向リードバー１８を順次介して陰極側の中心孔銅帯１７に通電される。さらに、陽極側の中心孔銅帯１６および陰極側の中心孔銅帯１７は、図示しない回転電機の回転子巻線に対してそれぞれ通電される。

（効果）
そこで、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。すなわち、本実施の形態の回転電機の回転子では、コレクタ軸２の外周部位に軸方向に沿って延設されたリード溝１０内に軸方向リードバー１１を配設している。そして、陽極側の第１のコレクタリング４から供給される界磁電流が第１のコレクタスタッド１３ａを介して軸方向リードバー１１に、また陰極側の第２のコレクタリング５から供給される界磁電流が第２のコレクタスタッド１３ｂを介して軸方向リードバー１１にそれぞれ通電される。さらに、軸方向リードバー１１から軸方向スタッド１５を通じて回転子主軸１側の径方向リードバー１８に通電される。そのため、コレクタ軸２の内部に径方向の貫通孔を用いずに陽極側の第１のコレクタリング４および陰極側の第２のコレクタリング５から回転子主軸１側に電気的な接続が可能となる。さらに、コレクタ軸２のコレクタリング部には従来のような中心孔が存在しない。

したがって、従来構造において必要であったコレクタ軸２の径方向の貫通穴および中心孔が不要となり、特に軸トルクが作用する条件においてもコレクタ軸２のコレクタリング部に過度な集中応力を回避することができる。

また、径方向リードバー１８は、回転子主軸１の軸端部の接続フランジ１ａと、コレクタ軸２の軸端部の接続フランジ２ａとの締結固定部に配置されている。そのため、回転子主軸１や、コレクタ軸２に径方向の貫通穴を設ける必要がないので、貫通穴の部分に捻り応力集中が発生することを防止することができる。

また、コレクタ軸２のような回転体における曲げ剛性に異方性が存在すると、同期回転速度のＮ倍の振動を励起することとなる。本実施の形態では、コレクタ軸２の外周部位には、偶数、本実施の形態では６個のリード溝１０が軸方向に沿って延設され、かつ６個のリード溝１０は、コレクタ軸２の円周方向に等間隔で均等に配置されている。そのため、コレクタ軸２の曲げ剛性の均一化を図ることができる。なお、図２においては、コレクタ軸２の外周部位にリード溝１０が計６個設けられている例を示したが、リード溝１０の個数は界磁電流の値に応じて任意の個数の偶数とすることが可能である。

さらに、コレクタ軸２に設けられたリード溝１０は、コレクタスタッドの位置に応じて必要となる溝長は異なる。すなわち、第１のコレクタスタッド１３ａの位置と、第２のコレクタスタッド１３ｂの位置とでは、必要となるリード溝１０の長さは異なる。しかしながら、本実施の形態では、６個のリード溝１０は、全てコレクタ軸２の軸方向に同一の長さで形成されている。このように全てのリード溝１０の長さを同一とすることにより、任意の断面における曲げ剛性の均一化を図ることが可能となる。したがって、コレクタ軸２の全体のバランスを均一化することができ、コレクタ軸２の回転時の振動の発生を抑制することができる。

また、回転子主軸１の一対の中心孔銅帯１６、１７は、コレクタ軸２の陽極側・陰極側のコレクタリング（陽極側の第１のコレクタリング４と陰極側の第２のコレクタリング５）に対して、それぞれ接続される構造である。そのため、コレクタリング４、５と同様に一対となっている。各中心孔銅帯１６、１７に対しては、コレクタ軸２のリード溝位置と同一の円周方向位置にて、径方向リードバー１８がそれぞれ配置される。そして、例えば３個の径方向リードバー１８の内端部は、陽極側の中心孔銅帯１６の先端部に接続されている。残りの３個の径方向リードバー１８の内端部は、陰極側の中心孔銅帯１７の先端部に接続されている。本実施形態においては、図４に示すようにこれらの径方向リードバー１８は、中心孔銅帯１６、１７に対してそれぞれ溶接にて取付けている。本構造により、中心孔銅帯１６、１７および径方向リードバー１８を電気的、機械的に強固な結合とすることが可能となる。

［第２の実施の形態］
（構成）
図５は、第２の実施の形態を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態（図１乃至図４参照）の回転電機の回転子主軸１の中心孔銅帯１６（１７）と３つの径方向リードバー１８との連結部分の第１の変形例である。本変形例は、回転子主軸１の中心孔銅帯１６（１７）におけるコレクタ軸２との連結部側の軸端部の角部に位置決め用の切欠部１６ａ（１７ａ）を設けている。これらの切欠部１６ａ（１７ａ）に径方向リードバー１８の内端部を係合させた状態で、径方向リードバー１８の内端部を中心孔銅帯１６（１７）に固定ボルト２１によって固定する構成になっている。

（作用・効果）
本変形例においては、中心孔銅帯１６（１７）と径方向リードバー１８の接続を固定ボルト２１によってボルト締結にて行うことができる。本構造においては溶接における熱変形の影響を回避することが可能であり、より簡易な製造工程にて接続構造を実現することが可能となる。

［第３の実施の形態］
（構成）
図６は、第３の実施の形態を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態（図１乃至図４参照）の回転電機の回転子主軸１の中心孔銅帯１６（１７）と３つの径方向リードバー１８との連結部分の第２の変形例である。本変形例は、回転子主軸１の中心孔銅帯１６（１７）におけるコレクタ軸２との連結部側の軸端部に径方向リードバー１８の内端部を当接させた状態で、径方向リードバー１８の内端部を中心孔銅帯１６（１７）に固定ボルト２２によって固定する構成になっている。

（作用・効果）
本変形例の構造においては図５の第１の変形例と同様に溶接における熱変形の影響を回避することが可能である。さらに、本変形例では、中心孔銅帯１６（１７）におけるコレクタ軸２との連結部側の軸端部に位置決め用の切欠部１６ａ（１７ａ）を設ける必要がないので、さらに簡易な製造工程にて接続構造を実現することが可能となる。

［第４の実施の形態］
（構成）
図７は、第４の実施の形態を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態（図１乃至図４参照）の回転電機のコレクタ軸２の軸方向リードバー１１の変形例である。本変形例は、軸方向リードバー１１の一部である先端湾曲部１１ｂの近傍部位が金属箔、例えば銅箔３１を積層することにより構成されている。

（作用・効果）
通常、軸方向リードバー１１は界磁電流により発生する熱によって熱伸びが生じる。一方で軸方向リードバー１１は軸方向に対しては、第１のコレクタスタッド１３ａ（第２のコレクタスタッド１３ｂ）や、リード溝１０により固定された構造であることから、熱応力が発生する。そのため、経年的に軸方向リードバー１１の変形や、それに伴う破損等が想定される。そこで、本変形例では、軸方向リードバー１１の一部である先端湾曲部１１ｂの近傍部位を銅箔３１の積層体にて構成することにより、軸方向リードバー１１の軸方向の熱伸びに対するフレキシビリティを確保し、熱応力を緩和することが可能となる。
なお、軸方向リードバー１１は、全体が銅箔３１を積層した構造にしてもよい。

［第５の実施の形態］
（構成）
図８は、第５の実施の形態を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態（図１乃至図４参照）の回転電機のコレクタ軸２のリードバー楔１２の変形例である。本変形例では、リードバー楔１２は、電気絶縁物にて製造されている。

（作用・効果）
本実施形態においては、軸方向リードバー１１の固定に使用するリードバー楔１２を電気絶縁物にて製造している。ここで、軸方向リードバー１１は界磁電流が流れるため、コレクタ軸２等の対地構造物に対しては絶縁が要求される。そのため、図２における軸方向リードバー１１の周囲は絶縁物で保護する必要がある。例えばリードバー楔１２が導電性の場合はリードバー１１とリードバー楔１２の間においても絶縁構造が必要となる。本構造のようにリードバー楔１２を電気絶縁物とすることにより、軸方向リードバー１１のリードバー楔１２側の接触面に対しては絶縁が不要となり、リード溝１０の深さを浅くすることが実現される。その結果、伝達トルクによるコレクタ軸２の部分での捻り応力をより緩和することが可能となる。

これらの実施形態によれば、より機器としての信頼性および組立・メンテナンス性の向上を実現することができる回転電機の回転子を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…回転子主軸、１ｂ…中心孔、２…コレクタ軸、４…第１のコレクタリング、５…第２のコレクタリング、１０…リード溝、１１…軸方向リードバー、１３ａ…第１のコレクタスタッド、１３ｂ…第２のコレクタスタッド、１４…軸方向貫通孔、１５…軸方向スタッド、１６…陽極側の中心孔銅帯、１７…陰極側の中心孔銅帯、１８…径方向リードバー、１９…水素シールＯリング（水素シール機構）、２０…水素シールパッキン（水素シール機構）。

Claims (8)

1. 回転電機の回転子主軸と、
   前記回転子主軸の軸心部に配設され、それぞれ絶縁状態で保持された一対の中心孔銅帯と、
   前記回転子主軸の軸端部に締結固定され、外周面に界磁電流を供給するための一対のコレクタリングが装着されたコレクタ軸と、
   前記コレクタ軸の外周部位に前記コレクタ軸の軸方向に沿って延設されたリード溝内に挿入され、それぞれ前記コレクタリングに導電性のスタッドを介して接続された複数の軸方向リードバーと、
   前記回転子主軸における前記コレクタ軸との連結部側の軸端部に配設され、内端部がそれぞれ前記中心孔銅帯に接続された複数の径方向リードバーと、
   前記コレクタ軸における前記回転子主軸との連結部側の軸端部に前記コレクタ軸の軸方向に沿って延設された複数の軸方向貫通孔内に挿入され、一端がそれぞれ前記径方向リードバーの外端部と接続され、他端がそれぞれ前記軸方向リードバーに接続された複数の導電性の軸方向スタッドとを具備することを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記回転子主軸と前記コレクタ軸との接合面、および前記コレクタ軸の前記軸方向貫通孔にそれぞれ水素シール機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記コレクタ軸は、前記リード溝が偶数個設けられ、且つ前記コレクタ軸の円周方向に均等に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の回転子。
4. 前記コレクタ軸は、前記一対のリード溝が同一の長さであることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の回転子。
5. 前記回転子主軸は、前記中心孔銅帯の端部に前記径方向リードバーが溶接により取り付けられることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の回転子。
6. 前記回転子主軸は、前記中心孔銅帯の端部に前記径方向リードバーがボルト締結により取り付けられることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の回転子。
7. 前記軸方向リードバーの一部、若しくは全体が金属箔を積層することにより構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の回転子。
8. 前記コレクタ軸は、前記軸方向リードバーが絶縁物の楔部材によって前記リード溝内に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の回転子。

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