JP6563235B2 - 回転電機の回転子の絶縁スペーサ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機に係り、回転子の軸端部にて駆動機側軸端部との電気的な絶縁を行なう回転電機の回転子の絶縁スペーサに関する。

回転電機（例えば、タービン発電機）は、機械エネルギーを電気エネルギーへ変換する要素であり、その回転子は駆動機の回転子と互いに結合される構造となる。ここで、発電機の駆動方式の一つとして、発電機の両側からタービン（蒸気タービンやガスタービン）により駆動される両軸駆動方式が存在する。

図６は、両軸駆動方式を採用するタービン発電機とタービンとの接続構成を示す図である。

同図に示すように、タービン発電機５１の一方にはタービン５２が接続され、他方にはタービン５３が接続される。タービン５２のタービン発電機５１側のタービン軸５２ｂには、軸受６１（絶縁でないもの）、継手６２ａ（絶縁でない）、接地ブラシ６３が設けられる。タービン５２の反対側のタービン軸５２ａにも軸受６１が設けられる。

また、タービン５３のタービン発電機５１側のタービン軸５３ａには２つの軸受６１、接地ブラシ６３、継手６２ｂ（電気絶縁部）が設けられる。また、タービン５３の反対側のタービン軸５３ｂにも軸受６１が設けられる。

タービン発電機５１のタービン５２側のタービン軸５１ａには、軸受６１、継手６２ａが設けられる。また、タービン発電機５１のタービン５３側のタービン軸５１ｂには、絶縁軸受７１、継手６２ｂが設けられる。

ここで、タービン発電機５１に関しては磁気的不平衡等による軸電圧が、またタービン５２、５３に関しては、蒸気との摩擦により発生する静電気により軸電圧が発生することが知られており、この軸電圧により、回転子を支持する軸受６１等で電蝕を引き起こすため、その対策が必要とされている。

一般に、タービン発電機５１において発生する軸電圧は、磁気的な不平衡による磁束の変動が発電機回転子と鎖交することにより交流電圧として発生し、その対策としては、反駆動機側の全ての軸受に対して対地絶縁を行なうことで、軸電流が流れることを防止する構造が採用されている。

また、タービン軸に発生する軸電圧に関しては、回転子が電気的に油膜等を介して浮いている状態において、静電気により充電されることで上昇する。そして、最終的には軸受油膜の絶縁破壊により軸電流が流れることとなる。そのため、その対策としては、図７に示すように、タービン軸を接地ブラシ６３等により接地することにより、軸受６１へ軸電流が流れることを防止する構造が図られている。

さて、図６に示す両軸駆動方式においても、軸電流を防止する対策が必要とされる。具体的には、発電機５１の両側に位置するタービン（蒸気タービン、またはガスタービン）５２、５３に対しては、それぞれに対して接地ブラシ６３（軸接地）が必須となる。

その一方で、タービン発電機５１において発生する軸電圧による軸電流を防止するためには、タービン発電機５１の片側を電気的に浮かした状態とする必要があるが、タービン軸において必要とされる接地部位により、この構成を図ることが困難となる。そのため、図６に示す両軸駆動方式においては、発電機５１と片側のタービン５３（駆動機）間において、軸を電気的に絶縁した状態で結合（継手６２ｂ（電気絶縁部）させる必要がある。

次に、軸継手部における絶縁構造の課題について説明を行なう。

発電機やタービン等の駆動機における軸結合部は、タービン出力に応じた伝達トルクが負荷され、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。

そのため、軸結合部においては機械的な特性が要求され、特に結合に用いられるボルト等は適切な軸力を確保するために、伸び量管理を行い締結作業を実施していることが知られている。

しかしながら、軸結合部において絶縁物を挿入する構造とした場合、ガラスや綿布基材の絶縁物では、長期的な劣化による絶縁枯れのため収縮してしまうため、絶縁物の厚さによっては適正な軸力が維持できなくなる恐れがある。

また、軸結合部においては、継手面における摩擦力により必要とされるトルクを伝達する設計となっているが、絶縁面が継手面となった場合、経年的に摩擦係数が変化する可能性が想定されることから、将来的に許容伝達トルクが低下する恐れが考えられる。

更に、軸結合部においては、各軸間のミスアライメントを抑制するために、軸継手面においてインロー構造（嵌め合い構造）が用いられているが、上記同様に絶縁面が継手面となった場合は、インロー構造において必要とされる寸法公差が確保できなくなる可能性がある。

そのため、軸継手における絶縁を溶射によるアルミナ皮膜により実現し、上述の課題解決を図った構造が知られている（特許文献１）。

特開２００３−６５００６号公報

しかしながら、上述の軸継手における絶縁を溶射によるアルミナ皮膜により実現する構造は、溶射を行なうために、絶縁構造型ロータカップリングは複数枚に分割され、各々のプレートを絶縁ボルトで固定する必要がある。そのため、作業性および調整作業が悪化してしまうという問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、両軸駆動方式等、発電機と駆動機間で軸絶縁を行なう必要がある構成において、軸電圧に伴う軸電流を確実に抑制することが可能とであることに加え、長期的な信頼性および良好な作業性を確保することができる絶縁構造を有する回転電機の回転子の絶縁スペーサを提供することを目的とする。

本発明の第１の観点によれば、回転電機の回転子の主軸の端部に位置し鉄系素材からなる軸継手部と、駆動機の主軸の端部に位置し鉄系素材からなる軸継手部との間に挿入される回転電機の回転子の絶縁スペーサにおいて、前記回転子の軸継手部のインロー部に対応して設けられたインロー部を有し、鉄系素材からなる回転電機側部材と、鉄系素材からなる中間部材と、前記駆動機の軸継手部のインロー部に対応して設けられたインロー部を有し、鉄系素材からなる駆動機側部材と、前記回転電機側部材と前記中間部材との間のみに設けられた第１の絶縁部材と、前記駆動機側部材と前記中間部材との間のみに設けられた第２の絶縁部材とを具備し、前記回転電機側部材、前記中間部材、前記駆動機側部材、前記第１の絶縁部材、前記第２の絶縁部材は、一体構造となるように構成される、回転電機の回転子の絶縁スペーサである。

軸電圧に伴う軸電流を確実に抑制することが可能とであることに加え、長期的な信頼性および良好な作業性を確保することができる絶縁構造を有する回転電機の回転子の絶縁スペーサを提供できる。

第１の実施形態に係る回転電機の回転子の絶縁スペーサ１１の断面を示す図である。 第１の実施形態に係る回転電機の軸継手部２、４と絶縁スペーサ１１との結合構造を示す図である。 第２の実施の形態に係る絶縁スペーサ１１の断面を示す図である。 第３の実施の形態に係る絶縁スペーサ１１の断面を示す図である。 第４の実施の形態に係る絶縁スペーサ１１の断面を示す図である。 両軸駆動方式を採用するタービン発電機とタービンとの接続構成を示す図である。 タービン発電機５１とタービン５２との接続構成を示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施形態に係る回転電機の回転子の絶縁スペーサの断面を示す図である。

同図に示すように、回転電機の回転子は回転子主軸１と、回転子主軸１に対して設けられた軸継手部２とを有する。他方、回転子主軸１と結合される駆動機主軸３に対しても同様に、軸継手部４が設けられている。なお、同図において、破線Ｃは、回転子主軸１及び駆動機主軸３の回転軸（中心軸）を示している。

各々の軸継手部２、４には、インロー構造（嵌め合い構造）とするための凹凸部が設けられており、それぞれ回転子主軸１の継手インロー部５、および駆動機主軸３の継手インロー部６となる。

なお、図１においては、インロー構造として、回転子主軸１及び駆動機主軸３側に凹形状を形成する場合を示したが、回転子主軸１及び駆動機主軸３側を凸形状に形成しても良い。

回転子主軸１および駆動機主軸３の間には、絶縁スペーサ１１が挿入される。この絶縁スペーサ１１は、鉄系素材から作られた３枚のリング（回転電機側リング１２、駆動機側リング１３、中間リング１４）を有する。

回転子主軸１の軸継手部２、駆動機主軸３の軸継手部４及び絶縁スペーサ１１は、互いに締結部材（例えば、ボルトとナット）により固定される。図２に示すように、軸継手部２には締結部材用穴７ａ、軸継手部４には締結部材用穴７ｂ及び絶縁スペーサ１１には締結部材用穴７ｂが対応する位置に円周上に形成され、これら締結部材用穴７ａ〜７ｃに締結部材を通して固定することにより、回転子主軸１の軸継手部２、駆動機主軸３の軸継手部４及び絶縁スペーサ１１を固定する。

回転電機側リング１２と中間リング１４との間、及び駆動機側リング１３と中間リング１４との間には、ガラス基材に樹脂を含浸させた絶縁物１５が挿入される。ここで、各絶縁物１５と各リング１２、１３、１４とは、それぞれ適切な接着材等により互いに固着されており、絶縁スペーサ１１は一体構成とされている。

絶縁スペーサ１１の両側には、それぞれ継手インロー部５、６に対応した箇所にインロー部１６、１７が設けられており、各主軸１、３と絶縁スペーサ１１の相対的な半径位置を決定することが可能である。

本実施形態によれば、絶縁スペーサ１１に設けられた絶縁物１５によって、回転子主軸１と駆動機主軸３における電気的な絶縁を行なうことが可能となる。また、絶縁スペーサ１１を第１の実施の形態の構造とすることで、絶縁物１５の厚さは、軸電圧に対する電気絶縁を行なう上で最低限必要な厚さとすることが可能となり、経年的な変化量を十分小さくすることが可能となる。

更に、各軸継手部２、４および絶縁スペーサ１１の接触面は、それぞれ金属加工面になるため、摩擦係数の変化も抑制することが可能となる。
＜第２の実施の形態＞
図３は、第２の実施の形態に係る絶縁スペーサ１１の断面を示す図である。

本実施の形態では、図３に示すように、絶縁スペーサ１１における各構成品（回転電機側リング１２、駆動機側リング１３、中間リング１４、絶縁物１５）を、より強固に結合するために、絶縁物１５に対して塗布された接着材に加えて、絶縁製のボルトおよびナット等の締結部品２１を用いて各構成品（回転電機側リング１２、駆動機側リング１３、中間リング１４、絶縁物１５）を締結する。

なお、第１の実施の形態のように、各構成品（回転電機側リング１２、駆動機側リング１３、中間リング１４、絶縁物１５）を、接着剤により固定して一体構造とした上で、締結部品２１により、各構成品を締結しても良い。

これにより、第１の実施形態の絶縁スペーサ１１に比して、より強固な絶縁スペーサを提供することができる。
＜第３の実施の形態＞
図４は、第３の実施の形態に係る絶縁スペーサ１１の断面を示す図である。

第１の実施の形態における絶縁スペーサ１１は、リング形状のものとしたが、本実施の形態においては、図４に示すように、絶縁スペーサ１１を円盤形状としたものである。

このような構造を採用することにより、絶縁物１５の接着面積を拡大することが可能となり、より接着性を高めることが可能となる。
＜第４の実施の形態＞
図５は、第４の実施の形態に係る絶縁スペーサ１１の断面を示す図である。

本構造においては、図５に示すように、中間リング１４および絶縁物１５の外径寸法を、回転電機側リング１２、駆動機側リング１３よりも大きくしたことを特徴とする。

本実施の形態によれば、回転電機側リング１２と中間リング１４との間、駆動機側リング１３と中間リング１４との間の電気的な沿面距離が拡大されることから、例えば導電性の異物付着による通電の可能性を減少することが可能となる。

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、変更を行なうことができる。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 ２…軸継手部 ３…駆動機主軸 ４…軸継手部 ５…継手インロー部 ６…継手インロー部 １１…絶縁スペーサ １２…回転電機側リング １３…駆動機側リング １４…中間リング １５…絶縁物 １６、１７…インロー部 ５１…タービン発電機、５２、５３…タービン。

Claims (7)

1. 回転電機の回転子の主軸の端部に位置し鉄系素材からなる軸継手部と、駆動機の主軸の端部に位置し鉄系素材からなる軸継手部との間に挿入される回転電機の回転子の絶縁スペーサにおいて、
   前記回転子の軸継手部のインロー部に対応して設けられたインロー部を有し、鉄系素材からなる回転電機側部材と、
   鉄系素材からなる中間部材と、
   前記駆動機の軸継手部のインロー部に対応して設けられたインロー部を有し、鉄系素材からなる駆動機側部材と、
   前記回転電機側部材と前記中間部材との間のみに設けられた第１の絶縁部材と、
   前記駆動機側部材と前記中間部材との間のみに設けられた第２の絶縁部材とを具備し、
   前記回転電機側部材、前記中間部材、前記駆動機側部材、前記第１の絶縁部材、前記第２の絶縁部材は、一体構造となるように構成される、回転電機の回転子の絶縁スペーサ。
2. 前記回転電機側部材、前記中間部材、前記駆動機側部材、前記第１の絶縁部材、前記第２の絶縁部材は、接着剤により一体構造となるように固着される、請求項１記載の回転電機の回転子の絶縁スペーサ。
3. 前記回転電機側部材、前記中間部材、前記駆動機側部材、前記第１の絶縁部材、前記第２の絶縁部材は、締結部材により一体構造となるように締結される、請求項１記載の回転電機の回転子の絶縁スペーサ。
4. 前記回転電機側部材、前記中間部材、前記駆動機側部材、前記第１の絶縁部材及び前記第２の絶縁部材は、リング形状である、請求項１記載の回転電機の回転子の絶縁スペーサ。
5. 前記回転電機側部材、前記中間部材、前記駆動機側部材、前記第１の絶縁部材及び前記第２の絶縁部材は、円盤形状である、請求項１記載の回転電機の回転子の絶縁スペーサ。
6. 前記中間部材、前記第１の絶縁部材及び前記第２の絶縁部材の外径は、前記回転電機側部材及び前記駆動機側部材の外径よりも大きい、請求項１記載の回転電機の回転子の絶縁スペーサ。
7. 前記第１の絶縁部材及び前記第２の絶縁部材は、ガラス基材に樹脂を含浸させた絶縁部材である、請求項１記載の回転電機の回転子の絶縁スペーサ。