JP3677584B2

JP3677584B2 - Rotating machine rotor

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Publication number: JP3677584B2
Application number: JP2000173096A
Authority: JP
Inventors: 博青山; 善之五十嵐
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2020-06-09
Also published as: JP2001352703A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子に係り、特に、発電機や誘導電動機などの回転電機の回転子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転電機の回転子は、特開平１−２２７６４０号公報や特開平８−３２２１８０号公報などに記載されているように、胴体部、胴体部に形成されたスロット、スロット内に収容された界磁巻線、界磁巻線よりも外周側に位置して界磁巻線と当接するクリページブロック、クリページブロックよりも外周側に位置してクリページブロックに当接し、スロット開口部に係合するウエッジなどで構成されている。特開平１−２２７６４０号公報に提案の回転子では、界磁巻線を収容したスロットの底部に弾性部材を設けて、界磁巻線を囲む絶縁材とウエッジとが常に接触した状態にしておき、回転子が回転したときの遠心力で界磁巻線が外周側に移動することによって界磁巻線を囲む絶縁材とウエッジとが衝突することで絶縁材が破損するの防ぐものである。また、特開平８−３２２１８０号公報に提案の回転子では、スロット内に収容された界磁巻線の外周側の絶縁層つまりクリページブロックに相当する部分とスロットの開口部に係合するウェッジとの間に挿入されるスライディングシートを備え、スライディングシートの絶縁層との接触面に摩擦係数の小さい材料を一体に形成することで、界磁巻線の熱による回転子の軸に沿う方向への伸び、または界磁巻線の冷却による回転子の軸に沿う方向への収縮のときの絶縁層とウエッジとの摩擦による摩耗や、絶縁層に働く剪断応力などを低減するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、回転子が回転すると、前述のように、界磁巻線は遠心力によって回転子の外周側に移動する。このとき、界磁巻線に通電されると、回転子の軸にほぼ沿う方向に界磁巻線の熱伸びが生じる。このため、界磁巻線は、運転中の回転と通電によって、接触面圧が高くなった状態で、クリページブロックと界磁巻線間、クリページブロックとウェッジ間、そしてウエッジの係合部位とスロット開口部の係合部位間などのいずれかで界磁巻線の熱伸びや収縮による滑りが発生する。このとき、クリページブロックと界磁巻線間、クリページブロックとウェッジ間、そしてウエッジの係合部位とスロット開口部の係合部位間などの摩擦係数により、最も摩擦係数の低い部位間で滑りが発生する。
【０００４】
このため、滑りが発生する部位がスロット毎に変わった場合、回転子の軸に対するモーメントアームが変わるため、摩擦により回転子に作用する応力の大きさがスロット毎に異なり、回転子が撓んでしまう。このような回転子の撓みの発生は、回転子の回転中の異常振動などにつながるため、これを抑える必要がある。
【０００５】
さらに、各スロットで部材間の滑りが同じ部位で発生する場合は、回転子の軸に対するモーメントアームほぼ同じになるため、回転子の軸に対するモーメントアームが変わることにより発生する回転子の撓みは低減される。しかし、各スロットで部材間の滑りが同じ部位で発生する場合であっても、各スロットの滑りを起こす部材間の摩擦係数にばらつきがあれば、摩擦により回転子に作用する応力が各スロット毎に異なることになるため、回転子の撓みが発生する。
【０００６】
これに対して、回転子にバランスウエイトを取付けるなど、回転子の重量配分を調整することにより、各スロット間の摩擦係数のばらつきにより発生する回転子の撓みを低減することが考えられる。しかし、回転電機の起動と停止を繰り返すことにより、界磁巻線が伸縮して部材間に滑りが起こると、滑りを起こす部材の摩耗などにより、各スロット間の摩擦係数のばらつき幅が変化してしまう場合がある。このように、各スロット間の摩擦係数のばらつき幅が変化すると、各スロットで摩擦によって回転子に作用する応力のばらつき幅が変化してしまい、最初に回転子の重量配分を調整していても、回転子の撓みを低減することはできなくなる。
【０００７】
また、特開平８−３２２１８０号公報に提案の回転子などでは、界磁巻線を囲う絶縁層に当接するスライディングシートの面に四弗化エチレンなどの低摩擦係数材からなる層などを形成し、回転子を曲げるような応力を低減している。しかし、このような回転子では、絶縁層とスライディングシートの摩擦係数が小さくなりすぎるため、摩擦係数のばらつき幅が変化し易くなり、回転子の撓みを十分に低減できない場合がある。
【０００８】
本発明は、回転時に発生する回転子の撓みを低減することにある。
【課題を解決するための手段】
本発明の回転電機の回転子は、胴体部と、ほぼこの胴体部の外周面からこの胴体部の軸に向けて形成された複数のスロットと、このスロット内に収容された界磁巻線と、この界磁巻線よりも外周側に位置してこの界磁巻線と当接するクリページブロックと、このクリページブロックよりも外周側に位置してスロットの開口部に係合するウエッジとを含み、クリページブロックが繊維強化樹脂からなり、クリページブロックの界磁巻線との接触面に最も近い繊維層は、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維を有していることにより上記課題を解決する。
【０００９】
このような構成とすれば、クリページブロックと界磁巻線との摩擦係数が他の滑りが起こる可能性がある部位よりも小さくなり、適度な摩擦係数を有するクリページブロックと界磁巻線との間で確実に滑りが起こるようになる。このため、各スロットで滑りが発生する部位が同じになり、回転子に対するモーメントアームをほぼ一定にすることができる。さらに、界磁巻線が遠心力によりクリページブロックに高い圧力で押しつけられた状態で伸縮しても、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維により、界磁巻線は回転子の軸方向にほぼ沿う方向になめらかに滑ることができ、回転電機の駆動と停止を繰り返すことなどによる各スロットの摩擦係数のばらつき幅を変化し難くできる。すなわち、回転時に発生する回転子の撓みを低減することができる。
【００１０】
さらに、クリページブロックの界磁巻線との接触面に最も近い繊維層は、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ第１の繊維とこの第１の強化繊維と交わる方向に並ぶ第２の強化繊維とで織られ、第１の強化繊維の密度を第２の強化繊維の密度よりも高くした構成とする。また、第２の強化繊維の密度に対する第１の強化繊維の密度の比は、クリページブロックと界磁巻線との接触面の摩擦係数がクリページブロックと界磁巻線との接触面以外の滑りが発生する可能性がある部材の接触面の摩擦係数よりも小さくなるように決められた構成とする。
【００１１】
このような構成とすれば、クリページブロックの界磁巻線との接触面に最も近い繊維層は、第１の繊維とこの第１の強化繊維と交わる方向に並ぶ第２の強化繊維とで織られていることにより、第１の繊維に交わる方向に作用するの応力に対する界磁巻線との接触面に最も近いクリページブロックの繊維層の強度を向上し、クリページブロックの圧縮強度を向上できる。加えて、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ第１の繊維の密度が第１の繊維と交わる方向に並ぶ第２の繊維の密度よりも高いため、界磁巻線が遠心力によりクリページブロックに高い圧力で押しつけられた状態で伸縮しても、クリページブロックと界磁巻線は回転子の軸方向にほぼ沿う方向になめらかに滑ることができる。
【００１２】
さらに、クリページブロックの界磁巻線との接触面に最も近い繊維層は、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ第１の強化繊維とこの第１の強化繊維と交わる方向に並ぶ第２の強化繊維とで織られ、第１の強化繊維の径が、第２の強化繊維の径よりも大きい構成とする。このような構成でも、クリページブロックの圧縮強度を向上でき、かつ、界磁巻線が遠心力によりクリページブロックに高い圧力で押しつけられた状態で伸縮しても、第１の強化繊維の径が第２の強化繊維の径よりも大きいため、クリページブロックと界磁巻線は回転子の軸方向にほぼ沿う方向になめらかに滑ることができる。
【００１３】
さらに、クリページブロックの界磁巻線との接触面に最も近い繊維層が、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維で形成されてなる構成とすれば、織り目による凹凸がないため、界磁巻線が遠心力によりクリページブロックに高い圧力で押しつけられた状態で伸縮しても、クリページブロックと界磁巻線は回転子の軸方向にほぼ沿う方向によりなめらかに滑ることができる。また、クリページブロックの界磁巻線と当接する繊維層の外周側に位置する繊維層が、界磁巻線と当接する繊維層の繊維と交わる方向に並ぶ強化繊維で形成された構成とすれば、回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維で形成されたクリページブロックの界磁巻線との接触面に最も近い繊維層の強度を補強し、クリページブロックの圧縮強度を向上できるので好ましい。
【００１４】
さらに、クリページブロックは、強化繊維を強化材とするプリプレグシートを積層することで形成された繊維強化樹脂からなる構成とすれば、クリページブロックの形成作業を簡素化できる。また、強化繊維は、ガラス繊維、アルミナ繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維のいずれか一種類であるか、またはガラス繊維、アルミナ繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維の少なくとも２種類を混合したものとする。
【００１５】
さらに、上記のいずれかの回転子と、この回転子を軸止する軸受けと、回転子の外周側に位置する固定子とを含んでなる回転電機とすれば、回転子の撓みによる振動や寿命の低下などを抑制し、回転電機の信頼性を向上することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなる回転電機の回転子の第１の実施形態について図１乃至図７を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる回転子を備えた回転電機の一例の概略構成を部分的に破断して示す斜視図である。図２は、回転子の胴体部の断面図である。図３は、図２のＡの部分を拡大して示す断面図である。図４は、本発明を適用してなる回転子のクリページブロックの繊維層の構成を模式的に示す斜視図である。図５は、クリページブロックの回転子の軸方向と交わる方向に並ぶ繊維の密度に対する回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ繊維の密度の比と、クリページブロック及び界磁巻線の接触面の摩擦係数との関係を示す図である。図６は、クリページブロックの回転子の軸方向と交わる方向に並ぶ繊維の密度に対する回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ繊維の密度の比と、クリページブロックの圧縮強度及び摩擦係数の安定度との関係を示す図である。図７は、クリページブロックと界磁巻線との間の滑り回数と、摩擦係数のばらつきとの関係を示す図である。なお、本実施形態では回転電機としてタービン発電機を一例として説明するが、本発明の回転子は、様々な回転電機に適用することができる。
【００１７】
本実施形態の回転子１を備えた回転電機つまりタービン発電機は、図１に示すように、回転子１の外側を囲むように設けられた円筒状の固定子３、固定子３の外側に設けられて固定子３を保持する固定子フレーム５、固定子３の両端部に設けられて固定子フレーム５に取り付けられたエンドカバー７、そしてエンドカバー７の中央部に配設されて回転子１を軸止する軸受け９などで構成されている。固定子フレーム５には、通風ダクト１１が形成されている。
【００１８】
回転子１は、図２に示すように、略円柱状の胴体部１３、ほぼ胴体部１３の円周面から胴体部１３の軸に向かう方向に形成され、胴体部１３の軸にほぼ沿う方向に延在する溝である複数のスロット１５、そしてスロット１５内に納められ、胴体部１３の軸にほぼ沿う方向に延在する界磁巻線１７、クリページブロック１９、ウエッジ２１などを有している。なお、図２では、胴体部１３の形状を分かり易くするため、１つのスロット１５に界磁巻線１７、クリページブロック１９、ウエッジ２１などを設置し、他のスロット１５にはこれらの部材が設置されていない状態を示しているが、実際の回転子１では、全てのスロット１５に界磁巻線１７、クリページブロック１９、ウエッジ２１などが納められている。スロット１５は、胴体部１３の対向する２箇所の部分すなわち磁極部２３を除いて、胴体部１３に等間隔で形成されている。また、胴体部１３の隣り合うスロット１５間の部分、つまりくし歯状に形成された部分は、ティース２５と呼ばれている。本実施形態では、磁極部２３は、２箇所設けられているが、２箇所以上、例えば４箇所設けられる場合もある。
【００１９】
ウエッジ２１は、図３に示すように、延在方向の側面に突出部２６を有して断面が略凸形状に形成されており、ティース２５の円周面側の側面には、ウエッジ２１の側面の突出部２６に対応する溝２７が形成されている。ウエッジ２１は、突出部２６を溝２７に係合させてティース２５にはめ込まれており、スロット１５に納められた界磁巻線１７が回転子１の回転の遠心力によってスロット１５から飛び出さないようにしている。ティース２５の側面とスロット１５内に納められている界磁巻線１７やクリページブロック１９との間には、電気絶縁用の平板状の樹脂からなるスロットアーマ２９が設置される。界磁巻線１７は、矩形断面をしており、複数の界磁巻線１７が層間絶縁材３１と交互に半径方向に積層されている。最外周側の界磁巻線１７には、電気絶縁用のクリページブロック１９が当接しており、クリページブロック１９の界磁巻線１７と接している側の面と反対側の面には、ティース２５に係合されているウェッジ２１が当接している。
【００２０】
クリページブロック１９は、図４に示すように、強化繊維３３が織られたものに半硬化した樹脂を含ませたプリプレグシートを積層してプレス板などによって加熱状態で加圧することで形成された複数の繊維層３５、３７を有する繊維強化樹脂である。本実施形態では、強化繊維３３に界磁巻線１７よりも硬いガラス繊維を、樹脂にエポキシ樹脂を用いている。また、図４では、クリページブロック１９の繊維層３５、３７の構成を説明するため、繊維層３５、３７のみをしめしており樹脂部分は省略している。クリページブロック１９の界磁巻線１７に当接する面にもっと近い繊維層３７の強化繊維３３は、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度が、回転子１の軸方向と交わる方向、つまり強化繊維３３ａと交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの密度よりも高くなるように織られている。言い換えれば、強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数が強化繊維３３ｂの単位長さ当たりの本数よりも多くなるように織られている。強化繊維３３の織り方は、平織り、繻子織りなどにすることができる。
【００２１】
なお、強化繊維３３ａの密度が強化繊維３３ｂの密度よりも高くなるように織られている繊維層は、少なくともクリページブロック１９が界磁巻線１７に当接する面に最も近い繊維層３７に用いればよいが、それ以外の繊維層３５に用いることもできる。また、プリプレグシートを積層してクリページブロック１９を形成した後、クリページブロック１９の厚みを所望の寸法に合わせるときは、界磁巻線１７に当接する面とは反対側つまりウエッジ２１と当接する側の面を切削加工などにより加工する。すなわち、クリページブロック１９の界磁巻線１７に当接する面は、繊維層３７が露出しておらず樹脂が繊維層３７の表面を覆っている状態とする。
【００２２】
ここで、本実施形態では、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３７の、回転子１の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの密度に対する回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度の比と、界磁巻線１７及びクリページブロック１９の接触面Ｂの摩擦係数との関係に基づいて、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度、つまり単位長さ当たりの本数を設計している。すなわち、図５に示すように、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３７の回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度の比を上げる、つまり強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数を増やすと、クリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの摩擦係数は小さくなる。
【００２３】
したがって、繊維層３７の回転子１の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの密度に対する回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度の比は、ウエッジ２１の突出部２６とティース２５の溝２７との接触面Ｃの摩擦係数、ウエッジ２１とクリページブロック１９との接触面Ｄの摩擦係数、そして界磁巻線１７と相関絶縁材３１との接触面Ｅの摩擦係数よりもクリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの摩擦係数が小さくなるように設計されている。これにより、本実施形態の回転子１における界磁巻線１７の熱伸び及び収縮による部材の滑りは、確実にクリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂで起こる。
【００２４】
さらに、本実施形態では、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３７における回転子１の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの密度に対する回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度の比と、クリページブロック１９の圧縮強度、及び接触面の摩擦係数のばらつき安定度との関係に基づいて、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度を設計している。すなわち、強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数の比率を高くするに連れ、図６に示すように、強化繊維３３ａ同士がクリページブロック１９に作用する応力により互いに分離または解離しやすくなるため、クリページブロック１９が回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に亀裂などを生じてしまい、クリページブロック１９の圧縮強度は低下する。
【００２５】
一方、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度の比を高くする、つまり界磁巻線１７とクリページブロック１９との滑り方向に配されている強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数の比率を高くするに連れ、界磁巻線１７とクリページブロック１９との接触面Ｂの回転子１の軸方向にほぼ沿う方向の摩擦係数は小さくなる。このため、界磁巻線１７とクリページブロック１９とはなめらかに滑ることができ、各スロット１５間の摩擦係数の安定度が高くなる。したがって、本実施形態のクリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３７の回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数の比率は、適度なクリページブロック１９の圧縮強度と、適度な接触面Ｂの摩擦係数の安定度とが得られる比率Ｆで設計されている。
【００２６】
なお、回転子の軸にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数の比率は、本実施形態の比率Ｆに限らず、図６のような回転子の軸と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの密度に対する強化繊維３３ａの密度の比とクリページブロックの圧縮強度及び摩擦係数のばらつき安定度との関係を求め、クリページブロックに要求される圧縮強度などに応じて設計すればよい。
【００２７】
ところで、回転子１が回転している状態で界磁巻線１７に通電され温度上昇すると、界磁巻線１７は、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に熱伸びする。さらに、界磁巻線１７への通電が遮断されると、温度低下により界磁巻線１７は回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に収縮する。つまり、回転電機の起動と停止を繰り返すことによって界磁巻線１７の伸びと収縮が起こる。このとき、界磁巻線１７の伸びと収縮により、クリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂ、ウエッジ２１とティース２５との係合部分の接触面Ｃ、ウエッジ２１とクリページブロックとの接触面Ｄ、そして界磁巻線１７と相関絶縁材３１との接触面Ｅのいずれかで滑りが起きた場合の滑り回数と、各接触面の各スロット１５間での摩擦係数のばらつき幅との関係を見ると、図７に示すように、滑り回数が増えるにしたがって、接触面Ｃ、接触面Ｄ、そして接触面Ｅの各スロット１５間の摩擦係数のばらつき幅は変化しており、滑り回数を重ねるにしたがって徐々にばらつきの幅が大きくなって行く。また、図示していないが、従来の回転子では、クリページブロックと界磁巻線との接触面Ｂで滑りが起こった場合、滑り回数を重ねるにしたがって徐々にばらつきの幅が大きくなって行く。
【００２８】
これに対して本実施形態の回転子１では、クリページブロック１９の繊維層３７の回転子１の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの密度に対する回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの密度の比は、ウエッジ２１の突出部２６とティース２５の溝２７との接触面Ｃの摩擦係数、ウエッジ２１とクリページブロック１９との接触面Ｄの摩擦係数、そして界磁巻線１７と相関絶縁材３１との接触面Ｅの摩擦係数よりも、クリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの摩擦係数の方が小さくなるように設計されている。ただし、クリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの摩擦係数は、従来の回転子のような接触面に四弗化エチレンなどの低摩擦係数材からなる層などを形成した場合よりも摩擦係数は大きい。
【００２９】
このため、回転子１における界磁巻線１７の熱伸びや収縮による部材間の滑りは、確実にクリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂで起こる。すなわち、界磁巻線１７の熱伸びや収縮は、常にクリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの滑りで吸収できる。さらに、前述ように、繊維層３７の回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数の比率が所望の摩擦係数の安定度が得られる比率に設計されているため、回転電機の起動と停止を繰り返しても、クリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの各スロット１５間の摩擦係数のばらつき幅は変化し難い。
【００３０】
このように本実施形態の回転電機の回転子１では、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３７の強化繊維３３が界磁巻線１７よりも硬いガラス繊維などからなり、加えて界磁巻線１７の伸縮方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａの単位長さ当たりの本数が、界磁巻線１７の伸縮方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂの単位長さ当たりの本数よりも多い。このため、クリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂの摩擦係数を他の部材間の摩擦係数よりも小さくできることにより、界磁巻線１７の熱伸びによる部材の滑りは、確実にクリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂで起こる。したがって、各スロット１５での滑り発生部位が同じになり、各スロット１５で滑り発生部位の摩擦によって発生する回転子１に作用する応力のモーメントの回転子１の軸に対する半径をほぼ一定にすることができる。さらに、界磁巻線１７は、遠心力によりクリページブロック１９に高い圧力で押しつけられた状態でも、クリページブロック１９の繊維層３７の界磁巻線１７よりも硬いガラス繊維からなる強化繊維３３ａにより、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向になめらかに滑ることができる。このため、回転電機の駆動と停止を繰り返すことなどにより滑り回数が増えても、各スロット１５間の摩擦係数のばらつき幅を変化し難くできる。すなわち、回転時に発生する回転子１の撓みを低減することができる。
【００３１】
さらに、本実施形態では、強化繊維３３は、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａと回転子１の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂとを織ったものであるため、強化繊維３３ｂによりクリページブロック１９の界磁巻線１７と当接する部分の圧縮強度を向上することができる。加えて、本実施形態の回転子１を備えた回転電機では、回転子１の撓みによる振動や、この振動による寿命の低下などを抑制し、回転電機の信頼性を向上することができる。
【００３２】
また、本実施形態では、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３７の強化繊維３３は、同じ径の強化繊維３３ａ、３３ｂを織ったものであるが、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａと、強化繊維３３ａと交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂとは、異なる径の強化繊維を用いることができる。このとき、図８に示すように、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａに、強化繊維３３ａと交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂよりも径が大きな強化繊維を用いれば、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向、すなわち界磁巻線１７の伸縮方向に並ぶ強化繊維３３ａの剛性を高くできる。したがって、界磁巻線１７が高面圧でクリページブロック１９の表面に押し付けられても、強化繊維３３ａは屈曲し難いため、界磁巻線１７とクリページブロック１９とは、よりなめらかに滑ることができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
本発明を適用してなる回転電機の回転子の第２の実施形態について図９を参照して説明する。図９は、本発明を適用してなる回転子のクリページブロックの繊維層の構成を模式的に示す斜視図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と相違する構成及び特徴部などについて説明する。
【００３４】
本実施形態は、クリページブロック１９の形成方法は、第一の実施形態と同様であるが、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３９の強化繊維３３は、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａのみで構成されている点で第１の実施形態と相違する。すなわち、クリページブロック１９の界磁巻線１７に最も近い繊維層３９の強化繊維３３は織られておらず、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａのみを並べた状態になっている。なお、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａのみを有する構成は、少なくとも界磁巻線１７に最も近い繊維層３９に用いればよいが、それ以外の繊維層３５に用いることもできる。
【００３５】
こように本実施形態のクリページブロック１９を備えた回転子１では、界磁巻線１７に最も近い繊維層３９の強化繊維３３は織られていないため、織り目部分の凹凸がなくなり、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向の強化繊維３３ａを平滑な状態にできる。したがって、界磁巻線１７の熱伸びによる部材の滑りは、確実にクリページブロック１９と界磁巻線１７との接触面Ｂで起こる上、界磁巻線１７が高面圧でクリページブロック１９の表面に押し付けられても、強化繊維３３ａは織り目部分の凹凸が内平滑な状態であるため、界磁巻線１７はなめらかに滑ることができる。
【００３６】
ただし、第１の実施形態に記載したように、回転子１の回転時に、界磁巻線１７がクリページブロック１９の表面に高面圧で押し付けられるため、この面圧の程度によっては、層３９の強化繊維３３ａ同士がクリページブロック１９に作用する応力により互いに分離または解離しやすくなる。このため、クリページブロック１９が回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に裂けてしまうといったように、クリページブロック１９の十分な圧縮強度が得られない場合がある。このような場合には、図１０に示すように、繊維層３９の外周側に位置する繊維層、すなわち繊維層３９の隣に位置する繊維層４１は、強化繊維３３ａと交わる方向に延在する強化繊維３３ｂを並べた構成とする。
【００３７】
このような構成とすれば、繊維層４１の回転子１の軸方向に交わる方向に延在する強化繊維３３ｂによって、繊維層３９の強化繊維３３ａがクリページブロック１９に作用する応力により互いに分離または解離してクリページブロック１９が回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に裂けてしまうのを抑えることができる。したがって、クリページブロック１９の圧縮強度を向上し、クリページブロック１９の信頼性を向上することができる。
【００３８】
なお、クリページブロック１９を繊維層３９と繊維層４１を有するような構成としても十分な圧縮強度が得られない場合には、回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に延在する強化繊維３３ａと回転子１の軸方向に交わる方向を向いた強化繊維３３ｂとを織った繊維層３７を有するクリページブロック１９を備えた第１の実施形態の回転子１を用いる。
【００３９】
（第３の実施形態）
本発明を適用してなる回転電機の回転子の第３の実施形態について図１１乃至１３を参照して説明する。図１１クリページブロックの形成に用いるロール状に巻かれた長尺のプリプレグシートを模式的に示す斜視図である。図１２は、ロール状に巻いた長尺のプリプレグシートより切り出したプリプレグシート断片を複数枚重ねた状態を模式的に示す斜視図である。図１３は、クリページブロックの中間成型体とこの中間成形体から切り出されたクリページブロックを模式的に示す斜視図である。なお、本実施形態では、第１及び第２の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説明を省略し、第１及び第２の実施形態と相違する構成及び特徴部などについて説明する。
【００４０】
本実施形態と第１及び第２の実施形態との相違点は、クリページブロックを形成する際に予め長尺のプリプレグシートを形成し、この長尺のプリプレグシートから切り出したプリプレグシート断片を積層することでクリページブロックを形成していることにある。すなわち、本実施形態の回転子１のクリページブロック１９を形成する際、図１１に示すように、織られた強化繊維３３に半硬化したエポキシ樹脂を含ませて形成された長尺のプリプレグシート４３を用いている。長尺のプリプレグシート４３は、ロール状に巻かれており、また、長尺のプリプレグシート４３の短辺方向に沿う方向に延在する強化繊維３３ａのプリプレグシート４３の密度は、長辺方向に沿う方向に延在する強化繊維３３ｂの密度よりも高くなっている。
【００４１】
この長尺のプリプレグシート４３より、図１２に示すように、プリプレグシート断片４５を切り出し、このプリプレグシート断片４５を複数枚重ね、第１及び第２の実施形態と同様に加熱状態で加圧して、クリページブロック１９の中間成型体４７を得ている。このとき、各プリプレグシート断片４５は、強化繊維３３ａと強化繊維３３ｂの方向が揃うように重ねている。プリプレグシート断片４５を重ねる枚数は、クリページブロック１９の厚さよりわずかに大きくなるようにしている。この中間成型体４７から、図１３に示すように、必要なクリページブロックの幅Ｌにあわせてクリページブロック１９が切り出され、界磁巻線１７に当接する側とは反対側、つまりウエッジ２１と当接する側の面を加工して厚みを調整している。
【００４２】
このように本実施形態では、クリページブロック１９を製作する際に、強化繊維３３の織り方、つまり回転子１の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ強化繊維３３ａと回転子１の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維３３ｂとの密度の比や太さの違う複数種のプリプレグシートを準備することなく、一種類の長尺のプリプレグシート４３でクリページブロック１９を形成することができる。すなわち、クリページブロック１９の形成作業を簡素化でき、また、クリページブロック１９のコストを低減できる。
【００４３】
また、本実施形態では、強化繊維３３ａと強化繊維３３ｂの方向が揃うように重ねているが、強化繊維３３ａと強化繊維３３ｂの方向を交互に変えてプリプレグシート断片４５を積層することもできる。さらに、織った強化繊維３３に限らず、一方向に並ぶ強化繊維３３のみを有する長尺のプリプレグシート４３を形成して、この長尺のプリプレグシート４３から切り出したプリプレグシート断片４５でクリページブロック１９を形成しすることもできる。このとき、例えば、隣り合う繊維層の強化繊維３３の方向が交わる方向になるように、強化繊維３３の方向を交互に変えてプリプレグシート断片４５を積層すれば、第２の実施形態のような構成のクリページブロック１９を得ることができる。
【００４４】
また、第１乃至第３の実施形態では、強化繊維３３としてガラス繊維を用いているが、強化繊維としてアルミナ繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維などを単独で用いたり、さらにガラス繊維、アルミナ繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維を２種以上混合したものなど様々な強化繊維を用いることができる。さらに、クリページブロック１９を形成するための樹脂としてエポキシ樹脂を例示しているが、ＰＥＥＫやＦＲＰなど熱可塑性と電気絶縁性を有する様々な樹脂を用いることができる。加えて、クリページブロック１９を構成する繊維強化樹脂層は、強化繊維に半硬化した樹脂を含ませる方法に限らず、強化繊維を半硬化した樹脂で挟んだものに熱を加えるような方法でも形成できる。さらに、回転子１は、複数の界磁巻線１７を有する構成となっているが、界磁巻線は１つにすることもできる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、回転時に発生する回転子の撓みを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる回転子を備えた回転電機の一例の概略構成を部分的に破断して示す斜視図である。
【図２】本発明を適用してなる回転子の一実施形態の胴体部の断面図である。
【図３】図２のＡの部分を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明を適用してなる回転子の第１の実施形態が備えるクリページブロックの繊維層の構成を模式的に示す斜視図である。
【図５】クリページブロックの回転子の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維の密度に対する回転子の軸方向に沿う方向に並ぶ強化繊維の密度の比と、クリページブロック及び界磁巻線の接触面の摩擦係数との関係を示す図である。
【図６】クリページブロックの回転子の軸方向と交わる方向に並ぶ強化繊維の密度に対する回転子の軸方向にほぼ沿う方向に並ぶ繊維の密度の比と、クリページブロックの圧縮強度及び摩擦係数の安定度との関係を示す図である。
【図７】各部材の接触面の滑り回数と、摩擦係数のばらつきとの関係を示す図である。
【図８】第１の実施形態の変形例における繊維層の構成を模式的に示す斜視図である。
【図９】本発明を適用してなる回転子の第２の実施形態が備えるクリページブロックの繊維層の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１０】第２の実施形態の変形例における繊維層の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】本発明を適用してなる回転子の第３の実施形態が備えるクリページブロックの形成に用いるロール状に巻かれた長尺のプリプレグシートを模式的に示す斜視図である。
【図１２】ロール状に巻いた長尺のプリプレグシートより切り出したプリプレグシート断片を複数枚重ねた状態を模式的に示す斜視図である。
【図１３】クリページブロックの中間成型体とこの中間成形体から切り出されたクリページブロックを模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１回転子
１３胴体部
１５スロット
１７界磁巻線
１９クリページブロック
２１ウエッジ
３３、３３ａ、３３ｂ強化繊維
３７繊維層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotor, and more particularly to a rotor of a rotating electrical machine such as a generator or an induction motor.
[0002]
[Prior art]
As described in JP-A-1-227640, JP-A-8-322180, and the like, a rotor of a rotating electrical machine includes a body part, a slot formed in the body part, and a field housed in the slot. Winding and clippage block located on the outer peripheral side of the field winding and in contact with the field winding, and positioned on the outer peripheral side of the clippage block and in contact with the clipage block and engaged with the slot opening Consists of wedges and so on. In the rotor proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-227640, an elastic member is provided at the bottom of the slot containing the field winding so that the insulating material surrounding the field winding and the wedge are always in contact with each other. The insulating material is prevented from being damaged by the collision between the insulating material surrounding the field winding and the wedge due to the field winding moving to the outer peripheral side by the centrifugal force when the rotor rotates. Further, in the rotor proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-322180, a wedge that engages an insulating layer on the outer peripheral side of a field winding accommodated in a slot, that is, a portion corresponding to a clear page block, and an opening of the slot. In the direction along the axis of the rotor due to the heat of the field winding, by integrally forming a material with a small friction coefficient on the contact surface with the insulating layer of the sliding sheet This reduces the wear due to friction between the insulating layer and the wedge, the shear stress acting on the insulating layer, and the like when the wire is contracted in the direction along the rotor axis due to the cooling of the field winding.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when the rotor rotates, as described above, the field winding moves to the outer peripheral side of the rotor by centrifugal force. At this time, when the field winding is energized, thermal expansion of the field winding occurs in a direction substantially along the axis of the rotor. For this reason, the field winding is in a state where the contact surface pressure is increased by rotation and energization during operation, between the clip page block and the field winding, between the clip page block and the wedge, and the engagement part of the wedge. And slippage due to thermal expansion or contraction of the field winding occurs either between the engagement portions of the slot opening and the like. At this time, the slippage between the clearance page and the field winding, between the clearance page block and the wedge, between the engagement part of the wedge and the engagement part of the slot opening, etc. Occurs.
[0004]
For this reason, when the part where the slip occurs changes for each slot, the moment arm with respect to the axis of the rotor changes, so the magnitude of the stress acting on the rotor due to friction differs for each slot, and the rotor bends. . Since the occurrence of such bending of the rotor leads to abnormal vibration during rotation of the rotor, it is necessary to suppress this.
[0005]
Furthermore, when the slip between the members occurs in the same part in each slot, the moment arm with respect to the rotor axis is almost the same, so the bending of the rotor caused by changing the moment arm with respect to the rotor axis is reduced. Is done. However, even if the sliding between the members occurs in the same part in each slot, if the friction coefficient between the members causing the sliding of each slot varies, the stress acting on the rotor due to the friction is different for each slot. Therefore, the rotor bends.
[0006]
On the other hand, it is conceivable to reduce the deflection of the rotor caused by variations in the friction coefficient between the slots by adjusting the weight distribution of the rotor, such as attaching a balance weight to the rotor. However, by repeating the starting and stopping of the rotating electrical machine, when the field winding expands and contracts and the slip occurs between the members, the variation width of the friction coefficient between the slots changes due to wear of the member causing the slip. May end up. In this way, when the variation width of the friction coefficient between the slots changes, the variation width of the stress acting on the rotor due to the friction in each slot changes, and even if the weight distribution of the rotor is first adjusted. Therefore, it becomes impossible to reduce the deflection of the rotor.
[0007]
In the rotor proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-322180, a layer made of a low friction coefficient material such as ethylene tetrafluoride is formed on the surface of the sliding sheet that contacts the insulating layer surrounding the field winding. The stress that bends the rotor is reduced. However, in such a rotor, since the friction coefficient between the insulating layer and the sliding sheet becomes too small, the variation width of the friction coefficient is likely to change, and the deflection of the rotor may not be sufficiently reduced.
[0008]
An object of the present invention is to reduce the deflection of the rotor that occurs during rotation.
[Means for Solving the Problems]
The rotor of the rotating electrical machine according to the present invention includes a body portion, a plurality of slots formed from the outer peripheral surface of the body portion toward the shaft of the body portion, and a field winding housed in the slot. A clearance page block positioned on the outer peripheral side of the field winding and in contact with the field winding; and a wedge positioned on the outer peripheral side of the clearance page block and engaged with the opening of the slot. In addition, the cripage block is made of fiber reinforced resin, and the fiber layer closest to the contact surface with the field winding of the cripage block has reinforcing fibers arranged in a direction substantially along the axial direction of the rotor. The above problem is solved.
[0009]
With such a configuration, the friction coefficient between the clip page block and the field winding is smaller than other parts where slippage may occur, and the clip page block and the field winding having an appropriate friction coefficient. Slip will surely occur between the two. For this reason, the site | part which a slip generate | occur | produces in each slot becomes the same, and the moment arm with respect to a rotor can be made substantially constant. Furthermore, even if the field winding expands and contracts in a state where it is pressed against the cripage block by centrifugal force at a high pressure, the field windings of the rotor are formed by the reinforcing fibers arranged substantially along the axial direction of the rotor. It is possible to slide smoothly in a direction substantially along the axial direction, and it is difficult to change the variation width of the friction coefficient of each slot by repeatedly driving and stopping the rotating electrical machine. That is, it is possible to reduce the deflection of the rotor that occurs during rotation.
[0010]
Further, the fiber layer closest to the contact surface with the field winding of the clip page block has a first fiber lined up in a direction substantially along the axial direction of the rotor and a second line lined up in a direction intersecting the first reinforcing fiber. The density of the first reinforcing fibers is higher than the density of the second reinforcing fibers. The ratio of the density of the first reinforcing fiber to the density of the second reinforcing fiber is such that the friction coefficient of the contact surface between the clear page block and the field winding is other than the contact surface between the clear page block and the field winding. It is set as the structure decided so that it might become smaller than the friction coefficient of the contact surface of the member which may generate | occur | produce slip of this.
[0011]
With such a configuration, the fiber layer closest to the contact surface with the field winding of the clip page block is composed of the first fiber and the second reinforcing fiber aligned in the direction intersecting with the first reinforcing fiber. By being woven, the strength of the fiber layer of the clear page block closest to the contact surface with the field winding against the stress acting in the direction intersecting the first fiber is improved, and the compressive strength of the clear page block is increased. Can be improved. In addition, since the density of the first fibers aligned in the direction substantially along the axial direction of the rotor is higher than the density of the second fibers aligned in the direction intersecting the first fibers, the field winding is cleared by centrifugal force. Even when the page block is expanded or contracted while being pressed against the page block with high pressure, the clip page block and the field winding can smoothly slide in a direction substantially along the axial direction of the rotor.
[0012]
Further, the fiber layer closest to the contact surface with the field winding of the clip page block is the first reinforcing fiber aligned in the direction substantially along the axial direction of the rotor and the first reinforcing fiber aligned in the direction intersecting with the first reinforcing fiber. The second reinforcing fiber is woven, and the first reinforcing fiber has a larger diameter than the second reinforcing fiber. Even in such a configuration, the diameter of the first reinforcing fiber can be improved even if the compression strength of the clip page block can be improved and the field winding expands and contracts while being pressed against the clip page block by a centrifugal force with a high pressure. Is larger than the diameter of the second reinforcing fiber, the clip page block and the field winding can smoothly slide in a direction substantially along the axial direction of the rotor.
[0013]
Furthermore, if the fiber layer closest to the contact surface with the field winding of the clip page block is formed of reinforcing fibers arranged in a direction substantially along the axial direction of the rotor, there is no unevenness due to the texture. Even if the field winding expands and contracts in a state where it is pressed against the clip page block by centrifugal force at a high pressure, the clip page block and the field winding can slide smoothly in a direction substantially along the axial direction of the rotor. it can. Also, the fiber layer positioned on the outer peripheral side of the fiber layer in contact with the field winding of the clear page block is formed of reinforcing fibers arranged in a direction intersecting with the fiber of the fiber layer in contact with the field winding. For example, the strength of the fiber layer closest to the contact surface with the field winding of the clip page block formed of reinforcing fibers arranged in a direction substantially along the axial direction of the rotor is reinforced, and the compress strength of the clip page block is improved. It is preferable because it is possible.
[0014]
Furthermore, if the cripage block is made of a fiber reinforced resin formed by laminating prepreg sheets made of reinforcing fibers as reinforcing materials, the operation of forming the cripage block can be simplified. Further, the reinforcing fiber is any one of glass fiber, alumina fiber, aramid fiber, and silicon carbide fiber, or a mixture of at least two kinds of glass fiber, alumina fiber, aramid fiber, and silicon carbide fiber. .
[0015]
Furthermore, if the rotating electrical machine includes any one of the rotors described above, a bearing that supports the rotor, and a stator located on the outer peripheral side of the rotor, vibration and life due to the deflection of the rotor. It is possible to improve the reliability of the rotating electrical machine.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of a rotor of a rotating electrical machine to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 1 to 7. FIG. 1 is a partially broken perspective view showing a schematic configuration of an example of a rotating electrical machine including a rotor to which the present invention is applied. FIG. 2 is a cross-sectional view of the body portion of the rotor. 3 is an enlarged cross-sectional view of a portion A in FIG. FIG. 4 is a perspective view schematically showing a configuration of a fiber layer of a cripage block of a rotor to which the present invention is applied. FIG. 5 shows the ratio of the density of fibers aligned in the direction substantially along the axial direction of the rotor to the density of fibers aligned in the direction intersecting the axial direction of the rotor of the clip page block, and the contact between the clear page block and the field winding. It is a figure which shows the relationship with the friction coefficient of a surface. FIG. 6 shows the ratio of the density of fibers aligned in the direction substantially along the axial direction of the rotor to the density of fibers aligned in the direction intersecting the axial direction of the rotor of the clippage block, and the compressive strength and friction coefficient of the clear page block. It is a figure which shows the relationship with stability. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the number of slips between the clear page block and the field winding and the variation in the friction coefficient. In addition, although this embodiment demonstrates a turbine generator as an example as a rotary electric machine, the rotor of this invention is applicable to various rotary electric machines.
[0017]
As shown in FIG. 1, a rotating electrical machine including a rotor 1 according to this embodiment, that is, a turbine generator, has a cylindrical stator 3 provided so as to surround the outer side of the rotor 1, and the outer side of the stator 3. A stator frame 5 provided to hold the stator 3, end covers 7 provided at both ends of the stator 3 and attached to the stator frame 5, and a rotor disposed at the center of the end cover 7. 1 is constituted by a bearing 9 for securing 1. A ventilation duct 11 is formed in the stator frame 5.
[0018]
As shown in FIG. 2, the rotor 1 is formed in a substantially cylindrical body part 13, a direction substantially from the circumferential surface of the body part 13 toward the axis of the body part 13, and a direction substantially along the axis of the body part 13. A plurality of slots 15, which are grooves extending in the direction, and a field winding 17, a clear page block 19, a wedge 21, etc. that are housed in the slots 15 and extend in a direction substantially along the axis of the body portion 13. ing. In FIG. 2, for easy understanding of the shape of the body portion 13, the field winding 17, the clip page block 19, the wedge 21, etc. are installed in one slot 15, and these members are installed in the other slots 15. In the actual rotor 1, the field winding 17, the clear page block 19, the wedge 21, etc. are housed in all slots 15. The slots 15 are formed at equal intervals in the body portion 13 except for the two opposing portions of the body portion 13, that is, the magnetic pole portion 23. Further, a portion between the adjacent slots 15 of the body portion 13, that is, a portion formed in a comb-tooth shape is called a tooth 25. In this embodiment, two magnetic pole portions 23 are provided, but there may be two or more, for example, four locations.
[0019]
As shown in FIG. 3, the wedge 21 has a protruding portion 26 on the side surface in the extending direction and is formed in a substantially convex shape in cross section, and on the side surface on the circumferential surface side of the tooth 25, A groove 27 corresponding to the protruding portion 26 on the side surface is formed. The wedge 21 is fitted in the tooth 25 with the protrusion 26 engaged with the groove 27, and the field winding 17 housed in the slot 15 does not jump out of the slot 15 due to the centrifugal force of rotation of the rotor 1. I am doing so. A slot armor 29 made of a flat resin for electrical insulation is installed between the side surface of the tooth 25 and the field winding 17 and the crimp page block 19 housed in the slot 15. The field winding 17 has a rectangular cross section, and a plurality of field windings 17 are alternately stacked with the interlayer insulating material 31 in the radial direction. The outer periphery side field winding 17 is in contact with a crimping block 19 for electrical insulation, and the surface of the clearance page 19 on the side opposite to the surface in contact with the field winding 17 The wedge 21 engaged with the teeth 25 is in contact.
[0020]
As shown in FIG. 4, the clear page block 19 is formed by laminating a prepreg sheet containing a semi-cured resin on a woven reinforced fiber 33 and pressurizing it in a heated state with a press plate or the like. It is a fiber reinforced resin having a plurality of fiber layers 35 and 37. In this embodiment, glass fiber harder than the field winding 17 is used for the reinforcing fiber 33, and epoxy resin is used for the resin. Further, in FIG. 4, only the fiber layers 35 and 37 are shown and the resin portion is omitted in order to explain the configuration of the fiber layers 35 and 37 of the clip page block 19. The reinforcing fiber 33 of the fiber layer 37 closer to the surface of the clip page block 19 that contacts the field winding 17 has a density of the reinforcing fibers 33a arranged in the direction substantially along the axial direction of the rotor 1 so that the axis of the rotor 1 It is woven so as to be higher than the density of the reinforcing fibers 33b arranged in the direction intersecting with the direction, that is, in the direction intersecting with the reinforcing fibers 33a. In other words, the woven fibers 33a are woven so that the number of reinforcing fibers 33a per unit length is larger than the number of reinforcing fibers 33b per unit length. The weaving method of the reinforcing fibers 33 may be a plain weave or a satin weave.
[0021]
The fiber layer woven so that the density of the reinforcing fibers 33a is higher than the density of the reinforcing fibers 33b is used for the fiber layer 37 that is at least closest to the surface on which the clear page block 19 contacts the field winding 17. However, it may be used for other fiber layers 35. Further, after the prepreg sheet is laminated to form the clip page block 19, when the thickness of the clip page block 19 is adjusted to a desired dimension, the side opposite to the surface that contacts the field winding 17, that is, the wedge 21 is contacted. The surface on the contact side is processed by cutting or the like. That is, the surface of the clear page block 19 that contacts the field winding 17 is in a state where the fiber layer 37 is not exposed and the resin covers the surface of the fiber layer 37.
[0022]
Here, in the present embodiment, the fiber layer 37 closest to the field winding 17 of the clip page block 19 in the axial direction of the rotor 1 with respect to the density of the reinforcing fibers 33b arranged in the direction intersecting with the axial direction of the rotor 1. Lined up in a direction substantially along the axial direction of the rotor 1 based on the relationship between the density ratio of the reinforcing fibers 33a arranged in the substantially along direction and the friction coefficient of the contact surface B of the field winding 17 and the clear page block 19. The density of the reinforcing fibers 33a, that is, the number per unit length is designed. That is, as shown in FIG. 5, the density ratio of the reinforcing fibers 33a arranged in the direction substantially along the axial direction of the rotor 1 of the fiber layer 37 closest to the field winding 17 of the clip page block 19 is increased, that is, the reinforcing When the number of the fibers 33a per unit length is increased, the friction coefficient of the contact surface B between the clip page block 19 and the field winding 17 is reduced.
[0023]
Therefore, the ratio of the density of the reinforcing fibers 33a aligned in the direction substantially along the axial direction of the rotor 1 to the density of the reinforcing fibers 33b aligned in the direction intersecting with the axial direction of the rotor 1 of the fiber layer 37 is the protruding portion 26 of the wedge 21. And the friction coefficient of the contact surface C between the tooth 25 and the groove 27 of the tooth 25, the friction coefficient of the contact surface D of the wedge 21 and the clip page block 19, and the friction coefficient of the contact surface E of the field winding 17 and the correlated insulating material 31. Further, the friction coefficient of the contact surface B between the clear page block 19 and the field winding 17 is designed to be smaller. Thereby, the slip of the member due to the thermal expansion and contraction of the field winding 17 in the rotor 1 of the present embodiment surely occurs at the contact surface B between the clear page block 19 and the field winding 17.
[0024]
Furthermore, in the present embodiment, the axial direction of the rotor 1 is substantially aligned with the density of the reinforcing fibers 33b arranged in the direction intersecting with the axial direction of the rotor 1 in the fiber layer 37 closest to the field winding 17 of the clear page block 19. Based on the relationship between the density ratio of the reinforcing fibers 33a arranged in the direction, the compressive strength of the clip page block 19, and the variation stability of the friction coefficient of the contact surface, the reinforcements arranged in the direction substantially along the axial direction of the rotor 1 The density of the fiber 33a is designed. That is, as the ratio of the number of reinforcing fibers 33a per unit length is increased, as shown in FIG. 6, the reinforcing fibers 33a are easily separated or dissociated from each other by stress acting on the clear page block 19, The clear page block 19 is cracked in a direction substantially along the axial direction of the rotor 1, and the compressive strength of the clear page block 19 is lowered.
[0025]
On the other hand, the density ratio of the reinforcing fibers 33a arranged in the direction substantially along the axial direction of the rotor 1 is increased, that is, the unit of the reinforcing fibers 33a arranged in the sliding direction of the field winding 17 and the clip page block 19. As the ratio of the number per length increases, the friction coefficient in the direction substantially along the axial direction of the rotor 1 of the contact surface B between the field winding 17 and the clear page block 19 decreases. For this reason, the field winding 17 and the clip page block 19 can slide smoothly, and the stability of the friction coefficient between the slots 15 is increased. Therefore, the ratio of the number per unit length of the reinforcing fibers 33a arranged in the direction substantially along the axial direction of the rotor 1 of the fiber layer 37 closest to the field winding 17 of the clear page block 19 of the present embodiment is moderate. It is designed with a ratio F that provides the compression strength of the clear page block 19 and the appropriate stability of the friction coefficient of the contact surface B.
[0026]
Note that the ratio of the number of reinforcing fibers 33a arranged in a direction substantially along the axis of the rotor per unit length is not limited to the ratio F of the present embodiment, but is arranged in a direction intersecting with the axis of the rotor as shown in FIG. What is necessary is just to obtain the relationship between the density ratio of the reinforcing fiber 33a to the density of the reinforcing fiber 33b, the compression strength of the clip page block, and the variation stability of the friction coefficient, and design according to the compression strength required for the clip page block. .
[0027]
By the way, when the field winding 17 is energized while the rotor 1 is rotating and the temperature rises, the field winding 17 thermally expands in a direction substantially along the axial direction of the rotor 1. Further, when the energization to the field winding 17 is interrupted, the field winding 17 contracts in a direction substantially along the axial direction of the rotor 1 due to a temperature drop. That is, the field winding 17 expands and contracts by repeatedly starting and stopping the rotating electrical machine. At this time, due to the expansion and contraction of the field winding 17, the contact surface B between the clip page block 19 and the field winding 17, the contact surface C of the engagement portion between the wedge 21 and the tooth 25, the wedge 21 and the clip page. The number of slips in the case where slip occurs in any one of the contact surface D with the block and the contact surface E between the field winding 17 and the correlation insulating material 31, and the friction coefficient between the slots 15 of each contact surface. Looking at the relationship with the variation width, as shown in FIG. 7, as the number of slips increases, the variation width of the friction coefficient between the slots 15 of the contact surface C, contact surface D, and contact surface E changes. The width of variation gradually increases as the number of slips increases. Although not shown, in the conventional rotor, when slippage occurs on the contact surface B between the clip page block and the field winding, the width of variation gradually increases as the number of slips increases. .
[0028]
On the other hand, in the rotor 1 of the present embodiment, in the direction substantially along the axial direction of the rotor 1 with respect to the density of the reinforcing fibers 33b arranged in the direction intersecting with the axial direction of the rotor 1 of the fiber layer 37 of the clip page block 19. The density ratios of the reinforcing fibers 33a arranged are as follows: the friction coefficient of the contact surface C between the protrusion 26 of the wedge 21 and the groove 27 of the tooth 25, the friction coefficient of the contact surface D of the wedge 21 and the clear page block 19, and the field The friction coefficient of the contact surface B between the clip page block 19 and the field winding 17 is designed to be smaller than the friction coefficient of the contact surface E between the winding 17 and the correlated insulating material 31. However, the friction coefficient of the contact surface B between the clear page block 19 and the field winding 17 is the case where a layer made of a low friction coefficient material such as ethylene tetrafluoride is formed on the contact surface like a conventional rotor. The coefficient of friction is greater than
[0029]
For this reason, slippage between members due to thermal expansion and contraction of the field winding 17 in the rotor 1 surely occurs at the contact surface B between the clip page block 19 and the field winding 17. That is, the thermal expansion and contraction of the field winding 17 can always be absorbed by the slip of the contact surface B between the clip page block 19 and the field winding 17. Further, as described above, the ratio of the number of the reinforcing fibers 33a arranged in the direction substantially along the axial direction of the rotor 1 of the fiber layer 37 is designed so that the desired friction coefficient stability is obtained. Therefore, even if the rotating electrical machine is repeatedly started and stopped, the variation width of the friction coefficient between the slots 15 on the contact surface B between the clear page block 19 and the field winding 17 hardly changes.
[0030]
Thus, in the rotor 1 of the rotating electrical machine of the present embodiment, the reinforcing fiber 33 of the fiber layer 37 closest to the field winding 17 of the clear page block 19 is made of glass fiber or the like harder than the field winding 17, In addition, the number per unit length of the reinforcing fibers 33a arranged in the direction substantially along the expansion / contraction direction of the field winding 17 per unit length of the reinforcing fibers 33b arranged in the direction intersecting with the expansion / contraction direction of the field winding 17 is obtained. More than the number. For this reason, the friction coefficient of the contact surface B between the clear page block 19 and the field winding 17 can be made smaller than the friction coefficient between other members, so that the sliding of the member due to the thermal expansion of the field winding 17 is ensured. This occurs at the contact surface B between the clear page block 19 and the field winding 17. Accordingly, the slip generation site in each slot 15 is the same, and the radius of the moment of the stress acting on the rotor 1 generated by the friction of the slide generation site in each slot 15 is substantially constant with respect to the axis of the rotor 1. Can do. Further, the field winding 17 is reinforced fiber 33a made of glass fiber that is harder than the field winding 17 of the fiber layer 37 of the clip page block 19 even in a state where the field winding 17 is pressed against the clip page block 19 by a centrifugal force. Thus, it is possible to smoothly slide in a direction substantially along the axial direction of the rotor 1. For this reason, even if the number of slips increases by repeatedly driving and stopping the rotating electrical machine, it is difficult to change the variation width of the friction coefficient between the slots 15. That is, the bending of the rotor 1 that occurs during rotation can be reduced.
[0031]
Furthermore, in the present embodiment, the reinforcing fibers 33 are woven of reinforcing fibers 33a aligned in a direction substantially along the axial direction of the rotor 1 and reinforcing fibers 33b aligned in a direction intersecting with the axial direction of the rotor 1. The compressive strength of the portion of the clear page block 19 in contact with the field winding 17 can be improved by the reinforcing fiber 33b. In addition, in the rotating electrical machine provided with the rotor 1 of the present embodiment, it is possible to improve the reliability of the rotating electrical machine by suppressing the vibration due to the bending of the rotor 1 and the life reduction due to this vibration.
[0032]
In the present embodiment, the reinforcing fiber 33 of the fiber layer 37 closest to the field winding 17 of the clear page block 19 is woven of reinforcing fibers 33a and 33b having the same diameter. Reinforcing fibers having different diameters can be used for the reinforcing fibers 33a arranged in a direction substantially along the direction and the reinforcing fibers 33b arranged in a direction intersecting with the reinforcing fibers 33a. At this time, as shown in FIG. 8, if the reinforcing fibers 33a aligned in the direction substantially along the axial direction of the rotor 1 are reinforced fibers having a larger diameter than the reinforcing fibers 33b aligned in the direction intersecting with the reinforcing fibers 33a, The rigidity of the reinforcing fibers 33a aligned in the direction substantially along the axial direction of the child 1, that is, in the expansion / contraction direction of the field winding 17 can be increased. Therefore, even if the field winding 17 is pressed against the surface of the clip page block 19 with a high surface pressure, the reinforcing fiber 33a is difficult to bend, so that the field winding 17 and the clip page block 19 slide more smoothly. be able to.
[0033]
(Second Embodiment)
A second embodiment of a rotor of a rotating electrical machine to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a perspective view schematically showing a configuration of a fiber layer of a cripage block of a rotor to which the present invention is applied. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and configurations and features that are different from those in the first embodiment will be described.
[0034]
In this embodiment, the formation method of the clip page block 19 is the same as that of the first embodiment, but the reinforcing fiber 33 of the fiber layer 39 closest to the field winding 17 of the clip page block 19 is the rotor 1. This is different from the first embodiment in that it is composed of only reinforcing fibers 33a arranged in a direction substantially along the axial direction. That is, the reinforcing fiber 33 of the fiber layer 39 closest to the field winding 17 of the clip page block 19 is not woven, and only the reinforcing fibers 33a arranged in the direction substantially along the axial direction of the rotor 1 are arranged. It has become. The configuration having only the reinforcing fibers 33a arranged in the direction substantially along the axial direction of the rotor 1 may be used for at least the fiber layer 39 closest to the field winding 17, but used for the other fiber layers 35. You can also.
[0035]
As described above, in the rotor 1 provided with the clear page block 19 according to the present embodiment, the reinforcing fiber 33 of the fiber layer 39 closest to the field winding 17 is not woven. The reinforcing fibers 33a in a direction substantially along the axial direction of 1 can be made smooth. Therefore, the slippage of the member due to the thermal expansion of the field winding 17 surely occurs at the contact surface B between the clearance page block 19 and the field winding 17, and the field winding 17 has a high contact pressure and the clearance page block. Even when pressed against the surface 19, the reinforcing fiber 33 a has a smooth textured portion, so that the field winding 17 can smoothly slide.
[0036]
However, as described in the first embodiment, when the rotor 1 is rotated, the field winding 17 is pressed against the surface of the clear page block 19 with a high surface pressure. The 39 reinforcing fibers 33a are easily separated or dissociated from each other by the stress acting on the clip page block 19. For this reason, there is a case where sufficient compression strength of the clear page block 19 cannot be obtained such that the clear page block 19 is torn in a direction substantially along the axial direction of the rotor 1. In such a case, as shown in FIG. 10, the fiber layer located on the outer peripheral side of the fiber layer 39, that is, the fiber layer 41 located next to the fiber layer 39 extends in a direction intersecting with the reinforcing fibers 33a. The reinforcing fibers 33b are arranged side by side.
[0037]
With this configuration, the reinforcing fibers 33b extending in the direction intersecting the axial direction of the rotor 1 of the fiber layer 41 are separated from each other by the stress acting on the clip page block 19 by the reinforcing fibers 33a of the fiber layer 39. It can be prevented that the clip page block 19 is dissociated and tears in a direction substantially along the axial direction of the rotor 1. Therefore, the compression strength of the clear page block 19 can be improved, and the reliability of the clear page block 19 can be improved.
[0038]
In addition, when sufficient compression strength is not obtained even if the clip page block 19 is configured to include the fiber layer 39 and the fiber layer 41, the reinforcing fibers 33a extending in a direction substantially along the axial direction of the rotor 1 are provided. The rotor 1 according to the first embodiment including the clear page block 19 having the fiber layer 37 woven with the reinforcing fibers 33b oriented in the direction intersecting with the axial direction of the rotor 1 is used.
[0039]
(Third embodiment)
A third embodiment of a rotor of a rotating electrical machine to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 11 is a perspective view schematically showing a long prepreg sheet wound in a roll shape used for forming the clip page block. FIG. 12 is a perspective view schematically showing a state in which a plurality of prepreg sheet fragments cut out from a long prepreg sheet wound in a roll shape are stacked. FIG. 13 is a perspective view schematically showing an intermediate molded body of a clip page block and a clip page block cut out from the intermediate molded body. In the present embodiment, the same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. The configuration and features that are different from those in the first and second embodiments will be described. To do.
[0040]
The difference between the present embodiment and the first and second embodiments is that a long prepreg sheet is formed in advance when forming a clear page block, and prepreg sheet fragments cut out from the long prepreg sheet are laminated. This is because a clear page block is formed. That is, when forming the crimp page block 19 of the rotor 1 of the present embodiment, as shown in FIG. 11, a long prepreg sheet formed by including a semi-cured epoxy resin in a woven reinforcing fiber 33 43 is used. The long prepreg sheet 43 is wound in a roll shape, and the density of the prepreg sheet 43 of the reinforcing fibers 33a extending in the direction along the short side direction of the long prepreg sheet 43 is in the long side direction. It is higher than the density of the reinforcing fibers 33b extending along the direction.
[0041]
From this long prepreg sheet 43, as shown in FIG. 12, a prepreg sheet fragment 45 is cut out, and a plurality of the prepreg sheet fragments 45 are stacked and pressed in a heated state in the same manner as in the first and second embodiments. The intermediate molded body 47 of the clear page block 19 is obtained. At this time, the prepreg sheet pieces 45 are overlapped so that the directions of the reinforcing fibers 33a and the reinforcing fibers 33b are aligned. The number of prepreg sheet pieces 45 to be stacked is set to be slightly larger than the thickness of the clear page block 19. As shown in FIG. 13, the clip page block 19 is cut out from the intermediate molded body 47 in accordance with the required clip page block width L, and the opposite side to the side in contact with the field winding 17, that is, the wedge 21. The thickness is adjusted by processing the surface on the side that comes into contact with.
[0042]
As described above, in the present embodiment, when the clip page block 19 is manufactured, the reinforcing fibers 33 are woven, that is, the reinforcing fibers 33 a arranged in a direction substantially along the axial direction of the rotor 1 and the axial direction of the rotor 1 intersect. The clear page block 19 can be formed from one type of long prepreg sheet 43 without preparing a plurality of types of prepreg sheets having different density ratios and thicknesses from the reinforcing fibers 33b arranged in the direction. That is, the formation work of the clear page block 19 can be simplified, and the cost of the clear page block 19 can be reduced.
[0043]
In the present embodiment, the reinforced fiber 33a and the reinforced fiber 33b are stacked so that the directions of the reinforced fiber 33a and the reinforced fiber 33b are aligned. However, the prepreg sheet pieces 45 can be stacked by alternately changing the directions of the reinforced fiber 33a and the reinforced fiber 33b. Further, not only the woven reinforcing fiber 33 but also a long prepreg sheet 43 having only the reinforcing fibers 33 arranged in one direction is formed, and a crisp block is formed by a prepreg sheet fragment 45 cut out from the long prepreg sheet 43. 19 can also be formed. At this time, for example, if the directions of the reinforcing fibers 33 are alternately changed so that the directions of the reinforcing fibers 33 of the adjacent fiber layers intersect with each other, the prepreg sheet pieces 45 are laminated as in the second embodiment. A clear page block 19 having a configuration can be obtained.
[0044]
In the first to third embodiments, glass fibers are used as the reinforcing fibers 33, but alumina fibers, aramid fibers, silicon carbide fibers or the like are used alone as the reinforcing fibers, or glass fibers, alumina fibers, Various reinforcing fibers such as a mixture of two or more aramid fibers and silicon carbide fibers can be used. Furthermore, although an epoxy resin is exemplified as a resin for forming the clip page block 19, various resins having thermoplasticity and electrical insulation properties such as PEEK and FRP can be used. In addition, the fiber reinforced resin layer constituting the clip page block 19 is not limited to a method in which a semi-cured resin is included in the reinforced fiber, but a method in which heat is applied to a material in which the reinforced fiber is sandwiched between semi-cured resins. Can be formed. Furthermore, although the rotor 1 is configured to have a plurality of field windings 17, the number of field windings may be one.
[0045]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the bending of the rotor which generate | occur | produces at the time of rotation can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an example of a rotating electrical machine provided with a rotor to which the present invention is applied, partially broken away.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a body portion of an embodiment of a rotor to which the present invention is applied.
3 is an enlarged cross-sectional view of a portion A in FIG.
FIG. 4 is a perspective view schematically showing a configuration of a fiber layer of a clear page block provided in the first embodiment of the rotor to which the present invention is applied.
FIG. 5 shows the ratio of the density of reinforcing fibers aligned in the direction along the axial direction of the rotor to the density of reinforcing fibers aligned in the direction intersecting the axial direction of the rotor of the clip page block, and It is a figure which shows the relationship with the friction coefficient of a contact surface.
FIG. 6 shows the ratio of the density of fibers aligned in a direction substantially along the axial direction of the rotor to the density of reinforcing fibers aligned in the direction intersecting with the axial direction of the rotor of the clear page block, and the compressive strength and friction coefficient of the clear page block. It is a figure which shows the relationship with stability of.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the number of slips of the contact surface of each member and the variation in the coefficient of friction.
FIG. 8 is a perspective view schematically showing a configuration of a fiber layer in a modified example of the first embodiment.
FIG. 9 is a perspective view schematically showing a configuration of a fiber layer of a clear page block provided in a second embodiment of a rotor to which the present invention is applied.
FIG. 10 is a perspective view schematically showing a configuration of a fiber layer in a modified example of the second embodiment.
FIG. 11 is a perspective view schematically showing a long prepreg sheet wound in a roll shape used for forming a clip page block provided in a third embodiment of a rotor to which the present invention is applied.
FIG. 12 is a perspective view schematically showing a state in which a plurality of prepreg sheet pieces cut out from a long prepreg sheet wound in a roll shape are stacked.
FIG. 13 is a perspective view schematically showing an intermediate molded body of a clip page block and a clip page block cut out from the intermediate molded body.
[Explanation of symbols]
1 Rotor
13 Torso
15 slots
17 Field winding
19 Clear page block
21 wedge
33, 33a, 33b Reinforcing fiber
37 Fiber layer

Claims

A body portion, a plurality of slots formed substantially from the outer peripheral surface of the body portion toward the shaft of the body portion, a field winding housed in the slot, and an outer peripheral side of the field winding A rotor of a rotating electrical machine, including a clip page block that contacts the field winding, and a wedge that is positioned on the outer peripheral side of the clip page block and engages with the opening of the slot,
The clear page block is made of a fiber reinforced resin, and the fiber layer closest to the contact surface with the field winding of the clear page block has reinforcing fibers arranged in a direction substantially along the axial direction of the rotor. A rotor characterized by that.

A body portion, a plurality of slots formed substantially from the outer peripheral surface of the body portion toward the shaft of the body portion, a field winding housed in the slot, and an outer peripheral side of the field winding A rotor of a rotating electrical machine, including a clip page block that contacts the field winding, and a wedge that is positioned on the outer peripheral side of the clip page block and engages with the opening of the slot,
The clear page block is made of a fiber reinforced resin, and the fiber layer closest to the contact surface with the field winding of the clear page block includes the first fiber aligned in a direction substantially along the axial direction of the rotor and the fiber A rotor characterized by being woven with second reinforcing fibers arranged in a direction intersecting with the first reinforcing fibers, wherein the density of the first reinforcing fibers is higher than the density of the second reinforcing fibers. .

The ratio of the density of the first reinforcing fiber to the density of the second reinforcing fiber is such that the friction coefficient of the contact surface between the clear page block and the field winding is the clear page block and the field winding. The rotor according to claim 2, wherein the rotor is determined to be smaller than a friction coefficient of a contact surface of a member that may cause slippage other than the contact surface.

A body portion, a plurality of slots formed substantially from the outer peripheral surface of the body portion toward the shaft of the body portion, a field winding housed in the slot, and an outer peripheral side of the field winding A rotor of a rotating electrical machine, including a clip page block that contacts the field winding, and a wedge that is positioned on the outer peripheral side of the clip page block and engages with the opening of the slot,
The clear page block is made of a fiber reinforced resin, and the fiber layer closest to the contact surface with the field winding of the clear page block includes first reinforcing fibers arranged in a direction substantially along the axial direction of the rotor. A rotating electrical machine characterized by being woven with second reinforcing fibers arranged in a direction intersecting with the first reinforcing fibers, wherein the diameter of the first reinforcing fibers is larger than the diameter of the second reinforcing fibers. Rotor.

A body portion, a plurality of slots formed substantially from the outer peripheral surface of the body portion toward the shaft of the body portion, a field winding housed in the slot, and an outer peripheral side of the field winding A rotor of a rotating electrical machine, including a clip page block that contacts the field winding, and a wedge that is positioned on the outer peripheral side of the clip page block and engages with the opening of the slot,
The clear page block is made of a fiber reinforced resin, and the fiber layer closest to the contact surface with the field winding of the clear page block is formed of reinforcing fibers arranged in a direction substantially along the axial direction of the rotor. A rotor characterized by

The fiber layer located on the outer peripheral side of the fiber layer in contact with the field winding of the clear page block is formed of reinforcing fibers arranged in a direction intersecting with the reinforcing fiber of the fiber layer closest to the field winding. The rotor according to claim 5.

The rotor according to any one of claims 2 to 6, wherein the clip page block is made of a fiber reinforced resin formed by laminating prepreg sheets using reinforcing fibers as reinforcing materials.

A rotating electrical machine comprising: the rotor according to claim 1; a bearing that fixes the rotor; and a stator that is positioned on an outer peripheral side of the rotor.