JP2000512835A - 回転電気機械の固定子の装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 回転電気機械の固定子の機械的強度、および固有周波数を増大するための装置において、前記固定子が、巻線を収容するためのスロット（８）の間に複数の歯（１０）を持ち、前記複数の歯の複数の自由端部が、固定子とロータとの間のギャップに位置していて、強度を増大するためのスペーサ（１１）が、隣接する固定子の複数の歯（１０）の複数の自由端部の間の各空間に配置される。それ故、前記自由端部は接線方向に固定される。

Description

【発明の詳細な説明】 回転電気機械の固定子の装置 本発明は、回転電気機械の固定子の機械的強度および固有周波数を増大させ、 固定子の歯の間の破損を引き起こす振動を防止するための装置に関する。 とりわけ、１９７０年のジャーナル・エレクトロテクニカ１号、６〜８ページ の「水冷および油冷ターボ発電機、ＴＶＭ−３００」（“Ｗａｔｅｒ−ａｎｄ− ｏｉｌ−ｃｏｏｌｅｄ Ｔｕｒｂｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ ＴＶＭ−３００”ｉｎ Ｊ．Ｅｌｅｋｔｒｏｔｅｃｈｎｉｋａ，Ｎｏ．１ １９７０，ｐａｇｅ ６− ８）という名称の論文、米国特許第４，４２９，２４４号「発電機の固定子（Ｓ ｔａｔｏｒ ｏｆ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）」およびロシアの文献ＣＣＣＰ特許９ ５５３６９に、同期機械の設計に関する新しい方法によるいくつかの試みが記載 されている。 ジャーナル・エレクトロテクニカに記載されている水冷および油冷同期機械は 、２０キロボルトまでの電圧に対するものである。前記論文は、固定子をオイル の中に完全に埋没させることができる、オイル／紙絶縁材からなる、新しい絶縁 システムを記載している。その後、前記オイルは、冷却剤として使用することが でき、同時に絶縁材としても使用することができる。固定子のオイルがロータの 方に漏れ出すのを防止するために、前記コアの内面に誘電オイル分離リングが設 けられている。固定子巻線は、オイルおよび紙絶縁材を含む中空の楕円形の導体 から作られる。その絶縁材を持つコイル側面は、クサビより長方形の断面を持つ スロットに固定される。冷却剤としては、中空の導体および固定子壁部の孔部の 両方にオイルが使用される。しかし、前記冷却システムは、必然的に、端部巻線 のところに、オイルおよび電気の両方の多数の接続を必要とする。前記厚い絶縁 材は、また必然的に導体のより大きな曲率半径を必要とし、その結果、巻線の出 っ張りが大きくなる。 上記米国特許は、固定子巻線用の菱形のスロットを持つ、電気スティールの積 層磁気コアを備える同期機械の固定子部分に関する。前記スロットは先細になっ ている。何故なら、中点に最も近いところに位置する巻線の一部が配置される、 ロータ内部に近づくにつれて、必要な固定子の絶縁材の量が少なくなるからであ る。さらに、前記固定子部分は、このリングがないと、機械の磁化要件が増大す る恐れがある、コアの内面に最も近い誘電オイル分離円筒形を備える。固定子巻 線は、各巻線層と同じ直径を持つ、オイルを浸み込ませたケーブルから作られる 。複数の層は、スロットのスペーサにより、相互に分離されていて、クサビによ り固定されている。前記巻線の特殊な点は、この巻線が直列に接続している二本 のいわゆる半巻線であることである。二本の半巻線の中の一方は、絶縁スリーブ 内に位置し、そこに中心を持つ。固定子巻線の導体は、周囲のオイルにより冷却 される。システムでこのような大量のオイルを使用する場合の欠点は、漏洩の危 険があることであり、故障した場合、オイルを除去するのにかなりの大規模な清 掃を必要とすることである。スロットの外側に位置する絶縁スリーブの前記部分 は、電流を流すための層で補強された円筒形の部分と円錐形の部分とを持つ。こ れら部分の目的は、ケーブルが端部巻線に入る部分の電界強度を制御することで ある。 ＣＣＣＰ９５５３６９を読めば、同期機械の定格電圧の数値を上げるためにの 他の試みの場合、油冷固定子巻線は、すべての層において同じ太さを持つ高電圧 ケーブルからなることは明らかである。前記ケーブルは、円形の固定子スロット 、ケーブルの断面に対応する軸方向に位置する開口部、および固定作業および冷 却剤のために必要な空間に設置される。前記巻線のいくつかの半径方向に位置す る複数の層は、絶縁チューブにより取り囲まれ、前記チューブにより固定される 。絶縁スペーサは、固定子スロットにチューブを固定する。オイルで冷却するた め、内部エアギャップに対して冷却剤を密封するために、内部誘電リングが必要 になる。図示の設計の場合、固定子スロットの絶縁材はテーパ状になっていない 。前記設計の場合には、機械の磁化要件に有意な影響を与える、大量のスロット 漏洩磁束を含む、いくつかの固定子スロットの間は、非常に細い半径方向に延び るくびれた部分になっている。 本発明が解決しようとする問題は、主として電力を発生するための発電所の発 電機のような高圧電気交流機械に関連して発生する。従来、前記の機械は、１５ 〜３０キロボルトの電圧範囲で使用するために設計されてきたが、その電圧の上 限は、通常３０キロボルトであると考えられてきた。このことは、通常、発電機 は、電圧を電力ネットワークのレベルの電圧、すなわち、１３０〜４００キロボ ルトの範囲まで昇圧するトランスを通して、前記電力ネットワークに接続しなけ ればならないことを意味する。 高圧絶縁電気導体を使用することにより、例えば、架橋ポリエチレン（ＸＬＰ Ｅ）のような送電線用のケーブルで使用される永久的絶縁材に類似の永久的絶縁 材を持つ、下記のケーブル、固定子巻線においては、前記機械の電圧を、中間ト ランスを使用しないで、電力ネットワークに直接接続することができるレベルに まで昇圧することができる。それ故、従来の昇圧トランスを使用しないですむ。 この方法は、一般的に、（電圧がもっと高く、巻線の数ももっと多く、そのた めもっと厚い絶縁材を必要とする）従来技術より、固定子のもっと深いところに ケーブルを設置するためのスロットを必要とする。そのため、前記固定子スロッ ト間の固定子の歯の機械的固有周波数に関連して、必然的に新しい問題が起こっ てくる。深いスロットを持つ固定子は、通常、５０Ｈｚの公称出力周波数を持つ 機械の場合、１００Ｈｚの周波数の電磁力である外乱力を伴う共振により、エア ・ギャプのところで破損を引き起こす振動を受ける場合がある。 本発明の目的は、前記問題を解決し、それにより固定子の歯の間の振動を防止 することである。前記目的は、添付の請求の範囲に記載する方法および装置によ り達成することができる。 添付の図面を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。 図１は、本発明と一緒に使用する、本特許明細書ではケーブルと呼ぶ、絶縁電 気導体の横断面である。 図２は、固定子コアの一つのセクターを軸方向に見た図である。 図３および図４は、本発明の二つの実施形態の固定子コアのエアギャップのと ころに位置するスロットの端部を軸方向に見た図である。 図５は、本発明の第三の実施形態の固定子コアの一つのセクターを軸方向に見 た図である。 図６は、本発明の装置の他の用途向けの固定子コアの一つのセクターを軸方向 に見た図である。 図７は、図６に対応する固定子部分の軸方向の断面図である。 図８および図９は、それぞれ、前記エアギャップに近い固定子コアの端部の部 分断面を半径方向および軸方向に見た図である。 図１は、本発明と一緒に使用する絶縁電気導体またはケーブル１の横断面であ る。前記ケーブル１は、多数のストランドからなり、例えば、銅で作られた、断 面が丸い導体２を備える。前記導体２は、前記ケーブル１の中央に配置される。 前記導体２の周囲には、第一の半導体層３が設けられる。前記第一の半導体層３ の周囲には、例えば、ＸＬＰＥ絶縁材のような絶縁層４が設けられる。前記絶縁 層４の周囲には、第二の半導体層５が設けられる。それ故、この場合、前記ケー ブルは、通常、電力分配用のケーブルを取り巻いている外側の保護スリーブは含 んでいない。 図２は、新しい高圧交流発電機用の固定子絶縁材６の一部である。他の層の上 に設けられた前記固定子積層材６は、固定子のコアを形成する。これは環状をし ていて、エアギャップ７でロータ（図示せず）を取り巻いている。固定子を通し て軸方向に延びるケーブルを収容するためのスロット８は、従来の機械より深い 。そのため、必然的に、固定子の固有周波数が低く、その振動が固定子の歯１０ で容易に発生するという前記欠点を伴う。 この問題を解決するために、図３に示すように、スロット８の開口部にスペー サ、またはスロット・クサビ１１を挿入する方法が提案されている。前記クサビ は、電気を通さない材料で作られていて、例えば、ガラス繊維で補強したプラス チック（エポキシ・プラスチック）のように、磁気を帯びず、硬質で、丈夫であ り、前記固定子の軸方向の全長を横切って延びる。このクサビは、組立作業中矢 印１２で示すように、半径方向の力により挿入され、それにより固定子の周囲全 体にわたって、エアギャップのところに固定子の歯の間の接線方向に丈夫な接続 が形成される。この丈夫な接続により、固有周波数が増大し、個々の各歯の強度 が非常に増大し、全固定子コアの曲げ剛性が増大する。他の重要な利点は、ロー タ電極からのエアギャップのところの接線方向の電磁力が、歯の間に均等に分配 することである。 図３を見れば分かるように、クサビ１１は半径方向の力により、ケーブル１に 接していない。最も近いケーブルが図示してある。図２を見ればはっきり分かる ように、従来の発電機とは異なり、スロット８は、各ケーブル１用の凹部を持つ 、自転車のチェーンに類似の形に設計されていて、それにより、前記ケーブルが 半径方向に固定される。従来の発電機の場合には、ケーブル・スロットは均一の 幅を持ち、ケーブルは接線方向に負荷を掛けない、スロット・クサビによる半径 方向の力により圧入される。それ故、これら従来のスロット・クサビは、本発明 のスロット・クサビ１１の機能とは全く異なる機能を持っている。本発明のスロ ット・クサビの唯一の機能は、接線方向にプレストレスＦ_TANを掛けることであ り、それにより、固定子の歯の自由端部の間に十分な硬度を持ち、丈夫な接続を 行うことができる。 図４は、本発明の装置の他の実施形態である。この図の場合、クサビ１１は、 倒置されていて、クサビの面は固定子の歯１０の上で相互に協力する。圧力が加 わると、この場合、クサビは、そのシートの最も内部に半径方向に固定されてい るケーブル１により、エアギャップの方向に押される。それ故、圧力が加わった 場合、ケーブル１およびクサビ１１の間を延びる、それ自身周知のチューブを使 用することができる。チューブ１４は、圧力下で硬化する液体エポキシ・コンパ ウンドで満たされている。前記チューブは、以前、従来の発電機において、巻線 を形成している導体を、スロットの底の方向に向け外側にスロット内に押し込む ために使用された。本発明の場合には、このような機能は必要でない。 図５は第三の実施形態である。この図の場合には、固定子の歯の間の接線方向 の圧縮は、タイ・ロッドの形をしている外部装置、コード１６または外部固定子 フレーム１７を通して、固定子コア１５に加えられる張力Ｆにより、クサビ１１ を通して行われる。張力が外部装置に加わった場合、対抗圧縮力がエアギャップ のところの固定子の歯およびクサビで得られるように、複数のセグメントからな る固定子が、最終組立作業中に一緒に結合される。 図３および図４の場合、スペーサ１１は、上記のようにクサビの形をしている 。しかし、前記スペーサは、平行六面体の形にすることもできる。その場合、図 ５に示すように、接線方向に丈夫な接続を行うことができる。単に固定するため に、または固定を行う前に接線方向に固定するために、スペーサ１１と固定子の 歯１ ０の間を接着剤で接着することもできる。 図６−図９は、固定子コア１５を軸方向に圧縮するためのプレストレスを得る ための、本発明のスロット・クサビの使用方法を示す。クサビ１１の張力を、固 定子コア１５において均等に分配された圧縮力に変換するための、力伝達装置と して働くために、固定子の歯１０に直接対向する、コア１５の各側面上に、圧力 フィンガ１８が配置される。この目的を達成するためには、クサビの両端部は、 圧力ユニット８と協力することができる、横部材１９により一緒に結合される。 図示の実施形態の前記横部材１９は、圧縮スプリング２１により、外側に押され ている横部材１９をスライドすることができるピン２０により、クサビ１１と結 合している。圧力フィンガ８の一方の端部は、前記横部材１９の下で係合し、前 記横部材に負荷を掛けることができ、それにより、前記クサビは積層コア１５か ら外側の方向に押される。圧力フィンガ１８の他方の端部は、固定子フレーム１ ７に接続している二つの装置２２および２３の間に固定される。 横部材１９の代わりに、図８および図９の右側に示すように、クサビ１１の張 力をクサビ１１の縁部上で、ネジのネジ山２５と協力しているナット２４を通し て、固定子コア１５で圧縮力に変換することができる。ナット２４からの前記圧 縮力は、例えば、積層ガラス繊維からなるプレート２６を通して固定子コア１５ に伝えられる。 図６−図９に示すように、固定子の歯を接線方向に位置させるために使用され るスロット・クサビは、また、固定子コアで必要な圧縮力を得るためのタイ・ロ ッドとして使用されるので有利である。 特に、その巻線が冒頭のところで説明したタイプで、好適には、３６〜８００ キロボルトの電圧範囲の絶縁電気導体で作られている場合には、本発明は、二重 供給機械、非同期静電流コンバータ・カスケードの諸用途、外側回転機械および 同期磁束機械のような他の電気機械にも適用することができる。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．回転電気機械の固定子の機械的強度と固有周波数を増大するための装置で あって、前記固定子が巻線を収容するための複数のスロット（８）の間の複 数の歯（１０）を持ち、前記複数の歯の複数の自由端部が、固定子とロータ との間のエアギャップ（７）に位置する装置であって、強度を増大するため のスペーサ（１１）が、隣接する固定子の複数の歯（１０）の複数の自由端 部を接線方向に固定するために、前記複数の自由端部の間の各空間に配置さ れていることを特徴とする装置。 ２．請求項１記載の装置において、前記スペーサがクサビ（１１）を備えるこ とを特徴とする装置。 ３．請求項２記載の装置において、前記複数のクサビ面が、相互に接続してい る固定子の複数の歯（１０）の複数の端部に向けて外側に収束し、クサビ （１１）が、組立作業中、半径方向他の外側に向かう力を受けるように配置 されていることを特徴とする装置。 ４．請求項２記載の装置において、前記複数のクサビ面が、相互に接続してい る固定子の複数の歯（１０）の複数の端部の方向に外側に分岐し、拡張手段 （１４）が、前記クサビ（１１）と、スロット（８）に最も近い位置に位置 し、スロット（８）内のシートに固定されている巻線のケーブル（１）との 間に配置されていることを特徴とする装置。 ５．請求項４記載の装置において、前記拡張手段が、圧力下で硬化するエポキ シ・プラスチックのような液体コンパウンドで満たされているチューブ（１ ４）からなることを特徴とする装置。 ６．請求項１−請求項５の何れか１項記載の装置において、前記スペーサ（１ １）と固定子の複数の歯（１０）との間が接着剤で接合されることを特徴と する装置。 ７．請求項１または請求項２記載の装置において、締め付け力が、外側の固定 子フレーム（１７）、またはタイ・ロッド（１６）の形をしている外部装置 により、固定子コア（１５）の外側の部分に加えられ、それにより固定子の 複数の歯（１０）の複数の自由端部において、前記複数のスペーサの複数の 面上に、接線方向の圧縮力が発生することを特徴とする装置。 ８．請求項１−請求項７の何れか１項記載の装置において、前記固定子の全長 にわたって延びる前記スペーサ（１１）が、固定子コア（１５）に軸方向の プレストレスを加えるためのタイ・ロッドとして設計されていることを特徴 とする装置。 ９．請求項８記載の装置において、力を伝達するための装置（１８）が、前記 複数のスペーサ（１１）と前記固定子の外側の周辺との間に配列され、前記 スペーサ（１１）の軸方向の張力を、固定子コア（１５）の軸方向の圧縮応 力に変換するように配置されていることを特徴とする装置。 １０．請求項９記載の装置において、前記スペーサ（１１）が、横部材（１９） によりその複数の端部において一緒に接続していることと、前記力を伝達す るための装置が、前記固定子の複数の歯（１０）に直接対向する固定子コア （１５）の各側面上を半径方向に延びる圧力フィンガ（１８）からなり、前 記横部材（１９）の内側に突出する前記フィンガの内端部および外端部が、 前記固定子フレーム（１７）上で、固定装置（２２、２３）により、前記コ ア（１５）に対して押し付けられていることを特徴とする装置。 １１．請求項９記載の装置において、前記複数のスペーサ（１１）の複数の端部 が、プレート（２６）を通して、固定子の複数の歯（１０）に圧縮力を伝達 するためにナット（２４）と係合するためのネジのネジ山（２５）を持つこ とを特徴とする装置。 １２．前記固定子の固有周波数を増大するための請求項１−請求項１１の何れか １項記載の装置を特徴とする回転電気機械。 １３．請求項１２記載の回転電気機械において、前記巻線が、少なくとも一つの 電流を運ぶための導体（２）と、前記導体（２）の周囲に設けられている半 導体特性を持つ第一の層（３）と、前記第一の層（３）の周囲に設けられて いる固体の絶縁層と、前記絶縁層（４）の周囲に設けられている半導体特性 を持つ第二の層（５）を備えることを特徴とする装置。 １４．請求項１３記載の回転電気機械において、前記第一の層（３）の電位が、 前記導体（２）の電位とほぼ等しいことを特徴とする装置。 １５．請求項１３または請求項１４記載の回転機械において、前記第二の層（５ ）が、前記導体（２）を取り巻くほぼ等電位の面を形成することを特徴とす る回転電気機械。 １６．請求項１５記載の回転電気機械において、前記第二の層（５）が、予め定 めた電位に接続していることを特徴とする回転電気機械。 １７．請求項１６記載の回転電気機械において、前記の予め定めた電位がアース 電位であることを特徴とする回転電気機械。 １８．請求項１３−請求項１７の何れか１項記載の回転電気機械において、少な くとも二つの隣接する層が、ほぼ等しい熱膨張係数を持つことを特徴とす回 転電気機械。 １９．請求項１３−請求項１８の何れか１項記載の回転電気機械において、前記 電流を運ぶ導体（２）が、多数のストランドを備え、前記ストランドの中の 少数だけが相互に絶縁されていないことを特徴とする回転電気機械。 ２０．請求項１３−請求項１９の何れか１項記載の回転電気機械において、前記 三つの層それぞれが、ほぼ全接続面に沿って隣接する層に固定され、接続し ている回転電気機械。 ２１．請求項１３−請求項２０記載の回転電気機械において、前記ケーブル（１ ）も、同様に金属シールドおよび外装を備えることを特徴とする回転電気機 械。