JP2001510019A - 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剛性および固有周波数を高め、固定子に巻線（１２）を保持するスロット（２）間に固定子の歯を設けた装置において、固定子の歯（４、６）は、その自由端が固定子と回転子の間のエア・ギャップに配置され、隣接する固定子の歯と一体形成されて、固定子の歯を接線方向に機械的に固定するため、各固定子のスロットに配置された少なくとも１つのヨーク（１４）を有する。

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剛性および固有周波数を高める装置 に関し、固定子には、巻線を保持するスロット間に固定子の歯を設け、歯の自由 端は固定子と回転子との間のエア・ギャップに配置される。本発明は、このよう な回転電気機械にも関する。 電力を生成する発電所の発電機などの高圧電気交流機械、二重給電機械、外極 機械、同期機械および非同期静止形電流変換器カスケードはこれまで、１５〜３ ０ｋＶの範囲の電圧用に設計され、通常は３０ｋＶが上限と考えられてきた。こ れは一般に、発電機を電力網に接続するには、電力網のレベル、つまり約１３０ 〜４００ｋＶの範囲まで昇圧する変圧器を介する必要があるという意味である。 米国特許第5,036,165号には、絶縁体に半導体熱分解グラスファイバの内外層 を設けた導体が記載されている。例えば米国特許第5,066,881号に記載されてい るように、ダイナモエレクトリック機械の導体にこのような絶縁体を設け、半導 体熱分解グラスファイバ層が導体を形成する２本の平行な棒と接触し、固定子ス ロットの絶縁体を半導体熱分解グラスファイバの外部層で囲むことが知られてい る。熱分解グラスファイバ材料が適切とされるのは、含浸処理後にも抵抗率を維 持するからである。 この問題の解決法が、スウェーデン特許出願第9602083-9号に記載され、それ はスロット楔などの別個のスペーサを、隣接する固定子の歯の自由端間にあるス ペースに挿入する配置構成について記載している。この解決法の一つの欠点は、 固定子の振動および固定子の歯とスロット楔との熱膨張率の差によって、スロッ ト楔が緩みやすいことである。 固定子のスロットに挿入するよう意図されたスロット楔の特殊なシステムが、 米国特許第4,443,725号でも開示されている。しかし、この楔のシステムの目的 は、固定子の歯の剛性を向上させることではなく、電気導体を固定子スロットの 所定の位置に保持することである。 本発明の目的は、検討されているタイプの交流電流機械において、固定子の歯 の振動の問題に対して、以前の解決法の欠点に妨げられない新しい解決法を提供 することである。 この目的は、序文で述べ、請求項１で規定された独特の特徴を有するタイプの 装置、および請求項１０による機械で達成される。 隣接する固定子の歯と一体で各固定子スロットに、少なくとも１つの剛性向上 ヨークを設けることにより、固定子の歯を固定するヨークが接線方向に緩む危険 が取り除かれる。 本発明による装置の好ましい実施形態によると、ヨークがスロットの頂部に形 成される。このヨークの位置により、固定子の歯に最適の機械的支柱が提供され る。 しかし、本発明による装置の他の有利な実施形態によると、ヨークをスロット の頂部から距離をおいてスロットに形成するか、複数のヨークを、スロットの頂 部から様々な距離でスロットに形成することができる。 本発明のさらに別の有利な実施形態によると、ヨークが接線方向に生じる負荷 を吸収できるよう、スロットの方向の幅は、通常は２〜３ｍｍの下限を下回って はならない。 この方法で固定子スロットを閉じることにより、機械の電気的特性がマイナス の影響を受けて、ヨークがスロットの漏れを増加させ、その結果、負荷での励磁 の必要が高まる。つまり、界磁巻線の損失が増加する。スロットの漏れが増加す ると、機械の過渡リアクタンスにも影響を与える。 スロットを閉じると、エア・ギャップ磁束のスロット調波も減少し、従って開 放したスロットで獲得される調波の数分の一、通常は５〜１５％しか残らない。 したがって、スロットの調波で磁気的に生じるノイズがほぼ全て消える。 閉鎖した固定子スロットでの励磁損の上述した増加を減少させるため、本発明 による装置の有利な実施形態によると、磁気特性が固定子の歯の磁気特性から逸 脱するよう、ヨークを構築する。したがって、ヨークは、相対的透磁率を、好ま しくは１に近い値に下げるため、例えばヨーク穴をあけるか、ヨークの材料を例 えばレーザ加工などで加工することにより、ヨーク材料の相対的透磁率が１の値 に近いよう構築することができる。 本発明は、固定子巻線をスロットに通し、巻線が、複数の撚り線部分を有する 芯、芯を囲む内部半導体層、内部半導体層を囲む絶縁層、および絶縁層を囲む外 部半導体層を備えるタイプの高圧ケーブルで巻いた回転電気機械で使用すること を第１に意図する。以下で挙げる高圧ケーブルに、絶縁した高圧電気導体を、電 力を送電するケーブルに使用するのと同様の固体絶縁体とともに使用することに より（ＸＬＰＥケーブル）、機械の電圧を、中間変圧器なしで電力網に直接接続 できるようなレベルまで増加させることができる。したがって、変圧器を削除す ることができる。このタイプの機械では、固定子内でケーブルを入れるスロット が、従来のテクノロジーより一般に深い。というのは、巻線の電圧が高く、巻数 が多いので、より厚い絶縁が必要だからである。これにより、固定子スロット間 の固定子の歯の機械的固有振動の問題が大きくなる。スロットが深い固定子では 、電磁力によって発生して損傷を与える振動が容易に発生し、その結果、共振現 象が生じ、これは通常、電力網周波数の２倍の周波数である。したがって、本発 明による装置の利点は、このタイプの機械で特に明白である。 本発明による機械では、巻線は、ＸＬＰＥケーブルのように、現在配電に使用 されているような固体押出し絶縁体を有するタイプのケーブル、またはＥＰＡ絶 縁体を有するケーブルに相当するタイプでのケーブルで構成することが好ましい 。このようなケーブルは可撓性であり、これはこの状況では非常に重要な特性で ある。というのは、本発明による装置のテクノロジーが、主に、巻線が組立中に 曲げられる導体で実行される巻線システムをベースとするからである。ＸＬＰＥ ケーブルの可撓性は、通常、直径３０ｍｍのケーブルの場合は約２０ｃｍの曲率 半径に、直径８０ｍｍのケーブルの場合は約６５ｃｍの曲率半径に相当する。本 出願では、「可撓性」という用語は、巻線がケーブル直径の４倍、好ましくはケ ーブル直径の８倍から１２倍のオーダーで曲率半径まで撓むことができることを 示す。 ケーブルは、２０〜２００ｍｍの範囲の直径、および８０〜３０００ｍｍ²の 範囲の導電面積を有することが好ましい。 本発明による機械では、巻線は使用中に曲げられ、熱応力がかかった場合でも 、 その特性を維持するよう構築する。この状況で、層が互いに対する付着力を保持 することがきわめて重要である。ここでは層の材料特性、特にその弾性および相 対熱膨張率が非常に重要である。例えばＸＬＰＥケーブルでは、絶縁層が架橋低 密度ポリエチレンで構成され、半導体層が、煤および金属粒子を混合したポリエ チレンで構成される。温度変動の結果生じる体積の変動は、ケーブルの半径の変 化として完全に吸収され、これらの材料は弾性に対して層の熱膨張率の差が比較 的わずかであるので、層が互いから離れることなく半径方向に膨張することがで きる。 上述した材料の組合せは、例証にすぎないと考えられる。規定された状態を満 たす他の組合せ、および半導性である、つまり抵抗率が１０^-1〜１０^-6Ωｃｍ、 例えば１〜５００Ωｃｍまたは１０〜２００Ωｃｍの範囲である状態も、当然、 本発明の範囲に入る。 絶縁層は、例えば低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（Ｈ ＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン（ＰＢ）、ポリメチルペンタ ン（ＰＭＰ）などの固体熱可塑性材料、架橋ポリエチレン（ＸＬＰＣ）などの架 橋材料、またはエチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）またはシリコンゴムなどのゴ ムで構成することができる。 内部および外部半導体層は、同じ基本的材料でもよいが、煤や金属粉などの導 電材料の粒子が混入される。 これらの材料の機械的性質、特にその熱膨張率は、煤または金属粉が混入され ているか否かには、少なくとも本発明により必要な導電性を達成するのに必要な 割合では、それほど影響されない。したがって、絶縁層および半導体層は、ほぼ 同じ熱膨張率を有する。 エチレン酢酸ビニル共重合体／ニトリル・ゴム、ブチル・グラフト・ポリエチ レン、エチレン酢酸ブチル共重合体およびエチレンエチルアクリレート共重合体 も、半導体層の適切な重合体を構成することができる。 種々の層のベースとして異なるタイプの材料を使用する場合でも、その熱膨張 率がほぼ同じであることが望ましい。上に挙げた材料の組合せは、これに当ては まる。 上に拳げた材料は弾性が比較的良好で、弾性率がＥ＜５００ＭＰａ、好ましく は＜２００ＭＰａである。弾性率は、層の材料の熱膨張率にわずかな差があって も、ひび割れや他の損傷が現れず、層が互いから剥離しないよう、半径方向の弾 性率に吸収されるのに十分である。層の材料は弾性であり、層間の付着力は、少 なくとも最も弱い材料と同じ大きさである。 ２つの半導体層の導電性は、各層に沿って電位をほぼ等しくするのに十分であ る。外部半導体層の導電性は、ケーブル内に電界を含むのに十分なほど大きいが 、層の縦方向に誘導された電流によって有意の損失が生じることがないほど十分 に小さい。 したがって、２つの半導体層はそれぞれ、基本的に１つの等電位表面を備え、 これらの層を伴う巻線はその中に電界をほぼ封じ込める。 言うまでもなく、絶縁層内に１つまたは複数の追加の半導体層を配置するのは 差し支えない。 次に、本発明を添付図面に関連してさらに詳細に説明する。図１は開放スロッ トを有する固定子のスロット部分を示す。図２は、本発明により設計したスロッ ト部分を示す。図３は、本発明による代替実施形態を示す。図４は、本発明によ り使用する高圧ケーブルの断面を示す。 図１は、スロット２と、スロット２の各側に固定子の歯４、６の一部とを備え る、固定子の薄板鉄芯のスロット部分を示す。スロット２は、固定子を軸方向に 延びる巻線ケーブル１２を受けるよう配置され、スロット２は通常、このタイプ の交流機械の方が従来の機械より深い。このため、上述したように、固定子の固 有周波数が低く、固定子４、６に振動が発生しやすいという欠点が生じる。 図１から分かるように、このタイプの機械のスロット２は、従来の発電機と異 なり、スロット２間に配置された歯４、６の各ケーブル１２間に突起１０がある 自転車のチェーンに似ており、したがってケーブルが半径方向に固定される。し たがって、このタイプのスロットは、従来のエア・ギャップまで全体に完全に直 線の側部を有する開放した長方形のスロットと区別するため、「半閉鎖」タイプ として知られている。 スロット２は、スロットの頂部でエア・ギャッブに対し、つまり図の左側に開 いている。スロットの反対側の端部は、スロット底部とする。 上述した固定子の固有振動の問題に対処し、接線方向の剛性を向上させるため 、本発明によるスロットにヨーク１４を設ける。図２参照。この図に示す実施形 態では、１つのヨークがスロット頂部に配置され、別のヨークがスロット２のほ ぼ中央に配置される。機械的側面から、ヨークの最も効率的な位置は、スロット の頂部である。しかし、深いスロットの場合は幾つかのヨークを設けるのが適切 な考えであり、特定の場合には、スロットの頂部に全くヨークを設けず、スロッ トのはるかに下がった点にのみ設けることが望ましい。ヨーク１４は、隣接する 固定子の歯４、６と一体で作成される。ヨーク１４によって達成される接線方向 の安定性が、固有周波数を増加させ、個々の各歯の剛性を大幅に向上させて、固 定子本体全体の曲げ剛性を向上させる。別の重要な利点は、固定子の極から得ら れるエア・ギャップでの接線方向の電磁力が、歯に均等に分配されることである 。 ヨーク１４が十分な機械的支柱を確実に与えるよう、スロット２の方向のその 幅ｄは、通常は典型的な２〜３ｍｍの限界より小さくするとよい。 上述したように、ヨークはスロットの漏れを増加させる。漏洩流が増加すると 、短絡発生の場合に短絡電流が制限され、エア・ギャップ磁束のスロット調波を なくすか、少なくとも減少させる。しかし、スロットの漏れが増加すると、励磁 損が増加する。このため、ヨーク１４は、磁気特性が固定子の歯４、６の磁気特 性から逸脱するよう構築することが好ましい。ヨークは、ヨーク材料の相対的透 磁率が１の値に近いよう構築することが好ましい。これは、図３の１６で示すよ うに、ヨークの穴によって達成することができる。しかし、穴がヨークの安定化 の影響を危うくしないことを保証しなければならない。あるいは、ヨーク材料の 透磁率は、レーザ処理などの材料の適切な処理によって低下させることができる 。 図４は、本発明による回転電気機械に使用する高圧ケーブル２９の断面を示す 。高圧ケーブル２９は、円形の断面を有し、例えば銅で作成された数本の撚り線 部分３１で構成される。この撚り線部分３１は、高圧ケーブル２９の中央に配置 され、撚り線部分３１の周囲に第１半導体層３２がある。第１半導体層３２の周 囲にＸＬＰＥ絶縁体などの絶縁層があり、絶縁層３３の周囲には第２半導体層３ ４がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ヒュランダー，ジョニー スウェーデン．エス―510 13 ビョルケ トルプ，オジェノス (72)発明者 ゲルトマー，ラース スウェーデン．エス―722 26 ヴェステ ロス，フムレガタン ６

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剛性および固有周波数を高め、固定子に、 巻線を保持するスロット間に固定子の歯を設け、歯の自由端が固定子と回転 子との間のエア・ギャップに配置される装置であって、剛性を高めるよう設 計され、隣接する固定子の歯と一体形成された少なくとも１つのヨークが、 固定子の歯を接線方向に機械的に固定するために、各固定子のスロットに配 置されることを特徴とする装置。 ２．ヨークがスロットの頂部に形成されることを特徴とする、請求項１に記載 の装置。 ３．ヨークが、スロットの頂部から距離をおいてスロットに形成されることを 特徴とする、請求項１に記載の装置。 ４．スロット方向のヨークの幅が、通常は２〜３ｍｍである下限を下回らない ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。 ５．スロットの頂部から様々な距離で、スロットに複数のヨークが形成される ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。 ６．ヨークの磁気特性が、固定子の歯の磁気特性から逸脱するよう、ヨークが 構築されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置 。 ７．ヨーク材料の透磁率が１の値に近いよう、ヨークが構築されることを特徴 とする、請求項６に記載の装置。 ８．ヨークに穴をあけることを特徴とする、請求項６または７に記載の装置。 ９．透磁率を下げるためにヨークの材料を加工することを特徴とする、請求項 ６から８のいずれか１項に記載の装置。 １０．巻線が高圧ケーブルで巻かれ、機械に請求項１から９のいずれか１項に記 載の装置を設けることを特徴とする、固定子のスロットに通した巻線を有す る回転電気機械。 １１．高圧ケーブルが、複数の撚り線部分を有する芯、芯を囲む内部半導体層、 内部半導体層を囲む絶縁層、および絶縁層を囲む外部半導体層を備えるタイ プであることを特徴とする、請求項１０に記載の機械。 １２．高圧ケーブルが、２０〜２００ｍｍの範囲の直径、および８０〜３０００ ｍｍ²の範囲の導電面積を有することを特徴とする、請求項１１に記載の機 械。 １３．巻線が可撓性であり、前記層が互いに接着することを特徴とする、請求項 １０から１２のいずれか１項に記載の機械。 １４．前記層が、使用中の温度変動による層の体積変化が材料の弾性によって吸 収され、したがって使用中に温度変動が発生しても層が互いへの付着力を保 持するような弾性率および材料の熱膨張率の関係を有する材料で構成される ことを特徴とする、請求項１０から１３のいずれか１項に記載の機械。 １５．前記層の材料が高い弾性、好ましくは５００ＭＰａ未満の弾性率、最も好 ましくは２００ＭＰａ未満の弾性率を有する、請求項６または７に記載の機 械。 １６．前記層の材料の熱膨張率がほぼ同じ大きさである、請求項１０から１５の いずれか１項に記載の機械。 １７．層間の付着力が、少なくとも最も弱い材料の強度と同じ大きさである、請 求項１０から１６のいずれか１項に記載の機械。 １８．半導体層がそれぞれ、基本的に１つの等電位表面を構成する、請求項１０ から２２のいずれか１項に記載の機械。