JP2005117890A - ダイナモエレクトリック機械のロータの保持システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ダイナモエレクトリック機械のためのロータ（１０）の界磁巻線終端巻き（１８）の保持システム（１１６）を提供する。
【解決手段】 ロータは、外周面（２０）と、半径方向端面（２６）と、外周面（２０）にある軸方向に延出する溝穴（１４）と、溝穴の中にある界磁巻線（１７）とを有する。界磁巻線はロータの端面（２６）から半径方向に突出し、溝穴（１４）の外側で界磁巻線終端巻き（１８）により接続される。終端巻きは保持システムにより包囲されており、保持システム（１１６）は終端巻きを包囲するシールド部材（１３０）と、シールド部材（１３０）を包囲する保持器部材（１４０）とを含む。シールド部材（１３０）は、界磁巻線（１７）と共に溝穴に受け入れられているフランジ（１３２）を有する。固着機能（１２８）は、保持システムの軸方向の動きを阻止するためにフランジと係合している。
【選択図】 図３

Description

本発明は、一般に、電力の発生に使用される発電機などのダイナモエレクトリック機械のロータに関する。特に、本発明は、界磁巻線終端巻きに対して強度が高く、密度の低い支持構造を提供する複合構成を有し、そのようなロータの界磁巻線終端巻きを支持するための保持リングに関する。

電力の発生に使用される大型タービン駆動発電機はロータを具備し、ロータはロータにより支持されている巻き付けコイルにより発生される磁力線束の発生源として機能する。ロータは、複数の導体を具備するステータの内部で回転し、ロータがステータの内部で回転するにつれて、ロータにより導体の中に交流が誘起され、ステータとロータとの間の狭い空隙に回転磁界が発生する。

タービン駆動発電機で使用される種類のロータ１０の例が図１及び図２に示されている。ロータ１０は、一般に、ロータ１０を回転自在に支持するためにスピンドル１２が延出している大きな円筒形本体である。ロータ１０はその外周面に半径方向に機械加工された一連の長手方向（軸方向に延出する）溝穴１４を有し、その結果、ロータ１０の周囲に沿って複数の半径方向に延出する歯１５が規定されている。複数の絶縁導体撚り線から形成される界磁巻線１７は溝穴１４の中に設置されて、ロータ１０の長さに沿って延出し、ロータ１０の両端部２６から長手方向に突出している。界磁巻線１７は終端巻き１８（図２）を含み、各々の終端巻き１８は１つの溝穴１４にある巻線の長手方向部分を隣接する溝穴１４にある巻線の長手方向部分と電気的に接続している。界磁巻線１７は、通常は溝穴１４がロータ１０の周囲でより狭くなるようにテーパ領域を有する溝穴１４の全体を埋めているわけではない。ロータ１０が回転するときに加えられる遠心力に抗して界磁巻線１７を所定の場所に保持するために、各々の溝穴１４のテーパ領域に楔（図示せず）が配置されている。

ロータ１０が回転するにつれて、終端巻き１８も遠心力にさらされ、遠心力は終端巻き１８を半径方向外側へ押し付ける。終端巻き１８のこの半径方向の動きは、図２に示すように、終端巻き１８を封入するようにロータ１０の端部に装着された保持リング１６により制約されている。広く実施されているように、図２に示す種類の保持リング１６はロータ１０の端部に焼き嵌めにより装着されている。図２において、保持リング１６の内側端部はロータ１０に規定された肩部分２０に焼き嵌めされており、保持リング１６の軸方向の動きを阻止するために、保持リング１６とロータ１０との間に係止キー２２が設けられている。保持リング１６はその外側端部でもセンタリングリング２４によって支持されており、センタリングリング２４にも保持リング１６は焼き嵌めされているのが好ましい。

ロータ１０の回転の結果として発生する遠心力は終端巻き１８を各保持リング１６の内面に強く押し付けて、保持リング１６に相当に大きな力を加える。保持リング１６は、通常、１８１８材料のような強度が高い非磁性鋼から形成されている。１８１８鋼の供給源は限られており、納入サイクルは長くかかることもあり、そのため、コスト高につながる。ロータの直径と回転速度が増すにつれて、終端巻き１８により保持リング１６に加えられる遠心力も強くなる。しかし、１８１８鋼の密度の関係上、ロータの回転速度が増すにつれて、保持リング１６の自重の結果として発生される遠心力に対抗するためには保持リング１６の半径方向厚さのかなりの部分が要求される。更に、ロータが高速で回転する場合、保持リング１６とロータ１０を分離することは設計上の努力目標である。

以上の点を考慮して、低密度の複合保持リング、並びに他の種類の保持システムが提案されている。その例は、本出願と共通の譲受人に譲渡された特許文献１の中で教示されているエポキシグラファイト保持リングである。低密度保持リングの構成及び実現の更なる改善が必要とされている。
特開平０４−２７１２４２号公報

本発明は、配電網に供給される交流の発電に使用される発電機のようなダイナモエレクトリック機械のロータのための保持システムを提供する。ロータは、外周面と、互いに対向して配置された半径方向端面と、ロータの外周面にある半径方向に延出する溝穴と、溝穴の中にある界磁巻線とを具備する種類のロータである。界磁巻線はロータの端面から軸方向に突出し、溝穴の外側で界磁巻線終端巻きにより互いに接続されている。溝穴は、界磁巻線が各溝穴の第１の部分の中に存在し、各溝穴の第２の部分の中には存在しないような十分な大きさの横断面を有する。

本発明によれば、保持システムは、ロータの第１の端部で界磁巻線終端巻きのうちの少なくとも１つを包囲している。保持システムは、界磁巻線終端巻きを包囲するシールド部材と、シールド部材の半径方向外側への動きを阻止するためにシールド部材を包囲する保持器部材とを具備する。この目的のために、保持器部材は相対的に低密度で、強度の高い複合材料から形成されているのが好ましい。シールド部材は、溝穴の第２の部分に受け入れられる軸方向に延出するフランジの周囲方向の列を有する。保持システムの軸方向の動きを阻止するように、１つ以上の固着機能がフランジ及びロータの第１の端部を包囲している。

本発明のすぐれた一面は、保持システムが相対的に複雑でない構成を有するにもかかわらず、ロータが高速で回転するときに発生される大きな遠心力にさらされた場合でも、界磁巻線の終端巻きを抑制するために必要な強度と剛性の双方を提供することである。保持器部材が１８１８のような強度の高い非磁性鋼ではなく、複合材料から形成されていれば、本発明は、供給源が限られていること、納入サイクルが長いこと及びそれと関連するコスト高などの、１８１８鋼の使用と関連する不都合を回避する。複合材料から形成されている保持器部材においては、相対的に低い密度が可能であるため、密度の高い１８１８鋼を使用する場合に実現可能な直径及び回転速度より大きな直径と高い回転速度を有するロータを使用することができる。

本発明のその他の目的及び利点は以下の詳細な説明から更に良く理解されるであろう。

図３及び図４は、図１及び図２のロータ１０に類似するロータ１０の部分断面図を示し、ロータ１０の同じ又は等価の特徴を表すために同じ図中符号が使用される。従って、ロータ１０は配電網又は送信網に高電圧交流を供給する一次供給源として機能する発電プラントで使用される種類のロータであるが、他の用途でロータ１０が使用されることも可能であろう。

図１及び図２のロータ１０の場合と同様に、図３及び図４のロータ１０は、外周面２０と、対向して配置された本体端部にある半径方向端面２６とを有する円筒形の本体を有する。更に、ロータ１０の外周面２０には、外周面２０に半径方向に延出する歯１５（図４）を規定する溝穴１４が存在している。界磁巻線１７は溝穴１４の中にあり、ロータ１０の端面２６から軸方向に突出している。図４から最も良くわかるように、各々の溝穴１４は半径方向内側の部分４４の中に界磁巻線１７を受け入れるための横断面形状及び大きさを有し、溝穴１４の半径方向外側の部分４６は、以下に更に詳細に説明する、本発明の一実施例に従った終端巻き保持システム１１６の一部であるフランジ１３２を受け入れている。図２と同様に、図３は、界磁巻線終端巻き１８により溝穴１４の外側で互いに接続されている状態の界磁巻線１７を示す。

図３から、ロータ１０が回転しているとき、特にロータの直径及び速度が増すにつれて、界磁巻線１７と終端巻き１８は相当に大きな遠心力にさらされることが理解できる。従来の慣例によれば、溝穴１４の半径方向外側の部分４６は、溝穴１４の半径方向外側の部分４６に設置された楔３４によって界磁巻線１７を保持することを可能にするテーパ領域４８を含む。本発明の保持システム１１６はロータ１０の両端部で界磁巻線１７の終端巻き１８を包囲することにより、ロータ１０が回転しているときの終端巻き１８の半径方向外側への動きを阻止する。

図３に示すように、各保持システム１１６は、一般に、終端巻き１８の１つを包囲する環状のシールド部材１３０と、シールド部材１３０を包囲する環状の保持器部材１４０とを具備する。シールド部材１３０の軸方向内側の端部（すなわち、ロータ１０の長手方向中心により近いほうの端部）は上述のフランジ１３２によってロータ１０に固着され、外側の端部はセンタリングリング１２４により支持されている。図示されるように、シールド部材１３０はセンタリングリング１２４に係止リング１４２によって固着されているが、他の装着手段も実現可能である。シールド部材１３０は電磁（ＥＭ）シールドとして機能するのが好ましく、従って、アルミニウム又は銅などの導電性の高い材料から形成されている。シールド部材１３０に望まれるもう１つの特性は強度であるので、鋼合金も適切な材料の１つである。シールド部材１３０と、界磁巻線１７及び終端巻き１８との間に電気障壁として接地絶縁体１２２が存在しているのが好ましい。

フランジ１３２はシールド部材１３０の内側端部から軸方向内側へ延出し、シールド部材１３０の内側端部の周囲全体に沿って１つの周囲方向の列として整列されているのが好ましい。図４（明瞭にするために保持器部材１４０が省略されている）から最も容易にわかるように、各フランジ１３２はロータ１０の端面２６の付近で１つの溝穴１４の半径方向外側の部分４６の１つと整列され、その部分に個別に受け入れられており、従って、各フランジ１３２は隣接する１対の歯１５の間にある。同様に図４からわかるように、各フランジ１３２は、フランジ１３２及びそれに関連する界磁巻線１７を溝穴１４の中に保持して、ロータ１０が回転しているときのそれらの軸方向外側への動きを阻止するように、溝穴１４のテーパ領域４８に当接するテーパ肩部分１４８を含めて、溝穴１４の半径方向外側の部分４６に対して相補形の横断面形状を有する。

また、各フランジ１３２は、各フランジ１３２の内側末端部にある半径方向外側に延出するナブ１３４と、ナブ１３４から溝１３６により離間されているテーパ面１５０とを有するものとして図示されている。フランジ１３２のテーパ面１５０はロータ１０の端面２６に隣接する歯１５にあるテーパ面５０と整列されている。歯１５のテーパ面５０とフランジ１３２のテーパ面１５０は端面２６に向かって半径方向内側へテーパしている。歯１５も、フランジ１３２の溝１３６と共にロータ１０の外周面２０に連続する周囲溝を規定する溝１３８を有するように形成されている。係止リング１２８は、フランジ１３２が溝穴１４から軸方向に位置ずれを起こすのを阻止することによりシールド部材１３０をロータ１０に固着するために、溝１３６／１３８に設置されている。最後に、カバーリング１４６（図４では明瞭にするために省略されている）は、係止リング１２８を溝１３６／１３８の中に保持するように係止リング１２８を包囲している。

シールド部材１３０のフランジ１３２の別の構成が図５に示されている。図５には、フランジ２３２がその内側末端部に半径方向外側へ延出するナブ２３４を有するが、図３及び図４に示すフランジ１３２のテーパ面１５０は設けられていないシールド部材２３０が示されている。従って、フランジ２３２には、図３及び図４を参照して説明したように係止リング１２８を受け入れるために歯の溝１３８と整列された溝１３６はない。その代わりに、係止リング１２８は単に各ナブ２３４の外側の面２５０に当接しているだけであるが、この場合にも、フランジ２３２が溝穴１４から軸方向外側へ位置ずれするのを阻止するという効果は得られる。歯にあるテーパ面５０と共に図４のテーパ面５０及び１５０により形成されるテーパ肩部分に類似するテーパ肩部分を規定するために、フランジ２３２と別個の楔部材（図示せず）を組み立てることができる。

本発明の保持器部材１４０は、繊維強化複合材料のような、相対的に低密度で、強度の高い材料から形成されているのが好ましい。特に適する複合材料はグラファイト繊維エポキシ複合材料である。保持器リング１４０は、円筒形の心棒にグラファイト繊維を巻き付け、続いてエポキシを含浸させ、次に硬化させることにより製造できる。あるいは、樹脂含浸繊維（トウ）を円筒形の心棒に巻き付け、次に硬化させることも可能であろう。保持器部材１４０は、特にシールド部材１３０がアルミニウム又は銅などの相対的に強度の低い材料から形成されている場合に、シールド部材１３０の半径方向外側への動き及びひずみを抑制するためにシールド部材１３０に機械的強度及び剛性を与えることを意図されている。このため、保持器部材１４０の内径面はシールド部材１３０の外径面と面接触しているのが好ましい。図３に示すように、シールド部材１３０と保持器部材１４０とのこの面接触は、保持器部材１４０が歯１５のテーパ面５０及びフランジ１３２のテーパ面１５０に対して相補形状であり、それらの面を包囲する内側テーパ端部１４４を有する結果として、フランジ１３２のテーパ面１５０を含むのが好ましい。

保持器部材１４０に使用できる材料の１つである繊維強化複合材料は溶接不可能であり、一般に金属と比較してほとんど膨張しないため、保持器部材１４０はシールド部材１３０を介してロータ１０に固着されるという利点を有する。保持器部材１４０は、シールド部材１３０と保持器部材１４０が一体のアセンブリを形成するように何らかの方法によりシールド部材１３０に装着されるのが好ましい。例えば、保持器部材１４０をシールド部材１３０に焼き嵌めすること、又は保持器部材１４０をシールド部材１３０の外面に接着するために接着剤が注入される隙間嵌めを設けることが可能である。保持器部材１４０のシールド部材１３０への装着は、保持システム１１６の製造中に、又は現場で実行できる。一体の部材として示されているが、保持器部材１４０は複数のリングから成るアセンブリであることも可能であろう。

本発明を特定の一実施例に関して説明したが、当業者により他の形態を採用することも可能であろうということは明白である。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

従来の技術に従った保持リングを具備するロータを示す図。 保持リングの１つを更に詳細に示す図１のロータの部分断面図。 本発明に従って内側シールド部材及び外側保持器部材を含む保持システムを具備した、図１及び図２に類似するロータの部分断面図。 ロータの界磁巻線溝穴に挿入された図３のシールド部材のフランジ部分を示す部分断面斜視図。 本発明の別の実施例に従って変形されたフランジ部分を有するシールド部材を示す部分斜視図。

符号の説明

１０…ロータ、１２…スピンドル、１４…溝穴、１５…歯、１７…界磁巻線、１８…終端巻き、２０…外周面、２６…半径方向端面、４４…（溝穴の）半径方向内側の部分、４６…半径方向外側の部分、５０…テーパ面、１１６…保持システム、１２４…センタリングリング、１２８…係止リング、１３０…シールド部材、１３２…フランジ、１３４…ナブ、１３６…溝、１３８…溝、１４０…保持器部材、１４２…係止リング、１５０…テーパ面

Claims (10)

1. 外周面（２０）と、互いに対向して配置された半径方向端面（２６）と、ロータ（１０）の前記外周面（２０）にある軸方向に延出する溝穴（１４）と、前記溝穴（１４）の中にある界磁巻線（１７）とを具備するダイナモエレクトリック機械のロータ（１０）であって、前記界磁巻線（１７）は前記ロータ（１０）の前記端面（２６）から半径方向に突出し、前記溝穴（１４）の外側で界磁巻線終端巻き（１８）により互いに接続されており、前記溝穴（１４）は、前記界磁巻線（１７）が各溝穴（１４）の第１の部分（４４）の内部に存在し、各溝穴（１４）の第２の部分（４６）の中には存在しないような十分な大きさの横断面を有し、前記ロータ（１０）は、前記ロータ（１０）の少なくとも第１の端部で前記界磁巻線終端巻き（１８）のうちの少なくとも１つを包囲する保持システム（１１６）を具備するロータ（１０）において、前記保持システム（１１６）は、
   前記界磁巻線終端巻き（１８）を包囲し、前記ロータ（１０）の第１の端部で前記端面（２６）に隣接して前記溝穴（１４）の第２の部分（４６）に受け入れられるフランジ（１３２）を有するシールド部材（１３０）と、
   前記シールド部材（１３０）を包囲し、前記シールド部材（１３０）の半径方向外側への動きを阻止し、前記シールド部材（１３０）の材料より剛性の高い材料から形成されている保持器部材（１４０）と、
   前記ロータ（１０）に対する前記保持システム（１１６）の軸方向の動きを阻止する手段（１２８、１３６、１３８）とを具備するロータ（１０）。
2. 前記保持器部材（１４０）は前記シールド部材（１３０）に接着されるか又は焼き嵌めされている請求項１記載のロータ（１０）。
3. 前記保持器部材（１４０）の材料は繊維強化複合材料である請求項１記載のロータ（１０）。
4. 前記シールド部材（１３０）は電磁遮蔽材料から形成されている請求項１記載のロータ（１０）。
5. 前記阻止する手段（１２８、１３６、１３８）は前記ロータ（１０）の外周面（２０）にある周囲溝（１３８）と、前記溝（１３８）に受け入れられ、前記シールド部材（１３０）のフランジ（１３２）と係合するリング（１２８）とを具備する請求項１記載のロータ（１０）。
6. 前記フランジ（１３２）の各々は、前記リング（１２８）から軸方向内側へ、半径方向に延出し、前記シールド部材（１３０）の軸方向外側への動きを阻止するために前記リング（１２８）に当接する部分（１３４）を有する請求項５記載のロータ（１０）。
7. 前記フランジ（１３２）は、前記溝穴（１４）内における前記界磁巻線（１７）の半径方向外側への動きを阻止するように前記溝穴（１４）の第２の部分（４６）に受け入れられている請求項１記載のロータ（１０）。
8. 前記ロータ（１０）の外周面（２０）は前記ロータ（１０）の第１の端部に前記端面（２６）に隣接してテーパ部分（５０）を有し、前記テーパ部分（５０）は前記端面（２６）に向かう方向に半径方向内側へテーパしている（１２８）請求項１記載のロータ（１０）。
9. 前記保持器部材（１４０）は、前記外周面（２０）のテーパ部分（５０）を包囲し、前記テーパ部分（５０）と相補形状である内側テーパ端部（１４４）を有する請求項８記載のロータ（１０）。
10. 前記ロータ（１０）は、配電網に供給される交流の発電に使用される発電機に設置されている請求項１記載のロータ（１０）。

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