JP2005341794A - タービン駆動電気機械用の最適ドライブトレイン - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、剛性非対称を補正したロータを有する発電機ロータを提供する。
【解決手段】 制動巻線（３０）は、（ｉ）磁気コア（１１）の回転軸（１２）と同心である複数の導電性リング（３３）と、（ｉｉ）磁気コア（１１）の回転軸（１２）に平行に延びかつリング（３３）の各々に結合した複数のバー（３１、３２）とを有する。バー（３１、３２）の各々の半径方向外側表面は、リング（３３）の各々のそれぞれの半径方向内側表面に結合される。磁気コア（１１）のスピンドル（１８）は、該磁気コア（１１）の直軸に対して垂直に延びる第１及び第２の平坦表面（１８ａ、１８ｂ）を有する。磁気コア（１１）は、横軸に沿って反対方向に延びる第１及び第２の突出部（１５、１７）を含むことができる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、発電機（これに限定されないが）のような電気機械に関し、より具体的には、剛性非対称を補正したロータを有する発電機ロータに関する。

ロータ及びステータを有する従来型の発電機では、ロータには通常、電流源から電流を受けながら発電機を励磁する界磁巻線が設けられる。ステータには、それから電力が出力されるアーマチュア巻線が設けられる。典型的なロータ構造は、発電機ロータ内にフライス加工した放射状クロススロット内にバーごとで界磁巻線が組み立てられることを必要とする。ロータ界磁巻線をロータ本体にフライス加工したスロット内に閉じ込めることは通常、ロータウェッジ、ロータ歯及び保持リングを用いて達成される。

発電機ロータ内にフライス加工したスロットは、ロータ本体の全長に沿って剛性の段階的変化を引き起こす。この剛性の変化は、これらのスロット全体にわたる部品のフレッチング源になる可能性がある。電力システム障害に対応したロータの挙動は通常、ロータ界磁巻線が遠心荷重の下でロータスロットから浮き上がることを防止するロータウェッジのダブテールを通してダンパ回路を設けることによって対処されてきた。隣接するロータスロット間の回路は、ロータ本体の各端部において保持リングの下に位置した短絡ストラップを設けることによって達成されてきた。
特開２００１−２５８１９５号公報

タービン駆動発電機ドライブトレインの動的性能及びシステム挙動は、その構成部品の剛性、質量及び特定構造に大きく依存している。したがって、構成部品の特性及び能力を発電機ドライブトレインの性能を最適化するように調整することが望ましい。例えば、ロータ本体の剛性を該ロータ本体の剛性におけるあらゆる非対称を補正するように調整することによって、発電機ドライブトレインの特性及び能力を調整することができるのが望ましい。また、発電機のロータ及びステータ間の空気ギャップ調整を行うことができるのが望ましい。

本発明の１つ例示的な態様では、電気機械におけるロータは、少なくとも２つの極を有する磁気コアと、各極ごとに１つの複数の巻線組立体と、磁気コア及び巻線組立体の少なくとも一部分を囲む制動巻線とを含む。制動巻線は、（ｉ）磁気コアの回転軸と同心である複数の導電性リングと、（ｉｉ）磁気コアの回転軸に平行に延びかつリングの各々に結合した複数のバーとを有する。バーの各々の半径方向外側表面は、リングの各々のそれぞれの半径方向内側表面に結合される。バーの少なくとも１つは、半径方向にリングの内側表面を越えて一連のリング間に形成されたギャップ内に延びる複数の突出タブを含むことができる。複数のリングは、少なくとも３つのリングを含むことができる。磁気コアはまた、該磁気コアの直軸に対して垂直に延びる第１及び第２の平坦表面を有するスピンドルを含むことができる。磁気コアは、該磁気コアの横軸に対してほぼ垂直に延びる第１及び第２の平行面と、第１の平行面に結合されかつ該第１の平行面を越えて横軸に沿った方向に延びる第１の突出部と、第２の平行面に結合されかつ該第２の平行面を越えて横軸に沿っているが第１の突出部が延びる方向と反対の方向に延びる第２の突出部とを含むことができる。第１及び第２の突出部は、それぞれ第１及び第２の平行面に一体形に結合することができる。第１及び第２の突出部は各々、台形状又は半円形状断面を有することができる。

本発明の別の例示的な態様では、磁気コア及び複数の巻線組立体を有するロータにおける制動巻線は、磁気コアの回転軸と同心にかつ磁気コア及び巻線組立体の半径方向外側に配置された複数の導電性リングと、磁気コアの回転軸に平行に延びかつリングの各々に結合した複数のバーとを含む。バーの各々の半径方向外側表面は、リングの各々のそれぞれの半径方向内側表面に結合される。バーの少なくとも１つは、半径方向にリングの内側表面を越えて一連のリング間に形成されたギャップ内に延びる複数の突出タブを含むことができる。複数のリングは、少なくとも３つのリングを含む。

本発明の別の例示的な態様では、ロータは、複数の巻線組立体と、その各々が巻線組立体のそれぞれの１つに結合された少なくとも２つの極を有する磁気コアとを含む。磁気コアは、該磁気コアの横軸に対してほぼ垂直に延びる第１及び第２の平行面と、第１の平行面に結合されかつ該第１の平行面を越えて横軸に沿った方向に延びる第１の突出部と、第２の平行面に結合されかつ該第２の平行面を越えて横軸に沿っているが第１の突出部が延びる方向と反対の方向に延びる第２の突出部とを含む。第１及び第２の突出部は、それぞれ第１及び第２の平行面に一体形に結合することができる。第１及び第２の突出部は各々、台形状又は半円形状断面を有する。

本発明の別の例示的な態様では、電気機械におけるロータは、複数の巻線組立体と、その各々が巻線組立体のそれぞれの１つに結合された少なくとも２つの極を有する磁気コアとを含み、磁気コアは、該磁気コアの直軸に対して垂直に延びる第１及び第２の平坦表面を有するスピンドルを含む。磁気コアはさらに、該磁気コアの横軸に対してほぼ垂直に延びる第１及び第２の平行面と、第１の平行面に結合されかつ該第１の平行面を越えて横軸に沿った方向に延びる第１の突出部と、第２の平行面に結合されかつ該第２の平行面を越えて横軸に沿っているが第１の突出部が延びる方向と反対の方向に延びる第２の突出部とを含むことができる。第１及び第２の突出部は各々、台形状断面又は半円形状断面を有することができる。

図１〜図３は、それに限定されないが、発電機のような電気機械を示す。今後は説明を簡単にするために発電機と呼びまたこれは本発明を決して限定するものではないが、電気機械は、多極磁気コア１１（２極コアを図示する）と各極ごとに１つの複数の巻線組立体２１、２２とを有する発電機ロータ１０を含む。ロータコア１１は、該ロータコア１１に沿って長手方向に延びる回転軸１２を含む。回転軸１２は、ロータコア１１の直軸（「ｄ軸」）と横軸（「ｑ軸」）との間の交点に位置する。図２に示すように、ｑ軸は、ロータコア１１のｄ軸及び回転軸１２の両方に体して垂直である。発電機における磁気回路のリラクタンスは、大半の磁束移動が発生するｄ軸に沿った発電機ロータ及びステータ間のギャップの大きさに対して最も敏感であり、ｑ軸に沿っては最も敏感でない。一方、遠心荷重は、主としてｑ軸に沿って分布している。

コア１１は、対向する平坦表面１８ａ及び１８ｂを有するスピンドル１８を含む。平坦表面１８ａ及び１８ｂは、ｑ軸に平行に延び、したがってｄ軸に対して垂直に延びる。平坦表面１８ａ及び１８ｂにより、コア１１における剛性非対称を補正することが可能になる。

コア１１はまた、ｄ軸に平行に延び、したがってｑ軸に体して垂直に延びる２つのほぼ平坦面の表面１４及び１６を含む。突出部１５及び１７は、それぞれ平行な平坦面表面１４及び１６の外側に各々ｑ軸に沿って反対の方向に延びる。突出部１５は、表面１４に一体形に結合されかつ表面１４を越えてｑ軸に沿った方向に延びる。突出部１７は、表面１６に一体形に結合されかつ表面１６を越えてｑ軸に沿って突出部１５の方向とは反対の方向に延びる。図２に示すように、突出部１５及び１７の各々は、台形の断面積を有する。これに代えて、突出部は図４の突出部１１５及び１１７で示すように半円形の断面積とすることができる。突出部１５及び１７（又は、突出部１１５及び１１７）は、ロータコア１１の剛性非対称に体して付加的な補正を与えることができる。したがって、ロータのドライブトレイン（例えば、ガスタービン駆動ロータのドライブトレイン）の動的性能は、平坦表面１８ａ及び１８ｂの形状によりロータスピンドル１８の剛性を調整することによって、またロータコア１１の本体から表面１４及び１６を越えて突出部１５及び１７を形成することによって改善することができる。従って、ロータドライブトレインの性能は、コア１１の剛性、質量及び構造を調整することによって最適化することができる。

図５〜図７は、一連の導電性リング３３と、第１の軸方向バー３１の組（図５〜図７に示した例示的な実施形態では５つの軸方向バー３１を示す）及び第２の軸方向バー３２の組（同様に、５つの軸方向バーを示す）とを含む制動巻線３０を示す。導電性リング３３の各々は、回転軸１２と同心であり、コア１１及びロータ巻線組立体２１、２２の半径方向外側にかつそれらの軸方向長さに沿って配置される。軸方向に延びるバー３１及び３２は、リング３３を互いに結合して、導電性円筒形グリッドで構成された制動巻線を形成する。具体的には、バー３１及び３２の半径方向外側表面は、リング３３の半径方向内側表面に結合される。

軸方向バー３１の各々は、半径方向外向き方向に延びる複数の一体形突出タブ３１ａを含む（図５及び図６参照）。同様に、バー３２の各々は、半径方向外向き方向に延びる複数の突出タブ３２ａを含む。突出タブ３１ａは、バー３１の各々の半径方向外側表面を形成し、突出タブ３２ａは、バー３２の半径方向外側表面を形成する。突出タブ３１ａ及び３２ａの各々は、リング３３の半径方向内側表面を越えて一連のリング３３間に形成されたギャップ内に突出する。突出タブ３１ａ及び３２ａにより、リング３３の位置を軸方向に適正に位置決めすることができる。従って、制動巻線の製造は、最適化することができる。

図７に示すように、制動巻線３０は、ロータ本体１１及び巻線組立体２１、２２を含むロータの他の部品を囲むように配置される。本体１１及び巻線組立体２１、２２の周りに制動巻線３０を配置することにより、巻線組立体２１及び２２は、遠心荷重の下でコア１１から浮き上がるのに抗するようにすることができ、巻線組立体２１及び２２は、ステータ４０により生じる高調波電流から遮蔽することができる。制動巻線３０はまた、不均衡な（例えば、非対称の）力荷重の回転により生じる力を低減し、ロータの高調波振動を低減する。

図７に示すように、ステータ４０は、コア１１、巻線組立体２１、２２及び制動巻線３０を含むロータ１０を囲む。空気ギャップ４２は、ロータ１０とステータ４０の間に設定される。ロータ１０は、その回転軸１２の周りで回転して、電力を生成する。複合エンクロージャを備えたロータへの１つの特定の用途では、ロータとステータ間の電磁結合の剛性は、空気ギャップを拡大することによって高めることができる。このことは、複合エンクロージャを備えたロータ構造のより大きな通電能力の結果として達成することができる。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、また特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるのではなく、それらを容易に理解するためのものであることを理解されたい。

本発明の例示的な実施形態による、電気機械における例示的なロータ本体コアの斜視図。 図１に示すロータ本体コアの断面図。 多極磁気コア及び複数の巻線組立体を有するロータの部分斜視図。 ロータ本体の対向する平行面から延びる半円形状突出部を有する電気機械のロータ本体コアの別の実施形態を示す図。 本発明の例示的な実施形態による、複数の導電性リング及び複数の軸方向バーを有するロータの制動巻線の側面図。 図５に示す制動巻線の端面図。 本発明の例示的な実施形態による、ステータ及びロータを含む発電機のような電気機械の断面図。

符号の説明

１０ 発電機ロータ
１１ ロータコア
１２ 回転軸
１５、１７ 突出部
１８ スピンドル
２１、２２ 巻線組立体
３０ 制動巻線
３１、３２ 軸方向バー
３３ 導電性リング
４０ ステータ
４２ 空気ギャップ

Claims (10)

1. 発電機におけるロータ（１０）であって、
   少なくとも２つの極を有する磁気コア（１１）と、
   各極ごとに１つの複数の巻線組立体（２１、２２）と、
   前記磁気コア（１１）及び巻線組立体（２１、２２）の少なくとも一部分を囲む制動巻線（３０）と、を含み、
   前記制動巻線（３０）が、（ｉ）前記磁気コア（１１）の回転軸（１２）と同心である複数の導電性リング（３３）と、（ｉｉ）前記磁気コア（１１）の回転軸（１２）に平行に延びかつ前記リング（３３）の各々に結合した複数のバー（３１、３２）とを有し、
   前記バー（３１、３２）の各々の半径方向外側表面が前記リング（３３）の各々のそれぞれの半径方向内側表面に結合されている、
   ロータ（１０）。
2. 前記バー（３１、３２）の少なくとも１つが、半径方向に前記リング（３３）の内側表面を越えて一連のリング（３３）間に形成されたギャップ内に延びる複数の突出タブ（３１ａ、３２ａ）を含む、請求項１記載のロータ（１０）。
3. 前記複数のリング（３３）が、少なくとも３つのリング（３３）を含む、請求項１記載のロータ（１０）。
4. 前記磁気コア（１１）が、該磁気コア（１１）の直軸に対して垂直に延びる第１及び第２の平坦表面（１８ａ、１８ｂ）を有するスピンドル（１８）を含む、請求項１記載のロータ（１０）。
5. 前記磁気コア（１１）が、
   該磁気コア（１１）の横軸に対してほぼ垂直に延びる第１及び第２の平行面（１４、１６）と、
   前記第１の平行面（１４）に結合されかつ該第１の平行面（１４）を越えて前記横軸に沿った方向に延びる第１の突出部（１５）と、
   前記第２の平行面（１６）に結合されかつ該第２の平行面（１６）を越えて前記横軸に沿っているが前記第１の突出部（１５）が延びる方向と反対の方向に延びる第２の突出部（１７）と、
   を含む、請求項１記載のロータ（１０）。
6. 前記第１及び第２の突出部（１５、１７）が、それぞれ前記第１及び第２の平行面（１４、１６）に一体形に結合されている、請求項５記載のロータ（１０）。
7. 前記第１及び第２の突出部（１５、１７）が各々、台形状断面を有する、請求項５記載のロータ（１０）。
8. 前記第１及び第２の突出部（１５，１７）が各々、半円形状断面を有する、請求項５記載のロータ（１０）。
9. 磁気コア（１１）及び複数の巻線組立体（２１、２２）を有するロータ（１０）における制動巻線（３０）であって、
   前記磁気コア（１１）の回転軸（１２）と同心にかつ前記磁気コア（１１）及び巻線組立体（２１、２２）の半径方向外側に配置された複数の導電性リング（３３）と、
   前記磁気コア（１１）の回転軸（１２）に平行に延びかつその各々の半径方向外側表面が前記リング（３３）の各々のそれぞれの半径方向内側表面に結合されている複数のバー（３１、３２）と、
   を含む制動巻線（３０）。
10. 前記バー（３１、３２）の少なくとも１つが、半径方向に前記リング（３３）の内側表面を越えて一連のリング（３３）間に形成されたギャップ内に延びる複数の突出タブ（３１ａ、３２ａ）を含む、請求項９記載の制動巻線（３０）。

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