JP2006180644A - タービン発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
交流励磁機用発電機の取り付けには回転軸のオーバーハングが必要となり、軸長が長くなる。このオーバーハングは軸振動の原因ともなる。
【解決手段】
界磁巻線を施した回転子を有し、回転子軸と一体削り出しのカップリングと、整流装置を介して前記界磁巻線に直流電流を供給する交流励磁機と、永久磁石を界磁発生源とし整流器を介して前記交流励磁機の界磁巻線に直流電流を供給する交流励磁機用発電機とを回転子軸上に備え、原動機となる蒸気タービンまたはガスタービンとカップリング取り合いで回転子が回転するタービン発電機において、前記交流励磁機用発電機の取り付け位置をタービン発電機固定子よりタービン側に取り付ける。
【選択図】図１

Description

本発明はブラシレス励磁方式励磁装置を有するタービン発電機に関するものである。

従来のブラシレス励磁方式励磁装置を有するタービン発電機の構造として、特表2003−５１５３０８号公報に従来技術として示されるように、タービンとは逆側の軸端部に交流励磁機と副励磁機が取り付けたものが知られている。

特表２００３−５１５３０８号公報

上記の従来技術による構成では、副励磁機の取り付けには回転軸のオーバーハングが必要となり、軸長が長くなる。このオーバーハングは軸振動の原因ともなる。

本発明の一つの特徴は、タービン発電機を、界磁巻線が配置された回転子と、回転子に配置された永久磁石と前記永久磁石の界磁により電流を発生させる励磁用発電機と前記励磁用発電機が発生した電流により回転子の界磁巻線に電流を供給する励磁機と、回転子を回転させる原動力となるタービンとを備え、固定子からみてタービン側に前記交流励磁機用発電機が配置されているものとした点にある。

本発明は、タービン発電機の軸端部オーバーハングを短縮するものであり、タービン発電機を小型化するとともに軸振動の抑制にも貢献する。

図１１に本発明の効果を説明するための、比較例のブラシレス励磁方式励磁装置を有するタービン発電機の例を示す。前記タービン発電機は、交流励磁機４と副励磁機５とをタービン発電機回転子軸端のオーバーハング部に有している。副励磁機５は永久磁石１３を回転子磁極に有しており、永久磁石１３は副励磁機の電機子巻線８に直行する界磁を作り、それが回転軸１の回転に伴って回転して、電磁誘導作用により前記電機子巻線８に交流電流Ｉ_a1を誘起する。整流機能を有する自動電圧調整装置１６は、発電機電圧を検出し、この交流電流Ｉ_a1を直流電流Ｉ_d1に変換して、交流励磁機の界磁巻線１８に供給する。交流励磁機の電機子巻線１９は交流励磁機の回転子２０に取り付けられており、回転軸１の回転により、前記電機子巻線１９に交流電流Ｉ_a2が誘起される。交流電流Ｉ_a2は回転整流装置１７を介して直流に変換され、タービン発電機界磁巻線２１に供給される。回転軸の回転により、タービン発電機電機子巻線２２に交流電流が誘起され、外部へ電力を供給することが出来る。図１２には、比較例のブラシレス励磁方式を示す回路構成図の例を示す。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。

図１は本発明の実施の形態１を示す。回転子軸１は、カップリング３にてタービンと接続される。副励磁機５は固定子２よりタービン側に取り付けられ、交流励磁機４はタービンとは逆の軸端部に取り付けられている。

このように、タービン側に副励磁機を取り付けることで、永久磁石設置に要していた分のオーバーハングを短縮できる。

図２は本発明の実施の形態２を示す。回転軸１を保持するタービン側軸受６とカップリング３との間に副励磁機を取り付けることにより、副励磁機取り付けに要していたオーバーハングを短縮することが出来る。

図３は本発明の実施の形態３を示す。回転子軸から一体削り出しのカップリングを備えたタービン発電機において、タービン側にリング状の回転子を有する副励磁機を回転軸への焼き嵌めにより取り付ける場合、副励磁機の回転子内径をカップリング外径より大きくする必要がある。そこで図３に示すように、カップリング３よりも径の大きな台座部を回転軸から削り出し、リング状回転子の焼き嵌めを可能としてある。

図４および図５は本発明の実施の形態４を示す。副励磁機の回転子は、高速で回転するタービン発電機の回転軸上に設置されているため、外径寸法の拡大は遠心力を増加させる。

そこで、図４および図５に示すように、電機子巻線８を備えた副励磁機の固定子７を円周方向に分割可能とし、磁極２３を回転軸への直接取り付けとすれば、カップリング３の外径より小さい固定子内径でも取り付けが可能となる。図４は径方向から見た図であり、図５はタービン側より軸方向に見た図である。

図６は本発明の実施の形態５を示す。図６には分割された固定子の半分を示しており、副励磁機の電機子巻線８ａと同８ｂは副励磁機の固定子鉄心９の１つのティース１０に巻きつけられている。他のスロットに納められる電機子巻線も同様に集中巻きされている。これにより、副励磁機の固定子７を任意のスロット１１にて、円周方向分割することができる。

図７および図８は本発明の実施の形態６を示す。図７は本発明のタービン発電機に備えられた副励磁機磁極の軸方向断面を示す。回転軸１とポールシュー１２との間に永久磁石１３が取り付けられており、永久磁石１３は飛散防止のため、非磁性材料を用いた磁石カバー１４で覆われている。磁石カバー１４を非磁性として、ポールシュー１２から回転軸１へ磁束のショートパスができることを防いでいる。

図７において、副励磁機の固定子７と同回転子との最小ギャップはＧ_a(mm) は５mm以上であり、ポールシュー１２の表面における渦電流損による発熱を防いでいる。また、ポールシュー１２と回転軸１との距離Ｇ_p(mm) および永久磁石１３の厚みＧ_m(mm) はいずれも、０.９＜Ｇ_p／Ｇ_a ，０.９＜Ｇ_m／Ｇ_a を満足している。これにより、ポールシュー１２から回転子軸１へ磁束の漏れを防いでいる。

図９には、前記ギャップＧ_a と永久磁石温度Ｔとの関係を表す解析結果を示した。Ｔ₀ は永久磁石の不可逆熱減磁温度を示し、例えばネオジム磁石では約９０℃から２２０℃程度である。これによれば、前記ギャップを５mm以上とすることで、永久磁石を熱減磁させず使用することが出来る。

図１０には、Ｇ_p／Ｇ_aと副励磁機の誘起電圧Ｖとの関係を表す解析結果を示した。これによれば、Ｇ_p／Ｇ_aが０.９ より小さい場合、ポールシューから回転子軸への磁束漏れにより誘起電圧が低下しているが、Ｇ_p／Ｇ_aを０.９ 以上とすれば、誘起電圧の低下を防ぐことが出来る。また、図１１には、Ｇ_m／Ｇ_aと副励磁機の誘起電圧Ｖとの関係を表す解析結果を示した。これに示すように、０.９＜Ｇ_m／Ｇ_a を満足する磁石の厚みとすることで、磁石周辺に磁気ギャップを作らず、誘起電圧の低下を防ぐことが出来る。

図８は本発明のタービン発電機に備えられた副励磁機磁極の径方向断面を示す。ポールシュー１２は永久磁石１３よりも軸方向に長く、この軸方向延長部分にボルト穴が設けられており、非磁性ボルト１５により締め付けられている。ボルト取り付けのための穴位置を軸方向延長部分としたことにより、磁石に穴を設けることなく、またポールシューにおける主磁束を妨げることなくボルトを用いた取り付けを可能としている。また、非磁性ボルトを用いることにより、ポールシューから回転子軸へ磁束のショートパスができることを防いでいる。

本発明の実施形態として考えられる構成を以下に列挙する。
（１）界磁巻線を施した回転子を有し、回転子軸と一体削り出しのカップリングと、回転整流装置を介して前記界磁巻線に直流電流を供給する交流励磁機と、永久磁石を界磁発生源とし整流機能を有する自動電圧調整装置を介して前記交流励磁機の界磁巻線に直流電流を供給する副励磁機とを回転子軸上に備え、原動機となる蒸気タービンまたはガスタービンとカップリング取り合いで回転子が回転するタービン発電機において、前記副励磁機の取り付け位置をタービン発電機固定子よりタービン側に取り付けたことを特徴とするタービン発電機。
（２）（１）のタービン発電機において、前記副励磁機の取り付け位置を前記カップリングとタービン側軸受との間としたことを特徴とするタービン発電機。
（３）（１）または（２）のタービン発電機において、前記副励磁機の固定子を円周方向に分割可能とし、前記副励磁機の固定子内径を前記カップリング外径よりも小さくしたことを特徴とするタービン発電機。
（４）（１）または（２）のタービン発電機において、前記副励磁機の電機子巻線を集中巻としたことを特徴とするタービン発電機。
（５）（１）または（２）のタービン発電機において、前記副励磁機の界磁発生源となる永久磁石を希土類永久磁石としたことを特徴とするタービン発電機。
（６）（１）または（２）のタービン発電機において、前記副励磁機の永久磁石をタービン発電機回転子軸に直接取り付けたことを特徴とするタービン発電機。
（７）（６）のタービン発電機において、前記副励磁機の永久磁石をポールシューとタービン発電機回転子軸との間に取り付けたことを特徴とするタービン発電機。
（８）（６）のタービン発電機において、前記副励磁機の永久磁石を着磁済みの永久磁石としたことを特徴とするタービン発電機。
（９）（６）のタービン発電機において、前記副励磁機の永久磁石に非磁性材料を用いたカバーを取り付けたことを特徴とするタービン発電機。
（１０）（７）のタービン発電機において、前記副励磁機のポールシューを非磁性ボルトにより締め付け、取り付けたことを特徴とするタービン発電機。
（１１）（１０）のタービン発電機において、前記副励磁機のポールシュー軸方向長さを永久磁石軸方向長さより長くし、この延長部分にボルト穴を設けたことを特徴とするタービン発電機。
（１２）（７）のタービン発電機において、前記副励磁機固定子と回転子との最小ギャップを５mm以上としたことを特徴とするタービン発電機。
（１３）（７）のタービン発電機において、前記副励磁機固定子と回転子との最小ギャップをＧ_a(mm)、ポールシューと回転子軸との距離をＧ_p(mm)としたとき、０.９＜Ｇ_p／Ｇ_aを満足することを特徴とするタービン発電機。
（１４）（７）のタービン発電機において、前記副励磁機固定子と回転子との最小ギャップをＧ_a(mm) 、永久磁石の厚みをＧ_m(mm) としたとき、０.９＜Ｇ_m／Ｇ_a を満足することを特徴とするタービン発電機。

本発明の実施の形態１を示す図。 本発明の実施の形態２を示す図。 本発明の実施の形態３を示す図。 本発明の実施の形態４を示す図。 図４の部位をタービン側から軸方向に見た図。 本発明の実施の形態５を示す図。 本発明の実施の形態６を示す図。 図７の径方向断面図。 エアギャップと永久磁石温度の関係を示す図。 ポールシューと回転子軸との距離とエアギャップとの比と誘起電圧の関係を示す図。 磁石厚みとエアギャップとの比と誘起電圧の関係を示す図。 従来のブラシレス励磁方式励磁装置を有するタービン発電機を示す図。 ブラシレス励磁方式を示す回路構成図。

符号の説明

１…回転軸、２…固定子、３…カップリング、４…交流励磁機、５…副励磁機、６…軸受、７…副励磁機の固定子、８…副励磁機の電機子巻線、８ａ…副励磁機の電機子巻線ａ、８ｂ…副励磁機の電機子巻線ｂ、９…副励磁機の回転子、１０…ティース、１１…スロット、１２…ポールシュー、１３…永久磁石、１４…磁石カバー、１５…非磁性ボルト、１６…自動電圧調整装置、１７…回転整流装置、１８…交流励磁機の界磁巻線、１９…交流励磁機の電機子巻線、２０…交流励磁機の回転子、２１…発電機電機子巻線、２２…発電機界磁巻線、２３…副励磁機の磁極。

Claims (9)

1. 界磁巻線が配置された回転子と、前記回転子に配置された永久磁石と前記永久磁石の界磁により電流を発生させる励磁用発電機と前記励磁用発電機が発生した電流により前記回転子の界磁巻線に電流を供給する励磁機と、前記回転子を回転させる原動力となるタービンとを備え、前記固定子からみてタービン側に前記交流励磁機用発電機が配置されていることを特徴とするタービン発電機。
2. 請求項１において、前記交流励磁機用発電機が前記タービンと前記回転子とを接続するカップリングと前記回転子のタービン側の軸受けの間に配置したことを特徴とするタービン発電機。
3. 請求項１において、前記交流励磁用発電機の固定子を円周方向に分割可能としたことを特徴とするタービン発電機。
4. 請求項３において、前記交流励磁機用発電機の固定子内径を前記カップリング外径よりも小さくしたことを特徴とするタービン発電機。
5. 界磁巻線が配置された回転子と、前記回転子に配置された永久磁石と前記永久磁石の界磁により電流を発生させる励磁用発電機と前記励磁用発電機が発生した電流により前記回転子の界磁巻線に電流を供給する励磁機と、前記回転子を回転させる原動力となるタービンとを備え、前記交流励磁機用発電機の永久磁石をポールシューと前記回転子の回転軸との間に配置したことを特徴とするタービン発電機。
6. 請求項１において、前記ポールシューは前記永久磁石の軸方向の長さより長い延長部分を有し、前記延長部分にボルト穴を設け、当該ボルト穴に通されたボルトにより前記ポールシューが前記回転子の回転軸に固定されることを特徴とするタービン発電機。
7. 請求項５において、前記励磁機用発電機の固定子と前記回転子との最小ギャップを５mm以上としたことを特徴とするタービン発電機。
8. 請求項５において、前記励磁機用発電機の固定子と前記回転子との最小ギャップＧａ、永久磁石の厚みをＧｍとしたとき、０.９＜Ｇｍ／Ｇａ としたことを特徴とするタービン発電機。
9. 請求項１において、回転子の副励磁機を有する部分の外径を回転子の他の部分の外径よりも大きくしたことを特徴とするタービン発電機。
   

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