JP2009178034A - 電動機械の固定子及び固定子構成部品並びにそのジュール加熱を抑制する方法 - Google Patents

電動機械の固定子及び固定子構成部品並びにそのジュール加熱を抑制する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】回転子と固定子間の磁束遮蔽板を排除しながら、固定子のジュール加熱を抑制する。
【解決手段】固定子の軸方向端面で磁気シートを軸方向に圧迫するための構成部品の組成と加工処理を以下とする。重量で、約3.25〜約3.40%の炭素、約3.70〜約3.80%のケイ素、約4.50〜約4.70%のニッケル、約0.20%以下のマンガン、約0.06%以下のマグネシウム、0.02%未満のリン、0.02%未満のイオウを含有し、残部が鉄及び不可避不純物である延性鉄合金を材料とし、熱処理を行う。
【選択図】図2

Description

本発明は、一般に、電力の生成に使用される発電機のような電動機械に関する。より特定的には、本発明は、固定子の座巻領域における磁場によって生ずる固定子内の渦電流加熱を最小にすることに関する。
電力の生成に用いられる大きいタービン駆動式発電機は、回転子上に担持された巻いたコイルにより発生する磁束の磁力線源として機能する回転子をもっている。この回転子は固定子内で回転するが、この固定子はたくさんの導体をもっており、そこでは回転子が固定子内で回転して固定子と回転子との間の狭い空隙で回転磁界を生成するときその回転子によって交流が誘導される。
図1は、電力を生成するのに使用するタービン駆動式発電機のようなある種の電動機械に使用されるタイプの実例である固定子10と回転子12の隣接する末端部分を表している。固定子10は回転子12を囲むほぼ環状の形状を有しており、回転子は一般に大きい円筒体であって、回転子12を固定子10内に回転自在に支持するスピンドル(図には示してない)がこの回転子から伸延している。回転子12はその外周部に一連の長手方向の(軸方向に伸延する)溝30を有しており、その結果回転子12の周辺部に沿って半径方向に広がる複数の歯が定められる。各々が多数の絶縁された導体素線からなる界磁巻線32が溝30内に設置されて回転子10の長さを伸ばしており、回転子12の各端部から長手方向に突き出ている。界磁巻線32は座巻34を含んでおり、これらは各々が1つの溝30内の巻線32と隣接する溝30内の第2の巻線32とを電気的に接続している。回転子12が回転すると、座巻34を半径方向外向きに推進しようとする遠心力が座巻34にかかる。この座巻34の半径方向の動きは、図1に示されているように座巻34を囲むように回転子12の端部に取り付けられた止め輪36により制限される。
固定子10は、固定子10と回転子12の共通の軸に対して垂直になるようにフレーム16に支持されたシート(パンチング)14をもっている。これらのシート14は、ケイ素鋼のような低損失で低い磁気リラクタンスの材料で形成され、バンドル18内で互いに対して圧迫されており、これらのバンドルは、シートバンドル18間の非磁性スペーサー(図には示してない)により維持される空隙20によって軸方向に分離されている。電機子巻き付け部24がシート14に形成された溝(図には示してない)内に位置付けられており、巻線24の座巻26が回転子止め輪36の回りで固定子10から外側に伸延している。巻線24が固定子10の端部を超えて伸延する程度は、図1に表されているように機械の長手方向の軸に対してある角度で配向された螺旋として巻線24を形成することによって低減される。
固定子10のシート14は環状形状のフランジ22によって軸方向に圧迫されており、そのうちの1つを図1に示す。フランジ22は固定子10内のシート14を支持し、その位置を維持するために適当な強度を有していなければならず、従って高強度の材料で形成されなければならない。代表例はその強度、靱性、及び機械加工性から延性鉄(鋳造ノジュール状鉄)合金である。特定の例として、ASTM A536 GR 60−40−18の延性鉄がGeneral Electric社製の発電機内の固定子フランジを形成するのに使用されている。ASTM A536規格による合金組成は、本質的に包括的であり、化学的組成を機械的性質に従属させており、電気的又は透磁率特性に関して最適化されていない。従って、ASTM A536で形成される構成部品は、主として、機械的性質を満足し、かつ大部分がフェライト系マトリックスの球状黒鉛ミクロ組織が得られるように選択される。典型的な商業グレードのASTM A536合金は、重量で、3.0%以上の炭素、1.7%以上のケイ素、0.03%以上のマグネシウム、0.1%未満のリン、0.025%未満のイオウ、残部の鉄及び不可避不純物を含む。
上記構成を有する固定子10において、磁束は座巻26により発生し、機械の長手方向軸に平行にシート14の主表面に向かう。この磁束はシート14内に大きい渦電流を誘導し、これがシート14において大量のジュール(オーム)加熱を起こし、その結果固定子フランジ10が加熱される。固定子10の交流磁場はまた固定子フランジ22内にも渦電流を誘導し、結果としてフランジ22がさらに加熱される。固定子端部の付近のシート14とフランジ22の加熱は、機械の効率を低下させるエネルギー損失に加えて、機械の作動に有害な局部的過熱を生じるのに充分である可能性がある。
このため、フランジ22に隣接して配置され、例えばストラップ(図示)、ファスナー、などによって固定された環状形状の磁束遮蔽板28を備えた固定子10が示されている。磁束遮蔽板の例として、Pohlの米国特許第1677004号及びJefferiesの米国特許第4054809号がある。磁束遮蔽板28は銅又は銅合金のような材料で形成されていて、磁束がフランジ22ではなく遮蔽板28に集中するようになっている。結果として、機械の電力損失を大幅に低減することができ、そのため機械の全体効率を増大すると共に固定子10の両端のシート14内の温度を低下させることができる。しかしながら、欠点は、磁束遮蔽板28が渦電流により過熱される結果、遮蔽板28が加熱され、伝導及び/又は対流によるフランジ22への熱伝達が起こることである。また、磁束遮蔽板28は機械を複雑にすると共にコストを増大させる。従って、大きい電動機械の別個の分離した構成部品としての磁束遮蔽板28を排除することができれば望ましいであろう。
米国特許第1677004号明細書 米国特許第4054809号明細書
本発明は、固定子構成部品の組成と加工処理により、その構成部品が、固定子の磁気シートを軸方向に圧迫すると共に、別個の磁束遮蔽板の必要性を排除することができる程度にジュール加熱を抑制することも可能になる、固定子構成部品を提供する。
本発明の第1の局面によると、構成部品は、電動機械内で回転子と組み合わせて使用される固定子で、その固定子内に交流磁場が誘導されるように使用するのに適している。この固定子は、固定子の軸に対してほぼ垂直に配向された磁気シート、及び固定子の軸に対してほぼ平行の方向に磁気シートを通過する固定子巻線をもっている。本構成部品は、固定子の磁気シートを共に軸方向に圧迫するように構成され、固定子上に位置している。本構成部品は、重量で、約3.25〜約3.40%の炭素、約3.70〜約3.80%のケイ素、約4.5〜約4.7%のニッケル、約0.20%以下のマンガン、約0.06%以下のマグネシウム、0.02%未満のリン、0.02%未満のイオウ、残部の鉄及び不可避不純物を含む延性鉄合金で形成されている。この構成部品は、固定子の交流磁場により誘導される渦電流による構成部品のジュール加熱を大幅に抑制するという性質を示す。
本発明の第2の局面によると、構成部品は、重量で、約3.25〜約3.40%の炭素、約3.70〜約3.80%のケイ素、約4.5〜約4.7%のニッケル、約0.20%以下のマンガン、約0.06%以下のマグネシウム、0.02%未満のリン、0.02%未満のイオウ、残部の鉄及び不可避不純物を含む延性鉄合金を鋳造することを含む方法によって形成される。得られた鋳造品を、その後、約910±20℃の第1の浸漬温度で約3時間±30分の第1の熱処理で始め、次いで約690±20℃の第2の浸漬温度で約6時間±30分の第2の熱処理を行う二段階熱処理サイクルにかける。冷却は、鋳造品中の著しい焼き入れと結晶粒成長を回避するように充分に制御された冷却速度が可能な慣用の方法によって行うことができる。例えば、炉冷却技術ではかかる冷却が可能であるが、慣用の空気冷却及び液体急冷技術のような冷却技術では不可能である。
本発明の顕著な利点は、上記のような構成部品が、望ましい組合せの強度、透磁率、及び電気抵抗を示すことができるということである。この性質の組合せにより、構成部品は、磁気遮蔽効果のある別個の構成部品を必要とすることなく固定子端部の加熱を最小にすることができる程度にジュール加熱の傾向を減らすことができる。本構成部品はこれらの利益を達成すると同時に固定子内にシートを支持すると共にその位置を維持するのに充分な強度を提供することができる。
本発明のその他の目的と利点は以下の詳細な説明からより明らかとなるであろう。
図1は、電動機械の固定子と回転子の部分断面図であり、従来技術による別個の磁束遮蔽板を備えた固定子が示されている。 図2は、図1と類似であるが、本発明に従って修正された固定子フランジの結果として磁束遮蔽板が排除された固定子と回転子の部分断面図である。
電動機械の固定子50を図2に示す。この固定子50とその構成部品は単なる例示であり、その特定の構成は、電動機械に使用するのに必要な性質及び特徴は別として、本発明の範囲を限定するものとして解するべきではない。図1の従来技術の固定子10と同様に、固定子50は、フレーム56に支持された高品質ケイ素鋼のような低損失で低い磁気リラクタンスの材料の複数の薄いシート54を有している。シートは54は、バンドル58間に非磁性スペーサー(図には示してない)により創出された空隙60によって分離されているバンドル58として集合している。電力の生成に使用される発電機のような電動機械の一部として、回転子52は、固定子50内で回転自在に同軸に支持されている。回転子52は、その外周部で長手方向の(軸方向に伸延する)溝70内に位置し回転子52の端部から長手方向に突出する界磁巻線72を有している。界磁巻線72は、回転子52のコア端部に取り付けられた止め輪76により閉じ込められた座巻74をもっている。固定子50は、シート54内に形成された溝(図には示してない)内に位置する電機子巻き付け部64をもっており、これら巻線64の座巻66は回転子止め輪76の周囲で固定子50から外向きに伸延している。
図1に示した固定子10の場合と同様に、固定子50のシート54は固定子フランジ62により軸方向に圧迫されており、そのフランジのうちの1つを図2に断面で示す。このフランジ52は、固定子50のコア端部にあるものとして描かれており、その外周部は固定子フレーム56に当接している。フランジ52は一般に固定子50と同軸の環状形状であり、従って図に示した部分と直径方向反対側のフランジ52の下側の部分(図には示してない)の断面は、図に示した部分の実質的な鏡像となる断面を有するであろう。従来通り、固定子フランジ62は、シート54を固定子50内に支持しその位置を維持するために、シート54を共に軸方向に圧迫するのに適当な強度をもっていなければならない。このため、フランジ62は高強度材料で形成されなければならない。しかし、図1と2を比較すると明らかなように、図2の固定子50はその座巻74に隣接して別個の磁束遮蔽板をもっていない。図1に示した遮蔽板28のような磁束遮蔽板がないと、回転子52の座巻74は磁束を創出し、この磁束が固定子50のシート54内に渦電流を誘導することにより、その機械の効率を低下させると共に、シート54内、及び固定子50の両端に位置するフランジ62内で過度の温度を生じる可能性があるジュール加熱を誘導する。本発明の好ましい実施形態によると、フランジ62は、図1の従来技術の固定子10の磁束遮蔽板28の排除を可能とする性質を有するような材料で形成され、そのように加工処理される。材料及び製造のコストを低減することに加えて、磁束遮蔽板28の排除により、固定子10内を通る冷却流を改良することも可能になる。
本発明の第1の局面によると、フランジ62は、望ましい強度、靱性、及び機械加工性の特性、並びに望ましい磁気特性を示す延性鉄(鋳造ノジュール状鉄)合金で形成される。延性鉄合金の適切、好適、及び公称組成(概算、重量パーセント)を以下の表Iに要約して示す。
Figure 2009178034
この合金はまた、不可避不純物、例えば、好ましくは0.002%未満の鉛、0.001%未満のアンチモン、0.01%未満のスズ、0.02%未満のヒ素、0.05%未満のアルミニウム、及び0.02%未満のテルルを含有していてもよい。この合金の鋳造品は、好ましくは、90%を超える球状黒鉛鉄ノジュール率及び望ましいノジュール数を含有する金属ミクロ組織を有する。合金鋳造品中の所望の金属ミクロ組織は、鋳造試験クーポン(cast-on test coupon)を用い、ASTM規格A536に従って、かかる試験クーポンが90%を超える球状黒鉛鉄ノジュール率及び100/平方ミリメートルを超えるノジュール数を含有することを基準として確認することができる。
以下に報告する研究において、ケイ素の含有量に関係なく、約0.2〜5.0重量パーセントの範囲でニッケル含有量が増大すると抵抗率(比抵抗)が増大し、また、ニッケル含有量に関係なく、約2.5〜4.2重量パーセントの範囲でケイ素含有量を増大させると合金の抵抗率が増大することが確認された。また、鋳造したままの合金の透磁率はケイ素含有量に関係なくニッケル含有量の増大と共に低下することも確かめられた。透磁率は渦電流応答に影響し、導電率に対して著しい効果を有するが、ジュール加熱に起因する渦電流損失は抵抗率を増大することで低減することができる。従って、高い透磁率と抵抗率はフランジ62のジュール加熱を最小にするのに望ましい性質であると考えられるが、本発明に達することになった研究で調製した合金試験片のケイ素及びニッケル含有量を単に増大することではいずれも達成されなかった。
これらの研究のために調製した合金を、それらの合金の幾つかの機械的磁気的性質と共に以下の表IIに要約して示す。表II中、「AC」は鋳造したままの状態の合金を示し、「HT」は対応する数字のAC合金(例えば、AC1に対してHT1)と同様な組成であるが合金の透磁率及び抵抗率に影響を与えるためにさらに熱処理をした合金を示す。フェライト系延性鉄の熱処理はフェライト化(ferritization)により電気抵抗特性を改良する傾向がある。この研究では、評価する延性鉄合金の電気的及び透磁率特性を改良しようとして二段階の熱処理を考案した。全ての熱処理において、室温から約910±20℃の浸漬温度まで約2℃/分の速度で加熱し、その浸漬温度に約3時間±30分保持し、その浸漬温度から約690±20℃の第2の浸漬温度まで約1℃/分の速度で冷却し、その第2の浸漬温度に約6時間±30分保持し、その第2の浸漬温度から約200±20℃の温度まで約1.5℃/分の速度で冷却し、その後室温まで空気冷却した。
Figure 2009178034
表IIの結果から、強度はケイ素及びニッケルレベルの増大と共に増大するが、透磁率はニッケル含有量の増大と共に低下することが分かる。また、ニッケルレベルが約1.4〜1.5%(AC3、AC4、HT3、及びHT4)及び約4.6〜5.6%(AC5、AC6、HT5、及びHT6)の合金の場合、ケイ素含有量が増大すると、透磁率が改良され、やや高い抵抗率が得られる。さらに、ケイ素レベルがほぼ4%の合金を比較すると(AC6、AC7、HT6、HT7)、ニッケル含有量の増大はやや高い抵抗率をもたらしたが、透磁率を劇的に低下させたことが分かる。最も低いニッケル含有量を有する合金の場合(AC1、AC2、HT1、HT2)、低い抵抗率(55μ−ohm・cm未満)が得られ、改良された透磁率が熱処理によって達成することができた(HT1及びHT2とAC1及びAC2との比較)。最後に、熱処理した合金(HT1〜HT7)を、類似の組成を有する未処理の合金(AC1〜AC7)と比較することにより、全ての熱処理した合金は透磁率の点で対応する未処理の合金より大幅に優れており、7つの熱処理した合金のうちの6つは対応する未処理の合金と比べてより高い抵抗率を示し、例外は合金AC6及びHT6がほぼ等しい抵抗率を示したことが分かる。従って、この研究により、熱処理は、評価した合金の場合鋳造したままの状態で得られた透磁率及び抵抗率を増大させることができるということが示された。
上記の結果を基にして、AC6及びHT6にほぼ対応する合金組成物が、これらの材料で形成される固定子フランジ62により、磁束遮蔽能を有する別個の構成部品(例えば、遮蔽板28)の必要性を排除することを可能にする、70μ−ohm・cm以上の抵抗率及び500H/m以上の最大透磁率のような望ましいバランスのとれた特性を示すものとして同定された。高いニッケルレベルが透磁率に及ぼす効果を考慮して、HT6よりもAC6の組成に近い表Iの公称組成に対応する組成を有する熱処理した合金が、最適の性質により近い特性を示すと結論した。最後に、表Iに示した限定量のマンガンの添加は機械的性質を改良することができ、一方表Iに示した限定量のマグネシウムの添加は所望のノジュール状黒鉛形状を得ると共に不純物の影響を相殺するのに望ましい。
固定子50に本発明の合金で形成されたフランジ62を利用する発電機で予想され得る電力損失特性に関して、細長い小面積のヒステリシス(BH)ループは低減した電力損失に対応することに注意されたい。特に、細長いBHループは低い残磁性、低い残留磁場、及び低いリラクタンスのより容易な磁化を示す。さらに、小さいヒステリシスループのより高い飽和磁束密度(Bs)は固定子の大きさを最小化するのに望ましい。表Iに示した合金の比較的高い透磁率と抵抗率はかかる利益をもたらすと考えられる。
特定の実施形態に関連して本発明を説明して来たが、明らかに、当業者は他の形態を採用することができよう。例えば、フランジ62及びそれを使用する(固定子50と回転子52を含む)電動機械の物理的構成は図示のものから変えることができる。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ制限されるものである。
10 従来技術の固定子
12 回転子
14 シート
16 フレーム
18 バンドル
20 空隙
22 フランジ
24 巻線
26 座巻
28 磁束遮蔽板
30 溝
32 界磁巻線
34 座巻
36 止め輪
50 固定子
52 回転子
54 シート
56 フレーム
58 バンドル
60 空隙
62 フランジ
64 巻線
66 座巻
70 溝
72 巻線
74 座巻
76 止め輪

Claims (20)

  1. 固定子内に交流磁場が誘導されるように電動機械において回転子と組み合わせて使用するのに適合した固定子であって、当該固定子が、
    固定子の軸に対してほぼ垂直に配向された磁気シート、及び固定子の軸に対してほぼ平行の方向に磁気シートを通過する固定子巻線、並びに
    固定子の複数の磁気シートを共に軸方向に圧迫するための手段
    を含んでなり、上記圧迫手段が、重量で、約3.25〜約3.40%の炭素、約3.70〜約3.80%のケイ素、約4.50〜約4.70%のニッケル、約0.20%以下のマンガン、約0.06%以下のマグネシウム、0.02%未満のリン、0.02%未満のイオウ、残部の鉄及び不可避不純物を含む延性鉄合金で形成されており、上記圧迫手段が
    固定子の交流磁場により誘導される渦電流による構成部品のジュール加熱を抑制するという性質を示す、固定子。
  2. 前記圧迫手段が固定子の両端に位置する一対の構成部品を含む、請求項1記載の固定子。
  3. 当該固定子が、固定子の対向して配置された端部から伸延している固定子巻線の座巻を含んでおり、前記構成部品が座巻から半径方向外側に位置する、請求項2記載の固定子。
  4. 前記構成部品が環状形状であり、固定子と同軸である、請求項2記載の固定子。
  5. 当該固定子が、圧迫手段に加えて固定子の両端に備えられる別個の磁束遮蔽板を欠いている、請求項1記載の固定子。
  6. 当該固定子が電動機械内に設置される、請求項1記載の固定子。
  7. 前記電動機械が電力の生成に使用するのに適合した発電機である、請求項6記載の固定子。
  8. 前記圧迫手段が固定子の一方の端部で磁気シートの対応する1つに当接する、請求項1記載の固定子。
  9. 前記延性鉄合金が、重量で、約3.25〜約3.40%の炭素、約3.70〜約3.80%のケイ素、約4.50〜約4.70%のニッケル、約0.17〜約0.20%のマンガン、約0.035〜約0.06%のマグネシウム、0.02%未満のリン、0.02%未満のイオウを含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなり、該延性鉄合金が90%を超える球状黒鉛鉄ノジュール率(nodularity)を含有する金属ミクロ組織を有する、請求項1記載の固定子。
  10. 前記延性鉄合金が、重量で、約3.25〜約3.30%の炭素、約3.72〜約3.78%のケイ素、及び約4.55〜約4.65%のニッケルを含有する、請求項9記載の固定子。
  11. 前記延性鉄合金が、70μ−ohm・cm以上の抵抗率及び500H/m以上の最大透磁率を示す、請求項1記載の固定子。
  12. 固定子内に交流磁場が誘導されるように電動機械の回転子と組み合わせて使用するのに適合した固定子内の構成部品のジュール加熱を抑制する方法であって、該固定子は、固定子の軸に対してほぼ垂直に配向された磁気シートと、固定子の軸に対してほぼ平行の方向に磁気シートを通過する固定子巻線とを含んでなり、該方法は、固定子の複数の磁気シートを共に軸方向に圧迫するのに適合した1以上の構成部品を形成することを含んでなり、該形成工程が、重量で、約3.25〜約3.40%の炭素、約3.70〜約3.80%のケイ素、約4.50〜約4.70%のニッケル、約0.20%以下のマンガン、約0.06%以下のマグネシウム、0.02%未満のリン、0.02%未満のイオウ、残部の鉄及び不可避不純物を含む延性鉄合金を鋳造し、次いで、約910±20℃の第1の浸漬温度で約3時間±30分、次に約690±20℃の第2の浸漬温度で約6時間±30分延性鉄合金を熱処理することを含んでなる方法。
  13. さらに、固定子の第1の端部に前記構成部品を設置し、これに前記磁気シートの1つを当接させる工程を含んでおり、前記構成部品に加えて固定子の第1の端部に別個の磁束遮蔽板を備えない、請求項12記載の方法。
  14. 前記固定子が、固定子の対向して配置された端部から伸延している固定子巻線の座巻を含んでおり、前記構成部品を座巻の半径方向外側に設置する、請求項13記載の方法。
  15. さらに、前記固定子を電動機械内に設置する工程を含んでいる、請求項12記載の方法。
  16. さらに、前記電動機械を発電機として作動させて電力を生成する工程を含んでいる、請求項12記載の方法。
  17. 前記延性鉄合金が、重量で、約3.25〜約3.40%の炭素、約3.70〜約3.80%のケイ素、約4.50〜約4.70%のニッケル、約0.17〜約0.20%のマンガン、約0.035〜約0.06%のマグネシウム、0.02%未満のリン、0.02%未満のイオウを含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなり、該延性鉄合金が90%を超える球状黒鉛鉄ノジュール率を含有する金属ミクロ組織を有する、請求項12記載の方法。
  18. 前記延性鉄合金が、重量で、約3.25〜約3.30%の炭素、約3.72〜約3.78%のケイ素、及び約4.55〜約4.65%のニッケルを含有する、請求項17記載の方法。
  19. 前記延性鉄合金が、70μ−ohm・cm以上の抵抗率及び500H/m以上の最大透磁率を示す、請求項12記載の方法。
  20. 前記熱処理工程が、室温から第1の浸漬温度まで約2℃/分の速度で加熱し、第1の浸漬温度から第2の浸漬温度まで約1℃/分の速度で冷却し、第2の浸漬温度から約200±20℃の温度まで約1.5℃/分の速度で冷却し、その後室温まで空気冷却することを含んでいる、請求項12記載の方法。
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