JP2010518801A - ターボ発電機 - Google Patents

Abstract

本発明は、ロータ（１１）を有するターボ発電機（１０）であって、ロータ（１１）が、円筒状のロータボディ（１３）を有しており、該ロータボディ（１３）の両端部がそれぞれ１つの軸端部（１４）に移行していて、ロータボディ（１３）の真ん中の区分がロータ（１１）の電磁的にアクティブな領域（２３）を有しており、ロータ（１１）が、ロータ軸線（１９）に沿って相前後して配置されかつ互いに結合された複数のロータ部分（２１，２２）から構成されている形式のものに関する。ロータボディ（１３）のアクティブな領域（２３）が、良好に磁化可能な材料、特に第１の鋼から成っており、ロータボディ（１３）の、アクティブな領域（２３）の外側に位置する端部区分（２０）と、軸端部（１４）とが、減じられた磁化可能性を有する材料か、または非磁性の材料、特に第２の鋼から成っている。

Description

本発明は、回転する電気機械の分野に関する。本発明は請求項１の上位概念部に記載のタービンもしくはターボ発電機、すなわちロータを有するターボ発電機であって、ロータが、円筒状のロータボディを有しており、該ロータボディの両端部がそれぞれ１つの軸端部に移行していて、ロータボディの真ん中の区分がロータの電磁的にアクティブな領域を有しており、ロータが、ロータ軸線に沿って相前後して配置されかつ互いに結合された複数のロータ部分から構成されている形式のものに関する。

背景技術
ターボ発電機は、たとえば欧州特許出願公開第１２０９８０２号明細書に基づき公知である。ターボ発電機は、ロータ軸線を中心として回転可能に支承されたロータを有しており、このロータは、ステータにより同心的に取り囲まれている。ロータ内には、直流電気を供給されるロータ巻線が収納されている。このロータ巻線は、ステータ内の交流ステータ巻線と電磁的な相互作用をもたらす。ターボ発電機のロータは、磁化可能なフェライト鋼から製造される。たいていの場合、ロータは、モノブロック（Monoblock）として形成された１つの鍛造ブランクから相応する加工により製造される。しかし、たとえばスイス国未審査特許１５００９９号明細書またはドイツ連邦共和国特許第５６７８５４号明細書に記載されているように、大きなターボ発電機の場合には、ロータを複数のロータ部分から組み立てることも考えられる。ロータは、軸線に沿って、真ん中のロータボディと、該ロータボディの端部に続いた軸端部とに分割され得る。これらの軸端部によってロータは、相応するロータ軸受け内に回転可能に支承されている。ロータボディの真ん中の領域は、ロータの（電磁的に）アクティブな領域である。

組み立てられたロータもしくは複数の部分から構成されたロータにおいても、ロータは、全てのロータ部分のために使用された同じ材料に基づき、一貫して同じ磁気特性を有している。この磁気特性は、ロータボディのボディ端部の領域もしくはロータボディの端部に配置されたロータキャップの収縮嵌めの領域においては不都合な電磁特性（elektromagnetische Verhaeltnisse）を生ぜしめ、この不都合な電磁特性は、高められた渦電流損と高められた熱負荷とにより現れる。

発明の開示
本発明の課題は、公知のロータもしくはターボ発電機における上述の欠点を回避し、ロータの端面領域における小さな損失および温度と、全体的に高められた限界出力もしくは拡大された出力範囲とにより優れているロータもしくはターボ発電機を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴により解決される。本発明にとって重要となるのは、ロータボディのアクティブな領域が、良磁化性もしくは良好に磁化可能な材料、特に第１の鋼から成っていて、ロータボディの、アクティブな領域の外側に位置する端部区分と、該端部区分に続いた軸端部とが、減じられた磁化可能性を有する材料か、または非磁性の材料、特に第２の鋼、たとえばオーステナイト鋼から成っていることである。

この場合、本発明の実施形態では、ロータボディのアクティブな領域が、１つまたは複数の鍛造部分から成っており、ロータボディの、アクティブな領域の外側に位置する端部区分と、軸端部とが、１つまたは複数の鍛造部分から成っており、磁性的に互いに異なるこれらの鍛造部分が、融接法によって互いに材料接続的に結合されている。これに対して択一的には、これらの互いに異なる鍛造部分が形状・摩擦接続式に互いに結合されていてもよい。鍛造部分の代わりに、粉末冶金法により製作された部分も使用され得る。この粉末冶金法により製作された部分も同じく、材料接続式または形状・摩擦接続式に互いに結合されている。ロータのためには、鍛造部分と粉末冶金法により製作された部分との任意の組合せも考えられる。

さらに別の実施形態では、ロータボディの端部には、それぞれ１つのロータキャップが収縮嵌めされていて、該ロータキャップがロータボディの端部区分の領域に収縮嵌めされている。

以下に本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

本発明を実現するために適しているターボ発電機の著しく簡略化された縦断面図である。 図１に示したロータの、公知の場合の端部領域を示す図であり、ロータ全体が唯一種の磁化性の材料から成っている。 図１に示したロータの、本発明の実施例による端部領域を図２と比較して示す図である。

本発明を実施するための形態
図１には、本発明の実現のために適しているようなターボ発電機が、著しく簡略化された縦断面図で図示されている。ターボ発電機１０は、軸線１９を中心として回転可能に支承されたロータ１１と、ステータ１２とを有している。ステータ１２は、ロータ１１を同心的に取り囲んでいる。ロータ１２およびステータ１２自体は、ハウジングにより取り囲まれている。ハウジングは簡略化のために図示されていない。ロータ１１は、中央の区分として、円筒状のロータボディ１３を有している。このロータボディ１３のセンタ部分（図１に示した破線の間の区分）は、アクティブな領域２３としてステータ１２と電磁的な相互作用を生ぜしめる。このためには、ロータ１１にロータ巻線１５が、ステータ１２にステータ巻線１８が収納されている。これらの巻線は、公知の形式で相応する溝内に嵌め込まれた巻線導体を有している。ロータボディ１３およびステータ１２の端面には、巻線ヘッドが形成されている。ロータボディ１３に形成された巻線ヘッドは、端部側でロータボディ１３に収縮嵌めされたロータキャップ１６によって保持され、かつ保護される。

ロータボディ１３の両端部は、それぞれ軸端部１４に移行している。軸端部１４の領域には、通常、ガス状の冷却媒体を循環させるためのベンチレータ１７が配置されている。ロータ１１は、軸端部１４によって相応する軸受けに回転可能に支承されている。それと同時に軸端部１４は、たとえばガスタービンのような駆動しようとするタービン機械との結合のために働く。

本発明によれば、ロータ１１は、図２に示すように一貫して同じ磁気特性を有する唯一種の材料、つまりたとえば良好に磁化可能な１種の鋼から成っているのではなく、互いに異なる磁気特性を有する少なくとも２種の材料から成っている。つまりロータ１１は、図３に例示的に示したように、ロータ部分２１，２２から形成されたか、もしくは組み立てられたロータとして形成されている。このロータは、アクティブな領域２３では良好な磁化可能性を有する鍛造部分から成っていて、ロータボディ１３の端部領域（ボディ区分２０，ロータキャップ１６のキャップシート）および軸端部１４では、減じられた磁化可能性を有する鍛造部分か、または非磁性の材料、たとえばオーステナイト鋼から成っている。このような材料は、当業者にとっては一般に知られている。互いに異なる磁性の鍛造部分の接合は、有利には融接法により行われるが、しかしねじ結合または類似の方法により行われてもよい。当然ながら、ロータ部分２１，２２自体は、それぞれ１つの部分から成っているか、または複数の部分から組み合わされていてもよい。ロータのアクティブな領域２３は、ステータ１２のアクティブな領域と一致している必要はない。ロータのアクティブな領域２３は有利には、図１に示したように、ステータのアクティブな領域よりも僅かに小さく形成されてよい。

当然ながら、本発明は記載された実施例に限定されるものではない。

上述の鍛造部分の代わりに、粉末冶金法により製作された部分を使用することもできる。粉末冶金法により製作された部分は同じく材料接続式または形状・摩擦接続式に互いに結合されている。ロータのためには、鍛造部分と、粉末冶金法により製作された部分との任意の組合せも考えられる。この場合、ロータボディ１３のアクティブな領域２３には、良好な磁化可能性を有する材料から成る鍛造部分もしくは粉末冶金法により製作された部分が使用され、ロータボディ１３の端部領域（ボディ区分２０，ロータキャップ１６のキャップシート）と軸端部１４とには、減じられた磁化可能性を有する材料か、または非磁性の材料から成る鍛造部分もしくは粉末冶金法により製作された部分とが使用される。粉末冶金法により製作された部分は、粉末冶金法により製作された鋼から成っていると有利であるが、しかし粉末冶金法により製作された超合金であってもよい。

本発明による、互い異なる磁気特性を有する区分のロータの分割によって、ロータおよびステータの端面磁界（magnetischer Stirnfeld）に影響が与えられる。この場合、以下に挙げる特性および利点が得られる：
−キャップシートを貫通しかつ常に特定の交番成分（Wechselkomponent）を有する磁界が減じられる。したがってロータキャップシートにおける電気的な渦電流損が少なくなる。
−ステータの端部が、軸方向に生じる磁界に対して著しく負荷軽減される。このことから、ステータ薄板のヨークおよび歯における渦電流損低減が得られる。
−ステータ巻線導体は、ステータ端部の領域において、貫通する磁界に関して負荷低減される。これによりステータ巻線導体における渦電流損低減が得られる。
−ロータ端部における、非磁性で、それゆえ横断面で見て大面積にわたり電流を担持するボディ材料が、一貫して延びるダンパウェッジ（Daempferkeilen）の下方での導電接続のために働く。
−端面領域における局所的な損失および温度が減じられる。
−より高い限界出力または拡大された出力範囲が可能である。

１０ ターボ発電機
１１ ロータ
１２ ステータ
１３ ロータボディ
１４ 軸端部
１５ ロータ巻線
１６ ロータキャップ
１７ ベンチレータ
１８ ステータ巻線
１９ 軸線
２０ ボディ区分
２１，２２ ロータ部分
２３ アクティブな領域（ロータボディ）

Claims (7)

1. ロータ（１１）を有するターボ発電機（１０）であって、ロータ（１１）が、円筒状のロータボディ（１３）を有しており、該ロータボディ（１３）の両端部がそれぞれ１つの軸端部（１４）に移行していて、ロータボディ（１３）の真ん中の区分がロータ（１１）の電磁的にアクティブな領域（２３）を有しており、ロータ（１１）が、ロータ軸線（１９）に沿って相前後して配置されかつ互いに結合された複数のロータ部分（２１，２２）から構成されている形式のものにおいて、ロータボディ（１３）のアクティブな領域（２３）が、良好に磁化可能な材料、特に第１の鋼から成っており、ロータボディ（１３）の、アクティブな領域（２３）の外側に位置する端部区分（２０）と、軸端部（１４）とが、減じられた磁化可能性を有する材料か、または非磁性の材料、特に第２の鋼から成っていることを特徴とする、ロータを有するターボ発電機。
2. ロータボディ（１３）のアクティブな領域（２３）が、１つまたは複数の鍛造部分から成っており、ロータボディ（１３）の、アクティブな領域（２３）の外側に位置する端部区分（２０）と、軸端部（１４）とが、１つまたは複数の鍛造部分から成っており、互いに異なるこれらの鍛造部分が、融接法によって互いに材料接続式に結合されている、請求項１記載のターボ発電機。
3. ロータボディ（１３）のアクティブな領域（２３）が、１つまたは複数の鍛造部分から成っており、ロータボディ（１３）の、アクティブな領域（２３）の外側に位置する端部領域（２０）と、軸端部（１４）とが、１つまたは複数の鍛造部分から成っており、互いに異なるこれらの鍛造部分が、形状・摩擦接続式に互いに結合されている、請求項１記載のターボ発電機。
4. ロータボディ（１３）のアクティブな領域（２３）が、粉末冶金法により製作された１つまたは複数の部分から成っており、ロータボディ（１３）の、アクティブな領域（２３）の外側に位置する端部領域（２０）と、軸端部（１４）とが、粉末冶金法により製作された１つまたは複数の部分から成っており、粉末冶金法により製作されたこれらの異なる部分が、融接法によって互いに材料接続式に結合されている、請求項１記載のターボ発電機。
5. ロータボディ（１３）のアクティブな領域（２３）が、粉末冶金法により製作された１つまたは複数の部分から成っており、ロータボディ（１３）の、アクティブな領域（２３）の外側に位置する端部領域（２０）と、軸端部（１４）とが、粉末冶金法により製作された１つまたは複数の部分から成っており、粉末冶金法により製作されたこれらの異なる部分が、形状・摩擦接続式に互いに結合されている、請求項１記載のターボ発電機。
6. ロータボディ（１３）と軸端部（１４）とが、それぞれ粉末冶金法により製作された１つまたは複数の部分または鍛造部分の任意の組合せから成っている、請求項１から５までのいずれか１項記載のターボ発電機。
7. ロータボディ（１３）の端部に、それぞれ１つのロータキャップ（１６）が収縮嵌めされて装着されており、該ロータキャップ（１６）が、ロータボディ（１３）の端部区分（２０）の領域に収縮嵌めされている、請求項１から６までのいずれか１項記載のターボ発電機。

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