JP2011229373A - ロータを製造するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時間およびコストが著しく減じられた、電気機械に用いられるロータ、特に風車発電機に用いられるロータヨークのための製造方法を提供する。
【解決手段】電気機械に用いられるロータ、特に風車発電機に用いられるロータヨークを製造するための方法であって、以下のステップ、すなわち−金属製の巻かれた中空状の円筒体（１）を提供するステップと、−該円筒体（１）を所定の形状および所定のサイズに塑性変形させるステップとを有するようにした。
【選択図】図５

Description

本発明は、電気機械に用いられるロータ、特に風車発電機に用いられるロータヨークを製造するための方法および装置に関する。

大きな直径、たとえば１メートルを超える直径の中空軸は、ある特別な用途のためのロータとして必要とされる。このような用途の一例は風車であり、風車ではこのような中空軸が、通常は風車発電機、たとえば直接駆動風車発電機のためロータヨークとして使用される。

大きな規模の近代的な風車に用いられる発電機のこのようなロータヨークは、アウタロータ型の発電機のためには、約４０ｍｍの鋼厚さとたとえば４ｍの直径とを有する、巻かれた鋼から成る円筒体として形成され得る。インナロータ型の発電機のためのロータの直径はいくらか小さく形成されている。

このようなロータヨークの製造は、幾つかの仕様、たとえば、特に磁石を収容するための内面および外面の予め規定された所定のパターンもしくはテクスチャ（texture）と、直径の公差に関する厳しい要求とを考慮しなければならない。直径の公差は、たとえば所望の直径からプラス／マイナス０．５ｍｍのオーダであり得る。

このようなロータを製造するために、中空円筒体を、ロータの所望の小さな公差が達成されるまで、機械加工工具、たとえば多数の機械加工ステップのための特別な旋盤を用いて加工することが知られている。この加工ステップは、製造過程の、時間のかかる高価なステップである。その結果、このような発電機、特に直接駆動発電機は、この種の発電機が別の利点を有しているにもかかわらず滅多に使用されない。

本発明の課題は、製造時間およびコストが著しく減じられた、電気機械に用いられるロータ、特に風車発電機に用いられるロータヨークのための製造方法を提供することである。

この課題を解決するために、本発明による方法では、冒頭で述べた方法を改良して、以下のステップを有しているようにした。すなわち；
−巻かれた金属の中空円筒体、特に巻かれた鋼の円筒体を提供し、
−前記円筒体を所定の形状および所定のサイズに永久的に塑性変形させる。

本発明は、直径が１メートルまたはそれ以上であるような大きなサイズのロータ、特にロータヨークの全く新しい製造方法、すなわち、機械加工ではなく成形技術による、巻かれた円筒体の加工を提案する。したがって、公知の成形技術が使用され得る。特に、円筒体の塑性変形のステップは、円筒体の冷間成形および／または熱間成形および／または加工硬化を含んでよい。要するに、この方法は、巻かれた鋼または巻かれた鉄の円筒体を、特に風車発電機のロータヨークの所望の形状およびサイズに永久的に塑性変形させることとして説明され得る。

したがって、本発明による方法は、たとえば内面の公差および表面パターンの要求を満たすロータを得るための代替的な技術を提供する。

有利には、たとえば、機械加工の公知の技術は数時間かかることがあるのに対して、プレス加工はたった数秒から数分しかかからないので、本発明による加工は極めて時間節約的である。さらに、本発明による方法は、一度構築されると、極めてコスト効率がよい。なぜならば、公知の方法では装置当たり毎時に１つより少ないロータである製造スピードしか可能でないのに対して、装置当たり毎時に多数のロータである極めて高い製造スピードを達成することができるからである。

本発明の別の利点は、本発明による方法では、たとえば旋盤を用いることによる機械加工を用いた公知の方法とは対照的に、処理過程の間にロータからロータ材料を除去しないことである。

既に述べたように、成形過程は、本発明の幾つかの実施態様では冷間成形として実施され得る。金属製の円筒体、特に鋼製の円筒体は、これらの材料の再結晶点よりも大幅に低い温度、たとえば室温で変形させられる。冷間成形は、材料の結晶構造に欠陥を導入することによって、プレート状の材料の降伏強度および硬度を増大させて、硬化を生ぜしめる。

別の実施態様では、成形過程が熱間成形過程として実施され得る。この場合、金属製の円筒体、特に鋼製の円筒体は、再結晶点を超えて加熱されかつ変形される。熱間成形は、達成されるべき大きな変形を可能にし、かつ残留応力が材料中に蓄積することを阻止する。このことは、良好な寸法安定性を保証する。たとえば、摂氏約６００〜７００度の温度が使用され得る。

既に上述したように、本発明による方法の第１のステップは、金属製の中空円筒体、特に鋼製の中空円筒体を提供することを含む。円筒体は、たとえば３５ｍｍ〜５５ｍｍの範囲の適切な肉厚を有していると望ましく、円筒体の長さ／高さは、実質的に、完成した所望のロータ、特にロータヨークの長さ／高さであると望ましい。円筒体は、任意の適切な金属、特に鉄、または金属合金、特に任意の適切な鋼合金から成っていてよい。

有利な実施態様では、プレス手段が、円筒体の内側に配置されているか、または円筒体を取り囲んで配置されていて、円筒体の内面または外面の少なくとも一部にプレス力を加える。この実施態様では、円筒体は、ロータの所望の最終的な直径よりも僅かに小さな直径を有して提供されていてよい。プレス手段は、いまや円筒体の１つまたは複数の領域に十分な力を加えることができるので、所望の内径が達成される。有利には、円筒体の半径方向のプレス力が加えられる。いかなる場合でも、プレス手段により形成された力は、円筒体の材料が塑性変形状態に達することを可能にするために十分でなければならない。

有利な実施態様では、円筒体に接触するプレス手段の表面は、円筒体の接触される表面が所定のパターンとなるように構造化されている。これにより、円筒体の内面および外面は、プレス加工の実施中に構造化され得る。プレス手段は、様々なパターンのロータの内面または外面の成形を可能にするように設計されていてよい。たとえば、ロータヨーク等が製造されるべき場合に、形成されるパターンは、横断面で見て、直線区分の有限列から構成された多角形の形態を有していてよい。これらの区分の数は、次いでロータに組み付けられるべき極磁石の数に相当していてよい。

本発明による方法の有利な別の実施態様として、円筒体が、当該円筒体を取り囲みかつ／または支持する外側マトリクスまたは外側の型のキャビティ内に配置されている間に、プレス力が加えられる。型エレメントが単に円筒体のための支持部として働く実施形態が考えられる一方で、型エレメントは、有利には完成した製品の外側サイズおよび形状をも規定することができ、この場合、具体的な実施形態において、提供された、型エレメントの内径よりも小さな外径を有する円筒体が、キャビティ内に挿入され得るようにされる。別のステップで、プレス手段が円筒体内に挿入され得る。プレス力が加えられるやいなや円筒体が塑性変形されて、この場合、この円筒体は型エレメントに押圧されるので、その外径および形状が型エレメントにより規定され、かつ円筒体の内径および形状がプレス手段／プレス力により規定される。当然のことながら、原理的には、前述の特徴および後述の特徴を必要に応じて加えれば、型エレメントが円筒体の内側に位置していて、プレス手段が円筒体の外側に接触する実施形態も考え得る。

鉄筋コンクリート（armoured concrete）の層を有する型エレメントを使用することができ、適当な厚さの固い管が形成される。有利には、マトリクス構造体を有する型エレメント、特に、ロータの所定の所望の外側パターンに相当する少なくとも１つの突出部をその内壁に有する型エレメントが使用され得る。マトリクス構造体は、型エレメントとそのキャビティとの間の移行部を形成している。マトリクス構造体は、少なくとも部分的に特別に硬化されていてよい。マトリクス構造体が型の主な層の一部として実現され得る一方で、有利には特に交換可能なマトリクス構造インサートを有する成形エレメントが使用され得る。この方法では、ロータの所定の所望の外側パターンに相当するマトリクス構造体を型エレメント内に挿入することができ、これにより、キャビティの壁を形成する。交換可能なインサートを用いることにより、このインサートは摩耗した場合に交換され得るか、または製造されるべきロータに応じて、たとえば別の形状の突出部を備える外側パターンを規定する別のインサートに交換され得る。

マトリクス構造体、またはより詳細には少なくとも１つの突出部が、種々異なる形態（forms）、特に種々異なる高さと、種々異なる幅と、三角形、四角形または正弦形状のような種々異なる形状とを有していてもよい。

プレス手段は、液圧式および／または電気式および／または機械式の手段を用いて円筒体に圧力を加えることができる。適当なプレス手段は、公知先行技術から公知であり、本発明においても使用することができる。

有利な実施形態では、円筒体がシールされて、加圧された水がプレス手段として円筒体内に噴射される。このことは、円筒体が、該円筒体の内部に水密な閉鎖空間を形成するいくつかの手段を有していることを意味する。十分に高い圧力下にある水を閉鎖空間へ供給することにより、円筒体は、該当する場合、この円筒体が型エレメントの内面、特にマトリクス構造体に接触するまで冷間変形を受ける。この実施形態の利点は、相互に作用しなければならずかつ正しく調整されていなければならない多数の機械部分なしに比較的に単純に構成されることである。

別の有利な実施形態では、円筒体のプレス加工は複数回のステップ、たとえば２、３または４つのステップで実施される。各ステップにおいて、全プレス過程の一部だけが完了するように、円筒体の一部がプレスされるか、または円筒体全体がプレスされる。直線区分の多角形を有する内側パターンを形成する上記の例では、３つのステップを有する方法が想定され得る。すなわち、第１のステップで線区分の１／３のプレス加工を実行し、第２のステップで線区分の別の１／３のプレス加工を実行し、第３のステップで線区分の３／３のプレス加工を実行する。

半径方向のプレス手段の長さおよび／またはプレス力が、調節されると有利である。このような実施形態では、プレス手段が、特に半径方向の長さおよび／またはプレス力を調節することを可能にする調節手段を有している。このようにして、プレス力は、当該円周体の特定の周方向の位置において所望のレベルで円筒体に加えられ得ることが確保される。

プレス手段は、制御装置によって、たとえば適切な制御装置またはコンピュータにより実行されるコンピュータプログラムによって制御されていてよい。

本発明の別の実施形態では、円筒体は、特に摂氏６００度〜７００度の範囲の温度で熱間成形され、成形過程のあとおよび／または成形過程の間に冷却される。この方法を実施するための装置は、この場合、さらに円筒体および／またはロータ、適当な場合には型エレメントまたはその両方を冷却するための冷却手段を有していてよい。成形のステップは、成形過程の間および／または成形過程の後に実施され得る。

第２の態様では、本発明は、本発明による方法によりロータを製造するための、プレス手段を有する装置にも関する。方法に関して記載された全ての特徴が、相当して装置にも適用され得る。

有利な実施形態では、装置は付加的に、円筒体の挿入のためのキャビティを備えた型エレメントを有している。キャビティは、円筒体を収容するために構成されていて、プレス手段は、既に型エレメントの内側に位置する円筒体内に挿入され得るように形成されていてよい。上述のように、型エレメントはマトリクス構造体を、キャビティを規定する内面に有していてよい。プレス手段は液圧式および／または電気式および／または機械式の手段であってよい。

別の細部および利点は、以下の図面に関連した本発明の実施形態の詳細な説明から判る。

本発明による方法の第１の実施態様のステップを示す図である。 成形エレメント内のシリンダの詳細を示す図である。 本発明による第１の実施態様の第２のステップを示す図である。 円筒体の内側に位置するプレス手段を示す図である。 プレス過程の間の状態を示す図である。 本発明による方法の第２の実施形態の変更された第２のステップを示す図である。 加圧された水で充填された円筒体を示す断面図である。

ここで説明される本発明による方法の両実施態様の第１のステップとして、中空円筒体１が提供される。この場合、風車に用いられるロータヨーク（以下「ロータ」と呼ぶ）が製造される。適当な鋼合金または鉄から成る巻かれた中空円筒体１が使用される。この中空円筒体１は、当該技術分野で公知の過程を用いて製造され得る。円筒体１は、４０ｍｍの肉厚と４ｍの直径とを有している。円筒体１の内径は、所望の内径よりも僅かに小さく形成されていて、円筒体１の長さ／高さは、ロータの所望の長さ／高さと既に同じである。

第１の実施態様では、使用される装置が型エレメント（mould element）２と、プレス手段３とを有している。型エレメント２は、キャビティ５を規定する鉄筋コンクリートの層４を有している。コンクリート層の内面は、マトリクス構造体６を有していて、この場合、交換可能なマトリクス構造インサート７により規定されている。このマトリクス構造体６は、完成されたロータの、所定の所望の外側パターンもしくは外側テクスチャ（texture）パターンに相応して選択されている。この装置が、種々異なる外側パターンを規定する複数のインサートを有していてもよい。

この実施態様では、マトリクス構造体６が、長手方向に延びる突出部８（図２を参照）を有している。一般的に云えば、突出部８は種々異なる形態、幅および形状、たとえば三角形、四角形および／または正弦形状を有していてよい。マトリクス構造体６全体は、特に硬化されている。

キャビティ５は、円筒体１の外径よりも大きな直径を有しているので、本発明による方法の第２のステップでは、円筒体１が型エレメント２のキャビティ５内に置かれる（図１の矢印９を参照）。これにより、円筒体１は型エレメント２によって支持され、この型エレメント２は、実際に、この過程の別の工程においても型として役立つ。図２は、型エレメント２の内側に位置した円筒体１を示している。

第１の実施態様の次のステップ（図３を参照）では、プレス手段３が円筒体１内に挿入される（矢印１０を参照）。この例示的な実施態様では、装置のプレス手段が、プレス板１２を介して円筒体１にプレス力を加えるための複数のプレスアーム１１を有している。プレス力は、円筒体１の半径方向に向けられていて、液圧式または空気圧式の手段（図示せず）により生ぜしめられる。しかし、プレス力を発生させる手段は、電気式および／または機械式の手段であってもよい。

さらに、プレス手段は、各アーム１１のために、長さ調節装置１３を有している。択一的にまたは付加的に、プレス力が調節され得る。このことは、円筒体１に、当該円筒体１の特定の周方向および／または長手方向の位置で円筒体１に所望のレベルでプレス力を加えることを可能にする。調節装置１３と、プレス手段３全体とは、制御装置（図示せず）によって、この場合、コンピュータで実行されるコンピュータプログラムによって制御される。

図面に示した第１の実施態様ではロータの内側パターンが必要とされない一方で、プレス手段３が、種々異なるパターンのロータの内面を形成するために設計され得る。たとえば、内側パターンは、次いでロータに組み付けられるべき極磁石を収容するために形成され得る。この場合、このパターンは、横断面で見て、直線区分の有限列から構成された多角形の形態を有していてよく、これにより、磁石のための長手方向に延びる座が形成される。

プレス手段３が制御装置により制御され、アーム１１の長さおよび／またはプレス力が調節され得るので、本発明による方法の、これに続くプレスステップは、一回で行われるか、または複数回のステップ、たとえば３回のステップで行われ得る。どの場合も、図４に示された状態から開始される。円筒体１はプレスされて、これによりプレス手段３および型エレメント２によって規定された所望の形状およびサイズに塑性変形する。

図５は、第１の実施態様におけるプレス過程の間に生じる状態を示している。円筒体１の外面が既にマトリクス構造体６の突出部８に接触しているのに対して、材料は突出部８の間の切欠きを充填し始めている。これにより最終的に所望のパターンが形成される。

第１の実施態様は、たとえば摂氏６００度〜７００度の温度の熱間成形を含んで実行され得る。この場合、装置は円筒体１および／または型エレメント２を成形過程の間および／または成形過程後に冷却するために構成された冷却手段（図示せず）を有している。

最終的に、円筒体１は、型エレメント２から所望のロータとして取り出される。

本発明による方法は、マグネットがロータヨークの内壁に組み付けられるような「アウタロータ」型のロータヨークの製造に制限されないことに留意されたい。本発明による方法は、必要な変更を加えて、マグネットがヨークの外壁に組み付けられるような「インナロータ」型のロータヨークの製造のためにも使用され得る。

上述の内側ロータ型のロータヨークの製造のために、円筒体１が、種々異なる実施態様のために、型エレメントを取り囲んで位置してよい。型エレメントは、このタイプの適切な円筒体を収容するように準備される。

図６および図７は、本発明の変更された実施態様を示している。この場合、水１４がプレス手段として使用されている。

この実施態様では、水１４が円筒体１内に入口１５を通じて噴射される。入口１５も型エレメント２の内側に配置されている。円筒体１の内側で水密な閉鎖空間を提供するために、適当なシール手段１６が使用される。十分に高い圧力で水１４が閉鎖空間内に流入されるので、円筒体１が冷間変形を受ける。成形過程は、円筒体１が、マトリクス構造体６に接触して、各外側パターンを得ると終了する。

第３の実施態様（図示せず）では、円筒体は、実質的に第１の実施態様で説明したように形成されるが、円筒体が型エレメント２内に挿入されることや、または型エレメント２を取り囲むことはない。この実施態様のためには、円筒体１の形成されるサイズおよび形状は、この円筒体１の内面または外面に接触するプレス手段３によってのみ規定される。

１ 円筒体
４ 層
７ マトリクス構造インサート
８ 突出部

Claims (15)

1. 電気機械に用いられるロータ、特に風車発電機に用いられるロータヨークを製造するための方法であって、
   金属製の巻かれた中空円筒体（１）を提供するステップと、
   該円筒体（１）を所定の形状および所定のサイズに永久的に塑性変形させるステップと
   を有することを特徴とする、電気機械に用いられるロータを製造するための方法。
2. 前記円筒体（１）を塑性変形させるステップが、円筒体（１）の冷間成形および／または熱間成形および／または加工硬化を含む、請求項１記載の方法。
3. プレス手段（３）が、円筒体（１）の内側に配置されているか、または円筒体（１）を取り囲んで配置されていて、円筒体（１）の内面または外面の少なくとも一部にプレス力を加える、請求項１または２記載の方法。
4. 円筒体（１）の半径方向のプレス力を加える、請求項３記載の方法。
5. 円筒体（１）に接触するプレス手段（３）の表面は、円筒体（１）の接触された表面が所定のパターンとなるように構造化されている、請求項３または４記載の方法。
6. 円筒体（１）が、当該円筒体（１）を取り囲みかつ／または支持する外側の型エレメント（２）のキャビティ（５）内に配置されている間、または内側の型エレメント（２）が円筒体（１）のキャビティ内に配置されている間に、プレス力を加える、請求項３から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 鉄筋コンクリートの層（４）を有する型エレメント（２）を使用する、請求項６記載の方法。
8. ロータの所定の所望のパターンに相当するマトリクス構造体（６）、特に、少なくとも１つの突出部（８）を、その内壁または外壁に有する型エレメント（２）を使用する、請求項６または７記載の方法。
9. 特に交換可能なマトリクス構造インサート（７）を備える型エレメント（２）を使用する、請求項８記載の方法。
10. プレス手段（３）が、液圧式および／または電気式および／または機械式の手段を用いて円筒体（１）に圧力をかける、請求項３から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 円筒体（１）がシールされて、加圧された水（１４）が、プレス手段として円筒体（１）内に噴射される、請求項３から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 円筒体（１）のプレス加工を、複数回のステップで実行し、かつ／またはプレス手段（３）の半径方向の長さおよび／またはプレス力を調節し、かつ／またはプレス手段（３）を制御装置により制御する、請求項３から１０までのいずれか１項記載の方法。
13. 円筒体（１）を、特に摂氏６００度〜７００度の範囲の温度で熱間成形し、成形過程の後および／または成形過程の間に冷却する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法によりロータを製造するための装置であって、プレス手段（３）を有していることを特徴とする装置。
15. 円筒体（１）を挿入するためのキャビティ（５）を有しているか、または円筒体（１）のキャビティ内に挿入されるために適した型エレメント（２）を有している、請求項１４記載の装置。

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