JP2017511100A - 支持要素及びそれを備えるステータアセンブリ - Google Patents

Abstract

本開示は、電気機械のためのステータアセンブリに関し、さらに詳しくは、ステータアセンブリにおいてその性能を改善するために利用される支持要素に関する。この支持要素は、円形接続アームの熱膨張を許容しつつ、固有周波数をずらし、振動の振幅を小さくする。【選択図】図１

Description

本開示は、電気機械のためのステータアセンブリに関し、さらに詳しくは、ステータアセンブリにおいてその性能を改善するために利用される支持要素に関する。

技術水準の電気エネルギ変換は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの周波数並びに数百ボルト〜数十万ボルトの範囲の電圧レベルの交流（ＡＣ）による三相電力網に頼る。回転する機械的エネルギの電気エネルギへの変換、及びその反対の変換は、それぞれ発電機及びモータによって行われる。それらの回転機械を、非同期及び同期装置に分けることができる。

モータ及び発電機は、ステータ及びロータを備える。機械のロータは、ステータのステータ内腔の内側で回転する。回転機械は、典型的にはロータの極の巻線を通過する磁場を生成する。ロータの極の数及びステータ磁場の周波数が、回転機械の毎分の回転数（ｒｐｍ）を定める。

公知のとおり、発電機のステータバーは、一般に、上部及び下部層で作られる。上部及び下部層のバーは、電気コイルを形成するように、ラグと呼ばれる銅片によって互いに接続される。次いで、電気的接続が、発電機の電気コイルと発電機のケーシングを貫いて電力を外部へと導く端子との間に必要とされる。この目的のため、この接続は、支持構造体の最も外側の直径において支持構造体の周囲に曲げられた（矩形又は円形断面の）銅バーによって確立される。

一般に、巻線のコイルの最初及び最後のバーが、端子に接続される。これらのバー（通常は、層ごとに６つ、円周を巡って等しく分布）は、相バーと呼ばれ、発電機の生成した電力を外部の電力網へともたらすように特別に設計される。

相バーと、発電機のケーシングを通って電力を導く端子との間の接続は、円形接続又は相リングと称される。

それらは、互いに電気的に絶縁され、相バーへと到達し、相バーを必要とされる絶縁距離を維持しながら発電機の端子に接続するために、きわめて精巧な形状が必要とされる。

円形接続は、一般に、高振動を防止するために支持構造体へと固定される。

発電機の端部巻線支持構造体は、プレス板の前方かつステータバーの端部巻線の外側に位置している。この支持構造体は、端部巻線に機械的強度を適用するとともに、通常の動作及び意図せぬ事件の際に生じる力に耐えるために、ステータバーの端部の固定に使用される。支持構造体は、通常は、軸方向に取り付けられたブラケットで構成され、多くの場合、さらに構造体を補強するための支持リングで構成される。

相バーへの接続が予想される円形接続の端部を、相バーの位置が支持ブラケットの間に位置する可能性があるため、長い距離にわたって支持構造体へと固定することができない場合がある。

この結果として、円形接続の端部が、振動の高いリスクを有する。

結果として、重要な問題は、相ラグへの円形接続アームの振動である。多くの場合、これらのアームの固有周波数をずらす（例えば、６０Ｈｚの用途において１００〜１４０Ｈｚの間に共振がない）ことが必要になり、或いは少なくとも振動のレベルをできる限り小さくしなければならない。

相ラグに近いストランド及びラグにおける割れが、いくつかの発電機において発見される可能性がある。これらの割れは、たいていは、円形接続アームの高い振動レベルによって引き起こされる。いくつかの円形接続アームは、（６０Ｈｚの用途において）１２０Ｈｚ又は（５０Ｈｚの用途において）１００Ｈｚに近い固有周波数を有する。

これまでに、いくつかの既存の解決策は、樹脂と一緒のコード又はテープによって円形接続アームと支持リングとの間にきわめて堅固な支持を適用することを提案している。この解決策は、固有周波数をきわめて良好に１００〜１４０Ｈｚの範囲からずらし、振動の振幅を減少させる。

他方で、機械の動作の際に生じる熱膨張が、妨げられてはならない。そのような熱膨張は、主として軸方向に沿って生じる（通常は、接続アームの約２〜３ｍｍの変位を引き起こす）が、半径方向及び接線方向にも生じる。したがって、「堅固」な解決策は不可能である。堅固な解決策は、熱膨張を妨げ、ラグに近いストランドにおける応力を増大させ、ストランドにおける割れの危険を顕著に増大させる。他方で、堅固な支持のコード／テープへの高い応力は、時間につれての接続の緩みにつながり、この支持を振動の低減に関して無益にしてしまう可能性がある。

一般に、先行技術の教示による堅固な支持は、熱膨張の阻止によって引き起こされる破損の高いリスクを伴う。

本開示は、上述のニーズの提供及び上述の困難の克服に向けられる。

英国特許出願公開第２４８５６６３号明細書

好ましい実施形態によれば、本発明の目的は、支持構造体と接続アームとの間に配置される独立請求項１２に実質的に定められるとおりの支持要素を提供することにある。

好ましい実施形態（ただし、これらに限られるわけではない）を参照して詳細に説明されるとおりの支持要素は、熱膨張を許容しつつ、アームにおける固有周波数をずらし、振動の振幅を小さくする。

換言すると、支持要素は、熱膨張に起因する円形接続アームの軸方向、半径方向、及び接線方向の変位を許容しつつ、振動を妨げるような支持要素である。

本発明の別の目的は、支持要素を備える請求項１に実質的に定められるとおりのステータアセンブリを提供することにある。理解されるとおり、このステータアセンブリは、接続アームの正しい機能を保証し、接続アームの熱膨張を許容するために、機械の特定の構成によって求められるとおりにステータアセンブリの周方向の進行に沿って配置されるいくつかの支持要素を備えることができる。

好ましくは、支持要素は、輪郭に沿った積層方向を有するガラス繊維補強絶縁材料で製作されるべきである。

本発明の一態様によれば、上部鉛直部分が、支持リングへのネジ式接続手段を備える。好都合には、上部鉛直部分が、支持要素の下部と環状リングとの間の振動によって引き起こされる運動を許すために、下部鉛直部分よりも厚い。

さらに、支持要素の水平部分は、円形接続アームの下側へと樹脂で接着される。さらに、接続アームと支持要素との間のきわめて堅固な接触を保証するために、接続アーム及び支持要素の周囲のコード又はテープによって固定されてもよい。

提案される解決策は、巻線ヘッド及び円形接続の振動の挙動の詳しい研究の後に開発された。本発明は、振動の振幅を小さくし、したがって影響される部品における振動に起因する応力を顕著に低減する。設置が容易であり、比較的費用効率が高い。

本発明が、以下の詳細な説明を参照し、添付の図面と併せて検討することによってよりよく理解されるにつれて、本発明の以上の目的及び付随の利点の多くが、より容易に認識されるであろう。

本発明によるステータアセンブリの予想図である。 本発明による支持要素の種々の図を示している。 ステータアセンブリに取り付けられたときの図２の支持要素の図を示している。 ステータアセンブリに取り付けられたときの図２の支持要素の図を示している。 ステータアセンブリに取り付けられたときの図２の支持要素の図を示している。 円形接続アームの熱膨張を許容するためにどのように支持要素が変形できるのかについて、一例の正面図を効果を示すために程度を誇張して示している。

図１を参照すると、広く参照番号１によって指し示されたステータアセンブリの予想図が示されている。電気機械（図示されていない）の一部であるステータアセンブリ１は、電圧が誘導される複数のステータ巻線バー４を内部に備えている。これらのバーは、エネルギ変換のプロセスにおいてロータ（図示されていない）と協働する。とくには、生成される電力が、外部端子（図示されていない）において利用可能にされ、外部端子は、供給のために電力網に接続される。ステータ巻線バー４と外部端子との間に確立される接続は、「円形接続」と一般的に称される特別に設計された接続バーによってもたらされ、「円形接続」のアーム３が、図には示されている。ステータアセンブリ１は、一般的には使用される発電機の特定の種類に応じた数の複数の接続アーム３を、ステータアセンブリ１の周方向の進行に沿って配置して備えることができる。ここで説明される例において、ステータアセンブリ１は、ステータバーの上部層及び下部層の各々について互いに等間隔に位置する６つの接続アームを備えており、したがって合計で１２個のアームを備えている。上部層及び下部層の各々の６つのアームは、２つの並列回路を備える三相発電機の典型的な構成である。

ステータアセンブリは、支持構造体をさらに備え、支持構造体は、環状リング２を備えている。ステータアセンブリ１の構成は、当業者にとって周知であり、したがってこれ以上の詳細は開示しない。

上述のように、接続アーム３は、高振動に曝されることが多い。高振動を妨げるために、本発明によるステータアセンブリは、支持構造体２と接続アーム３との間に配置された支持要素６を備える。

説明されるとおり、図面は、それぞれの支持要素６によって支持構造体２へとそれぞれ接続されたいくつかの接続アーム３を示している。１つの接続アーム３及び対応する支持要素６について後述される内容が、ステータアセンブリのすべての接続アーム及び支持要素を表すことを、理解できるであろう。支持構造体は、一般に、望ましくない有害な電流の流れを避けるために、電気絶縁材料で製作される。同じ理由で、支持要素６も、電気絶縁材料で製作される。好ましくは、支持要素６は、補強ガラス繊維で製作される。好都合には、支持要素６は、動作の際に生じる高い温度ゆえの熱膨張に起因する接続アームの変位を許容しつつ、高振動を妨げるように構成された弾性モジュールを備える。

好ましい実施形態によれば、支持要素６は、電気機械の軸方向Ａに沿って配置される半径方向部材６１と、半径方向Ｒに沿って配置される軸方向部材６２とを備える。

支持要素６の軸方向部材６２が、接続アーム３に接続される一方で、半径方向部材６１は、環状リング２に接続される。

ここで図２を参照すると、本発明の対象である支持要素６が、３つの異なる図にて示されている。とくには、図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃが、支持要素６を側面図、正面図、及び斜視図にてそれぞれ示している。

図に明確に示されているとおり、支持要素６は、実質的にＬ字形であり、（先の図１に示されるとおりの）ステータアセンブリに取り付けられたときに電気機械の半径方向及び軸方向にそれぞれ沿って配置される半径方向部材６１及び軸方向部材６２を備えている。さらに詳しくは、半径方向部材６１は、第１の部分６１１及び第２の部分６１２を備え、後者が軸方向部材６２と第１の部分６１１との間に介在している。ステータアセンブリに取り付けられたとき、第１の部分６１１が、環状リング（図示されていない）に接続される一方で、第２の部分６１２は、支持要素６が直線的な枢支領域８を中心とする第２の部分６１２の回転に応答して弾性反応を有するように、環状リングから解放されている。直線的な領域８は、第１の部分６１１（図２Ｂに示されているネジ式接続１１によって環状リングに接続される）を、環状リングから解放された第２の部分６１２から境界付けている。

好都合には、第２の部分６１２は、第２の部分６１２がステータアセンブリに取り付けられたときに環状リングに面するが環状リングに直接接触することはない内面を有するよう、直線的な領域８に対応する段差を定めるように、第１の部分６１１の厚さよりも小さい厚さを有する。このやり方で、振動によって引き起こされる２つの部品の間の摩擦が回避される。好ましくは、段差は、第２の部分６１２の弾性的な変位の際に生じ得る３軸の引張状態が回避されるように、丸みを帯びたエッジを有する。

さらに、支持要素６は、軸方向部材６２と半径方向部材６１との間に介在するＵ字形接合部９を備える。Ｕ字形接合部９は、接合部の湾曲が軸方向部材６２に融合する場所に実質的に位置する領域１２を中心とする軸方向部材６２の変位に対して支持要素が弾性応答できるようにする追加の枢支領域を提供する。

次に以下の図３〜５を参照すると、ステータアセンブリに取り付けられた支持要素６の２つの異なる図が示されている。とくには、第１の部材６１１が環状リング２へと取り付けられる一方で、第２の部分は環状リング２から解放されているため、弾性モジュールとして働く第２の部分６１２が、接続アームが軸方向部材６２に接続されており、したがって半径方向部材６１の第２の部分６１２をすでに説明したように直線的な領域８を中心にして回転するように押すがゆえに、軸方向Ａに沿った接続アーム３の膨張に対して弾性応答をもたらすことが、容易に理解される。同様に、Ｕ字形接合部９は、半径方向Ｒに沿った接続アーム３の膨張によって引き起こされる支持要素６の弾性反応をもたらすため、追加の弾性モジュールとして働く。とくには、軸方向部材６２が、直線的な領域１２を中心にして弾性的に回転できることで、軸方向部材６２に接続された接続アーム３の熱膨張を許容する。好ましくは、接続アーム３は、樹脂で軸方向部材６２に接着され、或いはテープ又はコードで固定される。

とくに図５を参照すると、半径方向部材６１の第２の部分６１２が、第１の部分６１１よりも小さい厚さを有することを、良好に見て取ることができる。結果として、第２の部分６１２と支持構造体との間に接触が存在せず、高振動によって引き起こされる摩擦が回避される。

最後の図６を参照すると、動作時の変形した状態の支持要素６が示されている。とくには、軸方向部材６２を軸方向Ａに沿って移動させ、したがって第２の部分６１２を半径方向部材６１の直線的な領域８を中心にして回転させる接続アーム（図示されていない）の膨張によって引き起こされる矢印Ｄ１によって示される第２の部分６１２について生じ得る変位が、図示されている。支持構造体から解放されている第２の部分６１２の弾性応答が、そのような熱膨張を、支持要素の破損につながることなく可能にする。

同様のやり方で、軸方向部材６２を半径方向Ｒに沿って移動させ、したがってＵ字形接合部９が軸方向部材６２に融合する場所に位置する直線的な領域１２を中心にして軸方向部材６２を回転させる接続アーム、端部巻線、及びステータバー（図示されていない）の膨張によって引き起こされる矢印Ｄ２によって示される軸方向部材６２について生じ得る変位が、図示されている。Ｕ字形接合部の弾性応答が、支持要素の破損につながることなく半径方向に沿った接続アームの熱膨張を許容する。

熱膨張が、一般に、ステータの構成要素の加熱からもたらされ得ることを、理解できるであろう。有効部分におけるステータバーが、主として軸方向に膨張できる一方で、端部巻線部分については、半径方向及び接線方向に沿った膨張も生じ得る。したがって、接続アートが被る熱膨張も、典型的には、ステータアセンブリのバーによって引き起こされ得る。

やはり端部巻線におけるバーの配置によって与えられ、熱膨張に起因する接線方向の力も存在し得る（図示されていない）。Ｕ字形接合部の弾性応答は、支持要素の破損を招くことなく、接続アームが半径方向に膨張できるようにする。

本発明を好ましい実施形態に関連して充分に説明したが、その技術的範囲において、本出願がそれらの実施形態によって限定されると考えるのではなく、以下の特許請求の範囲の内容によって限定されると考えて、変更を導入できることは明らかである。

Claims (15)

1. 支持構造体（２）と、
   １以上のステータ巻線バー（４）を外部端子（５）に接続するための接続アーム（３）と、
   支持構造体（２）と接続アーム（３）との間に配置された支持要素（６）と
   を備える電気機械用ステータアセンブリ（１）であって、
   支持要素（６）が、接続アーム（３）の熱膨張を許容するように構成された弾性モジュール（６１２、９）を備えることを特徴とするステータアセンブリ（１）。
2. 支持要素（６）が、電気機械の半径方向に沿って配置され、支持構造体（２）に接続された半径方向部材（６１）と、接続アーム（３）に接続され、電気機械の軸方向に沿って配置された軸方向部材（６２）とを備える、請求項１に記載のステータアセンブリ（１）。
3. 半径方向部材（６１）が、支持構造体（２）に接続された第１の部分（６１１）と、第１の部分（６１１）と軸方向部材（６２）との間に介在し、接続アーム（３）の軸方向の膨張を許容するように支持構造体（２）から解放された第２の部分（６１２）とを備える、請求項２に記載のステータアセンブリ（１）。
4. 第２の部分（６１２）が、第１の部分（６１１）との間に段差を定めるように第１の部分（６１１）の厚さよりも小さい厚さを有している、請求項３に記載のステータアセンブリ（１）。
5. 支持要素（６）が、接続アーム（３）が半径方向に膨張できるように軸方向部材（６２）と半径方向部材（６１）との間に介装されたＵ字形接合部（９）を備える、請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載のステータアセンブリ（１）。
6. 支持要素（６）及び／又は支持構造体（２）が電気絶縁材料で製作されている、請求項５に記載のステータアセンブリ（１）。
7. 支持要素（６）が補強ガラス繊維で製作されている、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のステータアセンブリ（１）。
8. 支持要素（６）が接続アーム（３）に接着されている、請求項７に記載のステータアセンブリ（１）。
9. 支持要素（６）がネジ式接続（１１）によって支持構造体に接続されている、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のステータアセンブリ（１）。
10. 支持構造体（２）が環状支持リング（２）である、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のステータアセンブリ（１）。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のステータアセンブリ（１）を備えることを特徴とする電気機械。
12. 電気機械のステータアセンブリ（１）用の支持要素（６）であって、ステータアセンブリ（１）の接続アーム（３）と支持構造体（２）との間に配置されるように構成されており、接続アーム（３）が、１以上のステータ巻線バー（４）を外部端子（５）に接続しており、支持要素（６）が弾性モジュール（６１２、９）を備えることを特徴とする支持要素（６）。
13. 支持構造体（２）に接続されるように構成された半径方向部材（６１）と、接続アーム（３）に接続されるように構成された軸方向部材（６２）とを備えており、半径方向及び軸方向部材（６１、６２）が、ステータアセンブリ（１）に取り付けられたときに電気機械の半径方向及び軸方向にそれぞれ沿って配置される、請求項１２に記載の支持要素（６）。
14. 半径方向部材（６１）が、第１の部分（６１１）及び第２の部分（６１２）を備え、第２の部分（６１２）が、第１の部分（６１１）と軸方向部材（６２）との間に介装され、第１の部分（６１１）との間に段差を定めるように第１の部分（６１１）の厚さよりも小さい厚さを有している、請求項１３に記載の支持要素（６）。
15. 軸方向部材（６２）と半径方向部材（６１）との間に介在したＵ字形接合部（９）を備えている、請求項１３又は請求項１４に記載の支持要素（６）。