JP2019536419A

JP2019536419A - 電動機械のためのロータおよびロータの組立法と分解法

Info

Publication number: JP2019536419A
Application number: JP2019529969A
Authority: JP
Inventors: チェタン・ラヴィ・ビー・アール; カイス・ベルハレス; レネ・ヘーナー; ヴェンカテスワラン・ペルマル
Original assignee: シーメンスアクティエンゲゼルシャフト
Priority date: 2016-12-05
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2037-10-24
Also published as: HUE054662T2; JP6887500B2; EP3331137A1; WO2018103942A1; CN110036555A; CN110036555B; EP3549243B1; EP3549243A1

Abstract

電動機械のためのロータおよびロータの組立法と分解法。本発明は、巻線ヘッドと、半径方向外側で巻線ヘッドに焼き嵌めされておりかつ形状記憶材料を備える巻線ヘッドリング（１）とを有する、電動機械のためのロータに関する。

Description

本発明は、電動機械のためのロータと、ロータを組み立てるための方法と、ロータを分解するための方法とに関する。

たとえばジェネレータあるいはモータのような電動機械は、ステータとロータとを備える。ステータとロータはそれぞれ、導電体の巻線ヘッドを備える。特にロータの巻線ヘッドは、電動機械の運転中に振動する傾向がある。巻線ヘッドの振動は、その耐用年数の短縮をもたらしかねない。従来電動機械はロータキャップを備え、当該ロータキャップは巻線ヘッドの周りに設けられており、巻線ヘッドを補強するので、巻線ヘッドは、電動機械の運転中にあまり振動しなくなる。

ロータキャップは、たとえば金属から製造されていてよい。ロータキャップを巻線ヘッドに取り付けるために、ロータキャップは加熱され、続いて冷却によって巻線ヘッドに焼き嵌めされ、それによってロータキャップは、滑ってずれることなく巻線ヘッドに固定される。そのために必要なのは、ロータキャップをおよそ３００℃の温度に加熱することである。しかしながらこれには欠点がある。なぜなら、これは手間のかかる方法であり、しかもこのような高温は巻線ヘッドに損傷を与えかねないからである。しかも金属製のロータキャップは、比較的重い。

代替的に、ロータキャップは複合素材から作られていてよく、このようなロータキャップは、金属製のロータキャップよりもはるかに軽い。しかしながら複合素材製のロータキャップは、巻線ヘッドに焼き嵌めすることができない。なぜなら、複合素材には弾性がなく、しかも加熱によって損傷を与えられかねないからである。複合素材製のロータキャップを、滑ってずれることなく巻線ヘッドに固定するためには、固定手段が必要である。しかしながら固定手段の使用は、複合素材と固定手段との間のガルバニ電位の差によって、制限されている。しかも使用される部材の数が増えて、頑丈かつ単純な設計に矛盾する。

特許文献１は発電電動機械のエンドベルを開示し、特許文献２はジェネレータを開示し、特許文献３は発電電動機械を開示している。

英国特許出願公開第１２８１３４８号明細書米国特許第６３６９４８２号明細書欧州特許出願公開第００２５２９２号明細書

それゆえ本発明の課題は、電動機械のための代替的なロータと、ロータを組み立てるための代替的な方法と、ロータを分解するための代替的な方法とを提供することである。

電動機械のための本発明に係るロータは、巻線ヘッドと、半径方向外側で巻線ヘッドに焼き嵌めされておりかつ形状記憶材料を備える巻線ヘッドリングとを備える。電動機械は、ジェネレータおよび／あるいは電動モータであってよい。形状記憶材料は、変形しても加熱によって変形前の元の形状を記憶でき、加熱によってこの元の形状をとることで際立っている。巻線ヘッドリングを巻線ヘッドに焼き嵌めするために必要な温度は、金属製のロータキャップのための温度よりもはるかに低い。それによって巻線ヘッドリングは有利には取付けが簡単であり、巻線ヘッドの損傷は、起こりそうにない。

形状記憶材料は、本発明に従えば、金属の形状記憶ワイヤを備える。好ましくは形状記憶材料は、形状記憶ポリマーを備える。たとえば巻線ヘッドリングは、金属の形状記憶材料から成るリングを備えてよい。本発明に従えば形状記憶ワイヤは、ほぼ巻線ヘッドリングの周方向にある少なくとも１つの優先方向を持つ。それによって有利に、焼き嵌め時に巻線ヘッドリングの直径の大幅な縮みを達成できて、結果的に、有利に巻線ヘッドリングを巻線ヘッドに強く固定することになる。金属の形状記憶材料は好ましくは、ニッケルとチタンとを備える合金、銅と亜鉛とアルミニウムとを備える合金、および／あるいは銅とアルミニウムとニッケルとを備える合金を備える。形状記憶ワイヤが、巻線ヘッドリングにおいて、複数のリング、螺旋および／あるいは網の形状で存在することが好ましい。

本発明に従えば、巻線ヘッドリングは、繊維で強化されたプラスチックを備える。繊維で強化されたプラスチックは有利には金属よりも軽く、強度は少なくとも金属に匹敵する。形状記憶材料と組み合わせることによって、繊維で強化されたプラスチックの使用が初めて可能になる。なぜなら、形状記憶材料によって、巻線ヘッドリングを焼き嵌めすることができ、繊維で強化されたプラスチックに損傷が生じ得ないような低い温度で行われるからである。プラスチックは好ましくは、エポキシ樹脂を備える。繊維は好ましくは、炭素繊維、セラミック繊維、特に酸化アルミニウム繊維、玄武岩繊維、アラミド繊維、ガラス繊維および／あるいはホウ素繊維を備える。

本発明に従えば繊維は、ほぼ巻線ヘッドリングの軸方向にある、あるいは巻線ヘッドリングの周方向に対して１５°から７５°の角度を有する優先方向を持つ。優先方向によって有利には、特に負担が大きい方向で高い強度を達成できる。繊維は圧力負荷に対して弱いので、繊維の優先方向が形状記憶ワイヤの優先方向と異なっていれば、特に、両優先方向が互いに少なくとも１５°の偏差があれば、その負荷が軽減される。

ロータを組み立てるための本発明に係る方法は、以下のステップを備える。すなわち、ａ）巻線ヘッドリングを冷却するステップと、ｂ）巻線ヘッドリングの直径を広げるステップと、ｃ）巻線ヘッドリングを巻線ヘッドの半径方向外側に設けるステップと、ｄ）巻線ヘッドリングを加熱するステップであって、それによって巻線ヘッドリングを巻線ヘッドに焼き嵌めするステップと、である。本方法によって有利には、巻線ヘッドリングそれ自体のセンタリングが達成される。それで有利には、電動機械の運転中のアンバランスが阻止される。巻線ヘッドリングそれ自体がセンタリングされることによって、さらに巻線ヘッドが、その周回りに均等に分散する半径方向力をかけられて、それによって、巻線ヘッドにおける局所的な応力上昇が有利には阻止され、ひいてはその耐用年数が長くなる。しかも、ステップｄ）において巻線ヘッドを焼き嵌めするために必要なのは、０℃から１００℃の範囲内の温度だけである。この温度にするのは簡単であり、しかも巻線ヘッドの損傷を引き起こし得ない。

形状記憶材料が、金属の形状記憶ワイヤを備え、かつステップａ）において、形状記憶ワイヤの主にオーステナイト段階から始まって形状記憶ワイヤのマルテンサイト段階の割合が増える温度Ｔ_１よりも低い温度に冷却され、かつステップｄ）において、形状記憶ワイヤの主にマルテンサイト段階から始まってオーステナイト段階の割合がそれ以上増えない温度Ｔ_４よりも高い温度に加熱されることが好ましい。ステップａ）において好ましくは、形状記憶ワイヤの主にオーステナイト段階から始まって形状記憶ワイヤのマルテンサイト段階の割合がほぼ１００％に達する温度Ｔ_２よりも高いかあるいは同じ温度に冷却される。

ロータを分解するための本発明に係る方法は、好ましくは以下のステップを備える。すなわち、ｆ）巻線ヘッドリングを冷却するステップと、ｇ）巻線ヘッドリングの直径を広げるステップと、ｈ）巻線ヘッドリングを巻線ヘッドから取り外すステップと、である。金属製のロータキャップとは異なって、分解するために巻線ヘッドリングは冷却されるが加熱されず、それによって分解時に、有利には巻線ヘッドの損傷があまり起こり得ない。

形状記憶材料が、金属の形状記憶ワイヤを備え、かつステップｆ）において、形状記憶ワイヤの主にオーステナイト段階から始まって形状記憶ワイヤのマルテンサイト段階の割合が増える温度Ｔ_１よりも低い温度に冷却されることが好ましい。ステップｆ）において好ましくは、形状記憶ワイヤの主にオーステナイト段階から始まって形状記憶ワイヤのマルテンサイト段階の割合がほぼ１００％に達する温度Ｔ_２よりも高いかあるいは同じ温度に冷却される。

以下において、添付の概略図に基づいて、本発明がより詳しく説明される。図に示されるのは以下である。

形状記憶ワイヤを有する巻線ヘッドリングの上面図である。第１の優先方向を持つ繊維を有する巻線ヘッドリングの上面図である。第２の優先方向を持つ繊維を有する巻線ヘッドリングの上面図である。第３の優先方向を持つ繊維を有する巻線ヘッドリングの上面図である。ロータの縦断面図である。形状記憶材料のヒステリシス曲線である。ロータを組み立てるための方法である。ロータを組み立てるための方法である。ロータを分解するための方法である。

図７から図９までから明らかなように、たとえばジェネレータおよび／あるいは電動モータのような電動機械は、電動機械の運転中に回転するロータ２を備える。ロータ２は、導電体（図示されず）が中に挿設されている複数の溝３を備える。導電体は、ロータ２の両端面側でロータ２から出てきて、そこで巻線ヘッドを形成する。ロータ２は、半径方向外側で巻線ヘッドに焼き嵌めされている巻線ヘッドリング１を備える。巻線ヘッドリング１は、形状記憶材料を備える。

図５と図７から図９までは、巻線ヘッドリング１がロータ２にも焼き嵌めされているので、巻線ヘッドリング１は回転軸４の方向にロータ２から離れていることを示している。図５から分かるように、巻線ヘッドリング１は半径方向内側にあるその面に、ロータ２の端面側に当接する段部２６を備える。それで巻線ヘッドリング１の軸方向ポジションは、固設可能である。その上巻線ヘッドリング１は、半径方向内側にあるその面に、半径方向内側にある面を完全に覆う絶縁層９を備える。絶縁層９は、ロータ２と巻線ヘッドとから巻線ヘッドリング１を電気的に絶縁するようにする。さらにロータ２は、巻線ヘッドリング１の軸方向端部かつ巻線ヘッドリング１の半径方向内側に設けられている端部プレート８を備える。その際絶縁層９は、巻線ヘッドリング１と端部プレート８との間の間隙内で延伸する。

図１から分かるように、巻線ヘッドリング１は、形状記憶ワイヤ５を備える。形状記憶ワイヤ５は、ほぼ巻線ヘッドリング１の周方向にある優先方向を持つ。図１に記載の形状記憶ワイヤ５は、巻線ヘッドリング１内で何度も周回して設けられていてよい。形状記憶ワイヤ５を、ほぼ平行に巻線ヘッドリング１内に設けられている複数の閉じたリングに成形することも、同様に考えられ得る。形状記憶ワイヤ５が、網の形状を持つことも、考えられ得る。形状記憶ワイヤ５が、０°ではない角度を周方向とともに作るさらなる優先方向を持つことが、さらに考えられ得る。たとえば、さらなる優先方向を有する形状記憶ワイヤが、螺旋の形状で設けられていてよい。形状記憶ワイヤはたとえば、ニッケルとチタンとを備える合金、銅と亜鉛とアルミニウムとを備える合金、および／あるいは銅とアルミニウムとニッケルとを備える合金を備えてよい。

図２から図４に記載の巻線ヘッドリングは、繊維６で強化されたプラスチックを備える。プラスチックは、たとえばエポキシ樹脂であってよい。繊維は、炭素繊維、セラミック繊維、特に酸化アルミニウム繊維、玄武岩繊維、アラミド繊維、ガラス繊維および／あるいはホウ素繊維を備えてよい。図２から図４に記載の繊維６は、優先方向を持つ。図２に記載の優先方向は、軸方向にある。図３に記載の優先方向は、１５°から７５°の角度７を周方向とともに作る。図４に記載の優先方向は、−１５°から−７５°の角度７を周方向とともに作る。

たとえば、形状記憶ワイヤ５の優先方向と繊維６の優先方向の以下の組み合わせが、考えられ得る。

例３と例４とにおいて、形状記憶ワイヤ５は、２つの優先方向を備える。特に好ましくは、例２から例４である。なぜなら、ここでは形状記憶ワイヤ５と繊維６が、互いに角度を作って設けられており、それによって繊維６の耐用年数が長くなるからである。焼き嵌めされた状態で巻線ヘッドリング１によって巻線ヘッドに作用する半径方向の圧力は、巻線ヘッドリング１における形状記憶ワイヤの容量割合および／あるいは配向によって、制御できる。

図７と図８は、ロータ２を組み立てるための方法を具体的に説明している。巻線ヘッドリング１はまず、第１のリング径２０を持つ。巻線ヘッドリング１は、ステップａ）において冷却される。そのために巻線ヘッドリング１は、たとえば少なくとも１つの噴射ノズル２５によって、液体窒素を噴霧されてよい。同様に、巻線ヘッドリング１を極低温槽に浸すことが可能である。冷却された巻線ヘッドリング１の直径は、続いて広げられる１６。そのために、図７に従えば、巻線ヘッドリング１はリング拡大装置２２に入れられる。リング拡大装置２２は球面キャロット２４を備え、当該球面キャロット２４は、巻線ヘッドリング１の内部に押し込められる。球面キャロット２４は、円筒状の部分１７に移行するので、巻線ヘッドリング１全体が第２のリング径２１に広げられ得る。第２のリング径２１は、円筒状の部分１７の直径と同一である。その際第２のリング径２１は、巻線ヘッドリングが巻線ヘッドをずれ動くことができるように、かつその際巻線ヘッドと巻線ヘッドリング１との間に半径方向間隙２３が形成されるように、選択される。

図８は、第２のリング径２１を有する巻線ヘッドリング１のリング取付け１８を具体的に説明している。巻線ヘッドリング１は、ステップｃ）において、巻線ヘッドの半径方向外側に設けられる。ステップｄ）において加熱されることによって、形状記憶材料により巻線ヘッドリング１は再びほぼ第１のリング径２０をとり、それによって巻線ヘッドリング１は、巻線ヘッドに焼き嵌めされる。加熱するために、発熱装置２７が備えられてよい。発熱装置２７はたとえば、巻線ヘッドリング１の回りに巻回されている発熱ワイヤによって形成されていてよい。

図９は、ロータ２を分解するための方法１９を具体的に説明している。本方法は、以下のステップを備える。すなわち、ｆ）巻線ヘッドリング１を冷却するステップと、ｇ）巻線ヘッドリング１の直径を広げるステップ１６と、ｈ）巻線ヘッドリング１を巻線ヘッドから取り外すステップと、である。

図６は、巻線ヘッドリング１がステップａ）とステップｆ）とにおいて冷却され、ステップｄ）において加熱される温度をどのように見つけることができるかを、具体的に説明している。図６は、オーステナイト段階とマルテンサイト段階とを持つ金属のヒステリシス曲線を示している。横軸１０では温度が、縦軸１１では金属におけるマルテンサイト段階の容量割合が記載されている。マルテンサイト段階の割合が１００％から出発して、温度Ｔ_３が属する点１２でオーステナイト段階の形成が始まる。温度Ｔ_４が属する点１３で、オーステナイト段階の容量割合は最大に達している。続いて金属が冷却されると、温度Ｔ_１が属する点１４で、マルテンサイト段階の容量割合が上昇し始める。温度Ｔ_２が属する点１５で、マルテンサイト段階の容量割合は、１００％に達している。Ｔ_２＜Ｔ_１＜Ｔ_３＜Ｔ_４が当てはまる。ステップａ）とステップｆ）とにおいて温度Ｔ_ｋに冷却され、当該温度にはＴ_２≦Ｔ_ｋ≦Ｔ_１が当てはまる。ステップｄ）において温度Ｔ_ｅに加熱され、当該温度にはＴ_４≦Ｔ_ｅが当てはまる。

本発明の詳細は、好ましい実施例によってより詳しく図解され記述されたが、本発明は開示された例によって限定されるものではなく、ここから別のバリエーションが当業者によって導き出されてよいが、本発明の保護範囲から外れてはならない。

１巻線ヘッドリング
２ロータ
３溝
４回転軸
５形状記憶ワイヤ
６繊維
７角度
８端部プレート
９絶縁層
１０横軸（温度）
１１縦軸（金属におけるマルテンサイト段階の容量割合）
１２温度Ｔ_３が属する点
１３温度Ｔ_４が属する点
１４温度Ｔ_１が属する点
１５温度Ｔ_２が属する点
１６巻線ヘッドリングの直径を広げるステップ
１７円筒状の部分
１８第２のリング径を有する巻線ヘッドリングのリング取付け
１９ロータを分解するための方法
２０第１のリング径
２１第２のリング径
２２リング拡大装置
２３半径方向間隙
２４球面キャロット
２５噴射ノズル
２６段部
２７発熱装置

Claims

電動機械のためのロータであって、
巻線ヘッドと、半径方向外側で前記巻線ヘッドに焼き嵌めされておりかつ形状記憶材料を備える巻線ヘッドリング（１）とを有し、前記形状記憶材料は金属の形状記憶ワイヤ（５）を備え、該形状記憶ワイヤ（５）は、ほぼ前記巻線ヘッドリング（１）の周方向にある少なくとも１つの優先方向を持ち、前記巻線ヘッドリング（１）は、繊維（６）で強化されたプラスチックを備え、前記繊維（６）は、ほぼ前記巻線ヘッドリング（１）の軸方向にある、あるいは前記巻線ヘッドリング（１）の周方向に対して１５°から７５°の角度（７）を有する優先方向を持つ、ロータ。
前記形状記憶材料は形状記憶ポリマーを備える、請求項１に記載のロータ。
金属の前記形状記憶材料は、ニッケルとチタンとを備える合金、銅と亜鉛とアルミニウムとを備える合金、および／あるいは銅とアルミニウムとニッケルとを備える合金を備える、請求項１あるいは２に記載のロータ。
前記形状記憶ワイヤは、前記巻線ヘッドリング（１）において、複数のリング、螺旋および／あるいは網の形状で存在する、請求項１から３のいずれか１項に記載のロータ。
前記プラスチックはエポキシ樹脂を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載のロータ。
前記繊維（６）は、炭素繊維、セラミック繊維、特に酸化アルミニウム繊維、玄武岩繊維、アラミド繊維、ガラス繊維および／あるいはホウ素繊維を備える、請求項１から５のいずれか１項に記載のロータ。
請求項１から６のいずれか１項に記載のロータ（２）を組み立てるための方法であって、
ａ）前記巻線ヘッドリング（１）を冷却するステップと、
ｂ）前記巻線ヘッドリング（１）の直径を広げるステップ（１６）と、
ｃ）前記巻線ヘッドリング（１）を前記巻線ヘッドの半径方向外側に設けるステップと、
ｄ）前記巻線ヘッドリング（１）を加熱するステップであって、それによって前記巻線ヘッドリング（１）を前記巻線ヘッドに焼き嵌めするステップと、
を有する、方法。
前記形状記憶材料は金属の前記形状記憶ワイヤ（５）を備え、かつステップａ）において、前記形状記憶ワイヤ（５）の主にオーステナイト段階から始まって前記形状記憶ワイヤ（５）のマルテンサイト段階の割合が増える温度Ｔ_１よりも低い温度に冷却され、かつステップｄ）において、前記形状記憶ワイヤ（５）の主にマルテンサイト段階から始まってオーステナイト段階の割合がそれ以上増えない温度Ｔ_４よりも高い温度に加熱される、請求項７に記載の方法。
ステップａ）において、前記形状記憶ワイヤの（５）主にオーステナイト段階から始まって前記形状記憶ワイヤ（５）のマルテンサイト段階の割合がほぼ１００％に達する温度Ｔ_２よりも高いかあるいは同じ温度に冷却される、請求項８に記載の方法。
請求項１から６のいずれか１項に記載のロータ（２）を分解するための方法であって、
ｆ）前記巻線ヘッドリング（１）を冷却するステップと、
ｇ）前記巻線ヘッドリング（１）の直径を広げるステップ（１６）と、
ｈ）前記巻線ヘッドリング（１）を前記巻線ヘッドから取り外すステップと、
を有する、方法。
前記形状記憶材料は金属の前記形状記憶ワイヤ（５）を備え、かつステップｆ）において、前記形状記憶ワイヤ（５）の主にオーステナイト段階から始まって前記形状記憶ワイヤ（５）のマルテンサイト段階の割合が増える温度Ｔ_１よりも低い温度に冷却される、請求項１０に記載の方法。
ステップｆ）において、前記形状記憶ワイヤ（５）の主にオーステナイト段階から始まって前記形状記憶ワイヤ（５）のマルテンサイト段階の割合がほぼ１００％に達する温度Ｔ_２よりも高いかあるいは同じ温度に冷却される、請求項１１に記載の方法。