JP3699134B2 - 発電機の設計及び製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、発電設備の設計及び製造方法に関する。より詳細には、本発明は、従来方法よりも労力が少なく且つ種々の発電機モデル間で設計の標準化を促進する発電機の設計及び製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、特定の用途に用いられ、また発電に係る所定の要件項目を満たすよう意図された発電機を設計するのは費用がかかり、時間もかかっていた。従来設計法では、第１段階として、発電機の電気的側面の設計を特定の所要発電特性に応じて行っていた。従来設計法の第２段階は、発電機の機械的側面の設計を行うことであり、かかる機械的側面は当然のことながら電気的側面の設計上の要件を満たすよう最適化される。従来設計法の第３段階は、特定の電気的設計及び機械的設計が行われた発電機の最適製造方法を案出することであった。従来の発電機設計方法は、品質面では有効であったが、発電機一基あたりのコストの面では非実用的な傾向が益々強くなっている。
【０００３】
具体的には、従来法に従って設計され製造された発電機の構成要素の多くは、特定の発電機の設計に用いられるよう特別に注文されたものであり、他形式の発電機には使用できなかった。かかる構成要素としては、発電機の外側の枠体を形成する構成要素、回転子軸受及び関連のブラケット、固定子端部巻線、固定子の巻線及び回転子の両方と関連した他の付属構成要素、生じた電気を固定子から、配電が行われる電源場所へ導くのに用いられるリードボックス及び関連の構造体を含む。発電機の各型式についてかかる特注品の構成要素を設計する費用及びこれら構成要素を製造するためのツーリングに要するコストは、発電機のコストの大部分を占める。
【０００４】
設計費及び製造費を減じると共に汎用性を保持し、また商業的発電要件についての信頼性が実証済の発電機を設計し製造するのに用いることができる発電機設計及び製造方法に対し、長年の間解決されていなかった要望があることは明らかである。
【０００５】
従って、本発明の第一の目的は、従来の設計及び製造法よりも、発電機の単価が安い発電機を設計及び製造する方法を提供することにある。
【０００６】
本発明の第二の目的は、設計上の融通性を最適化し、広範な発電要件に適合した発電機の設計及び製造を可能にする発電機の設計及び製造方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の第三の目的は、信頼性が実証済の発電機を製造するのに用いることができ、工業上と商業上の発電用途の両方における使用に適した発電機の設計及び製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的及び他の目的を達成するために、本発明は、標準化された多くのモジュール構成要素が用いられ、意図した電力出力をもつ発電機の製造方法であって、意図した出力定格が第１の直径の組に対応する第１の電力出力範囲内にあるか、或いは第２の直径の組に対応する第２の電力出力範囲内にあるかに基づいて、発電機の回転子及び固定子について少なくとも第１及び第２の標準化された直径の組を選択する段階と、発電機の意図した出力定格に基づいて固定子コアの長さを選択する段階と、発電機の所望の電圧及び周波数出力に基づいて固定子のコア内に形成されるべきスロットの幅及び個数を選択する段階と、特定の出力定格をもつ発電機にしか使えない構成要素の代わりに、選択した直径の組に対して特定の標準化された発電機構成要素を用いることにより、選択された直径の組、固定子コアの長さ及びスロットの幅及び個数を有する発電機を製造する段階とより成ることを特徴とする発電機の製造方法を提供する。
【００１０】
本発明を特徴づける上記利点及び新規な特徴並びに種々の他の利点及び新規な特徴は本明細書の一部をなす特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、本発明の内容、その利点及びその実施によって達成される目的についての理解を一層深くするためには、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例の詳細な説明を読む必要があろう。
【００１１】
【実施例】
今、図面を参照し（図中、同一の参照符号は同一の部分を示す）、特に図１を参照すると、本発明の好ましい実施例であるモジュール式発電機１０が、ジャーナル軸受１８によって発電機フレーム１６内に設けられた軸受ブラケット１４に対し、且つジャーナル軸受２２によってフレーム１６の軸受ブラケット２０に対して回転するよう取り付けられた回転子１２を有する。巻線及び他の構成の細部に関する限り従来設計のものと同一である回転子１２は、このようにして固定子コア２４内で回転すると共にコア内に形成された複数のスロット２６を備えた固定子コア２４から密に間隔を置いて取り付けられている。
【００１２】
スロット２６が固定子巻線を収納しており、これら固定子巻線の構成は公知であり、また図１で分かるように、固定子巻線の回旋部分４０は端部コネクタ４２によって互いに連結されている。固定子コア２４は、図１で分かるように発電機外側フレーム１６の多数の半径方向内側に延びるフレームリング部分２８，３０，３２，３４によってフレーム１６内に固定的に位置決めされている。固定子コア２４は一対の端プレート３８を含み、これら端プレート３８は固定子コア内における磁束の損失を最少量に抑えるようアルミニウムでつくられており、発電機の設計において通常の方法で固定子コアを互いにクランプする貫通ボルトによって互いに接合されている。回転子１２は、保持環によって定位置に保持された端部巻線４４，４６と、ジャーナル軸受１８，２２によって支持された中央シャフトを有する。回転子１２の一端部（これはジャーナル軸受１８によって端部が支持された状態で終端している）は、励磁機側端部カップリング４８を形成している。回転子１２の他端部は、回転子タービン駆動端部カップリング５０で終端している。作動原理を説明すると、励磁機側端部カップリング４８は、ＤＣ電流のための接続部となり、このＤＣ電流を回転子１２の巻線に流して回転子１２の周りに磁界が生ずるようにする。回転子タービン駆動端部カップリング５０はタービンまたは他の機械エネルギー源に取り付けられていて固定子コア２４に対して回転子１２を回転させる。公知の原理に基づき、回転子１２及びその関連の電磁界の回転により、固定子コア２４のスロット２６内に収納された固定子巻線に電圧が誘起され、かくして固定子巻線中に電流が生じる。この電流は、集められ、一対の平行なリング５２に送られ、リング５２は図３（Ａ）及び図３（Ｂ）で示すリードボックス５６に連結されている。リードボックス５６は３対の高電圧ブッシュ５８を有し、各ブッシュ対は生じた電気の１つの相に用いられる。好ましい実施例では、モジュール式発電機１０は三相発電機である。しかしながら、本発明の原理は三相タイプの発電以外の発電を行うよう構成された種々の発電機に均等に適用できることは理解されるべきである。
【００１３】
本発明者等は、設計及び製造目的に関して、所与の横断面の直径のいずれかを変更するよりも、発電機設計における有効容積の所与の横断面の長さを調節する方がコストがかからないことを見いだした。異なる発電能力をもつが、同一の横断面直径を有する発電機を設計及び製造することによって、各種部分及び付属構成要素について高度の標準化が達成できる。従って、本発明者等は、一定間隔のグリッドの直径及び長さに基づく発電機の調節可能なモジュールラインを設計し製造する方法を開発した。本発明の好ましい実施例では、本発明者等は、発電要件の特注の項目をもつ発電機を設計するために用いられるべき３つの互いに異なる直径の組を案出した。本発明の好ましい実施例によれば各直径の組は（図２で概略的に示すように）、回転子１２の外径を示す直径Ｄｒ、固定子コア２４の内径を示す直径Ｄｂ、発電機コア２４内のスロット２６の底部の外径を示す直径Ｄsb、固定子コア２４の外径を表わす直径Ｄｃ及び発電機の外側フレーム１６の外径を表わすＤｆを含む。
【００１４】
上掲の直径のうち、発電機の発電能力を設計する見地から最も重要なものは、直径Ｄｒ、Ｄｂ及びＤsbである。具体的には、メガボルトアンペア（ＭＶＡ）の範囲を所与の形式及び出力密度の発電機でカバーするには、発電機の有効容積、即ち回転子の磁極及び固定子コアを収納した容積がＤ×Ｌのシリンダの直径及び長さを変えることが必要になる。端効果を無視すると、発電機の電力出力は式Ｐ＝αＢＡＬＤ²ｎによって与えられ、この式において、Ｐは電力出力、Ｂは回転子の磁束密度、Ａは電機子電流密度、Ｌは回転子の有効長、Ｄは回転子の直径、ｎは回転速度（回転速度に等しい電気周波数０．１に磁極数をかけたもの）である。
【００１５】
固定子巻線のピッチを所与のものとすると、発電機の電圧は式Ｖ＝αＢＬＤＮｎによって与えられ、この式において、Ｖは端子電圧、Ｎは直列の固定子導体の有効個数（固定子スロットの個数に比例し、並列回路の数に反比例する）である。
【００１６】
発電機の短絡比（ＳＣＲ）は式ＳＣＲ＝αＢ²ｇ／ＡＤにより概算される。尚、ＳＣＲは飽和同期リアクタンスの逆数である。
【００１７】
上記の３つの式において、ＳＣＲは長さ及び速度と、端子電圧は電機子電流密度と、また電力出力は固定子のスロットの個数と、それぞれ無関係であることは注目されるべきである。
【００１８】
最大能力稼働時において可変損失が無負荷損失よりも著しく大きい直接冷却式回転電機では、機械損は、電機子の電流密度の２乗にほぼ比例し、磁束密度とほぼ反比例する。磁束密度が非常に高いレベルでは、損失の増大は直線的な増加よりも急激である。というのは、界磁電流に対する飽和効果が存在するためであり、また、半径方向の磁束の加熱によって生じる場合のある固定子コアに最も近い固定子ストランドが次々に加熱されることを防止するよう固定子の歯の幅を増加させる必要があるためである。
【００１９】
これらの関係を考慮して、ＳＣＲに対する顧客の要求（最低０．５０）を満足させながら、適当な効率（最低９８．５％、軸受及びシールを含む）を提供する出力密度レベルを選択することによって設計上の性能を最適化することが可能になった。電磁気的、熱的及び機械的な検討事項（通風条件及び回転子挿入のためのクリアランス）に基づいてギャップサイズを選択した。ギャップの磁束密度レベル及び電機子電流密度レベルは、効率を満足させると共にＳＣＲレベルを最小にするよう選択された。電圧は、磁束密度及び標準の固定子巻線構造の長さから計算した。
【００２０】
上記の要因を考慮して、ほぼ１００〜６００ＭＷ（１１０〜６８０ＭＶＡ）の電力出力をもつ発電機を設計及び製造する上で発電機について３つの好ましい直径の組を得た。１１０〜６８０ＭＶＡの出力範囲全体をカバーするために直径Ｄｒ、Ｄｂ、Ｄsb、Ｄｃ及びＤｆについて好ましい値からなる３つの互いに異なる組を用いることが図４に示されており、図４は、潜在的な発電能力を横軸に、第１、第２及び第３の直径の組を縦軸にとって好ましい値を縦軸にとったグラフ図である。
【００２１】
第１の直径の組に従って構成された発電機６２が図３（Ａ）に概略的に示されている。発電機６２は、その意図した発電能力に応じて長さを変えることができる固定子コア６４を有する。固定子コア６４の任意的長さ部分６６が図３（Ａ）に概略的に示されている。同様に、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）は、それぞれ第２及び第３の直径の組に従って構成された発電機６８，７２を示している。発電機６８，７２は、それぞれ任意的長さ部分７０，７６を有する固定子コア６９，７４を有する。
【００２２】
１００〜６００ＭＷ（１１０〜６８０ＭＶＡ）の出力を有する発電機の設計及び製造を実施するために、直径の組Ｉ、直径の組ＩＩ及び直径の組ＩＩＩのうち１つを選択し、固定子コア２４について長さＬｓ及び幾つかの固定子巻線スロットの組合せのうちの１つが所望の周波数、所望の出力及び所望の電圧に基づいて決定される。固定子コアの長さＬｓ及び適応可能な直径の組を選択することは、図５に示すように長さ及び直径の作表によって導かれ、変動する電圧の選択は、図６に示すように許容固定子スロットの組合せを示す表によって導かれる。
【００２３】
本発明の好ましい実施例では大抵の場合、直径の組Ｉを選択して、電力入力の所望の周波数に応じ、ほぼ１１０ＭＶＡ〜３００ＭＶＡのＭＶＡ出力を提供するのがよい。直径の組Ｉに係るその範囲内の一層特定のＭＶＡ出力を選択するために、好ましい実施例では、固定子コアの長さＬｓを、図５に示すようにほぼ４インチ離れた別々の長さ増加量のうち直径の組Ｉの長さ範囲内の各種値から選択する。同様に、約２００ＭＶＡ〜４００ＭＶＡの範囲のＭＶＡ出力を提供するよう直径の組ＩＩを選択するのがよい。直径の組ＩＩについては、図５に示すように、約４インチステップ又は増加量の直径の組の長さの範囲における種々の値から選択する。決定された特定の長さＬｓはこれまた発電機の所望のＭＶＡ出力及び所要のピーク電圧出力の最適化であろう。そして、同様に、直径の組ＩＩＩを選択すれば約３５０ＭＶＡ〜６８０ＭＶＡの範囲のＭＶＡ出力が得られる。直径の組ＩＩＩに関しては、図４に示すように、約４インチステップ又は増加量の直径の組ＩＩＩの長さの範囲内における種々の値から長さＬｓを選択する。
【００２４】
直径の組内での発電機のパラメータのばらつきの調整を固定子コア長さＬｓ及び固定子スロットの個数を変化させるだけで行うことにより、長さＬｓとは無関係であるモジュール式発電機１０内における構成要素について標準化が達成される。特に、これら構成要素としては、それぞれの軸受ブラケット１４，２０、ジャーナル軸受１８，２２、端部カップリング４８，５０、固定子巻線のための端部コネクタ４２、回転子の端部巻線４４，４６、固定子コア２４を構成する積層物、フレームリング、締付けリング、製造に必要なツーリング、固定子の導体、平行リング構造５２の回転子の状態、回転子スロット及びコア組立体が挙げられる。これら構成要素は全て本発明に従って標準化されることになる。さらに、フレーム１６の長さは調節作業及び固定子コアの長さＬｓに応じて変わる必要があるが、その或る特定の構成要素、例えばフレーム１６の外径に依存する構成要素は同一のままであり、従ってフレーム１６についても同様にある程度の標準化が達成される。
【００２５】
本発明のモジュール式発電機に係る設計法により、発電機の設計及び製造における標準化されたモジュール構成要素が最大限に活用されることは理解されよう。この標準化及び製造法により、設計費及び製造費の両方が減少し、その結果顧客にとりユニットの単価が安くなる。
【００２６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って設計され製造されたモジュール式発電機の部分横断面図である。
【図２】本発明に従って設計され製造された発電機の概略横断面図であり、本発明の一特徴である標準化された直径の組を示す図である。
【図３】（Ａ）は第１の直径の組を備える本発明に従って構成された発電機の略図であり、（Ｂ）は第２の直径の組を有する本発明に従って構成された発電機の略図であり、（Ｃ）は第３の直径の組を有する本発明に従って構成された発電機の略図である。
【図４】各直径の組についての潜在的な発電能力と、本発明により第１、第２及び第３の直径の組についての好ましい値との関係を表すグラフ図である。
【図５】正規化された固定子コア長さと、正規化された回転子直径の関係を表す略図であり、それぞれの直径の組に従って構成された発電機についての固定子コア長さ及び発電能力の間の比例関係を示す図である。
【図６】３つの直径の組の各々についてＭＶＡ出力定格の関数として利用可能な電圧範囲のグラフ図である。
【符号の説明】
１０ モジュール式発電機
１２ 回転子
１６ フレーム
２４ 固定子
２６ スロット

Claims (4)

1. 標準化された多くのモジュール構成要素が用いられ、意図した電力出力をもつ発電機の製造方法において、
   意図した出力定格が第１の直径の組に対応する第１の電力出力範囲内にあるか、或いは第２の直径の組に対応する第２の電力出力範囲内にあるかに基づいて、発電機の回転子及び固定子について少なくとも第１及び第２の標準化された直径の組を選択する段階（ａ）と、
   発電機の意図した出力定格に基づいて固定子コアの長さを選択する段階（ｂ）と、
   発電機の所望の電圧及び周波数出力に基づいて固定子のコア内に形成されるべきスロットの幅及び個数を選択する段階（ｃ）と、
   特定の出力定格をもつ発電機にしか使えない構成要素の代わりに、選択した直径の組に対して特定の標準化された発電機構成要素を用いることにより、選択された直径の組、固定子コアの長さ及びスロットの幅及び個数を有する発電機を製造する段階（ｄ）とより成ることを特徴とする発電機の製造方法。
2. 前記段階（ａ）における標準化された直径の組は、発電機の回転子の外径及び／又は固定子コアの内径及び／又は固定子コア内にスロットの底部を定める直径及び／又は固定子コアの外径及び／又は発電機のフレームの外径を含むことを特徴とする請求項１の製造方法。
3. 前記段階（ｂ）で実施される選択は更に、発電機の意図した電圧出力の関数であることを特徴とする請求項１の製造方法。
4. 前記段階（ｃ）で実施される選択は更に、発電機の意図した周波数出力の関数であることを特徴とする請求項１の製造方法。

Images