JP4137506B2 - キーバーを含む電気機械固定子の設計方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に電気機械の固定子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型の電気機械、特に発電機の固定子は、通常、標準的な数のキーバーと、２つのフランジで組み立てられている。キーバーを機械的に結合し且つ固定子を支持するために、各々の端部に１つのフランジが配置されている。キーバーの数と、キーバー及びフランジの大きさは主に固定子の機械的必要条件に適合するように設計される。
【０００３】
機械的な安定性を得るため、一般に、キーバー(Keybar)は磁性又は非磁性の鋼又は鋼合金から製造されている。そのような材料は導電性である。キーバーは磁界の付近に位置し且つ導電性であるため、不都合な電磁効果が発生し、電気機械の定格と性能を制約する。
【０００４】
キーバー電圧は固定子ヨーク（背面鉄）の磁束密度を制限する。キーバー電圧の主な原因は、固定子コア外面の背後に溢れ出す漏れ磁束である。キーバーの電磁効果を減少させることができれば、機械を更に最適化するための電気関係の設計をより自在に、制約も少なく行え、それにより、効率や信頼性を損なわずに安全に機械コストを低減させることが可能になるであろう。
【特許文献１】
特開昭５７−０７８３３４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、電気機械の保全性を悪化させることなく電気機械におけるキーバー電圧を低下させる（それにより、不都合な電磁効果を減少させる）ことが望ましいであろう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
簡単に言うと、本発明の一実施例によれば、固定子（電機子）巻線の相帯に関するキーバーの位置どり、キーバーの数の選択、固定子スロットの数の選択及び／又は固定子に関する回転子の回転方向を電磁的に最適化することにより、電気機械におけるキーバー電圧を低下させる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
新規であると考えられる本発明の特徴は特許請求の範囲に詳細に記載されている。しかし、本発明自体は、組織及び動作の方法の双方に関して、上記以外の目的及び利点を含めて、添付の図面と関連させて以下の説明を参照することにより最も良く理解されるであろう。尚、図面中、同じ図中符号は同様の構成要素を指示する。
【０００８】
図１及び図２は、回転子１８と、固定子フランジ１４、キーバー１２により固定子フレーム４０及びセクションプレート３８に結合された固定子ラミネーション２４の層セグメント２６（以下、「ラミネーションセグメント」という）、及びラミネーションセグメントの固定子スロット２２内にある固定子巻線２０の相帯２８及び３０を含む固定子１６とを含む従来の電気機械１０の側面（半径方向−軸方向平面）図及び横断面（半径方向−周囲平面）図である。図２の実施例では、相帯２８は外側巻線層２０の相帯に相当し、相帯３０は内側巻線層２１の相帯に相当する。
【０００９】
キーバーの数、固定子巻線の相帯の全長（固定子スロットの数、磁極の数及び位相の数によって決まる）、及び相対位置が電磁相互作用（例えば、キーバー電圧）に及ぼす影響は複雑であり、動作ポイント又は動作負荷に従属する。従来の固定子製造技術及び設計方法はこれらの関係を相関させることを意図していないか、又はそれを試みていなかった。
【００１０】
本発明の一実施例においては、固定子１６を設計する方法は、相帯の位置に関してキーバーの位置を調整することの電磁効果を判定することと、相帯の１つの位置に関して、例えば、キーバーなどの減少による不都合な電磁効果を最小にする（すなわち、他の位置と比較して不都合な電磁効果を少なくする）キーバーの位置を選択することから成る。
【００１１】
電磁効果の判定はコンピュータ（図示せず）におけるシミュレーションにより、又は物理的試験の実施により行われれば良い。コンピュータシミュレーションを選択した実施例では、回転を伴うタイムステッピング有限要素などの最新の解析方法を利用して、設計者は、所定の負荷に対して相帯に関するキーバーの相対位置がキーバー電圧に及ぼす微妙な影響を定量的に判定することができる。その後、結果として最適化された、より信頼性の高い機械設計が得られるように、キーバー電圧を最小にする位置どりを選択することができる。「設計」は固定子が製造される前に行われても良いし、あるいは設置後の環境で行われても良い。本発明の一実施例を使用することにより、相帯の別の位置が好都合であろうと判定された場合、それに従って固定子巻線層への接続を移動させることができる。
【００１２】
この実施例を使用すれば、機械を物理的に変形する必要なくキーバー電圧を低下させることが可能であり、従って、設計時に考慮すべき他の全ての事項に悪影響を及ぼすことがない。また、キーバー電圧を低下させることにより、この実施例は共に電気的に抵抗の大きい材料であるキーバーとフランジとの間の螺合接触面を流れるキーバー電流を減少させ、それにより、アーク発生やピッチングが起こる危険を少なくする。
【００１３】
図３は、代替キーバー位置を利用できる一実施例を示すブロック線図である。図示を簡単にするため、固定子スロット２２を湾曲形態ではなく直線状に示すと共に、外側巻線層の６つの相帯のうち３つのみを示した。
【００１４】
図３の実施例は５４の固定子スロットを含む２極電気機械である。相帯２８当たりの固定子スロット２２の数は、固定子スロットの数を位相の数及び磁極の数で除算することにより計算できる。すなわち、３相２極５４固定子スロットの電気機械の場合、相帯当たりの固定子スロットの数は９（５４／（３×２））である。ラミネーションセグメント２６（及び対応するキーバー１２−図２に示す）の数は、一般に、従来の製造技術に対応する工業規格である。例えば、５４の固定子スロットを含む電気機械の場合、通常、ラミネーションセグメントの数は１８、キーバーの数は１８である。従って、固定子スロット３つごとに１つのキーバーが存在している（５４／１８＝３）。
【００１５】
図３からわかるように、オプションとして２つの異なるキーバー位置３２及び３４（xにより表されている）が規定される。第１のオプション位置３２では、キーバーは各相帯２８の第１、第４及び第７の固定子スロットと整列するように位置決めされている。第２のオプション位置３４では、キーバーは各相帯の第２、第５及び第８の固定子スロットと整列するように位置決めされている。
【００１６】
固定子スロット及びキーバーの数があらかじめ規定されている電気機械の中には、キーバーの位置変化が電磁効果の変化を生じさせるとは期待されないようにキーバーを均衡させているものがある。言い換えれば、固定子相帯に関してキーバーに代替相対位置が存在し得ないということになる。
【００１７】
新しい機械又は幾分かの融通性がある機械の場合、本発明の別の実施例として、キーバーの数を調整することの電磁効果を判定し、不都合な電磁効果を最小にするようなキーバーの数を選択する。このキーバーの数を調整する実施例は上述のキーバーの位置を変化させる実施例とは別個に採用されても良いし、それと組み合わせて採用されても良い。
【００１８】
一例においては、４２の固定子スロットを有する固定子の中には、ラミネーションセグメントが１４であるものもあり、２１のラミネーションセグメントを使用するものもある。これら２つの構成を比較して電磁効果を判定し、設計上のその他の点については妥協しないと仮定して好ましい設計に到達することができる。
【００１９】
更に別の実施例では、固定子スロットの数（言い換えれば、固定子相帯の全長）に基づいて電磁効果を判定し、不都合な電磁効果を最小にする固定子スロットの数を選択する。この実施例は上記の実施例のいずれか一方又は双方とは別個に採用されても良いし、あるいはそれと組合わせて採用されても良い。
【００２０】
上記の実施例のいずれにおいても、電気機械全体の設計に影響を及ぼす非電磁的制約条件が数多くあることを理解すべきである。例えば、所定の発電機について、打ち抜きにより製造できる最大のラミネーションセグメントはキーバーの数の下限を規定すると考えられる。
【００２１】
設計オプションを評価する上で利用できるもう１つの要因は、得られる電気機械において回転子の回転方向を変えることで異なる電磁効果が発生するか否かである。電磁効果が変化する１つの理由は、外側巻線層２０の相帯２８と内側巻線層２１の相帯３０が、例えば、高調波を減少させるために固定子巻線層を「短節巻」にしている状態を示す図１からわかるように、通常は互いに位置をずらして配列されていることである。この実施例では、図１の電気機械１０を動作させる方法は、キーバー１２に対する不都合な電磁効果を最小にする回転子１８の回転方向を選択することから成る。
【００２２】
複数の実施例を組み合わせて使用すると、物理的制約を評価し、総合して電磁効果を最小にする設計に到達するようにオプションを検討することにより、特定の機械を設計できる。
【００２３】
本発明のいくつかの特徴のみを図示し説明したが、当業者には数多くの変形及び変更が可能となるであろう。従って、特許請求の範囲は本発明の真の趣旨に包含されるそのような全ての変形及び変更を含むと理解すべきである。特許請求の範囲で示した図中符号は本発明の範囲を狭めるのではなく、本発明の理解を容易にすることを目的としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 キーバー及びフランジシステムを有する従来の電気機械の側面（半径方向−軸方向平面）図
【図２】 キーバー及びフランジシステムを有する従来の電気機械の横断面（半径方向−周囲平面）図。
【図３】 代替キーバー位置を利用できる一実施例を示すブロック線図。
【符号の説明】
１０・・・電気機械、１２・・・キーバー、１６・・・固定子、１８・・・回転子、２０・・・外側巻線層、２２・・・固定子スロット、２６・・・ラミネーションセグメント、２８、３０・・・相帯、４０・・・固定子フレーム

Claims (6)

1. 各ラミネーションセグメント（２６）が複数の固定子スロット（２２）を備えると共に複数のキーバー（１２）により固定子フレーム（４０）に結合された複数のラミネーションセグメント（２６）と、複数のラミネーションセグメントに対応する複数の固定子スロット（２２）内に互いに重なり合ってかつ回転子の回転方向において互いに位置をずらして外側巻線層（２０）及び内側巻線層（２１）として夫々配置される固定子巻線（２０，２１）に夫々対応する複数の相帯（２８，３０）であって、前記複数の相帯の各々に対して複数のキーバー（１２）が配置され、夫々が外側巻線層及び内側巻線層に相当する複数の相帯とを具備する電気機械の固定子を設計する方法において、
   前記複数の相帯の各々の位置に関して前記複数のキーバーの位置を調整することのキーバー電圧又はキーバー電流の少なくとも１つの効果を判定することと、
   キーバー電圧を最小にする前記複数の相帯の位置に関する前記複数のキーバーの位置を選択することとから成る方法。
2. 前記固定子（１６）に関して回転子（１８）の回転方向を調整することの電磁効果を判定することを更に含み、前記キーバーの位置を選択することは、不都合な電磁効果を最小にするために前記キーバーの位置と回転方向の双方を選択することから成る請求項１記載の方法。
3. 各ラミネーションセグメント（２６）が複数の固定子スロット（２２）を備えると共に複数のキーバー（１２）により固定子フレーム（４０）に結合された複数のラミネーションセグメント（２６）と、複数のラミネーションセグメントに対応する複数の固定子スロット（２２）内に互いに重なり合ってかつ回転子の回転方向において互いに位置をずらして外側巻線層（２０）及び内側巻線層（２１）として夫々配置される固定子巻線（２０，２１）に夫々対応する複数の相帯（２８，３０）であって、前記複数の相帯の各々に対して複数のキーバー（１２）が配置され、夫々が外側巻線層及び内側巻線層に相当する複数の相帯とを具備する電気機械の固定子を設計する方法において、
   前記複数の相帯の各々の位置に関して前記複数のキーバーの位置を調整すること、前記キーバーの数を調整すること及び前記固定子スロットの数を調整することのキーバー電圧又はキーバー電流の少なくとも１つの効果を判定することと、
   キーバー電圧を最小にするような、前記複数の相帯の位置に関する前記複数のキーバーの位置、前記キーバーの数及び前記固定子スロットの数を選択することとから成る方法。
4. 各ラミネーションセグメント（２６）が複数の固定子スロット（２２）を備えると共に複数のキーバー（１２）により固定子フレーム（４０）に結合された複数のラミネーションセグメント（２６）と、複数のラミネーションセグメントに対応する複数の固定子スロット（２２）内に互いに重なり合ってかつ回転子の回転方向において互いに位置をずらして外側巻線層（２０）及び内側巻線層（２１）として夫々配置される固定子巻線（２０，２１）に夫々対応する複数の相帯（２８，３０）であって、前記複数の相帯の各々に対して複数のキーバー（１２）が配置され、夫々が外側巻線層及び内側巻線層に相当する複数の相帯とを具備する電気機械の固定子を設計するシステムにおいて、
   前記複数の相帯の各々の位置に関して前記複数のキーバーの位置を調整することのキーバー電圧又はキーバー電流の少なくとも１つの効果を判定する手段と、
   キーバー電圧を最小にする前記複数の相帯の位置に関する前記複数のキーバーの位置を選択する手段とを具備するシステム。
5. 各ラミネーションセグメント（２６）が複数の固定子スロット（２２）を備えると共に複数のキーバー（１２）により固定子フレーム（４０）に結合された複数のラミネーションセグメント（２６）と、複数のラミネーションセグメントに対応する複数の固定子スロット（２２）内に互いに重なり合ってかつ回転子の回転方向において互いに位置をずらして外側巻線層（２０）及び内側巻線層（２１）として夫々配置される固定子巻線（２０，２１）に夫々対応する複数の相帯（２８，３０）であって、前記複数の相帯の各々に対して複数のキーバー（１２）が配置され、夫々が外側巻線層及び内側巻線層に相当する複数の相帯とを具備する電気機械の固定子を設計するシステムにおいて、
   前記複数の相帯の各々の位置に関して前記複数のキーバーの位置を調整すること、前記キーバーの数を調整すること及び前記固定子スロットの数を調整することのキーバー電圧又はキーバー電流の少なくとも１つの効果を判定する手段と、
   キーバー電圧を最小にするような、前記複数の相帯の位置に関する前記複数のキーバーの位置、前記キーバーの数及び前記固定子スロットの数を選択する手段とを具備するシステム。
6. 前記電気機械は５４の固定子スロットと１８のラミネーションセグメントを含む２極電気機械であり、
   各相帯当たりの固定子スロットの数は、９であり、
   固定子スロット３つごとに１つのキーバーが存在している請求項４又は５のシステム。

Images