JP4776980B2 - 電気機械における末端巻線拘束装置 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には、ロータと、末端巻線を含むロータ本体の周りの界磁巻線とを有する形式の電気機械に関し、具体的には、末端巻線の軸方向の移動を拘束しかつ円周方向及び軸方向のロータ末端巻線の歪みを最小にするための拘束装置に関する。

電気機械、例えば発電機においては、界磁巻線を有するロータ本体が設けられ、界磁巻線は、その一部がロータ本体から延びてロータ本体の両端部で末端巻線と呼ばれる弧形部分を形成する。この末端巻線は、ロータ本体からほぼ軸方向に延び、ロータ本体に沿って軸方向にロータ本体内に戻るために本体の両端部に隣接して円周方向に支持体又はスピンドル上を横断している。典型的な発電機構造においては、巻線はロータ本体のスロット内に設置され、ウエッジにより巻線をスロット内に固定する。典型的には、末端巻線は、スペーサブロックによって互いに分離される。より最近の発電機は、磁極面及び平行側面を備えた確定した磁極領域を有するロータ本体と、ロータ本体の端面を超えて延びる前もって製作した末端巻線を備えた、平行側面に沿って延びる前もって製作した巻線モジュールとを含む。発電機構造の両方の形式共、末端巻線は、支持されていない場合には、歪みを生じ、すなわち楕円状に変形しかつ同心度を失う可能性がある。さらに、末端巻線は、発電機を高速で運転した時に軸方向に移動する傾向を有する。
特開２００１−２５８１９５号公報

従って、歪みを最小にしかつ末端巻線の円周方向及び軸方向の両方向の移動に抗しかつそれらの移動を拘束する構造を有する、電気機械における末端巻線拘束装置に対する必要性が存在する。

本発明の好ましい実施形態によると、ロータ本体は、界磁巻線と軸方向及び円周方向の両方向の移動に抗して拘束された末端巻線とを有する。具体的には、ロータ本体は、ロータ本体の端面に固定されたビームを含み、ビームは環状の端部ディスクへの固定のために軸方向に延びる。ロータ端面と環状の端部ディスクとの間には、ビーム上に取付けた複数の円周方向に間隔をおいて配置されたレーキが設けられる。レーキは、末端巻線を受けるための複数の軸方向に間隔をおいて配置された歯を含む。レーキ及び端部ディスクは、軸方向移動に抗して末端巻線を拘束する。端部ディスクはまた、高回転時に末端巻線が歪みを生じ、すなわち楕円状に変形しかつ同心度を失う傾向に効果的に抗するように、重くされる。端部ディスクは、ロータのアンバランスを排除するために、直径方向に対向して対称に重くされる。端部ディスクはまた、内面に沿ってほぼ半径方向に延びる通路を含み、このことにより、通路を有していないディスクの部分を重くする。通路はまた、ほぼ半径方向外向きにかつロータ本体の周りのエンクロージャの開口を通して冷却流体を送出する。

本発明による好ましい実施形態によると、電気機械におけるロータの末端巻線用の拘束装置を提供し、本拘束装置は、軸方向の移動に抗して一端部においてロータに固定された複数の軸方向に延びかつ円周方向に間隔をおいて配置された支持ビームを有する末端巻線支持体と、軸方向に間隔をおいて配置されたその歯の間に円周方向に延びる末端巻線を受けかつ軸方向の移動に抗して該末端巻線を拘束するための、それぞれのビームの半径方向外側に位置する複数の円周方向に間隔をおいて配置されかつ軸方向に延びる支持レーキとを含む。

本発明による別の好ましい実施形態では、電気機械においてロータの末端巻線がロータ軸の周りで変形するのを拘束するための装置を提供し、本装置は、ロータ本体と、末端巻線を含む、ロータ本体に沿って延びる界磁巻線と、ロータ本体の回転軸に対してほぼ垂直に延びるディスクを含む、末端巻線のための支持組立体とを含み、ロータ本体は横軸を有し、またディスクは、該ディスクが横軸及び回転軸に対して垂直な直軸に沿った直径方向に対向した対称な重量よりも大きい横軸に沿った直径方向に対向した対称な重量を有するような、該ディスクの周りでの重量分布を有する。

図面の図１及び図２に示すように、発電機ロータ３０は、多極磁気コア３２（２極コアを示している）と、各磁極あたり１つの複数の前もって製作した巻線組立体３４と、対応する磁極面３６とを含む。磁気コア３２及び巻線組立体３４の構造及び材料は、公知である。前もって製作した巻線組立体は、ロータ本体４０を鍛造形成した平行側面上に配置され、ロータ本体とほぼ同心に弧形に湾曲される。図２に示すように、ロータは、ステータ内部に配置され、ロータの周りのエンクロージャ１０とステータの内面との間に空隙１２が存在する。配向を決める目的で、図２には、ロータの回転軸と平坦な側面との両方に対して垂直に延びる横軸Ｑを示す。直軸Ｄは、Ｑ軸及び回転軸に対して垂直に延びる。本明細書では、最新式の炭素繊維ロータエンクロージャ（ＣＦＲＥ）電気機械を開示しているが、本発明は、ロータ本体内において軸方向に延びかつ円周方向に間隔をおいて配置されたスロット内に配置された界磁巻線を備えたロータを有する従来型の電気機械に対しても適用可能である。後者の従来型の機械では、巻線をスロット内に保持するためにウエッジが使用され、またそれらの界磁巻線は、ロータの端面を超えて突出した末端巻線を含み、末端巻線は、ＣＦＲＥ電気機械におけるのと同様に支持体及び拘束装置を必要とする。

図４及び図５に示すように、末端巻線５０は、ロータ本体からほぼ軸方向に延び、ロータ本体の軸方向に戻るためにロータ本体４０の縮小した端部の上方に位置する弧形部分を形成する。端部ディスク５２は、以下で説明するように、ロータと末端巻線の周りのエンクロージャ７４（図５）の下に位置する遮蔽体７２とに対して固定される。図３には、末端巻線支持組立体５４を示す。組立体５４は、複数の軸方向に延びかつ円周方向に間隔をおいて配置されたビーム５６と、末端巻線を互いに軸方向に間隔をおいて配置するための対応する数の軸方向に延びかつ円周方向に間隔をおいて配置された支持レーキ５８(図３及び図５)とを含む。ビーム５６は、ロータ本体の端面に対して、例えばダブテール継手によって固定され、各ビームがロータ端面の対応するアーチ形ダブテールスロット６２（図３及び図５）内に配置されるための突出ダブテール６０（図５）を有する。ビーム５６は、互いに円周方向に間隔をおいて配置され、ダブテールとは反対側の端部で、環状のディスク５２の半径方向に内側部分を貫通するボルト６４によって固定される（図５）。

軸方向支持レーキ５８の各々は、一対の従属フランジ６８（図３）を有する基部６６を含み、従属フランジ６８は、該フランジ６８がビーム５６に跨った状態で該ビームを受けるための溝を形成する。従って、レーキ５８は、ロータ本体の端面とディスク５２の内側面との間で軸方向に延びる。レーキ５８は、末端巻線５０がロータ本体の端部上でアーチ形に延びるときに、それらの末端巻線のアーチ形部分を受けるための複数のスペーサ又は歯（ｔｉｎｅ）７０を含む。図５に示すように、末端巻線及びレーキは、円筒形の端部遮蔽体７２によって軸方向に閉じ込められ、従って円筒形エンクロージャ７４の半径方向下方に位置することになる。図５に示すように、ディスク５２の半径方向外端部は、遮蔽体７２の端面に対してボルト止めされる。図７に示した本発明の別の形態では、ビーム５６は、軸方向に延びる貫通孔を有することができ、それによって、ダブテール継手の代わりに、ディスク５２とビーム５６の全長とを貫通して延びるボルト７３をロータの端面の雌ネジ付き開口部７５にねじ込むことができる。図３には、磁極間補強材７６を支持するビームも示している。補強材は、隣接するコイルの最外側コイルの円周方向変位に抗して１つの磁極の最外側コイルの間隔を保つ。

末端巻線の歪み及び同心度の喪失を防止又は最小にするために、図６に示すように、ディスク５２は重くされる。ディスクを重くすることにより、ロータの回転時における例えば楕円状又は非同心状変形のような歪みの主原因となる負荷の不均一な分布を軽減するようにディスクの質量が配分される。従って、ディスク５２の内側面に沿って溝８０を形成する。溝は、ディスクの重くした部分、すなわち溝以外の部分が直径方向に対向してバランスするように、直径方向に対向して対称である。従って、半径方向溝の位置から９０°の位置におけるディスクの重量は、溝の位置におけるディスクの重量よりも大きい。ディスクのより重い部分の円周方向位置は、楕円形状又は非同心形状に向かう末端巻線の変形に効果的に対抗するために横軸Ｑに沿って位置しているのが好ましい。さらに、対称な直径方向対向位置においてロータを動的にバランスさせるために形成した半径方向通路はまた、ロータ本体からほぼ半径方向外向きに冷却媒体を流すための通路としての働きをする。従って、開口８２は、上に位置する遮蔽体７２及びエンクロージャ７４を貫通して形成され、かつ半径方向通路８０と連絡状態になっており、次に半径方向通路８０は、ロータ内部の冷却流マニホルド（図示せず）と連絡状態になっている。回転するロータ本体の遠心ポンプ作用により、冷却媒体が通路８０に沿って外向きに流れ、末端巻線の大部分を冷却して、ロータ本体とステータとの間の空隙内に流出するようになる。結果として、半径方向通路は、冷却媒体の送出を行うことと、末端巻線が楕円形状又は非同心形状に向かう傾向を阻止する端部ディスク上の重量分布をもたらすこととの二重の目的を果たす。

ビーム及び重量を含む支持組立体並びに端部ディスクは、ロータ巻線の熱膨張に抗して末端巻線を軸方向支持することが分かるであろう。さらに、レーキ５８の歯７０は、巻線組立て時に巻線５０を支持するための手段を提供し、かつ個々の巻線を一定の間隔で互いに分離して保持する。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

電気機械における従来技術のロータの斜視図。 電気機械の端部から見たときの、図１のロータとステータとの概略図。 本発明の態様による末端巻線支持体及び拘束装置を示す、図１のロータ本体の部分斜視図。 エンクロージャを取外しかつ巻線のための拘束装置及び支持体を斜視図で示した状態の、図３と同様の図。 図３に示した末端巻線の拡大断面図。 環状の端部ディスクの内側面の軸方向図。 末端巻線拘束装置及び支持体の別の実施形態を示す、図５と同様の図。

符号の説明

３２ 磁気コア
３４ 巻線組立体
３６ 磁極面
４０ ロータ本体
５０ 末端巻線
５２ 端部ディスク
５４ 支持組立体
５６ ビーム
５８ レーキ
７０ 歯
７２ 遮蔽体
７４ エンクロージャ
７６ 磁極間補強材
８０ 溝
８２ 開口

Claims (8)

1. 電気機械におけるロータの末端巻線用の拘束装置であって、
   軸方向の移動に抗して一端部において前記ロータに固定された複数の軸方向に延びかつ円周方向に間隔をおいて配置された支持ビーム（５６）を有する末端巻線支持体（５４）と、
   軸方向に間隔をおいて配置されたその歯の間に円周方向に延びる末端巻線（５０）を受けかつ軸方向の移動に抗して該末端巻線を拘束するための、それぞれのビームの半径方向外側に位置する複数の円周方向に間隔をおいて配置されかつ軸方向に延びる支持レーキ（５８）と、
   を含み、
   前記ビーム（５６）が、一端部においてタング・グルーブ継手（６０、６２）によって前記ロータの端面に固定されていることを特徴とする、拘束装置。
2. 前記ロータ末端巻線の軸方向の熱膨張を阻むための、前記ビームに固定された環状の端部ディスク（５２）を含む、請求項１記載の拘束装置。
3. 各隣接する磁極の最外側末端巻線の円周方向変位に抗して前記ロータの１つの磁極の最外側末端巻線の間隔を保つように配置された、ロータ端部スピンドルの外側に位置する磁極間補強材（７６）を含む、請求項１記載の拘束装置。
4. 前記ロータ末端巻線の軸方向の膨張を阻むための、前記ビームに固定された環状の端部ディスク（５２）を含み、前記ディスクが、前記ロータがその軸の周りで回転する時に前記末端巻線が同心度を失う傾向を最小にするような、該ディスクの周りでの所定のかつ可変の重量分布を有する、請求項１記載の拘束装置。
5. 前記重量分布が、前記ロータがアンバランスになるのを回避するために直径方向に対向して対称である、請求項４に記載の拘束装置。
6. 前記重量分布の一部が、前記ディスクの面に形成された直径方向に対向する凹部（８０）によって得られる、請求項４に記載の拘束装置。
7. 前記末端巻線の周りに配置されかつ前記ディスクに隣接してそれを貫通する開口（８２）を有するエンクロージャ（７４）を含み、前記凹部（８０）が、それぞれ前記開口と連絡状態で位置して前記ロータから外向きに冷却媒体を流すための通路を形成している、請求項６記載の拘束装置。
8. 確定した磁極領域と磁極面（３６）と前記磁極面に隣接する平行側面とを有するロータ本体（４０）と、順次接合した平坦な界磁巻線（３４）を有する前もって製作した界磁巻線モジュールとの組合せであって、前記モジュールが前記ロータ本体の平行側面上に配置され、前記ロータが前記平行側面に対してほぼ垂直な横軸を有し、前記ディスク（５２）の周りでの前記重量分布が、該ディスクが横軸及び回転軸に対して垂直な直軸に沿った直径方向に対向した対称な重量よりも大きい横軸に沿った直径方向に対向した対称な重量を有するようになっている、請求項１記載の拘束装置。

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