JP5514799B2 - ジェネレータステータ配置及び電気的同期ジェネレータ - Google Patents

Description

本発明は、ジェネレータステータ配置と、特にこの種のジェネレータステータ配置を備えた水力発電所用に使用するための、電気的なジェネレータに関する。

同時にジェネレータロータの回転軸を形成する、垂直の長手軸を有する水力発電所の多極の電気的同期ジェネレータ用の大型ジェネレータステータは、多数の形態において知られている。通常、この種のジェネレータステータは、ステータコアとステータフレームからなる組合せを有している。その場合に、ステータフレームは、動的および静的な荷重を受け止めるために用いられ、従って磁気作用を発生するジェネレータコアのための支持機能を満たす。

ジェネレータコア自体は、典型的に鉄合金をベースとした、リングセグメントの形式の多数のステータ薄板を有している。ステータ薄板は、電気的なジェネレータへ向かって、従って径方向内側の周辺部へ向かってステータの歯を有しているので、ステータ巻き線を挿入するための溝が生じる。個々のステータ薄板は、少なくとも磁気的に有効な領域内では、互いに対して電気的に絶縁されており、これは、絶縁する中間層によって、あるいはステータ薄板のラミネートによってもたらされる。

ジェネレータステータを構築する場合に、典型的に薄板パケットは、ステータ薄板が次々にステータフレームと結合されることによって、形成される。その場合に特に、ステータ薄板の径方向外側周辺部における相補形状の結合が考えられ、−そのために例として、特許文献１を参照するよう指示され、それは、ステータフレームに設けられた指示リブにステータ薄板を固定するための蟻溝結合を開示している。さらに、個々のステータ薄板をステータフレームに溶接することが知られており、−これに関しては、特許文献２を参照するよう指示される。

電気機械を駆動する場合に、高い電磁力がジェネレータステータに伝達され、それがこのジェネレータステータを、特にロータの極数が小さい場合に、変形させることがある。さらに、力およびトルクの作用が、ジェネレータステータの振動をもたらすことがある。それは、ノーマル駆動の場合には、圧倒的にラジアル振動であるが、エラー場合に、短絡した場合には、トーション振動が発生する。その場合に、後者においては、公称のエアギャップモーメントをファクター１０まで上回る駆動状態が発生することがある。それによってもたらされる振動運動、特にジェネレータステータのトーション振動は、その構造的な強度を上回って破壊的に作用する、力作用をもたらすことがある。

ジェネレータステータ内の振動を緩衝するための既知の対抗措置は、ジェネレータステータ内にジェネレータコアを弾性的に懸架することを有し、−それについては、例として、特許文献３と特許文献４が挙げられる。ステータフレーム内にステータコアを弾性的に懸架することによって、磁気力が導入されるステータコアと支持構造としてのステータフレームとの間の相対振動のための固有周波数が低下する。もちろん、特に上述したエラー場合については、振動励起とモーメント増幅は、完全に排除することはできない。

米国特許公報ＵＳ２００２０７０６３０Ａ 英国特許明細書ＧＢ４０６００４Ａ 英国特許明細書ＧＢ８２１６１２Ａ 英国特許明細書ＧＢ６９５４１５Ａ

本発明の課題は、高い構造強度とわずかな振動傾向並びに製造技術的および構造的に簡単なことを特徴とする、垂直の回転軸を有する、特に水力発電所の大型の電気的ジェネレータ用の、ジェネレータステータ配置を提供することである。

本発明の課題は、独立請求項の特徴によって解決される。

その場合に、発明者は、本来のジェネレータステータがモノリシックに、高い固有強度で形成され、かつ振動を分離するために、弾性的な土台結合を形成するためのばね弾性を有する支持構造が選択されることによって、故障の心配のないジェネレータステータ配置が生じることを、認識した。

従って、磁気機能を満たすステータコアと荷重を支持するステータフレームの組合せの代わりに、二重機能、すなわち磁気的な課題と荷重を吸収する課題を満たす、唯一の補強されたステータコアが使用される。その場合に、この補強されたステータコアは、振動を分離するために、ばね弾性的な支持構造に基づいている。これは、典型的に、補強されたステータコアの構造強度よりも少ない強度で形成された、支柱である。従って、発生する振動は、補強されたステータコアの、土台に対する相対運動をもたらし、すなわち、ばね弾性を有する支持構造が土台へ向かって固有の振動を実施し、補強されたステータコア自体の変形は、制限されたままとなる。

本発明に基づいて補強されたステータコアを実現するために、１つの形態は、個々のステータ薄板を、薄板パケットをまとめた後に、エアギャップとは逆の側において、すなわち径方向外側の周辺部において、材料結合で結合することにある。最も簡単な場合において、これは、互いに隣接するステータ薄板を、それぞれ少なくとも１つの結合点において溶接することによって達成される。特に好ましくは、ステータコアの長手方向の延び全体に従う、軸方向に延びかつ周方向に離間した複数の溶接継目が、ステータ薄板の径方向外側の周辺部に形成される。それによって、最初は個々に互いに積み重ねられたステータ薄板が、整合され、かつプレスされた後に、本発明に基づくモノリシックなユニットとして結合され、それがここでは補強されたステータコアと称される。さらに、他の材料結合による結合技術、たとえば接着結合が考えられる。さらに、補強されたステータコアの構造強度を高めるために、ステータ薄板が、好ましくは軸方向にプレスされる。

それぞれ隣接するステータ薄板を材料結合で結合するための付加的または代替的な措置として、径方向外側の周辺部に、補強部材を設けることができる。典型的には、これは、リブ形状またはプレート形状の部材であって、それが、個々のステータ薄板に材料結合、たとえば溶接結合されている。

特に好ましい形態のために、隣接するステータ薄板を直接結合するための、軸方向に延びる溶接継目も、補強されたステータコアの外周にわたって分配して配置された、斜めに立つプレートの形状の、結合部材も使用され、その結合部材がそれぞれ、ステータ薄板を材料結合で結合するために、側端縁に沿って軸方向に延びる少なくとも１つの溶接継目を有している。

さらに、好ましい形態のために、補強部材が、補強されたステータコアの軸方向端部に配置された、第１のプレスリングと第２のプレスリングの間の結合を形成する。プレスリングは、プレスフィンガーを介してそれぞれ軸方向外側のステータ薄板に作用する。ステータ薄板と溶接された多数の結合部材を介しての第１のプレスリングと第２のプレスリングの結合に加えて、引っ張り部材を設けることができ、その引っ張り部材は、ステータ薄板内に整合して配置された切欠きを通して、第１のプレスリングから第２のプレスリングへ案内されている。引っ張り部材と付属のボルトには、好ましくは、電気的な絶縁ブッシュが設けられている。

本発明の展開によれば、補強されたステータコアは、高いトーションモーメントを吸収できるように、径方向外側の周辺部にステータ薄板への材料結合を有する、補強部材の配置を有している。そのために、補強部材の斜め配置が提供される。それは、プレート形状の補強部材が、径方向に対して傾いていることである。表現を変えると、それは、プレート形状の補強部材が、接線方向を向いた方向成分を有していることを、意味している。

このような形態のために、プレスリングの少なくとも１つが、ステータ薄板の径方向外側の周辺部を越えて突出するように添接される場合に、補強部材は、少なくとも１つの側端縁に、プレスリングへのモーメントを支持する結合、あるいはプレスリングと結合された保持部材、を有している。そのために、好ましい形態については、上方のプレスリングおよび／または下方のプレスリングが、径方向に対して傾斜した切欠きを有している。この種の切欠き内へ、プレート状に添接された補強部材が導入され、結合部材の上方および／または下方の縁と、切欠きの前側の少なくとも１つとの間に、たとえば溶接結合によって、結合が形成される。付加的に、補強部材が少なくとも２つのステータ薄板と、その隣接する側端縁に沿って、本発明に基づいて材料結合で結合された場合に、ジェネレータモーメントを受け止めるため、およびジェネレータステータ内のトーション振動を緩衝するための、対角線支持が生じる。

補強されたステータコアの弾性的な土台結合を形成するための、ステータ配置のばね弾性を有する支持構造は、好ましくは、多数の板ばねを有する３本以上の支持脚を配置することによって、実現される。その場合に、支持脚の両端部に側方をガイドするための結束部材が設けられていることによって、複数の板ばねが、１つの板ばねパケットとして結合される。これらの結束部材は、好ましくは、マルチセグメントで構成されて、個別部品の螺合によって板ばね部材を包囲する、鋳鉄部品である。板ばねの可能な材料として、ばね鋼、たとえばＳＡＥ５１６０材料が、考慮される。

以下、好ましい実施例と図面表示を用いて、本発明を詳細に説明する。

本発明に基づくジェネレータステータ配置を一部断面で示す斜視図である。 本発明に基づくジェネレータステータのばね弾性を有する支持脚を示している。 補強部材を備えた、本発明に基づくジェネレータステータ配置の他の形態を示している。 図４ａと４ｂは、ステータ薄板と補強部材の間、ないしは互いに隣接するステータ薄板のための、材料による結合を示す軸断面図である。 本発明に基づくジェネレータステータ配置の好ましい形態のための、ステータ薄板を軸方向にプレスするための装置を示している。

図１は、本発明に基づくジェネレータステータ配置を簡略化して図式的に示している。補強されたステータコア１のモノリシックな形成が示されており、そのステータコアは、磁気的な特性と構造強度に関する要請を満たしている。補強されたステータコア１は、モノリシックなコンポーネントであって、それにおいて最初から存在する個別コンポーネントが、高い構造強度を得るために、互いに材料結合で結合されている。

図示の好ましい形態のために、例として示す、それぞれ径方向内側の周辺部３にステータの歯６を有する、ステータ薄板２．１、２．２、２．３、．．．２．ｎは、径方向外側の周辺部４に、溶接歯５の形式の材料結合を有している。付加的に、第１のプレスリング７と第２のプレスリング８によって軸方向にプレスするための装置が示されており、それについては後にさらに詳しく説明する。

高い構造強度を有する、補強されたジェネレータコア１は、土台に対してばね弾性を有する構造によって垂直に支持されており、その構造は、垂直を除くすべての方向において、補強されたステータコア自体よりも少ないばね弾性を有している。好ましい実施形態のために、支持脚９．１、９．２、９．３、９．４は、板ばねスタックの形式で構成されており、その場合に個々の板ばねは、組込み位置において実質的に垂直に方向付けされている。これは、図２から明らかである。

図２に示す支持脚９は、スタック形状に互いに積層された多数の板ばね１０．１、１０．２、．．．１０．ｎを有しており、それらが端部において束ねられている。そのために、同時に土台への結合を形成する、第１の結束部材１１と、補強されたジェネレータコア１への結合を形成する、第２の結束部材１２が設けられている。結束部材１１、１２は、好ましくはマルチセグメントの鋳造部品であって、それらが板ばねスタックを包囲するためのねじ結合１３によってまとめられる。その場合に、結束部材１１、１２の個別部品は、規格部品から構成することができる。同じことが、適切なばね鋼から形成されている、個々の板ばね１０．１、．．．１０．ｎについても、当てはまる。

図３は、ステータ薄板２．１−２．ｎのための径方向外側の周辺部４における材料結合を有する、補強部材１４によって補強されたステータコア１のための好ましい形態の詳細を示している。補強部材１４は、プレート形状で添接されており、ステータ薄板２．１−２．ｎへ向いた第１の側端縁をもって、図４ａに詳細に図示された溶接継目５．２、５．３による材料結合を形成する。付加的に、軸方向に延びる、凹み隅肉継目の形式の溶接継目５．１による、個々のステータ薄板２．１−２．ｎの少なくとも１つの材料結合が設けられており、それが、図４ｂに示されている。もちろん、ステータ薄板２．１−２．ｎを結合するための溶接継目５．１と同様に、外周面に沿って多数の結合部材１４と、結合部材１４とは関係なく形成された、多数の材料結合を設けることができる。

図３には、特にトーションモーメントを逃がす、補強部材１４のための特に好ましい形態が示されている。そのために、プレート形状で添接された補強部材１４が、径方向に対してある角度位置で方向付けされており、第２のプレスリング８において径方向外側へ突出するカラー２２に対して対角線で支持されている。同様なカラーは、第１のプレスリング７に設けることができ、−この実施変形例は、図３には詳細には示されていない。

補強部材１４の取付けを簡略化するために、第２のプレスリング８のカラー２２内に、切欠き１５．１、１５．２が設けられている。その場合に、図３に示す補強部材１４が、切欠きの１つ１５．２内へ導入されて、その下方の縁領域が、螺合１６によって切欠き１５．２の壁に固定される。そのために、切欠き１５．２は、径方向外側の領域がカットされているので、取付けのために接近することができる。従って切欠き１５．１、１５．２の径方向内側の延びにおいてだけ、補強部材１４が切欠きの壁によって両側を包囲される。螺合１６に加えて、補強部材１４といずれかのプレスリング（この場合においてはプレスリング８）とを接合するために、他の材料結合、たとえば溶接結合を設けることができる。好ましくは、取り付ける場合に、まず、螺合１６が実施されて、その後、ステータ薄板２．１−２．ｎへの材料結合を形成するために、溶接継目５．２と５．３を含む溶接が行われる。

図５は、本発明に基づくジェネレータステータ配置のための詳細な形態を、軸方向断面で示している。引っ張り部材１８が示されており、その引っ張り部材は、ジェネレータ薄板２．１−２．ｎ内に整合して配置された切欠き１９内へ導入されて、第１のプレスリング７と、ここには図示されていない、第２のプレスリング８との間の結合を形成する。それによって、薄板パケットに対する軸方向の引っ張り力が発生されて、それが、多数のプレスフィンガー１７を介してそれぞれ外側のステータ薄板に作用する。さらに、引っ張り部材１８を電気的に絶縁するために、絶縁部材２１が設けられている。薄板パケットをステータ薄板と共にプレスするための、上述した軸方向の引っ張り装置は、好ましくは、補強されたステータコアの外周辺部にステータ薄板を材料的に結合することに加えて、ステータコアにできる限り高い構造強度を与えるために、使用される。

後続の保護請求項の枠内で、本発明の他の形態が考えられる。すなわち、補強されたジェネレータコアのために弾性的な土台結合を形成するためのばね弾性を有する支持構造は、径方向に作用するばね弾性的なコンポーネントを有しており、それが、軸方向に弾性的なばねコンポーネントから分離されて作用する。さらに、補強されたステータコアを、軸方向にフラットに形成された材料結合によって、たとえばステータ薄板間の接着を用いて、さらに補強することが、考えられる。

１ 補強されたステータコア
２、２．１、２．２、２．３、２．ｎ ステータ薄板
３ 径方向内側の周辺部
４ 径方向外側の周辺部
５、５．１、５．２、５．３ 溶接継目
６ ステータの歯
７ 第１のプレスリング
８ 第２のプレスリング
９、９．１、９．２、９．３、９．４ 支持脚
１０．１、１０．２、１０．ｎ 板ばね
１１ 第１の結束部材
１２ 第２の結束部材
１３ ねじ結合
１４ 補強部材
１５．１、１５．２ 切欠き
１６ 螺合
１７ プレスばね
１８ 引っ張り部材
１９ 整合して配置された切欠き
２０ ねじナット
２１ 絶縁部材
２２ カラー

Claims (12)

1. １．１ 複数のステータ薄板（２、２．１、２．２、２．３、２．ｎ）を有する、補強されたステータコア（１）であって、前記ステータ薄板が、前記ステータコア（１）の径方向内側の周辺部（３）にステータの歯（６）を有しており、径方向外側の周辺部（４）における、隣接して配置されたステータ薄板（２、２．１、２．２、２．３、２．ｎ）と補強部材（１４）が結合する結合点の少なくとも１つにおいて、材料による結合を有しており；前記補強部材（１４）が、前記ステータコア（１）の軸方向端部に配置された、第１のプレスリング（７）と第２のプレスリング（８）への結合を形成し、かつ、プレスリング（７、８）の少なくとも１つが、切欠き（１５．１、１５．２）を有しており、前記切欠きが径方向に対して斜め位置で延びており、かつ前記補強部材（１４）を収容するために用いられる、前記補強されたステータコアと；
   １．２ 前記補強されたステータコア（１）のために、弾性的な土台結合を形成するための、ばね弾性を有する支持構造と；
   を有する、ジェネレータステータ配置。
2. 前記材料による結合が、溶接結合として形成されていることを特徴とする請求項１に記載のジェネレータステータ配置。
3. 前記材料による結合が、少なくとも２つの隣接するステータ薄板（２、２．１、２．２、２．３、２．ｎ）を結合して軸方向に延びる溶接継目（５、５．１、５．２、５．３）を有していることを特徴とする請求項１又は２の少なくとも１項に記載のジェネレータステータ配置。
4. 前記補強部材（１４）が、プレート形状に形成されており、かつ第１の側端縁において、軸方向に延びる溶接継目（５．２、５．３）によって、少なくとも２つのステータ薄板（２、２．１、２．２、２．３、２．ｎ）に材料結合で結合されており、第２の側端縁においては、前記プレスリング（７、８）の少なくとも１つと結合されていることを特徴とする請求項３に記載のジェネレータステータ配置。
5. 前記プレスリング（７、８）の少なくとも１つとの前記補強部材（１４）の結合が、螺合（１６）を有していることを特徴とする請求項４に記載のジェネレータステータ配置。
6. 周方向に分配された複数の補強部材（１４）が、前記補強されたステータコア（１）の前記径方向外側の周辺部（４）に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のジェネレータステータ配置。
7. 前記補強されたステータコア（１）の軸方向両端部に配置された、複数のプレスフィンガー（１７）によって、前記ステータ薄板（２、２．１、２．２、２．３、２．ｎ）に軸プレス力が及ぼされることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のジェネレータステータ配置。
8. 弾性的な土台結合を形成するための前記ばね弾性を有する支持構造が、複数の板ばね（１０．１、１０．２、．．．１０．ｎ）を備えた少なくとも１つの支持脚（９、９．１、９．２、９．３、９．４）を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のジェネレータステータ配置。
9. 前記支持脚（９、９．１、９．２、９．３、９．４）の少なくとも両端部において、前記板ばね（１０．１、１０．２、．．．１０．ｎ）が、側方を案内するための結束部材（１１、１２）を有していることを特徴とする請求項８に記載のジェネレータステータ配置。
10. 前記結束部材（１１、１２）が、鋳鉄部品として形成されていることを特徴とする請求項９に記載のジェネレータステータ配置。
11. 前記板ばねが、組込み位置において、実質的に垂直に方向づけされていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のジェネレータステータ配置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のジェネレータステータ配置を有する、水力発電所用の、電気的同期ジェネレータ。

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