JP5916850B2 - 発電機用のロータキャップ、発電機用のロータ、および、発電機を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電機用のロータキャップ（ロータエンドベル）に関する。本発明はさらに、このようなロータキャップを備えたロータにも関する。本発明は、さらにこのような発電機に関する。本発明は特に好適には、高速回転するタービン発電機で使用可能である。

ＥＰ１６２８３８２Ｂ１号明細書には、ジェネレータ、特に大出力のタービン発電機用のロータが記載されている。このロータは、ロータボディに軸方向で延びる複数の溝を有しており、該溝には導体ロッドが挿入されており、該導体ロッドは、溝内で楔によって半径方向で支持されており、それぞれロータコイルヘッドにおいてロータボディの端部に互いに電気的に接続されており、ロータコイルヘッドはそれぞれ、ロータボディの端部上に被せられるロータキャップによって遮蔽されており、溝内ではそれぞれ最も上方の導体ロッドと楔との間に電気絶縁性のカバー通路が配置されていて、このカバー通路に、ロータボディの外側で、ロータコイルヘッドとロータキャップとの間に配置されたキャップ絶縁体が接続されている。さらに、カバー通路は、ロータボディの端部で、軸方向で段付けされた端部を有するように構成されており、これによりキャップ絶縁体は、１つのリング又は複数のキャップ絶縁体区分を有し、このキャップ絶縁体はロータボディに向かって、キャップ絶縁体が、カバー通路の軸方向で段付けされた端部に適合し、ロータキャップが直接キャップ絶縁体に被せられるように構成されている。ロータキャップは典型的には高合金綱、例えばEnergietechnik Essen社の材料番号DIN-Code（ドイツ工業規格コード）：1.3816、ASTM A 289、Class Ｃの窒素合金特殊鋼Ｐ９００から成る。

ますます大きくなるタービン発電機の進化により、特に高い強度、十分な形状特性、磁化不能であることの可能性、腐食耐性、僅かな重量を有するロータキャップの需要が生じている。この場合、ロータキャップの鍛造及び仕上げ加工に極めて時間がかかり、使用される高合金綱は材料及び製造コストが高いという欠点がある。さらに、ロータキャップに使用される特別な鋼の入手可能性が限定的であることにより、時として供給不足となってしまう。

本発明の課題は、先行技術の欠点を少なくとも部分的に克服する、発電機用のロータキャップを提供することである。

この課題は、独立請求項の特徴部に記載の構成により解決される。より好ましい構成は、特に従属請求項に記載されている。

上記課題は、ロータキャップが少なくとも部分的に繊維強化プラスチックから成っていることを特徴とする、発電機用のロータキャップにより解決される。

ロータキャップは、少なくとも部分的に（即ち、繊維強化プラスチックを含んでいる部分で）、高合金綱（約７．８ｇ／ｃｍ^３）よりも著しく低い密度（例えば約１．５〜１．６ｇ／ｃｍ^３）、ひいては著しく少ない重量を有しているという利点を有する。従って、ロータキャップの固有遠心力を著しく減じることができ、この固有遠心力は、約３０００〜３６００回転／分（ｒｐｍ）である典型的な過回転速度において、ロータキャップで生じる応力の５０％を成すものである。さらに、繊維強化プラスチックは、明らかに高い固有強度、特に引張強度と、明らかに高い固有の弾性率を有している。これにより例えば、壁厚さを減じることができ、これにより重量をさらに減じることができる。さらに繊維強化プラスチックは負の熱膨張係数を有しており、これによりロータキャップは、高温でロータに締め付けられる。これにより運転中、遠心力により生じるロータキャップの膨張は熱収縮により著しく抑えられ、これによりロータキャップの確実な装着が助長されている。これに対し、鋼から成る現在のロータキャップは、温度が上昇するにつれ付加的に膨張する。繊維強化プラスチックは耐腐食性も高い。さらなる利点は、繊維強化プラスチックが標準的に磁性ではないことにある。さらに繊維が導電性である場合、所望の電気的減衰特性が得られる。ロータキャップは、繊維強化プラスチックを使用することにより、フレキシブルで多様な形状に成形することができる。手間のかかる鍛造プロセス及び仕上げ加工プロセスが省かれるので、製造コスト及び製造時間も著しく減じることができる。さらに、高合金綱を繊維強化プラスチックによって置き換えた場合、材料コストも著しく減じることができる。繊維強化プラスチックは十分かつ容易に入手可能である。

繊維強化プラスチックは、プラスチック母材／繊維複合材料とも記載される。

１つの実施形態では、繊維は少なくとも１つの優先的な方向性を有している。従って、特に負荷が高い方向で特に高い強度を得ることができ、これにより、例えば亀裂形成による故障発生の可能性を減じ、耐用寿命を高めることができる。

１つの実施形態では、少なくとも１つの前記優先的な方向性は特に、少なくともほぼロータキャップの周方向を含んでいる。従って特に、機械的負荷、特に、遠心力により引き起こされる周方向の膨張に基づく引張負荷が考慮されている。周方向とは特に、ロータキャップの回転軸線又は長手方向軸線に関する可変の方位角の方向と理解することができる。

別の構成では、少なくとも１つの優先的な方向性は、繊維が少なくとも局所的に単一方向に向けられている唯１つの優先的な方向性を有している。これにより、この優先的な方向性において特に高い強度が得られる。

繊維は特に、単一方向の（ルーズな）繊維として、かつ／又は繊維織布として、かつ／又は繊維不織布として設ける又は準備することができる。

さらに１つの実施形態では、繊維は炭素繊維を有している又は炭素繊維である。炭素繊維は、高強度の母材・繊維複合材料を得ることができ、安価であり、広く入手可能であり、製造時の取り扱いが簡単で、さらに導電的であるという利点を有している。

さらに１つの実施形態では、繊維はセラミック繊維を有している。セラミック繊維は、特に高い引張強度と膨張性並びに耐高温性の利点を有している。

セラミック繊維は特に酸化されたセラミック繊維であって良く、特にアルミナ繊維又はシリカ繊維であって良い。セラミック繊維は選択的に又は付加的に非酸化物セラミック繊維であって良く、特にシリコンカーバイド繊維であって良い。

さらに１つの実施形態では、繊維はボロン繊維を有している。ボロン繊維は極めて高い強度と剛性とを有している。

さらに１つの実施形態では、繊維はアラミド繊維を有している。アラミド繊維は、極めて高い強度、高い衝撃強さ、高い破壊延伸、良好な振動減衰性並びに酸及びアルカリに対する高い耐性を特徴とする。さらにアラミド繊維は、耐熱性及び耐火性が高い。

さらに１つの実施形態では、繊維が、樹脂、特にエポキシ樹脂から成るプラスチック母材に埋め込まれている。エポキシ樹脂は繊維の母材材料として良く知られており、管理しやすい。エポキシ樹脂はさらに、高い強度と化学的耐性を有している。しかしながら別のプラスチック、特に熱硬化性プラスチックも使用可能である。

ロータキャップは、その繊維強化プラスチックについては、例えば、フィラメントワインディング法（「Filament-Winding」）、及び／又は樹脂注入成形法（「Resin Transfer Molding」；RTMとも言う）、及び／又はプリプレグ技術によって製造可能である。これらの製造法は、構成部分のフレキシブルかつ効果的な製造を可能にする。

さらに１つの構成では、ロータキャップが完全に繊維強化プラスチックから製造されている。

ロータキャップの内面が、支持面（載置面）として設けられた挿入リング（「Inlay」）を有している構成もある。挿入リングの材料は特に、繊維強化プラスチックよりも低い電気抵抗を有している。これにより、ロータの不均衡な負荷の際にロータキャップで高電流が流れた場合に、ロータキャップが過剰な高温となることが阻止される。

ロータキャップは即ち、繊維強化プラスチックが少なくとも部分的に挿入リングを介してロータに支持されるように、ロータに取り付けられる。特に挿入リングは、ロータのロータ歯上に載置するために設けられている。即ち挿入リングの内面は露出しており、外面は繊維強化プラスチックに接触している。

別の構成では、挿入リングは金属から成っている。これにより特に安価で導電性の良い金属製挿入リングが提供される。何故ならば、特に、金属には高い機械的要求を課する必要がないからである。同時に、挿入リングを使用することにより、ロータキャップの機械的特性と使用の簡便性について改善が得られる。

特別な構成では、挿入リングは、低い合金割合を有した鋼から成っている。この構成は特に安価であり、十分に低い固有電気抵抗を有している。

特別な構成では、挿入リングは、銅又は銅合金から成っている。銅は、特に低い固有電気抵抗を有している。

挿入リングの、少なくとも前記繊維強化プラスチックに接する外面に、導電率の高い層、特に銀から成る層が設けられている構成もある。これにより、ロータとロータキャップの挿入リングとの間の電気的接触を改善することができる。これによりさらに、ロータキャップの減衰特性は特に効果的に調節される。

ロータキャップの簡単かつ確実な組み付けのために好ましい構成では、挿入リングの内面（即ち特に、ロータへの載置面）にねじ（即ち、狭義のねじ山又はねじ溝）が設けられている。これによりロータキャップを簡単にねじ固定することができる。

ねじ山の密な装着のもとでも、ロータキャップの簡単な取り付けのために好ましい構成では、ねじ山が円錐ねじ山である。

付加的又は選択的には、ロータキャップはバヨネット接続を形成するために構成することができる。

内側の挿入リングに対して選択的に、例えば外側の挿入リングを使用することができる。繊維強化プラスチックが、例えば細い金属ワイヤ等を有していても良い。

前記課題は、少なくとも１つの上記ロータキャップを備えた、発電機、特にタービン発電機用のロータによっても解決される。このロータは、ロータキャップと同様の利点を有し、同様に構成することができる。

挿入リングがその内面にねじ山を有している場合の好ましい構成では、挿入リングのねじ山に適合する対応ねじが、ロータのロータ歯の支持面上に設けられている。この対応ねじ（対応ねじ山又はねじ山）は例えば、材料研磨法により、又はロータ歯の支持面上にねじ切りガイドを接着、ねじ固定、溶接、ろう接することにより製造される。

別の構成では、ロータキャップは、第２のねじ固定部材（特に、ロックナット）の形の付加的な又は選択的な固定によってロータに取り付け可能である。

付加的にロータは、ロータキャップとバヨネット接続を形成するように構成することができる。

さらに１つの実施形態では、ロータキャップは、ロータへの組み付けのためにまず最初に冷却され、次いで、前記ロータへと収縮嵌めされる。この場合、繊維強化プラスチックは少なくとも繊維方向で、負の熱膨張係数を有していて、即ち、温度が下がるほど膨張することが利用される。従って特に、繊維がほぼ周方向に向けられているロータキャップは適宜に膨張する。冷却状態では、繊維強化プラスチックから成るロータキャップ若しくはその基体をロータ上（及び場合によっては挿入リング上）に被せ嵌めることができる。その後行われる加熱により、ロータキャップ若しくはその基体はロータ上に収縮嵌めされる。この方法も、独立的に発明性を認めることができる。

前記課題は、少なくとも１つの上記ロータ又はロータキャップを備えた、発電機、特にタービン発電機によっても解決される。この発電機は、ロータキャップ及びロータと同様の利点を有し、同様に構成することができる。

上記本発明の特性、特徴及び利点並びに、いかにしてこれを達成するのかという方式については、図面につき詳しく説明されている実施例の以下の記載により明らかであり、理解される。

タービン発電機のロータの一部を、ロータキャップの領域における長手方向軸線を中心とした四半分円区分において示した斜視図である。

図面には、タービン発電機Ｔのロータ１の一部が、ロータキャップ２の領域における長手方向軸線Ｌを中心とした四半分円区分において斜視図で示されている。ロータキャップ２は、端面Ｆの領域でロータボディ３の一端部に装着されており、コイル頭部４を円周状に取り囲んでいる。

ロータキャップ２は、繊維強化プラスチックから成る基体５と、端面Ｆに配置された金属製の挿入リング６とから成っている。従って挿入リング６は、繊維強化プラスチックから成る基体５よりも僅かな固有の電気抵抗を有している。

基体５の繊維強化プラスチックは、炭素繊維強化されたエポキシ樹脂、即ち、エポキシ基に配置された炭素繊維を有する複合材料である。炭素繊維はほぼ一方向に向けられていて、即ち主として、両方向矢印で示したように、ロータキャップ２の周方向Ｕに沿って向けられている。

（例えば低合金綱又は銅から成る）挿入リング６の内面７は、（ロータキャップ２を除く）ロータ上への、即ち典型的にはロータ歯８上への載置面（支持面）として働く。挿入リング６には例えば、基体５の製造時に炭素繊維強化プラスチックで被覆することができ、又は炭素繊維強化プラスチックを巻き付けることができる。挿入リング６はその内面７にねじ山９を有しており、該ねじ山９は、ロータ歯８の載置面に設けられた対応ねじ山１０に噛み合っている。簡単に取り付けるために、ねじ山９と対応ねじ山１０とは円錐状に形成されている。

挿入リング６と基体５との間の電気的移行を改善するために、挿入リング６は、基体５に接触する外面１１に銀層１２を有している。

基体の内面は、挿入リング６を正確に位置決めするためのストッパを提供するために、２段階に段付けされて形成されている。挿入リング６は、ロータボディ３に正確に当接することができるように１段に段付けされて形成されている。

本発明を図示した実施例につき詳しく説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、当業者であれば本発明の権利範囲を逸脱することなく別の実施形態も推考可能であろう。

Claims (13)

1. ロータキャップ（２）がバヨネット接続を形成するために構成されていて、前記ロータキャップ（２）が少なくとも部分的に繊維強化プラスチックから成っていることを特徴とする、発電機（１）用のロータキャップ。
2. 前記繊維は少なくとも１つの優先的な方向性を有しており、該方向性は、少なくともほぼ前記ロータキャップ（２）の周方向（Ｕ）を含んでいる、請求項１記載のロータキャップ。
3. 前記繊維が炭素繊維を有している、請求項１又は２記載のロータキャップ。
4. 前記繊維がセラミック繊維を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のロータキャップ。
5. 前記繊維がボロン繊維を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載のロータキャップ。
6. 前記繊維が、樹脂から成る母材に埋め込まれている、請求項１から５までのいずれか１項記載のロータキャップ。
7. 前記ロータキャップ（２）はその内面に、支持面として設けられた挿入リング（６）を有しており、該挿入リング（６）は、前記繊維強化プラスチックよりも僅かな比電気抵抗を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載のロータキャップ。
8. 前記挿入リング（６）はその内面（７）に、ねじ山（９）を有している、請求項７記載のロータキャップ。
9. 前記挿入リング（６）は、銅又は低い合金割合を有した鋼から成っている、請求項７又は８記載のロータキャップ。
10. 前記挿入リング（６）の、前記繊維強化プラスチックに接する外面（１１）に、伝導率の高い層（１２）が設けられている、請求項７から９までのいずれか１項記載のロータキャップ。
11. 少なくとも１つのロータキャップ（２）を備えた、発電機（Ｔ）用のロータ（１）であって、前記少なくとも１つのロータキャップ（２）は、請求項１から１０までのいずれか１項記載のロータキャップであることを特徴とする、発電機（Ｔ）用のロータ。
12. 少なくとも１つのロータキャップ（２）を備えた、発電機（Ｔ）用のロータ（１）であって、
    前記少なくとも１つのロータキャップ（２）は、請求項８項記載のロータキャップであり、
    前記挿入リング（６）の前記ねじ山（９）に適合する対応ねじ山（１０）が、ロータ歯（８）の支持面上に位置している、発電機（Ｔ）用のロータ。
13. 発電機（Ｔ）を製造する方法であって、請求項１１または１２記載の少なくとも１つのロータ（１）を使用して行われることを特徴とする、発電機を製造する方法。

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