JPH03155357A - 立形のクローポール形同期発電機装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、回転軸の両端にタービン、コンプレッサを装
着した立形のクローポール形同期発電機装置に係り、と
くにスラスト軸受への負荷荷重の軽減、タービンからの
熱並びにガス中の塵埃の軸受内部への侵入の阻止、また
発電機内部の冷却性能の向上を狙いとしたガス軸受を備
えた立形のクローポール形同期発電機装置に関する。

（従来の技術） 第２図と第３図は従来技術のクローポール形同期発電機
の原理構造を示す縦断面図と所要部の■−■線に沿う矢
視断面図である。

発電機ロータ■は両軸端に設けられたころがり軸受■と
軸受ブラケット■により支持される。軸受ブラケット■
は固定子フレームに）に固定され。

固定子フレーム（イ）の中央には非磁性枠（４ａ）を介
して固定子鉄心■が装着され、更にこの内部には、電機
子巻線■が収められている。

クローポール形同期発電機のロータのは軸方向に分割さ
れロータ■の中央部断面の第３図に示すように、各々Ｎ
極とＳ極に磁化され非磁性部材■で突き合わせ溶接によ
り製作される。

このような２極の永久磁石を持つロータ■は機械的に剛
な回転軸となり超高速の回転体に適する。

一方、界磁巻線■は磁路０を形成するように固定子フレ
ームに）の両端部内に収められ、直流電流を通電し電力
を発生する。

以上の様なりローポール形同期発電機をプレイトンサイ
クル式発電システムに採用した場合、発電機ロータ軸上
にタービンとコンプレッサーが装着される。例えば熱電
併給用プレイトンサイクル式発電システムでは、発電機
の超小形軽量化、高効率並びに長期信頼性が要求される
ことから能動形の磁気軸受またはガス軸受が上げられる
。

第４図は従来一般に知られているガス軸受の現有の技術
による横形のプレイトンサイクル式りローポール形同期
発電機の縦断面図を示す。

次ぎにこの構成について説明する。

発電機ロータ■の両端にはタービン（１１）とコンプレ
ッサ（１２）が各々装着されている。固定子フレームに
）には非磁性枠（４ａ）を介して固定子鉄心０が嵌合さ
れ、この内部には電機子巻線０が納められている。固定
子フレーム（イ）の両端面には界磁巻線フレーム（１３
）、（１４）が各々固定され、その内部には界磁巻線（
ハ）が納められている。

タービン（１１）側の界磁巻線フレーム（１３）の端面
には軸受ハウジング（１６）が取り付けられており。

この軸受ハウジング（１６）の内周側には第４図の■−
Ｖ線に沿う矢視断面を示す第５図のように、３個のパッ
ド（１７）がピボット（１８）と固定ナツト（１９）か
らなるラジアル軸受装置！　（１５）が発電機のロータ
（１１）の周囲上に配置される。

一方、コンプレッサ（１２）の側の界磁巻線フレーム（
１４）の端面にはスラスト軸受（２０）と間隔片（２１
）並びにスラスト円板（２２）からなるスラスト軸受装
置が装備されている。さらに間隔片（２１）のコンプレ
ッサ（１２）の側にはタービン（１１）の側と同一のラ
ジアル軸受装置（１５）が設置されている。また、ター
ビン（１１）　、コンプレッサ（１２）と各々ラジアル
軸受装置（１５）の間にはラビリンスシール（２３）が
設置されている。

さらに、固定子鉄心０の内周面には仕切筒（２４）が設
置され、図示しない冷媒給排管によって電機子巻線■と
界磁巻線（ハ）とを冷却する冷却媒体の逃げを防止する
。

（発明が解決しようとする課題） 以上の様なりローポール形同期発電機が大容量化され立
形でプレイトンサイクル式発電システムに採用した場合
、その問題点を次に列記する。

■　大容量化に伴い回転軸の自重が増加するため、スラ
スト軸受の膜形成が薄くなり、膜が破断した時には回転
軸との固体接触により、スラスト軸受が破損する。

■　スラスト軸受の膜形成が薄くなった場合には、ミス
アライメント等の製作１組立て精度が軸受性能に影響す
る。

■　タービンを駆動する排気ガスは、数百度℃と高いた
め軸からの熱侵入が大きく、このため軸受部の熱変形並
びに膨張が大きく、軸受の性能が悪い。また、発電機の
電機子、界磁巻線の異常温度上昇により巻線の熱劣化、
焼損などによる事故が発生し易い。

に）　タービンを駆動する排気ガス中には塵埃が混入し
ており、発電機内に侵入したときガス軸受の非常に小さ
いすべり隙間に入ると、軸受の損傷・焼付き事故が発生
する。

■　通常のラビリンスシール装置には軸方向の流動抵抗
が小さく、このためタービン背面と発電機の内部圧力差
に拠る発電機内部への排気ガスの洩れ量が非常に多い。

０　超高速で、′発電機ロータならびに軸受での発熱損
失が大きく、このため発電機内部の自然対流のみでは１
発電機外部への熱放散が悪く、発電機内部の各部温度は
異常に高くなる。

本発明は上記の従来技術の問題点に鑑み成されたもので
、とくにスラスト軸受の性能・信頼性向上と、タービン
側からの熱の侵入、塵埃の混入を阻止し、さらに発電機
内部の冷却性能の向上を計った立形のクローポール形同
期発電機装置を提供することを目的とするものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明においては、軸端に
タービンとコンプレッサを持つ立形のクローポール形同
期発電機装置において、上部にあるタービンと発電機の
上部ラジアル軸受との間に設置した自動調心スラストガ
ス軸受および吸引形永久磁石軸受と、スラスト円板の外
周に対向する軸受ハウジング内周面に設けたラビリンス
と、コンプレッサからの高圧吐出ガスの一部を自動調心
スラストガス軸受部およびラジアル軸受のパッド並びに
界磁巻線フレームの冷却溝から通気孔に供給する給気管
と、発電機の固定子鉄心の内周面にて両側の界磁巻線フ
レーム内周面にわたって設けたシール円筒と、固定子鉄
心の非磁性枠に設けたアキシアル通風溝と１発電機ロー
タの表面に設けたねじポンプ溝と、発電機の下部ラジア
ル軸受と界磁巻線冷却後の排気ガスをコンプレッサの入
口に送給する排気管とを備え、発電機の固定子部とロー
タ部の冷却を並列に独立させる。

（作　用） このようにすると、磁気スラスト軸受としての永久磁石
軸受はガススラスト軸受の負荷を軽減し、安定した能力
を得ることが出来る。そして、界磁巻線フレーム内にラ
ジアル軸受を設置することにより小形軽量化し、さらに
固定子鉄心の内周面にシール円筒を設置し、固定子鉄心
の非磁性枠にアキシアル通風溝を設けることにより発電
機の固定子部とロータ部の冷却を並列に独立させ１発電
機ロータの表面にネジポンプ溝を設置したので固定子側
のみならず、ロータ側の冷却も良好になり、立形のクロ
ーポール形同期発電機装置を高信頼性、高効率で小型軽
量化することができる。

（実施例） 次ぎに、本発明の一実施例について第１図を参照して説
明する。尚、第２〜第５図の従来技術で説明した部品に
ついては同一符号を付して説明を省略している箇所もあ
る。

第１図において発電機のロータ■の中央部の表面にはね
じポンプ溝（２５）が加工されている。

また、スラスト円板（２２）の上面には吸引形の磁気軸
受となる永久磁石軸受（２６）が軸受ハウジング（２７
）に設置され、軸受ハウジング（２７）は界磁巻線フレ
ーム（１３）の上端面に設置される。この軸受ハウジン
グ（２７）にはスラスト円板（２２）の外周面に相対す
る位置にラビリンス（２８）が設けられる。

スラスト円板（２２）の下面にはガス流体で作動するス
ラスト軸受（２０）が設置され、このスラスト軸受（２
０）の底面は球面（２９）に成っている。一方、これに
相対する界磁巻線フレーム（１３）も球面（２９）とな
り、また、この面には、半径方向の放射溝（３０）が加
工されている。

パッド（１７）は球面ピポッド（３１）により界磁巻線
フレーム（１３）、（１４）に各々支持される。界磁巻
線フレーム（１３）、（１４）の中には各々界磁巻線（
ハ）が内蔵され、この界磁巻線■の周りにはＬ字形の冷
却溝（３２）が多数加工されている。この冷却溝（３２
）には通気孔（３３）が設けられる。

タービン（１１）側の界磁巻線フレーム（１３）の上端
部には給気管（３４）が接続され、この給気管（３４）
の他端は、コンプレッサーケーシング（３５）の高圧吐
出管（３６）に接続される。

また、コンプレッサ（１２）側の界磁巻線フレーム（１
４）には、排気管（３７）が取り付けられ、他方はコン
プレッサーケーシング（３５）の入り口に接続される。

界磁巻線フレーム（１４）とコンプレッサーケーシング
（３５）の間にはラビリンスシール（３８）が設置され
ている。

固定子鉄心０の外周に設けられた非磁性枠（４ａ）の内
周面にはアキシアル通気溝（３９）が他数個設けられる
。このクローポール同期発電機装置はペース（４０）に
取り付けられる。

スラスト円板（２２）の内周側にはガススラスト軸受（
２０）を通ってタービン（１１）側へ抜ける冷却孔（４
１）（無くてもよい）を設ける。

次ぎに、上記実施例の作用について説明する。

まず、吸引形の磁気軸受としての永久磁石軸受（２６）
は発電機のロータ■に設けられたスラスト円板（２２）
を上部に持ち上げることがら、永久磁石軸受（２６）の
下部に設置したガススラスト軸受（２０）の負荷荷重が
軽減される。また、ガススラスト軸受（２０）の底面が
球面（２９）になっていることから、発電機のロータω
の中心軸に対するスラスト円板（２２）の面角度が加工
や組み立て誤差などのミスアライメントやロータωの揺
動運転時に、スラスト円板（２２）にガススラスト軸受
（２０）が追従し、軸受隙間が均等化される。このため
、起動時、スラスト円板（２２）とガススラスト軸受（
２０）の接触抵抗が小さく、摩耗の低減や凝着の問題が
大幅に改善される。

また、高速回転時においても、スラスト円板（２２）と
ガススラスト軸受（２０）の隙間が均等化されることか
ら高性能スラスト軸受性能を確保することが出来る。

パッド（１７）が界磁巻線フレーム（１３）、　（１４
）の内部に組み込まれることにより、従来構造に比して
構造が非常に単純化され、また、シール円筒（２４）を
固定子鉄心■の内周側にて界磁巻線フレーム（１３）、
（１４）の内周面にわたってを設けることにより、発電
機のステータ部とロータ部の冷却を並列に独立させるこ
とにより、通風冷却が有効となる・通常、コンプレッサ
（１２）からの吐出ガスはタービン（１１）のそれと比
較し吐出圧力が高く、ガス温度は低い。この為、コンプ
レッサ（１２）に設けられた高圧吐出管（３６）から分
岐され給気管（３４）を通り低温度のガスが界磁巻線フ
レーム（１３）に供給され、このガスは、ここで３方向
に分岐される。

第１の方向の流れはラビリンス（２８）と永久磁石軸受
（２６）下面を通り、タービン（１１）へと抜ける。

このことはタービン（１１）からの塵埃の混入した排気
ガスの侵入を阻止し、ガス軸受を保護すると共に、永久
磁石軸受（２６）を冷却する。尚、ラビリンス（２８）
は通過ガス流量を制限するために設置している。

第２の方向の流れは上側の通気孔（３３）から入り、界
磁巻線（８）の冷却溝（３２）を通り、その後電機子巻
線０を冷却し、固定子鉄心０の非磁性枠（４ａ）に設け
られたアキシアル通気溝（３９）を通り固定子鉄心０を
冷却し、さらに下側の電機子巻線■冷却し。

下側の界磁巻線（８）の冷却溝（３２）と通気孔（３３
）を通り、ステータの各部の各要素を冷却する。

第３の方向の流れはスラスト軸受（２０）の底面に設け
た放射溝（３０）を通り、パッド（１７）の周りを通り
冷却する。また、ロータ■の表面に設けたねじポンプ溝
（２５）のポンプ効果により吸引され、コンプレッサー
（１２）側のパッド（１７）へと供給される。

この流れではタービン（１１）からの熱侵入、ロータ■
の表面に発生するうず電流による熱損失、流体による熱
損失を除去する。

上記の第２、第３の方向の流れは排気管（３７）の入口
で合流し、排気管（３７）からコンプレッサーケーシン
グ（３５）の入側即ち吸い込み側に戻される。

この実施例によれば、タービン側に設けた永久磁石軸受
（２６）の設置によりスラスト軸受（２０）の負荷荷重
が軽減される。また、スラスト軸受の底面を球面（２９
）とすることにより、スラスト円板（２２）とスラスト
軸受（２０）の平行度が保持され、起動時のスラスト円
板（２２）とスラスト軸受（２ｏ）の接触抵抗が小さく
出来、摩耗の低減や凝着の問題が大幅に改善される。

また、高速回転時においても、スラスト円板（２２）と
スラスト軸受（２０）の隙間が均等化されることから高
度のスラスト軸受性能を確保することが８来る。

また、コンプレッサ（１２）から吐出される低温のガス
を発電機内に供給し、且つねじポンプ（２５）による加
圧流動することにより、界磁巻線（へ）、電機子巻線■
、各軸受並びに発電機ロータ■等の冷却性能が向上でき
る。また、コンプレッサ（１２）側からの清浄なガスが
タービン側に排出されることから、発電機内部に排気ガ
ス中の塵埃の混入と熱侵入を防止できる。この事により
、高性能で長期信頼性に優れた超高速用立形のクローポ
ール形同期発電機を提供出来る。

′　〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、スラスト軸受の性
能・信頼性向上と、タービン側からの熱の侵入、塵埃の
混入を阻止し、さらに発電機内部の冷却性能の向上を計
った立形のクローポール形同期発電機装置を提供するこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の立形のクローポール形同期発電機装置
の一実施例を示す縦断面図、第２図は従来のクローポー
ル形同期発電機の原理を説明するための縦断面図、第３
図は第２図のロータの■−■線に沿う矢視断面図、第４
図は従来のプレイトンサイクル方式クローポール形同期
発電機装置を示す縦断面図、第５図は第４図の要部の■
−■線に沿う矢視断面図である。 １・・・発電機ロータ、　　５・・・電機子巻線、６・
・・固定子鉄心、　　　　８・・・界磁巻線、１１・・
・タービン、　　　　　１２・・・コンプレッサ。 １４・・・界磁巻線フレーム、２４・・・シール円筒、
２５・・・ねじポンプ溝、　　２６・・・永久磁石軸受
、２８・・・ラビリンス、２９・・・球　面、３０・・
・放射溝、 ３２・・・冷却溝、 ３４・・・給気管、 ３７・・・排気管。 ３９・・・アキシアル通気溝。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 軸端にタービンとコンプレッサを持つ立形のクローポー
   ル形同期発電機装置において、上部にあるタービンと発
   電機の上部ラジアル軸受との間に設置した自動調心スラ
   ストガス軸受および吸引形永久磁石軸受と、スラスト円
   板の外周に対向する軸受ハウジング内周面に設けたラビ
   リンスと、コンプレッサからの高圧吐出ガスの一部を自
   動調心スラストガス軸受部およびラジアル軸受のパッド
   並びに界磁巻線フレームの冷却溝から通気孔に供給する
   給気管と、発電機の固定子鉄心の内周面にて両側の界磁
   巻線フレーム内周面にわたって設けたシール円筒と、固
   定子鉄心の非磁性枠に設けたアキシアル通気溝と、発電
   機ロータの表面に設けたねじポンプ溝と、発電機の下部
   ラジアル軸受と界磁巻線冷却後の排気ガスをコンプレッ
   サの入口に送給する排気管とを備え、発電機の固定子部
   とロータ部の冷却を並列に独立させたことを特徴とする
   立形のクローポール形同期発電機装置。