KR20090126279A - 전기 기계용 로터 - Google Patents

Abstract

전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10) 는 축선방향 권선 슬롯 (13) 과 함께 로터 요크 (12) 를 포함하고, 상기 축선방향 권선 슬롯은 외주에 분포되어 있는 방식으로 배열되어 있으며 그 안으로 로터 권선의 권선 바아 (14, 15) 가 삽입되며, 로터 요크 (12) 로부터 축선방향으로 나타나 있는 권선 바아의 권선 단부 (16, 17) 는 다수의 반경방향 볼트 (24) 를 포함하는 유지 장치 (19,...,28) 에 의해 작용 원심력에 대항하여 유지되는 단부 권선 (11) 을 형성한다.

상기 로터에 있어서, 섕크 (31) 에 고정식으로 연결된 헤드 (25) 를 갖는 반경방향 볼트 (24) 에 의해서 반경 방향 볼트의 안전한 고정이 달성된다.

로터, 반경방향 볼트, 축선방향 권선 슬롯, 로터 요크, 권선 바아, 유지 장치, 섕크.

Description

전기 기계용 로터 {ROTOR FOR AN ELECTRIC MACHINE}

본 발명은 전기 기계 분야에 관한 것이다. 이 전기 기계는 청구항 1 의 전제부에 따른 전기 기계 특히, 하이드로발전기 (hydrogenerator) 의 로터 (rotor) 를 말한다.

개방된 전기 공급 시장에서의 변화된 시장 경제 상황 및 전력 전자 분야의 향상된 기술의 결과로, 에너지 생산을 위한 가변 속도 드라이브는 중요하게 주목을 받았다. 상기 목적을 위해 바람직하게는 2중-공급 비동기 기계가 특히 60 MVA 이상의 출력의 경우에 사용된다

상기 유형의 기계의 스테이터 (stator) 는 본 적용을 위해 사용되는 돌극 동기 (salient pole synchronous) 기계의 스테이터와 다르지 않다. 이런 종류의 기계들은 스테이터 및 로터 모두에 3 상의 권선을 갖추고 있다는 점을 특징으로 한다. 이러한 경우에, 로터 권선의 단부 권선은 관습적으로 원통형의 표면상에 배열된다(예컨대, DE-A1-19513457 참조).

원심력으로 인해, 권선 바아 (winding bar) 는 작업하는 동안 반경 방향으로 외측 방향으로 중심으로부터 멀리 이동하는 경향을 갖는다. 단부 권선이 상기 구조를 갖는 경우에는, 기계적 힘에 의해 발생된 변형에 대항하여 권선 바아를 충 분히 보호하는 데 어려운 점이 있다. 이를 위해서, 일반적으로 세 가지 해결방안이 이용가능하다:

● 소형 기계의 경우, 전체 단부 권선은 강철 와이어로 구성된 복수의 층으로 감긴다. 이는 생산 공학적 이유를 들어, 큰 직경의 경우에는 권장되지 않는다.

● 2 미터 이상의 직경을 갖는 기계의 경우, 단부 권선은 앞서 언급한 공보에서 기술된 바와 같이, 지지부를 갖는 나사화된 로드 또는 반경방향 볼트에 의해 로터 요크의 축선방향 연장부에 체결된다.

● 전체 단부 권선은 비 돌극 동기 기계의 경우에 공지된 바와 같이, 수축 (shrunk-on) 강철 원통에 의해 에워싸인다.

특히 앞서 언급한 공보는 관련된 단부 권선 지지 시스템을 갖춘 전체적 구조에 집중하여 기술한다. 이 경우에 사용되는 볼트는 로터 단부 권선의 반경 방향 지지를 위해 기능하며, 축선방향으로 상승된 로터 요크 (볼트 (37) 가 있는, 공보의 도 4 및 도 5 를 참조) 에 고정된다. 볼트는 한편으로는 로터 요크에 나사결합된 나사화된 로드 (36) 이며, 다른 한편으로는, 공기 틈새 측에서, 결과적으로 발생하는 원심력을 직사각형의 개별적인 요소와 너트에 의해 흡수한다. 기술한 시스템의 단점은 개별적인 부품이 다수라는 점과, 볼트 또는 너트를 손실할 때 기계의 변형과 관련된 위험이 있다는 점이다.

이하 기술하는 개발예에서는, 사용되는 볼트 및 특히 그의 확고한 고정에 대하여 더 상세하게 다룬다.

본 발명은 도입에서 언급된 로터를, 공지된 해결방안의 단점을 회피하도록, 특히 반경방향 볼트의 확고한 고정이 이루어지도록, 더욱 개발하는 데 그 목적을 두고 있다.

상기 목적은 청구항 1 의 특징부 전체에 의해 달성된다. 본 발명에 있어서, 반경방향 볼트가 섕크에 고정되는 방식으로 연결되어 있는 헤드를 구비하는 것이 필수적이다. 그 결과, 한편으로는 사용되는 구성 부품의 수가 획기적으로 줄어든다. 다른 한편으로는, 외측에 있는 너트 또는 와셔가 분리될 수 있는 위험 및 기계가 손상을 입을 수 있거나 완전하게 파괴될 수 있는 위험이 제거된다.

본 발명의 일 개발에 따르면, 반경방향 볼트의 헤드가 재료 결합 방식으로 섕크에 연결되고, 바람직하게는 단조 또는 용접된다. 그 결과, 특히 특수하게 형성된 헤드의 사용이 더 쉬워진다.

회전하는 로터의 공기 저항을 줄이기 위해서는, 이 경우, 반경방향 볼트의 헤드가 공기 역학적으로 선호되는 형상을 갖고, 특히 반경방향 볼트의 헤드가 상측이 둥글게 되어 있으며, 볼트를 조일 수 있도록 양측에 2 개의 직선 플랭크를 갖는 것이 유리하다.

본 발명의 또 다른 개발은, 복수 개의 반경방향 볼트가 축선 방향으로 연속하여 배열되어 있으며, 각각의 경우에 축선 방향으로 연장되어 있는 공통의 유지 스트립을 외측으로부터 단부 권선에 대하여 누르는 것을 특징으로 한다. 그 결과, 단부 권선 시 조여진 볼트에 대한 균일한 압력 분포가, 사용되는 요소의 개수를 별도의 와셔에 의해 상당히 증가시킬 필요없이 달성된다 또한, 이 경우 유지 스트립은 공기 저항을 최소화하기 위해 공기 역학을 활용하도록 둥근 길이방향 에지를 갖는다.

본 발명의 다른 개발은, 볼트를 단부 권선 내부에 위치해 있는, 로터 요크의 축선방향 연장부의 외주에 체결하기 위하여, 해머형 리세스가 제공되고, 이 리세스 안으로는 나사 구멍이 축선방향으로 제공된 카운터 스트립이 반경방향 볼트에서 나사결합될 수 있도록 삽입되어 있으며, 특히 유지 스트립과 관련되어 있는 반경방향 볼트는 각각의 경우에 공통의 카운터 스트립 안으로 나사결합되는 것을 특징으로 한다. 그 결과, 설치가 간단해질 뿐만 아니라, 구성 부품의 개수를 또한 적게 유지한다.

또한, 바람직하게는 반경방향 볼트를 회전이 안되게 잠그기 위한 수단이 제공되며, 특히 반경방향 볼트는 각각의 경우에 안쪽 단부에 직사각형의 위치결정면이 있는 리세스를 갖고, 반경방향 볼트는 리세스 안으로 축선방향으로 삽입되어 위치결정면에 맞닿는 잠금 스트립에 의해 회전이 안되게 잠긴다.

이어서, 본 발명이 도면에 관련하여 대표적인 실시형태를 기초로 하여 더 상세하게 설명된다.

도 1 은 반경방향 외측으로부터 바라본, 본 발명의 바람직하고 대표적인 실시형태에 따른 유지 장치를 갖춘 단부 권선을 나타낸다.

도 2 는 공기역학적으로 형성된, 반경방향 볼트의 헤드가 있는 도 1 의 확대 상세도를 나타낸다.

도 3 은 도 1 의 단부 권선에 대한 평면도를 나타낸다.

도 4 는 반경방향 볼트를 위한 체결 및 잠금 요소가 있는 도 3 의 확대 상세도를 나타낸다.

도 5 는 도 1 의 유지 장치에 사용되는 반경방향 볼트에 대한 2 가지의 다른 도면, 즉 2 개의 하위 도면 도 5 (a) 및 도 5 (b) 를 나타낸다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 로터

11 단부 권선

12 로터 요크

13 권선 슬롯

14, 15 권선 바아

16, 17 권선 단부 (크랭크형)

18 링

19 리세스

20 카운터 스트립

21 연장부 (로터 요크)

22 스페이서

23 유지 스트립

24 볼트

25 헤드 (볼트)

26, 27 플랭크

28 잠금 스트립

29 가압판

30 인장 볼트

31 섕크

32 리세스

33 위치결정면

34 슈라우드 (shroud)

제안된 해결방안은, 단부 권선 유지 장치의 개별 부품의 개수를 줄이면서 동시에 진동에 의해 분리되지 않게 모든 부품들을 기계식으로 잠그는 사상을 기초로 한다. 결과적으로, 시스템의 안전성이 크게 향상된다.

도 1 에는, 반경방향 외측으로부터 바라본 바와 같이, 단부 권선 (11) 을 갖춘 대형 하이드로발전기/모터의 로터 (10) 의 세부 사항이 도시되어 있으며, 그 단부 권선은 본 발명의 바람직하고 대표적인 실시형태에 따른 유지 장치를 구비한다. 로터 (10) 의 기본 구조는 도입부에서 인용된 공보로부터 추정할 수 있다. 로터 (10) 는 축선방향 권선 슬롯 (13) 과 함께 원통형 로터 요크 (12) 를 포함하고, 축선방향 권선 슬롯은 외주에 분포된 방식으로 배열되어 있다. 로터 권선의 권선 바아 (14, 15) 가 권선 슬롯 (13) 안으로 (각각의 경우에 상하로 쌍을 이 루며) 삽입된다. 로터 요크 (12) 에서 축선방향으로 나타나 있는 권선 단부 (16, 17) 는 크랭크 형으로 되어있고, 미리 결정된 권선 또는 상 다이어그램에 따라 링 (18) 에 의해 단부에서 전기적으로 상호 연결되어 있다. 권선 단부 (16, 17) 는 단부 권선 (11) 의 일부이다.

단부 권선 (11) 내부에서, 로터 요크 (12) 의 (원통형의) 축선방향 연장부 (21) 는 축선방향으로 연장되어 있으며, 다수의 축선방향 인장 볼트 (30) 가 지지되어 있는 가압판 (29) 에 의해 단부 면에서 끝나며, 다수의 축선방향 인장 볼트는 로터 요크 (12) 의 적층물을 축선방향으로 함께 붙들고 있다. 연장부 (21) 의 외주상에 복수개의 슈라우드 (34) 가 축선방향으로 연속하여 배열되어 있으며, 이 복수개의 슈라우드에는, 원주에 걸쳐서 균일하게 분포되어 있으며, 단부 권선 (11) 을 위해 본 발명에 따른 유지 장치를 체결하기 위해 기능하는 해머형 리세스 (19) 가 제공되어 있다. 유지 장치 (11) 는 다수의 반경방향 볼트 (24) 를 포함한다.

도 2 및 도 5 로부터 명백한 바와 같이, 섕크 (31) 에 고정식으로 연결되는 헤드 (25) 를 갖는 반경방향 볼트 (24) 가 사용된다. 헤드 (25) 가 볼트 (24) 에 고정 연결되는 것은 바람직하게는 재료 결합 방식으로 예컨대 단조 또는 용접에 의해 수행된다. 그러므로, 특히 단조된 또는 고정 용접된 헤드 (25) 를 갖는 볼트 (24) 가 사용된다. 헤드 (25) 는 오픈 엔드 렌치 (open-end wrench) 등으로 볼트 (24) 를 조이기 위해 기능하는 대향하는 2 개의 직선 플랭크 (26, 27) 를 포함한다. 이 외에, 직사각형의 와셔 대신에, 축선방향으로 연장되어 있는 유 지 스트립 (23) 이 사용되며, 이 유지 스트립은 볼트 (24) 의 유지력을 권선 또는 단부 권선 (11) 상에 균일하게 분배한다.

볼트 헤드 (25) 및 유지 스트립 (23) 은 또한 작업이 이루어지는 동안 마찰 손실을 줄일 수 있는 공기역학적 형상 (둥근 헤드 (25) 및 유지 스트립 (23) 의 둥근 에지) 을 갖는 것을 특징으로 한다.

반경방향 볼트 (24) 는 단부 권선 (11) 을 통해 반경방향으로 연장되어 있으며, 축선방향으로 확장된 로터 요크 (12) 에서 해머형 리세스 (19) 안에 수용된다. 볼트 (24) 는 나사 구멍이 제공된 카운터 스트립 (20) 에 의해 유지된다. 유지 스트립 (23) 에 상응하여, 전방에 카운터 스트립 (20) 이 로터 요크의 연장부 길이에 걸쳐 연장되어 있다. 그러므로 각각의 볼트 (24) 는 개별적으로 나사결합될 수 있으며 필요한 인장에 이르게 된다. 볼트 (24) 가 통과하는 축선방향 스페이서 (22) 가 추가적으로 단부 권선 (11) 과, 로터 요크 (12) 의 연장부 (21) 사이에 배치된다.

도 5 로부터 명백한 바와 같이, 다른 둥근 볼트 (24) 가 직사각형의 위치결정면 (33) 이 있는 리세스 (32) 를 자유단부상에 갖는다. 이는, 단부 위치에서 볼트 헤드 (25) 의 직선의 플랭크 (26, 27) 가 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이 기계의 길이방향 축선에 횡단하는 방향으로 놓일 수 있도록 볼트 (24) 를 적합한 공구에 의해 필요한 인장까지 조이기 위함이다. 이러한 위치에서는, 볼트 (24) 의 단부의 직사각형의 위치결정면 (33) 이 해머형의 리세스 (19) 의 플랭크에 평행하게 연장된다. 열 (row) 을 이루는 (유지 스트립 (23)) 의 모든 볼트 (24) 가 조립되자마자, 잠금 스트립 (28) (도 4) 이 남은 리세스 안으로 삽입될 수 있다. 이 경우, 잠금 스트립 (28) 은 볼트 (24) 가 더 이상 회전될 수 없도록 크기가 정해져 있다. 이러한 원리로 인해, 간단한 방식으로, 나사화된 부분이 뜻하지 않게 느슨해지지 않도록 유지 장치의 모든 부분을 잠글 수 있다. 또, 동일한 방식으로, 볼트의 단부에 2 개의 평행하는 위치결정면이 대응하여 제공되어 있는 경우에는, 삽입된 스트립으로 볼트 (24) 가 양측에서 잠길 수 있다. 마지막으로, 잠금에 대한 다른 가능성은, 잠금을 위해 뒤쪽에서 금속 와이어가 삽입될 수 있는 슬롯이 있는 볼트 (24) 를 제공하는 것일 수 있다.

Claims (11)

1. 전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10) 로서, 이 로터 (10) 는 축선방향 권선 슬롯 (13) 과 함께 로터 요크 (12) 를 포함하고, 상기 축선방향 권선 슬롯은 외주에 분포되어 있는 방식으로 배열되어 있으며 그 안으로 로터 권선의 권선 바아 (14, 15) 가 삽입되며, 로터 요크 (12) 로부터 축선방향으로 나타나 있는 권선 바아의 권선 단부 (16, 17) 는 다수의 반경방향 볼트 (24) 를 포함하는 유지 장치 (19,...,28) 에 의해 작용 원심력에 대항하여 유지되는 단부 권선 (11) 을 형성하는 전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10) 에 있어서,

   상기 반경방향 볼트 (24) 는 섕크 (31) 에 고정식으로 연결되는 헤드 (25) 를 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10).
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반경방향 볼트 (24) 의 헤드 (25) 는 재료 결합 방식으로 섕크 (31) 에 연결되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10).
3. 제 2 항에 있어서, 상기 반경방향 볼트 (24) 의 헤드 (25) 는 섕크 (31) 에 용접되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10).
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반경방향 볼트 (24) 의 헤드 (25) 는 공기역학적으로 선호되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10).
5. 제 4 항에 있어서, 상기 반경방향 볼트 (24) 의 헤드 (25) 는 상측이 둥글게 되어 있으며, 볼트 (24) 를 조일 수 있도록 양측에 2 개의 직선 플랭크 (26, 27) 를 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10).
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반경방향 볼트 (24) 의 복수개가 축선방향으로 연속하여 배열되어 있으며, 각각의 경우에 축선방향으로 연장되어 있는 공통의 유지 스트립 (23) 을 외측으로부터 단부 권선 (11) 에 대하여 누르는 것을 특징으로 하는, 전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10).
7. 제 6 항에 있어서, 상기 유지 스트립 (23) 은 공기역학을 활용하도록 둥근 길이방향의 에지를 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10).
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼트 (24) 를 단부 권선 (11) 내부에 위치해 있는, 로터 요크 (12) 의 축선방향 연장부 (21) 의 외주에 체결하기 위하여, 해머형 리세스 (19) 가 제공되고, 이 리세스 안으로는 나사 구멍이 축선방향으로 제공된 카운터 스트립 (20) 이 반경방향 볼트 (24) 에서 나사결합 될 수 있도록 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는, 전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10).
9. 제 6 항 및 제 8 항에 있어서, 유지 스트립 (23) 과 관련되어 있는 반경방향 볼트 (24) 는 각각의 경우에 공통의 카운터 스트립 (20) 안으로 나사결합되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10).
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 반경방향 볼트 (24) 를 회전이 안되게 잠그기 위한 수단 (28, 32, 33) 이 제공되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10).
11. 제 10 항에 있어서, 상기 반경방향 볼트 (24) 는 각각의 경우에 안쪽 단부에 직사각형의 위치결정면 (locating face) (33) 이 있는 리세스 (32) 를 갖고, 반경방향 볼트 (24) 는, 리세스 (19) 안으로 축선방향으로 삽입되어 위치결정면 (33) 에 맞닿는 잠금 스트립 (28) 에 의해 회전이 안되게 잠기는 것을 특징으로 하는, 전기 기계, 특히 하이드로발전기의 로터 (10).

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