KR20120009463A

KR20120009463A - 회전식 전기 기계, 특히 ２０ｍｖａ와 ５００ｍｖａ 사이의 성능 범위의 이중 급전형 비동기식 기계

Info

Publication number: KR20120009463A
Application number: KR1020117025017A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 슈베리; 제르다르 키필디츠; 한슈페터 발저; 브루노 마이어; 히카르도 오카이
Original assignee: 알스톰 하이드로 프랑스
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2012-02-01
Also published as: WO2010122000A1; US8829759B2; BRPI1013541B1; EP2422428B1; CA2759220A1; PT2422428E; BRPI1013541A2; RU2538759C2; KR101652935B1; CA2759220C; EP2422428A1; RU2011147708A; SI2422428T1; CN102422509B; CN102422509A; ES2412080T3; US20120112601A1

Abstract

회전식 전기 기계, 특히 20 MVA 내지 500 MVA 초과하는 전력 범위의 이중 급전형 비동기식 기계로서, 이중 급전형 비동기식 기계는, 축을 중심으로 회전하고 고정자에 의해 동심으로 둘러싸여 있는 회전자를 포함하고, 이 회전자는, 축 방향으로 합성 어셈블리로 가압되는 시트들로 이루어진 회전자 적층 스택 (14) 을 구비하고, 상기 회전자 적층 스택 (14) 은, 방사 방향으로 내부 기계 부분 (14b) 과 외부 전기 부분 (14a) 으로 세분되고, 그리고 상기 전기 부분 (14a) 내에 회전자 권선 (18) 을 수용한다.
이러한 기계에서, 회전자 적층 스택 (14) 이 상기 회전자 적층 스택 (14) 을 통해 축방향으로 뻗어있는 쉬어 볼트들 (22) 에 의해 기계 부분 (14b) 으로, 그리고 추가적인 볼트들 (21) 에 의해 전기 부분 (14a) 으로 가압되어 회전자 적층 스택의 축 클램핑이 최적화된다.

Description

회전식 전기 기계, 특히 ２０ＭＶＡ와 ５００ＭＶＡ 사이의 성능 범위의 이중 급전형 비동기식 기계{ROTATING ELECTRIC MACHINE, IN PARTICULAR DOUBLE-FED ASYNCHRONOUS MACHINE IN THE PERFORMANCE RANGE BETWEEN 20 MVA AND 500 MVA}

본 발명은 전기 에너지 발전 분야에 관한 것이다. 본 발명은 회전식 전기 기계에 관한 것이고, 특히, 청구항 제 1 항의 전제부에 따른, 20 MVA와 500 MVA 초과 사이의 전력 범위의 이중 급전형 비동기식 기계에 관한 것이다.

가변 회전 속도를 이용한 에너지 생산을 위해서 20 MVA부터 500 MVA 초과까지의 전력 범위의 이중 급전형 비동기식 기계가 사용될 수 있다. 이러한 기계는 회전자 상의 분배식 3상 권선으로 구분된다. 회전자 권선은, 회전자 적층 내의 슬롯에 임베딩된 개별 바 (bar) 로 구성된다. 이 개별 바들이 권선 헤드에 접속되어 권선을 형성한다. 적어도 3개의 콜렉터 링에 의해 전류가 공급되고, 3개의 콜렉터 링은 기계 단부에서 샤프트에 고정된다. 이러한 비동기식 기계의 섹션이 도 1에 매우 단순화된 형태로 도시된다. 도 1에 도시된 비동기식 기계 (10) 는 기계축 (13) 을 갖는다. 상부에 콜렉터 링 (12) 이 배열되는 샤프트를 갖는 중앙 바디 (11) 는 이 축 (13) 을 중심으로 회전할 수 있다. 회전자 적층 스택 (14) 은 중앙 바디 (11) 주위에 배열되고, 보조 림 (20) 이 회전자 권선의 권선 헤드 (16) 아래에 접속된다. 이 회전자 적층 스택 (14) 은 고정자 적층 스택 (15) 에 의해 동심으로 둘러싸여 있고, 고정자 적층 스택 (15) 내에는, 바디의 단부에 고정자 권선 헤드 (17) 가 외부로 돌출되어 있는 고정자 권선이 장착된다. 회전자 적층 스택 (14) 은 도 2의 섹션에서 확대되어 도시된다.

이중 급전형 비동기식 기계의 회전자가 회전자 권선 (18) 을 지니고 있기 때문에, 상기 회전자 권선은 원심력 발생으로부터 보호되어야 한다. 한편, 회전자 적층 스택은 이러한 힘을 흡수하는 역할을 하고 동시에 자속의 경로를 정의한다. 보조 림 (20) 은 회전자 권선 헤드 (16) 에서 작용하는 원심력을 흡수하는 역할을 한다. 회전자 적층 스택 (14) 과 같이, 보조 림 (20) 적층된 시트로 구성되며, 이 적층된 시트들은 축선 방향으로 가압되어 합성 어셈블리를 형성한다. 이렇게 하여, 볼트들 (21, 22) 에 의해 인가된 압축력을 회전자 적층 스택의 시트들에 분배하는 가압판 (19) 이 사용된다는 것은 공지되어 있다 (예를 들어, DE-A1-195 13 457 또는 DE-A1-10 2007 000 668 참조).

회전자 적층 스택 (14) 에 관한 상이한 요구사항이 존재한다. 도 2는 전기 부분 (14a) 과 기계 부분 (14b) 으로 세분한 원리를 도시한다. 한편으로, 톱니 내 시트의 계층들 사이에 충분한 축방향 힘 (axial force) 을 제공하여 바디의 균일도를 보장하여야한다. 진동을 방지하기 위해서, 톱니와 회전자 권선 (18) 간의 상대적인 움직임은 절연을 손상시킬 수 있기 때문에 이 계층들이 느슨해서는 안된다. 다른 한편으로, 이러한 손상이 느슨함을 증가시킬 수 있기 때문에 개별 시트들 사이의 절연층들에 대한 손상을 방지하기 위해서 압력이 너무 크지 않아야 한다. 시트들 사이에서 특정한 마찰력을 획득하기 위해서 전기 부분 (14a) 보다는 림의 기계 부분 (14b) 에서 축방향 힘이 더 높아야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 도입부에 언급된 종류의 전기 기계를 개선하여 상이한 영역들의 회전자 적층 스택의 클램핑에 관한 상이한 요구사항들이 상당히 더 잘 수행될 수 있게 하는 것이다.

이 목적은 제 1 항의 특징 전체에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 솔루션의 중요한 특징은 회전자 적층 스택 (14) 이 상기 회전자 적층 스택을 통해 축방향으로 뻗어있는 쉬어 볼트들에 의해 기계 부분으로, 그리고 추가적인 볼트들에 의해 전기 부분으로 가압된다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 추가적인 볼트들은 축 방향으로 회전자 적층 스택으로 통해 통과하는 텐셔닝 볼트들과 같이 설계될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태는, 회전자 적층 스택 상에 축 압축력을 분산시키기 위해서 바디의 각 단부에 가압판이 제공되고, 추가적인 볼트들이 외부로부터 가압판에 대하여 가압하는 포싱 볼트들과 같이 설계된다는 것을 특징으로 한다.

회전자 권선 헤드를 지지하는 보조 림이 특히 가압판 외부에 배열되는 경우, 포싱 볼트들은 이 보조 림에 유익하게 수용될 수 있다.

본 발명의 추가적인 실시형태는 쉬어 볼트들 중 적어도 일부는 솔리드 볼트들로서 설계된다는 것을 특징으로 한다.

그러나, 상이한 재료를 사용하는 것과 관련하여, 쉬어 볼트들 중 적어도 일부가 외부 튜브와 이 튜브를 통해 진행하는 중앙 텐셔닝 볼트를 포함하는 멀티파트 (multi-part) 볼트들로서 설계되는 경우, 또한 그 유익성을 생각할 수 있다.

특히, 이 경우, 요구된 허용오차를 더 잘 따르고 기계의 설치 및 어셈블리 프로세스를 단순화할 수 있기 위해서 외부 튜브는 축 방향에서 복수의 서브섹션들로 세분될 수 있다.

이렇게 하여, 서브섹션들은, 이 서브섹션들을 서로 동심 배열하기 위해 매칭 수단이 각 단부에 장착되는 경우 유익하다.

본 발명의 다른 실시형태는, 가압판이 회전자 적층 스택의 방사상의 세분에 대응하여 별개의 내부 가압판과 별개의 외부 가압판으로 방사상으로 세분되고, 내부 및 외부 가압판들이 서로 해제 가능하게 연결되는 것으로 구별된다.

이 실시형태의 개선은, 외부 가압판이 원주를 따라 각각의 유사한 원주 부분들로 세분되고, 외부 가압판의 원주 부분들 각각이 일직선의 틸팅 에지에 의해 내부 가압판에 인접하고, 그리고 외부 가압판의 원주 섹션들 각각이 해머형 크로우에 의해 내부 가압판에 걸려있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 도면과 함께 예시적인 실시형태들을 참고로 하여 아래에 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 응용을 위해 적합한, 비동기식 기계의 섹션의 매우 단순화된 표현을 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 상이한 볼트들을 구비한 회전자 적층 스택을 클램핑하는데 사용되는 가압판을 포함하는 도 1에 도시된 기계의 회전자 적층 스택의 구성의 확대된 섹션을 도시한다.
도 3은 회전자 적층 스택의 전기 부분을 위한 2가지 상이한 타입의 볼트를 도 3a 및 도 3b의 두 부분으로 도시한다.
도 4는 다수부분의 쉬어 볼트의 구성 원리를 도시한다.
도 5는 세분된 튜브를 가진 쉬어 볼트의 서브섹션의 동심 정렬을 위한 상이한 타입의 접속 수단을 도 5a 내지 도 5d의 상이한 부분으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 추가적인 예시적인 실시형태에 따른, 회전자 적층 스택을 클램핑하기 위한 가압판 섹터의 축선 방향의 평면도를 도시한다.

도 2에 따르면, 회전자 적층 스택 (14) 을 축 방향으로 클램핑하기 위한 상이한 타입의 볼트, 즉, 쉬어 볼트 (22) 및 텐셔닝 볼트 (21) 가 사용된다.

쉬어 볼트 (22) 및 텐셔닝 볼트 (21) 는 각각 회전자 적층 스택 (14) 내에 요구되는 압력을 형성하는데 사용된다. 톱니 영역 또는 전기 부분 (14a) 에 압력을 형성하기 위해서는 2가지 기본 원리가 사용될 수 있다.

텐셔닝 볼트:

텐셔닝 볼트 (도 2 및 도 3a에서 21) 는 회전자 적층 스택 (14) 의 전체 축선 길이를 통해 진행한다. 이 텐셔닝 볼트 (21) 가 적층 스택의 자기 활성부 (고 자기 유도) 에 위치되기 때문에, 이들은 전기적으로 절연되어야 한다. 그러나, 절연의 기계적 스트레싱을 방지하기 위해서, 이러한 볼트들을 전단시키면 안된다. 가압판 (19) 상의 압력과, 이에 따른 톱니 내의 압력 (도 6의 29 참조) 이 텐셔닝 볼트 (21) 내 텐션에 의해 "조정"될 수 있다.

보조 림 (20) 내의 포싱 볼트:

관통 텐셔닝 볼트 (21) 대신 보조 림 (20) 내에 포싱 볼트 (23) 가 사용될 수 있다 (도 3b 참조). 보조 림 (20) 내에 포싱 볼트 (23) 가 사용되는 경우, 보조 림 (20) 내에 위치되는 볼트를 통해 회전자 적층 스택의 톱니 영역 상으로 압력이 전달된다. 여기서, 포싱 볼트 (23) 와 가압판 (19) 사이에 포싱 플레이트 (25) 와 너트 (24) 가 위치된다. 가압판 (19) 상의 압력과, 이에 따른 톱니 상의 압력은 포싱 볼트 (23) 가 너트 (24) 내로 스크류되는 깊이까지 "조정"될 수 있다.

한편, 쉬어 볼트 (22) 는 2개의 작업에 착수한다: 첫째로, 이들은 회전자 적층 스택 (14) 의 기계 부분 (14b) 에 축방향 힘을 인가하는 역할을 한다. 둘째로, 이들은 회전자 적층 스택 (14) 의 시트들 사이에 발생하는 전단력을 흡수해야만 한다. 이러한 이유 때문에, 쉬어 볼트 (22) 는 절연될 수 없고 결과적으로 기계 부분 (14b) 의 자기적으로 약하게 사용된 섹션의 내부 에지에 위치된다.

전달되는 전단력은 재료 특성과 쉬어 볼트 (22) 의 (외부) 볼트 직경을 정의한다. 회전자 적층 스택 (14) 내 축방향 힘은 볼트의 연장에 의해 조정된다. 회전자 적층 스택 (14) 의 현상들을 설정함에도 불구하고 회전자 적층 스택 (14) 내의 남은 압력이 충분하도록 보장할 수 있기 위해서는, 최초 상태에서 특정한 최소 연장이 요구된다. 이것은, 큰 볼트 직경의 경우 압력을 매우 높일 수 있다.

따라서, 도 4에 따르면, 솔리드 볼트 대신 튜브 (27) 의 보어로 진행하는 중앙 텐셔닝 볼트들 (26) 과 함께 후벽 (thick-walled) 튜브 (27) 를 사용하는 것이 유익하다. 전달될 전단력이 재료의 특징과 튜브 직경을 정의한다. 동시에, 튜브 (27) 에 의해 이 전단력이 흡수된다. 회전자 적층 스택 상에 형성될 압력은 중앙 텐셔닝 볼트 (26) 의 연장에 의해 조정된다. 이러한 로드 (rod) 의 직경이 솔리드 볼트들의 경우에서 보다 더 작기 때문에, 동일한 연장에 대해 충분히 큰 압력이 달성될 수 있다.

튜브 (27) 및 중앙 텐셔닝 볼트 (26) 를 이용하는 솔루션의 특정한 불리한 점은 튜브 (27) 내 보어들에 대하여 높은 정확도를 요구한다는 것이다. 특히, 더 긴 기계의 경우, 엄격하게 요구되는 허용오차를 달성하는 것이 매우 힘들다. 그러나, 축선으로 분할된 튜브들 (27) 을 이용하여 동일한 사상이 또한 실현될 수 있다. 여기서, 튜브 (27) 가 복수의 서브섹션들 (도 5의 27a) 로 분할되며, 이 복수의 서브섹션들은 요구되는 허용오차로 상당히 더욱 용이하게 제조될 수 있다. 또한, 이 실시형태는 기계의 설비 및 어셈블리 프로세스를 단순화한다. 도 5에 따라서, 개별 서브섹션들 (27a) 이 단순한 방식으로 서로 동심으로 정렬될 수 있게 하기 위해서, 단부에 스레드들이 제공되고 (도 5d), 오프셋 (도 5c) 또는 챔퍼 (도 5b) 를 갖도록 설계되거나, 원뿔형으로 테이퍼링 (도 5a) 될 수 있으며, 이러한 솔루션들의 결합도 가능하다.

볼트들의 설계 이외에도, 고정자 적층 스택 (14) 의 전기 부분 (14a) 및 기계 부분 (14b) 에 관한 상반되는 요구는 방사상으로 분할된 가압판 (19) 에 의해 더욱 잘 달성될 수 있다. 도 6은 축방향의 평면에서 가압판 (19) 의 예시적인 실시형태의 개략적인 표현을 도시한다. 가압판 (19) 은 방사상 방향과 부분적인 원주 방향으로 별개의 내부 가압판 (19a) 과 별개의 외부 가압판 (19b) 으로 세분된다. 그 부분에 있어서, 외부 가압판 (19b) 은 원주 방향으로 개별 원부 섹션들로 세분된다. 가압판 (19) 을 내부 부분과 복수의 외부 부분들 (19a, 19b) 로 세분한 후 회전자 적층 스택 (14) 을 기계 부분 (14b) 및 전기 부분 (14a) 으로 분할한 결과, 회전자 적층 스택 (14) 의 상이한 영역들에 대한 축 클램핑의 타입이 개별적으로 최적화될 수 있다.

외부 가압판 (19b) 의 특정 틸팅을 달성할 수 있기 위해서, 외부와 내부 가압판 (19a, 19b) 사이의 분할부 각각에서 틸팅 에지 (28) 는 섹션들에서 반드시 직선이다. 가압판 (19) 의 방사상 분할의 결과, 회전자 적층 스택 (14) 의 전기 및 기계 부분 (14a, 14b) 각각에서 서로 다른 압력을 달성하는 것이 가능하다.

10 비동기식 기계
11 중앙 바디 (샤프트를 구비함)
12 슬립 링
13 축
14 회전자 적층 스택
14a 전기 영역
14b 기계 영역
15 고정자 적층 스택
16 회전자 권선 헤드
17 고정자 권선 헤드
18 회전자 권선
19 가압판
19a 내부 가압판
19b 외부 가압판
20 보조 림
21 텐셔닝 볼트
22 쉬어 볼트
23 포싱 볼트
24 너트
25 포싱 플레이트
26 중앙 텐셔닝 볼트
27 튜브
27a 서브섹션
28 틸팅 에지
29 톱니

Claims

특히 20 MVA 내지 500 MVA 초과하는 전력 범위의 이중 급전형 비동기식 기계 (10) 인 회전식 전기 기계로서,
상기 이중 급전형 비동기식 기계 (10) 는, 축 (13) 을 중심으로 회전하고 고정자 (15, 17) 에 의해 동심으로 둘러싸여 있는, 회전자 (11, 14) 를 포함하고,
상기 회전자 (11, 14) 는,
축 방향으로 합성 어셈블리로 가압되는 시트들로 이루어지고, 방사 방향으로 내부 기계 부분 (14b) 과 외부 전기 부분 (14a) 으로 세분되고, 그리고 상기 전기 부분 (14a) 내에 회전자 권선 (18) 을 수용하는 회전자 적층 스택 (14) 을 구비하고,
상기 회전자 적층 스택 (14) 은 상기 회전자 적층 스택 (14) 을 통해 축 방향으로 뻗어있는 쉬어 볼트들 (22) 에 의해 상기 기계 부분 (14b) 으로 그리고 추가적인 볼트들 (각각 21 및 23) 에 의해 상기 전기 부분 (14a) 으로 가압되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 추가적인 볼트들은 상기 축 방향으로 상기 회전자 적층 스택 (14) 을 관통하는 텐셔닝 볼트들 (21) 로서 설계되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 회전자 적층 스택 (14) 에 대한 축방향 압축력을 분산시키기 위해서 가압판 (19) 이 바디의 각 단부에 제공되고, 상기 추가적인 볼트들은 외부로부터 상기 가압판 (19) 에 대하여 누르는 포싱 볼트들 (23) 로서 설계되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 3 항에 있어서,
회전자 권선 헤드 (16) 를 지지하기 위한 보조 림 (20) 이 상기 가압판 (19) 외부에 배열되고, 상기 포싱 볼트들 (23) 은 상기 보조 림 (20) 에 수용되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 쉬어 볼트들 (22) 중 적어도 일부는 솔리드 볼트들로서 설계되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 쉬어 볼트들 (22) 중 적어도 일부는 외부 튜브 (27) 및 상기 외부 튜브 (27) 를 관통하여 진행하는 중앙 텐셔닝 볼트 (26) 를 포함하는 멀티파트 (multi-part) 의 볼트들로서 설계되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 6 항에 있어서,
상기 외부 튜브 (27) 는 상기 축 방향으로 복수의 서브섹션들 (27a) 로 세분되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 7 항에 있어서,
상기 서브섹션들 (27a) 은 상기 서브섹션들을 서로 동심 배열하기 위해 매칭 수단이 각 단부에 장착되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가압판 (19) 은 상기 회전자 적층 스택 (14) 의 방사상의 세분에 대응하여 별개의 내부 가압판 (19a) 과 별개의 외부 가압판 (19b) 으로 방사상으로 세분되고 상기 내부 가압판 (19a) 과 상기 외부 가압판 (19b) 이 서로 해제 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 9 항에 있어서,
상기 외부 가압판 (19b) 은 원주를 따라 각각의 유사한 원주 부분들로 세분되고, 상기 외부 가압판 (19b) 의 상기 원주 부분들 각각이 일직선의 틸팅 에지 (28) 에 의해 상기 내부 가압판 (19a) 에 인접해 있는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.