KR20120032464A

KR20120032464A - 회전식 전기 기계, 특히 ２０ｍｖａ와 ５００ｍｖａ 초과 사이의 성능 범위의 이중 급전형 비동기식 기계

Info

Publication number: KR20120032464A
Application number: KR1020117025015A
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: 2010-04-16
Publication date: 2012-04-05
Also published as: BRPI1014875B1; CN102405581B; WO2010121970A1; PT2422427E; SI2422427T1; RU2011147709A; RU2539569C2; US8569923B2; ES2553633T3; CN102405581A; EP2422427B1; KR101598381B1; US20120104896A1; BRPI1014875A2; CA2759270A1; CA2759270C; EP2422427A1

Abstract

특히 20 MVA와 500 MVA 초과 사이의 성능 범위의 이중 급전형 비동기식 기계 (10) 인 회전식 전기 기계에 관한 것으로서, 이중 급전형 비동기식 기계 (10) 는, 축 (13) 을 중심으로 회전하고 고정자 (15, 17) 에 의해 동심으로 둘러싸여 있는, 회전자 (11, 14) 를 포함하고, 회전자 (11, 14) 는, 계층화되고 가압판 (19) 을 이용하여 축선 방향으로 가압되어 합성물을 형성하는 적층물들로 구성되고, 방사 방향으로 내부 기계 영역 (14b) 과 외부 전기 영역 (14a) 로 분할되는 회전자 적층 스택 (14), 및 회전자 적층 스택 내 전기 영역 (14a) 내에 수용되는 회전자 권선 (18) 을 구비한다.
이러한 기계에서, 회전자 적층 스택의 축 보강은, 가압판 (19) 이 회전자 적층 스택 (14) 의 방사상의 분할에 대응하여 별개의 내부 가압판과 별개의 외부 가압판으로 방사상으로 분할된다는 사실에 의해 최적화된다.

Description

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

본 발명을 전기 에너지 발전 분야에 관한 것이다. 본 발명은 회전식 전기 기계에 관한 것이고, 특히, 청구항 제 1 항의 전제부에 따른, 20 MVA와 500 MVA 이상 사이의 성능 범위의 이중 급전형 (double-fed) 비동기식 기계에 관한 것이다.

가변 회전 속도를 이용한 에너지 생산을 위해서 20 MVA부터 500 MVA 이상까지의 성능 범위의 이중 급전형 비동기식 기계가 사용될 수 있다. 이러한 기계는 회전자 상의 분배식 3상 권선을 특징으로 한다. 회전자 권선은, 회전자 적층 스택 내의 슬롯에 임베딩된 개별 바 (bar) 를 포함한다. 이 개별 바들이 상호접속되어 단부 권선에서 권선을 형성한다. 전류가 적어도 3개의 슬립링을 경유하며, 3개의 슬립링은 기계 단부에서 샤프트에 고정된다. 이러한 기계의 세부 사항이 도 1에 매우 단순화된 형태로 도시된다. 비동기식 기계 (10) 는 기계축 (13) 을 갖는 것으로 도 1에 도시된다. 상부에 슬립링 (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 단부 권선 (16) 아래의 회전자 적층 스택과 접한다. 이 회전자 적층 스택 (14) 은 고정자 적층 스택 (15) 에 의해 동심으로 둘러싸여 있고, 고정자 적층 스택 (15) 은 그 스택의 단부에 고정자 단부 권선 (17) 이 외부로 돌출되어 있는 고정자 권선을 내부에 수용한다. 회전자 적층 스택 (14) 은 도 2에 확대된 형태로 상세하게 도시된다.

이중 급전형 비동기식 기계의 회전자가 회전자 권선 (18) 을 지니고 있기 때문에, 상기 회전자 권선은 원심력 발생으로부터 보호될 필요가 있다. 회전자 적층 스택은 먼저 이러한 힘을 흡수하는 역할을 하고 동시에 자속의 경로를 정의한다. 보조 림 (20) 은 회전자 단부 권선 (16) 에서 작용하는 원심력을 흡수하는 역할을 한다. 보조 림 (20) 과 회전자 적층 스택 (14) 은 계층식 적층으로 이루어지고, 이는 축선 방향으로 가압되어 합성물을 형성한다. 이 경우, 회전자 적층 스택의 적층들 사이에 볼트들 (21, 22) 에 의해 인가된 압력을 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 다양한 요구사항이 존재한다. 도 2는 전기 영역 (14a) 과 기계 영역 (14b) 의 기본적인 분할을 도시한다. 첫째로, 톱니 내 적층의 계층들 사이에 충분한 축 압력을 제공하여 스택의 균일도를 보장하여야한다. 진동을 방지하기 위해서, 톱니와 회전자 권선 (18) 간의 상대적인 움직임은 절연을 손상시킬 수 있기 때문에 이 계층들이 느슨하면 안된다. 둘째로, 이러한 손상이 느슨함을 증가시킬 수 있기 때문에 개별 적층물들 사이의 절연 층들에 대한 손상을 방지하기 위해서 압력은 너무 크지 않아야 한다. 적층물들 사이에서 일정한 마찰력을 획득하기 위해서 전기 영역 (14a) 보다는 림의 기계 영역 (14b) 에서 축 압력이 더 높아야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 처음에 언급된 형태의 전기 기계를, 상이한 영역들의 회전자 적층 스택의 보강에 관한 상이한 요구사항들이 상당히 더욱 개선될 수 있는 이러한 방법으로 개선하는 것이다.

본 목적은 제 1 항의 특징들 전체에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 솔루션을 위한 중요한 인자는, 가압판이 회전자 적층 스택의 방사상 분할에 대응하여 별개의 내부 가압판과 별개의 외부 가압판으로 방사상으로 분할되는 것이다. 회전자 적층 스택의 상이한 영역들에 대응하여 분리된 가압판으로 인해, 회전자 적층 스택에 작용하는 힘이 별개로 최적화될 수 있다.

본 발명의 제 1 구성은 내부 가압판과 외부 가압판이 서로 분리가능하게 연결된다는 사실을 특징으로 한다. 결과적으로, 외부 가압판에 작용하는 원심력이 효율적으로 흡수될 수 있다.

다른 구성은, 외부 가압판이 내부 가압판에 대하여 팁핑될 수 있는 방식으로 내부 가압판과 외부 가압판이 서로 접해 있고 서로 연결된다는 사실을 특징으로 한다.

특히, 외부 가압판의 원주 부분들이 각 케이스 별로 일직선의 팁핑 에지에 의해 내부 가압판에 접해 있도록, 외부 가압판이 원주를 따라 개별 동일 원주 부분들로 분할되는 경우, 그리고 외부 가압판의 원주 부분들이 각각 내부 가압판에 걸려 있는 경우 유익하다.

바람직하게는, 외부 가압판의 원주 부분들이 각각 해머형 크로우에 의해 내부 가압판에 걸려있을 수 있다.

본 발명의 추가적인 구성은, 내부 가압판이, 기계 영역 내 회전자 적층 스택을 가압하기 위해 제 1 볼트가 통과하는 제 1 구멍을 갖는다는 사실과, 외부 가압판이, 전기 영역 내 회전자 적층 스택을 가압하기 위해 제 2 볼트가 통과하는 제 2 구멍을 갖는다는 사실을 특징으로 한다.

제 1 볼트가 쉬어링 볼트의 형태이고 제 2 볼트가 타이 볼트의 형태인 경우 유익하다.

본 발명은 도면과 함께 예시적인 실시형태들을 참고로 하여 아래에 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명을 구현하는데 적합한, 비동기식 기계의 세부사항의 매우 단순화된 도면을 도시한다.
도 2는 회전자 적층 스택을 보강하는데 사용된 가압판을 포함하는 도 1에 도시된 기계의 회전자 적층 스택 설계의 확대된 세부사항을 도시한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 회전자 적층 스택을 보강하기 위한 가압판의 섹터의 축선 방향의 평면도를 도시한다.

처음에 이미 언급되었던 바와 같이, 첫째로, 톱니 내 적층의 계층들 사이에 충분한 축 압력을 제공하여 스택의 균일도를 보장하여야 한다. 진동을 방지하기 위해서, 톱니와 회전자 권선 간의 상대적인 움직임은 절연을 손상시킬 수 있기 때문에 이 계층들이 느슨하면 안된다. 둘째로, 이러한 손상이 느슨함을 증가시킬 수 있기 때문에 개별 적층물들 사이의 절연 층들에 대한 손상을 방지하기 위해서 압력은 너무 크지 않아야 한다. 적층물들 사이에서 일정한 마찰력을 획득하기 위해서 전기 영역 보다는 림의 기계 영역에서 축 압력이 더 높아야 한다.

고정자 적층 스택 (14) 의 전기 부분과 기계 부분에 관한 이러한 상반되는 요구사항들은 방사상으로 분할된 가압판 (19) 에 의해 달성될 수 있다. 도 3은 축선 방향으로 평면에서 바라본 가압판 (19) 의 예시적인 실시형태의 개략도를 도시한다. 가압판 (19) 은 방사 방향과 부분적으로 원주 방향 둘 모두에서, 별개의 내부 가압판 (23) 과 별개의 외부 가압판 (24) 으로 분할된다. 내부 가압판 (23) 은 솔리드 설계 (solid design) 를 가질 수 있고, 보충적인 형태의 실시형태에 따라서, 복수의 얇은 적층들을 포함한다. 이는 원주 방향으로 서로에 대하여 오프셋된 방식으로 얇은 적층들을 개별적으로 또는 그룹으로 배열하는데 특히 유익한 것으로 증명되었다. 내부 가압판 (23) 의 이러한 계층화는 자가 지지 링을 형성함으로써, 쉬어링 볼트 상의 힘이 상당히 감소될 수 있다.

외부 가압판 (24) 은 외부 가압판 (24) 의 부분에 대하여 원주 방향으로 개별 원주 부분들 (24a-d) 로 분할되고, 개별 원주 부분들 (24a-d) 은 비자성 스틸로 이루어지는 것이 바람직하다. 회전자 적층 스택 (14) 의 기계 영역 (14b) 과 전기 영역 (14a) 으로의 분할을 따르는 방식인, 가압판 (19) 을 내부 부분 (23) 및 복수의 외부 부분들 (24a-d) 로 분할하는 것으로 인해, 축 보강의 성질이 회전자 적층 스택의 상이한 영역들에 대하여 별개로 최적화될 수 있다.

목표로 하는 외부 가압판 (24) 의 팁핑을 달성할 수 있기 위해서는, 외부 가압판 (24) 과 내부 가압판 (23) 사이의 분리부가 각각 일직선의 팁핑 에지 (29) 를 가질 필요가 있다. 가압판 (19) 의 방사상의 분리로 인해서, 회전자 적층 스택 (14) 의, 전기 영역 (14a) 과 기계 영역 (14b) 에서 각각 상이한 압력을 달성하는 것이 가능하다. 외부 가압판 (24) 을 원심력으로부터 보호하기 위해서, 도 3에 도시된 바와 같이 이것이 해머형 크로우 (26) 를 통해 내부 가압판 (23) 에 매달려 있다.

회전자 적층 스택 (14) 내의 원하는 축 압력을 더 높이기 위해서, 쉬어링 볼트 (22) 및 타이 볼트 (21) 가 각각 사용된다. 타이 볼트 (21) 는 가압판 (19) 내의 구멍 (27) 을 통하여 회전자 적층 스택 (14) 의 전체 축 길이를 통과한다. 타이 볼트 (21) 가 적층 스택의 자기 작용부 (고 자기 유도) 에 위치되기 때문에, 전기적으로 절연될 필요가 있다. 그러나, 절연의 기계적인 부하를 방지하기 위해서, 이러한 볼트들을 전단시킬 수 없다. 볼트 내의 응력 때문에, 외부 가압판 (24) 상의 압력과, 따라서 톱니 내의 압력이 "조정"될 수 있다.

그러나, 관통하는 타이 볼트 (21) 대신, 스터드 또한 보조 림 (20) 에 사용될 수 있다. 스터드가 보조 림 (20) 에 사용된다면, 압력이 회전자 적층 스택 (14) 의 톱니 영역에 전달된다. 가압판과 너트가 스터드와 가압판 (19) 사이에 위치된다. 너트 내의 볼트의 스크류내 깊이는 가압판 (19) 상의 압력을 "조정"하는데 사용될 수 있고 따라서 톱니 상의 압력을 조정하는데 사용될 수 있다.

쉬어링 볼트 (22) 는 2개의 작업을 수행한다. 첫째로, 쉬어링 볼트 (22) 는 회전자 적층 스택 (14) 의 기계 영역 (14b) 내 축 압력을 인가하는데 사용될 수 있다. 둘째로, 적층물들 간에 발생하는 전단력들을 흡수하는데 필요하다. 이 이유 때문에, 이 볼트들이 절연될 수 있고 따라서 자기적으로 거의 사용되지 않는 회전자 적층 스택 (14) 의 부분의 내부 주변부에 위치된다.

10 비동기식 기계
11 중앙 바디 (샤프트를 구비함)
12 슬립링
13 축
14 회전자 적층 스택
14a 전기 영역
14b 기계 영역
15 고정자 적층 스택
16 회전자 단부 권선
17 고정자 단부 권선
18 회전자 권선
19 가압판
20 보조 림
21 타이 볼트
22 쉬어링 볼트
23 내부 가압판
24 외부 가압판
24a-d 원주 부분
25, 27 구멍
26 해머형 크로우
28 톱니
29 팁핑 에지

Claims

특히 20 MVA와 500 MVA 초과 사이의 성능 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,
계층화되고 가압판 (19) 을 이용하여 축선 방향으로 가압되어 합성물을 형성하는 적층물들로 구성되고, 방사 방향으로 내부 기계 영역 (14b) 과 외부 전기 영역 (14a) 으로 분할되는 회전자 적층 스택 (14), 및
상기 회전자 적층 스택 내 전기 영역 (14a) 내에 수용되는 회전자 권선 (18) 을 구비하며,
상기 회전자 적층 스택 (14) 의 방사상의 분할에 대응하여 상기 가압판 (19) 이 방사상으로 별개의 내부 가압판 (23) 과 별개의 외부 가압판 (24) 으로 분할되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 내부 가압판 (23) 과 상기 외부 가압판 (24) 은 서로 분리가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 2 항에 있어서,
상기 내부 가압판 (23) 과 상기 외부 가압판 (24) 은, 상기 외부 가압판 (24) 이 상기 내부 가압판 (23) 에 대하여 팁핑될 수 있는 방식으로 서로 접해 있고 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 3 항에 있어서,
상기 외부 가압판 (24) 의 원주 부분들 (24a-d) 이 각 케이스 별로 일직선의 팁핑 에지 (29) 에 의해 상기 내부 가압판 (23) 에 접해 있도록, 그리고 상기 외부 가압판 (24) 의 상기 원주 부분들 (24a-d) 이 각각 상기 내부 가압판 (23) 에 걸려 있도록, 상기 외부 가압판 (24) 이 원주를 따라 개별 동일 원주 부분들 (24a-d) 로 분할되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 4 항에 있어서,
상기 외부 가압판 (24) 의 상기 원주 부분들 (24a-d) 은 해머형 크로우 (26) 에 의해 상기 내부 가압판 (23) 에 각각 걸려 있는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 가압판 (23) 은, 상기 기계 영역 (14b) 내 상기 회전자 적층 스택 (14) 을 가압하기 위해 제 1 볼트 (22) 가 통과하는 제 1 구멍 (25) 을 갖고,
상기 외부 가압판 (24) 은, 상기 전기 영역 (14a) 내 상기 회전자 적층 스택 (14) 을 가압하기 위해 제 2 볼트 (21) 가 통과하는 제 2 구멍 (27) 을 갖는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 볼트 (22) 는 쉬어링 볼트의 형태이고 상기 제 2 볼트 (21) 는 타이 볼트의 형태인 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 가압판 (23) 은 복수의 적층물을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.
제 8 항에 있어서,
상기 적층물은 상기 원주 방향으로 서로에 대하여 오프셋된 방식으로 개별적으로 또는 그룹으로 배열되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기 기계.