JP6514451B2 - 発電電動機械のための非円筒形表面を備えた回転子 - Google Patents

Description

本書に開示される主題は一般的には、発電電動（dynamoelectric）機械回転子に関する。さらに具体的には、本書に掲げられる開示は、改変磁気空隙を有する回転子を備えた発電電動機械に関する。

同期発電電動機械における短絡比（ＳＣＲ）は、発電機の安定性、又は発電機の磁場が負荷の変化によってどの程度変化するかの尺度である。ＳＣＲが高いほど、発電電動機械又は発電機の定常状態安定性特性が改善する。

相対的に高いＳＣＲは、従来は設計者によって相対的に大型の機械を作製すること又は磁極面スロットを組み入れることの何れかによって満たされているが、これらの選択肢は何れも関連する費用が高い。

発電電動機械のための従来の回転子は全体的に円筒形であり、回転子の外面と関連する固定子の内面との間に一様の半径方向距離を有する。

様々な実施形態が、改変外面及び改変磁気空隙を備えた発電電動機械回転子を含むように構成されている装置を含んでいる。幾つかの実施形態では、装置は、回転子本体を含む発電電動機械回転子を含んでおり、回転子本体は、スピンドルと、磁極領域であって回転子の回転軸から当該磁極領域の外面まで非一様の半径方向距離を有する磁極領域と、回転子本体の外面の複数のスロットであって、回転子本体の円周方向に隔設されており、当該複数のスロットの各々が回転子本体の軸方向に延在している、複数のスロットとを有している。

第一の観点が、回転子本体を含む発電電動機械回転子を提供し、回転子本体は、スピンドルと、磁極領域であって回転子の回転軸から当該磁極領域の外面まで非一様の半径方向距離を有する磁極領域と、回転子本体の外面の複数のスロットであって、回転子本体の円周方向に隔設されており、当該複数のスロットの各々が回転子本体の軸方向に延在している、複数のスロットとを有している。

第二の観点が、固定子と、該固定子の内部に配置された回転子とを含む発電電動機械を提供し、回転子は回転子本体を含んでおり、回転子本体は、スピンドルと、回転子の回転軸から当該磁極領域の外面まで非一様の半径方向距離を有する磁極領域と、回転子本体の外面の複数のスロットであって、回転子本体の円周方向に隔設されており、回転子本体の軸方向に延在している複数のスロットとを有している。

第三の観点が、固定子と、該固定子の内部に配置された回転子であって、第二の半径に直交する第一の半径を含む扁円円筒形断面を有しており、第一の半径と第二の半径とは相異なる長さを有する、回転子とを含む発電電動機械を提供し、回転子は回転子本体を含んでおり、回転子本体は、スピンドルと、回転子の回転軸から当該磁極領域の外面まで非一様の半径方向距離を有する磁極領域と、回転子本体の外面の複数のスロットであって、回転子本体の円周方向に隔設されており、回転子本体の軸方向に延在している複数のスロットとを有している。

本発明のこれらの特徴及び他の特徴は、発明の様々な実施形態を図示した添付図面と共に参照される発明の様々な観点の以下の詳細な説明からさらに容易に理解されよう。
発明の各実施形態による回転子の三次元遠近図である。 発明の各実施形態による回転子の断面図である。 発明の各実施形態による回転子の三次元遠近図である。 発明の各実施形態による回転子の三次元遠近図である。 発明の各実施形態による装置の断面図である。 発明の各実施形態による回転子の断面図である。

本発明の各図は必ずしも一定縮尺でないことを特記しておく。図面は、発明の典型的な観点のみを示すためのものであり、従って、発明の範囲を限定するものと看做されるべきでない。各図の間で類似の参照番号を有する要素は、互いに関して記載されるように実質的に類似し得ることが理解される。さらに、図１から図６に関して図示され記載される各実施形態では、類似の参照番号は類似の構成要素を表わし得る。分かり易くするために、これらの要素の重複した説明は省く。最後に、図１から図６の構成要素及び添えられた記載は、本書に記載されるあらゆる実施形態に適用され得ることが理解される。

本書に開示される主題は一般的には、発電電動機械回転子に関する。さらに具体的には、本書に掲げられる開示は、改変磁気空隙を有する回転子を備えた発電電動機械に関する。

短絡比（ＳＣＲ）は、発電電動機械又は発電機の重要な設計パラメータである。ＳＣＲは、発電機の安定性、又は発電機の磁場が負荷の変化によってどの程度変化するかの尺度である。ＳＣＲが高いほど、定常状態安定性特性が改善するが、相対的に大型の発電機を必要とする場合がある。

本書で示されるように、相対的に高いＳＣＲは、従来は設計者によって相対的に大型の発電電動機械を作製すること又は磁極面スロットを組み入れることの何れかによって満たされているが、これらの選択肢は何れも関連する費用が高い。多くの従来の発電電動機械は、０．３５から０．５８の範囲のＳＣＲを有する。対照的に、本発明の様々な実施形態による発電電動機械は、本書で「基本型回転子」と呼ぶ回転子を有する従来の発電電動機械と比較すると典型的には６％から１０％高められたＳＣＲを実現することができる。

本発明の各観点は、相対的に大型の機械に伴う費用の増大を回避しつつ高められた発電電動機械短絡比を提供する。

従来の発電電動機械とはさらに異なることとして、本書に記載される各実施形態は、設計パラメータの何れも損なうことなく、回転子表面を改変することにより、相対的に高いＳＣＲを達成する費用を削減し易くする。本書に記載される様々な実施形態は、固定子と回転子との間の従来の一様の磁気空隙を改変することにより、高められた短絡比を可能にする。各観点による磁気空隙の改変を、固定子と回転子との間での非一様の半径方向距離の作成と称する。改変磁気空隙を備えたこれら新規の設計は、発電機又は発電電動機械の全体寸法を変化させずにＳＣＲを改善する。磁気空隙の改変は、様々な方法によって回転子の従来の円筒形外面を改変することにより達成され得る。様々な観点によるさらにもう一つの特徴は、回転子を要求範囲まで外形形成、切断、又は溝形成することにより、ＳＣＲを要求値まで高めることにある。かかる改変は、設計に融通性を提供し、また性能、効率及び費用の諸要件に基づいて最適化され得る。所載のような様々な観点は二極型円筒形回転子発電電動機械に限定されず、従って、四極型の機械にも拡張され得る。

様々な実施形態は、単一の平坦面、多数の平坦面、凹面、凸面、楕円面、又は多数溝付き面として記述され得る回転子外面を含んでいる。さらにまた、回転子本体の形状は楕円又は長円であってよく、従って固定子内面と回転子外面との間に非一様の半径方向距離を生成する。

各観点による発電電動機械の動作時には、固定子において開回路条件下で定格電圧を発生するように界磁電流が回転子の励磁巻線に印加される。当業者には、定格電圧は所与の機械に特定的であることが理解される。定格電圧は典型的には、約９ｋＶから２６ｋＶの間にあってよいが、かかる値は限定するものと看做されるべきでない。

また動作時には、固定子において短絡条件下で定格電流を発生するように界磁電流が回転子の励磁巻線に印加される。定格電流は所与の機械に特定的であり、かかる電流の値は機械毎に様々であってよい。するとＳＣＲは、固定子に存在する電機子巻線において、開回路条件下で定格電圧を発生するように印加される界磁電流の値を、短絡条件下で定格電流を発生する界磁電流の値で除したものによって定義される。各観点によれば、様々な実施形態の改変磁気空隙は、前述のように基本型回転子のＳＣＲを典型的には６％から１０％上回る高められたＳＣＲの値を達成することができる。

所載のように、各観点は、他の設計パラメータを損なうことなく、固定子と回転子との間の磁気空隙を改変することにより相対的に高いＳＣＲを達成する費用を削減し易くすることができる。

図１を参照すると、各実施形態による発電電動機械回転子１０を示す遠近図が示されている。各観点は回転子本体２０を含み得る。回転子本体２０はスピンドル３０を含み得る。スピンドル３０は、回転子本体及びスピンドルが回転するときの中心となる回転軸を画定している。回転子本体２０の外面４０の複数のスロット５０が示されている。複数のスロット５０は、回転子本体２０の円周方向Ｃに隔設されていてよく、複数のスロット５０の各々が、回転子本体２０の軸方向Ａに延在している。複数のスロット５０は、励磁巻線（図６に示されている励磁巻線）を受け入れるように成形され得る。

幾つかの観点によれば、回転子１０は、図１に示すようにＮ極及びＳ極を有する二極回転子であってよい。幾つかの実施形態は、平坦な外面４５を有する磁極領域Ｓ、Ｎを含んでいる。

図２は、回転子本体２０の断面図を示す。回転子本体２０は、回転子１０の回転軸Ａから磁極領域の外面４０まで非一様の半径方向距離ｒ′を有する磁極領域Ｓ、Ｎを含み得る。

図３は、発明の各実施形態による発電電動機械回転子１０を示す遠近図である。図３は、磁極領域Ｓ、Ｎが各々、複数の平坦な外面５５を含んでいるような観点による一実施形態を示している。図３は二つの磁極領域Ｓ、Ｎを示しているが、２よりも多い磁極領域が異なる観点の範囲内に含まれることを理解されたい。

図４は、発明の各実施形態による発電電動機械回転子１０を示す遠近図である。図４は、磁極領域Ｓ、Ｎが各々、凸形外面５７を含んでいるような観点による一実施形態を示している。凸形状の一例のみを示しているが、他の観点は異なる凸形状を含み得る。

図５は、各実施形態による発電電動機械６０の各部を示す断面図である。発電電動機械６０は、同期発電機であってよく、且つ／又はガス冷却式、液冷式、若しくは両方の組み合わせであってよく、加えて発電電動機械６０は、現在公知の又は今後開発されるあらゆる方法又は技術によって冷却され得る。発電電動機械６０は、多相発電機、例えば三相発電機であってよいが、三相発電機は図面には図示されていない。発電電動機械６０は、固定子７０と、該固定子７０の内部に配置された回転子１０とを含んでいる。磁極領域Ｓ、Ｎは、回転子１０の回転軸Ａから磁極領域Ｓ、Ｎの外面４５まで非一様の半径方向距離ｒ′を有して図示されている。各観点によれば、回転子本体２０の外面４０の複数のスロット５０は、図示のように回転子本体２０の円周方向Ｃに隔設されて、回転子本体２０の軸方向Ａに延在している。図５は、固定子７０と磁極領域Ｓ、Ｎの外面４５との間での非一様の半径方向距離ｒ″を示している。尚、本書で上に記載されている様々な観点による回転子１０の異なる構成を発電電動機械６０と共に用いてよく、かかる実施形態の記載は、簡潔にするためにここでは繰り返されないことを特記しておく。図５は、固定子７０の内面８０が円筒形であり、円形断面を有することを示している。

図６は、発明の各実施形態による発電電動機械回転子１１０を示す遠近図である。回転子１１０は、第二の半径ＯＲ２に直交する第一の半径ＯＲ１を含む扁円円筒形断面を有する。第一の半径ＯＲ１と第二の半径ＯＲ２とは、図示のように相異なる長さを有する。上と同様に固定子７０は円形断面を有し、上と同様に、但し図６には示されていないが、固定子７０と回転子１１０の磁極領域Ｓ、Ｎの外面１４０との間には非一様の半径方向距離が存在している。

本書で用いられる術語は、特定の実施形態を記述するのみの目的のためのものであって本開示を限定するものではない。本書で用いられる不定冠詞及び定冠詞を伴う単数形は、文脈から明らかに指示されていない限り複数形を同様に包含するものとする。さらに、本明細書において用いられるときの「含むcomprise」及び／又は「含んでいるcomprising」等の用語は、所載の特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を明記するが、１若しくは複数の他の特徴、整数、動作、要素、構成要素、及び／又はこれらの群の存在又は追加を排除するものではない。

本書で用いられる「軸方向の」及び／又は「軸方向に」との用語は、回転子の回転軸に実質的に平行な軸Ａに沿った物体の相対的な位置／方向を指す。さらに、本書で用いられる「半径方向の」及び／又は「半径方向に」との用語は、軸Ａに実質的に垂直であり軸Ａと１箇所の位置でのみ交差する半径（ｒ）に沿った物体の相対的な位置／方向を指す。加えて、「円周方向」及び／又は「円周方向に」との用語は、軸Ａを包囲しているが如何なる位置でも軸Ａと交差しない円周に沿った物体の相対的な位置／方向を指す。

発明の各実施形態による回転子に関して用いられる「高める」との用語は、本書では名目量を上回るＳＣＲの増加を指し、例えば特定の実施形態では、高めるとは基本型発電電動機械回転子のＳＣＲに比較して約６％から１０％のＳＣＲの増大を指す。尚、基本型発電電動機械回転子とは、発電電動機械回転子と同じ寸法及び材料を有し、基本型回転子の回転軸から基本型回転子の当該磁極領域の外面まで一様の半径方向距離を備えた磁極領域を有する。

この書面の記載は、最適な態様を含めて発明を開示し、また任意の装置又はシステムを製造して利用すること及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めてあらゆる当業者が発明を実施することを可能にするように実例を用いている。特許付与可能な発明の範囲は特許請求の範囲によって画定されており、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に相違しない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な相違を有する等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。

１０：発電電動機械回転子
２０：回転子本体
３０：スピンドル
４０：外面
４５：平坦な外面
５０：スロット
５５：平坦な外面
５７：凸形外面
６０：発電電動機械
７０：固定子
８０：内面
９０：励磁巻線
１１０：発電電動機械回転子
１４０：外面
Ｎ：北極
Ｓ：南極
Ａ：回転軸
ＯＲ１：第一の半径
ＯＲ２：第二の半径
ｒ′：軸Ａからの非一様の半径方向距離
ｒ″：固定子７０と磁極領域のと外面４５との間の非一様の半径方向距離
Ｃ：円周方向

Claims (17)

1. 回転子本体を備えた発電電動機械回転子であって、前記回転子本体は、
   スピンドルと、
   複数の非突極磁極領域であって、各磁極領域が前記回転子の回転軸から当該磁極領域の外面まで非一様の半径方向距離を有し、各磁極領域が平坦な半径方向向き外面を含む、磁極領域と、
   前記回転子本体の磁極領域間のそれぞれの外面に配置された複数のスロットであって、前記回転子本体の円周方向に隔設されており、当該複数のスロットの各々が前記回転子本体の軸方向に延在している、複数のスロットと、
   を含む、発電電動機械回転子。
2. 二極回転子である、請求項１に記載の回転子。
3. 前記発電電動機械の内部で用いられているときに、該発電電動機械の固定子内面と前記磁極領域の前記外面との間の半径方向距離が非一様である、請求項１または２に記載の回転子。
4. 前記磁極領域は各々、隣接する複数の平坦な外面を含む、請求項１から３のいずれかに記載の回転子。
5. 前記磁極領域は各々、凸形外面を含む、請求項１から３のいずれかに記載の回転子。
6. 前記複数のスロットは、励磁巻線を受け入れるように成形されている、請求項１から５のいずれかに記載の回転子。
7. 固定子と、
   該固定子の内部に配置された回転子と、
   を備えた発電電動機械であって、
   前記回転子は回転子本体を含み、該回転子本体は、
   スピンドルと、
   前記回転子の回転軸から当該磁極領域の外面まで非一様の半径方向距離を有し、各磁極領域が平坦な半径方向向き外面を含む、複数の非突極磁極領域と、
   前記回転子本体の磁極領域間のそれぞれの外面に配置された複数のスロットであって、前記回転子本体の円周方向に隔設されており、前記回転子本体の軸方向に延在している複数のスロットと、
   を有する、
   発電電動機械。
8. 前記回転子は二極回転子である、請求項７に記載の発電電動機械。
9. 前記固定子内面と前記磁極領域の前記外面との間の半径方向距離が非一様である、請求項７または８に記載の発電電動機械。
10. 前記磁極領域は各々、単一の平坦面を含む、請求項７から９のいずれかに記載の発電電動機械。
11. 前記磁極領域は各々、凸形の外面を含む、請求項７から９のいずれかに記載の発電電動機械。
12. 前記複数のスロットは励磁巻線を受け入れるように成形されている、請求項７から１１のいずれかに記載の発電電動機械。
13. 励磁巻線をさらに含み、
    当該発電電動機械の動作時に、界磁電流が前記励磁巻線に印加されて前記固定子において開回路条件下で定格電圧を発生し、
    界磁電流が前記励磁巻線に印加されて前記固定子において短絡条件下で定格電流を発生し、
    当該発電電動機械は、開回路条件下で定格電圧を発生するように印加される前記界磁電流の値を、短絡条件下で定格電流を発生する前記界磁電流の値で除したものにより定義される短絡比を有し、
    前記非一様の半径方向距離は、当該発電電動機械の前記短絡比を高める、
    請求項１２に記載の発電電動機械。
14. 前記固定子の内面は、円筒形であり、円形断面を有する、請求項７から１３のいずれかに記載の発電電動機械。
15. 固定子と、
    該固定子の内部に配置された回転子であって、第一の半径を有する第一のカーブと、第二の半径を有する第二のカーブとを含む扁円円筒形断面を有しており、該第一の半径は該第二の半径と直交し、該第一の半径と該第二の半径とは相異なる長さを有する、回転子と、
    を備えた、発電電動機械であって、
    前記回転子は回転子本体を含んでおり、該回転子本体は、
    スピンドルと、
    前記回転子の回転軸から当該磁極領域の外面まで非一様の半径方向距離を有し、各磁極領域が平坦な半径方向向き外面を含む、複数の磁極領域と、
    前記回転子本体の磁極領域間のそれぞれの外面に配置された複数のスロットであって、前記回転子本体の円周方向に隔設されており、前記回転子本体の軸方向に延在しており、励磁巻線を受け入れるように成形されている、複数のスロットと、
    を有している、発電電動機械。
16. 前記固定子の内面は、円筒形であり、円形断面を有する、請求項１５に記載の発電電動機械。
17. 前記スロットの内部に励磁巻線をさらに含み、
    当該発電電動機械の動作時に、界磁電流が前記励磁巻線に印加されて前記固定子において開回路条件下で定格電圧を発生し、
    界磁電流が前記励磁巻線に印加されて前記固定子において短絡条件下で定格電流を発生し、
    当該発電電動機械は、開回路条件下で定格電圧を発生するように印加される前記界磁電流の値を、短絡条件下で定格電流を発生する前記界磁電流の値で除したものにより定義される短絡比を有し、
    前記非一様の半径方向距離は、当該発電電動機械の前記短絡比を高める、
    請求項１５または１６に記載の発電電動機械。