JPH02168830A - クローポール形同期発電機 - 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
したクローポール形発電機に係り、特に回転軸を支承す
る軸受摩擦に対する起動トルクが小さく、高速回転時に
回転軸系を高安定に支持し、且つ低損失形のガス軸受を
装備し、また発電機内部の冷却性能の向上を狙いとした
クローポール形発電機に関する。

（従来の技術） 第２図と第３図は従来技術のクローポール発電機の原理
構造を示す縦断面図とその第２図のロータのｍ−ｍ線に
沿う矢視断面図である。

発電機のロータ（１）は両軸端に設けられたころがり軸
受（２）と、軸受ブラケット（３）により支持される。

軸受ブラケット（３）は固定子フレーム（４）に固定さ
れ、固定子フレーム（４）の中央には非磁性枠（４ａ）
を介して固定子鉄心（６）が装着され、さらにこの内部
には電機子巻線（５）が納められている。

クローポール発電機のロータ（１）は軸方向に２分割し
、ロータ（１）の中央部断面を第３図に示すように、各
々Ｎ極とＳ極に磁化され、非磁性材（７）でつき合せ溶
接して作られる。このような２極の永久磁石をもつ発電
機のロータ（１）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（８）は磁路（９）を形成するように固
定子フレーム（４）の両端部内に納められ、直流電流を
流して励磁し、電機子巻線（５）に電力を発生する。

以上のようなりローポール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が装着される。例えば宇宙熱発電
に用いられるプレイトンサイクル式発電システムでは、
小形軽量化の為に超高速回転とし、且つ、この状態下で
高効率、長期信頼性が要求されることから、軸受には能
動形の磁気軸受またはガス軸受が採用される。

第４図は従来一般的に知られているガス軸受の現有技術
による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。

次に、この構成について説明する。

発電機のロータ（１）の両端にタービン（１］）、コン
プレッサ（１２）が装着されている。固定子フレーム（
４）には非磁性枠（４ａ）を介して固定子鉄心（６）が
嵌合され、この内部には電機子巻線（５）が納められて
いる。固定子フレーム（４）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（８）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）が取りつけられており、この軸受ハウジング（
托）の内周側には第４図のｖ−ｖ線に沿う矢視断面を示
す第５図の様に３個のバット（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Ｗ　（
１５）が発電機のロータ（１１）の円周」二に設置され
ている。一方、コンプレッサ（１２）側の界磁巻線フレ
ーム（１４）の端面にはスラス１−軸受（２０）と間隔
片（２１）ならびスラスト円板（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，）側と
同一の第５図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）とコンプレッサ（１２）と各ラ
ジアル軸受装置（１５）間にはラビリンスシール（２３
）が装備されている。さらに、固定子鉄心（６）の内周
面には仕切筒（２４）が設置され、電機子巻線（５）と
界磁巻線（８）等の冷却媒体の逃げを防止している。

（発明が解決しようとする課題） 一４＝ このような従来構成によっての問題点を次に列記する。

（１）起動時には発電機のロータ（１）とラジアル軸受
装置（１５）のパッド（１７）の間にはガス膜が形成さ
れず、詣る固体接触の状態にあることから、大きい起動
トルクが必要で、且つ発電機のロータ（１）とパッド（
１７）の摺動面の摩耗が問題となる。

（２）一般に、軸受ハウジング（１６）、パッド（１７
）ならびにピボソ１−（１８）等からなるラジアル軸受
装置（１５）の各材料は磁性体が利用される。この場合
、第２図に示した発電機の必要磁路（９）以外の破線で
示した不要磁路（９ａ）が第４図の軸受部（１５）、（
２０）に発生する。このためパッド（１７）ならびにス
ラスＩ−軸受（２０）と発電機のロータ（１）間で、磁
気的な吸引作用や回転速度、軸振動等の変化に伴い、磁
束の変動により、軸受が軸に接触したり、軸受自身が不
安定振動を起こす。

（３）ガス軸受を採用した第４図ではロータ軸長が長く
、しかもタービン（１１）、コンプレッサ（１２）を軸
両端に設置することから、発電機のロータの危険速度が
下がり、定格回転数域までに複数の危険速度を通過する
ことになる。このような危険速度を越えるためにはガス
軸受の弾性力や減衰力を増加させれば良いが、このため
にはガス軸受の軸長を長くすることが必要となり、最終
的にはさらに高次の危険速度が発生する結果となる。

（４）超高速回転体では発電機のロータ（１）ならびに
軸受部の損失が大きくなり、自然対流のみでは発電機の
ロータ（１）部の温度が高くなる。

本発明は上記の従来技術の問題点に鑑みなされたもので
、軸受の起動トルクの低減・摩耗防止、軸受部の磁路形
成防止により軸受の安定化、また危険速度を高めるため
に発電機のロータ軸長を短かくし、かつ発電機のロータ
の冷却効果の総合的な機能向上を図ったクローポール形
回期発電機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、界磁巻
線フレームに発電機のロータを浮かせる静圧軸受機能を
はだす数本の静圧給気孔を設け、また、界磁巻線フレー
ム内に非磁性体のセラミックス製軸受を配設し、ざらに
静圧軸受と冷却用のガスを切り換える切換弁を設置する
。

（作　用） このようにすると、静圧給気孔から発電機のロータを浮
上させる給気が行なわれるので、起動時に軸受パッドが
発電機のロータと摺動することが殆ど無くなり、万一摺
動してもロータが軽く、軸受がセラミックス製であるか
ら摺動部が摩滅する畏れが少ない。更に起動時には静圧
給気孔の開口部周辺が軸受として動作するので、ロータ
の支持間隔が短くなり、危険速度が高くなり、安全度が
大となる。又、運転状態に入ってからは、セラミックス
製の軸受が使用されることになるが、この軸受は界磁巻
線フレーム内に配設されるから、危険速度の低下は少な
い。そして、静圧気体の供給を冷却用のガス体の供給に
切換えることが出来るので同期発電機を高信頼性、高効
率で小形軽量化することができる。

（実施例） 以下、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図〜第５図の従来構造で説明した部分
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、タービン（１１）側ならびコンプレッ
サ（１２）側の界磁巻線フレーム（１３）、（１４）の
内周面にパッド（２５）が球ピボット（２６）により配
列される。このパッド（２５）は軸受材として優れてい
る窒化珪素や炭化珪素等の非磁性体のセラミックス材製
である。またスラスト軸受（２７）も同様にセラミック
ス材である。

タービン（１１）側のラビリンスシール（２８）は界磁
巻線フレーム（１３）に直接固定される。さらにコンプ
レッサ（１２）側の界磁巻線フレーム（１４）にはラビ
リンスシール機能を併用とするスラストハウジング（２
９）が直接固定されている。

両界磁巻線フレーム（１３）、（１４）には静圧給気孔
一 （３０）が円周上、数本加工され、且つ端面には給気用
円周溝（３１）が加工され、さらにこの給気円周溝（３
１）に直交した半径方向の給気孔（３２）が加工されて
いる。

またラビリンスシール（２８）ならびスラストハウジン
グ（２９）の端面には“０”リング溝（３３）が各々加
工されていて、０”リング（３４）を収納している。

ラビリンスシール（２８）には冷却給気孔（３５）が加
工さている。一方スラストハウジング（２９）には冷却
吐出孔（３６）が加工されている。発電機本体の外部に
は３ポート、二方向切換弁（３７）が設置され、出口２
ポートのうち１ポートは２ケ所の給気孔（３２）、他ポ
ートは冷却給気孔（３５）、また入口ポートはガス供給
源（３９）に各々の給気管（３８）により接続されてい
る。尚、スラスト円板（２２）には、数本の軸方向通気
孔（４０）が加工されている。

次に作用について説明する。

タービン（１１）に昇圧されたガス体が供給され発電機
のロータ（１）が鄭動するが、この際、ガス供給源（３
９）から二方向切換弁（３７）を通し、給気孔（３２）
から界磁巻線フレーム（１３）、（１４）に設けられた
給気用円周溝（３１）と静圧給気孔（３０）を介して、
発電機のロータ（１）の円筒面に噴出される。この状態
では発電機のロータ（１）は供給ガス圧により浮上し、
このためパッド（２５）と発電機のロータ（１）は非接
触状態となることから、起動時のトルクが小さくまた、
起動時のパッド（２５）ならびにその部の発電機のロー
タ（１）の摩耗を防止出来る。そして、静圧給気孔（３
０）の開口部周辺が軸受として作用するので発電機のロ
ータ（１）の支持間隔が短くなり、危険速度が高くなり
、起動の際の安全度が大となる。この状態でタービン（
１１）への供給ガス体を増やし、定格回転数に到達する
。つぎに界磁巻線（８）に通電し、発電機運転に入るが
、この時、界磁巻線フレーム（１３）、（１４）に設け
た静圧給気孔（３０）は穴径が小さく、本数も少ないこ
とから界磁巻線（８）による磁路への悪影響はまったく
ない。

つきに、バット（２５）を界磁巻線フレーム（１３）、
（１４）の内部に組込むことにより、従来技術に比して
、ラジアル軸受装置の構造が単純化され、且つ、発電機
ロータ（１）の軸長が短軸化され、危険速度の減少に直
接影響を与え、運転が容易になる。この時、パッド（２
５）には非磁性体で軸受材として優れるセラミックス材
を使用しており、この為、パッド（２５）と発電機のロ
ータ（１）を通る磁束が急減することからバット（２５
）に磁気的な力が作用せず、高安定な運転が可能となる
。

発電運転に入ると、当然ながら発電機のロータ（１）の
中央部、謂る電機子巻線（５）の有る部分での電気損な
らび機械損が急増することとなるが、この静圧給気孔（
３０）からガス体を供給している状態ではこの中央部の
ガス体の流れが小さく、高温状態になってしまう。

これを防止するために、発電運転に入ったときに、二方
向切換弁（３６）を切換える。即ち給気孔（３２）への
供給をストップさせ５、冷却給気孔（３５）に供給する
。この時、発電機のロータ（１）を浮」ニさせる効果が
全く失なわれるが、パラＦ（２５）と発電機のロータ（
１）のすべり面の相互作用により、動圧膜が形成され、
発電機のロータ（１）の浮上状態を充分に維持できる。

冷却の為のガス体の流れはパラＦ（＋５）の背面と円周
方向複数個に分割されたパン１ル相互間を軸方向に流れ
、発電機のロータ（１）の中央部を冷却した後、反対側
のパッド（１５）の周辺を通り、スラスＩ〜円板（２２
）に設けられた通気孔（４０）とスラスｌ〜ハウジング
（２９）の冷却吐出孔（３６）から外部に吐き出される
。この冷却通路により発電機のロータ（１）は十分冷却
される。この事は、発電機のロータ（１）の半径方向の
熱膨張を防止し、特にパッド（２５）と発電機のロータ
（１）の間の軸受隙間を安定に維持てき、軸受特性を一
定に保持可能とする。

［発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、界磁巻線フレー
ムの内に発電機のロータを浮上させる静圧機能ならびに
セラミックス材製の非磁性体の動圧発生用パッドを設置
していることから、発電機のロータの軸長が短縮され、
軸系の危険速度が高くなり、また磁束通過によるバット
の不安定振動問題が解決できる。

また、発電機のロータの冷却性能の向上により、安定し
た軸受特性を維持することが可能になる。

この様な各効果の組合せにより、高効率、小形軽量、長
期信頼性を有する超高速のクローポール第１図は本発明
の一実施例を示すクローポール形同期発電機の縦断面図
、第２図は従来技術によるクローポール発電機の本体の
断面の原理図、第３図は第２図のロータのＨｌ　−Ｈ線
に沿う矢視断面図、第４図は従来技術のプレイトンサイ
クル式クローポール発電機の縦断面図、第５図は第４図
の要部の■−■線に沿う矢視断面図である。

１・発電機のロータ　　　４・・・固定子フレーム１５
・・界磁巻線フレーム　２５・・・非磁性パッド３０　
　静圧給気孔　　　　３５・・・冷却給気孔３７・・・
切換弁 代理人　弁理士　大　胡　典　夫

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガス軸受を使用したクローポール形同期発電機において
   、界磁巻線フレームに設けて発電機のロータを浮かせる
   ガスを供給する数本の静圧給気孔と、界磁巻線フレーム
   内に設けたセラミックス材製の非磁性体のガス軸受のパ
   ッドと、静圧給気孔と冷却給気孔用のガスを切換える切
   換弁とを備えたことを特徴とするクローポール形同期発
   電機。