(57)【要約】【課題】  本発明は、発電機用のブラシレス励磁装置（１０）を静止励磁システム（５８）と交換する方法を提供する。【解決手段】  本方法は、ブラシレス励磁装置の複数の寸法を測定する段階（４２）と、ブラシレス励磁装置の回転部分の質量慣性モーメントを求める段階（５２）と、ブラシレス励磁装置と実質的に同一の質量慣性モーメントを有する静止励磁システムを形成する段階（５６）と、発電機からブラシレス励磁装置（１０）を取り外す段階と、発電機に静止励磁システム（５８）を取り付ける段階とを含む。【選択図】      図６
2006034096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機用のブラシレス励磁装置（１０）を静止励磁システム（５８）と交換する方法であって、
ａ．前記ブラシレス励磁装置の複数の寸法を測定する段階（４２）と、
ｂ．前記ブラシレス励磁装置の回転部分の質量慣性モーメントを求める段階（５２）と、
ｃ．前記段階（ｂ）において求めたような前記ブラシレス励磁装置（１０）と同一の質量慣性モーメントを有する静止励磁システム（５８）を形成する段階（５６）と、
ｄ．前記発電機から前記ブラシレス励磁装置（１０）を取り外す段階と、
ｅ．前記発電機に前記静止励磁システム（５８）を取り付ける段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記静止励磁システム（５８）がコレクタをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記段階（ａ）が、前記ブラシレス励磁装置（１０）をタービン−発電機組立体の発電機に結合したままで行われる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記静止励磁システム（５８）が、前記発電機のロータ組立体に取り付けられる、請求項１記載の方法。
【請求項５】
質量慣性モーメントを求める前記段階が、
前記ブラシレス励磁装置の重量及び容積から該ブラシレス励磁装置の回転質量慣性モーメントを求める段階（４４）と、
前記測定した寸法及び求めた重量に基づいて前記ブラシレス励磁装置の重心を求める段階（４６）と、
前記重心及び重量に基づいて前記ブラシレス励磁装置のモーメントを求める段階（４８）と、
前記ブラシレス励磁装置の質量慣性モーメントを求める段階（５２）と、
ロータ質量を有するコレクタが前記ブラシレス励磁装置の求めた質量慣性モーメントに一致する複合質量慣性モーメントを有するように、該コレクタ上に含まれるべきロータ質量を形成する段階（５６）と、
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
同一の質量慣性モーメントを有する静止励磁システムを形成する前記段階が、該静止励磁システムのロータ上に同軸にロータ質量を形成する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
静止励磁システム（５８）を形成する前記段階が、
前記静止励磁システムの質量慣性モーメントと前記ブラシレス励磁装置の求めた質量慣性モーメントとの間の差を求める段階（６６）と、
前記差に等しい質量慣性モーメントを有するロータ質量を形成する段階（５６）と、
前記静止励磁システムの回転部分上に前記ロータ質量を同軸に取り付けるように構成する段階と、
前記ロータ質量を有する前記静止励磁システムの複合質量慣性モーメントを前記ブラシレス励磁装置の求めた質量慣性モーメントと比較する段階（７２）と、
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
静止励磁システム（５８）を形成する前記段階が、
前記静止励磁システムの質量慣性モーメントと前記ブラシレス励磁装置の求めた質量慣性モーメントとの間の差を求める段階（６６）と、
前記差に等しい質量慣性モーメントを有するロータ質量を形成する段階（５６）と、
前記ロータ質量を有する前記静止励磁システムの複合質量慣性モーメントを前記ブラシレス励磁装置の求めた質量慣性モーメントと比較する段階（７２）と、
をさらに含む、請求項５記載の方法。
【請求項９】
前記発電機が、タービン発電機組立体であり、１００メガワット以上で発電することがでる、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
発電機用のブラシレス励磁装置（１０）を静止励磁システム（５８）と交換する方法であって、
ａ．前記ブラシレス励磁装置の複数の寸法を測定する段階（４０）と、
ｂ．前記ブラシレス励磁装置の重量及び容積を求める段階（４２）と、
ｃ．前記ブラシレス励磁装置の重量及び容積から前記ブラシレス励磁装置の回転質量慣性モーメントを求める段階（４４）と、
ｄ．前記測定した寸法及び求めた重量に基づいて前記ブラシレス励磁装置の重心を求める段階（４６）と、
ｅ．前記重心及び重量に基づいて前記ブラシレス励磁装置のモーメントを求める段階（４８）と、
ｆ．前記ブラシレス励磁装置の質量慣性モーメントを求める段階（５２）と、
ｇ．前記質量慣性モーメントと静止励磁システム設計の質量慣性モーメントとを一致させる段階（６６）と、
ｈ．前記一致させた質量慣性モーメントを有する前記静止励磁システム設計に従ってコレクタを製作する段階（５６）と、
ｉ．前記製作したコレクタを前記ブラシレス励磁装置と置き換える段階と、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用タービン−発電機組立体用の発電機界磁直流（ＤＣ）励磁装置に関し、具体的にはブラシレス励磁装置（ＢＥ）を静止ＤＣ励磁システムと交換する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１００メガワット以上（＞１００ＭＷ）を発電するタービン発電機ような多くの大型産業用タービン発電機システムは、発電機電磁石界磁巻線に必要なＤＣ電流用の電源としてブラシレス励磁装置を使用する。このＤＣ電源は通常、発電機励磁システム又は単に「励磁装置」と呼ばれる。
【０００３】
発電機の界磁巻線は一般的に、ステータによって囲まれたロータ上に取り付けられる。励磁装置は、ロータ上の界磁巻線に電気的に接続される。ロータ界磁巻線における励磁装置からのＤＣ電流は、ロータの周りに磁界を形成する。タービンは、ロータを回転駆動する。ロータ界磁巻線による磁界がステータを通って回転すると、ステータ巻線内に電圧が誘起される。ステータ内の電流は、発電機による電力として出力される。
【０００４】
ブラシレス励磁装置は、予期せぬ故障と費用のかかる修理との歴史を有してきた。古くなると、ブラシレス励磁装置はより度々故障しがちになり、またそれらの故障は一層激しくなる。電力需要が大きくなるにつれて、公共施設相互接続配電網に対する要求は、より迅速な動特性及びより高い出力を有する発電機励磁システムを必要としている。これらの問題に対処するために、電力生産業者は、多くの場合、所有するブラシレス励磁システムを静止励磁システムと交換する選択をする。
【０００５】
静止励磁システムは、より大型の発電機タービン組立体における発電機ロータの界磁巻線にＤＣ電流を供給するための公知かつ実証済みの技術である。静止励磁システムは一般的に、ＤＣ電源と発電機のロータに接続した機械組立体（コレクタと呼ばれることが多い）とを含む。
【０００６】
ブラシレス励磁システムを静止励磁システムと交換する方法は、公知である。
【０００７】
ブラシレス励磁装置を交換するためには、静止励磁システムのコレクタは、タービン発電機ロータシステムと整合していなければならない。コレクタをタービン発電機ロータシステムに整合させることは、発電機ロータへの継手位置において、ブラシレス励磁装置がそうであったのと同一の機械的動特性及び振動特性をコレクタが有するように、該コレクタを設計することを含む。一般的には、コレクタを設計する技術者は、タービン発電機ロータシステムの構造、機械的動特性及び振動特性に関する豊富な情報を有する。
【０００８】
状況によっては、コレクタを設計する技術者が、タービン発電機ロータシステムに関する豊富な情報を持たない場合が生じる。タービン発電機ロータシステムの構造及び設計に関する詳細情報が得られない場合には、ブラシレス励磁装置の機械的動的特性及び振動特性を整合させることが難しくなる。当初はブラシレス励磁装置を有していたタービン発電機ロータシステムのロータ動特性に対してより小型のコレクタロータが与えることになる影響を判定するためには、そのシステムについての詳細設計情報が必要であるが、それらの詳細設計情報は、一般的に相手先商標製品製造（ＯＥＭ）においてのみ入手可能である。システムのロータ動特性を求める様々な方法が存在するが、それらは費用が掛かる。例えば、タービン発電機ロータシステムについての必要な機械情報の多くは、タービン発電機ロータシステムの構成部品の分解、検査及び測定によって取得することができる。タービン発電機ロータシステムの分解には、タービン発電機組立体をオフラインにし停止させることが必要である。
【０００９】
タービン発電機ロータシステムを測定しかつそのデータを収集するためにタービン−発電機システムをオフラインにすることは、一般的に経済的ではない。
【特許文献１】特開２００３−５１５３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
タービン発電機ロータシステムを説明する現存の詳細文書がない状態で、かつブラシレス励磁装置及びその関連するタービン−発電機を運転及び発電し続けながら、ブラシレス励磁装置を交換するようにコレクタを設計するためのシステム及び方法に対する長年の切実な必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、発電機用のブラシレス励磁装置を静止励磁システムと交換する方法として具体化することができ、本方法は、ブラシレス励磁装置の複数の寸法を測定する段階と、ブラシレス励磁装置の回転部分の質量慣性モーメントを求める段階と、ブラシレス励磁装置と実質的に同一の質量慣性モーメントを有する静止励磁システムを形成する段階と、発電機からブラシレス励磁装置を取り外す段階と、発電機に静止励磁システムを取り付ける段階とを含む。
【００１２】
さらに、本発明は、発電機用のブラシレス励磁装置を静止励磁システムと交換する方法として具体化することができ、本方法は、ブラシレス励磁装置の複数の寸法を測定する段階と、ブラシレス励磁装置の重量及び容積を求める段階と、ブラシレス励磁装置の重量及び容積からブラシレス励磁装置の回転質量慣性モーメントを求める段階と、測定した寸法及び求めた重量に基づいてブラシレス励磁装置の重心を求める段階と、重心及び重量に基づいてブラシレス励磁装置のモーメントを求める段階と、ブラシレス励磁装置の質量慣性モーメントを求める段階と、質量慣性モーメントと静止励磁システム設計の質量慣性モーメントとを一致させる段階と、一致させた質量慣性モーメントを有する静止励磁システム設計に従ってコレクタを製作する段階と、製作したコレクタをブラシレス励磁装置と置き換える段階とを含む。
【００１３】
本発明はまた、発電機用静止励磁システム用のコレクタとして具体化することができ、本コレクタは、ロータシャフトと、発電機に接続されかつ該発電機の界磁巻線に直流（ＤＣ）を供給するようになった継手と、ロータシャフトと同軸に配置されかつコレクタの質量慣性モーメントが前に発電機に結合されていたブラシレス励磁装置の質量慣性モーメントと実質的に同一になるように構成された質量慣性モーメントを有するロータ質量とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、従来型のブラシレス励磁装置１０を示す。このブラシレス励磁装置１０は、発電機ロータ１２の界磁巻線に直流（ＤＣ）電力を供給する。ブラシレス励磁装置１０の主要構成部品は、パイロット励磁機、ａｃ励磁機及び整流ホイールである。ブラシレス励磁装置励磁システム１０は一般的に、２つの主要構成部品、すなわちＤＣ電源１４と機械パッケージ１９（タービン発電機システムに取り付けられた）とで構成される。電源１４は、ブラシレス励磁装置及びその関連する制御装置にＤＣ電流を供給する。機械パッケージ１９は、回転組立体１８と該回転組立体１８の少なくとも一部分を囲む固定組立体（図示せず）とで構成される。
【００１５】
回転組立体１８は一般的に、以下の、すなわちロータシャフト２０、ダイオード整流システム１６、アーマチュア巻線及びコア組立体１７、軸受２２、換気ファン並びに永久磁石発電機の１つ又はそれ以上で構成される。固定組立体は、ブラシレス励磁装置の回転組立体１８の周りのハウジング内に配置することができる。固定組立体は一般的に、以下の（図示せず）、すなわちベース組立体、界磁巻線及びコア組立体、軸受組立体、冷却空気を配向するためのバッフル、熱交換装置（閉回路冷却システムの場合）並びに他の固定構成部品及び回転組立体１８を覆う保護エンクロージャ（点線で示す）の１つ又はそれ以上を含む。
【００１６】
ブラシレス励磁装置ロータ組立体１８は一般的に、長さが８フィート又はそれより長く、また６０００ポンドを超える重量である。これと対照的に、静止コレクタは、より小型でありかつ重量も少なく、例えば２０００ポンドである。寸法及び質量におけるこれらの差故に、ＢＥロータ組立体１８は、異なるロータ・ダイナミクッス（動特性）を有し、また、静止コレクタが与えるのとは異なる状態で全タービン発電機ロータシステム・ダイナミクッスに影響を与える。具体的には、当初はＢＥを有していたタービン発電機の発電機ロータ駆動装置に対してより短くかつより軽いコレクタシャフトを結合した場合、システムのロータ動特性及び振動特性は、コレクタのＢＥとの置き換えのために大きく変化する可能性がある。システム次第では、励磁ロータにおけるこの変化は、発電機−タービンシステム全体の作動に対してマイナスの影響を有するおそれがある。
【００１７】
図２及び図３は、従来型の静止励磁システム３０、例えばコレクタの側面及び前端面図である。このシステムは、２つの主要構成部品、すなわちＤＣ電源（図示せず）とタービン発電機システムの発電機ロータに取り付けられた、産業界では一般的に「コレクタ」と呼ばれる機械パッケージとで構成される。電源は、コレクタ３０及びその関連する制御装置にＤＣ電流を供給する。コレクタの機械パッケージは、ロータ組立体３２と固定組立体（図示せず）とで構成される。ロータ組立体３２は一般的に、以下の、すなわちロータシャフト３４、２つのスリップリング３６、換気ファン３８及び軸受４０の１つ又はそれ以上を含む。回転継手４１は、発電機ロータをコレクタに接続する。固定組立体は、回転組立体に対するハウジング及び支持体を形成する。固定組立体は、スリップリングと接触した状態になって固定電源からのＤＣ電力をコレクタの回転組立体に伝達する電気コネクタを含む。
【００１８】
コレクタロータ組立体３０は一般的に、長さが８フィートよりも短く、６０００ポンドよりも軽い重量である。固定組立体は一般的に、以下の、すなわちベース組立体、ブラシリギング組立体、軸受組立体、冷却空気を配向するためのバッフル及び保護エンクロージャ（固定及び回転組立体を覆う）の１つ又はそれ以上で構成される。
【００１９】
図４及び図５は、タービン発電機の詳細が分からず、この組立体が解析目的で「ブラックボックス」として取り扱われることになる場合における流れ図である。段階４２において、現存のブラシレス励磁装置の寸法が測定される。ブラシレス励磁装置ロータの寸法及び形状は、励磁装置の現場測定を行うことによって取得することができる。これら現場測定は、ブラシレス励磁装置を発電機ロータに結合した状態で、又は発電機ロータから分解した状態で行うことができる。
【００２０】
図６及び図７に示すように、コレクタロータは、ロータシャフト、軸受、ファン及び継手のような、一般的にコレクタロータ上に見られる従来型の構成部品を含む。従来型の構成部品に対する参照符号は、図２及び図３に示した従来型のコレクタに対して使用した参照符号と同一である。継手は、コレクタを発電機のロータシャフトに結合し、かつコレクタをロータ上の界磁巻線に電気的に接続する。コレクタはさらに、発電機インタフェース継手位置において得られた新規のコレクタロータの特性がブラシレス励磁装置に等価になるように寸法決めされかつコレクタロータシャフト上に配置されたロータ質量６０を含む。
【００２１】
段階４３において、励磁装置測定値に基づいて、励磁装置ロータの容積及び重量が求められる。励磁装置測定値、容積及びその重量を知ることによって、段階４４において、シャフトの軸方向中心線に関しての回転質量慣性モーメント（ＷＲ２）が計算される。同様に、段階４６において、ロータ継手面に対する励磁装置のセクションの各々の重心もまた、求められる。各セクションの重心及び重量を知ることによって、段階４８において、各励磁装置セクションについての慣性モーメントが求められる。この慣性モーメントは、発電機ロータ継手のＢＥロータ継手垂直面に対して求められる。
【００２２】
段階５０において、各ロータセクションのロータ質量及び慣性モーメントを合計して、交換対象のブラシレス励磁装置についての全慣性モーメント（ＷＲ２）５２が求められる。全慣性モーメント５２、継手に関して求めたモーメント（段階４８参照）及びブラシレス励磁装置に関して求めたその他のパラメータは、現在及び将来の使用のために段階５４において記録される。例えば、特定のブラシレス励磁装置モデルの測定値、質量及び慣性モーメントが記録されている場合には、同一モデルの別のＢＥ励磁装置を交換する時に再測定する必要がなくなる。記録された情報を使用して、交換対象のブラシレス励磁装置が示したのと同一の相対ＷＲ２及び発電機ロータへの継手位置でのモーメントを示すようなコレクタロータを設計することができる。
【００２３】
段階５６において、コレクタロータ５８（図６）は、段階４０において測定したブラシレス励磁装置を交換するために設計される。コレクタロータ５８は、ロータ質量６０を整合させるＷＲ２の設計を除いては従来通りの方法で設計される。このロータ質量６０は、複合慣性モーメントＷＲ２が交換対象のブラシレス励磁装置の慣性モーメントに一致するように、コレクタロータに付加される。
【００２４】
コレクタロータの設計に基づいて、またコレクタロータ設計にロータ質量を付加する前に、段階６２において、最小コレクタロータシャフト構成が適正なコレクタ作動に合わせて決定される。最小コレクタシャフト重心（ＭＣＲ）構成を決定する上での考慮事項には、発電機界磁電流及び機械的要件に合わせてコレクタ標準構成部品（スリップリング、ファン、継手など）を寸法決めすることが含まれる。このことにより、発電機システムと共に適正に作動するようにコレクタの最小形状が特定される。コレクタ構成部品の重心（ＭＣＲ）を知ることによって、段階６４において、最小コレクタロータシャフト慣性モーメントＷＲ２とコレクタロータの例えば軸受、ファン、スリップリング及び継手のようなその他の構成部品の他の慣性モーメントとが決定される。
【００２５】
最小コレクタ要件に対する全質量及び全慣性モーメントＷＲ２を、交換対象のブラシレス励磁装置の質量及び慣性（段階６８）と比較して（段階６６）、整合ロータ質量６０によって付加することが必要な付加質量及びモーメント（ＷＲ２）を決定する（段階７０）。必要とされた付加質量及び慣性に基づいて、必要な付加質量及び慣性を与えるように整合ロータ質量６０が設計される。段階７２において、整合ロータ質量及びコレクタ残部の慣性モーメントと質量とが、ブラシレス励磁装置の質量及び慣性と比較される。一致しない場合には、ロータ質量６０の設計はさらに調整され、計算（段階７０）及び比較（段階７２）が、コレクタ＋整合質量の質量及びモーメント（ＷＲ２）がブラシレス励磁装置と一致するようになるまで反復される。
【００２６】
ロータ質量を有するコレクタの質量及び慣性モーメントＷＲ２がブラシレス励磁装置の計算した質量及び慣性モーメントと一致したとき、コレクタの設計は完了できる。ロータ質量を有するコレクタの設計及び製造は、ブラシレス励磁装置及びその関連する発電機タービン組立体を運転及び発電し続けながら、行うことができる。コレクタの構成部品が製造されかつ発電機タービン組立体の現場に配送された時、発電機タービン組立体をオフラインにして、ブラシレス励磁装置が取り外される。コレクタは、従来通りの方法で発電機タービン組立体上に組み立てられかつ据え付けられる。
【００２７】
現存のＢＥロータの計算した重量及び重心（段階４２、４４、４６及び４８）は、ＢＥロータを分解した後にブラシレス励磁装置の構成部品を測定することによって確認することができる。この情報を新規の整合ＷＲ２コレクタロータと比較して、計算値を補足しまた有効性を確認することができる。
【００２８】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ブラシレス励磁装置及びロータ組立体の側面斜視図。
【図２】標準的コレクタの側面図。
【図３】標準的コレクタの端面図。
【図４】ブラシレス励磁装置をコレクタと交換する方法の段階の流れ図。
【図５】ブラシレス励磁装置をコレクタと交換する方法の段階の流れ図。
【図６】整合ロータ質量を有するコレクタの側面図。
【図７】整合ロータ質量を有するコレクタの端面図。
【符号の説明】
【００３０】
１０  ブラシレス励磁装置
１２  発電機ロータ
１４  ＤＣ電源
１６  固定組立体
１７  アーマチュア巻線及びコア組立体
１８  回転組立体
１９  機械パッケージ
２０、３４  ロータシャフト
３６  スリップリング
３８  換気ファン
４１  ロータ継手
５８  静止励磁システム
６０  整合ロータ質量
【図１】
2006034096.tif 000003
【図２】
2006034096.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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