(57)【要約】  本発明は、回転式電気機械、特にターボ発電機のロータのためのロータ本体であって、当該ロータ本体の長手方向中心軸に対して垂直に延在する少なくとも一つの極軸を有するロータ本体に関する。前記ロータ本体の少なくとも一つの部分は、交互に設けられるとともに、異なる材料から製造された少なくとも二つの層を含み、前記材料は、当該材料のそれぞれの導電性に関して互いに異なる。前記層により形成された層構造体の積層順序方向は、前記極軸および前記長手方向中心軸に対して垂直に延在する。
2019515632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転式電気機械、特にターボ発電機のロータのためのロータ本体（１；１１）であって、当該ロータ本体（１；１１）の長手方向中心軸（２）に対して垂直に延在する少なくとも一つの極軸（３）を有するロータ本体において、
前記ロータ本体（１；１１）の少なくとも一つの部分は、交互に設けられるとともに、異なる材料から製造された少なくとも二つの層（４，５；１３，１４）を有し、当該材料は、当該材料のそれぞれの導電性に関して互いに異なり、前記層（４，５；１３，１４）により形成された層構造体（７；１２）の積層順序方向（６）は、前記極軸（３）および前記長手方向中心軸（２）に対して垂直に延在し、前記ロータ本体（１；１１）は、前記極軸（３）に対して平行に、高い導磁性を有していることを特徴とするロータ本体。
【請求項２】
大きい方の導電性を有する前記層（４；１３）は、小さい方の導電性を有する前記層（５；１４）よりも厚い、請求項１に記載のロータ本体（１；１１）。
【請求項３】
回転式電気機械、特にターボ発電機のロータのためのロータ本体（１；１１）を製造するための方法であって、
交互に設けられるとともに、異なる材料から製造された少なくとも二つの層（４，５；１３，１４）から成る多層式の層構造体（７；１２）を製造するステップであって、当該材料は、当該材料のそれぞれの導電性に関して互いに異なるステップと、
前記層構造体（７；１２）を切削加工することにより、回転対称のロータ本体ブランク（１５）を製造するステップと、
前記ロータのロータ巻き線の導線部分をそれぞれ受容するために、前記ロータ本体ブランク（１５）の円周に配分されて設けられる、軸方向に延在する複数の受容溝（１０）を形成することにより、前記ロータ本体（１；１１）を製造するステップであって、前記受容溝（１０）は、前記ロータ本体（１；１１）が当該ロータ本体（１；１１）の長手方向中心軸（２）に対して垂直に延在するとともに、前記層（４，５；１３，１４）に対して平行に延在する極軸（３）を有するように、前記ロータ本体ブランク（１５）に形成されるステップと、を有する方法。
【請求項４】
前記多層式層構造体（７；１２）は、鍛造加工によって製造される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記多層式層構造体（７；１２）は、鍛造式折り返し加工によって製造される、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転式電気機械、特にターボ発電機のロータのためのロータ本体であって、当該ロータ本体の長手方向中心軸に対して垂直に延在する少なくとも一つの極軸を有するロータ本体に関する。
【０００２】
本発明はまた、回転式電気機械、特にターボ発電機のロータのためのロータ本体を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
回転式電気機械は、ステータと、回転可能に支承されたロータとを含む。ロータは、軸方向受容溝を備えるロータ本体を有していてよく、当該軸方向受容溝内にはそれぞれ、ロータのロータ巻線の導線部分が設けられている。受容溝内に設けられた導線部分は、ロータ本体の外側の端面側で、横方向導線部分を介して互いに導電式に結合されており、前記横方向導線部分は、ロータ本体の軸方向において互いに向き合う側において、それぞれロータ巻線ヘッドを形成する。ロータもしくはロータ本体は、ロータ本体の長手方向中心軸に対して垂直に延在する極軸を含み、当該極軸はロータもしくはロータ本体の磁極間の接続線を表す。対応する構成は特に、ターボ発電機としての回転式電気機械において見られる。
【０００４】
励磁巻線とも称される、ターボ発電機のロータ巻線には通常、特に負荷型式固有の直流が供給され、それによりターボ発電機に固定的に連結されたタービンの回転により、５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの大きさの固有の給与周波数が電力網に供給され得る。この前提となるのは、タービンが５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚで回転することである。
【０００５】
５０Ｈｚ用タービンのみが用いられるとき、それにより６０Ｈｚ電力網においてみられる周波数のギャップは、１０Ｈｚの大きさのパルス型励磁電流によって埋めることができる。このとき生じる問題は、ロータアイアンもしくはロータ本体内に望ましくない大きい渦電流が生じることである。この効果は、導電性の物体、ここではロータ本体を時間的に変化する磁束が貫通することから生じる。当該磁束は渦電界を誘導し、当該渦電界は電流を循環させる（渦電流）。この渦電流は電流の強さが非常に大きいが、それは従来、大きい導電性平面が導体経路として提供されるためである。これらの渦電流から膨大な損失が生じ、当該損失は回転式電気機械を、その効率と有用性において大幅に制限する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、回転式電気機械の効率および有用性を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る回転式電気機械、特にターボ発電機のロータのためのロータ本体は、当該ロータ本体の長手方向中心軸に対して垂直に延在する少なくとも一つの極軸を含み、ロータ本体の少なくとも一つの部分は、交互に設けられるとともに、異なる材料から製造された少なくとも二つの層を有し、当該材料は、当該材料のそれぞれの導電性に関して互いに異なり、前記層により形成された層構造体の積層順序方向は、極軸および長手方向中心軸に対して垂直に延在する。
【０００８】
本発明によれば、金属または金属合金、特に鋼から製造されている一の層が主に、極軸に沿って磁束を導く役目を果たす一方、当該層と材料の点で異なる他の層、例えば金属または金属合金、特に鋼から成る他の層は、極軸および長手方向中心軸を横断する方向の電流を抑制または防止する。後者の層は例えば、ケイ素成分が増大された鋼または他の添加物質を有する鋼であってよい。層は好ましくは平坦に形成されている。
【０００９】
したがってロータ本体内で作り出される磁束は、わずかな抵抗を有してロータ本体の一の磁極から、他の磁極へと流れる。同時に渦電界は、ロータ本体内部で当該渦電界の経路が制限され、それにより渦電流損失は大幅に減少する。この状況は、渦電流が磁力線に対して常に横方向に形成されることから生じる。こうしてこのような横方向の渦電流平面において、本願発明によるやり方で導電性を減少させると、渦電流は著しく低減する。比較的大きい方の導電性を有する層の導磁性は極軸に沿ってできる限り大きいことが好ましく、それに対して比較的小さい方の導電性を有する層の導電性は、極軸および長手方向中心軸を横断する方向において、可能な限り小さい値を有するべきである。顕著な渦電流は主に、比較的小さい導電性を有する二つの層の間の領域に、すなわち比較的大きい方の導電性を有するとともに、より良好な導磁性を有する層において生じる。
【００１０】
本発明によれば目標を定めて二つの異なる材料、特に鋼材料が、すなわち異なる添加物質を備える鋼が互いに組み合わされ、それによりロータ本体は与えられた磁束を担持し得る、すなわち大きい導磁性を有するとともに、一方の層の導電性が比較的小さいことにより、極軸および長手方向中心軸に対して垂直に、比較的導電性が小さくもある。ロータ本体の導電性がこのように比較的小さいこと、もしくはロータ本体の当該方向における比電気抵抗が比較的大きいことにより、ロータ本体における渦電流損失が低減する。
【００１１】
両の材料の選択は、出ずる機械的応力に対して両の材料が十分であるように行われるべきであり、一方の材料は特に大きい導磁性を有するとともに、より大きい導電性を有し、他方の材料は特に、より小さい導電性を有する。層を統合する際、好ましくはロータ本体の電磁的特性の方向依存性が考慮される。極軸および長手方向中心軸を横断する方向に、できるだけ多くの層の交代があるのが好ましい。この点は、例えば材料の微細構造においても見られてよい。
【００１２】
冒頭で説明されているように、パルス型励磁電流（励磁場）を備えるターボ発電機において、本発明を用いてロータ本体における渦電流を低減することができ、例えば従来のようにロータ本体を軸方向において薄板を重ねて作る必要がない。その結果、対応するターボ発電機の効率が向上し、有用性が高まる。加えて本発明に係るロータ本体は、比較的大きいコストで製造された積層型のロータ本体よりも廉価に製造可能である。
【００１３】
比較的大きい方の導電性を有する鋼層は好ましくは、比較的小さい方の導電性を有する鋼層よりも厚い。比較的大きい方の導電性を有するとともに、比較的厚い鋼層が、特にパルス型の磁束に及ぼす作用は比較的小さく、それにより磁束は良好にロータ本体を通過して導かれ得る。加えて、生じさせられた渦電流経路は、当該渦電流経路の拡張において著しく制限されており、その結果、ロータ本体への入熱と、ロータ本体における損失とが著しく減少する。
【００１４】
回転式電気機械、特にターボ発電機のロータのためのロータ本体を製造するための本発明に係る方法は以下のステップを含む。すなわち、
交互に設けられるとともに、異なる材料から製造された少なくとも二つの層から成る多層式の層構造体を製造するステップであって、当該材料は、それぞれの導電性に関して互いに異なるステップと、
前記層構造体を切削加工することにより、回転対称のロータ本体ブランクを製造するステップと、
ロータのロータ巻き線の導線部分をそれぞれ受容するために、前記ロータ本体ブランクの円周に配分されて設けられる、軸方向に延在する複数の受容溝を形成することにより、ロータ本体を製造するステップであって、当該受容溝は、ロータ本体が当該ロータ本体の長手方向中心軸に対して垂直に延在するとともに、前記層に対して平行に延在する極軸を有するように、ロータ本体ブランクに形成されるステップと、を含む。
【００１５】
前記の方法は、ロータ本体に関して上記において挙げられた有利点を相応に伴う。特にロータ本体の構成の一つ、あるいはそれらの構成の少なくとも二つを互いに任意に組み合わせた構成によるロータ本体は、前記の方法を用いて製造することができる。
【００１６】
異なる材料は好ましくは、異なる金属または異なる金属合金、特に異なる鋼材料、すなわち異なる添加物質を備える鋼である。多層式の層構造体を製造する際、個々の層は好ましくは材料接続的に互いに平面的に接続される。層は好ましくは平坦に形成されている。
【００１７】
回転対称のロータ本体ブランクを製造するために、切削製造方法として例えば旋削法を用いることができる。しかしながらロータ本体ブランクの他の切削加工法を用いることもできる。
【００１８】
ロータ本体の受容溝は、円周上に不均一に配分された状態でロータ本体に設けられている。特にロータ本体のそれぞれの磁極領域内で、受容溝はロータ本体に設けられていない。受容溝はロータ本体の長手方向中心軸に対して平行に延在する。受容溝は、例えばフライス加工によってロータ本体ブランクに形成されてよい。
【００１９】
したがって前記方法を用いて、極軸および長手方向中心軸を横断する方向において導電性が減少し、導磁性は極軸に対して平行に、できる限り制限なく維持されることが達成される。したがって製造方法において受容溝を形成する際、層構造体の向きに注意しなければならない。受容溝は特に、長手方向中心軸に対して垂直に延在する極軸が、層に対して平行に延在するように配置されなければならない。
【００２０】
多層式の層構造体は好ましくは鍛造加工によって製造される。例えばすでに鍛造加工の間に、比較的小さい導電性を有する層を導入することができる。比較的小さい導電性を有するとともに、ロータ本体を完全に貫通する連続的な層構造体は必ずしも必要ではないが、これを行ってもよい。層構造体を製造するために例えばまず、比較的小さい導電性を有する薄い鋼層が、比較的大きい導電性と、非常に大きい導磁性とを備える加熱された鋼層上に設けられ得る。鍛造加工の間に、このように比較的小さい導電性を有する複数の層が、比較的大きい導電性を有する強磁性の鋼層同士の間に装入され得る。強磁性の鋼層と、比較的小さい導電性を有する特殊な鋼層とを、比較的多くの層の数で交互に積層させると、本発明による効果が強められる。
【００２１】
多層式の層構造体は、好ましくは鍛造式折り返し加工によって製造される。このとき両の異なる層を有する材料は、鍛造ハンマーを用いて延ばされ得る。続いてこのように製造され、延ばされた二層式材料は分割され得る。その後、分割時に分離された一の材料部分が反転され、これにより他方の材料部分の上に設けられ得る。この折り返しプロセスは、所望の層の数が達成されるまで何度も繰り返され、折り返されるたびに層の数は倍になる。
【００２２】
以下において添付の図面を参照し、好適な実施の形態に基づき、例を挙げながら本発明を説明するが、以下に示される特徴は、それぞれ単独でも、互いに様々に組み合わせても、本発明の一の態様を表すことができる。図面に示すのは以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るロータ本体のための一の実施の形態を概略的に断面で示す図である。
【図２】本発明に係る方法ための一の実施の形態を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、ターボチャージャの型式の回転式電気機械のロータのための本発明に係るロータ本体１に関する一の実施の形態を概略的に断面で表示している。
【００２５】
ロータ本体１は、当該ロータ本体１の長手方向中心軸２に対して垂直に延在する極軸３を含む。加えてロータ本体１全体は、交互に設けられるとともに、異なる鋼材料から製造された、二つの平坦な鋼層４および５を含む。鋼材料は当該鋼材料のそれぞれの導電性に関して互いに異なる。鋼層４および５により形成される層構造体７の積層順序方向６は、極軸３および長手方向中心軸２に対して垂直に延在する。比較的大きい方の導電性を有する鋼層４は、比較的小さい方の導電性を有する鋼層５よりも厚い。ロータ本体１は矢印８に応じて極軸３に対して平行に、高い導磁性を有し、矢印９に応じて極軸３および長手方向中心軸２に対して垂直に、極軸３に対して平行な場合よりも小さい導電性を有する。
【００２６】
さらにロータ本体１には、ロータのロータ巻き線の図に示さない導線部分をそれぞれ受容するための、軸方向に延在する複数の受容溝１０が、円周に配分されて設けられている。受容溝１０は、ロータ本体１が長手方向中心軸２に対して垂直に延在する極軸３を有し、当該極軸が鋼層４および５に対して平行に延在するように、円周上に不均一に配分された状態でロータ本体１に設けられている。
【００２７】
図２は、ターボ発電機の型式の回転式電気機械のロータのためのロータ本体１１を製造するための、本発明に係る方法に関する一の実施の形態を概略的に示している。完成したロータ本体１１は、図２のステップｉ）において断面で表示されている。
【００２８】
まず、交互に設けられるとともに、異なる鋼材料から製造された二つの鋼層１３および１４から成る多層式の層構造体１２が製造され、当該鋼材料は、当該鋼材料のそれぞれの導電性に関して互いに異なる。このためにまず、比較的大きい導電性を有する平坦な鋼層１３が準備される（ステップａ））。次のステップｂ）において、鋼層１３上に、比較的小さい導電性を備え、比較的薄く、平坦な鋼層１４が設けられる。次のステップｃ）において、鋼層１４上に再び、比較的大きい導電性を備え、比較的厚く、平坦な鋼層１３が設けられる。次のステップｄ）において、最後の鋼層１３上に、比較的小さい導電性を備え、比較的薄く、平坦なさらなる鋼層１４が設けられる。次のステップｅ）において、最後の鋼層１４上に再び、比較的大きい導電性を備え、比較的厚く、平坦な鋼層１３が設けられる。次のステップｆ）において、最後の鋼層１３上に、比較的小さい導電性を備え、比較的薄く、平坦なさらなる鋼層１４が設けられる。このような積層ステップは、最後のステップｇ）において最後の鋼層１３が、最後から二番目の鋼層１４上に設けられるまで繰り返される。これにより層構造体１２が製造される。
【００２９】
ステップｈ）において、回転対称のロータ本体ブランク１５は、層構造体１２を切削加工すること、例えば旋削することによって製造される。
【００３０】
ステップｉ）において、図に示されないロータのロータ巻き線の導線部分をそれぞれ受容するために、ロータ本体ブランク１５の円周に配分されて設けられるとともに、軸方向に延在する複数の受容溝１０を形成することにより、ロータ本体１１が製造される。受容溝１０は、ロータ本体１１が当該ロータ本体１１の長手方向中心軸２に対して垂直に延在するとともに、鋼層１３および１４に平行に延在する極軸３を有するように、ロータ本体ブランク１５に形成される。このとき多層式層構造体１２は、鍛造加工によって製造することができる。多層式層構造体１２は例えば、鍛造式折り返し加工によって製造することができる。
【００３１】
好適な実施の形態によって、本発明を詳細に、より詳しく表示し、かつ説明したが、本発明は開示された例によって限定されておらず、当業者は本発明の保護範囲から逸脱することなく、開示された例から他の変化形態を導き出すことができる。
【符号の説明】
【００３２】
１，１１  ロータ本体
２  長手方向中心軸
３  極軸
４，１３  比較的大きい導電性を有する鋼層
５，１４  比較的小さい導電性を有する鋼層
６  積層順序方向
７，１２  層構造体
８，９  矢印
１０  受容溝
【図１】
2019515632.tif 000003
【図２】
2019515632.tif 000004
【国際調査報告】
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