(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子（５０）内に交流磁場が誘導されるように電動機械の回転子（５２）と組み合わせて使用するのに適合した固定子内の圧迫手段（６２）のジュール加熱を抑制する方法であって、該固定子は、固定子の軸に対してほぼ垂直に配向された磁気シート（５４）と、固定子の軸に対してほぼ平行の方向に磁気シートを通過する固定子巻線（６４）とを含んでなり、該方法は、固定子の複数の磁気シート（５４）を共に軸方向に圧迫するのに適合した１以上の圧迫手段（６２）を形成することを含んでなり、該形成工程が、重量で、３．２５〜３．４０％の炭素、３．７０〜３．８０％のケイ素、４．５０〜４．７０％のニッケル、０．２０％以下のマンガン、０．０６％以下のマグネシウム、０．０２％未満のリン、０．０２％未満のイオウ、残部の鉄及び不可避不純物を含む延性鉄合金を鋳造し、次いで、９１０±２０℃の第１の浸漬温度で３時間±３０分、次に６９０±２０℃の第２の浸漬温度で６時間±３０分延性鉄合金を熱処理することを含んでなる方法。
【請求項２】
さらに、固定子の第１の端部に前記圧迫手段を設置し、これに前記磁気シートの１つを当接させる工程を含んでおり、前記圧迫手段に加えて固定子の第１の端部に別個の磁束遮蔽板を備えない、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記固定子が、固定子の対向して配置された端部から伸延している固定子巻線の座巻を含んでおり、前記圧迫手段を座巻の半径方向外側に設置する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
さらに、前記固定子を電動機械内に設置する工程を含んでいる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
さらに、前記電動機械を発電機として作動させて電力を生成する工程を含んでいる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記延性鉄合金が、重量で、３．２５〜３．４０％の炭素、３．７０〜３．８０％のケイ素、４．５０〜４．７０％のニッケル、０．１７〜０．２０％のマンガン、０．０３５〜０．０６％のマグネシウム、０．０２％未満のリン、０．０２％未満のイオウを含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなり、該延性鉄合金が９０％を超える球状黒鉛鉄ノジュール率を含有する金属ミクロ組織を有する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記延性鉄合金が、重量で、３．２５〜３．３０％の炭素、３．７２〜３．７８％のケイ素、及び４．５５〜４．６５％のニッケルを含有する、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記延性鉄合金が、７０μΩ・ｃｍ以上の抵抗率及び５００Ｈ／ｍ以上の最大透磁率を示す、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記熱処理工程が、室温から第１の浸漬温度まで２℃／分の速度で加熱し、第１の浸漬温度から第２の浸漬温度まで１℃／分の速度で冷却し、第２の浸漬温度から２００±２０℃の温度まで１．５℃／分の速度で冷却し、その後室温まで空気冷却することを含んでいる、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電力の生成に使用される発電機のような電動機械に関する。より特定的には、本発明は、固定子の座巻領域における磁場によって生ずる固定子内の渦電流加熱を最小にすることに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力の生成に用いられる大きいタービン駆動式発電機は、回転子上に担持された巻いたコイルにより発生する磁束の磁力線源として機能する回転子をもっている。この回転子は固定子内で回転するが、この固定子はたくさんの導体をもっており、そこでは回転子が固定子内で回転して固定子と回転子との間の狭い空隙で回転磁界を生成するときその回転子によって交流が誘導される。
【０００３】
図１は、電力を生成するのに使用するタービン駆動式発電機のようなある種の電動機械に使用されるタイプの実例である固定子１０と回転子１２の隣接する末端部分を表している。固定子１０は回転子１２を囲むほぼ環状の形状を有しており、回転子は一般に大きい円筒体であって、回転子１２を固定子１０内に回転自在に支持するスピンドル（図には示してない）がこの回転子から伸延している。回転子１２はその外周部に一連の長手方向の（軸方向に伸延する）溝３０を有しており、その結果回転子１２の周辺部に沿って半径方向に広がる複数の歯が定められる。各々が多数の絶縁された導体素線からなる界磁巻線３２が溝３０内に設置されて回転子１０の長さを伸ばしており、回転子１２の各端部から長手方向に突き出ている。界磁巻線３２は座巻３４を含んでおり、これらは各々が１つの溝３０内の巻線３２と隣接する溝３０内の第２の巻線３２とを電気的に接続している。回転子１２が回転すると、座巻３４を半径方向外向きに推進しようとする遠心力が座巻３４にかかる。この座巻３４の半径方向の動きは、図１に示されているように座巻３４を囲むように回転子１２の端部に取り付けられた止め輪３６により制限される。
【０００４】
固定子１０は、固定子１０と回転子１２の共通の軸に対して垂直になるようにフレーム１６に支持されたシート（パンチング）１４をもっている。これらのシート１４は、ケイ素鋼のような低損失で低い磁気リラクタンスの材料で形成され、バンドル１８内で互いに対して圧迫されており、これらのバンドルは、シートバンドル１８間の非磁性スペーサー（図には示してない）により維持される空隙２０によって軸方向に分離されている。電機子巻き付け部２４がシート１４に形成された溝（図には示してない）内に位置付けられており、巻線２４の座巻２６が回転子止め輪３６の回りで固定子１０から外側に伸延している。巻線２４が固定子１０の端部を超えて伸延する程度は、図１に表されているように機械の長手方向の軸に対してある角度で配向された螺旋として巻線２４を形成することによって低減される。
【０００５】
固定子１０のシート１４は環状形状のフランジ２２によって軸方向に圧迫されており、そのうちの１つを図１に示す。フランジ２２は固定子１０内のシート１４を支持し、その位置を維持するために適当な強度を有していなければならず、従って高強度の材料で形成されなければならない。代表例はその強度、靱性、及び機械加工性から延性鉄（鋳造ノジュール状鉄）合金である。特定の例として、ＡＳＴＭ  Ａ５３６  ＧＲ  ６０−４０−１８の延性鉄がＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社製の発電機内の固定子フランジを形成するのに使用されている。ＡＳＴＭ  Ａ５３６規格による合金組成は、本質的に包括的であり、化学的組成を機械的性質に従属させており、電気的又は透磁率特性に関して最適化されていない。従って、ＡＳＴＭ  Ａ５３６で形成される構成部品は、主として、機械的性質を満足し、かつ大部分がフェライト系マトリックスの球状黒鉛ミクロ組織が得られるように選択される。典型的な商業グレードのＡＳＴＭ  Ａ５３６合金は、重量で、３．０％以上の炭素、１．７％以上のケイ素、０．０３％以上のマグネシウム、０．１％未満のリン、０．０２５％未満のイオウ、残部の鉄及び不可避不純物を含む。
【０００６】
上記構成を有する固定子１０において、磁束は座巻２６により発生し、機械の長手方向軸に平行にシート１４の主表面に向かう。この磁束はシート１４内に大きい渦電流を誘導し、これがシート１４において大量のジュール（オーム）加熱を起こし、その結果固定子フランジ１０が加熱される。固定子１０の交流磁場はまた固定子フランジ２２内にも渦電流を誘導し、結果としてフランジ２２がさらに加熱される。固定子端部の付近のシート１４とフランジ２２の加熱は、機械の効率を低下させるエネルギー損失に加えて、機械の作動に有害な局部的過熱を生じるのに充分である可能性がある。
【０００７】
このため、フランジ２２に隣接して配置され、例えばストラップ（図示）、ファスナー、などによって固定された環状形状の磁束遮蔽板２８を備えた固定子１０が示されている。磁束遮蔽板の例として、Ｐｏｈｌの米国特許第１６７７００４号及びＪｅｆｆｅｒｉｅｓの米国特許第４０５４８０９号がある。磁束遮蔽板２８は銅又は銅合金のような材料で形成されていて、磁束がフランジ２２ではなく遮蔽板２８に集中するようになっている。結果として、機械の電力損失を大幅に低減することができ、そのため機械の全体効率を増大すると共に固定子１０の両端のシート１４内の温度を低下させることができる。しかしながら、欠点は、磁束遮蔽板２８が渦電流により過熱される結果、遮蔽板２８が加熱され、伝導及び／又は対流によるフランジ２２への熱伝達が起こることである。また、磁束遮蔽板２８は機械を複雑にすると共にコストを増大させる。従って、大きい電動機械の別個の分離した構成部品としての磁束遮蔽板２８を排除することができれば望ましいであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第１６７７００４号明細書
【特許文献２】米国特許第４０５４８０９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、固定子構成部品の組成と加工処理により、その構成部品が、固定子の磁気シートを軸方向に圧迫すると共に、別個の磁束遮蔽板の必要性を排除することができる程度にジュール加熱を抑制することも可能になる、固定子構成部品を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の局面によると、構成部品は、電動機械内で回転子と組み合わせて使用される固定子で、その固定子内に交流磁場が誘導されるように使用するのに適している。この固定子は、固定子の軸に対してほぼ垂直に配向された磁気シート、及び固定子の軸に対してほぼ平行の方向に磁気シートを通過する固定子巻線をもっている。本構成部品は、固定子の磁気シートを共に軸方向に圧迫するように構成され、固定子上に位置している。本構成部品は、重量で、約３．２５〜約３．４０％の炭素、約３．７０〜約３．８０％のケイ素、約４．５〜約４．７％のニッケル、約０．２０％以下のマンガン、約０．０６％以下のマグネシウム、０．０２％未満のリン、０．０２％未満のイオウ、残部の鉄及び不可避不純物を含む延性鉄合金で形成されている。この構成部品は、固定子の交流磁場により誘導される渦電流による構成部品のジュール加熱を大幅に抑制するという性質を示す。
【００１１】
本発明の第２の局面によると、構成部品は、重量で、約３．２５〜約３．４０％の炭素、約３．７０〜約３．８０％のケイ素、約４．５〜約４．７％のニッケル、約０．２０％以下のマンガン、約０．０６％以下のマグネシウム、０．０２％未満のリン、０．０２％未満のイオウ、残部の鉄及び不可避不純物を含む延性鉄合金を鋳造することを含む方法によって形成される。得られた鋳造品を、その後、約９１０±２０℃の第１の浸漬温度で約３時間±３０分の第１の熱処理で始め、次いで約６９０±２０℃の第２の浸漬温度で約６時間±３０分の第２の熱処理を行う二段階熱処理サイクルにかける。冷却は、鋳造品中の著しい焼き入れと結晶粒成長を回避するように充分に制御された冷却速度が可能な慣用の方法によって行うことができる。例えば、炉冷却技術ではかかる冷却が可能であるが、慣用の空気冷却及び液体急冷技術のような冷却技術では不可能である。
【００１２】
本発明の顕著な利点は、上記のような構成部品が、望ましい組合せの強度、透磁率、及び電気抵抗を示すことができるということである。この性質の組合せにより、構成部品は、磁気遮蔽効果のある別個の構成部品を必要とすることなく固定子端部の加熱を最小にすることができる程度にジュール加熱の傾向を減らすことができる。本構成部品はこれらの利益を達成すると同時に固定子内にシートを支持すると共にその位置を維持するのに充分な強度を提供することができる。
【００１３】
本発明のその他の目的と利点は以下の詳細な説明からより明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、電動機械の固定子と回転子の部分断面図であり、従来技術による別個の磁束遮蔽板を備えた固定子が示されている。
【図２】図２は、図１と類似であるが、本発明に従って修正された固定子フランジの結果として磁束遮蔽板が排除された固定子と回転子の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
電動機械の固定子５０を図２に示す。この固定子５０とその構成部品は単なる例示であり、その特定の構成は、電動機械に使用するのに必要な性質及び特徴は別として、本発明の範囲を限定するものとして解するべきではない。図１の従来技術の固定子１０と同様に、固定子５０は、フレーム５６に支持された高品質ケイ素鋼のような低損失で低い磁気リラクタンスの材料の複数の薄いシート５４を有している。シートは５４は、バンドル５８間に非磁性スペーサー（図には示してない）により創出された空隙６０によって分離されているバンドル５８として集合している。電力の生成に使用される発電機のような電動機械の一部として、回転子５２は、固定子５０内で回転自在に同軸に支持されている。回転子５２は、その外周部で長手方向の（軸方向に伸延する）溝７０内に位置し回転子５２の端部から長手方向に突出する界磁巻線７２を有している。界磁巻線７２は、回転子５２のコア端部に取り付けられた止め輪７６により閉じ込められた座巻７４をもっている。固定子５０は、シート５４内に形成された溝（図には示してない）内に位置する電機子巻き付け部６４をもっており、これら巻線６４の座巻６６は回転子止め輪７６の周囲で固定子５０から外向きに伸延している。
【００１６】
図１に示した固定子１０の場合と同様に、固定子５０のシート５４は固定子フランジ６２により軸方向に圧迫されており、そのフランジのうちの１つを図２に断面で示す。このフランジ５２は、固定子５０のコア端部にあるものとして描かれており、その外周部は固定子フレーム５６に当接している。フランジ５２は一般に固定子５０と同軸の環状形状であり、従って図に示した部分と直径方向反対側のフランジ５２の下側の部分（図には示してない）の断面は、図に示した部分の実質的な鏡像となる断面を有するであろう。従来通り、固定子フランジ６２は、シート５４を固定子５０内に支持しその位置を維持するために、シート５４を共に軸方向に圧迫するのに適当な強度をもっていなければならない。このため、フランジ６２は高強度材料で形成されなければならない。しかし、図１と２を比較すると明らかなように、図２の固定子５０はその座巻７４に隣接して別個の磁束遮蔽板をもっていない。図１に示した遮蔽板２８のような磁束遮蔽板がないと、回転子５２の座巻７４は磁束を創出し、この磁束が固定子５０のシート５４内に渦電流を誘導することにより、その機械の効率を低下させると共に、シート５４内、及び固定子５０の両端に位置するフランジ６２内で過度の温度を生じる可能性があるジュール加熱を誘導する。本発明の好ましい実施形態によると、フランジ６２は、図１の従来技術の固定子１０の磁束遮蔽板２８の排除を可能とする性質を有するような材料で形成され、そのように加工処理される。材料及び製造のコストを低減することに加えて、磁束遮蔽板２８の排除により、固定子１０内を通る冷却流を改良することも可能になる。
【００１７】
本発明の第１の局面によると、フランジ６２は、望ましい強度、靱性、及び機械加工性の特性、並びに望ましい磁気特性を示す延性鉄（鋳造ノジュール状鉄）合金で形成される。延性鉄合金の適切、好適、及び公称組成（概算、重量パーセント）を以下の表Ｉに要約して示す。
【００１８】
【表１】
0005683074.tif 000002
この合金はまた、不可避不純物、例えば、好ましくは０．００２％未満の鉛、０．００１％未満のアンチモン、０．０１％未満のスズ、０．０２％未満のヒ素、０．０５％未満のアルミニウム、及び０．０２％未満のテルルを含有していてもよい。この合金の鋳造品は、好ましくは、９０％を超える球状黒鉛鉄ノジュール率及び望ましいノジュール数を含有する金属ミクロ組織を有する。合金鋳造品中の所望の金属ミクロ組織は、鋳造試験クーポン(cast-on test coupon)を用い、ＡＳＴＭ規格Ａ５３６に従って、かかる試験クーポンが９０％を超える球状黒鉛鉄ノジュール率及び１００／平方ミリメートルを超えるノジュール数を含有することを基準として確認することができる。
【００１９】
以下に報告する研究において、ケイ素の含有量に関係なく、約０．２〜５．０重量パーセントの範囲でニッケル含有量が増大すると抵抗率（比抵抗）が増大し、また、ニッケル含有量に関係なく、約２．５〜４．２重量パーセントの範囲でケイ素含有量を増大させると合金の抵抗率が増大することが確認された。また、鋳造したままの合金の透磁率はケイ素含有量に関係なくニッケル含有量の増大と共に低下することも確かめられた。透磁率は渦電流応答に影響し、導電率に対して著しい効果を有するが、ジュール加熱に起因する渦電流損失は抵抗率を増大することで低減することができる。従って、高い透磁率と抵抗率はフランジ６２のジュール加熱を最小にするのに望ましい性質であると考えられるが、本発明に達することになった研究で調製した合金試験片のケイ素及びニッケル含有量を単に増大することではいずれも達成されなかった。
【００２０】
これらの研究のために調製した合金を、それらの合金の幾つかの機械的磁気的性質と共に以下の表IIに要約して示す。表II中、「ＡＣ」は鋳造したままの状態の合金を示し、「ＨＴ」は対応する数字のＡＣ合金（例えば、ＡＣ１に対してＨＴ１）と同様な組成であるが合金の透磁率及び抵抗率に影響を与えるためにさらに熱処理をした合金を示す。フェライト系延性鉄の熱処理はフェライト化(ferritization)により電気抵抗特性を改良する傾向がある。この研究では、評価する延性鉄合金の電気的及び透磁率特性を改良しようとして二段階の熱処理を考案した。全ての熱処理において、室温から約９１０±２０℃の浸漬温度まで約２℃／分の速度で加熱し、その浸漬温度に約３時間±３０分保持し、その浸漬温度から約６９０±２０℃の第２の浸漬温度まで約１℃／分の速度で冷却し、その第２の浸漬温度に約６時間±３０分保持し、その第２の浸漬温度から約２００±２０℃の温度まで約１．５℃／分の速度で冷却し、その後室温まで空気冷却した。
【００２１】
【表２】
0005683074.tif 000003
表IIの結果から、強度はケイ素及びニッケルレベルの増大と共に増大するが、透磁率はニッケル含有量の増大と共に低下することが分かる。また、ニッケルレベルが約１．４〜１．５％（ＡＣ３、ＡＣ４、ＨＴ３、及びＨＴ４）及び約４．６〜５．６％（ＡＣ５、ＡＣ６、ＨＴ５、及びＨＴ６）の合金の場合、ケイ素含有量が増大すると、透磁率が改良され、やや高い抵抗率が得られる。さらに、ケイ素レベルがほぼ４％の合金を比較すると（ＡＣ６、ＡＣ７、ＨＴ６、ＨＴ７）、ニッケル含有量の増大はやや高い抵抗率をもたらしたが、透磁率を劇的に低下させたことが分かる。最も低いニッケル含有量を有する合金の場合（ＡＣ１、ＡＣ２、ＨＴ１、ＨＴ２）、低い抵抗率（５５μ−ｏｈｍ・ｃｍ未満）が得られ、改良された透磁率が熱処理によって達成することができた（ＨＴ１及びＨＴ２とＡＣ１及びＡＣ２との比較）。最後に、熱処理した合金（ＨＴ１〜ＨＴ７）を、類似の組成を有する未処理の合金（ＡＣ１〜ＡＣ７）と比較することにより、全ての熱処理した合金は透磁率の点で対応する未処理の合金より大幅に優れており、７つの熱処理した合金のうちの６つは対応する未処理の合金と比べてより高い抵抗率を示し、例外は合金ＡＣ６及びＨＴ６がほぼ等しい抵抗率を示したことが分かる。従って、この研究により、熱処理は、評価した合金の場合鋳造したままの状態で得られた透磁率及び抵抗率を増大させることができるということが示された。
【００２２】
上記の結果を基にして、ＡＣ６及びＨＴ６にほぼ対応する合金組成物が、これらの材料で形成される固定子フランジ６２により、磁束遮蔽能を有する別個の構成部品（例えば、遮蔽板２８）の必要性を排除することを可能にする、７０μ−ｏｈｍ・ｃｍ以上の抵抗率及び５００Ｈ／ｍ以上の最大透磁率のような望ましいバランスのとれた特性を示すものとして同定された。高いニッケルレベルが透磁率に及ぼす効果を考慮して、ＨＴ６よりもＡＣ６の組成に近い表Ｉの公称組成に対応する組成を有する熱処理した合金が、最適の性質により近い特性を示すと結論した。最後に、表Ｉに示した限定量のマンガンの添加は機械的性質を改良することができ、一方表Ｉに示した限定量のマグネシウムの添加は所望のノジュール状黒鉛形状を得ると共に不純物の影響を相殺するのに望ましい。
【００２３】
固定子５０に本発明の合金で形成されたフランジ６２を利用する発電機で予想され得る電力損失特性に関して、細長い小面積のヒステリシス（ＢＨ）ループは低減した電力損失に対応することに注意されたい。特に、細長いＢＨループは低い残磁性、低い残留磁場、及び低いリラクタンスのより容易な磁化を示す。さらに、小さいヒステリシスループのより高い飽和磁束密度（Ｂｓ）は固定子の大きさを最小化するのに望ましい。表Ｉに示した合金の比較的高い透磁率と抵抗率はかかる利益をもたらすと考えられる。
【００２４】
特定の実施形態に関連して本発明を説明して来たが、明らかに、当業者は他の形態を採用することができよう。例えば、フランジ６２及びそれを使用する（固定子５０と回転子５２を含む）電動機械の物理的構成は図示のものから変えることができる。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ制限されるものである。
【符号の説明】
【００２５】
１０  従来技術の固定子
１２  回転子
１４  シート
１６  フレーム
１８  バンドル
２０  空隙
２２  フランジ
２４  巻線
２６  座巻
２８  磁束遮蔽板
３０  溝
３２  界磁巻線
３４  座巻
３６  止め輪
５０  固定子
５２  回転子
５４  シート
５６  フレーム
５８  バンドル
６０  空隙
６２  フランジ
６４  巻線
６６  座巻
７０  溝
７２  巻線
７４  座巻
７６  止め輪
【図１】
0005683074.tif 000004
【図２】
0005683074.tif 000005