(57)【要約】ロータ（１）とステータ（３）との間にあるエアーギャップの中またはエアーギャップに隣接して配置される軸受装置（５、１６）によって、ロータ（１）がステータ（３）に回転可能に支えられる回転電気機械が記載される。
2006517081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ（３）およびロータ（１）から構成される２つの互いに回転可能な主要部品（１、３）を含む回転電気機械であって、２つの主要部品（１、３）の間のエアーギャップ（４）の中またはエアーギャップ（４）に隣接して配置される軸受装置（５、１６）によって、ロータ（１）がステータ（３）に回転可能に支えられることを特徴とする回転電気機械。
【請求項２】
軸受装置（５、１６）は、主要部品のうちの１つ（３）の周辺方向に配置される少なくとも１つの連続する軸受軌道輪（１６）、および第２の主要部品（１）の周辺方向に間隔をおいて配置される少なくとも１組の軸受エレメント（５）を含み、前記第１の主要部品（３）の１つの軸受軌道輪（１６）と接触し、協働するように作られることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
軸受エレメントは前記第２の主要部品（１）に回転可能に支えられる転がりエレメント（５）によって構成されることを特徴とする、請求項２に記載の電気機械。
【請求項４】
軸受エレメント（５）は前記第２の主要部品（１）に接続される滑りエレメントを構成することを特徴とする、請求項２に記載の電気機械。
【請求項５】
軸受エレメント（５）は軸受軌道輪（１６）と弾性接触するように作られることを特徴とする、請求項２から請求項４のいずれかに記載の電気機械。
【請求項６】
電気機械は軸受エレメント（５）と軸受軌道輪（１６）との間の接触圧力の調節を可能にするように構成されることを特徴とする、請求項５に記載の電気機械。
【請求項７】
ステータ（３）は径方向の内側のエレメントであり、ロータ（１）はステータ（３）のまわりに環状に延在する径方向の外側のエレメントであることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の電気機械。
【請求項８】
軸受装置（５、１６）は組合せられる径方向および軸方向の軸受装置として働くように構成されることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の電気機械。
【請求項９】
軸受エレメント（５）は弾性の材料からなる内側または外側の層（１８）を伴って構成されることを特徴とする、請求項２から請求項８のいずれかに記載の電気機械。
【請求項１０】
電気機械は、主要部品（１、３）の間に温度差がある時に、エアーギャップの大きさおよび協働する軸受装置の間の接触圧力を所望の値に少なくともほぼ維持することができる手段（２３、２４）を伴って構成され、２つの主要部品（１、３）の間の温度差に左右されないことを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の電気機械。
【請求項１１】
ステータ（３）はスポークのような張力棒（１２）により、ステータの内部中央部分によって支持される外側の環状本体を与えることを特徴とする、請求項７に記載の電気機械。
【請求項１２】
張力棒（１２）は振動ダンパを備え付けられることを特徴とする、請求項１１に記載の電気機械。
【請求項１３】
張力棒（１２）はステータの外側の環状本体とステータの内部中央部分との間に弾性の接続を形成するように作られることを特徴とする、請求項１１または請求項１２に記載の
電気機械。
【請求項１４】
ロータ（１）はキャリア手段（１３）によって外側の軸（２７）に弾性的に接続され、前記軸（２７）とロータ（１）との間でトルクを伝達し得ることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の電気機械。
【請求項１５】
２つの主要部品（１、３）のうちの少なくとも１つ（１）はこの機械の周辺方向に互いに接続されるいくつかの連続する部分（２５）によって形成されることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の電気機械。
【請求項１６】
前記部分（２５）は限定的に互いに移動可能であることを特徴とする、請求項１５に記載の電気機械。
【請求項１７】
先行する請求項のいずれかに記載の発電機である電気機械を含む発電所。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ステータおよびロータから構成される２つの互いに回転する主要部品を含む回転電気機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
先行技術の機械では、その機械が電動機としての使用を目的としているか、発電機としての使用を目的としているかにかかわらず、ロータは従来からステータに回転可能に支えられる中央軸のまわりに作られてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非常に大きな直径の機械についても、ロータは以前より伝統的に前記の方法でステータによって構成され、担持されてきた。数メートルの直径を有する発電機などの、低速の水力タービンまたは風力タービンによって駆動されるこのような非常に大きな機械では、これらの設計原理はかなりの欠点を有する。ロータとステータとの間のエアーギャップは非常に大きな機械にとってもかなり小さいものでなければならず、一般には数ミリメートルでなければならないのだが、そのエアーギャップに高精度を達成し、維持する必要があるために、ステータおよびロータを非常に強固に、重く設計しなければならない。これは、製造コストが非常に高くなることを意味する。このように、最大達成可能な直径は実際にはかなり制限される。
【０００４】
したがって、この発明の目的は、序論に記載されるタイプの改良された電気機械を作ることであり、その改良された電気機械では記載される先行技術の機械の欠点が回避され得る。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に従ってこの目的のために提案される機械は第１に、ロータがステータに対し、これら２つの主要部品の間にあるエアーギャップの中またはエアーギャップに隣接して配置される軸受装置によって、回転可能に支えられることによって特徴付けられる。
【０００６】
回転可能なロータの軸受をステータに与える目的で、中央に配置される軸受装置の代わりに、エアーギャップの中またはエアーギャップに隣接して配置される軸受装置を利用することによって、エアーギャップの所望の大きさを与えるのに必要な、機械の主要部品の剛性の必要性を、エアーギャップに直接に隣接する機械の主要部品の部分に限定することが可能である。これは、ステータおよびロータの両方が以前に可能であったよりもかなり軽量に作られ得ること、および機械が以前に可能であったよりもかなり大きな直径を伴って作られ得ることを意味する。これは、低速の水力タービンおよび風力タービンによって直接に駆動されるように意図される発電機にとって特に重要である。可能な限り大きな直径を有するこのような発電機を作ることが有利であるのは、そのような発電機が電気的および磁気的に活性な材料の量を削減できるという理由からである。径方向のエアーギャップを有する回転電気機械では、達成可能な電力はエアーギャップの直径の二乗に比例し、エアーギャップの長さに線形に比例するが、必要な電気的および磁気的に活性な材料の量はエアーギャップの直径およびエアーギャップの長さの両方に線形に比例する。
【０００７】
軸受装置は好ましくは、主要部品のうちの１つにその周辺方向に配置される少なくとも１つの連続する軸受軌道輪、および第２の主要部品に間隔をおいてその周辺方向に配置される少なくとも１組の軸受エレメントを含む。軸受装置は、前記第１の主要部品の協働す
る軸受軌道輪と接触するように配置される。
【０００８】
軸受エレメントが前記第２の主要部品に回転可能に支えられる転がりエレメントによって構成されることは好適である。代替的に、軸受エレメントは前記第２の主要部品に接続される滑りエレメントによって構成されてもよい。
【０００９】
さらに、軸受エレメントは好ましくは、軸受軌道輪と弾性接触するように作られ得る。有利に、この機械は軸受エレメントと軸受軌道輪との間の接触圧力の調節を可能にするように作られ得る。
【００１０】
先行技術の機械と同様に、ロータは径方向の内側のエレメントによって構成され、ステータはロータのまわりに環状に延在する径方向の外側のエレメントによって構成されてもよい。
【００１１】
しかしながらその代わりに、この発明の好ましい実施例に従って、ステータは径方向の内側のエレメントによって構成され、一方でロータはステータのまわりに環状に延在する径方向の外側のエレメントによって構成され、ステータを囲む。このようにステータに対してロータが逆に位置することにより、この機械の低重量を達成することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この発明はさらに、同封の図面に関連して以下に記載される。
【００１３】
図１はこの発明に従う回転電気機械の一般的な原理を概略的に図示する。回転電気機械は好ましくは、その長さに対して大きな直径および多くの極を有し、低回転速度向けに設計される。ここで長さに対して大きな直径とは、少なくとも長さの２倍と等値である直径を意味する。この機械は、概して１として示され、機械の縦軸２のまわりで回転可能であり、概して３として示されるステータによって囲まれるロータを含む。ロータ１およびステータ３を含むこの機械の２つの主要部品の間に、径方向のエアーギャップ４が存在する。
【００１４】
ロータ１は、概略的に示される軸受装置５によってステータに回転可能に支えられる。軸受装置５は図１ではエアーギャップ４の中に示されるが、エアーギャップ４に隣接していればその外側に配置されてもよい。ロータおよびステータの電気的ならびに磁気的に活性な部品はそれぞれ６および７、８で示され、すべての必要な鉄芯、巻線、および適用可能な場合には永久磁石を含む。
【００１５】
この発明の基本原理は、エアーギャップの中またはエアーギャップに隣接して配置される軸受装置によって、ロータがステータに回転可能に支えられるというものである。これは、ロータに固定して接続される軸を担持する先行技術の軸受装置の代わりに、機械の中心から径方向にエアーギャップとおおむね同距離に軸受装置が配置されることを意味する。この発明に従って、この原理は、軸方向または横方向のエアーギャップを有する機械にも適用され得る。また、この原理は、ステータおよび／またはロータを、互いに間隔をおいて配置されるいくつかの部分に軸方向または径方向に分割することによって作られる２つ以上のエアーギャップを有する機械にも適用され得る。
【００１６】
上記に記載される基本原理に従って作られる、大きな直径を有する電気機械にとって、従来の滑り軸受または転がり軸受を軸受装置として利用することは不都合または不可能である。したがって、他のタイプの軸受装置が図２−図６に示される実施例の中で使用される。
【００１７】
さらに、図２−図６に示される実施例の中のロータ１は、径方向の内側のエレメントとして作られるステータ３のまわりに環状に延在する径方向の外側のエレメントとして作られる。ロータの極は永久磁石６によって形成され、製造上の理由から各々の永久磁石はいくつかの部品を含んでもよい。磁石は、好ましくは接着によって、負荷を担持する環状のロータ構造９に固定される。
【００１８】
ステータ３は多数の鋼製の積層７から作られ、巻線８を備え付けられる。鋼製の積層は、積層パッケージを介し、パッケージの各々の側にある２つの環状のフランジ１１を介して軸方向に延在する張力棒１０によってまとめられる。このようにステータは環状の外側本体に高い剛性を与えることになる。この本体は、スポークのような張力棒１２によってステータの内部中央部分に接続され、所望のステータの剛性に貢献する。好ましくは、フランジ１１は互いに接続されるいくつかの弧形に湾曲する部分から構成される。
【００１９】
ステータ３に対して回転可能なロータ１の軸受のために機能する軸受装置は、各々のフランジ１１の内側に曲げられる端部部分によって形成される２つの軸受軌道輪１６を含み、その軌道輪がフランジの周辺方向に連続して延びる。軸受装置はさらに、ロータ本体のわきに間隔をおいてその周辺方向に位置し、協働する軸受軌道輪１６の各々の組に１つの転がりエレメントと接触するように配置される転がりエレメントの対としてさらに配置される、２組の軸受エレメント５を含む。たとえば、各々の転がりエレメント５は、ロータ本体９によって支えられる弾性ホルダ１４に接続されるスピンドル２６に回転可能に支えられる、鋼製または同様の耐久性のある材料からなる外側の環状エレメント１９を含んでもよい。リング１９とステータ３の協働する軸受軌道輪１６との間の接触圧力を調節可能にするために、スピンドル２６は、たとえばスピンドル２６に偏心ケーシング２０を与えることによって、ホルダ１４に対して径方向に限定的な変位を可能にするように配置されてもよい。各々の転がりエレメント５の滑らかで静かな動作を促進するために、リング１９は弾性の材料から成る内側の環状エレメント１８によってスピンドル２６に接続されてもよい。代替的には、リング１９は弾性の材料から成る外側のコーティングを与えられてもよい。
【００２０】
この発明の代替的な実施例に従って、軸受エレメント５として機能する回転可能な転がりエレメントの代わりに、ロータ１に接続され、軸受軌道輪１６と協働する滑りエレメントを使用する。軸受軌道輪と接触するように意図される滑りエレメントの少なくともそれらの部品は、含有油を有する好適な可塑性の材料もしくは含有油を含まない好適な可塑性の材料、または焼結して油が含浸する金属製の材料から構成されてもよい。この場合にも、軸受エレメントは軸受軌道輪と弾性接触し、つまり調節可能な接触圧力を有するであろう。
【００２１】
また、軸受軌道輪をステータに接続させ、軸受エレメントをロータに接続させる代わりに、ロータに接続される軸受軌道輪およびステータに接続される軸受エレメントを利用し得ることが記載される。
【００２２】
軸受エレメント５が転がりエレメントとして作られるか、滑りエレメントとして作られるかにかかわらず、軸受エレメント５はステータに対して軸方向にロータを誘導することを保証するように配置されてもよい。図５に示されるように、たとえば転がりエレメント５は発電機の中央軸２に対してある角度を形成する回転軸を伴って配置されてもよい。
【００２３】
ロータおよびステータの両方は、任意の、好適な方法で周辺方向にともに結合されるであろう、いくつかの連続する部分によって形成されてもよい。
【００２４】
外側の軸２７からロータ１にトルクを伝達するために、またその逆の場合のために、ロ
ータは図２に概略的にのみ輪郭を描かれるキャリア１３を備え付けられてもよい。
【００２５】
この機械が風力タービンによって駆動される発電機である場合、回転速度によって変化し、捩れ振動を引起す可能性のある周期的なトルクの変化にこの機械はさらされることになる。さらに、すべての電気機械は、最終的に発生する短絡の際に、深刻な周期的な振動にさらされる。このような振動の影響を避けるか、または少なくとも最小化するために、一定の弾性および／または制動をこのシステムに含むことは有利であろう。
【００２６】
この目的のために、棒１２によって作られる、ステータ３の内側部品と外側部品との間の接続は、弾性的におよび／または抑制するように配置されてもよい。代替的に、または加えて、キャリア１３がこのような特性を与えられてもよい。短絡が生じている間の特性に関しては、交流の機械の固有振動数は電気振動数の約２／３である。固有振動数はこのシステムの慣性質量モーメントおよびばね定数に左右される。
【００２７】
ロータとステータとの間に働いている非常に強い磁気圧力が不都合に大きな軸受圧力および摩擦損失をもたらすことを回避するために、前記磁気圧力が軸受装置５、１６のみによってではなくロータ材料の中にひずみとしてかなりの程度まで吸収されるように機械を設計することは好適である。この目的のために、軸受装置の接触圧力は、たとえば偏心ケーシング２０の調節機能を使用することによって調節されるであろう。
【００２８】
動作中に、ロータおよびステータの両方の温度が上昇することになる。ロータとステータとの間にかなりの温度差が生じるであろう。これによって過度の軸受力がもたらされることを回避するために、前述のように、軸受エレメント５を弾性ホルダ１４に取付けることは有利である。
【００２９】
場合によっては、ロータとステータとの間の温度差は大きくなる（数十度）。非常に大きな直径を有する機械にとって、上記に記載される構成は不十分であろう。この機械は、エアーギャップの大きさおよび軸受圧力を調節する自動調節の構成で補完されてもよい。図７はこのような装置の実現可能な設計を示す。磁気力は、ロータ１をステータ３に引寄せ、このようにしてエアーギャップ４を縮小させ、さらに隣接するロータ部分２５を互いに向かって移動させる傾向がある。所望の調節機能を達成するために、軸受エレメント５はレバー２３で支えられ、レバー２３は偏心輪２４によって軸受エレメントの径方向の移動の際に、ロータ部分２５の間に接線方向の相対的な動きをもたらす。この動きが可能なのは、２つのロータ部分２５を互いに接続するフィッティング２１が楕円形の穴２２の中のピンまたは何らかの他の同様の構成によってロータ部分のうちの１つに接続されるからである。レバー２３の動きとロータ部分の相対的な動きとの間の歯車比が、記載されるエレメントの位置によって変化するように、偏心輪２４は設計される。異なる構成要素を好適な方法で寸法決めすることによって、所望の接触圧力およびエアーギャップ４で平衡状態が確実に達成され得る。ステータ３の温度がロータ１よりも上昇すると、ステータ３の大きさはロータに対して大きくなり、軸受装置５は径方向に外側に移動される。ロータ部分２５の双方は互いから離れるように移動し、エアーギャップ４および接触圧力を所望の値に少なくともほぼ復元することになる。
【００３０】
経済的な理由から、剛性および精度を有する形状を要求することを極端に強制することはできない。１つまたはいくつかの寸法においてロータに意図的に弾性をもたせる場合には、より大きな許容差が許容されるであろう。これによって、高い材料応力または大きな接触圧力なしに、ロータが規定の形状からのずれを有するステータと組合されることができる。回転中に、ロータはわずかに変形することになる。ロータ部分自体を弾性にすることによって、およびロータ部分の間にある接合エレメント２１を弾性にすることによって、このコンプライアンスは達成されるであろう。代替的には、この機械は弾性のステータ
および剛性のロータで作られ得る。上記に記載される解決策は、最終的に形状にずれが生じた際に適度の加速および適度の力をもたらすことを意味する、大きな直径の電気機械の低回転速度のために容易になる。
【００３１】
前述のように、軸受装置からのノイズの発生および拡散は、弾性の外側のコーティングまたは弾性のインサートを有する転がりエレメントを利用することによって打消されるであろう。ステータの鋼製のパッケージは、高い内部制動を有する構成部分を構成し、これもノイズの制限をもたらす。
【００３２】
スポークのようなステータ棒１２、およびロータに連結されるキャリア１３の前述の弾性の特徴もまた、振動およびノイズの拡散を防ぐことに役立つであろう。さらに、棒１２は、以前に公知の原理に従って質量、ばね、および振動が抑えられる物体と質量を接続するダンパから構成されるであろう振動ダンパを与えられてもよい。ある一定の場合には、所望の機能はダンパがなくても達成され、ばねがなくても達成されることもあり得るであろう。
【００３３】
ノイズの拡散を減少させる別の方法は、ロータおよびステータの空いた外側の表面をコーティングするというもの、またはたとえばある一定の粘弾性の材料またはコンクリートなどの高い内部制動を有する材料でそれらの構成要素の中の空洞を埋めるというものである。
【００３４】
ステータを組立てることによってこの機械の製造を始めることは好適である。その後、好適な方法でロータ部分は一度に１つずつステータに取付けられ、先に取付けられた部分に接続される。
【００３５】
ロータが永久磁石を与えられる場合、磁化されていないか、または磁化されている永久磁石６がロータ部分に取付けられるであろう。前者の場合、磁化は、このために設計および寸法決めされる１つまたはいくつかのステータの極によって、および好適な一時的な電源とともに使用することによって達成され得る。この装置はまた、所望であれば、起こり得る解体の場合の取扱い上の理由などのために、ロータの永久磁石を脱磁するためにも使用されるであろう。代替的には、別個の磁化装置が一時的にステータに備え付けられる。
【００３６】
結論として、この発明により以前よりも材料の消費が少ない電気機械、特に低回転速度の発電機が製造可能であり、これはかなりの経済的利益に繋がる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明に従う電気機械の一般的な構成を概略的に図示する。
【図２】電気機械の縦方向の断面をこの発明の実際的な実施例の例としてのみ示す。
【図３】図２に従うこの機械の端部断面である。
【図４】図３の拡大部を表す。
【図５】図４の線Ａ−Ａに沿った断面の部分図である。
【図６】この機械で軸受装置として機能するいくつかの転がりエレメントのうちの１つの断面図である。
【図７】断面の部分図であり、記載される転がりエレメントを取付ける代替的な方法を示す。
【図１】
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【図２】
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【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】
2006517081.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月21日(2004.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ（３）およびロータ（１）から構成される２つの互いに回転可能な主要部品（１、３）を含む回転電気機械であって、
エアーギャップ（４）の所望の大きさを与えるために、２つの主要部品（１、３）の間のエアーギャップ（４）の中またはエアーギャップ（４）に隣接して配置される軸受装置（５、１６）によって、ロータ（１）がステータ（３）に回転可能に支えられることと、
主要部品（１、３）の直径はその長さよりもかなり大きいこととを特徴とする回転電気機械。
【請求項２】
ステータ（３）は径方向の内側のエレメントであり、ロータ（１）はステータ（３）のまわりに環状に延在する径方向の外側のエレメントであることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
ステータ（３）はスポークのような張力棒（１２）により、ステータの内部中央部分によって支持される外側の環状本体を与えることを特徴とする、請求項２に記載の電気機械。
【請求項４】
張力棒（１２）は振動ダンパを備え付けられることを特徴とする、請求項３に記載の電気機械。
【請求項５】
張力棒（１２）はステータの外側の環状本体とステータの内部中央部分との間に弾性の接続を形成するように作られることを特徴とする、請求項３または請求項４に記載の電気機械。
【請求項６】
軸受装置（５、１６）は、主要部品のうちの１つ（３）の周辺方向に配置される少なくとも１つの連続する軸受軌道輪（１６）、および第２の主要部品（１）の周辺方向に間隔をおいて配置される少なくとも１組の軸受エレメント（５）を含み、前記第１の主要部品（３）の１つの軸受軌道輪（１６）と接触し、協働するように作られることを特徴とする
、先行する請求項のいずれかに記載の電気機械。
【請求項７】
軸受エレメントは前記第２の主要部品（１）に回転可能に支えられる転がりエレメント（５）によって構成されることを特徴とする、請求項６に記載の電気機械。
【請求項８】
軸受エレメント（５）は前記第２の主要部品（１）に接続される滑りエレメントを構成することを特徴とする、請求項６に記載の電気機械。
【請求項９】
軸受エレメント（５）は軸受軌道輪（１６）と弾性接触するように作られることを特徴とする、請求項６から請求項８のいずれかに記載の電気機械。
【請求項１０】
電気機械は軸受エレメント（５）と軸受軌道輪（１６）との間の接触圧力の調節を可能にするように構成されることを特徴とする、請求項９に記載の電気機械。
【請求項１１】
軸受装置（５、１６）は組合せられる径方向および軸方向の軸受装置として働くように構成されることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の電気機械。
【請求項１２】
軸受エレメント（５）は弾性の材料からなる内側または外側の層（１８）を伴って構成されることを特徴とする、請求項６から請求項１１のいずれかに記載の電気機械。
【請求項１３】
電気機械はエアーギャップの大きさおよび協働する軸受装置（５、１６）の間の接触圧力の調節を可能にする手段を伴って構成されることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の電気機械。
【請求項１４】
ロータ（１）はキャリア手段（１３）によって外側の軸（２７）に弾性的に接続され、前記軸（２７）とロータ（１）との間でトルクを伝達し得ることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の電気機械。
【請求項１５】
２つの主要部品（１、３）のうちの少なくとも１つ（１）はこの機械の周辺方向に互いに接続されるいくつかの連続する部分（２５）によって形成されることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の電気機械。
【請求項１６】
前記部分（２５）は限定的に互いに移動可能であることを特徴とする、請求項１５に記載の電気機械。
【請求項１７】
回転電気機械から構成される発電機を含む発電所はステータ（３）およびロータ（１）から構成される２つの互いに回転可能な主要部品（１、３）を含み、
エアーギャップ（４）の所望の大きさを与える、２つの主要部品（１、３）の間のエアーギャップ（４）の中またはエアーギャップ（４）に隣接して配置される軸受装置（５、１６）によって、ロータ（１）がステータ（３）に回転可能に支えられ、
主要部品（１、３）の直径はその長さよりもかなり大きい発電所。
【国際調査報告】
2006517081.tif 000010
2006517081.tif 000011