(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機ロータ（１２）に関する保持リング（１４）の縦方向並進運動を制限する環状リングキー（１０ａ、ｃ）であって、このリングキー（１０ａ、ｃ）は軸方向厚さが比較的小さい複数の解放領域（３２）と、軸方向厚さが比較的大きい複数の隆起領域（３４）とを有し、複数の解放領域（３２）はロータ（１２）の歯領域（２４）とほぼを角度的整列関係にあり、複数の隆起領域（３４）はロータ（１２）の極領域（２６）とほぼ角度的整列関係にあり、少なくとも一部がロータの周溝（３０ｂ）内に、また少なくとも一部が保持リング（１４）の周溝（３０ａ）内に位置する環状リングキー（１０ａ、ｃ）。
【請求項２】
リングキー（１０）は少なくとも１つの半径方向割れ目（２８）を有する請求項１のリングキー（１０ａ、ｃ）。
【請求項３】
ロータ（１２）が通常の運転温度にある間、複数の解放領域（３２）とロータの複数の歯領域（２４）との間にギャップ（３６）が画定されるように両者が互いに離隔している請求項１のリングキー（１０ａ、ｃ）。
【請求項４】
ロータ（１２）が通常の運転温度にある間、複数の解放領域（３２）の少なくとも１つがロータ（１２）の歯領域（２４）と接触関係にある請求項１のリングキー（１０ａ、ｃ）。
【請求項５】
複数の隆起領域（３４）の各々の軸方向厚さは複数の解放領域（３２）の各々の軸方向厚さよりも０．０１０乃至０．０１５インチ大きい請求項１のリングキー（１０ａ、ｃ）。
【請求項６】
発電機ロータに関する保持リング（１４）の縦方向並進運動を制限する環状リングキー（１０ａ、ｃ）であって、このリングキー（１０ａ、ｃ）は少なくとも一部がロータ（１２）の周溝（３０ｂ）内に、また少なくとも一部が保持リング（１４）の周溝（３０ａ）内に位置し、さらに軸方向厚さが比較的小さい複数の第１の領域（４２ａ、ｂ）と、軸方向厚さが比較的大きい複数の第２の領域（４０ａ、ｂ）とを有し、複数の第１の領域（４２ａ、ｂ）はロータ（１２）の極領域（２６）とほぼを角度的整列関係にあり、複数の第２の領域（４０ａ、ｂ）はロータ（１２）の歯領域（２４）とほぼ角度的整列関係にあり、複数の第１の領域（４２ａ、ｂ）はそれぞれ第１の材料で、また複数の第２の領域（４０ａ、ｂ）はそれぞれ第２の材料で作られている環状リングキー（１０ａ、ｃ）。
【請求項７】
第１の材料は第２の材料よりもスティフネスが高い請求項６のリングキー（１０ａ、ｃ）。
【請求項８】
第１の材料は第１の金属よりなり、第２の材料は第２の金属よりなり、第１の金属は第２の金属よりもスティフネスが高い請求項６のリングキー（１０ａ、ｃ）。
【請求項９】
少なくとも１つの半径方向割れ目（２８）を有する請求項６のリングキー（１０ａ、ｃ）。
【請求項１０】
複数の第１の領域（４２ａ）と複数の第２の領域（４０ａ）とはほぼ同じ軸方向厚さを有する請求項６のリングキー（１０ｂ）。
【請求項１１】
複数の第１の領域（４２ｂ）はそれぞれ隆起領域（４２ｂ）を形成し、複数の第２の領域（４０ｂ）はそれぞれ解放領域（４０ｂ）を形成する請求項６のリングキー（１０ｃ）。
【請求項１２】
ロータが通常の運転温度にある間、リングキーの解放領域（４０ｂ）とロータの歯領域（２４）との間にギャップ（３６）が画定されるように両者が互いに離隔している請求項１１のリングキー（１０ｃ）。
【請求項１３】
ロータが通常の運転温度にある間、複数の解放領域（４０ｂ）の少なくとも１つがロータ（１２）の歯領域（２４）と接触関係にある請求項１１のリングキー（１０ｃ）。
【請求項１４】
２つの端部を有するほぼ円筒形のロータ（１２）を備えた発電機装置であって、
ロータの２つの端部はそれぞれ、
各々が縦方向に延びる複数の歯及び縦方向に延びる複数のスロットが形成され複数の歯領域（２４）と、
複数の極領域（２６）と、
周溝（３０ｂ）と、
複数のスロット（１８）の内部に配設され、ロータの端部の近傍で端部巻回部（２２）を形成する複数の界磁巻線（２０）と、
ロータの周溝（３０ｂ）の近傍に位置する周溝（３０ａ）を有し、ロータの端部巻回部（２２）の周りに配設された環状保持リング（１４）と、
前の任意の請求項に記載した環状リングキー（１０ｂ、ｃ）とよりなる発電機装置。
【請求項１５】
複数の第１の領域（３４、４２ａ、ｂ）はそれぞれ隆起領域（３４、４２ｂ）を形成し、複数の第２の領域（３２、４０ａ、ｂ）はそれぞれ解放領域（３２、４０ｂ）を形成する請求項１４のロータ（１２）。
【請求項１６】
複数の第１の領域（３４、４２ａ、ｂ）は第１の材料で形成され、複数の第２の領域（３２、４０ａ、ｂ）は第２の材料で形成され、第１の材料は第２の材料よりもスティフネスが高い請求項１４のロータ（１２）。
【請求項１７】
複数の隆起領域（３４、４２ｂ）は第１の材料で形成され、複数の解放領域（３２、４０ｂ）は第２の材料で形成され、第１の材料は第２の材料よりもスティフネスが高い請求項１４のロータ（１２）。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は発電機に関し、さらに詳細には、保持リングを有する発電機ロータに関する。
発明の背景
発電機のロータは円筒形のロータ本体を有し、この本体の端部から２本のシャフトが延びる。ロータは角度的に歯領域と極領域とに分かれている。歯領域には、ロータを切削加工して形成した縦方向スロットにより画定される一連の歯がある。これらスロットには、界磁巻線と、ロータの回転により生じる遠心力により外れないように該巻線を定位置に保持する楔とが収容されている。
図３を参照して、巻線１２０はロータの各端部において歯１１６を越えて軸方向に延び、この各端部で屈曲して端部巻回部を形成する。端部巻回部は遠心力を制限する歯１１６と楔１１９とが存在しない領域にあるため、端部巻回部とロータ端部の周りに環状の保持リング１１４を配置して、端部巻回部を遠心力に対して拘束する。保持リング１１４は、この保持リングとロータ１１２との対向する周溝１３０ａ、１３０ｂ内に嵌合する、図２に示すような、半径方向の割れ目２８を有するリングキー１１０により、縦方向の定位置に保持される。図３では、充填ブロック及びダンパーバーのような、本発明にとって無関係の部品を図示を明解にするため省いてある。
発電機の運転中、ロータ１１２、特に巻線と端部巻回部の温度が上昇する。そのため、熱膨脹により端部巻回部が保持リング１１４に対して軸方向外側に押圧され、「摩擦力」と呼ぶ軸方向外方の力が発生する。保持リング１１４はロータ１１２に関して縦方向に移動しないようにリングキー１１０により拘束されるため、リングキー１１０はこの摩擦力だけでなく同一方向の他の縦方向力をロータ１１２へ伝達する。図２に示す従来型のリングキー１１０はその厚さと硬度が全周に亘りほぼ均一であるため、摩擦力はロータの歯領域と極領域とにほぼ均等に伝達される。ロータの歯に摩擦力の一部が伝達されるが、これが歯が巻線及び楔からの遠心力により生ずる大きな半径方向応力の影響下に既にあるため、問題である。かかる大きな応力により歯頂部に割れが生じる。
公報ＤＥ  ２３３３６２２Ａ１は、保持リング・リングキー機構を備えたロータを開示している。
従って、ロータの歯領域の縦方向の摩擦力を減少させるリングキーを備えた発電機ロータが要望されている。
発明の概要
ロータの歯に伝達される縦方向の摩擦力を減少させるリングキーを備えた発電機ロータが提供される。このリングキーは、かかる摩擦力の多くを代わりにロータ極領域に伝達することにより、ロータ歯領域に伝達される摩擦力の一部を減少させる。
本発明の実施例では、リングキーに、ロータ歯領域と角度的にほぼ整列する解放領域（即ち、軸方向厚さが小さい領域）を設ける。これら解放領域間の空所を埋めるリングキーの隆起領域は、ロータ極領域と角度的にほぼ整列関係にある。ロータが通常の運転温度にあるときは、これら隆起領域がロータ極領域に押し付けられるため保持リングの縦方向移動が制限される。隆起領域と極領域の間が接触関係にあるのとは対照的に、ロータが通常の運転温度にある時は、解放領域と歯領域の間にギャップが形成される。このギャップにより、保持リングが歯に伝達される縦方向摩擦力を減少させる。
解放領域における解放量（即ち、軸方向厚さの減少量）を、解放領域と歯領域の間にギャップでなくて軽い接触関係が存在するように設計してもよい。このように軽い接触が存在するように設計すると、摩擦力の一部（もっとも減少した量であるが）が歯に伝達される。
別の実施例では、リングキーに解放領域と隆起領域とを設ける代わりに、リングキーがスティフネスが異なる２つの別の材料で形成される。詳説すると、ロータの歯領域と接触するリングキーの領域を、極領域と接触するリングキーの材料よりも低スティフネス材で形成する。さらに別の実施例では、リングキーの解放領域を隆起領域の材料よりも低スティフネス材で形成することにより、最初の２つの実施例の特徴を組み合わせる。この後者の実施例では、解放量の選択は解放領域とロータ歯領域の間が軽く接触するように行う。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明を利用するタイプの発電機ロータの斜視図である。
図２は、従来型リングキーの斜視図である。
図３は、ロータに組み込まれた従来型リングキーを示す。
図４は、巻線、保持リング及びリングキーを取り外した状態で示す本発明を利用するタイプの発電機ロータの横断面図である。
図４Ａは、図４の歯頂部の詳細図である。
図５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、本発明の多くの実施例によるリングキーの斜視図である。
図６Ａ、６Ｂ、６Ｃは、本発明の多くの実施例による、ロータ歯領域においてロータに組み込んだ保持リングを示す図である。
好ましい実施例の説明
本発明を特定の発電機ロータ１２を用いるものとして説明するが、それに限定されるものではない。例えば、図５Ａは四極発電機のロータ１２に対応する４つの隆起領域３４を備えたリングキー１０を示す。しかしながら、本発明は図示のものとは異なる数の極及び幾何学的構成の発電機ロータにも利用可能である。
図１を参照して、図示の発電機ロータ１２は本発明を利用する二極構造である。図４、５Ａ乃至５Ｃは、４つの歯領域２４と４つの極領域２６とを備えた四極発電機のリングキー１０を示す。各歯領域２４は数個の縦方向スロット１８により形成され、これらのスロットの間に複数の歯１６が形成されている。歯１６とスロット１８とは通常、ロータ１２の長さ全体に亘って延びる。各スロット１８には、楔１９と界磁巻線２０とが従来の態様で堅く装着されている。ロータ１２の各端部の上の巻線２０の端部巻回部２２は、保持リング１４によってその移動を制限される。図６Ａ、６Ｂ、６Ｃに示すように、リングキー１０は、その一部が保持リング１４の周溝３０ａ内に、また別の一部がロータ１２の対向する周溝３０ｂ内に位置する。
本発明の３つの実施例は本発明を例示するに過ぎない。図５Ａ、６Ａ、７に示す本発明の第１の実施例のリングキー１０ａは、４つの解放領域３２と、４つの隆起領域３４とを有する。リングキーの隆起領域３４は、ロータの極領域２６と角度的整列関係にある。ロータの歯領域２４とほぼ同じアーク長を有するリングキーの解放領域３２は、これらの歯領域２４と角度的整列関係にある。本明細書及び後記の請求の範囲に用いる用語「解放領域」は、対応する隆起領域よりも厚さが小さいリングキーの領域を意味する。
解放領域３２と隆起領域３４との軸方向厚さの差は、ペンシルベニア州、ピッツバーグのウエスチングハウス・エレクトリック・コーポレイションにより供給される四極、６７インチ閉スロット発電機ロータでは０．０１０乃至０．０１５インチである。この軸方向厚さの差は、本発明をロータ直径が異なる他の発電機に用いた場合は異なる値になるであろう。軸方向厚さの差の大きさは、直径が異なる他の発電機に通暁する当業者にとって明らかであろう。
再び図５Ａ、６Ａ及び７を参照して、リングキーの解放領域３２はロータ１２の外側に向いている。ロータ１２が通常の運転温度の時、これらの隆起領域３４は、図７に示すように、ロータ極領域２６と接触する。隆起領域３４は極領域２６に対して押し付けられるが、解放領域３２と隆起領域３４とは軸方向厚さが異なるため、解放領域３２とロータの歯領域２４との間に、図６Ａに示すようなギャップ３６が生じる。本発明は、軸方向厚さに歯領域２４と解放領域３２とが軽く接触するような差がある場合も包含する。詳しくは、解放量を減少させて（即ち、厚さの差を小さくして）、解放領域３２と歯領域２４との間にギャップ３６ができずに両者が軽く接触するようにできる。
本発明の第２の実施例を示す図５Ｂ、６Ｂ及び７を参照して、リングキー１０ｂは２つの別個の金属で形成されている。リングキーの４つの第１の領域４０ａをスティフネスの低い金属（例えば、アルミニウム）で形成する。第１の領域４０ａは、ロータの４つの歯領域２４とほぼ角度的整列関係にある。リングキーの４つの第２の領域４２ａはスティフネスの高い材料、例えば、スチールで形成する。第２の領域４２ａは、ロータの４つの極領域２６とほぼ角度的整列関係にある。第１の領域４０ａと第２の領域４２ａとは軸方向厚さが同一である（即ち、解放領域がない）ため、ロータ１２が通常の運転温度の時は第１の領域４０ａはロータの歯領域２４と接触する。
図５Ｃ、６Ｃ及び７を参照して、本発明の第３の実施例は第１及び第２の実施例の両方の特徴を備えたものである。リングキー１０ｃは、第１の材料で形成した４つの解放領域４０ｂと、第２の材料で形成した４つの隆起領域４２ｂとを備えている。第１の金属は低スティフネスの金属、例えばアルミニウムであり、第２の材料は高スティフネスの金属、例えばスチールであるのが好ましい。解放領域４０ｂは、ロータの４つの歯領域２４とほぼ角度的整列関係にある。隆起領域４２ｂは、ロータの極領域２６とほぼ角度的整列関係にある。解放領域４０ｂと隆起領域４２ｂとの軸方向厚さの差を、ロータ１２が通常の運転温度の時、解放領域４０ａとロータ歯領域２４とが軽く接触するように設定するのが好ましい。解放領域４０ｂと４２ｂの寸法を特定の発電機モデルにおいてこのような軽い接触が得られるように設定することは、特定の発電機モデルに通暁した当業者にとって明らかであろう。
本発明の動作を説明する。ロータ１２が通常の運転温度になると、摩擦力により保持リング１４がリングキー１０ａまたは１０ｃに対して縦方向外側に押圧される。その結果、リングキーの隆起領域３４または４２ｂがロータ極領域に押圧されるが、解放領域３２または４２ｂとロータ歯領域２４との間にギャップが形成される。リングキー１０ａまたは１０ｃと歯領域２４とが接触しないようにすると、リングキーにより歯領域２４に伝達される摩擦力が減少し、歯の応力が軽減する。解放領域３２または４０ｂを解放領域と歯領域２４とが軽く接触するように寸法設定する実施例でも、同様に摩擦力が減少する。
第２の実施例のリングキー１０ｂも同様に、ロータ歯領域２４へ伝達される摩擦力を減少させる。ロータ１２が通常の運転温度になると、リングキーの第１の領域４０ａと第２の領域４２ａとがそれぞれロータ歯領域２４と極領域２６とに押し付けられる。第１の領域４０ａは、第２の領域４２ａと比べてスティフネスが低いため、第２の領域４２ｂよりも少ない摩擦力をロータ１２へ伝達する。
本発明は、その精神または本質的特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実施可能である。従って、本発明の技術的範囲については上記説明でなくて後記の請求の範囲を参照されたい。
【図１】
0003830979.tif 000002
【図２】
0003830979.tif 000003
【図４】
0003830979.tif 000004
【図４Ａ】
0003830979.tif 000005
【図３】
0003830979.tif 000006
【図５Ａ】
0003830979.tif 000007
【図５Ｂ】
0003830979.tif 000008
【図５Ｃ】
0003830979.tif 000009
【図６Ａ】
0003830979.tif 000010
【図６Ｂ】
0003830979.tif 000011
【図６Ｃ】
0003830979.tif 000012
【図７】
0003830979.tif 000013