JP5441607B2 - 電気機械を冷却するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械を冷却するための装置に関する。

電気機械は、電気機械の運転中にオーム抵抗、鉄損等によって発生する熱を放散するために冷却装置を必要とする。

小型の電気機械を当該機械の内側からその表面への熱伝達によって冷却することは可能である。このことは、電力定格及び発熱当たりの表面積が比較的小さい大型の機械では不可能である。

機械が乾燥した雰囲気のインドアに設置されているのであれば、機械をハウジングなしに運転することが可能であるので、冷却は、機械を通流する周囲空気の循環によって達成される。

しかし、機械が過酷な条件下に設置される場合、例えば発電機がオフショアの風力タービンで使用されるような事例では、電気機械は、完全に密閉されている必要があり、周囲空気が機械を循環することは許されない。この用途のための専用の冷却システムが求められる。

広く普及した冷却法は、空気又はその他のガス状の媒体を電気機械内で、熱交換器によって低温に維持したまま、循環させる方法である。この冷却法は、不都合なことに大型のガス対空気又はガス対水の熱交換器を必要とする。さらに、かなりの追加の電力が、機械内部における冷却媒体の循環のために必要とされる。

ステータ及びロータを備える発電機のその他の冷却法は、ステータの第１の面に設けられた冷却通路内での液体の循環である。冷却されるこの第１の面は、ステータとロータとの間のエアギャップに対面している。ステータは、ステータコイルの金属巻線を担持する複数の積み重ねられた積層板を有しており、熱は、金属巻線から積層板を介して冷却媒体に、伝導によって伝達される。

この冷却法は、コイルの巻線ヘッド及びロータ自体が同様に冷却されないので、空冷ほど効果的ではない。

この冷却法は、ステータの積層板と冷却通路との間の良好な熱接触を保証することが困難であるという付加的な欠点を有する。

上述の冷却システムは、組付けに大きなスペースを必要とする。特に風力タービンのナセル内に配置される発電機にとって、所要スペースは、ナセルに作用する風力のために、かつ他の機械を可能ならば寸法を変更することなくナセル内に配置する必要があるために、クリティカルなパラメータである。

それゆえ本発明の課題は、発電機、特に風力タービンのナセル内に配置される発電機のような電気機械を冷却するための改良された装置を提供することである。

上記課題を解決するために本発明の構成では、前記電気機械がロータ及びステータを備え、該ロータと該ステータとの間にエアギャップが形成されており、前記ステータが複数の積み重ねられた積層板を備え、該積層板が、前記エアギャップに面した第１の面に、ステータコイルの金属巻線を担持するための複数のスロットを有し、該積層板が、所定のエアギャップを実現するために、構造的な支持のための手段及びエンドプレートによって、前記ステータの中心部分に関して位置決めされ固定されており、前記エンドプレートと、前記ステータの中心部分と、前記積層板の内面とによって結合キャビティが形成され、前記内面が、前記積層板の第２の面によって規定され、該第２の面が、前記第１の面の反対側に位置しており、前記キャビティが、ガス状の媒体を冷却目的で前記キャビティから前記エアギャップ及び前記積層板に向かって循環させて前記キャビティに戻すために構成され使用される空気冷却装置に連結されているようにした。本発明の有利な形態は、従属請求項に係る発明である。好ましくは、前記ロータがアウターロータであり、前記ステータがインナーステータである。好ましくは、前記ステータが軸受を介して前記ロータに連結されている。好ましくは、前記キャビティがファンを有し、該ファンが、前記ガス状の媒体を前記キャビティから前記エンドプレートの開口を通して前記ステータコイルの巻線ヘッドを通過するように前記エアギャップへと循環させ、かつ前記ガス状の媒体を前記エアギャップから前記積み重ねられた積層板の開口を通して前記キャビティへと戻し循環させるために使用される。好ましくは、前記キャビティが内部通路を介してファンに結合されており、ガス状の媒体を、前記キャビティから前記ファンに、該ファンから前記ステータコイルの巻線ヘッドを通過するように前記エアギャップへと循環させ、かつ前記エアギャップから前記積み重ねられた積層板の開口を通して前記キャビティへと戻し循環させることを可能にする。好ましくは、前記キャビティが、循環するガス状の媒体を冷却するために使用される熱交換器を有する。好ましくは、前記熱交換器が、シェルアンドチューブ型熱交換器として形成されている。好ましくは、前記熱交換器が、２つの通路を介して周囲に、周囲空気を冷却目的で使用可能とするために接続されている。好ましくは、前記ステータの中心部分が、前記ロータの回転軸線に沿って延在する。好ましくは、前記ステータコイルが前記積層板のスロットを超えて、当該ステータコイルの巻線ヘッドを形成する。好ましくは、前記電気機械が発電機であり、かつ／又は前記電気機械が風力タービン内に配置されており、かつ／又は前記電気機械がシェルによりカプセル化されている。

本発明に係る電気機械を冷却するための装置は、ロータ及びステータを有しており、ロータとステータとの間にはエアギャップが形成されている。ステータは複数の積み重ねられた積層板を有する。積層板は、エアギャップに面した第１の面に、ステータコイルの金属巻線を担持するための複数のスロットを有する。積層板は、所定のエアギャップを実現するために、構造的な支持のための手段及びエンドプレートによって、ステータの中心部分に関して位置決めされ固定されている。エンドプレートと、ステータの中心部分と、積層板の内面とによって結合キャビティが形成される。内面は、積層板の第２の面によって規定され、第２の面は、第１の面の反対側に位置する。

キャビティは、ガス状の媒体を冷却目的でキャビティからエアギャップ及び積層板に向かって循環させてキャビティに戻すために構成され使用される空気冷却装置に連結されている。

本発明に係る冷却装置は、有利な形態では、電気機械の組込みキャビティ内に配置されている。したがって、必要な冷却装置のための付加的なスペースは不要である。

冷却は、電気機械の発熱部を通流する空気が冷却された状態に持続的に維持されるので効果的である。

また、冷却空気はステータコイルの巻線ヘッドを通流するので、効果的な冷却が実現される。

以下に、本発明について図面を参照しながら詳説する。

本発明の第１の実施の形態において冷却される発電機の断面図である。 図１に示した熱交換器の詳細図である。 図１に示した発電機の正面図である。 図１に示した熱交換器の別の詳細図である。 本発明の第２の実施の形態において冷却される発電機の断面図である。

図１は、本発明により冷却される電気機械としての発電機Ｇの断面図である。

発電機ＧはアウターロータＲ及びインナーステータＳを有する。ステータＳは２つの軸受Ｂ１及びＢ２を介してロータＲに連結されている。第２の軸受Ｂ２は所定の位置にエンドプレートＥＰ３によって保持されている。

ロータＲは複数の磁石Ｍを有する。磁石Ｍは、ステータＳとロータＲとの間のエアギャップＡＧに面している。

ステータＳは複数の積み重ねられた積層板Ｌを有する。積層板Ｌはステータコイルの金属巻線を担持するために使用される。

積層板Ｌは、ステータコイルの金属巻線を担持するために、複数のスロットを第１の面ＦＳに有する。ステータＳのこの第１の面ＦＳは、エアギャップＡＧに面している。

ステータコイルの一部は、積層板Ｌのスロットを超えて、ステータコイルの巻線ヘッドＷＨを形成する。

積層板Ｌは、構造的な支持のための手段によって所定の位置に固定されて、保持される（詳細は図示せず）。構造的な支持のための手段は、溶接によって積層板Ｌに結合されていてもよい。

また、積み重ねられた積層板Ｌは、２つのエンドプレートＥＰ１，ＥＰ２によってステータＳの中心部分ＣＰに関して位置決めされる。したがって、エンドプレートＥＰ１及びＥＰ２は、ステータＳの中心部分ＣＰに結合されている。ステータＳの中心部分ＣＰは、回転軸線ｒｏｔに沿って延在する。

したがって、所定のコンスタントなエアギャップＡＧは、エンドプレートＥＰ１，ＥＰ２及びＥＰ３によっても達成されている。

２つのエンドプレートＥＰ１及びＥＰ２と、ステータＳの中心部分ＣＰと、積層板Ｌの内面ＩＳとは、相俟って１つのキャビティを形成する。

内面ＩＳは積層板Ｌの第２の面ＳＳにより規定されている。この第２の面ＳＳは、スロットを有する積層板Ｌの第１の面ＦＳの反対側に位置する。

空気を冷却するための第１のファンＦ１が、キャビティの内側に配置されている。第１のファンＦ１は、後述するように、発電機の内側で空気を循環させるために使用される。

冷却空気を通流させるために、専用の積層板Ｌ間に、スリット（詳細は図示せず）が設けられている。

空気を通流させるために、エンドプレートＥＰ１及びＥＰ２にも、開口ＯＰ１及びＯＰ２が設けられている。

したがって空気は、第１のファンＦ１から開口ＯＰ１及びＯＰ２を通って、巻線ヘッドＷＨを通過し、エアギャップＡＧに到達するまで循環する。エアギャップＡＧから空気は、積層板Ｌのスリットを通流する。

主な熱はそこで発生するので、冷却空気は通過の際に加熱される。

加熱された空気は、熱交換器ＨＸに向かう。熱交換器ＨＸもキャビティ内に配置されている。この熱交換器ＨＸは、空気を冷却するために使用される。

この実施の形態では、熱交換器ＨＸは、左側に変向チャンバＴＣを備えるシェルアンドチューブ型熱交換器として形成されている。この熱交換器は一例にすぎず、適当なあらゆる種類の熱交換器で代用されてもよい。

熱交換器ＨＸは、２つの通路ＴＢ１，ＴＢ２を有する（図２及び図４参照）。通路ＴＢ１，ＴＢ２は、外部の周囲空気を冷却のために熱交換器ＨＸを通して循環させるために使用される。

空気流動を補助するために、第２のファンＦ２が設けられている。第２のファンＦ２は、有利な実施の形態では、チューブＴＢ２内に配置されている。

空気流動を補助するために、内部通路ＣＨも設けられている。

図２及び図４は、通路ＴＢ１及びＴＢ２を示す。第１のチューブＴＢ１は、空気入口Ｉとして使用され、第２のチューブＴＢ２は、空気出口Ｏとして使用される。

図３は、発電機Ｇ（図１参照）の正面図である。矢印は、上述のような発電機内部の空気流動を示す。

図５は、本発明の第２の実施の形態にしたがって冷却される発電機Ｇの断面図を示す。発電機Ｇ自体は、図１に示した要素を有しており、本実施の形態では冷却の要素だけが僅かに異なる。

図１に示したように、２つのエンドプレートＥＰ１及びＥＰ２と、ステータＳの中心部分ＣＰと、積層板Ｌの内面ＩＳとは、相俟って１つのキャビティを形成する。

内面ＩＳは積層板Ｌの第２の面ＳＳにより規定されている。この第２の面ＳＳは、スロットを有する積層板Ｌの第１の側ＦＳとは反対側に位置する。

空気を冷却するための第１のファンＦ１１は、本実施の形態では、図１とは異なり、キャビティの外側に配置されている。

発電機内で空気を循環させるために、第１のファンＦ１１は、２つの内部通路ＩＣ１及びＩＣ２を介して発電機Ｇに接続されている。

冷却空気は、上述のように、積層板Ｌのスリットを通過する。発電機Ｇの主な熱はそこで発生するので、冷却空気は、通過の際に加熱される。

加熱された空気は、熱交換器ＨＸに向かう。熱交換器ＨＸは、上述のようにキャビティ内に配置されている。この熱交換器ＨＸは、空気を冷却するために使用される。

冷却された空気は、第２の内部通路ＩＣ２により、キャビティから第１のファンＦ１１に向かって案内される。その後、空気は、第１のファンＦ１１から、以下に説明するように、２方向に案内される。

空気のほぼ半分は、第１の内部通路ＩＣ１により、（ステータの左側に示される）巻線ヘッドＷＨ上に案内される。次に空気は、積層板Ｌのスリットを通過し、結合キャビティに戻し案内される。

空気の残りの半分は、第１のファンＦ１１から直接、エンドプレートＥＰ２とエンドプレートＥＰ３との間の空間を通って、（ステータの右側に配置されている）巻線ヘッドＷＨに向かって案内される。次に空気は、エアギャップを通って案内され、積層板Ｌのスリットを通過して、結合キャビティに戻し案内される。

それゆえ、空気の半分は、第１のファンＦ１１から開口ＯＰ１及びＯＰ２並びに第１の内部通路ＩＣ１を通り、巻線ヘッドＷＨ、エアギャップＡＧ、積層板Ｌのスリット、熱交換器ＨＸを通過して、空気が第２の内部通路ＩＣ２を介して第１のファンＦ１１に再び到達するまで循環する一方、空気の残りの半分は、直接、第１のファンＦ１１から巻線ヘッドＷＨ、エアギャップ、スリット等に向かって流動する。

本実施の形態では、熱交換器ＨＸは、左側に変向チャンバＴＣを備えるシェルアンドチューブ型熱交換器として形成されている。この熱交換器は一例にすぎず、適当なあらゆる種類の熱交換器で代用されてもよい。

熱交換器ＨＸは、上述のように、２つの通路ＴＢ１，ＴＢ２を有する。通路ＴＢ１及びＴＢ２は、外部の周囲空気を冷却のために熱交換器ＨＸを通して循環させるために使用される。空気流動を補助するために第２のファンＦ２１が設けられており、有利な実施の形態ではチューブＴＢ２内に配置されている。

ＡＧ エアギャップ、 Ｂ１，Ｂ２ 軸受、 ＣＨ 内部通路、 ＣＰ 中心部分、 ＥＰ１，ＥＰ２，ＥＰ３ エンドプレート、 ＦＳ 第１の面、 Ｆ１，Ｆ２，Ｆ１１，Ｆ２１ ファン、 Ｇ 発電機、 ＨＸ 熱交換器、 Ｉ 空気入口、 ＩＣ１，ＩＣ２ 内部通路、 ＩＳ 内面、 Ｌ 積層板、 Ｍ 磁石、 Ｏ 空気出口、 ＯＰ１，ＯＰ２ 開口、 Ｒ アウターロータ、 ｒｏｔ 回転軸線、 Ｓ インナーロータ、 ＳＳ 第２の面、 ＴＢ１，ＴＢ２ 通路、 ＴＣ 変向チャンバ、 ＷＨ 巻線ヘッド

Claims (11)

1. 電気機械を冷却するための装置において、
   前記電気機械（Ｇ）がロータ（Ｒ）及びステータ（Ｓ）を備え、該ロータ（Ｒ）と該ステータ（Ｓ）との間にエアギャップ（ＡＧ）が形成されており、
   前記ステータ（Ｓ）が複数の積み重ねられた積層板（Ｌ）を備え、
   該積層板（Ｌ）が、前記エアギャップ（ＡＧ）に面した第１の面（ＦＳ）に、ステータコイルの金属巻線を担持するための複数のスロットを有し、
   該積層板（Ｌ）が、所定のエアギャップ（ＡＧ）を実現するために、構造的な支持のための手段及びエンドプレート（ＥＰ１，ＥＰ２）によって、前記ステータ（Ｓ）の中心部分（ＣＰ）に関して位置決めされ固定されており、
   前記エンドプレート（ＥＰ１，ＥＰ２）と、前記ステータ（Ｓ）の中心部分（ＣＰ）と、前記積層板（Ｌ）の内面（ＩＳ）とによって結合キャビティが形成され、前記内面（ＩＳ）が、前記積層板（Ｌ）の第２の面（ＳＳ）によって規定され、該第２の面（ＳＳ）が、前記第１の面（ＦＳ）の反対側に位置しており、
   前記キャビティが、ガス状の媒体を冷却目的で前記キャビティから前記エアギャップ（ＡＧ）及び前記積層板（Ｌ）に向かって循環させて前記キャビティに戻すために構成され使用される空気冷却装置（Ｆ１，ＨＸ）に連結されている
   ことを特徴とする、電気機械を冷却するための装置。
2. 前記ロータ（Ｒ）がアウターロータであり、前記ステータ（Ｓ）がインナーステータである、請求項１記載の装置。
3. 前記ステータ（Ｓ）が軸受（Ｂ１，Ｂ２）を介して前記ロータ（Ｒ）に連結されている、請求項１記載の装置。
4. 前記キャビティがファン（Ｆ１）を有し、該ファン（Ｆ１）が、
   前記ガス状の媒体を前記キャビティから前記エンドプレート（ＥＰ１，ＥＰ２）の開口を通して前記ステータコイルの巻線ヘッド（ＷＨ）を通過するように前記エアギャップ（ＡＧ）へと循環させ、かつ
   前記ガス状の媒体を前記エアギャップ（ＡＧ）から前記積み重ねられた積層板（Ｌ）の開口を通して前記キャビティへと戻し循環させるために
   使用される、請求項１記載の装置。
5. 前記キャビティが内部通路（ＩＣ２）を介してファン（Ｆ１１）に結合されており、ガス状の媒体を、
   前記キャビティから前記ファン（Ｆ１１）に、該ファン（Ｆ１１）から前記ステータコイルの巻線ヘッド（ＷＨ）を通過するように前記エアギャップ（ＡＧ）へと循環させ、かつ
   前記エアギャップ（ＡＧ）から前記積み重ねられた積層板（Ｌ）の開口を通して前記キャビティへと戻し循環させる
   ことを可能にする、請求項１記載の装置。
6. 前記キャビティが、循環するガス状の媒体を冷却するために使用される熱交換器（ＨＸ）を有する、請求項１記載の装置。
7. 前記熱交換器（ＨＸ）が、シェルアンドチューブ型熱交換器として形成されている、請求項６記載の装置。
8. 前記熱交換器（ＨＸ）が、２つの通路（ＴＢ１，ＴＢ２）を介して周囲に、周囲空気を冷却目的で使用可能とするために接続されている、請求項６又は７記載の装置。
9. 前記ステータ（Ｓ）の中心部分が、前記ロータ（Ｒ）の回転軸線（ｒｏｔ）に沿って延在する、請求項１記載の装置。
10. 前記ステータコイルが前記積層板（Ｌ）のスロットを超えて、当該ステータコイルの巻線ヘッド（ＷＨ）を形成する、請求項４又は５記載の装置。
11. 前記電気機械（Ｇ）が発電機であり、かつ／又は
    前記電気機械（Ｇ）が風力タービン内に配置されており、かつ／又は
    前記電気機械（Ｇ）がシェルによりカプセル化されている、
    請求項１記載の装置。

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