JP2010226947A - 電気機械を冷却するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率の良い、コストの低い冷却構造を得る。
【解決手段】電気機械（１）は、その回転軸の回りで回転する外部ロータ（２）、及びその内側に配置されるステータ（５）を有している。冷却材の流れの第一の部分（６ａ）は、ステータ（５）の両端から、軸方向の冷却チャネル（７ａ）を通って、ステータ・シートパック（４）の中に導かれ、第二の部分（６ｂ）は、ステータ（５）の両端から、エア・ギャップ（３）に入り、少なくとも一つの径方向の冷却チャネル（８）を通って、ステータ・シートパック（４）の中に導かれる。冷却材の流れの両方の部分（６ａ，６ｂ）は、ステータ・シートパックの径方向内側に配置された、熱交換器（９）の中に導かれる。ファン（１１）が、熱交換器（９）の径方向（Ｒ）内側に配置され、冷却材の流れの第一の部分（６ａ）及び第二の部分（６ｂ）を、ステータ（５）の両端へ送る。
【選択図】図１

Description

本発明の対象は、請求項１の前書き部分に基づく電気機械を冷却するための装置、及び、請求項１１の前書き部分に基づく電気機械を冷却するための方法である。

電気機械は、それらの内部で発生する熱を取り除くために冷却される。熱は、多くの場合、電気機械のアクティブな部分（ステータ及びロータ）の中で、磁気的損失及び抵抗損失により発生する。

大きな直径及び外部ロータを備えた、低速の電気機械を冷却するための既知の方法が、独国特許出願公開第 DE 19636591 A1 号に記載されている。屋外の空気が、ステータ及びロータを冷却するために使用される。フィンが、外部ロータの外側の表面の上に形成されていて、屋外の空気と接触状態にある冷却表面を増大させる。冷却チャネルが、冷却フィンを使用して、ステータ・コアの下側に形成されている。屋外の空気は、これらの冷却チャネルを通って流れる。

外部ロータを備えた電気機械を冷却するために、従来の方法を使用するとき、不適切な冷却能力が問題になる。その場合、熱の放散レベルが減少されなければならず、それは、機械のサイズ及び重量の増大を招くことになる。それに加えて、冷却のために使用される屋外の空気が機械を通って直接流れるので、電気機械の内側が注意深くシールされなければならない。

独国特許出願公開第 DE 19636591 A1 号

本願発明の目的は、電気機械を冷却するための、効率の良い、製造コストの低い装置、及び電気機械を冷却するための方法を創造することにある。

これを実現するために、本発明は、請求項１及び１１の特徴付け部分で規定された特徴により特徴付けられる。本発明の他の好ましい幾つかの実施形態は、従属請求項で規定される特徴を有している。

電気機械を冷却するための装置において、当該電気機械は、その回転軸の周りで回転する外部ロータ、及びエア・ギャップの端部でロータの内側に配置され、シートパックを有するステータを有している。この装置において、冷却材の流れの第一の部分は、ステータの両端から、軸方向の冷却チャネルを介して、ステータ・シートパックの中に導かれる。冷却材の流れの第二の部分は、ステータの両端から、エア・ギャップの中に導かれ、次いで、このエア・ギャップから、更にステータ・シートパックの中へ、少なくとも一つの径方向の冷却チャネルを介して、導かれる。これら冷却材の流れの両方の部分は、ステータ・シートパックの径方向内側に、且つそれから距離を置いて配置された少なくとも一つの熱交換器に導かれる。冷却材の流れの第一の部分及び第二の部分を、ステータの両端へ送るために、少なくとも一つのファンが熱交換器の径方向内側に配置される。

本発明に基づく電気機械を冷却するための方法において、当該電気機械は、その回転軸の回りで回転する外部ロータ、及びエア・ギャップの端部でロータの内側に配置され、シートパックを有するステータを有している。冷却材の流れの第一の部分は、ステータの両端から、軸方向の冷却チャネルの中に導かれる。冷却材の流れの第二の部分は、ステータの両端から、エア・ギャップの中に導かれ、次いで、エア・ギャップから、ステータの少なくとも一つの径方向の冷却チャネルの中に導かれる。両方の冷却材の流れは、シートパックの中、及びステータ・シートパックの径方向内側に、且つそれから距離を置いて配置された更に少なくとも一つの熱交換器の中に導かれる。この熱交換器から、冷却材の流れは、熱交換器の下側で径方向に配置された少なくとも一つのファンの中に導かれ、このファンは、ステータの両端へ冷却材の流れを送る。

本発明の実施形態において、軸方向の冷却チャネルの隔壁は、トップ及びボトムを有している。ボトムは、トップの下側に、径方向に配置されている。トップは、ステータの内側の表面を有している。

他の本発明の実施形態において、軸方向の冷却チャネルの中の熱移送表面を増大させるための手段は、冷却チャネルの隔壁に取り付けられ、またはそれに形成される。軸方向の冷却チャネルの中の、この熱移送表面を増大させるための手段は、チャネルのトップに、チャネルのボトムに、またはチャネルの側壁に、取り付けられ、またはそれに形成されることが可能である。全ての隔壁は、同時にあるいはその一部のみが、熱移送表面を増大させるための手段で覆われることが可能である。

更に他の本発明の実施形態によれば、軸方向の冷却チャネルの一つの隔壁の中にフィンが組み込まれている。この隔壁は、例えば、ステータの内側の表面の上に冷却プロファイルを取り付けることにより、作り出されても良い。

本発明の更なる実施形態によれば、軸方向の冷却チャネルは、シートパックの内側のエッジに開口を追加するために形成される。

本発明は、冷却材（例えば空気など）を、エア・ギャップの中へ、シートパックの間に、且つシートパックに沿って、送り出すことにより、電気機械の冷却をより効率良くする。本発明に基づくソリュ−ションは、電気機械の外形寸法を増大させることがなく、電気機械の重量に僅かな影響しか及ぼさない。このようにして、熱交換器は、コンパクトな形状を有している。

本発明に基づく装置及び方法は、例えば、永久磁石モータまたは永久磁石発電機などの、永久磁石を用いる電気機械に対して好ましい。永久磁石を備えた多極電気機械は、エア・ギャップが小さく、空気冷却システムにより要求される空気の全ての量を、エア・ギャップを通って送ることを困難にする。冷却空気がエア・ギャップの中に吹き込まれるのみのとき、空気循環経路内での圧力損失がかなり増大する。

本発明に基づく装置及び方法は、大きな直径を備えた、低速の回転速度の電気機械の冷却に対して好ましい。大きな直径を備えた電気機械において、ステータの内側に空間がある。この空間が、本発明に基づく装置及び方法において、冷却材循環経路及び電気機械の熱交換器を配置するために使用されることが可能である。そのような電気機械は、例えば、風力発電機として使用されることが可能である。

本発明に基づく装置が、例えば、風力発電機に対して、空気を使用して実現され、屋外の空気が熱交換器の外部の冷却材として使用されるとき、更なる熱交換器が必要とされることがない。もし、本発明に基づく装置が、空気対液体熱交換器を使用して実現される場合、他の熱交換器が、最初に電気機械から移送された熱を、液体へ、そして更に、その液体から屋外の空気へ移送するために必要となる。風力発電機が高い塔に配置されるので、液体の循環経路の配置が困難になる。

図１は、側面から見た電気機械の部分断面図である。 図２は、機械の端部から見た電気機械の部分断面図である。 図３は、側面から見た電気機械の部分断面図である。 図４は、機械の端部から見た電気機械の部分断面図である。

以下において、本発明が、特定の実施形態を用いて、添付された図面を参照しながら、より詳細に説明される。

図に示された電気機械１は、永久磁石モータまたは永久磁石発電機である。冷却材は、好ましくは気体であり、例えば空気または窒素などである。

図１〜４は、電気機械を冷却する装置を示している。電気機械１は、その回転軸の回りで回転する外部ロータ２を有している。外部ロータ２は、主としてその外側の表面を介して、屋外の空気の中へ、良く知られたやり方で、冷却される。

ロータの内側には、エア・ギャップ３の端部に、シートパック４を有する円筒形のステータ５がある。ステータ５は、環状であって、円筒形の内周を有している。シートパック４は、電気機械１の軸方向に次々に配置され、プレートを有している。シートパック４の間には、シートパック４を分離するための径方向のスペーサ部材がある。このようにして径方向のダクト８がシートパック４の間に作り出される。径方向のダクト８は、エア・ギャップ３に対して、及び、ステータ５の内周に対して、開かれている。ステータ５は、径方向のダクト８により径方向に冷却される。

電気機械の冷却は、対称的である。対称的に冷却された電気機械において、冷却材の流れは、機械の軸方向の両端の中に導入され、機械の中央で取り除かれる。この電気機械１において、冷却材は、ステータの両端から、ステータ５及びエア・ギャップ３の中に導かれる。これらの図において、冷却材の流れは、矢印で示されている。冷却材の流れ６ａの第一の部分は、ステータの内部に形成された、軸方向の冷却チャネル７ａ，７ｂの中に導かれる。均一な冷却を実現するために、これらの冷却チャネルは、ステータ５の内側の表面１７の全長に亘って、形成されている。軸方向の冷却チャネル７ａは、少なくともトップ１５及びボトム１６を有している。図１及び２において、軸方向の冷却チャネル７ａのトップ１５は、円筒形のステータ５の内側の表面１７である。

冷却材の流れ６ｂの第二の部分は、ステータ端部から、エア・ギャップ３の中に導かれる。図１及び３において、ステータ５は、二つのシートパック４を有している。シートパックの間の空気ダクト８は、適切な空気の流れ密度を可能にするように寸法が定められている。冷却材は、ステータ５の軸方向の両端から、ステータ５の中心へ、エア・ギャップ３を介して、流れる。空気ダクトは、径方向の冷却チャネル８として機能して、冷却材がエア・ギャップ３からシートパック４の中へ流れることを可能にし、その過程でシートパック４を冷却する。幾つかのシートパック４及び冷却チャネル８が、それらの間に形成されても良い。図１において、軸方向７ａ及び径方向Ｒの冷却チャネル８は、シートパック４の中に開いている。

図２において、軸方向のチャネル７ｂは、シートパック４の中に開く径方向Ｒのチャネル８に合流している。冷却材の流れの第一の部分６ａ及び第二の部分６ｂは、ステータの内側の表面１７の径方向内側にそれから距離を置いて配置された熱交換器９の中に導かれる。

ステータの内側の熱交換器アセンブリは、ナットに似た形成物の中に配置された、幾つかの直接式熱交換器９から製造される。もし、熱交換器の軸方向の長さが、実質的にステータ・ボディの軸方向の長さであれば、好ましい。その理由は、それが熱交換器の中の熱移送表面を増大させるからである。簡潔性のために、これらの図は、一つの熱交換器のみを示している。熱交換器９は、チューブを有している。全ての熱交換器９は、共通のシェル１８を有している。熱交換器９の中で、熱交換表面１０は、外部の冷却材の流れのための閉じられたチャネルを作り出す。冷却材の流れの第一の部分６ａ及び第二の部分６ｂは、熱交換器９のチュービングを通って、ファン１１の方向へ流れる。熱交換器９は、ステータ・シートパック４と直接接触する状態になく、即ち、ステータの内側の表面１７と熱交換器９の間に距離がある。

ステータ５が冷却され、そのとき、ステータ５の中で循環している冷却材６ａ，６ｂの中へ熱を放出する。冷却材６ａ，６ｂは、次に、熱交換器９アセンブリの中の外部の冷却材の中へ熱を放出する。冷却材は、熱交換器９の熱交換表面１０と直接接触する状態にある。

二つのファン１１が、熱交換器シェル１８の径方向内側に配置され、冷却材の流れの第一の部分６ａ及び第二の部分６ｂをステータ５の両端へ送る。もし、ファン１１が唯一つある場合には、それを、熱交換器９の中心で、熱交換器９の径方向内側に配置することが好ましい。

ステータ５は、閉じられた冷却材循環経路を有している。熱交換器９の外部の冷却材循環経路は、開かれ、部分的に閉じられ、あるいは、閉じられていても良い。

図１及び２の中で、軸方向の冷却チャネル７ａの中の熱移送表面を増大させるための手段は、ステータ５の内側の表面１７に取り付けられている。

図１及び２の中で、冷却プロファイル１２が冷却チャネル７ａのトップ１５に取り付けられている。トップ１５は、ステータ５の内側の表面１７である。チャネル７ａのトップ１５の上の冷却プロファイル１２のフィンは、熱交換表面を増大させて、シートパック４から冷却材への熱交換を改善する。図１及び２において、冷却チャネル７ａのボトムは、金属のシートで作られている。このチャネルは、冷却材の一部がエア・ギャップの中へも流れることを考慮に入れながら、冷却材の速度をチャネル内で増大させることを可能にするように寸法が定められている。

フィンが設けられた軸方向の冷却チャネル７ａのトップ１５が、例えばフィンをシートパック４の内側の表面１７作ることにより、形成されることも可能である。フィンは、シートに所望の形状に孔を穿けることにより、実現されることが可能である。

図３及び４の中で、軸方向の冷却チャネル７ｂが、シートパック４の内側のエッジ１４に、開口１３を追加するために形成されている。各シートパック４は、内側のエッジ１４に、シートパック４の両端に対して開かれた開口１３を有している。シートパック４の背面中の開口１３は、冷却チャネル７ｂを形成し、この冷却チャネル７ｂから、冷却材が、ステータ５の端部からシートパック４の中へ流れる。冷却チャネル７ｂが径方向の冷却チャネル８に合流するとき、冷却材が、径方向の冷却チャネル８を介して、シートパック４の中へ流れ続ける。同時に、開口１３が冷却表面を増大させるので、開口１３がステータ５の冷却を改善する。

図１〜４の中で、熱交換器９は、チューブ熱交換器であって、これは、熱交換表面１０がチューブを有していると言うことを意味している。外部冷却材は、チューブの中を流れ、チューブの外側の表面の周りを、冷却材がステータ５から自由に流れる。チューブは、シートパック４と直接接触していない。

熱交換器は、例えば、空気対空気熱交換器であることが可能であり、電気機械１の中で循環している冷却材は、空気であって、熱交換器９の外部の冷却材は、屋外の空気である。

電気機械を冷却するための方法において、電気機械の冷却は、対称的である。冷却材の流れ６ａの第一の部分は、ステータ５の両端から、ステータ５の内部に形成された軸方向の冷却チャネル７ａ，７ｂの中に導かれる。冷却材の流れ６ｂの第二の部分は、ステータ５の両端からエア・ギャップ３の中に導かれる。エア・ギャップ３から、冷却材は、二つのシートパック４の間の形成されたステータ５の径方向の冷却チャネル８の中に、更に導かれる。両方の冷却材の流れ６ａ，６ｂは、シートパック４の中に、そして更に熱交換器９に導かれる。熱交換器９の中で、冷却材の流れ６ａ，６ｂは、熱交換表面１０と接触しながら冷却される。熱交換器９から、冷却材の流れは、熱交換器９の下側で径方向Ｒに配置されたファン１１の中に向けられる。このファンは、冷却された冷却材をステータ５の両端へ送る。

電気機械を冷却するための装置及び方法は、大きな直径を備え且つ低速の回転速度電気機械の冷却に対して好ましい。４メーター以上の大きな直径を備えた電気機械においては、シートパックの内側に空間が有る。この空間は、冷却材循環経路及びその熱交換器を電気機械の中に配置するために、使用される。

１…電気機械、２…ロータ、３…エア・ギャップ、４…シートパック、５…ステータ、６ａ，６ｂ…冷却材の流れ、７ａ，７ｂ…冷却チャネル、８…径方向の冷却チャネル、９…熱交換器、１０…熱交換表面、１１…ファン、１２…冷却プロファイル、１３…開口、１４…内側のエッジ、１５…トップ、１６…ボトム、１７…内側の表面、１８…シェル、Ｒ…径方向。

Claims (11)

1. 電気機械を冷却するための装置であって、
   当該電気機械（１）が、
   その回転軸の周りで回転する外部ロータ（２）と；
   エア・ギャップ（３）の端部でロータの内側に配置され、且つ、シートパック（４）を有するステータ（５）と；
   を有する装置において、
   この装置の中で、冷却材の流れの第一の部分（６ａ）が、ステータ（５）の両端から、軸方向の冷却チャネル（７ａ，７ｂ）を介して、ステータ・シートパック（４）の中に導かれること、及び、
   冷却材の流れ（６ｂ）の第二の部分が、ステータ（５）の両端から、エア・ギャップ（３）の中に導かれ、次いで、エア・ギャップ（３）から、更にステータ・シートパック（４）の中へ、少なくとも一つの径方向の冷却チャネル（８）を介して、導かれること、及び、
   冷却材の流れの両方の部分（６ａ，６ｂ）が、ステータ・シートパック（４）の径方向内側に、且つそれから距離を置いて配置された、少なくとも一つの熱交換器（９）に導かれること、及び、
   少なくとも一つのファン（１１）が、熱交換器（９）の径方向（Ｒ）内側に配置され、冷却材の流れの第一の部分（６ａ）及び第二の部分（６ｂ）を、ステータ（５）の両端へ送ること、
   を特徴とする電気機械。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載の電気機械：
   前記軸方向の冷却チャネル（７ａ）の隔壁は、トップ（１５）及びボトム（１６）を有していて、
   ボトム（１６）は、トップ（１５）の下側で、径方向に配置され、
   トップ（１５）は、ステータ（５）の内側の表面（１７）を有している。
3. 下記特徴を有する請求項２に記載の電気機械：
   前記軸方向の冷却チャネル（７ａ）の中の熱移送表面を増大させるための手段が、冷却チャネル（７ａ）の隔壁に取り付けられ、またはそれに形成されている。
4. 下記特徴を有する請求項２に記載の電気機械：
   前記軸方向の冷却チャネル（７ａ）の中の熱移送表面を増大させるための手段が、ステータ（５）の内側の表面（１７）に取り付けられ、またはそれに形成されている。
5. 下記特徴を有する請求項３または４に記載の電気機械：
   取り付けられる熱移送表面を増大させるための手段は、冷却プロファイル（１２）である。
6. 下記特徴を有する請求項３または４に記載の電気機械：
   形成される熱移送表面を増大させるための手段は、フィン（１２）である。
7. 下記特徴を有する請求項１に記載の電気機械：
   前記軸方向の冷却チャネル（７ａ）は、シートパック（４）の内側のエッジ（１４）の中に、開口（１３）を追加するために形成されている。
8. 下記特徴を有する請求項１から７の何れか１項に記載の電気機械：
   前記熱交換器（９）の熱交換表面（１０）は、チューブを有している。
9. 下記特徴を有する請求項１から８の何れか１項に記載の電気機械：
   前記熱交換器（９）は、空気対空気熱交換器である。
10. 下記特徴を有する請求項１から９の何れか１項に記載の電気機械：
    前記電気機械（１）は、永久磁石モータまたは永久磁石発電機である。
11. 電気機械を冷却するための方法であって、
    当該電気機械（１）は、
    その回転軸の回りで回転する外部ロータ（２）と；
    エア・ギャップ（３）の端部でロータの内側に配置され、シートパック（４）を有するステータ（５）と；
    を有していて、
    冷却材の流れの第一の部分（６ａ）は、ステータ（５）の両端から、軸方向の冷却チャネル（７ａ，７ｂ）の中に導かれ、
    冷却材の流れ（６ｂ）の第二の部分は、ステータ（５）の両端から、エア・ギャップ（３）の中に導かれ、次いで、エア・ギャップ（３）から、更にステータ（５）の少なくとも一つの径方向の冷却チャネル（８）の中に導かれ、
    両方の冷却材の流れ（６ａ，６ｂ）は、シートパック（４）の中、及びステータ・シートパック（４）の径方向内側に、且つそれから距離を置いて配置された、更に少なくとも一つの熱交換器（９）の中に導かれ、次いで、この熱交換器（９）から、冷却材の流れ（６ａ，６ｂ）は、熱交換器（９）の下側で径方向（Ｒ）に配置された、少なくとも一つのファン（１１）の中に導かれ、
    このファン（１１）が、冷却材の流れ（６ａ，６ｂ）をステータ（５）の両端へ送ること、
    を特徴とする方法。

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