JP2010521952A - 電気機械の冷却 - Google Patents

Abstract

電気機械が、電気機械のハウジング内に配置されたステータおよびロータを含む。ステータは、ステータの第１の端部に第１の組のエンド・ターンを有しステータの反対側の第２の端部に第２の組のエンド・ターンを有する巻線を含む。ステータは、ほぼ管状の形状と内部側面とを有する。ロータは、ステータの内側を通って延びる。第１のエンド・ターン近くの、ハウジング内の容積への流れ入口が、ステータの内部側面の径方向外側に配置される。第１のエンド・ターン近くの、ハウジング内の容積からの流れ出口が、内部側面の径方向外側に配置される。これら入口と出口は、ステータの第１の端部を実質的に横断する流体の流れを送るように協働可能に構成される。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００７年３月１５日出願の「High-Speed, Sleeved
Rotor for Permanent Magnet Electric Machine」という名称の米国仮特許出願第６０／８９５０２５号に関連し、その利益を主張する。同出願を参照により本明細書に組み込む。

本明細書は、モータ・システムおよび／または発電システムに関する。

一部の動力システムは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、かつ／または電気エネルギーを機械エネルギーに変換することができる。例えば、発電システムは、原動機と、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電する電気機械とを含むことができる。同様に、モータ・システムは、電気を運動に変換できる電気機械に結合された機械的負荷を含むことができる。一部のシステムでは、その電気機械を動作させて発電し、また電気を運動に変換することができる。機械領域と電気領域の間でエネルギーを変換すると、電気機械の機械構成要素の運動で熱が発生するのと同様に熱が発生する。

電気機械がステータを含む。冷却流体が、ステータ外側の容積を通りステータの一方または両方の端部を実質的に横断して送られ、かつ／または冷却流体が、ステータの内側の容積を通って軸方向に、ステータの一方または両方の端部に向かって送られる。

特定の態様では、電気機械が、電気機械のハウジング内に配置されたステータおよびロータを含む。ステータは、ステータの第１の端部に第１の組のエンド・ターン（ｅｎｄ ｔｕｒｎ）を有しステータの反対側の第２の端部に第２の組のエンド・ターンを有する巻線を含む。ステータは、ほぼ管状の形状と内部側面とを有する。ロータは、ステータの内側を通って延びる。第１のエンド・ターン近くの、ハウジング内の容積への流れ入口が、ステータの内部側面の径方向外側に配置される。第１のエンド・ターン近くの、ハウジング内の容積からの流れ出口が、内部側面の径方向外側に配置される。これら入口と出口は、ステータの第１の端部を実質的に横断する流体の流れを送るように協働可能に構成される。

特定の態様では、電気機械が、電気機械のハウジング内に配置されたほぼ円筒形のステータ、およびロータを含む。ステータは、ステータの第１の端部に第１の組のエンド・ターンを有しステータの反対側の第２の端部に第２の組のエンド・ターンを有する巻線を含む。ロータは、ステータの内側を通って長手方向に延びる。複数の第１の入口が、ステータの外側まわりに方位角をなして分散した場所に配置される。第１の入口は、流れを、ステータのコアを軸方向に分割する隙間を介して、ステータとロータの間に画定された空隙まで導く。この空隙は、第１のエンド・ターン近くのステータ外側の、ハウジング内の容積から、ステータの内側を通って第２のエンド・ターン近くのステータ外側の、ハウジング内の容積まで延びる。

特定の態様では、電気機械のハウジング内で、冷却流体が、ハウジング内部に配置されたステータの第１の端部近くの容積内に受け入れられる。ステータは、ステータの第１の端部に第１の組のエンド・ターンを有しステータの反対側の第２の端部に第２の組のエンド・ターンを有する巻線を含む。ステータは、ほぼ管状の形状と内部側面とを有し、流れは、この内部側面の径方向外側から容積内に受け入れられる。冷却流体の流れは、ステータの第１の端部を実質的に横断して送られる。容積からの冷却流体は、内部側面の径方向外側から集められる。

実施には、以下の特徴のうちの１つ以上を含めることができる。流れ出口は第１の流れ出口とすることができ、流れ入口は第１の流れ入口とすることができ、容積は第１の容積とすることができ、流れは第１の流れとすることができる。電気機械は、第２のエンド・ターン近くの第２の容積への第２の流れ入口を含むことができる。第２の流れ入口は、内部側面の径方向外側に配置することができる。電気機械は、第２の容積からの第２の流れ出口を含むことができる。第２の流れ出口は、内部側面の径方向外側に配置することができる。第２の入口と第２の出口は、ステータの第２の端部を実質的に横断する第２の流れを送るように協働可能に構成することができる。第１の流れ入口と第２の流れ入口は、単一の冷却流体源と流体連通することができる。ハウジング内の仕切りは、第１のエンド・ターン近くの容積を画定することができ、その流れ出口は、仕切りを貫通する１つまたは複数のポートとして実施することができる。電気機械は、第２の流れを、ステータのコアを軸方向に分割するマニホルドを介して、ステータの内部側面とロータの外部側面との間に画定された空隙まで導く第２の流れ入口を含むことができる。第２の流れ入口は、ステータまわりの別々の方位角位置にある複数の流れ入口とすることができる。第１の流れ入口と第２の流れ入口は、単一の冷却流体源と流体連通することができる。第１の流れ入口は、第１の冷却源と流体連通することができ、第２の流れ入口は、第２の冷却源と流体連通することができる。第２の流れ入口は、流れを空隙の軸方向中心まで導くことができる。この空隙は、第１のエンド・ターン近くの容積まで軸方向に延びることができる。ステータの外側を取り囲む１つまたは複数の冷却ジャケットは、液冷流体をステータのまわりに円周方向に循環させてステータを冷却することができる。この１つまたは複数の液冷ジャケットは、複数の蛇行流路を画定することができ、各蛇行流路は、液冷流体をステータの軸方向の別の部分のまわりに循環させてそのステータの軸方向の部分を冷却する。液冷ジャケットは、ハウジングから分離可能にすることができ、またステータから分離可能にすることができる。第１の入口と第１の出口は、冷却流体が第１のエンド・ターン近くのステータ外側の容積内にある限りステータの第１の端部の外径の両端間でその流体を移動させるように協働可能に構成することができる。

１つまたは複数の実施の詳細を添付の図面、および以下の説明で示す。他の特徴が説明および図面から、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

例示的な電気機械および冷却システムの断面図である。 図１Ａの線Ａ−Ａに沿った断面図である。 例示的な電気機械および冷却システムの断面図である。 図２Ａの線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。 電気機械を冷却する例示的な方法を示す流れ図である。

それぞれ異なる図面中の同じ参照記号は同じ要素を示す。

図１および図２は、冷却システムを含む電気機械の２つの例示的実施形態を示す。図１Ａは、例示的な電気機械１００の断面図である。図１Ｂは、図１の線Ａ−Ａに沿った、電気機械１００の側面断面図である。図２Ａは、別の例示的な電気機械２００の断面図である。図２Ｂは、図２Ａの線Ｂ−Ｂに沿った、電気機械２００の側面断面図である。

例示的な電気機械１００（以下では同義で「機械」とも呼ばれる）は、ハウジング２０の中にあるほぼ円筒形のステータ３０の内部を通って延びるロータ４０を含む。ステータ３０は、ステータ３０の積層強磁性体コア上に巻かれた多数の導電巻線３２を含む。巻線３２は、ステータ３０の２つの反対向きの端部の間で軸方向に延びる。ステータ３０の両端で、巻線３２は多数のエンド・ターン３４を画定する。ロータ４０は永久磁石を含み、ステータ３０の内部で回転可能である。ロータ４０の外径とステータ３０の内径で、ステータ３０とロータ４０の間の空隙６０が画定される。ロータ４０は、軸受４５によって支持される。軸受のいくつかの例には、磁気軸受、磁気ハイブリッド軸受、ローラ軸受、ダイナミック軸受、ジャーナル軸受、スラスト軸受、および他のタイプの軸受が含まれる。ロータ４０は、任意の組合せの軸受、または同一のタイプの軸受によって支持することができる。

電気機械１００はモータとして、または発電機モードで発電機として動作することができる。発電機モードでは、ステータ３０に対してロータ４０が回転すると巻線３２の両端間に起電力が誘起し、それによって巻線３２の両端間に電圧が誘起し、この電圧により、外部システム（図示せず）の一部としての回路が巻線３２の両端間で閉じられたときに電流が流れることが可能になる。次に、この誘起電流を用いて、電力を例えば外部システムに出力することができる。モータ・モードでは、電流がステータ巻線中に通され、この巻線３２を通る電流によって生じた磁界が、ロータ４０およびステータ３０の磁界と相互作用する。この相互作用は、ロータ４０を回転させることができる。ロータ４０の回転により、例えば、シャフト１７２を介して機械１００の駆動端に機械的動力を与えることができる。ロータ４０の回転によりまた、例えば、シャフト１７０を介して、機械１００の非駆動端にある流体コンプレッサに動力を供給することもできる。一部の実施においては、電気機械は毎分３６００回転よりも大きい速度を含む速度で動作する。

モータまたは発電機として動作中に、電気機械１００の様々な構成要素が熱エネルギーを発生させる。例えば、巻線３２は導電材料でできている。例示的な導電材料としては、銅、アルミニウム、銀、金、その他が含まれる。導電材料の固有抵抗により、導電材料を通る電流が、動作中に熱を発生させる。電気機械１００の他の構成要素もまた、動作中に熱を発生させる。例えば、可動部間の摩擦、および他の導電構成要素の電気抵抗もまた熱を発生させる。

電気機械１００は、機械１００の様々な構成要素を冷却するための冷却システムを含む。この冷却システムは、複数の冷却流体導管１８０と流体連通する２つの冷却流体供給源１３０ａおよび１３０ｂを含む。各導管１８０は、供給源１３０ａまたは供給源１３０ｂから冷却流体を受け入れ、その流体をハウジング２０の内側の機械１００の領域内まで送る。図示の供給源１３０は、モータ駆動ファンである。ハウジング２０の内部で、冷却流体は、機械１００の１つまたは複数の構成要素の近傍を流れる間に、伝導熱移動によってその１つまたは複数の構成要素から熱エネルギーを受け取る。次に、冷却流体はハウジング２０から流れ出て、移動した熱エネルギーを１つまたは複数の構成要素から遠くに輸送し、それによって機械１００を冷却する。供給源１３０ａからの冷却流体は、ステータ３０の軸方向中心にある、機械１００の中間スタック領域まで導かれる。供給源１３０ａからの冷却流体は、ステータ３０の軸方向中心からステータの両端の方へ空隙６０に沿って流れながらステータを冷却する。供給源１３０ｂからの冷却流体は、機械の駆動端の外側と非駆動端の外側の両方に導かれて、エンド・ターン３４を冷却する。

図１Ａに示されているように、冷却流体入口１８２ａが、冷却流体を導管１８０ａから、機械１００の非駆動端でエンド・ターン３４ａ近くの容積内に導き、冷却流体入口１８２ｂが、冷却流体を導管１８０ｂから、機械１００の駆動端でエンド・ターン３４ｂ近くの容積内に導く。エンド・ターン３４ａおよび３４ｂ近くのそれぞれの容積は、ハウジング２０内で仕切り１６０および１６２によって画定される。仕切り１６０ａおよび１６２ａは、ステータ３０の非駆動端近くの容積を画定し、仕切り１６０ｂおよび１６２ｂは、ステータ３０の駆動端近くの容積を画定する。仕切り１６０および１６２は、仕切り１６０および１６２を貫通して構成要素が拡張し、かつ／または流体が流れることができるようにする複数のポートおよび開口を備えた隔壁として実施される。図示の機械１００は、ステータ３０の各端部近くの容積内に流体を導くためのバッフルまたはシュラウドなしで実施される。しかし、一部の実施では、そのようなバッフルまたはシュラウドを含むことができる。出口１８４ａおよび１８４ｂは、それぞれエンド・ターン３４ａおよび３４ｂの近くの容積から冷却流体を集めるように構成される。両方の出口１８４ａおよび１８４ｂから、冷却流体は、排出マニホルド内に導かれて共通排出導管２３０に至り、機械１００を出る。空隙６０に沿って流れる冷却流体もまた、各エンド・ターン近くの容積に入り、ステータ３０の内部側面の径方向内側にある空隙６０を通る。空隙６０からの冷却流体もまた、共通排出導管２３０（図１Ｂに示す）から機械１００を出る。

流体入口１８２も流体出口１８４も、ステータ３０の内部側面の径方向外側にある。入口１８２ａと出口１８４ａの間の圧力差により、ステータの非駆動端の外側を実質的に横断する冷却流体の流れを発生させることができる。例えば、入口１８２ａと出口１８４ａの間の流体の流れは、エンド・ターン３４ａの冷却専用の冷却流として機能することができる。同様に、入口１８２ｂと出口１８４ｂの間の流体の流れは、エンド・ターン３４ｂの冷却専用の冷却流として機能することができる。入口１８２ａおよび出口１８４ａは、ステータ３０の外側の冷却流体をステータ３０の非駆動端の外径の両端間で移動させて、エンド・ターン３４ａを冷却することができる。同様に、入口１８２ｂおよび出口１８４ｂは、ステータ３０の外側の冷却流体をステータ３０の駆動端の外径の両端間で移動させて、エンド・ターン３４ｂを冷却することができる。

図１Ｂに示されたように、冷却流体入口１８２ｃが、導管１８０ｃからの冷却流体を機械１００の中間スタック内の容積内に導き、冷却流体入口１８２ｄが、導管１８０ｄからの冷却流体を機械１００の中間スタック内の容積内に導く。入口１８２ｃおよび１８２ｄは、ステータまわりの２つの異なる方位角位置から冷却流体を導く。具体的には、入口１８２ｃと１８２ｄは、機械１００の軸方向中心近くの断面の両端で直径に沿って対向する。バッフル１９０が、冷却流体を入口１８２ｃおよび１８２ｄからステータ３０の外側を取り囲むように円周方向に導く。円周方向に環流した後、冷却流体は、バッフル１９０中の開口またはポートを通って径方向内側に流れ、ステータ３０の外面を取り囲むように円周方向に形成された環状マニホルド８０に入る。ステータ３０は、環状マニホルド８０と空隙６０の間を連通させるほぼ放射状の多数の開口すなわち通気孔７０を含む。環状マニホルド８０は、中間スタック隙間として実施され、これは、冷却ジャケット２１０と、ステータ３０の軸方向中心の、あるいは一部の実施ではその近くのステータコアとの間の隙間である。空隙６０は、通気孔７０と、ステータ３０の第１および第２の端部近くの容積との間を連通させる。例えば、流体は、軸方向に空隙６０に沿って流れ、ステータ３０の駆動端から出口１８４ｂを通って流れることができ、また流体は、軸方向に空隙６０に沿って流れ、ステータ３０の非駆動端から出口１８４ａを通って流れることができる。

電気機械１００の冷却システムはまた、図１Ａに示された複数の液冷ジャケット２１０も含む。液冷ジャケット２１０は、ステータ３０の外側を取り囲んで延びる。冷却ジャケット２１０は、ステータ３０まわりの蛇行した流路に沿って液体の冷却流体を循環させてステータ３０を冷却するように構成される。冷却液の蛇行流は、円周方向と軸方向の両方である。すなわち、冷却液の蛇行流は、全体的に円周方向であり、軸方向の横断を含む。別法として、または加えて、他の流路の形状もまた、機械１００で実施することができる。液冷ジャケット２１０は、複数の別個の円周流路２１２を画定する。各円周流路２１２は、ステータ３０の別個の軸部分のまわりに液体の冷却流体を循環させて、ステータ３０の軸部分を冷却することができる。液冷ジャケット２１０は、閉ループ冷却システムの一部であり、液体の冷却流体は、流体がステータ３０から熱を吸収し、熱をハウジング２０の外部の冷却源まで移動させるので、周期的に加熱され冷却される。一部の実施では、液冷ジャケット２１０は、ハウジング２０から分離可能であり、またステータ３０から分離可能である。例えば、液冷ジャケット２１０は電気機械１００から取り外して、機械１００とは別に修理または改変することができる。

機械１００の動作の一態様では、冷却流体は、供給源１３０ａから導管１８０ａおよび１８０ｂに流れ込む。流体は、導管１８０ａおよび１８０ｂから、それぞれ流れ入口１８２ａおよび１８２ｂを通って流れる。流れ入口１８２ａおよび１８２ｂから、冷却流体は、ステータのそれぞれの端部を横切って流れ、それぞれのエンド・ターン３４を冷却する。エンド・ターン３４を冷却した後、冷却流体は、それぞれの出口１８４ａおよび１８４ｂを通って排出マニホルドに流れ込み、ハウジング２０から流れ出る。冷却流体はまた、供給源１３０ｂから導管１８０ｃおよび１８０ｄにも流れ込む。この流体は、導管１８０ｃおよび１８０ｄから、それぞれ流れ入口１８２ｃおよび１８２ｄを通って流れる。流れ入口１８０ｃおよび１８０ｄから、冷却流体は、ステータ３０の軸方向中心の外側を取り囲むハウジング内領域を通って円周方向に流れる。次に、冷却流体は、ほぼ径方向内側にロータ４０に向かって、マニホルド８０を通り、通気孔７０を通って空隙６０に流れ込む。次に、冷却流体は、軸方向に空隙６０に沿って流れる。流体の一部分は、機械１００の駆動端に向かって流れ、エンド・ターン３４ｂを横切る冷却流体の流れと一緒になり、出口１８４ｂを通って排出マニホルドに流れ込む。流体の別の部分は、機械１００の非駆動端に向かって流れ、エンド・ターン３４ａを横切る冷却流体の流れと一緒になり、出口１８４ａを通って排出マニホルドに流れ込む。

図２Ａおよび図２Ｂに示された電気機械２００は、冷却システムの一代替実施形態を含む。機械２００は、冷却流体をマニホルド２５０の中に導く単一の冷却流体供給源１３０を含む。マニホルド２５０は、冷却流体を機械２００の様々な部分に分配する。マニホルド２５０は、冷却流体を機械２００の中間スタックまで導管１８０ｇを介して導く。マニホルド２５０は、冷却流体を機械２００の駆動端と非駆動端の両方まで、それぞれ導管１８０ｆおよび１８０ｅを介して導く。電気機械２００は、円周流路２１２を２つだけ有する液冷ジャケット２１０を含む。

機械２００の動作の一態様では、ロータ４０は、供給源１３０のコンプレッサ構成要素を回転させ駆動する。冷却流体は、供給源１３０からマニホルド２５０に流れ込む。この冷却流体は、マニホルド２５０で導管１８０ｅ、１８０ｆおよび１８０ｇに分配される。これら導管から、冷却流体はそれぞれの流れ入口１８２ｅ、１８２ｆおよび１８２ｇを通って流れる。流れ入口１８２ｅおよび１８２ｆから、冷却流体は、ステータのそれぞれの端部を横切って流れ、エンド・ターン３４を冷却する。エンド・ターン３４を冷却した後、冷却流体は、それぞれの出口１８４を通って排出マニホルドに流れ込み、ハウジング２０から流れ出る。流れ入口１８４からは、冷却流体は、ステータ３０の軸方向中心の外側を取り囲むハウジング内領域を通って円周方向に流れる。次に、冷却流体は、ほぼ径方向内側にロータ４０に向かって、マニホルド８０を通り、通気孔７０を通って空隙６０に流れ込む。次に、冷却流体は、軸方向に空隙６０に沿って流れる。流体の一部分は、機械２００の駆動端および非駆動端のそれぞれに向かって流れ、エンド・ターン３４を横切る冷却流体の流れと一緒になり、出口１８４を通って排出マニホルドに流れ込む。

図示の電気機械１００および２００は、例示的な実施形態である。したがって、電気機械の一部の実施では、図示の例に対して追加の特徴および／または異なる特徴が含まれ、電気機械の一部の実施では、図示の例の特徴が省かれる。

図１Ａで、導電巻線３２はステータ３０の中に組み込まれている。しかし、一部の実施では、巻線３２は、ステータ３０ではなくロータ４０に含まれる。図１Ａでは、シャフト１７０と１７２が一体化してロータ４０を形成する。しかし、シャフト１７０と１７２は、ロータ４０に直接または間接的に取り付けられる別々の要素にして、ロータ４０と一体化しなくてもよい。図１Ａで、仕切り１６０および１６２は、ステータ３０の各端部近くに容積を画定する。しかし、機械１００は、１つまたは複数の仕切り１６０および１６２を用いずに実施することもできる。一部の実施では、ステータ３０の各端部近くの容積は、機械のハウジング２０および／または他の特徴によって画定される。一部の実施では、ステータ３０の端部近くの容積は、構造によって画定されるのではなく、エア・カーテン、ハウジングの内部全体にわたる圧力差、あるいは入口１８２と出口１８４の相対的な向きによって画定される。

図１Ａで、入口１８２は、ステータ３０の各端部に軸方向に配置され、ロータ４０によって画定される主長軸に対してほぼ直角に流体を導く。一部の実施では、入口１８２は、ステータの内部側面の径方向外側に、かつステータ３０の端部を越えて軸方向に配置される。すなわち、一部の実施では、流れ入口または流れ入口は、ステータの径方向外側に、かつステータの端部を越えて軸方向にずれて配置される。例えば、入口１８２ｂは、ステータ３０の駆動端を越え、ステータの内部側面の径方向外側に配置される。いくつかの実施では、入口１８２は、ロータ４０によって画定される主長軸に対してある角度に流体を導く。例えば、入口１８２ｂは、流体をステータ３０の軸方向中心に向ける、またはそこから離す、ある角度に導くことができる。図１Ａで、入口１８２ａと１８２ｂとは同じ方位角度にある。すなわち、入口１８２ａと１８２ｂとは、ステータを横切る同じ径方向に（すなわち紙面の上から）流体を導く。しかし、一部の実施では、入口１８２ａ、１８２ｂの一方または両方が、ある異なる方位角度でずれている。例えば、一部の実施で、入口１８２ａおよび１８２ｂは、流れを紙面に導き入れ、紙面から導き出し、あるいは紙面の下から導くことができる。

図１Ｂで、２つの流れ入口１８２ｃおよび１８２ｄは、ステータ３０の軸方向中心で直径に沿って対向している。しかし、一部の実施では、１つの入口１８２、または２つを越える入口１８２（例えば３つ、４つ、または５つ以上）を使用して、流れを空隙６０に導き入れることができる。さらに、入口１８２は、ステータ３０まわりの任意の方位角方向または方位角方向の組にあってもよく、また入口１８２は、ステータ３０に対して任意の軸方向位置にあってもよい。例えば、流れを空隙６０に導き入れる入口１８２は、複数の仕切り１６２の間で４つの別々の方位角方向に分散させることができる。

図２Ａおよび図２Ｂに示されたマニホルド２５０、または類似の構造もまた、システム１００において流体を分配するために使用することができる。例えば、供給源１３０ａおよび１３０ｂは、導管１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、および１８０ｄと同様に機能する導管を画定するマニホルドと流体連通することができる。さらに、システム２００は、マニホルド２５０を用いずに実施することもできる。例えば、導管１８０ｅ、１８０ｆ、および１８０ｇのそれぞれは、マニホルド２５０から独立した別個の管すなわち導管によって画定することができる。

図示の実施では、冷却源１３０はモータ駆動ファンである。しかし、冷却源は、冷却流体の加圧供給源を形成する任意の流体発生器でよい。一部の実施で、冷却源１３０は、シャフト１７０の回転によって動力が供給されるコンプレッサである。冷却流体の例としては、空気、水素、水蒸気、窒素、メタン、ならびにこれらの流体および／または他の流体の任意の組合せが含まれる。場合によって、冷却流体は、機械の１つまたは複数の側面を冷却する以外の理由で循環させる。例えば、場合によって、冷却流体を使用して機械の１つまたは複数の構成要素を加熱することがある。例示的な流体発生器には、インペラ、ファン、ブロアその他が含まれる。流体発生器は、シャフト１７０から切り離され、独立して外部システムから動力を供給される遠心コンプレッサ、または他の任意のタイプのコンプレッサを含むことができる。さらに、流体の流れは、本明細書で明示していない電気機械の様々な構成要素および／または部分を冷却することもできる。例えば、冷却流体は、ロータ４０、ステータ３０、軸受４５、ハウジング２０という種々の構成要素、および明示されていない他の構成要素を冷却することができる。

一部の実施では、冷却流体の流れが逆転する。例えば、冷却流体は、排出マニホルドから出口１８４を通って、ステータの端部近くの容積に流れ込むことができる。この例では、冷却流体は、ステータの端部近くの容積から入口１８２を通って導管１８０ａ、１８０ｂに流れ込み、導管１８０ｃ、１８０ｄに向かって空隙６０を通る。一部の実施では、流体を導きまたはそらすために付加的な冷却流体案内を追加することができる。例えば、システム２００では、バッフル１９０が流体をステータ３０の側面に向けて導く。

液冷ジャケット２１０は、４つの円周流路２１２を備えて図示されているが、任意の数の円周流路２１２を備えて１つまたは複数の液冷ジャケット２１０を実施することもできる。例えば、液冷ジャケット２１０は、４つよりも少ないまたは多い流路２１２を含むことができる。液冷ジャケット２１０は、開ループまたは閉ループの冷却システムとして実施することができる。液冷ジャケット２１０は、水、窒素、および／または他の液冷流体を循環させることができる。

特定の応用例では、改善され、かつ／または最適の流れおよび／または冷却効率を得るために、冷却システムを変更することができる。例えば、手動または自動で調節可能に、または取替え可能にできる入口案内または入口バッフルなどの機能を遠心コンプレッサ取入れ口に追加することができる。一部の実施形態では、調節可能なバッフルまたは絞り弁を含めて、遠心インペラの出力の流路を調節するための機能もまた追加することができる。一部の実施形態では、入口空気温度、例えば混合気体の組成、または入口圧力を調節して、気体の流れ特性、および／または熱伝達特性を調節することができる。

一部の実施形態では、ＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）または埋込みプロセッサ・デバイスなどのコントローラに入力するために、センサが、例えばＲＴＤ（抵抗温度検出器）、熱電対または光学検出デバイスなどを使用して、様々な場所、例えば、ロータやステータで、あるいは入口−出口の差を決定するために入口および出口などで観測された温度情報を検出することができる。このコントローラは、状態表示または状態情報をもたらし、例えばＬＡＮまたはインターネットなどのネットワークを介して他のデバイスと通信し、あるいは上述のように流れを調節できるものなどの調節機構を制御するための制御コマンドを発行することができる。コントローラは、例えば観測される温度などの１つまたは複数のパラメータを調整するために使用されるフィードバック制御システムの一部でよい。

図３は、電気機械を冷却するための例示的な方法３００を示す流れ図である。方法３００は、図１および図２に示された例示的な機械１００と２００のどちらを冷却するのにも使用することができる。より一般的には、方法３００は、電気機械を発電モード、モータ・モード、または他の動作モードの前、間、または後に冷却するために使用することができる。一部の実施では、方法３００は、同じ順序または異なる順序で、より多くの動作、より少ない動作、または異なる動作を含む。

３０２ａで、冷却流体を第１の流れ入口から、ステータの第１の端部近くの対応する容積内に受け入れる。３０２ｂで、冷却流体を第２の流れ入口から、ステータの第２の端部近くの対応する容積内に受け入れる。第１の流れ入口および／または第２の流れ入口は、ステータの内面の径方向外側に配置される。第１および第２の流れ入口は、同一の冷却流体源と、または２つの異なる冷却流体源と流体連通することができる。

３０４ａで、冷却流体をステータの第１の端部を実質的に横断して送る。３０４ｂで、冷却流体をステータの第２の端部を実質的に横断して送る。ステータの第１の端部および／またはステータの第２の端部で、実質的に横断する流れは、ステータに入らずにステータの外側横のある寸法を横切る。例えば、実質的に横断する流れは、ステータの上部からステータの下部までステータを横切って流れることができ、あるいは実質的に横断する流れは、ステータの左側からステータの右側までステータを横切って、あるいは他の任意の角度で流れることができる。冷却流体の実質的に横断する流れは、ほぼ非軸方向の流れになり、それによって、ステータの断面の直径とほぼ平行のステータの軸方向断面に当たることができる。一部の実施では、実質的に横断する流れは、軸方向流れ成分を有する。実質的に横断する流れがステータの外周部および／またはロータの外周部に当たると、この流れはステータおよび／またはロータの円周を囲むように導かれて、ステータおよび／またはロータを冷却する。この実質的に横断する流れは、エンド・ターンを冷却するための冷却機構として機能することができる。一部の実施では、冷却流体は、ステータの第１の端部と第２の端部の両方を実質的に横断して同時に送られる。他の実施では、ステータの駆動端または非駆動端だけが、実質的に横断する流れによって冷却される。

３０６で、冷却流体を第３の流れ入口からステータとロータの間の空隙内に受け入れる。第３の流れ入口は、第１および／または第２の流れ入口と同じ、または異なる冷却流体源と流体連通することができる。一部の実施では、第３の流れ入口は、ステータの軸方向中心を囲むように別々の方位角位置に分散された複数の流れ入口を含む。第３の流れ入口からの冷却流体は、ステータのコアを軸方向に分割するマニホルドを介して空隙内に送られる。

３０８で、冷却流体を軸方向に空隙に沿って、ステータの第１および／または第２の端部近くの容積内に送る。一部の実施では、冷却流体を第３の流れ入口のどちらの側でも両方の軸方向に空隙に沿って同時に送る。例えば、第３の流れ入口がステータの軸方向中心近くに配置されている場合、冷却流体は、ステータの中心から電気機械の駆動端および非駆動端の方へ空隙に沿って同時に流れることができる。このような場合、冷却流体は、ステータの第１の端部近くの容積内、およびステータの第２の端部近くの容積内に送られる。他の場合では、冷却流体は、軸方向に空隙に沿って、ステータの一方の端部までだけ、例えばステータの駆動端または非駆動端までだけ送られる。

３１０ａで、冷却流体をステータの第１の端部近くの容積から第１の流れ出口に通して集める。３１０ｂで、冷却流体をステータの第２の端部近くの容積から第２の流れ出口に通して集める。第１の流れ出口および／または第２の流れ出口は、ステータの内面の径方向外側に配置される。一部の実施では、第１の流れ出口に通して集められた冷却流体は、第１および第３の流れ入口からの冷却流体を含む。一部の実施では、第２の流れ出口に通して集められた冷却流体は、第２および第３の流れ入口からの冷却流体を含む。第１および第２の流れ出口から、冷却流体は、１つまたは複数の排出マニホルドを通して機械の外に送られる。

一部の実施では、第１の流れ出口と第１の流れ入口は、ステータの第１の端部を実質的に横断する流れを送るように協働可能に構成され、かつ／または第２の流れ出口と第２の流れ入口は、ステータの第２の端部を実質的に横断する流れを送るように協働可能に構成される。一部の実施では、第１の流れ出口および第１の流れ入口は、冷却流体がエンド・ターン近くのステータ外側の容積内にある限りその流体をステータの第１の端部の外径の両端間で移動させるように構成され、かつ／または第２の流れ出口および第２の流れ入口は、冷却流体がエンド・ターン近くのステータ外側の容積内にある限りその流体をステータの第２の端部の外径の両端間で移動させるように構成される。

いくつかの実施を説明してきた。しかし、様々な改変を加えることができることを理解されたい。したがって、他の実施は添付の特許請求の範囲に含まれる。

Claims (20)

1. 電気機械のハウジング内に配置され、前記ステータの第１の端部に第１の複数のエンド・ターンを有し前記ステータの反対側の第２の端部に第２の複数のエンド・ターンを有する巻線を含み、ほぼ管状の形状と内部側面とを有するステータと、
   前記ステータの内側を通って延びるロータと
   前記第１のエンド・ターン近くの、前記ハウジング内の容積への流れ入口であって、前記内部側面の径方向外側に配置された流れ入口と、
   前記第１のエンド・ターン近くの、前記ハウジング内の容積からの流れ出口とを備える電気機械であって、前記流れ出口が前記内部側面の径方向外側に配置され、前記入口と前記出口が、前記ステータの前記第１の端部を実質的に横断する流体の流れを送るように協働可能に構成される、電気機械。
2. 前記流れ出口が第１の流れ出口を含み、前記流れ入口が第１の流れ入口を含み、前記容積が第１の容積を含み、前記流れが第１の流れを含み、
   前記第２のエンド・ターン近くの第２の容積への第２の流れ入口であって、前記内部側面の径方向外側に配置された第２の流れ入口と、
   前記第２のエンド・ターン近くの第２の容積からの第２の流れ出口であって、前記内部側面の径方向外側に配置された第２の流れ出口とをさらに備え、前記第２の入口と前記第２の出口が、前記ステータの前記第２の端部を実質的に横断する第２の流れを送るように協働可能に構成される、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記第１の流れ入口と前記第２の流れ入口が単一の冷却流体源と流体連通する、請求項２に記載の電気機械。
4. 前記ハウジング内に前記容積を画定する仕切りをさらに備え、前記流れ出口が、前記仕切りを貫通する少なくとも１つのポートを含む、請求項１に記載の電気機械。
5. 前記流れ入口が第１の流れ入口を含み、前記電気機械がさらに、第２の流れを、前記ステータのコアを軸方向に分割するマニホルドを介して、前記ステータの前記内部側面と前記ロータの外部側面との間に画定された空隙まで導く第２の流れ入口を備える、請求項１に記載の電気機械。
6. 前記第２の流れ入口が、前記ステータまわりの別々の方位角位置にある複数の流れ入口を含む、請求項５に記載の電気機械。
7. 前記第１の流れ入口と前記第２の流れ入口が単一の冷却流体源と流体連通する、請求項５に記載の電気機械。
8. 前記第１の流れ入口が第１の冷却源と流体連通し、前記第２の流れ入口が第２の冷却源と流体連通する、請求項５に記載の電気機械。
9. 前記第２の流れ入口が流れを前記空隙の軸方向中心まで導き、前記空隙が前記第１のエンド・ターン近くの容積まで軸方向に延びる、請求項５に記載の電気機械。
10. 前記ステータを冷却するために液冷流体を前記ステータのまわりに円周方向に循環させるように構成された、前記ステータの外側を取り囲む少なくとも１つの冷却ジャケットをさらに備える、請求項１に記載の電気機械。
11. 前記少なくとも１つの液冷ジャケットが複数の蛇行流路を画定し、各蛇行流路が前記液冷流体を前記ステータの別の軸方向部分のまわりに循環させて前記ステータの前記軸方向部分を冷却する、請求項１０に記載の電気機械。
12. 前記少なくとも１つの液冷ジャケットが前記ハウジングから分離可能であり、また前記ステータから分離可能である、請求項１０に記載の電気機械。
13. 電気機械のハウジング内で、前記ハウジング内に配置されたステータの第１の端部近くの容積内に冷却流体を受け入れるステップであって、前記ステータが、前記ステータの第１の端部に第１の複数のエンド・ターンを有し前記ステータの反対側の第２の端部に第２の複数のエンド・ターンを有する巻線を含み、前記ステータがほぼ管状の形状と内部側面とを有し、流れが前記内部側面の径方向外側から前記容積内に受け入れられるステップと、
    前記ステータの前記第１の端部を実質的に横断する前記冷却流体を送るステップと、
    前記容積からの前記冷却流体を前記内部側面の径方向外側から集めるステップとを含む、電気機械を冷却する方法。
14. 前記容積が第１の容積を含み、前記冷却流体が第１の冷却流体の流れを含み、前記方法がさらに、
    前記内部側面の外側からの第２の冷却流体の流れを前記ステータの第２の端部近くの第２の容積内に受け入れるステップと、
    前記ステータの前記第２の端部を実質的に横断する前記第２の冷却流体の流れを送るステップと、
    前記第２の容積からの前記第２の冷却流体の流れを前記内部側面の外側から集めるステップとを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１の冷却流体の流れを受け入れるステップが、前記第１の冷却流体の流れを第１の冷却流体源から受け入れるステップを含み、前記第２の冷却流体の流れを受け入れるステップが、前記第２の冷却流体の流れを前記第１の冷却流体源から受け入れるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１の冷却流体の流れを受け入れるステップが、前記第１の冷却流体の流れを第１の冷却流体源から受け入れるステップを含み、前記第２の冷却流体の流れを受け入れるステップが、前記第２の冷却流体の流れを第２の冷却流体源から受け入れるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記冷却流体が第１の冷却流体の流れを含み、前記方法がさらに、第２の冷却流体の流れを、前記ステータの外側まわりの複数の異なる方位角位置から、前記ステータのコアを軸方向に分割する隙間を介して、前記ステータの前記内部側面と前記ステータ中に延びるロータの外部側面との間に画定された空隙まで導くステップを含む、請求項１３に記載の方法。
18. 電気機械のハウジング内に配置され、前記ステータの第１の端部に第１の複数のエンド・ターンを有し前記ステータの反対側の第２の端部に第２の複数のエンド・ターンを有する巻線を含む、ほぼ円筒形のステータと、
    前記ステータの内側を通って長手方向に延びるロータと、
    前記ステータの外側まわりに方位角をなして分散した複数の位置にあり、流れを、前記ステータのコアを軸方向に分割する隙間を介して、前記ステータと前記ロータの間に画定された空隙まで導く第１の複数の入口とを備える電気機械であって、前記空隙が、前記第１のエンド・ターン近くの前記ステータ外側の、前記ハウジング内の容積から、前記ステータの内側を通って前記第２のエンド・ターン近くの前記ステータ外側の、前記ハウジング内の容積まで延びる、電気機械。
19. 前記第１のエンド・ターン近くの前記ステータ外側の、前記ハウジング内の容積への第２の入口と、
    前記第１のエンド・ターン近くの前記ステータ外側の、前記ハウジング内の容積からの第１の出口とをさらに備え、前記第２の入口と前記第１の出口が、冷却流体が前記第１のエンド・ターン近くの前記ステータ外側の前記容積内にある限り前記流体を前記ステータの前記第１の端部の外径の両端間で移動させるように協働可能に構成される、請求項１８に記載の電気機械。
20. 前記第２のエンド・ターン近くの前記ステータ外側の、前記ハウジング内の容積への第３の入口と、
    前記第２のエンド・ターン近くの前記ステータ外側の、前記ハウジング内の容積からの第２の出口とをさらに備え、前記第３の入口と前記第２の出口が、冷却流体が前記第２のエンド・ターン近くの前記ステータ外側の前記容積内にある限り前記流体を前記ステータの前記第２の端部の外径の両端間で移動させるように協働可能に構成される、請求項１９に記載の電気機械。

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