JP2011099442A - 発電機の冷却のための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機のための改良された冷却装置を提供する。
【解決手段】本発明による装置は、ロータとステータとを有する発電機に関する。ステータは少なくとも２つのステータセグメントを有している。ステータセグメントのうちの少なくとも１つが、多数の積層板（ＬＰ）を有している。積層板（ＬＰ）が、第１の側（Ｓ１）において多数のスロット（ＳＬ）を有しており、積層板の第１の側（Ｓ１）がロータに対して整合させられている。スロット（ＳＬ）はステータコイルの金属巻線（ＭＷ）を支持している。少なくとも１つの中空の冷却管（ＣＰ）が、冷却管内に配置された冷却媒体によって積層板（ＬＰ）を冷却するためにステータセグメントの積層板（ＬＰ）に部分的に一体化されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、好適には風車において使用される発電機の冷却のための装置に関する。

風車における発電機の運転中、ロータによって磁界が誘発される。ロータは、永久磁石又は巻線形磁極を有しており、これらは、ステータコア及びステータコイルに磁界を誘発する。これによって、電流が誘発され、この電流はステータコア及びステータコイルに大きな熱を発生する。

付加的な渦電流は熱の発生に寄与する。導体と磁界力との相対運動による変化する磁界に導体が曝されると、渦電流が発生する。渦電流は、時間の経過に伴う磁界の変化によっても発生される。

渦電流は、ステータ構成部材とロータ構成部材との間の所望の磁界に対抗する磁界を発生する。これは、渦電流損失を生ぜしめる。

渦電流損失は、特に風車における直接駆動発電機のような大型電気機械の場合、著しいレベルに達することがある。すなわち、ロータの効率が減じられる。

さらに、渦電流によって発生された熱は、ステータ構成部材における温度を上昇させる。

典型的なステータは、金属から形成された積み重ねられた積層板を有する。積層板は、例えば鉄のシートから打ち抜かれている。

図９は、発電機におけるステータの一部である公知の積層板ＬＰの形状を示している。

積層板ＬＰの第１の側Ｓ１は、発電機のステータとロータとの間の空隙に向けられている。この第１の側Ｓ１には、多数のスロットＳＬが設けられている。スロットＳＬは、好適には積層板ＬＰから打ち抜かれている。

多数の積層板ＬＰが積み重ねられ、これにより、スロットＳＬは積み重ねられた積層板Ｌ内にチャネルＣＨを形成する。チャネルＣＨは、ステータコイルの金属巻線ＭＷを支持している。

それぞれの金属巻線ＭＷは、導体ＣＯＮによって形成されており、この導体ＣＯＮは、導体絶縁体ＣＯＮＩによって包囲されている。それぞれのスロットＳＬは、金属巻線ＭＷを絶縁するためにスロット絶縁ライニングＳＩＬを有している。

スロットＳＬのそれぞれの上部には凹所ＲＣが設けられている。凹所ＲＣは、くさび形部材ＷＤＧを支持するように構成されている。くさび形部材ＷＤＧによって、挿入された金属巻線ＭＷは所定の位置に保持される。

電気機械が作動していると、熱が発生される。熱は、主にステータの金属巻線ＭＷによって発生される。熱により、金属巻線ＭＷの絶縁体が損傷されることがあり、従って、巻線の温度は、電気機械の所定の寿命を達成するために低下させる必要がある。

大型の電気機械を冷却するために様々な装置及び方法が知られている。極めて一般的なものは、電気機械の内部での空気等の気体媒体の循環である。この気体媒体は、例えば熱交換によって低温に保たれる。

この方法の欠点は、大きなガス対空気又はガス対水式の熱交換器が必要とされることである。さらに、冷却媒体を循環させるために付加的な電力が必要とされる。

別の一般的な方法は、空隙に隣接していない又は空隙に面していない、ステータ側において冷却液を循環させることである。つまり、熱は、金属巻線から伝導によって積層板へ伝達され、積層板から伝導によって冷却液に伝達される。

この方法の欠点は、積層鉄の適度な熱伝導率により、ステータ巻線と冷却媒体との間にかなりの温度勾配が存在するということである。従って、巻線の温度を所要の最大値よりも低く維持することが困難である。

別の一般的な方法は、液体又は気体媒体を中空の銅バーに導入することである。これらのバーは、ステータコイルの巻線の下側に装着されているか又は、積み重ねられた積層板の裏側に溶接によって結合されている。銅バーは、積層板のチャネルを超えている。

この方法の欠点は、電気接続のために及び中空銅バーの結合のために、多数の接合部が必要とされることである。したがって、この方法は、極めて大型の発電機においてのみ使用される。

別の欠点は、冷却管が、コイル巻線と同じ電磁界に曝され、これにより、金属から形成された冷却管に電圧が誘発されることである。

別の方法は、米国特許出願公開第２００５／００６７９０４号明細書から知られている。この場合、鉄から形成されたステータ積層体は、ロータとは反対側を向いたステータ側においてＣ字形スロットを有している。冷却管は、前記スロットに挿入されており、管は、Ｃ字形チャネルに合致するように変形させられる。

この方法の欠点は、冷却管の変形が管に小さなき裂を生じる恐れがあることである。これらのき裂は、例えば腐食、環境的影響又は材料特性により、次第に拡大する恐れがある。つまり、き裂は、後に漏れを生じる。

この方法の別の欠点は、この方法が大型の電気機械において使用されると、冷却管の長さが増大するということである。この場合、冷却管は、長い"蛇行状"に成形される。長い蛇行状の管を流れる間に冷却液は加熱される。従って、蛇行の主な部分を含むステータの区分は、十分に冷却されなくなる。さらに、例えば鉄から形成されたステータ積層体に、温度勾配が生じる。

米国特許出願公開第２００５／００６７９０４号明細書

したがって、本発明の課題は、特に風車における直接駆動発電機のような大型の電気機械のための、発電機のための改良された冷却装置を提供することである。

前記課題は、請求項１の特徴によって達成される。さらに、発明の構成は従属請求項の主体である。

本発明の装置は、ロータ及びステータを有する発電機に関する。ステータは、少なくとも２つのステータセグメントを有する。ステータセグメントのうちの少なくとも１つは、多数の積み重ねられた積層板を有している。積み重ねられた積層板は、第１の側に多数のスロットを有しており、積み重ねられた積層板の第１の側は、ロータに整合させられている。スロットは、ステータコイルの金属巻線を支持している。冷却管内に配置された冷却媒体によって積層板を冷却するために、ステータセグメントの積み重ねられた積層板には、少なくとも１つの中空冷却管が部分的に一体化されている。

ステータは、セグメントに分割されている。好適には、部分的に一体化された冷却管は、専用の冷却管と一緒に少なくとも１つのステータセグメントを交換することができるように設計されている。

冷却管の表面の大部分はステータに一体化されているので、冷却管の表面は、ステータセグメントと密に接触している。従って、熱伝導が高められる。これは、専用のセグメントの最適な冷却を保証する。

ステータセグメントにおける渦電流は、冷却管の配置と、冷却管のために使用される材料とにより、冷却管の周囲において排除される。

減じられた又は排除された渦電流により、より小さな熱が発生される。

好適には、部分的に一体化された冷却管は、第１の側とは反対側の第２の側において、積み重ねられた積層板を貫通している。つまり、冷却管は、冷却を高めるためにステータセグメントと密に接触している。

好適には、冷却管は冷却媒体で充填されており、冷却管は冷却システムの一部である。従って、冷却媒体は、ステータセグメントの能動的な冷却のために使用される。

好適には、冷却管は、例えば水のような冷却液で充填されている。好適には水が使用されるが、不凍液又は油が水に加えられてもよい。不凍液は、例えばエチレングリコール、ジエチレングリコール、又はプロピレングリコールである。鉱油、シリコーン油、又はフルオロカーボン油が例えば油として使用されてよい。従って、適切な液体冷却媒体は、所望の冷却範囲を保証するために使用されてよい。

好適には、冷却媒体は、別個の"低温の"入口において冷却管に進入し、冷却管の別個の"高温の"出口において流出する。従って、ステータの冷却は、冷却媒体の一定の流れによって制御することができる。

好適には、各ステータセグメントは少なくとも１つの冷却管を有しており、各冷却管は、別個の低温入口と別個の高温出口とを有している。

好適には、発電機は、例えば熱交換器のような１つの共通の冷却手段を有している。全ての所要の冷却管の各低温入口及び各高温出口は、この共通の熱交換器に接続されている。これにより、冷却管と熱交換器との間に短い接続ラインが形成され、これにより、発電機の改良された冷却が保証される。個々のステータセグメントの冷却は、他のステータセグメントの冷却によって影響されない。従って、それぞれ１つのセグメントのより均一でかつ効率的な冷却が達成される。

好適には、発電機は、例えば熱交換器のような２つ以上の冷却手段を有している。それぞれ別個の冷却手段は、冷却管の入口／出口を介して専用のステータセグメントに接続されている。従って、専用のセグメントの改良された冷却が達成される。さらに、冷却は、より小さな冷却ユニットに分割されており、これにより、機械的な複雑さが低減されている。

好適には、冷却管は、非磁性材料から形成されている。冷却管は、積層板内の磁路の一部を形成しないので、熱の発生も減じられる。

好適には、冷却管は、金属から形成されている。従って、冷却管は、積層板から冷却媒体への効率的な熱伝導のために使用することができる。

好適には、冷却管は、ステンレス鋼から形成されている。従って、冷却管は、極めて頑丈であり、腐食が回避される。発電機全体の長寿命も保証される。

好適には、前記冷却管と前記積み重ねられた積層板との間に、熱伝導化合物が配置されている。従って、積層板と冷却システムとの間の最大熱伝導が保証される。

好適には、冷却管は、積み重ねられた積層板のスロット又はチャネルに配置された多数のヘアピン湾曲部を有している。ヘアピン湾曲部は、回転するロータによって冷却管に誘発される電圧が減じられるように設計及び構成されている。従って、最小限の過剰な熱が冷却管に誘発される。

好適には、冷却管は、ステータセグメントのエレメントを支持するために使用される構造体の一部である。従って、機械的な構成及び支持のための手段が減じられる。特に、積層板は冷却管によって固定されている。

さらに、熱伝導を最適化するために、構造体の間の密着した物理的及び／又は熱的な接続が保証される。

好適には、冷却管は、管においてねじ山付き部分を有している。ねじ山付き部分は、ステータの側部を締め付けるためのボルトを取り付けるために使用される。これは、ステータ積層板を互いに締め付けるための有効な方法であり、必要であればボルトを再び締め付けることができることをも保証する。

好適には、冷却管は、例えば前記管に溶接することによって結合される１つ又は２つ以上の支持フランジを有している。従って、支持構造体を、機械の製造中に組み立てることができる。

以下に本発明を図面を参照してより詳細に説明する。図面は例を示しており、従って、本発明の装置の範囲を限定するものではない。

本発明による冷却装置の一部を示す図である。 本発明による積層板を示す側面図である。 図１及び図２に関連して、本発明による装置の一部を示す三次元の図である。 本発明による第１の好適な構成を概略的に示す図である。 本発明による第２の好適な構成を概略的に示す図である。 本発明による装置において使用される、冷却管によって固定された、積層板を示す図である。 本発明による装置において使用される、冷却管によって固定された、積層板を示す図である。 積層板に関連した冷却管ＣＰの位置を示す図である。 導入部において説明したような公知の積層板を示す図である。

図１は、本発明による冷却装置の一部を示している。多数の積層板ＬＰが積み重ねられている。各積層板ＬＰは多数のスロットＳＬを有している。積重ねにより、スロットＳＬは多数のチャネルＣＨを形成しており、これらのチャネルは、ステータコイルの金属巻線ＭＷを支持するために使用されている。

積み重ねられた積層板ＬＰはステータセグメントの一部である。積み重ねられた積層板ＬＰは、発電機のロータに対して整合した第１の側Ｓ１を有している。スロットＳＬは、この第１の側Ｓ１に配置されている。

少なくとも１つの冷却管ＣＰは、積み重ねられた積層板ＬＰに部分的に一体化されている。部分的に一体化された冷却管ＣＰは、積み重ねられた積層板ＬＰの第２の側Ｓ２において積層板ＬＰを貫通している。第２の側Ｓ２は第１の側Ｓ１とは反対側である。

冷却管ＣＰと積み重ねられた積層板ＬＰとの間には、熱伝導化合物（図示せず）が配置されている。従って、積み重ねられた積層板の不規則な面と冷却管との間の熱的境界面の熱伝導率が高められる。構成部材の間の空隙は低減又は排除され、従って冷却が改善される。化合物は、セラミック、金属、カーボン、又は液体であってよい。

図２は、本発明による積層板ＬＰを側面図で示している。

積層板ＬＰの第１の側Ｓ１は、空隙に整合させられている又は面しており、空隙は発電機のステータとロータとの間に設けられている。第１の側Ｓ１は、多数のスロットＳＬを有している。スロットＳＬは、金属のシートから打ち抜かれていてよい。積層板ＬＰは、同様に製造されていてよい。

図１を参照すると、多数の積み重ねられた積層板ＬＰは、スロットＳＬによりチャネルＣＨを形成する。これらのチャネルＣＨは、ステータコイルの金属巻線ＭＷを支持するために使用されている。

各金属巻線ＭＷは、導体絶縁体ＣＯＮＩによって包囲された導体ＣＯＮによって形成されている。各スロットＳＬは、金属巻線ＭＷの束を絶縁するためのスロット絶縁ライニングＳＩＬを有している。

各スロットＳＬの上部には凹所ＲＣが設けられている。凹所ＲＣは、くさび形部材ＷＤＧを支持するように形成されている。電気コイルの金属巻線ＭＷが挿入されると、金属巻線はくさび形部材ＷＤＧによって所定の位置に保持される。

多数の冷却管ＣＰは、第１の側Ｓ１とは反対側の第２の側Ｓ２において、（積み重ねられた）積層板ＬＰに部分的に一体化されている。

好適には、冷却管ＣＰの横断面の５０％以上が（積み重ねられた）積層板ＬＰ内に一体化されている。

図２は、積み重ねられた積層板を有するステータセグメントの一部だけを示している。積み重ねられた積層板は円形に形成されている。

図３は、図１及び図２に関連した、本発明による装置の一部の三次元の図である。

図４は、本発明による第１の好適な構成を概略的に示している。

発電機（図示せず）は、例えば熱交換器ＨＸのような共通の冷却手段を有している。

共通の熱交換器ＨＸは、発電機のセグメント化されたステータの４つのセグメントｓｅｇ１，ｓｅｇ２，ｓｅｇ３，ｓｅｇ４に接続されている。

セグメントｓｅｇ１〜ｓｅｇ４のそれぞれは、ここに示されているように適切に接続された専用の冷却管の"低温の"入口と"高温の"出口とを有している。従って、ステータセグメントｓｅｇ１〜ｓｅｇ４と熱交換器ＨＸとの間の長い接続ラインが回避される。

冷却媒体は、分割されて、４つの冷却経路へ送り込まれ、各冷却経路はセグメントｓｅｇ１〜ｓｅｇ４のうちの１つのための専用のものである。

分割された冷却媒体は、専用の冷却経路から出た後に合流される。

熱交換器ＨＸから見て、冷却管は、並列に接続されていると見なされる。

図５は、本発明による第２の好適な構成を概略的に示している。

発電機（図示せず）は、例えば熱交換器ＨＸＸのような多数の４つの冷却手段を有している。

熱交換器ＨＸＸは、発電機のセグメント化されたステータの専用のセグメントｓｅｇ１，ｓｅｇ２，ｓｅｇ３，ｓｅｇ４に接続されている。

従って、４つの独立した冷却回路が形成されており、各回路は、セグメントｓｅｇ１〜ｓｅｇ４のうちの１つの冷却管を有している。

好適には、図１に記載の冷却システムと、図５に記載の冷却システムとは、組み合われてよい。例えば、ステータが８つのセグメントに分割されていると、冷却システムは、２つの冷却手段を有していてよい。冷却手段のそれぞれは、４つのステータセグメントの冷却管から冷却媒体を供給及び受容してよい。

図６及び図７は、本発明による装置において使用される、冷却管ＣＰによって固定された積み重ねられた積層板ＬＰを示している。

図８Ａは、本発明による積層板ＬＰのスロットＳＬに配置された冷却管ＣＰを概略的に示している。

図８Ｂは、積層板ＬＰの表面に取り付けられた冷却管ＣＰを概略的に示している。この構成は、従来公知である。

図８Ａによれば、冷却管ＣＰは積層板ＬＰの一体化された部分である。冷却管ＣＰは、長さＬ１を備えた内部周囲を有している。長さＬ２は、２つの隣接する冷却管ＣＰの間の距離を表している。図示のように、周囲長さＬ１は実質的に長さＬ２と等しい。

図８Ｂによれば、冷却管ＣＰは、積層板ＬＰの一体化された部分ではなく、実質的にステータの内面における熱伝導板ＨＴに配置されている。熱伝導板ＨＴの最大幅はＬ２の距離と等しい。

図８Ａの例は、図８Ｂの例と比較して、改良された冷却効率を有する。

ＬＰ 積層板、 ＳＬ スロット、 ＣＨ チャネル、 ＭＷ 金属巻線、 Ｓ１ 第１の側、 Ｓ２ 第２の側、 ＣＰ 冷却管、 ＣＯＮＩ 導体絶縁体、 ＣＯＮ 導体、 ＷＤＧ くさび形部材、 ＲＣ 凹所、 ＨＸ，ＨＸＸ 熱交換器、 ｓｅｇ１，ｓｅｇ２，ｓｅｇ３，ｓｅｇ４ セグメント、 Ｌ１，Ｌ２ 長さ

Claims (16)

1. 風車内で使用される発電機の冷却のための装置であって、
   発電機が、少なくとも２つのステータセグメントを含むステータと、ロータとを有しており、
   ステータセグメントのうちの少なくとも１つが、多数の積み重ねられた積層板（ＬＰ）を有しており、
   該積み重ねられた積層板（ＬＰ）が、第１の側（Ｓ１）において多数のスロットを有しており、積み重ねられた積層板の第１の側（Ｓ１）が、ロータに整合させられており、
   スロット（ＳＬ）が、ステータコイルの金属巻線（ＭＷ）を支持している形式のものにおいて、
   少なくとも１つの中空の冷却管（ＣＰ）が、該冷却管内に配置された冷却媒体によって積層板（ＬＰ）を冷却するために、ステータセグメントの積み重ねられた積層板（ＬＰ）に部分的に一体化されていることを特徴とする、風車内で使用される発電機の冷却のための装置。
2. 部分的に一体化された冷却管（ＣＰ）が、冷却管（ＣＰ）と一緒にステータセグメントを交換できるように設計されている、請求項１記載の装置。
3. 部分的に一体化された冷却管（ＣＰ）が、積み重ねられた積層板（ＬＰ）の第２の側（Ｓ２）に配置されており、該第２の側（Ｓ２）が第１の側（Ｓ１）とは反対側である、請求項１又は２記載の装置。
4. 冷却管（ＣＰ）が、冷却媒体のための入口接続部と出口接続部とを有しており、
   冷却媒体が、第１の温度で入口接続部を介して冷却管（ＣＰ）に進入し、冷却媒体が、第１の温度よりも高い第２の温度で出口接続部から流出する、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 各ステータセグメントが、該ステータセグメントに専用の少なくとも１つの冷却管（ＣＰ）を有している、請求項４記載の装置。
6. 発電機が、共通の熱交換器を有しており、該共通の熱交換器が、個々の入口接続部と出口接続部とによって、ステータセグメントにおいて使用される各冷却管と接続されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 発電機が多数の熱交換器を有しており、各熱交換器が、冷却管の個々の入口接続部と出口接続部とによって専用のステータセグメントの冷却管と接続されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
8. 冷却管（ＣＰ）と積み重ねられた積層板（ＬＰ）との間に熱伝導化合物が配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 冷却管が、多数のヘアピン湾曲部を有しており、該ヘアピン湾曲部が、冷却管（ＣＰ）に誘発される電圧が減じられるようにステータセグメントに成形及び配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 冷却管が、ステータセグメントの積層板を支持するように構成された支持構造体の一部である、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
11. 冷却管が、少なくとも積み重ねられた積層板を締め付けるように構成されたねじ山を有する、請求項１０記載の装置。
12. 冷却管が、１つ又は２つ以上の支持フランジを有しており、該支持フランジが、好適には冷却管に溶接されている、請求項１１記載の装置。
13. 発電機が、外側ロータ及び内側ステータを有しているか、又は
    発電機が、風車の直接駆動発電機として使用されている、請求項１記載の装置。
14. 冷却媒体が、液体である、請求項１記載の装置。
15. 冷却媒体が液体である及び／又は液体冷却媒体が不凍液又は油を含む、請求項１４記載の装置。
16. 冷却管（ＣＰ）が、非磁性材料から形成されており、好適にはステンレス鋼から形成されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の装置。

Images