JP2023017698A - 電気機械の能動要素の冷却 - Google Patents
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Abstract
【課題】電気機械、および電気機械の能動要素を冷却するための方法を提供する。【解決手段】本開示は、電気機械、および電気機械の能動要素を冷却するための方法に関する。より詳細には、本開示は、電気機械のロータに関する。電気機械は、例えば直接駆動風力タービン用の発電機であってもよい。電気機械は、複数の能動ロータ要素を備えるロータと、複数の能動ステータ要素を備えるステータと、能動ロータ要素と能動ステータ要素を分離するエアギャップとを備える。ロータは、空気流を電気機械に流入させ、ロータの回転に応じて能動ロータ要素および/または能動ステータ要素を冷却するように構成された1つまたは複数のロータ開口部をさらに備える。【選択図】図3
Description
本開示は、電気機械、および電気機械の能動要素を冷却するための方法に関する。より詳細には、本開示は、電気機械のロータに関する。電気機械は、例えば直接駆動風力タービン用の発電機であってもよい。
モータおよび発電機などの電気機械は、一般に、ロータ構造およびステータ構造を備える。大型発電機は、例えば電気励起発電機または永久磁石励起発電機(PMG)であってもよい。電気機械のロータは、ステータに対して回転する。ロータは内側構造であってもよく、ステータは外側構造であってもよい。したがって、この場合のステータは、例えばロータを半径方向に囲む。あるいは、構成は反対であってもよく、すなわちロータが例えばステータを半径方向に囲む。
そのような発電機は、例えば風力タービンで使用することができる。風力タービンは、一般に、ロータハブおよび複数のブレードを有するロータを備える。ロータは、ブレードへの風の影響下で回転するように設定される。ロータシャフトの回転は、発電機ロータを直接駆動する(「直接駆動型」)か、またはギアボックスを使用して駆動する。
直接駆動風力タービン発電機は、例えば6~10メートル(236~328インチ)の直径、例えば2~3メートル(79~118インチ)の長さを有することができ、例えば2~20rpm(回転毎分)の範囲の低速で回転することができる。あるいは、発電機はまた、発電機の回転速度を例えば50~500rpmまたはそれ以上に増加させるギアボックスに結合されてもよい。
直接駆動風力タービンの発電機などの電気機械では、冷却が一般に重要である。特に、ロータおよびステータの能動要素、例えば永久磁石およびコイルは、発熱する可能性がある。能動ロータおよびステータ要素の温度の上昇は、能動要素の故障につながり、発電機の効率を低下させる可能性がある。ロータおよびステータの能動要素の温度を低下させるために、能動要素を分離するエアギャップを通して冷却を提供することによって、能動要素から熱を除去することができる。ロータおよびステータの能動要素の温度を低下させるために、冷却システムを設けることができる。
そのような冷却システムは、一次ループを備えることができる。一次ループは、一次流体入口を含むことができる。一次流体、例えば空気は、一次流体入口から能動ロータおよびステータ要素に運ばれ得る。例えば、空気を能動ロータ要素とステータ要素との間のエアギャップに導くことができる。能動要素が発熱すると、流体も発熱する。加熱された一次流体は、一次流体出口に運ばれ得る。いくつかの例では、一次流体出口および入口は、風力タービンの外部、例えばナセルを囲む空気と流体連通してもよい。例えば、冷却システムは、一次流体入口を通して外側の風力タービンから空気を導入するための、例えばナセル内のファンを備えることができる。導管は、一次ループ流体を一次流体入口から発電機エアギャップに運ぶことができ、次いで導管は、加熱された一次ループ流体を発電機エアギャップから一次流体出口に運ぶことができる。
他の例では、一次流体入口および出口は、熱交換器と流体連通してもよい。流体のための二次ループは、熱交換器を含むことができる。熱交換器は、熱交換器入口と、熱交換器出口とを備えることができる。二次流体は、熱交換器入口を通って熱交換器に導入することができ、二次流体が発電機エアギャップ内で加熱された一次流体を冷却すると、一次流体は、熱交換器出口を通って熱交換器から除去され得る。二次流体は、例えば水または空気であってもよい。導管を使用して、熱交換器の内側に加熱された一次流体を案内し、その後冷却されると、熱交換器から流体を出すことができる。次いで、冷却された一次流体は、ロータおよび発電機の能動要素の間のエアギャップに向かって再び導くことが可能である。
本開示の一態様では、電気機械が提供される。電気機械は、複数の能動ロータ要素を備えるロータと、複数の能動ステータ要素を備えるステータと、能動ロータ要素と能動ステータ要素を分離するエアギャップとを備える。ロータは、周囲空気流を電気機械に流入させ、ロータの回転に応じて能動ロータ要素および/または能動ステータ要素を冷却するように構成された1つまたは複数のロータ開口部をさらに備える。
この態様によれば、ロータを回転させると、1つまたは複数のロータ開口部を通して空気を吸引することができる。電気機械の内側に入ると、空気は、例えば半径方向または軸方向に、ロータおよびステータの能動要素を分離するエアギャップを通過することができ、そして発熱することができる。加熱された空気は発電機から排出させることができ、したがって能動ロータおよびステータ要素を冷却する。強制対流によりロータおよびステータの能動部品を冷却することができ、空気を電気機械に導入するための管およびファンを有する冷却システムを省略することができる。
本開示全体を通して使用される能動要素は、磁気的および/または電気的に能動的なロータまたはステータの要素と見なすことができる。
電気機械は、発電機、特に風力タービン用の発電機、より詳細には直接駆動風力タービン用の発電機であってもよい。
さらなる態様では、電気機械を冷却するための方法が提供される。電気機械は、ロータと、ステータと、ロータとステータを分離するエアギャップとを備える。方法は、電気機械の外側からの冷却空気流がロータにおける1つまたは複数の開口部を通って電気機械の内側に流入するように、ロータを回転させることを含む。
さらに別の態様では、直接駆動風力タービン用の発電機が提供される。発電機は、複数の能動ロータ部品を備えるロータと、複数の能動ステータ部品を備えるステータと、ロータの能動部品とステータの能動部品を分離するエアギャップとを備える。ロータは、ロータを回転させた結果として発電機の内側と外側との間に圧力差を生成するように構成された1つまたは複数の開口部を備え、圧力は、発電機の外側よりも発電機の内側の方が低い。
ここで、本開示の実施形態を詳細に参照するが、その1つまたは複数の例が図面に示されている。各例は、本開示の限定としてではなく、本開示の説明として提供される。実際には、本開示の範囲および精神から逸脱せずに、本開示において様々な修正および変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または記載された特徴は、またさらなる実施形態をもたらすために、別の実施形態と共に使用することができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にあるそのような修正および変更を包含することを意図している。
本明細書では直接駆動風力タービン用の発電機が参照されるが、本開示は、一般に電気機械に適用することができる。
図1は、風力タービン10の一例の斜視図である。この例では、風力タービン10は、水平軸風力タービンである。あるいは、風力タービン10は、垂直軸風力タービンであってもよい。この例では、風力タービン10は、地面12上の支持システム14から延びるタワー15と、タワー15に装着されたナセル16と、ナセル16に結合されたロータ18とを含む。ロータ18は、回転可能なハブ20と、ハブ20に結合され、ハブ20から外側に延びる少なくとも1つのロータブレード22とを含む。この例では、ロータ18は、3つのロータブレード22を有する。代替の実施形態では、ロータ18は、3つよりも多いまたは少ない数のロータブレード22を含む。タワー15は、支持システム14とナセル16との間に空洞(図1には図示せず)を画定するために管状鋼から製作することができる。代替の実施形態では、タワー15は、任意の適切な高さを有する任意の適切なタイプのタワーである。代替形態によれば、タワーは、コンクリート製の部分および管状鋼部分を備えるハイブリッドタワーであってもよい。また、タワーは、部分的または完全な格子タワーであってもよい。風力タービン10は、陸上と海上の両方に載置することができる。
ロータブレード22は、ロータ18の回転を容易にし、運動エネルギーが風から使用可能な機械的エネルギー、続いて電気エネルギーに伝達され得るように、ハブ20の周りに離間して配置され得る。ロータブレード22は、ブレード根元部分24を複数の負荷伝達領域26でハブ20に結合することによって、ハブ20に嵌合される。負荷伝達領域26は、ハブ負荷伝達領域およびブレード負荷伝達領域(両方とも図1には図示せず)を有してもよい。ロータブレード22に誘導された負荷は、負荷伝達領域26を介してハブ20に伝達される。
例では、ロータブレード22は、約15メートル(m)~約90m以上の範囲の長さを有することができる。ロータブレード22は、風力タービン10が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意の適切な長さを有してもよい。例えば、ブレード長さの非限定的な例は、20m以下、37m、48.7m、50.2m、52.2m、または91mを超える長さを含む。風が風向28からロータブレード22に当たると、ロータ18は、ロータ軸30を中心に回転する。ロータブレード22が回転して遠心力を受けると、ロータブレード22も様々な力およびモーメントを受ける。したがって、ロータブレード22は、中立位置または非偏向位置から偏向位置に偏向および/または回転することができる。
さらに、ロータブレード22のピッチ角、すなわち、風向に対するロータブレード22の向きを決定する角度は、ピッチシステム32によって変更され、風ベクトルに対する少なくとも1つのロータブレード22の角度位置を調整することによって、風力タービン10によって生成される負荷および電力を制御することができる。ロータブレード22のピッチ軸34もまた、示されている。風力タービン10の動作中、ピッチシステム32は、ロータブレード(の一部)の迎え角が低減されるようにロータブレード22のピッチ角を特に変更することができ、これにより回転速度の低減を容易にし、かつ/またはロータ18の失速を容易にする。
この例では、各ロータブレード22のブレードピッチは、風力タービンコントローラ36またはピッチ制御システム80によって個々に制御される。あるいは、すべてのロータブレード22についてのブレードピッチは、前記制御システムによって同時に制御されてもよい。
さらに、この例では、風向28が変化するにつれて、ナセル16のヨー方向をヨー軸38を中心に回転させ、風向28に対してロータブレード22を位置決めすることができる。
この例では、風力タービンコントローラ36はナセル16内に集中しているように示されているが、風力タービンコントローラ36は、風力タービン10全体、支持システム14上、風力発電基地内、および/または遠隔制御センターにおいて分散したシステムであってもよい。風力タービンコントローラ36は、本明細書に記載の方法および/またはステップを実施するように構成されたプロセッサ40を含む。さらに、本明細書に記載の他の構成要素の多くは、プロセッサを含む。
本明細書で使用される場合、「プロセッサ」という用語は、従来技術においてコンピュータと呼ばれている集積回路に限定されず、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ(PLC)、特定用途向け集積回路、および他のプログラマブル回路を広く指し、これらの用語は、本明細書では互換的に使用される。プロセッサおよび/または制御システムはまた、メモリ、入力チャネル、および/または出力チャネルを含むことができることを理解されたい。
図2は、風力タービン10の一部の拡大断面図である。この例では、風力タービン10は、ナセル16と、ナセル16に回転可能に結合されたロータ18とを含む。より具体的には、ロータ18のハブ20は、主シャフト44、ギアボックス46、高速シャフト48、およびカップリング50によって、ナセル16内に位置決めされた電気発電機42に回転可能に結合される。この例では、主シャフト44は、ナセル16の長手方向軸(図示せず)と少なくとも部分的に同軸に配置される。主シャフト44の回転はギアボックス46を駆動し、ギアボックス46は、ロータ18および主シャフト44の比較的遅い回転運動を高速シャフト48の比較的速い回転運動に転換することによって、その後高速シャフト48を駆動する。後者は、カップリング50の助けを借りて電気エネルギーを生成するために発電機42に接続される。さらに、400V~1000Vの電圧を有する発電機42によって生成された電気エネルギーを中電圧(10~35KV)を有する電気エネルギーに変換するために、変圧器90および/もしくは適切な電子機器、スイッチ、ならびに/またはインバータをナセル16に配置することができる。前記電気エネルギーは、電力ケーブルを介してナセル16からタワー15に伝導される。
ギアボックス46、発電機42、および変圧器90は、ナセル16の主支持構造フレームによって支持されてもよく、任意選択で主フレーム52として具現化されてもよい。ギアボックス46は、1つまたは複数のトルクアーム103によって主フレーム52に接続されたギアボックスハウジングを含むことができる。この例では、ナセル16はまた、主前方支持軸受60および主後方支持軸受62を含む。さらに、発電機42は、特に発電機42の振動が主フレーム52に導入され、それによってノイズ放出源を引き起こすことを防止するために、分離支持手段54によって主フレーム52に装着されてもよい。
任意選択で、主フレーム52は、ロータ18およびナセル16の構成要素の重量、ならびに風および回転負荷によって引き起こされる負荷全体を担持し、さらに、これらの負荷を風力タービン10のタワー15に導入するように構成される。ロータシャフト44、発電機42、ギアボックス46、高速シャフト48、カップリング50、ならびに、限定はしないが、支持体52、前方支持軸受60、および後方支持軸受62を含む任意の関連する締結、支持、および/または固着デバイスは、ドライブトレイン64と呼ばれることがある。
いくつかの例では、風力タービンは、ギアボックス46のない直接駆動風力タービンであってもよい。発電機42は、直接駆動風力タービンにおけるロータ18と同じ回転速度で動作する。したがって、それらは一般に、ギアボックスを有する風力タービンと同様の量の電力を提供するために、ギアボックス46を有する風力タービンで使用される発電機よりもはるかに大きい直径を有する。
ナセル16はまた、ヨー軸38を中心にナセル16、ひいてはロータ18を回転させ、風向28に対するロータブレード22の視点を制御するために使用することができるヨー駆動機構56を含むことができる。
風向28に対して適切にナセル16を位置決めするために、ナセル16はまた、風向計および風速計を含み得る少なくとも1つの気象測定システムを含むことができる。気象測定システム58は、風向28および/または風速を含み得る情報を風力タービンコントローラ36に提供することができる。この例では、ピッチシステム32は、ハブ20内にピッチアセンブリ66として少なくとも部分的に配置される。ピッチアセンブリ66は、1つまたは複数のピッチ駆動システム68と、少なくとも1つのセンサ70とを含む。各ピッチ駆動システム68は、ピッチ軸34に沿ってロータブレード22のピッチ角を変調するために、それぞれのロータブレード22(図1に示す)に結合される。3つのピッチ駆動システム68のうちの1つのみが、図2に示されている。
この例では、ピッチアセンブリ66は、ピッチ軸34を中心にそれぞれのロータブレード22(図1に示す)を回転させるために、ハブ20およびそれぞれのロータブレード22に結合された少なくとも1つのピッチ軸受72を含む。ピッチ駆動システム68は、ピッチ駆動モータ74と、ピッチ駆動ギアボックス76と、ピッチ駆動ピニオン78とを含む。ピッチ駆動モータ74は、ピッチ駆動モータ74が機械的力をピッチ駆動ギアボックス76に付与するように、ピッチ駆動ギアボックス76に結合される。ピッチ駆動ギアボックス76は、ピッチ駆動ピニオン78がピッチ駆動ギアボックス76によって回転されるように、ピッチ駆動ピニオン78に結合される。ピッチ軸受72は、ピッチ駆動ピニオン78の回転がピッチ軸受72の回転を引き起こすように、ピッチ駆動ピニオン78に結合される。
ピッチ駆動システム68は、風力タービンコントローラ36からの1つまたは複数の信号の受信時にロータブレード22のピッチ角を調整するために風力タービンコントローラ36に結合される。この例では、ピッチ駆動モータ74は、ピッチアセンブリ66が本明細書で説明するように機能することを可能にする電力および/または油圧システムによって駆動される任意の適切なモータである。あるいは、ピッチアセンブリ66は、限定はしないが、油圧シリンダ、ばね、および/またはサーボ機構などの任意の適切な構造、構成、配置、および/または構成要素を含むことができる。特定の実施形態では、ピッチ駆動モータ74は、ハブ20の回転慣性および/またはエネルギーを風力タービン10の構成要素に供給する蓄積エネルギー源(図示せず)から抽出されたエネルギーによって駆動される。
ピッチアセンブリ66はまた、特定の優先状況の場合、および/またはロータ18の過速度中、風力タービンコントローラ36からの制御信号に従ってピッチ駆動システム68を制御するための1つまたは複数のピッチ制御システム80を含むことができる。この例では、ピッチアセンブリ66は、風力タービンコントローラ36から独立してピッチ駆動システム68を制御するために、それぞれのピッチ駆動システム68に通信可能に結合された少なくとも1つのピッチ制御システム80を含む。この例では、ピッチ制御システム80は、ピッチ駆動システム68およびセンサ70に結合される。風力タービン10の通常動作中、風力タービンコントローラ36は、ロータブレード22のピッチ角を調整するようにピッチ駆動システム68を制御することができる。
一実施形態によれば、例えば、バッテリーおよび電気コンデンサを備える電力発電機84は、ハブ20にまたはハブ20内に配置され、センサ70、ピッチ制御システム80、およびピッチ駆動システム68に結合されて電力源をこれらの構成要素に提供する。この例では、電力発電機84は、風力タービン10の動作中に継続的な電力源をピッチアセンブリ66に提供する。代替の実施形態では、電力発電機84は、風力タービン10の電力損失事象中にのみ電力をピッチアセンブリ66に提供する。電力損失事象は、送電網の損失もしくは低下、風力タービン10の電気システムの誤動作、および/または風力タービンコントローラ36の故障を含んでもよい。電力損失事象中、電力発電機84は、ピッチアセンブリ66が電力損失事象中に動作することができるように、電力をピッチアセンブリ66に提供するように動作する。
この例では、ピッチ駆動システム68、センサ70、ピッチ制御システム80、ケーブル、および電力発電機84は各々、ハブ20の内面88によって画定された空洞86内に位置決めされる。代替の実施形態では、前記構成要素は、ハブ20の外面に対して位置決めされ、外面に直接的または間接的に結合されてもよい。
本開示の一態様では、電気機械100が提供される。電気機械100は、ロータ110と、ステータ120とを備える。ロータ110は、複数の能動ロータ要素112を備え、ステータ120は、複数の能動ステータ要素122を備える。エアギャップ115が、能動ロータ要素112と能動ステータ要素122を分離する。ロータは、周囲空気流を電気機械に流入させ、ロータの回転に応じて能動ロータ要素および/または能動ステータ要素を冷却するように構成された1つまたは複数のロータ開口部150をさらに備える。
電気機械に入る空気は、空気、ファン、および/または熱交換器のための案内導管を設ける必要なく、ロータおよびステータ能動要素を冷却することができる。ロータ110の回転は、周囲空気を電気機械100に流入させ、能動要素112、122を冷却するのに十分であり得る。
図3は、電気機械100の一例の断面図を概略的に示している。電気機械100は、ロータ110と、ステータ120と、ロータ110とステータ120との間のエアギャップ115とを備える。ロータ110は、回転軸105を中心に回転するように構成される。この例では、エアギャップ115は半径方向エアギャップであり、電気機械は直接駆動風力タービン用の半径方向発電機であるが、他の例では、電気機械100は軸方向エアギャップを有する軸方向電気機械であってもよい。図3では、ロータ110は、ステータ120を囲む。他の例では、ステータは、ロータを囲んでもよい。
ステータ120は、ステータリム121と、複数の能動ステータ要素122とを備える。ロータ110は、ロータリム111と、複数の能動ロータ要素112とを備える。能動ステータ要素122は、1つまたは複数の永久磁石、1つまたは複数の永久磁石モジュール、1つまたは複数のコイル、または1つまたは複数のコイルモジュールであってもよい。能動ロータ要素112は、同様に、1つまたは複数の永久磁石、1つまたは複数の永久磁石モジュール、1つまたは複数のコイル、または1つまたは複数のコイルモジュールであってもよい。例えば、能動ステータ要素122は、コイルであってもよく、能動ロータ要素112は、永久磁石モジュールであってもよい。他の例では、能動ステータ要素122と能動ロータ要素112の両方が、コイルであってもよい。エアギャップ115は、ステータの能動要素122からロータの能動要素112を分離する。
複数の永久磁石が永久磁石モジュールに設けられてもよく、これらは単一の部品としてロータ110に取り付けられてもよい。永久磁石モジュールは、複数の永久磁石を有するユニットとして定義されてもよく、したがって複数の磁石は共に装着され、かつ共に装着解除することができる。そのようなモジュールは、基部に固定され得る複数の永久磁石を収容または担持するのに適した形状を有するモジュール基部を有してもよい。基部は、複数の磁石がモジュール基部を通してロータリム111に共に固定されるように、ロータリム111などのロータ構造に固定されるように構成されてもよい。永久磁石モジュールの使用は、ロータ110の製造を容易にすることができる。同様に、ステータコイルは、コイルモジュール内で共にグループ化されてもよい。コイルモジュールは、ステータリム121などの発電機構造に固定されてもよい。
ロータ110は、駆動側161と、中央側162と、非駆動側163とを含むことができる。駆動側161は、前側161とも呼ばれ得、風力タービンハブ20に面するように構成することができる。駆動側161において、ロータは、主に半径方向140および接線方向または円周方向142に延びることができる駆動側カバー131を備えることができる。駆動側カバー131は、軸方向141における水分および埃などの風の望ましくない粒子からロータおよびステータの能動要素を保護することができる。中央側162において、ロータは、ロータリム111を含み得、主に円周方向142および軸方向141に延びることができる中央側カバー132を備えることができる。ロータは、非駆動側163に非駆動側カバー133をさらに備えてもよい。非駆動側163は、後側163とも呼ばれ得る。中央側カバー132は、ロータ110の前側カバー131と後側カバー133との間に延びてもよい。
ステータ120は、発電機支持体103に固定して装着することができる。ロータ110は、発電機支持体103に回転可能に装着されてもよく、風力タービン10のハブ20に接続されてもよい。ロータ110の第1の側131は、軸受(図示せず)によって発電機支持体103に接合されてもよい。ロータ110が発電機支持体103に延びる非駆動側カバー133を備える場合、軸受を使用して非駆動側カバー133を支持体103に接合することもできる。発電機支持体103は、風力タービンフレーム、例えば直接駆動風力タービンフレームの前部であってもよい。
開口部150は、ロータ110の前側131、中央側132、および後側133のいずれかのカバー側に設けられてもよい。例えば、1つまたは複数のロータ開口部150は、ロータ110の駆動側カバー131に設けられてもよい。この選択肢の一例が、図4Aに概略的に示されている。駆動側カバー131は上流にあるように構成することができるので、1つまたは複数の前部開口部150が設けられている場合、周囲空気流が発電機100に自然に入ることができる。ロータ110の回転は、発電機100を通る、特にロータおよびステータの能動要素の間のエアギャップ115を通る空気流を循環させるのに役立ち得る。ロータ110の回転により、ロータの内側の圧力が減少し、周囲空気をロータに吸引させる。空気、例えば能動要素112、122と接触した後に加熱された空気は、ロータ110の後部を通して排出され得る。ロータが後側カバー133を含む場合、空気は、後側カバー133内の1つまたは複数の出口153を通って発電機100から出ることができる。他の例では、非駆動側133のカバーは、(例えば図4Bおよび図4Cのように)発電機支持体まで半径方向内側に延びておらず、空気は、後側133のカバーと発電機支持体103との間の空間136を通って発電機から出ることができる。
いくつかの他の例では、例えば図4Bのように、1つまたは複数のロータ開口部150をロータ110の中央側カバー132に設けることができる。これらの例では、ロータ110の回転速度により、中央側カバー132の近くに、例えば比較的平行に流れる周囲空気が、電気機械の外側から電気機械の内側へと発電機100に入ることができる。図3の電気機械100では、中央開口部150を通って入る空気は、ロータ110の能動要素112の間をエアギャップ115に向かって流れることができる。加熱された空気は、上述のようにロータ110の後部を通って排出することができる。中央側132における開口部150は、ロータ110の駆動側カバー131から非駆動側カバー133まで完全に延びることができる。
さらに他の例では、例えば図4Cのように、1つまたは複数の開口部150をロータ110の後側カバー133に設けることができる。ロータ110の回転は、後側カバー133に近い周囲空気を発電機100に吸引させ、エアギャップ115を横切って流れさせ、能動ロータおよびステータ要素の温度を減少させることができる。エアギャップ115内の空気を排出するための1つの可能な方法は、図4Cに示されるように、ロータの前側カバー131の近くの加熱された空気をステータ120を通してロータの後部に循環させることであり得る。ステータ120、例えばステータフレームは、この目的のための入口および出口を有することができる。図4Cの例では、ステータを通る冷却流の伝達を可能にする窓124が設けられる。入口は、ステータの第1のカバーまたは前側カバー(存在する場合)に設けられてもよく、出口は、ステータの第2のカバーまたは後側カバー(存在する場合)に設けられてもよい。加熱された空気がステータ120を横切った後、空気は、ロータ110の後側カバー133内の1つまたは複数の出口153を通って、またはロータ110と発電機支持体103との間の空間136を通って排出されてもよい。
上記の例では、ロータ110は、ステータ120を、特に半径方向に囲む。ステータ120の周りにロータ110を有することにより、周囲空気を発電機100に流入させ、ロータおよびステータの能動要素を冷却するためにエアギャップ115を通って流すことを容易にすることができる。他の例では、ステータ120は、ロータ110を囲んでもよい。
図4A~図4Cでは、ロータ開口部150は、ロータ110の1つの側カバーのみに示されている。しかし、開口部150は、ロータ110の複数の側カバーに設けられてもよい。例えば、1つまたは複数の開口部150をロータの中央側カバー132に設けてもよく、1つまたは複数の開口部をロータの後側カバー133に設けてもよい。同様に、1つまたは複数の開口部150をロータの駆動側カバー131に設けてもよく、1つまたは複数の開口部をロータの非駆動側カバー133に設けてもよい。駆動側カバー131の1つまたは複数の開口部は、軸方向141において非駆動側カバー133の1つまたは複数の開口部と整列することができる。一般に、開口部150の場所は、電気機械100に沿ったおよび/または電気機械100を通る空気流の適切な経路を形成するように適合させることができる。
ロータ開口部150は、円周方向142に沿って分布してもよい。図5は、後部からのロータ110の斜視図を示す。この図では、ロータ110は、後側カバー133を有する。後側カバー133は、複数のセグメント145を備える環状カバー140である。したがって、発電機支持体103に装着されたとき、後側カバー133は支持体103に接合されない。いくつかの例では、環状カバー140をロータの中央側カバー132のフランジに取り付けることができる。
図5では、環状カバー140から6つのセグメント145が取り外されている。ロータ110が軸105の周りを回転すると、ロータ110の内側の圧力が降下し得、周囲空気が発電機100に導入され、能動ロータおよびステータ要素の温度を減少させることができる。円周方向142に沿って複数の空気入口を設けることにより、能動要素112、122に接触する空気の量を増加させることができる。したがって、冷却を強化することが可能である。
ロータ開口部150は、一定の面積を有する。ロータにおける開口部150の面積の和は、合計面積と呼ぶことができる。いくつかの例では、ロータ開口部150の合計面積は、ロータ側カバーの全表面の10%~40%、より詳細には10%~25%を表すことができる。例えば、開口部150がロータの側カバー131、132、133にのみ設けられる場合、開口部150は、ロータカバーの全(外部)表面の10%~25%を占めることができる。いくつかの例では、開口部が占める表面は、ロータの全(外部)表面の約15%であってもよい。開口部150がロータの複数の側カバーに設けられる他の例では、開口部の合計面積は、ロータの全(外部)表面の約15%であってもよい。ロータ110の十分な構造的完全性および能動要素112、122の十分な冷却は、この範囲で提供されてもよい。
いくつかの例では、ロータ開口部150は、最大2m2(平方メートル)の面積を有することができる。これらの例のいくつかでは、ロータ開口部150は、0.3m2~1.5m2の面積を有することができる。例えば、ロータ開口部150は、約1.1m2の面積を有してもよい。ロータ側カバーにおけるそれらの場所にかかわらず、すべてのロータ開口部150は、実質的に同じ面積を有することができる。
いくつかの例では、ロータ110は、2つ以上の開口部150を備えることができる。例えば、ロータ110は、2~10個の開口部150、より詳細には4~8つの開口部を備えてもよい。例えば図5に示されるように、6つのロータ開口部150を設けることができる。
ロータ開口部150は、エアギャップ115に面するように設けられてもよい。例えば、図4Aおよび図4Cでは、ロータ開口部150は、軸方向141においてエアギャップ115に面するか、または実質的に整列している。図4Bでは、ロータ開口部150は、半径方向140においてエアギャップ115に面するか、または実質的に整列している。これは、空気流をエアギャップ115に向けて導くのに役立ち得る。
電気機械100は、ロータ開口部150の1つまたは複数に配置された1つまたは複数のエアフィルタ155をさらに備えることができる。図5は、開口部内のフィルタ155を示す。開口部150を充填するまたは覆うフィルタ155は、発電機100の外側からの可能性のある損傷物質、例えば埃、水分、塩の侵入を防止または低減することができる。したがって、電気機械100の寿命を延ばすことができる。いくつかの例では、フィルタ155は、各ロータ開口部150と共に、例えば各ロータ開口部150内に配置される。ロータ110、例えば直接駆動風力タービン10のロータの回転は、フィルタ155の圧力降下を克服し、周囲空気をロータに吸引させるのに十分低いロータ110の内側の圧力を生成するのに十分であり得る。
異なるタイプのフィルタ155が、使用されてもよい。フィルタ155は、1つまたは複数の濾過領域を備えることができる。いくつかの例では、第1の濾過領域は、ベーンセパレータを備えることができ、第2の領域は、1つまたは複数の濾過要素を備えることができる。1つまたは複数の濾過要素は、ベーンセパレータよりも細かく空気を濾過するように構成されてもよい。加えて、後続の濾過領域が任意選択で存在してもよい。したがって、ロータ110に入る空気は、最初に第1の濾過領域で濾過されてもよく、次に第2の濾過領域でより細かく濾過されてもよく、より多くの濾過領域が存在する場合、後続の濾過領域で濾過されてもよい。フィルタ155は、例えばベーンセパレータを備える第1の濾過領域がロータ110の外側に面するように載置され得る。
いくつかの例では、電気機械100は、1つまたは複数のロータ出口153、136に1つまたは複数のファンをさらに備えることができる。ファンは、冷却を支援するために使用することができる。例えば、風速がロータおよびステータの能動要素を良好に冷却するのに十分でない場合、ファンをオンにして低圧領域を生成し、空気をエアギャップ115からロータ出口153、136に流すことができる。
本開示の一態様では、方法200が提供される。方法200は、電気機械100の能動ロータ要素112および能動ステータ要素122を冷却するのに適している。方法200は、図6に概略的に示されている。
いくつかの例では、電気機械は、発電機、特に風力タービン用の発電機、より詳細には直接駆動風力タービン用の発電機であってもよい。
10MW以上の公称電力を有する直接駆動風力タービンの場合、15m3/sを超える、具体的には20m3/sを超える、より具体的には25m3/sの体積流量の冷却流を提供することができる。このような体積冷却流量を提供するために、5m2を超える、具体的には6m2を超える、より具体的には6、5m2以上の合計表面積(エアフィルタを含む)を有する入口を設けることができる。
方法は、ブロック210において、ロータ110と、ステータ122と、ロータとステータを分離するエアギャップ115とを備える電気機械100を提供することを含む。
ロータ開口部150は、例えば図4A~図4Cに関して上述したように位置決めすることができる。1つまたは複数の開口部150をロータの駆動側カバー131に設けてもよく、および/または1つまたは複数の開口部150をロータの中央側カバー132に設けてもよく、および/または1つまたは複数の開口部をロータの非駆動側カバー133に設けてもよい。1つまたは複数のフィルタ155は、例えば開口部の内側に、1つまたは複数のロータ開口部150と共に配置されてもよい。ロータ開口部は、フィルタ155によって完全に覆われてもよく、または充填されてもよい。
ロータ110は、ステータ120を、例えば半径方向140に囲むことができる。電気機械100がこの構成を有する場合、冷却を強化することができる。
方法は、ブロック220において、電気機械100の外側からの冷却空気流がロータ110における1つまたは複数の開口部150を通って電気機械の内側に流入するように、ロータ110を回転させることをさらに含む。ロータ110を回転させることによって、周囲空気が開口部150を通って電気機械100に流入し、エアギャップ115を通って流れ、それによってロータの能動部分およびステータの能動部品を冷却することが可能になる。
ロータ110は、1つまたは複数の風力タービンブレード22に対する風の作用によって回転され得る。
いくつかの要因が、空気を電気機械100に吸引させる能力、したがってエアギャップ115の冷却に影響を及ぼし得る。いくつかの要因は、電気機械の電力、ロータ110の回転速度、およびロータの直径であり得る。機械の電力およびロータサイズに応じて、エアギャップ115を適切に冷却するためにロータ開口部150の数、サイズ、および位置を選択することができる。直接駆動風力タービンのロータの回転速度、例えば2~14rpm(回転毎分)は、エアギャップ115を適切に冷却するのに十分であり得る。
本開示のさらに別の態様では、直接駆動風力タービン10用の発電機100が提供される。発電機100は、ロータ110と、ステータ120とを備える。ロータ110は、複数の能動ロータ部品112を備え、ステータ120は、複数の能動ステータ部品122を備える。エアギャップ115は、ロータの能動部品とステータの能動部品を分離する。
ロータ110は、ロータ110を回転させた結果として発電機100の内側と外側との間に圧力差を生成するように構成された1つまたは複数の開口部150を備える。発電機100の内側の圧力は、発電機の外側の圧力よりも低い。
1つまたは複数のロータ開口部150は、ロータの前側カバー、ロータの中央側カバー、およびロータの後側カバーの少なくとも1つに設けられる。
ロータ110は、2つ以上の開口部150を備えることができる。例えば、ロータ110は、2~10個の開口部150、より詳細には4~8つの開口部を備えてもよい。いくつかの例では、6つのロータ開口部150を設けることができる。
ロータ開口部150は、最大2m2(平方メートル)の面積を有することができる。これらの例のいくつかでは、ロータ開口部150は、0.3m2~1.5m2の面積を有することができる。例えば、ロータ開口部150は、約1.1m2の面積を有してもよい。ロータ側カバーにおけるそれらの場所にかかわらず、すべてのロータ開口部150は、実質的に同じ面積を有することができる。
ロータ開口部150は、ロータ側カバーの全(外部)表面の10%~40%、より詳細にはロータ側カバーの全(外部)表面の10%~25%にわたって延びてもよい。いくつかの例では、開口部によって覆われた表面は、ロータの全(外部)表面の約15%であってもよい。1つまたは複数のフィルタ155は、1つまたは複数の開口部150、例えばすべての開口部と共に配置されてもよい。フィルタ155は、開口部150を完全に充填するまたは覆うことができる。
ロータ110は、ステータ120を、例えば半径方向130に囲むことができる。
図3~図5に関する説明は、この態様の発電機100に適用することができる。開示された例のいずれかでは、ベーン、デフレクタ、または他の流れ案内要素を設け、電気機械を通して適切な方向に流入する空気流を導くことができる。例えば、図4Bおよび図4Cの例では、周囲空気が円周方向および/または軸方向において電気機械の異なる部品に達して電気機械に適切な冷却を提供することができることを確実にするために、流れ案内要素を設けることができる。流れ案内要素には、開口部の選択が設けられてもよい。流れ案内要素は、すべての開口部について同じであってもよく、または複数の開口部について異なっていてもよい。
本明細書は、例を使用して、好ましい実施形態を含む教示を開示し、また、当業者が、任意のデバイスまたはシステムを作製し使用し、任意の組み込まれた方法を実施することを含めて、本明細書に開示された教示を実践することを可能にする。特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。当業者であれば、上述の様々な実施形態からの態様ならびに各々のそのような態様についての他の公知の均等物を混ぜ合わせて適合させることで、本出願の原理に従ったさらなる実施形態および技術を構築することができる。図面に関連する参照符号が特許請求の範囲の括弧内に配置されている場合、それらの参照符号は単に特許請求の範囲の明瞭性を高めるためのものであり、特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
10 直接駆動風力タービン
12 地面
14 支持システム
15 タワー
16 ナセル
18 ロータ
20 風力タービンハブ
22 ロータブレード、風力タービンブレード
24 ブレード根元部分
26 負荷伝達領域
28 風向
30 ロータ軸
32 ピッチシステム
34 ピッチ軸
36 風力タービンコントローラ
38 ヨー軸
40 プロセッサ
42 電気発電機
44 主シャフト、ロータシャフト
46 ギアボックス
48 高速シャフト
50 カップリング
52 主フレーム、支持体
54 分離支持手段
56 ヨー駆動機構
58 気象測定システム
60 主前方支持軸受
62 主後方支持軸受
64 ドライブトレイン
66 ピッチアセンブリ
68 ピッチ駆動システム
70 センサ
72 ピッチ軸受
74 ピッチ駆動モータ
76 ピッチ駆動ギアボックス
78 ピッチ駆動ピニオン
80 ピッチ制御システム
84 電力発電機
86 空洞
88 内面
90 変圧器
100 電気機械、発電機
103 トルクアーム、発電機支持体
105 回転軸
110 ロータ
111 ロータリム
112 能動ロータ要素、能動ロータ部品
115 エアギャップ
120 ステータ
121 ステータリム
122 能動ステータ要素、能動ステータ部品、ステータ、能動要素
124 窓
130 半径方向
131 駆動側カバー、前側カバー、第1の側
132 中央側カバー
133 非駆動側カバー、後側カバー
136 空間、ロータ出口
140 半径方向、環状カバー
141 軸方向
142 円周方向
145 セグメント
150 開口部
153 出口
155 エアフィルタ
161 駆動側、前側
162 中央側
163 非駆動側、後側
200 方法
12 地面
14 支持システム
15 タワー
16 ナセル
18 ロータ
20 風力タービンハブ
22 ロータブレード、風力タービンブレード
24 ブレード根元部分
26 負荷伝達領域
28 風向
30 ロータ軸
32 ピッチシステム
34 ピッチ軸
36 風力タービンコントローラ
38 ヨー軸
40 プロセッサ
42 電気発電機
44 主シャフト、ロータシャフト
46 ギアボックス
48 高速シャフト
50 カップリング
52 主フレーム、支持体
54 分離支持手段
56 ヨー駆動機構
58 気象測定システム
60 主前方支持軸受
62 主後方支持軸受
64 ドライブトレイン
66 ピッチアセンブリ
68 ピッチ駆動システム
70 センサ
72 ピッチ軸受
74 ピッチ駆動モータ
76 ピッチ駆動ギアボックス
78 ピッチ駆動ピニオン
80 ピッチ制御システム
84 電力発電機
86 空洞
88 内面
90 変圧器
100 電気機械、発電機
103 トルクアーム、発電機支持体
105 回転軸
110 ロータ
111 ロータリム
112 能動ロータ要素、能動ロータ部品
115 エアギャップ
120 ステータ
121 ステータリム
122 能動ステータ要素、能動ステータ部品、ステータ、能動要素
124 窓
130 半径方向
131 駆動側カバー、前側カバー、第1の側
132 中央側カバー
133 非駆動側カバー、後側カバー
136 空間、ロータ出口
140 半径方向、環状カバー
141 軸方向
142 円周方向
145 セグメント
150 開口部
153 出口
155 エアフィルタ
161 駆動側、前側
162 中央側
163 非駆動側、後側
200 方法
Claims (15)
- 電気機械(100)であって、
複数の能動ロータ要素(112)を備えるロータ(110)と、複数の能動ステータ要素(122)を備えるステータ(120)と、前記能動ロータ要素(112)と前記能動ステータ要素(122)を分離するエアギャップ(115)と
を備え、
前記ロータ(110)は、周囲空気流を前記電気機械(100)に流入させ、前記ロータ(110)の回転に応じて前記能動ロータ要素(112)および/または前記能動ステータ要素(122)を冷却するように構成された1つまたは複数のロータ開口部(150)をさらに備える、
電気機械(100)。 - エアフィルタ(155)は、前記ロータ開口部(150)の1つまたは複数に配置される、請求項1に記載の電気機械(100)。
- 前記エアフィルタ(155)は、ベーンセパレータを含む第1の濾過段を備え、任意選択で、追加の微細濾過のための第2の濾過段をさらに備える、請求項2に記載の電気機械(100)。
- 1つまたは複数のロータ開口部(150)は、前記ロータ(110)の駆動側カバー(131)および/または前記ロータ(110)の中央側カバー(132)および/または前記ロータ(110)の非駆動側カバー(133)に設けられる、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電気機械(100)。
- 前記1つまたは複数のロータ開口部(150)の合計面積は、前記ロータ側カバー(131、132、133)の全表面の10%~40%を表す、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電気機械(100)。
- 前記1つまたは複数のロータ開口部(150)の1つまたは複数は、最大2m2、より詳細には0.3m2~1.5m2の面積を有する、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電気機械(100)。
- 前記ロータ(110)は、2つ以上の開口部(150)、特に2~10個の開口部(150)、より詳細には4~8つの開口部(150)を備える、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電気機械(100)。
- 前記ロータ開口部(150)は、円周方向(142)に沿って分布している、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の電気機械(100)。
- 1つまたは複数のロータ出口(153)に1つまたは複数のファンをさらに備える、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の電気機械(100)。
- 前記ロータ(110)は、前記ステータ(120)を囲む、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の電気機械(100)。
- 前記電気機械(100)は、直接駆動風力タービン(10)用の発電機(100)である、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の電気機械(100)。
- 請求項11に記載の発電機(100)を備える、直接駆動風力タービン(10)。
- ロータ(110)と、ステータ(120)と、前記ロータ(110)と前記ステータ(120)を分離するエアギャップ(115)とを備える電気機械(100)を冷却するための方法(200)であって、
前記電気機械(100)の外側からの冷却空気流が前記ロータ(110)における1つまたは複数の開口部(150)を通って前記電気機械(100)の内側に流入するように、前記ロータ(110)を回転させること(220)
を含む、方法(200)。 - 前記ロータ(110)は、1つまたは複数の風力タービンブレード(22)に対する風の作用によって回転される、請求項13に記載の方法(200)。
- 前記ロータ(110)は、前記ステータ(120)を囲む、請求項13または14に記載の方法(200)。
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