JP2023017698A - 電気機械の能動要素の冷却 - Google Patents

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。

風力タービンの一例の斜視図を概略的に示す図である。 風力タービンのハブおよびナセルの一例を示す図である。 電気機械の一例の断面図を概略的に示す図である。電気機械は、直接駆動風力タービン用の発電機であってもよい。 電気機械の異なる例の断面を概略的に示す図である。 電気機械の異なる例の断面を概略的に示す図である。 電気機械の異なる例の断面を概略的に示す図である。 直接駆動風力タービン用の発電機の斜視背面図を概略的に示す図である。 能動ロータ要素およびステータ要素を冷却するための方法の一例のフローチャートを概略的に示す図である。

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２ｍ^２（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、０．３ｍ^２～１．５ｍ^２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１．１ｍ^２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、１５ｍ^３／ｓを超える、具体的には２０ｍ^３／ｓを超える、より具体的には２５ｍ^３／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、５ｍ^２を超える、具体的には６ｍ^２を超える、より具体的には６、５ｍ^２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２ｍ^２（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、０．３ｍ^２～１．５ｍ^２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１．１ｍ^２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

Claims (15)

1. 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）。
2. 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）。
3. 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）。
4. 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）。
5. 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）。
6. 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２ｍ^２、より詳細には０．３ｍ^２～１．５ｍ^２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）。
7. 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）。
8. 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）。
9. 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）。
10. 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）。
11. 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）。
12. 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）。
13. 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）。
14. 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）。
15. 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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