JP2023018657A - 電気機械の能動素子の冷却 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械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、冷却システム及び電気機械の能動素子を冷却するための方法に関する。より具体的には、本開示は、風力タービン、例えば直接駆動風力タービンの発電機の能動ロータ素子及び／又は能動ステータ素子を冷却するための冷却システム及び方法に関する。冷却方法は、電気機械の１つ又は複数の一次入口を介してエアギャップに冷却流体を供給して、エアギャップによって分離された、電気機械のロータの複数の能動素子及び／又は電気機械のステータの複数の能動素子を冷却するステップを含む。本方法は、冷却流体が電気機械から１つ又は複数の一次入口を介して抽気されるように、冷却流体の流れの方向を反転させるステップをさらに含む。
【選択図】図３

Description

本開示は、電気機械、冷却システム及び電気機械の能動素子を冷却するための方法に関する。より具体的には、本開示は、風力タービン、例えば直接駆動風力タービンの発電機の能動ロータ素子及び／又は能動ステータ素子を冷却するための冷却システム及び方法に関する。

モータ及び発電機などの電気機械は、一般に、ロータ構造及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又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、ロータを例えば半径方向に囲む。あるいは、構成は反対であってもよく、すなわちロータがステータを例えば半径方向に囲む。

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、ロータハブ及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」）か、又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又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、ロータ及びステータの能動素子、例えば永久磁石及びコイルは、発熱する可能性がある。能動ロータ素子及び能動ステータ素子の温度の上昇は、能動素子の故障につながり、発電機の効率を低下させる可能性がある。ロータ及びステータの能動素子の温度を低下させるために、能動素子を分離するエアギャップを通過するように冷却流体を流してもよい。冷却流体は、能動素子に接触し、能動素子から熱を奪う。冷却流体をエアギャップに向かって、及びエアギャップから離れるように案内し、したがってロータ及びステータの能動素子から熱を除去するための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、一次又は「主」の経路又はループを備えてもよい。主ループは、主流体用の流体入口を含んでもよい。主流体は、主流体入口から能動ロータ素子及び能動ステータ素子に運ばれてもよい。例えば、空気を能動ロータ素子と能動ステータ素子との間のエアギャップに導くことができる。動作中、能動素子は発熱し、冷却流体（空気であってもよい）も加熱される。次いで、加熱された主流体を、主流体出口に運び去ることができる。いくつかの例では、主流体出口及び入口は、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、主流体入口を通して風力タービンの外側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てもよい。導管は、主ループ流体を主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、加熱された主冷却流体を発電機エアギャップから流体出口に運ぶことができる。

他の例では、主流体入口及び主流体出口は、熱交換器と流体連通してもよい。冷却流体のための二次経路又はループが、熱交換器を含んでもよい。熱交換器は、熱交換器主冷却流体入口と、熱交換器主冷却流体出口と、熱交換器二次流体入口と、熱交換器二次流体出口とを備えてもよい。発電機のエアギャップ内で加熱された主冷却流体（すなわち、本明細書では一般に「冷却流体」と呼ばれる、エアギャップ内の冷却要素に使用される流体）は、熱交換器主冷却流体入口を通って熱交換器に導かれてもよい。二次流体（すなわち、エアギャップ内の要素を直接冷却するのではなく、主冷却流体又は「冷却流体」を冷却するために使用される流体）は、熱交換器二次流体入口を通して熱交換器に導かれてもよい。二次流体は、主冷却流体を冷却することができる。二次流体は、熱交換器二次出口を通って熱交換器から除去されてもよく、主流体は、熱交換器主出口を通って熱交換器から除去されてもよい。二次流体は、例えば水又は空気であってもよい。導管を使用して、加熱された主冷却流体を熱交換器の内側に案内し、冷却後に、熱交換器から流体を出すことができる。次いで、冷却された主冷却流体を、ロータの能動素子とステータの能動素子との間のエアギャップに向かって再び導くことができる。

本開示の一態様では、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、複数の能動ロータ素子を含むロータと、複数の能動ステータ素子を含むステータと、能動ロータ素子と能動ステータ素子とを分離するエアギャップとを備える。本方法は、ロータの複数の能動素子及び／又はステータの複数の能動素子を冷却するために、電気機械の１つ又は複数の一次入口を介してエアギャップに冷却流体を供給するステップを含む。本方法は、冷却流体が電気機械から一次入口のうちの１つ又は複数を介して抽気されるように、冷却流体の流れの方向を反転させるステップをさらに含む。

この態様によれば、一定時間の間、第１の方向で冷却流体をエアギャップに供給することができ、次いで、第１の方向とは異なる、例えば反対の第２の方向で冷却流体をエアギャップに供給することができる。冷却流体の流れの方向を切り替えると、エアギャップ内の熱分布が変化する。冷却流体が第１の方向に供給される場合、最初に冷却流体と接触する能動素子は、後に、冷却流体の温度が既に上昇した冷却流体と接触する能動素子よりも冷却される。冷却流体を第２の、例えば反対の方向に供給する場合、以前は冷却が最も少なかった能動素子は、冷却流体がそれらに接触するときにより冷たい可能性があるので、今回はより冷却することができる。同様に、以前は冷却が最も多かった能動素子は、冷却流体がそれらに到達するときには加熱されている可能性があるため、今回はあまり冷却されない可能性がある。

冷却流の方向を反転させることに起因して、熱負荷を能動素子間でより分散することができ、及び／又は能動素子が比較的高い温度に維持される期間をより短くすることができるため、能動素子の故障、例えば能動素子を囲む絶縁体の故障を延ばすことができ、さらには（電気機械の予想寿命内では）排除することもできる。したがって、電気機械の耐用年数を延ばすことができ、修理の必要性を低減することができる。能動素子の絶縁体の寿命は、約５０％以上、さらには約１００％延長することができる。例えば、直接駆動風力タービン用の、例えば発電機のステータ用のコイルの絶縁体の耐用年数は、いくつかの例では約２５年から約５０年に延長することができる。

また、電気機械のロータが使用時に回転する場合に、冷却流体の方向を切り替えることにより、冷却流体がエアギャップに供給される方向、例えば軸方向における熱分布を変更するだけでなく、周方向の熱分布も変更することができる。したがって、能動素子の温度を、冷却流体がエアギャップに供給される方向、例えば軸方向及び周方向で変化させることができる。これは、能動ロータ素子及び／又は能動ステータ素子の耐用年数の向上にさらに寄与することができる。

さらに、冷却流体の方向を反転させると能動素子の温度分布が変動し、したがってホットスポットの位置も変動するので、能動素子がより高い温度に耐える時間は短くなるので、より高い温度に耐えることができる。これにより、電気機械の出力を増加させることができる。

本開示を通して、電気機械の一次入口（出口）は、第１の動作モードにおける冷却流体のための電気機械への入口（電気機械からの出口）点として理解することができる。第２の動作モードでは、一次入口（出口）は、冷却流体のための電気機械の出口（入口）点とすることができる。

本開示を通して使用される能動素子は、磁気的及び／又は電気的に能動的なロータ及び／又はステータの素子と見なすことができる。能動ステータ素子は、例えば、１つ若しくは複数の永久磁石、１つ若しくは複数の永久磁石モジュール、１つ若しくは複数のコイル、又は１つ若しくは複数のコイルモジュールであってもよい。能動ロータ素子は、同様に、１つ若しくは複数の永久磁石、１つ若しくは複数の永久磁石モジュール、１つ若しくは複数のコイル、又は１つ若しくは複数のコイルモジュールであってもよい。例えば、能動ステータ素子は、コイルであってもよく、能動ロータ素子は、永久磁石モジュールであってもよい。他の例では、能動ステータ素子及び能動ロータ素子の両方がコイルであってもよい。

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。

さらに別の態様では、電気機械アセンブリが提供される。電気機械アセンブリは、電気機械と、電気機械に流体接続された冷却システムとを備える。電気機械は、複数の能動ロータ素子を含むロータと、複数の能動ステータ素子を備えるステータと、能動ロータ素子と能動ステータ素子とを分離するエアギャップとを備える。冷却システムは、冷却流体をエアギャップに向かって案内するように構成された１つ又は複数の入口冷却導管と、エアギャップ内で加熱された冷却流体を収集して、電気機械から離れるように案内するように構成された１つ又は複数の出口冷却導管とを備える。冷却システムは、冷却流体の流れの方向を反転させるように構成される。

さらに別の態様では、発電機アセンブリが提供される。発電機アセンブリは、発電機と、発電機に流体接続された冷却システムとを備える。発電機は、複数の能動ロータ素子を含むロータと、複数の能動ステータ素子を備えるステータと、能動ロータ素子と能動ステータ素子とを分離するエアギャップとを備える。冷却システムは、冷却流体をエアギャップに向かって、及び発電機から離れるように案内するように構成された複数の導管を備える。冷却システムは、冷却流体がエアギャップを通って２つの異なる方向に流れるように、冷却流体を第１の方向、及び第１の方向とは異なる第２の方向に案内するように構成される。

風力タービンの一実施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及びナセルの実施例を示す図である。 能動ロータ素子及び能動ステータ素子を冷却するための方法の一実施例のフローチャートを概略的に示す図である。 冷却流体がエアギャップを通って２つの異なる方向に流れる電気機械の一実施例の断面を概略的に示す図である。 冷却流体がエアギャップを通って２つの異なる方向に流れる電気機械の一実施例の断面を概略的に示す図である。 ２つの実施例による、冷却システムに流体接続された電気機械の側面図を概略的に示す図である。 ２つの実施例による、冷却システムに流体接続された電気機械の側面図を概略的に示す図である。 別の実施例による、冷却システムに流体接続された電気機械の側面図を概略的に示す図である。 別の実施例による、冷却システムに流体接続された電気機械の側面図を概略的に示す図である。 時間の関数としての、かつ温度閾値の設定に応じた、能動ロータ素子又は能動ステータ素子の温度の変化を概略的に示す図である。 時間の関数としての、かつ温度閾値の設定に応じた、能動ロータ素子又は能動ステータ素子の温度の変化を概略的に示す図である。

ここで、本発明の実施形態を詳細に参照するが、その１つ又は複数の実施例が図面に示されている。各々の実施例は、本発明の限定としてではなく、本発明の説明として提示されている。実際、本発明の範囲又は趣旨から逸脱することなく、本発明において様々な修正及び変更が行われ得ることは、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又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、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲に含まれるそのような修正及び変更を包含するように意図される。

本明細書では直接駆動風力タービン用の発電機が主に参照されるが、本発明は一般に、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の一実施例の斜視図である。この実施例では、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。この実施例では、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。この実施例では、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つよりも多い又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及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、部分的又は完全な格子タワーであってもよい。風力タービン１０は、陸上及び洋上の両方に設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てもよい。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、ハブ負荷伝達領域及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。

実施例では、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、又は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も様々な力及びモーメントを受ける。したがって、ロータブレード２２は、中立位置又は非偏向位置から偏向位置に偏向及び／又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及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／又はロータ１８の失速を容易にする。

この実施例では、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又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が、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、この実施例では、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。

この実施例では、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、及び／又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及び／又はステップを実行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、及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。プロセッサ及び／又は制御システムはまた、メモリ、入力チャネル、及び／又は出力チャネルを含んでもよい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。この実施例では、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、及びカップリング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。この実施例では、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設される。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及び主シャフト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及び／若しくは適切な電子機器、スイッチ、並びに／又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、及び変圧器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つ又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んでもよい。この実施例では、ナセル１６はまた、主前方支持軸受６０及び主後方支持軸受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及びナセル１６の構成要素の重量、並びに風及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、並びに、限定はしないが、支持体５２、前方支持軸受６０、及び後方支持軸受６２を含む任意の関連する締結、支持、及び／又は固着デバイスは、ドライブトレイン６４と呼ばれることがある。

いくつかの実施例では、風力タービンは、ギアボックス４６を持た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、発電機４２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を含んでもよい。

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、風向計及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んでもよい。気象測定システム５８は、風向２８及び／又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。この実施例では、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つ又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。

この実施例では、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及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つ又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。この実施例では、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及び／又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、及び／又はサーボ機構などの任意の適切な構造、構成、配置、及び／又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の回転慣性及び／又は風力タービン１０の構成要素にエネルギーを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、及び／又はロータ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つ又は複数のピッチ制御システム８０を含んでもよい。この実施例では、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。この実施例では、ピッチ制御システム８０は、ピッチ駆動システム６８及びセンサ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、バッテリー及び電気コンデンサを備える電力発電機８４は、ハブ２０に又はハブ２０内に配置され、センサ７０、ピッチ制御システム８０、及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。この実施例では、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、送電網の損失若しくは低下、風力タービン１０の電気システムの誤動作、及び／又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、ピッチアセンブリ６６に電力を提供するように動作する。

この実施例では、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、及び電力発電機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、外面に直接的又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２００を冷却するための方法１００が提供される。本方法を図３に示す。電気機械２００は、複数の能動ロータ素子２１２を含むロータ２１０と、複数の能動ステータ素子２２２を含むステータ２２０と、能動ロータ素子２１２と能動ステータ素子２２２とを分離するエアギャップ２１５とを備える。

方法は、ブロック１１０において、電気機械２００の１つ又は複数の一次入口２３６、２５６を介してエアギャップ２１５に冷却流体１４０を供給して、エアギャップ２１５によって分離された、電気機械２００のロータ２１０の複数の能動素子２１２及び／又は電気機械２００のステータ２２０の複数の能動素子２２２を冷却するステップを含む。

電気機械２００は、風力タービン１０用の発電機、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。図４Ａは、ロータ２１０とステータ２２０とを備える発電機２００の一実施例の断面図を示す。ロータ２１０は、回転軸２０５を中心に回転するように構成される。ロータ２１０は、ロータリム２１１と、ロータリム２１１に取り付けられた複数の能動ロータ素子２１２とを備える。ステータ２２０は、ステータリム２２１と、ステータリム２２１に取り付けられた複数の能動ステータ素子２２２とを備える。

ロータ２１０は、駆動側カバー２３１と、中央側カバー２３２とを備えてもよい。駆動側カバー２３１は、前側カバー２３１とも呼ばれ、風力タービンハブ２０に面するように構成されてもよい。すなわち、発電機の駆動側２３４は、この場合には風力タービンのロータによって駆動される側として定義することができる。モータの場合、モータの駆動側は、モータが電動要素を駆動する側として定義することができる。発電機の非駆動側２３５は、発電機の駆動側とは反対であってもよい。

この実施例に見られるように、駆動側カバー２３１は、半径方向２４０及び接線方向又は周方向２４２に主に延びてもよい。駆動側カバー２３１は、軸方向２４１における水分及び埃などの風の望ましくない粒子からロータ及びステータの能動素子を保護することができる。中央側カバー２３２は、ロータリム２１１を含んでもよく、周方向２４２及び軸方向２４１に主に延びてもよい。ロータは、非駆動側カバー２３３をさらに備えてもよい。非駆動側カバー２３３は、後側カバー２３３と呼ばれる場合もある。中央側カバー２３２は、ロータ２１０の駆動側カバー２３１と非駆動側カバー２３３との間に延びてもよい。

同様に、ステータ２２０は、中央側プレート２６２と、非駆動又は後側プレート２６３とを備えてもよい。いくつかの実施例では、ステータ２２０は追加的に、駆動又は前側プレート（図示せず）を備えてもよい。ステータ２２０は、発電機支持体２０３に固定して装着されてもよい。ロータ２１０は、発電機支持体２０３に回転可能に装着されてもよく、風力タービンロータのハブ２０又は他の部品に動作可能に接続されてもよい。ロータ２１０の駆動側カバー２３１は、軸受２０１を介して発電機支持体２０３によって支持されてもよい。ロータ２１０が発電機支持体２０３まで延びる非駆動側カバー２３３を備える場合、軸受も使用して非駆動側カバー２３３を支持体２０３に接合してもよい。発電機支持体２０３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方部分であってもよい。

この実施例では、冷却システムは、発電機２００の非駆動側、例えば非駆動側カバー２３３に配置されてもよい。例えば、空気抽気システム及び／又は空気供給システムは、発電機の非駆動側２３５に配置されてもよい。この実施例では、非駆動側カバー２３３は半径方向内側に延びるが、発電機支持体２０３に接触するほど完全には延びないことを見ることができる。カバー２３３と発電機支持体２０３との間に設けられた半径方向空間２３７には、冷却流体、例えば空気を供給及び抽気するための冷却空気導管が配置されてもよい。一次入口２３６及び一次出口２５６は、ロータの非駆動側カバー２３３と発電機支持体２０３との間の空間２３７に設けられてもよい。

この実施例では、エアギャップ２１５は半径方向エアギャップであり、発電機２００は半径方向発電機であるが、他の実施例では、発電機２００は軸方向エアギャップを有する軸方向発電機であってもよい。図３では、ロータ２１０は、ステータ２２０を囲む。他の実施例では、ステータが、ロータを囲んでもよい。

図４Ａは、第１の方向１５０で冷却流体１４０をエアギャップ２１５に供給して、能動ロータ素子２１２及び／又は能動ステータ素子２２２を冷却することができることを概略的に示す。冷却流体１４０は、例えば、ロータ２１０の後側カバー２３３の一次入口２３６を通って発電機２００に導入され、次いでステータ２２０を通ってロータ前側カバー２３１に向かって案内され、次いでエアギャップ２１５に向かって導かれてもよい。ステータ及びロータの形状が既に、発電機２００を通る冷却流体１４０を案内する機能を果たしていてもよく、又は発電機を通る冷却流体１４０を案内するために１つ又は複数の導管が使用されてもよい。

この実施例における冷却流体１４０は、最初に、発電機の駆動側若しくは前方領域１６０において、又はその付近で能動素子２１２、２２２に接触し、能動素子が高温であるときは、冷却流体の温度が上昇する。次いで、冷却流体１４０は、ロータの後側カバー２３３に向かって進む。発電機の非駆動側又は後方領域１６５の能動素子２１２、２２２に到達すると、冷却流体１４０は既に温かいため、後方領域１６５の能動素子の温度は前方領域１６０の能動素子の温度ほど低下しない可能性がある。したがって、ホットスポットが後方領域１６５に生成される可能性があり、この領域１６５の能動素子は、前方領域１６０の能動素子よりも過熱及び故障のリスクが高い可能性がある。ここで加熱された冷却流体１４０は、ロータ２１０の後側カバー２３３の一次出口２５６を介して排出することができる。

図４Ａ及び図４Ｂにおいて、冷却流体１４０のための発電機の一次入口２３６及び発電機の一次出口２５６は、半径方向２４０に沿って位置合わせされて示されている。これは単なる例示であり、冷却流体を発電機２００の内部に導入することができる一次入口２３６、及び冷却流体を排出することができる一次出口２５６は、必ずしも半径方向２４０に位置合わせされなくてもよいことに留意されたい。例えば、冷却流体１４０の一次入口２３６及び一次出口２５６は、周方向２４２に沿って変位してもよい。また、ギャップ２３７に一次入口及び一次出口が設けられてもよい。例えば、導管が、第１の周方向位置において空間２３７を通って発電機２００の内側に向かうように冷却流体１４０を案内することができ、別の導管が、第２の周方向位置においてギャップ２３７を通って発電機から離れるように、加熱された冷却流体１４０を案内することができる。

図３の方法は、ブロック１２０において、冷却流体１４０が一次入口２３６のうちの１つ又は複数、例えばすべてを通って電気機械２００から抽気されるように、冷却流体１４０の流れの方向を反転させるステップをさらに含む。

図４Ｂは、これを概略的に示す。冷却流体１４０は、ここではロータ２１０の後側カバー２３３の一次出口２５６を通って発電機２００に入り、エアギャップ２１５に向かって案内される。したがって、図４Ａのロータ又は発電機の一次入口２３６は、図４Ｂでは出口２３６になり、したがって、図４Ａのロータ又は発電機の一次出口２５６は、図４Ｂでは動作モードの入口２５６になる。流れの方向が逆転すると、冷却流体は、今回は最初に後方領域１６５の能動素子２１２、２２２に接触し、次いでエアギャップを通って軸方向に進むにつれて加熱され、次いで前方領域１６０の能動素子に接触する。この動作では、後方領域１６５の能動素子を、前方領域１６０の能動素子よりも冷却することができる。そのため、前方領域１６０にホットスポットが形成されやすくなる。

ロータ２１０が回転すると、能動素子及びエアギャップ２１５の温度分布は、周方向２４２に沿っても不均一になる可能性がある。冷却流が反転すると、周方向２４２に沿った冷却に影響を与えることもできる。したがって、どの能動素子２１２、２２２がより冷却され、より冷却されないかは、エアギャップ全体に沿って、すなわち軸方向２４１及び周方向２４２の両方で変化させることができる。冷却流体の流れの反転によって最高温度を有する能動素子２１２、２２２が変わるので、過熱による故障を低減し、場合によっては回避することができる。修理の必要性を低減することもできる。例えば、能動素子の絶縁体、例えば電気絶縁体を交換する必要をなくすことができる。さらに、ホットスポットが常に同じ場所には位置しなくなるので、能動素子２１２、２２２はより高い温度に耐えることができ、発電機２００が生成する電力を増加させることができる。したがって、電気機械２００の要件に応じて、能動素子２１２、２２２及びそれらの絶縁体の達成可能な寿命を延ばすことと、電力出力を増加させることとの適切な組み合わせを達成することができる。

任意の適切な冷却流体１４０が使用されてもよく、特に様々な冷却ガスが使用されてもよい。いくつかの実施例では、空気が冷却流体として使用される。

冷却流体１４０が特定の方向に供給される時間は、冷却流体１４０が別の方向に供給される時間と実質的に等しくてもよいし、異なっていてもよい。冷却流体１４０は、第１の期間中に、エアギャップ２１５を介して、電気機械２００の１つ又は複数の一次入口２３６から電気機械２００の１つ又は複数の一次出口２５６に供給されてもよい。冷却流体１４０は、第２の期間中に、エアギャップ２１５を介して、１つ又は複数の一次出口２５６から１つ又は複数の一次入口２３６に供給されてもよい。いくつかの実施例では、第２の期間は第１の期間と実質的に等しくてもよい。他の実施例では、第２期間は、第１期間と異なっていてもよい。

図４Ａの実施例に示すように、冷却流体１４０は、第１の期間中に第１の方向１５０でエアギャップ２１５に供給されてもよい。図４Ｂの実施例に示すように、冷却流体１４０は、第２の期間中に第２の方向１５５でエアギャップ２１５に供給されてもよい。第２の方向１５５は、第１の方向１５０と反対であってもよい。いくつかの実施例では、第１の方向１５０及び第２の方向１５５は、実質的に軸方向２４１であってもよい。

冷却流体１４０の方向の反転は、複数の方法で実行することができる。例えば、１つ又は複数の流体変位装置３１０を使用して、能動素子を冷却するためにエアギャップ２１５に向かって冷却流体を流す、又は冷却流体が流れるのを補助する場合、反転させるステップ１２０は、１つ又は複数の流体変位装置３１０、例えば流体変位装置内の１つ又は複数の回転要素の回転方向を反転させるステップを含んでもよい。流体変位装置３１０は、例えば冷却流体の経路の二点間に圧力差を生じさせ、したがって冷却流体が流れていく低圧領域を生じさせることによって、冷却流体１４０を特定の方向に駆動するように構成される。流体変位装置３１０は、例えばポンプ又はファンであってもよい。流体変位装置３１０の回転方向の逆転は、風力タービン１０のメンテナンス又は修理作業中に実行されてもよい。例えば、回転方向の反転は、流体変位装置のモータが交換されるときに手動で実行されてもよい。

１つ又は複数の冷却流体変位装置３１０は、１つ又は複数のインペラを含んでもよい。反転するステップ１２０は、１つ又は複数のインペラの回転方向を切り替えることを含んでもよい。いくつかの実施例では、インペラは双方向であってもよい。流体変位装置３１０のモータ（複数可）は、双方向インペラを２つの反対の回転方向に回転させるように構成されてもよい。

図５Ａ及び図５Ｂは、電気機械２００に流体接続された冷却システム３００の２つの実施例の側面図を概略的に示す。図５Ａにおいて、入口導管３２０が、冷却流体１４０を発電機２００に運ぶように構成され、出口導管３３０が、加熱された冷却流体１４０を発電機２００から運び去るように構成される。空気を調整するために、１つ又は複数のフィルタが導管内に配置されてもよい。入口導管３２０及び出口導管３３０は、例えば、ナセル１６の外側を発電機２００と流体接続してもよい。各導管３２０、３３０は、入口及び出口を有する。１つ又は複数の冷却流体推進器３１０、例えば１つ又は複数のファンは、冷却流体１４０を、導管３２０、３３０を通って、例えば入口導管３２０を通って発電機２００に向かって移動させ、そして、出口導管３３０を通って発電機２００から離れるように移動させるように構成される。１つ又は複数の冷却流体推進器３１０は、冷却流体１４０の回転方向を逆転させて、冷却流体１４０を反対方向に進ませるように構成される。例えば、１つ又は複数のファンインペラの回転を反転させることができる。したがって、出口導管３３０は入口導管となり、入口導管３２０は出口導管となる。

入口導管３２０及び／又は出口導管３３０と共に、１つ又は複数の冷却流体変位装置３１０が配置されてもよい。流体変位装置３１０は、導管３２０、３３０に沿った任意の適切な位置、例えば導管３２０、３３０の内側に配置されてもよい。流体変位装置３１０のタイプに応じて、流体変位装置は、導管の外側ではあるが導管と流体接触して配置されてもよい。したがって、電気機械への「入口」点２３６及び電気機械からの「出口」点２５６は、流れの方向に依存し、したがって冷却サイクルの構成に応じて経時的に変化し得ることに留意されたい。したがって、一次入口（第１又は一次冷却流方向用）は、第２の冷却流方向では出口になる場合がある。

図５Ｂでは、冷却システム３００は、１つ又は複数の熱交換器流体変位装置３１０’を備える熱交換器３１５を備え、熱交換器３１５を介して熱交換器冷却流体１４５を駆動して、一次冷却流体１４０を冷却する。本明細書では、エアギャップ２１５を通って流れる冷却流体１４０を主冷却流体と呼ぶ場合があり、主冷却流体１４０を冷却するために熱交換器３１５を通って流れる冷却流体１４５を二次冷却流体と呼ぶ場合がある。熱交換器は、二次冷却流体をそれぞれ熱交換器３１５に導入及び熱交換器３１５から除去する熱交換器二次入口及び熱交換器二次出口を含んでもよい。熱交換器は、主冷却流体１４０をそれぞれ熱交換器３１５に導入及び熱交換器３１５から除去する熱交換器主流体入口及び熱交換器主流体出口をさらに含む。

いくつかの実施例では、熱交換器３１５は、１つ又は複数の主流体変位装置３１０を備えてもよい。すなわち、熱交換器３１５の外側に１つ又は複数の主流体変位装置３１０を配置する代わりに、又はそれに加えて、主流体変位装置３１０は、例えば熱交換器３１５の内側に配置されてもよい。これらの実施例のいくつかでは、熱交換器３１５と共に配置された、例えば回転要素（複数可）の流体変位装置３１０、例えばその内部のインペラ（複数可）の回転方向を逆転させて、主冷却流体１４０の方向を切り替えることができる。

冷却流体変位装置３１０と同様に、いくつかの実施例では、１つ又は複数の熱交換器流体変位装置３１０’はポンプ又はファンであってもよい。例えば回転要素（複数可）の流体変位装置３１０’、例えばその内部のインペラ（複数可）の回転方向を逆転させて、二次冷却流体１４５の方向を切り替えることができる。

他の実施例では、反転させるステップ１２０は、冷却流体１４０をエアギャップ２１５に向かって案内するための１つ又は複数の入口冷却導管３２０を、冷却流体１４０をエアギャップ２１５から離れるように案内するための１つ又は複数の出口冷却導管３３０と流体接続し、それにより、冷却流体１４０の流れの方向を逆転させることを含んでもよい。

すなわち、冷却流体１４０が第１の方向１５０に供給される場合、入口冷却導管３２０及び出口冷却導管３３０は、直接（すなわち、電気機械２００又は存在する場合には熱交換器３１５を介さない）かつ流体的に接続されていなくてもよい。入口導管３２０は、冷却流体１４０をエアギャップ２１５に向かって案内するのみであり、出口導管３３０は、加熱された冷却流体１４０をエアギャップ２１５から離れるように案内するのみである。冷却流体１４０の流れの方向を反転させるステップ１２０のために、入口導管３２０及び出口導管３３０を流体接続するように構成された追加の導管３４０を通る冷却流体１４０の通過を可能にしてもよい。

図６Ａ及び図６Ｂは、直接駆動風力タービン１０用の発電機などの電気機械２００と、電気機械２００に流体接続された冷却システム３００との側面図を概略的に示す。冷却システム３００は、例えば、ナセル１６内に設けられてもよい。冷却システム３００は、１つ又は複数の入口導管３２０と、１つ又は複数の出口導管３３０とを備える。冷却流体１４０、例えば空気は、エアギャップ２１５に向かって１つ又は複数の入口導管３２０を通って流れ、その温度が上昇し、次いで、１つ又は複数の出口導管３３０によって収集され、１つ又は複数の出口導管３３０を通って流れてもよい。図５Ａ～図６Ｂに見られるように、冷却流体１４０は、特定の周方向位置において発電機２００に導入され、別の周方向位置において収集することができる。

追加の導管３４０は、選択的に、１つ又は複数の入口導管３２０を１つ又は複数の出口導管３３０と流体接続してもよい。したがって、冷却流体１４０の流れの方向を反転させることができる。冷却流体１４０が第１の方向１５０でエアギャップ２１５に供給される間、図６Ａに示すように、追加の導管３４０は閉じていてもよい。

追加の冷却導管３４０を開いて、冷却流体１４０の流れを方向転換させることができる。例えば、反転させるステップ１２０は、複数のバルブ３５０を動作させて、追加の冷却導管３４０を介して冷却流体１４０を方向転換させ、その流れの方向を逆転させることを含んでもよい。図６Ｂに示すように、バルブ３５０を動作させて、冷却流体１４０の経路を変更した。いくつかのバルブ３５０を動作させて、入口導管３２０及び出口導管３３０の一部を閉じ、いくつかのバルブ３５０を動作させて、追加の導管３４０の通過を可能にした。バルブ３５０は、いくつかの実施例では、例えば電気モータによって電気的に動作させてもよい。

このようにして、冷却流体は、冷却流体１４０が第１の方向に循環する場合に第１の周方向位置において発電機２００に導入され、第２の周方向位置において収集することができ（図６Ａ）、冷却流体は、冷却流体の流れの方向が反転している場合に第２の周方向位置において発電機に導入され、第１の周方向位置において収集することができる（図６Ｂ）。これらの図のように、第１及び第２の周方向位置は異なっていてもよい。例えば図４を参照して示されたように、エアギャップへの及びエアギャップからの冷却流体の軌道も、これらの異なる周方向位置とは異なっていてもよい。特に、冷却流体が軸方向にエアギャップをどのように横断するかは、冷却流体が図６Ａに従って供給されるか、図６Ｂに従って供給されるかに依存する場合がある。

図６Ａ及び図６Ｂの冷却導管３２０、３３０は、図５Ａに関して説明したように、例えばナセル１６を囲む周囲空気に流体接続されてもよく、又は図５Ｂに関して説明したように熱交換器３１５に流体接続されてもよい。

図５Ａ～図６Ｂには１つの入口導管３２０及び１つの出口導管３３０のみが示されているが、複数の入口導管３２０及び複数の出口導管３３０が設けられてもよいことに留意されたい。例えば、発電機２００の異なる周方向部分に冷却流体を運ぶように構成された４つの入口導管３２０と、発電機２００の異なる周方向部分から冷却流体を運び去るように構成された４つの出口導管３３０とが設けられてもよい。

冷却流体１４０の方向を反転させるステップ１２０は、発電機２００の寿命の間に少なくとも１回実行されてもよい。いくつかの実施例では、反転ステップ１２０は、発電機２００の予想耐用年数の間に１回だけ実行されてもよい。たとえ冷却流体が電気機械の寿命を通して１回だけ反転されるとしても、その性能及び／又は技術的耐久性を改善することができる。そのようなただ１回の切り替えは、例えば、計画された（主要な）メンテナンスの際に行ってもよい。いくつかの他の実施例では、反転１２０は、発電機２００の予想耐用年数の間に２回以上実行されてもよい。

いくつかの実施例では、いくつかの能動素子２１２、２２２の温度が監視されてもよい。例えば、コイルなどの能動ステータ素子及び／又はコイルの絶縁体の温度が追跡されてもよい。温度閾値を設定することができ、発電機２００の１つ又は複数の能動素子２１２、２２２の温度が温度閾値に達したときに反転１２０を実行してもよい。閾値に達したときに冷却流体の方向を逆転させることは、能動素子及びエアギャップ２１５に沿った温度分布をより良好に制御するのに役立つ可能性がある。一般に、１つ又は複数の能動ステータ素子及び／又は１つ又は複数の能動ロータ素子の温度が監視されてもよい。例えば、複数のステータ素子の温度が追跡されてもよい。

いくつかの実施例では、コントローラ及び１つ又は複数の温度センサを設けてもよい。コントローラは、１つ又は複数の温度センサ、例えば２つ以上の温度センサに接続されてもよい。コントローラはまた、例えば複数のファンなどの１つ若しくは複数のプロペラ３１０、３１０’に、及び／又は例えば複数のバルブなどの１つ若しくは複数のバルブ３５０に接続されてもよい。能動素子（又はその絶縁体）の温度が所定の閾値に達すると、コントローラは、１つ若しくは複数のプロペラ３１０、３１０’に回転方向を切り替えるように、又は１つ若しくは複数のバルブ３５０に開く、若しくは閉じるように指示することができる（例えば、閉じている場合は開くように、開いている場合は閉じるようにさせる）。

いくつかの実施例では、所定の閾値は、起こり得る安全マージンを考慮して、使用中に能動素子２１２、２２２によって達成可能な最大温度であってもよい。使用中、能動素子２１２、２２２又はそれらの絶縁体の温度は、最高温度に達するまで上昇する可能性がある。能動素子が一定期間を超えてそのような温度に保たれる場合、能動素子は故障する可能性がある。したがって、そのような温度が達成されたときに冷却流体の方向を反転させるステップ１２０により、能動素子を冷却することができ、能動素子の熱応力を低減することができる。

いくつかの他の実施例では、所定の閾値は、使用中の最大達成可能温度よりも低い温度であってもよい。両方の状況の実施例が、図７Ａに概略的に示されている。この図は、時間ｔの関数として、例えばコイル又はコイルの絶縁体などの能動素子の温度Ｔ_ＡＥを概略的に表す。実線３８１は、冷却流体の方向の反転１２０が実行されない場合を指す。したがって、能動素子の温度は、プラトーに達するまで上昇しかしない。破線３８２は、閾値が最大達成可能温度３６０に対応し、この閾値に達したときに反転１２０が実行される場合の能動素子又はその絶縁体の温度の変化を表す。最後に、点線３８３は、閾値３６０よりも低い温度閾値３６５が設定された場合の能動素子又はその絶縁体の温度を表す。閾値３６０、３６５は、上限温度閾値と呼ばれる場合がある。

より低い温度の所定の閾値３７０も設定して、より高い温度の閾値３６０、３６５に達したときに、及びより低い温度の閾値３７０に達したときにも反転１２０を実行してもよい。したがって、能動素子の温度を、上限温度閾値及び下限温度閾値によって囲まれる特定の温度範囲内に維持することができる。

いくつかの実施例では、閾値温度３６０に達したときに冷却流体１４０の流れの方向を反転させるステップ１２０の代わりに、閾値３６０に達した後に特定の期間３８０、反転１２０を実行してもよい。このオプションは、図７Ｂに概略的に示されている。

いくつかの実施例では、能動素子の群に対して温度閾値を設定してもよい。例えば、閾値温度が１つの能動素子によって達成されたときに冷却流体１４０の流れを反転させるステップ１２０の代わりに、２つ以上の能動素子が閾値に達したときに流れを反転させてもよい。又は、能動素子の群に対して平均温度閾値を設定してもよく、例えば、２つ以上の能動素子の温度を監視してもよく、２つ以上の能動素子の平均温度が閾値に達すると、動作が行われる。

本開示のさらなる態様では、電気機械アセンブリ４００が提供される。電気機械アセンブリは、電気機械２００と、電気機械２００に流体接続された冷却システム３００とを備える。電気機械２００は、複数の能動ロータ素子２１２を含むロータ２１０と、複数の能動ステータ素子２２２を備えるステータ２２０と、能動ロータ素子２１２と能動ステータ素子２２２とを分離するエアギャップ２１５とを備える。冷却システム３００は、冷却流体１４０をエアギャップ２１５に向かって案内するための１つ又は複数の入口冷却導管３２０と、エアギャップ２１５内で加熱された冷却流体１４０を収集して電気機械２００から離れるように案内するための１つ又は複数の出口冷却導管３３０とを備える。冷却システム３００は、冷却流体１４０の流れの方向を反転させるように構成される。したがって、冷却流体は、例えば、２つの反対方向など、２つの異なる方向でエアギャップ２１５に供給されてもよい。

図３～図７Ｂに関する記載及び説明は、冷却システム３００及び電気機械２００に適用することができる。

冷却システム３００は、２つの反対方向に回転して、冷却流体の流れの方向を反転させるように構成された１つ又は複数の冷却流体変位装置３１０、３１０’を備えてもよい。１つ又は複数の流体変位装置は、１つ若しくは複数の入口導管３２０及び／又は１つ若しくは複数の出口導管３３０と共に配置されてもよい。いくつかの実施例では、推進器はファンであってもよい。冷却流体１４０は空気であってもよい。

冷却システム３００は、冷却流体１４０の流れの方向が逆転するように、１つ又は複数の入口導管３２０及び１つ又は複数の出口導管３３０を選択的に流体接続するように構成された１つ又は複数の追加の導管３４０を備えてもよい。

冷却システム３００は、図６Ａ及び図６Ｂに関して説明したように、１つ又は複数の追加の導管３４０を通る冷却流体１４０の流れを方向転換するために動作するように構成された１つ又は複数のバルブ３５０を備えてもよい。１つ又は複数のバルブ３５０は、追加の導管を通る冷却流体の流れを可能にするか、又は妨げることによって、１つ又は複数の追加の導管３４０を通る冷却流体の通過を調整することができる。バルブ３５０は、必要に応じて開閉されてもよい。

電気機械アセンブリ４００、例えば電気機械２００は、図７Ａ及び図７Ｂに関して説明したように、１つ若しくは複数の能動素子２１２、２２２又はそれらの絶縁体の温度を測定するように構成された１つ又は複数の温度センサをさらに備えてもよい。アセンブリ４００、例えば冷却システム３００は、１つ又は複数の温度センサの温度測定値に基づいて冷却流体の流れの方向を変更するように指示するように構成されたコントローラを備えてもよい。例えば、コントローラは、１つ若しくは複数の推進器３１０に回転方向を変更するように指示することができ、又は１つ若しくは複数のバルブアクチュエータ、例えば電気モータに、１つ若しくは複数の温度センサの１つ若しくは複数の測定値に基づいてバルブ３５０を動作させるように指示することができる。

電気機械２００は、風力タービン、より具体的には直接駆動風力タービン用の発電機であってもよい。電気機械アセンブリ４００は、例えば風力タービン用の、より具体的には直接駆動風力タービン用の発電機アセンブリであってもよい。

風力タービン１０、特に発電機アセンブリ４００を備える直接駆動風力タービンを設けてもよい。

本開示のさらなる態様では、発電機アセンブリが提供される。発電機アセンブリ４００は、発電機２００と、発電機２００に流体接続された冷却システム３００とを備える。発電機２００は、複数の能動ロータ素子２１２を含むロータ２１０と、複数の能動ステータ素子２２２を備えるステータ２２０と、能動ロータ素子２１２と能動ステータ素子２２２とを分離するエアギャップ２１５とを備える。冷却システム３００は、冷却流体１４０をエアギャップ２１５に向かって案内し、冷却流体１４０がエアギャップ２１５を通過した後は発電機２００から離れるように案内するように構成された複数の導管３２０、３３０、３４０を備える。冷却システム３００は、冷却流体１４０がエアギャップ２１５を通って２つの異なる方向に流れるように、冷却流体１４０を第１の方向、及び第１の方向とは異なる第２の方向に選択的に案内するように構成される。

冷却システム３００は、冷却流体１４０を第１及び第２の方向に案内するように構成された１つ又は複数の双方向ファン３１０、３１０’を備えてもよい。

冷却システム３００は、冷却流体１４０をエアギャップ２１５に向かって及びエアギャップから離れるように案内するように構成された複数の導管３２０、３３０に流体接続された熱交換器３１５をさらに備えてもよい。すべてのファンを含む１つ又は複数の双方向ファン３１０、３１０’が、熱交換器３１５に含まれてもよい。例えば、冷却流体を発電機に向かって及び発電機から離れるように推進させるための１つ又は複数の双方向ファンが、熱交換器３１５に含まれてもよい。

冷却システム３００は、冷却流体１４０が第１の方向及び第２の方向に流れることができるように、複数の導管３２０、３３０、３４０を通る冷却流体１４０の流れを調整するように構成された複数のバルブ３５０を備えてもよい。

風力タービン１０、特に発電機アセンブリ４００を備える直接駆動風力タービンを設けてもよい。

図３～図７Ｂに関する記載及び説明は、冷却システム３００及び発電機２００に適用することができる。

本明細書は、実施例を用いて、好ましい実施形態を含む本発明を開示し、また、当業者が、任意の装置又はシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、本発明を実施することを可能にする。本発明の特許可能な範囲は、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実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、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、又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、上述の種々の実施形態からの態様並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及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
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 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 前方支持軸受、主前方支持軸受
６２ 後方支持軸受、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 方法
１０３ トルクアーム
１４０ 冷却流体、主冷却流体、一次冷却流体
１４５ 冷却流体、二次冷却流体
１５０ 第１の方向
１５５ 第２の方向
１６０ 前方領域
１６５ 後方領域
２００ 電気機械、発電機
２０１ 軸受
２０３ 発電機支持体
２０５ 回転軸
２１０ ロータ
２１１ ロータリム
２１２ 能動ロータ素子、能動素子
２１５ エアギャップ
２２０ ステータ
２２１ ステータリム
２２２ 能動ステータ素子、能動素子
２３１ 駆動側カバー、前側カバー
２３２ 中央側カバー
２３３ 非駆動側カバー、後側カバー
２３４ 駆動側
２３５ 非駆動側
２３６ 一次入口、出口
２３７ 半径方向空間、ギャップ
２４０ 半径方向
２４１ 軸方向
２４２ 周方向
２５６ 一次入口、一次出口
２６２ 中央側プレート
２６３ 非駆動側又は後側プレート
３００ 冷却システム
３１０ 流体変位装置、冷却流体推進器、プロペラ、双方向ファン
３１０’ 流体変位装置、プロペラ、双方向ファン
３１５ 熱交換器
３２０ 入口導管、入口冷却導管
３３０ 出口導管、出口冷却導管
３４０ 追加の冷却導管
３５０ バルブ
３６０ 閾値、閾値温度、最大達成可能温度
３６５ 閾値、温度閾値
３７０ 閾値
３８０ 期間
３８１ 実線
３８２ 破線
３８３ 破線
４００ アセンブリ

Claims (15)

1. 複数の能動ロータ素子（２１２）を含むロータ（２１０）と、複数の能動ステータ素子（２２２）を含むステータ（２２０）と、前記能動ロータ素子（２１２）と前記能動ステータ素子（２２２）とを分離するエアギャップ（２１５）とを備える電気機械（２００）を冷却するための方法（１００）であって、
   前記ロータ（２１０）の前記複数の能動素子（２１２）及び／又は前記複数の能動素子（２２２）を冷却するために、前記電気機械（２００）の１つ又は複数の一次入口（２３６）を通して前記エアギャップ（２１５）に冷却流体（１４０）を供給するステップ（１１０）と、
   前記冷却流体（１４０）が前記電気機械（２００）から前記一次入口（２３６）のうちの１つ又は複数を通って抽気されるように、前記冷却流体（１４０）の流れの方向を反転させるステップ（１２０）と
   を含む方法（１００）。
2. 前記冷却流体（１４０）は、第１の期間中に第１の方向（１５０）に供給され、前記冷却流体（１４０）は、第２の期間中に第２の方向（１５５）に供給され、前記第２の方向（１５５）は、前記第１の方向（１５０）とは反対である、請求項１に記載の方法（１００）。
3. 前記第１の方向（１５０）及び前記第２の方向（１５５）は、実質的に軸方向（２４１）である、請求項２に記載の方法（１００）。
4. 反転させるステップ（１２０）は、１つ又は複数の流体変位装置（３１０、３１０’）の回転方向を反転させて、前記冷却流体（１４０）を前記エアギャップ（２１５）に向かって流し、前記エアギャップ（２１５）を冷却することを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法（１００）。
5. 反転させるステップ（１２０）は、前記冷却流体（１４０）を前記エアギャップ（２１５）に向かって案内するための１つ又は複数の入口冷却導管（３２０）を、前記冷却流体（１４０）を前記エアギャップ（２１５）から離れるように案内するための１つ又は複数の出口冷却導管（３３０）に選択的に流体接続することを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法（１００）。
6. 流体接続することは、複数のバルブ（３５０）を動作させて、１つ又は複数の入口冷却導管（３２０）を１つ又は複数の出口冷却導管（３３０）に接続する追加の冷却導管（３４０）を通るように前記冷却流体（１４０）を方向転換することを含む、請求項５に記載の方法（１００）。
7. 反転させるステップ（１２０）は、前記電気機械（２００）の前記予想寿命の間に１回だけ実行される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法（１００）。
8. 反転させるステップ（１２０）は、１つ又は複数の能動素子の所定の温度閾値（３６０、３６５、３７０）が達成されたとき又はその後に実行される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法（１００）。
9. 前記冷却流体（１４０）は空気である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法（１００）。
10. 電気機械（２００）と、前記電気機械（２００）に流体接続された冷却システム（３００）とを備える電気機械アセンブリ（４００）であって、
    前記電気機械（２００）は、複数の能動ロータ素子（２１２）を含むロータ（２１０）と、複数の能動ステータ素子（２２２）を備えるステータ（２２０）と、前記能動ロータ素子（２１２）と前記能動ステータ素子（２２２）とを分離するエアギャップ（２１５）とを備え、
    前記冷却システム（３００）は、冷却流体（１４０）を前記エアギャップ（２１５）に向かって案内するように構成された１つ又は複数の入口冷却導管（３２０）と、前記エアギャップ（２１５）内で加熱された前記冷却流体（１４０）を収集して前記電気機械（２００）から離れるように案内するように構成された１つ又は複数の出口冷却導管（３３０）とを備え、
    前記冷却システム（３００）は、前記冷却流体（１４０）の流れの方向を反転させるように構成される、電気機械アセンブリ（４００）。
11. 前記冷却システム（３００）は、前記冷却流体（１４０）の流れの方向を反転させるために２つの反対方向に回転するように構成された１つ又は複数の冷却流体変位装置（３１０、３１０’）をさらに備える、請求項１０に記載のアセンブリ（４００）。
12. 前記１つ又は複数の冷却流体変位装置（３１０、３１０’）は、１つ又は複数のファンである、請求項１１に記載のアセンブリ（４００）。
13. 前記冷却システム（３００）は、１つ又は複数の入口導管（３２０）と１つ又は複数の出口導管（３３０）とを選択的に流体接続するように構成された１つ又は複数の追加の導管（３４０）をさらに備える、請求項１０に記載のアセンブリ（４００）。
14. 前記冷却システム（３００）は、１つ又は複数の追加の導管（３４０）を通る前記冷却流体（１４０）の流れを可能にするか、又は妨げるために動作するように構成された１つ又は複数のバルブ（３５０）をさらに備える、請求項１３に記載のアセンブリ（４００）。
15. １つ又は複数の能動ロータ素子（２１２）及び／又は能動ステータ素子（２２２）の温度（３８１、３８２、３８３）を測定するように構成された１つ又は複数の温度センサと、
    １つ又は複数の温度センサの温度測定値に基づいて冷却流体（１４０）の流れの方向を変更するように指示するように構成されたコントローラと
    をさらに備える、請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載のアセンブリ（４００）。

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