JP4961533B2 - 空気冷却システムを備えた電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、巻線を有した固定子と、回転子と、概ね円筒形の構成とされたエアギャップとを備えた電気機械の冷却に関する。

機械の損失から生じる熱を除去し、機械の温度が機械の様々な部品に設定された最大設計温度を超過することが無いことを確実にするために、電気機械には冷却が必要である。これらの損失は、実質的に、固定子コアの鉄損、巻線の銅損、回転子における損失、エアギャップにおける摩擦損失および軸受での損失である。巻線の最大設計温度を超過する場合には、巻線ワイヤの電気的な絶縁が損なわれるという危険がある。

より小さな容積の機械ほど損失が生じるので、高回転速度用に設計された電気機械では、例えば、５，０００／分よりも低い一般的な回転速度用に設計された電気機械と比べて、より高性能な冷却システムが必要である。

熱除去には電力が必要となり、電気機械の効率全体を減少させる要因となるので、損失によって生じる熱量を機械から効率よく除去することは、重要な課題である。非常に高性能な冷却は、電気機械の効率全体を高めるのに有効に寄与する。

本発明は、
（ａ）固定子コアおよび固定子巻線を備え、該固定子巻線は、該固定子コアの空間内に収容された第１の巻線部分と、第２の巻線部分としての巻線端部とを有しており、該巻線端部は、軸方向において固定子コアの第１の前面および反対側の第２の前面の前方に位置する、固定子と、
（ｂ）固定子を収容するためのハウジングと、
（ｃ）回転可能に支持された回転子と、
（ｄ）概ね円筒形の構成とされたエアギャップと、
（ｅ）固定子コアの第１の前面と第２の前面との間の位置に配置され、各外周側入口とエアギャップとの間に概ね半径方向に延びる、周方向に配置された複数の第１の冷却ガスダクトと、
を備え、
（ｆ）ハウジングは、巻線端部をインピンジメント冷却するために冷却ガスの噴流を巻線端部に対して案内するように、固定子コアの第１の前面の前方における巻線端部に向けられた複数の第１の穴を有し、
（ｇ）ハウジングは、巻線端部をインピンジメント冷却するために冷却ガスの噴流を巻線端部に対して案内するように、固定子コアの第２の前面の前方における巻線端部に向けられた複数の第２の穴を有し、
（ｈ）ハウジングは、冷却ガスの流れを巻線端部を通して背部の回転子の一部へ向けて案内するように、固定子コアの第１の前面の前方における巻線端部に向けられた複数の第３の穴を有し、
（ｉ）ハウジングは、冷却ガスの流れを巻線端部を通して背部の回転子の一部へ向けて案内するように、固定子コアの第２の前面の前方における巻線端部に向けられた複数の第４の穴を有し、
（ｋ）さらに、
（ｋ１）電気機械を通して冷却ガスの流れを供給するように動作可能であり、冷却ガスが通流するように第１の冷却ガスダクト、第１の穴、第２の穴、第３の穴、第４の穴に接続された送風ファン、もしくは、（ｋ２）電気機械を通して冷却ガスの流れを供給するように動作可能であり、冷却ガスが通流するように、エアギャップから流出した冷却ガスを受ける電気機械の空間、第１の穴、第２の穴、第３の穴および第４の穴に接続された吸込ファン、
の少なくとも一方を有することを特徴とする電気機械を提供する。

本発明の好ましい実施例は、従属請求項２〜２４に示されている。

本発明は、本発明の電気機械をそれぞれ備えたターボ圧縮機およびタービン発電機をさらに提供する。

本発明によって提供される有利な効果を以下に示す。

非常に集中的な冷却が、巻線端部になされる。巻線端部の軸方向外側端部が、冷却ガスのインピンジメント冷却噴流によって冷却され、巻線端部の軸方向内側部分が、より遅い冷却ガスの流れによって冷却される。これは、熱源の分布および巻線端部の寸法に最も適応している。

本発明によって提供される冷却設計では、一般的な冷却設計と比べて比較的低い電力が要求される。

本発明によって提供される冷却設計は、５，０００／分よりも低い回転速度で運転される多くの一般的な電気機械と比べて、高回転速度で運転される電気機械に特に適している。

好ましい実施例では、冷却システムは、固定子コアの外周のための液体冷却を備えており、液体冷却チャネルがガス冷却流路を妨害しないように、このような液体冷却と本明細書で説明されている冷却とを組み合わせている。

本発明の電気機械は、該電気機械の冷却システムが非常に高性能であるにもかかわらず、著しく複雑になったり、製造コストが高くなってはいない。
本発明の例示の実施例では、電気機械の最大設計回転速度は、少なくとも２０，０００／分である。
本発明の例示の実施例では、最大設計回転速度は、少なくとも４０，０００／分である。
本発明の例示の実施例では、回転子の先端の設計速度が、少なくとも２００ｍ／秒である。
本発明の例示の実施例では、電気機械の設計定格電力が、少なくとも１４０ｋＷである。
本発明の例示の実施例では、設計定格電力は、少なくとも２００ｋＷである。
本発明の例示の実施例では、電気機械の設計損失は、該電気機械の定格電力の８％よりも小さい。
本発明の例示の実施例では、ファンの設計電力は、電気機械の定格電力の１．５％よりも小さい。
本発明の例示の実施例では、固定子巻線の設計最大許容温度は、１８０℃である。
本発明の例示の実施例では、電気機械は、冷却ガスの流れ全体の少なくとも６０％が第１の穴および第２の穴を通過するように設計されている。
本発明の例示の実施例では、冷却ガスは、空気である。

本発明の一実施例を示し、長手方向の断面に沿ったターボ圧縮機の上側半部のみを実質的に示した概略図である。

図には、ターボ圧縮機２が示されており、該ターボ圧縮機２は、ハウジング４、該ハウジング４内に収容された固定子６、この中空の固定子６を通って延びる回転子８、該回転子８の軸受１０，１２、回転子８に取り付けられた２つの圧縮機ホイール１４，１６を備える。

回転子８は、例えば、中実の鋼製回転子もしくは薄い銅製スリーブを有する中実の鋼製ボディを備えた回転子である。図には、２つの能動型半径方向磁気軸受１０が示されており、一方の軸方向側には、能動型軸方向磁気軸受１２が設けられている。また、２つの能動型軸方向磁気軸受が設けられてもよい。「能動型磁気軸受」は、固定の軸受１０や軸受１２に対し回転子８の位置を連続的に検知し、軸受に対し所定の位置決め範囲内に回転子８を維持するように、軸受の磁力を連続的に変化させる軸受である。

固定子６は、リング状の鉄製シートを積み重ねてなる固定子コア１８と、銅製ワイヤによって形成された固定子巻線２０とを備える。第１の巻線部分が、固定子コア１８のスロット状の空間内に収容されており、第２の巻線部分が、巻線端部２２の形態をとる。巻線端部２２は、固定子コア１８の左側の第１の前面２４の前方における第１の部分と、固定子コア１８の右側の前面２６の前方における第２の部分と、からなる。固定子６の全体は、回転子８の回転軸３０に対して垂直に延びる中心面２８に関して概ね対称である。固定子コアの軸方向中心付近では、複数の第１の冷却ガスダクト２１が、周方向に配置され、かつこれらの第１の冷却ガスダクト２１は、概ね半径方向に延びている。

固定子６は、ハウジング４内に取り付けられている。ハウジング４の中央部分は、固定子コア１８を取り囲んでおり、この中央部分は、周方向に配置された複数の第２の冷却ガスダクト３２を備えており、該第２の冷却ガスダクト３２は、実質的に軸方向に延びる。ハウジング４は、固定子コア１８の第１の前面２４および第２の前面２６を越えて延びるとともに実質的に円筒形のハウジング壁３４を形成し、該ハウジング壁３４は、回転子６の両側において巻線端部２２を取り囲んでいる。壁部３４の各々は、周方向に配置された第１の穴３６または第２の穴３８の列（モータの軸方向の各側に一列）をそれぞれ備えており、さらに、周方向に配置された第３の穴４０または第４の穴４２の列（モータの軸方向の各側に一列）をそれぞれ備える。第１の穴３６および第２の穴３８の直径は、例えば、５ｍｍと比較的小さく形成されており、第３の穴４０および第４の穴４２の直径は、例えば、１５ｍｍとより大きく形成されている。

右側では、ハウジング４は、ある半径方向厚さで第２の前面２６を越えて延びており、これにより、第２の冷却ガスダクト３２が、巻線端部２２の右側部分の長さと概ね等しい軸方向長さにわたって延びている。左側では、冷却ガスリングチャネル４４が、その内径部において壁部３４によって境界づけられており、この冷却ガスリングチャネル４４は、冷却ガスが通流するように入口４６と、第２の冷却ガスダクト３２の左側端部とに接続される。

所望であれば、冷却ガスリングチャネルは、第２の冷却ガスダクト３２の右側端部にも設けられてもよい。

ハウジング４は、軸方向軸受１２と、半径方向軸受１０の一方を取り付けるために左側に延びている。右側では、ハウジング４は、２つの半径方向軸受１０の中の他方を取り付けるように延びている。左側では、周方向に配置された複数の第３の冷却ガスダクト４８が、リングチャネル４４へ向かう入口と、半径方向軸受１０の左側の空間へ向かう出口とを備える。しかし、右側では、類似した複数の第３の冷却ガスダクト４８が配置されているが、これらの第３の冷却ガスダクト４８は、第２の冷却ガスダクト３２の各々へ向かって開いている入口を備えており、右側の半径方向軸受１０の右側に位置した空間へと延びている。

概略的に示されている送風ファン５０は、冷却ガスを通流させるようにリングチャネル４４に接続されている。

冷却ガスの流れは、以下のようになる。

送風ファン５０によって加圧された冷却ガスは、リングチャネル４４へと通流した後に第１の流れとして第２の冷却ダクト３２へと通流する。ここから、この冷却ガスは、第２の流れとして第１の冷却ガスダクト２１へと通流し、また、第３の流れとして第２の穴３８および第４の穴４２へと通流する。また、第４の流れとして、リングチャネル４４から第１の穴３６および第３の穴４０へと直接通流する流れがある。第１の冷却ガスダクト２１から流出した第２の流れは、分割され、エアギャップ５２を介して左側および右側へと通流する。

冷却ガスの噴流が、第１の穴３６および第２の穴３８によって生じ、この生じた噴流は、巻線端部２２の中で前面２４，２６からより離間している巻線端部２２の領域へ案内される。冷却ガスの噴流は、これらの領域の巻線端部２２に衝突して細かなガスの固まりへと分解する。これにより、巻線端部２２のこれらの領域は、非常に集中的に冷却される。

冷却ガスは、より小さな流速で、第３の穴４０および第４の穴４２を通流する。この冷却ガスは、前段落で説明したより離間した巻線端部２２の領域よりも前面２４，２６により近い巻線端部２２の領域へ通流する。これらのより遅い流れは、固定子コア１８のスロットから出ているワイヤの束の間の間隙を通過し、巻線端部２２の後方に位置する回転子８の両側の周囲領域を冷却し、回転子８の冷却に実質的に寄与することができる。

冷却ガスの流れは、半径方向軸受１０へ案内され、該軸受１０を通過して、モータの軸方向中心へ向かう方向へ通流する。左側では、この流れは、軸方向軸受１２も冷却する。

固定子コア１８、エアギャップ５２および巻線端部２２を冷却した冷却ガスは、ハウジング４から流出し、左側および右側の２つの流れ５４となる。ハウジング４は、実質的に半径方向に延びる適切なチャネルと、流出流れ５４を受ける２つの周囲リングチャネル５６とを備える。軸受１０，１２を冷却した冷却ガスは、これらの流出流れ５４と合流する。

固定子コア１８を取り付けるためのハウジング部分は、ハウジングの外周に周方向溝５６を有しており、ハウジングの周囲にジャケットスリーブ５８を備える。これにより、冷却液体ジャケットが形成され、水のような冷却液体が溝５６を通って循環することができる。図では、リングチャネル４４は、左側に位置しており、かつ第２の冷却ガスダクト３２の入口開口部の前方にある。このように、リングチャネル４４は、軸方向の位置として、冷却液体ジャケット５６，５８の隣りに位置しており、冷却液体ジャケットを通流する冷却ガスのための半径方向通路が必要ない。冷却液体ジャケットが無い本発明の実施例も可能であり、この場合には、実質的に中心面２８の位置にリングチャネル４４を設置し、ガス冷却システムを対称設計とするのにより都合がよくなり得る。ここで、第１の冷却ガスダクト２１の１つの群を複数の群にして、各群において、複数のダクト２１が周方向に配置されるようにすることが可能であることを強調しておく。これらの複数の群は、軸方向に互いに離間している。

図では、第１の圧縮機ホイール１４が、回転子８の左側端部に取り付けられており、第２の圧縮機ホイール１６が、回転子８の右側端部に取り付けられている。圧縮すべき空気や他のガスが、最初に第１の圧縮機ホイール１４を通過した後に中間冷却器を通過し、第２の圧縮機ホイール１６を通過する。第１の圧縮機ホイール１４は、第１の圧縮機ハウジング（図には一部のみが示されている）によって取り囲まれており、第２の圧縮機ホイール１６は、第２の圧縮機ハウジング（図には一部のみが示されている）によって取り囲まれている。

圧縮機ホイール１４，１６をラジアルタービンホイールに置き換えると、電気を生成するためのタービン発電機が提供される。本発明の電気モータは、あらゆる任意の装置を駆動するために使用することができ、圧縮機を駆動するための使用に全く限定されないことを強調しておく。同様のことが、あらゆる任意の駆動装置によって駆動され得る本発明の発電機にもあてはまる。

送風ファン５０を、流出流れ５４を吸い込む吸込ファンに置き換えると、本発明の代替の実施例が提供される。新しい冷却ガスが、例えば、リングチャネル４４によって機械内に吸い込まれる。

限定を目的としない単なる例として、試験された実施例のデータを以下に示す。設計は、図に概略的に示されている。モータ出力は、３００ｋＷである。回転速度は、６０，０００／分である。送風ファンによる圧力上昇は、大気圧よりも大きい２．５〜３ｋＰａである。冷却空気の流速の合計は、２０〜２５ｍ³／分である。ファンの電力消費は、２〜２．５ｋＷである。巻線端部２２への流れと第１の冷却ガスダクト２１への流れの比は、約８０対２０である。モータを通過した冷却空気の平均温度上昇は、約５０℃である。外気温度は、４０℃である。モータの最高温度（これは巻線端部における温度である）は、約１６０℃である。冷却ジャケット５６，５８の水の流速は、約０．２ｋｇ／秒である。

最も好ましい冷却ガスは、空気である。モータは、周波数変換器を備えていてもよい。ファンは、周波数変換器を備えた電気モータによって駆動されてもよい。

Claims (19)

1. （ａ）固定子コアおよび固定子巻線を備え、該固定子巻線は、該固定子コアの空間内に収容された第１の巻線部分と、第２の巻線部分としての巻線端部とを有しており、該巻線端部は、軸方向において前記固定子コアの第１の前面および反対側の第２の前面の前方に位置する、固定子と、
   （ｂ）前記固定子を収容するためのハウジングと、
   （ｃ）回転可能に支持された回転子と、
   （ｄ）概ね円筒形の構成とされたエアギャップと、
   （ｅ）前記固定子コアの前記第１の前面と前記第２の前面との間の位置に配置され、各外周側入口と前記エアギャップとの間に概ね半径方向に延びる、周方向に配置された複数の第１の冷却ガスダクトと、
   を備え、
   （ｆ）前記ハウジングは、前記巻線端部をインピンジメント冷却するために冷却ガスの噴流を前記巻線端部に対して案内するように、前記固定子コアの前記第１の前面の前方における前記巻線端部に向けられた複数の第１の穴を有し、
   （ｇ）前記ハウジングは、前記巻線端部をインピンジメント冷却するために冷却ガスの噴流を前記巻線端部に対して案内するように、前記固定子コアの前記第２の前面の前方における前記巻線端部に向けられた複数の第２の穴を有し、
   （ｈ）前記ハウジングは、冷却ガスの流れを前記巻線端部を通して背部の回転子の一部へ向けて案内するように、前記固定子コアの前記第１の前面の前方における前記巻線端部に向けられた複数の第３の穴を有し、
   （ｉ）前記ハウジングは、冷却ガスの流れを前記巻線端部を通して背部の回転子の一部へ向けて案内するように、前記固定子コアの前記第２の前面の前方における前記巻線端部に向けられた複数の第４の穴を有し、
   （ｊ）前記第１の穴および前記第２の穴の直径は、前記第３の穴および前記第４の穴の直径よりも小さく形成され、
   （ｋ）さらに、
   （ｋ１）電気機械を通して冷却ガスの流れを供給するように動作可能であり、冷却ガスが通流するように前記第１の冷却ガスダクト、前記第１の穴、前記第２の穴、前記第３の穴、前記第４の穴に接続された送風ファン、もしくは、（ｋ２）電気機械を通して冷却ガスの流れを供給するように動作可能であり、冷却ガスが通流するように、前記エアギャップから流出した冷却ガスを受ける電気機械の空間、前記第１の穴、前記第２の穴、前記第３の穴および前記第４の穴に接続された吸込ファン、
   の少なくとも一方を有することを特徴とする電気機械。
2. 前記第１の穴は、前記固定子コアの前記第１の前面から離間して周方向に配置され、
   前記第２の穴は、前記固定子コアの前記第２の前面から離間して周方向に配置され、
   前記第３の穴は、前記固定子コアの前記第１の前面から前記第１の穴よりも小さい距離だけ離間して周方向に配置され、
   前記第４の穴は、前記固定子コアの前記第２の前面から前記第２の穴よりも小さい距離だけ離間して周方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
3. 前記第１の冷却ガスダクトの全ては、前記回転子の回転軸に対して垂直に延びる概ね共通の平面上に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電気機械。
4. 前記第１の冷却ガスダクトの少なくとも２つの群があり、各群において、前記第１の冷却ガスダクトは、前記回転子の回転軸に対して垂直に延びる概ね共通の平面上に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電気機械。
5. 前記固定子巻線および前記第１〜４の穴は、前記回転子の回転軸に対して垂直に延びる中心面に対して概ね対称の設計となることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電気機械。
6. 概ね軸方向に延び、かつ周方向に配置された複数の第２の冷却ガスダクトを備え、前記半径方向に延びる第１の冷却ガスダクトの外周側入口が、前記第２の冷却ガスダクトの各々へと通じていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電気機械。
7. 冷却ガスが通流するように前記第１の冷却ガスダクトの外周側入口または前記第２の冷却ガスダクトに接続された冷却ガスリングチャネルを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電気機械。
8. 前記冷却ガスリングチャネルは、前記固定子コアの前記第１の前面または前記第２の前面の位置に配置されることを特徴とする請求項７に記載の電気機械。
9. 前記ファンは、前記回転子の回転軸に対して垂直に延びる前記固定子コアの中心面からオフセットして位置していることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電気機械。
10. 前記固定子コアは、冷却液体ジャケットを備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の電気機械。
11. 少なくとも１つの軸方向磁気軸受および２つの半径方向磁気軸受を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電気機械。
12. 周方向に配置された複数の第３の冷却ガスダクトを備え、該第３の冷却ガスダクトは、冷却ガスが通流するように前記ファンに接続され、前記磁気軸受に冷却ガスを供給することを特徴とする請求項１１に記載の電気機械。
13. 前記電気機械は、巻線無しの回転子を備えた非同期電気モータまたは非同期発電機であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の電気機械。
14. モータとしての請求項１〜１３のいずれかの前記電気機械と、該モータの回転子に取り付けられた少なくとも１つの圧縮機ホイールとを備えたターボ圧縮機ユニット。
15. 前記回転子の第１の端部に取り付けられた第１の半径方向圧縮機ホイールと、該回転子の反対側の第２の端部に取り付けられた第２の半径方向圧縮機ホイールとを備えることを特徴とする請求項１４に記載のターボ圧縮機ユニット。
16. 圧縮すべき空気が、最初に、前記第１の圧縮機ホイールを通過し、かつ冷却され、次に、前記第２の圧縮機ホイールを通過するように設計されることを特徴とする請求項１５に記載のターボ圧縮機ユニット。
17. 発電機としての請求項１〜１３のいずれかの前記電気機械と、該発電機の回転子に取り付けられた少なくとも１つのタービンホイールとを備えたタービン発電機ユニット。
18. 前記回転子の第１の端部に取り付けられた第１の半径方向タービンホイールと、該回転子の反対側の第２の端部に取り付けられた第２の半径方向タービンホイールとを備えることを特徴とする請求項１７に記載のタービン発電機ユニット。
19. ガスの流れが、最初に、前記第１のタービンホイールを通過し、次に、前記第２のタービンホイールを通過することを特徴とする請求項１８に記載のタービン発電機ユニット。

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