JP5558780B2 - 電気機械の冷却のための装置 - Google Patents

Description

本発明は電気機械の冷却のための装置に関する。

本発明は好ましい実施例によれば、全体が殻若しくはハウジングで密閉された大型の電気機械に関している。

一般にこのような電気機械はオーミック抵抗や鉄ヒステリシス等によって作動中に生じる放熱に対する冷却を必要とする。

小型の電気機械では、機械の内部から表面への熱伝導による冷却が可能である。しかしながらこのような冷却は電力定格と熱発生の割にはその表面が小さい大型機械では不可能である。

例えば機械がハウジングなしで屋内の乾燥した雰囲気の環境に設置されるのなら、冷却は機械を通過する周辺空気の循環によって行われる。

しかしながら例えば海上の風力タービンに使用されるジェネレータのように機械が過酷な条件のもとで設置されるのであれば、電気機械全体を密閉する必要がある。それによって周辺空気が当該機械を通過して循環することが防がれる。そのような適用場所に供給できるクーリングシステムが望まれている。

非常に一般的な冷却手法は、電気機械内部への空気若しくは他のガス媒体の循環である。それに対して冷却媒体は熱交換器によって冷たさを保持しなければならない。このような冷却手法の欠点は非常に大型のガス対空気若しくはガス対水の熱交換器を必要とすることである。その他にも機械内部への冷却媒体の循環に対しても相当の付加的な電力が要求される。

ステーターとローターで示されるジェネレータのその他の冷却手法は、ステーターの第１の側における液体の循環である。この冷却すべき第１の側とは、ステーターとローターの間に存在する空隙に対向している側である。ステーターは積層された複数の積層板で表され、それらはステーターコイルの金属性巻線部を支持しているため熱が熱伝導によって当該金属性巻線部から積層板を通って冷却媒体に伝わる。

しかしながらこの冷却手法は温度勾配による影響を相当に被るものである。この温度勾配は積層板の中程度の熱伝導のためにステーター巻線と冷却媒体との間で存在する。そのため所要の最大値以下である所定の巻線温度の維持は困難である。

さらにこの冷却手法は、空気循環冷却よりも効果があるとはいいがたい。なぜならコイルの巻線ヘッドとローター自体が同じようには冷却されないからである。

その他の冷却手法は、液体若しくは気体を冷却目的で積層板スロット内にもたらすことである。その一方で前記スロットは金属巻線の支持にも用いられている。冷却媒体をもたらすためには中空のセラミック性冷却パイプが使用されているが、このパイプは高価でその取り扱いもやっかいである。ここでの問題は、巻線ヘッドとローターに対する直接の冷却効果がまだ存在しないことである。

本発明の課題は、前述したような従来の電気機械の冷却に対してさらに改善された装置を提供することである。

前記課題は、請求項１の特徴部分に記載された本発明によって解決される。

本発明によって冷却される電気機械としてのジェネレータを表した図 図１によるジェネレータの第１の詳細図 図１及び図２によるジェネレータの第２の詳細図

本発明によるローターとステーターを含む電気機械の冷却のための装置は、前記ローターとステーターの間にエアーギャップを有している。さらに前記電気機械は、当該電気機械内部に空気を循環させる空気冷却装置を有している。

また前記電気機械は、当該電気機械内部に液体を循環させる液体冷却装置を含んでいる。前記空気冷却装置と液体冷却装置は、空気−液体熱交換器によって接続されており、前記空気−液体熱交換器は、冷却液体による当該電気機械からの放熱に用いられている。

本発明によれば、ステーターは液体媒体を用いて冷却される。それに対して付加的に空気はステーターの巻線ヘッドの冷却とローターの冷却のために用いられる。

本発明による冷却装置は複数の利点を有している。

ステーターは液体冷却装置によって効果的に冷却される。

ステーターの巻線ヘッドとローター自身は、付加的に分離された経路を用いて冷却される。それにより、前述したようなステーターの直接冷却の欠如が補償される。

ステーターの巻線ヘッドとローターの空気冷却は、従来技術の欄で説明した前記システムよりも少ない量の冷却目的の空気しか必要としない。そのため大半の換気ロスが低減されるようになる（典型的には１/３に低減される）。

ステーターと巻線ヘッドの冷却及び／又はローターの冷却は、有利な実施例において個別に微調整されるので、アンバランスな冷却が回避されるようになる。

空気は直接、電気機械内部の冷却に使われるので、大きな外部エアーダクトは不要となる。そのため当該電気機械全体を封入することが可能となる。

有利な実施例によれば、内部のラジエータとステーターに同じクーラントが（並列的若しくは直列的に）循環され、それによってシンプルな装置が実現される。

以下では本発明による実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１には本発明によって冷却されるジェネレータＧの断面図が示されている。

このジェネレータＧは、アウターローター１とインナーステーター２を含んでいる。インナーステーター２はベアリング３を介して前記ローター１と接続されている。

ローター１は複数のマグネット４を装備しており、それによりこれらのマグネット４はエアーギャップＡＧ内で部分的に配置されている。エアーギャップＡＧはステーター２とローター１の間に設けられている。

ステーター１は複数の積層された積層板５からなっており、それに対して積層板５は、以下の明細書で詳細に説明する複数のスロットを有している。積層板５のそのようなスロットは、これも以下の明細書で詳細に説明するステーターコイルの金属巻線を支持する。

ステーターコイルの一部は積層板５のスロットを超えており、ステーターコイルの巻線ヘッド６を形成している。

前記積層板５は２つの端部プレート１５によって固定されている。

ファン７が空気冷却のために設けられており、それに対してファン７はステーター２と接続されている。このファン７はエアーギャップＡＧとジェネレータ内部の巻線ヘッド６を通って空気を循環させている。この場合の空気循環は図示のように経路Ｗに沿って行われる。

さらに空気−液体熱交換器８が設けられており、この交換器は冷却の目的のためにファン７と接続されている。

前記熱交換器８は冷却液体インレット９と冷却液体アウトレット１０に接続されており、これらのインレット９及びアウトレット１０は、"冷却された"冷却液体を熱交換器８に運ぶためと、"熱せられた"冷却液体を熱交換器８から離すためと、空気−液体熱交換器８からの熱を当該ジェネレータＧの外側に向けて放出するために用いられている。

複数の中空パイプ１１が設けられており、これらのパイプは前記積層板５と熱的に接続形成される。

有利な実施例によれば前記中空パイプ１１は金属からなっている。この中空パイプの第１の端部は冷却液体インレット９に接続されており、それに対して当該パイプ１１の第２の端部は、冷却液体アウトレット１０に接続されている。それにより冷却循環系が液体冷却のために構築された。

ファン７は、ローター１及び巻線ヘッド６のクールダウンと、積層板５のある程度（小規模）のクールダウンのために、冷却空気を循環させている。

空気冷却システムからの熱は、熱交換器８の支援によって周囲に放出される。この熱交換器８は冷却液体インレット９と冷却液体アウトレット１０に冷却目的のために接続されている。

それにより冷却液体による冷却容量の主要部分は、前記スロット内に配置されている金属巻線の冷却のために使用される。

ここでは一方の空気冷却ともう一方の液体冷却の組合わせが存在している。

図２には図１によるジェネレータＧの区分Ａ−Ａに沿った第１の詳細図ないし拡大図が示されている。

ここではステーター２の積層板５がクローズアップされ、この積層板５において複数のスロット５ａが描写されている。

ステーター２とローター１の間には、エアーギャップＡＧが存在しており、それに対してローター１は、それに固定されている複数のマグネット４と共に示されている。

液体冷却のための中空パイプ１１は、ジェネレータＧの積層板５との熱的コンタクトのもとで接続されている。

図３には図１及び図２に関するジェネレータＧの第２の詳細図ないし拡大図が示されている。

積層板５のスロット５ａは、ステーターコイル（詳細には示されていない）の金属巻線１４を支持するのに用いられている。それに対して積層板５の第１の側は、エアーギャップＡＧに面しており、積層板５の第２の側は冷却目的のために積層板５と熱的に接続されている。

前記第２の側は、第１の側に対向する側に配置されており、さらに溶接箇所１３を介して中空パイプ１１と接続している。そのためこの溶接箇所１３は熱的接続のために用いられている。

この中空パイプ１１の内部は、冷却媒体が熱交換器８に若しくは熱交換器８から循環するように構成されている。

前記中空パイプ１１は溶接箇所１３を介してステーター２の積層板５との直接的な熱的コンタクトを形成している。

前述の溶接接続を用いた冷却システムは、中空パイプ１１と積層板５の第２の側との間で行われ、それに対して中空パイプ１１は有利な実施例によれば積層板５の第２の側に配置されている。

別の有利な実施例によれば、中空パイプ１１を積層板５によって包含することも可能である。それによれば中空パイプ１１は積層板５の統合部分の一部として形成される。

さらに別の実施例によれば、中空パイプ１１を金属巻線１４若しくはスロット５ａと共に集積することも可能であるし、前述した実施例を組合わせることも可能である。

さらに別の実施例によれば、ジェネレータＧの"内部空気"のみを内側で循環させるようにしてもよい。それによりジェネレータＧを全体として包み込むことが可能となる。液体冷却だけはジェネレータＧからの熱の放出に用いられる。

Ｇ 電気機械
ＡＧ エアーギャップ
１ ローター
２ ステーター
５ 積層板
５ａ スロット
７ 空気冷却装置
８ 空気−液体熱交換器
９ 冷却液体インレット
１０ 冷却液体アウトレット
１１，１２ 液体冷却装置
１４ 金属巻線

Claims (8)

1. 電気機械（Ｇ）の冷却のための装置において、
   前記電気機械（Ｇ）は、アウターローター（１）を含み、前記アウターローター（１）は複数のマグネット（４）を備えており、
   前記電気機械（Ｇ）は、インナーステーター（２）を含み、前記インナーステーター（２）はベアリング（３）を介して前記アウターローター（１）と接続されており、
   前記インナーローター（２）は複数の積層板（５）を含み、前記複数の積層板（５）は２つの端部プレート（１５）によって前記インナーローター（２）に接続されており、
   前記複数の積層板（５）は、複数のスロット（５ａ）を含み、前記複数のスロット（５ａ）は、ステーターコイルの金属巻線の支持に用いられており、
   前記ステーターコイルは、前記複数の積層板（５）の前記複数のスロット（５ａ）から突出して当該ステーターコイルの巻線ヘッド（６）を形成しており、
   前記複数のマグネット（４）は、前記アウターローター（１）と前記複数の積層板（５）の間にあるエアーギャップ（ＡＧ）内に部分的に配置されており、
   さらに前記電気機械（Ｇ）はファン（７）を含んでおり、前記ファン（７）は、冷却空気が、前記電気機械（Ｇ）内部で、当該ファン（７）から前記端部プレート（１５）の開口部を通り、前記巻線ヘッド（６）を通って、前記エアーギャップ（ＡＧ）を通り、前記端部プレート（１５）に沿って、前記端部プレート（１５）の開口部を通り、空気−液体熱交換器（８）を介して、再び前記ファン（７）に戻るように、冷却空気を循環させており、これによって、前記アウターローター（１）と、前記巻線ヘッド（６）と、前記複数の積層板（５）とが冷却され、
   前記ファン（７）は、前記空気−液体熱交換器（８）と、循環する冷却空気からの熱が当該空気−液体熱交換器（８）に伝達するように接続されており、
   前記空気−液体熱交換器（８）は、冷却液体インレット（９）と冷却液体アウトレット（１０）に接続されており、前記冷却液体インレット（９）と冷却液体アウトレット（１０）は、前記空気−液体熱交換器（８）への冷却液体の搬送と、前記空気−液体熱交換器（８）からの冷却液体の排出のために用いられており、それによって、熱が前記空気−液体熱交換器（８）から前記電気機械（Ｇ）の外部へ放出され、
   複数の中空パイプ（１１）が前記複数の積層板（５）との熱接触のために含まれており、
   前記中空パイプ（１１）の第１の端部は、前記冷却液体インレット（９）に接続され、前記中空パイプ（１１）の第２の端部は、前記冷却液体アウトレット（１０）に接続されて、冷却液体のための冷却循環路が形成されており、
   前記空気−液体熱交換器（８）及び前記ファン（７）は、前記インナーステーター（２）と、前記２つの端部プレート（１５）と、前記複数の積層板（５）とによって規定される所定のスペース内に配置されていることを特徴とする装置。
2. 前記積層板（５）の第１の側は、当該積層板（５）のスロット（５ａ）を含んでおり、さらに前記積層板（５）の第１の側は、エアーギャップ（ＡＧ）に面しており、前記積層板（５）の第１の側に対向している第２の側は、液体冷却装置（１１）と熱的接続されている、請求項１記載の装置。
3. 前記熱的接続は、溶接として形成されている、請求項２記載の装置。
4. 前記中空パイプ（１１）は、前記積層板（５）の統合されたパーツの一部である、請求項１記載の装置。
5. 前記中空パイプ（１１）は、前記ステーターコイル（２）の金属巻線（１４）の統合されたパーツの一部であるか、及び／又は、
   前記中空パイプ（１１）は、前記積層板（５）のスロット（５ａ）の統合されたパーツの一部である、請求項１記載の装置。
6. 前記中空パイプ（１１）は、金属製か若しくはセラミック製である、請求項１記載の装置。
7. 前記電気機械（Ｇ）は、風力タービンのナセル内側に配置されたジェネレータ（Ｇ）である、請求項１記載の装置。
8. 前記電気機械（Ｇ）は、全体として外殻によって包み込まれており、それにより当該電気機械（Ｇ）内部の空気のみが空気冷却の目的で循環される、請求項１記載の装置。

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