JP5692985B2 - 電気機械の冷却のための装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械の冷却装置に関する。

電気機械は、電気機械の操作中にオーム抵抗、鉄損等により発生する熱を放散する冷却装置を必要とする。

電気機械は、電気機械の操作中にオーム抵抗、鉄損等により発生する熱を放散する冷却を必要とする。

小型の電気機械を、この機械の内部からその表面へと熱を伝達することにより冷却することが可能である。このことは、電力定格及び発熱当たりの表面積が比較的小さい大型の機械では不可能である。

機械が乾燥した雰囲気のインドアに設置されている場合には、機械をケーシング無しで操作することが可能であり、冷却は機械を通流する周囲空気の循環により達成される。

しかし、機械が過酷な条件下に設置されている場合、例えば発電機がオフショア風力タービン内において使用されているような場合、電気機械は完全に密閉されている必要があり、周囲の空気が機械を通って循環することはできない。このような用途に専用の冷却システムが求められる。

広く普及した冷却法は、空気又は他のガス状の媒体の電気機械内部における循環である。冷却媒体は熱交換器により低温状態を維持したままである。不都合には、この冷却法は大型のガス対空気の熱交換器、又はガス対水の熱交換器を必要とする。さらに、かなりの付加的な電力が、機械内部における冷却媒体を循環させるために必要とされる。

ステータとロータとを有する発電機の他の冷却法は、ステータの第１の面における冷却通路内部の液体の循環である。この冷却される第１の面は、ステータとロータとの間のエアギャップとは反対の側に設けられている。ステータは、ステータコイルの金属巻線を担持する複数の積み重ねられた積層板を有しており、熱は金属巻線から積層板を介して冷却媒体に伝導によって伝達される。

この冷却法は、コイルの巻線ヘッド及びロータ自体が同様に冷却されないので、空冷ほど効果的ではない。

上記冷却法は、ステータの積層板と冷却通路との間の良好な熱接触を確実にすることは困難であるというさらなる欠点を有している。

ステータの積層板と冷却通路との間の異なる熱膨張は、積層板と冷却通路との間の小さなエアギャップにつながり、熱伝達は空気により不都合に影響される。

付加的に、通常使用される冷却通路、冷却液及び空気冷却構造により、重量が増大することがもたらされる。

したがって、本発明の目的は発電機といった電気機械の冷却のために改良された装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る電気機械を冷却するための装置は、前記電気機械はロータ及びステータを備えており、ロータとステータとの間にエアギャップが形成されており、ステータは複数の積み重ねられた積層板を備えており、積層板は構造的な支持のための手段及びエンドプレートによって、所定のエアギャップを達成するために、ステータの中央部分に関して位置決めされ固定されており、エンドプレートと、ステータの中央部分と、エアギャップと、ロータの内面とによって結合キャビティが形成されており、電気機械は、前記結合キャビティ内部においてガス状の媒体を冷却目的で循環させるために配置され且つ使用される空気冷却装置を有しているようになっている。

本発明の有利な構成が従属請求項に記載されている。

好ましくは、ガス状の媒体を積層板を通流させる専用の積層板の間に、スリットが設けられている。

好ましくは、ステータの中央部分はロータの回転軸線に沿って延在している。

好ましくは、空気冷却装置は前記結合キャビティ内部においてガス状の媒体の循環のためにファンを有している。

好ましくは、空気冷却装置は結合手段によってステータに結合されていて、前記結合キャビティ内部に設けられている。

好ましくは、積み重ねられた積層板は、ステータコイルの金属巻線を担持するための複数のスロットを有しており、積み重ねられた積層板の前記スロットは、エアギャップの側に形成されている、積層板の第１の面に設けられている。

好ましくは、構造的な支持のための手段は、積層板を貫通し、かつ、前記溶接によって積層板に結合されている複数のバー又は異形材を有しているか、又は、前記構造的な支持のための手段は、前記第１の面とは反対の側に位置する積層板の第２の面に設けられている。

好ましくは、ステータコイルは積層板のスロットを越えて、前記ステータコイルの巻線ヘッドを形成する。

好ましくは、空気冷却装置はエアギャップと巻線ヘッドとを通って空気を循環させるために設けられている。

好ましくは、空気冷却装置は、冷却液体によって前記キャビティから熱を排出するために設けられ使用される空気対液体の熱交換器に結合されている。

好ましくは、電気機械は発電機であり、且つ／又は、電気機械は風力タービン内に設けられており、且つ／又は、電気機械はシェルによりカプセル化されている。

好ましくは、ステータはインナーステータとして設けられていて、ロータはアウターロータとして設けられている。

好ましくは、エンドプレートと前記構造的な支持のための手段とは結合されている。

電気機械の冷却のための本発明に係る装置はロータとステータとを有しており、ロータとステータとの間にはエアギャップが設けられています。ステータはステータコイルの金属巻線を担持するために使用される積み重ねられた複数の積層体を有している。

積層体は構造的な支持のための手段により固定され位置を保持する。構造的な支持のための手段は、有利には積層体を貫通する複数の「Ｔ字」形のバー又は異形材であってもよい。有利には、構造的な支持のための手段は溶接によって積層体に結合されている。

積み重ねられた積層板はステータの中央部分に関連して、エンドプレートにより位置決めされている。したがって、所定のエアギャップがエンドプレートによってもたらされる。ステータの中央部分はロータの回転軸線に沿って延在している。

有利には、エンドプレートと構造的な支持部とは結合されている。

結合キャビティはエンドプレートと、ステータの中央部分と、ロータの内面とによって形成されている。

電気機械は結合キャビティ内部における冷却目的のためのガス状の媒体を循環させるために設けられて使用されている。

電気機械は結合キャビティ内部の冷却目的のためのガス状の媒体を循環するために構成され且つ使用される空気冷却装置を有している。

有利には、空気冷却装置はガス状の媒体を循環させるために、又は、単に空気を冷却のために循環させるためのファンを有している。

有利には、空気対液体の熱交換器は結合キャビティ内に配置されているので、熱は液体冷却装置によってキャビティから取り除かれる。

ファンは空気対液体の熱交換器に連結又は結合されていてよい。

有利には、電気機械はアウターロータ装置とインナーロータ装置とを有している。したがって、アウターロータは定置のステータの外側において回転する。

ファンのような１つ又は複数の熱交換器は、少なくとも１つのエンドプレートに配置されている。

運転中は冷却目的のために空気が空気対液体の熱交換器を通って循環させられる。

有利な構成は複数の利点を有している。

発電機の熱発生部分を通流する冷却された空気の連続的な供給のおかげで効果的な冷却がもたらされる。

発電機内の冷却装置は極めて単純であり、したがって周囲から発電機の内側部分への追加の空気又はガス流路は必要とならず、空気又はガス流路は構造により提供される。液体通路だけが外側から内側へと発電機を通過し、液体通路の幾何学的なサイズは空気通路に比べて小さく設定されている。

本発明により冷却される電気機械である発電機を示した図である。 図１に示した発電機Ｇの一部の詳細な図である。

本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

発電機Ｇはアウターロータ１とインナーステータ２とを有している。ステータ２は軸受３を介してロータ１に結合されている。

ロータ１は複数の磁石４を有し、これらの磁石４はステータ２とロータ１との間のエアギャップＡＧに面している。

ステータ２は複数の積み重ねられた積層板５を有し、これらの積層板５はステータコイルの金属巻線１２を担持するために使用される。

積層板５は構造的な支持のための手段（図示せず）により固定されて位置を保持する。構造的な支持のための手段は、有利には積層板５を貫通する複数の「Ｔ」字形のバー又は他の適切な異形材（ｐｒｏｆｉｌｅｓ）でよい。

有利には、構造的な支持のための手段は積層板５に溶接によって結合されている。

積み重ねられた積層板５はステータ２の中央部分ＩＰに関してエンドプレート１３によって位置決めされている。ステータ２の中央部分ＩＰはロータ１の回転軸線ｒｏｔａに沿って延在している。

有利には、エンドプレート１３と構造的な支持部とは結合されている。

したがって、エンドプレート１３によって所定の一定のエアギャップがもたらされる。

積層板５は、ステータコイルの金属巻線１２を担持するために、第１の面に複数のスロットを有している。第１の面はエアギャップＡＧの側に面している。

一般的に、積層板５は肉薄な鋼シートから打抜き成形されている。積層板５は上述のように構造的な支持のための手段によって固定され配置されている。

つまり、構造的な支持のための手段を溶接によって第１の面の反対側に設けられている積層板５の第２の面に結合することは可能である。

エンドプレート１３はステータ２の中央部分ＩＰに結合されている。

ステータコイルの一部分は、ステータコイルの巻線ヘッド６を形成して積層板５のスロットから突出している。

発電機Ｇ内には空気冷却を目的にしたファン７が設けられている。本実施の形態においてファン７はステータ２に結合手段（ａｔｔａｃｈｍｅｎｔｓ）によって結合されていて、冷却目的のために空気を循環させる。

スリット１１が空気を通流させるための専用の積層板５の間に設けられている。図１においては、積層板５ａの第１の束と、直ぐ隣の積層板５ｂの第２の束との間にはスリット１１が設けられている。

スリット１１はスペーサ部材によって積層板５の間に形成されている。スペーサ部材は積み重ねられている場合には各積層板５の間に挿入されている。

したがって、ファン７から積層板５を通ってエアギャップＡＧへの空気の循環が可能になる。

スリット１１は積層板５を抜ける空気の循環を制御し且つ案内するために形成され使用される。

２枚のエンドプレート１３と、ステータ２の中央部分ＩＰと、ロータ１の内面ＯＰとは一緒になってキャビティを形成する。

ステータ２の内側部分ＩＰとロータ１との間には、軸受３を支持する固定部１４が配置されている。

ファン７は、矢印線によって示されている経路ｗのように発電機Ｇ内において空気を循環させる。

空気はファン７からスリット１１を抜けてエアギャップＡＧに送られ、ロータ１の内面ＯＰに沿って、エンドプレート１３の開口を通流して、ステータ２の中央部分ＩＰに沿ってファン７へと戻される。

空気が巻線ヘッドを通流することで、効果的な冷却が達成される。

有利には、ファン７と協働するか又はファン７に接続されている空気対液体の熱交換器８が設けられている。

空気対液体の熱交換器８は冷却液体入口９と冷却液体出口１０とに接続されている。冷却液体入口９と冷却液体出口１０とは、熱を結合キャビティから水又は油等の液体冷却媒体を介して排出するために使用される。

アウターロータ１は複数の磁石４を担持する。ステータ２の積層板５は、上述のようにステータ２のスロット内に設けられている複数の巻線１２を担持する。

積層板５は構造的な支持のための手段により固定されて位置を保持する。構造的な支持のための手段は、積層板５を部分的に貫通する複数の「Ｔ字形バー」であってもよい。「Ｔ字形バー」は積層板５に溶接により結合されている。

１ ロータ、 ２ ステータ、 ３ 軸受、 ４ 磁石、 ５ 積層板、 ６ 巻線ヘッド、 ７ 空気冷却装置，ファン、 ８ 空気対液体の熱交換器、 ９ 冷却液体入口、 １０ 冷却液体出口、 １１ スリット、 １２ 金属巻線、 １３ エンドプレート、 １４ 固定部、 ＡＧ エアギャップ、 ＩＰ 中央部分、 ＯＰ 内面、 ｗ 経路

Claims (7)

1. 電気機械を冷却するための装置において、
   −前記電気機械（Ｇ）はアウターロータ（１）及びインナーステータ（２）を備えており、該ロータ（１）と該ステータ（２）との間にエアギャップ（ＡＧ）が形成されており、
   −該ステータ（２）は中央部分（ＩＰ）を有し、前記ロータ（１）の回転軸線（ｒｏｔａ）に沿って延在しており、
   −該ステータ（２）は複数の積み重ねられた積層板（５）を備えており、
   −該積層板（５）は前記ロータ（１）の磁石（４）とは反対の側に配置され、
   −前記エアギャップ（ＡＧ）は前記積み重ねられた積層板（５）と前記ロータの磁石（４）との間に形成され、
   −該積層板（５）は構造的な支持のための手段及びエンドプレート（１３）によって固定され、該エンドプレート（１３）は該構造的な支持のための手段と連結され、
   −該エンドプレート（１３）は前記ステータ（２）の前記中央部分（ＩＰ）と連結され、
   −前記ロータハウジング（１）の第１の軸方向端部は第１の軸受（３）を介して固定部（１４）で取り付けられ、前記ステータ（２）の前記中央部分（ＩＰ）と連結され、前記ステータ（２）の前記中央部分（ＩＰ）から軸方向に延在し、
   −前記ロータハウジング（１）の第２の軸方向端部は第２の軸受（３）を介して前記ステータ（２）の前記中央部分（ＩＰ）に直接取り付けられ、
   −前記固定部（１４）の内側表面と前記ロータ（１）の内側表面が該ロータ（１）の内面（ＯＰ）を画定し、
   −空気が前記積層板（５）を通り抜けることができるように、スリット（１１）が専用の積層板（５，５ａ，５ｂ）の間に位置し、
   −前記エンドプレート（１３）と、前記ステータ（２）の前記中央部分（ＩＰ）と、前記ロータ（１）の前記内面（ＯＰ）とによって結合キャビティが形成されており、
   −前記電気機械（Ｇ）は、前記結合キャビティ内部において冷却目的で空気を循環させるために空気冷却装置（７）を有しており、
   −前記空気冷却装置（７）は前記結合キャビティ内部において空気の循環のためにファン（７）を有しており、
   −前記空気冷却装置（７）は結合手段によってステータ（２）に連結され、前記結合キャビティ内部で前記エンドプレート（１３）の間に設けられ、
   −前記空気冷却装置（７）は、空気が該空気冷却装置（７）から前記スリット（１１）を介して前記エアギャップ（ＡＧ）に運ばれ、ついで、前記ロータ（１）の前記内面（ＯＰ）と前記エンドプレート（１３）との間のスペースで、前記ロータ（１）の前記内面（ＯＰ）に沿って通過し、その後、該エンドプレート（１３）の開口を通って前記ステータ（２）の前記中央部分（ＩＰ）に沿って通過し前記空気冷却装置（７）に戻るように配置されている、ことを特徴とする、電気機械を冷却するための装置。
2. −積み重ねられた積層板（５）は、ステータコイルの金属巻線を担持するための複数のスロットを有しており、
   −積み重ねられた積層板（５）の前記スロットは、エアギャップ（ＡＧ）の側に形成されている、積層板（５）の第１の面に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. −前記構造的な支持のための手段は、積層板（５）を貫通し、かつ、前記溶接によって積層板（５）に結合されている複数のバー又は異形材を有しているか、又は、
   −前記構造的な支持のための手段は、前記第１の面とは反対の側に位置する積層板（５）の第２の面に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２記載の装置。
4. 前記ステータコイルは積層板（５）のスロットを越えて、前記ステータコイルの巻線ヘッド（６）を形成することを特徴とする、請求項２記載の装置。
5. 空気冷却装置（７）はエアギャップ（ＡＧ）と巻線ヘッド（６）とを通って空気を循環させるために設けられていることを特徴とする、請求項４記載の装置。
6. 空気冷却装置（７）は、冷却液体によって前記キャビティから熱を排出するために設けられ使用される空気対液体の熱交換器（８）に接続されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
7. −電気機械（Ｇ）は発電機であり、且つ／又は、
   −電気機械（Ｇ）は風力タービン内に設けられており、且つ／又は、
   −電気機械（Ｇ）はシェルによりカプセル化されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。

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