JP6306169B2 - 電気機器のためのファン指向部材 - Google Patents

Description

本発明は、固定子、及び回転軸線を有した回転子を備えた電気機器であって、作動中に冷却材流を前記電気機器に送る少なくとも一つの第１のファンを備えた電気機器に関し、かつ本発明は、前記冷却材流の少なくとも一の率分（割合）についてその向きを変えるファン指向部材に関する。

既知のように、発電機のような電気機器では、機械的エネルギーから電気的エネルギーへの変換、あるいはその逆の変換の際に熱による損失が発生する。そのため、作動中の機器、すなわち損失を生じている機器を、できるだけ効率的に冷却する必要がある。最大許容限界値温度は、電流搬送機器同士及びハウジングに対して電気的な絶縁をする断熱材の等級によって決まる。作動中、これらの限界値温度を超えないようにしなければならない。さもなくば所要の絶縁がなされなくなるからである。

さらに、電気機器が加熱されることによって、電気機器が作動できる最大性能が制限される。よって、電気機器を出来るだけ効率的に冷却することが重要である。

電気機器の冷却においては、ほとんど場合 前記発電機の内部から熱力学的サイクルによって熱を逸散させ、かつ一般的には前記熱を熱交換器を介して第２の媒体に運ぶ冷却回路が用いられている。

電気機器の内部の形状を好適に選択することで、流れのネットワークが当該電気機器内に造られ、このネットワークによって、冷却すべき機器に冷却材が供給される。この流れネットワークの構造によって冷却材の質量流量の比率が規定され、そこにおいて個々の作動機器部品、例えば回転子、固定子、積層コア端領域、固定子巻線領域及び／又は積層コア、並びに固定子巻取りヘッドにおけるタブといったものが冷却される。所定の電気機器に対して流れネットワークの構造、従って冷却材質量流量の互いの比率が規定され、これが同様に規定された冷却比となる。従来の電気機器においては、通常、この冷却質量流れの比率を積極的に変えることは不可能であった。特に、電気機器の異った作動状態に冷却を適合させることは不可能である。

本発明の目的は、従来技術におけるこれらの欠点を解消し、それによって、電気機器の個々のコンポーネントの冷却が異なる動作状態にも適用することができ、加えて、電気機器の性能が向上するように、結果として生じるより効率的な冷却によって、熱のより高い展開が補償されるようにすることである。従って、許容限界値温度の超過は回避される。加えて、本発明によって過度の高温による負荷が追加されることが回避されるため、電気機器の使用可能寿命は延びる。

本発明による電気機器は、固定子、回転子、第１ファン、及び、ファン指向部材を備える。前記回転子は回転軸を有する。前記第１ファンは、前記軸上にあって径方向に延在し、作動中、冷却材流を電気機器内に運ぶ。

ここで「作動中」とは、前記回転軸がその長手軸線周りに回転している状態を言う。この回転は、例えばタービン又は燃焼機関等の駆動源によって発生され、これによって対応した回転運動が前記電気機器の前記回転軸にもたらされる。また、この「作動中」は、電気機器の回転軸が、例えば前記機関及び／又はタービンによってさらなる回転運動を付与されることなく前記長手軸線周りに回転している状態をも示す。この形態の回転は無負荷運転とも言われる。無負荷運転においては、電気機器は冷却され、さらに／あるいは、前記軸と駆動装置である前記燃焼機関及び／又はタービンとの間の機械的結合は、例えば関連のカップリングを解放することによって遮断されている。さらに、「作動中」は、電気機器がその可能な最大性能の一部のみを発揮している場合も含まれる。電気機器の性能の最大利用もまた電気機器の「作動中」に生ずるであろう。

前記ファン指向部材は前記ファンと協働して、前記ファンによって電気機器内に運ばれる前記冷却材流の少なくとも一の率分を偏向させる。本発明による電気機器は以下の優位性を有す。すなわち、前記冷却材流の少なくとも一の偏向された率分によって電気機器の個々の構成部品の冷却を選択的に制御でき、かつそのために、この個々の構成部品の冷却を電気機器の異なる作動状態に適用することができる。本発明による効率的な冷却によって摩耗が減少するため、電気機器の最大許容電力消費量は、その使用可能寿命と同様に増加する。

前記ファン指向部材は、前記第１ファンのブレードの背面側で該ファンの少なくとも一部を覆うように径方向に突出するように構成されている。「背面側で突出する」とは、前記ファン指向部材が前記ファンの断面内に入り込んでいることを意味する。ファンの断面とは、それを介して前記ファンが冷却材を運ぶことのできる領域のことである。機器の内部からファンを見た場合、前記ファン指向部材は、前記ファンの断面内に突出するもので、より詳細には、ファンの背部にある前記ファンの前記回転軸に沿った所定位置（好ましくは前記電気機器の内部）で突出する。

本発明の実施形態によるこのファン指向部材により、既存の電気機器にも冷却機能性を持たせることが容易に可能となる。

本発明による電気機器は、調節可能なファン指向部材を備える。冷却材流の少なくとも一の率分を変化させることができる。これは、冷却材流の偏向された率分（すなわち、偏向冷却材率分）を、電気機器の異なる作動状態に適用するのに有利である。

変更可能な少なくとも一つの冷却材流の率分によって、電気機器の作動部品が冷却され得る割合も変更し得る。これは、例えば前記固定子及び／又は回転子が冷却され得る比率もまた、冷却材流の少なくとも一の率分によって選択的に変更することができるということを意味する。

前記ファン部材は、より好ましくは、前記第１ファンのブレードの背後で該ブレードの少なくとも一部を覆うように半径方向に突出するファン指向リングとして構成されている。この実施形態は、いくつかの特定の方位角位置において、冷却材流の所望の率分をこれら方位角位置の近傍に位置した作動部品に偏向させることができる点で有利である。これによって、冷却材流の少なくとも一の率分の偏向に関する自由度を増すこと可能となる。

電気機器は、好ましくは、冷却材流の少なくとも一の率分を偏向させるための少なくとも一つのガイドチャネルを有したファン指向部材を備えている。

前記電気機器は好ましくは、前記固定子の固定子巻線を備えている。

電気機器のため、冷却流の前記少なくとも一つの可変率分は、該電気機器の作動状態に好ましく適合させることができる。従って、電気機器の作動部品のより効率的な冷却を選択的に実施できる。過度に高い作動温度が低下するため、電気機器の最大可能性能は高まり、かつ使用可能寿命も延びる。

電気機器は好ましくは、第１ファンとして一段ファンを備える。従ってこのファンは比較的安価に設けることができる。

電気機器は、好ましくは、前記回転軸の一部位上で半径方向に延在しかつ第２の冷却材流を作動中の電気機器の内部に運ぶ第２ファンを備える。この場合、第２ファン指向部材が該第２ファンと協働し、第２の冷却材流の少なくとも一の率分を偏向させる。

好ましくは、電気機器の前記第２ファン指向部材は、前記第２ファンの前記ブレードの背面側で、少なくともその一部を覆って半径方向に突出している。

より好ましくは、電気機器は、第２ファン指向部材を備えている。この第２ファン指向部材は、ファン指向リングとして埋設されている 第２ファンのブレードの背面で該ファンの少なくとも一部を覆うように径方向に突出している。

より好ましくは、前記第２ファン指向部材は、前記第２の冷却材流の前記少なくとも一の率分が変化し得るように調節可能である。

前記第１ファン及び前記第１ファン指向部材について述べた上記の優位点は、第２ファン及び／又は第２ファン指向部材も持ち合わせる。加えて、電気機器内部に運ばれた冷却材の質量流量は、前記第２ファン指向部材と協働して前記第２ファンによって増加し、これにより冷却能力、特に作動部品に関する冷却能力はさらに向上する。電気機器は、より好ましくは、発電機及び／又は電気モータである。

本発明により電気機器を冷却する際に用いられる冷却材としては、気体の冷却材がより好ましい。気体冷却材としては、特に空気、浄化空気又は水素が含まれる。水素の使用には別途保護手段が必要であるが、当業者であれば、本発明を理解するにおいてはそれらの保護手段についての説明はこれ以上不要であることを直ぐに理解するであろう。

冷却材として、これらに限定されるものではないが、例えば水及び／又は発電機オイルといった液体を使用することも考えられる。液体冷却材もまた、電気機器内を自由に流れ、あるいは、電気機器内に冷却目的で設けられたネットワーク内を循環することができる。

以上説明した本発明の特性、特徴及び優位点、及びそれらを実現するための方法は、添付の図面と共により詳細に説明される以下の実施形態によってより明確かつ詳細に理解される。

電気機器１の部分断面図である。

図１から解るように、本発明による電気機器１は回転軸５を有し、該回転軸５に回転子４が設けられている。既知のように、該回転子４は、前記回転軸５が回転した際に、図中双方矢印で示すように、自身も回転軸回りに回転するように設けられている。電気機器１はまた固定子２を備える。固定子２は、前記回転子とは逆に、電気機器１内に静止状態に設けられている。当業者には、回転子４及び／又は固定子２は、互いに絶縁された複数の金属薄板から好適に構成し得ることが知られている。本発明による電気機器１はさらに、前記回転軸５に設けられかつ該回転軸から半径方向に延在した複数のブレードを有したファン８，８ａを備える。ファン８，８ａは、作動中に、すなわち前記回転軸５回りの回転中に、冷却材を電気機器内に送る。

当業者は、図１は電気機器１の一例の詳細を示したものであることを理解するはずである。従って、この図は前記回転軸５の一端のみを（図の左側に）示したものである。図の右側に破断線で示した該回転軸の第二の端部及び更なる構造は、実質的にこれと鏡像関係を成している。上方の水平の破断線は、電気機器１がさらなる部品を備えていることを示唆するものであるが、本発明の理解には不要であろう。

従って当業者は、図１に示された前記ファン８，８ａは、回転軸５の他端に設けられる第１ファン８及び第２ファン８ａを代表的に示したものであることを理解するであろう。第２ファン８ａを設けるかは随意である。

本発明による電気機器１は、前記第１ファン８と協働するファン指向部材１０を備える。図示するように、該ファン指向部材１０は、第１ファン８の下流で第１ファン８の背面側に関連又は突出する。これによって第１ファン８は、冷却材流、あるいは冷却のための質量流量を電気機器１の外部から内部に運ぶ。

前記ファン指向部材１０，１０ａは、前記冷却材流の少なくとも一の率分を偏向させるために、少なくとも一つのガイドチャネル１２ａ，１２ｂを備える。図１において、第１ガイドチャネル１２ａが前記冷却材流の第１の率分を偏向し、かつ、第２ガイドチャネル１２ｂが冷却材流の第２の率分を偏向する。前記ファン指向部材１０の数に制限はなく、２つ以上又は３つ以上の前記ガイドチャネル１２ａ，１２ｂを備えることもできる。さらに、図１ではガイド部材１０，１０ａを一部のみ示したが、ファン指向部材１０をファン指向リングとして構成することも可能である。それによって、電気機器１の部品、特に作動部品を選択的に冷却するために、所要の方角位置において前記冷却材流（図示せず）から好ましい割合を変更できる。当業者は、電気機器１の作動部品の選択的冷却は、ファン指向部材８，８ａをそれぞれ異なる角度位置に設定することで可能であることを理解するであろう。

本発明によって、前記ファン指向部材１０，１０ａを調節可能なファン指向部材１０，１０ａとすることもでき、それにより、該調節可能なファン指向部材によって変更され得る冷却材流の率分を電気機器１の作動状態に応じて適用することができる。従って、例えば、第２ガイドチャネル１２ｂ（図１における下方）がより小さくなるように、そして上方の第１ガイドチャネル１２ａがより大きくなるように、前記第１ガイドチャネル１２ａと第２ガイドチャネル１２ｂとの間の境界を動かすことにより、所要の部品に対する冷却材流のを増加させることが出来る。このことは、この調節によってより多くの冷却材流の割合が固定子ヘッド巻線２ａへ向けられ、それによってこれら固定子ヘッド巻線がより急速に冷却されることを意味するものである。また、当業者であれば、一つ又は二つのガイドチャネル１２ａ，１２ｂが設けられた第２ファン８ａ及び第２ファン指向部材１０ａを回転軸５の第２の端部に設けることが出来ることを理解するであろう。これに関し、図１に示した前記ファン８及び前記ガイド部材１０はまた、回転軸５の第２の部分に設けられかつ対応する第２の冷却材流（図示せず）を電気機器１の内部に運ぶ第２ファン８ａ及び第２ガイド部材１０ａの代理的なものにもなっている。

当業者はまた、冷却材流のいくつかの偏向された率分を、それぞれのファン指向部材１０，１０ａによって偏向された冷却材流の変更可能な率分の結果として、電気機器の一の作動状態に選択的に適用できることを理解するはずである。例えば、電気機器１の電力消費の間に特に回転子２及び／又は固定子４を冷却することは一考に値するだろう。一方、電気機器１のドレインの間、すなわち回転軸５の駆動側に動力が伝達されていないときに、固定子巻線２ａに偏向された冷却材流を多く向けることで該固定子巻線２ａの冷却をサポートすることができる。さらに、電気機器の異なるいくつかの負荷ポイント、すなわち電気機器が最大可能負荷に対するいくつかの異なる負荷率で作動している作動状態に対して、偏向された冷却材流をそれぞれ適用させることも勿論可能である。

また当業者は、本発明によるファン指向部材が、気体冷却材及び液体冷却材の双方に利用可能であることを理解するであろう。気体冷却材としては、例えば空気、浄化空気、及び／又は、水素が考えらえる。水素はその熱容量において有利であり、従って効率的な冷却を提供する能力がより高い。ただし、当業者であれば、水素を冷却材として用いる場合には、安全面での、特に酸水素爆発に対しての一層の注意が必要であることは理解するであろう。

特に、本発明のファン指向リング又はファン指向部材１０，１０ａは、水及び／又は発電機オイルといった液体冷却材とともに用いることが想定されている。水に関連して、電気機器内での短絡を防止すべく、いくつかの特別なラインを設けることも有利であろう。ただし、こららの手段は当業者には知られており、従って、対応するこれらのラインシステムの構成についてはここではこれ以上詳細には説明しない。液体冷却材としての発電機オイルに関しては、この発電機オイル自体が電気導電性を有していなければ、特別な冷却ラインに対する要求は緩和される。

図１に示す前記ファン８，８ａは一段ファンとして示してある。

一段ファンは、例えば多段ファンの場合のようにファン８，８ａの下流を流れる冷却材の圧力が落ちないので、有利である。ただし、本発明によるファン指向部材１０，１０ａとして多段ファンを用いることを制限するものではない。

また、前記第１ファン及び前記第１ファン指向部材１０に関する実施形態及びその優位点は、前記回転軸５の第２の端部、通常は前記第２端部、に位置する前記第２ファン８ａ及び対応する第２ファン指向部材１０ａにも当てはまることは、当業者に明らかである。

以上、第１及び第２のファン指向部材と共に前記ファン指向部材１０，１０ａを説明してきた。しかし、３つ以上のファン指向部材を用いることも可能である。これらファン指向部材は、前記ファン指向部材１０，１０ａを複数備えるファン指向リングの個々の部品として、あるいはそれらの構成部品として形成される。

以上、本発明の好ましい実施形態について図示しかつ詳細に説明してきたが、本発明はこれらの実施形態のものに限定されるものでなく、本発明の精神を逸脱しない範囲において、当業者によって他の変形例が想起され得るものである。

１ 電気機器
２ 固定子
４ 回転子
５ 回転軸
８ 第１ファン
８ａ 第２ファン
１０ ファン指向部材
１２ 第２ファン指向部材
１２，１２ａ ガイドチャンネル

Claims (11)

1. 電気機器（１）であって、
   固定子（２）と、
   回転軸（５）上に設けられた回転子（４）と、
   前記回転軸（５）の一部から径方向に延出して、作動中に該電気機器（１）の内部に冷却材流を運ぶ第１ファン（８）と、を備え、
   ファン指向部材（１０）が前記第１ファン（８）と協働して前記冷却材流の少なくとも一の率分を偏向させ、
   前記ファン指向部材（１０）は、前記第１ファン（８）の背面側に、半径方向に少なくとも一部を覆って突出し、
   前記ファン指向部材（１０）は、前記冷却材流の前記少なくとも一の率分が可変となるよう調節可能であり、かつ
   前記冷却材流の少なくとも一の可変率分を、該電気機器（１）の作動状態に適用可能とされた、電気機器（１）。
2. 請求項１記載の電気機器（１）において、
   前記ファン指向部材（１０）は、前記第１ファンのブレードの背面側において、半径方向に少なくとも一部を覆って突出するファン指向リングである、電気機器（１）。
3. 請求項１または２に記載の電気機器（１）において、
   前記ファン指向部材（１０）が、前記冷却材流の少なくとも一の率分を偏向させるために少なくとも一つのガイドチャネル（１２ａ．１２）を備えている、電気機器（１）。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載の電気機器（１）において、前記固定子（２）が少なくとも一つの固定子巻線（２ａ）を備えてなる、電気機器（１）。
5. 請求項１から４の何れか一項に記載の電気機器（１）において、前記第１ファン（８）は一段ファンである、電気機器（１）。
6. 請求項１から５の何れか一項に記載の電気機器（１）において、
   前記回転軸（５）の一部から半径方向に延在し、第２の冷却材流を作動中の前記電気機器（１）内に運ぶ第２ファン（８ａ）を備え、第２ファン指向部材（１０ａ）が該第２ファン（８ａ）と協働して、前記第２の冷却材流の少なくとも一の率分を偏向する、電気機器（１）。
7. 請求項６記載の電気機器（１）において、前記第２ファン指向部材（１０ａ）が前記第２ファン（８ａ）の背面側に、少なくとも一部を覆って半径方向に突出してなる、電気機器（１）。
8. 請求項６又は７記載の電気機器（１）において、前記第２ファン指向部材（１０ａ）は、該第２ファン（８ａ）のブレードの背面側に少なくとも半径方向の一部を覆って突出するファン指向リングとして形成されている、電気機器（１）。
9. 請求項６ないし８の何れか一項記載の電気機器（１）において、
   前記第２ファン指向部材（１０ａ）は、前記第２の冷却材流の前記少なくとも一の率分が可変となるよう調節可能である、電気機器（１）。
10. 請求項１ないし９の何れか一項記載の電気機器（１）において、該電気機器が発電機又は電気モータである、電気機器（１）。
11. 請求項１ないし１０の何れか一項記載の電気機器（１）において、冷却材は気体冷却材である、電気機器（１）。

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