JP6964076B2 - ダイレクト駆動のジェネレータ用冷却手段 - Google Patents

Description

以下の発明は、低速ダイレクト駆動のジェネレータ用冷却手段に関し、特に、同時係属中の特許出願公開番号GB2 520 516および出願番号GB201508568.1.に開示されたダイレクト駆動のジェネレータの形態の冷却手段に関する。

ダイレクト駆動のジェネレータは、一般的に、風力タービンの風力エネルギーを電気に変換するために使用されている。コストと効率の名目で、現在の傾向は、例えば８メガワット（８ＭＷ）までの発電容量を有するより大型の機械に用いられる。これらのジェネレータの期待される変換効率の水準はおおよそ９５％である。従って、ジェネレータへの風力タービンの風車によって生み出されるエネルギーの１９／２０は電力に変換されてローカルグリッドに送信され、残りの１／２０はジェネレータ内で熱として放散される。

８ＭＷジェネレータの場合、９５％の変換効率であっても、該ジェネレータは、８ＭＷの１／２０、すなわち４００，０００ワットをジェネレータのステータの巻線へ伝送しないことが容易に理解される。これは、ジェネレータ製造業者およびジェネレータが収容されるナセルの設計者に相当の挑戦を提示する。この熱が均一に遠くへ搬送されることが非常に重要である、それはホットスポットが発生する可能性および結果として生じるこのようなジェネレータのロータおよび/またはステータの一つまたは複数の部分の破壊を回避するためである。

同時係属中の上記出願番号GB201508568.1.のジェネレータでは、ジェネレータの回転部分は、直列に並べられた環状の磁石軸受けロータを含み、中間の環状カラーによって内部領域が互いに間隔を置いて配置され、ステータコイルに組み込まれ、並べられ、固定された環状のコイルステータ板を挟み、それぞれが、対向する２つのロータの間の外側領域空間を占める。ロータの面とそれらの間に挟まれたステータの面との間にはエアギャップが存在し、その１つの機能は２つの間の十分な機械的クリアランスを確保することである。ロータとカラーは機械的に互いに強固に連結され、風力タービンの風車からのトルクは機械的手段によってこのアセンブリに伝達される。

本発明は、間隔を空けて並べられた複数の環状のステータと、少なくとも１つの冷却ガス源と、複数の通気口と、を有し、前記環状のステータは、並べられた複数のロータの間で挟まれており、前記各ロータは、複数の環状のカラーによって分離されており、前記環状のカラーは中心空間を画定しており、前記冷却ガス源は、ガスを前記中心空間に供給し、前記通気口は、前記環状のカラーを介して、前記中心空間からの冷却ガスを前記ロータ及び前記環状のステータの径方向外側に排出させる手段を提供する、ことを特徴とするジェネレータを提供する。

実施形態によれば、ジェネレータのそのような形態のための冷却ガス（例えば、空気）は、並べられた環状のロータによって画定される中心空間に１つ以上の供給源によって圧力下で供給される。通気口は、カラーからロータおよびロータに挟まれたステータの径方向外側に向くように冷却ガスを排出させる冷却ガスの排出手段を提供するように、ロータの間に位置するカラーを貫通するように設けられる。特徴的には、通気口の数及び／又は開口サイズは、任意に決められた列のロータと、これらで挟まれたステータとについて、１つの以上の冷却ガス源からの空間的な分離にかかわらず、任意に決められた列のロータと、これらの間で挟まれたステータとにおける冷却ガスの実質的に均等な排出を確保するように選択される。従って、この構成により、ロータを分離するカラー内の通気口を通過する冷却ガスは、ロータとステータの両方の表面を越えて外側に通気される。それを行うガスの体積は、実質的に、並べられたロータおよびステータの長さに沿ったどこでも維持される。一連のロータが固定ステータに対して回転するため、事実上カラー内の通気口から出るガスの噴流は、半径方向および円周方向の両方でステータのコイルの上を螺旋状に掃引し、ステータコイルの冷却および熱の消散を最適化する。

好ましい形態では、通気口は、ステータコイル上のガスの螺旋状の流路を補助するようにロータの真の半径に対して傾斜しており、少なくともそれから発生するガス噴流の作用および反作用は、少なくともロータの回転方向を補助する。

実質的に、並べられたロータ例えば６つ以上のロータ、を含むジェネレータでは、好ましい構成の冷却ガスは、ロータによって画定される中心空間へその各端部から送られる。この手段によって、冷却ガスの体積を２倍にできるばかりでなく、この構成に起因して上昇するロータ空間内の圧力が、前記通気口を介したガスの排出を助けるのに対応するように上昇する。より多くの中央ロータおよびステータ上での均一な分散は、それらに達する距離がより小さい冷却ガスによってさらに促進される。

前記係属中の出願のジェネレータの構成方法は、ロータに取り付けられた１つ以上の径方向支持部材が、中心軸に取り付けられた１つ以上の中心軸受を担持するハウジングに向かって内方に延びるようになっている。 これにより、ロータアセンブリが前記中心軸の周りを回転することが可能になる。

本発明の一態様によれば、ガスを中心空間内に送るために使用される源は、1つ以上のファンを含み、この中心軸を共有し、補助電気モータによって回転駆動される。

代替構成では、ロータと軸が共に回転するように、径方向支持部材が前記軸に恒久的に固定されてもよい。軸は外部ベアリングによって支持される。この場合も、冷却ファンがこの軸を共有してガスを中心空間内に送ることができる。

ガス冷却の有効性が完全に必須である非常に大きなジェネレータの場合、本発明の一態様によれば、ガス吸気口を除いて、ジェネレータ全体が容器内で実質的に気密封止され、ガスが１つ以上のさらなる冷却ファンによって容器から抜き出される。

本発明を添付の図面を参照して説明する。

図１は、断面図により、本発明のガス冷却手段を具体化したダイレクト駆動のジェネレータを示す。 図２ａおよびｂは、図１に描かれた空気排出構成をより詳細に平面図および断面図でそれぞれ示す。 図３は、断面図により、ジェネレータのロータ及びステータ上の冷却ガスの流路を示す。 図４ａは、断面図により、冷却ガスをジェネレータに送るための構成を示し、図４ｂは、ガスの体積流量を倍にする方法を示す。 図５は、断面図により、冷却ガスをダイレクト駆動のジェネレータから抜き出すため追加手段を備える容器内に収容されたダイレクト駆動のジェネレータを示す。

図１において、本発明を適用することができるダイレクト駆動のジェネレータを一般的に１０として示す。このジェネレータは、並べられた複数の環状のロータ１１を有しており、このロータ１１は、中心シリンダ１２に取り付けられて支持され、これらの間に挟まれた固定ステータ１５に対して回転する。ステータ１５に対する上記回転を行わせるために、機械的手段（不図示）は、シリンダ／ロータのアッセンブリにトルクを伝達するために用いられる。各ロータ１１は、１３及び１４として示す永久磁石のアレイを外面の周りで支持する。互いに反対の極は、ロータ１１の間で示されるギャップをまたいで互いに対向している。ステータのそれぞれは、１５ａで示すコイルのアレイの周囲の周りを支持する。対向する磁石１３，１４の間で流れる磁束線の変化がステータコイル１５ａを通過するとき、ステータコイル１５ａ内で電力が生成される。

特定の用途については、例えば、このジェネレータの使用によって、風力エネルギーが電力に変換されて、実質的な熱損失が発生する。図示のように、９５％の変換効率で作動する８メガワットのジェネレータは、巻き回されたステータコイル１５ａ内で放熱される４００，０００ワットの熱を生み出す。この熱については、熱スポットの発生や、これによるステータコイル１５ａの破損を回避するために、体系的に排出されなければならず、特に、ステータコイル１５ａから遠ざけなければならない。

これを達成する方法について、図１を再び参照しながら説明する。

各ロータ１１については、１６として示す中間の環状カラーによって、このそれぞれの側において、ロータ１１に対する位置が維持される。これらは、ロータ１１の径方向内側の領域に支持されている。図示しないドローボルトは、長手方向においてロータ１１及びカラー１６を一端から他端まで貫通しており、組み合わされてアッセンブリ全体を保持する。カラー１６は、中心シリンダ１２に同軸上で取り付けられており、ロータ１１と同様に、中心シリンダ１２によって支持される。冷却ガス（例えば、空気）は、２０の矢印で示すように、中間シリンダ１２の内部に流れ込む（例えば、押し出されたり、吸引されたりする）。中心シリンダ１２の突き当たりは遮蔽（不図示）されており、ガスが漏れることを防止する。ロータ１１及びステータ１５の冷却については、以下のように達成される。

ガスの通気口は、カラー１６を介した径方向であって、カラー１６の周囲の周方向において設けられている。これらの通気口は、開口部が中心シリンダ１２に沿って配置されるように製造時に調整される。これにより、中心シリンダ１２内のガス（例えば、圧力下）に対して直接的な通路が設けられ、中心シリンダ１２から排出されるとともに、図１の小さな矢印によって示されるように、ロータ１１及びステータ１５の両方の表面を通過してギャップに出される。カラー１１の径方向最も外側の面における通気口の出口は、ステータコイル１５ａの軸端の一方又は両方、及び／又は、永久磁石１３，１４における外側に面する軸端の一方又は両方とともに軸上で並んでいる。ロータ１１の回転により、この漏れるガスは、ステータ１５の表面上において順調に排出される。最終的には、ガスは、１８，１９で示すように、ステータ１５の表面及びロータ１１の表面の間のギャップから逃げていく。

この配置は、比較的短い列であって、例えば３つ以下のロータ１１及びステータ１５を有するジェネレータに対して満足のいくものである。長期に亘って、シリンダ１２内のガスの圧力は、乱流の結果と、上述した通気口を介した通路との両方により、自然に低下するようになる。

中心シリンダ内のガスの圧力が大気圧に比べて上昇した場合において、本発明によってこれを回復する方法について、図２ａに言及しながら説明する。ロータ１１を分離し、図１の１６で示された環状カラーを、平面図において、２１，２２，２２ａとして再び示す。これらのカラーの径方向及び周方向において設けられた通気口の列を２３〜２８として概念的に示す。左側のカラーの左側における通気口、例えば、冷却ガス２０の発生源に最も近い部分は、より小さな径を有している。通気口の径及び／又は数は、再び概念的に示しているように、冷却ガスの発生源から離れるにつれて徐々に増加しており、上述したガスの圧力の徐々の減少を補完する。この手段によって、ロータ１１の表面及びこれらによって挟まれたステータ１５において、これらの全体の配列に沿って、冷却ガスの分布を実質的に均等にすることができる。言い換えれば、通気口２３〜２８の各列が冷却ガス２０の発生源から離れるほど、通気口２３〜２８の列における通気口の断面領域の合計が増加する。

（例えば、以下に説明するファン５４，５５によって）中心シリンダ１２内で生成された圧力によって、ガスが中心シリンダ１２を通過する場合、通気口２３〜２８の数及び／又は開口サイズの異なる分布によって、ロータ１１の表面におけるガス流の分布を均等にすることができる。例えば、ファン５４，５５からの距離が長くなるにつれて、数及び／又は開口サイズが増加する。

通気口の具体的な形状及び設計について、図２ｂを参照して説明する。通気口を有するカラーの１つの側面を３０として示しており、通気口自体を３１〜３５として示している。通気口３１〜３５は、カラー３０の真の半径に沿っていなく、カラー３０の半径に対して角度をなしていることが分かる。主な目的は、通過したガスを、周方向であって、回転方向（図２ｂにおいて上部の矢印で示す）とは逆方向にカラー３０から排出させることにある。これにより、ステータコイル１５ａの表面上及びこの表面を通過する冷却ガスの移動が、螺旋状の移動とされる。副次的な目的は、些細ではあるが、カラー３０の回転運動を補助し、故にロータ１１の両側における回転運動を補助することにある。ガスが排出されるときの角度によれば、偉人によって発明された回転蒸気層の方法において、小さな推力ベクトル３６が、外部及び主要トルク供給機によるロータ列の強制的な回転運動に対して加えられる。

図３には、図２の螺旋状の冷却効果をより明確に示している。通気口から出るガスの噴流を３７〜４１として示す。この噴流は、４４ｂとして概略的に示すステータプレートに埋め込まれたロータプレート４４ａ及びコイル４３に取り付けられた永久磁石４２を通過して流れていることが理解できる。

冷却ガスの流れをジェネレータ１０に供給する手段を図４ａに示す。ロータ（この一つを４５として示す）を支持するシリンダ１２には、（押し出し）ファン４６が設けられており、このファン４６は、補助電動モータ４７によってベルト駆動される。この手段により、冷却ガスは、シリンダ１２によって形成された空間内に直接導かれる（押し込まれる）。

好ましくは、特に、ロータ及びステータの列が長いジェネレータでは、図４ｂの５０，５１で示すように、シリンダ１２の両端のそれぞれに配置された２つの（押し出し）ファンによって、冷却ガスが導入される。この手段により、冷却のために、２倍の量のガスがシリンダ１２内に供給される。さらに、両端からのガスの均等な供給により、冷却用の通気口を通過するガスの分布を均等にすることができる。

ジェネレータ１０における冷却ガスの通過を促進させる更なる手段としては、図５の５２として概略的に示すコンテナ内に収容することができる。ジェネレータは、ハウジング内において、実質的に密閉状態で配置される。ガスは、吸引された後、（押し出し）ファン５３によって（及び、図４ｂで説明したように、反対側の端にあるファンによっても）、シリンダ１２内に移動したり、ロータ１１及びステータ１５を通過した後、コンテナにおける１つ又は複数の更なる開口部を介して、吸引ファン５４，５５によってコンテナ５２の外部に吸引されたりする。装置の軸に沿った通気口２３〜２８，３１〜３５の数及び／又は開口サイズに関する変更と組み合わせて、又は組み合わせずに、ステータ１５のそれぞれにおいて実質的に均等な冷却を達成できるように、ファン５４，５５を配置することができる。押し出しファン５０，５１と組み合わせて、又は押し出しファン５０，５１を設けずに、単一の吸引ファン５４又は複数の吸引ファン５４，５５を設けることができる。ファン５４，５５の動作によって、ガス流れを全体的に向上させることができ、ガスを押し出すためのファン５０，５１と、ガスを吸引するためのファン５４，５５との両方を用いれば、ガス流れを更に向上させることができる。

一実施形態において、冷却ガスは空気である。この空気は、ジェネレータの周囲の環境からの空気であってもよい。

当業者にとっては、多くの変形例が明らかである。

Claims (7)

1. 間隔を空けて並べられた複数の環状のステータと、
   少なくとも１つの冷却ガス源と、
   複数の通気口と、を有し、
   前記環状のステータは、並べられた複数のロータの間で挟まれており、前記各ロータは、複数の環状のカラーによって分離されており、前記環状のカラーは中心空間を画定しており、
   前記冷却ガス源は、冷却ガスを前記中心空間に供給し、
   前記通気口は、前記環状のカラーを介して、前記中心空間からの前記冷却ガスを前記ロータ及び前記環状のステータの径方向外側に排出させる手段を提供し、
   前記ロータ及び前記環状のカラーを支持する中心軸部材を有しており、
   前記冷却ガス源は、補助電動モータによって回転させる１つ又は複数のファンを有し、
   １つ又は複数の前記ファンは、前記中心軸部材に取り付けられている
   ことを特徴とするジェネレータ。
2. 前記通気口の数及び／又は開口サイズは、
   任意に決められた列の前記ロータと、これらで挟まれた前記ステータとについて、少なくとも１つの前記冷却ガス源からの空間的な分離にかかわらず、
   任意に決められた列の前記ロータと、これらの間で挟まれた前記ステータとにおける前記冷却ガスの実質的に均等な排出を確保するように選択されることを特徴とする請求項１に記載のジェネレータ。
3. 前記通気口は、前記カラーの真の半径に対して角度を有しており、使用時に、前記カラーの回転方向とは反対の螺旋方向における前記冷却ガスの排出を補助することを特徴とする請求項１又は２に記載のジェネレータ。
4. 前記各環状のカラーの径方向外側の面における前記各通気口の出口は、前記各環状のステータの軸端及び／又は前記各ロータの軸端のうちの一方又は両方と軸方向に並んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のジェネレータ。
5. 前記ジェネレータは、ハウジング内において実質的に密閉状態で配置されており、
   前記ハウジングにおいて、前記冷却ガスの取り込みを許容する１つ又は複数の開口部があり、
   前記ハウジングにおいて、前記冷却ガスの逃げを許容する１つ又は複数の更なる開口部があることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のジェネレータ。
6. 少なくとも１つの前記冷却ガス源は、１つ又は複数の前記更なる開口部を介して前記冷却ガスの強制的な排出を行う手段を有することを特徴とする請求項５に記載のジェネレータ。
7. 前記冷却ガスの強制的な排出を行う手段は、前記ハウジングの外部にガスを吸引する１つ又は複数のファンを有することを特徴とする請求項６に記載のジェネレータ。

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