NO335892B1

NO335892B1 - Underwater electromechanical energy converter

Info

Publication number: NO335892B1
Application number: NO20130479A
Authority: NO
Inventors: Alexey Matveev
Original assignee: Smartmotor As
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2015-03-16
Also published as: WO2014168486A1; NO20130479A1

Description

Undervanns elektromekanisk energiomformer Underwater electromechanical energy converter

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder en undervanns elektromekanisk energiomformer for undervannsapplikasjoner, i samsvar med patentkrav 1. The present invention relates to an underwater electromechanical energy converter for underwater applications, in accordance with patent claim 1.

Spesielt gjelder den foreliggende oppfinnelsen kjøling av undervanns elektriske maskiner og bygger på effektiv utnyttelse av andre deler av et undervannssystem, hvori den elektriske maskinen er integrert. In particular, the present invention applies to the cooling of underwater electrical machines and is based on the efficient utilization of other parts of an underwater system, in which the electrical machine is integrated.

Bakgrunn Background

Kjøling av elektriske maskiner er et område med et bredt mangfold av mulige løsninger. For fritt-stående maskiner er løsningene kartlagt, gruppert og beskrevet i IEC-60034-6 standard. Enda flere nye kjøleløsninger har blitt foreslått. Ett av de siste eksemplene, WO12080566, beskriver at varme-utvekslingen finner sted ved statorens radielle omkrets, hvor kjøleelementer er plassert. Varme fra både stator og rotor transporteres til statoromkretsen hvor kjøleelementene er plassert. Cooling of electrical machines is an area with a wide variety of possible solutions. For free-standing machines, the solutions are mapped, grouped and described in the IEC-60034-6 standard. Even more new cooling solutions have been proposed. One of the latest examples, WO12080566, describes that the heat exchange takes place at the radial circumference of the stator, where cooling elements are located. Heat from both stator and rotor is transported to the stator periphery where the cooling elements are located.

Det skal nevnes at mange av kjøleløsningene erkarakterisert vedradiell overføring av varme fra rotoren og statoren til huset og videre til enten kjølemiddel eller det ytre miljøet. It should be mentioned that many of the cooling solutions are characterized by radial transfer of heat from the rotor and stator to the housing and further to either coolant or the external environment.

For maskiner integrert med enten drevet utstyr (i motorapplikasjoner) eller drivanordning (i generatorapplikasjoner) er løsningsområdet utvidet sammenlignet med omfanget beskrevet i IEC-60034-6 og mekaniske elementer rundt den elektriske maskinen er ofte gitt nye muligheter og/eller satt under nye restriksjoner. For eksempel er mange spesielle kjølearrangementer kjent for roterende elektriske maskiner integrert i vind- og tidevannsturbiner. En av dem, US2004179934, beskriver kjøle-arrangement for en generator i en nacelle for en vindturbin, hvor varme fra statoren overføres i radiell retning til nacellens husdel som har økt varmekonduktivitet. For machines integrated with either driven equipment (in motor applications) or drive device (in generator applications) the solution area is extended compared to the scope described in IEC-60034-6 and mechanical elements around the electrical machine are often given new possibilities and/or put under new restrictions. For example, many special cooling arrangements are known for rotating electrical machines integrated into wind and tidal turbines. One of them, US2004179934, describes a cooling arrangement for a generator in a nacelle for a wind turbine, where heat from the stator is transferred in a radial direction to the housing part of the nacelle, which has increased heat conductivity.

Det skal igjen noteres at i dette eksempelet, så vel som i det forrige, transporteres varme fra rotoren og statoren først til huset og så videre til bevegende luft i vindapplikasjoner, eller henholdsvis vann i undervannsapplikasjoner. It should again be noted that in this example, as well as in the previous one, heat is transported from the rotor and stator first to the housing and so on to moving air in wind applications, or water respectively in underwater applications.

Undervanns energiomformingsenheter, så som naceller for tidevannsturbiner, har ofte en spesiell form som tjener formålet med reduksjon av hydrodynamisk tap. Vanligvis har endedel av nacellen en form som en kjegle (kuppel, halvellipsoide). I noen tilfeller er "kjeglen" brukt for plassering av instrumentering og/eller kjøleutstyr, foreksempel beskriver US20070007772 pumper plassert i endedelen av huset og i GB1031428 er elementer for system kjøl ing, så som pumper, rør, osv. anordnet i endedelen av huset. Underwater energy conversion units, such as nacelles for tidal turbines, often have a special shape that serves the purpose of reducing hydrodynamic losses. Usually, the end part of the nacelle has a shape like a cone (dome, semi-ellipsoid). In some cases the "cone" is used for placement of instrumentation and/or cooling equipment, for example US20070007772 describes pumps placed in the end part of the housing and in GB1031428 elements for system cooling, such as pumps, pipes, etc. are arranged in the end part of the housing.

I et annet eksempel, JP6237554, er "kjeglen" brukt som en varmeveksler med to kammer: ett In another example, JP6237554, the "cone" is used as a heat exchanger with two chambers: one

kammer fylt med vann og et annet kammer fylt med gass. Den varme lufta kommer radielt fra rotoren til statoren, så gjennom statoren til maskinomkretsen, og til slutt drives den til "kjeglen", hvor varmeveksling finner sted mellom vannet og luften (de to kamrene til varmeveksleren). I en annen variant av den samme oppfinnelsen, JP6237554, utveksles den varme luften drevet gjennom statoren direkte med huset til "kjeglen". chamber filled with water and another chamber filled with gas. The hot air comes radially from the rotor to the stator, then through the stator to the machine perimeter, and finally it is driven to the "cone", where heat exchange takes place between the water and the air (the two chambers of the heat exchanger). In another variant of the same invention, JP6237554, the hot air driven through the stator is exchanged directly with the housing of the "cone".

Det skal igjen noteres at, for det første så går varmen generert av tap i rotoren og statoren først i It should again be noted that, firstly, the heat generated by losses in the rotor and stator goes in first

radiell retning, og for det andre så går nesten all varmen gjennom statoren. Videre, varme fra statoren går først til luftsirkuleringen inne i nacellen og så til nacellehuset og til slutt til det ytre miljøet. Denne varmeoverføingskjeden er ganske ineffektiv og fører til lokal overoppheting, f.eks. av statorviklingene og rotormagnetene. radial direction, and secondly, almost all the heat goes through the stator. Furthermore, heat from the stator goes first to the air circulation inside the nacelle and then to the nacelle housing and finally to the external environment. This heat transfer chain is quite inefficient and leads to local overheating, e.g. of the stator windings and rotor magnets.

For å oppsummere så er de felles problemene med mange eksisterende løsninger, først og fremst, dårlig kjøling av rotoren på grunn av motstanden for varmestrømningen som går fra rotoren til det ytre miljøet er høy, og for det andre, stator-overoppheting som en følge av all varmen som strømmer gjennom statoren. Mindre ulemper ved noen av systemene av kjent teknikk er tilstedeværelsen av mange kjøleelementer, f.eks. små uavhengige drevne pumper eller vifter som reduserer det totale systemets pålitelighet. To summarize, the common problems with many existing solutions are, firstly, poor cooling of the rotor due to the high resistance to the heat flow going from the rotor to the external environment, and secondly, stator overheating as a result of all the heat flowing through the stator. Minor disadvantages of some of the prior art systems are the presence of many cooling elements, e.g. small independently driven pumps or fans that reduce overall system reliability.

Formål Purpose

Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelsen er å løse problemene til kjent teknikk for klassen undervannssystemer ved hjelp av omdirigering av varmestrømninger slik at veien fra varme-kilden til kjølemiljøet er den korteste. The main purpose of the present invention is to solve the problems of prior art for the class of underwater systems by means of redirecting heat flows so that the path from the heat source to the cooling environment is the shortest.

Det er videre et formål med den foreliggende oppfinnelsen å effektivt utnytte andre deler av et undervannssystem, hvori en elektrisk maskin er integrert, så som f.eks. å forlenge endedelen av systemhuset for forbedret kjøling. It is further an object of the present invention to effectively utilize other parts of an underwater system, in which an electric machine is integrated, such as e.g. to extend the end part of the system housing for improved cooling.

Et annet formål er å tilveiebringe en undervanns elektromekanisk energiomformer for undervannssystemer forsynt med naturlig kjøling for å unngå ekstra kjøleelementer, så som uavhengige drevne vifter og pumper. Another object is to provide an underwater electromechanical energy converter for underwater systems provided with natural cooling to avoid additional cooling elements, such as independently driven fans and pumps.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe en undervanns elektromekanisk energiomformer for undervannsapplikasjoner som øker kjøleevnen til undervanns elektriske maskiner og derigjennom forbedrer effektiviteten, påliteligheten og oppnår høyere effekttetthet og høyere effekt for de elektriske maskinene. It is an object of the present invention to provide an underwater electromechanical energy converter for underwater applications which increases the cooling capacity of underwater electrical machines and thereby improves efficiency, reliability and achieves higher power density and higher power for the electrical machines.

Oppfinnelsen The invention

En undervanns elektromekanisk energiomformer for undervannsapplikasjoner i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er angitt i patentkrav 1. An underwater electromechanical energy converter for underwater applications in accordance with the present invention is set forth in patent claim 1.

Foretrukne trekk ved den undervanns elektromekaniske energiomformeren er beskrevet i de øvrige patentkravene. Preferred features of the underwater electromechanical energy converter are described in the other patent claims.

I den foreliggende oppfinnelsen er maskin betraktet sammen med andre deler av et undervannssystem hvor den elektriske maskinen er integrert, og danner en såkalt "undervanns elektromekanisk energiomformer" (UEMEO). En UEMEO omfatter minst to aksialt innrettede deler, hvori den første delen inneholder aktive deler av den elektriske maskinen og den andre delen inneholder deler av en kjølekrets for den elektriske maskinen. In the present invention, the machine is considered together with other parts of an underwater system where the electric machine is integrated, forming a so-called "underwater electromechanical energy converter" (UEMEO). A UEMEO comprises at least two axially aligned parts, in which the first part contains active parts of the electrical machine and the second part contains parts of a cooling circuit for the electrical machine.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen omdirigeres varmestrømninger i den elektriske maskinen på en slik måte at varmeoverføringsveier fra varmekilder til miljøet (som er vann) er så korte som mulig. Hoveddelen av varmen som produseres i stator av den elektriske maskinen er innrettet for å gå i radiell retning til et hus av den første delen av UEMECen og videre til miljøet, dvs. vannet på utsiden, mens en mindre del av varmen som er produsert i statoren sammen med varme produsert i rotor av den elektriske maskinen er innrettet for å gå i aksiell retning til den andre delen av UEMECen, hvor den kjøles ned og returneres tilbake til aktive deler, dvs. rotor og stator (med viklinger) av den elektriske maskinen. In accordance with the present invention, heat flows in the electrical machine are redirected in such a way that heat transfer paths from heat sources to the environment (which is water) are as short as possible. The main part of the heat produced in the stator of the electric machine is arranged to go in a radial direction to a housing of the first part of the UEMEC and on to the environment, i.e. the water on the outside, while a smaller part of the heat produced in the stator together with heat produced in the rotor of the electric machine is arranged to go in the axial direction to the other part of the UEMEC, where it is cooled and returned back to active parts, i.e. rotor and stator (with windings) of the electric machine.

I samsvar med en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen er det anordnet radielle gap og/eller aksielle passasjer i rotoren, gjennom hvilke deler noe av kjølemediet kan strømme. In accordance with an embodiment of the present invention, radial gaps and/or axial passages are arranged in the rotor, through which parts some of the coolant can flow.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er statorkjerne (vanligvis laminert jern) av den elektriske maskinen anordnet for å være direkte i kontakt med huset til nevnte første del av UEMECen slik at varme overføres direkte fra statorkjernen til huset ved hjelp av varmeledning. In accordance with the present invention, the stator core (usually laminated iron) of the electric machine is arranged to be in direct contact with the housing of said first part of the UEMEC so that heat is transferred directly from the stator core to the housing by means of heat conduction.

For å transportere den nevnte mindre delen av varmen er det anordnet en vei for et kjølemedium som sirkulerer inne i UEMECen slik at varm gass eller væske går fra et gap mellom rotoren og statoren og direkte inn i den andre delen av UEMECen, hvor kjølemediet kjøles ned, hvoretter det returneres tilbake til den nevnte første delen av UEMECen og til slutt igjen til gapet mellom rotoren og statoren. In order to transport the aforementioned smaller part of the heat, a path is arranged for a cooling medium that circulates inside the UEMEC so that hot gas or liquid goes from a gap between the rotor and the stator and directly into the other part of the UEMEC, where the cooling medium is cooled , after which it is returned back to the mentioned first part of the UEMEC and finally again to the gap between the rotor and the stator.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan det være ulike mønster (veier) for sirkulasjon av kjølemediet. In accordance with the present invention, there can be different patterns (paths) for circulation of the refrigerant.

I samsvar med en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen returneres kjølemediet, etter at det er kjølt ned inni den andre delen av UEMECen, til senter av den første delen av UEMECen og til slutt returneres til gapet mellom rotoren og statoren. In accordance with an embodiment of the present invention, the coolant, after it has cooled down inside the second part of the UEMEC, is returned to the center of the first part of the UEMEC and finally returned to the gap between the rotor and the stator.

I samsvar med en annen utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen returneres kjølemediet, etter at det er kjølt ned i den andre delen av UEMECen, tilbake til gapet mellom rotor og stator på en side av den elektriske maskinen som er motsatt av siden hvor kjølemediet forlot gapet før det gikk inn i den andre delen av UEMECen. In accordance with another embodiment of the present invention, the refrigerant, after being cooled in the second part of the UEMEC, is returned to the gap between the rotor and the stator on a side of the electric machine opposite to the side where the refrigerant left the gap before it entered the second part of the UEMEC.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan sirkulering av kjølemediet tilveiebringes med vifter, blader, pumper eller lignende. Bladene kan være festet til en aksling av den elektriske maskinen. Videre kan bladene ha fleksible justerbare deler som styrer strømningen av kjølemediet. In accordance with the present invention, circulation of the coolant can be provided with fans, blades, pumps or the like. The blades may be attached to a shaft of the electric machine. Furthermore, the blades can have flexible adjustable parts that control the flow of the refrigerant.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan kjølemediet være en gass, så som luft eller hydrogen, eller en væske. Gassen kan være komprimert og/eller tørket for å unngå kondensering. In accordance with the present invention, the cooling medium can be a gas, such as air or hydrogen, or a liquid. The gas may be compressed and/or dried to avoid condensation.

Den nevnte andre delen av UEMECen i samsvar med oppfinnelsen kan ha form som en kjegle eller en halvellipsoide som tjener til det doble formålet: for det første absorbering av varme fra kjøle-mediet, og for det andre hindre turbulens ved enden av UEMECen. The mentioned second part of the UEMEC in accordance with the invention can be shaped like a cone or a half-ellipsoid which serves the dual purpose: firstly absorbing heat from the cooling medium, and secondly preventing turbulence at the end of the UEMEC.

Den andre delen av UEMECen kan videre ha krumninger i samsvar med hastighetsområde og profil til ekstern vannstrømning slik at turbulens for den eksterne strømningen ved enden av UEMECen reduseres. The second part of the UEMEC can further have curvatures in accordance with the velocity range and profile of the external water flow so that turbulence for the external flow at the end of the UEMEC is reduced.

Den nevnte andre delen av UEMECen omfatter et hus som består av minst ett lag, med kanaler mellom lagene hvor kjølemediet kan strømme. The aforementioned second part of the UEMEC comprises a housing which consists of at least one layer, with channels between the layers through which the refrigerant can flow.

UEMECen i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan integreres med andre drivlinje-elementer av et undervannssystem, f.eks. en girboks eller en brems, og danner en langstrakt kropp med lav motstand mot vannstrømningen. The UEMEC in accordance with the present invention can be integrated with other driveline elements of an underwater system, e.g. a gearbox or a brake, forming an elongated body with low resistance to the water flow.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, for noen applikasjoner, bør ikke maksimal ytre diametere til de andre drivlinjeelementene, f.eks. en girboks eller en brems, med hvilke UEMECen er integrert, være mer forskjellig fra UEMECens egen diameter enn 20 %. Også diametere til UEMECens egne deler bør ikke være mer forskjellig enn 20 %. Små trinn i endringer av diameteren til den langstrakte kroppen, dannet av drivlinjeelementene, vil skape små turbulensstrømvirveler i strømningen som forbedrer varmeoverføring fra overflaten. In accordance with the present invention, for some applications, the maximum outer diameters of the other driveline elements, e.g. a gearbox or a brake, with which the UEMEC is integrated, be more different from the UEMEC's own diameter than 20%. Also, the diameters of UEMEC's own parts should not differ by more than 20%. Small steps in changes of the diameter of the elongated body, formed by the drive line elements, will create small turbulence flow eddies in the flow that enhance heat transfer from the surface.

Ytterligere foretrukne trekk og fordelaktige detaljer med den foreliggende oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende eksempelbeskrivelsen. Further preferred features and advantageous details of the present invention will appear from the following exemplary description.

Eksempel Example

Den foreliggende oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet mer detaljert med henvisning til de vedlagte tegningene, hvor: Figur la-b viser en sammenligning av forskjeller mellom anordning av varmeveier i en løsning av kjent teknikk og den foreliggende oppfinnelsen, Figur 2 viser et perspektivriss av en undervanns elektromekanisk energiomformer som er en del av en tidevannsturbin, Figur 3a-b viser et utsnitt av en undervanns elektromekanisk energiomformer i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen som har en kjegleformet endedel, Figur 4 viser et utsnitt av en undervanns elektromekanisk energiomformer i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen som har ulike kjølemønstre fra det som er vist i Fig. 3a-b, Figur 5 viser et utsnitt av en undervanns elektromekanisk energiomformer i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen som har vifter festet til en aksling, Figur 6 viser et utsnitt av en undervanns elektromekanisk energiomformer i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen som har en rett endedel, og The present invention will be described below in more detail with reference to the attached drawings, where: Figure la-b shows a comparison of differences between the arrangement of heat paths in a solution of known technology and the present invention, Figure 2 shows a perspective view of an underwater electromechanical energy converter which is part of a tidal turbine, Figure 3a-b shows a section of an underwater electromechanical energy converter in accordance with the present invention which has a cone-shaped end part, Figure 4 shows a section of an underwater electromechanical energy converter in accordance with the present invention which have different cooling patterns from what is shown in Fig. 3a-b, Figure 5 shows a section of an underwater electromechanical energy converter in accordance with the present invention which has fans attached to a shaft, Figure 6 shows a section of an underwater electromechanical energy converter in accordance with the present invention which has a right e ndedel, and

Figur 7a-d viser utsnitt av varianter av elementer til kjølekretsen. Figure 7a-d shows sections of variants of elements for the cooling circuit.

Henvisning er nå gjort til Fig. la-b som viser hovedforskjellene mellom en løsning av kjent teknikk og henholdsvis den foreliggende oppfinnelsen. Reference is now made to Fig. la-b, which show the main differences between a solution of known technology and the present invention, respectively.

I Fig. la er det vist et system av kjent teknikk lignende den foreslåtte undervanns elektromekaniske energiomformeren (UEMEO), i form av en undervannsturbin, hvor varme 21 generert i en rotor 18 til en elektrisk maskin først går til en stator 17 av den elektriske maskinen og så videre til et mellomrom 40 mellom et hus 11 for den elektriske maskinen og et nacellehus 12, før den fjernes fra den elektriske maskinen gjennom nacellehuset 12. Motstanden for strømning 22 av varmen 21 er derfor veldig høy og kan føre til at rotoren 18 overopphetes eller at lasten til den elektriske maskinen bør reduseres. In Fig. la there is shown a system of known technology similar to the proposed underwater electromechanical energy converter (UEMEO), in the form of an underwater turbine, where heat 21 generated in a rotor 18 of an electric machine first goes to a stator 17 of the electric machine and so on to a space 40 between a housing 11 for the electrical machine and a nacelle housing 12, before being removed from the electrical machine through the nacelle housing 12. The resistance to flow 22 of the heat 21 is therefore very high and can cause the rotor 18 to overheat or that the load on the electrical machine should be reduced.

Henvisning er nå gjort til Fig. lb som viser en UEMEO i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. I den foreliggende oppfinnelsen er UEMECen delt inn i to deler 13 og 15, hvor den første delen 13 omfatter et hus 14 som inneholder den elektriske maskinen og den andre delen 15 omfatter et hus 16. I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er huset til den elektriske maskinen integrert i huset 14 til den første delen 13 og den andre delen 15 er anordnet for kjøleformålene. Forskjellen mellom den foreliggende oppfinnelsen og løsningen av kjent teknikk er at varmen 21 fra rotoren 18 ikke går i radiell retning, men i stedet transporteres i aksiell retning direkte til den andre delen 15 av UEMECen. Reference is now made to Fig. 1b which shows a UEMEO in accordance with the present invention. In the present invention, the UEMEC is divided into two parts 13 and 15, where the first part 13 comprises a housing 14 containing the electrical machine and the second part 15 comprises a housing 16. In accordance with the present invention, the housing of the electrical the machine integrated in the housing 14 until the first part 13 and the second part 15 are arranged for the cooling purposes. The difference between the present invention and the prior art solution is that the heat 21 from the rotor 18 does not go in the radial direction, but instead is transported in the axial direction directly to the second part 15 of the UEMEC.

Videre, i løsningen for kjent teknikk (Fig. la) samles varme 20 generert i statoren 17 med varmen 21 som kommer fra rotoren 18 og går i radiell retning inn i mellomrommet 40 mellom det elektriske Furthermore, in the prior art solution (Fig. la) heat 20 generated in the stator 17 is collected with the heat 21 coming from the rotor 18 and goes in a radial direction into the space 40 between the electrical

maskinhuset 11 og nacellehuset 12, før den fjernes fra den elektriske maskinen gjennom nacellehuset 12.1 den foreliggende oppfinnelsen (Fig. lb) har varme 20 generert i statoren 17 to fjerningsveier; en radiell en direkte til ekstern vannstrømning gjennom huset 14 av den første delen 13 av UEMECen og en aksiell en til huset 16 til den andre delen 15 av UEMECen. the machine housing 11 and the nacelle housing 12, before it is removed from the electric machine through the nacelle housing 12.1 the present invention (Fig. 1b) heat 20 generated in the stator 17 has two removal paths; a radial one direct to external water flow through the housing 14 of the first part 13 of the UEMEC and an axial one to the housing 16 of the second part 15 of the UEMEC.

En effekt av den foreliggende oppfinnelsen er at at mostanden for varmestrømningene 22 er minimert og overoppheting av både rotor 18 og stator 17 er unngått, samt at last for den elektriske maskinen kan økes sammenlignet med løsningen av kjent teknikk. An effect of the present invention is that the resistance to the heat flows 22 is minimized and overheating of both rotor 18 and stator 17 is avoided, and that the load for the electric machine can be increased compared to the solution of known technology.

Henvisning er nå gjort til Fig. 2 som viser et applikasjonseksempel av et undervanns energi-omformersystem i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen i form av en tidevannsturbin, med en nacelle 29 omfattende en aksialt innrettet girboks 26, brems 27 og to deler 13 og 15 av UEMECen. Systemet vil bli brukt som hovedeksemplet i den videre beskrivelsen, selv om andre applikasjoner, for eksempel undervannspumper eller mudderpumpe, også likedan kan brukes som eksempler. Reference is now made to Fig. 2 which shows an application example of an underwater energy converter system in accordance with the present invention in the form of a tidal turbine, with a nacelle 29 comprising an axially aligned gearbox 26, brake 27 and two parts 13 and 15 of The UEMEC. The system will be used as the main example in the further description, although other applications, for example underwater pumps or mud pumps, can also be used as examples.

Henvisning er nå gjort til Fig. 3a som viser et utsnitt av UEMECen i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen som består av to deler, første 13 og andre 15, samt en del av andre drivlinjekomponenter 23 med hvilke UEMECen kan integreres. Noter at den andre delen 15 av UEMECen i denne utførelsesformen er kjegleformet. Reference is now made to Fig. 3a which shows a section of the UEMEC in accordance with the present invention which consists of two parts, first 13 and second 15, as well as part of other driveline components 23 with which the UEMEC can be integrated. Note that the second part 15 of the UEMEC in this embodiment is cone-shaped.

De andre drivlinjekomponentene 23 kan f.eks. være brems 27 eller girboks 26 fra Fig. 2. The other driveline components 23 can e.g. be brake 27 or gearbox 26 from Fig. 2.

Den første delen 13 av UEMECen består av et hus 14, aktive deler av den elektriske maskinen, dvs. stator 17 med endeviklinger 30 og rotor 18, samt mekaniske komponenter som aksling 19 og lager 24. The first part 13 of the UEMEC consists of a housing 14, active parts of the electric machine, i.e. stator 17 with end windings 30 and rotor 18, as well as mechanical components such as shaft 19 and bearing 24.

I den foreliggende oppfinnelsen går varmen fra stator 17 og rotor 18 først til et gap 31 mellom statoren 17 og rotoren 18 og går så sammen med et kjølemedium 50, f.eks. luft, direkte til den andre delen 15 av UEMECen, hvor kjølemediet 50 kjøles ned ved hjelp av overføring av varmen til huset 16 til den andre delen 15 og videre til miljøet, dvs. vann. Kjølemediet 50 returneres tilbake til gapet 31 gjennom indre side av rotorens 18 aktive deler. I tillegg samler denne veien varme fra indre side av rotoren 18, på denne måten tilveiebringer effektiv kjøling. In the present invention, the heat from stator 17 and rotor 18 first goes to a gap 31 between stator 17 and rotor 18 and then goes together with a cooling medium 50, e.g. air, directly to the second part 15 of the UEMEC, where the refrigerant 50 is cooled by transferring the heat of the housing 16 to the second part 15 and further to the environment, i.e. water. The cooling medium 50 is returned back to the gap 31 through the inner side of the rotor 18 active parts. In addition, this path collects heat from the inner side of the rotor 18, thus providing effective cooling.

Ettersom den andre delen 15 av UEMECen har formen som en kjegle reduseres turbulens i den eksterne strømningen. Denne løsningen tilveiebringer også et rom 28 for ytterligere utstyr, f.eks. elektrisk instrumentering. As the second part 15 of the UEMEC has the shape of a cone, turbulence in the external flow is reduced. This solution also provides a room 28 for additional equipment, e.g. electrical instrumentation.

Huset 16 til den andre delen 15 av UEMECen kan være tolags for å tilveiebringe et system av førende kanaler, på denne måten tillater større kontaktområde for mer effektiv varmeveksling. The housing 16 of the second part 15 of the UEMEC can be double-layered to provide a system of conducting channels, thus allowing a larger contact area for more efficient heat exchange.

Henvisning er nå gjort til Fig. 3b som viser et utsnitt av UEMECen i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen hvor det er vist at en del av kjølemediet 50 går gjennom passasjer i rotoren 18. Reference is now made to Fig. 3b which shows a section of the UEMEC in accordance with the present invention where it is shown that part of the coolant 50 passes through passages in the rotor 18.

Henvisning er nå gjort til Fig. 4 som viser en andre utførelsesform i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen med et annet mønster for kjølemediumsirkulasjon. Kjølemediet 50 returneres, etter at det er kjølt ned i den andre delen 15 av UEMECen, tilbake til gapet 31 mellom rotoren 18 og statoren 17 på den siden av den elektriske maskinen som er motsatt av den delen hvor kjølemediet 50 forlot gapet 31 før det gikk inn i den andre delen 15 av UEMECen. Reference is now made to Fig. 4 which shows a second embodiment in accordance with the present invention with a different pattern for coolant circulation. The coolant 50 is returned, after it has been cooled down in the second part 15 of the UEMEC, back to the gap 31 between the rotor 18 and the stator 17 on the side of the electric machine which is opposite to the part where the coolant 50 left the gap 31 before going into the second part 15 of the UEMEC.

Et rom 28 inne i den andre delen 15 av UEMECen kan brukes for ytterligere utstyr. Alternativt kan det fylles med vann som har direkte kontakt med det eksterne vannet for å tilveiebringe bedre kjøling. A room 28 inside the second part 15 of the UEMEC can be used for additional equipment. Alternatively, it can be filled with water that has direct contact with the external water to provide better cooling.

Henvisning er nå gjort til Fig. 5 som viser en alternativ utførelsesform av den som er vist i Fig. 3a-b. Reference is now made to Fig. 5 which shows an alternative embodiment of that shown in Fig. 3a-b.

I denne utførelsesformen er vifter 25 anordnet for å tilveiebringe sirkulasjon av kjølemediet 50. Den naturlige fordelen med den foreliggende oppfinnelsen er at diameter til den langstrakte formen dannet av nabodelene, dvs. drivlinjekomponenter 23 og deler 13,15 av UEMECen, endres i små trinn for å innrette små turbulensstrømvirveler i den eksterne vannstrømningen på en overflate av enheten, på denne måten forbedrer varmeoverføring fra overflaten. In this embodiment, fans 25 are arranged to provide circulation of the refrigerant 50. The natural advantage of the present invention is that the diameter of the elongated shape formed by the neighboring parts, i.e. powertrain components 23 and parts 13,15 of the UEMEC, is changed in small steps for to arrange small turbulence flow eddies in the external water flow on a surface of the device, thus improving heat transfer from the surface.

Henvisning er nå gjort til Fig. 6 som viser en utføreleseform av den foreliggende oppfinnelsen hvor huset 16 til den andre delen 15 av UEMECen har en mer tradisjonell sylindrisk form. Det kan være annet utstyr integrert med den andre delen 15 i aksiell retning. Reference is now made to Fig. 6 which shows an embodiment of the present invention where the housing 16 of the second part 15 of the UEMEC has a more traditional cylindrical shape. There may be other equipment integrated with the second part 15 in the axial direction.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan oppvarmet kjølemedium benyttes til forvarming av andre komponenter, f.eks. elektronikk anordnet i det frie rommet 28 i den andre delen 15 av UEMECen. For eksempel, når undervannssystemet som UEMECen er en del av, skal startes fra kald tilstand, er det fordelaktig å varme opp kjølemediet 50 (f.eks. luft) inne i UEMECen og så bruke det til å varme opp deler som trenger forvarming før de slås på. In accordance with the present invention, heated coolant can be used for preheating other components, e.g. electronics arranged in the free space 28 in the second part 15 of the UEMEC. For example, when the underwater system of which the UEMEC is a part is to be started from a cold state, it is advantageous to heat the coolant 50 (e.g., air) inside the UEMEC and then use it to heat parts that need preheating before they is turned on.

Henvisning er nå gjort til Fig. 7a-d som viser flere varianter av elementer i kjølekretsen. Reference is now made to Fig. 7a-d which shows several variants of elements in the cooling circuit.

Kjølingen av kjølemediet finner sted i den andre delen 15 av UEMEO'en. Det kan være anordnet The cooling of the refrigerant takes place in the second part 15 of the UEMEO. It can be arranged

kanaler 32 for kjølemediet gjennom at huset 16 består av lag 35. Det kan være to lag, som vist i Fig. 7a, c og d eller flere som vist i Fig. 7b. Det kan være anordnet finner på en ytre overflate 33 av UEMECen og på en innside 34 av lagene 35 til huset 16 for den andre delen 15 av UEMECen. Kanalene 32 kan gå rundt hele omkretsen til UEMECen, som vist i Fig. 7a-c, eller deler av den som vist i Fig. 7d. channels 32 for the refrigerant through the fact that the housing 16 consists of layers 35. There may be two layers, as shown in Fig. 7a, c and d or several as shown in Fig. 7b. Fins can be arranged on an outer surface 33 of the UEMEC and on an inside 34 of the layers 35 of the housing 16 for the second part 15 of the UEMEC. The channels 32 can go around the entire circumference of the UEMEC, as shown in Fig. 7a-c, or parts of it as shown in Fig. 7d.

Liste over henvisningstall: List of referral numbers:

11. Hus til elektrisk maskin av kjent teknikk 11. Housing for electric machine of known technology

12. Hus til en nacelle av en tidevannsturbin av kjent teknikk 12. Housing for a nacelle of a prior art tidal turbine

13. Første del av undervanns elektromekanisk energiomformer 13. First part of underwater electromechanical energy converter

14. Hus til den første delen av undervanns elektromekanisk energiomformer 14. Housing for the first part of the underwater electromechanical energy converter

15. Andre del av undervanns elektromekanisk energiomformer 15. Second part of underwater electromechanical energy converter

16. Hus til den andre delen av undervanns elektromekanisk energiomformer 16. Housing for the second part of the underwater electromechanical energy converter

17. Stator til elektrisk maskin 17. Stator for electric machine

18. Rotor til elektrisk maskin 18. Rotor for electric machine

19. Hovedaksling til undervanns elektromekanisk energiomformer 19. Main shaft for underwater electromechanical energy converter

20. Kilde for tap i stator 20. Source of loss in stator

21. Kilde for tap i rotor 21. Source of loss in rotor

22. Varmestrømninger 22. Heat flows

23. Drivlinjekomponenter med hvilke den undervanns elektromekaniske energiomformeren kan integreres 23. Driveline components with which the underwater electromechanical energy converter can be integrated

24. Lager 24. Storage

25. Vifter 25. Fans

26. Girboks 26. Gear box

27. Brems 27. Brake

28. Fritt tilgjengelig rom i den andre delen av undervanns elektromekanisk energiomformer 28. Freely accessible space in the second part of the underwater electromechanical energy converter

29. Nacelle til tidevannsturbin 29. Nacelle for tidal turbine

30. Endeviklinger til statoren 30. End windings to the stator

31. Gap mellom stator og rotor 31. Gap between stator and rotor

32. Kanaler for kjølemedium i den andre delen 32. Channels for refrigerant in the second part

33. Finner på den ytre omformeroverflaten 33. Fins on the outer converter surface

34. Finner på innsiden av lagene til huset til andre del av omformer 34. Fins on the inside of the layers of the housing of the second part of the converter

35. Lag av huset 35. Make of the house

40. Mellomrom mellom et hus for den elektriske maskinen og et nacellehus 40. Space between a housing for the electrical machine and a nacelle housing

50. Kjølemedium 50. Refrigerant

Claims

1. Underwater electromechanical energy converter (UEMEO) for underwater applications, consisting of at least two axially aligned parts (13,15), in which the first part (13) comprises at least active parts in the form of a stator (17) with windings (30) and rotor (18) for an electric machine and the second part (15) comprises at least parts of a cooling circuit for the electric machine, characterized in that - the core of the stator (17) of the electric machine is arranged in direct contact with a housing ( 14) to the first part (13) of the UEMEC for the transfer of heat directly from the core of the stator (17) to the housing (14) of the first part (13) by means of a heat pipe, and — a circulation path for coolant is provided ( 22) inside the UEMEO, so that the coolant (22) goes directly from a gap (31) between the rotor (18) and the stator (17) to the other part (15) of the UEMEO, where the coolant (22) is cooled down and is returned back to the first part of the UEMEC.

2. Underwater electromechanical energy converter in accordance with patent claim 1, characterized in that the second part (15) has the shape of a cone or a half-ellipsoid and is arranged to absorb heat from the coolant (22) and prevent turbulence at the end of the UEMEO.

3. Underwater electromechanical energy converter in accordance with patent claim 2, characterized in that the second part (15) is provided with curvatures in accordance with the speed range and profile of the external water flow which reduces turbulence of the external water flow at the end of the UEMEC.

4. Underwater electromechanical energy converter in accordance with patent claim 1, characterized in that the coolant (22), after it has been cooled down in the second part (15) of the UEMEC, is returned back to the center of the first part (13) of the UEMEO and is finally returned to the gap (31) between rotor (18) and stator (17).

5. Underwater electromechanical energy converter in accordance with patent claim 1, characterized in that the coolant (22), after it has been cooled down in the second part (15) of the UEMEC, is returned back to the gap (31) between the rotor (18) and the stator ( 17) on a side of the electrical machine opposite to the side where the refrigerant (22) left the gap (31) before entering the second part (15) of the UEMEO.

6. Underwater electromechanical energy converter in accordance with patent claim 1, characterized in that the second part (15) of the UEMEC comprises a housing (16) consisting of at least one layer (35) with channels (32) between the layers (35) where the coolant (22) can flow.

7. Underwater electromechanical energy converter in accordance with one of patent claims 1-6, characterized in that fins are arranged on an outside or inside of the second part (15) of the UEMEC, for example in the channels (32) or on an outer surface (33) of The UEMEC.

8. Underwater electromechanical energy converter in accordance with patent claim 1, characterized in that it is filled, at least partially, with compressed gas, such as air or hydrogen.

9. Underwater electromechanical energy converter in accordance with patent claim 1, characterized in that the second part (15) is filled, at least partially, with water that is in contact with external water.

10. Underwater electromechanical energy converter in accordance with patent claim 1, characterized in that circulation of the coolant (22) is provided by means of blades, fans or pumps.

11. Underwater electromechanical energy converter in accordance with patent claim 10, characterized in that the blades are attached to a shaft (19) of the electric machine.

12. Underwater electromechanical energy converter in accordance with patent claim 11, characterized in that the blades have adjustable flexible parts that control the flow of the coolant.

13. Underwater electromechanical energy converter according to patent claim 1, characterized in that it is integrated with other driveline components (23) of an underwater application, such as a gearbox (26) or a brake (27), forming an elongated body with low resistance to the water flow .

14. Underwater electromechanical energy converter in accordance with patent claim 13, characterized in that the maximum outer diameters of the other driveline components (23), such as a gearbox (26) or a brake (27), with which the UEMEC is integrated, do not differ from the UEMEC's own diameter by more than 20%.

15. Underwater electromechanical energy converter in accordance with patent claim 1, characterized in that there are radial gaps and/or axial channels in the rotor (18), through which part of the coolant can flow.

16. Underwater electromechanical energy converter in accordance with patent claim 1, characterized in that the heated coolant (22) can be used for preheating other components, such as electronics placed in a free space (28) in the second part (15) of the converter.