(57)【要約】【課題】電気機器を冷却するための冷却装置を改善し、なおかつ低コストおよび高信頼性にすること。【解決手段】前記課題は、スロットを有する複数の積層薄板を積層することによって形成された少なくとも１つの通路内に、金属製の冷却パイプを設けることによって解決される。【選択図】図１
2010110205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機器の冷却装置であって、
・前記電気機器のステータは複数の積層薄板（ＬＰ）を有し、該積層薄板（ＬＰ）は１つの側に複数のスロット（ＳＬ）を有し、
・前記積層薄板（ＬＰ）のスロット（ＳＬ）は、前記ステータの電気コイルの金属巻線（ＭＷ）を支持するための通路を形成する冷却装置において、
・前記積層薄板（ＬＰ）を冷却するために少なくとも１つの通路（ＣＨ）内に金属製の冷却パイプ（ＣＰ）が設けられている
ことを特徴とする、冷却装置。
【請求項２】
前記冷却パイプ（ＣＰ）に冷媒が充填され、冷却系の一部を成す、請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記冷却パイプ（ＣＰ）に充填される冷媒は液体である、請求項２記載の冷却装置。
【請求項４】
・前記液体は水であるか、または
・前記液体は、防凍剤またはオイルが添加された水である、請求項３記載の冷却装置。
【請求項５】
前記冷却パイプ（ＣＰ）は、前記電気機器が動作している間に該冷却パイプ（ＣＰ）に誘導される電圧を低減または最小化するように前記スロット（ＳＬ）または通路（ＣＨ）内に配置された複数のヘアピン曲げ部分を有する連続的な金属パイプである、請求項１から４までのいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項６】
・前記冷却パイプ（ＣＰ）は第１の通路（ＣＨ１）および第２の通路（ＣＨ２）内に配置され、
・前記第１の通路（ＣＨ１）および第２の通路（ＣＨ２）は直接隣接し、
・前記冷媒は前記第１の通路（ＣＨ１）内では第１の方向に流され、前記第２の通路（ＣＨ２）内では、該第１の方向と逆の第２の方向に流される、請求項５記載の冷却装置。
【請求項７】
・前記冷却パイプ（ＣＰ）は第１の通路（ＣＨ１）および第２の通路（ＣＨ２）内に配置され、該第１の通路（ＣＨ１）と該第２の通路（ＣＨ２）との間に冷却パイプが通されない第３の通路が設けられ、
・前記冷媒は前記第１の通路（ＣＨ１）内では第１の方向に流され、前記第２の通路（ＣＨ２）内では、該第１の方向と逆の第２の方向に流される、請求項５記載の冷却装置。
【請求項８】
前記通路は、２層巻線の２つの金属巻線（ＭＷ１，ＭＷ２）を支持するために使用され、前記冷却パイプ（ＣＰ）は該金属巻線間に配置される、請求項１から７までのいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項９】
前記電気機器はジェネレータである、請求項１から８までのいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項１０】
前記ジェネレータは風力タービンのナセル内に配置されている、請求項９記載の冷却装置。
【請求項１１】
前記ジェネレータは、外側ロータおよび内側ステータのジェネレータである、請求項９記載の冷却装置。
【請求項１２】
・前記積層薄板（ＬＰ）のスロット（ＳＬ）は、前記ジェネレータのステータとロータとの間のエアギャップを向いている該積層薄板（ＬＰ）の１つの側（Ｓ１）に配置されている、請求項９記載の冷却装置。
【請求項１３】
前記スロット（ＳＬ）は、前記冷却パイプ（ＣＰ）を支持するための延長部（ＥＸＴ１，ＥＸＴ２）を有する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項１４】
前記延長部（ＥＸＴ２）は前記スロット（ＳＬ）自体より小さい幅（１１）を有し、支持部として使用するための凹入コーナ（ＲＥＣＣ）を形成する、請求項１３記載の冷却装置。
【請求項１５】
前記冷却パイプの直径は方形であるか、または正方形であるか、または円形である、請求項１から１４までのいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項１６】
前記スロット（ＳＬ）または通路（ＣＨ）内に配置された前記冷却パイプ（ＣＰ）は、付加的な熱伝導エレメント（１５）によって包囲されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機器の冷却装置に関する。
【０００２】
１つの有利な実施形態では、本発明は、シェルまたはハウジングによって完全に包囲された電気機器の冷却装置に関する。このような電気機器はたとえば、風力タービンのナセル内に配置されたジェネレータである。
【背景技術】
【０００３】
このような電気機器は、金属製の積層薄板を有するステータを備えている。この積層薄板は鉄板金から製造され、たとえば鉄板金を打ち抜いて形成される。
【０００４】
図３に、ジェネレータのステータの一部となる典型的な積層薄板ＬＰの形状が示されている。
【０００５】
積層薄板ＬＰの第１の側Ｓ１は、ジェネレータのステータとロータとの間のエアギャップを向いている。この第１の側Ｓ１に複数のスロットＳＬが設けられている。たとえばこれらのスロットＳＬは、積層薄板ＬＰを打ち抜いて形成される。
【０００６】
複数の積層薄板ＬＰを積層してスロットＳＬが通路ＣＨを適切に形成することができる。この通路ＣＨは、ステータの電気コイルの金属巻線ＭＷを支持するために使用される。
【０００７】
金属巻線ＭＷはそれぞれ導体ＣＯＮによって形成され、この導体ＣＯＮは導体絶縁部ＣＯＮＩによって包囲される。各スロットＳＬが、金属巻線ＭＷの束を絶縁するためにスロット絶縁ライニングＳＩＬを有する。
【０００８】
各スロットＳＬの頂部に凹入部ＲＣが設けられており、この凹入部ＲＣは楔ＷＤＧを担持するように形成されている。電気コイルの金属巻線ＭＷが挿入されると、その場所で楔ＷＤＧによって保持される。
【０００９】
電気機器が動作している際には、入力パワーのある程度の割合が熱となって損失されるので、電気機器を冷却しなければならない。
【００１０】
この熱の大部分は、ステータの金属巻線ＭＷで生成される。金属巻線の絶縁系の十分な寿命を保証するために、巻線温度はステータ冷却系の仕様に従う。
【００１１】
大型の電気機器を冷却するための手段として、種々の手段が公知である。
【００１２】
慣用されている１つの冷却手法に、電気機器内部の空気等である気体媒体を循環させる手法がある。この気体媒体は、たとえば熱交換器によって低温に維持される。
【００１３】
このような冷却手法の欠点は、気体と空気または気体と水との大型の熱交換器を必要とすることである。さらに、冷媒を循環させるためには著しく高いパワーを必要とする。
【００１４】
慣用されている別の冷却手法に、エアギャップに面していないステータの側で冷却液を循環させる手法がある。この手法では、熱は金属巻線から積層薄板を介して冷媒へ導かれることによって輸送される。
【００１５】
このような冷却手法では、積層鉄心の熱伝導度が中程度であるため、ステータ巻線と冷媒との間に著しく大きな温度勾配が存在するという欠点が生じる。その結果、巻線温度を所望の最大値より低く維持するのが困難になってしまう。
【００１６】
上記の慣用されている冷却系の欠点を回避するために、液体冷却または気体冷却を下記のように使用することが公知である。
【００１７】
ここで使用される１つの手法は、中空の銅棒を導体としてコイル巻線に挿入する手法である。この銅棒は、積層薄板の通路から突出する。このようにして、熱が発生したちょうどその場所で冷却が行われる。
【００１８】
この欠点は、このような冷却装置はコイルに多数のジョイントを必要とし‐電気的接続部にも冷媒の入口にも出口にも多数のジョイントを必要とすることである。それゆえ、このような装置は通常は、非常に大きなターボジェネレータでしか使用されない。
【００１９】
別の手法は、コイル巻線の下または巻線の部分間に挿入されるように、冷却パイプをスロット内に挿入することである。冷却パイプがコイルの巻線と同じ電磁界にさらされるので、冷却パイプが金属または別の導電性材料から成る場合には、この冷却パイプにも電圧が誘導される。したがって、スロット冷却には非導電性のパイプが使用され、とりわけセラミック製のパイプが使用される。
【００２０】
これによって、熱が発生する場所の直近で冷却が行われるようになるが、非導電性またはセラミック製のパイプは非常に高コストであり、曲げることができないので多数のジョイントが必要となり、漏れの危険性が高くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の課題は、電気機器を冷却するための冷却装置を改善し、なおかつ低コストおよび高信頼性にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
前記課題は、電気機器の冷却装置であって、
・前記電気機器のステータは複数の積層薄板を有し、該積層薄板は１つの側に複数のスロットを有し、
・前記積層薄板のスロットは、前記ステータの電気コイルの金属巻線を支持するための通路を形成する冷却装置において、
・前記積層薄板を冷却するために少なくとも１つの通路内に金属製の冷却パイプが設けられている
ことを特徴とする、冷却装置によって解決される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による冷却装置の立体図である。
【図２】本発明による冷却装置を積層薄板とともに示す平面図である。
【図３】上記の典型的な積層薄板を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明では、電気機器の冷却装置を提供する。この電気機器は、１つの有利な実施形態では風力タービンのジェネレータである。
【００２５】
電気機器にはロータおよびステータが設けられており、該ステータは複数の積層薄板を有する。
【００２６】
各積層薄板は第１の側に複数のスロットを有し、この積層薄板が積層されることによりスロットは通路を形成し、ステータの電気コイルの金属巻線を支持するのに使用される。
【００２７】
巻線の温度を低減するために、冷却用の金属パイプがこの通路内に挿入される。
【００２８】
１つの有利な実施形態では、冷却用の金属パイプは、スロットによって形成された通路内にいわば「ジグザグ」に取り付けられる。このような「ジグザグ」は、図面中に詳細に示されている。
【００２９】
このように冷却パイプを形成することにより、１つのスロットまたは通路の冷却パイプに誘導された電圧は、１つまたは複数の別のスロットまたは通路の冷却パイプに誘導された電圧によって中和される。それゆえ、冷却パイプに誘導される電圧全体が低減されるかまたは完全に消去される。
【００３０】
したがって、このようにして実現される冷却システムは低コストになり、高信頼性になり、高温に対して耐性を有し、スロット内に容易に設けることができる。
【００３１】
さらに、金属パイプは典型的には曲げることができるので、１つのパイプを曲げて多数のスロットまたは通路に通すことができ、ジョイントの数を最小限に抑えることができる。
【００３２】
さらに、金属製の冷却パイプは長時間の材料作用に対して耐性を有するので、このような冷却パイプによって、材料変数、熱伝導度および長時間安定性は変化することなく維持される。
【００３３】
有利には前記通路は、２層巻線の２つの金属巻線を支持するために使用され、冷却パイプは該金属巻線間に配置される。
【実施例】
【００３４】
以下で、幾つかの図を使用して本発明を詳細に説明する。
【００３５】
図１は、電気機器を冷却するための本発明の冷却装置を示す。
【００３６】
複数の積層薄板ＬＰが上記のように積層されており、各積層薄板ＬＰは複数のスロットＳＬを有する。積層によってスロットＳＬは複数の通路ＣＨを形成し、ステータコイルの金属巻線ＭＷを支持するのに使用される。
【００３７】
積層薄板ＬＰはジェネレータの内側ステータの一部であり、たとえば、風力タービンのナセル内に配置される。したがって、ジェネレータは外側ロータ（図示されていない）も有する。
【００３８】
さらに付加的に、通路ＣＨ内に冷却パイプＣＰが設けられている。この冷却パイプＣＰは中空であり、金属から成る。
【００３９】
この冷却パイプＣＰ内に、金属巻線ＭＷから熱を取り出して積層薄板ＬＰから熱を輸送するために冷却液が設けられている。
【００４０】
１つの有利な実施形態では、冷却液として水が使用されるか、または、防凍剤またはオイルが添加された水が使用される。
【００４１】
１つの有利な実施形態では、冷却パイプＣＰはいわば「ジグザグ」に取り付けられる。「ジグザグ」とは、冷却パイプＣＰは第１の通路ＣＨ１には１つのある方向に通されるのに対し、第２の通路ＣＨには逆方向に通されることを意味する。
【００４２】
１つの有利な実施形態では、第１の通路ＣＨ１は第２の通路ＣＨ２に隣接する。
【００４３】
３つの通路の複数の冷却パイプを直列に接続すると、これらの冷却パイプに誘導される電圧は全体で０になる。
【００４４】
このような構成は、エアギャップ磁界に「第３次高調波」が存在しない場合に最も適している。第３次高調波は通常、電磁石または永久磁石によって励磁される同期機の場合にエアギャップに発生する。
【００４５】
したがってこの有利な実施形態は、通常の３相のステータおよびロータ巻線に非常に有利である。
【００４６】
エアギャップ磁界に第３次高調波が発生する場合、１つの実施形態では、冷却パイプは２番目のスロットごとに通され、冷却パイプが通されたスロット間のスロットには冷却パイプは通されない。このような構成では、少なくとも６つのスロットの複数の冷却パイプが直列に接続されると、第３次高調波が電圧を誘導することはない。
【００４７】
これらの図面の説明は単なる一例であることに留意すべきである。専用のスロットまたは通路内に設けられる冷却パイプの位置は、機器またはジェネレータの誘導電圧および特性に依存して調整することができ、また冷却パイプの方向も調整することができる。とりわけ上記説明は、毎極毎相スロット数が１である機器に有効である。定格の毎極毎相スロット数が異なる機器では、誘導電圧が最適に相殺されるように冷却パイプの配置を調整する必要がある。
【００４８】
このことに相応して、第１の通路ＣＨ１では冷却パイプＣＰは冷却液を上から下の方向に流すのに対し、第２の通路ＣＨ２では冷却パイプＣＰは冷却液を下から上の方向に流す。
【００４９】
１つの有利な実施形態では、冷却パイプＣＰはヘアピン曲げになるように形成される。冷却パイプＣＰは連続的な金属パイプであり、複数のヘアピン曲げ部分を有する。
【００５０】
ロータ磁石からの磁界が、冷却パイプＣＰの各部分に電圧を誘導する。「ジグザグ」になっているので、これらの部分に誘導された電圧は相互作用し、冷却パイプＣＰの端部間の電圧の差は最小になる。このようにして、端部間の電圧値が高くなることが回避される。
【００５１】
１つの実施形態ではステータは、並列接続された複数の冷却パイプＣＰを有する。
【００５２】
金属製のパイプはジェネレータ巻線の構成要素ではなく、電力を出力するためには能動的に使用されないことに留意すべきである。
【００５３】
図２に、本発明による冷却装置が積層薄板ＬＰとともに示されている。
【００５４】
積層薄板ＬＰの第１の側Ｓ１は、ジェネレータのステータとロータとの間にあるエアギャップを向いている。この第１の側Ｓ１に複数のスロットＳＬが設けられている。たとえばスロットＳＬは、積層薄板ＬＰを打ち抜くことによって形成される。
【００５５】
複数の積層薄板ＬＰを積層することにより、スロットＳＬは相応に通路ＣＨを形成する。通路ＣＨは、ステータの電気コイルの金属巻線ＭＷを支持するために使用される。
【００５６】
各金属巻線ＭＷは導体ＣＯＮによって形成され、導体ＣＯＮは導体絶縁部ＣＯＮＩによって包囲されている。各スロットＳＬは、金属巻線ＭＷの束を絶縁するためにスロット絶縁ライニングＳＩＬを有する。
【００５７】
各スロットＳＬの頂部に、楔ＷＤＧを支持するように形成された凹入部ＲＣが設けられている。電気コイルの金属巻線ＭＷが挿入されると、楔ＷＤＧによってその場所に維持される。
【００５８】
本発明では、スロットＳＬは単純に、該スロットＳＬと等しい幅を有する第１の延長部ＥＸＴ１によって延長されている。
【００５９】
またはスロットＳＬは、該スロットＳＬより小さい幅１１を有する第２の延長部ＥＸＴ２によって延長されている。これによって、コイルの金属巻線ＭＷを支持するための支持部として使用できる凹入コーナＲＥＣＣが形成される。第２の延長部ＥＸＴ２の深さは、１つの有利な実施形態では幅１１より大きくすることができる。
【００６０】
延長部ＥＸＴ１，ＥＸＴ２は、方形の金属パイプ１２に適合するか、または正方形の金属パイプ１３に適合するか、または円形の金属パイプ１４に適合することができる。
【００６１】
金属パイプが円形である場合、熱輸送を改善するために熱伝導エレメント１５を挿入するのが有利である。この場合、熱伝導エレメント１５は有利には、たとえば押出成形されたアルミニウムから形成される。
【符号の説明】
【００６２】
ＬＰ  積層薄板
ＣＨ  通路
ＣＰ  冷却パイプ
ＭＷ  金属巻線
【図１】
2010110205.tif 000003
【図２】
2010110205.tif 000004
【図３】
2010110205.tif 000005