(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口と出口とを有するハウジングと、
軸を中心に回転するように前記ハウジング内に支持されるとともに外側面を備えるロータと、
前記ハウジング内でかつ前記ロータの周囲に配置されるとともに、内側面と、前記の内側面と外側面との間に設けられ、かつ前記の入口および出口と流体的に連通する間隙と、を備えるステータと、
前記入口から前記間隙内に流入して前記出口を通過するように冷却ガスを送り込むポンプ装置と、
前記ステータの周囲に設けられた螺旋コイルを備える液冷装置と、を有し、
前記ロータは、両側に位置する端部を有し、これらの端部と前記ハウジングとの間にはそれぞれシールが配置されており、前記ハウジングは、前記シールの間において前記ステータが内部に配置される加圧ガス室を画成しており、この加圧ガス室に冷却ガスを送る前記ポンプ装置は、前記入口の近傍で前記ロータに同軸に取り付けられたインペラであることを特徴とする回転機械冷却装置。
【請求項２】
軸受が前記ハウジング内で前記ロータを支持し、潤滑装置が前記軸受に油を循環させており、前記冷却ガスは前記油と混合され、前記加圧室の外部に配置された油分離器が、前記冷却ガスから前記油を分離していることを特徴とする請求項１記載の回転機械冷却装置。
【請求項３】
前記ステータは、両側に位置する巻線端部を含み、前記入口は前記巻線端部の一方の近傍に配置されるとともに、前記出口は前記巻線端部の他方の近傍に配置され、これらの巻線端部を通って前記ガスが流れていることを特徴とする請求項１記載の回転機械冷却装置。
【請求項４】
前記ガスは、他方の巻線端部から前記出口まで概して径方向に流れていることを特徴とする請求項３記載の回転機械冷却装置。
【請求項５】
請求項１に記載の回転機械冷却装置による回転機械の冷却方法であって、
ａ）概してステータの外部の位置から液体を循環させ、
ｂ）この液体によって回転機械から第１の熱を取り除き、
ｃ）ロータとステータとの間の間隙を通ってガスを送り込み、
ｄ）前記ガスによって回転機械から第２の熱を取り除くステップをそれぞれ含むことを特徴とする回転機械の冷却方法。
【請求項６】
ステップｃ）は、前記間隙を通るガスの連続的な流れを得るために、前記ロータに連結されたインペラを駆動することを含むことを特徴とする請求項５記載の回転機械の冷却方法。
【請求項７】
前記ガスは、前記インペラから前記間隙を通って軸方向に流れることを特徴とする請求項６記載の回転機械の冷却方法。
【請求項８】
前記ガスは、前記ステータの巻線端部を通って送り込まれることを特徴とする請求項５記載の回転機械の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械式回転機械用の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気モータや発電機などの電気機械式回転機械は、運転中にかなりの量の熱を発しうる。これは、２０００００ＲＰＭ以上の高速で回転する航空機用途の電気機械式回転機械について特に言えることである。この発熱は、電気損と摩擦損の２つの主な熱源によって生じる。非常に高い回転速度では、摩擦損が顕著になる。このような損失は、機械効率を減少させ、熱として損失されると高温の原因となる。速度は、製造材料の高温耐性によって制限されるおそれがある。成功する高速モータまたは発電機の設計では、機械効率を改善するだけでなく、最も影響を受ける面から熱を取り除いて最大温度を製造材料の限度内に保つために、摩擦損を最小化する必要がある。
【０００３】
熱を取り除くために機械ハウジングの外側に配置された液冷装置が開発された。この液冷装置および液冷方法は、時として不充分なことがある。しかし、従来技術では採用できる満足のいく解決策がない。よって、従来技術の装置よりも多量の熱を取り除くことができる冷却装置の開発が求められている。
【０００４】
典型的には、ロータとステータとの間には非常に狭い間隙が使用されている。つい最近、従来技術の狭い間隙による摩擦損を最小化するためにロータとステータとの間により広い間隙を使用する電気機械式回転機械構造が開発された。従来技術の機械は、種々の方法で機械を通って経路づけられる内部冷却空気流を取り入れているが、ロータとステータとの間の間隙が狭いと高速回転において冷却に十分な冷却空気流を流すことができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
他の従来技術の機械は、間隙の油を移動させるかまたは間隙に追加の油が入るのを防止するために始動手順において加圧空気を加える。従来技術は、高回転速度で間隙に加圧空気を供給するとロータやステータの所望でない摩耗および加熱が生じるので、間隙において冷却のために空気を使用してはならないことを示している。
【０００６】
従って、空気流によってロータおよびステータの面から熱を直接取り除くことにより改善された冷却を提供する、改善された電気機械式回転機械装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、入口と出口とを含むハウジングを有する回転機械冷却装置を提供する。ロータが、軸を中心に回転するようにハウジング内に支持されるとともに外側面を備える。ステータが、ハウジング内でかつロータの周囲に配置されるとともに、ロータの外側面に隣接する内側面を備える。内側面と外側面との間には対流冷却を可能にする十分な間隙が形成される。この間隙は、入口および出口と流体的に連通しており、ポンプ装置が、入口から間隙内に流入して出口を通過するように冷却ガスを送り込む。このポンプ装置は、間隙に軸方向に流入する空気流を発生させるためにロータの端部に固定されたインペラを含む。好ましくは、本発明の空冷装置は、ステータの外部に配置された液冷装置と共に使用される。この液冷装置は、機械から所望の量の熱を取り除くために間隙の間に流す必要がある空気の量を減少させる。これにより、一体型冷却ファンのシャフトの消費電力が減少するとともに、冷却ダクトの寸法が最小化され、かつ関連する騒音レベルが減少する。
【０００８】
よって、上述の発明によって、ロータおよびステータの面から熱を直接取り除くために空気流を使用することにより改善された冷却を提供する、改善された電気機械式回転機械が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１には、電気機械式回転機械１０が示されている。この機械１０は、ロータ１４の両側に配置された軸受１６によってロータ１４が内部に支持されたハウジング１２を含む。ハウジング１２は、互いに固定された１つまたは複数の部品を含みうる。オイルシール１８が、軸受１６のさらに内側でハウジング１２とロータ１４との間に設けられている。機械において追加の軸受やシールが使用可能であることは理解されよう。ハウジング１２内でかつロータ１４の周囲にはステータ１９が配置されている。機械１０は発電機とすることができ、この場合にはステータ１８内で発電するためにロータ１４が軸を中心に駆動される。また、機械１０はモータとすることができ、この場合にはステータ１９を通って電流が流れ、ロータ１４内に磁界が生成されてロータが軸を中心に回転する。
【００１０】
ロータ１４は、外側面２０を含み、ステータ１９は、外側面２０に隣接する内側面２１を含む。外側面２０と内側面２１との間に間隙２２が形成される。この間隙は、以下に説明するように、対流により面２０，２１を冷却するのに十分な空気が間隙２２を通過するのを可能にする一方で、機械１０の運転時における摩擦損を最小化するように設計されている。
【００１１】
ハウジングは、構造壁２３とこの壁２３から外側に離間されたシェル２６を含みうる。機械１０は、機械１０から熱を取り除くためにステータ１９の外側に配置された液冷装置２４を含むことが好ましい。液冷装置２４は、図１に示すように壁２３に固定された螺旋コイル２５とすることができる。このような冷却装置は、本出願人が有する米国特許出願第０９／８６２９１０号に開示されている。上述したように、液冷装置だけでは機械１０から所望の量の熱を取り除くことができないおそれがある。よって、この冷却装置を追加の冷却装置で補うことができる。
【００１２】
軸受１６は、油入口２８，２９から機械に流入する油Ｏで潤滑される。この油は、シール１８によってロータ端部に保持され、軸受１６を潤滑するとともに特に機械１０の所望の動作を妨げるおそれがある間隙２２の領域における機械内部への油Ｏの侵入を防止する。油Ｏは、軸受１６を潤滑した後に油出口３０，３１から流出して周知の油潤滑装置を通って再循環する。
【００１３】
ロータ１４およびステータ１９の領域において機械１０を冷却するために空気などのガスが使用される。特に、図２に最もよく示されるように、ロータ１４に連結されたインペラ３２などのポンプ装置が、概して軸方向で空気Ａを連続的に空気入口３４から間隙２２内に送り込む。図３に最もよく示されるように、加圧空気は空気出口４０から流出する。インペラから間隙に流入する空気の軸方向流れは、機械１０を通る流れを提供するとともに機械を通る空気流の他の経路で生じうる乱流を減少させる。
【００１４】
間隙２２を通過する空気は機械１０の内部に加圧室３６を形成し、この加圧室３６は軸受領域に油を保持するのを助ける。油が少しでも室３６に流入することは望ましくない。空気は、シール１８を通って漏れて油とともに油出口３０，３１から流出しうる。この場合には、機械１０は周知の方法で空気を利用して油を空気から分離するように設計可能であり、または周知のようにバッフルや通路を使用して油を空気から分離することもできる。
【００１５】
空気出口４０は、ステータ１９の巻線端部（ｅｎｄ  ｗｉｎｄｉｎｇｓ）３８の近傍に配置可能である。空気Ａは、ステータをさらに冷却するように巻線端部３８を通過する。空気は、巻線上部３８から出口４０まで実質的に径方向に流れる。図４に最もよく示すように、空気は、外側面２０および内側面２１と直接接触して流れる。ロータ１４およびステータ１９の面２０，２１から対流によって熱が直接取り除かれる。従来技術の機械で使用されることがある中間壁は、囲まれた機械部品内に熱を保持する断熱材として機能するので、ロータおよびステータの面から熱を効率的に取り除くことができない。
【００１６】
本発明は、例を挙げて説明したが、使用された用語は限定的なものではなく説明のために用いられている。上述の教示から本発明の多くの改良および変更が可能なことは明らかである。よって、請求項の範囲内であれば、具体的に説明した以外の方法で本発明を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る電気機械式回転機械の冷却装置の断面図である。
【図２】図１の円２の領域の拡大断面図である。
【図３】図１の円３の領域の拡大断面図である。
【図４】空冷間隙の拡大断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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