JP2010268677A

JP2010268677A - マルチパス軸方向冷却式発電機

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Publication number: JP2010268677A
Application number: JP2010107817A
Authority: JP
Inventors: Andrew David Maduskuie; アンドリュー・デヴィッド・マデュスクイー; Gary Randall Barnes; ゲーリー・マーシャル・バーンズ; Thomas Mancuso; トーマス・マンキューソ; Peter Anthony Dilorenzo; ピーター・アンソニー・ディロレンゾ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2010-11-25
Also published as: US8164225B2; KR20100122868A; DE102010016935A1; GB201007757D0; GB2470266A; US20100289349A1

Abstract

【課題】発電機を提供する。
【解決手段】本発電機（２）は、ハウジング（４）と、ハウジング（４）内に配置されたステータ（６）とを含む。ステータ（６）は、第２の端部（１２）に延びる第１の端部（１０）と、第１及び第２の端部（１０、１２）間で延びる複数の軸方向流路（２８）とを含む。本発電機（２）はまた、ステータ（６）の第１及び第２の端部（１０、１２）の少なくとも１つ上に設けられた少なくとも１つの空気流方向転換部材（４７）を含む。少なくとも１つの空気流方向転換部材（４７）は、複数の軸方向流路（２８）の隣り合う流路を流体連結する。少なくとも１つの空気流方向転換部材（４７）は、複数の軸方向流路（２８）の１つを通って第１の方向に流れる空気流を該複数の軸方向流路（２８）の隣接する流路内に向けて該第１の方向とは異なる第２の方向に案内する。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示した主題は、発電機の技術に関し、より具体的には、マルチパス軸方向冷却式ステータを含む発電機に関する。

一部の従来型の発電機では、半径方向空気流を利用して内部構成要素を冷却している。具体的には、軸方向空気流は、発電機のステータ部分を通して導かれる。ステータは、冷却空気流のための導管としての働きをする複数の通路を含む。冷却空気流は、複数の通路を通って１つの方向に流れて、ステータから熱を取去る。内部ステータ温度を低下させることによって、発電機の効率が高められる。

風力タービンで使用されるような小型発電機もまた、軸方向流路を有するステータを使用することができる。しかしながら、一部の発電機設計では、より短いステータ長さを使用している。従って、冷却空気流が効率的に利用されない。より具体的には、より短いステータ長さ及び対応するより短い軸方向流路では、ステータ及び空気流間での十分な伝熱に適した十分な時間が得られない。従って、より短尺の発電機では、冷却空気流の出口温度は、より大型の発電機の冷却空気流の出口温度よりも非常に低い。結果として、冷却空気流の熱伝達容量が、十分には利用されていないことになる。

本発明の１つの態様によると、発電機は、ハウジングと、ハウジング内に配置されたステータとを含む。ステータは、第２の端部に延びる第１の端部と、第１及び第２の端部間で延びる複数の軸方向流路とを含む。本発電機はまた、ステータの第１及び第２の端部の少なくとも１つ上に設けられた少なくとも１つの空気流方向転換部材を含む。少なくとも１つの空気流方向転換部材は、複数の軸方向流路の隣り合う流路を流体連結する。少なくとも１つの空気流方向転換部材は、複数の軸方向流路の１つを通って第１の方向に流れる空気流を該複数の軸方向流路の隣接する流路内に向けて該第１の方向とは異なる第２の方向に案内する。

本発明の別の態様によると、発電機ステータを冷却する方法は、発電機ステータ内に配置された第１の軸方向流路の第１の端部内に冷却空気流を案内するステップと、軸方向流路に沿って第２の端部に向けて第１の方向に冷却空気流を流すステップと、軸方向流路の第２の端部から隣接する軸方向流路の第１の端部に向けて冷却空気流を方向転換させるステップと、隣接する軸方向流路に沿って第１の方向と対向する第２の方向に冷却空気流を流して、マルチパス軸方向冷却式ステータを確立するようにするステップとを含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。

例示的な実施形態によるマルチパス軸方向冷却式発電機の左下方斜視図。例示的な実施形態による空気流方向転換部材を含むステータの分解図。例示的な実施形態による空気流方向転換部材の部分正面斜視図。例示的な実施形態による空気流方向転換部材の部分背面斜視図。別の例示的な実施形態により構成した空気流方向転換部材の部分正面斜視図。別の例示的な実施形態による空気流方向転換部材を含むステータの部分斜視図。

詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１〜図４を参照すると、例示的な実施形態により構成した発電機は、その全体を参照符号２で示している。発電機２は、ステータ６及びロータ（図示せず）を囲むハウジング４を含む。ステータ６は、中間部分１４を貫通して第２の端部１２に延びる第１の端部１０を含み、中間部分１４は、内径部分１６及び外径部分１７を形成する。図示するように、ステータ６は、その１つを参照符号１８で示した複数のスタック積層材から形成される。ステータ６は、内径部分１６上に形成された複数のスロット／グルーブ２０及び外径部分１７の周りに形成された複数の圧縮ボルトスロット２３を含む。

図２に最もよく示すように、ステータ６は、その全体を参照符号２８で示す複数の軸方向流路を含み、これら軸方向流路は、第１及び第２の端部１０及び１２間で延びる。軸方向流路２８は、ステータ６を貫通して流れる冷却空気流のための導管を構成する。ステータ６はまた、図示するように第１及び第２のフィンガ／圧縮プレート３２及び３３を含む。第１の圧縮プレート３２は、第１の端部１０に当接する一方、第２の圧縮プレート３３は、第２の端部１２に当接する。各圧縮プレートは、軸方向流路２８と一致した複数の開口部３５及び３６と、グルーブ２０と一致した複数のグルーブ３８及び３９と、圧縮ボルトスロット２３と一致した複数のノッチ４１及び４２を含む。この構成では、第１及び第２の圧縮プレート３２及び３３は、複数の積層材１８を互いに押圧して構造上及び振動上の目的のために１つの単一構造体を形成する働きをする。

この例示的な実施形態によると、ステータ６は、第１の空気流方向転換部材４７及び第２の空気流方向転換部材４８を含む。この図示する例示的な実施形態では、第１の空気流方向転換部材４７は、第１の圧縮プレート３２に取付けられかつそれに当接している一方、第２の空気流方向転換部材４８は、第２の圧縮プレート３３に取付けられかつそれに当接している。空気流方向転換部材４７及び４８は、例えば圧縮リング及び／又はボルトブロック（図示せず）を使用することにより、圧縮プレート３２及び３３の対応するプレートに取付けられる。各空気流方向転換部材４７、４８は、実質的に同一に形成されているので、第２の空気流方向転換部材４８が同様に構成されるという理解のもとで、以下に第１の空気流方向転換部材４７に関して詳細な説明を行なう。

図３に最もよく示すように、空気流方向転換部材４７は、内径セクション５６及び外径セクション５７を有しかつ第１の表面５９及び対向する第２の表面６０を形成した本体５４を含む。複数のグルーブ６３が、内径セクション５６に沿って放射状に延び、また複数のノッチ６５が、外径セクション５７に形成される。グルーブ６３は、グルーブ２０及び３８と一致するように配置され、一方、ノッチ６５は、ノッチ４１及び圧縮ボルトスロット２３と一致するように配置される。加えて、空気流方向転換部材４７は、その全体を参照符号７０で示す複数の開口部を含み、これら開口部７０は、以下でさらに十分に詳述するように複数の軸方向流路２８の選択流路と一致させて入口及び出口（別個には参照符号を付さず）を形成する。

さらにこの例示的な実施形態では、空気流方向転換部材４７は、その全体を参照符号７４で示す複数の空気流方向転換構成要素を含む。各空気流方向転換構成要素は、ガイド部分８２を通して第２の端部部分８１に延びる第１の端部部分８０を含む。加えて、各空気流方向転換構成要素は、第２の表面６０から見ると凹面形である弓形セクション８６（図４）を含む。この構成では、第１の端部部分８０は、複数の軸方向流路２８の１つと一致するように位置合せされる一方、第２の端部部分８１は、複数の軸方向流路２８の別の１つにと一致するように位置合せされる。このようにして、入口開口部（別個には参照符号を付さず）の１つに流入する空気は、複数の軸方向流路２８の１つを通って流れ、空気流方向転換構成要素７４に衝突し、かつ出口開口部（別個には参照符号を付さず）の１つから流出する前に複数の軸方向流路２８の別の１つ内に方向転換されて、空気流はステータ６を複数回流れるようになる。

図５に示す１つの例示的な実施形態によると、空気流方向転換部材９０は、例えばポリエチレン、ポリプロピレン又はポリアミドのような熱可塑性ポリマーで成形される。空気流方向転換部材９０はまた、繊維強化ポリマー又は繊維強化有機化合物で成形することができる。空気流方向転換部材９０は、複数の空気流方向転換構成要素９２、並びに複数の軸方向流路２８のそれぞれの流路と一致するように構成された複数の開口部９４を含む。空気流方向転換部材９０は、樹脂加工プロセス後にステータ６に付加される。

本発明の別の態様によると、空気流方向転換部材４７は、圧縮プレートを構成する。この構成では、空気流方向転換構成要素７４は、圧縮プレート内にスタンプ加工される。このようにして、スタンプ加工空気流方向転換部材を圧縮プレートとして使用して、複数の積層材を互いに押圧して１つの単一構造体を形成する。従って、付加的圧縮プレートの必要性はなく、ステータ６はより少ない構成要素を使用して形成することができる。いずれにしても、冷却空気流は、ステータ６を通って複数回流れて熱吸収を強化する。つまり、大きな付加的熱伝達容量を有する冷却空気は、ステータ１００から流出しない。冷却空気流の軸方向マルチパスは、風力発電及び海洋／水力発電用途に用いられるような薄い外形を有する発電機に特に有利であるが、しかしながら冷却空気流の軸方向マルチパスは、様々な用途の幅広い発電機モデル構成にも利用することができる。

次に、本発明の別の例示的な態様により構成したステータ１００の説明するにあたり、図６を参照する。図示するようにステータ１００は、中間部分１０８を通って第２の端部１０６に延びる第１の端部１０４を含み、中間部分１０８は、内径部分１１１及び外径部分１１２を形成する。図示するように、ステータ１００は、その１つを参照符号１１３で示す複数のスタック積層材から形成される。ステータ１００は、内径部分１１１上に形成された複数のスロット／グルーブ１１５及び外径部分１１２の周りに形成された複数の圧縮ボルトスロット１１８を含む。

加えて、ステータ１００は、その全体を参照符号１２２で示す複数の軸方向流路を含み、これら軸方向流路１２２は、第１及び第２の端部１０４及び１０６間で延びる。軸方向流路１２２の選択流路は、参照符号１２３で示すような入口を含む一方、軸方向流路１２２の他の選択流路は、参照符号１２４で示すような出口を含む。以下でさらに十分に詳述するように、軸方向流路１２２は、ステータ１００を貫通して流れる冷却空気流のための導管を構成する。ステータ１００はまた、図示するように第１及び第２のフィンガ／圧縮プレート１２９及び１３０を含む。第１の圧縮プレート１２９は、第１の端部１０４に当接する一方、第２の圧縮プレート１３０は、第２の端部１０６に当接する。圧縮プレート１２９は、その１つを参照符号１３５で示しておりかつ軸方向流路１２２と一致した複数の開口部と、参照符号１３８で示しておりかつグルーブ１１５と一致した複数のグルーブと、圧縮ボルトスロット１１８と一致した複数のノッチ１３９とを含む。言うまでもなく、圧縮プレート１３０も同様の構造を備えていると理解されたい。上述したのと同様に、第１及び第２の圧縮プレート１２９及び１３０は、複数の積層材１１３を互いに押圧して構造上及び振動上の目的のために１つの単一構造体を形成する働きをする。

さらにこの図示する例示的な実施形態によると、ステータ１００は、第１の空気流方向転換部材１４０及び第２の空気流方向転換部材１４１を含む。第１の空気流方向転換部材１４０は、第１の端部１０４に形成された第１のチャネル１４４の境界を定める一方、第２の空気流方向転換部材１４１は、第２の端部１０６に形成された第２のチャネル１４５の境界を定める。より具体的には、チャネル１４４は、積層材１１８内に形成されかつ複数の軸方向流路の隣り合う流路を連結する一方、チャネル１４５は、第２の端部１０６において積層材１１８内に形成されかつチャネル１４４に連結された複数の軸方向流路１２２の１つと複数の軸方向流路の別の１つとに連結される。言うまでもなく、２つのチャネルのみを図示しかつ説明したが、ステータ１００は、外径部分１１２の周囲に延びる複数のチャネルを含むことを理解されたい。

この構成では、冷却空気流は、ステータ１００全体にわたって前後往復パターンで流れる。つまり、冷却空気は、入口１２３に流入し、複数の軸方向流路１２２の１つに沿ってチャネル１４５に流れ、複数の軸方向流路１２２の別の１つに移行した後に、チャネル１４４を通って流れて複数の軸方向流路１２２のさらに別の１つに移行し、かつ出口１２４から流出する。このようにして、冷却空気流は、ステータ１００を通って複数回流れて熱吸収を強化する。つまり、大きな付加的熱伝達容量を有する冷却空気は、ステータ１００から流出しない。冷却空気流の軸方向マルチパスは、風力発電及び海洋／水力発電用途に用いられるような薄い外形を有する発電機に特に有利であるが、しかしながら冷却空気流の軸方向マルチパスは、様々な用途の幅広い発電機モデル構成にも利用することができる。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

２発電機
４ハウジング
６ステータ
７ロータ（図示していない）
１０第１の端部
１２第２の端部
１４中間部分
１６内径部分
１７外径部分
１８積層材
２０スロット／グルーブ
２３取付け要素
２８軸方向流路
３２フィンガプレート
３３フィンガプレート
３５開口部
３６開口部
３８グルーブ
３９グルーブ
４１ノッチ
４２ノッチ
４７第１の空気流方向転換部材
４８第２の空気流方向転換部材
５４本体
５６内径セクション
５７外径セクション
５９第１の表面
６０第２の表面
６３グルーブ
６５ノッチ
７０複数の開口部
７４空気流方向転換構成要素
８０第１の端部部分
８１第２の端部部分
８２ガイド部分
８６弓形セクション（凹面形）
１００ステータ
１０４第１の端部
１０６第２の端部
１０８中間部分
１１１内径部分
１１２外径部分
１１３積層材
１１５スロット／グルーブ
１１８取付け要素
１１２軸方向流路
１２３入口
１２４出口
１２９フィンガプレート
１３０フィンガプレート
１３６開口部
１３７開口部
１３８グルーブ
１３９ノッチ
１４０第１の空気流方向転換部材
１４１第２の空気流方向転換部材
１４４チャネル
１４５チャネル

Claims

ハウジング（４）と、
前記ハウジング（４）内に配置され、かつ第２の端部（１２）に延びる第１の端部（１０）並びに前記第１及び第２の端部（１０、１２）間で延びる複数の軸方向流路（２８）を備えたステータ（６）と、
前記ステータ（６）の第１及び第２の端部（１０、１２）の少なくとも１つ上に設けられ、かつ前記複数の軸方向流路（２８）の隣り合う流路を流体連結した少なくとも１つの空気流方向転換部材（４７、４８、１４０）と、を含み、
前記少なくとも１つの空気流方向転換部材が、前記複数の軸方向流路（２８）の１つを通って第１の方向に流れる空気流を該複数の軸方向流路（２８）の隣接する流路内に向けて該第１の方向とは異なる第２の方向に案内する、
発電機（２）。
前記少なくとも１つの空気流方向転換部材が、少なくとも１つの空気流方向転換構成要素（７４）を含む、請求項１記載の発電機（２）。
前記少なくとも１つの空気流方向転換構成要素（７４）が、空気を第２の端部部分（８１）に導く第１の端部部分（８０）を含み、
前記第１の端部部分（８０）が、前記複数の軸方向流路（２８）の１つに位置合せされ、また前記第２の端部部分（８１）が、前記複数の軸方向流路（２８）の別の１つに位置合せされる、
請求項２記載の発電機（２）。
前記少なくとも１つの空気流方向転換部材（４７）が、少なくとも２つの開口部（７０）を含み、
前記少なくとも２つの開口部（７０）の１方が、前記複数の軸方向流路（２８）の１つと一致しかつ入口を形成し、また前記少なくとも２つの開口部（７０）の他方が、前記複数の軸方向流路の別の１つと一致しかつ出口を形成する、
請求項２記載の発電機（２）。
前記少なくとも１つの空気流方向転換部材は、前記ステータ（６）の第１の端部（１０）に取付けられた第１の空気流方向転換部材（４７）及び前記ステータ（６）の第２の端部（１２）に取付けられた第２の空気流方向転換部材（４８）からなる、請求項１乃至４のいずれか１項記載の発電機（２）。
前記少なくとも１つの空気流方向転換部材（１４０）が、前記ステータ（１００）内に形成された少なくとも１つのチャネル（１４４）の境界を定め、
前記少なくとも１つのチャネル（１４４）が、前記複数の軸方向流路（１２２）の隣り合う流路間で延びる、
請求項１記載の発電機（２）。
前記ステータ（１００）が、複数の積層材（１１３）を含み、
前記少なくとも１つのチャネル（１４４）が、前記複数の積層材（１１３）の１つ内に形成される、
請求項６記載の発電機（２）。
前記少なくとも１つのチャネルが、前記ステータ（１００）の第１の端部（１０４）において前記複数の積層材（１１３）内に形成された第１のチャネル（１４４）及び前記ステータ（１００）の第２の端部（１０６）において前記複数の積層材（１１３）内に形成された第２のチャネル（１４５）を含む、請求項６記載の発電機（２）。
前記第１のチャネル（１４４）が、前記複数の軸方向流路（１２２）の第１の流路及び該複数の軸方向流路（１２２）の第２の流路を連結し、
前記第２のチャネル（１４５）が、前記複数の軸方向流路（１２２）の第２の流路を該複数の軸方向流路（１２２）の第３の流路と連結する、
請求項８記載の発電機（２）。
前記少なくとも１つのチャネル（１４４）が、前記複数の積層材（１１３）の１つ内に形成されたスロットを含む、請求項６記載の発電機（２）。