JP2013536673A - 電気機械の流体冷却のためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、米国特許出願第12/868,712号(2010年8月25日出願)、および米国特許出願第12/958,321号(2010年12月1日出願)の優先権を主張し、後者は、米国特許出願第12/868,712号(2010年8月25日出願)の一部継続出願であり、これらの出願のすべては、その全体が参照することにより本明細書に援用される。
本明細書で記述される全ての出版物、特許、および特許出願は、各個別出版物、特許、または特許出願が、参照することにより援用されるように特異的かつ個別に示された場合と同じ程度に、参照することにより本明細書に援用される。
図1は、本発明の実施形態による電気機械を示す。本発明のいくつかの実施形態では、電気機械は、三相AC誘導モータ等のモータであってもよい。代替として、電気機械は、任意の種類のモータ、発電機、または何らかの形態の電気および機械接続を必要とし得る任意の種類の機械であってもよい。
前述のように、図1は、本発明の実施形態による、それを通って流体が電気機械に進入し得る入口ポート41および流体分配マニホールド42を示す。いくつかの実施形態では、入口ポートは、電気機械の側面上にあるように配向されてもよい。他の実施形態では、入口ポートは、電気機械の最上部または電気機械の底部からであるように配向されてもよい。場合によっては、入口ポートは、液体が流体分配マニホールドへ水平に流れるように配向されてもよい。代替として、入口ポートは、垂直に、または10度の角度、15度の角度、30度の角度、45度の角度、60度の角度、75度の角度、あるいは80度の角度を含み得るが、それらに限定されない角度で、配向されてもよい。場合によっては、1つ、2つ、3つ、またはそれ以上の入口ポートが提供されてもよく、各入口ポートは、所望に応じて、任意の構成、場所、または配向を有してもよい。各入口ポートは、同じ流体分配マニホールドに接続してもよく、または代替として、相互と流体連通していてもしてなくてもよい異なるマニホールドに接続してもよい。各入口ポートは、同じ流体または異なる種類の流体を受け入れてもよい。入口ポートは、マニホールドの使用によって、またはよらずに、電気機械の筐体の任意の部分上に提供されてもよい。いくつかの実施形態では、マニホールドは、電気機械の筐体の一部として提供されてもよく、および/または電気機械内に含有されてもよい。他の実施形態では、マニホールドは、別個の部品として提供され、電気機械の筐体に取り付けられてもよい。依然として他の実施形態では、マニホールドは、マニホールドの一部分が機械に取り付けられる別個の部分として提供され、マニホールドの別の部分が機械の一部として提供される、および/または機械内に含有されるように、提供されてもよい。
いくつかの実施形態では、流体は、固定子流体流路を通って流れ得る。図1は、本発明の実施形態による、電気機械筐体4と固定子アセンブリ5との間を流れるように流体を送り得る冷却流体経路を示す。流体は、場所2において1つ以上の流体流動通路に進入してもよく、筐体4の内面上の円周溝または周囲溝によって形成される1つ以上の空洞6を通って流れてもよい。代替として、または加えて、流体は、筐体4の内面および/または固定子アセンブリ5の外側面上の溝または他の特徴によって形成される、固定子の長さに沿った1つ以上の通路を通って流れてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、流体は、固定子の円周または周囲の1つ以上の通路を通って流れ、および/または、任意の方向あるいは複数の方向の固定子の長さに沿った1つ以上の通路を通って流れてもよい。場合によっては、流体は、固定子積層の縁において固定子の長さに沿った通路のうちの1つ以上から退出してもよく、流体が固定子座巻の上で、および/またはそれを通って、回転子タンブリング上へ流れることを可能にする。したがって、固定子流体流路は、流体が固定子アセンブリ5の外側面、固定子座巻、および回転子端絡環に直接的に接触することを可能にし得る、1つ以上の流体流動通路を備えてもよい。本明細書で言及される固定子積層、固定子座巻、および回転子端絡環は、本明細書で説明される本発明から逸脱することなく、任意の種類の電気機械の中の任意の他の同様の構造または構成要素を含んでもよいことが明白になるであろう。
流体流路が、回転する回転子(または電機子等の他の種類の電気機械の中の同様の動的構成要素)および静止固定子アセンブリを冷却するための実施形態が、この項で説明される。
軸受流体流路もまた、本発明の実施形態に従って提供されてもよい。軸受への流体経路は、潤滑および冷却のために、流体が軸受を通って流れることを可能にしてもよい。これは、より高い動作速度、より長い連続動作、より高い機械耐久性および信頼性、およびより長い機械寿命を促進してもよい。増加した動作速度は、より高い電力を産生し、電気機械からより高い電力密度を達成することを実現する主要な要因であり得る。
図2Aは、本発明の実施形態による、軸受流体流路の拡大図を示す。流体注入システムの軸受流体流路では、流体は、空洞45の中へ方向付けられてもよく、そこで流体は、軸受7と流体注入器ノズル9との間で分割されてもよい。したがって、空洞45は、流体が2つ以上の方向に分かれ得る、分岐点を形成してもよい。いくつかの実施形態では、流体流動は、軸受を潤滑および冷却するように軸受7を通して流体のうちの一部を方向付け得る、軸受流体流路と、回転子および固定子に向かって注入器ノズル9と機械シャフト11との間の間隙10を通して流体のうちの一部を同様に方向付け得る、回転子流体流路に分かれてもよい。
本発明の別の実施形態では、前述の方法と比較して、軸受流体流路および回転子流体流路のための流体流動の代替的方法が提供されてもよい。図1Eに示されるように、回転子流体流路IIA、IIB、および軸受流体流路IIIA、IIIBは、同じ流体流動通路IIA+IIIA、IIB+IIIBを起点としてもよく、別個の回転子流体流路IIA、IIB、および別個の軸受流体流路IIIA、IIIBに分岐しなくてもよい。代わりに、単一の流体流動通路IIA+IIIA、IIB+IIIBが、軸受流体流路IIIA、IIIBを通って、次いで、連続して回転子流体流路IIA、IIBを通って順次に流れるように、流体を方向付けてもよい。この方法は、流体が潤滑および冷却のために1つ以上の軸受を通って流れることを可能にしてもよく、次いで、後に、流体が回転子および固定子アセンブリの冷却のために回転子流体流路を通って流れることを可能にしてもよい、独自の流体流路を提示する。この方法は、より大きい軸受が使用される時に、特に適用可能であってもよいが、随意で、任意のサイズの軸受とともに使用されてもよい。
図3は、本発明の実施形態による、回転子流体流路を示す。遠心ポンプディスク34が、回転子35の表面に隣接して提供されてもよい。遠心ポンプディスクは、注入器ノズル9から一体的に形成されてもよい。代替として、遠心ポンプディスクは、注入器ノズルから分離していてもよい。ポンプディスクおよび回転子は、回転子流体流路の一部となり得る間隙16を形成してもよい。
P+1/2ρV2+ρgh=K
であり、ここで、
Pは、圧力であり、
ρは、密度であり、
Vは、流体速度であり、
gは、重力であり、
hは、高さの変化であり、
Kは、定数である。
従来の機械では、電気機械の回転子端絡環はしばしば、機械筐体の中で空気を循環させ、対流熱伝達を増加させるように、フィンを伴って作製される。
図8は、電気機械の伝導性シャフトシール、ならびにACインバータを用いて駆動される電気機械の中に存在し得る同極流束経路の説明図を示す。これらの流束経路は、回転子35、固定子5、および筐体4の間に循環電流43を生成してもよい。回転子が固定子および/または筐体から電気的に絶縁されない場合、これらの電流は、特に軸受が金属製、または別様に導電性であれば、機械軸受7を通って流れ得る。
図1は、本発明の実施形態による、電気機械の実施例を提供する。電気機械は、流体注入システムを含んでもよく、機械内で種々の流体流路を提供してもよい。流体は、電気機械の冷却および/または潤滑に使用されてもよい。流体温度は、機械の熱源からの熱伝達を通して上昇させられてもよく、その後に流体が機械の基部に集合してもよく、そこで図4に示されるような外部遠隔の熱交換器に送出されてもよい。
図4は、本発明の実施形態による、電気機械24を通して流体を循環させるために使用され得るシステムの概念図を示す。電気機械24は、ポンプ25と流体連通しているように提供され得る。ポンプは、熱交換器27と流体連通し得るフィルタ26と流体連通し得る一方向逆止弁19と流体連通していてもよい。熱交換器27は、流体流動回路を完成するように電気機械24と流体連通していてもよい。代替として、ポンプは、フィルタ26と流体連通し得る熱交換器27と流体連通し得る、一方向逆止弁19と流体連通していてもよい。フィルタ26は、流体流動回路を完成するように電気機械24と流体連通していてもよい。他の代替実施形態では、流体循環システムの構成要素は、流体流動回路の中で任意の順序で配列されてもよい。さらに、複数の1つ以上の構成要素が、回路に含まれてもよく、および/または構成要素のうちの1つ以上が、回路から排除されてもよい。
図4は、本発明の一実施形態に従って、再循環ポンプ25が、電気機械24の流体出口から、逆止弁19を通し、フィルタデバイス26を通し、熱交換器27を通し、次いで、電気機械24の流体入口へ流体を移動させてもよいことを示す。再循環ポンプは、システム内において流体流動を駆動してもよい。場合によっては、再循環ポンプは、流体の流速を変化させるように制御されてもよい。例えば、流体の流速は、再循環ポンプを制御することによって増加させられ、減少させられ、維持されてもよい。したがって、流体の流速は、制御可能な再循環ポンプに基づいて変化させられ、および/または維持されてもよい。流体の流速は、電気機械に提供される熱伝達率に影響を及ぼしてもよい。この再循環熱伝達回路では、機械筐体4は、図1に示されるように、流体を再循環させるための熱膨張チャンバ、プレナム、および/または貯留部の役割を果たしてもよい。
図6は、本発明の実施形態による、流体的に密閉された機械エンクロージャを示す。流体注入システムを実装するために、機械筐体4は、機械からの内部流体の漏出を防止するために、筐体特徴が全ての接合部および分岐点において密閉される密閉エンクロージャであってもよい。流体的に密閉された構造の使用は、一般的には、従来の機械には必要とされなくてもよいが、流体注入機械設計にとって重要な特徴であってもよい。
Claims (46)
- 電気機械であって、
該電気機械は、
回転子であって、該回転子は、回転シャフトに固定され、1つ以上の軸受によって支持される、回転子と、
固定子であって、該固定子は、該回転可能な回転子およびシャフトに対して静止し、該回転子と該固定子との間に間隙を有する、固定子と、
該機械の全体または一部を包囲する筐体と、
該機械内の複数の流体流動通路であって、該流体流動通路は、
該固定子と該筐体との間の1つ以上の固定子流体流路と、
該回転シャフトに沿って該回転子および固定子に向かう1つ以上の回転子流体流路と、
少なくとも1つの軸受に接触する1つ以上の軸受流体流路と
を含む、流体流動通路と
を備える、電気機械。 - 固定子流体流路は、前記筐体の内面上に円周溝または周囲溝を備え、該溝は、前記固定子の外側面と該筐体の内側面との間に空洞を形成する、請求項1に記載の電気機械。
- 流体が、前記固定子の周りを円周方向または周囲方向に、該固定子の前記外側面と前記筐体の前記内側面との間の前記空洞を通って流れるように方向付けられる、請求項2に記載の電気機械。
- 前記流体は、前記固定子の前記外側面に直接的に接触する、請求項3に記載の電気機械。
- 回転子流体流路は、流体注入器ノズルを備え、該注入器ノズルは、前記回転シャフトを包囲し、該注入器ノズルと該シャフトとの間に間隙を形成する、請求項1に記載の電気機械。
- 流体が、前記回転シャフトに沿って、前記注入器ノズルと前記シャフトとの間の前記間隙を通り、前記回転子に向かって流れるように方向付けられる、請求項5に記載の電気機械。
- 前記流体は、前記注入器ノズルと前記回転子の表面との間の間隙を通って該注入器ノズルから退出する、請求項6に記載の電気機械。
- 前記注入器ノズルから退出する前記流体は、前記回転子の前記表面の上を流れ、次いで、該回転子の端絡環の上および周囲を流れ、次いで、遠心力によって前記固定子に向かって流れるように方向付けられる、請求項7に記載の電気機械。
- 少なくとも1つの流体流動通路は、分岐点に至り、該流体流動通路は、軸受に接触する軸受流体流路と、前記回転子に接触する回転子流体流路とに分かれる、請求項1に記載の電気機械。
- 前記軸受流体流路と回転子流体流路との間に計量デバイスをさらに備え、該計量デバイスは、前記軸受に接触するように流れる流体と前記回転子に接触するように流れる流体との相対量を決定するように構成される、請求項9に記載の電気機械。
- 前記筐体の全体または一部は、流体的に密閉されていることにより、流体が、指定された入口および出口ポートにおける場合を除いて、前記機械に進入すること、または該機械から退出することを妨げられる、請求項1に記載の電気機械。
- 電気機械を冷却および潤滑するための方法であって、
該方法は、
回転シャフトに固定される回転子を提供することと、
固定子を提供することであって、該固定子は、該回転可能な回転子およびシャフトに対して静止し、該回転子と該固定子との間に間隙を有している、ことと、
該機械の全体または一部を包囲する筐体を提供することと、
該機械内に複数の流体流動通路を提供することであって、該流体流動通路は、
該固定子と該筐体との間の1つ以上の固定子流体流路と、
該回転シャフトに沿って該回転子および固定子に向かう1つ以上の回転子流体流路と、
少なくとも1つの軸受に接触する1つ以上の軸受流体流路と
を含む、ことと
を含む、方法。 - 固定子流体流路は、前記筐体の内面上に円周溝または周囲溝を提供することを含み、該溝は、前記固定子の外側面と該筐体の内側面との間に空洞を形成する、請求項12に記載の方法。
- 流体を流すことをさらに含み、それにより、該流体は、前記固定子の前記外側面と前記筐体の前記内側面との間の前記空洞を通って、該固定子の周りを円周方向または周囲方向に流れる、請求項13に記載の方法。
- 前記流体は、前記固定子の前記外側面に直接的に接触し、熱が該固定子から該流体に移動することを可能にし、それにより、該固定子を冷却する、請求項14に記載の方法。
- 回転子流体流路は、流体注入器ノズルを提供することを含み、該注入器ノズルは、前記回転シャフトを包囲し、該注入器ノズルと該シャフトとの間に間隙を形成する、請求項12に記載の方法。
- 前記回転シャフトに沿って、前記注入器ノズルと前記シャフトとの間の前記間隙を通り、前記回転子に向かって流体を流すことをさらに含む、請求項16に記載の方法。
- 前記流体は、前記注入器ノズルと前記回転子の表面との間の間隙を通って該注入器ノズルから退出する、請求項17に記載の方法。
- 前記注入器ノズルから退出する前記流体は、前記回転子の前記表面の上を流れ、次いで、該回転子の端絡環の上および周囲を流れ、次いで、遠心力によって前記固定子に向かって流れる、請求項18に記載の方法。
- 前記流体は、前記回転子の前記表面、該回転子の端絡環、および前記固定子に直接的に接触し、熱が該回転子から該流体に、および該固定子から該流体に移動することを可能にし、それにより、該回転子および固定子を冷却する、請求項19に記載の方法。
- 少なくとも1つの流体流動通路は、分岐点を提供することを含み、該流体流動通路は、軸受に接触する軸受流体流路と、前記回転子に接触する回転子流体流路とに分かれる、請求項12に記載の方法。
- 前記軸受流体流路を通して流体を流すことをさらに含み、該流体は、前記軸受に直接的に接触し、該軸受を通って流れる、請求項21に記載の方法。
- 前記流体は、前記軸受に対して潤滑を提供し、熱が該軸受から該流体に移動することを可能にし、それにより、該軸受を冷却する、請求項22に記載の方法。
- 前記筐体の全体または一部は、流体的に密閉されていることにより、流体が、指定された入口および出口ポートにおける場合を除いて、前記機械に進入すること、または該機械から退出することを妨げられる、請求項12に記載の方法。
- 電気機械であって、
該電気機械は、
回転子であって、該回転子は、回転シャフトに固定され、1つ以上の軸受によって支持される、回転子と、
固定子であって、該固定子は、該回転可能な回転子およびシャフトに対して静止し、該回転子と固定子との間に間隙を有している、固定子と、
該機械の全体または一部を包囲する筐体と、
該固定子と該筐体との間の1つ以上の固定子流体流路であって、該固定子流体流路は、流体が該固定子の外側面に直接的に接触することを可能にする1つ以上の流体流動通路を備える、固定子流体流路と
を備える、電気機械。 - 前記固定子流体流路は、前記筐体の内面上に1つ以上の円周溝または周囲溝を備え、該1つ以上の溝は、前記固定子の外側面と該筐体の内側面との間に1つ以上の空洞を形成する、請求項25に記載の電気機械。
- 流体が、前記固定子の前記外側面と前記筐体の前記内側面との間の前記1つ以上の空洞を通って、該固定子の周りを円周方向または周囲方向に流れるように方向付けられる、請求項26に記載の電気機械。
- 前記流体は、前記固定子の前記外側面に直接的に接触する、請求項27に記載の電気機械。
- 前記固定子流体流路は、前記筐体の内面または前記固定子の前記外側面上に1つ以上の溝または他の表面特徴を備え、該1つ以上の溝または他の表面特徴は、該固定子の長さに沿って、該固定子の外側面と該筐体の内側面との間に1つ以上の通路を形成する、請求項25に記載の電気機械。
- 流体が、前記固定子の長さに沿って、該固定子の前記外側面と前記筐体の前記内側面との間の前記1つ以上の通路を通って流れるように方向付けられる、請求項29に記載の電気機械。
- 前記流体は、前記固定子の前記外側面に直接的に接触する、請求項30に記載の電気機械。
- 前記1つ以上の通路は、前記流体が前記固定子の縁において該通路から退出することを可能にする、請求項30に記載の電気機械。
- 前記固定子の前記縁において前記1つ以上の通路から退出する前記流体は、前記回転子の外側面に直接的に接触する、請求項32に記載の電気機械。
- 前記固定子の前記外側面は、1つ以上の特徴を含み、該1つ以上の特徴は、流体流動を該固定子の表面の周囲に、若しくはそれに沿って方向付けるか、または前記1つ以上の流体流動通路の表面積を増加させる、請求項25に記載の電気機械。
- 前記筐体の前記内側面は、1つ以上の特徴を含み、該1つ以上の特徴は、流体流動を前記固定子の表面の周囲に、若しくはそれに沿って方向付けるか、または前記1つ以上の流体流動通路の表面積を増加させる、請求項25に記載の電気機械。
- 前記筐体の全体または一部は、流体的に密閉されているこよにより、流体が、指定された入口および出口ポートにおける場合を除いて、前記機械に進入すること、または該機械から退出することを妨げられる、請求項25に記載の電気機械。
- 電気機械を冷却するための方法であって、
該方法は、
回転シャフトに固定される回転子を提供することと、
固定子を提供することであって、該固定子は、該回転可能な回転子およびシャフトに対して静止し、該回転子と固定子との間に間隙を有している、ことと、
該機械の全体または一部を包囲する筐体を提供することと、
該固定子と該筐体との間に1つ以上の固定子流体流路を提供することであって、該固定子流体流路は、流体が該固定子に直接的に接触することを可能にする1つ以上の流体流動通路を備える、ことと、
流体を該固定子と該筐体との間の1つ以上の通路の中に流すことであって、その結果、該流体は、該固定子に直接的に接触し、熱が該固定子から該流体に移動することを可能にし、それにより、該固定子を冷却する、ことと
を含む、方法。 - 前記固定子流体流路は、前記筐体の内面上に1つ以上の円周溝または周囲溝を提供することを含み、該1つ以上の溝は、前記固定子の外側面と該筐体の内側面との間に1つ以上の空洞を形成する、請求項37に記載の方法。
- 流体を流すことをさらに含み、それにより、該流体は、前記固定子の周りを円周方向または周囲方向に、該固定子の前記外側面と前記筐体の前記内側面との間の前記1つ以上の空洞を通って流れる、請求項38に記載の方法。
- 固定子流体流路は、前記筐体の内面または前記固定子の外側面上に1つ以上の溝または他の表面特徴を備え、該1つ以上の溝または他の表面特徴は、該固定子の長さに沿って、該固定子の外側面と該筐体の内側面との間に1つ以上の通路を形成する、請求項37に記載の方法。
- 流体を流すことをさらに含み、それにより、該流体は、前記固定子の長さに沿って、該固定子の前記外側面と前記筐体の前記内側面との間の前記1つ以上の通路を通って流れる、請求項40に記載の方法。
- 前記1つ以上の通路は、前記流体が前記固定子の縁において該通路から退出することを可能にする、請求項41に記載の方法。
- 前記固定子の前記縁において前記1つ以上の通路から退出する前記流体は、前記回転子の外側面に直接的に接触する、請求項42に記載の方法。
- 前記固定子の前記外側面上に1つ以上の特徴を提供することをさらに含み、該1つ以上の特徴は、流体流動を該固定子の表面の周囲に、またはそれに沿って方向付けるか、または該1つ以上の流体流動通路の表面積を増加させる、請求項37に記載の方法。
- 前記筐体の前記内側面上に1つ以上の特徴を提供することをさらに含み、該1つ以上の特徴は、流体流動を前記固定子の表面の周囲に、またはそれに沿って方向付けるか、または該1つ以上の流体流動通路の表面積を増加させる、請求項37に記載の方法。
- 前記筐体の全体または一部は、流体的に密閉されることにより、流体が、指定された入口および出口ポートにおける場合を除いて、前記機械に進入すること、または該機械から退出することを妨げられる、請求項37に記載の方法。
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