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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-10-02
(54)【発明の名称】高電流密度電気機械
(51)【国際特許分類】
H02K 9/18 20060101AFI20240925BHJP
【ＦＩ】
H02K9/18
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024518863
(86)(22)【出願日】2021-09-28
(85)【翻訳文提出日】2024-05-14
(86)【国際出願番号】 US2021052431
(87)【国際公開番号】W WO2023055343
(87)【国際公開日】2023-04-06
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】599078705
【氏名又は名称】シーメンス エナジー インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110003317
【氏名又は名称】弁理士法人山口・竹本知的財産事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100075166
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 巖
(74)【代理人】
【識別番号】100133167
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100169627
【弁理士】
【氏名又は名称】竹本 美奈
(72)【発明者】
【氏名】ウオーレン，ボビー エー．
(72)【発明者】
【氏名】リコ，ラウール リカルド
(72)【発明者】
【氏名】ローリー，クリストファー
【テーマコード（参考）】
5H609
【Ｆターム（参考）】
5H609BB03
5H609PP02
5H609PP06
5H609PP07
5H609PP09
5H609QQ02
5H609QQ03
5H609QQ09
5H609QQ12
5H609QQ13
5H609RR36
5H609RR37
5H609RR42
5H609RR43
5H609RR51
(57)【要約】
電気機械は、固定子ボアと固定子巻線を有する固定子を含み、固定子巻線は、電流を受け取り、１ＭＷから５０ＭＷの間の電力を有する電流を生成するように配置され、固定子は、５Ａ／ｍｍ２以上の固定子電流密度を有するし、ロータは、少なくとも部分的に固定子ボア内に配置され、ロータ巻線を有し、ロータの電流密度は５Ａ／ｍｍ２以上であって、高圧冷却システムは、固定子とロータを能動的に冷却するように作動可能であり、ロータ巻線と固定子巻線は、電流の受信に応じて、接続された装置を駆動するためにロータの回転を生成することと、接続された装置によって駆動されるロータの回転に応じて電流を生成することのいずれかに相互作用する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気機械であって、固定子ボアおよび固定子巻線を含む固定子であって、前記固定子巻線は、電流を受け取り、１ＭＷから５０ＭＷの間の電力を有する電流を生成するように配置され、前記固定子は、５Ａ／ｍｍ２より大きい固定子電流密度を有する固定子、
固定子ボア内に少なくとも部分的に配置され、ロータ巻線を有するロータであって、ロータは５Ａ／ｍｍ２より大きいロータ電流密度を有するロータ、および、
前記固定子と前記ロータを能動的に冷却するように動作可能な高圧冷却システムであって、前記ロータ巻線および前記固定子巻線は、前記電流の受信に応答して接続された装置を駆動するためにロータの回転を生成することと、接続された装置によって駆動されるロータの回転に応じて電流を生成すること、のいずれかに相互作用する高圧冷却システム、
を含むことを特徴とする電気機械。
【請求項2】
ロータ電流密度と固定子電流密度はそれぞれ６～１０Ａ／ｍｍ２であることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
【請求項3】
前記固定子を囲む固定子ハウジングをさらに備え、前記固定子ハウジングは第１の軸受と第２の軸受を含み、前記ロータは前記第１の軸受と前記第２の軸受によって回転可能に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
【請求項4】
前記ロータ巻線に励磁電流を供給するように動作可能な励磁システムをさらに備え、前記励磁システムは、前記ロータによって回転するように支持され、前記第１の軸受と前記第２の軸受との間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電気機械。
【請求項5】
固定子ハウジング内に低圧空気流を含み、励磁システムおよび固定子を少なくとも部分的に冷却するように動作可能な低圧冷却回路をさらに備える、請求項４に記載の電気機械。
【請求項6】
前記低圧冷却回路は、前記ロータに結合され、前記低圧空気流を生成するように動作可能なファンを含む、請求項５記載の電気機械。
【請求項7】
高圧冷却システムは、高圧流体の第１の流れで固定子巻線を冷却するように動作可能な第１の冷却回路と、高圧流体の第２の流れでロータ巻線を冷却するように動作可能な第２の冷却回路とを含み、第２の冷却回路は第１の冷却回路とは別個である、請求項１に記載の電気機械。
【請求項8】
前記第１の冷却回路は、高圧流体の前記第１の流れおよび高圧流体の前記第２の流れを冷却するように動作可能な第１の熱交換器を含む、請求項７に記載の電気機械。
【請求項9】
前記第１の冷却回路は、高圧流体の前記第１の流れの圧力を増加させるように動作可能な第１のロータ取付けポンプと、高圧流体の前記第２の流れの圧力を増加させるように動作可能な第２のロータ取付けポンプとを含む、請求項７に記載の電気機械。
【請求項10】
前記第２の冷却回路は、前記高圧流体の第２の流れの圧力を増加させるように動作可能な第１のロータ取付けポンプと、前記ロータから分離され、前記高圧流体の第１の流れの圧力を増加させるように動作可能な外部ポンプとを含む、請求項７に記載の電気機械。
【請求項11】
前記第１の冷却回路は、前記ロータからそれぞれ分離された第１の外部ポンプおよび第２の外部ポンプを含み、第１の外部ポンプは、第１の高圧流体の流れの圧力を増加させるように動作可能であり、前記第２の外部ポンプは、第２の高圧流体の流れの圧力を増加させるように動作可能である、請求項７に記載の電気機械。
【請求項12】
前記第１の冷却回路および前記第２の冷却回路の各々は閉ループであり、第１の高圧流体の流れおよび第２の高圧流体の流れは空気を含む、請求項７に記載の電気機械。
【請求項13】
電気機械であって、固定子ボアと固定子巻線を含む固定子、
前記固定子ボア内に少なくとも部分的に配置され、ロータ巻線を有するロータ、
高圧流体の第１の流れで前記固定子巻線を冷却するように動作可能な第１の冷却回路、および、
高圧流体の第２の流れで前記ロータ巻線を冷却するように動作可能な第２の冷却回路、
を有し、前記第１の冷却回路と前記第２の冷却回路は閉じたシステムを構成する、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項14】
前記固定子巻線は、電流を受け、１ＭＷから５０ＭＷの間の電力を有する電流を生成するように配置され、前記ロータは５Ａ／ｍｍ２より大きいロータ電流密度を定義し、前記固定子は５Ａ／ｍｍ２より大きい固定子電流密度を定義する、請求項１３に記載の電気機械。
【請求項15】
前記ロータ電流密度と前記固定子電流密度はそれぞれ６Ａ／ｍｍ２から１０Ａ／ｍｍ２の間である、請求項１４に記載の電気機械。
【請求項16】
前記固定子を囲む固定子ハウジングをさらに含み、前記固定子ハウジングは第１の軸受と第２の軸受を含み、前記ロータは第１の軸受と第２の軸受によって回転可能に支持されている、請求項１３に記載の電気機械。
【請求項17】
前記固定子ハウジング内に低圧空気流を含み、励磁システムおよび前記固定子を少なくとも部分的に冷却するように動作可能な低圧冷却回路をさらに備える、請求項１６に記載の電気機械。
【請求項18】
前記低圧冷却回路は、前記ロータに結合され、前記低圧空気流を生成するように動作可能なファンを含む、請求項１７に記載の電気機械。
【請求項19】
高圧流体の前記第１の流れおよび高圧流体の前記第２の流れを冷却するように動作可能な第１の熱交換器と、低圧流体の流れを冷却するように動作可能な第２の熱交換器とをさらに含む、請求項１７に記載の電気機械。
【請求項20】
第１の冷却回路は、高圧流体の第１の流れの圧力を増加させるように動作可能な第１のロータ取付けポンプと、高圧流体の第２の流れの圧力を増加させるように動作可能な第２のロータ取付けポンプとを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の電気機械。
【請求項21】
前記第１の冷却回路は、前記高圧流体の第２の流れの圧力を増加させるように動作可能な第１のロータ取付けポンプと、前記ロータから分離され、前記高圧流体の第１の流れの圧力を増加させるように動作可能な外部ポンプとを含む、請求項１３に記載の電気機械。
【請求項22】
前記第１の冷却回路および前記第２の冷却回路のそれぞれが閉ループであり、前記高圧流体の第１の流れおよび前記高圧流体の第２の流れが空気を含む、請求項１３に記載の電気機械。
【請求項23】
電気機械であって、固定子ボアと固定子巻線を含む固定子と、
前記固定子を囲むように配置され、第１の軸受を支持する第１の壁と第２の軸受を支持する第２の壁とを含む固定子ハウジング、
前記固定子ボア内に少なくとも部分的に配置されロータ巻線を有するロータであって、前記第１の軸受と前記第２の軸受によって回転可能に支持された前記ロータ、
前記ロータに結合され、前記第１の軸受と前記第２の軸受の間の前記固定子ハウジング内に配置された励磁システムであって、前記ロータ巻線に励磁電流を供給するように動作可能な前記励磁システム、および
前記固定子巻線と前記ロータ巻線の一方を冷却するために高圧流体の第１の流れを供給するように作動可能な高圧冷却システム、
を含むことを特徴とする電気機械。
【請求項24】
前記固定子巻線は、電流を受け、１ＭＷから５０ＭＷの間の電力を有する電流を生成するように配置され、ロータは、５Ａ／ｍｍ２より大きいロータ電流密度を定義し、固定子は、５Ａ／ｍｍ２より大きい固定子電流密度を定義する、請求項２３に記載の電気機械。
【請求項25】
ロータ電流密度と固定子電流密度は、それぞれ６～１０Ａ／ｍｍ２であることを特徴とする、請求子２４に記載の電気機械。
【請求項26】
固定子ハウジング内に低圧空気流を含み、励磁システムおよび固定子を少なくとも部分的に冷却するように動作可能な低圧冷却回路をさらに含む、請求項２３に記載の電気機械。
【請求項27】
高圧冷却システムは、高圧流体の第１の流れを冷却するように動作可能な第１の熱交換器と、空気の低圧の流れを冷却するように動作可能な第２の熱交換器とを含む、請求項２６に記載の電気機械。
【請求項28】
高圧冷却システムは、高圧流体の第１の流れで固定子巻線を冷却するように動作可能な第１の冷却回路と、高圧流体の第２の流れでロータ巻線を冷却するように動作可能な第２の冷却回路とを含み、第２の冷却回路は第１の冷却回路とは別個である、請求項２３に記載の電気機械。
【請求項29】
第１の冷却回路は、高圧流体の第１の流れの圧力を増加させるように動作可能な第１のロータ取付けポンプと、高圧流体の第２の流れの圧力を増加させるように動作可能な第２のロータ取付けポンプとを含む、請求項２８に記載の電気機械。
【請求項30】
前記第１の冷却回路は、前記高圧流体の第２の流れの圧力を増加させるように動作可能な第１のロータ取付けポンプと、前記ロータから分離され、前記高圧流体の第１の流れの圧力を増加させるように動作可能な外部ポンプとを含む、請求項２８に記載の電気機械。
【請求項31】
前記第１の冷却回路および前記第２の冷却回路の各々が閉ループであり、前記高圧流体の第１の流れおよび前記高圧流体の第２の流れが空気を含む、請求項２８に記載の電気機械。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
電気機械は、用途に応じてジェネレータ、モータ、またはその両方として使用される。大規模な産業用および船舶用の電気機械は、多くの場合、同期式のジェネレータ及び／又は船舶推進駆動モータのようなモータとして使用される。したがって、これらの電気機械は、多数の異なる速度および様々な負荷で動作する。
【背景技術】
【0002】
一態様では、電気機械は、固定子ボアと固定子巻線とを有する固定子を含む。固定子巻線は、電流を受け、１ＭＷから５０ＭＷの間の電力を有する電流を生成するように配置される。固定子は、５Ａ／ｍｍ２以上の固定子電流密度を有する。ロータは、少なくとも部分的に固定子ボア内に配置され、ロータ巻線を有する。ロータの電流密度は５Ａ／ｍｍ２以上である。高圧冷却システムは、固定子とロータを能動的に冷却するように動作可能である。ロータ巻線と固定子巻線は、ロータの回転の生成の一つに相互作用して、電流の受信に応答して、接続された装置を駆動し、接続された装置によって駆動されるロータの回転に応答して電流を生成する。
【0003】
別の構成では、電気機械は、固定子ボアおよび固定子巻線を有する固定子と、固定子ボア内に少なくとも部分的に配置され、ロータ巻線を有するロータと、高圧流体の第１の流れで固定子巻線を冷却するように動作可能な第１の冷却回路とを含む。第２の冷却回路は、高圧流体の第２の流れでロータ巻線を冷却するように動作可能であり、第１の冷却回路及び第２の冷却回路は、閉鎖系を規定する。
【0004】
別の構造では、電気機械は、固定子ボア及び固定子巻線を有する固定子を含む。固定子ハウジングは、固定子を包囲するように配置され、第１の軸受を支持する第１の壁と、第２の軸受を支持する第２の壁とを含む。ロータは、少なくとも部分的に固定子ボア内に配置され、ロータ巻線を有する。ロータは、第１の軸受及び第２の軸受によって回転可能に支持されている。励振システムが、ロータに結合され、固定子ハウジング内に第１の軸受と第２の軸受との間に配置される。励磁システムは、ロータ巻線に励磁電流を供給するように動作可能である。高圧冷却システムは、固定子巻線及びロータ巻線の一方を冷却するために高圧流体の第１の流れを機供給するように動作可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その適用において、本明細書に記載され又は以下の図面に図示された構造の詳細及び構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施または実施することが可能である。また、本明細書で使用される言い回しや用語は、説明のためのものであり、限定的なものとみなされるべきではないことを理解されたい。
【0006】
次に、システムおよび方法に関連する様々な技術を、図面を参照して説明するが、ここで、同様の参照数字は、全体を通して同様の要素を表す。後述する図面、および本特許文献において本開示の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、例示のためのものであり、本開示の範囲を限定するように解釈されるべきではない。当業者であれば、本開示の原理は、任意の適切に配置された装置において実施され得ることを理解するであろう。特定のシステム要素によって実行されるものとして説明されている機能は、複数の要素によって実行されてもよいことを理解されたい。同様に、例えば、ある要素が、複数の要素によって実行されると説明されている機能を実行するように構成されていてもよい。本出願の多数の革新的な教示を、例示的な非限定的実施形態を参照して説明する。
【0007】
また、本明細書で使用される語句は、いくつかの例で明示的に限定されない限り、広く解釈されるべきであることを理解されたい。例えば、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、および「からなる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、ならびにそれらの派生語は、限定なしに包含することを意味する。単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈上明らかにそうでないことが示されない限り、複数形も含むことを意図している。さらに、本明細書で使用される「および／または」という用語は、関連する列挙された項目の１つ以上のあらゆる可能な組み合わせを指し、包含する。「または」という用語は、文脈上そうでないことが明確に示されない限り、包括的であり、「および／または」を意味する。さらに、複数の実施形態または構造が本明細書に記載され得るが、１つの実施形態に関して記載される任意の特徴、方法、ステップ、構成要素などは、反対の特定の記載がない限り、他の実施形態にも等しく適用される。
【0008】
また、本明細書において、「第１の」、「第２の」、「第３の」等の用語は、様々な要素、情報、機能、又は行為を指すために使用されることがあるが、これらの要素、情報、機能、又は行為は、これらの用語によって限定されるべきではない。むしろ、これらの数字の形容詞は、異なる要素、情報、機能、または行為を互いに区別するために使用される。例えば、第１の要素、情報、機能、または行為は、第２の要素、情報、機能、または行為と呼ぶことができ、同様に、第２の要素、情報、機能、または行為は、本開示の範囲から逸脱することなく、第１の要素、情報、機能、または行為と呼ぶことができる。
【0009】
さらに、「隣接する」という用語は、文脈上明らかにそうでないことが示されない限り、要素がさらなる要素に比較的近接しているが接触していないこと、または要素がさらなる部分に接触していることを意味する場合がある。さらに、「に基づく」という表現は、明示的に別段の記載がない限り、「少なくとも部分的に～に基づく」という意味を意図している。「約」または「実質的に」などの用語は、その寸法に関する通常の業界製造公差内にある値のばらつきをカバーすることを意図している。業界標準がない場合は、以下のばらつきがある。
【0010】
特定の要素や行為に関する議論を容易に識別するために、参照番号の最上位桁または数字は、その要素が最初に登場する図番号を指す。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
図１に示されるように、ジェネレータ１００は、固定子３００と、固定子３００内で回転するように支持されたロータ２００とを含む。固定子３００は、固定子コア１０４を取り囲み、実質的に包囲する固定子ハウジング１０２を含む。固定子コア１０４は、多くの場合、長手方向に（回転軸に沿って）積層された多数の積層１１６で構成されている。各積層１１６は、カットアウトを含むか、さもなければ、ロータ２００を受容する大きさのボア１１８を含むロータ本体１２０の所望の特徴を規定する形状である。
【0013】
一部の構造では、固定子３００を冷却し、固定子３００の効率と電流密度を向上させるために、固定子冷却システム１０６が設けられている。一部の構造では、固定子冷却剤として冷却ガスが採用される。しかし、固定子３００は、必要に応じて水冷などの液体冷却を含むことができる。
【0014】
ロータ２００は、ロータ本体１２０、ロータシャフト１２２、及びロータシャフト１２２に結合された２つの保持リング１１４を含む。多くの実施例では、ロータ本体１２０はロータシャフト１２２の一部と見なされる。図示のロータシャフト１２２は、ロータ２００の両端に配置された軸受１１０によって回転可能に支持されている。タービンカップリング１０８は、ロータ２００の一端に配置され、ロータ２００をタービン（例えば、燃焼タービン、蒸気タービン、水力タービン、風力タービンなど）に、またはジェネレータとして運転する場合に他の原動機に接続することを容易にする。タービンカップリング１０８は、モータとして運転される場合、プロペラ、コンプレッサ、ギアボックスなどの動力出力装置に接続することもできる。ロータ２００の反対側の端部には、励磁システムまたは他の回転機器への接続を可能にする励磁システムカップリング１１２を含めることができる。
【0015】
図１に図示したジェネレータ１００は同期式のジェネレータ１００である。しかしながら、非同期式のジェネレータまたはモータなどは、本明細書で説明する特徴を含んでもよい。
【0016】
図２は、図１のロータ２００をより詳細に図示する。ロータ本体１２０は、ロータ本体１２０に沿って長手方向に延びる一連のロータスロット２０２を含む。ロータ巻線２０４は、ロータスロット２０２内に配置され、１対以上の極を画定する。図示の構造では、ロータ巻線２０４によって２つの極が形成されている。しかし、他の構造では、必要に応じて４極、８極、またはそれ以上の極を含むことができる。ロータ２００は、磁界と呼ばれることもあるが、ロータ巻線２０４に所望の電圧で電流を供給して磁界を発生させる励磁システムに接続する導体２０６も含む。適切な励磁システムには、励磁装置（エキサイター）、集電装置、および回転変圧器が含まれるが、これらに限定されない。
【0017】
ロータ２００は、ロータ２００を冷却するために作動するロータ冷却システム２０８も含むことができる。構造によっては、ロータ２００は空冷されるが、水素のような別の流体を使用する構造もある。
【0018】
図３に戻り、固定子コア１０４がより詳細に図示されている。固定子コア１０４は、ほとんどの構造において、長手方向に積層される一連の積層１１６から形成される。各積層１１６は、積層されたときに固定子コア１０４の所望の特徴を規定するカットアウト、開口部、または特徴を含む。各積層１１６は、ボア１１８の周囲に円周方向に等間隔に配置された多数の歯３０２を含む。歯３０２は協働して、固定子コア１０４の長さ方向に延びる一連のスロットを画定する。バー３０６はスロット内に配置され、互いに電気的に接続されて一連の固定子巻線を画定する。図示のジェネレータ１００では、固定子巻線は、３つの相を規定するように配置されている。一般に、３つの相は、電気的に配置されてデルタ回路、または所望に応じてＹ回路を画定する。もちろん、他の構造では、単相、または必要に応じて３相より多い相（すなわち６相）を含むことができる。
【0019】
固定子冷却システム１０６の一部として、バー３０６の各々は、バー３０６の長さに沿った冷却剤の流れを可能にする１つ以上の冷却剤通路３１０を含むことができる。説明したように、固定子３００を冷却するために、水のような冷却剤流体がしばしば採用される。
【0020】
図４は、保持リング１１４の一方が取り外された図２のロータ２００をより良く示している。ロータ２００は、所定の位置に図示された単一のロータ巻線２０４を有する２極ロータ２００である。ロータ２００は、ロータシャフト１２２の外周を半径方向外向きに延びる複数の歯３０２を支持するロータシャフト１２２を含む。ほとんどの構造では、歯４０２は、歯４０２とロータシャフト１２２とが一体不可分の部品となるように、中実シャフトから機械加工される。各歯４０２は、隣接する歯４０２と協働して、その間にロータスロット２０２の１つを画定する。
【0021】
歯４０２はそれぞれ、ロータシャフト１２２の最大直径を規定する最も外側の表面を規定する。保持リング嵌合部４０４は、保持リング１１４の嵌合位置を提供するために、その軸方向端部近傍の歯４０２に機械加工されることがある。もちろん、他の構造では保持リング嵌合部４０４を省略することもできるし、保持リング嵌合部４０４の異なる配置をいくつか含むこともできる。
【0022】
ロータ巻線２０４は、連続的又は完全なループを画定する一連のコイルから形成される。したがって、各コイルは、第１のロータスロット２０２に沿って第１の軸方向に延び、第１の端部でループを作って端部ターン４０６を画定し、第２のロータスロット２０２内で第１の方向とは反対の第２の方向に第２の軸方向に延び、第２のターンを作ってループを完成させる。一連のコイルが積層され、互いに接続されることで、様々なロータ巻線２０４が規定され、それらが協働して所望の極が規定される。
【0023】
絶縁体４０８の層が、各ロータスロット２０２内の隣接するコイルの間に配置され、コイル間の望ましくない接続の可能性を低減するために、それらを互いに絶縁する。一つ以上のくさび４１０が各ロータスロット２０２の外径または上部に配置され、コイルと絶縁体をくさびで固定し、運転中の望ましくない動きを抑える。次に、保持リング１１４は、保持リング１１４が端部ターン４０６をカバーし保護する一方で端部ターン４０６を所定の位置に保持できるように、各保持リング１１４が保持リング嵌合部４０４の１つに係合する状態でロータシャフト１２２に結合される。
【0024】
図５は、図１のジェネレータ１００に使用するのに適したロータ５００を示す。ロータ５００は、ロータ本体１２０、より具体的にはロータ巻線２０４を冷却し、他の方法で達成され得るものよりも高い電流密度と高い電力密度の両方においてより効率的な動作を提供するために、ロータ本体１２０を通る加圧冷却剤、典型的には空気の循環を可能にするロータ冷却システム５２０を含む。
【0025】
ロータ冷却システム５２０は、システム内の空気（または、採用される場合には他の気体）が所望の高圧（すなわち、大気圧よりも高い）に維持されるように、静止コンプレッサ（図示せず）から圧縮空気を受け取ることができる閉鎖システムである。ロータ冷却システム５２０は、冷却剤ポンプ５０２、入口ボア５０４、排出環状部５０６、１つ以上の入口開口５１６、第１の冷却剤空間５１２、および第２の冷却剤空間５０８を含む。図示の構造における冷却剤ポンプ５０２は、ロータシャフト１２２と共回転するように直接接続され、ロータ冷却システム５２０を通して既に加圧された空気、または他の気体を循環させることができる遠心ポンプまたは他の機構を含む。あるいは、外部のポンプやコンプレッサをロータ冷却システムの静止部分に組み込んで冷却剤を循環させることもできる。冷却剤ポンプ５０２は、熱交換器（図示せず）で冷却される暖かい空気を排気し、閉ループ高圧のロータ冷却システム５２０の一部として入口ボア５０４に戻すように配置されるが、他の配置も可能である。
【0026】
入口ボア５０４は、ロータ５００の全長にわたって延び、入口ボア５０４を密閉するために一端に配置されたプラグ５１８を含み、それによって高圧クーラントのその中への封じ込めを容易にする。一つ以上の入口開口５１６がロータシャフト１２２を貫通して延び、入口ボア５０４と第１の冷却剤空間５１２との間に流体接続を提供する。図示の構造では、複数の入口開口５１６がロータシャフト１２２を通って半径方向に延びている。入口開口５１６の数およびそれらの入口開口５１６の大きさは、入口ボア５０４と第１の冷却剤空間５１２との間の所望の流量を保証するように選択される。
【0027】
第１の冷却剤空間５１２は、１組の端部ターン４０６を含み、ロータシャフト１２２、ロータ本体１２０、保持リング１１４の１つ、及びエンドプレート５１４の協働によって画定される。保持リング１１４の第１の端部は、ロータ本体１２０と協働して第１のリングシール領域５１０を画定する。保持リング１１４の第２の反対側の端部は、エンドプレート５１４の外径に係合する。エンドプレート５１４の内径はロータシャフト１２２に係合し、第１の冷却剤空間５１２をシールする。エンドプレート５１４は単一の部品として説明されているが、複数の部品又は構成要素が協働してエンドプレート５１４を画定し得ることに留意すべきである。
【0028】
第１の冷却剤空間５１２は、第１の冷却剤空間５１２から第２の冷却剤空間５０８への高圧冷却剤の流れを促進するために、ロータスロット２０２に流体的に接続されている。第２の冷却剤空間５０８は、第１の端部ターン４０６に対向する第２の端部ターン４０６を含んでいる。第２の冷却剤空間５０８は、第１の冷却剤空間５１２と実質的に同じであり、ロータシャフト１２２、ロータ本体１２０、保持リング１１４の他方、及び別のエンドプレート５１４の協働によって画定される。第２の冷却剤空間５０８はロータスロット２０２から高圧冷却剤を集め、その流れを排出環状部５０６に導く。
【0029】
排出環状部５０６は、ロータボアと、ロータボア内に配置されロータボアの外壁から間隔を隔てた環状スリーブ５２２との協働によって形成される。従って、環状スリーブ５２２は、ロータボアを、ロータ環状スリーブ５２２の内側の入口ボア５０４と、ロータボアと環状スリーブ５２２との協働によって形成される排出環状部５０６とに分割する。
【0030】
図６は、ウェッジ４１０の配置をより良く示す、ロータスロット２０２の１つの頂部または外径部分を図示する。図示の構造では、各歯６０２は、ロータ２００の半径方向軸線に対して斜めの角度で延びる歯フック６０４を画定している。
【0031】
ウェッジ４１０の各々は、２つのウェッジフック６０６及び２つのシールスロット６１０を含む。各ウェッジフック６０６は、歯フック６０４の１つと係合するように配置された斜めの表面を含む。シールスロット６１０の各々は、ロータ２００の長手方向軸に実質的に平行な方向にウェッジ４１０に沿って延びる矩形断面の溝を含む。図示の構造は矩形のシールスロット６１０を含むが、所望により他の形状を採用することもできる。シールスロット６１０は、所望に応じて、ウェッジ押し出し成形の一部とすることもできるし、押し出し成形後にウェッジ４１０に機械加工することもできる。
【0032】
シール部材６０８（またはシール部材）がシールスロット６１０内に配置され、ロータスロット２０２を画定する歯６０２とロータスロット２０２内に配置されたウェッジ４１０との間に流体密シールを形成する大きさにされる。図示の構造では、シール部材６０８はＤ字形の断面を有する。もちろん、所望により他の形状（例えば、Ｏ字形断面）または他のシール部材を採用することもできる。
【0033】
図示の構造では、ウェッジ４１０とシール部材６０８は、漏れの可能性を低減するために、ロータスロット２０２の全長にわたって延びている。加えて、図示の構造では、ウェッジ４１０の各側が別々のシール部材６０８を支持している。しかし、他の構造では、必要であれば、連続ループの形のシール部材６０８を採用することもできる。
【0034】
図６の構造で使用するのに適した１つのシール部材６０８は、「Ｄ」字形（すなわち、Ｄ字形断面）に形成された弾力性材料を含むが、ループ状に形成されるのではなく、２つの別個の端部を有する単一部材である。さらに、いくつかの構造は、Ｄ字形断面の平坦な側に接着部分６１４または材料を含む。接着部分６１４は、シール部材６０８をウェッジ４１０に取り付けて、ウェッジ４１０の取り付け中にシール部材６０８が相対的に動いたり、不所望に伸びたりする可能性を低減する。２つの別個のシール部材６０８が使用され、１つがウェッジ４１０の両側に配置される。適切な弾力性材料には、ゴム、合成ゴム、または他の適合材料が含まれる。
【0035】
図７は、第１の冷却剤空間５１２に隣接して配置されたリングシール領域５１０をより詳細に図示している。しかしながら、図示されたリングシール領域５１０は、第２の冷却剤空間５０８に隣接して配置されることも可能であることが理解されるべきである。
【0036】
リングシール領域５１０は、保持リング１１４とロータ本体１２０との間に形成された２つの別個のシールを含む。シュリンクトフィットシール７０６は、保持リングが適切なシュリンクトフィットでその作動位置に配置されたとき、保持リング１１４とロータ本体１２０との間に形成される。リングシール７０２が保持リング１１４とロータ本体１２０の間に配置され、別の円周シールを形成する。リングシール７０２は、リングシール７０２もシール部材６０８と協働して第１の冷却剤空間５１２のシールを完了するように、シール部材６０８の位置と一致する内径を規定する。高圧クーラントによって加えられる圧力７０４は、第１の冷却剤空間５１２からの唯一の経路が、そこに含まれるロータスロット２０２とロータ巻線２０４を通ることで、完全に封じ込められる。図示の構造では、リングシール７０２は、Ｏ字形断面を有する連続円形シール部材である。もちろん、他の形状（例えば、Ｄ型断面）や配置を採用することもできる。典型的なリングシール７０２は弾力性のある材料（例えば、ゴム）から形成されるが、他の構造では、より剛性の高い材料、複合シール、バネベースのシールなどを採用することができる。このように、リングシール７０２は、図７に示される配置に限定されるべきではない。
【0037】
図８は、いずれか一方又は両方の保持リング１１４（図８には図示せず）と共に使用するのに適したリングシール領域５１０の別の配置を示す。図８の配置は、保持リング１１４とロータ本体１２０との間、より具体的にはロータ歯４０２とウェッジ８１０との間に、図７に関して説明したのと同じ焼きばめによるシールを少なくとも部分的に形成する。
【0038】
図８の構造は、弾力性部材８０２とスリーブ８０４との複合体であるリングシール８０８を含む。弾力性部材８０２は、Ｏ字形断面を有する中実の連続部材を含み得るか、または図７のリングシール７０２に関して説明したように、他のより剛性の高い材料または複合材料から形成され得る。別の構造では、弾力性部材８０２は、コイル状ばね（例えば、傾斜コイルばね、らせんばねなど）によく似たコイル状材料から形成されたばね付勢シールを含む。従って、この構造では、弾力性部材８０２は環状断面を有する。
【0039】
スリーブ８０４は、弾力性部材８０２が配置される受容空間を画定するＵ字形断面を有するように形成される。スリーブ８０４は、作動中に弾力性部材８０２を覆って保護し、保持リング１１４がその作動位置にあるとき、ロータ本体１２０、ウェッジ８１０、および保持リング１１４に直接接触する。また、Ｕ字形断面の開放端は、高圧流体が配置される方向（すなわち、第１の冷却剤空間５１２および第２の冷却剤空間５０８の方向）を向くように配置されていることに留意すべきである。この配置では、スリーブ８０４が高圧流体にさらされると、Ｕ字形断面が拡大する傾向があり、それによってリングシール８０８のシール効果が高まる。
【0040】
図７の構造とは異なり、リングシール８０８は、シール部材６０８の半径方向外側に配置された内径部分を含む。シールを形成するためにシール部材６０８と協働するのではなく、リングシール８０８は、歯フック６０４とウェッジフック６０６との交差部を通過するように配置される。この位置でも、同じ効果的なシールが形成される。もちろん、リングシール８０８は、必要に応じて、シール部材６０８に接触し、図７に関して説明したのとよく似たシールを形成するように、図示した位置よりも半径方向内側に配置することもできる。
【0041】
保持リングキー８０６は、ロータ本体１２０及びウェッジ８１０に形成されたスロット内に配置され、保持リング１１４と協働して保持リング１１４をその所望の作動位置に維持する。
【0042】
図９は、リングシール８０８の位置決めを除いて、図８と同様の構造を示す。図９の構造では、リングシール８０８の内径は、リングシール８０８とシール部材６０８とが協働して保持リング１１４、ロータ本体１２０、およびウェッジ８１０の間のシールの少なくとも一部を画定するように、シール部材６０８と一致している。
【0043】
図１０は、ウェッジ４１０、８１０の代わりに、またはウェッジ４１０、８１０と共に使用するのに適したウェッジ１００８の別の構造を示している。くさび１００８は、くさび本体１０１０、くさびインサート１００２、くさびキャップ１００４、および１つまたは複数のくさびボルト１００６を含む。ウェッジ本体１０１０は、ウェッジ８１０と類似しているが、いずれかの端部に配置された残りの構成要素がウェッジ１００８を完成させ、ウェッジ１００８がウェッジ８１０と同じ長さになるように、より短い。図１０はくさび１００８の一端を示しているが、同一または類似の配置をいずれかの端部に形成することができることを理解されたい。そのため、一方の端部のみを詳細に説明する。
【0044】
くさびインサート１００２は、くさび本体１０１０の端部に略接するように配置され、くさび本体１０１０の断面形状と同一または類似の断面形状を有することができる。ウェッジインサート１００２は、軸方向の圧縮に応答して半径方向および円周方向に膨張する弾力性のある材料から形成される。使用される材料は、より詳細に説明されるように、所望の膨張を提供するように選択される。ウェッジキャップ１００４は、ポアソン効果によりシールを形成する。しかし、幾何学的干渉に基づく別のタイプのウェッジインサートも機能する。この配置では、ウェッジインサートは、軸方向に押し込むことができる薄い外壁を有するテーパー形状を有する。この薄い外壁は、十分に適合性のある材料が使用された場合、たわみ、シールするのに十分な接触圧力を提供する。
【0045】
ウェッジキャップ１００４は、ウェッジインサート１００２がウェッジキャップ１００４とウェッジ本体１０１０との間に挟まれるように、ウェッジインサート１００２と接するように配置される。ウェッジキャップ１００４は、ウェッジ本体１０１０と同一または類似の断面形状を有し、一般に類似の材料から形成される。ウェッジボルト１００６は、ウェッジキャップ１００４とウェッジインサート１００２を貫通し、ウェッジ本体１０１０にねじ込み可能に係合する。ウェッジボルト１００６が締め付けられると、ウェッジインサート１００２は圧縮され、半径方向および円周方向に膨張または膨らむ。この膨張により、ウェッジインサート１００２と隣接する部品との接触が強化され、その間に、より効果的なシールが形成される。
【0046】
図１０のリングシール領域５１０の残りの構造は、図８のものと同様である。リングシール８０８は、内径がウェッジインサート１００２の外径と一致するか、またはその近傍に配置される。リングシール８０８の構造は、それ以外は、図８および図９に関して説明したものと同じである。保持リングキー８０６もまた、図８および図９に関して説明したのと同様の方法で形成され、配置される。
【0047】
ウェッジ１００８は、上述したように２つのシール部材６０８を含む。シール部材６０８は、ウェッジ本体１０１０、ウェッジインサート１００２、およびウェッジキャップ１００４のそれぞれに、上述したのとほぼ同じ方法で係合することができる。さらに、リングシール８０８は、図８の構造に関して説明したように、シール部材６０８の直径外側に配置される。
【0048】
上述した特徴は、リングシール領域５１０の異なる配置を定義するために互いに組み合わされ得ることに留意すべきである。従って、配置は、本明細書で提供されるいくつかの例に限定されるべきではない。
【0049】
図１１は、リングシール領域５１０を画定するために協働する上述の異なる要素の組み合わせの一例を示す。図示された構造では、くさび１１０２は、くさび本体１１０４、くさびインサート１００２、くさびキャップ１００４、および１つまたは複数のくさびボルト１００６を含む。ウェッジ本体１１０４は、ウェッジインサート１００２の内径がウェッジ本体１１０４に隣接または接触して配置されるように、ウェッジインサート１００２を受容する除去部を含む。さらに、ウェッジインサート１００２の平面が、ウェッジ本体１１０４の平面と接している。ウェッジキャップ１００４は、ウェッジキャップ１００４がウェッジインサート１００２に接していることを除いて、ウェッジインサート１００２について説明したのと同様の方法で位置決めされる。したがって、ウェッジインサート１００２は、ウェッジキャップ１００４とウェッジ本体１１０４との間に挟まれている。図１０の構造に関して説明したように、ウェッジインサート１００２およびウェッジキャップ１００４は、ウェッジ本体１１０４と同一または類似の断面形状を有することができる。くさびボルト１００６は、くさびキャップ１００４とくさびインサート１００２を貫通し、くさび本体１１０４にねじ式に係合して、くさびインサート１００２を圧縮し、所望の半径方向および円周方向の膨張を引き起こす。この構造では、ウェッジインサート１００２が保持リング１１４とウェッジ本体１１０４に直接接触して第１のシールを形成する。
【0050】
リングシール７０２が、ロータ本体１２０から離れた軸方向位置で、ウェッジ本体１１０４と保持リング１１４との間に配置される。図示のリングシール７０２は、図７に関して説明したリングシール７０２と同様であり、詳細な説明は省略する。もちろん、リングシール７０２は、所望であれば、図８に関して説明したリングシール８０８と同様または同一のリングシールで置き換えることができる。
【0051】
図７から図１０の配置と同様に、保持リングキー８０６はロータ本体１２０に近い端部に配置され、先に説明した保持リングキーとほぼ同様に動作する。最後に、図１１の配置は、リングシール領域５１０のシールをさらに強化するように動作する３つの異なる収縮ばめ位置１１０６を含む。
【0052】
図１２は、固定子１２０２と、ロータ５００と、固定子１２０２およびロータ５００の少なくとも一部を取り囲み包囲するように配置された固定子ハウジング１２０４とを含む電気機械１２００を示す。図１２に示される電気機械１２００は、発電機、モータ、または発電機もしくはモータのいずれかとして動作可能な機械を含み得る。さらに、電気機械１２００は、同期式または非同期式であり得、高速（例えば、１００００ＲＰＭ）、低速（例えば、１００ＲＰＭ）、およびその間の任意の速度で動作し得る。したがって、電気機械、発電機、およびモータという用語はすべて、本明細書に図示される構成要素に適用可能である。
【0053】
ロータ５００は、図１～図１１に関して説明したロータのうちの１つであるか、またはそれらのロータの変形を含むことができる。固定子１２０２は、ロータ５００を受け入れる固定子ボア１２２０を画定する。動作中、電気機械１２００は、電気を生成する（すなわち、発電機として動作する）ことができ、または電気を使用する（すなわち、モータとして動作する）ことができる。一部の電気機械１２００は、特定の動作モードに必要とされ得るように、発電機またはモータのいずれかとして動作することができる。
【0054】
固定子ハウジング１２０４は、第１の軸受１２０６を支持する第１の壁と、第２の軸受１２０８を支持する第１の壁の反対側の第２の壁とを含む。図示の構造では、固定子ハウジング１２０４は、第１の壁と第２の壁との間に延びる２つの側壁と、側壁、第１の壁、および第２の壁によって画定される空間を覆う頂部とを含む。第１の軸受１２０６と第２の軸受１２０８は協働して、ロータ５００を回転可能に完全に支持する。
【0055】
励磁装置または代替の励磁装置などの励磁システム１２１０は、励磁システム１２１０が固定子ハウジング１２０４内に配置されるように、第１の軸受１２０６と第２の軸受１２０８との間に配置することができる。励磁システム１２１０を固定子ハウジング１２０４内及び軸受の間に配置することにより、ロータ５００を僅かに短くすることができるが、励磁システム１２１０をさらに保護し、さらに詳細に説明するように、励磁システム１２１０を固定子１２０２で冷却する能力も提供する。
【0056】
第１の熱交換器１２１２および第２の熱交換器１２１４は、固定子ハウジング１２０４の上に配置され、電気機械１２００の冷却システムの一部である。第１の熱交換器１２１２および／または第２の熱交換器１２１４として使用するには、任意の数の熱交換器の配置が適している。例えば、第１の熱交換器１２１２および／または第２の熱交換器１２１４のいずれか一方または両方に対して、閉鎖空気回路空冷式（ＣＡＣＡ）配置が、閉鎖空気回路水冷式（ＣＡＣＷ）と同様に採用され得る。所望であれば、空気から水への冷却（ＣＷＡ）配置も採用され得る。熱交換器の配置の説明では、冷却流体として空気を参照していることに留意すべきである。しかしながら、所望であれば、他の気体（例えば、水素、冷媒など）を採用することもできる。さらに、熱交換器内の冷却剤として水を記載しているものについては、所望により他の流体または他の冷却源を採用することができる。
【0057】
図１３は、固定子コア１３０２および固定子巻線１３０４を含む固定子１２０２の一部を示す。固定子コア１３０２は、磁気コアを形成するためにスタック方向に積層された複数の積層体を含むことができる。テンションロッドやボルトなどの一連の構造部材が、積層体を所望の位置に保持する。積層体の各々は、固定子ボア１２２０および任意の固定子・スロット１４０２（図１４に図示）を画定する断面形状を有する。一部の構造では、積層体または固定子コア１３０２自体が、固定子ボア１２２０の中心軸に実質的に垂直な方向に固定子コア１３０２を通る冷却剤の流れを可能にする冷却ギャップを規定する。もちろん、他の構造では、冷却剤がボアに平行に、または他の任意の所望の方向に流れることを可能にする流路を提供することができる。
【0058】
固定子巻線１３０４は、様々な固定子・スロット１４０２内に配置され、連続的な固定子巻線１３０４を画定するように電気的に接続された複数の固定子・コイル１４０４（図１４に示す）を含む。固定子巻線１３０４は、三相電気機械１２００のためのＹ回路またはデルタ回路、または任意の他の所望の配置（例えば、単相機械）に配置することができる。つまたは複数の主リード線１３０６は、固定子巻線１３０４への外部電気接続を可能にするために、固定子ハウジング１２０４を貫通して延びている。
【0059】
図１４に目を向けると、その中に配置された固定子コイル１４０４をより良く説明するために、固定子・スロット１４０２の１つが示されている。固定子・コイル１４０４は、図１４に図示された配置を含め、所望の任意のパターンで配置することができる。固定子・コイル１４０４の各々は、断面が実質的に長方形であり、そこにコイルチャネル１４０６を画定する。コイルチャネル１４０６は、より詳細に説明するように、固定子・コイル１４０４を直接冷却するための冷却剤の流れを可能にする。図示された構造は、実質的に矩形の断面および実質的に矩形のコイルチャネル１４０６を有する固定子・コイル１４０４を含むが、所望により他の形状または配置を採用することもできる。
【0060】
冷却剤をコイルチャネル１４０６に導くために、固定子１２０２は、固定子１２０２の一端にインレット・マニホールド１５０２と複数の冷却剤チューブ１５０４とを含む。図１５に示されるように、インレット・マニホールド１５０２は冷たい冷却剤を冷却剤チューブ１５０４のそれぞれに分配し、冷却剤チューブ１５０４は冷却剤を様々な固定子・コイル１４０４に導く。冷却剤はコイルチャネル１４０６を通って固定子１２０２の反対側に流れ、そこで第２の冷却剤チューブ１５０４セットが冷却剤を回収し、回収のために出口マニホールド１６０２（図１６に示す）に導く。
【0061】
図１６は、固定子コイル１４０４の外側の冷却剤の流路をより良く示している。図１５に関して説明したように、入口マニホールド１５０２は、固定子コイル１４０４に分配するための冷たい冷却剤を受け取る。冷却剤は固定子コイル１４０４を通過した後、出口マニホールド１６０２に集められる。出口マニホールド１６０２は、様々な固定子コイル１４０４から／への容易な回収または分配を可能にするために部分的な円弧を形成するという点で、入口マニホールド１５０２と類似している。もちろん、他の形状または配置を採用することもできる。
【0062】
出口マニホールド１６０２に溜まった後、高温の冷却剤は、１つ以上の移送パイプ１６０４を通って戻りフランジ１６０６に流れる。図示の構造では、移送パイプ１６０４は固定子ハウジング１２０４を通り、戻りフランジ１６０６は固定子ハウジング１２０４の外側に配置されている。しかし、他の配置では、戻りフランジ１６０６を固定子ハウジング１２０４の内側に配置することもできる。
【0063】
１つ以上の排気管１６０８は、固定子コア１３０２の第１の端部と第２の端部との間に延在する。各排気管１６０８は、固定子コア１３０２を直接冷却することなく、固定子コア１３０２の一端から固定子コア１３０２の他端へ冷却ガスを通過させる大きさの概ね円筒形の管である。
【0064】
図１７および図１８は、高圧冷却システム１７００および低圧冷却回路１８００を含む電気機械１２００の冷却システムを一緒に示している。高圧冷却システム１７００は、固定子巻線１３０４及びロータ巻線２０４を構成する固定子コイル１４０４を直接冷却するように配置されている。具体的には、固定子・コイル１４０４を冷却するために第１の冷却回路１７０２が設けられ、ロータ巻線２０４を冷却するために第２の冷却回路１７０４が設けられる。先に進む前に、冷却システムに関して本明細書で使用される「高圧」という用語は、冷却流体、典型的には空気を、高圧冷却システム１７００を通して所望の流量で移動させるのに十分な高圧冷却システム１７００内のゲージ圧を指すことに留意されたい。ほとんどの構造では、第１の冷却回路１７０２と第２の冷却回路１７０４の所望の流量は互いに独立しており、用途に必要な冷却を達成するように選択される。第１の冷却回路１７０２および第２の冷却回路１７０４内の実際の圧力は、好ましくは、システムが加圧されるように、大気圧よりも高い（例えば、２バール～２０バール）。しかしながら、ポンプアセンブリ１２１８、または代替の外部ポンプは、所望の流量を達成するために圧力をわずかに上昇させるように作動する。第１の冷却回路１７０２および第２の冷却回路１７０４の実際の圧力は、計器空気源、外部コンプレッサ、または高圧ガスの供給などの外部圧力源によって制御される。
【0065】
図１７を参照すると、第１の冷却回路１７０２はポンプアセンブリ１２１８で始まり、そこで冷却ガス、この構造では空気の流れが第１の熱交換器１２１２に導かれ、そこで冷却ガスが冷却される。前述のように、第１の熱交換器１２１２は、空気対空気、水、または別の液体を含む多数の異なる冷却源を使用することができる。一旦冷却されると、今や冷たい冷却ガスは、第１の熱交換器１２１２を出て、入口マニホールド１５０２に流れる。入口マニホールド１５０２は、冷却ガスを冷却剤チューブ１５０４を介して固定子コイル１４０４に分配する。冷却ガスは固定子コイル１４０４の長さに沿って流れ、固定子コイル１４０４を冷却する。加熱された冷却ガスは、第２の冷却剤チューブ１５０４を経由して固定子１２０２の反対側の端部で固定子巻線１３０４から出る。高温の冷却ガスは、出口マニホールド１６０２に集められ、１つまたは複数の移送パイプ１６０４を使用して電気機械１２００の反対側の端部に向けられる。移送パイプ１６０４は、高温の冷却ガスをポンプアセンブリ１２１８に戻すためにポンプアセンブリ１２１８に接続する戻りフランジ１６０６に通じている。ポンプアセンブリ１２１８は、より詳細に説明されるように、第１の冷却回路１７０２を通る所望の流量を維持するために冷却空気の圧力を増加させるように動作する。
【0066】
ロータ５００を通る第２の冷却回路１７０４の部分は、図１～図１１に関して詳細に説明した。第２の冷却回路１７０４は、ポンプアセンブリ１２１８から始まり、そこで高温冷却ガス、この例では空気の流れが、冷却のために第１の熱交換器１２１２に導かれる。図示された第１の熱交換器１２１２は、３つの回路を含むことができ、そのうちの１つの回路が第１の冷却回路１７０２用の冷却空気を含み、他の１つの回路が第２の冷却回路１７０４用の冷却空気を含む、他の２つの回路内の冷却空気を冷却するように動作する冷回路である。このようにして、第１の熱交換器１２１２は、空気を混合することなく、冷却空気の２つの別個の流れを冷却する。もちろん、他の構造では、別個の熱交換器を含むこともできるし、第１の熱交換器１２１２内で冷却のための流れを結合し、第１の熱交換器１２１２が２つの回路のみを含むように、電気機械１２００に入る前に分離することもできる。
【0067】
第１の熱交換器１２１２を出ると、第２の冷却回路１７０４内の今や冷却された冷却ガスは、ロータ入口ボア５０４に導かれる。冷却ガスはロータ５００の遠端まで流れ、ロータコア、具体的には前述のようにロータ巻線２０４を通って流れ、ロータ巻線２０４を冷却する。高温の冷却ガスはロータ巻線２０４を出て、環状スリーブ５２２によって画定された排出環状部５０６に入り、ポンプアセンブリ１２１８に戻る。ポンプアセンブリ１２１８は、少なくとも５Ａ／ｍｍ２、より好ましくは６～１０Ａ／ｍｍ２の間の所望の電流密度を達成するために少なくとも部分的に選択された所望の流量で、第２の冷却回路１７０４を通る所望の流量を維持するために冷却空気の圧力を増加させるように動作する。
【0068】
２つの回路（すなわち、コールド回路とホット回路）のみを有する第１の熱交換器１２１２を含む構造では、ホット冷却ガスは単一の流れとして入り、第１の熱交換器１２１２内で冷却され、その後、第１の熱交換器１２１２から出て、第１の冷却回路１７０２用と第２の冷却回路１７０４用の２つの流れに分割される。
【0069】
運転中、冷却ガス（空気）が第１の冷却回路１７０２及び／又は第２の冷却回路１７０４から漏れることがある。補填空気は、外部ガス貯蔵、計器空気、または清浄な冷却ガスの他の供給源を含む可能性のあるガス供給１７０６から供給される可能性がある。
【0070】
図１８に目を向けると、低圧冷却回路１８００は、固定子ハウジング１２０４内に配置された電気機械１２００の構成部品を冷却するために、追加の冷却ガス、この例では空気を供給するように配置されている。高圧冷却システム１７００は、１つまたは複数の閉じたループに複数の密閉された流路を含む閉じたシステムであるのに対し、低圧冷却回路１８００は、冷却ガスが完全に閉じられていないか密閉されていない空間内で自由に流れる開いたシステムである。低圧冷却回路１８００は、ファン１２１６がロータ５００と共に回転することによって始まる。ファン１２１６はロータ５００に固定的に取り付けられ、それと共に回転して低圧冷却空気の流れを発生させるが、用途によっては外部ファンが適切な代替手段となる。低圧冷却空気はファン１２１６から第２の熱交換器１２１４に流れ、そこで第１の熱交換器１２１２に関して説明したのと同様の方法で冷却される。第２の熱交換器１２１４は、冷却された低圧冷却空気を固定子コア１３０２を含む空間に排出する。低圧冷却空気の一部は、固定子コア１３０２を通って流れ、固定子コア１３０２を冷却する。この冷却空気の一部は固定子ボア１２２０に排出され、そこで固定子１２０２の各端部に向かって流れる。固定子コア１３０２を通過しない低圧冷却空気は、固定子ハウジング１２０４内の励磁システム空間１８０４に通じる１つまたは複数の低圧冷却ダクト１８０２を通って導かれる。励磁システム空間１８０４内の低圧冷却空気は、励磁システム１２１０だけでなく、励磁システム空間１８０４内に配置される可能性のある他の構成要素（例えば、永久磁石発電機（ＰＭＧ））にも冷却を提供する。励磁システム空間１８０４内の低圧冷却空気は、固定子ハウジング１２０４内に形成された排気管１６０８のうちの１つまたは複数を介してファン１２１６に逆流する。あるいは、この低圧冷却回路は、ファンが排出する方向（すなわち、ファン方向）を反転させることによって、流れ方向を反転させることができる。
【0071】
図１９は、ポンプアセンブリ１２１８として使用するのに適したロータ取付けポンプアセンブリ１９００を示す。ロータ取付けポンプアセンブリ１９００は、第１のポンプインペラー１９０４および第２のポンプインペラー１９０６を囲むポンプハウジング１９０２を含む。図示された第１のポンプインペラー１９０４および第２のポンプインペラー１９０６は、他のタイプのインペラも可能である閉鎖遠心インペラである。第１のポンプインペラー１９０４と第２のポンプインペラー１９０６は、ロータ５００に背中合わせの配置で直接取り付けられ、これと共回りするようになっている。もちろん、必要であれば他の配置や取り付けも可能である。
【0072】
一次シール１９０８がポンプハウジング１９０２に結合され、静止しているポンプハウジング１９０２とロータ５００との間にシールを形成する。一次シール１９０８は、ガスシール配置を含むが、所望のシール効率を提供するために必要に応じて、多数の異なる配置を含むことができる。多数の二次シール１９１０が、ポンプハウジング１９０２とロータ５００、第１のポンプインペラー１９０４、および第２のポンプインペラー１９０６との間に配置され、所望のシールおよび独立した流路を確立する。
【0073】
図１９に示されるロータ取付けポンプアセンブリ１９００の配置により、ロータ５００の回転は、第１のポンプインペラー１９０４と第２のポンプインペラー１９０６の両方を回転させる。第１のポンプインペラー１９０４は、第１の冷却回路１７０２から、第１の高温ガス戻り空間１９１２に導かれた高温冷却ガス（空気）を吸い込む。第１のポンプインペラー１９０４は、第１の高温ガス出口１９１６を介して、ロータ取付けポンプアセンブリ１９００から高温冷却ガスを圧縮し、汲み上げ、または吹き出す。第１の高温ガス出口１９１６は、高温冷却ガスが冷却される第１の熱交換器１２１２に通じている。
【0074】
第２のポンプインペラー１９０６は、第２の冷却回路１７０４から、第２の高温ガス戻り空間１９１４に導かれた高温冷却ガス（空気）を吸い込む。第２のポンプインペラー１９０６は、第２の高温ガス出口１９１８を介してロータ取付けポンプアセンブリ１９００から高温冷却ガスを圧縮、圧送、または吹き出す。第２の高温ガス出口１９１８は、高温冷却ガスが冷却される第１の熱交換器１２１２に通じている。
【0075】
図２０は、ポンプアセンブリ１２１８の一部として使用するのにも好適な外部ポンプアセンブリ２０００を示す。外部ポンプアセンブリ２０００は、ロータ５００の一部を取り囲むポンプハウジング１９０２を含む。図１９の一次シール１９０８と同様の一次シール１９０８と、図１９に関して説明したものと同様の二次シール１９１０とが、ロータ５００と静止ポンプハウジング１９０２との間のシールを形成するために設けられている。ポンプハウジング１９０２は、第２の冷却回路１７０４からの高温冷却ガスを捕捉して第１の熱交換器１２１２に導く第２の高温ガス出口１９１８を画定する。
【0076】
図１９に図示されているようなシャフト取付けインペラを採用するのではなく、図２０の構造は、外部ポンプ２００２（コンプレッサまたはブロワと呼ばれることもある）を含む。外部ポンプ２００２は、第１の熱交換器１２１２から冷却された冷却ガスの流れを受け取り、その冷却ガスの圧力または流量を増加させ、ロータ入口ボア５０４に導く。第１の冷却回路１７０２内の冷却ガスを圧縮または圧送するために、別の外部ポンプ２００２を設けることもできる。第１の冷却回路１７０２は、互いに対して大きく動かない構成要素を含むので、第２の冷却回路１７０４で必要とされるような静止部分と回転部分との間のシールを形成する必要がないため、第１の冷却回路１７０２用の外部ポンプは、はるかに単純である。
【0077】
ポンプアセンブリ１２１８および第１の熱交換器１２１２の配置には、多数の可能な変形があることに留意すべきである。例えば、ロータ取付けポンプアセンブリ１９００をポンプアセンブリ１２１８として採用することもできるし、図２０に図示した外部ポンプアセンブリ２０００のような完全に外部駆動されるシステムを採用することもできる。他の構造では、第１の冷却回路１７０２および第２の冷却回路１７０４の一方はシャフト取付けポンプを含み、第１の冷却回路１７０２および第２の冷却回路１７０４の他方は外部ポンプを含む。加えて、ポンプは、構成にかかわらず、所望され得るように、それぞれの冷却回路内の異なる箇所に配置され得る。
【0078】
さらに、第１の高温ガス出口１９１６および第２の高温ガス出口１９１８は、１つまたは複数の外部ポンプ、１つまたは複数のシャフト取付けインペラ、またはそれらの組み合わせによって生成され得る単一の流れに結合され得る。
【0079】
第１の熱交換器１２１２は、いくつかの異なる配置を含むこともできる。図１７に示される構造では、第１の熱交換器１２１２は、冷たい流体のための第１の内部回路またはループと、熱い流体のための２つの別個の内部回路またはループとを含む。第１の冷却回路１７０２は、第１の熱交換器１２１２内の高温流体ループのうちの第１のものを含み、第２の冷却回路１７０４は、高温流体ループのうちの第２のものを含む。従って、この配置では、第１の冷却回路１７０２と第２の冷却回路１７０４の冷却流体は混合せず、共通の冷たい流体回路によって冷却される。
【0080】
別の配置では、熱交換器は、１つの低温流体ループと１つの高温流体ループとを含む。この配置では、第１の冷却回路１７０２と第２の冷却回路１７０４は、第１の熱交換器１２１２に入る前に単一の流れに結合する。第１の熱交換器１２１２を通過した後、単一の流れは再び第１の冷却回路１７０２と第２の冷却回路１７０４とに分割される。この配置では、２つの冷却回路を通る所望の流れを達成するために、制御可能な弁またはオリフィスが必要とされる場合がある。
【0081】
さらに他の構造では、各熱交換器が第１の冷却回路１７０２および第２の冷却回路１７０４の一方に関連付けられた、２つの完全に別個の熱交換器が採用され得る。ポンプおよび熱交換器の他の配置も可能である。
【0082】
図２１は、電気を生成するための発電機として、またはプロペラ、圧縮機、ポンプなどの別の装置を駆動するためのモータとして作動させることができる低速電気機械２１００を示す。低速電気機械２１００は、高電流密度（すなわち、５Ａ／ｍｍ２以上、または６～１０Ａ／ｍｍ２以上）を供給しながら、１２００ＲＰＭ 未満の回転数での運転に適合した数多くの機能を含む。
【0083】
低速電気機械２１００は、固定子ハウジング２１０２、固定子２１０４、およびロータ２１０６を含む。固定子ハウジング２１０２は、固定子２１０４を収容し保護するように配置され、第１の空間２１１８と第２の空間２１２０を画定する。
【0084】
固定子ハウジング２１０２は、ロータ２１０６を回転可能に支持するように配置された第１の軸受２１１６と第２の軸受２１０８を支持する。これまで議論してきたように、ロータ２１０６は、発電機として運転されるときに電気を発生させるために、またはモータとして運転されるときに機械的トルクを発生させるために、固定子巻線２１２４と協働するロータ巻線２１１０を含む。励磁システム１２１０（例えば、励磁装置（エキサイター））は、先に説明したように、２１１６と２１０８の間の固定子ハウジング２１０２内に配置される。
【0085】
低速電気機械２１００は、ロータ２１０６と固定子２１０４、より詳細にはロータ巻線２１１０と固定子ハウジング１２０４を冷却するために作動する冷却システムを含む。冷却システムは、ファン２１１２、熱交換器２１１４、および戻り経路２１２２を含む。ファン２１１２は、好ましくは、運転中に第２の空間２１２０から空気を吸い込み、その空気を熱交換器２１１４に排出するように、第２の空間２１２０に配置される。ロータ２１０６は低速で動作するため、ファン２１１２を効果的に直接駆動することはできない。ファン２１１２の速度および効率を高めるためにギアボックスまたは他の装置が採用される場合、ファン２１１２は発電機によって駆動され得る。あるいは、ファン２１１２を電気的に駆動することもできるし、別個のモータによって機械的に駆動することもできる。
【0086】
熱交換器２１１４は固定子ハウジング２１０２内に配置されるが、代替的に固定子ハウジング２１０２の外部に配置することもできる。熱交換器２１１４は、ファン２１１２からの冷却空気の流れを受け、冷却された冷却空気を、熱交換器２１１４からの空気を第１の空間２１１８に導く戻り経路２１２２に排出する。
【0087】
運転中、第１の空間２１１８内の冷却空気は、ロータ巻線２１１０と固定子巻線２１２４を通って流れ、冷却を提供する。その後、空気はロータ巻線２１１０と固定子巻線２１２４から出て、第２の空間２１２０に集まる。ファン２１１２は、第２の空間２１２０から高温の冷却空気を吸引し、熱交換器２１１４に導くように動作する。熱交換器２１１４は、ファン２１１２によって送られた空気を冷却するように動作する冷却流体の流れを受ける。冷却流体は、外部の空気、または所望の冷却を提供するために必要とされ得る水のような別の流体であり得る。ある配置では、所望の冷却を提供するために冷凍システムが提供される。熱交換器２１１４によって冷却された空気は、戻り経路２１２２に沿って第１の空間２１１８に戻り、再びサイクルを開始する。
【0088】
戻り経路２１２２は固定子ハウジング２１０２の外側にあるように図示されているが、構造によっては戻り経路２１２２を完全にまたは部分的に固定子ハウジング２１０２内に配置することができることに留意すべきである。
【0089】
運転中、励磁システム１２１０または他のシステムは、ロータ２００に所望の電圧で電流を供給する。電流はロータ巻線２０４を通って流れ、２極発電機／モータでは２つの磁極を確立し、より高極の発電機／モータではより多くの磁極を確立する。タービン、他の原動機、または駆動される部品（例えば、プロペラ）は、ロータ２００に結合され、所望の速度でロータ２００を回転させるか、またはロータ２００によって駆動されるように動作する。２極ロータ２００を備えた同期式の電気機械１２００の場合、ロータは、６０Ｈｚの電気を発生させるために３６００ＲＰＭで回転する。５０Ｈｚの電気を発生させる場合、ロータ２００は３０００ＲＰＭで回転する。このバリエーションには、１ＲＰＭから２０，０００ＲＰＭで動作する定速機や可変速機が含まれる。
【0090】
電気機械１２００が発電機として動作する場合、ロータ２００の回転磁界は発電機の固定子３００と相互作用して、ロータ２００の速度に比例する周波数で交流三相電流を誘導する。ロータ２００と固定子３００のそれぞれを冷却して、ロータ２００と固定子３００の電流密度を高めると同時に、所望の効率とメンテナンス間隔を維持することができる。
【0091】
ロータ５００は、ロータ冷却システム５２０、１７０４を含み、最初にコイルまたはロータ巻線２０４を様々なロータスロット２０２に位置決めすることによって組み立てられるか、またはメンテナンス後に再組み立てされる。ロータ巻線２０４は、ロータスロット２０２を実質的に満たすように半径方向外側に延びるように積層され、ロータ５００の極の１つを規定するように電気的に接続される。
【0092】
ウェッジ４１０、８１０、１００８、１１０２は実質的に互いに同じであるため、組立体はウェッジ１１０２に関して説明される。しかしながら、ステップの多くが、他のウェッジ４１０、８１０、１００８、１１０２の一部または全てに等しく適用可能であることは明らかであろう。
【0093】
シール部材６０８は、様々なウェッジ１１０２の側面に配置される（図６参照）。説明したように、シール部材６０８はＤ形状であり、いくつかの構造では、Ｄ形状の平らな面は、シール部材６０８のウェッジ１１０２への取り付けを容易にする接着剤を含む。
【0094】
シール部材６０８はウェッジフック６０６の半径方向内側に位置し、したがってロータスロット２０２に組み付ける前に各ウェッジ１１０２に挿入される。シール部材６０８のこの位置は、シール部材６０８の１つが劣化または故障した場合に、シール部材６０８がロータスロット２０２内に収容される可能性を高める。シール部材６０８がロータ５００の外表面から離れた位置にあることは、表面電流または他の加熱効果に起因して発生する可能性のある大きな温度変動からシール部材６０８を遮蔽するのにも役立つ。シール部材６０８はまた、ロータ巻線２０４をウェッジフック６０６から隔離するのを助け、ウェッジ中に緩む可能性のある導電性ウェッジメッキ材料がロータ巻線２０４から遮断され、それによってこの材料による地絡の可能性を低減する。
【0095】
次に、ウェッジ１１０２が様々なロータスロット２０２に取り付けられ、運転中にロータ巻線２０４を所望の位置に支持する。シール部材６０８は、各ウェッジ１１０２が取り付けられるロータスロット２０２を画定するロータ本体１２０の壁に対して圧縮され、それによって各ロータスロット２０２に一次シールを形成する。ウェッジフック６０６と各ロータスロット２０２の歯フック６０４との間の接触圧力も、ロータスロット２０２からの不要な漏れを抑制する二次シールとして作用する。このように、ウェッジ１１０２の取り付けは、ロータスロット２０２の半径方向外側の開口部からの漏れを抑制する軸方向に配置されたシールを提供する。しかしながら、ロータスロット２０２の各端部は依然としてシールされていない。
【0096】
ウェッジ１１０２は、他のウェッジ４１０、８１０では必要とされないかもしれない幾つかの追加組立てを必要とし、この組立ては、所望に応じて、ウェッジ１１０２をロータ５００に取付ける前に、または後に行うことができる。ウェッジ１１０２の各端は、ウェッジインサート１００２を受ける。次に、ウェッジキャップ１００４がウェッジインサート１００２のそれぞれに隣接して配置される。複数のウェッジボルト１００６の各々は、ウェッジキャップ１００４およびウェッジインサート１００２のうちの１つを貫通し、ウェッジ本体１１０４にねじ可能に係合する。ウェッジボルト１００６の締め付けは、ウェッジインサート１００２を軸方向に圧縮し、同時にウェッジインサート１００２を半径方向および円周方向に膨張させる。ウェッジインサート１００２の膨張は、ウェッジ本体１１０４、保持リング１１４（装着後）またはリングシール８０８、およびロータ歯４０２の間の協働を促進し、その間のシールをさらに強化する。ウェッジボルト１００６を締め付けることなく、ウェッジインサート１００２とウェッジキャップ１００４をウェッジ本体１１０４に取り付けることができることに留意すべきである。そして、ウェッジ１１０２がその作動位置にある後に、ウェッジボルト１００６を締め付けて、ウェッジインサート１００２の所望の圧縮を提供することができる。
【0097】
図１０を参照すると、次にリングシール８０８がロータ５００の両端に配置される。リングシール８０８は両方とも、好ましくは、ロータ５００の円周の周りに延び、ウェッジ１１０２と同様にロータ歯６０２に係合する連続円形シールである。リングシール８０８は、ウェッジインサート１００２の半径方向外側に配置され、ウェッジボルト１００６の締め付けの前に配置することも、ウェッジボルト１００６の締め付けの後に配置することもできる。一般に、ウェッジボルト１００６の締め付けの前にリングシール８０８をその所望の作動位置に位置決めすることは、リングシール８０８がウェッジインサート１００２の膨張の前にわずかに緩い適合を有するので、より容易であろう。
【0098】
図１１は、リングシール７０２のわずかに異なる位置を図示し、また、図８のリングシール８０８ではなく、図７のリングシール７０２を採用していることに留意すべきである。本明細書で説明する概念は、特定の設計に必要な密封性を達成するために、異なる組み合わせで再配置して使用できることに留意することが重要である。このように、記載された密封配置は、例としてのみ考えられるべきであり、いかなる意味においても限定的であると考えられるべきではない。
【0099】
次に、図１０および図１１に示されるように、保持リング１１４が取り付けられる。典型的な取り付けでは、保持リング１１４を熱膨張させ、１つ以上の焼きばめ位置１１０６に所望の焼き嵌めを提供するために、取り付け前に保持リング１１４を加熱する。一旦取り付けられると、保持リング１１４はロータ本体１２０、ロータシャフト１２２、およびエンドプレート５１４と協働して、第１の冷却剤空間５１２と第２の冷却剤空間５０８を画定する。
【0100】
図１１に示されるように、保持リング１１４は、各ウェッジ本体１１０４と協働して、シールを形成する３つの焼きばめ位置１１０６を画定する。さらに、リングシール７０２は、保持リング１１４およびウェッジ本体１１０４と協働して、一次シールを画定する。最後に、ウェッジインサート１００２は、一旦拡張されると、ロータ５００と保持リング１１４との間にさらに別のシール点を提供し、第１の冷却剤空間５１２と第２の冷却剤空間５０８からの漏れを抑制する複数の有効なシール点が存在する。
【0101】
図５を参照して、ロータ冷却システム５２０の動作を説明する。ロータ５００の回転中、冷却剤ポンプ５０２、１２１８は排出環状部５０６から暖かい空気を吸い込み、その空気を外気冷却器または熱交換器１２１２に導く。その後、冷却された空気は、入口ボア５０４に沿って入口開口５１６まで流れ、そこで高圧空気（一般に大気圧より大きい）が第１の冷却剤空間５１２に入る。第１の冷却剤空間５１２は、高圧空気がロータスロット２０２に入ることができるように、ロータスロット２０２のそれぞれと流体連通している。高圧空気は冷却を提供するためにロータスロット２０２の長さを流れ、第２の冷却剤空間５０８に集められる。高圧空気は第２の冷却剤空間５０８から排出環状部５０６に導かれ、そこで冷却剤ポンプ５０２、１２１８に吸引され、ロータ５００から排出される。上述したシールにより、第１の冷却剤空間５１２、第２の冷却剤空間５０８、およびロータスロット２０２からの漏れの可能性が低減される。
【0102】
提案された高電流密度電気機械は、ロータ５００を圧力容器とし、各ロータスロット２０２、第１の冷却剤空間５１２、第２の冷却剤空間５０８を加圧する。ウェッジ４１０、８１０、１００８、１１０２は、ロータスロット２０２の側壁と接触する２つの、適合する、シール部材６０８を含む。これらのシール部材６０８は、ロータスロット２０２の気密性を確保する。
【0103】
加圧されたロータスロット２０２は、摩擦損失を増加させることなく、多くの複雑な電気／流体の二重目的の接続なしに、ロータ巻線２０４を高圧流体で直接冷却することを可能にする。加圧流体による直接冷却により、界磁電流を増加させた機械運転が可能となり、最終的には、以前の空冷式機械よりも高い電流密度を実現することができる。
【0104】
固定子１２０２を冷却するために高圧冷却システム１７００を低圧冷却回路１８００と組み合わせて使用することにより、固定子１２０２をよりコンパクトにすることができ、電気機械１２００の電流密度を高めることができる。具体的には、ここに例示した電気機械１２００は、５Ａ／ｍｍ２を超える電流密度で１ＭＷから５０ＭＷの範囲で動作する電気機械をもたらし、多くの構造では６Ａ／ｍｍ２から１０Ａ／ｍｍ２の間で動作し、一部の構造では３６００ＲＰＭで少なくとも１．０ｋＷ／ｋｇの出力密度をもたらすことができる。
【0105】
電流密度は、ロータ巻線と固定子巻線の導体の最小断面積で測定される。従って、ロータと固定子の各々は電流密度を有し、本明細書で説明するほとんどの構造では、それらの電流密度は５Ａ／ｍｍ２より大きく、多くは６～１０Ａ／ｍｍ２の間に収まる。
【0106】
さらに、励磁システム１２１０を第１の軸受１２０６と第２の軸受１２０８との間に配置することにより、励磁システム１２１０の冷却を強化するとともに、ロータ５００を短くすることができる。また、第１の軸受１２０６と第２の軸受１２０８との間に励磁システム１２１０を配置することにより、ポンプアセンブリ１２１８を第１の軸受１２０６により近い位置に配置することができる。この位置決めは、ポンプアセンブリ１２１８の振動および振れを低減し、ひいてはポンプハウジング１９０２とロータ５００との間のより効果的な密封を可能にする。
【0107】
本開示の例示的な実施形態を詳細に説明したが、当業者であれば、本明細書に開示された様々な変更、置換、変形、および改良が、最も広い形態における本開示の精神および範囲から逸脱することなく行われ得ることを理解するであろう。加えて、１つの実施形態に関して記載される任意の特徴は、本明細書に記載される他の実施形態にも同様に適用可能である。
【0108】
本願明細書のいずれの記載も、特定の要素、ステップ、行為、または機能が、請求の範囲に含まれなければならない必須要素であることを暗示するものとして読まれるべきではない：特許主題の範囲は、許容される請求の範囲によってのみ定義される。さらに、これらのクレームは、「ｍｅａｎｓ ｆｏｒ」という正確な語句の後に分詞が続かない限り、ｍｅａｎｓ ｐｌｕｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎのクレーム構造を呼び起こすことを意図していない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【手続補正書】
【提出日】2024-06-24
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気機械であって、固定子ボアおよび固定子巻線を含む固定子であって、前記固定子巻線は、電流を受け取り、１ＭＷから５０ＭＷの間の電力を有する電流を生成するように配置され、前記固定子は、５Ａ／ｍｍ２より大きい固定子電流密度を有する固定子、
固定子ボア内に少なくとも部分的に配置され、ロータ巻線を有するロータであって、前記ロータは５Ａ／ｍｍ２より大きいロータ電流密度を有するロータ、および、
前記固定子と前記ロータを能動的に冷却するように動作可能な高圧冷却システムであって、前記ロータ巻線および前記固定子巻線は、前記電流の受信に応答して接続された装置を駆動するために前記ロータの回転を生成することと、接続された装置によって駆動される前記ロータの回転に応じて前記電流を生成すること、のいずれかに相互作用する高圧冷却システム、
を含むことを特徴とする電気機械。
【請求項2】
前記ロータ電流密度と前記固定子電流密度はそれぞれ６～１０Ａ／ｍｍ２であることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
【請求項3】
前記固定子を囲む固定子ハウジングをさらに備え、前記固定子ハウジングは第１の軸受と第２の軸受を含み、前記ロータは前記第１の軸受と前記第２の軸受によって回転可能に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
【請求項4】
前記ロータ巻線に励磁電流を供給するように動作可能な励磁システムをさらに備え、前記励磁システムは、前記ロータによって回転するように支持され、前記第１の軸受と前記第２の軸受との間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電気機械。
【請求項5】
固定子ハウジング内に低圧空気流を含み、前記励磁システムおよび前記固定子を少なくとも部分的に冷却するように動作可能な低圧冷却回路をさらに備える、請求項４に記載の電気機械。
【請求項6】
前記低圧冷却回路は、前記ロータに結合され、前記低圧空気流を生成するように動作可能なファンを含む、請求項５記載の電気機械。
【請求項7】
前記高圧冷却システムは、高圧流体の第１の流れで前記固定子巻線を冷却するように動作可能な第１の冷却回路と、高圧流体の第２の流れで前記ロータ巻線を冷却するように動作可能な第２の冷却回路とを含み、前記第２の冷却回路は前記第１の冷却回路とは別個である、請求項１に記載の電気機械。
【請求項8】
前記第１の冷却回路は、高圧流体の前記第１の流れおよび高圧流体の前記第２の流れを冷却するように動作可能な第１の熱交換器を含む、請求項７に記載の電気機械。
【請求項9】
前記第１の冷却回路は、高圧流体の前記第１の流れの圧力を増加させるように動作可能な第１のロータ取付けポンプと、高圧流体の前記第２の流れの圧力を増加させるように動作可能な第２のロータ取付けポンプとを含む、請求項７に記載の電気機械。
【請求項10】
前記第２の冷却回路は、高圧流体の前記第２の流れの圧力を増加させるように動作可能な第１のロータ取付けポンプと、前記ロータから分離され、高圧流体の前記第１の流れの圧力を増加させるように動作可能な外部ポンプとを含む、請求項７に記載の電気機械。
【請求項11】
前記第１の冷却回路は、前記ロータからそれぞれ分離された第１の外部ポンプおよび第２の外部ポンプを含み、前記第１の外部ポンプは、第１の高圧流体の流れの圧力を増加させるように動作可能であり、前記第２の外部ポンプは、第２の高圧流体の流れの圧力を増加させるように動作可能である、請求項７に記載の電気機械。
【請求項12】
前記第１の冷却回路および前記第２の冷却回路の各々は閉ループであり、第１の高圧流体の流れおよび第２の高圧流体の流れは空気を含む、請求項７に記載の電気機械。
【請求項13】
電気機械であって、固定子ボアと固定子巻線を含む固定子、
前記固定子ボア内に少なくとも部分的に配置され、ロータ巻線を有するロータ、
高圧流体の第１の流れで前記固定子巻線を冷却するように動作可能な第１の冷却回路、および、
高圧流体の第２の流れで前記ロータ巻線を冷却するように動作可能な第２の冷却回路、
を有し、前記第１の冷却回路と前記第２の冷却回路は閉じたシステムを構成する、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項14】
前記固定子巻線は、電流を受け、１ＭＷから５０ＭＷの間の電力を有する電流を生成するように配置され、前記ロータは５Ａ／ｍｍ２より大きいロータ電流密度を定義し、前記固定子は５Ａ／ｍｍ２より大きい固定子電流密度を定義する、請求項１３に記載の電気機械。
【請求項15】
前記ロータ電流密度と前記固定子電流密度はそれぞれ６Ａ／ｍｍ２から１０Ａ／ｍｍ２の間である、請求項１４に記載の電気機械。
【請求項16】
前記固定子を囲む固定子ハウジングをさらに含み、前記固定子ハウジングは第１の軸受と第２の軸受を含み、前記ロータは前記第１の軸受と前記第２の軸受によって回転可能に支持されている、請求項１３に記載の電気機械。
【請求項17】
前記固定子ハウジング内に低圧空気流を含み、励磁システムおよび前記固定子を少なくとも部分的に冷却するように動作可能な低圧冷却回路をさらに備える、請求項１６に記載の電気機械。
【請求項18】
前記低圧冷却回路は、前記ロータに結合され、前記低圧空気流を生成するように動作可能なファンを含む、請求項１７に記載の電気機械。
【請求項19】
高圧流体の前記第１の流れおよび高圧流体の前記第２の流れを冷却するように動作可能な第１の熱交換器と、低圧流体の流れを冷却するように動作可能な第２の熱交換器とをさらに含む、請求項１７に記載の電気機械。
【請求項20】
前記第１の冷却回路は、高圧流体の前記第１の流れの圧力を増加させるように動作可能な第１のロータ取付けポンプと、高圧流体の前記第２の流れの圧力を増加させるように動作可能な第２のロータ取付けポンプとを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の電気機械。
【請求項21】
前記第１の冷却回路は、高圧流体の前記第２の流れの圧力を増加させるように動作可能な第１のロータ取付けポンプと、前記ロータから分離され、高圧流体の前記第１の流れの圧力を増加させるように動作可能な外部ポンプとを含む、請求項１３に記載の電気機械。
【請求項22】
前記第１の冷却回路および前記第２の冷却回路のそれぞれが閉ループであり、高圧流体の前記第１の流れおよび高圧流体の前記第２の流れが空気を含む、請求項１３に記載の電気機械。
【請求項23】
電気機械であって、固定子ボアと固定子巻線を含む固定子と、
前記固定子を囲むように配置され、第１の軸受を支持する第１の壁と第２の軸受を支持する第２の壁とを含む固定子ハウジング、
前記固定子ボア内に少なくとも部分的に配置されロータ巻線を有するロータであって、前記第１の軸受と前記第２の軸受によって回転可能に支持された前記ロータ、
前記ロータに結合され、前記第１の軸受と前記第２の軸受の間の前記固定子ハウジング内に配置された励磁システムであって、前記ロータ巻線に励磁電流を供給するように動作可能な前記励磁システム、および
前記固定子巻線と前記ロータ巻線の一方を冷却するために高圧流体の第１の流れを供給するように作動可能な高圧冷却システム、
を含むことを特徴とする電気機械。
【請求項24】
前記固定子巻線は、電流を受け、１ＭＷから５０ＭＷの間の電力を有する電流を生成するように配置され、前記ロータは、５Ａ／ｍｍ２より大きいロータ電流密度を定義し、前記固定子は、５Ａ／ｍｍ２より大きい固定子電流密度を定義する、請求項２３に記載の電気機械。
【請求項25】
前記ロータ電流密度と前記固定子電流密度は、それぞれ６～１０Ａ／ｍｍ２であることを特徴とする、請求項２４に記載の電気機械。
【請求項26】
固定子ハウジング内に低圧空気流を含み、前記励磁システムおよび前記固定子を少なくとも部分的に冷却するように動作可能な低圧冷却回路をさらに含む、請求項２３に記載の電気機械。
【請求項27】
前記高圧冷却システムは、高圧流体の前記第１の流れを冷却するように動作可能な第１の熱交換器と、空気の低圧の流れを冷却するように動作可能な第２の熱交換器とを含む、請求項２６に記載の電気機械。
【請求項28】
前記高圧冷却システムは、高圧流体の前記第１の流れで前記固定子巻線を冷却するように動作可能な第１の冷却回路と、高圧流体の第２の流れで前記ロータ巻線を冷却するように動作可能な第２の冷却回路とを含み、前記第２の冷却回路は前記第１の冷却回路とは別個である、請求項２３に記載の電気機械。
【請求項29】
前記第１の冷却回路は、高圧流体の前記第１の流れの圧力を増加させるように動作可能な第１のロータ取付けポンプと、高圧流体の前記第２の流れの圧力を増加させるように動作可能な第２のロータ取付けポンプとを含む、請求項２８に記載の電気機械。
【請求項30】
前記第１の冷却回路は、高圧流体の前記第２の流れの圧力を増加させるように動作可能な第１のロータ取付けポンプと、前記ロータから分離され、高圧流体の前記第１の流れの圧力を増加させるように動作可能な外部ポンプとを含む、請求項２８に記載の電気機械。
【請求項31】
前記第１の冷却回路および前記第２の冷却回路の各々が閉ループであり、高圧流体の前記第１の流れおよび高圧流体の前記第２の流れが空気を含む、請求項２８に記載の電気機械。【国際調査報告】