JP2012170317A

JP2012170317A - 浸漬型電気機械、冷却システムおよび電気機械の冷却方法

Info

Publication number: JP2012170317A
Application number: JP2012014685A
Authority: JP
Inventors: Mahesh J Shah; ジェイ．シャーマヘシュ; Duffek Darrell; デュフェックダレル
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2012-09-06
Also published as: AU2012200486A1; EP2487778A2; US20120205994A1; CN102638132A; EP2487778A3

Abstract

【課題】電気機械の速度と逆の関係で電気機械内の冷媒量を変化させることにより、風損を最小化するとともに電気機械の冷却効率を最大化する、電気機械用の冷却システムを提供する。
【解決手段】電気機械１２は、冷却システム１０によって動作される冷媒３４用の閉ループ冷媒回路によってリザーバ１４と連通している。速度センサ２８がコントローラ３０に接続されている。速度センサ２８は、電気機械１２が中間速度で動作していることを検出し、コントローラ３０に中間速度信号を送信する。コントローラ３０は、ルックアップテーブルにおいて電気機械１２の中間速度を参照し、機械容積に占める中間の容積部が最適であることを決定する。そして、コントローラ３０は、電気機械１２内において機械容積に占める中間の容積部を達成するために、供給ポンプ１８、供給オリフィス２０、戻りポンプ２４や戻りオリフィス２６のパラメータを設定する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、電気機械に関し、特に、浸漬型可変速電気機械に関する。

電気機械、例えば、モータや発電機は、電力変換装置である。電気機械における電力の変換は、機械的摩擦または電気的損失に関連しており、これらの摩擦や損失は熱を生じさせる。発生した熱は望ましくないものであり、したがって、従来の方法においては、電気機械は、空気、液体またはこれらの組み合わせを用いて冷却される。少なくとも３つの異なる種類の液体冷却方式の電気機械が存在し、これら３種類の冷却方式としては、（ａ）後部鉄を用いた冷却（ｂａｃｋｉｒｏｎｃｏｏｌｅｄ）、（ｂ）スプレー油冷および（ｃ）浸漬冷却（オイル内の浸水）が挙げられる。

浸漬型電気機械が提供される。浸漬型電気機械は、流体密閉ハウジングと、この流体密閉ハウジング内に配置されたロータと、このロータから半径方向距離だけ離間するように流体密閉ハウジング内に配置されたステータとを備えている。エアギャップが、半径方向距離によってロータとステータとの間に画定される。浸漬型電気機械は、ロータおよびステータの双方と接触するようにエアギャップ内に配置される、冷却流体からなる容積部をさらに備えている。コントローラが、電気機械の速度の関数としてエアギャップ内の容積部を調整する。

また、ロータと、ステータと、該ロータと該ステータとの間に画定されたエアギャップとを有した可変速電気機械用の冷却システムも提供される。この冷却システムは、ロータおよびステータの双方と接触するようにエアギャップ内に配置される、冷媒からなる容積部を備えている。冷媒を貯蔵するためのリザーバが、閉ループによって電気機械と連通している。電気機械とリザーバとの間で冷媒を移動させるための少なくとも１つのポンプが、リザーバと電気機械との間の導管に配置される。電気機械についての情報を検出するセンサが、電気機械と関連している。電気機械のエアギャップ内の容積部が電気機械についての検出した情報の関数として変化するように、コントローラがこの検出した情報を受け、これに応じて少なくとも１つのポンプの速度を変化させる。

さらに、ロータと、ステータと、該ロータと該ステータとの間の空間によって画定されたエアギャップとを有した電気機械を冷却する方法が提供される。この方法は、電気機械の速度を検出するステップと、電気機械から検出した速度に応答してエアギャップ内に配置された冷媒からなる容積部を変化させるステップとを含む。

中間速度で動作する電気機械用の冷却システムの概略図である。図１Ａの電気機械の断面図である。低速度で動作する電気機械用の冷却システムの概略図である。図２Ａの電気機械の断面図である。高速度で動作する電気機械用の冷却システムの概略図である。図３Ａの電気機械の断面図である。

本発明は、機械効率を最大化する浸漬型可変速電気機械を冷却するシステムを提供する。電気機械の効率は、動作時に生じるエネルギ損失の関数として計測され得る。エネルギ損失は、本質的には、電気的損失または機械的損失である。電気的損失は、鉄損および銅損を含み、機械的損失は、摩擦損失および風損（ｗｉｎｄａｇｅｌｏｓｓ）を含む。風損は、機械速度の三次関数として増加する。本発明の冷却システムは、電気機械の速度と逆の関係で電気機械内の冷媒量を変化させることにより、風損を最小化するとともに、電気機械の冷却効率を最大化する。

図１Ａには、中間速度で動作する電気機械１２用の冷却システム１０が概略的に示されている。図１Ａには、電気機械１２用の冷却システム１０の構成要素、即ち、リザーバ１４、供給導管１６、供給ポンプ１８、供給オリフィス２０、戻り導管２２、戻りポンプ２４、戻りオリフィス２６、速度センサ２８、コントローラ３０、流体センサまたは冷媒センサ３２および冷却流体または冷媒３４が示されている。冷却システム１０は、電気機械１２の動作時に生成した熱を管理するために、電気機械１２へ冷媒３４を供給する。

電気機械１２は、冷却システム１０によって動作される冷媒３４用の閉ループ冷媒回路によってリザーバ１４と連通している。冷却システム１０の冷媒３４用の回路またはループは、供給側（供給導管１６、供給ポンプ１８および供給オリフィス２０）と、反対の戻り側（戻り導管２２、戻りポンプ２４および戻りオリフィス２６）とを備えている。供給導管１６は、リザーバ１４と電気機械１２との間に延びており、リザーバ１４を電気機械１２に接続している。供給ポンプ１８は、供給導管１６に沿った約半分の箇所に配置されている。供給オリフィス２０は、供給ポンプ１８と電気機械１２との間に配置されている。供給ポンプ１８および供給オリフィス２０は、コントローラ３０に電気的に接続されている。同様に、戻り導管２２は、電気機械１２とリザーバ１４との間に延びており、電気機械１２をリザーバ１４に接続している。戻りポンプ２４は、戻り導管２２に沿った約半分の箇所に配置されている。戻りオリフィス２６は、戻りポンプ２４と電気機械１２との間に配置されている。戻りポンプ２４および戻りオリフィス２６は、コントローラ３０に電気的に接続されている。速度センサ２８および冷媒センサ３２の双方が、コントローラ３０に電気的に接続されている。図示した実施例では、電気機械１２内には、冷媒３４からなる機械容積に占める中間の容積部（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｍａｃｈｉｎｅｖｏｌｕｍｅ）が存在する。

電気機械１２は、商用目的または産業目的の発電機、モータ、もしくは発電機とモータとの組み合わせとされ得る。電気機械１２は、冷媒３４（例えば、オイル）で浸水されるか、または「浸漬」される。冷媒３４は、リザーバ１４内に貯蔵されており、冷媒３４用のループの供給側を介して電気機械１２へ供給される。より詳細には、冷媒３４は、リザーバ１４から供給導管１６を通して電気機械１２へと通流する。供給導管１６内を移動しているときには、冷媒３４は、供給ポンプ１８を通流した後に供給オリフィス２０を通流する。供給ポンプ１８は、リザーバ１４から電気機械１２へ所定の速度で冷媒３４をポンプ輸送するための可変速ポンプである。供給オリフィス２０は、冷媒３４の完全な流れ、または減少した流れ、部分的な流れを電気機械１２へと通流させるか、もしくは流れを電気機械１２へと通流させない固定オリフィスまたは可変オリフィスである。冷媒３４は、電気機械１２から冷媒３４用のループの戻り側を介してリザーバ１４へと戻る。より詳細には、冷媒３４は、電気機械１２から戻り導管２２を通してリザーバ１４へと流入する。戻り導管２２を通流しているときには、冷媒３４は、戻りオリフィス２６を通流した後に戻りポンプ２４を通流する。戻りオリフィス２６は、電気機械１２から、冷媒３４の完全な流れ、または減少した流れ、部分的な流れを通流させるか、もしくは流れを通流させない固定オリフィスまたは可変オリフィスである。戻りポンプ２４は、電気機械１２からリザーバ１４へと所定の速度で冷媒３４をポンプ輸送するための可変速ポンプである。電気機械１２内の風損を減少するとともに、電気機械１２の冷却効率を最大化するために、供給ポンプ１８、供給オリフィス２０、戻りポンプ２４および戻りオリフィス２６の各々は、コントローラ３０によって制御される。

動作時には、電気機械１２は、一定の周波数または回転速度を有しており、これは速度センサ２８によって検出される。速度センサ２８は、電気機械１２から検出した速度をコントローラ３０へと送信する。コントローラ３０は、電気機械１２内の冷媒３４の最適な流体レベルまたは体積を決定するために、電気機械１２から検出した速度を用いる。コントローラ３０は、所定の速度で動作する電気機械１２内の冷媒３４の最適な流体レベルを決定するために、ルックアップテーブルにおいて、電気機械１２から検出した速度を参照する。冷媒３４の最適な流体レベルは、製造時に決定される値であり、この値は、風損を減少し、所定の速度で動作する電気機械１２の冷却効率を最大化するものである。コントローラ３０は、冷媒３４の量を増加させて電気機械１２内の冷媒３４の量を最適な流体レベルにより近づけるように、供給ポンプ１８、供給オリフィス２０、戻りオリフィス２６および戻りポンプ２４の１つまたは複数のパラメータを調整する。冷媒センサ３２が、電気機械１２内に流入する冷媒３４の量を検出し、コントローラ３０にフィードバックを与えることに寄与するように冷却システム１０に任意選択的に用いられる。

図１Ａでは、電気機械１２は、中間速度で動作している。速度センサ２８は、電気機械１２が中間速度で動作していることを検出し、コントローラ３０に中間速度信号を送信する。コントローラ３０は、ルックアップテーブルにおいて電気機械１２の中間速度を参照し、中間量の冷媒３４つまり機械容積に占める中間の容積部（ＩＭＶ）が最適であることを決定する。そして、コントローラ３０は、電気機械１２内において機械容積に占める中間の容積部を達成するために、供給ポンプ１８、供給オリフィス２０、戻りポンプ２４や戻りオリフィス２６のパラメータを設定する。より多量の冷媒３４が電気機械１２内において必要とされる場合には、コントローラ３０は、供給ポンプ１８の速度を増加してリザーバ１４から電気機械１２へと冷媒３４をより迅速にポンプ輸送することができ、供給オリフィス２０を拡大（開く）して電気機械１２へと冷媒３４の流れをより迅速に通流させることができ、戻りオリフィス２６を制限（閉じる）して電気機械１２から流出する冷媒３４の流れを減少させることができ、また、戻りポンプ２４の速度を減少して電気機械１２からリザーバ１４へと向かう冷媒３４の流れを減少させることができる。より少量の冷媒３４が電気機械１２内において必要とされる場合には、コントローラ３０は、供給ポンプ１８の速度を減少してリザーバ１４から電気機械１２へと冷媒３４をより遅くポンプ輸送することができ、供給オリフィス２０を制限（閉じる）して電気機械１２へと流入する冷媒３４の流れを減少させることができ、戻りオリフィス２６を拡大（開く）して電気機械１２から流出する冷媒３４の流れを増加させることができ、また、戻りポンプ２４の速度を増加して電気機械１２からリザーバ１４へとより迅速に冷媒３４の流れをポンプ輸送することができる。冷媒センサ３２は、コントローラ３０が冷却システム１０のパラメータをさらに増加し、即ち良く調整し、機械容積に占める中間の容積部を実現することができるように、機械容積に占める中間の容積部の実現についてのフィードバックをコントローラ３０へ与えることができる。

図１Ｂには、中間速度で動作し、機械容積に占める中間の容積部を実現する、図１Ａの電気機械１２の断面が示されている。図１Ｂには、電気機械１２の構成要素、即ち冷媒３４、ハウジング３６、ステータ３８、ロータ４０およびエアギャップ４２が示されている。電気機械１２が中間速度で動作し、冷媒３４のレベルが機械容積に占める中間の容積部とされているときには、風損は最小化され、冷却効率が最大化される。

電気機械１２の作動部品が、流体を密閉するハウジング３６内に収容されている。ハウジング３６は、電気機械１２の最外の半径方向部分である。ステータ３８つまり電気機械１２の固定部分が、ハウジング３６内に半径方向に配置されている。ロータ４０つまり電気機械１２の回転部分が、ステータ３８内に半径方向に配置されている。機械的エアギャップ４２が、ステータ３８の最内部分とロータ４０の最外部分との間で半径方向に延びている。冷媒３４がエアギャップ４２内に存在しており、ステータ３８の最内部分およびロータ４０の最外部分の双方と接触している。図１Ｂにおいては、電気機械１２は、中間速度で動作しており、したがって、機械容積に占める中間の容積部は、冷媒３４の最適の容量である。図示したように、機械体積に占める中間の容積部は、エアギャップ４２の約半分を満たしている。電気機械の中間速度においては、機械容積に占める中間の容積部によって、風損を最小化し、かつ冷却効率を最大化するようにバランスを保っている。しかし、電気機械１２は、可変速の機械であり、異なる速度で動作するときには冷媒３４の異なるレベルが必要となる。

図２Ａには、低速で動作する電気機械１２用の冷却システム１０が概略的に示されている。図２Ａには、電気機械１２用の冷却システム１０の構成要素、即ちリザーバ１４、供給導管１６、供給ポンプ１８、供給オリフィス２０、戻り導管２２、戻りポンプ２４、戻りオリフィス２６、速度センサ２８、コントローラ３０、冷媒センサ３２および冷媒３４が示されている。図２Ａは図１Ａと実質的に同じであり、冷却システム１０の同じ構成要素を示している。図２Ａと図１Ａとの相違は、以下に強調される。

図２Ａでは、電気機械の速度が、図１Ａに示した中間速度よりも低いものとされている。速度センサ２８は、電気機械１２が比較的低速で動作していることを検出し、コントローラ３０へ低速信号を送信する。コントローラ３０は、ルックアップテーブルにおいて電気機械１２の低速を参照し、比較的多量の冷媒３４つまり機械容積に占める大きな容積部（ｈｉｇｈｍａｃｈｉｎｅｖｏｌｕｍｅ）が最適であることを決定する。そして、コントローラ３０は、電気機械１２内で機械容積に占める大きな容積部（ＨＭＶ）を達成するために、供給ポンプ１８、供給オリフィス２０、戻りポンプ２４や戻りオリフィス２６のパラメータを設定する。（図１Ａの機械容積に占める中間の容積部よりも）多量の冷媒３４が電気機械１２内において必要とされるので、コントローラ３０は、供給ポンプ１８の速度を増加してリザーバ１４から電気機械１２へと冷媒３４をより迅速にポンプ輸送することができ、供給オリフィス２０を拡大（開く）して電気機械１２へと冷媒３４の流れをより迅速に通流させることができ、戻りオリフィス２６を制限（閉じる）して電気機械１２から流出する冷媒３４の流れを減少させることができ、また、戻りポンプ２４の速度を減少して電気機械１２からリザーバ１４へと向かう冷媒３４の流れを減少させることができる。１つまたは複数の上記パラメータを増加させることにより、より多量の冷媒３４がリザーバ１４から電気機械１２へと通流することになり、機械容積に占める中間の容積部が、機械容積に占める大きな容積部へと増加する。冷媒センサ３２は、コントローラ３０が冷却システム１０のパラメータをさらに増加し、即ち良く調整し、機械容積に占める大きな容積部を実現することができるように、機械容積に占める大きな容積部の実現についてのフィードバックをコントローラ３０へ与えることができる。

図２Ｂには、低速で動作する図２Ａの電気機械１２の断面が示されている。図２Ｂには、電気機械１２の構成要素、即ち冷媒３４、ハウジング３６、ステータ３８、ロータ４０およびエアギャップ４２が示されている。図２Ｂは、図１Ｂと実質的に同じであり、電気機械１２の同じ構成要素を示している。図２Ｂでは、電気機械１２は、低速で動作しており、したがって、機械容積に占める大きな容積部は、冷媒３４の最適な容量である。図示したように、機械容積に占める大きな容積部は、エアギャップ４２を実質的に満たし、冷媒３４は、ステータ３８の最内部分およびロータ４０の最外部分の双方と接触する。低速の電気機械１２においては、風損はさほど問題とならず、より多量の冷媒３４が最適である。

図３Ａには、高速で動作する電気機械１２用の冷却システム１０が概略的に示されている。図３Ａには、電気機械１２用の冷却システム１０の構成要素、即ちリザーバ１４、供給導管１６、供給ポンプ１８、供給オリフィス２０、戻り導管２２、戻りポンプ２４、戻りオリフィス２６、速度センサ２８、コントローラ３０、冷媒センサ３２および冷媒３４が示されている。図３Ａは、図１Ａおよび図２Ａと実質的に同じであり、冷却システム１０の同じ構成要素を示している。図３Ａと図１Ａ，２Ａとの相違は、以下に強調される。

図３Ａでは、電気機械の速度は、図１Ａの中間速度または図２Ａの低速よりも高いものとされている。速度センサ２８は、電気機械１２が比較的高速で動作していることを検出し、コントローラ３０へ高速信号を送信する。コントローラ３０は、ルックアップテーブルにおいて電気機械１２の高速を参照し、比較的少量の冷媒３４つまり機械容積に占める小さな容積部（ｌｏｗｍａｃｈｉｎｅｖｏｌｕｍｅ）が最適であることを決定する。そして、コントローラ３０は、電気機械１２内において機械容積に占める小さな容積部を達成するために、供給ポンプ１８、供給オリフィス２０、戻りポンプ２４や戻りオリフィス２６のパラメータを設定する。（図１の機械容積に占める中間の容積部および図２の機械容積に占める大きな容積部よりも）少量の冷媒３４が電気機械１２内において必要とされるので、コントローラ３０は、供給ポンプ１８の速度を減少してリザーバ１４から電気機械１２へと冷媒３４をより遅くポンプ輸送することができ、供給オリフィス２０を制限（閉じる）して電気機械１２へと流入する冷媒３４の流れを減少させることができ、戻りオリフィス２６を拡大（開く）して電気機械１２から流出する冷媒３４の流れを増加させることができ、また、戻りポンプ２４の速度を増加して電気機械１２からリザーバ１４へとより迅速に冷媒３４の流れをポンプ輸送することができる。１つまたは複数の上記パラメータを増加させることにより、より多量の冷媒３４が電気機械１２からリザーバ１４へと通流し、機械容積に占める中間の容積部または機械容積に占める大きな容積部が、機械容積に占める小さな容積部へと減少する。冷媒センサ３２は、コントローラ３０が冷却システム１０のパラメータをさらに増加し、即ち良く調整し機械容積に占める小さな容積部を実現することができるように、機械容積に占める小さな容積部の実現についてのフィードバックをコントローラ３０へ与えることができる。

図３Ｂには、高速で動作する図３Ａの電気機械１２の断面が示されている。図３Ｂは、図１Ｂおよび図２Ｂと実質的に同じであり、電気機械１２の同じ構成要素を示している。図３Ｂでは、電気機械１２は高速で動作しており、したがって、機械容積に占める小さな容積部は、冷媒３４の最適な容量である。図示したように、機械容積に占める小さな容積部は、エアギャップ４２の約４分の１を満たしているが、冷媒３４は、ステータ３８の最内部分およびロータ４０の最外部分の双方と接触したままである。高速の電気機械１２においては、風損は、最も問題となるものであり、より少量の冷媒３４が最適である。

本発明の例示的な実施例について説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更がなされ得ることを理解されたい。

Claims

流体密閉ハウジングと、
前記流体密閉ハウジング内に配置されたロータと、
前記ロータから半径方向距離だけ離間するように前記流体密閉ハウジング内に配置されたステータと、
前記半径方向距離によって前記ロータと前記ステータとの間に画定されたエアギャップと、
前記ロータおよび前記ステータの双方と接触するように前記エアギャップ内に配置される、冷却流体からなる容積部と、
前記電気機械の速度の関数として前記エアギャップ内の前記冷却流体からなる容積部を調整するコントローラと、
を備えた浸漬型電気機械。
前記電気機械は、モータであることを特徴とする請求項１に記載の浸漬型電気機械。
前記電気機械は、発電機であることを特徴とする請求項１に記載の浸漬型電気機械。
前記エアギャップ内の前記容積部は、前記電気機械の速度がいかなる速度であっても、前記ステータおよび前記ロータの双方と接触することを特徴とする請求項１に記載の浸漬型電気機械。
前記容積部は、前記電気機械の速度が低速であるときに、前記エアギャップを実質的に満たすことを特徴とする請求項４に記載の浸漬型電気機械。
前記容積部は、前記電気機械の速度が高速であるときに、前記エアギャップを部分的に満たすことを特徴とする請求項４に記載の浸漬型電気機械。
ロータと、ステータと、該ロータと該ステータとの間に画定されたエアギャップとを有した可変速電気機械用の冷却システムであって、
前記ロータおよび前記ステータの双方と接触するように前記エアギャップ内に配置される、冷媒からなる容積部と、
閉ループによって前記電気機械と連通し、冷媒を貯蔵するリザーバと、
前記リザーバと前記電気機械との間で冷媒を移動させるように、前記リザーバと前記電気機械との間の導管に配置された少なくとも１つのポンプと、
前記電気機械についての情報を検出するセンサと、
前記電気機械の前記エアギャップ内の前記容積部が前記検出した情報の関数として変化するように、前記電気機械についての検出した情報を受け、これに応答して前記少なくとも１つのポンプの速度を変化させるコントローラと、
を備えた冷却システム。
前記センサは、前記電気機械の速度を検出する速度センサであることを特徴とする請求項７に記載の冷却システム。
前記センサは、前記エアギャップ内の前記容積部を検出する冷媒レベルセンサであることを特徴とする請求項７に記載の冷却システム。
前記少なくとも１つのポンプは、前記リザーバから前記電気機械へ冷媒をポンプ輸送するように第１の導管に配置された可変速供給ポンプであることを特徴とする請求項７に記載の冷却システム。
前記電気機械への冷媒流を制限するように、前記供給ポンプと前記電気機械との間の前記第１の導管に配置されたオリフィスをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の冷却システム。
前記少なくとも１つのポンプは、前記電気機械から前記リザーバへ冷媒をポンプ輸送するように第２の導管に配置された可変速戻りポンプであることを特徴とする請求項７に記載の冷却システム。
前記電気機械からの冷媒流を制限するように前記戻りポンプと前記電気機械との間の前記第２の導管に配置されたオリフィスをさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の冷却システム。
ロータと、ステータと、該ロータと該ステータとの間の空間によって画定されたエアギャップとを有した電気機械を冷却する方法であって、
前記電気機械の速度を検出するステップと、
前記電気機械から検出した速度に応答して前記エアギャップ内に配置された冷媒からなる容積部を変化させるステップと、
を含む方法。
前記エアギャップ内の前記容積部は、前記電気機械から検出した速度がいかなる速度であっても、前記ロータおよび前記ステータと接触することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記変化させるステップは、前記エアギャップが冷媒からなる比較的大きな容積部を含むように、前記電気機械から検出した速度が比較的低速であるときに前記エアギャップ内の前記容積部を増加させることをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記変化させるステップは、前記エアギャップが冷媒からなる比較的小さな容積部を含むように、前記電気機械から検出した速度が比較的高速であるときに前記エアギャップ内の前記容積部を減少させることをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
前記エアギャップ内の前記容積部を検出するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。