JP2014033584A

JP2014033584A - 回転電機の風冷構造

Info

Publication number: JP2014033584A
Application number: JP2012174150A
Authority: JP
Inventors: Akihide Mashita; 明秀真下; Masahiro Hoshi; 昌博星
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2014-02-20

Abstract

【課題】回転電機の冷却に大規模な熱交換器の設置を必要とせずに、従来の外皮冷却方式を併用しつつ高い冷却性能と機内温度分布の緩和が図れるように改良した回転電機の風冷構造を提供する。
【解決手段】固定子鉄心１に固定子コイル２を巻装した固定子、および回転子３を包囲したケーシング６に対し、その外周面側と、ケーシング内方の機内側とに分けて冷却空気の通風経路を形成し、各通風経路にはそれぞれ別系統の送風源から冷却空気流Ａ，Ｂを送風して固定子および回転子の発生熱を外方に放熱するようにした風冷式の回転電機において、ケーシング６の外周面側の通風経路に送風する冷却空気流Ａと、機内側の通風経路に送風する冷却空気流Ｂを互いに逆方向に向流させて送風する。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石式の汎用モータ、風力発電装置の発電機などに適用する回転電機の風冷構造に関する。

周知のように頭記の回転電機には、運転性能の保障、固定子コイルなどに使用する絶縁材の寿命確保、および回転子に搭載した永久磁石（希土類磁石）に対する熱減磁の耐性確保などのほか、小型・軽量化の面から高い冷却性能（固定子および回転子の温度上昇抑制、さらには温度分布の均一化）が要求され、その冷却方式として従来では次記のような各種の風冷方式が知られている。
（１）固定子鉄心に固定子コイルを巻装した固定子、および該固定子の内周側に間隙を隔てて対向する回転子を包囲したケーシング（全閉型）に対し、該ケーシングの外周面に軸方向に延在する多数枚の冷却フィンを布設するとともに、回転子の軸上には外扇を設け、この外扇を介して前記冷却フィンに外気流を送風して固定子および回転子に発生する熱（銅損、鉄損、機械損）を外方に放熱するようにした外皮冷却方式（例えば、特許文献１参照）。
（２）前記の外皮冷却方式と、回転軸上に設けた内扇を介してケーシング内方の機内空気を循環する送風方式を組み合わせた冷却方式（例えば、特許文献２）。
（３）そのほか、機外側に付設した熱交換器を経由してケーシング内方の機内空気を強制循環送風する冷却方式（例えば、特許文献３参照）。

特開２０００−７８７９７号公報（図７参照）特開平９−１４９５９９号公報特開平１０−２４８２０９号公報

ところで、前記した従来の冷却方式には次記のような課題がある。すなわち、
（１）外皮冷却方式（特許文献１）において、ケーシングの外周面に沿って軸方向に送風される外気流は、冷却フィンとの熱交換によって冷却フィンの風下側領域を流れる冷却空気流の温度が風上側（流入側に近い領域）を流れる冷却空気に比べて上昇し、このために風下側の領域では放熱性能が低下して回転電機内部の発熱源（固定子および回転子）における軸方向の温度分布に大きな勾配が生じることになる。

このために、回転電機の設計で、前記温度分布の高温領域を基準に固定子コイルには耐熱性の高い絶縁材を採用したり永久磁石には熱減磁に強い高保磁力の永久磁石を採用するか、ケーシングの外周面に送風する外気風量を増量するなどして所要の性能保障を図ることが必要となるが、このような設計では機器材料がオーバースペックとなって、性能とコストを両立させる限界設計が困難となる。
（２）前記の外皮冷却方式と機内空気を循環する送風方式（特許文献２）を組み合わせて機内の発熱部に近い部位に機内の空気を循環通風させるようにすれば、ケーシングの外周側に送風する外気流と機内発熱部との間の伝熱性が改善されてトータル的に放熱性能が向上するものの、特許文献２のようにケーシングの外周側に送風する外気流に対して、機内側で循環送風する空気流を同じ方向に並流する送風方式では軸方向に沿った機内温度分布の不均一性が依然として緩和されず、発熱源である固定子および回転子の温度分布には大きな温度勾配が残ってしまう。
（３）また、機外側に設けた熱交換器を経由してケーシング内方の機内空気を強制循環送風する冷却方式（特許文献３）を採用するには、回転電機に発生する全損失を放熱するに要する容量の熱交換器が必要となって大形化するほか、コストも増加する。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、回転電機の全損失に対応する大規模な熱交換器の設置を必要とせずに、従来の外皮冷却方式を併用しつつ高い冷却性能と機内温度分布の緩和が図れるように改良し、特に風力発電装置に適用する風力発電機などに好適な回転電機の風冷構造を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明によれば、固定子鉄心に固定子コイルを巻装した固定子、および該固定子の内周側に間隙を隔てて対向する回転子を包囲したケーシングに対し、その外周面側と、ケーシング内方の機内側とに分けて冷却空気の通風経路を形成し、各通風経路にはそれぞれ別系統の送風源から冷却空気を送風して固定子および回転子の発生熱を外方に放熱するようにした風冷式の回転電機において、
前記ケーシングの外周面側の通風経路に送風する冷却空気流と、機内側の通風経路に送風する冷却空気流の向きを互いに逆方向に送風するものとし（請求項１）、具体的には次記のような態様で構成する。
（１）ケーシングの外周面には軸方向に多数枚の冷却フィンを布設して外周面側の通風経路を形成し、該通風経路には回転子の軸上に設けた外扇を介して送風する外気流、もしくはケーシング周域を通る自然風を通風する（請求項２）。
（２）ケーシングの機内側には軸方向に沿って固定子および回転子を経由する通風経路を形成し、該通風経路には送風ファンを介して冷却空気を強制通風する（請求項３）。
（３）前記の回転電機は、風車と連結してナセルに搭載した直接駆動式の風力発電機であり、そのケーシングの外周側通風経路に布設した冷却フィンには風車のブレードを通過した自然風を通風し、機内側の通風経路には別置の送風ファンを介してナセル側から冷却空気を前記自然風と逆方向に押し込み送風する（請求項４）。

上記のように、ケーシングの内側と外側とに分けて二系統の通風経路を形成した上で、ケーシングの外周面側の通風経路に送風する冷却空気流と、機内側の通風経路に送風する冷却空気流の向きを互いに逆方向に送風することにより、高い冷却性能を発揮して機内の固定子および，回転子の発生熱を効率よく外方に放熱しつつ、軸方向に沿った温度分布の勾配を緩和して回転電機の発熱部の温度上昇を許容範囲に抑制することができる。また、機内発熱部における温度分布が均一化することで適正な限界設計を容易に達成できる。

また、当該回転電機を風力発電装置の風車で直接駆動する風力発電機に適用し、そのケーシング外周側の通風経路に布設した冷却フィンには風車のブレードを通過した自然風を通風し、機内側の通風経路には別置の送風ファンを介してナセル側から冷却空気を前記の自然風と逆方向に押し込み送風するようにした請求項３の風冷構造によれば、機内発熱部に対する放熱性能の向上、および軸方向の温度分布緩和を図るとともに、自然風をケーシング外周側に送風する冷却空気の送風源に利用することにより、低コストで高い冷却性能を発揮できる。

本発明の実施例１による回転電機の風冷構造を示す略示構成図である。本発明の実施例２による回転電機の風冷構造を示す略示構成図である。風力発電装置に適用した本発明の実施例３による回転電機の風冷構造を示す略示構成図である。

以下、本発明による回転電機の風冷構造を図１，図２，図３に示す各実施例に基づいて説明する。

なお、図示の各実施例において、１は回転電機の固定子鉄心、２は固定子コイル、３は回転子、４は回転軸、５は回転子３を回転軸４に支持するスパイダー、６は固定子と，回転子との組立体を包囲するケーシング（外枠）、７は回転軸４をケーシング６に軸支する軸受、８はケーシング６の外周面上に分散して軸方向に布設した冷却フィン、９は回転軸４の軸上に設けた外扇（アウターファン）、１０はファンカバー、１１はケーシング６における前記外扇９と反対側の端面（エンドブラケット）に配置して該ブラケットに開口した冷却空気導入口から機内に冷却空気を押込み送風する別置送風ファン、１２は別置送風ファン１１に接続した熱交換器、１３は通風ダクト、１４はケーシング６の機内側に布設して前記冷却空気導入口と流出口との間を仕切る円筒状の通風仕切部材である。また、図３において、１５は風力発電装置の風車、１５ａ，１５ｂは風車１５のハブ，ブレード、１６はナセル、１７はナセル１６に搭載して風車１５のハブ１５ａに連結した直接駆動式の風力発電機（永久磁石形の同期発電機）である。

まず、全閉型回転電機に適用する本発明の実施例１の風冷構造を図１に示す。この実施例では、ケーシング６の外周面上に布設した冷却フィン８に沿って軸方向に形成した外周側の通風経路には、回転電機の外扇８を介して周囲から取り込んだ外気流（矢印Ａ）を図面に向かって右から左へ向かう方向に送風する。

一方、ケーシング６の機内側には、熱交換器１２，別置送風ファン１１を経てケーシング６の内方に押込み送風した冷却空気流（矢印Ｂ）を、図示のように固定子鉄心１と回転子３との間の空隙、および固定子鉄心１に穿設した軸方向の通風穴１ａを通る通風経路に沿って前記の冷却空気流Ａと逆方向に送風する。なお、固定子鉄心１、固定子コイル２および回転子３を通流した前記冷却空気流Ｂは、ケーシング６の右端に達したところで回転子３の内周側に反転し、スパイダー５の壁面に開口した通風穴５ａを通り抜けた後に通風ダクト１３および熱交換器１２を経て再び別置送風ファン１１に戻って機内に強制循環送風される。

上記のようにケーシング６の外周側と、機内側との二手に分けて各独立した外気流Ａと冷却空気流Ｂを通風することにより、回転電機の運転に伴って機内の固定子および回転子に発生した損失熱の一部は固定子鉄心１の外周面からケーシング６を経て冷却フィン８に伝熱し、ここに通風する外気流Ａと熱交換して外方に熱放散される。また、残りの損失熱は機内を循環する冷却空気流Ｂに熱移送され、熱交換器１２を経て外方に放熱される。なお、前記熱交換器１２は回転電機の全損失に対応する容量より小さくてよく、特許文献３に開示されている冷却方式のように全損失を放熱する熱交換器に比べて小型化できる。

また、前記の風冷構造において、ケーシング６を挟んでその内外通風経路に通風する外気流Ａおよび冷却空気流Ｂは、それぞれ風上側から風下側に向かって温度が上昇するが、ここで外気流Ａと、固定子および回転子に沿って機内側に通風する冷却空気流Ｂの流れ方向を互いに逆向きに向流させるようにすると、外気流Ａの風上側（低温）には冷却空気流Ｂの風下側（高温）が対向し、外気流Ａの風下側（高温）には冷却空気流Ｂの風上側（低温）が対向することになる。

一方、ケーシング６の壁を貫流して機内側から外周面側に移動する熱流束は、ケーシング６の壁を挟んだ内外側の温度差に依存する。これにより回転電機の機内発熱部における温度分布が均一化して軸方向に沿った温度勾配が緩和される。なお、この温度分布の緩和は熱流体解析のシミュレーションによっても確認されている。

次に開放形の回転電機に適用する実施例２の風冷構造を図２に示す。この実施例では先記実施例１における熱交換器１２を省略し、周囲から取り込んだ外気を別置送風ファン１１を介してケーシング６の内方に循環送風し、機内の固定子および回転子を通風した後にケーシング６の左端面に開口した排気口を通じて外方に放出するようにしている。

この実施例でも、外気流Ａと、固定子および回転子に沿って機内側に通風する冷却空気流Ｂの流れ方向を互いに逆向きに向流させることで、軸方向に沿った温度勾配の緩和に関し、実施例１と同様な効果を発揮できる。

次に、風力発電装置の風力発電機に適用した実施例を図３に示す。図において、１５は風車、１６はナセル、１７は風車１５のハブ１５ａに直結してナセル１６に搭載した直接駆動式の風力発電機（永久磁石式同期発電機）である。なお、風車１５のブレード１５ｂは大径でその回転速度は、高々１分間当たり数十回転（ＲＰＭ）である。

この風力発電機１７について、そのケーシング６の外周面には先記の各実施例と同様に冷却フィン８を軸方向に沿って布設し、ここに風車１５のブレード１５ｂを通過した自然風Ｃを図示矢印方向に通風するようにしている。また、ケーシング６の後面側（風車１５と反対側）には実施例２（図２参照）と同様に別置送風ファン１１を配備し、ナセル１６側から取り込んだ冷却空気流Ｂを機内の固定子および回転子に沿って図示矢印方向に通風するようにしている。

この構成により、風力発電機１７の発熱部（固定子および回転子）からケーシング６の壁を介して直接伝熱、ないしは機内側の冷却空気流Ｂを介して冷却フィン８に伝熱する損失熱を、自然風Ｃと冷却空気流Ｂを介して外方に放熱することかできる。しかも、自然風Ｃの通風方向と機内の冷却空気流Ｂとの通風方向を先記の各実施例と同様に逆向きに向流させることで、風力発電機１７の軸方向に沿った温度分布の勾配を緩和して限界設計を容易に達成することができる。

なお、この実施例３では送風ファン１１を介して機内に強制送風した冷却空気流Ｂを排気口を通じてナセル１６側に放流するようにしているが、先記実施例１と同様に送風ファン１１に熱交換器を組合せ、この熱交換器をナセル１６の外側後端に配置して自然風Ｃにより周囲に熱放散させるようにすることもできる。

１：固定子鉄心
２：固定子コイル
３：回転子
４：回転軸
６：ケーシング
８：冷却フィン
９：外扇
１１：機内送風用の別置送風ファン
１２：熱交換器
１３：通風ダクト
１４：機内の通風仕切ガイド
１５：風車
１５ａ：ハブ
１５ｂ：ブレード
１６：ナセル
１７：風力発電機

Claims

固定子鉄心に固定子コイルを巻装した固定子、および該固定子の内周側に間隙を隔てて対向する回転子を包囲したケーシングに対し、その外周面側と、ケーシング内方の機内側とに分けて冷却空気の通風経路を形成し、各通風経路にはそれぞれ別系統の送風源から冷却空気を送風して固定子および回転子の発生熱を外方に放熱するようにした風冷式の回転電機において、
前記ケーシングの外周面側の通風経路に送風する冷却空気流と、機内側の通風経路に送風する冷却空気流の向きを互いに逆方向に送風することを特徴とする回転電機の風冷構造。
請求項１に記載の回転電機の風冷構造において、ケーシングの外周面には軸方向に多数枚の冷却フィンを布設して外周面側の通風経路を形成し、該通風経路には回転子の軸上に設けた外扇を介して送風する外気流、もしくはケーシング周域の自然風を通風することを特徴とする回転電機の風冷構造。
請求項１または２に記載の回転電機の風冷構造において、ケーシングの機内側には固定子および回転子を経由する通風経路を形成し、該通風経路には送風ファンを介して冷却空気を強制通風することを特徴とする回転電機の風冷構造。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転電機の風冷構造において、当該回転電機が風車と連結してナセルに搭載した直接駆動式の風力発電機であり、そのケーシングの外周側通風経路に布設した冷却フィンには風車のブレードを通過した自然風を通風し、機内側の通風経路には別置の送風ファンを介してナセル側から冷却空気を前記自然風と逆方向に押し込み送風することを特徴とする回転電機の風冷構造。