JP2014158366A - 回転電機の冷却システム及び冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の周方向及び軸方向の双方について温度勾配を簡易な構造で低減できる冷却システム及び冷却方法の提供。
【解決手段】冷却システムは、ポンプ等の冷媒搬送装置２８と、ヒートポンプ等の冷媒冷却装置３０とを有する。冷媒搬送装置２８は冷媒用配管３２によって冷却流路１８に流体的に連通しており、これにより、ポンプ２８から送られる冷媒がジャケット２０の流路１８内を通って再びポンプ２８に戻るという冷媒循環路が形成される。冷媒搬送装置２８は冷媒の流れ方向を反転させることができるように構成されており、冷却流路１８内の冷媒の流れ方向を適宜反転させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を用いて回転電機、特に回転電機の固定子を冷却する冷却システム及び冷却方法に関する。

従来、電動機の発熱対策の１つとして、当該電動機のハウジング内に冷媒を流す構造が採用されることがあり、またその構造にも種々の工夫がされている。例えば特許文献１には、ステータの外側に嵌合するジャケットに、冷媒の流路として複数の螺旋状の溝を並列に設けた電動機冷却装置が記載されている。

また特許文献２には、モータのハウジングの外径と等しい内径を有するカバーの内周面に複数の溝（流路）を設け、隣接する溝内の流れ方向が互いに反対となるように冷媒を流すようにした冷却機構が記載されている。

さらに特許文献３には、リニアモータ部を循環する冷媒の流れ方向を正逆反転させる流路切替弁をそれぞれ配設し、これらの流路切替弁を演算制御装置により所定の周期をもって作動させ、リニアモータ部を循環する冷媒の流れ方向を正逆反転させるようにしたステージ装置が記載されている。

特開２０１１−０１５５７８号公報 特開平１１−０３３８７７号公報 特開２０００−０９２８１５号公報

特許文献１に記載の冷却装置では、電動機の周方向と軸方向の双方に温度勾配が生じ、この温度勾配の大きさによっては装置に歪みが生じる虞がある。また特許文献２の構造では、その図３に示すように、形状が互いに異なる少なくとも２つの流路を形成する必要があることに加え、流入口及び排出口を各々の流路に設ける必要があるため、配管構造が複雑になり、コストアップの要因となる。

一方、特許文献３に係る発明は、冷媒の流れ方向を反転させることによって、リニアモータ部に生じる温度勾配を低減させて位置決め精度の低下を防止するものであるが、適用対象を回転電機としたものではなく、故に回転電機に特有の、軸方法及び周方向の双方の温度勾配の低減を企図したものではない。

そこで本発明は、回転電機の周方向及び軸方向の双方について温度勾配を簡易な構造で低減できる冷却システム及び冷却方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、冷媒を冷却する冷媒冷却装置と、前記冷媒冷却装置に流体的に接続され、前記冷媒冷却装置にて冷却した冷媒を流すための冷媒搬送装置と、前記冷媒搬送装置に流体的に接続されるとともに、回転電機の固定子の外周面に隣接して配置された螺旋状の冷却流路と、を有する回転電機の冷却システムであって、前記冷却流路内を流れる冷媒の流れ方向を、所定の条件に基づいて反転させる反転手段を有する、回転電機の冷却システムを提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記冷媒搬送装置が、冷媒の流れ方向を反転させる機能を有する、回転電機の冷却システムを提供する。

第３の発明は、第１の発明において、前記冷媒搬送装置と、前記冷却流路の流入口又は排出口との間に、少なくとも１つの分岐点及びバルブを有する配管構造を有し、前記バルブの操作によって前記冷却流路内の冷媒の流れ方向が反転する、回転電機の冷却システムを提供する。

第４の発明は、第１〜第３の発明において、所定の条件に基づいて、前記冷却流路内の冷媒の流れ方向を反転させる指令又は信号を前記反転手段に送るように構成された指令発生部をさらに有する、回転電機の冷却システムを提供する。

第５の発明は、冷媒を冷却する冷媒冷却装置と、前記冷媒冷却装置にて冷却した冷媒を流すための冷媒搬送装置と、回転電機の固定子の外周面に隣接して配置され、前記冷媒が流れる螺旋状の冷却流路と、を用いた回転電機の冷却方法であって、前記冷却流路内を流れる冷媒の流れ方向を、所定の条件に基づいて反転させることを含む、回転電機の冷却方法を提供する。

本発明によれば、固定子の外周面に設けた螺旋状の冷却流路内を流れる冷媒の流れ方向を適宜反転させることができるので、回転電機の軸方向及び周方向の双方について温度勾配を低減又は排除することができ、熱による寸法変化や精度低下を抑制することができる。また本発明は螺旋状の冷却流路を有する既存の回転電機にも適用できるので、低コストで高性能の回転電機を実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る回転電機の冷却システムの概略構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る回転電機の冷却システムの概略構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る回転電機の冷却システムの概略構成を示す図である。 冷媒の流れ方向を反転させるための指令発生部を設けた例を示す図である。 図４の構成に計測器をさらに設けた例を示す図である。 計測器を回転電機の駆動装置内に設けた例を示す図である。 本発明に係る冷却システムの冷却流路を形成するジャケットの一構造例を示す図である。 本発明に係る冷却システムの冷却流路を形成するジャケットの他の構造例を示す図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転電機の冷却システムの概略構成を示す図である。当該冷却システムの適用対象である回転電機１０は、固定子（電機子）１２と、固定子１２に対して回転可能な回転子１４と、回転子１４と一体的に回転可能な回転軸１６とを有し、回転電機１０（特に固定子１２）を冷却するための冷媒を流す冷却流路１８が形成されたジャケット２０（後述する図７参照）をさらに有する。図示例では、ジャケット２０は固定子１２の外周面に隣接配置され、ジャケット２０の流路１８は、ジャケット２０の外周面に形成された、少なくとも１周以上の長さの螺旋状の溝と、ジャケット２０を囲繞するハウジング又はスリーブ２２の内周面とによって画定されている。なおスリーブ２２は、流路１８に流体的に連通する少なくとも２つの開口部２４、２６を有し、当該開口部には後述する冷媒用配管がそれぞれ連結される。

図１に示すように、本発明に係る冷却システムは、ポンプ等の冷媒搬送装置２８と、ヒートポンプ等の冷媒冷却装置３０とを有する。冷媒搬送装置２８は冷媒用配管３２によって冷却流路１８（より具体的にはスリーブ２２の開口部２４、２６）に流体的に連通しており、これにより、ポンプ２８から送られる冷媒がジャケット２０の流路１８内を通って再びポンプ２８に戻るという冷媒循環路が形成される。一方。冷媒冷却装置３０は、冷媒用配管３２内を流れる冷媒を冷却できるものであればどのようなものでもよいが、例えば、圧縮機３４と、ファン３６を備えた凝縮機３８と、膨張弁４０と、冷却器又は熱交換器４２と、圧縮機３４、凝縮機３６、膨張弁４０及び冷却器４２を流体的に環状に連結する配管４４とを有するヒートポンプが使用可能である。

第１の実施形態では、ポンプ等の冷媒搬送装置２８は冷媒の流れ方向を反転させることができるように構成されており、これにより、矢印４４及び４６で示すように、冷媒用配管３２内の流れ方向を適宜変更（反転）することができ、結果として冷却流路１８内の冷媒の流れ方向も反転させることができる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る回転電機の冷却システムの概略構成を示す図である。第２の実施形態は、ポンプ等の冷媒搬送装置２８自体は冷媒の流れを反転させる機能を具備せず、代わりに冷媒の流れを反転させる冷媒反転装置４８が設けられる点で第１の実施形態と異なる。なお第２の実施形態では、回転電機１０自体は第１の実施形態と同等でよいので、対応する構成要素には第１の実施形態と同一の参照符号を付して詳細な説明は省略する。

第２の実施形態において、反転装置４８は、開閉式バルブの切り替えによって冷却流路１８内の冷媒の流れ方向を反転させる配管構造を有する。具体的には、図２に示すように、冷媒搬送装置２６の出口５０から２方向に分岐した第１分岐管５２と、スリーブ２２の一方の開口部２４から２方向に分岐した第２分岐管５４と、スリーブ２２の他方の開口部２６から２方向に分岐した第３分岐管５６と、冷媒冷却装置３０の入口５８から２方向に分岐した第４分岐管６０とを有し、さらに、第１分岐管５２の一端と第２分岐管５４の一端を連結する第１バルブ６２と、第１分岐管５２の他端と第３分岐管５６の一端を連結する第２バルブ６４と、第２分岐管５４の他端と第４分岐管６０の一端を連結する第３バルブ６６と、第３分岐管５６の他端と第４分岐管６０の他端を連結する第４バルブ６８とを有する。

冷媒を矢印７０で示す正方向に流そうとする場合は、上述の第１バルブ６２及び第４バルブ６８を開とし、第２バルブ６４及び第３バルブ６６を閉とすればよい。一方、冷媒を矢印７２で示す逆方向に流そうとする場合は、上述の第１バルブ６２及び第４バルブ６８を閉とし、第２バルブ６４及び第３バルブ６６を開とすればよい。このように第２の実施形態では、冷媒搬送装置２８自体は冷媒の流れ方向反転機能を具備しない場合であっても、バルブの切り替え操作によって簡単に冷媒の流れ方向を反転させることができる。なおバルブの切り替えは手動で行ってもよいし、所定の条件に基づいて自動で行ってもよい。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る回転電機の冷却システムの概略構成を示す図である。第３の実施形態は、第２分岐管と第３分岐管の構造、及びスリーブの開口部の個数が異なる点を除けば第２の実施形態と同様でよいので、対応する構成要素には第２の実施形態と同一の参照符号を付して詳細な説明は省略する。

第３の実施形態では、第２の実施形態における第２分岐管５４に相当する配管が分岐管ではなく、第１バルブ６２とスリーブ２２の開口部２４とを連結する配管５４ａと、第３バルブ６６とスリーブ２２に新たに設けた開口部７４とを連結する配管５４ｂとが設けられている。同様に、第３分岐管５６に相当する配管も分岐管ではなく、第４バルブ６８とスリーブ２２の開口部２６とを連結する配管５６ａと、第２バルブ６４とスリーブ２２に新たに設けた開口部７６とを連結する配管５６ｂとが設けられている。なお開口部７４及び７６はそれぞれ、開口部２４及び２６に近接して設けられることが好ましい。第３の実施形態においても、第２の実施形態と同様のバルブ操作により、矢印７０で示す正方向と矢印７２で示す逆方向とに冷媒の流れ方向を切り替えることができる。

本発明によれば、回転電機の軸方向及び周方向の双方について温度勾配を低減して温度を均一化することができるので、熱膨張量の違いによる回転電機の変形を防止でき、回転精度の低下を防ぐことができる。なお流れ方向の切り替え周期は要求される回転電機の性能（回転電機内での許容できる温度差）によって適宜設定可能であるが、切り替え周期が短いほど温度勾配は小さくなる。また上述の実施形態では、冷媒搬送装置、冷媒冷却装置及び冷媒反転装置はそれぞれ別個の装置として図示されているが、これらを一体的なユニットとして構築することも可能である。

図４〜図６は、本発明に係る冷却システムにおいて、冷媒の流れ方向を反転させるタイミングを指令発生部によって制御する例を示す図である。指令発生部８０は、冷媒の流れ方向を反転させるタイミングを決めるための設定値を設定し、当該設定値に基づいて流れ方向を反転させる旨の指令又は信号を出力する第１の機能と、当該タイミングを決めるための信号を他の装置等から受信し、流れ方向を反転させる旨の指令又は信号を出力する第２の機能と、の少なくとも一方を有する。

図４は、指令発生部８０が上述の第１の機能を有する場合のシステム構成例を示している。指令発生部８０は、信号線８２を介して第１の実施形態の冷媒搬送装置２８、又は第２若しくは第３の実施形態の冷媒反転装置４８に接続され、流れ方向を反転させる旨の指令又は信号を冷媒搬送装置２８又は冷媒反転装置４８に送ることができる。冷媒の流れ方向を反転させるタイミングを決めるための設定値の具体例としては、３０秒や１分等の所定の設定時間が経過する度に反転を行うことや、ある時刻に達したときに反転を行うことが挙げられる。また指令発生部８０には、そのためのタイマや時計を設けてもよい。

図５は、指令発生部８０が上述の第２の機能を有する場合のシステム構成例を示している。図４と同様、指令発生部８０は、信号線８２を介して第１の実施形態の冷媒搬送装置２８、又は第２若しくは第３の実施形態の冷媒反転装置４８に接続され、流れ方向を反転させる旨の指令又は信号を冷媒搬送装置２８又は冷媒反転装置４８に送ることができる。図５ではさらに、回転電機の物理データ（ここでは巻線の温度）を計測するセンサ８４と、センサ８４の計測結果を信号等の形態で指令発生部８０に送る計測器８６とが設けられる。図５の例では、巻線温度が所定の温度（例えば６０℃）に到達したら冷媒の流れ方向を反転させるという操作が可能である。またセンサ８４がひずみセンサであれば、回転電機１０の寸法変化を測定し、当該寸法変化が所定の許容値を超えたら（例えばスリーブ２２の開口部の２４、２６の間隔が１０μｍ変化）冷媒の流れ方向を反転させるという操作が可能である。なお図５では、計測器８６は、指令発生部８０とは別装置として記載されているが、計測器８６は指令発生部８０に内蔵してもよいし、冷媒搬送装置２８又は冷媒反転装置４８に内蔵してもよい。

図６は、計測器８６を回転電機１０の駆動装置８８内に設けた例を示している。駆動装置８８は、ＣＮＣ装置９０及びアンプ９２を有し、ケーブル９４によって回転電機１０に接続され、回転電機１０を制御するとともに、回転電機１０の負荷や電流等の情報を受信することができる。図６の例では、回転電機１０の状態（例えば回転数、巻線温度、動力線温度、負荷、電流値）を監視し、その状態に応じて適宜冷媒の流れ方向を反転できるという柔軟性に富んだ操作が可能となる。例えば、低負荷運転時は反転の周期を長くし、高負荷運転時は逆に短くしたり、巻線温度が所定の温度以上となったら前記タイミングでなくても強制的に流れを反転させたりするような操作が可能となる。なお図６の例でも、計測器８６は、指令発生部８０に内蔵してもよいし、冷媒搬送装置２８又は冷媒反転装置４８に内蔵してもよい

図７は、上述の実施形態における螺旋状の冷却流路１８を形成するためのジャケット２０の構造の具体例を示す図である。同図に示すように、ジャケット２０は略円筒状の部材であり、その外周面上を螺旋状に延びる突条（ねじ山）９６によって螺旋状の溝が形成されている。図１を参照して説明したように、この螺旋状の溝と、ジャケット２０に嵌合するスリーブ２２の内周面とによって、螺旋状の冷却流路１８が形成される。また矢印９８及び１００で示すように、突条９６の両端の軸方向位置に相当する軸方向位置に、上述のスリーブ２２の開口部２４及び２６がそれぞれ設けられる。このような冷却流路内を流れる冷媒の流れ方向を適宜反転させることにより、回転電機の軸方向及び周方向の双方についての温度勾配を排除又は低減することができる。

図８は、螺旋状の冷却流路を形成するためのジャケットの他の構造例を示す図である。図８に示すジャケット１０２は、いわゆる多条構造を有する略円筒状の部材であり、冷却流路が条数に応じて実質的に分離されている。図８の例では、ジャケット１０２は２条構造を有し、具体的には突条によって分離された実質２つの螺旋状の溝１０４及び１０６（後者はハッチングで図示）を有する。ジャケット１０２の溝１０４及び１０６と、ジャケット１０２に嵌合するスリーブ（図示せず）とによって、２つの冷却流路が形成される。なお各冷却流路にはそれぞれ冷媒の流入口及び排出口が必要となるので、図８の破線で示すように、ジャケット１０２に嵌合するスリーブの、各流路の流入口及び排出口に対応する部位に開口部（図示例では計４つ）が形成される。

図８に示すような多条構造のジャケットを使用した場合、隣接する冷却流路内の冷媒の流れ方向を互いに逆方向にすることもできる。しかしその場合、ジャケットとスリーブとの間のクリアランスによっては隣接する流路間で冷媒が混合し、冷却効率が低下する場合がある。本願発明は、このような多条構造に対しても好適に適用することができる。

１０ 回転電機
１２ 固定子
１４ 回転子
１８ 冷却流路
２０、１０２ ジャケット
２２ スリーブ
２４、２６、７４、７６ 開口部
２８ 冷媒搬送装置
３０ 冷媒冷却装置
４８ 冷媒反転装置
５２、５４、５６、６０ 分岐管
６２、６４、６６、６８ バルブ
８０ 指令発生部
８４ センサ
８６ 計測機
８８ 駆動装置

Claims (5)

1. 冷媒を冷却する冷媒冷却装置と、
   前記冷媒冷却装置に流体的に接続され、前記冷媒冷却装置にて冷却した冷媒を流すための冷媒搬送装置と、
   前記冷媒搬送装置に流体的に接続されるとともに、回転電機の固定子の外周面に隣接して配置された螺旋状の冷却流路と、を有する回転電機の冷却システムであって、
   前記冷却流路内を流れる冷媒の流れ方向を、所定の条件に基づいて反転させる反転手段を有する、回転電機の冷却システム。
2. 前記冷媒搬送装置が、冷媒の流れ方向を反転させる機能を有する、請求項１に記載の回転電機の冷却システム。
3. 前記冷媒搬送装置と、前記冷却流路の流入口又は排出口との間に、少なくとも１つの分岐点及びバルブを有する配管構造を有し、
   前記バルブの操作によって前記冷却流路内の冷媒の流れ方向が反転する、請求項１に記載の回転電機の冷却システム。
4. 所定の条件に基づいて、前記冷却流路内の冷媒の流れ方向を反転させる指令又は信号を前記反転手段に送るように構成された指令発生部をさらに有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機の冷却システム。
5. 冷媒を冷却する冷媒冷却装置と、
   前記冷媒冷却装置にて冷却した冷媒を流すための冷媒搬送装置と、
   回転電機の固定子の外周面に隣接して配置され、前記冷媒が流れる螺旋状の冷却流路と、を用いた回転電機の冷却方法であって、
   前記冷却流路内を流れる冷媒の流れ方向を、所定の条件に基づいて反転させることを含む、回転電機の冷却方法。

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