JP2015177707A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能を高める回転電機を提供することを目的とする。
【解決手段】固定子巻線６を有する固定子２と、固定子２の内径側に固定子２と間隙を介して配置される回転子３と、回転子３の内径側に配置されて回転子３を支持しつつ共に回転する回転軸４と、回転軸４の回転電機匡体外部に配置されて冷媒を内部に収めると共に、該冷媒の熱を放熱する放熱部１０と、回転軸４内に形成されて前記冷媒が流れる冷却配管１４を備え、放熱部１０が回転軸４と共に回転することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は冷却装置を備えた回転電機に関するものであり、特に冷却装置として水冷式冷却装置が用いられるのが好適な回転電機に関するものである。

近年、地球温暖化、燃料価格高騰、電力危機などから、自然エネルギーに対する注目が高まっている。自然エネルギーの一つである風力を利用した風力発電では、風のエネルギーを回転電機により電気エネルギーへ変換している。回転電機は運転時に銅損、鉄損の発熱で内部温度が上昇する。内部温度の上昇は、コイルや鉄心に使用される絶縁物の劣化を招き、回転電機の低寿命化につながることから、それを防ぐために冷却が必須となる。回転電機の冷却方法のひとつに冷却水による水冷が挙げられる。これは冷却水が循環する配管を回転電機内に設置し、回転電機で発熱した熱を冷却水に移動させて、放熱部で回転電機匡体外に排熱することで冷却を行う。特許文献１では軸受近傍に冷媒室、回転軸に冷媒室と連通する穴を設けることで回転子内を水冷している。

特開２００７−３３６６４６号公報

特許文献１では冷媒室により冷却水を冷却する。冷却を行うには、さらに冷媒室の熱を外部へ移動させる必要がある。しかし、冷媒室の外壁となる冷媒箱はブラケットに固定されているため、放熱部の回転による冷却性能向上を図ることはできない。

本発明では、冷却性能を高める回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る回転電機は、固定子巻線を有する固定子と、該固定子の内径側に該固定子と間隙を介して配置される回転子と、該回転子の内径側に配置されて該回転子を支持しつつ該回転子と共に回転する回転軸と、回転軸の回転電機匡体外部に配置されて冷媒を内部に収めると共に、該冷媒の熱を放熱する放熱部と、前記回転軸内に形成されて前記冷媒が流れる冷却配管を備え、前記放熱部が前記回転軸と共に回転することを特徴とする。

本発明によれば冷却性能を高める回転電機を提供することができる。

冷却装置を備えた回転電機の実施例１の軸方向断面図 冷却装置を備えた回転電機の実施例２の軸方向断面図 冷却装置を備えた回転電機の実施例３の軸方向断面図 冷却装置を備えた回転電機の実施例４の軸方向断面図 冷却装置を備えた回転電機の実施例５の軸方向断面図 冷却装置を備えた回転電機の実施例６の軸方向断面図 冷却装置を備えた回転電機の実施例７の軸方向断面図 冷却装置を備えた回転電機の実施例８の軸方向断面図 冷却装置を備えた回転電機の実施例９の軸方向断面図 冷却装置を備えた回転電機の実施例１０の軸方向断面図 冷却装置を備えた回転電機の実施例１１の軸方向断面図 本発明のいずれかの冷却装置を備えた回転電機を搭載した風力発電システム

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。尚、下記はあくまでも実施する上での具体例に過ぎず、本発明の実施態様を限定的に示すものでないことは言うまでもない。

図１に、本発明の回転する放熱部を有する回転電機の実施例１の軸方向断面図を示す。回転電機１は固定子２、固定子２の内径側に間隙を設けて配置される回転子３と、固定子２に設けたスロット内に二層に巻回される三相の固定子巻線６と回転子３内に設けたスロット内に二層に巻回される三相の回転子巻線７とを備えている。なお，三相の固定子巻線６及び三相の回転子巻線７は，電気的に１２０°間隔で各相が配置されている。また、回転子３は上記した回転子巻線７を備えた巻線形回転子に限らず、永久磁石型回転子、かご型回転子であっても良い。回転子３は回転軸４によって支えられており、回転軸４の内部には冷却水配管１４が配置されている。回転軸４の回転電機匡体外に出ている部分に放熱部１０が配置され、回転軸４と共に回転する。本実施例では回転軸４の軸端には羽根１１が配置されており、回転軸４の軸線上で、回転電機本体とは反対側に固定軸１３が配置される。固定軸１３にカバー１２が支持される。羽根の位置としては、放熱部１０内であれば良く、必ずしも回転軸４の軸端に設けられなくとも良い。固定軸１３及びカバー１２は回転系からは独立しており、静止体となる。羽根１１及びカバー１２は放熱部１０の内側に配置され、放熱部１０と固定軸１３の間には、放熱部１０が回転しても冷却水が漏れない様にシール１５が配置される。放熱部１０、冷却水配管１４内は冷却水が充填されており、冷却水は回転軸４とともに羽根１４が回転することで循環する。カバー１２は固定軸１３に支持されることで静止しており、冷却水が放熱部１０、羽根１１と一緒に回転することを防ぐ。

放熱部１０自身が回転する様にすることで、単位時間当たりに熱交換できる空気の量が増え、また周囲の冷媒を撹拌することができ、冷却水の放熱性が向上する。よって、放熱部１０の冷却性能を向上することができる。また、放熱部１０自身が回転軸４と一体となって回転することにより放熱部１０と回転軸４の間に軸受は必要ない。そして、放熱部１０のうち、固定軸１３側、即ち、回転電機本体からは遠い側にシール１５を設けており、シール１５と軸受５の距離を離している。これにより、シール１５から漏れた冷却水が軸受５にかかりにくくなり、軸受の寿命低下を防ぐことができる。

図２に、本発明の回転電機の実施例２の軸方向断面図を示す。図２に示した本実施例の回転電機１は、図１に示した実施例１の回転電機１と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図２に示した本実施例の回転電機１は、放熱部１０の外周に放熱フィン１６を設置した点が実施例１の回転電機１と異なっている。放熱フィン１６の設置により放熱性が向上し、放熱部１０の冷却性能を向上することができる。尚、放熱フィン１６の形成の仕方としては、図２に示す様に、軸方向に沿って放熱フィン１６の表面を周囲の空気が流れる様に形成することが好ましいが、必ずしもそれに限定されるものではない。

図３に、本発明の回転電機の実施例３の軸方向断面図を示す。図３に示した本実施例の回転電機１は、図１、２に示した実施例１、２の回転電機１と基本的な構成は類似しているので、両者に共通した構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図３に示した本実施例の回転電機１は、放熱部１０の軸方向における一部分について、その径を大きくし、該拡径部にも冷却水が流れる様にしている点で実施例１または２の回転電機１と異なっている。放熱部１０の一部の径を大きくしたことにより、放熱面積が増大し、放熱部１０の冷却性能を向上することができる。また、全体の径を大きくするより慣性モーメントが減少し、回転電機の応答性が向上する。

図４に、本発明の回転電機の実施例４の軸方向断面図を示す。図４に示した本実施例の回転電機１は、図１〜３に示した実施例１〜３の回転電機１と基本的な構成は類似しているので、両者に共通した構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図４に示した本実施例の回転電機１は、ブロワ１７を設置した点が実施例１〜３の回転電機１と異なっている。ブロワ１７で冷却風を起こすことにより、放熱部１０の熱伝達率が増大し、放熱部１０の冷却性能を向上することができる。尚、図示はしていないが、ブロワ１７で起こした冷却風が放熱部の外周に設けた放熱フィンに当たる様にすることで、一層冷却性能を向上させることが可能になる。

図５に、本発明の回転電機の実施例５の軸方向断面図を示す。図５に示した本実施例の回転電機１は、図１〜４に示した実施例１〜４の回転電機１と基本的な構成は類似しているので、両者に共通した構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図５に示した本実施例の回転電機１は、放熱部外側に放熱部外側羽根１８を設置した点が実施例１〜４の回転電機１と異なっている。放熱部外側羽根１８で冷却風を起こすことにより、放熱部１０の熱伝達率が増大し、放熱部１０の冷却性能を向上することができる。羽根１８は、回転電機本体側に向かって風を送る様に形成されることが好ましい。尚、図示はしていないが、放熱部外側羽根１８で起こした冷却風が放熱部の外周に設けた放熱フィンに当たる様にすることで、一層冷却性能を向上させることが可能になる。この場合、位置関係としては、軸方向について、回転電機本体、放熱フィン、羽根１８の順に並ぶことになる。

図６に、本発明の回転電機の実施例６の軸方向断面図を示す。図６に示した本実施例の回転電機１は、図１〜５に示した実施例１〜５の回転電機１と基本的な構成は類似しているので、両者に共通した構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図６に示した本実施例の回転電機１は、固定軸１３の径を回転軸４の径より小さくした点が実施例１〜５の回転電機１と異なっている。固定軸１３の径を小さくしたことにより、シール１５で密閉しなければならない円周長が小さくなり、シール１５からの冷却水の漏れ量を減少させることができる。よって、回転電機１のメンテナンス性が向上する。

図７に、本発明の回転電機の実施例７の軸方向断面図を示す。図７に示した本実施例の回転電機１は、図１〜６に示した実施例１〜６の回転電機１と基本的な構成は類似しているので、両者に共通した構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図７に示した本実施例の回転電機１は、冷却水容器１９を備え、固定軸１３に冷却水配管１４を配置し、放熱部１０と通じている点が実施例１〜６の回転電機１と異なっている。冷却水容器１９は固定軸１３より鉛直方向上方に配置するか、またはポンプ等の手段を用いることが考えられる。冷却水容器１９により、漏れによって減少した冷却水を自動補充でき、回転電機１のメンテナンス性が向上する。

図８に、本発明の回転電機の実施例８の軸方向断面図を示す。図８に示した本実施例の回転電機１は、図７に示した実施例７の回転電機１と基本的な構成は類似しているので、両者に共通した構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図８に示した本実施例の回転電機１は、圧縮機２０を備えている点が実施例７と異なっている。圧縮機２０により冷却水容器１９内部の冷却水を加圧することで、放熱部１０、冷却水配管１４内部の冷却水も加圧されて、冷却水の沸点が上昇し、冷却装置の使用可能な温度上限が高くなる。

図９に、本発明の回転電機の実施例９の軸方向断面図を示す。図９に示した本実施例の回転電機１は、図１〜８に示した実施例１〜８の回転電機１と基本的な構成は類似しているので、両者に共通した構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図９に示した本実施例の回転電機１は、回転軸４の負荷側に負荷側放熱部２１を更に備えた点が実施例１〜８と異なっている。負荷側放熱部２１を更に備えることで、放熱面積が一層増大し、冷却性能が更に向上する。

図１０に、本発明の回転電機の実施例１０の軸方向断面図を示す。図１０に示した本実施例の回転電機１は、図１〜９に示した実施例１〜９の回転電機１と基本的な構成は類似しているので、両者に共通した構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図１０に示した本実施例の回転電機１は、固定軸１３内部を通して固定子２と放熱部１０を接続する固定子側冷却水配管２２を備えている点が実施例１〜９と異なっている。固定子側冷却水配管２２により、冷却水を固定子２に流すことで、固定子２の冷却性能が向上する。

図１１に、本発明の回転電機の実施例１１の軸方向断面図を示す。図１１に示した本実施例の回転電機１は、図１０に示した実施例１０の回転電機１と基本的な構成は類似しているので、両者に共通した構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図１１に示した本実施例の回転電機１は、放熱部内側に放熱部内側羽根２３を設置した点が実施例１０の回転電機１と異なっている。放熱部内側羽根２３が作用することで、冷却水の流れを促進させることが可能になる。よって、固定子２を流れる冷却水が増大し、固定子２の冷却性能を向上させることができる。

次に本発明の実施例１２である冷却装置を備えた回転電機を備えた風力発電システムについて図１２を用いて説明する。図１２に本実施例である冷却装置を備えた回転電機を備えた風力発電システムの概略構成図を示す。図１２に示した風力発電システムにおいて、回転電機は、図１〜図１１に示した第１実施例〜第１１実施例のいずれの回転電機１を使用しても良く、本実施例の風力発電システムで使用している回転電機１についての説明は省略する。

図１２に示したように、本実施例の風力発電システムは、ナセル３１内に増速機３５と回転電機１が設置されており、ナセル３１はタワー３２で支持されている。

風を受けて回転する複数枚の翼３３と、これらの翼３３を支持するハブ３４に接続された主軸や増速機を介する等により接続された回転軸４によって風車を構成しており、風を翼３３で受けることで風のエネルギーを回転エネルギーに変換して回転軸４を回転させる。

そして、翼３３によって風のエネルギーから変換された回転エネルギーは、この回転軸４と連結されると共に、ナセル３１内に設置された増速機３５によって回転軸４の回転を発電に適した回転速度に増速された後、この増速機３５を介して連結され、前記ナセル３１内に設置された回転電機１により、前記回転電機１の電気エネルギーに変換される。

実施例１〜実施例１１に示された各回転電機は、本実施例の風力発電システムにおいて、ナセル２１内に配置された回転電機１として設置されている。尚、本実施例の風力発電システムは、図１２に示した風力発電システムに限ることなく、水力発電、潮力発電、エンジン、又はタービンなどにも適用可能である。本実施例によれば、回転電機の冷却性能を向上させて回転子の温度上昇を抑制する回転電機を備えた風力発電システムが実現できる。

１ 回転電機
２ 固定子
３ 回転子
４ 回転軸
５ 軸受
６ 固定子巻線
７ 回転子巻線
１０ 放熱部
１１ 羽根
１２ カバー
１３ 固定軸
１４ 冷却水配管
１５ シール
１６ 放熱フィン
１７ ブロワ
１８ 放熱部外側羽根
１９ 冷却水容器
２０ 圧縮機
２１ 負荷側放熱部
２２ 固定子側冷却水配管
２３ 放熱部内側羽根
３１ ナセル
３２ タワー
３３ 翼
３４ ハブ
３５ 増速機

Claims (13)

1. 固定子巻線を有する固定子と、該固定子の内径側に該固定子と間隙を介して配置される回転子と、該回転子の内径側に配置されて該回転子を支持しつつ該回転子と共に回転する回転軸と、回転軸の回転電機匡体外部に配置されて冷媒を内部に収めると共に、該冷媒の熱を放熱する放熱部と、前記回転軸内に形成されて前記冷媒が流れる冷却配管を備え、
   前記放熱部が前記回転軸と共に回転することを特徴とする回転電機。
2. 請求項に１記載の回転電機であって、
   固定軸と、該固定軸に支持されたカバーを有する静止体を有し、
   前記回転軸には、前記放熱部内に設けられた羽根と、該羽根及び前記カバーとを包み込む放熱部筐体を有し、
   前記放熱部筐体と前記固定軸の間はシールされていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機の冷却装置であって、前記放熱部の外周には放熱フィンを設置したことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機であって、前記放熱部の一部の径を大きくしたことを特徴とする回転電機。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機であって、前記匡体外部に設置したブロワにより前記放熱部に向けて冷却風を流すことを特徴とする回転電機。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転電機であって、前記放熱部外側に羽根を設置したことを特徴とする回転電機。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転電機であって、前記固定軸の径が前記回転軸の径より小さいことを特徴とする回転電機。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転電機であって、前記固定軸内に設置した冷却水配管を通じて前記放熱部と接続される冷却水容器を備えたことを特徴とする回転電機。
9. 請求項８に記載の回転電機であって、前記冷却水容器に圧縮機を設置したことを特徴とする回転電機。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転電機であって、前記回転軸の負荷側に別の放熱部を配置したことを特徴とする回転電機。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の回転電機であって、前記固定軸内部を通して、前記固定子と前記放熱部を接続する冷却水配管を設置したことを特徴とする回転電機。
12. 請求項１１に記載の回転電機であって、前記放熱部内側に羽根を設置したことを特徴とする回転電機。
13. 風を受けて回転する翼と、該翼を回転可能に支持するハブに接続された主軸によって前記翼が受けた風のエネルギーを回転エネルギーに変換する風車を備え、
    前記主軸の回転エネルギーを、タワー上に支持されるナセルに設置した増速機を介して該ナセルに設置した請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の回転電機に伝達し、前記回転軸の回転エネルギーを電気エネルギーに変換することを特徴とする風力発電システム。