JP2019033633A - 回転電気機械の冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転電気機械を効率的に冷却する。【解決手段】回転電気機械の冷却システムは、回転電気機械に設けられ、回転電気機械内の空気と熱交換することによって回転電気機械内の空気を冷却する冷却装置と、冷却装置によって冷却された空気を回転電気機械内で循環させる送風装置と、回転電気機械の内部温度の推定に用いる情報を計測するセンサと、センサが計測した情報に基づいて、冷却装置および送風装置の少なくともいずれか一方を制御する制御装置と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、回転電気機械の冷却システムに関する。

船舶の電気推進システムに用いられる電動機等の回転電気機械は、回転子や固定子を構成するコイルに電流が流れることによりコイルが発熱する。コイルの過熱は、コイルの絶縁劣化等の要因となる。そのため、定格容量が大きな回転電気機械では、回転電気機械内に空気を送風することによって、回転電気機械の回転子や固定子を冷却している。冷却方式には自冷方式と他冷方式とがある。自冷方式は、内部に設けた回転軸上のファンで、回転電気機械の外被を冷却し、もしくは回転電気機械の内部に冷却用空気を取り込んで回転電気機械の内部を冷却する方式である。他冷方式は、回転電気機械の外部に設けた冷却ファン等を利用して回転電機機械の外被を冷却し、空気冷却器にて外部熱媒体を介して回転電気機械の内部空気を冷却し、もしくは冷却用空気を取り込んで回転電気機械の内部を冷却する方式である。回転電気機械の低速回転時の冷却の必要性から、他冷方式が採用される場合が多い。

特開昭６０−７９２６１号公報

しかしながら、回転電気機械を構成する回転子や固定子は複雑な構造になっている。このため、送風した空気を回転子や固定子を構成するコイルに直接あてることができず、回転電気機械を効率的に冷却することは困難であった。

本発明は、上述の事情の下になされたもので、回転電気機械を効率的に冷却することを課題とする。

上記課題を解決するため、本実施形態に係る回転電気機械の冷却システムは、回転電気機械に設けられ、前記回転電気機械内の空気と熱交換することによって前記回転電気機械内の空気を冷却する冷却装置と、前記冷却装置によって冷却された空気を回転電気機械内で循環させる送風装置と、前記回転電気機械の内部温度の推定に用いる情報を計測するセンサと、前記センサが計測した情報に基づいて、前記冷却装置および前記送風装置の少なくともいずれか一方を制御する制御装置と、を備える。

第１の実施形態に係る冷却システムの構成図である。 第１の実施形態に係る冷却装置の構成図である。 第１の実施形態に係る送風装置の構成図である。 第１の実施形態に係る制御装置の構成図である。 第１の実施形態に係る制御装置について説明するための図である。 第２の実施形態に係る制御装置について説明するための図である。 第２の実施形態に係る制御装置の構成図である。

《第１の実施形態》
本実施形態の冷却システムは、回転電気機械を冷却するシステムである。回転電気機械とは、機械的エネルギーを電気エネルギーに、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する電気機械で、回転部分をもつものをいう。例えば、供給された電力から所定のトルクを発生する同期電動機システムの電動機、風力・水力等によって回転する発電システムの発電機等である。ここでは、同期電動機を冷却する場合について説明する。以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態に係る回転電気機械の冷却システム１００の構成図である。

冷却対象である同期電動機１０は、図１に示すように、ステータ１１、ロータ１２、ロータ軸受部１４、ヒートパイプ１５を備える。

ステータ１１の内周面には、ロータ１２の周りに等間隔に配置された図示しない固定子コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１が取り付けられている。また、固定子コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１は、スター結線されている。固定子コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１には、図示しないインバータ装置から、それぞれ位相が１２０度ずつ異なる交流電圧が印加される。固定子コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１にそれぞれ位相が１２０度ずつ異なる電圧が印加されることで、ステータ１１の内部に回転磁界が生じる。

ステータ１１に取り付けられた固定子コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１に流れる電流Ｉは、図示しないインバータ装置から同期電動機１０に供給される。この電流Ｉは、同期電動機１０の負荷が高いほど増加する。そして、固定子コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１の巻き線抵抗Ｒにより、流れる電流Ｉに応じた熱（Ｉ^２Ｒ）が発生する。したがって、固定子コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１に流れる電流Ｉが大きいほど、ステータ１１の温度が上昇する。ヒートパイプ１５は、ステータ１１内部に蓄積した熱をステータ１１の外部に放熱する。ヒートパイプ１５は、熱伝導率が高い素材で構成されている。ステータ１１及びヒートパイプ１５からの放熱により、同期電動機１０内の空気の温度は上昇する。

ロータ１２は、ステータ１１の内部に生じる回転磁界との電磁相互作用により回転する。ロータ軸受部１４は、ロータ１２を保持する。

図１に示すように、冷却システム１００は、冷却装置２０、送風装置３０、センサ４０、制御装置５０を備える。冷却装置２０は、同期電動機１０内の空気を冷却する。冷却装置２０の構成を図２に示す。冷却装置２０は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を通して冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成する。冷却装置２０内の冷媒は、圧縮機で高温・高圧に圧縮される。高温になった冷媒は、凝縮器で放熱されて温度が低下する。温度が低下した冷媒は、膨張弁を通過して膨張する際に低温・低圧になる。この低温の冷媒は、蒸発器を通過する際に、同期電動機１０内の高温の空気と熱交換を行い温度が上昇する。これにより、同期電動機１０内の空気は冷却される。温度が上昇した冷媒は、圧縮機で高温・高圧に圧縮される。冷却装置２０は、上述した冷凍サイクルを繰り返す。なお、凝縮器は同期電動機１０の外部に設置され、同期電動機１０の外部に熱を放出する。冷却装置２０の温度制御については後述する。

送風装置３０は、冷却装置２０により冷却された空気を同期電動機１０内で循環させる。送風装置３０の構成を図３に示す。図３に示すように、送風装置３０は、インバータ３１、電動機３２、冷却ファン３３を備える。

インバータ３１は、図示しない蓄電池から直流電力の供給を受け、３相交流電力に変換して電動機３２に供給する。電動機３２は、供給された交流電力の周波数に同期して回転する。冷却ファン３３は、電動機３２の回転に応じて回転する。この回転数が多いほど、送風される風量は多くなる。つまり、インバータ３１から供給する交流電力の周波数が高いほど、冷却ファン３３が送風する風量は多くなる。インバータ３１が出力する交流電力の周波数は、制御装置５０の制御に基づいて決定されるが、詳細は後述する。

図１に戻り、センサ４０は、同期電動機１０に供給される交流電力を計測して、計測した情報を制御装置５０に供給する。センサ４０は、電力センサである。

制御装置５０は、センサ４０が計測した同期電動機１０に供給される交流電力に基づいて、冷却装置２０と送風装置３０とを制御する。具体的には、制御装置５０は、冷却装置２０による冷却温度と送風装置３０の冷却ファン３３の回転速度とを制御する。制御装置５０の構成を図４に示す。図４に示すように、制御装置５０は、取得部５１、回転数計算部５２、制御信号作成部５３、冷却パラメータ計算部５４を備える。

取得部５１は、センサ４０からセンサ情報を取得する。ここでは、取得部５１は、同期電動機１０に供給される電力をセンサ情報として取得する。

回転数計算部５２は、取得したセンサ情報（同期電動機１０に供給される電力）に基づいて、冷却ファン３３の回転数を計算する。同期電動機１０の出力トルクが大きくなるほど、同期電動機１０に供給される交流電力は増大し、同期電動機１０内の発熱量が増加する。同期電動機１０内の温度を所定温度に維持するためには、発熱量に応じて送風量を増やす必要がある。送風量は、冷却ファン３３の回転数に対応する。回転数計算部５２は、図５に示すような同期電動機１０に供給される電力と冷却ファンの回転数とを対応付けたグラフもしくはテーブルを利用して、取得した同期電動機１０に供給された電力から、設定すべき冷却ファン３３の回転数を求める。

制御信号作成部５３は、インバータ３１を制御する制御信号を作成する。具体的には、回転数計算部５２が求めた冷却ファン３３の回転数に応じた周波数の交流電力をインバータ３１が出力するように、インバータ３１を制御する制御信号を作成する。冷却ファン３３の回転数は、インバータ３１の出力する３相交流電力の周波数に同期するからである。

冷却パラメータ計算部５４は、取得したセンサ情報（同期電動機１０に供給される電力）に基づいて、冷却装置２０の冷却パラメータを計算する。冷却パラメータとは、冷却装置２０の膨張弁の開口度、冷媒の循環速度等を決めるパラメータである。膨張弁の開口度を狭めるほど、冷媒が膨張弁を通過して膨張する際に冷媒の温度は大きく低下する。また、冷媒の循環速度を高めるほど、冷却効果を高めることができる。同期電動機１０に供給される電力に対応する冷却パラメータの値は、予めシミュレーション等で求め、記憶部に記憶しておく。具体的には、ステータ１１内の固定子コイルの温度を所定の温度に維持するために必要な冷却パラメータの値を同期電動機１０に供給される電力に対応させてシミュレーションで求め、テーブルを作成して記憶部に記憶しておく。冷却パラメータ計算部５４は、取得した同期電動機１０に供給される電力に基づいて、テーブル引きで冷却パラメータを求める。制御信号作成部５３は、求められた冷却パラメータに対応する制御信号を作成し、冷却装置２０に供給する。

次に、以上の構成を有する冷却システム１００の動作について説明する。センサ４０は、同期電動機１０に供給される電力を計測して制御装置５０に通知する。制御装置５０の冷却パラメータ計算部５４は、同期電動機１０に供給される電力に応じた冷却パラメータを計算し、制御信号作成部５３は、その冷却パラメータで冷却装置２０が動作するように制御信号を作成する。冷却装置２０は、冷却パラメータに基づいて動作し、同期電動機１０内の暖められた空気を冷却する。

また、制御装置５０の回転数計算部５２は、同期電動機１０に供給される電力に応じた冷却ファン３３の回転数を計算し、制御信号作成部５３は、その回転数で冷却ファン３３が回転するように、インバータ３１の制御信号を作成する。送風装置３０は、制御装置５０の制御に基づいて冷却ファン３３を回転させ、冷却装置２０によって冷却された空気を同期電動機１０内で循環させる。冷却システム１００は、上記の動作を継続する。

冷却された空気を同期電動機１０内で循環させることにより、高温になった空気が同期電動機１０内に滞留することを防止でき、送風装置３０による送風が直接当たっていない部分も冷却することができる。例えば、ステータ１１内部にも冷却された空気が入り込むので、ステータ１１に巻かれた固定子コイルを冷却することができる。また、ステータ１１に備えたヒートパイプ１５を冷却された空気で冷却することにより、ステータ１１内部をより効果的に冷却することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る回転電気機械の冷却システム１００は、同期電動機１０（回転電気機械）内の空気と熱交換することにより同期電動機１０内の空気を冷却する冷却装置２０と、冷却装置２０によって冷却された空気を同期電動機１０（回転電気機械）内で循環させる送風装置３０と、同期電動機１０（回転電気機械）に供給される電力を計測するセンサ４０と、センサ４０が計測した情報に基づいて冷却装置２０及び送風装置３０を制御する制御装置５０と、を備える。これにより、冷却され空気で回転子や固定子に巻かれたコイルを冷却することができる。

また、本実施形態に係る回転電気機械の冷却システム１００は、センサ情報に基づいてステータ１１、ロータ１２に巻かれたコイルの温度が所定温度になるように、冷却装置２０の冷却パラメータ及び送風装置の風量を制御する。これにより、冷却システム１００は、必要以上に冷却することによる電力の浪費を防止でき、同期電動機１０を効率的に冷却することができる。

また、同期電動機１０の内部は複雑な構成であり、最も温度が上昇するステータ１１内部の温度を温度センサで直接計測することは困難である。ステータ１１の周辺の温度からステータ１１内部の温度を推定すると推定誤差が大きくなる場合がある。ステータ１１における発熱量を、同期電動機１０に供給される交流電力量から推定することにより、ステータ１１内部の温度をより正確に推定することができる。制御装置５０は、推定した温度に基づいて冷却装置２０及び送風装置３０を制御する。これにより、冷却システム１００は、同期電動機１０内の温度を適温になるように効率的に冷却することができる。

なお、上記の説明では、冷凍サイクルを利用した冷却装置２０について説明をしたが、冷却装置２０の構成をこれに限定する必要はない。例えば、水、海水等を利用して冷却装置２０を構成することもできる。具体的には、同期電動機１０内に液体を流す配管と液体を流動させるポンプとを設ける。この配管に外部から例えば冷水を供給する。船舶に適用する場合、海水を供給するようにしてもよい。外部から供給された冷水は、ポンプにより配管を循環し、同期電動機１０内の高温の空気と熱交換して、同期電動機１０内の空気を冷却する。温度が上昇した水は外部に排出され、新たな冷水が供給される。この配管は、同期電動機１０内の空気との接触面積が広くなるように形成する。同期電動機１０内の空気との熱交換をしやすくするためである。

また、上記の説明では、冷却装置２０の蒸発器で同期電動機１０内の空気を冷却する説明をしたが、冷却装置２０による冷却方法はこれに限定する必要はない。例えば、ステータ１１内のヒートパイプ１５で熱交換をできるように、ヒートパイプ１５内に蒸発器のパイプを通すようにしてもよい。

同期電動機１０内に冷却装置２０が冷却した空気を循環させるために、送風装置３０の冷却ファン３３を複数個所に設けてもよい。また、電動機３２は同期電動機に限定する必要はなく、冷却ファン３３による送風量を制御可能な電動機であればよい。

上記の説明では、制御装置５０が冷却装置２０および送風装置３０の両方を制御する説明をしたが、いずれか一方のみを制御するようにしてもよい。例えば、送風装置３０の送風量を固定にして、冷却装置２０のみを制御するようにしてもよい。

また、上記の説明では、理解を容易にするために、供給電力と冷却ファン３３の回転数との関係を図５に示す単純増加関数として説明をした。しかし、供給電力と電動機１０内の温度とは、同期電動機１０の外部への放熱があるので複雑な関数になる。したがって、供給電力と必要とする冷却ファン３３の回転数との関係を定義する関数は、実験もしくはシミュレーションによって求めてもよい。

また、上記の説明では、センサ４０が同期電動機１０に供給される交流電力を計測する電力センサである場合について説明したが、センサ４０を電力センサに限定する必要はない。例えば、センサ４０は、同期電動機１０の出力トルクを計測するトルクセンサであってもよい。具体的には、センサ４０は、磁歪効果を利用した非接触式トルクセンサ、もしくは、スプリング等を利用した接触式トルクセンサであってもよい。

また、上記の説明では、回転電気機械が同期電動機１０である場合について説明したが、回転電気機械が発電機の場合、センサ４０を発電した電力を計測する電力センサとする。そして、制御装置５０は、計測した電力に基づいて冷却装置２０及び送風装置３０を制御する制御信号を作成する。また、回転電気機械が発電機の場合、センサ４０は、発電機の回転数を計測するセンサであってもよい。発電機の回転数と発電機の発熱量とは相関するからである。

《第２の実施形態》
次に、第２の実施形態を図面に基づいて説明する。第１の実施形態と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。

第２の実施形態に係る回転電気機械の冷却システム１００は、取得したセンサ情報の妥当性を判断し、妥当と判断したセンサ情報の中で最も優先順位の高いセンサ情報に基づいて冷却装置２０及び送風装置３０を制御する点で、第１の実施形態と異なる。ここでは、図６に示すように、冷却システム１００が、同期電動機１０に供給される電力を計測するセンサ４０ａと、ステータ１１の近傍温度を計測するセンサ４０ｂ及びロータ軸受部の近傍温度を計測するセンサ４０ｃの３個の温度センサを備える場合について説明する。

図７は、第２の実施形態に係る制御装置５０の構成図である。図７に示すように、第２の実施形態に係る制御装置５０は、妥当性判断部５５を備える。妥当性判断部５５は、取得部５１が取得した複数（ここでは３個）のセンサ情報の妥当性を判断する。具体的には、図６に示すように、センサごとにセンサ情報の妥当範囲を設定したテーブルを予め記憶部に記憶しておく。妥当性判断部５５は、取得部５１が取得したセンサ情報をこの妥当範囲と比較することにより、センサ情報それぞれの妥当性を判断する。

センサ情報の妥当範囲は、設計値もしくは実験値から予め設定しておく。また、センサ情報の妥当範囲は、環境温度や同期電動機１０の負荷の重さに応じて変更できるようにしてもよい。具体的には、環境温度や同期電動機１０の負荷の重さに応じた複数の妥当範囲を記憶部に記憶しておき、妥当性判断部５５は、別途取得した環境温度や同期電動機１０の負荷の重さをパラメータにして、使用する妥当範囲の値を選択する。

妥当性判断部５５は、妥当であると判断したセンサ情報の中で、優先順位が最も高いセンサ情報を取得部５１に通知する。例えば、図６に示す例では、妥当性判断部５５は、センサ４０ａのセンサ情報を妥当範囲ではないと判断する。妥当と判断したセンサ情報の中で最も優先順位が高いのは、センサ４０ｂのセンサ情報である。したがって、妥当性判断部５５は、妥当であると判断したセンサ情報の中で最も優先順位が高いセンサ情報はセンサ４０ｂのセンサ情報であることを取得部５１に通知する。

取得部５１は、妥当性判断部５５から通知を受けたセンサ４０ｂのセンサ情報を回転数計算部５２及び冷却パラメータ計算部５４に供給する。回転数計算部５２、制御信号作成部５３、冷却パラメータ計算部５４については、第１の実施形態と同じである。

なお、妥当性判断部５５は、取得したセンサ情報のすべてを妥当ではないと判断した場合、その旨を制御信号作成部５３に通知する。この通知を受けた制御信号作成部５３は、同期電動機１０が最大出力時である場合を仮定して冷却装置２０及び送風装置３０の制御信号を作成する。

以上説明したように、第２の実施形態に係る回転電気機械の冷却システム１００は、取得したセンサ情報の妥当性を判断する妥当性判断部５５を備え、妥当性判断部５５が妥当であると判断したセンサ情報の中で、予め設定された優先順位が最も高いセンサ情報に基づいて、冷却装置２０および送風装置３０の少なくともいずれか一方を制御する。これにより、冷却システム１００は、センサ４０ａ〜４０ｃの何れかのセンサが故障した場合でも、安全な状態で継続して同期電動機１０を冷却することができる。

また、第２の実施形態に係る制御装置５０は、取得したセンサ情報のすべてを妥当ではないと判断した場合、同期電動機１０の出力が最大出力である場合を想定して、冷却装置２０及び送風装置３０とを制御する。つまり、制御装置５０は、同期電動機１０の発熱量が最大であると仮定し、その発熱量に対応可能な冷却効果を発揮するように冷却装置２０及び送風装置３０を制御する。これにより、同期電動機１０は、冷却システム１００の全てのセンサ４０が故障した場合でも、安全な状態で継続して動作することができる。

なお、第２の実施形態の説明では、取得したセンサ情報のすべてを妥当ではないと判断した場合、同期電動機１０が最大出力時である場合に対応可能な制御信号を制御装置５０が出力する説明をした。しかし、取得したセンサ情報のすべてを妥当ではないと判断した場合、同期電動機１０、冷却装置２０、送風装置３０を停止するようにしてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…電動機
１１…ステータ
１２…ロータ
１４…ロータ軸受部
１５…ヒートパイプ
２０…冷却装置
３０…送風装置
３１…インバータ
３２…電動機
３３…冷却ファン
４０…センサ
５０…制御装置
５１…取得部
５２…回転数計算部
５３…制御信号作成部
５４…冷却パラメータ計算部
５５…妥当性判断部
１００…冷却システム

上記課題を解決するため、本実施形態に係る回転電気機械の冷却システムは、回転電気機械に設けられ、回転電気機械内の空気と熱交換することによって回転電気機械内の空気を冷却する冷却装置と、冷却装置によって冷却された空気を回転電気機械内で循環させる送風装置と、回転電気機械の内部温度の推定に用いる情報を計測する複数のセンサと、複数のセンサから取得したセンサ情報の妥当性を判断する妥当性判断部と、妥当性判断部が妥当と判断したセンサ情報の中で、予め設定されている優先順位が最も高いセンサ情報に基づいて、冷却装置および送風装置の少なくともいずれか一方を制御する制御装置と、を備える。

Claims (9)

1. 回転電気機械に設けられ、前記回転電気機械内の空気と熱交換することによって前記回転電気機械内の空気を冷却する冷却装置と、
   前記冷却装置によって冷却された空気を前記回転電気機械内で循環させる送風装置と、
   前記回転電気機械の内部温度の推定に用いる情報を計測するセンサと、
   前記センサが計測した情報に基づいて、前記冷却装置および前記送風装置の少なくともいずれか一方を制御する制御装置と、
   を備える回転電気機械の冷却システム。
2. 前記冷却装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を通して冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成し、
   前記回転電気機械内の空気は、前記冷凍サイクルにより冷却された前記冷媒と熱交換することにより冷却される、
   請求項１に記載の回転電気機械の冷却システム。
3. 前記送風装置は、
   前記冷却装置によって冷却された空気を送風する冷却ファンと、
   前記冷却ファンを駆動する電動機と、
   前記電動機に交流電力を供給するインバータと、
   を備える、
   請求項１または２に記載の回転電気機械の冷却システム。
4. 前記回転電気機械は電動機であり、
   前記センサは、前記回転電気機械に供給される電力を計測する電力センサである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の回転電気機械の冷却システム。
5. 前記回転電気機械は電動機であり、
   前記センサは、前記回転電気機械の出力トルクを計測するトルクセンサである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の回転電気機械の冷却システム。
6. 前記回転電気機械は発電機であり、
   前記センサは、前記回転電気機械の出力電力を計測する電力センサである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の回転電気機械の冷却システム。
7. 前記制御装置は、前記送風装置を制御する場合、前記センサから取得したセンサ情報に基づいて、前記インバータが出力する交流電力の周波数を制御し、
   前記インバータは、前記制御装置による制御に基づく周波数の交流電力を前記冷却ファンを駆動する電動機に供給し、
   前記冷却ファンを駆動する電動機は、供給された交流電力の周波数に応じた速度で前記冷却ファンを回転させる、
   請求項３に記載の回転電気機械の冷却システム。
8. 前記回転電気機械内に複数のセンサを備え、
   前記制御装置は、前記複数のセンサから取得したセンサ情報の妥当性を判断する妥当性判断部を備え、
   前記制御装置は、前記妥当性判断部が妥当と判断したセンサ情報の中で、予め設定されている優先順位が最も高いセンサ情報に基づいて、前記冷却装置および前記送風装置の少なくともいずれか一方を制御する、
   請求項１から７の何れか一項に記載の回転電気機械の冷却システム。
9. 前記妥当性判断部が前記複数のセンサから取得したセンサ情報のすべてを妥当ではないと判断した場合、前記制御装置は、前記回転電気機械の出力が最大出力である場合を想定して、前記冷却装置および前記送風装置を制御する、
   請求項８に記載の回転電気機械の冷却システム。

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