JP4561408B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は回転電機に係り、例えば風力用の発電機のように、回転子や固定子の機内を冷却する内部冷却媒体と機外の外部冷却媒体とで熱交換を行う熱交換器を有するものに好適な回転電機に関する。

冷却媒体として空気や水等の流体を使用し、冷却する方式の回転電機を内蔵した機器のひとつである風力発電機の概略構成を図５に示す。

該図に示すごとく、風力発電機では、タワー１上のナセル２内に変速機３，発電機４，熱交換器５，電力変換器６等の機器が設置され、風の力を回転翼７により回転に変換し、変速機３を介して回転電機である発電機４を駆動する。

一般に、このような風力発電機等で利用される空冷式の発電機４及び熱交換器５の構造例を表したものが図３である。

該図において、発電機４内の回転子８や固定子９で発生した電気的，電磁気的損失による熱は、内部の送風機１０により循環，流通される内部冷却媒体１７により熱交換器５に運ばれる。熱交換器５は伝熱管１１群より構成され、熱交換器５の伝熱管１１の軸方向に設置された外部送風機１２により伝熱管１１内を外部冷却媒体である外気１３が強制流通し、管外を発電機４内の内部冷却媒体１７が循環し、管内外の熱交換によって発電機４内の熱が除去され発電機４外へ排出される。

また、特開平１１−４７３５４号公報に記載のように、内気を回転電機の軸方向中央部空間から吸い込み、空冷熱交換器で冷却して、回転電機の軸方向両端部空間に送り込むようにしている回転電機では、両軸端部で温度差がつき易い。

このような課題を解決する方策として、図４に示すように、熱交換器５の軸中央部に機内の内部冷却媒体１７を循環する送風機１６を設置し、冷却に供する内部冷却媒体１７を両軸端部方向に均等に配分している。これにより、回転電機内の内部冷却媒体１７は、両軸端部方向に均等に流れるようになる。

特開平１１−４７３５４号公報

しかしながら、図３及び図４に示された従来技術では、熱交換器５の伝熱管１１内の外気１３は、伝熱管１１の軸方向片側から入気して反対の軸端側から排気されるため、回転電機４内との熱交換により伝熱管１１内の温度は、軸方向片側の入気側１４から反対の軸端の排気側１５へ交換した熱量の蓄積により次第に上昇していく。

このため、回転電機４内も、この熱交換器５の伝熱管１１内における温度分布の影響を受けて、熱交換器５の入気側１４で低く、熱交換器５の排気側１５で高くなるような温度分布がつき、両軸端部で温度差が発生するという問題が生じる。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、熱交換器の伝熱管内の軸方向温度分布の影響を低減することのできる回転電機を提供するにある。

本発明に回転電機は、上記目的を達成するために、回転子と固定子から構成される回転機本体と、該回転機本体の上部に設置され、複数の伝熱管からなる熱交換器とを備え、該熱交換器では、機外からの外部冷却媒体が前記複数の伝熱管内を入気側から排気側に通過すると共に、前記回転機本体内部からの内部冷却媒体が前記複数の伝熱管外部を通過することにより両者冷却媒体の熱交換が行われる回転電機において、前記熱交換器は、少なくとも前記外部冷却媒体が流入する入気側の複数の前記伝熱管が、径方向の所定位置より内側に配置される何本かの伝熱管と、前記径方向の所定位置より外側に配置される何本かの伝熱管では熱伝導の異なる部材で構成されていることを特徴とする。

具体的には、前記熱交換器の流入側における径方向中央部より外側の何本かの前記伝熱管の熱伝導が内側の何本かの前記伝熱管の熱伝導より低いものである。

本発明の回転電機は、熱交換器の入気側で内部冷却媒体が熱交換する伝熱管を制限しているため、熱交換器入気側の機内温度は上昇し、逆に熱交換器排気側の機内温度は低下するので、回転電機内に軸方向温度のバランスがとれ、伝熱管内の温度分布の回転電機内への影響を低減できるという利点がある。

回転電機内の軸方向温度分布を低減するという目的を、従来の熱交換器の伝熱管外側に比較的簡単に施工可能な工夫をすることにより実現した。

〔参考例１〕
図１及び図２は、本発明の回転電機の第１の参考例を示すものである。なお、符号は従来と同一のものは同符号を使用する。

該図に示すごとく、本参考例の回転電機は、回転子８と固定子９から構成される回転機本体の上部に熱交換器５が設置され、この熱交換器５は複数本の伝熱管１１からなる構成されており、更に熱交換器５の伝熱管１１の軸方向排気側１５に外部送風機１２が設置され、この外部送風機１２で外部冷却媒体の外気１３を伝熱管１１内に入気側１４から排気側１５へ吸引して強制流通させ、伝熱管１１外を回転電機内の内部冷却媒体１７が循環して外気１３と内部冷却媒体１７が熱交換するように構成されている。

そして、本参考例では、外気１３の入気側１４から排気側１５に軸方向に配置された伝熱管１１群の軸方向入気側半分の部位（熱交換器５の軸方向中央部）まで伸延し、かつ、伝熱管１１と平行に設置され、内部冷却媒体１７が径方向上方側（外側）に流入するのを妨げる仕切り部材１８を伝熱管１１外に設置されている。

これにより、熱交換器５は、入気側１４の熱交換器５の軸方向中央部まで伸延する仕切り部材１８を境にして径方向下方（回転機本体側）では内部冷却媒体１７と外気１３との熱交換が行われ、径方向上方では内部冷却媒体１７と外気１３との熱交換が行われないことになる。

また、熱交換器５の入気側１４と排気側１５の各々には、回転機本体内を循環する内部冷却媒体１７が流通できるように、熱交換器の伝熱管１１と直交する方向に、回転機本体側の内部冷却媒体１７の軸方向流通を妨げる仕切り板１９が設けられている。このうちの入気側１４の仕切り部材１８の下方に設けられている仕切り板１９は、図１に示すごとく、仕切り部材１８の下を内部冷却媒体１７が流通できるように短くして流路が確保されている。

次に、このような本参考例の構成による作用について説明する。

図１に示すごとく、熱交換器５で冷却され内部送風機１０で回転機本体内に流通した内部冷却媒体１７は、回転子８及び固定子９を冷却して再び熱交換器５の伝熱管１１を通る外気１３と熱交換する。本参考例から熱交換器５の軸方向入気側半分の部位に設置された伝熱管１１と平行な仕切り部材１８は、熱交換の際、回転機本体内の内部冷却媒体１７が径方向の上方へ流通することを妨げる。このため、熱交換は仕切り部材１８の下半分の伝熱管１１群とのみ行われる。

これにより、仕切り部材１８の上半分の伝熱管１１内には、回転機本体内の熱により昇温していないほぼ外気温度の外気１３が流通し、この冷たい外気１３が軸方向排気側半分の伝熱管１１へ流通することになる。

本発明の上記参考例を適用した回転機本体内の軸方向温度分布の計算結果を従来技術と比較して図６に示す。

上述したごとく、従来技術では、熱交換器５の入気側１４から冷たい外気１３が流入し、順次軸方向に熱交換するため、伝熱管１１内は入気側１４が低く、排気側１５に向かって高くなるような温度分布が形成される。この影響により、図６に点線で示すごとく、従来技術Ａは、回転機本体内の温度分布も熱交換器５の入気側１４が低く、排気側１５に向かって高くなる温度分布を有し、回転機本体内は、熱交換器５の入気側１４が冷えすぎており、排気側１５に最高温度を有する軸方向に非対称性の大きい温度分布が形成される。

これに対して、本参考例の構成によれば、図６に実線で示すごとく、本参考例の構成Ｂは、熱交換器５の入気側１４で回転機本体内の内部冷却媒体１７が熱交換する伝熱管１１を制限することにより、熱交換器５の排気側１５の伝熱管１１内に冷たい外気１３を導くことができる。

このため、熱交換器５の排気側１５の伝熱管１１内の温度が低くなり、熱交換器５の排気側１５の回転機本体内における内部冷却媒体１７を効果的に冷却することができる。これにより、熱交換器５の入気側１４の回転機本体内の温度は上昇し、逆に熱交換器５内の排気側１５の温度が低下して、回転機本体内の軸方向温度のアンバランスを是正することができる。さらにこれにより、回転機本体内の最高温度を示す部位が軸方向中央付近に移動し、かつ、最高温度を低減することが可能となる。

〔参考例２〕
本発明の第２の参考例を図７に示す。

本参考例では、回転機本体内の内部冷却媒体１７の循環方向が、図１に示した参考例１と逆向きとなっており、内部送風機１０で強制流通された内部冷却媒体１７は、熱交換器５の管外流路へ入り、伝熱管１１内の外気１３と熱交換した後、固定子９，回転子８を冷却して再び内部送風機１０に戻る流通経路となっている。他の構成は、図１に示した構成と同一である。

このように回転機本体内の内部冷却媒体１７の流通が反対方向の場合にも、参考例１と同様に、伝熱管１１と平行な仕切り部材１８を伝熱管１１外に配置し、伝熱管１１と直交する仕切り板１９を図７に示すごとく設置することにより、回転機本体内の軸方向の温度分布を緩和すること可能である。

参考例２の流通構造，流通方向における回転電機内の軸方向温度分布の計算結果を従来技術と比較して図８に示す。

図８に点線で示す従来技術Ｃでは、前記のごとく熱交換器５の伝熱管１１内は、外気１３の入気側１４が低く、排気側１５に向かって高くなるような温度分布となり、この影響で回転機本体内も入気側１４の温度が低く、排気側１５で高くなる温度分布が形成される。

これに対して、実線Ｄで示す本参考例の構成によれば、熱交換器５の入気側１４で回転機本体内の内部冷却媒体１７が熱交換する伝熱管１１を制限することにより、熱交換器５の排気側１５の伝熱管１１内に冷たい外気１３を導くことができる。このため、熱交換器５の排気側１５の伝熱管１１内の温度が低くなる。

これにより、熱交換器５の入気側１４の回転機本体内の温度は上昇、逆に熱交換器５内の排気側１５の温度が低下して、回転機本体内の軸方向温度のアンバランスを是正することができる。さらにこれにより、回転機本体内の最高温度を低減することが可能となる。

〔参考例３〕
本発明の第３の参考例を図９及び図１０に示す。

該図に示す参考例３では、熱交換器５の軸方向において外気１３の入気側１４に外部送風機１２が設置されており、外気１３を伝熱管１１内に押し込み強制流通させる構造である。

このような本参考例によれば、外部送風機１２が軸方向の入気側１４，排気側１５のいずれに設置された場合においても、前述の参考例１，２で説明した効果と同様に回転機本体内の軸方向温度分布が低減し、最高温度を下げることが可能である。

〔参考例４〕
本発明の第４の参考例を図１１に示す。

該図に示す参考例４では、上述した参考例１，２，３で説明した伝熱管１１に平行な仕切り部材１８と伝熱管１１に直交する仕切り板１９に加えて、仕切り部材１８の先端部に仕切り材２０を設置している。この仕切り材２０は、熱交換器５の軸方向中央付近に設置され、伝熱管１１にほぼ直交して径方向上方に延びており、本参考例の軸方向入気側半分の部位に設置された伝熱管１１と平行な仕切り部材１８の上半分の伝熱管１１外の流路を塞ぐように配置されている。

この仕切り材２０により熱交換器５の排気側１５の回転機本体内を流通する内部冷却媒体１７が、伝熱管１１と平行な仕切り部材１８の上方の空間に混入することを妨ぎ、冷たい外気１３が軸方向排気側半分の伝熱管１１へ、より効果的に流通することが可能となる。

図１２及び図１３に本発明の第１の実施例を示す。

該図に示す第１の実施例では、熱交換器５の軸方向に外部送風機１２を有しており、そして、外気１３が入気する入気側１４の径方向中央部より外側の伝熱管１１の熱伝導が内側の伝熱管１１の熱伝導より低く、かつ、外気１３が排気される排気側１５の径方向中央部より外側の伝熱管１１の熱伝導が内側の伝熱管１１の熱伝導より高く構成されている。つまり、本実施例の熱交換器５は、外気１３が入気する入気側１４の複数の伝熱管１１が、径方向の内側と外側では熱伝導が異なる部材で構成され、しかも、熱交換器５の径方向中央部より外側の伝熱管１１の熱伝導が内側の伝熱管１１の熱伝導より低く構成されている。

具体的には、熱交換器５内の伝熱管１１を熱伝導の高い部分２１と熱伝導の低い部分２２により構成するか、あるいは伝熱管１１を部分的に熱伝導の低い材料２３で覆うか、もしくは熱伝導の低い材料２３を塗布することにより、回転機本体内の内部冷却媒体１７が熱交換器５の伝熱管１１と熱交換する部位を区分けしている。

即ち、図１４に伝熱管１１の構造図を示すように、熱交換器１１の伝熱管１１自体を熱伝導の高い部材２１と熱伝導の低い部材２２により構成し、熱伝導の低い部材２２で構成される伝熱管１１により、回転機本体内の内部冷却媒体１７と伝熱管１１内の外気１３の熱交換を抑制し、熱伝導の高い部材２１で構成される伝熱管１１で回転機本体内の内部冷却媒体１７と伝熱管１１内の外気１３の熱交換を行わせる構造である。

図１２に示した実施例では、熱交換器５で冷却され内部送風機１０で回転機本体内に流通した内部冷却媒体１７は、回転子８，固定子９を冷却して再び熱交換器５の伝熱管１１と熱交換する。回転機本体内の内部冷却媒体１７は、熱交換器５の入気側１４の下段に配置された熱伝導の良い伝熱管１１と熱交換して冷却される。さらに上方に熱交換器５内を流通するが、上段の伝熱管１１は熱伝導の低い部材２２で構成されるため、この部位での熱交換が妨げられる。

このため、熱交換は下半分の伝熱管群とのみ行われる。これにより、熱交換器５の上半分の伝熱管１１内には、回転機本体内の熱により昇温していない、ほぼ外気温度の外気１３が流通し、この冷たい外気が、軸方向排気側半分の伝熱管１１へ流通する。これにより、これまでに説明してきた参考例１，２，３と同様の効果が得られる。熱伝導の高い部材２１としては、例えば銅や鉄，アルミなどの金属材料が好適であり、熱伝導の低い部材２２としては、ステンレスや樹脂などが適用可能である。また、図１５に示すように、伝熱管１１の外周を熱伝導の低い材料２３で覆うか、あるいは熱伝導の低い材料を塗布することによっても同様の効果が発揮される。この場合、伝熱管１１の周りの熱通過を抑制するのに熱伝導の低い断熱材や絶縁材，ゴム，樹脂で覆うか、もしくはエポキシやワニス，ウレタンなどの樹脂，塗料を塗布することにより効果が発揮される。

図１６及び図１７に本発明の第２の実施例を示す。

本実施例では、従来技術のごとく熱交換器５の上部に送風機１６を有している。この構造では、回転機本体内を縦貫する内部冷却媒体１７は、熱交換器５の上部にある送風機１６を通って循環する必要がある。このため、本発明の参考例１，２，３で説明したような、熱交換器５の伝熱管１１に平行な仕切り部材１８を設置して熱交換器５の上段の伝熱管１１へ至る流通を抑制することは、回転機本体内の流通を阻害することになる。

このように仕切り部材１８を配置できないような場合にも、熱交換器５内の伝熱管１１を熱伝導の高い部材２１と熱伝導の低い部材２２により構成するか、あるいは伝熱管１１を部分的に熱伝導の低い材料２３で覆うか、もしくは熱伝導の低い材料を塗布することにより、回転機本体内の内部冷却媒体１７が熱交換器５の伝熱管１１と熱交換する部位を区分けし、実施例１で説明したように回転機本体内の軸方向温度を低減することが可能である。

回転機本体内の軸方向温度分布を低減するという目的を、従来の熱交換器の伝熱管外側に比較的簡単に施工可能な工夫をすることにより達成しており、小型化，大容量化により機内の発熱密度も高くなる傾向にある例えば風力用の回転電機に適用できる。

本発明の回転電機の第１の参考例を示す正面図である。 図１の右側面図である。 従来の回転電機を示す正面図である。 従来の別の回転電機を示す正面図である。 風力発電装置の概略構成を示す図である。 熱交換器の軸方向位置における温度を従来例と第１の参考例とを比較した特性図である。 本発明の回転電機の第２の参考例を示す正面図である。 熱交換器の軸方向位置における温度を従来例と第２の参考例とを比較した特性図である。 本発明の回転電機の第３の参考例を示す正面図である。 図９の右側面図である。 本発明の回転電機の第４の参考例を示す正面図である。 本発明の回転電機の第１の実施例を示す正面図である。 図１２の右側面図である。 本発明の第１及び第２の実施例に採用される伝熱管を示し、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は側面断面図である。 本発明の第１及び第２の実施例に採用される別の伝熱管を示し、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は側面断面図である。 本発明の回転電機の第２の実施例を示す正面図である。 図１６の右側面図である。

４…発電機、５…熱交換器、８…回転子、９…固定子、１０…内部送風機、１１…伝熱管、１２…外部送風機、１３…外気、１４…入気側、１５…排気側、１６…送風機、１７…内部冷却媒体、１８…仕切り部材、１９…仕切り板、２０…仕切り材、２１…熱伝導の高い部材、２２…熱伝導の低い部材、２３…熱伝導の低い材料。

Claims (5)

1. 回転子と固定子から構成される回転機本体と、該回転機本体の上部に設置され、複数の伝熱管からなる熱交換器とを備え、該熱交換器では、機外からの外部冷却媒体が前記複数の伝熱管内を入気側から排気側に通過すると共に、前記回転機本体内部からの内部冷却媒体が前記複数の伝熱管外部を通過することにより両者冷却媒体の熱交換が行われる回転電機において、
   前記熱交換器は、少なくとも前記外部冷却媒体が流入する入気側の複数の前記伝熱管が、径方向の所定位置より内側に配置される何本かの伝熱管と、前記径方向の所定位置より外側に配置される何本かの伝熱管では熱伝導の異なる部材で構成されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記熱交換器の径方向中央部より外側の何本かの前記伝熱管の熱伝導が内側の何本かの前記伝熱管の熱伝導より低いことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記熱交換器の径方向中央部より外側の何本かの前記伝熱管は、それ自体の材質の熱伝導が前記内側の何本かの伝熱管より低いか、或いはそれ自体の表面を前記内側の何本かの伝熱管の熱伝導より低い材料で覆うか、もしくはそれ自体の表面に前記内側の何本かの伝熱管の熱伝導より低い材料が塗布されて構成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 回転子と固定子から構成される回転機本体と、該回転機本体の上部に設置され、複数の伝熱管からなる熱交換器とを備え、該熱交換器では、機外からの外部冷却媒体が前記複数の伝熱管内を入気側から排気側に通過すると共に、前記回転機本体内部からの内部冷却媒体が前記複数の伝熱管外部を通過することにより両者冷却媒体の熱交換が行われる回転電機において、前記熱交換器は、前記外部冷却媒体が流入する入気側の径方向中央部より外側の前記伝熱管の熱伝導が内側の前記伝熱管の熱伝導より低く、かつ、前記外部冷却媒体が流出する排気側の径方向中央部より外側の前記伝熱管の熱伝導が内側の前記伝熱管の熱伝導より高く構成されていることを特徴とする回転電機。
5. 前記熱交換器の熱伝導の低い前記伝熱管は、それ自体の材質の熱伝導が他の伝熱管より低いか、或いはそれ自体の表面を他の伝熱管の熱伝導より低い材料で覆うか、もしくはそれ自体の表面に他の伝熱管の熱伝導より低い材料が塗布されて構成されていることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。

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