KR20120109294A - 모터의 온도 추정 장치 및 이것을 구비한 발전 시스템 및 모터의 온도 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 모터의 온도 추정 장치는, 영구 자석의 자속 밀도를 특정하기 위한 자속 밀도 특정 수단과, 영구 자석의 온도가 기지인 조건하에 있어서 자속 밀도 특정 수단에 의해 특정된 기준 자속 밀도를 기억하는 기억부와, 자속 밀도 특정 수단에 의해 특정된 특정 자속 밀도와, 상기 기지의 온도와, 상기 기준 자속 밀도에 기초하여, 상기 특정 자속 밀도의 특정시에 있어서의 영구 자석의 온도를 추정하는 온도 추정부를 구비하고 있다. 이러한 구성에 의해, 영구 자석의 온도를 추정하기 위해 사전에 필요한 정보량을 저감할 수 있다.

Description

모터의 온도 추정 장치 및 이것을 구비한 발전 시스템 및 모터의 온도 추정 방법 {TEMPERATURE ESTIMATING DEVICE FOR MOTOR AND POWER GENERATING SYSTEM HAVING THE SAME, AND TEMPERATURE ESTIMATING METHOD FOR MOTOR}

본 발명은, 모터에 있어서의 로터의 온도를 추정하기 위한 기술에 관한 것이다.

종래부터, 스테이터와, 이 스테이터에 대해 회전 가능하고 또한 영구 자석이 설치된 로터를 구비한 모터가 알려져 있다. 이러한 종류의 모터에서는, 상기 로터의 온도가 소정의 온도를 초과하면, 불가역적으로 영구 자석의 자속 밀도가 저하되는, 이른바 감자(減磁)라 칭해지는 현상이 발생한다. 그리고 영구 자석의 감자가 발생하면, 모터의 성능은 저하된다. 따라서, 모터의 성능을 유지하면서 모터를 사용하기 위해서는, 로터의 온도 관리가 필요하다.

예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2004-222387호에는, 영구 자석의 상단부면에 접하도록 로터에 설치된 자화 소자와, 스테이터에 설치된 홀 소자를 갖는 모터가 개시되어 있다. 상기 자화 소자는, 그 온도에 따라 포화 자속 밀도나 투자율(透磁率)이 변화되는 특성을 갖는다. 상기 홀 소자는, 상기 자화 소자의 자계의 강도를 검출한다. 그리고 이 모터에서는, 자화 소자의 온도가 영구 자석의 온도에 추종함으로써 변화되는 자화 소자의 자계의 강도를 홀 소자에 의해 검출한다. 자화 소자의 온도는, 자화 소자 온도와 포화 자속 밀도의 관계를 나타내는 자화 소자의 특성과, 검출된 자계의 강도에 기초하여 특정되고, 특정된 자화 소자의 온도가 영구 자석의 온도라고 추정된다.

그러나 상기 특허 공보에 기재된 모터에서는, 영구 자석의 온도를 추정하기 위해 사전에 필요한 정보량이 많아진다고 하는 문제가 있다.

구체적으로, 그 모터에서는, 소정 온도에서 자계의 강도가 대폭 변화되는 특성을 갖는 자화 소자를 채용함으로써, 영구 자석의 온도가 상기 소정 온도에 가까운 온도인 것을 추정할 수 있는 한편, 상기 소정 온도로부터 벗어난 온도 범위에 대해 영구 자석의 온도를 추정하기 위해서는, 추정할 필요가 있는 온도 범위의 전역에 걸쳐 자화 소자의 온도와 자계의 강도의 정보(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2004-222387호의 도 4의 그래프)를 준비하고, 이것을 유지해 둘 필요가 있다.

본 발명의 목적은, 영구 자석의 온도를 추정하기 위해 사전에 필요한 정보량을 저감할 수 있는 모터의 온도 추정 장치 및 모터의 온도 추정 방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본원 발명자들은, 온도 변화 후의 영구 자석의 온도가, 온도 변화 후의 자속 밀도에 대한 온도 변화 전의 자속 밀도의 비에 비례하는 점에 착안하여, 온도 변화의 전후의 각각에 있어서의 영구 자석의 자속 밀도와, 변화 전의 온도를 이용함으로써 변화 후의 온도를 추정하는 이하의 발명에 상도하였다.

즉, 변화 전의 온도를 T0, 그때의 영구 자석의 자속 밀도를 B0으로 하고, 변화 후의 온도를 T1, 그때의 영구 자석의 자속 밀도를 B1로 한 경우, 이하의 수학식 1의 관계가 성립된다.

[수학식 1]

여기서, m은, 영구 자석의 소재에 의해 규정되는 계수이다. 따라서, T0, B0 및 B1을 이용함으로써, T1을 산출하고, 이 T1을 영구 자석의 온도로서 추정할 수 있다.

구체적으로, 본 발명은, 스테이터와, 이 스테이터에 대해 회전 가능하고 또한 영구 자석이 설치된 로터를 갖는 모터에 대해 상기 영구 자석의 온도를 추정하기 위한 온도 추정 장치이며, 상기 영구 자석의 자속 밀도를 특정하기 위한 자속 밀도 특정 수단과, 상기 영구 자석의 온도가 기지(旣知)인 조건하에 있어서 상기 자속 밀도 특정 수단에 의해 특정된 기준 자속 밀도를 기억하는 기억부와, 상기 자속 밀도 특정 수단에 의해 특정된 특정 자속 밀도와, 상기 기지의 온도와, 상기 기준 자속 밀도에 기초하여, 상기 특정 자속 밀도의 특정시에 있어서의 상기 영구 자석의 온도를 추정하는 온도 추정부를 구비하고 있다.

본 발명에 따르면, 상술한 바와 같이, 기지의 온도와, 기준 자속 밀도와, 특정 자속 밀도에 기초하여 영구 자석의 온도를 추정할 수 있다. 그로 인해, 추정에 필요한 온도 범위의 전역에 걸친 자화 소자의 자계의 강도에 대한 정보가 필요한 종래 기술과 비교하여, 사전에 필요한 정보량(기지의 온도 및 기준 자속 밀도)을 저감할 수 있다.

구체적으로, 상기 온도 추정부는, 상기 특정 자속 밀도에 대한 상기 기준 자속 밀도의 비와, 상기 기지의 온도에 기초하여 상기 영구 자석의 온도를 추정할 수 있다.

상기 온도 추정 장치에 있어서, 상기 자속 밀도 특정 수단은, 상기 스테이터에 설치되는 동시에 상기 영구 자석의 자속 밀도의 크기에 따른 크기의 기전력을 발생시키는 것이 가능한 검출용 코일과, 상기 검출용 코일에 인가된 전압을 검출 가능한 전압 검출부와, 상기 전압 검출부에 의해 검출된 전압에 기초하여 상기 영구 자석의 자속 밀도를 산출하는 연산부를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이 형태에서는, 자속 밀도 특정 수단이 검출용 코일과 전압 검출부와 연산부를 갖는다. 그로 인해, 검출용 코일에 인가된 전압에 기초하여 영구 자석의 자속 밀도를 산출할 수 있다.

여기서, 상기 형태에서는, 영구 자석의 자속 밀도의 크기에 따라서 변화되는 기전력(전압)을 검출하므로, 종래 기술(일본 특허 출원 공개 제2004-222387호)과 비교하여, 영구 자석의 온도 변화에 대한 추정 온도의 변화의 응답성(추종 속도)을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 종래 기술에서는, 영구 자석으로부터 열을 빼앗은 자화 소자의 자계의 강도를 검출하므로, 영구 자석으로부터 자화 소자로의 열전달에 필요로 하는 시간이 상기 응답성을 저하시키는 요인이 된다. 이에 대해, 상기 형태에서는, 열전달을 통하지 않고, 영구 자석의 자속 밀도에 따라서 발생하는 기전력에 기초하여 온도를 추정하므로, 상기 응답성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 종래 기술에서는, 자화 소자의 온도가 영구 자석이 아닌 주위의 온도에 의해 변동되어, 영구 자석의 추정 온도가 부정확해질 우려도 있다. 이에 대해, 상기 형태에서는, 영구 자석의 자속 밀도에 대응하는 기전력에 기초하여 영구 자석의 온도를 추정하므로 주위의 온도에 의해 받는 영향은 작아, 영구 자석의 온도를 보다 정확하게 추정하는 것이 가능해진다.

상기 온도 추정 장치에 있어서, 상기 전압 검출부는, 상기 검출용 코일에 인가된 전압 파형에 있어서의 파고값과, 주파수를 검출하고, 상기 연산부는, 상기 파고값과 주파수에 기초하여 상기 영구 자석의 자속 밀도를 산출하는 것이 바람직하다.

이 형태에서는, 전압 파형에 있어서의 파고값 및 주파수에 기초하여 영구 자석의 자속 밀도를 산출할 수 있다. 여기서, 『파고값』은, 실효값으로 대체할 수 있고, 『주파수』는, 주기로 대체할 수 있다.

상기 온도 추정 장치에 있어서, 상기 전압 검출부는, 상기 파고값 및 상기 주파수를 복수회 검출하고, 상기 연산부는, 상기 파고값의 평균값 또는 최대값 및 주파수의 평균값 또는 최대값을 각각 산출하는 동시에, 이들 평균값 또는 최대값을 이용하여 영구 자석의 자속 밀도를 산출하는 것이 바람직하다.

이 형태에서는, 파고값 및 주파수의 평균값 또는 최대값을 이용하여 영구 자석의 자속 밀도가 산출된다. 그로 인해, 예를 들어 검출용 코일에 인버터가 전기적으로 접속되어 있는 경우에, 인버터의 임피던스의 변화에 수반되는 파고값 및 주파수의 오차를 완화할 수 있다.

상기 온도 추정 장치에 있어서, 상기 검출용 코일과의 사이에서 전력을 전달 가능한 전달 부재와, 상기 전달 부재와 상기 검출용 코일을 전기적으로 접속한 접속 상태와, 상기 전달 부재를 상기 검출용 코일로부터 절단된 절단 상태와의 사이에서 전환 동작 가능한 전환 부재를 더 구비하고, 상기 전압 검출부는, 상기 전환 부재가 상기 절단 상태로 전환된 상태에서, 상기 검출용 코일에 인가된 전압을 검출하는 것이 바람직하다.

이 형태에서는, 전환 부재에 의해 전달 부재가 검출용 코일로부터 절단된 상태에서 검출용 코일에 인가된 전압이 검출된다. 그로 인해, 전달 부재의 임피던스의 변화에 관계없이, 검출용 코일에 발생한 전압을 보다 정확하게 검출할 수 있다.

상기 온도 추정 장치에 있어서, 상기 스테이터는, 상기 영구 자석의 자속 밀도의 크기에 따른 크기의 기전력을 발생시키는 것이 가능한 스테이터 코일을 갖고, 상기 스테이터 코일과의 사이에서 전력을 전달 가능한 전달 부재를 더 구비하고, 상기 검출용 코일은, 상기 전달 부재에 대해 전기적으로 비접속인 것이 바람직하다.

이 형태에서는, 전달 부재에 접속된 스테이터 코일과는 독립적으로 검출용 코일이 설치되어 있다. 그로 인해, 전달 부재의 임피던스의 변화에 관계없이, 검출용 코일에 발생한 전압을 보다 정확하게 검출할 수 있다.

상기 온도 추정 장치에 있어서, 상기 검출용 코일은, 상기 전압 검출부에만 전기적으로 접속되어 있는 것이 바람직하다.

이 형태에서는, 검출용 코일이 전압 검출부 이외에 접속되어 있지 않으므로, 보다 정확하게 검출용 코일에 인가된 전압을 검출할 수 있다.

상기 온도 추정 장치에 있어서, 상기 영구 자석은, 상기 로터의 회전축의 축선 방향에 있어서 상기 스테이터보다도 돌출되는 돌출부를 갖고, 상기 검출용 코일은, 상기 스테이터 코일로부터 상기 축선 방향으로 이격되는 동시에 상기 영구 자석의 돌출부에 대향하도록 배치되고, 상기 검출용 코일과 상기 스테이터 코일 사이에는, 상기 검출용 코일과 상기 스테이터 코일 사이를 자기적으로 차단하기 위한 실드 부재가 설치되어 있는 것이 바람직하다.

이 형태에서는, 실드 부재에 의해 검출용 코일과 스테이터 코일이 자기적으로 차단되어 있다. 그로 인해, 스테이터 코일에 발생하는 자장이 검출용 코일에 미치는 영향을 작게 할 수 있고, 이에 의해 검출용 코일에 발생한 전압을 보다 정확하게 검출할 수 있다.

상기 온도 추정 장치에 있어서, 상기 스테이터에 설치되고, 상기 스테이터의 주위의 온도를 검출하는 주위 온도 검출부를 더 구비하고, 상기 기억부는, 상기 주위 온도 검출부에 의해 검출된 온도를 기억하는 것이 바람직하다.

이 형태에서는, 스테이터의 주위의 온도를 검출할 수 있다. 그로 인해, 주위의 온도와 영구 자석의 온도가 대략 동등한 조건(예를 들어, 처음 모터를 시동시키는 경우, 또는 장기간 정지 후의 재시동시)에서 주위의 온도를 검출함으로써, 이 온도를 상기 기지의 온도로서 이용할 수 있다.

상기 온도 추정 장치에 있어서, 상기 자속 밀도 특정 수단은, 상기 스테이터에 설치되는 동시에 상기 영구 자석의 자속, 자계의 강도, 자속 밀도 중 적어도 하나를 검출 가능한 물리량 검출부를 포함하고 있는 것이 바람직하다.

이 형태에서는, 영구 자석의 자속, 자계의 강도, 자속 밀도 중 적어도 하나를 검출 가능하다. 그로 인해, 검출 결과에 기초하여 자속 밀도를 특정할 수 있고, 이 자속 밀도에 기초하여 영구 자석의 온도를 추정할 수 있다.

또한, 본 발명은, 작동 유체의 팽창을 이용하여 발전하는 발전 시스템이며, 상기 작동 유체를 토출하는 유체 공급 펌프와, 상기 유체 공급 펌프로부터 공급된 작동 유체를 가열하는 증발기와, 상기 증발기로부터 유도된 작동 유체의 팽창에 의해 회전하는 회전체와, 상기 회전체와 일체로 회전하는 출력축과, 상기 출력축에 연결되는 동시에 상기 회전체의 회전 구동에 따라서 발전하는 발전기와, 상기 회전체의 회전에 이용된 작동 유체를 응축하는 응축기와, 상기 회전체, 상기 출력축 및 상기 발전기를 수납하는 수납 용기와, 상기 발전기의 온도를 추정하는 상기한 온도 추정 장치를 구비하고, 상기 발전기는, 스테이터와, 이 스테이터에 대해 회전 가능하고 또한 영구 자석이 설치된 로터를 갖고, 상기 수납 용기에는, 상기 작동 유체를 도입하기 위한 도입부와, 상기 발전기를 사이에 두고 상기 도입부와 반대측에 설치되는 동시에 작동 유체를 도출하기 위한 도출부가 설치되고, 상기 온도 추정 장치는, 상기 영구 자석의 온도를 추정하는 동시에, 상기 영구 자석의 추정 온도에 기초하여 상기 영구 자석이 미리 설정된 목표 온도로 되도록, 상기 유체 공급 펌프, 상기 증발기, 상기 응축기 중 적어도 하나에 지령하는 지령부를 갖는다.

본 발명에 따르면, 상술한 바와 같이, 기지의 온도와, 기준 자속 밀도와, 특정 자속 밀도에 기초하여 영구 자석의 온도를 추정할 수 있다. 그로 인해, 영구 자석에 상정되는 온도 범위의 전역에 걸친 자화 소자의 자계의 강도에 대한 정보가 필요한 종래 기술과 비교하여, 사전에 필요한 정보량(기지의 온도 및 기준 자속 밀도)을 저감할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 수납 용기에 의해 회전체, 출력축 및 발전기가 수납되어 있는 동시에, 수납 용기에 있어서의 발전기를 사이에 둔 양측에 도입부 및 도출부가 설치되어 있다. 그로 인해, 도입부를 통해 수납 용기 내에 도입된 작동 유체는, 회전체의 회전에 이용된 후, 발전기의 주위를 흘러 도출부로부터 수납 용기 밖으로 도출된다. 즉, 본 발명에 따르면, 작동 유체를 회전체의 회전에 이용할 뿐만 아니라, 발전기의 냉각에도 이용할 수 있다.

그리고 본 발명에서는, 온도 추정 장치가 영구 자석의 온도를 추정하는 동시에, 추정 온도에 기초하여 영구 자석을 목표 온도로 유지하도록 지령을 출력한다. 그로 인해, 감자가 발생하지 않는 충분히 낮은 온도까지 영구 자석을 필요 이상으로 냉각하는 경우와 비교하여, 발전기에 의한 발전 능력을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은, 스테이터와, 이 스테이터에 대해 회전 가능하고 또한 영구 자석이 설치된 로터를 갖는 모터에 대해 상기 영구 자석의 온도를 추정하기 위한 온도 추정 방법이며, 주위의 온도와 상기 영구 자석의 온도가 대략 동등해지는 조건하에 있어서, 상기 주위의 온도를 측정하는 동시에 상기 영구 자석의 자속 밀도를 특정하는 준비 공정과, 상기 준비 공정 후, 상기 영구 자석의 자속 밀도를 특정하는 특정 공정과, 상기 특정 공정에서 특정된 자속 밀도와, 상기 준비 공정에서 측정된 주위의 온도와, 상기 준비 공정에서 특정된 자속 밀도에 기초하여 상기 영구 자석의 온도를 추정하는 추정 공정을 포함한다.

본 발명에 따르면, 상술한 바와 같이, 기지의 온도와, 기준 자속 밀도와, 특정 자속 밀도에 기초하여 영구 자석의 온도를 추정할 수 있다. 그로 인해, 영구 자석에 상정되는 온도 범위의 전역에 걸친 자화 소자의 자계의 강도에 대한 정보가 필요한 종래 기술과 비교하여, 사전에 필요한 정보량(준비 공정에서 준비되는 기지의 온도 및 기준 자속 밀도)을 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 발전 시스템의 전체 구성을 도시하는 개략도.
도 2는 도 1의 밀폐식 발전기의 구체적 구성을 도시하는 단면도.
도 3은 도 2의 발전기를 확대하여 도시하는 단면도.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도.
도 5는 도 1의 발전 시스템의 전기적 구성을 도시하는 블록도.
도 6은 도 5의 제어부에 의해 실행되는 처리를 나타내는 흐름도.
도 7은 도 6의 초기 설정 처리를 나타내는 흐름도.
도 8은 도 5의 전압 검출부에 의해 검출되는 물리량을 설명하기 위한 전압 파형도.
도 9는 다른 실시 형태를 나타내는 도 5 상당도.
도 10은 도 9의 제어부에 의해 실행되는 처리를 나타내는 흐름도.
도 11은 다른 실시 형태를 나타내는 도 3 상당도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태에 관한 발전 시스템의 전체 구성을 도시하는 개략도이다.

도 1을 참조하여, 발전 시스템(1)은, 작동 유체를 토출하는 유체 공급 펌프(2)와, 이 유체 공급 펌프(2)로부터 공급된 작동 유체를 가열하는 증발기(3)와, 이 증발기(3)로부터 유도된 작동 유체의 팽창에 의해 발전하는 밀폐식 발전기(4)와, 이 밀폐식 발전기(4)로부터 도출된 작동 유체를 냉각하여 응축하는 응축기(5)와, 이 응축기(5)에서 응축된 작동 유체를 냉각하는 과냉각기(6)와, 이 과냉각기(6)로부터 상기 유체 공급 펌프(2)를 통하지 않고 증발기(3)로 작동 유체를 유도하기 위한 바이패스 밸브(7)와, 상기 밀폐식 발전기(4)에 의해 발전된 전력이 공급되는 인버터(21)(도 5 참조)와, 상기 유체 공급 펌프(2), 증발기(3), 응축기(5) 및 과냉각기(6)를 제어하는 제어부(23)(도 5 참조)를 구비하고 있다.

보다 구체적으로, 발전 시스템(1)은, 유체 공급 펌프(2)와 밀폐식 발전기(4)를 접속하는 제1 공급 배관(L1)과, 밀폐식 발전기(4)와 유체 공급 펌프(2)를 접속하는 제1 도출 배관(L2)을 구비하고, 이들 배관(L1, L2)을 통해 작동 유체를 순환시킨다. 제1 공급 배관(L1)의 도중부에는, 상기 증발기(3)가 설치되고, 제1 도출 배관(L2)의 도중부에는, 상기 응축기(5) 및 과냉각기(6)가 설치되어 있다.

유체 공급 펌프(2)는, 예를 들어 프론 등의 작동 유체를 토출한다. 이 유체 공급 펌프(2)로부터 토출된 작동 유체는, 제1 공급 배관(L1)을 통해 증발기(3)로 유도된다.

증발기(3)는, 제1 공급 배관(L1)을 통해 유도되는 작동 유체를 가열하여 증발시킨다. 구체적으로, 본 실시 형태에 관한 증발기(3)는, 가열 매체를 유통시키는 유로와, 이 유로를 흐르는 가열 매체를 승온 가능한 증발용 승온기(3a)(도 5 참조)와, 상기 유로를 흐르는 가열 매체의 유속을 조정 가능한 증발용 조정기(3b)(도 5 참조)를 갖고 있다. 그리고 상기 유로 내를 흐르는 비교적 저온(90℃ 내지 100℃)의 가열 매체와의 사이에서 열교환을 행함으로써 작동 유체가 가열된다. 상기 가열 매체로서는, 예를 들어 제조 설비 등으로부터 배출되는 온수, 증기, 가열 공기, 배기 가스 등을 이용할 수 있다.

밀폐식 발전기(4)는, 상기 증발기(3)에 의해 가열된 작동 유체의 팽창에 따라서 스크류 터빈(회전체)(10a, 10a)을 회전시킴으로써, 스크류 터빈(10a)의 출력축(10b)에 연결된 발전기(11)를 작동시켜 발전을 행한다. 또한, 스크류 터빈(10a, 10a)은, 각각의 외주면에 나선 형상의 돌조가 형성된 원기둥 형상의 부재이다. 그리고 스크류 터빈(10a, 10a)의 돌조끼리를 서로 맞물리게 함으로써, 각 스크류 터빈(10a, 10a)의 외주면의 사이이며 또한 각 돌조의 사이에 유로가 형성된다. 또한, 각 스크류 터빈(10a, 10a) 사이에 형성되는 유로의 단면적은, 각 스크류 터빈(10a, 10a)의 일단부측으로부터 타단부측(도 2의 좌측으로부터 우측)을 향해 넓어지도록 설정되어 있다. 이하, 밀폐식 발전기(4)의 구체적 구성에 대해 설명한다.

도 2는, 도 1의 밀폐식 발전기의 구체적 구성을 도시하는 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 밀폐식 발전기(4)는, 작동 유체의 팽창에 의해 회전하는 회전 부재(10)와, 이 회전 부재(10)의 회전에 따라서 발전하는 발전기(11)와, 이들 회전 부재(10) 및 발전기(11)를 수납하는 수납 용기(12)와, 이 수납 용기(12) 내에 설치되고 상기 발전기(11)의 주위의 온도[예를 들어, 후술하는 발전기(11)의 스테이터(11a)의 온도]를 검출 가능한 주위 온도 검출부(22)(도 5 참조)를 구비하고 있다.

회전 부재(10)는, 상기 스크류 터빈(10a, 10a)과, 이들 스크류 터빈(10a, 10a) 중 한쪽에 고정된 출력축(10b)을 구비하고 있다. 각 스크류 터빈(10a, 10a) 사이에 형성되는 유로의 단면적은, 도 2의 좌측으로부터 우측을 향함에 따라서 넓어지도록 설정되어 있다. 출력축(10b)은, 한쪽의 스크류 터빈(10a)과 일체로 회전한다.

발전기(11)는, 후술하는 수납 용기(12)에 고정된 통 형상의 스테이터(11a)와, 이 스테이터(11a)의 내측에 설치되는 동시에 당해 스테이터(11a)에 대해 회전 가능한 로터(11b)를 구비하고 있다. 로터(11b)는, 상기 회전 부재(10)의 출력축(10b)에 연결되고, 당해 출력축(10b)과 일체로 회전한다. 이하, 발전기(11)의 구체적 구성에 대해 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.

스테이터(11a)는, 수납 용기(12)에 고정된 통 형상의 스테이터 본체(11c)와, 이 스테이터 본체(11c)에 보유 지지된 복수의 스테이터 코일(11d)을 갖는다. 각 스테이터 코일(11d)은, 도 3에 도시하는 바와 같이 로터(11b)의 회전축(11e)의 축선 방향으로 배열되는 동시에, 도 4에 도시하는 바와 같이 회전축(11e)의 축선 주위로 배열되도록 배치되어 있다. 또한, 각 스테이터 코일(11d)은, 발전한 전력을 공급하기 위해 인버터(2l)(도 5 참조)에 전기적으로 접속되어 있다. 본 실시 형태에 있어서, 인버터(21)는, 스테이터 코일(11d)과의 사이에서 전력의 전달 가능한 전달 부재에 상당한다.

로터(11b)는, 상기 스테이터(11a) 내에 설치된 로터 본체(11f)와, 이 로터 본체(11f)와 상기 회전 부재(10)의 출력축을 연결하는 회전축(11e)과, 상기 로터 본체(11f)에 보유 지지된 복수의 영구 자석(11g)을 구비하고 있다. 각 영구 자석(11g)은, 도 3에 도시하는 바와 같이 회전축(11e)의 축선을 따라 연장되는 동시에, 도 4에 도시하는 바와 같이 회전축(11e)의 축선 주위의 동일 원주 상에 나란히 배치되어 있다.

도 2를 참조하여, 수납 용기(12)는, 도 2의 좌측으로부터 차례로 배치된 회전 부재(10), 후술하는 베어링부(J1) 및 발전기(11)를 한데 모아 수납한다. 작동 유체는, 도 2에 있어서 수납 용기(12)의 좌측 단부에 설치된 도입관(19a)을 통해 수납 용기(12) 내에 도입되는 동시에, 도 2의 우측에 설치된 도출구(17c)를 통해 수납 용기(12)의 외측으로 도출된다. 그리고 발전기(11)는, 도입관(19a)과 도출구(17c) 사이에 설치되어 있으므로, 도입관(19a)을 통해 도입된 작동 유체에 의해 발전기(11)가 냉각된다.

구체적으로, 수납 용기(12)는, 상기 각 스크류 터빈(10a, 10a)을 보유 지지하는 보유 지지 부재(16)와, 이 보유 지지 부재(16)로부터 좌측으로 연장되는 통 형상 부재(14)와, 이 통 형상 부재(14)의 좌측 단부에 설치된 덮개 부재(15)와, 상기 보유 지지 부재(16)로부터 우측으로 연장되는 바닥이 있는 부재(17)를 구비하고 있다.

보유 지지 부재(16)는, 본체부(16a)와, 이 본체부(16a)의 좌측에 장착된 베어링 부재(16b)와, 본체부(16a)로부터 우측으로 연장되는 연장 설치부(16c)와, 이 연장 설치부(16c)의 우측 단부에 형성된 플랜지부(16h)를 구비하고 있다. 본체부(16a)에는, 각 스크류 터빈(10a, 10a)을 격납하기 위한 격납 구멍(16d)과, 이 격납 구멍(16d) 내에 격납된 각 스크류 터빈(10a, 10a)에 작동 유체를 도입하기 위한 도입구(16e)와, 격납 구멍(16d) 내에 격납된 각 스크류 터빈(10a, 10a)에 의해 유도된 작동 유체를 도출하기 위한 도출구(제1 도출구)(16f)와, 스크류 터빈(10a)의 출력축(10b)을 지지하기 위한 베어링부(J1)가 설치되어 있다. 격납 구멍(16d)은, 본체부(16a)를 좌우 방향으로 관통하는 구멍이다. 도입구(16e)는, 본체부(16a)의 좌측 단부에 설치되고, 격납 구멍(16d)에 연통되는 동시에 좌측에 개방된다. 도출구(16f)는, 본체부(16a)의 우측 단부에 설치되고, 격납 구멍(16d)에 연통되는 동시에 우측으로 개방된다. 베어링부(J1)는, 각 스크류 터빈(10a)의 우측으로 되는 격납 구멍(16d)의 내측 위치에 설치되고, 스크류 터빈(10a)의 출력축(10b)을 회전 가능하게 지지한다. 이와 같이 본 실시 형태에서는, 베어링부(J1)가 수납 용기(12) 내에 수납되어 있으므로, 당해 베어링부(J1)에 기밀성을 갖게 하지 않아도 작동 유체를 수납 용기(12) 내에 가둘 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 본체부(16a) 중 각 스크류 터빈(10a, 10a)을 격납하는 부분이 격납부를 구성하고, 본체부(16a) 중 격납부를 둘러싸는 부분이 수납 용기의 일부를 구성한다.

베어링 부재(16b)는, 스크류 터빈(10a)의 출력축(10b)의 좌측 단부의 주위를 둘러싸는 부재이다. 이 베어링 부재(16b)의 내측에는, 스크류 터빈(10a)의 출력축(10b)의 좌측 단부를 회전 가능하게 지지하는 베어링부(J2)가 설치되어 있다. 연장 설치부(16c)는, 본체부(16a)로부터 우측으로 연장되는 출력축(10b)의 주위를 둘러싸는 통 형상으로 형성되어 있다.

통 형상 부재(14)는, 상기 베어링 부재(16b)보다도 좌측으로 연장되는 통 형상 본체(14a)와, 이 통 형상 본체(14a)의 우측 단부에 설치된 장착부(14b)를 구비하고 있다. 장착부(14b)는, 기체의 유통을 방해하는 형태이며, 통 형상 본체(14a)를 상기 보유 지지 부재(16)의 본체부(16a)에 장착하기 위한 것이다.

덮개 부재(15)는, 상기 통 형상 부재(14)의 통 형상 본체(14a)의 좌측의 개구부를 밀봉함으로써, 당해 통 형상 부재(14)와 협동하여 보유 지지 부재(16)의 좌측에 터빈실(S1)을 형성한다. 즉, 터빈실(S1)은, 보유 지지 부재(16)와 통 형상 부재(14)와 덮개 부재(15) 사이에 설치되고, 각 스크류 터빈(10a, 10a)을 수납하기 위한 실이다. 구체적으로, 덮개 부재(15)는, 상기 통 형상 본체(14a)의 개구 단부에 장착된 폐쇄판(18)과, 이 폐쇄판(18)의 외측으로부터 상기 각 스크류 터빈(10a, 10a)의 도입구까지의 유로를 형성하는 유로 형성 부재(19)와, 이 유로 형성 부재(19)에 의해 형성된 유로에 설치된 필터(20)를 구비하고 있다. 폐쇄판(18)은, 통 형상 본체(14a)의 개구를 폐색하도록 당해 통 형상 본체(14a)에 장착된 원판 형상의 부재이다. 이 폐쇄판(18)의 대략 중앙 위치에는, 표리면에 관통되는 구멍이 형성되어 있다. 유로 형성 부재(19)는, 상기 폐쇄판(18)으로부터 우측으로 연장되는 도입관(19a)과, 이 도입관(19a)의 우측 단부로부터 주위 방향의 외측을 향해 돌출되는 원판부(19b)와, 이 원판부(19b)의 주연부로부터 좌측으로 연장되는 측판부(19c)와, 상기 원판부(19b)로부터 우측으로 연장되는 유도관(19d)을 구비하고 있다. 도입관(19a)은, 상기 폐쇄판(18)의 좌측(외측)으로부터 원판부(19b)의 우측에 이르는 작동 유체의 유로를 구성한다. 구체적으로, 도입관(19a)의 내강부는, 폐쇄판(18) 및 원판부(19b)를 관통하고 있다. 원판부(19b)는, 통 형상 본체(14a)의 내측면과의 사이에 간극이 형성되도록, 당해 통 형상 본체(14a)의 내경보다도 작은 직경 치수를 갖고 있다. 따라서, 원판부(19b)의 외측면과 통 형상 본체(14a)의 내측면 사이에는, 원판부(19b)를 걸치는 좌우 방향(표리 방향)의 작동 유체의 유로가 형성된다. 유도관(19d)은, 원판부(19b)의 좌측으로부터 각 스크류 터빈(10a, 10a)에 대한 도입구(16e)에 이르는 작동 유체의 유로를 구성한다. 구체적으로, 유도관(19d)의 내강부는, 원판부(19b)를 관통하는 동시에, 유도관(19d)의 우측 단부는, 작동 유체를 도입구(16e) 내로 도입 가능해지도록, 상기 보유 지지 부재(16)의 본체부(16a)의 좌측 단부면에 장착되어 있다. 따라서, 이 유로 형성 부재(19)에 의해, 도 2의 화살표 Y1로 나타내는 바와 같이, 폐쇄판(18)의 좌측(외측)으로부터 원판부(19b)의 우측에 이르는 동시에 원판부(19b)의 우측으로부터 좌측에 이르고, 또한 원판부(19b)의 좌측으로부터 도입구(16e)에 이르는 유로가 형성된다. 필터(20)는, 상기 화살표 Y1로 나타내는 유로와 교차하도록, 원판부(19b)의 좌측의 위치 및 원판부(19b)[측판부(19c)]와 통 형상 본체(14a) 사이의 위치에 설치되어 있다.

본 실시 형태에서는, 제1 공급 배관(L1), 통 형상 부재(14) 및 덮개 부재(15)가, 증발기(3)를 경유하여 유체 공급 펌프(2)와 본체부(격납부)(16a)를 접속하는 팽창용 배관을 구성한다.

바닥이 있는 부재(17)는, 상기 보유 지지 부재(16)의 연장 설치부(16c)의 우측에 고정된 바닥이 있는 부재 본체(17a)와, 이 바닥이 있는 부재 본체(17a)의 저부에 설치된 필터(17d)를 구비하고 있다. 바닥이 있는 부재 본체(17a)는, 연장 설치부(16c)의 우측의 개구부를 밀봉함으로써, 당해 연장 설치부(16c)와 협동하여 본체부(16a)의 우측에 발전실(S2)을 형성한다. 즉, 발전실(S2)은, 본체부(16a)와 연장 설치부(16c)와 바닥이 있는 부재 본체(17a)와의 사이에 설치되고, 발전기(11)를 수납하기 위한 실이다. 구체적으로, 바닥이 있는 부재 본체(17a)에는, 연장 설치부(16c)에 고정된 플랜지부(17b)와, 저부를 관통하는 도출구(17c)와, 내측에 형성된 오목 홈(17e)이 형성되어 있다. 플랜지부(17b)는, 기체의 유통을 방해하도록, 연장 설치부(16c)의 우측 단부면에 밀착된 상태에서 당해 연장 설치부(16c)에 장착되어 있다. 도출구(17c)는, 작동 유체를 도출하기 위한 것이며, 이 도출구(17c)에는 필터(17d)가 설치되어 있다. 오목 홈(17e)은, 발전기(11)의 스테이터(11a)와 바닥이 있는 부재 본체(17a)의 내측면 사이에 간극을 형성하기 위한 것이다. 구체적으로, 오목 홈(17e)은, 바닥이 있는 부재 본체(17a)의 내측면을 주위 방향에서 간헐적으로 움푹 들어가게 하도록 복수 개소에 형성되어 있고, 발전기(11)의 스테이터(11a)는, 각 오목 홈(17e)이 형성되어 있지 않은 바닥이 있는 부재 본체(17a)의 내측면에 접촉한 상태에서 보유 지지되어 있다. 따라서, 각 오목 홈(17e)과 스테이터(11a) 사이의 간극은, 화살표 Y3으로 나타내는 바와 같이 작동 유체의 유로로서 기능한다. 또한, 발전기(11)의 스테이터(11a)와 로터(11b) 사이의 간극(G)도, 화살표 Y2로 나타내는 바와 같이 작동 유체의 유로로서 기능한다. 이들 화살표 Y2 및 화살표 Y3으로 나타내는 바와 같이 작동 유체가 흐름으로써, 발전기(11)가 냉각된다. 그리고 이들 화살표 Y2 및 Y3으로 나타내는 유로를 흐른 작동유는, 화살표 Y4로 나타내는 바와 같이, 필터(17d)를 통해 도출구(17c)로부터 도출된다.

이하, 상기 발전 시스템(1)의 동작에 대해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.

유체 공급 펌프(2)로부터 토출된 작동 유체는, 증발기(3)에 있어서 가열되고, 제1 공급 배관(L1)을 통해 밀폐식 발전기(4)로 유도된다. 이 작동 유체는, 도입관(19a)을 통해 밀폐식 발전기(4) 내로 도입되고, 화살표 Y1로 나타내는 바와 같이, 필터(20)를 통해 각 스크류 터빈(10a, 10a)의 도입구(16e)로 유도된다. 각 스크류 터빈(10a, 10a) 사이의 유로로 도입된 작동 유체는, 상기 증발기(3)에서의 가열에 의해 팽창하려고 하므로, 상기 유로를 확장하는 방향으로 각 스크류 터빈(10a, 10a)을 회전시키면서 도 2의 우측 방향으로 진행한다. 각 스크류 터빈(10a, 10a) 사이의 유로로부터 도출된 작동 유체는, 화살표 Y2, Y3으로 나타내는 바와 같이 발전기(11)에 접촉하면서 흘러 도출구(17c)로부터 도출된다. 이들 화살표 Y2 및 Y3으로 나타내는 바와 같이 흐르는 작동 유체는, 발전기(11)에 접촉하여 당해 발전기(11)의 냉각에 기여한다. 또한, 밀폐식 발전기(4)로 도입되는 작동 유체의 유량 및 온도는, 유체 공급 펌프(2), 증발기(3), 응축기(5) 및 과냉각기(6)에 의해 조정되어 있다. 구체적으로, 후술하는 제어부(23)는, 발전기(11)가 소정의 목표 온도로 되도록 유체 공급 펌프(2), 증발기(3), 응축기(5) 및 과냉각기(6)를 피드백 제어한다.

화살표 Y4로 나타내는 바와 같이, 밀폐식 발전기(4)로부터 도출된 작동 유체는, 제1 도출 배관(L2)을 통해 응축기(5) 및 과냉각기(6)로 유도된다. 이 응축기(5)는, 냉각수를 유통시키는 유로와, 이 유로를 흐르는 냉각수를 냉각 가능한 응축용 냉각기(5a)(도 5 참조)와, 상기 유로를 흐르는 냉각수의 유속을 조정 가능한 응축용 조정기(5b)(도 5 참조)를 갖고 있다. 그리고 응축기(5)에서는, 상기 유로 내를 흐르는, 예를 들어 약 0 내지 40℃의 냉각수와의 사이에서 열교환을 행함으로써 작동 유체가 냉각된다. 또한, 과냉각기(6)는, 냉각수를 유통시키는 유로와, 이 유로를 흐르는 냉각수를 냉각 가능한 과냉각용 냉각기(6a)(도 5 참조)와, 상기 유로를 흐르는 냉각수의 유속을 조정 가능한 과냉각용 조정기(6b)(도 5 참조)를 갖고 있다. 상기 과냉각기(6)에서는, 상기 유로 내를 흐르는 예를 들어 약 0 내지 40℃의 냉각수와의 사이에서 열교환을 행함으로써 작동 유체가 냉각된다. 그리고 응축기(5) 및 과냉각기(6)에 의해 냉각된 작동 유체는, 상기 유체 공급 펌프(2)로 유도되어, 다시 상기한 바와 같이 발전에 이용된다.

다음에, 상기 발전기(11)의 온도를 제어하기 위한 제어부(23)에 대해, 도 5를 참조하여 설명한다.

제어부(23)는, 상기 스테이터 코일(11d)에 인가된 전압을 검출하는 전압 검출부(24)와, 이 전압 검출부(24)의 검출 결과에 기초하여 연산 처리를 행하는 연산부(25)와, 이 연산부(25)의 연산 결과를 기억하는 기억부(26)와, 상기 연산부(25)의 연산 결과 및 기억부(26)에 기억된 정보에 기초하여 영구 자석(11g)의 온도를 추정하는 온도 추정부(27)와, 이 온도 추정부(27)에 의한 추정 온도에 기초하여 유체 공급 펌프(2), 증발기(3), 응축기(5) 및 과냉각기(6)에 대해 지령을 출력하는 지령부(28)를 구비하고 있다.

전압 검출부(24)는, 스테이터 코일(11d)에 인가된 전압을 검출 가능하다. 구체적으로, 전압 검출부(24)는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 스테이터 코일(11d)에 발생하는 교류 전압 파형에 있어서의 파고값 Vm 및 주파수 f를 검출한다. 또한, 파고값 Vm은, 실효값으로부터 산출 가능하므로, 전압 검출부(24)는 실효값을 검출해도 된다. 또한, 주파수 f는, 주기로부터 산출 가능하므로, 전압 검출부(24)는 주기를 검출해도 된다. 또한, 스테이터 코일(11d)에 다상 교류 전압이 인가되어 있는 경우, 전압 검출부(24)는, 적어도 1상 이외의 상에 대해 파고값 Vm 및 주파수 f를 검출할 수 있다.

연산부(25)는, 전압 검출부(24)에 의해 검출된 전압에 기초하여 영구 자석(11g)의 자속 밀도를 산출한다. 구체적으로, 연산부(25)는, 이하의 수학식 2에 기초하여 영구 자석(11g)의 자속 밀도를 산출한다.

[수학식 2]

여기서, B는, 영구 자석(11g)의 자속 밀도이고, k는 발전기(11) 고유의 상수다.

기억부(26)는, 상기 연산부(25)에 의해 산출된 자속 밀도 및 상기 주위 온도 검출부(22)에 의해 검출된 주위 온도를 기억한다. 구체적으로, 기억부(26)는, 주위 온도와 영구 자석(11g)의 온도가 대략 동등해지는 조건(예를 들어, 처음 발전기를 시동시키는 경우, 또는 장기간 정지 후의 재시동시)에서 주위 온도 검출부(22)에 의해 검출된 주위 온도와, 이 주위 온도 조건하에서 상기 전압 검출부(24)에 의해 검출된 파고값 Vm 및 주파수 f에 기초하여 산출된 자속 밀도를 기억한다.

온도 추정부(27)는, 상기 기억부(26)에 기억된 주위 온도 및 자속 밀도와, 상기 전압 검출부(24)에 의해 검출된 파고값 Vm 및 주파수 f에 기초하여 산출된 자속 밀도에 기초하여 영구 자석(11g)의 온도를 추정한다. 구체적으로는, 이하의 수학식 1에 기초하여 영구 자석(11g)의 온도를 추정한다.

[수학식 1]

여기서, T0은 기억부(26)에 기억된 주위 온도이고, 이 주위 온도 조건하에 있어서 산출된 자속 밀도가 B0이다. 또한, B1은, 전압 검출부(24)에 의해 검출된 파고값 Vm 및 주파수 f에 기초하여 산출된 자속 밀도이다. 또한, m은, 영구 자석(11g)의 소재에 의해 규정되는 계수이다. 이 수학식 1에 의해 추정 온도 T1이 산출된다.

지령부(28)는, 상기 온도 추정부(27)에 의해 추정된 온도에 기초하여 영구 자석(11g)이 미리 설정된 온도로 되도록 유체 공급 펌프(2), 증발기(3), 응축기(5) 및 과냉각기(6) 중 적어도 하나에 대해 유량 제어 지령을 출력한다. 즉, 추정 온도가 미리 설정된 온도보다도 높은 경우, 지령부(28)는, 작동 유체의 유량을 증가시키는 방향의 지령을 유체 공급 펌프(2)에 출력하거나, 또는/및 작동 유체의 온도를 낮추는 방향의 지령을 증발용 승온기(3a), 증발용 조정기(3b), 응축용 냉각기(5a), 응축용 조정기(5b), 과냉각용 냉각기(6a) 및 과냉각용 조정기(6b)에 출력할 수 있다. 한편, 추정 온도가 미리 설정된 온도보다도 낮은 경우, 지령부(28)는, 작동 유체의 유량을 감소시키는 방향의 지령을 유체 공급 펌프(2)에 출력하거나, 또는/및 작동 유체의 온도를 높이는 방향의 지령을 증발용 승온기(3a), 증발용 조정기(3b), 응축용 냉각기(5a), 응축용 조정기(5b), 과냉각용 냉각기(6a) 및 과냉각용 조정기(6b)에 출력할 수 있다. 또한, 지령부(28)는, 추정 온도가 미리 설정된 온도(온도 범위)에 있을 때에는, 작동 유체의 유량을 유지하기 위한 지령을 유체 공급 펌프(2), 증발기(3), 응축기(5) 및 과냉각기(6) 중 적어도 하나에 출력한다(또는, 작동 유체의 유량을 변화시키기 위한 지령을 출력하지 않음).

이하, 도 6 및 도 7을 참조하여, 제어부(23)에 의해 실행되는 처리에 대해 설명한다.

제어부(23)에 의한 처리가 개시되면, 초기 설정 처리 T(준비 공정)가 실행된다. 초기 설정 처리 T에서는, 우선, 발전기(11)의 주위의 온도와 영구 자석의 온도가 대략 동등해지는 조건에 있어서 주위 온도 T0이 검출된다(스텝 T1). 이어서, 스테이터 코일(11d)에 인가된 전압(파고값 Vm 및 주파수 f)을 검출하고(스텝 T2), 미리 설정된 횟수 N만큼 전압이 검출되었는지 여부가 판정된다(스텝 T3).

이 스텝 T3에서 횟수 N 미만이라고 판정되면, 상기 스텝 T2가 반복 실행된다. 한편, 스텝 T3에서 횟수 N이라고 판정되면, 검출 결과(파고값 Vm 및 주파수 f)의 평균값이 산출된다(스텝 T4). 이와 같이 검출 결과의 평균값을 산출함으로써, 인버터(21)(도 5 참조)의 임피던스가 변동되는 경우에 있어서도, 검출값의 오차를 저감할 수 있다. 또한, 스텝 T4에서는, 검출 결과의 최대값을 산출해도 된다.

이어서, 산출된 평균값(파고값 Vm 및 주파수 f)을 상술한 수학식 2에 대입함으로써, 자속 밀도 B0을 산출한다. 즉, 이 자속 밀도 B0은, 영구 자석(11g)의 온도가 스텝 T1에서 검출된 주위 온도 T0인 조건하에서의 자속 밀도이다. 그리고 이들 주위 온도 T0 및 자속 밀도 B0을 기억부(26)에 기억시켜(스텝 T6), 도 6의 메인 루틴으로 복귀한다.

메인 루틴에서는, 현재, 스테이터 코일(11d)에 인가되어 있는 전압(파고값 Vm 및 주파수 f)을 검출하고(스텝 S1), 미리 설정된 횟수(상기 스텝 T3과 동일 횟수) N만큼 전압이 검출되었는지 여부가 판정된다(스텝 S2).

이 스텝 S2에서 횟수 N 미만이라고 판정되면, 상기 스텝 S1이 반복 실행된다. 한편, 스텝 S2에서 횟수 N이라고 판정되면, 검출 결과(파고값 Vm 및 주파수 f)의 평균값이 산출된다(스텝 S3). 이와 같이 검출 결과의 평균값을 산출함으로써, 인버터(21)(도 5 참조)의 임피던스가 변동되는 경우에 있어서도, 검출값의 오차를 저감할 수 있다. 또한, 스텝 S3에서는, 검출 결과의 최대값을 산출해도 된다.

이어서, 산출된 평균값(파고값 Vm 및 주파수 f)을 상술한 수학식 2에 대입함으로써, 자속 밀도 B1을 산출한다(스텝 S4:특정 공정). 즉, 이 자속 밀도 B1은, 영구 자석(11g)의 온도가 불분명한 조건하에서의 자속 밀도이다. 그리고 이 자속 밀도 B1과, 상기 자속 밀도 B0 및 주위 온도 T0을 상술한 수학식 1에 대입함으로써, 추정 온도 T1을 산출한다(스텝 S5:추정 공정).

다음에, 추정 온도 T1에 기초하여, 온도 제어 지령을 출력한다(스텝 S6). 구체적으로, 추정 온도 T1이 미리 설정된 온도보다도 높은 경우에는, 작동 유체의 유량을 증가시키는 방향의 지령을 유체 공급 펌프(2)에 출력하거나, 또는/및 작동 유체의 온도를 낮추는 방향의 지령을 증발기(3), 응축기(5), 과냉각기(6) 중 적어도 하나에 출력한다. 한편, 추정 온도 T1이 미리 설정된 온도보다도 낮은 경우에는, 작동 유체의 유량을 감소시키는 방향의 지령을 유체 공급 펌프(2)에 출력하거나, 또는/및 작동 유체의 온도를 높이는 방향의 지령을 증발기(3), 응축기(5), 과냉각기(6) 중 적어도 하나에 출력한다. 또한, 추정 온도 T1이 미리 설정된 온도(또는 온도 범위 내)에 있는 경우에는, 작동 유체의 유량을 유지하기 위한 지령을 출력한다(또는 유량을 변경하기 위한 지령을 출력하지 않음).

이와 같이, 영구 자석(11g)의 온도를 피드백 제어함으로써, 다음의 비교예에 관한 발전 시스템보다도 우수한 결과가 얻어졌다. 구체적으로, 비교예에 관한 발전 시스템에서는, 영구 자석의 온도를 추정하지 않고, 감자의 발생을 방지하기 위해 충분히 낮은 온도까지 영구 자석이 냉각되도록, 작동 유체의 온도 및 압력이 관리되고 있었다(영구 자석을 필요 이상으로 냉각하고 있었음). 구체적으로, 비교예에 관한 발전 시스템에서는, 증발기(3)와 밀폐식 발전기(4) 사이의 작동 유체의 온도가 80℃이고, 압력이 0.8㎫A이다. 한편, 본 실시 형태에 관한 발전 시스템(1)에서는, 상기 피드백 제어의 결과, 증발기(3)와 밀폐식 발전기(4) 사이의 작동 유체의 온도를 100℃, 압력을 1.2㎫A까지 상승시킬 수 있다. 또한, 비교예 및 본 실시 형태의 양쪽 모두, 밀폐식 발전기(4)와 응축기(5) 사이의 작동 유체의 온도는 50℃이고, 압력은 0.2㎫A이다. 이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 발전 시스템(1)에서는, 비교예보다도 밀폐식 발전기(4)에 도입하는 작동 유체의 온도 및 압력을 높일 수 있으므로, 발전 능력을 향상시킬 수 있다.

그리고 상기 스텝 S1 내지 S6까지의 처리는, 도시하지 않은 조작부를 통해 발전 시스템(1)의 정지 지령이 입력될 때까지(스텝 S7에서 "아니오"라고 판정될 때까지) 반복 실행된다. 상기 정지 지령이 입력되면(스텝 S7에서 "예"), 당해 처리가 종료된다.

상기 발전 시스템(1)에서는, 각 스크류 터빈(10a, 10a), 출력축(10b) 및 베어링부(J1)가 공통의 수납 용기(12)에 수납되어 있다. 그로 인해, 베어링부(J1)에 의해 본체부(16a)와 출력축(10b) 사이의 기밀성을 확보하지 않아도, 각 스크류 터빈(10a, 10a)의 회전에 이용한 작동 유체를 수납 용기(12) 내에 가둘 수 있다. 따라서, 상기 발전 시스템(1)에 따르면, 종래의 베어링부에 비해 구조의 간소화 및 내구성의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 작동 유체의 팽창에 따라서 회전하는 로터로서 스크류 터빈(10a, 10a)을 예시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 래디얼 터빈을 채용할 수도 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 각 스크류 터빈(10a, 10a), 이들을 격납하는 본체부(16a), 출력축(10b), 베어링부(J1) 및 발전기(11)를 한데 모아 수납하는 수납 용기(12)에 대해 설명하였지만, 적어도 출력축(10b), 베어링부(J1) 및 발전기(11)를 수납하는 수납 용기를 갖는 구성으로 함으로써, 베어링부(J1)에 의해 본체부(16a)와 출력축(10b) 사이에 기밀성을 확보하지 않아도, 각 스크류 터빈(10a, 10a)의 회전에 이용한 작동 유체를 수납 용기 내에 가둘 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 상기 실시 형태에서는, 영구 자석(11g)이 미리 설정된 온도로 되도록 유체 공급 펌프(2), 증발기(3), 응축기(5) 및 과냉각기(6) 중 적어도 하나를 제어하는 제어부(23)를 구비하고 있다. 그로 인해, 영구 자석(11g)의 온도 상승에 수반되는 감자를 방지함으로써, 발전 능력의 저하를 억제할 수 있다.

구체적으로, 발전기(11)에서는, 로터(11b)의 온도가 소정 온도를 초과하면, 불가역적으로 영구 자석(11g)의 자속 밀도가 저하되는, 이른바 감자라 칭해지는 감소가 발생한다. 그리고 영구 자석(11g)의 감자가 발생하면 발전 능력이 저하된다. 이에 대해, 상기 실시 형태에서는, 영구 자석(11g)의 온도를 미리 설정된 온도로 유지할 수 있으므로, 영구 자석(11g)의 감자를 방지할 수 있다.

상기 실시 형태에서는, 기지의 온도 T0과, 기준 자속 밀도 B0과, 특정 자속 밀도 B1에 기초하여 영구 자석(11g)의 온도 T1을 추정할 수 있다. 그로 인해, 온도와 자속 밀도의 관계를 나타내는 맵 등의 정보를 유지하는 경우와 비교하여, 미리 준비해 두는 정보량(T0, B0 및 B1)을 저감할 수 있다.

상기 실시 형태에서는, 스테이터 코일(11d)과, 전압 검출부(24)와, 연산부(25)를 갖는다. 그로 인해, 스테이터 코일(11d)에 인가된 전압에 기초하여 영구 자석(11g)의 자속 밀도를 산출할 수 있다.

상기 실시 형태에서는, 전압 파형에 있어서의 파고값 Vm 및 주파수 f에 기초하여 영구 자석의 자속 밀도를 산출할 수 있다.

여기서, 상기 실시 형태에서는 영구 자석(11g)의 자속 밀도의 크기에 따라서 변화되는 기전력(전압)을 검출하므로, 종래 기술(일본 특허 출원 공개 제2004-222387호 공보)과 비교하여, 영구 자석의 온도 변화에 대한 추정 온도의 변화의 응답성(추종 속도)을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 종래 기술에서는, 영구 자석으로부터 열을 빼앗은 자화 소자의 자계의 강도를 검출하므로, 영구 자석으로부터 자화 소자로의 열전달에 필요로 하는 시간이 상기 응답성을 저하시키는 요인이 된다. 이에 대해, 상기 실시 형태에서는, 열전달을 통하지 않고, 영구 자석(11g)의 자속 밀도에 따라서 발생하는 기전력에 기초하여 온도를 추정하므로, 상기 응답성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 종래 기술에서는, 자화 소자의 온도가 영구 자석이 아닌 그 주위의 온도에 의해 변동되어, 영구 자석의 추정 온도가 부정확해질 우려도 있다. 이에 대해, 상기 실시 형태에서는, 영구 자석(11g)의 자속 밀도에 대응하는 기전력에 기초하여 영구 자석(11g)의 온도를 추정하므로, 주위의 온도에 의해 받는 영향은 작아, 영구 자석(11g)의 온도를 보다 정확하게 추정할 수 있다.

상기 실시 형태에서는, 파고값 Vm 및 주파수 f의 평균값 또는 최대값을 이용하여 영구 자석(11g)의 자속 밀도가 산출된다. 그로 인해, 스테이터 코일(11d)에 전기적으로 접속된 인버터(21)의 임피던스가 변화되어도, 파고값 Vm 및 주파수 f의 오차가 완화된다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 스테이터 코일(11d)과 인버터(21)를 전기적으로 접속한 상태에서, 스테이터 코일(11d)에 인가된 전압을 검출하고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 스테이터 코일(11d)과 인버터(21)를 절단한 상태에서, 스테이터 코일(11d)에 인가된 전압을 검출할 수도 있다.

도 9는, 다른 실시 형태를 도시하는 도 5 상당도이다. 이하의 설명에서는, 도 5와 동일한 구성에 대해 동일한 번호를 부여하는 동시에, 그 설명을 생략한다.

이 실시 형태에 관한 발전 시스템은, 스테이터 코일(11d)과 인버터(21) 사이에 설치된 콘택터(29)와, 제어부(23)에 설치되는 동시에 상기 콘택터(29)의 구동을 제어하는 콘택터 제어부(31)와, 상기 발전기(11)의 로터(11b)의 회전 위치를 검출하는 회전 위치 검출부(30)를 구비하고 있다.

콘택터(29)는, 인버터(21)와 스테이터 코일(11d)을 전기적으로 접속한 접속 상태와, 인버터(21)를 스테이터 코일(11d)로부터 절단한 절단 상태 사이에서 전환 동작 가능하다.

콘택터 제어부(31)는, 상기 접속 상태와 절단 상태 사이에서 콘택터(29)의 구동을 제어한다. 구체적으로, 콘택터 제어부(31)는, 전압 검출부(24)에 의해 전압을 검출하는 데 앞서, 콘택터(29)를 절단 상태로 전환한다. 또한, 콘택터 제어부(31)는, 회전 위치 검출부(30)에 의해 검출된 로터(11b)의 회전 위치에 기초하여, 로터(11b)가 목표로 되는 회전 위치에 도달한 시점에서 스테이터 코일(11d)과 인버터(21)를 접속하도록, 콘택터(29)를 접속 상태로 전환한다. 이에 의해, 콘택터(29)의 전환 전후에 있어서, 인버터(21)에 인가되는 전압의 위상과, 로터(11b)의 회전 위치(위상)를 정합시킬 수 있다.

이하, 도 10을 참조하여, 도 9에 기재된 제어부(23)에 의해 실행되는 처리를 설명한다.

제어부(23)에 의한 처리가 개시되면, 상기 초기 설정 처리 T를 행한 후, 콘택터(29)를 절단 상태로 전환한다(스텝 S01). 이어서, 상술한 스텝 S1 및 S2를 실행하여 전압을 검출한 후, 회전 위치 검출부(30)에 의해 로터(11b)의 회전 위치를 검출한다(스텝 S21). 다음에, 이 회전 위치에 기초하여, 로터(11b)의 회전 위치와 인버터(21)에 인가되는 전압의 위상이 정합되는 타이밍에 콘택터(29)를 접속 상태로 전환하여(스텝 S22), 상술한 스텝 S3으로 이행한다.

본 실시 형태에서는, 콘택터(29)에 의해 인버터(21)로부터 스테이터 코일(11d)을 절단한 상태에서 전압을 검출할 수 있다. 그로 인해, 인버터(21)의 임피던스의 변화에 관계없이, 스테이터 코일(11d)에 인가된 전압을 정확하게 검출할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이 콘택터(29)에 의해 인버터(21)의 임피던스의 영향을 회피할 수 있으므로, 전압의 평균값을 산출하기 위한 스텝 S2 및 S3을 생략할 수도 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 도 7에 나타내는 초기 설정 처리의 스텝 T1과 스텝 T2 사이에, 상기 스텝 S01을 삽입하는 동시에, 스텝 T3과 스텝 S5 사이에 스텝 S21 및 스텝 S22를 삽입할 수도 있다. 이에 의해, 초기 설정 처리에 있어서도, 인버터(21)의 임피던스의 변화에 관계없이, 스테이터 코일(11d)에 인가된 전압을 정확하게 검출할 수 있다. 이 초기 설정 처리에 있어서도, 전압의 평균값을 산출하기 위한 스텝 T3 및 스텝 T4를 생략할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 영구 자석(11g)에 인가된 기전력(전압)을 검출하기 위한 검출용 코일로서, 발전기(11)의 스테이터 코일(11d)을 사용하고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 발전기(11)의 스테이터 코일(11d)과는 별도로 전압 검출용의 코일을 설치할 수도 있다. 이하, 이 실시 형태에 대해 도 11을 참조하여 설명한다.

본 실시 형태에 관한 발전기(11)에서는, 로터(11b)가 회전축(11e)의 축선 방향에 있어서 스테이터(11a)보다도 길다. 구체적으로, 영구 자석(11g)[로터(11b)]은, 회전축(11e)의 축선 방향에 있어서 스테이터(11a)보다도 돌출되는 돌출부(11h)를 갖고 있다.

그리고 본 실시 형태에 관한 발전기(11)는, 영구 자석(11g)의 돌출부(11h)에 대향하도록 배치된 검출용 코일(33)과, 이 검출용 코일(33)과 각 스테이터 코일(11d) 중 회전축(11e)의 축선 방향의 말단에 배치된 스테이터 코일(11d)과의 사이에 설치된 실드 부재(32)를 구비하고 있다. 검출용 코일(33)은, 스테이터 코일(11d)로부터 회전축(11e)의 축선 방향으로 이격되어 배치되어 있다. 또한, 검출용 코일(33)은, 인버터(21)(도 5 및 도 9 참조)에 접속되지 않고, 상기 전압 검출부(24)(도 5 및 도 9 참조)에 대해 전기적으로 접속되어 있다. 한편, 각 스테이터 코일(11d)은, 전압 검출부(24)에 대해 접속되지 않고, 상기 인버터(21)에 전기적으로 접속되어 있다. 실드 부재(32)는, 검출용 코일(33)과 각 스테이터 코일(11d) 사이를 자기적으로 차단한다.

상기 실시 형태에서는, 인버터(21)에 접속된 스테이터(11d)와는 독립적으로 검출용 코일(33)이 설치되어 있다. 그로 인해, 인버터(21)의 임피던스의 변화에 관계없이, 검출용 코일(33)에 인가된 전압을 보다 정확하게 검출할 수 있다. 또한, 검출용 코일(33)이 전압 검출부(24)에만 접속되어 있도록 하면, 보다 정확하게 검출 코일에 인가된 전압을 검출할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 실드 부재(32)에 의해 검출용 코일(33)과 스테이터 코일(11d)이 자기적으로 차단되어 있다. 그로 인해, 스테이터 코일(11d)에 발생하는 자장이 스테이터 코일(11d)에 미치는 영향을 작게 할 수 있다. 이에 의해, 검출용 코일(33)에 인가된 전압을 보다 정확하게 검출할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 코일(11d, 33)에 인가된 전압을 검출함으로써, 영구 자석(11g)의 자속 밀도를 산출하고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 영구 자석(11g)의 자속, 자계의 강도, 자속 밀도 중 적어도 하나를 검출 가능한 물리량 검출 수단을 설치할 수도 있다. 이에 의해, 물리량 검출 수단의 검출 결과에 기초하여 자속 밀도를 특정할 수 있고, 이 자속 밀도에 기초하여 영구 자석(11g)의 온도를 추정할 수 있다. 이 경우에 있어서도, 스테이터 코일(11d)에 인가되는 전압의 주파수를 특정할 수 있는 수단을 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 스크류 터빈(10a, 10a)의 회전에 따라서 발전하는 발전기(11)에 대해 영구 자석(11g)의 온도를 추정하는 점에 대해 설명하였지만, 온도를 추정하는 대상은 발전기(11)에 한정되지 않는다. 구체적으로, 전원으로부터 공급되는 전력에 따라서 로터가 회전하는 모터에 대해서도, 상기 실시 형태와 마찬가지로 영구 자석의 온도를 추정할 수 있다.

Claims (13)

1. 스테이터와, 이 스테이터에 대해 회전 가능하고 또한 영구 자석이 설치된 로터를 갖는 모터에 대해 상기 영구 자석의 온도를 추정하기 위한 온도 추정 장치이며,
   상기 영구 자석의 자속 밀도를 특정하기 위한 자속 밀도 특정 수단과,
   상기 영구 자석의 온도가 기지인 조건하에 있어서 상기 자속 밀도 특정 수단에 의해 특정된 기준 자속 밀도를 기억하는 기억부와,
   상기 자속 밀도 특정 수단에 의해 특정된 특정 자속 밀도와, 상기 기지의 온도와, 상기 기준 자속 밀도에 기초하여, 상기 특정 자속 밀도의 특정시에 있어서의 상기 영구 자석의 온도를 추정하는 온도 추정부를 구비하고 있는, 온도 추정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 온도 추정부는, 상기 특정 자속 밀도에 대한 상기 기준 자속 밀도의 비와, 상기 기지의 온도에 기초하여 상기 영구 자석의 온도를 추정하는, 온도 추정 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자속 밀도 특정 수단은,
   상기 스테이터에 설치되는 동시에 상기 영구 자석의 자속 밀도의 크기에 따른 크기의 기전력을 발생시키는 것이 가능한 검출용 코일과,
   상기 검출용 코일에 인가된 전압을 검출 가능한 전압 검출부와,
   상기 전압 검출부에 의해 검출된 전압에 기초하여 상기 영구 자석의 자속 밀도를 산출하는 연산부를 구비하고 있는, 온도 추정 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 전압 검출부는, 상기 검출용 코일에 인가된 전압 파형에 있어서의 파고값과, 주파수를 검출하고,
   상기 연산부는, 상기 파고값과 주파수에 기초하여 상기 영구 자석의 자속 밀도를 산출하는, 온도 추정 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 전압 검출부는, 상기 파고값 및 상기 주파수를 복수회 검출하고,
   상기 연산부는, 상기 파고값의 평균값 또는 최대값 및 상기 주파수의 평균값 또는 최대값을 각각 산출하는 동시에, 이들 평균값 또는 최대값을 이용하여 영구 자석의 자속 밀도를 산출하는, 온도 추정 장치.
6. 제3항에 있어서, 상기 검출용 코일과의 사이에서 전력을 전달 가능한 전달 부재와,
   상기 전달 부재와 상기 검출용 코일을 전기적으로 접속한 접속 상태와, 상기 전달 부재를 상기 검출용 코일로부터 절단한 절단 상태 사이에서 전환 동작 가능한 전환 부재를 더 구비하고,
   상기 전압 검출부는, 상기 전환 부재가 상기 절단 상태로 전환된 상태에서, 상기 검출용 코일에 인가된 전압을 검출하는, 온도 추정 장치.
7. 제3항에 있어서, 상기 스테이터는, 상기 영구 자석의 자속 밀도의 크기에 따른 크기의 기전력을 발생시키는 것이 가능한 스테이터 코일을 갖고,
   상기 스테이터 코일과의 사이에서 전력을 전달 가능한 전달 부재를 더 구비하고,
   상기 검출용 코일은, 상기 전달 부재에 대해 전기적으로 비접속인, 온도 추정 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 검출용 코일은, 상기 전압 검출부에만 전기적으로 접속되어 있는, 온도 추정 장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 영구 자석은, 상기 로터의 회전축의 축선 방향에 있어서 상기 스테이터보다도 돌출되는 돌출부를 갖고,
   상기 검출용 코일은, 상기 스테이터 코일로부터 상기 축선 방향으로 이격되는 동시에 상기 영구 자석의 돌출부에 대향하도록 배치되고,
   상기 검출용 코일과 상기 스테이터 코일 사이에는, 상기 검출용 코일과 상기 스테이터 코일 사이를 자기적으로 차단하기 위한 실드 부재가 설치되어 있는, 온도 추정 장치.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스테이터에 설치되고, 상기 스테이터의 주위의 온도를 검출하는 주위 온도 검출부를 더 구비하고,
    상기 기억부는, 상기 주위 온도 검출부에 의해 검출된 온도를 기억하는, 온도 추정 장치.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자속 밀도 특정 수단은, 상기 스테이터에 설치되는 동시에 상기 영구 자석의 자속, 자계의 강도, 자속 밀도 중 적어도 하나를 검출 가능한 물리량 검출부를 포함하고 있는, 온도 추정 장치.
12. 작동 유체의 팽창을 이용하여 발전하는 발전 시스템이며,
    상기 작동 유체를 토출하는 유체 공급 펌프와,
    상기 유체 공급 펌프로부터 공급된 작동 유체를 가열하는 증발기와,
    상기 증발기로부터 유도된 작동 유체의 팽창에 의해 회전하는 회전체와,
    상기 회전체와 일체로 회전하는 출력축과,
    상기 출력축에 연결되는 동시에 상기 회전체의 회전 구동에 따라서 발전하는 발전기와,
    상기 회전체의 회전에 이용된 작동 유체를 응축하는 응축기와,
    상기 회전체, 상기 출력축 및 상기 발전기를 수납하는 수납 용기와,
    상기 발전기의 온도를 추정하는 제1항 또는 제2항에 기재된 온도 추정 장치를 구비하고,
    상기 발전기는, 스테이터와, 이 스테이터에 대해 회전 가능하고 또한 영구 자석이 설치된 로터를 갖고,
    상기 수납 용기에는, 상기 작동 유체를 도입하기 위한 도입부와, 상기 발전기를 사이에 두고 상기 도입부와 반대측에 설치되는 동시에 작동 유체를 도출하기 위한 도출부가 설치되고,
    상기 온도 추정 장치는, 상기 영구 자석의 온도를 추정하는 동시에, 상기 영구 자석의 추정 온도에 기초하여 상기 영구 자석이 미리 설정된 목표 온도로 되도록, 상기 유체 공급 펌프, 상기 증발기, 상기 응축기 중 적어도 하나에 지령하는 지령부를 갖는, 발전 시스템.
13. 스테이터와, 이 스테이터에 대해 회전 가능하고 또한 영구 자석이 설치된 로터를 갖는 모터에 대해 상기 영구 자석의 온도를 추정하기 위한 온도 추정 방법이며,
    주위의 온도와 상기 영구 자석의 온도가 대략 동등해지는 조건하에 있어서, 상기 주위의 온도를 측정하는 동시에 상기 영구 자석의 자속 밀도를 특정하는 준비 공정과,
    상기 준비 공정 후, 상기 영구 자석의 자속 밀도를 특정하는 특정 공정과,
    상기 특정 공정에서 특정된 자속 밀도와, 상기 준비 공정에서 측정된 주위의 온도와, 상기 준비 공정에서 특정된 자속 밀도에 기초하여 상기 영구 자석의 온도를 추정하는 추정 공정을 포함하는, 온도 추정 방법.

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