JP2007236076A - 空冷熱交換器形回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】機内の軸方向の温度上昇分布を平準化できる回転電機を提供する。
【解決手段】複数の冷却管内を通過する外部冷媒との熱交換によって機内を冷却する空冷熱交換器形回転電機において、前記複数の冷却管を複数のグループに区分けし、あるグループの冷却管群に送風される外部冷媒の流通方向と、該冷却管群と隣接するグループの冷却管群に送風される外部冷媒の流通方向とを対向させる。すなわち、あるパイプ群には一端から他端へ外気が流通し、他のパイプ群には他端から一端へ外気が流通する。このため、パイプ群の外周に接触して冷却される機内冷媒は、略均等に冷却され、機内の冷媒温度と構造材温度上昇が平準化される。
【選択図】図１

Description

本発明は、空冷熱交換器形回転電機に関する。

従来の回転電機としては、例えば特開平７−２１３０１８号公報、特開平１０−１７４３６９号公報や特開平１１−２９９１７６号公報に記載のように、回転電機を冷却する熱交換器管内を流通する外部冷媒を、回転電機軸方向に対して一方向に流通させるように構成されている。すなわち、熱交換器管内を流通する外部冷媒は、回転軸端に１機のみ設置された大型なラジアルファン、あるいは熱交換器端部に１機のみ設置された電動機によって駆動される単独の送風機により供給するものであった。

特開平７−２１３０１８号公報 特開平１０−１７４３６９号公報 特開平１１−２９９１７６号公報

ところが、上記従来の空冷熱交換器形回転電機では、熱交換器管内を流通する外部冷媒の温度が排気側へ行くほど高くなるため、外部冷媒の入気側に位置する領域と同冷媒の排気側に位置する領域とで内部冷媒の冷却に差が生じ（即ち内部冷媒に温度差が生じ）、それと共に回転電機本体内部においても、前記熱交換器入気側よりも排気側の温度が高くなっており、排気側の巻線等の温度上昇が全体の温度上昇を嵩上げしていた。

上記の解決手段として、熱交換器の熱交換容量の増加、即ち熱交換器を大型化することが考えられる。しかしこの解決手段では、回転電機本体内部の温度上昇分布の絶対値及び局所的な発熱の絶対値は低減できるものの、単に熱交換器の熱交換容量を大きくしただけでは回転電機軸方向の温度上昇分布に差異を生じる可能性がある。その上、この解決手段では、十分に冷却されていてそれ以上冷却する必要がない部分（例えば前記熱交換器入気側の回転電機本体）についても、この部分を更に冷却することになる。

本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであり、機内の軸方向の温度上昇分布の差異を抑制した回転電機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、本発明の空冷熱交換器形回転電機は、複数の冷却管内を通過する外部冷媒との熱交換によって機内を冷却する空冷熱交換器形回転電機において、前記複数の冷却管を複数のグループに区分けし、あるグループの冷却管群に送風される外部冷媒の流通方向と、該冷却管群と隣接するグループの冷却管群に送風される外部冷媒の流通方向とを対向させたことを特徴とする。

本発明によれば、機内の軸方向の温度上昇分布の差異を抑制した回転電機を供給することができる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施例である風力用回転電機の構成を示す。本実施例で説明する風力用回転電機は、機内に封入された冷却媒体によって機内を冷却する密閉型（全閉型）のものである。図１に示すように、本回転電機は、巻線１０を有する固定子１１や回転子１２を回転電機本体内に有すると共に、回転電機本体１の上に回転電機本体１と連通状態で空冷式の熱交換器１３を配し、前記熱交換器１３に外気を流通させるための送風機１４を有する構成となっている。軸受けにより回転可能に支持された回転子１２の回転軸１５には、回転電機本体１内の軸方向（回転軸の長手方向）の両側（反直結側と直結側）に位置する内扇１６が設けられている。

回転電機本体１上の熱交換器１３を冷却する送風機１４は、熱交換器端面に設置され、熱交換器１３のパイプ群の管内に外部冷媒を流通させることができるように構成される。また、回転電機本体１内の冷媒が前記パイプ群の外周に接触しつつ循環流通することが出来るようになっている。

一方、熱交換器１３内には、仕切り板１７が、本体側に設けられたフレーム上に設置するようにして、軸方向に配置されている。熱交換器１３の内部空間は、軸方向に３セクションに分けられ、それぞれの上部は内部冷媒が流通可能となっている。従ってこの場合、仕切り板１７によって分割された第１領域１８と第３領域１９は下降気流の通路（リバースフローの場合下降気流の通路）、第２領域２０は上昇気流の通路（リバースフローの場合上昇気流の通路）となっている。

従って、内扇１６によって巻線１０等が位置する内側方向へ送出された内部冷却風が、それぞれ本体１内の各部で熱をうばった後、上方の第２領域２０を、パイプ群の間を通るようにして各仕切り板１７の内側から外側へと流れる間に、パイプ群内を流れる外部冷却風と熱交換して冷却され、再び内扇１６へと戻る。

本実施の形態では、熱交換器１３のパイプ群を複数のグループに区分けしている。実施例１においては、熱交換器１３の斜視拡大図を示す図２に向かって左右の２グループ（グループＡ及びグループＢ）に等分している。グループＡ及びグループＢにはそれぞれ独立した送風機１４を設置している。これらの送風機１４はそれぞれ電動機２により駆動され、これら送風機１４により、外部冷媒を熱交換器１３の冷却管内に導入、もしくは熱交換器１３の冷却管内から外部へと排出する。

また、グループＡとグループＢの送風機１４は、隣り合うグループの冷却管内を流通する外部冷媒の流通方向が対向するように構成される。例えば、グループＡの送風機が熱交換器１３管内に外部冷媒を流し込む方向に動作する場合、グループＢの送風機は熱交換器１３管内から熱交換器１３外部へと冷媒を吸出すよう動作させる。実施例１においては、２つの送風機１４を熱交換器同端に、同方向に並列して設置しているため、電動機２を同方向に回転させる場合、例えばグループＡの送風機が右回転時に熱交換器１３管内に外部冷媒を流し込む方向に動作するとき、グループＢの送風機にはグループＡの送風機と逆ピッチの翼を設置し、右回転時に熱交換器１３管内から熱交換器１３外部へと冷媒を吸出すよう動作させる必要がある。また、それぞれの送風機の翼に同じピッチの翼を使用する場合、電動機２をそれぞれ逆方向に回転させ（グループＡの電動機２の回転方向が時計回りの場合、グループＢの電動機２の回転方向は反時計回り）上記と同様に、熱交換器１３の隣り合うグループの管内を流通する外気の流通方向が対抗するように構成する必要がある。

上記の条件の場合、グループＡの熱交換器１３のパイプ群には、図１，図２の左端より外部冷媒が導入され、図１，図２の右端より排出される。同様にグループＢの熱交換器１３のパイプ群には、図１，図２の右端より外部冷媒が導入され、図１，図２の左端より排出される。ここで、図３中に示すように、グループＡのパイプ群の左端側（図１中１８の第１領域）温度をＴ１、グループＡのパイプ群軸方向中央（図１中２０の第２領域）の温度をＴ２、グループＡのパイプ群の右端側（図１中１９の第３領域）温度をＴ３とすると、グループＢのパイプ群の左端側（図１中１８の第１領域）温度はＴ３、グループＢのパイプ群軸方向中央（図１中２０の第２領域）の温度はＴ２、グループＢのパイプ群の右端側（図１中１９の第３領域）温度はＴ１となり、下記の関係がある。

Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３ …（１）
一方、回転電機本体１内部の冷却媒体のうち、図１中１８の第１領域を流通する冷却媒体は、図３中の温度がＴ１（グループＡ左端側）、Ｔ３（グループＢ左端側）となっているパイプ群の外周に接触し、回転電機本体内部の冷却媒体のうち、図１中２０の第２領域を流通する冷却媒体は、図３中の温度がＴ２（グループＡ軸方向中央）、Ｔ２（グループＢ軸方向中央）となっているパイプ群の外周に接触し、回転電機本体内部の冷却媒体のうち、図１中１９の第３領域を流通する冷却媒体は、図３中の温度がＴ３（グループＡ右端側）、Ｔ１（グループＢ右端側）となっているパイプ群の外周に接触する。

即ち、図１中１８の第１領域を流通する内部冷却媒体は（Ｔ１＋Ｔ３）／２の温度の外部冷媒により冷却され、図１中２０の第２領域を流通する内部冷却媒体は（Ｔ２＋Ｔ２）／２の温度の外部冷媒により冷却され、図１中１９の第３領域を流通する内部冷却媒体は（Ｔ３＋Ｔ１）／２の温度の外部冷媒により冷却される。このとき、熱交換器１３内の外部冷媒の温度関係は（１）式のようになっていることから、
（Ｔ１＋Ｔ３）／２≒（Ｔ２＋Ｔ２）／２≒（Ｔ３＋Ｔ１）／２ …（２）
で表される温度関係になっているため、図１中１８の第１領域沿いに流通する内部冷媒、図１中２０の第２領域沿いに流通する内部冷媒および図１中１９の第３領域沿いに流通する内部冷媒の温度は、ほぼ等しくなる。よって図４に示すように、回転電機本体１内の固定子１１、回転子１２、巻線１０等の温度差が緩和され、構造材温度上昇の軸方向の偏差が平準化される。

上述した本実施例によれば、回転電機を冷却する熱交換器を複数のグループに区分して、それぞれに独立した送風機を設置し、隣り合うグループの冷却管内を流れる外部冷媒の流通方向を対向方向に流すことで、冷却管の外周に接触して冷却される機内冷媒を略均等に冷却でき、機内の冷媒温度と構造材温度上昇を平準化できる。

本実施の形態では、送風機の設置数は２個であるが、一つの送風機の送風量は従来の半分でよいことから消費電力も従来と同等である。

図５は本発明の第２実施例である風力用回転電機の構成を示す。本実施例の風力用回転電機においても、実施例１と同様に機内に封入された冷却媒体によって機内を冷却する密閉型（全閉型）のものである。

本実施の形態においても熱交換器１３のパイプ群を複数のグループに区分けしており、熱交換器１３の拡大図（図２）に向かって左右（図５中では上下）の２グループに等分している（図５中Ａ，Ｂグループ）。実施例１と同様に、グループＡ及びグループＢにはそれぞれ独立した送風機１４を設置している。

また、グループＡとグループＢの送風機１４が、隣り合うグループの冷却管内を流通する外部冷媒の流通方向が対向するように構成される点も実施例１と同様であるが、実施例２においては、一方の送風機をもう一方の送風機と前後を逆方向にして、それぞれを熱交換器１３の一端に並列に設置することで、隣り合うグループの冷却管内を流通する外部冷媒の流通方向を対向するように構成する。すなわち、実施例１と異なり、それぞれのグループに対応して設置される複数の送風機にすべて同様の送風機を使用することが可能となり、電動機２を同方向に作動させても、隣り合うグループの冷却管内を流通する外部冷媒の流通方向を対向するように構成できる。よって実施例２においても実施例１と同様に、回転電機本体１内の固定子、回転子、巻線等の温度差が緩和され、構造材軸方向の温度上昇分布が平準化される。

また、本実施の形態においても、送風機１４の設置数は２個であるが、一つの送風機の送風量は従来の半分でよいことから消費電力も従来と同等である。

図６は本発明の第３実施例である風力用回転電機の構成を示す。本実施例の風力用回転電機においても、実施例１、実施例２と同様に機内に封入された冷却媒体によって機内を冷却する密閉型（全閉型）のものである。

本実施の形態においても熱交換器１３のパイプ群を複数のグループに区分けしており、熱交換器１３の拡大図（図２）に向かって左右（図６中では上下）の２グループに等分している（図６中Ａ，Ｂグループ）。実施例１と同様に、グループＡ及びグループＢにはそれぞれ独立した送風機１４を設置している。

また、グループＡとグループＢの送風機１４が、隣り合うグループの冷却管内を流通する外部冷媒の流通方向が対向するように構成される点も実施例１，実施例２と同様であるが、実施例３においては、送風機１４を回転電機の回転軸１５によりベルト３で駆動し、これら送風機１４により、外部冷媒を熱交換器１３の冷却管内に導入、もしくは熱交換器１３の冷却管内から外部へと排出することで、隣り合うグループの冷却管内を流通する外部冷媒の流通方向を対向するように構成する。よって実施例３においても実施例１、実施例２と同様に、回転電機本体１内の固定子、回転子、巻線等の温度差が緩和され、構造材軸方向の温度上昇分布が平準化される。

また、実施例３においては、２つの送風機１４を同方向に並列して設置しており、同じ回転方向に動作するため、例えばグループＡの送風機が右回転時に熱交換器１３管内に外部冷媒を流し込む方向に動作する場合、グループＢの送風機にはグループＡの送風機と逆ピッチの翼を設置し、右回転時に熱交換器１３管内から熱交換器１３外部へと冷媒を吸出すよう動作させる必要がある。

また、本実施の形態においても、送風機の設置数は２個であるが、送風機１４を駆動する電動機を必要としないうえ、一つの送風機の翼の径は従来の半分でよいことから、発電効率は向上し、軸方向の寸法も従来のものより小型化できる。

図７は本発明の第４実施例である風力用回転電機の構成を示す。本実施例の風力用回転電機においても、実施例１，実施例２，実施例３と同様に機内に封入された冷却媒体によって機内を冷却する密閉型（全閉型）のものである。

本実施の形態においても熱交換器１３のパイプ群を複数のグループに区分けしており、熱交換器１３の拡大図（図２）に向かって左右（図７中では上下）の２グループに等分している（図７中Ａ，Ｂグループ）。実施例１と同様に、グループＡ及びグループＢにはそれぞれ独立した送風機１４を設置している。

また、グループＡとグループＢの送風機１４を回転電機の回転軸１５によりベルト３で駆動する点は、実施例３と同様であるが、実施例４においては、一つの送風機１４を熱交換器１３の一端に、もう一つの送風機１４を熱交換器１３の他端に設置することで、隣り合うグループの冷却管内を流通する外部冷媒の流通方向を対向するように構成する。よって実施例１，実施例２，実施例３と同様に、回転電機本体１内の固定子、回転子、巻線等の温度差が緩和され、構造材軸方向の温度上昇分布が平準化される。

また、本実施の形態においても、送風機１４の設置数は２個であるが、送風機１４を駆動する電動機を必要としないうえ、一つの送風機の翼の径は従来の半分でよいことから、回転電機の発電効率は向上する。しかし、熱交換器１３の両端面に送風機１４を一つずつ設置していることから、実施例３と比較し、送風機一つ分の軸方向長さだけ回転電機軸方向の寸法が大きくなる。

実施例１，実施例２，実施例３，実施例４においては、回転電機本体１と連通する状態で回転電機本体上に搭載された熱交換器１３のパイプ群を２グループに等分し、それぞれに対応した２つの送風機１４を設置した例を示した。しかし、隣り合うグループの冷却管内を流通する外部冷媒の流通方向が対向するように構成するのであれば、グループは２分割のみではなく複数分割でも構わない。また、その際に設置するそれぞれのグループに対応した送風機１４は、熱交換器１３の同端に並列して設置する必要はなく、熱交換器１３の両端に分割して設置しても構わない。

なお、図８中（ａ）〜（ｄ）に示す熱交換器の例のように、熱交換器１３の左端及び右端には、グループＡのパイプ群の流入（左端）、排出（右端）冷媒と、グループＢの流入（右端）、排出（左端）冷媒の混合を回避するため、隔壁３０及びダクト４０を設けるとなお良い。

本発明による風力用回転電機の冷却構造の第１実施例の３面図。 回転電機上部に設置された熱交換器の概略図。 熱交換器管内を流れる外部冷媒の温度分布を示す図。 回転電機内構造物の軸方向温度上昇分布を示す図。 本発明による風力用回転電機の冷却構造の第２実施例の３面図。 本発明による風力用回転電機の冷却構造の第３実施例の３面図。 本発明による風力用回転電機の冷却構造の第４実施例の３面図。 熱交換器短部に設置される隔壁およびダクトの設置例を示す図。

符号の説明

１…回転電機本体、２…電動機、３…送風機駆動用ベルト、１０…巻線、１１…固定子、１２…回転子、１３…熱交換器、１４…送風機、１５…回転軸、１６…内扇、１７…仕切り板、１８…内部冷媒流通経路の第１領域、１９…内部冷媒流通経路の第３領域、２０…内部冷媒流通経路の第２領域、３０…隔壁、４０…ダクト。

Claims (4)

1. 複数の冷却管内を通過する外部冷媒との熱交換によって機内を冷却する空冷熱交換器形回転電機において、
   前記複数の冷却管を複数のグループに区分けし、あるグループの冷却管群に送風される外部冷媒の流通方向と、該冷却管群と隣接するグループの冷却管群に送風される外部冷媒の流通方向とを対向させたことを特徴とする空冷熱交換器形回転電機。
2. 複数の冷却管内を通過する外部冷媒との熱交換によって機内を冷却する空冷熱交換器形回転電機において、
   前記熱交換器の冷却管内に外部冷媒を流通させる送風機を複数設置し、ある送風機により送風される外部冷媒の流通方向と、この送風機と隣接する別の送風機により送風される外部冷媒の流通方向を対向させるように構成したことを特徴とする空冷熱交換器形回転電機。
3. 複数の冷却管内に外部冷媒を通過させ、機内を循環冷却する冷媒と熱交換する熱交換器を有する空冷熱交換器形回転電機において、
   前記複数の冷却管を複数のグループに区分けし、該区分けしたグループ毎に送風機を設置すると共に、隣接するグループの冷却管内を流通する外部冷媒の流通方向を対向させるように構成したことを特徴とする空冷熱交換器形回転電機。
4. 前記空冷熱交換器形回転電機は、熱交換器端部にダクトもしくは隔壁を設け、冷却管内に導入または管内から排出される外部冷媒を隣接するグループの外部冷媒との混合を防止するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の空冷熱交換器形回転電機。
   

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