JP5564219B2 - 電気機械用装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械の固定子に取り付けられるか、あるいはこれの要部を形成する装置の改良、特にパワー電子素子を一体化した固定子に関する。

電気機械は、電気エネルギーを(モータの場合には)回転運動や直線運動に転換する工業用途や、（発電機の場合には）回転運動や直線運動から電気エネルギーを発生する工業用途において広く利用されている。

ＥＰＡ１２９３０２５には、複数の固定子巻き線をもつ固定子装置を有する回転電気機械が開示されている。固定子装置円周上に間隔をおいて複数のスイッチ素子を設ける。固定子巻き線の少なくとも一つの一端と、少なくとも一つの導体からなるパワー供給母線リング素子との間に各スイッチ素子を電気的に接続する。この母線素子が、電源装置をスイッチ素子の一つかそれ以上に接続する。この場合、各スイッチ素子は、電流を少なくとも一つの固定子巻き線に選択するのに有効である。

スイッチ素子を冷却するために、冷却材回路を別に設ける。ヒートシンクからなるか、ヒートシンクを取り付けた電気絶縁性基体によって、スイッチ素子を支持することができる。一つの有利な構成では、各ヒートシンクは、冷却材回路のそれぞれのドーナツ形マニホルドから冷却材を受け取り、これに戻す。

ＵＳＰ５４９１３７０には、５つの固定子巻き線をもつ五相誘導交流モータが開示されている。各固定子巻き線には、対応するゲートドライバをもつＩＧＢＴモジュールから交流電力を供給する。ＩＧＢＴモジュールおよびゲートドライバは、固定子の周囲に間隔をおいて設ける。ＩＧＢＴモジュールは、一対のリング状（多角形）母線を介して直流電流を受け取る。

ＩＧＢＴモジュールは、機械のハウジングの外周に直接設ける。このハウジング内に形成した一体的な冷却路に冷却流体を連続循環させるため、固定子巻き線および電子素子の両者に十分な冷却作用が与えられる。具体的には、冷却流体が、ＩＧＢＭモジュールの取り付け部分の直下を流れるため、各ＩＧＢＴモジュールを直接冷却できると同時に、モータを冷却できる。

即ち、上記構成の場合、いずれも母線を利用して、各制御回路(即ち、スイッチ素子、ＩＧＢＴモジュール)および各冷却回路に給電し、これらを冷却する。

ＧＰＡ２０５２８０８には、整流素子を内蔵した直流オイル冷却式ブラシレス発電機が開示されている。整流装置は、一対の並行冷却チャネルをもつ一対の円形ヒートシンクを備える装置である。ヒートシンクは、発電機のハウジングに取り付け、ハウジングから絶縁するとともに、相互に絶縁する。固定子巻き線の整流器は、ヒートシンクに取り付ける。発電機の運転時、回転子シャフトによって駆動されるポンプの吸引側にオイルが吸引され、最終的には、整流器装置の並行チャネルを介して流れる。整流器からの熱は、従って、ヒートシンクを介してオイルに伝達される。これら電気シンクの場合、整流器同士を電気的に接続するとともに、電気導体として機能する。

ＥＰＡ１２９３０２５ ＵＳＰ５４９１３７０ ＧＰＡ２０５２８０８

本発明によれば、電気機械を対象とするパワー電子素子を冷却するための新規な装置を得ることができる。

本発明は、回転構成か直線運動構成の電気機械を対象とする装置であって、複数の構成モジュール、および液状誘電体冷却材を構成モジュールに、あるいは構成モジュールから搬送するとともに、構成モジュールに給電し、および／または構成モジュールから電力を受け取る導電性の入り口マニホルドおよび出口マニホルドを有し、
上記入り口マニホルドを一次入り口に接続するとともに、出口マニホルドを一次出口に接続し、上記構成モジュールが、液状誘電体冷却材を装入した液密ハウジングであり、各ハウジングの入り口パイプを入り口マニホルドに接続するともとに、出口パイプを出口マニホルドに接続して、液状誘電体冷却材を一次入り口を介して入り口マニホルドに供給し、入り口パイプを介して各ハウジングに搬送し、出口パイプを介して各ハウジングから出口マニホルドに搬送してから、一次出口を介して排出して、使用時に、各ハウジング内に液状誘電体冷却材を循環させて、各ハウジング内の、上記液状誘電体冷却材に少なくとも部分的に浸漬されている（例えば、制御回路または静的なパワーコンバータ回路を構成する任意のパワー電子素子などの）パワー電子素子を冷却できるように構成した装置を提供するものである。

このように、入り口マニホルドおよび出口マニホルドは、冷却材流体を構成モジュールに、また構成モジュールから冷却材を搬送する冷却材回路として機能するとともに、電気機械の運転条件に応じて、構成モジュールに給電し、および／または構成モジュールから電力を受け取る母線として機能する２つの機能をもつものである。電気機械がモータとして動作する場合には、入り口マニホルドおよび出口マニホルドが構成モジュールに給電することができる。一方、電気機械が発電機として動作する場合には、入り口マニホルドおよび出口マニホルドは、構成モジュールから電力を受け取り、この電力を適当な電源網または電源グリッドに供給することができる。入り口マニホルドおよび出口マニホルドによって搬送される直流電力がある場合には、例えば、電気機械の固定子巻き線を含む交流電源からこれを誘導することができるようになる。

電気機械が回転構成の場合、装置周囲の角度的に離間した位置に構成モジュールを配置するのが好ましい。電気機械の設計に応じて、装置周囲に均等に、あるいは不均等に構成モジュールを配置することができる。装置周囲に配置し、角度的に離間配置した構成モジュールに対して配列するように、入り口マニホルドおよび出口マニホルドは、（例えば、ドーナツ形などの）リング状に構成するが好ましい。もちろん、ここでのリング状は、入り口マニホルドおよび出口マニホルドが必ずしも円形である必要はなく、従って装置周囲を連続的に取り囲み、構成モジュールに電気的に相互接続する導電性の母線を形成できるような任意の形状であればよいことを意味する。また、入り口マニホルドおよび出口マニホルドは、構成が管状でもよく、冷却材流体の流路を形成できる任意の横断面をもつものであればよい。

入り口マニホルドおよび出口マニホルドは、軸方向および／または半径方向に離間配置することができる。

直線運動する電気機械の場合、装置にそって直線状に離間した位置に構成モジュールを配置するのが好ましい。また、入り口マニホルドおよび出口マニホルドは、装置にそって連続的に走り、構成モジュールに電気的に相互接続する導電性の母線を形成できる任意の形状であればよい。

入り口パイプは、通常、入り口マニホルドに並列接続している。同様に、出口パイプも、通常、出口マニホルドに並列接続している。従って、各ハウジングは、入り口マニホルドおよび出口マニホルドの両者に接続するため、液状誘電体冷却材を各ハウジング内に循環させて、少なくとも部分的に浸漬したパワー電子素子を冷却することができる。

冷却が必要な時期を通して、ハウジング内に液状誘電体冷却材を連続循環させるのが好ましい。

液密ハウジングは、任意に利用できる材料で構成することができる。ハウジングを金属材料で構成する場合には、適当な絶縁ブシュなどを利用して、アースするのが好ましい。蓋を着脱式にすれば、ハウジング自体の内部で、パワー電子素子やハウジング内に設けた対応する素子などの保守・修理を行うことができる。

剛性のある構造体に構成モジュールおよび入り口／出口マニホルドを固定して装置を組み立て、次にこれを電気機械の固定子に弾性的に取り付ける。衝撃や異なる熱膨張に対処するためには、装置と電気機械の固定子との間の全ての界面に可撓性のリンクやコネクタを利用するのが好ましい。

入り口／出口マニホルドは、構成モジュールに直流電力を供給でき、および／または構成モジュールから電力を受け取ることができる。具体的には、入り口／出口マニホルドは、それぞれ、直流電源の極性毎の母線を与えることができる。

また、入り口／出口マニホルドは、構成モジュールに交流電力を供給することができ、および／または構成モジュールから交流電力を受け取ることができる。この場合には、一つかそれ以上の母線を追加することができる。例えば、三相交流電源の場合、入り口／出口マニホルドが三相のうち二相を搬送することができ、母線を追加して、第３の相を搬送することができる。中性点または接地点に接続するために、母線をさらに追加することができ、例えば、制御回路やパワーコンバータ回路の構成を簡単にできる。もちろん、ある理由から望ましい場合には、二相や三相以上の交流電源を利用することも可能である。母線の総数（即ち、入り口マニホルド、出口マニホルド、そして適用する場合には母線の追加数）については、交流電源の相数に一致するように選択する。

追加する母線は、通常、冷却材回路の要部を構成するものではなく、構成モジュールに給電するか、あるいは構成モジュールから電力を受け取ることのみを目的とする。追加の母線は、管状である必要はなく、任意の構成をもつものでよい。

電気機械が回転構成の場合、追加する母線は、装置周囲に配置し、角度的に離間配置した構成モジュールに配列するように、リング状に構成するのが好ましい。もちろん、ここでのリング状は、追加の母線が必ずしも円形である必要はなく、従って装置周囲を連続的に取り囲み、構成モジュールに電気的に相互接続するような任意の形状であればよいことを意味する。また、直線運動する電気機械の場合、追加する母線は、装置にそって連続的に走り、構成モジュールに電気的に相互接続する任意の形状であればよい。

また、容易に理解できるように、用語“液状誘電体”は、それ自体市販されている純正な液状誘電体だけでなく、十分な絶縁耐電圧をもつ任意の液状誘電体をカバーするものである。例示すれば、脱イオン水、ＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴやその他の等価なパーフルオロカーボン液体、無機変圧器油、シリコーン変圧器油、合成オイル、合成エステル、塩化メチレンなどである。特に好適な冷却材は、ＭＩＤＥＬやその等価製品などの純正絶縁流体である。任意の液状誘電体冷却材については、環境および化学作用から適合性を判断するものである。

液状誘電体冷却材は、冷却材が全体を通じて同相（例えば、液相）にとどまる単相冷却用途に好適であるが、場合にもよるが、冷却材が（例えば、液相から気相に）相変化し、付随して発生する熱を除熱する二相冷却用途に好適であることもある。従って、相変化冷却を選択することも可能である。

冷却材回路は、ハウジング内部に設けたパワー電子素子の冷却に専用してもよい。従って、電気機械それ自体は、空冷式装置などの他の手段によって冷却することができるが、冷却材回路が、電気機械を冷却することも可能である。従って、液状誘電体冷却材は、専用の供給源から得てもよく、また電気機械の他の部分から得てもよい。

風力タービン発電機の固定子装置を示す斜視図である。 海洋推進モータの固定子装置を示す斜視図である。

図１および図２は、空冷式の回転電気機械の固定子装置を示す図である。複数の角度的に離間配置した構成モジュール２を固定子巻き線（図示省略）の最後の巻き線に隣接する固定子装置に取り付ける。図１に示す固定子装置の場合、固定子装置の円周周囲に等間隔をおいて６つの構成モジュール２を離間配置（明示してあるのは、３つのみである）する。一方、図２に示した固定子装置では、固定子装置の円周周囲に構成モジュールを不均等に離間配置する。

各構成モジュール２は、電気機械に対応する制御回路を構成するパワー電子素子（図示省略）を内蔵する液密ハウジングまたは容器として構成する。

各構成モジュール２は、入り口パイプ４をもち、これをドーナツ形入り口マニホルド６に接続する。同様に、各モジュール２は、出口パイプ８をもち、これをドーナツ形出口マニホルド１０に接続する。

一次入り口１２を介して液状誘電体冷却材（例えば、ＭＩＤＥＬ）を入り口マニホルド６に送り、入り口パイプ４を介して構成モジュール２のそれぞれに搬送する。そして、液状誘電体冷却材を各構成モジュール２から出口パイプ８を介して出口マニホルド１０に送る。出口マニホルド１０の液状誘電体冷却材を、次に、一次出口１４から送り出す。これによって、液状誘電体冷却材が各構成モジュール２内を連続的に循環し、液密ハウジング内部に設けたパワー電子素子(図示省略)を冷却する。液状誘電体冷却材は、全体として、ハウジングの軸線に沿って流れる（即ち、円周方向に流れる）。

一次出口１４から送り出された液状誘電体冷却材は、一次入り口１２に戻される前に、熱交換ユニットまたは他の適当な装置（図示省略）によって冷却することができる。即ち、入り口マニホルド６および出口マニホルド１０は、閉じたループ形の冷却回路の要部を構成するものである。また、液状誘電体冷却材は、従来通り、ポンプ(図示省略)によって冷却回路に循環させることができる。

構成モジュール２に液状誘電体冷却材を搬送することに加えて、また構成モジュール２から液状誘電体冷却材を搬送することに加えて、入り口マニホルド６および出口マニホルド１０は、直流母線として機能し、構成モジュール内部に設けたパワー電子素子（図示省略）に直流電力を供給し、および／またはパワー電子素子から直流電力を受け取る。従って、入り口マニホルド６および出口マニホルド１０が形成する冷却材回路に加えて、別な直流母線を設ける必要はない。入り口マニホルド６および入り口パイプ４は極性が正であり、また出口マニホルド１０および出口パイプ８は極性が負であるため、構成モジュール２に直流電源を送ることができ、および／または構成モジュール２から直流電源を送ることができる。パワー電子素子（図示省略）は、構成モジュール２内部に設けたケーブルおよび母線(図示省略)などの任意の適当な手段によって入り口／出口パイプ４、８に電気的に接続することができる。電気機械がモータとして動作する場合、入り口／出口マニホルド６、１０は、パワー電子素子に直流電力を与え、そして電気機械が発電機として動作する場合、パワー電子素子から直流電力を受け取ることになる。なお、図１に示す風力タービン発電機の場合には、現地受け渡しなどの条件では、モータとして利用することができる。また図２に示す海洋推進モータも、例えば、発電機として、あるいは力学的な制動時には再生モードで利用することができる。

入り口マニホルド６、出口マニホルド１０、入り口パイプ４および出口パイプ８は、任意の導電性材料で構成することができる。一次入り口１２および一次出口１４は、アースや接地電圧がかなり高いため、通常は、保護アースまたは接地導体に接続することになる電気機械の金属フレームから電気的に絶縁することができる。

一次入り口１２および一次出口１４もまた、任意の導電性材料で構成することができ、入り口マニホルド６および出口マニホルド１０が適当な給電ネットワーク又は電力網へ電気的に接続するのを可能にする。

適当な電気接続部（図示省略）についても、構成モジュール２内部に設けたパワー電子素子（図示省略）と、構成モジュール内に設けた他の制御回路か、電気機械の外部素子との間に設けることができる。

各成分モジュール２の液密ハウジングまたは容器には、流動する液状誘電体冷却材を満たし、そしてパワー電子素子（図示省略）を液状誘電体冷却材に完全に浸漬する。液状誘電体は、冷却作用を、そしてパワー電子素子が安全に動作できる誘電体環境を確保する。

本発明は、電気機械の固定子装置に適用できるものである。

２：構成モジュール
４：入り口パイプ
６：ドーナツ形入り口マニホルド
８：出口パイプ
１０：出口マニホルド
１２：一次入り口
１４：一次出口

Claims (10)

1. 電気機械を対象とする装置であって、
   複数の構成モジュール（２）、
   および液状誘電体冷却材を上記複数の構成モジュール（２）に、あるいは上記複数の構成モジュール（２）から搬送するとともに、上記複数の構成モジュール（２）に給電し、および／または上記複数の構成モジュール（２）から電力を受け取る導電性の入り口マニホルド（６）および出口マニホルド（１０）を有し、
   上記入り口マニホルド（６）を一次入り口（１２）に接続するとともに、出口マニホルド（１０）を一次出口（１４）に接続し、
   上記複数の構成モジュール（２）の各々が、液状誘電体冷却材を装入した液密ハウジングであり、各ハウジングの入り口パイプ（４）を入り口マニホルド（６）に接続するともとに、出口パイプ（８）を出口マニホルド（１０）に接続して、液状誘電体冷却材を一次入り口（１２）を介して入り口マニホルド（６）に供給し、入り口パイプ（４）を介して各ハウジングに搬送し、出口パイプ（８）を介して各ハウジングから出口マニホルド（１０）に搬送してから、一次出口（１４）を介して排出して、使用時に、各ハウジング内に液状誘電体冷却材を循環させて、各ハウジング内の、上記液状誘電体冷却材に少なくとも部分的に浸漬されているパワー電子素子を冷却できるように構成したことを特徴とする装置。
2. 装置周囲の角度的に離間した位置に複数の構成モジュール（２）を配置した請求項１に記載の装置。
3. 上記入り口マニホルド（６）および出口マニホルド（１０）が、実質的にドーナツ形である請求項２に記載の装置。
4. 上記入り口マニホルド（６）および出口マニホルド（１０）が、構成モジュール（２）に直流電力を供給するか、および／または構成モジュール（２）から直流電力を受け取る請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 上記入り口マニホルド（６）および出口マニホルド（１０）が、それぞれ直流電源の極性毎に母線になる請求項４に記載の装置。
6. 上記入り口マニホルドおよび出口マニホルドが、構成モジュールに交流電力を供給するか、および／または構成モジュールから交流電力を受け取る請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
7. 上記入り口マニホルドおよび出口マニホルドが、それぞれ交流電源の相に対する母線になる請求項６に記載の装置。
8. 構成モジュールに交流電力を供給するか、および／または構成モジュールから交流電力を受け取る一つか複数の母線をさらに有する請求項６または７に記載の装置。
9. 電気機械の固定子装置（１）に取り付けられるか、あるいは固定子装置（１）の要部を構成する請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 液密ハウジング内に設けたパワー電子素子の冷却時に、上記液状誘電体冷却材が液相から気相に相変化する請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
    

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