JP2007159277A

JP2007159277A - 高速回転機の冷却構造

Info

Publication number: JP2007159277A
Application number: JP2005351579A
Authority: JP
Inventors: Hiromoto Shimaya; 宏基嶋屋; Tomoyuki Iwasaki; 知幸岩崎
Original assignee: Nishishiba Electric Co Ltd
Current assignee: Nishishiba Electric Co Ltd
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】高速回転機の温度上昇を低く抑える冷却構造とすることで、性能の信頼性を向上・維持することができる高速回転機を提供する。
【解決手段】エンジン排ガスで駆動されるターボチャージャのコンプレッサ側軸端に中間軸を介して高速回転機を設置し、ターボチャージャからエネルギー回収またはターボチャージャの加勢をすることができる高速回転機であって、ターボチャージャのコンプレッサで圧縮後の空気をアフタークーラーで冷却し、出口空気の一部を高速回転機の冷却に用いるとともに、高速回転機のステータ中央部からダクトを通してロータ部分に冷却空気を送風する送風通路と、高速回転機のステータコイルエンド部に冷却空気を送風する送風通路とを有する冷却構造であるので、十分な冷却風量が確保でき、高速回転機のロータおよびステータの温度上昇を従来より低く抑えることが可能となり、性能の信頼性を向上・維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は高速回転機に係り、特にターボ機器に直結される高速回転機の冷却構造に関する。

従来のターボ機器に直結される高速回転機は例えば特許文献１に開示されている。
以下、従来のターボ機器に直結される高速回転機の冷却構造を図７を参照して説明する。図に示すように、ターボチャージャは内燃機関の吸気通路上に設けられており、ターボチャージャのコンプレッサ３を回転駆動させ得る電動機と、この電動機を内蔵するハウジング７と、このハウジング７内に冷却用気体流を導入する導入路８とを備えており、導入路８はハウジング７とアクリーナの下流側に接続されている。
一般に、高速回転機のロータ部とステータ部は小さいギャップを隔てて配設されており、ギャップ部分に冷却風を流すには高い圧力を持った冷却風が必要となる。

しかしながら、上記従来の高速回転機の冷却構造は、回転機を内蔵するハウジングに入る冷却風の圧力が低く、必要風量が供給できないという問題があった。また、供給可能な冷却風量で冷却できるような発熱密度を下げると、各構成機器が大型化するという問題があり、また必要風量が得られない場合、ロータ部分に発生する表面損や摩擦損およびステータ鉄心に発生する鉄損、高速回転時に発生する高周波の漂遊負荷損、並びにステータコイルに発生する銅損等による発熱を十分に冷却することができなくなり、ロータに使用される永久磁石の減磁や、ステータコイル絶縁体の温度上昇によるコイル焼損が生ずるという問題があった。
特開２００５−１２７３０７号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、その課題は高速回転機のロータおよびステータの温度上昇を低く抑えることで、性能の信頼性の向上・維持することができる高速回転機の冷却構造を提供することにある。

上記課題を達成するために請求項１記載の発明は、エンジン排ガスで駆動されるターボチャージャのコンプレッサ側軸端に中間軸を介して高速回転機を設置し、前記ターボチャージャからエネルギー回収またはターボチャージャの加勢をすることができる高速回転機であって、前記ターボチャージャのコンプレッサで圧縮後の空気をアフタークーラーで冷却し出口空気の一部を高速回転機の冷却に用いるとともに、前記高速回転機のステータ中央部からダクトを通して当該高速回転機のロータ部分に冷却空気を送風する送風通路と、当該高速回転機のステータコイルエンド部分に冷却空気を送風する送風通路とを有することを特徴とする。

請求項１によると、既設のターボチャージャに、わずかな改造で高速回転機を付加し、ターボチャージャからエネルギー回収またはターボチャージャの加勢をすることができ、さらにコンプレッサで高圧となった冷却風をアフタークーラーで冷却後にロータ部分とステータ鉄心部およびステータコイルエンド部分に供給するので、十分な冷却風量が確保でき、高速回転機のロータおよびステータの温度上昇を従来より低く抑えることが可能となり、性能の信頼性を向上・維持することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の高速回転機の冷却構造において、高速回転機をターボチャージャのコンプレッサとタービンの間に設置することを特徴とする。
請求項２によると、コンプレッサで高圧となった冷却風を、アフタークーラーで冷却した後ロータ部とステータ鉄心部およびステータコイルエンド部に供給するので、十分な冷却風量が確保でき、高速回転機のロータおよびステータの温度上昇を従来より低く抑えることが可能となり、性能の信頼性を向上・維持することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の高速回転機の冷却構造において、ターボチャージャのコンプレッサで圧縮後の空気をアフタークーラーで冷却し、出口空気の一部を一方通風方式により高速回転機に送風し、高速回転機のステータおよびロータを冷却するようにしたことを特徴とする。

請求項３によると、請求項１又は請求項２記載の発明と同様の効果を得ることができ、さらにロータとステータの冷却通路を分ける必要がなくなるので、冷却構造を簡素化することができる。

請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の高速回転機の冷却構造において、高速回転機のステータ背面に冷却通路を設けたことを特徴とする。
請求項４によると、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発明と同様の効果を得ることができ、さらにステータとロータの冷却を別系統の冷却通路とすることで個別に冷却条件を設定することができるので、効率的な冷却をすることができる。特にステータの冷却効果を上げたい場合は、別系統の冷却通路に水等の高熱容量の冷却媒体を使用すればよい。

請求項５記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の高速回転機の冷却構造において、高速回転機のステータコイルエンド部分を冷却する冷却通路の冷却空気を電動ファンで送風することを特徴とする。

請求項５によると、ロータとステータのギャップ部にはコンプレッサで圧縮後のアフタークーラーで冷却した高圧の冷却風を供給し、高圧の冷却風を必要としないステータ部には電動ファンで冷却風を供給することで、最小限の冷却損失とすることができ、安定した冷却が可能となり、性能の信頼性を向上・維持することができる。

請求項６記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の高速回転機の冷却構造において、高速回転機のステータおよびロータの冷却空気を電動ファンで送風することを特徴とする。

請求項６によると、ターボチャージャの回転数の変化が大きい運転形態の場合でも、ターボチャージャの回転数に関係なく高速回転機の冷却風量を調整できるため、安定した冷却が可能となり、性能の信頼性を向上・維持することができる。

本発明の高速回転機の冷却構造によれば、ロータおよびステータの温度上昇を従来に比べ低く抑えることが可能となり、性能の信頼性を向上・維持することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態の構成図であり、既に説明した図７の従来例と相違する構成は、エンジン排ガスを利用して駆動されるターボチャージャのコンプレッサ３側の軸端に中間軸１１を介して高速発電機を連結した構造とした点であり、その他の構成は同一であるので同一構成要素には同一符号を付して重複説明は省略する。

図に示すように、本実施形態では、コンプレッサ３で圧縮した空気の一部をアフタークーラー６で冷却した後、ハウジング７に設けた冷却風導入路８及び冷却風導入路９から高速回転機内部に流すように構成されている。冷却風は冷却風導入路８から入り、高速回転機のステータ５の中央部に設けたダクトからロータ４に到達し、ロータ４の外周面とステータ５の内周面を冷却する通路と、冷却風導入路９から入り、ステータ５の外周面を冷却した後、ステータコイルエンド１０を冷却する通路を有している。冷却風導入路８及び冷却風導入路９の各々の入口面積は最適な風量分布となるよう調整する。

本実施形態は、上記のように構成されているので、既設のターボチャージャにわずかな改造で高速回転機を付加し、ターボチャージャからエネルギー回収またはターボチャージャの加勢をすることができ、コンプレッサで高圧となった冷却風をアフタークーラーで冷却後にロータ部とステータ鉄心部およびステータコイルエンド部に供給するので、十分な冷却風量が確保でき、高速回転機のロータおよびステータの温度上昇を従来より低く抑えることが可能となり、性能の信頼性を向上・維持することができる。

図２は、本発明の第２実施形態の構成図であり、上記図１の第１実施形態と相違する構成は、高速回転機の冷却構造をエンジン排ガスを利用して駆動されるターボチャージャのコンプレッサとタービン間に設置した点であり、その他の構成は同一であるので同一構成要素には同一符号を付して重複説明は省略する。

図に示すように、本実施形態は上記のように構成されているので、図１の第１の実施形態と同様の効果が得られ、かつ高速回転機のロータおよびステータの温度上昇を従来より低く抑えることが可能となり、性能の信頼性がさらに向上する。

図３は、本発明の第３実施形態の構成図であり、上記図１の第１実施形態と相違する構成は、高速回転機の冷却構造を一方通風方式によりステータおよびロータを冷却するように構成した点であり、その他の構成は同一であるので同一構成要素には同一符号を付して重複説明は省略する。

図に示すように、本実施形態では、アフタークーラー６で冷却された圧縮空気の一部は高速回転機の片方から流入し、ステータコイルエンド１０を冷却後ロータ５とステータ４のギャップ入口１２に入り、ロータ５の外周面とステータ４の内周を冷却する通路と、ステータコイルエンド１０を冷却後ステータ４に設けられたステータ冷却入口１３に入り、ステータコイルとステータ鉄心を冷却する通路と、ステータ４の背面入口１４に入りステータ鉄心背面を冷却する通路に分岐するように構成されている。そして、各々の冷却通路の入口面積はステータコイル、ロータコイルの温度が最も低くなるよう調整する。また冷却方法は、第１，第２の実施形態のいずれを用いてもよい。

本実施形態は上記のように構成されているので、図１の第１の実施形態および図２の第２実施形態と同様の効果を得ることができ、さらにロータとステータの冷却通路を分ける必要がなくなるので、冷却通路を簡素化することができる。

図４は本発明の第４実施形態の構成図であり、上記図１の第１実施形態と相違する構成は、ステータ背面に冷却通路を設けた冷却構造とした点であり、その他の構成は同一であるので同一構成要素には同一符号を付して重複説明は省略する。

図に示すように、本実施形態では、コンプレッサ３で圧縮した空気の一部をアフタークーラー６で冷却した後、ハウジング７に設けた冷却風導入路入口８から回転機内部に流すように構成されている。すなわち、冷却風は冷却風導入路８から流入し、高速回転機のステータ５の中央部に設けたダクトからロータ４に到達し、ロータ４の外周面とステータ５の内周面を冷却する通路を経て流れる。ハウジング７には別系統の冷却通路１５を設ける。冷却方法は第１ないし第３の実施形態のいずれの冷却方法を用いてもよい。

本実施形態では、上記のように構成されているので、ステータとロータの冷却を別系統の冷却通路とすることで個別に冷却条件を設定することができ、効率的な冷却をすることができる。特にステータの冷却効果を上げたい場合は、別系統の冷却系統１５に水等の高熱容量の冷却媒体を使用すればよい。

図５は本発明の第５実施形態の構成図であり、上記図１の第１実施形態と相違する構成は、高速回転機の冷却構造とした点であり、その他の構成は同一であるので同一構成要素には同一符号を付して重複説明は省略する。

図に示すように、本実施形態では、コンプレッサ３で圧縮した空気の一部をアフタークーラー６で冷却した後、ハウジング７に設けた冷却風導入路８から流すようにする。冷却風は高速回転機のステータ５の中央部に設けたダクトからロータ４に到達し、ロータ４の外周面とステータ５の内周面を冷却する。また、電動ファン１６により冷却風導入路９から入り、ステータ５の外周面を冷却した後、ステータコイルエンド１０を冷却する通路を設ける。冷却方法は第１又は第２の実施形態のいずれでもよい。

本実施形態は、上記のように構成されているので、高圧の冷却風が必要なロータとステータのギャップ部にはコンプレッサで圧縮後のアフタークーラーで冷却した冷却風を供給し、高圧の冷却風を必要としないステータ部には電動ファンで冷却風を供給することができる。従って、最小限の冷却損失で安定した冷却が可能となり、性能の信頼性が向上する。

図６は本発明の第６実施形態の構成図であり、上記図１の第１実施形態と相違する構成は、高速回転機の冷却構造とした点であり、その他の構成は同一であるので同一構成要素には同一符号を付して重複説明は省略する。

図に示すように、本実施形態では、ステータ４およびロータ５の冷却空気を送風する電動ファン１６を設けており、その冷却方法は第１から第４の実施形態のいずれでも採用できる。

本実施形態は上記のように構成されているので、ターボチャージャの回転数の変化が大きい運転形態の場合でも、ターボチャージャの回転数に関係なく高速回転機の冷却風量を調整できるため、安定した冷却が可能となり、性能の信頼性が向上する。

本発明の第１の実施形態の構成図。本発明の第２の実施形態の構成図。本発明の第３の実施形態の構成図。本発明の第４の実施形態の構成図。本発明の第５の実施形態の構成図。本発明の第６の実施形態の構成図。従来の高速回転機の冷却構造の断面図。

符号の説明

１…ロータ軸、２…排ガスタービン、３…コンプレッサ、４…ロータ、５…ステータ、６…アフタークーラー、７…ハウジング、８，９…冷却風導入路、１０…ステータコイルエンド、１１…中間軸、１２…ギャップ入口、１３…ステータ冷却入口、１４…ステータ背面入口、１５…別系統冷却通路、１６…電動ファン。

Claims

エンジン排ガスで駆動されるターボチャージャのコンプレッサ側軸端に中間軸を介して高速回転機を設置し、前記ターボチャージャからエネルギー回収またはターボチャージャの加勢をすることができる高速回転機であって、前記ターボチャージャのコンプレッサで圧縮後の空気をアフタークーラーで冷却し、出口空気の一部を前記高速回転機の冷却に用いるとともに、前記高速回転機のステータ中央部からダクトを通して当該高速回転機のロータ部分に冷却空気を送風する送風通路と、当該高速回転機のステータコイルエンド部分に冷却空気を送風する送風通路とを設けたことを特徴とする高速回転機の冷却構造。
請求項１記載の高速回転機の冷却構造において、前記高速回転機を前記ターボチャージャのコンプレッサと前記タービンの間に設置したことを特徴とする高速回転機の冷却構造。
請求項１又は請求項２記載の高速回転機の冷却構造において、前記ターボチャージャのコンプレッサで圧縮後の空気を前記アフタークーラーで冷却し、出口空気の一部を一方通風方式により当該高速回転機に送風し、当該高速回転機のステータおよびロータを冷却するようにしたことを特徴とする高速回転機の冷却構造。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の高速回転機の冷却構造において、高速回転機のステータ背面に冷却通路を設けたことを特徴とする高速回転機の冷却構造。
請求項１又は請求項２記載の高速回転機の冷却構造において、高速回転機のステータコイルエンド部分を冷却する冷却通路の冷却空気を電動ファンで送風するようにしたことを特徴とする高速回転機の冷却構造。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の高速回転機の冷却構造において、前記高速回転機のステータおよびロータを冷却する冷却空気を電動ファンで送風するようにしたことを特徴とする高速回転機の冷却構造。