JP6325339B2 - 回転電機システム及び風力発電システム - Google Patents

Description

本発明は、回転電機システム及び風力発電システムに関し、より詳細には、回転電機と電力変換器に対する冷却構造を備えた回転電機システムと、この回転電機システムを備えた風力発電システムに関する。

近年、地球温暖化、燃料価格の高騰、及び電力危機などから、自然エネルギーに対する注目が高まっている。自然エネルギーの１つである風力を利用した風力発電では、風のエネルギーを発電機の回転電機により電気エネルギーへ変換している。風力発電システムの発電装置として多様な回転電機が使用されているが、その中の１つに交流励磁式回転電機がある。

交流励磁式回転電機は、回転子巻線の電流を電力変換器で調節することで可変速運転を行う。一般的な交流励磁式回転電機は、スリップリング及びブラシを設けることで回転子巻線に通電しており、ブラシが摩耗するために定期的なメンテナンスが必要である。

風力発電システムでは、タワー上にあるナセル内に回転電機が設置されているので、容易にメンテナンスを実施することができない。このため、交流励磁式回転電機をブラシレス化するなど、メンテナンスに対する負荷の軽減が求められていた。

特許文献１には、ブラシレス化された交流励磁式回転電機の例が記載されている。特許文献１に記載のブラシレス化された交流励磁式回転電機は、第１の回転子（主回転電機）、第２の回転子（補助回転電機）及び電力変換器を備え、電力変換器は、第１の回転子と第２の回転子の一方又は両方に設置されて回転子と共に回転する。第１の回転子は、第２の回転子より径が大きく、第１の回転子内（回転子の内周側の空間）に電力変換器を設置できる。特許文献１に記載のブラシレス化された交流励磁式回転電機は、発熱源である電力変換器が回転電機内に設置された構造であるため、回転電機の発熱量が増加するという課題がある。また、回転電機内に電力変換器が設置されているので、冷却風の流れが電力変換器に阻害されて風量が減少し、冷却性能の低下を引き起こすという課題もある。したがって、ブラシレス化された交流励磁式回転電機には、冷却装置の高性能化が求められている。

特許文献２には、冷却性能を高性能化した回転電機の例が記載されている。特許文献２に記載の回転電機は、機内と機外の冷却風を逆向きに流す冷却構造を備える。この冷却構造により、特許文献２に記載の回転電機は、機内の通風冷却と機外の外被冷却の併用による高い冷却性能を有し、２つの冷却方式で生じる温度分布が緩和しあうことにより均一な温度分布を得ることができる。

特開２０１３−１１０８０１号公報 特開２０１４−３３５８４号公報

特許文献１に記載のブラシレス化された交流励磁式回転電機は、上述したように冷却性能に課題があり、冷却性能の向上が求められている。特許文献２に記載の回転電機の冷却構造は、特許文献１に記載のブラシレス化された交流励磁式回転電機のような２つの回転電機を備える構造に対応しておらず、また、電力変換器を回転電機内に設置することも考慮されていない。このため、特許文献２に記載の回転電機では、主回転電機は冷却効果を得ることができるが、補助回転電機と電力変換器は十分な冷却効果を得ることが困難であるという課題がある。

本発明は、上述の課題を鑑みなされたものであり、その目的は、２つのブラシレス化された交流励磁式回転電機及び電力変換器を備え、これらの回転電機及び電力変換器に対して従来よりも高い冷却性能をもつ冷却構造を備える回転電機システムを提供することである。本発明のもう１つの目的は、このような回転電機システムを備えた風力発電システムを提供することである。

本発明による回転電機システムは、次のような特徴を備える。

第１の回転電機と、前記第１の回転電機に並設した第２の回転電機と、電力変換器と、前記第２の回転電機に並設した内扇と、熱交換器と、回転軸とを備える。前記第１の回転電機と前記第２の回転電機は、それぞれ、巻線及び鉄心を有する固定子と、巻線及び鉄心を有し前記固定子の内周側に配置された回転子とを備え、外周がフレームで囲まれている。前記第１の回転電機の回転子と、前記第２の回転電機の回転子は、前記回転軸に機械的に接続される。前記第２の回転電機の固定子の外径は、前記第１の回転電機の固定子の外径より小さい。前記電力変換器は、前記第１の回転電機の回転子の内周側の空間に、前記回転軸に機械的に接続されて設置されると共に、前記第１の回転電機の回転子の巻線と前記第２の回転電機の回転子の巻線とに電気的に接続される。前記内扇は、前記回転軸に機械的に接続され、内気を前記第２の回転電機と前記電力変換器と前記第１の回転電機とに循環させる。前記熱交換器は、前記第２の回転電機の外周側に設置され、外気が流入すると共に前記内扇により循環した内気が流入し、流入した内気を流入した外気と熱交換して冷却する。

本発明によれば、２つのブラシレス化された交流励磁式回転電機及び電力変換器を備え、これらの回転電機及び電力変換器に対して従来よりも高い冷却性能をもつ冷却構造を備える回転電機システムを提供することができ、このような回転電機システムを備えた風力発電システムを提供することができる。

本発明の実施例１による回転電機システムの正面図。 本発明の実施例１による回転電機システムの、図１ＡのＡ−Ａ断面図。 本発明の実施例１による回転電機システムの、図１ＡのＢ−Ｂ断面図。 本発明の実施例１による回転電機システムの、図１ＣのＣ−Ｃ断面図。 本発明の実施例２による回転電機システムの正面図。 本発明の実施例２による回転電機システムの、図２ＡのＡ−Ａ断面図。 本発明の実施例２による回転電機システムの、図２ＡのＢ−Ｂ断面図。 本発明の実施例２による回転電機システムの、図２ＣのＣ−Ｃ断面図。 本発明の実施例３による回転電機システムの正面図。 本発明の実施例３による回転電機システムの、図３ＡのＡ−Ａ断面図。 本発明の実施例３による回転電機システムの、図３ＡのＢ−Ｂ断面図。 本発明の実施例３による回転電機システムの、図３ＣのＣ−Ｃ断面図。 本発明の実施例４による回転電機システムの正面図。 本発明の実施例４による回転電機システムの、図４ＡのＡ−Ａ断面図。 本発明の実施例４による回転電機システムの、図４ＡのＢ−Ｂ断面図。 本発明の実施例４による回転電機システムの、図４ＣのＣ−Ｃ断面図。 本発明の実施例５による回転電機システムの正面図。 本発明の実施例５による回転電機システムの、図５ＡのＡ−Ａ断面図。 本発明の実施例５による回転電機システムの、図５ＡのＢ−Ｂ断面図。 本発明の実施例５による回転電機システムの、図５ＣのＣ−Ｃ断面図。 本発明の実施例６による回転電機システムの正面図。 本発明の実施例６による回転電機システムの、図６ＡのＡ−Ａ断面図。 本発明の実施例６による回転電機システムの、図６ＡのＢ−Ｂ断面図。 本発明の実施例６による回転電機システムの、図６ＣのＣ−Ｃ断面図。 本発明の実施例７による回転電機システムの正面図。 本発明の実施例７による回転電機システムの、図７ＡのＡ−Ａ断面図。 本発明の実施例７による回転電機システムの、図７ＡのＢ−Ｂ断面図。 本発明の実施例８による回転電機システムの正面図。 本発明の実施例８による回転電機システムの、図８ＡのＡ−Ａ断面図。 本発明の実施例８による回転電機システムの、図８ＡのＢ−Ｂ断面図。 本発明の第９実施例による風力発電システムの概略構成図。

本発明による回転電機システムは、径の異なる２つのブラシレス化された交流励磁式回転電機と、これらのうち径の大きな回転電機に設置されて回転子と共に回転する電力変換器とを備え、これらの回転電機と電力変換器に対して従来よりも高い冷却性能をもつ冷却構造を備えることを特徴とする。また、本発明による風力発電システムは、このような回転電機システムを備えることを特徴とする。

以下、本発明の実施例による回転電機システムと風力発電システムについて、図面を用いて説明する。なお、本発明の実施例を説明するための図面において、同一の又は対応する構成要素には同一の符号を付け、これらの構成要素についての繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１Ａ〜１Ｄは、本発明の実施例１による回転電機システム１００の正面図と断面図である。図１Ａは正面図であり、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ断面図であり、図１Ｃは図１ＡのＢ−Ｂ断面図であり、図１Ｄは図１ＣのＣ−Ｃ断面図である。

図１Ａ〜１Ｄに示すように、本実施例の回転電機システム１００は、第１の回転電機である主発電機２と、第２の回転電機である補助発電機３と、電力変換器４と、内扇１４と、熱交換器２１とを備え、これらは回転電機システム１００のフレーム１７内に設置されている。回転電機システム１００の外周は、回転電機システム１００のフレーム１７で囲まれている。回転電機システム１００は、回転軸１３を更に備え、主発電機２と補助発電機３と電力変換器４と内扇１４は、回転軸１３に機械的に接続される。主発電機２と補助発電機３は、ブラシレス化された交流励磁式回転電機であり、発熱源である電力変換器４が主発電機２の内周側の空間（環状の主発電機２の内周と回転軸１３との間の空間）に設置される。

主発電機２（第１の回転電機）は、図１Ｂ、１Ｃでは破線で示されており、回転軸１３に接続され、電力系統に発電電力を送るための発電機として働く。主発電機２は、主発電機固定子５と、この主発電機固定子５の内周側に主発電機固定子５から所定の間隙を設けて配置される主発電機回転子６と、主発電機固定子５に設けられているスロット内に二層に巻回される三相の主発電機固定子巻線９と、主発電機回転子６内に設けられているスロット内に二層に巻回される三相の主発電機回転子巻線１０とを備える。主発電機回転子６は、回転軸１３に機械的に接続される。なお、三相の主発電機固定子巻線９及び三相の主発電機回転子巻線１０は、電気的に１２０°間隔で各相が配置されている。主発電機２の外周は、主発電機フレーム１５で囲まれている（図１Ｂ、１Ｃ）。

補助発電機３（第２の回転電機）は、図１Ｂ、１Ｃでは一点鎖線で示されており、主発電機２に並設して回転軸１３に接続され、励磁機と発電機という２つの働きをする。補助発電機３は、主発電機２と同様に、補助発電機固定子７と、この補助発電機固定子７の内周側に補助発電機固定子７から所定の間隙を設けて配置される補助発電機回転子８と、補助発電機固定子７内に設けられているスロット内に二層に巻回される三相の補助発電機固定子巻線１１と、補助発電機回転子８内に設けられているスロット内に二層に巻回される三相の補助発電機回転子巻線１２とを備える。補助発電機回転子８は、回転軸１３に機械的に接続される。なお、三相の補助発電機固定子巻線１１及び三相の補助発電機回転子巻線１２は、電気的に１２０°間隔で各相が配置されている。補助発電機３の外周は、補助発電機フレーム１６で囲まれている（図１Ｂ、１Ｄ）。

電力変換器４は、主発電機回転子６の内周側の空間（環状の主発電機回転子６の内周と回転軸１３との間の空間）に、回転軸１３に接続されて設置され、主発電機２及び補助発電機３と電気的に接続され、交流信号を直流信号に変換又は直流信号を交流信号に変換する。電力変換器４は、主発電機２の主発電機回転子巻線１０と補助発電機３の補助発電機回転子巻線１２とに電気的に接続され、例えば、主発電機回転子６と補助発電機回転子８の回転速度を、風速に合った最適な回転速度に変えることができる。

熱交換器２１は、補助発電機フレーム１６の外周側（補助発電機３の外周側の空間）に設置され、回転電機システム１００の内部の空気である内気と回転電機システム１００の外部の空気である外気とが流入する。例えば、熱交換器２１は、環状であり、補助発電機３を囲むように設置することができる。熱交換器２１は、補助発電機３、電力変換器４、及び主発電機２を冷却し終えた内気（冷却風）を、外気と熱交換することで冷却する。熱交換器２１には、外扇２２により外気を流す。外扇２２は、回転電機システム１００のフレーム１７に設けられ、回転電機システム１００の外部に位置し、図示しない外部の駆動機構や動力源（例えば、モーターなど）で駆動する。

内扇１４は、回転電機システム１００の内部に設けられ、補助発電機３に並設して回転軸１３に接続され、熱交換器２１を通った冷却風（内気）を回転電機システム１００内に循環させる。内扇１４は、ファンガイドを設けることで、形状と寸法を調整することができる。

回転電機システム１００の内部には、仕切りが設けられ、冷却風（内気）を回転電機システム１００内で循環させるための流路が形成されている。冷却風は、内扇１４により駆動され、この流路を流れて、補助発電機３、電力変換器４、主発電機２、及び熱交換器２１の順番で回転電機システム１００内を循環し、これらの機器を冷却する。冷却風は、熱交換器２１で外気により冷却され、再び流路を流れて回転電機システム１００内を循環する。以下の説明では、流路について言及しないが、冷却風は、内扇１４により駆動され、流路を流れて回転電機システム１００内を循環する。

図１Ｂに示すように、補助発電機３は、主発電機２と同様の構成であるが、補助発電機固定子７の外径が主発電機固定子５の外径より小さく、補助発電機３の外径は主発電機２の外径より小さいことが、主発電機２と異なる。風力発電システムでは、タワー上にあるナセル内に回転電機システム１００が設置されるので、回転電機システム１００の大きさは小さい方が好ましい。しかし、電力系統に発電電力を送るための発電機として働く主発電機２は、系統で要求される電力を発電するためにある程度の大きさが必要である。そこで、主発電機２の制御や電力変換器４の駆動のための発電機や励磁機として働く補助発電機３の外径を小さくすることで、回転電機システム１００の全体の大きさを小さくする。

また、図１Ｂに示すように、回転軸１３には、主発電機２とその内側に位置する電力変換器４と、補助発電機３と、内扇１４とが、この順序で接続される。電力変換器４は、主発電機２の内周側の空間に設置され、主発電機２の内側に機械的に接続されると共に、回転軸１３に機械的に接続される。

主発電機２と補助発電機３とは互いに径方向の大きさが異なり、上述したように補助発電機３の外径は主発電機２の外径より小さい。熱交換器２１は、補助発電機３の外周側の空間に設けられ、補助発電機３と熱交換器２１とを合わせた径方向（回転軸１３に垂直な方向）の大きさが、主発電機２の径方向の大きさと略等しくなるような大きさである。すなわち、主発電機２の外径の位置（主発電機フレーム１５の径方向の位置）と熱交換器２１の外径の位置（熱交換器２１のフレームの径方向の位置）とが略等しくなるように、熱交換器２１は、補助発電機フレーム１６の外周側（補助発電機３の外周側の空間）に設けられる。

次に、本実施例の回転電機システム１００の冷却構造について説明する。本実施例の回転電機システム１００では、熱交換器２１で外気により冷却された冷却風（内気）を、内扇１４により回転電機システム１００内で循環させて、補助発電機３、電力変換器４、及び主発電機２を冷却する。図１Ｂには、この冷却風の流れを実線の矢印で示す。図１Ｂの矢印ａ〜ｄで示すように、熱交換器２１で冷却された冷却風は、内扇１４により、補助発電機３（矢印ａ）、電力変換器４（矢印ｂ）、主発電機２（矢印ｃ）、及び熱交換器２１（矢印ｄ）の順番で、回転電機システム１００内を循環し、熱交換器２１で再び冷却される。

熱交換器２１は、外扇２２により流された外気と熱交換することで、冷却風（内気）を冷却する。図１Ｃ、１Ｄには、この外気の流れを破線の矢印で示す。

以上説明したように、本実施例の回転電機システム１００は、補助発電機３の外周側に熱交換器２１を備え、熱交換器２１で冷却された冷却風を内扇１４により回転電機システム１００内で循環させる冷却構造を備える。このため、ブラシレス化された交流励磁式回転電機を備え、発熱源である電力変換器４が主発電機２の内周側に設置されていても、主発電機２、補助発電機３及び電力変換器４に対して従来よりも高い冷却性能をもつことができる。すなわち、本実施例の回転電機システム１００は、ブラシレス化された交流励磁式回転電機を備えるのに適した構造を備え、ブラシレス化された交流励磁式回転電機を備える従来の回転電機システムよりも冷却性能が向上するという利点をもつ。また、熱交換器２１は、外径が主発電機２の外径よりも小さい補助発電機３の外周側に設置されるので、回転電機システム１００の全体の大きさ（体格）を小さくすることができるという利点ももつ。

図２Ａ〜２Ｄは、本発明の実施例２による回転電機システム２００の正面図と断面図である。図２Ａは正面図であり、図２Ｂは図２ＡのＡ−Ａ断面図であり、図２Ｃは図２ＡのＢ−Ｂ断面図であり、図２Ｄは図２ＣのＣ−Ｃ断面図である。

図２Ａ〜２Ｄに示すように、本実施例の回転電機システム２００は、図１Ａ〜１Ｄを用いて説明した実施例１による回転電機システム１００と略同様な構成であるが、以下の点が実施例１と異なる。すなわち、本実施例の回転電機システム２００は、図２Ｂ、２Ｄに示すように、補助発電機フレーム１６の外周に設けられ、補助発電機フレーム１６と熱交換器２１との間に位置する補助発電機冷却フィン２３を備える。補助発電機冷却フィン２３は、複数の突起部材を備える冷却フィンである。突起部材の形状と大きさは、任意であり、例えば、板状、棒状、平面状、及び曲面状などから任意に選ぶことができる。

本実施例の回転電機システム２００では、実施例１による回転電機システム１００と同様に、外扇２２により外気を熱交換器２１に流し、熱交換器２１で回転電機システム２００内の冷却風（内気）と外気との熱交換を行い、この冷却風を冷却する。更に、本実施例の回転電機システム２００では、図２Ｄに示すように、外扇２２により流された外気は、熱交換器２１に流れる方向と補助発電機冷却フィン２３に流れる方向に分岐し、補助発電機冷却フィン２３に流れた外気は、補助発電機３を冷却する。

本実施例の回転電機システム２００では、補助発電機３に対して、回転電機システム２００内の内気による冷却（通風冷却）と、補助発電機冷却フィン２３を用いた回転電機システム２００外の外気による冷却（外被冷却）とを併用することができ、従来よりも更に高い冷却性能を得ることができる。

図３Ａ〜３Ｄは、本発明の実施例３による回転電機システム３００の正面図と断面図である。図３Ａは正面図であり、図３Ｂは図３ＡのＡ−Ａ断面図であり、図３Ｃは図３ＡのＢ−Ｂ断面図であり、図３Ｄは図３ＣのＣ−Ｃ断面図である。

図３Ａ〜３Ｄに示すように、本実施例の回転電機システム３００は、図１Ａ〜１Ｄを用いて説明した実施例１による回転電機システム１００と略同様な構成であるが、以下の点が実施例１と異なる。すなわち、本実施例の回転電機システム３００は、図３Ｂ、３Ｃに示すように、主発電機フレーム１５に、電力変換器冷却フィン２４を備える。

電力変換器冷却フィン２４は、主発電機２の内部と外部に位置するように、主発電機フレーム１５の両側面に設けられる。主発電機２では、冷却風（内気）の熱が主発電機フレーム１５を介して外気に伝わることで冷却風が冷却されるが、主発電機２の内部と外部に電力変換器冷却フィン２４を設けることにより、伝熱面積を大きくし、外気による冷却風の冷却性能を高めることができる。電力変換器冷却フィン２４は、複数の突起部材を備える冷却フィンである。突起部材の形状と大きさは、任意であり、例えば、板状、棒状、平面状、及び曲面状などから任意に選ぶことができる。

主発電機２の外部に位置するように主発電機フレーム１５の一方の側面に設けられた電力変換器冷却フィン２４は、図３Ｂ〜３Ｄに示すように、主発電機フレーム１５の側面から、補助発電機フレーム１６と熱交換器２１との間（補助発電機フレーム１６の外周）に向けて延在するように設置される。主発電機２の内部に位置するように主発電機フレーム１５の他方の側面に設けられた電力変換器冷却フィン２４は、電力変換器４の近傍まで延在する。

本実施例の回転電機システム３００では、図３Ｄに示すように、外扇２２により流された外気は、熱交換器２１に流れる方向と、主発電機２の外部に位置するように主発電機フレーム１５の側面に設けられ電力変換器冷却フィン２４に流れる方向とに分岐し、主発電機２の外部に位置するように主発電機フレーム１５の側面に設けられた電力変換器冷却フィン２４にも流れる。一方、冷却風（内気）は、図３Ｃに示すように、内扇１４により、補助発電機３を流れた後、主発電機２の内部に位置するように主発電機フレーム１５の側面に設けられた電力変換器冷却フィン２４を流れてから、電力変換器４に流れる。このとき、冷却風の熱は、主発電機２の内部に位置するように主発電機フレーム１５の側面に設けられた電力変換器冷却フィン２４によって効率よく主発電機フレーム１５に伝わり、主発電機フレーム１５に伝わった熱は、主発電機２の外部に位置するように主発電機フレーム１５の側面に設けられた電力変換器冷却フィン２４によって効率よく外気で冷却される。すなわち、冷却風は、主発電機２の内部と外部に位置するように主発電機フレーム１５の両側面に設けられた電力変換器冷却フィン２４により、効率よく外気で冷却され、その後、電力変換器４に流れて電力変換器４を冷却する。

本実施例の回転電機システム３００は、電力変換器冷却フィン２４を備えることにより、回転電機システム３００内を流れる冷却風（内気）が、電力変換器４に流入する前に、電力変換器冷却フィン２４で外気へ放熱して温度が低下することで、電力変換器４に対して従来よりも更に高い冷却性能を得ることができる。

図４Ａ〜４Ｄは、本発明の実施例４による回転電機システム４００の正面図と断面図である。図４Ａは正面図であり、図４Ｂは図４ＡのＡ−Ａ断面図であり、図４Ｃは図４ＡのＢ−Ｂ断面図であり、図４Ｄは図４ＣのＣ−Ｃ断面図である。

図４Ａ〜４Ｄに示すように、本実施例の回転電機システム４００は、図３Ａ〜３Ｄを用いて説明した実施例３による回転電機システム３００と略同様な構成であるが、以下の点が実施例３と異なる。すなわち、本実施例の回転電機システム４００では、図４Ｂ、４Ｃに示すように、主発電機フレーム１５の両側面に電力変換器冷却フィン２４を備えるだけでなく、更に電力変換器４にも電力変換器冷却フィン２４ａを備える。すなわち、本実施例の回転電機システム４００は、実施例３の回転電機システム３００と同様に主発電機フレーム１５の両側面（主発電機２の内部と外部）に設けられた電力変換器冷却フィン２４と、電力変換器４に設置された電力変換器冷却フィン２４ａとを備える。

電力変換器４に設置された電力変換器冷却フィン２４ａは、電力変換器４から、主発電機２の内部に位置するように主発電機フレーム１５の側面に設けられた電力変換器冷却フィン２４に向けて設置される。電力変換器４に設置された電力変換器冷却フィン２４ａは、複数の突起部材を備える冷却フィンである。突起部材の形状と大きさは、任意であり、例えば、板状、棒状、平面状、及び曲面状などから任意に選ぶことができる。

電力変換器４に設置された電力変換器冷却フィン２４ａは、複数の突起部材のそれぞれが、主発電機２の内部に位置するように主発電機フレーム１５の側面に設けられた電力変換器冷却フィン２４の複数の突起部材のそれぞれの間に位置するように、配置される。このように、電力変換器４に設置された電力変換器冷却フィン２４ａと、主発電機２の内部に位置するように主発電機フレーム１５の側面に設けられた電力変換器冷却フィン２４とは、それぞれの突起部材が互いに対向して噛み合うように配置される。

回転電機システム４００の回転時には、電力変換器４に設置された電力変換器冷却フィン２４ａは、電力変換器４が回転軸１３の回転により回転すると、電力変換器４と共に回転するが、主発電機２の内部に位置するように主発電機フレーム１５の側面に設けられた電力変換器冷却フィン２４は、回転せずに静止したままである。このため、回転電機システム４００が回転すると、電力変換器冷却フィン２４ａ、２４間で内気の流れが発生し、電力変換器４の熱は、電力変換器４に設置された電力変換器冷却フィン２４ａから、主発電機２の内部に位置するように主発電機フレーム１５の側面に設けられた電力変換器冷却フィン２４へ流れ、主発電機２の外部に位置するように主発電機フレーム１５の側面に設けられた電力変換器冷却フィン２４に流れて外扇２２により流された外気に伝わり、効率よく外気で冷却される。

本実施例の回転電機システム４００は、主発電機フレーム１５の両側面に設置された電力変換器冷却フィン２４と、電力変換器４に設置された電力変換器冷却フィン２４ａとを備えることにより、電力変換器４から外気までの熱抵抗を下げることができ、電力変換器４に対して従来よりも更に高い冷却性能を得ることができる。

図５Ａ〜５Ｄは、本発明の実施例５による回転電機システム５００の正面図と断面図である。図５Ａは正面図であり、図５Ｂは図５ＡのＡ−Ａ断面図であり、図５Ｃは図５ＡのＢ−Ｂ断面図であり、図５Ｄは図５ＣのＣ−Ｃ断面図である。

図５Ａ〜５Ｄに示すように、本実施例の回転電機システム５００は、図２Ａ〜２Ｄを用いて説明した実施例２による回転電機システム２００と略同様な構成であるが、以下の点が実施例２と異なる。すなわち、本実施例の回転電機システム５００は、図５Ｂ〜５Ｄに示すように、主発電機フレーム１５の外周に主発電機冷却フィン２５を備え、回転電機システム５００のフレーム１７に外気カバー２６を備える。主発電機冷却フィン２５は、複数の突起部材を備える冷却フィンである。突起部材の形状と大きさは、任意であり、例えば、板状、棒状、平面状、及び曲面状などから任意に選ぶことができる。

外気カバー２６は、少なくとも主発電機冷却フィン２５と熱交換器２１の一部とを覆い、外気が主発電機冷却フィン２５に流れるように、外気の流れを案内する。主発電機冷却フィン２５は、主発電機２の側面に流れるように外気を案内して、主発電機２を冷却する。すなわち、外扇２２により流された外気は、熱交換器２１と補助発電機冷却フィン２３を流れ（図５Ｄ）、外気カバー２６に案内されて主発電機冷却フィン２５に流れ（図５Ｃ）、主発電機２を冷却する。

本実施例の回転電機システム５００は、主発電機冷却フィン２５と外気カバー２６とを備え、主発電機２に対して、回転電機システム５００内の内気による冷却（通風冷却）と、回転電機システム５００外の外気による冷却（外被冷却）とを併用することができ、外気により主発電機２を積極的に冷却するので、従来よりも更に高い冷却性能を得ることができる。

なお、本実施例の回転電機システム５００は、補助発電機冷却フィン２３を備えなくてもよい。すなわち、本実施例の回転電機システム５００は、図１Ａ〜１Ｄを用いて説明した実施例１による回転電機システム１００において、主発電機フレーム１５の外周に主発電機冷却フィン２５を備え、主発電機冷却フィン２５の外側に外気カバー２６を備える構成を備えてもよい。このような構成でも、外気は、熱交換器２１を流れ、外気カバー２６に案内されて主発電機冷却フィン２５に流れ、主発電機２を冷却することができる。

図６Ａ〜６Ｄは、本発明の実施例６による回転電機システム６００の正面図と断面図である。図６Ａは正面図であり、図６Ｂは図６ＡのＡ−Ａ断面図であり、図６Ｃは図６ＡのＢ−Ｂ断面図であり、図６Ｄは図６ＣのＣ−Ｃ断面図である。

図６Ａ〜６Ｄに示すように、本実施例の回転電機システム６００は、図２Ａ〜２Ｄを用いて説明した実施例２による回転電機システム２００と略同様な構成であるが、以下の点が実施例２と異なる。すなわち、本実施例の回転電機システム６００は、図６Ｄに示すように、熱交換器２１の上部に熱交換器内気入口２７を備え、熱交換器２１の下部に熱交換器内気出口２８を備える。熱交換器内気入口２７は、熱交換器２１のフレームの上部に設けられた開口部であり、熱交換器内気出口２８は、熱交換器２１のフレームの下部に設けられた開口部である。

本実施例の回転電機システム６００では、実施例１で図１Ｂを用いて説明したように、内気（冷却風）は、内扇１４により、主発電機２から熱交換器２１に流れる。このとき、内気は、主発電機２から、熱交換器２１の上部に設けられた熱交換器内気入口２７を通って熱交換器２１に流入し、熱交換器２１の下部に設けられた熱交換器内気出口２８を通って熱交換器２１から流出する（図６Ｂ、図６Ｄ）。すなわち、内気は、熱交換器２１内では、内扇１４に駆動され、上から下に流れる（図６Ｄ）。一方、外気は、熱交換器２１内では、外扇２２に駆動され、下から上に流れる（図６Ｄ）。

空気は、密度差により、温度が低いと下降方向に浮力が働き、温度が高いと上昇方向に浮力が働く。このため、熱交換器２１内では、内気は外気により冷却されて下降方向に浮力が働き、外気は内気により加熱されて上昇方向に浮力が働く。

したがって、本実施例の回転電機システム６００では、熱交換器２１内において、熱交換器内気入口２７と熱交換器内気出口２８を設けたことにより形成された内気と外気の流れの方向と、浮力による内気と外気の流れの方向とがそれぞれ一致する。このため、本実施例の回転電機システム６００では、熱交換器内気入口２７と熱交換器内気出口２８とを設けたことにより、内気と外気の通風量を増加させることができ、主発電機２と補助発電機３と電力変換器４に対して、従来よりも更に高い冷却性能を得ることができる。

なお、本実施例の回転電機システム６００は、補助発電機冷却フィン２３を備えなくてもよい。すなわち、本実施例の回転電機システム６００は、図１Ａ〜１Ｄを用いて説明した実施例１による回転電機システム１００において、熱交換器２１の上部に熱交換器内気入口２７を備え、熱交換器２１の下部に熱交換器内気出口２８を備える構成を備えてもよい。このような構成でも、内気と外気の通風量を増加させることができ、主発電機２と補助発電機３と電力変換器４に対して、従来よりも更に高い冷却性能を得ることができる。

図７Ａ〜７Ｃは、本発明の実施例７による回転電機システム７００の正面図と断面図である。図７Ａは正面図であり、図７Ｂは図７ＡのＡ−Ａ断面図であり、図７Ｃは図７ＡのＢ−Ｂ断面図である。

図７Ａ〜７Ｃに示すように、本実施例の回転電機システム７００は、図１Ａ〜１Ｄを用いて説明した実施例１による回転電機システム１００と略同様な構成であるが、以下の点が実施例１と異なる。すなわち、本実施例の回転電機システム７００は、図７Ａ〜７Ｃに示すように、水冷熱交換器２９と冷媒配管３０を備え、熱交換器２１と外扇２２を備えない。本実施例の回転電機システム７００は、内気を、熱交換器２１で空冷するのではなく、水冷熱交換器２９で水冷する。一般的に、冷却性能は空冷よりも水冷の方が高いので、本実施例の回転電機システム７００は、内気をより効率よく冷却することができる。

水冷熱交換器２９は、実施例１での熱交換器２１と同様に補助発電機フレーム１６の外周側（補助発電機３の外周側の空間）に設置され、補助発電機３、電力変換器４、及び主発電機２を冷却し終えた冷却風（内気）が流入し、この冷却風を冷却水と熱交換することで冷却する。例えば、水冷熱交換器２９は、環状であり、補助発電機３を囲むように設置することができる。水冷熱交換器２９には、冷媒配管３０が接続され、冷媒配管３０により外部から冷却水が供給される。冷媒配管３０には、回転電機システム７００の外部に設けられた図示しない循環機構（例えば、ポンプなど）により冷却水が流される。

水冷熱交換器２９は、実施例１での熱交換器２１と同様に、補助発電機３の外周側の空間に設けられ、補助発電機３と水冷熱交換器２９とを合わせた径方向（回転軸１３に垂直な方向）の大きさが、主発電機２の径方向の大きさと略等しくなるような大きさである。すなわち、主発電機２の外径の位置（主発電機フレーム１５の径方向の位置）と水冷熱交換器２９の外径の位置とが略等しくなるように、水冷熱交換器２９は、補助発電機フレーム１６の外周側（補助発電機３の外周側の空間）に設けられる。

本実施例の回転電機システム７００では、冷却風である内気を水冷熱交換器２９で水冷するので、空冷する場合よりも熱交換器の熱抵抗を小さくすることができ、内気をより効率よく冷却することができる。このため、本実施例の回転電機システム７００は、主発電機２と補助発電機３と電力変換器４に対して、従来よりも更に高い冷却性能を得ることができる。

図８Ａ〜８Ｃは、本発明の実施例８による回転電機システム８００の正面図と断面図である。図８Ａは正面図であり、図８Ｂは図８ＡのＡ−Ａ断面図であり、図８Ｃは図８ＡのＢ−Ｂ断面図である。

図８Ａ〜８Ｃに示すように、本実施例の回転電機システム８００は、図１Ａ〜１Ｄを用いて説明した実施例１による回転電機システム１００と略同様な構成であるが、以下の点が実施例１と異なる。すなわち、本実施例の回転電機システム８００は、図８Ａ〜８Ｃに示すように、ファン３１とファンカバー３２を備え、外扇２２を備えない。ファン３１は、羽根車であり、回転軸１３の内扇１４が接続された方の一端側（内扇１４よりも軸端側）に内扇１４に並設して固定され、回転軸１３と共に回転する。ファンカバー３２は、熱交換器２１に設けられ、ファン３１の外側を覆う。

外気は、ファン３１が回転すると、ファンカバー３２に案内されて熱交換器２１に流れる（図８Ｃ）。熱交換器２１に流れた外気は、実施例１で説明したように、冷却風（内気）を冷却する。

実施例１〜６の回転電機システムでは、外気を循環させるために外扇２２を使用しており、外扇２２を駆動させるための駆動機構や動力源が必要である。外扇２２の駆動機構や動力源が故障した場合には、外気を循環させることができなくなり、回転電機システムの冷却性能が著しく低下する。

本実施例の回転電機システム８００では、外気を循環させるための駆動機構や動力源が不要であるので、このような駆動機構や動力源が故障して回転電機システム８００の冷却性能が低下する懸念がなく、従来よりも高い冷却性能を維持することができ、高い信頼性を得ることができる。

実施例９では、本発明の実施例による風力発電システムについて、図９を用いて説明する。本発明による風力発電システムは、ブラシレス化された交流励磁式回転電機を有すると共に従来よりも高い冷却性能を有する回転電機システムを備える。本発明による風力発電システムが備える回転電機システムは、実施例１〜実施例８のいずれか１つの回転電機システム１００〜８００である。本実施例では、風力発電システムは、実施例１で説明した回転電機システム１００を備えるものとし、回転電機システム１００についての説明は省略する。

なお、本発明による回転電機システムは、本実施例で説明するような風力発電システムに限ることなく、水車、エンジン、及びタービンなどにも適用可能である。

図９は、本実施例による風力発電システム９００の概略構成図である。本実施例による風力発電システム９００は、ナセル４１と、タワー４２と、複数枚のブレード４３とを備える。ナセル４１は、タワー４２で支持され、内部に回転電機システム１００と、増速機４５とを備える。増速機４５は、回転電機システム１００の回転軸１３に接続される。複数枚のブレード４３は、ハブ４４によって回転軸１３に接続され、風を受けると回転し、回転軸１３を回転させる。

ブレード４３と回転軸１３によって風車が構成され、ブレード４３が風を受けて回転することで風力エネルギーを回転エネルギーに変換し、回転軸１３を回転させる。回転軸１３に連結された増速機４５は、回転軸１３の回転を発電に適した回転速度に増速する。増速機４５に連結された回転電機システム１００は、回転軸１３の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。

本実施例による風力発電システム９００では、このようにして、ブレード４３と回転軸１３によって風力エネルギーから変換された回転エネルギーを、回転電機システム１００で電気エネルギーに変換し、発電している。

本実施例によれば、ブラシレス化された交流励磁式回転電機を有すると共に冷却性能が従来よりも向上した回転電機システムを備えた風力発電システムが実現でき、風力発電システムに対し、メンテナンスに対する負荷を軽減させると共に、発電効率や信頼性を向上させることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

２…主発電機、３…補助発電機、４…電力変換器、５…主発電機固定子、６…主発電機回転子、７…補助発電機固定子、８…補助発電機回転子、９…主発電機固定子巻線、１０…主発電機回転子巻線、１１…補助発電機固定子巻線、１２…補助発電機回転子巻線、１３…回転軸、１４…内扇、１５…主発電機フレーム、１６…補助発電機フレーム、１７…回転電機システムのフレーム、２１…熱交換器、２２…外扇、２３…補助発電機冷却フィン、２４、２４ａ…電力変換器冷却フィン、２５…主発電機冷却フィン、２６…外気カバー、２７…熱交換器内気入口、２８…熱交換器内気出口、２９…水冷熱交換器、３０…冷媒配管、３１…ファン、３２…ファンカバー、４１…ナセル、４２…タワー、４３…ブレード、４４…ハブ、４５…増速機、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００…回転電機システム、９００…風力発電システム。

Claims (9)

1. 第１の回転電機と、前記第１の回転電機に並設した第２の回転電機と、電力変換器と、前記第２の回転電機に並設した内扇と、熱交換器と、回転軸とを備え、
   前記第１の回転電機は、巻線及び鉄心を有する固定子と、巻線及び鉄心を有し前記固定子の内周側に配置された回転子と、第１フレームを備え、外周が前記第１フレームで囲まれており、
   前記第２の回転電機は、巻線及び鉄心を有する固定子と、巻線及び鉄心を有し前記固定子の内周側に配置された回転子と、第２フレームを備え、外周が前記第２フレームで囲まれており、
   前記第１の回転電機の回転子と、前記第２の回転電機の回転子は、前記回転軸に機械的に接続され、
   前記第２の回転電機の固定子の外径は、前記第１の回転電機の固定子の外径より小さく、
   前記電力変換器は、前記第１の回転電機の回転子の内周側の空間に、前記回転軸に機械的に接続されて設置されると共に、前記第１の回転電機の回転子の巻線と前記第２の回転電機の回転子の巻線とに電気的に接続され、
   前記内扇は、前記回転軸に機械的に接続され、内気を前記第２の回転電機と前記電力変換器と前記第１の回転電機とに循環させ、
   前記熱交換器は、前記第２の回転電機の外周側に設置され、外気が流入すると共に前記内扇により循環した内気が流入し、流入した内気を流入した外気と熱交換して冷却する、ことを特徴とする回転電機システム。
2. 前記第２の回転電機の前記第２フレームの外周に設けられ、前記第２の回転電機と前記熱交換器との間に位置し、外気が流れる冷却フィンを備える、請求項１に記載の回転電機システム。
3. 前記第１の回転電機の前記第１フレームの内側面に設けられた内部冷却フィンと、前記第１の回転電機の前記第１フレームの外側面に設けられた外部冷却フィンとを備え、
   前記外部冷却フィンは、前記第１の回転電機の前記第１フレームから前記第２の回転電機と前記熱交換器との間に向けて延在し、外気が流れ、
   前記内部冷却フィンは、前記内扇により循環した内気が流れる、請求項１に記載の回転電機システム。
4. 前記電力変換器は、前記電力変換器から前記内部冷却フィンに向けて設置された冷却フィンを備え、
   前記電力変換器が備える前記冷却フィンと、前記内部冷却フィンは、それぞれ、複数の突起部材を備え、
   前記電力変換器が備える前記冷却フィンの前記突起部材は、前記内部冷却フィンの前記突起部材の間に位置するように配置されている、請求項３に記載の回転電機システム。
5. 前記第１の回転電機の前記第１フレームの外周に設けられた冷却フィンと、
   前記回転電機システムに設けられ、少なくとも前記冷却フィンと前記熱交換器の一部とを覆う外気カバーと、
   前記回転電機システムに設けられ、前記回転電機システムの外部に位置する外扇とを備え、
   前記冷却フィンには、前記外扇により流された外気が、前記外気カバーに案内されて流れる、請求項１に記載の回転電機システム。
6. 前記熱交換器は、空気に働く浮力の方向における上部と下部に開口部を備え、前記内扇により循環した内気が上部の前記開口部を通って流入し、流入した内気が下部の前記開口部を通って流出する、請求項１に記載の回転電機システム。
7. 前記第２の回転電機の外周側に設置された水冷熱交換器と、前記水冷熱交換器に接続された冷媒配管とを備え、前記熱交換器を備えず、
   前記水冷熱交換器は、前記冷媒配管により冷却水が供給され、前記内扇により循環した内気が流入し、流入した内気を前記冷却水と熱交換して冷却する、請求項１に記載の回転電機システム。
8. 前記回転軸の前記内扇が接続された一端側に設けられたファンと、
   前記熱交換器に設けられ、前記ファンを覆うファンカバーとを備える、請求項１に記載の回転電機システム。
9. 回転軸を備え、前記回転軸の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する回転電機システムと、
   内部に前記回転電機システムを備えるナセルと、
   前記ナセルを支持するタワーと、
   前記回転軸に接続され、風を受けると回転して前記回転軸を回転させるブレードとを備え、
   前記回転電機システムは、請求項１から８のいずれか１項に記載の回転電機システムであることを特徴とする風力発電システム。

Images