JP6473200B1 - 回転電気機械の冷却システム - Google Patents
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Abstract
【課題】回転電気機械を効率的に冷却する。
【解決手段】回転電気機械の冷却システムは、回転電気機械に設けられ、回転電気機械内の空気と熱交換することによって回転電気機械内の空気を冷却する冷却装置と、冷却装置によって冷却された空気を回転電気機械内で循環させる送風装置と、回転電気機械の内部温度の推定に用いる情報を計測するセンサと、センサが計測した情報に基づいて、冷却装置および送風装置の少なくともいずれか一方を制御する制御装置と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】回転電気機械の冷却システムは、回転電気機械に設けられ、回転電気機械内の空気と熱交換することによって回転電気機械内の空気を冷却する冷却装置と、冷却装置によって冷却された空気を回転電気機械内で循環させる送風装置と、回転電気機械の内部温度の推定に用いる情報を計測するセンサと、センサが計測した情報に基づいて、冷却装置および送風装置の少なくともいずれか一方を制御する制御装置と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、回転電気機械の冷却システムに関する。
船舶の電気推進システムに用いられる電動機等の回転電気機械は、回転子や固定子を構成するコイルに電流が流れることによりコイルが発熱する。コイルの過熱は、コイルの絶縁劣化等の要因となる。そのため、定格容量が大きな回転電気機械では、回転電気機械内に空気を送風することによって、回転電気機械の回転子や固定子を冷却している。冷却方式には自冷方式と他冷方式とがある。自冷方式は、内部に設けた回転軸上のファンで、回転電気機械の外被を冷却し、もしくは回転電気機械の内部に冷却用空気を取り込んで回転電気機械の内部を冷却する方式である。他冷方式は、回転電気機械の外部に設けた冷却ファン等を利用して回転電機機械の外被を冷却し、空気冷却器にて外部熱媒体を介して回転電気機械の内部空気を冷却し、もしくは冷却用空気を取り込んで回転電気機械の内部を冷却する方式である。回転電気機械の低速回転時の冷却の必要性から、他冷方式が採用される場合が多い。
しかしながら、回転電気機械を構成する回転子や固定子は複雑な構造になっている。このため、送風した空気を回転子や固定子を構成するコイルに直接あてることができず、回転電気機械を効率的に冷却することは困難であった。
本発明は、上述の事情の下になされたもので、回転電気機械を効率的に冷却することを課題とする。
上記課題を解決するため、本実施形態に係る回転電気機械の冷却システムは、回転電気機械に設けられ、回転電気機械内の空気と熱交換することによって回転電気機械内の空気を冷却する冷却装置と、冷却装置によって冷却された空気を回転電気機械内で循環させる送風装置と、回転電気機械の内部温度の推定に用いる情報を計測する複数のセンサと、複数のセンサから取得したセンサ情報の妥当性を判断する妥当性判断部と、妥当性判断部が妥当と判断したセンサ情報の中で、予め設定されている優先順位が最も高いセンサ情報に基づいて、冷却装置および送風装置の少なくともいずれか一方を制御する制御装置と、を備える。
《第1の実施形態》
本実施形態の冷却システムは、回転電気機械を冷却するシステムである。回転電気機械とは、機械的エネルギーを電気エネルギーに、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する電気機械で、回転部分をもつものをいう。例えば、供給された電力から所定のトルクを発生する同期電動機システムの電動機、風力・水力等によって回転する発電システムの発電機等である。ここでは、同期電動機を冷却する場合について説明する。以下、本発明の第1の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態の冷却システムは、回転電気機械を冷却するシステムである。回転電気機械とは、機械的エネルギーを電気エネルギーに、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する電気機械で、回転部分をもつものをいう。例えば、供給された電力から所定のトルクを発生する同期電動機システムの電動機、風力・水力等によって回転する発電システムの発電機等である。ここでは、同期電動機を冷却する場合について説明する。以下、本発明の第1の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、第1の実施形態に係る回転電気機械の冷却システム100の構成図である。
冷却対象である同期電動機10は、図1に示すように、ステータ11、ロータ12、ロータ軸受部14、ヒートパイプ15を備える。
ステータ11の内周面には、ロータ12の周りに等間隔に配置された図示しない固定子コイルU1,V1,W1が取り付けられている。また、固定子コイルU1,V1,W1は、スター結線されている。固定子コイルU1,V1,W1には、図示しないインバータ装置から、それぞれ位相が120度ずつ異なる交流電圧が印加される。固定子コイルU1,V1,W1にそれぞれ位相が120度ずつ異なる電圧が印加されることで、ステータ11の内部に回転磁界が生じる。
ステータ11に取り付けられた固定子コイルU1,V1,W1に流れる電流Iは、図示しないインバータ装置から同期電動機10に供給される。この電流Iは、同期電動機10の負荷が高いほど増加する。そして、固定子コイルU1,V1,W1の巻き線抵抗Rにより、流れる電流Iに応じた熱(I2R)が発生する。したがって、固定子コイルU1,V1,W1に流れる電流Iが大きいほど、ステータ11の温度が上昇する。ヒートパイプ15は、ステータ11内部に蓄積した熱をステータ11の外部に放熱する。ヒートパイプ15は、熱伝導率が高い素材で構成されている。ステータ11及びヒートパイプ15からの放熱により、同期電動機10内の空気の温度は上昇する。
ロータ12は、ステータ11の内部に生じる回転磁界との電磁相互作用により回転する。ロータ軸受部14は、ロータ12を保持する。
図1に示すように、冷却システム100は、冷却装置20、送風装置30、センサ40、制御装置50を備える。冷却装置20は、同期電動機10内の空気を冷却する。冷却装置20の構成を図2に示す。冷却装置20は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を通して冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成する。冷却装置20内の冷媒は、圧縮機で高温・高圧に圧縮される。高温になった冷媒は、凝縮器で放熱されて温度が低下する。温度が低下した冷媒は、膨張弁を通過して膨張する際に低温・低圧になる。この低温の冷媒は、蒸発器を通過する際に、同期電動機10内の高温の空気と熱交換を行い温度が上昇する。これにより、同期電動機10内の空気は冷却される。温度が上昇した冷媒は、圧縮機で高温・高圧に圧縮される。冷却装置20は、上述した冷凍サイクルを繰り返す。なお、凝縮器は同期電動機10の外部に設置され、同期電動機10の外部に熱を放出する。冷却装置20の温度制御については後述する。
送風装置30は、冷却装置20により冷却された空気を同期電動機10内で循環させる。送風装置30の構成を図3に示す。図3に示すように、送風装置30は、インバータ31、電動機32、冷却ファン33を備える。
インバータ31は、図示しない蓄電池から直流電力の供給を受け、3相交流電力に変換して電動機32に供給する。電動機32は、供給された交流電力の周波数に同期して回転する。冷却ファン33は、電動機32の回転に応じて回転する。この回転数が多いほど、送風される風量は多くなる。つまり、インバータ31から供給する交流電力の周波数が高いほど、冷却ファン33が送風する風量は多くなる。インバータ31が出力する交流電力の周波数は、制御装置50の制御に基づいて決定されるが、詳細は後述する。
図1に戻り、センサ40は、同期電動機10に供給される交流電力を計測して、計測した情報を制御装置50に供給する。センサ40は、電力センサである。
制御装置50は、センサ40が計測した同期電動機10に供給される交流電力に基づいて、冷却装置20と送風装置30とを制御する。具体的には、制御装置50は、冷却装置20による冷却温度と送風装置30の冷却ファン33の回転速度とを制御する。制御装置50の構成を図4に示す。図4に示すように、制御装置50は、取得部51、回転数計算部52、制御信号作成部53、冷却パラメータ計算部54を備える。
取得部51は、センサ40からセンサ情報を取得する。ここでは、取得部51は、同期電動機10に供給される電力をセンサ情報として取得する。
回転数計算部52は、取得したセンサ情報(同期電動機10に供給される電力)に基づいて、冷却ファン33の回転数を計算する。同期電動機10の出力トルクが大きくなるほど、同期電動機10に供給される交流電力は増大し、同期電動機10内の発熱量が増加する。同期電動機10内の温度を所定温度に維持するためには、発熱量に応じて送風量を増やす必要がある。送風量は、冷却ファン33の回転数に対応する。回転数計算部52は、図5に示すような同期電動機10に供給される電力と冷却ファンの回転数とを対応付けたグラフもしくはテーブルを利用して、取得した同期電動機10に供給された電力から、設定すべき冷却ファン33の回転数を求める。
制御信号作成部53は、インバータ31を制御する制御信号を作成する。具体的には、回転数計算部52が求めた冷却ファン33の回転数に応じた周波数の交流電力をインバータ31が出力するように、インバータ31を制御する制御信号を作成する。冷却ファン33の回転数は、インバータ31の出力する3相交流電力の周波数に同期するからである。
冷却パラメータ計算部54は、取得したセンサ情報(同期電動機10に供給される電力)に基づいて、冷却装置20の冷却パラメータを計算する。冷却パラメータとは、冷却装置20の膨張弁の開口度、冷媒の循環速度等を決めるパラメータである。膨張弁の開口度を狭めるほど、冷媒が膨張弁を通過して膨張する際に冷媒の温度は大きく低下する。また、冷媒の循環速度を高めるほど、冷却効果を高めることができる。同期電動機10に供給される電力に対応する冷却パラメータの値は、予めシミュレーション等で求め、記憶部に記憶しておく。具体的には、ステータ11内の固定子コイルの温度を所定の温度に維持するために必要な冷却パラメータの値を同期電動機10に供給される電力に対応させてシミュレーションで求め、テーブルを作成して記憶部に記憶しておく。冷却パラメータ計算部54は、取得した同期電動機10に供給される電力に基づいて、テーブル引きで冷却パラメータを求める。制御信号作成部53は、求められた冷却パラメータに対応する制御信号を作成し、冷却装置20に供給する。
次に、以上の構成を有する冷却システム100の動作について説明する。センサ40は、同期電動機10に供給される電力を計測して制御装置50に通知する。制御装置50の冷却パラメータ計算部54は、同期電動機10に供給される電力に応じた冷却パラメータを計算し、制御信号作成部53は、その冷却パラメータで冷却装置20が動作するように制御信号を作成する。冷却装置20は、冷却パラメータに基づいて動作し、同期電動機10内の暖められた空気を冷却する。
また、制御装置50の回転数計算部52は、同期電動機10に供給される電力に応じた冷却ファン33の回転数を計算し、制御信号作成部53は、その回転数で冷却ファン33が回転するように、インバータ31の制御信号を作成する。送風装置30は、制御装置50の制御に基づいて冷却ファン33を回転させ、冷却装置20によって冷却された空気を同期電動機10内で循環させる。冷却システム100は、上記の動作を継続する。
冷却された空気を同期電動機10内で循環させることにより、高温になった空気が同期電動機10内に滞留することを防止でき、送風装置30による送風が直接当たっていない部分も冷却することができる。例えば、ステータ11内部にも冷却された空気が入り込むので、ステータ11に巻かれた固定子コイルを冷却することができる。また、ステータ11に備えたヒートパイプ15を冷却された空気で冷却することにより、ステータ11内部をより効果的に冷却することができる。
以上説明したように、本実施形態に係る回転電気機械の冷却システム100は、同期電動機10(回転電気機械)内の空気と熱交換することにより同期電動機10内の空気を冷却する冷却装置20と、冷却装置20によって冷却された空気を同期電動機10(回転電気機械)内で循環させる送風装置30と、同期電動機10(回転電気機械)に供給される電力を計測するセンサ40と、センサ40が計測した情報に基づいて冷却装置20及び送風装置30を制御する制御装置50と、を備える。これにより、冷却され空気で回転子や固定子に巻かれたコイルを冷却することができる。
また、本実施形態に係る回転電気機械の冷却システム100は、センサ情報に基づいてステータ11、ロータ12に巻かれたコイルの温度が所定温度になるように、冷却装置20の冷却パラメータ及び送風装置の風量を制御する。これにより、冷却システム100は、必要以上に冷却することによる電力の浪費を防止でき、同期電動機10を効率的に冷却することができる。
また、同期電動機10の内部は複雑な構成であり、最も温度が上昇するステータ11内部の温度を温度センサで直接計測することは困難である。ステータ11の周辺の温度からステータ11内部の温度を推定すると推定誤差が大きくなる場合がある。ステータ11における発熱量を、同期電動機10に供給される交流電力量から推定することにより、ステータ11内部の温度をより正確に推定することができる。制御装置50は、推定した温度に基づいて冷却装置20及び送風装置30を制御する。これにより、冷却システム100は、同期電動機10内の温度を適温になるように効率的に冷却することができる。
なお、上記の説明では、冷凍サイクルを利用した冷却装置20について説明をしたが、冷却装置20の構成をこれに限定する必要はない。例えば、水、海水等を利用して冷却装置20を構成することもできる。具体的には、同期電動機10内に液体を流す配管と液体を流動させるポンプとを設ける。この配管に外部から例えば冷水を供給する。船舶に適用する場合、海水を供給するようにしてもよい。外部から供給された冷水は、ポンプにより配管を循環し、同期電動機10内の高温の空気と熱交換して、同期電動機10内の空気を冷却する。温度が上昇した水は外部に排出され、新たな冷水が供給される。この配管は、同期電動機10内の空気との接触面積が広くなるように形成する。同期電動機10内の空気との熱交換をしやすくするためである。
また、上記の説明では、冷却装置20の蒸発器で同期電動機10内の空気を冷却する説明をしたが、冷却装置20による冷却方法はこれに限定する必要はない。例えば、ステータ11内のヒートパイプ15で熱交換をできるように、ヒートパイプ15内に蒸発器のパイプを通すようにしてもよい。
同期電動機10内に冷却装置20が冷却した空気を循環させるために、送風装置30の冷却ファン33を複数個所に設けてもよい。また、電動機32は同期電動機に限定する必要はなく、冷却ファン33による送風量を制御可能な電動機であればよい。
上記の説明では、制御装置50が冷却装置20および送風装置30の両方を制御する説明をしたが、いずれか一方のみを制御するようにしてもよい。例えば、送風装置30の送風量を固定にして、冷却装置20のみを制御するようにしてもよい。
また、上記の説明では、理解を容易にするために、供給電力と冷却ファン33の回転数との関係を図5に示す単純増加関数として説明をした。しかし、供給電力と電動機10内の温度とは、同期電動機10の外部への放熱があるので複雑な関数になる。したがって、供給電力と必要とする冷却ファン33の回転数との関係を定義する関数は、実験もしくはシミュレーションによって求めてもよい。
また、上記の説明では、センサ40が同期電動機10に供給される交流電力を計測する電力センサである場合について説明したが、センサ40を電力センサに限定する必要はない。例えば、センサ40は、同期電動機10の出力トルクを計測するトルクセンサであってもよい。具体的には、センサ40は、磁歪効果を利用した非接触式トルクセンサ、もしくは、スプリング等を利用した接触式トルクセンサであってもよい。
また、上記の説明では、回転電気機械が同期電動機10である場合について説明したが、回転電気機械が発電機の場合、センサ40を発電した電力を計測する電力センサとする。そして、制御装置50は、計測した電力に基づいて冷却装置20及び送風装置30を制御する制御信号を作成する。また、回転電気機械が発電機の場合、センサ40は、発電機の回転数を計測するセンサであってもよい。発電機の回転数と発電機の発熱量とは相関するからである。
《第2の実施形態》
次に、第2の実施形態を図面に基づいて説明する。第1の実施形態と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。
次に、第2の実施形態を図面に基づいて説明する。第1の実施形態と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。
第2の実施形態に係る回転電気機械の冷却システム100は、取得したセンサ情報の妥当性を判断し、妥当と判断したセンサ情報の中で最も優先順位の高いセンサ情報に基づいて冷却装置20及び送風装置30を制御する点で、第1の実施形態と異なる。ここでは、図6に示すように、冷却システム100が、同期電動機10に供給される電力を計測するセンサ40aと、ステータ11の近傍温度を計測するセンサ40b及びロータ軸受部の近傍温度を計測するセンサ40cの3個の温度センサを備える場合について説明する。
図7は、第2の実施形態に係る制御装置50の構成図である。図7に示すように、第2の実施形態に係る制御装置50は、妥当性判断部55を備える。妥当性判断部55は、取得部51が取得した複数(ここでは3個)のセンサ情報の妥当性を判断する。具体的には、図6に示すように、センサごとにセンサ情報の妥当範囲を設定したテーブルを予め記憶部に記憶しておく。妥当性判断部55は、取得部51が取得したセンサ情報をこの妥当範囲と比較することにより、センサ情報それぞれの妥当性を判断する。
センサ情報の妥当範囲は、設計値もしくは実験値から予め設定しておく。また、センサ情報の妥当範囲は、環境温度や同期電動機10の負荷の重さに応じて変更できるようにしてもよい。具体的には、環境温度や同期電動機10の負荷の重さに応じた複数の妥当範囲を記憶部に記憶しておき、妥当性判断部55は、別途取得した環境温度や同期電動機10の負荷の重さをパラメータにして、使用する妥当範囲の値を選択する。
妥当性判断部55は、妥当であると判断したセンサ情報の中で、優先順位が最も高いセンサ情報を取得部51に通知する。例えば、図6に示す例では、妥当性判断部55は、センサ40aのセンサ情報を妥当範囲ではないと判断する。妥当と判断したセンサ情報の中で最も優先順位が高いのは、センサ40bのセンサ情報である。したがって、妥当性判断部55は、妥当であると判断したセンサ情報の中で最も優先順位が高いセンサ情報はセンサ40bのセンサ情報であることを取得部51に通知する。
取得部51は、妥当性判断部55から通知を受けたセンサ40bのセンサ情報を回転数計算部52及び冷却パラメータ計算部54に供給する。回転数計算部52、制御信号作成部53、冷却パラメータ計算部54については、第1の実施形態と同じである。
なお、妥当性判断部55は、取得したセンサ情報のすべてを妥当ではないと判断した場合、その旨を制御信号作成部53に通知する。この通知を受けた制御信号作成部53は、同期電動機10が最大出力時である場合を仮定して冷却装置20及び送風装置30の制御信号を作成する。
以上説明したように、第2の実施形態に係る回転電気機械の冷却システム100は、取得したセンサ情報の妥当性を判断する妥当性判断部55を備え、妥当性判断部55が妥当であると判断したセンサ情報の中で、予め設定された優先順位が最も高いセンサ情報に基づいて、冷却装置20および送風装置30の少なくともいずれか一方を制御する。これにより、冷却システム100は、センサ40a〜40cの何れかのセンサが故障した場合でも、安全な状態で継続して同期電動機10を冷却することができる。
また、第2の実施形態に係る制御装置50は、取得したセンサ情報のすべてを妥当ではないと判断した場合、同期電動機10の出力が最大出力である場合を想定して、冷却装置20及び送風装置30とを制御する。つまり、制御装置50は、同期電動機10の発熱量が最大であると仮定し、その発熱量に対応可能な冷却効果を発揮するように冷却装置20及び送風装置30を制御する。これにより、同期電動機10は、冷却システム100の全てのセンサ40が故障した場合でも、安全な状態で継続して動作することができる。
なお、第2の実施形態の説明では、取得したセンサ情報のすべてを妥当ではないと判断した場合、同期電動機10が最大出力時である場合に対応可能な制御信号を制御装置50が出力する説明をした。しかし、取得したセンサ情報のすべてを妥当ではないと判断した場合、同期電動機10、冷却装置20、送風装置30を停止するようにしてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10…電動機
11…ステータ
12…ロータ
14…ロータ軸受部
15…ヒートパイプ
20…冷却装置
30…送風装置
31…インバータ
32…電動機
33…冷却ファン
40…センサ
50…制御装置
51…取得部
52…回転数計算部
53…制御信号作成部
54…冷却パラメータ計算部
55…妥当性判断部
100…冷却システム
11…ステータ
12…ロータ
14…ロータ軸受部
15…ヒートパイプ
20…冷却装置
30…送風装置
31…インバータ
32…電動機
33…冷却ファン
40…センサ
50…制御装置
51…取得部
52…回転数計算部
53…制御信号作成部
54…冷却パラメータ計算部
55…妥当性判断部
100…冷却システム
Claims (8)
- 回転電気機械に設けられ、前記回転電気機械内の空気と熱交換することによって前記回転電気機械内の空気を冷却する冷却装置と、
前記冷却装置によって冷却された空気を前記回転電気機械内で循環させる送風装置と、
前記回転電気機械の内部温度の推定に用いる情報を計測する複数のセンサと、
複数の前記センサから取得したセンサ情報の妥当性を判断する妥当性判断部と、
前記妥当性判断部が妥当と判断したセンサ情報の中で、予め設定されている優先順位が最も高いセンサ情報に基づいて、前記冷却装置および前記送風装置の少なくともいずれか一方を制御する制御装置と、
を備える回転電気機械の冷却システム。 - 前記妥当性判断部が複数の前記センサから取得したセンサ情報のすべてを妥当ではないと判断した場合、前記制御装置は、前記回転電気機械の出力が最大出力である場合を想定して、前記冷却装置および前記送風装置を制御する、
請求項1に記載の回転電気機械の冷却システム。 - 前記冷却装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を通して冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成し、
前記回転電気機械内の空気は、前記冷凍サイクルにより冷却された前記冷媒と熱交換することにより冷却される、
請求項1または2に記載の回転電気機械の冷却システム。 - 前記送風装置は、
前記冷却装置によって冷却された空気を送風する冷却ファンと、
前記冷却ファンを駆動する電動機と、
前記電動機に交流電力を供給するインバータと、
を備える、
請求項1から3の何れか一項に記載の回転電気機械の冷却システム。 - 前記回転電気機械は電動機であり、
前記センサは、前記回転電気機械に供給される電力を計測する電力センサである、
請求項1から4の何れか一項に記載の回転電気機械の冷却システム。 - 前記回転電気機械は電動機であり、
前記センサは、前記回転電気機械の出力トルクを計測するトルクセンサである、
請求項1から4の何れか一項に記載の回転電気機械の冷却システム。 - 前記回転電気機械は発電機であり、
前記センサは、前記回転電気機械の出力電力を計測する電力センサである、
請求項1から4の何れか一項に記載の回転電気機械の冷却システム。 - 前記制御装置は、前記送風装置を制御する場合、前記センサから取得したセンサ情報に基づいて、前記インバータが出力する交流電力の周波数を制御し、
前記インバータは、前記制御装置による制御に基づく周波数の交流電力を前記冷却ファンを駆動する電動機に供給し、
前記冷却ファンを駆動する電動機は、供給された交流電力の周波数に応じた速度で前記冷却ファンを回転させる、
請求項4に記載の回転電気機械の冷却システム。
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