(57)【要約】【課題】熱伝導率を低下させることなく、冷却性能を向上させた回転電機または風力発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】  上記の課題を解決するために、固定子巻線を備える固定子と、該固定子の内径側に間隙を設けて配置される回転子と、該回転子に固定されて該回転子と共に回転する軸４と、軸４の内部から外部に渡って配置されるヒートパイプ５を備え、ヒートパイプ５のうち、軸４外部に配置される部位は、軸４内部に配置される部位よりも回転半径が小さいことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線を備える固定子と、該固定子の内径側に間隙を設けて配置される回転子と、該回転子に固定されて該回転子と共に回転する軸と、該軸の内部から外部に渡って配置されるヒートパイプを備え、
前記ヒートパイプのうち、前記軸外部に配置される部位は、前記軸内部に配置される部位よりも回転半径が小さいことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
固定子巻線を備える固定子と、該固定子の内径側に間隙を設けて配置される回転子と、該回転子に固定されて該回転子と共に回転する軸と、該軸の内部から外部に渡って配置されるヒートパイプを備え、
前記ヒートパイプのうち、前記軸内部に配置される部位は、前記軸の回転軸から偏心されて配置されることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
固定子巻線を備える固定子と、該固定子の内径側に間隙を設けて配置される回転子と、該回転子に固定されて該回転子と共に回転する軸と、該軸の内部から外部に渡って配置されるヒートパイプを備え、
前記ヒートパイプのうち、前記軸外部に配置される部位は、前記軸の回転軸から偏心されて配置されることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の回転電機であって、
前記ヒートパイプは複数本設けられ、
該ヒートパイプの本数が偶数本の場合、複数本の該ヒートパイプは前記軸に対して略点対象に配置され、
該ヒートパイプの本数が奇数本の場合、複数本の該ヒートパイプは前記軸の長軸方向に見て略正多角形状に配置されることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の回転電機であって、
前記ヒートパイプのうち、前記軸外部に配置される部位の周囲は放熱フィンで覆われることを特徴とする回転電機。
【請求項６】
請求項５に記載の回転電機であって、
前記ヒートパイプは複数本設けられ、前記複数本の前記ヒートパイプの周囲を、前記放熱フィンは一体に覆うことを特徴とする回転電機。
【請求項７】
請求項５に記載の回転電機であって、
前記放熱フィンは、前記軸外部に配置されて前記軸の回転軸から偏心されて配置される部位の外周であって、外径側に偏心する前記部位とは径方向で反対側に配置されることを特徴とする回転電機。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか一つに記載の回転電機と、風を受けて回転する翼と、前記翼の回転に伴って回転する主軸を備え、前記主軸の回転に伴って前記軸が回転することで前記回転電機の前記回転子が回転することを特徴とする風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転電機または風力発電システムに関するものであり、特にヒートパイプを用いて回転電機を冷却するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化、燃料価格高騰、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。自然エネルギーの一つである風力を利用した風力発電では、風のエネルギーを回転電機により電気エネルギーへ変換している。回転電機は運転時に銅損、鉄損の発熱で内部温度が上昇する。内部温度の上昇は、コイルや鉄心に使用される絶縁物の劣化を招き、回転電機の低寿命化につながることから、それを防ぐために冷却が必須となる。
【０００３】
回転電機の冷却手法としてヒートパイプによる冷却が挙げられる。該冷却手法によれば、内部に冷媒を収納したヒートパイプを用いて回転子を冷却することになるが、当該ヒートパイプは回転軸内に埋め込まれる。そして高速回転時には、回転軸の回転に伴って遠心力が働くことで、ヒートパイプ内の冷媒がヒートパイプ内壁にはりつき、凝縮領域の熱抵抗が増加して熱伝導率が低下することに繋がる。
【０００４】
ここで、ヒートパイプを備える回転電機としては、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されたものがあり、両文献ではヒートパイプ内壁への冷媒のはりつきに対して、以下の様な対策を講じている。即ち、特許文献１ではヒートパイプ内壁にテーパを形成することで、遠心力を利用して冷媒を凝縮領域から蒸発領域に移動させて、冷媒が管壁にはりつくことを防いでいる。また、特許文献２では、ヒートパイプの凝縮領域に内周壁による冷媒溜まりを形成することで、遠心力を利用して冷媒を冷媒溜まりに集めることで、冷媒が凝縮領域の管壁全体にはりつくことを防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−１８３３８４号公報
【特許文献２】特公昭６１−２１３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１はテーパが小さいと、遠心力の冷媒を蒸発領域へ移動させる成分が小さくなるため、冷媒のはりつきを防ぐ効果が低くなり、高速回転時にはヒートパイプの熱伝導率が低下する。一方、テーパを大きくして、冷媒のはりつきを防ぐと、凝縮領域のヒートパイプ管壁が厚くなり、ヒートパイプの流路抵抗の増加、管壁の熱抵抗増加からヒートパイプの熱伝導率は低下する。
【０００７】
また特許文献２は冷却領域に内周壁を形成して、回転軸から偏心した冷媒溜まりに冷媒を偏らせることで、管壁全体への冷媒のはりつきを防いでいる。しかし、ヒートパイプ管壁と内周壁間の接触熱抵抗、内周壁の持つ熱抵抗、内周壁設置による流路抵抗の増加からヒートパイプの熱伝導率は低下する。
【０００８】
本発明では、上記の事項等を鑑みなされたものであって、熱伝導率を低下させることなく、冷却性能を向上させた回転電機または風力発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明に係る回転電機は、固定子巻線を備える固定子と、該固定子の内径側に間隙を設けて配置される回転子と、該回転子に固定されて該回転子と共に回転する軸と、該軸の内部から外部に渡って配置されるヒートパイプを備え、前記ヒートパイプのうち、前記軸外部に配置される部位は、前記軸内部に配置される部位よりも回転半径が小さいことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る風力発電システムは、上記の回転電機と、風を受けて回転する翼と、前記翼の回転に伴って回転する主軸を備え、前記主軸の回転に伴って前記軸が回転することで前記回転電機の前記回転子が回転することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、冷却性能を向上させた回転電機または風力発電システムを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】軸にヒートパイプを埋め込んだ回転電機の軸方向断面図
【図２】回転電機の冷却装置の実施例１の高速回転時の軸部の軸方向断面図
【図３】回転電機の冷却装置の実施例２の高速回転時の軸部の軸方向断面図
【図４】回転電機の冷却装置の実施例３の高速回転時の軸部の軸方向断面図
【図５】実施例４に係る風力発電システムの概略図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。尚、下記はあくまでも実施例であり、発明の実施態様が実施例にのみ限定されることを意図する趣旨ではない。例えば、下記では回転子巻線を用いる場合について説明しているが、回転子巻線を備える代わりに永久磁石を備えることも可能である。
【００１４】
初めにヒートパイプを備えた回転電機の全体構造について図１を用いて説明する。尚、図１は参考図であって、以下各実施例で説明する様にヒートパイプの径方向位置が軸方向に渡って変化する様には描かれていない。
【００１５】
図１に示す回転電機１は、固定子２と、固定子２の内径側に間隙を設けて配置される回転子３と、固定子２に設けたスロット内に例えば二層に巻回される三相の固定子巻線１０と、回転子３内に設けたスロット内に例えば二層に巻回される三相の回転子巻線１１とを備えている。尚，三相の固定子巻線１０及び三相の回転子巻線１１は，電気的に１２０°間隔で各相が配置されている。回転子３は軸４によって支えられており、軸４と共に回転する。そして、軸４の内部は中空となっており、軸４の中空部分の内壁に接触した状態でヒートパイプ５が配置されている。以下、個々の実施例の中でヒートパイプの形状等について説明する。
【実施例１】
【００１６】
実施例１について図２を用いて説明する。図２は本実施例１に係る回転電機の冷却装置の高速回転時における軸部の軸方向断面図を示している。軸４の内部（内径側）に配置されるヒートパイプ５の蒸発領域８は、軸４の内壁に接触している領域となっており、軸４の外部（軸４の長軸方向外側）に配置されるヒートパイプ５の凝縮領域９は軸４から突出した領域となっている。ヒートパイプ５は蒸発領域８と凝縮領域９間に位置する曲げ部７により曲げられた構造となっている。凝縮領域９は蒸発領域８よりも径方向で軸４（より正確には回転軸）の近くに配置されており、軸４（より正確には回転軸）からの偏心が小さくなる。即ち、凝縮領域９は蒸発領域８よりも回転半径が小さい。ヒートパイプ５は軸４の内部に配置される部位、曲げ部７及び軸４の外部に配置される部位を通じて流路はおよそ均等な幅となる様に形成しており、流路内に狭小化部位が生じない様にしている。この様な形状のヒートパイプ５は、例えばヒートパイプ５は直管状のものを曲げることで形成される。本実施例においてヒートパイプ５は回転電機１内に２本配置される。また、ヒートパイプ５の内部には冷媒６が収納されている。
【００１７】
本実施例の様にヒートパイプ５が２本の場合は、軸４の長軸方向に見て、互いに回転軸に点対称に配置されている。一方、ヒートパイプ５が３本以上の場合は、回転軸を中心としたヒートパイプ５の本数と同じ角数の正多角形にヒートパイプ５を配置し、回転バランスをとることで安定な高速回転が得られる。２本の場合は正多角形が形成できないので上記の様な分類としているが、他には次の様な言い方も出来る。即ち、ヒートパイプ５の本数が偶数本の場合、複数本のヒートパイプ５は軸４（より正確には回転軸）に対して略点対象に配置され、ヒートパイプ５の本数が奇数本の場合、複数本のヒートパイプ５は軸４の軸方向に見て略正多角形状に配置される。
【００１８】
ヒートパイプ５の内部に収納された冷媒６は、回転電機の高速回転時に遠心力が径方向に働くため、ヒートパイプ５の外周側にはりつく。しかし、凝縮領域９は蒸発領域８よりも回転半径が小さいことから、より径方向外側に位置する蒸発領域８へと冷媒６は移動するため、凝縮領域８に冷媒６ははりつかない。したがって、回転電機１内部であって冷却したい部位については熱抵抗は増加せず、回転電機１が高速回転している際にもヒートパイプの熱伝導率は低下しない。よって冷却性能を向上させることが可能になる。
【００１９】
また、本実施例ではヒートパイプ５の凝縮領域９が偏心していることで、回転時に凝縮領域９周囲の空気が攪拌されて対流が生じ熱伝達率は高くなり、ヒートパイプの凝縮領域９からの放熱量が増加する。また、ヒートパイプ５の流路の狭小化はなく、流路抵抗は増大しないので、ヒートパイプ５の熱伝導率は低下しない。さらに、本実施例のヒートパイプ５は直管状のものを曲げて形成するため、テーパ、異径管などの特殊な形状をしたヒートパイプを形成することに比べて、形成が容易となっている。
【実施例２】
【００２０】
図３を用いて実施例２について説明する。尚、実施例１と重複する箇所についてはその説明を省略する。図３には，実施例２に係る回転電機の冷却装置の高速回転時における軸部の軸方向断面図を示している。本実施例における回転電機では、実施例１で説明した構造に加え、ヒートパイプ５の凝縮領域９の外周に放熱フィン１２を配置している。放熱フィン１２によりヒートパイプ５からの放熱面積を増やし、回転電機の冷却を促進する。尚、放熱フィン１２の設け方としては、一つの放熱フィン１２で複数のヒートパイプ５の凝縮領域９をまとめて固定しても良い。放熱フィン１２でヒートパイプ５の周囲を覆うことで、遠心力による変形を防ぐ効果も得られる。
【実施例３】
【００２１】
図４を用いて実施例３について説明する。上記各実施例と重複する箇所についてはここでの説明は省略する。図４には，実施例３に係る回転電機の冷却装置の高速回転時における軸部の軸方向断面図を示している。上記実施例ではヒートパイプを複数本設ける場合について説明したが、本実施例ではヒートパイプ１５は１本としている。本実施例におけるヒートパイプ１５は、軸４内部に配置される蒸発領域１８は偏心させずに、軸４外部に配置される凝縮領域１９を回転軸から偏心させている。そして、回転軸から偏心された凝縮領域１９の曲げ部１７の反対側の外周に放熱フィン２２を配置している。放熱フィン２２を曲げと反対方向に偏らせて配置することで、放熱面積を増大するだけでなく、凝縮領域１９の偏心及び冷媒１６の偏りによって悪化する回転バランスを修正し、安定した高速回転を実現する。本実施例ではヒートパイプ１５は１本とし、軸４内部に配置される蒸発領域１８は偏心させずに、軸４外部に配置される凝縮領域１９を回転軸から偏心させる場合について説明したが、無論当該具体的態様に発明の実施態様が限られるものではなく、ヒートパイプを複数本とすることや軸４内部に配置される蒸発領域１８が偏心されることを排除するものではない。また、放熱フィン２２は、ヒートパイプの偏心度合いが少ない側に配置すれば回転バランスを修正することが可能である。
【実施例４】
【００２２】
実施例４について図５を用いて説明する。図５には、上記実施例で説明した回転電機を回転電機システム２６として搭載した風力発電システムの例を示している。回転電機システム２６はナセル２１内に設置されており、ナセル２１はタワー２２で支えられている。ナセル２１はタワー２２を軸として略水平面内をヨー回転することが可能である。回転電機システム２６の軸は増速機２５を介して主軸２７に接続されており、風を受けて回転する翼２３と主軸２７はハブ２４で接続されている。翼２３が風を受けて回転することで、風のエネルギーは回転エネルギーに変換される。当該回転エネルギーはハブ２４及び主軸２７を介して増速機２５へと伝達され、増速機２５により回転速度を発電に適した速度へと増速し、回転電機システム２６により電気エネルギーに変換する。なお、本発明の適用範囲は本実施例で説明する様な風力発電システムに限られるものではなく、例えば水車、エンジン、タービンなどでも適用できる。また増速機２５についても必ずしも必要なものではなく、例えば回転子の磁極数を増やすことで、増速せずとも所望の周波数で発電できる。
【符号の説明】
【００２３】
１  回転電機
２  固定子
３  回転子
４  軸
５、１５  ヒートパイプ
６、１６  冷媒
７、１７  曲げ部
８、１８  蒸発領域
９、１９  凝縮領域
１０  固定子巻線
１１  回転子巻線
１２、２２  放熱フィン
２１  ナセル
２２  タワー
２３  翼
２４  ハブ
２５  増速機
２６  回転電機システム
２７  主軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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