JP2000102216A - 液冷式非同期電気機械 - Google Patents

液冷式非同期電気機械

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JP2000102216A
JP2000102216A JP11273958A JP27395899A JP2000102216A JP 2000102216 A JP2000102216 A JP 2000102216A JP 11273958 A JP11273958 A JP 11273958A JP 27395899 A JP27395899 A JP 27395899A JP 2000102216 A JP2000102216 A JP 2000102216A
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Ernst Zysset
エルンスト・ツィセット
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステータとロータの間の効率的な冷却および
温度バランスを確実なものにするために、ステータ
（１）内およびロータのシャフト（３）内の、ステータ
およびロータの全長いたる所を連続的に通る液体冷却閉
回路を備える非同期電機モータを提供すること。 【解決手段】 ロータ・シャフトにはポンプ（１５）が
組込まれている。液体は、固定軸方向チューブ（１６）
によってポンプ内に噴射され、シャフトとこのチューブ
の間に再度出てくる。ポンプは、シャフトの穴の底に固
定された遠心ポンプ部材（２０）と、インジェクション
・チューブの外部らせんリブ（１７）に面してシャフト
に固定された長手方向ブレード（２１）とを含んでい
る。液体は、ステータの外周に沿った周囲空気によって
冷却される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は非同期電気機械に関
するものであり、特に、ロータをステータ内に含みかつ
液冷回路を備えた非同期モータであって、ロータが液体
循環用ポンプを中に組込んだ中空シャフトを有する非同
期モータに関する。
【０００２】本発明は、特に電気牽引車用またはハイブ
リッド車用非同期モータに適用されるが、このようなモ
ータは出力比が高く、コンパクトであって、外部コネク
タ、特に冷却液用外部コネクタができるだけ少なくてす
むものでなければならない。
【０００３】
【従来の技術】この種のモータでは通常、冷却液はもっ
ぱらステータ内を循環し、次いで外部ラジエータに導か
れて空冷される。この配置では、ラジエータと連結コン
ジットのレイアウトに関して難題が生じる。さらに、十
分に冷却されないロータはステータに比べてかなり高温
になってしまう。このような温度上昇によって、一方で
は、設計者は供給電流の制限を余儀なくされ、したがっ
てモータ出力の制限を余儀なくされることになり、他方
では、ロータとステータ間の温度差によって、ときには
機械的損傷、特にモータ・ベアリングの機械的損傷の原
因となる膨張差が生じることになる。
【０００４】ドイツ特許出願第４０２０４１６号には、
車両の牽引モータによって駆動される発電機のシャフト
内に、ポンプを組込むことが記載されている。このポン
プは、数本の平行なチャンネルを有する中心固定体を含
んでおり、特に直径の大きいシャフト内に限って収容し
得ることを要件とする。同特許願に記載の回路は、ロー
タ・シャフトを冷却するがステータは冷却しない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記諸欠点
を実質的に回避するように液冷回路が配置されている非
同期電気機械、特に非同期モータまたは発電機を提供す
るものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明による非同期電気
機械は、液体回路が、機械内で閉回路となっていて、ス
テータおよびロータ・シャフト内を実質的にロータの全
長およびステータの全長にわたって通っていることを特
徴とする。
【０００７】したがって、モータ内で完全に閉じてい
て、外部ポンプおよび外部ラジエータとの連結のいずれ
も必要としない冷却回路が得られる。液体がステータお
よびロータを通して連続的に循環することによって、こ
れら２つのモータ部品間において満足できる温度バラン
スが保証され、したがって膨張差および局部温度上昇が
より小さくなることが保証され、それゆえにより大きな
出力比が可能となり、出力が同じ場合にはモータの体積
を小さくすることが可能となる。
【０００８】ステータの液体回路は、液体がステータの
外周ケーシングと接触する場である外部フィンを備えた
冷却チャンバ内を通り、次いでステータのサポート構造
内に配列されたコンジット内を通ることが望ましい。
【０００９】これによって、ステータの冷却チャンバと
ステータの外周ケーシングとが水−空気熱交換器を形成
することになる。電気自動車用モータ、特に車両のホィ
ールに個別に連結され、ホィール通路に取付けられるモ
ータの場合、一般にこのケーシングは強い気流に曝され
る。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明のその他の特徴および利点
は、添付の図面を参照しながら、本発明を制限しない好
ましい実施例についての以下の説明を読めば、より明ら
かになろう。
【００１１】図１および図２について説明する。図示し
た非同期モータは、ステータ１と、ベアリング６および
７によってステータのフランジ４および５に取付けられ
た中空シャフト３を有するロータ２とを含んでいる。ス
テータのサポート構造は参照符号８で、その巻線は参照
符号９で、ロータのアーマチュアは参照符号１０で、ま
たロータの回転軸は参照符号１１でそれぞれ示される。
中空シャフト３の中心穴１２は行止まりになっており、
シャフトはその駆動端１３で閉じていて反対端１４では
開いている。穴１２は少なくともアーマチュア１０の全
長にわたっており、モータ内に取付けられたシャフトの
全長に、すなわちベアリング６および７の区域内にまで
わたっていることが好ましい。
【００１２】モータは、シャフト３の穴１２内に取付け
られたポンプ１５を含む、例えば水またはオイルなどの
液体閉回路によって冷却される。ポンプの固定部分は本
質的に、ステータのフランジ５に固定され、穴１２の底
付近で大きく開いている中心インジェクション・チュー
ブ１６によって形成されている。このチューブは、外表
面上に少なくとも１本のらせんリブ１７を備えており、
このらせんリブ１７は、チューブの全長にわたっていて
その高さが一定であることが好ましい。チューブおよび
リブは鋼またはその他の好適な材料によって作製するこ
とができる。
【００１３】ポンプ１５の回転部分は遠心ポンプ部材２
０と長手方向ブレード２１を含んでいる。遠心ポンプ部
材２０は穴１２の底にチューブ１６の出口に面して配置
されている。また、長手方向ブレード２１は、２枚また
はそれ以上が中空シャフト３の内面、すなわち穴１２の
外周に一定の間隔を置いて配置されている。したがっ
て、それらはらせんリブ１７に面している。バランスを
とるために最小限２枚のブレード２１が備わっている
が、それより多数枚のブレードを備えることもできる。
必要ならば、これらのブレードをらせん形にすることも
可能である。
【００１４】ポンプ部材２０は遠心ポンプのホィールの
役目をする。それは、穴１２の底に加工して適切に起伏
を形成するかまたは穴にポンプ・ホィールを固定するか
いずれかによって形成することができる。この部材２０
は、チューブ１６の出口で液体を吸い込んで、チューブ
と中空シャフト３の間に液体を押し戻す。したがって、
液体とシャフトとの間の基本圧力および十分な熱交換が
保証される。次いで、ブレード２１とリブ１７を含むポ
ンプの軸部分が追加ポンプ圧を生じ、ブレード２１が追
加熱交換面を形成する。
【００１５】低速回転で十分な流量を生じるために、図
３に示すように、ブレード２１の自由端はらせんリブ１
７の自由端と少し離して取り付けられる。これによっ
て、モータが低速で回転しているときでも、効率的な冷
却が保証される。
【００１６】しかし、モータの回転が速い場合、ポンプ
が過剰な電力を消費してしまうこともある。好ましい実
施の形態においては、このような欠点は、回転ブレード
２１をリブ１７からの距離が変動するように変形させる
こと、詳細にはブレード２１を曲げるまたは撓ませるこ
とによって回避される。この状態を図４に示す。
【００１７】このような効果は様々な方法で得ることが
できる。ブレード２１は、それらが液体に及ぼす動圧の
影響下で撓ませることによって、横方向に簡単に変形す
ることができる。このようなブレードは、例えばシャフ
ト３に配列された溝に長手方向に挿入される。これにつ
いては、図３に、低速回転に対するポンピング速度が比
較的速い状態での、静止状態または低速（矢印Ｒによっ
て示される回転方向）状態にあるブレード２１の位置を
示してある。高速ではブレード２１は図４に示すように
曲り、その結果、流量、ハイドロリック・チャージ・ロ
ス（hydrauliccharge loss）および消費される機械力が
剛性ブレードに比べてゆっくりと増加する。
【００１８】ブレード２１が図３のような位置にある
と、特にロータの電流が特に強くなり得るような低速に
おいては、ロータと液体間の熱交換を高めるような乱流
状態が生じる。逆に、ブレード２１が図４のような位置
にあると、層流が可能となり、したがって高速時のハイ
ドロリック・ロスの減少が可能となる。
【００１９】別の解決法は、例えば熱膨張率が異なる２
つの金属層からなるブレードのような、温度効果によっ
て変形し得るブレード２１である。この場合、図３は比
較的高流量で供給される高温時の位置を示し、図４は機
械力の消費が少ない低温時の位置を示している。この解
決法においても、やはりブレード２１は可撓性であって
高速時の流量を制限することができる。
【００２０】ステータ１では、液冷回路は、例えば鋳造
軽金属または金属薄板などで作られている、外部フィン
２６を備えた金属製外周ケーシング２５沿いに、ステー
タの全外周および全長にわたる実質的に円筒形の冷却チ
ャンバ２４を含んでいる。ケーシング２５はしたがっ
て、周囲空気で冷却されるラジエータを構成することに
なる。矢印方向に循環する液体は、次いでステータのサ
ポート構造８のコンジット２７に届いてサポート構造お
よび巻線を冷却し、その後、駆動側とは反対側のフラン
ジ５にある放射状チャンネル２８を通過して、インジェ
クション・チューブ１６の内部に移動する。次いでポン
プ１５内を通過した液体は、シャフト３およびロータの
全長を冷却する。シャフトの穴１２の出口では、液体は
フランジ５の環状チャンバ３０および放射状チャンネル
３１を通過して冷却チャンバ２４に戻る。チャンバ３０
とベアリング７の間にはシーリング・ガスケット３２が
１個だけ必要である。フランジ５のチャンネル２８およ
び３１は、モータが静止状態にある時に対流によって液
体の循環を刺激するように配列することができる。当業
者ならば、これらのチャンネルならびにコンジット２７
は鋳造技術によって作製することができること、また、
それらはもっぱらモータの固定部内部に取付けられるた
めに、シーリングにおいてもなんら問題が生じないこと
に気付くであろう。
【００２１】外部ポンプも、外部ラジエータも、いかな
る外部流体コンジットも必要としないがゆえに、冷却と
いう観点からみると自立している非同期モータ（必要で
あれば、発電機も）の実現が本発明によって可能となる
ことは、先の記述から明らかである。これによって、攻
撃的もしくは爆発的環境でのモータの使用、または自動
車車両でのモータの使用にとりわけ適した、コンパクト
で完全に内部を封じ込んだ構造が可能となる。自動車車
両に適用する場合、本発明によれば電気モータのレイア
ウトは今まで以上に自由になる。詳述すれば、場所をと
り、チャージ・ロスの原因となり、またモータが動くた
めに、しばしば破損しやすくてもたわみコンジットが必
要であるようなモータ外部の流体回路を省くことが、本
発明によって可能となる。
【００２２】ポンプをロータ・シャフト内部に配置する
ことによって僅かに軸方向推力が生じ、これによってい
かなる速度においてもロータが安定し、したがってベア
リングに振動が生じるのを防ぐことができる。さらに、
ロータとステータとの間の温度差が大きく減じられるた
め、ベアリングの軸方向の遊びを低減するまたは取り除
くことができる。これにより、発電機の構造は最適化さ
れ、その有効寿命は長くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による非同期モータの軸方向略断面図で
ある。
【図２】ロータ・シャフトに組込まれたポンプの一部を
示す、図１の拡大詳細図である。
【図３】図２のポンプの一部を線III−IIIに沿って切っ
た２つの略断面図である。
【図４】図２のポンプの一部を線III−IIIに沿って切っ
た２つの略断面図である。
【符号の説明】
１ ステータ、２ ロータ、３ 中空シャフト、４、５
フランジ、６、７ベアリング、８ サポート構造、９
巻線、１０ アーマチュア、１１ 回転軸、１５ ポ
ンプ、１６ 中心インジェクション・チューブ、１７
らせんリブ、２０ ポンプ部材、 ２１ 長手方向回転
ブレード、２４ 冷却チャンバ、２５外周ケーシング、
２６ 外部フィン、２７ コンジット、２８ チャンネ
ル、３０ 環状チャンバ、３１ チャンネル、３２ シ
ーリング・ガスケット。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 非同期電気機械、特に、ロータ（２）を
    ステータ（１）内に含みかつ液冷回路を備えた非同期モ
    ータであって、ロータが液体循環用ポンプ（１５）を中
    に組込んだ中空シャフト（３）を有しており、液体回路
    が、機械内で閉回路となっていて、ステータ（１）およ
    びロータ・シャフト（３）内の、実質的にロータの全長
    およびステータの全長のいたる所を通っていることを特
    徴とする非同期電気機械。
  2. 【請求項２】 ステータ内の液体回路が、外部フィン
    （２６）を備えたステータの外周ケーシング（２５）と
    液体とが接触する場である冷却チャンバ（２４）の中を
    通り、次いでステータ・サポート構造内に配列されたコ
    ンジット（２７）内を通っていることを特徴とする請求
    項１に記載の機械。
  3. 【請求項３】 ロータのシャフト（３）が、シャフトの
    駆動側で閉じてその反対側で開いている中心穴（１２）
    を含み、および液体回路が、前記穴内に軸方向に延びて
    穴の底付近で大きく開いている固定インジェクション・
    チューブ（１６）を含むことを特徴とする請求項１また
    は２に記載の機械。
  4. 【請求項４】 ポンプ（１５）がロータ・シャフトの穴
    （１２）の底に配置された遠心ポンプ部材（２０）を含
    むことを特徴とする請求項３に記載の機械。
  5. 【請求項５】 インジェクション・チューブ（１６）に
    は、少なくとも１本のらせん外部リブ（１７）が備わっ
    ていることを特徴とする請求項３または４に記載の機
    械。
  6. 【請求項６】 少なくとも２本の長手方向回転ブレード
    またはらせん回転ブレード（２１）が、シャフトの前記
    穴内に固定されており、インジェクション・チューブの
    らせんリブ（１７）の周囲を回転できるようになってい
    ることを特徴とする請求項５に記載の機械。
  7. 【請求項７】 回転ブレード（２１）を変形することが
    でき、その結果回転ブレードのらせんリブからの距離が
    可変であることを特徴とする請求項６に記載の機械。
  8. 【請求項８】 回転ブレード（２１）を、それらが液体
    に及ぼす動的圧力の効果によって変形することができる
    ことを特徴とする請求項７に記載の機械。
  9. 【請求項９】 回転ブレード（２１）を、温度効果によ
    って変形することができることを特徴とする請求項７に
    記載の機械。
  10. 【請求項１０】 ステータが、シャフトの穴（１２）の
    出口と冷却チャンバ（２４）を連結している第１チャネ
    ル（３１）と、ステータ・サポート構造のコンジット
    （２７）とフランジに固定されているインジェクション
    ・チューブ（１６）を連結している第２チャネルとを含
    むフランジ（５）によって、駆動側とは反対側で閉じて
    いることを特徴とする請求項２および請求項３に記載の
    機械。
JP11273958A 1998-09-28 1999-09-28 液冷式非同期電気機械 Pending JP2000102216A (ja)

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EP98118291A EP0989658A1 (fr) 1998-09-28 1998-09-28 Machine électrique asynchrone refroidie par liquide
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EP (1) EP0989658A1 (ja)
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