JP2002535954A - 永久磁石回転子を有する回転電気機械 - Google Patents

永久磁石回転子を有する回転電気機械

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Abstract

(57)【要約】 永久磁石回転子を有する回転電気機械において、固定子の管状の熱良導性保持体が冷却材への熱ブリッジを形成する。固定子巻線の巻線端も有効に冷却し得るように、巻線端にも、巻線端と固定子保持体との間の中間空間を完全に満たす熱ブリッジが付設されている。この熱ブリッジは中実に構成され、固定子の保持体に力結合的に結合された固体リングと、この固体リング内に鋳込まれた注型樹脂体とから成っている。注型樹脂体は１．６Ｗ／ｍ°Ｋよりも大きい熱伝導率を有し、そのために粉末状の熱良導性充填材（好ましくはシリコン二酸化物により被覆されたアルミニウム窒化物）を５０〜９０重量％の量で含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は回転する電気機械の分野に属し、また、永久磁石回転子を有し、固定
子巻線の巻線端に対して固定子の保持体に熱を導き出すための特別な対策が講じ
られている大出力の電動機または発電機の構造的構成に適用される。このような
電動機は船舶用の駆動電動機として使用される。発電機としては例えば風力設備
に使用される。
【０００２】 上記の形式の公知の同期電動機は船体の下側にゴンドラ状のハウジング内に配
置されている。ハウジング内に固定子を形状結合的または力結合的にクランプす
ることにより、周囲の海水による固定子の冷却、従って固定子巻線の冷却が保証
されている。固定子巻線の巻線端には送風機または噴霧装置の形態の追加的な冷
却装置が付設されていてよい（国際公開第９７／４９６０５号明細書）。さらに
、このような同期電動機の巻線端に対してエポキシド樹脂のような合成樹脂から
成る熱導出ブリッジを使用することは既に提案されており、この合成樹脂は熱伝
導性充填材として鉱物を含んでいる（国際公開第９９／０５０２３号明細書）。
【０００３】 原子炉容器の圧力タンク内で制御棒を駆動するために使用される電動機用とし
て、永久磁石回転子を有する同期電動機を使用することが知られており、回転子
の巻線端に対して固定子ハウジングへの熱ブリッジ（熱的短絡路）として、巻線
端空間を満たす多孔性の鉱物充填材から成る熱ブリッジが設けられている（ヨー
ロッパ特許出願公開第０５２３３５３号明細書及びドイツ特許出願公開第６９２
０３９８８号明細書) 。
【０００４】 船舶作動のために永久磁石同期電動機を使用する際および船体の内部にこのよ
うな電動機を配置する際には、固定子として、すなわち固定子巻線用の保持体と
して、新鮮水を流される水路を設けられている継鉄リングが使用されることによ
って、固定子巻線を冷却するのが通常である。継鉄リングの端に配置されている
冷却フィンは巻線端の良好な冷却を保証する（Ｊａｈｒｂｕｃｈ ｄｅｒ ｓｃ
ｈｆｆｂａｕｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅｎ Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ８１（１９
８７）、第２２１／２２２頁）。自動車用の永久磁石同期電動機の場合ならびに
さまざまな駆動目的に使用される電動機の場合にも、固定子を囲むハウジングの
壁に冷却水路を設けることは知られている（ドイツ特許出願公開第４２１３１３
２号、フランス特許出願公開第１５７１８９０号）。
【０００５】 さらに、回転子が固定子を囲むように電気機械を構成することも知られている
。このような“アウタロータ”形電気機械では固定子は、必要の場合には冷却水
路を設けられていてよい管状の保持体上に載っている（ドイツ特許出願公告第１
２０３３７３号明細書ならびにＩＰＣ Ｈ０２Ｋ １／０６中の他の文献）。
【０００６】 さらに、回転子が高温度の媒体内を回転し、固定子が回転子に対してスロット
付き管により閉じられている電気機械の巻線端を冷却するために、巻線端と冷却
されるハウジングカバーとの間に銅鋳物から成るリング状の熱導体を配置し、巻
線端を、例えば細かく分配された粉末状のアルミナから成る充填材を有する不溶
性のシリコン樹脂のような熱良導性・電気絶縁性材料から成る埋め込み材料によ
り囲むことも知られている（ドイツ特許出願公告第１２０４３１６号明細書）。
さらに、固定子巻線端に熱導出の目的でアルミニウムリングが付設され、巻線端
とリングとの間の間隙が熱伝導性充填材層（例えばエポキシド樹脂）により橋絡
されている電気機械も知られている（オーストリア特許出願公開第１５１５８４
号明細書、米国特許第３５０８０９２号明細書）。さらに、電気機械の固定子巻
線を含浸するために、セラミック充填材の添加により０．２６ｃａｌ／ｍ・ｓｅ
ｃ・℃の熱伝導率を有するエポキシド樹脂が使用されている（ドイツ特許出願公
開第３８０８１９０号明細書）。
【０００７】 本発明の課題は、請求項１の前文の構成を有する回転電気機械（ドイツ特許出
願公開第６９２０３９８８号明細書）から出発して、熱ブリッジに可能なかぎり
高い熱伝導率を与えることである。
【０００８】 この課題は、本発明によれば、巻線端に付設された熱ブリッジ（熱的短絡路）
が中実に構成され、それぞれ、巻線端の外側輪郭に熱良導的に適合され固定子の
保持体に力結合的に結合されている金属製固体リングと、この固体リング内に鋳
込まれ巻線端を埋め込んでいる、１．６Ｗ／ｍ°Ｋよりも大きい熱伝導率を有す
る注型樹脂体とから成り、固体リングが軸線方向に積層された多数のリング板か
ら構成され、注型樹脂体が粉末状の熱良導性充填材または充填材混合物を５０〜
９０重量％の量で含んでいることにより解決される。
【０００９】 本発明により設けられる熱ブリッジの実施態様では、一方では固定子の巻線端
と保持体との間の空間がほぼ、目的にかなった仕方でアルミニウムまたは銅のよ
うな金属から成り、十分に固定子の保持体に密接し巻線端に対して比較的小さい
定められた間隔を有する固体リングにより橋絡され、他方では巻線端が、十分に
固体リングに密接している熱伝導性注型樹脂体内に埋め込まれている。巻線端と
冷却される保持体との間で半径方向に、熱導出を阻害する空気層が存在していな
いことにより、固定子の巻線端から冷却される保持体への最適な熱移行が保証さ
れている。
【００１０】 さらに個々の板への固体リングの分割が行われている。この分割は渦電流損失
を減ずる役割をする。同時にこのような板は、板の内径が細かく段階分けされる
ことによって、巻線端の外側輪郭への微細な適合を可能にする。固体リングのこ
のような配置および構成は、固定子の冷却される保持体から出発して比較的わず
かな温度が近くの巻線端の近くまで導かれることを保証する。
【００１１】 熱ブリッジの注型樹脂体に対しては、高い熱伝導率のほかに良好な温度サイク
ル特性、高い機械的強度および低い熱膨張係数を有する熱クラスＦ（連続耐熱性
１５５℃）の注型樹脂系が用いられる。その際に注型樹脂体と固体リングとの間
の境界面における付着も保証されていなければならないであろう。注型樹脂とし
ては特にポリエステル、エステルイミド、シリコーン、ポリウレタンおよびエポ
キシドをベースとする樹脂が考慮に値する。エポキシドをベースとする樹脂、特
に酸無水物硬化可能な樹脂はその均衡のとれた特性プロフィルに基づいて特に適
していることが判明している。ビスフェノールＡ及び／又はビスフェノールＦの
芳香族のエポキシド樹脂の他に、特に下記の組成を有する樹脂も考慮に値する。
ａ）場合によっては脂肪族のエポキシド樹脂を混合された芳香族及び／又は異種
環状のポリエポキシド樹脂、 ｂ）場合によっては無水物から成る酸性エステルを混合された無水物または無水
物混合物、特に炭素酸無水物または炭素酸無水物混合物、 ｃ）例えばアミン促進剤のような促進剤、 その際に成分ａ）、ｂ）は通常の仕方で化学量論的に比率１：１で、または成分
ｂ）の軽度の不足で使用される。
【００１２】 このような市販されている公知の樹脂を使用して製造された注型樹脂体は機械
的特性に影響を与えるために埋め込み構成要素として剛固及び／又は可撓性の織
物ライナを含んでいてよい。しかし、処理すべき注型樹脂が、熱伝導率を高める
役割をし場合によっては注型樹脂体の膨張係数を低くし耐熱衝撃性を高める作用
をする充填剤を含んでいることは重要である。特に適しているものは、アルミニ
ウム酸化物、アルミニウム窒化物（特に被覆されたアルミニウム窒化物）、シリ
コンカーバイドおよびアルミニウム粉末のような金属粉末ならびに石英粉末、さ
らにこれらの物質の混合物のような、高い内在的な熱伝導率を有する無機充填剤
である。それぞれ選ばれた充填剤組み合わせは注型樹脂体内に５０重量％〜最大
９０重量％の、好ましくは６０〜９０重量％の量で含まれているべきであろう。
充填剤組み合わせが石英粉末を含んでいるならば、これはたかだか１０重量％の
量で存在しているべきであろう。
【００１３】 前記の充填材または充填材組み合わせは前記の樹脂内に比較的良好に混じる。
なぜならば、これらの樹脂は比較的低い粘性を有するからである。特にポリエポ
キシドをベースとする樹脂は、約６０〜９０℃、好ましくは７５〜８５℃の処理
温度の際に、７０〜１００℃、好ましくは８０〜９０℃の温度の際に一層詳細に
は常圧のもとでも真空のもとでも真空およびそれに続く圧力印加のもとでも良好
な応用を有する。本発明により構成される熱ブリッジは注型樹脂体の範囲内で１
．６Ｗ／ｍ°Ｋよりも大きい熱伝導率を有し、非常に高い充填材混合割合の場合
には２．０Ｗ／ｍ°Ｋよりも大きい熱伝導率さえも有する。
【００１４】 本発明により構成される熱ブリッジは機械的に安定であり、通常使用される巻
線端補強を省略し得る。注型樹脂体が電気的に絶縁性の充填材を添加されている
場合、適当な巻線構造の際に、必要な巻線端側の主絶縁を省略することもできる
。
【００１５】 本発明により構成される熱ブリッジは特に、例えばゴンドラ状に配置すべき船
舶駆動装置の場合または船体の内部に配置される駆動電動機の場合にそうである
ように、保持体が固定子を囲むハウジングである回転電気機械に応用される。し
かし新しい形式の熱ブリッジは、保持体が回転子により囲まれる固定子の内部に
配置されている回転電気機械にも使用され得る。可能な応用分野はその際に風力
設備の発電機である。
【００１６】 新しい熱ブリッジの実施例が図２に示されている。この熱ブリッジに対して使
用される注型樹脂材料の実施例は後で説明される。図２に示されている熱ブリッ
ジは図１の駆動電動機において使用される。
【００１７】 国際公開第９７／４９６０５号明細書に基づいて本明細書の図１は、ハウジン
グ１内に固定子７および回転子１０から成る同期電動機が配置されている船舶用
のゴンドラ状駆動装置を示す。同期電動機の固定子７は形状結合的に中空円筒状
のハウジング部分２内に嵌め込まれており、好ましくはこのハウジング部分は固
定子積層板上に焼き嵌めされている。このハウジング部分は固定子の管状の保持
体を形成し、例えば青銅合金のような熱良導性材料から成っている。固定子の巻
線は巻線端８、９でわかる。同期電動機の回転子１０は永久磁石により励磁され
る回転子として構成され、保持構造物１１により駆動軸５に取付けられている。
【００１８】 図２によれば両側の巻線端８または９にそれぞれ、そのつどの巻線端を囲む固
体リング９１とその中に鋳込まれた注型樹脂体９４とから成る熱ブリッジが付設
されている。この熱ブリッジは巻線端８または９と保持体２との間の中間空間を
完全に満たし、その際に巻線端は注型樹脂体９４内に埋め込まれている。注型樹
脂体内には固定子巻線の電気的接続のためのリング導体９５ならびに締付け板の
ような取付要素も埋め込まれている。
【００１９】 固体リング９１は、セグメントに分割されたリング板の形態の個々の薄い板か
ら成っており、それらのうち左部に配置されているリング板９２は等しい内径を
有し、一方巻線端９の下降する輪郭に沿って配置されているリング板９３は小さ
くなる内径を有する。それにより固体リングは巻線端９の輪郭に、約５ｍｍの比
較的小さい間隙が固体リング９１と巻線端９との間に残るように適合される。固
体リング９１は軸線方向に延びている取付ボルト９６により端面側で、固定子７
へ管状のハウジング部分２を焼ばめする際にこれが固体リング９１にも焼ばめさ
れるように固定子７に取付けられている。そのための準備として固体リングは、
固定子と同じく、回転たがねにより必要な寸法（外径）に電動機らされる。固体
リング９１を製造するためには、巻線端の内側に注型樹脂体９４の内側型部分と
しての役割をする中空円筒状または壺状のブロックが配置される。注型樹脂体９
４は次いで、固定子を垂直に配置した状態で、相応の注型樹脂材料の注ぎ込みお
よびそれに続いての硬化により製造される。
【００２０】 示されている用途に適した注型樹脂は下記の組成を有する。 ａ）９２重量分のエポキシド樹脂、 ｂ）７５重量分の炭素酸無水物、 ｃ）０．８重量分のアミン促進剤、 ｄ）５５０重量分の、シリコン二酸化物により被覆されたアルミニウム窒化物、 ｅ）２９重量分の石英粉末。
【００２１】 注型樹脂体を製造するためには前記の成分が先ず８０℃の温度で混合され、続
いて同じ温度で１〜１０ｍｂａｒの圧力のもとに無泡状態に至るまで脱気される
。続いて注型樹脂材料が８０℃の温度で注型され、その後に硬化される。硬化は
例えば１２時間８０℃で、続いて４時間９０℃で、その後に３時間１００℃で、
続いて１２時間１１０℃で行われる。
【００２２】 このようにして製造された注型樹脂体は１．９Ｗ／ｍ°Ｋの熱伝導率を有する
。
【図面の簡単な説明】
【図１】 熱ブリッジが使用される駆動電動機を示す概略断面図。
【図２】 本発明による熱ブリッジの実施例を示す概略断面図。
【符号の説明】
１ ハウジング ２ 中空円筒状のハウジング部分 ５ 駆動軸 ７ 固定子 ８、９ 巻線端 １０ 回転子 １１ 保持構造物 ９１ 固体リング ９２、９３ リング板 ９４ 注型樹脂体 ９５ リング導体 ９６ 取付ボルト
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｋ 5/04 Ｈ０２Ｋ 5/04 ５Ｈ６１５ 7/18 7/18 Ａ ５Ｈ６２１ 15/12 15/12 Ｅ 21/14 21/14 Ｇ 21/22 21/22 Ａ (72)発明者 ランゲ、ユルゲン ドイツ連邦共和国 デー‐13158 ベルリ ン ヘーゲミューラー ヴェーク 26 (72)発明者 マイヤー、クリスチャン ドイツ連邦共和国 デー‐13591 ベルリ ン シュトラーセ 344 ヌンマー ７ベ ー (72)発明者 ログラー、ヴォルフガング ドイツ連邦共和国 デー‐91096 メーレ ンドルフ フランケンシュトラーセ 44 (72)発明者 シューリング、インゴ ドイツ連邦共和国 デー‐10715 ベルリ ン ブルッフザーラー シュトラーセ 14 Ｆターム(参考） 3H078 AA02 AA26 BB14 BB21 CC01 CC22 5H604 AA03 BB05 BB10 BB14 BB15 CC01 CC05 CC13 DA16 DA21 DB03 PC03 QB16 5H605 AA01 AA07 BB01 BB05 BB10 BB17 BB19 CC01 CC05 DD12 DD13 EB12 5H607 AA02 BB02 BB07 BB14 BB17 BB26 CC01 CC05 DD01 DD02 DD09 FF26 5H609 BB03 BB12 PP02 PP06 PP09 QQ04 QQ12 QQ18 QQ23 RR37 RR44 RR63 RR73 5H615 AA01 BB01 BB02 BB07 BB14 PP01 PP14 QQ03 RR05 RR07 SS12 SS44 TT03 TT34 5H621 GB10 HH01 HH05 JK11 JK13

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 永久磁石回転子と、巻線を設けられている固定子とを備え、
    固定子に管状の熱良導性保持体が力結合的に付設され、保持体が冷却材への熱ブ
    リッジを形成し、固定子巻線の巻線端にも、巻線端と保持体との間の中間空間を
    完全に満たす熱ブリッジがそれぞれ付設されている回転電気機械において、 巻線端に付設された熱ブリッジが中実に構成され、それぞれ、巻線端（９）の
    外側輪郭に熱良導的に適合され固定子の保持体（２）に力結合的に結合されてい
    る金属製固体リング（９１）と、この固体リング内に鋳込まれ巻線端（９）を埋
    め込んでいる、１．６Ｗ／ｍ°Ｋよりも大きい熱伝導率を有する注型樹脂体（９
    ４）とから成り、固体リング（９１）が軸線方向に積層された多数のリング板（
    ９２、９３）から構成され、注型樹脂体（９４）が粉末状の熱良導性充填材また
    は充填材混合物を５０〜９０重量％の量で含んでいることを特徴とする回転電気
    機械。
  2. 【請求項２】 充填材または充填材成分が被覆されたアルミニウム窒化物か
    ら成っていることを特徴とする請求項１記載の回転電気機械。
  3. 【請求項３】 充填材または充填材成分がアルミニウム粉末のような金属粉
    末から成っていることを特徴とする請求項１記載の回転電気機械。
  4. 【請求項４】 注型樹脂体（９４）が剛固及び／又は可撓性の布フィラー（
    ９５）を含んでいることを特徴とする請求項１記載の回転電気機械。
  5. 【請求項５】 注型樹脂体（９４）が別の充填材として石英粉末を１０重量
    ％までの量で含んでいることを特徴とする請求項２乃至４の１つに記載の回転電
    気機械。
  6. 【請求項６】 注型樹脂体（９４）が樹脂として下記の組成、 ａ）場合によっては脂肪族のエポキシド樹脂を混合された芳香族及び／又は異種
    環状のポリエポキシド樹脂、 ｂ）場合によっては無水物から成る酸性エステルを混合された無水物または無水
    物混合物、 ｃ）促進剤 を有するエポキシド樹脂を含んでいることを特徴とする請求項１記載の回転電気
    機械。
  7. 【請求項７】 保持体（２）が固定子を含むハウジングであることを特徴と
    する請求項１記載の回転電気機械。
  8. 【請求項８】 ハウジング（２）がゴンドラ状に配置すべき船舶推進装置の
    部分であることを特徴とする請求項７記載の回転電気機械。
  9. 【請求項９】 保持体が回転子により囲まれる固定子の内部に配置されてい
    る（外側回転子機械）ことを特徴とする請求項１記載の回転電気機械。
  10. 【請求項１０】 回転子および固定子が風力発電機の部分であることを特徴
    とする請求項９記載の回転電気機械。
JP2000595414A 1999-01-20 2000-01-19 永久磁石回転子を有する回転電気機械 Pending JP2002535954A (ja)

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DE19902837A DE19902837C1 (de) 1999-01-20 1999-01-20 Rotierende elektrische Maschine mit permanenterregtem Rotor
PCT/DE2000/000180 WO2000044080A1 (de) 1999-01-20 2000-01-19 Rotierende elektrische maschine mit permanenterregtem rotor

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EP (1) EP1149460B1 (ja)
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DE (2) DE19902837C1 (ja)
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