JP2005033995A - 内部液体冷却が行われる電気的機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータ領域からの良好な熱導出と、撹拌損失の低減とが可能であるような電気的機械を提供する。
【解決手段】ケーシングを備えた電気的機械であって、前記ケーシングにはステータとロータとが配置されており、ロータの回転軸線はほぼ水平に配置されていて、ケーシング内には冷却液が存在している形式のものにおいて、ケーシング１には部分的にしか冷却液が充填されておらず、少なくとも運転中に、ロータ４とステータ２との間のギャップ９には冷却液が存在しておらず、少なくとも１つのロータ端面４ａに、ロータ４からロータ端面４ａを介して冷却液に熱を伝えるための手段が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ケーシングを備えた電気的機械であって、前記ケーシングにはステータとロータとが配置されており、ロータの回転軸線はほぼ水平に配置されていて、ケーシング内には冷却液が存在している形式のものに関する。

いわゆる、電気的機械の「内部液体冷却」は、ケーシングの外周面に管系を配置する外周面冷却に比べて、構造的および製造技術的に極めて手間がかからない。

内部空気冷却または外部空気冷却と比較して液体冷却は極めて効果的である。即ち液体冷却は、より大きな熱エネルギを導出できる。これにより、同じ出力で、電気的機械の構成体積を小さくする、または逆に同じ構成体積で電気的機械の負荷容量を高めることができる。

冒頭で述べた形式の電気的機械はＤＥ６９２０７７２２Ｔ２号明細書により公知である。この公知の電気モータでは、ロータとステータとの間のギャップが、軸方向で液圧流体によって貫流される。しかしながら「オイルの下で作動するロータ」を備えた電気的機械のこのような形式の冷却は、著しい撹拌損失（Planschverlust）が生じるという欠点を有している。さらに、電気的機械が非同期機として形成されている場合には、ロータとステータとの間のギャップが極めて狭いので熱の導出が困難になる。
ＤＥ６９２０７７２２Ｔ２号明細書

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の電気的機械を改善して、ロータ領域からの良好な熱導出と、撹拌損失の低減とが可能であるようにすることである。

この課題を解決するために本発明の構成では、ケーシングには部分的にしか冷却液が充填されておらず、少なくとも運転中に、ロータとステータとの間のギャップには冷却液が存在しておらず、少なくとも１つのロータ端面に、ロータからロータ端面を介して冷却液に熱を伝えるための手段が設けられているようにした。

本発明の思想は、即ち主として２つの措置の組み合わせから成っている。

第１の措置、即ち、電気的機械の、部分的にだけ充填されるケーシングにより、ロータは運転中に「液体冷却下」で運転されない。これにより、本発明による電気的機械の撹拌損失は減じられる。

第２の措置は、ロータの熱が所望のように単数又は複数のロータ端面に導出され、冷却液中に放出されることである。ロータはこの場合、熱的に問題の区域の領域で冷却される。この問題の区域はロータ端面に位置している。即ち、転がり軸受、軸シールリング、ステータ巻線ヘッド、ロータの導体の領域に位置している。

本発明による電気的機械のケーシング内に存在する冷却液の量に関しては、ロータの停止時に、ロータとステータとの間のギャップの下方領域全体が、冷却液によって充填される程度であって良い。この場合、ロータは半径方向下方に向かって冷却液溜まり内に突入する。運転中、即ちロータの回転中に、遠心作用によって冷却液がギャップから出されることが重要である。

ケーシング内に、機械の停止時にもギャップ内に冷却液がないように規定された冷却液量が設けられていても良い。従って冷却液の水位は、ギャップの下側に位置している。

いずれにしても、ロータとステータとの間のギャップには、少なくとも運転中（即ちロータの回転中）には冷却液が存在しない。このことは、撹拌損失を効果的に減じ、ひいては、内部液体冷却を行うこのような機械において公知の欠点をほぼ回避する。

熱をロータからロータ端面を介して冷却液へと導出させる、熱交換のために設けられた手段に関してはもっとも簡単な構成では、このために適した手段として、いずれにせよ設けられているロータ端面を利用するだけでよい。この場合、ロータとステータとの間のギャップで、ロータの停止中に下方の領域に冷却液が充填されていて、これによりロータは冷却液内に沈み込むことが前提である。

電気的機械における冷却液の水位は、ロータの回転中には、遠心力によりギャップ内に冷却液が存在しないが、ロータの端面は従来通り循環された冷却液によって湿されるように選択されている。この場合、ロータの端面の領域における冷却液は、回転するロータによって継続的に運動するように維持され、これによりロータ端面において局所的な循環流が生じる。従って、冷却液のギャップへの逆流は回避され、ロータ端面からは冷却液との接触により継続的に熱が導出される。

局所的な循環流の形成を簡単にするために、ロータ端面にそれぞれ１つの粗面化された表面が設けられていると有利である。これによりロータの回転時に冷却液は、ロータの端面から剥離され、流れ運動に変えられる。

本発明の構成により、ケーシングが所定の冷却液体積を有しているであるならば、冷却液が有している熱は電気的機械のケーシングを通って導出される。

ケーシングが冷却媒体回路に接続されていて、冷却媒体の水位を一定のレベルに調節するための手段が設けられていても良い。

この場合即ち、電気的機械のケーシングを通り抜けて流れる冷却液が使用される。この目的で、既存の冷却液回路、例えば、本発明による単数又は複数の電気的機械を備えている作業機械の液圧回路が利用される。液圧流体は、力の伝達（静圧式流体伝動装置）や、構成部分の潤滑のためだけではなく、冷却液としても利用される。

有利には、ケーシングに冷却液のための流入通路と流出通路とが設けられている。これにより最も簡単な手段により水位制御が可能である。この場合、流出通路の鉛直位置が、ケーシング内の冷却液の水位を規定する。

流出通路のケーシング側の開口が、ロータとステータとの間に配置されたギャップの下側に位置しているならば、機械の休止状態でも、ギャップに冷却液は存在しない。この場合、ロータ端面からの熱導出は、これから説明する付加的な措置なしには不可能である。

機械の休止状態において、ロータとステータとの間のギャップの部分的な充填が可能であるならば、導出通路の開口部は、比較的高い個所に位置決めすることができる。

ロータ端面の領域における冷却液への熱の伝達を行うために、本発明の有利な第１の構成によれば、ロータの両側に、それぞれ軸方向で、エンドシールドと隣接するロータ端面との間に、ロータに対して横方向にロータ端面にわたって延びる、冷却液の流れを生ぜしめるための手段が設けられており、該手段は少なくとも運転中に作用する。

この場合、即ち、ロータ端面の直接的な冷却は、冷却液の流れの経過により行われる。このような形式の内部液体冷却はとりわけ、冷却液が電気的機械のケーシングを貫流する構成、即ちケーシング内に所定の冷却液体積が存在しない構成との組み合わせのために適している。この場合、各ロータ端面の軸方向の領域でそれぞれ１つの流入通路および流出通路が配置されていてよい。これらは、ケーシングの上方もしくは下方に位置していて良く、この場合、冷却液は流入通路から流出通路へとロータ端面に沿って流れる。

勿論、ロータ端面を介して案内される冷却液流を別の適当な手段によって形成することも可能である。例えば、ロータ端面に向けられた案内板を有する、ロータまたは軸に結合された、冷却液溜まりに沈められる連行体（羽根車効果）によって形成することも可能である。

本発明の第２の有利な構成によれば、ロータの両側で、周面で冷却液に浸水するそれぞれ１つの端面プレートが、ロータ端面に面で固定されているかまたはこれに一体に成形されている。

有利にはアルミニウムから成る端面プレートは、ロータ端面との面での固定コンタクトまたはこれとの一体の構成を介して、熱をロータの導電棒から取り出し、この熱を冷却液を介して導出する。これによりロータはその内部で、空冷式の電気的機械における場合よりも良好に冷却される。空冷式では、ロータ端面の１つに、空気をかき回し、ロータの外面に沿って運動させる羽根ウエブが一体に鋳造されている。

休止状態で、ロータとステータとの間のギャップに冷却液が充填されていない電気的機械では、冷却液中に沈められた端面プレートが熱の導出を行う。何故ならば、ロータは冷却液溜まりに沈められていないので、ロータ端面自体は冷却液の水位の上側に位置しているからである。

休止状態で、ロータとステータとの間のギャップの下方領域に冷却液が充填されている電気的機械では、端面プレートによって、上述の端面プレートを有さない電気的機械の構成と同様に、機械の運転中、即ちロータの回転中（ひいては端面プレートの回転中）に冷却液がもはやギャップへと戻されない。このことは、冷却液溜まりに沈められた回転する端面プレートが、冷却液の局所的な循環流を生ぜしめ、これがギャップへ逆流するのを阻止することにより得られる。

端面プレートは、構造的および製造技術的に極めて簡単であるが、機能的には、ロータ端面から冷却液へと熱を間接的に導出するために極めて有効な手段である。

端面プレートの、ロータ端面に隣接した面に、半径方向ウエブが設けられているならば、端面プレートは、回転するロータの遠心力によりギャップから側方へ押し出される冷却液を半径方向で、ステータ巻線ヘッドの方向へ飛ばす、いわば遠心ポンプとして作用する。

本発明の有利な構成では、端面プレートが、隣接するステータ巻線ヘッドの内側の包絡線よりも大きな外径を有している。この場合、回転する端面プレートは冷却液溜まりへと進入する。この場合、ロータの熱が冷却液へと伝えられるだけではなく、さらにはケーシングの内面の回路軌道に沿った冷却液の流れが（羽根車のフィード効果と同様に）、形成される。

端面プレートを半径方向で取り囲む、ケーシングの内部領域に、ケーシングに半径方向で配置された少なくとも１つの孔が設けられており、該孔は少なくとも１つの冷却通路に接続されているならば、回転する端面プレートによって冷却液溜まりから圧送される冷却液は、冷却に関して特に臨界的な機械の所定の個所へと搬送される。

冷却液が潤滑特性も有している場合には、前記孔が、潤滑技術的に臨界的な単数又は複数の構成部分に通じる通路に接続されている。

端面プレートの記載した構成では、その外縁部がステータ巻線ヘッドに比較的近くに位置しているので渦電流損失の危険がある。本発明の有利な別の構成によればこれは、端面プレートが少なくとも半径方向外側の領域で、導電性でない材料、特にプラスチックから成っていることにより回避される。

本発明の有利な別の構成では、端面プレートが、隣接するステータ巻線ヘッドの内側の包絡線よりも小さな外径を有しており、軸方向で、ステータ巻線ヘッドの領域の内側に配置されている。これにより、ステータ巻線ヘッドは、半径方向内側から、端面プレートによって圧送された冷却液によって湿される。従って、ステータ巻線ヘッドにおける熱は全ての面で簡単な形式で冷却液によって導出される。

さらに、軸方向でステータ巻線ヘッドの手前に配置された「大きな」端面プレートと比較して、軸方向で僅かな寸法と僅かな渦電流損失とが得られる。何故ならば、端面プレートの外縁部は、ステータ巻線ヘッドの磁界の影響からは比較的離れているからである。

この構成形式（ステータ巻線ヘッドの内側の「小さな」端面プレート）では、ステータ巻線ヘッドが、流し込み成形された巻線ヘッドとして形成されている、及び／又は内側の包絡面の領域で、中空円筒状の射出成形シールドに面接触しているならば有利である。これにより、ステータ巻線ヘッドのワイヤのラッカ層が、常に冷却液流により剥離されることが防止される。射出成形シールドとステータ巻線ヘッドとの面接触により、さらに良好な冷却液への熱伝達は得られる。

冷却液がロータとステータとの間のギャップに逆流することを阻止するために、本発明の有利な別の構成では、ロータとステータとの間のギャップをシールするために、両ロータ端面の領域にそれぞれ少なくとも１つのラビリンスシールが設けられている。この場合、多数の配置の可能性が考えられる。

この場合、特に有利には、ステータの両側にそれぞれ、ステータ巻線ヘッドの内側の包絡線の領域で、ロータとステータとの間のギャップを軸方向で延長するスリーブが設けられており、このスリーブの、端面プレートに隣接する端部は、端面プレートに設けられた軸方向溝内に進入している。

この場合、前記軸方向溝が、端面プレートに配置された半径方向で作用する少なくとも１つの流出孔に接続されている。これにより、ロータとステータとの間のギャップ内に存在する冷却液は、遠心力の作用下で、ラビリンスシールの存在にも関わらず流出する。冷却液溜まりからは、端面プレートの回転時に冷却液がギャップに逆流することはない。

本発明によるラビリンスシールは、使用されるスライドスリーブ原理に基づき軸方向のずれに対して抵抗力がある。従って、端面プレートとロータとの間の軸方向の遊びを特別に狭める必要はない。

本発明のさらなる利点および詳細な説明は、以下に図面につき実施例を詳しく説明する。図面には、本発明による電気的機械の部分縦断面図が示されている。これは例えば、特に、三相非同期機または三相同期機の構成形式の作業機械（例えばフロア搬送装置）の走行モータとして形成されていて良い。

次に図面につき本発明の実施の形態を詳しく説明する。

ケーシング１には、両側にそれぞれ１つのステータ巻線ヘッド３を有したステータ２が固定されている。ステータ２の半径方向内側にはロータ４が配置されている。このロータ４は、端部でそれぞれエンドシールド６に回転可能に支承されている軸５に固定されている。

ロータ４の両側にはそれぞれロータ端面４ａに、端面プレート７が設けられている。この端面プレート７はこの実施例では、ロータ端面４ａに堅固にねじ締結されていて、ロータ端面に面接触している。端面プレート７が、ロータ４もしくはロータ４のロータ端面４ａが位置している構成部分と一体に形成されていても良い。

端面プレート７は側方で、ステータ巻線ヘッド３に接続されていて、ステータ巻線ヘッド３の内側の包絡線よりも大きな外径を有している。ステータ巻線ヘッド３の半径方向下側にはスリーブ８が配置されている。このスリーブ８は、ステータ２と、ひいてはロータ４とステータ２との間の環状のギャップ９を軸方向に延長している。スリーブ８のステータ２とは離れた側の端部は、端面プレート７の軸方向溝７ａに進入している。これによりこの領域で、ラビリンスシールＬが形成されている。軸方向溝７ａの外側の領域では、半径方向に作用する流出孔７ｂが端面プレート７に設けられている。

本発明によれば、ケーシング１には部分的にしか冷却液、例えば液圧オイルが充填されていない。この場合、冷却液の量は、冷却液の水位Ｐ１（一点鎖線）が、機械の静止時にもギャップ９の下側に位置するように決められていてよい。しかしながらこの場合、水位Ｐ１は、ロータ４と、ひいては端面プレート７が回転している場合（機械の運転中）でも、端面プレート７が冷却液内に進入するような高さである。これにより、有利にはアルミニウムから成る端面プレート７は、機械の運転中に、ロータ端面４ａとの面接触に基づき端面プレート７に伝えられるロータ４で発生する熱を冷却液に放出することができる。

しかしながら、冷却液の量を、機械の静止時に、ギャップの下方領域に冷却液が充填されるような水位Ｐ２となるように決めることもできる。この場合、機械の運転中にはロータ４により冷却液に与えられる遠心作用に基づき、ギャップ９がまず最初にいわば「空になるように排出」される。この場合、冷却液は側方でギャップ９からラビリンスシールＬの領域へと流れ、このラビリンスシールＬの領域から、軸方向で端面プレート７と軸受シールド６との間の領域に流れる。回転する端面プレート７は、冷却液の局所的な回路流の形成により、ラビリンスシールＬと流出孔７ｂとの接続状態で、冷却液がギャップ９へ戻ることを回避する。

これら両者において重要であるのは、機械の運転中にギャップ９が空であるので、ここに撹拌損失が生じないことである。同時に、回転する端面プレート７が冷却液に沈み込むことにより、ロータ４からの熱放出が保証される。

ケーシング１内の冷却液は、生じる熱エネルギをケーシング１に放出する所定の量である。このケーシング１はさらに周囲の空気によって冷却される。この場合、端面プレート７が少なくとも冷却液の一部を冷却液溜まり（水位Ｐ１もしくはＰ２の下側）から、ケーシング１の内壁に沿った環状の流れに変えて、これにより回転する端面プレート７の領域における冷却液に含まれる熱が大面積でケーシング１へと伝えられると有利である。

既存の冷却液回路流、例えば作業機械の液圧回路流からの冷却液を使用することもでき、この冷却液はケーシング１を通って流れる。この場合、ケーシング１には冷却液のための流入通路と流出通路とが設けられている。

冷却液の水位の調節は、流入通路と流出通路の位置により行うことができる。流出通路の開口がロータ４とステータ２との間に配置されたギャップ９の下側に位置しているならば、ギャップ９には機械の静止状態でも冷却液は存在しない。しかしながら流出通路の開口は、機械の静止状態でロータ４とステータ２との間のギャップ９の部分的な充填が可能であるならば、比較的高い位置に配置されていても良い。勿論、水位の調節のために、冷却液をケーシングから、例えばベンチュリ吸引によって吐出することもできる。

本発明による電気的機械の部分縦断面図である

符号の説明

１ ケーシング、 ２ ステータ、 ３ ステータ巻線ヘッド、 ４ ロータ、 ４ａ ロータ端面、 ５ 軸、 ６ エンドシールド、 ７ 端面プレート、 ７ａ 横方向溝、 ７ｂ 流出孔、 ８ スリーブ、 ９ ギャップ、 Ｌ ラビリンスシール、 Ｐ１，Ｐ２ 水位

Claims (17)

1. ケーシングを備えた電気的機械であって、前記ケーシングにはステータとロータとが配置されており、ロータの回転軸線はほぼ水平に配置されていて、ケーシング内には冷却液が存在している形式のものにおいて、
   ケーシング（１）には部分的にしか冷却液が充填されておらず、少なくとも運転中に、ロータ（４）とステータ（２）との間のギャップ（９）には冷却液が存在しておらず、少なくとも１つのロータ端面（４ａ）に、ロータ（４）からロータ端面（４ａ）を介して冷却液に熱を伝えるための手段が設けられていることを特徴とする電気的機械。
2. ケーシング（１）が所定の冷却液体積を有している、請求項１記載の電気的機械。
3. ケーシング（１）が冷却媒体回路に接続されていて、冷却媒体の水位を一定のレベルに調節するための手段が設けられている、請求項１記載の電気的機械。
4. ケーシング（１）に冷却液のための流入通路と流出通路とが設けられている、請求項３記載の電気的機械。
5. 流出通路のケーシング側の開口が、ロータとステータとの間に配置されたギャップの下側に位置している、請求項４記載の電気的機械。
6. ロータ（４）の両側に、それぞれ軸方向で、エンドシールド（６）と隣接するロータ端面（４ａ）との間に、ロータ（４）に対して横方向にロータ端面（４ａ）にわたって延びる、冷却液の流れを生ぜしめるための手段が設けられており、該手段は少なくとも運転中に作用する、請求項１から５までのいずれか１項記載の電気的機械。
7. ロータ（４）の両側で、周面で冷却液に浸水するそれぞれ１つの端面プレート（７）が、ロータ端面（４ａ）に面で固定されているかまたはこれに一体に成形されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気的機械。
8. 端面プレート（７）の、ロータ端面（４ａ）に隣接した面に、半径方向ウエブが設けられている、請求項７記載の電気的機械。
9. 端面プレート（７）が、隣接するステータ巻線ヘッド（３）の内側の包絡線よりも大きな外径を有している、請求項７又は８記載の電気的機械。
10. 端面プレート（７）を半径方向で取り囲む、ケーシング（１）の内部領域に、ケーシング（１）に半径方向で配置された少なくとも１つの孔が設けられており、該孔は少なくとも１つの冷却通路に接続されている、請求項９記載の電気的機械。
11. 前記孔が、潤滑技術的に臨界的な単数又は複数の構成部分に通じる通路に接続されている、請求項１０記載の電気的機械。
12. 端面プレート（７）が少なくとも半径方向外側の領域で、導電性でない材料、特にプラスチックから成っている、請求項７から１１までのいずれか１項記載の電気的機械。
13. 端面プレート（７）が、隣接するステータ巻線ヘッド（３）の内側の包絡線よりも小さな外径を有しており、軸方向で、ステータ巻線ヘッド（３）の領域の内側に配置されている、請求項７又は８記載の電気的機械。
14. ステータ巻線ヘッド（３）が、流し込み成形された巻線ヘッドとして形成されている、及び／又は内側の包絡面の領域で、中空円筒状の射出成形シールドに面接触している、請求項１３記載の電気的機械。
15. ロータ（４）とステータ（２）との間のギャップ（９）をシールするために、両ロータ端面（４ａ）の領域にそれぞれ少なくとも１つのラビリンスシール（Ｌ）が設けられている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の電気的機械。
16. ステータ（２）の両側にそれぞれ、ステータ巻線ヘッド（３）の内側の包絡線の領域で、ロータ（４）とステータ（２）との間のギャップ（９）を軸方向で延長するスリーブ（８）が設けられており、このスリーブの、端面プレート（７）に隣接する端部は、端面プレート（７）に設けられた軸方向溝（７ａ）内に進入している、請求項１５記載の電気的機械。
17. 前記軸方向溝（７ａ）が、端面プレート（７）に配置された半径方向で作用する少なくとも１つの流出孔（７ｂ）に接続されている、請求項１６記載の電気的機械。

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