JP2005504493A - 流体冷却型電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、ステータコイル及び／又はロータコイルを備えた、ステータとロータとが配列されたハウジングを有する、流体冷却型電気機械に関する。該流体冷却型電気機械が、その周囲に配置された冷却装置と熱伝導可能に接続され、かつ電力制御装置へ接続されている。該電力制御装置がいくつかのモジュールに分割されていて、該モジュール各々が該ステータコイル及び／又はロータコイルの少なくとも一つへ電気的に接続されており、該モジュールが、該流体冷却型電気機械の周囲に分散配置され、かつ該冷却装置の外側にあるいは内側に、放射状に配置され熱的に接続されている。

Description

【技術分野】
【０００１】
発明の背景
本発明は、ハウジングを備えた流体冷却型電気機械に関するものであって、そのハウジングには、ステータコイル及び／又はロータコイルを備えた、ステータ及びロータが配列されている。流体冷却型電気機械は、その周囲に配置された冷却装置へ熱伝導可能に接続されていて、かつ電力制御装置へ接続されている。流体冷却型電気機械が、用途分野に応じて、オイルあるいは水により冷却されていて、流体はポンプにより循環されており、ポンプは電気機械自身により又は独立した駆動装置により駆動されている。
【０００２】
用語の定義
用語“電気機械”は内部ロータ又は外部ステータ形式の電気的回転機械を意味している。電気機械は電動モータ及び発電機であってもよい。本発明は、あらゆるタイプ（同期機、非同期機及び磁気抵抗機、永久励起機あるいは同様なもの）の回転機械に適用される。
【背景技術】
【０００３】
従来技術
従来技術において、周波数変換器を用いて電気機械、とくに交番磁界機を運転することは公知である。通常これらの周波数変換器は、電気機械の位相数に等しい数の、コントロールエレクトロニクスから制御信号を供給されるハーフブリッジ装置を含んでいる。従って、電気機械がモータとして、又は発電機として運転されるかに応じて、電力は、回転速度及び必要トルクのために電気機械へ供給されるか、又は電力は、電気機械から取り出され、消費者に必要とされる量と位相状態に変換されるかのどちらかである。周波数変換器は、電気機械から独立に配置され、かつ外相電力ケーブルを介して電気機械へ接続されている。
【０００４】
電気機械用の電力用エレクトロニクスの配置構成は特許文献１に開示されている。その概念は、エレクトロニクスをヒート−バスクーラに配置することであって、電力供給、制御エレクトロニクス用制御信号等は、カプセルのベースにおける中央開口部を介して、圧力密閉形密封装置へ供給されている。
【０００５】
特許文献２は、コンバータを介して供給された電気駆動モータを備えた自動車用駆動装置を開示している。駆動モータのハウジングに取り付けられた冷却管が、駆動モータの外周囲に配置されている。コンバータのコンポーネントは、二つのアセンブリに分割され、各々が駆動モータのハウジングに独立的に配置され、各々は、これらの冷却管に取りつけたベースプレートを介して駆動モータの冷却管へ熱伝導可能に接続されている。
【０００６】
特許文献３は、二つのステータ巻線を備えた、流体冷却型発電機を開示している。各々の巻線はそれ自身の整流器ブロックへ接続されている。
【０００７】
特許文献４は電気自動車の電気モータを制御するための制御装置を開示していて、その制御装置において、ハウジングボデーと一体化された機能ユニットが、独立した機能モジュールとして構成され、かつ機能的にも空間的にもお互いに独立している。
【０００８】
特許文献５は、一つ以上の、半ブリッジあるいは完全ブリッジ形状の、お互いにモジュラー様式に作られた数個の半導体要素を備えた流体冷却型電力用トランジスタ装置を開示している。
【０００９】
特許文献６が、冷却装置を備えた、自動車用交流発電機を開示していて、冷却装置は冷却剤循環通路を有していて、その循環通路は、内部に流体通路を、外部に冷却剤を供給することができる。循環通路の外面に配列されているのは、整流器及び電圧調整器である。
【００１０】
特許文献７が、自動車用交流発電機を開示していて、交流発電機は、冷却剤用の供給ラインと出口ラインとを備えたサンプの内部に配置されたハウジングを有している。ハウジングカバーが冷却剤用の開口部を有していて、整流器及びレギュレータが、カバーの外部に開口部に対向して取りつけられている。
【００１１】
特許文献８が電気機械を開示していて、その巻線は流体冷却装置に接触している熱交換器の中にある。流体冷却装置は、冷却チャンネルにおいて冷却剤の強制流を発生していて、その冷却チャンネルは巻線と共に一つのアセンブリになっている。
【００１２】
これらにおける問題は、電気機械と周波数変換器との間の電線による、配線の複雑さ及び必要とされる電磁遮へいである。周波数変換器側と電気機械側との両者における、著しい数のプラグコネクタの必要性もある。周波数変換器の電力用エレクトロニクスの冷却も必要とされる。さらなる問題は、そのような密閉形周波数変換器を、圧力密閉カプセルを開くことなく補修することが、不可能なことである。カプセルのシーリングは著しい労力を必要としている。マイナーな欠点ではあるが、密閉形周波数変換器は、全体として交換されねばならない。
【特許文献１】
独国特許出願公開第４２３０５１０号明細書
【特許文献２】
独国特許出願公開第４３１１５１８号明細書
【特許文献３】
独国特許出願公開第３９４１４７４号明細書
【特許文献４】
独国特許第１９６４５６３５号明細書
【特許文献５】
独国特許出願公開第４２１７２８９号明細書
【特許文献６】
独国特許出願公開第４０３８６６３号明細書
【特許文献７】
独国特許出願公開第４１３１４６３号明細書
【特許文献８】
独国特許出願公開第４２４４７２１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的
本発明の目的は、前述の欠点がなく、安価に生産することができて、さらに信頼のおける運転が可能なタイプの電気機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明による解決方法
本発明による解決方法は、ステータコイル及び／又はロータコイルを備えた、ステータとロータとが配列されたハウジングを有する、流体冷却型電気機械であって；該流体冷却型電気機械が、その周囲に配置された冷却装置と熱伝導可能に接続され、かつ電力制御装置へ接続されている。該電力制御装置がいくつかのモジュールに分割されていて、該モジュール各々が該ステータコイル及び／又はロータコイルの少なくとも一つの電気的に接続されており、該モジュールが、該流体冷却型電気機械の周囲に分散配置され、かつ該冷却装置の外側にあるいは内側に、放射状に配置され熱的に接続されている。
【００１５】
内部ロータ機械のために、冷却装置が電気機械の外周囲に配置されていて、電力制御装置のモジュールは、冷却装置の外部に放射状に配列されている。外部ロータ機械のために、内部のステータ及びそのコイルが内部（円筒状リング）の冷却装置により冷却されていて、モジュールは、冷却装置の内周囲に配列されている。冷却装置は、そこを通過する流体チャンネルを有している。これらの流体チャンネルは、電気機械をヘリカル状に囲んでいるか、あるいは電気機械の回転軸とほぼ同軸に通っているかである。
【００１６】
冷却装置は、自身の外壁面又は内壁面に少なくとも流体チャンネルへ達する、少なくとも一つの開口部を有していて、電力制御装置のモジュールの一つに配置された冷却要素が開口部の中へ突出している。冷却要素は、例えばリブ、ウェブ又はピンとして形成されている。
【００１７】
電気機械のための電力制御用エレクトロニクスを分離して、配置し冷却するかわりに、本発明による解決方法は、いかにして、電気機械と電力制御用エレクトロニクスとを一体化し、かつそれらを同一の冷却装置で冷却するかについて説明している。このことはスペース及びコストに著しく有役なことである。どのような補修が必要となったにしても、単に、一つあるいは数個の損傷したモジュールと、一部の電力制御用エレクトロニクスとを交換することは、非常に簡単で低コストである。さらに、本発明は、電磁気的放射干渉の遮へいの著しい低減を可能にしている。というのは、高周波数において電力を導電している電線が、従来の−分離−配置に比較して著しく短縮されているからである。さらに回路の複雑さも著しく低減されている。というのは、従来電気機械に使用されていた分相器レールが省かれたからである。
【００１８】
冷却装置は、製作時に電気機械のハウジングに一体化されていてもよい。このことは、例えば鋳鉄のハウジングを用いることにより比較的容易に可能なものとなる。というのは、流体チャンネルを備えた冷却装置は、ハウジング壁面の中に容易に鋳造することができるからである。とくに、電気機械が自動車における補助的駆動装置として使用される場合、−３５℃／＋１０５℃の範囲の運転温度が保証されねばならないので、好ましくは、冷却装置に一体化されたステータ支持部が鉄から作られている。
【００１９】
電気機械と電力制御装置のモジュールとの両者からの熱放散を改善するために、流体チャンネルの中へ突出している冷却要素は、流体チャンネルを流れている流体に乱流を発生するようになっている。このことは、例えば、流体流れに直交的に配列されたバッフルプレート、又はお互いに対面してあるいは対面せずに配向された偏流羽根、又は同様なものにより達成される。
【００２０】
電力制御モジュールにおける出力半導体（MOS-FETs，IGBTs，Schottky diodes等）の、すぐれた電気的絶縁と同時にすぐれた熱的接続とのために、流体チャンネルへ及び／又はモジュールカバーへ突出している冷却要素は、非鉄金属、好ましくは銅あるいはアルミニウムを含んでいる材料、又はセラミック、好ましくはアルミニウム合金、及び／又は炭化ケイ素を含んでいる材料で作られている。材料の組合せは、冷却剤ケーシング及び／又は冷却剤に対して絶縁が可能なように選択されるべきである。特に利点のある実施態様において、流体チャンネルへ及び／又はモジュールカバーへ突出している流体チャンネルは、片面又は両面が、金属、例えば銅で塗膜されたセラミック材料で作られていて、その金属に冷却ラグが取りつけられるか、又は形成されている。
【００２１】
モジュールに配置された電力制御装置コンポーネントを、最短でステータコイル及び／又はロータコイルへ接続するために、電線が、ハウジング内にほぼ放射状に配線されていて、ステータコイル及び／又はロータコイルからそれぞれの電力制御装置のモジュールへ接続している。
【００２２】
さらに、ハウジングの中あるいは上に、電線が、ほぼ周囲に沿って配線されていて、個々の電力制御モジュールを接続している。従って、第一に制御信号が、第二に必要な電力が、モジュールへ分配され（モータ運転の場合）、又は個々のモジュールから取り出される（発電モードの場合）。
【００２３】
図面は、変更可能な実施態様における本発明の詳細を図示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１における流体冷却型電気機械は、内部ローターマシンとして形成された回転磁場マシンである。本機械はステータ１２と、エアーギャップ１４により隔てられた、シャフト１８を備えたロータ１６が配列されたハウジング１０を有している。ステータ１２は、お互いに積層されたプレートにより形成されていて、さらにステータコイル２２を保持するために内周面に向かって開いている溝２０を有している。
【００２５】
ロータ１６も、お互いに積層されたプレートにより形成されていて、さらにロータの外周囲に沿って等間隔で配列された、シャフト１８に同軸な短絡ケージのロッド２４を有している。
【００２６】
ハウジング１０が外側面にほぼ放射状のウェブ２６を有していて、そのウェブ２６は、ハウジング１０の外側面とケーシング２８と共に冷却装置３０を形成している。この冷却装置３０はシャフト１８と同軸に配向された冷却チャンネル３２を有している。電気機械あるいはそのステータ１２は、ハウジング１０の外側面を介して冷却装置３０の冷却チャンネル３２へ熱的に接続されている。冷却装置３０の冷却チャンネル３２には、水又はオイルが、熱交換器（図示されていない）の中を循環し、電気機械から放射された熱エネルギを周囲へ放散している。
【００２７】
冷却装置３０のケーシング２８はいくつかの開口部３４を有していて、開口部３４各々から、電力制御装置のモジュール３６が突出している。各モジュール３６は、ほぼ放射状に配線された電線３８によりステータコイル２２の一つへ電気的に接続されている。
【００２８】
モジュール３６が、電気機械の外周に、開口部に対応して配列されていて、さらに冷却チャンネル３２の中へ突出している冷却要素４０を介して冷却装置３０へ熱的に接続されている。電力制御モジュール３６と電気機械とからの熱放散を改善するために、冷却要素４０は、流体チャンネル３２内部を流れる水又はオイルに乱流を発生するようになっている。冷却要素４０がウェブ４０ａを有していて、そのウェブ４０ａは、流体チャンネル３２を放射状に横切って、ハウジング１０の外壁面を貫通し、開口部１０ａの中をステータ１２又はそれぞれのステータコイル２２まで延伸している。ウェブ４０ａの中で、電線３８がモジュール３６からそれぞれのステータコイル２２へガイドされている。代りに、電線３８が冷却装置３０のあるウェブ２６の中で、モジュール３６からそれぞれのステータコイル２２へガイドされていてもよい。
【００２９】
電力制御装置のモジュール３６は、ほぼ立方形状であって、外部カバー４４と冷却要素４０との間にエレクトロニクス含入出力半導体４６を有している。熱損失を生じる出力半導体４６は、冷却要素４０へ熱的に接続されている。
【００３０】
モジュール４０のカバー４４は銅あるいはアルミニウムを含有した材料で作られていて、冷却要素４０は酸化アルミニウム、窒化アルミニウム又は炭化ケイ素で作られている。
【００３１】
コントロールエレクトロニクスの作動の協調のためと、それぞれの電力制御装置のモジュール３６を共に接続のためとに、ハウジング１０の外壁面とケーシング２８との間には、ほぼ周囲に沿って、電力と制御信号との供給あるいはアウトプット用の電線５０が配線されている。
【００３２】
電線３８，５０の各通路はシールされているが、これ以上詳述はしない。同様に、ケーシング２８の開口部３４における冷却要素４０の接触面は対応するシールが取りつけられている。
【００３３】
図面は、単に本発明の原理を例示しかつ説明するものであって；本発明の実施態様における寸法及びプロポーションが図面と異なっていてもよいことは、理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本発明における流体冷却型電気機械の概略断面図である。

Claims (5)

1. ステータコイル及び／又はロータコイル（２２，２４）を備えた、ステータ（１２）とロータ（１６）とが配列されたハウジング（１０）を有する、流体冷却型電気機械であって；
   該流体冷却型電気機械が、その周囲に配置された冷却装置（３０）と熱伝導可能に接続され、かつ電力制御装置へ接続されていて；該電力制御装置がいくつかのモジュール（３６）に分割されていて、該モジュール（３６）各々が該ステータコイル及び／又はロータコイル（２２，２４）の少なくとも一つへ電気的に接続されており、該モジュール（３６）が、該流体冷却型電気機械の周囲に分散配置され、かつ該冷却装置（３０）の外側にあるいは内側に、放射状に配置され熱的に接続されており；流体チャンネル（３２）が該冷却装置（３０）を貫通している；流体冷却型電気機械において；
   該冷却装置（３０）は、その内壁面あるいは外壁面に、少なくとも一つの該流体チャンネル（３２）用の、開口部（３４）の少なくとも一つを有していて、該流体チャンネル（３２）の開口部に、該モジュール（３６）の一つに取りつけられた冷却要素（４０）が突出していることを特徴とする、流体冷却型電気機械。
2. 該流体チャンネル（３２）に突出している該冷却要素（４０）が、該流体チャンネル（３２）を流れている流体に乱流を発生するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の流体冷却型電気機械。
3. 該流体チャンネル（３２）に突出している該冷却要素（４０）及び／又は該モジュール（３６）のカバー（４４）が、非鉄金属、好ましくは銅のあるいはアルミニウムの含有材料、又はセラミック、好ましくは酸化アルミニウム及び／又は窒化アルミニウム及び／又は炭化ケイ素含有材料で作られていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の流体冷却型電気機械。
4. ステータコイル及び／又はロータコイル（２２，２４）と、該電力制御装置の該それぞれのモジュール（３６）とを接続する電線（３８）が、ハウジング（１０）の中にほぼ放射状に配線されていることを特徴とする、請求項１−３のいずれか一項に記載の流体冷却型電気機械。
5. 該ハウジング（１０）の中又は上に、電線（５０）が、該電力制御装置の該それぞれのモジュール（３６）を一体に接続してかつほぼそれらの周囲に沿って配線されていることを特徴とする、請求項１−４のいずれか一項に記載の流体冷却型電気機械。