JP2007510395A - 電動機または発電機のための改良された冷却器 - Google Patents

Abstract

ハウジングいわゆる“スロットレス”管状固定子積層(4)、永久磁石を有する回転子(2)、固定子積層(4)と回転子(2)との間に備えられた巻線(25、26)から成る電動機または発電機の改良された冷却器であって、
固定子積層(4)と回転子(2)との間に備えられたクーラー(6)を有し、巻線(25、26)がこのクーラー(6)上に備えられる、
ことを特徴とする改良された冷却器である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機または発電機、より詳しくはいわゆる“スロットレス”永久磁石電動機または発電機の改良された冷却器に関する。

公知のように、そのような“スロットレス”永久磁石電動機または発電機は、主として、ハウジングと、滑らかな内壁を有する前記ハウジング内のいわゆる“スロットレス”環状固定子積層であってその内部またはそのまわりに巻かれた巻線を有する環状固定子積層と、永久磁石を備えた回転子とから成る。

内部を通って冷却流体が流れる、固定子の外側に備えられた冷却ジャケットから成る冷却器を備えた前記電動機および発電機は、すでに公知である。

そのような公知の固定子の欠点は、しばしば回転子の冷却が不十分である、ということである。

やはり公知のように、“スロットレス”永久磁石電動機または発電機は、しばしば、空冷装置が備えられ、その場合、外部ファンによって、または回転子に取りつけられたある型のスクリューもしくはブレードによって、空気が固定子の巻線ヘッドに吹きつけられる。

空冷のこの原理は、固定子の各端のすべての巻線ヘッドに対して使用でき、回転子と固定子との間の空隙によって、固定子の一端の巻線ヘッドから固定子の他端の巻線ヘッドまでの空気流を実現し、また同様に、前記空隙において固定子の中央から、両端の巻線ヘッド空隙までの軸方向への空気流を実現し、回転子軸と巻線ヘッドとを冷却するために、使用される。

冷却媒体としては、空気の代わりに他の気体を使用できるということも公知である。

空気その他の冷却気体によるそのような冷却の欠点は、どの冷却気体の場合にも、ほこりのない、または湿気のない運転のために、完全に閉じた電動機を作るのが非常に難しいということである。

たとえば、WO 01/35513号公報およびUS 5,304,883号明細書に記載の特殊なやり方では、固定子巻線の直接油冷が行われる。この場合、固定子巻線の電流が流れている導線が油と直接に接触し、その結果、短絡の危険性がある。

回転子内から直接冷却されるようにするのも公知の電動機構造の一つであるが、複雑で費用がかかる。

いわゆる“表面取りつけ”型の高速、高出力の永久磁石電動機または発電機の場合、磁石は、回転子軸に取りつけられて、管によって回転子軸上に保持される。該管は、大回転速度における遠心力を吸収するためのものであって、金属またはカーボンファイバーで作られている。また、前記管には、磁石のまわりにおいて大きなプレストレスが与えられ、トルクが最大回転速度でも伝達されうるようにされる。

高速で運転するように設計されたそのような電動機または発電機は、いつでも、特に機械的また回転子力学的観点から、できるだけ小さくされる。その結果、固定子のエネルギー密度が問題を生じ、特別な冷却対策が必要になりうる。というのは、固定子が熱くなりすぎるので、回転子の好ましくない温度上昇がもたらされうるからである。固定子が熱くなりすぎ、したがって空隙内の空気が熱くなりすぎると、回転子からこの熱を除去するのがより難しくなり、回転子が固定子によってさらに加熱されることもありうる。特に、磁石を回転子上に保持している前記管がカーボンファイバー製である場合には、回転子の加熱が大損害を与える結果をもたらしうる。

いくつかの公知の永久磁石電動機および発電機は、さらに回転子の追加冷却が必要となる。この追加冷却は、たとえば、固定子と回転子との間の空隙による空冷、または軸内からの空冷によって実現することができる。以上のような欠点をすべて除去するためには、通常、複雑、高価、かつ相当に大きな冷却回路が必要である。また、完全に閉じた永久磁石電動機または発電機は、簡単なやり方では具体化できず、またそのような電動機または発電機の費用価格は、通常、非常に大きくなる。

公知の永久磁石電動機または発電機のもう一つの主要欠点は、たとえば、前記WO 01/35513号公報およびUS 5,304,883号明細書に記載のものの場合におけるように、巻線の作りつけに非常に手間と時間と費用がかかるということである。というのは、この場合、“スロットレス”固定子積層が歯のない滑らかな内壁を有し、従来の固定子積層を有する電動機または発電機の場合と同様に、この内壁に巻線を巻かなければならないからである。

本発明の目的は、前記その他の欠点を除去することである。

この目的に応じて、本発明は、
ハウジングいわゆる“スロットレス”管状固定子積層、永久磁石を有する回転子、固定子積層と回転子との間に備えられた巻線から成る電動機または発電機の改良された冷却器であって、
固定子積層と回転子との間に備えられたクーラーを有し、巻線がこのクーラー上に備えられる、
ことを特徴とする改良された冷却器、
に関する。

本発明による前記電動機または発電機の利点は、冷却が回転子と固定子巻線との直近で行われ、その結果、磁石と該磁石を回転子上に保持する管とを有する回転子と、固定子巻線との非常に効率的な冷却が行われる。

もう一つの利点は、そのような内部冷却器を備えた電動機または発電機は、外部冷却ジャケットを備えた同程度の出力の公知の電動機または発電機よりもコンパクトにできる、ということである。

もう一つの利点は、冷却器が固定子の内部に備えられるので、そのような固定子は、たとえばほこりっぽく湿った環境下、あるいは可燃性または腐食性のガスを含む環境下で使用される密閉電動機または発電機において使用することができる、ということである。

前記クーラーは、好ましくは、回転子の方向に向いた半径方向の歯を有し、これらの歯は固定子の軸方向に延びて、これらの歯の間に軸方向に配置された溝が定められ、前記クーラーが通常の固定子積層の外形を有するようになっている。

そのようなクーラーの利点は、前記巻線を非常に簡単なやり方で、前記溝内において、前記歯のまわりに備えることができ、より詳しくは、歯を有する固定子積層を備えた通常の非同期または同期電動機および発電機の場合と同じやり方で備えることができる、ということである。

これと関係のある利点は、前記固定子を低費用で製造することができ、さらにまた通常の電動機および発電機に使用される公知の完全自動巻線技術を使用することによって容易に連続生産することができる、ということである。

もう一つの利点は、そのようなクーラーは、自動工程、たとえば押出し、ダイカスト、立体リソグラフィ、その他によって製造することもできる、ということである。

以下、本発明の特徴をさらに詳しく説明するために、本発明による改良された冷却器を備えた電動機または発電機の好ましい実施形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。これらの実施形態は単なる例であり、本発明を限定するものではない。

図１〜５は、本発明による改良された冷却器を備えた電動機または発電機の固定子1を示す。ここで、この電動機または発電機は、より詳しくは、永久磁石を有する回転子2を備えたタイプのものであり、この回転子2は、簡明なように、図２および３に、鎖線で模式的に示す。

この場合、固定子1は、管状ハウジング3から成り、該ハウジングには、大体において滑らかな内壁5、すなわちはっきりした溝または歯を有しない内壁5を有する環状固定子積層4が備えられている。

固定子積層4と回転子2との間には、クーラー6が備えられ、該クーラー内を、冷却流体を通すことができる。該クーラーは、主として冷却要素7から成り、該要素は、一端で出口捕集器8に接続され、他端で入口捕集器9に接続されている。

冷却要素7は、外径が固定子積層4の内径に一致する外側円筒管10と、内側波形管11とを有する二重壁管から成る。波形管11の波形は、回転子の方向に向いた半径方向の歯12を形成するようになっている。該歯は、軸方向に延びており、該歯の間に軸方向に配置された溝13が定められている。

前記歯12と溝13とは、好ましくは、冷却要素7の内周に沿って等間隔に配置される。

外側管10と内側管11とは、隔壁14によって相互連結されており、該隔壁は、外側管および内側管10、11とともに、冷却流体のための流路15を形成する。

ここに示す例では、冷却要素7は、固定子積層4とちょうど同じ長さである。

出口捕集器8および入口捕集器9は、環状要素から成り、該要素は、ハウジング3内の固定子1の一端に固定子積層4に対向するように備えられた円筒形外壁16、冷却要素7の波形内管11に対向して該内管の延長部となっている波形内壁17、前記外壁16を内壁17に連結する密閉壁18、および側壁19からなっている。側壁19は、冷却要素7の一端に、軸方向に連結されており、また前記流路15において部分的に開口している。

出口捕集器8の前記外壁16には、ハウジング3の出口開口21に対向配置された開口20が備えられ、また、入口捕集器9の外壁16には、ハウジング3の入口開口23に対向配置された開口22が備えられている。この出口および入口開口21、23は、図には示さない冷却回路への接続のために備えられている。

この例の場合、クーラー6の溝13の壁は、スロット絶縁材と呼ばれる電気絶縁性の膜または層24によって被覆されている。

クーラー6の歯12のまわりには、前記溝13内に延びる軸方向部分25を有する巻線が備えられ、該巻線は、クーラー6の両端に湾曲部分26を有している。これらの湾曲部分は、図１に破線で模式的に示されているが、これらの部分は、固定子1の前記両端で、公知のやり方により、いわゆる環状巻線ヘッド27となるように束ねられるか、または縛られている。

前記巻線25、26は、クーラー6の歯の付いた構造のために、巻線が備えられている歯と溝を有する固定子積層を備えた公知の従来の電動機および発電機の場合と同じやり方で、巻くことができる。

このようにして、本発明による固定子1の巻線に対しては、従来の同期および非同期電動機および発電機の自動巻線に対してしか使用可能でなかった装置を使用することができる。

明らかに、本発明の場合に、クーラー6の溝13に巻線25、26を備えることは、従来の溝のない滑らかな内壁を有する固定子積層を備えたタイプの固定子の場合に可能であったことに比して、ずっと簡単である。

固定子1の両端は、好ましくは、熱伝導性で電気絶縁性のペースト28、たとえばエポキシまたはシリコーンを基剤とするペーストを巻線ヘッド27上およびクーラーに対して流し込むことによって、密閉する。この場合、たとえば固定子の内側にぴったりはまる管が固定子内に配置され、熱伝導性ペーストがハウジングの高さに等しい高さまで流し込まれる。ペースト28は、出口捕集器8および入口捕集器9の密閉壁18と両端の巻線ヘッド27とに接触する。

クーラー6も、好ましくは、熱伝導性で電気絶縁性の材料で作る。

電動機または発電機に使用する、本発明の改良された冷却器を備えた固定子1の使用と動作の仕方とは、公知のもののそれと似ているが、違いは、本発明の場合、固定子1が、ハウジングの出口および入口開口21、23によって外部冷却回路に接続されており、その結果、冷却流体が出口捕集器8を通り、冷却要素7内の流路15を通って、入口捕集器9に流れる、ということである。

その結果、固定子1と固定子1の巻線25、26とが直接冷却される一方、回転子2のまわりの領域と、固定子1と回転子2との間の空隙内の空気とが間接的に冷却される。これは温度に対して好ましい効果を有し、長い寿命を保証する。密閉式電動機の場合、このアイデアは、当該電動機または発電機の具体化が実行可能であるか実行不可能であるかを決定しうるほどのものである。

明らかに、電動機または発電機の内部は、“外部の世界”とは接触しない。空気を吸い込んで巻線ヘッドの周囲または空隙内に吹きつける必要がないからである。電動機ハウジングは、ここには示さない支持板上に密閉されており、ハウジングは前記のようにして電動機を完全に密閉している。

その結果、本発明による前記電動機または発電機は、ほこりっぽい環境および湿気のある環境で何の問題もなく使用することができる。

図６〜８は、本発明による改良された冷却器を備えた電動機または発電機の変形実施形態を示す。これは、前記のものと類似の構成を有するが、クーラー6の作りが異なっている。

この場合、クーラー6の冷却要素7は、一連の、軸方向に向いた管29から成り、これらの管は、固定子積層4から一定の距離に、等間隔に配置されており、またこれらの管は、固定子積層4に取りつけられた二つの環状フランジ30の間に保持されている。

フランジ30には、前記管29の各端に対向する流路31が備えられ、またフランジ30の内部へりには、溝32が備えられ、該溝は等間隔に配置されている半径方向内側に向いた歯33によって限られている。

管29は溝32の間を軸方向に延びており、冷却流体のための流路15を形成している。

巻線25、26が、溝32内に備えられ、軸方向部分25を有している。

また、冷却要素7は、熱伝導性で好ましくは電気絶縁性の充填材35から成り、固定子積層4、フランジ30、管29、および巻線25、26の軸方向部分25によって限られるスペース内に配置されている。

この場合、歯12は、いわば、巻線25、26の軸方向部分25の間の充填材によって形成されている。

図６〜８に示す実施形態の場合、出口および入口捕集器8、9は、図１の実施形態と同様の環状要素から成るが、この場合、くぼみ36が回転子2の方向に向いた内壁17に備えられ、このくぼみ内には、固定子1の端に、巻線ヘッド27が収容され、またこのとき、巻線ヘッド27と当該捕集器8、9との間のスペースは、好ましくは、前述のものと類似の充填材35で満たされている。

この実施形態による、改良されたクーラーを備えた電動機または発電機の動作と使用の仕方は、第一の実施形態とほとんど同じであるが、違いは、出口および入口捕集器8、9の形態のため、当該巻線ヘッド27がより良く冷却される、ということである。というのは、これらのヘッドは、大部分前記捕集器8、9によって包囲されているからである。しかしこのとき、冷却媒体が巻線の通電されているガイドと直接接触することはない。

図９〜１１には、本発明による改良された冷却器を備えた電動機または発電機の変形実施形態を示す。この実施形態は、図６に示すものと類似の冷却要素7を備えているが、この場合、二組の軸方向管29が備えられ、一組の管29は、他の組の管29に比して、固定子積層4から大きな距離に配置されている。

この場合、入口および出口捕集器8、9は、環状室37によって形成されている。環状室37は、ハウジング3、冷却要素7、冷却要素7に同心に備えられている内管38、および環状ふた39によって限られている。該環状ふた39は、シーリング40および41によって、ハウジング3と前記内管38とに連結されている。

明らかに、巻線ヘッド27は冷却流体に直接接触している。この場合、冷却流体は入口開口23を通って捕集器9に流入し、出口開口21を通って出口捕集器8を出て行く。したがって、この場合、巻線ヘッド27の冷却は前記二つの実施形態の場合に比してさらに有効である。

図１２〜１４は、図９に示すものと類似の改良された固定子1のもう一つの実施形態を示すが、この場合、冷却要素7が図１に示すような冷却要素によって置き換えられている。

明らかに、前記タイプの一つの冷却要素7を、前記の環状要素または環状室37の形の出口および入口捕集器8、9と別様に組み合わせることも可能である。

また、クーラー6を一体に作ることも可能である。その場合、冷却要素7と出口および入口捕集器8、9とが一つの要素にまとめられる。

本発明は、上で例として説明し、添付の図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、逆に、本発明の改良された冷却器を備えた電動機または発電機は、本発明の範囲を逸脱することのない、あらゆる種類の形態と寸法とで具体化することができる。

本発明による改良された冷却器を備えた電動機または発電機の固定子を模式的に示す斜視図である。 図１の線II−IIに沿う断面を示す図である。 図２にF3で示す部分の拡大図である。 図１の線IV−IVに沿う断面を示す図である。 図４の線V−Vに沿う断面を示す図である。 図１に示すものの第一の変形実施形態を示す図である。 図６の線VII−VIIに沿う断面を示す図である。 図７の線VIII−VIIIに沿う断面を示す図である。 図１に示すものの第二の変形実施形態を示す図である。 図９の線X−Xに沿う断面を示す図である。 図１０の線XI−XIに沿う断面を示す図である。 図１に示すものの最後の第三の変形実施形態を示す図である。 図１２の線XIII−XIIIに沿う断面を示す図である。 図１３の線XIV−XIVに沿う断面を示す図である。

符号の説明

1 固定子
2 回転子
3 管状ハウジング
4 固定子積層
5 内壁
6 クーラー
7 冷却要素
8 出口捕集器
9 入口捕集器
10 外側円筒管
11 内側波形管
12 歯
13 溝
14 隔壁
15 流路
16 円筒形外壁
17 波形内壁
18 密閉壁
19 側壁
20 開口
21 出口開口
22 開口
23 入口開口
24 電気絶縁性の層
25、26 巻線
25 巻線の軸方向部分
26 巻線の湾曲部分
27 環状巻線ヘッド
28 ペースト
29 管
30 環状フランジ
31 流路
32 溝
33 歯
35 充填材
36 くぼみ
37 環状室
38 内管
39 環状ふた
40 シーリング
41 シーリング

Claims (19)

1. ハウジングいわゆる“スロットレス”管状固定子積層(4)、永久磁石を有する回転子(2)、固定子積層(4)と回転子(2)との間に備えられた巻線(25、26)から成る電動機または発電機の改良された冷却器であって、
   固定子積層(4)と回転子(2)との間に備えられたクーラー(6)を有し、巻線(25、26)がこのクーラー(6)上に備えられる、
   ことを特徴とする改良された冷却器。
2. クーラー(6)が、回転子(2)の方向に向いた半径方向の歯(12)を備え、該歯(12)が固定子(1)の軸方向に延びており、これらの歯の間に軸方向に延びた溝(13)が定められ、前記クーラーが通常の固定子積層の外形を有するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の改良された冷却器。
3. 当該歯(12)と溝(13)とがクーラー(6)の内周に沿って均一間隔で配置されていることを特徴とする請求項２に記載の改良された冷却器。
4. 当該巻線(25、26)が、当該歯(12)のまわりに備えられ、このとき、これらの巻線(25、26)が、当該溝(13)内に延びている軸方向の部分(25)と、固定子(1)の両端でたばねられていわゆる巻線ヘッド(27)となる湾曲部分(26)とを有することを特徴とする請求項２に記載の改良された冷却器。
5. クーラー(6)が、冷却流体のための一つまたは複数の流路(15)を有する冷却要素(7)から成ることを特徴とする請求項１に記載の改良された冷却器。
6. 当該流路(15)が軸方向に延びており、固定子(1)の一端において出口捕集器(8)に接続され、固定子(1)の他端において入口捕集器(9)に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の改良された冷却器。
7. 当該冷却要素(7)が、外管(10)と内管(11)とを備えた二重壁管から成ることを特徴とする請求項５に記載の改良された冷却器。
8. 外管(10)が、外径が固定子積層(4)の内径に一致する円筒管であり、また、内管(11)が、軸方向に延びている歯(12)と溝(13)とを有する波形管であり、ここで、外管と内管(10、11)が隔壁(14)によって相互連結されており、該隔壁が外管および内管(10、11)と協働して、冷却流体のための当該流路(15)を定めることを特徴とする請求項７に記載の改良された冷却器。
9. 冷却要素(7)が軸方向に配置された管(29)から成り、該管が当該流路(15)を構成し、また、該管が、固定子積層(4)と回転子(2)との間に等間隔に配置され、また該管の少なくとも両端が、固定子積層(4)に取りつけられた二つの環状フランジ(30)に取りつけられていることを特徴とする請求項５に記載の改良された冷却器。
10. 当該管(29)の少なくとも一部が、当該巻線(25、26)の軸方向部分(25)の間に部分的に配置されることを特徴とする請求項９に記載の改良された固定子冷却器。
11. 当該環状フランジ(30)が歯(33)を有し、これらの歯が、半径方向に回転子の方向に向っており、これらの歯の間に当該巻線(25)が備えられることを特徴とする請求項９に記載の改良された冷却器。
12. 管(29)と巻線(25、26)の軸方向部分(25)との間のスペースが、少なくとも部分的に、熱伝導性で電気絶縁性の充填材(35)で満たされることを特徴とする請求項１１に記載の改良された冷却器。
13. 当該出口および入口捕集器(8、9)がそれぞれ環状要素から成り、該要素が環状室(37)を定め、ここで、この環状要素が、冷却要素(7)の一端に対向する側壁(19)に連結され、またこの側壁(19)が、冷却要素(7)の当該流路(15)に開口するように加工してあることを特徴とする請求項５に記載の改良された冷却器。
14. 当該環状要素のそれぞれが外壁(16)によって当該ハウジング(3)に連結されており、また少なくともひとつの開口(20、22)が、この外壁(16)に備えてあり、この開口が、それぞれハウジング(3)の出口開口(21)および入口開口(23)に対向配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の改良された冷却器。
15. 当該環状要素の回転子(2)の方向に向いた壁(17)にくぼみ(36)が備えられ、該くぼみにおいて、巻線ヘッド(27)が固定子(1)の当該端上に取りつけられることを特徴とする請求項１４に記載の改良された冷却器
16. 当該出口および入口捕集器(8、9)が、ハウジング(3)によって限られる環状室(37)、冷却要素(7)、冷却要素(7)内に同心に備えられた内管(38)、およびハウジング(3)と前記内管(38)とに連結された環状ふた(39)から成ることを特徴とする請求項５に記載の改良された冷却器。
17. ハウジング(3)内で、出口および入口捕集器(8、9)の高さに、それぞれ少なくとも一つの出口開口(21)または入口開口(23)が備えられることを特徴とする請求項１６に記載の改良された冷却器。
18. クーラー(6)が熱伝導性で電気絶縁性の材料で作られることを特徴とする請求項１に記載の改良された冷却器。
19. クーラー(6)が冷却流体と巻線(25、26)との間の仕切りと成ることを特徴とする請求項１に記載の改良された冷却器。

Images