JP2008109851A - 電気装置のステータ積層体を冷却するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電機装置のステータ積層体を冷却するための装置を提供する。
【解決手段】電気装置のステータ用積層体の同軸スタックは、実質的に同一で互いに直接的に当接する複数の積層体を使用する。積層体の各々は、外側周辺部及び内側周辺部を有し、該外側周辺部は外側に突出するピンのアレイにより画定され、該内側周辺部は内側に突出する歯のアレイにより画定される。外側に突出するピンは、冷却空間を提供するためジャケットと協働してスタックを取り囲む。該冷却空間を通って冷却流体が流れ、該歯はステータ巻き線を受け入れるため、該歯の間に整列した空間を提供する。ピンの数（ｎ_pin）は、歯の数（ｎ_th）の（２Ｋ＋１）／（２Ｋ_th）倍に従って、歯の数（ｎ_th）に比例する。ここでＫは選択された整数であり、Ｋ_thは、各積層体が、隣接する積層体の歯の間の空間が整列されるように隣接する積層体に関して回転されるとき通り過ぎる歯の数である。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気装置のステータ積層体を冷却するための装置に係り、スタック内の積層体が、径方向に突出するピンを備え、それらのピンの間に空間を有し、該空間を通して冷却流体が流れる、当該装置に関する。より詳しくは、本発明は、自動車にパワーを供給するための電気モータとして構成された当該装置に関する。

自動車にパワーを供給するため使用される冷却式電気モータは、モータの効率を改善させる。そのような冷却構造を構成する仕方は、そのようなモータのステータから外側に突出するピンのアレイを利用して、該ピンの自由端部を取り囲み、該ピンの自由端部と熱輸送の関係で押されているジャケットと協働するピンフィンアレイとして構成されたステータの外側周辺部を形成することである。ピンの自由端部及びピンジャケットは、接触表面を有しており、該接触表面では、ピンの周りを流れてジャケットの内側表面に亘る冷却流体に起因して、実質的な温度降下が存在する。

自動車を製造する際には、信頼性を維持しつつコストを削減することが望ましい。現在の慣習では、様々に異なる構成の積層体は、ステータに亘って冷却剤の流体の流れを可能にするようにステータの周辺部で空間を提供するため利用される。積層体に関して１つより多い構成を利用することは、ステータの製造コストを増大させ、ステータの組み立てコストを増大させる。

電気装置のステータ用積層体の同軸スタックは、実質的に同一で互いに直接的に当接する複数の積層体を使用する。積層体の各々は、外側周辺部及び内側周辺部を有し、該外側周辺部は外側に突出するピンのアレイにより画定され、該内側周辺部は内側に突出する歯のアレイにより画定される。外側に突出するピンは、冷却空間を提供するためジャケットと協働してスタックを取り囲む。該冷却空間を通って冷却流体が流れ、該歯はステータ巻き線を受け入れるため、該歯の間に整列した空間を提供する。

本発明の一態様では、ピンの各々は、ベースから、該ベースの幅よりも小さい幅を有するターミナルへと外側にテーパーが形成されており、隣接する積層体のピンの間に角度ギャップを提供し、該ギャップを通って冷却液体が流れる。

本発明の更なる態様では、各ピンは、ピンのベースの幅に等しい距離だけ積層体上で隣接するピンから間隔を隔てられ、隣接する積層体のピンはギャップと整列され、歯の間の空間はステータ巻き線を受け入れるように整列されている。

本発明の更なる態様では、ピンの数（ｎ_pin）は、歯の数（ｎ_th）の（２Ｋ＋１）／（２Ｋ_th）倍に従って、歯の数（ｎ_th）に比例する。ここでＫは選択された整数であり、Ｋ_thは
、各積層体が、隣接する積層体の歯の間の空間が整列されるように隣接する積層体に関して回転されるとき通り過ぎる歯の数である。

本発明の更なる態様では、ジャケットは、加圧された冷却流体を受け入れるためその軸端部の中間にポートを有し、該加圧冷却流体は、ピンの間のギャップを通過することによってジャケットとピンのアレイとの間に両軸方向に流れて、積層体のスタックとこれにより電気装置のステータとを冷却する。

本発明の更なる態様では、電気装置は電気モータである。
本発明のなお更なる態様では、電気モータは自動車にパワーを供給する。
本発明の様々な他の特徴及び付随する利点は、添付図面と関連して考慮されるときより良く理解されるようになるとき、より完全に理解されよう。これらの図面では、同様の参照番号は、幾つかの図面を通して同じか又は類似した部品を指し示している。

図１を参照すると、本発明の原理に従って構成された電気モータ１０が示されており、該電気モータはステータ１２と、アーマチャー１４とを備える。アーマチャー１４は、シャフト１６に接続され、該シャフトは、例えば自動駆動車輪又は一対の駆動車輪に接続されたトランスミッション等の被駆動要素にパワーを分配する。ステータ１２は、好ましくはポンプ１８によって加圧された液体である冷却流体１７によって冷却され、該ポンプは、ステータ１２を取り囲む冷却ジャケット２２の周りに配置されたマニホルド２０に液体をポンプ出力する。冷却流体１７は、孔２３のアレイを通してジャケット２２に入り、ステータ１２を冷却し、出口２４及び２６を通してジャケットを出て行き、車両のラジエータ２８へと戻り、該車両は、冷却流体から熱を除去し、かくしてステータから熱を除去する。ポンプ１８は、モータ１０のステータ１２のための連続的な冷却を提供するため冷却ジャケット２２を通して冷却流体を循環することができるように、マニホルド２０に冷却流体１７を戻す。冷却流体１７は好ましくは液体であるが、当該流体は、相変化材料であってもよい。

ここで図２を参照すると、図１のステータ１２が、ステータ１２の端部３１及び３２において流体コレクター２９及び３０に接続された出口２４及び２６が無い状態で示されている。ステータ１２は、個々の積層体４２のスタック４０から構成され、該個々の積層体は、各積層体が、同じか又は類似した打ち抜き器具によって打ち抜かれている点で同じである。これは、個々の積層体が異なる部品数で利用される従来技術の構成で必要となる様々に異なる打ち抜き器具のための必要性を無くす。同じ器具で積層体４２を製作することによって、積層体のコストは、組み立ての容易さが増大されると共に減少される。

ステータ１２の端部４４から見たとき、各積層体４２は、その外径４７上で外側に突出したピン４６のピンフィンアレイ４５を持ち、該ピンフィンアレイは、ジャケット２２の内側表面４８と係合し、ステータの外側周辺部を形成する。内側に突出した歯５０のアレイは、ステータ１２の内側周辺部を形成し、ステータの巻き線５６を受け入れる巻き線空間５２を提供する（図３及び図６参照）、各積層体１２の歯５０及びこれにより空間５２が整列されている一方で、隣接する積層体のピン４６は整列されていない。ピンのこの非整列は、ピン４６とジャケット２２の内側表面４８との間の冷却空間５４を通る混合渦流れを持つ流れパターンを提供する。

ここで図３を参照すると、ジャケット２２が除去された状態におけるステータの拡大部分が示されている。図３から明らかに、等しく打ち抜かれた積層体４２が、隣接する積層体と直接当接しており、積層体の内側に突出した歯５０がステータの巻き線５６を受け入れるためステータ１２を軸方向に通って延在するステータ巻き線空間５２を形成するように整列するべく各々の隣接する積層体が回転される。空間５２の数を適切に決定するように選択された数の歯５０に対して各積層体４２上のピン４６の数を正確に決定するため、ディオファントス方程式が、１８０°互い違いに並ぶピンフィンアレイ４５を達成するように、ステータ歯５０の数の関数としてピン４６の数を計算するため使用される。この決定は次の通り数学的に達成される。

ｎ_ｔｈをステータ歯５０の数とし、ｎ_ｐｉｎをステータ外径４７上のピン４６の数とし、ｋ_ｔｈをステータ外径４７上でピンフィンアレイ４５を達成するための（多数のステータ歯における）各積層群の回転度とする。

積層群が、ｋ_ｔｈ番目のステータ歯５０だけ前の群に対して回転されると仮定する。ピンフィンピッチにおける対応する回転角度は、次の通りとなる。

互い違いに並んだピンフィンアレイ４５を達成するためには、α_ｐｉｎは、次式の通り１８０°の奇数倍である必要がある。

ここで、ｋ＝０，１，２，．．．とする。このようにして、一つの群のピン４６は、前の群及び次の群のピンに対して１８０°隔てられている。他の整数群の角度配置も可能であり、冷却剤の流れプロフィールによって規定される。

・ 式及び（２）式から、

を得る。
図４は、ピンの数（ｎ_ｐｉｎ）が前記（３）式に従って歯の数（ｎ_ｔｈ）の関数として決定された一例である単一積層体を示している。図４では、各積層体４２に対して６０個の歯５０と、７０個のピン４６と、が示されている。

図５は、図３に示された積層体４２のスタック４０の端面図であり、スタック４０が組み立てられたとき、各々の連続する積層体４２は、３つの歯５０の距離だけ回転され、図３及び図５から明白な配列を生じさせ、該配列では、連続するピン４６の間の隙間６０内を流れる流体１７が、隣接する下流積層体上のピンの端面６２と衝突する。

ステータ１２の区分を示す図６及び図７で最も良く示されるように、ピン４６の各々は、平坦な前面６２と平坦な後面６６とを有する。平坦な前面６２は、冷却流体１７のための入口ポート２３（図１、図２及び図６）に面し、平坦な後面６６は、ステータ１２の端部２９及び３０に面している。歯４６がピン４６の間のギャップ６０を完全には遮蔽しないようにするため、ピンの各々は、頂上部７６に向かって各ピンのベース７４から勾配を形成する側部表面７０及び７２を有する。これは、連続する積層体４２上のピン４６の間でチャンネル８０を生じさせる。これらのチャンネル８０は、積層体４２の表面に亘って及びステータ１２上のピンフィンアレイ４５を通して軸方向に冷却流体１７の波状の流れを送出する、軸方向に延在する溝を形成する。流体１７の流れは、各ピン４６の下流に面した表面６２に対する衝撃及び各ピンの上流に面した表面６６により発生された上流側の渦流れによって乱流を形成する。

入口ポート２３から流れる冷却流体１７は、冷却流体がステータ１２の端部で出口２４及び２６に向かって流れ続けるように、ピン４６の前側表面６２によって勾配形成側部表面７０及び７２により提供されたギャップ６０及びチャンネル８０へと横方向に逸らされる。チャンネル８０内の冷却流体１７は、ピン４６の後部表面６６の背後で流れ、チャンネル８０及びギャップ６０内に流れる冷却流体を混合させる渦を形成する。

前記した説明から、当業者は、本発明の本質的な特徴が本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な使用法及び条件に本発明を適合させるため本発明の様々な変形及び変更をなし得ることを容易に確かめることができる。

図１は、ラジエータ及びポンプと組み合わされて自動車を駆動するため使用される電気モータ等の電気モータの側面図である。 図２は、冷却ジャケットを備える図１の電気モータのステータの斜視図である。 図３は、冷却ジャケット無しの図１のステータの一部分の拡大図である。 図４は、図２及び図３のステータを形成するため使用される単一積層体の端面図である。 図５は、２つの隣接する積層体を示すステータの端面図である。 図６は、図２乃至５の積層体の内側に突出したハウジングの間の巻き線空間内に配置された巻き線を示す、図５の一部分の拡大図である。 図７は、ステータに亘る冷却流体の流れを示す図３の一部分の拡大頂面図である。

Claims (11)

1. 電気装置のステータ用積層体の同軸スタックであって、
   実質的に同一の複数の積層体であって、各積層体は外側周辺部及び内側周辺部を有する、前記複数の積層体を備え、
   前記複数の積層体は、外側に突出したピンのアレイにより画定された各積層体の外側周辺部と内側に突出した歯のアレイにより画定された各積層体の内側周辺部とにおいて互いに直接的に当接し、前記外側に突出するピンは前記スタックを取り囲むジャケットと協働して冷却空間を提供し、前記冷却空間を通って冷却流体が流れ、前記歯はステータ巻き線を受け入れるため、該歯の間に整列した空間を提供する、同軸スタック。
2. 前記ピンの各々は、該ピンのベースから該ピンの頂上部へと外側にテーパーを形成し、前記ピンの頂上部は前記ベースの幅よりも小さい幅を有して、隣接する積層体の前記ピンの間に冷却流体が流れるチャンネルを提供する、請求項１に記載の同軸スタック。
3. 前記積層体に設けられた前記ピンの各々は、該ピンの前記ベースの幅に実質的に等しい距離だけ前記積層体に設けられた隣接するピンから間隔を隔てられ、隣接する積層体のピンは、前記歯の間の空間が前記巻き線を受け入れるように整列されているとき、前記ギャップと整列されている、請求項２に記載の同軸スタック。
4. 前記ピンの数（ｎ_pin）は、前記歯の数（ｎ_th）の（２Ｋ＋１）／（２Ｋ_+n）倍に従って、
   前記歯の数（ｎ_th）に比例し、Ｋは選択された整数に等しく、Ｋ_+nは、各積層体が、隣接する積層体の歯の間の空間が整列されるように隣接する積層体に関して回転されるとき通り過ぎる歯の数である、請求項３に記載の同軸スタック。
5. 前記ジャケットは、加圧された冷却流体を受け入れるためその軸方向端部の中間にポートを有し、該加圧冷却流体は、前記ピンの間の前記チャンネルを通って両軸方向に流れて、前記積層体のスタックとこれにより前記電気装置の前記ステータとを冷却する、請求項４に記載の同軸スタック。
6. 前記ステータを組み込んだ前記電気装置は、電気モータのステータを備える、請求項５に記載の同軸スタック。
7. 熱交換器を有する自動車にパワーを供給するため使用される電気モータのステータ用積層体の同軸スタックであって、
   実質的に同一の複数の積層体であって、各積層体は外側周辺部及び内側周辺部を有し、該複数の積層体は、外側に突出したピンのアレイにより画定された各積層体の外側周辺部と内側に突出した歯のアレイにより画定された各積層体の内側周辺部とにおいて互いに直接的に当接し、前記外側に突出するピンは前記スタックを取り囲むジャケットと協働して冷却空間を提供し、前記冷却空間を通って冷却流体が流れ、前記歯はステータ巻き線を受け入れるため、該歯の間に整列した空間を提供する、前記複数の積層体と、
   前記積層体の前記スタックの周りの冷却空間から冷却流体を流すため前記自動車の熱交換器の間に設けられた流体接続部と、
   を備える、同軸スタック。
8. 前記ピンの各々は、該ピンのベースから該ピンの頂上部へと外側にテーパーを形成し、前記ピンの頂上部は前記ベースの幅よりも小さい幅を有して、隣接する積層体の前記ピンの間に冷却流体が流れるチャンネルを提供する、請求項７に記載の同軸スタック。
9. 前記積層体に設けられた前記ピンの各々は、該ピンの前記ベースの幅に実質的に等しい距離だけ前記積層体に設けられた隣接するピンから間隔を隔てられ、隣接する積層体のピンは、前記歯の間の空間が前記巻き線を受け入れるように整列されているとき、前記ギャップと整列されている、請求項８に記載の同軸スタック。
10. 前記ピンの数（ｎ_pin）は、前記歯の数（ｎ_th）の（２Ｋ＋１）／（２Ｋ_+n）倍に従って、
    前記歯の数（ｎ_th）に比例し、Ｋは選択された整数に等しく、Ｋ_+nは、各積層体が、隣接する積層体の歯の間の空間が整列されるように隣接する積層体に関して回転されるとき通り過ぎる歯の数である、請求項９に記載の同軸スタック。
11. 前記ジャケットは、加圧された冷却流体を受け入れるためその軸方向端部の中間にポートを有し、該加圧冷却流体は、前記ピンの間の前記チャンネルを通って両軸方向に流れて、前記積層体のスタックとこれにより前記電気モータの前記ステータとを冷却する、請求項１０に記載の同軸スタック。

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